JP3980733B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気泡を主成分とする超音波造影剤や非線形反射を示す組織での反射で生じる基本周波数の整数倍に相当する高調波成分（ハーモニック成分）を画像化する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波の医学的な応用としては種々の装置があるが、その主流は超音波パルス反射法を用いて生体の軟部組織の断層像を超音波診断装置である。この超音波診断装置は無侵襲検査法で、組織の断層像を表示するものであり、Ｘ線診断装置、Ｘ線ＣＴ装置、ＭＲＩおよび核医学診断装置などの他の診断装置に比べて、リアルタイム表示が可能、装置が小型で安価、Ｘ線などの被曝がなく安全性が高く、さらに超音波ドプラ法により血流イメージングが可能であるなどの独自の特徴を有している。
【０００３】
このため心臓、腹部、乳腺、泌尿器、および産婦人科などでその活用範囲は広い。特に、超音波プローブを体表から割り当てるだけの簡単な操作で心臓の拍動や胎児の動きの様子がリアルタイム表示で得られ、かつ安全性が高いため繰り返して検査が行えるほか、ベッドサイドへ移動していっての検査も容易に行えるなど簡便である。
【０００４】
このように様々な優位性のある超音波診断であるが、近年ではさらに、気泡を主成分とする超音波造影剤が開発され、その一部は既に実用されており、この造影剤により主に循環器系の診断に著しい効果を発揮している。
【０００５】
この造影剤での反射の動きには、非線形現象を伴う。つまり、超音波がこの造影剤で反射すると、基本周波数の整数倍に相当する高調波成分（ハーモニック成分）が生じることが知られている。そこで、このハーモニック成分だけを抽出して画像化すれば（この画像化はハーモニックイメージングと呼ばれる）、主に造影剤を高コントラストで観察することができるのであるが、以下に説明するような様々な問題が存在している。
（送信系の問題）
図１８には、送受信系の主要部の機能ブロックを示している。送信系には、一定のレートでトリガ信号を発生するトリガコントローラが設けられている。このトリガコントローラからのトリガ信号によりパルサのスイッチ素子が微小期間だけオンすると、電源電圧が矩形のパルス波として振動子に印加されて、振動子から超音波が発生するようになっている。最近では、信号強度を高くするために、このパルス波を複数並べていわゆるバースト波で超音波を発生することが一般的に行われている。
【０００６】
このようなバースト波で発生する超音波には、図１９に示すように、基本周波数成分（ｆ0 （例えば５ＭＨｚ））だけでなく、その整数倍のハーモニック成分も含まれる。通常のイメージングでは、このハーモニック成分は、アーチファクトの原因となるし、また、ハーモニックイメージングでは、抽出したハーモニック成分には、主に造影剤の反射で生じるハーモニック成分だけでなく、送信波に元々含まれているハーモニック成分も混在することになり、主に造影剤の抽出能が低下してしまう。
【０００７】
このような問題を解決するには、送信信号からハーモニック成分を除去しなければならないが、これには、高次のフィルタを送信系に組み込まなければならない。さらに、基本周波数やハーモニックはプローブの周波数仕様に応じて変化するので、これにカットオフ周波数を追従させる必要があるが、これには回路が複雑、大規模になるという欠点がある。
（受信系の問題１）
一方、受信系は、図１８に示すように、受信したエコー信号を、プリアンプＡＭＰで増幅した後、アナログディジタル変換器ＡＤＣのサンプリング周波数の２倍以上の周波数成分をローパスフィルタＬＰＦで除去してエリアシング（折り返し現象）が起きないようにしてからディジタル信号に変換している。
【０００８】
ところで、エコー信号には、基本周波数成分とハーモニック成分が含まれるが、ハーモニック成分は図２０に示すように基本周波数成分のパワーより４０ｄＢほど低いのが一般的である。一方、周知の通り、アナログディジタル変換器には飽和レベルが決まっている。この飽和レベルを上限として、プリアンプのゲインを調整しているのであるが、これはパワーの高い基本周波数成分を基準に行われる。従って、それより４０ｄＢほど低いハーモニック成分を十分増幅することはできないものであった。
（受信系の問題２）
