(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に送信され該被検体内で反射して戻ってきた超音波を、所定の配列方向に配列された複数の超音波振動子のうちの、設定された開口内の複数の超音波振動子で受信して受信信号を得る過程を、該開口を前記配列方向に順次移動しながら複数回繰り返し、該過程を複数回繰り返す間に得られた受信信号に基づいて前記被検体内の画像をあらわす画像信号を得、該画像信号に基づく画像を表示する超音波診断装置において、
設定された開口内に達した超音波を、該開口内の複数の超音波振動子で受信して受信信号を得る受信部と、
該受信部で得られた受信信号を、前記開口内の複数の超音波振動子の配列順位を変数とする複数種類の重み付け関数それぞれで重み付け処理を行なう重み付け処理部と、
該重み付け処理部における重み付け処理により得られた複数のビームプロファイルを表わす複数の重み付け受信信号に基づいて、前記被検体内の超音波反射源の方向もしくは位置を求める演算を含む演算を行なうとともに、前記過程を繰り返す間に得られた演算結果に基づいて、前記被検体内の画像をあらわす画像信号を生成する演算部と、
該演算部で得られた画像信号に基づく画像を表示する画像表示部とを備えた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、超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、主に人体を被検体とし、その被検体内部に超音波を送信して被検体内の種々の組織表面等で反射した超音波を受信する過程を、順次繰り返しながら被検体内を超音波で走査し、その走査の過程で得られた受信信号に基づいて被検体内の画像を表示し、これにより内臓の疾患等の病気の診断を補助する装置である。
【０００３】
図１４は、超音波診断装置を用いて、被検体内のある一点にターゲット（超音波反射体）が存在する場合の、そのターゲットの像を得る様子を示す模式図である。
【０００４】
この超音波診断装置には、図１４（ａ）に示すように、所定の方向（図１４の左右方向）に配列された多数の超音波振動子１が備えられおり、これらの超音波振動子１が被検体の体表にあてがわれ、ある１回の超音波送受信のタイミングでは、そのタイミングの超音波送受信のために設定されたある開口２に含まれる複数の超音波振動子を電気パルスで励振することにより、被検体内に向けて超音波パルスが送信される。この超音波送信に際し、開口２に含まれる複数の超音波振動子それぞれを励振するタイミングを調整しさらにそれら複数の超音波振動子それぞれを励振する励振強度を、開口２に含まれる超音波振動子の配列の位置（配列順位）を変数とする所定の重み付け関数３に従って調整することにより、被検体内に、指向性を持った超音波ビーム４が形成される。
【０００５】
被検体内で反射して戻ってきた超音波は、開口２を構成する複数の超音波振動子それぞれで受信され、それらの受信信号それぞれが重み付け関数３に従ってそれぞれ増幅されるとともに、被検体内に延びる超音波ビーム４に沿う方向の超音波反射信号が強調されるように（これを、ここでは受信ビームを形成する、と称する。これに対し、被検体内に送信された超音波ビームを送信ビームと称する。）、相対的に遅延されるとともに互いに加算される。ここでは相対的に遅延して互いに加算する処理を整相加算と称する。尚、この整相加算は広く知られた技術であるため、詳細説明は省略する。
【０００６】
このような超音波送受信の過程を、超音波振動子１の配列方向に開口２を順次移動させながら繰り返す。開口２を順次移動させながら超音波の送受信を繰り返す過程を走査と称する。
【０００７】
尚、ここでは、簡単のため送信開口と受信開口、送信の重み付け関数と受信の重み付け関数、送信ビームと受信ビームを特に区別せずに説明したが、それらは、送信側と受信側とで異なっていてもよく、送信側と受信側とでそれぞれ適切に設定される。
【０００８】
上記の走査の過程において得られた、複数本の受信ビームを表す信号の強度を輝度として表示することにより、被検体内の画像を得ることができる。
【０００９】
