JP6198204B2 - 超音波診断装置及び超音波診断装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置及び超音波診断装置の作動方法に関し、特に、パラメトリック超音波を用いた超音波診断装置及び超音波診断装置の作動方法に関する。

近年、非線形超音波の利用が盛んになり、特にその高調波利用の画像形成技術は、すでに心エコー診断についてはハーモニックイメージングとして医用画像診断装置に応用されている。また、非線形超音波の一種であるサブハーモニック信号は、造影超音波として利用されている。ハーモニックイメージングに用いられる高調波は、基本周波数ｆ_０に対して、２・ｆ_０あるいは３・ｆ_０の周波数成分を有する信号であり、通常ｆ_０は、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚである。造影超音波に用いられるサブハーモニック信号は、基本周波数ｆ_０に対して、その整数分の１の周波数（１／ｎ）・ｆ_０（ｎは、２以上の整数）であり、通常、ｆ_０は、１〜１０ＭＨｚ、ｎ＝２である。

これら高調波やサブハーモニックは、いずれも非線形信号であるため、信号レベルは基本波に対して２０ｄＢ程度低い。信号レベルは、コントラスト分解能に関与するサイドローブが目立つほど小さいながら、同じ周波数の基本波よりも焦点以遠の減衰を小さくすることができるので、信号の深達度をとることができる。また、高調波やサブハーモニックは、近距離での音圧変動が小さく、多重反射によるアーティファクトが発生しにくいという特徴を有しており、超音波画像構築に好適で、鮮明な超音波診断画像の形成が可能となる。

一方、非線形超音波の一種であるパラメトリック超音波は、超指向性スピーカ（パラメトリックスピーカ）として実用化され、利用されている。パラメトリックスピーカでは、周波数ｆ_１の基本波成分及び周波数ｆ_２の基本波成分を有する２つの超音波を混合し、音声信号で変調した超音波信号を空気中に送信すると、差周波数｜ｆ_１−ｆ_２｜を有するパラメトリック超音波が発生し、伝搬する。パラメトリック超音波が空中を伝搬することによって、変調信号の音声信号部分が復調されて音声として認識される。パラメトリック超音波は、同じ周波数の基本波に比べて、超音波ビームのビーム幅が小さいので、超指向性のスピーカが実現される。

特許文献１〜特許文献３には、超音波画像処理に関する技術が記載されている。

特開平８−０８０３００号公報 特開２００３−１１６８４８号公報 米国特許出願公開番号第２０１１／０１６０５８２号

特許文献１には、中心周波数に一定幅の周波数の振幅変調をかけた振幅変調波（又は２つの周波数成分をもつ超音波）を送波する送波部と、被検体からのエコーを受波する受波部を具備する超音波プローブと、被検体内で発生する少なくとも差周波数成分を含むエコーを受波して超音波画像を得る信号処理手段と、信号処理手段の出力を表示する表示手段とを具備する超音波診断装置が記載されている。特許文献１では、送波周波数の上限は、送波超音波周波数ｆ_０の１／２程度のものが好ましいとしており、たとえば、繰り返し周波数が４ｋＨｚ、ｆ_０が２ＭＨｚであれば、周波数帯域は４０Ｈｚ〜１ＭＨｚとなる。そして、実用的には、１００Ｈｚ〜５００ｋＨｚ程度でもＡモード（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｅ）像を観測するには十分であるとして、送信周波数とパラメトリック超音波信号の周波数の関係を例示している。しかしながら、超音波イメージとして必要なのはＢモード（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｍｏｄｅ）像であり、特許文献１に記載された超音波診断装置で用いられている１００Ｈｚ〜５００ｋＨｚ程度では診断に必要な超音波伝搬方向の分解能が得られず、高信頼性の超音波診断像が得られないという問題がある。

また、特許文献１には、超音波プローブとして、同心円状に２分割され、内側の部分を送波部として超音波を送波し、外側の部分を受波部としてエコーを受波するものを用いると、受波効率を高めることができる旨の記載がされている。ここで、たとえばパラメトリック受信信号の周波数をＢモード像形成に最適な１００ｋＨｚとし、受信用圧電振動子として一般的なＰＺＴセラミクスを用いる場合を考える。この場合には、共振応答によって１００ｋＨｚの周波数信号に高効率で応答させるために、ＰＺＴセラミクスでは、１５ｍｍ程度もの厚さが必要となる。さらに、ダンピング層も、１５ｍｍ以上の厚さが必要となり、超音波内視鏡など小型化が必要な用途には向かないという問題がある。

特許文献２には、１つ以上の超音波振動子から照射した超音波を順次受信して表示装置で表示する超音波診断装置において、患部の形状等を明確に表示できず、輪郭がぼんやりとした画像しか得られないことを改善する技術が記載されている。すなわち、第１の周波数の超音波を人体の患部に向けて照射するとともに、第１の超音波振動子からの照射方向に対し所望の角度で第２の超音波振動子から第２の周波数の超音波を照射する。そして、第１の超音波振動子で患部から反射された第１及び第２の周波数を含む反射波を受信し、その差周波数信号、和周波数信号、及びそれらの高調波あるいは分周波を重ねて受信する。これらを１つの表示装置に表示し、患部の位置や輪郭を明確に表示できるとする。しかしながら、差周波数や分周波数超音波は、周波数が低いため、超音波伝搬方向の空間分解能が低下するという問題がある。さらに超音波送受信センサが一体でないため、通常の体外エコー診断や超音波内視鏡診断には適用できないとの問題もある。

特許文献３には、無線通信システムを超音波診断装置に応用する技術が記載されている。この超音波診断装置は、超音波センサ、モータ、超音波送受信器、高速データサンプリングモジュール、モータ・コントローラ及びマスタ制御モジュールからなるワイヤレス超音波スキャナである。超音波センサによって取得された超音波の受信信号は、超音波送受波器によって増幅され、高速データサンプリングモジュールによって、ＲＦ信号に変換されて無線でマスタ制御モジュールに伝送される。マスタ制御モジュールによって、走査モードをセット等し、制御信号等を高速データサンプリングモジュールに無線伝送する。また、高速データサンプリングモジュールは、Ａ／Ｄコンバータ等を含むデジタル信号処理回路であり、無線通信インタフェースは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等であることが記載されている。しかしながら、特許文献３には無線通信の使用周波数帯域について明示がなく、医療分野で用いられることが多い１〜１０ＭＨｚの周波数の超音波を想定しているものと考えると、無線通信インタフェースへの負荷が大き過ぎるとの問題がある。

そこで、高い超音波伝搬方向の分解能を実現しつつ、小型化を可能とする超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波診断装置は、第１の周波数特性を有する第１の駆動信号と、第２の周波数特性を有する第２の駆動信号との加算駆動信号を形成し、該加算駆動信号を超音波信号に変換し、該超音波信号を被測定媒体内に向けて送信し、上記被測定媒体内に、上記加算駆動信号の第１の駆動信号成分によって発生する第１の超音波信号、及び該加算駆動信号の第２の駆動信号成分によって発生する第２の超音波信号の伝搬とともに周波数が１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波信号を発生させて伝搬させる超音波送信手段と、多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状又は薄板状の圧電振動子を含み、上記被測定媒体内を伝搬するパラメトリック超音波信号を受信し、パラメトリック受信信号に変換する超音波受信手段と、上記パラメトリック受信信号から基本波成分を除去する基本波成分除去手段と、上記基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させる空間分解能改善手段と、上記空間分解能が改善されたパラメトリック受信信号に基づいて超音波画像を形成する信号処理手段とを備える。

本発明の超音波診断装置は、好ましくは、超音波送信手段は、環状のコンポジット圧電体によって形成された圧電振動子を含み、超音波受信手段は、超音波送信手段の環状の内径部に配設される多孔質ポリプロピレンによって形成された膜状圧電振動子を含み、圧電振動子及び膜状圧電振動子は、一体として形成された超音波トランスデューサである。さらに、超音波受信手段は、膜状圧電振動子からの電荷信号を電圧信号に変換するチャージアンプ手段と、チャージアンプ手段からの電圧信号からノイズを除去するフィルタ手段とを有しており、これらが一体として形成されていることが好ましい。

