JP2011010793A - Ultrasonography - Google Patents

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美樹 加藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the distance resolution and azimuth resolution of an ultrasonography.SOLUTION: In a circuit 14 for processing received ultrasonic signals, a component of the same basic frequency f1 as the transmission pulse is extracted with a correlation part F1 composed of a matched filter, and components of harmonic waves f2, f3, ... generated from non-linear distortion of a subject are extracted by one or a plurality of band pass filters F2, F3, .... The extracted components are added after multiplying prescribed coefficients k1, k2, ... by coefficient multipliers K1, K2, ... to be used for the image processing. Accordingly, the signal-to-noise ratio can be improved by subjecting the basic frequency component to the correlation process, and the capability of detecting signals can be improved by the pulse compression effect. At the same time, the penetration (the distance resolution in the depth) can be improved and the contrast to noise can be also improved. Only the basic frequency component permitting use of the transmission signal itself as a reference signal is subjected to the correlation processing, while conventional band pass filters which can be easily prepared are used for harmonic waves, so that the azimuth resolution can be also improved.

Description

本発明は、送信部から第1の超音波信号を被検体内へ送信し、それによる反射波などの被検体内から来た第2の超音波信号を受信部で受信し、その受信信号から、画像処理部が前記被検体内の断層画像を作成し、表示部に表示させる超音波画像診断装置に関し、特に第2の超音波信号から高次調波成分を抽出するものに関する。   The present invention transmits a first ultrasonic signal from a transmitter into a subject, receives a second ultrasonic signal coming from within the subject such as a reflected wave by the receiver, and receives the received ultrasonic signal from the received signal. The present invention relates to an ultrasonic diagnostic imaging apparatus in which an image processing unit creates a tomographic image in the subject and displays the tomographic image on a display unit, and particularly relates to an apparatus that extracts a higher-order harmonic component from a second ultrasonic signal.

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1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画像診断装置がある。この超音波画像診断装置は、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、超音波画像診断装置は、循環器系(心臓の冠動脈等)、消化器系(胃腸等)、内科系(肝臓、膵臓および脾臓等)、泌尿器系(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。   Ultrasound generally refers to sound waves of 16000 Hz or higher and can be examined non-destructively, harmlessly and in real time, and thus is applied to various fields such as defect inspection and disease diagnosis. For example, an ultrasound that scans the inside of the subject with ultrasound and images the internal state of the subject based on a reception signal generated from a reflected wave (echo) of the ultrasound coming from inside the subject. There is a diagnostic imaging device. This ultrasonic diagnostic imaging apparatus is smaller and less expensive for medical use than other medical imaging apparatuses, has no radiation exposure such as X-rays, is highly safe, and has a blood effect using the Doppler effect. It has various features such as the ability to display flow. For this reason, ultrasonic diagnostic imaging devices are used in the circulatory system (such as the coronary arteries of the heart), the digestive system (such as the gastrointestinal tract), the internal medicine system (such as the liver, pancreas, and spleen), the urinary system (such as the kidney and bladder), and the maternity Widely used in departments.

中でも近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された前記第1の超音波信号の周波数(基本周波数)の信号成分(基本周波数成分)ではなく、その基本周波数の整数倍の周波数(高次調波周波数)の信号成分(高次調波成分)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方位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、高次調波自体の周波数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。   In particular, in recent years, not the signal component (fundamental frequency component) of the frequency (fundamental frequency) of the first ultrasound signal transmitted from the ultrasound probe into the subject, but a frequency that is an integral multiple of the fundamental frequency ( Harmonic imaging technology that forms an image of the internal state of a subject using signal components (high-order harmonic components) of higher-order harmonic frequencies has been researched and developed. In this harmonic imaging technology, the side lobe level is small compared to the level of the fundamental frequency component, the S / N ratio (signal to noise ratio) is improved, the contrast resolution is improved, and the beam width is increased by increasing the frequency. The azimuth resolution is improved by narrowing, the sound pressure is small and the fluctuation of sound pressure is small at a short distance, so that multiple reflections are suppressed, and attenuation beyond the focal point is the same as the fundamental wave. Compared with the case where the frequency of the harmonic itself is used as a fundamental wave, it has various advantages such as a greater depth speed.

しかしながら、発生した高次調波は、超音波探触子へ戻るまでの間の減衰が激しく、探索できる深度が浅いという問題がある。そこで、特許文献1では、高次調波成分と共に、基本周波数成分も診断に用いるようにしている。その従来技術の概略構成を図14で示す。この図14で示すように、超音波探触子101で受信された信号は、相互に並列に接続されたバンドパスフィルタB1,B2,B3,・・・,BmからアンプA1,A2,A3,・・・,Amを介して画像合成部102で合成され、画像形成に使用される。前記バンドパスフィルタB1の中心周波数f1は、前記基本周波数に設定されており、残余のバンドパスフィルタB2,B3,・・・,Bmの中心周波数f2,f3,・・・,fmは、2次高調波、3次高調波、4次高調波・・・に設定されている。こうして抽出された各基本周波数成分および高次調波成分は、アンプA1,A2,A3,・・・,Amにおいて、それぞれのゲインa1,a2,a3,・・・,amで増幅された後、加算される。このように構成し、深部は基本周波数成分で、浅部は高次調波成分で診断画像を作成することで、深部から浅部まで高精度な画像形成が可能となっている。   However, the generated higher-order harmonics have a problem that the attenuation until the return to the ultrasonic probe is severe and the searchable depth is shallow. Therefore, in Patent Document 1, a fundamental frequency component is used for diagnosis together with a high-order harmonic component. A schematic configuration of the prior art is shown in FIG. As shown in FIG. 14, signals received by the ultrasound probe 101 are transmitted from the bandpass filters B1, B2, B3,..., Bm connected in parallel to the amplifiers A1, A2, A3, and Bm. .., Am are combined by the image combining unit 102 and used for image formation. The center frequency f1 of the bandpass filter B1 is set to the fundamental frequency, and the center frequencies f2, f3,..., Fm of the remaining bandpass filters B2, B3,. Harmonic, 3rd harmonic, 4th harmonic, etc. are set. The fundamental frequency components and the higher-order harmonic components extracted in this way are amplified by the amplifiers A1, A2, A3,..., Am with the respective gains a1, a2, a3,. Is added. By configuring in this way and creating a diagnostic image with a fundamental frequency component in the deep portion and a higher-order harmonic component in the shallow portion, it is possible to form a highly accurate image from the deep portion to the shallow portion.

特開2004−208918号公報JP 2004-208918 A

一方、送信用の第1の超音波信号として、パルスを用いることで、S/Nを高め、距離分解能を高められる可能性がある。しかしながら、前記高次調波を含む広帯域の信号をバンドパスフィルタに入力すると、図15で示すように、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、距離分解能の向上の妨げになる。すなわち、図15(a)は基本波パルスを基本波のバンドパスフィルタB1に通した波形を表し、図15(b)は3次調波を3次調波のバンドパスフィルタB3に通した波形を表す。これらから、本来、周波数が高く、距離分解能の向上が期待される高次調波が、基本波に対して距離分解能があまり向上していないことが理解される。したがって、前記高次調波をバンドパスフィルタB2,B3,・・・,Bmに通すことでは、方位分解能の向上は期待できるが、距離分解能の向上は期待できない。また、バンドパスフィルタは、入力信号を帯域制限して出力するだけであるので、S/Nの向上に対する期待はできない。   On the other hand, using a pulse as the first ultrasonic signal for transmission may increase S / N and distance resolution. However, when a broadband signal including the higher-order harmonics is input to the bandpass filter, as shown in FIG. 15, pre-ringing and post-ringing occur in addition to the extracted signal, which hinders improvement in distance resolution. That is, FIG. 15A shows a waveform obtained by passing a fundamental wave pulse through a fundamental band-pass filter B1, and FIG. 15B shows a waveform obtained by passing a third-order harmonic through a band-pass filter B3 of a third-order harmonic. Represents. From these, it is understood that high-order harmonics that are originally high in frequency and expected to improve the distance resolution do not improve the distance resolution with respect to the fundamental wave. Therefore, by passing the higher-order harmonics through the bandpass filters B2, B3,..., Bm, an improvement in azimuth resolution can be expected, but an improvement in distance resolution cannot be expected. Further, since the band-pass filter only outputs the input signal after band limiting, it cannot be expected to improve the S / N.

本発明の目的は、距離分解能、方位分解能およびS/Nを向上することができる超音波画像診断装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide an ultrasonic diagnostic imaging apparatus that can improve distance resolution, azimuth resolution, and S / N.

本発明の超音波画像診断装置は、第1の超音波信号を被検体内へ送信する送信部と、前記第1の超音波信号が被検体内で反射された第2の超音波信号を受信する受信部と、前記受信部での受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出する信号処理部と、前記信号処理部での抽出結果から前記被検体内の断層画像を作成する画像処理部と、作成された前記断層画像を表示する表示部とを備えて構成される超音波画像診断装置において、前記送信部は、第1の超音波信号をパルスで送信し、前記信号処理部は、前記第1の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、前記受信部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、前記受信部の出力から前記第2超音波信号に含まれる前記基本周波数の成分を検出する相関部と、前記受信部の出力から、予め設定された1または複数の高次調波の成分を抽出するフィルタと、前記相関部および1または複数のフィルタからの出力にそれぞれ所定の重みを施して加算する加算部とを含むことを特徴とする。   An ultrasonic diagnostic imaging apparatus according to the present invention receives a first ultrasonic signal into a subject and a second ultrasonic signal in which the first ultrasonic signal is reflected in the subject. Generating a tomographic image in the subject from the extraction result of the signal processing unit, a signal processing unit that extracts a desired signal component by performing predetermined signal processing on a reception signal at the receiving unit In the ultrasonic diagnostic imaging apparatus configured to include an image processing unit that performs and a display unit that displays the generated tomographic image, the transmission unit transmits a first ultrasonic signal in pulses, and the signal When the frequency of the first ultrasonic signal is a fundamental frequency, the processing unit performs correlation processing between the output of the receiving unit and a preset reference signal, so that the first output is output from the output of the receiving unit. 2 Components of the fundamental frequency included in the ultrasonic signal A predetermined weight for each of a correlation unit to be detected, a filter for extracting one or more preset higher-order harmonic components from the output of the reception unit, and the output from the correlation unit and the one or more filters And an addition unit for performing addition.

上記の構成によれば、送信部から第1の超音波信号を被検体内へ送信し、それによる反射波などの被検体から来た第2の超音波信号を受信部で受信し、信号処理部がその受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出し、その抽出結果から、画像処理部が前記被検体内の断層画像を作成し、表示部に表示させる超音波画像診断装置において、注目すべきは、前記送信部から送信される第1の超音波信号をパルスとし、それによって受信された第2の超音波信号の内、送信した第1の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部で抽出する一方、前記被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分は、バンドパスフィルタなどの通過帯域の制限を行う1または複数のフィルタで抽出することである。そして、前記相関部および1または複数のフィルタからの出力は、加算部においてそれぞれ所定の重みを施して加算し、前記画像処理部に与える。   According to the above configuration, the first ultrasonic signal is transmitted from the transmission unit into the subject, the second ultrasonic signal coming from the subject such as a reflected wave is received by the reception unit, and the signal processing is performed. The image processing unit creates a tomographic image in the subject from the extracted result by performing predetermined signal processing on the received signal by the unit, and an ultrasonic image diagnosis for causing the display unit to display the tomographic image In the apparatus, it should be noted that the first ultrasonic signal transmitted from the transmitting unit is used as a pulse, and the same basic as the transmitted first ultrasonic signal among the second ultrasonic signals received thereby. While the frequency component is extracted by the correlator, the higher-order harmonic component generated by the nonlinear distortion of the subject is extracted by one or more filters that limit the pass band such as a band pass filter. Then, the outputs from the correlation unit and the one or more filters are added with predetermined weights added by the adding unit, and given to the image processing unit.

したがって、基本周波数成分に対して、帯域制限フィルタを使用した場合には、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、S/Nが低下してしまうのに対して、相関処理を行うことで、そのような余分な信号は発生せずS/Nを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、パルス圧縮効果によって、信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記S/Nの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション(深さ方向の距離分解能)を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分に対しては、適切な相関演算器(マッチトフィルタ)を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波に関しては、そのような適切な相関演算器(マッチトフィルタ)の実現が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用する。こうして、距離分解能、方位分解能およびS/Nを向上することができる。   Therefore, when a band limiting filter is used for the fundamental frequency component, pre-ringing or post-ringing occurs in addition to the extracted signal, and the S / N is reduced, and correlation processing is performed. Thus, such an extra signal is not generated, and the S / N can be improved, and the return timing can be accurately detected. Furthermore, the signal compression capability can be increased by the pulse compression effect, and the distance resolution can be improved more than the distance resolution determined by the wavelength of the physical frequency, and the S / N and the timing accuracy are improved. In addition, the penetration (distance resolution in the depth direction) can be improved, the contrast with noise becomes clear, and the contrast can also be improved. Also, in the correlation processing, for the fundamental frequency component that can use the transmission signal itself as a reference signal, an appropriate correlation calculator (matched filter) can be realized, but at what level it is generated For high-order harmonics that are difficult to predict, it is difficult to implement such an appropriate correlation calculator (matched filter), so the traditional bandpass filter is used to reliably limit unrelated bands, Use only to improve azimuth resolution. Thus, distance resolution, azimuth resolution, and S / N can be improved.

