JPH11309141A - 超音波送受信方法および装置並びに超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数が異なる２系統の超音波トランスデュ
ーサを用いる場合に、エネルギー効率良く差周波数エコ
ーを得る超音波送受信方法および装置並びに超音波撮像
装置を実現する。 【解決手段】 周波数が異なる２つの超音波を送信し、
それらの周波数の差の周波数を持つエコーに基づいて画
像を生成する超音波撮像装置において、超音波送信手段
２，６により、２つの超音波を実質的に同じ幅のビーム
として送信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波送受信方法
および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、周波数
が異なる２つの超音波を送信し、それらの周波数の差の
周波数を持つエコー(echo)を受信する超音波送受信方法
および装置、並びに、差の周波数を持つエコーに基づい
て画像を生成する超音波撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周波数が異なる２つの超音波を送信し、
それらの周波数の差の周波数を持つエコー（以下、差周
波数エコーという）に基づいて画像を生成する超音波撮
像装置は、例えば米国特許公報３７６３４６３号公報に
記載されたようなものが知られている。この種の超音波
撮像装置は、超音波伝播媒体の非線形性に基づく周波数
混合効果を利用するので、パラメトリックソーナー(par
ametric sonar)とも呼ばれる。

【０００３】パラメトリックソーナーでは、エコーの低
周波化により伝播距離当たりのエコーの減衰が少なくな
るので、撮像可能な深さ方向の距離が延びるという特徴
がある。また、送信には高周波の超音波を用いることが
できるので、エコーの低周波化にもかかわらず撮像の空
間分解能を損なわないという特徴もある。

【０００４】周波数が異なる２つの超音波を送信する方
法として、２系統の超音波トランスデューサ(transduce
r)からそれぞれ周波数が異なる超音波を送信する方法、
または、１系統の超音波トランスデューサを２つの周波
数を含む信号で駆動する方法が採用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のうち、２系統の
超音波トランスデューサを用いる方法は、２つの超音波
の周波数や送信出力の設計がやり易い点で、１系統の超
音波トランスデューサを２つの周波数で駆動するよりも
有利であるが、２系統の超音波トランスデューサで送信
する超音波はビーム(beam)幅が一般的には一致せず、こ
のため、不一致部分では送信された超音波のエネルギー
(energy)が差周波数エコーの発生に寄与しないので、エ
ネルギー効率が悪いという問題があった。

【０００６】とりわけ、値が掛け離れている２つの周波
数を用いることが多い医療用の超音波撮像装置では、２
つの超音波ビームの幅の相違が大きく、エコー発生に関
わるエネルギー効率が特に悪いという問題があった。

【０００７】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、周波数が異なる２系統の超
音波トランスデューサを用いる場合に、エネルギー効率
良く差周波数エコーを得る超音波送受信方法および装置
並びに超音波撮像装置を実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記の課題を解決
する第１の発明は、周波数が異なる２つの超音波を送信
してそれらの周波数の差の周波数を持つエコーを受信す
る超音波送受信方法であって、前記２つの超音波のビー
ム幅を実質的に同じにする、ことを特徴とする超音波送
受信方法である。

【０００９】（２）上記の課題を解決する第２の発明
は、周波数が異なる２つの超音波を送信してそれらの周
波数の差の周波数を持つエコーを受信する超音波送受信
装置であって、前記２つの超音波を実質的に同じ幅のビ
ームとして送信する超音波送信手段、を具備することを
特徴とする超音波送受信装置である。

【００１０】（３）上記の課題を解決する第３の発明
は、周波数が異なる２つの超音波を送信してそれらの周
波数の差の周波数を持つエコーに基づいて画像を生成す
る超音波撮像装置であって、前記２つの超音波を実質的
に同じ幅のビームとして送信する超音波送信手段、を具
備することを特徴とする超音波撮像装置である。

【００１１】第１の発明乃至第３の発明において、ビー
ム幅の同一化を、２系統の超音波トランスデューサの送
波アパーチャの相対関係に基づいて行なうことが、構成
を簡素化する点で好ましい。