ここでは、被検体内に唯一のターゲットが存在する場合について考察しており、超音波ビーム４（ここでは送信ビームと受信ビームとの双方）が指向性を有することから、走査の過程で設定される各開口についての受信信号の強度は、図１４（ｂ）に示すような各値を示す。ここではそれらの信号強度分布をビームプロファイルと称する。
【００１０】
図１４（ｃ）は、このような信号強度分布を持つ受信信号を輝度であらわした画像（ターゲット像）である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のターゲット像の寸法が小さいほど超音波診断装置の分解能が良好であることになるが、通常、このターゲット像の寸法は、ターゲット５自体の寸法と比べかなり大きく広がっている。
【００１２】
従来、このターゲット像の寸法を決定づける受信信号の強度分布（ビームプロファイル）は、開口２の寸法と、重み付け関数３と、送受信される超音波の波長λとで決まってしまい、従来これらの要素を最適に設定するよう工夫がなされてきたもの、それ以上の分解能の改善には限界があった。
【００１３】
また、従来、ターゲット５の位置を求める場合、被検体を走査して受信信号強度のピーク位置を求めることによって始めて、そのターゲット５の、超音波振動子１の配列方向の位置を求めることが可能であり、例えば図１４（ａ）に示す開口２のようにターゲット５から偏倚した超音波ビーム４によっては、そのターゲット５からの反射超音波によって仮に十分な信号強度の受信信号が得られたとしても、その１回の超音波送受信によってはターゲット５の変位もしくは方向（角度）を求めることは不可能であった。
【００１４】
さらに、上記のターゲットの位置の検出に関し、走査の際に順次設定される開口の間隔が粗く、例えば図１４（ａ）の左右方向について飛び飛びにしか開口が設定されないと、真のピーク位置を検出することができず、ターゲットの位置の検出精度が低下する結果となる。一方、ターゲットの十分な位置検出精度を得るために開口を細かく設定すると、超音波送受信を、その細かく設定された開口の数に対応した回数だけ多数回行なう必要があり、被検体を一回走査するのに長時間を要し、フレームレートが低下するという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑み、ターゲットの方向や位置を走査することなく検出し、あるいは従来よりも空間分解能を向上させることのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の超音波診断装置の原理説明図である。
【００１７】
本発明の超音波診断装置は、被検体内に送信されその被検体内で反射して戻ってきた超音波を、所定の配列方向に配列された複数の超音波振動子のうちの、設定された開口内の複数の超音波振動子で受信して受信信号を得る過程を、その開口を上記配列方向に順次移動しながら複数回繰り返し、その過程を複数回繰り返す間に得られた受信信号に基づいて被検体内の画像をあらわす画像信号を得、その画像信号に基づく画像を表示する超音波診断装置において、
設定された開口ａに達した超音波を、その開口内の複数の超音波振動子１で受信して受信信号を得る受信部１１と、
受信部１１で得られた受信信号を、開口内の複数の超音波振動子１の配列順位を変数とする複数種類の重み付け関数それぞれで重み付け処理を行なう重み付け処理部２１と、
重み付け処理部２１における重み付け処理により得られた複数のビームプロファイルを表わす複数の重み付け受信信号に基づいて、開口ａからみた、被検体内の超音波反射源の方向もしくは位置を求める演算を含む演算を行なうとともに、上記過程を繰り返す間に得られた演算結果に基づいて、被検体内の画像をあらわす画像信号を生成する演算部３１と、
演算部３１で得られた画像信号に基づく画像を表示する画像表示部４１とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の超音波診断装置には、上記のように、受信部１１、重み付け処理部２１、演算部３１、および画像表示部４１が備えられている。
【００１９】
