JP2016198119A - 超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口合成処理において、送信間における受信信号のばらつきを低減し、高精度の画像を得る超音波撮像装置の提供。【解決手段】開口合成処理を行う受信ビームフォーマ１０８は、１送信ごとの受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部２０４と、遅延加算整相部２０４による受信焦点ごとの遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリ２０６と、ビームメモリに格納された送信ごとの遅延整相データのうち同一の受信焦点についての遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部２０５とを備えている。送信間合成部２０５では，同一の受信焦点についての送信ごとの遅延整相データにそれぞれ重み係数で重み付けした後、合成する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて被検体内の画像を撮像する超音波撮像技術に関する。

超音波撮像技術とは、超音波（聞くことを意図しない音波、一般的には２０ｋＨｚ以上の高周波数の音波）を用いて人体をはじめとする被検体の内部を非侵襲的に画像化する技術である。

超音波撮像装置による超音波の送受信は、有限の開口径を持つアレイによって行われるため、開口部のエッジによる超音波の回折の影響を受け、方位角方向の分解能を向上させることが難しい。この問題は、無限に長いアレイを用意できれば解決できるが、現実的には実現は困難である。そのため近年では、方位角方向の分解能向上のために、チャンネルドメイン整相技術の検討が盛んに行われており、適応ビームフォーマや、開口合成などの新しい整相方式が盛んに報告されている。

開口合成を簡単に説明する。まず、超音波探触子を構成する複数素子の受信信号にそれぞれ遅延時間を与えることにより、仮想的にある点について焦点を合わせた後、加算して得た整相信号を得る。この整相信号と同一点について他の１以上の送受信で得た整相信号とを合成し、重ね合わせることにより開口合成を行う。

開口合成は、ある点に対して異なる方向から超音波探触子が送受信して得た整相信号を重ね合わせることができるため、点像の高解像度化、不均質に対する頑健性などを付与することが期待される。さらには、重ね合わせ処理により処理利得が向上するため、超音波の送信回数を通常よりも間引いた送信が可能となり、高速撮像にも応用できる。

特許文献１の発明は、ハードウェアの増加やフレームレートの低下を回避しつつ、多方向から撮影した場合と同等の断層像を得ることを目的としている。特許文献１では、複数の超音波素子の受信信号のうち強度が最も大きな信号の超音波素子の位置から、超音波の主反射角を求め、主反射角を中心に受信信号を重み付けした後加算して整相する技術が開示されている。

特開２００４−２１５９８７号公報

本発明においては、これまでの開口合成方式がもつ以下の二つの課題を解決する。

第一の課題は、開口合成が複数の送信ごとに得た受信信号の整相信号を合成する、すなわち送信間で整相信号の合成を行うため，受信信号に含まれるシステム雑音等のシステム（機器）に起因する誤差が送信間でばらつく場合、その影響を大きく受けることである。発明者は，システムに起因する受信信号の誤差の送信間でのばらつきが、開口合成で超音波画像を生成する際に無視できない画像の誤差となることを見いだした。システムに起因する誤差の送信間でのばらつきは、装置個体によって異なり、また同じ装置においても，プローブの経年劣化，アナログ送受信回路の不具合などによって変化する。よって，複数送信間という時間方向の受信信号の誤差解消技術を用意する必要がある。

第二の課題は、高速撮像のために、超音波の送信回数を通常よりも間引いた送信を行う場合、送信した超音波の照射領域の送信間の重なりが少なくなるため、開口合成を行った場合に、ブロッキングノイズが生じることである。この問題は、拡散送信よりも集束送信の方が、送信焦点付近で照射領域が狭まるため顕著であり、焦点付近でX字型のブロッキングアーチファクトが生じる。この課題も、本質的には第一の課題と同じように、送信間での受信信号のばらつきを低減することで解消することが可能である。

これら第一および第二の課題は，送信間で合成を行わず，一送信ごとの受信信号で画像を生成する方法では顕在化してこなかった。なぜならば，チャンネル方向に受信信号を加算処理することにより、たとえ送受信のシステムに起因する誤差により送信間で受信信号のばらつきが発生していたとしても，最終的に超音波画像の中でその影響が現れてこないためである。

特許文献１に開示されている技術は、複数素子の受信信号ごとに重み付けをして加算することにより整相するものであり、複数送信間で整相後信号を加算する開口合成処理は行っていない。

本発明の目的は、開口合成処理において、送信間における受信信号のばらつきを低減し、高精度の画像を得ることにある。

本発明の超音波撮像装置は、開口合成処理を行う受信ビームフォーマを有し、受信ビームフォーマは、１送信ごとの前記受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部と、遅延加算整相部による受信焦点ごとの遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリと、ビームメモリに格納された送信ごとの遅延整相データのうち同一の受信焦点についての遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部とを備えている。

