JP6750987B2 - 超音波診断装置及び超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置及び超音波プローブに関する。

位相が異なる超音波を複数回送信させて、受信信号に含まれる非線形成分（例えば、２次高調波成分等の高調波成分）を用いて映像化を行なう方法がある。例えば、この方法では、位相を反転させた同一振幅の超音波が各走査線で２回送信され、これにより得られた２つの受信信号が加算される。この加算処理により、基本波成分が相殺され、且つ、２次の非線形伝播で発生する２次高調波成分が主に残存した信号が得られる。この信号を用いて２次高調波成分を映像化する。

特許第５２４７９５８号公報 特開平１０−０１４９２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、位相の異なる複数の超音波を送信して生体からの非線形成分を画像化するために、送信信号の相殺性能を改善することができる超音波診断装置及び超音波プローブを提供することである。

実施形態の超音波診断装置は、超音波プローブと、送信回路とを備える。超音波プローブは、ケーブルを介して本体と接続され、超音波の送受信を行うための超音波振動子を有する。送信回路は、送信波形データを作成し、作成した送信波形データから超音波プローブが超音波を送信するための送信信号を生成し、超音波プローブに出力する。そして、送信回路は、送信条件に応じて前記超音波プローブから位相が異なる超音波を複数回送信させる際に、前記ケーブルと前記超音波振動子との間から検出された前記送信信号を利用して、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態を説明するための図である。 図３は、第１の実施形態に係る補正値算出処理の手順を示すフローチャートである。 図４は、第２の実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。 図５は、第２の実施形態を説明するための図である。 図６は、第２の実施形態の変形例を説明するための図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係る超音波診断装置及び超音波プローブを説明する。なお、実施形態は、以下の実施形態に限られるものではない。また、一つの実施形態に記載した内容は、原則として他の実施形態にも同様に適用される。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、超音波プローブ１１と、入力装置１２と、ディスプレイ１３と、装置本体１００とを備える。超音波プローブ１１は、後述する装置本体１００が備える送受信回路１１０と通信可能に接続される。また、入力装置１２、及びディスプレイ１３は、装置本体１００が備える各種の回路と通信可能に接続される。

超音波プローブ１１は、ケーブルを介して装置本体１００と接続される。また、超音波プローブ１１は、被検体Ｐの体表面に接触され、超音波の送受信を行う。例えば、超音波プローブ１１は、超音波の送受信を行うための複数の圧電振動子（振動子或いは超音波振動子とも言う）を有する。これら複数の圧電振動子は、送受信回路１１０から供給される送信信号に基づいて、超音波を発生させる。発生した超音波は、被検体Ｐの体内組織において反射され、反射波信号として複数の圧電振動子にて受信される。超音波プローブ１１は、複数の圧電振動子にて受信した反射波信号を、送受信回路１１０へ送る。

なお、第１の実施形態は、超音波プローブ１１は、被検体Ｐ内の２次元領域を走査（２次元走査）する１Ｄアレイプローブであっても、被検体Ｐ内の３次元領域を走査（３次元走査）するメカニカル４Ｄプローブや２Ｄアレイプローブであっても適用可能である。

入力装置１２は、例えば、マウス、キーボード、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、トラックボール、ジョイスティック等に対応する。入力装置１２は、超音波診断装置１の操作者からの各種設定要求を受け付け、受け付けた各種設定要求を装置本体１００の各回路に対して適宜転送する。

ディスプレイ１３は、操作者が入力装置１２を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１００において生成された超音波画像データに基づく画像（超音波画像）等を表示したりする。

装置本体１００は、超音波プローブ１１が受信した反射波信号に基づいて、超音波画像データを生成する装置である。図１に示すように、装置本体１００は、例えば、送受信回路１１０と、Ｂモード処理回路１２０と、ドプラ処理回路１３０と、画像生成回路１４０と、画像メモリ１５０と、記憶回路１６０と、処理回路１７０とを有する。送受信回路１１０、Ｂモード処理回路１２０、ドプラ処理回路１３０、画像生成回路１４０、画像メモリ１５０、記憶回路１６０、及び処理回路１７０は、互いに通信可能に接続される。

送受信回路１１０は、超音波プローブ１１による超音波の送受信を制御する。例えば、送受信回路１１０は、送信回路１１１と受信回路１１２とを有し、後述する処理回路１７０の指示に基づいて、超音波プローブ１１が行う超音波送受信を制御する。送信回路１１１は、送信波形データを作成し、作成した送信波形データから超音波プローブ１１が超音波を送信するための送信信号を生成する。そして、送信回路１１１は、超音波プローブ１１に送信信号を印加することで、超音波がビーム状に集束された超音波ビームを送信させる。また、受信回路１１２は、超音波プローブ１１が受信した反射波信号に所定の遅延時間を与えて加算処理を行うことで、反射波信号の受信指向性に応じた方向から反射成分が強調された反射波データを生成し、生成した反射波データをＢモード処理回路１２０及びドプラ処理回路１３０に送信する。

Ｂモード処理回路１２０は、受信回路１１２が反射波信号から生成した反射波データに対して各種の信号処理を行う。Ｂモード処理回路１２０は、受信回路１１２から受信した反射波データに対して、対数増幅、包絡線検波処理等を行って、サンプル点（観測点）ごとの信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。Ｂモード処理回路１２０は、生成したＢモードデータを画像生成回路１４０へ送る。

