JP2012061141A - 被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より高い空間分解能を得るために適応型信号処理を用いる場合、その処理規模が膨大となる。
【解決手段】 本発明の被検体情報取得装置は、被検体内を伝播した弾性波を受信して受信信号に夫々変換する素子が複数配列された探触子と、素子毎に出力される受信信号を用いて、注目位置からの弾性波に対応する信号として第一の出力信号を算出する第一の信号処理手段と、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて、前記注目位置からの弾性波に対応する信号として第二の出力信号を算出する第二の信号処理手段と、前記第二の出力信号を用いて表示用の画像データを生成する画像処理部と、を備える。前記第一の信号処理手段と前記第二の信号処理手段のうち少なくとも一方は、適応型信号処理を用いて前記第一の出力信号又は前記第二の出力信号を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検体情報取得装置に関する。特に、弾性波を受信して、被検体情報を画像データとして取得する被検体情報取得装置に関する。

乳がん等を診断する装置として弾性波である超音波を送信して、被検体内部で反射した反射波を受信し、超音波エコー画像を取得する装置が知られている。特許文献１には、超音波を送受信する素子を１次元に配列した探触子を機械走査し、３次元画像データを生成する方法が開示されている。

一方、レーダーの分野などで発展してきた適応型信号処理がある。適応型信号処理の一つである拘束付電力最小化規範（ＣＭＰ：Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ）は、複数の素子で電波を受信した際に、ある方向に関する感度を固定した状態で信号電力を最小化するように処理する手法である。適応型信号処理では、注目する方向ごとにその処理パラメーターを適応的に変化させる。このような適応型信号処理は空間解像度、特に方位方向の解像度を向上させる効果がある。非特許文献１には、このような適応型信号処理を超音波エコー画像データを生成する際に用いて解像度を向上させた手法が記載されている。

ここで、超音波の受信信号に対して適応型信号処理を適用した場合の処理についてＣＭＰを例にして述べる。まず受信信号から相関マトリクスを算出するところまでを説明する。最初に、複数の素子から出力された受信信号に対してヒルベルト変換、注目位置に応じた整相遅延処理を実施する。このようにして算出されるのが、複素表現された受信信号である。ここでｋ番目の素子からの受信信号を処理して得られた信号のｓサンプル目をｘ_ｋ［ｓ］として、ｓサンプル目の入力ベクトルＸ［ｓ］を以下のように定義する。なお、ここでＭは素子数である。

この入力ベクトルＸ［ｓ］を用いて相関マトリクスＲｘｘを算出する。

式中の右肩のＨは複素共役転置を表し、右肩の＊は複素共役を表す。Ｅ［・］は時間平均を算出する処理であり、サンプルの番号（ここではｓ）を変化させ、その平均を算出することを意味する。

次に、注目位置以外から探触子に到達する相関性干渉波による影響を抑圧するために、相関マトリクスＲｘｘに対して空間平均法を適用し、平均相関マトリクスＲ’ｘｘを求める。

ここでＲ^ｎｘｘは相関マトリクスＲｘｘの中の部分行列を表しており、Ｒｘｘの対角成分上を移動し、Ｒｘｘの（ｎ、ｎ）成分をその１番目の対角成分とする位置にあるＫ×Ｋのサイズの行列である。Ｚｎはそれぞれの部分行列を加算する際の係数であり、Ｚｎの総和が１になるように調整される。

ＣＭＰではある拘束条件下で出力電力を最小化するための複素ウェイトを求める。複素ウェイトは、複素ベクトルで表現されるウェイト（重み）である。注目位置からの超音波の受信信号に対する感度を１に拘束した状態で、出力電力を最小化するための最適な複素ウェイトＷｏｐｔはＣＭＰにおいては以下の式で求められる。

Ｃは拘束ベクトルであり、素子の位置と注目位置に応じて変化するものである。ただし、受信信号に対して整相遅延処理を実施している場合は、平均相関マトリクスのサイズ（この場合はＫ）において、すべての値が１であるベクトルとして構わない。
また、複素ウェイトＷｏｐｔを用いて、算出された電力Ｐｍｉｎは以下のように求まる。

このように、ＣＭＰでは受信信号から相関マトリクス、さらには平均相関マトリクスを求め、その逆行列を用いて複素ウェイトや複素ウェイトを用いた場合の電力を算出できる。この複素ウェイトや複素ウェイトを用いた場合の電力は、注目位置からの超音波の信号に対して感度を１にし、それ以外の位置から到達する超音波の信号を抑圧した場合のウェイトや電力である。つまり、ＣＭＰでは注目位置からの超音波の信号を選択的に抽出することが可能で、その結果として空間分解能を向上することが出来る
なお、逆行列を直接求めずに、平均相関マトリクスに対するＱＲ分解と後退代入処理によっても、電力は算出可能である。

特開２００９−０２８３６６号公報

Ｐｒｏｃ． Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ， Ｓｐｅｅｃｈ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ．， ｐｐ． ４８９−４９２ （Ｍａｒ． ２００５）

しかしながら、１次元または２次元配列探触子を走査して３次元画像データを生成する構成に対して、より高い空間分解能を得るために適応型信号処理を用いる場合、その処理規模が課題となる。

適応型信号処理においては、受信信号数に応じたサイズを有する行列に対して、逆行列の算出もしくはＱＲ分解、固有値の算出などを実施する必要がある。このような処理の計算規模は行列サイズの３乗に比例して増大することが知られている。例えば、配列方向に６４素子の開口で受信する１次元配列探触子を配列方向と交差する方向に移動させて３２スライス分の信号を取得した上で適応型信号処理を実施する場合を考えてみる。この場合６４×３２＝２０４８ＣＨ分の信号を２次元的に同時に取得し処理するのと等価である。これだけ（２０４８ＣＨ）の入力信号（受信信号）を用いて適応型信号処理を実施する場合の処理量は膨大であり、処理時間や回路規模が増大してしまう。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、適応型信号処理を適用して空間分解能が高い画像データを取得する場合において、適応型信号処理の処理量を低減することを目的とする。

