JP4607528B2 - 超音波診断装置及び画像データ生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置及び画像データ生成方法に係り、特に、被検体から得られる超音波反射波の高調波成分を検出することによって高解像度の超音波画像データを得ることが可能な超音波診断装置及び画像データ生成方法に関する。

超音波診断装置は、超音波プローブに内蔵された超音波振動子から発生した超音波を被検体内に放射し、被検体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる反射波を前記超音波プローブによって受信してモニタ上に表示するものである。

超音波診断法は、超音波プローブを体表に接触させるだけの簡単な操作でリアルタイムの２次元画像が容易に観察できるため、心臓などの機能検査や各種臓器の形態診断に広く用いられている。又、Ｘ線診断装置やＸ線ＣＴ装置による診断法に見られるような被曝が無いため、心臓、腹部、乳腺、泌尿器に対する診断のみならず、産科領域の胎児診断においても繰り返し用いることができ、更に、装置が小型ゆえにベッドサイドでの使用が可能である等多くの利点を有している。

従来の超音波診断法においては、診断部位に応じて選択された所定周波数を中心周波数とした超音波パルスを被検体内に放射し、この超音波パルスとほぼ等しい周波数を有する超音波反射波を受信することによって画像データの生成を行なってきた。

これに対して、近年、組織ハーモニックイメージング法（以下、ＴＨＩと呼ぶ）なる新しい画像化技術が開発され、臨床の場で広く普及し始めている。このイメージング法は、被検体の組織において生ずる超音波非線形現象を有効に利用した方法であり、例えば、中心周波数がｆｏの超音波パルスを被検体内に放射した場合、被検体の組織の非線型現象によって新たに発生する２倍の高調波成分２ｆｏを選択的に受信して画像化を行なう。

この高調波成分は、被検体に放射された基本周波数の超音波パルス（以下、基本波成分と呼ぶ。）に対して新たに発生するものであり、被検体組織の性状や反射部位までの伝搬距離、あるいは反射部位における超音波強度に依存する。このため、従来の超音波画像におけるアーチファクトの主要因であった超音波プローブ及び臓器境界面の間で発生する多重反射波やサイドローブの受信感度を基本波成分に対して相対的に低減させることができ、従って、この高調波成分を用いたＴＨＩによってアーチファクトの少ない鮮明な画像データを得ることが可能となる（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ＴＨＩにおいて、基本波成分と高調波成分が混在した超音波反射波から、高調波成分を抽出する一般的な方法はフィルタリング法であるが、基本波成分及び高調波成分が広帯域である場合には夫々の周波数成分の一部は重なり合うため、高調波成分のみをフィルタリング法によって精度よく抽出することは困難である。

このような広帯域の超音波反射波に対する高調波成分の抽出法としてパルスインバージョン法が開発されている。この方法は、所定の方向に対して超音波の送受信を行なう場合に、極性の異なる２種類の超音波パルスを交互に送信し、このとき得られる受信信号を加算することによって基本波成分を相殺して高調波成分のみを抽出する方法である。このパルスインバージョン法は、高調波成分の波形が基本波成分の波形振幅の２乗に比例して形成されることに着目しており、超音波パルスの極性を反転させた場合、超音波反射波中の基本波成分も同様に反転するが、高調波成分は反転しない性質に基づいている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−１７９５８９号公報 特開平９−１６４１３８号公報

ところで、被検体の組織において所定周波数の送信超音波が反射する際に発生する高調波成分は、基本波成分に対して著しく小さく、例えば、２倍の高調波成分の場合には、送信超音波の強度に依存するものの通常２０ｄＢ以上感度が低いことが確認されている。

更に、被検体組織にて反射した高調波成分が超音波プローブにて受信される過程で、組織内での吸収による超音波減衰量は超音波周波数に依存し、例えば、上述の２倍高調波成分における超音波減衰量は基本波成分と比較しデシベル単位で約２倍となることが知られている。

このような理由により、高調波成分によって生成されたＴＨＩ画像データは、従来の基本波成分を主成分（即ち、基本波成分と高調波成分）による画像データと比較してＳ／Ｎが悪く、特に、超音波プローブから離れた深部臓器に対しては高解像度の画像データを得ることが困難となる。

上述の高調波成分の受信におけるＳ／Ｎの改善を目的として、受信回路のノイズ（Ｎ）を低減する方法と、信号成分（Ｓ）の受信感度を改善する方法とがあるが、前者は既に限界にきており、したがって後者の方法に頼らざるを得ない。

又、高調波成分の受信感度を改善する方法として装置の送信音響出力を上げる方法が考えられるが、従来と同様な駆動方法において送信音響出力を増大する場合には、被検体に対する安全性を考慮して定められた超音波プローブの発熱規制や音響出力規制を遵守することが困難となる。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱規制及び音響出力規制の範囲を逸脱することなくＴＨＩにおける受信感度を向上させることにより、アーチファクトが低減され解像度に優れた超音波画像データの生成を可能とする超音波診断装置及び画像データ生成方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、実施形態の超音波診断装置は、被検体に対して超音波の送受波を行う超音波振動子を備えた超音波プローブと、第１のモードにおいて第１の音圧を有する超音波パルスを送信し、第２のモードにおいて前記第１の音圧より低い第２の音圧を有する超音波パルスを送信するよう前記超音波振動子を駆動する駆動手段と、前記第１の音圧を有する超音波パルスに基づいて受信された受信信号から高調波成分を抽出する高調波成分抽出手段と、前記高調波成分に基づいて第１の画像データを生成する第１の画像データ生成手段と、前記第２の音圧を有する超音波パルスに基づいて受信された受信信号から第２の画像データを生成する第２の画像データ生成手段と、前記第１のモードにおける、超音波パルスの送信を行う所定の送信期間の長さ、及び前記第１のモードにおける前記超音波振動子の駆動電圧に基づいて休止期間を算出する音響出力パラメータ演算手段と、前記送信期間の間第１のモードにおける超音波パルスの送信を行ない、前記送信期間の経過と共に前記休止期間の間超音波パルスの送信を停止し、前記休止期間の経過と共に前記第２のモードにおける超音波パルスの送信を行うよう前記駆動手段を制御する音響出力制御手段とを備えることを特徴とする。

