(57)【要約】【課題】サイドローブによる影響が低減された画質の良い超音波画像を得ることができる超音波送受信装置等を提供する。【解決手段】複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイ１０と、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生部１４と、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が少なくとも１つの超音波ビームを形成するように駆動信号発生部を制御する送信制御部１３と、超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に受信焦点を形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、複数の計測データを求める受信制御部２４と、複数の異なる音圧強度プロファイルを記憶する記憶部３１と、複数の計測データと複数の異なる音圧強度プロファイルとに基づいて、画像データを算出する原データ算出部３２とを含む。【選択図】  図１
2004283474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、
前記複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
前記複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が少なくとも１つの超音波ビームを形成するように、前記駆動信号発生手段を制御する送信制御手段と、
前記複数の超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に対して被検体内の少なくとも１つの領域に受信焦点を形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、前記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号を求める信号処理手段と、
超音波ビームを送信することによって形成される音圧強度分布と信号処理手段において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルを記憶する記憶手段と、
前記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号と、前記複数の異なる音圧強度プロファイルとに基づいて、前記少なくとも１つの領域に関する画像データを算出する算出手段と、
を具備する超音波送受信装置。
【請求項２】
前記複数の異なる音圧強度プロファイルが、超音波ビームが送信されてから所定の時間経過後に到達する面である等時間面に含まれる複数の領域における音圧強度又は音圧強度比を表す、請求項１記載の超音波送受信装置。
【請求項３】
前記送信制御手段が、同時に複数の方向に複数の超音波ビームがそれぞれ送信されるように前記駆動信号発生手段を制御する、請求項１又は２記載の超音波受信装置。
【請求項４】
前記信号処理手段が、被検体内の複数の領域にそれぞれ関する複数の検出信号を求め、
前記算出手段が、前記複数の検出信号と、前記複数の領域に関する複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記複数の領域に関する画像データを算出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【請求項５】
前記信号処理手段が、被検体内の１つの領域に関する複数の検出信号を求め、
前記算出手段が、前記複数の検出信号と、前記１つの領域に関する異なる複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記１つの領域に関する画像データを算出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【請求項６】
前記信号処理手段が、被検体内の複数の領域の各々に関する複数の検出信号を求め、
前記算出手段が、前記複数の検出信号と、前記複数の領域の各々に関する異なる複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記複数の領域に関する画像データを算出する、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【請求項７】
前記算出手段が、前記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号と、前記少なくとも１つの領域に関する複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記少なくとも１つの領域に関する画像データを未知数とする連立方程式を構成し、該連立方程式の解を求めることにより画像データを算出する、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【請求項８】
前記算出手段が、少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号を成分とするベクトルｂと、前記少なくとも１つの領域に関する複数の音圧強度プロファイルにおける音圧強度比を成分とする行列Ａと、前記少なくとも１つの領域に関する画像データを成分とするベクトルｘとを、Ａｘ＝ｂなる方程式に表し、該方程式からベクトルｘを得ることにより画像データを算出する、請求項７記載の超音波送受信装置。
【請求項９】
前記算出手段が、Ａｘ＝ｂを満たす行列Ａの一般逆行列を求めることによりベクトルｘを求める、請求項８記載の超音波送受信装置。
【請求項１０】
前記算出手段が、行列Ａを特異値分解し、所定の値より小さい特異値を切り捨てることにより行列Ａのランクを落とし、ランクが落とされた行列Ａ’の一般逆行列を求めることによりベクトルｘを得る、請求項９記載の超音波送受信装置。
【請求項１１】
前記算出手段が、行列Ａがｍ行ｎ列（ｍ＞ｎ）からなる行列である場合に、前記方程式を満たすＸの最小自乗解を求める、請求項８記載の超音波送受信装置。
【請求項１２】
前記算出手段が、行列Ａが正方行列且つ正則行列である場合に、行列Ａの逆行列Ａ−１を、掃き出し法又は反復法を含む直接法によって求めることによりベクトルｘを得る、請求項８記載の超音波送受信装置。
【請求項１３】
所定の領域に関する検出信号と、第１の等時間面に対応する音圧強度プロファイルとに基づいて、第２の等時間面に対応する音圧強度プロファイルを補正する補正手段をさらに具備する請求項２〜１２のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【請求項１４】
超音波を送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイを用いて超音波を送受信する方法であって、
前記複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動することにより少なくとも１つの超音波ビームを送信するステップ（ａ）と、
前記複数の超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に対して被検体内の少なくとも１つの領域に受信焦点を形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、前記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号を求めるステップ（ｂ）と、
ステップ（ｂ）において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルと、前記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号とに基づいて、前記少なくとも１つの領域に関する画像データを算出するステップ（ｃ）と、