また、Ｂモード処理回路１２０は、高調波成分を映像化するハーモニックイメージングを行なうための信号処理を行なう。ハーモニックイメージングとしては、コントラストハーモニックイメージング（ＣＨＩ：Contrast Harmonic Imaging）や組織ハーモニックイメージング（ＴＨＩ：Tissue Harmonic Imaging）が知られている。また、コントラストハーモニックイメージングや組織ハーモニックイメージングには、スキャン方式として、振幅変調、位相変調が知られている。

ドプラ処理回路１３０は、受信回路１１２が受信した反射波データより、移動体のドプラ効果に基づく運動情報を、走査領域内の各サンプル点で抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。具体的には、ドプラ処理回路１３０は、移動体の運動情報として、平均速度、分散値、パワー値等を各サンプル点で抽出したドプラデータを生成する。ここで、移動体とは、例えば、血流や、心壁等の組織、造影剤である。ドプラ処理回路１３０は、生成したドプラデータを画像生成回路１４０へ送る。

画像生成回路１４０は、Ｂモード処理回路１２０やドプラ処理回路１３０が生成したデータから超音波画像データを生成する。例えば、画像生成回路１４０は、Ｂモード処理回路１２０が生成したＢモードデータから、反射波の強度を輝度で表したＢモード画像データを生成する。また、画像生成回路１４０は、ドプラ処理回路１３０が生成したドプラデータから、移動体情報を表すドプラ画像データを生成する。このドプラ画像データは、速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又は、これらを組み合わせた画像データである。

画像メモリ１５０は、Ｂモード処理回路１２０、ドプラ処理回路１３０、及び画像生成回路１４０により生成されたデータを記憶するメモリである。例えば、画像メモリ１５０は、画像生成回路１４０により生成された超音波画像データを、被検体Ｐの心電波形に対応付けて記憶する。なお、画像メモリ１５０に記憶されるデータ量が画像メモリ１５０の記憶容量を超過する場合には、古いデータから順に削除され、更新される。

記憶回路１６０は、各種データを記憶する記憶装置である。例えば、記憶回路１６０は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行うための制御プログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）や、診断プロトコルや各種ボディーマーク等の各種データを記憶する。また、記憶回路１６０に記憶されるデータは、図示しないインタフェース部を介して、外部装置へ転送することができる。

また、記憶回路１６０は、Ｂモード処理回路１２０、ドプラ処理回路１３０、及び画像生成回路１４０により生成されたデータを記憶する。例えば、記憶回路１６０は、操作者により指定された所定心拍分の超音波画像データを記憶する。なお、記憶回路１６０は、被検体Ｐを所定期間で走査して得られた複数の画像を記憶する記憶回路の一例である。

処理回路１７０は、超音波診断装置１の処理全体を制御する。具体的には、処理回路１７０は、入力装置１２を介して操作者から入力された各種設定要求や、記憶回路１６０から読み込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づいて、送受信回路１１０、Ｂモード処理回路１２０、ドプラ処理回路１３０、及び画像生成回路１４０等の処理を制御する。また、処理回路１７０は、画像メモリ１５０が記憶する超音波画像データをディスプレイ１３に表示させる。

なお、図１における複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Preprocess Unit）、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、記憶回路１６０にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。

このように構成される超音波診断装置１では、例えば、位相が異なる超音波を複数回送信させて高調波成分を映像化する方法でのハーモニックイメージングを行なう場合がある。図２を用いて、位相が異なる超音波を複数回送信させて高調波成分を映像化する方法でのハーモニックイメージングを行なう場合の送信回路１１１と超音波プローブ１１との間の送信信号の伝達について説明する。図２は、第１の実施形態を説明するための図である。図２では説明の便宜上、超音波診断装置１が有する構成要素のうち、超音波プローブ１１と、送信回路１１１と、記憶回路１６０と、処理回路１７０とを図示する。また、図２に示すように、超音波診断装置１には、補正値算出回路２が接続される。

送信回路１１１は、図２に示すように、信号生成回路２０１と、ＤＡＣ（Digital−Analog Converter）２０２と、増幅回路２０３とを有する。送信回路１１１は、送信波形データを作成し、作成した送信波形データから超音波プローブ１１が超音波を送信するための送信信号を生成し、超音波プローブ１１に出力する。

信号生成回路２０１は、送信波形データを作成し、作成した送信波形データをＤＡＣ２０２に出力する。なお、以下では、例えば、０度の位相の超音波と、１８０度の位相の超音波とを超音波プローブ１１に送信させる場合について説明する。かかる場合、信号生成回路２０１は、０度の位相の超音波の送信波形データ（０ｄｅｇ送信波形データ）と、１８０度の位相の超音波の送信波形データ（１８０ｄｅｇ送信波形データ）とを作成する。すなわち、信号生成回路２０１は、和成分がゼロとなる複数の送信波形データを作成する。そして、信号生成回路２０１は、作成した０ｄｅｇ送信波形データと１８０ｄｅｇ送信波形データとをＤＡＣ２０２に出力する。

ＤＡＣ２０２は、送信波形データをアナログ信号に変換し、変換したアナログ信号の送信波形データを増幅回路２０３に出力する。増幅回路２０３は、アナログ信号の送信波形データを増幅して送信信号を生成し、生成した送信信号を超音波プローブ１１に出力する。

超音波プローブ１１は、図２に示すように、ケーブル３０１と、プローブ内回路３０２と、振動子３０３とを有する。ケーブル３０１は、送信回路１１１によって生成された送信信号をプローブ内回路３０２に出力する。プローブ内回路３０２は、ケーブル３０１を切り替える半導体スイッチ、振動子３０３を切り替える半導体スイッチ、インダクタ等で構成される直列または並列チューニング回路が含まれる。振動子３０３は、超音波診断装置１の装置本体１００によって送信波形データから生成された送信信号に基づいて超音波を送受信する。

