(57)【要約】  【課題】  被検体における骨部周辺の微細組織と骨内部の微細組織との両方を、高分解能で画像化することができる超音波送受信装置を提供する。  【解決手段】  印加される複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する送信素子１１及び１２と、送信素子にそれぞれ与えられる駆動信号を生成するシンセサイザ２１及び２２と、送信素子１１から第１の超音波を周波数掃引しながら送信させると共に、第１の超音波と所定の差周波数を保つように、送信素子１２から第２の超音波を周波数掃引しながら送信させるように、シンセサイザを制御するシステム制御部４６と、超音波エコーとバイブロ音とを受信して検出信号を出力する受信部１４と、超音波エコーの検出信号に所定の信号処理を施す信号処理部４１と、バイブロ音の検出信号に所定の信号処理を施す信号処理部４２と、信号処理を施された検出信号に基づいてＢモード画像データを生成する表示画像演算部４５とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する第１及び第２の超音波送信手段と、
前記第１及び第２の超音波送信手段にそれぞれ与えられる駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記第１の超音波送信手段から第１の超音波を周波数掃引しながら送信させると共に、第１の超音波と所定の差周波数を保つように、前記第２の超音波送信手段から第２の超音波を周波数掃引しながら送信させるように、前記駆動信号生成手段を制御する制御手段と、
第１又は第２の超音波が被検体において反射することによって生じた超音波エコーを受信する第１の受信手段と、
第１及び第２の超音波を被検体内の所定の領域に向けて照射することにより、該領域から発生した第１の超音波と第２の超音波との差周波数に相当する周波数を有する音波又は超音波を受信して検出信号を出力する第２の受信手段と、
前記第１の受信手段から出力された検出信号に所定の信号処理を施す第１の信号処理手段と、
前記第２の受信手段から出力された検出信号に所定の信号処理を施す第２の信号処理手段と、
前記第１及び／又は第２の信号処理手段によって信号処理を施された検出信号に基づいて、超音波画像を表す画像データを生成する画像データ生成手段と、
を具備する超音波送受信装置。
【請求項２】
前記第１の信号処理手段が、前記第１の受信手段から出力された検出信号に対してパルス圧縮処理を施す、請求項１記載の超音波送受信装置。
【請求項３】
前記画像データ生成手段が、前記第２の受信手段から出力された検出信号に基づいて、骨の内部に関する超音波画像を表す画像データを生成することを含む、請求項１又は２記載の超音波送受信装置。
【請求項４】
第１及び第２の超音波が、前記領域と前記第２の受信手段との位置関係を保ちながら被検体内を走査するように、前記第２の受信手段をメカニカルに駆動する駆動手段をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【請求項５】
第１及び第２の超音波を被検体内の所定の領域に向けて照射することにより、該領域から発生した第１の超音波と第２の超音波との差周波数に相当する周波数を有する音波又は超音波を受信して検出信号を出力する少なくとも１つの第３の受信手段と、
前記第２の受信手段によって受信された音波又は超音波と、前記少なくとも１つの第３の受信手段によって受信された音波又は超音波とが、前記領域において焦点を形成するように、前記第２の受信手段及び前記１つ又は複数の第３の受信手段から出力された検出信号について受信フォーカス処理を施す手段をさらに具備する、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信することにより生体内臓器の診断等を行うために用いられる超音波送受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な画像技術が開発されている。その中でも、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い画像技術として、産科領域における胎児診断、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。
【０００３】
超音波撮像においては、音響インピーダンスの異なる物質の境界において反射された超音波を検出することにより、画像を生成する。ここで、一般に、超音波は、周波数が高いほど減衰され易い性質を有している。そのため、被検体の浅部を撮像する場合には、比較的高い周波数（例えば、５ＭＨｚ程度）の超音波が用いられ、被検体の深部を撮像する場合には、比較的低い周波数（例えば、２ＭＨｚ程度）の超音波が用いられている。特に、骨部のように、音響インピーダンスの差が大きい境界が存在する場合には、比較的低い周波数（例えば、０．５ＭＨｚ）の超音波が用いられる。
【０００４】
ところで、超音波ビームの方位分解能ΔＹは円形開口の２次元アレイの場合、方位分解能ΔＹは、焦点距離Ｆと、超音波の波長λと、開口の直径Ｄとを用いて、次のように表される。
ΔＹ＝１．２２×Ｆ×λ／Ｄ
同じ大きさの開口であれば、超音波の波長λが小さいほど、即ち、超音波の周波数が高いほど、ΔＹの値が小さくなり、方位分解能が良くなる。反対に、超音波の波長λが大きいほど、即ち、超音波の周波数が低いほど、ΔＹの値が大きくなり、方位分解能が低下する。一方、開口の大きさは、被検体の大きさとの関係により、一定の大きさに制限される。そのため、被検体の深部を撮像するために低い周波数の超音波を用いると、方位分解能が低くなってしまうので、骨の内部のような深部の微細な構造を画像化することができない。
