JP7488710B2 - Ultrasound Imaging Device - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を用いて被検体の内部を撮像する超音波撮像技術に関する。 The present invention relates to ultrasound imaging technology that uses ultrasound to image the inside of a subject.
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。 Ultrasound imaging technology is a technique that uses ultrasound (sound waves that are not intended to be heard, generally high-frequency sound waves of 20 kHz or higher) to non-invasively image the inside of a subject, including the human body.
超音波撮像はビームフォーミングと呼ばれる送信ビームおよび受信ビームの形成技術によって行われる。 Ultrasound imaging is performed using a technique called beamforming, which involves forming transmit and receive beams.
開口合成撮像(Synthetic Aperture)は、超音波ビームフォーミングに広く用いられる。代表的な開口合成撮像では、超音波プローブ内の超音波の送受信を行うアレイの中の、1素子(振動子)で送信し、その反射信号を、1つ以上の受信素子で受信し、この送信素子と受信素子の位置を、アレイの配列方向に順にシフトしながら送受信を繰り返す。異なる送信イベントで受信素子が受信した信号同士を合成することにより開口合成を行う。特に、ある1素子で送信し、同一の1素子で受信する場合についてモノスタティック開口合成(Monostatic SA)と呼ばれ、複数の受信素子で受信する場合について、バイスタティック開口合成(Bi-static SA)と呼ばれる。その他に開口合成撮像には、1素子で送信を行う代わりに、複数の素子からなる送信開口でフォーカスビームを送信して行うフォーカスビーム開口合成(SA with focused beam)などと呼ばれる方法がある。 Synthetic aperture imaging is widely used in ultrasound beamforming. In a typical synthetic aperture imaging, one element (transducer) in the array that transmits and receives ultrasound in the ultrasound probe transmits, and the reflected signal is received by one or more receiving elements. The positions of the transmitting and receiving elements are shifted in the direction of the array, and transmission and reception are repeated. Aperture synthesis is performed by synthesizing signals received by receiving elements in different transmission events. In particular, when a single element transmits and the same single element receives, it is called monostatic aperture synthesis (Monostatic SA), and when multiple receiving elements receive, it is called bistatic aperture synthesis (Bi-static SA). Other synthetic aperture imaging methods include focused beam aperture synthesis (SA with focused beam), which transmits a focused beam with a transmission aperture consisting of multiple elements instead of transmitting with a single element.
また特許文献1には、フォーカスビームを送信した反射信号を、複数の素子からなる受信開口で受信した後、受信ビームフォーミングを2段階に分けて行うSASB(Synthetic aperture sequential beamforming)法とよばれる開口合成技術が開示されている。
第1段階として、送信フォーカス点を通る1本の受信ラインを深さ方向に沿って設定し、送信フォーカスと同じ位置に受信フォーカスを設定する。各振動子の受信信号に、受信フォーカス点に焦点を結ぶ受信ビームを形成する遅延量を設定し、この遅延量で遅延させて加算することで第1の音響線信号を得る。こうして得た音響線信号は、送信フォーカス点を中心とした同心の円弧上に位置する多数の観測点からの反射信号を合算したものであり、即ちそれら円弧上に位置する多数の観測点の信号が同等のSN比で混在した、低分解能な音響線信号となる(LRI:Low Resolution Imageなどと呼ばれる)。第2段階として、第1の音響線信号と、送信フォーカスと受信フォーカスの位置をずらして得た別の音響線信号とを、所定の遅延量で遅延させた後、重み付けをして加算することにより、第2の音響線信号を得る。この遅延量は、音響線信号上の観測点と、各送信フォーカスとの距離に応じた遅延量に設定される。これにより、観測点からの反射信号を位相をそろえて加算することができるため、第2の音響線信号は、高分解能な音響線信号となる(HRI:High Resolution Imageなどと呼ばれる)。これらの処理により、観測領域内の各観測点の信号値を得る。 In the first step, a single receiving line passing through the transmission focus point is set along the depth direction, and the receiving focus is set at the same position as the transmission focus. A delay amount is set for the receiving signal of each transducer to form a receiving beam focused on the receiving focus point, and the first acoustic line signal is obtained by delaying and adding the signals by this delay amount. The acoustic line signal thus obtained is a sum of reflected signals from many observation points located on concentric arcs centered on the transmission focus point, that is, a low-resolution acoustic line signal in which the signals from many observation points located on the arcs are mixed with the same S/N ratio (called LRI: Low Resolution Image, etc.). In the second step, the first acoustic line signal and another acoustic line signal obtained by shifting the positions of the transmission focus and the receiving focus are delayed by a predetermined delay amount, and then weighted and added to obtain a second acoustic line signal. This delay amount is set according to the distance between the observation point on the acoustic line signal and each transmission focus. As a result, the reflected signals from the observation points can be added with the same phase, so that the second acoustic line signal becomes a high-resolution acoustic line signal (called HRI: High Resolution Image, etc.). Through these processes, signal values for each observation point within the observation area are obtained.
また、非特許文献1には、SASB法において、送信フォーカスとずれた位置に複数の受信フォーカスを設定する技術を開示している。第1段階として1回の送信で、パラレルな遅延加算処理により複数の第1の音響線信号を得る。第2段階では、仮想の送信素子および仮想の受信素子の位置をシフトして得た複数の音響線信号間で、音響線信号に遅延量を与え、重み付け加算することにより、観測点の音響線信号を得る。この技術では、送信フォーカスを仮想の音源(仮想の送信素子)とみなし、複数の受信フォーカスを仮想の受信素子とみなす。第2段階の遅延量は、観測点と仮想の送信素子と仮想の受信素子との距離に応じて与えることで、観測点からの反射信号の位相をそろえて加算し、高分解能な音響線信号を得る。このように非特許文献1は前記第1および第2の処理により、仮想送信素子間と仮想受信素子間の双方で開口合成を行い、観測領域内の各観測点の信号を得る。すなわち、SASB法では、音響線信号を、送信間で合成するだけでなく、パラレルに受信した複数の音響線信号間でも合成するため、観測点の信号のSN比を高め解像度を向上することができる。
In addition, Non-Patent
このSASB法は、第1段階において受信信号をいったん束ねて音響線信号にするため、束ねた音響線信号の状態で伝送し、伝送後に第2段階で観測点ごとの信号値を得る処理を行うことができる。これによる、ハードウエアの規模を削減することができるという実装上のメリットもある。例えば、第1段階をプローブの中で行うワイヤレスプローブやコンパクト機への搭載が期待されている。 In the first stage of the SASB method, the received signals are bundled into an acoustic line signal, which can then be transmitted in the bundled acoustic line signal state, after which processing can be performed to obtain the signal value for each observation point in the second stage. This has the advantage in terms of implementation of being able to reduce the scale of the hardware. For example, it is expected to be installed in wireless probes and compact machines where the first stage is performed inside the probe.
