超音波画像診断装置
【課題】超音波画像診断装置の距離分解能および方位分解能を向上する。
【解決手段】受信超音波信号を処理する回路１４において、送信パルスと同じ基本周波数ｆ１の成分をマッチトフィルタから成る相関部Ｆ１で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波ｆ２，ｆ３，…の成分は１または複数のＢＰＦＦ２，Ｆ３，…で抽出し、係数器Ｋ１，Ｋ２，…で所定の計数ｋ１，ｋ２，…を乗算した後加算し、画像処理に使用する。したがって、基本周波数成分に対して相関処理を行うことでＳ／Ｎを向上でき、さらにパルス圧縮効果によって信号の検出能力を大きくでき、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上できるとともに、ノイズとのコントラストも向上できる。また、相関処理は、送信信号自体を参照信号として使用可能な基本周波数成分のみとし、高次調波に対しては作成の容易な旧来のＢＰＦを用い、方位分解能も向上できる。
【解決手段】受信超音波信号を処理する回路１４において、送信パルスと同じ基本周波数ｆ１の成分をマッチトフィルタから成る相関部Ｆ１で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波ｆ２，ｆ３，…の成分は１または複数のＢＰＦＦ２，Ｆ３，…で抽出し、係数器Ｋ１，Ｋ２，…で所定の計数ｋ１，ｋ２，…を乗算した後加算し、画像処理に使用する。したがって、基本周波数成分に対して相関処理を行うことでＳ／Ｎを向上でき、さらにパルス圧縮効果によって信号の検出能力を大きくでき、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上できるとともに、ノイズとのコントラストも向上できる。また、相関処理は、送信信号自体を参照信号として使用可能な基本周波数成分のみとし、高次調波に対しては作成の容易な旧来のＢＰＦを用い、方位分解能も向上できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信部から第１の超音波信号を被検体内へ送信し、それによる反射波などの被検体内から来た第２の超音波信号を受信部で受信し、その受信信号から、画像処理部が前記被検体内の断層画像を作成し、表示部に表示させる超音波画像診断装置に関し、特に第２の超音波信号から高次調波成分を抽出するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その１つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波画像診断装置がある。この超音波画像診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波画像診断装置は、循環器系（心臓の冠動脈等）、消化器系（胃腸等）、内科系（肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
中でも近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された前記第１の超音波信号の周波数（基本周波数）の信号成分（基本周波数成分）ではなく、その基本周波数の整数倍の周波数（高次調波周波数）の信号成分（高次調波成分）によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Harmonic Imaging）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（signal to noise ratio）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって方位分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり、高次調波自体の周波数を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。
【０００４】
しかしながら、発生した高次調波は、超音波探触子へ戻るまでの間の減衰が激しく、探索できる深度が浅いという問題がある。そこで、特許文献１では、高次調波成分と共に、基本周波数成分も診断に用いるようにしている。その従来技術の概略構成を図１４で示す。この図１４で示すように、超音波探触子１０１で受信された信号は、相互に並列に接続されたバンドパスフィルタＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・，ＢｍからアンプＡ１，Ａ２，Ａ３，・・・，Ａｍを介して画像合成部１０２で合成され、画像形成に使用される。前記バンドパスフィルタＢ１の中心周波数ｆ１は、前記基本周波数に設定されており、残余のバンドパスフィルタＢ２，Ｂ３，・・・，Ｂｍの中心周波数ｆ２，ｆ３，・・・，ｆｍは、２次高調波、３次高調波、４次高調波・・・に設定されている。こうして抽出された各基本周波数成分および高次調波成分は、アンプＡ１，Ａ２，Ａ３，・・・，Ａｍにおいて、それぞれのゲインａ１，ａ２，ａ３，・・・，ａｍで増幅された後、加算される。このように構成し、深部は基本周波数成分で、浅部は高次調波成分で診断画像を作成することで、深部から浅部まで高精度な画像形成が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０８９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、送信用の第１の超音波信号として、パルスを用いることで、Ｓ／Ｎを高め、距離分解能を高められる可能性がある。しかしながら、前記高次調波を含む広帯域の信号をバンドパスフィルタに入力すると、図１５で示すように、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、距離分解能の向上の妨げになる。すなわち、図１５（ａ）は基本波パルスを基本波のバンドパスフィルタＢ１に通した波形を表し、図１５（ｂ）は３次調波を３次調波のバンドパスフィルタＢ３に通した波形を表す。これらから、本来、周波数が高く、距離分解能の向上が期待される高次調波が、基本波に対して距離分解能があまり向上していないことが理解される。したがって、前記高次調波をバンドパスフィルタＢ２，Ｂ３，・・・，Ｂｍに通すことでは、方位分解能の向上は期待できるが、距離分解能の向上は期待できない。また、バンドパスフィルタは、入力信号を帯域制限して出力するだけであるので、Ｓ／Ｎの向上に対する期待はできない。
【０００７】
本発明の目的は、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の超音波画像診断装置は、第１の超音波信号を被検体内へ送信する送信部と、前記第１の超音波信号が被検体内で反射された第２の超音波信号を受信する受信部と、前記受信部での受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出する信号処理部と、前記信号処理部での抽出結果から前記被検体内の断層画像を作成する画像処理部と、作成された前記断層画像を表示する表示部とを備えて構成される超音波画像診断装置において、前記送信部は、第１の超音波信号をパルスで送信し、前記信号処理部は、前記第１の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、前記受信部の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記受信部の出力から前記第２超音波信号に含まれる前記基本周波数の成分を検出する相関部と、前記受信部の出力から、予め設定された１または複数の高次調波の成分を抽出するフィルタと、前記相関部および１または複数のフィルタからの出力にそれぞれ所定の重みを施して加算する加算部とを含むことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、送信部から第１の超音波信号を被検体内へ送信し、それによる反射波などの被検体から来た第２の超音波信号を受信部で受信し、信号処理部がその受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出し、その抽出結果から、画像処理部が前記被検体内の断層画像を作成し、表示部に表示させる超音波画像診断装置において、注目すべきは、前記送信部から送信される第１の超音波信号をパルスとし、それによって受信された第２の超音波信号の内、送信した第１の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部で抽出する一方、前記被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分は、バンドパスフィルタなどの通過帯域の制限を行う１または複数のフィルタで抽出することである。そして、前記相関部および１または複数のフィルタからの出力は、加算部においてそれぞれ所定の重みを施して加算し、前記画像処理部に与える。
【００１０】
したがって、基本周波数成分に対して、帯域制限フィルタを使用した場合には、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、Ｓ／Ｎが低下してしまうのに対して、相関処理を行うことで、そのような余分な信号は発生せずＳ／Ｎを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、パルス圧縮効果によって、信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記Ｓ／Ｎの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分に対しては、適切な相関演算器（マッチトフィルタ）を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波に関しては、そのような適切な相関演算器（マッチトフィルタ）の実現が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用する。こうして、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上することができる。
【００１１】
また、本発明の超音波画像診断装置は、前記加算部における重みを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定する重み設定部をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、基本周波数成分および１または複数の高次調波成分を重み付けして用いることで、減衰が激しいけれど高解像な高次調波成分は浅い部位（近距離部位）を見るのに好適であり、解像度に劣るが遠くまで届く基本周波数成分は深い部位（遠距離部位）を見るのに好適であり、こうして浅い部位から深い部位までに亘って、しかも重みによって、診断により適した、より高精度な超音波画像を形成することができる。ここで、前記被検体の診断部位や診断深度は、たとえば第１および第２の超音波信号のフォーカルポイントや第１の超音波信号の送信時刻を時間原点とした経過時間で表すことができ、前記重みは、そのフォーカルポイントや経過時間に応じて設定される。
【００１３】
さらにまた、本発明の超音波画像診断装置では、前記送信部は、前記パルスとしてチャープ波を用いることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、前記第１の超音波信号としてのパルスに、単純なガウシアンエンベロープ波形ではなく、周波数が時間経過に伴って増加または減少するチャープ波を用いることで、レンジサイドロープ（時間的サイドロープ）を抑制することができる。
【００１５】
好ましくは、前記相関部は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、微弱な信号レベルでもより適切に相関処理を行うことが可能となる。
【００１７】
また、本発明の超音波画像診断装置では、前記送信部および受信部における超音波振動子は、送信用の無機圧電素子上に、受信用の有機圧電素子を積層して成ることを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、前記送信部および受信部における超音波振動子に、送信用として大パワー送信可能な無機圧電素子を用い、受信用として比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子を用いることで、高次調波成分を高感度に受信可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の超音波画像診断装置は、以上のように、送信部から送信される第１の超音波信号をパルスとし、それによって受信された第２の超音波信号の内、送信した第１の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分はバンドパスフィルタなどの通過帯域の制限を行う１または複数のフィルタで抽出し、前記相関部および１または複数のフィルタからの出力を、加算部においてそれぞれ所定の重みを施して加算し、画像処理に使用する。
【００２０】