【０００５】
ところで、周波数が僅かに異なる２つの超音波を物体に照射すると、超音波を照射された部分から、２つの超音波の周波数の差に相当する周波数を有する振動が発生することが知られている。この振動は、バイブロ（vibro）音とも呼ばれている。非特許文献１によれば、バイブロ音が発生するメカニズムは、次のように考えられている。即ち、（１）被検体の検査位置におけるインピーダンスの変化や、超音波の吸収及び拡散による放射圧、又は、（２）非線形干渉によって生成された音響ビームの反射といった物理現象によるものであると説明されている。
【０００６】
このようなバイブロ音は、数ｋＨｚ程度の可聴域〜数百ｋＨｚ程度の超音波帯域の周波数を有しているので、例えば、音響インピーダンスの差が大きい境界を通過したり、被検体の深部から戻ってきたバイブロ音であっても、十分な強度を有する信号を取得することができる。また、バイブロ音を発生させる際には高周波の超音波が用いられるので、バイブロ音による走査領域を細く絞って高分解能を実現することができる。そこで、非特許文献１には、バイブロ音を用いて、被検体から取り出した骨の内部について画像化することが記載されている。また、非特許文献２には、被検体の深部の微細構造を画像化することが記載されている。さらに、特許文献１には、バイブロ音を可聴域で受信することが開示されている。また、特許文献２には、バイブロ音を発生させるために、多リングアニュラアレイを用いたり、複数の超音波トランスデューサを用いて電子スキャンすることが開示されている。
【特許文献１】米国特許ＵＳ５，９０３，５１６号明細書
【特許文献２】米国特許ＵＳ５，９９１，２３９号明細書
【非特許文献１】サミュエル  カレ（Samuel Calle）等、「骨弾性撮像へのバイブロ音響記録法の応用（Application of Vibro-Acoustography to Bone Elasticity Imaging）」、２００１  ＩＥＥＥ超音波シンポジウム、第１６０１頁〜第１６０５頁
【非特許文献２】ファテミ（Fatemi）、グリーンリーフ（Greenleaf）、「超音波刺激による振動音分波法（Ultrasound-Stimulated Vibro-Acoustic Spectrography）」、サイエンス（SCIENCE）、第２８０巻、１９９８年４月３日、第８２頁〜第８５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、超音波画像を生成するために必要な程度の波連数を有するバイブロ音を発生させるためには、一般的な超音波撮像の場合と比較して、極端に波連数の大きい連続波超音波を送信しなくてはならない。その結果、骨部の外側、即ち、被検体の浅部に関する検出データの距離分解能が大幅に低下してしまう。そこで、本発明は、被検体における骨部周辺の微細組織と、骨内部の微細組織との両方を、高分解能で画像化することができる超音波送受信装置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】
上記の課題を解決するため、本発明に係る超音波送受信装置は、印加される複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する第１及び第２の超音波送信手段と、第１及び第２の超音波送信手段にそれぞれ与えられる駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、第１の超音波送信手段から第１の超音波を周波数掃引しながら送信させると共に、第１の超音波と所定の差周波数を保つように、第２の超音波送信手段から第２の超音波を周波数掃引しながら送信させるように、駆動信号生成手段を制御する制御手段と、第１又は第２の超音波が被検体において反射することによって生じた超音波エコーを受信する第１の受信手段と、第１及び第２の超音波を被検体内の所定の領域に向けて照射することにより、該領域から発生した第１の超音波と第２の超音波との差周波数に相当する周波数を有する音波又は超音波を受信して検出信号を出力する第２の受信手段と、第１の受信手段から出力された検出信号に所定の信号処理を施す第１の信号処理手段と、第２の受信手段から出力された検出信号に所定の信号処理を施す第２の信号処理手段と、第１及び／又は第２の信号処理手段によって信号処理を施された検出信号に基づいて、超音波画像を表す画像データを生成する画像データ生成手段とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１及び第２の超音波を用いて発生させたバイブロ音に基づいて、被検体の深部に関する超音波画像データを生成すると共に、第１又は第２の超音波に対応する超音波エコーに基づいて、被検体の浅部に関する超音波画像データを生成する。その際に、所定の差周波を保ったまま周波数掃引しながら第１及び第２の超音波を送信し、それら超音波に対応する超音波エコーに関する検出信号を処理する。これにより、被検体の浅部及び深部の両方について、分解能の高い超音波画像データを生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。この超音波送受信装置は、超音波を送信し、被検体からの超音波エコーを受信して画像化すると共に、被検体においてバイブロ（vibro）音を発生させ、そのバイブロ音を受信して画像化する装置である。
【００１１】
