JPH0759766A - 医用超音波分散圧縮送受信方法及び医用超音波分散圧縮送受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 媒質の非線形伝播に耐性を有する分散圧縮送
受信方法及び医用超音波分散圧縮送受信装置を実現す
る。 【構成】 拡散変調により生成された第一の送波信号及
びこの第一の送波信号と反対極性の第二の送波信号を生
成して送波し（１），（２）、第一の送波信号の受信結
果と第一の送波信号の信号波形との相互相関と、第二の
送波信号の受信結果と第二の送波信号の信号波形との相
互相関とを求め（４）、それぞれの相関結果を時間軸を
整合させた状態で加算する（５）ことにより圧縮復調出
力を得ることを特徴とする医用超音波分散圧縮送受信方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は医用超音波分散圧縮送受
信方法及び医用超音波分散圧縮送受信装置の改良に関
し、特に、媒質の非線形伝播に耐性を有する医用超音波
分散送受信方法及び医用超音波分散圧縮送受信装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】医用超音波装置とは一種の極短距離ソナ
ーであり、ターゲット（観測対象物：この場合被検体の
腹腔内）の損失性分散性の大きな音響学的性質と、診断
上の要求による映像系の空間分解能への要求に従って、
音響信号系の比帯域幅は非常に大きく（すなわち、イン
パルスレスポンスを非常に重視し）、また系のダイナミ
ックレンジへの要求も常に限界値を行っている。

【０００３】また、ターゲットの生体軟部組織のエコー
源としての性質はポイントターゲットとは裏腹の全てが
クラッタのようなエコー源であり、スペックル性を基本
とし、卓越した硬いエコーは骨などの特例以外には存在
しない。

【０００４】むしろ、組織実質部の砂を撒いたようなス
ペックルエコーの領域の中に僅かに性質の異なる部分が
識別できるとか、液体で満たされた管腔臓器の中身が本
当に透明か、なにかエコーを発する異物があるか、等が
大変重要な課題である。それ故に、一切のゴーストやス
プリアスレスポンスを極度に嫌う。すなわち、本質的に
ハイファイでクリーンであることが必須の条件である。

【０００５】この様な観測系ないし信号系への要求は、
オーディオシステムや資源探査用の合成開口レーダにお
ける事情にも似ているともいえるが、大きく異なる点も
ある。すなわち、リアルタイム性と安全性が要求される
点である。リアルタイム性とは、動体即時観測、すなわ
ち動いている臓器の遅滞ない観測（ドプラシフト観測な
ども含めて）要求されることである。また生体組織への
安全性の確保は医療器械としては本質的に重要な課題で
ある。

【０００６】すなわち、安全性と送信電力の両者を確保
しつつ装置の探査能力を向上させるために、大振幅の単
発パルスのパルスエコーシステムや単一周波数のＣＷシ
ステムに代えて、時間帯域幅積（ＴＢ積）が１よりはる
かに大きいスペクトラム拡散方式を用いた分散圧縮送受
信が有効である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】医用超音波装置のエコ
ー探査において以上のような事情に即して採用可能な分
散化信号としては、大別してＦＭチャープ信号と相補系
列による位相変調信号の二種類がある。そして、メイン
ローブの鋭さや形状は各々の事情による面があるとして
も、一般に、送波信号のそれ自身の方式原理上のタイム
サイドローブが大略−６０ｄＢ程度以下であることは最
低限必要である。これは生体組織内のエコー源のレベル
分布に由来し、その分布範囲そのものである。

【０００８】ゴーレイコード等の相補系列を位相変調の
コード信号として時分割的に用いる場合には、タイムサ
イドローブは各コードの受信相関処理の後で結果を一次
結合することで完全に消去され、静止ターゲットに対し
てはほぼ理想的な結果が得られる。しかしこの方式はド
プラシフトのあるターゲットには本質的に脆弱で、応用
可能な場面には制約がある。

【０００９】また、ビンのシフト数のある特定の値のみ
に関して相補性を呈する系もあるが、システムが同期シ
ステムではなく、エコー源が至る所に分布しているスペ
ックル性の強いものであるので、メインローブ以外の一
切の不所望レスポンスは字義通りゴースト発生源とな
る。

【００１０】そして、最大の問題が、媒質の非線形伝播
の影響の問題である。特に送波信号が伝播中に大きく波
形変化をきたす場合があること、及びそれを前提とした
信号設計である。

