(57)【要約】【課題】適応的加重値ビーム形成工程で計算量を減らすことのできる超音波ビーム形成方法及びその装置と超音波画像システムを提供する。【解決手段】本発明による超音波ビーム形成方法は、入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割するステップと、前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップと、前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素（ｐｉｘｅｌ）に対する画素加重値を計算するステップと、前記画素加重値を利用して、ビーム形成値を計算するステップとを有する。【選択図】      図３
2012170826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割するステップと、
前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップと、
前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素（ｐｉｘｅｌ）に対する画素加重値を計算するステップと、
前記画素加重値を利用して、ビーム形成値を計算するステップとを有することを特徴とする超音波ビーム形成方法。
【請求項２】
前記入力された超音波信号を複数の領域に分割するステップは、前記超音波信号を互いに重ならない複数のブロックに分割するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波ビームフ形成方法。
【請求項３】
前記入力された超音波信号を複数の領域に分割するステップは、前記超音波信号を、一部分が互いに重なる複数のブロックに分割するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項４】
前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップは、超音波画像内のあらゆる画素それぞれに対して、画素共分散値を計算するステップと、
前記複数の領域それぞれに対して、該当領域に含まれたあらゆる画素に対する画素共分散値を合計することにより領域共分散値を計算するステップと、
前記複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域別の加重値を計算するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項５】
前記複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域別の加重値を計算するステップは、
領域共分散値
2012170826.tif 000024
及び
2012170826.tif 000025
が与えられる時、数式
2012170826.tif 000026
によって、領域別の加重値
2012170826.tif 000027
を計算するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項６】
前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算するステップは、前記領域別の加重値を線形補間して前記画素加重値を計算するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項７】
前記ビーム形成値を計算するステップは、調整された加重値に基づいてビーム形成値を計算することを特徴とする請求項１に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項８】
前記ビーム形成値に基づいて、超音波画像を生成するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項９】
前記生成された超音波画像を表示するステップをさらに有することを特徴とする請求項８に記載の超音波ビーム形成方法。
【請求項１０】
超音波信号が入力される入力部と、
入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割し、分割された複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算する領域加重値計算部と、
前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算する画素加重値計算部と、
前記画素加重値を利用してビーム形成値を計算し、前記計算されたビーム形成値を利用して超音波画像を生成するビーム形成部とを備えることを特徴とする超音波ビーム形成装置。
【請求項１１】
前記領域加重値計算部は、前記超音波信号を互いに重ならない複数のブロックに分割することを特徴とする請求項１０に記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１２】
前記領域加重値計算部は、前記超音波信号を一部分が互いに重なる複数のブロックに分割することを特徴とする請求項１０に記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１３】
前記領域加重値計算部は、超音波画像内のあらゆる画素それぞれに対して、画素共分散値を計算し、前記複数の領域それぞれに対して、該当領域に含まれたあらゆる画素に対する画素共分散値を合計することにより領域共分散値を計算し、前記複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域別の加重値を計算することを特徴とする請求項１０に記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１４】
