JPS6279045A - 合成開口法を用いた超音波診断装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は合成開口法を用いた超音波診断装置、特に被検
体内に超音波を送信しその反射波を受信して被検体内の
断層像を測定し表示することのできる合成開口法を用い
た超音波診断装置に関する。

［従来の技術１ 被検体内に超音波を送信し、そのエコー信号を測定して
被検体内のＫＨ２像を表示する超音波診断装置において
、パルスエコー法が多く用いられており、これらの装置
では一般に配列型振動子を用いて深度方向の各点に対し
て鋭い超音波ビームを送信するためダイナミックフォー
カス技術が使われている。このダイナミックフォーカス
によれば深度方向を複数の領域に分割して各領域に焦点
が合うように超音波を送受信し、各領域ごとの超音波反
射波を測定することにより、広範囲にわたる被検体内の
断層像を得ることかでき、また一定範囲における分割領
域の数を増やすことにより被検体内のより精密なｌｌｉ
層像を画像表示することができる。

しかし、前記分割領域を増やして行けば超音波ビームは
鋭くなるが、増やした数だけ超音波の送受信回数が増え
ることがら１枚の断層像の画像形成に時間がかかるとい
う欠点があった。このことから、レーダやソーナの応用
分野で周知である合成間１］法の技術を超音波診断装置
に応用することが提案されている。

この合成量［］法とは、送受信を繰り返しながら送受信
位置を移動させ被検体内に超音波送受信を行い、その受
信信号を位相を含めて記憶させた後に被検体内の各点に
焦点が合うように受信波形を合成して各点の画像信号を
１υる方法であり、これを第５図に基づいて詳細に説明
する。

図においで、Ｔ　　、Ｔ　　、Ｔ３．・・・Ｔ、を振動
子とし、その前方に点反則体Ｐがあるものとする。

そして、これら振動子から順次超音波パルスを送信する
と、同じ振動子で受信された受信波形はｕ　　（ｔ）、
ＬＪ　　（ｔ）、ｕ３　（ｔ）−ｕ、（ｔ）で表される
波形となって１１１られ、この受信波形を１１５間ｔの
関数として記録する。このようにして記録された受信波
形は、第５図の左側に示されるように、点］〕からの反
射波で構成され、合成開口技術ではこの波形データから
断層画像を形成する。

すなわち、図に示される点Ｆに焦点を結ばせるには、各
振動子で受信された受信波形Ｕ１　（ｔ）（１−１・・
・ｎ）について、各振動子と点１間を超音波が往復する
のに要する時間τｉだけ移動させて加算ざぜた波形５（
ｔ）を求めることにより行われる。つまり、振動子Ｔｉ
と、点Ｆとの距離をＱ　とすると、波形ｓ　（ｔ）は、 ■ ただし、 τ　−２Ｑ、／Ｃ（Ｃ：音速）・・・（２）で表される
。

ここで、ｕ、（ｔ）をそれぞれ移動させて加等覆る操作
は、図のａあるいはｐで示される双曲線上の振幅を加締
することに相当する。すなわち、点Ｆに焦点を結ばせる
場合には、双曲線ａ上の振幅を加算したものになり、点
Ｐからの反）」波はそれぞれ異なる位相で加算されるこ
ととなり、加締結果であるｓ　（ｔ）は小さな値となる
。一方、焦点Ｆを点Ｐに一致させる場合、つまり点Ｐに
焦点を結ばせる場合には、双曲線ｐ上の振幅を加算した
ものとなり、図から明らかなように、各受信波形が同一
位相で加締されるため、加算結果、つまり５（ｔ）ｊよ
非常に大きな値となる。

以」二のように合成開口技術によれば、撮動子Ｔ１〜丁
、のそれぞれについて超音波パルスを送受信して得られ
たデータから任意の点に焦点を結ぽせることができ、焦
点の位置を順次変えることにより１枚の断層画順を形成
する。この場合、焦点が画素に対応しているため高解像
度の画像が得られることになる。この合成開口技術では
、撮動子の１回の送受信によって多くの焦点におりる情
報を一度に得ることができ、前述したダイナミックフＡ
−カス技術のように、焦点を用いる領域の数を多くすれ
ばそれだけ超音波パルスの送受信回数が多くなるという
欠点がなく極めて有効に被検体内の情報を得ることがで
きる。

上記の説明では、超音波送受信に同−撮動子を用いてい
るが、合成間口技術では同−撮動子にて超音波を受信す
る必要はなく、送信しｌ〔振動子と異４Ｔる撮動子にて
超音波受信することも容易にできる。例えば、振動子王
　の送信に対してこの振動子からに個離れた撮動子Ｔ・
　　にて受信した１　＋　に 場合には、この振動子で受信された波形を加締する際に
（Ｑ・＋Ｑ・　　　）／Ｃだけ移動すること１　１＋に により容易に信号を合成することができる。

