(57)【要約】  非線形成分を効率よく抽出し、ペネトレーションを向上させることのできる超音波画像装置を提供する。  受信手段は、所定の受信帯域７４を有し、受信帯域７４の下限周波数は、第１周波数ｆ１である。送信手段が送信する超音波の周波数帯域は、第１周波数ｆ１以上、第１周波数ｆ１の３倍以下（ｆ１〜３ｆ１）に設定されている。このような帯域の超音波を送信することにより、非線形成分のうち差音成分７２が第１周波数ｆ１以上の周波数を有するため、差音成分７２を受信手段で受信できる。また、和音成分７３の大部分についても、受信帯域７４内に生じさせることができ、和音成分７３の大部分を受信できる。
2007111013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象に向かって超音波を送信する送信手段と、前記対象から到来する超音波を受信する受信手段と、前記受信手段の受信信号を処理し、画像データを生成する信号処理部とを有し、
前記受信手段は、第１周波数を下限周波数とする所定の受信帯域を有し、
前記送信手段が送信する超音波の周波数帯域は、前記第１周波数以上、前記第１周波数の３倍以下に設定されていることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波画像装置において、前記送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て余弦波であることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波画像装置において、前記送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て正弦波であることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波画像装置において、前記送信手段の送信する超音波は、搬送波成分と、これを振幅について変調する変調波成分とを含み、前記搬送波成分は、余弦波であることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波画像装置において、前記送信手段の送信する超音波は、搬送波成分と、これを振幅について変調する変調波成分とを含み、前記搬送波成分は、正弦波であることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項６】
請求項１に記載の超音波画像装置において、前記送信手段が送信する超音波は、搬送波成分とこれを変調する変調波成分とを含み、前記搬送波の周波数は、前記第１周波数の２倍、前記変調波の周波数は、前記第１周波数に設定されていることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波画像装置において、前記変調波の周波数を、前記第１周波数を中心に増減する指示をユーザから受け付ける受け付け手段を有し、前記送信手段は、前記受け付け手段が受け付けた増減量に応じて、前記変調波の周波数を増減する周波数調整手段を備えることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記受信手段の前記受信帯域の上限周波数は、第２周波数ｆ２であり、
前記搬送波の周波数ｆｃおよび変調波の周波数ｆｓは、前記第２周波数ｆ２との関係において、２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２を満たすことを特徴とする超音波画像装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記送信手段は、前記超音波として、前記周波数帯域の第１の超音波と、前記周波数帯域であって前記第１の超音波の波形を反転させた第２の超音波とを送信し、
前記信号処理部は、前記第１の超音波に由来して前記対象から到来した超音波を前記受信手段が受信した第１の受信信号と、前記第２の超音波に由来して前記対象から到来した超音波を前記受信手段が受信した第２の受信信号とを加算し、加算後の信号を用いて前記画像データを生成することを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記画像データを表示する表示手段を有することを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１１】
対象に向かって超音波を送信する送信手段と、前記対象からの超音波を受信する受信手段と、前記受信手段の受信信号を処理し、画像データを生成する信号処理部とを有し、
前記受信手段は、第１周波数を下限周波数とする所定の受信帯域を有し、
前記送信手段が送信する超音波は、搬送波とこれを変調する変調波とを含み、前記搬送波の周波数は、前記第１周波数の２倍以上、前記変調波の周波数は、前記第１周波数以上に設定されていることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波画像装置において、前記搬送波の周波数は、前記第１周波数の２倍、前記変調波の周波数は、前記第１周波数に設定されていることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の超音波画像装置において、前記受信手段の前記受信帯域の上限周波数は、第２周波数ｆ２であり、
前記搬送波の周波数ｆｃおよび変調波の周波数ｆｓは、前記第２周波数ｆ２との関係において、２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２を満たすことを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１４】
請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て余弦波であることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１５】
請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て正弦波であることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１６】
請求項１１ないし１５のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記変調波の周波数を、前記第１周波数を中心に増減する指示をユーザから受け付ける受け付け手段を有し、前記送信手段は、前記受け付け手段が受け付けた増減量に応じて、前記変調波の周波数を増減する周波数調整手段を備えることを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１７】
請求項１１ないし１６のいずれか１項に記載の超音波画像装置において、前記送信手段は、前記超音波として、第１の超音波と、前記第１の超音波の波形を反転させた第２の超音波とを送信し、
