(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定コードをもった波形を有する信号又はチャープ波信号としてのコード化送信信号を生成するメモリからなる送信信号発生器と、
前記送信信号発生器からのコード化送信信号を入力し、所定の送信処理を経たコード化送信信号を出力する送信回路と、
前記送信回路からのコード化送信信号を入力して生体内へ超音波を送波し、生体内からの反射波を受波して受信信号を出力する超音波振動子と、
前記超音波振動子からの受信信号を入力し、所定の受信処理を経た受信信号を出力する受信回路と、
前記受信回路からの受信信号に対し、参照信号を用いてコード送信に対応するパルス圧縮処理を実行するパルス圧縮処理部と、
前記パルス圧縮処理後の受信信号に基づいて、超音波画像を形成する画像処理部と、
を含み、
前記送信信号発生器としてのメモリから生成されるコード化送信信号は、コード化されたコード化理想送信信号を前記超音波振動子の周波数特性に基づいて事前に補正した信号であり、
前記メモリ内のコード化送信信号の周波数特性を事前に補正されたものとしておくことにより、前記パルス圧縮処理部に入力される受信信号の周波数特性を前記パルス圧縮処理に適合させる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、
前記超音波探触子の送信時の周波数特性をＤT（ω）とし、前記超音波探触子の受信時の周波数特性をＤR（ω）とし、前記コード化理想送信信号の周波数特性をＳ（ω）とし、前記送信信号発生器で生成されるコード化送信信号の周波数特性をＳ’（ω）とした場合に、Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛ＤT（ω）ＤR（ω）｝の関係が満たされ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、
選択された超音波振動子に応じて、前記送信信号発生器で発生されるコード化送信信号を選択する手段を含み、
前記超音波振動子の交換にかかわらず、前記Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛ＤT（ω）ＤR（ω）｝の関係が満たされることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
超音波診断装置におけるコード化送信信号を設計するために実施される送信信号設計方法であって、
前記超音波診断装置は、
前記コード化送信信号を生成する送信信号発生器と、
前記送信信号発生器からのコード化送信信号を入力し、所定の送信処理を経たコード化送信信号を出力する送信回路と、
前記送信回路からのコード化送信信号を入力して生体内へ超音波を送波し、生体内からの反射波を受波して受信信号を出力する超音波振動子と、
前記超音波振動子からの受信信号を入力し、所定の受信処理を経た受信信号を出力する受信回路と、
前記受信回路からの受信信号に対し、パルス圧縮処理を実行するパルス圧縮処理部と、
前記パルス圧縮処理後の受信信号に基づいて、超音波画像を形成する画像処理部と、
を含み、
前記パルス圧縮処理部に入力される受信信号の周波数特性を前記パルス圧縮処理に適合させるために、前記送信信号発生器で生成されるコード化送信信号が、コード化されたコード化理想送信信号を前記超音波振動子の周波数特性に基づいて事前に補正した信号であり、
当該送信信号設計方法は、
前記送信回路で前記コード化理想送信信号を発生させ、前記超音波振動子から水槽内に超音波を送波する工程と、
前記水槽内に配置された受波器により前記送波された超音波を受波する工程と、
前記超音波の受波により得られた測定信号を周波数解析して前記超音波振動子の送信時の周波数特性を求め、また、前記超音波振動子の受信時の周波数特性を前記送信時の周波数特性と同一であるとみなす工程と、
前記超音波振動子の送信時の周波数特性及び受信時の周波数特性に基づいて前記コード化理想送信信号を補正する工程と、
を含むことを特徴とする送信信号設計方法。
【請求項５】
請求項１記載の超音波診断装置における前記コード化送信信号を設計するために実施される方法であって、
前記送信回路で前記コード化理想送信信号を発生させ、前記超音波振動子からファントム内に超音波を送波する工程と、
前記ファントムからの反射波を前記超音波振動子で受波する工程と、
前記反射波の受波により得られた測定信号を周波数解析して前記超音波振動子の周波数特性を求める工程と、
前記超音波振動子の周波数特性に基づいて前記コード化理想送信信号を補正する工程と、
を含むことを特徴とする送信信号設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置及び送信信号設計方法に関し、特に、コード送信及びパルス圧縮のための送信信号の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置において、超音波画像の画質向上のために、コード送信及びパルス圧縮の技術（以下、単にパルス圧縮技術）が用いられる。このパルス圧縮技術においては、コード化（符号化）された送信波を生体に送波し、反射波を受波して得られた受信信号に対してパルス圧縮処理がなされる。その結果、Ｓ／Ｎ比（あるいは感度）の向上という利点を得られる。上記送信波としては、所定コードをもった波形、チャープ波（周波数変調波）などをあげることができる。
