(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元配列された複数の振動素子で構成され、電子的に二次元走査される超音波ビームを形成するアレイ振動子と、
前記アレイ振動子に接続され、前記アレイ振動子に対して複数のサブアレイを設定すると共に前記各サブアレイに対してそれぞれが１又は複数の振動素子で構成される複数のグループを設定するスイッチング手段と、
前記アレイ振動子に前記スイッチング手段を介して接続され、前記各グループごとにグループ送信信号を生成する送信手段と、
前記アレイ振動子に前記スイッチング手段を介して接続され、前記スイッチング手段から出力された各グループのグループ受信信号を処理する受信手段と、
を含み、
前記各グループが複数の振動素子で構成された場合にそれらが相互に結線されて同一遅延量の関係となり、グループ単位で複数の振動素子に対して共通のグループ送信信号が供給され且つグループ単位で複数の振動素子からの複数の受信信号が加算されてグループ受信信号が生成され、
前記受信手段は、
前記複数のサブアレイに対応した複数の回路であって、それぞれが前記各サブアレイから出力される複数のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を実行してサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、
前記複数のサブ整相加算回路から出力された複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を実行するメイン整相加算回路と、
を含み、
前記スイッチング手段は、ビームアドレス、フォーカス点の深さ及びサブアレイ位置に基づいて、フォーカス点から各グループを構成する複数の振動素子までの音響的距離が揃うように前記各サブアレイごとにグルーピングパターンを個別的に設定することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波診断装置において、
前記スイッチング手段は、前記超音波ビームの走査に際して、前記各サブアレイに対して設定されるグルーピングパターンを動的に切り換えることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記スイッチング手段は、前記超音波ビームの走査に際して、前記各サブアレイに対して設定されるサブアレイ形状を動的に切り換え、且つ、前記各サブアレイに対して設定されるグルーピングパターンを動的に切り換えることを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療の分野で用いられる超音波診断装置に関し、特に、アレイ振動子上における複数のサブアレイの設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、医療の分野において、生体（患者）の疾病を診断するために用いられる。詳しくは、超音波診断装置は、生体に対して超音波パルスを送波し、生体からの反射波を受波し、その受波によって得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する。
【０００３】
超音波ビームを二次元走査し、これによって生体内に三次元エコーデータ取込空間を形成するために、二次元（２Ｄ）アレイ振動子が用いられる。２Ｄアレイ振動子は、一般に、複数の振動素子をＸ方向及びＹ方向に整列させてなるものである。
【０００４】
送受信部のチャンネルリダクション、複数の受信ビームの同時形成、あるいは、それ以外の目的から、２Ｄアレイ振動子上に複数のサブアレイを設定する場合がある。従来においては、２Ｄアレイ振動子上に複数のサブアレイが固定的に設定される。例えば、２Ｄアレイ振動子に対して矩形形状をもった複数のサブアレイが設定される。特許文献１には、複数の振動素子のグルーピングが示されているが、各グループの構成は固定的である。特許文献２には、整相加算を二段階で行う構成が開示されている。特許文献３の図６には、２Ｄアレイ振動子に複数のグループを固定的に設定すること、複数のグループに対して複数の第１ビームフォーマーを接続すること、及び、複数の第１ビームフォーマーの後段に複数の第２ビームフォーマーを設けること、が示されている。特許文献４には、２Ｄアレイ振動子上に複数の２Ｄサブアレイを設定すること、及び、各サブアレイ上に複数のグループを設定すること、が開示されている。
【０００５】
各サブアレイの形状あるいはグルーピングパターンを一律あるいは固定的に設定すると、送受波条件如何によっては、良好なビームプロファイルを得られないという問題がある。例えば、特定のビーム走査方向において、サイドローブが出やすくなる。特許文献５、６には、アレイ振動子上に複数のサブアレイを設定すること、各サブアレイに対して複数のグループを設定すること、が開示されている。各グループは基本的に複数の振動素子で構成され、それらに対しては共通の送信信号が分配供給されている。グループを構成する複数の振動素子からの複数の受信信号は加算され、加算後の受信信号に対して遅延処理がなされている。また、特許文献６には、各サブアレイの形状をビーム走査方向に応じて変更することが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２７６０６４号公報
【特許文献２】特開２００１−１０４３０３号公報
【特許文献３】特開平９−３２２８９６号公報
【特許文献４】米国特許第５８３２９２３号明細書
【特許文献５】特開２００５−３４６３３号公報
