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【発明の名称】 超音波診断装置
【発明者】 【氏名】伊藤 嘉彦

【氏名】福喜多 博

【氏名】萩原 尚

【氏名】西垣 森雄
【要約】 【課題】フォールド・オーバーを用いたアレイ型超音波診断装置で、ビームフォーマーチャンネル数の倍を超える振動子数で受信を行うことが可能で、コストが低く、かつ性能の優れた超音波診断装置を実現する。

【解決手段】受信フォールド・オーバー加算において、複数の振動子を配列した超音波プローブ１００の隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信信号を加算する加算装置手段１２０Ａを含むクロスポイントスイッッチ１１０Ａによって、効果的に受信信号を加算して受信信号数を減らした後、Ａ／Ｄコンバータ１３０でディジタル信号に変換し、メモリ１４０に記憶し、ビームフォーマ１５０により整相遅延加算を行う。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数の振動子を有し、使用する振動子を順次切替選択することにより超音波ビームを電子的に走査する超音波診断装置において、受信フォールド・オーバー加算において隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信信号を加算し、整相遅延加算を行うことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】 隣接して加算する振動子の個数は、開口の中心に近いほど多く、開口端側に近いほど少なくすることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項３】 隣接加算をある一定の深さから開始することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波診断装置。
【請求項４】 隣接加算をする振動子の組み合せを、深さに応じて変化させることを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の振動子を有し、超音波ビームを電子的に走査する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、送受信に複数の振動子を用い、ビームの集束や偏向を行う超音波診断装置が広く知られている。ビーム制御の方法としては、送信では複数の振動子に異なるタイミングで電気パルスを印加する方法が知られている。また受信では、各振動子で受信した信号に異なる遅延量を与えてから加算するという方法や、各振動子で受信した信号をディジタル信号に変換した後、メモリに格納し、遅延量に相当する読み出しアドレスを発生して取り出したデータを加算するという方法が知られている。また、複数の振動子を使用して生体内の断層像を得る手段としては、送受信で使用する振動子群を順次ずらしながら選択し、生体内を走査する電子リニア走査法が広く知られている。
【０００３】図９は電子リニア走査式超音波診断装置の受信部の構成を示す。図９において、１００はアレイ型の超音波プローブであり、Ｌ個が配列された振動子１〜Ｌで構成されている。この例では説明を簡単にするため、Ｌ＝３２としている。１１０Ｃはプローブ１００の３２個の振動子１〜３２からＭｃｈ（チャンネル）の振動子を選択するクロスポイントスイッチであり、この例ではＭ＝４とし、プローブ１００の１０〜１３の４ｃｈが接続されている。１３０はＡ／Ｄコンバータであり、超音波のアナログ受信信号をディジタル信号に変換する。１４０はメモリであり、Ａ／Ｄコンバータ１３０で変換されたディジタル信号を記憶する。１５０Ｃはビームフォーマであり、生体内のＦ点に、ビームが集束するような遅延時間に基づき、メモリ１４０の内容をそれぞれ適切なタイミングで読み出し、加算することで受信信号の整相処理を行う。上記遅延時間は、各振動子に到達する音波の時間差を幾何学的に求めることで計算することができる。超音波をプローブの正面方向に向かって送受信する際には、遅延時間の対称性を利用することで、Ａ／Ｄコンバータ１３０、メモリ１４０、ビームフォーマ１５０Ｃの回路規模を変えずに、使用する振動子の個数を倍増することが可能である。これをフォールド・オーバー加算という。
