JP6326716B2

JP6326716B2 - 超音波画像診断装置

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Publication number: JP6326716B2
Application number: JP2013041380A
Authority: JP
Inventors: 谷口　哲哉; 哲哉谷口
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2018-05-23
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Description

本発明は、超音波画像診断装置に関する。

従来の超音波画像診断装置は、超音波探触子によって、生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信し、受信した超音波（反射超音波）から受信信号に変換し、これに基づいて超音波画像を表示する。反射超音波は被検体内の状態を示す情報を含んでいるため、良質な反射超音波を得ることが良質な超音波画像を得るために重要となっている。受信信号に対する信号処理等によって超音波画像の画質を向上させることはできるが、本質的には、送信超音波が良質であることが望ましい。

良質である送信超音波とは、分解能に優れたものであるといわれている。高い分解能を得るためには送信超音波のパルス幅が短いことが要求される。すなわち、送信超音波の周波数帯域を広帯域とするか、送信超音波の周波数を高周波とすることにより短パルス化を実現することができる。

このような状況に鑑み、従来の超音波画像診断装置において、所望とする送信超音波の波形とするために、送信信号の波形を任意に調整するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００８−４３７２１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、高分解能の超音波画像を得るために、任意波形を形成するものや、回路を使った波形の形成の制御が必要であり、高精度且つ高価な送信駆動装置を備える必要がある。一方、コストを抑えた小型で低価格の超音波画像診断装置ではこのような高価な送信駆動装置を採用することができず、画質面での妥協を余儀なくされていた。

本発明の課題は、コストを抑えて高分解能を維持することができる超音波画像診断装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、パルス信号の入力によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する超音波探触子と、
矩形波である駆動波形のパルス信号を出力することにより前記超音波探触子に前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記パルス信号は、４値又は５値の矩形波であり、周波数パワースペクトルが、
前記超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域に含まれる周波数帯域であって、当該送信周波数帯域の中心周波数よりも低周波側に第１の強度ピーク、当該中心周波数よりも高周波側に第２の強度ピークを有し、
且つ、前記第１の強度ピークと前記第２の強度ピークとの間の周波数領域全体における強度は、前記第１又は第２の強度ピークの強度の最大値を基準として−２０ｄＢ以上となるようにデューティー比が設定されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、それぞれ駆動波形の異なるパルス信号を同一走査線上に時間間隔をおいて複数回出力し、
前記複数回のパルス信号によって生成された前記送信超音波の前記反射超音波から得られた各受信信号を合成し、合成したパルス信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置において、
前記パルス信号の周波数パワースペクトルは、複数のうちの少なくとも何れか一つの前記強度ピークにおける周波数成分の強度が、前記超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数の周波数成分の強度よりも大きいことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記パルス信号の周波数パワースペクトルは、前記超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数よりも高周波側に前記送信周波数帯域に含まれる２以上の強度ピークを有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記超音波探触子は、−２０ｄＢの比帯域が１１０％以上であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記第１の強度ピークは１２．３ＭＨｚよりも低周波数側にあり、前記第２の強度ピークは１２．３ＭＨｚよりも高周波数側にあることを特徴とする。

本発明によれば、コストを抑えて高分解能を維持することができる。

超音波画像診断装置の外観構成を示す図である。超音波画像診断装置の概略構成を示すブロック図である。送信部の概略構成を示すブロック図である。パルス信号の駆動波形について説明する図である。超音波探触子の送信帯域とパルス信号の駆動波形との関係について説明する図である。超音波探触子の送信帯域について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。パルス信号の駆動波形と周波数解析結果について説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。送信超音波のスペクトルについて説明する図である。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波画像診断装置について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態に係る超音波画像診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、超音波画像診断装置本体１と超音波探触子２とを備えている。超音波探触子２は、図示しない生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。超音波画像診断装置本体１は、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に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波探触子２にて受信した被検体内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号である受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

