(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波パルスを用いてスキャンを行う超音波診断装置において、
前記スキャンの各走査線に対して、第１の時刻に第１の周波数の超音波パルスを送信し、第２の時刻に第２の周波数の超音波パルスを送信する送信手段と、
前記第１の周波数の超音波パルスのエコー信号を受信して第１の受信信号を得て、前記第２の周波数の超音波パルスのエコー信号を受信して第２の受信信号を得る受信手段と、
前記第１の受信信号に対して第１の特性のフィルタ処理を施し、前記第２の受信信号に対して第２の特性のフィルタ処理を施すフィルタ手段と、
前記フィルタ手段による処理後の、前記第１の受信信号に基づく信号成分と、前記第２の受信信号に基づく信号成分とを合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された合成信号に基づいて画像を生成する生成手段と、
を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波診断装置において、
前記フィルタ手段は、
前記第１の受信信号に対して、前記第１の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離する前記第１の特性のフィルタ処理を施し、前記第２の受信信号に対して、前記第２の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離する前記第２の特性のフィルタ処理を施すことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２記載の超音波診断装置において、
前記フィルタ手段は、
前記第２の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離するための帯域幅を、前記第１の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離するための帯域幅よりも広帯域とすることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の超音波診断装置において、
前記フィルタ手段が分離する信号成分は、
前記ハーモニック成分に対応した信号成分として、生体組織の非線形性に因り発生したセカンドハーモニック成分に対応した信号成分を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１項記載の超音波診断装置において、
前記フィルタ手段が分離する信号成分は、
前記ハーモニック成分に対応した信号成分として、超音波造影剤の非線形挙動に因り発生したセカンドハーモニック成分、およびサブ・ハーモニック成分の少なくとも一方に対応した信号成分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２乃至５のいずれか１項記載の超音波診断装置において、
前記フィルタ手段が分離する信号成分は、
前記ハーモニック成分に対応した信号成分として、前記第１の周波数の超音波パルス、および前記第２の周波数の超音波パルスの少なくとも一方の基本波成分に対応した信号成分を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載の超音波診断装置において、
前記フィルタ手段は、前記各走査線方向の深さに応じて前記フィルタ特性を変更するものであることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の超音波診断装置において、
前記合成処理は、前記第１の受信信号及び前記第２の受信信号を加算する処理であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の超音波診断装置において、
前記送信手段は、前記第１の周波数の超音波パルスと、前記第２の周波数の超音波パルスとで、音圧、送信時の開口、ビーム状に収束されるときの焦点、及び、前記受信信号に対する受信ゲインのうちの少なくとも１つのパラメータを変更することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の超音波診断装置において、
前記送信手段は、前記合成手段により合成された受信信号にて生体減衰が補正されるように、前記第１の周波数の超音波パルスと、前記第２の周波数の超音波パルスとで、送信の回数及び送信における周波数の高低を変更することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１１】
超音波パルスを用いてスキャンを行う超音波イメージング方法において、
前記スキャンの各走査線に対して、第１の時刻に第１の周波数の超音波パルスを送信し、第２の時刻に第２の周波数の超音波パルスを送信するとともに、
前記第１の周波数の超音波パルスのエコー信号と、前記第２の周波数の超音波パルスのエコー信号とにそれぞれ異なる特性のフィルタ処理を施し、
前記フィルタ処理後の、前記第１の周波数の超音波パルスのエコー信号と、前記第２の周波数の超音波パルスのエコー信号とを合成し、