また、本発明に係る超音波診断装置は、第１の周波数特性を有する第１の駆動信号と、第２の周波数特性を有する第２の駆動信号との加算駆動信号を形成し、該加算駆動信号を超音波信号に変換し、該超音波信号を被測定媒体内に向けて送信し、上記被測定媒体内に、上記加算駆動信号の第１の駆動信号成分によって発生する第１の超音波信号、及び該加算駆動信号の第２の駆動信号成分によって発生する第２の超音波信号の伝搬とともに周波数が１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波信号を発生させて伝搬させる超音波送信手段と、
多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状又は薄板状の圧電振動子を含み、上記被測定媒体内を伝搬するパラメトリック超音波信号を受信し、パラメトリック受信信号に変換する超音波受信手段と、上記受信されたパラメトリック受信信号を無線信号に変換し送信する無線送信インタフェース手段と、該送信された無線信号を受信し有線受信信号に変換する無線受信通信インタフェース手段とを有する無線通信インタフェース手段と、上記変換されたパラメトリック受信信号から基本波成分を除去する基本波成分除去手段と、上記基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させる空間分解能改善手段と、上記空間分解能が改善されたパラメトリック受信信号に基づいて超音波画像を形成する信号処理手段とを備える。

また、本発明に係る超音波診断装置の作動方法は、音波送信手段が、第１の周波数特性を有する第１の駆動信号と、第２の周波数特性を有する第２の駆動信号との加算駆動信号を形成し、該加算駆動信号を超音波信号に変換し、該超音波信号を被測定媒体内に向けて送信するステップと、多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状又は薄板状の圧電振動子を含む超音波受信手段が、上記加算駆動信号の第１の駆動信号成分によって発生する第１の超音波信号、及び該加算駆動信号の第２の駆動信号成分によって発生する第２の超音波信号の伝搬とともに上記被測定媒体内に発生して伝搬する周波数が１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波信号を受信し、パラメトリック受信信号に変換するステップと、基本波成分除去手段が、上記パラメトリック受信信号から基本波成分を除去するステップと、空間分解能改善手段が、上記基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させるステップと、信号処理手段が、上記空間分解能が改善されたパラメトリック受信信号に基づいて超音波画像を形成するステップとを有する。

本発明によれば、パラメトリック受信信号から基本波成分を除去する基本波成分除去手段と、基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させる空間分解能改善手段とを備えることによって、超音波伝搬軸方向の空間分解能を改善させることができる。

また、圧電振動子、膜状圧電振動子が一体として形成された超音波トランスデューサであり、更に、チャージアンプ手段と、フィルタ手段とが超音波トランスデューサと一体として構成することによって、小型、軽量な超音波トランスデューサを含む超音波プローブを実現することも可能となる。

また、本発明の超音波診断装置は、比較的低周波のパラメトリック超音波を用いて信号処理を行うので、少ない負担で無線通信インタフェースを用いることができ、分解能の高い超音波画像を生成することができる。

本発明が適用された第１の実施の形態の超音波診断装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明が適用された超音波診断装置を構成する超音波トランスデューサの構造を示す図である。（Ａ）は、超音波トランスデューサの側断面図である。（Ｂ）は、全面共通接地電極型の超音波トランスデューサの正面図である。（Ｃ）は、接地電極分割型の超音波トランスデューサの正面図である。 多孔質ポリプロピレン圧電振動子の内部構造の概略を示す断面模式図である。（Ａ）は、全体の断面図、（Ｂ）は、（Ａ）図における破線内Ａ部の拡大図、（Ｃ）は、セル部分の拡大図である。 多孔質ポリプロピレン圧電振動子と、他の圧電振動子の性能パラメータをまとめた表からなる図である。 図１の構成において、受信回路の構成例を示すブロック図である。 図１の構成において、信号処理回路の構成例を示すブロック図である。 図１の構成の信号処理回路等において、基本波成分を除去する方法を示す信号処理手順である。 基本波超音波とパラメトリック超音波との水中における伝搬方向及びビーム幅方向の距離に対する音圧レベルの変化を示すシミュレーションによるグラフである。（Ａ）は、基本波における伝搬軸方向距離に対する音圧レベルの変化を示し、（Ｂ）は、パラメトリック超音波における伝搬軸方向距離に対する音圧レベルの変化を示す。（Ｃ）は、基本波におけるビーム幅方向距離に対する音圧レベルの変化を示し、（Ｄ）は、パラメトリック超音波におけるビーム幅方向距離に対する音圧レベルの変化を示す。 本発明の超音波診断装置の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させる動作を説明するための動作波形図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、送信される超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２の波形である。（Ｃ）は、受信したパラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａの波形である。（Ｄ）は、参照信号Ｓ_ｒｅｆの波形である。（Ｅ）は、Ｒ_ｐａｒａとＳ_ｒｅｆとの相互相関処理がなされてパルス圧縮されたパルス圧縮信号Ｒ_ｃｏｍｐの波形である。 本発明が適用された第２の実施の形態の超音波診断装置の基本構成を示すブロック図である。 図１０の構成において、第１及び第２の信号処理回路の構成例を示すブロック図である。 図１０の構成において、位相情報を抽出する方法を示すシグナルフローチャートである。 本発明が適用された第３の実施の形態の超音波診断装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明が適用された第４の実施の形態の超音波診断装置の基本構成を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は、以下の順序で説明する。

１．第１の実施の形態における超音波診断装置の構成例
１−１．超音波診断装置の構成例
１−２．超音波トランスデューサの構成例
１−３．超音波受信用の圧電振動子
１−４．受信回路の構成例
１−５．信号処理回路の構成例
２．超音波診断装置の動作原理及び動作
２−１．パラメトリック超音波信号の特長
２−２．超音波診断装置の動作
２−３．パルス圧縮技術
３．第２の実施の形態における超音波診断装置の構成例
４．第３の実施の形態における超音波診断装置の構成例
５．第４の実施の形態における超音波診断装置の構成例

１．第１の実施の形態における超音波診断装置の構成例
１−１．超音波診断装置の構成例
本発明が適用された超音波診断装置１０１Ａは、図１に示すように、超音波を発生する信号発生回路３と、生成された超音波を生体組織５内に送信するリング状圧電振動子２と、生体組織５内の異常組織６等からの超音波の反射を受信する円板状圧電振動子７とを備える。また、超音波診断装置１０１Ａは、円板状圧電振動子７で受信した超音波信号の受信処理をする受信回路９と、受信回路９によって受信処理された超音波信号の基本波成分を除去する信号処理回路１２と、参照信号発生回路１１により生成された参照信号と信号処理回路１２から出力される信号との相互相関処理を行う乗算回路１０とを備える。また、超音波診断装置１０１Ａは、生体組織５内に送信する超音波の位置を特定するために、超音波トランスデューサ１の位置を特定し、その位置特定信号を生成する位置特定センサ３０と、位置特定センサ３０の位置情報データ及び乗算回路１０の演算結果データを処理して超音波画像を構成する画像信号を生成する画像処理回路１３とを備える。好ましくは、画像処理回路１３の画像信号データを入力して画像を表示するディスプレイ１４を備える。

リング状圧電振動子２と円板状圧電振動子７とは、好ましくは、同一ハウジング内に一体化されて超音波トランスデューサ１を構成し、超音波トランスデューサ１は、より好ましくは、受信回路９と一体とされてプローブの主要部をなす。

信号発生回路３は、第１の周波数ｆ_１の第１の超音波信号Ｓ_１を生成する第１の超音波信号発生部３Ａと、第２の周波数ｆ_２の第２の超音波信号Ｓ_２を生成する第２の超音波信号発生部３Ｂと、第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２の加算信号を生成する加算器３Ｃとを有する。第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２は、後述するように、好ましくは、所定のインタバル周期を有し、開始周波数及び終了周波数とも周波数が相違するチャープ信号である。また、信号発生回路３は、駆動回路において、第１及び第２の超音波Ｓ_１，Ｓ_２を加算器３Ｃによって加算して、加算信号Ｓ_＋＝Ｓ_１＋Ｓ_２を生成し、加算信号Ｓ_＋とは位相が１８０°異なる反転信号Ｓ₋＝−（Ｓ_１＋Ｓ_２）を生成して、駆動回路３Ｄによって、それぞれ所定の電圧増幅を行った後、送信用の圧電振動子であるリング状圧電振動子２を駆動する。

受信回路９は、生体組織内を伝搬してきたパラメトリック超音波信号を受信する円板状圧電振動子７により変換された圧電信号を、インピーダンス変換し、増幅して後段回路に渡す。

信号処理回路１２は、受信回路９によって受信され受信処理されたパラメトリック超音波信号のうち基本波成分を除去し、差周波数成分のみを抽出する。

乗算回路１０は、参照信号発生回路１１とともに、基本波成分が除去されたパラメトリック超音波信号の相互相関処理を行うことによって、パルス圧縮を行い、超音波伝搬方向の分解能を改善させる。