また、本発明の超音波画像診断装置は、前記加算部における重みを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定する重み設定部をさらに備えることを特徴とする。   The ultrasonic diagnostic imaging apparatus according to the present invention further includes a weight setting unit that sets the weight in the adding unit according to at least one of a diagnostic region and a diagnostic depth in the subject.

上記の構成によれば、基本周波数成分および1または複数の高次調波成分を重み付けして用いることで、減衰が激しいけれど高解像な高次調波成分は浅い部位(近距離部位)を見るのに好適であり、解像度に劣るが遠くまで届く基本周波数成分は深い部位(遠距離部位)を見るのに好適であり、こうして浅い部位から深い部位までに亘って、しかも重みによって、診断により適した、より高精度な超音波画像を形成することができる。ここで、前記被検体の診断部位や診断深度は、たとえば第1および第2の超音波信号のフォーカルポイントや第1の超音波信号の送信時刻を時間原点とした経過時間で表すことができ、前記重みは、そのフォーカルポイントや経過時間に応じて設定される。   According to the above configuration, the fundamental frequency component and one or more higher-order harmonic components are weighted and used so that a high-resolution higher-order harmonic component that is severely attenuated is a shallow part (short-distance part). The fundamental frequency component, which is suitable for viewing and has a low resolution but reaches far, is suitable for viewing a deep part (far-distance part). Thus, from a shallow part to a deep part, and by weight, it is diagnosed. A suitable and more accurate ultrasonic image can be formed. Here, the diagnostic part and the diagnostic depth of the subject can be represented by an elapsed time with the focal point of the first and second ultrasonic signals and the transmission time of the first ultrasonic signal as the time origin, for example, The weight is set according to the focal point and elapsed time.

さらにまた、本発明の超音波画像診断装置では、前記送信部は、前記パルスとしてチャープ波を用いることを特徴とする。   Furthermore, in the ultrasonic diagnostic imaging apparatus of the present invention, the transmission unit uses a chirp wave as the pulse.

上記の構成によれば、前記第1の超音波信号としてのパルスに、単純なガウシアンエンベロープ波形ではなく、周波数が時間経過に伴って増加または減少するチャープ波を用いることで、レンジサイドロープ(時間的サイドロープ)を抑制することができる。   According to the above configuration, a range side rope (time) is obtained by using a chirp wave whose frequency increases or decreases with the passage of time, instead of a simple Gaussian envelope waveform, as a pulse as the first ultrasonic signal. (A side rope) can be suppressed.

好ましくは、前記相関部は、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とを特徴とする。   Preferably, the correlation unit includes an analog product-sum operation device based on a CCD principle.

上記の構成によれば、微弱な信号レベルでもより適切に相関処理を行うことが可能となる。   According to the above configuration, it is possible to perform correlation processing more appropriately even with a weak signal level.

また、本発明の超音波画像診断装置では、前記送信部および受信部における超音波振動子は、送信用の無機圧電素子上に、受信用の有機圧電素子を積層して成ることを特徴とする。   In the ultrasonic diagnostic imaging apparatus of the present invention, the ultrasonic transducers in the transmission unit and the reception unit are formed by laminating an organic piezoelectric element for reception on an inorganic piezoelectric element for transmission. .

上記の構成によれば、前記送信部および受信部における超音波振動子に、送信用として大パワー送信可能な無機圧電素子を用い、受信用として比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子を用いることで、高次調波成分を高感度に受信可能となる。   According to the above configuration, an organic piezoelectric element capable of receiving a relatively wide band for reception is used by using an inorganic piezoelectric element capable of transmitting high power for transmission for the ultrasonic transducers in the transmission unit and the reception unit. By using the piezoelectric element, it is possible to receive high-order harmonic components with high sensitivity.

本発明の超音波画像診断装置は、以上のように、送信部から送信される第1の超音波信号をパルスとし、それによって受信された第2の超音波信号の内、送信した第1の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分はバンドパスフィルタなどの通過帯域の制限を行う1または複数のフィルタで抽出し、前記相関部および1または複数のフィルタからの出力を、加算部においてそれぞれ所定の重みを施して加算し、画像処理に使用する。   As described above, the ultrasonic diagnostic imaging apparatus of the present invention uses the first ultrasonic signal transmitted from the transmission unit as a pulse, and transmits the first ultrasonic signal transmitted among the received second ultrasonic signals. While the same fundamental frequency component as the ultrasonic signal is extracted by the correlation unit, the higher-order harmonic component generated by the nonlinear distortion of the subject is extracted by one or more filters that limit the pass band such as a band pass filter. The outputs from the correlation unit and the one or more filters are added with a predetermined weight in the adding unit, and used for image processing.

それゆえ、基本周波数成分に対して相関処理を行うことで、S/Nを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、パルス圧縮効果によって、信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記S/Nの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション(深さ方向の距離分解能)を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分に対しては、適切な相関演算器(マッチトフィルタ)を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波に関しては、そのような適切な相関演算器(マッチトフィルタ)の実現が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用する。こうして、距離分解能、方位分解能およびS/Nを向上することができる。   Therefore, by performing correlation processing on the fundamental frequency component, the S / N can be improved and the timing of returning can be detected accurately. Furthermore, the signal compression capability can be increased by the pulse compression effect, and the distance resolution can be improved more than the distance resolution determined by the wavelength of the physical frequency, and the S / N and the timing accuracy are improved. In addition, the penetration (distance resolution in the depth direction) can be improved, the contrast with noise becomes clear, and the contrast can also be improved. Also, in the correlation processing, for the fundamental frequency component that can use the transmission signal itself as a reference signal, an appropriate correlation calculator (matched filter) can be realized, but at what level it is generated For high-order harmonics that are difficult to predict, it is difficult to implement such an appropriate correlation calculator (matched filter), so the traditional bandpass filter is used to reliably limit unrelated bands, Use only to improve azimuth resolution. Thus, distance resolution, azimuth resolution, and S / N can be improved.

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。It is a figure which shows the external appearance structure of the ultrasound diagnosing device in embodiment. 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。It is a block diagram which shows the electrical structure of the ultrasonic diagnosing device in embodiment. 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図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasound probe in the ultrasound diagnosing device of embodiment. 受信超音波信号を処理する実施形態の信号処理回路のブロック図である。It is a block diagram of a signal processing circuit of an embodiment which processes a reception ultrasonic signal. 相関処理および画像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。In describing correlation processing and image processing, it is a diagram showing a more specific configuration of the ultrasonic diagnostic apparatus according to the embodiment. 電荷を転送する動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement which transfers an electric charge. 1つの電荷を2等分する動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement which divides one electric charge into 2 equal parts. 2つの電荷を統合する動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement which integrates two electric charges. 相関演算を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating correlation calculation. 本願発明による信号処理の様子を模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically the mode of the signal processing by this invention. 本願発明者による実験結果を示すシミュレーション画像である。It is a simulation image which shows the experimental result by this inventor. 本願発明によるペネトレーションの向上の様子を模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically the mode of improvement of penetration by the present invention. 本願発明によるコントラストの向上の様子を模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the improvement of the contrast by this invention. 典型的な従来技術の信号処理回路のブロック図である。1 is a block diagram of a typical prior art signal processing circuit. FIG. 送信信号をパルスとして受信信号を前記信号処理回路でバンドパスフィルタ処理した際に発生するリンギングを説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the ringing generate | occur | produced when a transmission signal is made into a pulse and a received signal is band-pass-filter-processed with the said signal processing circuit.

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。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted. Further, in this specification, as appropriate, a generic reference is used to indicate a reference numeral without a suffix, and an individual configuration is indicated by a reference numeral with a suffix.

図1は実施形態における超音波画像診断装置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画像診断装置Sの電気的な構成を示すブロック図である。超音波画像診断装置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の超音波信号)を送信するとともに、この被検体や造影剤で反射(エコー)もしくは発生した超音波(第2の超音波信号)を受信する超音波探触子2と、前記超音波探触子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に被検体に対して前記第1の超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子2で受信された被検体内から来た第2の超音波信号に応じて超音波探触子2で生成された電気信号の受信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診断装置本体1とを備えて構成される。   FIG. 1 is a diagram showing an external configuration of an ultrasound diagnostic imaging apparatus S in the embodiment, and FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the ultrasound diagnostic imaging apparatus S in the embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic diagnostic imaging apparatus S transmits ultrasonic waves (first ultrasonic signals) to a subject such as a living body (not shown), and the subject or contrast agent. The ultrasonic probe 2 that receives the reflected (echoed) or generated ultrasonic wave (second ultrasonic signal) at 2 and is connected to the ultrasonic probe 2 via the cable 3, and the ultrasonic probe. 2 transmits the first ultrasonic signal to the subject by transmitting the transmission signal of the electrical signal to the object 2 via the cable 3 and is received by the ultrasonic probe 2. Apparatus for imaging an internal state of a subject as an ultrasound image based on a received signal of an electrical signal generated by the ultrasound probe 2 in response to a second ultrasound signal coming from within the subject A main body 1 is provided.

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、信号処理部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、タイミング発生部19とを備えて構成されている。   For example, as illustrated in FIG. 2, the diagnostic apparatus body 1 includes an operation input unit 11, a transmission unit 12, a reception unit 13, a signal processing unit 14, an image processing unit 15, a display unit 16, and a control unit. 17, a reference signal storage unit 18, and a timing generation unit 19.

操作入力部11は、たと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を受け付ける装置であり、たと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。   The operation input unit 11 is a device that accepts input of data such as a command for instructing start of diagnosis and personal information of a subject, for example, and is an operation panel or a keyboard provided with a plurality of input switches, for example.

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の超音波信号を発生させる回路である。第1の超音波信号には、通常自然界に存在することなく相関処理によって検出することが容易である観点から、周波数を時間経過に伴って予め設定された割合で増加または減少させるチャープ波のパルスが用いられる。送信部12は、たとえば制御部17からの送信信号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(図4参照)およびその送信ビームに応じて超音波探触子2の各無機圧電素子22を実際に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(図4参照)等を備えて構成される。各送信信号には、フォーカルポイント(フォーカス点)および/またはステアリング角度(方位)に対応した時間差が付与されている。受信部13は、制御部17の制御に従って、超音波探触子2の各有機圧電素子21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、この受信信号を信号処理部14へ出力する。受信部13は、たとえば受信信号を予め設定された増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。   The transmission unit 12 is a circuit that supplies a transmission signal of an electrical signal to the ultrasonic probe 2 via the cable 3 under the control of the control unit 17 and generates a first ultrasonic signal in the ultrasonic probe 2. It is. The first ultrasonic signal is a pulse of a chirp wave that increases or decreases the frequency at a preset rate with the passage of time from the viewpoint of being easily detected by correlation processing without being normally present in the natural world. Is used. The transmission unit 12 includes, for example, a transmission beam former circuit 122 (see FIG. 4) that forms a transmission beam according to a transmission signal from the control unit 17, and each inorganic piezoelectric element 22 of the ultrasonic probe 2 according to the transmission beam. And a drive signal generation circuit 121 (see FIG. 4) for generating a drive signal for actually driving. Each transmission signal is given a time difference corresponding to the focal point (focus point) and / or the steering angle (azimuth). The receiving unit 13 is a circuit that receives a reception signal of an electrical signal from each organic piezoelectric element 21 of the ultrasonic probe 2 through the cable 3 under the control of the control unit 17. Output to. The receiving unit 13 includes, for example, an amplifier that amplifies the received signal with a preset amplification factor.

信号処理部14は、後述するようにして、受信部13の出力をフィルタ処理することで、受信部13で受信された第2の超音波信号から、送信用の第1超音波信号を基本周波数とした場合に、その基本周波数成分と、複数の高次調波成分とを抽出し、所望の割合で加算した後、画像処理部15へ与えるものである。   As will be described later, the signal processing unit 14 filters the output of the receiving unit 13 to convert the first ultrasonic signal for transmission from the second ultrasonic signal received by the receiving unit 13 to the fundamental frequency. In this case, the fundamental frequency component and a plurality of higher-order harmonic components are extracted, added at a desired ratio, and then given to the image processing unit 15.

参照信号記憶部18は、ROMあるいはEEPROM等の記憶素子を備えて構成され、送信信号および後述の相関処理の参照信号となる信号を記憶する回路である。前記信号処理部14への参照信号は、送信部12供給されてもよい。   The reference signal storage unit 18 includes a storage element such as a ROM or an EEPROM, and is a circuit that stores a transmission signal and a signal serving as a reference signal for correlation processing described later. A reference signal to the signal processing unit 14 may be supplied to the transmission unit 12.

タイミング発生部19は、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回路である。   The timing generation unit 19 is a circuit that generates the operation timing of each unit of the diagnostic apparatus body 1 and outputs the operation timing to each unit that requires the operation timing.

