JP2010042048A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】注目対象から得られる高調波成分の抽出精度を高める。
【解決手段】送信信号として互いに位相が反転関係にある第１チャープ信号と第２チャープ信号が用いられ、第１チャープ信号に対応した第１受信信号と第２チャープ信号に対応した第２受信信号が得られる。加算処理部２２は、第１受信信号と第２受信信号を加算処理する。ＰＩ法の原理により第１受信信号と第２受信信号の加算処理の結果として、基本波と奇数次の高調波成分がキャンセルされて偶数次の高調波成分が抽出される。差分処理部２４は、第１受信信号と第２受信信号の差分を算出する。ＰＩ法の原理により第１受信信号と第２受信信号の差分処理の結果として、偶数次の高調波成分がキャンセルされて基本波と奇数次の高調波成分が抽出される。これにより、複数の次数の高調波成分についての相互干渉を小さく抑えつつ各高調波成分を抽出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、受信信号に含まれる高調波成分を利用した技術に関する。

マイクロバブル（またはナノバブル）は、液体などに注入された微細な気泡を意味している。このマイクロバブルは、様々な優れた特性を備えているため、多くの分野で利用されている。例えば、医療分野への応用として、マイクロバブルが超音波の好適な反射体となることから、超音波画像を形成する際の造影剤として利用されている。

造影剤を利用した超音波画像の形成においては、バブルから得られる高調波成分に注目した技術が知られており、特に、フェイズインバージョン法（パルスインバージョン法）やパワーモジュレーション法などが有名である。これらの手法は、造影剤を利用したものに限定されず、生体内組織から得られる高調波成分にも適用される。例えば、特許文献１には、フェイズインバージョン法の原理を応用して、位相反転関係にある２つの送信信号を用いて高調波成分を画像化する旨の画期的な技術が記載されている。

特開２００６−２７１５９９号公報

このような状況のもと、本願の発明者は、バブルなどから得られる受信信号に含まれる高調波成分を利用した画像化技術について研究を重ねてきた。特に、バブルなどの注目対象から得られる高調波成分を抽出する技術について研究を重ねてきた。

本発明は、その研究の過程において成されたものであり、その目的は、注目対象から得られる高調波成分の抽出精度を高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、超音波を送受波するプローブと、互いに位相が反転関係にある第１チャープ信号と第２チャープ信号に対応した超音波を送波するようにプローブを制御する送信制御部と、プローブにより受波される超音波に基づいて、第１チャープ信号に対応した第１受信信号と第２チャープ信号に対応した第２受信信号を得る受信処理部と、第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理および減算処理のうちの少なくとも一方の処理に基づいて、受信信号の高調波成分を抽出する高調波抽出部と、抽出された高調波成分に対してパルス圧縮処理を施すパルス圧縮処理部と、パルス圧縮処理された高調波成分に基づいて超音波画像の画像データを形成する画像形成部と、を有することを特徴とする。

上記態様によれば、第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理および減算処理のうちの少なくとも一方の処理に基づいて受信信号の高調波成分が抽出されるため、例えば、複数の次数の高調波成分についての相互干渉を小さく抑えつつ各高調波成分を抽出することができる。

なお、上記態様においては、互いに位相が反転関係にある第１チャープ信号と第２チャープ信号が用いられている。これに対し、特許文献１に記載された技術においては、第１送信信号の極性を反転させた第２送信信号を用いているが、チャープ信号の極性を反転させたものではない。

望ましい態様において、前記高調波抽出部は、第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理により偶数次の高調波成分を抽出する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記高調波抽出部は、第１受信信号と第２受信信号との間における減算処理により奇数次の高調波成分を抽出する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記高調波抽出部は、加算処理と減算処理とにより複数の次数の高調波成分を抽出し、前記パルス圧縮処理部は、各次数ごとに高調波成分に対してパルス圧縮処理を施し、前記画像形成部は、パルス圧縮処理された複数の次数の高調波成分を合成した合成信号に基づいて超音波画像の画像データを形成する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記高調波抽出部は、第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理により２次および４次の高調波成分を抽出し、且つ、第１受信信号と第２受信信号との間における減算処理により３次および５次の高調波成分を抽出する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記プローブは、バブルを含む診断領域に対して超音波を送受波し、前記送信制御部は、バブルの共振周波数を基準として設定される周波数帯域かつバブルの膨張倍率を基準として設定される送信音圧により、第１チャープ信号と第２チャープ信号に対応した超音波を送波するようにプローブを制御する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記送信制御部は、バブルの共振周波数以下となるように第１チャープ信号と第２チャープ信号の中心周波数を設定し、バブルの膨張倍率が１．５以上となるように送信音圧を設定する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記プローブは、第１チャープ信号と第２チャープ信号の周波数帯域に対応した送信用振動素子と、受信信号の高調波成分の周波数帯域に対応した受信用振動素子とを備えることを特徴とする。

本発明により、注目対象から得られる高調波成分の抽出精度を高めることができる。例えば、本発明の好適な態様によれば、複数の次数の高調波成分についての相互干渉を小さく抑えつつ各高調波成分を抽出することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

