(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象に対して超音波信号を送受信する探触子と、
前記探触子から送信される超音波信号を制御する送信制御部と、
前記探触子によって受信された超音波信号を処理する信号処理部とを有し、
前記送信制御部は、ｎを自然数の偶数、ｍを自然数の奇数、ｎとｍの最小公倍数をｎｋ1＝ｍｋ2、ｆを周波数とするとき、ｎｆを中心周波数とする超音波信号からなる第１送信信号と、ｍｆを中心周波数とする超音波信号からなる第２送信信号とを送信するように、前記探触子を制御し、
前記信号処理部は、前記第１送信信号の送信に基づいて受信した超音波信号をｋ1乗してｎｋ1ｆを中心周波数とする第１エコー信号を得る処理と、前記第２送信信号の送信に基づいて受信した超音波信号をｋ2乗してｍｋ2ｆを中心周波数とする第２エコー信号を得る処理と、前記第１エコー信号と第２エコー信号との間で位相敏感検波を行った結果から符号付のエコー信号を求める処理を行うことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波撮像装置において、ｎとｍの差が１であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波撮像装置において、ｍは１、ｎは２であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波撮像装置において、前記第１送信信号及び第２送信信号はそれぞれガウス関数的な周波数スペクトルをもち、比帯域幅がほぼ等しいことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波撮像装置において、前記第１送信信号及び第２送信信号は、伝播するにしたがって、周波数比例性減衰によって中心周波数が移動しても、その中心周波数の比が一定に保たれることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項６】
請求項１に記載の超音波撮像装置において、前記第１送信信号と第２送信信号の周波数帯域が重なっていることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波撮像装置において、前記第１送信信号及び第２送信信号の中心周波数が１対２であって、前記第１送信信号及び第２送信信号の比帯域幅がｄｆ／ｆ0の時に、帯域の重なりが(3/2)ｄｆ−ｆ0程度であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項８】
請求項６に記載の超音波撮像装置において、前記第１送信信号及び第２送信信号の中心周波数が２対３であって、前記第１送信信号及び第２送信信号の比帯域幅がｄｆ／ｆ0の時に、帯域の重なりが(5/2)ｄｆ−ｆ0程度であることを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項９】
請求項１に記載の超音波撮像装置において、エコー信号の伝播方向への位相変化から、検査対象の音響インピーダンスの空間変化に起因する受信波形の位相のずれと、それ以外の要因に起因する受信波形の位相ずれを区別して検出する手段を有することを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の超音波撮像装置において、被検体の音響インピーダンス、音響インピーダンスの空間変化（符号つきエコー）、又は前記音響インピーダンスの空間変化に起因する位相情報を表示する手段を有することを特徴とする超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて検査対象のエコー像を撮像する超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療画像診断に用いられる超音波撮像装置は、超音波パルスエコー法を用いて、生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流像等を実質的にリアルタイムでモニタに表示して観察でき、また、放射線を用いる画像診断装置のような放射線被爆を検査対象に与えないことから安全性も高いとされ、更に小型で安価なことも加わり、広く医療の分野で用いられている。
【０００３】
