(57)【要約】【課題】非回折ビームを用いる超音波撮像において、超音波ビームの非回折特性を維持しつつサイドローブを低減することにより、超音波画像の画質を高める。【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、該超音波トランスデューサの基準点から各々の超音波トランスデューサまでの距離をＸとしたときに、異なる複数の定数αｉ（ｉ＝１、２、…）を用いてベッセル関数により表される値Ｊ０（αｉＸ）に基づいて複数の超音波ビームを順次送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定部１２と、該波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する複数の駆動信号を発生する駆動信号発生部１３と、複数の超音波ビームにそれぞれ対応する複数のエコー信号を順次受信することによって得られた検出信号に基づいて演算を行う演算処理部１７とを有する。【選択図】　図１
2004093476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記超音波トランスデューサの基準点から各々の超音波トランスデューサまでの距離をＸとしたときに、異なる複数の定数αｉ（ｉ＝１、２、…）を用いてベッセル関数により表される値Ｊ０（αｉＸ）に基づいて複数の超音波ビームを順次送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定手段と、
前記波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、前記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する複数の駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
複数の超音波ビームにそれぞれ対応する複数のエコー信号を順次受信することによって得られた検出信号に基づいて演算を行う演算処理手段と、
を具備する超音波送受信装置。
【請求項２】
前記複数の超音波ビームが、ベッセル関数により表される値Ｊ０（α１Ｘ）に基づいて送信される第１の超音波ビームと、ベッセル関数により表される値Ｊ０（α２Ｘ）（α１≠α２）に基づいて送信され、第１の超音波ビームとメインビームの極性が等しく、サイドローブの極性が異なる第２の超音波ビームとを含み、
前記演算処理手段が、第１の超音波ビームのエコー信号を受信することによって得られた第１の検出信号と、第２の超音波ビームのエコー信号を受信することによって得られた第２の検出信号とに基づいて演算を行う、
請求項１記載の超音波送受信装置。
【請求項３】
前記波形情報設定手段が、前記超音波トランスデューサアレイに含まれる同一の領域から前記複数の超音波ビームが送信されるように前記波形情報を設定する、請求項１又は２記載の超音波送受信装置。
【請求項４】
前記波形情報設定手段が、第１及び第２の超音波ビームをそれぞれ含む複数組の超音波ビームが所定の期間内に送信されるように前記波形情報を設定する、請求項２記載の超音波送受信装置。
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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、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素子が一般的に用いられている。
【０００３】
図１７は、超音波撮像装置において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音場分布を示している。図１７に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００は、両端に電極１０２及び１０３が形成されている圧電素子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。電極１０２及び１０３には、パルサー等を含む駆動信号発生回路が接続されている。このような圧電素子に、電極を介して電圧を印加すると、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圧電素子を駆動することにより、それぞれの圧電素子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超音波ビームの焦点Ｆを形成することができる。
【０００４】
このように形成される超音波ビームの音場は、超音波トランスデューサアレイ１００の開口から焦点位置を見込む角度Ωと、トランスデューサの開口で決定される指向角θにより規定できる。即ち、図１７に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００から送信された超音波は、焦点Ｆ付近において一旦収束し、再び拡散する。また、焦点Ｆの前後には、焦点深度ｈが示されている。焦点深度ｈとは、被検体を焦点から前後させても画像のボケが許容範囲に収まる距離を意味する。
【０００５】
ところで、超音波画像の画質を向上させるためには、超音波ビームを送受信する際における分解能を高めることが必要である。現状では、超音波数波数に依存する距離分解能は十分に足りているが、ビームの太さに依存する方位分解能についてはまだまだ不十分である。方位分解能を向上させるためには、ビームを細くする必要がある。しかしながら、図１７から明らかなように、従来のビームフォーカス法においては、ビームの細い領域が狭い（焦点深度ｈが非常に浅い）ので、方位分解能の良い領域が小さい。また、このような球面波の合成によって形成される超音波ビームにおいては、焦点付近のビームのエネルギー効率が非常に悪いという問題も生じている。