【００１１】空気中や水中の音響信号が電磁波信号と本
質的に異なる点は、媒質中の伝播が本質的に非線形を持
つ点である。これは、音波が縦波であり、瞬時音圧の高
い、瞬時粒子速度の大なる部分が先走りして先行する低
圧遅速の部分に追いつくことにより避けられない現象で
ある。これは低レベルの音波の短距離伝播では殆ど目立
たないが、レベルや周波数に依存するある限界を超える
と一様に波頭が立ってきて目立つようになる。

【００１２】実用を意識した典型例として、計算機シミ
ュレーションにより得た結果を図７以下を参照して説明
する。まず、上下周波数比２：１程の、全長５０波長程
度のコサイン自乗振幅修飾したリニアチャープ信号を計
算機内で発生する（図８）。それを計算機内で非線形伝
播をシミュレーションすることにより波形を崩していく
と図９のようにまず振幅の大きい腹から壁が立ちはじ
め、トゲがでてくる。エコー源は波形を変えずに、これ
をただ低レベルにて送り返してきたとする。この波形と
元の送信波形との相関関係に注目することにする。ここ
で、受信機の事情を勘案してこの図９の波形を元の信号
の帯域幅に帯域制限（第二高調波以上を除去）すると、
図１０のように痩せて平坦化し、あたかもアポダイゼー
ションが狂ったような波形になる。これを元の送信波形
と相関させると、相当現実離れした歪みを来してもタイ
ムサイドローブはさほど悪化しない。しかし、図１１に
示すように片側に大きなコブを生じている。このコブは
チャープ波形の低域側の時間帯のひずんだ結果（第二高
調波）がレプリカの広域側の端の成分と相関を持つに至
ったものであり、それだけ広帯域なチャープ信号を想定
したのだから当然ではある。が、現実に欲しい信号はこ
の程度の広帯域なものになるので、この問題を避けて通
ることはできない。上下周波数比を２：１よりも有意に
狭め、例えば１．４：１程度に抑えれば、このコブはフ
ィルタで容易に除去することができるようになる。しか
し、そのようにすると、現行装置に等価な空間分解能も
得ることができなくなる。

【００１３】次に、相補系列位相変調波について考え
る。図１２に波形を示すコードＡとコードＢとを時間的
に別々に送受信し、相関させてから結果を足しあわせ
る。系の帯域幅とコード長は、上述のチャープ信号の場
合と大略同じにして考える。コード長は１６ビット（Ａ
＝８Ｄ８２，Ｂ＝４１４Ｅ）であり、故に固有のプロセ
スゲイン３２を持ち、固有の自己相関の加算後のサイド
ローブは計算誤差の範囲内で厳密に相殺するはずのもの
である。この相関の加算後の様子は図１４に示すよう
に、−１５０ｄＢの桁で合致するものである。

【００１４】この場合において、伝播非線形が多少存在
する程度まではこの性質が比較的良く維持されるが、そ
れ以外では悪化する。すなわち、衝撃波限界近傍におい
ては、図１２及び図１３に示した波形が図１５及び図１
６のようになる。この図１５及び図１６の波形をそれぞ
れ図１２及び図１３の波形と相関させて、その結果を加
算すると、図１７に示すように−３０ｄＢ〜−４０ｄＢ
程度に悪化する。このように、サイドローブが−３０ｄ
Ｂ程度にまで大きくなると、実用には耐えないものとな
る。

【００１５】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、媒質の非線形伝播に耐性を有する医用
超音波分散圧縮送受信方法及び医用超音波分散圧縮送受
信装置を実現することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の課題は、拡散変調
により第一の送波信号及びこの第一の送波信号と反対極
性の第二の送波信号を生成する送波信号生成手段と、送
波信号を超音波としてターゲットに照射し、反射波を受
信して受信信号として出力する送受波手段と、第一の送
波信号の受信結果と第一の送波信号の信号波形との相互
相関を第一の相関結果として求め、第二の送波信号の受
信結果と第二の送波信号の信号波形との相互相関を第二
の相関結果として求め、前記第一の相関結果と前記第二
の相関結果とを時間軸を整合させた状態で加算すること
により圧縮復調出力を得る受信信号処理手段とを備えた
医用超音波分散圧縮送受信装置により解決される。