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機能ブロック図である。図１に示す超音波診断装置は、造影用のバブル（マイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡）を含んだ造影剤を利用して画像を形成するのに適している。但し、本発明に係る超音波診断装置の診断対象（注目対象）は、マイクロバブルに限定されず、例えば生体内の組織を注目対象としてもよい。

本実施形態においては、例えば、低中音圧の超音波による画像化に適した造影剤（「ソナゾイド」（登録商標）など）を利用することが望ましいものの、本発明における造影剤は特定のものに限定されない。造影剤は、例えば生体内の血管や腫瘍などの診断部位に投与される。そして、造影剤が投与されてから、例えば生体内におけるバブルの集積や取り込みが起こるまでの一定時間が経過した後に、図１に示す超音波診断装置によって診断が行われる。

信号発生部１０は、図示しない制御部などによって制御され、超音波を送波するための送信信号を生成して送信回路１２へ出力する。本実施形態では、送信信号として、正弦波の周波数を連続的に変化させた第１チャープ信号と、第１チャープ信号との比較において位相が反転関係にある（位相が１８０度だけ異なる）第２チャープ信号が用いられる。

また、本実施形態では、生体内に投与されるバブルの共振周波数を基準として設定される送信周波数帯域で、さらに、当該バブルの膨張倍率を基準として設定される送信音圧で超音波を送波するように送信制御される。信号発生部１０は、例えば、中心周波数が１．５ＭＨｚ程度、送信音圧が２００〜３００ｋＰａ程度に対応した波形のチャープ信号を出力する。

送信回路１２は、信号発生部１０から出力されたチャープ信号に基づいて、プローブ１４が備える複数の振動素子を制御して送信ビームを形成し、形成した送信ビームを電子的に走査することにより、走査領域の全域に亘って複数の送信ビームを形成する。

本実施形態においては、複数の送信ビームの各ビーム方向ごとに２回の送受信が行われる。つまり、１つのビーム方向に対して第１チャープ信号に基づいて１回目の送信が行われて第１受信信号を取得した後に、続けてその同じビーム方向に対して第２チャープ信号に基づいて２回目の送信が行われて第２受信信号が取得される。そして、１つのビーム方向に対して２回の送受信が行われた後に、ビーム方向を変えて次のビーム方向に対して２回の送受信が行われる。こうして、走査領域の全域に亘って各ビーム方向ごとに２回の送受信が実行される。

プローブ１４は、造影剤が投与された生体内の診断領域に対して超音波を送受する。プローブ１４は、超音波を送受する複数の振動素子を備えており、複数の振動素子が送信回路１２によって送信制御されて送信ビームが走査される。また、複数の振動素子が生体から反射された超音波を受波し、これにより得られた信号が受信回路１６へ出力される。なお、送信と受信を異なる振動素子で行うようにしてもよい。

受信回路１６は、プローブ１４の複数の振動素子から得られる信号を整相加算処理することにより、走査領域内の複数の送信ビームの各々に対応した受信信号を形成する。本実施形態においては、複数の送信ビームの各ビーム方向ごとに２回の送信が行われるため、受信回路１６は、各ビーム方向ごとに、１回目の第１チャープ信号に対応した第１受信信号と２回目の第２チャープ信号に対応した第２受信信号を形成する。そして、各ビーム方向ごとに、第１受信信号が受信信号１メモリ１８に記憶され、第２受信信号が受信信号２メモリ２０に記憶される。

加算処理部２２は、各ビーム方向ごとに、受信信号１メモリ１８と受信信号２メモリ２０から第１受信信号と第２受信信号を読み出し、そして、第１受信信号と第２受信信号を加算処理する。第１受信信号と第２受信信号は、互いに位相が反転関係にあるチャープ信号から得られる信号であるため、フェイズインバージョン法（またはパルスインバージョン法）の原理により、第１受信信号と第２受信信号の加算処理の結果として、奇数次の信号がキャンセルされて偶数次の信号のみが残る。つまり、受信信号に含まれる基本波と高調波成分のうち、基本波と奇数次の高調波成分がキャンセルされて偶数次の高調波成分が抽出される。

２次バンドパスフィルタ（２次ＢＰＦ）２Ｂは、第２次高調波に対応した通過帯域を備えたフィルタであり、２次バンドパスフィルタ２Ｂにより、加算処理部２２から出力される偶数次の高調波成分のうちの第２次高調波成分が抽出される。抽出された第２次高調波成分は、パルス圧縮処理部２Ｃにおいて、第２次高調波成分に対応したパルス圧縮処理を施される。

４次バンドパスフィルタ（４次ＢＰＦ）４Ｂは、第４次高調波に対応した通過帯域を備えたフィルタであり、４次バンドパスフィルタ４Ｂにより、加算処理部２２から出力される偶数次の高調波成分のうちの第４次高調波成分が抽出される。抽出された第４次高調波成分は、パルス圧縮処理部４Ｃにおいて、第４次高調波成分に対応したパルス圧縮処理を施される。

