(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパターンで二次元配設された複数の送信素子及び複数の受信素子を有する送受波器と、
前記複数の送信素子に対する送信信号の供給を制御する手段であって、扁平断面を有する太い送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、
前記複数の受信素子からの受信信号に対して整相加算処理を実行する手段であって、前記送信ビームと重なり合う関係をもって前記扁平断面の長軸方向に並んだ複数の細い受信ビームからなる受信ビームアレイを形成する受信ビームアレイ形成手段と、
を含み、
前記送受波器の送受波面上で、前記送信ビームの扁平断面の長軸方向と直交する方向に伸張した送信素子エリア内に複数の送信素子が配置され、
前記送受波器の送受波面上で、前記送信素子エリアの中心から広がる受信素子エリア内に複数の受信素子が配置された、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記受信ビームアレイ形成手段は、各受信ビームごとに設けられた複数の整相加算部を有す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、
前記送信ビーム形成手段は送信ビームを二次元走査し、
前記受信ビームアレイ形成手段は各送信ビームごとに受信ビームアレイを形成し、
前記二次元走査に伴って取得される複数の受信信号に基づいて三次元画像を形成する画像処理手段が設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記送信ビーム形成手段は前記扁平断面の長軸方向に対して並行に送信ビームをラスター走査することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記送信エリア内において前記複数の送信素子が分散配置され、
前記受信エリア内において前記複数の受信素子が分散配置された、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項５記載の装置において、
前記複数の送信素子及び前記複数の受信素子は、それぞれ、線対称性を有しないパターンで分散配置された、ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、
前記送信素子エリア内と前記受信素子エリアの重複領域に送信素子及び受信素子が密集配置されたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置において、
前記複数の送信素子及び前記複数の受信素子はそれぞれ送信専用及び受信専用の素子であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
複数の送信素子及び複数の受信素子が配置された送受波器であって、
当該送受波器は、扁平断面を有する太い送信ビームを形成し、且つ、前記送信ビームと重なり合う関係をもって前記送信ビームの扁平断面の長軸方向に並んだ複数の細い受信ビームからなる受信ビームアレイを形成する送受波器であり、
前記複数の送信素子は、原点を通過する所定軸に沿って伸長した送信素子エリア内に分散配置され、前記所定軸は前記送信ビームの偏平断面の長軸方向と直交する方向であり、
前記複数の受信素子は、前記原点から広がる受信素子エリア内に分散配置されたことを特徴とする送受波器。
【請求項１０】
請求項９記載の送受波器において、
前記複数の送信素子及び前記複数の受信素子は線対称性を有しないパターンで配置されたことを特徴とする送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置及び送受波器に関し、特に三次元画像形成のための送受信ビームの二次元走査に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体の三次元超音波画像を形成するためには、三次元空間内でエコーデータを取り込む必要がある。そのため、電子走査型の１次元アレイ振動子を機械的に走査させる三次元エコーデータ取込用超音波探触子が実用化されている。しかし、かかる超音波探触子の場合、機械的な走査機構を内部に収容する必要があることから、探触子形状が大型化するという問題がある。
【０００３】
また、二次元アレイ振動子を利用しても三次元エコーデータを取込み可能である。二次元アレイ振動子は、多数の振動素子を平面上又は曲面上に二次元配列してなるものであり、一般に、各振動素子が送受信兼用の素子として機能する。
【０００４】
しかしながら、二次元アレイ振動子は、極めて多数の振動素子で構成されることから、構造が複雑で製造コストも多大となる。また、信号線の本数及び送受信回路の規模も著しく増大する。このため、その実現に当たって課題も多い。
