(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体から放出された音響波を受信して受信信号に変換する複数の変換素子を含むプローブと、
前記複数の変換素子から出力される複数の受信信号の位相を揃える整相遅延部と、
前記整相遅延部から出力された複数の受信信号をグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とする複数の信号加算手段と、
前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部と、
を有するものであって、
前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＭ（Ｍは自然数である）個の受信信号を入力される第１の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＮ（Ｎは自然数であり、かつ、Ｍ≠Ｎである）個の受信信号を入力される第２の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される被検体情報取得装置。
【請求項２】
前記適応型信号処理部は、
前記複数の後段入力信号を複素信号に変換する複素信号化部と、
前記複素信号化部から出力された複数の複素信号から相関行列を算出する相関行列部と、
前記相関行列から複数の部分行列を抽出し平均化して部分相関行列を算出するとともに、前記部分相関行列から重み係数を求める空間平均化部と、
前記重み係数を用いて前記受信信号の出力電力を求める電力算出部と、
を含む請求項１に記載の被検体情報取得装置。
【請求項３】
前記適応型信号処理部は、ＣＡＰＯＮ法を用いて適応型信号処理を行う
請求項２に記載の被検体情報取得装置。
【請求項４】
前記信号加算手段は、前記複数の受信信号を少なくとも３つのグループに分けてそれぞれを加算し後段入力信号とする
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項５】
前記信号加算手段は、前記被検体内部における出力電力を求める位置の前記プローブからの深さが浅いほど、前記出力電力を算出するのに用いる変換素子の範囲を狭める
請求項２または３に記載の被検体情報取得装置。
【請求項６】
前記プローブは前記複数の変換素子と前記整相遅延部を接続するコネクタを含んでおり、
前記コネクタを制御して前記変換素子と前記整相遅延部のチャンネルを整合させる信号選択部をさらに有する
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項７】
前記被検体から放出された音響波とは、前記変換素子から出力された音響波が前記被検体内部で反射したものである
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項８】
前記被検体に電磁波を照射する光源をさらに有し、
前記被検体から放出された音響波とは、前記電磁波を照射された被検体が放出する光音響波である
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項９】
前記第１の場合に入力される受信信号と前記第２の場合に入力される受信信号とは互いに前記被検体内部の異なる深さに位置する部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであり、
それぞれの前記信号加算手段により加算される前記受信信号の数は該受信信号が前記被検体内部のより浅い部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであるほど小さい
請求項１に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１０】
位相を揃えられた複数の受信信号を複数のグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とするものであって、同数の前記受信信号が入力される複数の信号加算手段と、
前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部とを有し、
前記適応型信号処理部は、
前記複数の後段入力信号を複素信号に変換する複素信号化部と、
前記複素信号化部から出力された複数の複素信号から相関行列を算出する相関行列部と、
前記相関行列から複数の部分行列を抽出し平均化して部分相関行列を算出するとともに、前記部分相関行列から重み係数を求める空間平均化部と、
前記重み係数を用いて前記受信信号の出力電力を求める電力算出部と、
を有するものであって、
前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＭ（ただし、Ｍは自然数である）個の受信信号を入力される第１の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＮ（ただし、Ｎは自然数であり、かつ、Ｍ≠Ｎである）個の受信信号を入力される第２の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される信号処理装置。
【請求項１１】
前記複数の信号加算手段は、前記複数の位相が揃えられた受信信号を少なくとも３つのグループに分けるとともに、前記受信信号をそれぞれ加算することにより前記後段入力信号を形成する
請求項１０に記載の信号処理装置。
【請求項１２】
前記受信信号は、被検体から放出されるとともに複数の変換素子に受信された音響波に基づいて形成されたものであり、
前記被検体から放出された音響波とは、前記変換素子から出力された音響波が前記被検体内部で反射したものであり、
前記複数の変換素子は、前記被検体から放出された前記音響波を受信することにより該音響波を複数の前記受信信号へ変換する
請求項１０に記載の信号処理装置。
【請求項１３】
前記受信信号は、被検体から放出された音響波に基づいて形成されたものであり、
前記被検体から放出された前記音響波は、電磁波が照射された前記被検体から放出された光音響波である
請求項１０に記載の信号処理装置。
【請求項１４】
前記第１の場合に入力される受信信号と前記第２の場合に入力される受信信号とは互いに前記被検体内部の異なる深さに位置する部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであり、