【０００６】
このような問題の解決策として、非回折ビームを用いることが提案されている。非回折ビームとは、距離に関わらず断面パターンが変化しないビームのことをいう。非回折ビームとしては、エックスウェイブ（Ｘ−ｗａｖｅ）（特許文献１参照）や、ベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）ビームが知られている。ベッセルビームは、ベッセル関数によって表される分布、振幅、位相で送信される超音波ビームであり、超音波撮像装置において用いられる超音波探触子からベッセルビームを送信する手法が開示されている（特許文献２参照）。また、非回折ビームを送受信することによって２次元又は３次元画像を得ること（非特許文献１参照）も記載されている。
【０００７】
ところで、ベッセルビームにはサイドローブが存在する。サイドローブはアーティファクトを生じるので、極力減ずることが望ましい。このため、通常の超音波撮像装置等においては、超音波トランスデューサの配列を工夫したり、それぞれの超音波トランスデューサから超音波を重み付け送信するなどしてサイドローブを減らしている。しかしながら、ベッセルビームを送信する場合には、メインビームの非回折特性を得るためにサイドローブが必要なので、最初からサイドローブを減らすことはできない。
【０００８】
このような問題の解決策として、非特許文献２には、２次のベッセルビームによって得られた情報を、０次のベッセルビームによって得られた情報から差し引くことが記載されている。ここで、２次のベッセル関数は、０次のベッセル関数とメインビームの極性が反転しており、サイドローブの位置が異なる波形を有する関数である。非特許文献２に記載されている方法によれば、サイドローブを低減する効果は認められる。しかしながら、さらに効果的にサイドローブを低減すると共に信号強度を高め、ＳＮ比を向上させることが望まれる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５７２０７０８号明細書
【特許文献２】
特開平９−２９９３７０号公報
【非特許文献１】
ジャンユー　ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ　Ｌｕ），「有限回折ビームによる２次元及び３次元高フレームレート撮像（２Ｄ　ａｎｄ　３Ｄ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒａｍｅ　Ｒａｔｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｂｅａｍｓ）」，ＩＥＥＥ　ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｕ．　Ｆ．　Ｆ．　Ｃ，　Ｖｏｌ．　４４，　Ｎｏ．　４，　Ｊｕｌ．　１９９７，　ｐ．８３９−８５６
【非特許文献２】
ジャンユー　ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ　Ｌｕ），「有限回折パルスエコーシステムのためのサイドローブリダクション（Ｓｉｄｅｌｏｂｅ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｕｌｓｅ−Ｅｃｈｏ　Ｓｙｓｔｅｍ）」，ＩＥＥＥ　ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｕ．　Ｆ．　Ｆ．　Ｃ，　Ｖｏｌ．　４０，　Ｎｏ．　６，　Ｎｏｖ．　１９９３，　ｐ．７３５−７４５
【００１０】
【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、非回折ビームを用いる超音波撮像において、超音波ビームの非回折特性を維持しつつサイドローブの影響を低減することにより、超音波画像の画質を高めることを目的とする。
【００１１】
【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、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、該超音波トランスデューサの基準点から各々の超音波トランスデューサまでの距離をＸとしたときに、異なる複数の定数αｉ（ｉ＝１、２、…）を用いてベッセル関数により表される値Ｊ０（αｉＸ）に基づいて複数の超音波ビームを順次送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定手段と、該波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、上記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する複数の駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、複数の超音波ビームにそれぞれ対応する複数のエコー信号を順次受信することによって得られた検出信号に基づいて演算を行う演算処理手段とを具備する。
【００１２】
本発明によれば、波形の異なる複数のベッセルビームを送信し、それぞれのベッセルビームに対応するエコーを受信し、それらに基づいて演算を行うことによって超音波画像を生成するので、サイドローブの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。
【００１３】
【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。本実施形態に係る超音波送受信装置においては、被検体内を走査するための超音波ビームとして非回折ビームの１種であるベッセルビームを用いている。
