(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列振動子を備えた超音波探触子と、超音波を被検体に対し送信または／及び受信の際に送波フォーカシングまたは受波フォーカシングを行うために各振動子に対する遅延時間を制御する遅延制御手段と、前記配列振動子と設定された焦点位置との間の超音波伝播媒体による超音波の屈折効果を織り込んで前記送波または受波のフォーカシングを行う遅延時間を生成し前記遅延制御手段へ供給する屈折補正遅延データ生成手段と、超音波画像を表示する表示ユニットと、を備えた超音波撮像装置において、
前記屈折補正遅延データ生成制御手段は、計算の対象となる振動子の隣の振動子から前記焦点に至る音の経路に関するパラメータから漸化式的に解かれたパラメータを用いて遅延時間を演算により求めることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
前記遅延制御手段には予め生体の平均音速によって求められた遅延時間データが記憶され、その記憶された遅延時間データを用いて屈折補正データを求めるための超音波送受信が先行して行われることを特徴とした請求項１に記載の超音波撮像装置。
【請求項３】
前記屈折補正遅延データ生成手段は、レンズ層厚、レンズ層の音速、振動子の配列ピッチを含む前記超音波探触子に関するパラメータを用い、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を演算により求め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４】
前記屈折補正遅延データ生成手段は、レンズ層厚、レンズ層の音速、振動子間ピッチを含む前記超音波探触子に関するパラメータ、並びに被検体の脂肪層厚と脂肪層の音速、生体組織の音速のデータを用い、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を演算により求めることを特徴とする請求項２叉は３に記載の超音波撮像装置。
【請求項５】
前記被検体における層を成す構造の厚さを測定する層厚測定手段と，前記層構造の部分の音速を測定する音速測定手段とを備え、前記屈折補正遅延制御手段は、前記層厚測定手段によって測定された層厚と前記音速測定手段によって測定された層構造中の音速とを用いて、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果に基づき各振動子に与える遅延時間を求め前記遅延制御手段へ供給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６】
前記層厚測定手段は画面上において移動可能な２点のカーソルを表示し、それらの画面上でのカーソル間距離を計測するキャリパを含むことを特徴とする請求項５に記載の超音波撮像装置。
【請求項７】
前記音速測定手段は、複数の振動子が受信したエコー信号を整相処理する遅延回路の出力を用いて各受信チャンネルの遅延時間誤差を演算により求め、この遅延誤差から被検体内の音速を求める音速計測手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の超音波撮像装置。
【請求項８】
前記音速計測手段は，音速計測領域を被検体の脂肪層と、この脂肪層の内部の組織部とに特定して、各々について音速を計測する手段を含むことを特徴とする請求項７に記載の超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、超音波を用いて被検体内組織を画像として抽出する超音波撮像装置に係り、特にそれに用いられる超音波ビームフォーマに関するものである。
背景技術
超音波装置、例えば医療画像診断に用いられる超音波撮像装置は、超音波パルス反射法を用いて生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流像等をほぼリアルタイムで得て、それをモニタに表示して観察でき、また、放射線を用いる画像診断装置のように放射線被曝を被検体に与えないことから安全性も高いとされ、更に小型で安価なことも加わり、広く医療の分野で応用されている。
超音波撮像装置では、被検体内への超音波の送信及び被検体内からのエコー信号の受信のために超音波探触子が用いられる。超音波撮像装置の走査方式の一つに電子走査方式がある。電子走査型の超音波探触子は細長い棒状の振動子を一次元アレイ状に配列し、各振動子毎に所定の遅延時間を与えて駆動する。これにより超音波探触子から被検体内の所定の深度、所定の方向に収束する超音波ビームを送信する。受波は、超音波探触子の各振動子からの受波信号に振動子毎に所定の遅延時間を与えて合成することで、所定の深度、方向からの受波信号を捕らえる。このように振動子毎に遅延時間を設定し、各振動子にその遅延時間を与える処理部分を超音波ビームフォーマという。
電子走査により良好な超音波画像を得るには、超音波ビームの走査範囲全域にわたり、各振動子毎に正確な遅延時間を与えて送波することが必要となる。この方法によってのみ、予定している焦点位置に超音波を歪んだり広がったりすることなく集めることが可能となるからである。受波に関しても同様な操作を行うことで受信エコー信号のビーム形成が行われる。なお、超音波探触子には、一次元アレイ状に配列された多数の振動子から発生される超音波を振動子の配列方向と直交する方向に収束させるためのレンズ層が設けられている。
特に、近年、超音波撮像装置の整相回路がデジタル化されて以来、超音波の送受信における遅延時間の制御及び整相を容易かつ精度良く行うことが可能となった。しかし、各振動子から送波された超音波は音速一定の媒質のみを通って焦点に集まるわけではない。送波パルスは圧電振動子で電気信号から超音波に変換された後、探触子表面のレンズ層と生体組織を通って所望の焦点位置に到達する。このとき、レンズ層と生体組織では音速が異なるので、両者の界面で圧電振動子の配列方向に音の屈折が起こる。遅延時間の計算には、この屈折による効果を織り込む必要がある。屈折角はスネルの法則で求まるので、音の屈折経路を求めることで遅延時間を計算することが可能である。
しかしながら、超音波撮像装置は、１秒間に３０フレーム程度の断層像を撮像するが、１フレームの撮像中に焦点位置を横方向（方位方向）に５０、深さ方向（距離方向）に２０程度変える必要がある。一つの口径内にある振動子の数は探触子にもよるが、３２個から１９２個程度である。これらのことから、一つの振動子に対する遅延時間の設定を、仮に計算によって行うとしてもかなり高速に行うことが必要である。しかし、現実の超音波撮像装置に搭載するＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｕｎｉｔ）あるいはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などの演算処理性能に照らしても、リアルタイム処理できる計算量には限界がある。そのため現状の超音波撮像装置においては、予め探触子毎に各焦点位置に対する遅延時間を計算したデータをハードディスクなどの記憶媒体に記憶しておく方法、あるいは、リアルタイム処理に間に合うような計算式を用いた近似計算を行う方法のいずれかで対処している。
現在、超音波撮像装置の探触子は、診断対象臓器、部位、症状等に特化した探触子が用いられており、その種類は増える一方である。そのため、前述の遅延時間のデータを記憶しておくにはかなり大容量の記憶装置が必要となる。しかし、超音波撮像装置は、価格等の制約から余り大容量の記憶装置を搭載することは現実的ではない。特に、後から開発された探触子も使えるといった拡張性を超音波撮像装置に持たせる場合に困難が生じる。また、今後主流となるであろう２次元探触子においては更に振動子数が増えることから、記憶すべきデータ量がより増大する方向にある。
一方、近似計算で遅延時間を求める方法は、従来の計算精度では、条件によって精度不足となることがある。精度は探触子の中心周波数での周期と誤差時間の比で決まるので、高精細な探触子のように中心周波数が高い、すなわち周期の短いパルスを送波する探触子が開発されるにつれて遅延時間の精度に対する要求は厳しくなる。故に、近似方式は更に精度の高いものが必要となる。また、２次元探触子への適用を考えると、一つの振動子に関する計算時間をより短くする必要が出てくるので、より厳しい方向に向かうことは前者の場合と同様である。