また、非特許文献1に記載のSASB法は、設定する受信フォーカス(=仮想の受信素子)の数によって、演算コスト性能をスケーラブルに設定できるため、高画質化も見込まれ、幅広い製品レンジへの搭載が期待できる。
In addition, the SASB method described in Non-Patent
ところで、超音波撮像において、超音波伝搬の物理特性などによってアーチファクト(偽像)が生じると、正確な検査、診断を妨げる原因となる。主なアーチファクトには、超音波が伝搬過程で複数の反射を繰り返すことで生じる多重アーチファクトや、メインローブ(主極)の横に生じるサイドローブ(副極)によって生じるサイドローブアーチファクトや、メインローブと異なる方向で、強いビーム強度が生じることで起こるグレーティングローブアーチファクトなどが知られている。なかでもグレーティングローブアーチファクトは、実像から離れた場所に強い虚像を生じるため、アーチファクトを回避したアレイ設計が行われる。 In ultrasound imaging, artifacts (false images) caused by the physical characteristics of ultrasound propagation can hinder accurate examination and diagnosis. The main types of artifacts are known to be multiple artifacts caused by ultrasound reflecting multiple times during propagation, side lobe artifacts caused by side lobes (secondary poles) occurring to the side of the main lobe (principal pole), and grating lobe artifacts caused by strong beam intensity in a direction different from the main lobe. Among these, grating lobe artifacts create a strong virtual image far away from the real image, so arrays are designed to avoid artifacts.
グレーティングローブの発生角度θは、メインビームの方向、超音波の波長λ、アレイの素子ピッチdによって決まる。同一素子で送信と受信を行うモノスタティック(monostatic)アレイの場合、1素子分ずつ送受信素子の位置をずらす場合に、整数Nについて以下の式を見たすθの方向にグレーティングが生じる。 The angle θ at which a grating lobe occurs is determined by the direction of the main beam, the wavelength λ of the ultrasound, and the element pitch d of the array. In the case of a monostatic array in which the same element transmits and receives, when the position of the transmitting and receiving elements is shifted by one element, a grating occurs in the direction of θ, which satisfies the following equation for an integer N.
2dsinθ=Nλ ・・・(式1)
2d sin θ=Nλ (Equation 1)
そこでグレーティングローブを避けるためにアレイの素子ピッチdは波長λに対してλ/2以下に設計される。 To avoid grating lobes, the element pitch d of the array is designed to be less than λ/2 for the wavelength λ.
特許文献2には、送信素子アレイと受信素子アレイとを分けたバイスタティック(bistatic)アレイであって、送信素子アレイと受信素子アレイを直交させた形態のアレイにおいて、送信素子と受信素子の組み合わせごとに仮想素子を想定している。特許文献2の技術では、グレーティングローブを避けるために、仮想素子が不均一に分散し、かつ、仮想素子間のピッチが実素子間のピッチよりも小さくなる領域が生じるように、送信素子アレイと受信素子アレイの素子配置を設計している。
またグレーティングローブは、実際の素子の配列のみならず、SASBにおける送信フォーカス、受信フォーカスのような、仮想の素子の配列によっても生じることが知られている。 It is also known that grating lobes occur not only due to real element arrangements, but also due to virtual element arrangements, such as the transmit and receive foci in SASB.
グレーティングローブを避けるために、素子ピッチを小さくすると、アレイの加工が難しくなるとともに、分解能やS/Nを維持するために必要な素子数が多くなる。このため、トランスデューサー、配線、回路、信号処理に要するコストが増えるという問題がある。 If the element pitch is reduced to avoid grating lobes, it becomes more difficult to fabricate the array, and a larger number of elements are required to maintain the resolution and S/N ratio. This leads to problems such as increased costs for transducers, wiring, circuits, and signal processing.
グレーティングローブは、実素子アレイにおいて生じるだけでなく、仮想の素子アレイにおいても生じることが知られている。仮想素子アレイにおけるグレーティングローブは、開口合成撮像において、複数の送信ビームや受信ビームを、信号処理によって合成した結果として生じる。仮想素子アレイにおけるグレーティングローブを回避するためには、実素子アレイの場合と同様に、仮想素子のピッチを小さくする必要がある。 It is known that grating lobes occur not only in real element arrays, but also in virtual element arrays. Grating lobes in virtual element arrays occur as a result of combining multiple transmit and receive beams through signal processing in aperture synthesis imaging. To avoid grating lobes in virtual element arrays, the pitch of the virtual elements must be made small, just as in the case of real element arrays.
非特許文献1に記載されているSASB法における仮想素子の位置は、送信フォーカスと受信フォーカスの位置である。グレーティングローブを避けるために仮想素子ピッチを小さくすると、送信フォーカスや受信フォーカスの間隔が狭くなり、フレームレートの低下や、信号処理コストの増大などを招く。また、分解能を維持するために必要な仮想素子の数が増大し、コスト増につながる。
In the SASB method described in Non-Patent
本発明の目的は、グレーティングローブを抑制しながら、素子(実素子または仮想素子)のピッチを拡大させることにある。 The objective of the present invention is to increase the pitch of elements (real elements or virtual elements) while suppressing grating lobes.