超音波探触子２は、圧電素子からなる振動子２ａを備えており、この振動子２ａは、例えば、方位方向に一次元アレイ状に複数配列されている。本実施の形態では、例えば、１９２個の振動子２ａを備えた超音波探触子２を用いている。なお、振動子２ａは、二次元アレイ状に配列されたものであってもよい。また、振動子２ａの個数は、任意に設定することができる。また、本実施の形態では、超音波探触子２について、リニア走査方式の電子スキャンプローブを採用したが、電子走査方式あるいは機械走査方式の何れを採用してもよく、また、リニア走査方式、セクタ走査方式あるいはコンベックス走査方式の何れの方式を採用することもできる。また、本実施の形態では、高分解能の送信超音波を得るべく、広帯域での超音波の送信を良好な感度にて行うことのできる超音波探触子を適用するのが効果が高く、より良質な超音波画像を取得することができる。超音波探触子における帯域幅は任意に設定してもよいが、−２０ｄＢの比帯域が１１０％以上であるのが好ましい。

超音波画像診断装置本体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、画像生成部１４と、画像処理部１５と、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）１６と、表示部１７と、制御部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の個人情報等のデータの入力などを行うための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備えており、操作信号を制御部１８に出力する。

送信部１２は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２にケーブル３を介して電気信号である駆動信号を供給して超音波探触子２に送信超音波を発生させる回路である。より具体的には、送信部１２は、図３に示すように、例えば、クロック発生回路１２１、パルス発生回路１２２、デューティー設定部１２３及び遅延回路１２４を備えている。

クロック発生回路１２１は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。
パルス発生回路１２２は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。パルス発生回路１２２は、例えば、図４に示すように、５値（＋ＨＶ／＋ＭＶ／０／−ＭＶ／−ＨＶ）の電圧を切り替えて出力することにより、矩形波によるパルス信号を発生させることができる。このとき、パルス信号の振幅については、正極性及び負極性で同一となるようにしたが、これに限定されない。本実施の形態では、５値の電圧を切り替えてパルス信号を出力するようにしたが、５値に限定されず、適宜の値に設定することができるが、５値以下が好ましい。これにより、低コストで周波数成分の制御の自由度を向上させることができ、より高分解能である送信超音波を得ることができる。
デューティー設定部１２３は、パルス発生回路１２２から出力されるパルス信号のデューティー比を設定する。すなわち、パルス発生回路１２２は、デューティー設定部１２３によって設定されたデューティー比に従ったパルス波形によるパルス信号を出力する。デューティー比は、例えば、操作入力部１１による入力操作により可変することができる。

本実施の形態では、デューティー設定部１２３は、超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数の低周波側及び高周波側にそれぞれ超音波探触子２の送信周波数帯域に含まれるピークが発生するようなパルス信号のデューティー比を設定する。このとき、デューティー設定部１２３は、超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域における感度が−２０ｄＢ以上となるようにパルス信号のデューティー比を設定する。

