JP2004089311A - 超音波送受信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】非回折ビームを用いて、被検体を短時間に高密度で走査することができる超音波送受信装置を提供する。
【解決手段】マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含むマトリクスアレイトランスデューサ１０と、ベッセル関数によって表される振幅及び位相特性を有する複数の超音波信号によって合成される超音波ビームを所定の時間内に複数送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定部１３と、該波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、マトリクストランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生部１６とを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含むマトリクスアレイトランスデューサ１０と、ベッセル関数によって表される振幅及び位相特性を有する複数の超音波信号によって合成される超音波ビームを所定の時間内に複数送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定部１３と、該波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、マトリクストランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生部１６とを有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送信し、エコー信号を受信することにより超音波画像を得るために用いられる超音波送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波の送信及び受信に用いられる素子（超音波トランスデューサ）として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ） ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子を含む圧電素子が一般的に用いられている。
【０００３】
図１３は、超音波撮像装置において一般的に用いられている超音波探触子に含まれるトランスデューサの構造と、そこから送信される超音波ビームの音場分布を示している。図１３に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００は、両端に電極１０２及び１０３が形成されている圧電素子１０１を、例えば、リニアに多数配列することによって作製される。電極１０２及び１０３には、パルサー等を含む駆動信号発生回路が接続されている。このような圧電素子に、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波を発生する。その際に、所定の時間差を設けて複数の圧電素子を駆動することにより、それぞれの圧電素子から送信される球面波が合成され、所望の方向且つ所望の深度に超音波ビームの焦点Ｆを形成することができる。
【０００４】
このように形成される超音波ビームの音場は、超音波トランスデューサアレイ１００の開口から焦点位置を見込む角度Ωと、トランスデューサの開口によって決定される指向角θにより規定できる。即ち、図１３に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００から送信された超音波は、焦点Ｆ付近において一旦収束し、再び拡散する。また、焦点Ｆの前後には、焦点深度ｈが示されている。焦点深度ｈとは、被検体を焦点から前後させても画像のボケが許容範囲に収まる距離を意味する。
【０００５】
ところで、超音波画像の画質を向上させるためには、超音波ビームを送受信する際における分解能を高めることが必要である。現状では、超音波周波数に依存する距離分解能は十分に足りているが、ビームの太さに依存する方位分解能についてはまだまだ不十分である。方位分解能を向上させるには、ビームを細くする必要がある。しかしながら、図１３から明らかなように、従来のビームフォーカス法においては、ビームの細い領域が狭い（焦点深度ｈが非常に浅い）ので、方位分解能の良い領域が小さい。また、このような球面波の合成によって形成される超音波ビームにおいては、焦点付近のビームのエネルギー効率が非常に悪いという問題も生じている。
【０００６】
このような問題の解決策として、非回折ビームを用いることが提案されている。非回折ビームとは、距離に関わらず断面パターンが変化しないビームのことをいう。非回折ビームとしては、エックスウェイブ（Ｘ−ｗａｖｅ）（特許文献１参照）や、ベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）ビームが知られている。ベッセルビームは、ベッセル関数によって表される分布、振幅、位相で送信される超音波ビームである。本来、ベッセルビームは無限開口において成り立つ理論であるが、有限開口においてもある程度は非回折深度が確保できることが示されている（非特許文献１参照）。なお、非回折深度とは、媒質中で非回折ビームがその波形を変えずに到達できる深さをいう。
【０００７】
非回折ビームは、エネルギーが拡散せずに非回折深度まで伝搬するので、これを超音波の送受信に適用することができれば、ビーム太さの均一な領域が維持されることによる方位分解能の向上や、エネルギー効率の向上等が実現された超音波撮像を行うことができる。例えば、超音波をベッセルビームとして送信する超音波探触子が開示されている（特許文献２参照）。特許文献２においては、ベッセルビームを用いることにより、電気回路を比較的簡単な構成にすることができ、高分解能で良質な画像を得ることができると共に、細径化の要請にも対応可能になると記載されている。また、非回折ビームを送受信することによって２次元又は３次元画像を得ること（非特許文献３参照）や、非回折ビームをステアリングすること（非特許文献参照）も記載されている。
【０００８】
一方、従来、２次元又は３次元超音波画像を得るためには、例えば、Ｂモードスキャンにおけるように、超音波ビームを１本ずつ送信して被検体をスキャンし、得られた画像情報に基づいて２次元又は３次元超音波画像を合成していた。しかしながら、このような方法によると、フレームごとのタイムラグが大きいので、異なる時間における画像を合成することになり、動きのある部位を撮像すると合成画像がぼけてしまう。特に、循環器のように動きの激しい部位を観察する場合には、少なくとも毎秒３０フレーム程度のリアルタイム性が要求される。
【０００９】
このような問題の解決策として、同時多方向送受信技術が検討されている（特許文献３参照）。しかしながら、特許文献３に開示されているビームフォーカス法は、従来の位相整合を用いるものなので、超音波ビームの分解能と焦点深度の問題や、焦点におけるエネルギー効率の問題は依然として残ったままである。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５７２０７０８号明細書
【特許文献２】
特開平９−２９９３７０号公報
【特許文献３】
米国特許第６１７９７８０号明細書
【非特許文献１】
ダーニン（Ｊ． Ｄｕｒｎｉｎ），「非回折ビームの完全解法Ｉ．スカラー理論（Ｅｘａｃｔ ｓｏｌｏｔｕｉｏｎｓ ｆｏｒ ｎｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｎｇ ｂｅａｍｓ． Ｉ． Ｔｈｅ ｓｃａｌａｒ ｔｈｅｏｒｙ）」，Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍｅｒ １９８７， Ｖｏｌ． ４， Ｎｏ． ４， ｐ．６５１−６５４
【非特許文献２】
ジャンユー ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ Ｌｕ），「有限回折ビームのための２次元アレイトランスデューサの研究（Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｆｏｒ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｅａｍｓ）」，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｕ． Ｆ． Ｆ． Ｃ， Ｖｏｌ． ４１， Ｎｏ． ５， Ｓｅｐ． １９９４， ｐ．７２４−７３９
