WO2015025654A1 - 超音波撮像装置 - Google Patents

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WO2015025654A1
WO2015025654A1 PCT/JP2014/069113 JP2014069113W WO2015025654A1 WO 2015025654 A1 WO2015025654 A1 WO 2015025654A1 JP 2014069113 W JP2014069113 W JP 2014069113W WO 2015025654 A1 WO2015025654 A1 WO 2015025654A1
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WO
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transmission
phasing
delay
reception
data
Prior art date
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PCT/JP2014/069113
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English (en)
French (fr)
Inventor
貞一郎 池田
鱒沢　裕
慎太 高野
千鶴枝 石原
Original Assignee
日立アロカメディカル株式会社
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    • G01S7/52085—Details related to the ultrasound signal acquisition, e.g. scan sequences

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasound imaging technique for capturing an image in a subject using ultrasound.
  • the ultrasound imaging technique is a technique for non-invasively imaging the inside of a subject such as a human body using ultrasound (a sound wave not intended to be heard, generally a sound wave having a high frequency of 20 kHz or higher). It is.
  • aperture synthesis A brief explanation of aperture synthesis. First, a delay time is given to each of the reception signals of a plurality of elements constituting the ultrasonic probe, thereby focusing on a certain point and then obtaining a phasing signal obtained by addition. Aperture synthesis is performed by synthesizing and superimposing the phasing signal and the phasing signal obtained by one or more other transmissions / receptions at the same point.
  • Aperture synthesis can superimpose phasing signals obtained by transmitting and receiving ultrasonic probes from different directions to a point, giving high resolution of point images and robustness against inhomogeneities. It is expected. Furthermore, since the processing gain is improved by the superimposition processing, it is possible to perform transmission by thinning out the number of ultrasonic transmissions more than usual, and it can be applied to high speed imaging.
  • Patent Document 1 aims to obtain a tomographic image equivalent to the case of photographing from multiple directions while avoiding an increase in hardware and a decrease in frame rate.
  • the main reflection angle of the ultrasonic wave is obtained from the position of the ultrasonic element having the highest intensity among the reception signals of a plurality of ultrasonic elements, and the addition is performed after weighting the reception signal around the main reflection angle.
  • a technique for phasing is disclosed.
  • the first problem is to synthesize the phasing signal of the received signal obtained by aperture synthesis for each of a plurality of transmissions, that is, to synthesize the phasing signal between transmissions. If the error caused by (device) varies between transmissions, it is greatly affected. The inventor has found that the variation of the received signal error caused by the system between transmissions becomes an image error that cannot be ignored when generating an ultrasonic image by aperture synthesis. Variations in transmission of errors caused by the system vary between individual devices, and even in the same device, change due to aging degradation of the probe, failure of the analog transmission / reception circuit, and the like. Therefore, it is necessary to prepare a technique for eliminating the error of the received signal in the time direction between a plurality of transmissions.
  • the second problem is that, for high-speed imaging, aperture transmission was performed because there was less overlap between transmissions in the irradiated area of the transmitted ultrasonic waves when transmission was performed with the number of ultrasonic transmissions reduced than usual. In some cases, blocking noise occurs. This problem is more conspicuous in the focused transmission than in the diffuse transmission because the irradiation area is narrow near the transmission focal point, and an X-shaped blocking artifact occurs near the focal point. This problem can also be solved by reducing the variation in the received signal between transmissions, as in the first problem.
  • Patent Document 1 performs phasing by weighting and adding each received signal of a plurality of elements, and aperture synthesis processing for adding signals after phasing between a plurality of transmissions is performed. Absent.
  • An object of the present invention is to reduce variations in received signals between transmissions in aperture synthesis processing and to obtain highly accurate images.
  • the ultrasonic imaging apparatus includes a reception beamformer that performs aperture synthesis processing, and the reception beamformer delays and adds the reception signal for each transmission for each of one or more reception focal points, and phase adjusts the received signal.
  • Delay addition and phasing unit beam memory storing delay phasing data for each reception focus by delay addition phasing unit for each transmission, and the same reception focus among delay phasing data for each transmission stored in beam memory
  • an inter-transmission combiner that reads and combines the delayed phasing data.
  • the inter-transmission combiner weights the delayed phasing data for each transmission for the same reception focus by applying the respective weighting factors, and then combines them.
  • the present invention it is possible to reduce the variation of the received signal between transmissions by weighting in the aperture synthesis process, so that a highly accurate image can be obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a reception beam former of an ultrasonic imaging apparatus according to a first embodiment.
  • A The perspective view of the ultrasonic imaging device of 1st Embodiment
  • B The block diagram of the ultrasonic imaging device of 1st Embodiment.
  • Explanatory drawing for demonstrating the process of the delay addition phasing part 204 of FIG.
  • A Explanatory drawing explaining the delay phasing data of the beam memory 206 in FIG. 1,
  • C Explanatory drawing which shows the scanning line of an aperture synthetic
  • 5 is a flowchart showing the operation of the ultrasonic imaging apparatus according to the first embodiment.
  • (A) Explanatory diagram showing transmission beam overlap in low-speed imaging of spread transmission (b) Explanatory diagram showing transmission beam overlap in high-speed imaging of spread transmission, (c) Transmission beam overlap in low-speed imaging of focus transmission.
  • the perspective view of the ultrasonic imaging apparatus of 2nd Embodiment. 6 is a flowchart showing the operation of the ultrasonic imaging apparatus according to the second embodiment.
  • the block diagram which shows the structure of the reception beam former of the ultrasonic imaging apparatus of 4th Embodiment. 10 is a flowchart showing the operation of the ultrasonic imaging apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIGS. 1, 2A and 2B The ultrasonic imaging apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2A and 2B.
  • 1 is a block diagram of a part of the apparatus
  • FIG. 2A is a perspective view of the apparatus
  • FIG. 2B is a block diagram showing a schematic configuration of the entire apparatus.
  • the ultrasonic imaging apparatus of the first embodiment includes an ultrasonic element array 101 in which a plurality of ultrasonic elements 105 are arranged along a predetermined direction.
  • the transmission beam former 104 that transmits ultrasonic waves from at least a part (201, 202, 203) of the plurality of ultrasonic elements 105, and the reception that is output from the plurality of ultrasonic elements 105 that have received the ultrasonic waves from the subject 100.
  • the reception beamformer 108 is a beamformer that performs aperture synthesis processing. As shown in FIG. 1, the reception beamformer 108 includes a delay addition phasing unit 204 that delays and adds a received signal for each transmission for each of one or more reception focal points, and a delay addition phasing unit 204. A beam memory 206 that stores delay phasing data for each reception focus for each transmission, and a transmission that reads and synthesizes delay phasing data for the same reception focus among the delay phasing data for each transmission stored in the beam memory 206. And an inter-synthesis unit 205.
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 weights the delayed phasing data for each transmission with respect to the same reception focus by applying respective weighting factors, and then synthesizes. As a result, it is possible to suppress an error caused by the system (apparatus device) between transmissions, thereby causing an error in the delayed phasing data and an error that cannot be ignored in the signal after aperture synthesis. Therefore, an ultrasonic image with high resolution can be obtained by aperture synthesis. In addition, when performing high-speed imaging by thinning out the number of transmissions of ultrasonic waves than usual, artifacts caused by aperture synthesis can be prevented and high-resolution ultrasonic images can be obtained even if there is little overlap of irradiation areas between transmissions. Can do.
  • the ultrasonic imaging apparatus may include a weight memory 112 that stores a predetermined weight coefficient.
  • the inter-transmission combining unit 205 can read out the weighting coefficient from the weight memory and use it for weighting.
  • the ultrasonic imaging apparatus includes an ultrasonic probe 106, an apparatus main body 102, an image display unit 103, and a console 110.
  • a transmission beamformer 104 In the apparatus main body 102, as shown in FIG. 2B, a transmission beamformer 104, a transmission / reception separation circuit (T / R) 107, a reception beamformer 108, an image processing unit 109, and the operation thereof are controlled.
  • a control unit 111 is arranged.
  • the weight memory 112 is disposed in the control unit 111.
  • the reception beamformer 108 temporarily takes in the weighting coefficient used for the calculation from the weight memory 112 and stores it in addition to the above-described delay addition phasing unit 204, beam memory 206, and inter-transmission synthesis unit 205.
  • a weight table 601 and a frame memory 207 are provided.
  • the ultrasonic probe 106 includes the ultrasonic element array 101 shown in FIG.
  • the transmission beamformer 104 in FIG. 2B generates a transmission beam signal for generating an ultrasonic transmission beam.
  • the transmission beam signal is transferred to the ultrasonic probe 106 via the transmission / reception separation circuit 107.
  • the ultrasonic probe 106 delivers the transmission beam signal to the ultrasonic elements 105 of the ultrasonic element array 101.
