JP4114838B2 - 超音波映像システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波映像システム（ultrasonic imaging system）において送信集束を具現する方法に係り、より詳しくは進行方向が違って線形時間遅延を有する各パルス形態の平面波に対する送信データ及び受信データを利用して同一映像点を有するパルス形態の平面波を合成することによって全ての映像点に対した送信集束を具現する超音波映像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波映像システムにおいて送信集束は進行方向が異なる平面波を映像深さで線形的に重畳することによってなされる。それで、このような送信集束を具現する送信音場は映像深さを過ぎ行く平面波の空間的な拡張から具現される。
【０００３】
添付した図面を参照して送信集束の具現について説明する。
図１は指向角θである連続平面波（continuous plane wave）を示した図面である。図１において、線形トランスデューサはｘ−ｚ座標上で原点を中心にｘ軸上に位置する。線形トランスデューサの各変換素子で送信され、ｚ軸に対して指向角θに進行する連続平面波Φβは次の数４式で表現される。
【数４】

ここで、υ＝ cos θ、β＝sinθ、υ ² ＋β ² ＝１、k＝ω０／cυの関係がある。そして、ωは周波数、ｔは連続平面波が任意映像点（ｘ、ｚ）に至った時間、ω０はθ＝０における周波数、ｃは連続平面波の速度、ｚ _f は焦点を表す。
【０００４】
図２は同一周波数を持ち、指向角０、θの連続平面波（Φ０、Φβ）の重畳を表した図面である。図２において、二つの連続平面波の位相が重畳される地点である焦点ｚ＝ｚｆで最大の信号強さが現れる。そして、焦点から側方向に遠ざかるほど二つの連続平面波の位相差が大きくなるので、その遠ざかる側方向地点で信号強さは小さくなる。
【０００５】
したがって、焦点から側方向の指向角±θｍ以内（ｍは整数）に進む全ての連続平面波を重畳すれば、その重畳波は次の数５式で表現される。
【数５】

数５式に示されている通り、側方向連続平面波に対する重畳波はsinc関数の特性を持つ。即ち、側方向連続平面波の重畳による送信音場はsinc関数の特性を持つことが分かる。
【０００６】
また、図２に示した通り、主ローブ（mainlobe）がある中心軸上の焦点ｚｆを外れた映像深さで二つの連続平面波の位相が不一致することがわかる。それで、焦点を外れた映像深さで信号強さは小さくなる。結局、数５式の重畳波は映像深さによって回折する特性を持つようになる。これは、映像深さにともなう送信音場がβｍの関数に現れるからである。
【０００７】
したがって、進行方向が異なる連続平面波の各周波数ωとθ＝０の時の周波数ω０がω＝ω０／υの関係を持てば、主ローブのある中心軸上の全ての映像深さで連続平面波の位相は一致するようになる。主極のある中心軸上で位相が一致した連続平面波を図３に示したし、数５式は次の数６式に再び表現される。
【数６】

【０００８】
数６式はｘ及びｚの関数が分離された完全な非回折特性を持つ。そして、数６式の重畳された連続平面波が医療用超音波として適用されるためには映像深さ方向の解像度を有するべきである。連続平面波が映像深さ方向の解像度を持つためには多様な周波数を有するパルス形態の平面波を重畳すべきである。したがって、数６式を周波数積分すれば次の数７式で表現される。
【数７】