それゆえ、基本周波数成分に対して相関処理を行うことで、Ｓ／Ｎを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、パルス圧縮効果によって、信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記Ｓ／Ｎの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分に対しては、適切な相関演算器（マッチトフィルタ）を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波に関しては、そのような適切な相関演算器（マッチトフィルタ）の実現が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用する。こうして、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。
【図４】受信超音波信号を処理する実施形態の信号処理回路のブロック図である。
【図５】相関処理および画像処理の説明に当たって、実施形態にかかる超音波診断装置のより具体的な構成を示す図である。
【図６】電荷を転送する動作を説明するための図である。
【図７】１つの電荷を２等分する動作を説明するための図である。
【図８】２つの電荷を統合する動作を説明するための図である。
【図９】相関演算を説明するための波形図である。
【図１０】本願発明による信号処理の様子を模式的に説明するための図である。
【図１１】本願発明者による実験結果を示すシミュレーション画像である。
【図１２】本願発明によるペネトレーションの向上の様子を模式的に説明するための図である。
【図１３】本願発明によるコントラストの向上の様子を模式的に説明するための図である。
【図１４】典型的な従来技術の信号処理回路のブロック図である。
【図１５】送信信号をパルスとして受信信号を前記信号処理回路でバンドパスフィルタ処理した際に発生するリンギングを説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。また、本明細書において、適宜、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２３】
図１は実施形態における超音波画像診断装置Ｓの外観構成を示す図であり、図２は実施形態における超音波画像診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。超音波画像診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１の超音波信号）を送信するとともに、この被検体や造影剤で反射（エコー）もしくは発生した超音波（第２の超音波信号）を受信する超音波探触子２と、前記超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して前記第１の超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２の超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の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診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２４】
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、信号処理部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、参照信号記憶部１８と、タイミング発生部１９とを備えて構成されている。
【００２５】
操作入力部１１は、たと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を受け付ける装置であり、たとえば複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
【００２６】
送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に第１の超音波信号を発生させる回路である。第１の超音波信号には、通常自然界に存在することなく相関処理によって検出することが容易である観点から、周波数を時間経過に伴って予め設定された割合で増加または減少させるチャープ波のパルスが用いられる。送信部１２は、たとえば制御部１７からの送信信号に応じて送信ビームを形成する送信ビームフォーマ回路１２２（図４参照）およびその送信ビームに応じて超音波探触子２の各無機圧電素子２２を実際に駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成回路１２１（図４参照）等を備えて構成される。各送信信号には、フォーカルポイント（フォーカス点）および／またはステアリング角度（方位）に対応した時間差が付与されている。受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２の各有機圧電素子２１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り、この受信信号を信号処理部１４へ出力する。受信部１３は、たとえば受信信号を予め設定された増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。
【００２７】
信号処理部１４は、後述するようにして、受信部１３の出力をフィルタ処理することで、受信部１３で受信された第２の超音波信号から、送信用の第１超音波信号を基本周波数とした場合に、その基本周波数成分と、複数の高次調波成分とを抽出し、所望の割合で加算した後、画像処理部１５へ与えるものである。
【００２８】
参照信号記憶部１８は、ＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭ等の記憶素子を備えて構成され、送信信号および後述の相関処理の参照信号となる信号を記憶する回路である。前記信号処理部１４への参照信号は、送信部１２供給されてもよい。
【００２９】
タイミング発生部１９は、診断装置本体１の各部の動作タイミングを生成し、動作タイミングの必要な各部へ出力する回路である。
【００３０】
画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、前述のように信号処理部１４で抽出された、基本周波数成分および高次調波成分に基づいて被検体の内部状態の画像（超音波画像）を形成する回路である。なお、画像処理部１５は、受信部１３での受信信号から、従来のＢモード断層画像を生成する機能などを適宜備えていてもよい。
【００３１】
表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波断層画像を表示する装置である。この表示部１６は、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置や、プリンタ等の印刷装置等で実現することができる。
【００３２】
制御部１７は、たとえばマイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、信号処理部１４、画像処理部１５、表示部１６および参照信号記憶部１８を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって、該超音波画像診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
【００３３】
図３は、実施形態の超音波探触子２を構成する超音波振動子２０の断面図である。超音波探触子（超音波プローブ）２は、前述のように、被検体内に第１の超音波信号を送信し、この第１の超音波信号に応じて被検体内から来た第２の超音波信号を受信する装置であって、無機および有機の圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間の変換を行う。すなわち、大略的に、超音波振動子２０は、前記無機圧電素子２２上に有機圧電素子２１が積層されて成る。具体的には、この図３に示すように、バッキング層となる平板状の音響制動部材２３と、この音響制動部材２３上に積層された複数の前記無機圧電素子２２と、これら複数の無機圧電素子２２における隙間に充填される音響吸収材２４と、これら複数の無機圧電素子２２上に積層された共通接地電極層２５と、この共通接地電極層２５上に積層される中間層２６と、この中間層２６上に積層されるシート状の前記有機圧電素子２１と、この有機圧電素子２１上に積層される音響整合層２７とを備えて構成される。
【００３４】
前記音響制動部材２３は、超音波を吸収する材料から構成され、無機圧電素子２２から背面側へ放射された超音波を吸収するものである。音響吸収材２４には、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が用いられ、前記音響制動部材２３と同様に超音波を吸収し、複数の各無機圧電素子２２間におけるクロストークを低減する。
【００３５】
各無機圧電素子２２は、無機圧電材料から構成される圧電体（素圧電体）２２１の両表面にそれぞれ電極（素電極）２２２，２２３を備えて構成される。前記無機圧電材料は、たとえば、ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等である。
【００３６】
これらの無機圧電素子２２は、音響制動部材２３に、それを貫通して信号電極２２４が形成された上に、シート状の圧電体２２１の両表面に電極２２２，２２３が積層されたものが積層された後、各無機圧電素子２２に切出され、各無機圧電素子２２間に音響吸収材２４が充填されて成り、或いは各無機圧電素子２２が切出され、音響吸収材２４が充填されて成るシート状の部材が音響制動部材２３上に積層されて成る。電極２２３は共通接地電極層２５を介して接地され、信号電極２２４から電極２２２には前記送信部１２の駆動信号生成回路からケーブル３を介して個別の駆動信号が入力される。
【００３７】
中間層２６は、無機圧電素子２２上に有機圧電素子２１を積層するための部材であり、それらの音響インピーダンスを整合させるものである。
【００３８】
有機圧電素子２１は、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る圧電体２１１と、この圧電体２１１の一方の面に形成された個別電極２１２と、圧電体２１１の他方の面に略全面に亘って一様に形成された共通電極２１３とを備えて構成されたシート状の圧電素子である。このように構成することで、一体的なシート状に形成しても、各有機圧電素子２１を個別に動作させることができ、有機圧電素子２２のように素子の切出しや隙間の充填といった作業が不要になり、製造工程を簡略化することができる。個別電極２１２は、受信部１３の受信ビームフォーマに受信信号を出力する。
【００３９】
なお、有機圧電素子２１の素子数などによっては、幾つかの素子でグループを構成し、前記共通電極２３１は、それらのグループ毎に設けられてもよい。また、図３に示す例では、有機圧電素子２１は無機圧電素子２２の全体に亘って積層されているけれども、一部に亘って積層されるだけでもよい。また、有機圧電素子２１と無機圧電素子２２との素子数は、同一でもよいが、異なっていてもよく、それぞれの占有面積はそれぞれの素子に要求される仕様に応じて設計されればよい。この図３のように、有機圧電素子２１の素子数を無機圧電素子２２の素子数より多く形成する場合、無機圧電素子２２の１個当りのサイズ（大きさ）を大きくすることが可能となり、該無機圧電素子２２を送信に用いるにあたって、送信パワーを大きくすることができるとともに、有機圧電素子２１の素子数を多くでき、該有機圧電素子２１を受信に用いるにあたって、受信分解能を向上することができる。前記有機圧電素子２１は、たとえば６４×６４の４０９６個が２次元マトリクス状に配列される。
【００４０】
前記有機圧電材料には、たとえばフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）の重合体を用いることができる。または、前記有機圧電材料には、フッ化ビニリデン系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。フッ化ビニリデン系コポリマは、その共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化するので、超音波探触子２の仕様等に応じて適宜な共重合比が採用される。たとえば、フッ化ビニリデン／３フッ化エチレンのコポリマの場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％が好ましく、有機圧電素子を無機圧電素子に積層する複合素子の場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が８５ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％がより好ましい。また、このような複合素子の場合では、他の単量体は、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレンが好ましい。またたとえば、有機圧電材料は、ポリ尿素を用いることができる。このポリ尿素の場合では、蒸着重合法で圧電体を作成することが好ましい。ポリ尿素用のモノマとして、一般式、Ｈ２Ｎ−Ｒ−ＮＨ２構造を挙げることができる。ここで、Ｒは、任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。ポリ尿素は、尿素誘導体と他の単量体との共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を用いる芳香族ポリ尿素を挙げることができる。
【００４１】
