(57)【要約】【課題】探査用キャリア信号の周波数を操作せずに、極めて簡便な技術要素を追加するだけで、容易に空間分解能を向上できる、映像装置及び映像形成方法を提供する。【解決手段】空間分解能を上げたい方向に、計測対象を加振させる。そして、直交検波で得た複素成分データにＤＦＴを行う際、加振周波数成分を取り出し、補正演算を施して基本波成分に加算する。このように比較的簡便なプロセスの追加で、容易に空間分解能を向上できる。【選択図】図１
2014217605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の周波数の波動を測定対象に送信し、前記測定対象から反射した前記波動を受信するトランスデューサと、
前記測定対象に第二の周波数の振動を加える加振器と、
前記トランスデューサが出力する信号を検波する直交検波器と、
前記直交検波器が出力する信号に基づくデータにフーリエ変換を施して、前記第一の周波数の成分である基本波成分データと、前記加振器によって前記第一の周波数から周波数が増加した増加周波数成分データと、前記加振器によって前記第一の周波数から周波数が減少した減少周波数成分データとを出力する離散フーリエ変換器と、
前記増加周波数成分データ及び前記減少周波数成分データに補正演算を行う補償演算部と、
前記補償演算部によって補正された前記増加周波数成分データ及び前記減少周波数成分データを前記基本波成分データに加算する加算器と
を具備する映像装置。
【請求項２】
更に、
前記第一の周波数の信号を発生する発振器と、
前記発振器を分周して前記第二の周波数の信号を発生する分周器と
を具備する、請求項１記載の映像装置。
【請求項３】
前記補償演算部は、
前記加振器が発生する振動の波数に相当するデータを推定する加振波数推定部と、
前記加振器が発生する振動の振幅に相当するデータを推定する振動振幅推定部と
を具備する、請求項２記載の映像装置。
【請求項４】
前記トランスデューサは超音波トランスデューサである、請求項３記載の映像装置。
【請求項５】
第一の周波数の波動を測定対象に送信すると共に前記測定対象に第二の周波数の振動を加えた上で、前記測定対象から反射した前記波動を受信して受信信号を得る波動受信ステップと、
前記受信信号に直交検波を行う直交検波ステップと、
前記直交検波ステップによって得られる信号に基づくデータにフーリエ変換を施して、前記第一の周波数の成分である基本波成分データと、前記波動受信ステップによって前記第一の周波数から周波数が増加した増加周波数成分データと、前記波動受信ステップによって前記第一の周波数から周波数が減少した減少周波数成分データとを出力する離散フーリエ変換ステップと、
前記増加周波数成分データ及び前記減少周波数成分データに補正演算を行う補正演算ステップと、
前記補正演算ステップによって補正された前記増加周波数成分データ及び前記減少周波数成分データを前記基本波成分データに加算する加算ステップと
を有する映像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像装置及び映像形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、超音波プローブに内蔵された超音波トランスデューサから発生した超音波を被検体内に放射し、被検体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる反射信号を超音波トランスデューサによって受信する。そして、この信号をフーリエ変換等の演算処理を施して映像を形成し、表示部に表示する。
この超音波診断装置は、超音波プローブを被検体の体表に接触させるだけの、非侵襲且つ簡単な操作で、リアルタイムにて二次元映像が容易に観察できる。このため、心臓等の機能検査や各種臓器の形態診断に広く用いられている。特に、超音波診断は、被検体に与える照射障害が殆ど無いことから、胎児の発育診断には不可欠な映像診断法である。
【０００３】
なお、本発明の技術分野に近い先行技術文献を特許文献１及び非特許文献１に示す。
特許文献１には、被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の三次元イメージング方法およびシステムの技術内容が開示されている。