画像処理部15は、制御部17の制御に従って、前述のように信号処理部14で抽出された、基本周波数成分および高次調波成分に基づいて被検体の内部状態の画像(超音波画像)を形成する回路である。なお、画像処理部15は、受信部13での受信信号から、従来のBモード断層画像を生成する機能などを適宜備えていてもよい。   The image processing unit 15 is an image (ultrasonic image) of the internal state of the subject based on the fundamental frequency component and the higher-order harmonic component extracted by the signal processing unit 14 as described above under the control of the control unit 17. It is a circuit which forms. Note that the image processing unit 15 may appropriately include a function of generating a conventional B-mode tomographic image from the reception signal at the reception unit 13.

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断層画像を表示する装置である。この表示部16は、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実現することができる。   The display unit 16 is a device that displays an ultrasonic tomographic image of the subject generated by the image processing unit 15 under the control of the control unit 17. The display unit 16 can be realized by a display device such as a CRT display, LCD, organic EL display and plasma display, a printing device such as a printer, or the like.

制御部17は、たと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、信号処理部14、画像処理部15、表示部16および参照信号記憶部18を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって、該超音波画像診断装置Sの全体制御を行う回路である。   The control unit 17 includes, for example, a microprocessor, a storage element, and peripheral circuits thereof. The operation input unit 11, the transmission unit 12, the reception unit 13, the signal processing unit 14, the image processing unit 15, the display unit 16, and the like. This is a circuit that performs overall control of the ultrasound diagnostic imaging apparatus S by controlling the reference signal storage unit 18 according to the function.

図3は、実施形態の超音波探触子2を構成する超音波振動子20の断面図である。超音波探触子(超音波プローブ)2は、前述のように、被検体内に第1の超音波信号を送信し、この第1の超音波信号に応じて被検体内から来た第2の超音波信号を受信する装置であって、無機および有機の圧電材料を備えて成り、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の変換を行う。すなわち、大略的に、超音波振動子20は、前記無機圧電素子22上に有機圧電素子21が積層されて成る。具体的には、この図3に示すように、バッキング層となる平板状の音響制動部材23と、この音響制動部材23上に積層された複数の前記無機圧電素子22と、これら複数の無機圧電素子22における隙間に充填される音響吸収材24と、これら複数の無機圧電素子22上に積層された共通接地電極層25と、この共通接地電極層25上に積層される中間層26と、この中間層26上に積層されるシート状の前記有機圧電素子21と、この有機圧電素子21上に積層される音響整合層27とを備えて構成される。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 20 constituting the ultrasonic probe 2 of the embodiment. As described above, the ultrasound probe (ultrasound probe) 2 transmits the first ultrasound signal into the subject, and the second probe coming from inside the subject in response to the first ultrasound signal. The apparatus for receiving the ultrasonic signal is composed of inorganic and organic piezoelectric materials, and converts between an electric signal and an ultrasonic signal by utilizing a piezoelectric phenomenon. That is, the ultrasonic transducer 20 is generally formed by laminating an organic piezoelectric element 21 on the inorganic piezoelectric element 22. Specifically, as shown in FIG. 3, a flat plate-like acoustic braking member 23 serving as a backing layer, the plurality of inorganic piezoelectric elements 22 stacked on the acoustic braking member 23, and the plurality of inorganic piezoelectric elements. The acoustic absorber 24 filled in the gap in the element 22, the common ground electrode layer 25 stacked on the plurality of inorganic piezoelectric elements 22, the intermediate layer 26 stacked on the common ground electrode layer 25, The sheet-like organic piezoelectric element 21 laminated on the intermediate layer 26 and an acoustic matching layer 27 laminated on the organic piezoelectric element 21 are configured.

前記音響制動部材23は、超音波を吸収する材料から構成され、無機圧電素子22から背面側へ放射された超音波を吸収するものである。音響吸収材24には、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、前記音響制動部材23と同様に超音波を吸収し、複数の各無機圧電素子22間におけるクロストークを低減する。   The acoustic braking member 23 is made of a material that absorbs ultrasonic waves, and absorbs ultrasonic waves radiated from the inorganic piezoelectric element 22 to the back side. The acoustic absorber 24 is made of thermosetting resin such as polyimide resin or epoxy resin, and absorbs ultrasonic waves similarly to the acoustic braking member 23 to reduce crosstalk between the plurality of inorganic piezoelectric elements 22. To do.

各無機圧電素子22は、無機圧電材料から構成される圧電体(素圧電体)221の両表面にそれぞれ電極(素電極)222,223を備えて構成される。前記無機圧電材料は、たとえば、ジルコン酸チタン酸塩(PZT(登録商標))、水晶、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、ニオブ酸タンタル酸カリウム(K(Ta,Nb)O)、チタン酸バリウム(BaTiO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)およびチタン酸ストロンチウム(SrTiO)等である。 Each inorganic piezoelectric element 22 includes electrodes (element electrodes) 222 and 223 on both surfaces of a piezoelectric body (element piezoelectric body) 221 made of an inorganic piezoelectric material. Examples of the inorganic piezoelectric material include zirconate titanate (PZT (registered trademark)), crystal, lithium niobate (LiNbO 3 ), potassium tantalate niobate (K (Ta, Nb) O 3 ), and barium titanate. (BaTiO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), and the like.

これらの無機圧電素子22は、音響制動部材23に、それを貫通して信号電極224が形成された上に、シート状の圧電体221の両表面に電極222,223が積層されたものが積層された後、各無機圧電素子22に切出され、各無機圧電素子22間に音響吸収材24が充填されて成り、或いは各無機圧電素子22が切出され、音響吸収材24が充填されて成るシート状の部材が音響制動部材23上に積層されて成る。電極223は共通接地電極層25を介して接地され、信号電極224から電極222には前記送信部12の駆動信号生成回路からケーブル3を介して個別の駆動信号が入力される。   These inorganic piezoelectric elements 22 are formed by stacking electrodes 222 and 223 on both surfaces of a sheet-like piezoelectric body 221 on which signal electrodes 224 are formed so as to penetrate the acoustic braking member 23. After being cut, each inorganic piezoelectric element 22 is cut out and the acoustic absorbing material 24 is filled between the inorganic piezoelectric elements 22, or each inorganic piezoelectric element 22 is cut out and filled with the acoustic absorbing material 24. A sheet-like member is laminated on the acoustic braking member 23. The electrode 223 is grounded through the common ground electrode layer 25, and individual drive signals are input from the drive signal generation circuit of the transmission unit 12 to the signal electrode 224 through the electrode 222 through the cable 3.

中間層26は、無機圧電素子22上に有機圧電素子21を積層するための部材であり、それらの音響インピーダンスを整合させるものである。   The intermediate layer 26 is a member for laminating the organic piezoelectric element 21 on the inorganic piezoelectric element 22 and matches their acoustic impedance.

有機圧電素子21は、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る圧電体211と、この圧電体211の一方の面に形成された個別電極212と、圧電体211の他方の面に略全面に亘って一様に形成された共通電極213とを備えて構成されたシート状の圧電素子である。このように構成することで、一体的なシート状に形成しても、各有機圧電素子21を個別に動作させることができ、有機圧電素子22のように素子の切出しや隙間の充填といった作業が不要になり、製造工程を簡略化することができる。個別電極212は、受信部13の受信ビームフォーマに受信信号を出力する。   The organic piezoelectric element 21 includes a piezoelectric body 211 made of a flat organic piezoelectric material having a predetermined thickness, an individual electrode 212 formed on one surface of the piezoelectric body 211, and the other surface of the piezoelectric body 211. And a common electrode 213 formed uniformly over substantially the entire surface of the sheet-like piezoelectric element. By configuring in this way, each organic piezoelectric element 21 can be individually operated even if it is formed as an integral sheet, and operations such as cutting out elements and filling gaps like the organic piezoelectric element 22 can be performed. It becomes unnecessary and the manufacturing process can be simplified. The individual electrode 212 outputs a reception signal to the reception beamformer of the reception unit 13.

なお、有機圧電素子21の素子数などによっては、幾つかの素子でグループを構成し、前記共通電極231は、それらのグループ毎に設けられてもよい。また、図3に示す例では、有機圧電素子21は無機圧電素子22の全体に亘って積層されているけれども、一部に亘って積層されるだけでもよい。また、有機圧電素子21と無機圧電素子22との素子数は、同一でもよいが、異なっていてもよく、それぞれの占有面積はそれぞれの素子に要求される仕様に応じて設計されればよい。この図3のように、有機圧電素子21の素子数を無機圧電素子22の素子数より多く形成する場合、無機圧電素子22の1個当りのサイズ(大きさ)を大きくすることが可能となり、該無機圧電素子22を送信に用いるにあたって、送信パワーを大きくすることができるとともに、有機圧電素子21の素子数を多くでき、該有機圧電素子21を受信に用いるにあたって、受信分解能を向上することができる。前記有機圧電素子21は、たとえば64×64の4096個が2次元マトリクス状に配列される。   Depending on the number of the organic piezoelectric elements 21 and the like, a group may be constituted by some elements, and the common electrode 231 may be provided for each group. Further, in the example shown in FIG. 3, the organic piezoelectric element 21 is laminated over the entire inorganic piezoelectric element 22, but may be laminated only over a part thereof. The number of organic piezoelectric elements 21 and inorganic piezoelectric elements 22 may be the same or different, and each occupation area may be designed according to specifications required for each element. As shown in FIG. 3, when the number of organic piezoelectric elements 21 is larger than the number of inorganic piezoelectric elements 22, the size (size) of each inorganic piezoelectric element 22 can be increased. When the inorganic piezoelectric element 22 is used for transmission, the transmission power can be increased, the number of organic piezoelectric elements 21 can be increased, and reception resolution can be improved when the organic piezoelectric element 21 is used for reception. it can. For example, 4096 of 64 × 64 organic piezoelectric elements 21 are arranged in a two-dimensional matrix.

前記有機圧電材料には、たとえばフッ化ビニリデン(VDF)の重合体を用いることができる。または、前記有機圧電材料には、フッ化ビニリデン系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体(コポリマ)であり、他の単量体としては、3フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)、パーフルオロアルコキシエチレン(PAE)およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。フッ化ビニリデン系コポリマは、その共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数(圧電効果)が変化するので、超音波探触子2の仕様等に応じて適宜な共重合比が採用される。たとえば、フッ化ビニリデン/3フッ化エチレンのコポリマの場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が60mol%〜99mol%が好ましく、有機圧電素子を無機圧電素子に積層する複合素子の場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が85mol%〜99mol%がより好ましい。また、このような複合素子の場合では、他の単量体は、パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)、パーフルオロアルコキシエチレン(PAE)およびパーフルオロヘキサエチレンが好ましい。またたとえば、有機圧電材料は、ポリ尿素を用いることができる。このポリ尿素の場合では、蒸着重合法で圧電体を作成することが好ましい。ポリ尿素用のモノマとして、一般式、H2N−R−NH2構造を挙げることができる。ここで、Rは、任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、2価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。ポリ尿素は、尿素誘導体と他の単量体との共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、4,4’−ジアミノジフェニルメタン(MDA)と4,4’−ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)を用いる芳香族ポリ尿素を挙げることができる。   As the organic piezoelectric material, for example, a polymer of vinylidene fluoride (VDF) can be used. Alternatively, a vinylidene fluoride copolymer can be used as the organic piezoelectric material. This vinylidene fluoride copolymer is a copolymer (copolymer) of vinylidene fluoride and other monomers. Examples of the other monomers include ethylene trifluoride, tetrafluoroethylene, perfluoroalkyl vinyl ether ( PFA), perfluoroalkoxyethylene (PAE), perfluorohexaethylene, and the like can be used. In the vinylidene fluoride copolymer, the electromechanical coupling constant (piezoelectric effect) in the thickness direction varies depending on the copolymerization ratio, and therefore an appropriate copolymerization ratio is adopted according to the specifications of the ultrasonic probe 2 and the like. For example, in the case of vinylidene fluoride / ethylene trifluoride copolymer, the copolymerization ratio of vinylidene fluoride is preferably 60 mol% to 99 mol%, and in the case of a composite element in which an organic piezoelectric element is laminated on an inorganic piezoelectric element, The copolymerization ratio of vinylidene is more preferably 85 mol% to 99 mol%. In the case of such a composite element, the other monomers are preferably perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), perfluoroalkoxyethylene (PAE), and perfluorohexaethylene. For example, polyurea can be used for the organic piezoelectric material. In the case of this polyurea, it is preferable to produce a piezoelectric body by vapor deposition polymerization. Examples of the monomer for polyurea include a general formula and an H2N-R-NH2 structure. Here, R may include an alkylene group, a phenylene group, a divalent heterocyclic group, or a heterocyclic group which may be substituted with any substituent. The polyurea may be a copolymer of a urea derivative and another monomer. Preferred polyureas include aromatic polyureas using 4,4'-diaminodiphenylmethane (MDA) and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI).

音響整合層27は、無機圧電素子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とともに、有機圧電素子21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。そして、音響整合層27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としての機能も備えている。   The acoustic matching layer 27 is a member that matches the acoustic impedance of the inorganic piezoelectric element 22 and the acoustic impedance of the subject and matches the acoustic impedance of the organic piezoelectric element 21 and the acoustic impedance of the subject. The acoustic matching layer 27 has a shape that bulges in an arc shape, and also has a function as an acoustic lens that converges ultrasonic waves transmitted toward the subject.

