JP4776707B2 - 超音波画像化装置 - Google Patents

Description

本発明は，超音波を用いて検査対象物を画像化する超音波画像化装置に関する。

例えば，医用等で使用されている超音波画像化装置では，微小圧電素子を２次元または３次元的に走査することで，ペンシルビーム（狭指向角の超音波ビーム）を生成し，画像を生成する。ここで，３次元の画像を生成するには，３次元空間において，例えば，数百から数千回もの膨大な回数の走査が必要となる。

一方，マトリックス状に配置された圧電素子から広指向角の超音波を発信し，受信エコー信号を開口合成処理することで画像を生成する方式が開発されている。一つの圧電素子を発信点として超音波を発信し，残りの圧電素子で受信する。発信点を変更し数十回程度発受信することで，立体画像を生成できる。

ここで，圧電素子から広指向角の超音波を発信する場合，超音波画像の解像度向上に限界がある。開口合成処理においては，超音波の発受信指向角が広いほど解像度が向上する。指向角をより広くするためには，圧電素子の小型化が必要となる。しかし，圧電素子を小型化すると，感度が低下し，却って，超音波画像の解像度が低下する可能性がある。

そのために，複数の圧電素子からの超音波の発信タイミングを制御することで，１点の仮想点音源から超音波を発信させる超音波画像化装置が提案されている（特許文献１参照）。圧電素子を小型化しても感度が低下しないことから，解像度の向上が図られる。

しかしながら，この超音波画像化装置を用いて，狭指向角の超音波ビームを生成することは困難であった。

特開２０００−２８５８９号公報

本発明は，広指向角，狭指向角の送信超音波のいずれにおいても効率的な画像の生成を可能とする超音波画像化装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る超音波画像化装置は，複数の圧電素子を有する超音波トランスデューサと，前記複数の圧電素子から選択される複数の第１の圧電素子から送信される超音波の合成波が，所定の仮想送信点から発信される超音波と対応するように，前記複数の第１の圧電素子それぞれの発信タイミングを制御する発信制御部と，前記複数の第１の圧電素子から送信され，検査対象物によって反射されて，前記複数の圧電素子から選択される複数の第２の圧電素子で受信される超音波エコーに対応する，電気信号を検出する信号検出回路と，前記所定の仮想送信点から，前記検査対象物を含む空間を区分する複数の空間メッシュそれぞれまで，超音波が伝搬する送信伝播時間を表す送信時間テーブルを記憶する第１の記憶部と，前記複数の空間メッシュそれぞれから前記複数の第２の圧電素子まで，超音波が伝搬する受信伝播時間を表す受信時間テーブルを記憶する第２の記憶部と，前記複数の第１の圧電素子から前記仮想送信点に超音波が伝搬するオフセット時間を記憶する第３の記憶部と，前記送信伝搬時間と，前記受信伝搬時間と，前記オフセット時間と，を加算して，超音波の総伝搬時間を算出する算出部と， 前記電気信号と前記総伝搬時間とに基づき，前記検査対象物に対応する画像を生成する生成部と，を具備する。

本発明によれば，広指向角，狭指向角の送信超音波のいずれにおいても効率的な画像の生成を可能とする超音波画像化装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係わる超音波画像化装置１００を表す構成図である。 収束点ＰＦｉを表す模式図である。 仮想点音源ＰＹｉを表す模式図である。 複数の仮想発信点Ｐｉの例を示す模式図である。 画像合成処理のプロセスを示す模式図である。 検査対象物２０ａを表す模式図である。 異常領域の検出の手順の一例を表す模式図である。 Ｘ方向での，底面深さ分布Ｄ（ｘ），判定テーブルＴｈ（ｘ），強度分布Ｐ（ｘ），判定画像データＪ（ｘ）の一例を表す図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係わる超音波画像化装置１００を表す構成図である。

超音波画像化装置１００は，超音波トランスデューサ１１０，発信切替回路１２１，発信部１２２，発信制御部１２３，受信切替回路１３１，増幅器１３２，Ａ／Ｄ変換器１３３，信号処理部１４０，表示部１５０，判定部１６０を有する。超音波画像化装置１００は，検査対象物２０に超音波を発信し，検査対象物２０の表面２２および内部で反射される超音波を受信することで，画像化範囲３０内（検査対象物２０の表面２２および内部（欠陥２１等））を可視化する。具体的には，画像化範囲３０が画像化メッシュ３１を単位として可視化される。この結果，検査対象物２０内部の欠陥２１が検出される。

検査対象物２０は，音響伝播媒体４０中に配置される。音響伝播媒体４０は，超音波トランスデューサ１１０と検査対象物２０の間での効率的な超音波の伝搬のために，これらの間に配置される。音響伝播媒体４０として，液体媒体（水，油等），固体媒体（樹脂等）を用いることができる。

画像化範囲３０は，超音波画像化装置１００により可視化される空間の範囲を表す。画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）は，例えば，立方体状，直方体状の形状を有し，画像化範囲３０を異なる方向（例えば，Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）それぞれに区分する複数の領域である。画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）は，これらの方向それぞれに対応する添え字ｉｘ，ｉｙ，ｉｚによって互いを識別できる。ここで，ｉｘ＝１〜Ｎｘ，ｉｙ＝１〜Ｎｙ，ｉｚ＝１〜Ｎｚであり，数Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚはそれぞれ，Ｘ，Ｙ，Ｚ方向での画像化範囲３０の区分数である。画像化メッシュ３１は，検査対象物２０を含む空間を区分する複数の空間メッシュに対応する。