差分処理部２４は、各ビーム方向ごとに、受信信号１メモリ１８と受信信号２メモリ２０から第１受信信号と第２受信信号を読み出し、そして、第１受信信号と第２受信信号の差分を算出する（減算処理する）。フェイズインバージョン法（またはパルスインバージョン法）の原理により、第１受信信号と第２受信信号の差分処理の結果として、偶数次の信号がキャンセルされて奇数次の信号のみが残る。つまり、受信信号に含まれる基本波と高調波成分のうち、偶数次の高調波成分がキャンセルされて基本波と奇数次の高調波成分が抽出される。

３次バンドパスフィルタ（３次ＢＰＦ）３Ｂは、第３次高調波に対応した通過帯域を備えたフィルタであり、３次バンドパスフィルタ３Ｂにより、差分処理部２４から出力される基本波と奇数次の高調波成分のうちの第３次高調波成分が抽出される。抽出された第３次高調波成分は、パルス圧縮処理部３Ｃにおいて、第３次高調波成分に対応したパルス圧縮処理を施される。

５次バンドパスフィルタ（５次ＢＰＦ）５Ｂは、第５次高調波に対応した通過帯域を備えたフィルタであり、５次バンドパスフィルタ５Ｂにより、差分処理部２４から出力される基本波と奇数次の高調波成分のうちの第５次高調波成分が抽出される。抽出された第５次高調波成分は、パルス圧縮処理部５Ｃにおいて、第５次高調波成分に対応したパルス圧縮処理を施される。

画像形成部３０は、４つのパルス圧縮処理部（２Ｃ〜５Ｃ）から得られるパルス圧縮後の第２次高調波成分から第５次高調波成分までの４つの高調波成分に基づいて超音波画像の画像データを形成する。画像形成部３０は、４つの高調波成分に基づいて各ビーム方向ごとに画像データを形成する。画像データの形成にあたって、４つの高調波成分のうちのいずれか１つの成分のみを用いてもよいし、４つの高調波成分のうちのいくつか又は全てを合成してもよい。さらに、合成の際に各高調波成分に対して重み付けを施してもよい。

画像形成部３０は、複数のビーム方向について形成される画像データに基づいて、例えば、２次元超音波画像の画像データを形成する。もちろん、超音波ビームを２次的に走査させて３次元超音波画像の画像データを形成してもよい。画像形成部３０において形成された画像データに対応する超音波画像は表示部３２に表示される。

本実施形態では、生体内に投与されるバブルの共振周波数を基準として送信周波数が設定され、バブルの膨張倍率を基準として送信音圧が設定されるため、例えば、バブルから得られる高調波成分を高めると共に実組織から得られる高調波成分を抑制することができ、その結果として、例えば、非常に高いＣＴＲ（Contrast to Tissue Ratio）の超音波画像を得ることができる。

そこで、以下において、送信条件等とバブルの挙動との関係について説明する。図２から図６は、超音波造影剤（バブル）の挙動について、バブル膜の振動を数値解析で得るシミュレータを作成して解析した結果を示している。

図２は、バブルの膜振動のシミュレーション結果を示す図である。図２（Ａ）は、送信周波数（中心周波数）１．５ＭＨｚ、波数６波、音圧３００ｋＰａの超音波振動を半径１．２５μｍのバブルに与えた場合の膜振動であり、図２（Ｂ）は、送信周波数（中心周波数）４．５ＭＨｚ、波数１８波、音圧３００ｋＰａの超音波振動を同バブルに与えた場合の膜振動を示している。図２（Ａ）（Ｂ）は共に、横軸を時間軸として縦軸にバブル半径を示している。なお、バブルに与える超音波エネルギー（音圧×パルス長）を図２（Ａ）と（Ｂ）で等しい条件として解析した。

図２（Ａ）に示すように低周波１．５ＭＨｚでは３倍以上にバブルは膨張するが、図２（Ｂ）に示すように高周波数の４．５ＭＨｚでは１．４倍以下の膨張に抑えられている。バブルの条件として、市販造影剤ソナゾイド（登録商標）を想定し、バブルの直径２．５μｍ、バブルの膜厚３ｎｍ、それ以外のバブルのパラメータは、文献“Experimental and Theoretical Evaluation of Microbubble Behavior:IEEE Transaction on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,Vol 47,No6,Nov 2000”で示された条件を用いた。この条件でのバブルの共振周波数は、ほぼ２．５ＭＨｚである。

図３は、図２のバブルの膜振動によって発生する超音波信号を周波数解析した結果を示す図である。図３（Ａ）の解析結果は図２（Ａ）の膜振動に対応しており、図３（Ｂ）の解析結果は図２（Ｂ）の膜振動に対応している。

基本波の信号量は、図３（Ａ）の１．５ＭＨｚと図３（Ｂ）の４．５ＭＨｚでほぼ同じである。これに対し、第３高調波量は、１．５ＭＨｚでは基本波の−２ｄＢ程度で殆ど変わらないが、４．５ＭＨｚでは基本波の−２０ｄＢ以上と大きく減少する。

図４は、送信周波数と信号量との対応関係を示す図であり、図４には、音圧３００ｋＰａで異なる周波数で一定信号量（＝音圧×時間）の振動を与えた場合の、バブル振動最大半径と、その時発生する１次（基本波＝送信周波数）、２次、３次の高調波の解析結果のグラフが示されている。