ところが、送信回路１１１において和成分がゼロとなる複数の送信波形データを作成しても、超音波プローブ１１に印加される送信信号の和成分や超音波プローブ１１から送信される超音波の和成分は、完全に相殺されずに残渣成分が生じる場合がある。

より具体的には、送信回路１１１の増幅回路２０３は、正孔をキャリアとするＰ形半導体と電子をキャリアとするＮ形半導体とで、位相極性が正の送信信号及び負の送信信号を作っている。このため、送信信号の位相極性の対称性を確保することが難しい。また、振動子３０３は、送信信号が正の振幅のときと負の振幅のときとでインピーダンスに変化が見られる。このため位相極性の非対称性が生じる。なお、振動子３０３での位相極性の非対称性は、特に大振幅になるほどその差が大きくなる。

そして、ハーモニック成分の周波数帯に送信信号の残渣成分が生じると、Ｓ／Ｎ（Signal to Noise）比が劣化するという問題があった。より具体的には、２つの送信信号で生体に超音波を送信して得られた反射波信号には、本来画像にしたい生体の非線形によるハーモニック成分と、送信信号の残渣成分に対する反射波信号とが含まれる。この送信信号の残渣成分に対する反射波信号は、キャンセルされずにノイズとして画像化される。

このようなことから、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の送信回路１１１は、送信条件に応じて超音波プローブ１１から位相が異なる超音波を複数回送信させる際に、ケーブルと超音波振動子との間から検出された送信信号を利用して、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。例えば、送信回路１１１は、送信条件に応じて複数回送信される超音波それぞれに対応し、和成分がゼロとなる複数の補正前送信波形データと、送信条件に応じた補正値とに基づいて、送信波形データを作成する。

ここで、例えば、記憶回路１６０は、送信条件に応じた補正値を記憶する。例えば、補正値は、ＴＨＩ、ＣＨＩ、位相変調等のモードに応じて設定される。そして、例えば、ディスプレイ１３に表示されたＧＵＩを介して操作者からモードの選択を受付けた場合、送信回路１１１は、選択されたモードの補正値を読み出して、送信波形データを作成する。また、補正値は、送信電圧と送信周波数とに対応付けて設定されてもよい。かかる場合、例えば、ディスプレイ１３に表示されたＧＵＩを介して操作者から送信電圧と送信周波数の選択を受付けた場合、送信回路１１１は、対応する補正値を読み出して、送信波形データを作成する。

以下では、補正値の算出処理について説明する。なお、第１の実施形態では、例えば超音波診断装置１の出荷前に超音波診断装置１以外の装置により補正値が算出される場合について説明する。ここでは、補正値算出回路２が補正値を算出するものとして説明する。なお、補正値を算出する処理は、例えば、水中、ファントムなど生体に近い音響インピーダンスを持つものに超音波プローブ１１を当接して行われることが望ましい。また、補正値算出回路２は、算出回路の一例である。

送信回路１１１は、送信条件に応じて複数回送信される超音波それぞれに対応し、和成分がゼロとなる複数の補正前送信波形データを作成し、作成した複数の補正前送信波形データに対応する複数の補正前送信信号を生成する。ここで、例えば、信号生成回路２０１により作成された補正前送信波形データから生成された送信信号は、振動子３０３に印加されるまでの間にノイズ等が混入し変形する。すなわち、信号生成回路２０１により作成された補正前送信波形データを、ノイズ等の混入を排除して理論的に変換した送信信号と、実際に振動子３０３に印加される送信信号とは異なるものとなる。

より具体的には、理論的に変換した送信信号は、ＤＡＣ２０２や増幅回路２０３等による処理過程や、超音波プローブ１１のプローブ内回路３０２を通過する過程で、ノイズ等が混入する。ここで、信号生成回路２０１により作成された補正前送信波形データを、ノイズ等の混入を排除した理論的な送信信号に変換すると仮定した場合、位相０度の理論的な送信信号をＳｉｎｐと表記し、位相１８０度の理論的な送信信号をＳｉｎｎと表記する。

そして、補正値算出回路２は、生成直後から超音波プローブ１１が有する振動子３０３に与えられる直前までのいずれかの時点で取得された複数の補正前送信信号の和成分、又は、当該複数の補正前送信信号により超音波プローブ１１が送信した時点で取得された複数の補正前超音波の和成分を、補正前和成分として取得する。例えば、補正値算出回路２は、プローブ内回路３０２から複数の補正前送信信号を取得し、取得した複数の補正前送信信号を加算して補正前送信信号の和成分を取得する。ここで、取得した位相０度の補正前送信信号をＳｏｐと表記し、取得した位相１８０度の補正前送信信号をＳｏｎと表記すると、補正前送信信号の和成分は時間軸の波形ΔＳｏ（ｔ）として、「Ｓｏｐ（ｔ）＋Ｓｏｎ（ｔ）」により表される。そして、補正値算出回路２は、取得した補正前和成分に基づいて、補正値を算出する。すなわち、ΔＳｏ（ｔ）は、キャンセルできなかった送信波形の残渣成分であり、このΔＳｏ（ｔ）が所定の範囲内となるように送信波形データの補正値を算出する。以下では、ΔＳｏ（ｔ）が最小となる補正値を算出する場合を説明する。