音響整合層２７は、無機圧電素子２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとるとともに、有機圧電素子２１の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。そして、音響整合層２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体に向けて送信される超音波を収束する音響レンズとしての機能も備えている。
【００４２】
このような構成の超音波画像診断装置Ｓでは、たとえば操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１７の制御によって送信部１２では、ＲＯＩ（注目領域）を基に指定するステアリング角度（方位）とフォーカルポイントの深度とからビームフォーマ１２２（図５参照）の遅延が付与されるとともにＰＣＭによって形成された上記チャープ波の送信信号が生成される。この送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２の無機圧電素子２２の内、ビームフォミングすべき素子へ供給され、その素子が厚さ方向に伸縮し、共振することで、大きな振幅の超音波振動を発生することができる。この超音波振動は、第１の超音波信号として、中間層２６から有機圧電素子２１および音響整合層２７を通って、被検体内に入射される。なお、超音波探触子２は、被検体（生体）の体表面上に接触して用いられてもよいし、被検体の内部、たとえば生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００４３】
この被検体に対して送信された超音波は、前記ステアリング角度（方位）のフォーカルポイントで収束され、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波（第２の超音波信号）となる。この第２の超音波信号には、送信された第１の超音波信号の周波数成分だけでなく、この第１の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、その整数倍の高次調波の成分も含まれる。このため、受信用には広帯域の超音波信号を受信可能なように、前記有機圧電素子２１が用いられる。本実施の形態は、有機圧電素子２１での受信信号から、以下に詳述するように、これらの基本周波数成分および高次調波成分を信号処理部１４で抽出し、画像処理部１５での断層画像の作成に用いる。なお、無機圧電素子２２には送受信切換え回路を接続し、基本周波数成分は送信を行った該無機圧電素子２２で受信し、前記有機圧電素子２１では高次調波成分のみを受信するようにしてもよい。
【００４４】
図４は、本発明の実施の一形態の信号処理回路１４の概略構成を示すブロック図である。注目すべきは、本実施の形態の信号処理回路１４では、前記有機圧電素子２１で受信された信号は、受信部１３からこの信号処理回路１４に入力され、相互に並列に接続された相関部Ｆ１およびバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍに入力されることである。これらの相関部Ｆ１およびバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍからの出力は、それぞれ係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍにおいて所定の係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｍが乗算されて画像処理部１５で合成され、画像形成に使用される。前記相関部Ｆ１の中心周波数ｆ１は、前記基本周波数に設定されており、残余のバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍの中心周波数ｆ２，ｆ３，・・・，ｆｍは、２次高調波、３次高調波、４次高調波・・・に設定されている。
【００４５】
次に、前記相関部Ｆ１における相関処理に関し、より具体的に説明する。図５は、前記相関部Ｆ１の具体的な一構成例を示す図である。ここで、高次調波成分が受信信号全体に占めるエネルギー量は微弱であるので、受信したアナログ信号（第２の超音波信号）をデジタル変換してから相関処理を行ったのでは、良質な超音波画像の形成に必要なダイナミックレンジが取れない。そのため、注目すべきは、本実施形態における相関部Ｆ１は、相関処理自体をアナログ処理で行うものである。
【００４６】
そのため、相関部Ｆ１は、ｉ個の有機圧電素子２１毎に設けられ、対応する有機圧電素子２１の各出力がそれぞれ入力される。すなわち、多数の有機圧電素子２１は、時分割で、ｉ個をグループとしてこの相関部Ｆ１に接続され、このｉ個の相関部を、参照符号Ｆ１−１，Ｆ１−２，Ｆ１−３，・・・，Ｆ１−ｉ（総称するときは、前記参照符号Ｆ１で示す）で示す。残余のバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍについても同様に、ｉ個の有機圧電素子２１毎に設けられるが、この図５では、１個分だけ示している。各相関部Ｆ１は、対応する有機圧電素子２１からの受信信号（第２の超音波信号）と、係数設定部３３で予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、両者の一致度を検出する回路であり、同様の構成を有している。本実施形態では、上述したように、参照信号は送信信号と同一であり、参照信号記憶部１８に記憶されている係数列が制御部１７によって読出され、前記送信信号として送信部１２の送信ビームフォーマ１２２に与えられるとともに、テンプレートデータ列として前記係数設定部３３に設定される。
【００４７】
前記相関部Ｆ１は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算を行うことによって受信部１３の出力と参照信号との相関を演算する回路であり、サンプルホールド部３１と、電荷転送部３２と、前記係数設定部３３と、デジタルアナログ乗算部３４と、加算部３５とを備えて構成される。
【００４８】
サンプルホールド部３１は、タイミング発生部１９からの動作タイミングに応じたサンプリング周期で、受信部１３の出力（当該サンプルホールド部３１に接続されている有機圧電素子２１の出力）を保持する回路である。サンプルホールド部３１は、動作タイミングに応じたタイミングで、この保持した受信部１３の出力に対応する電荷Ｑを電荷転送部３２へ出力する。
【００４９】
電荷転送部３２は、前記電荷Ｑを保持する複数の電荷保持部３２１−１，３２１−２，３２１−３，・・・，３２１−ｎ（総称するときは、以下参照符号３２１で示す）を備えて構成され、これら各電荷保持部３２１は、直列に接続されている。そして、前記サンプルホールド部３１のサンプリングタイミングで、保持している電荷Ｑを後段の電荷保持部３２１へ出力し、前段の電荷保持部の電荷Ｑを取込み、こうしてシフトレジスタのように保持電荷Ｑを順次転送してゆく。
【００５０】
このような電荷転送部３２は、たとえば図６に示すように、半導体４１と、該半導体４１上に形成された絶縁体層４２と、連続的に配置されるように絶縁体層４２上に形成された複数の電極（ゲート電極）４３とを備えて構成され、これら各電極４３に電荷Ｑを転送するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、或る電極下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷Ｑを順次に後段の電極下のポテンシャル井戸へ転送する電荷転送素子（電荷結合素子、Charge-Coupled Devices、ＣＣＤ）ＴＤによって構成することができる。図６に示す例では、６個の電極４３−１〜４３−６を備える電荷転送素子ＴＤが示されている。また、各電極４３（４３−１〜４３−６）には、電極４３に電圧を印加するための信号線Ｐ４１〜Ｐ４３が接続されている。たとえば、時刻ｔ１において、第１電極４３−１に電圧が印加されることによって形成された第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に電荷Ｑが保持されている。次の動作タイミングの時刻ｔ２（ｔ２１、ｔ２２）において、まず、第１および第２電極４３−１，４３−２のそれぞれに電圧が印加されることによって、第１ポテンシャル井戸ＰＷ１が第１電極４３−１下だけでなく第２電極４３−２下にも拡がり、電荷Ｑがこれら各電極４３−１，４３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持され（時刻ｔ２１）、続いて、第２電極４３−２の電圧がそのままで、第１電極４３−１の電圧が時間経過に従って徐々に０に変化されることによって、第１ポテンシャル井戸ＰＷ１の電荷Ｑが徐々に第１ポテンシャル井戸ＰＷ２へ移動する（時刻ｔ２２）。そして、次の動作タイミングの時刻ｔ３において、第１電極４３−１に印加されていた電圧が解消されることで、前記の電荷Ｑが第２電極４３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２に完全に移動する。このような動作を繰返すことで、第１電極４３−１下のポテンシャル井戸ＰＷ１に蓄積されていた電荷Ｑが、隣接する第２電極４３−２下のポテンシャル井戸ＰＷ２へ転送されて保持される。このような動作をサンプリング周期内で順次下流側の電荷保持部３２１−ｎから上流側の電荷保持部３２１−１に向って行われることで、上述のように各電荷保持部３２１内の電荷が順次後段側へ転送されてゆく。
【００５１】
デジタルアナログ乗算部３４は、電荷転送部３２の各電荷保持部３２１（３２１−１〜３２１−ｎ）に対応して設けられた複数のデジタルアナログ乗算器（ＤＡ乗算器）３４１−１〜３４１−ｎ（総称するときは、以下参照符号３４１で示す）を備えて構成されている。ＤＡ乗算器３４１は、係数設定部３３によって予め設定されている係数ｇ（ｌ）（０≦ｇ（ｌ）＜１）で対応する電荷保持部３２１の電荷Ｑを乗算し、その乗算結果を加算部３５へ出力する回路である。より具体的には、ｇ（ｌ）×Ｑ＝ｇ１（ｌ）×２−１Ｑ＋ｇ２（ｌ）×２−２Ｑ＋ｇ３（ｌ）×２−３Ｑ＋・・・＋ｇｎ（ｌ）×２−ｎＱと表現することができることから、ＤＡ乗算器３４１では、電荷保持部３２１に保持されている電荷（アナログ信号）Ｑが２等分され、一方がさらに２等分され、これが繰り返されることで、２−１Ｑ、２−２Ｑ、２−３Ｑ、・・・、２−ｎＱの複数の電荷が生成され、これら各電荷が、乗数である係数ｇ（ｌ）の２進表現ｇ１（ｌ）、ｇ２（ｌ）、ｇ３（ｌ）、・・・、ｇｎ（ｌ）に従って取捨され、そのうちの取り上げられた電荷が１個に統合されることで、前記ｇ（ｌ）×Ｑの乗算をアナログ処理で行うものである。
【００５２】
このようなＤＡ乗算器３４１も、電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成することができ、たとえば電荷分割部ＣＤと、電荷統合部ＳＤとを備えて構成することができる。たとえば、１個の電荷Ｑを２個の電荷に２等分する電荷分割部ＣＤは、図７に示すように、半導体５１と、該半導体５１上に形成された絶縁体層５２と、絶縁体層５２上に連続的に形成された複数の電極（ゲート電極）５３（５３−１〜５３−６）とを備えて構成され、３個１組の電極５３を含んで１個の分割部ＣＤｋが構成され、図７には、電極５３−１〜５３−３を含む第１分割部ＣＤ１と、電極５３−４〜５３−６を含む第２分割部ＣＤ２とが図示されている。また、各電極５３（５３−１〜５３−６）には、電極５３に電圧を印加するための信号線Ｐ５１〜Ｐ５３が接続されている。
【００５３】
このような電荷分割部ＣＤでは、電極５３に外部から電圧を印加することによって電極５３下の半導体３１内にポテンシャル井戸ＰＷが形成される。ポテンシャル井戸ＰＷは、その対応する電極５３に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷分割部ＣＤでは、第１および第２分割部ＣＤ１、ＣＤ２における各電極５３−１〜５３−３；５３−４〜５３−６に、電荷Ｑを分割するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第１分割部ＣＤ１に保持されている電荷Ｑが２個の電荷Ｑ１，Ｑ２（Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ／２）に等分され、各電荷Ｑ１，Ｑ２がそれぞれ第１および第２分割部ＣＤ１，ＣＤ２に保持される。
【００５４】
たとえば、時刻ｔ１１において、初期状態（２等分前、分割前）として、第１分割部ＣＤ１の第３電極５３−３に電圧が印加されることによって形成された第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ３に電荷Ｑが保持されているとする。そして、次の動作タイミングの時刻ｔ１２において、第１分割部ＣＤ１の第２および第３電極５３−２，５３−３ならびに第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４のそれぞれに電圧が印加されることによって、第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ３が第３電極５３−３下だけでなく第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２下および第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４下にも拡がり、電荷Ｑがこれら各電極５３−２〜５３−４下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２３４に保持される。
【００５５】