それぞれの前記信号加算手段により加算される前記受信信号の数は該受信信号が前記被検体内部のより浅い部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであるほど小さい
請求項１０に記載の信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体情報取得装置および信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内の生体情報を取得する技術として、被検体に対して超音波を送受信し、受信された超音波エコーによる信号を元に生体画像情報（例えば断層像もしくは３次元像）を生成する方法は存在し広く実用化されている。なお、超音波エコーとは、被検体からの超音波反射波のことである。
【０００３】
超音波画像装置のリニア走査の処理系について図２及び図３を用いて説明する。図２は一般的な超音波装置のシステム概略図である。超音波装置は、送信回路処理系００１、受信回路処理系００２、システム制御部００３、超音波プローブ００４、受信信号処理部０１０、画像処理部００７、画像表示部００８を備える。超音波プローブ００４は、複数の変換素子（トランスデューサ）００５を備える。図３は受信回路処理系００２及び受信信号処理部０１０の詳細を示しており、受信回路処理系００２は整相遅延部００９より構成され、受信信号処理部０１０は加算部０１８、ヒルベルト変換部０１２、直交検波部０２０より構成される。
【０００４】
超音波画像装置のリニア走査の動作について説明する。リニアに並んだ複数の変換素子００５上の任意の位置における画像走査線０１９上の画像データを作成する場合、該任意位置を中心に、対称に位置する複数個の変換素子００５を用いて送信開口を形成する。該送信開口を構成する変換素子００５から超音波を送信し、該任意位置の画像走査線０１９上に送信ビームを形成する。通常、送信ビームの方向および位置は撮像対象内で所望の画像走査線０１９の位置に対応するようにとられる。該送信ビームは該送信開口を構成する各変換素子００５からの送信タイミングに遅延処理を施し、目標深さにてフォーカスさせることで形成される。この一連の動作はシステム制御部００３において条件が設定され、送信回路処理系００１にて実行される。
この様に形成された送信ビームが被検体内にて反射・散乱される。
【０００５】
被検体内からの超音波エコーは該任意位置を中心に、対称に位置する複数個の変換素子００５から形成される受信開口にて受信され、各変換素子００５において電気信号に変換される。被検体内からの超音波エコーは所望位置以外からもノイズとして変換素子に到達するため、受信回路処理系００２、受信信号処理部０１０において所望方向および位置からの信号のみを抜き出す合成処理が実行される。
【０００６】
超音波画像装置における一般的な合成処理は整相加算処理が採用されている。整相加算処理について図３を用いて説明する。整相加算処理とは、各変換素子００５にてタイミングがずれて受信される所望被検体からの超音波エコーに対し、整相遅延部００９にて遅延処理を施す処理である。この処理により各受信信号の位相を合わせ、さらに加算部０１８にて加算する事で、所望信号以外のノイズ成分が打ち消し抑制される。
合成処理後の信号はヒルベルト変換部０１２にて複素信号に変換され、直交検波部０２０にて包絡線検波処理を行われ出力される。
【０００７】
この出力値が時系列毎に算出されたデータ群が該任意位置における画像走査線データ（深さ方向）である。この一連の送受信処理を、該送信開口と該受信開口をリニア方向に移動させて繰り返すことで２次元の画像情報が出力される。この該画像情報を画像処理部０
０７にてＬＯＧ圧縮等が施されることで、被検体のＢモード画像が作成され、画像表示部００８（図２）に出力される。
以上が一般的な整相加算処理を用いた超音波画像装置の処理系である。
【０００８】
一方、無線・レーダーの分野において発達した技術として、複数のアレーアンテナを用いた適応型信号処理がある。適応型信号処理は各アンテナから受信される信号の内、所望の方向からの信号を電力値として効率よく算出する方法である。超音波画像装置は、前述の通り図２の受信回路処理系００２、受信信号処理部０１０において所望方向および位置からの信号のみを抜き出す合成処理を行っている。一方適応型信号処理も、所望信号を効率よく算出する特徴を有する為、受信回路処理系００２、受信信号処理部０１０を適応型信号処理に対応させたシステムが考えられる。
【０００９】
以下に適応型信号処理の一種である方位拘束付電力最小規範の処理について説明する。
Ｍ個の変換素子より成るリニア（直線状）アレーアンテナを考える。Ｍ個のアレーアンテナ素子の内、ｋ番目のアンテナ素子にて時間ｔで受信した信号をｘｋ（ｔ）とおき、これらＭ個の信号群をＸ（ｔ）とおく。これを行列で表現すると、式（１）のようになる。
【数１】
0005864894.tif 000002
なお、このＴは転置行列を意味する。
【００１０】
このアレー信号群の各信号から出力を算出する為には、複素ウェイトベクトルＷを算出する必要がある。ウェイトベクトルＷと出力ｙ（ｔ）、そして、出力電力Ｐｏｕｔを求める公式を、以下の式（２）〜（４）に示す。
【数２】
0005864894.tif 000003
なお、このＨは複素共役転置、上添字＊は複素共役を意味する。
【００１１】
この公式に用いられているＲｘｘは受信信号Ｘ（ｔ）の相関行列であり、式（５）で示される。
【数３】
0005864894.tif 000004
なお、Ｅは時間平均を示している。
【００１２】
適応型信号処理ではこのウェイトベクトルＷを出力信号が最適になるように適応的に変化させて処理している。
この最適になる、とは所望信号の方向の感度を１に拘束した状況で出力値を最小になることであり、以下の式（６）、式（７）のように問題を定式化出来る。
【数４】
0005864894.tif 000005
【００１３】
この定式化した問題を解くことで最適なウェイトベクトルＷｃｐが以下の式（８）のように算出される。このウェイトベクトルＷｃｐによって所望信号の方向以外からのノイズ信号を可能な限り抑制する事が出来る。
【数５】
0005864894.tif 000006
【００１４】
この最適ウェイトベクトルＷｃｐを用いることで、アレーの最適出力電力は以下に示す式（９）に変換される。
【数６】
0005864894.tif 000007
以上が、方位拘束付電力最小規範の基本的な電力換算方法である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2007 Aug;54(8):1606-13.
