JP6355624B2 - 超音波診断装置および超音波診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置および超音波診断方法に関し、特に音響放射圧を用いた超音波診断装置および超音波診断方法に関する。

がんなどの疾患は、その病状と病変部位の硬さに相関があることが知られている。生体内の硬さの分布を知ることは、その診断において非常に重要な情報となる。組織の硬さを定量的に求める方法の一つとして、せん断波の伝搬速度から弾性分布を求める方法がある。この方法では、生体内にせん断波を発生させ、そのせん断波を超音波により計測することで伝搬速度を推定する。

近年、せん断波を発生させる方法として、超音波の照射により発生する音響放射圧を用いて生体内の組織を押す方法が提案されている（たとえば 非特許文献１を参照）。

非特許文献１に記載の方法では、せん断波を生成するための数100μs程度の超音波バースト波（Ｐｕｓｈ超音波）を照射し、音響放射圧による加圧（以下、加振という場合もあり）を行う。その後、対象物内に発生させたせん断波の伝搬を観測するため、数kHz程度の繰り返し周波数で超音波画像計測を行う（Ｔｒａｃｋ 超音波）。Ｔｒａｃｋ超音波による観測は通常数msから数10ms程度行う。得られた画像から変位分布を計測し、せん断波の伝搬速度を推定する。

J. Bercoff, M. Tanter, and M. Fink, "Supersonic Shear Imaging: A New Technique for Soft Tissue Elasticity Mapping," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control, pp.396-409, Vol. 51, No. 4, APRIL 2004.

しかしながら、この方法では、通常の画像診断と比較して非常に強いエネルギーを短時間に入射する必要がある。そのような超音波を照射すると照射部位の温度が上昇する等の不具合があり、改善が必要である。

それゆえに、本発明の目的は、照射部位の温度の上昇を誘発せずに、音響放射圧を用いた超音波診断が可能な超音波診断装置および超音波診断方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の超音波診断装置は、プローブを駆動して対象物にせん断波を発生させるための符号化された加圧パルス信号を出力する第１のパルス出力部と、
前記プローブを駆動して計測用超音波を発生させるための計測パルス信号を出力する第２のパルス出力部と、
計測用超音波のエコーを受信した受信部が出力する電気信号に復号化処理を行い、該復号化された信号に基づいて前記対象物の弾性率を推定する弾性率推定部とを備える。

尚、加圧パルス信号は、加圧のための信号であり、つまり「押す」のみで「引く」事が出来ないため、符号化された加圧パルス信号は、単極性符号を用いることになる。 そして好ましくは、符号化された加圧パルス信号は、双極性符号に基づいて生成されたものである。そして好ましくは変位推定部を更に備え、該変位推定部は、受信部が出力する電気信号を双極性符号を用いて復号化することによって変位を推定し、該推定された変位に基づいて、弾性率推定部が弾性率を推定する。

また好ましくは、第１のパルス出力部は、符号化された加圧パルス信号のビットが第１の値の場合に加圧パルス信号を出力し、符号化された加圧パルス信号のビットが第２の値の場合に加圧パルス信号を出力しない。

符号化された加圧パルス信号は、好ましくは１組の単極性符号であり、該１組の単極性符号は、１つの双極性符号によって生成される。１組の単極性符号は、第１の単極性符号と第２の単極性符号とからなる、第１の単極性符号のビットは、双極性符号のビットが「＋１」のときに「１」であり、双極性符号のビットが「−１」のときに「０」である。第２の単極性符号のビットは、双極性符号のビットが「＋１」のときに「０」であり、双極性符号のビットが「−１」のときに「１」である。

また好ましくは、双極性符号は、バーカー符号である。

また好ましくは、双極性符号のビット数がＮであり、変位を推定する時点の数をＭとした場合に、第１の期間において、第１のパルス出力部は、一定の周期ごとに第１の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の加圧パルス信号を出力し、第２のパルス出力部は、周期ごとに加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の計測パルス信号を出力する。第２の期間において、第１のパルス出力部は、周期ごとに第２の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の加圧パルス信号を出力し、第２のパルス出力部は、周期ごとに加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の計測パルス信号を出力する。

また好ましくは、第１のパルス出力部は、隣接する計測パルス信号の間に、加圧パルス信号を出力する。

また好ましくは、変位推定部を備え、該変位推定部は、第１の期間において、隣接する時点の超音波エコーに基づいて、符号化された単極性の変位を表わす第１の単極性符号変位信号を算出し、第２の期間において、隣接する時点の超音波エコーに基づいて、符号化された単極性の変位を表わす第２の単極性符号変位信号を算出する第１の算出部と、第１の単極性符号変位信号と第２の単極性符号変位信号の差分によって、符号化された双極性の変位を表わす双極性符号変位信号を算出する第２の算出部と、双極性符号変位信号と双極性符号との相関処理による復号化によって、変位を表わす信号を算出する第３の算出部とを含む。

本発明の超音波診断装置の制御方法は、符号化された加圧パルス信号を出力するステップと、加圧パルス信号に基づいて対象物にせん断波を発生させる超音波を出力するステップと、計測のための計測パルス信号を出力するステップと、計測パルス信号に基づいて計測用の超音波を出力するステップと、計測用の超音波のエコーを受信して電気信号を出力ステップと、該電気信号に復号化処理を行い、該復号化された電気信号基づいて弾性率を推定するステップとを備える。

