JPS6070381A - 超音波映像化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は映像化対象領域の広い範囲に亘って分解能の高
い超音波映像を得ることのできる超音波映像化装置に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来一般的な超音波診断装置にあっては、その方位分解
能を高めるべく、超音波の送信系および受信系において
それぞれディレイブイン制価を行って位相合せによるフ
ォーカシングが行われている。このフォーカシングは、
その距離方向の広い範囲において送信超音波ビームおよ
び受信感度分布をそれぞれ収束させることが理想的であ
り、そのだめの一つの方法としてフォーカス点を切換え
るいわゆる多段フォーカス法が知られている。しかしな
がら、この方法によって距離方向の広い範囲で高い分解
能を得ようとすると、フォーカス点切換の回数を多くし
なければならず、それにともない走査所要時間が長くな
り、またフォーカシングのためのディレーライン系が複
雑になるという問題が生じる。

一方、他の方法として、特にレーダの分野でよく知られ
た開口合成法がある。この開口合成法を用いた装置は１
例えば第１図に示すように。

超音波振動子から成る広がυを持つ超音波ビームを映像
化対象領域に送信し、その反射波を広がりを廟する感度
分布の超音波振動子で受信する。そして、その受信信号
を位相検波する等して、その（２）交する成分、つまり
ホログラムをめ、このホログラムに対してカーイ・ルを
用いてたたみ込み演算等を施こして超音波映像を得るも
のであって、振動子からの距離によらず商い分解能を得
ることができる。ところで、この方法における一つの問
題点は超音波ビームおよび受信感度分布を広げるために
小さい振動子を用いるため受信イー号が弱くなり、従っ
て８Ｎ比が低下するということである。

〔ざ［”明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、深さ方向の広い範囲に亘って分
解能が高く、シかもＳＮ比の良好な超音波映像を得るこ
とのできる超音波映像化装置を提供することにある。

〔発明のａ要〕

不発８Ｊ４は映像化対象領域に超音波ビームを送波し、
その反射波を受信して、受信信号から得られるホログラ
ムに対して開口合成法による信号処理を施して映像化対
象領域の再構成像を得る超音波映像化装置において、前
記映像化対象領域に送信する超音波ビームあるいはその
反射波ｒ（対する受（Ｔｈ感度分布の一力全収束させる
ようにしたものである。即ち、第２図または第３図に模
式的に示すように、送信超音波ビームをディレィライン
の制御などによって収束させ、且つその反射波を広い感
度分布の受信系で受信するようにし、あるいは送信超音
波を広がりを持つビームとし、且つ受信系の感度分布を
ディレィライン制御などによって収束させた状態で前記
超音波ビームの対象物Ｖ（よる反射波を受信するように
したものである。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、以干に説明するように、距離
方向の広い範囲において分解能が高＜、ｓＮ比の良好な
超音波映像を得ることが可能となる。

まつＳＮ比について説明する。従来の開口合成法ＶＣア
いては送イａビームを広げ、そして受信の感度分布を広
げるために振動子は小さいものを用いていた。そのため
送信された超音波は弱いものとなり、さらに受信信号も
弱いものとなる。

従って必らずしも十分な８Ｎ比か得られなかった。しか
し拳法′″ｒ：は１例えば、アレー振動子を用いて送信
超音波を収束させる場合には同時に複数の素子を用いて
送信を行なうので超音波は強くなりＳＮ比か向上する。

また、受信において収束させる場合にも、同時に複数の
素子を用いて超描波を受信しそれらを加算するので、得
られる４ｍ号は強くなりｓＮ比か向上する。

次に分解能について説明する。

即ち今、送信超片波ビームを収束させる場合の座標糸を
第２図に示すように、また受信系の感り見分在全収束さ
セる場合の座標糸ケ第４図に示すようにそれぞれ定め、
超音波の送信座標位置を（）ＩＴ、０）１反射波の受信
座標位置倉（’ｘａ＋Ｏ）　とする。尚、上記送信分布
または受信感度分布の収束は、例えば超音波振動子アレ
イのディレィライン副側によって行われるものとする。

