JP7033430B2 - 超音波撮像装置、および、超音波撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波撮像装置および超音波送受信方法に関する。

超音波撮像装置は、超音波素子から所定の深度に送信焦点をもつ超音波ビームを、撮像領域に対して所定の走査方向に位置をずらしながら複数回送信し、それぞれの送信により撮像領域内で生じたエコーを複数の超音波素子により受信して受信信号に変換する。そして、複数の超音波素子がそれぞれ受信した受信信号を、撮像領域内に設定された受信走査線上の受信焦点の位置に応じてそれぞれ遅延（整相）した後、加算することにより受信焦点データを得る（受信ビームフォーミング）。受信焦点は、受信走査線上に複数設定され、それぞれ受信焦点データが順次取得される（ダイナミックフォーカス）。撮像領域内に設定された複数の受信走査線上の複数の受信焦点データの値を、その受信焦点の位置に対応する画素の値とすることにより、撮像領域の画像を生成することができる。

また、送信焦点の位置が異なる複数の超音波ビームの順に送信して、同一の受信走査線上の受信焦点についての受信焦点データをそれぞれ得た後、合成（加算）する送信間開口合成技術も知られている（特許文献１）。送信間開口合成を行うことにより、画像を高画質化する効果が得られる。

特開平１０－２７７０４２号公報

超音波撮像では、撮像範囲の全範囲を均質に画像化することは難しい。例えば、超音波ビームは、送信焦点で最も高い分解能が得られるという特性をもつため、一般に、超音波画像は送信時の焦点深度から離れるほど分解能が劣化する。また、超音波ビームの走査（送信）密度が高いほど、超音波画像のＳＮ比や分解能が向上するが、複数の超音波ビームの軸方向を放射状に広げるセクタ走査では、超音波探触子から離れるにつれて超音波ビームの走査密度が低密度になる。これらの理由により、超音波画像の分解能は、深さ方向に分布を生じる。

送信時の焦点深度から離れるほど分解能が劣化するという問題を解決するためには、同一方向について送信焦点の深度の異なる複数の超音波ビームを送信し、それぞれの超音波ビームで得られた受信焦点のデータを送信間開口合成することが考えられる。しかしながら、１フレームの撮像に要する時間は、超音波ビーム（パルス）の波面が照射範囲を往復伝搬するのに要する時間（PRT: Pulse Repetition Time）と送信ビームの本数との積で表されるから、同一方向に焦点深度を変えて複数回送信すると、その分フレームレートが低下する。

また、送信間開口合成技術は、複数の送信で得られた受信焦点のデータを合成するため、合成が完了するまでに要する時間が長く、合成するデータの数を増やして高画質にしようとするほど、動きのある部位の信号のSN比が低下し、像がぼやけたり、場合によっては像を消失することもある。そのため、送信間開口合成技術を適用できる部位や撮像目的には制限がある。

一方、受信走査線上の受信焦点を密に配置することにより分解能を向上させることも考えられるが、受信焦点の密度が増えるほど、受信ビームフォーミングの計算量が増大し、リアルタイム処理が困難となる。

このように、超音波撮像では撮像条件や撮像対象の動きの有無等により、分解能の低下や、フレームレートの低下や、SN比の低下や虚像の発生などの画像劣化が生じるため、撮像対象の部位の特性（構造・組織特性・動き）や撮像目的（診断項目、計測項目）に応じて、撮像条件を調整することが望ましい。しかしながら、設定可能な撮像条件（送受信条件）は複数あり、相互の条件が画像に与える影響が複雑に関連する条件もあるため、ユーザが、高画質が得られる適切な送受信条件を設定することは容易ではない。

本発明の目的は、ユーザの関心領域において、超音波画像の画質が所定の高画質に到達するように撮像条件を設定することにある。

上記目的を達成するために、本発明の超音波撮像装置は、撮像対象の撮像領域に対して、接続されている超音波探触子を介して、所定の撮像条件にしたがって超音波ビームを送信させる送信部と、撮像領域に関心領域を設定する関心領域設定部と、超音波ビームの送信を受けた撮像領域から戻る超音波を、超音波探触子に受信させ、得られた受信信号を処理することにより、少なくとも関心領域に撮像条件にしたがって配置された複数の受信焦点について、それぞれ焦点データを生成する受信部と、焦点データを用いて画像を生成した場合に、画像が所定の画質に到達するかどうかを判定し、所定の画質に到達しない場合、撮像条件を変更する判定部とを有する。

本発明によれば、ユーザの関心領域において、超音波画像が所定の画質に到達するかどうか判定して撮像条件を変更するため、所望の画質の超音波画像を得ることができる撮像条件を設定できる。

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。 （ａ）は、撮像領域に設定された関心領域を示す説明図であり、（ｂ）は、撮像領域と関心領域に設定された送信メッシュを示す説明図であり、（ｃ）は、撮像領域および関心領域に設定された受信メッシュを示す説明図である。 第１の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。 第１の実施形態における判定部２４の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、送信間開口合成の合成領域を示す説明図であり、（ｂ）は、撮像対象の動きのある部位に設定された関心領域を示す説明図である。 第１の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である。 第２の実施形態における判定部２４の構成を示すブロック図である。 第２の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である。 第２の実施形態において関心領域に設定される初期焦点パターンと追加焦点パターンとを示す説明図である。 第２の実施形態において、シミュレーションにより分解能を算出する原理を示す説明図である。 第２の実施形態の変形例１の超音波撮像装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）は、第２の実施形態の変形例１において、関心領域の画像から読み出す画素値の位置を示す説明図であり、（ｂ）は、読み出した画素値をプロットしたグラフである。 第２の実施形態の変形例３の関心領域に設定された現時点の送信焦点と、ユーザが追加した送信焦点の一例を示す説明図。 （ａ）～（ｃ）は、第２の実施形態の変形例４の焦点パターンの例をそれぞれ示す説明図である。 第２の実施形態の変形例５の超音波撮像装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）および（ｂ）は、受信走査線の密度によって分解能が変化することを示す説明図である。