前記合成された合成信号に基づいて画像を生成することを特徴とする超音波イメージング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医用の超音波診断装置及び超音波診断方法に係り、とくに、生体組織を超音波信号が伝搬するときの非線形性や生体に造影剤を投与して診断を行なうときに造影剤の非線形性を利用して、受信信号から送信超音波の非線形成分を抽出し、組織情報や血流情報に関する診断上の有効な情報を提供する超音波診断装置及び超音波診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、比較的小形でかつ安価であり、Ｘ線被爆がない、超音波ドプラ法により血流イメージングが可能であるなどの優位性を有しており、今や医療現場において診療に必須のイメージングモダリティになっている。
【０００３】
とくに、近年、超音波に対する組織の非線形伝搬によって生じる送信超音波の非基本波成分であるハーモニック成分（例えばセカンド・ハーモニック成分など）を抽出して画像化するティッシュ・ハーモニック・イメージング法が注目されている。ハーモニック成分を抽出することから、送信ビームをより細くすることができ、サイドローブを低減することができ、更に高画質な画像を生成することができるという利点がある。
【０００４】
また、超音波反射に関する超音波造影剤の非線形性を利用して血流の動態情報を得るハーモニック・イメージング法も知られている。造影剤の非線形性は生体組織のそれよりも強く、受信エコーから送信超音波のハーモニック成分を抽出して画像化すれば、基本波を画像化する場合に比べて、組織と造影剤のコントラストの良い画像が生成可能である。
【０００５】
これらのハーモニック・イメージングにおいて、ハーモニック成分を抽出するには、フィルタが使用されている。しかし、実際には、受信エコーに含まれる送信超音波の基本波成分とハーモニック成分は、図１２に示す如く、周波数軸上でかなりの周波数範囲の部分が相互に重なっている。このため、フィルタを用いても、基本波成分とハーモニック成分を思うようには分離できないという問題がある。つまり、ハーモニック成分だけを抽出しようとするとフィルタのカットオフ周波数をｆｈｉｇｈのように設定しなければならない。このように設定すると、ハーモニック成分は狭帯域となり、画像深さ方向の解像度が劣化するとともに、信号強度も低下する。これに対して、かかるカットオフ周波数を同図中のｆｌｏｗのように設定すると、広帯域なハーモニック成分を抽出することはできるが、基本波成分の混在量も多くなって、画像上に現われる基本波のサイドローブ等のアーチファクトが多くなる。
【０００６】
このようなジレンマの中で、近年、パルスインバージョン法と呼ばれるイメージング法が、例えば「超音波パルスの非線形伝搬、鎌倉友雄  他（信学技法  ＵＳ８９−２３、ｐ５３）で知られている。このパルスインバージョン法は、１画像を形成する走査線毎に、極性を反転させた２つの超音波を個別に送信し、反転前の極性の送信に拠るＲＦデータ又はＩＱデータと反転後の極性の送信に拠るＲＦデータ又はＩＱデータとを相互に加算し、１フレームの画像データを生成する手法である。
【０００７】
このパルスインバージョン法によれば、散乱体や反射エコー源が静止している場合には、上述の加算に拠って、基本波と重なった周波数範囲からもハーモニック成分だけを抽出することができ、広帯域なハーモニック成分を抽出することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、生体を診断対象とする場合、心臓の拍動や呼吸などに因る臓器の動きを回避することができず、パルスインバージョン法を用いた場合でも、上記加算による基本波成分の除去機能を十分に発揮できない。つまり、基本波成分が消え残り、この消え残り成分が画像上にモーションアーチファクトとなって現われる。
【０００９】
また、パルスインバージョン法によれば、その原理からは、完全に正負の反転した超音波パルスを生成する必要があるが、それは実際には技術的に困難である。従って、上述した生体の動きを殆ど無視したとしても、加算に伴う基本波の消え残り成分が発生するので、基本波成分のハーモニック成分からの分離を完全に又は十分に行うことはできない。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術が抱える状況に鑑みてなされたもので、画像生成に供するハーモニック成分の広帯域化によりビーム深さ方向の解像度及び信号強度を向上させ、且つ、画像上のモーションアーチファクトの発生を抑制したハーモニック画像を生成し、これにより、診断に有用な情報を与える超音波診断装置及び超音波イメージング方法を提供する、ことをその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波診断装置は、その１つの態様として、超音波パルスを用いてスキャンを行う超音波診断装置において、前記スキャンの各走査線に対して、第１の時刻に第１の周波数の超音波パルスを送信し、第２の時刻に第２の周波数の超音波パルスを送信する送信手段と、前記第１の周波数の超音波パルスのエコー信号を受信して第１の受信信号を得て、前記第２の周波数の超音波パルスのエコー信号を受信して第２の受信信号を得る受信手段と、前記第１の受信信号に対して第１の特性のフィルタ処理を施し、前記第２の受信信号に対して第２の特性のフィルタ処理を施すフィルタ手段と、前記フィルタ手段による処理後の、前記第１の受信信号に基づく信号成分と、前記第２の受信信号に基づく信号成分とを合成する合成手段と、前記合成手段により合成された合成信号に基づいて画像を生成する生成手段と、を備えたことを基本的な特徴とする。