位置特定センサ３０は、超音波トランスデューサ１が含まれるプローブ内に配設され、超音波トランスデューサ１の生体組織５上の位置を特定する情報を取得し、位置特定情報データを画像処理回路１３に送る。位置特定センサ３０は、たとえば磁気センサを用いて構成される。

画像処理回路１３は、伝搬方向の空間分解能が改善された超音波信号データと、位置特定センサ３０によって生成された位置情報信号データとを入力して、画像表示するための画像信号を生成し、この画像信号にしたがって超音波画像データを生成する。画像処理回路１３は、たとえば、スキャンコンバータにより実現される。なお、画像処理回路１３から出力される超音波画像データを、上述のように、ディスプレイ１４で動画、静止画として表示してもよいが、データを加工し、あるいはそのまま他の媒体、たとえば外部記憶装置に記憶させたり、プリンタで印刷出力するようにしてもよいし、音や振動の五感に訴える信号に変換して人に対して呈示することでも良いのは言うまでもない。

１−２．超音波トランスデューサの構成例
超音波トランスデューサは、超音波送信用トランスデューサと超音波受信用トランスデューサとを別々に準備して構成してもよいが、利用の簡便さと性能の向上のためにこれらを一体として構成することが好ましい。

図２に示すように、超音波トランスデューサ１は、送信用トランスデューサとしてのリング状圧電振動子２と、受信用トランスデューサとしての円板状圧電振動子７とを一体として備えている。図２（Ａ）は、一体型の超音波トランスデューサの側断面図であり、図２（Ｂ）は、接地電極１７を超音波トランスデューサ１のほぼ全面を覆うように成形した場合（全面電極共通型）の正面図であり、図２（Ｃ）は、接地電極を、リング状圧電振動子２の接地電極２７と、円板状圧電振動子７の接地電極２８とに分離して形成し、超音波トランスデューサ組立時に、接続導通配線４Ａ，４Ｂ，４Ｃにより接続した場合（電極分割型）の正面図である。

図２（Ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１は、リング状圧電振動子２と円板状圧電振動子７とを有しており、リング状圧電振動子２のリング内部に、間隙２９を設けて円板状圧電振動子７が配設される。リング状圧電振動子２及び円板状圧電振動子７の一方の面は、それぞれ接地電極１７に接続され、金属製のハウジング１５に内部接地配線２３及び外部接地配線２６を介して、回路の接地電位に接続される。

円板状圧電振動子７には、後述するように、１００ｋＨｚ程度の比較的低い周波数領域でも薄型化、軽量化をはかることが可能な多孔質ポリプロピレン（以下、「セルラーＰＰ」ともいう。）を用いるが、セルラーＰＰは、ＰＺＴ等の圧電振動子に比べると、弾性率が格段に低いので、バッキング層として金属を用いることが好ましい。そこで、円板状圧電振動子７の接地電極１７に接続された面とは反対側の面に、間隙２９を設けて金属バッキング板１６を配設する。金属バッキング板１６は、円板状圧電振動子７を所定の位置に安定して固定する押圧部材の役割も兼ねる。

円板状圧電振動子７は、金属バッキング板１６の円板状圧電振動子７が接続された面とは反対側の面から接続内部配線２５及び外部回路接続用のコネクタ２０を介して外部回路に接続される。リング状圧電振動子２は、リング状圧電振動子２の接地電極１７が接続された面とは反対型の面に接続用電極１８が接続され、接続内部配線２４及びコネクタ１９を介して外部回路に接続される。

上述のように構成された圧電振動子は、外部環境からの保護のためにハウジング１５に収納される。このような一体とされた超音波トランスデューサ１によって小型かつ軽量化されたプローブを実現することができる。なお、超音波トランスデューサ１の正面形状は、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、円形状であることが、超音波の放射効率等の観点から好ましいが、円形状に限らず、楕円形状や、方形状、あるいは他の形状であってもよい。

１−３．超音波受信用の圧電振動子
本発明が適用された超音波診断装置で用いられるパラメトリック超音波の周波数は、１００ｋＨｚ程度なので、円板状圧電振動子７にコンポジットタイプの圧電体を用いても、厚さが非常に厚くなり、小型化、軽量化が困難である。そこで、低周波でも薄型化が可能な圧電振動子が必要となる。このような薄型化が可能な圧電材料として、多孔質ポリプロピレン（セルラーＰＰ）がある。

セルラーＰＰは、図３（Ａ）に示すように、ポリプロピレン樹脂３４を基材とする発泡性樹脂材料である。ポリプロピレン樹脂３４の内部には、多数のセル３５（気泡、気孔）が形成されている。このような厚さｔの膜状あるいは薄板状のポリプロピレン樹脂３４の両面に金属電極３２，３３を形成し、電極面に対して垂直方向に振動を与えると、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、セルの表面に電荷が誘起される。金属電極３２，３３に外部回路を接続することによって、振動による変位に応じた電位変動が発生するので、セルラーＰＰは、圧電振動子として機能させることができる。

このようなセルラーＰＰは、既存の圧電材料に対して有利な特性を有する。たとえば、図４に示すように、一般的なピエゾ振動子ＰＺＴ−５では、電圧出力定数ｇ_３３が０．０１１Ｖｍ／Ｎ、強誘電性ポリマＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン、PolyVinylidene DiFluoride）でも０．２Ｖｍ／Ｎであるのに対して、セルラーＰＰでは、６０〜１８０Ｖｍ／Ｎと桁違いに大きい。また、圧電歪係数ｄ_３３も、ＰＺＴ−５では、１７１ｐＣ／Ｎ、ＰＶＤＦでは、２０ｐＣ／Ｎであるのに対し、セルラーＰＰでは、４００〜１２００ｐＣ／Ｎと格段に大きい。したがって、セルラーＰＰは、より効率よく圧電出力を生成することができる。また、セルラーＰＰは、樹脂であるため軟らかく、弾性率の大きい他の圧電材料に比べて、同じ厚さの場合には、より低い共振周波数を有する。よって、本発明の超音波診断装置に用いられる比較的低周波のパラメトリック超音波を受信するのに適しているといえる。さらに１００ｋＨｚ付近で共振するように厚さを適切に選定することによって、他の周波数成分を除外するフィルタ効果を期待することもできる。セルラーＰＰは、発泡性の樹脂であるため、密度が他の圧電性材料に比べて低く（ρ＝３３０ｋｇ／ｍ^３、ＰＺＴ−５では７５００ｋｇ／ｍ^３等）、小型化とともに、軽量化にも資することができる。なお、本発明の超音波診断装置においては、上述のような圧電振動子に限らず、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ等バルクタイプの圧電素子を用いることができるのは言うまでもない。

１−４．受信回路の構成
円板状圧電振動子７によって受信されたパラメトリック超音波は、受信回路９に入力される。以下に限るものではないが、受信回路９は、図５に示すように、円板状圧電振動子７の出力に電気的に接続されるチャージアンプ回路９Ａと、チャージアンプ回路９Ａの出力に接続されるフィルタ回路９Ｂとを有する。

チャージアンプ回路９Ａは、その入力が外部接続配線２２及びコネクタ２０を介して円板状圧電振動子７に電気的に接続される。圧電振動子の出力インピーダンスは非常に高いので、高入力インピーダンス増幅器を用いてインピーダンス変換を行う必要がある。そこで、インピーダンス変換機能も併せ持つチャージアンプ回路９Ａを、受信回路９のフロントエンドに用いるのが好ましい。チャージアンプ回路９Ａを用いることによって、電荷信号を電圧信号変換されたパラメトリック超音波信号を得ることができる。ここで、パラメトリック超音波信号には、圧電振動子の機械的寄生振動等による不要なノイズが重畳しており、精密な測定の妨げになるためノイズ除去用にフィルタ回路９Ｂを用いるのが好ましい。不要なノイズが除去された電圧信号に変換されたパラメトリック超音波信号は、チャージアンプ回路９Ａの増幅機能によって増幅され、安定した信号を後段の信号処理回路１２に送ることができるようになる。

受信回路９は、回路機能ブロックとして、他の信号処理回路等と同一筐体に搭載するようにしてもよいが、上述したように、受信されて出力される超音波信号は、微小かつ外来ノイズ等に弱いため、超音波トランスデューサ１のハウジングに実装してプローブとして一体として構成するのが好ましい。