ここで、図５を参照してより具体的に説明する。図５（ａ）は、超音波探触子２の送信帯域形状Ｐｒの一例を表している。図５（ｂ）は、送信部１２により出力されるパルス信号の駆動波形の一例を表している。図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示されるパルス信号を周波数解析（ＦＦＴ）した周波数パワースペクトルを表している。図５（ｄ）は、超音波探触子２から出力された送信超音波を周波数解析（ＦＦＴ）した結果を表している。
例えば、図５（ａ）に示すような超音波探触子２は、ピーク周波数が１４．２ＭＨｚ、−２０ｄＢにおける下限周波数（ＦＬ２０）が３．４ＭＨｚ、上限周波数（ＦＨ２０）が２１．２ＭＨｚ、中心周波数（ＦＣ２０）が１２．３ＭＨｚ、−２０ｄＢの比帯域が１４５％である。
この超音波探触子２に対して、例えば、図５（ｂ）に示すような駆動波形を有するパルス信号Ｓｇを与える。このパルス信号Ｓｇは、矩形波からなり、５値の電圧を切り替えることにより生成することができる。このパルス信号Ｓｇを周波数解析して得られる周波数パワースペクトルは、図５（ｃ）に示すように、超音波探触子２の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数（ＦＣ２０）よりも低周波側に１つの強度ピーク（ＰＫ１：５．８ＭＨｚ）を有し、高周波側に２つの強度ピーク（ＰＫ２：１３．２ＭＨｚ、ＰＫ３：１９．２ＭＨｚ）を有していることがわかる（なお、解析結果を図５（ｃ）中、Ｓｆで示す）。すなわち、図５（ａ）に示すような特性を有する超音波探触子２に図５（ｂ）に示すような駆動波形を有するパルス信号を与えると、超音波探触子２の送信周波数帯域（ＦＬ２０−ＦＨ２０）の中心周波数（ＦＣ２０）の低周波側及び高周波側にそれぞれ超音波探触子２の送信周波数帯域に含まれるピーク（ＰＫ１〜ＰＫ３）が発生することがわかる。このとき、各強度ピークにおける強度（Ｐ１：３．８ｄＢ、Ｐ２：２．０ｄＢ、Ｐ３：１．４ｄＢ）は、超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度（１．１ｄＢ）よりも大きくなっている。また、各強度ピークの間の周波数領域における強度は、強度ピークの強度の最大値であるＰＫ１における強度を基準として−２０ｄＢ以上となっている。その結果、図５（ｄ）に示すような特性の送信超音波が超音波探触子２から出力される。

本実施の形態における超音波探触子２の送信帯域形状やパルス信号の駆動波形については、上述したものに限定されず、本発明を実現可能な範囲において適宜設定することができる。
また、本実施の形態では、パルス信号の複数の強度ピークのうちの全てが超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数の周波数成分の強度よりも大きいものとしているが、少なくとも１つ以上について、超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数の周波数成分の強度よりも大きいものであればよい。
また、本実施の形態では、超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数（ＦＣ２０）の高周波側に強度ピークを２つ有するようなパルス信号を出力するようにしたが、３つ以上であってもよい。超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数（ＦＣ２０）の高周波側に強度ピークを２つ以上有するようなパルス信号とすると、より高周波側に広帯域なパルス信号を出力することができるようになる。なお、超音波探触子２の送信周波数帯域の中心周波数（ＦＣ２０）の高周波側に強度ピークを１つだけ有するようなパルス信号としてもよい。

遅延回路１２４は、駆動信号の送信タイミングを振動子毎に対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させて送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。

以上のように構成された送信部１２は、制御部１８の制御に従って、駆動信号を供給する複数の振動子２ａを、超音波の送受信毎に所定数ずらしながら順次切り替え、出力の選択された複数の振動子２ａに対して駆動信号を供給することによりスキャンを行う。

本実施の形態では、後述する高調波成分を抽出するために、パルスインバージョン法を実施することができる。すなわち、送信部１２は、パルスインバージョン法を実施する場合には、第１のパルス信号と、この第１のパルス信号とは極性反転した第２のパルス信号とを同一走査線上に時間間隔をおいて送信することができる。なお、このとき、第１のパルス信号の複数のデューティーのうちの少なくとも１つを異ならせて極性反転させた第２のパルス信号を送信するようにしてもよい。また、第２のパルス信号は、第１のパルス信号とは時間反転させたものであってもよい。

受信部１３は、制御部１８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る。受信部１３は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に、予め設定された所定の増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をアナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データを生成するための回路である。

画像生成部１４は、受信部１３からの音線データに対して包絡線検波処理や対数増幅などを実施し、ゲインの調整等を行って輝度変換することにより、Ｂモード画像データを生成する。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。画像生成部１４にて生成されたＢモード画像データは、画像処理部１５に送信される。また、画像生成部１４は、高調波成分抽出部１４ａを備えている。