【非特許文献３】
ジャンユー ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ Ｌｕ），「有限回折ビームによる２次元及び３次元高フレームレート撮像（２Ｄ ａｎｄ ３Ｄ Ｈｉｇｈ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｅａｍｓ）」，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｕ． Ｆ． Ｆ． Ｃ， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． ４， Ｊｕｌ． １９９７， ｐ．８３９−８５６
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、非回折ビームを用いて、短時間に高分解能で効率良く被検体内を走査することができる超音波送受信装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波送受信装置は、マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、ベッセル関数によって表される振幅及び位相特性を有する複数の超音波信号によって合成される超音波ビームを所定の時間内に複数送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定手段と、該波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、上記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段とを具備する。
【００１３】
本発明によれば、非回折ビームの１種であるベッセルビームを用いてマルチビーム送信を行うので、短時間に高分解能で効率良く被検体内を走査することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波送受信装置は、超音波ビームとして非回折ビームの１種であるベッセルビームを、異なる位置から同時に、或いは、ほぼ同時に複数本送信することにより、被検体に関する情報を得るものである。以下において、複数の超音波ビームを同時に、或いは、ほぼ同時に送信することをマルチビーム送信という。
【００１５】
まず、本実施形態において送信されるベッセルビームについて説明する。ベッセルビームは、次式に示すベッセル関数によって表される超音波ビームであり、非回折ビームの１種である。
Ｙ＝Ｊ０（αＸ） …（１）
式（１）において、Ｊ０は０次のベッセル関数を表す記号であり、αは任意の定数である。
【００１６】
図２の（ａ）は、式（１）を表すグラフである。この関数を超音波の送信に適用する場合には、Ｘは超音波を発生する超音波トランスデューサのアレイ中心からの距離に相当し、Ｙは強度（振幅）に相当する。図２の（ａ）に示すように、０次のベッセル関数には、Ｘ＝０周辺に、高い強度を有するメインビームが存在する。
【００１７】
メインビームのビーム半径は、ベッセル関数Ｊ０（αＸ）＝０となるＸ＝Ｘ０で表される。ここで、０次のベッセル関数Ｊ０（αＸ）の根は、αＸ０＝０．７６６πと与えられているので、定数αを設定することにより、任意のビーム幅を有するメインビームを形成することができる。この値Ｘ０のことを、ゼロクロス半径と呼ぶ。
【００１８】
ところで、実用的には、有限開口からベッセルビームを送信した場合でも、ある程度の非回折深度を確保することができる。次式（２）は、有限開口からベッセルビームを送信した場合における非回折深度を求める式である。
【数１】
式（２）において、ｒは開口の半径を表し、λは超音波の波長を表している。式（２）より明らかなように、開口の半径を大きくすれば、非回折深度ＺＭＡＸは長くなる。しかしながら、実際には、人体等の被検体に用いられる探触子の大きさには制約があるので、開口の半径を大きくすることは困難である。また、式（２）より、超音波の波長λが短ければ非回折深度ＺＭＡＸが長くなるので、そのために超音波の周波数を高くすれば良いということが分かる。しかしながら、超音波の周波数を高くすると、媒質に吸収され易くなるので被検体の深部において十分な超音波の強度が得られなくなってしまう。
【００１９】
そのため、ベッセルビームの非回折深度ＺＭＡＸを長くするためには、ゼロクロス半径Ｘ０、即ち、メインビーム半径を大きくして、定数αの値を小さくすることが望ましい。しかしながら、メインビーム幅を大きくすることは、方位分解能を低下させることであるので、画質に影響しない範囲で、非回折深度との関係によりメインビーム幅を定めることが重要である。
【００２０】
図３は、式（２）に基づいて作成されたメインビーム半径と非回折深度との関係を表すグラフである。ここで、開口の半径をｒ＝１０ｍｍとし、周波数３．５ＭＨｚ、音速１５４０ｍ／ｓとして、超音波の波長をλ＝４．４×１０−４ｍとした。例えば、人体の心臓を観察する場合には、非回折深度は０．１５ｍ程度あれば足りる。このとき、図３から、メインビームの半径を２．５ｍｍ程度にすれば、十分な非回折深度を得ることができる。このメインビームの半径は、一般的な超音波送受信装置において用いられる回折ビームのビーム半径より小さいので、そのような装置よりも高い方位分解能を得ることができる。
【００２１】
次に、ベッセルビームの実現方法を示す。ベッセル関数を決定する場合には、まず、先に述べたような点に留意してメインビームの半径Ｘ０を指定する。これにより、０次のベッセル関数の根αＸ０＝０．７６６πから、定数αの値が決定される。なお、図２の（ａ）は、ゼロクロス半径Ｘ０＝１．８８ｍｍ、即ち、α＝１．２８ｍｍ−１とした場合のグラフである。
【００２２】
このように決定されたベッセル関数に基づいて超音波ビームを形成する場合には、ベッセル関数の座標とマトリクス配置された超音波トランスデューサとを関連付け、座標Ｘに位置する超音波トランスデューサを、振幅Ｙ＝Ｊ０（αＸ）を有する波形で駆動すれば良い。このとき、ベッセル関数においてＹ＜０となる領域に位置する超音波トランスデューサについては、位相を逆転させて駆動する。
【００２３】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示すベッセル関数によって表される超音波ビームを送信する際に用いられる超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…を示している。また、図２の（ｃ）は、それぞれの超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報Ｐ１、Ｐ２、…を表している。例えば、ベッセルビームの中心位置付近（領域ｋ）の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝１の波形情報Ｐ１に基づいて駆動する。また、領域ｋの外側の領域ｍ付近の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝０．４で、領域ｋにおけるのと位相が逆の波形情報Ｐ２に基づいて駆動する。さらに、領域ｍの外側の領域ｎ付近の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝０．３で、領域ｋと同位相の波形情報Ｐ３に基づいて駆動する。このように、ベッセル関数の分布に対応付けてマトリクスアレイトランスデューサを駆動する。これらの超音波トランスデューサから送信された超音波の合成により、図２の（ａ）に示すようなベッセルビームが送信される。ここで、超音波トランスデューサは２次元に配列されており、これらの超音波トランスデューサをベッセル関数の中心からの距離に応じて等方向に駆動することにより、３次元に拡張されたベッセルビームが送信される。なお、超音波トランスデューサを１次元に配列しても、１つの方向については非回折性を有する超音波ビームを送信することができる。
【００２４】
再び、図１を参照すると、本実施形態に係る超音波送受信装置は、マトリクスアレイトランスデューサ１０と、ビーム位置設定部１１と、波形パターン記憶部１２と、波形情報設定部１３と、遅延パターン記憶部１４と、遅延時間設定部１５と、駆動信号発生部１６と、送受信タイミング制御部１７と、信号処理部１８と、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）１９と、表示部２０とを有している。
【００２５】
