JP3242887B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

超音波診断装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波の伝搬にと
もなう非線形歪みを利用する超音波診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、超音波の非線形伝搬歪みを利用す
る超音波診断装置が知られている。このような超音波診
断装置の例として特開昭61−279235号公報記載
の装置が知られており、以下、その動作原理について図
10に示すブロック図を参照して説明する。図10にお
いて、パルス送信部102は、第1回目の送信において
振幅Aの駆動パルスを発生、トランスデューサ101を
駆動し振幅Bの超音波パルスを発生する。パルス送信部
102は、第2回目の送信においては、振幅が2倍のA
×2の駆動パルスを発生し、トランスデューサ101を
駆動して振幅が2倍のB×2の超音波パルスを発生す
る。パルス送信部102の駆動パルスの振幅を変化させ
るためには、パルス送信部102に供給される高電圧を
高速に切り替える必要があり、このために特別な電源を
必要とする。トランスデューサ101で発生した超音波
パルスは被検体105を伝搬する。超音波パルスは、被
検体105における伝搬距離を増加するにつれて非線形
歪みを増大し、かつ超音波の振幅が大であればその歪み
量も大となる。この歪みは、高調波成分の発生に基づく
ものであり、そのため基本波の振幅は減少する。また、
超音波パルスのビームにおいて、振幅が比較的大きなメ
インローブのピーク部分では歪みが大であり、振幅が比
較的小さいサイドローブ部分では歪みが小さい。上記の
ようにして、歪んだ超音波パルスは被検体105におい
て散乱され、エコーとなり、トランスデューサ101で
受信信号に変換される。
【0003】第1回目の送信に対する受信信号に対し
て、可変利得部109は倍率Cで受信信号を増幅し、第
2回目の送信に対する受信信号に対して、可変利得部1
09は倍率が半分のC/2で受信信号を増幅する。第1
回目の受信信号はメモリ111に記憶され、第2回目の
受信信号はメモリ112に記憶され、演算部113で互
いに減算される。この場合、各2回のエコーのサイドロ
ーブに関する部分は、歪みがともに小さいため、振幅が
正確に2倍異なるとみなせ、可変利得部104で利得を
補正することにより、各2回のサイドローブの振幅を等
しく出来るので、演算部113における減算の結果であ
る差信号はゼロとなる。一方、メインローブに関して
は、第1回目の送信よりも第2回目の送信による歪みの
割合が大となるため、演算部113における減算の結
果、差信号がゼロではなくなる。この差信号は、メイン
ローブの振幅が大きい部分、すなわち非常に細いビーム
により得られた受信信号に相当するとみなせる。このよ
うに減算された受信信号は、表示部115に分解能が高
い、サイドローブの少ない画像として表示される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、超音
波の伝搬にともなう非線形歪みを利用する従来の超音波
診断装置では、パルス送信部に供給される高電圧のレベ
ルを高速に切り替える必要があり、このため特別な電源
を必要とし、かつ消費電力が大となるという問題があっ
た。
【0005】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、パルス送信部に供給される高電圧のレベ
ルを高速に切り替えることなく、超音波の伝搬にともな
う非線形歪みを検出することが出来るようにした超音波
診断装置を提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、送信手段により駆動パルスのスペクトルが
異なる2回の送信を行い、トランスデューサからの1回
目の受信信号を記憶するとともに、2回目の送信を行っ
た際に、前記記憶された1回目の受信信号に対し等価処
理を施し、この等価処理を施した1回目の受信信号と等
価処理を施さない2回目の受信信号との差信号を求める
ようにしたものである。これにより、パルス送信部に供
給される高電圧のレベルを高速に切り替えることなく、
超音波の伝搬にともなう非線形歪みを検出することが出
来る。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、被検体に対し超音波を送受信するトランスデューサ
と、前記トランスデューサを駆動する駆動パルスのスペ