前記信号処理部は、前記第１の超音波に由来して前記対象から到来した超音波を前記受信手段が受信した第１の受信信号と、前記第２の超音波に由来して前記対象から到来した超音波を前記受信手段が受信した第２の受信信号とを加算し、加算後の信号を用いて前記画像データを生成することを特徴とする超音波画像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療などで用いられる超音波画像装置に関し、特に生体内での音響非線形効果によって生じる非線形成分を用いて撮像する超音波画像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内の断層像などを低侵襲で撮像できる超音波画像装置は、医療用として広く用いられている。生体内に超音波を照射したとき、生体組織の音響非線形性によって波形歪みが生じ、照射された超音波の周波数成分に依存した非線形成分が生じる。この非線形成分を映像化信号として利用した撮像法は、一般にティシュー・ハーモニック・イメージング（ＴＨＩ）と呼ばれる。例えば、周波数ｆ０まわりの基本波成分からなるパルス波を照射したときに発生する、周波数２ｆ０まわりの第２高調波成分（あるいは和音成分）で映像化すると、基本波成分ｆ０で映像化したときよりも分解能が向上し、さらにグレーティング・ローブなどによるアーチファクトも低減されて、高画質化が図れる。【０００３】
ＴＨＩによる撮像法では、発生する非線形成分による反射エコー強度が、基本波成分のそれよりも非常に小さいため、基本波成分と非線形成分を分離する必要がある。従来では、図１７に示したように、反射エコーに含まれる周波数ｆ０まわりの基本波成分と、周波数２ｆ０まわりに生じる第２高調波成分とをフィルタで分離することによって、第２高調波成分を抽出している。【０００４】
反射エコーに含まれる非線形成分を抽出する別の方法として、パルス・インバージョン法（ＰＩ法）が用いられている。図１８は、ＰＩ法の概念を周波数空間で示したもので、基本波成分による第１のパルスを送信して得られる第１の反射エコーと、第１のパルスの位相成分を１８０度反転させた第２のパルスを送信して得られる第２の反射エコーとを加算することによって、非線形成分を抽出する方法である。非線形成分は基本波成分を２乗した値を用いて表せるため、第１および第２の反射エコーに含まれる基本波成分は互いに打ち消しあうが、非線形成分は残ることになる。したがって、ＰＩ法を使用することにより、フレームレートは１／２になるが、基本波成分の帯域と非線形成分の帯域とが重なる場合でも非線形成分を抽出することができる。【０００５】
上述したように、第２高調波によるＴＨＩでは、高分解能化やアーチファクト低減による高画質化が図れるが、第２高調波は基本波よりも高周波であるため、周波数依存性による大きな減衰を受ける。このため、撮像領域の深部においてはペネトレーションが低下し、一様な輝度の画像が得にくい。そこで特許文献１（段落００１８、図６）では、非線形成分として発生する、基本波成分よりも低い周波数成分のＤＣ差音成分（ゼロ周波数を中心とした若干の広がりのある帯域内の周波数成分）を抽出して映像化することを開示している。ＤＣ差音成分の抽出は、フィルタリングやＰＩ法によって行っている。その際、ＤＣ差音成分の多くが超音波プローブ感度域内に含まれるように、特許文献１（段落００２２）には、基本波成分の周波数を超音波プローブ感度域の最も高い帯域に一致させ、ＤＣ差音成分の中心周波数を若干高い帯域にシフトさせることが提案されている。【０００６】
また、基本波成分として、図１９のように周波数スペクトル上で２つのピークｆａ、ｆｂ（ｆａ＜ｆｂ）を持つ超音波を照射することにより、ＤＣ差音成分の他にｆｂ−ｆａの差音成分も発生させ、両成分を抽出する方法が上記特許文献１（段落００２４、図８）に開示されている。これにより、より多くの差音成分がプローブ感度域に含まれるようになるため、効率的に差音成分を抽出することができる。【０００７】
一方、特許文献２（段落００３８、図２）では、ｆｂの周波数と位相とを制御することにより、上述のｆｂ−ｆａの差音成分を２ｆａに重畳させ、ｆｂ−ｆａと２ｆａ成分を映像化のために用いることを開示している。この手法によれば、高調波成分２ｆａと差音成分ｆｂ−ｆａとを相互に制御することによって、従来ＴＨＩで使われている周波数帯域よりも広帯域な非線形成分が抽出できる。
【特許文献１】特開２００２−３０１０６８号公報
【特許文献２】特開２００４−２９８６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の非線形成分を利用する超音波画像装置は、和音成分および差音成分のいずれか一方、あるいは発生しうる全非線形成分の一部だけを抽出している。すなわち、上記したように従来の差音を利用する超音波画像装置は、ＤＣ差音成分のみを抽出するか、または、２つの周波数ｆａとｆｂにそれぞれピークを持つ基本波成分の超音波を照射して、２ｆａ成分とｆｂ−ｆａ成分の両方、あるいは一方を抽出している。しかし、差音成分や和音成分のうち、基本波成分から非線形成分へのエネルギー変換率が高いのは、２ｆｂやｆａ＋ｆｂの周波数成分である。したがって、従来の差音を利用した超音波画像装置では、多くの非線形成分が映像化のための信号として使われていない。【０００９】
また、非線形成分の強度を増加させるには、基本波成分の強度を増加させることが最も効果的であるが、生体に対しては、安全性の観点から照射できる超音波強度がメカニカル・インデックス（ＭＩ）として規定されている。このため、２つの周波数ｆａとｆｂにそれぞれピークを持つ基本波成分をもつ超音波パルス波を照射する場合、そのｆａ成分の強度は、ｆａ単体の周波数成分をもつ超音波パルス波を照射するときの強度よりも低くせざるを得ない。非線形成分は基本波成分の２乗値に比例した音圧振幅となるため、結果としてｆａの高調波成分として発生する２ｆａ成分の発生が低く抑えられてしまう。【００１０】
以上のように、従来の超音波非線形イメージングにおいては、基本波成分から派生する差音成分や和音成分で表される非線形成分のうち、一部のみを抽出して映像化に利用しているに過ぎない。ペネトレーション向上のためには、より多くの超音波エネルギーが必要であるにもかかわらず、エネルギー利用効率が悪いという問題がある。【００１１】
本発明の目的は、非線形成分を効率よく抽出し、ペネトレーションを向上させることのできる超音波画像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、以下のような超音波画像装置を提供する。すなわち、対象に向かって超音波を送信する送信手段と、対象から到来する超音波を受信する受信手段と、受信手段の受信信号を処理し、画像データを生成する信号処理部とを有し、受信手段は、第１周波数を下限周波数とする所定の受信帯域を有する。このとき、送信手段が送信する超音波の周波数帯域は、第１周波数以上、第１周波数の３倍以下に設定されている。このような帯域の超音波を送信することにより、非線形成分のうち差音成分が第１周波数以上の周波数を有するため、差音成分を受信手段で受信できる。【００１３】
上記送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て余弦波であるものを用いることができる。これにより、非線形成分が同位相で発生するため、非線形成分の振幅が強め合い、高分解能な画像を得ることが可能になる。【００１４】
上記送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て正弦波であるものを用いることができる。これにより、余弦波を用いた場合よりも、大きなパルスパワーをもつ超音波を送信できるため、ペネトレーションが向上する。【００１５】
送信手段の送信する超音波は、搬送波成分と、これを振幅について変調する変調波成分とを含み、搬送波成分は、余弦波であるものを用いることができる。また、搬送波成分は、正弦波であることものを用いることができる。【００１６】