次の動作タイミングの時刻ｔ１３において、第１分割部ＣＤ１の第３電極５３−３に印加されていた電圧が解消され、そして、第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２および第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４に電圧が印加されることによって、電荷Ｑが第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２および第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４にそれぞれ分割されて保持される。このように１個のポテンシャル井戸ＰＷ３に蓄積されていた電荷Ｑが、電極５３に所定パターンの駆動電圧を印加することによって、このポテンシャル井戸ＰＷ３に隣接するポテンシャル井戸ＰＷ２，ＰＷ４へ２等分されて保持される。
【００５６】
続いて、図７では、次の動作タイミングの時刻ｔ１４において、第１分割部ＣＤ１では、第１および第２電極５３−１，５３−２に電圧が印加されることによって、第１分割部ＣＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２が第２電極５３−２下だけでなく第１電極５３−１下にも拡がり、電荷Ｑ１（＝Ｑ／２）がこの第１および第２電極５３−１，５３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持される。そして、第２分割部ＣＤ２では、第１および第２電極５３−４，５３−５に電圧が印加されることによって、第２分割部ＣＤ２の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４が第１電極５３−４下だけでなく第２電極５３−５下にも拡がり、電荷Ｑ２（＝Ｑ／２）がこの第１および第２電極５３−４，５３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持される。
【００５７】
次の動作タイミングの時刻ｔ１５において、第１分割部ＣＤ１では、第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２に印加されていた電圧が解消されるとともに、第１分割部ＣＤ１の第１電極３３−１に電圧が印加されることによって、２等分された電荷Ｑ１が第１分割部ＣＤ１の第１電極５３−１下に形成された第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に保持される。そして、第２分割部ＣＤ２では、第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４に印加されていた電圧が解消されるとともに、第２分割部ＣＤ２の第２電極５３−５に電圧が印加されることによって、２等分された電荷Ｑ２が第２分割部ＣＤ２の第２電極５３−５下に形成された第２分割部ＣＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５に保持される。
【００５８】
このように電荷分割部Ｄは、電荷Ｑを２等分に分割するような所定パターンの駆動電圧を各電極５３に印加することによって、第１分割部ＣＤ１の第３ポテンシャル井戸ＰＷ３に保持されている電荷Ｑを２等分し、第１分割部ＣＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２（第１ポテンシャル井戸ＰＷ１）および第２分割部ＣＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５（第３ポテンシャル井戸ＰＷ６）のそれぞれへ導き保持することによって、電荷Ｑを２個の電荷に２等分することができる。
【００５９】
そして、複数の電荷を１個の電荷に統合する電荷統合部ＳＤも、たとえば図８に示すように、半導体６１と、半導体６１上に形成された絶縁体層６２と、絶縁体層６２上に連続的に形成された複数の電極（ゲート電極）６３（６３−１〜６３−６）とを備えて構成され、３個１組の電極６３を含んで１個の統合部ＳＤｋが構成され、図８には、電極６３−１〜６３−３を含む第１統合部ＳＤ１と、電極６３−４〜６３−６を含む第２統合部ＳＤ２とが図示されている。また、各電極６３（６３−１〜６３−６）には、電極６３に電圧を印加するための信号線Ｐ６１〜Ｐ６３が接続されている。
【００６０】
このような電荷統合部ＳＤでは、電極６３に外部から電圧を印加することによって電極６３下の半導体６１内にポテンシャル井戸ＰＷが形成される。ポテンシャル井戸ＰＷは、その対応する電極６３に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷統合部ＳＤでは、第１および第２統合部ＳＤ１，ＳＤ２における各電極６３−１〜６３−３；６３−４〜６３−６に電荷を統合するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第１統合部ＳＤ１に保持されている第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２に保持されている第２電荷Ｑ２とが合わせられて１個の電荷Ｑ（Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２）に統合され、この電荷Ｑが第１統合部ＳＤ１（第２統合部ＳＤ２）に保持される。
【００６１】
たとえば、時刻ｔ２１において、初期状態（加算処理前）として、第１統合部ＳＤ１の第１電極６３−１に電圧が印加されることによって形成された第１統合部ＳＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に第１電荷Ｑ１が保持され、第２統合部ＳＤ２の第２電極６３−５に電圧が印加されることによって形成された第２統合部ＳＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５に第２電荷Ｑ２が保持されている。次の動作タイミングの時刻ｔ２２において、第１統合部ＳＤ１では、第１統合部ＳＤ１の第１および第２電極６３−１，６３−２に電圧が印加されることによって、第１統合部ＳＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１が第１電極６３−１下だけでなく第２電極６３−２下にも拡がり、第１電荷Ｑ１がこの第１および第２電極６３−１，６３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持される。そして、第２統合部ＳＤ２では、第２統合部ＳＤ２の第１および第２電極６３−４，６３−５に電圧が印加されることによって、第２統合部ＳＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５が第２電極６３−５下だけでなく第１電極６３−４下にも拡がり、第２電荷Ｑ２がこの第１および第２電極６３−４，６３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持される。
【００６２】
次の動作タイミングの時刻ｔ２３において、第１統合部ＳＤ１では、第１統合部ＳＤ１の第１電極６３−１に印加されていた電圧が解消され、そして、第２電極６３−２に電圧が印加されることによって、第１および第２電極６３−１，６３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持されていた第１電荷Ｑ１が第２電極６３−２下に形成された第１統合部ＳＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２に移動して保持される。そして、第２統合部ＳＤ２では、第２統合部ＳＤ２の第２電極６３−５に印加されていた電圧が解消され、第１電極６３−４に電圧が印加されることによって、第１および第２電極６３−４，６３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持されていた第２電荷Ｑ２が第１電極６３−４下に形成された第２統合部の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４に移動して保持される。このような動作によって第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１が第２統合部ＳＤ２へ寄るとともに、第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２が第１統合部ＳＤ１へ寄り、第１統合部ＳＤ１の第２電極６３−２と第２統合部ＳＤ２の第１電極６３−４とが１個の電極（第１統合部の第３電極６３−３）６３を隔てて配置される。
【００６３】
そして、次の動作タイミングの時刻ｔ２４において、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とを隔てているこの第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３に、第１統合部ＳＤ１の第２電極６３−２および第２統合部ＳＤ２の第１電極６３−４にそれぞれ印加されている電圧と同じ電圧が印加されることによって、第１統合部ＳＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２が第２電極６３−２下だけでなく第３電極６３−３下にも拡がるとともに、第２統合部ＳＤ２の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４が第１電極６３−４下だけでなく第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３下にも拡がる結果、第１統合部ＳＤ１の第２および第３電極６３−２，６３−３下ならびに第２統合部ＳＤの第１電極６３−４下に亘るポテンシャル井戸ＰＷ２３４が形成され、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とが統合される。
【００６４】
そして、次の動作タイミングの時刻ｔ２５において、第１統合部ＳＤ１の第２電極６３−２に印加されていた電圧が解消されるとともに第２統合部ＳＤ２の第１電極６３−４に印加されていた電圧が解消され、第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３に電圧が印加されることによって、この統合された第１統合部ＣＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とが第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３下に形成された第１統合部ＳＤ１の第３ポテンシャル井戸ＰＷ３に保持され、加算結果Ｑ（＝Ｑ１＋Ｑ２）となる。
【００６５】
このように電荷統合部ＳＤは、所定パターンの駆動電圧を各電極に印加することによって、第１統合部ＳＤ１のポテンシャル井戸ＰＷに保持されている第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２のポテンシャル井戸ＰＷに保持されている第２電荷Ｑ２とを１個のポテンシャル井戸ＰＷへ導き統合することによって、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とを電荷のままで加算することができるものである。すなわち、電荷統合部ＳＤは、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とをアナログで加算することができる。
【００６６】
ＤＡ乗算器３４１は、たとえば係数ｇ（ｌ）の２進表現に従ったビット数個の直列に接続された複数の前記電荷分割部ＣＤと、前記電荷統合部ＳＤとを備え、電荷保持部３２１の出力値に対応する電荷量Ｑを、前述のように電荷分割部ＣＤで２等分し、その一方を、この２等分した電荷分割部ＣＤにおける後段の電荷分割部ＣＤで２等分し、これを繰り返すことで、２−１Ｑ、２−２Ｑ、２−３Ｑ、・・・、２−ｎＱの複数の電荷を生成し、これら各電荷を、係数ｇ（ｌ）の２進表現ｇ１（ｌ）、ｇ２（ｌ）、ｇ３（ｌ）、・・・、ｇｎ（ｌ）に従って取捨し、そのうち取り上げた電荷を電荷統合部ＳＤで統合することで、Ｇ（ｌ）×Ｑの乗算をアナログで行うことができるものである。そのため、係数ｇ（ｌ）の２進表現ｇ１（ｌ），ｇ２（ｌ），ｇ３（ｌ），・・・，ｇｎ（ｌ）に従った取捨では、ビットが０の場合には捨て、ビットが１の場合には残す。たとえば、Ｑ×０．３６８２７(１０進数)の乗算を行う場合は、Ｑ×０．０１０１１１１０(２進数)となって、Ｑ×（０＋０／２＋１／４＋０／８＋１／１６＋１／３２＋１／６４＋１／１２８＋０／２５６）となる。各ＤＡ乗算器３４１−１〜３４１−ｎでの乗算結果は、前記電荷統合部ＳＤと同様に構成される加算部３５によって相互に加算され、各相関部Ｆ１−１，Ｆ０−２，Ｆ０−３，・・・，Ｆ０−ｉの出力Ｙ１，Ｙ２，・・・，Ｙｉとなる。なお、ＤＡ乗算器３４１では、電荷保持部３２１の電荷量Ｑをセンシングフローティングゲートを介して転写し、電荷保持部３２１の出力値（電荷量Ｑ）と等しい電荷量Ｑが保持される。
【００６７】
このように相関部Ｆ１は、アナログ信号である電荷Ｑを用い、上述したように、遅延（転送）、乗算および加算が可能な、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されたデバイスであり、これを用いることで、高分解能、高速かつ低消費電力に、相関処理演算が可能となる。
【００６８】
