(57)【要約】【課題】被検体内の撮像領域における解剖学的な構造等にかかわらず信頼性を向上させることができる超音波撮像装置を提供すること。【解決手段】被検体ＴＯに第１及び第２の送信ビームを送信し被検体からの反射を受信ビームとして受信する相対配置が可変の複数の素子８０を有する探触子１０と、第１の送信ビーム及び受信ビームに基づいて、複数の素子８０の配置を推定する素子配置推定部４３と、素子配置推定部４３による配置の推定結果を参酌して第１の送信ビームと異なる撮像用の第２の送信ビームに対応する受信信号から画像データを生成する画像データ生成部５０と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に第１及び第２の送信ビームを送信し前記被検体からの反射を受信ビームとして受信する相対配置が可変の複数の素子を有する探触子と、
前記第１の送信ビーム及び前記受信ビームに基づいて、前記複数の素子の配置を推定する素子配置推定部と、
前記素子配置推定部による配置の推定結果を参酌して前記第１の送信ビームと異なる撮像用の前記第２の送信ビームに対応する受信信号から画像データを生成する画像データ生成部と、
を備えることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
特定箇所における前記第１の送信ビームの状態を推定するビーム状態推定部を備え、
前記素子配置推定部は、前記ビーム状態推定部による前記第１の送信ビームの状態の評価結果に基づいて、前記複数の素子の配置を推定することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項３】
前記ビーム状態推定部は、条件の異なる前記第１の送信ビームの状態の複数の推定結果の集合の中で平滑化された送信ビーム形状を算出することを特徴とする請求項２に記載の超音波撮像装置。
【請求項４】
前記ビーム状態推定部の動作タイミングは、前記画像データ生成部の動作タイミングと異なることを特徴とする請求項２及び３のいずれか一項に記載の超音波撮像装置。
【請求項５】
前記ビーム状態推定部は、開口合成法を用いて前記第１の送信ビームの状態を推定することを特徴とする請求項２から４までのいずれか一項に記載の超音波撮像装置。
【請求項６】
前記素子配置推定部は、前記複数の素子の素子数より少ない未知数を探索することで素子配置を推定することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の超音波撮像装置。
【請求項７】
前記素子配置推定部は、前記複数の素子の素子数より一桁以上少ない未知数を探索することで素子配置を推定することを特徴とする請求項６に記載の超音波撮像装置。
【請求項８】
前記ビーム状態推定部は、前記複数の素子の配置の変化が予想される所定の時間間隔で前記第１の送信ビームの状態に関する情報を更新することを特徴とする請求項２から７までのいずれか一項に記載の超音波撮像装置。
【請求項９】
被検体に第１及び第２の送信ビームを送信し前記被検体からの反射を受信ビームとして受信する相対配置が可変の複数の素子を有する探触子と、
前記第１の送信ビーム及び前記受信ビームに基づいて、前記複数の素子の配置を推定する素子配置推定部と、
前記素子配置推定部による配置の推定結果を参酌して前記第１の送信ビームと異なる撮像用の前記第２の送信ビームに対応する受信信号から被検体の特徴を示す数値を算出するモニタリング部と、
を備えることを特徴とする超音波モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に超音波を送信し、当該被検体から発生した反射エコーを受信して画像を取得する超音波撮像装置及び被検体の特徴を示す数値を取得する超音波モニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、在宅医療のニーズが大きくなり、看護師が可能な医療行為を拡大する傾向にある。そこで、看護師を助力するような医療デバイスに対する期待が高まっている。このような医療デバイスとして、例えばモニタリングデバイスがある。モニタリングデバイスによって、心臓の動きのモニタ、嚥下のモニタ、褥瘡のモニタ、膀胱のモニタ等を行うことができる。
【０００３】
かかるモニタリングデバイスとして、具体的には被検体内部の音響インピーダンスの空間変化に起因するエコー信号を用いて画像を撮像する超音波撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この超音波撮像装置では、探触子の形状変化が可能となっており、ＰＳＦ（点拡がり関数）や受信データのチャンネル間の相互相関を利用して探触子の形状を推定している。
【０００４】
ここで、評価関数としてＰＳＦを用いた場合、超音波撮像装置の探触子（プローブ）の配置の推定精度に起因してＰＳＦがぼやけているのか、撮像領域における被検体の解剖学的な構造に微細な構造が少ないために、結果としてＰＳＦがぼやけているのか判別することが困難である。その結果として、探触子に関する高い配置の推定精度に基づいてビームの状態を制御することが困難となる。そのため、特許文献１の超音波撮像装置のように形状推定を行っても、検出画像の信頼性が低い傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４７５１１号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、被検体内の撮像領域における解剖学的な構造等にかかわらず信頼性を向上させることができる超音波撮像装置及び超音波モニタリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波撮像装置は、被検体に第１及び第２の送信ビームを送信し被検体からの反射を受信ビームとして受信する相対配置が可変の複数の素子を有する探触子と、第１の送信ビーム及び受信ビームに基づいて、複数の素子の配置を推定する素子配置推定部と、素子配置推定部による配置の推定結果を参酌して第１の送信ビームと異なる撮像用の第２の送信ビームに対応する受信信号から画像データを生成する画像データ生成部と、を備える。