を具備する超音波送受信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送信し、エコー信号を受信することにより超音波画像を得るために用いられる超音波送受信装置及び超音波送受信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２次元又は３次元超音波画像を得るためには、例えば、Ｂモードスキャンのように、超音波ビームを１本ずつ送信して被検体をスキャンし、得られた画像情報に基づいて２次元又は３次元超音波画像を合成していた。しかしながら、このような方法によると、フレームごとのタイムラグが大きいので、異なる時間における画像を合成することになり、動きのある部位を撮像すると合成画像がぼけてしまう。特に、循環器のように動きの激しい部位を観察する場合には、少なくとも毎秒３０フレーム程度のリアルタイム性が要求される。リアルタイムに超音波画像を得るためには、被検体内の撮像領域を高速に走査しなければならず、１本の超音波ビームによって順次走査する方式では間に合わない。
【０００３】
このような問題の解決策として、複数の超音波トランスデューサが２次元に配置された超音波トランスデューサアレイから、複数の超音波ビームを同時に多方向に向けて送受信する技術が検討されている。
図１５の（ａ）は、一般的に用いられている超音波探触子に含まれるトランスデューサの構造と、そこから送信される超音波ビームの形状を模式的に示している。超音波トランスデューサアレイ１００は、複数の超音波トランスデューサ１０１を、例えば、リニアに多数配列することによって作製される。超音波の送信及び受信に用いられる素子（超音波トランスデューサ）としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子を含む圧電性を有する材料（圧電素子）の両端に電極を形成したものが一般的に用いられている。
【０００４】
これらの超音波トランスデューサ１０１には、パルサー等を含む駆動信号発生回路がそれぞれ接続されている。超音波トランスデューサ１０１に電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波を発生する。その際に、所定の時間差を設けて複数の超音波トランスデューサ１０１を駆動することにより、それぞれの超音波トランスデューサ１０１から送信される球面波が合成され、所望の方向且つ所望の深度に焦点が形成された超音波ビームを送信することができる。
【０００５】
また、図１５の（ｂ）に示すように、１組のエレメントにＡ系パルスとＢ系パルスの２組のタイミングパルスを印加することにより、超音波ビームＡ及び超音波ビームＢを、異なる方向に同時に送信することができる。なお、Ａ系パルスとＢ系パルスとが重なる場合には、加算結果である共通パルスを発生すれば良い。
以下において、このように同時に送受信される複数の超音波ビームのことを、マルチビームという。
【０００６】
ところで、超音波撮像においては、超音波ビームの送信時におけるサイドローブが問題となっている。指向性を有する超音波ビームを送信した場合に、音圧強度の空間分布において、送信方向の中心軸上に現れる極大はメインローブ（主極）、それ以外の方向に現れる極大はサイドローブ（副極）と呼ばれる。このサイドローブは、超音波トランスデューサの素子ピッチと超音波周波数との関係によって生じたり（グレーティングローブと呼ばれる）、超音波トランスデューサの不要振動によって生じる。通常、超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーは、メインローブ方向から伝搬してきたものとして信号処理される。そのため、サイドローブ成分が大きかったり、サイドローブ方向に強い反射体が存在する場合には、アーティファクト（虚像）が生じ、超音波画像の画質が低下してしまう。
【０００７】
このような現象を避けるために、送受信ビームの遅延精度を向上させたり、素子を微細化する等、サイドローブの出現を抑える工夫がなされてきた。しかしながら、これらの手法には限界があり、まだ、十分なレベルまでサイドローブが低減されているとは言えない。また、超音波ビームを大きくステアリングする場合や、超音波をマルチビーム送信する場合には、サイドローブ成分のレベルがさらに高くなり、これを軽減することがさらに困難になる。そのため、画質への影響が大きな問題になっている。
【０００８】
特許文献１には、超音波をマルチビーム送受信する際に、サイドローブによる影響を低減するために、次にような技術が開示されている。即ち、１つの送信ビームに対して、複数の受信ビームを形成する方法や、複数の送信ビームの周波数を変えたり、バーカ（Ｂａｒｋｅｒ）符号やゴレイ（Ｇｏｌａｙ）符号等を用いて送信ビームを符号化することにより送信ビームを識別し、受信された超音波エコーとの相関を取る方法が挙げられている。また、メインローブとサイドローブとの間には、ナル（ｎｕｌｌ）ラインと呼ばれる音圧が概ね０となる領域が存在するので、その領域に、別の超音波ビームのメインローブをアライメントする方法や、単に送信ビーム間隔を離す方法、送信ビームの中心周波数をずらす方法も挙げられている。しかしながら、これらの方法はサイドローブの発生を抑制しようとするものであり、いずれにしても、サイドローブを低減できる程度には限界がある。
【０００９】
ところで、近年、医療用画像技術分野において大きく発達したものの１つとして、Ｘ線ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が挙げられる。Ｘ線ＣＴとは、被検体に複数の方向からＸ線を照射し、被検体を透過したＸ線に基づいて被検体の断層像を生成する技術である。しかしながら、高画質のＸ線ＣＴ画像を得るためには、異なる数百方向から被検体を透過したＸ線信号が必要とされるため、Ｘ線源及びＸ線検出部を回転させるための複雑で精密な機構や、膨大な量のデータを処理するための多大な時間と高性能のデータ処理装置等が必須である。そのため、装置が大がかり且つ高価となり、一般への普及を阻む要因となっていた。また、被検体に照射されるＸ線の被曝量も問題となっていた。
【００１０】
そのような問題を解決するために、特許文献２には、投影方向が少なくても良質な画像を高速に得ることができるＣＴ装置が開示されている。このＣＴ装置においては、予め定められた複数の異なる透過経路と格子状に区切られた計算空間の各々の画素が、上記透過経路を透過線が通ったときの投影値に及ぼす各画素毎の影響の度合いである影響係数との関係を行列表示した投影モデル行列を、特異値分解して予め算出した一般化逆行列を記憶しておき、異なる方向から投影されたＸ線の交点（格子状に区切られた計算空間）における投影値と、上記一般化逆行列とを用いて画像表示のためのデータを生成することが行われている。
しかしながら、この手法は、異なる複数の透過経路における投影値（透過経路の積分値）から、これらの透過経路の交わる格子点における信号を推定するものであり、このような技術を、被検体から反射された超音波エコーの音圧強度から被検体に関する情報を得る超音波撮像にそのまま適用することはできない。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第６１７９７８０号明細書
【特許文献２】
特開平９−１６１０４１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、サイドローブによる影響が低減された画質の良い超音波画像を得ることができる超音波送受信装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波送受信装置は、超音波を送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が少なくとも１つの超音波ビームを形成するように、駆動信号発生手段を制御する送信制御手段と、複数の超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に対して被検体内の少なくとも１つの領域に受信焦点を形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、上記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号を求める信号処理手段と、超音波ビームを送信することによって形成される音圧強度分布と信号処理手段において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルを記憶する記憶手段と、少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号と、上記複数の異なる音圧強度プロファイルとに基づいて、上記少なくとも１つの領域に関する画像データを算出する算出手段とを具備する。
【００１４】
