超音波撮像装置
【課題】 シングルビーム送信におけるサイドローブやマルチビーム送信におけるクロストークによって超音波画像に生じる虚像を効果的に除去することができるようにする。
【解決手段】 複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて超音波ビームを送信し、被検体から反射される超音波エコーを複数の超音波トランスデューサにより受信して得られる複数の受信信号を処理することにより、被検体に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、複数の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値の統計値を求める相関処理手段５５と、複数の受信信号を加算する加算手段５３と、加算手段５３により加算された受信信号を増幅する増幅手段５４と、相関処理手段５５により求められた相関値の統計値に基づいて増幅手段５４の利得を制御する利得制御手段５７とを具備する。
【解決手段】 複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて超音波ビームを送信し、被検体から反射される超音波エコーを複数の超音波トランスデューサにより受信して得られる複数の受信信号を処理することにより、被検体に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、複数の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値の統計値を求める相関処理手段５５と、複数の受信信号を加算する加算手段５３と、加算手段５３により加算された受信信号を増幅する増幅手段５４と、相関処理手段５５により求められた相関値の統計値に基づいて増幅手段５４の利得を制御する利得制御手段５７とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信して被検体の超音波画像を表示することにより、生体内の臓器の診断や非破壊検査を行うために用いられる超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、超音波診断装置や工業用の探傷装置等の超音波撮像装置においては、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子（プローブ）が用いられる。このような超音波用探触子を用いて、複数の超音波を合波することにより形成される超音波ビームによって被検体を走査し、被検体内部において反射された超音波エコーを受信することにより、超音波エコーの強度に基づいて被検体に関する画像情報が得られる。さらに、この画像情報に基づいて、被検体に関する２次元又は３次元画像が再現される。このような超音波ビームを用いた走査方法の１つとして、被検体の扇状の２次元領域を走査する、いわゆるセクタ走査が知られている。
【０００３】
セクタ走査は、元来、人体の肋間から心臓を観察するための手法として開発されたものである。一般的に、セクタ走査においては、送信点から被検体の深さ方向に延びる複数の超音波ビームが被検体内に扇状に順次送信され、これらの超音波ビームによって、被検体の扇状の２次元領域が等間隔の角度で走査される。
【０００４】
被検体から反射される超音波エコーを受信する際には、各々の超音波ビーム（音線）に沿って被検体の深さ方向に等間隔で分布する複数のサンプリングポイントの各々から反射される超音波エコーに基づく複数の受信信号に対して位相整合処理が施されて、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号（走査線信号）が得られる。さらに、その音線信号が検波されると共に、走査方式を変換する処理が施されることにより、通常の表示装置に超音波画像を表示させるための画像信号が得られる。
【０００５】
ここで、図１２に示すように、複数の受信信号に対する位相整合処理は、位相制御回路１１２からの位相制御信号に基づいて、Ｎ個の超音波トランスデューサ（以下、Ｎ個の超音波トランスデューサの各々をチャンネル番号ｃｈ１〜ｃｈＮで区別する。）の受信信号の位相をＮ個の位相シフト回路１１１1〜１１１Nでそれぞれシフトした後に、加算回路１１３で加算する処理である。
【０００６】
しかしながら、超音波ビームを用いて得た超音波画像には、１本の超音波ビームで被検体を走査するシングルビーム送信においてはサイドローブによる虚像が生じ、また、複数本の超音波ビームで被検体を所定の間隔で同時に走査するマルチビーム送信においてはクロストークによる虚像が生じるという問題がある。
【０００７】
即ち、シングルビーム送信においては、サイドローブの影響がない場合には、図１３の（Ａ）に示すように、各超音波トランスデューサ（エレメント）から出力される受信信号の位相を整合すると、各受信信号の時間を合わせることができるので、反射体を示す実像のみが映し出された超音波画像を得ることができる。一方、超音波ビームのサイドローブの方向に反射体がある場合には、図１３の（Ｂ）に示すように、各超音波トランスデューサ（エレメント）から出力される受信信号の位相を整合すると、同図に白抜き四角で示す超音波ビームの主ビームの各受信信号に、同図に黒四角で示す超音波ビームのサイドローブによるチャンネル番号ｃｈ３の受信信号が含まれてしまうために、反射体により反射されたサイドローブによる虚像が超音波画像に生じてしまう。
【０００８】
また、図１４の（Ａ）に示すようなシングルビーム送信においては、反射体と同心円状の超音波エコーの強度は、図１４の（Ｃ）に破線で示すようになり、反射体の位置に対応する走査角θ＝０°付近に強度のピークが生じるだけであるが、図１４の（Ｂ）に示すような３本の超音波ビームで被検体を同時に走査するマルチビーム送信においては、反射体と同心円状の超音波エコーの強度は、図１４の（Ｃ）に実線で示すようになり、走査角θ＝０°付近の他に走査角θ＝６°付近にも強度のピークが生じる。これは、位相整合による空間（方向）分解能はそれほど高くはないので、マルチビーム送信の場合には、特定の方向に反射体が位置すると、他の超音波ビームの反射によるクロストークが発生するからである。その結果、マルチビーム送信においては、クロストークによる虚像が超音波画像に生じてしまう。
【０００９】
なお、超音波画像の画質を向上させる手法として、以下に示すようなものが提案されている。
下記の特許文献１は、受信信号間の相関係数により屈折や多重反射等による歪みの程度を評価し、相関係数が閾値よりも低いときには、励振強度や受信増幅率を基準値より低くする一方、相関係数が閾値よりも高いときには、励振強度や受信増幅率を基準値で維持するように、励振強度及び受信増幅率の少なくとも一方を制御することにより、歪みの画質への悪影響を低減する超音波診断装置を開示している。
即ち、この超音波診断装置においては、図１５に示すように、Ｎ個の増幅回路１２１1〜１２１Nによってそれぞれ増幅されたＮ個の超音波トランスデューサの受信信号間の相関係数を相関処理回路１２３によって求め、求めた相関係数に基づいてＮ個の増幅回路１２１1〜１２１Nの利得（増幅率）を利得制御回路１２２によってそれぞれ制御した後に、Ｎ個の増幅回路１２１1〜１２１Nの出力信号を加算回路１２４で加算している。
【００１０】
また、下記の特許文献２は、超音波ビームの偏向角が大きいときには、送信系においては駆動パルスのパルス幅を大きくすると共に、受信系においては偏向角適応型ダイナミック帯域通過フィルタの受信距離に対するフィルタリング中心周波数の勾配を低下することにより、超音波トランスデューサのピッチと超音波の波長とによって決まる方向に発生するグレーティングローブを低減する超音波診断装置を開示している。
【００１１】
さらに、下記の特許文献３は、多数のマイクロフォンからの信号を処理するフィルタ処理部に、参照信号に基づく適応信号処理を加えることにより、プラント内が高反射環境であっても、測定対象からの波動の位置を高精度で特定することができるようにして、プラントの異常を正確にかつ迅速に診断することができる波動診断装置を開示している。
即ち、この波動診断装置においては、図１６に示すように、Ｎ個の増幅回路１３１1〜１３１Nによってそれぞれ増幅されたＮ個のマイクロフォンからの信号を加算回路１３３で加算した信号と参照信号とを減算回路１３４で減算して得られる誤差信号に基づいて、Ｎ個の増幅回路１３１1〜１３１Nの利得を利得制御回路１３２によってそれぞれ制御するという、一般的なアダプティブアレイアンテナで行われている処理を行っている。
【００１２】
しかしながら、特許文献１〜３に開示されている手法はいずれも、シングルビーム送信におけるのサイドローブによる虚像やマルチビーム送信におけるクロストークによる虚像のように、到来方向は異なるが波形の類似度（相関性）が高い所望の超音波エコー（所望波）と非所望の超音波エコー（干渉波）とによる虚像を低減するには効果が小さいという問題がある。特に、マルチビーム送信と組み合わせた場合には、同一深度からの非所望の超音波エコー（干渉波）を効果的に除去することができないという問題がある。
【特許文献１】特開平１１−２３５３４１号公報（段落００６６、図９）
【特許文献２】特開平１１−３２８号公報（段落００１７、００２８、図５、図６、図８）