【０００３】
上記のパルス圧縮技術の適用に当たっては、パルス圧縮処理部に入力される受信信号の周波数特性がパルス圧縮に適合する設計通りの周波数特性となっているのが理想的である。実際には装置内における各回路の周波数特性の影響を受け、また生体の周波数特性の影響を受ける。
【０００４】
Ｘ（ω）をパルス圧縮処理部の入力信号（つまり受信信号）の周波数特性とすると、それは概ね以下の（１）式のように表される。
【０００５】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ｔ（ω）Ｄ（ω）Ａ（ω）Ｄ（ω）Ｒ（ω）・・・（１）
但し、ωは角周波数であり、Ｓ（ω）は送信信号の周波数特性であり、Ｔ（ω）は送信回路の周波数特性であり、Ｄ（ω）は超音波振動子の周波数特性であり、Ａ（ω）は生体組織の周波数特性であり、Ｒ（ω）は受信回路の周波数特性である。
【０００６】
ここで、送信回路及び受信回路は送受信に影響を与えない程度の十分に広い帯域をもつのが一般的であるので、Ｔ（ω）＝１及びＲ（ω）＝１と仮定すると、上記（１）式は以下のように表される。
【０００７】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ｄ（ω）Ａ（ω）Ｄ（ω）        ・・・（２）
一方、パルス圧縮処理部では、以下の（３）式の演算が実行される。
【０００８】
【数１】
0004048077.tif 000002
但し、ｙ（ｋ）はパルス圧縮処理部の出力信号であり、Ｘ*（ω）はパルス圧縮処理部の入力信号Ｘ（ω）の複素共役であり、Ｆ（ω）はパルス圧縮用の参照信号の周波数特性であり、ｋはパルス圧縮処理部の出力信号を構成するデータのデータ番号であり、Ｎはデータ個数を表している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上記に示したように（（２）式及び（３）式参照）、従来においては、超音波振動子の周波数特性が包含された状態で受信信号のパルス圧縮処理が行われていた。このため、適正なパルス圧縮を行えずに、分解能の低下、感度の低下という問題が生じていた。
【００１０】
なお、特開２０００−２７９４０８公報には関連する技術が開示されているが、パルス圧縮技術については言及されていない。また、特許第３１２９１４２号公報にはパルス圧縮に関する技術が開示されているが、それは超音波探傷技術にかかわるものであり、また以下の本発明の目的を達成できるものではない。
【００１１】
本発明の目的は、生体の超音波診断を行う場合において、パルス圧縮処理で対象となる受信信号の周波数特性をパルス圧縮処理に適合するものにより近づけるために、パルス圧縮がより良好に行えるような送信信号を生成することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、コード化された送信信号を生成する送信信号発生器と、前記送信信号発生器からの送信信号を入力し、所定の送信処理を経た送信信号を出力する送信回路と、前記送信回路からの送信信号を入力して生体内へ超音波を送波し、生体内からの反射波を受波して受信信号を出力する超音波振動子と、前記超音波振動子からの受信信号を入力し、所定の受信処理を経た受信信号を出力する受信回路と、前記受信回路からの受信信号に対し、パルス圧縮処理を実行するパルス圧縮処理部と、前記パルス圧縮処理後の受信信号に基づいて、超音波画像を形成する画像処理部と、を含み、前記送信信号発生器で生成される送信信号は、コード化された理想送信信号を前記超音波振動子の周波数特性に基づいて事前に補正した信号であり、前記パルス圧縮処理部に入力される受信信号の周波数特性を前記パルス圧縮処理に適合させることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、超音波振動子（単振動子、アレイ振動子）の周波数特性を考慮して、それが最終的にキャンセルされるように、事前に送信信号の周波数特性が補正（逆補正）される。その補正を超音波診断装置上で必要に応じて行うようにしてもよいし、超音波診断装置に補正後の送信信号を格納しておくだけでもよい。よって、パルス圧縮処理を適正に行うことができるので、感度を向上でき、ひいては超音波画像の画質を向上できる。
【００１４】
望ましくは、前記超音波探触子の送信時の周波数特性をＤT（ω）とし、前記超音波探触子の受信時の周波数特性をＤR（ω）とし、前記理想送信信号の周波数特性をＳ（ω）とし、前記送信信号発生器で生成される送信信号の周波数特性をＳ’（ω）とした場合に、Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛ＤT（ω）ＤR（ω）｝の関係が満たされる。ここで、簡便にはＤT（ω）＝ＤR（ω）とみなしてもよく、その場合には、上記の式はＳ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛Ｄ（ω）｝2 となる。