【特許文献６】特開２００５−３４６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、良好なフォーカスを実現するためには、各グループを構成する並列接続関係（つまり、同じ遅延処理関係）にある複数の振動素子間で、各振動素子とフォーカス点との間の音響的な距離ができるだけ等しくなるように、各グループの構成（各サブアレイ内のグルーピングパターン）を決定することが望まれる。ビームアドレスやフォーカス点（特に送信フォーカス点）深さが変化すると、フォーカス点から各振動素子までの音響的な距離が変化する。よって、そのようなビーム走査条件の変更に伴ってサブアレイ形状やグルーピングパターンを動的に変更することが望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、良好なビームプロファイルを得られる超音波診断装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、送受信部のチャンネルリダクションを行う場合において、超音波画像の画質を維持又は向上できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明に係る超音波診断装置は、二次元配列された複数の振動素子で構成され、電子的に二次元走査される超音波ビームを形成するアレイ振動子と、前記アレイ振動子に接続され、前記アレイ振動子に対して複数のサブアレイを設定すると共に前記各サブアレイに対してそれぞれが１又は複数の振動素子で構成される複数のグループを設定するスイッチング手段と、前記アレイ振動子に前記スイッチング手段を介して接続され、前記各グループごとにグループ送信信号を生成する送信手段と、前記アレイ振動子に前記スイッチング手段を介して接続され、前記スイッチング手段から出力された各グループのグループ受信信号を処理する受信手段と、を含み、前記各グループが複数の振動素子で構成された場合にそれらが相互に結線されて同一遅延量の関係となり、グループ単位で複数の振動素子に対して共通のグループ送信信号が供給され且つグループ単位で複数の振動素子からの複数の受信信号が加算されてグループ受信信号が生成され、前記受信手段は、前記複数のサブアレイに対応した複数の回路であって、それぞれが前記各サブアレイから出力される複数のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を実行してサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、前記複数のサブ整相加算回路から出力された複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を実行するメイン整相加算回路と、を含み、前記スイッチング手段は、ビームアドレス、フォーカス点の深さ及びサブアレイ位置に基づいて、フォーカス点から各グループを構成する複数の振動素子までの音響的距離が揃うように前記各サブアレイごとにグルーピングパターンを個別的に設定することを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、スイッチング手段が、アレイ振動子上におけるサブアレイ設定機能、及び、各サブアレイごとのグルーピングパターン（複数グループの配列形態）の設定機能を有する。そして、各サブアレイごとにグルーピングパターンを個別的に設定し、しかもそれを動的に可変することができる。これにより、各グループを構成する複数の振動素子間で、三次元空間内のフォーカス点からグループ内の各振動素子までの距離ができるだけ揃うように調整でき、その結果として良好なフォーカスを実現できる。すなわち、フォーカス点の深さを考慮してグルーピングパターンを設定すれば、良好なビームプロファイルを得られる。ここで、基本的には、上記フォーカス点は送信フォーカス点であり、上記超音波ビームは送信ビームである。各グループは通常は複数の振動素子によって構成されるが、１つの振動素子によって構成されるグループがあってもよい。後述するように、ビーム走査条件（特にビーム走査方向）に応じて、サブアレイ形状を可変させるのが望ましいが、サブアレイ形状を固定するようにしてもよい。
【００１２】
望ましくは、前記スイッチング手段は、前記超音波ビームの走査に際して、前記各サブアレイに対して設定されるグルーピングパターンを動的に切り換える。複数のサブアレイ全体として一律のグルーピングパターンが設定されるのではなく、複数種類のグルーピングパターンが同時に設定される。
【００１３】
望ましくは、前記スイッチング手段は、更にビームアドレスに基づいて、前記各サブアレイごとにその位置に応じてグルーピングパターンを個別的に設定する。ビームアドレスは、ビーム方向を特定するものである。ビーム方向は、一般に、アレイ振動子の垂直中心軸に直交する水平面を貫くビームの位置又はアレイ振動子の垂直中心軸に対するビーム偏向角度と、回転角度によって定まる。各サブアドレスの位置を特定するためにサブアレイアドレスを参照するようにしてもよい。スイッチング手段の制御に当たっては、ビームアドレス等を表す情報を参照するのではなく、それらを間接的に表す情報を参照するようにしてもよい。また、その制御に当たっては、ビームアドレス及びフォーカス点の深さを入力し、各サブアレイごとのグルーピングパターンからなるグルーピングパターンセットを生成するテーブルを用いるのが望ましい。そのテーブルの入力として、更にサブアレイアドレスを与えるようにしてもよい。
【００１４】
望ましくは、前記スイッチング手段は、前記グループ送信信号をそれに対応するグループを構成する複数の振動素子に対して分配して出力する機能と、グループ単位で複数の振動素子からの複数の受信信号を加算してグループ受信信号を生成する機能と、を有する。
【００１５】
複数のサブアレイは、音響パワーあるいは感度の観点から、アレイ振動子上において互いに密に連結されるのが望ましい。換言すれば、アレイ振動子を構成するすべての有効全振動素子がいずれかのサブアレイに属するのが望ましい。但し、サブアレイ間に隙間が存在していてもよい。つまり、いずれのサブアレイにも属さずに送受信に機能しない振動素子が存在してもよい。また、サブアレイ内に送受信で機能しない無効振動素子が存在していてもよい。
【００１６】
例えば、あるサブアレイを構成するｍ個の振動素子に対してｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループを設定すれば、チャンネルリダクション率がｎ／ｍとなる。そのようなチャンネルリダクション処理をプローブヘッド内で行えばプローブケーブルを挿通する信号線の本数を削減できるという利点がある。すなわち、グルーピングによって、複数の受信信号を加算して１つの受信信号（グループ受信信号）に集約できる。また、１つの送信信号（グループ送信信号）を１つのグループを構成する複数の振動素子へ並列的に供給できる。
【００１７】
