JP5315153B2

JP5315153B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP5315153B2
Application number: JP2009169817A
Authority: JP
Inventors: 景文曹
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: US9146306B2; CN101961249B; CN101961249A; EP2284566A1; JP2011019858A; US20110021921A1

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、アレイ振動子を利用して超音波ビームを形成する技術に関する。

複数の振動素子を２次元的に配列して構成された２次元アレイ振動子が知られている。２次元アレイ振動子は例えば数千個の振動素子で構成され、これらの振動素子が電子的に制御され、超音波ビームが２次元的に走査されて３次元的にエコーデータが収集される。

２次元アレイ振動子を構成する複数の振動素子を制御するにあたって、各振動素子ごとに独立に信号線を設けると、２次元アレイ振動子の全体で振動素子の総数だけ、例えば数千本もの信号線が必要になる。数千本もの信号線を利用すると、振動素子が収められたプローブと装置本体とを結ぶプローブケーブルが太くなり、また、プローブケーブルと装置本体との接続部のコネクタの端子も多数になる。もちろん、送受信系の回路規模の増大も無視できない。こうした事情から、複数の振動素子と装置本体とを結ぶ信号線の数（チャンネル数）を減らすための技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、２次元アレイ振動子を複数のサブアレイに区分けし、各サブアレイ内の例えば９個（縦３個×横３個）の振動素子の受信信号を整相加算し、プローブ側で各サブアレイを１本の信号に纏めてから、装置本体と結線する旨の技術が記載されている。これにより、チャンネル数を大幅に例えば１／９に削減することができる。

ところが、各サブアレイを１本の信号に纏めるためには、各サブアレイに属する例えば９個の振動素子の各々に対する遅延量の情報が必要になり、装置本体からプローブにその情報が与えられる。そして、ビームの偏向角度やフォーカスの深さに応じて遅延量を調整すると、装置本体からプローブに与えるべき情報が極めて膨大になる。例えば数千個もの振動素子に関する遅延量を転送すると、数十マイクロ秒程度の転送時間が必要になり、フレームレートの低下などの別の問題が懸念される。

例えば、特許文献２には、フォーカスの深さを無限大に固定してビーム偏向のみの制御とすることにより、遅延の制御を単純化して情報量を減らす旨の技術が記載されている。しかし、単純にフォーカスの深さを無限大にすると、ビームの絞り込み等が劣化してビームの精度が落ちるため、画像の分解能等を低下させてしまう。

特表２００８−５１４３３５号公報特開２０００−３３０８７号公報

このような状況において、本願の発明者は、遅延処理のための情報量を抑えつつビームの精度を維持する技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、アレイ振動子を利用して超音波ビームを形成するための改良技術を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、複数の振動素子で構成されて複数のサブアレイに区分けされたアレイ振動子と、各サブアレイごとにそれに属する複数の振動素子の各々に対する遅延量を定めた遅延パターンに基づいて、各サブアレイに応じた遅延処理を実行するサブアレイ処理部と、を有し、前記アレイ振動子が複数の振動子領域に分割され、各振動子領域ごとにそれに属する複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定される、ことを特徴とする。

この超音波診断装置によれば、各振動子領域ごとにそれに属する複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定されるため、これら複数のサブアレイの各々に対して個別の遅延パターンを設定する場合に比べて、遅延パターンに関する情報量を少なくすることができる。また、複数の振動子領域の各々に応じた遅延パターンを設定することにより、アレイ振動子全体で共通の遅延パターンを設定する場合に比べて、ビームの絞り込み等の精度を高めることができる。

望ましくは、前記複数の振動子領域の各々に対して仮想的な平面が対応付けられ、各振動子領域ごとに、対応付けられた仮想的な平面に基づいて前記共通の遅延パターンが設定される、ことを特徴とする。

望ましくは、前記複数の振動子領域の各々に対してビーム偏向角度が割り当てられ、各振動子領域ごとに、割り当てられたビーム偏向角度に応じて前記仮想的な平面が対応付けられる、ことを特徴とする。

望ましくは、前記各振動子領域ごとに、それに属する複数のサブアレイに対して前記共通の遅延パターンが設定され、さらに、それら複数のサブアレイの各々に対して個別のメイン遅延量が設定される、ことを特徴とする。