従来の超音波撮像装置の撮像動作は、以下のように説明される。超音波撮像装置においては、圧電体をアレイ化した超音波探触子から超音波パルスを検査対象に送波する。アレイ送受信器の各素子から超音波パルスを送波するタイミングを調整することで、送信超音波の指向性を制御する。送信された超音波パルスが、検査対象中で反射され、アレイの各素子に受波されたエコー信号については、受信焦点の位置と各素子位置の距離の差に応じた時間だけずらして加算することで、受信焦点からの信号を増強する。この受信焦点を検査対象中全域に渡り走査することで、断層像が得られる。従来、このような超音波パルスエコー撮像装置では、検査対象中、音響インピーダンスが変化する界面により反射されて生ずるエコーを受信し、その受信信号を包絡線検波して得られた信号振幅に従って、モニタ上に表示される画素の輝度を変調することで、断層像を画像化してきた。
【０００４】
一方、音響インピーダンスが変化する界面により反射されて生ずるエコーの位相に着目すると、音響インピーダンスが増加する界面では送信パルスと同じ位相をもつエコーが生じ、音響インピーダンスが減少する界面では送信パルスと逆の位相をもつエコーが生ずる。すなわち、エコーは、界面における音響インピーダンスの増減に対応した符号をもつ。
【０００５】
このエコーの符号を検出して画像化する従来技術が、特許文献１に記載されている。この従来技術の方法は、図１（ｂ）に示した波形図を参照して、以下のように説明される。基本波周波数ｆ0を中心周波数とする超音波パルスに第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを重畳した超音波パルスを送波し、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信する。図中には、それぞれ音響インピーダンスが増加する界面と減少する界面により生じたエコー波を並べて示した。次に、この受信エコー波を帯域濾波して、それぞれ第２高調波周波数２ｆ0と基本波周波数ｆ0を中心周波数とするエコー信号に分離する。さらに、基本波周波エコー信号を２乗して、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする参照エコー信号を得る。この参照エコー信号は、エコー信号を２乗して得たものなので、エコーの符号によらず、一定の符号をもつ。この参照エコー信号の位相を基準にして、同じ第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする第２高調波エコー信号を位相敏感検波することにより、エコーの符号を検出する。
【０００６】
実際の超音波エコー法においては、音響インピーダンスの界面での位相変化以外にも、音響インピーダンスの変化が無い媒質中の伝播によって生じる位相変化がある。前記の参照エコーの位相を基準とする必要があるのは、このためである。伝播に伴って発生する位相変化は以下のように説明される。生体減衰は周波数が高くなるほど大きくなるので、より長い距離を伝播して来た生体深部からの反射信号ほど、高周波成分が失われる。このため、反射信号の中心周波数はエコーの反射してくる深さによって低周波数側へ変化してしまう。中心周波数が変化しているにも係わらず、一定の周波数を仮定して信号処理を行うと、見かけ上、位相回転を受けたことになる。このままでは硬さの変化に起因する位相回転なのか、中心周波数移動に起因するものか区別する事が出来ない。もし生体が完全に均質な媒体であれば、中心周波数の移動は補正が可能であるが、実際には音速も減衰係数も場所によって異なるため、これを補正するのは容易ではない。特許文献１においては、前記の参照エコーの位相を基準とすることで、この二つの位相回転を区別し、硬さの変化に起因する位相回転を抽出している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１１３３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記の従来技術の方法では、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とするエコー信号と基本波周波数ｆ0を中心周波数とするエコー信号とを分離するために帯域濾波フィルタを用いているので、帯域濾波後の両エコー信号が時間軸方向に長くなってしまう。その結果、得られる符号付エコー信号も時間軸方向に長くなってしまって、符号付エコー像の距離分解能が、包絡線検波によるエコー像に比べて低下してしまう。従って、この従来方法をそのまま用いたのでは、血管内皮に薄く形成されるプラークなどを描出する符号付エコー像を得るのが困難であった。
【０００９】
