JP5510087B2

JP5510087B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP5510087B2
Application number: JP2010130813A
Authority: JP
Inventors: 大介梶; 義浩武田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-06-08
Also published as: JP2011254933A

Description

本発明は、被検体内に超音波信号を送信し、反射波に基づいて被検体内部の超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害及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。その一つに、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診断装置がある。この超音波診断装置は、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、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓及び脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓及び膀胱等）及び産婦人科系等で広く利用されている。

超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている。

また、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高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（ＨａｒｍｏｎｉｃＩｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。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（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅｒａｔｉｏ）が良くなってコントラストが向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向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、及び、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波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。（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平１０−１１８０６５号公報特開２００７−１８５５２５号公報

非線形現象によって発生する高調波は蓄積効果により、衝撃波形成距離以内の範囲で伝搬距離にしたがって大きくなるが、その基本波からのエネルギーの移動は緩やかに減少し、その結果、蓄積量の割合は距離が大きくなるにしたがって小さくなる傾向にある（新超音波医学１医用超音波の基礎医学書院第４章参照）。従って、十分に伝搬を行った場合でもその高調波成分の振幅の大きさをある一定の大きさ以上に上げることができないという課題があった。この課題を以下の解析により説明する。

超音波を被検体に送信した際には、被検体内には非線形媒質が存在すると考えられるので、被検体を伝搬する超音波の挙動は、平面波の非線形伝搬を解析することで明らかになる。図１０は、ｚ方向に正弦波の平面音波を放射したときの波形の計算結果である。

横軸は遅延時間τ＝ｔ−ｚ／ｃ_０である。ｔは時間、ｃ_０は被検体中の音速である。σは衝撃波形成距離で規格化した伝搬距離である。τ軸を用いて見るこの波形は、ｃ_０と同じ速さで移動しながら観測した波形である。

図１０の非線形現象は次のように定式化される。超音波探触子から送信され、被検体内を微小距離Δｚだけ伝搬した超音波信号は、音圧ｐの時間軸τ軸上での位置が微小時間Δτずれる。このΔτは式１のように表される。

ここで、βは非線形パラメータ、ρ_０は被検体の密度である。Δｚが十分に小さい場合、式１は微分形式で式２のように表される。

式２において、（∂ｒ／∂ｚ）・（∂ｚ／∂ｐ）・（∂ｐ／∂ｒ）を適用すると、式３のように表される。

これは、非線形歪みの過程を表す方程式となる。平面波の非線形歪みを考えるために、ｚ＝０の初期音圧が、ｐ＝ｐ_０×ｓｉｎｔなる正弦波について考える。

この場合の非線形歪みは、式１にまで戻って定式化することが可能である。つまり、距離ｚだけ伝搬後の音圧波形（図１０のσ＝０．４）は、非線形歪みのない音圧波形（図１０のσ＝０）ｐ＝ｐ_０×ｓｉｎωτ、をτ軸の方向に−βｐｚ／ρ_０ｃ_０ ^３、だけ移動させたものであるので、式４で表される。

ここで、ωは周波数である。σ＞１の場合には波形に衝撃波面が現れ、基本波成分だけでなく波のエネルギー全体も伝搬とともに急激に減少する（つまり高調波の蓄積もないということとなる。この減衰は粘性や熱伝導性に起因する音波の吸収減衰とは発生機構が異なる）。式４を、σ＜１の範囲でフーリエ級数展開（Ｆｕｂｉｎｉの解）を行うと、σ＜１の範囲では正弦波が歪んでも奇関数の条件が保たれるから、式５のようになる。

ここでのフーリエ係数ｂ_ｎは、ωτ’＝ωτ＋σｐ／ｐ_０、に変数変換して求めることができるので、式６を得る。

ここでＪ_ｎはｎ次のベッセル関数を表す。以上より、非線形歪みを受けた平面波は式７のように表される。

この式７から、横軸σ、縦軸ｐ_ｎ＝ｐ／ｐ_０とした時の基本波、２次高調波、３次高調波の強度は図１１のようになる。図１１は、平面波における非線形ひずみ音圧の高調波振幅を表す。

