JP2009279034A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次以上の高調波成分をより高いＳ／Ｎ比で取得し、高分解能の画像を得る。
【解決手段】本発明の超音波診断装置Ｓは、超音波探触子２と、被検体内に超音波探触子２から第１超音波信号を送信するための送信部１２と、超音波探触子２で超音波を受信するための受信部１３と、受信部１３で受信された第２超音波信号に基づいて被検体内の画像を形成する画像処理部１５とを備える超音波診断装置において、受信部１３の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって３次以上の高調波成分を抽出する相関部１４をさらに備え、前記超音波探触子２における受信素子を、圧電セラミックスと高分子とを有してなるコンポジット圧電体から構成し、相関部１４をＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算デバイスから構成する。したがって、微弱な３次以上の高調波成分をより高いＳ／Ｎ比で取得でき、高い鮮鋭性（分解能）を有する画像を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検体内に第１超音波信号を送信し前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号を受信して前記第２超音波信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関し、特に、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に第２超音波信号の高調波成分に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。

この超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。この超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。

また、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波周波数成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Harmonic Imaging）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（signal to noise ratio）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。

このハーモニックイメージング技術には、大別すると、フィルタ法と位相反転法（パルスインバージョン法）との２つの方法がある。前記フィルタ法は、高調波検出フィルタにより基本波成分と高調波成分とを分離し、高調波成分だけを抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。また、前記位相反転法は、同一方向に続けて互いに位相が反転している第１および第２送信信号を送信し、これら第１および第２送信信号に対応する第１および第２受信信号を加算することによって高調波成分を抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。第１および第２受信信号における基本波成分は、位相が反転しているが、高調波の例えば２次高調波成分は、同相となるため、第１および第２受信信号を加算することによってこの２次高調波成分が抽出される（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−０８８０５６号公報 特開２００１−２８６４７２号公報

ところで、生体内での高調波の減衰率は振動数が増大するにつれ、加速度的に大きくなり、実用に耐える信号強度を得られるハーモニックイメージングには、前記のように２次高調波を利用しているのが実状である。

本発明の目的は、生体からの超音波反射信号から、高画質が期待できる３次以上の高調波を高いＳ／Ｎ比で抽出することで、高い鮮鋭性（分解能）を有する画像を得ることができる超音波診断装置を提供することである。

本発明の超音波診断装置は、超音波探触子と、被検体内に前記超音波探触子から第１超音波信号を送信するための送信部と、前記超音波探触子で超音波を受信するための受信部と、前記受信部で受信された、前記第１超音波信号の前記被検体内での反射による第２超音波信号の受信結果に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備える超音波診断装置において、前記超音波探触子における受信素子は、圧電セラミックスと高分子とを有してなるコンポジット圧電体から成り、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算デバイスを用いて、前記第２超音波信号として、前記受信部の出力と、前記被検体の診断部位および診断深度に応じて予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記受信部の出力の中から３次以上の高調波を抽出する相関部をさらに備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記超音波探触子における受信素子が、たとえば送信される第１超音波信号の周波数をｆ０としたときに、ｆ０／１１以上、１１・ｆ０以下の広い受信帯域を有する圧電材料である圧電セラミックスと高分子とを有してなるコンポジット圧電体から成るとともに、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算デバイスから成る相関部で、検出すべき３次以上の高調波の次数および前記被検体の診断部位および診断深度に応じて設定された参照信号を用いて、相関処理を行う。

したがって、より高いＳ／Ｎ比で３次以上の高調波成分を取得することが可能となり、高い鮮鋭性（分解能）を有する画像を得ることができる。

また、本発明の超音波診断装置では、前記相関部は、前記参照信号として、前記診断部位および診断深度から導かれる近似関数を用いて前記相関処理を行うことを特徴とする。

さらにまた、本発明の超音波診断装置は、前記診断部位および診断深度に応じて設定された複数の近似関数を記憶する参照信号記憶部をさらに備え、前記相関部は、前記診断部位および診断深度に応じて前記複数の近似関数から１つの近似関数を選択して前記相関処理を行うことを特徴とする。