本発明は、この従来技術の難点を鑑みてなされたものであり、包絡線検波によるエコー像に比べて距離分解能の低下が少ない符号付エコー像を生成することのできる超音波撮像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】
【００１０】
本発明では、ｎを自然数の偶数、ｍを自然数の奇数、ｎとｍの最小公倍数をｎｋ1＝ｍｋ2、ｆを周波数とするとき、ｎｆを中心周波数とする超音波信号からなる第１送信信号と、ｍｆを中心周波数とする超音波信号からなる第２送信信号とを送信するように探触子を制御し、第１送信信号の送信に基づいて受信した超音波信号をｋ1乗してｎｋ1ｆを中心周波数とする第１エコー信号を得、また第２送信信号の送信に基づいて受信した超音波信号をｋ2乗してｍｋ2ｆを中心周波数とする第２エコー信号を得る。そして、第１エコー信号と第２エコー信号との間で位相敏感検波を行った結果から符号付のエコー信号を求める。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波送受信器の帯域幅をフルに使った超音波パルスを用い、それによって可能となる優れた距離分解能を損なうことなく、撮像対象の音響インピーダンスを反映した符号付きエコー像を生成することができ、このような符号付きエコー像生成を可能とする超音波撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の撮像方法を、図１（ａ）の波形図を参照して説明する。まず、基本波周波数ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信する。また、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、同じく、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信する。すなわち、基本波エコー信号と第２高調波エコー信号とを、それぞれ独立した合計２回の送受信シークエンスによって得る。
【００１３】
以下、基本波周波エコー信号を２乗して、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする参照エコー信号を得て、この位相を基準に、同じ第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする第２高調波エコー信号を位相敏感検波することによってエコーの符号を検出する。
【００１４】
本発明の撮像方法は、エコー信号を時間軸方向に長くする帯域濾波フィルタを用いないので、距離分解能の低下を招くことなく、符号付エコー像を生成することができる。この点を、図２に示す超音波スペクトルを参照し、周波数ドメインにおいて説明する。この例では、超音波送受信器は周波数０から４ｆ0までの帯域をもつものと仮定する。図２（ａ）は本発明の２回送受信法、図２（ｂ）は重畳法（基本波と第二高調波を重畳して送受波）、図２（ｃ）は従来の帯域濾波法の超音波スペクトルを示している。
【００１５】
本発明の２回送受信法では、図２（ａ）に示したように、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とするパルスとして、破線でプロットしたような、超音波送受信器の帯域幅４ｆ0をフルに使った超音波パルスを用い、基本波周波数ｆ0を中心周波数とするパルスとして、実線でプロットしたような、その半分の帯域幅２ｆ0をもつ超音波パルスを用いることができる。ところが、重畳波から帯域濾波によって両者を分離しようとすると、図２（ｃ）に示したように、その帯域幅は、高々ｆ0にとどまってしまう。すなわち、本発明の撮像方法によれば、特許文献１に記載されている従来技術にくらべ、撮像に必要な送受信回数が２倍となり、撮像速度が半分になってしまうものの、２−４倍優れた距離分解能が実現可能である。
【００１６】
さらに、本発明の撮像方法は、以下のように一般化することができる。ｎ1を正の奇数、ｎ2を正の偶数とするとき、周波数ｎ1ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信し、また、周波数ｎ2ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、同じく、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信する。ｎ1とｎ2の最小公倍数をｎ1ｍ2＝ｎ2ｍ1とすると、ｍ1は奇数、ｍ2は偶数である。周波数ｎ1ｆ0を中心周波数とする受信エコー信号をｍ2乗し、また、周波数ｎ2ｆ0を中心周波数とする受信エコー信号をｍ1乗すると、ともに周波数ｎ1ｍ2ｆ0＝ｎ2ｍ1ｆ0を中心周波数とする信号を得ることができるので、両信号の間で位相敏感検波を行うことができるようになる。エコー信号を偶数であるｍ2乗して得た信号は、エコーの符号によらず、正の符号をもつのに対し、エコー信号を奇数ｍ1乗して得た信号は、元のエコーの符号を継承しているため、両信号の間で位相敏感検波を行った結果は元のエコーの符号を継承しており、こうして受信エコー信号の符号を検出することができる。
