JP6761767B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波撮像装置のおよび受信信号の処理方法に関する。

超音波撮像は、一般に、超音波の送受信を方向を変えて繰り返すことで行われる。１回の送受信に要する時間は、超音波探触子から超音波が撮像範囲を伝搬し、撮像対象からの反射波が、超音波探触子の受信開口に到達するのに要する時間であり、超音波の伝搬距離と音速から決まる。よって超音波の撮像レート（フレームレート、ボリュームレート）は、超音波の送受信回数に依存する。これまで撮像レートを上げるために送受信回数を減らす様々な手法が提案されてきた。一般に、空間的に密に送受信を行う場合には、１回の送受信イベント毎に、超音波送信ビームの中心に沿った１ライン上の各点に、超音波探触子の受信信号を順次結像させる受信ビームフォーミングを行い、それにより各点の結像データの集合である１本のラインデータを得る。これに対して、送受信回数を減らす手法として、１回の送受信イベントにつき送信ビームの範囲内において複数ラインを設定し、各ライン上の点に対して受信ビームフォーミングにより結像データを得るパラレル受信方式や、少ない送受信で得られる結像データの間の欠落したラインを補間により構成するなどの方式が用いられる。

一方、撮像レートの向上と撮像画質とを両立させようとする場合、パラレル受信方式においては、例えば送信ビームが持つ感度分布と、設定された複数のラインとの位置関係によって送受の感度分布のバラつきやそれによる結像の歪みが生じるなどの課題がある。また補間方式では、補間データの信頼性が課題となる。特許文献１には、ボリューム間で送受信ビームの位置のパターンを順に切り替えることで、補間データを実取得したラインデータに置き換え、画質を向上させる手法が提案されている。

パラレル受信方式の課題を解決するために、特許文献２には、送信ビームを中心とする円周上に複数の受信ラインを配置することにより、送信ビームと、複数の受信ラインとの距離の差による送受信感度のばらつきを低減することが提案されている。さらに、特許文献３には、受信ラインを、送信ビームの周囲に巻き付けられた形状のらせん形状にすることが提案されている。

特開２０１３−４１４号公報 特開２０１０−５１３８号公報 特開２００８−１３２３４２号公報

特許文献１の技術は、撮像対象の位置移動が充分に少ない場合や、心臓のように周期的に運動し運動周期に対する撮像シーケンスの同期が可能な場合に適用が限られ、超音波プローブの移動や、撮像対象の動きがある場合には、補間データの補間精度が課題として残る。よって撮像レートを向上させるためには、パラレル受信および信頼性の高い補間データ生成技術が求められる。従来のパラレル受信方式のラインデータは、一般に、送信ビームの軸に沿って直線状に形成され、しかも、送信ビーム中心軸の周囲に対して密に配置される。そのため、特許文献１の技術によりラインデータを補間する場合、送信ビーム間隔相当の補間領域に対して補間データを生成して、送信ビームのピッチに対して微小な構造を再構築することは難しかった。また、特許文献２の技術によりパラレル受信ラインを送信ビームから一定の距離離してまばらに配置した場合でも、ラインデータが直線状であるという特性から、直線状のラインデータの間の領域については、結像データは実取得されない。そのため、実取得した結像データは、少なくとも深度方向に長いデータ欠落領域を有し、撮像対象の構造がラインデータに対してなす角が鋭角であるほど補間性能が低下する。このため、特許文献２の技術を用いて、あらゆる構造に対してなめらかな補間を達成することは難しかった。さらに特許文献３の技術は、受信ラインの形状を直線以外に制御することで送受信の感度のばらつきを改善させるなどの効果を持つが、補間精度を向上させる効果を有すものではない。