ここで、上記信号処理手段が、被検体内の複数の領域にそれぞれ関する複数の検出信号を求め、上記算出手段が、該複数の検出信号と該複数の領域に関する異なる複数の音圧強度プロファイルとを用いて、複数の領域に関する画像データを算出しても良い。また、上記信号処理手段が、被検体内の１つの領域に関する複数の検出信号を求め、上記算出手段が、該複数の検出信号と、該１つの領域に関する異なる複数の音圧強度プロファイルとを用いて、１つの領域に関する画像データを算出しても良い。さらに、上記信号処理手段が、被検体内の複数の領域の各々に関する複数の検出信号を求め、上記算出手段が、該複数の検出信号と、該複数の領域に関する異なる複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記複数の領域に関する画像データを算出しても良い。
【００１５】
また、本発明に係る超音波送受信方法は、超音波を送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイを用いて超音波を送受信する方法であって、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動することにより少なくとも１つの超音波ビームを送信するステップ（ａ）と、複数の超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に対して被検体内の少なくとも１つの領域に受信焦点を形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、上記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号を求めるステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルと、上記少なくとも１つの領域に関する複数の検出信号とに基づいて、上記少なくとも１つの領域に関する画像データを算出するステップ（ｃ）とを具備する。
【００１６】
本発明によれば、音圧強度プロファイルと検出信号とに基づいて、サイドローブのない状態の超音波エコー信号を推定するので、サイドローブによる影響が低減された良質な超音波画像を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【００１８】
本実施形態に係る超音波送受信装置は、超音波トランスデューサアレイ１０を含んでいる。超音波トランスデューサアレイ１０は、例えば、マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含んでいる。超音波トランスデューサアレイ１０は、印加される駆動信号に基づいて超音波ビームを送信すると共に、伝搬する超音波を受信して検出信号を出力する。これらの超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電素子）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。このような振動子の電極に、パルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状或いは連続的な超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の検出信号として出力される。
【００１９】
或いは、超音波トランスデューサとして、超音波変換方式の異なる複数種類の素子を用いても良い。例えば、超音波を送信する素子として上記の振動子を用い、超音波を受信する素子として光検出方式の超音波トランスデューサを用いるようにする。光検出方式の超音波トランスデューサとは、超音波信号を光信号に変換して検出するものであり、例えば、ファブリーペロー共振器やファイバブラッググレーティングによって構成される。
【００２０】
また、本実施形態に係る超音波送受信装置は、走査制御部１１と、送信遅延パターン記憶部１２と、送信制御部１３と、駆動信号発生部１４と、送受信切換部１５とを含んでいる。走査制御部１１は、超音波ビームの送信方向及び超音波エコーの受信方向を順次設定する。送信遅延パターン記憶部１２は、超音波ビームを形成する際に用いられる複数の送信遅延パターンを記憶している。送信制御部１３は、走査制御部１１において設定された送信方向に応じて、送信遅延パターン記憶部１２に記憶されている複数の遅延パターンの中から所定のパターンを選択し、そのパターンに基づいて、複数の超音波トランスデューサにそれぞれ与えられる遅延時間を設定する。
【００２１】
駆動信号発生部１４は、例えば、複数の超音波トランスデューサにそれぞれ対応する複数のパルサーによって構成されている。複数のパルサーの各々は、送信制御部１３において設定された遅延時間に基づいて、駆動信号を発生する。送受信切換部１５は、駆動信号発生部１４における駆動信号の発生と、信号処理部２１における検出信号の取り込みとを、走査制御部１１の制御に従って所定のタイミングで切り替える。このように検出信号の読み取り時間帯を限定することにより、被写体の特定の深さから反射されたエコー信号を検出することができる。
【００２２】
さらに、本実施形態に係る超音波送受信装置は、信号処理部２１と、１次記憶部２２と、受信遅延パターン記憶部２３と、受信制御部２４と、２次記憶部２５と、強度プロファイル記憶部３１と、原データ算出部３２と、３次記憶部３３と、画像処理部３４と、表示部３５とを含んでいる。
【００２３】
信号処理部２１は、複数の超音波トランスデューサにそれぞれ対応する複数のラインを含んでいる。信号処理部２１の複数のラインの各々は、対応する超音波トランスデューサから出力された検出信号を所定のタイミングで取り込み、対数増幅、検波、ＳＴＣ（センシティビティタイムコントロール）、フィルタ処理、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行う。１次記憶部２２は、信号処理部２１において信号処理された検出信号を、ラインごとに時系列に記憶する。
【００２４】
受信遅延パターン記憶部２３は、複数の超音波トランスデューサから出力された複数の検出信号に対して受信フォーカス処理を行う際に用いられる複数の受信遅延パターンを記憶している。受信制御部２４は、走査制御部１１において設定された受信方向に基づいて、受信遅延パターン記憶部２３に記憶されている複数の受信遅延パターンの中から所定のパターンを選択し、そのパターンに基づいて複数の検出信号に遅延をかけて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線データが形成される。２次記憶部２４は、受信制御部２４において形成された音線データを記憶する。
【００２５】
強度プロファイル記憶部３１は、複数の異なる音圧強度プロファイル（単に、強度プロファイル又はプロファイルともいう）を記憶している。強度プロファイルは、複数の異なる方向に超音波ビームが送信されてから所定の時間経過後に到達する面に含まれる複数の領域における音圧強度又は音圧強度比を表している。ここで、超音波ビームが送信されてから所定の時間経過後に到達する面のことを等時間面という。等時間面に含まれる複数の領域においては、超音波ビームの送信位置からの距離がほぼ等しいと考えられる。強度プロファイルは、等時間面に含まれる複数の領域の位置（方向）と音圧強度又は音圧強度比との関数によって表される。
【００２６】
超音波が送受信される空間には、超音波ビームを送信することによって形成される音圧強度分布と受信制御部２４において施される受信フォーカス処理とによって、音圧強度の空間分布（音場）が形成されていると想定される。本実施形態においては、検出信号におけるサイドローブの影響を除去するために、このような音圧強度の空間分布を利用している。
【００２７】
強度プロファイル記憶部３１に記憶されている複数の強度プロファイルは、超音波ビームの送信方向と超音波エコーの受信フォーカス処理、即ち、受信方向及び受信焦点の深さとに基づいて設定されている。或いは、音圧強度プロファイルを設定するための要素として、超音波トランスデューサアレイ１０に含まれる素子の内、使用される素子の数、素子ピッチ、使用される素子の開口径、開口内重み付けを含む開口条件を含めても良い。このような強度プロファイルは、上記の開口条件や、送信遅延パターンを含む送信条件や、受信遅延パターンを含む受信条件に基づいて音場をシミュレートすることにより求めることができる。或いは、散乱ファントムに対してこれらの条件に基づいて超音波ビームを送受信し、計測によって得られた超音波エコーの強度比を用いて強度プロファイルを求めても良い。
