JP4071864B2 - 超音波送波装置並びに超音波撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、非線形効果を利用して超音波撮像を行なうための超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非線形効果を利用して超音波撮像を行なう超音波撮像装置は、パラメトリックソーナー(parametric sonar)として知られている。この装置では、被検体内に超音波を送波したときに、体内での超音波伝播の非線形性により発生する２次の高調波エコー(echo)を利用して撮像を行なうようになっている。
【０００３】
非線形性を利用する超音波撮像の他の例としては、マイクロバルーン(microballoon)を用いる造影撮像がある。これは、マイクロバルーンがその非線形なエコー源特性により送波超音波の２次の高調波を含むエコーを生じることを利用して、体内に注入したマイクロバルーンの分布状態を画像化するようにしたものである。
【０００４】
上記のいずれにおいても、送波超音波に初めから２次の高調波が含まれていると、そのエコーが非線形効果によるエコーまたはマイクロバルーンからの高調波エコーと区別できないので、送波超音波に２次の高調波が含まれないようにする対策が講じられる。
【０００５】
そのような対策の１つとして、超音波プローブ(probe) における超音波トランスデューサアレイ(transducer array)の個々の超音波トランスデューサを、位相を１つ置きに９０°異ならせた駆動信号で駆動し、基本周波数での９０°の位相差が２次の高調波では１８０°の位相差となることを利用して、送波に含まれる２次の高調波を相殺するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような送波を行なう場合、超音波ビームの焦点で合算される基本周波数の超音波の半数は位相が９０°異なるので、全て同相で送波した場合よりも瞬時音圧が約３割低下するという問題があった。
【０００７】
また、同じ位相の駆動信号が超音波トランスデューサに１つ置きに印加されることにより、実効的なアレイピッチ(array pitch) が約２倍になり、グレーティングサイドローブ(grating sidelobe)が大きくなる等の副作用を免れないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、副作用なしに送波超音波の２次の高調波を除去する超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置を実現することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する第１の発明は、中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波する超音波送波方法であって、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する、ことを特徴とする超音波送波方法である。
【００１０】
（２）上記の課題を解決する第２の発明は、中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波する超音波送波装置であって、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する遅延手段、
を具備することを特徴とする超音波送波装置である。
【００１１】
（３）上記の課題を解決する第３の発明は、中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波し、エコーに基づいて画像を生成するする超音波撮像装置であって、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する遅延手段、を具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【００１２】
第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものは、前記複数の超音波トランスデューサうちの半数を占めることが、送波に含まれる２次の高調波を相殺する点で好ましい。
【００１３】
その場合、前記遅延時間を、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに１つ置きに付与することが、送波に含まれる２次の高調波を適切に除去する点で好ましい。
【００１４】
（作用）
本発明では、アレイを構成する複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する。これにより、超音波の集束点では実効的な基本周波数の超音波が全て同相となって強め合い、また、実効的な２次高調波が互いに逆位相となって弱め会う。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック(block) 図を示す。本装置は、本発明の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００１６】
本装置の構成を説明する。図１に示すように、本装置は、超音波プローブ(probe) ２を有する。超音波プローブ２は被検体４に当接されて超音波の送受波に使用される。
【００１７】
超音波プローブ２は、例えば図２に示すような超音波トランスデューサアレイ３００を有する。超音波トランスデューサアレイ３００は、複数の超音波トランスデューサ３０２を例えば１次元のアレイ状に配列して構成される。超音波トランスデューサ３０２は、本発明における超音波トランスデューサの実施の形態の一例である。なお、複数の超音波トランスデューサに対する符号付けは１箇所で代表する。個々の超音波トランスデューサ３０２は、例えばＰＺＴ（チタン(Ti)酸ジルコン(Zr)酸鉛）セラミックス(ceramics)等の圧電材料で構成される。