【００１３】
好適な一例として、前記フィルタ手段は、前記第１の受信信号に対して、前記第１の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離する前記第１の特性のフィルタ処理を施し、前記第２の受信信号に対して、前記第２の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離する前記第２の特性のフィルタ処理を施す。その場合、前記フィルタ手段は、前記第２の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離するための帯域幅を、前記第１の周波数の超音波パルスのハーモニック成分に対応した信号成分を分離するための帯域幅よりも広帯域とする。
【００１４】
例えば、前記フィルタ手段が分離する信号成分は、前記ハーモニック成分に対応した信号成分として、生体組織の非線形性に因り発生したセカンドハーモニック成分に対応した信号成分を含む。また、例えば、前記フィルタ手段が分離する信号成分は、前記ハーモニック成分に対応した信号成分として、超音波造影剤の非線形挙動に因り発生したセカンドハーモニック成分、およびサブ・ハーモニック成分の少なくとも一方に対応した信号成分を含む。
【００１５】
さらに、一例として、前記フィルタ手段が分離する信号成分は、前記ハーモニック成分に対応した信号成分として、前記第１の周波数の超音波パルス、および前記第２の周波数の超音波パルスの少なくとも一方の基本波成分に対応した信号成分を含んでもよい。
【００１６】
さらに、前述した基本構成の超音波診断装置において、前記フィルタ手段は、前記各走査線方向の深さに応じて前記フィルタ特性を変更するものであってもよい。さらに、例えば、前記合成処理は、前記第１の受信信号及び前記第２の受信信号を加算する処理である。
【００１７】
さらに、前述した基本構成の超音波診断装置において、前記送信手段は、前記第１の周波数の超音波パルスと、前記第２の周波数の超音波パルスとで、音圧、送信時の開口、ビーム状に集束されるときの焦点、及び、前記受信信号に対する受信ゲインのうちの少なくとも１つのパラメータを変更することが望ましい。
【００２０】
さらに、前述の基本構成において、前記送信手段は、前記合成手段により合成された受信信号にて生体減衰が補正されるように、前記第１の周波数の超音波パルスと、前記第２の周波数の超音波パルスとで、送信の回数及び送信における周波数の高低を変更してもよい。
【００２４】
一方、本発明係る超音波パルスを用いてスキャンを行う超音波イメージング方法では、前記スキャンの各走査線に対して、第１の時刻に第１の周波数の超音波パルスを送信し、第２の時刻に第２の周波数の超音波パルスを送信するとともに、前記第１の周波数の超音波パルスのエコー信号と、前記第２の周波数の超音波パルスのエコー信号とにそれぞれに異なる特性のフィルタ処理を施し、前記フィルタ処理後の、前記第１の周波数の超音波パルスのエコー信号と、前記第２の周波数の超音波パルスのエコー信号とを合成し、前記合成された合成信号に基づいて画像を生成することを特徴とする。
【００２８】
本発明のその他の態様に係る具体的な構成及び特徴は、以下に記す発明の実施形態及び添付図面により明らかにされる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るハーモニック・イメージング用の超音波診断装置を、図１〜８，１１を参照して説明する。
【００３１】
この超音波診断装置は、図１に示す如く、超音波送受用のプローブ１１と、このプローブ１１に接続され且つこのプローブを駆動してハーモニック画像のデータを生成する装置本体１２と、装置本体１２で生成したハーモニック画像データを表示するモニタ１３とを備える。
【００３２】
プローブ１１は、好適には、１次元又は２次元に配列されたアレイ形の振動子群を備えている。
【００３３】
装置本体１２は、図示の如く、パルサ／プリアンプ・ユニット２１、受信遅延回路２２、合成プロセッサ２３、表示プロセッサ２４、送信波形制御器２５、及びホストＣＰＵ２６を備える。ホストＣＰＵ２６には、図示しないが、その処理手順を表すプログラムを記録したメモリが接続されている。また、上記回路及びプロセッサ２１〜２５にも、それらの処理手順を表すプログラムを記録したメモリ（図示せず）が必要に応じてそれぞれ内蔵される。
【００３４】
パルサ２１はプローブ１１に駆動電圧を供給して、プローブを駆動させるとともに、配列された複数の振動子に印加される駆動電圧の遅延時間を制御する。この駆動電圧により励振されたプローブ１１の振動子から超音波信号が発生するとともに、遅延制御によってビームフォーミングされ、その超音波ビームは２次元又は３次元的に方向・集束制御される。
【００３５】
送信波形制御器２５は、パルサ２１の動作を制御するために設けられている。
具体的には、１フレームの画像を構成する複数本の走査線のうちの各走査線に対し、独立に設定される複数の波形の超音波パルスを発生させるようにパルサ２１を制御する。つまり、送信波形制御器２５の制御によって、特性（帯域など）が異なる超音波パルスが時系列方向の複数レート（例えば２レート；図１１参照）に渡ってプローブ１１から夫々送信される。