本発明の被検体情報取得装置は、被検体内を伝播した弾性波を受信して受信信号に夫々変換する素子が複数配列された探触子と、素子毎に出力される受信信号を用いて、注目位置からの弾性波に対応する信号として第一の出力信号を算出する第一の信号処理手段と、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて、前記注目位置からの弾性波に対応する信号として第二の出力信号を算出する第二の信号処理手段と、前記第二の出力信号を用いて表示用の画像データを生成する画像処理部と、を備え、前記第一の信号処理手段と前記第二の信号処理手段のうち少なくとも一方は、適応型信号処理を用いて前記第一の出力信号又は前記第二の出力信号を算出することを特徴とする。

本発明の被検体情報取得方法は、前記被検体内を伝播した弾性波を複数の素子により受信して夫々受信信号に変換し、前記受信信号を用いて画像データを生成する被検体情報取得方法であって、前記素子毎に出力される受信信号を用いて、注目位置からの弾性波に対応する信号として第一の出力信号を算出する第一の信号処理ステップと、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて、前記注目位置からの弾性波に対応する信号として第二の出力信号を算出する第二の信号処理ステップと、前記第二の出力信号を用いて表示用の画像データを生成する画像処理ステップと、を備え、前記第一の信号処理ステップと前記第二の信号処理ステップのうち少なくとも一方では、適応型信号処理を用いて前記第一の出力信号又は前記第二の出力信号を算出することを特徴とする。

本発明により、適応型信号処理を適用して空間分解能が高い画像データを取得する場合において、適応型信号処理の処理量を低減することが可能となる。

本発明の信号処理の概要を説明するシステム概略図。 適応型信号処理と整相加算とで処理された信号をプロットしたグラフ。 探触子を機械走査する概念図。 第一の実施形態を説明するシステム概略図。 探触子の位置と走査線信号を取得する位置との関係を説明する模式図。 走査線信号の取得タイミングと第二の信号処理手段の動作タイミングとを説明する模式図。 画像のシミュレーション結果。 第二の実施形態を説明するシステム概略図。 第一の信号処理手段の処理フローを示すフローチャート。 第二の信号処理手段の処理フローフローチャート。

本発明において、弾性波とは、音波、超音波、音響波、光音響波と呼ばれるものを含み、被検体内を伝播した弾性波を探触子が受信する。つまり、本発明の被検体情報取得装置とは、被検体に超音波を送信し、被検体内部で反射した反射波（反射した超音波）を受信して、被検体情報を画像データとして取得する超音波エコー技術を利用した装置や、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波（典型的には超音波）を受信して、被検体情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。前者の超音波エコー技術を利用した装置の場合、取得される被検体情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。後者の光音響効果を利用した装置の場合は、取得される被検体情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布や、被検体内の初期圧力分布、あるいは初期圧力分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や、吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。

本発明の信号処理部分の概要とその処理方法が成立する理由とを説明前に、
まず、２次元的に入力された受信信号をすべて適用型信号処理で処理した場合の処理規模を考える。以下では、素子を１次元に複数配列した探触子（以下、「１次元配列探触子」ともいう）を配列方向と交差する方向に機械走査することにより、２次元的に受信信号を取得する場合を例に説明する。ただし、本発明は複数の素子を２次元に配列した探触子（以下、「２次元配列探触子」ともいう）を用いても適用できる。本発明においては、探触子を機械的に走査させる方向を機械走査方向と呼ぶ。また、探触子の配列方向に直交する方向をエレベーション方向と呼び、以下の説明においては、エレベーション方向に探触子を走査する場合を例にあげて説明する。

素子の配列方向の入力数をＮＬ、エレベーション方向の入力数をＮＥとした場合、受信信号である入力信号Ｘの総数はＮＬ×ＮＥ（＝Ｎｔｏｔａｌ）となる。このＸから算出される相関マトリクスＲｘｘは、Ｎｔｏｔａｌ×Ｎｔｏｔａｌのサイズを有する行列となる。相関性干渉波の影響を抑制するために空間平均法を適用し、空間平均数をＮｔｏｔａｌの半分とした場合、平均相関マトリクスＲ’ｘｘはサイズが（Ｎｔｏｔａｌ／２）×（Ｎｔｏｔａｌ／２）となる。この平均相関マトリクスの逆行列を求めることで、複素ウェイトもしくは複素ウェイトを用いた電力を算出する。この適応型信号処理の中で、処理量の大部分を占めるのは逆行列を算出する工程である。逆行列を算出する工程の処理量は行列のサイズ（Ｎｔｏｔａｌ／２）の３乗に比例する。

例えば、配列方向の入力数が６４素子分（ＮＬ）且つ、エレベーション方向の入力数が３２スライス分（ＮＥ）の受信信号を用いた適応型信号処理の場合、入力ＣＨ数（Ｎｔｏｔａｌ）は２０４８ＣＨとなる。そして、逆行列を算出する行列のサイズは１０２４×１０２４となり、膨大な処理規模となり、回路規模が増大する。