バブルは、低い周波数で大きく振動し、その結果発生する超音波信号量は、その基本周波数（送信周波数）ではそれほど差は無いが、第２、第３高調波では、低い周波数で送信したほうが、強い信号が得られることとなる。

図５は、バブルの膨張倍率とバブルから得られる高調波成分の信号量との対応関係を示す図であり、半径１．２５μｍのバブルに周波数１．５、２．５、３．５、４．５ＭＨｚ、音圧１００、２００、３００、４００ｋＰａの条件で加える超音波エネルギーを一定にしてバブルに振動を与えた場合の、バブルの膨張倍率を横軸に、３次高調波信号量を縦軸にしてプロットしたものである。

図５に示すように、バブルの膨張倍率が０．５から１．５の小さな範囲では、３次高調波の信号量が比較的小さく且つ膨張倍率の変化に対する信号量の変化が比較的大きい。また、バブルの膨張倍率が１．５以上の大きな範囲では、３次高調波の信号量が比較的大きく且つ膨張倍率の変化に対する信号量の変化が比較的小さい。このように、バブルを１．５倍以上に膨張させることで、強い３次高調波信号が得られることが推察される。また、バブルを２．５倍以上に膨張させても、高調波信号量の増加はほぼ横ばいとなる。

以上のことから、バブル（マイクロバブル）を１．５倍から２．０倍程度に膨張させることで、バブルから非常に強い高調波信号を発生させることができる。また、バブルの共振周波数よりも低い周波数の超音波を与えることで、より低音圧の超音波信号でバブルを大きく膨張させることが可能であることが分かる。

そこで、バブルを高感度に検出する条件を考える。超音波は、ティシュハーモニックで知られるように伝搬中に高調波成分を発生する。その高調波信号量は、ほぼ音圧の二乗に比例する。従って、共振周波数以下の低い周波数の超音波で送信することで、小さい音圧でバブルを１．５倍以上大きく膨張させることが可能となり、バブルからの高調波信号を増加し、組織からの高調波信号を低減することが可能となり、非常に高いＣＴＲ（Contrast to Tissue Ratio）を得ることができる。更に、バブルを１．５倍以上に膨張させることで、バブルからは第３次以上の高調波成分も強くなる。組織伝搬中の高調波信号は、高次になるほど大きく減少するため、バブルを１．５倍以上に膨張させ３次以上の高調波成分を利用して画像化することで、より高いＣＴＲを得ることが可能となる。

図６は、リニアプローブを用いて、組織から発生する高調波とバブルからの高調波をシミュレーションした結果を示す図である。組織中の非線形伝搬は、ＫＺＫ方程式を用いて数値解析した。シミュレーションでは、送信周波数１．５ＭＨｚ、深さ９ｃｍで組織中の音圧が２００ｋＰａの条件で、組織伝搬中とバブルからの高次高調波信号を求めた。

図６（Ａ）は、この時のバブル膜の振動結果である。バブルの半径は、１．２５μｍから２．５μｍに約２倍に膨張している。図６（Ｂ）は、組織およびバブルの高調波信号を比較したものである。組織からの信号は、伝搬中に発生した信号が、バブルと同じ位置で組織中の反射体から反射し信号として解析した。図６（Ｂ）では、組織及びバブルからの基本波信号を０ｄＢとして、それぞれの高調波信号量を相対的に比較した。バブルからの高調波信号の信号量は、第２次、第３次とも基本波信号とほぼ同じである。一方、組織からの高調波信号の信号量は、基本波信号に比べ、第２次高調波では、−３０ｄＢ、第３次高調波では、−５０ｄＢ以下に減少する。

以上のことから、バブル共振周波数以下の低周波で励振することで、低音圧送信でもバブルを１．５倍以上に膨張することが可能となり、強い高調波信号が発生すると共に、組織中の高調波信号を抑制することができることが分かる。その結果、非常に高い検出感度とＣＴＲが達成される。

図７は、バブルからの受信信号に含まれ各高調波成分の信号波形を説明するための図である。図７には、図６における送信条件によりバブルから得られる信号を２次高調波の信号強度を１として規格し、バンドパスフィルタで２次、３次、４次、５次に分けて取り出した場合の各高調波成分の信号波形（ａ）〜（ｄ）と、２次から５次の高調波成分を加算した場合の信号波形（ｅ）が示されている。

バブルからの第５次高調波成分による信号は、２次高調波の半分以上の振幅が得られており、５次高調波の利用が可能であることが推察される。また、２次から５次までの高次高調波を加算すれば、信号振幅は３倍となった。低い周波数の送信で、バブルを１．５倍以上に膨張させることで、３次以上の高調波の利用が可能となる。高次高調波を加算して利用することで、信号強度は増加し、検出感度の向上が期待される。

先に説明したように、低い周波数でかつ低音圧でバブルを大きく振動させ、その時発生する高次高調波を利用することで、対組織信号比ＣＴＲを著しく向上させることが可能となる。特に、４次、５次とより高次の高調波を利用すれば、その効果は高い。