【０００８】
上記超音波撮像装置によれば、素子配置の推定を画像データの生成とは個別に行うため、素子配置の推定精度を向上させることができ、画質を高めることができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、上記超音波撮像装置において、特定箇所における第１の送信ビームの状態を推定するビーム状態推定部を備え、素子配置推定部は、ビーム状態推定部による第１の送信ビームの状態の推定結果に基づいて、複数の素子の配置を推定する。この場合、ビーム状態の評価を利用して素子の配置を推定することで、ビーム状態を反映した高精度の計測が可能になる。
【００１０】
本発明の別の側面では、ビーム状態推定部は、条件の異なる第１の送信ビームの状態の複数の推定結果の集合の中で平滑化された送信ビームの状態を算出する。この場合、特定箇所の送信ビーム状態の推定が適切なものとなる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、ビーム状態推定部の動作タイミングは、画像データ生成部の動作タイミングと異なる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、ビーム状態推定部は、開口合成法を用いて第１の送信ビームの状態を推定する。この場合、データの効率的な取得及び処理を行うことができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、素子配置推定部は、複数の素子の素子数より少ない未知数を探索することで素子配置を推定する。この場合、比較的少ない選択肢の中で探索（未知数がＮだとしてＮ次元空間の中での探索）を行うことになるため、解の探索すなわち素子配置の推定に要する時間を比較的短くすることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、素子配置推定部は、複数の素子の素子数より一桁以上少ない未知数を探索することで素子配置を推定する。この場合、素子配置の推定に要する時間を確実に短くすることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、ビーム状態推定部は、複数の素子の配置の変化が予想される所定の時間間隔で第１の送信ビームの状態に関する情報を更新する。この場合、粘弾性体等である被検体の形状に合わせて逐次形状推定を繰り返しながら、第１の送信ビームに関する情報を変形に追随させることができる。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波モニタリング装置は、被検体に第１及び第２の送信ビームを送信し被検体からの反射を受信ビームとして受信する相対配置が可変の複数の素子を有する探触子と、第１の送信ビーム及び受信ビームに基づいて、複数の素子の配置を推定する素子配置推定部と、素子配置推定部による配置の推定結果を参酌して第１の送信ビームと異なる撮像用の前記第２の送信ビームに対応する受信信号から被検体の特徴を示す数値を算出するモニタリング部と、を備える。
【００１７】
上記超音波モニタリング装置によれば、素子配置の推定を被検体の特徴を示す数値の算出とは個別に行うため、素子配置の推定精度を向上させることができ、モニタリングの精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係る超音波撮像装置について説明する概念図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、超音波撮像装置のうち探触子を説明する図である。
【図３】探触子の取り付け例を説明する図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、探触子を構成するトランスデューサーを説明する図である。
【図５】超音波撮像装置の基本動作を説明するフローチャートである。
【図６】図５に示す超音波撮像装置の基本動作のうちビーム状態推定工程について説明する図である。
【図７】図６のビーム状態推定工程で用いる開口合成法を説明する図である。
【図８】（Ａ）は単一応答像の送信ビームの強度分布を示す図であり、（Ｂ）は複数応答像を用いて平均化した送信ビームの強度分布を説明する図である。
【図９】図５に示す超音波撮像装置の基本動作のうち素子配置推定工程について説明する図である。
【図１０】図５に示す超音波撮像装置の基本動作のうち画像データ生成工程について説明する図である。
【図１１】実験例１及び２の探触子の計測態様を説明する図である。
【図１２】（Ａ）は実験例１の素子配置推定結果を説明する図であり、（Ｂ）は実験例２の素子配置推定結果を説明する図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｃ）は実験例３の超音波撮像装置で取得した被検体の断層像を説明する図であり、（Ｂ）及び（Ｄ）は実験例４の超音波撮像装置で取得した被検体の断層像を説明する図である。
【図１４】超音波撮像装置の変形例である超音波モニタリング装置について説明する概念図である。
【図１５】図５に示す超音波撮像装置の基本動作の変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１等を参照して、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置について説明する。