【特許文献３】特開平１１−６４０８９号公報（段落００１７〜００２０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、シングルビーム送信におけるサイドローブやマルチビーム送信におけるクロストークによって超音波画像に生じる虚像を効果的に除去することができる超音波撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の超音波撮像装置は、複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて超音波ビームを送信し、該被検体から反射される超音波エコーを前記複数の超音波トランスデューサにより受信して得られる複数の受信信号を処理することにより、該被検体に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、複数の受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値を求める相関処理手段と、複数の受信信号を加算する加算手段と、加算手段により加算された受信信号を増幅する増幅手段と、相関処理手段により求められた相関値の統計値に基づいて前記増幅手段の利得を制御する利得制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の超音波トランスデューサからの受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値に基づいて、複数の超音波トランスデューサからの受信信号を加算した信号を増幅するので、波形の類似度（相関性）は高いが異なる方向から到来する複数方向の超音波エコーの中より、所望しない方向の超音波エコー（干渉波）による虚像を効果的に低減することができる。その結果、超音波画像に生じるシングルビーム送信時のサイドローブによる虚像やマルチビーム送信時のクロストークによる虚像を効果的に除去することができ、特に、マルチビーム送信の場合には、同一深度からの非所望の超音波エコー（干渉波）を効果的に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、３本の超音波ビームを被検体に同時に送信するマルチビーム送信の場合を例として、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。この超音波撮像装置は、被検体に当接させて用いられる超音波用探触子（プローブ）１と、超音波用探触子１に接続された超音波撮像装置本体２とによって構成され、超音波用探触子１から被検体に向けて３本の超音波ビームを約６．４°間隔で同時に送信することにより被検体を走査し、被検体から反射された超音波エコーを受信して超音波画像を生成する。
【００１７】
超音波用探触子１は、１次元の超音波トランスデューサアレイ１１を構成する複数の超音波トランスデューサ１１ａを備えている。これらの超音波トランスデューサ１１ａは、信号線を介して超音波撮像装置本体２に接続される。
【００１８】
各々の超音波トランスデューサ１１ａは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。また、近年において、超音波トランスデューサの感度及び帯域向上に寄与するとして期待が寄せられているＰＺＮＴ（鉛、亜鉛、ニオブ、チタンを含む酸化物）単結晶を含む圧電材料を用いても良い。
【００１９】
このような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、受信信号として出力される。
【００２０】
超音波撮像装置本体２は、複数の切換回路２０と、複数の送信回路２１と、複数の受信回路２２と、コンピュータ３０と、記録部４０と、表示部７０とを含んでいる。
複数の切換回路２０は、超音波ビームの送信時において、超音波用探触子１に内蔵されている複数の超音波トランスデューサ１１ａを複数の送信回路２１にそれぞれ接続し、超音波エコーの受信時において、複数の超音波トランスデューサ１１ａを複数の受信回路２２にそれぞれ接続する。
【００２１】
複数の送信回路２１の各々は、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器と、Ａ級パワーアンプとを含んでいる。Ｄ／Ａ変換器は、コンピュータ３０から供給される波形データに基づいて、超音波ビームの送信方向に応じた遅延量を有する駆動信号を生成する。パワーアンプは、この駆動信号を増幅して、超音波用探触子１に供給する。
【００２２】
複数の受信回路２２の各々は、プリアンプと、ＴＧＣ（タイム・ゲイン・コンペンセーション）増幅器と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器とを含んでいる。各々の超音波トランスデューサ１１ａから出力される受信信号は、プリアンプによって増幅され、ＴＧＣ増幅器によって、被検体内において超音波が到達した距離による減衰の補正が施される。
ＴＧＣ増幅器から出力される受信信号は、Ａ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換される。なお、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数としては、少なくとも超音波ビームの周波数の１０倍程度の周波数が必要であり、超音波ビームの周波数の１６倍以上の周波数が望ましい。また、Ａ／Ｄ変換器の分解能としては、１０ビット以上が望ましい。
【００２３】
コンピュータ３０は、記録部４０に記録されているソフトウェア（制御プログラム）に基づいて超音波ビームの送受信を制御する。記録部４０としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体を用いることができる。コンピュータ３０とソフトウェアとによって、走査制御部３１と、波形データ生成部３２と、画像信号生成部３４と、画像処理部３５と、受信ビームフォーミング部５０とが、機能ブロックとして実現される。また、コンピュータ３０は、送信メモリ３３及び受信メモリ３６を有している。
【００２４】
走査制御部３１は、超音波ビームの送信方向と、超音波エコーの受信方向及び焦点位置とを順次設定する。波形データ生成部３２は、走査制御部３１の制御の下で、送信メモリ３３に格納されている波形データを順次読み出し、複数の送信回路２１に出力する。これらの送信回路２１は、波形データに基づいて複数の駆動信号をそれぞれ生成し、超音波用探触子１に含まれている複数の超音波トランスデューサ１１ａに供給する。
【００２５】
受信メモリ３６は、複数の受信回路２２のＡ／Ｄ変換器から出力されるディジタルの受信信号を、超音波トランスデューサ毎に時系列に記憶する。受信ビームフォーミング部５０は、走査制御部３１において設定された受信方向に基づいて、受信メモリ３６から読み出した複数の受信信号に対して位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、上記３つの送信ビームについて、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号が形成される。
【００２６】
図２に示すように、受信ビームフォーミング部５０は、Ｎ個の超音波トランスデューサ（チャンネル番号ｃｈ１〜ｃｈＮ）の受信信号の位相をそれぞれシフトするＮ個の位相シフト部５１1〜５１Nと、走査制御部３１から入力される位相制御信号ＰＲｅｆに基づいてＮ個の位相シフト部５１1〜５１Nの位相シフト量を制御する位相制御部５２と、Ｎ個の位相シフト部５１1〜５１Nの出力信号を加算するための加算部５３と、加算部５３の出力信号を増幅する増幅部５４と、各位相シフト部５１1〜５１Nの出力信号と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σt（相関値が最大となるまでのラグの分散）を求める相関処理部５５と、ラグの分散σtと増幅部５３の利得との関係を表す利得テーブルが格納された利得テーブルメモリ５６と、利得テーブルメモリ５６に格納されている利得テーブルを参照して、相関処理部５５から入力されるラグの分散σtに基づいて増幅部５４の利得を制御する利得制御部５７とを備える。
【００２７】
利得テーブルは、図３の（Ａ）に示すように利得を対数表示した場合、ラグの分散σtが０〜５のときには増幅部５４の利得を１０0（図３の（Ｂ）に示すように利得をリニア表示した場合の「１」）とし、ラグの分散σtが５〜３５のときには増幅部５４の利得が直線的に減少するようにし、ラグの分散σtが５〜３５のときには増幅部５４の利得が１０-1（図３の（Ｂ）に示すように利得をリニア表示した場合の「０．１」）となるように作成されている。
【００２８】
参照信号Ｒｅｆは、空間特性が異なる送信ビームを用いて得られる信号である。具体的には、１本の超音波ビームを点反射体に向けて送信して得られる受信信号である。但し、図４の（Ａ）に示すように、１本の超音波ビームを点反射体に向けて送信して得られる受信信号には、点反射体の深度からの超音波エコーによるもの以外に、他の深度からの超音波エコーによるものも含まれている。そのため、受信信号の波形を切り出す際の切り出し区間の打ち切りの影響を抑えるために、図４の（Ｂ）に示すような窓関数を受信信号と掛け合わせることにより、図４の（Ｃ）に示すような点反射体の深度からの超音波エコーに対応する参照信号Ｒｅｆとする。
【００２９】
なお、参照信号Ｒｅｆは、既知の送信音圧波形と被検体の平均的な周波数特性とから推定した波形を有する信号を用いても良い。具体的には、以下のようにして求めた信号を参照信号Ｒｅｆとする。
予め、水中において、焦点位置におけるインパルス駆動の音圧波形ＸTDX（ｔ）を計測しておく。なお、この音圧波形ＸTDX（ｔ）は、電子回路のインパルスレスポンスに対応する。この音圧波形ＸTDX（ｔ）と、被写体の空間位置と焦点位置との位置関係によって決まる空間的フィルタＨSPEC（ｆ）と、被写体の平均的な周波数依存減衰ｅｘｐ（α・Ｌ・ｆ）を用いて、次式により求めた信号Ｘr（ｔ）を参照信号Ｒｅｆとする。