この構成によれば、互いに異なる複数の近似関数が前記参照信号として参照信号記憶部に記憶され、相関部が、被検体の診断部位および診断深度に応じてこれら複数の近似関数から１つの近似関数を選択して相関処理を行うので、診断領域全体に亘ってより適切な近似関数が選択され、相関処理が行われる。このため、診断領域全体に亘って、より高いＳ／Ｎ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、本発明の超音波診断装置では、前記第１超音波信号は、周波数が時間経過に伴って変化するチャープ波であることを特徴とする。

この構成によれば、第１超音波信号が自然界に通常存在しないチャープ波であるので、その高調波成分を検出する場合に、ノイズ成分と区別し易い。このため、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。ここで、前記チャープ波の高周波部分の周波数は、高調波成分の周波数と重ならないように設定されることが好ましい。

また、好ましくは、前記参照信号は、その振幅がフォーカルポイント深度に応じて増減されていることを特徴とする。

さらにまた、好ましくは、前記超音波探触子における受信素子は、送信素子と同一であることを特徴とする。

本発明の超音波診断装置は、以上のように、超音波探触子における受信素子を広い受信帯域を有する圧電材料である圧電セラミックスと高分子とを有してなるコンポジット圧電体で構成するとともに、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算デバイスから成り、検出すべき３次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度に応じて設定された参照信号を用いて相関処理を行い、反射波から３次以上の高調波成分を抽出する相関部を設ける。

それゆえ、より高いＳ／Ｎ比で３次以上の高調波成分を取得することが可能となり、高い鮮鋭性（分解能）を有する画像を得ることができる。

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。また、本明細書において、適宜、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は実施形態における超音波診断装置Ｓの外観構成を示す図であり、図２は実施形態における超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。超音波診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この被検体で反射した超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内からの反射波である第２超音波信号に基づいて、被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、相関部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、参照信号記憶部１８とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力や後述の参照信号の各重み付け係数ｇ（ｎ）を微調整する指示を受け付けるものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に第１超音波信号を発生させる回路である。第１超音波信号には、例えば、周波数を時間経過に伴って予め設定された割合で変化させるチャープ波が用いられる。前記変化は、後述の図５のように時間経過に伴って周波数が徐々に高くなるものと、徐々に低くなるものとのいずれであってもよい。

送信部１２は、例えば、制御部１７からの送信信号ｓ（ｔ）に応じて送信ビームを形成する送信ビームフォーマ回路１２２、および、送信ビームフォーマ回路１２２から後述の超音波探触子２の各圧電素子２２を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成回路１２１等を備えて構成される（図４参照）。受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を相関部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。

相関部１４は、後述するようにして、受信部１３の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、受信部１３の出力から第２超音波信号を検出するものである。この参照信号は、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき３次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度から導かれる近似関数である。

参照信号記憶部１８は、例えば、ＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭ等の記憶素子を備えて構成され、被検体における複数の各診断部位および診断深度に対応した近似関数を前記参照信号として記憶するものである。そして、上記相関部１４は、被検体の診断部位および診断深度に応じて、前記参照信号記憶部１８に記憶されている複数の参照信号（近似関数）の中から１つの参照信号を選択して相関処理を行う。前記診断部位および診断深度は、例えば、操作入力部１１から入力される。

タイミング発生部１９は、超音波診断装置本体１の各部の動作タイミングを生成し、動作タイミングの必要な各部へ出力するものである。

画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、相関部１４で相関処理された受信信号に基づいて被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する回路である。画像処理部１５は、例えば、後述の各相関処理部５０−１、５０−２、５０−３、・・・、５０−ｎからの各出力ｙ−１、ｙ−２、ｙ−３、・・・、ｙ−ｎに対し遅延時間を補正する遅延補正部１５１、および、遅延補正部１５１の出力を整相加算する整相加算部１５２等を備えて構成される（図４参照）。

表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。

制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、相関部１４、参照信号記憶部１８、画像処理部１５および表示部１６を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