本発明は、受信ビームフォーミングで得た結像データ間の補間を行う際に、撮像対象の構造にかかわらず、なめらかで均質な補間を可能にすることを目的とする。

本発明の超音波撮像装置は、超音波探触子の配列された複数の振動子にそれぞれ送信信号を出力して超音波に変換させ、撮像対象に送信させる送信ビームフォーマと、撮像対象の超音波が送信される範囲に対して、少なくとも深さ方向に所定の配列で設定された複数の受信焦点から、１以上の受信焦点が深さ方向に間引かれた受信焦点パターンを設定するスパースパターン設定部と、超音波を送信された撮像対象から戻った超音波を超音波探触子の複数の振動子がそれぞれ受信して出力する受信信号から、少なくともスパースパターン設定部が設定した受信焦点パターンの受信焦点について、結像データを生成する受信ビームフォーマと、結像データを用いて、間引かれた受信焦点について補間データを生成する補間処理部と、受信ビームフォーマが生成した結像データと、補間処理部が生成した補間データとを用いて、撮像範囲の画像を生成する画像生成部とを有する。

本発明の超音波撮像装置は、受信ビームフォーミングで得た結像データ間の補間を行う際に、撮像対象の構造にかかわらず、なめらかで均質な補間を可能にすることができる。

本発明の実施形態の超音波撮像装置の構成を示すブロック図。 実施形態の送信される超音波と、設定される受信焦点パターンを示す説明図。 実施形態の３次元の受信焦点パターンの例を示す説明図。 実施形態の３次元に受信焦点が配列された受信焦点パターンと、パターンの種類を示す説明図。 実施形態の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 実施形態の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 実施形態の複数の遅延加算部を内蔵している受信ビームフォーマのブロック図。 実施形態の受信焦点を深さごとにひとつずつ選択して結んだ受信ラインの例を示す説明図。 実施形態の今回の時相と過去の時相の計４時相分の結像データをそれぞれ格納する領域と、補間データを格納する領域を有するメモリを示す説明図。 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。 実施形態のスパースパターン設定部の受信焦点パターンの生成処理を示すフローチャート。 実施形態のスパースパターン設定部の受信焦点パターンの生成処理を示すフローチャート。 実施形態の補間データ生成処理の示すフローチャート。 実施形態の補間データ生成処理を圧縮センシングで行う処理を示す説明図。

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。

図１は、本実施形態の超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。図２は、送信される超音波と、設定される受信焦点パターンを示す説明図である。図１に示したように、本実施形態の超音波撮像装置は、送信ビームフォーマ１０１と、受信ビームフォーマ１０２と、受信焦点パターン設定部（スパースパターン設定部）１０３と、補間処理部１０４及びメモリ１０６を含む信号処理部１１４と、画像生成部１０５と、送受切替部１０７と、制御部１０８と、ユーザーインタフェース１０９と、表示部１１０と、を備える本体装置１５０と、ケーブル（不図示）を介して本体装置１５０と脱着可能な超音波探触子１００を有している。送信ビームフォーマ１０１および受信ビームフォーマ１０２には、送受切替部１０７を介して、超音波探触子１００が接続されている。超音波探触子１００は、電気信号を超音波に変換するとともに、超音波を電気信号に変換する複数の振動子を備え、複数の振動子は、１次元または２次元に配列されている。

送信ビームフォーマ１０１は、制御部１０８からの制御に従って、超音波探触子１００の複数の振動子にそれぞれ送信信号を出力する。これにより、複数の振動子は、送信信号を超音波２に変換し、撮像対象１に向かって送信する。超音波２を送信された撮像対象１からは、反射波等の超音波３が超音波探触子１００に戻る。超音波探触子１００の複数の振動子は、超音波をそれぞれ受信して受信信号を出力する。

スパースパターン設定部１０３は、制御部１０８からの制御に従って、図２に示したように、撮像対象１の超音波２が送信される範囲に対して、少なくとも深さ方向に所定の配列で設定された複数の受信焦点４から、１以上の受信焦点５が深さ方向に間引かれたスパース（疎）な受信焦点パターンを生成し、受信ビームフォーマ１０２に設定する。

受信ビームフォーマ１０２は、制御部１０８からの制御に従って、複数の振動子がそれぞれ出力する受信信号を受信焦点に結像させる受信ビームフォーミングを行い、少なくともスパースパターン設定部１０３が設定した受信焦点パターンの受信焦点４について、結像データを生成する。