  • the ultrasonic element 105 transmits ultrasonic waves toward the inside of the subject 100.
  • the echo signal reflected in the body is received by the ultrasonic element array 101 of the ultrasonic probe 106.
  • the received signal is subjected to phasing calculation processing and the like in the reception beam former 108 again through the transmission / reception separation circuit 107.
  • the delay addition phasing unit 204 processes a plurality of reception beams (beam # 1 to beam #M) in parallel from the reception data received by the ultrasonic element 105 in response to one ultrasonic transmission by the transmission beam former 104.
  • the reception beam refers to a set of a plurality of reception focal points arranged linearly in the depth direction.
  • # is used as a sign indicating a number (No.).
  • the number of reception beams (reception focus sets) is formed by one near the center of the transmission beam, or about 2 to 8 near the center (parallel beam forming).
  • the number is not limited to these, and any number may be formed within the directivity angle 10 of the ultrasonic element array 101.
  • a directivity angle of 10 for example, 90 °
  • 32, 64, 128, etc. reception beams may be generated in parallel.
  • the delay and addition phasing unit 204 generates a reception beam using a delay method when the center of the ultrasonic element array 101 is set to time zero.
  • the reception beam may be generated using a delay method (virtual sound source method) in which the transmission focal position is set to time zero.
  • the delay addition phasing unit 204 outputs the reception signal of the ultrasonic element 105 of the active channel of the ultrasonic element array 101. Each is delayed by applying a delay time represented by a delay curve 12a shown in FIG. Similarly, when phasing the reception signal for the reception focal point 11b, the reception signal is delayed by applying the delay time represented by the delay curve 12b. Further, when phasing is performed for the reception focal points 13a and 13b on the m-th reception beam (beam #m), the reception signals are applied by applying the delay times represented by the delay curves 14a and 14b in FIG. 3, respectively. Delay.
  • the delay addition phasing unit 204 adds the signals after delaying the received signals. Thereby, delay phasing data is obtained for one reception focus. By performing this calculation for all reception focal points set on the reception beam, a set of delay phasing data is obtained for one reception beam.
  • This operation is performed for all reception focal points on M reception beams (beam # 1 to beam #M), so that delay phasing data of the reception focal point of the sector area 15 can be generated. That is, an image of the fan-shaped region 15 (that is, a set of reception focal points) as an aggregate of M parallel reception beams is generated by a single transmission and reception of ultrasonic waves from the ultrasonic element array 101.
  • the shape of the aggregate of reception beams may be a fan shape or a reception beam shape in which the beam direction is selected in the normal vector direction of the surface layer of each ultrasonic element 105. Further, it may be an assembly of arbitrary plural beams that covers the range of the transmission beam transmitted by the ultrasonic element 105.
  • the ultrasonic element 105 has a linear shape arranged on a straight line, but may have a convex shape with a curved element arrangement.
  • the transmission beam scanning method may be a sector type.
  • the obtained delay phasing data of each reception focus is accumulated in the beam memory 206 for each reception beam from the delay addition phasing unit 204 through the inter-transmission synthesis unit 205. Therefore, in the beam memory 206, one image of the sector area 15 configured from the delayed phasing data of the reception focal points of the M reception beams is stored for each transmission / reception of the ultrasonic wave. Since the memory capacity of the beam memory 206 is finite, in order to store the delay phasing data of the received beam obtained by the new transmission / reception, the delay phasing data of the oldest received beam is deleted and updated. However, if you have enough memory to store the delayed phasing data from all transmissions and receptions during ultrasound imaging, you do not need to delete the old data, The phasing data is stored in the beam memory 206.
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 generates an aperture synthesized image by synthesizing the delay phasing data obtained for the reception focus at the same position by different transmissions among the delay phasing data stored in the beam memory 206.
  • ⁇ is used as a code representing a scanning line number
  • ⁇ is used as a code indicating a reception focus number
  • n is used as a code indicating a transmission (Tx) number.
  • the delay phasing data of the reception focus at the same position as the reception focus in the aperture synthesized image is read from the beam memory 206 and synthesized.
  • transmission numbers 1, 2,. .. In the fan-shaped area image obtained at N, the reception focal points 21, 22,... 23 at the same position as the s-th reception focal point 24 of the j-th scanning line of the aperture composite image are shown in FIG. As included.
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 reads out the delayed phasing data of the reception focal points 21, 22,... 23 from the beam memory 206 and synthesizes them.
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 weights and adds the delay phasing data between the transmissions as shown in FIG.
  • the delay phasing data for each transmission includes variations due to errors caused by the system (device) and block noise during high-speed imaging. Therefore, multiplication is performed as shown in the following equation (1), and calculation is performed. To solve this problem.
  • R (j, s) is delayed phasing data after synthesis of the s-th reception focus of the j-th scanning line of the aperture synthesized image
  • r (j, s, n) Is the delay phasing data obtained with the transmission number n, and is the delay phasing data of the reception focal point at the same position as R (j, s) of the aperture synthetic image.
  • w (j, s, n) represents a weighting factor for weighting the delay phasing data r (j, s, n), and is a weighting factor stored in the weighting table 601. That is, as the weighting coefficient w (j, s, n), individual weighting coefficients are set for each transmission number, scanning line number, and reception focus number.
  • the direction of the scanning line of the aperture synthetic image and the interval between the reception focal points may not correspond to the direction of the reception beam and the interval between the reception focal points calculated by the delay addition phasing unit 204.
  • the delay phasing data of the reception focus of the reception beam closest to the reception focus of the aperture synthetic image may be used as r (j, s, n) as it is, or linear interpolation such as bilinear interpolation.
  • r (j, s, n) may be obtained by interpolation calculation from the value of delayed phasing data at a position close to the reception focus of the aperture synthesized image. .
  • weight coefficients stored in the weight table 601 will be described with reference to FIG.
  • the present embodiment is characterized in that weight coefficients are prepared for each transmission for all reception focal points of all scanning lines 1 to J.
  • the table 601 includes a storage area that can store J values, which is the total number of scanning lines, and can store S ⁇ N weighting coefficient values. That is, in each table, the weights of the S reception focal points on one scanning line are stored for N transmissions. For example, as shown in FIG. 5 (a), the weighting factor for each transmission of 1 to N times for the s-th reception focus 61 of the second scanning line of the aperture composite image is the second weight in FIG. 5 (b). It is stored in row 62 of the scanning line weight table.
  • the weight table 601 does not necessarily have the configuration shown in FIG. 5B, and it is only necessary to store weight coefficients for the total number of transmissions, the total number of reception focal points, and the total number of scanning lines. Further, when the weight data in the weight table 601 is duplicated, the weight table 601 may have only a combination of weight data of the minimum data amount from which the duplicated amount is removed.
  • an optimal value is calculated in advance for each settable imaging condition so that variation due to the delay phasing data system and block noise during high-speed imaging are reduced. It is stored in the weight memory 112 in the unit 111.
  • the control unit 111 reads a table corresponding to the imaging conditions set on the console 110 by the operator from the weight memory 112 and stores the table in the weight table 601.
  • control unit 111 indicates a control signal indicating information on probe conditions, ultrasonic irradiation conditions, and aperture synthesis conditions in accordance with the imaging conditions. Is output.
  • the reception beamformer 108 receives the control signal (step S401).
  • control unit 111 selects a weight coefficient table corresponding to the above imaging condition, and downloads it to the weight table 601 in the reception beamformer 108 (step S402).
  • step S403 transmission / reception of ultrasonic waves is performed in the ultrasonic element array 101 (step S403).
  • the reception data received by the ultrasonic element 105 in one transmission is transmitted to the delay addition phasing unit 204, and the calculation of the delay phasing data of the reception focal points of a plurality of reception beams as described with reference to FIG. Done.
  • the obtained delay phasing data of the reception focal points of the plurality of reception beams is stored in the beam memory 206 (step S404).
  • steps S403 to S404 are repeated for each set of transmission and reception of ultrasonic waves.
  • the delay phasing data between a plurality of transmissions stored in the beam memory and the weight data in the weight table are sent to the inter-transmission combining unit 205 (steps S405 and S406).
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 obtains the delayed phasing data R (j, s) after the synthesis of the s-th reception focus of the scanning line number j of the aperture synthetic image as the transmission number.
  • the data r (j, s, n) at the same position as the reception focus (scanning line number j, reception focus number s) of the aperture composite image, which is the delay phasing data obtained at n, is transmitted number n.
  • the weighted delay phasing data similarly calculated with other transmission numbers is added and synthesized (step) S407).
  • the aperture synthetic image synthesized by the inter-transmission synthesizing unit 205 is stored in the frame memory 207 in the reception beamformer 108 (step S408). With the above process, the processing by the reception beamformer 108 is completed.
  • the frame data stored in the frame memory 207 is transmitted to the image processing unit 109.