【００２８】
原データ算出部３２は、走査制御部１１において設定された送信方向及び受信方向に基づいて、強度プロファイル記憶部３１に記憶されている複数のプロファイルの中から所定のプロファイルを選択し、そのプロファイルと、２次記憶部２５に記憶されている音線データに含まれる所定の等時間面における計測データとに基づいて、サイドローブ成分が抑制された画像データ（原データ）を算出する。３次記憶部３３は、原データ算出部３２において算出された画像データを記憶する。
【００２９】
画像処理部３４は、３次記憶部３３に記憶されている画像データに基づいて２次元又は３次元画像データを構成すると共に、ゲイン調整、コントラスト調整、階調処理、レスポンス強調処理、補間処理等の画像処理を行う。表示部３５は、画像処理部３４において画像処理された画像データを走査変換して超音波画像を表示する。表示部３５は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでいる。
【００３０】
次に、本実施形態における超音波送受信の原理について、図２〜図４を参照しながら説明する。
図２の（ａ）に示すように、ＴＡ方向、ＴＢ方向、ＴＣ方向における等時間面ＰＨ１上の領域Ａ、Ｂ、Ｃに関する原データｘＡ、ｘＢ、ｘＣを取得することについて考える。ここで、等時間面ＰＨ１、ＰＨ２、ＰＨ３は、送信されてからｔ１、ｔ２、ｔ３時間後に超音波ビームがそれぞれ達する面である。また、原データとは、サイドローブ成分による影響が低減された、各領域に関する情報を表す理想的なデータのことである。超音波ビームをこれらの３つの方向に向けてマルチビーム送信すると、音場には、少なくとも３つのローブ（極大）が発生する。そこで、図２の（ａ）に示すＴＡ方向、ＴＢ方向、ＴＣ方向に強いローブが生じるように送信ビームを形成して送信する。所望の送信ビームを形成するためには、超音波トランスデューサアレイ１０に含まれる素子の内、使用される素子の数、素子ピッチ、使用される素子の開口径、開口内重み付けを含む開口条件や、送信遅延パターンを含む送信条件を用いれば良い。これにより、被検体内の空間には、図２の（ｂ）に示すような送信ビームプロファイルを有する音場が形成される。
【００３１】
一方、図３の（ａ）に示すように、超音波エコーを受信する際には、それぞれの方向における所定の深さ（例えば、等時間面ＰＨ１）に受信焦点を形成するように、検出信号に対して受信フォーカス処理を行う。図３の（ｂ）は、ＴＡ方向、ＴＢ方向、ＴＣ方向のそれぞれについて受信フォーカス処理を行うことにより得られる受信ビームＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３のプロファイルを表している。
【００３２】
従って、図４に示すように、実際に超音波ビームを送信し、受信したエコーを受信フォーカスすることによって得られる強度プロファイルは、送信ビームプロファイルと受信ビームプロファイルとを掛け合わせたものになる。図４において、αＡ、βＡ、γＡは、送信ビームＴＸと受信ビームＲＸ１とによって決定される３つのローブに対応する音圧強度比を表している。同様に、αＢ、βＢ、γＢ、又は、αＣ、βＣ、γＣは、送信ビームＴＸと、受信ビームＲＸ２又はＲＸ３とによってそれぞれ決定される３つのローブに対応する音圧強度比をそれぞれ表している。
【００３３】
図４に示すように、所定の方向に向けて受信フォーカス処理を行っても、実際に受信された超音波エコーに基づいて得られた計測データには、異なる方向からの信号成分が混ざっている。例えば、送信時刻からｔ１×２時間後に受信された超音波エコーに基づいて得られた計測データｙＡには、領域Ａに関する情報を表す原データｘＡの他に、ＴＢ方向及びＴＣ方向から受信される信号ｘＢ及びｘＣの一部の成分が含まれている。そこで、計測データｙＡが、これら３方向（ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ）からの超音波エコー信号を、上記の音圧強度比によって重み付け加算することによって得られたものであるとすると、計測データｙＡは次式のように表される。
ｙＡ＝αＡ・ｘＡ＋βＡ・ｘＢ＋γＡ・ｘＣ
同様に、計測データｙＢ及びｙＣを、強度プロファイルを用いて表すと、次のような連立一次方程式が得られる。
ｙＡ＝αＡ・ｘＡ＋βＡ・ｘＢ＋γＡ・ｘＣ
ｙＢ＝αＢ・ｘＡ＋βＢ・ｘＢ＋γＢ・ｘＣ
ｙＣ＝αＣ・ｘＡ＋βＣ・ｘＢ＋γＣ・ｘＣ  …（１）
【００３４】
そこで、予め求められている強度プロファイルにおける音圧強度比αＡ、αＢ、…と、計測データｙＡ、ｙＢ、ｙＣとを用いて連立方程式（１）を解くことにより、原データｘＡ、ｘＢ、ｘＣを求めることができる。
さらに、超音波ビームの送信方向ＴＡ、ＴＢ、…を変えながら全ての等時間面ＰＨ１、ＰＨ２、…についてこのような演算を行うことにより、空間内の全ての領域について、原データを推定することができる。
【００３５】
以上においては、超音波ビームを３方向に向けて送信し、３つの計測データの各々には異なる方向から伝搬した超音波エコーの成分が混ざっているものと考えて、３つの原データを推定することについて説明した。しかしながら、送信ビームの数と、用いられる計測データの数と、推定できる原データの数とは、一致していなくても構わない。
【００３６】
例えば、図５の（ａ）に示すように、ＴＡ、ＴＢ、ＴＣの３方向に向けてマルチビーム送信し、受信した超音波エコーをＴＡ、ＴＢ、ＴＣ、ＴＤ、ＴＥの５方向について受信フォーカス処理を行い、５つの計測データを取得しても良い。この場合には、図５の（ｂ）に示すように、５つの強度プロファイルが用いられる。これより、等時間面ＰＨ１における５つの計測データｙＡ、ｙＢ、ｙＣ、ｙＤ、ｙＥは、強度プロファイルと等時間面ＰＨ１における原データｘＡ、ｘＢ、ｘＣ、ｘＤ、ｘＥとを用いて、次式のように表される。
2004283474.tif 000003
この連立方程式（２）を解くことにより、原データｘＡ〜ｘＥを推定することができる。
【００３７】
このように、より多くの超音波エコー成分が計測データに混入していると想定して式の数を増やすことにより、原データの推定精度を上げることができる。例えば、３方向にマルチビーム送信する場合においても、１０方向以上から伝搬した超音波エコー成分が混入するとして連立方程式を構成しても良い。
【００３８】
ところで、連立方程式（１）や（２）においては、未知数（原データ）の数と方程式の数が一致しているので、未知数が一意に定まる。しかしながら、複数の計測データに１つでも信頼性の低いデータが含まれている場合には、全ての原データの推定精度が落ちてしまう。そこで、方程式の数が未知数の数よりも多くなるように連立方程式を構成することにより、解の安定性を高めることができる。
【００３９】
連立方程式を構成する式の数を増やすためには、所定の領域に関する複数の計測データと、それらの取得条件に対応する異なる複数の強度プロファイルを準備する必要がある。そのためには、超音波トランスデューサアレイ１０の開口条件、超音波ビームの送信条件又は受信条件のいずれか、或いは、その全てを変更して超音波ビームを送受信すれば良い。例えば、図２の（ａ）に示すＴＡ方向の等時間面ＰＨ１における領域Ａについて、一連の検出信号に対して異なる２種類の受信遅延パターンを用いて受信フォーカス処理を行うことにより、２種類の計測データｙＡ１及びｙＡ２を求めることができる。これは、例えば、焦点深度を変えて受信フォーカスを設定すること等により可能である。また、図６に示すように、２種類の受信遅延パターンに対応する２つの強度プロファイルＰＲ１（音圧強度比αＡ１，βＡ１，γＡ１）及びＰＲ２（音圧強度比αＡ２，βＡ２，γＡ２）を得ることができる。同様に、ＴＢ方向及びＴＣ方向の各々についても、複数の計測データと複数の強度プロファイルを得る。これらの計測データを、領域Ａ、Ｂ、Ｃに関する原データｘＡ、ｘＢ、ｘＣと強度プロファイルとを用いて表すことにより、３つの未知数に対して、６つの式から構成される連立方程式（３）を構成することができる。
ｙＡ１＝αＡ１・ｘＡ＋βＡ１・ｘＢ＋γＡ１・ｘＣ
ｙＡ２＝αＡ２・ｘＡ＋βＡ２・ｘＢ＋γＡ２・ｘＣ
ｙＢ１＝αＢ１・ｘＡ＋βＢ１・ｘＢ＋γＢ１・ｘＣ
ｙＢ２＝αＢ２・ｘＡ＋βＢ２・ｘＢ＋γＢ２・ｘＣ
ｙＣ１＝αＣ１・ｘＡ＋βＣ１・ｘＢ＋γＣ１・ｘＣ
ｙＣ２＝αＣ２・ｘＡ＋βＣ２・ｘＢ＋γＣ２・ｘＣ  …（３）