例えば、補正値算出回路２は、ΔＳｏ（ｔ）をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）して、周波数スペクトラムΔＳｏ（ω）に変換する。そして、補正値算出回路２は、周波数軸上で、キャンセルさせたい必要な周波数帯に重み付けした周波数窓関数を掛ける。例えば、補正値算出回路２は、２ｎｄハーモニック成分（２次高調波成分）を中心とする生体の非線形成分の周波数帯に周波数窓関数を掛ける。すなわち、補正値算出回路２は、補正前和成分の周波数スペクトラムのうち、送信条件に応じた所定の周波数帯域に重み付けした周波数スペクトラムを導出する。

続いて、補正値算出回路２は、補正前和成分の周波数スペクトラムのうち、送信条件に応じた所定の周波数帯域に重み付けした周波数スペクトラムと、変換関数とから算出した変換スペクトラムから変換成分を算出する。ここで、変換関数は、生成直後から超音波プローブ１１が有する振動子３０３に与えられる直前までのいずれかの時点の波形、或いは、複数の補正前送信信号により超音波プローブ１１が送信した時点の波形をノイズも含めて補正して当該波形の発生に用いた送信波形データの波形に戻す関数である。言い換えると、変換関数は、生成直後から超音波プローブ１１が有する振動子３０３に与えられる直前までのいずれかの時点の波形の周波数スペクトラム、或いは、複数の補正前送信信号により超音波プローブ１１が送信した時点の波形の周波数スペクトラムを当該波形の発生に用いた送信波形データの波形の周波数スペクトラムに戻す変換関数である。

ここで、位相０度の補正前送信信号Ｓｏｐに対する変換関数をＨｉｎｖｐ（ω）と表記し、位相１８０度の補正前送信信号Ｓｏｎに対する変換関数をＨｉｎｖｎ（ω）と表記する。なお、変換関数は、送信条件ごとに設定される。例えば、変換関数は、送信条件の送信電圧と送信周波数とで決まる。また、変換関数は、モードごとに設定されてもよい。例えば、ＣＨＩ法の変換関数、ＴＨＩ法の変換関数が設定される。

そして、例えば、補正値算出回路２は、変換関数により、補正前和成分を変換した変換成分に基づいて、補正値を算出する。より具体的には、補正値算出回路２は、周波数窓関数を掛けたΔＳｏ（ω）に、変換関数Ｈｉｎｖｐ（ω）又はＨｉｎｖｎ（ω）を掛けてΔＳｉｎ（ω）を導出する。ここで、補正値算出回路２は、ΔＳｏ（ｔ）を１／２にしたものをそれぞれＳｏｐ（ｔ）、Ｓｏｎ（ｔ）の非線形成分とみなして、Ｓｏｐ（ｔ）に変換関数Ｈｉｎｖｐ（ω）を掛け、Ｓｏｎ（ｔ）に変換関数Ｈｉｎｖｎ（ω）を掛けてもよい。或いは、補正値算出回路２は、ΔＳｏ（ｔ）をＳｏｐ（ｔ）の非線形成分とみなして、Ｓｏｐ（ｔ）に変換関数Ｈｉｎｖｐ（ω）を掛けてもよく、また、ΔＳｏ（ｔ）をＳｏｎ（ｔ）の非線形成分とみなして、Ｓｏｎ（ｔ）に変換関数Ｈｉｎｖｎ（ω）を掛けてもよい。

そして、補正値算出回路２は、変換成分であるΔＳｉｎ（ω）を逆ＦＦＴして、時間軸に戻し、補正値を導出する。補正値算出回路２は、導出した補正値を記憶回路１６０に格納する。また、送信回路１１１は、例えば、補正前送信波形データから補正値を減算することで、送信波形データを作成する。なお、補正値算出回路２は、補正した送信波形データで超音波を送信した結果に、同様の補正処理を繰り返してもよい。例えば、補正値算出回路２は、所定の回数に達するまで補正処理を繰り返すようにしてもよいし、ΔＳｏが所定値以下になるまで補正処理を繰り返すようにしてもよい。

図３は、第１の実施形態に係る補正値算出処理の手順を示すフローチャートである。送信回路１１１は、０ｄｅｇ送信波形データを作成し（ステップＳ１０１）、作成した０ｄｅｇ送信波形データを超音波プローブ１１に送信させる（ステップＳ１０２）。続いて、補正値算出回路２は、０ｄｅｇ超音波を抽出する（ステップＳ１０３）。

また、送信回路１１１は、１８０ｄｅｇ送信波形データを作成し（ステップＳ１０４）、作成した１８０ｄｅｇ送信波形データを超音波プローブ１１に送信させる（ステップＳ１０５）。続いて、補正値算出回路２は、１８０ｄｅｇ超音波を抽出する（ステップＳ１０６）。そして、補正値算出回路２は、０ｄｅｇ超音波と１８０ｄｅｇ超音波との和成分を取得する（ステップＳ１０７）。

補正値算出回路２は、和成分が所定の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ここで、補正値算出回路２は、和成分が所定の範囲内であると判定した場合（ステップＳ１０８、Ｙｅｓ）、処理を終了する。一方、補正値算出回路２は、和成分が所定の範囲内であると判定しなかった場合（ステップＳ１０８、Ｎｏ）、和成分をＦＦＴする（ステップＳ１０９）。

続いて、補正値算出回路２は、窓関数を掛け（ステップＳ１１０）、逆伝達関数を掛ける（ステップＳ１１１）。そして、補正値算出回路２は、逆ＦＦＴにより補正値を算出する（ステップＳ１１２）。補正値算出回路２は、補正値を記憶回路１６０に格納する（ステップＳ１１３）。ステップＳ１１３の終了後、ステップＳ１０１に移行する。