【００１２】第１の発明乃至第３の発明において、ビー
ム幅の同一化を、２系統の超音波トランスデューサの送
波アパーチャにおけるアポダイゼーションによって行な
うことが、同一化の精度を良くする点で好ましい。

【００１３】（作用）本発明では、周波数が異なる２つ
の超音波のビーム幅を一致させ、２つの超音波ビームの
音響エネルギーを有効に差周波数エコーの発生に寄与さ
せる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置の
ブロック(block) 図を示す。本装置は、本発明の実施の
形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装
置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作
によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示
される。

【００１５】図１に示すように、本装置は、超音波プロ
ーブ(probe) ２を有する。超音波プローブ２は、被検体
４に当接されて超音波の送受波に使用される。超音波プ
ローブ２は、図２に示すように、全体として円形の超音
波送受波面を形成する超音波トランスデューサアレイ(t
ransducer array)２０を有する。すなわち、超音波トラ
ンスデューサアレイ２０では、同図に示すように、４分
割円板状の超音波トランスデューサ２１が円の中心に関
して互いに対称的に設けられ、その外側に４分割円環状
の超音波トランスデューサ２２が同心的に設けられてい
る。円形の超音波送受波面の他の部分には、４分割円板
状の超音波トランスデューサ２３が円の中心に関して互
いに対称的に設けられている。

【００１６】これら超音波トランスデューサ２１〜２３
は、例えばＰＺＴ（ジルコン(Zr)酸チタン(Ti)酸鉛）セ
ラミックス(ceramics)等の圧電材料の板で構成され、図
示しない適宜のバッキング(backing) 部材の上に適宜の
曲率の凹面をなして配設され、超音波ビームに集束効果
を与えている。あるいは、曲率を持たない平面上に配置
し、音響レンズ(lens)を用いてビームの集束を行なうよ
うにしても良い。

【００１７】超音波トランスデューサ２１の中心周波数
ｆ１は例えば４ＭＨｚとなっている。超音波トランスデ
ューサ２２の中心周波数ｆ２は例えば２．５ＭＨｚとな
っている。超音波トランスデューサ２３の中心周波数ｆ
３は、周波数ｆ１とｆ２の差の周波数となっており、例
えば１．５ＭＨｚである。このような中心周波数の相違
は、例えば各超音波トランスデューサの厚みを変えるこ
と等により実現される。超音波トランスデューサ２１お
よび２２は超音波の送波に用いられ、超音波トランスデ
ューサ２３はエコーの受波に用いられる。

【００１８】超音波トランスデューサ２１は、図３に破
線で示すような円板状の超音波トランスデューサ２１’
の一部をなすので、送波する超音波ビームの幅は、実質
的にこの円板状の超音波トランスデューサ２１’が送波
する超音波ビームの幅で与えられる。

【００１９】また、超音波トランスデューサ２２は、図
３に破線で示すような円環状の超音波トランスデューサ
２２’の一部をなすので、送波する超音波ビームの幅
は、実質的にこの円環状の超音波トランスデューサ２
２’が送波する超音波ビームの幅で与えられる。

【００２０】このような同心の円板および円環からなる
いわゆるアニュラアレイ(annular array) において、超
音波トランスデューサ２１’と超音波トランスデューサ
２２’から周波数が異なる超音波ビームを送波する場
合、両超音波トランスデューサの外径、すなわち、送波
アパーチャ(apertlure) の比を適切に選ぶことにより、
超音波ビームが集束する焦点の近傍では２つの超音波の
ビーム幅を一致させることができる。

【００２１】この比は、上記の周波数設定では約０．８
となる。そこで、ここでは、超音波トランスデューサ２
１が形成する仮想的な超音波トランスデューサ２１’の
外径が、超音波トランスデューサ２２が形成する仮想的
な超音波トランスデューサ２２’の外径の０．８となる
ようにしている。これにより、例えば図４に示すよう
に、超音波ビームが集束する焦点の近傍（比強度０ｄＢ
付近）で２つの超音波のビーム幅が実質的に一致するよ
うになる。このように２系統の超音波トランスデューサ
の送波アパーチャの相対関係に基づいて行なうのは、ビ
ーム幅制御手段等を不要とし構成を簡素化する点で好ま
しい。