また、深部部位の画像化を考えた場合に、高次高調波の利用に伴い周波数が高くなり、その結果信号の組織伝搬中の減衰が増加して、深部部位からの信号強度が減少する。組織伝搬中の超音波の減衰は、一般に0.3〜0.5dB／（cm・MHz）程度と言われている。そこで0.4dB／（cm・MHz）、深さ10ｃｍで1.5MHz送信時の２次高調波と５次高調波で受信できる信号強度として計算すると、２次高調波の減衰量は-12dB、５次高調波で-30dBとなる。

図７において、バブルからの２次高調波と５次高調波の発生信号比は、1:0.53であるので、減衰も含めた受信信号比は、１：0.067となる。同様に、２次と４次の受信信号比は、1:0.17、２次と３次の受信信号比は、1:0.42となる。受信信号自体が小さくなると、受信アンプのノイズ等が影響し、高い対組織信号比が確保されていても、対ノイズ信号比ＳＮＲは低下し、高い感度が得られない。以上より、バブル振動の特長である高次高調波信号を利用し、深部においても高い感度のコントラスト画像を得るためには、信号量を増加することが必要となる。

バブルからの信号量を増加するためには、送信電力を増加しバブルの振動量を増やすことが必要である。そこで、送信音圧を大きくすることで、バブルの振動をより大きくした場合を考えてみる。図５における解析結果では、送信音圧を上げてバブルを大きく振動させても、３次高調波の発生量は比例して増加しない。一方、組織伝搬中に発生する高次高調波は、音圧の２乗に比例するので、必要以上に音圧を上げることは、高い検出感度を得ることにならない。また、強い音圧ではバブルの崩壊も懸念される。従って、信号量の増加には、送信音圧を上げるのではなく、送信パルス数を増加することが有効と考えられる。しかし、低い周波数で送信パルス数が増加すると、パルス長が長くなり、深さ方向での解像度が低下する。

図７には、第２次から第５次の各高調波信号のエンベロープが示されている。そのエンベロープの形は、送信のエンベロープで決められ、高次高調波においても深さ方向の解像度は改善されていない。低い周波数の利用に伴う深さ方向の解像度の低下、特に深部対象とした長いパルス波を利用することによる解像度の低下は小さいことが望ましい。もちろん、解像度を向上させることが望ましい。

本実施形態の一つの目的は、低い周波数の低音圧送信を利用して、バブルから高次高調波を受信することで、対組織信号比の高いコントラスト画像を生成する技術において、深部においても高い検出感度を維持しながら、解像度の高い画像を構築することである。本実施形態においては、長いパルスを利用して信号量を増加し、かつ深さ方向の解像度を確保することを目的として、チャープ信号を送信し、パルス圧縮フィルタによって、短いパルスに圧縮処理することを基本としている。

パルス圧縮技術では、矩形パルスによる二値符号化方式も利用されるが、矩形信号では、送信信号自体に奇数次の高調波成分が含まれるため、高次高調波を利用する本技術にとって最適ではない。現実的な超音波診断装置でのパルス圧縮技術の課題として、超音波プローブでの発熱のため、それほど長いチャープ信号が利用できないことがある。一方、バブルの振動解析から、低い周波数でバブルを振動させることで、低い音圧で高次高調波が発生する。その結果、一般的な送信条件に比べて、長い、すなわち信号量の大きなチャープ信号を利用することが可能となる。これは、低周波送信を利用することで導かれた結果であり、チャープ信号との組合せとしてメリットの一つである。チャープ信号を利用するもう一つの特長は、高次高調波になるほど、周波数帯域が広がりパルス圧縮がよりシャープになることである。送信チャープ信号の開始周波数をＦ_fとし終了周波数をＦ_lとするとバブルからの各高調波の周波数は以下のようになる。

一般にパルス圧縮後のパルス幅と信号の帯域は、τ＝１／Ｂ（τ：パルス幅、Ｂ：帯域幅）の関係があるため、５次の高調波を利用することで、基本波のパルス圧縮に比べ、５分の一に圧縮され高い解像度が得られる。

図８は、送信信号としてチャープ信号を利用して受信信号の各高調波成分をパルス圧縮処理した場合の各高調波成分を説明するための図である。図８には、音圧200KPa、開始周波数1.19MHz、終了周波数1.69MHz、帯域幅500KHz、パルス長15μsecのチャープ信号を送信した場合に、第２次、３次、４次、５次それぞれの高調波信号でパルス圧縮処理した場合のバブルからの信号をシミュレーションした結果（ａ）〜（ｄ）が示されている。また、図８において（参照）として示されている通常２次は、図７の条件による通常の（チャープ信号ではない）送信パルスによりバブルから得られる２次高調波信号である。

バブルは、半径1.25μmとして市販の造影剤の条件で計算した。各波形の波高値Tは、通常の２次高調波からの波高値を１として規格化して示した。５次高調波によるパルス圧縮後の波高値は、通常２次の約３倍に増加し、またそのパルス幅も約半分となっている。周波数減衰を考慮しても、深さ10ｃｍでの通常２次と５次高調波で信号強度比は、1:0.36、同様に通常２次と４次高調波で、1:0.69となり、現状のバブルからの同程度の信号強度が見込まれる。深部においても、対組織信号強度比の高い、すなわちバブルのみが明瞭に画像化された造影超音波画像が得られる。特に、5ｃｍ以下の中間あるいは浅い部分においては、よりバブルのみが明瞭に画像化される。