【００１７】
最も典型的な中心周波数の選択は、ｎを自然数とするとき、送波超音波パルスの中心周波数として周波数ｎｆ0と（ｎ＋１）ｆ0を選ぶ方法である。すなわち、周波数ｎｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信し、また、周波数（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、同じく、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信する。次に、周波数ｎｆ0を中心周波数とする受信エコー信号を（ｎ＋１）乗し、また、周波数（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とする受信エコー信号をｎ乗することにより、ともに周波数ｎ（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とする信号を得ることができる。ｎ及び（ｎ＋１）のどちらか一方は偶数で他方は奇数であるので、上記と同様に、得られた両信号の間で位相敏感検波を行うことにより受信エコー信号の符号を検出することができる。このように、送波パルスの中心周波数を選択すると、両受信エコー信号の超音波周波数帯域が重なる程度を大きくすることができるので、検査対象の散乱体エコーとして両信号の類似度が高くなり、散乱体をより忠実に反映した符号付きエコー信号を得ることができる。
【００１８】
図３及び図４は、ｎ＝２の場合について、図１及び図２と同様、本発明の撮像方法を従来の帯域濾波による方法と対比して示したものである。図３（ａ）が本発明の撮像方法を示す波形図、図３（ｂ）が帯域濾波による方法を示す波形図である。周波数２ｆ0を中心周波数とする受信エコー信号を３乗することにより得られた周波数６ｆ0を中心周波数とする信号は、元のエコーの符号を継承している。一方、周波数３ｆ0を中心周波数とする受信エコー信号を２乗することにより得られた周波数６ｆ0を中心周波数とする信号は、エコーの符号によらず、一定の符号をもつので参照信号として用いることができる。ともに周波数６ｆ0を中心周波数とする後者の位相を基準にして前者を位相敏感検波すれば、符号付きエコー信号を得ることができる。
【００１９】
エコー信号を時間軸方向に長くする帯域濾波フィルタを用いない本発明の撮像方法の特長は、図３の場合、図１の場合よりもさらに強く現れている。この点を、図４に示す超音波スペクトルを参照し、周波数ドメインにおいて説明する。この例では、超音波送受信器は周波数０から６ｆ0までの帯域をもつものと仮定する。図４（ａ）は本発明の２回送受信法、図４（ｂ）は重畳法（基本波と第二高調波を重畳して送受波）、図４（ｃ）は従来の帯域濾波法の超音波スペクトルを示している。
【００２０】
本発明の２回送受信法では、図４（ａ）に示したように、周波数３ｆ0を中心周波数とするパルスとして、破線でプロットしたような、超音波送受信器の帯域幅６ｆ0をフルに使った超音波パルスを用い、周波数２ｆ0を中心周波数とするパルスとして、実線でプロットしたような、帯域幅４ｆ0をもつ超音波パルスを用いることができる。ところが、重畳波から帯域濾波によって両者を分離しようとすると、図４（ｃ）に示したように、その帯域幅は、高々ｆ0にとどまってしまう。すなわち、本発明の撮像方法によれば、帯域濾波を用いる方法にくらべ、４−６倍優れた距離分解能が実現可能である。
【００２１】
すなわち、上記ｎが２以上の場合、帯域濾波を用いる方法は、本発明の２回送受信法と比較して実用性が著しく劣り、本発明の方法が、実質上唯一の選択肢であるということができる。
【００２２】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００２３】
［実施例１］