なお、このような構成の相関部Ｆ１では、扱われる電荷Ｑが正の値であることから、受信部１３の正負いずれの出力にも対応すべく、たとえば受信部１３とサンプルホールド部３１との間に、入力信号の絶対値を出力するとともに入力信号における正負の符号（符号ビット列）を出力する絶対値化回路が介挿されてもよく、この場合では、その符号（符号ビット列）は、以後、絶対値化された信号の各処理に伴って、サンプルホールド部３１、電荷転送部３２、デジタルアナログ乗算部３４および加算部３５の各部を伝播するように、これら各部が構成される。
【００６９】
このようなＤＡ乗算器３４１は、たとえば特開平６−２３７１７３号公報（特許第２５９９６７９号公報）、特開平６−３５０４５３号公報（特許第２９５５７３４号公報）、特開平７−３３５８６６号公報（特許第２６６５７２６号公報）および特開平８−０５０５４６号公報も参照することができる。
【００７０】
係数設定部３３は、参照信号記憶部１８に記憶されている参照信号に基づいて、デジタルアナログ乗算部３４の各ＤＡ乗算器３４１に対し、前記係数ｇ（ｌ）を設定する回路である。
【００７１】
このような構成の相関部Ｆ１は、次のように動作する。相関部Ｆ１における相関処理とは、２つの波形がどの程度似ているかを判定する処理であり、たとえば２つの数列ｘｎとｚｎとがあった場合、次の式１で示される相関値Ｙが大きい程、２つの数列が似通っていることになる。
【００７２】
Ｙ＝Σｘｋｚｋ ・・・（１）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。
【００７３】
ここで、送信信号（参照信号）をｓ（ｔ）とし、該送信信号ｓ（ｔ）に雑音を含ませたものを受信信号ｘ（ｔ）とし、上記の式１からなる相関値（判定基準）をＹとすると、図９に波線で示すように、参照信号ｓ（ｔ）と受信信号ｘ（ｔ）とが重なる瞬間に急峻なピークが検出されることになる。このピークが大きければ大きいほど、参照信号ｓ（ｔ）とよく類似した信号が受信されたことになる。なお、図９では、送信信号ｓ（ｔ）は、太い実線で示され、受信信号ｘ（ｔ）は、細い実線で示されている。また、図９では、相関のピークがずれているように見えるけれども、参照信号ｓ（ｔ）と受信信号ｘ（ｔ）との相関演算後、相関結果を信号の開始タイミングに合わせて出力しており、デジタル演算で相対的な時間遅延が生じ、このような波形となる。
【００７４】
実際には、図５のように、受信部１３で受信される連続的な受信信号ｘ（ｔ）が時間τでサンプルホールドされ、離散量ｆ（ｔ）、ｆ（ｔ−τ）、ｆ（ｔ−２τ）、ｆ（ｔ−３τ）、ｆ（ｔ−４τ）、・・・とされる。図５に示す例では、ｆ（ｔ）＝ｘａ（１）、ｆ（ｔ−τ）＝ｘａ（２）、ｆ（ｔ−２τ）＝ｘａ（３）、ｆ（ｔ−３τ）＝ｘａ（４）、ｆ（ｔ−４τ）＝ｘａ（５）、・・・である。したがって、前記相関値Ｙは、式２に示すように、これら各々に相当する係数ｇ（１）〜ｇ（ｌ）を掛けて総和を取ることによって、得られる。
【００７５】
Ｙ＝Σｆ（ｔ−ｋτ）ｇ（ｋ） ・・・（２）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。
【００７６】
このように電荷転送部３２の電荷保持部３２１の各ステージに蓄えられている電荷量Ｑｋに参照信号（テンプレート）の対応する係数ｇ（ｌ）を乗じ、和をとることで、ノイズの中に信号が存在するか否かを高いＳ／Ｎ比で計算することができる。
【００７７】
一方、前記相関部Ｆ１に並列に接続されるバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍからの出力Ｙ２，Ｙ３，・・・，Ｙｍは、前記係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍを経た後、遅延器Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄｍにおいて、前記電荷転送部３２における転送遅延時間やＤＡ乗算器３４１における転送および演算処理時間に対応した時間だけ遅延されて、加算器Ｈ１で係数器Ｋ１を介する対応する相関部Ｆ１からの出力と加算され、出力Ｙ’として画像処理部１５に入力される。前記係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍと加算器Ｈ１とは、加算部を構成する。
【００７８】
画像処理部１５は、位相ばらつき検出部１５１と、遅延補正部１５２と、整相加算部１５３とを備えて構成される。位相ばらつき検出部１５１は、信号処理部１４の各出力Ｙ’から位相のばらつきを検出する回路である。フォーカルポイントと超音波探触子２の圧電素子２１，２２との間における平均音速は、圧電素子２１，２２毎に異なっているため、位相がずれてしまうことが知られている。位相ばらつき検出部１５１は、この位相のずれを検出するものである。
【００７９】
遅延補正部１５２は、前記各出力Ｙ’に対し、前述のような音速補正を行うとともに、フォーカルポイント（フォーカス点）および／またはステアリング角度（方位）に対応した時間差を付与することによって遅延（位相）を調整する。整相加算部１５３は、遅延補正部１５２で音速補正および遅延補正された出力Ｙ’を整相加算する回路である。そして、画像処理部１５は、その加算値Ｙ（ｔ）に基づいて超音波画像を生成する。
【００８０】
このとき、前記ｉ個の有機圧電素子２１の出力の内、バンドパスフィルタＦ３から得られる３次調波（中心周波数ｆ３）の成分は、レベル検出部３７によってその信号レベルがそれぞれ検知されており、前記制御部１７は、その内、送信超音波の中心音線に対応する素子の３次調波の振幅の最大値を１．０として、残余の音線における３次調波の振幅を正規化するとともに、その正規化した値を各係数器Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，・・・，Ｋｍの係数ｋ１，ｋ２，ｋ３，・・・，ｋｍに設定する。図１０に、その様子を示す。
【００８１】
図１０では、前記中心音線を参照符号Ａで、両側の音線を参照符号Ｂ，Ｃで、基本周波および３次調波のみを示し、それぞれ添え数字１と３とを付している。したがって、この図１０では、中心音線Ａの３次調波のレベルをＡ３とするとき、その係数器Ｋ３の係数ｋ３には１／Ａ３が設定されてその出力は１．０となり、基本周波の振幅Ａ１には、係数ｋ１として１．０が乗算されている。一方、左右の音線Ｂ，Ｃの３次調波のレベルをＢ３，Ｃ３とするとき、係数ｋ３にも１／Ａ３が設定されてその出力はＢ３／Ａ３，Ｃ３／Ａ３となり、これらの信号振幅Ｂ３／Ａ３，Ｃ３／Ａ３が係数ｋ１に設定され、基本周波の出力は、Ｂ１・Ｂ３／Ａ３，Ｃ１・Ｃ３／Ａ３となる。
【００８２】
図１１は、本願発明者による実験結果を示すものであり、水中内の反射物に対して、本願発明手法を適用した場合のシミュレーション画像である。図１１（ａ）は相関部Ｆ１の出力Ｙ１のにみによる画像を表し、図１１（ｂ）はバンドパスフィルタＦ３から得られる３次調波Ｙ３のにみによる画像を表している。図の左方から超音波を入射した状態を示し、したがって図の上下（ｙ）方向が方位分解能を表し、左右（ｘ）方向が距離（深さ）分解能を表している。図１１（ａ）で示すように、基本周波数では、周波数が低いことから、ビームが拡がり、方位分解能が劣っている。しかしながら、相関部Ｆ１によるマッチトフィルタ処理によって、余分な信号は発生せず、高いＳ／Ｎが得られるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができている。こうして、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）に対しては高い性能が得られている。
【００８３】
これに対して、図１１（ｂ）で示すように、３次調波では、周波数が高いことから、ビームが狭く、高い方位分解能が得られているものの、前記プリリンギングやポストリンギングによって、抽出信号以外の信号が発生し、Ｓ／Ｎが低下して、距離分解能が著しく劣っている。
【００８４】
そこで上述のようにこれらの信号を加算した出力Ｙ１’，Ｙ２’，・・・，Ｙｍ’を得ることで、図１１（ｃ）で示すように、距離分解能，方位分解能およびＳ／Ｎを共に向上することができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態の超音波画像診断装置Ｓでは、送信部１２から送信される第１の超音波信号をパルスとし、それによって受信部１３で受信された第２の超音波信号の内、信号処理部１４では、送信した第１の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部Ｆ１で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分は、通過帯域の制限を行うバンドパスフィルタＦ２，Ｆ２，・・・．Ｆｍで抽出する。そして、前記相関部Ｆ１およびバンドパスフィルタＦ２，Ｆ２，・・・．Ｆｍからの出力は、係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍにおいてそれぞれ所定の重みを施した後、加算部Ｈ１で加算し、画像処理部１５に与える。
【００８６】
したがって、基本周波数成分ｆ１に対して、帯域制限フィルタを使用した場合には、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、Ｓ／Ｎが低下してしまうのに対して、相関部Ｆ１において相関処理を行うことで、そのような余分な信号は発生せず、Ｓ／Ｎを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、送信超音波信号をパルスとすることで、パルス圧縮効果によって信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記Ｓ／Ｎの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。図１２には前記ペネトレーションの向上の様子を模式的に示し、図１３には前記コントラストの向上を模式的に示す。すなわち、図１２では、（ａ）で示すように、最小検知レベルＶ１の信号が深さＤ１まででしか検知できなかったところ、前記相関処理でＳ／Ｎが向上すると、（ｂ）で示すように、前記深さＤ１の同じ反射物に対する検知レベルがＶ２に上昇し、前記最小検知レベルＶ１では、深さＤ２まで探索深度を深くすることができる。また、図１３では、（ａ）で示すように、レベルＶ３の信号に対して、レベルＶ４のノイズが生じている場合、前記パルス圧縮法にて信号強度が強くなることで、（ｂ）で示すように、信号のレベルはＶ５に上昇し、前記レベルＶ４のノイズフロアとのコントラストを明確にすることができる。
【００８７】
また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分ｆ１に対しては、適切な相関演算器（マッチトフィルタ）を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波ｆ２，ｆ３，・・・に関しては、そのような適切な相関演算器（マッチトフィルタ）の実現がなかなか困難であるため、すなわち参照信号記憶部１８に記憶されるテンプレートデータ列の作成が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタＦ２〜Ｆｍを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用することで、フィルタの構造を無闇に複雑にすることなく、方位分解能を向上することができる。こうして、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上することができる。
【００８８】
また、減衰が激しいけれど高解像な高次調波成分は浅い部位（近距離部位）を見るのに好適であり、解像度に劣るが遠くまで届く基本周波数成分は深い部位（遠距離部位）を見るのに好適である。そこで、重み設定部として、前記操作入力部１１から、重みとなる前記係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍの係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｍを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定することで、浅い部位から深い部位までに亘って、しかも重みによって、診断により適した、より高精度な超音波画像を形成することができる。ここで、前記被検体の診断部位や診断深度は、たとえば第１および第２の超音波信号のフォーカルポイントや第１の超音波信号の送信時刻を時間原点とした経過時間で表すことができ、前記係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｍは、そのフォーカルポイントや経過時間に応じて設定される。
【００８９】
さらにまた、前記送信部１２は、前記第１の超音波信号としてのパルスに、単純なガウシアンエンベロープ波形ではなく、また、ノイズ耐性を高める観点から、可能な限り冗長な、自然界に無い信号周波数が時間経過に伴って増加または減少するチャープ波を用いることで、レンジサイドロープ（時間的サイドロープ）を抑制することができる。
【００９０】
また、前記相関部Ｆ１を、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置で構成することで、微弱な信号レベルでもより適切に相関処理を行うことが可能となる。
【００９１】
さらにまた、前記超音波振動子２０を、送信用として大パワー送信可能な無機圧電素子２２上に、比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子２１を積層して構成することで、高次調波成分を高感度に受信することができる。