【００２０】
図１に示す超音波撮像装置１００は、探触子１０と、送受信切替部２０と、送信部３０と、受信部４０と、画像データ生成部５０と、表示部６０と、制御部７０とを備える。超音波撮像装置１００は、超音波を用いて被検体の内部をイメージングするものである。詳細は後述するが、超音波撮像装置１００は、撮像の前工程となる素子配置推定の際に用いる第１の送信ビームと、撮像に用いる第２の送信ビームとが異なるものとなっている。なお、第１の送信ビームには、複数の超音波源からの超音波又は送信波を仮想的に合成したようなものも含まれる。
【００２１】
図２（Ａ）及び２（Ｂ）に２つ例示するように、超音波撮像装置１００のうち、探触子１０は、超音波撮像装置１００を利用して検査を行うユーザー又は被検体自身が被検体に装着するものである。探触子１０は、複数の素子８０と、複数の素子８０を連結する連結部９０とを有する（探触子１０の構造の詳細については、例えば特開２００９−２４７５１１号公報を参照）。探触子１０は、被検体に送信ビームを送信し被検体からの反射を受信ビームとして受信する。探触子１０を構成する複数の素子８０は、電気信号を送信する超音波に変換するとともに、受信した超音波を電気信号に変換する。連結部９０は、複数の素子８０を相対的に可動に連結しており、探触子１０の形状をフレキシブルに変形可能となっている。
【００２２】
図３に示すように、探触子１０は、固定バンド２００で被検体ＴＯに固定される。探触子１０がフレキシブルであるため、被検体ＴＯの関節等に固定した状態での長時間のモニタリングや、被検体ＴＯの関節が動いている際の断層像を得ることができる。探触子１０の被検体ＴＯへの取り付け方法は、図３に示すように被検体ＴＯに巻きつける場合に限らず、例えば被検体ＴＯに貼り付けてもよい。
【００２３】
以下、図２（Ｂ）に示すフィルム型の探触子１０を例にして説明する。図４（Ａ）〜４（Ｃ）に示すように、複数の素子８０は、音響レンズ８１とトランスデューサー（電気音響変換素子）８２とバッキング部材８３とを有する。図示を省略するが、トランスデューサー８２には、パターン化した電極が設けられている。図４（Ａ）〜４（Ｃ）に示す探触子１０の構造等については、例えば特開２００９−２４７５１１号公報に記載のものとできる。音響レンズ８１は、超音波ビームを絞り、スライス幅方向の分解能を向上させる。音響レンズ８１としては、例えば生体よりも音速の遅いシリコーンゴム又はシリコーンと粒子との混合物等が用いられる。このように、音響レンズ８１を柔軟性を有する材料で形成することで、音響レンズ８１がフレキシブルなシートの役割を果たしている。トランスデューサー８２は、超音波信号（送信信号又は受信信号）と電気信号とを相互に変換する本体部分である。トランスデューサー８２としては、例えばＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）素子、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）素子、ｃＭＵＴ（Capacitive micromachined ultrasonic transducer）素子等が用いられる。図４（Ａ）は、トランスデューサー８２としてＰＺＴ素子を用いた構造を示し、図４（Ｂ）は、トランスデューサー８２としてＰＶＤＦ素子を用いた構造を示し、図４（Ｃ）は、トランスデューサー８２としてｃＭＵＴ素子を用いた構造を示す。バッキング部材８３は、トランスデューサー８２の裏面に形成される、バッキング部材８３としては、金属又は金属酸化物と、ゴム等の減衰係数の大きい高分子材料との混合物等が用いられる。バッキング部材８３は、裏面から放射された超音波パルスが、反射によって戻ることによって生じる不要な応答を抑圧する。また、バッキング部材８３は、負荷として適切な音響インピーダンスを選択することにより、超音波パルスが余韻を引いて、時間分解能が劣化することを防いでいる。
【００２４】
図１に戻って、探触子１０は、後述する送受信切替部２０を介して送信部３０と受信部４０とに接続されている。探触子１０は、制御部７０の制御下で動作して送信ビームを例えば特定箇所に収束するように照射し、特定箇所を含む領域から反射された受信ビームを受信する。
【００２５】
送受信切替部２０は、送信部３０と受信部４０との切替えを行うものである。送受信切替部２０を介して、送信信号に基づいて超音波（又は送信ビーム）を探触子１０から発生させ、被検体ＴＯで反射して帰ってきた超音波（又は受信ビーム）を受信信号（又はエコー信号）として受信部４０に入力させる。
【００２６】
送信部３０は、送波ビーム形成部３１と、送波波形記憶部３２とを有する。送波ビーム形成部３１は、制御部７０の制御下で動作し、送波波形記憶部３２に格納されている波形を用いて、素子８０毎の送波信号に遅延時間や重み等を与えて、所望の位置に送信ビームをフォーカスさせることができる。つまり、送波ビーム形成部３１は、狙った場所に対応する時間差を送信信号に付与することができる。送波ビーム形成部３１からの送信信号に対応する電気信号は、探触子１０において超音波信号に変換される。この超音波信号に基づく超音波ビームは、被検体ＴＯに向けて照射される。
【００２７】
受信部４０は、受波データ記憶部４１ａと、受波合成部４１ｂと、ビーム状態推定部４２と、素子配置推定部４３とを有する。
【００２８】
受波データ記憶部４１ａは、探触子１０で受信した受信ビームに基づく受信信号を記憶する。
【００２９】
受波合成部４１ｂは、受信ビームを被検体ＴＯの特定箇所及びその周辺から集めるため、受信信号に遅延時間や重み等を与える。
【００３０】