本発明の超音波撮像装置は、被検体に対して超音波を送信する送信素子と、超音波の送信イベントごとに被検体において発生する超音波のエコーを受信する配列された複数の受信素子と、送信イベントごとに送信素子および複数の受信素子の位置を配列方向に移動させる移動制御部と、送信イベントごとに複数の受信素子において得られた受信信号を、複数の受信素子間および送信イベント間で合成する受信ビームフォーマとを有する。移動制御部は、送信イベントとその1回前の送信イベントとの間の、送信素子の位置の移動を表す移動ベクトルと、受信素子の位置の移動を表す移動ベクトルとの差が、連続する2回の送信イベントで異なるように、送信素子および受信素子の位置を移動させる。 The ultrasound imaging device of the present invention has a transmitting element that transmits ultrasound to a subject, a plurality of arranged receiving elements that receive echoes of ultrasound generated in the subject for each ultrasound transmission event, a movement control unit that moves the positions of the transmitting element and the plurality of receiving elements in the arrangement direction for each transmission event, and a receiving beamformer that synthesizes the received signals obtained at the plurality of receiving elements for each transmission event between the plurality of receiving elements and between transmission events. The movement control unit moves the positions of the transmitting element and the receiving element so that the difference between the movement vector representing the movement of the position of the transmitting element between a transmission event and the transmission event immediately preceding it and the movement vector representing the movement of the position of the receiving element is different for two consecutive transmission events.
本発明によれば、送信素子および受信素子(実素子ないし仮想素子)のピッチを拡大しても、素子の移動量の制御のみによってグレーティングローブを抑制することができる。そのため送信素子および受信素子の素子数を増加されることなく開口合成の口径を拡大できる。これにより、装置の実装コストを増加させることなく、高分解能化が可能となる。 According to the present invention, even if the pitch of the transmitting and receiving elements (real or virtual elements) is increased, grating lobes can be suppressed simply by controlling the amount of movement of the elements. Therefore, the aperture diameter of the aperture synthesis can be increased without increasing the number of transmitting and receiving elements. This makes it possible to achieve high resolution without increasing the implementation cost of the device.
本発明の一実施形態の超音波撮像装置について図面を用いて説明する。 An ultrasound imaging device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<<第1の実施形態>>
<概要>
第1の実施形態の超音波撮像装置の概要について、図1等を用いて説明する。
First Embodiment
<Overview>
An overview of an ultrasound imaging apparatus according to a first embodiment will be described with reference to FIG.
図1に示すように、第1の実施形態の超音波撮像装置は、被検体4に対して超音波を送信する送信素子16と、超音波の送信イベントごとに被検体4において発生する超音波のエコーを受信する配列された複数の受信素子26-1~26-4と、移動制御部30と、受信ビームフォーマ20を備えている。
As shown in FIG. 1, the ultrasound imaging device of the first embodiment includes a transmitting element 16 that transmits ultrasound to the
ここでいう送信素子16および複数の受信素子26-1~26-4は、図2(a)~(c)のように、実際の素子(振動子2a)である場合のほか、図3(a)~(c)のように、仮想の素子(例えば非特許文献1に記載のようにSASB法における送信焦点および受信焦点の位置に想定される素子)である場合も含む。
The transmitting element 16 and the multiple receiving elements 26-1 to 26-4 referred to here may be actual elements (
移動制御部30は、超音波の送信イベント(送信事象)ごとに送信素子16および受信素子26-1~26-4の位置を、受信素子26-1~26-4の配列方向に、例えば図2(a)~(c)または図3(a)~(c)のように移動させる。
The
受信ビームフォーマ20は、送信イベントごとに複数の受信素子26-1~26-4において得られた受信信号を、複数の受信素子26-1~26-4間および送信イベント間で合成する。合成後の信号を用いて超音波画像が生成される。
The receive
ここで、図2(a)~(c)または図3(a)~(c)に示したように、ある送信イベントとその1回前の送信イベントとの間の、送信素子16の位置の移動を、移動ベクトルtで表す。同様に、受信素子26-1~26-4の位置の移動を、移動ベクトルrで表す。移動制御部30は、送信素子16の移動ベクトルtと受信素子26-1等の移動ベクトルrとの差が、連続する2回の送信イベントで異なるように、送信素子16および受信素子26-1~26-4の位置を移動させる。
Here, as shown in Figures 2(a) to (c) or 3(a) to (c), the movement of the position of the transmitting element 16 between a certain transmission event and the transmission event immediately before it is represented by a movement vector t. Similarly, the movement of the positions of the receiving elements 26-1 to 26-4 is represented by a movement vector r. The
例えば、移動制御部30は、図4(a)に示すように、送信イベントによって、受信素子26-1~26-4の位置の移動量および移動方向の少なくとも一方を変化させる構成とする。図4(a)の例では、移動制御部30は、送信イベントごとに、複数の受信素子26-1~26-4の位置の移動量として、ゼロと、予め定めた値(例えば2Δ)とを交互に設定している。この時、移動制御部30は、送信イベントごとの送信素子16の位置は、予め定めた一定の移動量Δで、一定の方向に移動させている。
For example, as shown in FIG. 4(a), the
このように送信素子16と受信素子26-1~26-4の移動ベクトルtと移動ベクトルrとの差が、連続する2回の送信イベントで異なるように移動させることにより、送信素子16と受信素子26-1~26-4のそれぞれとの間の中点である位相中心210-1~210-4を求めた場合、連続する送信イベント間の位相中心210-1~210-4の距離P1(図5(a))を、送信素子16および受信素子26-1~26-4の移動ベクトルtおよびrを送信イベントごとに一定とする(すなわち、送信素子と受信素子を送信イベントごとに一定量(移動量Δ)で移動させる)比較例(図4(b)、図5(b)の距離P2よりも、小さくすることができる。 In this way, when phase centers 210-1 to 210-4, which are the midpoints between the transmitting element 16 and the receiving elements 26-1 to 26-4, are found by moving the transmitting element 16 and the receiving elements 26-1 to 26-4 so that the difference between the movement vectors t and r is different for two consecutive transmission events, the distance P1 (FIG. 5(a)) between the phase centers 210-1 to 210-4 between consecutive transmission events can be made smaller than the distance P2 in the comparative examples (FIGS. 4(b) and 5(b)) in which the movement vectors t and r of the transmitting element 16 and the receiving elements 26-1 to 26-4 are kept constant for each transmission event (i.e., the transmitting elements and receiving elements are moved a constant amount (movement amount Δ) for each transmission event).
これにより、図4(b)、図5(b)の比較例よりも受信素子26-1~26-4のピッチを疎にした場合でも、グレーティングローブを抑制することができる。よって、疎ピッチの少ない素子(実素子ないし仮想素子)を用いてデータ量を抑制しつつ、開口合成によって高分解能の画像を得ることができる。 As a result, grating lobes can be suppressed even when the pitch of the receiving elements 26-1 to 26-4 is made sparser than in the comparative examples of Figures 4(b) and 5(b). Therefore, it is possible to obtain a high-resolution image by aperture synthesis while suppressing the amount of data by using elements (real elements or virtual elements) with a small sparse pitch.