送信間合成部では，同一の受信焦点についての送信ごとの遅延整相データにそれぞれの重み係数をかけて重み付けした後、合成する。

本発明によれば、開口合成処理において、送信間における受信信号のばらつきを重み付けにより低減することができるため、高精度の画像が得られる。

第１の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第１の実施形態の超音波撮像装置の（ａ）斜視図、（ｂ）ブロック図。 図１の遅延加算整相部２０４の処理を説明するための説明図。 （ａ）図１のビームメモリ２０６の遅延整相データを説明する説明図、（ｂ）送信間合成部２０５が送信ごとの同一の受信焦点の遅延整相データを重み付け係数でそれぞれを重み付けする処理を示す説明図、（ｃ）開口合成画像の走査線を示す説明図。 （ａ）開口合成画像の走査線を示す説明図、（ｂ）重みテーブル６０１の構造を示す説明図、（ｃ）比較例の重みテーブルの構造を示す説明図。 第１の実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャート。 （ａ）送信ごとの遅延整相データの信号値のばらつきを示すグラフ、（ｂ）送信ごとの重み係数を示すグラフ、（ｃ）重み付け後の遅延整相データの信号値のばらつきを送信ごとに示すグラフ。 超音波撮像装置の送信ビームの重なりを（ａ）拡散送信の低速撮像、（ｂ）拡散送信の高速撮像、（ｃ）フォーカス送信の低速撮像、（ｄ）フォーカス送信の高速撮像の場合についてそれぞれ示す説明図。 第２の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第２の実施形態の超音波撮像装置の斜視図。 第２の実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャート。 第３の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第３の実施形態の超音波撮像装置の斜視図。 第４の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第４の実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャート。 第５の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの一部構成を示すブロック図。

本発明の一実施形態の超音波撮像装置について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の超音波撮像装置について、図１、図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図１は、装置の一部のブロック図、図２（ａ）は装置の斜視図、図２（ｂ）は装置全体の概略構成を示すブロック図である。

図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、第１の実施形態の超音波撮像装置は、所定の方向に沿って複数の超音波素子１０５を配列した超音波素子アレイ１０１と、複数の超音波素子１０５の少なくとも一部（２０１，２０２，２０３）から超音波を送信させる送信ビームフォーマ１０４と、被検体１００からの超音波を受信した複数の超音波素子１０５の出力する受信信号を整相する受信ビームフォーマ１０８と、受信ビームフォーマの出力する整相出力を用いて画像データを生成する画像処理部１０９とを有する。

受信ビームフォーマ１０８は、開口合成処理を行うビームフォーマである。図１のように、受信ビームフォーマ１０８は、１送信ごとの受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部２０４と、遅延加算整相部２０４による受信焦点ごとの遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリ２０６と、ビームメモリ２０６に格納された送信ごとの遅延整相データのうち同一の受信焦点について遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部２０５とを備えている。

送信間合成部２０５では，同一の受信焦点についての送信ごとの遅延整相データにそれぞれの重み係数をかけて重み付けした後、合成する。これにより、システム（装置の機器）に起因する誤差が送信間でばらつくことにより、遅延整相データに誤差が生じ、開口合成後の信号に無視できない誤差を生じることを抑制することができる。よって、解像度の高い超音波画像を開口合成により得ることができる。また、超音波の送信回数を通常よりも間引いて高速撮像を行う場合に、送信間の照射領域の重なりが少なくても、開口合成により生じるアーチファクトを防止し、解像度の高い超音波画像を得ることができる。

超音波撮像装置は、あらかじめ定められた重み係数を格納した重みメモリ１１２を備える構成とすることができる。これにより、送信間合成部２０５は、重みメモリから重み係数を読み出して重み付けに用いることが可能になる。

以下、第１の実施形態の超音波撮像装置をさらに具体的に説明する。

図１および図２（ａ），（ｂ）を用いて超音波撮像装置の全体構成についてさらに説明する。

図２（ａ）のように、超音波撮像装置は、超音波探触子１０６と、装置本体１０２と、画像表示部１０３と、コンソール１１０を備えている。装置本体１０２内には、図２（ｂ）のように送信ビームフォーマ１０４と、送受信分離回路（Ｔ／Ｒ）１０７と、受信ビームフォーマ１０８と、画像処理部１０９と、これらの動作を制御する制御部１１１が配置されている。重みメモリ１１２は、制御部１１１内に配置されている。

受信ビームフォーマ１０８は、図１のように、上述の遅延加算整相部２０４、ビームメモリ２０６、送信間合成部２０５の他に、演算に用いる重み係数を重みメモリ１１２から一時的に取り込んで格納する重みテーブル６０１と、フレームメモリ２０７とを備えている。超音波探触子１０６は、図１に示した超音波素子アレイ１０１を備えている。

図２（ｂ）の送信ビームフォーマ１０４は、超音波の送信ビームを生成するための送信ビーム用信号を生成する。送信ビーム用信号は、送受信分離回路１０７を経て、超音波探触子１０６に受け渡される。超音波探触子１０６は、超音波素子アレイ１０１の超音波素子１０５にそれぞれ送信ビーム用信号を受け渡す。超音波素子１０５は、超音波を被検体１００の体内に向けて送信する。体内で反射されたエコー信号は、超音波探触子１０６の超音波素子アレイ１０１により受信される。受信信号は、再び送受信分離回路１０７を経て受信ビームフォーマ１０８において整相演算処理等が施される。