このような構成の超音波画像診断装置Sでは、たとえば操作入力部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では、ROI(注目領域)を基に指定するステアリング角度(方位)とフォーカルポイントの深度とからビームフォーマ122(図5参照)の遅延が付与されるとともにPCMによって形成された上記チャープ波の送信信号が生成される。この送信信号は、ケーブル3を介して超音波探触子2の無機圧電素子22の内、ビームフォミングすべき素子へ供給され、その素子が厚さ方向に伸縮し、共振することで、大きな振幅の超音波振動を発生することができる。この超音波振動は、第1の超音波信号として、中間層26から有機圧電素子21および音響整合層27を通って、被検体内に入射される。なお、超音波探触子2は、被検体(生体)の体表面上に接触して用いられてもよいし、被検体の内部、たとえば生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。   In the ultrasonic diagnostic imaging apparatus S having such a configuration, for example, when an instruction to start diagnosis is input from the operation input unit 11, the transmission unit 12 specifies based on the ROI (region of interest) under the control of the control unit 17. A delay of the beamformer 122 (see FIG. 5) is given from the steering angle (azimuth) and the depth of the focal point, and the chirp wave transmission signal formed by the PCM is generated. This transmission signal is supplied to the element to be beam-formed among the inorganic piezoelectric elements 22 of the ultrasonic probe 2 via the cable 3, and the element expands and contracts in the thickness direction and resonates. Amplitude ultrasonic vibrations can be generated. This ultrasonic vibration enters the subject as a first ultrasonic signal from the intermediate layer 26 through the organic piezoelectric element 21 and the acoustic matching layer 27. Note that the ultrasound probe 2 may be used in contact with the body surface of the subject (living body), or may be used by being inserted into the inside of the subject, for example, the body cavity of the living body.

この被検体に対して送信された超音波は、前記ステアリング角度(方位)のフォーカルポイントで収束され、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の超音波信号)となる。この第2の超音波信号には、送信された第1の超音波信号の周波数成分だけでなく、この第1の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、その整数倍の高次調波の成分も含まれる。このため、受信用には広帯域の超音波信号を受信可能なように、前記有機圧電素子21が用いられる。本実施の形態は、有機圧電素子21での受信信号から、以下に詳述するように、これらの基本周波数成分および高次調波成分を信号処理部14で抽出し、画像処理部15での断層画像の作成に用いる。なお、無機圧電素子22には送受信切換え回路を接続し、基本周波数成分は送信を行った該無機圧電素子22で受信し、前記有機圧電素子21では高次調波成分のみを受信するようにしてもよい。   The ultrasonic waves transmitted to the subject are converged at the focal point of the steering angle (orientation), reflected at one or more boundary surfaces having different acoustic impedances inside the subject, and reflected ultrasonic waves ( Second ultrasonic signal). In the second ultrasonic signal, not only the frequency component of the transmitted first ultrasonic signal but also the higher frequency of an integral multiple of the first ultrasonic signal when the frequency is the fundamental frequency. Wave components are also included. For this reason, the organic piezoelectric element 21 is used for reception so that a broadband ultrasonic signal can be received. In the present embodiment, as will be described in detail below, the fundamental frequency component and the higher-order harmonic component are extracted by the signal processing unit 14 from the reception signal at the organic piezoelectric element 21, and the image processing unit 15 Used to create tomographic images. A transmission / reception switching circuit is connected to the inorganic piezoelectric element 22 so that the fundamental frequency component is received by the transmitted inorganic piezoelectric element 22 and the organic piezoelectric element 21 receives only the higher-order harmonic component. Also good.

図4は、本発明の実施の一形態の信号処理回路14の概略構成を示すブロック図である。注目すべきは、本実施の形態の信号処理回路14では、前記有機圧電素子21で受信された信号は、受信部13からこの信号処理回路14に入力され、相互に並列に接続された相関部F1およびバンドパスフィルタF2,F3,・・・,Fmに入力されることである。これらの相関部F1およびバンドパスフィルタF2,F3,・・・,Fmからの出力は、それぞれ係数器K1,K2,・・・,Kmにおいて所定の係数k1,k2,・・・,kmが乗算されて画像処理部15で合成され、画像形成に使用される。前記相関部F1の中心周波数f1は、前記基本周波数に設定されており、残余のバンドパスフィルタF2,F3,・・・,Fmの中心周波数f2,f3,・・・,fmは、2次高調波、3次高調波、4次高調波・・・に設定されている。   FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the signal processing circuit 14 according to the embodiment of the present invention. It should be noted that in the signal processing circuit 14 of the present embodiment, a signal received by the organic piezoelectric element 21 is input from the receiving unit 13 to the signal processing circuit 14 and connected to each other in parallel. F1 and bandpass filters F2, F3,..., Fm. The outputs from the correlation unit F1 and the band pass filters F2, F3,..., Fm are multiplied by predetermined coefficients k1, k2,. Then, they are synthesized by the image processing unit 15 and used for image formation. The center frequency f1 of the correlation unit F1 is set to the fundamental frequency, and the center frequencies f2, f3,..., Fm of the remaining bandpass filters F2, F3,. Wave, third harmonic, fourth harmonic,...

次に、前記相関部F1における相関処理に関し、より具体的に説明する。図5は、前記相関部F1の具体的な一構成例を示す図である。ここで、高次調波成分が受信信号全体に占めるエネルギー量は微弱であるので、受信したアナログ信号(第2の超音波信号)をデジタル変換してから相関処理を行ったのでは、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、注目すべきは、本実施形態における相関部F1は、相関処理自体をアナログ処理で行うものである。   Next, the correlation processing in the correlation unit F1 will be described more specifically. FIG. 5 is a diagram illustrating a specific configuration example of the correlation unit F1. Here, since the amount of energy that the higher-order harmonic component occupies in the entire received signal is weak, if the correlation processing is performed after digitally converting the received analog signal (second ultrasonic signal), the quality is high. The dynamic range required for forming an ultrasonic image cannot be obtained. Therefore, it should be noted that the correlation unit F1 in the present embodiment performs the correlation processing itself by analog processing.

そのため、相関部F1は、i個の有機圧電素子21毎に設けられ、対応する有機圧電素子21の各出力がそれぞれ入力される。すなわち、多数の有機圧電素子21は、時分割で、i個をグループとしてこの相関部F1に接続され、このi個の相関部を、参照符号F1−1,F1−2,F1−3,・・・,F1−i(総称するときは、前記参照符号F1で示す)で示す。残余のバンドパスフィルタF2,F3,・・・,Fmについても同様に、i個の有機圧電素子21毎に設けられるが、この図5では、1個分だけ示している。各相関部F1は、対応する有機圧電素子21からの受信信号(第2の超音波信号)と、係数設定部33で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、両者の一致度を検出する回路であり、同様の構成を有している。本実施形態では、上述したように、参照信号は送信信号と同一であり、参照信号記憶部18に記憶されている係数列が制御部17によって読出され、前記送信信号として送信部12の送信ビームフォーマ122に与えられるとともに、テンプレートデータ列として前記係数設定部33に設定される。   Therefore, the correlation unit F1 is provided for each i organic piezoelectric elements 21, and the outputs of the corresponding organic piezoelectric elements 21 are input thereto. That is, a large number of organic piezoelectric elements 21 are connected to this correlation unit F1 in a time division manner as a group, and the i correlation units are denoted by reference numerals F1-1, F1-2, F1-3,. .., F1-i (generally referred to by the reference symbol F1). Similarly, the remaining band-pass filters F2, F3,..., Fm are provided for each i organic piezoelectric elements 21, but only one is shown in FIG. Each correlator F1 performs correlation processing between the received signal (second ultrasonic signal) from the corresponding organic piezoelectric element 21 and the reference signal set in advance by the coefficient setting unit 33, whereby the degree of coincidence between them is determined. This circuit has a similar configuration. In the present embodiment, as described above, the reference signal is the same as the transmission signal, the coefficient sequence stored in the reference signal storage unit 18 is read by the control unit 17, and the transmission beam of the transmission unit 12 is transmitted as the transmission signal. It is given to the former 122 and set in the coefficient setting unit 33 as a template data string.

前記相関部F1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、サンプルホールド部31と、電荷転送部32と、前記係数設定部33と、デジタルアナログ乗算部34と、加算部35とを備えて構成される。   The correlation unit F1 is a circuit that calculates the correlation between the output of the reception unit 13 and the reference signal by performing an analog product-sum operation based on the CCD principle, and includes a sample hold unit 31, a charge transfer unit 32, and the coefficient A setting unit 33, a digital / analog multiplication unit 34, and an addition unit 35 are provided.

サンプルホールド部31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(当該サンプルホールド部31に接続されている有機圧電素子21の出力)を保持する回路である。サンプルホールド部31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Qを電荷転送部32へ出力する。   The sample hold unit 31 is a circuit that holds the output of the reception unit 13 (the output of the organic piezoelectric element 21 connected to the sample hold unit 31) at a sampling period corresponding to the operation timing from the timing generation unit 19. . The sample hold unit 31 outputs the charge Q corresponding to the held output of the receiving unit 13 to the charge transfer unit 32 at a timing according to the operation timing.

電荷転送部32は、前記電荷Qを保持する複数の電荷保持部321−1,321−2,321−3,・・・,321−n(総称するときは、以下参照符号321で示す)を備えて構成され、これら各電荷保持部321は、直列に接続されている。そして、前記サンプルホールド部31のサンプリングタイミングで、保持している電荷Qを後段の電荷保持部321へ出力し、前段の電荷保持部の電荷Qを取込み、こうしてシフトレジスタのように保持電荷Qを順次転送してゆく。   The charge transfer unit 32 includes a plurality of charge holding units 321-1, 321-2, 321-3,..., 321-n (hereinafter collectively referred to as reference numeral 321) that hold the charge Q. These charge holding portions 321 are connected in series. Then, at the sampling timing of the sample hold unit 31, the held charge Q is output to the subsequent charge holding unit 321, the charge Q of the previous charge holding unit is taken in, and thus the held charge Q is changed like a shift register. Transfer sequentially.

このような電荷転送部32は、たとえば図6に示すように、半導体41と、該半導体41上に形成された絶縁体層42と、連続的に配置されるように絶縁体層42上に形成された複数の電極(ゲート電極)43とを備えて構成され、これら各電極43に電荷Qを転送するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、或る電極下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷Qを順次に後段の電極下のポテンシャル井戸へ転送する電荷転送素子(電荷結合素子、Charge-Coupled Devices、CCD)TDによって構成することができる。図6に示す例では、6個の電極43−1〜43−6を備える電荷転送素子TDが示されている。また、各電極43(43−1〜43−6)には、電極43に電圧を印加するための信号線P41〜P43が接続されている。たとえば、時刻t1において、第1電極43−1に電圧が印加されることによって形成された第1ポテンシャル井戸PW1に電荷Qが保持されている。次の動作タイミングの時刻t2(t21、t22)において、まず、第1および第2電極43−1,43−2のそれぞれに電圧が印加されることによって、第1ポテンシャル井戸PW1が第1電極43−1下だけでなく第2電極43−2下にも拡がり、電荷Qがこれら各電極43−1,43−2下に形成されたポテンシャル井戸PW12に保持され(時刻t21)、続いて、第2電極43−2の電圧がそのままで、第1電極43−1の電圧が時間経過に従って徐々に0に変化されることによって、第1ポテンシャル井戸PW1の電荷Qが徐々に第1ポテンシャル井戸PW2へ移動する(時刻t22)。そして、次の動作タイミングの時刻t3において、第1電極43−1に印加されていた電圧が解消されることで、前記の電荷Qが第2電極43−2下に形成されたポテンシャル井戸PW2に完全に移動する。このような動作を繰返すことで、第1電極43−1下のポテンシャル井戸PW1に蓄積されていた電荷Qが、隣接する第2電極43−2下のポテンシャル井戸PW2へ転送されて保持される。このような動作をサンプリング周期内で順次下流側の電荷保持部321−nから上流側の電荷保持部321−1に向って行われることで、上述のように各電荷保持部321内の電荷が順次後段側へ転送されてゆく。   For example, as shown in FIG. 6, such a charge transfer portion 32 is formed on the insulator layer 42 so as to be continuously disposed with the semiconductor 41, the insulator layer 42 formed on the semiconductor 41. A plurality of electrodes (gate electrodes) 43 are provided, and by applying a drive voltage having a predetermined pattern for transferring the charge Q to each of these electrodes 43, the electrodes are accumulated in a potential well below a certain electrode. The charge transfer element (charge-coupled device, CCD) TD for sequentially transferring the charge Q to the potential well below the subsequent electrode can be formed. In the example illustrated in FIG. 6, a charge transfer element TD including six electrodes 43-1 to 43-6 is illustrated. In addition, signal lines P41 to P43 for applying a voltage to the electrode 43 are connected to the electrodes 43 (43-1 to 43-6). For example, at time t1, the charge Q is held in the first potential well PW1 formed by applying a voltage to the first electrode 43-1. At time t2 (t21, t22) of the next operation timing, first, a voltage is applied to each of the first and second electrodes 43-1 and 43-2, so that the first potential well PW1 becomes the first electrode 43. -1 as well as below the second electrode 43-2, the charge Q is held in the potential well PW12 formed under these electrodes 43-1 and 43-2 (time t21). The voltage of the first electrode 43-1 is gradually changed to 0 as time elapses while the voltage of the two electrodes 43-2 is left as it is, so that the charge Q of the first potential well PW1 gradually moves to the first potential well PW2. Move (time t22). Then, at time t3 of the next operation timing, the voltage applied to the first electrode 43-1 is eliminated, so that the charge Q is applied to the potential well PW2 formed under the second electrode 43-2. Move completely. By repeating such an operation, the electric charge Q accumulated in the potential well PW1 under the first electrode 43-1 is transferred and held in the potential well PW2 under the adjacent second electrode 43-2. By performing such an operation sequentially from the downstream charge holding unit 321-n toward the upstream charge holding unit 321-1 within the sampling period, the charge in each charge holding unit 321 is changed as described above. Sequentially transferred to the subsequent stage.