望ましくは、前記複数のサブアレイの各々に対して設定される前記個別のメイン遅延量に基づいて、ビーム深さが制御される、ことを特徴とする。

望ましい具体例として、前記アレイ振動子は、２次元的に配列された複数の振動素子で構成される２次元アレイ振動子である、ことを特徴とする。

望ましい具体例として、前記２次元アレイ振動子は、振動子面の中央から放射状に伸長される仮想的な境界線により複数の振動子領域に分割される、ことを特徴とする。

望ましい具体例として、前記２次元アレイ振動子は、振動子面の中央を取り囲むように設定される仮想的な境界線により複数の振動子領域に分割される、ことを特徴とする。

望ましい具体例として、前記２次元アレイ振動子は、３つ以上の振動子領域に分割される、ことを特徴とする。

本発明により、アレイ振動子を利用して超音波ビームを形成するための改良技術が提供される。例えば、各振動子領域ごとにそれに属する複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンを設定することにより、これら複数のサブアレイの各々に対して個別の遅延パターンを設定する場合に比べて、遅延パターンに関する情報量を少なくすることができる。また、複数の振動子領域の各々に応じた遅延パターンを設定することにより、アレイ振動子全体で共通の遅延パターンを設定する場合に比べて、ビームの絞り込み等の精度を高めることができる。

本発明の実施において好適な超音波診断装置の２Ｄアレイ振動子を示す図である。サブ遅延量とメイン遅延量を説明するための図である。本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。ビームの精度に関する比較結果を示す図である。振動子領域の様々な分割パターンを示す図である。

以下に本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の２Ｄアレイ振動子１０を示す図である。２Ｄアレイ振動子１０は、複数の振動素子を２次元的に配列して構成される。例えば、縦方向と横方向に２次元的に複数の振動素子が配列されて、図１に示すように、２Ｄアレイ振動子１０の振動子面が正方形状に形成される。なお、円状に２次元的に複数の振動素子が配列されて、２Ｄアレイ振動子１０の振動子面が円状に形成されてもよい。

また、２Ｄアレイ振動子１０は、複数のサブアレイに区分けされる。図１において、破線により格子状に区分けされた複数の正方形の各々がサブアレイである。図１には、代表的にＳＡ１からＳＡ４までの４つのサブアレイが拡大図示されている。各サブアレイはいくつかの振動素子で構成される。例えば各サブアレイが９つの振動素子で構成される。図１において、ＳＡ１からＳＡ４の各サブアレイ内の格子状に配列された９つの正方形が９つの振動素子を示している。

さらに、２Ｄアレイ振動子１０は、複数の振動子領域に分割される。図１において、一点鎖線のｘ軸とｙ軸により分割された（Ｉ）から（ＩＶ）の４つの領域（象限）が４つの振動子領域を示している。図１において、（Ｉ）から（ＩＶ）の各振動子領域は、２５個のサブアレイで構成されている。なお、図１は、本発明を実施する際の一例を示しているに過ぎず、各サブアレイを構成する振動素子の個数や、各振動子領域を構成するサブアレイの個数は、図１の例に限定されない。

２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子は電子的に制御され、これにより、超音波ビームが２次元的に走査されて３次元的にエコーデータが収集される。その電子的な制御においては、各振動素子に応じた遅延量（遅延時間）が設定される。例えば、各振動素子に対してその振動素子に応じた遅延量だけ遅延処理された送信信号が供給され、２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子により送信ビームが形成される。また、例えば、各振動素子から得られる受信信号に対してその振動素子に応じた遅延量だけ遅延処理を施してから２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子の受信信号を加算することにより、受信ビームに沿った受信信号が形成される。

本実施形態においては、各サブアレイごとにそれに属する複数の振動素子の各々に対する遅延量を定めた遅延パターンに基づいて、各サブアレイに応じた遅延処理が実行される。そして、各振動子領域ごとにそれに属する複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定される。

例えば、図１に示すサブアレイＳＡ１とサブアレイＳＡ２は、同じ振動子領域（ＩＶ）に属しているため、サブアレイＳＡ１とサブアレイＳＡ２に対して共通の遅延パターンが設定される。図１において、サブアレイＳＡ１とサブアレイＳＡ２内の各振動素子に付されたアルファベットは、その振動素子に対する遅延量を示しており、同じアルファベット同士が同じ遅延量である。サブアレイＳＡ１内のアルファベットの配置パターンとサブアレイＳＡ２内のアルファベットの配置パターンは互いに一致している。つまり、サブアレイＳＡ１内の複数の振動素子に対する遅延量の配置パターンとサブアレイＳＡ２内の複数の振動素子に対する遅延量の配置パターンが互いに一致している。