図３は、超音波探触子（超音波プローブ）２の構造を示す図である。超音波探触子２は、被検体内に第１超音波信号を送信し、この第１超音波信号に対する被検体内からの反射波である第２超音波信号を受信する装置であって、例えば、図３（Ａ）に示すように、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の圧電素子２２を備えて構成されている。すなわち、複数の圧電素子２２は、被検体内へ第１超音波信号を送信する場合では、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信の電気信号を圧電現象を利用することによって第１超音波信号に変換して被検体内にこの第１超音波信号を送信し、そして、被検体内からの第２超音波信号を受信する場合では、圧電現象を利用することによってこの受信した第２超音波信号を電気信号に変換して受信信号をケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体に当てられることによって、圧電素子２２で生成された第１超音波信号が被検体内へ送信され、被検体内からの第２超音波信号が圧電素子２２で受信される。

より具体的には、例えば、図３（Ｂ）に示すように、これら複数の圧電素子２２のそれぞれは、導電線の信号線２４と接続する導電材料から成る信号電極層２２２と、信号電極層２２２上に形成され、圧電材料から成る圧電層２２１と、圧電層２２１上に形成され、導電材料から成る接地電極層２２３とを備えて構成される。すなわち、これら複数の圧電素子２２のそれぞれは、互いに対向する一対の第１および第２電極を備え、これら第１および第２電極間に、圧電材料から成る圧電部が形成されている。

注目すべきは、本実施形態に用いられる超音波探蝕子２における前記圧電層２２１が、図３（Ｃ）で示すようなコンポジット圧電体から成ることである。この圧電層２２１は、送信超音波（第１超音波信号）の周波数をｆ０とすると、ｆ０／１１以上、１１・ｆ０以下の帯域の超音波（第２超音波信号）を受信することができるが、これは、ｆ０／１１の周波数での受信音圧が、基本周波数ｆ０での音圧の−６．５ｄＢ以上で受信可能であり、１１・ｆ０の周波数での受信音圧が、基本周波数ｆ０での音圧の−７ｄＢ以上で受信可能であることを示している。この図３（Ｃ）で示すコンポジット圧電体は、例えば、特開２００３―３０９２９７号公報に記載のコンポジット圧電体から成る。それによれば、圧電セラミックス２２１−１をダイシングして各柱状とし、その柱間の溝に高分子２２１−２を充填して成る。

本実施形態で用いることできるコンポジット圧電体における高分子成分としては、例えば、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系のものを用いることができるが、アクリル系、エポキシ系の樹脂は機械加工適性が高いため、より好ましく用いることができる。このとき、高分子中に気泡を分散し、高分子の嵩密度を０．６ｇ／ｃｍ^３以下に低減した高分子を用いることもできる。

本実施形態に用いることができるコンポジット圧電体の圧電セラミックス成分としては、セラミックスに通常知られた方法で分極処理し、圧電性を有するようにしたセラミックスを意味するが、そのセラミックスとしては、ＰＺＴ系セラミックス、ＰＺＮＴ単結晶、マグネシウム酸ニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮＴ）単結晶、ニオブ酸鉛系セラミックス、チタン酸鉛系セラミックス、チタン酸ビスマス系セラミックスなどが、電機機械結合係数が高い材料として、特に好ましく用いることができる。

また、コンポジット圧電体は圧電セラミックスと高分子との複合化の形状により、１−３コンポジット、２−２コンポジット、０−３コンポジット、３−０コンポジットなどが知られているが、振動の方向などの使用条件から、前記図３（Ｃ）で示すような１−３コンポジットが好ましく用いられる。

このようなコンポジット圧電体から成る複数の圧電素子２２は、一方向に配列され、１次元アレイ状に構成されてもよく、また、図３（Ａ）に示すように、平面視にて互いに線形独立な２方向に、例えば、互いに直交する２方向にｍ行×ｎ列で配列され、２次元アレイ状に構成されてもよい（ｍ、ｎは、正の整数である）。図３（Ａ）は、２４個の圧電素子２２−１１〜２２−４６が、互いに直交する２方向に配列された２次元アレイを構成している例を示している。実際の超音波探触子では、例えば、圧電素子２２が６４×６４の４０９６個であったり、また例えば圧電素子２２が１２８×１２８の１６９００個であったり、多数の圧電素子２２を備えていることは言うまでもない。

なお、本明細書において、前述のように、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。また、添え字のうちの左側の添え字は、行番号を示し、その右側の添え字は、列番号を示している。例えば、圧電素子２２−２３は、行番号２で列番号３の圧電素子２２である。

