(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の符号列により符号化された超音波ビームを複数送信する手段を備えた超音波探触子と、前記符号列を発生する送受波信号処理回路とを有し、
前記複数の符号列の相互相関関数の絶対値の最大値は、自己相関関数の絶対値の最大値に比べ１／２以下であり、
前記超音波探触子は、超音波ビームが送受信される複数の口径を有し、該複数の口径に対応する複数の送受波信号処理回路と、該複数の送受波信号処理回路から任意の数の回路を選択する制御部とを有し、
前記送受波信号処理回路を選択することにより動作させる口径の数を切り替え、撮像速度を切り替えることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
超音波を送受信する口径を有する超音波探触子と、該超音波探触子を駆動する符号列信号を発生する送受波信号処理回路とを有し、
前記超音波探触子より送信される符号列における符号の時間間隔は、該超音波探触子から送信される超音波の中心周波数の逆数の約１／４の奇数倍であり、
前記符号列は、符号長Ｍが１３より大きく、前記自己相関関数のタイムサイドローブの最大値を自己相関関数の最大値で規格化した値が２／Ｍ以下であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
複数の送受波口径のそれぞれを異なる符号列による符号化信号で同時に駆動し、生体に対して複数本の超音波ビームを送受波する２次元に配列される振動子から構成される超音波探触子と、前記各超音波ビームに対応して設けられ前記各超音波ビームの送受波信号の処理を行なう送受波信号処理回路と、前記各送受波信号処理回路の出力に対する演算処理によって得られる２次元断層データから３次元画像を生成する画像処理部と、前記３次元画像を表示する表示装置とを具備し、
前記送受波信号処理回路は、前記超音波ビームの送受波を行なう前記送受波口径を選択する送受波口径選択回路と、前記送受波口径の前記振動子の送波収束遅延時間を制御する送波収束遅延制御部と、前記符号列を記憶する送波符号メモリと、選択された前記送受波口径の前記振動子を前記符号化信号で駆動するドライバと、前記送受波口径の前記振動子による前記生体内からの反射信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記送受波口径の前記各振動子による前記反射信号に付与する受波収束遅延時間を制御する受波収束遅延制御部と、前記受波収束遅延時間が付与された前記反射信号を加算し整相加算処理を行なう整相加算器と、前記整相加算器の出力信号に対して前記符号化信号を復調する処理を行ない受波超音波ビームを求める復調フィルタを備える復調器とを有し、
複数の前記符号列の相互相関関数の絶対値の最大値が自己相関関数の絶対値の最大値に比べ１／２以下であり、
前記符号列は、符号長Ｍが１３より大きく、前記自己相関関数のタイムサイドローブの最大値を自己相関関数の最大値で規格化した値が２／Ｍ以下であり、
前記送受波信号処理回路の数を選択する制御回路を有し、撮像速度を切り替えることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
複数の送受波口径のそれぞれを異なる符号列による符号化信号で同時に駆動し、生体に対して複数本の超音波ビームを送受波する２次元に配列される振動子から構成される超音波探触子と、前記各超音波ビームに対応して設けられ前記各超音波ビームの送受波信号の処理を行なう送受波信号処理回路と、前記各送受波信号処理回路の出力に対する演算処理によって得られる２次元断層データから３次元画像を生成する画像処理部と、前記３次元画像を表示する表示装置とを具備し、
前記送受波信号処理回路は、前記超音波ビームの送受波を行なう前記送受波口径を選択する送受波口径選択回路と、前記送受波口径の前記振動子の送波収束遅延時間を制御する送波収束遅延制御部と、前記符号列を記憶する送波符号メモリと、選択された前記送受波口径の前記振動子を前記符号化信号で駆動するドライバと、前記送受波口径の前記振動子による前記生体内からの反射信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記送受波口径の前記各振動子による前記反射信号に付与する受波収束遅延時間を制御する受波収束遅延制御部と、前記受波収束遅延時間が付与された前記反射信号を加算し整相加算処理を行なう整相加算器と、前記整相加算器の出力信号に対して前記符号化信号を復調する処理を行ない受波超音波ビームを求める復調フィルタを備える復調器とを有し、
複数の前記符号列の相互相関関数の絶対値の最大値が、自己相関関数の絶対値の最大値に比べ１／２以下であり、