超音波診断に供される画像は前記デジタル整相技術の採用とも相俟って、従来と比較し格段の画質向上が達成されたが、超音波撮像装置で得られる画像は、Ｘ線装置、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等の他のモダリティで得られる画像と比較した場合には更なる画質向上が要望されている。
上記超音波画像の画質向上策として、被検体内の超音波の音速を補正する技術が最近開発されつつある。従来の超音波撮像装置では、超音波を被検体内の焦点位置へ集束させるための遅延制御データを、生体の平均的な音速に基づいて設定していたが、被検体には筋肉質の者や脂肪の多い者等個体差があるため、全ての被検体へその制御データを使用した場合には、平均的には良い画像と言える画像が得られるが、被検体毎に最良の画像が得られるとは言えず、その改善が望まれていた。上記音速補正技術はこれへの対応策とされているもので、検査される被検体毎に体内の超音波伝播速度を測定または推定することにより、その値でビーム形成のための遅延時間制御データを求めるものである。この音速補正技術は、本願出願人が特許出願した、例えば特開平８−３１７９２３号や特開平１０−６６６９４号に記載されている。
しかし、超音波画像の画質は、この音速補正技術を採用しても更に改善の余地が残されていると考えられる。それは超音波伝播経路における屈折を織り込んでビーム形成することで改善されると本発明の発明者等は考えている。超音波の伝播経路における屈折としては、レンズ層による屈折が先ず問題として挙げられるが、超音波の屈折が起きるのはレンズ層と被検体との境界面に限らない。超音波撮像装置の診断対象である生体は脂肪や筋繊維、各種臓器、血液など多様な組織からなる。これらの組織中ではそれぞれ音速が異なるので、その境界面で微妙に超音波の屈折が起きる。これらの屈折の中でも、脂肪層による屈折効果をビーム形成に取り込むことが最も容易である。
その理由は、以下に挙げるように主に３つある。第一に、脂肪層は必ず皮下に存在するので、どの臓器を見るにも経皮的に超音波探触子を当てるときには超音波パルスは脂肪層を透過する。つまり脂肪層による屈折は、経皮的な探触子を用いる限り避けられない。第二に、脂肪層は生体組織の中で一番外側にあることから、屈折がもたらす焦点位置へのずれの影響は一番大きい。第三に、皮下脂肪は探触子の口径内では一定の厚みを持っていると仮定しても良いと考えられるので、血管など、他の組織の場合に比べ計算に取り込むことが容易である。
発明の開示
本発明は以上に鑑み成されたもので、その第一の目的は、超音波画像の画質を現状よりも更に向上することにある。
本発明の第二の目的は、超音波探触子のレンズ層または／及び脂肪層による超音波の屈折の影響を考慮して遅延時間を設定することができる超音波撮像装置を提供することにある。
更に、本発明の第三の目的は、上記レンズ層または／及び脂肪層による屈折の影響と、個々の被検体の超音波伝播速度とを併せて考慮して遅延時間を設定することができる超音波撮像装置を提供することにある。
脂肪層による超音波の屈折を考慮する場合、予め遅延時間を計算して記憶装置に保存しておく方式を取ろうとすると、各脂肪層厚さに対し全て計算しておく必要があるので大容量の記憶装置が必要になる。また、個人差によって脂肪層の音速が微妙に異なる場合、その場で計算出来る方が有利である。従って、本発明では、近似精度が十分で且つ計算が速く済むアルゴリズムを用い、レンズ層及び脂肪層による超音波の屈折の影響を考慮して遅延時間を求める手法を採用する。
すなわち、本発明の代表的な例における超音波撮像装置は、配列振動子を備えた超音波探触子と、超音波を被検体に対し送信または／及び受信の際に送波フォーカシングまたは受波フォーカシングを行うために各振動子に対する遅延時間を制御する遅延制御手段と、前記配列振動子と設定された焦点位置との間の超音波伝播媒体による超音波の屈折効果を織り込んで前記送波または受波のフォーカシングを行う遅延時間を生成し前記遅延制御手段へ供給する屈折補正遅延データ生成手段と、超音波画像を表示する表示ユニットを備えたことを特徴としている。そして、前記遅延制御手段には予め生体の平均音速によって求められた遅延時間データが記憶され、その記憶された遅延時間データを用いて屈折補正データを求めるための超音波送受信が先行して行われる。  前記屈折補正遅延データ生成手段は、探触子のレンズ層厚、レンズ層の音速、振動子の配列ピッチを含む前記超音波探触子に関するパラメータを用い、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を演算により求める。また、前記屈折補正遅延データ生成手段は、レンズ層厚、レンズ層の音速、振動子間ピッチを含む前記超音波探触子に関するパラメータ、並びに被検体の脂肪層厚と脂肪層の音速、生体組織の音速のデータを用い、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を演算により求める。さらに、前記屈折補正遅延データ生成制御手段は、計算の対象となる振動子の隣の振動子から前記焦点に至る音の経路に関するパラメータから漸化式的に解かれたパラメータを用いて遅延時間を演算により求める。
また、本発明の超音波撮像装置は、超音波画像が表示された前記表示ユニットの画面から屈折補正用の被検体の層構造に関するデータを検出する手段と、この層構造データ検出手段の出力を用いて被検体の層構造による超音波の屈折の影響を考慮に入れた遅延制御データを生成する手段とを備えたことを特徴としている。そして、前記層構造データ検出手段は画面上において移動可能な２点のカーソルを表示し、それらの画面上でのカーソル間距離を計測するキャリパを含む。
そして、本発明の超音波撮像装置は、配列振動子を備えた超音波探触子と、超音波を被検体に対し送信または／及び受信の際に送波フォーカシングまたは受波フォーカシングを行うために各振動子に対する遅延時間を制御する遅延制御手段と、前記被検体における層を成す構造の厚さを測定する手段と，前記層構造の部分の音速を測定する手段と、前記層厚測定手段によって測定された層厚と前記音速測定手段によって測定された層構造中の音速とを用いて、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を求め前記遅延制御手段へ供給する屈折補正遅延制御手段と、超音波画像を表示する表示ユニットを備えたことを特徴としている。そして、前記音速測定手段は、複数の振動子が受信したエコー信号を整相処理する遅延回路の出力を用いて各受信チャンネルの遅延時間誤差を演算により求め、この遅延誤差から被検体内の音速を求める音速計測手段を含む。また、前記音速計測手段は，音速計測領域を被検体の脂肪層と、この脂肪層の内部の組織部とに特定して、各々について音速を計測する手段を含む。
さらに、本発明の超音波撮像装置は、超音波探触子のレンズ層厚、レンズ層の音速、振動子配列ピッチを含む超音波探触子に関するパラメータを用い、超音波が前記振動子を出てから指定された焦点に到達するまでに屈折する効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を計算する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを、または、レンズ層厚、レンズ層の音速、振動子間ピッチを含む超音波探触子に関するパラメータ、並びに被検体の脂肪層厚と脂肪層の音速と脂肪層を除いた生体組織の音速のデータとを用い、超音波が前記振動子を出てから指定された焦点に到達するまでに屈折する効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を計算する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを内蔵したことを特徴としている。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による超音波撮像装置の一例を示す概略構成図である。超音波撮像装置１００は本体１０と超音波探触子２０とから成る。超音波撮像装置の本体１０は、制御部１１、メモリ１２、画像表示部１３及び超音波ビームフォーマ１４を備える。制御部１１には、キーボードやポインティングデバイス等の入力部１５が接続されている。超音波探触子２０は、超音波撮像装置の本体１０に着脱自在になっており、被検体３０の診断対象に応じて適切なものが選択され、装着される。超音波探触子２０は、振動子アレイ２１とメモリ２２とを備える。本体１０のメモリ１２には、探触子のＩＤ番号に対応した探触子固有のデータの表、皮下脂肪層中の音速、生体組織中の音速等のデータが格納されている。ここでいう探触子固有のデータとは例えばレンズ層の厚さ、レンズ層中の音速、振動子ピッチ、コンベックス型探触子の場合はその半径、オブリーク型探触子の場合にはオブリーク角度などのパラメータ等のことである。