【非特許文献２】IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2009 Oct;56(10):2187-97.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記で説明したように、受信信号に適応型信号処理を適用することで、従来の整相加算処理による画像再構成に比べ、方位分解能の優れた画像が再構成出来る（非特許文献１）。しかし、適応型信号処理では電力換算時の逆行列Ｒｘｘ-1を算出する過程の処理規模が膨大になる事が知られている。その為、超音波画像装置に適応型信号処理を単純に流用するには、装置の処理規模は医療機器としては非現実的な規模となる。その解決の為に適応型信号処理への入力信号を事前にまとめ、信号数を少なくするシステムが提案されている（非特許文献２）。
【００１７】
この提案では、受信される信号を一括に取得し、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理によって空間周波数ごとに信号を分類し、複数の信号に統合したのちに適応型信号処理を実施
している。しかし、ＤＦＴ処理や空間周波数ごとのグループ分け等のある程度複雑な処理工程を、処理の前段に設ける必要がある。また、今後の高解像度化等により受信信号数が増加されると、該前段処理工程も大きくなる。よって、超音波画像装置のシステム全体を考えると上記課題を完全に解決していたとは言えない。
【００１８】
一般的に超音波画像装置はリアルタイム性と計測時間の短縮が重要である。従って、簡易かつ処理規模の小さいシステムを用いて適応型信号処理の規模の抑制を実現し、システム全体として現実的な規模の高画質な超音波画像装置を提供することが重要である。
【００１９】
以下、適応型信号処理の処理フローと規模について詳述する。
適応型信号処理を用いた超音波画像装置のリニア走査の処理系について図１及び図４を用いて説明する。図１は図２の一般的な超音波装置のシステムのうち受信信号処理部０１０を適応型信号処理部００６に入れ替えたものである。図４は受信回路処理系００２及び適応型信号処理部００６の詳細を示している。受信回路処理系００２は整相遅延部００９より構成され、適応型信号処理部００６はヒルベルト変換部０１２、相関行列部０１３、空間平均化部０１４、電力算出部０１５より構成される。
【００２０】
ここでは適応型信号処理のうち、方向拘束付電力最小規範の一種であるＣＡＰＯＮ法を例に説明する。
受信開口がＭ個の変換素子００５を用いて形成されるとする。ヒルベルト変換部０１２は、整相遅延部００９にて位相を揃えたＭチャンネル信号をヒルベルト変換する。相関行列部０１３にてＭ×Ｍの相関行列を作成する。その後、空間平均化部０１４にてＮ×Ｎの部分行列に変換する。空間平均化後の行数（Ｎ）は、入力チャンネル数（Ｍ）の半分程度が好ましい（Ｎ≒Ｍ／２）。しかし、Ｍ＞Ｎ≧２の関係にあればＣＡＰＯＮ法は相応の機能を果たす。電力算出部０１５にてＮ×Ｎの部分行列の逆行列と信号到来方向に関する拘束ベクトルより適応的に最適電力を算出する。このとき信号到来方向を前記送信ビームの方向にとることで、送信ビーム方向からの超音波エコーの信号を他方向からの超音波エコーの信号に比べより優先的に選択する処理が行われる。これにより方位方向解像度に優れた合成処理が可能となる。
ＣＡＰＯＮ法により算出された出力は、画像処理部００７でＬＯＧ圧縮等が行われ一般的な整相加算処理と同様に被検体のＢモード画像が作成され、画像表示部００８（図１）に出力される。
【００２１】
しかし、ＣＡＰＯＮ法をはじめとする適応型信号処理は、処理規模が入力数に対し大きくなる傾向がある。なかでも電力換算部の前記逆行列Ｒｘｘ−１を算出する過程において、その処理規模は行数の３乗に対応する。例えば前記シミュレーションのように１６×１６サイズの行列から電力を算出する処理規模を４０９６Ｌと仮定すると、該行列サイズが８×８、４×４の場合の処理規模はそれぞれ５１２Ｌ、６４Ｌとなる。多くの入力信号を必要とする超音波画像再構成の場合、単純に適応型信号処理を適用すると処理規模は膨大になる。この処理規模ではリアルタイム表示は困難になり、またボリュームデータ取得の場合もスキャン時間が増加する為、被検者の体力的・精神的負担も無視できない。この要因が実用化への大きな課題となっていた。
【００２２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、方位分解能が高い超音波画像を、処理規模を抑制しつつ構成可能な被検体情報取得装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は以下の構成を採用する。すなわち、被検体から放出された音響波を受信して受信信号に変換する複数の変換素子を含むプローブと、前記複数の変換素子から出力される複数の受信信号の位相を揃える整相遅延部と、前記整相遅延部から出力された複数の受信信号をグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とする複数の信号加算手段と、前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部と、を有するものであって、前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＭ（Ｍは自然数である）個の受信信号を入力される第１の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＮ（Ｎは自然数であり、かつ、Ｍ≠Ｎである）個の受信信号を入力される第２の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される被検体情報取得装置である。