しかして、上記超音波振動子アレイから送信される超音
波を ｐＴ（ｔ）　ｃｏＳωｔ とし、映像化対象領域の深さ２゜における上記超音波の
音圧分布をＢＴ（Ｘ、Ｚｏ）、　”＆だ上記深さｚｏＶ
Ｃ対する愛情系の感度分布をＢＲ（Ｘ、ＺＯ）とすると
、深さ２゜に存在する点反射体（ｘｏ。

ＺＯ）　からの反射波を受信して得られる信号、つまり
受信信号ｇ（ｔ＋ｘ）　は次のように示される。

Ｅ（ｔ、ｘ）　＝　Ｃｏ−ＢＴ（ｘｒ−ｘｏ＋Ｚｏ）Ｂ
Ｒ（Ｘａ−ｘｏ＋ｚｏ）但し、上式中ｓ　ＬＴＯは超音
波送信位置と点反射体間の距離ｓ　ＬＢＯは超音波受信
位置と点反射体間の距離、■は超音波の伝搬速度（音速
）、Ｃ。

は定数である。このような受信信号に対して開口合成法
による信号処理を施すべく１例えば該信号を位相検波し
てその直交成分を取出す。この直交成分は１例えばツイ
ン（ｓ＋ｎ）成分と。

コーｙインＣｃｏｓ　）成分とからなり１次のように示
される。

）Ｊｃ（ｘ）＝Ｃ１ｅ　ＢＴ　（Ｘ’ｌ’−ＸＯ＋ｚＯ
）　−ＢＢ（ｘＢ−ｘ□、ｚｏ）ＨＢＣＸ片ＣＩ−ＢＴ
（Ｘ７−Ｘ０１２０）’ＢＢ（ＸＢ−Ｘ０１ＺＯ）但し
ここでは、以下の説明がＩ嘔複雑化することを避けるべ
く。

として示しである。またＣ、は定数である。ホログラム
は、上記第（２）　、　（３）式で示される成分から次
の複素数Ｈ（Ｘ）として表わされる。

Ｈ（ｘ）＝　Ｈｃ（ｘ）−ｊ　Ｈｓ（ｘ）＝ＣＩ　’　
ＢＴ（”Ｔ−ＸＯ＋”Ｏ）　’ＢＲ（”Ｒ−”Ｏ＋ｚＯ
）この第（４）式における”ＴＯ＋ＬＲ８はＸＴ　ＸＯ
＜＜Ｚ。

ｘＲ−）ｌｏくくｚ。

のとき１次のように近似することができる。

ＬＴＯ＝　（ＸＴ−ＸＯ）　＋Ｚ。

ＬｒＬ□　＝　（ＸＲ−ＸＯ）　”＋ｚ□”これらの近
似式を用いて前記第（４）式を整理すると次のようにな
る。

Ｈ（ｘ）　＝　Ｃ，−ＢＴ（Ｘ、−Ｘｏ、Ｘｏ）−Ｂ、
（ＸＩＬ−Ｘｏ、Ｚｏ）−ＰＴ・ｅｘｐｃ　Ｊ　・（Ｘ
Ｒ−ＸＯ）　’　）　・−＝　ｔ７１世し、φ−４πｚ
ｏ／λ Ａ＝２π／λｚ。

λ：超音波の波長 このようなホログラムに対して、開口合成法による信号
処理は、送信超音波ビームが広がったものである場合に
は をカーネル（核）として１次のコンポリューンヨン演算
を行い、その結果の絶対値をとることによって達せられ
る。即ち１点反射体の再構成像Ｕ（Ｘａ）は次、のよう
になる。