マトリクスアレイトランスデューサ１０は、マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含んでおり、例えば、２０ｍｍ四方程度の開口面積を有している。マトリクスアレイトランスデューサ１０は、印加される駆動信号に基づいて超音波ビームを送信すると共に、伝搬する超音波を受信して検出信号を出力する。これらの超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ） ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の高分子圧電素子に代表される圧電性を有する材料等を含む圧電素子の両端に電極を形成した振動子によって構成される。このような振動子の電極に、パルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。この機械的振動により、それぞれの振動子からパルス状或いは連続的な超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって機械的に振動して電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の検出信号として出力される。
【００２６】
或いは、超音波トランスデューサとして、超音波変換方式の異なる複数種類の素子を用いても良い。例えば、超音波を送信する素子として上記の振動子を用い、超音波を受信する素子として光検出方式の超音波トランスデューサを用いるようにする。光検出方式の超音波トランスデューサとは、超音波信号を光信号に変換して検出するものであり、例えば、ファブリーペロー共振器やファイバブラッググレーティングによって構成される。
【００２７】
ここで、本実施形態においては、ベッセルビームをマルチビーム送信するために、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送信面を複数の領域に分割してそれぞれの領域を１つの開口として取り扱うことにより、複数の領域からベッセルビームをそれぞれ送信する。以下において、これらの分割された領域に含まれる複数の超音波トランスデューサの集合のことをサブアレイという。図４に示すように、例えば、超音波ビームＵＳ１を送信する際には、サブアレイａに含まれる複数の超音波トランスデューサが使用される。また、超音波ビームＵＳ２〜ＵＳ４についても同様である。
【００２８】
ビーム位置設定部１１は、マトリクスアレイトランスデューサ１０上の座標においてベッセルビームの中心になる位置を設定する。本実施形態においては、ベッセルビームを形成する際に、ベッセルビームの中心位置を基準としてそれぞれの超音波トランスデューサを駆動するための波形情報が設定されるからである。図４には、超音波ビームＵＳ１〜ＵＳ４の中心位置Ａ〜Ｄがそれぞれ示されている。
【００２９】
波形パターン記憶部１２は、それぞれの超音波トランスデューサに与えられる波形情報、即ち、振幅及び位相特性を、超音波トランスデューサの位置に応じた波形パターンとして記憶している。即ち、例えば、図２の（ｃ）に示すような波形情報Ｐ１、Ｐ２、…を記憶している。
【００３０】
波形情報設定部１３は、ビーム位置設定部１１によって設定された中央位置と、波形パターン記憶部１２に記憶されている波形パターンとに基づいて、所定の超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報を設定する。即ち、波形情報設定部１３は、ビーム位置設定部１１によって設定された複数の中心位置を基準として、上記の波形パターンをマトリクス状に配置された超音波トランスデューサにそれぞれ関連付ける。例えば、図２の（ｃ）に示す波形パターンを、図４に示す位置Ａ〜Ｄを中心としてマトリクスアレイトランスデューサにそれぞれ関連付けることにより、直径約１０ｍｍの４つのサブアレイａ〜ｄが設定される。これらのサブアレイａ〜ｄにそれぞれ含まれる複数の超音波トランスデューサに、図２の（ｃ）に示す波形情報Ｐ１、Ｐ２、…が与えられるように設定される。
【００３１】
遅延パターン記憶部１４は、超音波ビームをステアリングする際に用いられる複数の遅延パターンを記憶している。
遅延時間設定部１５は、ベッセルビームを所望の方向にステアリングするために、遅延パターン記憶部１４に記憶されている複数の遅延パターンの中から適当な遅延パターンを選択する。さらに、遅延時間設定部１５は、ビーム位置設定部１１によって設定された中心位置と、上記の遅延パターンとを関連付けることにより、それぞれの超音波トランスデューサに与える遅延時間を設定する。
【００３２】
駆動信号発生部１６は、例えば、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサにそれぞれ対応する複数のパルサーによって構成されている。ここで、図５を参照すると、駆動信号発生部１６は、波形情報設定部１３において設定された波形情報Ｐ１、Ｐ２、…、及び、遅延時間設定部１５において与えられた遅延時間ＤＴ１、ＤＴ２、…に基づいて、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…に向けて駆動信号を発生する。これにより、複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…から所定の振幅及び位相を有する超音波が所定の時刻にそれぞれ発生し、矢印の向きにステアリングされたベッセルビームが送信される。
【００３３】
送受信タイミング制御部１７は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生部１６を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後にマトリクスアレイトランスデューサ１０から出力される検出信号を取り込むように、信号処理部１８を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールして信号の読み取り時間帯を限定することにより、被写体の特定の深さから反射されたエコー信号を検出することができる。
【００３４】
信号処理部１８は、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサが超音波を受信することによって出力した検出信号を、送受信タイミング制御部１７の制御に従って所定のタイミングで取り込む。信号処理部１８は、これらの信号に対してゲイン調整を行い、所定の遅延をかけて加算することにより受信フォーカスを行う。この受信フォーカスにより、受信された超音波信号の焦点を絞り込むことができる。この際に、一般的に行われている遅延加算により受信フォーカスを行っても良いし、ベッセルビームを送信する際に用いた波形パターンに基づいて重み付け加算しても良い。後者の場合には、前者よりも焦点深度を深く、且つ、受信ビームのビーム幅を狭く設定することができるので、より望ましい。さらに、信号処理部１８は、受信フォーカスされた検出信号に対して、対数増幅、検波、ＳＴＣ（センシティビティタイムコントロール）、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行う。
【００３５】
ＤＳＣ１９は、信号処理部１８において信号処理された検出信号を走査変換する。また、表示部２０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、ＤＳＣ１９によって走査変換された信号に基づいて、超音波画像を表示する。
【００３６】
このような超音波送受信装置において、ステアリング方向を変えながら複数回マルチビーム送信を行うことにより、被検体内を高密度で走査することができる。その際に、ビーム位置設定部１１における中心位置を変更してベッセルビームの送信位置をずらしながら上記の走査を行うことにより、被検体を走査する密度を一層高くすることも可能である。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置について、図６〜図８を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る超音波送受信装置は、図１に示す超音波送受信装置における波形情報設定部１３及び遅延時間設定部１５の替わりに、波形情報設定部２３及び遅延時間設定部２５を有している。また、この超音波送受信装置は、図１に示す超音波送受信装置におけるビーム位置設定部１１を有していない。その他の構成については、第１の実施形態におけるのと同様である。
【００３８】