非特許文献１には、外部より加えられた低周波振動の位相変化から伝搬速度を推定する、加振映像法の技術内容が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５４０１２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Tissue Harmonics Wave を用いた適応的加振映像法」増田信之、辻田剛啓、江渕智昭、山越芳樹、第23回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム、（２０１３年４月２３日検索）インターネット＜http://ci.nii.ac.jp/naid/110007464507＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ある対象物を映像化するイメージング技術には、走査型電子顕微鏡等の電子線等による近接的な手法と、超音波、電波、光等の波動を用いる遠隔的な手法に大別できる。超音波診断装置は後者の内、コヒーレントな波動を用いたイメージング手法に属する。
この、コヒーレントな波動を用いる遠隔的なイメージング技術では通常コヒーレント波を送受信し、送受信機をスキャンすることによって、ビーム方向（深さ方向）とそれに直交する方向（横方向）の反射係数の映像化が可能である。この映像化において、深さ方向の空間分解能は送受信機の帯域幅、横方向の空間分解能は送受信機の点拡がり関数のサイズによって決定される。つまり、超音波診断装置が出力する映像の横方向の分解能は、超音波プローブ内の超音波トランスデューサの開口幅と出力される超音波の波長に依存する。このため、どんなに装置を高性能化しても、センサの点広がり関数の空間分解能以上に詳細な映像を得ることはできない。そして、超音波トランスデューサの設計上、超音波の波長を短くする技術にも限界がある。
【０００７】
本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、探査用キャリア信号の周波数を操作せずに、極めて簡便な技術要素を追加するだけで、容易に横方向（あるいはセンサのスキャン方向）の空間分解能を向上できる、映像装置及び映像形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の映像装置は、第一の周波数の波動を測定対象に送信し、測定対象から反射した波動を受信するトランスデューサと、測定対象に第二の周波数の振動を加える加振器と、トランスデューサが出力する信号を検波する直交検波器とを具備する。更に、直交検波器が出力する信号に基づくデータにフーリエ変換を施して、第一の周波数の成分である基本波成分データと、加振器によって第一の周波数から周波数が増加した増加周波数成分データとを具備する。更に、加振器によって第一の周波数から周波数が減少した減少周波数成分データとを出力する離散フーリエ変換器と、増加周波数成分データ及び減少周波数成分データに補正演算を行う補償演算部とを具備する。更に、補償演算部によって補正された増加周波数成分データ及び減少周波数成分データを基本波成分データに加算する加算器とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、探査用キャリア信号の周波数を操作せずに、極めて簡便な技術要素を追加するだけで、容易に空間分解能を向上できる、映像装置及び映像形成方法を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である超音波映像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】超音波プローブの一部断面図である。
【図３】信号処理部の機能ブロック図である。
【図４】映像作成部の機能ブロック図である。
【図５】信号処理部における、アナログ信号の態様を示す波形図である。
【図６】映像作成部における、複素成分データと、ＤＦＴによって変換された複素ビットマップデータとの関係を示す図である。
【図７】映像作成部における、複素ビットマップデータの補正演算を説明するための模式図である。
【図８】超音波トランスデューサの点拡がり関数のスペクトルと、復調時のドップラー成分と、振幅の差を示す図である。
【図９】シミュレーションを用いた、従来技術と本実施形態の比較結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［超音波映像装置１０１の全体構成］
図１Ａ及びＢは、本発明の実施形態である超音波映像装置１０１の全体構成を示すブロック図である。
図１Ａは、超音波映像装置１０１の概略を示すブロック図である。
超音波映像装置１０１は、超音波プローブ１０２と、信号処理装置１０３と、表示装置１０４で構成される。