又、実施形態の画像データ生成方法は、所定の送信期間の間第１の音圧を有する超音波パルスを送信するステップと、前記第１の音圧を有する超音波パルスに基づく受信信号から高調波成分を抽出するステップと、前記高調波成分から第１の画像データを生成するステップと、前記送信期間及び前記第１の音圧に基づいて休止期間を算出するステップと、前記送信期間の経過とともに前記休止期間の間超音波パルスの送信を停止するステップと、前記休止期間の経過とともに、前記第１の音圧より低い第２の音圧を有する超音波パルスを送信するステップと、前記第２の音圧を有する超音波パルスに基づく受信信号から第２の画像データを生成するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、発熱規制及び音響出力規制の範囲を逸脱することなく高音圧送信を行えるとともに、予め設定された高音圧送信の送信期間及び駆動電圧に基づいて休止期間の長さが算出されるため送信音響出力の制御が容易となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本実施例の特徴は、装置動作や撮影位置（画像データ生成位置）等のモニタリングを目的とした所定期間のＢモード画像用低音圧送信、診断用画像データの生成を目的とした所定期間のＴＨＩ画像用高音圧送信、更には超音波の送信を休止する所定期間のゼロ音圧送信を繰り返すことによって、単位時間内の送信音響出力と超音波プローブにおける発熱を音響出力規制及び発熱規制の許容範囲内に抑えることにある。

尚、本実施例におけるＴＨＩ画像データは、後述のように受信信号の高調波成分に対する包絡線検波によって生成されるものであり、本来はＢモード画像データに属するが、以下では、高調波成分を用いて生成されるＢモード画像データを「ＴＨＩ画像データ」と呼び、基本波成分を主成分として生成される従来のＢモード画像データと区別する。

（装置の構成）
本実施例における超音波診断装置全体の構成を図１のブロック図を用いて説明する。

図１に示した本実施例の超音波診断装置１００は、被検体に対して超音波パルス（送信超音波）を送信すると共に、超音波反射波（受信超音波）を電気信号（受信信号）に変換する超音波プローブ１と、超音波プローブ１に対して駆動信号を供給すると共に、この超音波プローブ１から得られた受信信号に基づいて画像データを生成する超音波診断装置本体５０を備えている。

超音波プローブ１は、図示しない１次元に配列された複数個（Ｍ個）の超音波振動子を先端部分に有し、この先端部分を被検体に接触させて超音波の送受信を行なう。又、超音波プローブ１の超音波振動子の各々は、図示しないＭチャンネルの多芯ケーブルを介して後述の超音波診断装置本体５０における超音波送信部２及び超音波受信部３に接続されている。超音波振動子は電気音響変換素子であり、送信時には電気パルス（駆動信号）を超音波パルス（送信超音波）に変換し、又受信時には超音波反射波（受信超音波）を電気的な受信信号に変換する機能を有している。

この超音波プローブ１には、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等があり、操作者は診断部位に応じて任意に選択することが可能であるが、本実施例では、Ｍ本の超音波振動子を備えたセクタ走査用の超音波プローブ１を用いた場合について述べる。

一方、超音波診断装置本体５０は、被検体の所定の方向に超音波パルスを放射するための駆動信号を生成する超音波送信部２と、被検体の所定方向からの超音波反射波を受信する超音波受信部３と、この受信信号から高調波成分を抽出する高調波成分抽出部４と、超音波受信部３あるいは高調波成分抽出部４から出力された受信信号あるいはこの受信信号の高調波成分に対してＢモードデータ及びＴＨＩデータを生成するための信号処理を行なう信号処理部５と、走査方向単位で得られるＢモードデータ及びＴＨＩデータを順次保存してＢモード画像データ及びＴＨＩ画像データを生成すると共に、得られたこれらの画像データに対し必要に応じて所望の画像処理を行なう画像データ記憶・処理部６を備えている。

又、超音波診断装置本体５０は、前記超音波送信部２に対しＢモード画像用低音圧送信、ＴＨＩ画像用高音圧送信及びゼロ音圧送信における駆動信号の振幅や駆動期間の設定あるいは更新を行ない、超音波プローブ１から放射される送信超音波の送信音響出力あるいは超音波プローブ１における発熱量を制御する音響出力制御部７と、駆動信号の振幅あるいは駆動期間の算出を行なう音響出力パラメータ演算部８を備えている。

更に、超音波診断装置本体５０は、画像データ記憶・処理部６にて生成されたＢモード画像データ及びＴＨＩ画像データに対して走査変換やテレビフォーマット変換を行なって超音波画像データの表示を行なう画像表示部９と、操作者によるコマンド信号の入力や超音波送信条件の設定等が行なわれる入力部１０と、超音波プローブ１の温度計測を行なう温度計測部１１と、上述の各ユニットを統括的に制御するシステム制御部１２を備えている。

次に、超音波診断装置本体５０の超音波送信部２は、レートパルス発生器２１と、送信遅延回路２２と、駆動回路２３を備えている。

レートパルス発生器２１は、被検体内に放射する超音波パルスの繰り返し周期（レート周期）を決定するレートパルスを生成して送信遅延回路２２に供給する。送信遅延回路２２は、送信に使用される超音波振動子と同数のＭチャンネルの独立な遅延回路から構成され、超音波パルスを所定の深さに集束するための集束用遅延時間と、超音波パルスを所定の方向に送信するための偏向用遅延時間を上記レートパルスに与え、このレートパルスを駆動回路２３に供給する。

一方、駆動回路２３は、送信遅延回路２２と同数のＭチャンネルの独立な駆動回路を有しており、超音波プローブ１に内蔵された超音波振動子を駆動し、被検体内に超音波を放射する。このＭチャンネルの駆動回路２３の各々は、パルスインバージョン法を行なうために正極性の駆動信号を発生する図示しない正極性駆動回路と負極性の駆動信号を発生する図示しない負極性駆動回路が対になって構成されており、負極性の駆動信号は正極性の駆動信号を反転させた波形特性となっている。