Ｘr（ｔ）＝ＩＦＦＴ［ｅｘｐ（α・Ｌ・ｆ）×ＨSPEC（ｆ）×ＦＦＴ{ＸTDX（ｔ）}］
ここで、減衰係数αの単位はｄＢ／（ｃｍ・ＭＨｚ）、
距離Ｌの単位はｃｍ、
周波数ｆの単位はＭＨｚである。
【００３０】
なお、本実施形態に係る超音波撮像装置のように、３本の超音波ビームで被検体を約６．４°の間隔で同時に送信するマルチビーム送信を行う場合には、３本の超音波ビームにそれぞれ対応して３個の受信ビームフォーミング部５０が設けられるが、超音波用探触子１の複数の超音波トランスデューサ１１ａを用いて１本の超音波ビームで被検体を走査するシングルビーム送信を行う場合には、１個の受信ビームフォーミング部５０だけが設けられる。
【００３１】
画像信号生成部３４は、受信ビームフォーミング部５０から出力される音線信号（アレイ出力）に基づいて、表示装置に表示すべき複数の画素における輝度を表す画像信号を生成する。例えば、画像信号生成部３６は、音線信号によって表される波形のエンベロープを検出し、走査方式を変換することによって、画像信号を生成する。
【００３２】
画像処理部３５は、画像信号生成部３４から出力される画像信号に対して、階調処理や輪郭強調処理等の画像処理を必要に応じて施す。表示部７０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示装置を含んでおり、画像処理部３５から出力される画像信号に基づいて、超音波画像を表示する。
【００３３】
次に、本実施形態に係る超音波撮像装置の動作について説明する。なお、説明の簡単のために、１６個の超音波トランスデューサ１１ａ（チャンネル番号ｃｈ１〜ｃｈ１６）を用いて、３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３（図９参照）を約６．４°の間隔で同時に送信する場合について説明する。また、図２の相関処理部５５において用いられる参照信号Ｒｅｆとして、図４の（Ｃ）に示すような点反射体の深度からの超音波エコーに対応する参照信号Ｒｅｆを使用した場合について説明する。
【００３４】
３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３を同時に送信する場合には、コンピュータ３０の波形データ生成部３２において、走査制御部３１の制御の下で、送信メモリ３３に格納されている波形データが順次読み出されて、１６個の超音波トランスデューサ１１ａにそれぞれ接続されている送信回路２１に出力される。
【００３５】
各々の送信回路２１においては、１６個の超音波トランスデューサ１１ａから３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３を約６．４°の間隔で同時に送信するための駆動信号が生成される。生成された駆動信号は、送信回路２１から切換回路２０を介して、対応する超音波トランスデューサ１１ａに出力される。これにより、超音波探触子１の１６個の超音波トランスデューサ１１ａから３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３が被検体に向けて同時に送信される。
【００３６】
３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３が被検体から反射されて生じた各々の超音波エコーを受信することによって１６個の超音波トランスデューサ１１ａにおいて得られる１６個の受信信号は、超音波探触子１から切換回路２０を介して、対応する受信回路２２にそれぞれ入力される。１６個の受信信号は、各々の受信回路２２において、プリアンプにより増幅され、ＴＧＣ増幅器により超音波の到達距離による減衰の補正がなされた後に、Ａ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換される。ディジタル信号に変換された１６個の受信信号は、超音波トランスデューサ毎に時系列に受信メモリ３６に記憶される。
【００３７】
ここで、図５の（Ａ）に示すように超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合に、３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３が反射体から反射されて生じる超音波エコーが１６個の超音波トランスデューサ１１ａで受信される時間は、図５の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、各々の超音波トランスデューサ１１ａと反射体との間の距離の相違により異なる。そのため、３個の受信ビームフォーミング部５０の図２に示す位相シフト部５１1〜５１16（この例では、超音波トランスデューサ１１ａの数を１６個としているため、Ｎ＝１６となる。）において、受信メモリ３６から読み出した１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ１〜Ｂ３の各々の方向に対応する位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。これにより、３つの送信ビーム（超音波ビームＢ１〜Ｂ３）について、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号が形成される。
【００３８】
即ち、図１の最上段の受信ビームフォーミング部５０においては、１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ１の方向への位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。この例の場合には、超音波ビームＢ１は、図６の（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約−６．４°の角度を中心として左右約３．２°の範囲を走査するように送信されるため、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に置かれた反射体からの超音波エコーに対応する１６個の受信信号に対して位相整合を施しても、図６の（Ｂ）に示すように、各々の受信信号は時間的に一致しない。
【００３９】
図１の２段目の受信ビームフォーミング部５０においては、１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ２の方向への位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。この例の場合には、超音波ビームＢ２は、図７の（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線を中心として左右約３．２°の範囲を走査するように送信されるため、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に置かれた反射体からの超音波エコーに対応する１６個の受信信号に対して位相整合を施すと、図７の（Ｂ）に示すように、各々の受信信号は時間的に一致する。
【００４０】
図１の最下段の受信ビームフォーミング部５０においては、１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ３の方向への位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。この例の場合には、超音波ビームＢ３は、図６の（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約６．４°の角度を中心として左右約３．２°の範囲を走査するように送信されるため、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に置かれた反射体からの超音波エコーに対応する１６個の受信信号に対して位相整合を施しても、上述した超音波ビームＢ１と同様に、各々の受信信号は時間的に一致しない。
【００４１】
図２の各々の位相シフト部５１1〜５１16における位相シフト量は、図１の走査制御部３１から入力される位相制御信号ＰＲｅｆに基づいて位相制御部５２によって制御される。
【００４２】
以上のようにして位相整合が施された１６個の受信信号は、各々の受信ビームフォーミング部５０において、相関処理部５５に入力されると共に、加算部５３により加算された後に増幅部５４に入力される。
【００４３】
相関処理部５５において、位相整合が施された１６個の受信信号はそれぞれ、図８の（Ａ）に示すように窓関数が掛けられた後に、図８の（Ｂ）に示すように参照信号Ｒｅｆとの相関が取られる。なお、図８は、超音波ビームＢ１についての例を示すものである。
【００４４】
その後、相関処理部５５において、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtが求められる。求められた相関値のラグの分散σtは、相関処理部５５から利得制御部５７に出力される。
【００４５】