また好ましくは、対象物の変位を推定するステップを更に有し、該変位を推定するステップは、前記電気信号に復号化処理を行うことで前記変位を推定し、前記弾性率を推定するステップは、前記推定された変位に基づいて弾性率を推定することを含む。また好ましくは、符号化された加圧パルス信号が、１組の単極性符号で符号化されていることを含み、１組の単極性符号は、双極性符号に基づいて生成されたものであり、変位を推定するステップは、受信した超音波エコーに基づいて出力された電気信号を双極性符号を用いて復号化することによって変位を推定するステップを含む。

また好ましくは、１組の単極性符号は、１つの双極性符号によって生成され、１組の単極性符号は、第１の単極性符号と第２の単極性符号とからなり、双極性符号のビット数がＮであり、変位を推定する時点の数をＭとした場合に、加圧パルス信号を出力するステップは、第１の期間において、一定の周期ごとに第１の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の加圧パルス信号を出力するステップを含み、第２の期間において、周期ごとに第２の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の加圧パルス信号を出力するステップを含み、計測パルス信号を出力するステップは、第１の期間において、周期ごとに加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の計測パルスを出力するステップを含み、第２の期間において、周期ごとに加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の計測パルス信号を出力するステップを含む。

また好ましくは、加圧パルス信号を出力するステップは、隣接する計測パルス信号の間に、加圧パルス信号を出力するステップを含む。

本発明の超音波診断装置および超音波診断方法によれば、照射部位の温度の上昇を誘発せずに、音響放射圧を用いた超音波診断が可能となる。

本発明の実施形態の超音波診断装置の構成を表わす図である。 本発明の実施形態の超音波診断装置の動作手順を表わすフローチャートである。 図２のステップＳ３０２の処理手順を表わすフローチャートである。 図２のステップＳ３０３の処理手順を表わすフローチャートである。 従来のＰｕｓｈパルスおよびＴｒａｃｋパルスに基づく測定を説明するための図である。 本発明の実施形態のＰｕｓｈパルスおよびＴｒａｃｋパルスに基づく測定を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態の超音波診断装置の構成を表わす図である。

図１を参照して、この超音波診断装置５０は、超音波プローブ３と、超音波診断装置本体４とを備える。

超音波プローブ３は、１次元に配列された振動子１−１〜１−ｎと、１次元に配列された振動子２−１〜２−ｎを備える。

振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波である平面波の超音波を出力するとともに、エコー（計測用の超音波の反射波）を受信する。

振動子２−１〜２−ｎは、対象物である診断対象２０にせん断波を発生させるための超音波を出力することによって、診断対象２０に音響放射圧を与える。

超音波診断装置本体４は、加圧パルス信号であるＰｕｓｈパルス信号をプローブに送信するＰｕｓｈパルス送信部５と、単極性符号記憶部６と、計測パルス信号であるＴｒａｃｋパルス信号をプローブに送信するＴｒａｃｋパルス送信部７と、エコー受信部（受信部）８と、変位推定部９０と、伝達速度推定部１２と、弾性率推定部１３と、表示部１４と、双極性符号記憶部１５とを備える。変位推定部９０は、単極性変位推定部９と、双極性変位推定部１０と、復号部１１とを含む。

双極性符号記憶部１５は、Ｎビットのバーカー符号ａ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ−１）を記憶する。ここで、ａ［ｉ］は、バーカー符号の第ｉビットを表わす。

単極性符号記憶部６は、バーカー符号ａ［ｉ］に基づいて生成される１セットの正の部分を表わす単極性符号ａｐ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ−１）、負の部分を表わすａｎ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ−１）を記憶する。ａｐ［ｎ］、ａｎ［ｎ］は、Ｎビットのバーカー符号ａ［ｉ］を用いると、以下の式（１）、（２）で表わされる。

ａ［ｉ］＝＋１のときに、ａｐ［ｉ］＝１、
ａ［ｉ］＝−１のときに、ａｐ［ｉ］＝０ …（１）
ａ［ｉ］＝＋１のときに、ａｎ［ｉ］＝０、
ａ［ｉ］＝−１のときに、ａｎ［ｉ］＝１ …（２）

Ｎ＝５の場合には、｛ａ［ｉ］｝＝｛＋１，＋１，＋１，−１，＋１｝であり、｛ａｐ［ｉ］｝＝｛１，１，１，０，１｝、｛ａｎ［ｉ］｝＝｛０，０，０，１，０｝となる。

Ｐｕｓｈパルス送信部５は、単極性符号ａｐ、ａｎを用いて、Ｐｕｓｈパルスを生成する。単極性符号を用いるのは、音響放射圧による加圧では、「押す」のみで「引く」ことができないためである。Ｐｕｓｈパルス送信部５は、第１期間において、ａｐ［０］〜ａｐ［Ｎ−１］に従って、一定の間隔で符号化された第１群のＰｕｓｈパルスを振動子２−ｉへ送信して、振動子２−ｉを駆動する。Ｐｕｓｈパルス送信部５は、第２期間において、ａｎ［０］〜ａｎ［Ｎ−１］に従って、一定の間隔で符号化された第２群のＰｕｓｈパルスを振動子２−ｉへ送信して、振動子２−ｉを駆動する。

Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、第１期間および第２期間において、一定の間隔でＴｒａｃｋパルスを振動子１−ｉへ送信して、振動子１−ｉを駆動する。