送信手段が送信する超音波は、搬送波成分とこれを変調する変調波成分とを含み、搬送波の周波数は、第１周波数の２倍、変調波の周波数は、第１周波数に設定されているものを用いることができる。これにより、送信する超音波の周波数帯域を、第１周波数以上、第１周波数の３倍以下に設定することができる。【００１７】
また、変調波の周波数を、第１周波数を中心に増減する指示をユーザから受け付ける受け付け手段を有する構成とすることもできる。この場合、送信手段は、受け付け手段が受け付けた増減量に応じて、変調波の周波数を増減するように構成する。【００１８】
また、受信手段の受信帯域の上限周波数は、第２周波数ｆ２である場合、搬送波の周波数ｆｃおよび変調波の周波数ｆｓは、第２周波数ｆ２との関係において、２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２を満たすように設定することも可能である。これにより、非線形成分の最も高い周波数を、第２周波数以下にすることができ、受信することが可能になる。【００１９】
上記送信手段は、超音波として、上記周波数帯域の第１の超音波と、上記周波数帯域であって第１の超音波の波形を反転させた第２の超音波とを送信する構成にすることができる。信号処理部は、前記第１の音超波に由来して前記対象から到来した超音波を受信手段が受信した第１の受信信号と、第２の超音波に由来して対象から到来した超音波を受信手段が受信した第２の受信信号とを加算し、加算後の信号を用いて前記画像データを生成する、いわゆるパルス・インバージョン法を行うことができる。【００２０】
また、本発明の第２の態様によれば、以下のような超音波画像装置が提供される。対象に向かって超音波を送信する送信手段と、対象からの超音波を受信する受信手段と、受信手段の受信信号を処理し、画像データを生成する信号処理部とを有し、受信手段は、第１周波数を下限周波数とする所定の受信帯域を有する。送信手段が送信する超音波は、搬送波とこれを変調する変調波とを含み、搬送波の周波数は、第１周波数の２倍以上、変調波の周波数は、第１周波数以上に設定されている。このような帯域の超音波を送信することにより、非線形成分のうち差音成分が第１周波数以上の周波数を有するため、差音成分を受信手段で受信できる。【００２１】
第２の態様において、搬送波の周波数は、例えば第１周波数の２倍、変調波の周波数は、第１周波数に設定することが可能である。【００２２】
第２の態様において、受信手段の受信帯域の上限周波数は、第２周波数ｆ２である場合、搬送波の周波数ｆｃおよび変調波の周波数ｆｓは、前記第２周波数ｆ２との関係において、２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２を満たすものを用いることが可能である。これにより、非線形成分の最も高い周波数を、第２周波数以下にすることができ、受信することが可能になる。【００２３】
第２の態様において、送信手段の送信する超音波は、スペクトル成分が全て余弦波もしくは全て正弦波であるものを用いることができる。全て余弦波の場合には、非線形成分の振幅が強め合い、高分解能な画像を得ることが可能になる。全て正弦波の場合には、大きなパルスパワーをもつ超音波を送信できるため、ペネトレーションが向上する。【００２４】
第２の態様において、変調波の周波数を、前記第１周波数を中心に増減する指示をユーザから受け付ける受け付け手段を有する構成にすることも可能である。この場合、送信手段は、前記受け付け手段が受け付けた増減量に応じて、変調波の周波数を増減する周波数調整手段を備える。【００２５】
第２の態様において、送信手段は、超音波として、第１の超音波と、前記第１の超音波の波形を反転させた第２の超音波とを送信し、パルス・インバージョン法を行うことが可能である。
【発明の効果】
【００２６】
以上本発明によれば、送信パルスの帯域内成分の非線形相互作用によって生じる様々な差音成分や和音成分がプローブ感度域に効率的に発生するため、エネルギー利用効率の良い非線形イメージングが可能となる。その結果、非線形成分のうち、高周波数成分のレベルが比較的高い撮像領域の浅部や送信フォーカス点付近までは、広い帯域を使った高分解能な撮像が可能となり、高周波数成分が減衰してしまう撮像領域深部においても、低周波数成分による映像化によって十分なペネトレーションが得られ、撮像領域全体に渡って一様な画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて詳細に説明する。
本実施の形態は、非線形成分を利用する超音波画像装置であり、プローブ感度域内に差音成分と和音成分とを同時に生じさせるための構造を備えるものである。これにより、非線形成分の多くをプローブで検出することが可能になるため、エネルギー利用効率を高め、ペネトレーションを向上させることができる。【００２８】
まず、図１を用いて、本実施の形態の超音波画像装置を説明する。ここでは、超音波画像装置の中で、特に、医療用に用いられる超音波診断装置１０について説明するが、本発明の超音波画像装置は、医療用の診断装置に限られるものではない。【００２９】
超音波診断装置１０は、プローブ１１と、装置本体２０と、外部インターフェイス１２と、画像表示部１３とを具備している。
プローブ１１は、送信時には装置本体２０からの送信電気信号を送信音響信号に変換し、図示しない被検体へ超音波を送信した後、被検体からの反射エコー信号を受信電気信号に変換して、装置本体２０へ伝送する。プローブ１１は、通常、１次元や２次元のアレイ構造をなしており、送信ビーム及び受信ビームをフォーカスしたり、偏向したりすることができる構造となっている。【００３０】
装置本体２０は、プローブ１１から送信する送信波形を発生する波形発生手段２３と、波形発生手段２３からの送信波形を増幅する送信アンプ２２と、プローブ１１からの受信信号を増幅する受信アンプ２４と、送信時において送信アンプ２２とプローブ１１とを電気的に連結し、受信時において受信アンプ２４とプローブ１１とを電気的に連結する送受分離（Ｔ／Ｒ）スイッチ２１と、受信アンプ２４で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２５と、前記受信信号に所定の遅延を与え、受信ビームを形成する受信遅延回路部２６と、前記受信ビームに、下記詳細に記す信号処理を施すための信号処理部２７と、信号処理部２７の出力から画像データを構築する画像処理部２８と、以上の構成要素に対して、送受信タイミング、送信波形、受信アンプゲイン、遅延量、信号処理などを制御する制御部２９とを具備している。【００３１】
画像処理部２８からの出力は、画像表示部１３で２次元断層像や３次元画像などの映像として表示される。操作者は、外部インターフェイス１２から、装置本体２０の上記構成要素に対する制御や、画像表示部１３の制御を制御部２９を介して行えるように構成されている。なお、外部インターフェイス１２が付加されていない場合においても、予め定められた制御条件で撮像を行うこともできる。【００３２】
次に、本発明の超音波診断装置におけるパルスの送受信の動作及び信号処理部２７における処理シーケンスを図１及び図２を用いて詳細に述べる。
本発明の超音波診断装置では、図１に示すように、少なくとも２レートの送受信で一つの画像データを得るパルス・インバージョン法を用いる。なお、本発明の特徴となる送信パルスの基本波成分の周波数帯域については、後で詳しく説明する。【００３３】