超音波トランスデューサ１１０には，複数の圧電素子１１１が，マトリックス状，または1列に配置されている。この例では，圧電素子１１１がＸ−Ｙ方向にマトリクス状に配置される。但し，圧電素子１１１の配置の方向がＸ−Ｙ方向でなくても差し支えない。

圧電素子１１１は，検査対象物２０に対して超音波を発信すると共に，検査対象物２０内の欠陥２１等で反射された超音波エコー（反射波）を受信する。圧電素子１１１は，圧電材料を有し，電気信号を超音波に変換することで超音波を発信する。また，圧電素子１１１は，超音波を電気信号に変換することで超音波を受信する。同一の圧電素子１１１を送信，受信の双方に用いることができる。

発信切替回路１２１は，発信に用いる圧電素子１１１を選択する。ここでは１６個の圧電素子１１１が発信圧電素子グループ１１２として選択されている。発信切替回路１２１は，「複数の異なる仮想送信点それぞれに対応して，第１の圧電素子を選択する送信選択部」として機能する。

発信部１２２は，発信切替回路１２１で選択された発信圧電素子グループ１１２に属する圧電素子１１１から超音波を発信させる。発信部１２２は，単一パルス信号，連続パルス信号等を圧電素子１１１に印加することで，超音波を発信させる。

発信制御部１２３は，発信部１２２から出力される電気信号の位相（超音波の発信タイミング）を制御する。即ち，発信切替回路１２１で選択された所定個数の発信圧電素子グループ１１２内の圧電素子１１１の発信タイミングが制御される。この結果。超音波トランスデューサ１１０から発信される超音波の合成波が１点の仮想発信点Ｐｉ（収束点ＰＦｉ，仮想点音源ＰＹｉ）から発信される超音波と対応するようになる。即ち，発信制御部１２３は，「複数の圧電素子から選択される複数の第１の圧電素子から送信される超音波の合成波が，所定の仮想送信点から発信される超音波と対応するように，前記複数の第１の圧電素子それぞれの発信タイミングを制御する発信制御部」に対応する。なお，この詳細は後述する。

受信切替回路１３１は，受信に用いる圧電素子１１１を選択する。ここでは１６個の圧電素子１１１が受信圧電素子グループ１１３として選択されている。受信切替回路１３１は，「複数の異なる仮想送信点それぞれに対応して，前記第２の圧電素子を選択する受信選択部」として機能する。

発信圧電素子グループ１１２内の圧電素子１１１から送信された超音波は，音響伝播媒体４０を介して検査対象物２０の表面２２で屈折した後，検査対象物２０内を伝播し，欠陥２１で反射される。欠陥２１で反射された超音波エコーは，検査対象物２０の表面２２で再度屈折し，音響伝播媒体４０を介して，受信圧電素子グループ１１３内の圧電素子１１１で受信される。受信圧電素子グループ１１３内の圧電素子１１１は，受信した超音波エコーに対応する電気信号（超音波エコー信号）を出力する。

増幅器１３２は，受信圧電素子グループ１１３に属する圧電素子１１１からの超音波エコー信号を増幅する。
Ａ／Ｄ変換器１３３は，増幅器１３２で増幅された超音波エコー信号をＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換する。Ａ／Ｄ変換器１３３が超音波エコー信号をサンプリングすることで，後述のサンプリングデータが生成される。Ａ／Ｄ変換器１３３は，「複数の第１の圧電素子から送信され，検査対象物によって反射されて，前記複数の圧電素子から選択される複数の第２の圧電素子で受信される超音波エコーに対応する，電気信号を検出する信号検出回路」に対応する。

信号処理部１４０は，Ａ／Ｄ変換された超音波エコー信号を開口合成処理することで，検査対象物２０の表面２２や欠陥２１の画像を含む画像データＩを生成する。生成された画像データＩは，表示部１５０および判定部１６０に送信される。なお，開口合成処理の詳細は後述する。

信号処理部１４０は，次のように機能する。
・前記所定の仮想送信点から，前記検査対象物を含む空間を区分する複数の空間メッシュそれぞれまで，超音波が伝搬する送信伝播時間を表す送信時間テーブルを記憶する第１の記憶部
・前記複数の空間メッシュそれぞれから前記複数の第２の圧電素子まで，超音波が伝搬する受信伝播時間を表す受信時間テーブルを記憶する第２の記憶部
・複数の第１の圧電素子から前記仮想送信点に超音波が伝搬するオフセット時間を記憶する第３の記憶部
・前記送信伝搬時間と，前記受信伝搬時間と，前記オフセット時間と，を加算して，超音波の総伝搬時間を算出する算出部
・電気信号と前記総伝搬時間とに基づき，前記検査対象物に対応する画像を生成する生成部

さらに，この生成部は，次のように機能する。
・複数の第１の圧電素子での送信から超音波エコーのサンプリングデータの検出までの時間差を検出する時間差検出部
・時間差と前記総伝搬時間とに基づき，前記超音波エコーのサンプリングデータに対応する空間メッシュを判定する判定部
・前記判定される空間メッシュにサンプリングデータに対応する値を割り付ける割り付け部
・空間メッシュに割り付けられた値を加算して，画像データを生成する画像生成部