次に、超音波受信部３は、Ｍチャンネルのプリアンプ３１、Ａ／Ｄ変換器３２及びビームフォーマ３３と、加算器３４を備えている。プリアンプ３１は、超音波振動子によって電気的な受信信号に変換された微小信号を増幅し、十分なＳ／Ｎを確保するように設計されており、このプリアンプ３１において所定の大きさに増幅されたＭチャンネルの受信信号は、Ａ／Ｄ変換器３２にてデジタル信号に変換され、ビームフォーマ３３に送られる。

ビームフォーマ３３は、所定の深さからの超音波反射波を集束するための集束用遅延時間と、所定方向に対して受信指向性を設定するための偏向用遅延時間をＡ／Ｄ変換器３２から出力されるＭチャンネルの受信信号の各々に与え、加算器３４は、これらビームフォーマ３３からの受信信号を整相加算（所定の方向から得られた受信信号の位相を合わせて加算）する。

次に、高調波成分抽出部４は、波形メモリ４１と、加算器４２と、フィルタ回路４３を備えており、パルスインバージョン法において正極性の駆動信号及び負極性の駆動信号によって得られた所定方向からの２つの受信信号は、上記波形メモリ４１に一旦保存された後、加算器４２における加算により基本波成分が相殺されて高調波成分が抽出される。

一方、フィルタ回路４３は、臓器の動きや体動などが原因で、パルスインバージョン法では消去させることができなかった基本波成分を低減するフィルタであり、一般には、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、あるいはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）で構成される。

次に、信号処理部５は、超音波受信部３の加算器３４から直接供給される受信信号と高調波成分抽出部４のフィルタ回路４３から供給される前記受信信号の高調波成分の選択を行なう選択回路５１と、包絡線検波器５２及び対数変換器５３を備えており、Ｂモードデータ及びＴＨＩデータを生成するための信号処理を行なう。

即ち、選択回路５１は、Ｂモード画像データ生成時には加算器３４から供給される受信信号を選択し、ＴＨＩ画像データ生成時には高調波成分抽出部４のフィルタ回路４３から供給される前記受信信号の高調波成分を選択する。そして、包絡線検波器５２は、選択回路５１において選択された受信信号あるいは受信信号の高調波成分に対して包絡線検波の演算を行ない、その包絡線を検出する。又、対数変換器５３は、入力値を対数変換して出力するルックアップテーブルを備え、この対数変換器５３において受信信号の振幅を対数変換して弱い信号を相対的に強調する。

一般に、被検体内からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを３０ｄＢ程度のダイナミックレンジを有する通常のテレビモニタに表示するには、弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。

そして、画像データ記憶・処理部６は、図示しない演算回路と記憶回路を備え、信号処理部５において生成された複数の超音波送受波方向におけるＢモードデータ及びＴＨＩデータは前記記憶回路に順次保存されてＢモード画像データ及びＴＨＩ画像データが生成される。又、前記演算回路は、これらの画像データに対し必要に応じて輪郭強調等の画像処理を行ない、処理後の画像データを前記記憶回路に再び保存する。

一方、音響出力制御部７は、図示しないＣＰＵ、記憶回路、経過時間計測回路、駆動電圧設定回路を備え、前記ＣＰＵは、超音波送信部２における駆動回路２３に対してＢモード画像データを生成する際の駆動電圧Ｖ_Ｌ及び駆動期間τ_ＬとＴＨＩ画像データを生成する際の駆動電圧Ｖ_Ｈ及び駆動期間τ_Ｈを設定し、更に、駆動を行なわない期間（以下では、ゼロ音圧送信期間と呼ぶ。）τ_Ｘの設定を行なう。

尚、上述の駆動電圧Ｖ_Ｌ及びＶ_Ｈ，駆動期間τ_Ｌ、τ_Ｈ及びτ_Ｘの５つの音響出力パラメータのうち４つの音響出力パラメータは操作者によって入力部１０より入力され、残りの音響出力パラメータは、入力された４つの音響出力パラメータに基づき後述する音響出力パラメータ演算部８によって算出される。

そして、音響出力制御部７の駆動電圧設定回路は、前記記憶回路に保存された駆動電圧Ｖ_Ｌ及び駆動電圧Ｖ_Ｈに基づいて駆動回路２３の駆動電圧を制御し、同様にして前記経過時間計測回路は、前記記憶回路に保存された駆動期間τ_Ｌ、駆動期間τ_Ｈ及び期間τ_Ｘに基づいて駆動期間の制御を行なう。

更に、音響出力制御部７の前記ＣＰＵは、ＴＨＩ画像データの生成中に温度計測部１１から供給される超音波プローブ１の温度情報に基づいてＴＨＩ画像用高音圧送信の駆動期間τ_Ｈをτ_Ｈａ（τ_Ｈａ＜τ_Ｈ）に更新する。

図２は、駆動回路２３に対して設定されたＢモード画像用低音圧送信、ＴＨＩ画像用高音圧送信及びゼロ音圧送信における駆動電圧と駆動期間を模式的に示したものであり、先ず、時刻ｔ１乃至ｔ２の期間τ０において撮影位置を設定するためのＢモード画像用低音圧送信が行なわれた後、時刻ｔ２乃至ｔ３の期間τ_Ｌ及び時刻ｔ３乃至ｔ４の期間τ_Ｈにおいて駆動電圧Ｖ_ＬのＢモード画像用低音圧送信及び駆動電圧Ｖ_ＨのＴＨＩ画像用高音圧送信が行なわれる。

次いで、時刻ｔ４乃至ｔ５の期間τ_Ｘにおいて駆動信号の供給が停止（即ち、ゼロ音圧送信）された後、時刻ｔ５乃至ｔ６の期間τ_Ｌとｔ６乃至ｔ７の期間τ_Ｈにおいて駆動電圧Ｖ_ＬのＢモード画像用低音圧送信及び駆動電圧Ｖ_ＨのＴＨＩ画像用高音圧送信が行なわれ、同様にしてゼロ音圧送信、Ｂモード画像用低音圧送信及びＴＨＩ画像用高音圧送信が繰り返される。尚、従来のＢモード法における駆動電圧をＶｍとすれば、上述の駆動電圧Ｖ_Ｌ及び駆動電圧Ｖ_Ｈは、Ｖ_Ｈ＞Ｖｍ＞Ｖ_Ｌの関係にある。