まず、バイブロ音について説明する。図２に示すように、周波数が僅かに異なる２つの超音波ビームＵＳ１及びＵＳ２を物体１０１に向けて送信すると、２つの超音波が照射された領域Ｐにおいて振動が生じる（「バイブロ現象」ともいう）。この振動がバイブロ音と呼ばれる音波（超音波）である。図２には、バイブロ音の波面が示されている。バイブロ音は、２つの超音波ＵＳ１及びＵＳ２の差周波に相当する周波数（例えば、数ｋＨｚ程度の可聴域〜数１００ｋＨｚ程度の超音波帯域）を有している。このように、バイブロ音は、一般に超音波撮像に用いられる超音波と比較して低い周波数を有しているので、被検体の深部に到達し易い（深達性が良い）。また、そのような低周波の音波（超音波）を、高周波の超音波を送信することによって形成するので、低周波の超音波を直接送信する場合と比較して、細いビームスポットを形成することができる。さらに、領域Ｐの性状等の特性に応じて、バイブロ音の発生強度や、発生強度の周波数特性が変化するので、バイブロ音の強度に基づいて画像データを生成することにより、バイブロ音発生領域の性状を画像化することができる。即ち、バイブロ音を用いることにより、被検体への良好な深達性と高分解能とが両立された超音波画像を生成することができる。
【００１２】
図１に示すように、この超音波送受信装置は、被検体１００に当接させて用いられる超音波送信部１０と、メカニカルステージ１３と、受信部１４とを含んでいる。
超音波送信部１０は、送信素子１１及び１２を含んでいる。送信素子１１及び１２としては、ＰＺＴ（Pb(lead) zirconate titanate：チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック圧電材やＰＶＤＦ（polyvinyliden difluoride：ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材等の圧電素子の両端に電極を形成した超音波トランスデューサによって構成される。このような超音波トランスデューサの電極に、連続波駆動信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は伸縮する。この伸縮により、それぞれの超音波トランスデューサから連続的な超音波が発生する。
【００１３】
送信素子１１は円環形状を有しており、送信素子１２は円形状を有している。或いは、送信素子１２を円環形状にしても良い。これらの送信素子１１及び１２は、同心円状に配置されており、同軸のアニュラアレイを構成している。なお、図１に示す超音波送信部１０においては、送信素子１１及び１２の断面が示されている。このように送信素子を配置することにより、異なる送信素子１１及び１２から送信された複数の超音波ビームに、同一方向の同一深度に焦点を形成させることができる。
【００１４】
メカニカルステージ１３は、送信素子１１及び１２を含むアニュラアレイをメカニカルに駆動することにより、送信される超音波に被検体１００をリニアに走査させる。
受信部１４は、ＰＺＴ等を含む複数の受信素子を有しており、被検体からの超音波やバイブロ音をそれぞれ受信して検出信号を出力するハイドロホンである。それぞれの受信素子は、伝搬する超音波やバイブロ音を受信することによって伸縮し、受信されたバイブロ音の強度に応じた電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波やバイブロ音の検出信号として出力される。
【００１５】
図３は、本実施形態に係る超音波送受信装置において用いられる送信素子及び受信素子の周波数特性を示している。図３に示すように、超音波送信部１０に含まれる送信素子１１及び１２は、メガヘルツ帯域（例えば、３ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）において、最も感度が高くなるように設定されている。また、受信部１４に含まれる超音波受信用の受信素子は、数１０ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有している。一方、受信部１４に含まれるバイブロ音受信用の受信素子は、数１００Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有している。
【００１６】
再び、図１を参照すると、この超音波送受信装置は、シンセサイザ２１及び２２と、パワーアンプ２３及び２４と、プリアンプ３１及び３２と、Ａ／Ｄコンバータ３３及び３４とを有している。シンセサイザ２１及び２２は、後述するシステム制御部４６の制御の下で、送信素子１１及び１２にそれぞれ与えられる連続波駆動信号を生成する。パワーアンプ２３及び２４は、シンセサイザ２１及び２２によってそれぞれ生成された連続波駆動信号を電力増幅する。
【００１７】
プリアンプ３１及び３２は、受信部１４から出力された検出信号をそれぞれ前置増幅する。また、Ａ／Ｄコンバータ３３及び３４は、アナログの検出信号をディジタル信号（検出データ）に変換する。
【００１８】
また、この超音波送受信装置は、処理部４０と、画像表示部４７とを有している。
処理部４０は、例えば、パーソナルコンピュータ等のデータ処理装置であり、信号処理部４１及び４２と、メモリ４３及び４４と、表示画像演算部４５と、システム制御部４６とを含んでいる。
信号処理部４１は、入力された超音波エコーの検出データについて、パルス圧縮や、対数増幅や、検波やＴＧＣ（time gain compensation：時間利得補償）増幅等の信号処理を行う。また、信号処理部４２は、入力されたバイブロ音の検出データについて、対数増幅や、検波や、ＴＧＣ増幅等の信号処理を行う。これにより、受信された超音波やバイブロ音に対応する音線データが生成される。メモリ４３及び４４は、生成された音線データを所定の記憶領域に記憶する。メモリ４３及び４４にそれぞれ記憶されている音線データは、被検体における１つの断面を表す面データを構成する。