また、受信系には、図１８に示すように、送信時の高電圧で受信系の主にプリアンプが破壊されることを防止するために、その前段に高圧リミッタが設けられている。この高圧リミッタは、図２１に示すように、電圧レベルに応じて自動的に動作するようにダイオードで組んだものが一般的である。例えば、同図（ａ）に示すように、受信時の微小な信号は、Ｖｃｃ―Ｒ１―Ｄ１―Ｒ２とＶｃｃ―Ｒ１―Ｄ２―Ｒ３とにバイアス電流が流れてダイオードＤ１，Ｄ２がオン状態になるので、当該リミッタを通過する。一方、基準電圧Ｖｃｃを越える大振幅の送信パルスが当該リミッタに印加されると、ダイオードＤ１は逆バイアスになり、オフ状態になるので当該リミッタで遮断され得る。また、グランドＧＮＤ以下の負の送信パルスが当該リミッタに印加されると、ダイオードＤ１はオン状態になるが、ダイオードＤ２は逆バイアスになり、オフ状態になるので当該リミッタで遮断され得る。また、同図（ｂ）に示すように、ダイオードブリッジによる電流リミッタでは、ダイオードＤ５，Ｄ６でリミッタ電圧を決めてこれ以上の電圧を遮断するようにしている。
【０００９】
しかし、このようなダイオードで組んだリミッタは、バイアス電流を大きくすることにより、オン抵抗を下げることができるが、消費電流が増大してしまい、また、逆に、消費電流を下げようとすると、オン抵抗が上がって信号損失が増大してしまい、熱雑音が増大して信号精度自体劣化してしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、気泡を主成分とする超音波造影剤での反射で主に生じる基本周波数の整数倍に相当するハーモニック成分を高画質で画像化することのできる超音波診断装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、送信系から振動子に送信信号を印加することにより被検体に超音波を送信し、被検体から返ってきたエコーを受信系で受信し、この受信信号を処理することにより超音波情報を取得する超音波診断装置において、前記受信系には、前記振動子の後段であって、前記受信信号を増幅するプリアンプ及び前記受信信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換器の前段に、前記超音波の基本周波数に対する高調波成分を主に通過するようにフィルタ特性が調整されたハイパスフィルタが設けられていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波診断装置を好ましい実施形態により詳細に説明する。図１には、本実施形態に係る超音波診断装置の送受信系の構成を示している。なお、図１は、１チャンネル分の構成しか書かれていないが、複数チャンネルの場合には図１の構成がチャンネル数分パラレルに設けられる。送信系は、クロック発生回路１からのクロック信号ＣＫに基づいてトリガコントローラ２から発生されるトリガ信号が、パルサ３に供給されると、パルサ３から振動子４に送信信号（電圧信号）が供給されるようになっている。なお、通常は、トリガコントローラ２とパルサ３との間に送信遅延素子が挿入されているが、ここでは省略している。
【００１９】
振動子４は、送信信号を受けると、その振幅振動に従って機械的に伸縮する。これにより超音波が発生し、被検体に送信される。この超音波は生体内を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、このエコーは振動子４に返ってきて振動する。これにより、振動子４からは、微弱な電気信号（受信信号）が発生する。
【００２０】
受信系は、振動子５側から順番に、高圧リミッタ５、共振要素６、バッファ７、ハイパス型フィルタ（ＨＰＦ）８、プリアンプ９、ローパス型フィルタ（ＬＰＦ）１０、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１１とを有している。なお、図示していないが、アナログディジタル変換器１１の出力側には、受信遅延素子（整相回路）と加算器とからなるディジタルビームフォーマと呼ばれるディジタル回路が設けられ、ここで、ある方向からのエコー成分を強調するようになっている。この受信系で得られたエコー信号は、図示しないが、Ｂモードやカラードップラモード等の信号処理系に送られ、ここで、軟部組織断層像（Ｂモード画像）や血流画像（平均速度、分散、パワー）等の超音波情報に処理される。そしてこの情報は、カラーディスプレイで表示される。