エコー受信部８は、第１期間および第２期間において、振動子１−ｉから出力される超音波エコー（反射波）に基づく信号を受信して増幅等の処理を行って、電気信号（以下、エコー電気信号という場合有）を出力する。

変位推定部９０は、単極性変位推定部９と、双極性変位推定部１０と、復号部１１とを含む。変位推定部９０は、電気信号を双極性符号を用いて復号化することによって、１時点前からの変位を推定する。

単極性変位推定部９は、隣接する時点（フレーム）の電気信号から超音波計測に用いられる変位計測法によって、符号化された単極性の変位を表わす単極性符号変位信号を算出する。

双極性変位推定部１０は、第１の期間の単極性符号変位信号と第２の期間の単極性符号変位信号とから符号化された双極性の変位を表わす双極性符号変位信号を算出する。

復号部１１は、バーカー符号ａと双極性符号変位信号との相関処理による復号化（パルス圧縮）によって、変位を表わす双極性変位信号を算出する。非特許文献１に記載されたような符号化をせずに大振幅の極短時間のＰｕｓｈ超音波を与えた場合に得られる信号と同等の信号がパルス圧縮によって得られる。

伝達速度推定部１２は、双極性変位信号に基づいて、対象物内に発生させたせん断波の伝達速度を推定する。

弾性率推定部１３は、せん断波の伝達速度に基づいて、弾性率（ヤング率）を算出する。

表示部１４は、弾性率を画素値とした２次元の画像を表示する。

（動作）
図２は、本発明の実施形態の超音波診断装置の動作手順を表わすフローチャートである。

図２を参照して、ステップＳ３０１において、変数ｘが「ｄｘ／２」に設定される。変数ｘは、図１に示すように、診断対象２０のｘ座標を表わす。

ステップＳ３０２において、Ｐｕｓｈパルス送信部５は、単極性符号ａｐ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ−１）に基づくＰｕｓｈパルス信号を出力し、ラインｘに位置する振動子２−ｉは、Ｐｕｓｈパルス信号を受けると、ラインｘ上にせん断波を発生させるための超音波（Ｐｕｓｈ超音波）を照射する。Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、（Ｎ＋Ｍ）個のＴｒａｃｋパルス信号を出力し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。ここで、Ｎはバーカー符号ａ、単極性符号ａｐ，ａｎのビット数である。Ｍは、表示部１４に表示する画像のフレーム数、つまり変位を推定する時点の数である。

振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコー（反射波）を受信する。エコー受信部８は、超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［０，ｙ，ｘα］〜ｒｐ［Ｎ＋Ｍ−１，ｙ，ｘα］を生成する。ｙは、診断対象２０のｙ座標であり、超音波エコーを受信した時刻ｔと超音波の速度に基づいて算出される。ｙ＝０〜ＹＳ−１である。ＹＳは、表示部１４に表示される２次元画像のｙ方向（縦方向）のサイズである。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ３０３において、Ｐｕｓｈパルス送信部５は、単極性符号ａｎ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ−１）に基づくＰｕｓｈパルス信号を出力し、ラインｘに位置する振動子２−ｉは、Ｐｕｓｈパルス信号を受けると、ラインｘ上にせん断波を発生させるための超音波を照射する。Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、（Ｎ＋Ｍ）個のＴｒａｃｋパルス信号を出力し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信する。エコー受信部８は、超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［０，ｙ，ｘα］〜ｒｎ［Ｎ＋Ｍ−１，ｙ，ｘα］を生成する。

ステップＳ３０４において、変数ｘが（ＸＳ−ｄｘ／２−１）と等しくない場合には、処理がステップＳ３０５に進み、変数ｘが（ＸＳ−ｄｘ／２−１）と等しくなった場合には、処理がステップＳ３０６に進む。ただし、ＸＳは、表示部１４に表示される２次元画像のｘ方向（横方向）のサイズである。

ステップＳ３０５において、変数ｘが「ｄｘ」だけインクリメントされ、処理がステップＳ３０２に戻る。

ステップＳ３０６において、変数ｋが「０」に設定される。

ステップＳ３０７において、単極性変位推定部９は、超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［ｋ，ｙ，ｘ］と超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［ｋ＋１，ｙ，ｘ］から超音波計測に用いられる変位計測法によって単極性符号変位信号ｄｐ［ｋ，ｙ，ｘ］を算出する。

具体的には、単極性変位推定部９は、式（１）に示すように変位を求める点の周囲にある大きさＷの窓を取り、テンプレートマッチングにより、相互相関係数が最大となる点ｖを変位とする。Δｙはｙ方向のサンプリング間隔を表す距離である。

ステップＳ３０８において、単極性変位推定部９は、超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［ｋ，ｙ，ｘ］と超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［ｋ＋１，ｙ，ｘ］から超音波計測に用いられる変位計測法によって単極性符号変位信号ｄｎ［ｋ，ｙ，ｘ］を算出する。

具体的には、単極性変位推定部９は、式（２）に示すように、変位を求める点の周囲にある大きさＷの窓を取り、テンプレートマッチングにより、相互相関係数が最大となる点ｖを変位とする。Δｙはｙ方向のサンプリング間隔を表す距離である。

ステップＳ３０９において、双極性変位推定部１０は、単極性符号変位信号ｄｐ［ｋ，ｙ，ｘ］から単極性符号変位信号ｄｎ［ｋ，ｙ，ｘ］を減算して、双極性符号変位信号ｄｂ［ｋ，ｙ，ｘ］を算出する。