なお、連続する送信イベント間の位相中心210-1~210-4の距離P1は、送信素子16が送信する超音波の波長λの1/2以下であることが望ましい。 Note that it is desirable that the distance P1 between the phase centers 210-1 to 210-4 between successive transmission events be equal to or less than 1/2 the wavelength λ of the ultrasound transmitted by the transmitting element 16.
なお、移動制御部30は、複数の受信素子26-1~26-4の移動ベクトルrを同一に設定する。すなわち、受信素子26-1~26-4の間隔を維持したまま、受信素子26-1~26-4を移動させる。
The
また、移動制御部30は、複数の位相中心210-1~210-4が、送信イベントの繰り返しにより、同じ回数ずつ重なる位置に設定されるように、送信素子16および受信素子26-1~26-4の移動ベクトルt、rを設定することが望ましい。
Furthermore, it is desirable for the
<具体的構成>
第1の実施形態の超音波撮像装置1を具体的にさらに説明する。
<Specific Configuration>
The
なお、以下説明する超音波撮像装置1は、SASB法により、受信ビームフォーミングと開口合成を行って、被検体内に設定した複数の観測点の信号値を求める(図3(b)参照)。よって、送信素子16および複数の受信素子26-1~26-4は、図3(a)~(c)のように、SASB法における送信焦点および受信焦点の位置に想定される仮想の素子である。
The
ただし、すでに述べたように、本実施形態は、SASB法に限られるものではなく、送信開口と受信開口の双方で開口合成を行うバイスタティック開口合成(Bi-static Synthtic Aperture)を行って複数の受信信号から観測点の信号値を算出する方法であればどのような方法であってもよい(例えば図3(a)参照)。 However, as already mentioned, this embodiment is not limited to the SASB method, and any method that calculates the signal value of the observation point from multiple received signals by performing bi-static synthetic aperture (bi-static synthetic aperture) that performs aperture synthesis on both the transmitting aperture and the receiving aperture (see, for example, FIG. 3(a)) may be used.
図6に示すように、超音波撮像装置1は、送信ビームフォーマ10と、受信ビームフォーマ20と、移動制御部30と、送受分離部40と、画像処理部50と、制御部60と、コンソール70とを備えて構成される。
As shown in FIG. 6, the
送信ビームフォーマ10と受信ビームフォーマ20には、送受分離部40を介して超音波プローブ2が接続されている。超音波プローブ2は、超音波を送信および受信可能な振動子2aを列状に並べた振動子列200を内蔵している。
The
受信ビームフォーマ20は、メモリ201、第1受信ビームフォーマ202および第2受信ビームフォーマ203を備え、SASB法により、受信ビームフォーミングと開口合成を行って、被検体内に設定した複数の観測点の信号値を求める。
The receive
送信ビームフォーマ10は、図7に示すように、超音波プローブ2の振動子列200に送信開口11を設定し、送信開口11内の振動子2aに対して送信信号を出力する。送信信号は、送信開口11内の各振動子2aによって、超音波に変換され、送信ビーム15となって被検体4へされる。このとき、送信ビームフォーマ11は、各振動子2aに送信する送信信号にそれぞれ遅延時間を設定して遅延させることにより、送信焦点の位置を設定する。この送信焦点の位置が仮想の送信素子16の位置となる。
As shown in FIG. 7, the transmit
送信ビームフォーマ10は、図7のように、被検体4内で送信焦点16を結ぶ集束ビームを送信ビーム15として送信させることも可能であるし、振動子列200よりも手前側に仮想的に送信焦点(送信素子)16を設定し、被検体4内で広がるビームを送信ビーム15として送信させることも可能である。
The transmit
送信ビーム15の一部は、被検体4内の反射体等によって反射や散乱等され、エコーとなって超音波プローブ2の振動子列200に到達し、各振動子2aによって受信される。各振動子2aの出力する受信信号は、送受分離部40を介して、メモリ201内の素子信号領域201aに一旦格納される。
A part of the transmitted beam 15 is reflected or scattered by a reflector or the like in the
受信ビームフォーマ20は、1回の送信につき、複数の受信開口21-1~21-4を振動子列200に設定する。図7の例では4つ受信開口21-1~21-4を設定している。受信ビームフォーマ20は、受信開口21-1内の複数の振動子2aの受信信号をメモリ201の素子信号領域201aから読み出して、各受信信号に対してそれぞれ遅延量を与えた後加算する等の所定の処理を行うことにより、受信ビーム25-1を形成して受信ライン27-1の受信ライン信号を算出し、メモリ201内の受信ライン領域201bに格納する。受信ライン信号の算出方法は、後で詳しく説明する。
The receive
同様に、他の受信開口21-2~21-4についても同様に受信ビーム25-2~25-4を形成して受信ライン27-2~27-4の受信ライン信号を算出し、受信ライン領域201bに格納する。これにより、1回の送信イベントについて、受信ライン27-1~27-4の受信ライン信号が受信ライン領域201bに格納される。
Similarly, for the other receiving apertures 21-2 to 21-4, receiving beams 25-2 to 25-4 are formed in the same manner, and receiving line signals for receiving lines 27-2 to 27-4 are calculated and stored in receiving
移動制御部30は、送信イベントごとに、送信開口11の位置と、受信開口21-1~21-4の位置とを、振動子列200の列方向に移動させることにより、送信焦点(仮想の送信素子)16および受信焦点(仮想の受信素子)26-1~26-4を移動させる。このとき、移動制御部30は、送信素子16の移動ベクトルtと受信素子26-1等の移動ベクトルrとの差が、連続する2回の送信イベントで異なるように、送信素子16および受信素子26-1~26-4の位置を移動させる(図3(a)~(c)、図4(a)参照))。
The
受信ビームフォーマ20は、複数回の送信イベントによってそれぞれ得られた受信ライン27-1~27-4の受信ライン信号を同一送信イベント内および送信イベント間で開口合成処理する。これにより、被検体4内に設定した観測領域内の観測点において反射等された信号強度を算出する。
The receive
<受信ビームフォーミングの遅延量>
ここで、第1受信ビームフォーマ202による遅延量について詳しく説明する。
<Delay amount of receive beamforming>
Here, the amount of delay caused by the first receive
第1受信ビームフォーマ202は、受信ビームフォーミングの第1段階として、受信開口21-1~21-4を図7のように予め定めた間隔で設定する。また、それぞれの受信ビーム25-2~25-4の受信焦点26-1~26-4を所定の深さ(ここでは送信焦点16と同じ深さ)に設定する。
As the first stage of receive beamforming, the first receive
第1受信ビームフォーマ202は、受信開口21-1~21-4内の各振動子2aの受信信号を、それぞれ所定の遅延量で遅延させた後、加算する。これにより、受信ライン27-1~27-4の受信ライン信号を算出する。
The first receive