次に、音響出力パラメータ演算部８は、図示しない演算回路と記憶回路を備え、入力部１０から入力される４つの音響出力パラメータの値に基づいて残りの音響出力パラメータの値を算出する。この場合、前記演算回路は、後述の式（１）に基づいて予め作成され前記記憶回路に保存された音響出力パラメータ算出プログラムを起動し、このプログラムに４つの音響出力パラメータの値を入力して残りの音響出力パラメータを算出する。

尚、音響出力パラメータ演算部８にて算出される音響出力パラメータの値は、図２に示した一連のＢモード画像用低音圧送信、ＴＨＩ画像用高音圧送信及びゼロ音圧送信における単位時間あたりの音響出力が音響出力規制の許容範囲内になるように算出される。

この場合、操作者は、上述の駆動電圧Ｖ_Ｌ及びＶ_Ｈ，駆動期間τ_Ｌ及びτ_Ｈの各値を入力部１０より入力し、音響出力パラメータ演算部８は、入力されたこれらの値と次式（１）に基づいてゼロ音圧送信の駆動期間τ_Ｘを算出する方法が好適であるが、これに限定されない。

但し、上式（１）におけるＷは、本実施例における単位時間当たりの送信音響出力を、又、Ｗ_０は、音響出力規制において許容される単位時間当たりの送信音響出力を示しており、Ｋは比例定数である。そして、送信音響出力Ｗ_０は、従来のＢモード法における単位時間当たりの送信音響出力ＫＶ_ｍ ^２に略等しい。

図１に戻って、超音波診断装置本体５０における画像表示部９は、表示用画像データ生成回路９１と、変換回路９２と、モニタ９３を備えており、画像データ記憶・処理部６において生成されたＢモード画像データやＴＨＩ画像データは、表示用画像データ生成回路９１において所定の表示形態に対応した走査変換等の処理が行なわれて表示用画像データが生成され、この表示用画像データは、変換回路９２においてＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換が行なわれモニタ９３に表示される。

又、入力部１０は、操作パネル上に液晶表示パネルやキーボード、トラックボール、マウス等の入力デバイスを備え、操作者は、この入力部１０より患者情報の入力、画像表示モードの選択、音響出力パラメータの入力、更には、Ｂモード画像データ及びＴＨＩ画像データの生成開始コマンド等の入力を行なう。

一方、温度計測部１１は、図示しないサーミスタとＡ／Ｄ変換器を備え、サーミスタは超音波プローブ１の内部あるいは先端部に装着されている。そして、サーミスタによって計測された超音波プローブ１の温度情報は、前記Ａ／Ｄ変換器にてデジタル信号に変換された後、システム制御部１２を介して音響出力制御部７に供給される。

システム制御部１２は、図示しないＣＰＵと記憶回路を備え、超音波の送受波方向を順次更新させて所定断面における画像データを得るための制御を行なう。更に、入力部１０からの指示信号に基づいて超音波送信部２、超音波受信部３、高調波成分抽出部４、画像データ記憶・処理部６、音響出力制御部７、音響出力パラメータ演算部８、画像表示部９の各ユニットの制御やシステム全体の制御を統括して行なう。

（画像データの生成手順）
次に、本実施例におけるＢモード画像データ及びＴＨＩ画像データの生成手順につき図１乃至図８を用いて説明する。尚、図３は上述の画像データの生成手順を示すフローチャートである。

画像データの生成に先立って、超音波診断装置１００の操作者は、入力部１０において被検体情報を入力すると共に、セクタ走査法によるＢモード画像データの表示モードとＴＨＩ画像データの表示モードを選択し、更に、このＴＨＩ画像データの生成における高調波成分抽出法としてパルスインバージョン法の適用を選択する。次いで、操作者は、Ｂモード画像データの生成を目的とした低音圧送信における駆動電圧Ｖ_Ｌ及び駆動期間τ_Ｌと、ＴＨＩ画像データの生成を目的とした高音圧送信における駆動電圧Ｖ_Ｈ及び駆動期間τ_Ｈを設定する（図３のステップＳ１）。

そして、上述の入力情報、選択情報及び設定条件は、システム制御部１２の記憶回路に保存されると共に、低音圧送信及び高音圧送信における駆動電圧や駆動期間は音響出力制御部７の記憶回路に保存される。又、音響出力制御部７の記憶回路には、発熱規制によって定められた許容温度φ_０の値が予め保管されている。

一方、音響出力パラメータ演算部８の記憶回路には、音響出力規制によって定められた単位時間当たりの許容送信音響出力Ｗ_０の値が予め保管されており、音響出力制御部７の記憶回路に保存されている低音圧送信の駆動電圧Ｖ_Ｌ及び駆動期間τ_Ｌと高音圧送信における駆動電圧Ｖ_Ｈ及び駆動期間τ_Ｈを読み出し、予め記憶回路に保存されている音響出力パラメータ算出プログラムに上述の音響出力パラメータの値や許容送信音響出力Ｗ_０を入力することによってゼロ音圧送信における期間τ_Ｘを算出し、得られた期間τ_Ｘの値を音響出力制御部７の記憶回路に保存する（図３のステップＳ２）。このとき、上記記憶回路には、図４に示すように低音圧送信及び高音圧送信における駆動電圧及び駆動期間とゼロ音圧送信の期間が保存される。

上述の初期設定が終了したならば、操作者は入力部１０にて画像データの生成開始コマンドを入力し、入力されたコマンド信号がシステム制御部１２において受信されることにより、画像データの収集位置を最適化するためのＢモード画像データの生成と表示が行なわれる（図３のステップＳ３）。

低音圧送信によるＢモード画像データの生成に際して、レートパルス発生器２１は、システム制御部１２からの制御信号に従って被検体内に放射する超音波パルスの繰り返し周期（レート周期）を決定するレートパルスを送信遅延回路２２に供給する。送信遅延回路２２は、送信において細いビーム幅を得るために所定の深さに超音波を集束するための遅延時間と、最初の走査方向θ１に超音波を放射するための遅延時間をレートパルスに与え、このレートパルスを駆動回路２３に供給する。