このように、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、送信条件に応じて超音波プローブ１１から位相が異なる超音波を複数回送信させる際に、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。このため第１の実施形態に係る超音波診断装置１によれば、位相の異なる複数の超音波を送信して生成する高調波成分の画像からノイズを低減することができる。より具体的には、生体からの非線形成分を画像にする場合に、補正前送信信号の非線形性によりキャンセルされない残渣成分が生じることによるＳ／Ｎ劣化を改善する。補正前送信信号の和成分は、送信電圧が小さいときは、増幅回路２０３の影響が強く、送信電圧が高くなるにつれて、振動子３０３側の影響が強くなる傾向がある。このため、第１の実施形態に係る超音波診断装置１によって、振動子３０３の特性も含めて補正することができる。

また、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、ケーブル３０１と振動子３０３との間から検出された送信信号を利用して、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。これにより、ケーブル３０１のインピーダンスの影響を受けない送信波形データを作成することが可能になる。

より具体的には、増幅回路２０３とケーブル３０１との間から検出された送信信号を利用して、送信波形データを作成する場合、ケーブル３０１に入力される直前の送信信号の位相極性は対称である。しかし、ケーブル３０１を通過した後の送信信号は、ケーブル３０１のインピーダンスの影響を受けるので、送信信号の位相極性は非対称性になる。このため、増幅回路２０３とケーブル３０１との間から検出された送信信号を利用して、超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成しても、振動子３０３での送信信号の位相極性は対称にはならない。一方、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、ケーブル３０１と振動子３０３との間から検出された送信信号を利用して、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。すなわち、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、ケーブル３０１のインピーダンスの影響を加味して送信波形データを作成する。この結果、第１の実施形態に係る超音波診断装置１によれば、振動子３０３での送信信号の位相極性は対称になる。

また、ハーモニックイメージングとして、造影剤のバブルを割らずにバブルの非線形挙動を捕らえるために小さい振幅で超音波を送信するＣＨＩ法と、生体の実質の非線形を発生させるために大きい振幅で超音波を送信するＴＨＩ法とがある。このため、送信回路１１１は、ＣＨＩ法とＴＨＩ法との両方の条件下で、位相反転時の正負の対称性を維持することが求められる。上述した第１の実施形態によれば、送信条件に応じて超音波プローブ１１から位相が異なる超音波を複数回送信させる際に、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。この結果、第１の実施形態に係る超音波診断装置１によれば、小さい振幅で超音波を送信するＣＨＩ法でも、大きい振幅で超音波を送信するＴＨＩ法でも、位相反転時の正負の対称性を維持することが可能である。これにより、第１の実施形態に係る超音波診断装置１によれば、造影剤の非線形性を画像化する小振幅送信の用途にも、生体の実質の非線形性を画像化する大振幅の用途にも、同様に補正して、Ｓ／Ｎを改善できる。

なお、上述した実施形態では、補正値算出回路２は、生成直後から超音波プローブ１１が有する振動子３０３に与えられる直前までのいずれかの時点で取得された複数の補正前送信信号の和成分を補正前和成分として取得する場合について説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、補正値算出回路２は、複数の補正前送信信号により超音波プローブ１１が送信した時点で取得された複数の補正前超音波の和成分を補正前和成分として取得してもよい。かかる場合、補正値算出回路２は、例えば、ハイドロフォンによって測定された複数の補正前超音波を取得し、取得した複数の補正前超音波を加算して補正前超音波の和成分を取得する。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、超音波診断装置１以外の外部の装置が、例えば工場出荷前に補正値を算出し、記憶回路１６０に補正値を記憶させる場合について説明した。第２の実施形態では、超音波診断装置が補正値を算出する場合について説明する。

図４は、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａの構成例を示すブロック図である。図４に示すように、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａは、超音波プローブ１１ａと、入力装置１２と、ディスプレイ１３と、装置本体１００ａとを備える。なお、図４に示す超音波診断装置１ａが有する各構成要素のうち、図１に示す各部と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与し詳細な説明を省略する。また、図１と同様に、図４における複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。

装置本体１００ａは、超音波プローブ１１ａが受信した反射波信号に基づいて、超音波画像データを生成する装置である。装置本体１００ａの構成は、送受信回路１１０ａ及び処理回路１７０ａの構成が異なる点を除いて、第１の実施形態に係る装置本体１００の構成と同様である。すなわち、装置本体１００ａは、図４に示すように、例えば、送受信回路１１０ａと、Ｂモード処理回路１２０と、ドプラ処理回路１３０と、画像生成回路１４０と、画像メモリ１５０と、記憶回路１６０と、処理回路１７０ａとを有する。なお、図４に示す装置本体１００ａが有する各構成要素のうち、図１に示す各部と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与し詳細な説明を省略する。

送受信回路１１０ａは、超音波プローブ１１ａによる超音波の送受信を制御する。例えば、送受信回路１１０ａは、送信回路１１１ａと受信回路１１２とを有し、後述する処理回路１７０ａの指示に基づいて、超音波プローブ１１ａが行う超音波送受信を制御する。なお、第２の実施形態に係る送受信回路１１０ａは、送信回路１１１ａの一部の構成が異なる点を除いて、第１の実施形態に係る送受信回路１１０の構成と同様である。なお、第２の実施形態に係る送信回路１１１ａは、第１の実施形態に係る送信回路１１１と同様に、送信波形データを作成し、作成した送信波形データから超音波プローブ１１ａが超音波を送信するための送信信号を生成し、超音波プローブ１１ａに出力する。ここで、送信回路１１１ａは、送信条件に応じて複数回送信される超音波それぞれに対応し、和成分がゼロとなる複数の補正前送信波形データと、送信条件に応じた補正値とに基づいて、送信波形データを作成する。