ステップＳ３１０において、変数ｋが（Ｎ＋Ｍ−２）と等しくない場合には、処理がステップＳ３１１に進み、変数ｋが（Ｎ＋Ｍ−２）と等しくなった場合には、処理がステップＳ３１２に進む。

ステップＳ３１１において、変数ｋが「１」だけインクリメントされ、処理がステップＳ３０７に戻る。

ステップＳ３１２において、変数ｋが「０」に設定される。

ステップＳ３１３において、復号部１１は、ｉ＝０〜Ｎ−１について、バーカー符号ａの第ｉビットａ［ｉ］と双極性符号変位信号ｄｂ［ｋ＋ｉ，ｙ，ｘ］との積を計算して、この積の総和を双極性変位信号ｄ［ｋ，ｙ，ｘ］として算出する。

ステップＳ３１４において、変数ｋが（Ｍ−１）と等しくない場合には、処理がステップＳ３１５に進み、変数ｋが（Ｍ−１）と等しくなった場合には、処理がステップＳ３１６に進む。

ステップＳ３１５において、変数ｋが「１」だけインクリメントされ、処理がステップＳ３１３に戻る。

ステップＳ３１６において、伝達速度推定部１２は、双極性変位信号ｄ［ｋ，ｙ，ｘ］に基づいて、相互相関などを用いて伝搬時間を推定し、それからせん断波の伝達速度ｃｓ［ｙ，ｘ］を推定する。ただし、ｙ＝０〜ＹＳ−１、ｘ＝０〜ＸＳ−１である。ＹＳは、表示部１４に表示される２次元画像のｙ方向（縦方向）のサイズである。

具体的には、伝達速度推定部１２は、弾性を求める点[ｙ, ｘ]の近傍に、せん断波の伝搬方向に沿った方向に２点[ｙ１, ｘ１]、 [ｙ２, ｘ２]を取り、以下の式のように相互相関により２点間の伝搬時間τ［ｙ, ｘ］を推定する。Δｔは時点ｋと時点ｋ＋１の間の間隔である。

伝達速度推定部１２は、せん断波の伝搬時間τ［ｙ，ｘ」から、せん断波の伝達速度ｃs [ｙ，ｘ］を次式によって求める。ここで、ｌは伝搬時間を求めた２点間の距離である。

ステップＳ３１７において、弾性率推定部１３は、剛性率Ｇ［ｙ，ｘ］を次式で求める。ρは密度である。一般に密度分布は未知であるため、平均的な密度を用いる。
Ｇ［ｙ，ｘ］＝ρ×ｃｓ［ｙ，ｘ］² …（４）

弾性率推定部１３は、次式に従って、ヤング率Ｅ［ｙ，ｘ］を算出する。νはポアソン比であり、生体軟組織ではほぼ０．５とみなせる。

Ｅ［ｙ，ｘ］＝２×Ｇ［ｙ，ｘ］×（１＋ν) …（５）

ステップＳ３１８において、表示部１４は、画素値をＥ［ｙ，ｘ］とした２次元画像を表示する。

図３は、図２のステップＳ３０２の処理手順を表わすフローチャートである。

図３を参照して、ステップＳ１０１において、変数ｉおよびｊが０に設定される。

ステップＳ１０２において、Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、Ｔｒａｃｋパルス信号を送信し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

ステップＳ１０３において、振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信し、エコー受信部８は、ビームフォーミングによって、超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［ｉ，ｙ，ｘα］を生成する。前述のようにｙ＝０〜ＹＳ−１である。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ１０４において、単極性符号ａｐ［ｉ］が「１」の場合に、処理がステップＳ１０５に進み、単極性符号ａｐ［ｉ］が「０」の場合に、処理がステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０５において、Ｐｕｓｈパルス送信部５は、Ｐｕｓｈパルス信号を出力し、ラインｘに位置する振動子２−ｉは、Ｐｕｓｈパルス信号を受けると、対象物のラインｘ上の部分に、せん断波を発生させるための超音波を照射する。

ステップＳ１０６において、Ｐｕｓｈパルス送信部５は、Ｐｕｓｈパルス信号を出力せず、ラインｘに位置する振動子２−ｉは、対象物のラインｘ上の部分に、せん断波を発生させるための超音波を照射しない。

ステップＳ１０７において、Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、Ｔｒａｃｋパルス信号を送信し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

ステップＳ１０８において、振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信し、エコー受信部８は、ビームフォーミングによって、超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［ｉ，ｙ，ｘα］を生成する。前述のようにｙ＝０〜ＹＳ−１である。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ１０９において、変数ｉが「１」だけインクリメントされる。

ステップＳ１１０において、変数ｉがフレーム数Ｎよりも小さい場合には、処理がステップＳ１０４に戻り、変数ｉがフレーム数Ｎと等しくなった場合には、処理がステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１において、Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、Ｔｒａｃｋパルス信号を送信し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

ステップＳ１１２において、振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信し、エコー受信部８は、ビームフォーミングによって、超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［Ｎ＋１＋ｊ，ｙ，ｘα］を生成する。前述のようにｙ＝０〜ＹＳ−１である。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ１１３において、変数ｊが「１」だけインクリメントされる。