まず、波形発生手段２３において、制御部２９によって所定の送信パルス波形を形成し、送信アンプ２２、送受分離スイッチ２１を介して、プローブ１１から被検体へ第１基本波パルス３０が照射される。第１基本波パルス３０は被検体内において、音響非線形効果によって波形歪みを生じながら、音響インピーダンスの異なる部分において反射、透過を繰り返して伝搬する。第１基本波パルス３０がプローブ１１から照射されると、制御部２９からの指示により送受分離スイッチ２１は、受信アンプ２４とプローブ１１を電気的に接続する。被検体からの反射エコーは、プローブ１１に近い場所から順に第１受信エコー３１として連続的にプローブ１１に到来し、撮像領域の最深部からの第１受信エコー３１が返ってくるとみなされる時間経過後に１レート目の送受信を完了する。第１受信エコー３１は、送受分離スイッチ２１、受信アンプ２４、Ａ／Ｄ変換器２５、受信遅延回路２６を経て、第１受信信号３２として信号処理部２７に伝送される。【００３４】
１レート目の送受信が完了した後、送受分離スイッチ２１によって再び送信アンプ２２とプローブ１１とが電気的に連結される。次に、波形発生手段２３において別の送信パルス波形を形成し、送信アンプ２２、送受分離スイッチ２１を介してプローブ１１に伝送され、プローブ１１から被検体へ第２基本波パルス３３が照射される。第２基本波パルス３３は、第１基本波パルス３０の波形の正負を略反転した波形となっている。なお、波形発生手段２３は、例えば、送信アンプ２２で生じる電気的歪みや、プローブ１１の周波数特性に依存した位相回転の影響を除去し、第１基本波パルス３０と第２基本波パルス３３の少なくとも一方の波形を調整する手段を具備していることが望ましい。【００３５】
第２基本波パルス３３は被検体内において、音響非線形効果によって波形歪みを生じながら、音響インピーダンスの異なる部分において反射、透過を繰り返して伝搬する。第２基本波パルス３３がプローブ１１から照射されると、制御部２９からの指示により送受分離スイッチ２１は、受信アンプ２４とプローブ１１を電気的に接続する。被検体からの反射エコーは、プローブ１１に近い場所から順に第２受信エコー３４として連続的にプローブ１１に到来し、撮像領域の最深部からの第２受信エコー３４が返ってくるとみなされる時間経過後に２レート目の送受信を完了する。第２受信エコー３４は、送受分離スイッチ２１、受信アンプ２４、Ａ／Ｄ変換器２５、受信遅延回路２６を経て、第２受信信号３５として信号処理部２７に伝送される。【００３６】
図２に、図１の信号処理部２７の詳しい構成の一例を示す。信号処理部２７は一時メモリ４０及び４１、加算部４２、直交検波処理部４３、フィルタ処理部４４を含んでおり、フィルタ処理部４４からの出力は、Ｂモード処理部４５やドップラ処理部４６でさらに処理され、画像処理部２８へ出力される。一時メモリ４０及び４１には、１レート目の第１受信信号３２及び２レート目の第２受信信号３５がそれぞれ一時的に保持され、加算部４２で加算される。【００３７】
ここで加算される受信信号は、第１基本波パルス３０及び第２基本波パルス３３を形成している基本波成分による受信信号成分と、これら基本波パルスの被検体内における非線形伝搬に基づいて発生した非線形成分による受信信号成分とを含んでいるが、第１基本波パルス３０と第２基本波パルス３３との基本波成分は、位相が１８０度反転しているため、理想的には加算処理によってゼロになる。【００３８】
これに対し非線形成分は、基本波成分の２乗値に起因して生じるため、位相は反転せず、加算することによって約３ｄＢのＳ／Ｎ向上が図れる。よって、加算処理することにより、非線形成分のみが抽出される。なお、受信信号の調整のため、加算部４２より手前で、第１受信信号３２と第２受信信号３５の大きさの比率を、時間方向（撮像領域にとっては深さ方向）に自動あるいはマニュアルで連続的に変化できるように構成することが可能である。また、ユーザが、外部インターフェイス１２を介して上記比率を調整できるように構成することも可能である。【００３９】
直交検波処理部４３では、リファレンス周波数に応じた周波数移動が施され、同相信号成分と直交信号成分が得られる。抽出された非線形成分は、プローブ１１の受信帯域内で生じた差音や和音の成分であるが、高周波数の成分ほど周波数に依存した減衰が大きく、送信フォーカスによる焦点より深い部分からの受信信号は、ほとんど低周波数の成分となっている。このため、直交検波処理部４３におけるリファレンス周波数は、送信フォーカス点までの比較的浅い部分からの受信信号に対しては高めの周波数を選択し、深部からの受信信号に対しては低めの周波数を選択するようにすることが望ましい。よって、リファレンス周波数を、時間方向（撮像領域にとっては深さ方向）に自動あるいはマニュアルで連続的に変化できるように構成することが可能である。また、ユーザが、外部インターフェイス１２を介してリファレンス周波数を調整できるように構成することも可能である。【００４０】
直交検波後の信号は、フィルタ処理部４４において、画像データとして使われる周波数帯域の信号成分を抽出し、Ｂモード処理部４５やドップラ処理部４６において、反射エコー強度を輝度情報として表示するＢモード画像用のデータや、ドップラ効果に基づいて計算される血流速度などのデータを構築する。画像処理部２８では、これらのデータを適切な座標変換によって空間情報に変換し、画像表示部１３に受け渡す。これにより、画像表示部１３はＢモード画像や、血流速度データ等を画像として表示する。【００４１】
次に、本実施の形態の送信パルスの基本波成分について、詳しく説明する。
本実施の形態では、第１基本波パルス３０および第２基本波パルス３３の基本波成分７１として、図３に示すように、１つの周波数ピークをもつ単パルス波を用いる。基本波成分７１のピーク周波数はｆｃ、帯域幅は２ｆｓである。よって、基本波成分の帯域はｆｃ−ｆｓ〜ｆｃ＋ｆｓである。この周波数ｆｃおよびｆｓを図３のように適切に設定してない場合には、差音成分７２と和音成分７３の多くがプローブ感度域７４の外側に生じるため検出することができないが、本実施の形態では、周波数ｆｃおよびｆｓを、図４に示すようにプローブ感度域ｆ１〜ｆ２との関係において所定の値に設定する。これにより、図４のように、差音成分７２と和音成分７３の多くをプローブ感度域ｆ１〜ｆ２内に生じさせることができる。なお、プローブ感度域の下限周波数ｆ１とは、一般によく使われている−６ｄＢ帯域幅によって定義されるものではなく、プローブ通過後の受信エコー信号成分において、画像信号として利用可能な信号成分の下限周波数のことを言う。【００４２】
まず、本発明の超音波診断装置において、映像化のために利用される非線形成分と、第１基本波パルス３０及び第２基本波パルス３３が持つ基本波成分との関係について、数式及び図面を用いて説明する。【００４３】
本発明における非線形イメージングは、被検体内での音響非線形効果によって基本波成分から派生する非線形成分を効率よく捕捉し、高分解能化とペネトレーションの向上とを両立して達成するものである。音波の非線形伝搬の様子は、数式的にはＫＺＫの式（Ｋｈｏｋｈｌｏｖ−Ｚａｂｏｌｏｔｓｋａｙａ−Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）、あるいは数１で表されるバーガースの式（Ｂｕｒｇｅｒｓ’  ｅｑｕａｔｉｏｎ）で表現される。
【数１】
2007111013.tif 000003
【００４４】