【符号の説明】
【００９２】
Ｓ 超音波画像診断装置
１ 診断装置本体
２ 超音波探触子
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１２１ 駆動信号生成回路
１２２ 送信ビームフォーマ
１３ 受信部
１４ 信号処理部
１５ 画像処理部
１５１ 位相ばらつき検出部
１５２ 遅延補正部
１５３ 整相加算部
１６ 記憶部
１７ 制御部
１８ 参照信号記憶部
２０ 超音波振動子
２１ 有機圧電素子
２２ 無機圧電素子
３１ サンプルホールド部
３２ 電荷転送部
３３ 係数設定部
３４ デジタルアナログ乗算部
３５ 加算部
Ｆ１ 相関部
Ｆ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍ バンドパスフィルタ
Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍ 係数器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信部から第１の超音波信号を被検体内へ送信し、それによる反射波などの被検体内から来た第２の超音波信号を受信部で受信し、その受信信号から、画像処理部が前記被検体内の断層画像を作成し、表示部に表示させる超音波画像診断装置に関し、特に第２の超音波信号から高次調波成分を抽出するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その１つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波画像診断装置がある。この超音波画像診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波画像診断装置は、循環器系（心臓の冠動脈等）、消化器系（胃腸等）、内科系（肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
中でも近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された前記第１の超音波信号の周波数（基本周波数）の信号成分（基本周波数成分）ではなく、その基本周波数の整数倍の周波数（高次調波周波数）の信号成分（高次調波成分）によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Harmonic Imaging）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（signal to noise ratio）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって方位分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり、高次調波自体の周波数を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。
【０００４】
しかしながら、発生した高次調波は、超音波探触子へ戻るまでの間の減衰が激しく、探索できる深度が浅いという問題がある。そこで、特許文献１では、高次調波成分と共に、基本周波数成分も診断に用いるようにしている。その従来技術の概略構成を図１４で示す。この図１４で示すように、超音波探触子１０１で受信された信号は、相互に並列に接続されたバンドパスフィルタＢ１，Ｂ２，Ｂ３，・・・，ＢｍからアンプＡ１，Ａ２，Ａ３，・・・，Ａｍを介して画像合成部１０２で合成され、画像形成に使用される。前記バンドパスフィルタＢ１の中心周波数ｆ１は、前記基本周波数に設定されており、残余のバンドパスフィルタＢ２，Ｂ３，・・・，Ｂｍの中心周波数ｆ２，ｆ３，・・・，ｆｍは、２次高調波、３次高調波、４次高調波・・・に設定されている。こうして抽出された各基本周波数成分および高次調波成分は、アンプＡ１，Ａ２，Ａ３，・・・，Ａｍにおいて、それぞれのゲインａ１，ａ２，ａ３，・・・，ａｍで増幅された後、加算される。このように構成し、深部は基本周波数成分で、浅部は高次調波成分で診断画像を作成することで、深部から浅部まで高精度な画像形成が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０８９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、送信用の第１の超音波信号として、パルスを用いることで、Ｓ／Ｎを高め、距離分解能を高められる可能性がある。しかしながら、前記高次調波を含む広帯域の信号をバンドパスフィルタに入力すると、図１５で示すように、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、距離分解能の向上の妨げになる。すなわち、図１５（ａ）は基本波パルスを基本波のバンドパスフィルタＢ１に通した波形を表し、図１５（ｂ）は３次調波を３次調波のバンドパスフィルタＢ３に通した波形を表す。これらから、本来、周波数が高く、距離分解能の向上が期待される高次調波が、基本波に対して距離分解能があまり向上していないことが理解される。したがって、前記高次調波をバンドパスフィルタＢ２，Ｂ３，・・・，Ｂｍに通すことでは、方位分解能の向上は期待できるが、距離分解能の向上は期待できない。また、バンドパスフィルタは、入力信号を帯域制限して出力するだけであるので、Ｓ／Ｎの向上に対する期待はできない。
【０００７】
本発明の目的は、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の超音波画像診断装置は、第１の超音波信号を被検体内へ送信する送信部と、前記第１の超音波信号が被検体内で反射された第２の超音波信号を受信する受信部と、前記受信部での受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出する信号処理部と、前記信号処理部での抽出結果から前記被検体内の断層画像を作成する画像処理部と、作成された前記断層画像を表示する表示部とを備えて構成される超音波画像診断装置において、前記送信部は、第１の超音波信号をパルスで送信し、前記信号処理部は、前記第１の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、前記受信部の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記受信部の出力から前記第２超音波信号に含まれる前記基本周波数の成分を検出する相関部と、前記受信部の出力から、予め設定された１または複数の高次調波の成分を抽出するフィルタと、前記相関部および１または複数のフィルタからの出力にそれぞれ所定の重みを施して加算する加算部とを含むことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、送信部から第１の超音波信号を被検体内へ送信し、それによる反射波などの被検体から来た第２の超音波信号を受信部で受信し、信号処理部がその受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出し、その抽出結果から、画像処理部が前記被検体内の断層画像を作成し、表示部に表示させる超音波画像診断装置において、注目すべきは、前記送信部から送信される第１の超音波信号をパルスとし、それによって受信された第２の超音波信号の内、送信した第１の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部で抽出する一方、前記被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分は、バンドパスフィルタなどの通過帯域の制限を行う１または複数のフィルタで抽出することである。そして、前記相関部および１または複数のフィルタからの出力は、加算部においてそれぞれ所定の重みを施して加算し、前記画像処理部に与える。
【００１０】
したがって、基本周波数成分に対して、帯域制限フィルタを使用した場合には、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、Ｓ／Ｎが低下してしまうのに対して、相関処理を行うことで、そのような余分な信号は発生せずＳ／Ｎを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、パルス圧縮効果によって、信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記Ｓ／Ｎの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分に対しては、適切な相関演算器（マッチトフィルタ）を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波に関しては、そのような適切な相関演算器（マッチトフィルタ）の実現が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用する。こうして、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上することができる。
【００１１】
また、本発明の超音波画像診断装置は、前記加算部における重みを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定する重み設定部をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、基本周波数成分および１または複数の高次調波成分を重み付けして用いることで、減衰が激しいけれど高解像な高次調波成分は浅い部位（近距離部位）を見るのに好適であり、解像度に劣るが遠くまで届く基本周波数成分は深い部位（遠距離部位）を見るのに好適であり、こうして浅い部位から深い部位までに亘って、しかも重みによって、診断により適した、より高精度な超音波画像を形成することができる。ここで、前記被検体の診断部位や診断深度は、たとえば第１および第２の超音波信号のフォーカルポイントや第１の超音波信号の送信時刻を時間原点とした経過時間で表すことができ、前記重みは、そのフォーカルポイントや経過時間に応じて設定される。
【００１３】
さらにまた、本発明の超音波画像診断装置では、前記送信部は、前記パルスとしてチャープ波を用いることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、前記第１の超音波信号としてのパルスに、単純なガウシアンエンベロープ波形ではなく、周波数が時間経過に伴って増加または減少するチャープ波を用いることで、レンジサイドロープ（時間的サイドロープ）を抑制することができる。
【００１５】
好ましくは、前記相関部は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、微弱な信号レベルでもより適切に相関処理を行うことが可能となる。
【００１７】
また、本発明の超音波画像診断装置では、前記送信部および受信部における超音波振動子は、送信用の無機圧電素子上に、受信用の有機圧電素子を積層して成ることを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、前記送信部および受信部における超音波振動子に、送信用として大パワー送信可能な無機圧電素子を用い、受信用として比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子を用いることで、高次調波成分を高感度に受信可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の超音波画像診断装置は、以上のように、送信部から送信される第１の超音波信号をパルスとし、それによって受信された第２の超音波信号の内、送信した第１の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分はバンドパスフィルタなどの通過帯域の制限を行う１または複数のフィルタで抽出し、前記相関部および１または複数のフィルタからの出力を、加算部においてそれぞれ所定の重みを施して加算し、画像処理に使用する。
【００２０】
それゆえ、基本周波数成分に対して相関処理を行うことで、Ｓ／Ｎを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、パルス圧縮効果によって、信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記Ｓ／Ｎの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分に対しては、適切な相関演算器（マッチトフィルタ）を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波に関しては、そのような適切な相関演算器（マッチトフィルタ）の実現が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用する。こうして、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。
【図４】受信超音波信号を処理する実施形態の信号処理回路のブロック図である。
【図５】相関処理および画像処理の説明に当たって、実施形態にかかる超音波診断装置のより具体的な構成を示す図である。
【図６】電荷を転送する動作を説明するための図である。
【図７】１つの電荷を２等分する動作を説明するための図である。
【図８】２つの電荷を統合する動作を説明するための図である。
【図９】相関演算を説明するための波形図である。
【図１０】本願発明による信号処理の様子を模式的に説明するための図である。