【００３６】
生体内に送信された超音波パルス信号は、生体組織の非線形性に因り、超音波パルスの伝搬に伴ってハーモニック信号を発生させる。つまり、この基本波及び非基本波成分から成る超音波信号は、体内組織の音響インピーダンスの境界で反射され、及び／又は、体内の微小散乱体により後方散乱される。この超音波信号は共に同一のプローブ１１で受信され、電圧量の受信信号に変換される。この受信信号はプリアンプ２１で前置増幅されて、受信遅延回路２２に送られる。
【００３７】
受信遅延回路２２では、受信信号が前置増幅され、その直後の整相加算前にＡ／Ｄ変換される、いわゆるデジタルタイプの受信処理が実行される。なお、このデジタル化の処理は、整相加算後に行う、いわゆるアナログタイプの受信処理であってもよい。
【００３８】
さらに、受信遅延回路２２では、受信信号の整相加算、この整相加算信号のパワー値演算、及びそのパワー値のデジタル化処理が行なわれる。これにより、超音波エコーの振幅の２乗に相当するパワー値のデジタル信号が受信遅延回路２２から合成プロセッサ２３に送られる。上記整相加算により受信時のビームフォーミングが演算により行われ、受信信号の方向・集束が制御される。
【００３９】
なお、受信遅延回路２２は、複数の受信遅延回路の組を有し、これにより複数のビーム状の受信信号を形成して並列同時受信を行なうようにしてもよい。
【００４０】
合成プロセッサ２３は、受信信号のスペクトル波形に応じてフィルタ処理を施して各走査線に対する複数レートの受信信号からハーモニック成分を抽出し、それらの抽出信号を合成する手段である。かかる抽出処理及び合成処理を経て本発明に特徴的なハーモニック画像が生成される。
【００４１】
詳細には、合成プロセッサ２３は図２に示す如く構成されている。すなわち、合成プロセッサ２３は、受信遅延回路２２から出力された受信ビーム信号を入力する直交位相検波器３１を有し、その後段に、フィルタ３２、複数のメモリ３３（３３１〜３３Ｎ）、及び合成器３４を有する。
【００４２】
なお、上述した並列同時受信を行う構成の場合、合成プロセッサ２３は、並列同時受信数に対応した処理回路を有し、並列同時受信数に対応した数分の合成受信信号を同時に生成するように形成すればよい。図２の合成プロセッサ２３には、並列同時受信する複数チャンネルの内の１チャンネルに対する合成処理部をブロック的又は機能的に表したが、並列同時受信を行う構成の場合には、かかる合成処理部は複数チャンネル分（図示せず）、設けられる。
【００４３】
直交位相検波器３１は、入力するビーム状の受信信号をリファレンス周波数Ｆ０の基準信号で直交位相検波して、複素数の信号を形成する。なお、このリファレンス周波数Ｆ０は、後述する合成ハーモニック成分の重心周波数に設定することが好ましい。この検波信号は次いでフィルタ３２に送られる。
【００４４】
フィルタ３２は、各レートで送信された超音波パルスの特性（帯域など）の違いに応じて、レート毎に異なる通過特性のフィルタ処理を施し、そのフィルタリング結果をレート毎に別々のメモリ３３（３３１〜３３Ｎ）に格納する。このフィルタ３２は、走査線方向の深さに応じてフィルタ特性を変更可能なデジタルタイプの複素係数フィルタで構成される。このフィルタ特性を制御する指令は、例えばホストＣＰＵ２６から与えられる。
【００４５】
なお、メモリ３３は、必ずしも図３に示すようにレート毎のフィルタリング結果を格納しておく複数個のメモリデバイスから構成する必要は無く、１個のメモリデバイスで構成してもよい。その場合には、レート毎のフィルタリング結果を順次合成すればよく、メモリの構成が簡素化される。
【００４６】
合成器３４は、メモリ３３（３３１〜３３Ｎ）に格納した各レートのフィルタリング結果を合成し、さらに対数圧縮などの必要な処理を施して画像表示の輝度値に変換する。この合成器３４で合成された信号は、１本の送受信走査線の画像信号として表示プロセッサ２３に送られる。
【００４７】
この合成プロセッサ２３で合成された合成受信信号は、レート毎に順次、表示プロセッサ２４に送られる。表示プロセッサ２４は、内蔵するデジタルスキャンコンバータにより、合成受信信号をスキャン変換して画像信号を生成する機能を有する。これにより、スキャン変換された信号は画像信号として表示用モニタ１３に送られ、本発明に係るハーモニック画像として表示される。
【００４８】
装置本体１２に装備されているホストＣＰＵ２６は、上述したプロセッサや回路の動作タイミングなどを全体として制御するように構成されている。
【００４９】
（本実施形態の作用効果）
次に、この実施形態に係る超音波診断装置の動作を、送信波形制御、フィルタ処理、及び合成処理を中心に説明する。
【００５０】
いま、２次元スキャン面又は３次元スキャン領域を形成する各１本の走査線に対して２回ずつ送信を行なうものとする。送信波形制御器２５は、パルサ２１を制御して、その各１本の走査線に対して、図３（ａ），（ｂ）の波形で示す如く、互いに異なる周波数特性（スペクトル）を有する基本波成分ＷＦ４１，ＷＦ４２の超音波パルス（中心周波数ではＷＦ４１＜ＷＦ４２）を、その一方ずつ、２つのレートに分けて送信させる。
【００５１】
