JP4418491B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波撮像方法および装置に関し、特に、被検体内の複数の方位に超音波ビームを同時に送波し、そのエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像方法および装置に関する。

被検体内の複数の方位に超音波ビームを同時に送波しそのエコー（ｅｃｈｏ）に基づいて画像を生成する超音波撮像は、マルチビーム（ｍｕｌｔｉ−ｂｅａｍ）超音波イメージング（ｉｍａｇｉｎｇ）と呼ばれる。マルチビーム超音波イメージングは、１回の超音波送受信で複数音線のエコー信号を一挙に獲得できるので能率が良く、撮像のフレームレート（ｆｒａｍｅ
ｒａｔｅ）を高速化する場合等に用いられる。

複数の超音波ビームは、それぞれ対応するビームフォーマ（ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ）によって形成される。図８に、ビームフォーマによって形成された超音波のビームプロファイル（ｂｅａｍ ｐｒｏｆｉｌｅ）の一例を示す。同図に示すように、ビームプロファイルは、方位の正面（角度０°）に生じるメインローブ（ｍａｉｎ ｒｏｂｅ）ｍ、その両側に生じるサイドローブ（ｓｉｄｅ ｒｏｂｅ）ｓ、および、さらにその両側に生じるペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）ｐを有する。ペデスタルｐにより、±２０°の角度でも約−３０ｄＢの信号強度を有する。

マルチビームにした場合、サイドローブやペデスタルによる混信を避けるために、個々のビームの方位を十分に離間する必要があり、例えば図８のビームプロファイルの場合、混信を−４０ｄＢ以下にしようとすれば、個々のビームの方位は少なくとも５０°以上離す必要がある。

このため、例えば６４チャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）の超音波トランスデューサアレイ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙ）を用いた場合、実用に耐えるマルチビーム数は２程度であり、必ずしも十分な数のマルチビームが得られないという問題があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、同時送受信可能なマルチビームの数が多い超音波撮像方法および装置を実現することである。

課題を解決するための手段を述べるに先立って、予備的に、超音波のパラメトリック（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ）成分の性質について説明する。被検体内における超音波伝搬の非線形性により超音波の波形が歪み、それに基づいて２次や３次あるいはさらに高次の高調波が発生する。また、周波数が異なる２つの超音波を同時に送波したときは、それらの周波数の和および差の周波数を持つ超音波がそれぞれ発生する。このような超音波を、本書ではパラメトリック成分と呼ぶ。

非線形性の２次あるいはそれ以上の高次効果により、波形の歪みは超音波の瞬時音圧のｎ（＞２）乗に比例するので、パラメトリック成分の信号強度は送波超音波の瞬時音圧のｎ乗に比例する。

このため、例えば２次のパラメトリック成分に着目すると、そのビームプロファイルは基本波のビームプロファイルの信号強度を２乗したものとなり、例えば図９に示すように、サイドローブｓおよびペデスタルｐが大幅に低下して指向性が良くなる。本発明は、超音波のパラメトリック成分のこのような性質に基づき、そのエコーを利用する。本書では、パラメトリック成分のエコーをパラメトリックエコー（ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｅｃｈｏ）と呼ぶ。

（１）上記の課題を解決する第１の発明は、被検体内の複数の方位に超音波ビームを同時に送波しそのエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像方法であって、前記送波した超音波のパラメトリックエコーに基づいて画像を生成する、ことを特徴とする超音波撮像方法である。

（２）上記の課題を解決する第２の発明は、被検体内の複数の方位に超音波ビームを同時に送波しそのエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であって前記送波した超音波のパラメトリックエコーに基づいて画像を生成する画像生成手段を具備する、ことを特徴とする超音波撮像装置である。

第１の発明または第２の発明において、前記パラメトリックエコーは、第２高調波エコーであることが比較的高レベルのパラメトリックエコーを得る点で好ましい。

（作用）本発明では、超音波のパラメトリック成分の指向性を利用し、複数の超音波ビームの離間量を小さくしてマルチビームの本数を増やす。

本発明によれば、同時送受信可能なマルチビームの数が多い超音波撮像方法および装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。本装置は、本発明の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。

本装置の構成を説明する。図１に示すように、本装置は、超音波プローブ（ｐｒｏｂｅ）２を有する。超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイを有する。超音波トランスデューサアレイは、複数の超音波トランスデューサを例えば１次元アレイ等、適宜のアレイ状に配列して構成される。個々の超音波トランスデューサは、例えばＰＺＴ（チタン(Ｔｉ)酸ジルコン（Ｚｒ）酸鉛）セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の圧電材料で構成される。超音波プローブ２は被検体４に当接して使用される。

超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を与えて超音波を送波させる。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波したエコー信号を受信する。