表示部１５０は，画像データＩを用いて画像を表示する装置，例えば，ＣＲＴ，液晶ディスプレイである。

判定部１６０は，信号処理部１４０から出力される画像データＩを用いて，検査対象物２０内の異常領域を検出する。判定部１６０は，次のものとして機能する。
・画像データの深さ方向の強度分布に基づき，検査対象の底面または境界面の深さの分布を計測する深さ計測部
・深さと超音波の減衰特性との関係を表す減衰テーブルを記憶する第４の記憶部
・減衰テーブルと深さの分布に基づき，画像データの強度（超音波の強度）を判定するための閾値を有する判定テーブルを生成する生成部
・画像データの強度分布を導出する導出部，
・画像データの強度分布と，前記判定テーブルに基づき，前記画像データの強度が判定値より大きい領域を検出する検出部
なお，この詳細は後述する。

（仮想発信点Ｐｉの詳細）
以下，仮想発信点Ｐｉ（収束点ＰＦｉ，仮想点音源ＰＹｉ）の詳細を説明する。発信圧電素子グループ１１２の圧電素子１１１から発信される超音波の合成波が１の点Ｐｉから発信される超音波と対応するときに，この点Ｐｉを仮想発信点Ｐｉと呼ぶことにする。仮想発信点Ｐｉには，収束点ＰＦｉ，仮想点音源ＰＹｉの２通りが考えられる。図２Ａ，図２Ｂはそれぞれ，収束点ＰＦｉ，仮想点音源ＰＹｉを表す模式図である。

収束点ＰＦｉは，超音波トランスデューサ１１０の前方（検査対象物２０の側）に配置され，発信圧電素子グループ１１２に属する圧電素子１１１から発信される超音波の合成波が収束する点である。即ち，合成波が１の収束点に収束する収束波であり，この収束点が仮想送信点Ｐｉに対応する。収束点ＰＦｉを通過した超音波はそのまま音響伝搬媒体４０内を伝搬する。このとき，超音波トランスデューサ１１０から発信した超音波の合成波は，収束点ＰＦｉから発信された超音波と実質的に同様のものとして取り扱うことが可能となる。

仮想点音源ＰＹｉは，超音波トランスデューサ１１０の後方（検査対象物２０の反対側）に配置される。発信圧電素子グループ１１２に属する圧電素子１１１から発信される超音波の合成波が１の点ＰＹｉから発信される超音波と対応するとき，この点ＰＹｉが仮想点音源ＰＹｉとなる。即ち，合成波が仮想的な１の発散点（仮想点音源ＰＹｉ）から発散する発散波であり，この発散点が仮想送信点Ｐｉに対応する。このとき，超音波トランスデューサ１１０から発信した超音波の合成波は，仮想点音源ＰＹｉから発信された超音波と実質的に同様のものとして取り扱うことが可能となる。

このように，超音波トランスデューサ１１０から発信された超音波の合成波を仮想発信点Ｐｉ（収束点ＰＦｉ，仮想点音源ＰＹｉ）からの超音波と対応させることができる。このようにするために，発信圧電素子グループ１１２に属する圧電素子１１１それぞれの発信タイミングが制御される。ここで，圧電素子１１１（ｋ）として，添え字ｋにより圧電素子１１１それぞれを識別することとする。

収束点ＰＦｉで時刻ｔ０に超音波を発信するためには，時刻ｔ０より前の時刻（ｔ０−Δｔ１（ｋ））に圧電素子１１１（ｋ）それぞれで超音波を発信する。このとき，圧電素子１１１（ｋ）それぞれから収束点ＰＦｉまでの距離Ｌｉ（ｋ）に応じて，圧電素子１１１（ｋ）それぞれでの発信の進み時間Δｔ１（ｋ）が制御される。
Δｔ１（ｋ）＝Ｌｉ（ｋ）／ｖ ……式（１）
ｖ：音響伝搬媒体４０内での超音波の伝搬速度

一方，仮想点音源ＰＹｉで時刻ｔ０に超音波を発信するためには，時刻ｔ０より後の時刻（ｔ０＋Δｔ２（ｋ））に圧電素子１１１（ｋ）それぞれで超音波を発信する。このとき，圧電素子１１１（ｋ）それぞれから仮想点音源ＰＹｉまでの距離Ｌｉ（ｋ）に応じて，圧電素子１１１（ｋ）それぞれでの発信の遅れ時間Δｔ２（ｋ）が制御される。
Δｔ２（ｋ）＝Ｌｉ（ｋ）／ｖ ……式（２）
ｖ：音響伝搬媒体４０内での超音波の伝搬速度

以上のように，圧電素子１１１（ｋ）それぞれでの超音波の発信タイミングをずらすことで，仮想発信点Ｐｉから発信された超音波と対応する合成波を生成できる。この場合，理想的には，この合成波は仮想発信点Ｐｉを中心とする球面波の一部となる。但し，この合成波が完全な球面波で無くても差し支えない。既述のように，検査対象物２０の画像は，画像化メッシュ３１を単位として生成される（画像化メッシュ３１程度の分解能）。従って，画像化メッシュ３１程度での波面のばらつきは許容される。仮想発信点Ｐｉ自体も，完全な点である必要は無く，ある程度（例えば，画像化メッシュ３１程度）の拡がり（領域）が許容される。