１−５．信号処理回路の構成
円板状圧電振動子７によって受信されたパラメトリック超音波は、受信回路９において上述の受信処理がされた後、信号処理回路１２に入力される。後述するように、受信されるパラメトリック超音波の非線形周波数成分は、基本波成分に比べて、４０ｄＢ以上も音圧レベルが低いので、非線形周波数成分を抽出するために基本波成分を除去する必要がある。そこで、信号処理回路１２は、受信され受信処理されたパラメトリック受信信号の基本波成分及び不要な高次の高調波成分を除去するために用いられる。

信号処理回路１２は、図６に示すように、受信回路９の出力に接続される記憶回路１２Ａと、記憶回路１２Ａの出力に接続される帯域通過フィルタ１２Ｂとを有する。記憶回路１２Ａに入力されるパルス信号を検出するようにダブルパルス検出回路１２Ｃが接続され、ダブルパルス検出回路１２Ｃは、ダブルパルスを検出してリセット信号を発生し、記憶回路１２Ａにリセット信号を入力する。第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２の加算信号Ｓ_＋に対する受信加算信号Ｒ_＋と、Ｓ_＋とは位相が１８０°異なるＳ_＋から一定の遅延時間をもって生成される反転信号Ｓ₋に対する受信反転信号Ｒ₋が記憶回路１２Ａに入力される。Ｒ_＋に続いて、Ｒ₋が記憶回路１２Ａに入力されると、ダブルパルス検出回路１２Ｃは、ダブルパルスを検出し、リセット信号を発生する。

たとえば、ダブルパルス検出回路１２Ｃは、受信回路９から出力され信号処理回路１２に入力される信号を包絡線検波する機能を備えており、この機能によって得られた信号波形が、２つの包絡線パルスからなるダブルパルスの場合に、記憶回路１２Ａにリセット信号を返し、記憶回路１２Ａの記憶情報がリセットされる。一方、記憶回路１２Ａは、Ａ／Ｄ変換の機能と、２つの受信パルスのうち、１つめの受信パルスＲ_＋を入力した時にはＲ_＋波形を記憶し、２つめの受信パルスＲ₋を入力した時には記憶したＲ_＋を読み出し、これらの位相をそろえて加算する。

図７は、パラメトリック受信信号の基本波成分を除去する信号処理回路１２の機能ブロックを含めた信号の流れを示すシグナルフロー図である。信号処理回路１２は、信号発生回路３によって生成された、第１の周波数ｆ_１（＝ω_１／２π）の第１の超音波信号Ｓ_１と、第２の周波数ｆ_２（＝ω_２／２π）の第２の超音波信号Ｓ_２との加算信号Ｓ_＋＝Ｓ_１＋Ｓ_２、及びこの加算信号の反転信号Ｓ₋＝−（Ｓ_１＋Ｓ_２）が生体組織５内を伝搬し、異常組織６等で反射された超音波信号を受信し、受信回路９によって受信処理されたパラメトリック超音波の受信信号Ｒ_＋，Ｒ₋が入力される。反転信号Ｓ₋は、加算信号Ｓ_＋から、一定の遅延時間だけ遅れて送信される。したがって、Ｒ₋もＲ_＋から同じ遅延時間ｔ_ＤＬＹだけ遅れて受信される。ここで、加算信号Ｓ_＋に基づく受信信号Ｒ_＋、反転信号Ｓ₋に基づく受信信号Ｒ₋は、それぞれ以下のように表わされる。

Ｒ_＋＝Ｓ_＋＋αＳ_＋ ^２，Ｒ₋＝Ｓ₋＋αＳ₋ ^２

このように、生体組織５内を伝搬する超音波には、非線形成分Ｓ_＋ ^２，Ｓ₋ ^２が含まれる。そこで、上述のようにしてＲ_＋とＲ₋とを加算すると、基本波成分Ｓ_＋，Ｓ₋が打ち消されて非線形項αＳ_＋ ^２，αＳ₋ ^２のみを残すことができる。なお、Ｓ_＋とＳ₋とは互いに位相が反転しているだけの信号であり、２乗することによって、Ｓ_＋ ^２＝Ｓ₋ ^２の関係になり、加算することによって、振幅が２倍になることは言うまでもない。

信号処理回路１２から出力されるパラメトリック受信信号Ｒ＝Ｒ_＋＋Ｒ₋は、図７に示すように、

Ｒ_＋＋Ｒ₋＝２α＋２αＣＯＳ（ω_１−ω_２）ｔ^２
−α｛ｃｏｓ（２ω_１）ｔ＋ｃｏｓ（２ω_２）ｔ＋２ｃｏｓ（ω_１＋ω_２）ｔ^２
＋・・・｝

となり、基本波成分ω_１（＝２π・ｆ_１）、ω_２（＝２π・ｆ_２）を有した信号が除去される。

帯域通過フィルタ１２Ｂの中心周波数は、「差音」成分２αＣＯＳ（ω_１−ω_２）ｔ^２を抽出できる周波数に設定されている。よって、帯域通過フィルタ１２Ｂを通過した超音波信号は、基本波成分の高調波や非線形成分の高調波等も除去され、「差音」の周波数成分のみの信号を取り出すことができる。

２．超音波診断装置の動作原理及び動作
２−１．パラメトリック超音波信号の特長
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、水中を伝搬する超音波の音圧レベルと伝搬方向に沿った伝搬距離（以下、伝搬軸方向距離という。）との関係をシミュレーションによって計算したグラフである。超音波の伝搬媒体を水中としたのは、超音波診断装置において測定対象とする生体組織５と伝搬特性が類似するからである。図８（Ａ）は、０．９５ＭＨｚ（黒丸、実線）と１．０５ＭＨｚ（白丸、破線）の基本周波数を有する超音波を水中で伝搬させた場合をそれぞれ計算してプロットしたグラフである。これより、伝搬軸方向距離が長くなるにしたがって、音圧レベルが減衰することが示される。図８（Ｂ）は、１００ｋＨｚの周波数を有するパラメトリック超音波を水中に伝搬させた場合を計算してプロットしたグラフである。これより、伝搬軸方向距離が長くなっても、音圧レベルがほとんど減衰しないことが示される。

図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）は、超音波の伝搬方向に垂直な方向、すなわち超音波ビームの幅方向の距離（以下、ビーム幅方向距離という。）に対する超音波音圧レベルをシミュレーションによって計算したグラフである。図８（Ｃ）に示すように、基本周波数０．９５ＭＨｚ、１．０５ＭＨｚの超音波の基本波を水中で伝搬させた場合には、中心のピークに近接するサイドローブが発生しており、コントラスト分解能に関与するスペックルノイズが多くなることが示唆される。これに対して、図８（Ｄ）に示すように、１００ｋＨｚのパラメトリック超音波を水中に伝搬させた場合には、サイドローブの発生がなく、かつ、横方向分解能に寄与するビーム幅が、図８（Ｄ）の一点鎖線で示した１００ｋＨｚの基本波の超音波を水中に伝搬させた場合に比較してはるかに小さくなることを示している。

このように、１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波を用いることによって、超音波伝搬軸方向に沿って、すなわち生体組織内の深さ方向に対して超音波信号の分解能を上げて測定をすることができ、また同時に、コントラスト分解能に関係するサイドローブレベルが小さく、横方向分解能に影響するビーム幅も同じ周波数の基本波に比べはるかに良好であり、その結果、空間分解能と、コントラスト分解能に優れた超音波画像が得られることが示される。

２−２．超音波診断装置の動作
上述のようなパラメトリック超音波を生成するために、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、信号発生回路３によって２つの超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２を発生する。２つの超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２は、第１の周波数ｆ_１を開始周波数とし、ｆ_１＋Δｆ_１を終了周波数とする第１のチャープ信号Ｓ_１と、第２の周波数ｆ_２を開始周波数とし、ｆ_２＋Δｆ_２を終了周波数とする第２のチャープ信号Ｓ_２である。なお、これらのチャープ波は、図示されるように、所定のパルス幅Ｔと特定の周期をもって反復される。

信号発生回路３によって、生成された第１及び第２のチャープ信号Ｓ_１，Ｓ_２は、加算され、増幅されてリング状圧電振動子２を駆動する。リング状圧電振動子２によって送信された第１及び第２のチャープ信号Ｓ_１，Ｓ_２の加算信号Ｓ_＋は、生体組織５内をパラメトリック超音波として伝搬し、異常組織６等で反射される。なお、基本波成分除去動作のために、上述したように、加算信号Ｓ_＋とは１８０°位相の異なる反転信号Ｓ₋を生成して、Ｓ_＋との加算をする処理を行う必要があるが、簡単のために以下の説明では、加算信号Ｓ_＋に基づく信号処理の部分のみを取り出して説明することにする。