クトルが可変である送信手段と、前記送信手段により駆
動パルスのスペクトルが異なる2回の送信を行い、トラ
ンスデューサからの1回目の受信信号を記憶する記憶手
段と、2回目の送信を行った際に前記記憶手段から読み
出した受信信号に対し等価処理を施す等価手段と、2回
目の受信信号と等価処理を施した1回目の受信信号との
差信号を求める演算手段とを備えた超音波診断装置であ
り、駆動パルスの振幅が同一でありながら振幅の異なる
超音波パルスを発生させることが出来る。また駆動パル
スのスペクトルが異なるため、波形が異なる超音波パル
スに対応する各受信信号の波形を互いに等しくする等価
手段により、各受信信号に対する減算を正確に行うこと
が可能となり、送信手段に供給される高電圧のレベルを
高速に切り替えることなく、超音波の伝搬にともなう非
線形歪みを検出することが出来る。
【0008】請求項2に記載の発明は、送信手段におい
て、駆動パルスの波数が可変である請求項1記載の超音
波診断装置であり、駆動パルスの振幅が同一でありなが
ら振幅の異なる超音波パルスを発生させることが出来
る。
【0009】請求項3に記載の発明は、等価手段が、駆
動パルスの波数および波間隔に対応した遅延手段を有す
る請求項2記載の超音波診断装置であり、この等価手段
により、各受信信号に対する減算を正確に行うことが可
能となり、送信手段に供給される高電圧のレベルを高速
に切り替えることなく超音波の伝搬にともなう非線形歪
みを検出することが出来る。
【0010】請求項4に記載の発明は、送信手段におい
て、駆動パルスのパルス幅が可変である請求項1記載の
超音波診断装置であり、同一の駆動パルス振幅でありな
がら振幅の異なる超音波パルスを発生させることが出来
る。
【0011】請求項5に記載の発明は、等価手段が、駆
動パルスのパルス幅に対応した遅延手段を有する請求項
4記載の超音波診断装置であり、この等価手段により、
波形が異なる超音波パルスに対応する各受信信号の波形
を互いに等しくし、各受信信号に対する減算を正確に行
うことが可能となり、送信手段に供給される高電圧のレ
ベルを高速に切り替えることなく、超音波の伝搬にとも
なう非線形歪みを検出することが出来る。
【0012】請求項6に記載の発明は、上記目的を達成
するため、等価手段が、受信信号に対する振幅制御手段
である請求項2または4記載の超音波診断装置であり、
この等価手段により、各受信信号に対する減算を正確に
行うことが可能となり、送信手段に供給される高電圧の
レベルを高速に切り替えることなく、超音波の伝搬にと
もなう非線形歪みを検出することが出来る。
【0013】請求項7に記載の発明は、近距離では駆動
パルスの波数が少ない、あるいはパルス幅が狭い、すな
わち低い送信エネルギーに対応する受信信号、中距離で
は演算手段の出力、遠距離では駆動パルスの波数が多
い、あるいはパルス幅が広い、すなわち高い送信エネル
ギーに対応する受信信号、の各比率を高め表示したもの
であり、近距離から遠距離までの画像の中に超音波の非
線形伝搬歪みを表示することが出来る。
【0014】(実施の形態)以下、本発明の実施の形態
について、図1から図9を用いて説明する。図1は本発
明の実施の形態における超音波診断装置の概略ブロック
図である。パルス発振器1は、スペクトルが異なる、例
えば波数の異なる、あるいはパルス幅の異なるパルスを
発生する。パルス増幅部2は、パルス発振器1が出力す
るパルスを増幅し、駆動パルスを出力する。パルス発振
器1とパルス増幅部2で送信手段を構成する。トランス
デューサ3は、駆動パルスにより励振され、超音波パル
スを発生する。トランスデューサ3から発生した超音波
パルスは、被検体4を伝搬し散乱され、トランスデュー
サ3で受信される。トランスデューサ3の受信信号出力
は、プリアンプ5で増幅された後、可変利得部6で振幅
が制御される。可変利得部6の出力は、A/D変換器7
によりディジタルの受信信号に変換される。第1回目の
受信信号は、記憶手段8に記憶される。次に、第2回目
の送信が行われ、第2回目の受信信号がディジタルの受
信信号に変換されると同時に、第1回目の受信信号は、
記憶手段8から読み出され、等価手段9に送られる。等
価手段9を通過した第1回目の受信信号と、A/D変換
器7からの第2回目の受信信号は、演算手段11で減算
されて差信号が得られる。パルス発振器1の波形、可変
利得部6の利得、等価手段9の伝達特性は、制御部10
により制御される。A/D変換器7の出力である受信信
号、あるいは演算手段11の出力である差信号は、検波
手段12で検波される。検波手段12の出力は、多重化
手段13で処理される。上記の第1回目と第2回目の送