信号処理部１１４は、制御部１０８からの制御に従って、受信ビームフォーマ１０２からの結像データをメモリ１０６に格納し、補間処理部１０４にて信号処理して画像生成部１０５に渡す。補間処理部１０４は、受信ビームフォーマ１０２が生成し、メモリ１０６に格納された結像データを用いて、スパースパターン設定部１０３が受信焦点パターンから間引いた受信焦点５の位置の点について、補間データを生成する。画像生成部１０５は、信号処理部１１４からの受信ビームフォーマ１０２が生成した結像データと、補間処理部１０４が生成した補間データとを用いて、撮像対象１の画像を生成する。

このように、本実施形態の超音波撮像装置は、少なくとも深さ方向に所定の配列で設定された複数の受信焦点４から、１以上の受信焦点５が深さ方向に間引かれた受信焦点パターンを設定し、深さ方向に間引かれた点（受信焦点５）についての補間データを、受信焦点４の結像データから生成する。これにより、図２に示したように、深度方向を含む２次元または３次元の各方向について一様にスパースな受信焦点４を設定できるため、補間の信頼性を向上させることができ、微小な構造や深さ方向に対して鋭角な構造等を含むいかなる構造の撮像対象１であっても、滑らかで均質な補間が可能となる。

例えば、スパースパターン設定部１０３は、超音波２が送信される範囲の深さ方向と、深さ方向に対して交差する方向とに、それぞれ配列された複数の受信焦点から、１以上の受信焦点を深さ方向と深さ方向に交差する方向のそれぞれについて間引くことにより、受信焦点パターンを設定する。

図３は、３次元の受信焦点パターンの例である。図３においては、超音波２が送信される範囲の深さ方向とそれに直交する２方向に、３次元にそれぞれ受信焦点を配列し、３方向のそれぞれに受信焦点を間引くことにより、受信焦点パターンが設定されている。

例えば、スパースパターン設定部１０３は、受信焦点パターンの深さごとに設定される受信焦点の数が同一となるように、超音波２が送信される範囲の深さ方向と深さ方向に交差する方向に配列された複数の受信焦点から深さごとに一定数の受信焦点を間引く構成にしてもよい。図４は、３次元に受信焦点が配列された受信焦点パターンを示している。図４の例では、受信焦点パターンは、各深さＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのそれぞれにおいて、４つの受信焦点４が設定され、他の点（受信焦点５）は間引かれている。このとき、スパースパターン設定部１０３は、受信焦点パターンにおいて設定される受信焦点４の位置が、各深さＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおいてランダムになるように受信焦点５を間引いてもよいし、一定のパターンで間引いてもよい。

受信ビームフォーマ１０２は、スパースパターン設定部１０３が設定した受信焦点パターンの受信焦点４についてのみ、結像データを生成する構成（図５）としてもよいし、受信焦点パターンの受信焦点４のみならず、間引いた点（受信焦点５）についても結像データを生成し、その後、受信焦点４の結像データのみを選択する構成（図６）としてもよい。

図５は、受信焦点４についてのみ結像データを生成する構成を実現するための受信ビームフォーマ１０２の構成を示す。図５の受信ビームフォーマ１０２は、遅延加算部１１１と、遅延量設定部１１２とを有する。遅延量設定部１１２は、スパースパターン設定部１０３から受信焦点パターンの受信焦点４の位置を受け取り、超音波探触子１００の各振動子の出力する受信信号（受信ＲＦ（高周波）信号）をこの受信焦点４に合焦させるための各受信信号の遅延量を生成し、遅延加算部１１１に設定する。具体的には、例えば、予め演算等により求め、内蔵するメモリに格納しておいた受信焦点４を配置可能なすべての位置の点と、その遅延量との関係を示す遅延テーブルから、スパースパターン設定部１０３から受け取った受信焦点４の位置に対応する遅延量を読み出し、遅延加算部１１１に設定してもよい。もしくは、遅延量設定部１１２は、スパースパターン設定部１０３から受信焦点４の位置を受け取って、予め定めた演算方法により、遅延量を演算により求め、遅延加算部１１１に設定してもよい。受信焦点４の遅延加算部１１１は、設定された遅延量だけ各受信信号を遅延させて加算することにより、結像データを生成する。