【００１７】

【作用】この医用超音波分散圧縮送受信装置において、
拡散変調により生成された第一の送波信号及びこの第一
の送波信号と反対極性の第二の送波信号が送信された
後、第一の送波信号の受信結果と第一の送波信号の信号
波形との相互相関から求められた第一の相関結果と、第
二の送波信号の受信結果と第二の送波信号の信号波形と
の相互相関から求められた第二の相関結果とが時間軸を
整合させた状態で加算されることにより、媒質の非線形
伝播により発生した歪みが相殺された圧縮復調出力が得
られる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例の医用超音波分散
圧縮送受信方法を実現するための医用超音波分散圧縮送
受信装置の構成を分散圧縮送受信を行う部分を中心に示
す構成図、図２は図１に示した医用超音波装置の受信信
号処理装置の詳細を示す構成図である。また、図３はチ
ャープ信号を用いて分散圧縮送受信を行った場合の手順
を示すフローチャート、図４は相互相関の加算結果を示
す特性図である。また、図５は相補系列による位相変調
信号を用いて分散圧縮送受信を行った場合の手順を示す
フローチャート、図６は相互相関の加算結果を示す特性
図である。

【００１９】まず、チャープ信号を用いた分散圧縮送受
信について図１〜図４を参照して説明を行う。システム
制御部１０の指示により選択部１１が所望の状態に選択
され、この選択状態に応じて送波信号発生器１２は所定
のコード及び極性の送波信号を生成する。ここでは、一
対の極性を反転した送波信号（Ａ，−Ａ）が生成される
（図３ステップ(1) ）。そして、送波信号Ａ，−ＡはＤ
／Ａ変換器１３によりディジタル信号に変換され、送受
波器１４から被検体に向けて送波される（図３ステップ
(2) ）。そして、被検体からの反射波を送受波器１４で
受信し（図３ステップ(3) ）、アンプ１５で増幅し、Ａ
／Ｄ変換器１６でディジタル信号に変換する。そして、
受波信号処理装置１７において、Ａ，−Ａのそれぞれに
ついて送波信号と受信信号との相互相関処理を行って、
それぞれの相関結果を得る（図３ステップ(4) ）。この
ようにして得られたＡについての相関結果及び−Ａにつ
いての相関結果を加算し（図３ステップ(5) ）、各種処
理を行った後に表示装置１８に表示を行う。

【００２０】相互相関処理については、図２を参照して
更に詳しく説明する。Ａ／Ｄ変換器１６でディジタル変
換された受信波形は、受信波形一時記憶部１７ａに一時
的に記憶されて相関器１７ｃの一方の入力に供給され
る。また、見本波形生成部１７ｂには選択部１１のコー
ド及び極性の選択状態が通知されており、送波信号と同
じ波形の見本波形が生成され、相関器１７ｃの他方の入
力に供給される。相関器１７ｃでは、受信波形と見本波
形との相互相関処理が行われる。また、積分器１７ｄに
おいて積分処理が行われる。ここでは、送波信号Ａにつ
いては既に図１１で示した特性の結果が得られる。本実
施例では、送波信号Ａ及び逆極性の送波信号−Ａについ
ても同様に相互相関処理（デチャープ処理）を行い、相
関結果同士を時間軸を整合させて加算して表示用一時記
憶部１７ｅに記憶する。この結果、図４に示す特性の結
果を得ることができる。この図４に示したものは、図１
１の特性と比較するとコブ状の部分が相殺，消去され
る。従って、媒質の非線形伝播にも十分な耐性を有して
おり、−６０ｄＢをクリアしている。

【００２１】次に、相補系列位相変調の場合について説
明する。従来のコードＡとコードＢの位相変調波に加
え、それぞれの極性反転したコード（コード−Ａ，−
Ｂ）も用い、これらを時間的に別々に送受信し、相関さ
せてから結果を足しあわせるようにする。

【００２２】すなわち、システム制御部１０の指示によ
り選択部１１が所望の状態に選択され、この選択状態に
応じて送波信号発生器１２は所定のコード及び極性の送
波信号を生成する。ここでは、二対の極性を反転した送
波信号（Ａ，−Ａ，Ｂ，−Ｂ）が生成される（図５ステ
ップ(1) ）。そして、送波信号Ａ，−Ａ，Ｂ，−ＢはＤ
／Ａ変換器１３によりディジタル信号に変換され、送受
波器１４から被検体に向けて合計４回送波される（図５
ステップ(2) ）。そして、被検体からの反射波は送受波
器１４で受信され（図３ステップ(3) ）、アンプ１５で
増幅され、Ａ／Ｄ変換器１６でディジタル信号に変換さ
れる。そして、受波信号処理装置１７において、Ａ，−
Ａ，Ｂ，−Ｂのそれぞれについて送波信号と受信信号と
の相互相関処理が行われ、それぞれの相関結果が得られ
る（図３ステップ(4) ）。最終的に、このようにして得
られたＡ，−Ａ，Ｂ，−Ｂについての４種の相関結果が
加算される（図３ステップ(5) ）。この結果、図６に示
す特性の結果を得ることができる。この図６に示したも
のは、図１７の特性と比較するとタイムサイドローブが
−４５ｄＢ程度に減少する。従って、媒質の非線形伝播
にも十分な耐性を有している。