次いで、駆動回路２３は、供給されたレートパルスに基づいて生成した例えば正極性の駆動信号によって超音波プローブ１の超音波振動子を駆動し、被検体に中心周波数ｆｏの超音波パルスを放射する。

被検体内に放射された超音波パルスの一部は、音響インピーダンスの異なる被検体の臓器境界面、あるいは組織にて反射する。この場合、反射された超音波は被検体組織の非線型特性により、例えば、中心周波数が２ｆｏの超音波反射波が新たに発生する。即ち、被検体の組織にて反射して超音波プローブ１に戻る超音波反射波は、送信時と同じ中心周波数ｆｏの基本波成分と、中心周波数が２ｆｏの高調波成分が混在したものとなる。

被検体内にて反射された超音波反射波は、送信時と同じ超音波プローブ１によって受信されて電気的な受信信号に変換され、超音波受信部３のプリアンプ３１にて所定の大きさに増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３２にてデジタル信号に変換される。更に、デジタル信号に変換された受信信号は、ビームフォーマ３３にて、システム制御部１２からの制御信号に基づいて所定の遅延時間が与えられた後、加算器３４において加算合成されて信号処理部５に供給される。

このとき、ビームフォーマ３３では、所定の深さからの超音波反射波を集束するための遅延時間と、超音波反射波に対して走査方向θ１に強い受信指向性をもたせるための遅延時間が、システム制御部１２からの制御信号によって設定される。

次に、信号処理部５の選択回路５１は超音波受信部３の加算器３４から供給される受信信号を選択し、包絡線検波器５２及び対数変換器５３は、上記受信信号に対して包絡線検波と対数変換を行なってＢモードデータを生成し画像データ記憶・処理部６の記憶回路に保存する。

上述の手順にて、走査方向θ１におけるＢモードデータの生成と保存が終了したならば、超音波の送受信方向をΔθずつ順次更新させながらθｐ＝θ１＋（ｐ−１）Δθ（ｐ＝２〜Ｐ）に偏向し、同様の手順で超音波の送受信を行なう。このとき、システム制御部１２は、その制御信号によって送信遅延回路２２及びビームフォーマ３３の遅延時間を超音波送受信方向に対応させて順次切り替えながら、Ｂモードデータを生成する。

このようにして、走査方向θ１乃至θＰに対して超音波によるセクタ走査が行なわれ、得られた走査方向単位のＢモードデータが画像データ記憶・処理部６に順次保存されてＢモード画像データが生成されたならば、画像表示部９の表示用画像データ生成部９１は、画像データ記憶・処理部６の記憶回路から読み出したＢモード画像データに対し走査変換等の処理を行なって表示用画像データを生成し、変換回路９２は、表示用画像データに対しＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行なってモニタ９３に表示する（図３のステップＳ４）。

そして、θ１乃至θＰの走査方向に対して超音波送受波を繰り返すことにより、画像表示部９のモニタ９３では、低音圧送信によるＢモード画像データのリアルタイム表示が行なわれ、操作者は、このＢモード画像データをモニタリングすることによって装置動作の確認、被検体に対する撮影位置の最適化、更には、装置ゲインやダイナミックレンジの設定等を行なう。

次いで、期間τ０の低音圧送信によるＢモード画像データの観察によって上述のモニタリングが終了したならば、操作者は、入力部１０にてＴＨＩ画像データの生成開始コマンドを入力する（図３のステップＳ５）。

このコマンド信号を受信したシステム制御部１２は、先ず、上述と同様の手順によって駆動電圧Ｖ_Ｌの低音圧送信を行ない、Ｂモード画像データを画像表示部９のモニタ９３にリアルタイム表示する（図３のステップＳ６）。そして、低音圧送信の駆動期間τ_ＬにおけるＢモード画像データの生成と表示が終了したならば、音響出力制御部７は、ＴＨＩ画像データを生成するために駆動回路２３の駆動電圧を高音圧送信の駆動電圧Ｖ_Ｈに更新する。

高音圧送信によるＴＨＩ画像データの生成に際して、送信遅延回路２２は、超音波ビームを所定の深さに集束するための遅延時間と、走査方向θ１に放射するための遅延時間をレートパルス発生器２１から供給されるレートパルスに与え、このレートパルスを駆動回路２３に供給する。

次いで、駆動回路２３は、このレートパルスのタイミングに従って正極性の駆動パルスを生成し、超音波プローブ１の超音波振動子を駆動して被検体に中心周波数ｆｏの超音波パルスを放射する。

被検体内に放射された超音波パルスの一部は、音響インピーダンスの異なる被検体の臓器境界面、あるいは組織にて反射する。この場合、反射した超音波には、上述のＢモード画像データの場合と同様にして被検体組織の非線型特性により、例えば中心周波数が２ｆｏの高調波成分が新たに発生し、しかも、高音圧送信における高調波成分の発生は低音圧送信の場合より顕著である。この高調波成分の発生原因は、超音波パルスの被検体組織内における伝播速度が超音波の音圧に依存するためであり、この性質のために受信信号に波形歪が生じ、高調波成分が発生することが知られている。

図５は、上述の高調波成分を説明するための図であり、図５（ａ）は、被検体内に放射された中心周波数がｆ０の超音波パルスの周波数スペクトラムを、又、図５（ｂ）は、被検体内から得られた超音波反射波の周波数スペクトラムを示している。即ち、超音波反射波の周波数スペクトラムは、ｆｏを中心に分布する基本波成分と２ｆｏを中心に分布する高調波成分を有し、一般に、高調波成分は、基本波成分に対して２０ｄＢ以上小さい。

ところで、超音波診断では、高分解能の画像を得るために広帯域の周波数スペクトルを有する超音波パルスを用いるため、超音波反射波の基本波成分及び高調波成分も広帯域となり、図５（ｂ）に示すように基本波成分の高域部分と高調波成分の低域部分は周波数領域では分離されない場合が多い。このような場合の高調波成分の抽出方法として本実施例ではパルスインバージョン法を適用する。