デジタルアナログ乗算部34は、電荷転送部32の各電荷保持部321(321−1〜321−n)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)341−1〜341−n(総称するときは、以下参照符号341で示す)を備えて構成されている。DA乗算器341は、係数設定部33によって予め設定されている係数g(l)(0≦g(l)<1)で対応する電荷保持部321の電荷Qを乗算し、その乗算結果を加算部35へ出力する回路である。より具体的には、g(l)×Q=g1(l)×2−1Q+g2(l)×2−2Q+g3(l)×2−3Q+・・・+gn(l)×2−nQと表現することができることから、DA乗算器341では、電荷保持部321に保持されている電荷(アナログ信号)Qが2等分され、一方がさらに2等分され、これが繰り返されることで、2−1Q、2−2Q、2−3Q、・・・、2−nQの複数の電荷が生成され、これら各電荷が、乗数である係数g(l)の2進表現g1(l)、g2(l)、g3(l)、・・・、gn(l)に従って取捨され、そのうちの取り上げられた電荷が1個に統合されることで、前記g(l)×Qの乗算をアナログ処理で行うものである。   The digital / analog multiplication unit 34 includes a plurality of digital / analog multipliers (DA multipliers) 341-1 to 341- provided corresponding to the charge holding units 321 (321-1 to 321-n) of the charge transfer unit 32. n (when generically referred to, this is indicated by reference numeral 341 below). The DA multiplier 341 multiplies the charge Q of the corresponding charge holding unit 321 by the coefficient g (l) (0 ≦ g (l) <1) preset by the coefficient setting unit 33, and adds the multiplication results. This is a circuit for outputting to the unit 35. More specifically, g (l) × Q = g1 (l) × 2-1Q + g2 (l) × 2-2Q + g3 (l) × 2-3Q +... + Gn (l) × 2-nQ Therefore, in the DA multiplier 341, the charge (analog signal) Q held in the charge holding unit 321 is divided into two equal parts, and one is further divided into two equal parts. −2Q, 2-3Q,..., 2-nQ are generated, and each of these charges is a binary expression g1 (l), g2 (l), g3 of a coefficient g (l) that is a multiplier. (L),..., Gn (l) are discarded, and the electric charges picked up from them are integrated into one, whereby the multiplication of g (l) × Q is performed by analog processing.

このようなDA乗算器341も、電荷転送素子(電荷結合素子)を用いて構成することができ、たとえば電荷分割部CDと、電荷統合部SDとを備えて構成することができる。たとえば、1個の電荷Qを2個の電荷に2等分する電荷分割部CDは、図7に示すように、半導体51と、該半導体51上に形成された絶縁体層52と、絶縁体層52上に連続的に形成された複数の電極(ゲート電極)53(53−1〜53−6)とを備えて構成され、3個1組の電極53を含んで1個の分割部CDkが構成され、図7には、電極53−1〜53−3を含む第1分割部CD1と、電極53−4〜53−6を含む第2分割部CD2とが図示されている。また、各電極53(53−1〜53−6)には、電極53に電圧を印加するための信号線P51〜P53が接続されている。   Such a DA multiplier 341 can also be configured using a charge transfer element (charge coupled device), and can be configured including, for example, a charge dividing unit CD and a charge integrating unit SD. For example, as shown in FIG. 7, the charge dividing unit CD that divides one charge Q into two charges is divided into a semiconductor 51, an insulator layer 52 formed on the semiconductor 51, an insulator And a plurality of electrodes (gate electrodes) 53 (53-1 to 53-6) continuously formed on the layer 52, each of which includes one set of three electrodes 53 and one divided portion CDk. FIG. 7 shows a first divided portion CD1 including the electrodes 53-1 to 53-3 and a second divided portion CD2 including the electrodes 53-4 to 53-6. In addition, signal lines P51 to P53 for applying a voltage to the electrode 53 are connected to the electrodes 53 (53-1 to 53-6).

このような電荷分割部CDでは、電極53に外部から電圧を印加することによって電極53下の半導体31内にポテンシャル井戸PWが形成される。ポテンシャル井戸PWは、その対応する電極53に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷分割部CDでは、第1および第2分割部CD1、CD2における各電極53−1〜53−3;53−4〜53−6に、電荷Qを分割するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第1分割部CD1に保持されている電荷Qが2個の電荷Q1,Q2(Q1=Q2=Q/2)に等分され、各電荷Q1,Q2がそれぞれ第1および第2分割部CD1,CD2に保持される。   In such a charge dividing section CD, a potential well PW is formed in the semiconductor 31 under the electrode 53 by applying a voltage to the electrode 53 from the outside. The depth of the potential well PW is controlled by the potential applied to the corresponding electrode 53 from the outside. In such a charge dividing unit CD, a predetermined pattern is driven so as to divide the charge Q into the electrodes 53-1 to 53-3; 53-4 to 53-6 in the first and second dividing units CD1 and CD2. By applying a voltage, the charge Q held in the first division unit CD1 is equally divided into two charges Q1, Q2 (Q1 = Q2 = Q / 2), and each of the charges Q1, Q2 is first And held in the second division parts CD1 and CD2.

たとえば、時刻t11において、初期状態(2等分前、分割前)として、第1分割部CD1の第3電極53−3に電圧が印加されることによって形成された第1分割部CD1の第1ポテンシャル井戸PW3に電荷Qが保持されているとする。そして、次の動作タイミングの時刻t12において、第1分割部CD1の第2および第3電極53−2,53−3ならびに第2分割部CD2の第1電極53−4のそれぞれに電圧が印加されることによって、第1分割部CD1の第1ポテンシャル井戸PW3が第3電極53−3下だけでなく第1分割部CD1の第2電極53−2下および第2分割部CD2の第1電極53−4下にも拡がり、電荷Qがこれら各電極53−2〜53−4下に形成されたポテンシャル井戸PW234に保持される。   For example, at time t11, the first state of the first divided portion CD1 formed by applying a voltage to the third electrode 53-3 of the first divided portion CD1 as an initial state (before being divided into two equal parts and before being divided). It is assumed that the charge Q is held in the potential well PW3. Then, at time t12 of the next operation timing, a voltage is applied to each of the second and third electrodes 53-2 and 53-3 of the first division unit CD1 and the first electrode 53-4 of the second division unit CD2. Thus, the first potential well PW3 of the first division part CD1 is not only under the third electrode 53-3 but also under the second electrode 53-2 of the first division part CD1 and the first electrode 53 of the second division part CD2. −4 also spreads, and the charge Q is held in the potential well PW234 formed under each of the electrodes 53-2 to 53-4.

次の動作タイミングの時刻t13において、第1分割部CD1の第3電極53−3に印加されていた電圧が解消され、そして、第1分割部CD1の第2電極53−2および第2分割部CD2の第1電極53−4に電圧が印加されることによって、電荷Qが第1分割部CD1の第2電極53−2下に形成されたポテンシャル井戸PW2および第2分割部CD2の第1電極53−4下に形成されたポテンシャル井戸PW4にそれぞれ分割されて保持される。このように1個のポテンシャル井戸PW3に蓄積されていた電荷Qが、電極53に所定パターンの駆動電圧を印加することによって、このポテンシャル井戸PW3に隣接するポテンシャル井戸PW2,PW4へ2等分されて保持される。   At time t13 of the next operation timing, the voltage applied to the third electrode 53-3 of the first division unit CD1 is eliminated, and the second electrode 53-2 and the second division unit of the first division unit CD1 are eliminated. When a voltage is applied to the first electrode 53-4 of CD2, a charge Q is formed below the second electrode 53-2 of the first divided part CD1, and the first electrode of the second divided part CD2 Divided and held in potential wells PW4 formed below 53-4. The charge Q accumulated in one potential well PW3 in this way is divided into two equal parts to potential wells PW2 and PW4 adjacent to the potential well PW3 by applying a drive voltage of a predetermined pattern to the electrode 53. Retained.

続いて、図7では、次の動作タイミングの時刻t14において、第1分割部CD1では、第1および第2電極53−1,53−2に電圧が印加されることによって、第1分割部CD1の第2ポテンシャル井戸PW2が第2電極53−2下だけでなく第1電極53−1下にも拡がり、電荷Q1(=Q/2)がこの第1および第2電極53−1,53−2下に形成されたポテンシャル井戸PW12に保持される。そして、第2分割部CD2では、第1および第2電極53−4,53−5に電圧が印加されることによって、第2分割部CD2の第1ポテンシャル井戸PW4が第1電極53−4下だけでなく第2電極53−5下にも拡がり、電荷Q2(=Q/2)がこの第1および第2電極53−4,53−5下に形成されたポテンシャル井戸PW45に保持される。   Subsequently, in FIG. 7, at the time t14 of the next operation timing, the first division unit CD1 applies a voltage to the first and second electrodes 53-1, 53-2, thereby the first division unit CD1. The second potential well PW2 extends not only under the second electrode 53-2 but also under the first electrode 53-1, and the charge Q1 (= Q / 2) is transferred to the first and second electrodes 53-1, 53-. 2 is held in the potential well PW12 formed below. In the second divided portion CD2, a voltage is applied to the first and second electrodes 53-4 and 53-5, so that the first potential well PW4 of the second divided portion CD2 is below the first electrode 53-4. In addition, the charge Q2 (= Q / 2) spreads below the second electrode 53-5 and is held in the potential well PW45 formed below the first and second electrodes 53-4 and 53-5.

次の動作タイミングの時刻t15において、第1分割部CD1では、第1分割部CD1の第2電極53−2に印加されていた電圧が解消されるとともに、第1分割部CD1の第1電極33−1に電圧が印加されることによって、2等分された電荷Q1が第1分割部CD1の第1電極53−1下に形成された第1分割部CD1の第1ポテンシャル井戸PW1に保持される。そして、第2分割部CD2では、第2分割部CD2の第1電極53−4に印加されていた電圧が解消されるとともに、第2分割部CD2の第2電極53−5に電圧が印加されることによって、2等分された電荷Q2が第2分割部CD2の第2電極53−5下に形成された第2分割部CD2の第2ポテンシャル井戸PW5に保持される。   At time t15 of the next operation timing, in the first division unit CD1, the voltage applied to the second electrode 53-2 of the first division unit CD1 is eliminated, and the first electrode 33 of the first division unit CD1 is eliminated. −1 is applied with a voltage, the charge Q1 divided into two equal parts is held in the first potential well PW1 of the first divided portion CD1 formed under the first electrode 53-1 of the first divided portion CD1. The In the second division unit CD2, the voltage applied to the first electrode 53-4 of the second division unit CD2 is eliminated, and the voltage is applied to the second electrode 53-5 of the second division unit CD2. Thus, the charge Q2 divided into two equal parts is held in the second potential well PW5 of the second divided portion CD2 formed under the second electrode 53-5 of the second divided portion CD2.

このように電荷分割部Dは、電荷Qを2等分に分割するような所定パターンの駆動電圧を各電極53に印加することによって、第1分割部CD1の第3ポテンシャル井戸PW3に保持されている電荷Qを2等分し、第1分割部CD1の第2ポテンシャル井戸PW2(第1ポテンシャル井戸PW1)および第2分割部CD2の第2ポテンシャル井戸PW5(第3ポテンシャル井戸PW6)のそれぞれへ導き保持することによって、電荷Qを2個の電荷に2等分することができる。   In this way, the charge dividing unit D is held in the third potential well PW3 of the first dividing unit CD1 by applying a driving voltage having a predetermined pattern that divides the charge Q into two equal parts. The electric charge Q is divided into two equal parts and led to the second potential well PW2 (first potential well PW1) of the first divided portion CD1 and the second potential well PW5 (third potential well PW6) of the second divided portion CD2. By holding, the charge Q can be divided into two equal parts.