ビーム状態推定部４２は、受波データ記憶部４１ａ及び受波合成部４１ｂと協働してデータ処理を行う部分であり、第１の送信ビームを照射した被検体ＴＯの特定箇所及び特定箇所の周辺から取得した受信ビームに基づいて、特定箇所における第１の送信ビームの状態を推定する。素子位置推定に利用した送信ビームに基づいて画像を取得するだけでは、送信ビームの状態が変動し、また取得画像に被検体ＴＯ内の散乱体の影響が現われ、正確な画像を得ることができない。つまり、点拡がり関数等の評価関数により画像の解像の鋭さを評価するだけでは、もともと取得画像の解像度が悪いのか、又はビーム状態等の影響を受けているのかが判断できない。そこで、ビーム形状を推定することにより、ビーム状態の影響を除去して配置の推定精度を高める処理を行い、取得画像（被検体ＴＯの断層像）の再現性を向上させることができる。
【００３１】
ビーム状態推定部４２は、被検体ＴＯの特定箇所からの受信ビームに基づく受信信号を抽出するとともに、この受信信号の強度を移動平滑化する。これにより、特定箇所における第１の送信ビームの状態の推定精度を向上させることができる。具体的には、ビーム状態推定部４２は、応答像に対して位相その他としての遅延時間をずらすことで特定箇所の周辺から取得した受信ビームに基づく応答像の位置をシフトさせる平均化によってビーム状態を推定する。ビーム状態推定部４２は、受信信号に基づいて上記のように平均化された応答像をビーム状態に対応するものとして保存している。ビーム状態推定部４２と後述する画像データ生成部５０とは、独立して動作するものであり、ビーム状態推定部４２の動作タイミングは、画像データ生成部５０の動作タイミングと異なっている。ビーム状態推定部４２は、複数の素子８０の配置の変化が予想される所定の時間間隔で第１の送信ビームの状態に関する情報等を更新する。これにより、被検体ＴＯの形状変化に伴う素子８０の配置変化に対して随時対応させることができる。
【００３２】
素子配置推定部４３は、受波データ記憶部４１ａ及び受波合成部４１ｂと協働してデータ処理を行う部分であり、第１の送信ビーム及び受信ビームに基づいて、複数の素子８０の配置を推定する。素子配置推定部４３は、評価関数記憶部、評価演算部、及び配置推定部で構成されている。素子配置推定部４３は、評価関数を用いて複数の素子８０の相対的配置を求める。評価関数としては、ビーム状態推定部４２によって推定した送信ビームの強度や幅を用いる。なお、送信ビーム幅には、例えば、方位方向（撮像面内で、かつ、深さ方向に直角な方向）のビーム幅、深さ方向（超音波が伝搬する方向）のビーム幅、２次元のビーム幅（面積）等がある。評価関数に基づいて、受波データから得た評価関数の出力が最も確からしい素子配置が、推定される素子配置として求められる。
【００３３】
画像データ生成部５０は、検波部５１と、スキャンコンバータ５２とを有する。画像データ生成部５０は、着目箇所又は対象箇所である特定箇所を変化させながら取得した受信ビームに基づく受信信号から画像データを生成する。
【００３４】
検波部５１は、受信信号について、波形の信号から波形の強度に変換する。具体的には、検波部５１は、包絡線検波、Ｌｏｇ圧縮、バンドフィルター、ゲインコントロール等の処理を行う。
【００３５】
スキャンコンバータ５２は、座標変換等により受信信号を画像信号に変換し、後述する表示部６０に画像（被検体ＴＯの断層像）を表示可能にする。
【００３６】
表示部６０は、ユーザーに視覚的な情報を提示する部分であり、スキャンコンバータ５２で変換された画像信号を断層像として表示する。
【００３７】
制御部７０は、送受信切替部２０、送信部３０、受信部４０、画像データ生成部５０、表示部６０等の動作を制御する。
【００３８】
以下、超音波撮像装置１００の動作について説明する。図５に示すように、超音波撮像装置１００の大まかな工程は、送信ビーム状態推定工程（ステップＳ１）と、素子配置推定工程（ステップＳ２）と、断層像取得工程（ステップＳ３）とで構成される。
【００３９】
（送信ビーム状態推定工程）
以下、図６を参照して、送信ビーム状態推定工程について説明する。送信ビーム状態推定工程において、素子配置推定工程に用いる第１の送信ビームの状態を推定する。
【００４０】
まず処理の前提として、開口合成法を用いる。開口合成法では、送信素子１つ（つまり探触子１０を構成する単一の素子８０）から送信して、全受信素子（つまり探触子１０を構成する全素子８０）で受信を行い、送信素子を１つ隣に移動させ、これを繰返し、個々の送信素子から送信した時の全受信データ（開口合成データ）を取得する。より詳細なプロセスは、送信信号を形成した後、探触子１０の特定の素子８０を動作させ、電気信号である送信信号を送信波に変換し、被検体ＴＯ内に送信する。次に、探触子１０の各素子８０で被検体ＴＯから反射された受信波を受信し、この受信波を電気信号である受信信号に変換する。受信信号は、受波データ記憶部４１ａに保存される。送信用の素子８０を切り換えつつ以上の動作を繰り返すことで、個々の素子８０から送信した時の全素子８０の全受信データを行列的な情報として集めることができる。開口合成データを取得することで、開口合成法により取得した全送受信データの受信後において、受波合成部４１ｂを動作させて受波データ記憶部４１ａから読み出した受信信号に適宜の遅延時間、重み等を与えることで、第１の送信ビームを合成すべく任意の特定箇所に送信フォーカスを設定することが可能となる。
【００４１】
ビーム状態推定部４２は、以上の手法で受波合成部４１ｂ等を動作させることで、特定箇所（画素）に合わせて開口合成データ上で第１の送信ビームを形成し、特定箇所及びその周辺から応答像を取得するとともに取得した応答像を保管する（ステップＳ１１）。
【００４２】
第１の送信ビームを目標の１か所に集めるだけでなく、受信信号に適宜の遅延時間、重み等を与えることで、受信ビームの目標又は窓を特定箇所を通る直線上に沿って走査されるように移動させれば、第１の送信ビームの強度分布、つまり応答像が計測される。このビームの強度分布が第１の送信ビームの強度又は状態となる。なお、第１の送信ビームは、複数の種類のビームを含む。