受信部１１は、所定の開口ａに達した超音波をその開口内部の位置の情報を伴って受信する部分である。超音波の受信にあたっては、複数の超音波振動子１の配列順位によりその開口内の位置の情報を得ることができる。
【００２０】
また、重み付け処理部２１は、受信部１１で得られた受信信号を、開口ａ内の位置を変数とする複数種類の重み付け関数それぞれで重み付け処理を行なう部分である。
【００２１】
これら複数種類の重み付け関数は、特定の重み付け関数に限定されるものではないが、全くランダムに選択された複数種類の重み付け関数であってよい訳でもない。重み付け処理部２１では、以下において説明する演算部３１で超音波の伝播方向、ないしその超音波を反射したターゲット（超音波反射体）の位置を求めることができる関係にある複数の重み付け関数それぞれで重み付け処理を行なう。
【００２２】
また、図１の演算部３１は、重み付け処理部２１における重み付け処理により得られた複数の重み付け受信信号に基づいて、上記開口に達した超音波の伝播方向、もしくは超音波を反射したターゲット（超音波反射体）の位置を求める演算を含む演算を行なう部分である。
【００２３】
画像表示部４１では、演算部３１で生成された画像信号に基づく画像が表示される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
ここでは、先ず、一回の超音波送受信のみで超音波ビームの方向に対するターゲット（超音波反射体）の変位ないし方向（角度）（図１４参照）を検出する方法について説明する。
【００２６】
図２は、重み付け関数の一例を示す図、図３は、図２に示す重み付け関数を用いたときのビームプロファイルを示す図である。
【００２７】
ここでは、図２に示すように受信開口の中央からみて左右対象の矩形関数を考える。
【００２８】
超音波の開口の重み付け関数と、その重み付け関数に従って重み付けを行ない、さらに整相加算を行なうことによって得られる受信ビームのビームプロファイルは、互いにフーリエ変換対の関係にある。したがって図２に示す矩形関数を重み付け関数として用いたときのビームプロファイルは下記（１）式で示されるｓｉｎｃ関数Ｃ（θ）であらわされ、その関数形状は図３のようにあらわされる。
【００２９】
【数１】
0003763924.tif 000002
【００３０】
θ；受信ビームの延びる方向に対するターゲットの方位
Ａ；ターゲットでの超音波反射強度
ａ；開口幅
λ；超音波の波長                            ……（１）
図４は、重み付け関数のもう１つの例を示す図、図５は、図４に示す重み付け関数を用いたときの受信ビームのビームプロファイルを示す図である。
【００３１】
ここでは、図４に示す、開口の中央を境に左右で符号が異なる矩形関数を考える。この図４に示す関数を重み付け関数として用いたときのビームプロファイルは、下記（２）式で示される関数Ｓ（θ）で表され、その関数形状は図５のようにあらわされる。
【００３２】
【数２】
0003763924.tif 000003
【００３３】
一回の超音波送受信で得られた受信信号を、図２に示す重み付け関数と図４に示す重み付け関数で別々に重み付け処理を行ない、その結果得られた、（１）式，（２）式であらわされる２つの重み付け受信信号の比をとると、下記（３），（４）式に示すように、ターゲットの反射強度Ａには依存せず受信ビームの方向に対するターゲットの方位θだけに依存する値φ（θ）を得ることができる。
【００３４】
【数３】
0003763924.tif 000004
【００３５】
このように、例えば図２に示す形状の重み付け関数と図４に示す形状の重み付け関数を別々に用いて受信信号を重み付けし、それらにより得られた２つの重み付け受信信号どうしの比を求めることによって、受信ビームに対するターゲットの方位、すなわち、本発明にいう波動の伝播方向を求めることができる。
【００３６】
次に、開口幅ａと、超音波の波長λと、１つの重み付け関数とで決まるビームプロファイルにより規定される分解能よりも高い分解能を得る方法について説明する。
【００３７】
図６は、高い分解能を得る方法の説明図である。