＜信号処理の概要＞
次に本発明の信号処理の概要を図１と図９とを用いて説明する。ここでは、第一の信号算出手段、第二の信号算出手段共に適応型信号処理を用いた場合について説明する。ただし、本発明においては、第一の信号算出手段と第二の信号算出手段のうち少なくとも一方に適応型信号処理を用いれば空間分解能向上の効果が得られるため、第一の信号算出手段と第二の信号算出手段のうちどちらか一方だけに適応型信号処理を用いても良い。

超音波エコー測定の場合、被検体に超音波を送信し、その反射波を１次元に並んだ素子で受信する。各素子は、夫々受信信号に変換し、第一の信号算出手段に出力する。以下、受信信号に対する処理の第一段階として、まずは、この第一の信号算出手段１０が実施する処理を説明する。本発明において、第一の信号算出手段において算出される、注目位置からの弾性波に対応する信号を、第一の出力信号と呼ぶ。

＜第一の信号算出手段＞
整相遅延処理回路１０１では、探触子からの素子毎の受信信号（入力数ＮＬ）に対して注目位置に応じた遅延処理を行い、さらにヒルベルト変換によって複素信号に変換する。この複素信号をｓサンプル目の入力ベクトルＸ［ｓ］として出力する（ステップＳ１）。

次に、平均相関マトリクス算出回路１０２では、時間ごとに更新される入力ベクトルから必要な時間平均数だけ（例えば１０サンプル分）の信号を切り出し（ステップＳ２）、切り出された信号の相関マトリクスＲｘｘを算出する（ステップＳ３）。さらに部分相関行列の平均化によって平均相関マトリクスＲ’ｘｘを求め出力する（ステップＳ４）。平均相関マトリクスＲ’ｘｘが相関マトリクスＲｘｘの半分のサイズである場合、出力される平均相関マトリクスＲ’ｘｘのサイズは（ＮＬ／２）×（ＮＬ／２）となる。
複素ウェイト算出回路１０３では、入力された平均相関マトリクスＲ’ｘｘの逆行列を求め（ステップＳ５）、複素ウェイトＷｏｐｔを出力する（ステップＳ６）。

第一の出力算出回路１０４では、入力された複素ウェイトＷｏｐｔと相関マトリクスを算出するのに使用された入力ベクトルとを用いて、第一の出力信号として、ｓサンプル目の走査線信号ｙ［ｓ］を算出する（ステップＳ７）。このｓサンプル目の走査線信号はｙ［ｓ］は、送信した超音波の線上（走査線上）の一点（注目位置）からの超音波（反射波）に対応する信号である。
この走査線信号ｙ［ｓ］はメモリ１０５に格納される（ステップＳ８）。

上記のステップＳ２からステップＳ８までの処理を、超音波の送信方向（走査線方向）に沿った注目位置の変化とともに、切り出す入力ベクトルを変化させながら繰り返す。典型的には、受信時間が遅い入力ベクトルを切り出していく。つまり、ｓサンプル目の走査線信号ｙ［ｓ］の次に、（ｓ＋１）サンプル目の走査線信号ｙ［ｓ＋１］を算出する。これを、この処理を走査線方向の注目位置の分だけ繰り返すことで、線上の走査線信号が得られる。

設定された測定範囲内（例えば、被検体の奥行き方向の範囲内）の注目位置の処理が終了したら、次の送信（例えば、リニアスキャンの場合、隣の６４素子による送信）によって受信された反射波の受信信号に対してステップＳ１からＳ８までの処理を実施する。

なお、入力ベクトルＸ［ｓ］と複素ウェイトＷｏｐｔとでは空間平均化した分だけ信号数が異なるため、ここでは入力ベクトルＸ［ｓ］の中央の要素をＮＬ／２だけ抽出した信号Ｘ’［ｓ］を用いて算出する以下の式を用いた例を示す。ただし、入力ベクトルＸ［ｓ］を移動平均してＮＬ／２個の要素にした信号を用いても構わない。

複素ウェイトは、複素ベクトルで表現されるウェイト（重み）であり、またＸ’［ｓ］も複素表現された信号である。適応型信号処理により、これらの内積を求めることは、それぞれのＣＨの受信信号（つまり、各素子から出力される受信信号）に対して、注目位置に応じて位相を変化（調整）させた後、加算することを意味する。つまり、注目位置の移動に応じて複素ウェイトが変化した場合、それぞれのＣＨの受信信号に対する位相の変化量も変化することになる。

図２は同じ受信信号に対して、適応型信号処理によって算出された信号（第一の出力信号）と通常の整相加算によって算出された信号とをプロットしたものである。図中の実線が適応型信号処理、点線が整相加算処理された信号のプロット、横軸は受信サンプル番号、縦軸は無次元であり音圧に比例した値を示す。この図中の適応型信号処理は１０サンプルごとに複素ウェイトを算出しなおし変化させている。そのため例えば７０００サンプルや７０１０サンプルの位置で信号波形の位相がずれて不連続的になっているように見える。

＜第二の信号算出手段＞
次に、受信信号に対する処理の第二段階として、探触子の走査等により、異なった位置で算出された複数の走査線信号（第一の出力信号）を入力信号として、適応型信号処理を実施する第二の信号算出手段２０の処理を図１と図１０とを用いて説明する。本発明において、第二の信号算出手段において算出される、注目位置からの弾性波に対応する信号を、第二の出力信号と呼ぶ。

メモリ１０５から、探触子のエレベーション方向に沿った複数の走査線信号を読み出す（ステップＳ９）。整相遅延処理回路１０６では、複数の走査線信号（入力数ＮＥ）に対して注目位置に応じた遅延処理を実施し、第一の信号算出手段で算出された第一の出力信号を入力ベクトルＸ［ｓ］を出力する（ステップＳ１０）。第一の信号算出手段で適応型信号処理を適用した場合は、すでに複素信号になっているため、新たなヒルベルト変換処理は必要なく、遅延処理した複素信号をそのまま入力ベクトルＸ［ｓ］として出力する。