【００２２】なお、超音波トランスデューサ２１〜２３
の配置は、図２に示した配置に限るものではなく、例え
ば図５に示すように、円を８等分した各区画に超音波ト
ランスデューサ２１，２２の対と超音波トランスデュー
サ２３とを互い違いに配置するようにしても良い。これ
はビームプロファルをアニュラアレイのそれにより近づ
ける点で好ましい。分割数をさらに多くすればさらに一
致性が高まるのはいうまでもない。

【００２３】また、超音波トランスデューサ２１と２２
は、例えば図６に示すように、どちらも複数の同心円環
とし、半径方向に互い違いに配置するようにしても良
い。この場合は、超音波トランスデューサ２１と２２が
それぞれ複数化され、それぞれアレイによる送波アパー
チャを形成するので、各送波アパーチャにおいて個々の
超音波トランスデューサの駆動信号の重み付け（アポダ
イゼーション(apodization) ）を調節することによりビ
ーム幅を調節することが可能になる。これは、２系統の
超音波トランスデューサのビーム幅の同一化の精度高め
る点で好ましい。なお、この場合も、アレイ面の分割数
は４に限るものではなく、それ以上の多分割として良い
のはいうまでもない。

【００２４】このような超音波トランスデューサアレイ
２０が、超音波プローブ２の内部で図示しない走査機構
に取り付けられており、同機構で駆動されて首振り運動
を行ない、例えば図７に示すような走査を行なう。すな
わち、同図に示すように、放射点２００からｚ方向に延
びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の２次元領域２
０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン(secto
r scan) を行なう。セクタスキャンは、後述する制御部
１２によって制御される。

【００２５】超音波プローブ２は送受信部６に接続され
ている。超音波プローブ２および送受信部６は、本発明
の超音波送受信装置の実施の形態の一例である。送受信
部６は、超音波プローブ２の超音波トランスデューサ２
１，２２を駆動して超音波を送信し、また、超音波トラ
ンスデューサ２３が受波したエコーを受信するものであ
る。送受信部６は、図８に示すように送信回路６１，６
２および受信回路６３を有する。

【００２６】送信回路６１は、周波数がｆ１の駆動信号
で超音波トランスデューサ２１を駆動するものである。
送信回路６１では、中心周波数をｆ１に合わせたフィル
タが必要に応じて用いられる。超音波トランスデューサ
２１が図６に示したようなアレイになっているときは、
アポダイゼーションを伴う駆動を行なう。

【００２７】送信回路６２は、周波数がｆ２の駆動信号
で超音波トランスデューサ２２を駆動するものである。
送信回路６２では、中心周波数をｆ２に合わせたフィル
タが必要に応じて用いられる。超音波トランスデューサ
２２が図６に示したようなアレイをなしているとき、ア
ポダイゼーションを伴う駆動を行なう。超音波トランス
デューサ２１，２２および送信回路６１，６２は本発明
における超音波送信手段の実施の形態の一例である。

【００２８】受信回路６３は、超音波トランスデューサ
２３が受波した周波数がｆ３のエコー信号を受信するも
のである。受信回路６３では中心周波数をｆ３に合わせ
たフィルタが必要に応じて用いられる。以上の送信回路
６１，６２および受信回路６３は、後述する制御部１２
によって制御される。

【００２９】送受信部６はデータ(data)処理部８に接続
されている。データ処理部８には、送受信部６の受信回
路６３から、エコー受信信号がディジタルデータ(digit
al data)として入力される。データ処理部８は、入力さ
れたエコーデータを処理して画像生成等を行なうように
なっている。

