JP4782639B2

JP4782639B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4782639B2
Application number: JP2006222074A
Authority: JP
Inventors: 隆之大西; 景文曹
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-08-16
Also published as: JP2008043531A

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、振動子へ供給する送信信号の制御に関する。

複数の振動素子で構成される振動素子列を備えたアレイ型の超音波振動子（アレイ振動子）が知られている。アレイ振動子を利用することにより、アレイ振動子が備える複数の振動素子に対して、各振動素子ごとにその振動素子に応じた遅延処理などを施した送信信号を供給して超音波送信ビームを形成し、さらにその超音波送信ビームを電子的に走査することが可能になる。

そして、アレイ振動子に関して、送信サイドローブの抑圧を目的として、アレイ振動子の複数の振動素子へ供給する送信信号に対して、ガウス関数やコサイン関数などの左右対称的な送信電圧分布関数によって重み付けを行う技術も知られている。

ちなみに、特許文献１には、音線方向を斜めにした場合に、各振動素子から焦点までの経路長が異なることによる信号振幅の違いを補正するために、非対称の重み付けを利用する技術が示されている。

特開２００５−２５３６９９号公報

アレイ振動子が備える複数の振動素子へ供給する送信信号に対して、ガウス関数やコサイン関数などの左右対称的な送信電圧分布関数によって重み付けを行うと、振動素子列の中心付近に送信エネルギーが集中するため、アレイ振動子の開口中心に熱エネルギーが集中する傾向があった。

超音波診断装置の安全性規格（例えば、ＩＥＣ６０６０１−２−３７）の強化により、超音波プローブ表面の温度上昇を従来よりも抑制する必要が生じている。こうした背景から、アレイ振動子の開口中心に熱エネルギーが集中することは好ましくない。

また、超音波プローブの温度上昇を抑える対策として、各振動素子へ供給する送信信号の電圧を下げて送信エネルギーを抑える対応が考えられる。しかし、送信電圧を下げてしまうと、エコーの検出感度が低下するという副作用的問題が発生する。

こうした問題を解決するために、探触子の電気音響変換効率を向上させるアプローチや、超音波診断装置本体の受信回路系のＳ／Ｎを改善するアプローチも考えられるが、いずれも技術的な難易度が高く、大幅な改善が難しい状況であった。

このような状況において、本願の発明者らは、アレイ振動子の開口中心付近に集中する熱エネルギーを分散させて、超音波プローブの温度上昇を抑えつつ、送信電圧や送信音圧を高いまま維持する技術について、研究開発を重ねてきた。

本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、アレイ振動子の開口中心付近に集中する熱エネルギーを分散させる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、複数の振動素子を備えたアレイ振動子と、複数の振動素子の各々に対して送信信号を供給する送信部と、複数の振動素子の各々から受信信号を取得する受信部とを有し、前記送信部は、左右方向に配列された複数の振動素子へ供給する送信信号に対して、左右方向の大きさの分布が左右非対称な重み付け処理を施し、さらに、左右非対称な分布の左右を所定時間ごとに反転させて重み付け処理を施すことを特徴とする。

望ましい態様において、前記送信部は、左右方向の大きさの分布が左右非対称な送信電圧分布関数を所定時間ごとに左右に反転させ、その送信電圧分布関数に基づいて送信信号に対して電圧の重み付け処理を施すことを特徴とする。

望ましい態様において、前記送信部は、送信電圧分布関数としてベータ密度関数を利用し、ベータ密度関数の歪方向に関するパラメータを制御することにより、ベータ密度関数を所定時間ごとに左右に反転させることを特徴とする。

本発明により、アレイ振動子の開口中心付近に集中する熱エネルギーを分散させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。

図１に示す超音波診断装置は、複数の振動素子１０で構成されるアレイ振動子を備えている。複数の振動素子１０は、左右方向に配列されている。本実施形態では、複数の振動素子１０によって、例えば、セクタ走査型のプローブが形成される。もちろん、リニア型のプローブやコンベックス型のプローブが形成されてもよい。

複数の振動素子１０の各々に対応して、ドライバアンプ２０と重み付け回路３０と遅延回路４０が設けられている。そして、送信波形発生器５０から出力される送信波形（送信信号）に対して、遅延回路４０と重み付け回路３０とドライバアンプ２０とによって各種処理が施されて、各振動素子１０に送信信号が供給される。

遅延回路４０は、それに対応する振動素子１０に応じた遅延処理を施す回路である。つまり、送信波形発生器５０から複数の遅延回路４０へ送信波形が出力され、その送信波形に対して、各遅延回路４０において振動素子１０に応じた遅延処理が施される。

重み付け回路３０は、それに対応する振動素子１０に応じた重み付け処理を施す回路である。つまり、重み付け回路３０は、遅延回路４０において遅延処理された送信波形（送信信号）に対して電圧の重み付け処理を施す。重み付け処理は、分布関数メモリ６０に記憶された送信電圧分布関数に基づいて行われる。これにより、振動素子列の中心付近に送信エネルギーが集中することを抑えている。なお、重み付け処理については、後にさらに詳述する。

