JPH11235338A

JPH11235338A - 受波ビームフォーミング方法および装置並びに超音波撮像装置

Info

Publication number: JPH11235338A
Application number: JP10038280A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Takeuchi; 康人竹内
Original assignee: GE Yokogawa Medical System Ltd; Yokogawa Medical Systems Ltd
Current assignee: GE Healthcare Japan Corp
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-31
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JP4034402B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数のプロセッサによるデータ処理の能率が
高い受波ビームフォーミング方法および装置、並びに、
そのような受波ビームフォーミング装置を備えた超音波
撮像装置を実現する。【解決手段】撮像対象に超音波を送波してそのエコー
を複数の受信素子のアレイ２００で受信してメモリ６に
記憶し、受波音線３００上の反射点３０２〜３１４から
のエコーがエコー信号列４００上にそれぞれ位置するア
ドレス群５０４〜５１４ごとに、複数のプロセッサによ
りそれぞれエコー信号を加算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受波ビームフォー
ミング(beamforming) 方法および装置並びに超音波撮像
装置に関し、特に、撮像対象に超音波を送波してそのエ
コー(echo)を複数の受信素子のアレイ(array) で受信し
てメモリ(memory)に記憶し、それらエコー信号を複数の
プロセッサ(processor) で処理して受波ビームフォーミ
ングを行なう受波ビームフォーミング方法および装置、
並びに、そのような受波ビームフォーミング装置を備え
た超音波撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波撮像装置における信号処理につい
てはディジタル(digital) 化が普及してきた。そのよう
な超音波撮像装置の１つとして、例えば特開平９−５１
８９５号公報に記載のように、必然的にアナログ(analo
g)でなければならない超音波送受信系を除き、全ての信
号処理系をディジタル化した超音波撮像装置がある。

【０００３】この超音波撮像装置では、複数の受信素子
のアレイで受信した超音波エコーを受信素子ごとにメモ
リに記憶し、それらエコー信号をそれぞれＦＦＴ(fast
Fourie transform) 処理して周波数ドメイン(domain)の
信号に変換し、周波数ドメインにおいて、複数のプロセ
ッサによる同時並行処理ないし時分割多重処理により、
受波ビームフォーミングを行なうようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような受波ビー
ムフォーミングを行なう場合、複数のプロセッサは、周
波数ドメインでの受波ビームフォーミングに際し、例え
ば受信信号の位相調整および可変開口の調節等のため
に、同一のデータにおのおの独立にアクセス(access)し
てそれぞれのデータ処理を行なうので、複数のプロセッ
サ間でメモリアクセスが競合する頻度が高くなり、デー
タ処理の能率が低下するという問題があった。

【０００５】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、複数のプロセッサによるデ
ータ処理の能率が高い受波ビームフォーミング方法およ
び装置、並びに、そのような受波ビームフォーミング装
置を備えた超音波撮像装置を実現することである。

【０００６】

【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、撮像対象に超音波を送波してそのエ
コーを複数の受信素子のアレイで受信し、前記複数の受
信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信号列をメモリ
に記憶し、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前
記記憶した複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位
置に相当するアドレスで形成される前記複数の反射点に
対応した複数のアドレス群ごとに、複数のプロセッサに
よりそれぞれ前記エコー信号を加算し、前記複数のプロ
セッサによる加算結果を統合して前記受波音線上のエコ
ー受信信号を形成する、ことを特徴とする受波ビームフ
ォーミング方法である。

【０００７】（２）課題を解決するための第２の発明
は、撮像対象に超音波を送波してそのエコーを複数の受
信素子のアレイで受信する超音波送受信手段と、前記複
数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信号列を
記憶する記憶手段と、受波音線上の複数の反射点からの
エコーが前記記憶した複数のエコー信号列上にそれぞれ
存在する位置に相当するアドレスで形成される前記複数
の反射点に対応した複数のアドレス群ごとに設けられ、
前記複数のアドレス群ごとにそれぞれ前記エコー信号を
加算する複数のプロセッサと、前記複数のプロセッサに
よる加算結果を統合して前記受波音線上のエコー受信信
号を形成する受波ビーム形成手段と、を具備することを
特徴とする受波ビームフォーミング装置である。