本発明は、また、以下の構成を採用する。すなわち、位相を揃えられた複数の受信信号を複数のグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とするものであって、同数の前記受信信号が入力される複数の信号加算手段と、前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部とを有し、前記適応型信号処理部は、前記複数の後段入力信号を複素信号に変換する複素信号化部と、前記複素信号化部から出力された複数の複素信号から相関行列を算出する相関行列部と、前記相関行列から複数の部分行列を抽出し平均化して部分相関行列を算出するとともに、前記部分相関行列から重み係数を求める空間平均化部と、前記重み係数を用いて前記受信信号の出力電力を求める電力算出部と、を有するものであって、前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＭ（ただし、Ｍは自然数である）個の受信信号を入力される第１の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがＮ（ただし、Ｎは自然数であり、かつ、Ｍ≠Ｎである）個の受信信号を入力される第２の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される信号処理装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、方位分解能が高い超音波画像を、処理規模を抑制しつつ構成可能な被検体情報取得装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の超音波画像装置のブロック図。
【図２】一般的な超音波画像装置のブロック図。
【図３】整相加算処理を用いた画像構成のブロック図。
【図４】適応型信号処理を用いた画像構成のブロック図。
【図５】実施例１の構成のブロック図。
【図６】実施例２の構成のブロック図。
【図７】実施例３の構成のブロック図。
【図８】実施例４の構成のブロック図。
【図９】実施例の効果を説明する為のシミュレーション画像を示す図。
【図１０】実施例の効果を説明する為のシミュレーション断層像を示す図。
【図１１】実施例１の効果を説明する為のシミュレーション画像を示す図。
【図１２】実施例２の効果を説明する図。
【図１３】実施例３の効果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施形態を図１、図５を用いて説明する。
本発明の超音波画像装置は、被検体からの超音波エコーを受信し処理することで、生体情報を画像情報（画像データ）として取得する装置である。その生体画像情報は断層面のみならず３次元画像も提示する事が出来る。超音波画像装置の構成は、主に、生体に超音波を照射する送信回路処理系と、送信信号の反射波を受信し画像を構成する受信信号処理部からなる。なお、受信処理部とは図１の受信回路処理系００２、適応型信号処理部００６より構成される。
【００２７】
本発明の超音波画像装置は、被検体に超音波を送信し、上述したような超音波エコー技術を利用した装置を含む。さらにその他にも、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。したがって本発明の超音波画像装置は、被検体情報取得装置とも呼べる。被検体が生体である場合、被検体情報取得装置は生体情報取得装置とも呼べる。ここで音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波を含む。
【００２８】
前者の超音波エコー技術を利用した被検体情報取得装置の場合、被検体情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。後者の光音響効果を利用した被検体情報取得装置の場合、被検体情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布や、被検体内の初期音圧分布、初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。またこれらの被検体情報は、当該情報に基づく再構成により被検体内部の画像を生成する画像データである。
【００２９】
本発明の特徴は、受信信号処置部に関する内容であり、超音波の送信過程は前述した一般的な超音波装置の送信処理と同じである為、信号の送信に関する詳細説明は省略する。
