(57)【要約】【課題】生体内の非線形性に基づく高調波成分を画像化する超音波診断装置において、画像の感度を高められるようにする。【解決手段】送信部１２により、位相反転関係にある第１送信信号と第２送信信号とが生成される。各送信信号は定倍関係にある第１変調信号及び第２変調信号を合成した信号として構成される。第１送信信号に対応する第１受信信号と第２送信信号に対応する第２受信信号の加算処理により和信号が得られ、それらの減算処理により差信号が得られる。和信号及び差信号に対してパルス圧縮処理が施され、そのパルス圧縮後の和信号及び差信号から画像形成用の信号が生成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逓倍関係にある第１変調信号及び第２変調信号が合成された第１送信信号と、前記第１送信信号の極性を反転させた第２送信信号と、を出力する送信手段と、
前記第１送信信号に対応する第１受信信号と、前記第２送信信号に対応する第２受信信号と、を出力する受信手段と、
前記第１受信信号と前記第２受信信号の加算処理により和信号を生成する和信号生成手段と、
前記第１受信信号と前記第２受信信号の減算処理により差信号を生成する差信号生成手段と、
前記和信号及び前記差信号に対し、それぞれパルス圧縮処理を実行するパルス圧縮手段と、
前記パルス圧縮処理後の和信号及び差信号から画像形成用の信号を生成する手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記第１変調信号は、第１周波数帯域で周波数が変化する第１チャープ信号であり、
前記第２変調信号は、前記第１周波数帯域に対する高調波帯域としての第２周波数帯域で周波数が変化する第２チャープ信号であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記パルス圧縮手段は、前記和信号及び前記和信号に含まれる前記第２周波数帯域内の信号成分に対してパルス圧縮を実行することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記パルス圧縮手段は、パルス圧縮処理と、前記第２周波数帯域内の信号成分を抽出するフィルタ処理と、を同時に実行することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記パルス圧縮手段は、
入力される時間軸上の信号を周波数軸上の信号に変換する手段と、
前記周波数軸上の信号に対してパルス圧縮処理を実行する手段と、
前記パルス圧縮後の周波数軸上の信号を時間軸上の信号に逆変換する手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、
前記パルス圧縮手段の後段にパルス圧縮後の和信号及び差信号を検波する検波手段が設けられ、
前記パルス圧縮手段には検波前の和信号及び差信号が入力されることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、
前記和信号生成手段及び前記差信号生成手段と前記パルス圧縮手段との間に前記和信号及び前記差信号を検波する検波手段が設けられ、
前記パルス圧縮手段には検波後の和信号及び差信号が入力されることを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波診断装置に関し、特に生体組織の非線形性により生じた高調波成分を観測する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波が生体内を伝搬すると、生体組織の非線形性から超音波に歪みが生じる。それによって生じた高調波成分（特に二次高調波成分）を受信信号中から抽出し、それを用いて生体組織の非線形を評価したり生体組織を画像化することが行われている。二次高調波成分を利用すれば分解能が良好な断層画像を形成できることが知られている。受信信号のスペクトルを見ると、基本波成分と二次高調波成分にオーバーラップが認められる。ＨＰＦを利用して二次高調波成分を抽出する方式では、上記のオーバーラップにより、急峻なフィルタ特性をもったものを利用しても基本波成分を十分に除外することは難しい。
【０００３】
ＰＩ法（パルスインバージョン法、フェイズインバージョン法）においては、特許文献１及び２に記載されるように、第１送信信号とその極性を反転した第２送信信号とが順次送信され、各送信信号に対応して得られた第１受信信号と第２受信信号が加算される。その加算によって、基本波成分はキャンセルされ、二次高調波成分が２倍に加算される。これは、送信時の極性にかかわらず二次高調波成分が同じ極性で現れることを利用したものである。ＰＩ法の発展形あるいはその問題を解消した方法として、特許文献３に記載された手法がある。この手法では、周波数ｆ０の信号と周波数２ｆ０の信号とを合成した第１送信信号と、それの極性を反転させた第２送信信号とが順次送信され、それにより得られた第１受信信号及び第２受信信号から和信号と差信号を生成し、それらの除算演算によって、生体組織の非線形性を表す信号が生成される。なお、特許文献４には、高調波成分の検出に当たってパルス圧縮技術を利用することが記載されている。特許文献５には、パルス圧縮フィルタの利用について記載されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５７０６８１９号明細書