数１は、ｘ方向の１次元空間における非線形音響伝搬を記述したものであり、ｐは音圧、ρは密度、ｃは音速、βは非線形係数、ｔはｘ方向に音速ｃで移動する座標系における遅れ時間を示している。また、ｂは音波の吸収に係わる物質量で、吸収係数をα、角周波数をωとして、α＝ｂω２の関係がある。数１の右辺は非線形伝搬の過程において生じる仮想音源項を表している。３次以上の高調波を無視し、波長当たりの減衰が小さく、ｘ方向の波形変化がそれほど著しくないとすれば、線形の音圧の２乗値を時間微分することによって、発生する非線形成分を推定することができる。以下、搬送周波数ｆｃ＝ωｃ／２πに対して、変調度ｍ、変調の周波数ｆｓ＝ωｓ／２πで振幅変調した基本波を考えて、発生する非線形成分の帯域及びそれらの位相、大きさについて述べる。【００４５】
ここでは、例として、振幅変調波ｐ（ｔ）＝ｐ０（１＋ｍｃｏｓ２πｆｓｔ）ｃｏｓ２πｆｃｔを基本波とする。音響非線形効果によって発生する非線形成分をｄｐ２／ｄｔとして計算した結果は、数２で表される。
【数２】
2007111013.tif 000004
【００４６】
この結果から、非線形成分として発生する周波数成分は、ｆｓ、２ｆｓ、２ｆｃ−２ｆｓ、２ｆｃ−ｆｓ、２ｆｃ、２ｆｃ＋ｆｓ、２ｆｃ＋２ｆｓの７成分であり、いずれも同位相成分であることがわかる。【００４７】
基本波を連続波とした場合には、これら７つの非線形成分が発生するが、本実施の形態では、基本波は、単パルス波であるので、７つの非線形成分の周波数成分のまわりに、図５（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれ幾らかの帯域を持つようになる。図５（ａ）〜（ｃ）は、変調度ｍを１、搬送周波数ｆｃを２．５ＭＨｚ、変調の周波数ｆｓを０．５ＭＨｚとし、パルス幅を９／ｆｓ、３／ｆｓ、１／ｆｓと変化させたときの非線形成分の振幅スペクトルを示したものである。【００４８】
図５（ａ）〜（ｃ）からわかるように、パルス幅が短くなるにつれて、前記７つの周波数成分は、２つの帯域に大きく分かれ、ｆｓと２ｆｓを主とした差音成分７２と、２ｆｃを中心として２ｆｃ−２ｆｓ〜２ｆｃ＋２ｆｓに渡る帯域を主とした和音成分７３とに分かれる。【００４９】
従来のＴＨＩや差音を利用した非線形イメージングにおいては、図５（ｃ）で表される差音成分７２と和音成分７３の両者を検出できるような広い感度域のプローブが存在しないため、いずれか一方のみしか抽出することができなかった。しかし、すでに述べたようにＴＨＩにおいて和音成分（第２高調波成分）を利用する場合（図１７参照）には、深部ペネトレーションが不足する。また、ＤＣ差音成分または２周波数差音成分を利用する場合（図１９参照）には、基本波成分からエネルギー変換された非線形成分のうち、極僅かな変換エネルギーしか使えず、Ｓ／Ｎ比やダイナミックレンジが十分に確保できないという問題が生じる。さらに、プローブ自身が持っている感度域によっては、よりいっそうのエネルギー利用効率の低下を招くことになる。【００５０】
このような問題に対し、本発明の思想は、基本波成分からエネルギー変換されて発生する非線形成分を、できるだけプローブ感度域７４に発生させるというものである。これにより、エネルギー利用効率を最大限にし、高分解能化と深部ペネトレーションの向上を両立させる。【００５１】
図５（ａ）〜（ｃ）でも示したように、ある帯域を持った基本波パルス７１を照射したときに生じる非線形成分は、その帯域に依存した差音成分７２と和音成分７３とに分かれる。受信エコー全体としては、基本波成分７１と非線形成分７２、７３とを含めた、図３に示したような帯域の反射エコーとなり、非線形成分７２、７３は基本波成分７１から離れた周波数帯域に発生する。本発明は、基本波成分７１の周波数ｆｃおよび帯域２ｆｓを適切に設定することにより、非線形成分７２、７３の発生する帯域を基本波成分７１に近づけ、さらには基本波成分７１に重畳させるようにし、非線形成分７２、７３の帯域の多くがプローブ感度域７４内に含まれるようにする。なお、基本波成分７１は、非線形成分７２、７３と重畳していてもパルス・インバージョン法によって除去することができる。【００５２】
以下、差音成分７２と和音成分７３からなる非線形成分の帯域が、プローブ感度域ｆ１〜ｆ２と重なり合うようにするための、基本波成分７１の設定条件について詳しく説明する。
プローブ感度域７４を送信周波数帯域、受信周波数帯域共にｆ１〜ｆ２（ｆ１＜ｆ２）とする。基本波成分７１は、上述してきたように、搬送周波数がｆｃ、変調の周波数がｆｓの振幅変調波である。基本波成分７１の周波数帯域はｆｃ−ｆｓ〜ｆｃ＋ｆｓであるので、まず、これがプローブ感度域７４に入るようにｆｃ−ｆｓ≧ｆ１、ｆｃ＋ｆｓ≦ｆ２の条件を満たさなければならない。【００５３】
また、数２から明らかなように、発生する非線形成分のうち発生する非線形成分のうち最も低い周波数成分は、ｆｓである場合と、２ｆｃ−２ｆｓである場合とが考えられる。これらのいずれかがプローブ感度域７４に含まれるようにするための条件は、前者の場合、ｆｓ≧ｆ１、後者の場合、２ｆｃ−２ｆｓ≧ｆ１となる。【００５４】
非線形成分の最も低い周波数がｆｓである場合、これがプローブ感度域７４に含まれるようにするために、ｆｓ≧ｆ１に設定する必要がある。このとき、基本波成分７１の下限周波数がプローブ感度域７４に含まれるための条件ｆｃ−ｆｓ≧ｆ１を同時に満たす必要があるから、ｆｓ≧ｆ１かつｆｃ≧２ｆｓとなる。すなわち、本実施の形態では、振幅変調波においては、変調の周波数ｆｓをプローブ感度域７４の下限周波数ｆ１以上にし、搬送周波数ｆｃを変調の周波数ｆｓの２倍以上に設定する。【００５５】
このときさらに、発生する非線形成分の最も高い周波数成分２ｆｃ＋２ｆｓ（和音成分）がプローブ感度域７４に含まれるようにするための条件は、２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２であって、かつ、基本波成分７１の上限周波数がプローブ感度域７４に含ませる条件ｆｃ＋ｆｓ≦ｆ２を同時に満たす必要がある。しかも下限周波数ｆｓがプローブ感度域７４に含まれるための条件ｆｓ≧ｆ１かつｆｃ≧２ｆｓも満たす必要があるため、プローブ感度域７４の上限周波数ｆ２についてｆ２≧６ｆ１となる必要があることがわかる。【００５６】
しかしながら、通常、ＰＺＴなどの圧電材料を用いたプローブ１１では、比帯域が最大でも８０％程度であり、ｆ２≧６ｆ１すなわちｆ１〜６ｆ１（比帯域１４３％）のような広い感度域７４を有するプローブ１１の実現は現状では困難である。一方、数２からも明らかなように、発生した非線形成分のうち、和音成分７３は差音成分７２より大きなエネルギーを含んでいるため、プローブ１１による高周波帯域の和音成分７３の検出レベル（検出されるエネルギー）は、低周波帯域の差音成分７２の検出レベルよりも大きい。そこで、本実施の形態では深部ペネトレーションに大きく影響する低周波帯域の差音成分７２の検出レベル向上を優先的に考えて、図４に示すように、差音成分７２の帯域すべてがプローブ感度域７４に含まれ、和音成分７３の帯域のできるだけ多くがプローブ感度域７４に含まれるようにする。【００５７】
特に、図４に示すように、差音成分７２の下限周波数がプローブ感度域７４の下限周波数と一致するように設定することにより、差音成分７２の帯域すべてがプローブ感度域７４に含まれ、和音成分７３の帯域のうちプローブ感度域７４に含まれる帯域幅を最大にすることができる。すなわち、発生する非線形成分のうち最も低い周波数成分がｆｓである場合、ｆｓ≧ｆ１かつｆｃ≧２ｆｓから、変調周波数ｆｓをプローブ感度域７４の下限周波数ｆ１とし（ｆｓ＝ｆ１）、振幅変調波のｆｃを変調の周波数ｆｓの２倍（ｆｃ＝２ｆｓ）とする。【００５８】