遅延加算整相部２０４が行う整相処理を図３を用いて説明する。遅延加算整相部２０４は、送信ビームフォーマ１０４による一回の超音波の送信に対して超音波素子１０５が受信する受信データから、複数の受信ビーム（beam #1〜beam #M）を並列処理により生成する。本実施形態では、受信ビームとは、深さ方向に直線的に並べられた複数の受信焦点の集合を言う。明細書中および図面中において＃は、番号（No.)を意味する符号として用いている。一般的には、受信ビーム（受信焦点の集合）の本数は、送信ビームの中心付近の１本、または、中心付近の２〜８本程度の数だけ形成される（パラレルビームフォーミング）。しかしながら、これらの本数に限定されるものではなく、超音波素子アレイ１０１の指向角１０内に、何本形成してよい。指向角１０（例えば９０°）内に、３２本，６４本，１２８本等の受信ビームを並列に生成しても良い。

ここでは一例として、超音波素子アレイ１０１の中心を時刻ゼロとした場合の遅延法を用いて、遅延加算整相部２０４が受信ビームを生成する場合について説明する。なお、送信焦点位置を時刻ゼロとするような遅延法（仮想音源法）を用いて受信ビームを生成しても良い。

図３において２番目の受信ビーム（beam #2)の受信焦点１１ａについて受信信号を整相する場合，遅延加算整相部２０４が超音波素子アレイ１０１のアクティブチャンネルの超音波素子１０５の受信信号のそれぞれに、図３に示す遅延カーブ１２ａで表される遅延時間を適用して遅延させる。同様に、受信焦点１１ｂについて受信信号を整相する場合には、遅延カーブ１２ｂで表される遅延時間を適用して受信信号を遅延させる。また、ｍ番目の受信ビーム（beam #m）の上の受信焦点１３ａ，１３ｂについて整相を行う場合には，それぞれ図３の遅延カーブ１４ａ，１４ｂで表される遅延時間を適用して受信信号を遅延させる。

遅延加算整相部２０４は、受信信号をそれぞれ遅延させた後、加算する。これにより、一つの受信焦点について遅延整相データが得られる。この演算を受信ビーム上に設定した全ての受信焦点について行うことにより、一つの受信ビームについて、遅延整相データの集合が得られる。

この演算を、Ｍ本の受信ビーム（beam #1〜beam # M）上の全ての受信焦点について行うことにより、扇形領域１５の受信焦点の遅延整相データを生成することができる。すなわち、超音波素子アレイ１０１からの一回の超音波の送信および受信によって、Ｍ本の並列な受信ビームの集合体としての扇形領域１５の像（すなわち、受信焦点の集合）が生成される。なお受信ビームの集合体の形状は、扇型形状であっても、超音波素子１０５それぞれの表層面の法線ベクトル方向にビーム方向を選んだような受信ビーム形状であっても良い。また、超音波素子１０５が送信する送信ビームの範囲内を網羅するような任意の複数ビームの集合体であってもよい。また、図３においては超音波素子１０５は直線上に配置されたリニア型の形状であるが、素子配置が湾曲したコンベックス形状であってもよい。また、送信ビームの走査方式がセクタ型であっても良い。

求められた各受信焦点の遅延整相データは、遅延加算整相部２０４から送信間合成部２０５を通して受信ビームごとにビームメモリ２０６に蓄積される。よって、ビームメモリ２０６内には、超音波の送受信ごとに、Ｍ本の受信ビームの受信焦点の遅延整相データから構成される扇形領域１５の像が、1つ蓄えられる。ビームメモリ２０６のメモリ量は有限であるため、新しい送受信で得た受信ビームの遅延整相データを蓄えるために、最も時間が古い受信ビームの遅延整相データを消去して更新する構成とする。ただし、超音波撮像を行っている時間中のすべての送受信で得た遅延整相データを蓄えるのに十分なメモリ量を持っている場合には、古いデータを消去する必要はなく、全ての遅延整相データをビームメモリ２０６内に蓄える。

次に、送信間合成部２０５の動作を図４を用いて説明する。送信間合成部２０５は、ビームメモリ２０６に蓄えられた遅延整相データのうち、異なる送信で同じ位置の受信焦点について得た遅延整相データを合成することで、開口合成画像を生成する。

まず、最終的に形成したい開口合成画像を、図４（ｃ）のように定める。図４（ｃ）の開口合成画像は、Ｊ本の走査線(Scan line #1 〜 Scan line #J)から構成される。それぞれの走査線は、深さ方向にＳ個の受信焦点（σ=1,2,・・・S）を含む。なお、明細書および図４において、φは、走査線番号を表す符号として、σは、受信焦点の番号を表す符号として、ｎは、送信（Ｔｘ）の番号を示す符号として用いている。