超音波ビームフォーマ１４は、制御部１１の制御の下に、超音波探触子２０内の振動子アレイ２１の動作を制御する。この超音波ビームフォーマを用いて、超音波ビームを被検体内で走査することで超音波画像データが得られる。制御部１１は、得られた超音波画像データに基づいて、画像表示部１３に被検体３０の超音波断層像を表示する。
図２は、超音波ビームフォーマの一例を示すブロック図である。超音波ビームフォーマは、演算・制御回路４１、パルサー４２、プリアンプ及びＡＤ変換器４３、遅延回路４４、加算回路４５を備える。超音波ビームフォーマ１４では、演算・制御回路４１によって遅延時間が演算され、制御されている。演算・制御回路４１はコンピュータとソフトウェアとで実現しても良い。その場合、遅延時間演算のためのプログラムをＲＯＭ等の記録媒体に記録しておき、それをコンピュータで読み込む構成によって演算・制御回路４１を実現する。
送波、受波それぞれのビームフォーミングの仕組みは以下の通りである。まず、演算・制御回路４１から、超音波探触子２０が備える振動子アレイ２１の各振動子２５０，２５１，２５２，…，２５ｎに接続されたパルサー群４２に、各振動子の遅延時間分だけずれたタイミングでパルス信号が送られる。このパルス信号を受け取った各パルサー４２は、直ちにパルス信号を自分に接続されている振動子２５０，２５１，２５２，…，２５ｎに送る。振動子２５０，２５１，２５２，…，２５ｎはその圧電性により電圧に応じた超音波を発生させ、被検体３０内に超音波を送波する。被検体３０内で反射された超音波は再び超音波探触子２０の振動子アレイ２１に戻り、個々の振動子２５０，２５１，２５２，…，２５ｎにおいて圧電性により電気信号に変換され、プリアンプ及びＡ／Ｄ変換器４３で増幅されデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、演算・制御回路４１からの信号で調整された遅延回路４４で時間をずらされて加算回路４５に入り加算されることで整相加算が行われる。
次に、超音波探触子２０に備えられている振動子アレイ２１による超音波ビームの走査方式について説明する。超音波ビームの走査に当たっては、図３に示した超音波診断画像の例から分かるように、深さ方向と、横方向との両方に超音波ビームの焦点を移動する必要がある。ここで、図３において、Ｉが超音波画像とすると、超音波画像Ｉは点Ｆｎ１，Ｆｎ２，Ｆｎ３，…，ＦｎＮ（ここに、ｎは１からＮまでの整数）から成るＮ本の受信ビームデータにより構成されている。この点Ｆｎ１，Ｆｎ２，Ｆｎ３，…，ＦｎＮのデータの繋がりが１本の超音波ビームにより計測される。
図４は、焦点Ｆ１１に向けて超音波パルスを送波し、焦点Ｆ１１からの反射信号を検出する超音波探触子を模式的に示す図である。図４は一定時間間隔Ｔｓ毎の波面の移動についての様子を表している。図４（ａ）に示すように、超音波探触子の焦点をＦ１１に合わせるには、超音波探触子の口径内振動子２５０〜２５ｎから送波された超音波パルスが焦点Ｆ１１に集まるように、各振動子の動作にそれぞれ遅延時間を与えて超音波を送波する。図４（ａ）の場合、口径の両端に位置する振動子２５０，２５ｎに与える遅延時間は０であり、ｊ番目の振動子２５ｊに与える遅延時間Ｔｊは、図示のように振動子２５０，２５ｎの位置にある仮想的な超音波の波面ＷＡが振動子２５ｊの振動面に達するまでの時間である。このように各振動子の動作に遅延時間を与えて超音波を送波すると波面ＷＡは図４（ａ）に示すように焦点Ｆ１１に向かって収束していく。この焦点Ｆ１１での反射波の波面ＷＢは、図４（ｂ）に示すように伝播して、両端の振動子２５０，２５ｎへ到達する時刻よりも遅延時間Ｔｊの分だけずれて振動子２５ｊの振動子面に到達する。従って、超音波探触子の口径内振動子２５０〜２５ｎの各々において遅延時間Ｔｊの分をずらして整相した信号を加算することで、焦点Ｆ１１からの反射信号を拾うことができる。
この送受信動作を点Ｆｎｎ（ｎは１からＮまでの整数）に対して行うことで画像が取得される。実際の装置では、この送受信動作はダイナミックフォーカス法として知られている方法、すなわち、送波は被検体内の関心領域（ＲＯＩ：Ｒｅｇｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）内に位置する特定深度に焦点を設定して超音波を送信し、受信時は送波された超音波パルスが被検体内を進行するのに伴って浅い領域から深い領域へと受波の焦点位置を連続的に変えて１本の受信ビーム信号を得るという方法を用いる。そして、１本のビームの計測が完了したら、ビーム位置を順次隣接方向（方位方向）へ移し、同様な送受信動作を繰り返し、Ｎ本の受信ビーム信号を得て画像を形成する。
ビームを方位方向へ移動する方法には、送波口径が固定のものと、可変なものとの２通りが存在する。前者は、セクタ型探触子に用いられる走査方式であり、この方式では毎回の送受信に探触子の全振動子を用い、ビーム方向を放射状に変えていく。この場合、送波口径に対して、ビーム方向が、言い換えれば送受信の焦点が口径の正面に来る場合はわずかである。このことは後の遅延時間の計算において大きな意味をもつ。後者は、リニア型探触子やコンベックス型探触子に用いられる方式である。この方式は前者と異なり、１回の送波に探触子が備える全振動子を用いず、例えば、全振動子数が１９２チャンネルの探触子で、１回の送波に６４チャンネルの口径を用いる。この場合、ある位置のビームを得るときにはその正面に口径を位置させて送受信し、ビーム位置の移動は口径を動かすことでなされ、前者の場合と逆に常に口径の正面に焦点がくるような送波の仕方をする。
次に、図５のフローチャートにより本発明の超音波撮像装置を用いた断層像撮像の流れの一例を説明する。超音波撮像装置において超音波探触子は着脱自在で交換可能であるので、撮像に先立って、ステップ１１において、超音波撮像装置の本体１０に装着されている超音波探触子２０の認識を行う。この認識は、超音波探触子２０のメモリ２２に格納されている探触子ＩＤ番号等のパラメータを読み取ることにより行われる。
次に、ステップ１２において、後述する屈折率補正をかけない状態で、すなわち装置へ初期設定された生体の平均音速に基いて求めた遅延制御データによって被検体の断層像を撮像する。図６は、このとき画像表示部１３に表示される診断画面の模式図であり、補正がかかっていないため幾分ぼけた対象の像が表示される。なお、図６に示した画像はコンベックス型探触子で撮像した画像で、探触子に接する側に皮下脂肪層が写っている。
ステップ１３において、診断者はこの脂肪層の厚さを測定し、入力する。具体的には、従来より超音波撮像装置に備えられているキャリパーを使ってそれを計測する。図６中に、Ａで示した脂肪層が始まる所と、Ｂで示した脂肪層が終わる所とのそれぞれにキャリパのカーソルを合わせることで、キャリパーの計測機能により画面上にＡ−Ｂ間の距離が求まる。（図の例の場合、１３ｍｍ）この値を脂肪層の厚さとして使うことが出来る。診断者によって脂肪層の厚さが入力された後は、診断装置内で全ての処理が実行される。
以下、撮像モードに入り、診断者はステップ１４において入力部１５から超音波撮像装置の制御部１１を介してビームフォーマ１４に送波の焦点深度を指示する。ビームフォーマ１４は、ステップ１５において演算・制御回路４１により後述する屈折率補正を行った遅延時間を計算する。ここで計算される遅延時間は、送波の焦点深度に対応した送波用の各振動子へ与えられる遅延時間と、１本の超音波受信ビームを形成するために各振動子へ与えられる遅延時間、すなわち前述のように受波の焦点位置を連続的に変えるための遅延時間とである。
続いて、ステップ１６において、求められた送波用遅延時間を用いて超音波探触子の振動子アレイが励起されると、１番目の超音波ビームライン上に指定された焦点に収束するように超音波ビームが送波される。次に、ステップ１７において、超音波探触子の振動子アレイによる受波信号をステップ１５で計算した受波用遅延時間を用いて整相し、加算することで１番目の受信ビーム信号が得られる。
ステップ１８では、撮像画面内の全ての点からの信号取得が完了したかどうかを判定する。すなわち、超音波画像をＮ本の超音波ビームで形成する場合、Ｎ番目のアドレスの超音波ビームが得られたか否かを判定する。そして、完了していなければステップ１４に戻り、ビーム位置を変えて送受信を行う。これを繰り返し、深さ方向の走査と横方向の走査に関して全撮像範囲を走査し終えたら一枚の診断画像が撮り終わる。診断画像を撮り終えたら、ステップ１９に進み、それを画像表示部１３に表示して終了する。なお、画像表示は、一枚の診断画像全ての点についてデータを取り終えてから一括して表示する代わりに、ステップ１７で一つの受信ビームについてのデータを取得する毎に、それを画像表示部１３に順次表示するようにしてもよい。これは超音波撮像装置が備えているディジタル・スキャン・コンバータの機能を活用することで可能である。