ここで，複数の仮想発信点Ｐｉを用いて，検査対象物２０の画像を生成することが好ましい。このようにすることで，画像の分解能を向上することができる。

図３は，複数の仮想発信点Ｐｉの例を示す模式図である。仮想発信点Ｐｉ（仮想点音源ＰＹｉ）が超音波トランスデューサ１１０と平行な平面Ｓ（Ｘ−Ｙ平面）上に配置されている。ここでは，仮想発信点Ｐｉが配置される面Ｓは超音波トランスデューサ１１０の後方（検査対象物２０の反対側）に位置する。これに対して，仮想発信点Ｐｉが配置される面Ｓを超音波トランスデューサ１１０の前方（検査対象物２０の側）としても良い。また，仮想発信点Ｐｉが配置される面Ｓを曲面としても良い。

ここで，仮想発信点Ｐｉと超音波トランスデューサ１１０との距離を変化させることを考える。図２Ａ，図２Ｂに示されるように，仮想発信点Ｐｉと超音波トランスデューサ１１０との距離を小さくすると，検査対象物２０に広指向角の超音波を照射することができる。特に，仮想発信点Ｐｉを仮想点音源ＰＹｉとすると，仮想発信点Ｐｉと検査対象物２０の距離が大きくなり，検査対象物２０のより広範囲に超音波を照射し，可視化することが容易となる。

一方，仮想発信点Ｐｉと超音波トランスデューサ１１０との距離を大きくすると，検査対象物２０に狭指向角の超音波を照射することができる。特に，仮想発信点Ｐｉを収束点ＰＦｉとし，収束点ＰＦｉを検査対象物２０の近傍，あるいはその内部とすることで，特定の箇所を高分解能で可視化することが容易となる。

以上のように，仮想発信点Ｐｉと超音波トランスデューサ１１０との距離を適宜に変化することで，検査対象物２０に照射する超音波の指向性の広狭を調節できる。その結果，検査対象物２０全体あるいはその一部を効率的に可視化することができる。

ここで，仮想発信点Ｐｉに対応して，発信切替回路１２１によって選択される圧電素子１１１（発信圧電素子グループ１１２）を変化させることが考えられる。例えば，図３での仮想発信点Ｐｉに対応して，仮想発信点Ｐｉに近い発信圧電素子グループ１１２（ｉ）を選択することが考えられる。このように，仮想発信点Ｐｉに近い発信圧電素子グループ１１２（ｉ）を選択することで，比較的少数の圧電素子１１１を効果的に用いて，仮想発信点Ｐｉを生成することが可能となる。この例では，発信圧電素子グループ１１２（ｉ）の一部に重なりがある。発信圧電素子グループ１１２（ｉ）に重なりが無くても差し支えない。

ここで，仮想発信点Ｐｉに対応して発信圧電素子グループ１１２を変更しないことも可能である。例えば，全ての圧電素子１１１を用いて，異なる仮想発信点Ｐｉを生成し，発信超音波の方向を変化させても良い。多くの圧電素子１１１を用いることで，仮想発信点Ｐｉからの高精度かつ強力な超音波の発信が可能となる。この場合，発信切替回路１２１は不要となる。

以上の発信圧電素子グループ１１２に関する議論は，受信圧電素子グループ１１３にもある程度当てはまる。即ち，仮想発信点Ｐｉに対応して，受信切替回路１３１によって選択される圧電素子１１１（発信圧電素子グループ１１３）を変化させることが考えられる。仮想発信点Ｐｉに対応して，受信圧電素子グループ１１３（ｉ）を選択することで，比較的少数の圧電素子１１１を効果的に用いて，超音波を受信することが可能となる。一方，仮想発信点Ｐｉに対応して受信圧電素子グループ１１３を変更しないことも可能である。例えば，全ての圧電素子１１１を用いて，超音波エコーを受信しても良い。多くの圧電素子１１１を用いることで，検査対象物２０からの超音波の高精度な受信が可能となる。この場合，受信切替回路１３１は不要となる。

既述のように，図１では，発信切替回路１２１により，発信圧電素子グループ１１２の計１６個の圧電素子１１１が選択されている。この場合，発信部１２２からは，１６点のパルス状または連続波の電圧信号が出力される。ここで，発信部１２２から発信された電圧信号の発信タイミングは，発信制御部１２３により制御される。その結果，発信圧電素子グループ１１２のそれぞれの発信超音波の合成波が仮想発信点Ｐｉから発信される超音波の波面に対応するようになる。

ここで，発信部１２２から出力されるパルス状または連続波の電圧信号は，総て同一形状（同一電圧）として差し支えない。発信点Ｐから発信される超音波の波面を球面波に近づけるためには（方向依存性を小さくする），仮想発信点Ｐｉと圧電素子１１１（ｋ）の距離Ｌ（ｋ）に応じて，圧電素子１１１（ｋ）での超音波の発信強度を異ならせることが好ましい。しかし，圧電素子１１１（ｋ）での発信強度を異ならせても，方向依存性が大きく変わる訳では無いので，圧電素子１１１（ｋ）それぞれからの超音波の発信強度を同一としても差し支えない。

