JPH09313487A - 超音波３次元像撮像方法および装置 - Google Patents

超音波３次元像撮像方法および装置

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JPH09313487A
JPH09313487A JP8135317A JP13531796A JPH09313487A JP H09313487 A JPH09313487 A JP H09313487A JP 8135317 A JP8135317 A JP 8135317A JP 13531796 A JP13531796 A JP 13531796A JP H09313487 A JPH09313487 A JP H09313487A
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Yasuto Takeuchi
康人 竹内
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３次元像を実時間で撮像する超音波３次元像
撮像方法および装置を実現する。 【解決手段】 被検音場を見込む立体方位角を複数分割
した小立体方位角に向けて超音波ビームを送波してその
エコーをマルチビームで受信する、という超音波送受信
を複数の小立体方位角について逐次行う超音波送受信手
段１，２と、エコー受信信号を音線毎に被検音場の深さ
方向においてレンジゲートし、その信号に基づいて音線
方向の直視画像を生成する画像生成手段４〜６とを具備
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波３次元像撮
像方法および装置に関し、特に、３次元像を実時間で撮
像する超音波３次元像撮像方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波撮像装置は、被検体に超音波を送
波してその反射波（エコー(echo)）を受信し、エコーデ
ータに基づいて被検体の内部を画像化するようになって
いる。超音波の送受信は指向性のあるビーム（音線）に
よって行われる。被検体の内部の所望の領域（撮像範
囲）は音線順次の超音波送受信によって走査され、画像
を生成するに足る受波信号が収集される。
【０００３】３次元画像を生成する場合は被検音場の３
次元領域が走査され、そこから収集されたエコーデータ
が画像生成に用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】３次元像を実時間（リ
アルタイム）で表示しようとすると、画像の表示速度
（フレームレート(frame rate)）は２０〜３０FPS(fram
e per second) 程度が必要になる。このため、３０〜５
０ｍｓ毎に１画面を生成するに足るエコーデータを収集
しなければならない。
【０００５】しかし、被検体内の音速は限られているの
で、音線順次で走査するとそのような時間内に送受信で
きる音線は高々１００本内外となる。この程度の音線で
走査した場合、実用的な空間分解能を得ようとすれば走
査できる３次元領域は範囲が狭くなって実用に耐えず、
また、３次元領域を実用的な大きさにしようとすると音
線密度が疎らになって画像の空間分解能が粗くなり、や
はり実用に耐えない。
【０００６】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、３次元像を実時間で撮像す
る超音波３次元像撮像方法および装置を実現することで
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〔１〕課題を解決するための第１の発明は、被検音場を
見込む立体方位角を複数分割した小立体方位角に向けて
超音波ビームを送波してそのエコーを小立体方位角を複
数分割する複数の音線に沿って同時受信する超音波送受
信を複数の小立体方位角について逐次行い、各音線の受
信信号を音線毎に被検音場の深さ方向においてレンジゲ
ートし、レンジゲートされた受信信号に基づいて音線方
向に直視した画像を生成することを特徴とする超音波３
次元像撮像方法である。
【０００８】課題を解決するための第１の発明によれ
ば、小立体方位角単位で逐次に被検音場を走査するとと
もにエコーをマルチビーム受信し、それに基づいて音線
方向に直視した画像を生成するようにしたので、撮像対
象の３次元像を実時間で撮像する超音波３次元像撮像方
法を実現することができる。
【０００９】課題を解決するための第１の発明におい
て、前記レンジゲートされた受信信号を各々直交検波
し、直交検波された複数の音線の受信信号を方位角方向
に２次元フーリエ変換することが空間分解能の良い画像
を得る点で好ましい。
【００１０】〔２〕課題を解決するための第２の発明
は、被検音場を見込む立体方位角を複数分割した小立体
方位角に向けて超音波ビームを送波してそのエコーを小
立体方位角を複数分割する複数の音線に沿って同時受信
する超音波送受信を複数の小立体方位角について逐次行
う超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段によって
受信された各音線の受信信号を音線毎に被検音場の深さ
方向においてレンジゲートするレンジゲート手段と、前