【００１４】
まず、本実施形態において送信されるベッセルビームについて説明する。ベッセルビームは、次式に示すベッセル関数によって表される超音波ビームであり、非回折ビームの１種である。
Ｙ＝Ｊ０（αｉＸ）　…（１）
式（１）において、Ｊ０は０次のベッセル関数を表す記号であり、αｉ（αｉ＝１、２、…）は任意の定数である。
【００１５】
図２の（ａ）は、式（１）を表すグラフである。この関数に基づいて超音波を送信するには、Ｘを超音波を発生する超音波トランスデューサのアレイ中心からの距離に対応付け、Ｙを相対強度（振幅）に対応付ける。図２の（ａ）に示すように、０次のベッセル関数には、Ｘ＝０周辺に、高い強度を有するメインビームが存在する。このメインビームが画像信号生成用のビームとして用いられる。
【００１６】
メインビームの半径は、ベッセル関数Ｊ０（αｉＸ）＝０となるＸ＝Ｘ０で表される。ここで、０次のベッセル関数Ｊ０（αｉＸ）の根は、αｉＸ０＝０．７６６πと与えられているので、定数αｉを設定してベッセルビームの波形を決めることにより、任意のビーム幅を有するメインビームを形成することができる。この値Ｘ０のことを、ゼロクロス半径と呼ぶ。
【００１７】
このようなベッセルビームは、メインビームの周りに輪帯状のサイドローブを有している。ベッセルビームのサイドローブは、ベッセルビームの非回折特性を維持するために必然的なものである。しかしながら、超音波撮像においては、サイドローブはアーティファクトを生じるので、超音波画像の画質低下につながってしまう。
【００１８】
このため、本実施形態においては、次のようにベッセルビームの非回折特性を維持しながらサイドローブによる影響を低減している。
ここで、図３を参照すると、破線で示す波形（１）は、メインビーム半径２ｍｍを有するベッセルビームの波形を表している。また、一点鎖線で示す波形（２）は、メインビーム半径３．７ｍｍを有するベッセルビームの波形を表している。図３に示すように、波形（１）と（２）においては、メインビームの極性は一致しているが、サイドローブ領域における極性が互いに反転している。従って、これらの波形を加算すると、メインビーム領域では振幅が加算され、サイドローブ領域では振幅が打ち消し合った波形（３）が得られる。
【００１９】
本実施形態においてはこのことを利用し、ベッセル関数Ｊ０（α１Ｘ）によって表される第１のベッセルビームと、ベッセル関数Ｊ０（α２Ｘ）（α１≠α２）によって表され、第１のベッセルビームに対してメインビームの極性が同じでサイドローブの極性が反転するような第２のベッセルビームをそれぞれ送信する。そして、第１及び第２のベッセルビームにそれぞれ対応するエコー信号を受信し、それらについて演算を行うことによって得られた信号を用いて超音波画像を生成している。即ち、波形（１）及び（２）で表されるベッセルビームをそれぞれ送信することにより、サイドローブは存在するが、非回折特性が維持された超音波ビームが送信される。一方、これらのベッセルビームにそれぞれ対応するエコー信号を受信して演算を行うことによって得られた信号は、波形（３）で表される超音波ビームを送信することによって得られたエコー信号と同等であり、サイドローブによる影響が低減されたＳＮ比の高い信号となる。
【００２０】
再び、図２を参照しながら、ベッセルビームの実現方法を示す。ベッセルビームを送信する場合には、ベッセル関数の座標とマトリクス配置された超音波トランスデューサとを関連付け、座標Ｘに位置する超音波トランスデューサを、振幅Ｙ＝Ｊ０（αｉＸ）を有する波形で駆動すれば良い。このとき、ベッセル関数においてＹ＜０となる領域に位置する超音波トランスデューサについては、位相を逆転させて駆動する。
【００２１】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示すベッセル関数に関連付けられた超音波トランスデューサを示している。また、図２の（ｃ）は、それらの超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するために用いられる波形情報Ｐ１、Ｐ２、…を表している。例えば、ベッセルビームの中心位置付近（領域ｋ）の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝１の波形情報Ｐ１に基づいて駆動する。また、領域ｋの外側の領域ｍ付近の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝０．４で、領域ｋにおけるものと位相が逆の波形情報Ｐ２に基づいて駆動する。さらに、領域ｍの外側の領域ｎ付近の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝０．３で、領域ｋと同位相の波形情報Ｐ３に基づいて駆動する。このように、ベッセル関数の分布に対応付けてマトリクスアレイトランスデューサを駆動する。これらの超音波トランスデューサから送信された超音波の合成により、図２の（ａ）に示すようなベッセルビームが送信される。また、送信するベッセルビームの波形を変更する場合には、ベッセル関数の座標に関連付けられた超音波トランスデューサに与えられる波形情報を変更すれば良い。
【００２２】
ここで、超音波トランスデューサは２次元に配列されており、これらの超音波トランスデューサをベッセル関数の中心からの距離に応じて等方向に駆動することにより、３次元に拡張されたベッセルビームが送信される。なお、超音波トランスデューサを１次元に配列しても、１つの方向については非回折性を有する超音波ビームを送信することができる。
【００２３】