【００３８】
（１）式を変形すると、
【００３９】
【数４】
0003763924.tif 000005
【００４０】
となる。この（５）式に、図２に示す重み付け関数で重み付け処理をして得られた重み付け受信信号の振幅Ｃと、（１）式と（２）式との比を求めることにより得られたターゲットの方位θをあらわす関数φ（θ）を代入すると、ターゲットの反射強度Ａを求めることができる。このようにして、（４）式によるターゲットの方位θと、（５）式によるターゲットの反射強度Ａとの双方を求めることができる。
【００４１】
そこで、これらターゲットの方位θと反射強度Ａを、ビームプロファイルをあらわす関数（ここでは、（１）式のｓｉｎｃ関数Ｃ（θ））よりも細いビームプロファイルを達成する関数ｇ（θ，Ａ）に代入することにより、図２に示す一様な重み付け関数を用いて重み付け処理することにより得られるビームプロファイルＣ（θ）よりも径の細いビームプロファイルｇ（θ，Ａ）で受信したときの受信信号と等価な信号を得ることができる。
【００４２】
例えば、関数ｇ（θ，Ａ）として、下記（６）式に示す関数を採用すると、（１）式に示すビームプロファイルＣ（θ）の半分の径のビームプロファイルを得ることができ、換言すると２倍の分解能を得ることができる。
【００４３】
【数５】
0003763924.tif 000006
【００４４】
超音波診断装置では、従来より、超音波の送信タイミングから受信タイミングまでの時間間隔により、ターゲットの、開口からの距離を知ることができ、また、本実施形態によれば１回の超音波送受信によってターゲットの方位を知ることができ、したがって十分な振幅の受信信号が得られる限りにおいてターゲットの方位のみでなく、被検体内のターゲットの位置を同定することができる。したがって超音波ビームを実際に送受信することにより得られた受信信号に基づいて、演算処理により、その超音波ビームを実際に送受信した開口とは少しずれた開口、例えば隣接する２つの開口の中間に位置する開口で超音波ビームを送受信したときの受信信号に相当する補間信号を得ることも可能である。このような補間信号を生成することにより、分解能を犠牲にすることなく、走査に要する時間を短縮してフレームレートを向上させることができる。
【００４５】
以下、各種の重み付け関数対について例示する。
【００４６】
図７は、重み付け関数対の第１例を示す図である。
【００４７】
図７は、図２〜図５を参照して説明したときの重み付け関数対であり、図７（ａ）は、開口の中央を境に左右対称な矩形の偶関数の重み付け関数であり、、図７（ｂ）は、左右で符号を反転させた奇関数の重み付け関数であり、それぞれで得られた受信信号の比を取ることによって、ビーム方向に対するターゲットの方位に依存する値を得ることができる。
【００４８】
尚、ビームを形成する開口に２つの重み付け関数を与えるについては、２つの重み付け関数を送信開口に与えても受信開口に与えても基本的には同じ効果を得ることができるが、送信開口に与えた場合は二回の超音波の送信が必要であるのに対し、受信開口に与えると一回の超音波の送信で済むという長所がある。また送信側では高電圧を取り扱うため送信開口に与えるのは受信開口に与えるよりも技術的にかなり大変であり、さらに送信開口に与えると、被検体内で超音波が乱されるためその効果が減殺される結果となる。したがってフレームレートを向上させる観点、技術上の観点、およびその効果の程度の観点のいずれからも受信開口に２つの重み付け関数を与える方が好ましい。
【００４９】
図８は、重み付け関数対の第２例を示す図である。
【００５０】
図８（ａ）は、開口の中央で最大となり開口の両端に向けて減少し開口の両端でゼロとなる三角形関数であり、図８（ｂ）は開口の中央を境に左右で符号の異なる矩形関数である。図８（ｂ）は、図８（ａ）を一階微分した形状になっている。
【００５１】