本発明の特徴的な構成は、まず受信信号処理系００２内の整相遅延部００９と加算処理部０１１において、予め幾つかの受信信号を各々整相加算処理してまとめる。その後、適応型信号処理部００６では、加算処理部にて統合された後段入力信号０２３を用いて適応型信号処理を行い、生体情報の画像再構成を行う点である。該受信信号は、前記送信ビームによる被検体からの超音波エコーを、前記受信開口を構成する各変換素子００５が受信したものである。
【００３０】
この様に事前に幾つかの信号にまとめることで、方位分解能の向上を現実的な規模の適応型信号処理にて実現できる。またこの前段のシステムも、基本的に複数の加算処理部０１１を付け加えただけであるため、単純かつ小規模な前段処理が実現できる。これらの実現により、システム全体を通して現実的な処理規模で、高画質な超音波画像装置を実現できる。
【００３１】
適応型信号処理とは主にレーダーの分野において、所望の観察方向の感度を向上させる為に、複数の変換素子で得られた受信信号を合成する際の重み係数（ウェイトベクトル）を信号に応じて適応的に変化させる手法である。この適応型信号処理は、その対応手法によって幾つかの処理方法が存在するが、本実施形態おいては方位拘束付電力最小規範（ＤＣＭＰ）の一種であるＣＡＰＯＮ法を採用する。なお、線形予測法・最小ノルム法（ＭＵＳＩＣ法・ＥＳＰＲＩＴ法）などの他の適応型信号処理を使用する事も可能である。
【００３２】
適応型信号処理では、所望波とノイズの相関抑制が重要となる。ところが超音波の信号では、レーダーの信号の場合より、所望波とノイズの相関性が高い傾向が強い。そのため、空間平均化法と呼ばれる方法をさらに組み合わせ、相関を抑制する必要がある。この空間平均化法は受信信号同士の相関行列を求め、相関行列から複数の部分行列を抽出し、これらを平均化する事で部分相関行列を算出し、その部分行列から重み係数を算出する方法である。
【００３３】
また、適応的に重み係数（ウェイトベクトル）を変更させる為には、ある程度の自由度が必要である。例えばウェイトベクトル算出時の行列が１×１サイズでは、行列情報から重み変更の適応性は確保できなくなる。このことから後段入力信号０２３の数は自由度確保の為にもある程度必要になる。
【００３４】
この点に関し自由度と適応性について、シミュレーション結果を基に説明する。図９は前段で整相加算処理、後段でＣＡＰＯＮ法を用いて、ワイヤーファントム（直径０．１ｍｍ）の画像を再構成したものである。その再構成手法は、３２素子の受信データのうち複数をグループ化し、そのグループ内の信号について整相加算を行って後段入力信号を作成したのち、該後段入力信号を用いてＣＡＰＯＮ法で処理した。図１０はワイヤーの断面ビームプロファイルを表示している。
【００３５】
後段入力信号０２３の数は、受信信号数３２を前段の整相加算を行う受信データの素子数で割った数としており、また空間平均化法は後段入力信号０２３の数の半分の行数になるように平均化を行っている。つまり、前段整相加算数が４の場合、後段入力信号０２３の数は８となり、空間平均化法によって４×４の行列が処理されることを意味する。しかし、空間平均化数に関しては平均化する回数を変えても結果が大きく変わることはない。
【００３６】
図９、図１０における条件（Ａ）〜（Ｇ）を説明する。
条件（Ａ）では、３２個の全ての信号でＣＡＰＯＮ法を行った。
条件（Ｂ）では、３２個の全ての信号で整相加算処理を行った。
条件（Ｃ）では、前段２素子で整相加算し、後段１６入力でＣＡＰＯＮ法を行った。
条件（Ｄ）では、前段４素子で整相加算し、後段８入力でＣＡＰＯＮ法を行った。
条件（Ｅ）では、前段８素子で整相加算し、後段４入力でＣＡＰＯＮ法を行った。
条件（Ｆ）では、前段１０素子で整相加算し、後段３入力でＣＡＰＯＮ法を行った。
条件（Ｇ）では、前段１６素子で整相加算し、後段２入力でＣＡＰＯＮ法を行った。
【００３７】
まず、条件（Ａ）では、条件（Ｂ）よりもビーム幅が狭くなり、これは基本的なＣＡＰＯＮ法の効果を示している。また条件（Ｃ）から条件（Ｆ）までは、条件（Ａ）と同程度の方位分解能を有していることが確認出来る。しかし、条件（Ｇ）になると急激にビーム幅が広くなる。これは後段入力信号０２３の数が２に制限され、空間平均化によって１×１の行列を処理する事になり、重み係数算出時の自由度が少なくなりすぎるためである。これらのシミュレーション結果より、少なくとも重み係数算出時に２×２の行列であれば、十分な方位分解能を有する事が認められる。つまり、空間平均化が必要な超音波におけるＣＡＰＯＮ法では、後段入力信号０２３の数は３以上にしなければ適応型信号処理の効果は得られない。
【００３８】
空間平均化後に前述の公式を用いて逆行列Ｒｘｘ−１等の値を求めることで最終的に出力電力Ｐｏｕｔの強度が算出される。この電力値を時系列的に処理したものが任意位置における所望信号方向への画像走査線データになる。前述の通りこの一連の処理をアレー上の送受信開口を移動させて行うことで、２次元超音波画像データが出力される。なおここではリニア走査での処理について説明したが、本発明は前述した所望信号の方向を対応させることで、リニア走査型のみならず、コンベックス走査型、セクタ走査型、ラジアル走査型でも用いる事が出来きる。また１Ｄ、１．５Ｄプローブのみではなく２Ｄアレープローブに関しても有効な手法である。
【００３９】