ところで、次式（２）は、有限開口からベッセルビームを送信した場合における非回折深度を求める式である。
【数１】
2004093476.tif 000003
式（２）において、ｒは開口の半径を表し、λは超音波の波長を表している。また、図４は、式（２）に基づいて作成されたメインビーム半径と非回折深度との関係を表すグラフである。ここで、開口の半径をｒ＝１０ｍｍとし、周波数３．５ＭＨｚ、音速１５４０ｍ／ｓとして、超音波の波長λ＝４．４×１０−４ｍとした。
【００２４】
図４に示すように、メインビーム半径の異なるベッセルビームでは、非回折深度も異なってくる。例えば、図３に示す波形（１）及び（２）の場合では、前者が非回折深度約０．１２ｍであるのに対して、後者は約０．２２ｍである。このように、非回折深度はメインビーム径が大きくなるほど深くなるが、非回折深度の異なるベッセルビームによって得られた検出信号に基づく演算の後に得られる信号の非回折深度は、浅い方（この場合には、波形（１））に依存する。従って、第１及び第２のベッセルビームの波形を決定する際には、両者の非回折深度についても留意することが重要である。
【００２５】
再び、図１を参照すると、本実施形態に係る超音波送受信装置は、マトリクスアレイトランスデューサ１０と、波形パターン記憶部１１と、波形情報設定部１２と、駆動信号発生部１３と、送受信タイミング制御部１４と、検出信号処理部１５と、メモリ１６と、演算処理部１７と、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）１８と、表示部１９とを有している。
【００２６】
マトリクスアレイトランスデューサ１０は、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おり、例えば、２０ｍｍ四方程度の開口面積を有している。マトリクスアレイトランスデューサ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）等の高分子圧電素子に代表される圧電性を有する材料等を含む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、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。この機械的振動により、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機械的に振動して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。
【００２７】
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。
【００２８】
波形パターン記憶部１１は、形成されるベッセルビームの波形に応じて、複数の波形パターンを記憶している。それぞれの波形パターンには、ベッセルビームが送信される中心からの距離Ｘに応じてベッセル関数により表される値Ｊ０（αｉＸ）（ｉ＝１、２、…）に基づいて設定される複数の波形情報、即ち、振幅及び位相特性が含まれている。
【００２９】
波形情報設定部１２は、波形パターン記憶部１１に記憶されている波形パターンに基づいて、所定の超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報を設定する。即ち、波形情報設定部１２は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送受信面上の中心位置を基準として、上記の波形パターンをマトリクス状に配置された超音波トランスデューサにそれぞれ関連付ける。これにより、例えば、図２の（ｃ）に示す波形情報Ｐ１、Ｐ２、…が、複数の超音波トランスデューサにそれぞれ設定される。
【００３０】
駆動信号発生部１３は、例えば、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる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。駆動信号発生部１３は、波形情報設定部１２において設定された波形情報に基づいて、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサに向けて駆動信号を発生する。これにより、複数の超音波トランスデューサから所定の振幅及び位相を有する超音波がそれぞれ発生し、ベッセルビームが送信される。
【００３１】
送受信タイミング制御部１４は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生部１３を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後にマトリクスアレイトランスデューサ１０から出力される検出信号を取り込むように、検出信号処理部１５を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールして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を検出することができる。また、送受信タイミング制御部１４は、第１のベッセルビームが送信された後に、所定のタイミングで第２のベッセルビームが送信されるように、波形情報設定部２２における波形パターンの設定タイミングを制御する。
【００３２】