【０００４】図１０はこのフォールド・オーバー加算を行う際の構成を示す。図１０において、超音波プローブ１００、Ａ／Ｄコンバータ１３０、メモリ１４０は図９と同様のため、説明を省略する。いま、図１０に示すように、超音波の焦点を振動子１１と１２の中間から垂直な点Ｆに結ぶ場合、焦点Ｆからの音波の到達時間は、振動子１１と１２で同一となる。同様に、１０と１２、９と１３... というように、音軸に対して対称な位置の振動子に与えるべき遅延時間は同一量となる。この関係を利用して、クロスポイントスイッチ１１０Ｄは、音軸と対称な位置の振動子を加算接続する加算手段１２０Ｄを包含する構成とする。この例では、超音波プローブ１００における、８〜１５の８ｃｈの振動子を選択し、８〜１１および１２〜１５の振動子を音軸対称に加算し、４ｃｈの信号とした後、Ａ／Ｄコンバータ１３０に接続している。ビームフォーマ１５０Ｄで与える遅延時間（読み出しアドレス）は、開口中心から開口端までの振動子の遅延時間差を与えればよい。
【０００５】以上の構成により、超音波をプローブ正面に送受信する場合は、クロスポイントスイッチ１１０Ｄ内の加算手段１２０Ｄにより受信信号のチャンネル数を半減することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の方法では、フォールド・オーバー加算を行っても、ビームフォーマの入力チャンネル数（以下、ビームフォーマｃｈ数）の倍までの振動子を使用するのみで、それ以上の開口を実現することはできなかった。この問題は、振動子ピッチを大きくとり、開口を稼ぐことで一応解決するように見えるが、振動子ピッチを大きくすると、グレーティングローブやサイドローブが増大し、画質の劣化を招くという問題がある。一般に超音波エコーを受信する場合、近傍では口径を小さく、遠方では口径を大きくした方がフォーカスを有効に変えられる。これを実現するのがダイナミックアパーチャ方式であるが、通常のダイナミックアパーチャ方式では開口の大きさに限界がある。上記のフォールド・オーバー加算を行っても、ビームフォーマｃｈ数の倍の振動子数での開口が最大であり、ある一定の深さ以降、開口を拡大することができなかった。
【０００７】本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、電子リニア走査において、回路規模の増加を招くことなく、ビームフォーマｃｈ数の倍以上の振動子で受信を行う、受信感度の高い、優れた超音波診断装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するために本発明は、複数の振動子を有し、使用する振動子を順次切替選択することにより超音波ビームを電子的に走査する超音波診断装置において、受信フォールド・オーバー加算において隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信信号を加算し、整相遅延加算を行うことを特徴とするものであり、これにより、回路規模を変えずに、ビームフォーマｃｈ数の倍以上の振動子で受信を行うことが可能であるため、遠方の微弱なエコー信号を捕らえられるとともに、大開口でのフォーカスをかけることができる。また、不均等のチャンネル加算を行うことにより、振動子の均等配列に基づいて発生するグレーティングローブを抑止できるという効果もある。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明は、複数の振動子を有し、使用する振動子を順次切替選択することにより超音波ビームを電子的に走査する超音波診断装置において、受信フォールド・オーバー加算において隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信信号を加算し、整相遅延加算を行うよう構成したものである。これにより、回路規模を変えずに、ビームフォーマｃｈ数の倍以上の振動子で受信を行うことができるとともに、均等配置に基づくグレーティングローブの発生を抑止した受信ビームを形成することができる。
【００１０】また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の超音波診断装置において、隣接して加算する振動子の個数が、開口の中心に近いほど多く、開口端側に近いほど少なくなるよう構成したものである。これにより、回路規模を変えずに、ビームフォーマｃｈ数の倍以上の振動子で受信を行うことができるとともに、均等配置に基づくグレーティングローブを抑止した、遅延精度の高い受信ビームを形成することができる。