前記領域加重値計算部は、
領域共分散値
2012170826.tif 000028
及び
2012170826.tif 000029
が与えられる時、数式
2012170826.tif 000030
によって、領域別の加重値
2012170826.tif 000031
を計算することを特徴とする請求項１３に記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１５】
前記ピクセル加重値計算部は、領域別の加重値に対し線形補間することにより前記画素加重値を計算することを特徴とする請求項１０に記載の超音波ビーム形成装置。
【請求項１６】
超音波信号が入力される入力部と、
入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割し、分割された複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算する領域加重値計算部と、
前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算する画素加重値計算部と、
前記画素加重値を利用してビーム形成値を計算し、前記計算されたビーム形成値を利用して超音波画像を生成するビーム形成部と、
前記生成された超音波画像を表示する表示部とを備えることを特徴とする超音波画像システム。
【請求項１７】
超音波ビーム形成方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体において、
前記超音波ビーム形成方法は、入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割するステップと、
前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップと、
前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算するステップと、
前記画素加重値を利用して、ビーム形成値を計算するステップとを有することを特徴とするコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波画像システムに関し、特に、高解像度、高鮮明度の画像を得ることのできる超音波ビーム形成方法及びその装置並びにコンピュータで読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波画像システムは、パルスを出力し、その反射信号を取得して、組織内の特性を調べる。
この過程で、超音波画像システムは、所望の位置の組織の反射特性を見るためにフォーカシングを行う必要がある。超音波システムは、フォーカシング工程で超音波トランスデューサに入力された信号からＤＡＳ（ｄｅｌａｙ  ａｎｄ  ｓｕｍ）工程を通じて一つのデータに生成する。
【０００３】
組織内にフォーカシングを行う場合、組織間の信号の速度差や屈折及び反射効果などにより、所望の地点に正確にフォーカシングすることが難しいという問題が発生する。
ＤＡＳの実行時に、トランスデューサの構成要素別に入力される信号に加重値を与えて処理する適応的加重値ビーム形成技法が考えられている。
【０００４】
かかる適応的加重値ビーム形成技法は、加重値を調節する効果により、信号のノイズを最小化して、分散値を小さくすることができる。このような方式は、単純なＤＡＳ方式に比べて高解像度の画像を得ることが可能である。
【０００５】
しかしながら、適応的加重値ビームフォーミング技法を単純に適用すれば、計算量が多くなるという問題がある。
一方、高鮮明の超音波画像を得るための、超音波画像で発生しうる虚像を最小化させる複数の送受信部を備える超音波プローブ、及びそれを備える超音波システムについては、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許出願公開第２０１０−００５３９９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記従来の超音波画像システムにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、適応的加重値ビーム形成工程で計算量を減らすことのできる超音波ビーム形成方法及びその装置と超音波画像システム、そして、超音波ビーム形成方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明による超音波ビーム形成方法は、入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割するステップと、前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップと、前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素（ｐｉｘｅｌ）に対する画素加重値を計算するステップと、前記画素加重値を利用して、ビーム形成値を計算するステップとを有することを特徴とする。
【０００９】
前記入力された超音波信号を複数の領域に分割するステップは、前記超音波信号を互いに重ならない複数のブロックに分割するステップを含むことが好ましい。
前記入力された超音波信号を複数の領域に分割するステップは、前記超音波信号を、一部分が互いに重なる複数のブロックに分割するステップを含むことが好ましい。
前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップは、超音波画像内のあらゆる画素それぞれに対して、画素共分散値を計算するステップと、前記複数の領域それぞれに対して、該当領域に含まれたあらゆる画素に対する画素共分散値を合計することにより領域共分散値を計算するステップと、前記複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域別の加重値を計算するステップとを含むことが好ましい。