図５は、本発明の実施例１において符号付きエコー像を生成する超音波撮像装置の構成例を示す図である。本実施例では、図１（ａ）に示したように、まず、基本波周波数ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信し、また、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、同じく、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信し、両受信エコー信号をもとに検査対象の符号付きエコー信号を生成する。
【００２４】
超音波探触子１は、検査対象（図示してない）に対し、超音波パルスを送波し、検査対象からの超音波エコーを受波する。シーケンス制御部９の制御下にある送波ビームフォーマ３により、送波パルスに指向性が与えられ、また、２種類の送信波形が使い分けられる。送波パルスは、同じくシーケンス制御部９の制御下にある送受切り替えＳＷ（スイッチ）群２を介して超音波探触子１に送られ、超音波として送波される。検査対象中で反射もしくは散乱されて超音波探触子１に戻った超音波エコーは、超音波探触子１によって電気信号に変換され、再び送受切り替えスイッチ群２を介して受波ビームフォーマ１０に送られる。受波ビームフォーマ１０は、シーケンス制御部９の制御下で、送波タイミングを基準とした受波タイミングに応じて遅延時間を調整するダイナミックフォーカスを行う。
【００２５】
基本波周波数ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波した直後に受信されたエコー信号は受波メモリ２１に、第２高調波周波数２ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波した直後に受信されたエコー信号は受波メモリ２２に、それぞれ一旦記録される。メモリ２１及びメモリ２２から読み出されたエコー信号は、それぞれ位相回転補正部３１及び位相回転補正部３２に送られ、超音波探触子１・送受切り替えＳＷ群２・送波ビームフォーマ３・受波ビームフォーマ１０等により生ずるエコー信号の位相回転が補正される。これらの装置のハードウエアによる位相回転は、工場出荷前に、音響インピーダンスや周波数依存減衰など、あらかじめ位相回転の分かっているサンプルからのエコー信号を受信してキャリブレーションすることで補正することが出来る。
【００２６】
位相回転補正部３１から出力された基本波エコー信号は、２乗演算部４０に入力され、２乗されて２ｆ0を中心周波数とする参照エコー信号として出力される。位相回転補正部３１から出力されたｆ0を中心周波数とする基本波エコー信号を、sinとcosの直交関数表示で
Ｃ1(ｔ)cos(ω0ｔ)＋Ｓ1(ｔ)sin(ω0ｔ)
と表すとき、演算部４０における２乗演算は、加法定理に従って、Ｃ12(ｔ)＝Ｃ12−Ｓ12とＳ12(ｔ)＝２Ｃ1Ｓ1とを出力することに相当する。ここで、ｔは時間、Ｃ1(ｔ)とＳ1(ｔ)は実数振幅を表し、ω0＝２πｆ0である。この出力信号と、位相回転補正部３２から出力された第２高調波エコー信号は、位相敏感検波部５へ入力される。これらの入力信号は中心周波数が揃えられているので、両者の間で位相敏感検波が可能であり、検波部５では、２乗演算部４０の出力を参照信号として、位相回転補正部３２の出力信号が位相敏感検波されて、出力される。位相回転補正部３２から出力された第２高調波エコー信号を
Ｃ2(ｔ)cos(２ω0ｔ)＋Ｓ2(ｔ)sin(２ω0ｔ)
と表すとき、位相敏感検波部５における演算は、Ｃ012(ｔ)＝Ｃ2Ｃ12＋Ｓ2Ｓ12とＳ012(ｔ)＝Ｃ12Ｓ2−Ｃ2Ｓ12とを求めることに相当する。図１（ａ）最下段のグラフは、こうして得られたＣ012(ｔ)の振幅を圧縮し、模式的に示したものである。
【００２７】
位相敏感検波部５の出力信号は、符号付きエコー算出部６に入力され、振幅が圧縮され、従来公知である図示しないフィルタ処理がなされた後に出力される。符号付きエコー算出部６の信号は、スキャンコンバータ７を経て表示部８に画像として表示される。この表示部８では、包絡線検波により得られる従来のＢモード像、上記位相敏感検波により得られる符号付きエコー像の何れか一方、もしくは両方を並列又は重畳して表示可能なように構成される。符号付きエコー像は、音響インピーダンスの空間微分に相当するので、これを音の伝播方向に積分することで、音響インピーダンスに比例する信号が得られる。表示部においては、符号付エコー像以外にも、音響インピーダンス画像を表示することができる。
【００２８】