次に、図５のフローチャートのステップ１５における「屈折率補正を行った遅延時間を計算」の処理内容について詳細に説明する。ここでは一例として、リニアやセクタ型探触子のように探触子の送波面が、アレイ方向に曲率をもたない場合について説明する。コンベックス型など他のタイプの探触子についても、式の形が変わるのみで同じ考え方で取り扱うことができる。
図７を参照して、口径内のある振動子２５ｊに電気パルス信号を送った後、振動子２５ｊから発せられた超音波が焦点位置に到達するまでを考える。超音波探触子は、振動子ピッチｐで一次元的に配列している振動子列と、振動子列の前面に配置された厚さｄ１のレンズ層を備えるものとする。レンズ層は、振動子列から発生された超音波を振動子列に直交する方向（図７の紙面に直交する方向）に収束させるためのものである。また、生体の脂肪層よりも内部に存在する生体組織内での音速は平均的に均一であるとし、脂肪層は超音波探触子の送波口径内で一定の厚みｄ２を持っているものと考える。こうすると、振動子から送波された超音波は、レンズ層、脂肪層、生体組織の３層を伝播して焦点へ到達することとなり、屈折は３層問題となる。
いま、振動子列の中心から距離Ｘの位置にあるｊ番目の振動子２５ｊから出た超音波が、振動子列の中心前方、深さＦに位置する焦点に到達するまでの経路を考える。電気パルス信号は、整合層を前面に有した圧電振動子２５ｊで超音波に変換される。振動子２５ｊから発生された超音波は、厚さｄ１のレンズ層を振動子列の配列方向に距離ｘ１だけずれて進み、皮下脂肪層に入射角θ１で入し、レンズ層と脂肪層の境界で屈折（屈折角θ２）した超音波は、厚さｄ２の皮下の脂肪層を振動子列の配列方向に距離ｘ２だけずれて進み、入射角θ２で脂肪層の下の生体組織に入射する。脂肪層と生体組織の界面で屈折（屈折角θ３）した超音波は、生体組織内を振動子列の配列方向に距離ｘ３、深さ方向にｄ３の対角線方向へ進み、生体組織内の焦点に到達する。
各層間の境界面での超音波の屈折は、スネルの法則に従う。したがって、レンズ層中の音速をｃ１、脂肪層中の音速をｃ２、生体組織中の音速をｃ３とすると、上記屈折角θ１、θ２，θ３との間に式１が成り立つ。
0004711583.tif 000002
ここに、音速ｃ１はレンズの材質によって決まり、また実測可能であるので既知のものである。また、音速ｃ２，ｃ３も以下の説明において、経験的に近似値として既知であるとの条件の下で以下の説明を進め、既知ではなくそれを計測によって求める方法については他の実施形態として後に説明する。なお、音速ｃ１は超音波探触子２０のメモリ２２内に、また、音速ｃ２，ｃ３は超音波撮像装置本体１０のメモリ１２内に保持されているものとする。
本発明では、この問題の数値的な解法として２つの方法を提案する。まず第１の方法について以下に説明する。式１からｓｉｎを消去すると次の式２のようになる。
0004711583.tif 000003
しかし、式２は、このままでは解析的に解くことはできない。ここでは、解析的な解を求めるために式２を３つの連立方程式で解くことにする。ここで変数を落とすときに残す変数として、レンズ層中での横方向の移動量ｘ１、脂肪層中での横方向の移動量ｘ２、生体中での横方向の移動量ｘ３のどれを残すかについての選択肢があるが、誤差の大きさを考えた時に多くの条件下で一番有利となるのはｘ３を残す方法である。これは、音速がレンズ層、脂肪層、生体組織中と段々速くなるため、各層の中を通る音波の経路が段々横に寝てくること、および多くの撮像条件下ではこのことと併せて、厚さｄ３が一番大きいことによる。故に実際の系では生体組織中で、音の経路は横方向移動量が一番大きくなる。一番大きな量を計算で直接求めるのが相対的な誤差を一番小さくする方法であるから、通常の撮像条件下ではｘ３を求めればよくなる。しかし、条件によらずレンズ層が一番薄いが、脂肪層の厚さと生体組織の厚さは撮像条件、撮像対象部位の深さによって異なることがある。よって脂肪層の厚さと焦点距離の関係で、ｘ２を残すか、ｘ３を残すか条件判定してから一変数の多項式を解くことを考えるアルゴリズムも有り得る。しかし、ここではその方法の説明は省略してｘ３を求める方法についてのみ説明することにする。
ｘ１，ｘ２を連立方程式から消去して式３を得る。式３では、ｘ３を求めるのであるから、以下、これを単にｘと略記するとともに、ｒ２＝（ｃ３×ｃ３）／（ｃ２×ｃ２）と置き換えている。
0004711583.tif 000004
実際の超音波撮像装置における超音波ビームフォーマの計算処理部では、前述のようにＭＰＵもしくはＤＳＰを使っている。このうちＤＳＰを用いている場合には、計算は全て積和に換算される。代表的なＤＳＰにおいては、平方根は積和３２回に相当する。割り算は値に依存するので、計算前には計算回数がわからない。よって式３を平方根、割り算のない形に変形することはＤＳＰを用いる場合に重要であり、その操作をした結果が式４である。
0004711583.tif 000005
ガロアの理論により、因数分解によって次数を落とすことの出来ない多項式は５次以上の場合、解の公式は存在しないことが知られている。このことから、式４をいきなり解くことは不可能である。ただし、式４は１２次方程式とはいえ、有理多項式であり、全範囲で微分可能であることから、十分に解の近傍では直線として近似することが可能である。常に解の近傍にあるという条件さえ満たすｘがあればよい。
解の近傍での式４の振る舞いを解析してみると、式３から式４への変換において平方根を除くために両辺自乗したわけであるが、これは式３の前項をｇ１、後項をｇ２とすると、ｇ１（ｘ）−ｇ２（ｘ）の解を探していたのがｇ１（ｘ）×ｇ１（ｘ）−ｇ２（ｘ）×ｇ２（ｘ）＝（ｇ１（ｘ）−ｇ２（ｘ））×（ｇ１（ｘ）＋ｇ２（ｘ））の解を探していることになることから、式４の解には、本来のｇ１（ｘ）−ｇ２（ｘ）の解に加え、ｇ１（ｘ）＋ｇ２（ｘ）の解も含まれている。この両辺自乗と言う操作は２回行われているので、関係ない解が２つ余計に入っていることになるが、２回目の自乗によって式４に新たに含まれた解は、十分に本来の解から離れているので、ここでは問題とならない。ｇ１（ｘ）＋ｇ２（ｘ）の解も持つことで式４は解近傍で変曲点を持つので、近似的な値を求める位置はこの変曲点より真の解に近いことが必要である。その条件に適するものとして、図中の表記を用いてｘ＋ｐ×ｄ３／Ｆを近似解の出発点として用いる。そうすると振動子位置ＮでのｘであるｘＮは次の式５により求まる。ここからは、式４の左辺をｆ（ｘ）と表記する。
0004711583.tif 000006
ここからは、この漸化式を用いてリアルタイムに振動子毎の遅延時間を計算する方法についてフローチャートを交えて説明する。最初に、図８のフローチャートを用いて、リニア型探触子またはコンベックス型探触子のように、焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面が直交する探触子の遅延時間を計算する場合について説明する。この条件では、焦点が口径の正面にあるので、各振動子の遅延時間は口径内で左右対称である。つまり、片側半分だけ計算すれば十分である。
探触子に関するパラメータは図５のステップ１１で既に与えられており、焦点深度の値は図５のステップ１４において既に与えられている。ここでは、口径の中心の振動子から始めて、一つずつ外側に向かって順に遅延時間を計算する。まず、ステップ２１において、計算対象を中心の振動子とする。中心の振動子から焦点に向かう超音波は層の界面に垂直に入射し、界面では屈折しないのでｘ０＝０である。また、振動子番号Ｎを１（中心の振動子に対する隣の振動子）とする。
次に、ステップ２２において、ｘ０＝０であることから、振動子番号Ｎ＝１に対するｘ１を漸化式式５により計算する。次に、ステップ２３に進み、ステップ２２で求めたｘ１をもとに、振動子番号Ｎ＝１の振動子に対する遅延時間τを次の一連の式、すなわち式６により求める。
0004711583.tif 000007