【００４０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法について、図１〜図４、及び、図７を参照しながら説明する。図７は、本実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
【００４１】
まず、ステップＳ１において、走査制御部１１は、超音波ビームの送信方向を設定する。これにより、送信制御部１３は、例えば、図２の（ｂ）に示すように、所定の送信遅延パターンに基づいて、駆動信号発生部１４に遅延時間を設定する。
ステップＳ２において、駆動信号発生部１４が駆動信号を発生すると、例えば、図２の（ａ）に示すように、設定された方向に向け、設定された数の超音波ビームが送信される。
【００４２】
ステップＳ３において、超音波トランスデューサアレイ１０は、送受信切換部１５の切換により、所定のタイミングで超音波エコーを受信する。超音波トランスデューサアレイ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサの各々は、受信した超音波エコーに基づいて電気信号（検出信号）を発生する。
ステップＳ４において、信号処理部２１は、複数の超音波トランスデューサの各々から出力された検出信号に対して、対数増幅、ＳＴＣ、フィルタ処理、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を施す。ステップＳ５において、信号処理された検出信号（ディジタルデータ）は、１次記憶部２２にラインごとに順次記憶される。
【００４３】
ステップＳ６において、受信制御部２４は、例えば、図３の（ｂ）に示すように、所定の受信遅延パターンに基づいて、１次記憶部２２に記憶されている検出信号を用いて受信フォーカス処理を行う。これにより、走査制御部１１によって設定された送信方向に対応する音線データが形成される。ステップＳ６において形成された音線データは、２次記憶部２５に記憶される（ステップＳ７）。
【００４４】
ステップＳ８において、原データ算出部３２は、２次記憶部２５に記憶されている音線データに含まれる所定の等時間面における計測データと、強度プロファイル記憶部３１に記憶されている強度プロファイル（例えば、図４参照）とを用いて、所定の等時間面における原データを算出する。
原データの算出は、次のように行われる。式（１）〜（３）に示す連立方程式は、式（４）に示す行列の関係式（線形方程式）として表すことができる。
ｂ＝Ａｘ  …（４）
ここで、ｂは、計測データｙＡ、ｙＢ、…を成分とする計測データベクトルであり、ｘは、原データｘＡ、ｘＢ、…を成分とする原データベクトルである。また、Ａは、強度プロファイルにおける音圧強度比αＡ、αＢ、…を成分とするｍ行ｎ列（ｍ≧ｎ）の行列である。具体的には、連立方程式（３）は次のように表される
【数１】
2004283474.tif 000004
【００４５】
式（４）においてｍ＝ｎの場合、即ち、行列Ａが正方行列で、且つ、正則である場合には、逆行列Ａ−１を求め、式（４）の両辺の左側から作用させることにより、ベクトルｘを求めることができる。この場合に、逆行列Ａ−１の求め方としては、例えば、掃き出し法（ガウスの消去法）やこれを用いたＬＵ分解法を含む直接法や、ＳＯＲ法を含む反復法等を用いることができる。
また、式（４）において、ｍ＞ｎの場合には、最小自乗法を用いることにより、ベクトルｘのもっともらしい解を求めることができる。
ステップＳ８において算出された原データは、３次記憶部３３に記憶される（ステップＳ９）。
【００４６】
ステップＳ１０において、画像処理部３４は、算出された原データに基づいて２次元又は３次元画像データを構成すると共に、ゲイン調整、階調処理等の画像処理を施す。次に、ステップＳ１１において、表示部３５は、画像処理された画像データを走査変換することにより、超音波画像をディスプレイに表示する。
【００４７】
このように、本実施形態においては、送信ビームにおけるサイドローブの出現を抑制するのではなく、計測データと音圧強度プロファイルとに基づいて原データを推定することにより、計測データからサイドローブ成分を除去している。従って、超音波をマルチビーム送信した場合においても、サイドローブによる影響が低減された良質な超音波画像を得ることができる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置について、図８を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波送受信装置は、走査部位情報入力部４０及び閾値設定部４１を有している。また、図１における原データ算出部３２の替わりに、原データ算出部４２を有している。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。
【００４９】
本実施形態に係る超音波送受信装置は、式（４）に示す連立方程式を解く際に、ムーア−ペンローズ（Ｍｏｏｒｅ−Ｐｅｎｒｏｓｅ：ＭＰ）一般逆行列を用いるものである。その際に、特異値を切り捨てることによりランクを落とした行列を用いても良い。ＭＰ一般逆行列については、後で詳しく説明する。
【００５０】
走査部位情報入力部４０は、例えば、オペレーションパネルに設けられており、超音波撮像の対象となる被検体の部位を入力する際に用いられる。閾値設定部４１は、走査部位情報入力部４０から入力された走査部位情報に基づいて、特異値を切り捨てる際に用いられる閾値を設定する。閾値設定部４１は、被検体の複数の部位に対応する複数の閾値を記憶する記憶部を含んでも良い。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信方法について説明する。図９は、本実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ２１において、オペレータは、走査部位情報入力部４０を用いて、撮像対象である被検体の部位を表す走査部位情報を入力する。これに応じて、閾値設定部４１は、走査部位情報入力部４０から入力された走査部位情報に基づいて特異値切り捨ての際に用いられる閾値を設定する。
【００５２】
次に、ステップＳ１〜Ｓ７において、超音波の送受信を行い、所定の等時間面における計測データを２次記憶部２５に記憶する。なお、ステップＳ１〜Ｓ７における動作については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００５３】
次に、ステップＳ２２において、原データ算出部４２は、強度プロファイルにおける音圧強度比αＡ、αＢ、…を成分とする行列Ａと、２次記憶部に記憶されている計測データベクトルｂとを用いて、原データベクトルｘを算出する。
【００５４】
ここで、ステップＳ２２における原データの算出方法について、詳しく説明する。
式（４）に示す行列の関係式（線形方程式）は、行列Ａが正方且つ正則という特別な場合には、第１の実施形態において説明したように、逆行列Ａ−１を直接求めることによって解くことができる。
しかしながら、一般には、行列Ａの逆行列が一意に求められるとは限らない。特に、式（３’）のように、解の信頼性を高めるために未知数（原データ）よりも式の数を多くした場合には、過剰条件方程式となり、音圧強度比を成分とする行列Ａは非正方行列となるので、逆行列は存在しない。
【００５５】
ここで、ｍ×ｎ型の行列Ａに対して、ＡＧＡ＝Ａを満たす行列Ｇは、一般逆行列と呼ばれる。一般逆行列Ｇは、式（４）の原データベクトルｘに対する最小自乗解を与える。しかしながら、一般逆行列Ｇによって与えられる解は一般的な解であり、一意には定まらない。
【００５６】
そこで、一般逆行列Ｇに対して、一般逆行列の条件ＡＧＡ＝Ａに加え、下記の３条件を与える。
ＧＡＧ＝Ｇ       …（５）
（ＧＡ）Ｔ＝ＧＡ  …（６）
（ＡＧ）Ｔ＝ＡＧ  …（７）
ここで、行列ＡＴは、行列Ａの転置行列を意味する。
これらの条件（５）〜（７）を全て満足する行列Ｇをムーア−ペンローズの一般逆行列と呼び、Ａ＋と表す。ＭＰ一般逆行列Ａ＋は、行列Ａの最小自乗解が不定の場合に、ベクトルｘのノルム最小という条件を用いて一般逆行列を一意に定めるものである。即ち、ＭＰ一般逆行列を用いることにより、連立方程式のもっともらしい解を求めることができる。
【００５７】