図７に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、同一箇所から複数のベッセルビームＵＳ５〜ＵＳ８を送信するものである。従って、ベッセルビームが送信される中心位置Ｏは、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に予め設定されている。
【００３９】
波形情報設定部２３は、波形パターン記憶部１２に記憶されている波形パターンに基づいて、それぞれの超音波トランスデューサに与える波形情報を設定する。それぞれの超音波トランスデューサに与えられる波形情報は、波形パターンの中心をマトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に関連付けることによって決定される。
【００４０】
遅延時間設定部２５は、遅延パターン記憶部１４に記憶されている複数の遅延パターンの中から、送信されるベッセルビームごとに適当な遅延パターンを選択する。さらに、遅延時間設定部２５は、選択した遅延パターンの中心をマトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に関連付け、それぞれの超音波トランスデューサに与える遅延時間をパターン毎に設定する。
【００４１】
ここで、図８を参照すると、複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…には、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央からの距離とステアリング角に応じて、波形情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５、及び、波形情報Ｐ１’、Ｐ２’、…Ｐ５’が与えられる。異なる方向にステアリングされたベッセルビームを同時に送信するためには、ステアリング角に応じて用意されたこれらの波形情報を足し合わせれば良い。例えば、領域ｎ付近の超音波トランスデューサを、まず、基準時刻（ｔ＝０）から遅延時間ＤＴ１’経過後に波形情報Ｐ１’に基づいて駆動し、次に、基準時刻から遅延時間ＤＴ１経過後に波形情報Ｐ１に基づいて駆動する。その他の領域の超音波トランスデューサについても、同様である。ここで、２つの遅延パターン（１）及び（２）にそれぞれ含まれる波形情報の内、遅延時間が共通する２つの波形情報が１つの超音波トランスデューサに設定される場合には、それらの波形が足し合わされる。例えば、領域ｋ付近の超音波トランスデューサに設定される波形情報Ｐ３とＰ３’の遅延時間ＤＴ３とＤＴ３’とが同時である場合には、波形情報Ｐ３とＰ３’とを合成した振幅が与えられる。なお、図８においては、２つのベッセルビームを同時に送信する場合について説明したが、３つ以上のベッセルビームを同時に送信する場合についても同様である。
【００４２】
このような超音波送受信装置において、それぞれのベッセルビームのステアリング方向を変えながらマルチビーム送信を繰り返すことにより、被検体内を高密度で走査することができる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、図１に示す超音波送受信装置におけるビーム位置設定部１１、遅延パターン記憶部１４、及び、遅延時間設定部１５の替わりに、アクチュエータ３０を有している。その他の構成については、第１の実施形態におけるのと同様である。
【００４４】
図１０に示すように、本実施形態においては、マトリクスアレイトランスデューサ１０において、ベッセルビームが送信される複数の中心位置Ａ〜Ｄ及び複数のサブアレイａ〜ｄが予め設定されている。波形情報設定部１３は、固定されている複数の中心位置に波形パターンをそれぞれ関連付けることにより、マルチビーム送信を行うための波形情報を設定する。
【００４５】
また、アクチュエータ３０は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や開口の向きを制御する。即ち、アクチュエータ３０の制御により、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、往復運動、回転運動、首振り運動等を行う。
【００４６】
このように、複数箇所からベッセルビームを送信するマルチビーム送信と、トランスデューサの機械的制御とを組み合わせることにより、複数のベッセルビームをステアリングしながら同時に、或いは、ほぼ同時に送信することができる。ここで、マトリクスアレイトランスデューサ１０の形状をコンベックス形状にすると、複数のベッセルビーム間の角度が拡がるので、被検体内を広範囲に走査することができる。
【００４７】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波送受信装置は、図６に示す超音波送受信装置に加えて、さらに、アクチュエータ４０を有している。その他の構成については、本発明の第２の実施形態におけるのと同様である。
【００４８】
図１２に示すように、本実施形態においては、マルチビームが送信される中心位置Ｏは、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に予め設定されている。この中心位置Ｏから、複数のベッセルビームが異なる方向に向けて同時に、或いは、ほぼ同時に送信される。
【００４９】
また、アクチュエータ４０は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や開口の向きを制御する。即ち、アクチュエータ４０の制御により、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、往復運動、回転運動等を行う。
【００５０】
このように、同一箇所から複数のベッセルビームを送信するマルチビーム送信と、トランスデューサの機械的制御とを組み合わせることにより、複数のベッセルビームをステアリングしながら同時に、或いは、ほぼ同時に送信することができる。ここで、本実施形態においても、マトリクスアレイトランスデューサ１０の形状をコンベックス形状にすると、複数のベッセルビーム間の角度が拡がるので、広範囲な走査角度を確保することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、送信される超音波としてベッセルビームを用いるので、被写界深度を長くすることができ、深さ方向に対し広範囲に渡って高い分解能を得ることができる。また、ベッセルビームにおいてはエネルギーが拡散しないので、超音波の送信パワーを低減したり、同じ送信パワーを用いてメインビームの強度を増加させることが可能になり、エネルギー効率の良い超音波撮像を行うことが可能になる。さらに、ベッセルビームをマルチビーム送信するので、一度に被検体内を走査する超音波ビームの密度を高くすることができ、また、被検体内の広い範囲を走査することができる。従って、超音波撮像の時間を短縮してフレームレートを高めることができるので、リアルタイムに画質の高い２次元又は３次元超音波画像を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２の（ａ）は、ベッセル関数を表すグラフであり、図２の（ｂ）及び（ｃ）は、ベッセル関数によって表される超音波ビームを送信する方法を説明するための図である。
【図３】ベッセルビームのメインビームと非回折深度の関係を示す図である。
【図４】複数のサブアレイからマルチビーム送信されるベッセルビームと、その中心位置及びサブアレイを示す図である。
【図５】ベッセルビームをステアリングする方法を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図７】１つのサブアレイからステアリングしながらマルチビーム送信されるベッセルビームを示す図である。
【図８】マルチビーム送信される複数のベッセルビームをステアリングする方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】複数のサブアレイからマルチビーム送信されるベッセルビームを示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】１つのサブアレイからマルチビーム送信されるベッセルビームを示す図である。
【図１３】従来の超音波トランスデューサアレイから送信される回折ビームの音場分布を示す図である。
【符号の説明】
１０ マトリクスアレイトランスデューサ
１１ ビーム位置設定部
１２ 波形パターン記憶部
１３、２３ 波形情報設定部
１４ 遅延パターン記憶部
１５、２５ 遅延時間設定部
１６ 駆動信号発生部
１７ 送受信タイミング制御部
１８ 信号処理部
１９ ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）