【０００８】（３）課題を解決するための第３の発明
は、撮像対象に超音波を送波してそのエコーを複数の受
信素子のアレイで受信する超音波送受信手段と、前記複
数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信号列を
記憶する記憶手段と、受波音線上の複数の反射点からの
エコーが前記記憶した複数のエコー信号列上にそれぞれ
存在する位置に相当するアドレスで形成される前記複数
の反射点に対応した複数のアドレス群ごとに設けられ、
前記複数のアドレス群ごとそれぞれ前記エコー信号を加
算する複数のプロセッサと、前記複数のプロセッサによ
る加算結果を統合して前記受波音線上のエコー受信信号
を形成する受波ビーム形成手段と、前記受波ビーム形成
手段が形成したエコー受信信号に基づいて画像を生成す
る画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波
撮像装置である。

【０００９】第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つ
において、前記複数のエコー信号列の記憶は、予め受波
音線の方位角を補償した上で行なうことが、複数のプロ
セッサの制御を簡素化する点で好ましい。

【００１０】（作用）本発明では、エコー信号の記憶値
に対し、複数のプロセッサが、それぞれ対応するアドレ
ス群ごとにアクセスして競合を解消する。アドレス群
は、受波音線上の共通の反射点からのエコーが複数のエ
コー信号列列上にぞれぞれ位置するアドレスであって、
各エコーの位相が整合するアドレスであり、その記憶値
を加算することにより整相加算が行なわれる。

【００１１】

【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。図１に、超音波撮像装置の
ブロック図を示す。図２に、本装置によるデータ処理の
流れをブロック図で示す。本装置は本発明の実施の一形
態である。本装置の構成によって本発明の装置に関する
実施の一形態が示される。本装置の動作によって本発明
の方法に関する実施の一形態が示される。

【００１２】図１に示すように、本装置は、超音波プロ
ーブ(probe) ２と送受信部４を備えている。超音波プロ
ーブ２と送受信部４からなる部分は、本発明における超
音波送受信手段の実施の一形態である。超音波プローブ
(probe) ２は複数の超音波トランスデューサ・エレメン
ト(transducer element)のアレイを有し、送受信部４で
駆動されて、図示しない撮像対象すなわち被検体に超音
波ビームを送波し、そのエコーを検出するようになって
いる。被検体は超音波ビームが形成する音線で走査され
る。超音波トランスデューサ・エレメントは、本発明に
おける受信素子の実施の形態の一例である。

【００１３】送受信部４は、超音波プローブ２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２
からエコー検出信号を受信し、エコー受信信号につき、
検波しないＲＦ(radio frequency) 信号のままでアナロ
グ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換し、ＲＦエコーメモリ(e
cho memory) ６に書き込むようになっている。

【００１４】ＲＦエコーメモリ６は、超音波トランスデ
ューサ・エレメントごとのエコー受信信号を、ディジタ
ルデータ(digital data)として記憶するようになってい
る。以下、記憶されたエコー受信信号をエコーデータと
いう。ＲＦエコーメモリ６は、本発明における記憶手段
の実施の形態の一例である。超音波送波１回当たりのエ
コーデータが１つのメモリプレーン(memory plane)に記
憶される。メモリプレーンは複数設けられ、複数回の超
音波送波に対するエコーデータが記憶される。これによ
って、ＲＦエコーメモリ６には、ＲＦのままのエコー受
信信号すなわちエコーのホログラム(hologram)が記憶さ
れる。このように、超音波プローブ２、送受信部４およ
びＲＦエコーメモリ６により、図２の処理ブロック２０
の処理が行われる。

【００１５】ＲＦエコーメモリ６に記憶されたエコーデ
ータは、ＤＳＰ(digital signal processor)アレイ８で
データ処理されるようになっている。ＤＳＰアレイ８は
複数個のＤＳＰによって構成される。ＤＳＰの数は、少
なくとも後述する整相曲線の数を下回らないようになっ
ている。ＤＳＰは本発明におけるプロセッサの実施の形
態の一例である。なお、プロセッサはＤＳＰに限るもの
ではなく、例えばＭＰＵ(microprocessor)等、他の形式
のプロセッサであって良い。ＤＳＰアレイ８は本発明に
おける受波ビーム形成手段の実施の形態の一例である。