高調波成分抽出部１４ａは、受信部１３から出力された受信信号からパルスインバージョン法を実施して高調波成分を抽出する。本実施の形態では、高調波成分抽出部１４ａにより、２次高調波成分を抽出することができる。２次高調波成分は、上述した第１のパルス信号及び第２のパルス信号からそれぞれ発生した２つの送信超音波にそれぞれ対応する反射超音波から得られる受信信号を加算（合成）して受信信号に含まれる基本波成分を除去した上でフィルター処理を行うことにより抽出することができる。

画像処理部１５は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリーによって構成された画像メモリー部１５ａを備えている。画像処理部１５は、画像生成部１４から出力されたＢモード画像データをフレーム単位で画像メモリー部１５ａに記憶する。フレーム単位での画像データを超音波画像データ、あるいはフレーム画像データということがある。画像処理部２０５は、画像メモリー部１５ａに記憶した超音波画像データを適宜読み出してＤＳＣ１６に出力する。

ＤＳＣ１６は、画像処理部１５より受信した超音波画像データをテレビジョン信号の走査方式による画像信号に変換し、表示部１７に出力する。

表示部１７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機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が適用可能である。表示部１７は、ＤＳＣ１６から出力された画像信号に従って表示画面上に超音波画像の表示を行う。

制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えて構成され、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラム等の各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波画像診断装置Ｓの各部の動作を集中制御する。
ＲＯＭは、半導体等の不揮発メモリー等により構成され、超音波画像診断装置Ｓに対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な各種処理プログラムや、各種データ等を記憶する。これらのプログラムは、コンピューターが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデータを一時的に記憶するワークエリアを形成する。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、勿論本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、上述した超音波探触子２として、送信−２０ｄＢにおける下限周波数（ＦＬ２０）が３．４ＭＨｚ、上限周波数（ＦＨ２０）が２１．２ＭＨｚ、中心周波数（ＦＣ２０）が１２．３ＭＨｚ、送信−２０ｄＢの比帯域が１４５％である超音波探触子を用い、これを超音波探触子Ａとした。この超音波探触子Ａの送信帯域形状を図６においてＡで示す。なお、図６中、横軸は周波数を示し、縦軸は感度を示している。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図７（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形１とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図７（ｂ）に示す。なお、図７（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図７（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が０．６ＭＨｚ、上限周波数が２０ＭＨｚ、中心周波数が９．７ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを２つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は５．２ＭＨｚで強度は−２．０ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１４．８ＭＨｚで強度は１．２ｄＢであった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は−０．４ｄＢであった。なお、駆動波形１のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図１５に示す。

（実施例２）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図８（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形２とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図８（ｂ）に示す。なお、図８（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図８（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が０．４ＭＨｚ、上限周波数が２７．２ＭＨｚ、中心周波数が１３．８ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを３つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は７．２ＭＨｚで強度は−１．３ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１３．４ＭＨｚで強度は０．１ｄＢであり、第３のピーク（ピーク３）における周波数は１８．６ＭＨｚで強度は−１．０であった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は−０．５ｄＢであった。なお、駆動波形２のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図１６に示す。

（比較例１）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図９（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形３とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図９（ｂ）に示す。なお、図９（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図９（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が０．６ＭＨｚ、上限周波数が２２．８ＭＨｚ、中心周波数が１１．７ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを１つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は９．８ＭＨｚで強度は−０．４ｄＢであった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は−１．０ｄＢであった。なお、駆動波形３のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図１７に示す。

（比較例２）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図１０（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形４とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図１０（ｂ）に示す。なお、図１０（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図１０（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が０．２ＭＨｚ、上限周波数が１１４ＭＨｚ、中心周波数が５７ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを１つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は３．４ＭＨｚで強度は−２．２ｄＢであった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は−２．３ｄＢであった。なお、駆動波形４のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図１８に示す。

（実施例３）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。また、上述した送信部１２から出力されるパルス信号の駆動波形を、実施例１と同じ駆動波形１とした。

（実施例４）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。また、上述した送信部１２から出力されるパルス信号の駆動波形を、実施例２と同じ駆動波形２とした。