同様に、図１に示すサブアレイＳＡ３とサブアレイＳＡ４は、同じ振動子領域（ＩＩＩ）に属しているため、サブアレイＳＡ３とサブアレイＳＡ４に対して共通の遅延パターンが設定される。

各振動子領域内において共通の遅延パターンを設定するにあたっては、複数の振動子領域の各々に対して仮想的な平面が対応付けられ、各振動子領域ごとに、対応付けられた仮想的な平面に基づいて共通の遅延パターンが設定される。

２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子に対する遅延時間τの２次近似式は、偏向支配の項Ｓとフォーカス支配の項Ｆに分離できる。そして、遅延時間τは座標ｘ，ｙの２次関数として次式のように表現できる。

ここで、ｃは音速であり、θ_xはｘ方向の偏向角度であり、θ_yはｙ方向の偏向角度であり、ｆはフォーカス距離（深さ）である。フォーカス距離ｆを無限大とすると、フォーカス支配の項がＦ＝０となり、偏向支配の項Ｓのみによりτｃが次式のようになる。

つまり、τｃが線形の平面式となる。平面のｘ方向とｙ方向の勾配は、それぞれ、偏向に関わる既知値のαとβである。線形関数のため、振動素子間の遅延時間差は、勾配α，βに比例する定数となり、２Ｄアレイ振動子１０内の全てのサブアレイの遅延パターンが同じになる。但し、この場合には、フォーカス距離ｆが無限大である。

そこで、次に、フォーカス距離ｆを有限として、２次で近似されていたフォーカス支配の項Ｆについても、次式のように平面式で近似する。

但し、フォーカス支配の項Ｆについては、各振動子領域ごとに勾配ａ_iとｂ_iを決定する。ｉは振動子領域の番号１〜４（例えば、図１のＩ〜ＩＶ）である。

フォーカス支配の項Ｆについて（５）式の平面式を用いると、偏向支配の項Ｓのみにより（４）式で表現されていたτｃを次式のように拡張できる。

（６）式では、ｉ＝１〜４の各々について、つまり各振動子領域ごとに、線形の平面式が決定される。そのため、各振動子領域内において、複数のサブアレイの遅延パターンが同じになる。

なお、（５）式において、勾配ａ_iとｂ_iを各振動子領域ごとに決定する必要がある。例えば（３）式と（５）式を用いて最小２乗法により回帰平面として勾配ａ_iとｂ_iを決定することができる。また、複雑な式展開を避けて、数値計算の繰り返し演算により、勾配ａ_iとｂ_iを決定してもよい。ちなみに、２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子の分布が例えば円形で円心対称形であればａ₁＝−ａ₃，ｂ₁＝−ｂ₃，ａ₂＝−ａ₄，ｂ₂＝−ｂ₄となる。

以上のように、各振動子領域内において複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定され、その遅延パターンに応じて各振動素子に対してサブ遅延量が設定される。本実施形態においては、さらに、複数のサブアレイの各々に対して個別のメイン遅延量が設定される。

図２は、サブ遅延量とメイン遅延量を説明するための図であり、図１の振動子領域（Ｉ）と振動子領域（ＩＩＩ）に対する遅延量の設定を示す概念図である。図２において、横軸が各振動素子の位置であり、横軸方向に沿って複数のサブアレイが配列され、各サブアレイの幅が一定のサブアレイ幅となっている。そして、図２の縦軸が遅延量の大きさ（遅延時間）を示している。

本実施形態においては、各振動子領域内において複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定される。そのため、図２において、例えば振動子領域（Ｉ）に属する複数のサブアレイに対して、共通の勾配（傾き）のサブ遅延量が設定される。

さらに、本実施形態においては、複数のサブアレイの各々に対して個別のメイン遅延量が設定される。そして、メイン遅延量とサブ遅延量の合計値が、各振動素子に設定される遅延量となる。

メイン遅延量とサブ遅延量の合計により得られる遅延量は、理想的な遅延曲線に近づくように設定される。図２において、一点鎖線で示される曲線が理想的な遅延曲線であり、メイン遅延量とサブ遅延量が適宜調整され、それらの合計により得られる階段状の遅延パターンが理想的な遅延曲線に沿うように設定される。これにより、ビーム特性の劣化を抑えることが可能になる。

