JP4652731B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、連続波を利用する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置において連続波を利用した技術として、連続波ドプラが知られている。連続波ドプラでは、例えば、数ＭＨｚの正弦波状の送信波が生体内へ連続的に放射され、生体内からの反射波が連続的に受波される。反射波には、生体内における移動体（例えば血流）によるドプラシフト情報が含まれる。そこで、その情報を取り出して周波数解析し、移動体の速度情報を反映したドプラ波形などが形成される。

これに対し、レーダ装置などでは、連続波である搬送波信号にＦＭ変調をかけることにより、移動体の速度に加えて移動体の位置を測定する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開平５−４０１６８号公報

上記のように、レーダ装置などでは、連続波を利用して移動体の位置を測定する技術が知られているものの、超音波診断装置においては実現されていなかった。

そこで、本発明は、連続波を利用した新たな超音波診断装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、搬送波信号を変調信号により周波数変調し、変調送信信号を生成する送信部と、前記変調送信信号の供給によって生体に対して超音波を送波し、生体からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波器と、前記受信信号を前記変調送信信号を用いて復調し、これにより周波数差信号を得る受信部と、前記周波数差信号の周波数スペクトラムから得られる送受信信号間における周波数差に基づいて生体内組織の位置を求める位置演算部と、を有することを特徴とする。

望ましくは、前記位置演算部は、前記周波数スペクトラムに含まれる少なくとも一つの周波数差成分に基づいて、その周波数差成分に対応する組織の位置を算出する、ことを特徴とする。望ましくは、前記送受波器の周波数特性を補償するように前記変調送信信号の振幅を制御する周波数特性補償部をさらに有することを特徴とする。さらに望ましくは、前記変調信号は、鋸歯状波、三角波、正弦波のうちのいずれか一つであることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、搬送波信号を変調信号により周波数変調し、変調送信信号を生成する送信部と、前記変調送信信号の供給によって生体に対して超音波を送波し、生体からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波器と、前記受信信号を前記変調送信信号を用いて復調し、これにより送受信信号間における周波数差を反映させた周波数差信号を得る受信部と、前記周波数差信号の周波数スペクトラムの時間変化に基づいて生体内組織の速度を求める速度演算部と、を有することを特徴とする。

望ましくは、前記速度演算部は、前記周波数スペクトラムに含まれる少なくとも一つの周波数差成分の時間変化に基づいて、その周波数差成分に対応する組織の速度を算出することを特徴とする。さらに望ましくは、前記速度演算部は、前記周波数差成分の位相の時間変化から前記速度を算出することを特徴とする。さらに望ましくは、前記速度演算部は、異なる時刻に対応する二つの前記周波数スペクトラムの差を求める自己相関回路を含むことを特徴とする。

本発明により、連続波を利用した新たな超音波診断装置が提供される。その結果、例えば、連続波を利用して組織の位置測定を行うことが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。送信用振動子１０は生体内へ送信波を連続的に送波し、また、受信用振動子１２は生体内からの反射波を連続的に受波する。このように、送信および受信が、それぞれ異なる振動子で連続的に実行される。なお、図１では、送信用振動子１０および受信用振動子１２をそれぞれ一つのブロックで示しているが、送信用振動子１０および受信用振動子１２は、それぞれ、複数の振動素子で形成されてもよい。

送信器１４は、送信用振動子１０へ送信信号を供給して超音波を送波させる。送信器１４には、ＦＭ変調されたＦＭ連続波（ＦＭＣＷ波）が入力され、このＦＭ連続波に対応する送信波が送信用振動子１０から送波される。

ＦＭ変調器１８は、ＲＦ波発振器２２から供給されるＲＦ波、および、鋸歯状波発振器２０から供給される鋸歯状の変調波（後に詳述する図３の符号４０）に基づいてＦＭ連続波（後に詳述する図４（Ａ）の送信波形）を発生する。そして、振幅制御部１６は、送信用振動子１０や受信用振動子１２の周波数特性を補償するように、ＦＭ変調器１８で生成されるＦＭ連続波の振幅を制御する。

図２は、振幅制御部（図１の符号１６）における振幅制御を説明するための図である。以下、図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。

図２（Ａ）は送信用振動子１０および受信用振動子１２を含む探触子の振幅−周波数特性を示しており、横軸に示される周波数に応じて探触子の振幅が異なる。このため、振幅制御部１６は、図２（Ｂ）に示される特性でＦＭ連続波の振幅を周波数に応じて制御することにより、探触子の周波数特性を補償する。つまり、探触子の振幅特性の逆の特性となるようにＦＭ連続波の振幅を周波数に応じて制御し、探触子から送波される超音波の振幅が周波数帯域内で均一に保たれるように補償する。