振動子2aの受信信号ごとの遅延量は、(式2)により与えられる。例えば、受信開口21-1内のi番目の振動子2aに与える遅延量Diは、図8(a)に示す受信焦点26-1と振動子2aとの距離Liと音速cにより算出される。なお、(式2)においてmax(Li)は、受信開口21-1内の振動子2aと受信焦点26-1との距離のなかの最大値である。
Di =(max(Li)-Li)/c ・・・(式2)
The delay amount for each reception signal of the
Di = (max (Li) - Li) / c ... (Equation 2)
なお、遅延量Diは、受信ライン27-1上の点(代表点と呼ぶ)の位置、すなわち受信信号の受信時刻によらず、振動子2aごとに一定である。
The delay amount Di is constant for each
このように、第1受信ビームフォーマ202の行う遅延加算処理は、振動子2aの出力する受信信号に振動子2aごとに一定の遅延量を与えて加算する処理であるため、低コストでコンパクトなアナログ回路またはデジタル回路によって実現できる。
In this way, the delay and sum processing performed by the first receive
次に、第2受信ビームフォーマ203は、第2段階として、複数回の送信イベントにおいて、受信ライン27-1~27-4についてそれぞれ算出した受信ライン信号を、受信ビーム間および送信ビーム間で開口合成する。これにより、被検体4内に設定した観測領域内の観測点において反射等された信号強度を算出する。
Next, in the second stage, the second receive
例えば、図8(b)に示すように、n番目(n=1~N)の送信イベントにおけるm番目(m=1~M)の受信焦点Rnmを通る受信ラインInmについて得た受信ライン信号は、観測点pで反射した信号値を、受信ラインInmの代表点Qnmの信号値として含む。代表点Qnmは、送信焦点Tnと受信焦点Rnmの2つを焦点とする楕円曲線と、受信ラインInmとの交点である。 8B, for example, a receiving line signal obtained for a receiving line I nm passing through an m-th (m = 1 to M) receiving focal point R nm in an n-th (n = 1 to N) transmission event includes a signal value reflected at an observation point p as a signal value of a representative point Q nm of the receiving line I nm . The representative point Q nm is an intersection point between an elliptical curve having two foci, the transmitting focal point T n and the receiving focal point R nm , and the receiving line I nm .
よって、第2受信ビームフォーマ203は、観測点pの信号を、1番目からN番目の送信イベントごとの1番目からM番目の受信焦点Rnmを通る受信ラインInmについて得た受信ライン信号を、(式3)により合成する開口合成を行うことで求める。
(式3)においてsは、受信ラインInm上の代表点Qnmの位置を表す。またwnmは、重みであり、第2の受信ビームフォーマ203が付与する。
In (Equation 3), s represents the position of the representative point Q nm on the receiving line I nm , and w nm is a weight that is assigned by the second receiving
例えば重みwnmは、送信ビームの中心軸と観測点pの成す角度、および受信ビームの中心軸(受信ライン27-1~27-4)と受信ビームの成す角度を用いて、与えることができる。 For example, the weight w nm can be given using the angle between the central axis of the transmission beam and the observation point p, and the angle between the central axis of the reception beam (reception lines 27-1 to 27-4) and the reception beam.
このように第2の受信ビームフォーマ203は送信間nに渡る開口合成と受信間mに渡る開口合成とを行う。これにより、第1段階で受信ライン上の受信ライン信号として束ねられた低分解能の信号から、観測点ごとの高分解能の信号を算出することができる。
In this way, the second receive
画像処理部50は、受信ビームフォーマ20が生成した観測領域内の各観測点pの信号値を、観測点pに対応する位置の画素の画素値に変換することにより、超音波画像を生成する。生成された画像は、画像処理部50に接続されている表示部3に表示される。
The
なお、図6のコンソール70は、撮像条件をユーザから受け付ける。
Note that the
<送信素子と受信素子の移動量>
移動制御部30は、送信イベントごとの送信素子(送信焦点)16の移動量と受信素子26-1~26-4の移動量を制御し、グレーティングローブの発生を抑制する。以下、詳しく説明する。
<Movement of transmitting and receiving elements>
The
開口合成を行う撮像方法において、開口合成の口径(実素子ないし仮想素子の配列の幅)を大きくすると、画像の分解能の向上させることができる。その一方、受信開口(実受信素子ないし仮想受信素子)の素子数を増加させると、受信信号(素子信号ないし受信ライン信号)のデータ量が大きくなり、受信ビームフォーマ20の演算量が増加する。それを避けるために、受信開口を大きくする一方で、受信素子の数を増加させないように受信素子のピッチを疎にした場合、グレーティングローブアーチファクトが生じ得る。
In an imaging method that uses aperture synthesis, increasing the aperture synthesis aperture (the width of the array of real or virtual elements) can improve the image resolution. On the other hand, increasing the number of elements in the receiving aperture (real receiving elements or virtual receiving elements) increases the amount of data in the receiving signal (element signal or receiving line signal), and increases the amount of calculations in the receiving
そこで本実施形態では、上述したように、移動制御部30が、送信イベントごとの送信素子(仮想の送信素子)16の移動量と受信素子(仮想の受信素子)26-1~26-4の移動量を制御し、グレーティングローブの発生を抑制する。具体的には、移動制御部30は、振動子2aの列方向に沿った受信素子の移動ベクトルr、送信素子の移動ベクトルtの差が、連続する2回の送信イベントで異なるように、送信素子および受信素子の位置を移動させる(図4(a)参照)。
In this embodiment, as described above, the
なお、本実施形態では、同一送信イベントにおける受信素子26-1~26-4は等間隔に配置され、移動ベクトルrは、複数の受信素子26-1~26-4において同一にする。すなわち、移動制御部30は、受信素子26-1~26-4の間隔を保ったまま移動させる。
In this embodiment, the receiving elements 26-1 to 26-4 in the same transmission event are arranged at equal intervals, and the movement vector r is the same for the multiple receiving elements 26-1 to 26-4. In other words, the