そして、複数の電荷を1個の電荷に統合する電荷統合部SDも、たとえば図8に示すように、半導体61と、半導体61上に形成された絶縁体層62と、絶縁体層62上に連続的に形成された複数の電極(ゲート電極)63(63−1〜63−6)とを備えて構成され、3個1組の電極63を含んで1個の統合部SDkが構成され、図8には、電極63−1〜63−3を含む第1統合部SD1と、電極63−4〜63−6を含む第2統合部SD2とが図示されている。また、各電極63(63−1〜63−6)には、電極63に電圧を印加するための信号線P61〜P63が接続されている。   The charge integration unit SD that integrates a plurality of charges into one charge is also formed on the semiconductor 61, the insulator layer 62 formed on the semiconductor 61, and the insulator layer 62, for example, as shown in FIG. A plurality of continuously formed electrodes (gate electrodes) 63 (63-1 to 63-6), and a single integrated portion SDk including a set of three electrodes 63, FIG. 8 illustrates a first integration unit SD1 including the electrodes 63-1 to 63-3 and a second integration unit SD2 including the electrodes 63-4 to 63-6. Further, signal lines P61 to P63 for applying a voltage to the electrode 63 are connected to the electrodes 63 (63-1 to 63-6).

このような電荷統合部SDでは、電極63に外部から電圧を印加することによって電極63下の半導体61内にポテンシャル井戸PWが形成される。ポテンシャル井戸PWは、その対応する電極63に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷統合部SDでは、第1および第2統合部SD1,SD2における各電極63−1〜63−3;63−4〜63−6に電荷を統合するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第1統合部SD1に保持されている第1電荷Q1と第2統合部SD2に保持されている第2電荷Q2とが合わせられて1個の電荷Q(Q=Q1+Q2)に統合され、この電荷Qが第1統合部SD1(第2統合部SD2)に保持される。   In such a charge integration portion SD, a potential well PW is formed in the semiconductor 61 under the electrode 63 by applying a voltage to the electrode 63 from the outside. The depth of the potential well PW is controlled by the potential applied to the corresponding electrode 63 from the outside. In such a charge integration unit SD, a driving voltage having a predetermined pattern that integrates charges into the electrodes 63-1 to 63-3; 63-4 to 63-6 in the first and second integration units SD1 and SD2 is applied. By applying, the first charge Q1 held in the first integration part SD1 and the second charge Q2 held in the second integration part SD2 are combined into one charge Q (Q = Q1 + Q2). The charge Q is integrated and held in the first integration unit SD1 (second integration unit SD2).

たとえば、時刻t21において、初期状態(加算処理前)として、第1統合部SD1の第1電極63−1に電圧が印加されることによって形成された第1統合部SD1の第1ポテンシャル井戸PW1に第1電荷Q1が保持され、第2統合部SD2の第2電極63−5に電圧が印加されることによって形成された第2統合部SD2の第2ポテンシャル井戸PW5に第2電荷Q2が保持されている。次の動作タイミングの時刻t22において、第1統合部SD1では、第1統合部SD1の第1および第2電極63−1,63−2に電圧が印加されることによって、第1統合部SD1の第1ポテンシャル井戸PW1が第1電極63−1下だけでなく第2電極63−2下にも拡がり、第1電荷Q1がこの第1および第2電極63−1,63−2下に形成されたポテンシャル井戸PW12に保持される。そして、第2統合部SD2では、第2統合部SD2の第1および第2電極63−4,63−5に電圧が印加されることによって、第2統合部SD2の第2ポテンシャル井戸PW5が第2電極63−5下だけでなく第1電極63−4下にも拡がり、第2電荷Q2がこの第1および第2電極63−4,63−5下に形成されたポテンシャル井戸PW45に保持される。   For example, at time t21, as an initial state (before addition processing), the first potential well PW1 of the first integrated unit SD1 formed by applying a voltage to the first electrode 63-1 of the first integrated unit SD1 The first charge Q1 is held, and the second charge Q2 is held in the second potential well PW5 of the second integration part SD2 formed by applying a voltage to the second electrode 63-5 of the second integration part SD2. ing. At time t22 of the next operation timing, in the first integration unit SD1, a voltage is applied to the first and second electrodes 63-1 and 63-2 of the first integration unit SD1, so that the first integration unit SD1 The first potential well PW1 extends not only under the first electrode 63-1, but also under the second electrode 63-2, and a first charge Q1 is formed under the first and second electrodes 63-1, 63-2. Held in the potential well PW12. In the second integration unit SD2, a voltage is applied to the first and second electrodes 63-4 and 63-5 of the second integration unit SD2, so that the second potential well PW5 of the second integration unit SD2 Not only under the two electrodes 63-5 but also under the first electrode 63-4, the second charge Q2 is held in the potential well PW45 formed under the first and second electrodes 63-4 and 63-5. The

次の動作タイミングの時刻t23において、第1統合部SD1では、第1統合部SD1の第1電極63−1に印加されていた電圧が解消され、そして、第2電極63−2に電圧が印加されることによって、第1および第2電極63−1,63−2下に形成されたポテンシャル井戸PW12に保持されていた第1電荷Q1が第2電極63−2下に形成された第1統合部SD1の第2ポテンシャル井戸PW2に移動して保持される。そして、第2統合部SD2では、第2統合部SD2の第2電極63−5に印加されていた電圧が解消され、第1電極63−4に電圧が印加されることによって、第1および第2電極63−4,63−5下に形成されたポテンシャル井戸PW45に保持されていた第2電荷Q2が第1電極63−4下に形成された第2統合部の第1ポテンシャル井戸PW4に移動して保持される。このような動作によって第1統合部SD1の第1電荷Q1が第2統合部SD2へ寄るとともに、第2統合部SD2の第2電荷Q2が第1統合部SD1へ寄り、第1統合部SD1の第2電極63−2と第2統合部SD2の第1電極63−4とが1個の電極(第1統合部の第3電極63−3)63を隔てて配置される。   At time t23 of the next operation timing, in the first integration unit SD1, the voltage applied to the first electrode 63-1 of the first integration unit SD1 is eliminated, and the voltage is applied to the second electrode 63-2. As a result, the first charge Q1 held in the potential well PW12 formed under the first and second electrodes 63-1 and 63-2 is integrated with the first integration formed under the second electrode 63-2. It is moved and held in the second potential well PW2 of the part SD1. In the second integration unit SD2, the voltage applied to the second electrode 63-5 of the second integration unit SD2 is eliminated, and the voltage is applied to the first electrode 63-4. The second charge Q2 held in the potential well PW45 formed under the two electrodes 63-4 and 63-5 moves to the first potential well PW4 of the second integrated portion formed under the first electrode 63-4. Held. By such an operation, the first charge Q1 of the first integration unit SD1 approaches the second integration unit SD2, and the second charge Q2 of the second integration unit SD2 approaches the first integration unit SD1, and the first integration unit SD1 The second electrode 63-2 and the first electrode 63-4 of the second integration part SD2 are arranged with one electrode (the third electrode 63-3 of the first integration part) 63 therebetween.

そして、次の動作タイミングの時刻t24において、第1統合部SD1の第1電荷Q1と第2統合部SD2の第2電荷Q2とを隔てているこの第1統合部SD1の第3電極63−3に、第1統合部SD1の第2電極63−2および第2統合部SD2の第1電極63−4にそれぞれ印加されている電圧と同じ電圧が印加されることによって、第1統合部SD1の第2ポテンシャル井戸PW2が第2電極63−2下だけでなく第3電極63−3下にも拡がるとともに、第2統合部SD2の第1ポテンシャル井戸PW4が第1電極63−4下だけでなく第1統合部SD1の第3電極63−3下にも拡がる結果、第1統合部SD1の第2および第3電極63−2,63−3下ならびに第2統合部SDの第1電極63−4下に亘るポテンシャル井戸PW234が形成され、第1統合部SD1の第1電荷Q1と第2統合部SD2の第2電荷Q2とが統合される。   Then, at the time t24 of the next operation timing, the third electrode 63-3 of the first integration unit SD1 that separates the first charge Q1 of the first integration unit SD1 from the second charge Q2 of the second integration unit SD2. The same voltage as the voltage applied to the second electrode 63-2 of the first integration unit SD1 and the first electrode 63-4 of the second integration unit SD2 is applied to the first integration unit SD1. The second potential well PW2 extends not only under the second electrode 63-2 but also under the third electrode 63-3, and the first potential well PW4 of the second integration part SD2 is not only under the first electrode 63-4. As a result of extending below the third electrode 63-3 of the first integration unit SD1, the second electrode 36-2 and the third electrode 63-3 of the first integration unit SD1 and the first electrode 63- of the second integration unit SD1. Potential well PW over 4 34 is formed, a first charge Q1 of the first integrated portion SD1 and the second charge Q2 of the second integration section SD2 is integrated.

そして、次の動作タイミングの時刻t25において、第1統合部SD1の第2電極63−2に印加されていた電圧が解消されるとともに第2統合部SD2の第1電極63−4に印加されていた電圧が解消され、第1統合部SD1の第3電極63−3に電圧が印加されることによって、この統合された第1統合部CD1の第1電荷Q1と第2統合部SD2の第2電荷Q2とが第1統合部SD1の第3電極63−3下に形成された第1統合部SD1の第3ポテンシャル井戸PW3に保持され、加算結果Q(=Q1+Q2)となる。   Then, at time t25 of the next operation timing, the voltage applied to the second electrode 63-2 of the first integration unit SD1 is canceled and applied to the first electrode 63-4 of the second integration unit SD2. When the voltage is canceled and a voltage is applied to the third electrode 63-3 of the first integration unit SD1, the first charge Q1 of the integrated first integration unit CD1 and the second integration unit SD2 are second. The charge Q2 is held in the third potential well PW3 of the first integration unit SD1 formed below the third electrode 63-3 of the first integration unit SD1, and the addition result Q (= Q1 + Q2) is obtained.

このように電荷統合部SDは、所定パターンの駆動電圧を各電極に印加することによって、第1統合部SD1のポテンシャル井戸PWに保持されている第1電荷Q1と第2統合部SD2のポテンシャル井戸PWに保持されている第2電荷Q2とを1個のポテンシャル井戸PWへ導き統合することによって、第1統合部SD1の第1電荷Q1と第2統合部SD2の第2電荷Q2とを電荷のままで加算することができるものである。すなわち、電荷統合部SDは、第1統合部SD1の第1電荷Q1と第2統合部SD2の第2電荷Q2とをアナログで加算することができる。   In this way, the charge integration unit SD applies the drive voltage of a predetermined pattern to each electrode, thereby causing the first charge Q1 held in the potential well PW of the first integration unit SD1 and the potential well of the second integration unit SD2. The second charge Q2 held in PW is led to and integrated with one potential well PW, whereby the first charge Q1 of the first integration unit SD1 and the second charge Q2 of the second integration unit SD2 are combined. It can be added as it is. That is, the charge integration unit SD can add the first charge Q1 of the first integration unit SD1 and the second charge Q2 of the second integration unit SD2 in an analog manner.

DA乗算器341は、たとえば係数g(l)の2進表現に従ったビット数個の直列に接続された複数の前記電荷分割部CDと、前記電荷統合部SDとを備え、電荷保持部321の出力値に対応する電荷量Qを、前述のように電荷分割部CDで2等分し、その一方を、この2等分した電荷分割部CDにおける後段の電荷分割部CDで2等分し、これを繰り返すことで、2−1Q、2−2Q、2−3Q、・・・、2−nQの複数の電荷を生成し、これら各電荷を、係数g(l)の2進表現g1(l)、g2(l)、g3(l)、・・・、gn(l)に従って取捨し、そのうち取り上げた電荷を電荷統合部SDで統合することで、G(l)×Qの乗算をアナログで行うことができるものである。そのため、係数g(l)の2進表現g1(l),g2(l),g3(l),・・・,gn(l)に従った取捨では、ビットが0の場合には捨て、ビットが1の場合には残す。たとえば、Q×0.36827(10進数)の乗算を行う場合は、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。各DA乗算器341−1〜341−nでの乗算結果は、前記電荷統合部SDと同様に構成される加算部35によって相互に加算され、各相関部F1−1,F0−2,F0−3,・・・,F0−iの出力Y1,Y2,・・・,Yiとなる。なお、DA乗算器341では、電荷保持部321の電荷量Qをセンシングフローティングゲートを介して転写し、電荷保持部321の出力値(電荷量Q)と等しい電荷量Qが保持される。   The DA multiplier 341 includes, for example, a plurality of the bit division units CD connected in series of several bits according to the binary expression of the coefficient g (l), and the charge integration unit SD, and the charge holding unit 321. The charge amount Q corresponding to the output value is divided into two equal parts by the charge dividing unit CD as described above, and one of them is divided into two equal parts by the subsequent charge dividing unit CD in the two divided charge dividing parts CD. , By repeating this, a plurality of charges of 2-1Q, 2-2Q, 2-3Q,..., 2-nQ are generated, and each of these charges is represented by a binary expression g1 ( l), g2 (l), g3 (l),..., gn (l), and by integrating the picked-up charges in the charge integration unit SD, the multiplication of G (l) × Q is analog. Is something that can be done with. Therefore, in the rounding according to the binary representation g1 (l), g2 (l), g3 (l),..., Gn (l) of the coefficient g (l), if the bit is 0, it is discarded. If is 1, leave it. For example, when multiplying by Q × 0.36827 (decimal number), it becomes Q × 0.01011110 (binary number), and Q × (0 + 0/2 + 1/4 + 0/8 + 1/16 + 1/32 + 1/64 + 1/128 + 0 / 256). The multiplication results in the DA multipliers 341-1 to 341-n are added to each other by the adding unit 35 configured in the same manner as the charge integrating unit SD, and each correlating unit F1-1, F0-2, F0-. 3,..., F0-i outputs Y1, Y2,. In the DA multiplier 341, the charge amount Q of the charge holding unit 321 is transferred via the sensing floating gate, and the charge amount Q equal to the output value (charge amount Q) of the charge holding unit 321 is held.