これら複数の圧電素子２２は、平板状の音響制動部材２１の一方主面上に配置され、これら複数の圧電素子２２上に音響整合層２３が積層される。複数の圧電素子２２は、クロストーク等の相互干渉を低減するために、互いに所定の隙間（溝、間隙、ギャップ）を空けて音響制動部材２１上に配置される。なお、さらに相互干渉を低減するために、超音波を吸収する超音波吸収材がこの隙間に充填されることが好ましい。この超音波吸収材には、例えば、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が用いられる。

音響制動部材２１は、超音波を吸収する材料から構成され、複数の圧電素子２２から音響制動部材２１方向へ放射される超音波を吸収するものである。音響制動部材２１は、一般に、ダンパあるいはバッキング層とも呼ばれる。そして、各圧電素子２２のそれぞれに接続する複数の信号線２４（図３（Ａ）では信号線２４−１１〜２４−４６）が音響制動部材２１を貫通している。なお、各圧電素子２２のそれぞれに接続する複数の接地線（アース線）は、図示が省略されているが、各圧電素子２２の上面からそれぞれ引き出される。

音響整合層２３は、圧電素子２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。したがって、音響整合層２３は、圧電素子２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの差が最も小さくなるように設定される。音響整合層２３は、単層で構成されてもよく、あるいは、複数層で構成されてもよい。なお、図３（Ａ）では、この音響整合層２３の図示が省略されている。また、音響整合層２３は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体に向けて送信される超音波を収束する音響レンズの機能を兼用してもよく、また、このような音響レンズが音響整合層２３上に積層されてもよい。

このような構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１７の制御によって送信部１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。より具体的には、この電気信号の送信信号は、超音波探触子２における圧電素子２２へ供給され、該圧電素子２２がその厚さ方向に伸縮し、超音波振動する。この超音波振動によって、圧電素子２２は、第１超音波信号を放射する。圧電素子２２から音響制動部材２１方向へ放射された第１超音波信号は、音響制動部材２１によって吸収される。また、圧電素子２２から音響整合層２３方向へ放射された第１超音波信号は、音響整合層２３を介して放射される。超音波探触子２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。

なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

この被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波（第２超音波信号）となる。この第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等である。

ここで、圧電素子２２は、前述のようなコンポジット圧電体で、第２超音波信号に含まれる周波数成分のうち、第１超音波信号の周波数をｆ０としたときに、ｆ０／１１以上、１１・ｆ０以下の広い受信帯域で機械的に振動し、その振動に応じた電気信号を出力する。

そして、該圧電素子２２で取り出されたこの電気信号の受信信号は、ケーブル３を介して制御部１７で制御される受信部１３で受信される。受信部１３は、この入力された受信信号を受信処理し、より具体的には、例えば増幅した後に相関部１４へ出力する。そして、相関部１４で相関処理を行うことで３次以上の高調波成分が取得され、画像処理部１５へ出力される。

ここで、上述において、各圧電素子２２から順次に超音波が被検体に向けて送信され、被検体で反射した第２超音波信号が複数の圧電素子２２で受信される。

そして、画像処理部１５は、制御部１７の制御によって、受信部１３で受信され相関部１４で相関処理された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度等から被検体の超音波画像を生成し、表示部１６は、制御部１７の制御によって、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する。

次に、相関処理に関し、より具体的に説明する。

図４は、相関処理の説明に当たって、実施形態にかかる超音波診断装置のより具体的な構成を示す図である。図５は、相関演算を説明するための図である。図６は、アナログ積和演算を説明するための図である。

アナログ信号をデジタル変換してから相関処理を行ったのでは、高調波成分が受信信号全体に占めるエネルギー量が微弱であるため、良質な超音波画像の形成に必要なダイナミックレンジが取れない。そのため、本実施形態における相関部１４では、相関処理自体をアナログで行うものである。

具体的には、相関部１４は、超音波探触子２の複数（ｎ個）の圧電素子２２ごとに複数の相関処理部５０−１、５０−２、５０−３、・・・、５０−ｎを備えて構成されており、各相関処理部５０−１、５０−２、５０−３、・・・、５０−ｎは、同様に構成されている。その一つについて説明すると、相関処理部５０は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算を行うことによって受信部１３の出力と参照信号との相関を演算する回路であり、例えば、サンプルホールド部５１と、電荷転送部５２と、重み設定部５３と、デジタルアナログ乗算部５４と、加算部５５とを備えて構成される。