前記符号列は、符号長Ｍが１３より大きく、前記自己相関関数のタイムサイドローブの最大値を自己相関関数の最大値で規格化した値が２／Ｍ以下であり、
前記送受波信号処理回路の数を選択し前記超音波ビームの本数を入力する入力部を有することを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて生体を撮像する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、超音波ビームを対象物に送受信して対象物の画像を得る装置であるが、信号歪み低減、Ｓ／Ｎ向上の観点から、信号処理のディジタル化、超音波ビームの符号化が検討されてきた。例えば、文献、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ、  ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ、  ＡＮＤ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＣＯＮＴＲＯＬ誌,  ３９巻,  Ｎｏ．３,３４１頁から３５１頁（１９９２年）には、時間軸方向に伸ばした符号化した超音波信号を生体内に送波し、生体内の反射体から反射された信号をフィルタリング処理により時間軸方向に圧縮する超音波ビームの送受信方法が開示されている。
【０００３】
また、特開平１１−３０９１４５号公報、特開平１１−３０９１４６号公報、及び特開平１１−３０９１４７号公報には、Ｂａｋｅｒ符号やＧｏｌａｙ符号を用いて超音波ビームを符号化し、不整合フィルタにより符号化された超音波ビームを復調する超音波診断装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超音波診断装置においては撮像速度の向上が非常に重要である。例えば、心臓の弁の鼓動をリアルタイムで観測するためには、撮像を１画像／３０ｍｓ程度の速度で行う必要があるが、現行の３次元撮像用の超音波診断装置の撮像速度は１画像／約２秒（約０．５画像／秒）程度である。撮像時間の限界を規定する最大の要因は生体内での音速であるが、生体内での音度はほぼ定数である。
【０００５】
複数の超音波ビームを用いて同時送受信を行い撮像領域を分割すれば、一画像当たりの撮像速度は向上するが、単純に複数の超音波ビームを送受波するだけでは、音響的なクロストーク等により画質が大幅に劣化する。また、ＣＤＭＡなど無線通信の分野では、直交符号を用いて信号を符号化し信号復調時にクロストークをキャンセルする技術が知られているが、従来超音波の符号化に用いられてきたＢａｒｋｅｒ符号は、５、７、１１、１３という符号長で各々１種類しか存在しない符号であるため、符号の直交性によりクロストークをキャンセルすることはできない。符号列は、一般に符号長が長いほど直交性が現れやすくなるが、超音波撮像の距離分解能は符号長が長くなるほど低下するため、無制限に符号長を長くすることはできない。
【０００６】
したがって、従来技術による３次元撮像用の超音波診断装置では、複数の超音波ビームの同時送受信は実現できておらず、その撮像速度は対象物をリアルタイム観察できるほどの水準では無かった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題点を解決してＳ／Ｎの大きな劣化を伴わずに撮像速度を向上し、高速撮像が可能な超音波診断装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者らは、超音波ビームの符号化に適した新たな符号列を開発した。本符号列は、符号長Ｍが、Ｍ＞１３で、自己相関関数の時間軸でピークの前後に現れるタイムサイドローブの大きさの最大値が（２／Ｍ）以下となる符号列である。本明細書においては、この符号列を、以降、拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と称する。
【０００９】
ここで、タイムサイドローブ（ｔｉｍｅ  ｓｉｄｅ  ｌｏｂｅ）とは、符号化された信号を復調する際に、復調されるべき本来の信号のピークの前後に発生する不要信号のことであり、一般に必ず発生する。タイムサイドローブの評価には、自己相関関数の時間軸で見た大きさを復調すべき本来の信号のピーク値で規格化した値を用いるのが一般的であり、本明細書では、以下、ＴＳＬ（ｔｉｍｅ  ｓｉｄｅｌｏｂｅ  ｌｅｖｅｌ）と略記する。この拡張Ｂａｒｋｅｒ符号を用いて超音波ビームの符号化、復号処理を行うことにより、複数の超音波ビームの同時送受信が実現できる。符号化された超音波ビームの複数同時送受信が可能となるので、一画像当たりの撮像速度が、画質の劣化を伴わずに飛躍的に向上できる。
【００１０】