  • the image processing unit 109 performs back-end image processing, generates an ultrasonic image (for example, a B-mode image), and outputs it to the image display unit 103 (step S409).
  • the image processing unit 109 uses the frame data sent from the frame memory 207 to perform nonlinear imaging images, contrast contrast images, continuous wave Doppler images, pulse Doppler images, color flow images, elastic wave images such as elastography, etc.
  • Various ultrasonic images can be generated and applications can be executed.
  • the weight values are downloaded from the control unit before the transmission / reception of all the ultrasonic waves.
  • the operation in step S ⁇ b> 402 may be performed immediately before step S ⁇ b> 406.
  • the block of step S402 is arranged between the blocks of steps S404 and S406 in FIG. 6, and the operations of steps S402 ⁇ S406 ⁇ S407 ⁇ S402 are repeated until one frame is completed.
  • the capacity of the weight data transferred to the weight table by one download process can be limited to a capacity necessary for the inter-transmission combining process in step S407.
  • the delay phasing data in which the signal intensity varies depending on the number of transmissions due to errors caused by the system and block noise during high-speed imaging is suppressed.
  • FIG. 8A shows the overlap of transmission beams in the case of low-speed imaging with spread transmission
  • FIG. 8B shows the overlap of transmission beams in the case of high-speed imaging with spread transmission
  • FIG. 8C shows the overlap of transmission beams in the case of low-speed imaging with low F value focus transmission (focusing transmission)
  • FIG. 8D shows the transmission in the case of high-speed imaging with low F value focus transmission.
  • the beam overlap is shown.
  • the overlapping of transmission beams is smaller than that in the case of low-speed imaging, and blocking artifacts are likely to be generated.
  • FIG. 8A shows the overlap of transmission beams in the case of low-speed imaging with spread transmission
  • FIG. 8B shows the overlap of transmission beams in the case of low-speed imaging with low F value focus transmission (focusing transmission)
  • FIG. 8D shows the transmission in the case of high-speed imaging with low F value focus transmission.
  • the delay phasing data can be multiplied by a weighting factor to reduce variation between transmissions. Blocking artifacts can be reduced.
  • the aperture synthesis processing of this embodiment is transmitted while shifting the positions of the active channels 201, 202, and 203 little by little as in the general aperture synthesis processing, as shown in FIG.
  • the reception focal points 21, 22,... 23 at the same position as the s-th reception focal point 24 of the scanning line number j are different positions (different prospective angles, different reception beam numbers) of the image of the fan-shaped region 15 obtained by each transmission. Exists. By synthesizing these data, it is possible to superimpose the delay phasing data transmitted / received while expecting the reception focal point 24 from different directions, so that the accuracy of the delay phasing data of the reception focal point 24 can be improved. .
  • FIG. 5C shows a weight table in the case where weighting is not performed between transmissions as in the prior art, but weighting is performed in the channel direction (arrangement direction of ultrasonic elements) and the depth direction. Since the weight table in FIG. 5C only needs to be a combination of the channel direction and the depth direction, only one two-dimensional memory space (table) is required.
  • FIG. 9 is a partial block diagram of the ultrasonic imaging apparatus according to the second embodiment
  • FIG. 10 is a perspective view of the entire apparatus.
  • the ultrasonic imaging apparatus according to the second embodiment has an input / output port 701 in the main body 102 for accepting rewriting from outside the weighting coefficient of the weight memory 112 or the weight table 601.
  • a weighting factor calculation unit 702 for calculating a weighting factor by calculation is arranged on the outside of the main body 102.
  • the weighting factor calculation unit 702 is connected to the weighting memory 112 or the weighting table 601 via the input / output port 701, and rewrites the weighting factor stored in the weighting memory 112 or the weighting table 601 with the weighting factor obtained by the calculation.
  • the weighting factor calculation unit 702 can receive delay phasing data for each transmission from the beam memory 206 and calculate a weighting factor.
  • the weighting factor calculation unit 702 is configured to include an adaptive engine 208 that obtains an adaptive weight as a weighting factor by performing adaptive processing on delay phasing data for each transmission.
  • a control unit 703 is disposed in the weighting coefficient calculation unit 702. The control unit 703 controls the operation of the adaptive engine 208 and the exchange of signals with the delay phasing data and the weighting factor main body 102 via the input / output port 701.
  • FIG. 11 shows an operation flow of the ultrasonic imaging apparatus of the present embodiment.
  • steps S505, S506, and S507 are performed instead of steps S406 and S407 of FIG. 6 of the first embodiment.
  • the other steps are the same as those described with reference to FIG. 6, and the description thereof will be omitted.
  • Steps S505, S506, and S507 will be described. If the delay phasing data is stored in the beam memory 206, the adaptive engine 208 receives the delay phasing data under the control of the control unit 111 and the control unit 703 (step S505).
  • the adaptation engine 208 uses the delay phasing data in the beam memory 206 to obtain the optimum adaptation weight corresponding to the variation between transmissions of the delay phasing data, and rewrites this adaptation weight with the weight coefficient in the weight table 601 (step S506).
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 reads the delay phasing data and the adaptive weight, weights the delay phasing data with the adaptive weight, and synthesizes between the transmissions (step S507).
  • the weight memory can be used in accordance with the difference in delay phasing data for each apparatus and the change over time of the apparatus.
  • the weighting coefficient in 112 can be updated to an optimum value.
  • the weighting factor calculation unit 702 is updating the weighting factor, the adjustment state, the progress of adjustment, and the like. It is also possible to display this display on an indicator 802 attached to the weighting factor calculation unit 702.
  • the weight coefficient calculation unit 702 is arranged outside the main body 102, and only needs to be connected to the main body 102 to rewrite the weight coefficients in the weight table 601 and update the weight memory 112. Therefore, the ultrasonic diagnostic imaging apparatus can be downsized as compared with the case where the weighting coefficient calculation unit 702 is arranged in the main body 102.
  • a single weighting factor calculation unit 702 can be reused by a plurality of ultrasonic image diagnostic apparatuses. This also makes it possible to perform a refresh operation by changing the weighting coefficient as part of the regular maintenance work of the apparatus when the apparatus characteristics change due to aging degradation of the probe, malfunction of the analog transmission / reception circuit, or the like.
  • step S506 in FIG. 11 a calculation method of calculation of adaptive weights (step S506 in FIG. 11) in the adaptive engine 208 will be described.
  • the procedure for obtaining the adaptive weight for the sth reception focus of the jth scanning line will be described below.
  • the input to the adaptive engine 208 is the delay phasing data r (j, s, 1), r (j, s, 2), ..., r (j, s, N) obtained by N transmissions.
  • the outputs from the adaptive engine 208 are weighting factors w (j, s, 1), w (j, s, 2),..., W (j, s, N).
  • the notation of j is omitted, and the input delay phasing data r (j, s, 1), r (j, s, 2), ..., r (j, s, N )
  • r (s) [r1 (s), r2 (s),..., RN (s)]
  • weight coefficients w (j, s, 1), w (j, s, 2)
  • the adaptation engine 208 creates a covariance matrix ⁇ (s) from the input vector r using the following equation (2).
  • * represents a conjugate complex number.
  • the adaptive weight vector w (s) by the MVDR (Minimum Variance Distortionless Response; Capon) method can be calculated from the following equation (4).
  • a is a steering vector, which is a gradient with respect to the direction of the input vector r (s), and is expressed as Expression (5) from the phase relationship of each transmission number n.
  • the method of calculating the adaptive weight is not limited to the MVDR method, and uses various weight generation processes such as the APES (Amplitude and Phase Estimation) method, the MUSIC (Multiple Signal Classification) method, and the ESMV (Eigenspace-MV) method.
  • w (s) may be calculated.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a partial configuration of the ultrasonic imaging apparatus according to the third embodiment
  • FIG. 13 is a perspective view of the apparatus and a diagram illustrating connection to a communication line.
  • the ultrasonic imaging apparatus of the third embodiment has a configuration similar to that of the apparatus of FIG. 9 of the second embodiment, but instead of the input / output port 701 of FIG.
  • a communication port 901 having a data conversion function for converting data is arranged in the main body 102.
  • a communication port 903 having a data conversion function is also arranged in the weighting factor calculation unit 702.
  • the weighting factor calculation unit 702 is disposed at a location away from the main body 102, the control signal, the delay phasing data, and the weighting factor data are exchanged by connecting the two via the communication line 902 or the network. Therefore, the updating operation of the weighting coefficient can be performed as in the second embodiment. Therefore, it is possible to perform the operation of updating the weighting coefficient stored in the weight memory 112 by remote control as part of periodic device maintenance by remote operation.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a partial configuration of the ultrasonic imaging apparatus according to the fourth embodiment
  • FIG. 15 shows an operation flow of the apparatus.