図１に戻り、前置増幅器２４および主増幅器２６は、受信用振動子１２から供給される受波信号に対して増幅処理を施し、受信ＲＦ信号を形成して受信ミキサ２８へ出力する。受信ミキサ２８は、受信ＲＦ信号に対して検波を施す回路である。受信ミキサ２８に供給される参照信号は、ＦＭ変調器１８で生成されたＦＭ連続波である。ここで、増幅制御部１６で振幅制御されたＦＭ連続波を受信ミキサ２８に参照信号として供給するようにしてもよい。こうして、受信ミキサ２８において、受信ＲＦ信号に対して送信用のＦＭ連続波による検波が行われ、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３０によって送受信信号間における周波数差信号が抽出される。周波数差信号については後に図３および図４を利用して詳述する。

なお、受信ミキサ２８は、受信ＲＦ信号に対して直交検波を施して複素信号を生成してもよい。直交検波の場合、振幅制御部１６から出力されるＦＭ連続波と、そのＦＭ連続波の位相をπ／２だけずらした連続波とによる、二つの連続波を参照信号として検波を行い、同相成分と直交成分の二つの成分を出力すればよい。

ＢＰＦ３０によって抽出された周波数差信号は、位置演算部３２に、さらに位置演算部３２を経由して速度演算部３４に供給される。

位置演算部３２は周波数差信号に基づいて生体内組織の位置を演算し、また、速度演算部３４は各周波数差信号に相当する各周波数スペクトラムの時間変化に基づいて生体内組織の速度を演算する。位置演算部３２および速度演算部３４は、例えば、ＦＦＴ演算を行う演算器（ＣＰＵやＤＳＰなど）で構成される。位置演算部３２および速度演算部３４で求められた組織の位置情報や速度情報は、表示部３６に出力され、例えば、位置情報に基づく生体内の断層画像、あるいは、速度情報に基づくドプラ画像やカラードプラ画像などが表示部３６に表示される。

以上、概説したように、本実施形態では、鋸歯状波でＦＭ変調した連続波による超音波（ＦＭＣＷ波）を送受波し、組織の位置情報や速度情報を取得する。そこで、次にその原理について詳述する。なお、以下において、図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。

図３は、周波数差信号から位置情報を取得する原理を説明するための図である。図３は、一つの対象組織から受信信号を取得した場合の例を示している。そして、図３（Ａ）には、送信周波数４０および受信周波数４２の時間変化の様子が示されており、図３（Ｂ）には、送受信信号の周波数差（周波数差信号４４）の時間変化の様子が示されている。 送信周波数４０は、送信用振動子１０から送波される超音波の周波数変化に相当し、受信周波数４２は、受信用振動子１２で受波される組織からの反射波の周波数変化に相当する。また、周波数差信号４４は、ＢＰＦ３０によって抽出される信号である。

送信周波数４０は、鋸歯状波発振器２０で生成される。送信周波数４０は、時間Ｔｍの間に−ΔωからΔωまで周波数が変化し、これが繰り返される鋸歯状の周波数変化をするＦＭ変調波である。この、鋸歯状波で変調された送信波は、生体内を伝播して組織によって反射される。このため、往復伝播距離に応じた遅延を伴って受波される。この様子を示すのが受信周波数４２である。つまり、受信周波数４２は、送信周波数４０から遅延時間τだけずれて取得される。

時間τは、超音波の往復伝播時間に相当する。そこで、探触子から対象組織までの距離をＬ、音速をｃとすると、時間τは次式のようになる。

また、送信周波数４０は、時間Ｔｍの間に−ΔωからΔωまで周波数が変化するため、単位時間当たりの周波数変化は、次式のようになる。

このため、図３（Ｂ）に示す期間１，３，５における送受信信号間の周波数差Δδと、期間２，４，６における送受信信号間の周波数差Δδは、それぞれ次式のようになる。

時間τ＝２Ｌ／ｃであるため、期間１，３，５における送受信信号間の周波数差Δδを考えると、

となる。したがって、期間１，３，５における送受信信号間の周波数差Δδを知ることで、既知の値であるΔω，Ｔｍ，ｃから、数４を利用して、探触子から対象組織までの距離Ｌを求めることができる。

図４は、周波数差信号から位置情報を取得する原理を説明するための図であり、図４は、複数の対象組織から受信信号を取得した場合の例を示している。

図４（Ａ）は、送信用振動子１０へ供給される送信波形（ＦＭ連続波：ＦＭＣＷ波）を示している。図４（Ｂ）は、送信周波数４０および複数の受信周波数４２ａ〜４２ｄの時間変化の様子を示している。複数の受信周波数４２ａ〜４２ｄは、それぞれ、異なる深さに存在する対象組織からの受信信号に相当する。複数の受信周波数４２ａ〜４２ｄは、それぞれ、対応する組織の深さに応じて送信周波数４０に対して遅延を伴って受波される。