しかし、４次や５次のパルス圧縮後の波形では、非常に高いサイドロブが現れている。これは、3次高調波の信号帯域が、3.57MHz〜5.07MHz、４次高調波の信号帯域が、4.76MHz〜6.76MHz、５次高調波の信号帯域が、5.95MHz〜8.45MHz、６次高調波の信号帯域が、7.14MHz〜10.14MHz、となり、４次高調波帯域に３次高調波と５次高調波の信号が、同様に５次高調波帯域に４次高調波と６次高調波の信号が重なるため、パルス圧縮処理に適合しない信号が含まれるためである。

そこで、本実施形態においては、図１を利用して説明したように、１つのビーム方向に対して第１チャープ信号に基づいて１回目の送信が行われて第１受信信号を取得した後に、続けてその同じビーム方向に対して第２チャープ信号に基づいて２回目の送信が行われて第２受信信号が取得される。そして、第１受信信号と第２受信信号が加算処理され、フェイズインバージョン法の原理により、基本波と奇数次の高調波成分がキャンセルされて偶数次の高調波成分が抽出される。また、第１受信信号と第２受信信号の差分が算出され、フェイズインバージョン法の原理により、偶数次の高調波成分がキャンセルされて基本波と奇数次の高調波成分が抽出される。これにより、複数の次数の高調波成分についての相互干渉を小さく抑えつつ各高調波成分が抽出される。

図９は、本実施形態における加算処理と差分処理による効果を説明するための図である。図９は、音圧200KPa、開始周波数1.19MHz、終了周波数1.69MHz、帯域幅500KHz、パルス長15μsecのチャープ信号を用いた条件で、中心周波数7.2MHz、帯域70％の振動子でバブル信号を受信した場合のシミュレーション結果を示している。図９（Ｉｎ）においては、加算処理と差分処理が行われておらず、１次から５次までの整数次の高調波成分が含まれている。

図９（Ｅｖ）は、正相と逆相のチャープ信号を送信し、２つの受信信号を加算した場合のシミュレーション結果である。図９（Ｅｖ）においては、２次、４次、・・・の偶数次の高調波成分が取り出されている。一方、図９（Ｏｄ）は、正相と逆相のチャープ信号を送信し、２つの受信信号を引き算した場合のシミュレーション結果である。図９（Ｏｄ）においては、１次、３次、５次、・・・の奇数次の高調波成分が取り出されている。

図１０は、フェイズインバージョン（ＰＩ）法とパルス圧縮法とを組み合わせた場合の各高調波成分を説明するための図である。図１０には、送信用として、中心周波数1.44MHz、比帯域50％の振動子を、受信用として、中心周波数7.2MHz、比帯域70％の送受信が独立した振動子を想定し、図８と同じ条件の音圧200KPa、開始周波数1.19MHz、終了周波数1.69MHz、帯域幅500KHz、パルス長15μsecのチャープ信号を用いた条件で、バブル信号をシミュレーションした結果である。なお、参考として、図１０＜Ｉ＞には、パルス圧縮法のみを利用した場合の第２次、３次、４次、５次それぞれの高調波信号（ａ）〜（ｄ）が示されている。

本実施形態においては、フェイズインバージョン法（パルスインバージョン法）の原理を利用して、奇数次と偶数次の高調波を分けた後に、それぞれの高次高調波に合わせたパルス圧縮処理を実施しており、そのパルス圧縮処理後の第２次、３次、４次、５次それぞれの高調波信号が図１０＜ＩＩ＞の（ａ）〜（ｄ）に示されている。図１０＜Ｉ＞との比較から分かるように、図１０＜ＩＩ＞の本実施形態では、３次、４次、５次のパルス圧縮処理において、サイドロブが著しく低減されている。

加算のパルスインバージョン後に含まれる信号を考えると、偶数次高調波成分のみとなり、２次、４次、６次となる。従って、信号には、２次高調波の信号帯域は2.38MHz〜3.38MHz、４次高調波の信号帯域は4.76MHz〜6.76MHz、６次高調波の信号帯域は7.14MHz〜10.14MHz、となり、４次高調波帯域には、他の高調波信号が含まれない。その結果、パルス圧縮処理が適切に実施される。同様に、５次高調波でのパルス圧縮処理についても、３次と７次の高調波成分との重なりが関係することになる。この時、５次と７次の帯域で、僅かに重なる領域がある程度であるが、サイドロブは大きく抑制される。

バブルを一定条件で振幅させることで、効率よく高次高調波が発生する。送信信号としてチャープ信号を利用すると、高次高調波になるほど信号帯域が広がる。同じ信号量であっても、広帯域信号になるほど圧縮比が向上し、その結果信号波高値は高くなる。すなわち、バブルからの高次高調波は、チャープ信号を利用することで、波高値の高い信号として取り出すことができる。そこに、奇数次と偶数次を個別に取り出す技術を組合せることで、各高次の帯域を最大に広げことが可能となり、また帯域間の重なりを低減し、サイドロブが抑制される。