【００１１】また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置において、隣接加算をある一定の深さから開始するよう構成したものである。これにより、比較的広い開口を必要としない近距離ゾーンでは、隣接加算を行わず、広い開口を必要とする遠距離ゾーンでは、隣接加算を行うというように開口幅を変えることができる。これにより、回路規模を変えずに、近距離・遠距離ゾーンと効果的に開口の大きさを変えることができ、遠距離ゾーンではビームフォーマｃｈ数の倍以上の振動子で受信ビームを形成することができる。
【００１２】また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波診断装置において、深さに応じて、隣接加算をする振動子の組合せを変化させるよう構成したものである。これにより、回路規模を変えずに、受信距離に応じて最適な開口を実現することができ、特に広い開口を必要とする遠距離受信においては、ビームフォーマｃｈの倍以上の開口で受信ビームを形成することができる。
【００１３】以下、本発明の実施の形態について、図１から図８を用いて説明する。
（実施の形態１）図１は実施の形態１における受信フォールド・オーバー加算において隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信信号を加算し、整相遅延加算を行う電子リニア方式の超音波診断装置の受信部の構成を示したものである。図１において、１００はアレイ型の超音波プローブであり、Ｌ個が配列された振動子１〜Ｌで構成されている。この例では、説明を簡単にするために、Ｌ＝３２としている。１１０Ａは加算手段１２０Ａを包含したクロスポイントスイッチであり、振動子１〜Ｌの中からＭ個の振動子を選択する。図１では、簡単のためＭ＝１６とし、振動子４〜１９が接続されている。加算手段１２０Ａは、隣接する振動子から任意のチャンネル数の振動子を選択し、電流加算し、フォールド・オーバー加算をする。図１においては、３ｃｈ加算、２ｃｈ加算、１ｃｈ加算（選択）を行い、フォールド・オーバーする加算手段１２０Ａを示した。隣接加算する振動子の個数は、順に、２，２，１，３，３，１，２，２のようになっており、フォールド・オーバー加算により、Ａ／Ｄコンバータ１３０に入力される信号の振動子の個数は、順に、６，２，４，４となり、合計１６ｃｈの振動子の信号が入力されることになる。
【００１４】１３０は超音波の受信アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、１４０はＡ／Ｄコンバータ１３０で変換されたディジタル信号を記憶するメモリ、１５０Ａは複数の入力信号に異なる遅延を与えたのち、それぞれの入力を加算するビームフォーマであり、生体内のＦ１点にビームが集束するような遅延時間に基づき、適切なアドレスを発生し、メモリ１４０からデータを読み出して加算する。上記遅延時間は、各素子に到達する音波の時間差を幾何学的に求めることで計算することができる。
【００１５】ビームフォーマ１５０Ａによる遅延時間計算の詳細について説明する。まず、本実施の形態１における代表素子座標の求め方について説明する。図２は使用中の１６個の振動子を抜き出したもので、図１における４〜１９の振動子に相当する。遅延時間を計算するための素子座標（以下、代表点）は、束ねられている素子同士の中間点とする。図２においては、ｘ（１）、ｘ（２）、ｘ（３）、…、ｘ（４）を代表点とする。なお、フォールド・オーバー加算を行うので、音軸に対し片側半分だけ考えればよい。いま、束ねられている振動子の個数の配列（片側半分）をp[n]とする。図２においては、n の最大値Ｎは４である。開口中心側より、p[n]= ｛3,1,2,2 ｝
のように配列されている。図２におけるｘ（ｎ）の座標は、素子ピッチをＥｐとし、原点を開口中心におくと、x(1)=1.5・ Ep, x(2)=3.5・Ep, x(3)=5・ Ep, x(4)=7・ Epで表される。
【００１６】一般に、ｘ（ｎ）は、以下の式で、表すことができる。
【数１】

以上のような計算により、代表素子座標を求めることができる。
