JPS61217142A - 超音波画像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超音波によって被検体を走査して生体内の画
像を合成する超音波画像装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

超音波を用いて被検体の画像（断層像）を得る方法は、
外部から見ることのできない被検体内部の構造を調べる
方法として医用や非破壊検査の分野で広く用いられてい
る。このような手法による超音波画像装置の性能で特に
重要なのは、分解能である。超音波画像装置の分解能に
は、超音波の進行方向の分解能と、超音波進行方向に直
交する方向の分解能（方位分解能）とがあり、前者につ
いては超音波パルスの幅を短くすることによって容易に
高めることができる。

一方、方位分解能を高める方法としては、開口合成法が
知られている。開口合成法を用いれば超音波ビームを単
に集束させた場合に比べ、超音波トランスデユーサから
の距離に依存しない良好な方位分解能を得ることができ
る。

開口合成法において画像を得るための処理の基本は、被
検体内のからの超音波の反射波の受信信号について被検
体内の反射体と超音波トランスデユーサとの位置関係に
基く位相差を補正し、それらを加え合せるというもので
ある。すなわち、開口合成法においては反射波の受信信
号の位相情報に基いて画像が合成される。

ところで、開口合成法による超音波画像装置では、超音
波トランスデユーサとして第５図（ａ）に示すような実
質的に点音源と見なせる開口の小さいトランスデユーサ
５１を用いる場合と、開口がこれより十分に大きい第５
図（ｂ）〜（ｄ）に示すようなトランスデユーサを用い
る場合とがあるが、いずれも一長一短がある。例えば開
口の小さいトランスデユーサ５１を用いると、上記のよ
うな処理で十分な方位分解能が得られるが、超音波の放
射エネルギーおよび受信感度が小さいためＳ／Ｎが悪く
、良好な画像が得られない。また、開口の大きいトラン
スデユーサ５２を用いればＳ／Ｎは良好となるが、上記
のような処理のみでは十分な方位分解能が得られないと
いう問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の開口合成法の問題点を解決す
べくなされたもので、同じ開口の超音波トランスデユー
サを用いた場合、従来に比べより高い方位分解能が得ら
れる超音波画像装置を提供することを目的とする。

（発明の概要〕 本発明による超音波画像装置は、被検体に向けた送信さ
れた超音波の被検体からの反射波を受信して得られた受
信信号を処理して被検体内の画像を合成するに当り、超
音波の送信手段から受信手段に至る超音波伝搬系のイン
パルスレスポンスを基に構成した逆フィルタによるフィ
ルタ処理を施して生体内の画像を再構成することを特徴
とする。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上記のようなフィルタ処理を行なうこ
とによって、受信信号の位相のみならず振幅をも考慮し
た処理ができるため、同じ開口の超音波トランスデユー
サを用いて方位分解能を従来より高くできる。従って、
Ｓ／Ｎの点で有利な開口の大きい超音波トランスデユー
サを用いた場合でも、実用上十分な方位分解能を得るこ
とが可能となる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例に係る超音波画像装置の構成
を示すブロック図である。図において、超音波トランス
デユーサ１はこの例では複数個の振動子を一列に配列し
たりニアアレイ撮動子によって構成されている。振動子
は例えば第５図（ｂ）〜（ｄ）に示すような比較的大き
い開口の超音波トランスデユーサ５２を構成する単位と
しての連続したｎ個が同時に駆動されて超音波を発射し
、被検体である例えば生体内に向けて送信する。被検体
内各部からの超音波の反射波は、送信に用いたと同じ振
動子によって受信され、電気信号に変換される。振動子
の共振周波数は通常、２〜１０ＭＨ２程度が使用される
。

パルサ２は超音波トランスデユーサ１と共に超音波の送
信手段を構成するものであり、スキャンコントローラ３
からのレートパルスに同期して、スキャンコントローラ
３によって指定される連続したｎ個の振動子に駆動パル
スを供給することによりそれらの振動子を駆動し、かつ
レートパルスを受ける毎に、駆動するｎ個の振動子の位
置を例えば１個分ずつずらせる。こうして超音波による
被検体内の走査がなされる。この場合、遅延回路を用い
てｎ個の振動子を駆動するタイミングおよびｎ個の振動
子により受信される信号を取出すタイミングを適宜ずら
せることで、いわゆる電子フォーカスにより送信および
受信超音波ビームの両方またはいずれか一方を第５図（
ｂ）に示すように集束させることができる。このような
制御を行なわない場合は第５図（Ｃ）に示すように超音
波ビームは集束しない。また、電子フォーカスとは逆の
制御を行なえば、超音波ビームは第５図（ｄ）に示すよ
うに拡散する。これら第５図（ｂ）〜（ｄ）のいずれの
場合にも本発明は有効である。