図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）に示すように反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）に置いたときの１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtを求めた一例を示す。また、図１０の（Ｂ）は、図１０の（Ａ）に示すように反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約６．４°の方向（θ＝約６．４°の方向）に置いたときの１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtを求めた一例を示す。さらに、図１１の（Ｂ）は、図１１の（Ａ）に示すように２個の反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）及び中心線から約６．４°の方向（θ＝６．４°の方向）にそれぞれ置いたときの１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtを求めた一例を示す。
【００４６】
図２の利得制御部５７において、図３に示す利得テーブルが利得テーブルメモリ５６から読み出された後、読み出した利得テーブルを参照して、相関処理部５５から入力される相関値のラグの分散σtに基づいて増幅部５４の利得が求められる。
【００４７】
例えば、図９の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）に置いた場合には、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約−６．４°方向に送信された超音波ビームＢ１に対応するθ＝−６．４°における相関値のラグの分散σtは、図９の（Ｂ）に点Ｐ１で示すように約４０であるため、図３の（Ｂ）に示す利得テーブルを参照して、図２の増幅部５４の利得は０．１（１０-1）とされる。その結果、図２の増幅部５４の出力信号が示すエコー強度は、図９の（Ｃ）に点Ｑ１で示すθ＝−６．４°における約−２８ｄＢから点Ｑ１’で示す約４８ｄＢまで低減される。
【００４８】
また、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に送信された超音波ビームＢ２に対応するθ＝０°における相関値のラグの分散σtは、図９の（Ｂ）に点Ｐ２で示すように約５であるため、図３の（Ｂ）に示す利得テーブルを参照して、図２の増幅部５４の利得は１（１０0）とされる。その結果、図２の増幅部５４の出力信号が示すエコー強度は、図９の（Ｃ）に点Ｑ２で示すθ＝０°における０ｄＢのままとされる。
【００４９】
さらに、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約６．４°方向に送信された超音波ビームＢ３に対応するθ＝６．４°における相関値のラグの分散σtは、図９の（Ｂ）に点Ｐ３で示すように約４０であるため、図３の（Ｂ）に示す利得テーブルを参照して、図２の増幅部５４の利得は０．１（１０-1）とされる。その結果、図２の増幅部５４の出力信号が示すエコー強度は、図９の（Ｃ）に点Ｑ３で示すθ＝６．４°における約−２５ｄＢから点Ｑ３’で示す約４５ｄＢまで低減される。
これにより、図９の（Ｃ）に示すように、θ＝−６．４°付近及びθ＝６．４°付近に生じるマルチビーム送信による虚像を除去することができる。
【００５０】
同様にして、図１０の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、反射体を超音波トランスデューサアレイ１１から約６．４°の方向（θ＝６．４°の方向）に置いた場合にも、図１０の（Ｃ）に示すように、θ＝−６．４°付近及びθ＝０°付近に生じるマルチビーム送信による虚像を除去することができる。
【００５１】
また、図１１の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）及び中心線から約６．４°の方向（θ＝６．４°の方向）に置いた場合にも、θ＝−６．４°付近に生じるマルチビーム送信による虚像を除去することができる。
【００５２】
３個の受信ビームフォーミング部５０から出力される音線信号は、画像信号生成部３４に入力される。
画像信号生成部３４においては、３個の受信ビームフォーミング部５０から入力される音線信号に基づいて、画像信号が生成される。生成された画像信号は、画像処理部３９において、階調処理や輪郭強調処理等の画像処理が施される。これにより、マルチビーム送信による虚像を除去された超音波画像が表示部７０に表示される。
【００５３】
以上の説明においては、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtに基づいて図２の増幅部５４の利得を求めたが、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値の統計量（例えば、相関値の平均値、相関値の分散、相関値が最大となるまでのラグの平均値、及び、相関値が最大となるまでのラグの分散等）に基づいて増幅部５４の利得を求めることができる。
【００５４】
また、マルチビーム送信の場合を例として説明したが、シングルビーム送信の場合でも、受信ビームフォーミング部５０において、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σt等に基づいて図２の増幅部５４の利得を求めることにより、超音波画像に生じるサイドローブによる虚像を除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、超音波を送受信して被検体の超音波画像を表示することにより、生体内の臓器の診断や非破壊検査を行うために用いられる超音波撮像装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す受信ビームフォーミング部５０の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す利得テーブルメモリ５６に格納されている利得テーブルの内容を説明するための図である。
【図４】図２に示す相関処理部５５において用いられる参照信号Ｒｅｆを説明するための図である。
【図５】超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合における各々の超音波トランスデューサからの受信信号の位相整合前の波形を示す図である。
【図６】超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合における各々の超音波トランスデューサからの受信信号の超音波ビームＢ１の方向への位相整合後の波形を示す図である。
【図７】超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合における各々の超音波トランスデューサからの受信信号の超音波ビームＢ２の方向への位相整合後の波形を示す図である。
【図８】図２に示す相関処理部５５における相関処理を説明するための図である。
【図９】図２に示す増幅部５４の利得の求め方を説明するための図である。
【図１０】図２に示す増幅部５４の利得の求め方を説明するための図である。
【図１１】図２に示す増幅部５４の利得の求め方を説明するための図である。
【図１２】従来の複数の受信信号に対する位相整合処理を説明するための図である。
【図１３】シングルビーム送信時のサイドローブによる虚像の発生を説明するための図である。
【図１４】マルチビーム送信時のクロストークによる虚像の発生を説明するための図である。
【図１５】特許文献１に開示されている超音波診断装置における超音波画像の画質向上手法を説明するための図である。
【図１６】一般的なアダプティブアレイアンテナで行われている参照信号に基づく適応信号処理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 超音波用探触子
２ 超音波撮像装置本体
１１ トランスデューサアレイ
１１ａ 超音波トランスデューサ
２０ 切換回路
２１ 送信回路
２２ 受信回路
３０ コンピュータ
３１ 走査制御部
３２ 波形データ生成部
３３ 送信メモリ
３４ 画像信号生成部
３５ 画像処理部
３６ 受信メモリ
４０ 記録部
５０ 受信ビームフォーミング部
５１1〜５１N 位相シフト部
５２ 位相制御部
５３ 加算部
５４ 増幅部
５５ 相関処理部
５６ 利得テーブルメモリ
５７ 利得制御部
７０ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信して被検体の超音波画像を表示することにより、生体内の臓器の診断や非破壊検査を行うために用いられる超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、超音波診断装置や工業用の探傷装置等の超音波撮像装置においては、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子（プローブ）が用いられる。このような超音波用探触子を用いて、複数の超音波を合波することにより形成される超音波ビームによって被検体を走査し、被検体内部において反射された超音波エコーを受信することにより、超音波エコーの強度に基づいて被検体に関する画像情報が得られる。さらに、この画像情報に基づいて、被検体に関する２次元又は３次元画像が再現される。このような超音波ビームを用いた走査方法の１つとして、被検体の扇状の２次元領域を走査する、いわゆるセクタ走査が知られている。
【０００３】
セクタ走査は、元来、人体の肋間から心臓を観察するための手法として開発されたものである。一般的に、セクタ走査においては、送信点から被検体の深さ方向に延びる複数の超音波ビームが被検体内に扇状に順次送信され、これらの超音波ビームによって、被検体の扇状の２次元領域が等間隔の角度で走査される。
【０００４】