図１１より衝撃波形成距離における基本波、２次高調波、３次高調波の振幅は蓄積量の限界値を有し、表１のようになる。

非線形伝搬による波形歪みの強弱は、装置起因の音圧や検体起因の非線形パラメータなどで変化するが、衝撃波形成距離での高調波振幅を得るのは不可能であることが分かる。

そこで、本発明は、反射超音波信号に蓄積できる高調波成分の振幅の大きさを従来以上に増加させることができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．被検体に第１の超音波信号と第２の超音波信号とを送信する圧電部を備えた送信手段と、
前記第１の超音波信号が被検体において反射して生成された第１の反射超音波信号と、前記第２の超音波信号が被検体において反射して生成された第２の反射超音波信号と、を受信する圧電部を備えた受信手段と、
前記第１の反射超音波信号と第２の反射超音波信号とを用いて、伝搬過程で生じた高調波成分を抽出し、抽出された高調波成分に基づいて前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
を有する超音波診断装置であって、
前記第１の超音波信号は、所定周波数の第１の基本波成分と、伝搬過程で生じる前記高調波成分と同じ周波数で、前記高調波成分との間の位相差がπである第１の高周波成分と、を有し、
前記第２の超音波信号は、前記第１の基本波成分に対して振幅が異なる第２の基本波成分と、前記第１の高周波成分に対して振幅が異なる第２の高周波成分とを有することを特徴とする超音波診断装置。

２．前記第２の高周波成分の振幅は前記第１の高周波成分の振幅の１／Ｋであり、
前記画像処理部は、前記第２の反射超音波信号の振幅をＫ倍に増幅し、前記第１の反射超音波信号と、Ｋ倍に増幅された前記第２の反射超音波信号との差分を算出することで前記高調波成分を抽出することを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。

３．被検体に第１の超音波信号、第２の超音波信号及び第３の超音波信号を送信する圧電部を備えた送信手段と、
前記第１の超音波信号が被検体において反射して生成された第１の反射超音波信号、前記第２の超音波信号が被検体において反射して生成された第２の反射超音波信号、及び、前記第３の超音波信号が被検体において反射して生成された第３の反射超音波信号を受信する圧電部を備えた受信手段と、
前記第１の反射超音波信号、第２の反射超音波信号及び第３の反射超音波信号を用いて、伝搬過程で生じた高調波成分を抽出し、抽出された高調波成分に基づいて前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
を有する超音波診断装置であって、
前記第１の超音波信号は、所定周波数の第１の基本波成分と、伝搬過程で生じる前記高調波成分と同じ周波数で、前記高調波成分との間の位相差がπである第１の高周波成分と、を有し、
前記第２の超音波信号は、前記第１の基本波成分に対して位相がπ異なる第２の基本波成分からなり、
前記第３の超音波信号は、前記第１の高周波成分に対して位相がπ異なる第３の高周波成分からなることを特徴とする超音波診断装置。
４．前記画像処理部は、前記第１の反射超音波信号、前記第２の反射超音波信号及び前記第３の反射超音波信号の時間波形の和を算出することで前記高調波成分を抽出することを特徴とする前記３に記載の超音波診断装置。

５．前記画像処理部で抽出される前記高調波成分は、前記第１の基本波成分の２倍の周波数を有する２次高調波であることを特徴とする前記１から４の何れか一項に記載の超音波診断装置。