サンプルホールド部５１は、タイミング発生部１９からの動作タイミングに応じたサンプリング周期で、受信部１３の出力を保持する回路である。サンプルホールド部５１は、動作タイミングに応じたタイミングで、この保持した受信部１３の出力に対応する電荷を電荷転送部５２へ出力する。

電荷転送部５２は、電荷を保持する複数の電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎを備えて構成されている。これら各電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎは、直列に接続されており、タイミング発生部１９からの動作タイミングに応じたタイミングで自己の電荷保持部５２１で保持している電荷を順次に後段の電荷保持部５２１へ転送する。この点がＣＣＤ原理に基づいている。

デジタルアナログ乗算部５４は、各電荷保持部５２１に対応して設けられた複数のデジタルアナログ乗算器（ＤＡ乗算器）５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎを備えて構成されている。ＤＡ乗算器５４１は、重み設定部５３によって自機に設定されている重みで電荷保持部５２１からの出力値を乗算し（重み付けを行い）、この乗算結果を加算部５５へ出力する。

重み設定部５３は、参照信号記憶部１８に記憶されている参照信号に基づいてデジタルアナログ乗算部５４の各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎに対し、重みを設定するものである。この重みは、操作入力部１１の補正値入力部１１１から補正値が入力された場合には、この入力された補正値で補正される。

加算部５５は、デジタルアナログ乗算部５４の各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎから入力された乗算結果を加算し、この加算結果を画像処理部１５へ出力する回路である。

このような構成の相関部１４（相関処理部５０）では、次のように動作する。

アナログ相関処理では、ＣＣＤに用いられる電荷移送技術を用いて、２箇所以上の電荷を1つの容量素子にまとめあげることで加算を行い、これに対して１つの電荷を２分し、さらに２分することを繰り返すことで、１／２、１／４、１／８、１／１６、・・・の電荷を用意し、乗数の２進表現に従い、取捨し、再度ひとつの電荷にまとめることで乗算を行うアナログ電荷積和遅延が行われる。この点が、アナログ積和演算である。ここで言う相関処理とは、２つの波形がどの程度似ているかを判定する処理であり、例えば、２つの数列ｘ_ｎとｙ_ｎとがあった場合、次の式１で示されるｚが大きいほど、２つの数列が似通っていることになる（通常、信号を検出すると図５のグラフのような急峻なピークを示す）。

ｚ＝Σｘ_ｋｙ_ｋ ・・・（１）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。

電荷転送部５２の電荷保持部５２１の各ステージに蓄えられている電荷量Ｑｋに参照信号（テンプレート）の対応する重み値を乗じ、和をとることで、ノイズの中に信号が存在するか否かを高いＳ／Ｎ比で計算することができる。

相関処理部５０は、アナログ量である電荷量Ｑを用い、遅延、加算および乗算が可能なデバイスであり、これを用いることで、高分解能、高速かつ低消費電力に、相関処理などの演算処理が可能となる。実際のデバイスの構成としては、上述したようにＣＣＤ類似のデバイス形態となる。例えば、ＣＣＤでは、電荷移送を行う場合、ポテンシャル井戸の深さが転送方向に向かって深くなるように調節することによって行われる。図６（Ａ）のように電荷を図上では左から右へ移動させていくことで信号の流れを制御する。加算を行う場合は、図６（Ｂ）に示すように、二つ以上のポテンシャル井戸が一つになるように、駆動電圧を制御する。乗算を行う場合は、例えば、一つのポテンシャル井戸を２分割するような駆動電圧を制御して（例えば上記加算器の逆）、電荷ＱをＱ／２、Ｑ／４、Ｑ／８、Ｑ／１６、Ｑ／３２、Ｑ／６４、・・・というように分割し、それを乗数（デジタル値）のビットに応じて捨てたり残したりする。すなわち、ビットが０の場合には、捨て、ビットが１の場合には残す。その後に、残した電荷をすべて足し合わせることで、乗数Ｍが０≦Ｍ＜１の乗算を行う。例えば、Ｑ×０．３６８２７(１０進数)は、Ｑ×０．０１０１１１１０(２進数)となって、Ｑ×（０＋０／２＋１／４＋０／８＋１／１６＋１／３２＋１／６４＋１／１２８＋０／２５６）となる。これら絶対値電荷に加え、電荷量の正負を表す符号ビットを用いて積和演算を実現する。