次に、ステップ２４に進み、振動子番号を１つ増やし、その隣の振動子に移り、ステップ２５からステップ２２に戻って、再び漸化式（式５）でｘ２を計算し、そのｘ２をもとに式６を用いて振動子番号２の振動子に対する遅延時間τを計算する。この操作を口径内振動子全てについて行う。ステップ２５の判定が「ＹＥＳ」であれば、この焦点深度に関しては全振動子分の遅延時間を計算したことになるので、ステップ２６に進み、計算結果を演算・制御回路から遅延回路へ出力する。次の計算すべき焦点深度が超音波ビームフォーマに与えられたら、同様にしてまた全口径内振動子について計算する。これを全焦点深度について繰り返すことで屈折によるずれを補正した撮像が行われる。
次に、図９のフローチャートを用いて、オブリーク型探触子またはセクタ型探触子、フェイズドアレイ型探触子のように、焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面が直交しないタイプの探触子に対して遅延時間を計算する方法、もしくは焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面のなす角が変化していくようなタイプの探触子に対して遅延時間を計算する方法について説明する。この時、焦点位置と口径、振動子列の関係は図１０に略示するように、オブリーク角度θの大きさによって、
（１）  焦点Ｆから振動子の並んだ面に降ろした垂線の足Ａが送波口径内に入る場合
（２）  前記Ａが送波口径内に入らない場合
の二通りがある。後者の場合はＡから口径の端の振動子までの間を素子ピッチで刻み仮想的な振動子列を考える。そしてこの考えに基づき、遅延時間の計算に入る前、すなわち図５でいうと、ステップ１３の次の段階で式５によってＡの位置にある仮想的な振動子を漸化式の第一項として逐次ｘを計算して、口径の端にある振動子でのｘを求めておく。オブリーク角度などの探触子に関するパラメータは図５のステップ１１で既に与えられており、焦点深度や焦点方向等の値は図５のステップ１４において既に与えられている。
図９のステップ３１では、撮像すべき範囲内での各焦点深度、方向に関して、その焦点から送波面に降ろした垂線の足（図１０中の点Ａ）が口径内にあるか否かを計算する。口径内に有るときは、ステップ３９に進み、その垂線の足から口径の左右の端までの振動子数を計算し、ステップ４０において、その足に一番近い位置にある振動子をＮ＝１，ｘ０＝０とする。続いて、ステップ３３において漸化式（式５）によりｘを求め、ステップ３４において式６によりｘから遅延時間τを求める処理を、振動子番号を増加しながら口径の端の位置まで行う（Ｓ２６，Ｓ２７）。この場合、対称性は使えないので、ステップ３７、ステップ４１、ステップ４０のように、Ｎ＝０の振動子から両側に口径の端まで計算していく必要がある。これはＦｃｏｓθが振動子ピッチの整数倍となるとは限らないからである。
焦点から送波面に降ろした垂線の足が口径の中にない場合は、ステップ３１からステップ３２に進み、口径の端の振動子でのｘを読み込む。この点Ａを遅延時間の計算の開始点とするので、焦点距離ＦはＦｃｏｓθ、ｄ３は本来のＦを用いて、ｄ３＝Ｆｃｏｓθ−ｄ１−ｄ２と置換する必要がある。
次に、口径の端の位置でのｘをｘ０に入力し、Ｎ＝１とする。その後、ステップ３３において漸化式（式５）によりｘを求め、ステップ３４において式６によりｘから遅延時間τを求める。次に、ステップ３５で隣の振動子に移り、ステップ３６で口径の端の振動子に達したと判定されるまでステップ３３からステップ３５の処理を繰り返す。これで、この焦点深度、焦点方向に関しては全振動子分の遅延時間を計算したことになるので、ステップ３８において計算結果を演算・制御回路から遅延回路へ出力する。次の計算すべき焦点深度、焦点方向が超音波ビームフォーマに与えられたら、同様にしてまた全口径内振動子について計算する。これを全焦点深度、焦点方向について繰り返すことで屈折によるずれを補正した撮像が行われる。
前述の式５の漸化式を用いることで、遅延時間の近似値は十分な精度（１／中心周波数の１／１０精度）で求めることが可能となる。この方法は従来の近似式に比べると十分な精度を有し、且つ精度を重視してイテレーションで求める方法に比べて、アルゴリズム中にループを持たないので、計算速度はかなり速い。このアルゴリズムと近年の演算処理装置の高速化と相俟って、本発明のような脂肪層による屈折まで含めたリアルタイム高速遅延時間計算アルゴリズムが実現できたわけである。さらに一般の漸化式の計算に比べると、誤差が蓄積していかない点で著しく有利である。これは、近似解を求めるためのｘには毎回誤差が含まれていても、ｆ（ｘ）は近似を含まない関数であるために、ｘとｆ（ｘ）、ｆ’（ｘ）の間には誤差が存在しないため、式５にはｘＮ−１での誤差がｘＮに反映されないためである。
この考え方はＤＳＰに特化した解き方であるが、もしもその制約が無い場合にはより計算は容易になる。式３は解近傍で直線とみなせるので、微分係数から傾きを求める必要がなく、解を明らかに挟む二点として、隣の振動子でのｘ＋ｐ×ｄ３／Ｆ、ｘ＋ｐを用い、内分点として次式のように解が求まる。したがって、漸化式（式５）の代わりに漸化式（式７）を用いることで処理速度を向上することができる。
0004711583.tif 000008
次に、図１１を用いて本発明による超音波ビームフォーマの他の実施形態を説明する。図１１では、振動子位置ＸＮにある振動子Ｎからレンズ層内に角度θＮで出た音が、焦点Ｆに到達すると考える。この角度θＮを求めると、各層での屈折角が求まるので、音の経路が決定され、遅延時間を決定することができる。この遅延時間を求めるために従来は、まず適当な角度で音を出し、焦点のどちら側を音が通るか計算する。もし音が焦点より遠くを通ればθＮを大きくし、焦点の手前を通ればθＮを小さくする。音が焦点を通るまでこの作業を繰り返すことで、θＮを求めている。しかし、この方法では収束させるまでにループをかなりの回数繰り返さざるを得ず、必要な速度に計算が間に合わない。速い収束を達成するには、ずれの大きさに応じてθＮの変化のさせ方を大きくすることが必要である。
本実施形態による超音波ビームフォーマで用いるアルゴリズムは、ニュートン・ラフソン法を改良し、明示的な関数を持たない系にも適応出来るようにしたものである。すなわち、次のように考える。まず適当な角度θで超音波が出たとすると、ずれの大きさはΔＸ（θ）となる。このΔＸが０になるθが求めるべき解であるから、ΔＸの微分係数を求めるためにθ＋ｄθの角度で放射されたときのずれΔＸ（θ＋ｄθ）を求める。図１２に示すように、横軸θ、縦軸ΔＸの空間で、この二点を通る直線がｘ軸を横切るときのθは、元のθに比べより良い近似解となる。これを式で表すと式８になる。
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ずれ量としては、ΔＸを使う以外にΔＹを使う方法、ΔＸとΔＹの自乗和を使う方法も考えることができる。いずれも本発明で使うことはできるが、この実施形態ではΔＸを使う場合を説明する。
この操作を繰り返すことで、θは真の解に近づいていく。このとき最初に用いるθと真の解の差が小さいほど計算の繰り返しが少なくなるので、計算時間の点から有利となる。本発明では、ここでθの初期値として、Ｎ番目の振動子の遅延時間を求めるときにはＮ−１番目の振動子で求まったθＮ−１を用いる。この方法では、実用的な計算精度では、ループ２回で収束することがわかった。よってループの回数を２回に決めて計算する。ループの回数が従来の方法に比べ格段に少ないので従来の方法に比べ格段に優れている。Ｎ番目の振動子についてθが求まると、このθを初期値にしてＮ＋１番目の振動子についてのθを求める。この方法の場合も前記方法と同様焦点が振動子の正面にある場合は屈折がないのでθ＝０となり、それを計算の出発点として用いることができる。
図１３のフローチャートを用いて、リニア型探触子またはコンベックス型探触子のように、焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面が直交する探触子の遅延時間を計算する方法について説明する。この条件では、焦点が口径の正面にあるので、各振動子の遅延時間は口径内で左右対称である。つまり、片側半分だけ計算すれば十分である。探触子に関するパラメータは図５のステップ１１で既に与えられており、焦点深度の値は図５のステップ１４において既に与えられている。
図１３のステップ５１において、口径の中心にある振動子から出た超音波はレンズ層と脂肪層の境界面、及び脂肪層と生体組織の境界面に垂直に入射し、屈折することなく焦点に達するので、振動子番号０の振動子に対してθ＝０とし、Ｎ＝１とする。次に、ステップ５２に進み、番号Ｎ＝１の振動子から角度θで超音波を放射したときの経路と、目標とする焦点位置とのずれΔＸ（θ）を求める。ここで、角度θとしては、隣の振動子（番号０の振動子）に対する角度θを用いる。また、ステップ５３において、番号１の振動子から角度θ＋ｄθで超音波を放射したときの超音波の経路と目標とする焦点位置とのずれΔＸ（θ＋ｄθ）を求める。