【００２１】
図２には、図１のパルサ３の回路図を示している。パルサ３には、正の電源電圧ＶH に対応するスイッチ素子としてのＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）１２と、負の電源電圧ＶN に対応するスイッチ素子としてのＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ１３とが設けられている。これら２つのＭＯＳＦＥＴ１２，１３にはトリガコントローラ２からゲート制御のためのトリガ信号ＴＲＧ１，ＴＲＧ２がそれぞれ供給される。そして、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３の出力側に、ローパス型フィルタ１４が設けられている。このローパス型フィルタ１４のカットオフ周波数ｆcut は、送信信号の中心周波数（基本周波数）の整数倍、ここでは２倍の周波数（２次高調波）に調整されている。この調整により、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３からの出力（矩形波）に含まれる高調波成分（ハーモニック成分）を抑制できるようになっている。
【００２２】
図３には、ローパス型フィルタ１４の回路図を示している。基本周波数は、主に振動子４の厚さによって決まる振動子４の共振周波数に合わされる。ところで、現在では、様々な診断部位や診断部位の深さ等に合わせて、いろいろなタイプのプローブが用意されており、これらを自由に差し替えて使い分けることができるようになっている。このプローブのタイプに合わせて、振動子４の共振周波数もそれぞれ最適化されており、従って振動子４の共振周波数は、一定とはいえない。このような様々な振動子４の共振周波数に合わせて、カットオフ周波数ｆcut を変更できるように、ローパス型フィルタ１４は、インダクタンスの異なる複数のインダクタンス素子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を選択可能に設けている。
【００２３】
図４にこのパルサ３の動きを示している。トリガコントローラ２は、クロック信号ＣＫに従って、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３にトリガ信号ＴＲＩＧ１，ＴＲＩＧ２をそれぞれ発生する。なお、トリガ信号が“Ｈ”レベルのときに、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３がオン状態になり、そのオン期間の間、それぞれの電源電圧ＶH ，ＶN がパルス波として振動子４に印加される。この電圧パルスのパルス幅は、Ｈレベル期間によりほぼ完全に調整することができる。これらトリガ信号ＴＲＩＧ１，ＴＲＩＧ２は、交互にＨレベルにされる。また、このＨレベルの期間は、トリガ信号ＴＲＩＧ１，ＴＲＩＧ２の区別無く、時間経過に伴って、段階的に長くなり、その後、段階的に短くなるように変調されている（Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３、Ｗ４＞Ｗ５＞Ｗ６）。このようなトリガ信号ＴＲＩＧ１，ＴＲＩＧ２でＭＯＳＦＥＴ１２，１３のオンオフが制御されると、ローパス型フィルタ１４には、極性が交番し、パルス幅が段階的に長くなり、その後、段階的に短くなるように変化する一連の電圧パルスの列が印加される。この電圧パルス列が、ローパス型フィルタ１４を通ると、短いパルスの波高値は小さく、長いパルスの波高値は大きくなる傾向に変調され、その結果、出力波形としては、正弦波曲線又はシンク関数曲線に近似する。逆に、トリガコントローラ２は、ローパス型フィルタ１４の出力波形が正弦波曲線又はシンク関数曲線に近似するように、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３のオンオフを制御してパルス幅を変調する。
【００２４】
このように正弦波曲線又はシンク関数曲線に近似したような波形の周波数スペクトラムを、従来のような矩形波の周波数スペクトラムと比較して、図５に示している。周知の通り、あるいは図５から分かるとおり、正弦波曲線又はシンク関数曲線に近似したような波形では、基本周波数ｆ0 の成分が支配的で、その整数倍のハーモニック成分は著しく抑制されている。