処理回路１７０ａは、超音波診断装置１ａの処理全体を制御する。第２の実施形態に係る処理回路１７０ａの構成は、算出機能１７１を有する点を除いて、第１の実施形態に係る処理回路１７０の構成と同様である。算出機能１７１は、処理回路１７０ａが算出機能１７１に対応するプログラムを記憶回路１６０から読み出し実行することで、実現される機能である。また、算出機能１７１は、算出回路の一例である。なお、図４においては単一の処理回路１７０ａにて算出機能１７１にて行われる処理機能が実現されるものとして説明するが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。

以下では、図５を用いて、超音波プローブ１１ａ、送信回路１１１ａ、及び処理回路１７０ａについて説明する。図５は、第２の実施形態を説明するための図である。図５では説明の便宜上、超音波診断装置１ａが有する構成要素のうち、超音波プローブ１１ａと、送信回路１１１ａと、記憶回路１６０と、処理回路１７０ａとを図示する。

超音波プローブ１１ａは、後述する装置本体１００ａが備える送受信回路１１０ａと通信可能に接続される。この超音波プローブ１１ａは、複数の補正前送信信号を算出機能に出力する抽出回路３０４を更に備える。例えば、超音波プローブ１１ａは、図５に示すように、ケーブル３０１と、プローブ内回路３０２と、振動子３０３と、抽出回路３０４と、アッテネータ３０５と、バッファ３０６とを有する。なお、超音波プローブ１１ａが有する構成要素のうち、第１の実施形態に係る超音波プローブ１１と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与し詳細な説明を省略する。

抽出回路３０４は、プローブ内回路３０２から複数の補正前送信信号を取得し、アッテネータ３０５を介して、取得した複数の補正前送信信号を算出機能１７１に出力する。アッテネータ３０５は、抽出回路３０４によって抽出された複数の補正前送信信号が大振幅で直接バッファ３０６に取り込めない場合に、補正前送信信号をアッテネートする。バッファ３０６は、アッテネータ３０５から出力された補正前送信信号をＡＤＣ２０４に出力する。

また、図５に示すように、送信回路１１１ａは、信号生成回路２０１と、ＤＡＣ２０２と、増幅回路２０３と、ＡＤＣ（Analog−Digital Converter）２０４とを有する。なお、送信回路１１１ａが有する構成要素のうち、第１の実施形態に係る送信回路１１１と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与し詳細な説明を省略する。

ＡＤＣ２０４は、バッファ３０６から出力された補正前送信信号をデジタル変換して、算出機能１７１に出力する。

算出機能１７１は、第１の実施形態に係る補正値算出回路２と同様の機能を有する。すなわち、算出機能１７１は、生成直後から超音波プローブ１１ａが有する振動子３０３に与えられる直前までのいずれかの時点で取得された複数の補正前送信信号の和成分、又は、当該複数の補正前送信信号により超音波プローブ１１ａが送信した時点で取得された複数の補正前超音波の和成分を、補正前和成分として取得する。例えば、算出機能１７１は、抽出回路により出力された複数の補正前送信信号を取得し、取得した複数の補正前送信信号を加算して補正前送信信号の和成分を取得する。或いは、算出機能１７１は、例えば、ハイドロフォンによって測定された複数の補正前超音波を取得し、取得した複数の補正前超音波を加算して補正前超音波の和成分を取得する。そして、算出機能１７１は、取得した補正前和成分に基づいて、補正値を算出する。

ここで、算出機能１７１が複数の補正前送信信号を取得する場合、複数の補正前送信信号は、抽出回路３０４、アッテネータ３０５、バッファ３０６、及びＡＤＣ２０４を経由する。なお、抽出回路３０４、アッテネータ３０５、バッファ３０６、及びＡＤＣ２０４のことを補正用回路とも言う。このため、算出機能１７１が取得する複数の補正前送信信号には、補正用回路を経由する過程でノイズが混入している可能性がある。このため、算出機能１７１は、取得する補正前送信信号の和成分に補正用回路用の変換関数を掛けて、補正用回路を経由する間に混入するノイズの影響を取り除いた補正前送信信号の和成分ΔＳｏ（ｔ）を導出する。なお、この補正用回路用の変換関数は、算出機能１７１が取得する補正前送信信号の和成分をノイズも含めて補正してプローブ内回路３０２から出力された時点の補正前送信信号の和成分に戻す関数である。

そして、算出機能１７１は、ΔＳｏ（ｔ）を求めれば、第１の実施形態に係る補正値算出回路２と同様にして補正値を算出する。

補正用回路の伝達関数と、第１の実施形態で説明した変換関数Ｈｉｎｖｐ（ω）及び変換関数Ｈｉｎｖｎ（ω）とを予め導出しておけば、複数の補正前送信信号の取得から補正値算出及び減算補正を超音波診断装置１ａ内で実行することが可能である。このため、送信条件、たとえば波数、周波数、電圧等や、超音波プローブ１１ａの個体ごとに、容易に補正値を求めることができる。これにより、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａによれば、予め補正値を計算しておかなくても、リアルタイムに補正値を算出して、複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成することができる。また、これにより、モード切り替えごとに適切な補正値を算出することが可能になる。この結果、モード切り替えごとに、複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成することができる。