ここで、コンベックス型の探触子の場合、リニア型探触子とは異なり、以下のように計算される。コンベックス型探触子で、被検体を観測するときは、探触子を被検体へ押し付けて観測するので、脂肪層も探触子に沿って曲がる。脂肪層をコンベックス探触子の構造と同心円であると仮定すると、音の経路は図１５に示すようになる。素子を出発して焦点近傍を通るときのずれΔを求める方法と、焦点を出発して素子近傍を通るときのずれΔを求める二通りの方法は原理的には同じであるが、全反射条件や、音の経路が図１５の左半分側に行くことはあり得ないことからこの系は対称ではなく、前者の解き方は解の安定性が良くないので、後者の方法で解くことが望ましい。この音の経路を各層毎に分けて解析的に解くと、音が層に入る点及び角度から層を出て行く点の位置及び角度を求めれば、各層順に計算することで最後に到達する点が求まり、ずれΔも求めることができる。例として脂肪層の外側に生体中での音の経路を求めると、音の出発点の位置をＦ＝（ｘ４、ｙ４）出るときの位置をＰ３＝（ｘ３、ｙ３）、音が出て行く側の層界面の曲率をＲ、音が入るときの角度をθとする。するとｘ４、ｙ４は式９の連立式からｘ４を消去した二次方程式の±２通りある解のうち常に正となる側の解を解くことで求まる。
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このときθ４に関しては三角形ＯＦＰ３を考えることで求まる。すなわち、今求まった（ｘ３、ｙ３）からθｐ３が求まるので、θ４＝θ＋θｐ３の式から求まる。後はθ４からスネルの法則を用いてθ３が求まり、同様にして順に或る層を通過するときの経路が求まる。この例では三層問題を例に説明したが、全く同じ方法で層数がより多いときにも適用可能である。また脂肪層と脂肪層外の生体との界面が探触子の同心円で表せなくとも、ｆ（ｘ３）の形で表せれば、式９を変形した式１０を用い、θ４はθ＋ａｒｃｔａｎ（−ｆ’（ｘ３））を代わりに用いることで求めることが可能となる。
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次にステップ５４において、式８より外挿で新しいθを求める。続いて、ステップ５５からステップ５２に戻り、ステップ５４で求めた新しいθを用いてずれΔＸ（θ）を求める。また、ステップ５３において、新しい角度θ＋ｄθで超音波を放射したときの超音波の経路と目標とする焦点位置とのずれΔＸ（θ＋ｄθ）を求める。次に、ステップ５４において、式８より外挿で新しいθを求める。
次に、ステップ５６に進み、求めたθから次の式１１によって遅延時間τを計算する。次に、振動子番号を１つ増加し、ステップ４２からの処理を繰り返す。ステップ５８において、使用口径内全振動子についての計算が終了したと判定されれば、ステップ５９に進んで計算結果を出力する。
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図１３に示したフローチャートは、図８に示したフローチャートにおける漸化式の計算処理を、焦点位置からのずれの計算処理と、外挿による新しいθの計算処理と、この部分のループ処理をするためのループ回数の判断処理とで置き換えたものに相当する。
この第２の方法に関しても、焦点が送波口径の正面にない場合について、撮像前に予め送波口径に端の振動子でのθを求め、それを記憶しておく。送波口径の端の振動子でのθは、異なる皮下脂肪層の厚さに対して複数求めておく。撮像中にこの条件になったとき、このθを読み込み、漸化式の第１項として漸化式を解くのに用いる。この計算の流れを図１４のフローチャートに示す。この詳細は、第１の方法で図８の計算処理と図９の計算処理の関係と、図１３の計算処理と図１４の計算処理の関係が全く同じであることから容易に説明される。
この口径の端の振動子でのパラメータを予め計算する方法は、現在の中級超音波撮像装置に搭載のＤＳＰもしくはＭＰＵに余裕がないための方策であって、高速の演算処理部を搭載できる高級機では、リアルタイムで計算するときも焦点から口径面に降ろした垂線の足の位置にある仮想的口径の中心から無駄になる計算も含めて全て撮像とリアルタイムに計算することも可能である。その場合は、撮像前の計算が不要になる。もちろん、この場合、仮想的な振動子に関しても実際の振動子と同じ振動子間隔で並べて計算する必要はないので、仮想的な部分のみ振動子間隔を粗くすることは計算を速くする上で有効である。この撮像前の計算は脂肪層の厚さが変わると毎回計算する必要が生じるのでその度に撮像が止まってしまう。その問題を解決するには以下のような２つの方法がある。
その第１の方法は、考えられる範囲で脂肪層厚さ毎の計算を全て事前に行い、この撮像前の計算結果をすべてデータとして超音波探触子２０のメモリ２２に記憶させておく方法である。そして、超音波探触子２０を超音波撮像装置本体１０に接続したときに、その内容を超音波撮像装置本体１０のメモリ１２に転送する。撮像中にはこのパラメータと、制御部１１により与えられた焦点深度に対し、超音波ビームフォーマ１４で遅延時間を計算し、その遅延時間を振動子アレイ２１に与え、被検体３０に対し送波する。受波もこの遅延時間分で整相し、制御部１１で診断画像を計算し、画像表示部１３に出力する。
一方、第２の方法は、予め計算したデータをＣＤ−ＲＯＭ等のメディアに入れておき、超音波探触子に付属させておく。そして、前もって、あるいは探触子を使用する際にそのＣＤ−ＲＯＭ等からデータを超音波撮像装置本体１０のメモリ１２にインストールする方法である。インストール以後の操作は前記第１の方法と全く同様である。
図１６は、本発明による超音波撮像装置の他の例を示す概略構成図である。図１６において、図１と同じ機能部分には図１と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。今までの説明では、皮下脂肪層の厚さの入力は診断者が行っていた。すなわち、図６に示すように、診断装置の診断画面上で診断者が脂肪層の始まりの部分と終わりの部分を指示することで、画面上にその距離が表示される。この値を診断者が入力していた。
図１６に示した超音波撮像装置は、制御部１１中に脂肪層厚計算部１６を備え、皮下脂肪層に関する画面出力を直接、超音波ビームフォーマ１４に入力できるようにしたものである。脂肪層厚計算モードにおいて、診断者が図６に示すように、ポインティングデバイス等で皮下脂肪層が始まる箇所Ａと終わる箇所Ｂを指定すると、脂肪層厚計算部１６はその間の距離を計算し、計算結果をビームフォーマ１４に送信する。
次に、本発明の超音波ビームフォーマ搭載のアルゴリズムを生かして、撮像中にアダプティブに画質を改良する方法について説明する。これまで説明してきた計算アルゴリズムには、脂肪層は均質、厚さ一定であり、個人や対象部位によって脂肪層中での音速が異なることはないという前提があった。この前提は、遅延時間計算に一定の誤差があるときは、その誤差に埋もれて影響が解らなかった。しかし、本発明によって高精度な撮像が可能となると、この前提を取り除くことで画質が改善されるのがはっきりする。前記前提を取り除くには、撮像しながら微妙に脂肪層の音速を変えることができるようにしておけばよい。
図１７は、本発明による超音波撮像装置の他の例を示す概略構成図である。図１７において、図１と同じ機能部分には図１と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。この超音波撮像装置は、脂肪層に関するパラメータを微調整することを可能にし、均質、厚さ一定でない脂肪層に対応できるようにしたものである。具体的には、図１に示す構成の超音波撮像装置へ入力装置及びパラメータ計算部１７を備え、超音波ビームフォーマが保持する脂肪層の音速を可変できるようにした。この装置では、入力装置及びパラメータ計算部１７において入力値に対し対応するパラメータを計算し、その値を超音波ビームフォーマ１４に入力する。  このパラメータを変えることの効果は次のように説明される。まず屈折がない場合を考えると式１２のようにして、各振動子から焦点まで到達するのに要する時間が計算される。これをグラフに表すと図１８のようになる。