これは次のように変形整理することができる。

Ｕ　（ＸＲ）＝ｌ　Ｃ１”　ＢＲ（ＸＲ−Ｘｏ、２０　
）・ｆ”’ＢＴ（ｘ７−ｘＯ，ＺＯ）ｅｘｐＣＩＡ（ｘ
Ｒ−ＸＯ）ｘＴ）ｄＸＴｌ・・・・・・・・・・・・・
・・（９）この第（９）式より、開口合成処理によって
得られる座標値Ｉｔ　０１．、ｚＯ）の点反射体の再構
成像Ｕ（ｘｕ）は、受信系の感度分布と送信系の音圧分
布のフーリエ変換の積となっていることが判る。例えは
上記音圧分布が、成る広がシを持つビームを示す矩形関
数 で表わされるものとすると、そのフーリエ変換はｓ　ｉ
ｎｃ　関数となシ、上記再構成像Ｕ（ＸＲ）は次のよう
になる。

ところで従来の送信系と受信系の双方で収束制御を行な
う方法では、その収束点近傍でしか高い分解能を得るこ
とができなかった。ところが次に述べるように本発明で
は、距離方向の広い範囲ＶＣおいて高い分解能を得るこ
とが可能となる。前記第叫式には再構成像を決定する二
つの曹索、つ壕り第２項と第３項が合まれているが、そ
のうち第２項ｔよ受４７ｊの感度屯性そのものであり、
収束点においては収束しているがそこから離れたところ
では広かったものとなってい石。従って、この広が９に
よって分解能を定義したとすると、ある深さにおいて分
解能は良好であるが、それ以外の深さでは分解能は低い
ものとなる。一方、前記第（１０１式の第３項から、そ
の分解能δＸ　をめると となる。但し、上記分解能、は、メインローブの中心か
ら第１零点捷での距離として定義される。

この第０υ式において、送信ビームの広が９．或いは受
イ２１感度分布の広がシＤは、その深さ２に比例するの
で、Ｚ／Ｄは一定であり、故に分解能δＸは、その深さ
２に依らず一定となることが判る。つまり１本発明によ
れば、この第３項の効果によって距離方向の広い範囲に
おいて高い分解能を得ることが可能となる。

尚、ととての説明は受信系の感度分布を収束させた場合
について述べたが、受信系の分布を広くシ、送侑系にお
ける超音波ビームを収束させた場合にも同様な議論が成
り立つ。

まだ１以上の説り１においては、開口合成法による処理
として第（８）式で示されるコンゴリュージョン積分に
ついて例示したが、他の開口合成法に基づく処理１例え
ば超音波の伝搬時間に応じた位相合せを受信信号に対（
７て行い、しかるのちその信号を加算すると云う手法を
採用する場合にあっても同様に適用でき、また同様な効
果が奏せられる。

〔発明の実施例〕

次に本発明の一実施例につき説明する。第４（￥ｌｄ実
施例装置と１７での超音波診断装置の概、略構成図であ
る。この装置においては、送信超音波ビームを収束させ
、その反射波を広がった受信感度分布で受イ６するもの
とする。

￥！！音波グローブ１１１−１：、複数の超音波振動子
を直線状に配列したアレイ構造を有し、パルサ２により
付勢されて、映像化対象領域である生体内に超音波を送
信するものとなっている。パルサＺＫよる超音波グロー
ブ１の付勢６．各振動子の駆動タイミングを制ａ１する
ことにより、従来の電子リニアスキャン方式の超音波診
断装置の場合と同様に、超音波ビームを収束させて行わ
れる。そして、このプローブ１から送信された超音波の
生体内での反射波は上記プローブｌにて受信され、電気
信号に変換される。しかして、上記グローブＪを構成す
る各超音波振動子の共振周波数は２〜ｌ　ＯＭ　Ｈ！　
＠度に設定されている。

パルサ２は、スキャンコントローラ４イの制御を受け、
駆動パルスＶＣ同期してコントローラ３によって指定さ
れる振動子群を駆動するもので。

これらの駆動される振動子群は成る周期で順次切換えら
れる。これによって生体に対する超音波ビームの送信位
置か順次移動される。

これに対して反射波の受信は、成る１つの送信位置から
の超音波の送信に対しで、その前後のＮ個の振動子の範
囲で行われる。つまり超音波の送信は、成る位置におい
て（２Ｎ＋１）回繰返して行われ、その反射波の受信は
上記送信に対応して上記軸囲内で愛他付置を変え′ドら
（２Ｎ＋１）回行われる。尚、上記Ｎの値は各ａ、Ｊ動
子の受信感度の広がりによって決定される。