このようにして発信された超音波は，仮想発信点Ｐｉから発信された拡散波Ｗｉとして伝播し，検査対象物２０の表面２２上で屈折した後に検査対象物２０内を伝播する。さらに，この超音波は，欠陥２１で反射されて，超音波トランスデューサ１１０内の圧電素子１１１で受信される。すなわち，受信切替回路１３１で選択された受信圧電素子グループ１１３内の圧電素子１１１で受信した超音波エコーが，１６回路の増幅器１３２にて同時に増幅され，さらに，１６回路のＡ／Ｄ変換器１３３にてデイジタル信号に同時に変換された後に信号処理部１４０に取り込まれる。

以上の処理プロセスを繰り返し行う。すなわち，発信部１２２による出力電圧信号の発信タイミング変更による仮想発信点Ｐｉの位置変更を，発信切替回路１２１による選択切替えの度に繰り返す。これにより，多数の仮想発信点Ｐｉから超音波Ｗｉが発信されて，欠陥２１で反射され，その反射された超音波エコーのディジタル信号が信号処理部１４０で収集される。

（開口合成処理の詳細）
以下，信号処理部１４０による開口合成処理の詳細を説明する。
信号処理部１４０では，ディジタル収集された超音波エコーを開口合成することで，画像化範囲３０内の超音波画像を生成する。即ち，画像化範囲３０内の画像化メッシュ３１に，ディジタル収集された超音波エコーのデータが割り付けられる。

ここで，仮想送信点Ｐｉから仮想的に発信された超音波Ｗｉが，欠陥２１で反射され，超音波エコーＷｊとして受信圧電素子グループ１１３内の圧電素子１１１（ｊ）で受信されることを考える。

図４は，画像合成処理のプロセスを示す模式図である。信号処理部１４０は，送信時間テーブル群Ｔおよび受信時間テーブル群Ｒを記憶する。
送信時間テーブル群Ｔは，仮想送信点Ｐｉおよび全ての画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）に対応する送信超音波伝搬時間ｔi（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）を表す送信時間テーブルＴiを含む。受信時間テーブル群Ｒは，全ての画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）で反射されて圧電素子１１１（ｊ）で受信するまでの受信超音波伝搬時間ｒj（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）を表す受信時間テーブルＲjを含む。

送信超音波伝播時間ｔi（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）は，仮想送信点Ｐｉから画像化範囲３０内の画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）への超音波伝播時間を表す。受信超音波伝播時間ｒj（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）は，画像化範囲３０内の画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）から圧電素子１１１（ｊ）までの超音波伝播時間を表す。

送信超音波伝播時間ｔi，受信超音波伝播時間ｒjはそれぞれ，大ざっぱにいえば，仮想送信点Ｐｉから画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）までの距離Ｌ１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ），画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）から圧電素子１１１（ｊ）までの距離Ｌ２（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ，ｊ）により規定される。これらの距離Ｌ１，Ｌ２を超音波の速度で割ることで，送信超音波伝播時間ｔi，受信超音波伝播時間ｒjを概算できる。

既述のように，超音波は検査対象物２０の表面２２で屈折する。このため，送信超音波伝播時間ｔi，受信超音波伝播時間ｒjを正確に求めるためには，検査対象物２０の外形を求めておく必要がある。検査対象物２０の外形が判っていれば，スネルの法則を考慮し，送信超音波伝播時間ｔi，受信超音波伝播時間ｒjを算出できる。この算出には，種々のシミュレーションを利用することができる。

なお，検査対象物２０の外形が判っていない場合には，超音波画像化装置１００自体による検査対象物２０の外形の画像化結果を用いて，検査対象物２０の外形を求めることも可能である。

図４中の画像合成の処理プロセスは，仮想送信点Ｐｉからの超音波が圧電素子１１１（ｊ）で受信された受信波形データＤij（ｔ）を処理した場合を示している。
（１）総伝搬時間ｔｉｊの算出
超音波トランスデューサ１１０から発信された超音波が圧電素子１１１（ｊ）で受信されるまでの時間（総伝搬時間）ｔｉｊを算出する。
送信超音波伝播時間ｔi，受信超音波伝播時間ｒj，オフセット時間Ｔ０iを加算することで，総伝搬時間ｔｉｊが算出される。
ｔｉｊ＝ｔｉ＋ｒｊ＋Ｔ０ｉ ……式（３）

オフセット時間Ｔ０iは，超音波トランスデューサ１１０（発信圧電素子グループ１１２）から発信された超音波が仮想送信点Ｐｉに至るまでの超音波伝送時間である。既述のように，発信圧電素子グループ１１２に属する圧電素子１１１（ｋ）の発信タイミングは一般に一致しない。発信圧電素子グループ１１２に属する圧電素子１１１（ｋ）から代表点（代表圧電素子）を定め，この代表の圧電素子１１１を基準として，オフセット時間Ｔ０iを規定すれば良い。受信波形データＤij（ｔ）の時刻の基準点Ｏと対応するように，代表点（代表圧電素子）が定められる。

オフセット時間Ｔ０iの絶対値は，既述の進み時間Δｔ１（ｋ），遅れ時間Δｔ２（ｋ）と対応する。仮想発信点Ｐｉが収束点ＰＦｉの場合，オフセット時間Ｔ０iは正の値を有する。これに対して，仮想発信点Ｐｉが仮想点音源ＰＹｉの場合，オフセット時間Ｔ０iは負の値を有する。

以上のように，全ての画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）について，総伝搬時間ｔｉｊを算出できる。