被検体から反射される超音波エコーを受信する際には、各々の超音波ビーム（音線）に沿って被検体の深さ方向に等間隔で分布する複数のサンプリングポイントの各々から反射される超音波エコーに基づく複数の受信信号に対して位相整合処理が施されて、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号（走査線信号）が得られる。さらに、その音線信号が検波されると共に、走査方式を変換する処理が施されることにより、通常の表示装置に超音波画像を表示させるための画像信号が得られる。
【０００５】
ここで、図１２に示すように、複数の受信信号に対する位相整合処理は、位相制御回路１１２からの位相制御信号に基づいて、Ｎ個の超音波トランスデューサ（以下、Ｎ個の超音波トランスデューサの各々をチャンネル番号ｃｈ１〜ｃｈＮで区別する。）の受信信号の位相をＮ個の位相シフト回路１１１1〜１１１Nでそれぞれシフトした後に、加算回路１１３で加算する処理である。
【０００６】
しかしながら、超音波ビームを用いて得た超音波画像には、１本の超音波ビームで被検体を走査するシングルビーム送信においてはサイドローブによる虚像が生じ、また、複数本の超音波ビームで被検体を所定の間隔で同時に走査するマルチビーム送信においてはクロストークによる虚像が生じるという問題がある。
【０００７】
即ち、シングルビーム送信においては、サイドローブの影響がない場合には、図１３の（Ａ）に示すように、各超音波トランスデューサ（エレメント）から出力される受信信号の位相を整合すると、各受信信号の時間を合わせることができるので、反射体を示す実像のみが映し出された超音波画像を得ることができる。一方、超音波ビームのサイドローブの方向に反射体がある場合には、図１３の（Ｂ）に示すように、各超音波トランスデューサ（エレメント）から出力される受信信号の位相を整合すると、同図に白抜き四角で示す超音波ビームの主ビームの各受信信号に、同図に黒四角で示す超音波ビームのサイドローブによるチャンネル番号ｃｈ３の受信信号が含まれてしまうために、反射体により反射されたサイドローブによる虚像が超音波画像に生じてしまう。
【０００８】
また、図１４の（Ａ）に示すようなシングルビーム送信においては、反射体と同心円状の超音波エコーの強度は、図１４の（Ｃ）に破線で示すようになり、反射体の位置に対応する走査角θ＝０°付近に強度のピークが生じるだけであるが、図１４の（Ｂ）に示すような３本の超音波ビームで被検体を同時に走査するマルチビーム送信においては、反射体と同心円状の超音波エコーの強度は、図１４の（Ｃ）に実線で示すようになり、走査角θ＝０°付近の他に走査角θ＝６°付近にも強度のピークが生じる。これは、位相整合による空間（方向）分解能はそれほど高くはないので、マルチビーム送信の場合には、特定の方向に反射体が位置すると、他の超音波ビームの反射によるクロストークが発生するからである。その結果、マルチビーム送信においては、クロストークによる虚像が超音波画像に生じてしまう。
【０００９】
なお、超音波画像の画質を向上させる手法として、以下に示すようなものが提案されている。
下記の特許文献１は、受信信号間の相関係数により屈折や多重反射等による歪みの程度を評価し、相関係数が閾値よりも低いときには、励振強度や受信増幅率を基準値より低くする一方、相関係数が閾値よりも高いときには、励振強度や受信増幅率を基準値で維持するように、励振強度及び受信増幅率の少なくとも一方を制御することにより、歪みの画質への悪影響を低減する超音波診断装置を開示している。
即ち、この超音波診断装置においては、図１５に示すように、Ｎ個の増幅回路１２１1〜１２１Nによってそれぞれ増幅されたＮ個の超音波トランスデューサの受信信号間の相関係数を相関処理回路１２３によって求め、求めた相関係数に基づいてＮ個の増幅回路１２１1〜１２１Nの利得（増幅率）を利得制御回路１２２によってそれぞれ制御した後に、Ｎ個の増幅回路１２１1〜１２１Nの出力信号を加算回路１２４で加算している。
【００１０】
また、下記の特許文献２は、超音波ビームの偏向角が大きいときには、送信系においては駆動パルスのパルス幅を大きくすると共に、受信系においては偏向角適応型ダイナミック帯域通過フィルタの受信距離に対するフィルタリング中心周波数の勾配を低下することにより、超音波トランスデューサのピッチと超音波の波長とによって決まる方向に発生するグレーティングローブを低減する超音波診断装置を開示している。
【００１１】
さらに、下記の特許文献３は、多数のマイクロフォンからの信号を処理するフィルタ処理部に、参照信号に基づく適応信号処理を加えることにより、プラント内が高反射環境であっても、測定対象からの波動の位置を高精度で特定することができるようにして、プラントの異常を正確にかつ迅速に診断することができる波動診断装置を開示している。
即ち、この波動診断装置においては、図１６に示すように、Ｎ個の増幅回路１３１1〜１３１Nによってそれぞれ増幅されたＮ個のマイクロフォンからの信号を加算回路１３３で加算した信号と参照信号とを減算回路１３４で減算して得られる誤差信号に基づいて、Ｎ個の増幅回路１３１1〜１３１Nの利得を利得制御回路１３２によってそれぞれ制御するという、一般的なアダプティブアレイアンテナで行われている処理を行っている。
【００１２】
しかしながら、特許文献１〜３に開示されている手法はいずれも、シングルビーム送信におけるのサイドローブによる虚像やマルチビーム送信におけるクロストークによる虚像のように、到来方向は異なるが波形の類似度（相関性）が高い所望の超音波エコー（所望波）と非所望の超音波エコー（干渉波）とによる虚像を低減するには効果が小さいという問題がある。特に、マルチビーム送信と組み合わせた場合には、同一深度からの非所望の超音波エコー（干渉波）を効果的に除去することができないという問題がある。
【特許文献１】特開平１１−２３５３４１号公報（段落００６６、図９）
【特許文献２】特開平１１−３２８号公報（段落００１７、００２８、図５、図６、図８）
【特許文献３】特開平１１−６４０８９号公報（段落００１７〜００２０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、シングルビーム送信におけるサイドローブやマルチビーム送信におけるクロストークによって超音波画像に生じる虚像を効果的に除去することができる超音波撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の超音波撮像装置は、複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて超音波ビームを送信し、該被検体から反射される超音波エコーを前記複数の超音波トランスデューサにより受信して得られる複数の受信信号を処理することにより、該被検体に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、複数の受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値を求める相関処理手段と、複数の受信信号を加算する加算手段と、加算手段により加算された受信信号を増幅する増幅手段と、相関処理手段により求められた相関値の統計値に基づいて前記増幅手段の利得を制御する利得制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の超音波トランスデューサからの受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値に基づいて、複数の超音波トランスデューサからの受信信号を加算した信号を増幅するので、波形の類似度（相関性）は高いが異なる方向から到来する複数方向の超音波エコーの中より、所望しない方向の超音波エコー（干渉波）による虚像を効果的に低減することができる。その結果、超音波画像に生じるシングルビーム送信時のサイドローブによる虚像やマルチビーム送信時のクロストークによる虚像を効果的に除去することができ、特に、マルチビーム送信の場合には、同一深度からの非所望の超音波エコー（干渉波）を効果的に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、３本の超音波ビームを被検体に同時に送信するマルチビーム送信の場合を例として、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。この超音波撮像装置は、被検体に当接させて用いられる超音波用探触子（プローブ）１と、超音波用探触子１に接続された超音波撮像装置本体２とによって構成され、超音波用探触子１から被検体に向けて３本の超音波ビームを約６．４°間隔で同時に送信することにより被検体を走査し、被検体から反射された超音波エコーを受信して超音波画像を生成する。
【００１７】
超音波用探触子１は、１次元の超音波トランスデューサアレイ１１を構成する複数の超音波トランスデューサ１１ａを備えている。これらの超音波トランスデューサ１１ａは、信号線を介して超音波撮像装置本体２に接続される。
【００１８】
各々の超音波トランスデューサ１１ａは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。また、近年において、超音波トランスデューサの感度及び帯域向上に寄与するとして期待が寄せられているＰＺＮＴ（鉛、亜鉛、ニオブ、チタンを含む酸化物）単結晶を含む圧電材料を用いても良い。
【００１９】
このような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、受信信号として出力される。
【００２０】