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このとき、式１２中のパラメータすなわち音速、ピッチｐ、Ｆのいずれか、もしくは複数を変化させると、図１８に図示するようにグラフの曲率が変化する。このことは、今回の問題のようにレンズ層、脂肪層、脂肪層以外の生体組織と３層からなる屈折を考慮すべき問題でも事情が複雑になるだけで原理的には同じである。遅延時間は各振動子から焦点まで到達するのに要する時間で決定されるので、「縦軸：各振動子から焦点まで到達するのに要する時間」対「横軸：各振動子の位置」の関係の曲線で遅延時間は表現される。よって、先に述べたように脂肪層の音速が場所によって一定でないようなときは、この曲線が歪むので、それにカーブフィッティングするように諸パラメータを変更することで、焦点のぼけを改善することが可能となる。カーブフィッティングは撮像画面が最適になるように調整するのが最も好ましく、パラメータは外部つまみなどによって制御すると操作性が良い。このとき脂肪層の音速に代えて脂肪層の厚さ、もしくは振動子ピッチ、これらの複数のパラメータを適切に連動させて変えて調整することも有効である。なお、図１８において、（ａ）は振動子ピッチ、脂肪層の音速に手を加えない場合、（ｂ），（ｃ）は振動子ピッチ，脂肪層音速を調整した場合を示す。
ここからは，被検体の表面に層構造が存在した場合の例についての実施例を説明する。まず、診察中に被検体表面部の層構造の厚さ、音速を求める具体例について示す。
図１９に検者がそれらを選択可能とした実施例を示す。図１９（ｂ）に示す厚さのテーブル、及び音速のテーブルを予め用意し装置内へ組み込み、検者が、モニタ１２０に表示された画像１７０を観察し、深度スケール１６０を参照して得た結果から層の厚さを読み取り、スイッチＳＷ２（１４０）等で近い厚さを選択し、音速も同様でスイッチＳＷ１（１５０）により選択可能とする。この場合スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とは独立に操作が可能として、それぞれの値として検者がふさわしいと考える値を選択できるようにする。音速に関しては、数値でも良いし、脂肪層、筋肉層という選択でも良い。例えば、図１９の画面で脂肪層１７０が、画面に記されている深度方向のスケール１６０から概略２ｃｍと読めた場合、コンソール１３０に設けた層厚み設定スイッチ１４０により２ｃｍを選択する。すると、画面上に厚さ（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）が２ｃｍと表示される。次に，音速設定スイッチ１５０を所定方向へ操作して、音速を選択する。それらの選択値を確認するために、それらの入力値を画面に表示すると良い。その表示は，１４５０ｍ／ｓのように数値でも良いが，硬い筋肉質、筋肉質、標準、脂肪、高脂肪のような表現でも良い。また，スイッチは回転式でもなんでも良い。もちろんタッチパネルでも良い。
以上の説明は、生体の層構造から生ずる超音波の屈折の影響を除去して、超音波画像の画質を向上する実施形態について説明したが、超音波画像の画質を更に向上するためには、生体内での超音波の伝播速度を正確に把握して、そのデータを超音波ビームフォーマでの上記屈折補正制御に反映させることが必要である。
このことから、次に、本発明の他の実施形態を図２０に示す。これは層構造を有する生体の音速を求め、その音速により前述の実施形態の屈折補正処理を行うものである。図２０は超音波撮像装置において音速を求める部分の実施例を示すブロック図である。図において、２００は探触子で受信した複数の超音波信号を遅延制御し、受信ビーム信号を出力するデジタル制御可能なデジタル遅延部で、受信に供した振動子数に対応したチャンネル数の回路を有している。２１０はデジタル遅延部２００で遅延させた複数の信号を入力し、演算により遅延制御に供したデジタル遅延データの真の遅延データに対する誤差を推定する遅延データ誤差推定部、２２０はデジタル遅延部２００の各チャンネルの動作制御を行うデジタル遅延制御部である。
以上の構成へ加え、本実施例の超音波撮像装置装置は、さらに、予め複数の媒質音速による遅延時間を蓄えておく音速対応遅延時間記録部２３０と、遅延誤差推定部２１０で得た遅延誤差から新たな遅延時間を算出し、それを音速対応遅延時間記録部２３０に記憶されている値と照合し、その記憶値と最も近いデータを出力する遅延時間比較部２４０と、音速対応遅延時間記録部２３０に蓄えられた遅延時間データがいかなる媒質音速によるものかを記録しておく音速データ記録部２５０と、遅延時間比較部２４０の出力と一致する遅延時間の記録場所から遅延時間記録部を参照し媒質音速を選択する媒質音速選択部２６０とを備えている。そして、媒質音速選択部２６０の出力ラインは図２に示す演算・制御回路４１へ接続され、またデジタル遅延制御部２２０は演算・制御回路４１により制御されるように接続されている。
このように、図２に示す構成において、遅延回路をデジタル制御可能なものとし、その出力へ遅延誤差推定部２１０を設けるとともに、演算・制御回路４１へデジタル遅延制御部２２０を付加し、さらに上記の如く音速対応遅延時間記録部２３０と遅延時間比較部２４０と音速データ記録部２５０と媒質音速選択部２６０とを新たに設けることにより、本実施例の超音波撮像装置は真の媒質音速にほぼ等しい音速による屈折補正が可能となる。
次に、上記の如く構成された部分の動作の説明を行う。まず、生体内の音速を例えば生体の平均的な値の等音速と仮定して求めた遅延時間データを演算・制御回路４２よりデジタル遅延部２へ出力して超音波を被検体内へ送信する。このときの送波の焦点は適宜な深度に設定する。そして、送波と同じ音速に基づく遅延時間データＤを演算・制御回路４１よりデジタル遅延部２２０を介してデジタル遅延部２００へ供給してこの受信信号を遅延制御する。
そして、デジタル遅延部２００の各チャンネルの遅延制御された信号であって整相のために加算処理される前の信号が遅延誤差推定部２１０へ入力され、使用した遅延時間データＤに対する誤差ΔＤ１を演算により推定値として求め、Ｄｃ１＝Ｄ＋ΔＤ１を出力する。この演算手法としては前述の特開平８−３１７９２３号公報に開示された相関処理法を用いることができる。遅延誤差推定部２１０から出力されたＤｃ１は遅延時間比較部２４０へ入力される。すると、遅延時間比較部２４０は音速対応遅延時間記録部２３０に記録されたデータと入力したデータＤｃ１とを比較し、Ｄｃ１に最も近い遅延時間データを選び出し、それを媒質音速選択部２６０へ出力する。データが入力すると、媒質音速選択部２６０は入力したデータの音速が幾らであるかを選択する。この選択は、音速対応遅延時間記録部２３０のデータと音速記録部２５０の音速データとの記憶アドレスを対応させておくことで可能である。したがって、音速対応遅延時間記録部２３０と音速記録部２５０とを一つに纏めることもできる。
そして、媒質音速選択部２６０で選択された音速データは演算・制御回路４１を介してデジタル遅延制御部へフィードバックされる。このフィードバック回路は正確な音速を求めるために、上記動作を繰り返すためのもので、必要に応じて、演算・制御回路４１から上記動作の繰り返し実行指令を発する。以上の動作により生体内の音速を推定値としてではあるが測定することができる。
なお、遅延時間比較部２４０での比較動作を簡便にするために、遅延誤差推定部２１０が出力するデータＤｃ１と音速対応遅延時間記録部２３０に記録されたデータとを２次元分布データとし、カーブフィッティング手法を用いることができるようにすると扱う情報量を少なくできるため有用である。さらに、遅延時間分布の階差を求め該階差遅延時間列に対して１次直線を当て嵌めるようにすると扱う情報量がさらに減少するので有用である。
次に、図２０に示す構成で層構造を有す生体の各層の音速を求める方法を説明する。図２１は超音波撮像装置のモニタに表示された被検体の超音波断層像である。その画像中の１７０は脂肪層、１９０は脂肪層１７０より深い組織領域である。まず脂肪層１７０の音速を求める。このために、脂肪層１７０の内部の適宜な深さ位置、例えば脂肪層１７０と組織領域の境界に近い計測位置に焦点位置を前述のキャリパのカーソルを用いて設定し、その値を計測するとともに演算・制御回路４１へ焦点位置を与える信号を供給する。その後、探触子より超音波パルスを送信し、その反射信号を受信する。脂肪層１７０の音速を求めるためには脂肪層からの反射信号のみを図２０に示す音速測定部へ取り込む必要がある。このために演算・制御回路４１にゲーティング機能を持たせる。このゲーティング機能は前記キャリパ機能に連動するようにすると良い。そして、このゲーティング機能によって脂肪層１７０からの反射信号をデジタル遅延部２００へ取り込み、前述の図２０に示す構成の動作説明に従って音速を求める。求める音速はある１点のものでも良いが、複数の点についての音速を求めて、それらから平均音速を求めることが望ましい。