この開口合成画像中の受信焦点と同一の位置の受信焦点の遅延整相データをビームメモリ２０６から読み出して合成する。例えば、開口合成画像の走査線の方向および受信焦点の間隔が、遅延加算整相部２０４で計算される受信ビームの方向と受信焦点の間隔にそれぞれ対応している場合、送信番号１，２・・・Ｎで得られた扇形領域の像には、開口合成画像のｊ番目の走査線のｓ番目の受信焦点２４と同一位置の受信焦点２１，２２・・・２３が図４（ａ）のように含まれる。送信間合成部２０５は、ビームメモリ２０６から受信焦点２１，２２・・・２３の遅延整相データをそれぞれ読み出して合成する。

本実施形態では、遅延整相データの合成の際に、図４（ｂ）のように送信間合成部２０５が、送信間の遅延整相データを重み付けして加算する。送信ごとの遅延整相データには、システム（機器）に起因する誤差によるばらつきや、高速撮像時のブロックノイズが存在するため、下記式（１）のように重みを乗じて、演算を行い合成することにより、この問題を解消する。

なお、式（１）において、Ｒ（ｊ，ｓ）は、開口合成画像のｊ番目の走査線のｓ番目の受信焦点の合成後の遅延整相データであり、ｒ（ｊ，ｓ，ｎ）は、送信番号ｎで得られた遅延整相データであって、開口合成画像のＲ（ｊ，ｓ）と同一の位置にある受信焦点の遅延整相データである。ｗ（ｊ，ｓ，ｎ）は、遅延整相データｒ（ｊ，ｓ，ｎ）に重み付けする重み係数を表し、重みテーブル６０１に格納されている重み係数である。すなわち、重み係数ｗ（ｊ，ｓ，ｎ）は、送信番号、走査線番号および受信焦点番号ごとに個別の重み係数が設定されている。

なお、開口合成画像の走査線の方向および受信焦点の間隔は、遅延加算整相部２０４で計算される受信ビームの方向と受信焦点の間隔にそれぞれ対応しない場合もある。このような場合には、開口合成画像の受信焦点に最も近い受信ビームの受信焦点の遅延整相データをそのままｒ（ｊ，ｓ，ｎ）として用いてもよいし、バイリニア補間のような線形補間、もしくはバイキュービック補間のような非線形補間を利用して、開口合成画像の受信焦点に近い位置の遅延整相データの値からｒ（ｊ，ｓ，ｎ）を補間演算により求めて用いても良い。

つぎに、図５を用いて重みテーブル６０１に格納される重み係数について説明する。本実施形態では、全ての走査線１〜Ｊの全ての受信焦点について、送信ごとに重み係数を用意することに特徴がある。

開口合成画像の走査線の総数がＪ本、１本の走査線上の受信焦点の数がＳ個、一つの開口合成に用いる送信回数がＮ回である場合、図５（ａ）のように重みテーブル６０１は、Ｓ×Ｎ個の重み係数の値を格納可能なテーブルを、走査線の総数であるＪ個格納可能な記憶領域を備えている。すなわち、一つのテーブルには、一つの走査線上のＳ個の受信焦点のそれぞれの重みが、Ｎ回の送信回数の分だけ格納されている。例えば、図５（ａ）のように開口合成画像の２番目の走査線のｓ番目の受信焦点６１についての１回〜Ｎ回の送信ごとの重み係数は，図５（ｂ）の２番目の走査線の重みテーブルの行６２に格納されている。

なお、重みテーブル６０１は、必ずしも図５（ｂ）の構成でなくてもよく、全送信回数，全受信焦点数および全走査線数について、それぞれ重み係数が格納できればよい。また、重みテーブル６０１内の重みデータが重複する場合にはその重複した分を取り除いた最小データ量の重みデータの組合せだけをもつような重みテーブル６０１であっても良い。

重みテーブル内の重み係数は、設定可能な撮像条件ごとに、遅延整相データのシステムに起因するばらつきや、高速撮像時のブロックノイズが低減されるように最適な値を予め求めておき、制御部１１１内の重みメモリ１１２に格納しておく。制御部１１１は、操作者がコンソール１１０に設定した撮像条件に対応するテーブルを重みメモリ１１２から読み出して、重みテーブル６０１に格納する。

つぎに、図６を用いて，本発明の超音波撮像装置の動作フローを説明する。

まず，装置の操作者（術者・検者）がコンソール１１０に撮像条件を入力すると、その撮像条件に従って，制御部１１１がプローブ条件・超音波照射条件・開口合成条件、の情報を示す制御信号を出力する。受信ビームフォーマ１０８が上記制御信号を受け取る（ステップＳ４０１）。