復調処理の手段としては、不整合フィルタ、又は重み付けられた不整合フィルタ（以下、重み付け不整合フィルタとも言う）が用いられる。不整合フィルタを実現する手段としては、信号処理回路系に不整合フィルタ用の回路自体を備えても良いし、フィルタ処理の演算処理をＣＰＵやマイコン等の演算装置に行わせることで実現してもよい。
【００１１】
超音波ビームを送受信する手段としては、超音波探触子を用いる。超音波探触子は、複数の振動子（圧電素子）が縦横２次元に配列された構造を有しており、この振動子の集合体が超音波ビームの送受信を行なう送受波口径を形成している。送受波口径は単数でも複数でもよい。送受波口径が単数の場合は、送波収束遅延回路により振動子の駆動信号に遅延時間を掛けて、送波される超音波のタイミングを調節することにより複数の焦点に超音波を収束させる。焦点を生体内で走査して２次元超音波画像（Ｂモード像）が得られ、２次元画像を複数合成することにより３次元画像が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づき詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は、実施例１の超音波診断装置の構成例を説明する図である。図２は、本発明に於ける複数超音波ビームの符号化送受波による３次元撮像の概念を説明する図である。
【００１４】
図１、図２に示す例では、コンベックス、リニア型の探触子において、符号化された２本の超音波ビームを別々の送受波口径−Ａ（１）、送受波口径−Ｂ（２）から同時に送受波する例である。ここでコンベックス、リニア型の走査とは、常に焦点は送波口径の正面にあり、焦点を動かすには口径ごと動かす方法である。ある時刻での波面を模式的に図示すると図３のようになる。ある時刻での、送受波口径−Ａからの超音波ビームの焦点をＦＡ、送受波口径−Ｂからの超音波ビームの焦点をＦＢとする。焦点ＦＡに対して符号Ａで符号化された超音波信号を、焦点ＦＢに対して符号Ｂで符号化された超音波信号をそれぞれ同時に送波する。符号長は距離分解能を損なわない限界とし、探触子の共振周波数の波長に対して３０波長以下の範囲とした。
【００１５】
周知のようにＢａｒｋｅｒ符号は符号長がＮの時、ＴＳＬが（１／Ｎ）となる符号であるが、Ｂａｒｋｅｒ符号は符号長＝５、７、１１、１３で各１通りしか存在しない。しかし、ＴＳＬの高さに注目して符号を検討した結果、符号長１３とＢａｒｋｅｒ符号よりも長い符号長でＴＳＬが低く、その長さにおいて複数存在することから符号化複ビーム送受信に適した符号が存在することが判明した。本説明では、符号長Ｍが、Ｍ＞１３であり、自己相関関数の時間軸でピークの前後に現れるサイドローブの大きさの最大値が（２／Ｍ）以下となる符号列を拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と呼ぶ。
【００１６】
符号長Ｍ＝２５とＭ＝２８の場合について、拡張Ｂａｒｋｅｒ符号の具体例を以下に示す。但し、符号の順序を反転したものや、正負を反転したものは同じ符号と見做す。
【００１７】
Ｍ＝２５の場合、異なる符号は２種存在し、それぞれ符号Ａ、Ｂとすると、
Ａ：｛−１、１、１、−１、１、１、−１、１、−１、１、−１、１、１、１、１、１、１、−１、−１、−１、１、１、−１、−１、−１｝、及び、
Ｂ：｛−１、１、−１、−１、１、１、−１、１、１、−１、１、−１、１、−１、−１、−１、−１、−１、−１、−１、１、１、１、−１、−１｝である。
【００１８】
Ｍ＝２８の場合、異なる符号は４種類存在し、それぞれ符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると
Ａ：｛−１、１、１、−１、１、１、−１、１、１、−１、１、−１、１、−１、１、１、１、１、１、１、−１、−１、−１、１、１、−１、−１、−１｝、Ｂ：｛−１、１、１、１、−１、−１、−１、−１、１、１、１、−１、１、１、１、−１、１、１、１、−１、１、１、−１、１、−１、−１、１、−１｝、Ｃ：｛１、−１、１、１、−１、−１、１、−１、−１、１、−１、１、−１、１、１、１、１、１、１、１、−１、−１、−１、１、１、１、−１、−１｝、及び、
Ｄ：｛１、１、−１、１、１、−１、１、−１、−１、１、−１、−１、−１、１、−１、−１、−１、１、−１、−１、−１、１、１、１、１、−１、−１、−１｝である。
【００１９】
超音波画像のＳ／Ｎ劣化を防止するには、自符号に基づく受波信号と他符号に基づく受波信号との分離を良好にする必要がある。探触子の形状、焦点、位置により条件は異なるが、リニア型探触子の場合、二つの焦点を最大限離して、つまり探触子の全口径の半分離すと、フォーカスの効果で、リニア型の場合−５０ｄＢ、コンベックス型の場合−５４ｄＢ抑圧できる。よって、自符号を復調する復調フィルタにより復調された信号に残留する他符号の反射信号は−１０ｄＢ〜−６ｄＢであれば、ノイズを画像のダイナミックレンジ−６０ｄＢの外に出すことが出来る。もちろん、自符号に基づく受波信号のＴＳＬが充分に小さいことが必要であることは言うまでもない。