【００１５】
望ましくは、選択された超音波振動子に応じて、前記送信信号発生器で発生される送信信号を選択する手段を含み、前記超音波振動子の交換にかかわらず、前記Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛ＤT（ω）ＤR（ω）｝の関係が満たされる。
【００１６】
（２）また、本発明は、上記の超音波診断装置における前記送信信号を設計するために実施される方法であって、前記送信回路で前記理想送信信号を発生させ、前記超音波振動子から水槽内に超音波を送波する工程と、前記水槽内に配置された受波器により前記送波された超音波を受波する工程と、前記超音波の受波により得られた測定信号を周波数解析して前記超音波振動子の送信時の周波数特性を求め、また、前記超音波振動子の受信時の周波数特性を前記送信時の周波数特性と同一であるとみなす工程と、前記超音波振動子の送信時の周波数特性及び受信時の周波数特性に基づいて前記理想送信信号を補正する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、理想送信信号（それは同時に補正対象でもある）を用いて超音波の送波を行い、超音波振動子の送信時（及び受信時）の周波数特性が計測される。それに基づいて送信信号を補正して、実際に使用する送信信号を取得できる。
【００１８】
また、本発明は、上記の超音波診断装置における前記送信信号を設計するために実施される方法であって、前記送信回路で前記理想送信信号を発生させ、前記超音波振動子からファントム内に超音波を送波する工程と、前記ファントムからの反射波を前記超音波振動子で受波する工程と、前記反射波の受波により得られた測定信号を周波数解析して前記超音波振動子の周波数特性を求める工程と、前記超音波振動子の周波数特性に基づいて前記理想送信信号を補正する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、理想送信信号を用いて超音波の送受波を行い、超音波振動子の送受信総合の周波数特性を取得できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
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はその全体構成を示すブロック図である。超音波探触子１０は生体に当接して用いられ、あるいは体腔内に当接して用いられるプローブである。この超音波探触子１０内には単振動子又はアレイ振動子が設けられている。主にＢモード断層画像を形成する場合には、超音波探触子１０内にアレイ振動子が設けられる。アレイ振動子は複数の振動素子からなるものであり、それらによって超音波ビームが形成される。その超音波ビームは電子走査され、それによって走査面が形成される。その場合における電子走査方式としては電子リニア走査、電子コンベックス走査、あるいは電子セクタ走査などをあげることができる。
【００２２】
送信部は送信信号発生器１４及び送信回路１２によって構成され、その送信部は送信ビームフォーマーとして機能する。送信信号発生器１４は各チャンネルごとにコード化された送信信号１００を発生する。図１においてはその送信信号１００の周波数特性がＳ’（ω）によって表されている。この送信信号１００は、超音波振動子の周波数特性を事前にキャンセルする周波数特性を有している。これについては後に詳述する。送信信号発生器１４としては送信波形を生成するＲＯＭなどのメモリによって構成してもよい。
【００２３】
送信回路１２は、各チェンネルごとに送信信号１００を増幅するリニアアンプなどを有している。ここでその送信回路１２の周波数特性がＴ（ω）によって示されている。送信回路１２から各チャンネルごとの送信信号１０２が超音波探触子１０へ出力される。それらの送信信号はアレイ振動子を構成する複数の振動素子に供給される。これにより、生体組織に対して超音波が送波される。図１においては、超音波探触子１０、具体的には超音波振動子の周波数特性がＴ（ω）で表されている。また、生体組織の周波数特性がＡ（ω）で表されている。
【００２４】
生体組織からの反射波は超音波探触子１０にて受波される。具体的には上述したアレイ振動子にて受波される。これにより各振動素子すなわち各チャンネルからの受信信号が受信回路１６へ出力される。受信回路１６は受信ビームフォーマーとして機能し、複数の受信信号に対して整相加算処理を実行する。図１においては受信回路１６の周波数特性がＲ（ω）で表されている。
【００２５】
整相加算後の受信信号１０６はパルス圧縮処理部２０へ出力される。ここでその受信信号１０６の周波数特性がＸ（ω）によって表されている。
【００２６】