本実施形態の超音波プローブ１０２は、筐体の横側に加振器１０５が取り付けられている。
信号処理装置１０３は、測定対象１０６に接触する超音波プローブ１０２を通じて超音波の送受信を行うと共に、加振器１０５を駆動する。そして、受信した超音波の信号に基づいて、映像情報を作成し、表示装置１０４に送出する。
表示装置１０４は一般的なディスプレイの他、パソコンも利用できる。
【００１２】
図１Ｂは、超音波映像装置１０１の機能をより詳細に示すブロック図である。
信号処理装置１０３は、信号処理部１０７と映像作成部１０８を有する。
信号処理部１０７は、超音波プローブ１０２を通じて超音波の送受信を行うと共に、加振器１０５を駆動する。そして、複素成分データ１０９を生成する。
映像作成部１０８は、複素成分データ１０９に基づいて、映像情報を作成し、表示装置１０４に送出する。
【００１３】
［超音波プローブ１０２の構成］
図２は、超音波プローブ１０２の一部断面図である。超音波プローブ１０２には、、超音波トランスデューサ２０１のスキャン方向の延長線上に加振器１０５が取り付けられている。加振器１０５は超音波トランスデューサ２０１が超音波を送受信する方向と平行な方向に振動する。この振動は、映像を捉える対象である人体２０２の皮膚２０３に密着させた際、人体２０２を振動させ、ずり弾性波を励起する。励起したずり弾性波は横波として人体２０２内を伝搬し、人体２０２の体内の超音波散乱体を振動させ、反射超音波にドップラー効果を与える。このドップラー効果によって、超音波トランスデューサ２０１が受信する超音波の周波数は、周波数変調或は位相変調される。
【００１４】
［信号処理部１０７の構成］
図３は、信号処理部１０７の機能ブロック図である。
発振器３０１は、超音波プローブ１０２の内部に設けられる複数の超音波トランスデューサ２０１を駆動する、一定周波数の駆動信号を出力する。例えば５ＭＨｚの駆動信号を出力する。
この駆動信号は、超音波トランスデューサ２０１の他にも利用される。
先ず、分周器３０２を通じて加振器１０５の駆動を制御する信号として使われる。分周器３０２によって５ＭＨｚの駆動信号は５００Ｈｚまでダウンコンバートされる。これ以降、この加振器１０５の駆動を制御する信号を加振信号と呼ぶ。また、加振信号の波数を加振波数と呼ぶ。
次に、直交検波に用いられる二つの乗算器のうち、第一乗算器３０３には発振器３０１からの駆動信号が直接入力され、第二乗算器３０４には、駆動信号が９０°移相器３０５を通して入力される。
また、発振器３０１からの駆動信号は、逓倍器３０６を通じて第一Ａ／Ｄ変換器３０７及び第二Ａ／Ｄ変換器３０８のサンプリングクロックとして用いられる。そして、駆動信号はタイミングクロックとしてシーケンサ３０９にも入力される。
このように、同一の駆動信号に基づいて加振信号とサンプリングクロックを作成することは、図４にて後述するＤＦＴ４０１において、サンプリングデータの位相を揃えるために必要な構成である。
【００１５】
超音波プローブ１０２には、加振器１０５と複数の超音波トランスデューサ２０１が収納されている。複数の超音波トランスデューサ２０１はセレクタ３１０によって選択される。セレクタ３１０はシーケンサ３０９によって制御される。
セレクタ３１０は更に、シーケンサ３０９によって制御される切替スイッチ３１１に接続されている。切替スイッチ３１１は三点の端子を有し、一点は発振器３０１に、もう一点は第一乗算器３０３及び第二乗算器３０４に接続され、もう一点は何処にも接続されない。切替スイッチ３１１は超音波トランスデューサ２０１に対し、超音波の送信と受信を切り替える。
【００１６】
切替スイッチ３１１を通じて超音波トランスデューサ２０１から出力される受信信号は、直交検波器を構成する第一乗算器３０３及び第二乗算器３０４に入力される。
第一乗算器３０３は、超音波トランスデューサ２０１からの受信信号と発振器３０１からの駆動信号を乗算する。
第二乗算器３０４は超音波トランスデューサ２０１からの受信信号と、９０°移相器３０５によって位相が９０°遅れた駆動信号を乗算する。
第一乗算器３０３の出力信号は第一ＬＰＦ３１２によって不必要な高周波成分を除去した後、第一Ａ／Ｄ変換器３０７によってデジタルデータに変換される。この、第一Ａ／Ｄ変換器３０７の出力データは、実数成分に相当する「In-phaseデータ」である。
第二乗算器３０４の出力信号は第二ＬＰＦ３１３によって不必要な高周波成分を除去した後、第二Ａ／Ｄ変換器３０８によってデジタルデータに変換される。この、第二Ａ／Ｄ変換器３０８の出力データは、虚数成分に相当する「Quadrature phaseデータ」である。