次に平均相関マトリクス算出回路１０７では、時間ごとに更新される入力ベクトルから必要な時間平均数だけの複素信号を切り出し（ステップＳ１１）、切り出された信号の相関マトリクスＲｘｘを算出する（ステップＳ１２）。

さらに部分相関行列の平均化によって平均相関マトリクスＲ’ｘｘを求め出力する（ステップＳ１３）。平均相関マトリクスＲ’ｘｘが相関マトリクスＲｘｘの半分のサイズである場合、出力される平均相関マトリクスＲ’ｘｘのサイズは（ＮＥ／２）×（ＮＥ／２）となる。複素ウェイト算出回路１０８では、入力された平均相関マトリクスＲ’ｘｘの逆行列を求め（ステップＳ１４）、複素ウェイトＷｏｐｔを算出して、出力する（ステップＳ１５）。

第二の出力算出回路１０９では、入力された複素ウェイトＷｏｐｔと、相関マトリクスを算出するのに使用された入力ベクトルと、を用いて、第二の出力信号として合成走査線信号ｙ［ｓ］を算出する（ステップＳ１６）。その後、画像処理部（図１には不図示）において、この合成走査線信号を用いて、包絡線の算出や、ｌｏｇ圧縮などを行い、得られた被検体情報を表示用の画像データとして生成する。

この第二段階の信号処理においては、超音波の送信は行っておらず、第一段階の信号処理手段の出力である走査線信号（第一の出力信号）を用いて処理している。この場合、第二段階の信号処理手段における遅延処理は、それぞれの走査線信号を算出した探触子の位置から注目位置に対して超音波を送信して、それぞれの探触子の位置で反射波を受信したと仮定し、遅延量を算出するのが望ましい。ただし、光音響効果を用いた装置の場合、つまり、光や電磁波などを被検体に照射し、その結果得られた音響波（典型的には超音波）に対して処理を行う際は、それぞれの走査線信号を算出した探触子の位置と注目位置との距離を用いて遅延量を算出しても良い。

上記のステップＳ１１からステップＳ１６までの処理を、注目位置の変化と共に切り出す入力ベクトルを変化させながら繰り返す。設定された測定範囲内の注目位置に関する処理が終了したら、用いる走査線信号を変更してステップＳ９からの処理を再度実施する。

＜上記信号処理が成立する理由＞
このように、第二段階でも適応型信号処理を実施する場合、第一の信号処理手段１０で得られた走査線信号の位相を活用して処理を行う。そのため、走査線信号に含まれる注目位置からの超音波に対応する信号の位相が保持されている必要がある。なお、第二段階として単純な合成開口処理を実施する場合であっても、走査線信号の位相を活用して処理を行うことは同様であり、注目位置からの超音波に対応する信号の位相が保持されていることが必要となる。つまり、図２に示したように複素ウェイトの更新に合わせて位相がずれているように見える走査線信号では、第二段階の信号処理が成立しないように一見思える。

ここで適応型信号処理の拘束ベクトルＣに注目して、注目位置からの超音波に対応する信号の位相について再度検討する。ＣＭＰは、拘束条件化の元で出力電力を最小化するための複素ウェイトもしくは出力電力そのものを求める手法であり、拘束条件の表現は一般的に下式で表現される。

Ｃは拘束マトリクス（例えば注目方向などを規定する）、Ｗは求めるべきウェイト、Ｈは拘束マトリクス（例えば注目方向）に対する応答ベクトルを規定する。この拘束条件下で、下式を満たすＷを求める処理がＣＭＰである。

今回のように、ある一方向もしくはひとつの注目位置に関して注目する場合、拘束条件に対する応答Ｈを１、Ｃをマトリクスではなく拘束ベクトルとして計算を進めることが出来る。

この式ではＣは複素表現を用いたベクトルである。また、ウェイトＷも複素表現を用いたベクトルである。これらの内積が１、つまり虚数成分を含まないということは、拘束ベクトルによって表現されている方向もしくは位置からの信号に対して、ウェイトＷをかけても位相は変化しないことを規定している。

すなわち、ＣＨ毎の複素表現された受信信号に対して、複素数で表現されるウェイトを夫々乗じた段階では各ＣＨの受信信号の位相を変化させているが、合算した段階では拘束ベクトルで表現された注目位置からの超音波に対応する信号の位相は変化させていない。言い換えると、注目方向や注目位置からの超音波の信号に関しては位相が保持されたままであることを意味している。

このように、図２では走査線信号の位相が保存されていないように見えているが、実際に必要な注目位置からの信号の位相は保持されていることが分かる。そのため本発明のように、第二の信号処理手段において、位相を活用する処理を実施する処理手法が成立する。

＜処理規模＞
次に、上記のような第一の信号処理手段と第二の信号処理手段とで適応型信号処理を実施した場合の処理規模について述べる。

第一の信号処理手段においては、平均相関マトリクスのサイズが（ＮＬ／２）×（ＮＬ／２）であり、第二の信号処理手段においては平均相関マトリクスのサイズが（ＮＥ／２）×（ＮＥ／２）である。それぞれの逆行列を求める処理は独立に行われるため、それぞれの行列のサイズ（（ＮＥ／２）と（ＮＬ／２））の３乗に比例した処理量の合計となる。