各グループは、基本的には複数の振動素子で構成されるが、１つの振動素子からなるグループが存在していてもよい。望ましくは、サブアレイ内における各グループを構成する振動素子の個数は均一ではなく動的に可変される。望ましくは、各サブアレイごとにパターン変動領域が定められ、これにより、アレイ振動子上には複数のパターン変動領域が定められ、各サブアレイごとのパターン変動領域は複数のサブアレイ形状パターンを合成した領域に相当し、複数のパターン変動領域は、互いに部分的にオーバーラップする部分を有する。望ましくは、各パターン変動領域は、各サブアレイ固有の複数の振動素子と、オーバーラップする部分に存在する複数の振動素子と、をカバーする。
【００１８】
（２）望ましくは、超音波診断装置が、複数の振動素子で構成され、二次元走査される超音波ビームを形成するアレイ振動子と、前記アレイ振動子に接続され、ビームアドレス、フォーカス点の深さ及びサブアレイアドレスに基づいて、前記アレイ振動子に対して複数のサブアレイを設定すると共に前記各サブアレイに対してそれぞれが１又は複数の振動素子で構成される複数のグループを設定するスイッチング手段と、前記アレイ振動子に前記スイッチング手段を介して接続され、前記各グループごとにグループ送信信号を生成する送信手段と、前記アレイ振動子に前記スイッチング手段を介して接続され、前記スイッチング手段から出力された各グループのグループ受信信号を処理する受信手段と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、複数のサブアレイに対するサブアレイ形状の設定と、各サブアレイ対するグルーピングパターンの設定とにより、良好な超音波ビームを形成して、超音波画像の画質を高められる。特に、サブアレイ形状を適切なものに変更できるので、サイドローブを低減できる。
【００２０】
望ましくは、前記スイッチング手段は、前記超音波ビームの走査に際して、前記各サブアレイに対して設定されるサブアレイ形状を動的に切り換え、且つ、前記各サブアレイに対して設定されるグルーピングパターンを動的に切り換える。望ましくは、前記スイッチング手段は、前記アレイ振動子の垂直中心軸に直交する水平面上におけるビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイに対して設定されるサブアレイ形状を切り換える。
【００２１】
望ましくは、各グループごとにサブ整相加算処理が行われた後に、複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理が適用される。複数のメイン整相加算回路を並列配置して１回の受信で複数の受信ビームを同時形成してもよい。また、プローブケーブルにおいて、送信信号を電圧信号として伝送し、受信信号を電流信号として伝送するようにしてもよい。送信信号は１００Ｖ程度の電圧信号であってもよいし、数Ｖ〜十数Ｖ程度の低電圧信号であってもよい。後者の場合には、例えば、各振動素子を積層化し、これにより、各振動素子の電気的なインピーダンスを低減するようにするのが望ましい。
【００２２】
望ましくは、少なくともアレイ振動子及びスイッチング手段が、プローブヘッド内に設けられる。更に、複数のサブ整相加算回路をプローブヘッド内に設けてもよいし（その場合には信号線の本数をより削減できる）、あるいは、複数のサブ整相加算回路をプローブコネクタ内あるいは装置本体内に設けるようにしてもよい。送信部は、プローブヘッド、ケーブルコネクタあるいは装置本体に設けることができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、良好なフォーカスを実現して、良好なビームプロファイルを得られる超音波診断装置を提供できる。あるいは、本発明によれば、送受信部のチャンネルリダクションを行う場合において、超音波画像の画質を維持又は向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
まず図１を用いて、本実施形態に係る超音波診断装置の基本構成を説明する。超音波診断装置は、プローブ（プローブユニット）２４０と、装置本体２４２と、で構成される。プローブ２４０は、プローブヘッド２４４、プローブケーブル２４６、及び、ケーブルコネクタ２４７、を有する。装置本体２４２は、送受信制御部２４８、受信部２５０、信号処理モジュール２５２、画像形成部２５４、及び、表示器２５６を有する。ケーブルコネクタ２４７は、装置本体２４２のコネクタ（図示せず）に対して着脱自在に接続される。ケーブルコネクタ２４７内には、本実施形態において、電子回路２４９が内蔵されている。電子回路２４９は、後に詳述するように、サブ整相加算処理及び送信信号生成処理を実行する。受信部２５０は、メイン整相加算処理を実行する。プローブヘッド２４４により、超音波の送波及び受波がなされる。それにより得られた受信信号は、電子回路２４９、受信部２５０及び信号処理モジュール２５２を経由して、画像形成部２５４に入力される。この画像形成部２５４において、受信信号に基づいて超音波画像が形成される。その超音波画像は表示器２５６の画面上に表示される。超音波画像としては、二次元断層画像、二次元血流画像、三次元画像などが知られている。本実施形態では、生体内の三次元空間から取得されたボリュームデータをボリュームレンダリング処理することによって、三次元画像が形成される。三次元画像の形成方法としては、それ以外にも各種の方法が知られている。
【００２６】
図２には、実施形態に係る超音波診断装置における送受信部の構成がブロック図として示されている。図示された超音波診断装置は、プローブユニット及び装置本体１２によって構成され、プローブユニットは、プローブヘッド１０、プローブケーブル１４Ａ及びケーブルコネクタ１４Ｂによって構成される。
【００２７】
本実施形態においては、後述する複数の送受信モジュール２４（つまり、上記の電子回路２４９に相当）がケーブルコネクタ１４Ｂ内に収容されている。但し、複数の送受信モジュール２４をプローブヘッド１０内に設けることも可能であり、あるいは、装置本体１２内に設けることも可能である。
【００２８】
プローブヘッド１０は、例えば、体表面上に当接して用いられ、超音波を送受波する送受波器である。プローブヘッド１０は、２Ｄアレイ振動子１６を有している。この２Ｄアレイ振動子１６によって超音波ビームが形成される。その超音波ビームは、二次元的に電子走査される。これによって三次元エコーデータ取込空間（三次元空間）が形成される。超音波ビームの電子走査方式としては、例えば、電子セクタ走査方式などをあげることができる。この他、電子コンベックス走査方式などをあげることができる。
【００２９】