遅延加算部１１１が一つである場合は、受信焦点パターンの各受信焦点４について遅延加算の演算をシリアルに行って結像データを得る。図７には、受信ビームフォーマ１０２が、複数の遅延加算部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃを内蔵している構成を示す。このように複数の遅延加算部が受信ビームフォーマ１０２に備えられている場合、各遅延加算部１１１ａ〜１１１ｃにおいて、パラレルに遅延加算演算を行って結像データを得る。いずれの場合も、遅延量設定部１１２は、受信焦点パターンの受信焦点を、深さごとに一つずつ選択して結んだ受信ラインを設定し、受信ライン上の複数の受信焦点４に複数の振動子の受信信号の焦点を結ばせるための受信信号遅延量を、順次、遅延加算部１１１に設定する。図８は、受信焦点を深さごとにひとつずつ選択して結んだ受信ラインが３本設定されている例を示す。このとき、遅延量設定部１１２は、受信ラインを、受信焦点パターンの深さごとの受信焦点４の数と同じ数だけ設定することにより、パラレル方式で同時に複数の受信ラインの結像データを生成できる。ただし、受信ビームフォーマ１０２の遅延加算部１１１ａ〜１１１ｃは、受信ラインの数と同数以上備えられているものとする。

つぎに、受信ビームフォーマ１０２が、受信焦点パターンの受信焦点４のみならず、間引いた点（受信焦点５）についても結像データを生成し、その後、受信焦点４の結像データのみを選択する構成（図６）とする場合を具体的に説明する。本構成の場合、受信ビームフォーマ１０２の出力する結像データを格納するメモリ１０６を受信ビームフォーマ１０２と画像生成部１０５との間に配置することが望ましい。メモリ１０６と補間処理部１０４は、信号処理部１１４を構成する。図６は、本構成を実現するための受信ビームフォーマ１０２の構成例である。図６の受信ビームフォーマ１０２は、遅延加算部１１１と、結像データ間引き部１１３とを有する。結像データ間引き部１１３は、スパースパターン設定部１０３から受信焦点パターンの受信焦点４の位置を受け取り、受信焦点４のみならず間引かれている受信焦点５について遅延量を生成し、遅延加算部１１１に設定する。例えば、予め求めて内蔵するメモリに格納しておいた受信焦点４の位置と遅延量との関係を示す遅延テーブルから遅延量を読み出し、遅延加算部１１１に設定する。遅延加算部１１１は、設定された遅延量だけ各受信信号を遅延させて加算することにより、受信焦点４および間引かれている受信焦点５の結像データを生成する。結像データ間引き部１１３は、遅延加算部１１１から結像データを受け取って、受信焦点パターンの各受信焦点４の結像データのみを選択し、メモリ１０６に格納する。この方法では、従来と同様に、間引き処理をしていないすべての受信焦点について遅延加算部１１１が遅延加算処理をするのと同様の処理であるため、遅延加算部１１１の動作を従来と同様にすることができ、遅延加算部１１１の構成を従来と同様にしながら、間引き処理後の受信焦点４の結像データを得ることができる。

補間処理部１０４は、受信焦点パターンの受信焦点４の結像データを用いて、間引いた点（受信焦点５）のデータ（補間データ）を補間演算により算出する。例えば、空間補間により補間データを算出する場合、間引いた点の周囲に位置する１以上の受信焦点４の結像データのいずれか、または、２以上の受信焦点４の結像データの平均値等を補間データとする。補間に用いる結像データは、メモリ１０６から読み出す。