【００１０】
前記複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域別の加重値を計算するステップは、領域共分散値
2012170826.tif 000003
及び
2012170826.tif 000004
が与えられる時、数式
2012170826.tif 000005
によって、領域別の加重値
2012170826.tif 000006
を計算するステップを含むことが好ましい。
前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算するステップは、前記領域別の加重値を線形補間して前記画素加重値を計算するステップを含むことが好ましい。
前記ビーム形成値を計算するステップは、調整された加重値に基づいてビーム形成値を計算することが好ましい。
前記ビーム形成値に基づいて、超音波画像を生成するステップをさらに有することが好ましい。
前記生成された超音波画像を表示するステップをさらに有することが好ましい。
【００１１】
上記目的を達成するためになされた本発明による超音波ビーム形成装置は、超音波信号が入力される入力部と、入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割し、分割された複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算する領域加重値計算部と、前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算する画素加重値計算部と、前記画素加重値を利用してビーム形成値を計算し、前記計算されたビーム形成値を利用して超音波画像を生成するビーム形成部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
前記領域加重値計算部は、前記超音波信号を互いに重ならない複数のブロックに分割することが好ましい。
前記領域加重値計算部は、前記超音波信号を一部分が互いに重なる複数のブロックに分割することが好ましい。
前記領域加重値計算部は、超音波画像内のあらゆる画素それぞれに対して、画素共分散値を計算し、前記複数の領域それぞれに対して、該当領域に含まれたあらゆる画素に対する画素共分散値を合計することにより領域共分散値を計算し、前記複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域別の加重値を計算することが好ましい。
【００１３】
前記領域加重値計算部は、領域共分散値
2012170826.tif 000007
及び
2012170826.tif 000008
が与えられる時、数式
2012170826.tif 000009
によって、領域別の加重値
2012170826.tif 000010
を計算することが好ましい。
前記ピクセル加重値計算部は、領域別の加重値に対し線形補間することにより前記画素加重値を計算することが好ましい。
【００１４】
上記目的を達成するためになされた本発明による超音波画像システムは、超音波信号が入力される入力部と、入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割し、分割された複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算する領域加重値計算部と、前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算する画素加重値計算部と、前記画素加重値を利用してビーム形成値を計算し、前記計算されたビーム形成値を利用して超音波画像を生成するビーム形成部と、前記生成された超音波画像を表示する表示部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するためになされた本発明によるコンピュータで読み取り可能な記録媒体は、超音波ビーム形成方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体において、前記超音波ビーム形成方法は、入力された超音波信号を観測空間上で複数の領域に分割するステップと、前記複数の領域各々に対する領域別の加重値を計算するステップと、前記領域別の加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算するステップと、前記画素加重値を利用して、ビーム形成値を計算するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超音波ビーム形成方法及びその装置と超音波画像システムによれば、入力画像データを分析して、解像度とコントラストとを向上させ、領域別に加重値を計算して、それを利用して各データごとに加重値を計算することで、高画質の画像を高速で取得できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による超音波画像システムの構成の例を示すブロック図である。