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。

本実施形態の超音波撮像装置の概要について、図１、図２を用いて説明する。まず、図１に示すように、本実施形態の超音波撮像装置は、関心領域設定部２０、超音波探触子２１、送信部２２、受信部２３、判定部２４および画像生成部２６を備えて構成される。画像生成部２６には、画像表示部２８が接続されている。

送信部２２は、送信焦点３１（図２（ｂ）参照）等を定める所定の撮像条件にしたがって、超音波探触子２１から撮像領域１１に対して、超音波ビームを送信させる。関心領域設定部２０は、図１および図２（ａ）に示すように、撮像対象１０の撮像領域１１内に関心領域１２を設定する。受信部２３は、超音波ビームの送信を受けた撮像領域１１から戻る超音波（エコーや散乱波等）を超音波探触子２１に受信させ、超音波探触子２１の超音波素子ごとに得られた受信信号を処理することにより、図２（ｃ）のように、少なくとも関心領域１２に、撮像条件にしたがって配置された複数の受信焦点４１について、それぞれ焦点データを生成する。

判定部２４は、上述の焦点データを用いて画像を生成した場合に、画像が所定の画質に到達するかどうかを判定し、所定の画質に到達しない場合、上記撮像条件を変更する。これにより、関心領域１２において所望の画質を得られる撮像条件を設定することができる。

撮像条件は、送信部２２による超音波ビームの送信条件、および、受信部２３が焦点データを生成する受信条件を含む。

一例としては、判定部２４は、撮像対象１０の関心領域１２が設定された部位、送信条件、および、受信条件のうちの少なくとも２つを用いて、予め定めた評価値を算出し、評価値が予め定めた評価基準を満たすかどうかにより、画像が所定の画質に到達するかどうかを超音波ビームの送信前に予め判定する構成とすることができる。

また、別の例としては、判定部２４は、焦点データを用いて生成された関心領域１２の画像に基づいて、画像が所定の画質に到達しているかどうかを判定する構成であってもよい。

なお、判定部２４は、撮像条件によって定まるフレームレートをさらに求め、フレームレートが所定の値に到達しない場合、または、画像が所定の画質に到達しない場合、撮像条件を変更する構成であることが望ましい。これにより、画質だけでなく、フレームレートも所定値以上に到達する撮像条件を設定できるため、高画質と高フレームレートの両立を図ることが可能になる。

なお、超音波探触子２１および画像生成部２６は、必ずしも超音波撮像装置の一部でなくともよい。例えば、外部装置である超音波探触子を接続して、接続した超音波探触子を介して超音波を送信してもよいし、受信部２３の生成した焦点データを外部の画像生成部に出力して画像を生成させることも可能である。なお、図１の構成では、送信部２２および受信部２３と、超音波探触子２１との間には、一つの超音波探触子２１により送信および受信を行うために送受分離回路２７が配置されているが、送信用と受信用にそれぞれ別の超音波探触子２１を用いる場合には送受分離回路２７は不要である。

以下、さらに具体的な実施形態の超音波撮像装置について説明する。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の超音波撮像装置について説明する。第１の実施形態では、判定部２４は、超音波ビームの送信の時間間隔である繰り返し時間における関心領域の変位を評価値として求める。求めた変位が予め定めた値を超えているかどうかを判定することにより、開口合成の合成領域幅が適切であるかを判定する。そして、求めた変位が予め定めた値を超えている場合、判定部２４は、撮像条件を変更する。これにより、位相が変位した信号同士のインコヒーレントな合成による合成像のぼやけを防ぐように撮像条件を設定することができ、合成信号撮像対象の動的な特徴に合わせた均質な合成効果を得ることができる。

第１の実施形態の超音波撮像装置の装置構成を、図３に示す。図３のように、第１の実施形態の超音波撮像装置は、図１の装置と同様の構成であるが、判定部２４には、関心領域１２の移動速度を計測する移動速度計測部２９と、予め求めておいた撮像対象の複数の部位（例えば、心臓弁、冠動脈、心房、心室）とそれぞれの部位の標準的な移動速度とが対応付けられて格納された移動速度記憶部３０とが接続されている。

移動速度計測部２９としては、例えば、超音波撮像の分野では広く知られた機能であるカラードプラー撮像部やドプラー計測部を用いることができる。

また、関心領域設定部２０には、ユーザから関心領域１２の部位の選択を受け付ける入力部３３が接続されている。

受信部（受信ビームフォーマと呼ぶ）２３には、送信間開口合成を行う送信間合成部２５が接続されている。

判定部２４は、図４に示すように、撮像条件設定部４２と、評価値計算部４３と、撮像条件判定部４４とを含む。撮像条件設定部４２は、関心領域設定部２０が設定した関心領域１２内に送信メッシュ（送信焦点３１の配置）、受信メッシュ（受信焦点の配置）および合成領域４５の幅ｗ（図５（ａ）参照）を設定する。合成領域４５は、送信間開口合成のために一度の送受信で受信データを生成する領域である。

第１実施形態の超音波撮像装置は、送信間合成部２５によって送信間開口合成を行う構成である。送信間開口合成撮像は、ある受信焦点４１について、異なるＮ回の送信において、同一の受信焦点４１についてそれぞれ得られたＮ個の焦点データを合成（加算）して、合成後の焦点データを画像生成に用いる。したがって、合成後の焦点データを得るためには、合成数Ｎに比例する時間Ｔが必要である。例えば呼吸動や心臓の拍動によって速度ｖで動いている関心領域１２について合成後焦点データを得る場合、関心領域１２は，時間Ｔの間に距離Ｌだけ移動する。距離Ｌが送信パルスの波長λに対して大きい場合，撮像対象からの受信信号はコヒーレントに加算されず，合成後焦点データのＳＮ比が著しく低下することが生じ得る。このような場合には、像がぼやけたり、消失したりするため、画質の高い画像を得ることが難しい。