レシーバ４は超音波トランスデユーサ１と共に生体内か
らの超音波の反射波の受信手段を構成するものであり、
超音波トランスデユーサ１で受信された反射波はこのレ
シーバ４で必要なレベルまで増幅される。

位相検波器５はレシーバ４からの受信信号に、スキャン
コントローラ３から参照信号として供給される位相が互
いに９０°異なる２つの正弦波を乗じることによって、
位相検波を行なう。これら参照信号の周波数は、振動子
の共振周波数にほぼ一致している。位相検波器５からの
２つの位相検波出力は、ＣＯＳホログラム信号およびｓ
ｉｎホログラム信号としてＡ／Ｄ変換器６．７にそれぞ
れ入力される。

Ａ／Ｄ変換器６．７はそれぞれａＯＳホログラム信号お
よびｓｉｎホログラム信号をサンプリングし、ディジタ
ル化する。この場合のサンプリングピッチは、被検体内
の点反射体からの反射波の継続時間を考慮して定められ
る。例えば反射波の継続時間が２μｓｅｃなら、サンプ
リングピッチはその１１５のｎｏｏｎｓｅｃ程度が適当
である。このサンプリングピッチを決めるのはスキャン
コント０−５３から送られてくるサンプリングクロック
であって、サンプリングおよびディジタル化はそれに同
期して行なわれる。こうしてＣＯＳホログラム信号およ
びｓｉｎホａグラム信号は、例えば８ビツトのデータに
ディジタルされる。

ディジタル化されたＣＯＳホログラム信号およびｓｉｎ
ホログラム信号のデータは、それぞれＣＯＳバッフ７メ
モリ８およびｓｉｎバッフ？メモリ９に書込まれる。こ
れらのバッフ？メモリ８．９へのデータの書込みは、ス
キャンコントローラ３がらＡ／Ｄ変換！１１６．７へ供
給されているサンプリングクロックに同期して行なわれ
る。すなわち、ディジタル化されたホログラム信号のデ
ータはサンプリングクロックに同期して次々にＣＯＳバ
ッフ７メモリ８およびｓｉｎバッフ？メモリ９に書込ま
れてゆく。これらのパンフ？メモリ８．９は、１回の超
音波パルスの送信で得られる一連の反射波の受信信号を
記憶するのに必要な容量を持っている。

記憶されたデータは全ての書込み終了後、コンピュータ
１０によって読出され、画像メモリ１１へ転送される。

画像メモリ１１は２画像分のデータを記憶できる容量を
持ち、ＣＯＳバッフ？メモリ８およびｓｉｎバッファメ
モリ９から読出されたＣＯＳホログラムデータおよびｓ
ｉｎホログラムデータを記憶する。

画像メモリ１１のＣＯＳホログラムデータおよびＳ１０
ホログラムデータを記憶する領域の構成は、いずれも第
２図に模式的に示すようになっている。

すなわち、ＸアドレスおよびＹアゾレスの取り得る値は
いずれも０〜５１２であり、それぞれ走査方向および被
検体内の深さに対応している。各アドレスには８ビツト
のデータを記憶することができる。

出力バッファメモリ１２はコンピュータ１０における演
算の結果得られた合成画像のデータを記憶するためのも
のであり、その構成は画像メモリ１１と同じである。出
力バッファメモリ１２内の画像データは、タイミングコ
ントローラ１３からのクロックに同期して常時読出され
ている。その読出しはテレビモニタ１４における走査に
合せて行なわれる。タイミングコントローラ１４は、出
力バッファメモリ１２に記憶されている画像データをテ
レビモニタ１４に表示するためのデータ読出しコントロ
ールと、テレビ同期信号の発生を行なっている。