重み付け回路３０によって重み付け処理された送信信号はドライバアンプ２０に供給される。ドライバアンプ２０は、送信信号に対応した駆動信号を、対応する振動素子１０へ供給する。そして、振動素子１０が駆動信号に応じて振動し、例えば生体内に超音波が送波される。

制御部７０は、送信波形発生器５０から出力される送信波形の出力タイミングや、各遅延回路４０における遅延量などを制御する。こうして、送信ビームフォーミングが実現されて、超音波送信ビームが電子的に走査される。

受信部８０は、複数の振動素子１０の各々から受信信号を取得する。受信部８０は、複数の振動素子１０から得られる複数の受信信号に対して、例えば整相加算処理を施して受信ビームフォーミングを実現する。

信号処理部９０は、整相加算処理後の受信信号に対して検波や対数圧縮などの信号処理を施す。信号処理部９０においてドプラ情報の抽出処理などが実行されてもよい。信号処理部９０において処理された信号は、表示画像形成部１００に供給される。表示画像形成部１００は、入力される信号に対して座標変換や補間処理などを施して、Ｂモード画像などを形成する。また、ドプラ情報に基づいてドプラ波形やカラードプラ画像などを形成してもよい。

本実施形態の全体構成は以上のとおりである。次に、本実施形態における重み付け処理について詳述する。なお、以下の説明において、図１に示した部分（構成）については、図１の符号を利用する。

本実施形態では、送信電圧を印加することによるプローブ表面の温度上昇を抑制するため、左右方向に配列された複数の振動素子１０へ供給する送信信号に対して、重み付け回路３０において重み付け処理を施している。重み付け回路３０は、分布関数メモリ６０に記憶された送信電圧分布関数に基づいて重み付け処理を行う。

送信電圧分布関数は、送信信号の電圧の分布を示す関数であり、振動素子１０が配列される左右方向の大きさの分布を示している。送信電圧分布関数は左右非対称な関数であり、また、送信電圧分布関数が所定時間ごとに左右に反転されて送信信号に重み付けが行われる。これにより、開口中心部分、つまり左右方向に配列された振動素子列の中心付近に集中していた熱エネルギーを分散させて温度上昇を抑えつつ、送信電圧及び送信音圧を高く保つことができる。

送信電圧分布関数の好適な例としてベータ（Beta）密度関数を挙げることができる。ベータ密度関数y(x)は次式のように表現される。

数１式において、xはアレイ(開口)方向の座標である。つまり、左右方向に配列された振動素子１０の左右方向の位置を示している。なお、数１式において、xは 0〜1の範囲に規格化されている。つまり、左右方向に配列された振動素子１０の左端の位置が0に対応しており右端の位置が1に対応している。また、数１式において、aはy(x)の最大値（x=b/(b+c)の時）を1とするための規格化係数である。そして、b, cは、y(x)の|歪度|（歪度の絶対値）、右・左の歪方向、面積を制御するパラメータである。

図２は、ベータ密度関数を説明するための図であり、図２には、横軸をx、縦軸をyとして、数１式のベータ密度関数y(x)の波形が示されている。なお、図２には、数１式のbとcの値に応じた３つの波形が示されている。つまり、b=0.5,c=1.54の場合の波形１と、b=c=1.43の場合の波形２と、b=1.54,c=0.5の場合の波形３が示されている。

ベータ密度関数y(x)の特徴として、b=cの場合はy(x)が左右対称（波形２）となり、b＞cの場合はy(x)が右歪の左右非対称（波形３）となり、b＜cの場合はy(x)が左歪の左右非対称（波形１）となる。また、bとcの値を入れ替えることにより（波形１と波形３参照）、y(x)の歪方向が変わる。但しbとcの値を入れ替えても、|歪度|と面積は不変となる。

本実施形態では、このベータ密度関数の特徴を利用して、所定時間間隔、例えば１０秒ごとに、右歪と左歪のy(x)を交互に切り替えて送信電圧分布関数として用いる。つまり、重み付け回路３０は、例えば、送信開始から最初の１０秒間だけ図２の波形１を利用して重み付け処理を実行し、次の１０秒間は波形３を利用し、さらに次の１０秒間は波形１を利用する。このように、波形１と波形３を交互に切り替えて利用することにより、アレイ振動子の開口中心付近に集中する熱エネルギーを分散させている。

一般的に、送信焦点の音圧はベータ密度関数y(x)の面積Bに比例する。ベータ密度関数y(x)の面積B（ベータ関数）は、次式で与えられる。

ベータ密度関数y(x)のbとcの値を入れ替えても面積B（ベータ関数）は不変であるため、波形１と波形３を交互に切り替えても音圧を一定に保つことができる。なお、図２の波形２については、面積が波形１，３のそれと等しくなるようパラメータｂ，ｃを設定しているため、各波形１〜３に基づく送信焦点の音圧は同じ値となる。

また、送信信号に伴う温度は送信電圧の２乗(power、強度)に比例する。ベータ密度関数y(x)は、bとcによって一意的に決められるが、本実施形態では、ベータ密度関数の２乗y²(x)の重心位置が、左歪の場合にx=1/3、右歪の場合にx=2/3の位置となるように、bとcの値を設定している。