さらに、移動制御部30は、図9のように、位相中心210-1~210-4を算出したときに、送信イベント間で合成された結果の位相中心の配置間隔P1(図6(a))が、振動子列200が受信する超音波の波長λの1/2以下になるようにする。
Furthermore, when the
一般に図10(a)に示すように、同一の振動子2aで送受信を繰り返し、開口合成を行う場合(Monostatic SA)、送信波の伝搬距離と反射波の伝搬距離を合わせた往復の伝搬距離の、隣り合う素子と間の位相差が、波長の倍数となるときに、振動子のエコー信号同士が強め合ってグレーティングローブが生じる。そのため、モノスタティック開口合成でグレーティングローブを回避するためには素子の間隔dを、λ/2より小さくする必要があることが知られている。
As shown in Figure 10(a), in general, when the
非特許文献1に記載のように、1回の送信ごとに複数の受信焦点を設定するSASB法は、送信焦点16を仮想の送信素子として、仮想の受信素子(受信焦点)26-1~26-4を設定し、送信素子と受信素子とが異なる振動子2aであるため、バイスタティック開口合成と呼ばれる。
As described in
ここで、図10(b)のように、位相中心法により送信素子と受信素子との中間点(位相中心)に仮想の素子を想定し、送信素子から反射点までの距離をL1、反射点から受信素子までの距離をL2、位相中心可能素子から反射点までの距離をL3とすると、L3が、位相中心と送信素子または受信素子との間の距離σに対して十分に大きいとき、以下の近似式が成立することが知られている。
L1+L2=2*L3 ・・・(式4)
Here, as shown in Figure 10 (b), if we assume a virtual element at the midpoint (phase center) between the transmitting element and the receiving element using the phase center method, and let the distance from the transmitting element to the reflection point be L1, the distance from the reflection point to the receiving element be L2, and the distance from the phase center possible element to the reflection point be L3, it is known that when L3 is sufficiently large relative to the distance σ between the phase center and the transmitting element or receiving element, the following approximation formula holds.
L1+L2=2*L3 ... (Equation 4)
これを位相中心近似と呼び、位相中心近似によって、バイステティック開口合成を、送信イベントごとに位相中心から送受信を行うモノスタティック(mono-static)開口合成に近似して扱うことができるようになる。これによりバイスタティックの開口合成のグレーティングローブの発生角度の算出は、モノスタティックの開口合成よりも複雑となるものの、位相中心近似によって、グレーティングローブ発生角度を上述した(式1)のような簡便な式で算出することが可能になる。(式1)を再掲すると下記の通りである。
2dsinθ=Nλ ・・・(式1)
This is called the phase center approximation, and the phase center approximation allows bistatic aperture synthesis to be treated as an approximation to monostatic aperture synthesis, in which transmission and reception are performed from the phase center for each transmission event. As a result, although the calculation of the grating lobe generation angle in bistatic aperture synthesis is more complicated than that in monostatic aperture synthesis, the phase center approximation makes it possible to calculate the grating lobe generation angle using a simple formula such as the above-mentioned (Formula 1). (Formula 1) is rewritten as follows:
2d sin θ=Nλ (Equation 1)
すなわち、図5(a)、(b)のように、送信イベント間の位相中心210-1~210-4間隔を、図10(a)における素子ピッチdと考えることができ、これをλ/2より小さくすることにより、グレーティングローブを回避することができる(図10(c))。 In other words, as shown in Figures 5(a) and (b), the interval between phase centers 210-1 to 210-4 between transmission events can be considered as the element pitch d in Figure 10(a), and by making this smaller than λ/2, grating lobes can be avoided (Figure 10(c)).
そこで、本実施形態では、上述のように移動制御部30が、送信イベントごとの送信素子16の移動ベクトルtおよび受信素子26-1~26-4の移動ベクトルrを制御し、移動ベクトルtと移動ベクトルrとの差が、連続する2回の送信イベントで異なるように、送信素子および受信素子の位置を移動させる(図4(a)参照)。例えば図4(a)に示す具体例では、送信の移動ベクトルtの移動量は、送信イベントごとに同じ移動量Δであるのに対し、受信の移動ベクトルrの移動量は、送信イベントごとに、0と2Δの交互になるように設定されている。
In this embodiment, as described above, the
これにより、比較例として、図4(b)および図5(b)に示した例のように、送信素子16および受信素子26-1~26-4を送信ごとに一定の移動量Δで移動させた場合に、複数の送信イベント間の位相中心の配列間隔P2がΔであるのに対して、本実施形態の図4(a)および図5(a)のように、受信素子26-1~26-4の移動量を送信イベントごとに0と2Δの交互になるように設定した場合には、複数の送信イベント間の位相中心の配列間隔P1(図6(a))がΔ/2となり、P2よりも小さくすることができる。 As a result, in the comparative example shown in FIG. 4(b) and FIG. 5(b), when the transmitting element 16 and the receiving elements 26-1 to 26-4 are moved by a constant amount of movement Δ for each transmission, the arrangement interval P2 of the phase centers between multiple transmission events is Δ, whereas in the present embodiment, when the amount of movement of the receiving elements 26-1 to 26-4 is set to alternate between 0 and 2Δ for each transmission event, as in FIG. 4(a) and FIG. 5(a), the arrangement interval P1 (FIG. 6(a)) of the phase centers between multiple transmission events becomes Δ/2, which can be made smaller than P2.
