JP6595360B2 - 超音波撮像装置および超音波撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波撮像装置において送信間合成を行うことによって、高画質な撮像を行う技術に関するものである。

超音波を用いた撮像装置は、超音波を対象物に送信し、対象物で反射したエコーを電気信号として受信し、受信信号を画像データとしてモニター上に表示することで構成される。超音波は、装置に備えられた超音波振動子（トランスデューサ）に電気信号を入力することで生成される。エコーは、超音波振動子によって受信されることで電気的な受信信号に変換される。撮像装置は、受信信号の強度を断層像や立体像として表示することで、撮像対象の内部構造を描写する。このような撮像技術は、生体の断層像を低侵襲で撮像する診断装置などとして、広く用いられている。

超音波撮像装置は、超音波振動子から超音波ビームを撮像領域に亘って走査し、それぞれの送信により生じたエコーを受信する。各送信で受信したエコーは、複数の超音波振動子により受信され、複数の受信信号に変換される。複数の受信信号は、受信焦点に応じて素子毎に設定された遅延時間によって遅延（整相）されたのち加算され、目的の撮像領域における焦点データへと変換される。更に、超音波撮像装置は、異なる送信でそれぞれ得られた、異なる撮像点についての焦点データを並べて配置することによって、対象物全体の画像データを作る。

また、ある撮像点に対して異なる複数の方向から超音波振動子が送信して得た焦点データを重ね合わせる合成処理を行うことにより、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できる。このような合成処理は、高画質化撮像方法として、送信間開口合成法などと呼ばれる。開口合成法に関する先行特許としては、特許文献１が知られている。

特開平１１−２２１２１４号公報

特許文献１に記載された開口合成法によって重ね合わせられる焦点データは、複数の異なる方向から同一撮像点に超音波を送信することによって得られたものであるため、送信時刻が異なる。このため、撮像対象に動きがある場合、重ね合わせる焦点データを得た複数の送信時刻において、撮像対象の撮像点とトランスデューサの空間的な位置関係が異なる。そのため、撮像対象に動きがない場合と同様に撮像点を設定した場合、同一の撮像点についての焦点データが得られないために、開口合成法によって正しく信号を重ね合わせることができず、高画質化効果が得られない。また、位置関係が大きく異なってしまう場合は、合成後に像のブレなどを起こすことでかえって画質を低下させる可能性がある。

本発明は、超音波撮像において、撮像対象に動きがある場合であっても、開口合成によって高画質化の効果を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の超音波撮像装置の一つは、複数の送信開口および１以上の受信領域を有する超音波探触子と、送信開口ごとに、撮像対象の撮像すべき範囲に向かって超音波を送信させる動作を行わせる送信部と、撮像対象からの超音波のエコーを受信した受信領域の出力に対して、整相処理を施して、前記撮像対象の所望の受信焦点についての受信信号を得る受信部と、異なる送信開口から送信された超音波のエコーを受信部が受信してそれぞれ得た、同一の受信焦点についての複数の受信信号を加算処理する合成部と、送信部の送信タイミングを設定する設定部とを有する。設定部は、撮像対象の撮像すべき範囲を複数の領域に分割し、同一の領域に対して、撮像対象の動きに応じて撮像対象における受信焦点の空間位置が所定の範囲内で一致するタイミングで、異なる複数の送信開口から順に超音波を送信させる。

本発明によれば、撮像対象に動きがある場合であっても、開口合成による画質改善効果が得られる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第一実施形態の超音波撮像装置の全体構成を示す図。 超音波探触子の超音波送受信面の概略構成を示す図。 第一実施形態の（ａ）送信開口の照射領域を示す説明図、（ｂ）整相範囲と受信焦点を示す説明図、（ｃ）合成後の受信焦点の範囲を示す説明図。 第一実施形態の超音波探触子の送信開口のグループと撮像すべき範囲の各領域との対応を示す説明図。 異なる心拍の同一時相ｔ１のタイミングで送信開口から超音波を送信することを説明する図。 第一実施形態の撮像対象の動きを表す信号（心電信号）を説明する図。 第一実施形態の撮像対象の動きを表す信号（血流速度信号）を説明する図。 第一実施形態の心拍周期に複数時相ｔ１〜ｔ４を設定した例を示す説明図。 撮像すべき範囲に設定した受信走査線を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）一次元に配列された送信開口に設定したグループのパターン（マップ）の例と、心拍周期に設定した時相との対応を示す図。 （ａ）二次元に配列した送信開口と、撮像すべき範囲との関係を示す説明図、（ｂ）撮像すべき範囲の各領域と、送信開口との関係を示す説明図。 （ａ）、（ｂ）二次元に配列された送信開口に設定したグループのパターン（マップ）の例と、心拍周期に設定した時相との対応を示す図。 （ａ）、（ｂ）二次元に配列された送信開口に設定したグループのパターン（マップ）の例と、心拍周期に設定した時相との対応を示す図。 第二実施形態の超音波撮像装置の全体構成を示す図。 図１４の超音波撮像装置の設定部と合成部の動作を示すフローチャート。 第二実施形態の送信開口とその整相範囲と整相範囲の合成との関係を示す説明図。

＜＜第一実施形態＞＞
第一実施形態の超音波撮像装置（超音波送受信装置）について図面を用いて説明する。図１は、第一実施形態の超音波撮像装置１００の全体構成を示す図であり、図２は、超音波探触子１０８の超音波送受信面の概略構成（送信開口の配置例）を示す図である。図３は、第一実施形態の（ａ）送信開口の照射領域３３を示す説明図、（ｂ）整相範囲３５と受信焦点を示す説明図、（ｃ）合成後の受信焦点の範囲を示す説明図である。図４は、第一実施形態の超音波探触子１０８の送信開口のグループと撮像すべき範囲２１９の各領域との対応を示す説明図である。図５は、異なる心拍の同一時相ｔ１のタイミングで送信開口１１０〜１１３等から超音波を送信することを説明する図である。