ここで，総伝搬時間ｔｉｊを算出する画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）の範囲を制限することができる。
図４中の送信時間テーブルＴi，受信時間テーブルＲｊでは，画像化（開口合成）の有効領域として，送信領域Ｌti，受信領域Ｌrjが設定されている。この有効領域に，総伝搬時間ｔｉｊの算出範囲（開口合成処理の範囲）が制限される。算出範囲を制限することで，処理の高速化および高精度化が図られる。

送信領域Ｌtiは，仮想送信点Ｐｉの位置，および仮想送信点Ｐｉから送信される超音波のプロファイル（指向性）に応じて設定される。仮想送信点Ｐｉから送信される超音波はある程度の指向性を有することから，仮想送信点Ｐｉに応じて，画像化範囲３０での超音波の強度分布が規定される。仮想送信点Ｐｉからの超音波の強度が弱い画像化メッシュ３１からの超音波エコーＷｊは事実上無視して差し支えない。むしろ無視した方が後述の受信波形データＤij（ｔ）割り付けの精度が高まる。

受信領域Ｌrjは，受信用の圧電素子１１１（ｊ）の位置および受信プロファイル（指向性）に応じて設定される。圧電素子１１１（ｊ）は，正面方向からの超音波の受信感度が高く，斜め方向からの超音波の受信感度が低い傾向にある。このため，受信用の圧電素子１１１（ｊ）との関係で受信感度が低い方向に位置する画像化メッシュ３１からの超音波エコーＷｊは事実上無視して差し支えない。むしろ無視した方が後述の受信波形データＤij（ｔ）割り付けの精度が高まる。なお，受信の指向性の広狭は，圧電素子１１１のサイズと対応する。圧電素子１１１のサイズが大きければ，広指向性となり，サイズが小さければ，狭指向性となる。

以上から，画像合成の処理プロセスでは，送信領域Ｌtiと，受信領域Ｌrjの重複部Ｏijのみに画像合成処理を制限し，制限領域以外の画像合成プロセスをバイパスすることができる。この結果，画像合成処理の負荷を低減し，高速化を図るとともに，余計な画像合成ノイズを低減することで高精度化することができる。

（２）受信波形データＤij（ｔ）のサンプリングデータの遅れ時間の検出
受信波形データＤij（ｔ）上のサンプリングデータＡ１…Ａｎを検出する。また，超音波の発信からこれらのサンプリングデータＡｎまでの遅れ時間ｔｎを検出する。これらのサンプリングデータＡｎは，画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）のいずれかから反射された超音波エコーＷｊに対応する。既述のように，サンプリングデータＡｎは，Ａ／Ｄ変換器１３３によって生成され，受信波形データＤij（ｔ）（超音波エコー）を例えば，所定時間間隔でサンプリングして得られる。

（３）画像化メッシュ３１へのデータの割り付け
総伝搬時間ｔｉｊに基づき，画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）に対して受信波形データＤij（ｔ）を割り付けることができる。

即ち，遅れ時間ｔｎと対応する総伝搬時間ｔｉｊを求めることで，このサンプリングデータＡｎがどの画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）に対応するかが検出される。検出された画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）に対して，値を割り当てる。例えば，次の式のようにサンプリングデータの値Ａｎを付与する。
Ｉ（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）＝Ｉ（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）＋Ａｎ ……式（４）

ここで，画像データＩ（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）は，画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）からの超音波エコーＷｊの強度の積算値を表す。即ち，画像データＩは，3次元での超音波エコーＷｊの強度分布を表す。

ここで，一般には，遅れ時間ｔｎと対応する総伝搬時間ｔｉｊ（画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ））が複数存在する。この場合，１つのサンプリングデータＡｎに対応する値を複数の画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）に分配する。例えば，これら複数の画像化メッシュ３１の個数ｍで除した量Ａｎ／ｍをそれぞれの画像化メッシュ３１に配分する（Ｉ＝Ｉ＋Ａｎ／ｍ）。この分配はノイズの原因となる。但し，多数のデータを重ね合わせることで，ノイズ成分を事実上キャンセルすることが可能である。

既述のように，総伝搬時間ｔｉｊを算出する画像化メッシュ３１が範囲Ｏijに制限することができる。このことから，複数の画像化メッシュ３１への無用な値の分配が制限され，余計な画像合成ノイズが低減される。

この（２），（３）のプロセスを仮想送信点Ｐｉと圧電素子１１１（ｊ）について繰り返すことで，検査対象物２０全体の３次元画像を生成できる（開口合成処理）。

（４）画像の表示
表示部１５０上の輝度をこの画像データＩに対応して変化することで，表示部１５０上に検査対象物２０の表面２２や欠陥２１の画像を表示できる。

（異常領域の検出）
以下，判定部１６０による異常領域の検出につき説明する。
ここでは，厚さＤの分布を有した検査対象物２０ａ中の異常領域Ｈｐを検出するプロセスを説明する。図５は，検査対象物２０ａを表す模式図である。画像化範囲３０ａは，検査対象物２０ａの底面部または境界部を含むように設定される。