【００１９】
表示画像演算部４５は、メモリ４３及び４４にそれぞれ記憶されている面データについて走査フォーマットの変換を行うことにより、Ｂモード画像データを生成する。システム制御部４６は、処理部４０の各部４１〜４５を制御すると共に、シンセサイザ２１及び２２に生成させる連続波駆動信号の周波数及びその発生時刻を制御する。また、システム制御部４６は、超音波送信部１０によって被検体１００の所望の領域が走査されるように、メカニカルステージ１３を制御する。
画像表示部４７は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示デバイスであり、表示画像演算部４５によって生成されたＢモード画像データに基づいて超音波画像を表示する。
【００２０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法について、図１及び図５〜図７を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
図４のステップＳ１０において、図１に示す超音波送受信装置は、超音波送信部１０の送信素子１１及び１２から、被検体１００の骨部１１０の表面において焦点を形成するように、異なる周波数をそれぞれ有する超音波を送信する。図５の（ａ）は、送信素子１１及び１２から送信される超音波の周波数の時間変化を表している。図５の（ａ）に示すように、本実施形態においては、送信時刻ｔ１〜ｔ２に渡って、周波数を掃引しながら超音波を送信している。即ち、送信素子１１からは、周波数ｆ１（ｔ）＝ｆ１Ｌ〜ｆ１Ｈを有するチャープ波形を送信し、送信素子１２からは、周波数ｆ２（ｔ）＝ｆ２Ｌ〜ｆ２Ｈを有するチャープ波形を送信する。その際に、２つの超音波の周波数の差Δｆ＝ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）が常に一定になるようにする。また、発生するバイブロ音が１つ以上の波連数（例えば、１〜１０）を有するようにするために、超音波の送信期間ＴＸを（１〜１０）×（１／Δｆ）とする。ここで、送信素子１１及び１２としては、図５の（ｂ）に示すように、−６ｄＢとなる帯域幅がｆ１Ｌ〜ｆ１Ｈ、又は、ｆ２Ｌ〜ｆ２Ｈである超音波トランスデューサを用いることが望ましい。
【００２１】
これにより、図６に示すように、送信素子１１からは、周波数ｆ１（ｔ）を有する超音波ＵＳ１が送信され、送信素子１２からは、周波数ｆ２（ｔ）を有する超音波ＵＳ２が送信される。
被検体１００の骨部１１０の外側においては、超音波ＵＳ１や超音波ＵＳ２が被検体１００内の軟部組織１２０に反射することにより、周波数ｆ１（ｔ）及び周波数ｆ２（ｔ）を有する超音波エコーが生じる。これらの超音波エコーの周波数の差は、周波数に比べて小さいので、ほとんどｆ１（ｔ）≒ｆ２（ｔ）の単一周波数を有する超音波エコーが発生していると言える。また、超音波ＵＳ１及びＵＳ２は、骨部１１０の表面の領域Ｐにおいて焦点を形成する。これにより、領域Ｐから、周波数Δｆ及び領域Ｐの性状等の特性に応じた強度を有するバイブロ音が発生する。図６において、領域Ｐを中心とする同心円は、バイブロ音の波面を表している。領域Ｐから発生したバイブロ音は、骨部１１０の内部や軟部組織１２０を伝播する。
【００２２】
図４のステップＳ１１において、受信部１４は、超音波エコーを受信する。超音波エコーの検出信号は、プリアンプ３１において前置増幅され、Ａ／Ｄコンバータ３３においてディジタル変換されて信号処理部４１に入力される。
【００２３】
ステップＳ１２において、信号処理部４１は、入力された超音波エコーの検出データに対して、送信波形と相関を取ることによりパルス圧縮処理を施す。ここで、本実施形態においては、バイブロ音を発生するために、通常の超音波撮像において送信されるパルス波と比較して、波連数が大きい連続波超音波を送信している。そのため、そのような連続波超音波に対応する超音波エコーに基づいて超音波画像を形成すると、深度方向に関する距離分解能が低下してしまう。そのため、本実施形態においては、周波数掃引しながら超音波ＵＳ１及びＵＳ２を送信し、それらに対応する超音波エコーをパルス圧縮することにより、距離分解能を向上させている。
【００２４】
ステップＳ１３において、信号処理部４１は、パルス圧縮された検出データについて、検波等の所定の信号処理を施すことにより、受信された超音波エコーに対応する音線データを生成する。この音線データは、システム制御部４６の制御に従って、メモリ４３の所定の記憶領域に記憶される。
【００２５】
一方、ステップＳ２１において、受信部１４は、領域Ｐから伝播したバイブロ音を受信し、検出信号を出力する。バイブロ音の検出信号は、プリアンプ３２において前置増幅され、Ａ／Ｄコンバータ３４においてディジタル変換されて信号処理部４２に入力される。その際に、バイブロ音が伝播する間の減衰量を考慮して、バイブロ音の検出信号に対して伝播距離に応じた強度補正を行うことが望ましい。そのためには、例えば、システム制御部４６の制御により、領域Ｐと受信部１４との距離に応じて、プリアンプ３２のゲインを調節すれば良い。
【００２６】
ステップＳ２２において、信号処理部４２は、入力されたバイブロ音の検出データについて、検波等の所定の信号処理を施す。これにより、受信されたバイブロ音の強度を表す音線データが生成される。この音線データは、システム制御部４６の制御に従って、メモリ４４の所定の記憶領域に記憶される。
【００２７】