前述したように、超音波の開口の重み付け関数と、それによる遠距離（もしくは焦点付近）におけるビームプロファイル関数は、互いにフーリエ変換対となる関係にあることが知られている。そこで、図８（ａ）の重み付け関数をｆ（ｘ）とした場合、それによるビームプロファイル関数はｆ（ｘ）をフーリエ変換したＦ（ｗ）となる。ここでｗは、ターゲットのビーム方向に対する変位である。  また、関数ｆ（ｘ）を一階微分した関数ｆ’（ｘ）のフーリエ変換はｊｗ・Ｆ（ｗ）（ｊは、虚数単位）で与えられることが知られているため、図８（ｂ）のビームプロファイル関数はｊｗ・Ｆ（ｗ）で与えられる。したがって、図８（ｂ）による受信信号と図８（ａ）による受信信号の比を求めることにより、変位ｗを直接求めることができる。
【００５２】
図９は、重み付け関数対の第３例を示す図である。
【００５３】
図９（ａ）と図９（ｂ）の関係は、第２の例と同様に、図９（ｂ）は、図９（ａ）を一階微分した形状になっている。図９（ａ）の好適な関数として、ガウス関数、レイズドコサイン、オフセットレイズドコサイン等が挙げられる。
【００５４】
図１０は、重み付け関数対の第４例を示す図である。
【００５５】
図１０（ａ）と図１０（ｂ）の関係は、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）を二階微分した形状になっている。図１０（ｂ）のビームプロファイルは関数−ｗ2・Ｆ（ｗ）で与えられる。したがって、図１０（ｂ）による受信信号と図１０（ａ）による受信信号の比を求めることにより、ｗ2が求まりその平方根を求めることによって変位ｗを求めることができる。
【００５６】
図１１は、本発明の超音波診断装置の第１実施形態を示すブロック図である。この実施形態は開口幅と超音波の波長と重み付け関数とで決まるビームプロファイルによる分解能よりも高い分解能を得る具体的回路構成を示すものである。ここでは、図示および説明の簡単のため、この図１１、および後述する実施形態を示す各図には、配列された多数の超音波振動子のうち、１つの開口を構成する超音波振動子のみが示されている。
【００５７】
図示しない超音波送信回路により超音波振動子１０１から被検体内に向けて超音波が送信され、被検体内で反射した超音波はこれらの超音波振動子１０１で受信される。超音波振動子１０１で得られた超音波信号は、２系統に分けられ、それぞれ各重み付け回路１０２＿１，１０２＿２において、重み付け関数対を構成する各重み付け関数に従って振幅調整される。振幅調整された受信信号は、各ビームフォーマ１０３＿１，１０３＿２によりそれぞれ超音波信号の整相加算が行なわれ、その後、各検波回路１０４＿１，１０４＿２においてそれぞれ包絡線検波されることにより、走査線信号Ｃと走査線信号Ｓを得る。これらの走査線信号対はターゲットの変位および反射強度を検出する変位・強度検出回路１０５において変位ｗと反射強度Ａが求められ、ビームプロファイル変換回路１０６により径の細いビームプロファイル関数に従う新たな走査線信号を得る。この新たな走査線信号はＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｃａｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０７に入力され走査線間の補間が行なわれてＣＲＴ１０８で表示される。
【００５８】
図１２は、本発明の超音波診断装置の第２実施形態を示すブロック図である。図１１に示す第１実施形態との相違点について説明する。
【００５９】
この図１２に示す実施形態では、変位・強度検出回路１０５の前段側にＤＳＣ１０７＿１，１０７＿２が配置され、それらのＤＳＣ１０７＿１，１０７＿２によりそれぞれ走査線補間が行なわれた後の信号に基いてターゲットの変位および反射強度が検出される。
【００６０】
この実施形態は、図７に重み付け関数対を使用する時に好適な回路構成を示すものである。
【００６１】
図１３は、本発明の超音波診断装置の第３実施形態の部分ブロック図である。
【００６２】
配列された超音波振動子１０１のうち、上半分に配列された超音波振動子で得られた超音波信号はビームフォーマ１０３ａに入力されて整相加算され、下半分に配列された超音波振動子で得られた超音波信号はビームフォーマ１０３ｂに入力されて整相加算される。
【００６３】