また、前述の説明では放射する超音波が無指向性である
ものと仮定したが、超音波が鋭い指向性を持つ場合にも
この合成開口技術が適用される。

例えば、第５図において、振動子Ｔ４を中心として振動
子王　　　からＴ　　・の（２ｊ＋１）個４　−　Ｊ　
　　　　　　　　　４　−ト　Ｊの振動子を同時に励振
して指向性の鋭いｍ音波ご一ムを送信したとすると、こ
のとき、超音波は振動子Ｔ４と点Ｆとを結ぶ直線に沿っ
て伝搬し、これ以外の方向には伝搬しないものと見なす
ことができる。

従って、（２ｊ＋１）個の振動子を同時に励振したとき
、振動子Ｔ、Ｔ２．・・・Ｔｏの各振動子の受信信号を
同時に記憶した後に次のようにして合成開口技術が適用
される。すなわち、各振動子の受信信号をそれぞれｕ　
　（ｔ）、ｕ２　（ｔ）・・・ｕｎ　　（ｔ）とし、こ
れらの信号を用いて超音波ビーム上の例えば点Ｆに焦点
を結ばせるには次式にて加算を行う。

５（４）　　　−入　　　　ｕ、（ｔ　　−ト　τ　４
　　＋　τ　１　　）　　・・・　　（３）τ　ｄｉ／
Ｃ・・・（４） ［発明が解決しようとする問題点］ 従来技術の問題点 しかしながら、前述した合成開口法を用いた超音波診断
装置では、各振動子の出力信号を個別に記録する必要が
あるため、これらの出力信号の電圧レベルが非常に小さ
い場合には信号対ｔＩｉ音比（ＳＮ比）が悪くなるとい
う欠点がある。そして、このＳＮ比の劣化は、超音波診
断装置において診断距離の低下を招くことになる。

すなわら、被検体内を伝搬する超音波パルスはその伝搬
距離が長くなるに従って超高波の振幅が小さくなるため
、ＳＮ比が悪くなると被検体内深部から返ってくるエコ
ー信号は雑音に埋もれてしまい良好な断層画像を得るこ
とができなくなる。

その結束、診断距離が短い場合には問題がないが、診断
距離が長くなる場合、すなわち被検体の深部では鮮明な
画像を得ることができなかった。

発明の目的 本発明は前記従来の問題点解決のためになされたもので
あり、超音波送受信距離が良い場合、つまり被検体内深
部においてもＳＮ比の良い鮮明度の高い断層画像を得る
ことのできる合成開口法を用いた超音波診断装置を提供
することにある。

［問題点を解決するための手段及び作用］前記目的を達
成するために、本発明は、超音波パルスを被検体内に送
信しその反射エコーを受信する送受信器と、この送受信
器で得られた受信信号を直接又はこの受信信号と同等の
情報を持つ信号に変換した後に記憶するメモリと、この
メモリに記憶された複数の受信信号から被検体内の所定
の焦点位置の信号をそれぞれ位相調整して合成する合成
演算器と、を含む合成開口法を用いた超音波診断装置に
おいて、前記メモリに記憶する前に受信信号又はこの受
信信号と同等の情報を持つ信号を複数回加算する加算回
路を備えたことを特徴とする。

以上のような構成によれば、被検体内から得られた受信
信号はＡ／Ｄ変換器にてデジタル信号に変換され、又は
受信信号と同等の情報を持つ信号、例えば直交検波器で
９０度位相の異なる２個の信号とされた受信信号はその
後にデジタル信号に変換され加算回路に供給される。そ
して、加算回路で複数回この受信信号を加算し、加算し
た信号がメモリに記憶される。従って、加算回路から出
力される信号はＳＮ比の高い受信信号となり、この受信
信号を記録したメモリ出力に！ｊづいて信号の合成演算
が行われる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には、本発明の基本構成が示され、また第２図に
は、合成開口法を用いた超音波診断装置の実施例が示さ
れている。

第１図において、送受信器１０は発振器１２゜ドライバ
１４．振動子１６及び増幅器１８から成り、発振器１２
から出力された発振信号はドライバ１４にて一定繰返し
周期のパルス信号とされて振動子１６に供給される。そ
して、振動子１６にて発生した超音波パルスは被検体内
に送信される。

この振動子１６では、同時に被検体内から反射された反
射エコーを受信しこのエコー信号は増幅器１８に供給さ
れ、増幅器１８で所望の増幅を行った後にデジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換器２０に供給される。合成開口法
では、一旦受信信号をそのままの波形でメモリ２２に記
録し、このメモリ２２に記録された複数の受信信号から
特定点の信号を位相調整して合成演算する。