そこで第１実施形態の超音波撮像装置では、判定部２４が、設定されている関心領域１２、送信条件および受信条件のうちの２以上を用いて関心領域１２の変位（距離）Ｌを計算により求め、変位が閾値（評価基準）Ｌ_０を超えている場合には、判定部２４は、撮像条件（送信条件および受信条件）が不適切であると判定する。これにより、ユーザまたは判定部２４は、送信条件および受信条件の少なくとも一方を調整することにより、関心領域１２の変位（距離）Ｌが閾値（評価基準）Ｌ_０以下になるように送信条件および受信条件を設定することができる。よって、画質の高い画像を得ることが可能となる。閾値Ｌ_０としては、例えば波長λより小さい値を設定する。また、変位Ｌが閾値（評価基準）Ｌ_０以下になるよう調整する送信条件および受信条件としては、例えば、送信ビームの送信間隔（ビーム間距離）ｐ、および、１回の送信で受信焦点４１を設定する領域である合成領域の幅ｗの少なくとも一方を用いることができる。

判定部２４は、変位Ｌの計算には、関心領域１２の移動速度ｖを用いる。例えば、移動速度計測部２９が超音波計測（ドップラー計測など）によって得た関心領域１２の移動速度ｖを、判定部２４が受け取って用いる。または、予め求めておいた複数の撮像対象の部位ごとの移動速度（成人の弁の標準的な運動速度など）を記憶した移動速度記憶部３０から、判定部２４が関心領域１２の部位の移動速度を読み出してもよい。このとき、関心領域１２の部位は、ユーザから入力を受け付けてもよいし、予め求めておいた複数の関心領域の位置とその部位との関係に基づいて判定部２４が求めてもよい。

ここで、送信部（送信ビームフォーマと呼ぶ）２２および受信ビームフォーマ２３の動作について説明する。送信ビームフォーマ２２は、送信信号を生成して超音波探触子２１の各超音波素子に受け渡す。超音波素子は、送信信号を超音波信号に変換して撮像対象１０に向かって照射する。このとき、送信ビームフォーマ２２は、各超音波素子に受け渡す送信信号を、超音波素子ごとに遅延させることにより、所望の方向に向かって、所望の深度に送信焦点３１をもつ超音波ビームを超音波探触子２１から送信させることができる。例えば、図２（ｂ）に示すように、送信ビームフォーマ２２は、撮像領域１１内に送信焦点３１を結ぶ集束型の超音波ビームを、方位角方向に所定の角度ごとに設定した送信走査線３２に沿って、所定の繰り返し時間で順次送信させる。なお、超音波ビームは、撮像領域１１内に送信焦点３１を結ぶ集束型の超音波ビームに限られるものではなく、超音波探触子２１よりも手前に仮想的に送信焦点３２をもち、撮像領域１１内で広がる拡散型の超音波ビームを照射してもよい。

受信ビームフォーマ２３は、受信信号の処理することにより、焦点データを生成する。処理方法としては、どのような方法を用いてもよいが、例えば遅延加算法を用いることができる。遅延加算法は、受信焦点４１ごとに予め求めておいた、受信焦点４１から仮想的に発せられた超音波が同位相で各超音波素子に到達する際の時間差を超音波素子ごとの遅延量として、受信信号を遅延させることにより整相した後、加算する。これにより、その受信焦点４１についての焦点データを生成することができる。

送信間合成部２５は、異なるＮ回の送信において、合成領域４５が重なり合う同一の受信焦点４１についてそれぞれ得られたＮ個の焦点データを合成（加算）して、合成後の焦点データを得る。

画像生成部２６は、受信部が生成した受信焦点４１ごとの焦点データを、受信焦点４１の位置の画素値として配置することにより、超音波画像を生成する。

なお、関心領域１２に設定される複数の受信焦点４１の配置は、撮像条件（受信条件）によって設定される。受信焦点４１の配置は、どのような配置であってもよく、方位角方向に所定の角度ごとに設定した受信走査線上に所望の密度で配置してもよいし、図２（ｃ）のように直交座標系で所望の間隔で設定した格子の交点に配置してもよい。

また、関心領域１２の外側の撮像領域１１についても、受信焦点４１を設定して、関心領域１２のみならずその外側の撮像領域１１についても受信ビームフォーマ２３が焦点データを求める構成としてもよい。この場合、関心領域１１と、関心領域１１の外側の撮像領域１１とにおいて、受信焦点４１の密度や配置を異ならせてもよい。これにより、ユーザが設定した関心領域１１について高い画質の画像を生成し、その外側の撮像領域は、それよりも低い画質の画像を短時間で生成すること等が可能になる。

以下、本実施形態の超音波撮像装置の動作について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、判定部２４は、ここではＣＰＵとメモリとを備えて構成され、メモリに予め格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、ソフトウエアにより以下の機能を実現する。ただし、判定部２４は、ソフトウエアにより実現されるものに限られず、その一部または全部を、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）等のカスタムＩＣやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等のプログラマブルＩＣのような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。

まず、超音波撮像装置の関心領域設定部２０は、マウスやキーボードを含む入力部３３を介してユーザによる関心領域１２の設定操作を受け付けることにより、撮像領域１１内に関心領域１２を設定する。例えば、関心領域設定部２０は、判定部２４を介して、超音波撮像装置が事前に撮像しておいた超音波画像、または現時点で撮像している超音波画像を画像表示部２８に表示させ、超音波画像の撮像領域１１内にユーザが入力部３３を操作して設定した領域を関心領域１２として受け付ける（ステップ１０１）。