【００１８】
超音波トランスデューサ３０２としては、例えば図３に示すような周波数特性を持つものが用いられる。すなわち、同図に示すように、超音波トランスデューサの周波数特性は、相対感度が１になる中心周波数が例えば３ＭＨｚ、相対感度が０．５になる下側の周波数（下側の半値周波数）が例えば２ＭＨｚ、相対感度が０．５になる上側の周波数（上側の半値周波数）が例えば４ＭＨｚとなっている。
【００１９】
このような関係に基づき、下側の半値周波数（２ＭＨｚ）を基本周波数とする超音波を送波し、その２次の高調波すなわち上側の半値周波数（４ＭＨｚ）のエコーを受波する。
【００２０】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を与えて、超音波を送波させるようになっている。超音波プローブ２および送受信部６は、本発明の超音波送波装置の実施の形態の一例である。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波したエコーを受信するようになっている。
【００２１】
送受信部６のブロック図を図４に示す。同図において、送波タイミング(timing)発生回路６０２は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビームフォーマ(beamformer)６０４に入力するようになっている。
【００２２】
送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミング信号に基づいて、送波ビームフォーミング(beamforming) 信号、すなわち、超音波トランスデューサアレイ３００中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサを時間差をもって駆動する複数の駆動信号を発生し、送受切換回路６０６に入力するようになっている。
【００２３】
駆動信号は、例えば単極性の所定波数の矩形波パルス信号で、その基本周波数が２ＭＨｚとなっている。単極性の矩形波パルス信号信号は、基本周波数とその近傍の周波数成分および２次の高調波とその近傍の周波数成分を含んでいる。
【００２４】
送波ビームフォーマ６０４は、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサの半数については、さらに、駆動信号に一律に所定の遅延時間を付与するになっている。送波ビームフォーマ６０４は、本発明における遅延手段の実施の形態の一例である。遅延時間は例えば４１６．７ｎｓとなっている。
【００２５】
この遅延時間は１．２ＭＨｚの信号の１／２周期に相当するものである。これは、また、後述する２．４ＭＨｚの信号の１周期に相当し、３．６ＭＨｚの信号の１．５周期に相当する。
【００２６】
この遅延時間を付与した駆動信号が与えられる超音波トランスデューサは、例えば、送波アパーチャにおける配列番号が偶数の超音波トランスデューサとする。このようにすることにより、遅延駆動される超音波トランスデューサの分布を送波アパーチャ内で均一化し、後述する２次の高調波の相殺を適切に行なうことができる。
【００２７】
なお、遅延駆動される超音波トランスデューサは、奇数番目のものとしても良いのは勿論である。また、それに限らず、遅延駆動される半数の超音波トランスデューサを送波アパーチャ内に適宜に分散させるようにしても良く、あるいは、送波アパーチャの片側半分にまとめても良い。
【００２８】
送受切換回路６０６は、このような複数の駆動信号を超音波トランスデューサアレイ３００に入力するようになっている。アレイ中の送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサ３０２は、複数の駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ複数の超音波をぞれぞれ発生する。それら超音波の波面合成により超音波ビームが形成される。
【００２９】
超音波トランスデューサ３０２が図３に示したような周波数特性を持つことにより、基本周波数が２ＭＨｚの単極性の矩形波パルス信号で駆動されたとき、この駆動信号の周波数成分に対応する周波数成分を含む超音波が送波されるが、送波超音波の周波数成分の比率は、超音波トランスデューサ３０２の周波数特性の影響をうける。
【００３０】
その様子を図５によって説明する。駆動信号の周波数成分は、同図に破線で示すように基本周波数ｆ０（２ＭＨｚ）と２次の高調波２ｆ０（４ＭＨｚ）にそれぞれピーク(peak)を持って分布するが、基本周波数および２次の高調波がそれぞれ超音波トランスデューサ３０２の周波数特性の下側半値周波数および上側半値周波数に相当しているので、送波超音波の周波数成分は、周波数特性の傾斜部分の影響を受ける。
【００３１】
すなわち、基本周波数およびその近傍の周波数は、周波数特性の右上がりの傾斜部分によりいわゆる高域強調が行なわれ、結果的に２．４ＭＨｚにピークを持つ分布が得られる。これに対して、２次の高調波およびその近傍の周波数は、左上がりの傾斜部分によりいわゆる低域強調が行なわれ、結果的に３．６ＭＨｚにピークを持つ分布となる。これは、実効的に、基本周波数が２．４ＭＨｚ（ｆ０’）に上昇し、２次の高調波の周波数が３．６ＭＨｚ（２ｆ０’）に低下したことになる。
【００３２】
このような状況において、送波アパーチャにおける複数の超音波トランスデューサ３０２を駆動する信号には、超音波ビームの集束および方位を決める遅延時間に加えて、１つ置きに４１６．７ｎｓの遅延が付与されている。この遅延は、周波数が１．２ＭＨｚ（ｆ０’／２）の信号を１／２周期遅らせるものなので、２．４ＭＨｚの信号では１周期の遅延に相当する。したがって、実効的な基本周波数２．４ＭＨｚの超音波は遅延が付与されたものも遅延が付与されないものも、集束点では全て同相となって強め合う。
【００３３】