反射超音波信号に含まれる高調波成分の振幅の大きさを従来以上に増加させることができる超音波診断装置を提供できる。

実施形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す概要図である。実施形態に係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。実施形態に係る超音波診断装置の超音波探触子の構成を示す概要図である。衝撃波形成距離で規格化した伝搬距離σをパラメータとした超音波の伝搬過程の非線形歪みを表す。平面波における非線形ひずみ音圧の高調波振幅の計算例である。逆歪み波形と従来法による２次高調波蓄積量の差の計算例である。基本波と高調波の関係を示す模式図である。発生した高調波と送信波に含まれる高周波を分離する手法の概要図である。発生した高調波と送信波に含まれる高周波を分離する他の手法の概要図である。ｚ方向に正弦波の平面音波を放射したときの波形の計算結果である。平面波における非線形ひずみ音圧の高調波振幅を表す。

以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。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。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す概要図である。図２は、実施形態に係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。図３は、実施形態に係る超音波診断装置の超音波探触子の構成を示す概要図である。

超音波診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波信号を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波信号の反射超音波信号を受信する超音波探触子２と、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Ｈに対して超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの反射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Ｈ内の内部状態を超音波画像として医用画像に画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波診断装置本体１には、超音波探触子２を使用しない時に、超音波探触子２を保持させておく超音波探触子フォルダ４が備えられている。

超音波診断装置本体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、本発明の受信信号処理部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、記憶部１９と、本発明の送信信号処理部１８と、を備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力するものであり、例えば、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。

本発明の送信信号処理部１８は、制御部１７の制御に従って、後述する第１圧電部３２１を駆動する電気信号の送信信号を生成する機能を有する回路である。詳細は後述する。

送信部１２は、送信信号処理部１８が生成した電気信号を増幅し、超音波探触子２内の第１圧電部へ、ケーブル３を介して送信信号を供給し、超音波探触子２に超音波信号を発生させる。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。

受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２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、この受信信号を受信信号処理部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器、及び、この増幅器で増幅された受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するアナログ−デジタル変換器等を備えて構成される。

受信信号処理部１４は、制御部１７の制御に従って、受信部１３からの電気信号に、所定の信号処理を施す回路であり、その信号処理した反射受信信号を画像処理部１５へ出力する。詳細は後述する。

画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、受信信号処理部１４で信号処理された反射受信信号に基づいて、ハーモニックイメージング技術等を用いて被検体Ｈ内の内部状態の超音波画像を生成する回路である。また、例えば、反射受信信号に対して包絡線検波処理を施すことにより、反射超音波信号の振幅強度に対応したＢモード信号を生成する。

記憶部１９はＲＡＭやＲＯＭで構成され、制御部１７に用いられるプログラムが記録され、また、表示部１６で表示する各種画像のテンプレートが記録されている。

制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子及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、受信信号処理部１４、画像処理部１５、表示部１６、送信信号処理部１８、記憶部１９を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、ＥＬディスプレイ及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ある。

一方、超音波探触子２は、振動部３０を備える。振動部３０は、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波信号を送信すると共に、被検体Ｈからの反射超音波信号を受信する。振動部３０は、例えば、図３に示すように、音響制動部材３１と、圧電部３２と、音響整合層３３と、音響レンズ３４とを備えて構成される。

音響制動部材３１は、超音波を吸収する材料から構成された平板状の部材であり、圧電部３２から音響制動部材３１方向へ放射される超音波を吸収するものである。

圧電部３２は、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で相互に信号を変換するものである。圧電部３２は、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信信号の電気信号を超音波信号へ変換して超音波信号を送信すると共に、受信した反射超音波信号を電気信号へ変換してこの電気信号（受信信号）を、ケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体Ｈに当接されることによって圧電部３２で生成された超音波信号が被検体Ｈ内へ送信され、被検体Ｈ内からの反射超音波信号が圧電部３２で受信される。

圧電部３２は、例えば、本実施形態では、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で相互に信号を変換することができる第１圧電部３２１及び第２圧電部３２３を備え、第１圧電部３２１及び第２圧電部３２３は、互いに積層されている。

本実施形態では、第１圧電部３２１及び第２圧電部３２３は、中間層３２２を介して互いに積層されている。この中間層３２２は、第１圧電部３２１と第２圧電部３２３とを積層するための部材であり、第１圧電部３２１と第２圧電部３２３との音響インピーダンスを整合させるものである。