【図２】ピクセル単位で加重値を計算する場合（ａ）と、領域単位に加重値を計算する場合（ｂ）とを比較して示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による超音波ビーム形成方法の例を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態によって、領域加重値を計算するステップをさらに詳細に説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態を適用して得た実験結果を示す図面であり、（ａ）は、一般的なＤＡＳを適用した場合であり、（ｂ）は各画素別の加重値を直接計算する場合のＭＶビーム形成の場合であり、（ｃ）は本発明の実施形態によって領域別の加重値を計算した後、それを補間して画素別の加重値を計算する場合のＭＶビーム形成の場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明に係る超音波ビーム形成方法及びその装置と超音波画像システムを実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
本発明は、領域基盤の加重値を計算する高速ビーム形成技術に関する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波画像システムの構成の例を示すブロック図であり、図３は、本発明の一実施形態による超音波ビーム形成方法の例を説明するためのフローチャートである。また、図４は、本発明の一実施形態によって、領域加重値を計算するステップをさらに詳細に説明するためのフローチャートである。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による超音波画像システムは、入力部１００、領域加重値計算部１２０、画素（ｐｉｘｅｌ）加重値計算部１４０、ビーム形成部１６０及び表示部１８０を備える。
【００２１】
入力部１００は、超音波信号が入力される。
領域加重値計算部１２０は、入力された超音波信号を、観測空間上で複数の領域に分割し（ステップＳ１００）、分割された複数の領域に対する領域加重値を計算する（ステップＳ１２０）。
すなわち、領域加重値計算部１２０は、入力信号に基づいて、観測領域別にパラメータを計算するモジュールである。
【００２２】
さらに詳しくは、領域加重値計算部１２０は、超音波画像内のあらゆる画素それぞれに対して、画素共分散値を計算し（ステップＳ１２２）、複数の領域それぞれに対して、該当領域に含まれたあらゆる画素に対する画素共分散値を合計して（ｓｕｍｍｉｎｇ）、領域共分散値を計算し（ステップＳ１２４）、複数の領域に対する領域共分散値を利用して、それぞれの領域に対する領域加重値を計算する（ステップＳ１２６）。
【００２３】
画素加重値計算部１４０は、領域加重値を利用して、それぞれの画素に対する画素加重値を計算する（ステップＳ１４０）。
例えば、画素加重値計算部１４０は、領域加重値を補間することにより画素加重値を計算する。
このように、本発明では、画素加重値はそれぞれの画素に対して計算され、直接、加重値を計算せずに、入力された超音波信号を複数の領域に分割して、各領域に対する領域加重値を計算した後、領域加重値を用いて画素加重値を計算する。
【００２４】
図２は、ピクセル単位で加重値を計算する場合と、領域単位に加重値を計算する場合とを比較して示す図である。
図２（ａ）には、画素単位で加重値を直接計算する例を示している。このように、画素単位で加重値を計算する場合、計算量が多くなる。
本発明では、図２（ｂ）のように、観測空間を複数の領域単位に分けて、各領域ごとにＤＡＳ（Ｄｅｌａｙ  ａｎｄ  Ｓｕｍ）に必要な代表加重値を計算し、各画素の加重値は、領域加重値を利用して計算する。
【００２５】
図２（ｂ）のように、超音波信号を、互いに重ならない複数のブロックに分割することもできるが、また、一部分が互いに重なる複数のブロックに分割することも可能である。
また、ブロックではない他の形態を有する領域に分割することも可能である。
【００２６】
ビーム形成部１６０は、画素加重値を利用して、ＤＡＳを適用してビーム形成値を計算し（ステップＳ１６０）、計算されたビーム形成値を利用して、超音波画像を生成する。
表示部１８０は、生成された超音波画像をディスプレイに出力する。
【００２７】
以下では、図２（ｂ）のように、互いに重ならない複数のブロックに分割する場合を例として挙げて、ビーム形成工程を、数式を使用してさらに詳細に説明する。
【００２８】
各ブロックのインデックスを（ｉ，ｊ）とし、各ピクセルのインデックスを（ｘ，ｙ）とする時、ピクセル別の共分散マトリックス
2012170826.tif 000011
、ブロック別の領域共分散マトリックス
2012170826.tif 000012
、ブロック別の領域加重値
2012170826.tif 000013
、ステアリングベクトル
2012170826.tif 000014
、ピクセル加重値
2012170826.tif 000015
が与えられた場合を考慮する。
【００２９】
入力部１００から超音波信号を入力されて、領域加重値計算部１２０で、図２（ｂ）のように、Ｎ×Ｍブロックに分割する。
領域加重値計算部１２０は、各ブロック別に入力されたデータ値に基づいて、平均又は合計の共分散マトリックスを計算する。
すなわち、各画素ごとに画素共分散マトリックス
2012170826.tif 000016
を計算し（ステップＳ１２２）、それを利用して、Ｍ×Ｎサイズの（ｊ，ｉ）位置のブロックに対する合計を求めて、ブロックに対する領域共分散値
2012170826.tif 000017
を計算する（ステップＳ１２４）。
【００３０】
これを画像座標系で行えば、次の数式１の通りである。
【数１】
2012170826.tif 000018
【００３１】
また、トランスデューサの全体の構成要素の個数より小さいサブ開口を設定する場合には、複数のサブ開口の共分散値の合計を求めることもできる。サブ開口インデックスがＫである時、これは、次の数式２のように表現される。
【数２】
2012170826.tif 000019
【００３２】
次いで、領域加重値計算部１２０では、次の数式３のように、各ブロック別に領域加重値を計算する（ステップＳ１２６）。
【数３】
2012170826.tif 000020
【００３３】