受信を一組として走査方向を変えて繰り返すことによ
り、多重化手段13の出力は、表示部14において画像
として表示される。
【0015】以上のように構成された超音波診断装置に
ついて、まず図2、3,4を用いてパルス増幅器2が発
生する駆動パルスの波形について説明する。図2は波数
が異なる駆動パルスの例であり、図2(a)では波数が
1の駆動パルスを、図2(b)では波数が3の駆動パル
スを示す。図2(b)において、Tc1,Tc2は波間
隔を示す。図3はパルス幅が異なる駆動パルスの例であ
り、図3(a)ではパルス幅がTw1の駆動パルスを、
図3(b)ではパルス幅がTw2の駆動パルスを示す。
図4にはパルス幅、波数が共に異なる駆動パルスの例を
示す。上記したように駆動パルスの振幅を一定にしたま
まその波数やパルス幅を変化させると、超音波パルスの
振幅を大きく変えることが出来る。
【0016】次に、発生した超音波パルスは被検体4を
伝搬するが、媒体中の伝搬距離を増加するにつれ、超音
波パルスは非線形歪みを増大し、かつ超音波パルスの振
幅が大であればその歪み量も大となる。この歪みは、図
5に示すように、高調波成分の発生に基づくものであ
り、それに伴い基本波の振幅は減少する。このため、図
6に示すように、超音波パルスのビームにおいて、振幅
が比較的大きなメインローブのピーク部分では歪みが大
であり、振幅が比較的小さいサイドローブ部分では歪み
が小さい。
【0017】次に、駆動パルスの波形の変化による等価
手段9の動作を詳細に説明する。図2(a)の駆動パル
スの波形をpa(t)、そのフーリエ変換をPa
(ω)、図2(b)の駆動パルス波形をpb(t)、そ
のフーリエ変換をPb(ω)で表す。ここでtは時間、
ωは隔週は数を表す。パルスのスペクトルの特性は、上
記したように、そのフーリエ変換で表せる。駆動パルス
の波形pa(t)でトランスデューサを駆動した時の超
音波パルスの波形をga(t)、そのフーリエ変換をG
a(ω)、波形pb(t)でトランスデューサを駆動し
た時の超音波パルスの波形をgb(t)、そのフーリエ
変換をGb(ω)とする。トランスデューサのインパル
ス応答をh(t)、そのフーリエ変換をH(ω)とする
と、 ga(t)=h(t)*pa(t) ・・・(1) Ga(ω)=H(ω)×Pa(ω) ・・・(2) と表せる。ただし演算記号*はここでは畳み込み積分を
意味する。
【0018】(2)式の両辺にPb(ω)/Pa(ω)
を乗じると、 Ga(ω)×(Pb(ω)/Pa(ω)) =H(ω)×Pa(ω)×(Pb(ω)/Pa(ω)) =H(ω)×Pb(ω)=Gb(ω) となる。これを時間領域で表せば、 gb(t)=ga(t)*invf(Pb(ω)/Pa(ω)) ・・・(3) となる。ここで関数invf()は逆フーリエ変換を意
味する。
【0019】(3)式は駆動パルスpa(t)でトラン
スデューサを駆動して得られた超音波パルスga(t)
に対して、invf(Pb(ω)/Pa(ω))を畳み
込み積分することにより、駆動パルスpb(t)でトラ
ンスデューサを駆動した場合に得られた超音波パルスg
b(t)が得られることを示している。また、超音波パ
ルスga(t)、およびgb(t)により被検体4から
得られる受信信号をそれぞれra(t)、rb(t)と
すると、受信信号は超音波パルスの線形1次結合として
近似できるとすれば、(3)式より、 rb(t)=ra(t)*invf(Pb(ω)/Pa(ω)) ・・・(4) の関係が得られる。すなわち、駆動パルスpa(t)に
より得られた受信信号に対して等価手段9において、i
nvf(Pb(ω)/Pa(ω))を畳み込み積分する
ことにより駆動パルスpb(t)に相当する受信信号が
得られるはずである。
【0020】しかし、実際には超音波パルスga(t)
とgb(t)に振幅の差があるので、それぞれの超音波
パルスによる非線形現象の程度の差を考慮し、(4)式
は以下のように表されるべきである。 rb(t)=ra(t)*invf(Pb(ω)/Pa(ω))+Δr(t) ・・・(5) ここで、Δr(t)は差信号であり、演算手段11にお
ける減算により得ることが出来る。この差信号は、メイ
ンローブの振幅が大きい部分、すなわち非常に細いビー
ムにより得られた受信信号に相当するとみなせる。差信
号により画像を構成すれば分解能が高い、サイドローブ
の少ない画像を得ることが出来る。
【0021】また、(5)式の演算ra(t)*inv
f(Pb(ω)/Pa(ω))は、等価手段9において
行われ、ディジタルフィルタ等により実現することが出
来る。なお、受信信号ra(t)とrb(t)の間の振
幅差を少なくしてからA/D変換器7等に供給したほう