また、別の時相で送信した超音波により、同じ位置について得た結像データを、間引いた点（受信焦点５）の補間データとすることも可能である。この場合、メモリ１０６は、過去の所定数の時相でそれぞれ得た結像データと、補間データとを格納する領域をそれぞれ有する構造とする。図９は、今回の時相と過去の時相の計４時相分の結像データV1, V2,V3, V4をそれぞれ格納する領域９０１と、時相間補間データVcを格納する領域９０２を有するメモリ１０６を示す。これにより、過去の３時相の結像データのいずれか、または、複数の結像データを用いて補間データを求めることができる。このとき、本実施形態では、各時相の結像データは、間引き後のスパースな受信焦点４についての結像データであるため、従来の間引かれていない４時相分の結像データを格納する場合に必要なメモリ容量と比べて、メモリ容量を低減できるというメリットがある。

具体的には、例えば、メモリ１０６は、図９のように、連続する４つのスパース結像データと、空間補間および時相間補間が施された補間データV'c(i)とを格納するためのメモリ容量を持ち，補間処理部１０４は、下記式（１）を用いて、i番目の補間データV'c(i)を空間補間と時相間補間を同時に行って算出する構成とする。V'₁(i),V'₂(i),V'₃(i),V'₄(i)はそれぞれ、例えば上述の空間補間方法により算出されたi番目の空間補間データであり、式（１）は、例えば連続する４時相の空間補間データの平均値を求めるによって時相間補間を行って補間データV'c(i)を算出する計算式である。４時相全ての空間補間を施した後に時相間補間を行う場合にはV'₁,V'₂,V'₃,V'₄の全ボリュームデータを格納するためのメモリ容量が必要であるが、本実施形態ではメモリ１０６は時相ごとの空間補間データのすべてを保持する必要がなく，メモリ１０６の容量は、スパースに間引かれていない結像データを記憶させる場合と比べて小さくても、複数時相データ間の補間が可能になる。
V'c(i)＝mean( V'₁(i) + V'₂(i) + V'₃(i) + V'₄(i) ) ・・・(1)

画像生成部１０５は、結像データおよび補間データからなる受信焦点４，５の配列を、ディスプレイに表示するための画像データに変換する。例えば、送信時の超音波２の走査が、セクタ走査である場合、受信焦点４，５の配列は、実空間上の扇形形状に変換される。また、その変換過程で画素データのさらなる補間などがなされる。また、画像をなめらかに見せるためのフィルター処理などが施される。例えば、結像データは、受信パターン特有の輝度分布をもつため、受信パターンに応じて異なるフィルターまたは異なるパラメータのフィルターで処理する。

以下、超音波画像を撮像する際の各部の動作をフローチャートを参照して説明する。ここでは、図１のように、超音波撮像装置に制御部１０８とユーザーインタフェース（以下、ＵＩ）１０９がさらに備えられ、制御部１０８は、ＵＩ１０９から受け付けた指示や値等に基づいて、超音波撮像装置の各部の制御を行う構成であるとする。図１０は、制御部１０８の動作を示すフローチャートである。

制御部１０８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサと、予めプログラムが格納されたメモリとを備えて構成され、プロセッサがメモリ内のプログラムを読み込んで実行することにより、図１０のフローのように各部を制御して動作させる。スパースパターン設定部１０３、補間処理部１０４、および、画像生成部１０５は、制御部１０８と同様にソフトウエアでその機能が実行される構成であってもよいし、その一部または全部が、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のようなカスタムＩＣや、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプログラマブルＩＣ等のハードウエアにより構成され、それぞれの機能が実現されるようにＩＣ回路が設計された構成であってもよい。

まず、図１０のフローチャートのように、制御部１０８は、表示部１１０に入力用画面を表示させ、操作者からＵＩ１０９を介して撮像パラメータの設定を受け付ける（ステップ５０１）。これにより、制御部１０８は、撮像パラメータとして、送信する超音波２の照射範囲、スパースパターン設定部１０３において設定する受信焦点パターンの間引き方法および間引き率等の設定を操作者から受け付ける（ステップ５０１）。

制御部１０８は、超音波２の照射範囲と、受信焦点パターンの間引き方法および間引き率等をスパースパターン設定部１０３に指示し、スパースパターン設定部１０３が受信焦点パターンを生成する（ステップ５０２）。