図１のように、超音波撮像装置１００は、超音波探触子１０８と、送信部１０２と、受信部１０５と、設定部１０４と、合成部２５とを有している。

超音波探触子１０８は、図２のように、複数の所定の方向へ超音波を照射する超音波振動子の領域である送信開口１１０〜１１３等と、１以上の受信領域１３０を有する。複数の送信開口１１０〜１１３等および受信領域１３０は、それぞれ１以上の超音波振動子（トランスデューサ）によって構成される。超音波振動子は、電気信号を音波へ、音波を電気信号へと変換する機能を持つ。図２の例では、受信領域１３０は、一以上の超音波振動子の集合であるチャネル１０９によって構成され、送信開口１１０〜１１３等は、複数のチャネル１０９によって構成されている。また、超音波振動子は、複数（Ｐ個）のチャネル１０９_１〜１０９_Ｐ に仮想的もしくは物理的に分割されている。各チャネル１０９_１〜１０９_Ｐは、１つもしくは複数の超音波振動子によって構成されている。

なお、この構成に限らず、送信開口１１０〜１１３等がそれぞれ一つのチャネルによって構成されていてもよい。また、複数の送信開口１１０〜１１３等が、互いに重なりあっていてもよい。さらに、図２の超音波探触子は、一つのチャネル１０９が、送信および受信の両方を行う構成であるが、この構成に限らず、送信開口１１０〜１１３等と受信領域１３０のチャネルを分離してもよい。

送信部１０２は、送信開口１１０、１１１等ごとに、被検体の撮像対象２０の撮像すべき範囲（撮像範囲）２１９に向かって超音波３１を送信させる動作を行わせる。超音波３１は、撮像対象２０の所定の送信焦点に向かってフォーカス送信されてもよいし、図３（ａ）のように拡散送信されてもよい。これにより、送信開口ごとに、撮像すべき範囲２１９の照射領域３３に超音波が照射される。

受信領域１３０は、撮像対象２０からの超音波のエコーを受信し、電気的な受信信号を出力する。受信部１０５は、受信領域１３０の出力に対して整相処理を適用し、図３（ｂ）のように照射領域３３内に設定した整相範囲３５の受信焦点（例えば５２）についての受信信号（以下、焦点データ）を得る。合成部２５は、図３（ｃ）のように、同一の受信焦点５２について、異なる送信開口（例えば、１１０、１１１）から異なる送信タイミングで送信された超音波のエコーから得た焦点データを、加算処理（送信間合成）する。例えば、送信開口１１０の位置に対応した整相範囲３５−１１０と送信開口１１０の隣の送信開口１１１の位置に対応した整相範囲３５−１１１とが重なる範囲１３５−ｎにおいて、画像を構築するための複数の点が集合した線である受信走査線２４１および画像を構築するための各点である受信焦点（以下、「撮像点」とも呼ぶ。）５２が重なる。合成部２５は１３５−ｎの範囲について，３５−１１０と３５−１１１それぞれの焦点データ同士を加算する。

このとき、設定部１０４は、撮像対象２０の撮像範囲２１９を、図４のように複数の領域２１９−１〜２１９−４等に分割する。そして、設定部１０４は、同一の領域（例えば２１９−１）に対して、撮像対象２０の動きに応じて撮像対象２０における受信焦点５２等の空間位置が所定の範囲内で一致するタイミング（例えば図５の時相ｔ１）で、異なる複数の送信開口１１０〜１１３から、図５のように順に超音波を送信させる。なお、所定の範囲内で一致するタイミングには、完全に一致するタイミングのみならず、撮像対象の有する特徴的なゆらぎや，信号を検知する計測系の誤差等によって所定の範囲内でずれたタイミングも含まれる。

これにより、合成部２５は、領域（例えば２１９−１）内の受信焦点５２の空間位置が一致するタイミングで送信された超音波のエコーから得た焦点データを送信間で開口合成することができる。よって、撮像対象２０に動きがあり、超音波の送信を繰り返している間に撮像対象２０が動く場合であっても、撮像対象２０の空間的位置が一致しているため、開口合成時に像ブレなどを起こすことなく、開口合成による高画質化の効果を得ることができる。

例えば、設定部１０４は、図１および図５のように、撮像対象２０の周期的な動きに対応した信号１２を受け取って、受け取った信号１２に対して同一時相（例えばｔ１）となるタイミングで超音波の送信を行うよう指示する信号と、超音波の送信に用いる送信開口を指示する信号を送信部１０２に出力する。これにより、送信部１０２は、設定部１４０から指示された超音波探触子１０８の送信開口から、指示されたタイミングで、撮像範囲２１９の同一の領域２１９−１等に対して超音波を送信させる。

図６は、第一実施形態の撮像対象２０の動きを表す信号（心電信号）を説明する図である。図７は、第一実施形態の撮像対象２０の動きを表す信号（血流速度信号）を説明する図である。

撮像対象２０の周期的な動きに対応した信号１２は、心電信号や、血流速度を示す信号や、呼吸動を示す信号を用いることができる。具体的には例えば、図６のように、心電計（心電図モニタ）６０によって得られた撮像対象２０の心電信号（心電波形）６１を信号１２として用いることが可能である。また、例えば、図７のように、超音波ドプラー血流計（血流速度モニタ）７０によって撮像対象２０の持つ血管７３の血流速度を測定し、得られた血流速度信号６２を信号１２として用いることができる。

同一時相のタイミングを判定する基準としては、信号周期を示す信号を検出して用いる。心電波形６１の場合、例えばＲ波７１を用いることができる。また、血流速度信号６２の場合、拍動に同期した立上り時間７２を用いることができる。

なお，R波７１や立上り時間７２の時刻は，撮像対象の有する特徴的なゆらぎや，信号を検知する計測系の誤差等により完全に周期的な信号とならないことがある。このような場合においても，複数の信号１２を用いた開口合成をおこなうことで，ゆらぎや誤差の範囲内で一致したタイミング（すなわち所定の範囲内で一致するタイミング）で送信させたことに等しくなる。