In-phaseデータとQuadrature phaseデータを合わせたデータを、複素成分データ１０９として、図示しないＲＡＭに一旦保持する。
【００１７】
［映像作成部１０８の構成］
図４は、映像作成部１０８の機能ブロック図である。
複素成分データ１０９は、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform: 離散フーリエ変換器）４０１を用いて、三つのデータに展開される。
第一のデータは、基本周波数成分のデータ（基本波成分データ）である、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２である。
第二のデータは、基本周波数成分に対して、加振波数だけプラス方向にシフトしたデータ（正の加振周波数成分データ）である、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３である。
第三のデータは、基本周波数成分に対して、加振波数だけマイナス方向にシフトしたデータ（負の加振周波数成分データ）である、−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４である。
【００１８】
加振波数推定部４０５は、第二のデータ（＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３）、及び第三のデータ（−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４）に含まれている空間変調によりダウンコンバートされた高い波数スペクトルの情報を、復調操作により元の波数帯域へ戻すために、以下の式で求められる配列データ（空間復調項）を作成する。
【００１９】
【数１】
2014217605.tif 000003
【００２０】
振動振幅推定部４０６は、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４の振幅を、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２に合わせるための係数ｋδ（スカラ値）を作成する。
除算器４０７は、加振波数推定部４０５が出力する配列データである空間復調項に、振動振幅推定部４０６が出力する係数ｋδを除算して、以下の式に示す、配列データである＋ｆｖでの空間復調振幅補償データ及び−ｆｖでの空間復調振幅補償データを作成する。
【００２１】
【数２】
2014217605.tif 000004
【００２２】
第三乗算器４０８は、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３と−ｆｖでの空間復調振幅補償データを乗算する。
第四乗算器４０９は、−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４と＋ｆｖでの空間復調振幅補償データを乗算する。
加算器４１０は、第三乗算器４０８の出力である、−ｆｖでの空間復調振幅補償データで補正された＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３と、第四乗算器４０９の出力である、＋ｆｖでの空間復調振幅補償データで補正された−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４と、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２を加算して、ビデオメモリ（以下「ＶＲＡＭ」と略す）４１１に展開する。そして、このＶＲＡＭ４１１に展開されたビットマップデータは、表示装置１０４によって表示される。
なお、加振波数推定部４０５、振動振幅推定部４０６、除算器４０７、第三乗算器４０８及び第四乗算器４０９は、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２に＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４を加算器４１０で加算するために振幅補償を行う、補償演算部と総称できる。
【００２３】
これより、空間復調振幅補償データについて説明する。
加振により横波が平面波としてｘ方向に伝搬するとすれば、伝搬による空間の変位は以下のように表される。
【００２４】
【数３】
2014217605.tif 000005