数式３を参照すると、加重値を計算するためには、共分散Ｒ値の逆行列を計算せねばならないということが分かる。
画素ごとに加重値を直接計算するならば、上記式で、
2012170826.tif 000021
の代わりに
2012170826.tif 000022
値を使用せねばならない。
【００３４】
Ｐ個の構成要素を有するトランスデューサを仮定する時、逆行列の計算は、Ｐ×Ｐ行列に対してＯ（Ｐ３）の複雑度（ランダウ記法（Ｏ−記法）にて）を有する。
しかし、逆行列の計算をＮ×Ｍブロックに対して行えば、１／ＭＮ倍に計算量を減らすことができる。
画素加重値計算部１４０は、画素（ｘ，ｙ）ごとに双線形補間により画素加重値を計算する。これは、次の数式４の通りである。
【数４】
2012170826.tif 000023
【００３５】
次いで、ビーム形成部１６０で、適応的加重値を利用して最小分散（ｍｉｎｉｍｕｍ  ｖａｒｉａｎｃｅ：ＭＶ）ビーム形成値を計算した後、計算されたビーム形成値を利用して超音波画像データを生成して、表示部１８０に出力する。
適応的加重値は、信号のノイズを最小化して、分散値を小さくするために、適切な値に調整される。
【００３６】
加重値の補間計算及びＤＡＳの実行に必要な計算は、Ｏ（Ｐ）の複雑度を有する。したがって、全体の計算において、最も計算量の多い部分は、前記加重値の計算部分とすることができる。
したがって、本発明では、最も複雑度の高い加重値計算部分で、それぞれの画素別に加重値を直接計算する代わりに、分割された領域別に加重値を計算することで、複雑度を低減させる。例えば、４×３２サイズのブロックに分割する場合、全体的に１／１２８倍に計算量の減少をもたらす。
【００３７】
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態を適用して得た実験結果を示す図面である。
図５（ａ）は、一般的なＤＡＳを適用した場合であり、図５（ｂ）は、各画素別の加重値を直接計算する場合のＭＶビーム形成の場合であり、図５（ｃ）は、本発明の実施形態によって、領域別の加重値を計算した後、それを補間して、画素別の加重値を計算する場合のＭＶビーム形成の場合である。
横軸は、角度を表し、縦軸は、軸方向の距離を表す。
【００３８】
図５（ｃ）に表示された画像を図５（ａ）の場合と比較すれば、図５（ｃ）の画像の解像度が、図５（ａ）の画像の解像度より向上したということが分かる。
また、図５（ｂ）の場合と比較して、計算量は減少したのに、図５（ｃ）の画像と図５（ｂ）の画像との解像度差がほとんどないということが分かる。
【００３９】
このように、本発明によるビーム形成方式を適用すれば、計算量の減少をもたらし、かつ各画素別に加重値を計算する方式と同じ画質を確保することが可能である。
上記説明は、実施形態のうち一つに過ぎず、全体の画像を複数の領域に分割して、加重値を計算する多様な実施形態が可能であり、領域の形態や領域間の重なり如何が変わりうる。
いずれの場合でも、画期的な計算量の減少が可能である。
【００４０】
全体の画像を複数の領域に分割して、加重値を計算する実施形態としては、領域別にＬＵＴ（Ｌｏｏｋ−Ｕｐ−Ｔａｂｌｅ）基盤の加重値を計算する方法、Ｃａｐｏｎ  ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ、  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ  Ｅｒｒｏｒ  ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ、  Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｖａｒｉａｎｃｅ  ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ、  Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  Ｓｉｄｅｌｏｂｅ  Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ、  Ｂｒｏａｄ  ｂａｎｄ  ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇなどを適用することができる。
【００４１】
また、本発明は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータ（情報処理機能を有する装置をいずれも含む）で読み取り可能なコードとして具現することが可能である。
コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムにより読み取られるデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。
コンピュータで読み取り可能な記録装置の例としては、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピー（登録商標）ディスク、光データ保存装置などがある。
【００４２】
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、超音波画像、弾性画像などの多様な超音波画像技術に好適に適用可能であり、さらに、レーダー、音響信号の処理にも好適に拡張される。
【符号の説明】
【００４４】
１００    入力部
１２０    領域加重値計算部
１４０    画素加重値計算部
１６０    ビーム形成部
１８０    表示部
【図１】
2012170826.tif 000032
【図２】
2012170826.tif 000033
【図３】
2012170826.tif 000034
【図４】
2012170826.tif 000035
【図５】
2012170826.tif 000036