なお、図４のように、撮像範囲２１９内の同一の領域（例えば２１９−１）に対して超音波を送信する複数の送信開口１１０〜１１３は、送信順に互いに隣り合っていることが望ましい。これにより、超音波３１の照射領域３３の広い範囲を互いに重ね合わせることができるため、重なり合う照射領域３３内の受信焦点５２の焦点データを開口合成することができる。

また、図８は、第一実施形態の心拍周期に複数時相ｔ１〜ｔ４を設定した例を示す説明図である。図９は、撮像範囲２１９に設定した受信走査線２４１を示す説明図である。図８のように、設定部１０４は、撮像対象２０からの信号１２の周期８１−１〜８１−４等に基づいて、同一の周期（例えば８１−１）内に、複数の異なる時相ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を設定することも可能である。この場合、異なる時相ごとに、異なる領域に対して異なる送信開口から順に超音波を送信させる。例えば、図４のように、時相ｔ１では、撮像対象２０の領域２１９−１に異なる４つの送信開口１１０〜１１３からそれぞれ超音波３１を送信し、時相ｔ２では、領域２１９−２に異なる４つの送信開口１１４〜１１７からそれぞれ超音波３１を送信し、時相ｔ３では領域２１９−３に４つの送信開口１１８〜１２１からそれぞれ超音波３１を送信し、時相ｔ４では領域２１９−４に送信開口１２２〜１２５からそれぞれ超音波３１を送信する。このように、同一の周期内の異なる複数の時相から超音波を送信することにより、図９のように、撮像範囲２１９全体の受信走査線２４１についての受信焦点の焦点データ（すなわち画像）が得られるまでの時間を短縮することができる。

同一の周期内の複数の時相から超音波を送信する場合、複数の領域２１９−１〜２１９−４のうち隣接する領域（例えば領域２１９−１と２１９−２）には、複数の異なる時相ｔ１〜ｔ４のうち連続する時相（例えばｔ１とｔ２）のタイミングで、超音波３１が送信されることが望ましい。その理由は、隣接する領域の境界付近においても、開口合成による解像度の向上の効果が得られからである。隣接する領域２１９−１と２１９−２との境界付近の受信走査線２４１上の受信焦点５２の焦点データを合成部２５が合成する場合に、時相ｔ１で送信された超音波３１のエコーで得られた焦点データと、時相ｔ２で送信された超音波３１のエコーで得られた焦点データとを合成するため、撮像対象２０の動きによって受信焦点５２の位置は完全には一致しないが、連続する時相ｔ１とｔ２であるため、撮像対象２０の体動による位置ずれ量は最小である。よって、隣接する領域の境界付近における受信焦点５２の位置ずれ量を最小限に抑制しながら開口合成することができ、隣接する領域２１９−１と領域２１９−２との境界付近における解像度の乱れを抑制しながら、開口合成による解像度の向上の効果を得ることができる。

また、図１０は、一次元に配列された送信開口に設定したグループのパターン（マップ）の例と、心拍周期に設定した時相との対応を示す図である。

設定部１０４は、例えば図１０（ａ）〜（ｃ）のように、信号１２の周期８１の長さに応じて、同一周期８１内に設定する時相の数を定めてもよい。これにより、例えば、撮像対象２０の信号１２の周期８１に応じて、開口合成を行うことができる。

また、設定部１０４は、同一の周期８１内に設定した時相の数に応じて、撮像範囲２１９の領域２１９−１〜２１９−４のパターン（形状および配置）を設定する構成にしてもよい。具体的には、例えば、設定部１０４は、同一周期８１内に設定する時相の数ごとに予め定めておいた、１以上の領域のパターン（領域パターン）を記憶するメモリ１０４ａを有するように構成する。メモリ１０４ａは、領域パターンを例えばマップとして記憶するがこれに限られない。設定部１０４は、同一の周期８１内に設定した時相の数に基づいて、メモリ１０４ａから対応する領域パターンを読み出して設定することができる。

例えば、設定部１０４は、複数の領域２１９−１〜２１９−４の形状に対応させて、超音波探触子１０８の複数の送信開口を、複数のグループに分割し、同一の領域（例えば２１９−１）には、その領域に対応するグループに含まれる複数の送信開口から同一時相で順に超音波３１を送信させるように構成することが可能である。超音波探触子１０８の送信開口が一次元に配列された一次元アレイであり、信号１２が心電信号６１である場合の具体例を、図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。一つの領域２１９−１〜２１９−４に送信する超音波３１の数に対応する数の送信開口を含むグループ２２０−１〜２２０−６が、超音波探触子１０８に設定された複数のパターンが図１０（ａ）〜（ｃ）のように予め用意され、設定部１０４内のメモリ１０４ａに格納されている。

図１０（ａ）のパターンは、心電信号１２の周期８１が長く、同一周期８１内に６つの時相ｔ１〜ｔ６が設定可能な場合のパターンである。送信開口１１０〜１２５を備える超音波探触子１０８に６つのグループ２２０−１〜２２０−６が設定され、各グループはそれぞれ３つの送信開口を含み、３心拍の期間で超音波探触子１０８の全ての送信開口１１０〜１２５から送信を完了し、グループ２２０−１〜２２０−６に対応する撮像対象２０の領域２１９−１〜２１９−６の受信走査線２４１についての焦点データを取得する。

なお、グループ２２０−６には、１つの送信開口１２５が含まれているが、これは、超音波探触子１０８に各グループを設定した結果、余った送信開口１２５が１つのグループを構成していることを示す。この場合、時相ｔ６−２と時相ｔ６−３には、超音波３１を送信する送信開口が存在しないため、超音波３１の送信は行われない。