図６は異常領域の検出の手順の一例を表す模式図である。この模式図は，底面深さ分布Ｄ（ｉｘ，ｉｙ），深さ減衰特性Ｇ（Ｄ），判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ），強度分布（ｉｘ，ｉｙ），判定画像データＪ（ｉｘ，ｉｙ）を含む。図７は，底面深さ分布Ｄ（ｉｘ，ｉｙ），深さ減衰特性Ｇ（Ｄ），判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ），強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ），判定画像データＪ（ｉｘ，ｉｙ）それぞれに対応するグラフＤ（ｘ），Ｔｈ（ｘ），Ｐ（ｘ），Ｊ（ｘ）を表す図である。これらのグラフは，底面深さ分布Ｄ（ｉｘ，ｉｙ）等でのｘ軸方向（図６のｘ１−ｘ２）での変化を表す。

（１）検査対象物２０ａの底面部または境界部の深さｄの計測
画像化範囲３０において，深さ方向の画像データＩのピーク位置を検出することで，検査対象物２０の底面部または境界部の深さＤを計測できる（図６（Ａ）および図７（Ａ）参照）。具体的には，画像データＩ（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）での添え字ｉｘ，ｉｙを一定として，添え字ｉｚを変化させて，画像データＩが極大となるｉｚを求める。

図５では，画像化範囲３０ａには，検査対象物２０ａの底面のみが含まれる（上面は含まれない）。この場合，画像データＩ（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）での深さ方向での最大のピークが検査対象物２０ａの底面に対応すると考えられる。

これに対して，画像化範囲３０ａに検査対象物２０ａの上面と底面の双方が含まれる場合，上面と底面それぞれに対応するピークが出現する（画像データＩの極大点ｉｚが複数存在する）。この場合，画像データＩのピーク値およびそのときのｉｚ（深さ）に基づき，底面部に対応するピークを検出できる。一般に，検査対象物２０ａの表面および底面からの超音波エコーが大きいことから，大きな２つのピークの内の深い方が底面部に対応するピークである。

このようにして，（ｉｘ，ｉｙ）について，検査対象物２０の底面部の深さＤ，即ち，深さ分布Ｄ（Ｄ（ｉｘ，ｉｙ），Ｄ（ｘ））を計測できる。

（２）判定テーブルＴｈの生成
底面深さ分布Ｄ（ｉｘ，ｉｙ）と一般化された深さ減衰特性Ｇ（Ｄ）（図６（Ｂ））から深さに応じて判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ）が生成される（図６（Ｃ），図７（Ｂ））。

判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ）は，異常領域の有無を判定するための，基準強度Ｔｈの分布を表す。後述のように，強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）での強度Ｐが判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ）での基準強度Ｔｈより大きいと，異常領域と判定される。

深さ減衰特性Ｇ（Ｄ）は，深さＤと超音波の減衰量Ｇとの関係を表す。深さＤが大きくなると，超音波の減衰量Ｇ（Ｄ）が大きくなり，超音波のエコーの強度が小さくなる。このため，深さ減衰特性Ｇ（Ｄ）に底面深さ分布Ｄ（ｉｘ，ｉｙ）に代入することで，減衰量分布Ｇ（ｉｘ，ｉｙ）を求めることができる。この減衰量分布Ｇ（ｉｘ，ｉｙ）に基づいて，判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ）が生成される。

（３）強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）の計測
画像化範囲３０ａにおいて，深さ方向のデータのピークレベルを検出することにより，底面部または境界部での反射強度を計測し，その結果から強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）が生成される（図６（Ｄ），図７（Ｂ））。

強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）は，深さＤ（Ｄに対応するｉｚ）において画像化メッシュ３１（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）に割り付けられた値Ｉ（ｉｘ，ｉｙ，ｉｚ）を用いることができる。

（４）異常領域Ｈｐの検出
この強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）を判定テーブルＴｈ（ｉｘ，ｉｙ）と比較することで判定画像Ｊ（ｉｘ，ｉｙ）を表示し，その結果から異常領域Ｈｐを検出できる。図７に示すように，Ｘ３，Ｘ４の範囲で，強度Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）が判定値Ｔｈ（ｉｘ，ｉｙ）より大きいことから，この範囲が異常領域Ｈｐであると判定できる。

検査対象物２０ａ内に超音波の減衰が少ない領域が存在する場合，この領域を通過する超音波が検査対象物２０ａの底面部または境界部したときの反射強度が大きくなる。即ち，この超音波の減衰が少ない領域が異常領域Ｈｐに対応する。

この異常領域Ｈｐの境界で超音波が反射されれば，この境界に対応して受信波形データＤij（ｔ）のピークが出現し，異常領域Ｈｐが検出される。しかし，異常領域Ｈｐの境界での超音波の反射強度が小さければ，受信波形データＤij（ｔ）のピークを用いて異常領域Ｈｐの検出することは困難である。

これに対して，本実施形態では，異常領域Ｈｐの境界からの反射が弱い場合（あるいは明確な境界を有しない場合）でも，検査対象物２０ａの底面等からの反射強度に基づいて異常領域Ｈｐ（超音波の減衰が少ない領域）を検出できる。