【００３０】データ処理部８は、図９に示すように、デ
ータ処理プロセッサ(processor) ８０、エコーメモリ(e
cho memory) ８２、データメモリ８４および画像メモリ
８６を備えている。これらはバス(bus) ８８によって接
続されている。送受信部６から入力されたエコーデータ
は、エコーメモリ８２に記憶される。データ処理プロセ
ッサ８０は、エコーデータに基づいて例えばＢモード(m
ode)画像等を生成する。生成したＢモード画像等は画像
メモリ８６に記憶される。

【００３１】データ処理プロセッサ８０は、また、デー
タ処理によりエコーのドップラシフト(Doppler shift)
を抽出し、それに基づき例えば血流速度等の動態情報を
求めることも行なう。データメモリ８４はこのデータ処
理の過程で使用される。得られた動態情報を表示するた
めの画像等が画像メモリ８６に記憶される。

【００３２】データ処理部８には表示部１０が接続され
ている。表示部１０は、例えばグラフィックディスプレ
ー(graphic display) 等を用いて構成され、データ処理
部８の画像メモリ８６から入力された画像データに基づ
いて可視像を表示するようになっている。

【００３３】以上の送受信部６、データ処理部８および
表示部１０は制御部１２に接続されている。制御部１２
は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御する
ものである。また、被制御の各部から制御部１２に状態
報知信号や応答信号等が伝えられる。制御部１２の制御
の下で超音波撮像が実行される。

【００３４】制御部１２には操作部１４が接続されてい
る。操作部１４は操作者によって操作され、制御部１２
に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作
部１４は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作
具を備えた操作パネル(pannel)で構成される。

【００３５】次に、本装置の動作を説明する。操作者
は、超音波プローブ２を被検体４の所望の個所に位置決
めし、操作部１４を操作して撮像を開始する。以下、制
御部１２による制御の下で動作が進行する。

【００３６】送受信部６は、音線順次で２次元領域２０
６についてのセクタスキャンを行ない、各音線上のエコ
ー信号を受信する。このとき、送受信部６は、送信回路
６１，６２で超音波トランスデューサ２１，２２をそれ
ぞれ駆動し、各音線ごとに、周波数がｆ１（例えば４Ｍ
Ｈｚ），ｆ２（例えば２．５ＭＨｚ）の２つの超音波を
同時に送信する。周波数がｆ１，ｆ２の２つの超音波
は、本発明における周波数が異なる２つの超音波の実施
の形態の一例である。これら２つの超音波は同一のビー
ム幅を有する。

【００３７】これらの超音波に対する反射波として、被
検体４の超音波伝播の非線形性により、周波数ｆ１とｆ
２の差の周波数ｆ１−ｆ２（例えば１．５ＭＨｚ）を持
つエコー（差周波数エコー）が発生する。周波数ｆ１の
超音波ビームと周波数ｆ２の超音波ビームは、ビーム幅
が一致しているので、両超音波ビームが持っている音響
エネルギーが無駄なく差周波数エコーの発生に寄与す
る。このため、差周波数エコーがエネルギー効率よく発
生し、Ｓ／Ｎ(signal-to-noise ratio) の良いエコー信
号を得ることができる。

【００３８】差周波数エコーは超音波トランスデューサ
２３で受波され、受信回路６３で音線ごとのエコーデー
タとされ、エコーメモリ８２に逐一記憶される。データ
処理プロセッサ８０は、エコーメモリ８２に記憶された
エコーデータに基づいて、２次元領域２０６についての
断層像すなわちＢモード画像を生成し、画像メモリ８６
に記憶する。このＢモード画像が表示部１０に表示され
て可視化される。このとき、差周波数エコーのＳ／Ｎが
良いので高品質の表示画像を得ることができる。

【００３９】上記は、超音波トランスデューサアレイと
してアニュラアレイを用いた例であるが、超音波トラン
スデューサアレイはアニュラアレイに限定されるもので
はなく、複数の超音波トランスデューサを１次元的に配
列したリニアアレイ(lineararray)、または、２次元的
に配列したマトリクスアレイ(matrix array)を用いるよ
うにしても良い。