次に、脂肪層１７０より深い組織領域の音速を求める。このときには、計測のための焦点位置を図２１に示す１９０の位置に設定する。この設定にも前述のキャリパ機能を用いる。そして演算・制御回路４１へ焦点位置を与える信号を供給し、その後、探触子より超音波パルスを送信し、その反射信号を受信する。組織領域の音速を求めるためには組織領域からの反射信号のみを取り込めれば良いのであるが、この場合の反射波は脂肪層１７０を通過せざるを得ないために、それは不可能である。そこで、前記ゲーティング機能によって、焦点位置からの反射信号を取り込む。そして、この反射信号から音速を求める。ここで求められた音速は、探触子面と計測点との間の平均音速を示すことと成る。
以上の二つの計測から組織領域の音速を求めることができる。最初に測定した脂肪層の平均音速をｃ１、次に求めた脂肪層と組織領域の双方を含む平均音速をｃａと符号を付ける。そして、脂肪層の厚さ、つまり焦点位置１８０の深度をｌｆ、後者の計測の焦点深度をｌａとすると、組織領域における音速ｃ２は式１３により求められる。
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これにより求まった脂肪層の音速ｃ１と組織中の音速ｃ２とを前述の式１以下へ適用することで、超音波のレンズ層、脂肪層及び組織中の音速を加味した屈折補正が可能となる。以上の計測値はモニタ画面へ数値等で表示されるようにする。図２１における表示例は、ｖ：１４５０／１５４０ｍ／ｓは脂肪層の音速が１４５０ｍ／ｓ，組織内の音速が１５４０ｍ／ｓを示し、ｔ：２／８ｃｍは脂肪層の厚みが２ｃｍ，組織内の焦点位置深さが８ｃｍであることを示している。
次に、他の実施例を述べる。この実施例は、上記音速計測に用いたキャリパの距離計測機能の補正を考慮するものである。すなわち、超音波撮像装置に組み込まれたキャリパの距離計測機能は、装置に初期設定された音速に基いた演算により成されるようになっている。したがって、式１３に用いたｌｆ，ｌａのキャリパによる距離測定値は実際の音速によるものに補正して使用することが望ましい。本実施例はこれに対応するものである。本実施例では、まず、超音波撮像装置を駆動して、関心領域（ＲＯＩ）を含む断面の超音波断層像を取得し、その断層像をモニタへ表示する。この状態で、図１９に示す超音波撮像装置の操作盤上に配置された屈折補正実行用スイッチ３１０をオンにする。この屈折補正実行スイッチ３１０は、オンすると屈折補正が実行され、オフ状態にしておけば屈折補正を行わない通常の撮像を可能とするものである。このスイッチ操作を行うとモニタ１２０の画面に２点のカーソルから成るキャリパ３００が表示される。そして、トラックボール叉はジョイスティック等の入力操作器を操作してキャリパ３００の一つのカーソルをを被検体の体表面へ、もう一方のカーソルを脂肪層の末端に移動し、入力情報固定キー（Ｅｎｔｅｒ  ｋｅｙ）３２０を操作して計測される脂肪層を特定する。、次に，キャリパ３００における二つのカーソルのうち、前記脂肪層の末端に位置させたカーソルをそれより深い地点で関心領域内に移動し，前記キー３２０を操作して組織中における音速計測のための測定点を特定する。以上の２ステップの操作で入力した計測点のデータを制御部１１に読み込ませ、前述した前述の音速計測手法の計算が実行される。
装置設定音速がｖ０，その音速ｖ０でのキャリパ深度ｘ０，計測された脂肪層の平均音速ｃｆｍとすると、脂肪層の真の厚みｌｒｔは式１４から求まる。
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これらの値ｃｆｍ、ｌｆｔから組織中の真の平均音速ｃｏｍ、組織中の真の音波伝播距離ｌｏｔを求め式１３に適用することより屈折補正のための遅延時間データを演算することができ、そのフォーカスデータで超音波の送受信を行うと、良好な画像が得られる。
層構造を有する生体の音速と距離を求める方法としては上記の他に種々な方法を挙げることができる。一例として、超音波ビームのある特定のビーム、例えば中心のビーム着目し、そのビーム中の受信信号の強度が体表面近傍において非常に大きいところを検出し，それを時間として求め、前述の計算を自動的に行うようにしても良い。この計測方法は，層構造の境界では反射信号が大きいことから、検出のための閾値を決めておけば可能である。
以上述べた屈折補正法を装置へ自動シーケンスとしてプログラミングして組み込み、撮像中に数フレーム毎に繰り返して実行し、設定値を更新するようにしておけば，複数の検査部位がある場合のように探触子を移動させて検査していても屈折補正が自動的に行われるので、画像は常に良好となる。
屈折補正を可能とした装置では、表示画像に通常画像と屈折補正画像とを識別するマーキングを施す態様や、複数画像の同時表示法を用い、画面の左に通常の画像、右に屈折補正画像を表示する態様を採ることができる。着目点の画像が良好になっても，複雑な生体構成の場合，他の領域で画像が乱れる可能性がある。したがって，同時表示することにより実時間で屈折補正有り無しの画像を見比べることができるため、ユーザにとって有効となる。また，診断部位をＲＯＩとして指定し，その部位にのみ屈折補正を施した画像を取得し、それを通常の画像の中に嵌め込み合成して表示することも有用である。
本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものでなく、その技術思想の範囲を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
以上述べたように、本発明によれば、レンズ層と脂肪層（あるいは筋肉層など）による屈折の影響を低減することができるので、超音波画像の画質向上が図れる。さらに、本発明によれば、層構造を有する被検体の各層の音速を計測して、その値を加味して超音波の各層における屈折の影響を低減することができるので、画質をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施形態による超音波撮像装置の概略構成例を示すブロック図、図２は図１に示す超音波撮像装置ないの超音波ビームフォーマの一実施形態を示すブロック図、図３は振動子アレイと超音波画像の関係を示す図、図４は超音波送受波時の振動子アレイと遅延時間の関係を示す図、図５は本発明の屈折補正の一例を適用した断層像撮像の流れを示すフローチャート、図６は画像表示部に表示された画像により層の厚みを計測する方法の一例を示す図、図７は超音波パルスの屈折状態を示す説明図、図８は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第１の例を説明するフローチャート、図９は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第２の例を説明するフローチャート、図１０はフェーズドアレイ型探触子における焦点位置と送波口径位置の関係を説明する図、図１１は超音波パルスの屈折状態の説明図、図１２は離散ニュートン法の説明図、図１３は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第３の例を説明するフローチャート、図１４は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第４の例を説明するフローチャート、図１５はコンベックス型探触子における超音波パルスの屈折状態の説明図、図１６は本発明による超音波撮像装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図、図１７は本発明による超音波撮像装置のさらなる他の実施形態の概略構成を示すブロック図、図１８は各振動子から焦点まで到達するのに要する時間を表すグラフ、図１９は屈折補正機能のためのスイッチを備えた装置概観図、図２０は屈折補正のための音速を求めるための装置構成を示すブロック図、図２１は音速測定の画面表示例を示す図である。
【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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【図１８】
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【図２０】
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【図１９】
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【図２１】
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