超音波撮像装置本体２は、複数の切換回路２０と、複数の送信回路２１と、複数の受信回路２２と、コンピュータ３０と、記録部４０と、表示部７０とを含んでいる。
複数の切換回路２０は、超音波ビームの送信時において、超音波用探触子１に内蔵されている複数の超音波トランスデューサ１１ａを複数の送信回路２１にそれぞれ接続し、超音波エコーの受信時において、複数の超音波トランスデューサ１１ａを複数の受信回路２２にそれぞれ接続する。
【００２１】
複数の送信回路２１の各々は、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器と、Ａ級パワーアンプとを含んでいる。Ｄ／Ａ変換器は、コンピュータ３０から供給される波形データに基づいて、超音波ビームの送信方向に応じた遅延量を有する駆動信号を生成する。パワーアンプは、この駆動信号を増幅して、超音波用探触子１に供給する。
【００２２】
複数の受信回路２２の各々は、プリアンプと、ＴＧＣ（タイム・ゲイン・コンペンセーション）増幅器と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器とを含んでいる。各々の超音波トランスデューサ１１ａから出力される受信信号は、プリアンプによって増幅され、ＴＧＣ増幅器によって、被検体内において超音波が到達した距離による減衰の補正が施される。
ＴＧＣ増幅器から出力される受信信号は、Ａ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換される。なお、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数としては、少なくとも超音波ビームの周波数の１０倍程度の周波数が必要であり、超音波ビームの周波数の１６倍以上の周波数が望ましい。また、Ａ／Ｄ変換器の分解能としては、１０ビット以上が望ましい。
【００２３】
コンピュータ３０は、記録部４０に記録されているソフトウェア（制御プログラム）に基づいて超音波ビームの送受信を制御する。記録部４０としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体を用いることができる。コンピュータ３０とソフトウェアとによって、走査制御部３１と、波形データ生成部３２と、画像信号生成部３４と、画像処理部３５と、受信ビームフォーミング部５０とが、機能ブロックとして実現される。また、コンピュータ３０は、送信メモリ３３及び受信メモリ３６を有している。
【００２４】
走査制御部３１は、超音波ビームの送信方向と、超音波エコーの受信方向及び焦点位置とを順次設定する。波形データ生成部３２は、走査制御部３１の制御の下で、送信メモリ３３に格納されている波形データを順次読み出し、複数の送信回路２１に出力する。これらの送信回路２１は、波形データに基づいて複数の駆動信号をそれぞれ生成し、超音波用探触子１に含まれている複数の超音波トランスデューサ１１ａに供給する。
【００２５】
受信メモリ３６は、複数の受信回路２２のＡ／Ｄ変換器から出力されるディジタルの受信信号を、超音波トランスデューサ毎に時系列に記憶する。受信ビームフォーミング部５０は、走査制御部３１において設定された受信方向に基づいて、受信メモリ３６から読み出した複数の受信信号に対して位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、上記３つの送信ビームについて、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号が形成される。
【００２６】
図２に示すように、受信ビームフォーミング部５０は、Ｎ個の超音波トランスデューサ（チャンネル番号ｃｈ１〜ｃｈＮ）の受信信号の位相をそれぞれシフトするＮ個の位相シフト部５１1〜５１Nと、走査制御部３１から入力される位相制御信号ＰＲｅｆに基づいてＮ個の位相シフト部５１1〜５１Nの位相シフト量を制御する位相制御部５２と、Ｎ個の位相シフト部５１1〜５１Nの出力信号を加算するための加算部５３と、加算部５３の出力信号を増幅する増幅部５４と、各位相シフト部５１1〜５１Nの出力信号と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σt（相関値が最大となるまでのラグの分散）を求める相関処理部５５と、ラグの分散σtと増幅部５３の利得との関係を表す利得テーブルが格納された利得テーブルメモリ５６と、利得テーブルメモリ５６に格納されている利得テーブルを参照して、相関処理部５５から入力されるラグの分散σtに基づいて増幅部５４の利得を制御する利得制御部５７とを備える。
【００２７】
利得テーブルは、図３の（Ａ）に示すように利得を対数表示した場合、ラグの分散σtが０〜５のときには増幅部５４の利得を１０0（図３の（Ｂ）に示すように利得をリニア表示した場合の「１」）とし、ラグの分散σtが５〜３５のときには増幅部５４の利得が直線的に減少するようにし、ラグの分散σtが５〜３５のときには増幅部５４の利得が１０-1（図３の（Ｂ）に示すように利得をリニア表示した場合の「０．１」）となるように作成されている。
【００２８】
参照信号Ｒｅｆは、空間特性が異なる送信ビームを用いて得られる信号である。具体的には、１本の超音波ビームを点反射体に向けて送信して得られる受信信号である。但し、図４の（Ａ）に示すように、１本の超音波ビームを点反射体に向けて送信して得られる受信信号には、点反射体の深度からの超音波エコーによるもの以外に、他の深度からの超音波エコーによるものも含まれている。そのため、受信信号の波形を切り出す際の切り出し区間の打ち切りの影響を抑えるために、図４の（Ｂ）に示すような窓関数を受信信号と掛け合わせることにより、図４の（Ｃ）に示すような点反射体の深度からの超音波エコーに対応する参照信号Ｒｅｆとする。
【００２９】
なお、参照信号Ｒｅｆは、既知の送信音圧波形と被検体の平均的な周波数特性とから推定した波形を有する信号を用いても良い。具体的には、以下のようにして求めた信号を参照信号Ｒｅｆとする。
予め、水中において、焦点位置におけるインパルス駆動の音圧波形ＸTDX（ｔ）を計測しておく。なお、この音圧波形ＸTDX（ｔ）は、電子回路のインパルスレスポンスに対応する。この音圧波形ＸTDX（ｔ）と、被写体の空間位置と焦点位置との位置関係によって決まる空間的フィルタＨSPEC（ｆ）と、被写体の平均的な周波数依存減衰ｅｘｐ（α・Ｌ・ｆ）を用いて、次式により求めた信号Ｘr（ｔ）を参照信号Ｒｅｆとする。
Ｘr（ｔ）＝ＩＦＦＴ［ｅｘｐ（α・Ｌ・ｆ）×ＨSPEC（ｆ）×ＦＦＴ{ＸTDX（ｔ）}］
ここで、減衰係数αの単位はｄＢ／（ｃｍ・ＭＨｚ）、
距離Ｌの単位はｃｍ、
周波数ｆの単位はＭＨｚである。
【００３０】
なお、本実施形態に係る超音波撮像装置のように、３本の超音波ビームで被検体を約６．４°の間隔で同時に送信するマルチビーム送信を行う場合には、３本の超音波ビームにそれぞれ対応して３個の受信ビームフォーミング部５０が設けられるが、超音波用探触子１の複数の超音波トランスデューサ１１ａを用いて１本の超音波ビームで被検体を走査するシングルビーム送信を行う場合には、１個の受信ビームフォーミング部５０だけが設けられる。
【００３１】
画像信号生成部３４は、受信ビームフォーミング部５０から出力される音線信号（アレイ出力）に基づいて、表示装置に表示すべき複数の画素における輝度を表す画像信号を生成する。例えば、画像信号生成部３６は、音線信号によって表される波形のエンベロープを検出し、走査方式を変換することによって、画像信号を生成する。
【００３２】
画像処理部３５は、画像信号生成部３４から出力される画像信号に対して、階調処理や輪郭強調処理等の画像処理を必要に応じて施す。表示部７０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示装置を含んでおり、画像処理部３５から出力される画像信号に基づいて、超音波画像を表示する。
【００３３】
次に、本実施形態に係る超音波撮像装置の動作について説明する。なお、説明の簡単のために、１６個の超音波トランスデューサ１１ａ（チャンネル番号ｃｈ１〜ｃｈ１６）を用いて、３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３（図９参照）を約６．４°の間隔で同時に送信する場合について説明する。また、図２の相関処理部５５において用いられる参照信号Ｒｅｆとして、図４の（Ｃ）に示すような点反射体の深度からの超音波エコーに対応する参照信号Ｒｅｆを使用した場合について説明する。
【００３４】
３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３を同時に送信する場合には、コンピュータ３０の波形データ生成部３２において、走査制御部３１の制御の下で、送信メモリ３３に格納されている波形データが順次読み出されて、１６個の超音波トランスデューサ１１ａにそれぞれ接続されている送信回路２１に出力される。
【００３５】
各々の送信回路２１においては、１６個の超音波トランスデューサ１１ａから３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３を約６．４°の間隔で同時に送信するための駆動信号が生成される。生成された駆動信号は、送信回路２１から切換回路２０を介して、対応する超音波トランスデューサ１１ａに出力される。これにより、超音波探触子１の１６個の超音波トランスデューサ１１ａから３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３が被検体に向けて同時に送信される。
【００３６】