これに対して、上記の遅延は、３．６ＭＨｚの信号を１．５周期に遅らせるものになるので、実効的な２次の高調波周波数３．６ＭＨｚの超音波は、遅延が付与されたものとそうでないものとは、集束点において互いに逆位相となって打ち消し合う。
【００３４】
すなわち、送波超音波の実効的な基本波は同相加算によって強め合うが、実効的な２次の高調波は逆相加算によって相殺する。これによって、送波超音波は２次の高調波を含まないものとなる。
【００３５】
また、基本波については、送波アパーチャにおいて隣合う全ての超音波トランスデューサ３０２から送波された超音波が同相で加算されるので、従来のようにアレイの実効ピッチが２倍になるようなことはなく、グレーティングサイドローブが増加することはない。
【００３６】
以上の効果は、上記の特定な周波数特性に限らず、中心周波数ｆｃ、下側半値周波数ｆ０、上側半値周波数２ｆ０の比が、少なくとも上記の例と実質的に同じになっている周波数特性において成立する。また、駆動信号が単極性の矩形波パルス信号である場合のみに限らず、２次の高調波を含む波形の全ての駆動信号について成立する。
【００３７】
超音波ビームの送波は、送波タイミング発生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所定の時間間隔で繰り返し行われる。超音波ビームの方位は送波ビームフォーマ６０４によって順次変更される。それによって、被検体４の内部が、超音波ビームが形成する音線によって走査される。すなわち被検体４の内部が音線順次で走査される。
【００３８】
送受切換回路６０６は、超音波トランスデューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力するようになっている。受波ビームフォーマ６１０は、複数の受波エコーに時間差を付与して位相を調整し次いでそれら加算して、音線に沿ったエコー受信信号の形成、すなわち、受波のビームフォーミングを行なうようになっている。受波ビームフォーマ６１０により、受波の音線も送波に合わせて走査される。以上の、送波タイミング発生回路６０２乃至受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部１８によって制御されるようになっている。
【００３９】
このような構成の送受信部６は、例えば図６に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン(sector scan) を行なう。
【００４０】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図７に示すような走査を行なうことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させることにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン(linear scan) が行なわれる。
【００４１】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図８に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが行なえるのは言うまでもない。
【００４２】
送受信部６はＢモード(mode)処理部１０に接続され、各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部１０に入力するようになっている。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データ(data)を形成するものである。Ｂモード処理部１０は、例えば図９に示すように基本波処理部１１０および高調波処理部１３０を備えている。基本波処理部１１０および高調波処理部１３０には、受波ビームフォーマ６１０の出力信号が共通に入力される。
【００４３】
基本波処理部１１０は、基本波エコーすなわち送波超音波の基本周波数と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタ(filter)を有する。高調波処理部１３０は、高調波エコーすなわち送波超音波の基本周波数の例えば２次の高調波（第２高調波）と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタを有する。
【００４４】
基本波処理部１１０は、入力信号につき、基本波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ(scope) 信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち基本波処理部１１０は基本波エコーに基づくＢモード画像データを生成する。
【００４５】
高調波処理部１３０は、入力信号につき、第２高調波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち高調波処理部１３０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画像データをそれぞれ生成する。
【００４６】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力される複数系統のＢモード画像データに基づいて複数のＢモード画像をそれぞれ生成するものである。
【００４７】
画像処理部１４は、図１０に示すように、バス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(data memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ(processor) １４８を備えている。
【００４８】