【０００５】
そのため、スパース型アレイ振動子が提案されている。このアレイ振動子について簡単に説明すれば、当該アレイ振動子は、通常の二次元アレイ振動子から、所定の条件に従って多数の振動素子を間引いたものに相当する。このスパース型アレイ振動子によれば、二次元アレイ振動子の機能を残しつつ、振動素子の個数を著しく低減して上記の各問題を軽減できるので、今後、その技術発展が期待されている。
【０００６】
ところで、スパース型アレイ振動子あるいは通常の二次元アレイ振動子において、三次元空間の各方位ごとに、１つの送信ビームに対して１つの受信ビームの形成を行っていくと、すべてのエコーデータを取り込むまでに多数の送受信が必要となる。そこで、１つの送信ビーム当たり複数の受信ビームを形成することが考えられる。
【０００７】
図７には、送受波器１１０と、それにより形成される１つの送信ビーム１１４及び複数の受信ビーム１１２と、が概念的に示されている。符号１１３はビーム中心軸を示しており、送信ビーム１１４はそれを中心として横断面が円形に広がる形態を有する。なお、図７においては便宜上、その送信ビームの断面が矩形に示されている。
【０００８】
送受波器１１０は複数の超音波素子を二次元配列してなるものである。１本の太い送信ビーム１１４当たり例えば４×４（＝１６）個の細い受信ビーム１１２からなる受信ビームアレイ１５０が形成され、すなわち、１回の送信当たり例えば１６個の受信信号を得られる。受信ビームアレイ１５０は送信ビーム１１４と重なり合う関係にある。
【０００９】
図８に示すように、ｘ方向及びｙ方向に沿って、送信ビームを形成しながら、その都度、受信ビームアレイを形成すれば、送受信回数を制限しつつも、三次元取込空間の全体にわたって三次元エコーデータを取り込むことが可能である。なお、符号２００はビーム走査が行われる仮想平面を示しており、ｚはその中心を通過する垂直軸を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単純に太い送信ビームを形成すると、その分だけ超音波エネルギーは拡散してしまう。すなわち、方位軸の方向から見て単位面積当たりの超音波エネルギーが弱くなってしまい、画質劣化の要因となるという問題がある。
【００１１】
また、同じ超音波探触子（送受波器）を利用しつつ、三次元空間内における所望断面のＢモード画像だけを形成する場合、上記の送受信方式では無駄が多いという問題がある。つまり、その場合には、例えば４×４個の受信ビームの内で、ｘ方向又はｙ方向に沿った１つの受信ビーム列しか利用しないことになるので、送信効率及び受信効率が悪くなるという問題がある。また、既存の超音波診断装置（特にデジタルスキャンコンバータ）では、超音波ビームを一次元方向に走査して得られる一次元受信信号アレイに適合した処理を行っており、そのままの処理方式に上記二次元受信信号アレイを適合させるのは困難であるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波診断装置において、送受信回数の低減を図りつつも精度の良い計測を実現することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、三次元画像処理及び断層画像処理の両者に適合する効率的な送受波方式を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、所定のパターンで配設された複数の送信素子及び複数の受信素子を有する送受波器と、前記複数の送信素子に対する送信信号の供給を制御する手段であって、扁平断面を有する太い送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、前記複数の受信素子からの受信信号に対して整相加算処理を実行する手段であって、前記送信ビームと重なり合う関係をもって前記扁平断面の長軸方向に並んだ複数の細い受信ビームからなる受信ビームアレイを形成する受信ビーム形成手段と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、扁平断面を有する太い送信ビームが形成され、また、その送信ビームと重なり合う関係をもってその扁平断面の長軸方向に並んだ複数の受信ビームが形成される。望ましくは、複数の受信ビームは１次元の受信ビーム列を構成する。
【００１６】
本発明によれば、１回の送信当たり複数の受信信号を得られるのでトータルの送受信回数を削減でき、しかも送信ビームが扁平断面を有するので、単に円形断面の太いビームを形成する場合に比べて、超音波エネルギーの集中を図ることができる。すなわち、送受信時間の削減と画質向上の双方の利点を得られる。
【００１７】