３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３が被検体から反射されて生じた各々の超音波エコーを受信することによって１６個の超音波トランスデューサ１１ａにおいて得られる１６個の受信信号は、超音波探触子１から切換回路２０を介して、対応する受信回路２２にそれぞれ入力される。１６個の受信信号は、各々の受信回路２２において、プリアンプにより増幅され、ＴＧＣ増幅器により超音波の到達距離による減衰の補正がなされた後に、Ａ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換される。ディジタル信号に変換された１６個の受信信号は、超音波トランスデューサ毎に時系列に受信メモリ３６に記憶される。
【００３７】
ここで、図５の（Ａ）に示すように超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合に、３本の超音波ビームＢ１〜Ｂ３が反射体から反射されて生じる超音波エコーが１６個の超音波トランスデューサ１１ａで受信される時間は、図５の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、各々の超音波トランスデューサ１１ａと反射体との間の距離の相違により異なる。そのため、３個の受信ビームフォーミング部５０の図２に示す位相シフト部５１1〜５１16（この例では、超音波トランスデューサ１１ａの数を１６個としているため、Ｎ＝１６となる。）において、受信メモリ３６から読み出した１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ１〜Ｂ３の各々の方向に対応する位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。これにより、３つの送信ビーム（超音波ビームＢ１〜Ｂ３）について、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号が形成される。
【００３８】
即ち、図１の最上段の受信ビームフォーミング部５０においては、１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ１の方向への位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。この例の場合には、超音波ビームＢ１は、図６の（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約−６．４°の角度を中心として左右約３．２°の範囲を走査するように送信されるため、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に置かれた反射体からの超音波エコーに対応する１６個の受信信号に対して位相整合を施しても、図６の（Ｂ）に示すように、各々の受信信号は時間的に一致しない。
【００３９】
図１の２段目の受信ビームフォーミング部５０においては、１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ２の方向への位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。この例の場合には、超音波ビームＢ２は、図７の（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線を中心として左右約３．２°の範囲を走査するように送信されるため、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に置かれた反射体からの超音波エコーに対応する１６個の受信信号に対して位相整合を施すと、図７の（Ｂ）に示すように、各々の受信信号は時間的に一致する。
【００４０】
図１の最下段の受信ビームフォーミング部５０においては、１６個の受信信号に対して、超音波ビームＢ３の方向への位相整合を施すことにより、受信フォーカス処理が行われる。この例の場合には、超音波ビームＢ３は、図６の（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約６．４°の角度を中心として左右約３．２°の範囲を走査するように送信されるため、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に置かれた反射体からの超音波エコーに対応する１６個の受信信号に対して位相整合を施しても、上述した超音波ビームＢ１と同様に、各々の受信信号は時間的に一致しない。
【００４１】
図２の各々の位相シフト部５１1〜５１16における位相シフト量は、図１の走査制御部３１から入力される位相制御信号ＰＲｅｆに基づいて位相制御部５２によって制御される。
【００４２】
以上のようにして位相整合が施された１６個の受信信号は、各々の受信ビームフォーミング部５０において、相関処理部５５に入力されると共に、加算部５３により加算された後に増幅部５４に入力される。
【００４３】
相関処理部５５において、位相整合が施された１６個の受信信号はそれぞれ、図８の（Ａ）に示すように窓関数が掛けられた後に、図８の（Ｂ）に示すように参照信号Ｒｅｆとの相関が取られる。なお、図８は、超音波ビームＢ１についての例を示すものである。
【００４４】
その後、相関処理部５５において、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtが求められる。求められた相関値のラグの分散σtは、相関処理部５５から利得制御部５７に出力される。
【００４５】
図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）に示すように反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）に置いたときの１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtを求めた一例を示す。また、図１０の（Ｂ）は、図１０の（Ａ）に示すように反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約６．４°の方向（θ＝約６．４°の方向）に置いたときの１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtを求めた一例を示す。さらに、図１１の（Ｂ）は、図１１の（Ａ）に示すように２個の反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）及び中心線から約６．４°の方向（θ＝６．４°の方向）にそれぞれ置いたときの１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtを求めた一例を示す。
【００４６】
図２の利得制御部５７において、図３に示す利得テーブルが利得テーブルメモリ５６から読み出された後、読み出した利得テーブルを参照して、相関処理部５５から入力される相関値のラグの分散σtに基づいて増幅部５４の利得が求められる。
【００４７】
例えば、図９の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）に置いた場合には、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約−６．４°方向に送信された超音波ビームＢ１に対応するθ＝−６．４°における相関値のラグの分散σtは、図９の（Ｂ）に点Ｐ１で示すように約４０であるため、図３の（Ｂ）に示す利得テーブルを参照して、図２の増幅部５４の利得は０．１（１０-1）とされる。その結果、図２の増幅部５４の出力信号が示すエコー強度は、図９の（Ｃ）に点Ｑ１で示すθ＝−６．４°における約−２８ｄＢから点Ｑ１’で示す約４８ｄＢまで低減される。
【００４８】
また、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に送信された超音波ビームＢ２に対応するθ＝０°における相関値のラグの分散σtは、図９の（Ｂ）に点Ｐ２で示すように約５であるため、図３の（Ｂ）に示す利得テーブルを参照して、図２の増幅部５４の利得は１（１０0）とされる。その結果、図２の増幅部５４の出力信号が示すエコー強度は、図９の（Ｃ）に点Ｑ２で示すθ＝０°における０ｄＢのままとされる。
【００４９】
さらに、超音波トランスデューサアレイ１１の中心線から約６．４°方向に送信された超音波ビームＢ３に対応するθ＝６．４°における相関値のラグの分散σtは、図９の（Ｂ）に点Ｐ３で示すように約４０であるため、図３の（Ｂ）に示す利得テーブルを参照して、図２の増幅部５４の利得は０．１（１０-1）とされる。その結果、図２の増幅部５４の出力信号が示すエコー強度は、図９の（Ｃ）に点Ｑ３で示すθ＝６．４°における約−２５ｄＢから点Ｑ３’で示す約４５ｄＢまで低減される。
これにより、図９の（Ｃ）に示すように、θ＝−６．４°付近及びθ＝６．４°付近に生じるマルチビーム送信による虚像を除去することができる。
【００５０】
同様にして、図１０の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、反射体を超音波トランスデューサアレイ１１から約６．４°の方向（θ＝６．４°の方向）に置いた場合にも、図１０の（Ｃ）に示すように、θ＝−６．４°付近及びθ＝０°付近に生じるマルチビーム送信による虚像を除去することができる。
【００５１】