図３は、ベータ密度関数を２乗することによって得られる波形を示す図であり、図３には、横軸をx、縦軸をyとしてベータ密度関数の２乗y²(x)の波形が示されている。図３には、図２に示したy(x)の３つの波形の各々に対応した、y²(x)の３つの波形が示されている。つまり、b=0.5,c=1.54の場合のy²(x)の波形１と、b=c=1.43の場合のy²(x)の波形２と、b=1.54,c=0.5の場合のy²(x)の波形３が示されている。

図３において、波形１と波形３は、その重心位置がそれぞれx=1/3とx=2/3の位置となるように、bとcの値が設定されている。また、波形２は、左右対称的なベータ密度関数（図２の波形２）の２乗に対応している。そして、波形４は（波形１＋波形３）／２を示しており、この波形４は、波形１と波形３を交互に利用した際の時間平均に相当する。左右対称的な波形２との比較において、波形４は、xの中心付近（例えばx=1/3〜x=2/3）でより平坦になり、熱エネルギーを分散させることができる。

なお、bとcの値の具体的設定法の一例は次のとおりである。y²(x)の重心位置をx_gとすると、y²(x)とx_gは、それぞれ次式のようになる。

そして、x_g=1/3の時、bとcに関する次の関係式が得られる。

この関係式（６）式を（４）式に代入する。そして、左歪のy²(x)をy²(x)_L と記し、同様に、右歪のy²(x)をy²(x)_Rと記す。また、x=1/2では、y²(1/2)_L=y²(1/2)_Rとなる。そこで、次式を満たすように数値計算によりbを算出する。

そして、（６）の関係式からcを算出する。

さらに、所要の音圧、つまりy(x)の面積Bを考慮して、算出したbとcの値を調整する。こうして、x_g=1/3.043、B=0.6となるように、図２，図３のb, cの値が設定されている。

本実施形態では、送信電圧分布関数としてベータ密度関数を利用し、ベータ密度関数の歪方向に関するパラメータbとcの値を制御することにより、図２に示す波形１と波形３のベータ密度関数を、例えば１０秒間ごとに切り替えている。図３に示す波形４、つまり波形１と波形３を交互に利用した際の時間平均と、図３の波形２とを比較すると、本実施形態では、つまり波形１と波形３を交互に利用した場合には、開口中心付近のパワーが下がっていることがわかる。例えば、x=0.5の時の波形２の値が1であるのに対して、x=0.5の時の波形４の値は約0.57まで下がっている。

こうして、本実施形態では、アレイ振動子の開口中心付近に集中する熱エネルギーを分散させている。これにより、超音波プローブの温度上昇を抑えつつ、送信電圧や送信音圧を高いまま維持したプローブ設計が可能になる。

なお、本実施形態では、送信電圧分布関数として、左歪のベータ密度関数（図２の波形１）と右歪のベータ密度関数（図２の波形３）を交互に利用している。図４は、これら左歪と右歪の相違に伴うビーム特性の違いを示す図である。図４は、減衰媒質における２．５ＭＨｚセクタープローブ（開口長：１９．２ｍｍ）の左歪および右歪の送信電圧分布による偏向角３０°、フォーカス距離７５ｍｍでの送信ビーム指向性を示すシミュレーション結果である。

図４には、左歪および右歪の場合の２つの波形（ビーム特性）が示されているものの、２つの波形はほぼ重なっている。両者のビーム特性の違いは少なく、ピーク音圧の差は１ｄＢ以下である。つまり、送信電圧分布関数の左右を反転させても、ほぼ同等なビーム特性を維持することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、送信電圧分布関数は、ベータ密度関数に限定されない。例えば、w(x)を任意の対称型密度関数として、x^b・w(x)および(1-x)^c・w(x)の２種の分布関数を送信電圧分布関数として用いてもよい。さらに、本発明は、その本質を逸脱しない範囲で他の変形形態をも包含する。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す機能ブロック図である。ベータ密度関数を説明するための図である。ベータ密度関数を２乗することによって得られる波形を示す図である。左歪と右歪の相違に伴うビーム特性の違いを示す図である。

符号の説明

１０振動素子、３０重み付け回路、６０分布関数メモリ。

Claims

複数の振動素子を備えたアレイ振動子と、
複数の振動素子の各々に対して送信信号を供給する送信部と、
複数の振動素子の各々から受信信号を取得する受信部と、
を有し、
前記送信部は、左右方向に配列された複数の振動素子へ供給する送信信号に対して、左右方向の大きさの分布が左右非対称な重み付け処理を施し、さらに、左右非対称な分布の左右を所定時間ごとに反転させて重み付け処理を施す、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記送信部は、左右方向の大きさの分布が左右非対称な送信電圧分布関数を所定時間ごとに左右に反転させ、その送信電圧分布関数に基づいて送信信号に対して電圧の重み付け処理を施す、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記送信部は、送信電圧分布関数としてベータ密度関数を利用し、ベータ密度関数の歪方向に関するパラメータを制御することにより、ベータ密度関数を所定時間ごとに左右に反転させる、
ことを特徴とする超音波診断装置。