図１０（ｂ）のパターンは、心電信号１２の周期が図１０（ａ）よりも短く、同一周期８１内に４つの時相ｔ１〜ｔ４が設定可能な場合のパターンである。超音波探触子１０８に４つのグループ２２０−１〜２２０−４が設定され、各グループは、４つの送信開口を含み、４心拍の期間で超音波探触子１０８の全ての送信開口１１０〜１２５から送信を完了し、グループ２２０−１〜２２０−４に対応する領域２１９−１〜２１９−４の全ての受信走査線２４１についての焦点データを取得する。

一方、図１０（ｃ）のパターンは、心電信号１２の周期が図１０（ｂ）よりもさらに短く、同一周期８１内に３つの時相ｔ１〜ｔ３が設定可能な場合のパターンである。超音波探触子１０８に３つのグループ２２０−１〜２２０−３が設定され、各グループは、６つの送信開口を含み、３心拍の期間で超音波探触子１０８の全ての送信開口１１０〜１２５から送信を完了し、グループ２２０−１〜２２０−３に対応する領域２１９−１〜２１９−３の全ての受信走査線２４１についての焦点データを取得する。

なお、図１０（ａ）と同様に、グループ２２０−３には、４つの送信開口１２２〜１２５が含まれる。

なお、図１０（ｂ）のように、各周期内で送信する回数が一定である方が、送信を行えない待ち時間が発生しないため、撮像効率を上げられる。このように、設定部１０４は待ち時間が発生しないようなパターン図１０（ｂ）を自動的に選択してもよい。

また、図１１は、（ａ）二次元に配列した送信開口と、撮像範囲２１９との関係を示す説明図、（ｂ）撮像範囲２１９の各領域と、送信開口との関係を示す説明図である。図１２と図１３は、二次元に配列された送信開口に設定したグループのパターン（マップ）の例と、心拍周期に設定した時相との対応を示す図である。

図１１（ａ）は、送信開口はｘ−ｙ軸方向に二次元配置され、送信開口から三次元空間設定される撮像範囲２１９に向かって超音波が送信される関係を示す。図１１（ｂ）は、図１１（a）のｘ−ｙ軸断面を示し、４つに設定された撮像範囲２１９の、２１９−１に送信開口１１０〜１１３によって照射された超音波３１−１１０等の位置関係を示す。

超音波探触子１０８の送信開口が、図１１のように二次元に配列された二次元アレイである場合に、超音波探触子１０８に設定するグループ２２０−１等のパターンの例を図１２（ａ）、（ｂ）および図１３（ａ）、（ｂ）に示す。図１２（ａ）のパターンは、同一周期８１内に４つの時相ｔ１〜ｔ４が設定可能な場合のパターンである。１６個の送信開口１１０〜１２５を備える超音波探触子１０８に４つのグループ２２０−１〜２２０−４が設定され、各グループはそれぞれ４つの送信開口を含み、４心拍の期間で超音波探触子１０８の全ての送信開口１１０〜１２５から超音波３１の送信を完了し、図１１（ｂ）のようにグループ２２０−１〜２２０−４に対応する領域２１９−１〜２１９−４の焦点データを取得する。

図１２（ｂ）のパターンは、同一周期８１内に５つの時相ｔ１〜ｔ５が設定可能な場合のパターンである。２５個の送信開口１１０等を備える超音波探触子１０８に５つのグループ２２０−１〜２２０−５が設定され、各グループはそれぞれ５つの送信開口を含み、５心拍の期間で超音波探触子１０８の２５個全ての送信開口１１０等から超音波３１の送信を完了し、グループ２２０−１〜２２０−５に対応する領域２１９−１〜２１９−５の焦点データを取得する。

図１３（ａ）のパターンは、同一周期８１内に６つの時相ｔ１〜ｔ６が設定可能な場合のパターンである。２４個の送信開口１１０等を備える超音波探触子１０８に６つのグループ２２０−１〜２２０−６が設定され、各グループはそれぞれ４つの送信開口を含み、４心拍の期間で超音波探触子１０８の２４個全ての送信開口１１０等から超音波３１の送信を完了し、グループ２２０−１〜２２０−６に対応する領域２１９−１〜２１９−６の焦点データを取得する。

図１３（ｂ）のパターンは、同一周期８１内に８つの時相ｔ１〜ｔ８が設定可能な場合のパターンである。２４個の送信開口１１０等を備える超音波探触子１０８に８つのグループ２２０−１〜２２０−８が設定され、各グループはそれぞれ３つの送信開口を含み、３心拍の期間で超音波探触子１０８の２４個全ての送信開口１１０等から超音波３１の送信を完了し、グループ２２０−１〜２２０−８に対応する領域２１９−１〜２１９−８の焦点データを取得する。

設定部１０４は、撮像対象２０の動きに対応する信号１２の周期を検出し、周期の長さに応じて、１周期内に設定する時相数を設定し、時相数に応じて、図１０または図１２〜図１３のパターンの中から送信開口のグループのパターンを選択することができる。

設定部１０４は、グループ２２０−１内の複数の送信開口１１０、１１１、１１２等のうち、隣り合う送信開口の順に超音波を送信させることが望ましい。隣り合う送信開口の順に超音波を送信させることにより、超音波の照射領域を大きく重ねることが可能になり、送信のたびに重なり合う広い範囲で開口合成をすることが可能になるためである。

このように、第１の実施形態の超音波撮像装置を用いることにより、撮像対象に動きがある場合であっても、動きの影響を抑制して、開口合成による解像度の高い画像を得ることができる。例えば、生体の撮像において、自発的に動く臓器である心臓が撮像対象である場合はもちろん、その他の部位、頸動脈や肝臓のように心臓の拍動の影響を受けて動く部位を撮像対象とする場合にも、開口合成により解像度の高い画像を得ることができる。