【００２５】
ここで、δは横波の振動振幅、ｆｖは加振周波数、ｋｖは加振波の波数である。
この波により計測対象が振動し、その位置が変化する。ある波長ｋのセンシング波（たとえば超音波）によって対象を計測するとき、その波長での反射係数は位相変調を受けて、以下に表す式に変化する。
【００２６】
【数４】
2014217605.tif 000006
【００２７】
その波長帯域での送受信での点広がり関数をｗ（ｘ）とすると、センシング波の送受信により得られる信号は以下のように表される。
【００２８】
【数５】
2014217605.tif 000007
【００２９】
ここで、ｋδ≪１という近似を置けば、センシング波の送受信により得られる信号は以下のように表される。
【００３０】
【数６】
2014217605.tif 000008
【００３１】
この信号は時間的に変動しない項と正負の周波数±ｆｖで表される項に分けられる。周波数０の項は通常の計測により得られる画像であり、以下のように表される。
【００３２】
【数７】
2014217605.tif 000009
【００３３】
この信号は点広がり関数により、低い波数の情報しか得られない。
一方、時間方向にｆｖの逆数の整数倍の時間幅でフーリエ変換すれば、センシング波の送受信により得られる信号は以下の式に変化する。
【００３４】
【数８】
2014217605.tif 000010
【００３５】
±ｆｖ成分の画像は、やはり点広がり関数により低い波数の情報が抽出されるが、反射係数が波数−（±ｋｖ）の正弦的な変動で空間変調（波数領域ではスペクトルのシフト）されており、等価的に高い波数の情報を含んだ、独立な画像となっている。
【００３６】
【数９】
2014217605.tif 000011
【００３７】
これらを合成した以下の式が、本実施形態における超解像アルゴリズムの画像である。
【００３８】
【数１０】
2014217605.tif 000012
【００３９】
加振波数ｋｖをうまく選んで、点広がり関数のスペクトル幅と同程度にすれば、波数領域での帯域幅を以下のように三倍程度に広げることができる。
【００４０】
【数１１】
2014217605.tif 000013
【００４１】
［アナログ信号の態様］
図５は、信号処理部１０７における、アナログ信号の態様を示す波形図である。
発振器３０１は、一定周波数（５ＭＨｚ）及び一定振幅の駆動信号５０１を出力し続ける。これに対し、シーケンサ３０９は切替スイッチ３１１を第一ゲート信号５０２及び第二ゲート信号５０３で制御する。第一ゲート信号５０２は、発振器３０１を超音波トランスデューサ２０１へ接続する信号である。第二ゲート信号５０３は、超音波トランスデューサ２０１を第一乗算器３０３及び第二乗算器３０４へ接続する信号である。つまり、第一ゲート信号５０２は超音波を送信するタイミングのゲート信号であり、第二ゲート信号５０３は超音波を受信するタイミングのゲート信号である。
【００４２】
第一ゲート信号５０２によって、駆動信号５０１に基づく送信バースト信号５０４が、超音波トランスデューサ２０１に印加される。そして、第一ゲート信号５０２がオフ状態になってから遅れて、第二ゲート信号５０３によって、受信信号５０５が超音波トランスデューサ２０１から第一乗算器３０３及び第二乗算器３０４へ出力される。そして、第一乗算器３０３及び第二乗算器３０４から直交検波信号５０６が得られる。
厳密には、第一乗算器３０３と第二乗算器３０４から出力される信号の波形はそれぞれ異なるが、図５ではその詳細を省略している。
【００４３】
改めて、実際の数値例を伴って説明する。
先ず、第一ゲート信号５０２は駆動信号５０１のゼロクロス点から始まり、４波長分の期間だけオン状態になる。したがって、超音波トランスデューサ２０１は４波長分の送信バースト信号５０４を出力する。
次に、第二ゲート信号５０３は第一ゲート信号５０２がオフ状態になってから、映像化したい対象の、最も浅い位置の深度に合わせた時間だけ遅れて、駆動信号５０１のゼロクロス点から所定の期間だけオン状態になる。
人体２０２における超音波の伝搬速度は凡そ１５００ｍ／ｓｅｃである。例えば、２μｓｅｃだけ第二ゲート信号５０３を遅延させるとすると、２μｓｅｃ×１５００ｍ／ｓｅｃ＝３ｍｍとなる。この３ｍｍという値は、超音波が往復３ｍｍの時間差を形成することを意味し、それは片道１．５ｍｍに相当する。つまり、体表から１．５ｍｍの深さから測定を行うこととなる。