図３は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。図３の超音波診断装置は、プローブ１００と本体２００を有しており、プローブ１００と本体２００とがケーブルを介して互いに接続される。

プローブ１００は、２Ｄアレイ振動子１０（図１参照）を備えている。２Ｄアレイ振動子１０は、複数の振動素子１２を２次元的に配列して構成される。また、２Ｄアレイ振動子１０は、複数のサブアレイ１〜ｎに区分けされ、さらに、複数の振動子領域Ｉ〜ＩＶに分割される。

そして、複数のサブアレイ１〜ｎの各々に対してサブアレイ処理部２０が設けられている。サブアレイ処理部２０は、対応するサブアレイに応じた遅延処理を実行する。その遅延処理においては、各サブアレイに対して設定された遅延パターンが利用される。

装置本体２００は、送受信部３０を備えている。送信時において、送受信部３０は、複数のサブアレイ処理部２０の各々に対して、各サブアレイごとの個別のメイン遅延量だけ遅延処理された送信信号を出力する。そして、各サブアレイ処理部２０が遅延パターンに基づいて、各振動素子１２に応じたサブ遅延量だけ送信信号を遅延処理して各振動素子１２に対して送信信号を出力する。こうして、２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子１２に対して遅延処理された送信信号が供給されて送信ビームが形成される。

一方、受信時において、各サブアレイ処理部２０は、遅延パターンに基づいて各振動素子１２から得られる受信信号に対して遅延処理を施して、サブアレイに属する複数の振動素子１２から得られる遅延処理後の受信信号を加算する。そして、各サブアレイ処理部２０ごとに加算処理された受信信号が送受信部３０に送られる。送受信部３０は、各サブアレイ処理部２０から得られる受信信号に対して、各サブアレイ処理部２０ごとの個別のメイン遅延量だけ遅延処理を施して、複数のサブアレイ処理部２０から得られる遅延処理後の受信信号を加算する。こうして、２Ｄアレイ振動子１０を構成する複数の振動素子１２から得られる受信信号が纏められ、受信ビームに沿ったエコーデータが得られる。

なお、各サブアレイ処理部２０において送信時に利用される遅延パターンと受信時に利用される遅延パターンは共通のパターンでもよいし、送信時と受信時において互いに異なる遅延パターンを設定してもよい。また、受信時において、複数のサブアレイ処理部２０の各々に関するメイン遅延量を適宜制御することにより、受信ビームのフォーカス深さを変化させつつエコーデータを得るようにしてもよい。つまり、メイン遅延量を制御して受信ダイナミックフォーカスを実現してもよい。

画像形成部４０は、複数の受信ビームに沿って得られるエコーデータに基づいて画像データを形成する。そして、その画像データに対応した超音波画像が表示部５０に表示される。例えば、超音波ビームが２次元的に走査されて３次元的にエコーデータが収集され、３次元の超音波画像が形成される。もちろん、２次元の超音波画像が形成されてもよい。

制御部６０は、図３の超音波診断装置内の各部を集中的に制御する。特に、制御部６０は、複数のサブアレイ処理部２０に対して、遅延パターンを設定するための制御データを出力する。

本実施形態においては、各振動子領域内において複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定される。そのため、制御部６０は、同じ振動子領域に属する複数のサブアレイ処理部２０に対して、同一の制御データを出力すればよい。例えば、領域Ｉに属する複数のサブアレイ処理部２０に対して、共通の制御データが出力される。したがって、制御部６０は、振動子領域の個数（例えば４つ）の制御データを出力すればよい。

図４は、ビームの精度に関する比較結果を示す図である。図４には、音場シミュレーションによるｘ方向のビーム特性が示されており、横軸はｘ方向の角度であり縦軸に音場の強さが示されている。

図４には、遅延制御に関する３パターンの比較結果が示されている。波形７２は、フォーカス距離を無限大として偏向のみを考慮して（（４）式参照）各振動素子に対して遅延量を設定した場合の音場であり、また、波形７４は、理想的な曲面に応じて各振動素子ごとに遅延量を設定した場合の音場である。

これに対し、波形７０は、本実施形態による音場である。つまり、各振動子領域内において複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンを設定し、複数のサブアレイの各々に対して個別のメイン遅延量を設定した場合の音場である。

３パターンを比較すると、音場が最大となるメインローブについては殆ど差が見られない。ところが、メインローブからずれた位置において音場が極大傾向を示すグレーティングローブにおいて、３パターンの間に比較的顕著な差が見られる。