また、超音波プローブ１１ａだけを新たに購入した場合、既存の装置本体１００ａとの間で、補正用回路の伝達関数と、変換関数Ｈｉｎｖｐ（ω）及び変換関数Ｈｉｎｖｎ（ω）とを導出するだけで、適切な補正値を算出することが可能になる。この結果、複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成することができる。

なお、補正用回路は、すべての振動子に設けなくてもよい。すなわち、補正回路は、少なくとも１チャンネルの補正前送信信号で代表させてもよい。言い換えると、抽出回路３０４は、超音波プローブ１１ａが有する複数の振動子３０３の所定の振動子に出力される複数の補正前送信信号を抽出するようにしてもよい。また、超音波プローブ１１ａ内に抽出回路３０４、アッテネータ３０５、及びバッファ３０６を実装する場合、消費電力によってプローブの温度上昇に影響を与えないよう必要最小限の回路数にするのが望ましい。

また、算出機能１７１は、算出した補正値が所定の範囲外である場合に、異常である旨を通知するようにしてもよい。例えば、異常値によって音響パワー規制を超えないように、予め補正値として設定可能な範囲を設定しておく。そして、算出機能１７１は、補正値が、この範囲を超える値になった場合、異常とみなしてエラーを報知し、超音波の送信を行わないようにする。通常、補正値は振幅の３％以下と小さいので、音響パワーのデフォルト値をその分あらかじめ下げておけば、規制値を超えることはなく、感度への影響はきわめて小さく、問題とならない。

なお、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａは、第１の実施形態に係る超音波診断装置１と同様に、ケーブル３０１と振動子３０３との間から検出された送信信号を利用して、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する。これにより、ケーブル３０１のインピーダンスの影響を受けない送信波形データを作成することが可能になる。この結果、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａによれば、振動子３０３での送信信号の位相極性は対称になる。

（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態では、超音波プローブ１１ａから複数の補正前送信信号を抽出する場合について説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、残渣を生じる支配的な要因が増幅回路２０３であり、超音波プローブ１１ａによるノイズの混入の影響を加味しなくてもよい場合には、例えば、送信回路１１１ａ内の増幅回路２０３の出力から複数の補正前送信信号を抽出してもよい。

図６は、第２の実施形態の変形例を説明するための図である。第２の実施形態の変形例に係る送信回路１１１ａは、信号生成回路２０１と、ＤＡＣ２０２と、増幅回路２０３と、ＡＤＣ２０４と、抽出回路２０５と、アッテネータ２０６と、バッファ２０７とを有する。なお、第２の実施形態の変形例に係る送信回路１１１ａが有する構成要素のうち、第２の実施形態に係る送信回路１１１ａと同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与し詳細な説明を省略する。

抽出回路２０５は、アッテネータ２０６を介して、増幅回路２０３により出力された複数の補正前送信信号を算出機能１７１に出力する。アッテネータ２０６は、抽出回路２０５によって抽出された複数の補正前送信信号の和成分が大振幅で直接バッファ２０７に取り込めない場合に、補正前送信信号をアッテネートする。バッファ２０７は、アッテネータ２０６から出力された補正前送信信号をＡＤＣ２０４に出力する。

第２の実施形態の変形例に係る算出機能１７１が複数の補正前送信信号を取得する場合、複数の補正前送信信号は、抽出回路２０５と、アッテネータ２０６と、バッファ２０７、及びＡＤＣ２０４を経由する。なお、抽出回路２０５と、アッテネータ２０６と、バッファ２０７、及びＡＤＣ２０４のことを補正用回路とも言う。このため、算出機能１７１が取得する複数の補正前送信信号には、補正用回路を経由する過程でノイズが混入している可能性がある。このため、算出機能１７１は、取得する補正前送信信号の和成分に補正用回路用の変換関数を掛けて、補正用回路を経由する間に混入するノイズの影響を取り除いた補正前送信信号の和成分ΔＳｏ（ｔ）を導出する。なお、この補正用回路用の変換関数は、算出機能１７１が取得する補正前送信信号の和成分をノイズも含めて補正して増幅回路２０３から出力された時点の補正前送信信号の和成分に戻す関数である。

そして、算出機能１７１は、ΔＳｏ（ｔ）を求めれば、第１の実施形態に係る補正値算出回路２と同様にして補正値を算出する。

なお、上述した実施形態では、算出機能１７１は、生成直後から超音波プローブ１１ａが有する振動子３０３に与えられる直前までのいずれかの時点で取得された複数の補正前送信信号を加算して、複数の補正前送信信号の和成分を補正前和成分として取得する場合について説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、算出機能１７１は、複数の補正前送信信号により超音波プローブが送信した時点で取得された複数の補正前超音波を加算して、複数の補正前超音波の和成分を補正前和成分として取得してもよい。かかる場合、算出機能１７１は、例えば、ハイドロフォンによって測定された複数の補正前超音波を取得し、取得した複数の補正前超音波を加算して補正前超音波の和成分を取得する。

なお、第２の実施形態では、算出機能１７１が処理回路１７０ａ内に設けられる場合について説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図５及び図６に示す送信回路１１１ａ内に、算出機能と同様の機能を有する算出回路が設けられてもよい。

（その他の実施形態）
さて、これまで第１〜第２の実施形態について説明したが、上記した第１〜第２の実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。

上述した実施形態では、位相０度と位相１８０度の２回の超音波を送信する場合について説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、位相０度、位相１２０度、位相２４０度の３回の超音波を送信して、基本波成分と２次高調波成分とを除去して３次高調波成分のみを抽出する場合にも適用可能である。