図４（Ｃ）は、複数の受信周波数４２ａ〜４２ｄの各々について、送信周波数４０との差である周波数差信号４４ａ〜４４ｄの時間変化の様子を示している。周波数差信号４４ａ〜４４ｄは、ＢＰＦ３０によって一括して抽出される信号である。つまり、ＢＰＦ３０は、周波数差信号４４ａ〜４４ｄが重ね合わされた信号を出力する。

位置演算部３２は、この重ね合わされた信号から、各深さごとの周波数差信号を抽出する。このため、位置演算部３２は、図４（Ｃ）に示す信号処理時間帯４８にウィンドウを設定し、設定したウィンドウ内でＢＰＦ３０からの出力信号を、例えばＦＦＴなどを利用して周波数解析し、図４（Ｄ）に示す周波数電力スペクトラムを取得する。

図４（Ｄ）に示す周波数電力スペクトラムは、周波数差信号４４ａ〜４４ｄが重ね合わされた信号の周波数スペクトラムに相当する。したがって、各周波数差信号４４ａ〜４４ｄの周波数位置で、スペクトラム成分５０ａ〜５０ｄを含む波形となる。

そこで、位置演算部３２は、必要とする周波数帯域の信号を抽出した後、ＦＦＴ等により周波数スペクトラムの各スペクトラム成分５０ａ〜５０ｄに変換し、その周波数成分から、周波数差信号４４ａ〜４４ｄの信号処理時間帯４８における周波数差Δδを求める。こうして、各深さごとに、周波数差Δδと、既知の値であるΔω，Ｔｍ，ｃから、数４を利用して、各組織の深さ（位置）に相当する距離Ｌが求められる。

図５は、周波数差信号から速度情報を取得する原理を説明するための図であり、周波数差信号の周波数スペクトラムの時間変化を示している。

図５は、図４（Ｄ）を利用して説明した周波数スペクトラムを、周波数軸と時間軸によって二次元的に表現したものであり、図５における周波数軸が、図４（Ｄ）における縦軸に対応する。したがって、図５においても、所定周波数におけるスペクトラムは、その周波数に対応する深さからの反射波に相当する。なお、図５において、周波数スペクトラムは、振幅成分と位相成分とを含む複素振幅で表現されており、図５において棒状に表現された各スペクトラムの棒の長さが振幅に相当し、棒の傾きが位相に相当する。

対象組織が固定していれば、その対象組織から得られる周波数スペクトラムは時間に関係なく一定となる。つまり、図５で、固定された組織に相当する周波数のスペクトラムは、時間に関係なくその棒の長さや傾きが一定となる。一方、対象組織が移動していると、その対象組織から得られる周波数スペクトラムは時間と共に変化する。つまり、図５で、移動組織に相当する周波数のスペクトラムは、時間と共に、その棒の長さや傾きが変化する。したがって、周波数スペクトラムの振幅成分と位相成分について、その時間変動を解析すれば、その周波数成分に相当する速度、つまり、その周波数成分に対応する組織の速度を求めることができる。

図６は、周波数差信号から速度情報を取得する原理を説明するための図であり、所定時刻における周波数スペクトラムの各周波数成分（Δδ１〜Δδ４）を複素表現したものである。図６の各周波数成分（Δδ１〜Δδ４）は、図５において周波数軸方向に並ぶ互いに異なる複数の周波数成分に対応する。

速度演算部３４は、ＢＰＦ３０からの出力信号を位置演算部３２によって周波数振幅スペクトラムに変換した信号、つまり図４（Ｃ）に示した周波数差信号を、例えばＦＦＴなどを利用して解析する。そして、図６に示すように、Ｉチャンネル信号成分とＱチャンネル信号成分の二つの成分で、各周波数成分（Δδ１〜Δδ４）を複素表現する。図６は、所定時刻における周波数スペクトラムの各周波数成分の複素振幅を示すものであるが、速度演算部３４は、各時刻ごとに各周波数成分を複素表現で求め、各周波数成分ごとに時間変動を解析する。

各周波数成分（Δδ１〜Δδ４）は、それぞれ、各深さにおける組織の受信信号に対応するため、各周波数成分（Δδ１〜Δδ４）の時間変化を解析することで、各深さ（位置）における組織の速度を求めることができる。

図７には、図１に示す超音波診断装置の変形例が示されており、図７はその全体構成を示すブロック図である。

図７において、図１に示した部分と符号が同じ部分は、その構成および動作が図１のものと同じであるため説明を省略する。図１において説明したように、図７においても、ＢＰＦ３０から送受信信号間における周波数差信号が出力される。