【００４３】
ここで、ビーム状態推定の過程で開口合成を用いる理由について説明する。開口合成は、図７に示す原理に基づく、ビームフォーミング法の一形態である。通常、送信ビームは被検体ＴＯ内部の音圧分布としてあらわされる。しかし、開口合成法においては、上述のように素子８０毎に順に送信を行い、それぞれの条件における受信信号を格納する。その後、所望の位置に送信フォーカスを結ぶように、送信と受信の遅延時間の分をずらして加算するビームフォーミング（受波合成）を行うことにより、計算上の空間において、任意の位置に送信フォーカスを形成した場合の送受信のビームフォーミングを行う。このことにより、データ取得後に、あたかも送信条件を変えて、送信したのと同じことが計算空間上で構成することが可能となる。その結果、条件探索毎に送信のやり直しが不要となるため、送信のやり直しを行っている間に対象が変化してしまうことに起因する推定精度の低下を回避することができる。散乱成分を除去するための、送信フォーカス位置の細かい移動のためにデータを収集し直すことも不要となる。
【００４４】
図６に戻って、次に、ビーム状態推定部４２は、第１の送信ビームのフォーカス位置をシフトさせつつ応答像を取得し、応答像の平均化によってビーム状態を決定する（ステップＳ１２）。具体的には、制御部７０の制御下で、ビーム状態推定部４２が、受波合成部４１ｂ等を動作させ、フォーカス位置をずらした複数の応答像を平均化させてビームスポットから散乱体分布に対応する成分を除去し、特定箇所でのビーム状態を決定する。
【００４５】
次に、ビーム状態推定部４２は、特定箇所を順次移動させる（ステップＳ１３）。具体的には、制御部７０の制御下で、ビーム状態推定部４２が、受波合成部４１ｂ等を動作させ、第１の送信ビームのフォーカス位置が移動するように、設定を変更する。
【００４６】
次に、ビーム状態推定部４２は、全箇所に関してビーム状態を決定したか否かを判断する（ステップＳ１４）。ビーム状態の決定を終了する場合、次の素子配置推定工程に進む（ステップＳ１４のＹ）。一方、ビーム状態の決定を継続する場合、ステップＳ１１に戻る（ステップＳ１４のＮ）。
【００４７】
図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、第１の送信ビームの焦点（スポット）を可視化した図である。図８（Ａ）及び８（Ｂ）において、特定箇所（図では中心付近）において第１の送信ビームを固定し、受信ビームを移動して走査している。被検体ＴＯ内に散乱体の強弱が存在すると、図８（Ａ）に示すように、散乱体等に起因する離散的なピークのノイズが混じり、第１の送信ビームの強度分布が粗っぽい状態となる。そこで、送信ビームの焦点付近（特定箇所及びその周辺）でビームの焦点位置を変化させた条件の応答像を開口合成データから複数枚取得し、位置の変化分だけシフトさせてこれらの応答像を平均化することにより、図８（Ｂ）に示すように、送信ビーム状態の滑らかな強度分布の情報を得ることができる。
【００４８】
なお、第１の送信ビームの焦点位置をほとんど変化させずに、位相分布を変更して応答像を取得してもよい。具体的には口径の左半分と右半分で反対の符号をもった重みを設定すれば、本来のビームの中心位置において音圧はゼロとなり、このゼロ点（ノード）を挟んで左右に１つずつ音圧の高いビームが形成される。この口径分割数を変えると、それに応じて、複数のピークを形成することが可能である。アレイの自由度の数だけ存在する未知数に対応する情報を増やすことで解の精度を向上させるために、口径内の重みの設定は、上記の特定箇所を複数設定するのと同様の効果を発揮することを可能にする。
【００４９】
（素子配置推定工程）
以下、図９を参照して、素子配置推定工程について説明する。予め、超音波信号を送受信する（ステップＳ２１）。具体的には、単一素子毎に送波を行い、被検体ＴＯ内の特定箇所に第１の送信ビームをフォーカスさせる。次に、探触子１０の各素子８０で被検体ＴＯから反射された受信ビームを受信し、この受信ビームを電気信号である受信信号に変換する。この処理は、開口合成法を用いる場合、ステップＳ１１で得たものをそのまま利用することができるので、省略される。
【００５０】
次に、素子配置推定部４３は、ステップＳ２１で得た受信信号又は応答像に基づいて、評価関数が最適となるように、素子配置を探索する（ステップＳ２２）。具体的には、制御部７０の制御下で、素子配置推定部４３が受波合成部４１ｂ等を動作させ、探触子１０の各素子８０で受信した受信信号に対し、評価関数を評価する。この評価結果に基づいて素子配置を推定する。この際、素子配置推定部４３は、ステップＳ１でビーム状態推定部４２によって得たビーム状態の推定結果を参酌して素子配置を探索する。つまり、素子配置推定部４３は、受信信号又は応答像を評価する際に、ビーム状態（具体的には、ビームの強度や幅）を因子として含む評価関数を用い、ビーム状態を反映させた評価関数の値を算出する。 
【００５１】
以下、探触子１０の配置を推定する方法について説明する。本実施形態では、図２（Ｂ）に示す探触子１０を用いて、この探触子１０がほとんど伸縮性を有しない場合を例に説明する。なお、探触子１０の配置推定方法については、特開２００９−２４７５１１号公報で開示している他の推定方法を用いることもできる。
【００５２】
まず、素子配置推定部４３は、受波合成部４１ｂ等を利用して、ある仮定した初期形状に基づいて、受信ビームについてビーム状態の推定結果も参酌して電気信号上で合成、つまり受波合成を行う。その後、素子配置推定部４３は、得られた受信ビームの初期評価関数を求める。この初期評価関数をＰＳＦ０とする。
【００５３】