例えば、１次元配列探触子の配列方向に６４素子分（ＮＬ）、エレベーション方向に３２スライス分（ＮＥ）の受信信号を用いた適応型信号処理の場合を説明する。逆行列を算出する行列のサイズは、第一の信号処理手段においては３２×３２、第二の信号処理手段においては１６×１６となる。先ほどの２次元の入力すべてに同時に適応型信号処理を実施する場合の１０２４×１０２４と比較して小さいサイズの行列となる。逆行列の処理量は行列サイズの３乗に比例することから、本発明の構成と２次元すべてに同時に処理を行う場合との処理量の比は、（３２＾３＋１６＾３）：（１０２４＾３）＝９：６４＾３となり、約２９０００分の１の処理量に抑えることが出来る。よって、処理規模を抑制した状態で適応型信号処理を適用することができる。ただし、本発明において、第一の信号処理や第二の信号処理において適応型信号処理を行うための入力数（つまり、ＮＬやＮＥの数）は、３つ以上の所望の数（複数）で良い。また、第一の信号処理や第二の信号処理において整相加算処理や合成開口処理を行うための入力数（つまり、ＮＬやＮＥの数）は、２つ以上の所望の数（複数）で良い。

なお、ここでは逆行列を直接求める処理手法を記載しているが、平均相関マトリクスのＱＲ分解と後退代入処理による連立１次方程式の解法であっても、行列サイズの３乗に処理量が比例するため、同様の効果が得られる。

また、上記説明では、１次元配列探触子の機械走査方向が、探触子の配列方向に対して垂直な例（エレベーション方向に走査する例）として説明したが、本発明の機械走査方向は、配列方向と垂直な方向以外の方向でも良い。探触子の移動量や方向をモニタして、それぞれの走査線信号を算出した探触子位置を把握し、その位置情報を用いて第二の信号処理手段を動作させることで、より自由度の高い探触子の移動に対しても本発明は適用可能である。

また、探触子に配列される素子の数は、２つ以上の複数であれば良く、所望の数だけ設けるとよい。さらに、上記説明では、１次元探触子を走査して超音波を取得する手法を説明したが、素子が２次元に配列された２次元配列探触子によって同時に取得された超音波の受信信号に対しても本手法が適用できる。２次元配列探触子から入力される受信信号を、１次元配列方向とそれに垂直な方向の２方向に分割して考え、それぞれの方向に第一の信号処理手段、第二の信号処理手段を用いると良い。

また、上記説明では、超音波を送信し、その反射波を受信することにより得られた受信信号に対する処理を述べたが、本発明は上記形態に限定されるものではない。例えば、被検体に対して光（電磁波）を照射し、光音響効果により生じた音響波を受信することにより得られる受信信号に対しても同様の処理を実施することで、本発明の効果を得ることが出来る。ただし、第一や第二の出力信号を算出していく方向は、超音波エコーを利用した場合と異なっていてもよい。超音波エコーを利用した場合では、上述したように、走査線方向に沿って第一の出力信号や第二の出力信号を算出していき、被検体の奥行き方向に相当する線上（走査線上）の第一の出力信号や第二の出力信号を取得した。しかし、光音響効果を利用した場合、第一の出力信号や第二の出力信号は、被検体の奥行き方向とは直交する方向に算出していくことで、リアルタイムに処理を行うことができる。ただし、メモリに保存する場合は、どのような順に算出していっても良い。

以上のように、本発明によれば、適応型信号処理を適用して空間分解能が高い画像データを取得する場合において、適応型信号処理の処理規模を低減することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を例示する。

＜実施形態１＞
本実施形態では、１次元配列探触子を機械的に走査しながら、第一の信号処理手段には整相加算処理を用い、第二の信号処理手段に適応型信号処理を用いた装置について述べる。図３は複数の素子３０１が１次元的に配列された探触子３０２を位置３０３から位置３０５まで機械走査した時の概念図である。なお、素子３０１が配列された方向を配列方向３０８、探触子３０２が機械走査により移動する方向３０７は機械走査方向を示す。

探触子３０２が位置３０３にある時の動作を、図４を用いて述べる。図４は本実施形態にかかる被検体情報取得装置である超音波エコーを利用した装置のシステム概略図である。

まず、送信動作について説明する。システム制御部４０１から送信回路４０２に、送信方向に応じた情報が入力される。送信回路４０２では、探触子の素子の配列に応じた遅延時間を算出し、電圧波形をスイッチ回路４０３に出力する。スイッチ回路４０３では探触子３０２のうち使用する部分の素子と送信回路とを選択的に接続する。リニアスキャンを行う場合、例えば２５６ＣＨの素子配列のうち連続する６４素子を選択して送信回路と接続する。そして、探触子３０２から被検体内に超音波が送信される。

次に第一の信号処理手段の動作について説明する。被検体内の音響インピーダンス分布に応じて反射された超音波は素子で受信されて電気信号である受信信号に変換される。その後、素子毎の受信信号は、スイッチ回路４０３を通り、第一の信号処理手段４１０に入力される。整相加算処理回路４０４は、スイッチ回路４０３を介して入力された受信信号とシステム制御部４０１から入力された注目位置情報を用いて、注目位置からの超音波に対応する受信信号の位相が揃うように遅延処理を行った後に加算する、いわゆる整相加算を実施する。このようにして算出された、注目位置毎の走査線信号（第一の出力信号）はメモリ４０５に格納される。

このような送受信サイクルを、スイッチ回路４０３によって接続される素子３０１を変更させながら（例えば接続する素子を１素子ずつ配列方向に移動させながら）繰り返し、第一の信号処理手段４１０で算出した走査線信号をメモリ４０５に格納していく。