検出信号処理部１５は、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサがエコー信号を受信することによって出力した検出信号を、送受信タイミング制御部１４の制御に従って所定のタイミングで取り込む。検出信号処理部１５は、これらの信号に対してゲイン調整を行い、所定の遅延をかけて加算することにより受信フォーカスを行う。この受信フォーカスにより、受信されたエコー信号の焦点を絞り込むことができる。この際に、一般的に行われている遅延加算により受信フォーカスを行っても良いし、ベッセルビームを送信する際に用いた波形パターンに基づいて重み付け加算しても良い。後者の場合には、前者よりも焦点深度を深く、且つ、受信ビームのビーム幅を狭く設定することができると共に、ＳＮ比を向上させることができるので、より望ましい。さらに、検出信号処理部１５は、受信フォーカスされた検出信号に対して、対数増幅、検波、ＳＴＣ（センシティビティタイムコントロール）、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行う。これにより、波形の異なる複数のベッセルビームにそれぞれ対応する複数のエコー信号に基づく複数群の検出信号が得られる。
【００３３】
メモリ１６は、検出信号処理部１５によって処理された検出信号を一時的に記憶する。
演算処理部１７は、メモリ１６に第１のベッセルビームに対応する検出信号と第２のベッセルビームに対応する検出信号とが蓄積されると、これらの検出信号に基づいて演算を行う。本実施形態において、演算とは、２つの検出信号を加算するか、或いは、一方の検出信号を所定の倍率で増倍して他方の検出信号と加算することを言う。
【００３４】
ＤＳＣ１８は、演算処理部１７において演算された検出信号を走査変換することにより、画像信号を生成する。また、表示部１９は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、ＤＳＣ１８によって生成された画像信号に基づいて、超音波画像を表示する。
【００３５】
次に、本実施形態に係る超音波送受信装置の動作について、図５を参照しながら説明する。
まず、ステップＳ１において、本実施形態に係る超音波送受信装置は、第１のベッセルビームを送信する。例えば、図３の波形（１）に示すように、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる半径１０ｍｍの領域から、周波数５ＭＨｚでメインビーム半径２ｍｍを有するベッセルビームが送信される。このベッセルビームは、被検体中を伝搬し、撮像対象に反射される。これにより、エコー信号が生じる。
【００３６】
ステップＳ２において、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、第１のベッセルビームによって生じたエコー信号を受信して第１群の検出信号を出力する。第１群の検出信号は、検出信号処理部１５において、受信フォーカスされた後、対数増幅、検波、ＳＴＣ（センシティビティタイムコントロール）、Ａ／Ｄ変換等の処理を施され、メモリ１６に記憶される。
【００３７】
次に、ステップＳ３において、本実施形態に係る超音波送受信装置は、第２のベッセルビームを送信する。第２のベッセルビームは、第１のベッセルビームと、メインビーム領域の極性が同じで、サイドローブ領域の極性が反転しているベッセルビームである。例えば、図３の波形（２）に示すように、ステップＳ１におけるのと同じ領域から、周波数５ＭＨｚでメインビーム半径３．７ｍｍを有するベッセルビームが送信される。このベッセルビームも、被検体中を伝搬し、撮像対象に反射される。これにより、エコー信号が生じる。
【００３８】
ステップＳ４において、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、第２のベッセルビームによって生じたエコー信号を受信して第２群の検出信号を出力する。第２群の検出信号は、ステップＳ２におけるのと同様に、検出信号処理部１５において処理された後、メモリ１６に記憶される。
【００３９】
次に、ステップＳ５において、演算処理部１７は、メモリ１６に記憶されている第１群及び第２群の検出信号に基づいて演算を行う。例えば、演算処理部１７は、第１群の検出信号と第２群の検出信号とを加算する。或いは、演算処理部１７は、第１群と第２群の検出信号との内の一方を所定の倍率で増倍した検出信号と、他方の検出信号とを加算しても良い。後者の場合には、第１群及び第２群の検出信号におけるサイドローブのピーク強度が同程度になるように倍率を決定することが望ましい。演算によって得られた検出信号は、図３の実線に示すように、メインビーム領域における信号強度が増幅され、サイドローブ領域における信号強度が低減された超音波ビームによって得られたエコー信号を表している。
【００４０】
ステップＳ６において、ＤＳＣ１８は、演算によって得られた検出信号を走査変換することによって画像信号を生成し、表示部１９は、この画像信号に基づいて超音波画像を表示する。
【００４１】
なお、本実施形態においては、ステップＳ２において第１のベッセルビームに対応するエコー信号を受信した後に、ステップＳ３において第２のベッセルビームを送信したが、第１及び第２のベッセルビームを順次送信した後に、それらのベッセルビームに対応するエコー信号を順次受信しても良い。
【００４２】
本実施形態によれば、波形の異なる複数のベッセルビームを送信し、それらのベッセルビームにそれぞれ対応するエコー信号を受信することによって得られた検出信号を演算処理するので、ベッセルビームの非回折特性が維持されると共に、サイドローブによる影響の低減された良質な超音波画像を得ることができる。
【００４３】
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説明する。図６は、本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。本実施形態に係る超音波送受信装置は、ベッセルビームをステアリングしながら送信するものである。