Ｂモード処理部１０から音線毎に入力された基本波エコーおよび第２高調波エコーによるＢモード画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶される。音線データメモリ１４２内にはそれぞれの音線データ空間が形成される。
【００４９】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データは、画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理を施す。
【００５０】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示するようになっている。表示部１６は、例えばカラー（color)画像が表示可能なグラフィックディスプレー(graphic display) 等によって構成される。
【００５１】
以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっている。また、制御部１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力されるようになっている。制御部１８による制御の下で、超音波撮像が遂行される。
【００５２】
制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作具を備えた操作パネル(panel) で構成される。
【００５３】
本装置の動作を説明する。操作者は、超音波プローブ２を被検体４の所望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。撮像は、制御部１８による制御の下で遂行される。
【００５４】
撮像は、例えば図６に示したようなセクタスキャンにより、各音線ごとに超音波ビームを送波し、そのエコーを受信し、エコー受信信号に基づいてＢモード画像を生成する。勿論、図７および図８に示したリニアスキャンおよびコンベックススキャンを行なうようにしても良い。
【００５５】
各音線のエコー受信信号に基づき、Ｂモード処理部１０でＢモード画像データが形成される。Ｂモード画像データは、基本波エコーに基づくものと第２高調波エコーに基づくものとがそれぞれ形成され、画像処理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。
【００５６】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２の複数系統のＢモード画像データを、ディジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換してそれぞれ画像メモリ１４６に書き込む。
【００５７】
操作者は、操作部２０を操作して、これらのＢモード画像を表示部１６に表示させる。そして、表示された基本波エコー像と第２高調波エコー像とを観察し、両画像の比較対照等により診断を行なう。送波超音波に第２高調波が含まれないので、第２高調波エコー像は非線形効果によるエコーに基づいて撮像した画像となる。
【００５８】
以上、非線形効果を利用したパラメトリックイメージング(parametric imaging)の例について説明したが、超音波撮像はそれに限るものではなく、マイクロバルーンを用いる造影撮像を行なうようにしても良いの勿論である。
【００５９】
また、Ｂモード撮像の例について説明したが、超音波撮像はそれに限らず、エコーのドップラシフト(Doppler shift) を利用して動態画像を撮像するものであっても良いのはいうまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、副作用なしに送波超音波の２次の高調波を除去する超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサアレイの模式的構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサの周波数特性を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の形態の一例の装置における送受信部のブロック図である。
【図５】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサの周波数特性および送波超音波の周波数分布を示すグラフである。
【図６】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図７】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図８】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図９】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモード処理部のブロック図である。
【図１０】 本発明の実施の形態の一例の装置における画像処理部のブロック図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
４ 被検体
６ 送受信部
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
６０２ 送波タイミング発生回路
６０４ 送波ビームフォーマ
６０６ 送受切換回路
６１０ 受波ビームフォーマ
１１０ 基本波処理部
１３０ 高調波処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、非線形効果を利用して超音波撮像を行なうための超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非線形効果を利用して超音波撮像を行なう超音波撮像装置は、パラメトリックソーナー(parametric sonar)として知られている。この装置では、被検体内に超音波を送波したときに、体内での超音波伝播の非線形性により発生する２次の高調波エコー(echo)を利用して撮像を行なうようになっている。