この周波数特性は、後述する図５に示す如く、受信信号に含まれるハーモニック成分を基本波成分から容易に抽出分離が可能な程度に狭帯域に設定されている。本発明に係る狭帯域化の程度は、具体的には、図１３に示す如く、周波数スペクトラム上で基本波成分とハーモニック波成分の重なる領域がハーモニック波のピークに比し、３０〜５０ｄＢ低い範囲を言う。
【００５２】
これにより、プローブ１１から、図１１に示す最初のレート（１回目のレートパルスに呼応した送信）では基本波成分ＷＦ４１を持つ超音波パルスが送信され、次のレート（２回目のレートパルスに呼応した送信）では基本波成分ＷＦ４２を持つ超音波パルスが送信される。
【００５３】
これらの超音波パルスがプローブ１１から夫々、被検体内に送信されると、生体が超音波伝搬に対する非線形特性に因って、超音波パルスのハーモニック成分が発生する。このため、これらの超音波パルスの超音波エコーには、各々、図４（ａ），（ｂ）に示す如く、基本波とハーモニック成分（ここではセカンドハーモニック成分で示す）が含まれる。つまり、１レート目では基本波成分ＷＦ４１とそのハーモニック成分ＷＦ５１が、２レート目では基本波成分ＷＦ４２とそのハーモニック成分ＷＦ５２が各々含まれる。
【００５４】
この場合、各レートで送信した超音波パルスの帯域は狭帯域に設定されているため、図４に示す如く、１レート目の基本波成分ＷＦ４１とそのハーモニック成分ＷＦ５１との帯域が所定信号レベルまで確実に分離されており、一方、２レート目の基本波成分ＷＦ４２とそのハーモニック成分ＷＦ５２との帯域が所定信号レベルまで確実に分離されている。
【００５５】
なお、ここでは、一番パワーの大きいセカンド・ハーモニック成分のみを非基本波成分の代表として示しているが、実際には、サード・ハーモニック成分やサブ・ハーモニック成分などのハーモニックも含まれる。また、被検体内に超音波を非線形散乱させる超音波造影剤が投与されており、その造影剤が存在する部位をスキャンした場合、生体の非線形伝搬性に因り生じたハーモニック成分に比べて、より大きな強度のハーモニックエコー成分が造影剤から得られる。
【００５６】
上述した基本波成分及びハーモニック成分が含まれた超音波エコー信号は、各レート毎に、プローブ１１で受信されて受信信号として出力される。この後、受信信号はプリアンプユニット２１で前置増幅され、受信遅延回路２２で受信ビームフォーミングされて目的の走査線上のビームに集束される。このビームフォーミングされた受信信号は、更に、合成プロセッサ３２においてリファレンス信号で直交位相検波される。この位相検波された実数部及び虚数部の信号はフィルタ３２に送られる。
【００５７】
フィルタ３２は、図５（ａ）に示す如く、１レート目では中心周波数が２レート目のそれよりも低いハーモニック成分ＷＦ５１を通過させるように通過帯域Ｂ６１が自動的に設定される。次いで、２レート目では、図５（ｂ）に示す如く、中心周波数が１レート目のそれよりも高いハーモニック成分ＷＦ５２を通過させるように通過帯域Ｂ６２が自動的に設定される。
【００５８】
すなわち、レート毎に、直交検波に用いる参照周波数と抽出するハーモニック成分が有する帯域とに応じて通過帯域が最適に設定される。この設定において、フィルタ３２の振幅特性は各レート毎に独立に設定できるが、位相特性は各レートで同一であることが重要である。
【００５９】
図４，５に示す如く、基本波成分とハーモニック成分が所定信号レベルまで確実に分離されるので、それらの通過帯域Ｂ６１、Ｂ６２（カットオフ周波数を含む）を容易に設計することができる。
【００６０】
そこで、フィルタ３２により、レート毎に、基本波成分ＷＦ４１（ＷＦＦ４２）が除去され、図６（ａ）、（ｂ）に示す如く、ハーモニック成分ＷＦ５１（ＷＦ５２）が確実に抽出される。このハーモニック成分ＷＦ５１、ＷＦ５２はレート毎に異なるメモリ３３１，３３２に夫々格納される。
【００６１】
合成プロセッサ３２では、更に、メモリ３３１，３３２に格納された各レートの信号値が合成器３４により、例えば加算演算法により合成される。この合成の概念を図６（ｃ）に示す。このように合成することで、それまで狭帯域であったハーモニック成分ＷＦ５１、ＷＦ５２を周波数軸上で合わせた広帯域なハーモニック成分ＷＦ７１が生成される。
【００６２】
このように合成された広帯域な信号には、合成器３４で更に、対数圧縮などの画像化処理が適切に施され、１本の走査線の画像信号として表示プロセッサ２４に送られる。
【００６３】
以上の動作は、２次元のスキャン面又は３次元のスキャン領域を形成する走査線毎に順次、実行される。つまり、この実施形態のように合成するハーモニック成分が２レート分である場合、第１、第２レートの２レートで最初の１本目の走査線の画像信号が生成され、次の第３、第４レートの２レートで２本目の走査線の画像信号が生成され、次の第５、第６レートの２レートで３本目の走査線の画像信号が生成される。以下、同様にして所定数の走査線に対する画像信号が生成され、表示プロセッサ２４に送られる。
【００６４】
表示プロセッサ２４には、上述と同様に処理される並列同時受信処理チャンネルの残りのチャンネルからも所定数の走査線に対する画像信号が送られてくる。このため、表示プロセッサ２４は、全部の走査線の画像信号が揃うと、これをスキャン変換してモニタ１３に送り、スキャン領域の画像を表示させる。
【００６５】