また、関心領域設定部２０は、ユーザによる部位名等の選択を入力部３３を介して受け付け、予め撮像したまたは現在撮像して画像表示部２８に表示している超音波画像を画像処理することにより、選択された部位名に相当する領域に関心領域１２を設定してもよい。例えば、表示している超音波画像が心臓であり、ユーザが選択した部位名が「弁」である場合、図５（ｂ）のように、超音波画像の動画の移動速度を検出し、移動速度が所定値以上の画素を検出することにより弁の像の範囲を求め、検出した弁の像の範囲が含まれるように関心領域１２を設定すればよい。同様に、移動速度の範囲を予め求めておいた適切な範囲に設定することにより、冠動脈、心房および心室等の像の範囲を検出し、関心領域１２として設定することが可能である。

判定部２４の撮像条件設定部４２は、条件設定の繰り返し回数ｍ＝０とし（ステップ１０２）、超音波ビームの送信間隔（ビーム間距離）ｐと、送信間開口合成を行う際の合成領域４５の幅ｗを含む撮像条件の初期値を設定する（ステップ１０３）。送信間隔ｐと合成領域４５の幅ｗを含む撮像条件の初期値は、入力部３３を介してユーザから受け付けてもよいし、予め定めておいた値を設定してもよい。撮像条件は、送信間隔ｐと合成領域幅ｗの他に、送信の繰り返し時間ＰＲＴを含む。

つぎに、判定部２４の評価値計算部４３は、移動速度計測部２９または移動速度記憶部３０から関心領域の速度ｖを読み込む。そして、評価値計算部４３は、関心領域１２の受信焦点が開口合成する送信数Ｎの間に移動する変位Ｌを次式（１）を用いて計算により求める（ステップ１０４）。

Ｌ＝ｖ×Ｔ ・・・（１）
ただし、Ｔ＝Ｎ×ＰＲＴ
Ｎ＝ｗ／ｐ

なお、式（１）の計算に用いる移動速度ｖとして実測値を用いるか標準値を用いるかは、ユーザの選択を入力部３３を介して受け付けてもよいし、予め定めておいてもよい。実測値を用いる場合には、評価値計算部４３は、ステップ１０１で設定された関心領域１２の位置情報を用いて移動速度計測部２９が計測した関心領域１２内の移動速度の代表値（平均値や最大値）を読み込んで用いる。また、移動速度として、部位の標準値を用いる場合には、ステップ１０１で設定された関心領域１２の部位に対応する標準的な移動速度を移動速度記憶部３０から読み出して用いる。

なお、移動速度として部位の標準値を関心領域１２の部位は、部位名等の部位を特定する情報を、評価値計算部４３が入力部３３を介してユーザから受け付けて用いる。または、評価値計算部４３は、予め求めておいた撮像対象における複数の部位とその標準的な位置との関係に基づき、関心領域設定部２０が設定した関心領域１２の位置に対応する部位を求めてもよい。

判定部２４の撮像条件判定部４４は、ステップ１０４で算出された変位Ｌを予め定めておいた基準値Ｌ_０と比較し、Ｌ＜Ｌ_０を満たさない場合には、合成領域幅ｗを予め定めたΔｗだけ狭めて（ステップ１０６）、ステップ１０２に戻る。そして、繰り返し回数ｍを１増加させ、ステップ１０３～１０６を繰り返し、合成領域幅ｗを調整する。これを、ステップ１０５において、変位ＬがＬ＜Ｌ_０を満たすか、増加後の繰り返し回数が上限Ｍに達するまで繰り返す（ステップ１０２～１０７）。

ステップ１０５において、Ｌ＜Ｌ_０を満たした場合には、ステップ１０８に進んで、送信ビームフォーマ２２にステップ１０３の送信間隔ｐを含む送信条件を出力して設定するとともに、受信ビームフォーマ２３に合成領域幅ｗを含む受信条件を出力して設定する。これにより、送信ビームフォーマ２２は、設定された送信条件の繰り返し時間ＰＲＴで、設定された位置に送信焦点を結ぶ超音波ビームを送信間隔ｐで関心領域１２に順に照射するための送信信号を生成し、送受分離回路２７を介して探触子２１の各超音波素子に出力する。これにより、探触子２１からは、送信条件を満たす超音波ビームが送信される。受信ビームフォーマ２２は、撮像対象１０から戻るエコーを受信した探触子２１の各超音波素子の出力する受信信号を送受分離回路２７を介して受け取る。そして、受信条件として設定された合成領域幅ｗ内の受信焦点の位置に応じて、遅延させた後加算することにより、焦点データを得る。送信間合成部２５は、同じ受信焦点についてＮ回の送信でそれぞれ得られたＮ個の受信データが得られたならば、それらを加算することにより送信間開口合成を行って、画像処理部２６に出力する。

画像処理部２６は、合成後の焦点データをそれぞれの位置の画素値とする関心領域１２の画像を生成する（ステップ１０９）。また、必要に応じて、生成した関心領域１２の画像に所定の画像処理を施す。生成された画像は、画像表示部２８に出力され、表示される。

このように、第１実施形態によれば、変位する部位を関心領域とする場合であっても、変位量が基準値より小さくなるように撮像条件を設定して、送信間開口合成を行うことができるため、生成される画像がぼやけたり消失することがなく、高画質の画像を得ることができる。

また、第１の実施形態の構成では、関心領域が高速に動く場合であっても、動きの速い対象のみ関心領域を設定して高速に撮像することができ、動きの速い関心領域と動きの少ない対象のどちらも高画質に撮像することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態についての超音波撮像装置について説明する。

超音波画像は、送信する超音波ビームおよび受信走査線（以下、受信ビームとも呼ぶ)が密であるほど分解能およびＳＮ比（コントラスト）の高い高画質を得ることができる。その一方で送信する超音波ビーム数が増加するほどフレームレートは低下する。本実施形態では，超音波ビームまたは受信走査線の密度を順次増加させながら，フレームレートおよび取得画像の画質を評価することにより、所望の画質とフレームレートを両立することができる超音波ビームおよび受信走査線の密度を設定する。