スパースパターン設定部１０３の受信焦点パターンの生成処理を図１１、図１２（ａ），（ｂ）を用いて具体的に説明する。スパースパターン設定部１０３は、超音波２の照射範囲に、始点座標（x0,y0,z0）を設定し、始点座標からｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれＭ個、Ｎ個、Ｌ個の計M×N×L個の受信焦点（この受信焦点は、画像のピクセルに相当するため、以下ピクセルとも呼ぶ）を配置する（ステップ５１）。つぎに、スパースパターン設定部１０３は、受信焦点の間引きを行うための単位領域の大きさを設定する。ここでは、スパースパターン設定部１０３は、単位領域の大きさは、ｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれO×P×Q個のピクセルであると設定する（ステップ５２）。つぎに、スパースパターン設定部１０３は、間引きを行う単位領域を、単位領域の位置をｘ，ｙ，ｚ方向のO×P×Q個のピクセルに付与した番号ｉ、ｊ、ｋにより選択する。すなわち、図３に示すように、単位領域O×P×Q＝２×２×２である場合、ｘ方向に２ピクセルずつにｉ＝１、２・・・、ｙ方向に２ピクセルずつにｊ＝１、２・・・、ｚ方向に２ピクセルずつにｋ＝１、２・・・が付与される。スパースパターン設定部１０３は、最初にｉ＝ｊ＝ｋ＝１で特定されるO×P×Q個のピクセルの単位領域を選択し（ステップ５２〜５６）、その単位領域内のピクセルの位置をそれぞれ特定し（ステップ５７）、図１２（ａ）または図１２（ｂ）の処理により、受信焦点４を配置する（ステップ５８）。

ステップ５８において、図１２（ａ）の処理を行う場合、スパースパターン設定部１０３は、制御部１０８から操作者が設定した間引き率Rを受け取り（ステップ４１）、O×P×Q個のピクセルの中からランダムに（O×P×Q）／R個のピクセルを選択し（ステップ４２）、選択したピクセルに受信焦点４を配置する処理を行う（ステップ４３）。これにより、ｉ＝ｊ＝ｋ＝１で特定されるO×P×Q個のピクセルの単位領域内に、所定の間引き率Rで受信焦点４をランダムに配置することができる。これをｉ、ｊ、ｋの値を増加させながら、繰り返し行うことにより、スパースパターン設定部１０３は、M×N×L個の全てのピクセルにランダムに受信焦点４を配置した受信焦点パターンを生成する（ステップ５８〜６１）。

一方、ステップ５８において、図１２（ｂ）の処理を行う場合、スパースパターン設定部１０３は、O×P×Q個のピクセルの単位領域内に（O×P）／R個の受信焦点が配置された複数種類Ａ，Ｂ，Ｃ・・・のパターンを、設定可能な間引き率Ｒ毎に、内蔵するメモリに記憶している（図４参照）。スパースパターン設定部１０３は、制御部１０８から操作者が設定した間引き率Ｒを受け取り（ステップ７１）、受け取ったＲに対応するパターンＡ，Ｂ，Ｃ・・・をメモリから読み出し（ステップ７２）、ｚ方向に単位領域のパターンＡ，Ｂ，Ｃ・・・が順番に深さ方向に繰り返し配置されるように、単位領域のｚ方向の配置番号ｋにより、その単位領域に設定するパターンＡ，Ｂ，Ｃ・・・を選択する（ステップ７３，７４）。例えば、間引き率Ｒが４であるとき、ｋ＝１の段のＯ×Ｐ個のピクセルにはパターンＢの受信焦点が配置され、ｋ＝２にはＣが配置される。なお、ｘ、ｙ方向については、Ａ，Ｂ，Ｃ・・・のうちステップ７３，７４で設定されたパターンを繰り返し配置する。これをｉ、ｊ、ｋの値を増加させながら、繰り返し行うことにより、スパースパターン設定部１０３は、M×N×L個の全てのピクセルに、パターンＡ，Ｂ，Ｃ・・で受信焦点４を配置した受信焦点パターンを生成する（ステップ５８〜６１）。