【００２０】
拡張Ｂａｒｋｅｒ符号は、ＴＳＬがＢａｒｋｅｒ符号より小さく、同じ符号長で相互相関関数のピークの絶対値が小さい符号が２種類以上存在するため、超音波ビームの送受波に適した符号であり、本実施例では、符号長Ｍ＝２８の拡張Ｂａｒｋｅｒ符号の４通の符号のうちの２通りの符号（Ａ−ｃｏｄｅ、Ｂ−ｃｏｄｅとする）を用いている。ここで、相互相関関数の絶対値の最大値が自己相関関数の絶対値の最大値の１／２〜１／３程度の大きさであれば、ｄＢ表示で、２０ｌｏｇ（１／２）≒−６、２０ｌｏｇ（１／３）≒−１０であるから、自符号に残留する他符号の大きさを−１０ｄＢ〜−６ｄＢ程度に抑圧することが出来る。したがって、符号間の直交性としては相互相関関数の絶対値の最大値が自己相関関数の絶対値の最大値の１／２以下程度の値になることが必要と考えられる。本実施例の拡張Ｂａｒｋｅｒ符号も、当然、この範囲に入っていることは言うまでもない。
【００２１】
図１に示される送波符号メモリＡ（１４ａ）にはＡ−ｃｏｄｅ、送波符号メモリＢ（１４ｂ）にはＢ−ｃｏｄｅがそれぞれ記憶されている。Ａ−ｃｏｄｅおよびＢ−ｃｏｄｅを用いて符号間隔（１０／７）λでパルサ（ドライバ）１２を駆動する。Ｔ／Ｒ（送受波切り替えスイッチ）スイッチ１１を介して、図示しない送受波口径選択回路により探触子列１０から選択される送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）の振動子が駆動される。送受波口径−Ａ（１）からの超音波ビームはＡ−ｃｏｄｅにより符号化され、送受波口径−Ｂ（２）からの超音波ビームは拡張Ｂ−ｃｏｄｅにより符号化される。
【００２２】
各振動子をそれぞれの符号化信号で電気的に駆動した結果、各振動子を駆動する電気信号と各振動子の伝達関数とがコンボリューションされた波形が、送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）の各振動子から符号化された超音波信号として生体内に送波される。この時、送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）の各振動子からの送波は、送波収束遅延制御部１３により焦点に合わせた送波収束遅延時間だけずらされ、超音波信号は焦点ＦＡ、ＦＢに収束される。
【００２３】
送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）から生体内に送波された超音波ビームは生体内の各点で反射されて、反射波は送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）の各振動子に入射する。
【００２４】
送受波口径−Ａ（１）から送波される超音波ビームは焦点ＦＡでの反射体により反射され、反射波は、送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）の振動子に入射する。送受波口径−Ａ（１）から送波される超音波ビームは生体内の強反射体により反射され、反射波は送受波口径−Ｂ（２）の振動子に入射する。逆に、送受波口径−Ｂ（２）から送波される超音波ビームは焦点ＦＢでの反射体により反射され、反射波は、送受波口径−Ｂ（２）、及び−Ａ（１）の振動子に入射する。送受波口径−Ｂ（２）から送波される超音波ビームは生体内の強反射体により反射され、反射波は送受波口径−Ａ（１）の振動子に入射する。
【００２５】
従って、送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）の各振動子に入力する信号は、Ａ−ｃｏｄｅとＢ−ｃｏｄｅとにより符号化された超音波ビームが各反射点で反射された反射信号の（和の波）合成波となる。送受波口径−Ａ（１）、−Ｂ（２）から送波される超音波ビームに対応する各送受波信号処理回路は、整相加算処理の前処理、又は後処理として、これら合成波から焦点ＦＡ、ＦＢからの反射信号を選択的に復調する処理を行う。
【００２６】
生体内の反射体からの反射信号は、各送受波口径の各振動子で各々電気信号に変換され、Ｔ／Ｒスイッチ１１を介し、プリアンプ、ＴＧＣ（タイムゲインコントロール）アンプ、及びＡ／Ｄ変換器（１５）により増幅されＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換器の出力に対して、各送受波口径の各振動子に対応して受波収束遅延時間が受波収束遅延制御部１９により付与された後、加算器（整相加算器）１８に於いて加算する整相加算処理が行なわれ、焦点ＦＡ、ＦＢからの反射信号が選択的に取り出される。
【００２７】