次に、図５を用いて探触子の移動について説明する。図５は図３を上から見た図に対応しており、探触子の各位置と取得される走査線信号との位置関係を示している。システム制御部４０１は、ステージ制御回路４１４に制御信号を送信し、探触子３０２を位置３０４に移動させる。位置３０４でも位置３０３の時と同様に、第一の信号処理手段４１０で算出した走査線信号をメモリ４０５に格納していく。

このような動作を繰り返し、図５で示すように位置３０３、位置３０４でそれぞれ３本ずつ走査線信号（５０１〜５０６）を取得する。さらに探触子３０２を位置３０５に移動して、位置３０３、３０４の時と同様の処理で走査線信号５０７を算出し、メモリ４０５に格納する。

図４に戻って、第二の信号処理手段における信号の流れを説明する。メモリ４０５内には走査線信号５０１から走査線信号５０７までが格納されている。これらの走査線信号の中から走査線信号５０１、走査線信号５０４、走査線信号５０７を選択し、第二の信号処理手段４２０で処理を実施する。

第二の信号処理手段中の整相遅延処理回路４０６には、メモリ４０５から走査線信号５０１、走査線信号５０４、走査線信号５０７が入力されると共に、システム制御部４０１から注目位置情報と探触子の位置情報とが入力される。入力された注目位置情報とそれぞれの走査線信号を取得した時点での探触子の位置情報とから、走査線信号に対して遅延処理を行う。この遅延処理においては、それぞれの探触子位置から送信し、注目位置まで到達した超音波が元の探触子位置まで反射して戻ってくるまでの時間を基準として（つまり往復するために必要な時間を基準として）、遅延時間を算出する。さらに走査線信号をヒルベルト変換し複素表現にした信号を出力する。

このように、遅延処理された走査線信号は、部分相関マトリクス算出回路４０７に入力される。部分相関マトリクス算出回路４０７では、入力された走査線信号から相関マトリクスを算出するのに必要なサンプル数の信号を抽出し（例えば１０サンプル分）、相関マトリクスを生成、さらにその部分行列を平均することで平均相関マトリクスを算出する。部分相関マトリクス算出回路４０７では、入力される走査線信号に対して、継続して平均相関マトリクスを算出し続ける。つまり走査線信号の変化に伴って平均相関マトリクスが更新され、出力される。

複素ウェイト算出回路４０８では、入力された平均相関マトリクスの逆行列を演算し、さらに必要に応じてシステム制御部４０１から入力される拘束ベクトルを用いて、複素ウェイトを算出する。この複素ウェイトは平均相関マトリクスの更新と共に変化する。合成走査線信号算出回路４０９では、走査線信号とその走査線信号から算出された複素ウェイトを用いて合成走査線信号（第二の出力信号）を算出し、信号フィルタ回路４１１に出力する。

このように、第二の信号処理手段は、適応型信号処理を用いることによって合成走査線信号が算出し、出力する。信号フィルタ回路４１１では、入力された合成走査線信号に対して、必要に応じてバンドパスフィルタなどの処理を実施し、さらに信号の包絡線を取得し、システム制御部からの指示に従ってｌｏｇ圧縮された信号強度を出力する。画像処理部４１２では必要に応じて各種画像フィルタ（エッジ強調、スムージングなど）を行い、システム制御部４０１から指示される表示手法（断面スライス表示、３Ｄレンダリングなど）に対応した処理をさらに加え、表示用の３次元画像データを生成する。３次元画像データは画像表示装置４１３に送信され、画像表示装置４１３は３次元画像を表示する。

図６は、走査線信号の取得タイミングと第二の信号処理手段４２０の動作タイミングとの関係を示した模式図である。図６の上段は、探触子３０２が位置３０３、３０４、３０５にある時に行う超音波の送受信処理タイミングを表している。本実施形態においては、送信処理タイミング６０４と受信処理タイミング６０５とを繰り返す。それぞれの受信処理タイミング６０５において、第一の信号処理手段による信号処理（本実施形態においては整相加算処理）６１０を行い、それぞれ走査線信号５０１から走査線信号５０９を算出し、メモリに格納する。第二の信号処理手段は走査線信号５０１、５０４、５０７が揃った時点で、第二の信号処理手段による信号処理（本実施形態においては適応型信号処理）６２０を開始し、合成走査線信号６０１を出力する。さらに走査線信号５０２、５０５、５０８が揃った時点で、次の処理を開始し、合成走査線信号６０２を出力する。このように、第二の信号処理手段は、必要な走査線信号が揃った時点から合成走査線信号を算出するための処理を開始する。

図７は、１次元配列探触子の配列方向と平行な５本のワイヤを観察した場合の画像をシミュレーションで求めた結果である。図７は、機械走査方向と観察する深さ方向とで形成される断面を示しており、図７（ａ）は配列方向に整相加算、機械走査方向に合成開口処理を用いた画像であり、図７（ｂ）は本実施形態で述べた、第一の信号処理手段に整相加算処理、第二の信号処理手段に適応型信号処理を用いた場合の画像である。本実施形態の処理を実施した図７（ｂ）の画像では空間分解能が向上していることが分かる。

このように本実施形態では、第二の信号処理手段に適応型信号処理を用いることで、適応型信号処理の規模を低減しながら、特に機械走査方向の空間分解能が高い装置を実現することができる。

本実施形態では機械的な走査によって探触子を移動したが、位置センサや画像処理によって、それぞれの走査線信号を取得した位置情報を把握することで、自由に移動する探触子に対しても本発明を適用可能であり、空間分解能を向上させる効果が得られる。

なお、探触子が自由に移動する場合と比較して、ステージを用いて機械的に探触子を走査する場合、走査線信号を取得したそれぞれの位置と注目位置との相対位置をより正確に把握することができる。そのため精度の高い整相遅延処理を行うことが可能で、より高い空間分解能を実現できる。