このようＫして受イご貸れた反射波の信号は、レシーバ
４を介り、て必要なレベルにまで増幅されたのち１位相
検波器５に入力される。位相検波器５は、前記スキャン
コントローラ３から供給される９０°位相を異にした２
つの正弦波で、且つその周波数を的紀抜手ｊ子の共振周
波数と同じくする参照１２号を入力し＋　ｎｉｌ記受信
信号に掛合せることによってその位相検波を行っている
。

これｆより１位相杉・波出力と１２．で、２つのｍ１交
す２、カキ・１分、即ちＣＯＳホログラム伯号Ｒｃとｓ
ｉｎホログラム信号Ｒｓとが取出されている。Ａ／Ｄ　
変撲器ｔｉ　、　ｙはスキャンコントローラ３によって
制御される周期で、前記Ｃ６５，ｊ−ログクム信寸Ｒｃ
とｓｉｎホログラム化号Ｒ５をそれぞれサンプリングし
、こす１、を例えば８ビツトのディジタルデータに変換
している。上記巾ンプリング周期は生体の虚反射体から
の反射波の継続時間を名慮ｌ、て定＊：：　Ｃ〕ｔ＋る
ものであって１例えばその継続時間が２μｓｅｃである
場合、その５分の１の時間である４　００　ｎ　ｓｅｅ
をフンプリング周期として定めている。そして、これら
のディジタル化された各信号Ｒｃ　、Ｒｓは、入カバン
ファ８，９に一時記憶されたのち、コンピュータ１０の
制御を受けて画像メモリｌノに順次格納される。上記入
カバンファ８，９は１回の超音波パルスの発射によって
生体から得られる一連の反射波信号の上述如く抽出され
たｅ０８ホログラム信号Ｒｃ、ｓｉｎホログラム信号Ｒ
ｓをそれぞれ格納するに十分な記憶容量を有するもので
ある。そして、これらのｃｏｓホログラム信号Ｒｃ　ｓ
ｉｎ　ホログラム信号Ｒｓからなる各−画信号のデータ
か前記画像メモリ１ノにそれぞれ格納される。これらの
ホログラムデータは１例えばＸおよびＹアドレスにおい
て０〜５１１のアドレス値よして、走査方向と深さに対
応して画像メモリ１ノに格納される。このようにして、
！２の送信位置に対応した（２Ｎ＋１）回の反射波受信
によって得られるボログラムデータが。

全て画像メモリ１１に格納されたとき、こｉｌらのホロ
グラムデータに対してコンビコータ１０は前記第（８）
式で示される開口合成処理を行うことになる。そして、
このコンビコータｌ０ＶＣよる開口合成処理によってめ
られたｉｔ上記体の映像化情報（再ｌｆｆ１ＢＶ、像）
１−１出カバソフアメモリ１２に格納されたのち、タイ
εンダコントローラ１３の制御を受けてＣＲＴモニタＪ
４の画像表示走査連関に対応して続出され、Ｄ／Ａ変換
器Ｊ５ｆ介してＤ／Ａ変換されて上記モニタ１４に供給
され１画像表示される。

ところで、前記コンピュータ１０は、（１）スキャンコ
ントローラ３０制Ｊ（Ｉｔ）ホログラムデータの転送開
側、および（ｉｌｌ）開口合成法による映像化演算処理
を行うものである。上記コントローラ３の制御は１例え
ばバッファ８，９から１回の超音波送信に対応して得ら
ｉまたホログラムデータの画像メモリ１１への転送が完
了する都度。