【００１６】ＤＳＰアレイ８は、図示しない制御部によ
る制御の下で、図２に示した処理ブロック２２〜２６の
処理を行う。すなわち、エコーデータについて受波ビー
ムフォーミングを行い、その結果についてＦＦＴを行っ
て周波数ドメインのデータに変換する（２２）。また、
ＦＦＴしたデータについて、周波数ドメインにおいて、
フィルタリング(filtering) 、コンボリューション(con
volution) 、ドプラ(Doppler) ／ＭＴＩ(moving target
indication)処理等のデータ処理を行い（２４）、最後
にｉＦＦＴ(inverse fast Fourie transform) を行って
時間ドメインの信号に戻す（２６）。

【００１７】ＤＳＰアレイ８によるこのようなデータ処
理は、ＲＦエコーメモリ６に記憶されたエコーデータ群
について、複数のＤＳＰにより同時並行ないし時分割多
重で遂行される。個々のＤＳＰとＲＦエコーメモリ６の
各メモリプレーンとの関係は特に固定されておらず、ど
のＤＳＰも各メモリプレーン平等にアクセスできるよう
になっている。なお、ＤＳＰアレイ８はデータ処理の過
程で図示しない作業用メモリを適宜に使用する。ＤＳＰ
アレイ８は、また、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。

【００１８】受波ビームフォーミングは、受波音線に沿
った受信信号の形成に関わる。フィルタリングは、受信
信号中の特定周波数成分の選択的通過あるいは阻止に関
わる。コンボリューションはパルス圧縮（レンジコンプ
レッション(range compression) ）に関わる。ドプラ／
ＭＴＩ処理はＣＦＭ(color flow mapping)画像等、動態
画像の生成に関わる。

【００１９】受波ビームフォーミングに当たって、ＤＳ
Ｐアレイ８は、ＲＦエコーメモリ６に記憶されたエコー
データについて整相加算を行なう。図３に、ＤＳＰアレ
イ８によるエコーデータの整相加算の概念図を示す。以
下、同図によって受波ビームフォーミングを説明する。

【００２０】図３では、超音波トランスデューサ・エレ
メント（以下、単にエレメントという）のアレイ２００
が、アレイ２００に垂直な方位を持つ受波音線３００に
沿ってエコーを受信し、エコーデータ列４００を、エレ
メントごとにＲＦエコーメモリ６に記憶した状態を示
す。

【００２１】なお、エコーデータ列４００は直線で表
す。また、符号付けは１箇所で代表する。エコーデータ
列４００の図における上端がデータ列の先頭であり、受
信開始からの時間の経過に伴って、図における下方に向
かってデータ列が形成されて行く。

【００２２】このようなエコーデータ列において、受波
音線３００上の１つの反射点３０２からのエコー（の波
面）は、反射点３０２から各エレメントまでの距離応じ
た時間を経て各エレメントに到達する。このため、反射
点３０２からのエコーは、各エコーデータ列では、それ
ぞれのエレメントへの到達時間に相当する位置（アドレ
ス）に存在する。

【００２３】そのような複数のアドレス（アドレス群）
を連ねることにより、アドレス曲線５０２が得られる。
同様に、反射点３０４〜３１４に対応して、アドレス曲
線５０４〜５１４がそれぞれ得られる。アドレス曲線５
０２〜５１４はいずれも双曲線となる。これら双曲線は
反射点位置が深いものほど曲率が緩いものとなる。これ
らのアドレス曲線は、その上でのエコー信号の位相が同
一になるアドレス曲線となる。以下、これを整相曲線と
もいう。