図９（Ｃ）は、上述した信号処理回路１２によって基本波成分等が除去され、差周波数成分が抽出されたパラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａの概略波形を示す。図９（Ｃ）に示すように、受信され、波形処理されたパラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａは、開始周波数｜ｆ_１−ｆ_２｜、終了周波数｜ｆ_１−ｆ_２｜＋｜Δｆ_１−Δｆ_２｜の周波数成分を有する。概略的に示されているように、パラメトリック受信信号は、メインピーク値に対してサブピーク値、すなわち時間軸サイドローブレベルが大きく、時間分解能、すなわち超音波伝搬軸方向分解能が低いので、これを改善させる必要がある。

図９（Ｄ）は、参照信号発生回路１１によって生成され出力される参照信号Ｓ_ｒｅｆの波形である。パラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａと参照信号Ｓ_ｒｅｆとの相互相関処理を行うことによって、図９（Ｅ）に示すようなメインピーク値Ｖ_ｍ1に対してサブピーク値Ｖ_ｓｉ（ｉは正の整数）を持つＳｉｎｃ関数波形形状のパルス圧縮波形が得られる。このパルス圧縮波形は小さな半値幅のメインピークＶ_ｍ１とその両側に、時間軸サイドローブＶ_ｓ２、Ｖ_ｓ３等を伴っている。もし、この時間軸サイドローブＶ_ｓ２、Ｖ_ｓ３等のピークレベルが、メインピークＶ_ｍ１のピーク値の１／１０以下であれば、この圧縮パルスのパルス幅はメインピークＶ_ｍ１の半値幅τ_ｐａｒａに等しくなり、この半値幅τ_ｐａｒａを狭めることによって超音波伝搬軸方向分解能を改善させる。パルス圧縮技術の詳細については、後述するが、パラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａの周波数と一致した周波数を有する参照信号Ｓ_ｒｅｆと、パラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａを乗算回路１０によって乗算することによって相互相関をとり、パルス圧縮を行う。パルス圧縮によって、図９（Ｅ）に概略的に示すように、パルス圧縮信号Ｒ_ｃｏｍｐの波形は、片側の極性において鋭いピークを有し、他方の側の極性において丸みを帯びた非線形信号独特の形状を呈する。実際には、メインピーク波Ｖ_ｍ１に相当する波形を有効に抽出するために、パラメトリック超音波を受信した段階で、あるいは、乗算回路１０で相互相関をとった後に、不要な周波数成分を除去する回路を挿入することが好ましい。

２−３．パルス圧縮技術
図１及び図９に示すように、パラメトリック受信信号Ｒ_ｐａｒａと、参照信号Ｓ_ｒｅｆとの相互相関をとることによって、パルス幅（あるいは半値幅）τ_ｃｏｍｐ（＝τ_ｐａｒａ）がより狭く、ピーク電圧Ｖｐが高い信号波形を生成することを、パルス圧縮技術という。十分パルス圧縮された信号波形が得られれば、より高い分解能を有する超音波画像信号データが得られる。

以下、図１の構成にしたがって、パルス圧縮技術の原理について説明する。

信号発生回路３から出力される駆動信号Ｄ（ｔ）（＝Ａ_ｔ・Ｖ_{ｔｒａｎｓ}（ｔ）、Ａ_ｔは、リング状圧電振動子２を駆動するための高電圧出力アンプである駆動回路３Ｄの電圧増幅率）、乗算回路１０に入力される参照信号をＳ_ｒｅｆ（ｔ）とする。

生体組織５内を伝搬する送信超音波４のパルス信号Ｓ_ＴＸ（ｔ）を、以下便宜的にＴ（ｔ）と表し、その周波数特性をＴ（ω）とし、また同様にして受信超音波パルス信号Ｓ_ＲＸ（ｔ）を、以下Ｒ（ｔ−τ）と表し、その周波数特性をＲ（ω）と表す。なお、周波数特性Ｔ（ω）及びＲ（ω）は、それぞれ時間特性Ｔ（ｔ）及びＲ（ｔ−τ）をフーリエ変換（ＦＦＴ処理）した関係にあるものとする。

この場合、受信超音波８のパルス信号Ｓ_ＲＸ（ｔ）の周波数特性Ｒ（ω）は、以下の（１）式のように表わされる。

Ｒ（ω）＝Ｔ（ω）・Ｆ（ω）・Ｈ_ｒ（ω） （１）

ここで、Ｆ（ω）は、生体組織５の伝達関数、Ｈ_ｒ（ω）は、受信用の円板状圧電振動子７の伝達関数である。

さらに、送信超音波４のパルス信号Ｓ_ＴＸ（ｔ）の周波数特性Ｔ（ω）は、以下の（２）式のように表わされる。

Ｔ（ω）＝Ｄ（ω）・Ｈ_ｔ（ω） （２）

ここで、Ｄ（ω）は、駆動信号Ｄ（ｔ）の周波数特性、Ｈ_ｔ（ω）は、送信用のリング状圧電振動子２の伝達関数である。

受信超音波８のパルス信号Ｓ_ＲＸ（ｔ）を円板状圧電振動子７で受信することにより受信回路９で得られる受信パルス信号Ｒ_ｐａｒａ（ｔ−τ）は、超音波受信のための円板状圧電振動子７により受信した受信超音波８のパルス信号Ｓ_ＲＸ（ｔ−τ）の周波数特性Ｒ（ω）として、以下の（３）式のように表わすことができる。

Ｒ_ｐａｒａ（ω）＝Ｒ（ω）・Ａ_ｒ（ω） （３）

受信回路９から出力される受信パルス信号Ｒ_ｐａｒａ（ｔ−τ）は、乗算回路１０に供給されて、駆動信号Ｄ（ｔ）と以下の関係のある参照信号Ｓ_ｒｅｆ（ｔ）との間で相互相関処理が行われる。

なお、（３）式におけるＡ_ｒ（ω）は、受信回路９の電圧増幅率の周波数特性であり、ここでは、高調波成分を含む周波数帯域において一定であるものとする。また、Ｒ_ｐａｒａ（ω）は、Ｒ_ｐａｒａ（ｔ−τ）の周波数特性である。

また、（２）式におけるＤ（ω）は下式（４）で表される。

Ｄ（ω）＝Ｓ_＋（ω）・Ａ_ｔ（ω） （４）

ここで、Ａ_ｔ（ω）は、信号発生回路３に備えられた駆動回路３Ｄの電圧増幅率の周波数特性であり、ここでは、第１及び第２の超音波信号発生器３Ａ，３Ｂより生成される加算信号Ｓ_＋（ｔ）の周波数特性Ｓ_＋（ω）の帯域内において一定であるものとする。以上より、以下の（５）式を得る。

Ｒ_ｐａｒａ（ω）＝Ｈ_ｔ（ω）・Ｄ（ω）・Ｆ（ω）・Ｈ_ｒ（ω）・Ａ_ｒ（ω）（５）

ここで、加算信号Ｓ_＋（ｔ）の周波数特性Ｓ_＋（ω）は、以下の（６）式のように表わすことができる。

Ｓ_＋（ω）＝Ｄ（ω）／Ａ_ｔ （６）

ここで、Ａ_ｔ、Ａ_ｒは、定数である。

次に、相互相関関数Ｒ_ｘｙ（ｊ）を考える。相互相関関数Ｒ_ｘｙ（ｊ）は、信号ｘ（ｔ），ｙ（ｔ）の離散データをｘ（ｉ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１），ｙ（ｉ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）とすると、以下の（７）式にて定義される。

ここで、ｘ（ｉ）＝Ｓ_ｒｅｆ（ｔ）、ｙ（ｉ＋ｊ）＝Ｒ_ｐａｒａ（ｔ−τ）と置くと、Ｒ_ｘｙ（ｊ）＝Ｒ_ｘｙ（τ）となる。なお、Ｓ_＋（ｔ）、Ｒ_ｐａｒａ（ｔ−τ）は、Ｓ_＋（ω）、Ｒ_ｐａｒａ（ω）をフーリエ逆変換して求めたものである。