＜＜第二実施形態＞＞
第二実施形態の超音波撮像装置の具体的な構成例について説明する。

＜装置の全体構成＞
図１４は、第二実施形態の超音波撮像装置１００の全体構成を示す図である。図１４において、第一実施形態の図１の構成と同様の構成は、同じ符号を付している。超音波撮像装置１００は、第１の実施形態と同様に、超音波探触子１０８と送信部１０２と受信部１０５と合成部２５と設定部１０４とを備え、これらに加えて、第二実施形態では、制御部１０６と、ユーザインタフェース（ＵＩ）１２１と、送受切替部１０１と、画像処理部１０７と、表示部１２２と、を備えている。

制御部１０６は、超音波撮像装置１００全体の動作を制御する。ＵＩ１２１は、超音波撮像装置１００を使用するユーザからの指示、各種パラメータの入力等を受け付けるインタフェースである。送受切替部１０１は、超音波探触子１０８を超音波送信時には送信部１０２と接続し、超音波受信時には受信部１０５と接続するように、超音波探触子１０８の接続先を選択する切り替えを制御部１０６の制御下で行う。画像処理部１０７は、合成部２５が開口合成した後の焦点データを用いて、超音波画像を生成する。表示部１２２は、超音波画像を表示する。

超音波探触子１０８は、所定の配列で一次元または二次元に配列された超音波振動子（トランスデューサ）を複数個備える。超音波探触子１０８は、超音波振動子が配置された面（超音波送受面）を撮像対象２０に接触させて使用するのに適した外形に仕立てられている。

送信開口１１０等は、一つのチャネル１０９_１等と同じ大きさであってもよいし、図２のように複数のチャネルによって一つの送信開口を構成してもよい。以下の説明では、一つの送信開口１１０として、隣り合う複数（図２では４個）のチャネルを用いる例について説明する。なお複数の送信開口（１１０、１１１、１１２、１１３）は、一部が重なるように設定してもよい。

また、以下の説明ではチャネル１０９_１〜１０９_Ｐの一つ一つを受信領域１０９として用いる。なお、２以上のチャネルを一つの受信領域１０９として用いることももちろん可能である。

＜撮像範囲２１９＞
超音波撮像装置１００は、ＵＩ１２１からの指定もしくはＵＩ１２１からの入力パラメータに基づいて自動的に撮像対象２０の撮像範囲２１９を決定する。

＜送信部１０２＞
送信部１０２は、設定部１０４からの指示に従って、超音波探触子１０８の予め定めた送信開口（例えば１１０）を選択し、選択した送信開口１１０に超音波３１を送信させる送信信号を生成する。具体的には、波形種類、遅延時間、振幅変調、重み付け等を決定し、それに応じた送信信号を生成する。送信部１０２は、生成した送信信号を、送信開口１１０を構成するチャネルの超音波振動子のそれぞれに受け渡し、送信開口１１０から、照射領域３３に超音波３１を例えば図３（ａ）のように送信させる。送信部１０２は、この動作を、後述する設定部１０４が設定したタイミングで、送信開口１１０〜１１３等にそれぞれ実行させる。

＜受信部１０５＞
送信開口１１０〜１１３等のいずれかから撮像範囲２１９に超音波３１が送信されると、撮像範囲２１９ではエコーが生じる。超音波探触子１０８の受信開口（チャネル）１０９は、エコーを受信し、電気信号に変換する。受信部１０５は、図１４に示すように、メモリ４０と、遅延加算部２１とを備えている。送信のたび得られた受信信号は、メモリ４０に一旦格納される。遅延加算部２１は、メモリ４０から受信信号を読み出し、チャネルごとに所定の遅延値だけ遅延させた後、合算処理することにより、所定の撮像点５２に焦点を結んだ焦点データを生成する（受信ビームフォーミング）。受信部１０５は、生成した焦点データを合成部２５に受け渡す。受信ビームフォーミングには、超音波探触子１０８のすべてのチャネル１０９_１〜１０９_Ｐの受信信号を用いてもよいし、所定の受信開口（アクティブチャネル）内のチャネルの受信信号のみを用いてもよい。

なお、制御部１０６は、図９のように撮像範囲２１９の予め定めた位置に複数の受信走査線２４１を設定する。また、制御部１０６は、受信部１０５に対して、送信時の送信開口１１０の位置に対応した所定の整相範囲３５−１１０を図３（ｂ）のように設定し、この整相範囲３５に含まれる複数の受信走査線２４１上のすべての受信焦点５２について、焦点データを生成させる。これにより、少なくとも隣接する送信開口１１１に対応した整相範囲３５−１１１と、送信開口１１０に対応した整相範囲３５−１１０と、が重なる範囲１３５−ｎにおいては、受信走査線２４１および撮像点５２が重なるため、合成部２５が焦点データを加算することができる。

＜合成部２５＞
合成部２５は、図３（ｃ）のように、受け渡された同じ座標の複数の焦点データを加算することにより合成する。このとき、設定部１０４から設定された範囲に応じて合成する焦点データを選択する。図９のように、撮像範囲２１９のすべての領域の受信走査線２４１の合成後の焦点データがそろった後、合成後のデータは画像処理部１０７に受け渡され、画像処理部１０７は、表示用の画像データとして受け取ったデータを加工処理し、表示部１２２に受け渡し、表示部１２２に表示させる。

＜設定部１０４＞
設定部１０４は、撮像対象２０の撮像範囲２１９を複数の領域に分割し、同一の領域に対して撮像対象２０の動きに応じて撮像対象における受信焦点の空間位置が一致するタイミングで、複数の送信開口から順に超音波３１を送信させる動作をする。これをソフトウエアで実現するために、設定部１０４は、メモリ１０４ａとＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０４ｂとを有し、ＣＰＵ１０４ｂがメモリ１０４ａに予め格納されたプログラムを読み込んで実行することにより、図１５のように動作する。なお、設定部１０４の動作の一部または全部を、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のハードウエアにより実現することももちろん可能である。