次に，制御部１１１は，上記の撮像条件に対応する重み係数のテーブルを選択し、受信ビームフォーマ１０８中の重みテーブル６０１にダウンロードする（ステップＳ４０２）。

次に、超音波素子アレイ１０１において超音波の送受が行われる（ステップＳ４０３）。一回の送信で超音波素子１０５が受信した受信データは、遅延加算整相部２０４に伝達され，図３を用いて説明したような複数の受信ビームの受信焦点の遅延整相データの演算が行われる。求められた複数の受信ビームの受信焦点の遅延整相データは、ビームメモリ２０６に格納される（ステップＳ４０４）。

上記のステップＳ４０３からＳ４０４のプロセスは，超音波の送信１回と受信１回のセットごとに繰り返して行われる。

次に，ビームメモリに蓄えられた複数送信間の遅延整相データと、重みテーブル内の重みデータは、送信間合成部２０５に送られる（ステップＳ４０５，Ｓ４０６）。

送信間合成部２０５においては、図４を用いて説明したように、開口合成画像の走査線番号ｊのｓ番目の受信焦点の合成後の遅延整相データＲ（ｊ，ｓ）を、送信番号ｎで得られた遅延整相データであって、開口合成画像の受信焦点（走査線番号ｊ、受信焦点番号ｓ）と同一の位置にあるデータｒ（ｊ，ｓ，ｎ）を、送信番号ｎ、走査線番号ｊ、受信焦点番号ｓの重み係数ｗ（ｊ，ｓ，ｎ）によって重み付けした後、他の送信番号で同様に演算した重み付け後の遅延整相データと加算して合成する（ステップＳ４０７）。

送信間合成に関する３つのステップＳ４０５，Ｓ４０６，Ｓ４０７を，１フレームの開口合成画像の全て（Ｊ×Ｓ個）の受信焦点について繰り返す。

送信間合成部２０５で合成された開口合成画像は、受信ビームフォーマ１０８内のフレームメモリ２０７に蓄えられる（ステップＳ４０８）。以上のプロセスで、受信ビームフォーマ１０８による処理が完了する。

フレームメモリ２０７中に蓄えられたフレームデータは、画像処理部１０９に送信される。画像処理部１０９はバックエンドの画像処理を行い、超音波画像（例えばＢ−モード画像）を生成して画像表示部１０３に出力する（ステップＳ４０９）。また、画像処理部１０９では、フレームメモリ２０７から送られてきたフレームデータを用いて，非線形撮像画像，造影コントラスト画像，連続波ドプラ画像，パルスドプラ画像，カラーフロー画像、エラストグラフィなどの弾性波画像など様々な超音波画像の生成やアプリケーションの実行を行うことができる。

また、図６においては、制御部からの重み値のダウンロードは、全ての超音波の送信・受信の前にダウンロードされているが、ステップＳ４０２の動作は、ステップＳ４０６の直前に行われてもよく、送信間の合成処理の1回毎に行われても良い。その場合、ステップＳ４０２のブロックは、図６のステップＳ４０４とＳ４０６のブロックの間に配置され、ステップＳ４０２→Ｓ４０６→Ｓ４０７→Ｓ４０２の動作が、１フレーム完成まで繰り返される。また、この場合、重みテーブルに１回のダウンロード処理で転送される重みデータの容量は、ステップＳ４０７の送信間合成処理で必要なだけの容量に限ることができる。

本実施形態によれば、図７（ａ）のように、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズによって送信回数ごとの信号強度にばらつきのある遅延整相データに、これを抑制するように予め定められた重み係数（図７（ｂ））を乗じることにより、送信間でのばらつきを低減する（図７（ｃ））。よって、重み係数を乗じた後の遅延整相データを加算することにより、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを低減した合成結果を得ることができる。

図８（ａ）は、拡散送信で低速撮像の場合の送信ビームの重なりを示し、図８（ｂ）は、拡散送信で高速撮像の場合の送信ビームの重なりを示している。図８（ｃ）は、低いF値のフォーカス送信（集束送信）で低速撮像の場合の送信ビームの重なりを示し、図８（ｄ）は、低いF値のフォーカス送信で高速撮像の場合の送信ビームの重なりを示している。図８（ｂ）、（ｄ）の高速撮像の場合、送信ビーム同士の重なりが、低速撮像の場合よりも少なく、ブロッキングアーチファクトが生成されやすい。特に、図８（ｄ）のフォーカス送信で高速撮像の場合には、焦点付近で送信ビーム同士の重なり少なく、顕著なブロッキングアーチファクトとして現れる。図８（ｂ）、（ｄ）のような高速撮像の場合であっても、本実施形態によれば、遅延整相データに重み係数を乗じて、送信間のばらつきを低減することができるため、ブロッキングアーチファクトを低減することができる。

また、本実施形態の開口合成処理は、一般的な開口合成処理と同様に、図４のようにアクティブチャンネル２０１、２０２，２０３の位置を少しずつずらしながら送信しているため、開口合成画像の走査線番号ｊのｓ番目の受信焦点２４と同一位置の受信焦点２１，２２・・・２３は、各送信で得た扇型領域１５の像の異なる位置（異なる見込み角度、異なる受信ビーム番号）に存在する。これらのデータを合成することによって、受信焦点２４を異なる方向から見込んで送信・受信した遅延整相データを重ね合わせることができるため、受信焦点２４の遅延整相データの精度を向上させることができる。