このような条件の下においても、プローブ１１の整合層の調整や単結晶の圧電素子やシリコン探触子の利用などによって、プローブ感度の比帯域をさらに拡げることで、より高周波側の和音成分７３を捕捉することができる。【００５９】
なお、ｆ１〜６ｆ１の広い感度域７４を有するプローブ１１が実現できる場合には、発生する非線形成分の最も高い周波数成分２ｆｃ＋２ｆｓ（和音成分）がプローブ感度域７４に含まれるように２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２、ｆｃ＋ｆｓ≦ｆ２を満たすように、ｆｃおよびｆｓを設定する。これにより、すべての非線形成分をプローブ１１の感度域７４に生じさせることができ、捕捉することができる。【００６０】
次に、非線形成分の最も低い周波数が２ｆｃ−２ｆｓである場合を考えると、これがプローブ１１の下限周波数ｆ１以上であるための条件は、２ｆｃ−２ｆｓ≧ｆ１である。このとき、非線形成分のうち差音成分７２として発生する周波数ｆｓはｆｓ≧ｆ１の条件を満たしているから、２ｆｃ−２ｆｓ≧ｆｓが成り立っており、ｆｃ≧１．５ｆｓとなる。また、基本波成分７１の下限周波数の条件ｆｃ−ｆｓ≧ｆ１を用いて、ｆｓ≧２ｆ１の条件が得られるが、さらに和音成分７３の上限周波数がプローブ感度域７４に含まれるようにするための条件２ｆｃ＋２ｆｓ≦ｆ２を満たすためには、ｆ２≧１０ｆ１とならなければならない。よって、前述したｆｓ≧ｆ１の場合よりも、さらに広いプローブ感度域７４を用意しなければならず、実現性はより困難になる。【００６１】
以上のことから、本実施の形態では、上述のような振幅変調波を基本波成分７１とした場合には、変調の周波数ｆｓをプローブ感度域の下限周波数ｆ１とし（ｆｓ＝ｆ１）、搬送周波数ｆｃを変調の周波数ｆｓの２倍（ｆｃ＝２ｆｓ）に設定する。さらに、この振幅変調波の周波数帯域がｆｃ−ｆｓ〜ｆｃ＋ｆｓであることを考慮して、より一般的に表すならば、プローブ感度域の下限周波数がｆ１であるとき基本波成分７１の周波数帯域をｆ１〜３ｆ１に設定するものである。【００６２】
なお、この基本波成分７１の条件は、プローブ１１の送受信感度域が等しい場合におけるものであり、例えば、プローブ１１を構成するアレイのいくつかを送信専用として利用するような場合には、非線形成分のエネルギー利用効率を向上させるという本発明の思想に基づいて、送信専用アレイの送信周波数帯域および受信用アレイの受信周波数帯域を選定することができる。このような場合においても、発生する差音成分のうち、最も低い周波数成分が受信用アレイで捕捉できるように設定することが望ましい。【００６３】
以上の説明では、基本波成分７１の帯域の設定について説明してきたが、次に、本発明の超音波診断装置による非線形イメージングにおいて、被検体内に照射される基本波の波形について説明する。
数２で表される非線形成分は、振幅変調波ｐ（ｔ）＝ｐ０（１＋ｍｃｏｓ２πｆｓｔ）ｃｏｓ２πｆｃｔを基本波としたものである。搬送波成分ｆｃ及び変調成分ｆｓのそれぞれについて、正弦波である場合と余弦波である場合とについて同様の計算を行い、それぞれの場合における前記７つの非線形成分のｔ＝０における位相を示すと、図６のようにまとめられる。【００６４】
図６から、搬送波成分ｆｃ及び変調成分ｆｓをいずれも余弦波とした場合に全ての非線形成分が同位相で発生することがわかる。検出される非線形成分の音圧振幅は、７つの非線形成分の波形を加算した振幅であるため、すべての非線形成分が同位相である場合には、検出される最大の音圧振幅は、７つの非線形成分の振幅の和となる。よって、大きな振幅を検出することができ、高分解能な画質を得ることができる。【００６５】
このように、高画質な画像を得るために、広帯域な非線形成分の信号を得るには、ｐ（ｔ）＝ｐ０（１＋ｍｃｏｓ２πｆｓｔ）ｃｏｓ２πｆｃｔのように、基本波の搬送波成分及び変調成分が共に余弦波で表されていることが望ましい。このことは、基本波をフーリエ級数に展開したときの全ての周波数成分が余弦波のみで表されるときにも成り立ち、このような基本波成分を持つパルス波を送信することによって、高分解能な非線形イメージングが可能となる。【００６６】
一方、ｐ（ｔ）＝ｐ０（１＋ｍｃｏｓ２πｆｓｔ）ｓｉｎ２πｆｃｔのように、正弦波のスペクトル成分のみで構成される基本波によって生じる非線形成分は、差音成分７２と和音成分７３のそれぞれについて同相となる。生体内を撮像する場合には、安全性の面から、その部位によって規定されるメカニカル・インデックス（ＭＩ）という指標があり、特に負圧側の音圧振幅に制限がある。上述のように、基本波のフーリエ級数成分が全て余弦波で与えられる場合には、音圧の最大振幅が各周波数成分の振幅の和として表されるが、基本波のフーリエ級数成分が全て正弦波で与えられる場合には、音圧の最大振幅が各周波数成分の振幅の和よりも小さくなる。例えば、ｃｏｓωｔ＋ｃｏｓ２ωｔの最大振幅は２であるが、ｓｉｎωｔ＋ｓｉｎ２ωｔの最大振幅は√３である。このことは、ＭＩ一定の条件下では、フーリエ級数成分が全て正弦波成分であるような基本波の方が、全て余弦波成分であるような基本波よりも、大きなパルス・パワー（音圧振幅）に設定できることを意味する。【００６７】
数２からも明らかなように、音響非線形効果によって音波の伝搬と共に生じる非線形成分は、基本波の音圧振幅の２乗に比例する。よって、フーリエ級数成分が全て正弦波成分であるような基本波を送信することによって、全てが余弦波成分であるような基本波を送信したときよりも、大きな差音レベル及び和音レベルが得られる。したがって、高分解能化よりも撮像領域の深部におけるペネトレーションの向上を優先させるような場合には、フーリエ級数成分が全て正弦波成分であるような基本波を送信することが望ましい。【００６８】
したがって、ユーザが、高分解能を優先させたい場合には、搬送波成分ｆｃ及び変調成分ｆｓをいずれも余弦波に設定し、高分解能よりもペネトレーション向上を優先させたい場合には、搬送波成分ｆｃ及び変調成分ｆｓをいずれも正弦波に設定するように、波形の設定を自動または手動で変更できるように構成することが望ましい。【００６９】
上述してきた基本波の波形が余弦波または正弦波を用いた場合の送信波形の伝搬特性を確認するため、ＫＺＫの式に基づく音波の非線形伝搬解析により送信波形の伝搬特性を求めた。その結果を以下説明する。なお、パルス・インバージョンを行なった結果と等価となる伝搬特性も求めている。ここでは、以下に示す全ての解析において、生体の物性に近い一様な音響媒質を仮定し、音速を１５００ｍ／ｓ、密度を１０００ｋｇ／ｍ３、非線形パラメータＢ／Ａを７、周波数依存の吸収係数を０．７ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚとした。また、アレイは口径４０ｍｍの１次元アレイとし、アレイ正面１００ｍｍの位置を焦点として、２次元の音場空間モデルについて計算を行なった。さらに、プローブ１１の送受信感度域としては１ＭＨｚ〜５ＭＨｚ程度使えるものとし、プローブ表面における基本波パルスの最大音圧振幅は４ＭＰａ（ｒｍｓ）とした。【００７０】
（フーリエ級数成分が全て余弦波で与えられる基本波形）