ステップＳ３０において、被検体１００における走査対象領域が残っている場合には、メカニカルステージ１３は、システム制御部４６の制御に従って超音波送信部１０を移動させる（ステップＳ３１）。さらに、超音波送受信装置は、超音波の送受信を行って音線データを蓄積する（ステップＳ１０〜Ｓ１２及びステップＳ２１〜Ｓ２２）。
【００２８】
また、被検体１００における走査対象領域の走査が終了した場合には、ステップＳ３２において、表示画像演算部４５は、メモリ４３及び４４にそれぞれ記憶されているデータに基づいて、Ｂモード画像データを生成する。これにより、図７の（ａ）に示すように、メモリ４３に記憶されている超音波エコーＵＳ３に基づいて得られたデータからは、骨部１１０の外側の軟部組織１２０が表された超音波画像が生成される。また、図７の（ｂ）に示すように、メモリ４４に記憶されているバイブロ音に基づいて得られたデータからは、骨部１１０の内部組織が表された超音波画像が生成される。
【００２９】
ステップＳ３３において、表示画像演算部４５は、生成されたＢモード画像を表示部４７に表示させる。その際に、表示画像演算部４５は、図７の（ａ）や（ｂ）に示す超音波画像を順次表示させても良い。或いは、図７の（ｃ）に示すように、それらの超音波画像を合成することにより、骨部の外側の軟部組織と骨部の内部組織との両方が表された超音波画像を表示させても良い。
【００３０】
本実施形態においては、図３に示すような周波数特性を有する送信素子及び受信素子を用いたが、これらに限られず、例えば、図８に示す周波数特性を有する送信素子及び受信素子を用いても良い。
一般に、バイブロ音を発生させることができる超音波の周波数は、発生させる領域の性状等の特性によって異なる。そのため、被検体や試料の特性が未知である場合（例えば、研究用）には、広帯域において音波や超音波を受信できる受信素子を用いることが望ましい。そこで、本実施形態においては、図３に示すように、検出感度は低いが、検出可能な周波数帯域の広い非共振型の受信素子を用いた。しかしながら、被検体や試料の特性が既知である場合（例えば、用途が決まった検査等）には、帯域が絞られた受信素子を用いて、検出感度を高くする方が有利である。そこで、被検体の特性がある程度分かっている場合、即ち、バイブロ音のスペクトルが明確で、その範囲が大きく変化しないものと考えられる場合には、図８に示すように、帯域は狭いが、感度の高い共振型の受信素子を用いてバイブロ音を受信することが望ましい。また、併せて、超音波受信用の受信素子についても、送信された超音波とほぼ同じ範囲の周波数特性を有する共振型の受信素子を用いることにより、感度を高くすることが望ましい。
【００３１】
また、バイブロ音や超音波エコーの検出信号について、所定の周波数帯域を通過させるフィルタ処理をそれぞれ施しても良い。これにより、検出信号における不要な帯域を除去し、ＳＮ比を高くすることができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。
図９に示す超音波送受信装置は、超音波送信部１０とメカニカルに連結された受信部１６を有している。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。
ここで、被検体において発生したバイブロ音の強度は、それが発生した領域の性状を表している。しかしながら、超音波と同様に、バイブロ音も被検体内を伝播する間に減衰する。そのため、バイブロ音の発生領域と受信部との位置関係が変化すると、バイブロ音の減衰率も変化するので、バイブロ音発生領域に関する情報の精度が下がってしまう。
【００３３】
そこで、本実施形態においては、メカニカルステージ１３の駆動によって超音波送信部１０を移動させる際に、受信部１６も一緒に移動させている。これにより、超音波送信部１０から送信される２つの超音波の焦点、即ち、バイブロ音発生領域と、受信部１６との位置関係は常に一定となる。従って、被検体において発生したバイブロ音が受信されるまでの間の減衰率もほぼ一定となるので、バイブロ音の検出信号を処理において、バイブロ音の発生領域と受信部１６との距離に応じた強度補正を行う必要がなくなる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。
図１０に示す超音波送受信装置は、図９に示す超音波送信部１０及び受信部１６の替わりに、超音波の送信及び受信を行う超音波送受信部１７と、送受信切替部２０と、バイブロ音の受信を行う受信部５０とを有している。超音波送受信部１７は、超音波の送信及び受信を行う素子として超音波トランスデューサ１８及び１９を有している。その他の構成については、図９に示す超音波送受信装置と同様である。
【００３５】
超音波トランスデューサ１８及び１９は、互いに異なる周波数を有する超音波をそれぞれ送信することによってバイブロ音を発生させると共に、被検体１００内の軟部組織１２０から反射されて生じた超音波エコーを受信する。また、送受信切替部２０は、システム制御部４６の制御に従って、超音波トランスデューサ１８及び１９における超音波の送受信を切り替える。さらに、受信部５０は、バイブロ音を受信する。
本実施形態によれば、超音波の送信に用いられた超音波トランスデューサを受信にも用いることにより、超音波エコーを高い感度で受信することができる。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置について、図３、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態に係る超音波送受信装置を示すブロック図である。