被検体内にて反射された超音波反射波は、超音波プローブ１にて電気的な受信信号に変換され、プリアンプ３１及びＡ／Ｄ変換器３２を介してデジタル信号に変換された後ビームフォーマ３３及び加算器３４によって整相加算される。このとき、ビームフォーマ３３では、所定の深さからの超音波反射波を集束するための遅延時間と、超音波反射波に対して走査方向θ１の方向に強い受信指向性をもたせるための遅延時間が設定される。そして、超音波受信部３の加算器３４から出力された整相加算後の受信信号は、高調波成分抽出部４の波形メモリ４１に一旦保存される。

次に、システム制御部１２は、超音波送信部２に制御信号を送り、駆動回路２３を正極性駆動回路から負極性駆動回路に切り換え、走査方向θ１に対し負極性の駆動パルスを用いて超音波の送受波を行なう。そして、超音波受信部３のビームフォーマ３３及び加算器３４にて整相加算された受信信号は、高調波成分抽出部４の波形メモリ４１を介して加算器４２に供給され、波形メモリ４１に既に保存されている正極性の駆動信号によって得られた受信信号と加算合成される。

図６は、パルスインバージョン法における基本波成分及び高調波成分の極性と、各成分の加算結果について示した図であり、図６（ａ）に示す受信信号の基本波成分は、正極性の駆動信号の場合（図６（ａ）−１）と負極性の駆動信号の場合（図６（ａ）−２）では極性が反転するため、両者を加算することによって相殺することができる（図６（ａ）−３）。

一方、受信信号の高調波成分は、正極性の駆動パルスの場合（図６（ｂ）−１）、及び負極性の駆動パルスの場合（図６（ｂ）−２）において極性は変らないため、これらを加算することによって振幅は２倍に増大する（図６（ｂ）−３）。

従って、正極性の駆動信号によって得られた受信信号と、負極性の駆動信号によって得られた受信信号を加算器４２において加算合成することにより、図５（ｃ）に示すように高調波成分が抽出され、この高調波成分はフィルタ回路４３に送られる。

次いで、高調波成分抽出部４のフィルタ回路４３は、臓器の動きや体動などが原因で、パルスインバージョン法で消去できなかった基本波成分が上述の高調波成分に混在している場合には、この基本波成分を除去し、高調波成分のみを信号処理部５に供給する。

そして、信号処理部５の選択回路５１は、フィルタ回路４３から供給される上述の高調波成分を選択し、包絡線検波器５２、及び対数変換器５３において包絡線検波と対数変換を行なってＴＨＩデータを生成した後、画像データ記憶・処理部６に一旦保存する。

上述の手順にて、走査方向θ１におけるＴＨＩデータの生成と保存が終了したならば、超音波の送受信方向をΔθずつ順次更新させながらθｐ＝θ１＋（ｐ−１）Δθ（ｐ＝２〜Ｐ）に偏向し、同様な手順で超音波の送受信を行なう。このとき、システム制御部１２は、その制御信号によって送信遅延回路２２及びビームフォーマ３３の遅延時間を超音波送受信方向に対応させて順次切り替えながら、ＴＨＩデータを生成する。

このようにして、走査方向θ１乃至θＰに対して超音波によるセクタ走査を行ない、得られた走査方向単位のＴＨＩデータを画像データ記憶・処理部６の記憶回路に順次保存してＴＨＩ画像データを生成したならば、画像表示部９の表示用画像データ生成部９１は、前記ＴＨＩ画像データを読み出して走査変換等の処理を行ない、変換回路９２を介してモニタ９３に表示する。

以上述べた走査方向θ１乃至θＰに対する超音波送受波を繰り返すことによって画像表示部９のモニタ９３には高音圧送信によるＴＨＩ画像データがリアルタイム表示され、操作者は、このＴＨＩ画像データを用いて被検体に対する診断を行ない、必要に応じて図示しない記録装置に対してＴＨＩ画像データの保存を行なう（図３のステップＳ７）。

このようなＴＨＩ画像データの生成と表示を予め設定された駆動期間τ_Ｈの間行なったならば、超音波送受信が行なわれない所謂ゼロ音圧送信に移行する（図３のステップＳ８）。但し、上述の高音圧送信の駆動期間τ_Ｈにおいて、温度計測部１１によって計測された超音波プローブ１の温度φが発熱規制における許容温度φ_０に対して所定のマージンΔφを考慮した規定温度φ_０Ｘ（φ_０Ｘ＝φ_０−Δφ）を超えた場合には、音響出力制御部７が発信する高音圧送信停止信号に基づいて高音圧送信によるＴＨＩ画像データの生成を終了し、ゼロ音圧送信に移行する（図３のステップＳ９）。

図７は、例えば、図２の時刻ｔ２乃至ｔ６の低音圧送信、高音圧送信及びゼロ音圧送信において温度計測部１１により計測される超音波プローブ１の温度変化曲線を模式的に示したものであり、超音波プローブ１の温度φは、高音圧送信において上昇、ゼロ音圧送信において下降、又、低音圧送信において不変の場合について示している。

即ち、図７に示した超音波プローブ１の温度変化曲線では、時刻ｔ２乃至ｔ３の低音圧送信時では所定の初期温度φ１が維持され、時刻ｔ３より開始された高音圧送信によって徐々に上昇する。このとき、実線の温度変化曲線で示すように、プローブ温度φが初期設定された時刻ｔ４に至るまでに上記規定温度φ_０Ｘに到達しない場合には、時刻ｔ４において高音圧送信を終了しゼロ音圧送信に移行する。

一方、破線の温度変化曲線で示すように、プローブ温度φが初期設定された時刻ｔ４に至る前の時刻ｔ４ａ（ｔ４ａ＜ｔ４）において規定温度φ_０Ｘに到達した場合には、この時刻ｔ４ａにおいて高音圧送信を終了しゼロ音圧送信を開始する。

即ち、音響出力制御部７は、操作者によって設定された低音圧送信及び高音圧送信における駆動電圧Ｖ_Ｌ及びＶ_Ｈと駆動期間τ_Ｌ及びτ_Ｈと音響出力規制による単位時間当たりの許容送信音響出力に基づいてゼロ音圧送信の期間τ_Ｘを算出し、更に、超音波プローブ１の温度φと発熱規制に基づいた規定温度φ_０Ｘとの比較によって高音圧送信における駆動期間τ_Ｈの更新を行なう。