次に、素子配置推定部４３は、評価関数ＰＳＦ０が最適となるように、反復的に探触子１０の形状を推定する探索を行う。
【００５４】
探触子１０の配置推定が終了した後は、配置推定結果に基づいて目標位置に向けて撮像に用いる第２の送信ビームの送信を行い、受信エコーに対して配置推定結果に基づいた受波合成を行うことができる。
【００５５】
以下、初期評価関数ＰＳＦ０の最適化プロセスについて説明する。目標とする超音波のビーム形成に必要な遅延時間、重み等のパラメータは、焦点と各素子位置との間の距離を求め、素子８０間での距離差を対象物の音速で割ることにより算出される。この遅延時間等を素子８０毎に与えたチャンネル間に付与することにより目標とする所望のビームを形成することができる。この際求まる評価関数は、遅延時間が最も正しいときに、最小（方位方向及び伝搬方向ともに最小）となる傾向にある。そのため、探索に際しては、遅延時間パターンを変化させて、ビーム幅の幅が最小になる遅延時間パターンを求める。ここで、状況によって、深さ方向の幅を最小にしたり、方位方向の幅を最小にしたり、両者の相加平均や相乗平均等を最小とすることが好ましい。探触子１０の端の素子８０から順番に計算すると、１番端の素子８０を原点として、素子間隔をＰとし、ｉ番目の素子８０の角度をΘｉとし、ｉ−１番目の関節の回転角度をθｉ−１とすると、ｉ番目の素子位置（Ｘｉ，Ｙｉ）は、ｉ−１番目の素子位置（Ｘｉ−１，Ｙｉ−１）及び回転角度Θｉ−１を用いて、（Ｘｉ−１＋Ｐ／２ｃｏｓΘｉ−１＋Ｐ／２ｃｏｓ（Θｉ−１＋θｉ−１），Ｙｉ−１＋Ｐ／２ｓｉｎΘｉ−１＋Ｐ／２ｓｉｎ（Θｉ−１＋θｉ−１））と算出できる。つまり、まず１番端の受信ビームに基づいて、自由度を角度Θ１と回転角度θ１との２つのパラメータとして、２番目の素子８０の受信信号に推定遅延時間を与え、加算を行い、チャンネルｃｈ１とチャンネルｃｈ２との信号加算において、評価関数が最大となる角度Θ１と回転角度θ１とを求める。その後、数学的帰納法を用いて、順次素子位置を求めることで、探触子１０全体の角度Θと回転角度θとを求めることができる。
【００５６】
なお、最初の数素子において、遅延時間を推定する際に、ビームが形成されないため、角度Θ及び回転角度θの推定精度が低くなる。そこで、端から順に推定していくのではなく、分割数を徐々に増やす方法をとることが望ましい。例えば、ビーム口径内のチャンネル数が１２８である場合、左半分と右半分とで、それぞれ初期推定形状に基づいた遅延加算を行う。次に、この左半分の加算信号と右半分の加算信号との間の関節の角度を評価関数が最小になるように推定する。この推定が終了すると、左右それぞれのビーム口径を半分に分割し、１／４と２／４との間の遅延時間を推定し、かつ３／４と４／４との間の遅延時間を推定する。このように、順次分割数を増やしていきながら、推定の精度を向上させていく。ここで、ビーム口径を分割するとは、換言すると、空間的に位置が近い素子８０を束ねるということである。例えば、ビーム口径内に１２８ｃｈある場合、ビーム口径を２分割するとは、１ｃｈから６３ｃｈまでを１つに束ね、残りの６４ｃｈから１２８ｃｈを１つに束ねる。また、ビーム口径を４分割するとは、１ｃｈから３１ｃｈ、３２ｃｈから６３ｃｈ、６４ｃｈから９５ｃｈ、９６ｃｈから１２８ｃｈを４つに束ねる。このように、ビーム口径は、逐次細かく分割することができる。
【００５７】
上述のような分割する方法の他に、遅延時間関数を用いる方法がある。具体的には、遅延時間関数をＦ（ｘ）＝Σａｎｘｎというｘの多項式（ｎは自然数）で表現できると仮定し、ｎが０と仮定してＦ（ｘ）を推定し、この推定結果を基にａ１及びａ０を推定し、以降ｎを増やしていく。以上のような方法は、素子８０のアレイ形状の空間周波数成分中に、高い空間周波数成分をあまり含まない場合に有効である。
【００５８】
なお、生体の音速の不均一により焦点がぼやけてしまう現象を補正するために、隣接素子間で受信信号の移動ずれを検出し、これを補正した遅延時間に置き換える、適応像再生というビーム形成法がある。本実施形態では、受信信号を基に探触子１０の形状を推定し、形状変形を推定しているが、その際に生体音速の不均一の補正も行うことができる。
【００５９】
（断層像取得工程）
以下、図１０を参照して、断層像取得工程について説明する。まず、特定箇所に向けて撮像用の第２の送信ビームを送信し、特定箇所からの受信信号を取得する（ステップＳ３１）。具体的には、送波ビーム形成部３１を動作させ、推定した素子配置に基づいて、送信信号を形成する。この際、被検体ＴＯ内の特定箇所において第２の送信ビームをフォーカスさせるため、送信信号に遅延時間、重み等が与えられる。次に、探触子１０の各素子８０で被検体ＴＯから反射された受信ビームを受信し、この受信ビームを電気信号である受信信号に変換する。次に、受波合成部４１ｂを動作させ、特定箇所及びその周辺から集めた受信ビームを得るため、受信信号に遅延時間、重み等を与える。
【００６０】
次に、特定箇所を順次移動させる（ステップＳ３３）。具体的には、送波ビーム形成部３１を動作させ、第２の送信ビームのフォーカス位置が移動するように、設定を変更する。
【００６１】
次に、全箇所に関して信号値を取得したか否かを判断する（ステップＳ３４）。信号値の取得を終了する場合、次の工程に進む（ステップＳ３４のＹ）。一方、信号値の取得を継続する場合、ステップＳ３１に戻る（ステップＳ３４のＮ）。
【００６２】
全箇所での信号値の取得後、各特定箇所の信号値から断層像を合成する（ステップＳ３５）。なお、ここでは送信フォーカス位置を特定箇所という表現を行ったが、平面波送信多並列受信による高速撮像のように、特定箇所を特定条件と読み替えて実施することも可能である。
【００６３】