ステップＳ１１４において、変数ｊが（Ｍ−１）よりも小さい場合には、処理がステップＳ１１１に戻り、変数ｊが（Ｍ−１）と等しくなった場合には、処理が終了する。

以上の結果、超音波エコーに基づく電気信号ｒｐ［０，ｙ，ｘα］〜ｒｐ［Ｎ＋Ｍ−１，ｙ，ｘα］が得られる。ｙ＝０〜ＹＳ−１であり、ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１であるから、ＹＳ×ｄｘ×（Ｎ＋Ｍ）個の電気信号ｒｐが得られる。

図４は、図２のステップＳ３０３の処理手順を表わすフローチャートである。

図４を参照して、ステップＳ２０１において、変数ｉおよびｊが０に設定される。

ステップＳ２０２において、Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、Ｔｒａｃｋパルス信号を送信し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

ステップＳ２０３において、振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信し、エコー受信部８は、ビームフォーミングによって、超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［ｉ，ｙ，ｘα］を生成する。前述のようにｙ＝０〜ＹＳ−１である。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ２０４において、単極性符号ａｎ［ｉ］が「１」の場合に、処理がステップＳ２０５に進み、単極性符号ａｎ［ｉ］が「０」の場合に、処理がステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０５において、Ｐｕｓｈパルス送信部５は、Ｐｕｓｈパルス信号を出力し、ラインｘに位置する振動子２−ｉは、Ｐｕｓｈパルス信号を受けると、診断対象２０のラインｘ上の部分に、せん断波を発生させるための超音波を照射する。

ステップＳ２０６において、Ｐｕｓｈパルス送信部５は、Ｐｕｓｈパルス信号を出力せず、ラインｘに位置する振動子２−ｉは、診断対象２０のラインｘ上の部分に、せん断波を発生させるための超音波を照射しない。

ステップＳ２０７において、Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、Ｔｒａｃｋパルス信号を送信し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

ステップＳ２０８において、振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信し、エコー受信部８は、ビームフォーミングによって、超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［ｉ，ｙ，ｘα］を生成する。前述のようにｙ＝０〜ＹＳ−１である。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ２０９において、変数ｉが「１」だけインクリメントされる。

ステップＳ２１０において、変数ｉがフレーム数Ｎよりも小さい場合には、処理がステップＳ２０４に戻り、変数ｉがフレーム数Ｎと等しくなった場合には、処理がステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２１１において、Ｔｒａｃｋパルス送信部７は、Ｔｒａｃｋパルス信号を送信し、振動子１−１〜１−ｎは、Ｔｒａｃｋパルス信号を受けると、計測用の平面波の超音波を照射する。

ステップＳ２１２において、振動子１−１〜１−ｎは、計測用の超音波のエコーを受信し、エコー受信部８は、ビームフォーミングによって、超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［Ｎ＋１＋ｊ，ｙ，ｘα］を生成する。前述のようにｙ＝０〜ＹＳ−１である。ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１である。

ステップＳ２１３において、変数ｊが「１」だけインクリメントされる。

ステップＳ２１４において、変数ｊが（Ｍ−１）よりも小さい場合には、処理がステップＳ２１１に戻り、変数ｊが（Ｍ−１）と等しくなった場合には、処理が終了する。

以上の結果、計測用の超音波エコーに基づく電気信号ｒｎ［０，ｙ，ｘα］〜ｒｎ［Ｎ＋Ｍ−１，ｙ，ｘα］が得られる。ｙ＝０〜ＹＳ−１であり、ｘα＝ｘ−ｄｘ／２〜ｘ＋ｄｘ／２−１であるから、ＹＳ×ｄｘ×（Ｎ＋Ｍ）個の電気信号ｒｎが得られる。
（参考：従来（非特許文献１）のＰｕｓｈパルス信号およびＴｒａｃｋパルス信号）

図５は、従来のＰｕｓｈパルス信号およびＴｒａｃｋパルス信号に基づく測定を説明するための図である。

従来では、所定の精度を得るため、複数回の測定を繰り返し、測定結果である計測用超音波（Ｔｒａｃｋ超音波）のエコーに基づく電気信号のアンサンブル平均を用いて、ステップＳ３１６〜Ｓ３１８の処理を行なう。

従来では、第１回の測定において、周期Ｔｃ１ごとにＰｕｓｈパルス信号Ｐ［１，０］，Ｐ［１，１］，・・・，Ｐ［１，Ｎ−１］が出力されて、対象物にせん断波を発生させるための超音波が照射される。Ｐｕｓｈパルス信号は、本実施の形態のようにａｐやａｎによって符号化されておらず、周期Ｔｃ１ごとに常に出力される。

Ｐｕｓｈパルス信号に基づく、対象物にせん断波を発生させるための超音波の照射の前に、Ｔｒａｃｋパルス信号Ｔ［１，０］が出力されて、平面波の超音波が照射される。また、Ｐｕｓｈパルス信号に基づくせん断波発生用の超音波の照射の終了後に、Ｔｃ２ごとにＴｒａｃｋパルス信号Ｔ［１，１］，Ｔ［１，２］，・・・，Ｔ［１，Ｍ−１］が出力されて、計測用の平面波の超音波が照射される。これにより、計測用の超音波のエコー信号に基づく電気信号ｒ［１，０］，ｒ［１，１］，・・・，ｒ［１，Ｍ−１］が得られる。