このように圧電部が２層の第１圧電部３２１及び第２圧電部３２３を備える。第１圧電部３２１は超音波信号を送信する複数の送信用圧電素子からなる。第２圧電部３２３は反射超音波信号を受信する複数の受信用圧電素子からなる。

このため、第１圧電部３２１を送信用により適したものとすることができると共に、第２圧電部３２３を受信用により適したものとすることができる。従って、第１圧電部３２１及び第２圧電部３２３がそれぞれ超音波信号の送信用圧電素子、及び反射超音波信号の受信用圧電素子として最適化が可能となり、より高精度な画像を得ることが可能となる。さらに、第１圧電部３２１及び第２圧電部３２３が積層されているので、小型化が可能となる。

そして、本実施形態では、例えば、圧電部３２における第２圧電部３２３は、有機圧電材料を材料とする有機圧電素子から構成されており、有機圧電素子は両面に一対の電極を備えて構成されている。この有機圧電素子の厚さは、例えば、受信すべき超音波の周波数や有機圧電材料の種類等によって適宜に設定されるが、例えば、中心周波数８ＭＨｚの超音波を受信する場合では、この有機圧電素子の厚さは、約５０μｍである。

有機圧電材料には、例えば、フッ化ビニリデンの重合体や、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を用いることができる。フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体の場合、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、例えば、前者の共重合比が６０〜９９モル％が好ましいが、無機圧電素子と有機圧電素子を重ねる時に使用する有機結合剤の使用方法にもよるので、その最適値は変化する。最も好ましい前者の共重合比の範囲は８５〜９９モル％である。フッ化ビニリデンを８５〜９９モル％にして、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロアルコキシエチレン、パーフルオロヘキサエチレン等を１〜１５モル％にしたポリマーは、送信用無機圧電素子と受信用有機圧電素子との組み合わせにおいて、送信における基本周波波を抑制して、高調波受信の感度を高めることができる。

フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体は、薄膜化、大面積化等の加工性に比較的優れ、任意の形状、形態の物が作ることができ、弾性率が低い、誘電率が低い等の特徴を持つため、超音波信号を受信する圧電素子としての使用に際しては、高感度な検出を可能とする特徴を持っている。また、これらの有機圧電材料は、高周波特性、広帯域特性を必要とするハーモニックイメージング技術における圧電材料として適している。

また、本実施形態では、圧電部３２の第１圧電部３２１は、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して電気信号が入力され、この電気信号を超音波信号へ変換し、この変換した超音波信号を中間層３２２、第２圧電部３２３、音響整合層３３及び音響レンズ３４を介して被検体Ｈへ送信する。そして、圧電部３２の第２圧電部３２３は、反射超音波信号が音響レンズ３４及び音響整合層３３を介して被検体Ｈから受信され、この受信された反射超音波信号を電気信号へ変換し、この変換した電気信号を受信信号としてケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。本実施形態では、上述したように第１圧電部３２１が無機圧電素子であり、送信パワーを比較的簡単な構造で大きくすることが可能となるため、このような圧電部３２を備えた超音波探触子２は、高調波の反射波を得るために比較的大きなパワーで基本波の超音波信号を送信することが必要なハーモニックイメージング技術に好適であり、より高精度な超音波画像の提供が可能となる。そして、本実施形態では、上述したように第２圧電部３２３が有機圧電素子であり、周波数帯域を比較的簡単な構造で広帯域にすることが可能となるため、このような圧電部３２を備えた超音波探触子２は、高調波の反射超音波信号を受信することが必要なハーモニックイメージング技術に好適であり、より高精度な超音波画像の提供が可能となる。