が、ダイナミックレンジを広く使えるので望ましい。こ
のため、可変利得部6において受信信号の振幅差をすく
なくするように利得の制御が行われる。その場合には、
等価手段9において可変利得部6とは逆の利得制御が行
われる。また、プリアンプ5が大きな非線形歪みを有す
る場合には、プリアンプ5の入力部に減衰器を置き、プ
リアンプ5に入力される信号のレベルを等しくし、プリ
アンプ5の非線形歪みの影響を同程度となるようにする
方法も考えられる。
【0022】次に、駆動パルスpa(t)とpb(t)
のパルス幅あるいは波間隔に特別な関係がある場合につ
いて等価手段9の具体的な構成を明らかにする。図2
(b)の駆動波形は、図2(a)の駆動波形をそれぞれ
時間Tc1および時間(Tc1+Tc2)遅延させた
後、加算したものに等しい。即ち、図2(b)の駆動波
形により得られた受信信号rb(t)は、非線形現象に
よる差信号Δr(t)を含め、図2(a)の駆動波形に
より得られた受信信号ra(t)を用いて以下のように
表せる。 rb(t)=ra(t)+ra(t−Tc1) +ra(t−Tc1−Tc2)+Δr(t) ・・・(6)
【0023】図7は等価手段9における処理が(5)式
で表せる場合の等価手段9の概略ブロック図である。図
7において、記憶手段9からの受信信号ra(t)は、
遅延回路41においてはTc1の遅延、遅延回路42に
おいてはTc2の遅延が与えられる。したがって、加算
器43において、受信信号ra(t)、ra(t−Tc
1)、ra(t−Tc1−Tc2)が加算される。加算
器43の出力は、乗算器44において利得可変部6とは
逆の利得制御が行われる。
【0024】図8は遅延回路41の構成の一例を示すブ
ロック図である。波間隔Tc1が図1のA/D変換器2
7における受信信号のサンプルパルスの間隔Tcとの間
に、 Tc1=Tc1×n の関係がある場合には、例えばn=3の場合には、サン
プルパルスに同期して動作するデータラッチ51,5
2,53を直列に配置することにより、受信信号に所定
の遅延時間を与えることが出来る。
【0025】また、図3において、図3(a)の駆動パ
ルスの幅Tw1と図3(b)の駆動パルスと幅Tw2の
間に、 Tw2=Tw1×m の関係がある場合には、図7と同様に遅延時間Tw1の
遅延回路をm個用いて、等価手段9を構成できる。図4
の駆動パルスの場合にも同様にして等価手段9を構成で
きる。
【0026】次に、A/D変換器7の出力、あるいは演
算手段11の出力である差信号は検波手段12において
包絡線検波され、検波出力が得られる。駆動パルスpa
(t)に対応する検波出力をea(t)、駆動パルスp
b(t)に対応する検波出力をeb(t)、差信号Δr
(t)に対応する検波出力をΔe(t)とする。これら
の検波出力は多重化手段13において多重化される表示
信号v(t)となる。多重化手段13における処理の様
子は次式のように行われる。 v(t)=ea(t)×wa(t)+eb(t)×wb(t) +Δe(t)×wΔ(t) ・・・(7)
【0027】ここで、wa(t)、wb(t)、wΔ
(t)は重み係数であり、例えば図9のように、被検体
の深さに対応して変化するものである。このような重み
係数を用いることにより、近距離では駆動パルスpa
(t)に対応する検波出力を、非線形現象が大きくなる
中距離では差信号Δr(t)に対応する検波出力を、駆
動パルスpa(t)に対応する検波出力を、それぞれ表
示部14に一つの断層像にまとめて表示することが出来
る。このような表示をする理由は、超音波パルスの非線
形伝搬歪みが大きくなるのは、ある程度非線形歪みが蓄
積される中距離からであり、また超音波ビームの焦点を
過ぎた遠距離では、非線形歪みが観測されにくくなると
いう現象による。したがって、近距離や遠距離では、受
信信号の振幅情報そのものを表示する。
【0028】なお、上記実施の形態では、受信信号の間
の差信号を演算手段11で求めてから検波手段12にお
いて検波しているが、高周波の受信信号間のわずかな時
間的なずれにより誤った差信号を発生する恐れがある。
このため、各受信信号を検波した後、低周波の信号に変
換してから演算手段11で差信号を求める方法も考えら
れる。
【0029】以上のように、上記実施の形態によれば、
駆動パルスのスペクトル、例えば駆動パルスの波数、あ
るいはパルス幅を変化させた駆動パルスを用いて得た受
信信号に対して、等価手段を用いることにより、非線形
現象により発生した差信号を得ることが出来る。等価手
段としては駆動パルスのスペクトルの差を補正するフィ
ルタ、あるいは波数および波間隔に応じた遅延手段、あ
るいはパルス幅に応じた遅延手段、あるいは振幅制御手