ＭＰ一般逆行列Ａ＋は、特異値分解法（ｓｉｎｇｕｌａｒ  ｖａｌｕｅ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＳＶＤ法）によって求めることができる。まず、ｍ×ｎ型の行列ＡをＨｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ変換によって２重対角化し、さらに、ＱＲ法によって対角化してｒ個の固有値λ１、λ２、…、λｒを求める。これにより、特異値σｉ＝√λｉが求められる。このσｉを対角要素として持つｒ次の対角行列をΣとする。また、対応する対称行列ＡＡＴ及びＡＴＡの正規化された固有ベクトルを順に並べたｍ×ｒ行列及びｎ×ｒを、それぞれＵ、Ｖとする。これらを用いて、Ａは、式（８）のように分解される。
Ａ＝ＵΣＶＴ  …（８）
このとき、ＭＰ一般逆行列Ａ＋は、次（９）のように表される。
Ａ＋＝ＶΣ＋ＵＴ  …（９）
ここで、Σ＋はｎ×ｍ対角行列であり、Σの対角要素をσｉとしたとき、Σ＋の対角要素σｉ＋は、次にように表される。
σｉ＋＝１／σｉ  （σｉ≠０）
σｉ＋＝０  （σｉ＝０）
【００５８】
式（４）及び（９）より、原データベクトルｘは式（１０）によって求められる。
ｘ＝Ａ＋ｂ＝ＶΣ＋ＵＴｂ  …（１０）
実際の計算においては、行列Ａのランクを落とし、圧縮された行列ＡＱを用いてＭＰ一般逆行列を求めることが望ましい。連立方程式における不安定条件緩和、即ち、項に含まれるノイズを抑制するためである。
【００５９】
次に、連立方程式の不安定条件緩和について詳しく説明する。
誤差を含まない真の計測データを成分とするベクトルをｂ０、真の原データを成分とするベクトルをｘ０、ノイズを含まない真のボケ関数をＡ０とする。真の原データベクトルｘ０にボケ関数Ａ０を作用させることにより、真の計測データベクトルｂ０が得られる。
ｂ０＝Ａ０ｘ０      …（４’）
これに対して、式（４）における計測データベクトルｂ及びボケ関数Ａは、次のように表される。
ｂ＝ｂ０＋ｋ      …（１１）
Ａ＝Ａ０＋δＡ    …（１２）
ここで、ｋは計測データの誤差を成分とするベクトルである。また、δＡはボケ関数の誤差であり、Ａ０は真のボケ関数である。
【００６０】
式（４）、（４’）（１１）、（１２）を用いると、計測データｂは、式（１３）によって表される。
2004283474.tif 000005
ここで、εは等価雑音であり、ε＝−δＡｘ０＋ｋである。
このように、ボケ画像から原画像を求める線形逆問題は、計測データベクトルｂから真の原データベクトルｘ０を推定することに置き換えられる。
【００６１】
ここで、式（１３）の両辺にＭＰ一般逆行列Ａ＋を作用させる。
ｘ＝Ａ＋ｂ＝Ａ＋Ａｘ０＋Ａ＋ε  …（１４）
式（１４）より明らかなように、例えば、Ａが少し振られるとｘが大きくしてしまう場合、即ち、Ａが悪条件のとき、Ａ＋εが極端に大きくなってしまう。そのような場合に、ｘ＝Ａ＋ｂ＝ｘ０＋Ａ＋εをｘ０の推定値として用いることは適当でない。そこで、精度の良い解を求めるために、行列のランクを低減することが望ましい。なお、Ａが悪条件であることについては、後で詳しく説明する。
【００６２】
式（８）及び（９）に示す行列Ａ及びＡ＋の特異値分解は、次のように表現することができる。
【数２】
2004283474.tif 000006
ここでＲは行列Ａのランクを表し（Ｒ＝Ｒａｎｋ（Ａ））、κ１、κ２、…、κＲは行列Ａの特異値であり、κ１≧κ２≧…κＲ＞０である。また、ｗｒは、対応するＡＡＴの正規化された固有ベクトルであり、ｖｒは、対応するＡＴＡの正規化された固有ベクトルである。さらに、κｒ−１は、特異値の逆数である。
【００６３】
式（１５）において、特異値κｒ（ｒ＝１、２、…、Ｒ）の内、大きいものからＱ個残すことによって得られる行列を、行列ＡをランクＱで近似した行列ＡＱとする。
【数３】
2004283474.tif 000007
これより、真の原データ近似ベクトルｘＱは、近似された行列ＡＱのＭＰ一般逆行列ＡＱ＋を用いて、式（１８）によって推定することができる。
ｘＱ＝ＡＱ＋ｂ  …（１８）
【００６４】
このように、行列Ａのランクを落とすことにより、不安定条件を緩和することができる。しかしながら、ランク低減の度合いによっては、誤差が増幅されてしまう場合がある。ランクを落とさない行列Ａ（ランクＲ）によって推定される原データ推定ベクトルｘＲは、式（１３）を用いて、次のように表される。
【数４】
2004283474.tif 000008
式（１９）より明らかなように、小さい特異値は、等価雑音をより増幅させる。そのため、小さい特異値を切り捨てるように行列Ａのランクを落とすことにより、推定値の真値ｘ０との近似度やノイズの増幅度が変化する。
【００６５】
原データの真値を成分とするベクトルｘ０の推定値として、ランクＡの行列によって求められたベクトルｘＲを用いる場合に、自乗推定誤差ＳＲを、原データ推定ベクトルｘＲと真の原データベクトルｘ０との差ベクトルのノルム‖ｘＲ−ｘ０‖を用いて、次のように定義する。
【数５】
2004283474.tif 000009
ここに、式（１９）を代入する。ただし、１≦ｒ≦Ｒ＜Ｎより、ｎ＝１〜Ｒ、Ｒ＋１〜Ｎとした。
【数６】
2004283474.tif 000010
ここで、式（１９）においては１≦ｒ≦Ｒなので、ｒ＞Ｒの場合には、ベクトルｖＲ＝０になる。従って、上式の第２項（Ｒ＋１≦ｎ≦Ｎ）において、ベクトルＸＲ＝０となる。これより、式（２０）が得られる。
【数７】
2004283474.tif 000011
【００６６】
式（２０）の第１項は、雑音の混入によって生じる誤差であり、εをほぼ一定とすることにより推定することができる。しかしながら、第２項は、真の原データベクトルｘ０が不明なので、原理的には推定不可能である。しかしながら、定性的には、ランクＲを落とすと第１項は減少し、第２項は増加することが知られている。即ち、原データベクトルを推定するための最適なランクＲが存在することになる。
【００６７】
ランクＲの最適値は、次のように判断することができる。ランクが低減された行列ＡＱによって算出される解ベクトル（原データ近似ベクトル）ｘＱと、真の原データベクトルｘ０との自乗推定誤差ＳＱは、式（２１）によって表される。
【数８】
2004283474.tif 000012
式（２１）より、ＳＲ−ＳＱが正の場合に、原データ近似ベクトルｘＱは原データ推定ベクトルｘＲより優れた推定値、即ち、より真の原データに近い値であると判断される。
【００６８】
ここで、ＳＲ＞ＳＱが平均的に成立するか否かを判断するために、確率密度関数を導入する。
【数９】
2004283474.tif 000013
ここで、＜・＞は、確率密度関数を表す。確率密度関数をｆ（ｎ）＝＜・＞とすると、確率密度関数は次のような性質を有している。
【数１０】
2004283474.tif 000014
式（２２）において、ΔＱ＞０の場合に、原データ近似ベクトルｘＱは原データ推定ベクトルｘＲより優れた推定値であると判断すれば良い。式（２２）においては、等価雑音及び原データベクトルの確率密度関数が用いられている。ΔＱを厳密に評価する場合には、これらの確率密度関数を求めておくことが望ましい。
【００６９】
一方、ΔＱを評価するために確率密度関数を求めていると、計算量が多くなるという問題が生じる。そのため、実際の計算においては、特異値を切り捨てる閾値を調節しつつ解の良し悪しを判断することにより、最適なランクＱを設定することが望ましい。この閾値は、超音波撮像の対象である部位や超音波の送受信条件によってある程度決定されるので、図８に示す走査部位情報入力部４０から入力された走査部位情報に基づいて、閾値設定部４１が閾値を設定するようにすれば良い。
【００７０】
以上説明したように、ＭＰ一般逆行列を用いることにより、行列Ａの条件に関わらず、線形方程式（４）を解くことができる。
再び、図９を参照すると、超音波送受信装置は、ステップＳ９〜Ｓ１１において、ステップＳ２２において算出された原データに基づいて，超音波画像の表示を行う。なお、ステップＳ９〜Ｓ１１における動作については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。
【００７１】
なお、行列Ａが正方且つ正則であっても、ＭＰ一般逆行列を用いて原データの推定を行っても良い。直接法には、高田潤一（東京工業大学大学院、理工学研究科、電気電子専攻）による波動論の講義において、次のような問題点が指摘されているからである（「波動論ＩＩ」講義資料、「（９）連立方程式の解法」、平成１５年３月１４日検索、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｂｉｌｅ．ｓｓ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／￣ｔａｋａｄａ／ｈａｄｏｕ／＞）。