高分解能化のために広い帯域で大きな振幅を持った非線形成分を発生させるためには、上述したように、フーリエ級数成分が余弦波成分のみから成り立っていることが望ましい。そこで、変調度ｍ＝１の振幅変調波ｐ（ｔ）＝ｐ０（１＋ｃｏｓ２πｆｓｔ）ｃｏｓ２πｆｃｔを基本波とした。また、上述した基本波成分７１の設定条件から、変調周波数ｆｓをプローブの送受信帯域の下限周波数である１ＭＨｚとし、搬送周波数ｆｃをｆｓの２倍の２ＭＨｚに設定した。さらに、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から明らかなように、非線形成分の広帯域化のためには、送信する基本波のパルス幅が短い方がよいので、ここでは変調の周波数ｆｓの１波長長さ１／ｆｓをパルス幅とした。送信する基本波パルスの−６ｄＢの帯域は１ＭＨｚ〜３ＭＨｚであり、仮定したプローブ感度域に含まれる。【００７１】
図７は、上記の第１基本波パルス３０の音軸上における波形変化の様子を示した解析結果であり、それぞれの音軸上の位置からの第１受信エコー３１の波形に相当する。なお、横軸の時間は、音速と共に音軸方向に移動する遅れ時間で表している。図８は、図７における基本波パルスの正負を反転させた第２基本波パルス３３について同様に行われた、波形変化の解析結果であり、第２受信エコー３４の波形に相当する。図７及び図８において、（ａ）はプローブ１１表面、（ｂ）は音軸上距離１０ｍｍ、（ｃ）は１００ｍｍ、（ｄ）は２００ｍｍでの波形を示している。フーリエ級数成分が全て余弦波で与えられる基本波形は、図７（ａ）あるいは図８（ａ）からも明らかなように、基本波パルスの時間中心に対して対称な波形となっている。このような波形は、例えば、コサイン・ロールオフ関数を逆フーリエ変換することによっても得られる。このときのカットオフ周波数は、プローブ感度域７４の下限周波数をｆ１として、ｆ１〜３ｆ１の帯域を持つように設定すればよい。【００７２】
図７及び図８からわかるように、音波の伝搬と共に、音波は非線形音響効果による波形歪みを生じ、周波数依存性の減衰を受ける。すなわち、波形歪みは非線形成分の発生を意味し、周波数依存性の減衰は、より高周波側の成分が大きく減衰するため、深部では低周波側の狭帯域な信号成分のみが残ることを意味している。【００７３】
図９（ａ）〜（ｄ）は、図７と図８の（ａ）〜（ｄ）各距離における波形をそれぞれ加算した波形を示したものである。図７と図８の（ａ）〜（ｄ）の結果をそれぞれ加算することによって、パルス・インバージョンを行ったときと等価な波形が得られる。第１および第２基本波パルス３０、３３の線形成分は、加算することによって除去されており、図９（ａ）〜（ｄ）に示した波形は非線形成分のみから形成されている。【００７４】
図１０は、図９（ｂ）〜（ｄ）に示した非線形成分からなる波形の振幅スペクトル図であり、図１１は、パルス・インバージョン後の波形の最大音圧振幅を、音軸上距離に対して示した距離特性図である。図１０から、音軸上距離１０ｍｍでは、プローブ感度域７４と仮定した１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの領域に非線形成分が集中して生じており、非線形成分のエネルギーが高い効率で映像化に使えることがわかる。図１１からも明らかなように、このような広帯域な非線形成分は焦点距離の１００ｍｍ程度まで有効であるが、焦点距離を過ぎると急激に減衰する。図１０における音軸上距離２００ｍｍでの振幅スペクトルからもわかるように、このような領域では低周波側の狭帯域な信号成分しか残らないので、このような領域においては、第１および第２受信エコー３１、３４の加算する比率を変えることによって、線形成分での映像化を行ってもよい。【００７５】
また、非線形成分の発生は基本波パルスの和音成分７４において顕著であり、伝搬と共に減衰を受けて、深部においては差音成分７２が残るようになる。したがって、伝搬距離と共に映像化に使える最適な周波数帯域が変化していくので、パルス・インバージョン後の直交検波処理でのリファレンス周波数を距離方向で変化させることが望ましい。すなわち、本解析を例にすれば、焦点距離の１００ｍｍまでは５ＭＨｚ〜４ＭＨｚ、１５０ｍｍで３ＭＨｚ、１８０ｍｍ以降で２ＭＨｚのように連続的にリファレンス周波数を変化させればよい。【００７６】
（フーリエ級数成分が全て正弦波で与えられる基本波形）
ペネトレーション向上を優先的に考え、エネルギー的に大きな非線形成分を発生させるためには、上述したようにフーリエ級数成分が正弦波成分のみから成り立っていることが望ましい。そこで、変調度ｍ＝１の振幅変調波ｐ（ｔ）＝ｐ０（１＋ｃｏｓ２πｆｓｔ）ｓｉｎ２πｆｃｔを基本波とする。上述した基本波の条件から、変調の周波数ｆｓをプローブの送受信帯域の下限周波数である１ＭＨｚとし、搬送周波数ｆｃをｆｓの２倍の２ＭＨｚとする。非線形成分は基本波パルスの存在する領域での非線形相互作用によって発生するので、分解能を高くするにはパルス幅を短くすればよい。そこで、ここでは変調の周波数ｆｓの１波長長さ１／ｆｓをパルス幅とした。送信する基本波パルスの−６ｄＢの帯域は１ＭＨｚ〜３ＭＨｚであり、仮定したプローブ感度域７４に含まれる。【００７７】
図１２は、上記の第１基本波パルス３０の音軸上における波形変化の様子を示した解析結果であり、それぞれの音軸上の位置からの第１受信エコー３１に相当する。なお、横軸の時間は、音速と共に移動する遅れ時間で表している。さらに図１３は、図１２における基本波パルスの正負を反転させた第２基本波パルス３３について同様に行われた、波形変化の解析結果であり、第２受信エコー３４に相当する。図１２及び図１３において、（ａ）はプローブ表面、（ｂ）は音軸上距離１０ｍｍ、（ｃ）は１００ｍｍ、（ｄ）は２００ｍｍでの波形を示している。【００７８】
図１２及び図１３からわかるように、音波の伝搬と共に、音波は非線形音響効果による波形歪みを生じ、周波数依存性の減衰を受ける。すなわち、波形歪みは非線形成分の発生を意味し、周波数依存性の減衰は、より高周波側の成分が大きく減衰するため、深部では低周波側の狭帯域な信号成分のみが残ることを意味している。【００７９】
図１４（ａ）〜（ｄ）は、図１２と図１３の（ａ）〜（ｄ）各距離における波形をそれぞれ加算した波形を示したものである。図１２と図１３の（ａ）〜（ｄ）の結果を加算することによって、パルス・インバージョンを行ったときと等価な波形が得られる。第１基本波パルス３０と第２基本波パルス３３の線形成分は、加算することによって除去されるため、図１４で示した波形は非線形成分のみから形成されている。【００８０】
図１５は、図１４（ｂ）〜（ｄ）に示した非線形成分からなる波形の振幅スペクトル図であり、また図１６は、パルス・インバージョン後の波形の最大音圧振幅を、音軸上距離に対して示した距離特性図である。図１５の音軸上距離１０ｍｍでの解析結果からもわかるように、正弦波成分のみで基本波パルスを構成した場合には、差音成分と和音成分とで位相が反転しているため、振幅スペクトル上ではノッチが入ってしまう。しかし、図１０と図１５との結果を比較してわかるように、基本波パルスの最大音圧振幅が一定という条件下においては、正弦波成分のみで基本波パルスを構成すると、余弦波成分のみの基本波パルスに比べて、元のパルスが持っているエネルギーを大きくすることができ、結果として、基本波成分から非線形成分へのエネルギー変換効率を高めることができる。図１１と図１６の比較からも、正弦波成分のみで基本波パルスを構成した場合の方が、焦点距離を過ぎた１５０ｍｍの位置においても３ｄＢ程大きいことがわかる。【００８１】