段等により構成できる。駆動パルスを変化させる前後の
受信信号、あるいは非線形現象に対応する差信号は、多
重化手段により多重化され、表示することが出来る。こ
のような構成により、パルス送信部の電源を高速に切り
かえることなく、非線形現象に対応する差信号を得るこ
とが出来る。
【0030】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、駆動パ
ルスのスペクトルを変化させ、その前または後の受信信
号を記憶する記憶手段と、駆動パルスのスペクトルの差
を補正する等価手段を設け、各送信に対応する各受信信
号の間の差を演算手段により求めることにより差信号が
得られる。このような構成によりパルス送信部の電源を
高速に切りかえることなく、非線形現象に対応する差信
号を得ることが出来る。この差信号は超音波パルスの伝
搬にともなう非線形歪みによるものであり、この歪みは
メインローブの振幅が大きい部分ほど大きく、大きな差
信号が得られる。すなわち差信号は非常に細いビームに
より得られた受信信号に相当するとみなせる。このよう
にして得られた差信号は、表示部に分解能が高い、サイ
ドローブの少ない画像として表示することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における超音波診断装置の
概略ブロック図
【図2】本発明の実施の形態における駆動パルスの波形
を示す図
【図3】本発明の実施の形態における駆動パルスの波形
を示す図
【図4】本発明の実施の形態における駆動パルスの波形
を示す図
【図5】超音波の振幅と高調波歪みの関係を示す図
【図6】超音波ビームの振幅と指向性の関係を示す図
【図7】本発明の実施の形態における等価手段の概略ブ
ロック図
【図8】本発明の実施の形態における等価手段の遅延回
路の概略ブロック図
【図9】本発明の実施の形態における多重化手段におけ
る重み係数を示す図
【図10】従来の超音波診断装置の概略ブロック図
【符号の説明】
1 パルス発振器 2 パルス増幅部 3 トランスデューサ 4 被検体 5 プリアンプ 6 可変利得部 7 A/D変換器 8 記憶手段 9 等価手段 10 制御部 11 演算手段 12 検波手段 13 多重化手段 14 表示部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−114244(JP,A) 特開 昭61−11025(JP,A) 特開 昭61−279235(JP,A) 特開 昭63−134949(JP,A) 特開 平3−155843(JP,A) 特開 平9−224939(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61B 8/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検体に対し超音波を送受信するトラン
    スデューサと、前記トランスデューサを駆動する駆動パ
    ルスのスペクトルが可変である送信手段と、前記送信手
    段により駆動パルスのスペクトルが異なる2回の送信を
    行い、トランスデューサからの1回目の受信信号を記憶
    する記憶手段と、2回目の送信を行った際に前記記憶手
    段から読み出した受信信号に対し等価処理を施す等価手
    段と、2回目の受信信号と等価処理を施した1回目の受
    信信号との差信号を求める演算手段とを備えた超音波診
    断装置。
  2. 【請求項2】 送信手段が、駆動パルスの波数が可変で
    ある請求項1記載の超音波診断装置。
  3. 【請求項3】 等価手段が、駆動パルスの波数および波
    間隔に対応した遅延手段を有する請求項2記載の超音波
    診断装置。
  4. 【請求項4】 送信手段が、駆動パルスのパルス幅が可
    変である請求項1記載の超音波診断装置。
  5. 【請求項5】 等価手段が、駆動パルスのパルス幅に対
    応した遅延手段を有する請求項4記載の超音波診断装
    置。
  6. 【請求項6】 等価手段が、受信信号に対する振幅制御
    手段である請求項2または請求項4記載の超音波診断装
    置。
  7. 【請求項7】 近距離では低い送信エネルギーの駆動パ
    ルスに対応する受信信号、中距離では演算手段の出力、
    遠距離では高い送信エネルギーの駆動パルスに対応する
    受信信号、の各比率を高めて表示する請求項1記載の超
    音波診断装置。
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