第二ゲート信号５０３は、映像化したい対象の、最も深い位置の深度に合わせた時間だけ、オン状態にする。例えば、第二ゲート信号の遅延時間を０．１ｍｓｅｃに設定すると、往復で１５ｃｍ、片道７．５ｃｍの深さになる。この程度の深度にすれば、胎児や臓器の映像化に適したものとなる。
第二ゲート信号５０３はそのまま第一Ａ／Ｄ変換器３０７及び第二Ａ／Ｄ変換器３０８のオン・オフ制御信号としても使用される。
【００４４】
［複素成分データ１０９と複素ビットマップデータの関係］
図６は、映像作成部１０８における、複素成分データ１０９と、ＤＦＴ４０１によって変換された複素ビットマップデータとの関係を示す図である。
先の図５で説明した、第二ゲート信号５０３に基づく複素成分データ１０９は、図６中、Ｎ個のサンプル数の配列データとなる。ここでＮは、第二ゲート信号５０３がオン状態の期間に含まれる、サンプリングパルスの数である。
この配列データを、一つの超音波トランスデューサ２０１について、Ｍ回繰り返して取得する。したがって、ある超音波トランスデューサ２０１について、Ｎ個の配列データがＭ個得られる。図６中、「パルス繰り返し方向」と記されている矢印が、この繰り返しを示す。
【００４５】
サンプリングパルスは、第一ゲート信号５０２が形成する送信バースト信号５０４が体内で反射して戻ってきた際の、深度に相当する。
そこで、同じサンプリングパルスのデータを対象に、ＤＦＴ４０１にて周波数領域のデータに変換する。すると、幾つかの周波数成分のデータが得られる。
従来技術の超音波映像装置では、基本周波数である駆動信号５０１の周波数成分（例えば５ＭＨｚ）のデータだけを取り出して、映像化していた。これが０周波数成分複素ビットマップデータ４０２である。
本実施形態の超音波映像装置は、この駆動信号５０１の周波数成分に加え、加振器１０５の振動周波数だけプラス方向とマイナス方向にシフトした周波数成分のデータを取り出す。これが、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３と、−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４である。図６中、「ドップラー周波数方向」と記されている矢印が、−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４と、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２と、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３の並び、すなわち周波数の相違を示す。
【００４６】
こうして、一つの超音波トランスデューサ２０１について、深さ方向に要素Ｎ個の一次元の複素成分データ１０９がＭ個得られ、更にＤＦＴ４０１によって要素Ｎ個の一次元の複素ビットマップデータが三個得られる。この作業を、超音波プローブ１０２の内部にＫ個設けられている超音波トランスデューサ２０１に対して、セレクタ３１０を切り替えて実行する。図６中、「スキャン方向」と記されている矢印が、Ｋ個の超音波トランスデューサ２０１から、セレクタ３１０を選択することによって形成されるデータを示す。
ＤＦＴ４０１によって、時間関数である複素成分データ１０９が複素ビットマップデータに変換される際、測定の繰り返し数であるＭという要素は除去される。
【００４７】
［複素ビットマップデータの補正演算］
本実施形態の超音波映像装置は、空間分解能を向上させるために、計測対象を超音波の進行方向と平行な方向へ加振し、超音波トランスデューサのスキャン方向に横波を伝搬させる。このように加振しながらそのドップラー周波数成分を計測することで、空間周波数のカバー範囲を拡張することができる。
図７は、映像作成部１０８における、複素ビットマップデータの補正演算を説明するための模式図である。図７は、図４のブロック図とほぼ同じ態様ではあるが、データの態様をより明確に表している。
図８Ａ、Ｂ及びＣは、超音波トランスデューサ２０１の点拡がり関数のスペクトルと、復調時のドップラー成分と、振幅の差を示す図である。
【００４８】
図７中、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４は、それぞれＮ行Ｋ列の配列データである。Ｎは深度（サンプリングパルスの数）であり、Ｋは横方向座標（超音波トランスデューサ２０１の数）である。
加振波数推定部４０５は、加振信号の波数によって駆動信号５０１の周波数がプラス方向とマイナス方向にシフトするシフト量を推定演算する。何故周波数ではなく「波数」であるのかの理由は、変調の形態の違いに起因する。
【００４９】