ここで、Ψ（ｘ、ｚ、ｔ）は周波数積分された重畳波を、ＢＷはパルスの周波数帯域を、Ｆ（ω）はパルスの送受信システムに対する周波数特性関数を表す。
【０００９】
線形トランスデューサそれぞれの変換素子毎に送信されるパルス形態の平面波は、数７式にｚ＝０を代入することで求める。しかし、数７式にｚ＝０を代入することで求められるパルス形態の平面波は時間軸で無限の長さを持つので、切断誤差を招く。また、パルスの形態も複雑なので、このようなパルスを具現するためには複雑なハードウェアが必要になる。
【００１０】
そして、パルス形態平面波の側方向解像度はβｍに左右されるが、解像度を大きくするためにβｍを増加させれば非回折特性が悪化し、全ての映像点に対した送信集束時全体信号強さが一点送信集束時の信号強さより小さくなって信号対雑音比が落ちる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、前述した問題点を解決するための本発明の目的は、パルス形態の平面波を周波数積分せず、進行方向が異なる各パルス形態の平面波に線形時間遅延を印加し、このような線形時間遅延を有する各パルス形態の平面波に対する送信データ及び受信データを利用して同一映像点を有する送信された平面波を合成することによって全ての映像点に対する送信集束を具現する超音波映像システムを提供するところにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような本発明の目的を達成するための超音波映像システムは、トランスデューサから送信される進行方向が異なるパルス形態の平面波を用いて全ての映像点に対する送信集束を具現する超音波映像システムであって、前記トランスデューサの多数の変換素子をそれぞれ線形時間遅延させて駆動して所定の指向角でパルス形態の平面波を送信し、映像点で反射した反射波を前記各変換素子で受信する処理を、指向角を異ならせて繰り返す送信手段と、前記トランスデューサから所定の指向角でパルス形態の平面波が送信される毎に、その指向角に関する送信データおよび映像点に関するデータと、映像点で反射した反射波が前記各変換素子に戻ってくるまでの往復時間および受信した反射波に関する受信データを格納する格納手段と、該格納手段に格納された送信データおよび受信データを利用して、前記送信されたパルス形態の平面波が任意映像点に到達する時間を計算する計算手段と、該計算手段により計算された全ての映像点に到達する時間に基づいて、前記格納手段に格納された受信データ中、同一映像点に関する受信データを線形的に重畳する重畳手段とを含むことに特徴を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。図４は指向角θで進行し線形時間遅延を有するパルス形態の平面波を表した図面である。図４において大きさＤの線形トランスデューサはｘ−ｚ座標上で原点を中心にｘ軸上に位置する。点線のような線形時間遅延が線形トランスデューサの各変換素子に印加される。そして、各変換素子から送信された球面波が合成されて、パルス形態の平面波が送信される。このパルス形態の平面波Φβ（ｘ、ｚ、ｔ） _p は次の数８式で表現される。
【数８】

ここで、ｔはパルス形態の平面波が任意映像点（ｘ、ｚ）に達した時間、Φβ（ｘ、ｚ、ｔ）は連続平面波、ωは周波数、σはガウスパルスの幅を示す。
【００１４】
このようなパルス形態の平面波が全て通りすぎる映像点（ｘ、ｚ）は次の数９式の条件を満たす。
【数９】