出力バッファメモリ１２からの画一データは、Ｄ／Ａ変
換器１５によりアナログ画像信号に変換されるとともに
、タイミングコントローラ１４からの同期信号と混合さ
れ、コンポジットビデオ信号となる。このコンポジット
ビデオ信号がテレビモニタ１６に入力され、再構成によ
り合成された画像が表示される。

コンピュータ１０で実行される内容は、次の３つである
。

（１）スキャンコントローラ３の制御 （２ホログラムデータの転送 （３画像の再構成処理 これらのうち、（３の再構成処理が本発明に基く逆フィ
ルタによるフィルタ処理に相当する。以下、これら３つ
の機能について説明する。

コンピュータ１０はスキャンコントローラ３に対しては
超音波発射の指示と、駆動すべき振動子の指定を行なう
。スキャンコントローラ３は超音波発射の指示があると
、直ちにバルサ２を制御して指定された振動子を駆動さ
せる。なお、超音波発射の指示はＣＯＳバッファメモリ
８およびｓｉミロバッファメモリからのデータ読出しが
完了した時点で行なう。

１回の超音波の発射で得られるＣＯＳホログラムデータ
およびｓｉｎホログラムデータは、上述したように−Ｈ
ＣＯＳバッファメモリ８およびｓｉｎバッファメモリ９
に記憶される。コンピュータ１０はこれらのデータを順
次バッファメモリ８．９から読出し、それらを駆動され
た振動子の位置と生体内の深さに対応する画像メモリ１
１内のアドレスに順次書込んでゆく。

像の再構成処理は、全ての振動子が駆動され、ホログラ
ムデータが全て画像メモリ１１に記憶され終わった後に
開始される。この処理は第２図に示した画像メモリ１１
において左側から右側へ、上側から下側へという順序で
行なわれる。従って、コンピュータ１０に取込まれるデ
ータは（０，０）を先頭とする１行分のデータである。

画像メモリ１１から読出されたこの１行分のＣＯＳホロ
グラムデータおよびｓｉｎホログラムデータは、処理に
おいては前者が実数部、後者が虚数部として扱われる。

本発明においては、このホログラムデータに対し後述す
る逆フィルタによるフィルタ処理を施すのであるが、こ
のフィルタ処理は具体的にはホログラムデータとコンピ
ュータ１ｏ内のＲＯＭに予めストアされているカーネル
データとのコンボリューションを計算することによって
行なわれる。

コンボリューションの計算結果はその絶対値が取られた
後、出力バッファメモリ１２に蓄積される。

以上の処理は第２図におけるＹアドレスが５１１に達す
るまで繰返し行なわれる。

次に、逆フィルタによるフィルタ処理に基く画像再構成
の手順について詳しく述べる。但し、被検体内において
はある一定の深さのところに超音波の反射体があるもの
と仮定する。

超音波によって被検体を走査した場合、反射波の受信信
号５（Ｘ）は波動の回折理論に基いて次式のように表わ
すことができる。

ここで、ｆ（ｓ）は被検体内の反射体の反射率の分布で
あり、画像として合成されるべきものである。ｈ（ｘ）
は超音波トランスデユーサ２により送受信される超音波
の伝搬系のインパルスレスポンスであり、その具体的な
形は回折理論に基いて求めることができる。Ｘは超音波
の走査方向に座標軸をとった場合の送受信点の位置を表
わす。

なお、超音波の伝搬経路は音響的に一様であると仮定す
る。（１）式の両辺をフーリエ変換すると、Ｓ（ω）−
Ｆ（ω）・Ｈ（ω）　　・・・（′２となる。ここで、
Ｓ、Ｆ、Ｈはそれぞれｓ、ｆ。

ｈのフーリエ変換を表わす。この（２式よりＦ（ω）−
８（ω）／Ｈ（ω）　　・・・（３）となり、両辺をフ
ーリエ逆変換することにより、次式のように反射率の分
布ｆｓ　　が求まる。

ｆ（ｓ）＝Ｆ［Ｓ（ω）／Ｈ（ω）］　・・・（４）但
し、Ｆ　［］は［］内の関数のフーリエ逆変換を表わす
。この（４）式は受信信号のフーリエ変換に超音波伝搬
系のインパルスレスポンスｈの逆数を乗じ、さらにフー
リエ逆変換することによってｆ（ｓ）が得られることを
示している。