記レンジゲート手段によってレンジゲートされた信号に
基づいて音線方向に直視した画像を生成する画像生成手
段とを具備することを特徴とする超音波３次元像撮像装
置である。
【００１１】課題を解決するための第２の発明によれ
ば、超音波送受信手段により小立体方位角単位で逐次に
被検音場を走査するとともにエコーをマルチビーム受信
し、画像生成手段によりマルチビーム受信信号に基づい
て音線方向に直視した画像を生成するようにしたので、
撮像対象の３次元像を実時間で撮像する超音波３次元像
撮像装置を実現することができる。
【００１２】課題を解決するための第２の発明におい
て、前記画像生成手段はレンジゲートした信号を各々直
交検波し、直交検波した複数の音線の受信信号を方位角
方向に２次元フーリエ変換して画像を生成するように構
成することが空間分解能の良い画像を得る点で好まし
い。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。
【００１４】図１に超音波撮像装置のブロック図を示
す。本装置は本発明の実施の形態の一例である。なお、
本装置の構成によって本発明の装置に関する実施の形態
の一例が示される。また、本装置の動作によって本発明
の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００１５】図１において、超音波プローブ１は図示し
ない被検音場に超音波ビームを送波するとともに被検音
場からのエコーを受波するものである。超音波プローブ
１は例えば複数の振動子の２次元アレイを有するもので
ある。
【００１６】図２に超音波プローブ１における振動子ア
レイの一例を示す。同図に示すように、例えば６４個の
超音波振動子１１が８×８マトリクスの２次元アレイを
形成している。超音波振動子１１は例えばＰＺＴ（チタ
ン酸ジルコン酸鉛）のような圧電体を用いて構成され、
図示しない支持部材（パッキング部材）で支持されてい
る。
【００１７】送受信部２は超音波プローブ１を駆動して
超音波ビームを送波させるとともに超音波プローブ１の
エコー検出信号を受信するものである。超音波プローブ
１および送受信部２は本発明における超音波送受信手段
の実施の形態の一例である。
【００１８】図３に超音波送受信の模式的説明図を示
す。図３において、（ａ）は平面図、（ｂ）および
（ｃ）は側面図である。被検音場について例えば（ａ）
に示すように超音波プローブ１から見た正面視野ＦＲが
設定される。この正面視野ＦＲは３次元像の撮像領域を
正面から見た２次元の視野である。なお、正面とは被検
音場を音線方向に直視した面を意味する。超音波プロー
ブ１からこの正面視野ＦＲを見込む立体角は正面視野の
立体方位角を与える。正面視野の立体方位角は本発明に
おける被検音場を見込む立体方位角の実施の形態の一例
である。
【００１９】正面視野ＦＲ内に小視野ｆｒが設定され
る。小視野ｆｒは正面視野ＦＲに対し例えば縮尺１／８
の相似形とされる。超音波プローブ１からこの小視野ｆ
ｒを見込む立体角は小視野の立体方位角を与える。小視
野の立体方位角は本発明における小立体方位角の実施の
形態の一例である。
【００２０】送波時は（ｂ）に示すように、小視野ｆｒ
に向けてその全体を包含する太い超音波ビームＳＢＭを
送波する。そのような送波ビームＳＢＭは送受信部２に
よる送波ビームフォーミング(beam forming)によって形
成される。送波ビームＳＢＭは例えばコーンビーム(con
e beam) ないしファンビーム(fan beam)とされる。
【００２１】これに対するエコーは（ｃ）に示すように
複数の受波ビームＲＢＭによって受信される。複数の受
波ビームＲＢＭは送受信部２における受波ビームフォー
ミングによって形成される。これにより、小視野ｆｒ内
に均等に分布した例えば６４本の音線に沿うエコー受信
信号が同時並行的に得られる。
【００２２】これらのエコー受信信号は、（ａ）に示す
ように、小視野ｆｒを８×８マトリクスで表現したとき
の各マトリクス要素のエコー信号に相当するものとな
る。すなわち、小視野ｆｒを８×８マトリクスで表す受
信信号が１回の送受信で一挙に得られる。
【００２３】超音波ビームの送受信は小視野ｆｒを逐次
隣接領域に移して繰返される。小視野ｆｒの逐次移動は
送受信部２による送受のビームフォーミングを逐次切り
換えることによって行われる。
【００２４】これによって、正面視野ＦＲは小視野ｆｒ
の単位で逐次２次元的に走査され、小視野ｆｒの縮尺比
が１／８の場合は６４回の送受信で正面視野ＦＲ全体が
走査される。
【００２５】このような走査を行うことにより、例えば
正面視野が１０ｃｍ×１０ｃｍで深さ１０ｃｍの３次元
の被検音場を例えば３０FPS のフレームレートで走査す
ることができる。そして、そのとき各フレーム毎に６４
×６４＝４０９６本の音線分のエコー受信信号が得られ
る。
【００２６】すなわち、例えば１０ｃｍ×１０ｃｍの正
面視野を６４×６４＝４０９６本の音線で走査したもの
に相当するエコー受信信号が３０FPS のフレームレート
で得られることになる。
【００２７】送受信部２が受信したエコー受信信号はレ
ンジゲート部３に入力される。レンジゲート部３は、入
力された各音線毎のエコー受信信号についてそれぞれレ