【００２５】
ところで、ハーモニックイメージングは、受信信号から基本波成分を除去又は抑制して、ハーモニック成分を抽出し、この抽出したハーモニック成分に基づいて画像を生成するというものであり、その目的は、主に造影剤を増強して画像化することにある。上述したように、送信超音波は基本周波数ｆ0 の成分が支配的で、その整数倍のハーモニック成分は著しく抑制されているので、受信信号から抽出したハーモニック成分には、造影剤の反射で生じるハーモニック成分が支配的になり、造影剤の抽出能が向上することになる。また、ハーモニックイメージングだけでなく、通常のイメージングでも、ハーモニック成分はアーチファクトの原因になるので、送信超音波のハーモニック成分を抑制することにより、アーチファクトを低減するという効果を得ることができる。
【００２６】
図６には、パルサ２の他の構成例を示している。図２の場合には、電源電圧を直接的にＭＯＳＦＥＴ１２，１３に供給していたが、この構成例では、レギュレータ１７，１８で適当な波形に整形してからＭＯＳＦＥＴ１２，１３に供給するようにしている。レギュレータ１７，１８で作る波形は、ディジタルアナログ変換器（Ｄ／Ａ）１５，１６からの制御信号の波形によって決まる。さらに、ディジタルアナログ変換器１５，１６からの制御信号の波形は、トリガコントローラ２からのディジタル信号の波形に従って決まる。トリガコントローラ２は、レギュレータ１７，１８からの出力波形が、図７に示すように、正弦波曲線又はシンク関数曲線に近似する波形になるように、ディジタル信号を発生する。
【００２７】
このような電圧波形に対して、トリガコントローラ２は、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３が一定の周期で交互にオンするように、トリガ信号ＴＲＩＧ１，ＴＲＩＧ２を発生する。これにより、振動子４には、図８に示すように、包絡線が正弦波曲線又はシンク関数曲線に近似する波形を示すようなパルス列が印加される。なお、スイッチＳＷは、ＦＥＴ１２，１３の両方がオフの時に振動子４の蓄積電荷を基準電位（例えばＧＮＤゼロボルトレベル）まで放電させるために設けられている。
【００２８】
このようなパルス列で発生される送信超音波は、基本周波数ｆ0 の成分が支配的になり、その整数倍のハーモニック成分は著しく抑制されることになるので、受信信号から抽出したハーモニック成分には、造影剤の反射で生じるハーモニック成分が支配的になり、造影剤の抽出能が向上することになる。なお、図６には示していないが、図２のようなローパス型フィルタ１４を設けることにより、ハーモニック成分を送信超音波から抑制する効果が期待できる。
【００２９】
ここで、図２や図６では、正負で交番する電圧波形を振動子４に印加するいわゆるバイポーラ型パルサとして説明したが、正側のみ、または負側のみのユニポーラ型パルサでも近似的に同様の効果を得ることができる。また、ＬＰＦ１４のカットオフ周波数をインダクタンス素子の切替により変更する方法を示したが、ＭＯＳＦＥＴ１２，１３のバイアス電圧制御によるＯＮ抵抗可変でも実現できる。また、バリキャップダイオード等制御可能な素子であれば種々変更して実施できる。
【００３０】
次に受信系について説明する。図９には、図１の高圧リミッタ５の構成を示している。この高圧リミッタ５は、高電圧の送信信号で受信系の特にプリアンプ９が破壊されるのを防止するためのものであり、振動子４からの受信信号の経路上にＭＯＳＦＥＴ２０が介在され、そしてこのＭＯＳＦＥＴ２０にゲート制御信号Ｖgateを供給して経路の遮断／導通を制御するためのゲートコントローラ１９が設けられてなる。また、図１０に示すように、２つ又はそれ以上のＭＯＳＦＥＴ２０をカスケードに設けるようにしてもよい。
【００３１】
ゲートコントローラ１９は、図１１に示すように、トリガコントローラ２からトリガ信号を入力し、このトリガ信号に基づいて、高電圧の送信信号が受信系に流れ込むのを防止するように、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲートのオン／オフを制御する。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲートは、トリガ信号の立ち上がりに同期してオフされ、そしてこのオフ状態は、トリガ信号の立ち下がり時から、過渡応答が所定レベル以下に安定するために必要な所定の時間Δｔだけ遅延した時まで継続される。送信信号が図１２に示すように複数のパルス波（バースト波）からなる場合でも同様である。