このとき、判定部２４は、送信条件により定まる超音波ビームの音場と、受信条件により仮想的に定まる受信ビーム音場とを合成した合成ビーム音場を求め（ビーム音場シミュレーション）、合成ビーム音場の幅を評価値として用いて、得られる画像の分解能が所定値に到達するか否かを判定する。

第２の実施形態の超音波撮像装置の構造は、第１の実施形態の装置と同様の構成であるが、図７のように、判定部２４に、上記ビームシミュレーションを行う分解能算出部４６を備えている点で、第１の実施形態とは異なっている。

以下、第２の実施形態の超音波撮像装置の動作について、図８のフローチャートを用いて説明する。本フローチャートにおいて、第１の実施形態の図６のフローチャートと同様のステップについては簡単に説明する。

まず、関心領域設定部２０は、第１の実施形態のステップ１０１と同様に、入力部３３を介してユーザの関心領域１２の設定操作を受け付けることにより、撮像領域１１内に関心領域１２を設定する（ステップ７０１）。

判定部２４の撮像条件設定部４２は、図９のような、初期焦点パターン８１の送信メッシュ（送信焦点３１の配置）を関心領域１２に設定する。受信メッシュ（受信焦点の配置）、合成領域１４の幅ｗ、これら以外の送信条件および受信条件は、予め定められた値を用いるものとする。

分解能算出部４６は、設定された送信メッシュに基づいて、撮像される超音波画像の推定分解能をビーム音場シミュレーションにより求める（ステップ７０３）。具体的には、送信間合成部２５による開口合成の作用を含め、設定された撮像条件（送信メッシュおよび受信メッシュ）で送受信される超音波ビームで形成される実質的な合成ビームを求め、合成ビームのビーム幅Ｒを算出し、分解能指標として用いる。まず、図１０に示すように、分解能算出部４６は、設定されている送信メッシュおよび、それ以外の送信条件によって形成される超音波ビームのビーム音場（ビーム音圧の分布）である送信音圧Ｐ_Ｔｘｉを算出する。また分解能算出部４６は、受信メッシュおよびそれ以外の受信条件に基づいて、受信ビームフォーマ２３が設定する受信走査線の位置に、予め定めた幅で仮想的な強度分布の音場があるとした受信音圧Ｐ_Ｒｘを算出する。送信間合成部２５による開口合成では、複数の送信ビームから得られた同一の受信焦点４１についての焦点データ（信号）はコヒーレントに加算されるため、合成ビームの音場Ｐ_Ｓは、一般的に用いられるインパルス応答のたたみこみ演算などにより式（２）により算出できる。すなわち、分解能算出部４６は、全ての送信音圧Ｐ_Ｔｘｉを加算した合成送信ビームΣＰ_Ｔｘｉに、受信ビーム音圧Ｐ_Ｒｘを乗算する式（２）により合成ビームの音場Ｐ_Ｓを算出する。そして、分解能算出部４６は、合成ビームの音圧Ｐ_Ｓのビーム幅（ビームの半値幅）Ｒを求め、これを分解能指標値として評価値計算部４３に出力する。

つぎに、評価値計算部４３は、分解能算出部４６から分解能指標値Ｒを受け取る。また、評価値計算部４３は、フレームレートＦＲを下式（３）にしたがって算出する（ステップ７０４）。ただし、式（３）において、ｐは、送信間隔、Ａは、関心領域１２の幅、ＰＲＴは、送信の繰り返し時間である。送信間隔ｐ、関心領域１２の幅Ａ、繰り返し時間ＰＲＴを含む撮像条件の初期値は、入力部３３を介してユーザから受け付けてもよいし、予め定めておいた値を用いてもよい。

FR＝p/(A×PRT) …(3)

撮像条件判定部４４は、分解能指標値ＲとフレームレートＦＲをそれぞれ予め定めておいた基準値Ｒ_０、ＦＲ_０と比較し、Ｒ＜Ｒ_０、および、ＦＲ＞ＦＲ_０の両方を満たすかどうかを判定する（ステップ７０５）。Ｒ＜Ｒ_０、および、ＦＲ＞ＦＲ_０の少なくとも一方を満たさない場合、ステップ７０６に進み、送信焦点３１を１以上の所定数だけ追加する。追加する送信焦点３１は、その位置および追加する順番を予め定めた追加焦点パターン８２にしたがって設定する。送信焦点３１を追加した後、ステップ７０３に戻り、送信焦点３１を追加した後の送信メッシュに基づき、分解能算出部４６が分解能指標値Ｒを算出する。評価値計算部４３は、ステップ７０４において、ステップ７０６で送信焦点３１を追加したことにより変化した送信間隔ｐを用いてフレームレートＦＲを計算する。ステップ７０５において、撮像条件判定部４４は、送信焦点３１を追加後の送信メッシュについて求めた分解能指標値ＲとフレームレートＦＲをそれぞれ基準値Ｒ_０、ＦＲ_０と比較し、判定する（ステップ７０５）。ステップ７０５において、Ｒ＜Ｒ_０、および、ＦＲ＞ＦＲ_０の少なくとも一方を満たさない場合、再びステップ７０６に進み、送信焦点３１を所定数だけ追加し、ステップ７０３～７０５を繰り返す。

一方、ステップ７０５において、Ｒ＜Ｒ_０、および、ＦＲ＞ＦＲ_０の両方を満たす場合、ステップ７０６に進み、撮像条件判定部４４は、送信ビームフォーマ２２に送信メッシュを含む送信条件を出力して設定するとともに、受信ビームフォーマ２３に受信条件を出力して設定する（ステップ７０７）。