本実施形態において、アレイ振動子１６は、多数（例えば、３０００個あるいは４０００個）の振動素子１６ａによって構成される。それらの振動素子１６ａは二次元配列されている（後に説明する図４参照）。スイッチング回路２０は、マルチプレクサあるいはスイッチングマトリクスとして構成される。本実施形態において、スイッチング回路２０は、２Ｄアレイ振動子１６上に複数のサブアレイを設定する機能と、各サブアレイごとに複数のグループを設定する機能（グルーピング機能）と、を有している。また、スイッチング回路２０は、各サブアレイの形状（アレイ振動子１６上のサブアレイパターン）を変更する機能、及び、各グループの配列及び形状（各サブアレイ上のグルーピングパターン）を変更する機能を有している。
【００３０】
特に、本実施形態では、後に図１３〜図１５を用いて詳述するように、サイドローブを低減し、ビームプロファイルをより良好にするため、ビーム形成条件に応じて、各サブアレイの形状が選択されており、同時に、各サブアレイごとに個別的にグルーピングパターンが設定されている。つまり、グループを構成する並列接続関係（同一遅延処理関係）にある複数の振動素子間で、各振動素子とフォーカス点との間の音響的距離をできる限り揃えて、それらの間での位相のずれが極力小さくなるようにしている。また、それがより適切に実現されるようにサブアレイ形状を変化させている。本実施形態では、複数のサブアレイについて同じサブアレイ形状が設定されているが、複数のサブアレイに対して異なる複数のサブアレイ形状が設定されるようにしてもよい。なお、スイッチング回路２０は、図２に示すように単一の回路によって構成されてもよいし、複数の回路によって構成されてもよい。
【００３１】
図２においては、スイッチング回路２０によって設定される複数のサブアレイＳが概念的に示されている。２Ｄアレイ振動子１６上において、複数のサブアレイＳは、互いに密に連結されており、基本的に全ての振動素子１６ａを用いて複数のサブアレイＳが構成される。上述したように、本実施形態においては、各サブアレイのサブアレイ形状を変更することが可能であり、各サブアレイごとのパターン変動領域が図２において符号Ｒで概念的に示されている。サブアレイ形状の変更に関しては後に詳述する。各サブアレイごとに複数のグループが設定されるが、そのグルーピングパターンも自在に変更することができる。本実施形態においては後述するように各グループを構成する振動素子数は送受信条件に応じて動的に可変されている。
【００３２】
本実施形態においては、いずれのサブアレイ形状においても、各サブアレイが５×５＝２５個の振動素子によって構成されている。また、その２５個の振動素子が５個のグループに分けられている。つまり、各グループは５個の振動素子で構成されている。これにより、プローブヘッド１０内で、１／５のチャンネルリダクション率が実現されている。
【００３３】
スイッチング回路２０は、２Ｄアレイ振動子１６側に、２Ｄアレイ振動子１６を構成する振動素子数と同数の端子を有しており、且つ、装置本体１２側に、サブアレイ数と同数の端子列を有している。装置本体１２側の各端子列は、図２に示す例において、５つの端子（１つのサブアレイ上に設定されるグループの個数と同じ個数の端子）からなるものである。詳しくは、スイッチング回路２０は、素子信号線アレイとグループ信号線アレイとを選択的に接続する。ここで、グループ信号線アレイは、複数のグループ信号線セット２２によって構成され、各グループ信号線セット２２は、図２に示す例において、５つのグループ信号線で構成される。スイッチング回路２０は、素子信号線アレイとグループ信号線アレイとの交点に設けられた複数のスイッチ（図示せず）を有する。各スイッチのオンオフ動作によって、各グループ信号線に対して接続される１又は複数の振動素子が選択される。スイッチング回路２０は、ビーム形成条件に応じて、各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能であり、また、ビーム形成条件に応じて、サブアレイ内に１又は複数の無効振動素子（いずれのグループ信号線に対しても接続されずに超音波の送波及び受波を行わない振動素子）を設定することも可能である。ちなみに、各サブアレイを例えば４×４＝１６個の振動素子によって構成し、その１６個の振動素子を例えば４つのグループにグルーピングすることも可能であり、また他の条件でサブアレイ及びグループを構成するようにしてもよい。
【００３４】
以上の説明から理解されるように、スイッチング回路２０は、各サブアレイごとに５つのグループ受信信号を出力する。グループ受信信号は、１つのグループを構成する例えば５つの振動素子から出力された５つの受信信号を加算した信号である。その加算は、本実施形態において、結線による単純加算方式によって実現されている。すなわち、複数の信号線の相互接続によって複数の受信信号が加算されている。但し、重み付け加算方式などを採用するようにしてもよい。加算数はグループを構成する振動素子数に依存する。その一方において、後に説明するように、ケーブルコネクタ１４Ｂ内において、各サブアレイごとに５つの送信信号が生成されており、それらの５つの送信信号は、それらに対応するサブアレイを構成する５つのグループに対して供給される。すなわち、１つの送信信号が１つのグループを構成する例えば５つの振動素子に対して分配（並列的に供給）される。つまり、スイッチング回路２０内で、１つの送信信号が例えば５つに分岐される。その分岐数はグループを構成する振動素子数に依存する。
【００３５】
上述したように、符号２２は、各サブアレイごとに設けられた信号線セットを示している。各信号線セット２２は、５本の信号線（５本のグループ信号線）によって構成される。各信号線には上記の送信信号及び受信信号が伝送される。ちなみに、受信信号を電流信号として伝送し、送信信号を電圧信号として伝送するようにしてもよい。その場合に、送信信号は例えば１００Ｖ程度の電圧信号としてもよいし、数Ｖ程度の低電圧信号としてもよい。なお、プローブケーブル１４Ａは、複数の信号線セット２２を有する他に、コントロール信号などを伝送する１又は複数の制御線も有している。図２においては、プローブケーブル１４Ａ内に挿通される電力ラインなどについては図示省略されている。
【００３６】