符号付エコーや、音響インピーダンスの表示に関しては、従来のグレースケールによる表示以外にも、カラー表示することで視認性を向上することが出来る。例えば符号付エコーの場合には、エコーの振幅が小さいときには、緑色、正に大きい場合には青、負に大きい場合には赤に変わるようなカラーマップを用いた表示法などが考えられる。また、音響インピーダンスの場合には、平均的な硬さのところに対してより硬いところは赤、柔らかいところは青などのように硬さをカラーで表示する方法などが考えられる。本発明においては、位相補正された複素受波信号から、任意の位相成分を表示することもできる。強力収束超音波やＲＦ波を用いた加熱凝固治療のモニタリングなど、音響インピーダンスの時間的な変化をモニタリングする用途においても、本発明の符号付エコー像の表示や、音響インピーダンスの表示、符号付エコーの時間変化成分の表示や、音響インピーダンスの時間変化成分の表示は有効な方法である。
【００２９】
図９に本発明の表示例を示す。例えば左上に従来のBモード像を表示し、右上に本発明による符号付エコー像を表示する。本発明を加熱凝固治療のモニタに使う場合、図９の下半分に表示してあるような、着目部位５５におけるエコー信号の位相の平均値の時間変化を表示することで、精度良く治療を制御することが可能となる。
【００３０】
次に、空間分解能と帯域幅に関して説明を行う。包絡線がガウシアンの場合のパルスの時間軸パルス幅と周波数空間での帯域幅は以下のようになる。
【００３１】
時間軸上でのパルスの包絡線がexp(−αｔ2)の場合、このフーリエ変換は、
√(π／α)exp(−π(√(π／α)ｆ)2)
となる。いずれも半値幅で評価すると、パルスの半値幅は、２√(ln２／α)、周波数空間での帯域の半値幅は、２√(αln２)／πである。時間軸のパルス幅をΔｔ、周波数空間での帯域の半値幅をΔｆと表記すると、Δｆ＝４ln２／(πΔｔ)となり、空間分解能（音速掛ける時間軸のパルス幅）と周波数空間の帯域幅は反比例することがわかる。実際には、ガウシアンは時間軸上で無限遠まで行っても０にならないため、有限の時間幅で打ち切る必要があり、厳密なガウシアンとはならないため、周波数空間での帯域幅と空間分解能の間の関係式は、厳密に前式と同じとならない場合もあるが、ほぼ前式に従って、帯域幅と空間分解能を結びつけることが出来る。例えば、２ＭＨｚの中心周波数で２サイクルになるパルス波形を用いる場合、時間軸のパルス幅Δｔは、１／２ＭＨｚ×２＝１×１０-6秒となるので、前式よりΔｆ＝０．８８ＭＨｚとなる。このとき比帯域幅は４４％となる。
【００３２】
次に、二つの送信信号での帯域の重なりの限界について説明する。ｆ0と２ｆ0二つの周波数帯域の重なり方の規定方法として、スペクトルの重なり積分を用いるなど、多様な方法がありうるが、ここでは、簡単のため、二つの周波数帯域の重なっている部分の帯域幅を、二つの周波数帯域の重なりの程度を示す指標とする。図２に示すｆ0と２ｆ0を用いる場合、比帯域幅（帯域幅／中心周波数）をｄｆ/ｆ0と一定にすると、中心周波数ｆ0の帯域はｆ0−ｄｆ/2からｆ0＋ｄｆ/2となり、中心周波数２ｆ0の帯域は２ｆ0−ｄｆから２ｆ0＋ｄｆとなる。この場合、ｄｆ＜(2/3)ｆ0のときは、帯域の重なりは存在せず、(2/3)ｆ0＜ｄｆ＜２ｆ0においては、帯域の重なりは(3/2)ｄｆ−ｆ0となり、ｄｆ＞２ｆ0においては、中心周波数ｆ0の帯域は、全て２ｆ0の帯域の中に含まれる。
【００３３】
次に図４に示す、中心周波数が２ｆ0と３ｆ0の場合について、帯域の重なりを計算する。中心周波数２ｆ0の帯域は２ｆ0−ｄｆから２ｆ0＋ｄｆとなり、中心周波数３ｆ0の帯域は３ｆ0−(3/2)ｄｆから３ｆ0＋(3/2)ｄｆとなる。この場合、ｄｆ＜(2/5)ｆ0のときは、帯域の重なりは存在せず、(2/5)ｆ0＜ｄｆ＜２ｆ0においては、帯域の重なりは(5/2)ｄｆ−ｆ0となり、ｄｆ＞２ｆ0においては、中心周波数ｆ0の帯域は、全て２ｆ0の帯域の中に含まれる。現状の超音波探触子において、比帯域幅２００％は実現が難しいので、(3/2)ｄｆ−ｆ0（ｆ0と２ｆ0の場合）もしくは(5/2)ｄｆ−ｆ0（２ｆ0と３ｆ0の場合）が現実的な帯域の重なり幅である。
【００３４】
図８は、図２に対して、探触子の比帯域幅を重ねて表示した場合の図であり、縦軸のレンジを入れていないが、以下０から−６ｄＢの場合を例とする。（勿論、０から−２０ｄＢでも−４０ｄＢでも以下の議論は同等である）本発明の２回送受信法においては、図８（ａ）に示すように、二つの周波数帯域と探触子の帯域の重なり積分は探触子の帯域のほぼすべてを覆うことになる。一方、従来の帯域濾波法では、図８（ｂ）に示すように、二つの送信信号いずれとも探触子の帯域と重なり積分をとっても、探触子の帯域幅５０を使いきることが出来ない。そのため、図８（ａ）と図８（ｂ）を比べると、有効帯域幅内でのエネルギーの利用効率の点においても、本発明のように二つの周波数で帯域を重ねる方が優れている。この結果、感度の点においても優れている。