【特許文献２】特開２００４−１１３８１８号公報
【特許文献３】特開２００１−２９９７６４号公報
【特許文献４】特表２００２−５３９８８１号公報
【特許文献５】特開２００３−１９０１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
受信信号スペクトラムにおいて、基本波成分に対して二次高調波成分は微弱である。よって、二次高調波成分による画像化、計測に当たって感度不足が問題となる。特に上記の特許文献３に記載された方法を適用する場合において感度を向上することが求められている。
【０００６】
本発明の目的は、高調波成分による画像化に当たって十分な感度を得られる超音波診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、逓倍関係にある第１変調信号及び第２変調信号が合成された第１送信信号と、前記第１送信信号の極性を反転させた第２送信信号と、を出力する送信手段と、前記第１送信信号に対応する第１受信信号と、前記第２送信信号に対応する第２受信信号と、を出力する受信手段と、前記第１受信信号と前記第２受信信号の加算処理により和信号を生成する和信号生成手段と、前記第１受信信号と前記第２受信信号の減算処理により差信号を生成する差信号生成手段と、前記和信号及び前記差信号に対し、それぞれパルス圧縮処理を実行するパルス圧縮手段と、前記パルス圧縮処理後の和信号及び差信号から画像形成用の信号を生成する手段と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、第１送信信号に基づく超音波の送波によって第１受信信号が得られ、第２送信信号に基づく超音波の送波によって第２受信信号が得られる。望ましくは、第１送信信号に基づく超音波と第２送信信号に基づく超音波は各ビーム方向において順次送波される。第１受信信号と第２受信信号の加算処理により和信号が得られ、第１受信信号と第２受信信号の減算処理により差信号が得られる。それらの比率等から画像形成用の信号が生成される。本発明では、第１送信信号と第２送信信号とが逆相（反転）関係にあり、各送信信号は第１変調信号と第２変調信号とを合成したものとして構成され、それらの変調信号は逓倍関係（あるいは整数倍関係）にある。送信時に変調処理を施した上で受信時にパルス圧縮処理を施すことができるので、送信時に時間軸上に展開されたエネルギーを受信時に畳み込んで信号レベルを引き上げることができる。特に、高調波成分は基本波に比べて微弱であるため、画像形成時に感度が問題となるが、その感度を増加させて画質を改善できる。
【０００９】
望ましくは、前記第１変調信号は、第１周波数帯域で周波数が変化する第１チャープ信号であり、前記第２変調信号は、前記第１周波数帯域に対する高調波帯域としての第２周波数帯域で周波数が変化する第２チャープ信号である。
【００１０】
上記構成においては、例えば、第１チャープ信号は、周波数ｆ０から周波数ｆ１まで周波数が線形に変化する信号であり（中心周波数ｆ01）、第２チャープ信号は、周波数２ｆ０から周波数２ｆ１まで周波数が線形に変化する信号である（中心周波数２ｆ01）。なお、第１周波数帯域から見て第２周波数帯域が２倍の関係にあるのが望ましい。周波数変調が行われる両帯域は分離されあるいは部分的に重複する。
【００１１】
本発明の望ましい態様では、受信信号の「加算処理」においては、第１送信信号における第１変調信号に由来する基本波成分（周波数：ｆ０−ｆ１）と、第２送信信号における第１変調信号に由来する基本波成分（周波数：ｆ０−ｆ１）とが相殺されると共に、第１送信信号における第２変調信号に由来する基本波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）と、第２送信信号における第２変調信号に由来する基本波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）とが相殺され、そして、第１送信信号における第１変調信号に由来する高調波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）と、第２送信信号における第１変調信号に由来する高調波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）とが加算された和信号を得られる。