【００４４】
図６に示すように、この超音波送受信装置は、遅延パターン記憶部２１と、遅延時間設定部２２と、送受信タイミング制御部２３とを有している。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。
【００４５】
遅延パターン記憶部２１は、超音波ビームをステアリングする際に用いられる複数の遅延パターンを記憶している。
遅延時間設定部２２は、ベッセルビームを所望の方向にステアリングするために、遅延パターン記憶部２１に記憶されている複数の遅延パターンの中から適当な遅延パターンを選択する。さらに、遅延時間設定部２２は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送受信面上の中心位置を基準として、それぞれの超音波トランスデューサに上記の遅延パターンを関連付けることにより、遅延時間を設定する。
【００４６】
送受信タイミング制御部２３は、駆動信号発生部１３の駆動信号発生タイミングと、検出信号処理部１５の検出信号取り込みタイミングとを制御する。また、送受信タイミング制御部２３は、第１のベッセルビームが送信された後に、第２のベッセルビームが送信されるように、波形情報設定部１２における波形パターンの設定タイミングを制御し、さらに、第２のベッセルビームが送信された後に、ステアリング方向が変化するように、遅延時間設定部２２における遅延パターンの設定タイミングを制御する。
【００４７】
本実施形態によれば、マトリクスアレイトランスデューサの中心位置からステアリングしながらベッセルビームを送信するので、被検体内の３次元領域を広範囲に渡って走査することができる。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、複数のベッセルビームを同時に、又は、ほぼ同時に異なる複数の方向に向けて送信するものである。以下、複数の超音波ビームを同時に、又は、ほぼ同時に送信することを、マルチビーム送信という。
【００４９】
本実施形態においては、図６に示す超音波送受信装置の遅延時間設定部２２に、同時に複数の遅延パターンを設定させる。即ち、図８に示すように、複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…には、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央からの距離とステアリング角に応じて、波形情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５、及び、波形情報Ｐ１’、Ｐ２’、…Ｐ５’が与えられる。異なる複数の方向にステアリングされたベッセルビームを同時に送信するためには、ステアリング角に応じて用意されたこれらの波形情報を足し合わせれば良い。例えば、領域ｎ付近の超音波トランスデューサを、まず、基準時刻（ｔ＝０）から遅延時間ＤＴ１’経過後に波形情報Ｐ１’に基づいて駆動し、次に、基準時刻から遅延時間ＤＴ１経過後に波形情報Ｐ１に基づいて駆動する。その他の領域の超音波トランスデューサについても、同様である。ここで、２つの遅延パターン（１）及び（２）にそれぞれ含まれる波形情報の内、遅延時間が共通する２つの波形情報が１つの超音波トランスデューサに設定される場合には、それらの波形が足し合わされる。例えば、領域ｋ付近の超音波トランスデューサに設定される波形情報Ｐ３とＰ３’の遅延時間ＤＴ３とＤＴ３’とが同時である場合には、波形情報Ｐ３とＰ３’とを合成した振幅が与えられる。なお、図８においては、２つのベッセルビームを同時に送信する場合について説明したが、３つ以上のベッセルビームを同時に送信する場合についても同様である。
本実施形態によれば、複数のベッセルビームを異なる複数の方向へマルチビーム送信するので、被検体を走査する密度を高くすることができる。
【００５０】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、複数のベッセルビームを異なる複数の位置からマルチビーム送信するものである。
【００５１】
図１０は、本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。この超音波送受信装置は、ビーム位置設定部３１と、波形情報設定部３２と、送受信タイミング制御部３３とを有している。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。
本実施形態においては、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送受信面を複数の領域に分割し、それぞれの領域を１つの開口として取り扱うことにより、複数の領域からベッセルビームをそれぞれ送信する。以下において、１つの開口として取り扱われる領域に含まれる複数の超音波トランスデューサの集合のことをサブアレイという。図９に示すように、例えば、点Ａを中心とするサブアレイａに含まれる複数の超音波トランスデューサを使用することによって、超音波ビームＵＳ１が送信される。超音波ビームＵＳ２〜ＵＳ４についても同様である。
【００５２】
ビーム位置設定部３１は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送受信面上の座標において、ベッセルビームが送信される中心となる複数の位置を設定する。