（７）式を参照することにより、Ｒ_ｘｙ（τ）は、Ｓ_ｒｅｆ（ｔ）とＲ_ｐａｒａ（ｔ−τ）間の類似度が上がるほど、位相τにおける値が１に近づいていき、同時に位相τにおけるメインピークの半値幅Δｔが狭くなることを示す。したがって、位相τの値の精度が高まることになる。なお、Ｓ_ｒｅｆ（ｔ）とＲ（ｔ）の波形の類似度はＳ_ｒｅｆ（ω）とＲ_ｐａｒａ（ω）の類似度、すなわち相互相関対象の信号の周波数特性の類似度と考えてもよい。

さらに、送信パルス信号Ｄ（ｔ）をチャープ波とする。チャープ波送信パルス信号ｐ（ｔ）は、振幅Ｐ_０として、以下の（８）式で表すことができる。

ここで、ω_ｓ（＝２πｆ_ｓ）は初期角周波数（ｆ_ｓは初期周波数）、Ｔは掃引時間、μは角周波数掃引率である。また、ｆ_ｅを最終周波数、２πΔｆを掃引角周波数とすると、μ＝Δω／Ｔ＝２π（ｆ_ｅ−ｆ_ｓ）／Ｔの関係にある。チャープ波のパルス圧縮比はＴΔｆで与えられ、Δｆを大きくするほどパルス幅は狭くなり、さらに伝搬軸方向分解能を高めることができる。

なお、パルス圧縮の効果があるのは、周波数変調信号であるチャープ波の他、位相変調信号、すなわち符号化系列信号であるバーカー（Barker）系列信号、相補系列信号、Ｍ系列信号などでも同様の効果があるが、チャープ波を用いた場合に、最もＳＮ比を高くすることができ好ましい。

３．第２の実施の形態における超音波診断装置の構成例
次に本発明が適用された超音波診断装置の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態による超音波診断装置は、パラメトリック超音波信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善するためのもう１つの物理量である位相シフト量を使って、超音波診断イメージを得るものである。

図１０には、超音波診断装置１０１Ｂの構成例のブロック図を示す。第１の実施の形態の超音波診断装置（図１）と同一の構成要素については、同一の名称及び符号を付す。

本発明が適用された超音波診断装置１０１Ｂは、図１０に示すように、超音波を発生する信号発生回路３Ｅと、生成された超音波を生体組織５内に送信するリング状圧電振動子２と、生体組織５内の異常組織６等からの超音波の反射を受信する円板状圧電振動子７とを備える。また、超音波診断装置１０１Ｂは、円板状圧電振動子７で受信した超音波信号の信号処理をする受信回路９と、受信回路９によって受信処理された超音波信号の基本波成分を除去する第１の信号処理回路１２Ｄと、参照信号発生回路１１によって生成された参照信号Ｓ_ｒｅｆと、第１の信号処理回路１２Ｄから出力される信号ｒ（ｔ）との積を計算する乗算回路１０と、乗算回路１０の出力から位相情報を抽出する第２の信号処理回路１２Ｅとを備える。また、超音波診断装置１０１Ｂは、生体組織５内に送信する超音波の位置を特定し、位置特定信号を生成する位置特定センサ３０と、位置特定センサ３０の位置情報データ及び乗算回路１０の演算結果データを処理して画像信号を生成する画像処理回路１３とを備える。好ましくは、画像処理回路１３の画像信号データを入力して画像を表示するディスプレイ１４を備える。

リング状圧電振動子２と円板状圧電振動子７とは、第１の実施の形態と同様に、好ましくは、一体化されて超音波トランスデューサ１を構成し、超音波トランスデューサ１は、より好ましくは、受信回路９と一体化されて探触子（プローブ）の主要部をなす。

信号発生回路３Ｅは、第１の中心周波数ｆ_１を有する第１の超音波信号Ｓ_１を生成する第１の信号発生部３Ｆと、第２の中心周波数ｆ_２を有する第２の超音波信号Ｓ_２を生成する第２の信号発生部３Ｇと、第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２を加算する加算器３Ｈとを有する。第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２は、それぞれ同一の位相δｓを有する。信号発生回路３Ｅは、第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２を加算器３Ｈにより加算して、加算信号Ｓ_＋＝Ｓ_１＋Ｓ_２を生成し、それぞれ所定の電圧増幅を行った後、送信用の振動子であるリング状圧電振動子２を駆動する。さらに、信号発生回路３Ｅは、第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２を参照信号発生回路１１に供給する。供給された信号に基づいて参照信号発生回路１１は、差周波数｜ｆ_１−ｆ_２｜の周波数成分と、位相δ_Ｓとを有する参照信号Ｓ_ｒｅｆ＝ｓｉｎ｛（ω_１−ω_２）（ｔ−δｓ）｝を生成する。

受信回路９は、生体組織内を伝搬してきた超音波信号を受信する円板状圧電振動子７により変換された圧電信号をインピーダンス変換し、増幅して後段回路に渡す。好ましい構成は、第１の実施の形態の１−４項において説明したものと同様である。

第１の信号処理回路１２Ｄは、受信されたパラメトリック超音波信号のうち基本波成分を除去し、差周波数成分のみを抽出する。第１の信号処理回路１２Ｄの構成は、第１の実施の形態において説明した記憶回路１２Ａ等に加えて、以下に限るものではないが、図１１に示すような構成としてもよい。第１の信号処理回路１２Ｄは、パラメトリック信号以外の信号を除去するために受信回路９の出力に接続された帯域通過フィルタ９１と、超音波の深達距離による音圧レベルの減衰を補う対数増幅回路９２と、距離減衰を補正し、特定の距離範囲の輝度を増減させる調整をするＳＴＣ（Sensitivity Time Control）回路９４とを縦続に接続して含むのが好ましい。

第２の信号処理回路１２Ｅは、図１１に示すように、乗算回路１０からの出力信号の位相情報を抽出する位相検波回路６３と、位相検波回路６３の出力から周波数特性を有する部分を除去する低域通過フィルタ６４とを有する。

位置特定センサ３０は、たとえば磁気センサやエンコーダを用いて構成され、超音波トランスデューサ１の物理的位置を特定し、位置特定情報データを生成して画像処理回路１３に送る。

画像処理回路１３は、伝搬方向の空間分解能が改善された超音波信号データと、位置特定センサ３０によって生成された位置情報信号データとを入力して、画像表示するための画像信号を生成し、この画像信号にしたがって超音波画像データを生成する。画像処理回路１３は、たとえば、スキャンコンバータ６５により実現される。なお、画像処理回路１３から出力される超音波画像データを、上述のように、ディスプレイ１４で動画、静止画として表示してもよいが、データを加工し、あるいはそのまま他の媒体、たとえば外部記憶装置に記憶させたり、プリンタで印刷出力するようにしてもよいのは第１の実施の形態と同様である。

図１２にしたがって、第２の実施の形態に係る超音波診断装置１０１Ｂの動作について説明する。図１２は、超音波診断装置１０１Ｂの各機能ブロックによって生成、加工等された信号の流れを示すシグナルフローチャートである。なお、基本波成分除去動作のために、加算信号Ｓ_＋とは１８０°位相の異なる反転信号Ｓ₋を生成して、Ｓ_＋との加算をする処理を第１の信号処理回路１２Ｄを用いて行う必要があるが、簡単のために以下の説明では、加算信号Ｓ_＋に基づく信号処理の部分のみを取り出して説明することにする。

信号発生回路３Ｅ内の第１の信号発生回路３Ｆによって、第１の中心周波数ｆ_１（＝ω_１／２π）の第１の超音波信号Ｓ_１が生成され、第２の信号発生回路３Ｇによって、第２の中心周波数ｆ_２（＝ω_２／２π）の第２の超音波信号Ｓ_２が生成され、これらを加算器３Ｈによって加算し、加算信号Ｓ_＋＝Ｓ_１＋Ｓ_２が生成される。この加算信号Ｓ_＋は、所定の電圧に電圧増幅された送信信号ｓ（ｔ）として送受信一体型の超音波トランスデューサ１のリング状圧電振動子２に印加され、生体組織５内に送信される。

ｓ（ｔ）＝Ａ_Ｓ・ｓｉｎ（ω_Ｓｔ−δ_Ｓ）

ここで、Ａ_Ｓは、電圧振幅を表わし、本実施の形態の周波数領域においては、一定値であるものとする。δ_Ｓは、第１及び第２の超音波信号Ｓ_１，Ｓ_２の初期位相を表わす。