このように相関部F1は、アナログ信号である電荷Qを用い、上述したように、遅延(転送)、乗算および加算が可能な、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たデバイスであり、これを用いることで、高分解能、高速かつ低消費電力に、相関処理演算が可能となる。   As described above, the correlation unit F1 uses the charge Q that is an analog signal and, as described above, is a device that includes an analog product-sum operation device based on the CCD principle that can perform delay (transfer), multiplication, and addition. By using this, correlation processing calculation can be performed with high resolution, high speed and low power consumption.

なお、このような構成の相関部F1では、扱われる電荷Qが正の値であることから、受信部13の正負いずれの出力にも対応すべく、たとえば受信部13とサンプルホールド部31との間に、入力信号の絶対値を出力するとともに入力信号における正負の符号(符号ビット列)を出力する絶対値化回路が介挿されてもよく、この場合では、その符号(符号ビット列)は、以後、絶対値化された信号の各処理に伴って、サンプルホールド部31、電荷転送部32、デジタルアナログ乗算部34および加算部35の各部を伝播するように、これら各部が構成される。   In the correlation unit F1 having such a configuration, since the charge Q to be handled is a positive value, for example, between the reception unit 13 and the sample hold unit 31 in order to handle both positive and negative outputs of the reception unit 13. An absolute value conversion circuit that outputs the absolute value of the input signal and outputs a positive / negative sign (sign bit string) in the input signal may be interposed in between. In this case, the sign (sign bit string) is These units are configured to propagate through the sample and hold unit 31, the charge transfer unit 32, the digital / analog multiplication unit 34, and the addition unit 35 in accordance with the processing of the absolute valued signal.

このようなDA乗算器341は、たとえば特開平6−237173号公報(特許第2599679号公報)、特開平6−350453号公報(特許第2955734号公報)、特開平7−335866号公報(特許第2665726号公報)および特開平8−050546号公報も参照することができる。   Such a DA multiplier 341 includes, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-237173 (Japanese Patent No. 2599679), Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-350453 (Japanese Patent No. 2955734), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-335866 (Patent No. 2). No. 2,665,726) and JP-A-8-050546 can also be referred to.

係数設定部33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34の各DA乗算器341に対し、前記係数g(l)を設定する回路である。   The coefficient setting unit 33 is a circuit that sets the coefficient g (l) for each DA multiplier 341 of the digital / analog multiplication unit 34 based on the reference signal stored in the reference signal storage unit 18.

このような構成の相関部F1は、次のように動作する。相関部F1における相関処理とは、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、たとえば2つの数列xnとznとがあった場合、次の式1で示される相関値Yが大きい程、2つの数列が似通っていることになる。   The correlation unit F1 having such a configuration operates as follows. The correlation process in the correlation unit F1 is a process for determining how similar two waveforms are. For example, when there are two number sequences xn and zn, the correlation value Y expressed by the following equation 1 is large. The two sequences are similar.

Y=Σxkzk ・・・(1)
ただし、Σは、k=1からk=nまでの和を求める。
Y = Σxkzz (1)
However, Σ calculates the sum from k = 1 to k = n.

ここで、送信信号(参照信号)をs(t)とし、該送信信号s(t)に雑音を含ませたものを受信信号x(t)とし、上記の式1からなる相関値(判定基準)をYとすると、図9に波線で示すように、参照信号s(t)と受信信号x(t)とが重なる瞬間に急峻なピークが検出されることになる。このピークが大きければ大きいほど、参照信号s(t)とよく類似した信号が受信されたことになる。なお、図9では、送信信号s(t)は、太い実線で示され、受信信号x(t)は、細い実線で示されている。また、図9では、相関のピークがずれているように見えるけれども、参照信号s(t)と受信信号x(t)との相関演算後、相関結果を信号の開始タイミングに合わせて出力しており、デジタル演算で相対的な時間遅延が生じ、このような波形となる。   Here, the transmission signal (reference signal) is s (t), and the transmission signal s (t) including noise is the reception signal x (t). ) Is Y, a steep peak is detected at the moment when the reference signal s (t) and the received signal x (t) overlap as shown by the wavy line in FIG. The larger this peak is, the more closely received the signal is similar to the reference signal s (t). In FIG. 9, the transmission signal s (t) is indicated by a thick solid line, and the reception signal x (t) is indicated by a thin solid line. Further, in FIG. 9, although the correlation peak seems to be shifted, after the correlation calculation between the reference signal s (t) and the received signal x (t), the correlation result is output in accordance with the signal start timing. As a result, a relative time delay occurs in the digital calculation, and this waveform is obtained.

実際には、図5のように、受信部13で受信される連続的な受信信号x(t)が時間τでサンプルホールドされ、離散量f(t)、f(t−τ)、f(t−2τ)、f(t−3τ)、f(t−4τ)、・・・とされる。図5に示す例では、f(t)=xa(1)、f(t−τ)=xa(2)、f(t−2τ)=xa(3)、f(t−3τ)=xa(4)、f(t−4τ)=xa(5)、・・・である。したがって、前記相関値Yは、式2に示すように、これら各々に相当する係数g(1)〜g(l)を掛けて総和を取ることによって、得られる。   In practice, as shown in FIG. 5, a continuous reception signal x (t) received by the receiving unit 13 is sampled and held at time τ, and discrete quantities f (t), f (t−τ), f ( t−2τ), f (t−3τ), f (t−4τ),. In the example shown in FIG. 5, f (t) = xa (1), f (t−τ) = xa (2), f (t−2τ) = xa (3), f (t−3τ) = xa ( 4), f (t−4τ) = xa (5),. Therefore, the correlation value Y is obtained by multiplying the coefficients g (1) to g (l) corresponding to each of them and taking the sum as shown in Equation 2.

Y=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。
Y = Σf (t−kτ) g (k) (2)
However, Σ calculates the sum from k = 1 to k = n.

このように電荷転送部32の電荷保持部321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)の対応する係数g(l)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。   In this way, by multiplying the charge amount Qk stored in each stage of the charge holding unit 321 of the charge transfer unit 32 by the coefficient g (l) corresponding to the reference signal (template) and taking the sum, noise is included. Whether a signal is present or not can be calculated with a high S / N ratio.

一方、前記相関部F1に並列に接続されるバンドパスフィルタF2,F3,・・・,Fmからの出力Y2,Y3,・・・,Ymは、前記係数器K1,K2,・・・,Kmを経た後、遅延器D1,D2,・・・,Dmにおいて、前記電荷転送部32における転送遅延時間やDA乗算器341における転送および演算処理時間に対応した時間だけ遅延されて、加算器H1で係数器K1を介する対応する相関部F1からの出力と加算され、出力Y’として画像処理部15に入力される。前記係数器K1,K2,・・・,Kmと加算器H1とは、加算部を構成する。   On the other hand, the outputs Y2, Y3,..., Ym from the bandpass filters F2, F3,..., Fm connected in parallel to the correlation unit F1 are the coefficient units K1, K2,. , Dm is delayed by a time corresponding to the transfer delay time in the charge transfer unit 32 and the transfer and calculation processing time in the DA multiplier 341 in the delay units D1, D2,. The output from the corresponding correlation unit F1 via the coefficient unit K1 is added and input to the image processing unit 15 as an output Y ′. The coefficient units K1, K2,..., Km and the adder H1 constitute an adding unit.

画像処理部15は、位相ばらつき検出部151と、遅延補正部152と、整相加算部153とを備えて構成される。位相ばらつき検出部151は、信号処理部14の各出力Y’から位相のばらつきを検出する回路である。フォーカルポイントと超音波探触子2の圧電素子21,22との間における平均音速は、圧電素子21,22毎に異なっているため、位相がずれてしまうことが知られている。位相ばらつき検出部151は、この位相のずれを検出するものである。   The image processing unit 15 includes a phase variation detection unit 151, a delay correction unit 152, and a phasing addition unit 153. The phase variation detection unit 151 is a circuit that detects a phase variation from each output Y ′ of the signal processing unit 14. It is known that the average sound speed between the focal point and the piezoelectric elements 21 and 22 of the ultrasonic probe 2 is different for each of the piezoelectric elements 21 and 22, so that the phase is shifted. The phase variation detector 151 detects this phase shift.

遅延補正部152は、前記各出力Y’に対し、前述のような音速補正を行うとともに、フォーカルポイント(フォーカス点)および/またはステアリング角度(方位)に対応した時間差を付与することによって遅延(位相)を調整する。整相加算部153は、遅延補正部152で音速補正および遅延補正された出力Y’を整相加算する回路である。そして、画像処理部15は、その加算値Y(t)に基づいて超音波画像を生成する。   The delay correction unit 152 performs the sound velocity correction as described above on each output Y ′, and gives a delay (phase) by giving a time difference corresponding to the focal point (focus point) and / or the steering angle (azimuth). ). The phasing addition unit 153 is a circuit that performs phasing addition of the output Y ′ subjected to the sound velocity correction and the delay correction by the delay correction unit 152. Then, the image processing unit 15 generates an ultrasonic image based on the added value Y (t).

このとき、前記i個の有機圧電素子21の出力の内、バンドパスフィルタF3から得られる3次調波(中心周波数f3)の成分は、レベル検出部37によってその信号レベルがそれぞれ検知されており、前記制御部17は、その内、送信超音波の中心音線に対応する素子の3次調波の振幅の最大値を1.0として、残余の音線における3次調波の振幅を正規化するとともに、その正規化した値を各係数器K1,K2,K3,・・・,Kmの係数k1,k2,k3,・・・,kmに設定する。図10に、その様子を示す。   At this time, among the outputs of the i organic piezoelectric elements 21, the signal level of the third harmonic component (center frequency f3) obtained from the bandpass filter F3 is detected by the level detection unit 37. The control unit 17 normalizes the amplitude of the third harmonic in the remaining sound ray by setting the maximum value of the third harmonic amplitude of the element corresponding to the central sound ray of the transmission ultrasonic wave to 1.0. The normalized values are set to the coefficients k1, k2, k3,..., Km of the coefficient units K1, K2, K3,. FIG. 10 shows the situation.

図10では、前記中心音線を参照符号Aで、両側の音線を参照符号B,Cで、基本周波および3次調波のみを示し、それぞれ添え数字1と3とを付している。したがって、この図10では、中心音線Aの3次調波のレベルをA3とするとき、その係数器K3の係数k3には1/A3が設定されてその出力は1.0となり、基本周波の振幅A1には、係数k1として1.0が乗算されている。一方、左右の音線B,Cの3次調波のレベルをB3,C3とするとき、係数k3にも1/A3が設定されてその出力はB3/A3,C3/A3となり、これらの信号振幅B3/A3,C3/A3が係数k1に設定され、基本周波の出力は、B1・B3/A3,C1・C3/A3となる。   In FIG. 10, the central sound ray is indicated by reference symbol A, the sound rays on both sides are indicated by reference symbols B and C, and only the fundamental frequency and the third harmonic are shown, and suffixed numbers 1 and 3 are assigned, respectively. Therefore, in FIG. 10, when the level of the third harmonic of the central sound ray A is A3, 1 / A3 is set to the coefficient k3 of the coefficient unit K3, and the output becomes 1.0, and the fundamental frequency Is multiplied by 1.0 as the coefficient k1. On the other hand, when the level of the third harmonic of the left and right sound rays B and C is set to B3 and C3, 1 / A3 is also set to the coefficient k3, and the output becomes B3 / A3 and C3 / A3. The amplitudes B3 / A3, C3 / A3 are set to the coefficient k1, and the fundamental frequency outputs are B1, B3 / A3, C1, C3 / A3.

図11は、本願発明者による実験結果を示すものであり、水中内の反射物に対して、本願発明手法を適用した場合のシミュレーション画像である。図11(a)は相関部F1の出力Y1のにみによる画像を表し、図11(b)はバンドパスフィルタF3から得られる3次調波Y3のにみによる画像を表している。図の左方から超音波を入射した状態を示し、したがって図の上下(y)方向が方位分解能を表し、左右(x)方向が距離(深さ)分解能を表している。図11(a)で示すように、基本周波数では、周波数が低いことから、ビームが拡がり、方位分解能が劣っている。しかしながら、相関部F1によるマッチトフィルタ処理によって、余分な信号は発生せず、高いS/Nが得られるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができている。こうして、ペネトレーション(深さ方向の距離分解能)に対しては高い性能が得られている。   FIG. 11 shows a result of an experiment by the inventor of the present application, and is a simulation image when the method of the present invention is applied to a reflective object in water. FIG. 11A shows an image based on the blur of the output Y1 of the correlation unit F1, and FIG. 11B shows an image based on the blur of the third harmonic Y3 obtained from the bandpass filter F3. The state in which ultrasonic waves are incident from the left side of the figure is shown, and therefore, the vertical (y) direction in the figure represents the azimuth resolution, and the horizontal (x) direction represents the distance (depth) resolution. As shown in FIG. 11A, at the fundamental frequency, the frequency is low, so that the beam expands and the azimuth resolution is inferior. However, the matched filter processing by the correlator F1 does not generate an extra signal, a high S / N is obtained, and the timing of returning can be accurately detected. In this way, high performance is obtained for penetration (distance resolution in the depth direction).