これにより、送信ビームフォーマ２２は送信信号を生成し、探触子２１から設定された送信メッシュの送信焦点３１に焦点結ぶ超音波ビームが繰り返し時間ＰＲＴで順に照射される。撮像対象１０から戻るエコーは、探触子２１の各超音波素子によって受信され、受信ビームフォーマ２２は、受信メッシュの受信焦点について焦点データを得る。送信間合成部２５は、同じ受信焦点について得られたＮ個の受信データを加算することにより送信間開口合成を行う。画像処理部２６は、開口合成後の焦点データを用いて関心領域１２の画像を生成する（ステップ７０８）。生成された画像は、画像表示部２８に表示される。

このように、第２実施形態によれば、超音波ビームの送信焦点３１を順次増加させながら，フレームレートおよび画像分解能を計算により算出して評価することにより、所望の画質とフレームレートを両立することができる送信メッシュを設定することができる。

また、第２の実施形態では、関心領域１２とその他の領域で送受信ビームの密度を変えることができるため、撮像レート（フレームレート）を低下させることなく、関心領域を高画質に撮像することができる。

＜＜第２の実施形態の変形例１＞＞
上述した第２の実施形態では、分解能算出部４６は、ビーム音場シミュレーションにより分解能指標Ｒを算出する構成であったが、第２の実施形態では、判定部２４は、焦点データを用いて生成された関心領域１２の画像内の所定の構造のサイズを評価値として用いて、画像の分解能が所定の分解能に到達しているかどうかを判定する。具体的には、画像内の所定の像のサイズを分解能指標Ｒとする。

また、変形例１では、判定部２４は、画像の分解能が所定の分解能に到達しないと判定した場合には、関心領域１２内に超音波ビームの送信焦点を追加することにより、撮像条件を変更する。

変形例１の超音波撮像装置の動作を図１１のフローを用いて説明する。図１１のフローにおいて、図８のフローと同様の処理のステップには同じ符号を付している。図１１のフローのように、本変形例においては、ステップ７０２とステップ７０３の間に、ステップ７１１、７１２を追加している。

まず、ステップ７０１、７０２において、関心領域設定部２０は、関心領域１２を設定し、撮像条件設定部４２は、初期焦点パターン８１の送信メッシュを関心領域１２に設定する。なお、関心領域１２は、ここでは血管の断面に設定される。

つぎに、ステップ７１１、７１２において、図８のステップ７０７，７０８と同様に、撮像条件判定部４４は、送信ビームフォーマ２２に送信メッシュを含む送信条件を設定するとともに、受信ビームフォーマ２３に受信条件を設定する。これにより、探触子２１から設定された送信メッシュの送信焦点３１に焦点を結ぶ超音波ビームが順に照射され、エコーが探触子２１によって受信され、受信ビームフォーマ２２は受信メッシュの受信焦点について焦点データを得る。送信間合成部２５は、送信間開口合成を行い、画像処理部２６は、開口合成後の焦点データを用いて関心領域１２の画像を生成する。

分解能算出部４６は、図１２（ａ）のように、関心領域１２の画像の所定の位置ＡからＡ’までの画素値を読み出し、図１２（ｂ）のようにプロットすることにより、画素値の変化曲線を得る。そして、分解能算出部４６は、画素値の変化曲線のピーク値から所定の強度（ここでは６ｄＢ）下がった画素値のピーク幅Ｒを求めることにより、血管内皮厚の厚さを求め、分解能指標値として評価値計算部４３に出力する。

そして、ステップ７０４～７０６を図８のフローと同様に行う。具体的には、評価値計算部４３は、分解能算出部４６から分解能指標値Ｒを受け取るとともに、フレームレートＦＲを算出する（ステップ７０４）。撮像条件判定部４４は、分解能指標値ＲとフレームレートＦＲをそれぞれ予め定めておいた基準値Ｒ_０、ＦＲ_０と比較し、Ｒ＜Ｒ_０、および、ＦＲ＞ＦＲ_０の少なくとも一方を満たさない場合、ステップ７０６に進み、送信焦点３１を１以上の所定数だけ追加する（ステップ７０５、７０６）。ステップ７１１に進み、ステップ７１１、７１２、７０３～７０６を繰り返し、送信焦点３１を追加後の送信メッシュ等の送信条件によって得た画像について、再度分解能指標値Ｒを算出し、判定を行う。

ステップ７０５において、分解能指標値ＲとフレームレートＦＲの両方が、基準値を満たす場合、撮像条件判定部４４は、送信ビームフォーマ２２に送信メッシュを含む送信条件を設定するとともに、受信ビームフォーマ２３に受信条件を設定する（ステップ７０７）。この送受信条件により、超音波ビームの送受信を行って画像を生成する（ステップ７０８）。

このように、分解能算出部４６は、実際に撮像した超音波画像内の所定の像（構造）のサイズを計測する方法により、分解能指標Ｒを求めることができる。ここでは、所定の像（構造）として、血管内皮厚を算出したが、画像の分解能を反映する画像構造であればどのようなものであってもよい。

＜＜第２の実施形態の変形例２＞＞
変形例２の超音波撮像装置では、判定部２４は、関心領域１２の画像を表示装置（画像表示部）２８に表示させ、ユーザが表示した画像の分解能で満足していることを入力部３３に入力した場合には、画像の分解能が前記所定の分解能に到達していると判定する。

具体的には、判定部２４の分解能算出部４６は、ステップ７１２で生成した画像（図１２（ａ））を画像表示部２８に表示させ、画像を見たユーザが現在表示している画像の分解能で満足しているかどうかを示す入力を、判定部２４は、入力部３３を介して受け付ける。ユーザが表示されている画像の分解能に満足している場合、ステップ７０７に進み、ユーザが満足していない場合には、ステップ７０６に進んで送信焦点を追加する。他の構成は、変形例１と同様にする。

変形例２の構成により、ユーザが満足する解像度の画像を得るための送信メッシュを、少ない計算量で設定することができる。

＜＜第２の実施形態の変形例３＞＞
上述してきた第２の実施形態および変形例１、２では、ステップ７０６において送信焦点３１を追加する際に、図９に示したように、予め定めておいた追加焦点パターン８２に従って、所定の順に送信焦点３１を追加する構成であったが、変形例３では、ユーザが所望する位置に送信焦点３１を追加する構成である。