【００７２】
線形方程式Ａｘ＝ｂにおいて、ｂがΔｂの誤差を含む場合に、解ｘの変化量Δｘは、次式によって与えられる。
Ａ（ｘ＋Δｘ）＝ｂ＋Δｂ
ＡΔｘ＝Δｂ  …（２３）
このとき、次の関係が成り立つ。
‖Ａ‖‖Δｘ‖≧‖Δｂ‖
‖Ａ−１‖‖ｂ‖≧‖ｘ‖
ここで、‖・‖はノルムを表す。従って、ｂの相対誤差とｘの相対誤差との間には、次の関係がある。
‖Δｘ‖／‖ｘ‖≦‖Ａ‖‖Ａ−１‖‖Δｂ‖／‖ｂ‖
【００７３】
また、行列ＡにΔＡの誤差がある場合に、解の変化量は、式（２３）を用いて次式により与えられる。
（Ａ＋ΔＡ）（ｘ＋Δｘ）＝ｂ
ΔＡ（ｘ＋Δｘ）＋ＡΔｘ＝０
このとき、次の関係が成り立つ。
‖Ａ−１‖‖ΔＡ‖‖ｘ＋Δｘ‖≧‖Δｘ‖
従って、Ａの相対誤差とｘの相対誤差との間には、次の関係が成り立つ。
‖Δｘ‖／‖ｘ＋Δｘ‖≦‖Ａ‖‖Ａ−１‖‖ΔＡ‖／‖Ａ‖
【００７４】
ここで、Ａに関する条件数をｃｏｎｄ（Ａ）＝‖Ａ‖‖Ａ−１‖とすると、Ａ及びｂのいずれにも誤差が生じている場合に、ｘの相対誤差は最大でｃｏｎｄ（Ａ）倍大きくなる。なお、条件数は、行列Ａを特異値分解した場合における最大特異値（κｍａｘ）と最小特異値（κｍｉｎ）との比によっても表せる。即ち、ｃｏｎｄ（Ａ）＝κｍａｘ／κｍｉｎである。
【００７５】
この条件数ｃｏｎｄ（Ａ）が大きい場合に、行列Ａが悪条件であるという。このような場合に、高田は、解ベクトルｘを求める際に、直接法を用いないで、特異値分解を用いることにより、最小ノルム解を求めるべきであると述べている。即ち、本実施形態に係る超音波送受信方法においても、行列Ａが悪条件の場合には、ＭＰ一般逆行列を用いて解ベクトルを用いることが望ましい。
【００７６】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信方法について、図１０を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波送受信方法は、図１又は図８に示す超音波送受信装置のいずれにおいても用いることが可能である。
図１０の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波送受信方法においては、１つの方向に向けて超音波ビームＴＸを送信し、受信された超音波エコーの検出信号について、３つの受信焦点Ａ、Ｂ、Ｃを形成するように、受信フォーカス処理を施す。これにより、３つの領域における計測データｙＡ、ｙＢ、ｙＣを取得することができる。また、図１０の（ｂ）に示すように、送信ビームＴＸと受信ビームＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３とにより、（αＡ、βＡ、γＡ）、（αＢ、βＢ、γＢ）、（αＣ、βＣ、γＣ）をそれぞれ成分とする異なる３つの強度プロファイルが設定される。
【００７７】
これより、連立方程式（２６）が得られる。ここで、ｘＡ、ｘＢ、ｘＣは、領域Ａ、Ｂ、Ｃにおける原データ（推定値）を表す。
ｙＡ＝αＡ・ｘＡ＋βＡ・ｘＢ＋γＡ・ｘＣ
ｙＢ＝αＢ・ｘＡ＋βＢ・ｘＢ＋γＢ・ｘＣ
ｙＣ＝αＣ・ｘＡ＋βＣ・ｘＢ＋γＣ・ｘＣ  …（２６）
この連立方程式（２６）を解くことにより、原データｘＡ、ｘＢ、ｘＣを算出することができる。原データの算出方法については、本発明の第１又は第２の実施形態において説明したものと同様である。なお、図６を用いて説明したように、原データの推定精度を高めるために、連立方程式を構成する式の数を増やしても良い。
【００７８】
本実施形態によれば、同時に送信される超音波ビームは１つのみなので、ビーム送信時におけるサイドローブの影響を低減することができ、且つ、原データの算出により、超音波エコー信号に含まれるサイドローブ成分を低減することができる。また、受信された超音波エコーについて複数の受信焦点を形成するので、被検体内の複数の領域を表す画像データを高速に取得することができる。
【００７９】
本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信方法について、図１１を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波送受信方法は、図１又は図８に示す超音波送受信装置のいずれにおいても用いることが可能である。
図１１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波送受信方法においては、１つの方向に向けて超音波ビームＴＸを送信し、受信された超音波エコー信号について、異なる受信遅延パターンＲＸ１及びＲＸ２を用いて受信フォーカス処理を施すことにより、領域Ａに関する複数の計測データｙＡ１及びｙＡ２を取得する。また、図１１の（ｂ）に示すように、受信遅延パターンを変更することにより、異なる計測データｙＡ１及びｙＡ２にそれぞれ対応する強度プロファイルＰＲ１及びＰＲ２が設定される。なお、異なる強度プロファイルを設定するためには、受信フォーカス処理を含む受信条件を変更する他に、超音波ビームの送信時における超音波トランスデューサアレイ１０の開口条件や、送信遅延パターンを含む送信条件を変更しても良い。
【００８０】
これより、連立方程式（２７）が得られる。ここで、ｘは、領域Ａにおける原データ（推定値）を表す。
ｙＡ１＝αＡ１・ｘ
ｙＡ２＝αＡ２・ｘ  …（２７）
【００８１】
この連立方程式（２７）を解くことにより、原データｘを算出することができる。ここで、連立方程式（２７）は、未知数ｘよりも式の数が多いので、過剰条件方程式となる。そのため、連立方程式（２７）を解く際には、もっともらしい解を求めることになる。なお、原データの算出方法については、本発明の第１又は第２の実施形態において説明したものと同様である。
本実施形態によれば、異なる複数の強度プロファイルと複数の計測データとを用いて所定の領域に関する原データを算出するので、原データの推定精度を高めることができる。
【００８２】
次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波送受信方法について、図５を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波送受信方法は、図１又は図８に示す超音波送受信装置のいずれにおいても用いることが可能である。
図５に示すように、まず、ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ方向に向けて、第１回目のマルチビーム送信を行い、受信された超音波エコーの検出信号について、ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ、ＴＤ、ＴＥ方向における等時間面ＰＨ１上に受信焦点を形成するように、受信フォーカス処理を行う。このようにして得られた計測データｙＡ１、ｙＢ１、ｙＣ１、ｙＤ１、ｙＥ１と、それぞれの計測データに対応する強度プロファイルとを用いて、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおける原データｘＡ１、ｘＢ１、ｘＣ１、ｘＤ１、ｘＥ１を算出する。なお、原データの算出方法については、本発明の第１又は第２の実施形態において説明したものと同様である。
【００８３】
次に、ＴＤ、ＴＥを含む方向に向けて、第２回目のマルチビーム送信を行い、受信された超音波エコーの検出信号について、ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ、ＴＤ、ＴＥ方向における等時間面ＰＨ１上に受信焦点を形成するように、受信フォーカス処理を行う。このようにして得られた計測データｙＡ２、ｙＢ２、ｙＣ２、ｙＤ２、ｙＥ２と、それぞれの計測データに対応する強度プロファイルとを用いて、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおける原データｘＡ２、ｘＢ２、ｘＣ２、ｘＤ２、ｘＥ２を算出する。
【００８４】
次に、第１回目のマルチビーム送信を行うことによって算出された原データｘＡ１、ｘＢ１、ｘＣ１、ｘＤ１、ｘＥ１と、第２回目のマルチビーム送信を行うことによって算出された原データｘＡ２、ｘＢ２、ｘＣ２、ｘＤ２、ｘＥ２との間で、それぞれ加算平均を取ることにより、原データｘＡ、ｘＢ、ｘＣ、ｘＤ、ｘＥを算出する。
このように、異なる条件の下で超音波のマルチビーム送受信を行い、それぞれの条件の下で算出された原データの平均を取ることにより、測定誤差を低減することができ、推定精度の高い原データを高速に求めることができる。