判定画像Ｊ（ｉｘ，ｉｙ）は，強度分布Ｐ（ｉｘ，ｉｙ）において，強度Ｐが判定値Ｔｈより小さい範囲を「０」としたものを利用することができる。

以上述べたように，本実施形態によれば，超音波トランスデューサ１１０内の複数の圧電素子１１１の送信タイミングを制御することで，送信超音波の拡散や収束を電子的に制御しつつ送信ビームを走査できる。走査の結果として受信した多数の超音波エコーデータから３次元画像化を行うために，事前計算した送信時間テーブルＴと受信時間テーブルＲに収納した超音波伝播時間を使用する。更に，超音波の送受信指向性を送信時間テーブルＴ，受信時間テーブルＲに反映することで，高速，高精度で３次元画像を合成・表示する３次元超音波画像を実現できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，圧電素子１１１をマトリックス状に配置している。これに対して，圧電素子１１１を線状（一列）に配置することも可能である。例えば，検査対象物２０が奥行き方向（Ｙ方向）に薄いような場合が考えられる。このような場合，圧電素子１１１をＸ方向に線状に配置し，Ｘ−Ｚ方向での平面的な画像を生成できれば足りる。このとき，仮想送信点ＰｉをＸ方向に線状に配置し，開口合成することで，Ｘ−Ｚ方向での平面的な画像を生成できる。

１００…超音波画像化装置，１１０…超音波トランスデューサ，１１１…圧電素子，１１２…発信圧電素子グループ，１１３…受信圧電素子グループ，１２１…発信切替回路，１２２…発信部，１２３…発信制御部，１３１…受信切替回路，１３２…増幅器，１３３…Ａ／Ｄ変換器，１４０…信号処理部，１５０…表示部，１６０…判定部，２０…検査対象物，２１…欠陥，３０…画像化範囲，３１…画像化メッシュ，４０…音響伝播媒体，Ｐｉ…仮想送信点，ＰＦｉ…収束点，ＰＹｉ…仮想点音源

Claims (11)

1. 複数の圧電素子を有する超音波トランスデューサと，
   前記複数の圧電素子から選択される複数の第１の圧電素子から送信される超音波の合成波が，所定の仮想送信点から発信される超音波と対応するように，前記複数の第１の圧電素子それぞれの発信タイミングを制御する発信制御部と，
   前記複数の第１の圧電素子から送信され，検査対象物によって反射されて，前記複数の圧電素子から選択される複数の第２の圧電素子で受信される超音波エコーに対応する，電気信号を検出する信号検出回路と，
   前記所定の仮想送信点から，前記検査対象物を含む空間を区分する複数の空間メッシュそれぞれまで，超音波が伝搬する送信伝播時間を表す送信時間テーブルを記憶する第１の記憶部と，
   前記複数の空間メッシュそれぞれから前記複数の第２の圧電素子まで，超音波が伝搬する受信伝播時間を表す受信時間テーブルを記憶する第２の記憶部と，
   前記複数の第１の圧電素子から前記仮想送信点に超音波が伝搬するオフセット時間を記憶する第３の記憶部と，
   前記送信伝搬時間と，前記受信伝搬時間と，前記オフセット時間と，を加算して，超音波の総伝搬時間を算出する算出部と，
   前記電気信号と前記総伝搬時間とに基づき，前記検査対象物に対応する画像を生成する生成部と，
   を具備する超音波画像化装置。
2. 前記合成波が１の収束点に収束する収束波であり，この収束点が前記仮想送信点に対応する
   請求項１記載の超音波画像化装置。
3. 前記合成波が仮想的な１の発散点から発散する発散波であり，この発散点が前記仮想送信点に対応する
   請求項１記載の超音波画像化装置。
4. 前記発信制御部が，前記合成波が複数の異なる仮想送信点から発信される超音波と対応するように，前記複数の第１の圧電素子それぞれの発信タイミングを複数回制御し，
   前記信号検出部が，前記複数の異なる仮想送信点それぞれに対応する複数の電気信号を検出し，
   前記生成部が，前記複数の電気信号に基づき，前記検査対象物に対応する画像を生成する
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。
5. 前記複数の異なる仮想送信点が，所定の仮想面上にマトリックス状に配置される
   請求項４記載の超音波画像化装置。
6. 前記複数の異なる仮想送信点それぞれに対応して，前記第１の圧電素子を選択する送信選択部
   をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。
7. 前記複数の異なる仮想送信点それぞれに対応して，前記第２の圧電素子を選択する受信選択部
   をさらに具備する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。
8. 前記算出部が，前記複数の空間メッシュの一部のみに対応する送信伝播時間に対応する総伝搬時間を算出する
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。
9. 前記算出部が，前記複数の空間メッシュの一部のみに対応する受信伝播時間に対応する総伝搬時間を算出する
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。
10. 前記信号検出回路が検出した電気信号が前記超音波エコーのサンプリングデータであり，
    前記生成部が，
    前記複数の第１の圧電素子での送信から前記サンプリングデータの検出までの時間差を検出する時間差検出部と，
    前記時間差と前記総伝搬時間とに基づき，前記サンプリングデータに対応する空間メッシュを判定する判定部と，
    前記判定される空間メッシュにサンプリングデータに対応する値を割り付ける割り付け部と，
    前記空間メッシュに割り付けられた値を加算して，画像データを生成する画像生成部と，を有する
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。
11. 前記画像データの深さ方向の強度分布に基づき，前記検査対象の底面または境界面の深さの分布を計測する深さ計測部と，
    前記深さと超音波の減衰特性との関係を表す減衰テーブルを記憶する第４の記憶部と，
    前記減衰テーブルと前記深さの分布に基づき，前記画像データの強度を判定するための閾値を有する判定テーブルを生成する生成部と，
    前記画像データの強度分布を導出する導出部と，
    前記画像データの強度分布と，前記判定テーブルに基づき，前記画像データの強度が判定値より大きい領域を検出する検出部と，
    をさらに具備する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波画像化装置。

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