ケーブルコネクタ１４Ｂは、例えば、箱状の形態を有し、その中には上述したように複数の送受信モジュール２４が収容されている。各送受信モジュール２４は、後に説明するように、送信部、及び、サブ整相加算回路２６を有している。送信部は、５つの送信器を有し、それらによって各サブアレイごとに５つの送信信号が生成される。またサブ整相加算回路２６は、入力される５つのグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を実行する回路である。これによって、各サブアレイごとに、サブ整相加算信号２７が生成される。
【００３７】
装置本体１２内には、本実施形態において、メイン整相加算回路３０、及び、送受信制御部３２が設けられている。メイン整相加算回路３０は、複数のサブ整相加算信号２７を入力してメイン整相加算処理を実行し、これによってメイン整相加算信号（受信ビーム信号）３１を生成する。整相加算処理にあたっては、公知の受信ダイナミックフォーカス技術を適用することができる。各サブ整相加算回路２６、及び、メイン整相加算回路３０は、アナログ整相加算回路として構成され、あるいは、デジタル整相加算回路として構成される。
【００３８】
送受信制御部３２は、図２に示される各構成の動作制御を行っており、特に、複数のサブ整相加算回路２６における整相加算条件の設定、及び、メイン整相加算回路３０における整相加算条件の設定などを行っている。また、送受信制御部３２は、プローブヘッド１０内に設けられたスイッチング回路２０に対してコントロール信号を出力しており、このコントロール信号によって、複数のサブアレイの設定、及び、複数のグループの設定が行われる。送受信制御部３２は、図示されていないスイッチング回路制御用のテーブルを有する。そのテーブルは、本実施形態において、ビームアドレス及びフォーカス点の深さに応じて、スイッチング回路２０における結線パターン、つまり、アレイ振動子１６を構成する複数の振動素子と複数のグループ信号線とを接続するスイッチ群のオンオフ動作を決定するものである。このように、ビームアドレス及びフォーカス点の深さが特定されれば、テーブルを用いて、アレイ振動子１６の全体に及ぶグルーピングパターンセット（複数のサブアレイのパターンと各サブアレイごとのグルーピングパターン）を一意に決定できる。但し、ビームアドレス、フォーカス点の深さ及びサブアレイアドレスに応じて、各サブアレイごとに結線パターンを生成するテーブルやその他のテーブルを用いるようにしてもよい。
【００３９】
図３には、図２に示した送受信モジュール２４の具体的な構成例が示されている。送受信モジュール２４は、上述したように送信部３６、サブ整相加算回路２６、及び、複数の伝送回路３４を有している。ここで、各伝送回路３４は送信用パルサー及び受信用ヘッドアンプ回路として機能する。各伝送回路３４は、送信時においては、送信信号を信号線に対して出力し、受信時においては、信号線から入力される受信信号をサブ整相加算回路２６に伝送する。送信部３６は、５つの送信器３８によって構成される。各送信器３８は、ある定められた遅延時間が付与された送信信号を出力する。
【００４０】
上記のサブ整相加算回路２６は、例えば遅延線（ディレーライン）を有するアナログ整相加算回路として構成することができ、また、デジタルビームフォーマーとしてのデジタル整相加算回路として構成することもできる。更に、ＣＣＤデバイスを利用した整相加算回路として構成することもできる。ちなみに、スイッチング回路２０よりも装置本体側に存在する構成に関しては、多様な実施形態を採用することが可能である。図３に示す構成は一例である。
【００４１】
次に、図４〜図１０を用いてスイッチング回路２０の基本的機能について説明する。
【００４２】
図４には、２Ｄアレイ振動子１６の一部分が概念的に示されている。各セルは１つの振動素子に相当する。２Ｄアレイ振動子１６上には、この例では、それぞれ四角形のサブアレイ形状をもって複数のサブアレイが設定されている。図４においては、特に、サブアレイＳ１〜Ｓ９が示されている。それらのサブアレイＳ１〜Ｓ９は、互いに隙間なく密に連結されている。図４において、サブアレイＳ５に関して、参考として、グループの設定方法の一例が示されている。図４に示す例では、Ｘ方向に５つのグループが設定されている。各グループは、Ｙ方向に並んだ５つの振動素子によって構成されている。ここでＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは各振動素子が所属するグループの識別子を示している。このことは、以下に説明する各図においても同様である。アレイ振動子の垂直中心軸をＺ方向とした場合、図示のＸ方向及びＹ方向はＺ方向に直交し、水平面を定義する２軸に相当する。
【００４３】
図４に示すサブアレイ形状は、最も一般的なものであり、すなわち正方形である。また、図４に示される各グループのグルーピングパターンも一般的なものであり、各グループについてはＹ方向に伸張した直線的な形状が採用されている。このようなグルーピングパターン（サブアレイ内における複数のグループの配列）は、例えば、図４に示されるように、Ｘ方向に超音波ビームを走査する場合において採用される。
【００４４】
図５には、サブアレイ形状の他の例が示されている。各サブアレイＳ１〜Ｓ９は、斜め方向に段階状に傾いた、全体として平行四辺形の形態を有している。例えば、サブアレイＳ５に着目すると、図示のとおりのグルーピングがなされており、グループＡは斜め方向に直線的に整列した５つの振動素子によって構成され、これは他のグループについても同様である。但し、Ｙ方向の各ステージにおいて、段階状に、各グループのＸ方向位置が１ステップずつ平行にシフトしている。ちなみに、他のサブアレイについても、サブアレイＳ５と全く同一のグルーピングパターンが採用される。
【００４５】
図５に示すようなサブアレイ形状及びグルーピングパターンを採用することにより、例えば、あるフォーカス点深さの場合で、Ｘ方向及びＹ方向の両者に対して４５度傾いた方向に超音波ビームを走査する場合において、当該方向における各グループの厚みを振動素子１／√２個分だけにすることができる。つまり、ビーム走査方向において、見かけ上、振動部分の幅が大きくなってしまうという問題を防止できる。これについて詳しく説明する。本実施形態では、各グループ単位で同じ遅延時間が付与されている。つまり、各グループを構成する複数の振動素子は送信時及び受信時において並列接続された関係にあり、それら全体で１つの振動部分を構成する。そのような振動部分の幅がビーム走査方向に広がると、結果として、サイドローブが発生しやすくなる。一方、図５に示したように、サブアレイパターン及びグルーピングパターンを適切に設定することにより、見掛け上、振動部分の幅が大きくなってしまうことを防止できる。つまり、上記の問題を解消あるいは低減することが可能となる。