従来では、１回の測定には、Ｔｃ１×Ｎ＋Ｔｃ２×Ｍの時間がかかる。アンサンブル平均のために、Ｓ回の測定を行なうとすると、従来では、ＥＮ１＝Ｓ×（Ｔｃ１×Ｎ＋Ｔｃ２×Ｍ）の時間がかかる。

（本実施の形態のＰｕｓｈパルス信号およびＴｒａｃｋパルス信号）
図６は、本発明の実施形態のＰｕｓｈパルス信号（加圧パルス信号）およびＴｒａｃｋパルス信号（計測パルス信号）に基づく測定を説明するための図である。

本実施の形態では、周期Ｔｃ０ごとにトラックパルス信号Ｔｐ［０］〜Ｔｎ［Ｎ＋Ｍ−１］が出力されて、計測用の平面波の超音波が照射される。また、隣接するトラックパルス信号Ｔｐの間のタイミングで、周期Ｔｃごとに、単極性符号ａｐ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ）に基づいて、Ｐｕｓｈパルス信号（加圧パルス信号）Ｐｐ［ｉ］が出力または出力されない。したがって、Ｐｕｓｈパルス信号Ｐｐは０個以上Ｎ個以下の個数出力される。Ｐｕｓｈパルス信号Ｐｐ［ｉ］が出力された場合に、それに基づいて、対象物にせん断波を発生させるための超音波が照射される。

その後、周期Ｔｃ０ごとにトラックパルス信号Ｔｎ［０］〜Ｔｎ［Ｎ＋Ｍ−１］が出力されて、計測用の平面波の超音波が照射される。また、隣接するトラックパルス信号Ｔｎの間のタイミングで、周期Ｔｃごとに、単極性符号ａｎ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ）に基づいて、Ｐｕｓｈパルス信号（加圧パルス信号）Ｐｎ［ｉ］が出力または出力されない。したがって、Ｐｕｓｈパルス信号Ｐｎは０個以上Ｎ個以下の個数出力される。Ｐｕｓｈパルス信号Ｐｎ［ｉ］が出力された場合に、それに基づいて、対象物にせん断波を発生させるための超音波が照射される。

本実施の形態のＰｕｓｈパルス信号に対応して送信される超音波（Ｐｕｓｈ超音波）によって対象物内で発生するせん断波の振幅は、Ｐｕｓｈパルス信号が符号化されているため、従来のＰｕｓｈ超音波によって発生するせん断波の振幅よりもはるかに小さくすることができる。また、Ｔｃ０もＴｃ１よりも長くすることができる。これにより、本実施の形態では、単位時間当たりに診断対象２０に与えられるエネルギーを従来よりも小さくすることができるので、温度上昇を防止することができる。

本実施の形態では、測定のために、ＥＮ２＝２×Ｔｃ０×（Ｎ＋Ｍ）の時間がかかる。この時間を従来の時間ＥＮ１（＝Ｓ×（Ｔｃ１×Ｎ＋Ｔｃ２×Ｍ））と比較すると、Ｔｃ０＞Ｔｃ１、Ｔｃ０＞Ｔｃ２であるが、出願人の実験によれば、従来の測定において本実施の形態の測定精度と同等の測定精度を得るためには、アンサンブル平均の回数Ｓは、相当程度大きくする必要があることが示されている。したがって、全体として本実施の形態の測定時間ＥＮ２は、従来の測定時間ＥＮ１よりも小さくすることができる。

また、符号化された加圧パルス信号を用いることなく、単に、音響放射圧の振幅を下げる、あるいは照射時間を短くすることによって入射エネルギーを低下させた場合、発生したせん断波の観測においてSNR（Signal to Noise Ratio）が下がり、伝搬波速度の推定精度が低下する。これに対して、複数回計測し、アンサンブル平均を取ることでSNRを上げることは可能であるが、平均を取る回数に比例して計測時間が増加するという問題がある。本発明は、このような技術（符号化パルス信号を用いることなく、単に、音響放射圧の振幅を下げる、あるいは照射時間を短くするとともに、計測回数を増やしてＳＮＲを上げる技術）に対しても、短時間に、且つ、照射部位の温度の上昇を誘発せずに、音響放射圧を用いた超音波診断が可能となる。

なお、本実施の形態では、双極性符号の例としてバーカー符号を用いたが、これに限定するものではない。Golay符号、M系列符号、Legendre符号などの他の二値符号を用いてもよい。

Golay符号の場合には、具体的には、２つのGolay符号ａ［ｉ］、ｂ［ｉ］（ｉ＝０〜Ｎ−１）を用いる。

超音波診断装置は、｛ａ［ｉ］｝を用いて、本実施の形態で説明したのと同様の方法で、双極性変位信号ｄ１［ｋ，ｙ，ｘ］（ｋ＝０〜Ｍ−１、ｘ＝０〜ＸＳ−１、ｙ＝０〜ＹＳ−１）を算出する。同様に、超音波診断装置は、｛ｂ［ｉ］｝を用いて、本実施の形態で説明したのと同様の方法で、双極性変位信号ｄ２［ｋ，ｙ，ｘ］（ｋ＝０〜Ｍ−１、ｘ＝０〜ＸＳ−１、ｙ＝０〜ＹＳ−１）を算出する。そして、超音波診断装置は、極性変位信号ｄ１［ｋ，ｙ，ｘ］と双極性変位信号ｄ２［ｋ，ｙ，ｘ］の和を目的の双極性変位信号ｄ［ｋ，ｙ，ｘ］とする。