【００１５】
そして、送信されたパルス形態の平面波が任意映像点（ｘ、ｚ）に到着する時間ｔ（ｘ、ｚ）は次の数１０式で表現される。
【数１０】

ここで、ｃはパルス形態の平面波（超音波）の速度で、β＝sinθ、υ＝cosθである。
このようなパルス形態の平面波が異なる指向角θで各々送信されれば、送信された各パルス形態の平面波が全て通過する領域内に対する映像だけ得られる。なお、図４のＡ領域は、指向角θのパルス形態の平面波が通り過ぎる領域のみを示している。
【００１６】
さて、パルス形態の平面波に対する送信集束を具現する過程について説明する。
超音波映像システム（図示せず）は、各変換素子を線形時間遅延駆動して指向角θのパルス形態の平面波をトランスデューサから送信する。
超音波映像システムは、各送信された平面波に対して送信データ（指向角θ）及び映像点（ｘ、ｚ）に関するデータを格納する。そして、超音波映像システムは各送信されたパルス形態の平面波が深さｚの映像点（ｘ、ｚ）に到着後反射されて各変換素子に戻ってくるまでの往復時間を求める。超音波映像システムは、記憶された指向角θにて送信された各パルス形態の平面波について、映像点（ｘ、ｚ）までの到達時間を数１０式に代入して求める。
こうして各送信されたパルス形態の平面波が反射した映像点（ｘ、ｚ）が得られる。
【００１７】
超音波映像システムは、このように求められた同一映像点（ｘ、ｚ）を有したパルス形態の平面波を線形的に重畳する。このような過程が全ての映像点について繰り返して行われる。こうして全ての映像点についてパルス形態の平面波に対する送信集束が具現されると同時に、送信された各パルス形態の平面波について格納された受信信号を利用して動的受信集束を行うことで、全ての映像点で送受信集束がなされる。
【００１８】
図５は５個のパルス形態の平面波を重畳した送信集束の例を示した図面である。図５において、平面波Φｎは映像点（ｘ、ｚ）で送信集束される。各パルス形態の平面波が映像点まで進んだ時間は矢印の進行時間ｔｎで示した。
【００１９】
図６は円形トランスデューサにおいてパルス形態の平面波を示した図面である。図示したように、パルス形態の平面波Φβはｚ軸に対して角度θ、ｘ軸に対して角度φをなしながら進む。指向角θ、φが異なるパルス形態の平面波に対する送信データ（角度θ、φ、送信地点）及び受信データ（任意映像点までの往復時間）を利用して同一映像点（ｘ、ｙ、ｚ）を有するパルス形態の平面波を合成すれば全ての映像点でパルス形態の平面波に対する送信集束が可能である。
【００２０】
また、任意映像点から反射されて戻ってくるそれぞれの受信信号を利用して全ての映像点に対する動的受信集束を行えば全ての映像点で送受信集束が可能である。こうして３次元映像が得られる。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る送信集束具現方法は進行方向が異なり線形時間遅延を有するパルス形態の平面波に対する送信データ及び受信データを利用して同一映像点を持つパルス形態の平面波を合成することにより、全ての映像点に対する送信集束を具現するのでβ値の制限を受けず、切断誤差も発生しない。また側方向解像度もβ値の制限を受けなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の線形トランスデューサの連続平面波を示した図面である。
【図２】同一周波数を有する連続平面波の重畳を示した図面である。
【図３】異なる周波数を有する連続平面波の重畳を示した図面である。
【図４】本発明の方法に適用される指向角（θ）で進行し線形時間遅延が印加されたパルス形態の平面波を示した図面である。
【図５】本発明の方法に適用される５個のパルス形態の平面波を重畳した送信集束の例を示した図面である。
【図６】本発明の方法に適用される円形トランスデューサにおいてパルス形態の平面波を示した図面である。

Claims (4)

1. トランスデューサから送信される進行方向が異なるパルス形態の平面波を用いて全ての映像点に対する送信集束を具現する超音波映像システムであって、
   前記トランスデューサの多数の変換素子をそれぞれ線形時間遅延させて駆動して所定の指向角でパルス形態の平面波を送信し、映像点で反射した反射波を前記各変換素子で受信する処理を、指向角を異ならせて繰り返す送信手段と、
   前記トランスデューサから所定の指向角でパルス形態の平面波が送信される毎に、その指向角に関する送信データおよび映像点に関するデータと、映像点で反射した反射波が前記各変換素子に戻ってくるまでの往復時間および受信した反射波に関する受信データを格納する格納手段と、
   該格納手段に格納された送信データおよび受信データを利用して、前記送信されたパルス形態の平面波が任意映像点に到達する時間を計算する計算手段と、
   該計算手段により計算された全ての映像点に到達する時間に基づいて、前記格納手段に格納された受信データ中、同一映像点に関する受信データを線形的に重畳する重畳手段とを含むことを特徴とする超音波映像システム。
2. ｘ‐ｚ座標上の原点を中心にｘ軸上に位置した線形トランスデューサから送信されたパルス形態の平面波は、次の数１式で表現される請求項１に記載の超音波映像システム。
   

   

   ここで、Φβ（ｘ、ｚ、ｔ）_pはパルス形態の平面波、ｔはパルス形態の平面波が映像点（ｘ、ｚ）に至った時間、Φβ（ｘ、ｚ、ｔ）は連続平面波、ωは周波数、σはガウスパルスの幅である。
3. 前記計算手段は、ｘ‐ｚ座標上の原点を中心にｘ軸上に位置した線形トランスデューサにおいて送信された指向角θのパルス形態の平面波が映像点（ｘ、ｚ）に到達する時間ｔ（ｘ、ｚ）を下記数２式により求める請求項１に記載の超音波映像システム。
   

   

   ここで、ｃはパルス形態の平面波（超音波）の速度、Ｄは線形トランスデューサの大きさ、β＝sinθ、υ＝cosθである。
4. 前記映像点（ｘ、ｚ）は次の数３式を満たす請求項３に記載の超音波映像システム。
   

   

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