以上のように、この超音波診断装置によれば、各回に送信する超音波パルスは基本波とハーモニック成分が容易な狭帯域であるため、フィルタ３２はハーモニック成分のみを確実に抽出することができる。従って、抽出されたハーモニック成分に含まれる基本波成分は無視し得る程度まで、ハーモニック成分の高精度な抽出が行なわれる。
【００６６】
この結果得られた複数回の送信に拠るハーモニック成分が相互に合成されて、図６（ｃ）に示す如く、広帯域なハーモニック成分に形成される。この後処理に拠る広帯域化により、走査線の深さ方向の分解能を向上させ、また信号強度の上昇に拠るＳＮＲを改善することができる。また、狭帯域送信のため、合成前の信号自体のペネトレーションに優れているため、合成後のそれは更に良くなる。
【００６７】
また、本実施形態のハーモニックイメージングによれば、上述の広帯域化と高いペネトレーション（ここでは「装置が検出可能な最小エネルギの超音波信号が戻ってくる深さ）を言う）とを両立させることができる。従来のパルスインバージョン法によれば、ハーモニック成分を広帯域化するには、基本波自体を広帯域に設定しなければならないため、従ってペネトレーションの低下は甘受する必要があった。これに対し、本実施形態の装置の場合、超音波パルスの送信自体は狭帯域で送信されるため、ペネトレーションの点でもパルスインバージョン法に比べて有利である。
【００６８】
つまり、パルスインバージョン法の場合、ペネトレーションは装置の出力可能な超音波パルスの最大電圧で決まるのに対し、本実施形態のハーモニックイメージングの場合、波連長を長くする（つまり狭帯域化）により、同じ最大電圧であっても、ペネトレーションを向上させることができる。
【００６９】
さらに、本実施形態によれば、レート毎にフィルタで走査線上の基本波を除去するため、組織の動きが在っても、基本波を確実に除去することができ、ハーモニックイメージングの画像上に基本波成分の消え残りに因るモーションアーチファクトを発生させることはない。従来のパルスインバージョン法の場合、組織の動きの影響で基本波成分の消え残りが発生し、これがアーチファクトになっていたが、本実施形態ではそのような事態を確実に排除することができる。
【００７０】
さらにまた、本実施形態の装置において並列同時受信処理を採用する場合、リアルタイム性がそれだけ向上するので、１走査線の画像信号の生成に複数回（例えば上述の如く２回）送信を要する場合であっても、この複数送信に伴うリアルタイム性の低下を補うことができる。
【００７１】
このように、本実施形態によれば種々の作用効果が得られるが、ここで再度強調したい点は、後処理としての、フィルタ処理及び合成処理により得られた純粋に広帯域なハーモニック成分は、１回の送信によっては決して得られるものではなく、本発明の原理に基づいて上述の如く実施されて初めて得られる信号である。既に述べてあるように、基本波を広帯域に送信した場合、１回送信にはなるが、基本波成分とハーモニック成分のスペクトルが重なってフィルタでは分離できない。一方、パルスインバージョン法（２回送信）の場合、モーションアーチファクトが生じる。これに対して、本発明を実施することで、それらが同時に解消されるという、従来法には無い顕著な作用効果が得られる。
【００７２】
本発明者は、上述した原理に基づく本発明の効果を確認するため、非線形伝搬を記述する放物線近似のＫＺＫ方程式（例えば、非線型音響学の基礎（鎌倉友男著、愛智出版）など参照）を差分法で解いて、集束音場のパルス波形伝搬の合成をシミュレーションしてみた。その結果を図７に示す。中心周波数が夫々、２ＭＨｚ，２．５ＭＨｚ，３ＭＨｚのガウス波形（基本波成分）を各別に水中に伝搬させたときに生じるスペクトル（振幅）をシミュレーションした結果を同図（ａ）に示す。この３種類の基本波成分の２次以上のハーモニック成分を各別に抽出したスペクトルを同図（ｂ）に示す。また、同図（ｃ）には、２ＭＨｚと２．５ＭＨｚの２種類の基本波成分のハーモニック成分を加算したスペクトルを示す。同様に、同図（ｄ）には、２ＭＨｚ，２．５ＭＨｚ，３ＭＨｚの３種類の基本波成分のハーモニック成分を加算したスペクトルを示す。これらの加算スペクトルから、合成（加算）により、信号強度が高くなり且つ帯域幅が広がっていることが確認できた。
【００７３】
さらに、図示しないが、このシミュレーションにおいて、それぞれのハーモニック成分の位相は２πの飛びを除いて直線的に繋がることを確認した。このように位相が揃っていることから、合成処理により、広帯域化が可能になる。フィルタとしては、位相特性が等しく、振幅特性が相互に異なるものを用いた。
【００７４】
さらに、本発明者によって実行された図８のシミュレーションでは、２ＭＨｚと２．５ＭＨｚのハーモニック成分を加算した波形と、２ＭＨｚのハーモニック成分の振幅を２倍した波形とを求めた。これらの波形は同図（ａ）に示す。また、３種類の２ＭＨｚ，２．５ＭＨｚ，３ＭＨｚのハーモニック成分の加算シミュレーションと、２ＭＨｚのハーモニック成分の振幅を３倍するシミュレーションも行なっており、それらの波形を同図（ｂ）に示す。これらのシミュレーション波形からも、合成により、単なる振幅を増幅させた場合に比べて、信号強度が上がるとともに、波連長が短くなって広帯域化していることが分かった。
【００７５】
（変形例）
さらに、上述した実施形態は種々の形態に変形して実施することができる。
【００７６】