なお、生体等の被検体の場合、形状等が経時的に不規則に変化するため、素子配置も経時的に変化する。変形が生じそうな時間間隔（例えば１０秒）を予め設定して素子配置が変化したと判断された場合（図５のステップＳ４のＹ）、断層像取得工程を一時的に中断し、ビーム状態推定工程に戻り、図５のステップＳ１〜Ｓ３の工程を繰り返す。素子配置の変化の判断は、所定の時間を設定する場合に限らず、被検体の動きを監視するセンサー等を利用してもよい。素子配置が変化したと判断されず（図５のステップＳ４のＮ）、断層像取得工程を継続する場合（図５のステップＳ５のＮ）、ステップＳ３に戻る。
【００６４】
（実験例１）
以下、実験例１にかかる超音波撮像装置１００について説明する。図１１に示すように、実験例１の超音波撮像装置１００の探触子１０は、曲率半径が１００ｍｍである治具ＣＢの内側に固定されている。素子数は６４、素子間隔は１ｍｍである。実験例１の探触子１０の設計値は、曲率半径を９５ｍｍとし、厚さを５ｍｍとした。探触子１０を治具ＣＢに固定した状態で、超音波の送信ビームを被検体に当て、一様な散乱体である被検体から戻った受信ビームを受信した。なお、被検体は、探触子１０に対応する円形の輪郭を有することを前提として、今回の手法で探触子１０を構成する素子８０の配置推定又は配置探索を行った。つまり、本来アレイ形状は素子数だけ自由度があるが、ここでは未知数は半径Ｒと１つのみになる。ここでは評価関数として、送信ビーム状態を推定したときの、ビーム強度の最大値を用いた。図１２（Ａ）は、実験例１の素子配置の推定結果を示す。図１２（Ａ）において、横軸は素子配置に対応する推定曲率半径を示し、縦軸はビームの最大強度を示す（実験例２も同様）。ビームが収束すれば、ピーク幅が細くなり、ビームの強度も最大値をとる。（上記の説明の中で、送信ビーム幅を評価関数とする例に関する説明も行った。大よその傾向として、エネルギーが一定であれば、送信ビーム幅とビーム強度最大値は反比例する関係にあるので、ビーム強度最大値を評価関数に用いるのも、ビーム幅最小値を評価関数に用いるのも思想は同じである。）この最大値に対応する部分（ここでは、曲率半径）が推定される素子配置となる。図１２（Ａ）に示すように、曲率半径が約９５ｍｍのところにピークが形成されている。推定した送信ビーム状態に基づいて素子配置を推定することで、被検体のより理想的な断層像を得ることができる。
【００６５】
（実験例２）
以下、実験例２にかかる超音波撮像装置１００について説明する。実験例１と同様に、実験例２の超音波撮像装置１００の探触子１０は、曲率半径が１５０ｍｍである治具ＣＢの内側に固定されている。実験例２の探触子１０の設計値は、曲率半径を１４５ｍｍとし、厚さを５ｍｍとした。実験例１と同様に、探触子１０を治具ＣＢに固定した状態で、超音波の送信ビームを被検体に当て、一様な散乱体である被検体から戻った受信ビームを受信した。なお、被検体は、探触子１０に対応する円形の輪郭を有することを前提として、今回の手法で探触子１０を構成する素子８０の配置推定又は配置探索を行った。図１２（Ｂ）は、実験例２の素子配置の推定結果を示す。図１２（Ｂ）に示すように、曲率半径が約１４５ｍｍのところにピークが形成されている。推定した送信ビーム状態に基づいて素子配置を推定することで、被検体のより理想的な断層像を得ることができる。
【００６６】
実験例１及び２において、被検体が円形であるとして形状を推定したが、生体のような被検体の形状は自由度が多い。例えば、素子８０が１２８個あれば、１２８個の自由度がある。そのため、このような被検体に対応する素子配置の推定は難しいが、関数をテーラー展開して有限な多項式で近似することにより未知の係数を最小限とし演算の負担を減らすことで素子配置を推定することができる。
【００６７】
（実験例３及び４）
実験例３及び４にかかる超音波撮像装置１００について説明する。用いた振動子（探触子１０）は実験１と同じである。実験例３及び４では、まず散乱体としてグラファイトを含んだゲルファントムを対象とした計測を行った。この過程で、送信ビーム形状を評価関数として、素子配置の推定を行った。次に振動子（探触子１０）を水中に移し、水中に置いたワイヤーを被検体とした。グラファイトゲルファントム中での素子配置推定結果を用いてワイヤーを撮像した結果と、素子配置として直線を仮定した場合の撮像した結果との比較を行った。ワイヤーは、縦方向及び横方向に一定の間隔を置いて複数設けられている。図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、内径１００ｍｍの金属製治具の内側に固定されたアレイ状の素子８０で撮像した画像である。図１３（Ａ）は、実験例３の超音波撮像装置１００において、所定のアルゴリズムを用いて素子配置を推定して撮像して再現した画像である。図１３（Ｂ）は、実験例４であり、実験例３との比較として、素子配置が仮に線状であると推定して撮像して再現した画像である。また、図１３（Ｃ）及び１３（Ｄ）は、自由曲線形状に固定されたアレイ状の素子８０で撮像した画像である。自由曲線は放電加工によって作成した金属治具に対してアレイ上素子を固定することで実現した。図１３（Ｃ）は、実験例３の超音波撮像装置１００において、所定のアルゴリズムを用いて素子配置を推定して撮像して再現した画像である。図１３（Ｄ）は、実験例４として、素子配置が仮に線状であると推定して撮像して再現した画像である。ここで実験例４に対しては、αｘ＋βｘ２＋γｘ３という３次多項式形状を仮定し、３つの未知数α、β、γの値を推定することで、素子配置を確定させている。未知数の数が少なすぎると、実際の素子配置形状と、仮定した素子配置形状の誤差が大きくなり、解像度の高い画像を得ることができない。未知数の原理上の最大値は素子数である。未知数が多すぎると、評価関数が最大となる値の探索に要する計算コストが大きくなりすぎることや、未知数を増やしたことによる精度向上効果が小さくなる。多項式でフィッティングする際に被検体表面がある程度なめらかであることを考慮すると、５次や６次の項まであれば、自由曲線を表現する関数として妥当であると考えられる。すなわち、素子数の１／１０程度以下の未知数を用いて探索することで、未知の素子配置を推定することが可能である。