図１１に示すように、この超音波送受信装置は、被検体１００に当接させて用いられる超音波用探触子６０を含んでいる。超音波用探触子６０は、超音波の送信素子６１及び６２と、超音波の受信素子６３及び６４と、メカニカルステージ６５を備えている。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。
【００３７】
送信素子６１及び６２、並びに、受信素子６３及び６４は、ＰＺＴ等の圧電素子に電極が形成された超音波トランスデューサである。
送信素子６１及び６２は、超音波送受信装置の送信系回路に接続されており、被検体１００の撮像領域に向けて超音波をそれぞれ送信するために用いられる。また、受信素子６３及び６４は、超音波送受信装置の受信系回路に接続されており、被検体１００を伝播する超音波エコー及びバイブロ音をそれぞれ受信するために用いられる。
【００３８】
図１２（ａ）は、図１に示す送信素子６１及び６２、並びに、受信素子６３及び６４を拡大して示す正面図であり、図１２の（ｂ）は、その断面図である。円環形状を有する送信素子６１及び６２、並びに、受信素子６３と、円形を有する受信素子６４とは、同心円になるように配置されており、同軸のアニュラアレイを構成している。なお、受信素子６４を円環形状にしても良い。このように送信素子及び受信素子を同軸に配置することにより、送信素子６１及び６２からそれぞれ送信された２つの超音波ビームの焦点Ｆを容易に合わせることができると共に、バイブロ音の発生領域に受信焦点が合わせられたバイブロ音を、受信素子６４によって受信することができる。
【００３９】
送信素子６１及び６２、並びに、受信素子６３及び６４は、図３に示すような周波数特性を有している。即ち、超音波の送信素子６１及び６２は、メガヘルツ帯域（例えば、３ＭＨｚ〜５ＭＨｚ）において、最も感度が高くなるように設定されている。また、受信素子６３は、数１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有している。さらに、受信素子６４は、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有している。
メカニカルステージ６５は、送信素子６１及び６２、並びに、受信素子６３及び６４を含むアニュラアレイを移動させることにより、送信される超音波に被検体１００をリニアに走査させる。
【００４０】
本実施形態によれば、超音波の送信素子と受信素子とが１つの超音波用探触子において一体化されているので、被検体においてバイブロ音を発生させる領域と、受信素子６４との位置関係は常に一定となる。従って、超音波用探触子を用いて被検体を走査する場合においても、バイブロ音の検出信号を処理する際に、バイブロ音の発生領域と受信素子６４との距離に応じた強度補正を行う必要がなくなる。
【００４１】
次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。図１３は、本実施形態に係る超音波送受信装置の一部を示す模式図である。本実施形態に係る超音波送受信装置は、図１１に示す超音波用探触子６０の替わりに、超音波用探触子７０を有している。その他の構成については、図１１に示す超音波送受信装置と同様である。
【００４２】
超音波用探触子７０は、図１１に示す超音波用探触子６０と同様に、同軸のアニュラアレイを構成する送信素子７１及び７２、並びに、受信素子７３及び７４を有している。また、超音波用探触子７０は、システム制御部４６の制御に従ってアニュラアレイに首振り運動させるメカニカルステージ７５を有している。これにより、被検体１００がセクタ走査される。
【００４３】
次に、本発明の第６の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。図１４は、本実施形態に係る超音波送受信装置を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波送受信装置は、超音波を送信する超音波トランスデューサを電子的に制御することにより、被検体を走査するものである。
【００４４】
この超音波送受信装置は、例えば、２次元マトリクス状に配列された複数（Ｍ×Ｎ個）の超音波トランスデューサ８０ａを含む超音波トランスデューサアレイ８０と、複数の超音波トランスデューサ８０ａそれぞれ接続されている複数のパルサ回路８１及びレシーバ８２とを有している。複数の超音波トランスデューサ８０ａは、ＰＺＴ等の圧電素子を含んでおり、印加される駆動信号に基づいて超音波ビームを送信すると共に、被検体から反射された超音波を受信して検出信号を出力する。
【００４５】
各パルサ回路８１は、後述する発火タイミングコントローラ９３から供給される発火信号に従って、対応する超音波トランスデューサ８０ａに駆動信号を出力する。パルサ回路としては、高い繰り返し周期（例えば、３ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）で連続的に駆動信号を出力できる高速パルサ回路が用いられる。また、各レシーバ８２は、対応する超音波トランスデューサ８０ａから出力された検出信号を前置増幅してディジタル信号に変換し、処理部９０に出力する。
【００４６】
また、この超音波送受信装置は、被検体からの超音波やバイブロ音を受信して検出信号を出力する受信部８３を有している。受信部８３は、例えば、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有する受信素子を含んでいる。受信部８３には、レシーバ８４が接続されており、受信部８５から出力されたバイブロ音の検出信号は、レシーバ８６において前置増幅及びディジタル変換され、処理部９０に出力される。