【００３５】
［実施例２］
図６は、本発明の実施例２において符号付きエコー像を生成する超音波撮像装置の構成例を示す図である。実施例１が、図１（ａ）に示した方法によって符号付きエコー像を生成する装置の構成例であるのに対し、本実施例は、図３（ａ）に示した方法によって符号付きエコー像を生成する装置の構成例である。すなわち、本実施例と実施例１の違いは、送受信する超音波パルスの中心周波数の組み合わせの違いとそれに伴う信号処理の違いにある。本実施例では、図３（ａ）に示したように、まず、周波数ｎｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信し、また、周波数（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波して、同じく、検査対象中の音響インピーダンス界面により反射されて生ずるエコー波を受信し、両受信エコー信号をもとに検査対象の符号付きエコー信号を生成する。
【００３６】
周波数ｎｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波した直後に受信されたエコー信号は受波メモリ２１に、周波数（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とする超音波パルスを送波した直後に受信されたエコー信号は受波メモリ２２に、それぞれ一旦記録される。メモリ２１及びメモリ２２から読み出されたエコー信号は、それぞれ位相回転補正部３１及び位相回転補正部３２に送られ、超音波探触子１・送受切り替えＳＷ群２・送波ビームフォーマ３・受波ビームフォーマ１０等により生ずるエコー信号の位相回転が補正される。
【００３７】
補正部３１から出力された周波数ｎｆ0を中心周波数とするエコー信号は、（ｎ＋１）乗演算部４１に入力され、ここで（ｎ＋１）乗されることによってｎ（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とするエコー信号として出力される。一方、補正部３２から出力された基本波エコー信号は、ｎ乗演算部４１に入力され、ここでｎ乗されることによって、やはりｎ（ｎ＋１）ｆ0を中心周波数とするエコー信号として出力される。これらの出力信号は、ともに位相敏感検波部５に入力されるが、中心周波数が揃えられているので、両者の間で位相敏感検波が可能である。
【００３８】
ｎ＝２の場合について、式を用いて具体的に示すと以下のようになる。補正部３１から出力された２ｆ0を中心周波数とするエコー信号を、sinとcosの直交関数表示で
Ｃ2(ｔ)cos(２ω0ｔ)＋Ｓ2(ｔ)sin(２ω0ｔ) 
と表すとき、演算部４１における３乗演算は、加法定理に従って、Ｃ23(ｔ)＝４Ｃ23−３Ｃ2とＳ23(ｔ)＝３Ｓ2−４Ｓ23とを出力することに相当する。また、補正部３２から出力された３ｆ0を中心周波数とするエコー信号を
Ｃ3(ｔ)cos(３ω0ｔ)＋Ｓ3(ｔ)sin(３ω0ｔ)
と表すとき、演算部４２における２乗演算は、加法定理に従って、Ｃ32(ｔ)＝Ｃ32−Ｓ32とＳ32(ｔ)＝２Ｃ3Ｓ3とを出力することに相当する。ここで、Ｃ2(ｔ)、Ｓ2(ｔ)、Ｃ3(ｔ)、Ｓ3(ｔ)は実数振幅を表す。
【００３９】
演算部４１及び４２の出力信号は、ともに同じ周波数６ｆ0を中心周波数としているので、両者の間で位相敏感検波が可能である。ｎが偶数の時、演算部４１の出力信号は、受信エコー信号を奇数乗することにより得られたものなので、元のエコーの符号を継承している。一方、演算部４２の出力信号は、受信エコー信号を偶数乗することにより得られたものなので、エコーの符号によらず、一定の符号をもっているために、参照信号として用いることができる。従って、位相敏感検波部５において、Ｃ023(ｔ)＝Ｃ32Ｃ23＋Ｓ32Ｓ23とＳ023(ｔ)＝Ｃ32Ｓ23−Ｃ23Ｓ32とを演算することにより、符号付きエコー信号を求めることができる。図３（ａ）最下段のグラフは、こうして得られたＣ023(ｔ)の振幅を圧縮し、模式的に示したものである。
【００４０】