【０００３】
非線形性を利用する超音波撮像の他の例としては、マイクロバルーン(microballoon)を用いる造影撮像がある。これは、マイクロバルーンがその非線形なエコー源特性により送波超音波の２次の高調波を含むエコーを生じることを利用して、体内に注入したマイクロバルーンの分布状態を画像化するようにしたものである。
【０００４】
上記のいずれにおいても、送波超音波に初めから２次の高調波が含まれていると、そのエコーが非線形効果によるエコーまたはマイクロバルーンからの高調波エコーと区別できないので、送波超音波に２次の高調波が含まれないようにする対策が講じられる。
【０００５】
そのような対策の１つとして、超音波プローブ(probe) における超音波トランスデューサアレイ(transducer array)の個々の超音波トランスデューサを、位相を１つ置きに９０°異ならせた駆動信号で駆動し、基本周波数での９０°の位相差が２次の高調波では１８０°の位相差となることを利用して、送波に含まれる２次の高調波を相殺するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような送波を行なう場合、超音波ビームの焦点で合算される基本周波数の超音波の半数は位相が９０°異なるので、全て同相で送波した場合よりも瞬時音圧が約３割低下するという問題があった。
【０００７】
また、同じ位相の駆動信号が超音波トランスデューサに１つ置きに印加されることにより、実効的なアレイピッチ(array pitch) が約２倍になり、グレーティングサイドローブ(grating sidelobe)が大きくなる等の副作用を免れないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、副作用なしに送波超音波の２次の高調波を除去する超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置を実現することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する第１の発明は、中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波する超音波送波方法であって、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する、ことを特徴とする超音波送波方法である。
【００１０】
（２）上記の課題を解決する第２の発明は、中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波する超音波送波装置であって、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する遅延手段、
を具備することを特徴とする超音波送波装置である。
【００１１】
（３）上記の課題を解決する第３の発明は、中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波し、エコーに基づいて画像を生成するする超音波撮像装置であって、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する遅延手段、を具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【００１２】
第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものは、前記複数の超音波トランスデューサうちの半数を占めることが、送波に含まれる２次の高調波を相殺する点で好ましい。
【００１３】
その場合、前記遅延時間を、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに１つ置きに付与することが、送波に含まれる２次の高調波を適切に除去する点で好ましい。
【００１４】
（作用）
本発明では、アレイを構成する複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する。これにより、超音波の集束点では実効的な基本周波数の超音波が全て同相となって強め合い、また、実効的な２次高調波が互いに逆位相となって弱め会う。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック(block) 図を示す。本装置は、本発明の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００１６】
本装置の構成を説明する。図１に示すように、本装置は、超音波プローブ(probe) ２を有する。超音波プローブ２は被検体４に当接されて超音波の送受波に使用される。
【００１７】
超音波プローブ２は、例えば図２に示すような超音波トランスデューサアレイ３００を有する。超音波トランスデューサアレイ３００は、複数の超音波トランスデューサ３０２を例えば１次元のアレイ状に配列して構成される。超音波トランスデューサ３０２は、本発明における超音波トランスデューサの実施の形態の一例である。なお、複数の超音波トランスデューサに対する符号付けは１箇所で代表する。個々の超音波トランスデューサ３０２は、例えばＰＺＴ（チタン(Ti)酸ジルコン(Zr)酸鉛）セラミックス(ceramics)等の圧電材料で構成される。
【００１８】
超音波トランスデューサ３０２としては、例えば図３に示すような周波数特性を持つものが用いられる。すなわち、同図に示すように、超音波トランスデューサの周波数特性は、相対感度が１になる中心周波数が例えば３ＭＨｚ、相対感度が０．５になる下側の周波数（下側の半値周波数）が例えば２ＭＨｚ、相対感度が０．５になる上側の周波数（上側の半値周波数）が例えば４ＭＨｚとなっている。
【００１９】
このような関係に基づき、下側の半値周波数（２ＭＨｚ）を基本周波数とする超音波を送波し、その２次の高調波すなわち上側の半値周波数（４ＭＨｚ）のエコーを受波する。