次いで、本発明者は、従来には課題となっていた高調波に存在する蓄積限界を、従来以上に大きくすることができることを見出したので、以下に説明する。

図４は、衝撃波形成距離で規格化した伝搬距離σをパラメータとした超音波の伝搬過程の非線形歪みを表す。図４（ａ）は、本実施形態に係る超音波信号の場合の伝搬過程の非線形歪みを表し、図４（ｂ）は、従来法に係る超音波信号の場合の伝搬過程の非線形歪みを表す。

従来法のような単一の周波数波形の送信では伝搬過程の非線形歪みにおいて図４（ｂ）や式４のような挙動を示し、σの制約を受けている。この制約は衝撃波形成距離を越えた波形の急激なエネルギー減衰を考慮すると、高調波信号のＳ／Ｎにおいて望ましくなく、診断画像の画質劣化を誘発する。

この課題に対して本実施形態では以下の式で表されるような調整波形を送信することを特徴とする。

この調整波形は図４（ｂ）で表される。式８で表される波形は従来法の波形が受ける非線形歪みとは逆のひずみを受けた波形、すなわち高調波成分を加えた波形と同等である。σ_０は超音波発生装置側で定める逆歪みの度合いである。この式８で表される波形が受ける非線形歪みは従来法と同様に導くことができ、式８のように表される。

式９は、従来法ではσ＞１で衝撃波が発生していたが、本実施形態ではσ−σ_０＞１の場合に衝撃波が発生することを表しており、σ_０＝１と設定すれば衝撃波形成距離を従来の２倍にすることができる。これは非線形歪みの蓄積を許容できる距離が長くなることを示しており（図４参照）、蓄積する高調波の量が増加させることができる。式９を従来法と同様にフーリエ級数展開を行った時の係数ｂｎは式１０のように記述される。

式１０を数値シミュレーションで解析すると、横軸σ、縦軸ｐ／ｐ_０とした時の基本波、２次高調波、３次高調波の強度は図５のようになる。図５は、平面波における非線形ひずみ音圧の高調波振幅の計算例である。

図５から逆歪み波形がとる衝撃波形成距離σ＝２における基本波、２次高調波、３次高調波の振幅は従来法と同等である。しかし、２次高調波の蓄積量（σ＝０とσ＝２の振幅の差分値）としては図６のように従来法の２倍となっていることが分かる。図６は、逆歪み波形と従来法による２次高調波蓄積量の差の計算例である。

基本波と高調波の関係は具体的に次のようになる。以下、高調波は２次高調波であるとして説明するが、３次以上の高調波であってもよい。図７は、基本波と高調波の関係を示す模式図である。図７（ａ）のように基本波ｋ１を送信した場合、基本波ｋ１に対して位相がπずれた２次高調波Ｓ１が発生する。２次高調波Ｓ１は前述のように距離が大きいほど蓄積し、全体量が大きくなるが、増加率は次第に小さくなる。そして、例えば、図７（ｂ）の振幅Ａのように、ある一定量で、ほぼ増加が止まる状態、すなわち殆ど増加が見られず、信号歪が進まない状態となる。これに対して図７（ｃ）のように送信波に２次高周波を含ませることで発生した２次高調波を含めた２次高調波Ｓ１の総量は増加し、Ａ＋Ｂの振幅となる。すなわち実際の非線形による信号の歪は非線形で進む歪と逆に歪をもった状態から始まることになり、より多くの非線形成分を蓄積できるようになる。

これは、反射超音波信号に含まれる２次高調波を相殺するような位相を持つ２次高周波成分を含む超音波信号を送信することで、より多くの非線形成分を蓄積できるようになると言える。

ここで、反射超音波信号に含まれる高調波はｎ次高調波を用い、この高調波を相殺するような位相を持つｎ次高周波成分を含む超音波信号を送信することに依っても、同様により多くの非線形成分を蓄積できるようになる。