一方、図１６から明らかなように、このような非線形成分は焦点距離の１００ｍｍ程度まで有効であるが、焦点距離を過ぎると急激に減衰する。図１５における音軸上距離２００ｍｍでの振幅スペクトルからもわかるように、このような領域では低周波側の狭帯域な信号成分しか残らないので、このような領域においては、第１受信エコー３１と第２受信エコー３４との加算する比率を変えることによって、線形成分での映像化を行ってもよい。【００８２】
また、非線形成分の発生は、基本波パルスの和音成分７３が顕著であり、伝搬と共に減衰を受けて、深部においては差音成分７２が残るようになる。したがって、伝搬距離と共に映像化に使える最適な周波数帯域が変化していくので、パルス・インバージョン後の直交検波処理でのリファレンス周波数を距離方向で変化させることが望ましい。すなわち、本解析を例にすれば、焦点距離の１００ｍｍまでは５ＭＨｚ〜４ＭＨｚ、１５０ｍｍで３ＭＨｚ、１８０ｍｍ以降で２ＭＨｚのように連続的にリファレンス周波数を変化させればよい。【００８３】
本発明の超音波診断装置１０では、上述したような基本波の波形（余弦波または正弦波）の適切な選択が、撮像領域の深度に合わせて、制御部２９によって自動的に調整される機能が付加されていても良いし、外部インターフェイス１２からユーザが任意に選択できるように構成しても良い。また、第１および第２基本波パルス３０および３３の波形を上述したような振幅変調波として送信する場合、例えば、ユーザが外部インターフェイス１２を通じて変調の周波数ｆｓを増減することによって、基本波パルス３０及び３３の帯域を調整できる機能を、制御部２９あるいは波形発生手段２３に持たせても良い。このような調整機能を付加することによって、分解能や輝度、画像の一様性などについて、最適な画質を得ることができる。【００８４】
なお、上述の実施例においては、送信する第１及び第２基本波パルスとして振幅変調波を用いているが、これと同様の周波数帯域を有する基本波パルスとして、時間軸方向に周波数が推移する波形を用いても良い。また、周波数が低減（増加）するように推移する第１基本波パルスと、周波数が増加（低減）するように推移する第２基本波パルスを用いても良い。【００８５】
ここで、周波数が推移する波形とは、例えば周波数の異なる波形の１サイクルまたは複数サイクルを連結してなるものであってもよい。また、周波数が異なる波形の１／２サイクル、１／４サイクル、１／８サイクル等の部分を連結してなる構成としてもよく、連続的に周波数が変化するチャープ波形を用いるものであってもよい。【００８６】
以上述べたように、本発明の超音波診断装置は、超音波非線形イメージングにおいて、送信パルスの基本波成分７１の帯域をプローブ感度域７４との関係において所定の値に設定することにより、被検体内での超音波の非線形相互作用によって生じる非線形成分の多くをプローブ感度域７４に含ませることができるため、プローブ１１によって非線形成分を高効率で捕捉できる。よって、高分解能化と撮像領域深部でのペネトレーションの向上が両立して行なえ、撮像領域全体に渡って一様で良好な画像が得られる。【００８７】
また、送信パルスの基本波波形（余弦波または正弦波）を、撮像領域の深度に合わせて適切に選択することにより、分解能や輝度、画像の一様性などに優れた画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の一実施の形態の超音波診断装置の装置構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の超音波診断装置に含まれる信号処理部の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図３】基本波成分と被検体からの反射エコーに含まれる非線形成分の周波数と振幅を示すスペクトル図である。
【図４】本発明の実施の形態による基本波成分と発生する非線形成分の周波数と振幅を示すスペクトル図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態において振幅変調波を基本波として発生する非線形成分の振幅スペクトル図である。
【図６】本実施の形態において振幅変調波を基本波として生じる非線形成分の位相関係を示した説明図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）本実施の形態において余弦波成分からなる第１基本波パルス３０の非線形伝搬波形を示すグラフである。
【図８】（ａ）〜（ｄ）本実施の形態において余弦波成分からなる第２基本波パルス３３の非線形伝搬波形を示すグラフである。
【図９】（ａ）〜（ｄ）本実施の形態において余弦波成分からなる基本波パルスによるパルス・インバージョン後の波形を示すグラフである。
【図１０】本実施の形態において余弦波成分からなる基本波パルスによるパルス・インバージョン後の波形の振幅と周波数を示すグラフである。
【図１１】本実施の形態において余弦波成分からなる基本波パルスによるパルス・インバージョン後の波形の最大音圧振幅に関する音軸上距離特性を示すグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）本実施の形態において正弦波成分からなる第１基本波パルスの非線形伝搬波形を示すグラフである。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）本実施の形態において正弦波成分からなる第２基本波パルスの非線形伝搬波形を示すグラフである。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）本実施の形態において正弦波成分からなる基本波パルスによるパルス・インバージョン後の波形を示すグラフである。
【図１５】本実施の形態において正弦波成分からなる基本波パルスによるパルス・インバージョン後の波形の振幅と周波数を示すグラフである。
【図１６】本実施の形態において正弦波成分からなる基本波パルスによるパルス・インバージョン後の波形の最大音圧振幅に関する音軸上距離特性を示すグラフである。
【図１７】従来の高調波イメージング手法を周波数領域において示す説明図である。
【図１８】パルス・インバージョン法の説明図である。
【図１９】従来の差音を利用した非線形イメージング手法を周波数領域において示す説明図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０      超音波診断装置
１１      プローブ
１２      外部インターフェイス
１３      画像表示部
２０      装置本体
２１      送受分離スイッチ
２２      送信アンプ
２３      波形発生手段
２４      受信アンプ
２５      Ａ／Ｄ変換器
２６      受信遅延回路
２７      信号処理部
２８      画像処理部
２９      制御部
３０      第１基本波パルス
３１      第１受信エコー
３２      第１受信信号
３３      第２基本波パルス
３４      第２受信エコー
３５      第２受信信号
４０、４１      一時メモリ
４２      加算部
４３      直交検波処理部
４４      フィルタ処理部
４５      Ｂモード処理部
４６      ドップラ処理部
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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