また、相関処理とは、２つの波形がどの程度似ているかを判定する処理であり、例えば、上述したように、２つの数列ｘ_ｎとｙ_ｎとがあった場合、上記式１で示されるｚが判定基準の相関係数となる。

送信信号をｓ（ｔ）とし、送信信号ｓ（ｔ）に雑音を含ませたものをｚ（ｔ）とし、上記の式１からなる相関係数をzとすると、図５に波線で示すように、参照信号と受信信号とが重なる瞬間に急峻なピークが検出される。このピークが大きければ大きいほど、参照信号とよく類似した信号が受信されたことになる。ノイズ耐性を高めるためには、できるだけ冗長な、自然界に無い信号を送信信号（参照信号）ｓ（ｔ）に用いることが望ましい。このため、前記送信信号（参照信号）ｓ（ｔ）には、周波数が時間経過に伴って変化するチャープ波を用いる。

そして、実際の相関処理では、図４のように、受信部１３が受信する連続信号ｓ（ｔ）を時間τでサンプリングホールドし、離散量ｆ（ｔ）、ｆ（ｔ−τ）、ｆ（ｔ−２τ）、ｆ（ｔ−３τ）、ｆ（ｔ−４τ）、・・・とする。これらに各々相当する重み係数ｇ（１）〜ｇ（ｎ）をかけて総和をとることによって前記相関係数ｚを得ることができる（式２）。

ｚ＝Σｆ（ｔ−ｋτ）ｇ（ｋ） ・・・（２）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。

この相関係数ｚがある閾値より大きい場合に、相関処理部５０は、第２超音波信号の３次以上の高調波成分を該相関係数ｚに比例する強度で受信したとして、出力ｙとして画像処理部１５へ出力する。画像処理部１５では、この相関係数ｚから遅延時間や信号強度を求めて超音波画像を生成する。

例えば、３ＭＨｚ〜５ＭＨｚのチャープ波を用いた送信信号を以下のようにする。

ｓ（ｔ）
＝Ａ・ｓｉｎ｛２π［（ｆ_ｃ−Ｂ_ｗ／２）ｔ＋（Ｂ_ｗ／（２Ｔ_ｗ））ｔ^２］｝・Ｗ（ｔ）
・・・（３）
Ｗ（ｔ）は、窓関数（本実施形態では例えばハミング窓を使用）であり、ｆ_ｃは、チャープ波の中心周波数であり、Ｂ_ｗは、チャープ波の掃引周波数であり、Ｔ_ｗは、チャープ波の時間幅である。本実施形態においては、ｆ_ｃ＝４ＭＨｚ、Ｂ_ｗ＝２ＭＨｚとし、Ｔ_ｗは、診断領域の面積により設定される。

相関処理によって検出する高調波の次数を３とすると、参照波形ｒ（ｔ）は、式４となる。

ｒ（ｔ）＝ｆ（ｄ，３）・｛ｓ（ｔ）｝３ ・・・（４）
ｆ（ｄ、３）は、診断部位および診断深度によって決定される項であり、フォーカルポイントごとに用意された補正値入力部１１１の重み付けスライダ等によって、ユーザが出力画像を見つつ最適な値を選択してもよい。この関数ｒ（ｔ）を規定のサンプリング周波数でデジタル化したものが参照信号のｇ（１）〜ｇ（ｎ）に書き込まれる値として、診断部位および診断深度ごとに参照信号のデータとして参照信号記憶部１８に記憶される。