【００４７】
また、この超音波送受信装置は、送信制御部８５と、周波数制御部８６と、発火タイミングコントローラ８７と、システム制御部８８とを有している。
送信制御部８５は、超音波トランスデューサアレイ８０に含まれる複数の超音波トランスデューサ８０ａの中から、超音波の送信に用いられる第１群及び第２群の超音波トランスデューサを選択する。ここで、図１５は、超音波トランスデューサ８０を示す平面図である。図１５に示すように、例えば、第１群の超音波トランスデューサとして、円環状の領域２００に含まれる超音波トランスデューサが選択され、第２群の超音波トランスデューサとして、円形状の領域２１０に含まれる超音波トランスデューサが選択される。また、送信制御部８５は、第１群及び第２群の超音波トランスデューサからそれぞれ送信された超音波の合成によって形成された超音波ビームが、所望の深度において焦点を形成するように、第１群及び第２群の超音波トランスデューサの各々に所定の遅延を与えても良い。
【００４８】
周波数制御部８６は、第１群の超音波トランスデューサから、周波数ｆ１（ｔ）＝ｆ１Ｌ〜ｆ１Ｈを有するチャープ波形が送信され、第２群の超音波トランスデューサから周波数ｆ２（ｔ）＝ｆ２Ｌ〜ｆ２Ｈを有するチャープ波形が送信されるように、発火タイミングコントローラ８７を制御する。
【００４９】
発火タイミングコントローラ８７は、例えば、パターンジェネレータによって構成されており、所定のタイミングで複数の発火信号を、選択された第１群及び第２群の超音波トランスデューサにそれぞれ対応するパルサ回路８１に供給する。
複数のパルサ回路８１から駆動信号を供給されると、選択された第１群及び第２群の超音波トランスデューサは、対応するパルサ回路８１から出力された駆動信号に基づいて超音波パルスを発生する。これらの超音波パルスの合成により、所望の深度において焦点を形成する超音波ビームが、被検体１００に送信される。
システム制御部８８は、この超音波送受信装置の各部を制御する。
【００５０】
さらに、この超音波送受信装置は、ラインメモリ９１と、受信フォーカス処理部９２と、信号処理部９３及び９４と、メモリ９５及び９６と、表示画像演算部９７と、表示部９８とを有している。
ラインメモリ９１は、複数のレシーバ８２に対応する複数のラインを有しており、それぞれのレシーバ８２から出力された検出データを、ラインごとに時系列に記憶する。
【００５１】
受信フォーカス処理部９２は、検出データの位相を整合するための演算処理、即ち、受信フォーカス処理を行う。即ち、受信フォーカス処理部９２は、ラインメモリ９１に記憶されている複数の検出データに所望の遅延を与えて加算する。
【００５２】
信号処理部９３は、受信フォーカス処理部９２によって受信フォーカス処理を施された検出データについて、パルス圧縮、対数増幅、検波、ＴＧＣ増幅等の信号処理を施す。これにより、所望の走査線に沿った超音波情報を表す音線データが生成される。
信号処理部９４は、入力されたバイブロ音の検出データに対して、対数増幅や、検波や、ＴＧＣ増幅等の信号処理を行う。これにより、受信されたバイブロ音に対応する音線データが生成される。
【００５３】
メモリ９５及び９６は、生成された音線データを所定の記憶領域に記憶する。メモリ９５及び９６にそれぞれ記憶されている音線データは、被検体における１つの断面を表す面データを構成する。
表示画像演算部９７は、メモリ９５及び９６にそれぞれ記憶されている面データについて走査フォーマットの変換を行うことにより、Ｂモード画像データを生成する。表示部９８は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示デバイスであり、表示画像演算部４５によって生成されたＢモード画像データに基づいて超音波画像を表示する。
【００５４】
本実施形態においては、送信制御部８５によって、超音波トランスデューサアレイ８０における選択領域を変更することにより、超音波の送信位置が変更されるので、送信される超音波によって被検体がリニアに走査される。しかしながら、超音波の送信位置を変更しないで、選択された第１群及び第２群の超音波トランスデューサに与える遅延時間を変更することにより、超音波の送信方向を変更しても良い。これにより、被検体がセクタ走査される。
【００５５】
本実施形態においては、超音波トランスデューサアレイとは別に、バイブロ音を受信する受信部を設けたが、超音波トランスデューサアレイにおいてバイブロ音を受信しても良い。その場合には、超音波トランスデューサアレイに、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ付近の周波数帯域において受信感度を有するバイブロ音受信用の超音波トランスデューサを、適当な間隔で配列することが望ましい。また、その場合には、受信されたバイブロ音の検出データについて位相整合を施す位相制御部をさらに設けることが望ましい。
【００５６】
次に、本発明の第７の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。図１６は、本実施形態に係る超音波送受信装置の一部を示すブロック図である。
本実施形態に係る超音波送受信装置は、複数の受信部１４を有しており、図１に示す超音波送受信装置におけるプリアンプ３１及び３２、及び、Ａ／Ｄコンバータ３３及び３４の替わりに、複数の受信部１４にそれぞれ接続されているプリアンプ５１と、複数の位相調整部５２と、加算部５３と、位置関係検出部５４とを含んでいる。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。
【００５７】