本発明において特徴的なことは、受信信号をメモリ２２
に記録する前に複数回、信号を加睡することであり、こ
の信号加算を行う加算回路２４がＡ／Ｄ変換２Ｓ２０と
メモリ２２との間に設けられている。この加ｎ回路２４
は書き込むべきメモリ２２内の特定記憶場所から既に書
き込まれているデータを読み出し、これとＡ／Ｄ変換器
２０から供給されるデジタル信号を加算する。この加算
される受イ１１信号は放射されるＪｊ３音波パルスの１
パルスごとの信号であるから、これを複数回加口するこ
とにより、受信信８のＳＮ比が向トづることになる。次
に、実際にこのＳＮ比がどの程度向上するかについて数
字を用いて説明する。

一般に、受信信号Ｓはイハ号成分Ｓ。にｍ音成分ｎがＩ
Ｊ（１０されたものと見なすことができ、これは次式に
て示される。

ＳｍＳ　　ｏ　＋ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　・・・　　　　く　５　）この（
５）式において、信号成分Ｓ。は確定値を持つが、頌音
成分子）は確定値を持たｆ確率変数として扱う必要があ
り、通常は刹ＩＢ成分ｎの期待値はＯど児なし１ｑる。

また雑音成分ｎの変動の大きさを表すパラメータとして
ｎの標準偏差を用い、これをσでｋすと、（５）式で表
される信号ＳのＳＮ比はＳ。／σとなる。

これに対し、（５）式で表される信号をｍ回加樟したと
すると、この信号Ｓｌは次式にて示される信号となる。

Ｓｍ　＝ｍＳｏ十昌ｎ；　　　　　　　　−（６）この
（６）式において、雑音成分「１に何した添字ｌはｎの
１番目の独立標本であることを表す。このとさ、Σ　ｒ
）　の期待値は通常の場合のｎと同１・１１ じようにＯとなるが、その標準偏差はＪ面ａとなる。

従って、ｍ回加算した信号のＳＮ比は次式となる。

・・・（７） ここで、加算をしないときの５ＮＩｔ（Ｓｏ／σ）と加
算したときのＳＮ比（上記〈７）式）とを比較すると、
ｍ回加剪した場合にはＳＮ比が４ｍ倍良くなっているこ
とが分る。なお、受信信号を直交検波器などにより変換
して加算した場合でも、前記（５）〜（７）式の関係が
成立し、同様にＳＮ比が向上する。

以上のようにして受信信号を複数回加算して受信信号の
ＳＮ比が向Ｊ＝−？ｊることにより、被検体内の深部、
すなわら診断距離が長い部位において鮮明麿の＾い断層
画像を１りることかできる。

次に、超音波診断装置においてどの程度診断距比１が伸
びるかについて説明する。実施例装置において、加締を
行わない場合の診断距離が１０ＣＩｌｌであると仮定す
ると、この状態は次のように解釈することがて゛さ゛る
。すなわら、生体内の１０ｃｍの深さから返ってくる工
］−信号の振幅は２１を音成分の振幅と同程ＩＩ：ｔで
あるが、これより深い部分から返ってくる−［：］−信
号は途中に存在する物質にＪ：り更に減衰されるため、
雑音成分より小さな振幅となり、その結果、イハ号とし
て取り出すことができなくなる。

これに対して、本発明のように、例えば加算をｍ回行う
と、萌述したようにＳＮ比は４丁倍良くなり、例えば！
１回回加算た場合にはＳＮ比は２（８向上する。換吉Ｊ
−れば、信号成分と雑音成分の振幅が同程度の信号であ
ったとしても、４回加算することにより、信号成分は随
ン３成分の２倍の振幅を持つこととなる。これを超音波
の減衰で考えると、被検体内での超音波の減衰は、例え
ば３．５Ｈ１ｌｚの超音波の場合には約３ｄＢ／ｃｍで
あり、一般に超音波の振幅が１７２どなるのは信号のピ
ークをＯｄＢとすると一６ｄＢ程度であるから超音波の
振幅が１７２となる被検体内の距離は約２ｃｍである。

従って、受信信号のＳＮ比が２倍どなることは、！Ｂ音
波送受信距離が２Ｃｍ伸びるのと同じになる。

この結果、往復の伝搬距離を考えると診断距離が約１ｃ
ｍはど長くなることが理解される。なＪ′３、この場合
加締回数を４回として考えたが、この回数を多くするこ
とによって更に診断距離は長くすることができる。

次に、本発明を適用した超音波診断装置の具体的な第２
図の実施例について説明する。

実施例では、配列された複数の振動子１６が設けられて
おり、これらの振動子１６のうち特定の振動子１６をマ
ルチプレクサ２６にて選択する。

そして、この選択された振動子１６に発振器１２及びド
ライバ１４で得られた電気信号を印加することにより超
音波を被検体内に送信し、これら振動子１６で受信され
た受信信号を増幅器１８に供給する。