そして、この高調波を相殺するような位相はπであることが好ましい。

また、予め、被検体におけるｎ次高調波の蓄積量を算出し、ｎ次高周波成分のパワーを算出された蓄積量と同じにしてやってもよい。

以上のように、従来には課題となっていた高調波に存在する蓄積限界を、従来以上に大きくすることが可能となった。

次いで、発生した高調波と送信波に含まれる高周波を分離し、蓄積した高調波を取り出す手段について説明する。

以下、送信信号処理部１８は送信波形を生成する機能を有する。受信信号処理部１４は、被検体からの超音波信号を受信して得られた電気信号から基本波や高調波を抽出する高調波抽出部の機能を有する。送信信号処理部１８と受信信号処理部１４の各々は制御部１７の制御の下に機能するとして説明する。

図８は、発生した高調波と送信波に含まれる高周波を分離する手法の概要図である。

最初に超音波探触子２から図８（ａ）の１回目の送信波形の超音波信号を送信する。この送信波形には、基本波ｋ１と２次高周波ＳＳ１が含まれている。

基本波ｋ１と２次高周波ＳＳ１の振幅は所定の値に定める。

この送信波形は被検体の中を伝搬し、図８（ｂ）の１回目の波形に示されているように、２次高周波ＳＳ１に対して位相がπ異なる２次高調波Ｓ１が発生する。この２次高調波Ｓ１は、前述のように従来に比べて大きな振幅を有する。この超音波信号を超音波探触子２で受信して電気信号に変換する。変換された電気信号には、図８（ｃ）の１回目に示す電気信号が含まれている。この電気信号の時間波形を記憶部１９に記憶しておく。

次いで、超音波探触子２から被検体に向けて、２回目の超音波信号を送信する。

この送信波形には、基本波ｋ２と２次高周波ＳＳ２が含まれている。

基本波ｋ２の大きさは基本波ｋ１の大きさと異ならせる。２次高周波ＳＳ２の振幅の大きさは２次高周波ＳＳ１の振幅の大きさと異ならせる。

この送信波形は被検体の中を伝搬し、図８（ｂ）の２回目の波形に示されているように、２次高周波ＳＳ２に対して位相がπ異なる２次高調波Ｓ２が発生する。この２次高調波Ｓ２は、前述のように従来に比べて大きな振幅を有する。この超音波信号を超音波探触子２で受信して電気信号に変換する。変換された電気信号には、図８（ｃ）の２回目に示す電気信号が含まれている。ここで、得られた電気信号をＫ倍する。Ｋの大きさは、掛けることで、送信された２次高周波ＳＳ２の振幅が、２次高周波ＳＳ１の振幅と同じになる値にする。この電気信号の時間波形を記憶部１９に記憶しておく。

ここで、基本波ｋと基本波ｋ２とは振幅が異なるので、非線形媒体である被検体で発生する２次高調波Ｓ１と２次高調波Ｓ２の振幅は異なる。

次に、図８（ｄ）に示すように、記憶させておいた１回目と２回目の電気信号の時間波形の差分を算出する。この算出結果には、基本波ｋ１と基本波ｋ２とは相殺され、２次高周波ＳＳ１、２次高周波ＳＳ２とは含まれず、蓄積された２次高調波のみ含まれている。以上のように、被検体で発生した２次高調波を検出することができる。

なお、超音波探触子２で得られた電気信号から基本波ｋ１を取り除くローパスフィルタ等を用いて、２次高調波のみ取り出し、１回目と２回目の電気信号の差分を算出しても検体で発生した２次高調波を検出することができる。

また、次のようにしても２次高調波を抽出することが可能である。図９は、発生した高調波と送信波に含まれる高周波を分離する他の手法の概要図である。

最初に超音波探触子２から図９（ａ）の１回目の送信波形の超音波信号を送信する。この送信波形には、基本波ｋ１と２次高周波ＳＳ１が含まれている。基本波ｋ１と２次高周波ＳＳ１の振幅は所定の値に定める。