一方、受信信号の「減算処理」においては、第１送信信号における第１変調信号に由来する基本波成分（周波数：ｆ０−ｆ１）と、第２送信信号における第１変調信号に由来する基本波成分（周波数：ｆ０−ｆ１）とが加算されると共に、第１送信信号における第２変調信号に由来する基本波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）と、第２送信信号における第２変調信号に由来する基本波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）とが加算され、一方、第１送信信号における第１変調信号に由来する高調波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）と、第２送信信号における第１変調信号に由来する高調波成分（周波数：２ｆ０−２ｆ１）が相殺されて、差信号が得られる。和信号に対してＢＰＦ処理を適用すれば残留基本波成分を除去できる。差信号に対してＢＰＦ処理を適用すれば、第１周波数帯域内の基本波成分を除去して、第２周波数帯域内の基本波成分を抽出できる。
【００１２】
望ましくは、前記パルス圧縮手段は、前記和信号及び前記和信号に含まれる前記第２周波数帯域内の信号成分に対してパルス圧縮を実行する。望ましくは、前記パルス圧縮手段は、パルス圧縮処理と、前記第２周波数帯域内の信号成分を抽出するフィルタ処理と、を同時に実行する。この構成によれば、２つの処理を一度に実現できるので有利である。
【００１３】
望ましくは、前記パルス圧縮手段は、入力される時間軸上の信号を周波数軸上の信号に変換する手段と、前記周波数軸上の信号に対してパルス圧縮処理を実行する手段と、前記パルス圧縮後の周波数軸上の信号を時間軸上の信号に逆変換する手段と、を含む。この構成によれば、時間軸（時間領域）上でのパルス圧縮に比べて構成を簡略化できる。
【００１４】
望ましくは、前記パルス圧縮手段の後段にパルス圧縮後の和信号及び差信号を検波する検波手段が設けられ、前記パルス圧縮手段には検波前の和信号及び差信号が入力される。望ましくは、前記和信号生成手段及び前記差信号生成手段と前記パルス圧縮手段との間に前記和信号及び前記差信号を検波する検波手段が設けられ、前記パルス圧縮手段には検波後の和信号及び差信号が入力される。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、高調波成分による画像化に当たって感度不足を補える超音波診断装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその構成を示すブロック図である。
【００１８】
アレイ振動子１０は図示されていない超音波探触子内に配置される。アレイ振動子１０は複数の振動素子からなるものであり、そのアレイ振動子１０によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームは電子的に走査される。アレイ振動子１０としていわゆる２Ｄアレイ振動子を用いることも可能である。本実施形態においては、各ビーム方向ごとに２回ずつ送受信が繰り返し実行される。
【００１９】
送信部１２は、送信ビームフォーマーとして機能するものである。本実施形態において、送信部１２は第１送信信号と第２送信信号を順次出力する。それらの送信信号は互いに位相が反転した関係にあり、それぞれの送信信号は後に図３を用いて説明するように２つの変調信号を合成した合成変調信号である。送信部１２について具体的に説明すると、信号発生部２２は図１に示す例において２つの信号発生器２４、２６を有している。第１信号発生器２４は第１変調信号１００を生成し、第２信号発生器２６は第２変調信号１０２を生成する。それらの変調信号１００，１０２が加算器３０で加算されて合成変調信号が生成される。その合成変調信号は遅延処理器３２によって遅延処理される。その際の位相調整により、合成変調信号から第１送信信号及び第２送信信号を生成することができる。もちろん、第１信号発生器２４及び第２信号発生器２６がそれぞれ第１送信信号及び第２送信信号用の各変調信号並びに第１送信信号及び第２送信信号用の各第２変調信号を生成するようにしてもよい。遅延処理後の送信信号（第１送信信号又は第２送信信号）はＤ／Ａ変換器３４においてデジタル信号からアナログ信号へ変換される。アナログ信号としての送信信号はアンプ３６において線形増幅され、その増幅後の送信信号がアレイ振動子１０へ出力される。なお、図１においては送信部１２内に１つの送信チャンネルのみが示されているが、実際には複数の振動素子に対応して複数の送信チャンネル（送信器）が並列的に設けられる。各送信信号間に所定の遅延関係を設定することにより送信ビームが形成される。上述したように、１つのビーム方向当たり第１送信及び第２送信が順次実行されることになる。
【００２０】
アレイ振動子１０においては、第１送信信号の供給により第１超音波パルスが生成され、その第１超音波パルスに対応する第１反射波がアレイ振動子１０にて受波される。これによって第１受信信号が得られる。これと同様に、アレイ振動子１０に対して第２送信信号が供給されると、アレイ振動子１０から第２超音波パルスが生体内へ送波される。そして第２超音波パルスに対応する反射波がアレイ振動子１０にて受波され、これによりアレイ振動子１０から第２受信信号が出力される。
【００２１】