波形情報設定部３２は、ビーム位置設定部３１によって設定された複数の中心位置と、波形パターン記憶部１１に記憶されている波形パターンとに基づいて、それぞれのサブアレイに含まれる超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報を設定する。即ち、波形情報設定部３２は、ビーム位置設定部３１によって設定された複数の中心位置を基準として、マトリクス状に配置された超音波トランスデューサに波形パターンをそれぞれ関連付ける。例えば、図２の（ｃ）に示す波形パターンを、図９に示す位置Ａ〜Ｄを中心としてマトリクスアレイトランスデューサにそれぞれ関連付けることにより、４つのサブアレイａ〜ｄが設定される。これらのサブアレイａ〜ｄにそれぞれ含まれる複数の超音波トランスデューサに、例えば、図２の（ｃ）に示す波形情報Ｐ１、Ｐ２、…が与えられるように設定される。
【００５３】
送受信タイミング制御部３３は、駆動信号発生部１３における駆動信号の発生タイミングと、検出信号処理部１５における検出信号の取り込みタイミングとを制御する。また、送受信タイミング制御部３３は、複数のサブアレイから第１のベッセルビームがそれぞれ送信された後に、所定のタイミングで第２のベッセルビームがそれぞれ送信されるように、波形情報設定部３２における波形パターンの設定タイミングを制御する。
【００５４】
本実施形態によれば、マトリクスアレイトランスデューサからベッセルビームをマルチビーム送信するので、被検体内を高速に、非回折ビームで走査することができ、リアルタイム性と画質を向上させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態においては、ベッセルビームを送信する位置をずらしながら超音波の送受信を行っても良い。その場合に、送受信タイミング制御部３３は、それぞれのサブアレイから第１及び第２のベッセルビームが送信された後に、ビーム位置設定部３１が新たな複数の中心位置を設定するように制御する。これにより、ベッセルビームによって被検体を走査する密度を一層高くすることができる。
【００５６】
次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波送受信装置について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、ベッセルビームをステアリングしながらマルチビーム送信するものである。
【００５７】
図１２は、本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。この超音波送受信装置は、ビーム位置設定部４１と、波形情報設定部４２と、遅延時間設定部４３と、送受信タイミング制御部４４とを有している。その他の構成については、図６に示す超音波送受信装置と同様である。
【００５８】
ビーム位置設定部４１は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送受信面上の座標において、ベッセルビームが送信される中心となる複数の位置を設定する。また、波形情報設定部４２は、ビーム位置設定部４１によって設定された複数の中心位置と、波形パターン記憶部１１に記憶されている波形パターンとに基づいて、それぞれのサブアレイに含まれる超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報を設定する。さらに、遅延時間設定部４３は、ビーム位置設定部４１によって設定された複数の中心位置と、遅延パターン記憶部２１に記憶されている遅延パターンとに基づいて、それぞれのサブアレイに含まれる超音波トランスデューサに与える遅延時間を設定する。また、送受信タイミング制御部４４は、駆動信号発生部１３の駆動信号発生タイミングと検出信号処理部１５の検出信号取り込みタイミングとを制御すると共に、第１及び第２のベッセルビームを送信する際における波形情報設定部４２の波形パターン設定タイミングと、ステアリング方向を変更する際における遅延時間設定部４３の遅延パターン設定タイミングとを制御する。
【００５９】
本実施形態によれば、マトリクスアレイトランスデューサに複数のサブアレイからベッセルビームをマルチビーム送信するので、被検体内を高密度で走査することができる。また、それぞれのサブアレイから送信されるベッセルビームをステアリングするので、被検体を走査する密度をさらに高めることができると共に、被検体内の広範囲に渡って走査することができる。
【００６０】
なお、本実施形態においても、ベッセルビームを送信する位置をずらしながら超音波の送受信を行っても良い。その場合には、送受信タイミング制御部４４は、それぞれのサブアレイから第１及び第２のベッセルビームが送信された後に、ビーム位置設定部４１が新たな複数の中心位置を設定するように制御する。
【００６１】
次に、本発明の第６の実施形態に係る超音波送受信装置について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、マトリクスアレイトランスデューサを機械的に制御しながら、異なる複数の方向に向けてベッセルビームをマルチビーム送信させるものである。
【００６２】
図１４は、本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。この超音波送受信装置は、アクチュエータ５１を有している。その他の構成については、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置と同様である。
アクチュエータ５１は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や開口の向きを制御する。即ち、アクチュエータ５１の制御により、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、往復運動、回転運動等を行う。
【００６３】
このように、同一箇所から複数の方向に向けてベッセルビームを送信するマルチビーム送信と、トランスデューサの機械的制御とを組み合わせることにより、複数のベッセルビームをステアリングしながら複数の方向に向けてマルチビーム送信することができる。