また、本実施形態では探触子がそれぞれの位置３０３、３０４、３０５で静止してデータを取得する場合について述べたが、実際には探触子が連続的に移動している状態でも同様に信号処理を行うことができ、同様の効果を得ることが可能である。

＜実施形態２＞
本実施形態では、１次元配列探触子を機械的に走査しながら、第一の信号処理手段と第二の信号処理手段ともに適応型信号処理を用いた形態について説明する。

走査タイミングと第一の信号処理手段、第二の信号処理手段の動作タイミングは実施形態１と同様のため、説明を省略し、信号処理の部分について述べる。

図８は本実施形態にかかる装置のシステム概略図である。まず、送信動作について説明する。送信動作においては、システム制御部４０１から送信回路４０２に送信方向に応じた情報が入力される。送信回路４０２では、探触子の素子の配列に応じた遅延時間を算出し、電圧波形をスイッチ回路４０３に出力する。スイッチ回路４０３では探触子３０２のうち使用する部分の素子と送信回路４０２とを選択的に接続する。リニアスキャンを行う場合、例えば２５６ＣＨの素子配列のうち連続する６４素子を選択して送信回路４０２と接続する。そして、探触子３０２からは被検体内に超音波が送信される。

次に、適応型信号処理を用いた第一の信号処理手段の動作について説明する。被検体内の音響インピーダンス分布に応じて反射された超音波は超音波変換素子で電気信号である受信信号に変換される。その後、受信信号は、スイッチ回路４０３を通り、第一の信号処理手段８１０に入力される。第一の信号処理手段の整相遅延処理回路８０１には、素子からの受信信号が入力されると共に、システム制御部４０１から注目位置情報が入力される。整相遅延処理回路８０１は、入力された注目位置情報を用いて、注目位置からの超音波に対応する受信信号の位相が揃うように遅延処理を行い、ヒルベルト変換して複素表現にした後、出力する。

部分相関マトリクス算出回路８０２では、入力された受信信号から相関マトリクスを算出するのに必要なサンプル数の信号を抽出し、相関マトリクスを作成、さらにその部分行列を平均することで平均相関マトリクスを算出する。部分相関マトリクス算出回路８０２では、入力される受信信号に対して、継続して平均相関マトリクスを算出し続ける。つまり受信信号の変化に伴って平均相関マトリクスが更新され、出力される。

複素ウェイト算出回路８０３では、入力された平均相関マトリクスの逆行列を演算し、さらに必要に応じてシステム制御部４０１から入力される拘束ベクトルを用いて、複素ウェイトを算出する。この複素ウェイトは平均相関マトリクスの更新と共に変化する。

走査線信号算出回路８０４では、入力された受信信号とその受信信号から算出された複素ウェイトとを用いて出力信号を算出し走査線信号（第一の出力信号）として出力する。ここで得られる走査線信号が注目位置からの受信信号の位相を保持した状態になっているのは、先述した通りである。出力された走査線信号はメモリ８０５に格納される。

このあと、スイッチ回路４０３を切換え、配列方向に使用する素子を変更させる動作と、探触子の移動と、によって複数の異なる位置の走査線信号を取得し、メモリ８０５に格納する。この動作は実施形態１と同様である。

次に、第二の信号処理手段について説明する。第二の信号処理手段８２０は、処理に必要な走査線信号が揃った時点で、処理を開始する。第二の信号処理手段の整相遅延処理回路８０６には、メモリ４０５からの走査線信号と、システム制御部４０１からの注目位置情報と探触子の位置情報と、が入力される。入力された注目位置情報とそれぞれの走査線信号を取得した時点での探触子の位置情報とから、走査線信号に対して遅延処理を行う。整相遅延された走査線信号は、部分相関マトリクス算出回路８０７に入力される。

部分相関マトリクス算出回路８０７では、入力された走査線信号から相関マトリクスを算出するのに必要なサンプル数の信号を抽出し、相関マトリクスを生成し、さらにその部分行列を平均することで平均相関マトリクスを算出する。部分相関マトリクス算出回路８０７では、入力される走査線信号に対して、継続して平均相関マトリクスを算出し続ける。つまり走査線信号の変化に伴って平均相関マトリクスが更新され、出力される。

合成走査線電力算出回路８０８では、入力された平均相関マトリクスの逆行列を演算し、さらに必要に応じてシステム制御部４０１から入力される拘束ベクトルを用いて、電力を算出し、第二の出力信号として合成走査線電力を出力する。合成走査線電力の場合、第２の出力信号が電力（つまり正負の値を持たない、正の値だけ）になっている。この合成走査線電力は平均相関マトリクスの更新と共に変化する。

このようにして、第二の信号処理手段によって合成走査線電力が算出され、信号フィルタ回路４１１に出力される。信号フィルタ回路４１１では、入力された合成走査線電力に対して、システム制御部４０１からの指示に従ってｌｏｇ圧縮した信号強度を出力する。画像処理部４１２では必要に応じて各種画像フィルタ（エッジ強調、スムージングなど）を行い、システム制御部４０１から指示される表示手法（断面スライス表示、３Ｄレンダリングなど）に対応した処理をさらに加え、表示用の３次元画像データを生成する。画像表示装置４１３は、画像処理部４１２から送信された３次元画像データをもとに３次元画像を表示する。

本実施形態では第二の信号処理手段において、平均相関マトリクスから直接電力を算出した。このように、第二の信号処理手段の出力では、注目位置からの超音波に対応する信号の位相を保持する必要がないため、直接電力を算出して出力しても構わない。