図１５および図１６を用いて、設定部１０４と合成部２５の動作を説明する。図１５は、図１４の超音波撮像装置の設定部と合成部の動作を示すフローチャートであり、図１６は、第二実施形態の送信開口とその整相範囲と整相範囲の合成との関係を示す説明図である。ここでは、一例として、撮像対象２０の心電信号６１を信号１２として用いる。メモリ１０４ａ内には、送信開口のグループ２２０のパターン（配置パターン）を定めるマップ（例えば、図１０（ａ）〜（ｃ）ならびに図１２（ａ）、（ｂ）および図１３（ａ）、（ｂ）のようなマップ）が、ユーザが入力可能な、１心拍周期８１中の送信回数（時相数Ｎ）および１枚の画像の生成に用いる総心拍数Ｍの組み合わせごとに、予め格納されている。

まず、設定部１０４は、ユーザから撮像条件の入力を受け付けるための予め定めた入力画面を表示部１２２に表示させ、この入力画面上で、撮像パラメータを受け付ける（ステップ１４０）。具体的には、設定部１０４は、撮像範囲２１９、撮像深度Ｄ、１画像を構築するために用いる送信開口数Ｓ、画像更新（１枚の画像生成）までに用いる総心拍数Ｍ、ならびに、撮像に用いる超音波探触子１０８が一次元アレイか二次元アレイかの選択の入力を撮像パラメータとして受け付ける（ステップ１４０）。なお、撮像範囲２１９、撮像深度Ｄおよび送信開口数Ｓは、予め定めておいた値を用いてもよく、他の撮像条件に基づいて予め定めた演算方法によって設定部１０４が算出してもよい。また、超音波探触子１０８が、一次元アレイか二次元アレイかは、制御部１０６が超音波探触子１０８の種類の判別機能を有する場合には、制御部１０６から判別結果を設定部１０４が受け取ることにより把握してもよい。

設定部１０４は、撮像対象２０の心電計６０から心電信号１２を受け取り、１心拍の周期Ｔを算出する（ステップ１４１）。設定部１０４は、算出した心拍の周期Ｔを予め定めておいた超音波を送信可能な最小時間間隔で除し、１心拍周期Ｔから１心拍中に送信可能な送信回数（時相数）である最大送信回数Ｎmaxを算出する（ステップ１４２）。具体的には例えば、ステップ１４０で受け付けた撮像深度がＤ［ｍｍ］、媒質の音速がＣ［ｍｍ／ｓ］、予め定められた送受信号の受け渡し等の処理に要する時間がα［ｓ］の場合、最大送信回数Ｎmax＝Ｔ／（２＊Ｄ／Ｃ＋α）となる。

次に、設定部１０４は、ステップ１４０で受け付けた、１画像を構築するために用いる送信開口数Ｓと、画像更新（１枚の画像生成）までに用いる総心拍数Ｍを受け取り、１心拍中に送信する送信回数Ｎを、Ｎ＝Ｓ／Ｍ（ただし、Ｎ≦Ｎmaxとする）により算出する。設定部１０４は、算出した送信回数Ｎと、Ｎmaxとを表示部１２２に表示する。ユーザは、表示されたＮmaxの値を確認し、Ｎ≦Ｎmaxの制約下で、高画質を重視するなら１画像を構築するために用いる送信開口の数Ｓを大きくし、リアルタイム性を重視するならＭを下げるなどの調整を行い、設定部１０４はこの調整を受け付ける。これにより、設定部１０４は、１心拍中に送信する送信回数Ｎと、画像更新（１枚の画像生成、画像化）までに用いる総心拍数Ｍを設定する（ステップ１４３）。

つぎに、設定部１０４は、送信回数（時相数）Ｎ、総心拍数Ｍ、ならびに、超音波探触子１０８が一次元アレイか二次元アレイか、に応じて、送信開口１１０等のグループ２２０−１等の配置パターン（マップ）を、メモリ１０４ａ内に格納されているマップの中から選択する（ステップ１４４）。

ＵＩ１２１を介してスキャン開始の指示を設定部１０４が受けたならば、設定部１０４は、ｉ枚目（撮像画像番号ｉ）の画像を生成するため、心電信号１２の例えばＲ波を検出し、その時刻をｔ０とし、心拍数ｍ、送信回数ｎをカウントし、時刻ｔ０を基準として予め定めた時相tn-mのタイミングで、選択したマップにおいて時刻tｎ-ｍで超音波３１を送信するよう定められている送信開口から超音波３１を送信するように送信部１０２に指示する信号を出力する（ステップ１４５〜１４８）。具体的には例えば、図１２（ａ）に示す、Ｎ＝４、Ｍ＝４のマップがステップ１４４で選択されている場合、設定部１０４は、１枚目の画像を生成するために、撮像画像番号ｉ＝１を設定し（ステップ１４５）、心電信号１２の例えばＲ波を検出し、その時刻ｔ０とし、スキャンを開始して心拍数ｍ＝１をカウントする（ステップ１４６）。設定部１０４は、送信回数ｎ＝１をカウントし（ステップ１４７）、ステップ１４４で選択されたマップの時相tn-m＝t1-1において、時刻t1-1で超音波３１送信するよう設定された送信開口１１０（グループ２２０−１）から超音波３１を送信するよう送信部１０２に指示する（ステップ１４８）。これにより、送信部１０２は、超音波探触子１０８の送信開口１１０ａから超音波３１を送信させる。被検体からのエコーは、超音波探触子１０８の複数の受信領域１０９_１〜１０９_Ｐにより受信される。受信部１０５は、図３（ｂ）、図１６のように、送信開口１１０を中心に所定の整相範囲３５−１１０を設定し、整相範囲３５−１１０内の受信走査線上の受信焦点の焦点データを生成し、内蔵するメモリ４０に心拍数ｍ＝１と対応させて格納する。メモリ４０内には、送信開口ごとに、その送信開口からの送信で得られた焦点データを格納する領域が用意されている。