受信部１４は受信ビームフォーマーとして機能するものである。具体的には、複数のアレイ振動子１０から出力される受信信号（第１受信信号，第２受信信号）に対して整相加算処理を実行することにより、電子的に受信ビームを形成する。これにより得られた整相加算後の受信信号（第１受信信号，第２受信信号）は高調波成分処理部１６へ出力される。図１に示す高調波成分処理部１６において、ラインメモリ３８にはあるビーム方位上において最初に得られた受信信号が格納される。ラインメモリ３８は例えば１つの受信ビームに相当するエコーデータ列を格納するメモリである。後続する受信信号が得られると、ラインメモリから先に格納された受信信号が読み出される。具体的には、受信信号１０８は加算器４０及び減算器４２へ出力され、一方、ラインメモリ３８から読み出された受信信号１１０は加算器４０及び減算器４２へ出力される。加算器４０は、受信信号１０８と受信信号１１０を加算処理し、これによって和信号１１２を出力する。一方、減算器４２は、受信信号１０８と受信信号１１０に対して減算処理を実行し、これによって差信号１１４を出力する。
【００２２】
このような加算処理及び減算処理については上記の特許文献３にも詳述されているが、加算処理によって生体内の非線形性に起因する高調波成分が抽出され、減算処理によって、そのような高調波成分ではない基本波成分が抽出されることになる。
【００２３】
パルス圧縮部４４は、図１に示す構成例においてパルス圧縮フィルタ４６，４８によって構成される。上述したように、各送信信号は変調信号として構成されており、パルス圧縮フィルタ４６，４８は変調信号を復調するためのパルス圧縮処理を実行する。パルス圧縮フィルタ４６，４８の具体的な構成例については図４を用いて説明するが、本実施形態においては、パルス圧縮フィルタ４６，４８がパルス圧縮処理とバンドパスフィルタ処理とを同時に実行している。これにより、パルス圧縮を行いつつ基本周波数の２倍の周波数帯域に存在する信号成分の抽出を行うことが可能となる。パルス圧縮フィルタ４６のフィルタ処理により残留する基本波成分を除去し、精度良く非線形成分を抽出でき、また、パルス圧縮フィルタ４８のフィルタ処理により２倍の周波数帯域に存在する基本波のみを抽出することが可能となる。
【００２４】
パルス圧縮フィルタ４６，４８から出力される信号１１６，１１８はそれぞれ検波回路５０，５２に入力される。検波回路５０，５２によって検波処理された後の信号は除算回路５４へ出力される。除算回路５４においては入力される２つの信号に基づいて除算演算を実行することにより生体内の非線形性を表す信号を生成する。その信号はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５６を介して表示処理部１８へ出力される。ＨＰＦ５６は除算回路５４から出力される信号の時間的な変化率を取得するための微分回路である。
【００２５】
表示処理部１８はデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）としての機能を有し、すなわち、画像形成機能、補間演算機能などを有している。これにより形成された画像のデータは表示部２０へ出力され、表示部２０上には例えば生体内の断層画像が白黒画像として表示される。
【００２６】
パルス圧縮フィルタ４６，４８はＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）などの汎用のプログラマブルデバイスなどを用いて浮動小数点精度で処理するように構成するのが望ましい。ただし、処理速度やコスト面を考慮した場合には、固定小数点精度での処理やＦＦＴチップなどの専用のハードウエアを用いてパルス圧縮を実現することも可能である。
【００２７】
図２には、上述した第１変調信号１００及び第２変調信号１０２が示されている。それらはチャープパルスであり、第１変調信号１００に対して第２変調信号１０２は２倍の周波数関係を有する。
【００２８】
図３には、第１変調波信号１００と第２変調波信号１０２とを合成することにより生成される第１送信信号１０４と第２送信信号１０６とが示されている。第１送信信号１０４と第２送信信号１０６とは互いに位相が反転した関係にある。この図３に示されるような２つの送信波形をもった超音波が生体内に順次送波されることになる。なお、各送信信号については時間軸上における重み付けなどを適用してもよく、その場合においてはガウス関数などを利用することができる。
【００２９】
図４には、図１に示したパルス圧縮フィルタ４６，４８の具体的な構成例が示されている。この構成例では時間軸上の信号が周波数軸上の信号に変換され、その周波数軸上において圧縮演算が実行されている。
【００３０】