【００４６】
図６には、各種のサブアレイ形状が示されている。同時にグルーピングパターンも示されている。（ａ）に示すサブアレイ形状は、図４に示したものと同一であり、超音波ビームをＸ方向に走査する場合に採用される。（ｂ）に示すサブアレイ形状は（ａ）に示したサブアレイ形状とその外形において同一であるが、その内部におけるグルーピングパターンが異なっている。すなわち、Ｙ方向に５つのグループが並んでおり、各グループはＸ方向に並んだ５つの振動素子によって構成されている。これは、超音波ビームをＹ方向に走査する場合に採用される。（ｃ）に示すサブアレイ形状は図４に示したものと同一である。（ｄ）に示すサブアレイ形状は、上記の（ｂ）に示したサブアレイ形状をＹ方向の各ステージごとにＸ方向に階段状に１ステップずつシフトさせたものである。このような（ｄ）に示すサブアレイ形状は、（ｃ）に示したサブアレイ形状と同様に、紙面に向かって右上がり（左下がり）方向に超音波ビームを走査する場合に好適なものである。（ｅ）に示すサブアレイ形状は、（ｃ）に示したサブアレイ形状とは逆の斜め方向に変形した形態を有する。このようなサブアレイ形状は、紙面に向かって左上がり（右下がり）方向に超音波ビームを走査する場合に好適である。（ｆ）に示すサブアレイ形状は、（ｄ）に示したサブアレイ形状とは逆の斜め方向に変形した形態を有する。このようなサブアレイ形状は、（ｅ）に示したサブアレイ形状と同様に、紙面に向かって左上がり（右下がり）方向に超音波ビームを走査する場合に好適である。
【００４７】
もちろん、図６に示した幾つかのサブアレイ形状は例示であり、これ以外にも各種のサブアレイ形状を採用することができる。すなわち、ビーム形成条件、特にビーム走査方向やフォーカス深さに応じて、できる限りサイドローブが生じないように、つまりビームプロファイルがより良好になるように、サブアレイ形状（及びグルーピングパターン）を設定するのが望ましい。なお、スイッチング回路２０の構成を簡略化すると共に、その制御を簡易にするために、選択可能なサブアレイ形状の個数を例えば４つ程度に制限するようにしてもよい。その場合においては、図６に示した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）（又は（ｄ））、及び、（ｅ）（又は（ｆ））といったサブアレイ形状を採用することができる。
【００４８】
図７には、あるサブアレイについての変動領域Ｒが太い線で示されている。この変動領域は、サブアレイの形状が変動した場合に当該サブアレイが取り得る領域の最大の外縁によって定義される。つまり、変動領域Ｒは、図６に示した（ａ）〜（ｆ）の各形状を重ねたものに相当する。ここにおいて、符号１００は最も基本的な正方形のサブアレイ形状を示している。また、参考までに、図６（ｃ）に示したグルーピングパターンが示されている。図７に示す変動領域Ｒの形態から理解されるように、隣接する複数の変動領域Ｒは互いに部分的にオーバーラップしている。但し、各送受信時において、隣接するサブアレイは互いに密に連結し、それらの相互間においてオーバーラップは生じない。オーバーラップについて図８を用いて説明する。
【００４９】
図８において、Ｒ１〜Ｒ４は、上下左右に並ぶ４つのサブアレイについての４つの変動領域を表している。ちなみに、変動領域Ｒ１は実線によって表されており、変動領域Ｒ２は一点鎖線によって表されており、変動領域Ｒ３は二点鎖線によって表されており、変動領域Ｒ４は破線によって表されている。それぞれの変動領域が部分的にオーバーラップする振動素子ａ〜ｌについて検討する。振動素子ａ，ｂ，ｃは変動領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に属し、振動素子ｄ，ｅ，ｆは変動領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４に属し、振動素子ｇ，ｈ，ｉは変動領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に属し、振動素子ｊ，ｋ，ｌは変動領域Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４に属する。変動領域Ｒ１に着目した場合、その変動領域Ｒ１内には振動素子ａ〜ｆ，ｊ〜ｌが属しており（振動素子ｇ〜ｉは属しない）、また、変動領域Ｒ１には更にそれ固有の複数の振動素子が属している。そのような固有の振動素子は１３個の振動素子からなるものであり、それらは、変動領域Ｒ１の中央部を中心としてひし形に密集する。
【００５０】
図９には比較例が示されている。ここでは、サブアレイ形状が正方形であり、その形状は不変である。斜め方向に超音波ビームを走査する場合に、例えば図９に示すようなグルーピングパターンが設定される。このパターンも不変である。この場合において、グループＣに属する複数の振動素子はビーム走査方向に多重的に存在しており（つまり、当該方向において振動部分Ｃの厚みが増大している）、その結果、超音波ビームのプロファイルが崩れ、サイドローブが出やすくなる。また、グループを構成する各振動素子とフォーカス点との間の距離を揃えることが困難となる。その一方において、本実施形態によれば、後に説明するように、サブアレイ形状及びグルーピングパターンの動的設定により、図９に示したような場合に生ずる問題を解消あるいは低減することが可能となる。
【００５１】
図１０には、サブアレイ形状についての他の例が示されており、ここにおいては４×４＝１６個の振動素子によって、１つのサブアレイが構成されている。各サブアレイを構成する１６個の振動素子が４つのグループでグルーピングされている。なお、図１０において、各グループを識別するために、各グループにはそれぞれ異なるハッチングが付されている。図１０に示される数値は、ビーム走査方向を示す角度（垂直軸周りのビーム回転角度に相当）を示している。図１０に示される各グルーピングパターンは例示であって、実際には送受信条件に応じて各サブアレイ形状ごとに様々なグルーピングパターンを切り換えて設定することができる。
【００５２】
図１０に示されるように、超音波ビームの走査方向に応じて、各サブアレイ（同時にグルーピングパターン）を適応的に変化させることにより、いずれのビーム走査方向においてもビームプロファイルを良好にできる。図１０に示す、いずれのサブアレイ形状を採用する場合でも、複数のサブアレイは互いに密に連結することが可能である。例えば、走査方向が４５度の場合には、図５に示したように、複数のサブアレイが隙間なく相互に密に連結する。このことは、他の走査角度においても同様である。