例えば図１１のフローにおいて、ステップ７１２において、画像処理部２６は生成した画像を画像表示部２８に表示させる。分解能算出部４６は分解能指標値Ｒを、評価値計算部４３はフレームレートＦＲをそれぞれ算出し、撮像条件判定部４４は、分解能指標値ＲおよびフレームレートＦＲを基準値と比較して判定を行う。撮像条件設定部４２は、分解能指標値ＲおよびフレームレートＦＲの少なくとも一方が基準値以上である場合、ステップ７０６において、ユーザの所望する位置を入力部３３を介して受け取り、その位置に送信焦点３１を追加する。例えば、撮像条件設定部４２は、ステップ７１２で画像表示部２８に表示させた画像上に、図１３のように、現時点で設定されている送信メッシュ（送信焦点３１）を重畳表示し、画像表示部２８の画面上でユーザが追加する送信焦点３１の位置を受け付ける構成とする。

これにより、ユーザが所望する任意の位置に送信焦点３１を追加することができる。

＜＜第２の実施形態の変形例４＞＞
さらに、第２の実施形態および変形例１～３では、ステップ７０６において、初期焦点パターン８１に対して、順次送信焦点３１を追加する構成であったが、変形例４では、予め焦点パターンを複数種類用意しておき、ステップ７０６において、焦点パターンを異なる焦点パターンに置き換える構成とする。具体的には、現在の送信焦点よりも送信焦点数の多い送信焦点パターンを選択すればよい。

例えば、図１４（ａ）～（ｃ）のように、1列配置、多段配置、交互配置等の、配置または送信焦点の数または配置の異なる複数種類の焦点パターンを予め用意しておく。ステップ７０５において撮像条件判定部４４が分解能指標値ＲまたはフレームレートＦＲが基準値を満たさないと判定した場合には、ステップ７０６において、撮像条件設定部４２が複数種類の焦点パターンから一つの焦点パターンを選択し、関心領域１２に設定する。例えば、予め定めておいた順に複数種類の焦点パターンから一つの焦点パターンを選択する構成としてもよいし、分解能指標値ＲまたはフレームレートＦＲと基準値との関係に基づいて、焦点パターンを選択してもよい。他の構成は、第２の実施形態および変形例１～３と同様にする。

このように、送信焦点の焦点パターンを異なる焦点パターンに置き換えることにより、分解能指標値ＲやフレームレートＦＲを大きく変化させることが可能であるため、短時間に基準値を満たす焦点パターンを設定することが可能である。

＜＜第２の実施形態の変形例５＞＞
第２の実施形態の変形例５について説明する。変形例５では、判定部２４は、画像の分解能が所定の分解能に到達しないと判定した場合には、関心領域１２内の受信焦点の密度を増加させることにより、撮像条件を変更する。具体的には、図１５にフローを示したように、分解能指標値Ｒが基準を満たさないと判定された場合（ステップ７０５）、受信メッシュ密度を変化させる。

すなわち、図８のフローのステップ７０２の代わりに、図１５のフローではステップ８０２では、撮像条件設定部４２は、受信メッシュ（受信焦点の配置）を初期焦点パターンに設定する。送信条件および、受信メッシュ以外の受信条件は、予め定めた条件に設定する。

そして、ステップ７０３に進み、図８のフローと同様に、分解能算出部４６は、設定された撮像条件（送信メッシュおよび受信メッシュ）で送受信される超音波ビームで形成される実質的な合成ビームを求め、合成ビームのビーム幅Ｒを算出し、分解能指標とする。なお、受信メッシュの密度を変化させても、フレームレートＦＲは変化しないため、図８のフローとは異なり、評価指標計算部４３は、フレームレートＦＲは算出しない。撮像条件判定部４４では、分解能指標値Ｒが基準値以上であった場合には、ステップ８０６に進み、受信メッシュ密度を増加させる。例えば、受信走査線の間隔ｑを予め定めた値Δｑだけ狭める。そして、ステップ７０３に戻って分解能指標値Ｒを変更後の受信メッシュを用いて算出する。

図１６（ａ）、（ｂ）に示したように、受信ビームの音圧Ｐ_Ｒｘは、受信走査線の密度を大きくすることにより（図１６（ａ））、受信走査線の密度が小さい場合（図１６（ｂ））よりも変化周期（ピークの幅）が小さくなる。よって、送信された超音波ビームの音圧ΣＰ_Ｔｘｉが同じであっても、合成ビームの音圧Ｐ_Ｓの変化周期（ピークの幅）は小さくなり、分解能指標値（半値幅）Ｒを小さくすることができる。

このように、受信メッシュの密度を高めていくことにより、分解能を高め、所望の画質を達成できる受信メッシュを設定することができる。

なお、図１５のフローでは、分解能算出部４６がシミュレーションにより分解能指標値を算出する構成について説明したが、変形例１のように画像の所定の構造のサイズから分解能指標値Ｒを求めてもよいし、ユーザに画像を表示し、ユーザが現状の解像度で満足しているかどうかを受け付ける構成であってもよい。また、受信メッシュの密度は、ユーザから受け付けてもよいし、予め定めておいた複数の受信メッシュのパターンから選択して受信メッシュを設定してもよい。

１０…撮像対象、１１…撮像領域、１２…関心領域、２１…超音波探触子、２２…送信部（送信ビームフォーマ）、２３…受信部（受信ビームフォーマ）、２４…判定部、２５…送信間合成部、２６…画像処理部、２７…送受分離回路（Ｔ／Ｒ）、２８…画像表示部、２９…移動速度計測部、３０…移動速度記憶部、３１…送信焦点、３２…送信走査線、３３…入力部、４１…受信焦点、４２…撮像条件設定部、４３…評価値掲載部、４４…撮像条件判定部、４５…合成領域、４６…分解能算出部、８１…初期焦点パターン、８２…追加焦点パターン