【００１７】これら代表点を用いて遅延時間を計算する。束ねた素子に対する代表点を決定した後の遅延時間の計算法は従来例と同様のため簡単に説明する。図２に示すように、開口中心から見て、距離ｒの位置にある生体内の焦点をＦ１とし、Ｆ１から各代表点ｘ（ｎ）までの距離をそれぞれ ?(1), ?(2),..., ?(4) とすると、遅延時間を求めるには、開口中心からの距離ｒとの音波の到達時間差を求めればよい。すなわち、dt(n)=r - ?(n)+offsetにより、遅延時間は求められる。ここで、dt(n) はｎ番目のビームフォーマに与える遅延時間、offsetは遅延時間が負数にならないために加算する定数量である。このようにして、束ねた振動子に対する遅延時間を算出することができる。
【００１８】以上のように、本実施の形態１によれば、加算手段１２０Ａを擁するクロスポイントスイッチ１１０Ａにより、隣接加算およびフォールド・オーバーを用いて入力信号の数を減らすことができるため、ビームフォーマｃｈの倍以上の広い開口での受信が可能である。特に、クロスポイントスイッチ１１０Ａの加算手段１２０Ａによって不均等のチャンネル加算を行うことにより、均等配列に基づき発生するグレーティングローブを効果的に抑止できる。
【００１９】なお、本実施の形態１では、説明の都合上、隣接加算およびフォールド・オーバー加算を２段階にわけて説明したが、実際にはクロスポイントスイッチ１段で実施できる。また、本実施の形態１では、使用振動子数を１６ｃｈ、ビームフォーマを４入力としたが、その他の組み合せ、例えば使用振動子数２４ｃｈ・ビームフォーマ８入力や、使用振動子数６４ｃｈ・ビームフォーマ１６入力のような組合せでも実施可能である。また、受信フォーカス位置が動的に移動するダイナミックフォーカスも全く同様の構成で実施可能である。
【００２０】（実施の形態２）図３は実施の形態２における隣接して加算する振動子の個数が開口中心に近いほど多く、開口端側にいくほど少なくなるなるように接続し、フォールド・オーバー加算を行うクロスポイントスイッチを用いた構成である。図３において、１１０Ｂは加算手段１２０Ｂを包含したクロスポイントスイッチであり、隣接する振動子から任意の個数の振動子を選択加算、フォールド・オーバー加算する。この際、開口中心側ほど、多くの振動子を加算接続し、開口端側にいくほど、加算接続する振動子の個数が少なくなるよう構成されている。隣接加算する振動子の個数は、順に、１，２，２，３，３，２，２，１のようになっている。フォールド・オーバー加算により、Ａ／Ｄコンバータ１３０に入力される信号の振動子の個数は、順に、６，４，４，２となり、合計１６ｃｈの振動子の新語言うが入力される。その他の構成は、実施の形態１と同一であるため、説明を省略する。
【００２１】次に上記実施の形態２の動作について説明する。図４のグラフは、整相加算を行うために、ビームフォーマに与える遅延時間を表した例である。横軸に開口中心を原点とする素子座標（単位mm）、縦軸に遅延時間（単位ナノ秒）をとっている。この図では、深さ３０ｍｍの例を示した。図４のグラフから分かるように、開口端付近（グラフ右側）と比較して、開口中心付近（グラフ左側）の遅延時間は緩やかなカーブを描いている。このため、隣接する振動子間の遅延時間差は、開口中心に近いほど小さい。隣接する振動子を加算手段１２０Ｂで電流加算する場合、この関係を利用して開口中心ほど多く、開口端ほど少なくすることで、遅延精度をより高めることができる。
【００２２】以上のように、本実施の形態２によれば、加算手段１２０Ｂを有するクロスポイントスイッチ１１０Ｂにより、隣接加算およびフォールド・オーバーを用いてビームフォーマに与える入力信号の数を減らすことができるため、より広い開口での受信が可能である。特に、開口中心に近いほど多くの振動子を加算する構成としているため、均等配列に基づくグレーティングローブの発生を抑止できるとともに、精度の高い整相加算を行えるため、鋭いビームを得ることができる。
【００２３】なお、本実施の形態２では、説明の都合上、隣接加算およびフォールド・オーバー加算を２段階に分けて説明したが、実際にはクロスポイントスイッチ１段で実施できる。また、本実施の形態２においても、使用振動子数、ビームフォーマをその他の組み合せ、例えば使用振動子数２４ｃｈ・ビームフォーマ８入力や、使用振動子数６４ｃｈ・ビームフォーマ１６入力のような組み合せでも実施可能である。また、本実施の形態２においても固定フォーカス、ダイナミックフォーカスの両方に対して対応可能である。