ビームフォーマ１０３ａで整相加算された後の受信信号は信号反転回路１０９により反転された後加算器１１０＿１に入力される。また、このビームフォーマ１０３ａで整相加算された後の受信信号は、そのままもう１つの加算器１１０＿２に入力される。さらに、もう１つのビームフォーマ１０３ｂで整相加算された後の受信信号は、そのまま、２つの加算器１１０＿１，１１０＿２にそれぞれ入力される。２つの加算器１１０＿１，１１０＿２では、それぞれに入力された各２つの受信信号が加算され、それぞれ各検波回路１０４＿１，１０４＿２に入力される。その後の処理は、図１１もしくは図１２に示す実施形態の場合と同様である。
【００６４】
ここで、図１３に示す２つのビームフォーマ１０３ａ，１０３ｂは、配列された超音波振動子１０１の上半分、下半分に対応しており、したがって回路規模としては、それら双方のビームフォーマ１０３ａ，１０３ｂを合わせたものが、図１１もしくは図１２に示す２系統のビームフォーマ１０３＿１，１０３＿２のうちの１つ分に相当する。
【００６５】
したがってこの実施形態の場合、ビームフォーマを２系統分用意する必要がなく、図１１ないし図１２に示す実施形態と比べ大幅なコストダウンが実現できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来できなかった、任意の位置における所定開口による一回の受信でターゲット（超音波反射体）の方位ないし変位を検出することができ、更に、従来よりも、高い分解能を得たり、実際に受信していない開口に対応する受信信号に相当する信号を演算処理により生成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波診断装置の原理説明図である。
【図２】重み付け関数の一例を示す図である。
【図３】図２に示す重み付け関数を用いたときのビームプロファイルを示す図である。
【図４】重み付け関数のもう１つの例を示す図である。
【図５】図４に示す重み付け関数を用いたときの受信ビームのビームプロファイルを示す図である。
【図６】高い分解能を得る方法の説明図である。
【図７】重み付け関数対の第１例を示す図である。
【図８】重み付け関数対の第２例を示す図である。
【図９】重み付け関数対の第３例を示す図である。
【図１０】重み付け関数対の第４例を示す図である。
【図１１】本発明の超音波診断装置の第１実施形態を示すブロック図である。
【図１２】本発明の超音波診断装置の第２実施形態を示すブロック図である。
【図１３】本発明の超音波診断装置の第３実施形態の部分ブロック図である。
【図１４】超音波診断装置を用いて、被検体内のある一点にターゲット（超音波反射体）が存在する場合のそのターゲットの像を得る様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１    超音波振動子
１１  受信部
２１  重み付け処理部
３１  演算部
４１  画像表示部
１０１  超音波振動子
１０２＿１，１０２＿２  重み付け回路
１０３＿１，１０３＿２，１０３ａ，１０３ｂ  ビームフォーマ
１０４＿１，１０４＿２  検波回路
１０５  変位・強度検出回路
１０６  ビームプロファイル変換回路
１０７，１０７＿１，１０７＿２  ＤＳＣ
１０８  ＣＲＴ
１０９  信号反転回路
１１０＿１，１１０＿２  加算器
【図１】
0003763924.tif 000007
【図２】
0003763924.tif 000008
【図３】
0003763924.tif 000009
【図４】
0003763924.tif 000010
【図５】
0003763924.tif 000011
【図６】
0003763924.tif 000012
【図７】
0003763924.tif 000013
【図８】
0003763924.tif 000014
【図９】
0003763924.tif 000015
【図１０】
0003763924.tif 000016
【図１１】
0003763924.tif 000017
【図１２】
0003763924.tif 000018
【図１３】
0003763924.tif 000019
【図１４】
0003763924.tif 000020