【００２４】各エコーデータ列中で、アドレス曲線５０
２上のエコーデータはいずれも反射点３０２からのエコ
ーを表すから、それらデータを抽出して全加算すること
により、反射点３０２についてのＡスコープ(scope) 像
を表すデータ（Ａスコープデータ）を得ることができ
る。このＡスコープデータは反射点３０２に焦点の合っ
たものとなる。なお、データの全加算に当たっては、各
データに適宜の重みを付すようにしても良い。これは受
波の開口を可変にする点で好ましい。

【００２５】同様に、アドレス曲線５０４〜５１４上の
エコーデータをそれぞれ全加算することにより、反射点
３０４〜３１４に焦点の合ったＡスコープデータをそれ
ぞれ得ることができる。このようにして、反射点３０２
〜３１４についてダイナミックフォーカス(dynamic foc
us) を伴ったＡスコープデータを得ることができる。受
波音線３００上の他の全ての反射点についても同様なこ
とがいえる。

【００２６】そこで、受波音線３００上に想定した例え
ば２５６個の反射点（画素点）に対応して２５６本の整
相曲線を設定し、それら整相曲線ごとに別々なＤＳＰに
よりエコーデータの全加算を行なう。なお、整相曲線
は、被加算データの所在を示す図示しないアドレステー
ブル(address table) として、受波音線およびその上の
各反射点に応じて予め設定される。

【００２７】各整相曲線は、互いに異なる反射点に対応
して互いに異なるものとなる。したがって、加算に用い
るエコーデータのアドレスがそれぞれ異なり、アドレス
テーブルに基づく制御の下で別々なＤＳＰにより同時並
行的に処理してもデータアクセスの競合は発生しない。
このため、複数のＤＳＰによるデータ処理を能率良く遂
行することができる。

【００２８】各ＤＳＰでの全加算の結果を受波音線３０
０上の反射点の並びに合わせて統合することにより、受
波音線３００に沿ったＡスコープデータが形成される。
すなわち、ダイナミックフォーカスを伴う受波ビームフ
ォーミングが行なわれる。

【００２９】他の方位の受波音線についても、同様にし
て逐一受波ビームフォーミングを行なう。その際、各方
位に対応した整相曲線がそれぞれ用いられる。一例を挙
げれば、図４に示すように、受波音線３００’を図にお
ける左方向に偏向（ステアリング(steering)）させた状
態では、反射点３０２’〜３１４’に対応して整相曲線
５０２’〜５１４’を用いる。

【００３０】ただし、この場合、整相曲線は例えば５０
２’と５０４’のように、部分的に交叉するものができ
て、その部分でメモリアクセスの競合が発生する可能性
がある。そこで、図５に示すように、エコーデータをＲ
Ｆメモリ６に記憶するに当たり、各エコーデータ列４０
０に適宜の傾斜を持つ遅延時間７００を付与して、エコ
ーデータに含まれる方位角に関するいわゆるステアリン
グ項を補償し、見掛け上アレイ２００に垂直な方位での
エコーデータ列４００として記憶するようにしても良
い。

【００３１】これは、メモリアクセスの競合を回避する
するとともに、整相曲線５０２''〜５１４''は、図３に
示したものと同様なものを用いることができ、方位角ご
とに個別の整相曲線のセット(set) を持つ必要がない点
で好ましい。なお、遅延時間７００の付与は、エコーデ
ータのＲＦメモリ６への書込アドレスを修飾することに
より行なう。

【００３２】上記のように受波ビームフォーミングを行
なったエコーデータにつきＦＦＴを行い、ＦＦＴしたエ
コーデータについてフィルタリング以降の処理を行な
う。フィルタリングに当たり、ＤＳＰアレイ８は、エコ
ーデータと予め定めた適宜のフィルタ係数とで、対応す
るビン(bin) 同士で乗算を行なう。なお、ここで、ビン
とは周波数ドメインにおけるデータ位置を意味する。