つぎに、設定部１０４は、送信回数ｎが上位Ｎ（＝４）に達したか（n=Nであるか）を判定し（ステップ１４９）、達していない場合、送信回数ｎをインクリメントし（ｎ＝２）（ステップ１５０）、ステップ１４４で選択されたマップの時相tn-m＝t2-1において、時刻t2-1で超音波３１を送信するよう設定された送信開口１１４（グループ２２０−２）から超音波３１を送信するよう送信部１０２に指示する（ステップ１４８）。同様に、設定部１０４は、時相t3-1では送信開口１１８（グループ２２０−３）、時相ｔ4-1では送信開口１２２（グループ２２０−４）から超音波３１を送信するよう送信部１０２に指示する。これにより、送信部１０２は指示されたタイミングで指示された送信開口から超音波３１を送信させる。送信の都度、受信部１０５は、送信開口を中心に所定の整相範囲３５の焦点データを生成し、メモリ４０に心拍数ｍ＝１と対応させて格納する。

ステップ１４９において、送信回数ｎが上位Ｎ（＝４）に達したならば、設定部１０４は、心拍数ｍが総心拍数Ｍに達したか（m≧Mであるか）を判定し（ステップ１５１）、達していない場合、心拍数ｍをインクリメントし（ｍ＝２）（ステップ１５２）、心電信号１２の次のＲ波を検出したならば、その時刻をｔ０とし、送信回数ｎ＝１をカウントする（ステップ１４７）。そして、ステップ１４８〜１５０を繰り返す。これによりｔ1-2、ｔ2-2、ｔ3-2、ｔ4-2のタイミングでそれぞれグループ２２０−１〜４の送信開口１１１、１１５、１１９、１２３から超音波３１を送信するよう送信部１０２に指示し、受信部１０５は、その都度の所定の整相範囲３５の焦点データをメモリ４０に心拍数＝２と対応させて格納する。この動作を、心拍数ｍが、総心拍数Ｍに達するまで繰り返す（ステップ１５１）。これにより、図１６に示すように、心拍数ｍごとにその心拍において送信した送信開口に対応する整相範囲３５の焦点データがメモリ４０に心拍数ｍと対応して格納される。

心拍数ｍが総心拍数Ｍに達したならば、合成部２５は、メモリ４０に格納されている焦点データ（ｍ＝１〜Ｍ）を全て受け取り（ステップ１５４）、同一の受信焦点５２の焦点データを加算し、開口合成する（ステップ１５５）。これにより、図１６に示すように、合成部２５は、撮像範囲２１９について１枚の画像データを生成する（ステップ１５６）。ステップ１５６で生成された画像データは、表示部１２２に画像として表示される。

このとき、同じグループ２２０−１等から対応する領域２１９−１等に送信される超音波は、同じ時相において送信されているため、撮像対象２０の体動の影響を受けず、受信焦点は一致している。よって、体動による位置ずれの影響を受けず、焦点データを位置精度よく合成することができるため、開口合成による解像度向上の効果を得ることができる。また、隣接するグループ（例えば、２２０−１と２２０−２）は、連続する時相で送信されるため、その時相差は、１ＰＲＴ（ｐｕｌｓｅ−ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ−ｔｉｍｅ）程度の時間となる。これは、心臓振動一周期に対しては非常に小さい時間であるため、撮像対象の全体の動きとしては無視できるほど非常に小さい。したがって、連続する時相で超音波の送信を行う隣接グループの境界における体動による位置ずれ量は最少であり、合成処理において像ブレを最小限にし、高画質化効果が得られる。

なお、図１０（ａ）〜（ｃ）ならびに図１２（ａ）、（ｂ）および図１３（ａ）、（ｂ）に示す各送信開口のグループ内で送信を行う順番は、図に示すものに限らない。前述したように、同じグループ２２０−１等から対応する領域２１９−１等に送信される超音波は、同じ時相において送信されているため、総心拍数Ｍに達する時間までにグループ２２０−１等内に配置されたすべての送信開口から送信が行われればよく、どの時相でどの送信開口から送信されても（すなわち、ひとつのグループ内で順に送信を行う送信開口の配置は，ランダムに配置されても）解像度向上の効果を得ることができる。また、グループの配置も同様である。

ただし、近い心拍のタイミングで得られる焦点データと合成させることで、より高画質化が可能となる場合は、各送信開口のグループ内で送信を行う順番は隣接させた方が有用である。例えば、順に行う送信開口の配置は時計回りなどがある。このような決まった配置の場合、隣接グループ間との開口合成のばらつきを避けるため、隣接グループ間で順に行う送信開口の配置は同一にするか、線対称、もしくは点対称の配置にしてもよい。また、グループの配置も同様である。

１枚の画像が生成されたならば、設定部１０４は、心拍数ｍをインクリメントし（ｍ＝ｍ＋１）、撮像画像番号ｉもインクリメントし（ｉ＝ｉ＋１）、次の画像を生成するため、ステップ１４７に戻る。そして、設定部１０４は、ｎ＝Ｎに達するまでステップ１４７〜１５０を繰り返して、時相ｔ1-(m+1)、ｔ2-(m+1)、ｔ3-(m+1)、ｔ4-(m+1)で送信を行い、それぞれの整相範囲３５の焦点データを得て、メモリ４０内の対応する送信開口用のメモリ領域の焦点データを上書きする。ステップ１５１において、現在の心拍数ｍ＋１は、総心拍数Ｍを超えているので、ステップ１５４に進み、合成部２５は、受信部１０５のメモリ４０に現状から焦点データを全て受け取り（ステップ１５４）、開口合成する（ステップ１５５）。これにより、今回の心拍数（ｍ＋１）で時相ｔ1-(m+1)、ｔ2-(m+1)、ｔ3-(m+1)、ｔ4-(m+1)で送信を行って得た焦点データと、それ以前の３回（＝Ｍ−１回）の心拍数で得た焦点データとを合成して１枚の画像を生成する（ステップ１５６）。心拍数ｍをインクリメント（ｍ＝ｍ＋１）（ステップ１５７）するごとに行うことにより、１心拍ごとに、その心拍において送信した送信開口に対応する領域の焦点データに基づいて更新した画像を生成することができる。