Claims (15)

1. 撮像対象の撮像領域に対して、接続されている超音波探触子を介して、所定の撮像条件にしたがって超音波ビームを送信させる送信部と、
   前記撮像領域に関心領域を設定する関心領域設定部と、
   前記超音波ビームの送信を受けた前記撮像領域から戻る超音波を、前記超音波探触子に受信させ、得られた受信信号を処理することにより、少なくとも前記関心領域に前記撮像条件にしたがって配置された複数の受信焦点について、それぞれ焦点データを生成する受信部と、
   前記焦点データを用いて画像を生成した場合に、前記画像が所定の画質に到達するかどうかを判定し、所定の画質に到達しない場合、前記撮像条件を変更する判定部とを有し、
   前記撮像条件は、前記送信部による前記超音波ビームの送信条件、および、前記受信部が前記焦点データを生成する受信条件を含み、
   前記判定部は、前記撮像対象の前記関心領域が設定された部位、前記送信条件、および、前記受信条件のうちの少なくとも２つを用いて、予め定めた評価値を算出し、前記評価値が予め定めた評価基準を満たすかどうかにより、前記画像が前記所定の画質に到達するかどうかを前記超音波ビームの送信前に予め判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、前記画像の画質とは、分解能であ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、前記判定部は、前記焦点データを用いて生成された前記関心領域の画像に基づいて、前記画像が前記所定の画質に到達しているかどうかを判定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、前記判定部は、前記撮像条件によって定まるフレームレートをさらに求め、フレームレートが所定の値に到達しない場合、または、前記画像が所定の画質に到達しない場合、前記撮像条件を変更す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、前記送信条件は、前記超音波ビームの送信の時間間隔である繰り返し時間を含み、
   前記判定部は、前記評価値として、前記繰り返し時間における前記関心領域の変位を求め、求めた変位が予め定めた値を超えているかどうかを判定することを特徴とする超音波撮像装置。
6. 請求項５に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、前記関心領域の変位を、前記関心領域の移動速度を用いて求めることを特徴とする超音波撮像装置。
7. 請求項６に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、前記関心領域の移動速度を計測する計測部から、前記関心領域の移動速度を受け取って、前記移動速度から前記変位を算出することを特徴とする超音波撮像装置。
8. 請求項７に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、予め求めておいた撮像対象の複数の部位とその移動速度との関係に基づいて、前記関心領域が設定された部位に対応する移動速度を求め、求めた移動速度を用いて前記変位を算出することを特徴とする超音波撮像装置。
9. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、前記送信条件により定まる前記超音波ビームの音場と、前記受信条件により仮想的に定まる受信ビーム音場とを合成した合成ビーム音場を求め、前記合成ビーム音場の幅を前記評価値として用いることを特徴とする超音波撮像装置。
10. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、前記関心領域内の前記画像内の所定の構造のサイズを前記評価値として用いることを特徴とする超音波撮像装置。
11. 請求項５に記載の超音波撮像装置であって、前記受信部は、前記撮像条件に従って設定された合成領域内に位置する前記受信焦点について、異なる２以上の前記超音波ビームの送信でそれぞれ得られた前記焦点データを合成する送信間合成部を有し、
    前記受信条件は、前記合成領域の幅を条件として含み、
    前記判定部は、前記繰り返し時間における前記関心領域の変位が予め定めた値を超えている場合、前記繰り返し時間および前記合成領域の幅のうちの少なくとも一方を調整することを特徴とする超音波撮像装置。
12. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、前記画像が所定の画質に到達しないと判定した場合には、前記関心領域内に前記超音波ビームの送信焦点を追加するか、または、前記関心領域内の前記受信焦点の密度を増加させることにより、前記撮像条件を変更することを特徴とする超音波撮像装置。
13. 請求項１２に記載の超音波撮像装置であって、前記判定部は、前記送信焦点を追加する際に、予め用意しておいた送信焦点パターンに従って順次送信焦点を追加するか、または、予め用意しておいた複数種類の送信焦点パターンから現在の送信焦点よりも送信焦点数の多い送信焦点パターンを選択して前記関心領域に設定することにより、前記撮像条件を変更することを特徴とする超音波撮像装置。
14. 請求項３に記載の超音波撮像装置であって、ユーザからの入力を受け付ける入力部をさらに有し、
    前記判定部は、前記関心領域の画像を表示装置に表示させ、ユーザが前記表示した画像の画質で満足していることを前記入力部に入力した場合には、前記画像が前記所定の画質に到達していると判定することを特徴とする超音波撮像装置。
15. 撮像対象の撮像領域に対して、接続されている超音波探触子を介して、所定の撮像条件にしたがって超音波ビームを送信するステップと、
    前記撮像領域に関心領域を設定するステップと、
    前記超音波ビームの送信を受けた前記撮像領域から戻る超音波を、前記超音波探触子に受信させ、得られた受信信号を処理することにより、少なくとも前記関心領域に前記撮像条件にしたがって配置された複数の受信焦点について、それぞれ焦点データを生成するステップと、
    前記焦点データを用いて画像を生成した場合に、前記画像が所定の画質に到達するかどうかを判定し、所定の画質に到達しない場合、前記撮像条件を変更するステップとを有し、
    前記撮像条件は、前記超音波ビームの送信条件、および、前記焦点データを生成する受信条件を含み、
    前記判定するステップは、前記撮像対象の前記関心領域が設定された部位、前記送信条件、および、前記受信条件のうちの少なくとも２つを用いて、予め定めた評価値を算出し、前記評価値が予め定めた評価基準を満たすかどうかにより、前記画像が前記所定の画質に到達するかどうかを前記超音波ビームの送信前に予め判定する
    ことを特徴とする超音波撮像方法。

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