【００２０】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を与えて、超音波を送波させるようになっている。超音波プローブ２および送受信部６は、本発明の超音波送波装置の実施の形態の一例である。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波したエコーを受信するようになっている。
【００２１】
送受信部６のブロック図を図４に示す。同図において、送波タイミング(timing)発生回路６０２は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビームフォーマ(beamformer)６０４に入力するようになっている。
【００２２】
送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミング信号に基づいて、送波ビームフォーミング(beamforming) 信号、すなわち、超音波トランスデューサアレイ３００中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサを時間差をもって駆動する複数の駆動信号を発生し、送受切換回路６０６に入力するようになっている。
【００２３】
駆動信号は、例えば単極性の所定波数の矩形波パルス信号で、その基本周波数が２ＭＨｚとなっている。単極性の矩形波パルス信号信号は、基本周波数とその近傍の周波数成分および２次の高調波とその近傍の周波数成分を含んでいる。
【００２４】
送波ビームフォーマ６０４は、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサの半数については、さらに、駆動信号に一律に所定の遅延時間を付与するになっている。送波ビームフォーマ６０４は、本発明における遅延手段の実施の形態の一例である。遅延時間は例えば４１６．７ｎｓとなっている。
【００２５】
この遅延時間は１．２ＭＨｚの信号の１／２周期に相当するものである。これは、また、後述する２．４ＭＨｚの信号の１周期に相当し、３．６ＭＨｚの信号の１．５周期に相当する。
【００２６】
この遅延時間を付与した駆動信号が与えられる超音波トランスデューサは、例えば、送波アパーチャにおける配列番号が偶数の超音波トランスデューサとする。このようにすることにより、遅延駆動される超音波トランスデューサの分布を送波アパーチャ内で均一化し、後述する２次の高調波の相殺を適切に行なうことができる。
【００２７】
なお、遅延駆動される超音波トランスデューサは、奇数番目のものとしても良いのは勿論である。また、それに限らず、遅延駆動される半数の超音波トランスデューサを送波アパーチャ内に適宜に分散させるようにしても良く、あるいは、送波アパーチャの片側半分にまとめても良い。
【００２８】
送受切換回路６０６は、このような複数の駆動信号を超音波トランスデューサアレイ３００に入力するようになっている。アレイ中の送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサ３０２は、複数の駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ複数の超音波をぞれぞれ発生する。それら超音波の波面合成により超音波ビームが形成される。
【００２９】
超音波トランスデューサ３０２が図３に示したような周波数特性を持つことにより、基本周波数が２ＭＨｚの単極性の矩形波パルス信号で駆動されたとき、この駆動信号の周波数成分に対応する周波数成分を含む超音波が送波されるが、送波超音波の周波数成分の比率は、超音波トランスデューサ３０２の周波数特性の影響をうける。
【００３０】
その様子を図５によって説明する。駆動信号の周波数成分は、同図に破線で示すように基本周波数ｆ０（２ＭＨｚ）と２次の高調波２ｆ０（４ＭＨｚ）にそれぞれピーク(peak)を持って分布するが、基本周波数および２次の高調波がそれぞれ超音波トランスデューサ３０２の周波数特性の下側半値周波数および上側半値周波数に相当しているので、送波超音波の周波数成分は、周波数特性の傾斜部分の影響を受ける。
【００３１】
すなわち、基本周波数およびその近傍の周波数は、周波数特性の右上がりの傾斜部分によりいわゆる高域強調が行なわれ、結果的に２．４ＭＨｚにピークを持つ分布が得られる。これに対して、２次の高調波およびその近傍の周波数は、左上がりの傾斜部分によりいわゆる低域強調が行なわれ、結果的に３．６ＭＨｚにピークを持つ分布となる。これは、実効的に、基本周波数が２．４ＭＨｚ（ｆ０’）に上昇し、２次の高調波の周波数が３．６ＭＨｚ（２ｆ０’）に低下したことになる。
【００３２】
このような状況において、送波アパーチャにおける複数の超音波トランスデューサ３０２を駆動する信号には、超音波ビームの集束および方位を決める遅延時間に加えて、１つ置きに４１６．７ｎｓの遅延が付与されている。この遅延は、周波数が１．２ＭＨｚ（ｆ０’／２）の信号を１／２周期遅らせるものなので、２．４ＭＨｚの信号では１周期の遅延に相当する。したがって、実効的な基本周波数２．４ＭＨｚの超音波は遅延が付与されたものも遅延が付与されないものも、集束点では全て同相となって強め合う。
【００３３】
これに対して、上記の遅延は、３．６ＭＨｚの信号を１．５周期に遅らせるものになるので、実効的な２次の高調波周波数３．６ＭＨｚの超音波は、遅延が付与されたものとそうでないものとは、集束点において互いに逆位相となって打ち消し合う。
【００３４】
すなわち、送波超音波の実効的な基本波は同相加算によって強め合うが、実効的な２次の高調波は逆相加算によって相殺する。これによって、送波超音波は２次の高調波を含まないものとなる。
【００３５】
また、基本波については、送波アパーチャにおいて隣合う全ての超音波トランスデューサ３０２から送波された超音波が同相で加算されるので、従来のようにアレイの実効ピッチが２倍になるようなことはなく、グレーティングサイドローブが増加することはない。