この距離P1が、超音波の波長λの1/2以下になるように移動制御部30が移動量を制御することにより、グレーティングローブを抑制することができる。
The
一般的には、送信素子16の移動量Δは、振動子2a(実素子)ピッチと等しく、振動子2a(実素子)ピッチは、波長λと同等かλより小さい場合が多い。この場合、送信イベント間の位相中心の配列間隔P1はλ/2以下となり、グレーティングローブ偽像の発生を回避することができる。
In general, the movement amount Δ of the transmitting element 16 is equal to the pitch of the
よって、本実施形態によれば、疎ピッチで、かつ、少ない数の受信素子26-1~26-4を用いて、データ量を抑制しつつ、大口径の受信開口を設定することができる。よって、開口合成によって高分解能の画像を得ることができる。 According to this embodiment, a large diameter receiving aperture can be set while suppressing the amount of data by using a small number of receiving elements 26-1 to 26-4 at a sparse pitch. As a result, a high resolution image can be obtained by aperture synthesis.
また、本実施形態では、位相中心210-1~210-4が、複数の送信イベントの合成の結果、それぞれの位置で同じ回数ずつ重なるように、受信素子26-1~26-4の間隔、ならびに、1送信ごとの受信素子26-1~26-4の数を予め設定する。例えば図6(a)では1送信あたりの受信素子は4つで、位相中心210-1~210-4は、同じ位置に2つずつ重なる。 In addition, in this embodiment, the spacing between the receiving elements 26-1 to 26-4 and the number of receiving elements 26-1 to 26-4 per transmission are preset so that the phase centers 210-1 to 210-4 overlap the same number of times at each position as a result of combining multiple transmission events. For example, in FIG. 6(a), there are four receiving elements per transmission, and the phase centers 210-1 to 210-4 overlap two by two at the same position.
ただし、受信素子26-1~26-4の数が5つなど奇数の場合には、送信しベント間で位相中心の重なり合う数に、2個、3個、2個、3個のようなばらつきが生じ、位相中心の配置間隔P1が波長λの1/2以下であっても、位相中心の重なりあう数が多い位置の間隔に由来したグレーティングローブが発生する。これを回避するため、本実施形態では、受信素子の数を予め位相中心の重なり合う数が均一になるように設定する。 However, when the number of receiving elements 26-1 to 26-4 is an odd number, such as five, the number of overlapping phase centers between the transmitting vents varies from two to three, two to three, and so on, and even if the arrangement interval P1 of the phase centers is less than or equal to half the wavelength λ, grating lobes will occur due to the spacing between positions where the number of overlapping phase centers is large. To avoid this, in this embodiment, the number of receiving elements is set in advance so that the number of overlapping phase centers is uniform.
<移動ベクトルの決定処理>
ここで移動量制御部30が移動ベクトルt、rを決定する処理を、図11のフロー用いてをさらに説明する。
<Processing for Determining Movement Vector>
Here, the process in which the movement
本実施形態では、送信素子16の移動ベクトルtは一定である場合に、受信素子の移動ベクトルrを送信イベントごとに異ならせることで、グレーティングローブを回避する。 In this embodiment, when the movement vector t of the transmitting element 16 is constant, grating lobes are avoided by varying the movement vector r of the receiving element for each transmission event.
あらかじめ移動量制御部30は、制御部60から波長(λ)、送信素子16の移動量(Δt)、1送信ごとの受信素子26-1~26-Mの個数(M)、1回の送信イベントにおける受信素子26-1~26-Mの間隔(Δr)などの必要な設定値を読み込んでおく。
The movement
まず、グレーティングローブを回避のために必要なピッチd(図10(a)参照)を、例えば波長λの1/2に決定する(ステップ1101)。 First, the pitch d (see FIG. 10(a)) required to avoid grating lobes is determined to be, for example, 1/2 the wavelength λ (step 1101).
次に、現在の送信イベントの位相中心の配置を算出する。例えば、1回目の送信イベントの送信素子16、および、受信素子26-1~26-Mを、予め定めた間隔をあけて、振動子2aの配列の片方の端から順に配置することによりこれらの位置を決定する。決定した送信素子16と受信素子26-1~26-Mの位置から、1回目の送信イベントの位相中心210-1~210-Mを例えば図9のように算出する。算出した1回目の送信イベントの位相中心210-1~210-Mの位置を、先に算出したピッチdずつ、振動子2aの配列方向にシフトさせ、2回目の送信イベントの位相中心210-1~210-Mの位置を設定する(ステップ1102)。
Next, the position of the phase center of the current transmission event is calculated. For example, the positions of the transmitting element 16 and receiving elements 26-1 to 26-M of the first transmission event are determined by arranging them at a predetermined interval from one end of the array of
つぎに、1回目の送信素子16の位置から移動ベクトルt(移動量Δt)移動させた2回目の送信素子16の位置と、ステップ1102で設定した2回目の送信イベントの位相中心210-1~210-Mの位置とから、受信素子26-1~26-Mの移動ベクトルrを算出する(ステップ1103)。 Next, the movement vector r of the receiving elements 26-1 to 26-M is calculated from the second position of the transmitting element 16, which is moved by the movement vector t (movement amount Δt) from the position of the first transmitting element 16, and the positions of the phase centers 210-1 to 210-M of the second transmission event set in step 1102 (step 1103).
ステップ1102、1103をすべての送信イベントの受信素子26-1~26-Mの移動ベクトルrを算出するまで繰り返す。
これにより、送信イベントごとの送信素子16と受信素子26-1~26-Mの配置を決定することができる。移動制御部30は、算出した移動ベクトルrで受信素子26-1~26-Mを移動させ、一定の移動ベクトルtで送信素子16を移動させることにより、送信イベント間の位相中心の配列間隔dとなり、グレーティングローブを回避することができる。
This makes it possible to determine the arrangement of the transmitting element 16 and receiving elements 26-1 to 26-M for each transmission event. The
なお、移動量制御部30が移動ベクトルt、rを決定する図11のフローの処理は、送信イベントごとに行って、次の送信イベントの前に送信素子16と受信素子26-1~26-Mを移動させる移動ベクトルt、rを決定してもよい。また、予めすべての送信イベントについて移動ベクトルt、rを決定して、メモリ201に格納しておき、移動制御部30が送信イベントごとにメモリ201から移動ベクトルt、rを読みだして設定してもよい。
The process of the flow in FIG. 11 in which the movement
本実施形態において、第1受信ビームフォーマ202は、すでに説明したように、処理内容が、受信信号に一定の遅延量を与えて加算する処理であるため、低コストでコンパクトなアナログ回路またはデジタル回路等のハードウエアによって実現できるが、内蔵するメモリに格納しておいたプログラムをCPUが実行することによりソフトウエアによって実現することももちろん可能である。
As already explained, in this embodiment, the first receive
第2受信ビームフォーマ203および移動制御部30は、予め内蔵するメモリに格納しておいたプログラムをCPUが実行することによりソフトウエアによって実現することももちろん可能であるし、その一部または全部をハードウエアで構成すことも可能である。例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)のようなカスタムICや、FPGA(Field-Programmable Gate Array)のようなプログラマブルICを用いて第2受信ビームフォーマ203および移動制御部30を構成し、その機能を実現するように回路設計を行えばよい。
The second receive
<<第2の実施形態>>
第2の実施形態の超音波撮像装置を図12を用いて説明する。第2の実施形態の超音波撮像装置は、プローブ2に第1の受信ビームフォーマ202が搭載されている点が、第1の実施形態とは異なる。
<<Second embodiment>>
An ultrasonic imaging apparatus according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 12. The ultrasonic imaging apparatus according to the second embodiment differs from the first embodiment in that a first receive
他の構成は、第1の実施形態の装置と同様であるので、説明を省略する。 The rest of the configuration is the same as that of the device in the first embodiment, so a description will be omitted.