（実施例５）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図１１（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形５とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図１１（ｂ）に示す。なお、図１１（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図１１（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が２．６ＭＨｚ、上限周波数が２２．８ＭＨｚ、中心周波数が１２．７ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを３つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は５．８ＭＨｚで強度は３．８ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１３．２ＭＨｚで強度は２．０ｄＢであり、第３のピーク（ピーク３）における周波数は１９．２ＭＨｚで強度は１．４であった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は１．１ｄＢであった。なお、駆動波形５のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図１９に示す。

（実施例６）
上述した超音波探触子２として、送信−２０ｄＢにおける下限周波数（ＦＬ２０）が４．９ＭＨｚ、上限周波数（ＦＨ２０）が１９．７ＭＨｚ、中心周波数（ＦＣ２０）が１２．３ＭＨｚ、送信−２０ｄＢの比帯域が１２０％である超音波探触子を用い、これを超音波探触子Ｂとした。この超音波探触子Ｂの送信帯域形状を図６においてＢで示す。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号の駆動波形を、実施例５と同じ駆動波形５とした。なお、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ｂの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（４．９ＭＨｚ−１９．７ＭＨｚ）において強度ピークを３つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は５．８ＭＨｚで強度は３．８ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１３．２ＭＨｚで強度は２．０ｄＢであり、第３のピーク（ピーク３）における周波数は１９．２ＭＨｚで強度は１．４であった。また、超音波探触子Ｂの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は１．１ｄＢであった。

（実施例７）
上述した超音波探触子２として、送信−２０ｄＢにおける下限周波数（ＦＬ２０）が５．６ＭＨｚ、上限周波数（ＦＨ２０）が１９．１ＭＨｚ、中心周波数（ＦＣ２０）が１２．３ＭＨｚ、送信−２０ｄＢの比帯域が１０９％である超音波探触子を用い、これを超音波探触子Ｃとした。この超音波探触子Ｃの送信帯域形状を図６においてＣで示す。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号の駆動波形を、実施例５と同じ駆動波形５とした。なお、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ｃの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（５．６ＭＨｚ−１９．１ＭＨｚ）において強度ピークを３つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は５．８ＭＨｚで強度は３．８ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１３．２ＭＨｚで強度は２．０ｄＢであり、第３のピーク（ピーク３）における周波数は１９．２ＭＨｚで強度は１．４であった。また、超音波探触子Ｃの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は１．１ｄＢであった。

（実施例８）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図１２（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形６とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図１２（ｂ）に示す。なお、図１２（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図１２（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が２．２ＭＨｚ、上限周波数が２２．６ＭＨｚ、中心周波数が１２．４ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを３つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は５．６ＭＨｚで強度は２．２ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１３．２ＭＨｚで強度は３．７ｄＢであり、第３のピーク（ピーク３）における周波数は１９．２ＭＨｚで強度は３．１であった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は３．１ｄＢであった。なお、駆動波形６のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図２０に示す。

（実施例９）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図１３（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形７とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図１３（ｂ）に示す。なお、図１３（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図１３（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が３．２ＭＨｚ、上限周波数が２３．０ＭＨｚ、中心周波数が１３．１ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを３つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は６．２ＭＨｚで強度は５．０ｄＢであり、第２のピーク（ピーク２）における周波数は１３．２ＭＨｚで強度は３．７ｄＢであり、第３のピーク（ピーク３）における周波数は２０．２ＭＨｚで強度は−０．１であった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は２．９ｄＢであった。なお、駆動波形７のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図２１に示す。