ンジゲート処理を行う。レンジゲート部３は本発明にお
けるレンジゲート手段の実施の形態の一例である。
【００２８】レンジゲート処理は、図４に示すようにエ
コー受信信号から所望の深さの範囲の信号部分ＳＦを切
り出す処理である。信号部分ＳＦは例えば図５に示すよ
うに、被検音場内の撮像対象ＯＢの表面で反射されたエ
コーであり、この部分が切り出されるようにレンジゲー
トのタイミングおよび範囲が制御される。信号部分ＳＦ
は例えば子宮内の羊水に浮かぶ胎児の体表からのエコー
等である。
【００２９】胎児の場合は羊水との音響インピーダンス
の違いが顕著なので、従来の水袋を介して超音波撮像を
行う場合と同様なスキントリガ法に基づいてレンジゲー
トを行うことができる。スキントリガ法によるレンジゲ
ートは手法が簡便な点で好ましい。
【００３０】レンジゲート処理されたエコー受信信号は
直交検波部４で直交検波され同相分ｉと直角相分ｑに分
離される。直交検波部４は本発明における直交検波手段
の実施の形態の一例である。同相分ｉと直角相分ｑに分
離された各音線毎のエコー受信信号は２次元フーリエ(F
ourie)変換部５に入力される。
【００３１】２次元フーリエ変換部５は入力された全音
線のエコー受信信号につき、方位角の方向に２次元フー
リエ変換を行う。２次元フーリエ変換部５は本発明にお
ける２次元フーリエ変換手段の実施の形態の一例であ
る。２次元フーリエ変換結果は画像生成部６に入力され
る。
【００３２】なお、２次元フーリエ変換に代えて、数学
的にそれと等価な処理を採用しても同じ結果が得られ
る。そのような処理としては例えばフラクショナルフー
リエ変換(fractional Fourie transform) あるいはガボ
ア（Gabor)変換等がある。
【００３３】画像生成部６は２次元フーリエ変換によっ
て得られた各データ（２次元データ）についてそれぞれ
パワーを求め、それらを画素値とする画像を生成する。
これによって、撮像対象の表面を音線方向に直視した画
像すなわち撮像対象（例えば胎児）の３次元像が得られ
る。
【００３４】この３次元像は２次元フーリエ変換処理さ
れたデータに基づいて生成されることにより空間分解能
の優れた画像となる。直交検波部４、２次元フーリエ変
換部５および画像生成部６は画像生成手段１０を構成す
る。画像生成手段１０は本発明における画像生成手段の
実施の形態の一例である。
【００３５】なお、画像生成手段１０は、２次元フーリ
エ変換によらず、レンジゲートされた各音線のエコー受
信信号の強度に基づいて画像を生成するように構成して
も良い。そのような画像生成手段は構成が簡素化される
点で好ましい。
【００３６】画像生成手段１０の出力画像が表示部７に
与えら可視像として表示される。エコー受信信号の処理
に関わるレンジゲート部３、直交検波部４、２次元フー
リエ変換部５および画像生成部６の動作は、例えば４０
９６本の音線分のエコー受信信号を３０FPS のフレーム
レートで実時間処理するのに十分対応できる動作速度を
有する。したがって、表示部７に表示される画像は実時
間の３次元像となる。
【００３７】制御部８は以上の各部を制御して所定のシ
ーケンスによる超音波撮像を遂行する。制御部８は例え
ばコンピュータ等によって構成される。制御部８には操
作部９が接続される。操作部９は操作者によって操作さ
れ制御部８に指令の入力や撮像条件の設定等を行う。
【００３８】上記の実施の形態においては超音波プロー
ブ１の振動子アレイを８×８マトリクス構成のものとし
たが、マトリクスサイズはこれに限るものではなく１６
×１６または３２×３２等任意に選んで良い。
【００３９】エコー受信信号の処理に関わるレンジゲー
ト部３、直交検波部４、２次元フーリエ変換部５および
画像生成部６の動作速度が許す範囲でできるだけマトリ
クスサイズを大きくすることが、撮像範囲を広くまたは
画像の分解能を高くする点で好ましい。
【００４０】マトリクスサイズを例えば６４×６４のよ
うに大きなものにしたときは、振動子アレイの出力側に
マルチプレクサ(multiplexer) を設け、ビームフォーミ
ングを初めとするエコー受信信号処理を時分割処理とす
ることが装置の大規模化を抑制する点で好ましい。この
手法は開口合成法と呼ばれる。
【００４１】また、振動子アレイは正確な方形マトリク
スに限る必要はなく、より簡略なマトリクスで済ますこ
とができる。図６にそのような例を示す。図６は超音波
振動子１１を同心円環状に２列配列したアレイの例であ
る。各列は例えば３２個の超音波振動子によって構成さ
れる。
【００４２】このような振動子アレイを用いても、送受
信部２でのビームフォーミングにより正面視野ＦＲの小
視野ｆｒを例えば８×８マトリクスに分割する複数の受
波ビームを形成することができる。
【００４３】ただし、形成される受波ビームは例えば図
７に示すようにサイドローブＳＬの大きなものとなる
が、音線方向の直視像を求める観点からはメインローブ
ＭＬの鋭さが重要であり、しかもこのメインローブＭＬ
の鋭さはビームフォーミングが理想的な場合（１点鎖
線）と殆ど変わらないので問題は生じない。
【００４４】アレイは方形の環であっても差し支えな
い。方形の環状アレイを構成するときは、図８に示すよ
うに、方形マトリクスアレイの周辺部の振動子（斜線部