尚、上述のようにプローブ温度φが時刻ｔ４ａにおいて規定温度φ_０Ｘに到達した場合におけるゼロ音圧送信の終了時刻は、図７に示すように時刻ｔ４ａからτ_Ｘa後の時刻ｔ５であってもよいが、時刻ｔ４ａからτ_Ｘ後であってもよい。

上述の手順によってＴＨＩ画像データの生成と表示が終了しゼロ音圧送信が開始されたならば（図３のステップＳ１０）、音響出力制御部７の図示しない経過時間計測回路は、ゼロ音圧送信の経過時間τ_Ｙを計測し、更に、既に音響出力パラメータ演算部８にて算出あるいは更新されたゼロ音圧送信の期間τ_Ｘあるいはτ_Ｘａとの減算によってＴＨＩ画像データの生成開始に対するコマンド入力待ち時間τ_Ｚを算出する。そして、このコマンド入力待ち時間τ_Ｚに関する情報は、システム制御部１２を介して画像表示部９に供給されモニタ９３に表示される（図３のステップＳ１１）。

図８は、コマンド入力待ち時間の表示例を示したものであり、画像表示部９のモニタ９３には、画像データが表示される画像データ表示領域９０１とコマンド入力待ち時間情報が表示される入力待ち時間表示領域９０２が設定され、更に、上記入力待ち時間表示領域９０２には、経過時間表示欄９０３、待ち時間表示欄９０４及びコマンド入力許可通知欄９０５が設けられる。

そして、ゼロ音圧送信の期間τ_Ｘ（あるいはτ_Ｘａ）に対するゼロ音圧送信の経過時間τ_Ｙが経過時間表示欄９０３に、又、ゼロ音圧送信の期間τ_Ｘ（τ_Ｘａ）と経過時間τ_Ｙの差によって得られるＴＨＩ画像データのためのコマンド入力待ち時間τ_Ｚ（τ_Ｚ＝τ_Ｘ（τ_Ｘａ）−τ_Ｙ）が待ち時間表示欄９０４に表示され、更に、コマンド入力待ち時間τ_Ｚが０秒以下となった時点で（図３のステップＳ１２）、ＴＨＩ画像データの生成開始に対するコマンド入力が許可されたことを示す入力許可情報がコマンド入力許可通知欄９０５に表示される（図３のステップＳ１３）。

この入力許可情報を観察した操作者は、入力部１０にてＴＨＩ画像データの生成開始コマンドを再度入力し（図３のステップＳ５）、このコマンド信号を受信したシステム制御部１２は音響出力制御部７を制御して上述と同様の手順により駆動電圧Ｖ_Ｌの低音圧送信を駆動期間τ_Ｌの間行なう、そして、得られたモニタリング用のＢモード画像データを画像表示部９にてリアルタイム表示する（図３のステップＳ６）。

次いで、ＴＨＩ画像データを生成するために駆動回路２３の駆動電圧を高音圧送信の駆動電圧Ｖ_Ｈに更新してＴＨＩ画像データの生成と保存を駆動期間τ_Ｈの間、あるいは高音圧送信停止信号を発信されるまでの駆動期間τ_Ｈａの間行ない（図３のステップＳ７乃至Ｓ９）、次いで、ゼロ音圧送信を駆動期間τ_Ｘ（あるいはτ_Ｘａ）の間行なう（図３のステップＳ１０乃至Ｓ１２）。

以上述べたように、ステップＳ５乃至ステップＳ１３を繰り返し行なうことにより、モニタリングを目的とした低音圧送信のＢモード画像データの生成と表示、高音圧送信による高感度ＴＨＩ画像データの生成と表示及び超音波プローブ１の発熱や音響出力を低減させるためのゼロ音圧送信を繰り返す。

以上述べた本実施例によれば、高音圧送信によるＴＨＩ画像データの生成とゼロ音圧送信を繰り返すことによって音響出力規制に基づく許容送信音響出力を超えることなく高感度のＴＨＩ画像データを得ることが可能となる。

更に、期間τ_ＨのＴＨＩ画像データの生成の各々に先行して期間τ_Ｌの低音圧送信によるＢモード画像データの生成と表示を行なっているため、撮影位置や装置動作の事前確認が可能となり、常に好適な条件でＴＨＩ画像データを生成することができる。

又、予め設定された高音圧送信及び低音圧送信における駆動電圧及び駆動期間と前記許容送信音響出力に基づいてゼロ音圧送信の期間が算出されるため送信音響出力の制御が容易となる。

更に、上述の超音波診断装置は超音波プローブの温度計測機能を有し、この温度計測値に基づいて前記高音圧送信における駆動期間の更新を行なうため、音響出力規制のみならず超音波プローブの発熱規制を遵守した状態で高感度かつ高解像度のＴＨＩ画像データの生成を行なうことができ装置の診断能が向上する。

一方、上述の実施例では、ゼロ音圧送信における経過時間と前記駆動期間に基づいて算出されたＴＨＩ画像データの生成開始コマンドに対する入力待ち時間が表示部に表示されるため、操作者は、前記生成開始コマンドの入力タイミングを容易かつ正確に把握することができ、所望のタイミングで高解像度のＴＨＩ画像データを得ることができるため診断効率が大幅に向上する。

以上、本発明の実施例について述べてきたが、本発明は、上述の実施例に限定されるものでは無く、変形して実施することが可能である。例えば、上述の実施例では、高音圧送信の各々に先行して期間τ_Ｌの低音圧送信を設定したが、この低音圧送信は必ずしも必要ではない。例えば、図２の時刻ｔ１乃至ｔ２における低音圧送信において十分なモニタリングが可能であれば、前記高音圧送信の各々に先行した期間τ_Ｌの低音圧送信は無くてもよい。この場合、予め設定された高音圧送信における駆動電圧Ｖ_Ｈ及び駆動期間τ_Ｈと許容送信音響出力Ｗ_０に基づいてゼロ音圧送信における期間τ_Ｘを算出し、次いで、温度計測部１１による超音波プローブ１の温度情報に基づいて前記駆動期間τ_Ｈの更新を行なう方法が好適である。