（比較例１）
比較例として、従来技術のように、送信間では重み付けを行わず、チャンネル方向（超音波素子の並び方向）と深さ方向に重み付けを行う場合の重みテーブルを図５（ｃ）に示す。図５（ｃ）の重みテーブルは、チャンネル方向と深さ方向の組み合わせのみでよいため、二次元のメモリ空間（テーブル）が一つのみでよい。

したがって、比較例の重みテーブルでは、図７（ａ）のように送信ごとに遅延整相データの信号強度にばらつきがある場合であっても、これを補正することができないため、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを低減した合成結果を得ることはできない。

（第２の実施形態）
図９、図１０を用いて第２の実施形態の超音波撮像装置について説明する。

図９は、第２の実施形態の超音波撮像装置の一部のブロックであり、図１０は、装置全体の斜視図である。第２の実施形態の超音波撮像装置は、重みメモリ１１２または重みテーブル６０１の重み係数の外部から書き換えを受け付けるための入出力ポート７０１を本体１０２に有する。本体１０２の外側には、重み係数を演算により求める重み係数演算部７０２が配置されている。重み係数演算部７０２は、入出力ポート７０１を介して重みメモリ１１２または重みテーブル６０１に接続され、重みメモリ１１２または重みテーブル６０１に格納されている重み係数を、演算により求めた重み係数に書き換える。

重み係数演算部７０２は、ビームメモリ２０６から送信ごとの遅延整相データを受け取って重み係数を演算する構成にすることができる。例えば、重み係数演算部７０２は、送信ごとの遅延整相データを適応処理することにより、重み係数として適応重みを求める適応エンジン２０８を備える構成にする。重み係数演算部７０２には、適応エンジン２０８の他に制御部７０３が配置されている。制御部７０３は、適応エンジン２０８の動作の制御および入出力ポート７０１を介した遅延整相データや重み係数の本体１０２との信号のやり取りの制御を行う。

図１１に本実施形態の超音波撮像装置の動作フローを示す。図１１の動作フローは、第１の実施形態の図６のステップＳ４０６、Ｓ４０７に替えて、ステップＳ５０５，Ｓ５０６、Ｓ５０７が行われる。他のステップは図６の説明と同様であるので説明を省略し、ステップＳ５０５，Ｓ５０６、Ｓ５０７について説明する。遅延整相データがビームメモリ２０６に格納されたならば、制御部１１１および制御部７０３の制御の下で、適応エンジン２０８が遅延整相データを受け取る（ステップＳ５０５）。適応エンジン２０８は、ビームメモリ２０６の遅延整相データを用いて、遅延整相データの送信間のばらつきに対応した最適な適応重みを求め、この適応重みを重みテーブル６０１の重み係数と書き換える（ステップＳ５０６）。送信間合成部２０５は、遅延整相データと適応重みを読み込んで、遅延整相データを適応重みで重み付けし、送信間で合成する（ステップＳ５０７）。

これにより、遅延整相データに応じた重み係数を用いて、遅延整相データの送信間のばらつきをより効果的に低減することができる。よって、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを低減した高解像度の超音波画像を生成することができる。

また、求めた適応重みを、その時の撮像条件に対応させて重みメモリ１１２に格納していくことにより、装置ごとの遅延整相データのばらつきの差異や装置の経時変化に対応して、重みメモリ１１２内の重み係数を最適な値に更新していくことができる。なお、更新時には、画像表示部１０８に、重み係数演算部７０２により重み係数を更新中であることや、調整状態、調整の進捗などを表示することも可能である。また、この表示を重み係数演算部７０２に取り付けたインジケータ８０２に表示することも可能である。

本実施形態の重み係数演算部７０２は、本体１０２の外部に配置され、必要な時だけ、本体１０２に接続して、重みテーブル６０１の重み係数の書き換え、重みメモリ１１２の更新を行えばよい。よって、本体１０２内に重み係数演算部７０２を配置する場合と比較して、超音波画像診断装置を小型化することができる。また、複数の超音波画像診断装置で１台の重み係数演算部７０２を使い回すことができるというメリットもある。また、これにより、プローブの経年劣化，アナログ送受信回路の不具合などによって装置特性が変化する場合に、重み係数を変えることによるリフレッシュ動作を、装置の定期的なメンテナンス作業の一環として行う事ができる。

次に、適応エンジン２０８における適応重みの計算（図１１のステップＳ５０６）の演算方法について説明する。以下，ｊ番目の走査線のｓ番目の受信焦点に対して適応重みを求める手順を説明する。