通常の信号処理装置１０３では、時間領域における電気信号の正弦波変調をフーリエ変換して、周波数領域における周波数シフトの情報を得る。
しかし、本実施形態の超音波映像装置が扱う信号は、空間領域における超音波に対して、正弦波で駆動される媒質を用いた空間変調を検出した信号である。この空間領域の信号をフーリエ変換すると、波数領域における波数シフトの情報に変わる。つまり、通常の信号処理装置１０３は電気信号が光の速さに等しいので、周期や周波数を容易に特定できるが、本実施形態の超音波映像装置は、波が伝搬する媒質によって波の伝搬速度がまちまちである。このため、媒質における波の伝搬速度を考慮する必要が生じる。
【００５０】
図８Ａは、空間分解能Ｄの超音波トランスデューサ２０１における、点拡がり関数のスペクトルを示す図である。図８Ａ中、横軸は波数ｋｘである。横軸方向の２π／Ｄが、実質的に有効な波数範囲である。
図８Ｂは、復調時のドップラー成分を含めた、点拡がり関数のスペクトルを示す図である。図８Ｂ中、λｖは加振波の波長である。点拡がり関数のスペクトルが超音波トランスデューサ２０１の点拡がり関数と同じ大きさになるように、加振波の波長（すなわち加振波の周波数）を定めることで、三つの点拡がり関数のスペクトルが波数領域上でうまく合わさり、有効な波数範囲を拡大できる。このためには、加振波の波長λｖと、センサの点拡がり関数サイズＤが、ほぼ同じ値であることが求められる。
もし、λｖがＤより極端に大きい（λｖ≫Ｄ）場合、点拡がり関数の帯域同士が余計に重なり、合成した帯域幅が狭くなり、実用性が薄れる。
もし、λｖがＤより極端に小さい（λｖ≪Ｄ）場合、スペクトルが平坦にならない。
【００５１】
図８Ｃは、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２と、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４の点拡がり関数のスペクトルを示す図である。この点広がり関数は、超音波トランスデューサのスキャン方向における指向性の特性をフーリエ変換して得られるものである。そして、この点広がり関数の外形は、ガウス関数で近似モデル化できる。
加振波数推定部４０５が出力する配列データは、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４に対し、周波数シフトを戻して、超音波の基本周波数成分に一致させる。
但し、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４の振幅は、図８Ｃに示すように、０周波数成分複素ビットマップデータ４０２の振幅と比べると、ｋδだけ低下している。ｋは超音波の波数であり、δは加振波の振動振幅である。ｋδが小さければ小さいほど、＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０３及び−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ４０４の振幅は低下してしまう。したがって、加振波の振動振幅が小さすぎるとノイズに埋もれてしまう。
帯域合成の際、０周波数成分複素ビットマップデータとこの振幅の差を揃えるのが振動振幅推定部４０６である。
【００５２】
図９Ａ、Ｂ及びＣは、シミュレーションを用いた、従来技術と本実施形態の比較結果を示す図である。
図９Ａは、シミュレーションの説明図である。ある空間において、超音波プローブ装置から深さ35mmにターゲットとなる点散乱体を２個、１．２５ｍｍの間隔を空けて並べる。この点散乱体を、超音波プローブ装置を用いて検出する。計測用超音波の中心周波数を５ＭＨｚ、４バーストのパルス波とし、送信パルス波形を１ｎｓの離散時間間隔で作成した。超音波プローブ装置の空間分解能は２ｍｍとなるよう超音波トランスデューサの開口面の音圧分布を正弦波の半波長で模擬した。超音波の減衰は１ｄＢ／ＭＨｚ／ｃｍ、伝搬速度を１５００ｍ／ｓｅｃとした。受信波形は直交検波後１．５ＭＨｚの帯域幅のローパスフィルタを通して複素成分データを得る。超音波パルスの繰り返し周波数を１０ｋＨｚとし、１０ｍｓの間１００個の超音波パルスからの散乱波を用いて、ドップラー信号取得のためのフーリエ変換を行う。さらに、超音波トランスデューサの移動間隔を０．５ｍｍとして１２ｍｍ移動させて映像化するものとした。
図９Ｂは、従来技術によるシミュレーション結果の映像である。