異常組織６の境界で反射されたパラメトリック超音波信号は、受信用の円板状圧電振動子７によって受信され、電気信号に変換され、第１の信号処理回路１２Ｄ等で、基本波成分が除去される。この受信処理されたパラメトリック超音波のｒ（ｔ）は、以下のように表わされる。

ｒ（ｔ）＝Ａ_ｒ・ｓｉｎ｛ω_Ｓ（ｔ−τ）−δ_Ｓ｝
＝Ａ_ｒ・ｓｉｎ｛ω_Ｓｔ−δ_Ｓ−φ（ｚ）｝，
ω_Ｓ＝ω_２−ω_１

ここで、τは超音波伝搬時間、φ（ｚ）は位置ｚにおける位相である。なお、Ａ_ｒは、受信回路の電圧増幅率であり、本実施の形態の周波数帯域において一定値であるものとする。φ（ｚ）は、音速の異なる組織を通過するごとに変化する。したがって、φ（ｚ）の値で位置情報に基づいてマッピングすることによって、超音波診断像を構築することができる。

そして、受信信号ｒ（ｔ）に、参照信号Ｓ_ｒｅｆ＝Ａ_１・ｓｉｎ（ω_Ｓｔ−δ_Ｓ）を、乗算回路１０によって乗算することによって、以下の形式の信号を得る。

Ａ_ｒＡ_１［ｓｉｎ｛２（ω_Ｓｔ−δ_Ｓ）−φ（ｔ）｝＋ｓｉｎφ（ｚ）］

さらに、この信号を低域通過フィルタに通すことによって周波数に依存しないｓｉｎφ（ｚ）なる成分を抽出することができる。すなわち、生体組織５の情報であるｓｉｎφ（ｚ）と超音波振動子の位置情報とから画像処理回路１３によって画像処理し、生成された画像信号によってディスプレイ１４に画像表示して、超音波診断像が得られる。

以上のように、パラメトリック受信信号の位相情報を用いて超音波画像構築する方法は、１サイクル内の位相が周波数に関係なく０°〜３６０°変化するものであり、１００ｋＨｚ程度の低い周波数でもＭＨｚオーダの分解能を実現できるとの考え方に基づくものである。第２の実施の形態では、第１の実施の形態の構成例よりも、より簡易な構成で、超音波伝搬軸方向の空間分解能を改善させることができる。

４．第３の実施の形態における超音波診断装置の構成例
本発明が適用された超音波診断装置は、上述のように受信したパラメトリック超音波信号を有線で信号処理回路等に伝送し、画像信号処理等することに限らず、パラメトリック信号が比較的低い周波数であることを活かして、無線通信インタフェースに対する負担の少ない無線信号伝送を行うことができる。

図１３は、本発明が適用された超音波診断装置の第３の実施の形態の構成例のブロック図である。超音波受信信号を無線で遠隔地に伝送したり、病院内において同時に複数の医師が超音波像をその医師の好みに応じて超音波イメージを構築し、超音波診断することができる。

本発明が適用された超音波診断装置１０１Ｃは、図１３に示すように、上述した第１の実施の形態における、リング状圧電振動子２及び円板状圧電振動子７を含む超音波トランスデューサ１と、信号発生回路３と、受信回路９と、位置特定センサ３０とを備える。第１の実施の形態と相違するのは、受信回路９によって受信処理されたパラメトリック受信信号をデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器７１と、位置特定センサによって生成された超音波トランスデューサ１の位置特定情報をデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器７２と、第１及び第２のＡ／Ｄ変換器７１，７２によって、パラメトリック受信信号をデジタル信号に変換し、その変換信号でキャリア信号を適切に変調し、符号化し、無線送信する送信用無線通信インタフェース７３と、無線送信されたデジタルパラメトリック信号を無線受信し、有線信号に変換する受信用無線通信インタフェース７４を備える。無線伝送されたデジタルパラメトリック受信信号は、第１の実施の形態において詳細に説明した信号処理回路１２と、参照信号発生回路１１と、乗算回路１０と、画像処理回路１３とによって超音波画像データを形成し、ディスプレイ１４によって超音波画像を表示する。

本実施の形態であつかうパラメトリック超音波信号は１００ｋＨｚ程度であり、オーバサンプリングを含めたサンプリング周波数は、１ＭＨｚ程度である。１データを１２ビットで表す場合には、必要な無線伝送速度は１２Ｍｂｐｓあれば実現することができる。近年実用が進んでいるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、ＷｉＦｉ（ＷｉＦｉ）等の無線方式では、これらの伝送速度を満たすので、本発明の超音波診断装置に無線通信インタフェースとして用いることによって、小型、低消費電力の無線通信を実現することができる。

なお、上述では、第１の実施の形態の構成、すなわち、パルス圧縮技術を用いた超音波伝搬軸方向分解能改善手法の構成に、無線通信インタフェースを適用した例について説明したが、第２の実施の形態の構成、すなわち位相検波技術を用いた超音波診断装置に無線通信インタフェースを適用してもよいのはもちろんである。

また、上述では図式を簡明にするために、受信側の通信インタフェース７４を１つだけ用意する場合について説明をしたが、受信側の通信インタフェースを複数用いることによって、複数の医師が、それぞれ複数のディスプレイを用いて所望の超音波画像処理を行いながら超音波診断を行うことができる。

５．第４の実施の形態における超音波診断装置の構成例
本発明の超音波診断装置では、上述した無線通信インタフェースとして、アナログ方式の無線通信インタフェースを用いることができ、この場合について、以下に説明する。

本発明が適用された第４の実施の形態では、超音波受信信号を、アナログ信号、たとえばＦＭ信号として送信、受信、復調し、この復調信号を用いて最終的に超音波診断イメージを構築することができる。特に、以下に詳述するように、受信用の圧電振動子に、静電容量型、たとえばｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer、静電容量型マイクロマシンプロセスを用いて製造した超音波トランスデューサ）を用いることによって、自らの容量が受信超音波の信号強度に対応した静電容量変化することを利用して、非常に簡単な構成で周波数変調回路を構成することができる。

図１４に示すように、本発明の超音波診断装置１０１Ｄは、発振部７５Ａ及び発振部７５Ａに接続された共振コイル７５Ｂを有する発振回路７５と、無線通信インタフェース７６，７８と、復調回路７９とを備える。

超音波診断装置１０１Ｄでは、超音波トランスデューサ１の少なくとも受信用に用いる円板状圧電振動子７が静電容量型であり、静電容量型の超音波振動子では超音波受信が無い場合に、静電容量Ｃ_０を有している。静電容量型の超音波振動子の静電容量Ｃ_０は、発振部７５Ａに接続された共振コイル７５Ｂとともに、発振回路７５を構成し、発振回路７５は、周波数ｆ_０＝（１／２π）・（Ｌ・Ｃ_０）^−１／２で発振する。この発振信号がＦＭ信号のキャリア信号となる。

超音波受信時は静電容量Ｃ_０がＣ_０±ΔＣ_０に変化するので、発振回路７５は、静電容量Ｃ_０の変化に応じてｆ_０±Δｆ_０の周波数で発振する。すなわち、周波数ｆ_０のキャリア信号に対しΔｆ_０の周波数変調（ＦＭ）がかかったことになる。

このようにして、このＦＭ信号をアナログ信号のまま、無線通信インタフェース７６，７８に含まれる送信及び受信アンテナ回路で無線伝送することができる。さらに、無線伝送された信号は、復調回路７９によってパラメトリック受信信号に復調され上述したように、信号処理回路１２等によって信号処理され、信号処理された信号ｒ（ｔ）と、参照信号Ｓ_ｒｅｆとの間で乗算回路１０によって相互相関処理を受信側で行い、パルス圧縮信号を生成する。一方、超音波トランスデューサ１の位置特定信号も、上述の無線通信インタフェース７６，７８によって、位置信号が変調、復調され、パルス圧縮信号と位置特定信号とを用いて画像処理する。増幅回路と送信アンテナと受信アンテナと増幅回路を含む無線通信インタフェースによってデータ伝送を行う。最後にディスプレイ１４等によって画像表示等される。