ＦＦＴモジュール７０は実数部及び虚数部の２つの入力端子を有し、図４に示す例では実数部の入力端子に和信号１１２又は差信号１１４が入力される。虚数部の入力端子には０が入力される。ＦＦＴモジュール７０により時間軸上の信号が周波数軸上の信号に変換される。メモリ７４上には伝達関数Ｈ’（ω）を表す係数列が格納されている。この伝達関数Ｈ’（ω）は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の伝達関数をＢＰＦ（ω）とし、２倍周波数帯域におけるパルス圧縮フィルタの伝達関数をＨ（ω）とした場合、両者の積として表される。メモリ７４から出力される係数列は複素乗算器７２に与えられる。複素乗算器７２には上記の和信号１１２又は差信号１１４が入力されており、入力される係数列を用いて複素乗算演算が実行される。これによって、一度の処理でＢＰＦ処理とパルス圧縮処理とを同時に実現できるという利点があり、処理効率を極めて高めることが可能となる。
【００３１】
複素乗算器７２から出力される信号はＩＦＦＴモジュール（逆ＦＦＴモジュール）７６に入力され、そのモジュールにおいて周波数軸上の信号が時間軸上の信号へ戻される。ＩＦＦＴモジュール７６の２つの出力端子の内で実数部の出力端子にはパルス圧縮後の和信号１１６又は差信号１１８が現れ、虚数部の出力端子はここでは使用されていない。
【００３２】
したがって、図１乃至図４に示した構成によれば、２つの送信信号が合成変調信号として構成され、受信信号処理の段階で和信号及び差信号に対するパルス圧縮処理を施すことが可能であるので、上述したような感度不足という問題に対処して超音波画像の画質、特に感度を改善できるという利点がある。
【００３３】
図５には図１に示した高調波成分処理部１６の他の構成例が示されている。なお、図１に示した構成と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
【００３４】
図５に示す構成例では、加算器４０と検波回路５０との間にＢＰＦ６２が挿入されており、これと同様に、減算器４２と検波回路５２との間にＢＰＦ６４が挿入されている。パルス圧縮部４４は検波回路５０，５２の後段に設けられている。ここで、ＢＰＦ６２，６４はＲＦ信号としての受信信号中における２倍周波数帯域内における成分を抽出するための回路であり、和信号１１２に対しては残留基本波成分の除去を行い、差信号１１４に対しては２倍周波数帯域における信号の抽出を行っている。図１に示す構成例ではパルス圧縮部４４がＲＦ信号に対するパルス圧縮を行うものであったが、図５に示す構成例では検波後のベースバンド領域における信号に対してパルス圧縮が行われている。
【００３５】
図６には、図１に示した高調波成分処理部１６の更に他の構成例が示されている。なお、図１に示した構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３６】
図６に示す構成例では、パルス圧縮部４４において１つのパルス圧縮フィルタ４７のみが用いられている。その具体的な構成例が図７に示されており、図７に示す構成例は図４に示した構成例と対比されるものである。図４に示す構成例ではＦＦＴ７０における虚数部の入力端子が実質的に使用されておらず、またＩＦＦＴ７６における虚数部の出力端子も未使用であった。これに対し図７に示す構成例では、使用されていないチャンネルを有効利用するため、ＦＦＴ７０における実数部の入力端子には和信号１１２が入力され、虚数部の入力端子に差信号１１４が入力されている。そして、複素乗算器７２においては両信号について複素乗算演算が同時に実行され、またＩＦＦＴ７６の２つの出力端子にはそれぞれパルス圧縮後の和信号１１６及びパルス圧縮後の差信号１１８が現れている。このように、複素信号における実部と虚部とか相互干渉することなく別々にフィルタリングできることに着目して単一のパルス圧縮フィルタを用いて２つの信号についてのパルス圧縮を行うものであり、このような構成によればパルス圧縮部の構成を半分に節約できるという利点がある。なお、図１に示した構成例において、パルス圧縮フィルタ４６，４８が有していたバンドパスフィルタの機能を検波回路５０，５２に移行するようにしてもよい。検波回路５０，５２における検波方式としては例えば直交検波方式などを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を示すブロック図である。
【図２】第１変調信号と第２変調信号を示す図である。
【図３】位相反転関係にある２つの合成された変調信号を示す図である。
【図４】パルス圧縮フィルタの構成例を示す図である。
【図５】高調波成分処理部の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】高調波成分処理部の更に他の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示すパルス圧縮フィルタの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  アレイ振動子、１２  送信部、１４  受信部、１６  高調波成分処理部、２２  信号発生部、２４，２６  信号発生器、４４  パルス圧縮部、４６，４８  パルス圧縮フィルタ。
【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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