【００５３】
ただし、２Ｄアレイ振動子の端部においては、実質的に機能しない１又は複数の振動素子が存在していてもよい。また、上記の実施形態においては複数のサブアレイ間において隙間が生じていないが、サブアレイ間に１又は複数の実質的に機能しない振動素子が存在していてもよい。上述したサブアレイ形状の可変設定方法は、２Ｄアレイ振動子の他に、複数の振動素子が二次元的に配列される例えば１．５Ｄアレイ振動子などにも適用することも可能である。
【００５４】
図１１及び図１２を用いて、サブアレイ形状及びグルーピングパターンの可変について、他の幾つかのバリエーションについて説明する。図１１においては、サブアレイは４×４個の振動素子によって構成されている。
【００５５】
（Ａ）には、ビーム走査方向が４５度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。各グループは、ビーム走査方向（太い矢印）に対して直交した４つの振動素子で構成されている。各グループは同一の形状を有する。（Ｂ）には、ビーム走査方向が４５度よりも小さい角度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｂ）に示すサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと同じサブアレイ形状（外形）を有するが、複数のグループ間において、グループを構成する振動素子の個数は同一ではなく、また、非直線的なグループＡ，Ｂ，Ｃが含まれている。（Ｃ）には、ビーム走査方向が４５度よりも大きい角度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｃ）に示すサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと同じサブアレイ形状を有するが、複数のグループ間において、グループを構成する振動素子の個数は同一ではなく、また、非直線的なグループＢ，Ｃ，Ｄが含まれている。（Ｄ）には、ビーム走査方向が４５度よりも小さい角度の場合における他のサブアレイ形状が示されている。（Ｄ）に示すサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと異なる形状を有している。この（Ｄ）においては、複数のグループ間で、グループ形状は同一である。（Ｅ）には、ビーム走査方向がかなり小さい角度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｅ）に示すサブアレイは、（Ｄ）に示したサブアレイと同じ形状を有するが、複数のグループ間において、グループを構成する振動素子の個数は非同一である。いずれのサブアレイ形状が採用されても、複数のサブアレイを互いに密に連結することができる。
【００５６】
以上のように、ビーム走査方向等に応じて、サブアレイパターン及びグルーピングの両者を変化させることにより、良好な超音波ビームを形成できる。特に、各グループを構成する振動素子の個数をビーム走査方向に応じて可変すれば、サイドローブをより効果的に低減できる。
【００５７】
上記の実施形態においては、各サブアレイを構成する複数の振動素子の全部が有効振動素子（超音波の送波及び受波を行う振動素子）として機能していたが、ビーム走査方向が所定の角度となる場合に、各サブアレイ内に１又は複数の無効振動素子（超音波の送波及び受波を行わない振動素子）を設定するようにしてもよい。これに関して図１２を用いて説明する。
【００５８】
図１２においては、サブアレイが５×５個の振動素子によって構成されている。（Ａ）には、ビーム走査方向が４５度の場合におけるサブアレイ形状が示されている（図５、図６（ｂ）及び図７に示したパターンと同一である）。各グループは、ビーム走査方向に直交する振動素子列によって構成され、各振動素子列は５つの振動素子によって構成される。（Ｂ）には、ビーム走査方向が３０度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｃ）には、ビーム走査方向が６０度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｂ）及び（Ｃ）に示したサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、（Ｂ）及び（Ｃ）に示したサブアレイは複数の非直線的なグループを有している。（Ｄ）には、ビーム走査方向が２５度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。ここでは、複数のグループ間で、グループを構成する振動素子の個数は同一であり、また、形状も同一である。一方、（Ｅ）には、ビーム走査方向が１５度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｅ）に示したサブアレイは、（Ｄ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、両者間でグルーピングパターンは異なっている。（Ｆ）には、ビーム走査方向が２０度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｆ）に示したサブアレイは、（Ｄ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、サブアレイ内に１つの無効振動素子１０２が含まれている。（Ｇ）には、ビーム走査方向が１０度の場合におけるサブアレイ形状が示されている。（Ｇ）に示したサブアレイは、（Ｅ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、サブアレイ内に４つの無効振動素子１０２が含まれている。このように、無効振動素子の位置及び個数がビーム走査方向に応じて可変設定される。図１１及び図１２に示したいずれのサブアレイ形状パターンを採用する場合でも、複数のサブアレイを互いに密に連結させることができる。
【００５９】
次に、図１３〜図１５を用いて、特にフォーカス点の深さを考慮した制御について詳述する。
【００６０】