パルス圧縮処理部２０はコード送信に対応してパルス圧縮処理を実行するユニットである。この場合には上記（３）の計算式にしたがって参照信号１１０が用いられる。その参照信号１１０の周波数特性はＦ（ω）によって表されており、それは参照信号発生器１８にて生成される。パルス圧縮処理を経た受信信号１０８は図においてｙ（ｋ）によって表されており、それはエコー処理部２２に入力される。エコー処理部２２は例えば対数圧縮処理などを実行し、それらの処理を経た受信信号が画像処理部２４へ出力される。
【００２７】
画像処理部２４は例えばデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）などによって構成され、その画像処理部２４内に設けられているフレームメモリ上にはＢモード画像の画像データが格納される。そのデータは読み出され表示器２６で表示される。
【００２８】
制御部８は装置内に含まれる各構成の動作制御を行っており、特に送信信号発生器１４に対して送信信号の選択指令を与えている。例えば超音波探触子１０が交換されたような場合には各超音波探触子が有する超音波振動子の周波数特性に応じて適切な送信信号が選択される。
【００２９】
図１に示す超音波診断装置においては、コード送信を行うに当たり、送信信号について事前に超音波探触子の周波数特性をキャンセルする補正が施されているため、パルス圧縮処理部２０に入力される受信信号１０６について、超音波探触子１０の影響による周波数特性成分を除外することが可能となる。よって、コード送信に対応したパルス圧縮処理を適正に行うことができ、分解能及び感度を向上させることが可能となる。
【００３０】
図２及び図３には、超音波探触子１０すなわち超音波振動子の周波数特性を測定する原理が示されている。このような測定は超音波診断装置の設計時に行われるものである。なお、各図において図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。また、測定と直接関係のない構成については各図において図示省略されている。
【００３１】
図２に示す構成では、水槽３０が用いられる。その水槽３０内には水３２が入れられている。その水３２の周波数特性がＡ（ω）で表されている。水槽３０内にはハイドロフォンによって構成される受波器３４が固定配置されている。一方、超音波探触子１０はその送受波面が水３２内に臨むように設けられる。
【００３２】
送信信号発生器１４にて補正前の送信信号１００が出力される。その周波数特性がＳ（ω）によって表されている。その送信信号１００は、いわゆる設計通りの理想送信信号である。その送信信号１００が送信回路１２に入力され、送信回路１２から増幅された送信信号１０２が出力される。その送信信号が超音波探触子１０に供給されると、そこに内蔵されている超音波振動子にて超音波が発生する。その超音波が図２において符号２００で示されている。送波された超音波２００は受波器３４によって受波され、その受波による計測信号が周波数解析装置３６へ出力される。周波数解析装置３６は例えばＦＦＴアナライザなどによって構成され、ここで受波器３４によって受波した超音波の周波数特性がＷ（ω）として表されている。
【００３３】
このように得られた周波数特性Ｗ（ω）は以下の（４）式のように表される。
【００３４】
Ｗ（ω）＝Ｓ（ω）Ｔ（ω）Ｄ（ω）Ａ（ω）          ・・・（４）
ここで、Ｔ（ω）＝１とし、また水中においてはＡ（ω）＝１であるとみなすと、以下の（５）式が導かれる。
【００３５】
Ｗ（ω）＝Ｓ（ω）Ｄ（ω）                          ・・・（５）
このように、Ｗ（ω）及びＳ（ω）によって、超音波振動子の周波数特性Ｄ（ω）を推定することができ、すなわち以下の計算式を導くことができる。
【００３６】
Ｄ（ω）＝Ｗ（ω）／Ｓ（ω）                        ・・・（６）
すなわち、図２に示される測定方法により、上記のように超音波振動子の周波数特性Ｄ（ω）を推定することができる。
【００３７】
ここで、超音波振動子の周波数特性が送信及び受信で同一であるとみなすと、補正後の送信信号Ｓ（ω）は以下の（７）式のように表される。
【００３８】
Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛Ｄ（ω）｝2                   ・・・（７）
つまり、上記（７）式を満たすように理想送信信号の周波数特性を補正すれば、超音波振動子の影響が除去、軽減された状態でパルス圧縮を行うことが可能となる。
【００３９】
ちなみに、Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）として上記の（２）式を書き直すと、以下のようになる。
【００４０】
Ｘ（ω）＝Ｓ’（ω）Ｄ（ω）Ａ（ω）Ｄ（ω）          ・・・（８）
さらに、上記の（８）式に（７）式を代入すると、以下のようになる。
【００４１】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ａ（ω）                            ・・・（９）