２０ 表示部
３０、４０ アクチュエータ
１００ 超音波トランスデューサアレイ
１０１ 圧電素子
１０２、１０３ 電極
ａ〜ｄ サブアレイ
Ｖ１、Ｖ２、… 超音波トランスデューサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送信し、エコー信号を受信することにより超音波画像を得るために用いられる超音波送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波の送信及び受信に用いられる素子（超音波トランスデューサ）として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ） ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子を含む圧電素子が一般的に用いられている。
【０００３】
図１３は、超音波撮像装置において一般的に用いられている超音波探触子に含まれるトランスデューサの構造と、そこから送信される超音波ビームの音場分布を示している。図１３に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００は、両端に電極１０２及び１０３が形成されている圧電素子１０１を、例えば、リニアに多数配列することによって作製される。電極１０２及び１０３には、パルサー等を含む駆動信号発生回路が接続されている。このような圧電素子に、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波を発生する。その際に、所定の時間差を設けて複数の圧電素子を駆動することにより、それぞれの圧電素子から送信される球面波が合成され、所望の方向且つ所望の深度に超音波ビームの焦点Ｆを形成することができる。
【０００４】
このように形成される超音波ビームの音場は、超音波トランスデューサアレイ１００の開口から焦点位置を見込む角度Ωと、トランスデューサの開口によって決定される指向角θにより規定できる。即ち、図１３に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００から送信された超音波は、焦点Ｆ付近において一旦収束し、再び拡散する。また、焦点Ｆの前後には、焦点深度ｈが示されている。焦点深度ｈとは、被検体を焦点から前後させても画像のボケが許容範囲に収まる距離を意味する。
【０００５】
ところで、超音波画像の画質を向上させるためには、超音波ビームを送受信する際における分解能を高めることが必要である。現状では、超音波周波数に依存する距離分解能は十分に足りているが、ビームの太さに依存する方位分解能についてはまだまだ不十分である。方位分解能を向上させるには、ビームを細くする必要がある。しかしながら、図１３から明らかなように、従来のビームフォーカス法においては、ビームの細い領域が狭い（焦点深度ｈが非常に浅い）ので、方位分解能の良い領域が小さい。また、このような球面波の合成によって形成される超音波ビームにおいては、焦点付近のビームのエネルギー効率が非常に悪いという問題も生じている。
【０００６】
このような問題の解決策として、非回折ビームを用いることが提案されている。非回折ビームとは、距離に関わらず断面パターンが変化しないビームのことをいう。非回折ビームとしては、エックスウェイブ（Ｘ−ｗａｖｅ）（特許文献１参照）や、ベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）ビームが知られている。ベッセルビームは、ベッセル関数によって表される分布、振幅、位相で送信される超音波ビームである。本来、ベッセルビームは無限開口において成り立つ理論であるが、有限開口においてもある程度は非回折深度が確保できることが示されている（非特許文献１参照）。なお、非回折深度とは、媒質中で非回折ビームがその波形を変えずに到達できる深さをいう。
【０００７】
非回折ビームは、エネルギーが拡散せずに非回折深度まで伝搬するので、これを超音波の送受信に適用することができれば、ビーム太さの均一な領域が維持されることによる方位分解能の向上や、エネルギー効率の向上等が実現された超音波撮像を行うことができる。例えば、超音波をベッセルビームとして送信する超音波探触子が開示されている（特許文献２参照）。特許文献２においては、ベッセルビームを用いることにより、電気回路を比較的簡単な構成にすることができ、高分解能で良質な画像を得ることができると共に、細径化の要請にも対応可能になると記載されている。また、非回折ビームを送受信することによって２次元又は３次元画像を得ること（非特許文献３参照）や、非回折ビームをステアリングすること（非特許文献参照）も記載されている。
【０００８】
一方、従来、２次元又は３次元超音波画像を得るためには、例えば、Ｂモードスキャンにおけるように、超音波ビームを１本ずつ送信して被検体をスキャンし、得られた画像情報に基づいて２次元又は３次元超音波画像を合成していた。しかしながら、このような方法によると、フレームごとのタイムラグが大きいので、異なる時間における画像を合成することになり、動きのある部位を撮像すると合成画像がぼけてしまう。特に、循環器のように動きの激しい部位を観察する場合には、少なくとも毎秒３０フレーム程度のリアルタイム性が要求される。
【０００９】
このような問題の解決策として、同時多方向送受信技術が検討されている（特許文献３参照）。しかしながら、特許文献３に開示されているビームフォーカス法は、従来の位相整合を用いるものなので、超音波ビームの分解能と焦点深度の問題や、焦点におけるエネルギー効率の問題は依然として残ったままである。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５７２０７０８号明細書
【特許文献２】
特開平９−２９９３７０号公報
【特許文献３】
米国特許第６１７９７８０号明細書
【非特許文献１】
ダーニン（Ｊ． Ｄｕｒｎｉｎ），「非回折ビームの完全解法Ｉ．スカラー理論（Ｅｘａｃｔ ｓｏｌｏｔｕｉｏｎｓ ｆｏｒ ｎｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｎｇ ｂｅａｍｓ． Ｉ． Ｔｈｅ ｓｃａｌａｒ ｔｈｅｏｒｙ）」，Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍｅｒ １９８７， Ｖｏｌ． ４， Ｎｏ． ４， ｐ．６５１−６５４
【非特許文献２】
ジャンユー ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ Ｌｕ），「有限回折ビームのための２次元アレイトランスデューサの研究（Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｆｏｒ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｅａｍｓ）」，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｕ． Ｆ． Ｆ． Ｃ， Ｖｏｌ． ４１， Ｎｏ． ５， Ｓｅｐ． １９９４， ｐ．７２４−７３９
【非特許文献３】
ジャンユー ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ Ｌｕ），「有限回折ビームによる２次元及び３次元高フレームレート撮像（２Ｄ ａｎｄ ３Ｄ Ｈｉｇｈ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｅａｍｓ）」，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｕ． Ｆ． Ｆ． Ｃ， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． ４， Ｊｕｌ． １９９７， ｐ．８３９−８５６
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、非回折ビームを用いて、短時間に高分解能で効率良く被検体内を走査することができる超音波送受信装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波送受信装置は、マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、ベッセル関数によって表される振幅及び位相特性を有する複数の超音波信号によって合成される超音波ビームを所定の時間内に複数送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定手段と、該波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、上記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段とを具備する。