【００３３】コンボリューションに当たり、ＤＳＰアレ
イ８は、図６に示した処理ブロック３４〜４０のデータ
処理を行う。すなわち、エコーデータと適宜のコンボリ
ューションカーネルデータ(convolution kernel data)
とについてそれぞれＦＦＴを行い、周波数ドメインに移
行させる（３４，３６）。なお、この処理は図２の処理
ブロック２２で行なわれる。次に、それら両データを対
応するビン(bin) 同士で乗算する（３８）。この処理は
図２の処理ブロック２４で行なわれる。最後にｉＦＦＴ
を行う（４０）。この処理は図２の処理ブロック２６で
行なわれる。なお、コンボリューションカーネルデータ
は、予め例えばＲＦエコーメモリ６の一部を利用して記
憶させることができる。勿論、汎用のメモリに書き込ん
でも良い。

【００３４】ドプラ／ＭＴＩ処理すなわち動態画像処理
は、ＤＳＰアレイ８により、ビンのデータ列のパルス
間、パケット(packet)間、フィールド(field) 間ないし
フレーム(frame) 間の変化分抽出処理で行うことにより
遂行される。

【００３５】この場合、処理ブロック２４では、得よう
とするＢモード画像またはＣＦＭ画像に応じて、それぞ
れ別な処理を同じデータに施し、最後に処理ブロック２
６でおのおの１回のｉＦＦＴにより、それぞれ対応する
画像（の音線データ）を得ることができる。これによっ
て、例えばＢモード画像とＣＦＭ画像とが同時並行的に
処理できる。ｉＦＦＴされたデータはコヒーレントＢ／
ＣＦＭメモリ１０に音線（方位）ごとに書き込まれる。
受波ビームフォーミング時に、図５に示したように。ス
テアリング項の補償を行なったときは、ここで、ステア
リング項の復活を行なう。

【００３６】コヒーレントＢ／ＣＦＭメモリ１０に書き
込まれた画像データはディスプレイマネージャ(display
manager) １２を通じて表示部１４に与えられ画像とし
て表示される。その際、ディスプレイマネージャ１２は
図２の処理ブロック２８の処理、すなわち対数圧縮、ビ
デオ処理、計測、表示等の処理を行う。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、複数のプロセッサによるデータ処理の能率が高い
受波ビームフォーミング方法および装置並びにそのよう
な受波ビームフォーミング装置を備えた超音波撮像装置
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信号
処理の流れを示すブロック図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置における受波
ビームフォーミングの概念図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置における受波
ビームフォーミングの概念図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置における受波
ビームフォーミングの概念図である。

【図６】本発明の実施の形態の一例の装置におけるコン
ボリューション処理の流れを示すブロック図である。

【符号の説明】

２超音波プローブ４送受信部６ＲＦエコーメモリ８ＤＳＰアレイ１０コヒーレントＢ／ＣＦＭメモリ１２ディスプレイマネージャ１４表示部２００アレイ３００受波音線３０２〜３１４反射点４００エコーデータ列５０２〜５１４アドレス曲線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像対象に超音波を送波してそのエコー
を複数の受信素子のアレイで受信し、前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信
号列をメモリに記憶し、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前記記憶した
複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当す
るアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複
数のアドレス群ごとに、複数のプロセッサによりそれぞ
れ前記エコー信号を加算し、前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受
波音線上のエコー受信信号を形成する、ことを特徴とす
る受波ビームフォーミング方法。
【請求項２】撮像対象に超音波を送波してそのエコー
を複数の受信素子のアレイで受信する超音波送受信手段
と、前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信
号列を記憶する記憶手段と、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前記記憶した
複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当す
るアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複
数のアドレス群ごとに設けられ、前記複数のアドレス群
ごとにそれぞれ前記エコー信号を加算する複数のプロセ
ッサと、前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受
波音線上のエコー受信信号を形成する受波ビーム形成手
段と、を具備することを特徴とする受波ビームフォーミ
ング装置。
【請求項３】撮像対象に超音波を送波してそのエコー
を複数の受信素子のアレイで受信する超音波送受信手段
と、前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信
号列を記憶する記憶手段と、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前記記憶した
複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当す
るアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複
数のアドレス群ごとに設けられ、前記複数のアドレス群
ごとそれぞれ前記エコー信号を加算する複数のプロセッ
サと、前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受
波音線上のエコー受信信号を形成する受波ビーム形成手
段と、前記受波ビーム形成手段が形成したエコー受信信号に基
づいて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撮像装置。