特に、長軸方向に並んだ受信信号アレイを取得可能であるので、例えば上述のような電子走査と機械走査とを組み合わせた三次元エコーデータ取込用探触子を使用した場合に得られる受信信号群の配列と同じ配列で受信信号群を取得でき、このため、従来の各種の画像処理方式をそのまま適用でき、あるいはその方式に変更が必要であってもその変更内容を最小限にとどめることができる。
【００１８】
望ましくは、前記受信ビーム形成手段は、各受信ビームごとに設けられた複数の整相加算部を有する。この構成によれば並列して同時に取得される受信信号を並列処理可能である。
【００１９】
望ましくは、前記送信ビーム形成手段は送信ビームを二次元走査し、前記受信ビーム形成手段は各送信ビームごとに受信ビームの列を形成し、前記二次元走査に伴って取得される複数の受信信号に基づいて三次元画像を形成する画像処理手段が設けられる。三次元画像処理方法としては、各種の方法をあげることができるが、例えばボリュームレンダリング法に基づく画像処理法などであってもよい。この場合、超音波ビームに沿ってエコーデータに対して逐次の画像処理を行うようにしてもよい。
【００２０】
望ましくは、前記送信ビーム形成手段は前記扁平断面の長軸方向に対して並行に送信ビームをラスター走査する。この構成によれば、Ｂモード断層面を並行走査又は揺動走査した場合と同様の順番で受信信号を取得できる。
【００２１】
望ましくは、前記送受波器上で、前記扁平断面の長軸方向と直交する方向に伸張した送信素子エリア内に複数の送信素子が分散配置される。望ましくは、前記送受波器上で、前記送信素子エリアの中心から広がる受信素子エリア内に複数の受信素子が分散配置される。望ましくは、前記送信素子エリア内と前記受信素子エリアの重複領域には送信素子及び受信素子が密集配置される。望ましくは、前記複数の送信素子及び前記複数の受信素子はそれぞれ送信専用及び受信専用の素子である。
【００２２】
（２）上記目的を達成するために、本発明は、複数の送信素子及び複数の受信素子が配置された送受波器であって、前記複数の送信素子は、原点を通過する軸に沿って伸長した送信素子エリア内に分散配置され、前記複数の受信素子は、原点から広がる受信素子エリア内に分散配置されたことを特徴とする。
【００２３】
望ましくは、前記複数の送信素子及び前記複数の受信素子は線対称性を有しないパターンで配置される。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１には、本発明に係る送受波方式の概念が示されている。図１において、送受波器１０は、送受波面上に複数の送信素子及び複数の受信素子を配列してなるものである。ここで、送信素子及び受信素子の配置パターンについては後に図３及び図４を用いて説明する。
【００２５】
仮想平面２００は、超音波ビームの二次元走査を説明するための仮想的な平面であって、送受波器１０の送受波面と平行な面として描かれている。
【００２６】
本実施形態においては、送受波器１０によって、扁平した横断面を有する太い送信ビーム１２が形成される。また、その送信ビーム１２と重なり合う関係をもって、複数の細い受信ビーム１４が同時に形成される。ちなみに、各超音波ビームの形成はいわゆる電子フォーカス技術を利用して容易に実現でき、この場合、複数の受信ビームの同時形成に当たっては後述のように互いに並列的に設けられた複数の受信回路が利用される。
【００２７】
図１においては便宜上、送信ビーム１２がファンビーム形状をなしているが、本実施形態において、この送信ビーム１２の横断面は扁平した楕円形状を有しており、これについては後に図２を用いて説明する。
【００２８】
本実施形態においては、１つの送信ビーム１２に対して、それに包含される例えば８個の一次元受信ビームとしての受信ビームアレイ５０が形成され、図１において、ｘ方向に沿ってその受信ビームアレイ５０が形成されている。送信ビーム１２は受信ビームアレイ５０のアレイ方向すなわちｘ方向に電子的に走査され、仮想平面２００上における１つのｘ方向に沿った１つの走査ラインについての送受信が完了すると、送信ビーム１２の走査ラインがｙ方向に一段階シフトし、上記同様の送受信が実行され、これが繰り返される。すなわち仮想平面２００上において送信ビームがラスター走査される。
【００２９】
したがって、ｘ方向における送信ビーム１２の１スキャンにより、Ｂモード断層面を形成することができ、前述のラスター走査により、Ｂモード断層面をｙ方向に複数形成することが可能となる。すなわち三次元エコーデータ取込空間を形成することが可能となる。
【００３０】
図２には、送信ビーム及び受信ビームの横断面が概念図として示されている。図２（Ａ）には図７及び図８に示した比較例の送受波方式に従ったビーム断面が示されており、図２（Ｂ）には本実施形態の送受波方式に従ったビーム断面の概念が示されている。
【００３１】
比較例においては、（Ａ）に示すように、円形の太い送信ビーム断面１１２Ａが形成され、その内部に例えば４×４個の受信ビーム断面１１４Ａが設定されることになる。
【００３２】