【００２３】以上詳細に説明したように、本実施例では
チャープ信号と相補系列位相変調との２種類について、
極性反転した波形を送受波して相関結果を加算すること
により、非線形伝播の影響を相当軽減することができる
ようになった。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、拡散変調に
より生成された第一の送波信号及びこの第一の送波信号
と反対極性の第二の送波信号を送信した後、第一の送波
信号の受信結果と第一の送波信号の信号波形との相互相
関から求められた第一の相関結果と、第二の送波信号の
受信結果と第二の送波信号の信号波形との相互相関から
求められた第二の相関結果とを時間軸を整合させた状態
で加算することにより、非線形伝播により発生した歪み
が相殺された圧縮復調出力が得られる。従って、媒質の
非線形伝播に耐性を有する医用超音波分散圧縮送受信方
法及び医用超音波分散圧縮送受信装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の医用超音波分散圧縮送受信
装置の送受信に関する構成の概略を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施例の医用超音波分散圧縮送受信
装置の受信信号処理に関する主要部の構成を示す構成図
である。

【図３】本発明の一実施例の分散圧縮送受信方法の処理
内容の一例を示すフローチャートである。

【図４】本発明の一実施例の分散圧縮送受信方法の処理
結果の特性を示す特性図である。

【図５】本発明の一実施例の分散圧縮送受信方法の処理
内容の一例を示すフローチャートである。

【図６】本発明の一実施例の分散圧縮送受信方法の処理
結果の特性を示す特性図である。

【図７】分散圧縮送受信の送波信号の波形を示す波形図
である。

【図８】分散圧縮送受信の送波信号の自己相関結果を示
す波形図である。

【図９】分散圧縮送受信の送波信号が非線形伝播で歪ん
だ状態を示す波形図である。

【図１０】歪んだ波形を帯域制限した状態を示す波形図
である。

【図１１】相互相関結果を示す波形図である。

【図１２】分散圧縮送受信の送波信号の波形を示す波形
図である。

【図１３】分散圧縮送受信の送波信号の波形を示す波形
図である。

【図１４】分散圧縮送受信の送波信号の自己相関結果を
示す波形図である。

【図１５】分散圧縮送受信の送波信号が非線形伝播で歪
んだ状態を示す波形図である。

【図１６】分散圧縮送受信の送波信号が非線形伝播で歪
んだ状態を示す波形図である。

【図１７】相互相関結果を示す波形図である。

【符号の説明】

１０ システム制御部 １１ 選択部 １２ 送波信号発生器 １３ Ｄ／Ａ変換器 １４ 送受波器 １５ アンプ １６ Ａ／Ｄ変換器 １７ 受信信号処理装置 １８ 表示装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 医用超音波分散圧縮送受信方法におい
   て、 拡散変調により生成された第一の送波信号及びこの第一
   の送波信号と反対極性の第二の送波信号を送信し、 第一の送波信号の受信結果と第一の送波信号の信号波形
   との相互相関を第一の相関結果として求め、 第二の送波信号の受信結果と第二の送波信号の信号波形
   との相互相関を第二の相関結果として求め、 前記第一の相関結果と前記第二の相関結果とを時間軸を
   整合させた状態で加算することにより圧縮復調出力を得
   ることを特徴とする医用超音波分散圧縮送受信方法。
2. 【請求項２】 医用超音波分散圧縮送受信装置におい
   て、 拡散変調により第一の送波信号及びこの第一の送波信号
   と反対極性の第二の送波信号を生成する送波信号生成手
   段（１０，１１，１２）と、 送波信号を超音波としてターゲットに照射し、反射波を
   受信して受信信号として出力する送受波手段（１４）
   と、 第一の送波信号の受信結果と第一の送波信号の信号波形
   との相互相関を第一の相関結果として求め、第二の送波
   信号の受信結果と第二の送波信号の信号波形との相互相
   関を第二の相関結果として求め、前記第一の相関結果と
   前記第二の相関結果とを時間軸を整合させた状態で加算
   することにより圧縮復調出力を得る受信信号処理手段
   （１７）とを備えたことを特徴とする医用超音波分散圧
   縮送受信装置。