【図１１】本願発明者による実験結果を示すシミュレーション画像である。
【図１２】本願発明によるペネトレーションの向上の様子を模式的に説明するための図である。
【図１３】本願発明によるコントラストの向上の様子を模式的に説明するための図である。
【図１４】典型的な従来技術の信号処理回路のブロック図である。
【図１５】送信信号をパルスとして受信信号を前記信号処理回路でバンドパスフィルタ処理した際に発生するリンギングを説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。また、本明細書において、適宜、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２３】
図１は実施形態における超音波画像診断装置Ｓの外観構成を示す図であり、図２は実施形態における超音波画像診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。超音波画像診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１の超音波信号）を送信するとともに、この被検体や造影剤で反射（エコー）もしくは発生した超音波（第２の超音波信号）を受信する超音波探触子２と、前記超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して前記第１の超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２の超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の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診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２４】
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、信号処理部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、参照信号記憶部１８と、タイミング発生部１９とを備えて構成されている。
【００２５】
操作入力部１１は、たと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を受け付ける装置であり、たとえば複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
【００２６】
送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に第１の超音波信号を発生させる回路である。第１の超音波信号には、通常自然界に存在することなく相関処理によって検出することが容易である観点から、周波数を時間経過に伴って予め設定された割合で増加または減少させるチャープ波のパルスが用いられる。送信部１２は、たとえば制御部１７からの送信信号に応じて送信ビームを形成する送信ビームフォーマ回路１２２（図４参照）およびその送信ビームに応じて超音波探触子２の各無機圧電素子２２を実際に駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成回路１２１（図４参照）等を備えて構成される。各送信信号には、フォーカルポイント（フォーカス点）および／またはステアリング角度（方位）に対応した時間差が付与されている。受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２の各有機圧電素子２１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り、この受信信号を信号処理部１４へ出力する。受信部１３は、たとえば受信信号を予め設定された増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。
【００２７】
信号処理部１４は、後述するようにして、受信部１３の出力をフィルタ処理することで、受信部１３で受信された第２の超音波信号から、送信用の第１超音波信号を基本周波数とした場合に、その基本周波数成分と、複数の高次調波成分とを抽出し、所望の割合で加算した後、画像処理部１５へ与えるものである。
【００２８】
参照信号記憶部１８は、ＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭ等の記憶素子を備えて構成され、送信信号および後述の相関処理の参照信号となる信号を記憶する回路である。前記信号処理部１４への参照信号は、送信部１２供給されてもよい。
【００２９】
タイミング発生部１９は、診断装置本体１の各部の動作タイミングを生成し、動作タイミングの必要な各部へ出力する回路である。
【００３０】
画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、前述のように信号処理部１４で抽出された、基本周波数成分および高次調波成分に基づいて被検体の内部状態の画像（超音波画像）を形成する回路である。なお、画像処理部１５は、受信部１３での受信信号から、従来のＢモード断層画像を生成する機能などを適宜備えていてもよい。
【００３１】
表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波断層画像を表示する装置である。この表示部１６は、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置や、プリンタ等の印刷装置等で実現することができる。
【００３２】
制御部１７は、たとえばマイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、信号処理部１４、画像処理部１５、表示部１６および参照信号記憶部１８を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって、該超音波画像診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
【００３３】
図３は、実施形態の超音波探触子２を構成する超音波振動子２０の断面図である。超音波探触子（超音波プローブ）２は、前述のように、被検体内に第１の超音波信号を送信し、この第１の超音波信号に応じて被検体内から来た第２の超音波信号を受信する装置であって、無機および有機の圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間の変換を行う。すなわち、大略的に、超音波振動子２０は、前記無機圧電素子２２上に有機圧電素子２１が積層されて成る。具体的には、この図３に示すように、バッキング層となる平板状の音響制動部材２３と、この音響制動部材２３上に積層された複数の前記無機圧電素子２２と、これら複数の無機圧電素子２２における隙間に充填される音響吸収材２４と、これら複数の無機圧電素子２２上に積層された共通接地電極層２５と、この共通接地電極層２５上に積層される中間層２６と、この中間層２６上に積層されるシート状の前記有機圧電素子２１と、この有機圧電素子２１上に積層される音響整合層２７とを備えて構成される。
【００３４】
前記音響制動部材２３は、超音波を吸収する材料から構成され、無機圧電素子２２から背面側へ放射された超音波を吸収するものである。音響吸収材２４には、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が用いられ、前記音響制動部材２３と同様に超音波を吸収し、複数の各無機圧電素子２２間におけるクロストークを低減する。
【００３５】
各無機圧電素子２２は、無機圧電材料から構成される圧電体（素圧電体）２２１の両表面にそれぞれ電極（素電極）２２２，２２３を備えて構成される。前記無機圧電材料は、たとえば、ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等である。
【００３６】
これらの無機圧電素子２２は、音響制動部材２３に、それを貫通して信号電極２２４が形成された上に、シート状の圧電体２２１の両表面に電極２２２，２２３が積層されたものが積層された後、各無機圧電素子２２に切出され、各無機圧電素子２２間に音響吸収材２４が充填されて成り、或いは各無機圧電素子２２が切出され、音響吸収材２４が充填されて成るシート状の部材が音響制動部材２３上に積層されて成る。電極２２３は共通接地電極層２５を介して接地され、信号電極２２４から電極２２２には前記送信部１２の駆動信号生成回路からケーブル３を介して個別の駆動信号が入力される。
【００３７】
中間層２６は、無機圧電素子２２上に有機圧電素子２１を積層するための部材であり、それらの音響インピーダンスを整合させるものである。
【００３８】
有機圧電素子２１は、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る圧電体２１１と、この圧電体２１１の一方の面に形成された個別電極２１２と、圧電体２１１の他方の面に略全面に亘って一様に形成された共通電極２１３とを備えて構成されたシート状の圧電素子である。このように構成することで、一体的なシート状に形成しても、各有機圧電素子２１を個別に動作させることができ、有機圧電素子２２のように素子の切出しや隙間の充填といった作業が不要になり、製造工程を簡略化することができる。個別電極２１２は、受信部１３の受信ビームフォーマに受信信号を出力する。
【００３９】
なお、有機圧電素子２１の素子数などによっては、幾つかの素子でグループを構成し、前記共通電極２３１は、それらのグループ毎に設けられてもよい。また、図３に示す例では、有機圧電素子２１は無機圧電素子２２の全体に亘って積層されているけれども、一部に亘って積層されるだけでもよい。また、有機圧電素子２１と無機圧電素子２２との素子数は、同一でもよいが、異なっていてもよく、それぞれの占有面積はそれぞれの素子に要求される仕様に応じて設計されればよい。この図３のように、有機圧電素子２１の素子数を無機圧電素子２２の素子数より多く形成する場合、無機圧電素子２２の１個当りのサイズ（大きさ）を大きくすることが可能となり、該無機圧電素子２２を送信に用いるにあたって、送信パワーを大きくすることができるとともに、有機圧電素子２１の素子数を多くでき、該有機圧電素子２１を受信に用いるにあたって、受信分解能を向上することができる。前記有機圧電素子２１は、たとえば６４×６４の４０９６個が２次元マトリクス状に配列される。
【００４０】
前記有機圧電材料には、たとえばフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）の重合体を用いることができる。または、前記有機圧電材料には、フッ化ビニリデン系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。フッ化ビニリデン系コポリマは、その共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化するので、超音波探触子２の仕様等に応じて適宜な共重合比が採用される。たとえば、フッ化ビニリデン／３フッ化エチレンのコポリマの場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％が好ましく、有機圧電素子を無機圧電素子に積層する複合素子の場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が８５ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％がより好ましい。また、このような複合素子の場合では、他の単量体は、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレンが好ましい。またたとえば、有機圧電材料は、ポリ尿素を用いることができる。このポリ尿素の場合では、蒸着重合法で圧電体を作成することが好ましい。ポリ尿素用のモノマとして、一般式、Ｈ２Ｎ−Ｒ−ＮＨ２構造を挙げることができる。ここで、Ｒは、任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。ポリ尿素は、尿素誘導体と他の単量体との共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を用いる芳香族ポリ尿素を挙げることができる。
【００４１】
音響整合層２７は、無機圧電素子２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとるとともに、有機圧電素子２１の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。そして、音響整合層２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体に向けて送信される超音波を収束する音響レンズとしての機能も備えている。
【００４２】
このような構成の超音波画像診断装置Ｓでは、たとえば操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１７の制御によって送信部１２では、ＲＯＩ（注目領域）を基に指定するステアリング角度（方位）とフォーカルポイントの深度とからビームフォーマ１２２（図５参照）の遅延が付与されるとともにＰＣＭによって形成された上記チャープ波の送信信号が生成される。この送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２の無機圧電素子２２の内、ビームフォミングすべき素子へ供給され、その素子が厚さ方向に伸縮し、共振することで、大きな振幅の超音波振動を発生することができる。この超音波振動は、第１の超音波信号として、中間層２６から有機圧電素子２１および音響整合層２７を通って、被検体内に入射される。なお、超音波探触子２は、被検体（生体）の体表面上に接触して用いられてもよいし、被検体の内部、たとえば生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００４３】