第１の変形例は、合成プロセッサ２３の構成に関する。この合成プロセッサ２３において、直交位相検波器３１はフィルタ３２の出力側に１台設けるようにしてもよい。また、直交位相検波器３１は合成器３４の出力側に１台設けるようにしてもよい（即ち、フィルタ及び合成器の構成は、直交位相検波の前後何れに在ってもよい）。さらに、直交位相検波器３１はフィルタ３２の出力側及び合成器３４の出力側に合計２台設けるようにしてもよい。さらにまた、１走査線当たりの複数回送信に対するレート数が例えば２の場合、合成プロセッサ２３は、レート１、２それぞれに対する直交位相検波及びフィルタの縦列構成を並列に備え、その並列構成の出力側に、合成処理及び直交位相検波の縦列構成を更に備えるように構成してもよい。これらの各種の構成により、合成プロセッサを設計するときの自由度が上がる。
【００７７】
第２の変形例として、１走査線当たりの複数回送信に対するレート数は上述した「２」に限定されるものではなく、適宜に増やしてもよい。例えば、１走査線当たり、１０レート分、すなわち１０回送信して、それらの送信のハーモニック成分を抽出・加算するようにしてもよい。
【００７８】
この第２の変形例に関連する別の例として、１走査線当たりの送信回数と生体減衰の関係を考慮した構成を提供できる。生体の場合、高周波の送信になるほど、低周波の送信に比べて、超音波が生体内を伝搬するときの減衰量が大きくなる。このため、複数送信の内、例えば、低周波による送信１回、且つ、高周波による送信２回など、高周波側の送信を低周波側のそれに比べて多くして合成処理を行うことで、生体減衰を補正することができる。
【００７９】
第３の変形例として、１走査線毎に複数回、送信する超音波パルスの振幅は、レート毎に、すなわち送信毎に変化させてもよい。この場合、例えば、高周波になるほど、減衰量を補完すべく、超音波パルスの振幅を上げることが望ましい。なお、この送信振幅の制御に代えて、高周波になるほど、受信ゲインを増大させるという構成を採用してもよい。
【００８０】
第４の変形例として、１走査線毎に複数回、送信する超音波パルスの送信開口面積は、レート毎に、すなわち送信毎に変化させてもよい。例えば、高周波になるほど、ペネトレーションが下がるので、その分、送信開口面積が増大される。
【００８１】
第５の変形例として、１走査線毎に複数回、送信する超音波パルスの送信焦点は、レート毎に、すなわち送信毎に変化させてもよい。例えば、高周波になるほど、ペネトレーションが下がるので、その分、送信焦点が遠距離に設定される。
【００８２】
第６の変形例は、造影エコーの変形に関する。造影エコー法によりイメージングする場合、１レート目では、２レート目に比較して、近距離焦点、小開口、及び低音圧の超音波パルスを送信し、ハーモニックエコーがプローブから近距離の位置を中心に発生するようにする。これにより、その近距離位置よりも遠い位置に在る造影剤に与える音場の影響を低減することができる。２レート目では、遠距離焦点、大開口、高音圧の送信を行ない、そのハーモニックエコーが遠距離の位置を中心に発生するようにする。１レート目の送信時に近距離の造影剤が消失していれば、２レート目の送信に伴うペネトレーションはより大きくなることが考えられる。このため、近距離の部位は主に１レート目の送信が画像生成を担い、中距離の部位は両レートの送信がそれを担い、且つ、遠距離の部位は主に２レート目のそれが担うようにすればよい。
【００８３】
第７の変形例は、造影エコーの別の例に関する。つまり、図９に示す如く、ハーモニック成分としてのサブ・ハーモニック成分の画像化に関する。この変形例によれば、同図（ａ），（ｂ）に示す如く、１番目及び２番目のレートの受信信号に含まれる造影剤起因の、基本波成分ＷＦ８１及びＷＦ８３のサブ・ハーモニック成分ＷＦ８２及びＷＦ８４を夫々フィルタ３２により抽出させる。同図（ａ），（ｂ）の特性Ｂ８５、Ｂ８６は、このフィルタ３２に設定されるサブ・ハーモニック成分抽出用の帯域である。抽出されたサブ・ハーモニック成分ＷＦ８２及びＷＦ８４は前述と同様に相互に加算され、広帯域なサブ・ハーモニック成分ＷＦ８５が生成される。
【００８４】
このサブ・ハーモニックを用いる利点は以下のようである。従来、サブ・ハーモニック成分を得る場合、サブ・ハーモニック画像での方位方向の分解能を上げるため、高周波で送信することが一般に行われている。高周波の超音波信号は生体減衰が大きいので、バースト長を長くする（即ち、狭帯域化する）必要があり、走査線方向の深さ方向の空間分解能が低下していた。これに対して、この第９の変形例では、サブ・ハーモニック成分の分離及びペネトレーションの確保が容易な狭帯域な超音波パルスを送信しながら、最終的には広帯域なサブ・ハーモニック成分が得られ、深さ方向の空間分解能を向上させることができる。
【００８５】
第８の変形例は、基本波成分の消し残しの例に関する。すなわち、上述したように基本波成分を極力完全に除去するという構成に代えて、基本波成分を積極的に完全には除去せず、ハーモニック画像上に基本波成分の消し残しを作るようにする。この消し残しの部分としては、画像の最深部でハーモニック強度が減衰に因って十分に得られない領域や、反対に浅い領域でハーモニックの発生が不充分な領域に設定される。これにより、そのような領域の部分は基本波成分で表示される。これを行なうには、例えば、フィルタ３２のハーモニック成分に対する通過帯域特性を所定量だけ周波数軸上で基本波成分側に深さに応じて移動させ、同時に、直交位相検波器３１のリファレンス周波数を従来のエコーフィルタと同様に深さに応じて変化させればよい（深くなるほど、レファレンス周波数を低くする）。