【００３６】
以上の効果は、上記の特定な周波数特性に限らず、中心周波数ｆｃ、下側半値周波数ｆ０、上側半値周波数２ｆ０の比が、少なくとも上記の例と実質的に同じになっている周波数特性において成立する。また、駆動信号が単極性の矩形波パルス信号である場合のみに限らず、２次の高調波を含む波形の全ての駆動信号について成立する。
【００３７】
超音波ビームの送波は、送波タイミング発生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所定の時間間隔で繰り返し行われる。超音波ビームの方位は送波ビームフォーマ６０４によって順次変更される。それによって、被検体４の内部が、超音波ビームが形成する音線によって走査される。すなわち被検体４の内部が音線順次で走査される。
【００３８】
送受切換回路６０６は、超音波トランスデューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力するようになっている。受波ビームフォーマ６１０は、複数の受波エコーに時間差を付与して位相を調整し次いでそれら加算して、音線に沿ったエコー受信信号の形成、すなわち、受波のビームフォーミングを行なうようになっている。受波ビームフォーマ６１０により、受波の音線も送波に合わせて走査される。以上の、送波タイミング発生回路６０２乃至受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部１８によって制御されるようになっている。
【００３９】
このような構成の送受信部６は、例えば図６に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン(sector scan) を行なう。
【００４０】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図７に示すような走査を行なうことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させることにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン(linear scan) が行なわれる。
【００４１】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図８に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが行なえるのは言うまでもない。
【００４２】
送受信部６はＢモード(mode)処理部１０に接続され、各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部１０に入力するようになっている。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データ(data)を形成するものである。Ｂモード処理部１０は、例えば図９に示すように基本波処理部１１０および高調波処理部１３０を備えている。基本波処理部１１０および高調波処理部１３０には、受波ビームフォーマ６１０の出力信号が共通に入力される。
【００４３】
基本波処理部１１０は、基本波エコーすなわち送波超音波の基本周波数と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタ(filter)を有する。高調波処理部１３０は、高調波エコーすなわち送波超音波の基本周波数の例えば２次の高調波（第２高調波）と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタを有する。
【００４４】
基本波処理部１１０は、入力信号につき、基本波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ(scope) 信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち基本波処理部１１０は基本波エコーに基づくＢモード画像データを生成する。
【００４５】
高調波処理部１３０は、入力信号につき、第２高調波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち高調波処理部１３０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画像データをそれぞれ生成する。
【００４６】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力される複数系統のＢモード画像データに基づいて複数のＢモード画像をそれぞれ生成するものである。
【００４７】
画像処理部１４は、図１０に示すように、バス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(data memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ(processor) １４８を備えている。
【００４８】
Ｂモード処理部１０から音線毎に入力された基本波エコーおよび第２高調波エコーによるＢモード画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶される。音線データメモリ１４２内にはそれぞれの音線データ空間が形成される。
【００４９】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データは、画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理を施す。
【００５０】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示するようになっている。表示部１６は、例えばカラー（color)画像が表示可能なグラフィックディスプレー(graphic display) 等によって構成される。