（比較例３）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。

上述した送信部１２から出力されるパルス信号を、図１４（ａ）に示すような駆動波形とし、これを駆動波形８とした。この駆動波形を周波数解析して得られる周波数パワースペクトルを図１４（ｂ）に示す。なお、図１４（ａ）中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図１４（ｂ）中、横軸は周波数を示し、縦軸は信号強度を示している。この駆動波形を周波数解析したところ、−２０ｄＢにおける下限周波数が０．４ＭＨｚ、上限周波数が９．８ＭＨｚ、中心周波数が５．１ＭＨｚであった。そして、この駆動波形は、上述の超音波探触子Ａの−２０ｄＢにおける送信周波数帯域内（３．４ＭＨｚ−２１．２ＭＨｚ）において強度ピークを１つ有しており、第１のピーク（ピーク１）における周波数は４．２ＭＨｚで強度は７．０ｄＢであった。また、超音波探触子Ａの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数（１２．３ＭＨｚ）の周波数成分の強度は−２５．６ｄＢであった。なお、駆動波形８のパルス信号が超音波探触子Ａに与えられて出力された送信超音波のスペクトルを図２２に示す。

（比較例４）
上述した超音波探触子２としては、実施例１と同じ超音波探触子Ａを使用した。また、上述した送信部１２から出力されるパルス信号の駆動波形を、比較例２と同じ駆動波形４とした。

＜評価方法＞
Ｇａｍｍｅｘ社製のＲＭＩ４０４ＧＳ−ＬＥ０．５と同一の音響等価材の深度１５ｍｍの位置に５０μｍのＳＵＳワイヤーを埋設した。そして、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２にあっては、下記表１に示された条件の駆動波形であるパルス信号を超音波探触子に与えて超音波の送受信を行い、受信した超音波から得られた受信信号に基づき、基本波による超音波画像を得た。一方、実施例３〜実施例９、比較例３及び比較例４にあっては、下記表１に示された条件の駆動波形である第１のパルス信号と、この第１のパルス信号とは極性反転した第２のパルス信号とを同一走査線上に時間間隔をおいて超音波探触子に与えて第１の超音波及び第２の超音波の送受信を行い、受信した第１の超音波及び第２の超音波からそれぞれ得られた受信信号を上述したパルスインバージョン法により合成し、ＴＨＩ（Tissue Harmonic Imaging）による超音波画像を得た。このとき、送信焦点を１５ｍｍとした。そして、画像化を行った際のワイヤー描出輝度を音響強度（ｄＢ）に変換し、その２０ｄＢ分解能（距離分解能、方位分解能）を得た。また、上述のようにして２フレーム分の超音波画像を取得し、この２フレームの超音波画像の相関を求め、この相関が０．５を下回る深度を特定し、これを深達度とした。また、実施例１〜９及び比較例１〜４のそれぞれの条件にて手根、ＭＰ関節（MetacarpoPhalangeal joint）屈筋腱、上腕二頭筋長頭腱、内側半月板の描出を行い、整形外科関連に従事する医師及び臨床検査技師の合計１０名により下記の評価基準により評点を得、その値を平均してこれを描出性スコアとした。
［評価基準］
１０：組織状態の把握に対して申し分ない程度の描出性
８：組織状態の把握に対して実用上問題ない程度の描出性
６：良好ではないが組織状態の把握は可能な程度の描出性
４：組織状態の把握に支障がある程度の描出性
２：組織状態の把握が困難な程度の描出性
以上の評価結果を下記表１に示す。

＜評価結果＞
上記表１の結果より、実施例１〜９によれば、駆動波形３及び８のパルス信号による超音波の送受信を行った比較例１及び３と比較すると、距離分解能がよく、また、深達度（Penetration）も大きいことがわかった。また、実施例１〜９によれば、比較例１及び３に比べ、手根、ＭＰ関節屈筋腱、上腕二頭筋長頭腱及び内側半月板の描出評価が高いことがわかった。
また、比較例２及び４によれば、駆動波形４のパルス信号による超音波の送受信を行った場合、基本波に基づく超音波画像では特に見劣りする点はないが、ＴＨＩによって得られた超音波画像では、特に内側半月板の描出評価が実施例３〜９に比べて劣っていることがわかった。