【００１３】
本発明によれば、非回折ビームの１種であるベッセルビームを用いてマルチビーム送信を行うので、短時間に高分解能で効率良く被検体内を走査することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波送受信装置は、超音波ビームとして非回折ビームの１種であるベッセルビームを、異なる位置から同時に、或いは、ほぼ同時に複数本送信することにより、被検体に関する情報を得るものである。以下において、複数の超音波ビームを同時に、或いは、ほぼ同時に送信することをマルチビーム送信という。
【００１５】
まず、本実施形態において送信されるベッセルビームについて説明する。ベッセルビームは、次式に示すベッセル関数によって表される超音波ビームであり、非回折ビームの１種である。
Ｙ＝Ｊ０（αＸ） …（１）
式（１）において、Ｊ０は０次のベッセル関数を表す記号であり、αは任意の定数である。
【００１６】
図２の（ａ）は、式（１）を表すグラフである。この関数を超音波の送信に適用する場合には、Ｘは超音波を発生する超音波トランスデューサのアレイ中心からの距離に相当し、Ｙは強度（振幅）に相当する。図２の（ａ）に示すように、０次のベッセル関数には、Ｘ＝０周辺に、高い強度を有するメインビームが存在する。
【００１７】
メインビームのビーム半径は、ベッセル関数Ｊ０（αＸ）＝０となるＸ＝Ｘ０で表される。ここで、０次のベッセル関数Ｊ０（αＸ）の根は、αＸ０＝０．７６６πと与えられているので、定数αを設定することにより、任意のビーム幅を有するメインビームを形成することができる。この値Ｘ０のことを、ゼロクロス半径と呼ぶ。
【００１８】
ところで、実用的には、有限開口からベッセルビームを送信した場合でも、ある程度の非回折深度を確保することができる。次式（２）は、有限開口からベッセルビームを送信した場合における非回折深度を求める式である。
【数１】
【００１９】
そのため、ベッセルビームの非回折深度ＺＭＡＸを長くするためには、ゼロクロス半径Ｘ０、即ち、メインビーム半径を大きくして、定数αの値を小さくすることが望ましい。しかしながら、メインビーム幅を大きくすることは、方位分解能を低下させることであるので、画質に影響しない範囲で、非回折深度との関係によりメインビーム幅を定めることが重要である。
【００２０】
図３は、式（２）に基づいて作成されたメインビーム半径と非回折深度との関係を表すグラフである。ここで、開口の半径をｒ＝１０ｍｍとし、周波数３．５ＭＨｚ、音速１５４０ｍ／ｓとして、超音波の波長をλ＝４．４×１０−４ｍとした。例えば、人体の心臓を観察する場合には、非回折深度は０．１５ｍ程度あれば足りる。このとき、図３から、メインビームの半径を２．５ｍｍ程度にすれば、十分な非回折深度を得ることができる。このメインビームの半径は、一般的な超音波送受信装置において用いられる回折ビームのビーム半径より小さいので、そのような装置よりも高い方位分解能を得ることができる。
【００２１】
次に、ベッセルビームの実現方法を示す。ベッセル関数を決定する場合には、まず、先に述べたような点に留意してメインビームの半径Ｘ０を指定する。これにより、０次のベッセル関数の根αＸ０＝０．７６６πから、定数αの値が決定される。なお、図２の（ａ）は、ゼロクロス半径Ｘ０＝１．８８ｍｍ、即ち、α＝１．２８ｍｍ−１とした場合のグラフである。
【００２２】
このように決定されたベッセル関数に基づいて超音波ビームを形成する場合には、ベッセル関数の座標とマトリクス配置された超音波トランスデューサとを関連付け、座標Ｘに位置する超音波トランスデューサを、振幅Ｙ＝Ｊ０（αＸ）を有する波形で駆動すれば良い。このとき、ベッセル関数においてＹ＜０となる領域に位置する超音波トランスデューサについては、位相を逆転させて駆動する。
【００２３】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）に示すベッセル関数によって表される超音波ビームを送信する際に用いられる超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…を示している。また、図２の（ｃ）は、それぞれの超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報Ｐ１、Ｐ２、…を表している。例えば、ベッセルビームの中心位置付近（領域ｋ）の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝１の波形情報Ｐ１に基づいて駆動する。また、領域ｋの外側の領域ｍ付近の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝０．４で、領域ｋにおけるのと位相が逆の波形情報Ｐ２に基づいて駆動する。さらに、領域ｍの外側の領域ｎ付近の超音波トランスデューサは、振幅Ｙ＝０．３で、領域ｋと同位相の波形情報Ｐ３に基づいて駆動する。このように、ベッセル関数の分布に対応付けてマトリクスアレイトランスデューサを駆動する。これらの超音波トランスデューサから送信された超音波の合成により、図２の（ａ）に示すようなベッセルビームが送信される。ここで、超音波トランスデューサは２次元に配列されており、これらの超音波トランスデューサをベッセル関数の中心からの距離に応じて等方向に駆動することにより、３次元に拡張されたベッセルビームが送信される。なお、超音波トランスデューサを１次元に配列しても、１つの方向については非回折性を有する超音波ビームを送信することができる。
【００２４】
再び、図１を参照すると、本実施形態に係る超音波送受信装置は、マトリクスアレイトランスデューサ１０と、ビーム位置設定部１１と、波形パターン記憶部１２と、波形情報設定部１３と、遅延パターン記憶部１４と、遅延時間設定部１５と、駆動信号発生部１６と、送受信タイミング制御部１７と、信号処理部１８と、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）１９と、表示部２０とを有している。
【００２５】
マトリクスアレイトランスデューサ１０は、マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含んでおり、例えば、２０ｍｍ四方程度の開口面積を有している。マトリクスアレイトランスデューサ１０は、印加される駆動信号に基づいて超音波ビームを送信すると共に、伝搬する超音波を受信して検出信号を出力する。これらの超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ） ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の高分子圧電素子に代表される圧電性を有する材料等を含む圧電素子の両端に電極を形成した振動子によって構成される。このような振動子の電極に、パルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。この機械的振動により、それぞれの振動子からパルス状或いは連続的な超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって機械的に振動して電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の検出信号として出力される。
【００２６】
或いは、超音波トランスデューサとして、超音波変換方式の異なる複数種類の素子を用いても良い。例えば、超音波を送信する素子として上記の振動子を用い、超音波を受信する素子として光検出方式の超音波トランスデューサを用いるようにする。光検出方式の超音波トランスデューサとは、超音波信号を光信号に変換して検出するものであり、例えば、ファブリーペロー共振器やファイバブラッググレーティングによって構成される。
【００２７】
ここで、本実施形態においては、ベッセルビームをマルチビーム送信するために、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送信面を複数の領域に分割してそれぞれの領域を１つの開口として取り扱うことにより、複数の領域からベッセルビームをそれぞれ送信する。以下において、これらの分割された領域に含まれる複数の超音波トランスデューサの集合のことをサブアレイという。図４に示すように、例えば、超音波ビームＵＳ１を送信する際には、サブアレイａに含まれる複数の超音波トランスデューサが使用される。また、超音波ビームＵＳ２〜ＵＳ４についても同様である。