また、本実施の形態では、式（１）、（２）に示すような相互相関を用いたテンプレートマッチングによって、変位を算出したが、これに限定するものではない。たとえば、エコー信号から直交検波によってＩＱ信号を求め、隣接する時点間のＩＱ信号によってＲＦ信号の位相差を推定し、位相差から変位を算出することとしてもよい。

また、本実施の形態では、１つ前の時点からの変位を算出したが、これに限定するものではない。初期値を基準とした変位を用いて、同様のアルゴリズムで復号化することとしてもよい。また、隣接フレーム間変位と同様に、初期値からの累積変位もせん断波によって伝搬するので、初期値を基準として変位を用いて弾性推定を行なうこととしてもよい。また、本実施の形態では、Ｐｕｓｈパルス信号の送信周期とトラックパルス信号の送信周期とを同様のものとして説明を行ったが、これに限定するものではない。Ｐｕｓｈパルス信号の送信周期に対してトラックパルス信号の送信周期が短くても良く、その場合はより多くのトラックパルスによる変位の推定が可能であるため、さらに測定精度を向上させることが可能である。またさらに、復号化を精度よく行うためにはＰｕｓｈ パルス信号の送信周期に対してトラックパルス信号の送信周期は整数分の１になることがより好ましい。

また、本実施の形態では、トラックパルス信号は平面波で送信するものとして説明を行ったが、これに限定するものではない。弾性推定を行う領域を含む範囲でトラックパルス信号の送信範囲を限定しても良い。例えばいわゆるビームフォーミングによって送信ビームを形成することにより、反射信号のシグナルノイズ比を高めることが可能であり、この結果得られるシグナルノイズ比の高い信号を用いることで変位推定の精度が向上する。変位推定の精度が高くなることでさらに弾性推定の精度が高い装置を提供可能である。

また、本実施の形態では、変位推定を実施し、さらに伝達速度を算出することで弾性率を推定したが、数学的に等価である処理を実施すれば、変位や伝達速度そのものを算出することなく受信信号から直接弾性率を推定することも可能である。

またさらに、本実施の形態では、双極性符号変位信号に対して復号化を実施する説明を行ったが、これに限定するものではない。例えば、計測用の超音波のエコー信号や復号化せずに変位推定した信号などに対して復号化しても本発明の効果を得ることが出来る。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、上記では、対象物の変位を推定し、これに基づいてせん断波の伝搬速度を推定したうえで、弾性率を推定したが、変位の推定、または伝搬速度の推定のみを行い、弾性率の推定を行わない形態も本発明の範疇である。また、上記においては、プローブ３にＰｕｓｈ超音波を送信する素子と、Ｔｒａｃｋ超音波を送受信する素子とを別個に設けたが、同一の素子で行っても構わない。この場合は、プローブを小型化できるというメリットがある。また、Ｐｕｓｈ超音波を送信するプローブと、Ｔｒａｃｋ超音波を送受信するプローブとが別個に設けられていても良い。この場合は、それぞれのプローブをＰｕｓｈ超音波用に適した構成（形状）、Ｔｒａｃｋ超音波を送受信に適した構成（形状）に出来るので、設計の最適化が図れる。

本願は、2013年03月28日提出の日本国特許出願特願2013-069852を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。

１−１〜１−ｎ、２−１〜２−ｎ 振動子
３ 超音波プローブ
４ 超音波診断装置本体
５ Ｐｕｓｈパルス送信部
７ Ｔｒａｃｋパルス送信部
８ エコー受信部
９ 単極性変位推定部
１０ 双極性変位推定部
１１ 復号部
１２ 伝達速度推定部
１３ 弾性率推定部
１４ 表示部
５０ 超音波診断装置
９０ 変位推定部

Claims (20)