【００４０】そのようなアレイにおいて、周波数ｆ１，
ｆ２，ｆ３用の３種類の超音波トランスデューサを均一
ないし適宜の分布パターン(pattern) で配置し、周波数
がｆ１の超音波トランスデューサ群の全部または一部、
および、周波数がｆ２の超音波トランスデューサ群の全
部または一部で、それぞれ超音波ビームの送波アパーチ
ャを形成し、適宜のアポダイゼーションを伴う駆動信号
で駆動することにより、ビームプロファルが同一な２つ
の送波超音波を形成することができる。

【００４１】送波超音波の方位は、送波アパーチャ内の
個々の超音波トランスデューサを駆動する時間差により
設定することができ、この方位を順次切り換えることに
より音線順次の走査を行なうことができる。エコー受波
の方位は、受波アパーチャ内の個々の超音波トランスデ
ューサの受信信号を加算する時間差で設定することがで
き、この方位を順次切り換えることにより音線順次の受
波の走査を行なうことができる。すなわち、電気的な信
号操作によりセクタスキャンをおこなうことができる。

【００４２】送波および受波のアパーチャをアレイの一
部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに
沿って順次移動させることにより、例えば図１０に示す
ような走査を行なうことができる。すなわち、同図に示
すように、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２
が直線２０４上を移動することにより、矩形状の２次元
領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャ
ン(linear scan) が行われる。

【００４３】なお、超音波トランスデューサアレイが、
超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたい
わゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合
は、リニアスキャンと同様な信号操作により、例えば図
１１に示すように、音線２０２の放射点２００が円弧２
０４上を移動することにより、扇面状の２次元領域２０
６がθ方向に走査され、いわゆるコンベクススキャンが
行なえるのは言うまでもない。

【００４４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、周波数が異なる２系統の超音波トランスデューサ
を用いる場合に、エネルギー効率良く差周波数エコーを
得る超音波送受信方法および装置並びに超音波撮像装置
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの超音波トランスデューサアレイの模式図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの超音波トランスデューサアレイの模式図で
ある。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置における送波
超音波のビーム幅の一例を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの超音波トランスデューサアレイの模式図で
ある。

【図６】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波プローブの超音波トランスデューサアレイの模式図で
ある。

【図７】本発明の実施の形態の一例の装置による音線走
査の概念図である。

【図８】本発明の実施の形態の一例の装置における送受
信部のブロック図である。

【図９】本発明の実施の形態の一例の装置におけるデー
タ処理部のブロック図である。

【図１０】本発明の実施の形態の一例の装置による音線
走査の概念図である。

【図１１】本発明の実施の形態の一例の装置による音線
走査の概念図である。

【符号の説明】

２ 超音波プローブ ４ 被検体 ６ 送受信部 ８ データ処理部 １０ 表示部 １２ 制御部 １４ 操作部 ２０ 超音波トランスデューサアレイ ２１〜２３ 超音波トランスデューサ ６１，６２ 送信回路 ６３ 受信回路 ８０ データ処理プロセッサ ８２ エコーメモリ ８４ データメモリ ８６ 画像メモリ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数が異なる２つの超音波を送信して
   それらの周波数の差の周波数を持つエコーを受信する超
   音波送受信方法であって、 前記２つの超音波のビーム幅を実質的に同じにする、 ことを特徴とする超音波送受信方法。
2. 【請求項２】 周波数が異なる２つの超音波を送信して
   それらの周波数の差の周波数を持つエコーを受信する超
   音波送受信装置であって、 前記２つの超音波を実質的に同じ幅のビームとして送信
   する超音波送信手段、を具備することを特徴とする超音
   波送受信装置。
3. 【請求項３】 周波数が異なる２つの超音波を送信して
   それらの周波数の差の周波数を持つエコーに基づいて画
   像を生成する超音波撮像装置であって、 前記２つの超音波を実質的に同じ幅のビームとして送信
   する超音波送信手段、を具備することを特徴とする超音
   波撮像装置。