この送信波形は被検体の中を伝搬し、図９（ｂ）の２回目の波形に示されているように、２次高周波ＳＳ１に対して位相がπ異なる２次高調波Ｓ１が発生する。

２次高調波Ｓ１は、前述のように従来に比べて大きな振幅を有する。この超音波信号を超音波探触子２で受信して電気信号に変換する。この電気信号の時間波形を記憶部１９に記憶しておく。

次に超音波探触子２から図９（ａ）の２回目の送信波形の超音波信号を送信する。この送信波形には、基本波ｋ１とは位相がπ異なる基本波ｋ２を送信する。

基本波ｋ２の振幅は基本波ｋ１の振幅と同じ値に設定する。

この送信波形は被検体の中を伝搬し、図９（ｂ）の２回目の波形に示されているように、基本波ｋ２と同相の位相を有する２次高調波Ｓ２が発生する。

この超音波信号を超音波探触子２で受信して電気信号に変換する。この電気信号の時間波形を記憶部１９に記憶しておく。

次に超音波探触子２から図９（ａ）の３回目の送信波形の超音波信号を送信する。この送信波形には、基本波ｋ１とは位相がπ異なる２次高周波ＳＳ３が含まれている。

２次高周波ＳＳ３の振幅は２次高周波ＳＳ１の振幅と同じ値に設定する。

この送信波形は被検体の中を伝搬し、図９（ｂ）の３回目の波形に示されているように、２次高周波ＳＳ１の振幅を保ったまま送信される。

次に、図９（ｃ）に示すように、記憶させておいた１回目と２回目と３回目の電気信号の時間波形の和を算出する。この算出結果には、基本波ｋ１、ｋ２、２次高周波ＳＳ１、２次高周波ＳＳ２とが含まれず、蓄積された２次高調波のみ含まれている。

以上のように、被検体で発生した２次高調波を検出することができる。

なお、上記したように、超音波探触子２で得られた電気信号から基本波ｋ１、ｋ２を取り除くローパスフィルタ等を用いて、２次高調波のみ取り出し、１回目と２回目と３回目の電気信号の差分を算出しても検体で発生した２次高調波を検出することができる。

以上のように、本実施形態によれば、被検体に超音波信号を送信する圧電部を備えた送信手段と、超音波信号が被検体において反射して生成された反射超音波信号を受信し電気信号に変換する圧電部を備えた受信手段と、電気信号から被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、反射超音波信号に含まれる高調波成分を抽出するための高調波抽出部と、を有する超音波診断装置であって、超音波信号は、基本波と、前記反射超音波信号に含まれるｎ次高調波を相殺するような位相を持つｎ次高周波成分とを含む超音波診断装置を構成することで、ｎ次高調波の蓄積量を増大させることができる。

また、本実施形態によれば、ｎ次高調波の蓄積量を算出し、ｎ次高周波成分のパワーを算出された蓄積量と同じにすることで、所望量のｎ次高調波の蓄積量を得ることができる。

また、本実施形態によれば、位相はπであることで、送信するｎ次高周波成分により、反射超音波信号に含まれるｎ次高調波を相殺することができる。

また、本実施形態によれば、反射超音波信号に含まれる高調波の次数は２次であり、送信する超音波信号に含ませる高周波成分の次数は２次であることで、２次高調波の蓄積量を増大させることができる。

また、本実施形態によれば、位相はπであり、反射超音波信号に含まれる高調波の次数は２次であり、送信する超音波信号に含ませる高周波成分の次数は２次であることで、反射超音波信号に含まれる２次高調波を相殺することができ、２次高調波の蓄積量を増大させることができる。

また、本実施形態によれば、ｎ次高周波は２ｍ（ｍは自然数）次高調波である超音波信号を送信すると供に、基本波に対してπずれた位相を持つ基本波である超音波信号と、２ｍ次高周波である超音波信号と、を時間をおいて送信し、各々の反射超音波信号の電気信号を加算することで２ｍ次高調波の電気信号を抽出することで、反射超音波信号に蓄積した高調波のみ抽出することができる。