  • the ultrasonic imaging apparatus includes a weighting coefficient calculation unit 702 that calculates a weighting coefficient using delay phasing data for each transmission instead of the weight table of the apparatus of FIG. 1 according to the first embodiment. It is provided inside the reception beamformer 108.
  • the weighting factor calculation unit 702 includes an adaptive engine 208 that obtains an adaptive weight as a weighting factor by performing adaptive processing on the delay phasing data for each transmission. Further, the weight memory 112 is not arranged in the control unit 111.
  • the operation of the weighting factor calculation unit 702 including the adaptive engine 208 is the same as that of the weighting factor calculation unit 702 of the second embodiment.
  • step S402 is not performed and the weight coefficient
  • the calculation unit 702 receives delay phasing data directly from the beam memory 206.
  • the adaptive weight obtained by the adaptive engine 208 in steps S505 and S506 is directly transferred to the inter-transmission combining unit 205.
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 weights the delayed phasing data with the adaptive weight, and synthesizes between the transmissions (step S507).
  • the adaptive engine 208 can obtain the adaptive weight by calculation from the delay phasing data stored in the beam memory 206 at every aperture synthesis processing.
  • the inter-transmission synthesizer can weight and synthesize delayed phasing data using adaptive weights, and therefore can effectively reduce errors caused by the system and block noise during high-speed imaging. Therefore, a high-resolution ultrasonic image can be obtained.
  • the ultrasonic imaging apparatus of the fifth embodiment has the same configuration as that of the apparatus of FIG. 14 of the fourth embodiment, but as shown in FIG. 16, a degeneration unit 501 that degenerates delay phasing data for each transmission.
  • a degeneration unit 501 that degenerates delay phasing data for each transmission.
  • the weighting factor calculation unit 702 calculates a weighting factor using the delay phasing data reduced by the reduction unit 501. Thereby, the calculation amount of the adaptive engine 208 of the weight coefficient calculation unit 702 is reduced.
  • the degeneration unit 501 degenerates the delay phasing data of N transmissions from the beam memory 206 from N to M.
  • the delay phasing data of 16 transmissions is reduced to data equivalent to the delay phasing data of 4 transmissions.
  • the operation of the degeneration unit 501 will be further described. Consider a case where the degeneracy unit 501 reduces the delay phased data of the number of transmissions N to a data amount equivalent to the number of transmissions L (N> L).
  • the degeneration unit 501 first generates a partial vector r 1 ⁇ (s) having the number L of elements obtained by cutting out the length L portion of the vector r as shown in the following equation (6).
  • a degenerate transmission vector g (s) can be created as shown in the following equation (7).
  • the degeneration unit 501 inputs the signal vector g (s) having L elements to the inter-transmission combining unit 205 instead of the signal vector r (s) having N elements.
  • r l ⁇ (s) generated by the degeneration unit is input to the adaptive engine 208.
  • the adaptive engine 208 calculates a covariance matrix ⁇ ⁇ (s) (formula (8)) using a partial vector r l ⁇ (s) with L elements.
  • ⁇ ⁇ (s) represented by Equation (8) is a matrix having L ⁇ L elements.
  • adaptive engine 208 obtains weighting coefficient w ⁇ (s) having an element of L by Equation (9) and outputs it to inter-transmission combining section 205.
  • the inter-transmission synthesizing unit 205 performs inter-transmission synthesizing processing in a form in which the number of elements is degenerated from N to L by using w ⁇ and g instead of w and r in Expression (1). And the amount of calculation can be reduced to (L ⁇ 3) / (N ⁇ 3).

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Abstract

　開口合成処理において、送信間における受信信号のばらつきを低減し、高精度の画像を得る。　開口合成処理を行う受信ビームフォーマ１０７は、１送信ごとの受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部２０４と、遅延加算整相部２０４による受信焦点ごとの遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリ２０６と、ビームメモリに格納された送信ごとの遅延整相データのうち同一の受信焦点についての遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部２０５とを備えている。送信間合成部２０５では，同一の受信焦点についての送信ごとの遅延整相データにそれぞれ重み係数で重み付けした後、合成する。

Description

超音波撮像装置
　本発明は、超音波を用いて被検体内の画像を撮像する超音波撮像技術に関する。
　超音波撮像技術とは、超音波（聞くことを意図しない音波、一般的には２０ｋＨｚ以上の高周波数の音波）を用いて人体をはじめとする被検体の内部を非侵襲的に画像化する技術である。
