JP2003325506A - 超音波診断装置及び送信信号設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波診断装置において、コード送信及びパ
ルス圧縮の技術を適用する場合に、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
響を除外するようにする。 【解決手段】 送信信号発生器１４にて送信信号が生成
される。この送信信号１００は超音波振動子の周波数特
性Ｄ（ω）をキャンセルするように事前に補正がなされ
たものである。パルス圧縮処理部２０には超音波振動子
の周波数特性の影響が除外された受信信号１０６が入力
されることになるので、パルス圧縮処理を適正に行うこ
とができ、感度を向上させることができる。

Description

【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】 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３１２９１４
２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Ｄ_T（ω）とし、前記超音波探触子の受信
時の周波数特性をＤ_R（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）／｛Ｄ_T（ω）Ｄ_R（ω）｝の
関係が満たされる。ここで、簡便にはＤ_T（ω）＝Ｄ
_R（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）／｛Ｄ_T（ω）Ｄ
_R（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１
８にて生成される。パルス圧縮処理を経た受信信号１０
８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１
０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３
０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、Ｄ（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）Ｔ（ω）Ｄ（ω）Ａ（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回路は周波数解析装置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、送波された超音波の周波数特性がＸ
（ω）として表される。すなわち、その周波数特性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、Ｄ（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（１
３）式を代入すると以下のような（１４）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、上記の各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、Ｄ_T（ω）を送信時の超音波振動子の周
波数特性とし、Ｄ_R（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）Ｄ_T（ω）Ｂ（ω）Ｄ_R（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、 Ｄ_T（ω）Ｄ_R（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）／｛Ｄ_T（ω）Ｄ_R（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）Ｄ_T（ω）Ａ（ω）Ｄ_R（ω） ・・・（１８） そこで、（１８）式に（１７）式を代入すると、（１
４）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、１
４ 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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾形 太 東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号 アロカ 株式会社内 (72)発明者 原田 烈光 東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号 アロカ 株式会社内 Ｆターム(参考） 4C301 EE01 EE06 EE11 HH01 HH02 JB17 JB22 JB34 JB35 4C601 EE01 EE03 EE09 HH04 HH05 JB28 JB34 JB35 JB49 JB51

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   超音波診断装置。
2. 【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Ｄ_T（ω）と
   し、前記超音波探触子の受信時の周波数特性をＤ
   _R（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）／｛Ｄ_T（ω）Ｄ_R（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。
3. 【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）／｛Ｄ_T（ω）Ｄ_R（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。
4. 【請求項４】 請求項１記載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送信信号設計方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載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送信信号設計方法。