ビーム特性においてグレーティングローブは小さいことが望ましい。３パターンのうち波形７４は、理想的な曲面に応じて各振動素子ごとに遅延量を設定しているため、グレーティングローブが最も小さくビームの精度がよい。そして、波形７２は、フォーカス距離を無限大として偏向のみを考慮している簡略化されたビーム制御のため、グレーティングローブが最も大きくビームの精度がよくない。

これに対し、本実施形態による音場である波形７０は、波形７２に比べてグレーティングローブが小さく、波形７４に極めて近いレベルにまでグレーティングローブが抑えられている。

波形７４は、理想的な曲面に応じて各振動素子ごとに遅延量を設定した場合の音場であるが、各振動素子ごとに遅延量を設定するためには、膨大な遅延量の情報が必要になる。これに対し、本実施形態による音場である波形７０は、各振動子領域内において複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンを設定すればよいため、遅延量の情報が小さく抑えられる。例えば、１６４個のサブアレイの各々に対して個別の遅延パターンを設定すると１６４種類の遅延パターンが必要になるが、本実施形態では、４つの振動子領域に対して４種類の遅延パターンを設定すればよい。つまり、遅延パターンの種類を１６４種類から４種類に激減させることができる。

このように、本実施形態によれば、遅延パターンの種類を激減させつつ、ビームの精度を維持することが可能になる。

図５は、振動子領域の様々な分割パターンを示す図である。（Ａ）から（Ｅ）の各々において、実線で囲まれた正方形や円は２Ｄアレイ振動子の振動子面を示しており、その振動子面内に描かれた一点鎖線が振動子領域の境界である。

２Ｄアレイ振動子は、振動子面の中央から放射状に伸長される仮想的な境界線により複数の振動子領域に分割され、必要に応じて、振動子面の中央を取り囲むように設定される仮想的な境界線により複数の振動子領域に分割される。

（Ａ）においては、正方形の振動子面が（１）から（８）までの８つの振動子領域に分割されている。また（Ｂ）においては、円形の振動子面が（１）から（８）までの８つの振動子領域に分割されている。さらに（Ｃ）〜（Ｅ）にも円形の振動子面について分割パターン例が示されている。

このように、振動子領域の様々な分割パターンが可能であり、もちろん、図１や図５に記載された分割パターン以外の分割パターンを利用してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０２Ｄアレイ振動子、２０サブアレイ処理部、３０送受信部、４０画像形成部、５０表示部、６０制御部。

Claims

複数の振動素子で構成されて複数のサブアレイに区分けされたアレイ振動子と、
各サブアレイごとにそれに属する複数の振動素子の各々に対する遅延量を定めた遅延パターンに基づいて、各サブアレイに応じた遅延処理を実行するサブアレイ処理部と、
を有し、
前記アレイ振動子が複数の振動子領域に分割され、各振動子領域が複数のサブアレイで構成されており、各振動子領域ごとに、その振動子領域を構成する複数のサブアレイに対して共通の遅延パターンが設定され、さらに、それら複数のサブアレイの各々に対して個別のメイン遅延量が設定される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記複数の振動子領域の各々に対して仮想的な平面が対応付けられ、各振動子領域ごとに、対応付けられた仮想的な平面に基づいて前記共通の遅延パターンが設定される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記複数の振動子領域の各々に対応付けられる前記仮想的な平面は、ビーム偏向角度に係る項とフォーカス距離に係る項を含んだ式で定義され、
前記複数の振動子領域において前記ビーム偏向角度に係る項が共通とされ、
前記各振動子領域ごとに前記フォーカス距離に係る項が決定される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記複数のサブアレイの各々に対して設定される前記個別のメイン遅延量に基づいて、ビームのフォーカス深さが制御される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記アレイ振動子は、２次元的に配列された複数の振動素子で構成される２次元アレイ振動子である、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項５に記載の超音波診断装置において、
前記２次元アレイ振動子は、振動子面の中央から放射状に伸長される仮想的な境界線により複数の振動子領域に分割される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項６に記載の超音波診断装置において、
前記２次元アレイ振動子は、振動子面の中央を取り囲むように設定される仮想的な境界線により複数の振動子領域に分割される、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項５から７のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記２次元アレイ振動子は、３つ以上の振動子領域に分割される、
ことを特徴とする超音波診断装置。