　超音波撮像装置による超音波の送受信は、有限の開口径を持つアレイによって行われるため、開口部のエッジによる超音波の回折の影響を受け、方位角方向の分解能を向上させることが難しい。この問題は、無限に長いアレイを用意できれば解決できるが、現実的には実現は困難である。そのため近年では、方位角方向の分解能向上のために、チャンネルドメイン整相技術の検討が盛んに行われており、適応ビームフォーマや、開口合成などの新しい整相方式が盛んに報告されている。
　開口合成を簡単に説明する。まず、超音波探触子を構成する複数素子の受信信号にそれぞれ遅延時間を与えることにより、仮想的にある点について焦点を合わせた後、加算して得た整相信号を得る。この整相信号と同一点について他の１以上の送受信で得た整相信号とを合成し、重ね合わせることにより開口合成を行う。
　開口合成は、ある点に対して異なる方向から超音波探触子が送受信して得た整相信号を重ね合わせることができるため、点像の高解像度化、不均質に対する頑健性などを付与することが期待される。さらには、重ね合わせ処理により処理利得が向上するため、超音波の送信回数を通常よりも間引いた送信が可能となり、高速撮像にも応用できる。
　特許文献１の発明は、ハードウェアの増加やフレームレートの低下を回避しつつ、多方向から撮影した場合と同等の断層像を得ることを目的としている。特許文献１では、複数の超音波素子の受信信号のうち強度が最も大きな信号の超音波素子の位置から、超音波の主反射角を求め、主反射角を中心に受信信号を重み付けした後加算して整相する技術が開示されている。
特開２００４－２１５９８７号公報
　本発明においては、これまでの開口合成方式がもつ以下の二つの課題を解決する。
　第一の課題は、開口合成が複数の送信ごとに得た受信信号の整相信号を合成する、すなわち送信間で整相信号の合成を行うため，受信信号に含まれるシステム雑音等のシステム（機器）に起因する誤差が送信間でばらつく場合、その影響を大きく受けることである。発明者は，システムに起因する受信信号の誤差の送信間でのばらつきが、開口合成で超音波画像を生成する際に無視できない画像の誤差となることを見いだした。システムに起因する誤差の送信間でのばらつきは、装置個体によって異なり、また同じ装置においても，プローブの経年劣化，アナログ送受信回路の不具合などによって変化する。よって，複数送信間という時間方向の受信信号の誤差解消技術を用意する必要がある。
　第二の課題は、高速撮像のために、超音波の送信回数を通常よりも間引いた送信を行う場合、送信した超音波の照射領域の送信間の重なりが少なくなるため、開口合成を行った場合に、ブロッキングノイズが生じることである。この問題は、拡散送信よりも集束送信の方が、送信焦点付近で照射領域が狭まるため顕著であり、焦点付近でX字型のブロッキングアーチファクトが生じる。この課題も、本質的には第一の課題と同じように、送信間での受信信号のばらつきを低減することで解消することが可能である。
　これら第一および第二の課題は，送信間で合成を行わず，一送信ごとの受信信号で画像を生成する方法では顕在化してこなかった。なぜならば，チャンネル方向に受信信号を加算処理することにより、たとえ送受信のシステムに起因する誤差により送信間で受信信号のばらつきが発生していたとしても，最終的に超音波画像の中でその影響が現れてこないためである。
　特許文献１に開示されている技術は、複数素子の受信信号ごとに重み付けをして加算することにより整相するものであり、複数送信間で整相後信号を加算する開口合成処理は行っていない。
　本発明の目的は、開口合成処理において、送信間における受信信号のばらつきを低減し、高精度の画像を得ることにある。
　本発明の超音波撮像装置は、開口合成処理を行う受信ビームフォーマを有し、受信ビームフォーマは、１送信ごとの前記受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部と、遅延加算整相部による受信焦点ごとの遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリと、ビームメモリに格納された送信ごとの遅延整相データのうち同一の受信焦点についての遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部とを備えている。
　送信間合成部では，同一の受信焦点についての送信ごとの遅延整相データにそれぞれの重み係数をかけて重み付けした後、合成する。
　本発明によれば、開口合成処理において、送信間における受信信号のばらつきを重み付けにより低減することができるため、高精度の画像が得られる。
第１の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 （ａ）第１の実施形態の超音波撮像装置の斜視図、（ｂ）第１の実施形態の超音波撮像装置のブロック図。 図１の遅延加算整相部２０４の処理を説明するための説明図。 （ａ）図１のビームメモリ２０６の遅延整相データを説明する説明図、（ｂ）送信間合成部２０５が送信ごとの同一の受信焦点の遅延整相データを重み付け係数でそれぞれを重み付けする処理を示す説明図、（ｃ）開口合成画像の走査線を示す説明図。 （ａ）開口合成画像の走査線を示す説明図、（ｂ）重みテーブル６０１の構造を示す説明図、（ｃ）比較例の重みテーブルの構造を示す説明図。 第１の実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャート。 （ａ）送信ごとの遅延整相データの信号値のばらつきを示すグラフ、（ｂ）送信ごとの重み係数を示すグラフ、（ｃ）重み付け後の遅延整相データの信号値のばらつきを送信ごとに示すグラフ。 （ａ）拡散送信の低速撮像における送信ビームの重なりを示す説明図、（ｂ）拡散送信の高速撮像における送信ビームの重なりを示す説明図、（ｃ）フォーカス送信の低速撮像における送信ビームの重なりを示す説明図、（ｄ）フォーカス送信の高速撮像における送信ビームの重なりを示す説明図。 第２の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第２の実施形態の超音波撮像装置の斜視図。 第２の実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャート。 第３の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第３の実施形態の超音波撮像装置の斜視図。 第４の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの構成を示すブロック図。 第４の実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャート。 第５の実施形態の超音波撮像装置の受信ビームフォーマの一部構成を示すブロック図。
　本発明の一実施形態の超音波撮像装置について説明する。
　（第１の実施形態）
　第１の実施形態の超音波撮像装置について、図１、図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図１は、装置の一部のブロック図、図２（ａ）は装置の斜視図、図２（ｂ）は装置全体の概略構成を示すブロック図である。
　図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、第１の実施形態の超音波撮像装置は、所定の方向に沿って複数の超音波素子１０５を配列した超音波素子アレイ１０１と、複数の超音波素子１０５の少なくとも一部（２０１，２０２，２０３）から超音波を送信させる送信ビームフォーマ１０４と、被検体１００からの超音波を受信した複数の超音波素子１０５の出力する受信信号を整相する受信ビームフォーマ１０８と、受信ビームフォーマの出力する整相出力を用いて画像データを生成する画像処理部１０９とを有する。
　受信ビームフォーマ１０８は、開口合成処理を行うビームフォーマである。図１のように、受信ビームフォーマ１０８は、１送信ごとの受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部２０４と、遅延加算整相部２０４による受信焦点ごとの遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリ２０６と、ビームメモリ２０６に格納された送信ごとの遅延整相データのうち同一の受信焦点について遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部２０５とを備えている。
　送信間合成部２０５では，同一の受信焦点についての送信ごとの遅延整相データにそれぞれの重み係数をかけて重み付けした後、合成する。これにより、システム（装置の機器）に起因する誤差が送信間でばらつくことにより、遅延整相データに誤差が生じ、開口合成後の信号に無視できない誤差を生じることを抑制することができる。よって、解像度の高い超音波画像を開口合成により得ることができる。また、超音波の送信回数を通常よりも間引いて高速撮像を行う場合に、送信間の照射領域の重なりが少なくても、開口合成により生じるアーチファクトを防止し、解像度の高い超音波画像を得ることができる。
　超音波撮像装置は、あらかじめ定められた重み係数を格納した重みメモリ１１２を備える構成とすることができる。これにより、送信間合成部２０５は、重みメモリから重み係数を読み出して重み付けに用いることが可能になる。
　以下、第１の実施形態の超音波撮像装置をさらに具体的に説明する。
　図１および図２（ａ），（ｂ）を用いて超音波撮像装置の全体構成についてさらに説明する。
　図２（ａ）のように、超音波撮像装置は、超音波探触子１０６と、装置本体１０２と、画像表示部１０３と、コンソール１１０を備えている。装置本体１０２内には、図２（ｂ）のように送信ビームフォーマ１０４と、送受信分離回路（Ｔ／Ｒ）１０７と、受信ビームフォーマ１０８と、画像処理部１０９と、これらの動作を制御する制御部１１１が配置されている。重みメモリ１１２は、制御部１１１内に配置されている。
　受信ビームフォーマ１０８は、図１のように、上述の遅延加算整相部２０４、ビームメモリ２０６、送信間合成部２０５の他に、演算に用いる重み係数を重みメモリ１１２から一時的に取り込んで格納する重みテーブル６０１と、フレームメモリ２０７とを備えている。超音波探触子１０６は、図１に示した超音波素子アレイ１０１を備えている。