これに対して、図11(b)で示すように、3次調波では、周波数が高いことから、ビームが狭く、高い方位分解能が得られているものの、前記プリリンギングやポストリンギングによって、抽出信号以外の信号が発生し、S/Nが低下して、距離分解能が著しく劣っている。   On the other hand, as shown in FIG. 11 (b), in the third harmonic, the frequency is high, so that the beam is narrow and high azimuth resolution is obtained, but extraction is performed by the pre-ringing and post-ringing. A signal other than the signal is generated, the S / N is lowered, and the distance resolution is extremely inferior.

そこで上述のようにこれらの信号を加算した出力Y1’,Y2’,・・・,Ym’を得ることで、図11(c)で示すように、距離分解能,方位分解能およびS/Nを共に向上することができる。   Therefore, by obtaining outputs Y1 ′, Y2 ′,..., Ym ′ obtained by adding these signals as described above, the distance resolution, the azimuth resolution, and the S / N are all obtained as shown in FIG. Can be improved.

以上のように、本実施の形態の超音波画像診断装置Sでは、送信部12から送信される第1の超音波信号をパルスとし、それによって受信部13で受信された第2の超音波信号の内、信号処理部14では、送信した第1の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部F1で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分は、通過帯域の制限を行うバンドパスフィルタF2,F2,・・・.Fmで抽出する。そして、前記相関部F1およびバンドパスフィルタF2,F2,・・・.Fmからの出力は、係数器K1,K2,・・・,Kmにおいてそれぞれ所定の重みを施した後、加算部H1で加算し、画像処理部15に与える。   As described above, in the ultrasonic diagnostic imaging apparatus S of the present embodiment, the first ultrasonic signal transmitted from the transmission unit 12 is used as a pulse, and thereby the second ultrasonic signal received by the reception unit 13. Among them, the signal processing unit 14 extracts the same fundamental frequency component as the transmitted first ultrasonic signal by the correlation unit F1, while the higher-order harmonic component generated by the nonlinear distortion of the subject is in the passband. Bandpass filters F2, F2,. Extract with Fm. Then, the correlation unit F1 and the band pass filters F2, F2,. The outputs from Fm are given predetermined weights in the coefficient multipliers K1, K2,..., Km, added by the adding unit H1, and supplied to the image processing unit 15.

したがって、基本周波数成分f1に対して、帯域制限フィルタを使用した場合には、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、S/Nが低下してしまうのに対して、相関部F1において相関処理を行うことで、そのような余分な信号は発生せず、S/Nを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、送信超音波信号をパルスとすることで、パルス圧縮効果によって信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記S/Nの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション(深さ方向の距離分解能)を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。図12には前記ペネトレーションの向上の様子を模式的に示し、図13には前記コントラストの向上を模式的に示す。すなわち、図12では、(a)で示すように、最小検知レベルV1の信号が深さD1まででしか検知できなかったところ、前記相関処理でS/Nが向上すると、(b)で示すように、前記深さD1の同じ反射物に対する検知レベルがV2に上昇し、前記最小検知レベルV1では、深さD2まで探索深度を深くすることができる。また、図13では、(a)で示すように、レベルV3の信号に対して、レベルV4のノイズが生じている場合、前記パルス圧縮法にて信号強度が強くなることで、(b)で示すように、信号のレベルはV5に上昇し、前記レベルV4のノイズフロアとのコントラストを明確にすることができる。   Therefore, when a band limiting filter is used for the fundamental frequency component f1, pre-ringing or post-ringing occurs in addition to the extracted signal, and the S / N is reduced. By performing the correlation processing, such an extra signal is not generated, the S / N can be improved, and the return timing can be accurately detected. Furthermore, by making the transmission ultrasonic signal into a pulse, the detection capability of the signal can be increased by the pulse compression effect, and the distance resolution can be improved more than the distance resolution determined by the wavelength of the physical frequency. Together with the improvement of S / N and the improvement of timing accuracy, the penetration (distance resolution in the depth direction) can be improved, the contrast with noise becomes clear, and the contrast can also be improved. FIG. 12 schematically shows the improvement of the penetration, and FIG. 13 schematically shows the improvement of the contrast. That is, in FIG. 12, as shown in (a), when the signal of the minimum detection level V1 can only be detected up to the depth D1, when the S / N is improved by the correlation processing, as shown in (b). Furthermore, the detection level for the same reflector having the depth D1 rises to V2, and the search depth can be increased to the depth D2 at the minimum detection level V1. In FIG. 13, as shown in (a), when noise of level V4 is generated with respect to the signal of level V3, the signal strength is increased by the pulse compression method. As shown, the level of the signal rises to V5, and the contrast with the noise floor of the level V4 can be clarified.

また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分f1に対しては、適切な相関演算器(マッチトフィルタ)を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波f2,f3,・・・に関しては、そのような適切な相関演算器(マッチトフィルタ)の実現がなかなか困難であるため、すなわち参照信号記憶部18に記憶されるテンプレートデータ列の作成が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタF2〜Fmを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用することで、フィルタの構造を無闇に複雑にすることなく、方位分解能を向上することができる。こうして、距離分解能、方位分解能およびS/Nを向上することができる。   In addition, in the correlation process, an appropriate correlation calculator (matched filter) can be realized for the fundamental frequency component f1 that can use the transmission signal itself as a reference signal, but at any level. For the higher order harmonics f2, f3,... That are difficult to predict, it is difficult to realize such an appropriate correlation calculator (matched filter), that is, stored in the reference signal storage unit 18. Since it is difficult to create a template data string, it is possible to limit the unrelated band by using the conventional bandpass filters F2 to Fm, and to use only for improving the azimuth resolution, so that the structure of the filter can be made silent. The azimuth resolution can be improved without complication. Thus, distance resolution, azimuth resolution, and S / N can be improved.

また、減衰が激しいけれど高解像な高次調波成分は浅い部位(近距離部位)を見るのに好適であり、解像度に劣るが遠くまで届く基本周波数成分は深い部位(遠距離部位)を見るのに好適である。そこで、重み設定部として、前記操作入力部11から、重みとなる前記係数器K1,K2,・・・,Kmの係数k1,k2,・・・,kmを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定することで、浅い部位から深い部位までに亘って、しかも重みによって、診断により適した、より高精度な超音波画像を形成することができる。ここで、前記被検体の診断部位や診断深度は、たとえば第1および第2の超音波信号のフォーカルポイントや第1の超音波信号の送信時刻を時間原点とした経過時間で表すことができ、前記係数k1,k2,・・・,kmは、そのフォーカルポイントや経過時間に応じて設定される。   In addition, high-resolution higher-order harmonic components that are severely attenuated are suitable for viewing shallow parts (short-distance parts), but the fundamental frequency components that reach far away are inferior in resolution (far-distance parts). Suitable for viewing. Therefore, as the weight setting unit, the coefficients k1, k2,..., Km of the coefficient units K1, K2,. By setting according to at least one of the depths, it is possible to form a higher-accuracy ultrasonic image more suitable for diagnosis from a shallow part to a deep part and by weighting. Here, the diagnostic part and the diagnostic depth of the subject can be represented by an elapsed time with the focal point of the first and second ultrasonic signals and the transmission time of the first ultrasonic signal as the time origin, for example, The coefficients k1, k2,..., Km are set according to the focal point and elapsed time.

さらにまた、前記送信部12は、前記第1の超音波信号としてのパルスに、単純なガウシアンエンベロープ波形ではなく、また、ノイズ耐性を高める観点から、可能な限り冗長な、自然界に無い信号周波数が時間経過に伴って増加または減少するチャープ波を用いることで、レンジサイドロープ(時間的サイドロープ)を抑制することができる。   Furthermore, the transmission unit 12 does not have a simple Gaussian envelope waveform in the pulse as the first ultrasonic signal, and a signal frequency that is as redundant and unnatural as possible from the viewpoint of increasing noise resistance. By using a chirp wave that increases or decreases over time, a range side rope (temporal side rope) can be suppressed.

また、前記相関部F1を、CCD原理に基づくアナログ積和演算装置で構成することで、微弱な信号レベルでもより適切に相関処理を行うことが可能となる。   Further, by configuring the correlation unit F1 with an analog product-sum operation device based on the CCD principle, it is possible to perform correlation processing more appropriately even with a weak signal level.

さらにまた、前記超音波振動子20を、送信用として大パワー送信可能な無機圧電素子22上に、比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子21を積層して構成することで、高次調波成分を高感度に受信することができる。   Furthermore, the ultrasonic transducer 20 is configured by laminating an organic piezoelectric element 21 capable of receiving ultrasonic waves in a relatively wide band on an inorganic piezoelectric element 22 capable of transmitting large power for transmission. High-order harmonic components can be received with high sensitivity.

S 超音波画像診断装置
1 診断装置本体
2 超音波探触子
11 操作入力部
12 送信部
121 駆動信号生成回路
122 送信ビームフォーマ
13 受信部
14 信号処理部
15 画像処理部
151 位相ばらつき検出部
152 遅延補正部
153 整相加算部
16 記憶部
17 制御部
18 参照信号記憶部
20 超音波振動子
21 有機圧電素子
22 無機圧電素子
31 サンプルホールド部
32 電荷転送部
33 係数設定部
34 デジタルアナログ乗算部
35 加算部
F1 相関部
F2,F3,・・・,Fm バンドパスフィルタ
K1,K2,・・・,Km 係数器
DESCRIPTION OF SYMBOLS S Ultrasonic image diagnostic apparatus 1 Diagnosis apparatus main body 2 Ultrasonic probe 11 Operation input part 12 Transmission part 121 Drive signal generation circuit 122 Transmission beam former 13 Reception part 14 Signal processing part 15 Image processing part 151 Phase variation detection part 152 Delay Correction unit 153 Phased addition unit 16 Storage unit 17 Control unit 18 Reference signal storage unit 20 Ultrasonic transducer 21 Organic piezoelectric element 22 Inorganic piezoelectric element 31 Sample hold unit 32 Charge transfer unit 33 Coefficient setting unit 34 Digital analog multiplication unit 35 Addition F1 Correlator F2, F3,..., Fm Bandpass filters K1, K2,.

Claims (4)

第1の超音波信号を被検体内へ送信する送信部と、前記第1の超音波信号が被検体内で反射された第2の超音波信号を受信する受信部と、前記受信部での受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出する信号処理部と、前記信号処理部での抽出結果から前記被検体内の断層画像を作成する画像処理部と、作成された前記断層画像を表示する表示部とを備えて構成される超音波画像診断装置において、
前記送信部は、第1の超音波信号をパルスで送信し、
前記信号処理部は、
前記第1の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、前記受信部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、前記受信部の出力から前記第2の超音波信号に含まれる前記基本周波数の成分を検出する相関部と、
前記受信部の出力から、予め設定された1または複数の高次調波の成分を抽出するフィルタと、
前記相関部および1または複数のフィルタからの出力にそれぞれ所定の重みを施して加算する加算部とを含むことを特徴とする超音波画像診断装置。
A transmission unit that transmits a first ultrasonic signal into the subject, a reception unit that receives a second ultrasonic signal in which the first ultrasonic signal is reflected in the subject, and A signal processing unit that extracts a desired signal component by performing predetermined signal processing on the received signal, an image processing unit that creates a tomographic image in the subject from the extraction result of the signal processing unit, and the created In an ultrasonic diagnostic imaging apparatus configured to include a display unit that displays a tomographic image,
The transmitter transmits the first ultrasonic signal in pulses,
The signal processing unit
When the frequency of the first ultrasonic signal is a fundamental frequency, the second ultrasonic wave is output from the output of the receiving unit by performing correlation processing between the output of the receiving unit and a preset reference signal. A correlation unit for detecting a component of the fundamental frequency included in the signal;
A filter that extracts one or more preset higher harmonic components from the output of the receiver;
An ultrasound diagnostic imaging apparatus, comprising: a correlation unit; and an adding unit that applies a predetermined weight to each output from the one or a plurality of filters.
前記加算部における重みを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定する重み設定部をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の超音波画像診断装置。   The ultrasonic image diagnostic apparatus according to claim 1, further comprising a weight setting unit that sets a weight in the adding unit according to at least one of a diagnosis part and a diagnosis depth in the subject. 前記送信部は、前記パルスとしてチャープ波を用いることを特徴とする請求項1または2記載の超音波画像診断装置。   The ultrasonic diagnostic imaging apparatus according to claim 1, wherein the transmission unit uses a chirp wave as the pulse. 前記送信部および受信部における超音波振動子は、送信用の無機圧電素子上に、受信用の有機圧電素子を積層して成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波画像診断装置。   The ultrasonic transducer in the transmission unit and the reception unit is formed by laminating an organic piezoelectric element for reception on an inorganic piezoelectric element for transmission. Ultrasonic diagnostic imaging equipment.
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US10849598B2 (en) 2014-10-31 2020-12-01 Seiko Epson Corporation Ultrasonic measurement apparatus, ultrasonic imaging apparatus, and ultrasonic measurement method

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