【００３２】
ＭＯＳＦＥＴ２０には、数オーム乃至数十オーム程度の比較的オン抵抗に低いタイプがあり、このタイプのＭＯＳＦＥＴ２０を遮断用スイッチとして採用することにより、従来のダイオード方式に比べて、熱雑音の発生を抑えて、画質の向上を図ることができ、また省電力化も図ることができる。
【００３３】
次に共振要素６について説明する。図１３は、共振要素６の構成を示しており、インダクタンスの異なる複数のインダクタンス要素Ｌ１、Ｌ２が選択可能に設けられており、選択されたインダクタンス要素と、キャパシタンス要素として機能する振動子４とで直列共振回路を構成する。この共振回路の共振周波数は、超音波の基本周波数に対する高調波に調整されている。もちろん、超音波の基本周波数が変化すると、別のインダクタンス要素を選択して対応すればよいし、共振回路が不要ならインダクタンス要素をパスする経路も用意されている。このように共振要素６を設けることにより、受信信号からハーモニック成分を効果的に抽出することができる。
【００３４】
なお、図１３に示すように共振要素６を振動子４に対して直列に入れて直列共振を構成するようにしてもよいし、図１４に示すように、共振要素６、つまりインダクタンス要素Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を振動子４に対して並列に入れて並列共振を構成するようにしてもよい。
【００３５】
同様の目的で、振動子４とアナログディジタル変換器１１との間のいずれかの位置、ここではプリアンプ９の直前に、ハイパス型フィルタ８が設けられている。このハイパス型フィルタ８のフィルタ特性、つまりカットオフ周波数ｆcut は、図１５に示すように、受信信号から、基本周波数成分を効果的に抑制し、ハーモニック成分、特に２次高調波成分（２・ｆ0 ）を抽出するように、基本周波数ｆ0 に基づいて調整されている。このハイパス型フィルタ８により、受信信号から、基本周波数成分を抑制し、ハーモニック成分を抽出することができる。
【００３６】
ここでも様々な振動子４の共振周波数（基本周波数）に合わせて、カットオフ周波数ｆcut を変更できるように、図１６に示すように、ハイパス型フィルタ８に、フィルタ特性の異なる複数のハイパス型フィルタ要素２２，２３を選択可能に設けるようにしてもよい。また、通常のイメージングに対応できるように、ハイパス型フィルタ８をパスする経路を選択できるようにしてもよい。さらに、ハイパス型フィルタ８として、図１７に示すように、フィルタ特性を連続的に可変できるタイプを採用してもよい。
【００３７】
このように共振やハイパス型フィルタ６を使って受信信号から基本波成分を抑制し、ハーモニック成分を抽出することにより、次のような効果を獲得できる。まず、周知の通り、受信信号には基本周波数成分とハーモニック成分が含まれるが、ハーモニック成分は基本周波数成分のパワーより４０ｄＢほど低いのが一般的である。一方、アナログディジタル変換器１１には飽和レベルが決まっている。この飽和レベルを上限として、プリアンプ９のゲインを調整しているのであるが、従来では、パワーの高い基本周波数成分を基準に行われていた。従って、それより４０ｄＢほど低いハーモニック成分を十分増幅して広いダイナミックレンジで扱うことはできないものであった。これに対して、共振やハイパス型フィルタ６を使って、アナログディジタル変換前に基本周波数成分を十分抑制し、受信信号をハーモニック成分で支配的にしているので、ハーモニック成分を基準にしてプリアンプ９のゲインを調整して、ハーモニック成分をアナログディジタル変換器１１の飽和レベル付近まで増幅することができる。これにより、ハーモニックイメージングの画質を向上することができる。
【００３８】
以上のように本実施形態によれば、
（１）送信信号に含まれるハーモニック成分を抑制することにより、受信信号から抽出したハーモニック成分には、造影剤の反射で生じるハーモニック成分が支配的になり、造影剤の抽出能が向上する、
（２）アナログディジタル変換前に受信信号をハーモニック成分で支配的にしておくことにより、ハーモニック成分を基準にしてプリアンプのゲインを調整してハーモニック成分を飽和レベル付近まで増幅することができる、