【００８６】
第９の変形例は、合成されたハーモニック成分の後処理に関する。合成されたハーモニック成分の周波数分布を整形させるため、合成器３４の後段に整形用フィルタを付加してもよい。この整形用フィルタによって、画質をより向上させ、描出能を改善することができる。また、この整形処理及び前述したハーモニック成分抽出処理の構成を、前述したフィルタ３２に予め搭載しておき、これを合成前に行なうようにしてもよい。
【００８７】
第１０の変形例は、ハーモニック成分の合成に関する。これまでの説明では、生体伝搬や造影剤の非線形性に因って発生するハーモニック成分を、その理解を容易にするため、模式的に１つの波形として図示してきた。しかし、実際には、図１０に示す如く、基本波成分ＷＦ９１の分布は１つの波形に集中している場合であっても、波形ＷＦ９２に示す如く、かかる非線形性に起因して、ハーモニック成分は広い周波数範囲に渡っていくつかの波形に分布するように発生する。本発明は、これら点在するハーモニック成分の全ての波形又は任意の幾つかの波形を合成することが可能であり、さらに、レート毎に抽出するハーモニック成分を変更することも可能である。
【００８８】
第１１の変形例として、合成処理後の波形修正を行なう構成例を説明する。この波形修正処理をフィルタで実行させる。このフィルタは複素フィルタで構成し、このフーリエ空間上で正負の周波数領域を独立に振幅と位相を制御することで、合成したハーモニック成分の波形を適宜修正させる。フィルタ係数は予め実験やシミュレーションなどで設定して、修正時にその係数をテーブルから読み出して実行させる。この複素フィルタを使用することで位相も調整でき、波形をより精細に修正することができる。
【００８９】
さらに、図１４を参照して、第１２の変形例を説明する。この変形例は、複数回送信する超音波パルスの帯域に関する。
【００９０】
前述した実施形態及びその変形例では、エコー信号のハーモニック成分をその基本波成分から容易に分離可能な程度の狭帯域な超音波パルスを各走査線当たり複数回、送信することを前提としていた。しかし、この変形例で使用する超音波パルスは上述のような狭帯域ではなく、基本波成分とハーモニック成分とが図１４に示す如く、スペクトル上で一部、重なり合う、比較的広帯域なパルスである。
【００９１】
このような比較的広帯域な超音波パルスを使用する場合には、図１４のフィルタ特性曲線で示す如く、スペクトルが重なっていない周波数範囲のハーモニック成分を抽出するように、合成プロセッサ２３のフィルタ３２の特性を設定しておけばよい。各走査線については、前述と同様に、複数回の送信が行われ、それらの送信に伴う受信信号がフィルタ処理されて合成される。
【００９２】
これにより、送信自体で既に、ビーム深さ方向の解像度及び信号強度が向上する。
【００９３】
またなお、本発明は、代表的に例示した上述の実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲の記載内容に基づき、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の態様に変形、変更することができ、それらも本発明の権利範囲に属するものである。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波診断装置及び超音波イメージング方法によれば、画像生成に供する広帯域な信号を生成して深さ方向の分解能及びＳＮＲを向上させ、組織の動きに因るモーションアーチファクトの発生を大幅に減少させ、これにより、高いペネトレーションを保持した、高画質で優れた描出能の有用な画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】合成プロセッサの概略構成を示すブロック図。
【図３】レート毎の基本波成分のスペクトルを説明する図。
【図４】レート毎に発生するハーモニック成分のスペクトルを説明する図。
【図５】レート毎のフィルタ特性を説明する図。
【図６】ハーモニック成分の合成処理を模式的に説明する図。
【図７】シミュレーション結果を示すスペクトル図。
【図８】シミュレーション結果を示す波形図。
【図９】１つの変形例に係るサブ・ハーモニック成分の合成を模式的に説明する図。
【図１０】別の変形例の合成処理を説明するためのハーモニック成分のスペクトル図。
【図１１】レートと送信タイミングを説明する図。
【図１２】従来例を説明するための基本波成分とハーモニック成分の分離性が低い状態を説明するスペクトル図。
【図１３】送信される超音波パルスの狭帯域の度合いを例示するスペクトル図。
【図１４】更に別の変形例を示す、比較的広帯域な超音波パルスのスペクトル図。
【符号の説明】
１１  プローブ
１２  装置本体
１３  モニタ
２１  パルサ／プリアンプユニット
２２  受信遅延回路
２３  合成プロセッサ
２４  表示プロセッサ
２５  送信波形制御器
２６  ホストＣＰＵ
３１  直交位相検波器
３２  フィルタ
３３  メモリ
３４  合成器
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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