第1の受信ビームフォーマ202は、SASB法により受信信号を束ねて受信ライン信号にする演算を行うが、この演算は、演算量が少なくため、必要な演算回路の規模も小さい。よって、プローブ2に搭載することができる。
The first receive
また、束ねられた受信ライン信号の数は、受信開口の数であるので、プローブ2は、振動子2aよりも少ない数の受信ライン信号を本体の装置1に送信すればよい。よって、プローブ2と本体の装置1との間の伝送するデータ量を低減でき、伝送ラインの規模を低減できる。また、データ量が少ない無線での伝送も可能になる。
In addition, since the number of bundled receive line signals is the number of receive apertures, the
1…超音波撮像装置(本体)、10…送信ビームフォーマ、20…受信ビームフォーマ、30…開口移動量制御部、201…メモリ、202…第1の受信ビームフォーマ、203…第2の受信ビームフォーマ 1...Ultrasound imaging device (main body), 10...Transmit beamformer, 20...Receive beamformer, 30...Aperture movement control unit, 201...Memory, 202...First receive beamformer, 203...Second receive beamformer
Claims (6)
前記移動制御部は、前記送信イベントとその1回前の送信イベントとの間の、前記送信素子の位置の移動を表す移動ベクトルと、前記受信素子の位置の移動を表す移動ベクトルとの差が、連続する2回の前記送信イベントで異なるように、前記送信素子および前記受信素子の位置を移動させ、
前記移動制御部は、前記送信素子と前記複数の受信素子のそれぞれとの間の中点である複数の位相中心の、連続する前記送信イベント間の距離が、前記送信素子および前記複数の受信素子を前記送信イベントごとに一定の移動ベクトルで移動させた場合よりも小さくなるように、前記送信素子の移動ベクトルと前記複数の受信素子の移動ベクトルを設定することを特徴とする超音波撮像装置。 a transmission element that transmits ultrasonic waves to a subject; a plurality of arranged reception elements that receive echoes of the ultrasonic waves generated in the subject for each transmission event of the ultrasonic waves; a movement control unit that moves the positions of the transmission elements and the plurality of reception elements in the direction of the arrangement for each transmission event; and a reception beamformer that synthesizes reception signals obtained in the plurality of reception elements for each transmission event between the plurality of reception elements and between the transmission events;
the movement control unit moves positions of the transmitting element and the receiving element such that a difference between a movement vector representing a movement of a position of the transmitting element and a movement vector representing a movement of a position of the receiving element between the transmitting event and the immediately preceding transmitting event is different between two consecutive transmitting events;
The movement control unit sets the movement vector of the transmitting element and the movement vector of the multiple receiving elements so that the distance between successive transmission events of multiple phase centers, which are the midpoints between the transmitting element and each of the multiple receiving elements, is smaller than the distance between the transmitting element and the multiple receiving elements when the transmitting element and the multiple receiving elements are moved by a constant movement vector for each transmission event.
前記送信素子および前記複数の受信素子は、SASB(Synthetic aperture sequential beamforming)法で想定される仮想の素子であり、
前記送信素子は、前記振動子アレイが前記被検体に送信する送信ビームの送信焦点の位置に想定され、
前記受信素子は、前記振動子アレイが送信する送信ビームのエコーを受信した複数の前記振動子が出力する受信信号を、前記受信ビームフォーマが処理して形成する受信ビームの焦点の位置に想定され、
前記移動制御部は、前記振動子アレイが送信する前記送信ビームの送信焦点を移動させることにより、前記送信素子を移動させ、前記受信ビームフォーマが形成する受信焦点の位置を移動させることにより、前記受信素子を移動させることを特徴とする超音波撮像装置。 2. The ultrasonic imaging device according to claim 1, further comprising a transducer array in which transducers that actually transmit and receive ultrasonic waves are arranged,
the transmitting element and the plurality of receiving elements are virtual elements assumed in a synthetic aperture sequential beamforming (SASB) method,
The transmitting element is assumed to be at a position of a transmission focus of a transmission beam transmitted by the transducer array to the subject,
The receiving element is assumed to be at the position of a focus of a receiving beam formed by processing receiving signals output from the plurality of transducers that receive echoes of a transmitting beam transmitted by the transducer array,
The movement control unit moves the transmitting elements by moving the transmission focal point of the transmission beam transmitted by the transducer array, and moves the receiving elements by moving the position of the receiving focal point formed by the receiving beamformer.
前記受信ビームフォーマは、前記複数の前記受信ビームを形成する第1受信ビームフォーマと、前記受信ビームを開口合成する第2受信ビームフォーマとを有し、
前記第1受信ビームフォーマは、前記超音波プローブ内に搭載されていることを特徴とする超音波撮像装置。 2. The ultrasonic imaging device according to claim 1, further comprising an ultrasonic probe having a built-in transducer array in which transducers that actually transmit and receive ultrasonic waves are arranged,
the receive beamformer includes a first receive beamformer that forms the plurality of receive beams, and a second receive beamformer that performs aperture synthesis on the receive beams;
The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the first receive beamformer is mounted within the ultrasonic probe.
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