このように本実施形態では、第一の信号処理手段および第二の信号処理手段に適応型信号処理を用いる。第一の信号処理手段の出力は、注目位置からの超音波に対応する信号の位相を保持することのできる複素ウェイトと受信信号との内積を求めることにより算出するので、第二の信号処理手段に適応型信号処理を用いることを可能とする。よって、信号処理の規模を低減しながら、素子の配列方向ならびに機械走査方向共に空間分解能が高い装置を実現することができる。

また、本実施形態では、第一の信号処理手段および第二の信号処理手段に適応型信号処理を用いたが、第一の信号処理手段の出力を、注目位置からの超音波の信号の位相を保持することのできる複素ウェイトと受信信号との内積で求めることで、第二の信号処理手段に整相遅延処理と加算処理とで構成する合成開口処理を用いることが出来る。この場合は、配列方向に高い空間分解能を有する装置を実現することが出来る。

また、２次元配列探触子を用いた場合であっても、第一の信号処理手段が走査線信号を算出するように構成することで、本発明の効果を得ることが出来る。

＜実施形態３＞
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した各実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１０ 第一の信号処理手段
２０ 第二の信号処理手段
１０１整相遅延処理回路
１０２ 平均相関マトリクス算出回路
１０３ 複素ウェイト算出回路
１０４ 第一の出力算出回路
１０５ メモリ
１０６ 整相遅延処理回路
１０７ 平均相関マトリクス算出回路
１０８ 複素ウェイト算出回路
１０９ 第二の出力算出回路
３０１ 素子
３０２ 探触子
４０１ システム制御部
４０２ 送信回路
４０３ スイッチ回路
４０４ 整相加算処理回路
４０５ メモリ
４０６ 整相遅延処理回路
４０７ 部分相関マトリクス算出回路
４０８ 複素ウェイト算出回路
４０９ 合成走査線信号算出回路
４１０ 第一の信号処理手段
４１１ 信号フィルタ回路
４１２ 画像処理部
４１３ 画像表示装置
４１４ ステージ制御回路
４２０ 第二の信号処理手段
５０１〜５０９ 走査線信号
６０１、６０２、６０３ 合成走査線信号

Claims (10)

1. 被検体内を伝播した弾性波を受信して受信信号に夫々変換する素子が複数配列された探触子と、
   素子毎に出力される受信信号を用いて、注目位置からの弾性波に対応する信号として第一の出力信号を算出する第一の信号処理手段と、
   前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて、前記注目位置からの弾性波に対応する信号として第二の出力信号を算出する第二の信号処理手段と、
   前記第二の出力信号を用いて表示用の画像データを生成する画像処理部と、
   を備え、
   前記第一の信号処理手段と前記第二の信号処理手段のうち少なくとも一方は、適応型信号処理を用いて前記第一の出力信号又は前記第二の出力信号を算出することを特徴とする被検体情報取得装置。
2. 前記第一の信号処理手段は、適応型信号処理によって算出した複素ウェイトと前記素子毎の前記受信信号とを用いて前記注目位置毎の前記第一の出力信号を算出し、
   前記第二の信号処理手段は、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて合成開口処理を行い前記第二の出力信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
3. 前記第一の信号処理手段は、前記素子毎の前記受信信号を用いて整相加算処理を行い、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を算出し、
   前記第二の信号処理手段は、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて適応型信号処理を行い、前記第二の出力信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
4. 前記第一の信号処理手段は、適応型信号処理によって算出した複素ウェイトと前記素子毎の前記受信信号とを用いて前記注目位置毎の前記第一の出力信号を算出し、
   前記第二の信号処理手段は、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて適応型信号処理を行い、前記第二の出力信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
5. 前記探触子を機械的に走査するステージを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
6. 前記被検体内を伝播した弾性波を複数の素子により受信して夫々受信信号に変換し、前記受信信号を用いて画像データを生成する被検体情報取得方法であって、
   前記素子毎に出力される受信信号を用いて、注目位置からの弾性波に対応する信号として第一の出力信号を算出する第一の信号処理ステップと、
   前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて、前記注目位置からの弾性波に対応する信号として第二の出力信号を算出する第二の信号処理ステップと、
   前記第二の出力信号を用いて表示用の画像データを生成する画像処理ステップと、
   を備え、
   前記第一の信号処理ステップと前記第二の信号処理ステップのうち少なくとも一方では、適応型信号処理を用いて前記第一の出力信号又は前記第二の出力信号を算出することを特徴とする被検体情報取得方法。
7. 前記第一の信号処理ステップでは、適応型信号処理によって算出した複素ウェイトと前記素子毎の前記受信信号とを用いて前記注目位置毎の前記第一の出力信号を算出し、
   前記第二の信号処理ステップでは、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて合成開口処理を行い前記第二の出力信号を算出することを特徴とする請求項６に記載の被検体情報取得方法。
8. 前記第一の信号処理ステップでは、前記素子毎の前記受信信号を用いて整相加算処理を行い、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を算出し、
   前記第二の信号処理ステップは、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて適応型信号処理を行い、前記第二の出力信号を算出することを特徴とする請求項６に記載の被検体情報取得方法。
9. 前記第一の信号処理ステップでは、適応型信号処理によって算出した複素ウェイトと前記素子毎の前記受信信号とを用いて前記注目位置毎の前記第一の出力信号を算出し、
   前記第二の信号処理ステップでは、前記注目位置毎の前記第一の出力信号を用いて適応型信号処理を行い、前記第二の出力信号を算出することを特徴とする請求項６に記載の被検体情報取得方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の被検体情報取得方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。

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