なお、変調回路をＲＣ発振回路によって構成した場合には、共振コイル７５Ｂの代わりに直流抵抗Ｒを用いるようにすればよい。

上述したＦＭ変調を利用するほか、他のアナログ方式の無線伝送方式、たとえばＡＭ変調としてもよく、位相変調方式も用いることができるのは言うまでもない。

また、空間分解能を改善させる機能を実現するのに、パルス圧縮技術に限らず、第２の実施の形態において説明した位相検波技術を用いてもよいのはもちろんである。

１ 超音波トランスデューサ、２ リング状圧電振動子、３，３Ｅ 信号発生回路、３Ａ，３Ｂ，３Ｆ，３Ｇ 信号発生部、３Ｃ，３Ｈ 加算器、３Ｄ 駆動回路、４ 送信超音波、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 接続導通配線、５ 生体組織、５Ａ 超音波伝搬媒体、 ７ 円板状圧電振動子、８ 受信超音波、９ 受信回路、９Ａ チャージアンプ回路、９Ｂ フィルタ回路、１０ 乗算回路、１１ 参照信号発生回路、１２，１２Ｄ，１２Ｅ 信号処理回路、１２Ａ 記憶回路、１２Ｂ 帯域通過フィルタ、１２Ｃ ダブルパルス検出回路、１３ 画像処理回路、１４ ディスプレイ、３０ 位置特定センサ、１５ ハウジング、１６ 金属バッキング板、１７，２７，２８ 接地電極、１８ 接続用電極、１９，２０ コネクタ、２１，２２ 接続用配線、２３ 内部接地配線、２４，２５ 内部接続配線、２６ 外部接地配線、２９ 間隙、３２，３３ 金属電極、３４ ポリプロピレン樹脂、３５ セル、６３ 位相検波回路、６４ 低域通過フィルタ、７１，７２ Ａ／Ｄ変換器、７３，７４，７６，７８ 無線通信インタフェース、７５ 発振回路、７５Ａ 発振部、７５Ｂ 共振コイル、７９ 復調回路、９１ 帯域通過フィルタ、９２ 対数増幅器、９４ ＳＴＣ回路、１０１Ａ〜１０１Ｄ 超音波診断装置

Claims (15)

1. 第１の周波数特性を有する第１の駆動信号と、第２の周波数特性を有する第２の駆動信号との加算駆動信号を形成し、該加算駆動信号を超音波信号に変換し、該超音波信号を被測定媒体内に向けて送信し、上記被測定媒体内に、上記加算駆動信号の第１の駆動信号成分によって発生する第１の超音波信号、及び該加算駆動信号の第２の駆動信号成分によって発生する第２の超音波信号の伝搬とともに周波数が１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波信号を発生させて伝搬させる超音波送信手段と、
   多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状又は薄板状の圧電振動子を含み、上記被測定媒体内を伝搬するパラメトリック超音波信号を受信し、パラメトリック受信信号に変換する超音波受信手段と、
   上記パラメトリック受信信号から基本波成分を除去する基本波成分除去手段と、
   上記基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させる空間分解能改善手段と、
   上記空間分解能が改善されたパラメトリック受信信号に基づいて超音波画像を形成する信号処理手段とを備える超音波診断装置。
2. 上記超音波送信手段は、環状のコンポジット圧電振動子を含み、
   上記超音波受信手段は、上記圧電振動子として上記超音波送信手段の環状内径部に配設される多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状圧電振動子を含み、
   上記コンポジット圧電振動子及び上記膜状圧電振動子は、一体として形成された超音波トランスデューサであることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 上記超音波受信手段は、上記膜状圧電振動子による電荷信号を電圧信号に変換するチャージアンプ手段と、該チャージアンプ手段からの電圧信号からノイズを除去するフィルタ手段とを有することを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 上記空間分解能改善手段は、参照信号を生成する参照信号生成手段と、上記パラメトリック受信信号と該参照信号とを演算する演算手段とを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波診断装置。
5. 上記演算手段は、上記参照信号と上記パラメトリック受信信号との相互相関処理を行うパルス圧縮手段であることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
6. 上記第１の駆動信号及び第２の駆動信号は、チャープ信号であることを特徴とする請求項５記載の超音波診断装置。
7. 上記演算手段は、上記パラメトリック受信信号の位相を検出する位相検出手段であることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
8. 上記位相検出手段は、上記パラメトリック受信信号に、該パラメトリック受信信号と同じ周波数を有する参照信号を乗算する乗算器と、該乗算された信号の位相を検波する位相検波手段と、該位相検波手段から出力された信号を処理する低域通過フィルタ手段とを含むことを特徴とした請求項７記載の超音波診断装置。
9. 上記基本波成分除去手段は、上記第１の駆動信号及び第２の駆動信号を加算することにより形成された第１の加算駆動信号と、該第１の加算駆動信号の位相を反転した第２の加算駆動信号とを、上記超音波送信手段によって順次送信し、上記被測定媒体を介して順次受信された、該第１の加算駆動信号に対応した第１のパラメトリック受信信号と、該第２の加算駆動信号に対応した第２のパラメトリック受信信号とを同位相で加算することによって、基本波成分を除去することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
10. 上記基本波成分除去手段は、所定の周波数を中心周波数とする帯域通過フィルタを含むことを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
11. 第１の周波数特性を有する第１の駆動信号と、第２の周波数特性を有する第２の駆動信号との加算駆動信号を形成し、該加算駆動信号を超音波信号に変換し、該超音波信号を被測定媒体内に向けて送信し、上記被測定媒体内に、上記加算駆動信号の第１の駆動信号成分によって発生する第１の超音波信号、及び該加算駆動信号の第２の駆動信号成分によって発生する第２の超音波信号の伝搬とともに周波数が１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波信号を発生させて伝搬させる超音波送信手段と、
    多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状又は薄板状の圧電振動子を含み、上記被測定媒体内を伝搬するパラメトリック超音波信号を受信し、パラメトリック受信信号に変換する超音波受信手段と、
    上記受信されたパラメトリック受信信号を無線信号に変換し送信する無線送信インタフェース手段と、該送信された無線信号を受信し有線受信信号に変換する無線受信通信インタフェース手段とを有する無線通信インタフェース手段と、
    上記変換されたパラメトリック受信信号から基本波成分を除去する基本波成分除去手段と、
    上記基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させる空間分解能改善手段と、
    上記空間分解能が改善されたパラメトリック受信信号に基づいて超音波画像を形成する信号処理手段とを備える超音波診断装置。
12. 上記無線インタフェースは、上記超音波受信手段に接続され、所定の周波数によって該超音波受信手段から出力される信号で発振する発振回路と、該発振回路の出力信号を送信する送信アンテナと、該送信アンテナから送信されてきた信号を受信する受信アンテナと、該受信アンテナから伝送される受信信号を復調して上記空間分解能改善手段に供給する復調回路とを含むことを特徴とする請求項１１記載の超音波診断装置。
13. 上記超音波受信手段は、静電容量型超音波振動子であり、該静電容量型超音波振動子が有する静電容量と直流抵抗又は共振コイルとで決まる周波数の発振信号を生成する発振回路と、該発振回路で生成される信号を無線信号として送信するアンテナ回路と、該発振回路及びアンテナ回路に電力を供給する電源端子とを有することを特徴とする請求項１１記載の超音波診断装置。
14. 上記無線通信インタフェースは、上記パラメトリック受信信号を、アナログ−デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段によってデジタル化されたパラメトリック受信信号を無線送信する送信アンテナと、該送信アンテナによって送信された信号を受信する受信アンテナと、該受信アンテナによって受信されたデジタル符号化された該パラメトリック受信信号をアナログ信号に変換する復号手段とを含むことを特徴とする請求項１１記載の超音波診断装置。
15. 音波送信手段が、第１の周波数特性を有する第１の駆動信号と、第２の周波数特性を有する第２の駆動信号との加算駆動信号を形成し、該加算駆動信号を超音波信号に変換し、該超音波信号を被測定媒体内に向けて送信するステップと、
    多孔質ポリプロピレン樹脂によって形成された膜状又は薄板状の圧電振動子を含む超音波受信手段が、上記加算駆動信号の第１の駆動信号成分によって発生する第１の超音波信号、及び該加算駆動信号の第２の駆動信号成分によって発生する第２の超音波信号の伝搬とともに上記被測定媒体内に発生して伝搬する周波数が１００ｋＨｚ程度のパラメトリック超音波信号を受信し、パラメトリック受信信号に変換するステップと、
    基本波成分除去手段が、上記パラメトリック受信信号から基本波成分を除去するステップと、
    空間分解能改善手段が、上記基本波成分が除去されたパラメトリック受信信号の超音波伝搬方向の空間分解能を改善させるステップと、
    信号処理手段が、上記空間分解能が改善されたパラメトリック受信信号に基づいて超音波画像を形成するステップとを有する超音波診断装置の作動方法。

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