その一方、本実施形態においては、一方方向に沿って扁平した細長い楕円形状の送信ビーム断面１２Ａが形成され、それに包含されつつ複数の受信ビーム断面１４Ａが設定される。
【００３３】
ちなみに、図２において、紙面垂直方向が送信ビーム１２の中心軸（Ｚ方向）に一致しており、ここにおいてＸ方向はアジマス方向であり、それは図１に示したｘ方向に一致している。また、Ｙ方向はエレベーション方向であり、そのＹ方向を仮想平面２００上に投影したものがｙ方向である。Ｘ方向及びＹ方向は送信ビームのビーム軸に直交する２つの軸を表している。
【００３４】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、１回の送信当たり複数の受信信号を獲得できるので、各方位ごとに１回ずつ送受信を行う場合に比べて送受信回数を著しく低減することが可能となる。また、比較例に示したように送信ビームを均等に広がらせるのではなく、１方向に沿って送信パワーを集中させることができるので、超音波エネルギーの分散に伴う感度劣化という問題にも対処可能である。しかも、最終的に得られる受信信号アレイは従来のＢモード断層面を構成する場合と同様の配列を有するため、既存の超音波診断装置において実行されている受信信号処理や画像処理などを基本的にそのまま適用可能であるという利点が得られる。
【００３５】
ところで、図１に示した送受波器１０は、複数の振動素子を二次元配列してなる超音波探触子によって構成される。ここで、送受波器１０を構成する振動素子の個数が多数であるため、その送受信処理はかなり煩雑なものとなる。そこで、本実施形態においては、上述したスパース型の送受波器１０が利用されており、その原理に従った送信素子及び受信素子の配置パターンが比較例の対比において図３に示されている。
【００３６】
図３（Ａ）において、比較例における送受波器１１０においてはその送受波面１２０上に送信素子エリア１２２及び受信素子エリア１２４が設定されている。送信素子エリア１２２は小さい半径をもった円形の領域であり、その内部には複数の送信素子が分散配置される。
【００３７】
受信素子エリア１２４は送信素子エリア１２２よりも大きな直径を有し、その内部には複数の受信素子が分散配置される。ちなみに、送信素子エリア１２２は受信素子エリア１２４の中心部分と重複している。このような送受信素子の配置パターンによって、図１に示したような送信ビーム１２及び複数の受信ビーム１４が形成される。
【００３８】
その一方、本実施形態においては、図３（Ｂ）に示したように、送受波器１０の送受波面２０上において、図示のような送信素子エリア２２及び受信素子エリア２４が設定されている。ここで、送信素子エリア２２は図２（Ｂ）との対比から理解されるように、扁平した送信ビーム断面の長軸と直交する短軸方向に沿って伸長しており、すなわち、送信ビーム断面の短軸方向が送信素子エリア２２の長軸方向に対応している。換言すれば、送信ビーム断面の長軸方向と送信素子エリア２２の短軸方向とが一致している。電子フォーカス技術によって超音波ビームの収束を図る場合、その収束を強める方向に広い開口を設定するのが望ましく、上述のような楕円形状の交差関係が設定されているのである。この送信素子エリア２２は本実施形態においてほぼ楕円形状に設定されているがそれよりも長方形形状に近づけることなど各種の形態変更が考え得る。
【００３９】
図３（Ｂ）に示す楕円形状の受信素子エリア２４は、図１に示した受信ビームアレイ５０のアレイ方向すなわちＸ方向に沿ってその長軸方向が設定されており、そのｘ方向と直交するｙ軸方向が短軸方向となっている。そのｙ軸方向上において、受信素子エリア２４の短軸方向の幅は送信素子エリア２２の長軸方向の長さよりも小さく設定されている。ちなみに、図示されるように、両エリア２２，２４の中点は一致している。
【００４０】
図４には、図２（Ｂ）に示した送受波器を具体的に実現した場合の素子配置例が示されており、図１において◯記号は送信素子を示しており、×記号は受信素子を示している。ここで、例えば送信素子及び受信素子はそれぞれ４８素子であり、この場合において各素子は圧電体で構成され、そのピッチは０．３５ｍｍである。図示されるように、図３（Ｂ）に示した送信素子エリア２２及び受信素子エリア２４の重複部分においては送信素子及び受信素子が密集しており、それ以外の領域においては受信素子あるいは送信素子が分離配置されている。
【００４１】
なお、本実施形態においては各振動素子はそれぞれ受信専用の素子及び送信専用の素子であるが、その一部を送受信兼用の素子としてもよい。
【００４２】
図４において、スパース方式の原理に従って、送信素子パターン及び受信素子パターンの両パターンとも水平軸及び垂直軸に対して非対称になっている。これは、対称性があるとサイドローブが強調されてしまうためである。
【００４３】