Ａ−ｃｏｄｅを復調する復調フィルタＡは符号復調メモリＡ（１７ａ）に記憶され、Ｂ−ｃｏｄｅを復調する復調フィルタＢは符号復調メモリＢ（１７ｂ）に記憶されている。送受波信号処理回路の加算器１８の出力は、Ａ−ｃｏｄｅとＢ−ｃｏｄｅとの合成波であるので、復調フィルタＡ、Ｂを使用して復調器１６により復調される。復調器１６の出力は信号処理器２０へ渡される。
【００２８】
生体の観察対象とする３次元の撮像領域に関する３次元断層像データが得られた後、信号処理器２０は、３次元断層像データに対してレンダリング処理、陰影処理等の演算処理を行ない所定の視点から観察され、表示装置２２に表示すべき３次元画像データを求める。求められた表示すべき３次元画像データはスキャンコンバータ２１を介して表示装置２２に表示される。
【００２９】
実施例１では、２本の超音波ビームを同時に送受波しているが、この時、一連の超音波ビームの走査に於いて２本の超音波ビーム間の距離が大きい場合には、整相加算処理により一方の焦点からの信号を選択的に取り出す時に、整相加算処理の効果により他方の焦点からの反射信号（不要信号）がより効率良く抑圧され、一方の焦点からの信号のみを取り出すことが期待できる。このため、リニア型又はコンベックス型の探触子に於いて常に各送受波口径の中心間隔が振動子列１０の半分となる条件で超音波ビームを走査する。更に、短軸方向にも角度をずらすことでより効果は大きくなる。
【００３０】
実際の装置においては、以上述べた復調フィルタ、符号復調メモリ等、信号処理のための回路要素は、送受波信号処理回路として１つの集積回路に納められることが多い。例えば、図１においてはＴ／Ｒスイッチ１１と復調器１６間の処理が１チップ化されることになる。同様に、信号処理器２０、スキャンコンバータ等２１、画像処理のための回路も画像処理回路として１チップ化されることが非常に多い。送受波処理回路と画像処理回路とが１つのモジュールに納められる場合もあり得る。
【００３１】
図４は、各符号長に対するＴＳＬの計算値を示すグラフである。信号の復調は自己相関フィルタを用いて行っている。符号長Ｍ＝２５、符号長Ｍ＝２８、両者ともＴＳＬが（２／Ｍ）以下となっている。
【００３２】
図５は、拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と不整合フィルタのコンボリューション結果を示すグラフであり、符号長＝２８のＡ−ｃｏｄｅ、Ｂ−ｃｏｄｅをそれぞれ対応する不整合フィルタで構成される復調フィルタＡ、Ｂで復調した結果のうち、結果の悪い方を図に示す。
【００３３】
図６はＡ−ｃｏｄｅを復調フィルタＢで復調した結果を示す。Ｂ−ｃｏｄｅを復調フィルタＡで復調した結果も図６と同様であり、図６に示すように、符号化による他符号圧縮率とフォーカスの効果を組み合わせることで、ノイズを画像のダイナミックレンジ外にすることが出来る。ＴＳＬは、不整合フィルタのタップ長さを増やせば増やす程低くできることが既に判明しているが、過度に長くすると必要なメモリサイズや計算時間の観点から不利となるので、これらのバランスを考慮して適宜タップ長さを設定する。
【００３４】
図７、図８には、符号列の隣接符号間の時間間隔と超音波探触子から送波される超音波（キャリア）の中心周波数との関係を示す。図７は、キャリアの基本周期と符号化周期との関係を示す模式図である。図８は、符号化の周期とキャリアの基本周期の比とＴＳＬとの関係を示す。図８より、符号間隔が送波キャリアの１／４周期の奇数倍、つまり図８のＴｃｏｄｅ／Ｔ0が０．２５、０．７５、１．２５・・といった値の時にＴＳＬが最小となることが分かる。したがって、符号列の間隔は送波キャリアの周期の１／４の奇数倍であることが好ましい。実際には、送波のＤ／Ａコンバータのサンプリングレートや受信のＡ／Ｄコンバータのサンプリングレートで制限を受けるため、Ｔｃｏｄｅ／Ｔ0を厳密に１／４の奇数倍に一致させるのは難しく、１／４の奇数倍からある程度ずれる。したがって、上記制限内で、おおよそ１／４の奇数倍であるような符号列間隔を選ぶことが望ましい。
【００３５】
また、図８から明らかなように、Ｔｃｏｄｅ／Ｔ0が１／４の奇数倍の位置におけるＴＳＬの値は、Ｔｃｏｄｅ／Ｔ0が大きくなると共に小さくなる。ＴＳＬを画像のダイナミックレンジの外に追いやるにはＴＳＬを−６０ｄＢ以下に押さえることができればよいので、Ｔｃｏｄｅ／Ｔ0が大きくなれば、１／４の奇数倍からのずれの許容範囲は広がる。例えば、図８において、Ｔｃｏｄｅ／Ｔ0＝１。なお、前記の通り、符号間隔が長くなるほど、ＴＳＬは下がっていくが、符号間隔を長くするとその分送波信号のメモリのタップ数が必要となり、回路規模を大きくしてしまうことや、実際に送波される波形が長くなると距離分解能に影響を与えることがあり、符号間隔を長くする事には制約がある。しかしながら、いずれのＴｃｏｄｅ／Ｔ0の範囲の符号列間隔を使用するかということは、装置の設計上、適宜選択すれば良い事項であるので、Ｔｃｏｄｅ／Ｔ0＝０．２５、０．７５、あるいは図８に記載されていないＴｃｏｄｅ／Ｔ0の範囲で本発明の実施があり得ることは言うまでもない。