スパースパターン設定部１０３は、生成した受信焦点パターンを受信ビームフォーマ１０２に設定する（ステップ５０２）。なお、ステップ５０２において、M×N×Lの値、O×P×Qの値は、予め定めた値であっても、操作者からステップ５０１で受け付けた値でもよい。

つぎに、制御部１０８は、送信ビームフォーマ１０１に指示し、ステップ５０１で受け付けた照射範囲とその送信位置に超音波２を送信するための送信信号を生成させ、超音波探触子１００の各振動子に出力させる（ステップ５０３）。これにより、超音波探触子１００から超音波２が撮像対象１に送信され、反射波等の超音波３が超音波探触子１００の各振動子により受信され、受信信号が出力される。

制御部１０８の制御下で、受信ビームフォーマ１０２は、少なくともスパースパターン設定部１０３の受信焦点４について結像データを生成し、メモリ１０６に格納する（ステップ５０４）。結像データの生成方法については、図５、図６を用いて説明した通りである。

制御部１０８の制御下で、補間処理部１０４は、受信焦点パターンの受信焦点４が配置されていない点（受信焦点５）について補間データを生成する（ステップ５０５）。

図１３は、ステップ５０５の補間データ生成処理の詳細を示すフローチャートである。この処理は、周囲の結像データから補間データを算出する補間方法である。まず、補間処理部１０４は、補間データを生成すべき点を中心として、どの範囲の結像データを参照するかを設定する（ステップ８１）。例えば、補間するピクセルの位置を(0,0,0)としたときに、範囲Ｗとして、x,y,z方向に-1から+1以内の周囲8ピクセルを設定し、この８ピクセルに存在する結像データを読み出すことを決定する。この範囲Ｗは、予め定めたものであってもよいし、ステップ５０１において操作者から受け付けた範囲であってもよい。

つぎに、補間処理部１０４は、スパースパターン設定部１０３から受信焦点パターンを得て、補間データの位置ｐを読み込み（ステップ８２）、補間データの位置ｐから範囲Ｗに位置する結像データＶ（Ｗｐ）をメモリ１０６より読みだす。例えば、補間するピクセルの位置ｐを(0,0,0)としたときに、x,y,z方向に-1から+1以内の周囲8ピクセルに存在する結像データＶ（Ｗｐ）を読み出す（ステップ８３，８４）。

補間処理部１０４は、読み出した結像データＶ（Ｗｐ）を用い、例えばその平均値ｖを算出し、位置ｐの補間データとして、メモリ１０６に格納する（ステップ８５，８６）。

上記処理をすべての補間データを生成すべき点ｐについて繰り返す（ステップ８７）。これにより、ステップ５０５の補間データの生成処理が完了する。なお、補間処理部１０４の処理動作は、図１３のフローの限定されるものではなく、他の補間処理で補間データを生成することももちろん可能である。

つぎに、制御部１０８の制御下で、画像生成部１０５は、メモリ１０６の結像データおよび補間データを用いて、撮像領域１２０ａの３次元画像（３次元ボリュームデータ）を生成し、表示部１１０に表示させる。

そして、ステップ５０３に戻り、制御部１０８は、次の送信を行う。ＵＩ１０９を介して操作者から撮像終了の指示があるまでしてステップ５０３〜５０６を繰り返し行う。

本実施形態の超音波撮像装置は、スパースパターン設定部１０３により深度方向を含む２次元または３次元方向にスパースな結像データの形成を可能になることため、補間の信頼性を向上させ、いかなる構造の対象に対してもなめらかで均質な補間が可能となる。