また、例えば、ＴＨＩでは、受信信号に含まれる２次高調波成分と差音成分とを用いて映像化を行なう方法（Differential THIとも呼ばれる）が実用化されている。上述した実施形態は、差音成分を用いた映像化法にも適用可能である。この差音成分を用いた映像化法では、例えば、中心周波数が「ｆ１」の第１基本波と、中心周波数が「ｆ１」より大きい「ｆ２」の第２基本波とを合成した合成波形の送信超音波を、超音波プローブ１１（１１ａ）から送信させる。この合成波形は、２次高調波成分と同一の極性を持つ差音成分が発生するように、互いの位相が調整された第１基本波の波形と第２基本波の波形とを合成した波形である。送信回路１１１（１１１ａ）は、合成波形の送信超音波を、位相を反転させながら、例えば、２回送信させる。かかる場合、例えば、Ｂモード処理回路１２０は、２つの受信信号を加算することで、基本波成分が除去され、差音成分及び２次高調波成分が主に残存したハーモニック成分を抽出した後、包絡線検波処理等を行なう。

なお、上述した実施形態では、変換関数を周波数成分として説明したが、時間軸の関数としてもよい。かかる場合、ΔＳｏ（ｔ）に時間軸の関数である変換関数を掛けて補正値を算出する。

上記の実施形態の説明において、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、或いは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。

また、上記の実施形態で説明した制御方法は、予め用意された制御プログラムをパーソナルコンピュータやワークステーション（医用画像診断装置）等のコンピュータで実行することによって実現することができる。この制御プログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。また、この制御プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、位相の異なる複数の超音波を送信して生成する高調波成分の画像からノイズを低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 超音波診断装置
１１ 超音波プローブ
１００ 装置本体
１１０ 送受信回路
１１１ 送信回路

Claims (11)

1. ケーブルを介して本体と接続され、超音波の送受信を行うための超音波振動子を有する超音波プローブと、
   送信波形データを作成し、作成した送信波形データから前記超音波プローブが超音波を送信するための送信信号を生成し、前記超音波プローブに出力する送信回路とを備え、
   前記送信回路は、送信条件に応じて前記超音波プローブから位相が異なる超音波を複数回送信させる際に、前記ケーブルと前記超音波振動子との間から検出された前記送信信号を利用して、当該複数回送信される超音波の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを作成する、超音波診断装置。
2. 前記送信回路は、前記送信条件に応じて複数回送信される超音波それぞれに対応し、和成分がゼロとなる複数の補正前送信波形データと、前記送信条件に応じた補正値とに基づいて、前記送信波形データを作成する、請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記補正値を算出する算出回路を更に備え、
   前記送信回路は、前記和成分がゼロとなる複数の補正前送信波形データを作成し、作成した複数の補正前送信波形データに対応する複数の補正前送信信号を生成し、
   前記算出回路は、生成直後から前記超音波プローブが有する振動子に与えられる直前までのいずれかの時点で取得された前記複数の補正前送信信号の和成分、又は、当該複数の補正前送信信号により前記超音波プローブが送信した時点で取得された複数の補正前超音波の和成分を、補正前和成分として取得し、取得した補正前和成分に基づいて、前記補正値を算出する、請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記算出回路は、前記時点の波形をノイズも含めて補正して当該波形の発生に用いた送信波形データの波形に戻す変換関数により、前記補正前和成分を変換した変換成分に基づいて、前記補正値を算出する、請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記変換関数は、前記時点の波形の周波数スペクトラムを当該波形の発生に用いた送信波形データの波形の周波数スペクトラムに戻す変換関数であり、
   前記算出回路は、前記補正前和成分の周波数スペクトラムのうち、前記送信条件に応じた所定の周波数帯域に重み付けした周波数スペクトラムと、前記変換関数とから算出した変換スペクトラムから前記変換成分を算出する、請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記超音波プローブは、前記複数の補正前送信信号を前記算出回路に出力する抽出回路を更に備え、
   前記算出回路は、前記抽出回路により出力された前記複数の補正前送信信号を加算して前記補正前送信信号の和成分を取得する、請求項３〜５のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
7. 前記送信回路により生成された補正前送信波形データを補正前送信信号に変換して前記超音波プローブに出力する変換回路と、
   前記変換回路により出力された複数の前記補正前送信信号を前記算出回路に出力する抽出回路と
   を更に備え、
   前記算出回路は、前記抽出回路により出力された前記複数の補正前送信信号を加算して前記補正前送信信号の和成分を取得する、請求項３〜５のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
8. 前記抽出回路は、前記超音波プローブが有する複数の振動子の所定の振動子に出力される複数の補正前送信信号を抽出する、請求項６又は７に記載の超音波診断装置。
9. 前記算出回路は、ハイドロフォンによって測定された複数の補正前超音波を加算して前記補正前超音波の和成分を取得する、請求項３〜５のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
10. 前記算出回路は、算出した補正値が所定の範囲外である場合に、異常である旨を通知する、請求項３〜９のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
11. 超音波診断装置本体によって送信波形データから生成された送信信号に基づいて超音波を送受信する振動子と、
    前記振動子に、送信条件に応じて位相が異なる超音波を複数回送信させる際に、前記振動子に出力する直前の複数の送信信号を前記超音波診断装置本体に出力する抽出回路と備え、
    前記超音波診断装置本体は、前記抽出回路により出力された複数の送信信号を加算して前記送信信号の和成分を取得し、取得した前記送信信号の和成分が所定の範囲内となる送信波形データを、前記送信条件に応じた補正値により作成する、超音波プローブ。

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