すなわち、第３図に示すように被検体内の反射体におい
てｆ　（ｓ）なる反射率の分布をもって反射され、ざら
にＨ（ω）なるインパルスレスポンスの超音波伝搬系を
介して得られた受信信号Ｓ（ω）を、スペクトラムが１
／Ｈ（ω）である逆フィルタによりフィルタ処理するこ
とによって、ｆ（ｓ）が得られることがわかる。従って
、１／Ｈ（ω）をフーリエ変換したものをカーネルデー
タとし、これとホログラムデータとのコンボリューショ
ンを計算することによって、画像を再構成することがで
きる。このような処理は従来の開口合成法と異なり、超
音波伝搬系における位相変化だけでなく、振幅変化をも
考慮したものとなっているため、より高い方位分解能が
得られるわけである。

第４図は超音波伝搬系のインパルスレスポンスＨ（ω）
の−例と、逆フィルタに与えられるべき逆数のスペクト
ラム１／Ｈ（ω）を示したものである。ここで、超音波
伝搬系のインパルスレスポンスＨ（ω）は、被検体内部
のみのそれと考えてもよいが、超音波トランスデユーサ
２のそれを含めてもよく、さらには送信回路系（バルサ
２）や受信回路系（レシーバ４）の特性を含めてもよい
。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば
前記実施例では超音波による走査を電子走査により行な
ったが、平面振動子、凹面振動子。

凸面振動子等の種々の振動子を機械的に移動させること
によって走査する場合にも、本発明を適用することがで
きる。すなわち、振動子は第５図（ｂ）〜（ｄ）に示し
たような開口の大きいものに限らず、第５図＜ａ）に示
した点音源に近いような小さい開口のものでもよく、そ
の場合は方位分解能のさらなる向上が期待できる。

また、実施例では逆フィルタによるフィルタ処理をコン
ボリューションの計算によって行なったが、ディジタル
信号処理の分野で良く知られているように元の２つの関
数をフーリエ変換し、それらを乗じた後フーリエ逆変換
するというフィルタ処理を行なってもよい。

さらに、実施例では超音波伝搬系のインパルスレスポン
スの逆数のスペクトラムを持つ逆フィルタでフィルタ処
理を行なったが、この逆フィルタのスペクトラムにコサ
イン、ハミング等の窓関数を乗じたスペクトラムを持つ
フィルタによりフィルタ処理を行なっても、同様に方位
分解能の良好な画像を再構成することができる。すなわ
ち、フィルタ処理がコンボリューションの計算の場合を
例にとると、１／Ｈ（ω）をフーリエ逆変換したものに
代えて、１／Ｈ（ω）に窓関数Ｗ（ω）を乗じた後フー
リエ逆変換したものをカーネルデータとして用いて、コ
ンボリューションを計算するのである。

その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超音波画像装置の構成
を示すブロック図、第２図は同実施例における画像メモ
リおよび出力バッファメモリの構成を模式的に示す図、
第３図は本発明におけるフィルタ処理の概念を説明する
ための図、第４図は超音波伝搬系のインパルスレスポン
スの一例と逆フィルタに与えられるべき逆数のスペクト
ラムを示す図、第５図（ａ）〜（ｄ）は種々の開口の振
動子とそれらの振動子によって得られる超音波ビームパ
ターンを示す図である。 １・・・超音波トランスデユーサ、２・・・パルサ、３
・・・スキャンコントローラ、４・・・レシーバ、５・
・・位相検波器、６，７・・・Ａ／Ｄ変換器、８．９・
・・バッファメモリ、１０コンピユータ、１１・・・画
像メモリ、１２・・・出力バッファメモリ、１３・・・
タイミングコントローラ、１４・・・ＣＲＴモニタ、１
５・・・Ｄ／Ａ変換器、５１．５２・・・振動子。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１閃 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波を被検体に向けて送信する送信手段と、この手段
   により送信された超音波の前記被検体からの反射波を受
   信する受信手段と、これら送信手段および受信手段の送
   受信位置を移動させる手段と、前記受信手段により得ら
   れた受信信号に、前記送信手段から前記受信手段に至る
   超音波伝搬系のインパルスレスポンスを基に構成した逆
   フィルタによるフィルタ処理を施して生体内の画像を再
   構成する手段とを備えたことを特徴とする超音波画像装
   置。