次に、図５を用いて、上述した送受信方式が適用される本実施形態に係る超音波診断装置について説明する。図５にはその全体構成がブロック図として示されている。送受波器１０は体表面あるいは体腔内に挿入される超音波探触子で構成されるものであり、その送受波器１０は、上述したように、送信素子群３０及び受信素子群３２で構成される。それぞれの素子は図４に示したように送受波面上において入り乱れているが図５においては便宜上両者が分けて示されている。
【００４４】
送信回路３４は送信素子群３０に対して送信信号を供給する回路であり、具体的には走査制御部３６の制御の下、送信回路３４から出力される各送信信号に対して所定の遅延時間を設定することにより、所望方向に所望の送信ビームパターンを形成可能である。ここで、送信ビーム１２は、図１に示したように、仮想平面２００上においてラスター走査される。
【００４５】
本実施形態においては、１回の送信当たり形成される受信ビームの本数分だけ複数の受信回路３８が並列的に設けられている。すなわち、受信素子群３２から出力され複数の受信信号からなる受信信号アレイはそれぞれ並列的に各受信回路３８に入力されており、それぞれの受信回路３８において、担当する受信ビームが形成されている。具体的には、各受信回路３８は受信信号の整相加算を行う回路で構成され、受信信号と同数設けられた増幅器及び遅延回路、並びに遅延後の受信信号を合成する加算器などによって構成される。もちろん、１つの受信回路を時分割方式で切り換えて利用することにより結果として複数の受信ビームを形成することも可能である。
【００４６】
セレクタ４０は各受信回路３８から出力される整相加算後の受信信号を選択して３Ｄメモリ４２に出力するための回路である。すなわち、３Ｄメモリ４２には、三次元データ取込空間内で取得された各エコーデータが格納されることになる。その格納イメージが図６に示されている。
【００４７】
図６において、３Ｄメモリ空間４２Ａは、複数の走査面２０２で構成され、各走査面２０２は複数の受信ビームアレイ５０によって構成される。受信ビームアレイ５０はｘ方向に沿って整列しており、そのｘ方向に送信ビームが走査されると、その送信ビームの本数分だけ受信ビームアレイ５０が形成される。これによって１つの走査面２０２が構成される。送信ビームの走査ラインがラスター走査に従ってｙ方向にシフトされると、それに伴って上記同様に走査面２０２が形成され、最終的に複数の走査面２０２が形成されると、立体空間内における全てのエコーデータの取り込みが完了する。
【００４８】
上述の説明から理解されるように、例えば送信ビームを１回のみｘ方向にスキャンさせれば、従来のＢモード断層面と同様の一つの走査面２０２を形成でき、そのままＢモード断層像などを形成・表示可能である。したがって、従来の信号処理方式をそのまま維持しつつさらにそれを三次元データ処理に拡張することなどが可能となる。そのような画像は図５に示す画像処理部４４によって実行されており、ここで、画像処理部４４はデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）や画像処理部によって構成されるものである。この画像処理部４４によって所望の断層画像や三次元画像などが形成される。その三次元画像処理にあたっては各種の方式を適用でき、ここにおいて例えば視点設定器４５によって設定される視点からみた三次元画像を構築することなどが可能である。その場合、ボリュームレンダリング法などに基づく画像処理を適用してもよい。このように形成された超音波画像は表示部４６に表示される。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超音波診断装置において、送受信回数の低減を図りつつも精度の良い計測を実現できる。また、本発明によれば、三次元画像処理及び断層画像処理の両者に適合する効率的な送受波方式を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る送受波方式の概念を示す概念図である。
【図２】  超音波ビーム断面を示す概念図である。
【図３】  送受波面上における送信素子エリア及び受信素子エリアを示す概念図である。
【図４】  本実施形態に係る送受波器における送信素子及び受信素子の配置パターンを示す図である。
【図５】  本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】  ３Ｄメモリにおけるデータ空間を示す概念図である。
【図７】  比較例における送受波方式を示す概念図である。
【図８】  比較例における送受波方式を示す概念図である。
【符号の説明】
１０  送受波器、１２  送信ビーム、１４  受信ビーム、５０  受信ビームアレイ、２００  仮想平面。
【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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