＜実施例１＞
以上を踏まえ、実施例を説明する。
実施例１では前段に整相加算処理、後段に適応型信号処理（ＣＡＰＯＮ法）を用いる超音波画像装置について説明する。
【００４０】
（超音波装置の構成）
図１は本実施例の超音波装置のシステム概略図である。超音波装置は、送信回路処理系００１、受信回路処理系００２、システム制御部００３、超音波プローブ００４、適応型信号処理部００６、画像処理部００７、画像表示部００８を備える。超音波プローブ００４は、複数の変換素子（トランスデューサ）００５を備える。
【００４１】
また図５は受信回路処理系００２および適応型信号処理部００６の詳細を示している。受信回路処理系００２は整相遅延部００９と複数の加算処理部０１１より構成される。適応型信号処理部００６はヒルベルト変換部０１２、相関行列部０１３、空間平均化部０１４、電力算出部０１５より構成される。ヒルベルト変換部は複素信号化部に相当する。
【００４２】
（超音波装置の動作）
超音波を送信する位置（フォーカス位置）が設定されると、図１に記載のシステム制御部００３から送信回路処理系００１へその設定情報が送られる。送信回路処理系００１はそれらの情報を元に送信する素子とそれらの各遅延時間を決定する。そして送信回路処理系００１から超音波プローブ００４内の対応する変換素子００５を駆動する為の電気信号が送られる。この電気信号が変換素子００５によって変位信号に変換されて被検体に向かって超音波として伝播する。
【００４３】
このように送信し伝播された超音波は被検体によって反射若しくは散乱されて再び超音波エコーとして変換素子００５に戻ってくる。このうち受信開口を形成する３２個の変換素子００５において、超音波エコーが電気信号（受信信号）に変換されることで、被検体
の生体情報を３２の電気信号として取得する事が出来る。この受信信号は受信回路処理系００２に送られる。受信回路処理系００２は受信データの深さ情報を元に受信信号の遅延時間を決定し、各受信信号に対して遅延処理を行う。この遅延処理については図５に記載の受信回路処理系００２内の整相遅延部００９にて行われ、各変換素子００５が受信した被検体からの超音波エコーに起因する信号の位相を揃えるよう処理される。なお、送受信における各々の整相遅延部は同じ処理部を流用する事も可能である。遅延処理後の各信号はあらかじめ設定された数である４チャンネル毎にまとめられ、それぞれの信号加算手段０１１に送られる。信号加算手段０１１において位相の揃えられた４チャンネルの信号が加算され、８チャンネルにまとめられた後段入力信号０２３が適応型信号処理部００６に送られる。
【００４４】
適応型信号処理部００６では、まずヒルベルト変換部０１２にて８チャンネルの後段入力信号０２３のそれぞれを複素信号に変換し、８チャンネル複素ベクトルが作成される。相関行列部０１３では４×４サイズの複素相関行列が算出される。その後、空間平均部０１４において４×４サイズの部分相関行列に平均化される。電力算出部０１５では空間平均部で得た行列と、指定された所望信号の方向とからウェイトベクトルを適応的に算出し、そのウェイトベクトルを用いて、出力電力Ｐｏｕｔを生成する。なお、整相遅延部００９において、遅延量を４チャンネルごとではなく全３２チャンネルにて一致させていた場合は、所望信号の方向を指定する為のベクトルを設定する必要が無い。しかし、整相加算後の８チャンネルの後段入力信号０２３各々の位相が揃っていない場合はそれぞれの所望信号の方向を指定した拘束ベクトルを用いて出力電力Ｐｏｕｔの強度を算出する必要がある。
【００４５】
出力電力Ｐｏｕｔは画像処理部００７に送られ、ＬＯＧ圧縮等の処理が施され画像操作線データが作成される。これら一連の処理を画像走査線毎に実行することで、２次元の超音波画像が作成される。画像処理部００７で作成された超音波画像はＬＣＤをはじめとする画像表示部００８に送られ、画像が視覚的に表示される。この時、画像表示部００８はＬＣＤに限らず、ＣＲＴ、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＯＬＥＤなどの他の画像表示装置でも代用できる。
【００４６】
以上が主な信号の流れとなる。
以上の方式で超音波用ファントム内のワイヤー（直径０．１ｍｍ）画像を再構成した結果を図１１（ｂ）に示す。比較として、３２個の信号をＣＡＰＯＮ法にて再構成した画像を図１１（ａ）に、３２個の信号を整相加算処理にて再構成した画像を図１１（ｃ）に示す。
【００４７】
これらのワイヤー画像のＴＯＰ値の−１．９４ｄＢ程度における方位方向のビーム幅は、図１１（ａ）が０．５ｍｍ、図１１（ｂ）は０．５ｍｍ、図１１（ｃ）は０．７５ｍｍとなった。これより画質は整相加算処理のみの場合に比べ方位分解能が良好で、適応型信号処理のみの場合と比較しても遜色のない程度の画質を実現する事が確認出来る。また本実施例の処理規模は、図１１（ａ）の場合に比べおよそ１／６４程度に縮小できた。
なお、本実施例では入力信号数３２、前段整相加算数４、後段入力信号数８、空間平均化後のベクトルサイズ４×４にて実施したが、これらの値は他の値を用いることも可能である。
【００４８】
＜実施例２＞
（超音波装置の構成）