本実施形態においては、複数の受信部１４の位置を固定し、メカニカルステージ１３によって超音波送信部１０を移動させることにより、被検体をリニアに走査する。その際に、位置関係検出部５４は、送信される超音波によって形成される焦点の位置、即ち、バイブロ音の発生領域と各受信部１４との位置関係Ｌ１及びＬ２を検出する。さらに、位置関係検出部５４は、検出された位置関係Ｌ１及びＬ２に基づいて、受信部１４によって受信された検出信号をそれぞれ増幅する複数のプリアンプ５１のゲインをそれぞれ調節すると共に、複数の位相調整部５２において検出信号にそれぞれ与えられる遅延時間を設定する。これにより、各受信部１４から出力された検出信号は、上記位置関係に応じた強度補正が施されると共に、位相調整部５２において位相を調整される。さらに、複数の位相調整部５２から出力された検出信号は、加算部５３において加算されることにより、バイブロ音の発生位置において焦点を形成するように、受信フォーカス処理を施される。
このように、本実施形態によれば、複数の受信部を用いてバイブロ音を受信するので、大きな検出信号を取得することができる。
【００５８】
また、以上説明した本発明の第１〜第７の実施形態においては、周波数の異なる２つの超音波を送信することによってバイブロ音を発生させた。しかしながら、バイブロ音の発生方法については、この方法に限られない。例えば、米国特許ＵＳ５，９２１，９２８号明細書に開示されているように、単一周波数の超音波の振幅を変調する方法や、振幅変調された単一周波数の超音波を間歇送信する方法や、米国特許ＵＳ６，４０８，６７９号明細書に開示されているように、低周波の超音波をポンピングして高周波の超音波によって刺激を与えることにより、非線形現象を起こす方法等が挙げられる。
また、バイブロ音を受信する際に、米国特許ＵＳ５，９０３，５１６号明細書の図５に開示されているように、ドプラスキャンを行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】バイブロ音を発生させる様子を示す図である。
【図３】送信素子及び受信素子の周波数特性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
【図５】図５の（ａ）は、送信される超音波の周波数の時間変化を示す図であり、図５の（ｂ）は、送信周波数と超音波トランスデューサの帯域との関係を示す図である。
【図６】送信素子から超音波が送信される様子を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置によって撮像される超音波画像を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置において用いられる送信素子及び受信素子の別の周波数特性を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示す図である。
【図１２】図１１に示す超音波用探触子に含まれる超音波トランスデューサの配置を示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る超音波送受信装置の一部を示す図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示す図である。
【図１５】図１４に示す超音波トランスデューサアレイにおいて、送信制御部によって選択される超音波トランスデューサを示す図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０、１７  超音波送信部
１１、１２、１８、１９、６１、６２、７１、７２  送信素子
１３、６５、７５  メカニカルステージ
１４、１６、５０、８３  受信部
２０  送受信切替部
２１、２２  シンセサイザ
２３、２４  パワーアンプ
３１、３２、５１  プリアンプ
３３、３４  Ａ／Ｄコンバータ
４０  処理部
４１、４２、９３、９４  信号処理部
４３、４４、９５、９６  メモリ
４５、９７  表示画像演算部
４６、８８  システム制御部
４７、９８  画像表示部
５２  位相調整部
５３  加算部
５４  位置関係検出部
６０、７０  超音波用探触子
６３、６４、７３、７４  受信素子
８０  超音波トランスデューサアレイ
８０ａ  超音波トランスデューサ
８１  パルサ
８２、８４  レシーバ
８５  送信制御部
８６  周波数制御部
８７  発火タイミングコントローラ
９１  ラインメモリ
９２  受信フォーカス処理部
１００  被検体
１０１  物体
１１０  骨部
１２０  軟部組織
２００、２１０  領域
【図１】
2005087576.tif 000003
【図２】
2005087576.tif 000004
【図３】
2005087576.tif 000005
【図４】
2005087576.tif 000006
【図５】
2005087576.tif 000007
【図６】
2005087576.tif 000008
【図７】
2005087576.tif 000009
【図８】
2005087576.tif 000010
【図９】
2005087576.tif 000011
【図１０】
2005087576.tif 000012
【図１１】
2005087576.tif 000013
【図１２】
2005087576.tif 000014
【図１３】
2005087576.tif 000015
【図１４】
2005087576.tif 000016
【図１５】
2005087576.tif 000017
【図１６】
2005087576.tif 000018