本実施形態においては、被観察対象の深さ、検出感度、解像度等を考慮して、送信チャープ信号の周波数と帯域、及びどこまでの高次高調波を利用するかが決められる。その場合、好適な条件として、送信チャープ信号の周波数と帯域を、利用する高次高調波の周波数帯域の最高周波数と、その２つ上の高次高調波に含まれる周波数帯域の最低周波数とが一致するように設定することである。これによって、パルス幅が狭く、サイドロブが小さい、深さ方向に優れた解像度の映像が実現される。

また、パルスインバージョン法では、送信を２回行っているため、信号強度は２倍となっている。一方、深部からの信号で懸念される受信アンプ等の電気ノイズについては、２回の加算によって、その振幅は√２倍となるので、対雑音比ＳＮＲは√２倍（３dB）向上することになる。

図１１は、複数の次数の高調波成分の合成を説明するための図である。図１１においては、パルスインバージョン法を利用して、奇数次と偶数次の高調波を分けた後に、それぞれの高次高調波に合わせたパルス圧縮処理を実施し、３次と４次と５次の信号を加算した場合の効果について検討している。（ＩＩ）に示すように３つの高調波を加算することで、（参照）として示した従来の単純なパルス法に比べて15.2倍に、また、（Ｉ）に示す５次のみの信号に比べて2.6倍に増幅されている。また、３つの高調波を加算することで、パルス圧縮の周波数帯域は６MHzに広がり、パルス幅は0.17μsec程度となり、深さ方向の分解能は、0.3ｍｍと向上する。

図１２は、本実施形態と通常ＰＩ法との比較結果を示す図である。本実施形態においては、チャープ信号を利用したパルス圧縮法とＰＩ法とを組み合わせて各高調波成分が抽出され、通常ＰＩ法においてはチャープ信号が用いられていない。図１２には、バブル信号波高値Ｃ、組織信号波高値Ｔ、対組織信号比CTR、パルス幅についての比較結果が示されている。例えば、４次と５次を合成することで、本実施形態においては、信号値は3.51倍(11dB)、CTRは140倍(42.9dB)、パルス幅は0.22μsecに向上する。

図１３は、本実施形態に好適な振動子を説明するための図である。図１３には、プローブ１４（図１）が備える振動子の一例が示されており、振動子が送信用振動子１４Ｔと受信用振動子１４Ｒによって構成されている。

内側に設けられた受信用振動子１４Ｒは、例えば、受信用の高周波振動素子が１２８チャンネル配置されたものである。各高周波振動素子は、受信信号の高調波成分の周波数帯域に対応しており、その中心周波数は例えば７．２ＭＨｚ程度が望ましい。また、受信用振動子１４Ｒを挟むように、外側に２列の送信用振動子１４Ｔが設けられている。各列の送信用振動子１４Ｔは、例えば、送信用振動素子が６４チャンネル配置されたものである。各送信用振動素子は、送信信号（第１チャープ信号と第２チャープ信号）の周波数帯域に対応しており、その中心周波数は、例えば１．４ＭＨｚ程度が望ましい。

図１４は、本実施形態における画像形成処理方法を説明するための図であり、図１の超音波診断装置による画像形成処理のフローチャートである。以下、図１４のフローチャートの各ステップごとにその処理を説明する。

まず、生体に対して造影剤を注入後（Ｓ１４０１）、生体内でのバブルの集積や取り込みが起こるまでの適当な時間が経過してから（Ｓ１４０２）、観測が開始される。観測が開始されると、第１番目の走査線上（送信ビーム方向）が選択され（Ｓ１４０３）、位相が０°に設定された１回目のチャープ信号（第１チャープ信号）が送信され（Ｓ１４０４）、そのエコー信号である第１受信信号が受信される（Ｓ１４０５）。さらに、第１番目の走査線上において、１回目の送信信号の位相を１８０°変えた２回目のチャープ信号（第２チャープ信号）が送信され（Ｓ１４０６）、そのエコー信号である第２受信信号が受信される（Ｓ１４０７）。

第１受信信号と第２受信信号が得られると、これらの信号が加算処理される（Ｓ１４０８）。第１受信信号と第２受信信号は、互いに位相が反転関係にあるチャープ信号から得られる信号であるため、フェイズインバージョン法の原理により、第１受信信号と第２受信信号の加算処理の結果として、奇数次の信号がキャンセルされて偶数次の信号のみが残る。本実施形態においては、偶数次の信号として、例えば２次と４次の高調波成分が抽出される。

つまり、Ｓ１４０８における加算処理の後に、２次ＢＰＦ（図１の符号２Ｂ）により２次の高調波成分が抽出され、そして２次の高調波成分がパルス圧縮処理される。また、Ｓ１４０８における加算処理の後に、４次ＢＰＦ（図１の符号４Ｂ）により４次の高調波成分が抽出され、そして４次の高調波成分がパルス圧縮処理される。

また、Ｓ１４０７の後、第１受信信号と第２受信信号が得られると、これらの信号が差分処理される（Ｓ１４１０）。フェイズインバージョン法の原理により、第１受信信号と第２受信信号の差分処理の結果として、偶数次の信号がキャンセルされて奇数次の信号のみが残る。本実施形態においては、奇数次の信号として、例えば３次と５次の高調波成分が抽出される。