次に、送信パルス波の波形と帯域幅に関する配慮について述べる。生体中を伝播する超音波は、およそ超音波周波数に比例して、減衰する。その結果、超音波パルスの中心周波数は、伝播距離とともに低周波側へシフトしてゆく。このため、エコー信号について、良好な信号対雑音比いわゆるＳＮ比を保ちながら、それをもとにエコー像を生成するためには、この周波数比例性減衰を考慮に入れた工夫が必要となる。
【００４１】
この問題は、図２（ａ）及び図４（ａ）に実線及び破線でプロットしたようなスペクトルをもつ送信超音波パルスを用いることによって解決できる。これは、ともにガウス関数的なスペクトルをもち、比帯域幅がほぼ等しい送信超音波パルスを用いると、伝播するにしたがって、周波数比例性減衰によって中心周波数が移動しても、その中心周波数の比が一定に保たれるためである。その様子を、図４のスペクトルをもつ送信超音波パルスを用いた場合を例として、図７に示した。これを、式を用いて説明すると、以下のようになる。中心周波数ｆ0に比例する帯域幅をもつガウス関数的な周波数スペクトルは、Ａexp[−(ｆ−ｆ0)2／Ｂｆ0]と表すことができる。周波数ｆに比例する減衰により、距離ｘ伝播後の振幅はexp(−Ｃｘｆ)倍に減ぜられる。ここで、Ａ、Ｂ及びＣは実数である。従って、距離ｘ伝播後のスペクトルは
Ａexp[−(ｆ−ｆ0)2／Ｂｆ0−Ｃｘｆ]
＝Ａexp[−Ｃｘ(１−ＢＣｘ／４)ｆ0]exp{−[ｆ−(１−ＢＣｘ／２)ｆ0]2／Ｂｆ0}
となる。すなわち、距離ｘ伝播後の中心周波数は（１−ＢＣｘ／２）ｆ0にシフトする。送波時の中心周波数が２ｆ0であれば２（１−ＢＣｘ／２）ｆ0に、３ｆ0であれば３（１−ＢＣｘ／２）ｆ0にシフトするので、距離ｘ伝播後においても、中心周波数の比が変わらず、本発明の信号処理によって符号付きエコーを生成することができる。
【００４２】
上記を考慮し、図５及び図６の実施例では、シーケンス制御部９の制御のもと、送波タイミングから受波タイミングまでの経過時間とともに、信号処理において仮定する中心周波数を低周波側へシフトさせるよう制御している。中心周波数の低周波へのシフトにはいくつか方法があるが、例えば次に示す方法によって実現できる。中心周波数ｆcをもつ信号に対して、ｆcに近い参照周波数ｆoを用いて、sin(ｆoｔ)を掛けて周波数ｆo以下を通す低域フィルタを通した信号と、cos(ｆoｔ)を掛けて周波数ｆo以下を通す低域フィルタを通した信号の成分を求めることで、受信信号を、ベースバンドにシフトすることができる。この参照周波数ｆoを距離に応じて徐々に低周波にシフトすることによって、前述の仮定する中心周波数の低周波側へのシフトが実現できる。
【００４３】
なお、ここではｎと（ｎ＋１）という二つの周波数を用いる場合で説明したが、周波数帯域内であれば、例えば５ＭＨｚと８ＭＨｚというような偶数と奇数であれば、５ＭＨｚでの送受信に対して８を掛け、８ＭＨｚでの送受信に対して５を掛けることで、この実施例で説明したのと同様な効果を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の２回送受信法と、従来の帯域濾波による方法とを比較して示した図。
【図２】本発明の２回送受信法と従来の帯域濾波法の超音波スペクトルを比較して示した図。
【図３】本発明の２回送受信法と、従来の帯域濾波による方法とを比較して示した図。
【図４】本発明の２回送受信法と従来の帯域濾波法の超音波スペクトルを比較して示した図。
【図５】本発明による超音波撮像装置の構成例を示す図。
【図６】本発明による超音波撮像装置の構成例を示す図。
【図７】ガウス関数的なスペクトルをもつ超音波パルスのスペクトルが、伝播とともに変化する様子を示した図。
【図８】二つの送信信号の帯域と探触子の帯域幅との関係を示す図。
【図９】本発明の表示部に表示される画像の例を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１…超音波探触子、２…送受切り替えスイッチ郡、３…送波ビームフォーマ、１０…受波ビームフォーマ、２１…受波メモリ、２２…受波メモリ、３１…位相回転補正部、３２…位相回転補正部、４０…２乗演算部、４１…（ｎ＋１）乗演算部、４２…ｎ乗演算部、５…位相敏感検波部、６…符号付きエコー算出部、７…スキャンコンバータ、８…表示部、９…シーケンス制御部、５１…スケールバー、５２…Ｂモード像、５３…符号付エコー像、５４…着目部位におけるエコーの位相の時間変化、５５…操作者が指定する着目部位。
【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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