【００３６】
以上のように、ＴＳＬを小さくするために最適な符号間隔を選ぶ構成とすることは複数ビーム送波のときのみならず、単数ビーム送波のときにおいても、ＴＳＬが画像を劣化するという、符号化送受信法の抱える重大な問題を解決する極めて有効な方法である。
【００３７】
（実施例２）
図９は実施例２の超音波診断装置の構成例を示す図である。実施例２の構成はセクタ型探触子を用い、一つの口径から、別々の方向に同時送受信を行う点が、実施例１と異なる。探触子中の一つ一つの素子に着目すると、二つの符号の信号をそれぞれ別々の遅延時間を掛けた上で和を取った信号を送信していることになる。受信後はそれぞれの素子について和の信号を同じＡ／Ｄ変換器で、デジタル化したあと、同じ信号を二つの加算器に出力し、それぞれの焦点に対応する遅延時間を加えて加算を行い復調する。復調後の処理に関しては実施例１と同様である。この実施例の模式図を、図１０に示す。
【００３８】
（実施例３）
図１１は、実施例３の超音波診断装置別の構成例を示す図である。本実施例においては、以降、探触子上の各素子で受信された受信信号であって、プリアンプ、Ａ／Ｄコンバータ等を通過した後、整相加算する前の信号を、受信チャネル上の信号と呼ぶ。実施例３の構成は実施例１、２と次の点で異なる。実施例１、２では、生体からの反射信号をＡ／Ｄ変換した後に、受信チャネル上の信号の整相加算処理を行ない、次に、符号の復調を行なうが、実施例３では、生体からの反射信号をＡ／Ｄ変換した後に、復調フィルタとして重み付け不整合フィルタを用いて各受信チャネル上の信号に対して符号の復調を行ない、次に、整相加算処理を行なう。実施例１の復調では、不整合フィルタには重み付けがなされていない。
【００３９】
以下、重み付け不整合フィルタについて説明する。なお、以下の説明で、記号Ｂ、Ｗは行列を示しｃ、ｆ、ｄ、ｗはベクトル、記号「T」は転置を、Ｂは送波符号を、ｆは復調フィルタを表す。
【００４０】
まず、復調後の信号Ｃは、（式１）で与えられる。
【００４１】
【数１】
0003967882.tif 000002
復調後の信号Ｃとして望ましい波形をＤとすると、ＣとＤの自乗誤差和Ｉは以下の（式２）で表される。自乗誤差和Ｉを最小にするＦが不整合フィルタである。
Ｉ＝Σ（ｃi−ｄi）2＝（ｆＢ−ｄ）（ｆＢ−ｄ）T
＝ｆＢＢTｆT−ｄＢTｆT−ｆＢｄT＋ｄｄT                  ・・・（式２）
（式２）に対して、
∂Ｉ／∂ｆi＝０                                          ・・・（式３）
なる（式３）の条件を適用し、全てのｉ（ｉ＝１、２、・・、ｍ）について∂Ｉ／∂ｆiを求めると、（式４）のようになる。
0003967882.tif 000003
結局、（式３）を満たすための条件は、以下の（式５）のようになる。
【００４２】
【数２】
0003967882.tif 000004
最終的に、ｆは以下の（式６）のように求まる。
ｆ＝ｄＢT（ＢＢT）-1                                      ・・・（式６）
本実施例では、復調されるべき本来の信号のピーク近傍でのＣとＤの差をできるだけ小さくするため重みｗ（ｗ12、ｗ22、…、ｗn+m-12）を用いて、ｃとｄの差に分布をもたせてｆを求める。ｃとｄの重み付き自乗誤差和Ｉが得られ、重み行列Ｗを以下の（式７）のように表記し、
【００４３】
【数３】
0003967882.tif 000005
（式２）に於いてＢをＢＷに、ｄをｄＷに置き換えれば、以下の（式８）が得られる。
Ｉ＝Σ｛ｗi2（ｃi−ｄi）2｝
＝（ｆＢＷ−ＤＷ）（ｆＢＷ−ｄＷ）T                    ・・・（式８）
重み付きの不整合フィルタは、（式９）により与えられる。
ｆ＝（ｄＷ）（ＢＷT）｛（ＢＷ）（ＢＷ）T｝-1              ・・・（式９）
Ｇａｕｓｓ関数等のように中心に近づくほど大きな重みを持つ重み関数を用いた重み付き不整合フィルタを用いることにより、復調されるべき本来の信号のピーク近傍の不要信号を大きく抑圧して、復調後も残る不要信号の位置を復調されるべき本来のピークから遠い位置に離すことができる。
【００４４】
図１２は、拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と重み付け不整合フィルタのコンボリューション結果を示すグラフである。不要信号を復調されるべき本来のピークから離した後に整相加算処理を行なうと、不要信号に関してはフォーカスの領域から外れるので、整相加算に対する寄与が下がるという効果が発生する。この効果は、Ｆ値（Ｆナンバー）にも依存するが典型的なＦ値が１程度の条件では、−１０ｄＢ程度の効果がある。従って、実施例３の構成では、実施例１より更にＴＳＬの抑圧レベルの改善が可能となる。