つまり、超音波振動子の周波数特性の影響を受けない受信信号を図１に示したパルス圧縮処理部２０へ供給することができる。
【００４２】
図３には、超音波振動子の周波数特性の決定を行うための他の方法が示されている。
【００４３】
図３に示す例では、生体組織と等価なファントム４０が用いられている。その周波数特性がＢ（ω）によって表されている。そのファントム４０の表面上に超音波探触子１０の送受波面が当接される。図３に示す構成において、送信信号発生器１４にて補正前の送信信号１００が生成される。これによって超音波探触子１０から超音波が放射される。ファントム４０からの反射波は超音波探触子１０にて受波され、これにより受信信号１０４が受信回路１６に入力される。さらに受信回路１６から出力される受信信号は周波数解析装置３６へ出力され、上記同様に受信信号に対して周波数解析がなされる。ここで、受信回路１６の出力信号（図１におけるパルス圧縮処理部２０の入力信号に相当する信号）の周波数特性Ｘ（ω）は、以下の（１０）式のように表される。
【００４４】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ｔ（ω）Ｄ（ω）Ｂ（ω）Ｄ（ω）Ｒ（ω）
・・・（１０）
ここで、Ｔ（ω）＝１及びＲ（ω）＝１とすれば、以下の（１１）式のようになる。
【００４５】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ｄ（ω）Ｂ（ω）Ｄ（ω）          ・・・（１１）
超音波振動子の周波数特性は以上から以下の（１２）式のように表される。
【００４６】
｛Ｄ（ω）｝2 ＝Ｘ（ω）／｛Ｓ（ω）Ｂ（ω）｝      ・・・（１２）
上記においては、ファントムの周波数特性Ｂ（ω）は既知であるので、上記により超音波振動子の周波数特性を特定することができる。
【００４７】
そこで、超音波振動子の周波数特性Ｄ（ω）を見込んだすなわち補正後の送信信号Ｓ’（ω）が以下のように表される。
【００４８】
Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛Ｄ（ω）｝2                ・・・（１３）
つまり、コード送信される送信信号に対して超音波振動子の周波数特性をキャンセルするような補正を施すことができる。
【００４９】
ちなみに、生体組織に対して送受波を行う場合には、（８）式が成立するので、それに上記の（１３）式を代入すると以下の（１４）式が導かれる。
【００５０】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ａ（ω）                          ・・・（１４）
したがって、パルス圧縮処理部２０に対して超音波振動子の周波数特性の影響を受けない信号を入力させることができる。
【００５１】
なお、この方法は超音波振動子の周波数特性が送信時と受信時とで異なる場合にも適用可能である。ここで、ＤT（ω）を送信時の超音波振動子の周波数特性とし、ＤR（ω）を受信時の超音波振動子の周波数特性とすると、上記の（１０）式は以下の（１５）式のように表される。
【００５２】
Ｘ（ω）＝Ｓ（ω）Ｔ（ω）ＤT（ω）Ｂ（ω）ＤR（ω）Ｒ（ω）・・・（１５）
ここで、超音波振動子の周波数特性が以下のように表され、
ＤT（ω）ＤR（ω）＝Ｘ（ω）／｛Ｓ（ω）Ｂ（ω）｝  ・・・（１６）
これにより、補正された送信信号は以下のように表される。
【００５３】
Ｓ’（ω）＝Ｓ（ω）／｛ＤT（ω）ＤR（ω）｝        ・・・（１７）
一方、超音波振動子の周波数特性が送信時と受信時とで異なる場合には、上記の（２）式は以下のように表される。
【００５４】
Ｘ（ω）＝Ｓ’（ω）ＤT（ω）Ａ（ω）ＤR（ω）      ・・・（１８）
そこで、（１８）式に（１７）式を代入すると、（１４）式を得ることができる。つまり、パルス圧縮処理部に入力される受信信号から超音波振動子の周波数特性の影響を排除することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス圧縮処理で対象となる受信信号の周波数特性をパルス圧縮処理に適合することができる。
【図面の簡単な説明】
【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】  超音波診断装置の周波数特性を測定するための構成を示す図である。
【図３】  超音波振動子の周波数特性を測定するための他の構成を示す図である。
【符号の説明】
８  制御部、１０  超音波探触子、１２  送信回路、１４  送信信号発生器、１６  受信回路、１８  参照信号発生器、２０  パルス圧縮処理部、２２  エコー処理部、２４  画像処理部、２６  表示器。
【図１】
0004048077.tif 000003
【図２】
0004048077.tif 000004
【図３】
0004048077.tif 000005