適応エンジン２０８への入力は、N回の送信で得た遅延整相データｒ(j,s,1),ｒ(j,s,2),…,ｒ(j,s,N)である。また適応エンジン２０８からの出力は，重み係数ｗ(j,s,1),ｗ(j,s,2),…,ｗ(j,s,N)である。以下、説明を簡単にするために、jの表記は省き、入力される遅延整相データr(j,s,1),r(j,s,2),…,r(j,s,N)をベクトルｒ(s)=[r1(s),r2(s),…,rN(s)]とし，重み係数ｗ(j,s,1),ｗ(j,s,2),…,ｗ(j,s,N)をベクトルｗ(s)=[r1(s),r2(s),…,rN(s)]と表す。

適応エンジン２０８は、入力ベクトルｒから共分散行列Γ(s)を以下の式（２）を用いて作成する。なお、式（２）において＊は、共役複素数を表す。

また、ベクトルｒの入力を時間サンプル方向に−Ｔ≦ｓ≦Ｔの２Ｔ＋１点の時間幅を持って入力することも可能であり、その場合アンサンブル平均をとることで、共分散行列Γ（ｓ）は以下の式（３）で表すことができる。

これらの共分散行列を用いて、たとえばＭＶＤＲ法による適応重みベクトルｗ(s)は、以下の式（４）から計算できる。

式（４）において、ａはステアリングベクトルであり，入力されるベクトルｒ(s)の方向に対する傾きであり，各送信番号ｎの位相関係から，式（５）のように表される。

式（５）において、θは，位相周りが各送信番号間でゼロである場合をθ＝０としたときの位相シフト量を表し，ｆは超音波の周波数である。一般的にθ＝０として考えると，a＝[1,1,…,1]と全ての要素が1のベクトルで表現することができ，このベクトルをステアリングベクトル方向とする。

適応エンジン２０８においては、以上のプロセスから，送信番号１〜Ｎに対応する重みベクトルｗ(s)=[r1(s),r2(s),…,rN(s)]を算出することができる（Ｓ５０６）。

なお、適応重みの演算方法は、ＭＶＤＲ法に限られるものではなく、ＡＰＥＳ法，ＭＵＳＩＣ法，ＥＳＭＶ法など各種重み生成プロセスを用いてｗ(s)を算出しても構わない。

また，ここで説明した適応重みの演算方法を用いて，第１の実施形態の重みメモリ１１２に格納する重み係数を超音波撮像条件ごとに計算することが可能である。

（第３の実施形態）
図１２、図１３を用いて第３の実施形態の超音波撮像装置について説明する。図１２は、第３の実施形態の超音波撮像装置の一部構成を示すブロック図であり、図１３は、装置の斜視図と通信回線に接続されることを示す図である。

図１２のように、第３の実施形態の超音波撮像装置は、第２の実施形態の図９の装置と似た構成であるが、図９の入出力ポート７０１に替えて、データを通信データに変換するためのデータ変換機能を備えた通信ポート９０１を本体１０２に配置している。また、重み係数演算部７０２にもデータ変換機能を備えた通信ポート９０３を配置している。

これにより、本体１０２から離れた場所に重み係数演算部７０２が配置されていても、通信回線９０２やネットワークを介して両者を接続して、制御信号、遅延整相データおよび重み係数データをやり取りすることができるため、第２の実施形態と同様に重み係数の更新動作を行うことができる。よって、リモート制御で、重みメモリ１１２に格納されている重み係数を更新する動作を、遠隔操作による定期的な装置メンテナンスの一環として行うことが可能である。

（第４の実施形態）
図１４、図１５を用いて第４の実施形態の超音波撮像装置について説明する。図１４は第４の実施形態の超音波撮像装置の一部構成を示すブロック図であり、図１５は、装置の動作フローを示す。

第４の実施形態の超音波撮像装置は、第１の実施形態の図１の装置の重みテーブルに替えて、送信ごとの遅延整相データを用いて重み係数を演算する重み係数演算部７０２を受信ビームフォーマ１０８の内部に備えている。重み係数演算部７０２は、送信ごとの遅延整相データを適応処理することにより、重み係数として適応重みを求める適応エンジン２０８を備えている。また、制御部１１１内には、重みメモリ１１２は配置されていない。

適応エンジン２０８を備えた重み係数演算部７０２の動作は、第２の実施形態の重み係数演算部７０２と同様である。

図１５を用いて、超音波撮像装置の動作について説明する。図１５からわかるように、装置の動作フローは、第３の実施形態の図１１の動作フローと似ているが、重みメモリ１１２および重みテーブル６０１を備えないため、ステップＳ４０２を行わず、重み係数演算部７０２は、ビームメモリ２０６から直接遅延整相データを受け取る。また、ステップＳ５０５，Ｓ５０６により適応エンジン２０８が求めた適応重みは、直接送信間合成部２０５に受け渡す。送信間合成部２０５は、遅延整相データを適応重みで重み付けし、送信間で合成する（ステップＳ５０７）。

これにより、開口合成処理のたびに、ビームメモリ２０６に格納された遅延整相データから適応エンジン２０８が適応重みを演算により求めることができる。送信間合成部は、適応重みを用いて遅延整相データを重み付けして合成することができるため、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを効果的に低減できる。よって、高解像度の超音波画像を得ることができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態の超音波撮像装置について、図１６を用いて説明する。