分）を用いて構成するようにしても良い。
【００４５】この方法は、振動子の選び方によって方環
状アレイの形状と大きさをマトリクスの範囲内で自在に
設定できる点で好ましい。また、図９に斜線部で示すよ
うに、ビームフォーミングに関与する振動子をマトリク
ス内に疎らに分布させ、それらの振動子を用いてビーム
フォーミングを行うようにしても良い。このようなアレ
イはスパース(sparce)アレイと呼ばれる。このスパース
アレイは振動子の選び方によるアレイ構成の自由度が一
層増す点で好ましい。
【００４６】これら方環アレイもスパースアレイも、ビ
ームフォーミングによって形成される受波ビームは少な
からぬサイドローブを含むが、上記の理由により問題は
生じない。
【００４７】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、課題を解決
するための第１の発明によれば、小立体方位角単位で逐
次に被検音場を走査するとともにエコーをマルチビーム
受信し、それに基づいて音線方向に直視した画像を生成
するようにしたので、撮像対象の３次元像を実時間で撮
像する超音波３次元像撮像方法を実現することができ
る。
【００４８】また、課題を解決するための第２の発明に
よれば、超音波送受信手段により小立体方位角単位で逐
次に被検音場を走査するとともにエコーをマルチビーム
受信し、画像生成手段によりマルチビーム受信信号に基
づいて音線方向に直視した画像を生成するようにしたの
で、撮像対象の３次元像を実時間で撮像する超音波３次
元像撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。
【図２】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの振動子アレイの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波の送受波を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態の一例の装置におけるエコ
ー受信信号の波形図である。
【図５】本発明の実施の形態の一例の装置の動作状態の
説明図である。
【図６】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの振動子アレイの一例を示す図である。
【図７】超音波ビームの指向性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの振動子アレイの一例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの振動子アレイの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波プローブ １１ 超音波振動子 ２ 送受信部 ３ レンジゲート部 ４ 直交検波部 ５ ２次元フーリエ変換部 ６ 画像生成部 ７ 表示部 ８ 制御部 ９ 操作部 １０ 画像生成手段 ＦＲ 正面視野 ｆｒ 小視野 ＳＢＭ 送波ビーム ＲＢＭ 受波ビーム

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被検音場を見込む立体方位角を複数分割
    した小立体方位角に向けて超音波ビームを送波してその
    エコーを小立体方位角を複数分割する複数の音線に沿っ
    て同時受信する超音波送受信を複数の小立体方位角につ
    いて逐次行い、各音線の受信信号を音線毎に被検音場の
    深さ方向においてレンジゲートし、レンジゲートされた
    受信信号に基づいて音線方向に直視した画像を生成する
    ことを特徴とする超音波３次元像撮像方法。
  2. 【請求項２】 前記レンジゲートされた受信信号を各々
    直交検波し、直交検波された複数の音線の受信信号を方
    位角方向に２次元フーリエ変換することにより音線方向
    に直視した画像を生成することを特徴とする請求項１に
    記載の超音波３次元像撮像方法。
  3. 【請求項３】 被検音場を見込む立体方位角を複数分割
    した小立体方位角に向けて超音波ビームを送波してその
    エコーを小立体方位角を複数分割する複数の音線に沿っ
    て同時受信する超音波送受信を複数の小立体方位角につ
    いて逐次行う超音波送受信手段と、前記超音波送受信手
    段によって受信された各音線の受信信号を音線毎に被検
    音場の深さ方向においてレンジゲートするレンジゲート
    手段と、前記レンジゲート手段によってレンジゲートさ
    れた信号に基づいて音線方向に直視した画像を生成する
    画像生成手段とを具備することを特徴とする超音波３次
    元像撮像装置。
  4. 【請求項４】 前記画像生成手段は、前記レンジゲート
    された信号を各々直交検波する直交検波検波手段と、前
    記直交検波検波手段によって直交検波された複数の音線
    の受信信号を方位角方向に２次元フーリエ変換する２次
    元フーリエ変換手段とを有することを特徴とする請求項
    ３に記載の超音波３次元像撮像装置。
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