　図２（ｂ）の送信ビームフォーマ１０４は、超音波の送信ビームを生成するための送信ビーム用信号を生成する。送信ビーム用信号は、送受信分離回路１０７を経て、超音波探触子１０６に受け渡される。超音波探触子１０６は、超音波素子アレイ１０１の超音波素子１０５にそれぞれ送信ビーム用信号を受け渡す。超音波素子１０５は、超音波を被検体１００の体内に向けて送信する。体内で反射されたエコー信号は、超音波探触子１０６の超音波素子アレイ１０１により受信される。受信信号は、再び送受信分離回路１０７を経て受信ビームフォーマ１０８において整相演算処理等が施される。
　遅延加算整相部２０４が行う整相処理を図３を用いて説明する。遅延加算整相部２０４は、送信ビームフォーマ１０４による一回の超音波の送信に対して超音波素子１０５が受信する受信データから、複数の受信ビーム（beam　#1～beam　#M）を並列処理により生成する。本実施形態では、受信ビームとは、深さ方向に直線的に並べられた複数の受信焦点の集合を言う。明細書中および図面中において＃は、番号（No.)を意味する符号として用いている。一般的には、受信ビーム（受信焦点の集合）の本数は、送信ビームの中心付近の１本、または、中心付近の２～８本程度の数だけ形成される（パラレルビームフォーミング）。しかしながら、これらの本数に限定されるものではなく、超音波素子アレイ１０１の指向角１０内に、何本形成してよい。指向角１０（例えば９０°）内に、３２本，６４本，１２８本等の受信ビームを並列に生成しても良い。
　ここでは一例として、超音波素子アレイ１０１の中心を時刻ゼロとした場合の遅延法を用いて、遅延加算整相部２０４が受信ビームを生成する場合について説明する。なお、送信焦点位置を時刻ゼロとするような遅延法（仮想音源法）を用いて受信ビームを生成しても良い。
　図３において２番目の受信ビーム（beam　#2)の受信焦点１１ａについて受信信号を整相する場合，遅延加算整相部２０４が超音波素子アレイ１０１のアクティブチャンネルの超音波素子１０５の受信信号のそれぞれに、図３に示す遅延カーブ１２ａで表される遅延時間を適用して遅延させる。同様に、受信焦点１１ｂについて受信信号を整相する場合には、遅延カーブ１２ｂで表される遅延時間を適用して受信信号を遅延させる。また、ｍ番目の受信ビーム（beam　#m）の上の受信焦点１３ａ，１３ｂについて整相を行う場合には，それぞれ図３の遅延カーブ１４ａ，１４ｂで表される遅延時間を適用して受信信号を遅延させる。
　遅延加算整相部２０４は、受信信号をそれぞれ遅延させた後、加算する。これにより、一つの受信焦点について遅延整相データが得られる。この演算を受信ビーム上に設定した全ての受信焦点について行うことにより、一つの受信ビームについて、遅延整相データの集合が得られる。
　この演算を、Ｍ本の受信ビーム（beam　#1～beam　#　M）上の全ての受信焦点について行うことにより、扇形領域１５の受信焦点の遅延整相データを生成することができる。すなわち、超音波素子アレイ１０１からの一回の超音波の送信および受信によって、Ｍ本の並列な受信ビームの集合体としての扇形領域１５の像（すなわち、受信焦点の集合）が生成される。なお受信ビームの集合体の形状は、扇型形状であっても、超音波素子１０５それぞれの表層面の法線ベクトル方向にビーム方向を選んだような受信ビーム形状であっても良い。また、超音波素子１０５が送信する送信ビームの範囲内を網羅するような任意の複数ビームの集合体であってもよい。また、図３においては超音波素子１０５は直線上に配置されたリニア型の形状であるが、素子配置が湾曲したコンベックス形状であってもよい。また、送信ビームの走査方式がセクタ型であっても良い。
　求められた各受信焦点の遅延整相データは、遅延加算整相部２０４から送信間合成部２０５を通して受信ビームごとにビームメモリ２０６に蓄積される。よって、ビームメモリ２０６内には、超音波の送受信ごとに、Ｍ本の受信ビームの受信焦点の遅延整相データから構成される扇形領域１５の像が、1つ蓄えられる。ビームメモリ２０６のメモリ量は有限であるため、新しい送受信で得た受信ビームの遅延整相データを蓄えるために、最も時間が古い受信ビームの遅延整相データを消去して更新する構成とする。ただし、超音波撮像を行っている時間中のすべての送受信で得た遅延整相データを蓄えるのに十分なメモリ量を持っている場合には、古いデータを消去する必要はなく、全ての遅延整相データをビームメモリ２０６内に蓄える。
　次に、送信間合成部２０５の動作を図４を用いて説明する。送信間合成部２０５は、ビームメモリ２０６に蓄えられた遅延整相データのうち、異なる送信で同じ位置の受信焦点について得た遅延整相データを合成することで、開口合成画像を生成する。
　まず、最終的に形成したい開口合成画像を、図４（ｃ）のように定める。図４（ｃ）の開口合成画像は、Ｊ本の走査線(Scan　line　#1　～　Scan　line　#J)から構成される。それぞれの走査線は、深さ方向にＳ個の受信焦点（σ=1,2,・・・S）を含む。なお、明細書および図４において、φは、走査線番号を表す符号として、σは、受信焦点の番号を表す符号として、ｎは、送信（Ｔｘ）の番号を示す符号として用いている。
　この開口合成画像中の受信焦点と同一の位置の受信焦点の遅延整相データをビームメモリ２０６から読み出して合成する。例えば、開口合成画像の走査線の方向および受信焦点の間隔が、遅延加算整相部２０４で計算される受信ビームの方向と受信焦点の間隔にそれぞれ対応している場合、送信番号１，２・・・Ｎで得られた扇形領域の像には、開口合成画像のｊ番目の走査線のｓ番目の受信焦点２４と同一位置の受信焦点２１，２２・・・２３が図４（ａ）のように含まれる。送信間合成部２０５は、ビームメモリ２０６から受信焦点２１，２２・・・２３の遅延整相データをそれぞれ読み出して合成する。
　本実施形態では、遅延整相データの合成の際に、図４（ｂ）のように送信間合成部２０５が、送信間の遅延整相データを重み付けして加算する。送信ごとの遅延整相データには、システム（機器）に起因する誤差によるばらつきや、高速撮像時のブロックノイズが存在するため、下記式（１）のように重みを乗じて、演算を行い合成することにより、この問題を解消する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、式（１）において、Ｒ（ｊ，ｓ）は、開口合成画像のｊ番目の走査線のｓ番目の受信焦点の合成後の遅延整相データであり、ｒ（ｊ，ｓ，ｎ）は、送信番号ｎで得られた遅延整相データであって、開口合成画像のＲ（ｊ，ｓ）と同一の位置にある受信焦点の遅延整相データである。ｗ（ｊ，ｓ，ｎ）は、遅延整相データｒ（ｊ，ｓ，ｎ）に重み付けする重み係数を表し、重みテーブル６０１に格納されている重み係数である。すなわち、重み係数ｗ（ｊ，ｓ，ｎ）は、送信番号、走査線番号および受信焦点番号ごとに個別の重み係数が設定されている。
　なお、開口合成画像の走査線の方向および受信焦点の間隔は、遅延加算整相部２０４で計算される受信ビームの方向と受信焦点の間隔にそれぞれ対応しない場合もある。このような場合には、開口合成画像の受信焦点に最も近い受信ビームの受信焦点の遅延整相データをそのままｒ（ｊ，ｓ，ｎ）として用いてもよいし、バイリニア補間のような線形補間、もしくはバイキュービック補間のような非線形補間を利用して、開口合成画像の受信焦点に近い位置の遅延整相データの値からｒ（ｊ，ｓ，ｎ）を補間演算により求めて用いても良い。
　つぎに、図５を用いて重みテーブル６０１に格納される重み係数について説明する。本実施形態では、全ての走査線１～Ｊの全ての受信焦点について、送信ごとに重み係数を用意することに特徴がある。
　開口合成画像の走査線の総数がＪ本、１本の走査線上の受信焦点の数がＳ個、一つの開口合成に用いる送信回数がＮ回である場合、図５（ａ）のように重みテーブル６０１は、Ｓ×Ｎ個の重み係数の値を格納可能なテーブルを、走査線の総数であるＪ個格納可能な記憶領域を備えている。すなわち、一つのテーブルには、一つの走査線上のＳ個の受信焦点のそれぞれの重みが、Ｎ回の送信回数の分だけ格納されている。例えば、図５（ａ）のように開口合成画像の２番目の走査線のｓ番目の受信焦点６１についての１回～Ｎ回の送信ごとの重み係数は，図５（ｂ）の２番目の走査線の重みテーブルの行６２に格納されている。
　なお、重みテーブル６０１は、必ずしも図５（ｂ）の構成でなくてもよく、全送信回数，全受信焦点数および全走査線数について、それぞれ重み係数が格納できればよい。また、重みテーブル６０１内の重みデータが重複する場合にはその重複した分を取り除いた最小データ量の重みデータの組合せだけをもつような重みテーブル６０１であっても良い。
　重みテーブル内の重み係数は、設定可能な撮像条件ごとに、遅延整相データのシステムに起因するばらつきや、高速撮像時のブロックノイズが低減されるように最適な値を予め求めておき、制御部１１１内の重みメモリ１１２に格納しておく。制御部１１１は、操作者がコンソール１１０に設定した撮像条件に対応するテーブルを重みメモリ１１２から読み出して、重みテーブル６０１に格納する。
　つぎに、図６を用いて，本発明の超音波撮像装置の動作フローを説明する。
　まず，装置の操作者（術者・検者）がコンソール１１０に撮像条件を入力すると、その撮像条件に従って，制御部１１１がプローブ条件・超音波照射条件・開口合成条件、の情報を示す制御信号を出力する。受信ビームフォーマ１０８が上記制御信号を受け取る（ステップＳ４０１）。
　次に，制御部１１１は，上記の撮像条件に対応する重み係数のテーブルを選択し、受信ビームフォーマ１０８中の重みテーブル６０１にダウンロードする（ステップＳ４０２）。
　次に、超音波素子アレイ１０１において超音波の送受が行われる（ステップＳ４０３）。一回の送信で超音波素子１０５が受信した受信データは、遅延加算整相部２０４に伝達され，図３を用いて説明したような複数の受信ビームの受信焦点の遅延整相データの演算が行われる。求められた複数の受信ビームの受信焦点の遅延整相データは、ビームメモリ２０６に格納される（ステップＳ４０４）。
　上記のステップＳ４０３からＳ４０４のプロセスは，超音波の送信１回と受信１回のセットごとに繰り返して行われる。
　次に，ビームメモリに蓄えられた複数送信間の遅延整相データと、重みテーブル内の重みデータは、送信間合成部２０５に送られる（ステップＳ４０５，Ｓ４０６）。
　送信間合成部２０５においては、図４を用いて説明したように、開口合成画像の走査線番号ｊのｓ番目の受信焦点の合成後の遅延整相データＲ（ｊ，ｓ）を、送信番号ｎで得られた遅延整相データであって、開口合成画像の受信焦点（走査線番号ｊ、受信焦点番号ｓ）と同一の位置にあるデータｒ（ｊ，ｓ，ｎ）を、送信番号ｎ、走査線番号ｊ、受信焦点番号ｓの重み係数ｗ（ｊ，ｓ，ｎ）によって重み付けした後、他の送信番号で同様に演算した重み付け後の遅延整相データと加算して合成する（ステップＳ４０７）。