本発明の実施例２について説明する。本実施例では、実施例１で示した図１のシステムを用いることが可能であるが、受信回路処理系００２において異なる処理を行う。図６は本実施例の構成を示したものであり、実施例１における図５記載の整相遅延部００９と加
算処理部０１１の間に信号選択部０１６を設けている。
また、図１２は本実施例を開口制御と対応させて説明する為の図であり、被検体０２４内の画像走査線０１９上の対象深さと信号選択部０１６の動作の関係を示した。
【００４９】
（超音波装置の動作）
超音波の画像再構成において、計測する深さが浅い場合、すなわち変換素子からの距離が比較的近い位置の出力電力の強度を算出する場合、サイドローブを抑える為に開口制御を行う事がある。開口制御とは、計測深さに対応させて、超音波の送受信開口を構成する複数の送信用変換素子００５、及び受信用変換素子００５の数を調整する処理の事であり、計測深さが浅くなるに従い、送受信の素子数を減少させる。素子数の減少は、変換素子を全体的に間引くのではなく、変換素子の範囲を狭めることにより行われる。なお、本発明の送信信号では開口制御の有無は問わない為、受信信号に関する内容のみ説明する。
【００５０】
図６に記載の変換素子００５で電気信号に変換された受信信号は受信回路処理系００２の整相遅延部００９に送られ、システム制御部００３からの信号をもとに遅延処理が施される。遅延処理を施された各信号は信号選択部０１６に送られる。信号選択部０１６はシステム制御部００３から送られた選択信号を基に、全受信信号を後段の８個のブロックに分かれた信号加算手段０１１へ割り振る。また、この処理では任意の変換素子００５からの信号を何処にも割り振らない事も可能である。本実施例では合成処理に用いる変換素子００５の数を被検体深さが浅くなるに従い３２、２４、１６、８と減らし、均等に８個の信号加算手段０１１へ振り分ける。信号加算手段０１１にて８チャンネルの後段入力信号０２３が作成され、その後は実施例１と同様の処理を行うことで画像を再構成している。なお、送受信における各々の整相遅延部は同じ処理部を流用する事も可能である。
【００５１】
この様に処理する事で図１２に示すように、画像走査線０１９上の対象深さに対応して、合成処理に参照される変換素子００５の数を調整でき、開口制御が可能となる。開口制御を行う深さや、深さに応じた変換素子の数については、プローブや変換素子の特性、画像再構成の精度、被検体の種類に応じて所定の深さの範囲に対応する変換素子の所定数を予め定めておいても良い。あるいは試験的に計測と画像再構成を行って調整しても良い。かかる所定の深さの範囲やそれに対応する変換素子の数は、メモリ等に保存しておき画像再構成時に参照することができる。
【００５２】
以上の方式を導入した結果、全信号をＣＡＰＯＮ法にて処理した場合に比べ、処理規模はおよそ１／６４程度に縮小できた。また、画質は整相加算処理のみの場合に比べ方位分解能が良好で、ＣＡＰＯＮ法のみの場合と比較しても遜色のない程度の画質を実現し、なおかつ開口制御の動作も実現する事が出来た。
【００５３】
なお、入力信号数や、計測深さに対し信号加算手段０１１へ振り分ける信号数の変化パターンやまとめられる信号数８個については上記以外の値でもかまわない。
【００５４】
＜実施例３＞
（超音波装置の構成）
本発明の実施例３について説明する。本実施例は超音波プローブのピン配置や素子チャンネル数の違いをプローブ情報に基づいて吸収するような超音波装置を扱う。
図７は本実施例の装置構成を示しており、実施例１で示した図１のシステムにおいて送信回路処理系００１および受信回路処理系００２と、超音波プローブ００４との間に、信号選択部０１７を設けている。なお、本実施例での受信回路処理系００２と適応型信号処理部００６の詳細は実施例１と同じで図５に記載した通りである。
【００５５】
（超音波装置の動作）
フォーカス位置や使用している超音波プローブ００４の情報が設定されると、システム制御部００３から送信回路処理系００１に、その設定情報が送信される。送信回路処理系００１はそれらの情報を基に送信素子の種類とそれら素子へ送る各遅延時間を決定し、超音波プローブ００４内の対応する変換素子００５を駆動する為の電気信号を信号選択部０１７へ送る。信号選択部０１７ではシステム制御部００１から送られた超音波プローブ００４の情報や超音波信号の深さ情報を基に、前記電気信号を各々対応する変換素子００５に送る。変換素子００５では送られた電気信号が変位信号に変換されて、超音波として被検体へ伝播される。
【００５６】
その後被検体より反射された超音波エコーを各変換素子００５が受信し、電気信号として取得される。この受信信号は再び信号選択部０１７へと送られる。信号選択部０１７ではシステム制御部００１から送られた超音波プローブ００４の情報や深さ情報を元に、前記受信信号を取捨選択し、受信回路処理系００２内の整相遅延部００９（図５）に送る。整相遅延部では、送られてきた信号のみ整相遅延処理を行う。遅延処理後の各信号はあらかじめ設定された加算処理部０１１（図５）へと送られる。なお、送受信における各々の整相遅延部は同じ処理部を流用する事も可能である。その後は実施例１と同様の処理を行うことで画像を再構成している。
【００５７】
この信号選択部０１７の機能について図１３を用いて説明する。