【００５１】
以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっている。また、制御部１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力されるようになっている。制御部１８による制御の下で、超音波撮像が遂行される。
【００５２】
制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作具を備えた操作パネル(panel) で構成される。
【００５３】
本装置の動作を説明する。操作者は、超音波プローブ２を被検体４の所望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。撮像は、制御部１８による制御の下で遂行される。
【００５４】
撮像は、例えば図６に示したようなセクタスキャンにより、各音線ごとに超音波ビームを送波し、そのエコーを受信し、エコー受信信号に基づいてＢモード画像を生成する。勿論、図７および図８に示したリニアスキャンおよびコンベックススキャンを行なうようにしても良い。
【００５５】
各音線のエコー受信信号に基づき、Ｂモード処理部１０でＢモード画像データが形成される。Ｂモード画像データは、基本波エコーに基づくものと第２高調波エコーに基づくものとがそれぞれ形成され、画像処理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。
【００５６】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２の複数系統のＢモード画像データを、ディジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換してそれぞれ画像メモリ１４６に書き込む。
【００５７】
操作者は、操作部２０を操作して、これらのＢモード画像を表示部１６に表示させる。そして、表示された基本波エコー像と第２高調波エコー像とを観察し、両画像の比較対照等により診断を行なう。送波超音波に第２高調波が含まれないので、第２高調波エコー像は非線形効果によるエコーに基づいて撮像した画像となる。
【００５８】
以上、非線形効果を利用したパラメトリックイメージング(parametric imaging)の例について説明したが、超音波撮像はそれに限るものではなく、マイクロバルーンを用いる造影撮像を行なうようにしても良いの勿論である。
【００５９】
また、Ｂモード撮像の例について説明したが、超音波撮像はそれに限らず、エコーのドップラシフト(Doppler shift) を利用して動態画像を撮像するものであっても良いのはいうまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、副作用なしに送波超音波の２次の高調波を除去する超音波送波方法および装置並びに超音波撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサアレイの模式的構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサの周波数特性を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の形態の一例の装置における送受信部のブロック図である。
【図５】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサの周波数特性および送波超音波の周波数分布を示すグラフである。
【図６】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図７】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図８】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図９】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモード処理部のブロック図である。
【図１０】 本発明の実施の形態の一例の装置における画像処理部のブロック図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
４ 被検体
６ 送受信部
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
６０２ 送波タイミング発生回路
６０４ 送波ビームフォーマ
６０６ 送受切換回路
６１０ 受波ビームフォーマ
１１０ 基本波処理部
１３０ 高調波処理部
Claims (2)
- 中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波する超音波送波装置であって、
前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する遅延手段、
を具備することを特徴とする超音波送波装置。 - 中心周波数より上側の半値周波数が下側の半値周波数の約２倍となる周波数特性を持つ、送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサを前記下側の半値周波数に相当する周波数を持つ駆動信号で個々に駆動して超音波ビームを送波し、エコーに基づいて画像を生成するする超音波撮像装置であって、
前記複数の超音波トランスデューサうちの一部のものを駆動する駆動信号に、前記周波数特性の影響を受けて変化した送波の実効的な基本周波数の半分の周波数を持つ信号をその半周期分遅らせる時間に相当する遅延時間を付与する遅延手段、
を具備することを特徴とする超音波撮像装置。
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