つまり、Ｓ１４１０における差分処理の後に、３次ＢＰＦ（図１の符号３Ｂ）により３次の高調波成分が抽出され、そして３次の高調波成分がパルス圧縮処理される。また、Ｓ１４１０における差分処理の後に、５次ＢＰＦ（図１の符号５Ｂ）により５次の高調波成分が抽出され、そして５次の高調波成分がパルス圧縮処理される。

なお、パルス圧縮処理後の各高調波成分に対して、必要に応じて重み付け処理が施される。例えば、構築する画像の特長に合わせて重み付けされて加算される。対組織信号比が高い画像を得るためには、５次高調波成分のみが加算されるように重み付けが設定される。あるいは、高い深さ方向の分解能が要求されれば、全ての高調波を加算するように重み付けしても良い。また、深さに応じて重み付けの割合いを変えることも可能である。

こうして、パルス圧縮後の２次から５次までの４つの高調波成分が得られると、これら４つの高調波成分が加算処理される（Ｓ１４１２）。なお、各高調波成分に対して必要に応じて重み付け処理が施されてから加算処理が実行されてもよい。これにより、パルス圧縮後の第２次高調波成分から第５次高調波成分までの４つの高調波成分に基づいて、第１番目の走査線上における超音波画像の画像データが形成される。そして、走査線を一つ移動させて（Ｓ１４１３）、Ｓ１４０４からＳ１４１２までの処理を繰り返すことにより、複数の走査線上において画像データが形成され、例えばコントラスト画像を構築することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 バブルの膜振動のシミュレーション結果を示す図である。 バブルの膜振動によって発生する超音波信号を示す図である。 送信周波数と信号量との対応関係を示す図である。 バブルの膨張倍率とバブルから得られる高調波成分の信号量との対応関係を示す図である。 組織から発生する高調波とバブルからの高調波をシミュレーションした結果を示す図である。 バブルからの受信信号に含まれる各高調波成分の信号波形を説明するための図である。 送信信号としてチャープ信号を利用して受信信号の各高調波成分をパルス圧縮処理した場合の各高調波成分を説明するための図である。 本実施形態における加算処理と差分処理による効果を説明するための図である。 ＰＩ法とパルス圧縮法とを組み合わせた場合の各高調波成分を説明するための図である。 複数の次数の高調波成分の合成を説明するための図である。 本実施形態と通常ＰＩ法との比較結果を示す図である。 本実施形態に好適な振動子を説明するための図である。 本実施形態における画像形成処理方法を説明するための図である。

符号の説明

１０ 信号発生部、１４ プローブ、２２ 加算処理部、２４ 差分処理部、２Ｃ，３Ｃ，４Ｃ，５Ｃ パルス圧縮処理部、３０ 画像形成部。

Claims (8)

1. 超音波を送受波するプローブと、
   互いに位相が反転関係にある第１チャープ信号と第２チャープ信号に対応した超音波を送波するようにプローブを制御する送信制御部と、
   プローブにより受波される超音波に基づいて、第１チャープ信号に対応した第１受信信号と第２チャープ信号に対応した第２受信信号を得る受信処理部と、
   第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理および減算処理のうちの少なくとも一方の処理に基づいて、受信信号の高調波成分を抽出する高調波抽出部と、
   抽出された高調波成分に対してパルス圧縮処理を施すパルス圧縮処理部と、
   パルス圧縮処理された高調波成分に基づいて超音波画像の画像データを形成する画像形成部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記高調波抽出部は、第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理により偶数次の高調波成分を抽出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
   前記高調波抽出部は、第１受信信号と第２受信信号との間における減算処理により奇数次の高調波成分を抽出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記高調波抽出部は、加算処理と減算処理とにより複数の次数の高調波成分を抽出し、
   前記パルス圧縮処理部は、各次数ごとに高調波成分に対してパルス圧縮処理を施し、
   前記画像形成部は、パルス圧縮処理された複数の次数の高調波成分を合成した合成信号に基づいて超音波画像の画像データを形成する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項４に記載の超音波診断装置において、
   前記高調波抽出部は、第１受信信号と第２受信信号との間における加算処理により２次および４次の高調波成分を抽出し、且つ、第１受信信号と第２受信信号との間における減算処理により３次および５次の高調波成分を抽出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記プローブは、バブルを含む診断領域に対して超音波を送受波し、
   前記送信制御部は、バブルの共振周波数を基準として設定される周波数帯域かつバブルの膨張倍率を基準として設定される送信音圧により、第１チャープ信号と第２チャープ信号に対応した超音波を送波するようにプローブを制御する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項６に記載の超音波診断装置において、
   前記送信制御部は、バブルの共振周波数以下となるように第１チャープ信号と第２チャープ信号の中心周波数を設定し、バブルの膨張倍率が１．５以上となるように送信音圧を設定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記プローブは、第１チャープ信号と第２チャープ信号の周波数帯域に対応した送信用振動素子と、受信信号の高調波成分の周波数帯域に対応した受信用振動素子とを備える、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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