1. プローブを駆動して対象物にせん断波を発生させるための符号化された加圧パルス信号を出力する第１のパルス出力部と、
   前記プローブを駆動して計測用超音波を発生させるための計測パルス信号を出力する第２のパルス出力部と、
   計測用超音波のエコーを受信した受信部が出力する電気信号に復号化処理を行い、該復号化された信号に基づいて前記対象物の弾性率を推定する弾性率推定部とを備えた超音波診断装置。
2. プローブを駆動して対象物にせん断波を発生させるための符号化された加圧パルス信号を出力する第１のパルス出力部と、
   前記プローブを駆動して計測用超音波を発生させるための計測パルス信号を出力する第２のパルス出力部と、
   計測用超音波のエコーを受信した受信部が出力する電気信号に復号化処理を行い、該復号化された信号に基づいて前記対象物の変位を推定する変位推定部とを備えた超音波診断装置。
3. 前記対象物の変位を推定する変位推定部を更に備え、該変位推定部は、前記受信部が出力する電気信号を復号化することによって前記対象物の変位を推定し、前記弾性率推定部は、前記推定された変位に基づいて前記対象物の弾性率を推定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。
4. 前記符号化された加圧パルス信号が、１組の単極性符号で符号化されていることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波診断装置。
5. 前記１組の単極性符号は、双極性符号に基づいて生成されたものであり、
   前記変位推定部は、前記電気信号を前記双極性符号を用いて復号化することによって変位を推定する、請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記第１のパルス出力部は、前記単極性符号のビットが第１の値の場合に前記加圧パルスを出力し、前記単極性符号のビットが第２の値の場合に前記加圧パルス信号を出力しない、請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 前記１組の単極性符号は、１つの前記双極性符号によって生成され、
   前記１組の単極性符号は、第１の単極性符号と第２の単極性符号とからなり、
   前記第１の単極性符号のビットは、前記双極性符号のビットが「＋１」のときに「１」であり、前記双極性符号のビットが「−１」のときに「０」であり、
   前記第２の単極性符号のビットは、前記双極性符号のビットが「＋１」のときに「０」であり、前記双極性符号のビットが「−１」のときに「１」である、請求項６に記載の超音波診断装置。
8. 前記双極性符号は、バーカー符号である、請求項７に記載の超音波診断装置。
9. 前記双極性符号のビット数がＮであり、前記変位を推定する時点の数をＭとした場合に、
   第１の期間において、前記第１のパルス出力部は、一定の周期ごとに前記第１の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の前記加圧パルス信号を出力し、前記第２のパルス出力部は、前記周期ごとに前記加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の前記計測パルス信号を出力し、
   第２の期間において、前記第１のパルス出力部は、前記周期ごとに前記第２の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の前記加圧パルス信号を出力し、前記第２のパルス出力部は、前記周期ごとに前記加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の前記計測パルス信号を出力する、請求項７に記載の超音波診断装置。
10. 前記第１のパルス出力部は、隣接する前記計測パルス信号の間に、前記加圧パルス信号を出力する、請求項９に記載の超音波診断装置。
11. 前記変位推定部は、
    前記第１の期間において、隣接する時点の前記電気信号に基づいて、符号化された単極性の変位を表わす第１の単極性符号変位信号を算出し、前記第２の期間において、隣接する時点の前記電気信号に基づいて、符号化された単極性の変位を表わす第２の単極性符号変位信号を算出する第１の算出部と、
    前記第１の単極性符号変位信号と前記第２の単極性符号変位信号の差分によって、符号化された双極性の変位を表わす双極性符号変位信号を算出する第２の算出部と、
    前記双極性符号変位信号と前記双極性符号との相関処理による復号化によって、変位を表わす信号を算出する第３の算出部とを含む、請求項１０に記載の超音波診断装置。
12. 符号化された加圧パルス信号を出力するステップと、
    前記加圧パルスに基づいて対象物にせん断波を発生させる超音波を出力するステップと、
    計測のための計測パルス信号を出力するステップと、
    前記計測パルス信号に基づいて計測用の超音波を出力するステップと、
    計測用の超音波のエコー信号を受信し、電気信号を出力するステップと、
    前記電気信号に復号化処理を行い、該復号化された信号に基づいて対象物の弾性率を推定するステップとを備えた超音波診断装置の制御方法。
13. 対象物の変位を推定するステップを更に備え、該変位を推定するステップは、前記電気信号に復号化処理を行うことで前記変位を推定し、前記弾性率を推定するステップは、前記推定された変位に基づいて弾性率を推定することを特徴とする請求項１２に記載の超音波診断装置の制御方法。
14. 前記符号化された加圧パルス信号が、１組の単極性符号で符号化されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波診断装置の制御方法。
15. 前記１組の単極性符号は、双極性符号に基づいて生成されたものであり、
    前記変位を推定するステップは、前記電気信号を前記双極性符号を用いて復号化することによって変位を推定するステップを含む、請求項１４に記載の超音波診断装置の制御方法。
16. 前記１組の単極性符号は、１つの前記双極性符号によって生成され、
    前記１組の単極性符号は、第１の単極性符号と第２の単極性符号とからなり、
    前記双極性符号のビット数がＮであり、前記変位を推定する時点の数をＭとした場合に、
    前記加圧パルス信号を出力するステップは、第１の期間において、一定の周期ごとに前記第１の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の前記加圧パルス信号を出力するステップを含み、第２の期間において、前記周期ごとに前記第２の単極性符号に基づいて、０個以上Ｎ個以下の前記加圧パルス信号を出力するステップを含み、
    前記計測パルス信号を出力するステップは、前記第１の期間において、前記周期ごとに前記加圧パルス信号と異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の前記計測パルス信号を出力するステップを含み、前記第２の期間において、前記周期ごとに前記加圧パルスと異なるタイミングで（Ｎ＋Ｍ）回の前記計測パルス信号を出力するステップを含む、請求項１５に記載の超音波診断装置の制御方法。
17. 前記加圧パルス信号を出力するステップは、隣接する前記計測パルス信号の間に、前記加圧パルス信号を出力するステップを含む、請求項１６に記載の超音波診断装置の制御方法。
18. プローブを駆動して対象物にせん断波を発生させるための符号化された加圧パルス信号を出力する第１のパルス出力部と、
    前記プローブを駆動して計測用超音波を発生させるための計測パルス信号を出力する第２のパルス出力部と、
    計測用超音波のエコーを受信した受信部が出力する電気信号に復号化処理を行い、該復号化された信号に基づいて前記対象物に発生したせん断波の速度を推定する速度推定部とを備えた超音波診断装置。
19. 前記プローブをさらに有する請求項１〜１１および１８のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
20. 前記計測用超音波のエコーを受信して前記電気信号を出力する受信部をさらに備える請求項１〜１１、１８、および１９のいずれか１項に記載の超音波診断装置。

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