又、上述のゼロ音圧送信を低音圧送信に置き換えることも可能である。即ち、予め設定された高音圧送信における駆動電圧Ｖ_Ｈ及び駆動期間τ_Ｈと許容送信音響出力Ｗ_０に基づいて低音圧送信における期間τ_Ｌを算出し、次いで、温度計測部１１による超音波プローブ１の温度情報に基づいて前記駆動期間τ_Ｈの更新を行なってもよい。

一方、上述の実施例では、先ず、音響出力規制に基づいて高音圧送信及び低音圧送信における駆動電圧及び駆動期間とゼロ音圧送信の期間を設定し、次いで、超音波プローブ１の温度計測値に基づいて高音圧送信における駆動期間の変更を行なったが、特に、超音波プローブ１に対する発熱規制の遵守が重要な場合には、超音波プローブ１の温度計測値に基づいて高音圧送信及びゼロ音圧送信の期間、あるいは、低音圧送信、高音圧送信及びゼロ音圧送信の期間を設定してもよい。

更に、上述の実施例では、ＴＨＩ画像データのためのコマンド入力待ち時間に関する情報を画像表示部９に表示する場合について示したが、入力部１０の表示パネルであってもよく、又、コマンド入力許可通知は、例えば入力部１０に備えたＬＥＤ等の点滅であってもよく音声システムを用いた方法であってもよい。

尚、上述の実施例における高音圧送信は、２倍高調波成分によるＴＨＩ画像データの生成を目的としたが、１．５倍や３倍以上の高調波成分を用いたＴＨＩ画像データの生成であってもよい。又、上述の実施例における超音波プローブ１では、超音波振動子を１次元に配列した超音波プローブについて述べたが２次元配列された超音波プローブであってもよい。

本発明の実施例における超音波診断装置全体の構成を示すブロック図。 同実施例における低音圧送信、高音圧送信及びゼロ音圧送信における駆動電圧と駆動期間を模式的に示す図。 同実施例における画像データの生成手順を示すフローチャート。 同実施例の音響出力制御部に保存される低音圧送信及び高音圧送信の駆動電圧及び駆動期間とゼロ音圧送信の期間を示す図。 同実施例の高調波成分抽出部において得られる受信信号の高調波成分を説明するための図。 同実施例のパルスインバージョン法における基本波成分及び高調波成分の極性を示す図。 同実施例の温度計測部により計測される超音波プローブの温度変化曲線を模式的に示す図。 同実施例におけるコマンド入力待ち時間の表示例を示す図。

符号の説明

１…超音波プローブ
２…超音波送信部
３…超音波受信部
４…高調波成分抽出部
５…信号処理部
６…画像データ記憶・処理部
７…音響出力制御部
８…音響出力パラメータ演算部
９…画像表示部
１０…入力部
１１…温度計測部
１２…システム制御部
２１…レートパルス発生器
２２…送信遅延回路
２３…駆動回路
３１…プリアンプ
３２…Ａ／Ｄ変換器
３３…ビームフォーマ
３４…加算器
４１…波形メモリ
４２…加算器
４３…フィルタ回路
５１…選択回路
５２…包絡線検波器
５３…対数変換器
９１…表示用画像データ生成回路
９２…変換回路
９３…モニタ
５０…超音波診断装置本体
１００…超音波診断装置

Claims (8)

1. 被検体に対して超音波の送受波を行う超音波振動子を備えた超音波プローブと、
   第１のモードにおいて第１の音圧を有する超音波パルスを送信し、第２のモードにおいて前記第１の音圧より低い第２の音圧を有する超音波パルスを送信するよう前記超音波振動子を駆動する駆動手段と、
   前記第１の音圧を有する超音波パルスに基づいて受信された受信信号から高調波成分を抽出する高調波成分抽出手段と、
   前記高調波成分に基づいて第１の画像データを生成する第１の画像データ生成手段と、
   前記第２の音圧を有する超音波パルスに基づいて受信された受信信号から第２の画像データを生成する第２の画像データ生成手段と、
   前記第１のモードにおける、超音波パルスの送信を行う所定の送信期間の長さ、及び前記第１のモードにおける前記超音波振動子の駆動電圧に基づいて休止期間を算出する音響出力パラメータ演算手段と、
   前記送信期間の間第１のモードにおける超音波パルスの送信を行ない、前記送信期間の経過と共に前記休止期間の間超音波パルスの送信を停止し、前記休止期間の経過と共に前記第２のモードにおける超音波パルスの送信を行うよう前記駆動手段を制御する音響出力制御手段と
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記第１のモードにおける超音波パルスの送信を開始する指示信号を入力する入力手段を備え、
   前記音響出力制御手段は、前記駆動手段が前記第２のモードにあるときに入力された前記指示信号に基づいて、前記駆動手段を第１のモードに切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記音響出力制御手段は前記休止期間の間、超音波パルスの送信の停止に替えて前記第２のモードにおける超音波パルスの送信を行うよう前記駆動手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記休止期間の経過を報知する入力待ち時間表示手段を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
5. 前記入力待ち時間表示手段は、前記休止期間が終わるまでの残り時間、あるいは前記第１のモードにおける超音波パルスの送信の経過時間の少なくともいずれか一方を報知する
   ことを特徴とする請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記指示信号に基づいて前記駆動手段を第１のモードに切り替えることが可能であるか否かを報知する報知手段と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
7. 前記音響出力パラメータ演算手段は、前記駆動電圧及び前記所定期間に加えて、所定の許容送信音響出力に基づいて前記休止期間を算出する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
8. 所定の送信期間の間第１の音圧を有する超音波パルスを送信するステップと、
   前記第１の音圧を有する超音波パルスに基づく受信信号から高調波成分を抽出するステップと、
   前記高調波成分から第１の画像データを生成するステップと、
   前記送信期間及び前記第１の音圧に基づいて休止期間を算出するステップと、
   前記送信期間の経過とともに前記休止期間の間超音波パルスの送信を停止するステップと、
   前記休止期間の経過とともに、前記第１の音圧より低い第２の音圧を有する超音波パルスを送信するステップと、
   前記第２の音圧を有する超音波パルスに基づく受信信号から第２の画像データを生成するステップと
   を有することを特徴とする画像データ生成方法。

Images