なお、補間処理部１０４は、補間データを圧縮センシング技術を用いて生成してもよい。圧縮センシング技術により補間データを生成する場合、スパースパターン設定部１０３は、圧縮センシングの手法で補間データを生成するのに適したスパースな受信焦点のパターンを生成する。一般的な圧縮センシングについて、図１４を用いて説明する。元のデータ（間引きされていないすべての受信焦点の結像データ）をｘとし，アンダーサンプリングによって取得された観測データ（間引き後の受信焦点４の結像データ）をｙ，アンダーサンプリング（間引き）の際の観測行列をΦとすると、ｙは式（２）で記述される。ｘは、基底Ψによりｖに変換することで式（３）であらわされる。このとき、基底Ψはｖの分布の多くが０で、信号が極所に集中するような分布となる（ｖはスパースである）ように基底Ψが選ばれる（ｖをスパース信号と呼ぶ。）。Ψとしては、例えばフーリエやウェーブレットなどの変換行列が用いられる。式（４）で記述されるように、一般に式（３）の拘束条件のもとでｌ_０ノルムと呼ばれるｖのノルムが最小となるような解としてｖ’を求めることができる（ｖ’は再構成されたスパース信号）。ｖ’を用いて、式（５）の通り逆変換により再構成されたデータｘ’が得られる。この一連の処理により、アンダーサンプリング下の観測データｙから、欠落データが補間された形のデータｘ’が復元されることになる。これにより補間された、間引きされていないすべての受信焦点の結像データに相当するｘ’が得られる。

スパースパターン設定部１０３におけるスパースな間引き処理は，観測行列Φを選ぶことに相当する。一般にΦにはランダム性が求められる。またΦの最適化は、既知のデータｘを用いて再構成により復元されたｘ’のエラーの大きさを評価することで行うことができる。例えば、いくつかの観測行列Φのうち，エラーの小さい最適な観測行列Φを選ぶことができる。

４…受信焦点、５…間引かれた受信焦点、１００…超音波探触子、１０１…送信ビームフォーマ、１０２…受信ビームフォーマ、１０３…スパースパターン設定部、１０４…補間処理部、１０５…画像生成部、１０６…メモリ、１０８…制御部、１０９…ユーザーインターフェイス、１１０…表示部

Claims (4)

1. 超音波探触子の配列された複数の振動子にそれぞれ送信信号を出力して超音波に変換させ、撮像対象に前記超音波を送信させる送信ビームフォーマと、
   前記送信ビームフォーマによる１回の送信で前記超音波を送信された撮像対象から戻った超音波を前記複数の振動子がそれぞれ受信して出力する受信信号から、パラレル受信方式により、前記撮像対象の前記超音波の照射範囲における複数の受信ライン上の複数の受信焦点について結像データを生成する受信ビームフォーマと、
   複数の前記受信ラインの前記結像データの生成される複数の受信焦点の配置のパターンを定めるスパースパターン設定部と、
   補間処理部と、
   画像生成部とを有し、
   前記スパースパターン設定部は、前記撮像対象の前記超音波の照射範囲に前記超音波の送信方向を深度方向とする３次元に配列されたピクセルを設定し、そのうち前記深度ごとの２次元配列のピクセルから予め定めた数のピクセルを、ランダムに選択するか、または、予め定めた複数種類の選択パターンを前記深度方向に順番に繰り返すことにより選択し、選択したピクセルの位置を前記結像データを生成すべき前記受信焦点の位置として前記受信ビームフォーマに設定し、
   前記補間処理部は、前記スパースパターン設定部が選択しなかった前記ピクセルの位置の補間データを補間演算により生成し、
   前記画像生成部は、前記受信ビームフォーマが生成した前記結像データと、前記補間処理部が生成した前記補間データとを用いて、前記３次元に配列されたピクセルの３次元画像を生成する
   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であって、前記受信ビームフォーマは、前記スパースパターン設定部が前記深度ごとに前記予め定めた数のピクセルを選択することにより設定した前記受信焦点を、前記深度ごとに一つずつ選択して結ぶことにより、前記予め定めた数と同数の前記受信ラインを設定し、前記パラレルビーム受信方式により、前記結像データを生成することを特徴とする超音波撮像装置。
3. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記受信ビームフォーマは、前記スパースパターン設定部が選択したピクセルと選択しなかったピクセルの両方を受信焦点として結像データを生成した後、前記スパースパターン設定部が選択したピクセルの前記受信焦点の前記結像データを選択して出力することを特徴とする超音波撮像装置。
4. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記受信ビームフォーマは、前記受信ラインと同数以上の遅延加算部を備えることを特徴とする超音波撮像装置。

Images