【００２８】
ビーム位置設定部１１は、マトリクスアレイトランスデューサ１０上の座標においてベッセルビームの中心になる位置を設定する。本実施形態においては、ベッセルビームを形成する際に、ベッセルビームの中心位置を基準としてそれぞれの超音波トランスデューサを駆動するための波形情報が設定されるからである。図４には、超音波ビームＵＳ１〜ＵＳ４の中心位置Ａ〜Ｄがそれぞれ示されている。
【００２９】
波形パターン記憶部１２は、それぞれの超音波トランスデューサに与えられる波形情報、即ち、振幅及び位相特性を、超音波トランスデューサの位置に応じた波形パターンとして記憶している。即ち、例えば、図２の（ｃ）に示すような波形情報Ｐ１、Ｐ２、…を記憶している。
【００３０】
波形情報設定部１３は、ビーム位置設定部１１によって設定された中央位置と、波形パターン記憶部１２に記憶されている波形パターンとに基づいて、所定の超音波トランスデューサを駆動するために用いられる波形情報を設定する。即ち、波形情報設定部１３は、ビーム位置設定部１１によって設定された複数の中心位置を基準として、上記の波形パターンをマトリクス状に配置された超音波トランスデューサにそれぞれ関連付ける。例えば、図２の（ｃ）に示す波形パターンを、図４に示す位置Ａ〜Ｄを中心としてマトリクスアレイトランスデューサにそれぞれ関連付けることにより、直径約１０ｍｍの４つのサブアレイａ〜ｄが設定される。これらのサブアレイａ〜ｄにそれぞれ含まれる複数の超音波トランスデューサに、図２の（ｃ）に示す波形情報Ｐ１、Ｐ２、…が与えられるように設定される。
【００３１】
遅延パターン記憶部１４は、超音波ビームをステアリングする際に用いられる複数の遅延パターンを記憶している。
遅延時間設定部１５は、ベッセルビームを所望の方向にステアリングするために、遅延パターン記憶部１４に記憶されている複数の遅延パターンの中から適当な遅延パターンを選択する。さらに、遅延時間設定部１５は、ビーム位置設定部１１によって設定された中心位置と、上記の遅延パターンとを関連付けることにより、それぞれの超音波トランスデューサに与える遅延時間を設定する。
【００３２】
駆動信号発生部１６は、例えば、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサにそれぞれ対応する複数のパルサーによって構成されている。ここで、図５を参照すると、駆動信号発生部１６は、波形情報設定部１３において設定された波形情報Ｐ１、Ｐ２、…、及び、遅延時間設定部１５において与えられた遅延時間ＤＴ１、ＤＴ２、…に基づいて、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…に向けて駆動信号を発生する。これにより、複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…から所定の振幅及び位相を有する超音波が所定の時刻にそれぞれ発生し、矢印の向きにステアリングされたベッセルビームが送信される。
【００３３】
送受信タイミング制御部１７は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生部１６を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後にマトリクスアレイトランスデューサ１０から出力される検出信号を取り込むように、信号処理部１８を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールして信号の読み取り時間帯を限定することにより、被写体の特定の深さから反射されたエコー信号を検出することができる。
【００３４】
信号処理部１８は、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサが超音波を受信することによって出力した検出信号を、送受信タイミング制御部１７の制御に従って所定のタイミングで取り込む。信号処理部１８は、これらの信号に対してゲイン調整を行い、所定の遅延をかけて加算することにより受信フォーカスを行う。この受信フォーカスにより、受信された超音波信号の焦点を絞り込むことができる。この際に、一般的に行われている遅延加算により受信フォーカスを行っても良いし、ベッセルビームを送信する際に用いた波形パターンに基づいて重み付け加算しても良い。後者の場合には、前者よりも焦点深度を深く、且つ、受信ビームのビーム幅を狭く設定することができるので、より望ましい。さらに、信号処理部１８は、受信フォーカスされた検出信号に対して、対数増幅、検波、ＳＴＣ（センシティビティタイムコントロール）、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行う。
【００３５】
ＤＳＣ１９は、信号処理部１８において信号処理された検出信号を走査変換する。また、表示部２０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、ＤＳＣ１９によって走査変換された信号に基づいて、超音波画像を表示する。
【００３６】
このような超音波送受信装置において、ステアリング方向を変えながら複数回マルチビーム送信を行うことにより、被検体内を高密度で走査することができる。その際に、ビーム位置設定部１１における中心位置を変更してベッセルビームの送信位置をずらしながら上記の走査を行うことにより、被検体を走査する密度を一層高くすることも可能である。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置について、図６〜図８を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る超音波送受信装置は、図１に示す超音波送受信装置における波形情報設定部１３及び遅延時間設定部１５の替わりに、波形情報設定部２３及び遅延時間設定部２５を有している。また、この超音波送受信装置は、図１に示す超音波送受信装置におけるビーム位置設定部１１を有していない。その他の構成については、第１の実施形態におけるのと同様である。
【００３８】
図７に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、同一箇所から複数のベッセルビームＵＳ５〜ＵＳ８を送信するものである。従って、ベッセルビームが送信される中心位置Ｏは、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に予め設定されている。
【００３９】
波形情報設定部２３は、波形パターン記憶部１２に記憶されている波形パターンに基づいて、それぞれの超音波トランスデューサに与える波形情報を設定する。それぞれの超音波トランスデューサに与えられる波形情報は、波形パターンの中心をマトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に関連付けることによって決定される。
【００４０】
遅延時間設定部２５は、遅延パターン記憶部１４に記憶されている複数の遅延パターンの中から、送信されるベッセルビームごとに適当な遅延パターンを選択する。さらに、遅延時間設定部２５は、選択した遅延パターンの中心をマトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に関連付け、それぞれの超音波トランスデューサに与える遅延時間をパターン毎に設定する。
【００４１】
ここで、図８を参照すると、複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…には、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央からの距離とステアリング角に応じて、波形情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５、及び、波形情報Ｐ１’、Ｐ２’、…Ｐ５’が与えられる。異なる方向にステアリングされたベッセルビームを同時に送信するためには、ステアリング角に応じて用意されたこれらの波形情報を足し合わせれば良い。例えば、領域ｎ付近の超音波トランスデューサを、まず、基準時刻（ｔ＝０）から遅延時間ＤＴ１’経過後に波形情報Ｐ１’に基づいて駆動し、次に、基準時刻から遅延時間ＤＴ１経過後に波形情報Ｐ１に基づいて駆動する。その他の領域の超音波トランスデューサについても、同様である。ここで、２つの遅延パターン（１）及び（２）にそれぞれ含まれる波形情報の内、遅延時間が共通する２つの波形情報が１つの超音波トランスデューサに設定される場合には、それらの波形が足し合わされる。例えば、領域ｋ付近の超音波トランスデューサに設定される波形情報Ｐ３とＰ３’の遅延時間ＤＴ３とＤＴ３’とが同時である場合には、波形情報Ｐ３とＰ３’とを合成した振幅が与えられる。なお、図８においては、２つのベッセルビームを同時に送信する場合について説明したが、３つ以上のベッセルビームを同時に送信する場合についても同様である。