また、図１１の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、反射体を超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上（θ＝０°の方向）及び中心線から約６．４°の方向（θ＝６．４°の方向）に置いた場合にも、θ＝−６．４°付近に生じるマルチビーム送信による虚像を除去することができる。
【００５２】
３個の受信ビームフォーミング部５０から出力される音線信号は、画像信号生成部３４に入力される。
画像信号生成部３４においては、３個の受信ビームフォーミング部５０から入力される音線信号に基づいて、画像信号が生成される。生成された画像信号は、画像処理部３９において、階調処理や輪郭強調処理等の画像処理が施される。これにより、マルチビーム送信による虚像を除去された超音波画像が表示部７０に表示される。
【００５３】
以上の説明においては、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σtに基づいて図２の増幅部５４の利得を求めたが、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値の統計量（例えば、相関値の平均値、相関値の分散、相関値が最大となるまでのラグの平均値、及び、相関値が最大となるまでのラグの分散等）に基づいて増幅部５４の利得を求めることができる。
【００５４】
また、マルチビーム送信の場合を例として説明したが、シングルビーム送信の場合でも、受信ビームフォーミング部５０において、１６個の受信信号の各々と参照信号Ｒｅｆとの相関値のラグの分散σt等に基づいて図２の増幅部５４の利得を求めることにより、超音波画像に生じるサイドローブによる虚像を除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、超音波を送受信して被検体の超音波画像を表示することにより、生体内の臓器の診断や非破壊検査を行うために用いられる超音波撮像装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す受信ビームフォーミング部５０の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す利得テーブルメモリ５６に格納されている利得テーブルの内容を説明するための図である。
【図４】図２に示す相関処理部５５において用いられる参照信号Ｒｅｆを説明するための図である。
【図５】超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合における各々の超音波トランスデューサからの受信信号の位相整合前の波形を示す図である。
【図６】超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合における各々の超音波トランスデューサからの受信信号の超音波ビームＢ１の方向への位相整合後の波形を示す図である。
【図７】超音波トランスデューサアレイ１１の中心線上に反射体を置いた場合における各々の超音波トランスデューサからの受信信号の超音波ビームＢ２の方向への位相整合後の波形を示す図である。
【図８】図２に示す相関処理部５５における相関処理を説明するための図である。
【図９】図２に示す増幅部５４の利得の求め方を説明するための図である。
【図１０】図２に示す増幅部５４の利得の求め方を説明するための図である。
【図１１】図２に示す増幅部５４の利得の求め方を説明するための図である。
【図１２】従来の複数の受信信号に対する位相整合処理を説明するための図である。
【図１３】シングルビーム送信時のサイドローブによる虚像の発生を説明するための図である。
【図１４】マルチビーム送信時のクロストークによる虚像の発生を説明するための図である。
【図１５】特許文献１に開示されている超音波診断装置における超音波画像の画質向上手法を説明するための図である。
【図１６】一般的なアダプティブアレイアンテナで行われている参照信号に基づく適応信号処理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 超音波用探触子
２ 超音波撮像装置本体
１１ トランスデューサアレイ
１１ａ 超音波トランスデューサ
２０ 切換回路
２１ 送信回路
２２ 受信回路
３０ コンピュータ
３１ 走査制御部
３２ 波形データ生成部
３３ 送信メモリ
３４ 画像信号生成部
３５ 画像処理部
３６ 受信メモリ
４０ 記録部
５０ 受信ビームフォーミング部
５１1〜５１N 位相シフト部
５２ 位相制御部
５３ 加算部
５４ 増幅部
５５ 相関処理部
５６ 利得テーブルメモリ
５７ 利得制御部
７０ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて超音波ビームを送信し、該被検体から反射される超音波エコーを前記複数の超音波トランスデューサにより受信して得られる複数の受信信号を処理することにより、該被検体に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、
前記複数の受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値を求める相関処理手段と、
前記複数の受信信号を加算する加算手段と、
前記加算手段により加算された受信信号を増幅する増幅手段と、
前記相関処理手段により求められた相関値の統計値に基づいて前記増幅手段の利得を制御する利得制御手段と、
を具備する超音波撮像装置。
【請求項２】
前記超音波エコーの到来方向情報に従って前記複数の受信信号に対して位相整合処理を行う位相整合処理手段をさらに具備し、
前記相関処理手段が、前記位相整合処理手段により位相シフトされた複数の受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値を求める、
請求項１記載の超音波撮像装置。
【請求項３】
前記相関値の統計値が、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値の平均、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値の分散、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値が最大となるまでのラグの平均値、又は、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値が最大となるまでのラグの分散である、請求項１又は２記載の超音波撮像装置。
【請求項４】
前記参照信号が、既知の送信音圧波形と被検体の平均的な周波数特性とから推定した波形を有する信号、又は、空間特性が異なる送信ビームを用いて得られた信号である、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【請求項１】
複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて超音波ビームを送信し、該被検体から反射される超音波エコーを前記複数の超音波トランスデューサにより受信して得られる複数の受信信号を処理することにより、該被検体に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、
前記複数の受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値を求める相関処理手段と、
前記複数の受信信号を加算する加算手段と、
前記加算手段により加算された受信信号を増幅する増幅手段と、
前記相関処理手段により求められた相関値の統計値に基づいて前記増幅手段の利得を制御する利得制御手段と、
を具備する超音波撮像装置。
【請求項２】
前記超音波エコーの到来方向情報に従って前記複数の受信信号に対して位相整合処理を行う位相整合処理手段をさらに具備し、
前記相関処理手段が、前記位相整合処理手段により位相シフトされた複数の受信信号の各々と参照信号との相関値の統計値を求める、
請求項１記載の超音波撮像装置。
【請求項３】
前記相関値の統計値が、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値の平均、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値の分散、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値が最大となるまでのラグの平均値、又は、前記複数の受信信号の各々と前記参照信号との相関値が最大となるまでのラグの分散である、請求項１又は２記載の超音波撮像装置。
【請求項４】
前記参照信号が、既知の送信音圧波形と被検体の平均的な周波数特性とから推定した波形を有する信号、又は、空間特性が異なる送信ビームを用いて得られた信号である、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−２１７９４３（Ｐ２００６−２１７９４３Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１４５４（Ｐ２００５−３１４５４）
【出願日】平成１７年２月８日（２００５．２．８）
【出願人】（０００００５２０１）富士写真フイルム株式会社 (7,609)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月８日（２００５．２．８）
【出願人】（０００００５２０１）富士写真フイルム株式会社 (7,609)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]