【００６４】
次に、本発明の第７の実施形態に係る超音波送受信装置について、図１５及び図１６を参照しながら説明する。図１５に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、マトリクスアレイトランスデューサを機械的に制御しながら、異なる複数の位置からベッセルビームをマルチビーム送信させるものである。
【００６５】
図１６は、本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。この超音波送受信装置は、図１０に示す超音波送受信装置のビーム位置設定部３１の替わりに、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や開口の向きを制御するアクチュエータ６１を有している。その他の構成については、図１０に示す超音波送受信装置と同様である。
本実施形態において、複数のサブアレイａ、ｂ、…の中心位置Ａ、Ｂ、…は固定されており、波形情報設定部３２は、これらの中心位置Ａ、Ｂ、…に基づいて波形情報を設定する。また、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、アクチュエータ６１の制御により、往復運動、回転運動、首振り運動等を行う。このように、固定された複数の位置からベッセルビームを送信するマルチビーム送信と、トランスデューサの機械的制御とを組み合わせることにより、複数のベッセルビームをステアリングしながら同時に、或いは、ほぼ同時に送信することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ベッセルビームが有する非回折特性を維持しながら、メインビーム領域における信号強度を高めることができると共に、サイドローブ領域における信号強度を低減することができる。従って、ＳＮ比の高い、良質な超音波画像を得ることができる。また、そのようなベッセルビームを電子的制御又は機械的制御によってステアリングすることにより、被検体内を広く走査することができる。さらに、そのようなベッセルビームをマルチビーム送信することにより、一度に被検体内を走査する超音波ビームの密度を高くすることができる。従って、超音波撮像の時間を短縮してフレームレートを高めることができ、リアルタイムに画質の高い２次元又は３次元超音波画像を得ることが可能になる。
【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、ベッセル関数を表すグラフであり、図２の（ｂ）及び（ｃ）は、ベッセル関数によって表される超音波ビームを送信する方法を説明するための図である。
【図３】サイドローブによる影響を低減する原理を説明するための図である。
【図４】ベッセルビームのメインビーム半径と非回折深度の関係を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２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７】異なる複数の方向へマルチビーム送信される超音波ビームを示す模式図である。
【図８】マルチビーム送信される複数のベッセルビームをステアリングする方法を説明するための図である。
【図９】異なる複数の位置からマルチビーム送信される超音波ビームを示す模式図である。
【図１０】本発明の第４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１１】異なる複数の位置からステアリングしながらマルチビーム送信される超音波ビームを示す模式図である。
【図１２】本発明の第５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１３】異なる複数の方向に向けて機械的制御によりステアリングしながらマルチビーム送信される超音波ビームを示す模式図である。
【図１４】本発明の第６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１５】異なる複数の位置から機械的制御によりステアリングしながらマルチビーム送信される超音波ビームを示す模式図である。
【図１６】本発明の第７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１７】従来の超音波トランスデューサアレイから送信される回折ビームの音場分布を示す図である。
【符号の説明】
１０　マトリクスアレイトランスデューサ
１１　波形パターン記憶部
１２、３２、４２　波形情報設定部
１３　駆動信号発生部
１４、２３、３３、４４　送受信タイミング制御部
１５　検出信号処理部
１６　メモリ
１７　演算処理部
１８　ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）
１９　表示部
２１　遅延パターン記憶部
２２、４３　遅延時間設定部
３１、４１　ビーム位置設定部
５１、６１　アクチュエータ
１００　超音波トランスデューサアレイ
１０１　圧電素子
１０２、１０３　電極
ａ〜ｄ　サブアレイ
【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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【図１６】
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【図１７】
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