【００４２】
このような超音波送受信装置において、それぞれのベッセルビームのステアリング方向を変えながらマルチビーム送信を繰り返すことにより、被検体内を高密度で走査することができる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９に示すように、本実施形態に係る超音波送受信装置は、図１に示す超音波送受信装置におけるビーム位置設定部１１、遅延パターン記憶部１４、及び、遅延時間設定部１５の替わりに、アクチュエータ３０を有している。その他の構成については、第１の実施形態におけるのと同様である。
【００４４】
図１０に示すように、本実施形態においては、マトリクスアレイトランスデューサ１０において、ベッセルビームが送信される複数の中心位置Ａ〜Ｄ及び複数のサブアレイａ〜ｄが予め設定されている。波形情報設定部１３は、固定されている複数の中心位置に波形パターンをそれぞれ関連付けることにより、マルチビーム送信を行うための波形情報を設定する。
【００４５】
また、アクチュエータ３０は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や開口の向きを制御する。即ち、アクチュエータ３０の制御により、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、往復運動、回転運動、首振り運動等を行う。
【００４６】
このように、複数箇所からベッセルビームを送信するマルチビーム送信と、トランスデューサの機械的制御とを組み合わせることにより、複数のベッセルビームをステアリングしながら同時に、或いは、ほぼ同時に送信することができる。ここで、マトリクスアレイトランスデューサ１０の形状をコンベックス形状にすると、複数のベッセルビーム間の角度が拡がるので、被検体内を広範囲に走査することができる。
【００４７】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波送受信装置は、図６に示す超音波送受信装置に加えて、さらに、アクチュエータ４０を有している。その他の構成については、本発明の第２の実施形態におけるのと同様である。
【００４８】
図１２に示すように、本実施形態においては、マルチビームが送信される中心位置Ｏは、マトリクスアレイトランスデューサ１０の中央に予め設定されている。この中心位置Ｏから、複数のベッセルビームが異なる方向に向けて同時に、或いは、ほぼ同時に送信される。
【００４９】
また、アクチュエータ４０は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や開口の向きを制御する。即ち、アクチュエータ４０の制御により、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、往復運動、回転運動等を行う。
【００５０】
このように、同一箇所から複数のベッセルビームを送信するマルチビーム送信と、トランスデューサの機械的制御とを組み合わせることにより、複数のベッセルビームをステアリングしながら同時に、或いは、ほぼ同時に送信することができる。ここで、本実施形態においても、マトリクスアレイトランスデューサ１０の形状をコンベックス形状にすると、複数のベッセルビーム間の角度が拡がるので、広範囲な走査角度を確保することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、送信される超音波としてベッセルビームを用いるので、被写界深度を長くすることができ、深さ方向に対し広範囲に渡って高い分解能を得ることができる。また、ベッセルビームにおいてはエネルギーが拡散しないので、超音波の送信パワーを低減したり、同じ送信パワーを用いてメインビームの強度を増加させることが可能になり、エネルギー効率の良い超音波撮像を行うことが可能になる。さらに、ベッセルビームをマルチビーム送信するので、一度に被検体内を走査する超音波ビームの密度を高くすることができ、また、被検体内の広い範囲を走査することができる。従って、超音波撮像の時間を短縮してフレームレートを高めることができるので、リアルタイムに画質の高い２次元又は３次元超音波画像を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２の（ａ）は、ベッセル関数を表すグラフであり、図２の（ｂ）及び（ｃ）は、ベッセル関数によって表される超音波ビームを送信する方法を説明するための図である。
【図３】ベッセルビームのメインビームと非回折深度の関係を示す図である。
【図４】複数のサブアレイからマルチビーム送信されるベッセルビームと、その中心位置及びサブアレイを示す図である。
【図５】ベッセルビームをステアリングする方法を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図７】１つのサブアレイからステアリングしながらマルチビーム送信されるベッセルビームを示す図である。
【図８】マルチビーム送信される複数のベッセルビームをステアリングする方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】複数のサブアレイからマルチビーム送信されるベッセルビームを示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】１つのサブアレイからマルチビーム送信されるベッセルビームを示す図である。
【図１３】従来の超音波トランスデューサアレイから送信される回折ビームの音場分布を示す図である。
【符号の説明】
１０ マトリクスアレイトランスデューサ
１１ ビーム位置設定部
１２ 波形パターン記憶部
１３、２３ 波形情報設定部
１４ 遅延パターン記憶部
１５、２５ 遅延時間設定部
１６ 駆動信号発生部
１７ 送受信タイミング制御部
１８ 信号処理部
１９ ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）
２０ 表示部
３０、４０ アクチュエータ
１００ 超音波トランスデューサアレイ
１０１ 圧電素子
１０２、１０３ 電極
ａ〜ｄ サブアレイ
Ｖ１、Ｖ２、… 超音波トランスデューサ
Claims (5)
- マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、
ベッセル関数によって表される振幅及び位相特性を有する複数の超音波信号によって合成される超音波ビームを所定の時間内に複数送信するために用いられる波形情報を設定する波形情報設定手段と、
前記波形情報設定手段によって設定された波形情報に基づいて、前記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
を具備する超音波送受信装置。 - 前記波形情報設定手段が、前記超音波トランスデューサアレイに含まれる異なる複数の領域から複数の前記超音波ビームがそれぞれ送信されるように前記波形情報を設定する、請求項１記載の超音波送受信装置。
- 前記波形情報設定手段が、前記超音波トランスデューサアレイに含まれる同一の領域から複数の前記超音波ビームが送信されるように前記波形情報を設定する、請求項１記載の超音波送受信装置。
- 複数の前記超音波ビームをステアリングするように、前記駆動信号発生手段に超音波信号の遅延時間を設定する遅延時間設定手段と、
複数の超音波エコーを受信することによって得られた検出信号に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、
をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受信装置。 - 前記超音波トランスデューサアレイの位置又は開口の向きを制御する制御手段と、
複数の超音波エコーを受信することによって得られた検出信号に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、
をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
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