この実施形態では、ビームアドレス（特にビーム走査方向）に応じてサブアレイ形状を変更させると共に、ビームアドレス、フォーカス点深さ及びサブアレイ位置に応じて、各サブアレイごとにグルーピングパターンを個別的に設定するようにしている。つまり、各グループを構成する複数の振動素子について、各振動素子とフォーカス点との間の距離ができるだけ揃うように、サブアレイ形状及びグルーピングパターンを最適化している。
【００６１】
図１３において、（Ａ）にはアレイ振動子面に垂直な平面（ＸＺ平面）が示され、（Ｂ）にはアレイ振動子面と平行な水平面（ＸＹ平面）が示されている。このことは図１４及び図１５についても同様である。Ｘ方向及びＹ方向は振動素子の配列方向であり、Ｚ方向は垂直方向で、それはＸ方向及びＹ方向に直交する。符号３０２は、フォーカス点Ｆ１を通過し、Ｚ軸に平行な垂直軸を示している。符号３０４はアレイ振動子３００の中心３０８を原点（出発点）として表された送信ビームを示している。送信ビーム３０４はフォーカス点Ｆ１を向いている。なお、符号３０６はフォーカス点Ｆ１から見た等距離面（球面としての波面）を示している。その等距離面上に、各グループを構成する複数の振動子が並ぶのが理想的である。（Ｂ）において、アレイ振動子３００における各セルはサブアレイ３００Ａを示している。各サブアレイは、ここでは４×４個の振動素子で構成される（後述する符号３１０〜３２０参照）。
【００６２】
例えば、図１３に示されるように、ビーム方向と水平軸（ここではＸ軸）との間の角度が小さく、且つ、フォーカス点Ｆ１が比較的浅い位置に設定されている場合には、（Ｂ）に示されるように、アレイ振動子３００上における各サブアレイに対して、当該サブアレイの位置に応じて、それぞれ異なるグルーピングパターン３１０〜３２０が設定される。各サブアレイの形状は同一であるが、各サブアレイごとに、グループ単位で位相を合わせる観点から、より適切なグルーピングパターンが設定されている。つまり各グループの形態及び構成素子数が最適化されている。上記の状態から、例えば、図１４に示されるように、ビーム走査方向と水平軸とのなす角度がやや増大し、且つ、フォーカス点Ｆ２の深さが増大した場合、その（Ｂ）に示すように、各サブアレイに対して、その位置に応じてグルーピングパターン３２４〜３３６が設定される。但し、各サブアレイ形状については矩形のままである。更に、図１５に示されるように、上記状態から、フォーカス点Ｆ３の深さがほぼ維持される一方、ビーム走査方向の角度が増大して、それが直交する２つの水平軸に対して凡そ４５度の関係になると、その（Ｂ）に示されるように、各サブアレイの形状が矩形から並行四辺形に変更され、同時に、各サブアレイごとに、その位置に応じて、グルーピングパターン３４２〜３５４が設定される。サブアレイ形状の切り換えは、図１０に示した条件、あるいは、それを簡略化した条件に従ってなされる。例えば、図１０において、０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度で示されるサブアレイ形状だけを利用してもよい。
【００６３】
以上のように、サブアレイ形状については、ビーム走査に応じて動的に可変設定される。グルーピングパターンについても、ビーム走査に応じて、設定されたサブアレイ形状を前提として、各サブアレイごとに動的に可変設定される。その場合、ビームアドレス及びフォーカス深さの組合せごとに、アレイ振動子全体に及ぶ最良のグルーピングパターンセットを予め演算しておき、それを実現するスイッチングパターンをテーブル上に記憶しておくのが望ましい。つまり、ビームアドレスとフォーカス点の深さからテーブルを参照して瞬時に最適なスイッチングパターンが得られるように構成するのが望ましい。そのようなスイッチングの結果として、アレイ振動子上に、複数のサブアレイが構成され、同時に、各サブアレイごとにグルーピングパターンが構成される。三次元空間内におけるビーム走査経路は任意に設定することができる。一般的には、第１方向にビームを走査して走査面が形成され、その走査面が第２方向に走査される。
【００６４】
上記構成によれば、フォーカス点とグループを構成する複数の振動素子との位置的関係に着目し、各サブアレイごとに最良のグルーピングパターンを設定するようにしたので、チャンネルリダクションを実現しつつも、ビームプロファイルを良好にして超音波画像の画質を高めることが可能となる。つまり、装置構成の簡略化を図りつつも良好な画質を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る超音波診断装置における送受信部の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す送受信モジュールの具体的な構成例を示すブロック図である。
【図４】サブアレイ形状の一例を示す図である。
【図５】サブアレイ形状の他の例を示す図である。
【図６】複数のサブアレイ形状を対比して説明するための図である。
【図７】サブアレイごとに存在する変動領域を示す図である。
【図８】複数の変動領域間におけるオーバーラップを説明するための図である。
【図９】比較例を説明するための図である。
【図１０】他の多様なサブアレイ形状を示す図である。
【図１１】各グループを構成する振動素子の個数が変化する実施形態を説明するための図である。
【図１２】各グループを構成する振動素子の個数が変化する他の実施形態を説明するための図である。
【図１３】近距離フォーカスでビーム走査角度が小の場合におけるグルーピングパターン設定例を示す図である。
【図１４】遠距離フォーカスでビーム走査角度が小の場合におけるグルーピングパターン設定例を示す図である。
【図１５】遠距離フォーカスでビーム走査角度が大の場合におけるグルーピングパターン設定例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  プローブヘッド、１２  装置本体、１６  ２Ｄアレイ振動子、２０  スイッチング回路、２４  送受信モジュール、２６  サブ整相加算回路、３０  メイン整相加算回路、３２  送受信制御部、Ｓ  サブアレイ、Ｒ  変動範囲、３１０〜３２０，３２４〜３３６，３４２〜３５４  グルーピングパターン、３０４，３２２，３４０  送信ビーム。
【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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