なお、図１５のフローでは、ステップ１４３で設定された送信開口数Ｓと総心拍数Ｍに基づいて送信開口のグループのパターン（マップ）をステップ１４４において選択する構成であったが、送信開口のグループのパターンを先にユーザが選択し、設定部１０４が、そのパターンに適応する送信開口数Ｓと総心拍数Ｍと時相数Ｎを決定し、Ｎ≦Ｎmaxを満たすかどうか判定する構成にすることも可能である。

なお、上述の説明では、隣接するグループ（例えば、２２０−１と２２０−２）の境界においても、同一の受信焦点については合成部２５が合成を行う構成であったが、この構成に限られるものではなく、合成部２５は、同じグループの送信開口からの送信で得られた焦点データだけを合成してもよい。また、隣接するグループ（例えば、２２０−１と２２０−２）の送信する時相が、連続している（例えば時相t1-mとt2-m）場合には、境界においても合成を行い、隣接するグループ（例えば、２２０−１と２２０−３）の送信する時相が連続していない（例えば時相t1-mとt3-m）場合には、境界において合成を行わないようにしてもよい。

図１６では、設定部１０４がカウントした心拍数ｍ毎の送信開口１１０〜１１７（送信開口１１８〜１２５は不図示）とその整相範囲３５−１１０〜３５−１１７（整相範囲３５−１１８〜３５−１２５は不図示）との対応、および、総心拍数Ｍ＝４における整相範囲の合成である撮像範囲２１９を示している。

上述してきたように、第一および第二実施形態の超音波撮像装置によれば、撮像対象に動きがある場合であっても、撮像対象の空間的な位置関係を一致させることができるため、開口合成によって高画質化の効果を得ることができる。

１２…信号、２０…撮像対象、２５…合成部、３１…超音波、３３…照射領域、３５…整相範囲、１００…超音波撮像装置、１０２…送信部、１０４…設定部、１０４ａ…メモリ、１０４ｂ…ＣＰＵ、１０５…受信部、１０８…超音波探触子、１０９…受信領域、１１０〜１２５…送信開口、２１９…撮像範囲、２１９−１〜２１９−４…領域、２２０−１〜２２０−４…グループ

Claims (7)

1. 複数の送信開口と、１以上の受信領域とを有する超音波探触子と、
   前記送信開口から撮像対象の撮像すべき範囲に向かって超音波を送信させる動作を行わせる送信部と、
   前記撮像対象からの前記超音波のエコーを受信した前記受信領域の出力に対して、整相処理を施して、前記撮像対象の所望の受信焦点についての受信信号を得る受信部と、
   異なる前記送信開口から異なる送信タイミングで送信された前記超音波のエコーから前記受信部がそれぞれ得た、同一の前記受信焦点についての複数の前記受信信号を加算処理する合成部と、
   前記送信部に超音波の前記送信タイミングを設定する設定部と、を有し、
   前記設定部は、前記撮像対象の動きの同一の周期内に、前記周期の長さに応じた数で複数の時相を設置し、前記時相ごとに、前記撮像対象の前記撮像すべき範囲を分割した異なる領域に対して、前記撮像対象の動きに応じて前記撮像対象における前記受信焦点の空間位置が所定の範囲内で一致するタイミングで、異なる複数の前記送信開口から順に前記超音波を送信させ、
   前記設定部は、前記同一の周期内に設定した前記時相の数に応じて、前記撮像すべき範囲の前記領域のパターンを設定する、
   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、前記設定部は、前記時相の数ごとに予め定めておいた、１以上の前記領域のパターンを記憶する記憶部を有し、前記同一の周期内に設定する前記時相の数に応じて、前記記憶部から対応する前記領域のパターンを読み出して設定する、
   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、前記設定部は、前記複数の領域の形状に対応させて前記超音波探触子の複数の前記送信開口を複数のグループに分割し、同一の領域には、その領域に対応する前記グループに含まれる複数の前記送信開口から順に前記超音波を送信させる、
   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、前記設定部が、前記同一の領域に対して超音波を送信させる前記複数の前記送信開口は、送信を行う順に互いに隣り合っており、隣り合う前記送信開口は、前記超音波の照射領域が一部重なり合っている、
   ことを特徴とする超音波撮像装置。
5. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記設定部は、複数の前記領域のうち、少なくとも一つの方向において隣接する領域には、前記同一の周期内の前記複数の異なる時相のうち、連続する前記時相のタイミングで、前記超音波を送信させる、
   ことを特徴とする超音波撮像装置。
6. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記撮像対象の周期的な動きに対応した信号は、心電波形を示す信号である、
   ことを特徴とする超音波撮像装置。
7. 超音波探触子の送信開口から撮像対象の撮像すべき範囲に向かって超音波を送信するステップと、
   前記撮像対象からの前記超音波のエコーを前記超音波探触子の受信領域によって受信し、前記受信領域の出力に対して整相処理を施して、前記撮像対象の所望の受信焦点についての受信信号を得るステップと、
   異なる前記送信開口から異なる送信タイミングで送信された前記超音波のエコーから前記受信部がそれぞれ得た、同一の前記受信焦点についての複数の前記受信信号を加算処理するステップと、を有し、
   前記超音波を送信するステップは、前記撮像対象の動きの同一の周期内に、前記周期の長さに応じた数で複数の時相を設定し、前記時相ごとに、前記撮像対象の撮像すべき範囲を分割した複数の領域のうち異なる領域に対して、前記撮像対象の動きに応じて前記撮像対象における前記受信焦点の空間位置が所定の範囲内で一致するタイミングで、異なる複数の前記送信開口から順に前記超音波を送信し、
   前記撮像すべき範囲の前記領域のパターンは、前記同一の周期内に設置した時相の数に応じて設定される
   ことを特徴とする超音波撮像方法。

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