【００２４】（実施の形態３）図５および図６は実施の形態３における隣接加算をある一定の深さから開始することを特徴とする超音波診断装置の受信部の構成を示したものである。図５は近距離受信時における隣接加算を行わない場合、図６は遠距離受信時における隣接加算を行う場合の例である。１６０は受信深度カウンタで、送信開始と同期してスタートするカウンタで受信深度を計算し、クロスポイントスイッチ１１０Ｂに現在の受信深度を通知する。１１０Ｂのクロスポイントスイッチは、実施の形態２での適用例と同様、加算手段１２０Ｂを包含し、隣接する複数の振動子からの受信信号を加算することが可能である。受信深度カウンター１６０が示す距離によって、図５の「隣接加算なし」から図６の「隣接加算あり」へと遷移する。その他の構成は実施の形態２と同様である。
【００２５】一般に超音波エコーを受信する場合、近傍では口径を小さく、遠方では口径を大きくした方がフォーカスを有効にかけられる。これを実現するのがダイナミックアパーチャ方式であるが、通常のダイナミックアパーチャ方式では開口の大きさに限界がある。そこで、本発明の実施の形態３においては、ある一定の距離までは図５のように、通常のフォールド・オーバー加算を行う。もちろん、ダイナミック・アパーチャによって開口を制御するのが望ましい。ある一定の距離以降は、図６のように隣接加算を開始することで、開口を拡大することが可能である。実施の形態２で示したように、開口中心付近の遅延カーブが緩やかなことから、この部分の振動子の隣接加算数を多めにとることで、精度の高い遅延を行うことができる。
【００２６】図７のグラフは、図４と同様、整相加算を行うために、ビームフォーマに与える遅延時間を表したものである。横軸に開口中心を原点とする素子座標（単位mm）、縦軸に遅延時間（単位ナノ秒）をとっている。この図では、深さ３０ｍｍ、深さ７０ｍｍ、深さ２００ｍｍの３種類を示した。図７のグラフで明らかなように、遅延カーブは遠方にいくに従い滑らかな曲線となり、隣接素子間での遅延時間差は小さくなる。従って、本実施の形態３で示すような、遠方での隣接加算は遅延精度の点で非常に好都合である。遠方フォーカスにおいては、隣接加算数を多くとった場合でも、遅延精度がほとんど落ちない。従って、遠方にいくほど、精度を落とさず開口を大きくとることが可能である。これは、より有効なフォーカスがかけられるというばかりでなく、遠方の微弱なエコー信号を大口径で受信できるため、ペネトレーションを向上させることが可能である。また、不均等加算によりビーム形成を行うため、均等配置に基づく、グレーティングローブの発生を抑止できる。
【００２７】以上のように、本実施の形態３によれば、ある一定の深さ以降、クロスポイントスイッチ１１０Ｂによって振動子から入力される受信信号を効果的に減少させることができるため、遠距離受信においてより広い開口での受信が可能である。遠方においても鋭いメインローブを得られるとともに、微弱なエコー信号を大口径で受信できるため、ペネトレーションの向上が望まれる。また、隣接ｃｈの不均等加算を行うため、グレーティングローブを効果的に抑止できる。
【００２８】なお、本実施の形態３では、説明の都合上、隣接加算およびフォールド・オーバー加算を２段階に分けて説明したが、実際にはクロスポイントスイッチ１段で実施可能である。また、本実施の形態３においても、使用振動子数、ビームフォーマｃｈ数のその他の組み合わせも可能である。また、本実施の形態３においても、固定フォーカス、ダイナミックフォーカスの両方に対応可能である。
【００２９】（実施の形態４）図８は実施の形態４における隣接加算をする振動子の組み合せを深さに応じて変化させることを特徴とする超音波診断装置の受信部の構成を示したものである。１７０はルックアップテーブルであり、深さに応じて隣接加算する振動子の組み合せを記憶している。その他の構成は実施の形態３と同様である。