【００４５】
撮像のシミュレーションによれば、実施例１の構成では、近距離焦点でのＴＳＬは−６０ｄＢ、遠距離焦点でのＴＳＬは−５０ｄＢ、他符号圧縮率は−９ｄＢであり、実施例３の構成では、近距離焦点でのＴＳＬは−８０ｄＢ以下、遠距離焦点でのＴＳＬは−５０ｄＢ、他符号圧縮率は−９ｄＢであった。重み付け不整合フィルタを使用することにより、近距離焦点でのＴＳＬが大幅に改善されることが判明した。以上説明した実施例３の構成は、複数超音波ビームの符号化送受波を用いる３次元撮像のみに適用されるものでなく、符号化された単数の超音波ビームの送受波にも適用が可能である。
【００４６】
(実施例４）
実施例４では、図１、図９、図１１の構成に於いて、送波する符号と、復調するフィルタを入れ替える構成とする。即ち、送波符号メモリＡ（１４ａ）にＡ−ｃｏｄｅを復調する復調フィルタＡを記憶し送波符号メモリＢ（１４ｂ）にＢ−ｃｏｄｅを復調する復調フィルタＢに記憶し、符号復調メモリＡ（１７ａ）に拡張Ｂａｒｋｅｒ符号（Ａ−ｃｏｄｅ）を記憶し、符号復調メモリＢ（１７ｂ）に拡張Ｂａｒｋｅｒ符号（Ｂ−ｃｏｄｅ）を記憶する。
【００４７】
実施例４の構成では、図１、図９、図１１の構成で復調フィルタとして用いていた符号系列で送波し、受波後に拡張Ｂａｒｋｅｒ符号を用いて復調する。この結果、受波後の処理を行なうＡＳＩＣ内のメモリサイズを小さくできる。以上説明した実施例４の構成は、複数超音波ビームの符号化送受波を用いる３次元撮像のみに適用されるものでなく、符号化された単数の超音波ビームの送受波にも適用が可能である。
【００４８】
（実施例５）
実施例５では、実施例１の符号の数を４本に増やした場合である。この場合、表１に表されるように全ての符号間の相間が−１０ｄＢ以下程度という目標を満たすわけではない。しかし図１３のように４本走査をするときに対角に位置する２本のビームとして、最も相間の悪いＡ、Ｃを使うことで符号の相互相間の悪さをフォーカスの効果で多少補うことが可能となる。よって、画質を優先するか、撮像速度を優先するかによって、使用者が切り替えるという形態で使用が可能となる。
【００４９】
【表１】
0003967882.tif 000006
本実施例の目的を実現するための装置構成としては、図１４のようになる。
【００５０】
以上の各実施例で説明したように、本発明の超音波診断装置では、複数の振動子が２次元に配列される探触子から、生体に対して同時に複数の超音波ビームの送受波を行なう。各超音波ビームの送受波を行なう送受波口径の複数が送受波口径選択回路により選択される。各超音波ビームに対応して、送受波信号処理回路が設けられ、各送受波口径の振動子による超音波ビームの送受波の信号が処理される。画像処理部（信号処理器）で、各送受波信号処理回路の出力に種々の演算処理が施され、多数の２次元断層データから所望の視点から観察される３次元画像が生成される。３次元画像はほぼリアルタイムで表示装置に表示される。
【００５１】
生体に対して同時に複数の超音波ビームの各超音波ビームに対応して設けられる送受波信号処理回路は、Ｔ／Ｒスイッチ１１、パルサ（ドライバ）１２、送波収束遅延制御部１３、送波符号メモリ（１４ａ又は１４ｂ）、プリアンプ、ＴＧＣ（タイムゲインコントロール）アンプ、及びＡ／Ｄ変換器（１５）、受波収束遅延制御部１９、加算器（整相加算器）１８、符号復調メモリ（１７ａ又は１７ｂ）復調器１６から構成される。
【００５２】
本発明で使用される探触子では、例えば、超音波振動子が、短軸方向に６４個、長軸方向に１２８個配列されている。超音波ビームの焦点は、１つの断層面内で、深さ方向、及び方位方向でそれぞれ走査される。
【００５３】
本発明では、長軸方向に複数、例えば、２、４、６個の送受波口径が形成され、各送受波口径で相互に独立して超音波ビームの送受波が行なわれ、複数の断層面に関する断層像が得られる。各送受波口径で行なう超音波ビームの深さ方向、及び方位方向での走査（送受波）の制御により、長軸方向で相互にほぼ平行な異なる複数の断層面（例えば、６４断層面）での断層像を得ることができる。各断層像は３０ｍｓで得られる。
【００５４】
この結果、複数の断層像により生体の３次元の撮像領域に関する３次元断層像データが得られる。所定の視点が予め設定され、３次元断層像データに対してレンダリング処理、陰影処理等の３次元表示のための演算処理がなされ、複数の断層像が撮像された後ほぼリアルタイムで、もしくは撮像面を逐次更新しながら、視点から観察される３次元画像が表示装置に表示される。
【００５５】