第５の実施形態の超音波撮像装置は、第４の実施形態の図１４の装置と同様の構成であるが、図１６に示すように、送信ごとの遅延整相データを縮退させる縮退部５０１を有する。重み係数演算部７０２は、縮退部５０１が縮退させた遅延整相データを用いて重み係数を演算する。これにより、重み係数演算部７０２の適応エンジン２０８の演算量を低減する。

例えば、縮退部５０１は、ビームメモリ２０６からのＮ回の送信の遅延整相データをＮ→Ｍに縮退させる。例えば、１６回の送信の遅延整相データを４回の送信の遅延整相データと等価なデータに低減させる。これにより、適応エンジン２０８における逆行列計算の計算時間が（４＾３）＝６４倍高速化され、実装規模を大幅に低減させることができる。これにより、装置のコストを低減することができる。

縮退部５０１の動作をさらに説明する。縮退部５０１が、送信回数Ｎの遅延整相データを送信回数Ｌ（Ｎ＞Ｌ）と同等のデータ量に低減する場合を考える。

縮退部５０１では，まず以下の式（６）のようにベクトルｒのうち長さＬの部分を切り出した要素数Ｌの部分ベクトルｒ_ｌ＾(s)を生成する。

次にこの部分ベクトルを全て平均すると以下の式（７）のように，縮退した送信間ベクトルｇ(s)を作ることができる。

これにより、縮退部５０１は、Ｎ個の要素をもつ信号ベクトルｒ(s)の代わりに，Ｌ個の要素を持つ信号ベクトルｇ(s)を送信間合成部２０５に入力する。また，適応エンジン２０８には，縮退部で生成したｒ_ｌ＾(s)を入力する。

適応エンジン２０８では，要素数Ｌの部分ベクトルｒ_ｌ＾(s)を用いた共分散行列Γ＾(s)（式（８））を演算する。

式（８）で表されるΓ＾(s)は，Ｌ×Ｌの要素を持つ行列となっている。この縮退した共分散行列Γ＾(s)を用いて，適応エンジン２０８では，Ｌの要素を持つ重み係数ｗ＾(s)を式（９）により求め，送信間合成部２０５へ出力する。

このように，送信間合成部２０５においては，式（１）のｗとｒに替えて，ｗ＾とｇを用いることにより、要素数をＮからＬに縮退した形で送信間合成処理を行うことができ，演算量を（Ｌ^３）／（Ｎ^３）に低減することができる。

１００ 被検体
１０１ 超音波素子アレイ
１０２ 超音波撮像装置本体
１０３ 画像表示部
１０４ 送信ビームフォーマ
１０６ 超音波探触子
１０７ 送受信分離回路（Ｔ／Ｒ）
１０８ 受信ビームフォーマ
１０９ 画像処理部
１１０ コンソール
１１１ 制御部
６０１ 重みテーブル

Claims (10)

1. 所定の方向に沿って複数の超音波素子を配列した超音波素子アレイと、前記複数の超音波素子の少なくとも一部から超音波を送信させる送信ビームフォーマと、被検体からの超音波を受信した前記複数の超音波素子の出力する受信信号を整相する受信ビームフォーマと、前記受信ビームフォーマの出力する整相出力を用いて画像データを生成する画像処理部とを有し、
   前記受信ビームフォーマは、開口合成処理を行うビームフォーマであり、１送信ごとの前記受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部と、前記遅延加算整相部による前記受信焦点ごとの前記遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリと、前記ビームメモリに格納された送信ごとの前記遅延整相データのうち同一の前記受信焦点についての遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部とを有し，
   前記送信間合成部では，同一の前記受信焦点についての送信ごとの遅延整相データをそれぞれ重み係数で重み付けした後、合成することを特徴とする超音波撮像装置。
2. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、あらかじめ定められた重み係数を格納した重みメモリをさらに有し、前記送信間合成部は、前記重みメモリから前記重み係数を読み出して重み付けに用いることを特徴とする超音波撮像装置。
3. 請求項２に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数の書き換えを受け付けるためのポートをさらに有することを特徴とする超音波撮像装置。
4. 請求項３に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数を演算により求める重み係数演算部をさらに有し、前記重み係数演算部は、前記ポートを介して前記重みメモリに接続され、前記重みメモリに格納されている前記重み係数を、演算により求めた重み係数に書き換えることを特徴とする超音波撮像装置。
5. 請求項４に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。
6. 請求項５に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。
7. 請求項６に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを適応処理することにより、前記重み係数として適応重みを求めることを特徴とする超音波撮像装置。
8. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、送信ごとの前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算する重み係数演算部をさらに有することを特徴とする超音波撮像装置。
9. 請求項８に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを適応処理することにより、前記重み係数として適応重みを求めることを特徴とする超音波撮像装置。
10. 請求項８または９に記載の超音波撮像装置において、送信ごとの前記遅延整相データを縮退させる縮退部を有し、前記重み係数演算部は、前記縮退部が縮退させた前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。

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