超音波発射の指示を与えることによって行われる。そし
ヤ、上記ホログラムデータの転送制御はｓ　ｗｉＪ記パ
ンファメモリ８，９にそれぞれ格納されたホログラムデ
ータを１反射波の受信位置（走査位＃）と深さとに対応
したｉｉ！Ｉｌｉｌモリ１１のアドレス位置に順次転送
し、これをストアすることによって行われる。その後１
画像メモリ１２に（２Ｎ＋１）回の受信による小ログラ
ムデータの全てが格納されたとき、最初の画像再構成処
理が開始される。この処理は深さ方向に対して浅い部位
から深い部位へと順に行われる。つまり、先ず最初ＶＣ
画像メモリ１１のアドレス（０，０）を先頭とする１行
分のホログラムデータがコンピュータ１０に取込まれ、
そのＣＯＳ小ログログラム信号Ｒｅｉｎホログラム信号
Ｒｓとからなる第（４）式に示される如き複素数化デー
タが作成される。コンピュータｌθは、このホログラム
データに対応するカーオルデータを、予めＲＯＭに登録
されたカーネルデータ中から読出し、前記第（８）式に
相当する処理としてｂ　Ｅ＋ｉ、前記複素数化されたホ
ログラムデータとの積和計算を行う。そし７て、その計
算結果の絶対値をめ、送信位置と深さに対応したバッフ
ァメモＩＪ　７　Ｊのアドレスに格納して次の計算’ｃ
　行う。この処理をＹアドレスが（５１１）Ｋ達するま
で繰返し実行し、これによって成る送信位置ＸＴに対応
した各深さにおける全ての再構成像がめられることにな
る。そして９以上の処理が各送信位置毎に繰返し行われ
、映像化対象鎮城全体の再構成像、っまシ映像化情報が
められることになる。

尚、ここでは位相検波によって受信信号の直交欣分全求
めたか、他の手段１例えばクヮドラソテヤ市ンプリング
の手法等を用いることも可能である。

まだ、送信波を収束することに代えて１反射波の受信感
度分布を収束させる場合にＦｉ、第４図ｒ（示される構
成の装置において次のように動作制御１ｌＩＩするよう
にすればよい。即ち、超音波の送信を、付勢振動子を順
次切換えることにより。

広がりを有する超音波ビームを順に発射して行わせる。

そして、その反射波の受信を複数の振動子を用いて行い
、その受信出力を遅延制御したのち合成することによっ
て、受信感度分布を収束させるようにすればよい。そし
て、この送受波の制御を、ある受信位−に対して、その
受波位置を中心とする（　２Ｎ＋１　）個の累子配列範
囲において各振動子を朧に付勢してその送信位置を走査
し、この処理を上記受信位置を順に敦え乍ら繰返し行う
ようにすればよい。

また開口合成法に基づく信号処理は、１つの受波位置に
対応した（２Ｎ＋１）回の送信によって得られた各ホロ
グラムデータに対して、的記第（８）式にもとづく演算
ケ行なうことによって再構成像をめることが可能となる
。

以上述べたように本発明によれば、開口合成法による映
像化処理を行うに際して、送信超音波ビームまたは反射
波の受信感度分布の一方を収束させることによって、距
離方向の広い範囲に亘って分解能が高くＳＮ比が良好な
像を得ることができ、その効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は開口合成法による映像化処理の基本概念な示す
図、第２図および第３図はそれぞれ本発明の特徴的構成
を示す図、第４図は本発明の一実施例装置の櫃、略構成
図である。 Ｊ・・・超音波グローブ、５・・・位相検波器、８゜９
・・・パンツアメモリ（ホログラム）、Ｊ（７・・・コ
ンビコータ、１１・・・１間像メモリ、１２・・・）々
ソファメモリ（再構成像）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）映像化対象領域に収束させた超音波ビームを送波
   し、その反射波を広がった感度分布で受（ｇする手段、
   或いは上記映像化対象領域に広がシを持つ超音波ビーム
   を送波し、その反射波を収束した感度分布τ受信する手
   段と。 Ｍｉｔ記映像化対象餉域に対する超音波ビームの送信位
   置および反射波の受信付置をそれぞれ制御する手段と、
   前記反射波の受信信号に開［１合成法にもとづく信号処
   理を行なって前記映像化対象領域の再構成像を得る手段
   とを具（ｉｉｆｆ　したことを特徴とする超音波映像化
   装置。 （２１開口合成法による信号処理は、ホログラムをディ
   ジタル化して行われるものである特許請求の範囲第１項
   記載の超音波映像化装置。