　送信間合成に関する３つのステップＳ４０５，Ｓ４０６，Ｓ４０７を，１フレームの開口合成画像の全て（Ｊ×Ｓ個）の受信焦点について繰り返す。
　送信間合成部２０５で合成された開口合成画像は、受信ビームフォーマ１０８内のフレームメモリ２０７に蓄えられる（ステップＳ４０８）。以上のプロセスで、受信ビームフォーマ１０８による処理が完了する。
　フレームメモリ２０７中に蓄えられたフレームデータは、画像処理部１０９に送信される。画像処理部１０９はバックエンドの画像処理を行い、超音波画像（例えばＢ－モード画像）を生成して画像表示部１０３に出力する（ステップＳ４０９）。また、画像処理部１０９では、フレームメモリ２０７から送られてきたフレームデータを用いて，非線形撮像画像，造影コントラスト画像，連続波ドプラ画像，パルスドプラ画像，カラーフロー画像、エラストグラフィなどの弾性波画像など様々な超音波画像の生成やアプリケーションの実行を行うことができる。
　また、図６においては、制御部からの重み値のダウンロードは、全ての超音波の送信・受信の前にダウンロードされているが、ステップＳ４０２の動作は、ステップＳ４０６の直前に行われてもよく、送信間の合成処理の1回毎に行われても良い。その場合、ステップＳ４０２のブロックは、図６のステップＳ４０４とＳ４０６のブロックの間に配置され、ステップＳ４０２→Ｓ４０６→Ｓ４０７→Ｓ４０２の動作が、１フレーム完成まで繰り返される。また、この場合、重みテーブルに１回のダウンロード処理で転送される重みデータの容量は、ステップＳ４０７の送信間合成処理で必要なだけの容量に限ることができる。
　本実施形態によれば、図７（ａ）のように、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズによって送信回数ごとの信号強度にばらつきのある遅延整相データに、これを抑制するように予め定められた重み係数（図７（ｂ））を乗じることにより、送信間でのばらつきを低減する（図７（ｃ））。よって、重み係数を乗じた後の遅延整相データを加算することにより、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを低減した合成結果を得ることができる。
　図８（ａ）は、拡散送信で低速撮像の場合の送信ビームの重なりを示し、図８（ｂ）は、拡散送信で高速撮像の場合の送信ビームの重なりを示している。図８（ｃ）は、低いF値のフォーカス送信（集束送信）で低速撮像の場合の送信ビームの重なりを示し、図８（ｄ）は、低いF値のフォーカス送信で高速撮像の場合の送信ビームの重なりを示している。図８（ｂ）、（ｄ）の高速撮像の場合、送信ビーム同士の重なりが、低速撮像の場合よりも少なく、ブロッキングアーチファクトが生成されやすい。特に、図８（ｄ）のフォーカス送信で高速撮像の場合には、焦点付近で送信ビーム同士の重なり少なく、顕著なブロッキングアーチファクトとして現れる。図８（ｂ）、（ｄ）のような高速撮像の場合であっても、本実施形態によれば、遅延整相データに重み係数を乗じて、送信間のばらつきを低減することができるため、ブロッキングアーチファクトを低減することができる。
　また、本実施形態の開口合成処理は、一般的な開口合成処理と同様に、図４のようにアクティブチャンネル２０１、２０２，２０３の位置を少しずつずらしながら送信しているため、開口合成画像の走査線番号ｊのｓ番目の受信焦点２４と同一位置の受信焦点２１，２２・・・２３は、各送信で得た扇型領域１５の像の異なる位置（異なる見込み角度、異なる受信ビーム番号）に存在する。これらのデータを合成することによって、受信焦点２４を異なる方向から見込んで送信・受信した遅延整相データを重ね合わせることができるため、受信焦点２４の遅延整相データの精度を向上させることができる。
　（比較例１）
　比較例として、従来技術のように、送信間では重み付けを行わず、チャンネル方向（超音波素子の並び方向）と深さ方向に重み付けを行う場合の重みテーブルを図５（ｃ）に示す。図５（ｃ）の重みテーブルは、チャンネル方向と深さ方向の組み合わせのみでよいため、二次元のメモリ空間（テーブル）が一つのみでよい。
　したがって、比較例の重みテーブルでは、図７（ａ）のように送信ごとに遅延整相データの信号強度にばらつきがある場合であっても、これを補正することができないため、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを低減した合成結果を得ることはできない。
　（第２の実施形態）
　図９、図１０を用いて第２の実施形態の超音波撮像装置について説明する。
　図９は、第２の実施形態の超音波撮像装置の一部のブロックであり、図１０は、装置全体の斜視図である。第２の実施形態の超音波撮像装置は、重みメモリ１１２または重みテーブル６０１の重み係数の外部から書き換えを受け付けるための入出力ポート７０１を本体１０２に有する。本体１０２の外側には、重み係数を演算により求める重み係数演算部７０２が配置されている。重み係数演算部７０２は、入出力ポート７０１を介して重みメモリ１１２または重みテーブル６０１に接続され、重みメモリ１１２または重みテーブル６０１に格納されている重み係数を、演算により求めた重み係数に書き換える。
　重み係数演算部７０２は、ビームメモリ２０６から送信ごとの遅延整相データを受け取って重み係数を演算する構成にすることができる。例えば、重み係数演算部７０２は、送信ごとの遅延整相データを適応処理することにより、重み係数として適応重みを求める適応エンジン２０８を備える構成にする。重み係数演算部７０２には、適応エンジン２０８の他に制御部７０３が配置されている。制御部７０３は、適応エンジン２０８の動作の制御および入出力ポート７０１を介した遅延整相データや重み係数の本体１０２との信号のやり取りの制御を行う。
　図１１に本実施形態の超音波撮像装置の動作フローを示す。図１１の動作フローは、第１の実施形態の図６のステップＳ４０６、Ｓ４０７に替えて、ステップＳ５０５，Ｓ５０６、Ｓ５０７が行われる。他のステップは図６の説明と同様であるので説明を省略し、ステップＳ５０５，Ｓ５０６、Ｓ５０７について説明する。遅延整相データがビームメモリ２０６に格納されたならば、制御部１１１および制御部７０３の制御の下で、適応エンジン２０８が遅延整相データを受け取る（ステップＳ５０５）。適応エンジン２０８は、ビームメモリ２０６の遅延整相データを用いて、遅延整相データの送信間のばらつきに対応した最適な適応重みを求め、この適応重みを重みテーブル６０１の重み係数と書き換える（ステップＳ５０６）。送信間合成部２０５は、遅延整相データと適応重みを読み込んで、遅延整相データを適応重みで重み付けし、送信間で合成する（ステップＳ５０７）。
　これにより、遅延整相データに応じた重み係数を用いて、遅延整相データの送信間のばらつきをより効果的に低減することができる。よって、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを低減した高解像度の超音波画像を生成することができる。
　また、求めた適応重みを、その時の撮像条件に対応させて重みメモリ１１２に格納していくことにより、装置ごとの遅延整相データのばらつきの差異や装置の経時変化に対応して、重みメモリ１１２内の重み係数を最適な値に更新していくことができる。なお、更新時には、画像表示部１０８に、重み係数演算部７０２により重み係数を更新中であることや、調整状態、調整の進捗などを表示することも可能である。また、この表示を重み係数演算部７０２に取り付けたインジケータ８０２に表示することも可能である。
　本実施形態の重み係数演算部７０２は、本体１０２の外部に配置され、必要な時だけ、本体１０２に接続して、重みテーブル６０１の重み係数の書き換え、重みメモリ１１２の更新を行えばよい。よって、本体１０２内に重み係数演算部７０２を配置する場合と比較して、超音波画像診断装置を小型化することができる。また、複数の超音波画像診断装置で１台の重み係数演算部７０２を使い回すことができるというメリットもある。また、これにより、プローブの経年劣化，アナログ送受信回路の不具合などによって装置特性が変化する場合に、重み係数を変えることによるリフレッシュ動作を、装置の定期的なメンテナンス作業の一環として行う事ができる。
　次に、適応エンジン２０８における適応重みの計算（図１１のステップＳ５０６）の演算方法について説明する。以下，ｊ番目の走査線のｓ番目の受信焦点に対して適応重みを求める手順を説明する。
　適応エンジン２０８への入力は、N回の送信で得た遅延整相データｒ(j,s,1),ｒ(j,s,2),…,ｒ(j,s,N)である。また適応エンジン２０８からの出力は，重み係数ｗ(j,s,1),ｗ(j,s,2),…,ｗ(j,s,N)である。以下、説明を簡単にするために、jの表記は省き、入力される遅延整相データr(j,s,1),r(j,s,2),…,r(j,s,N)をベクトルｒ(s)=[r1(s),r2(s),…,rN(s)]とし，重み係数ｗ(j,s,1),ｗ(j,s,2),…,ｗ(j,s,N)をベクトルｗ(s)=[r1(s),r2(s),…,rN(s)]と表す。
　適応エンジン２０８は、入力ベクトルｒから共分散行列Γ(s)を以下の式（２）を用いて作成する。なお、式（２）において＊は、共役複素数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、ベクトルｒの入力を時間サンプル方向に－Ｔ≦ｓ≦Ｔの２Ｔ＋１点の時間幅を持って入力することも可能であり、その場合アンサンブル平均をとることで、共分散行列Γ（ｓ）は以下の式（３）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　これらの共分散行列を用いて、たとえばＭＶＤＲ（Minimum　Variance　Distortionless　Response;　Capon）法による適応重みベクトルｗ(s)は、以下の式（４）から計算できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）において、ａはステアリングベクトルであり，入力されるベクトルｒ(s)の方向に対する傾きであり，各送信番号ｎの位相関係から，式（５）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）において、θは，位相周りが各送信番号間でゼロである場合をθ＝０としたときの位相シフト量を表し，ｆは超音波の周波数である。一般的にθ＝０として考えると，a＝[1,1,…,1]と全ての要素が1のベクトルで表現することができ，このベクトルをステアリングベクトル方向とする。