以上説明したように、本実施の形態では、超音波探触子２は、パルス信号の入力によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する。送信部１２は、矩形波である駆動波形のパルス信号を出力することにより超音波探触子２に送信超音波を生成させる。パルス信号の周波数パワースペクトルは、超音波探触子２の−２０ｄＢの送信周波数帯域に含まれる周波数帯域であって、当該送信周波数帯域の中心周波数よりも低周波側と、当該中心周波数よりも高周波側とのそれぞれに強度ピークを有し、且つ、複数の強度ピークの間の周波数領域における強度は、強度ピークの強度の最大値を基準として−２０ｄＢ以上である。その結果、パルス信号の波形を形成するための複雑な回路の追加等が不要となり、コストを抑えて送信超音波について高分解能を維持することができるようになる。また、基本波による超音波画像によれば、高振幅で短パルスの超音波の波形を得ることができるので、高分解能を維持しながら、低周波成分も増加してペネトレーション（深達度）を向上させることができるようになる。

また、本実施の形態によれば、送信部１２は、それぞれ駆動波形の異なるパルス信号を同一走査線上に時間間隔をおいて複数回出力する。画像生成部１４は、複数回のパルス信号によって生成された送信超音波の反射超音波から得られた各受信信号を合成し、合成したパルス信号に基づいて超音波画像データを生成する。その結果、パルスインバージョン法において、広帯域で高調波を受信することができるので、安価で分解能がさらに向上した超音波画像を得ることができるようになる。

また、本実施の形態によれば、パルス信号の周波数パワースペクトルは、複数のうちの少なくとも何れか一つの強度ピークにおける周波数成分の強度が、超音波探触子２の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数の周波数成分の強度よりも大きい。その結果、超音波探触子の送信帯域よりも広帯域である超音波の送信を行うことができ、分解能を向上させることができるようになる。

また、本実施の形態によれば、パルス信号の周波数パワースペクトルは、超音波探触子２の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数よりも高周波側に送信周波数帯域に含まれる２以上の強度ピークを有する。その結果、より高周波側に広帯域である超音波の送信を行うことができ、分解能をより向上させることができるようになる。

また、本実施の形態によれば、パルス信号は、５値以下の矩形波であるので、安価で分解能を向上させることができるようになる。

また、本実施の形態によれば、超音波探触子２は、−２０ｄＢの比帯域が１１０％以上であるので、より高分解能である超音波を送信することができるようになる。

なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波画像診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波画像診断装置を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。

Ｓ超音波画像診断装置
２超音波探触子
１２送信部
１４画像生成部

Claims

パルス信号の入力によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する超音波探触子と、
矩形波である駆動波形のパルス信号を出力することにより前記超音波探触子に前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記パルス信号は、４値又は５値の矩形波であり、周波数パワースペクトルが、
前記超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域に含まれる周波数帯域であって、当該送信周波数帯域の中心周波数よりも低周波側に第１の強度ピーク、当該中心周波数よりも高周波側に第２の強度ピークを有し、
且つ、前記第１の強度ピークと前記第２の強度ピークとの間の周波数領域全体における強度は、前記第１又は第２の強度ピークの強度の最大値を基準として−２０ｄＢ以上となるようにデューティー比が設定されていることを特徴とする超音波画像診断装置。
前記送信部は、それぞれ駆動波形の異なるパルス信号を同一走査線上に時間間隔をおいて複数回出力し、
前記複数回のパルス信号によって生成された前記送信超音波の前記反射超音波から得られた各受信信号を合成し、合成したパルス信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波画像診断装置。
前記パルス信号の周波数パワースペクトルは、複数のうちの少なくとも何れか一つの前記強度ピークにおける周波数成分の強度が、前記超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数と同一の周波数の周波数成分の強度よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置。
前記パルス信号の周波数パワースペクトルは、前記超音波探触子の−２０ｄＢの送信周波数帯域の中心周波数よりも高周波側に前記送信周波数帯域に含まれる２以上の強度ピークを有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
前記超音波探触子は、−２０ｄＢの比帯域が１１０％以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
前記第１の強度ピークは１２．３ＭＨｚよりも低周波数側にあり、前記第２の強度ピークは１２．３ＭＨｚよりも高周波数側にあることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。