図１３は図７の超音波プローブ００４、変換素子００５、信号選択部０１７、受信回路処理系００２を示している。一般的に超音波プローブ００４はプローブコネクタ０２５にて超音波画像装置本体と接続されており、各変換素子００５と対応するプローブコネクタのピンの配置はプローブ種類によって異なっている。信号選択部０１７は信号を振り分ける切替スイッチ０２６を備えている。
【００５８】
図１３（ａ）と図１３（ｂ）にて、変換素子００５の数は等しいがプローブコネクタ０２５のピン配置が異なる超音波プローブ００４それぞれを使用した場合の動作を説明する。前述２種類の超音波プローブ００４を切替スイッチ０２６が無い状況で使用した場合、各変換素子００５とそれに対応する整相遅延部の入出力チャンネルとが整合しない。事前にシステム制御部００３からプローブ情報を取得する事で切替スイッチはこの整合をとるような設定に並べ替える。これにより両者は同様の処理を行うことが出来る。
具体的には、１２８チャンネルのリニアプローブでコネクタのピン配置が異なるもの２つを用いて確認した。各プローブの帯域や各素子の感度が異なる為、完全に同じ画像とはならないが、同じシステムにてＣＡＰＯＮ法を用いた高分解能な画像が再構成されることを確認した。
【００５９】
次に、図１３の（ａ）と（ｃ）にて、変換素子００５の数とプローブコネクタ０２５のピン配置が異なる超音波プローブ００４それぞれ使用した場合の動作を説明する。事前にシステム制御部００３からプローブ情報を取得する事で切替スイッチは後方の合成処理に対応した設定に並べ替える。画像を合成する為の信号数が異なる場合でも、加算処理部０１１に等しく振り分ける事が出来、画像を出力する事が出来る。
具体的には、２５６チャンネルと１２８チャンネルのリニアプローブを用いて確認した。各プローブでの送受信開口を形成する素子数、帯域、各素子の感度が異なる為、完全に同じ画像とはならないが、同じシステムにてＣＡＰＯＮ法を用いた高分解能な画像が再構成されることを確認した。
【００６０】
最後に図１３の（ａ）と（ｄ）にて、開口制御に対応した動作を説明する。（ａ）は被検体の深い個所、（ｄ）は浅い個所の処理に対応する。事前にシステム制御部００３からプローブ情報と計測深さ情報を取得する事で、切替スイッチは後方の合成処理に対応した設定に並べ替える。両者の後段入力信号０２３の数は等しくなり、（ｄ）は適応型信号処
理の効果を最大限に使用でき、実施例２と同様の処理を行うことが出来る。
【００６１】
この実施例を行うことで、異なるチャンネル数・ピン配置の超音波プローブを使用する場合にも同じ処理システムで画像を再構成出来、開口制御等の素子数を変化させる状況にも対応できる事がわかる。
具体的には、１２８チャンネルのリニアプローブにて、計測深さが浅くなるのに対し信号切替による送信信号数を３２→２４→１６→８のように変更した。これにより同じシステムにてＣＡＰＯＮ法を用いた高分解能な画像を実現し、なおかつ開口制御の動作も実現する事が出来た。
【００６２】
＜実施例４＞
（超音波装置の構成）
本発明の実施例４について説明する。本実施例は、光音響信号（光音響波）を受信し、適応型信号処理にて画像再構成を行う事を特徴とする光音響画像装置についての実施例である。
図８は本実施例の装置構成を示しており、実施例１で示した図１のシステムの送信回路処理系００１の代わりに光源駆動系０２１、光源０２２を備えたものである。
【００６３】
（超音波装置の動作）
被検体内の目標位置が設定されると、図８に記載のシステム制御部００３から光源駆動系０２１に、その設定情報が送られる。光源駆動系０２１はその設定情報より光源０２２を駆動し、パルスレーザーなどのパルス状の電磁波を被検体に照射する。この照射によって被検体内から放出された音響波は変換素子００５で受信される。その後は実施例１と同様の処理を行うことで画像を再構成する。
【００６４】
以上の方式を導入した結果、入力信号を４つ毎にまとめる事により、全信号をＣＡＰＯＮ法にて処理した場合に比べ、処理規模はおよそ１／６４程度に縮小できた。
【符号の説明】
【００６５】
００１…送信回路処理系，００２…受信回路処理系，００４…超音波プローブ，００５…変換素子，００６…適応型信号処理部，００７…画像処理部，００９…整相遅延部，０１０…受信信号処理部，０１１…加算処理部
【図１】
0005864894.tif 000008
【図２】
0005864894.tif 000009
【図３】
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【図４】
0005864894.tif 000011
【図５】
0005864894.tif 000012
【図６】
0005864894.tif 000013
【図７】
0005864894.tif 000014
【図８】
0005864894.tif 000015
【図９】
0005864894.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
0005864894.tif 000018
【図１２】
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【図１３】
0005864894.tif 000020