ＦＦＴ６０は、ＢＰＦ３０から出力される周波数差信号（図４（Ｃ）に相当する信号）を周波数解析し、各時刻ごとに周波数スペクトラムの複素信号（図５に相当する信号）を生成する。

そして、乗算器７２において、ＦＦＴ６０から入力される現時刻の周波数スペクトラムの複素信号と、遅延線７０を介して入力される所定時間前の周波数スペクトラムの複素信号とが乗算され、低域フィルタ７４によって、二つの時刻における複素信号の差が抽出される。速度演算回路７６は、低域フィルタ７４によって抽出された二つの時刻における複素信号の差から、周波数スペクトラムの各周波数成分ごとの時間変動を解析する。

各周波数成分は、それぞれ、各深さにおける組織の受信信号に対応するため、各周波数成分の時間変化を解析することで、各深さ（位置）における組織の速度を求めることができ、求めた速度を速度・速度分散表示部７８に表示させる。

なお、図７に示すように、分散演算回路８０を設けて、ＦＦＴ６０から出力される各時刻ごとの周波数スペクトラムの複素信号から、速度分散を演算し、それを速度、速度分散表示部７８に表示させてもよい。

また、位置演算回路６２は、各深さごとに周波数差Δδと、既知の値であるΔω，Ｔｍ，ｃから、数４を利用して、各組織の深さ（距離Ｌ）が求められる。そして、位置表示部６４に求められた位置に基づく情報（例えば、断層画像など）が表示される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本実施形態（その変形例を含む）は次のような利点を有している。

一般に、パルス波を利用する場合（パルス方式の場合）、ＳＮＲを向上させるためには、超音波パルスの尖頭値電力を大きくしなければならない。超音波パルスの尖頭値電力を大きくするためには、送信部の回路の高耐圧化や受信側への漏れ防止対策などが必要になるなど、回路構成が複雑になる。もちろん、超音波パルスの尖頭値電力を大きくした場合、ピーク音圧による生体への影響も考慮する必要がある。また、パルス方式で距離分解能を確保する場合、パルスの立ち上がり、立ち下り時間を小さくするために、受信系を広帯域に保つ必要がある。

本実施形態では、連続波を利用しているため、復調したベースバンド信号をＦＦＴ等により周波数変換した周波数スペクトラム信号の周波数帯域を狭帯域化することができ、パルス方式に比べて信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の向上が期待できる。しかも、距離分解能をパルス方式と同等あるいはそれ以上にすることができる。また、本実施形態では、パルス方式の場合に比べて、高耐圧化が不要となるので回路構成を簡単にすることができ、さらに、装置の小型化や低消費電力化にも有利である。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、変調波信号として、鋸歯状波に換えて三角波あるいは正弦波などを利用してもよい。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。 振幅制御部における振幅制御を説明するための図である。 周波数差信号から位置情報を取得する原理を説明するための図である。 周波数差信号から位置情報を取得する原理を説明するための図である。 周波数差信号から速度情報を取得する原理を説明するための図である。 周波数差信号から速度情報を取得する原理を説明するための図である。 図１に示す超音波診断装置の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 送信用振動子、１２ 受信用振動子、１６ 振幅制御部、１８ ＦＭ変調器、２０ 鋸歯状波発振器、３２ 位置演算部、３４ 速度演算部。

Claims (8)

1. 搬送波信号を変調信号により周波数変調し、変調送信信号を生成する送信部と、
   前記変調送信信号に対応した超音波を生体に送波して当該生体から超音波を受波することにより受信信号を得る超音波送受部と、
   前記受信信号を前記変調送信信号を用いて復調し、これにより送受信信号間における周波数差を反映させた周波数差信号を得る受信部と、
   前記変調送信信号の単位時間当たりの周波数変化が一定となる期間内における前記周波数差信号の周波数スペクトラムの時間変化に基づいて生体内組織の速度を求める速度演算部と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記速度演算部は、前記周波数スペクトラムに含まれる少なくとも一つの周波数差成分の時間変化に基づいて、その周波数差成分に対応する組織の速度を算出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記速度演算部は、前記周波数差成分を複素表現した信号の時間変化から前記速度を算出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記速度演算部は、異なる時刻に対応する二つの前記周波数スペクトラムの差を求める自己相関回路を含む、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記周波数差信号の周波数スペクトラムから得られる送受信信号間における周波数差に基づいて生体内組織の位置を求める位置演算部をさらに有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項５に記載の超音波診断装置において、
   前記位置演算部は、前記周波数スペクトラムに含まれる少なくとも一つの周波数差成分に基づいて、その周波数差成分に対応する組織の位置を算出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記送受波器の周波数特性を補償するように前記変調送信信号の振幅を制御する周波数特性補償部をさらに有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記変調信号は、鋸歯状波である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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