この増幅器１８の出力は直交検波器２８に供給され、こ
の直交検波器２８の他方の入力に供給されている正弦波
信号及び余弦波信号にて９０度位相の異なる信号に変換
される。なお、前記余弦波信号を１ｑるため９０度移相
各３０が設けられる。この直交検波器２８は、第３図に
示されるように、２個の乗紳器３０．３２及び２個の低
域通過フィルタ３４．３６にて構成されており、乗算器
３０には余弦波信号が、また乗算器３２には正弦波信号
が加えられており、他方の入力から供給される受信信号
と掛は合わされたのちに低域フィルタ３４゜３６に入力
される。

この低域通過フィルタ３４．３６では信号の周波数帯域
か低周波数側に移行して受信信号の搬送波などの余分な
信号が除かれるため、その後の処理が容易となる利点が
ある。なお、直交検波後の信号はその入力信号の振幅及
び位相情報を失うことがないので、受信信号に含まれる
被検体内の情報が失われることはない。このような直交
検波後の信号はメモリ２２に記録されるが、これはホロ
グラムと呼ばれている。

このようなホログラムから更に断層画像を形成するため
には、第４図に示されるように、メモリ２２の出力に対
して再度余弦波信号と正弦波信号とを掛合せ加算するこ
とにより行われる。従って、図における加算器４２の出
力信号は直交検波器２８の入力信号と等しくなり、この
信号に対して合成演算を行うこととなる。

このように、送受信器１０にて得られた受信信号はメモ
リ２２に直接入力せずに、この受信信号と同等の情報を
持つ信号、すなわち直交検波された信号に変換したのち
にメモリ２２に記録する。

本発明ではこのメモリ２２に記録する前に受信信号を複
数回記録することであり、実施例では２個のＡ／Ｄ変換
５４４．４６及び２個の加算回路４８．５０が設けられ
ている。

従って、直交検波器２８から出力される９０度位相の異
なる２つの信号はそれぞれＡ／Ｄ変換器４４．４６に供
給され、デジタル信号とされた後に加絆回路４８．５０
に供給されており、この加算回路４８．５０では所定の
回数だけ入力される信号を加算しメモリ２２に記憶する
。この加算制御は制御回路５４にて行われており、予め
定められた回数だけ信号を加算するように制御し、同時
に前述した送受信器１０内のマルチプレクサ２６にて同
一振動子の励振回数を制御している。

このようにして所定回数加算された直交検波器２８の出
力信号はＳＮ比の改善された信号として記憶され、これ
は複数個のそれぞれの振動子１６について同様に行われ
、全部の振動子１６からの被検体内情報を含むホログラ
ムとして記憶されている。

そして、メモリ２２の出力は合成演算回路５６に供給さ
れ、メモリ２２から焦点に対応する特定点のホログラム
を適宜読み出し必要な合成演算を行えば、断層画像を形
成することができる。この場合、この合成演算器５６に
て求められた断層画像の各画素の値は画像メモリ５８に
保持され、テレビモニタ６０に１断層画像として表示さ
れる。

［発明の効果］ 以上説明しように、本発明によれば、合成演算のための
受信信号をメモリに記録する前に受信信号を複数回加算
するようにしたので、極めてＳＮ比の高い受信信号を得
ることができ、この受信信号に基づいて合成演算をする
ことにより、従来に比して診断距離を長くすることがで
きる。この結果、合成開口法を用いた超音波診１ｉ装置
において、被検体深部の断層画像の表示ができ、超音波
画像による診断領域が著しく広がることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を、示ず基本構成ブロック図、第２図は
本発明に係る合成開口法を用いた超音波診断装置の好適
な実施例を示すブロック図、第３，４図は受信信号の直
交検波を説明するブロック図、 第５図は合成開口法の説明図である。 １０　・・・　送受信器 １６　・・・　振動子 ２２　・・・　メモリ ２４、＝１８．５０　　・・・　加ｎ回路２８　・・・
　直交検波器 ５６　・・・　合成演算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波パルスを被検体内に送信しそのエコー信号
   を受信する送受信器と、この送受信器で得られた受信信
   号を直接又は受信信号と同等の情報を持つ信号に変換し
   た後に記憶するメモリと、このメモリに記憶された複数
   の受信信号から被検体内の所定の焦点位置の信号をそれ
   ぞれ位相調整して合成する合成演算器と、を含む合成開
   口法を用いた超音波診断装置において、前記メモリに記
   憶する前に受信信号又はこの受信信号と同等の情報を持
   つ信号を複数回加算する加算回路を備えたことを特徴と
   する合成開口法を用いた超音波診断装置。