送受信部６のブロック図を図２に示す。同図に示すように、送受信部６は送波タイミング（ｔｉｍｉｎｇ）発生回路６０２を有する。送波タイミング発生回路６０２は、送波ビームフォーマ６０４に接続されている。送波タイミング発生回路６０２は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビームフォーマ６０４に入力する。

送波ビームフォーマ６０４は、送受切換回路６０６に接続されている。送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミング信号に基づいて送波ビームフォーミング信号を発生し、送受切換回路６０６に入力する。

送波ビームフォーマ６０４は、マルチビームフォーミング（ｍｕｌｔｉ−ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）を行うもので、図示しない例えば８つのビームフォーミングユニット（ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｕｎｉｔ）を有し、それによって方位の異なる８本の超音波ビームを形成するための８組の駆動信号、すなわち、８組のビームフォーミング信号を生じる。各組のビームフォーミング信号は、方位に対応した時間差が付与され複数の駆動信号からなる。

送受切換回路６０６は、８組のビームフォーミング信号を超音波トランスデューサアレイに入力する。超音波トランスデューサアレイにおいて、送波アパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を構成する複数の超音波トランスデューサは、駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ超音波をそれぞれ発生する。それら超音波の波面合成により、方位が異なる８本の音線に沿った超音波ビーム、すなわち、マルチビームが形成される。

本装置では、後述するように、送波超音波の高調波に基づくエコー（高調波エコー）に基づいて画像を形成する。高調波エコーは、本発明におけるパラメトリックエコーの実施の形態の一例である。

送波超音波の高調波のビームプロファイルは、図９に示したように、サイドローブｓやペデスタルｐが大幅に低下して指向性がきわめて良くなり、例えば信号強度が−４０ｄＢに低下する角度はビーム正面から±１０°程度に狭まる。このため、マルチビームにおけるビーム間の離間角度を小さく設定することができ、マルチビームの本数を例えば８とすることが可能になる。なお、マルチビームの本数は８に限るものではない。

送受切換回路６０６には、受波ビームフォーマ６１０が接続されている。送受切換回路６０６は、超音波トランスデューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力する。受波ビームフォーマ６１０は、送波の音線に対応した受波のマルチビームフォーミングを行うもので、図示しない例えば８つのビームフォーミングユニットを有し、それによって方位の異なる８本の送波音線に沿ったエコー受信信号を形成する。具体的には、各ビームフォーミングユニットは、複数の受波エコーに時間差を付与して位相を調整し、次いでそれら加算して、音線に沿ったエコー受信信号を形成する。

超音波ビームの送波は、送波タイミング発生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所定の時間間隔で繰り返し行われる。そのつど、送波ビームフォーマ６０４および受波ビームフォーマ６１０により、８本の音線の方位が所定量ずつ一斉に変更される。それによって、被検体４の内部が、８本を１組とした音線によって順次に走査される。以上の、送波タイミング発生回路６０２ないし受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部１８によって制御される。

このような構成の送受信部６は、例えば図３に示すような走査を行う。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる８本の音線２０２で扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン（ｓｅｃｔｏｒ ｓｃａｎ）を行う。

送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図４に示すような走査を行うことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させることにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン（ｌｉｎｅａｒ ｓｃａｎ）が行われる。

なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ ａｒｒａｙ）である場合は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図５に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが行えるのは言うまでもない。

送受信部６はＢモード（ｍｏｄｅ）処理部１０に接続されている。送受信部６は、マルチビームの各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部１０に入力する。Ｂモード処理部１０はエコー受信信号に基づいてＢモード画像信号を形成するものである。

Ｂモード処理部１０は、図６に示すようにフィルタ（ｆｉｌｔｅｒ）１０２をを有する。フィルタ１０２は、８本の音線のエコー受信信号に対応して、図示しない８つのフィルタユニット（ｆｉｌｔｅｒ ｕｎｉｔ）を有する。各フィルタユニットは、高調波エコーすなわち送波超音波の基本波周波数の例えば２次の高調波（第２高調波）と同じ周波数を持つエコー受信信号を抽出する。

なお、フィルタは、必要に応じて３次またはそれ以上の高次の高調波を抽出するものであって良い。高次の高調波はビームプロファイルがさらに良くなる点で好ましい。ただし、第２高調波エコーは、高調波エコーの中でも信号レベル（ｌｅｖｅｌ）が最も高い点で好ましい。以下、第２高調波エコーの例で説明するが、３次以上の高調波の場合も同様になる。

フィルタ１０２は対数増幅回路１０４に接続されている。対数増幅回路１０４は、８つのフィルタユニットに対応する８つの対数増幅ユニットを有し、それぞれ第２高調波エコーを対数増幅する。対数増幅回路１０４は包絡線検波回路１０６に接続されている。包絡線検波回路１０６は、８つの対数増幅ユニットに対応する８つの包絡線検波ユニットを有し、それぞれ、対数増幅された第２高調波エコーを包絡線検波する。これによって、音線上の個々の反射点での第２高調波エコーの強度を表すＢモード画像信号が８音線につき同時に得られる。

Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に８音線のＢモード画像信号を入力する。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力されるＢモード画像信号に基づいてＢモード画像を生成するものである。Ｂモード画像信号が第２高調波エコーに基づくものなので、Ｂモード画像は第２高調波エコー像となる。Ｂモード処理部１０および画像処理部１４は、本発明における画像生成手段の実施の形態の一例である。

画像処理部１４は、図７に示すように、バス（ｂｕｓ）１４０によって接続された音線データメモリ（ｄａｔａ ｍｅｍｏｒｙ）１４２、ディジタル・スキャンコンバータ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ（ｐｒoｃｅｓｓｏｒ）１４８を備えている。

Ｂモード処理部１０から音線毎に入力されたＢモード画像信号は、ディジタル信号として音線データメモリ１４２に記憶される。音線データメモリ１４２内には音線データ空間が形成される。

ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換する。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データは、画像メモリ１４６に記憶される。画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理を施す。

画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示する。表示部１６は、例えばグラフィックディスプレー（ｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ）等によって構成される。

以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御する。また、制御部１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力される。制御部１８による制御の下で本装置の動作が進行する。

制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は、操作者により、制御部１８に指令や情報等を入力するのに使用される。操作部２０は、例えばキーボード（ｋｅｙｂｏａrｄ）やその他の操作具を備えた操作パネル（ｐａｎｅｌ）で構成される。

本装置の動作を説明する。操作者は、超音波プローブ２を被検体４の所望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。撮像は、操作部２０から入力される指令等に基づき、制御部１８による制御の下で遂行される。

これによって、例えば図３に示したような、音線数が８のマルチビームセクタスキャンが行われる。マルチビームの本数を８としたので、マルチビーム数が２の従来例よりも４倍早いフレームレートでスキャンを行うことができる。あるいは、同じフレームレートで４倍広い領域をスキャンすることができる。勿論、図４および図５に示したリニアスキャンおよびコンベックススキャンを行う場合も同様である。

被検体４内では、超音波伝搬の非線形性により第２高調波エコーが発生する。Ｂモード処理部１０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画像信号を生成する。これらＢモード画像信号は、画像処理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２のＢモード画像データを、ディジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換して画像メモリ１４６に書き込む。画像メモリ１４６に書き込まれた画像が表示部１６に表示される。これによって、第２高調エコーによるＢモード画像が可視像として表示される。

以上、パラメトリックエコーが高調波エコーである例で説明したが、２つの周波数の同時送波における和または差の周波数のエコーを利用する場合も同様な効果を得ることができる。

また、超音波トランスデューサアレイが１次元アレイである例で説明したが、アレイは１次元に限るものではなく、例えば２次元アレイ等適宜のアレイであって良い。２次元アレイを用いて被検体の３次元領域をスキャンする場合、一般にフレームレートが遅くもしくは撮像領域が狭くなりがちであるが、マルチビームの本数が多いのでそれらを大きく改善することができる。

また、アレイに限らず、単一の超音波トランスデューサを用いる超音波プローブにおいても、パラメトリックエコーの利用によりビームプロファイルが改善されるので、そのような超音波プローブを複数個併設して超音波イメージングを行う場合にも同様な効果を得ることができる。

また、Ｂモード撮像の例について説明したが、超音波撮像はそれに限るものではなく、パラメトリックエコーのドップラシフト（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｈｉｆｔ）を利用して動態画像を撮像するものであっても良いのはいうまでもない。

本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。 図１に示した装置における送受信部のブロック図である。 図１に示した装置による音線走査の概念図である。 図１に示した装置による音線走査の概念図である。 図１に示した装置による音線走査の概念図である。 図１に示した装置におけるＢモード処理部のブロック図である。 図１に示した装置における画像処理部のブロック図である。 ビームフォーマのビームプロファイルの一例を示す図である。 ビームフォーマのビームプロファイルの一例を示す図である。

符号の説明

２ 超音波プローブ
４ 被検体
６ 送受信部
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
６０２ 送波タイミング発生回路
６０４ 送波ビームフォーマ
６０６ 送受切換回路
６１０ 受波ビームフォーマ
１０２ フィルタ
１０４ 対数増幅回路
１０６ 包絡線検波回路

Claims (1)

1. 被検体内の複数の方位に２つの周波数の超音波を同時に送波する超音波送波手段と、
   前記被検体内の超音波伝播の非線形性により発生した、前記２つの周波数の和又は差の周波数によるパラメトリックエコーを、複数の方位から同時に受信し、その受信した信号に基づいて画像を生成する画像生成手段と、
   を具備することを特徴とする超音波撮像装置。

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