制御部１７がＲＯＩを基に指定するステアリング角度とフォーカルポイント深度とからビームフォーマの遅延が送信ビームフォーマ回路１２２で設定され、駆動信号生成回路１２１でＰＣＭによって形成した上記チャープ波が、超音波探触子２の圧電素子２２に印加され、電気音響変換（圧電現象）によって第１超音波信号が発生される。フォーカルポイントにて収束された超音波信号は、被検体内の組織界面で反射されるとともに音圧強度に依存した高調波が発生される。組織界面で反射し、被検体内を伝播した第２超音波信号は、超音波探触子２の圧電素子２２によって受信され、受信部１３で受信処理される。受信部１３からの出力は、その受信波形をサンプルホールドすべく、各圧電素子２２ごとに、サンプルホールド部５１によって時間方向に離散化される。それらは、一定の動作タイミングのタイミング（制御クロック）によって、電荷転送部５２に入力される。電荷転送部５２では、ｘ_ａ（１）〜ｘ_ａ（ｎ）のｎ段の電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎを持ち、動作タイイングごとにそれぞれの値が次の段に移動する。電荷転送部５２の各電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎの各段ｘ_ａ（１）〜ｘ_ａ（ｎ）は、それぞれ、保持する値を出力するＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎを有し、それぞれが対応するＤＡ乗算器５４１へと接続されている。各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎには、それぞれ相関処理のための重み係数ｇ（１）〜ｇ（ｎ）が重み設定部５３の設定によって保持されており、また、これら重み係数は、制御部１７が重み設定部５３を制御することで、書き換え可能とされている。制御部１７は、検出するフォーカルポイント深度（診断部位および診断深度）等によって、最適な参照信号（テンプレート）のデータを参照信号記憶部１８から選択し、重み設定部５３を介して各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎが保持する重み係数ｇ（１）〜ｇ（ｎ）を書き込む。各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎは、重み付け係数ｇ（ｋ）のビット数に比例する遅延を経て、ｘ_ａ（ｋ）×ｇ（ｋ）を出力し、これら出力が加算部５５によって加算され、相関係数ｚ_ａが得られる。なお、添え字ａは、超音波探触子２の複数の圧電素子２２のうちのａ番目の圧電素子２２に関連していることを表している。超音波探触子２のアレイ状に配列された圧電素子２２それぞれに対して相関係数ｚａが得られ、また相関係数ｚ_ａのピーク位置を基に遅延補正回路１５１で遅延補正を行った後、各圧電素子２２の相関係数を整相加算回路１５２で整相加算することで、全体の相関係数ｚ、すなわち相関処理された受信信号ｙ（ｔ）が得られ、これを基に超音波画像が形成される。

上述のように構成される超音波診断装置Ｓにおいて、以下に本願発明者の実験結果を説明する。先ず、コンポジット圧電体から成る圧電層２２１において、圧電セラミックス２２１−１構成用のセラミックスとしては、電気機械結合係数ｋ３３が８０％で、嵩密度が７．８のＰＺＴ系セラミックスを用いた。そして、その圧電セラミックスを、厚みが１．００ｍｍの板状にし、その圧電セラミックス板の一方の辺と平行に、ダイシングマシーンにて、１００μｍの幅のブレードで、２００μｍピッチで、深さが０．８００ｍｍの溝を形成した。次に前記方向に対して垂直方向に、前記と同様の設定で溝を形成し、１００μｍ×１００μｍ×８００μｍのセラミックスの角柱が複数本直立した構造のＰＺＴ系セラミックスを前記圧電セラミックス２２１−１として得た。

次に、イソペンタンが封入されたアクリロニトリル系共重合樹脂を上記ＰＺＴセラミックスに形成された溝の中に充填し、１５０℃で５分間熱処理することによって、内部に気泡が分散したアクリロニトリル系共重合樹脂を前記高分子２２１−２として、ＰＺＴ系セラミックスとを一体化させた後、両面研磨機にて、過剰の樹脂とＰＺＴ系セラミックスとを取り除き、厚み調整を行って、前記図３（Ｃ）に示す構造で、厚みが０．６０ｍｍ、ＰＺＴ系セラミックスの１ユニットのサイズが前記１００μｍ×１００μｍで、ＰＺＴ系セラミックスの体積率が２５％の１−３コンポジット圧電対を得た。なお、高分子成分の嵩密度は０．２、高分子成分と圧電セラミックとのコンポジット圧電体の嵩密度は２．１であった。