従来技術、すなわち０周波数成分複素ビットマップデータ４０２は、図９Ｂに示すように、超音波プローブ装置の空間分解能より狭い間隔である二つの点が結合して一つの点として映像が形成されてしまう。
図９Ｃは、加振を行った場合のシミュレーション結果の映像である。加振周波数は５００Ｈｚ、波長は２ｍｍ、振動振幅は５μｍとした。
本実施形態の場合は、図９Ｃに示すように、同じ超音波プローブ装置を用いていながら、空間分解能が三倍になったことで、二つの点が明確に分離した映像が形成される。
【００５３】
以上説明した実施形態には、以下に記す応用例が可能である。
（１）上記の実施形態において、空間分解能を更に向上させるには、二種類以上の周波数で測定対象を加振する。そして、ＤＦＴ４０１で加振周波数に応じた成分を取り出し、補正演算を施す。例えば、上記の実施形態では５００Ｈｚの単一の正弦波で測定対象を加振していたが、１０００Ｈｚも同時に与えて加振させることで、理論的には５倍の解像度を得られる。
【００５４】
（２）本実施形態では、測定対象を映像化するためのコヒーレントな波動に超音波を用いた、超音波映像装置を開示した。このコヒーレントな波動は超音波に限られない。反射波を受信するセンサの空間分解能を向上させるために、測定対象を適切な周波数と振幅で加振できるのであれば、光や電磁波も利用可能である。
【００５５】
（３）加振波数推定部４０５が出力する空間復調項は、予め算出した値をＲＯＭやハードディスク装置等の不揮発性ストレージに記憶しておいてもよい。振動振幅推定部４０６が与える補正定数ｋδは、人体模型等の模擬被験体を撮影して、表示装置１０４を見ながら、カメラのピントを合わせるように調整してもよい。
【００５６】
（４）本実施形態では、超音波プローブ１０２の筐体の横に加振器１０５を取り付けていたが、加振器１０５を超音波プローブ１０２と別体で設けてもよい。測定中は、操作者が超音波プローブ１０２と加振器１０５の両方を測定対象である人体にあてがう。加振器１０５から発生し、測定対象である人体に伝搬する横波は、数ｍ／ｓｅｃの速度であるので、超音波プローブ１０２の測定範囲である数ｃｍの幅を０．０１秒程度で伝搬する。リアルタイムでこの横波を追いかけてスキャンすることは、技術的には市販の装置で可能な次元である。また、プローブのスキャンを１００回繰り返しながら計測すると仮定しても、１秒程度で数ｃｍの計測が終わるので、この間できるだけ動かないように手で保持するとしても十分実用面で可能である。すなわち、超音波プローブ１０２と加振器１０５との相対距離を維持する手段として、人間の手を用いて固定しても、実質的に問題となる測定誤差は生じない。
【００５７】
本実施形態では、超音波映像装置を開示した。
空間分解能を上げたい方向に、計測対象を加振させる。そして、直交検波で得た複素成分データ１０９にＤＦＴ４０１を行う際、加振周波数成分を取り出し、補正演算を施して基本波成分に加算する。このように比較的簡便なプロセスの追加で、容易に空間分解能を向上できる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の揮発性或は不揮発性のストレージ、または、ＩＣカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０１…超音波映像装置、１０２…超音波プローブ、１０３…信号処理装置、１０４…表示装置、１０５…加振器、１０６…測定対象、１０７…信号処理部、１０８…映像作成部、１０９…複素成分データ、２０１…超音波トランスデューサ、２０２…人体、２０３…皮膚、３０１…発振器、３０２…分周器、３０３…第一乗算器、３０４…第二乗算器、３０５…移相器、３０６…逓倍器、３０７…第一Ａ／Ｄ変換器、３０８…第二Ａ／Ｄ変換器、３０９…シーケンサ、３１０…セレクタ、３１１…切替スイッチ、３１２…第一ＬＰＦ、３１３…第二ＬＰＦ、４０１…ＤＦＴ、４０２…０周波数成分複素ビットマップデータ、４０３…＋ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ、４０４…−ｆｖ周波数成分複素ビットマップデータ、４０５…加振波数推定部、４０６…振動振幅推定部、４０７…除算器、４０８…第三乗算器、４０９…第四乗算器、４１０…加算器、４１１…ＶＲＡＭ、５０１…駆動信号、５０２…第一ゲート信号、５０３…第二ゲート信号、５０４…送信バースト信号、５０５…受信信号、５０６…直交検波信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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