【００３０】本実施の形態４においては、ダイナミックアパーチャを開口の制限なしに実施可能である。実施の形態３と同様、フォールド・オーバーのみで開口を広げることのできる距離までは、隣接加算を行わない。それ以降は、隣接加算により開口を拡大していく。この制御は受信深度カウンタ１６０の距離情報に基づき、ルックアップテーブル１７０から組み合せを引くことで実施できる。表１にルックアップテーブル１７０の例を示す。ここでは、簡単のために、４ｃｈビームフォーマでの例を示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】表１において、p[1]〜p[4]は実施の形態１で示した振動子の組合せを表す配列であり、p[1]が開口中心側、p[4]が開口端側である。フォールド・オーバー加算により合計振動子数は、p[1]〜p[4]の和の倍となっている。この表１に示すような組み合せとすることで、距離に応じて、開口の大きさを４ｃｈから２４ｃｈまでというように自在に拡大することが可能である。実施の形態３で示したように、遠方において開口を拡大しても遅延精度を落とすことなく、効果的に開口を拡大できる。なお、表１の組み合せはあくまでも例であり、その他の組み合せももちろん可能である。また、距離をより細かく設定したり、振動子ピッチに応じてルックアップテーブル１７０の内容を変更すれば、さらによい開口制御を行うことができる。ビームフォーマを例に示したような４ｃｈではなく、８ｃｈ、１６ｃｈとした場合、p[n]の組合せはさらに自在性が増し、よりよいビーム形状が得られることは自明である。
【００３３】以上のように、本実施の形態４によれば、受信フォールド・オーバー加算において隣接する複数の振動子からの受信信号を加算することにより、より広い開口での受信が可能である。特に隣接加算する振動子の組み合せを距離に応じて変化させることができるため、ビームフォーマの２倍の振動子数を超えた最適な開口を実現することができる。これにより全深度に渡って、鋭いメインローブを得られるとともに、遠方の微弱なエコー信号を大口径で受信できるため、ペネトレーションの向上が望まれる。また、隣接ｃｈの不均等加算を行うため、グレーティングローブを効果的に抑止できる。
【００３４】なお、本実施の形態４においては、隣接加算する振動子の組み合せをルックアップテーブルで記憶する構成としているが、その他の構成、例えばＣＰＵなどで逐次算出し、設定する方法をとっても実施可能である。
【００３５】
【発明の効果】上記実施の形態から明らかなように、本発明は、受信フォールド・オーバー加算において隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信信号を加算し、遅延整相加算を行う構成としたため、ビームフォーマｃｈの倍以上の開口での受信が可能である。特に、クロスポイントスイッチの加算手段によって不均等のチャンネル加算を行うことで、均等配列に基づき発生するグレーティングローブを効果的に抑止できるという効果を有する。
【００３６】本発明はまた、隣接して加算する振動子の個数を開口中心ほど多く加算し、ビームフォーマに入力する構成としたため、受信感度が向上するとともに、グレーティングローブの発生を抑止し、メインローブの鋭いビームを発生することができるという効果を有する。
【００３７】本発明はまた、隣接加算をある一定の深さから開始するよう構成したため、ある一定の深さ以降、振動子から入力される受信信号を効果的に減少させることができ、遠距離受信においてより広い開口での受信が可能である。また、遠方においても鋭いメインローブを得られるとともに、微弱なエコー信号を大口径で受信できるため、ペネトレーションの向上が望まれる。また、隣接ｃｈの不均等加算を行うため、グレーティングローブを抑止できる効果を有する。
【００３８】本発明はまた、隣接加算をする振動子の組み合せを、深さに応じて変化させることができるため、ビームフォーマの２倍の振動子数を超えた最適な開口を実現することができる。これにより全深度に渡って、鋭いメインローブを得られるとともに、遠方の微弱なエコー信号を大口径で受信できるため、ペネトレーションの向上が望まれる。また、隣接ｃｈの不均等加算を行うため、グレーティングローブを抑止できるという効果を有する。
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成１０年１１月３０日（１９９８．１１．３０）
【代理人】 【識別番号】１０００８２６９２
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵合 正博
【公開番号】 特開２０００−１５７５３９（Ｐ２０００−１５７５３９Ａ）
【公開日】 平成１２年６月１３日（２０００．６．１３）
【出願番号】 特願平１０−３３９２０９