（３）ＦＥＴを使って、プリアンプに至る経路を遮断してプリアンプが送信の高電圧で破壊することを防止するので、従来のダイオード方式に比べて、熱雑音の発生を抑えることができる、
という送受信両面から改良を施したことにより、気泡を主成分とする超音波造影剤での反射で主に生じる基本周波数の整数倍に相当するハーモニック成分を非常に高画質で画像化することができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、受信信号に含まれる基本周波数成分はアナログディジタル変換前に十分低下され、受信信号はハーモニック成分が支配的である。従って、ハーモニック成分を基準にしてプリアンプのゲインを調整してハーモニック成分を飽和レベル付近まで増幅することができ、画質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による超音波診断装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１のパルサの回路図。
【図３】図２のローパスフィルタの回路図。
【図４】図２のパルサの動きを示す図。
【図５】図２のパルサで発生するサイン波の周波数スペクトラムを示す図。
【図６】図１のパルサの他の構成図。
【図７】図６の２つのレギュレータの出力波形を示す図。
【図８】図６のパルサからの出力波形を示す図。
【図９】図１の高圧リミッタの構成図。
【図１０】図１の高圧リミッタの他の構成図。
【図１１】図９と図１０のＭＯＳＦＥＴの動きを示す図。
【図１２】図９と図１０のＭＯＳＦＥＴの動きを示す図。
【図１３】図１の共振要素の構成図。
【図１４】図１の共振要素の他の構成図。
【図１５】図１のハイパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１６】図１のハイパスフィルタの他の構成図。
【図１７】図１のハイパスフィルタのさらに他の構成図。
【図１８】従来の超音波診断装置の送受信系の主要部のブロック図。
【図１９】矩形送信波の周波数スペクトラムを示す図。
【図２０】受信信号のスペクトラムの概略図。
【図２１】従来の高圧リミッタの回路図。
【符号の説明】
１…クロック発生回路、
２…トリガコントローラ、
３…パルサ、
４…振動子、
５…高圧リミッタ、
６…共振要素、
７…バッファ、
８…ハイパスフィルタ、
９…プリアンプ、
１０…ローパスフィルタ、
１１…アナログディジタル変換器、
１２…ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ、
１３…ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、
１４…ローパスフィルタ、
１５…ディジタルアナログ変換器、
１６…ディジタルアナログ変換器、
１７…レギュレータ、
１８…レギュレータ、
１９…ゲートコントローラ、
２０…ＭＯＳＦＥＴ、
２１…ダイオード、
２２…ハイパスフィルタ、
２３…ハイパスフィルタ。

Claims (4)

1. 送信系から振動子に送信信号を印加することにより被検体に超音波を送信し、被検体から返ってきたエコーを受信系で受信し、この受信信号を処理することにより超音波情報を取得する超音波診断装置において、前記受信系には、前記振動子の後段であって、前記受信信号を増幅するプリアンプ及び前記受信信号をディジタル信号に変換するアナログディジタル変換器の前段に、前記超音波の基本周波数に対する高調波成分を主に通過するようにフィルタ特性が調整されたハイパスフィルタが設けられていることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記ハイパスフィルタには、フィルタ特性の異なる複数のハイパスフィルタ要素が選択可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記受信系には、前記ハイパスフィルタをパスする経路が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置
4. 前記ハイパスフィルタは、フィルタ特性が可変に構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。

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