先述のように、１本の超音波ビームの電子走査による撮像領域の撮像では、撮像速度は０．５画像／秒が限界である。しかし、以上説明した各実施例では、符号長Ｍ＝２８の拡張Ｂａｒｋｅｒ符号の４通の符号のうちの２通りの符号（Ａ−ｃｏｄｅ、Ｂ−ｃｏｄｅ）により符号化した２本の超音波ビームを同時に送受波して撮像領域を電子走査する（２−超音波ビーム走査）。
【００５６】
２本の超音波ビームの各超音波ビームに対応して独立に動作する２つの送受波信号処理回路が設けられ、各超音波ビームは、撮像領域の１／２をそれぞれ独立して電子走査するので、各超音波ビームの走査範囲は１／２となり撮像速度が２倍になる。即ち、１画像／秒の撮像速度が実現できる。
【００５７】
また、符号長Ｍ＝２８の拡張Ｂａｒｋｅｒ符号の４通の符号により符号化した４本の超音波ビームを同時に送受波して撮像領域を電子走査することも可能である（４−超音波ビーム走査）。４本の超音波ビームの各超音波ビームに対応して独立に動作する４つの送受波信号処理回路が設けられ、各超音波ビームは、撮像領域の１／４をそれぞれ独立して電子走査するので、各超音波ビームの走査範囲は１／４となり撮像速度は４倍にできる。即ち、２画像／秒の撮像速度が実現できる。
【００５８】
更に、符号長Ｍ＝２５の拡張Ｂａｒｋｅｒ符号の２通りの符号、及び符号長Ｍ＝２８の拡張Ｂａｒｋｅｒ符号の４通の符号の合計６通りを用いて２−、４−超音波ビーム走査を組み合わせることもできる（６−超音波ビーム走査）。この場合、１つの超音波ビーム走査しか行わない装置に比べて撮像速度は６倍になり、３画像／秒の撮像速度が実現される。６−超音波ビーム走査の装置構成においては、６つの超音波ビームに対応する送受波信号処理回路を設けて、これら６つの送受波信号処理回路から異なる数の送受波送信処理を選択する制御回路を設け、撮像速度を選択できる構成としても良い。例えば、６つの送受波送信処理回路から、１つの回路のみを選択すれば、撮像速度は０．５画像／秒となり、６つの回路を全て選択すれば撮像速度は、３画像／秒となる。すなわち、本発明により撮像モードが選択可能な装置が実現できることになる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓ／Ｎを大きく劣化させず撮像速度を向上させ、ほぼリアルタイムの３次元撮像が可能な超音波診断装置が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の超音波診断装置の構成例を説明する図。
【図２】本発明に於ける複数超音ビームの符号化送受波による３次元撮像の概念を説明する図。
【図３】本発明に於ける超音波ビーム送信時の波面の様子の模式図。
【図４】本発明の実施例１で得られた各符号長に対するＴＳＬの計算値を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例１に於ける拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と不整合フィルタのコンボリューション結果を示すグラフ。
【図６】本発明の実施例１に於ける拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と他の符号に対する不整合フィルタのコンボリューション結果を示すグラフ。
【図７】本発明における、符号化間隔と送信信号の周期の関係の説明図。
【図８】本発明における、タイムサイドローブと符号化間隔対送信周期の関係を示すグラフ。
【図９】本発明の実施例２の超音波診断装置の構成例を示す図。
【図１０】本発明の実施例２の複数超音ビームの符号化送受波による３次元撮像の概念を説明する図。
【図１１】本発明の実施例３の超音波診断装置の構成例を示す図。
【図１２】本発明の実施例３に於ける拡張Ｂａｒｋｅｒ符号と重み付け不整合フィルタのコンボリューション結果を示すグラフ。
【図１３】本発明の実施例５の４本ビーム超音波送受信の様子を模式的に説明する図。
【図１４】本発明の実施例５の超音波診断装置の構成例を説明する図。
【符号の説明】
１…送受波口径−Ａ、２…送受波口径−Ｂ、３…超音波ビームフォーマ、１０…振動子列、１１…Ｔ／Ｒスイッチ、１２…パルサ、１３…送波収束遅延制御部、１４ａ…送波符号Ａメモリ、１４ｂ…送波符号Ｂメモリ、１５…プリアンプ、ＴＧＣアンプ、及びＡ／Ｄ変換器、１６…復調器、１７ａ…符号Ａ復調フィルタ係数メモリ、１７ｂ…符号Ｂ復調フィルタ係数メモリ、１８…加算器、１９…受波収束遅延制御部、２０…信号処理器、２１…スキャンコンバータ、２２…表示装置、３０…送信信号形成部、１０１…口径一つあたりのビームフォーマと符号化送受信部、１０２…送受信ビーム本数制御部、１０３…ビーム本数選択入力部。
【図１】
0003967882.tif 000007
【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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