　適応エンジン２０８においては、以上のプロセスから，送信番号１～Ｎに対応する重みベクトルｗ(s)=[r1(s),r2(s),…,rN(s)]を算出することができる（Ｓ５０６）。
　なお、適応重みの演算方法は、ＭＶＤＲ法に限られるものではなく、ＡＰＥＳ（Amplitude　and　Phase　Estimation）法，ＭＵＳＩＣ（Multiple　Signal　Classification）法，ＥＳＭＶ(Eigenspace－ＭＶ）法など各種重み生成プロセスを用いてｗ(s)を算出しても構わない。
　また，ここで説明した適応重みの演算方法を用いて，第１の実施形態の重みメモリ１１２に格納する重み係数を超音波撮像条件ごとに計算することが可能である。
　（第３の実施形態）
　図１２、図１３を用いて第３の実施形態の超音波撮像装置について説明する。図１２は、第３の実施形態の超音波撮像装置の一部構成を示すブロック図であり、図１３は、装置の斜視図と通信回線に接続されることを示す図である。
　図１２のように、第３の実施形態の超音波撮像装置は、第２の実施形態の図９の装置と似た構成であるが、図９の入出力ポート７０１に替えて、データを通信データに変換するためのデータ変換機能を備えた通信ポート９０１を本体１０２に配置している。また、重み係数演算部７０２にもデータ変換機能を備えた通信ポート９０３を配置している。
　これにより、本体１０２から離れた場所に重み係数演算部７０２が配置されていても、通信回線９０２やネットワークを介して両者を接続して、制御信号、遅延整相データおよび重み係数データをやり取りすることができるため、第２の実施形態と同様に重み係数の更新動作を行うことができる。よって、リモート制御で、重みメモリ１１２に格納されている重み係数を更新する動作を、遠隔操作による定期的な装置メンテナンスの一環として行うことが可能である。
　（第４の実施形態）
　図１４、図１５を用いて第４の実施形態の超音波撮像装置について説明する。図１４は第４の実施形態の超音波撮像装置の一部構成を示すブロック図であり、図１５は、装置の動作フローを示す。
　第４の実施形態の超音波撮像装置は、第１の実施形態の図１の装置の重みテーブルに替えて、送信ごとの遅延整相データを用いて重み係数を演算する重み係数演算部７０２を受信ビームフォーマ１０８の内部に備えている。重み係数演算部７０２は、送信ごとの遅延整相データを適応処理することにより、重み係数として適応重みを求める適応エンジン２０８を備えている。また、制御部１１１内には、重みメモリ１１２は配置されていない。
　適応エンジン２０８を備えた重み係数演算部７０２の動作は、第２の実施形態の重み係数演算部７０２と同様である。
　図１５を用いて、超音波撮像装置の動作について説明する。図１５からわかるように、装置の動作フローは、第３の実施形態の図１１の動作フローと似ているが、重みメモリ１１２および重みテーブル６０１を備えないため、ステップＳ４０２を行わず、重み係数演算部７０２は、ビームメモリ２０６から直接遅延整相データを受け取る。また、ステップＳ５０５，Ｓ５０６により適応エンジン２０８が求めた適応重みは、直接送信間合成部２０５に受け渡す。送信間合成部２０５は、遅延整相データを適応重みで重み付けし、送信間で合成する（ステップＳ５０７）。
　これにより、開口合成処理のたびに、ビームメモリ２０６に格納された遅延整相データから適応エンジン２０８が適応重みを演算により求めることができる。送信間合成部は、適応重みを用いて遅延整相データを重み付けして合成することができるため、システムに起因する誤差や高速撮像時のブロックノイズを効果的に低減できる。よって、高解像度の超音波画像を得ることができる。
　（第５の実施形態）
　第５の実施形態の超音波撮像装置について、図１６を用いて説明する。
　第５の実施形態の超音波撮像装置は、第４の実施形態の図１４の装置と同様の構成であるが、図１６に示すように、送信ごとの遅延整相データを縮退させる縮退部５０１を有する。重み係数演算部７０２は、縮退部５０１が縮退させた遅延整相データを用いて重み係数を演算する。これにより、重み係数演算部７０２の適応エンジン２０８の演算量を低減する。
　例えば、縮退部５０１は、ビームメモリ２０６からのＮ回の送信の遅延整相データをＮ→Ｍに縮退させる。例えば、１６回の送信の遅延整相データを４回の送信の遅延整相データと等価なデータに低減させる。これにより、適応エンジン２０８における逆行列計算の計算時間が（４＾３）＝６４倍高速化され、実装規模を大幅に低減させることができる。これにより、装置のコストを低減することができる。
　縮退部５０１の動作をさらに説明する。縮退部５０１が、送信回数Ｎの遅延整相データを送信回数Ｌ（Ｎ＞Ｌ）と同等のデータ量に低減する場合を考える。
　縮退部５０１では，まず以下の式（６）のようにベクトルｒのうち長さＬの部分を切り出した要素数Ｌの部分ベクトルｒｌ＾(s)を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　次にこの部分ベクトルを全て平均すると以下の式（７）のように，縮退した送信間ベクトルｇ(s)を作ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　これにより、縮退部５０１は、Ｎ個の要素をもつ信号ベクトルｒ(s)の代わりに，Ｌ個の要素を持つ信号ベクトルｇ(s)を送信間合成部２０５に入力する。また，適応エンジン２０８には，縮退部で生成したｒｌ＾(s)を入力する。
　適応エンジン２０８では，要素数Ｌの部分ベクトルｒｌ＾(s)を用いた共分散行列Γ＾(s)（式（８））を演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（８）で表されるΓ＾(s)は，Ｌ×Ｌの要素を持つ行列となっている。この縮退した共分散行列Γ＾(s)を用いて，適応エンジン２０８では，Ｌの要素を持つ重み係数ｗ＾(s)を式（９）により求め，送信間合成部２０５へ出力する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　このように，送信間合成部２０５においては，式（１）のｗとｒに替えて，ｗ＾とｇを用いることにより、要素数をＮからＬに縮退した形で送信間合成処理を行うことができ，演算量を（Ｌ^３）／（Ｎ^３）に低減することができる。
１００　被検体
１０１　超音波素子アレイ
１０２　超音波撮像装置本体
１０３　画像表示部
１０４　送信ビームフォーマ
１０６　超音波探触子
１０７　送受信分離回路（Ｔ／Ｒ）
１０８　受信ビームフォーマ
１０９　画像処理部
１１０　コンソール
１１１　制御部
６０１　重みテーブル

Claims (11)

  1. 　所定の方向に沿って複数の超音波素子を配列した超音波素子アレイと、前記複数の超音波素子の少なくとも一部から超音波を送信させる送信ビームフォーマと、被検体からの超音波を受信した前記複数の超音波素子の出力する受信信号を整相する受信ビームフォーマと、前記受信ビームフォーマの出力する整相出力を用いて画像データを生成する画像処理部とを有し、
    　前記受信ビームフォーマは、開口合成処理を行うビームフォーマであり、１送信ごとの前記受信信号を１以上の受信焦点のそれぞれについて遅延および加算して整相する遅延加算整相部と、前記遅延加算整相部による前記受信焦点ごとの前記遅延整相データを送信ごとに格納するビームメモリと、前記ビームメモリに格納された送信ごとの前記遅延整相データのうち同一の前記受信焦点についての遅延整相データを読み出して合成する送信間合成部とを有し，
    　前記送信間合成部では，同一の前記受信焦点についての送信ごとの遅延整相データをそれぞれ重み係数で重み付けした後、合成することを特徴とする超音波撮像装置。
  2. 　請求項１に記載の超音波撮像装置において、あらかじめ定められた重み係数を格納した重みメモリをさらに有し、前記送信間合成部は、前記重みメモリから前記重み係数を読み出して重み付けに用いることを特徴とする超音波撮像装置。
  3. 　請求項２に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数の書き換えを受け付けるためのポートをさらに有することを特徴とする超音波撮像装置。
  4. 　請求項３に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数を演算により求める重み係数演算部をさらに有し、前記重み係数演算部は、前記ポートを介して前記重みメモリに接続され、前記重みメモリに格納されている前記重み係数を、演算により求めた重み係数に書き換えることを特徴とする超音波撮像装置。
  5. 　請求項４に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。
  6. 　請求項５に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。
  7. 　請求項６に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを適応処理することにより、前記重み係数として適応重みを求めることを特徴とする超音波撮像装置。
  8. 　請求項１に記載の超音波撮像装置において、送信ごとの前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算する重み係数演算部をさらに有することを特徴とする超音波撮像装置。
  9. 　請求項８に記載の超音波撮像装置において、前記重み係数演算部は、送信ごとの前記遅延整相データを適応処理することにより、前記重み係数として適応重みを求めることを特徴とする超音波撮像装置。
  10. 　請求項８に記載の超音波撮像装置において、送信ごとの前記遅延整相データを縮退させる縮退部を有し、前記重み係数演算部は、前記縮退部が縮退させた前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。
  11. 　請求項９に記載の超音波撮像装置において、送信ごとの前記遅延整相データを縮退させる縮退部を有し、前記重み係数演算部は、前記縮退部が縮退させた前記遅延整相データを用いて前記重み係数を演算することを特徴とする超音波撮像装置。
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