続いて、得られた１−３コンポジットの上面および下面に、前記信号電極層２２２および接地電極層２２３となる対向電極を形成する目的で、前記の１−３コンポジットにＮｉの無電解メッキを施し、さらに金のメッキを施すことにより、厚さ０．７μｍのＮｉとその上の厚さ０．３μｍの金とで構成される電極を形成した。その後、上記１−３コンポジットの四方を切断して所定サイズにした後、１ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１００℃で印加して分極処理することによって、目的とする１−３コンポジット圧電体を得た。

そして、上記１−３コンポジット圧電体の周波数−インピーダンス特性をＨＰ社製のインピーダンスアナライザー型番４１９４Ａで測定したところ、縦振動（厚み振動）の共振周波数（ｆ０）は４ＭＨｚであった。このように作成した圧電素子２を用いて、常法（例えば、改訂 医用超音波機器ハンドブック 社団法人 日本電子機械工業会 編集 出版 コロナ社の第２章および第３章参照）により超音波探触子２を作成した。

このように本実施形態の超音波診断装置Ｓでは、超音波探触子における受信素子を、たとえば送信される第１超音波信号の周波数をｆ０としたときに、ｆ０／１１以上、１１・ｆ０以下の広い受信帯域を有する圧電材料である圧電セラミックスと高分子とを有してなるコンポジット圧電体から構成するとともに、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算デバイスから成る相関部１４（相関処理部５０）で、検出すべき３次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度に応じて設定された参照信号を用いて、相関処理を行うので、より高いＳ／Ｎ比で３次以上の高調波成分を取得することが可能となり、高い鮮鋭性（分解能）を有する画像を得ることができる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、前記診断部位および診断深度から導かれる互いに異なる複数の近似関数が参照信号として参照信号記憶部１８に記憶され、相関部１４が、被検体の診断部位および診断深度に応じてこれら複数の近似関数から１つの近似関数を選択して相関処理を行うので、診断領域全体に亘ってより適切な参照信号が選択され、相関処理が行われる。このため、診断領域全体に亘って、より高いＳ／Ｎ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、第１超音波信号が自然界に通常存在しないチャープ波であるので、その高調波成分を検出する場合に、ノイズ成分と区別し易い。このため、より高いＳ／Ｎ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、相関部１４は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成される。このため、微弱な信号レベルである高調波成分でもより適切に相関処理を行うことが可能となる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。特に、図３では、圧電素子２２が超音波の送信と受信とに共用されたが、送信と受信とに個別の圧電素子が設けられてもよい。

実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。 実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す断面図である。 相関処理の説明に当たって、実施形態にかかる超音波診断装置のより具体的な構成を示す図である。 相関演算を説明するための図である。 アナログ積和演算を説明するための図である。

符号の説明

Ｓ 超音波診断装置
Ｔ 治具
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
１４ 相関部
１８ 参照信号記憶部
２２ 圧電素子
５０ 相関処理部
５１ サンプルホールド部
５２ 電荷転送部
５３ 重み設定部
５４ デジタルアナログ乗算器
５５ 加算部

Claims (6)

1. 超音波探触子と、被検体内に前記超音波探触子から第１超音波信号を送信するための送信部と、前記超音波探触子で超音波を受信するための受信部と、前記受信部で受信された、前記第１超音波信号の前記被検体内での反射による第２超音波信号の受信結果に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備える超音波診断装置において、
   前記超音波探触子における受信素子は、圧電セラミックスと高分子とを有してなるコンポジット圧電体から成り、
   ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算デバイスを用いて、前記第２超音波信号として、前記受信部の出力と、前記被検体の診断部位および診断深度に応じて予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記受信部の出力の中から３次以上の高調波を抽出する相関部をさらに備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記相関部は、前記参照信号として、前記診断部位および診断深度から導かれる近似関数を用いて前記相関処理を行うことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記診断部位および診断深度に応じて設定された複数の近似関数を記憶する参照信号記憶部をさらに備え、
   前記相関部は、前記診断部位および診断深度に応じて前記複数の近似関数から１つの近似関数を選択して前記相関処理を行うことを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記第１超音波信号は、周波数が時間経過に伴って変化するチャープ波であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
5. 前記参照信号は、その振幅がフォーカルポイント深度に応じて増減されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
6. 前記超音波探触子における受信素子は、送信素子と同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波診断装置。

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