【００８５】
なお、マルチビーム送信する複数の方向を変更させないで、複数回に渡って超音波ビームの送受信を行うことにより、所定の領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各々について、複数種類の原データを算出し、これらを加算平均しても良い。このような方法によっても測定誤差を低減することができる。
【００８６】
次に、本発明の第１〜第５の実施形態に係る超音波送受信方法の変形例について、図１及び図１２〜図１４を参照しながら説明する。図１２は、本発明の第１〜第５の実施形態に係る超音波送受信方法が用いられる超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。この超音波送受信装置は、図８に示す超音波送受信装置に、強度プロファイル補正部３６を付加したものである。その他の構成については、図８に示す超音波送受信装置と同様である。
【００８７】
本発明の第１の実施形態において説明したように、原データｘを推定するためには、超音波ビームの送受信方向と等時間面とによって規定される領域における計測データと強度プロファイルとが用いられる。従って、厳密には、被検体内の全ての領域に関する原データを推定するためには、全ての方向ＴＡ、ＴＢ、…と、全ての等時間面ＰＨ１、ＰＨ２、…との両方に対応する強度プロファイルが必要とされる。
【００８８】
ここで、超音波は、送信経路にある反射体との相互作用によって散乱し、また減衰する。そのため、強度プロファイルは、時間面（深さ）に応じて微妙に変化しているものと考えられる。そこで、この変形例においては、超音波の減衰を考慮しながら、任意の時間面における強度プロファイルを補正し、それを用いて原データの推定を行っている。
【００８９】
図１３は、被検体内の媒質が変化する領域における超音波ビームの様子を模式的に示している。図１３に示すように、媒質の音響特性インピーダンスは、等時間面ＰＨ１においてｚ１からｚ２に変化している。被検体内の媒質を伝搬する超音波ビームＵＳの一部は等時間面ＰＨ１から反射され、他の一部は等時間面ＰＨ１を透過する。
【００９０】
超音波ビームの減衰の程度は、受信された超音波エコー信号の強度から推定することが可能である。例えば、ある境界において反射された超音波エコーが大きければ、その境界における超音波ビームの透過量は小さく、その後の超音波ビームは大きく減衰していると推定される。音響インピーダンスｚ１を有する媒質から音響インピーダンスｚ２を有する媒質に向けて、超音波が境界を伝搬する場合に、超音波強度の反射係数Ｒと透過係数Ｔとの関係は、式（２８）及び（２９）によって表される。
Ｒ＝１０ｌｏｇ｜（ｚ２−ｚ１）／（ｚ２＋ｚ１）｜  …（２８）
Ｔ＝１−Ｒ  …（２９）
そこで、ある等時間面における計測データの超音波エコー信号の強度と、その等時間面における強度プロファイルとに基づいて、次の等時間面における強度プロファイルを推定することができる。
【００９１】
図１４は、この変形例における強度プロファイルの補正動作を説明するためのフローチャートである。図１４に示すように、超音波送受信装置は、ステップＳ１〜Ｓ７において、超音波ビームを送受信することによって計測データを取得し、ステップＳ２２において、計測データと強度プロファイルとに基づいて原データを算出する。
【００９２】
ステップＳ３０において、強度プロファイル補正部３６は、ステップＳ２２において直前に求められた等時間面ＰＨ１における原データの強度が反射係数Ｒに比例するとして透過係数Ｔを推定し、透過係数Ｔに基づいて、その後に用いられる等時間面ＰＨ２上の各領域における強度プロファイルを補正する。補正された強度プロファイルは、ステップＳ２２において、等時間面ＰＨ２における原データの算出に用いられる。なお、ステップＳ３０においては、原データを用いる替わりに、計測データの強度を用いても良い。その場合には、ステップＳ２２における原データの算出と、ステップＳ３０における強度プロファイルの補正とを並行して行うことができる。ステップＳ９〜Ｓ１１における動作については、本発明の第１又は第２の実施形態におけるものと同様である。
【００９３】
このように、予め設定されている強度プロファイルに対して随時補正を行うことにより、被検体内に含まれる領域の各々について、精確な原データを取得することができる。
ここで、このような強度プロファイルの補正は、被検体内に強い反射体が存在する場合には有効である。しかしながら、実際には、媒質の音響特性インピーダンスが変化する多くの領域において、反射係数は非常に小さく、ほとんどの超音波が透過するとみなすことができる。そのため、同一方向については、常に同じ強度プロファイルを用いても構わない。また、被検体内に強い反射体が存在する場合にのみ、強度プロファイルの補正を行っても良い。この場合には、強度プロファイル補正部３６に、強度プロファイルの補正が必要となる反射係数の限界値を設定しておいても良い。
【００９４】
以上の実施形態においては、複数の超音波トランスデューサがマトリクス状に配列された２次元トランスデューサアレイを用いるものとして説明したが、複数の超音波トランスデューサが１次元に配列されたリニアアレイ、コンベックスアレイ、凹面アレイ、同心のリング状に配列されたアニュラアレイ等、様々な超音波トランスデューサアレイを用いた場合においても、それぞれのアレイに対応する強度プロファイルを求めることにより、同様に精度の良い超音波画像データを得ることができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、被検体に含まれる領域に関する画像データを求める際に、超音波エコーを受信することによって得られた計測データと、被検体内に形成される音圧強度プロファイルとに基づいて算出するので、サイドローブによる影響が低減された、画質の良い超音波画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２の（ａ）は、超音波トランスデューサから複数の超音波ビームが送信される様子を示す模式図であり、図２の（ｂ）は、複数の超音波ビームを送信することにより被検体内に形成される送信ビームのプロファイルを示す図である。
【図３】図３の（ａ）は、受信焦点が形成された複数の受信ビームを示す模式図であり、図３の（ｂ）は、受信ビームのプロファイルを示す図である。
【図４】送信ビームプロファイルと受信ビームプロファイルとに基づいて得られる音圧強度プロファイルを示す図である。
【図５】３方向に超音波ビームを送信し、５方向について受信フォーカス処理を行うことによって得られる音圧強度プロファイルを示す図である。
【図６】３つの領域の各々について複数の受信フォーカス処理を行うことによって得られる音圧強度プロファイルを示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信方法を説明するための図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信方法を説明するための図である。
【図１２】図８に示す超音波送受信装置の変形例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第１〜第５の実施形態における超音波送受信方法の変形例を説明するための図である。
【図１４】本発明の第１〜第５の実施形態における超音波送受信方法の変形例を示すフローチャートである。
【図１５】図１５の（ａ）は、従来の超音波探触子に含まれるトランスデューサの構造とそこから送信される超音波ビームを示す模式図であり、図１５の（ｂ）は、それぞれの超音波トランスデューサに印加されるタイミングパルスを示す図である。
【符号の説明】
１０  超音波トランスデューサアレイ
１１  走査制御部
１２  送信遅延パターン記憶部
１３  送信制御部
１４  駆動信号発生部
１５  送受信切換部
２１  信号処理部
２２  １次記憶部
２３  受信遅延パターン記憶部
２４  受信制御部
２５  ２次記憶部
３１  強度プロファイル記憶部
３２、４２  原データ算出部
３３  ３次記憶部
３４  画像処理部
３５  表示部
３６  強度プロファイル補正部
４０  走査部位情報入力部
４１  閾値設定部
【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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