また、本実施形態によれば、前記超音波信号は２回送信され、１回目と２回目の超音波信号における基本波とｎ次高調波のパワーの比は同じであってパワーは異なり、変換後の基本波とｎ次高調波の電気信号の大きさが同じになるように一方の基本波及びｎ次高調波を電気的に増幅又は減衰させ、変換後の１回目の基本波及びｎ次高調波と、変換後の２回目の基本波及びｎ次高調波との差分を演算することで、反射超音波信号に含まれる高調波成分を抽出することで、反射超音波信号に蓄積した高調波のみ抽出することができる。

１超音波診断装置本体
２超音波探触子
３ケーブル
４超音波プローブフォルダ
１１操作入力部
１２送信部
１３受信部
１４受信信号処理部
１５画像処理部
１６表示部
１７制御部
１８送信信号処理部
１９記憶部
３０振動部
３１音響制動部材
３２圧電部
３３音響整合層
３４音響レンズ
３２１第１圧電部
３２２中間層
３２３第２圧電部
Ｈ被検体
Ｓ超音波診断装置

Claims

被検体に第１の超音波信号と第２の超音波信号とを送信する圧電部を備えた送信手段と、
前記第１の超音波信号が被検体において反射して生成された第１の反射超音波信号と、前記第２の超音波信号が被検体において反射して生成された第２の反射超音波信号と、を受信する圧電部を備えた受信手段と、
前記第１の反射超音波信号と第２の反射超音波信号とを用いて、伝搬過程で生じた高調波成分を抽出し、抽出された高調波成分に基づいて前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
を有する超音波診断装置であって、
前記第１の超音波信号は、所定周波数の第１の基本波成分と、伝搬過程で生じる前記高調波成分と同じ周波数で、前記高調波成分との間の位相差がπである第１の高周波成分と、を有し、
前記第２の超音波信号は、前記第１の基本波成分に対して振幅が異なる第２の基本波成分と、前記第１の高周波成分に対して振幅が異なる第２の高周波成分とを有することを特徴とする超音波診断装置。
前記第２の高周波成分の振幅は前記第１の高周波成分の振幅の１／Ｋであり、
前記画像処理部は、前記第２の反射超音波信号の振幅をＫ倍に増幅し、前記第１の反射超音波信号と、Ｋ倍に増幅された前記第２の反射超音波信号との差分を算出することで前記高調波成分を抽出することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
被検体に第１の超音波信号、第２の超音波信号及び第３の超音波信号を送信する圧電部を備えた送信手段と、
前記第１の超音波信号が被検体において反射して生成された第１の反射超音波信号、前記第２の超音波信号が被検体において反射して生成された第２の反射超音波信号、及び、前記第３の超音波信号が被検体において反射して生成された第３の反射超音波信号を受信する圧電部を備えた受信手段と、
前記第１の反射超音波信号、第２の反射超音波信号及び第３の反射超音波信号を用いて、伝搬過程で生じた高調波成分を抽出し、抽出された高調波成分に基づいて前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
を有する超音波診断装置であって、
前記第１の超音波信号は、所定周波数の第１の基本波成分と、伝搬過程で生じる前記高調波成分と同じ周波数で、前記高調波成分との間の位相差がπである第１の高周波成分と、を有し、
前記第２の超音波信号は、前記第１の基本波成分に対して位相がπ異なる第２の基本波成分からなり、
前記第３の超音波信号は、前記第１の高周波成分に対して位相がπ異なる第３の高周波成分からなることを特徴とする超音波診断装置。
前記画像処理部は、前記第１の反射超音波信号、前記第２の反射超音波信号及び前記第３の反射超音波信号の時間波形の和を算出することで前記高調波成分を抽出することを特徴とする請求項３に記載の超音波診断装置。
前記画像処理部で抽出された前記高調波成分は、前記第１の基本波成分の２倍の周波数を有する２次高調波であることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の超音波診断装置。