【００６８】
図１３（Ａ）及び１３（Ｃ）に示すように被検体の素子配置を推定して撮像すると、図１３（Ｂ）及び１３（Ｄ）に示すように素子配置が不明で仮に線状であるとして撮像した場合よりも実際の被検体の状態に近い画像を再現できている。
【００６９】
以上説明した超音波撮像装置によれば、素子配置の推定を画像データの生成とは個別に行うため、素子配置の推定精度を向上させることができ、画質を高めることができる。
【００７０】
上述の超音波撮像装置１００は、例えば心臓の動きのモニタ、嚥下のモニタ、褥瘡のモニタ、膀胱のモニタ等に用いることができる。具体的には、心臓の動きのモニタにおいて、患者の心臓の上に超音波撮像装置１００の探触子１０を貼り付け、常時心臓の動画等を取得し、発作時のデータを解析することができる。また、嚥下モニタにおいて、患者の喉の上に超音波撮像装置１００の探触子１０を貼り付け、嚥下時の動画等を取得し、嚥下能力の評価をすることができる。また、褥瘡のモニタにおいて、患者の褥瘡になるリスクが相対的に高い部分の皮膚に超音波撮像装置１００の探触子１０を貼り付け、褥瘡の予防や経過観察を行うことができる。また、膀胱モニタおいて、患者の膀胱の上に超音波撮像装置１００の探触子１０を貼り付け、輸液の管理を行うことができる。また、超音波撮像装置１００は、他の医療機器等と組み合わせて活用することもできる。
【００７１】
特にこれらのモニタリングにおいては、必ずしも撮像結果を画面に表示する必要はない。図１４は、超音波モニタリング装置３００を説明する概念図である。超音波モニタリング装置３００は、図１に示す超音波撮像装置１００のうち画像データ生成部５０の代わりにモニタリング部１５０が設けられている。モニタリング部１５０は、撮像用の第２の送信ビームに対応する受信信号及び複数の素子８０の配置に関する推定結果から被検体ＴＯの特徴を示す数値を算出する。モニタリング部１５０は、検波部５１とスキャンコンバータ５２等を有し、モニタリング部１５０で一旦画像を形成し、画像の中から膀胱や血管等の領域の抽出を行い、抽出された対象物の断面積、円で近似した場合の直径もしくは半径、楕円で近似した場合の長径と短径等の数値を表示部６０に提示することや、これらの数値が設定値から外れた場合に警報を出すように設定することができる。また、対象によっては一度画像にすることは必須ではない。ある深度における方位方向の信号強度プロットや、ある方位方向における深度方向の信号強度プロット等、１次元の情報から、膀胱の長さや血管の太さ等を推定することも、モニタリングの観点からは有用である。
【００７２】
以上では実施形態に係る超音波撮像装置について説明したが、本発明に係る超音波撮像装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、探触子１０の全体形状や素子８０の配列等は用途に応じて適宜変更することができる。具体的には、上記実施形態では、探触子１０が素子８０を１次元的に配列させた例を説明したが、素子８０を２次元的に配列させたものであってもよい。これにより、３次元の像を容易に得ることができる。また、各素子８０の幅や素子８０間の間隔は一定でなくてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態において、素子配置推定に用いる評価関数として送信ビームの状態を求める例を挙げた。送信ビーム状態の評価においては、焦点における信号のコヒーレンス（位相の一致度）が重要である。このことを考慮すると、素子配置の推定における推定精度の評価関数としては、必ずしも推定された送信ビームの特徴に基づく必要はないことがわかる。すなわち、コヒーレンスファクターと呼ばれる因子も評価関数として有用である。時刻ｔにおけるｉ番目の素子の受信信号をＲｉ，ｔと表記するとコヒーレンスファクターはある特定箇所に対応する時刻におけるＲｉの総和を、Ｒｉの絶対値の総和で除した数値である。このコヒーレンスファクターを設定された特定箇所に対して求めてもよいし、複数の特定箇所の平均値としてもよい。
【００７４】
また、上記実施形態において、図１５に示すように、超音波撮像装置１００の基本動作でのステップＳ３の断層像取得工程後にビーム状態推定工程（ステップＳ３’）を行い、ビーム状態の変化を判断してもよい。
【００７５】
また、上記実施形態において、各種画像処理をすることができ、例えばデコンボリューションにより画像のぼけを低減してもよい。これにより、取得画像の精度をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１０…探触子、  ２０…送受信切替部、  ３０…送信部、  ３１…送波ビーム形成部、  ３２…送波波形記憶部、  ４０…受信部、  ４１ａ…受波データ記憶部、  ４１ｂ…受波合成部、  ４２…ビーム状態推定部、  ４３…素子配置推定部、  ５０…画像データ生成部、  ５１…検波部、  ５２…スキャンコンバータ、  ６０…表示部、  ７０…制御部、  ８０…素子、  ８１…音響レンズ、  ８２…トランスデューサー、  ８３…バッキング部材、  ９０…連結部、  ＣＢ…治具、  １００…超音波撮像装置、  １５０…モニタリング部、  ２００…固定バンド、  ３００…超音波モニタリング装置、  ＴＯ…被検体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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