この被検体に対して送信された超音波は、前記ステアリング角度（方位）のフォーカルポイントで収束され、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波（第２の超音波信号）となる。この第２の超音波信号には、送信された第１の超音波信号の周波数成分だけでなく、この第１の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、その整数倍の高次調波の成分も含まれる。このため、受信用には広帯域の超音波信号を受信可能なように、前記有機圧電素子２１が用いられる。本実施の形態は、有機圧電素子２１での受信信号から、以下に詳述するように、これらの基本周波数成分および高次調波成分を信号処理部１４で抽出し、画像処理部１５での断層画像の作成に用いる。なお、無機圧電素子２２には送受信切換え回路を接続し、基本周波数成分は送信を行った該無機圧電素子２２で受信し、前記有機圧電素子２１では高次調波成分のみを受信するようにしてもよい。
【００４４】
図４は、本発明の実施の一形態の信号処理回路１４の概略構成を示すブロック図である。注目すべきは、本実施の形態の信号処理回路１４では、前記有機圧電素子２１で受信された信号は、受信部１３からこの信号処理回路１４に入力され、相互に並列に接続された相関部Ｆ１およびバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍに入力されることである。これらの相関部Ｆ１およびバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍからの出力は、それぞれ係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍにおいて所定の係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｍが乗算されて画像処理部１５で合成され、画像形成に使用される。前記相関部Ｆ１の中心周波数ｆ１は、前記基本周波数に設定されており、残余のバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍの中心周波数ｆ２，ｆ３，・・・，ｆｍは、２次高調波、３次高調波、４次高調波・・・に設定されている。
【００４５】
次に、前記相関部Ｆ１における相関処理に関し、より具体的に説明する。図５は、前記相関部Ｆ１の具体的な一構成例を示す図である。ここで、高次調波成分が受信信号全体に占めるエネルギー量は微弱であるので、受信したアナログ信号（第２の超音波信号）をデジタル変換してから相関処理を行ったのでは、良質な超音波画像の形成に必要なダイナミックレンジが取れない。そのため、注目すべきは、本実施形態における相関部Ｆ１は、相関処理自体をアナログ処理で行うものである。
【００４６】
そのため、相関部Ｆ１は、ｉ個の有機圧電素子２１毎に設けられ、対応する有機圧電素子２１の各出力がそれぞれ入力される。すなわち、多数の有機圧電素子２１は、時分割で、ｉ個をグループとしてこの相関部Ｆ１に接続され、このｉ個の相関部を、参照符号Ｆ１−１，Ｆ１−２，Ｆ１−３，・・・，Ｆ１−ｉ（総称するときは、前記参照符号Ｆ１で示す）で示す。残余のバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍについても同様に、ｉ個の有機圧電素子２１毎に設けられるが、この図５では、１個分だけ示している。各相関部Ｆ１は、対応する有機圧電素子２１からの受信信号（第２の超音波信号）と、係数設定部３３で予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、両者の一致度を検出する回路であり、同様の構成を有している。本実施形態では、上述したように、参照信号は送信信号と同一であり、参照信号記憶部１８に記憶されている係数列が制御部１７によって読出され、前記送信信号として送信部１２の送信ビームフォーマ１２２に与えられるとともに、テンプレートデータ列として前記係数設定部３３に設定される。
【００４７】
前記相関部Ｆ１は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算を行うことによって受信部１３の出力と参照信号との相関を演算する回路であり、サンプルホールド部３１と、電荷転送部３２と、前記係数設定部３３と、デジタルアナログ乗算部３４と、加算部３５とを備えて構成される。
【００４８】
サンプルホールド部３１は、タイミング発生部１９からの動作タイミングに応じたサンプリング周期で、受信部１３の出力（当該サンプルホールド部３１に接続されている有機圧電素子２１の出力）を保持する回路である。サンプルホールド部３１は、動作タイミングに応じたタイミングで、この保持した受信部１３の出力に対応する電荷Ｑを電荷転送部３２へ出力する。
【００４９】
電荷転送部３２は、前記電荷Ｑを保持する複数の電荷保持部３２１−１，３２１−２，３２１−３，・・・，３２１−ｎ（総称するときは、以下参照符号３２１で示す）を備えて構成され、これら各電荷保持部３２１は、直列に接続されている。そして、前記サンプルホールド部３１のサンプリングタイミングで、保持している電荷Ｑを後段の電荷保持部３２１へ出力し、前段の電荷保持部の電荷Ｑを取込み、こうしてシフトレジスタのように保持電荷Ｑを順次転送してゆく。
【００５０】
このような電荷転送部３２は、たとえば図６に示すように、半導体４１と、該半導体４１上に形成された絶縁体層４２と、連続的に配置されるように絶縁体層４２上に形成された複数の電極（ゲート電極）４３とを備えて構成され、これら各電極４３に電荷Ｑを転送するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、或る電極下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷Ｑを順次に後段の電極下のポテンシャル井戸へ転送する電荷転送素子（電荷結合素子、Charge-Coupled Devices、ＣＣＤ）ＴＤによって構成することができる。図６に示す例では、６個の電極４３−１〜４３−６を備える電荷転送素子ＴＤが示されている。また、各電極４３（４３−１〜４３−６）には、電極４３に電圧を印加するための信号線Ｐ４１〜Ｐ４３が接続されている。たとえば、時刻ｔ１において、第１電極４３−１に電圧が印加されることによって形成された第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に電荷Ｑが保持されている。次の動作タイミングの時刻ｔ２（ｔ２１、ｔ２２）において、まず、第１および第２電極４３−１，４３−２のそれぞれに電圧が印加されることによって、第１ポテンシャル井戸ＰＷ１が第１電極４３−１下だけでなく第２電極４３−２下にも拡がり、電荷Ｑがこれら各電極４３−１，４３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持され（時刻ｔ２１）、続いて、第２電極４３−２の電圧がそのままで、第１電極４３−１の電圧が時間経過に従って徐々に０に変化されることによって、第１ポテンシャル井戸ＰＷ１の電荷Ｑが徐々に第１ポテンシャル井戸ＰＷ２へ移動する（時刻ｔ２２）。そして、次の動作タイミングの時刻ｔ３において、第１電極４３−１に印加されていた電圧が解消されることで、前記の電荷Ｑが第２電極４３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２に完全に移動する。このような動作を繰返すことで、第１電極４３−１下のポテンシャル井戸ＰＷ１に蓄積されていた電荷Ｑが、隣接する第２電極４３−２下のポテンシャル井戸ＰＷ２へ転送されて保持される。このような動作をサンプリング周期内で順次下流側の電荷保持部３２１−ｎから上流側の電荷保持部３２１−１に向って行われることで、上述のように各電荷保持部３２１内の電荷が順次後段側へ転送されてゆく。
【００５１】
デジタルアナログ乗算部３４は、電荷転送部３２の各電荷保持部３２１（３２１−１〜３２１−ｎ）に対応して設けられた複数のデジタルアナログ乗算器（ＤＡ乗算器）３４１−１〜３４１−ｎ（総称するときは、以下参照符号３４１で示す）を備えて構成されている。ＤＡ乗算器３４１は、係数設定部３３によって予め設定されている係数ｇ（ｌ）（０≦ｇ（ｌ）＜１）で対応する電荷保持部３２１の電荷Ｑを乗算し、その乗算結果を加算部３５へ出力する回路である。より具体的には、ｇ（ｌ）×Ｑ＝ｇ１（ｌ）×２−１Ｑ＋ｇ２（ｌ）×２−２Ｑ＋ｇ３（ｌ）×２−３Ｑ＋・・・＋ｇｎ（ｌ）×２−ｎＱと表現することができることから、ＤＡ乗算器３４１では、電荷保持部３２１に保持されている電荷（アナログ信号）Ｑが２等分され、一方がさらに２等分され、これが繰り返されることで、２−１Ｑ、２−２Ｑ、２−３Ｑ、・・・、２−ｎＱの複数の電荷が生成され、これら各電荷が、乗数である係数ｇ（ｌ）の２進表現ｇ１（ｌ）、ｇ２（ｌ）、ｇ３（ｌ）、・・・、ｇｎ（ｌ）に従って取捨され、そのうちの取り上げられた電荷が１個に統合されることで、前記ｇ（ｌ）×Ｑの乗算をアナログ処理で行うものである。
【００５２】
このようなＤＡ乗算器３４１も、電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成することができ、たとえば電荷分割部ＣＤと、電荷統合部ＳＤとを備えて構成することができる。たとえば、１個の電荷Ｑを２個の電荷に２等分する電荷分割部ＣＤは、図７に示すように、半導体５１と、該半導体５１上に形成された絶縁体層５２と、絶縁体層５２上に連続的に形成された複数の電極（ゲート電極）５３（５３−１〜５３−６）とを備えて構成され、３個１組の電極５３を含んで１個の分割部ＣＤｋが構成され、図７には、電極５３−１〜５３−３を含む第１分割部ＣＤ１と、電極５３−４〜５３−６を含む第２分割部ＣＤ２とが図示されている。また、各電極５３（５３−１〜５３−６）には、電極５３に電圧を印加するための信号線Ｐ５１〜Ｐ５３が接続されている。
【００５３】
このような電荷分割部ＣＤでは、電極５３に外部から電圧を印加することによって電極５３下の半導体３１内にポテンシャル井戸ＰＷが形成される。ポテンシャル井戸ＰＷは、その対応する電極５３に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷分割部ＣＤでは、第１および第２分割部ＣＤ１、ＣＤ２における各電極５３−１〜５３−３；５３−４〜５３−６に、電荷Ｑを分割するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第１分割部ＣＤ１に保持されている電荷Ｑが２個の電荷Ｑ１，Ｑ２（Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ／２）に等分され、各電荷Ｑ１，Ｑ２がそれぞれ第１および第２分割部ＣＤ１，ＣＤ２に保持される。
【００５４】
たとえば、時刻ｔ１１において、初期状態（２等分前、分割前）として、第１分割部ＣＤ１の第３電極５３−３に電圧が印加されることによって形成された第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ３に電荷Ｑが保持されているとする。そして、次の動作タイミングの時刻ｔ１２において、第１分割部ＣＤ１の第２および第３電極５３−２，５３−３ならびに第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４のそれぞれに電圧が印加されることによって、第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ３が第３電極５３−３下だけでなく第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２下および第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４下にも拡がり、電荷Ｑがこれら各電極５３−２〜５３−４下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２３４に保持される。
【００５５】
次の動作タイミングの時刻ｔ１３において、第１分割部ＣＤ１の第３電極５３−３に印加されていた電圧が解消され、そして、第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２および第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４に電圧が印加されることによって、電荷Ｑが第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２および第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４にそれぞれ分割されて保持される。このように１個のポテンシャル井戸ＰＷ３に蓄積されていた電荷Ｑが、電極５３に所定パターンの駆動電圧を印加することによって、このポテンシャル井戸ＰＷ３に隣接するポテンシャル井戸ＰＷ２，ＰＷ４へ２等分されて保持される。
【００５６】
続いて、図７では、次の動作タイミングの時刻ｔ１４において、第１分割部ＣＤ１では、第１および第２電極５３−１，５３−２に電圧が印加されることによって、第１分割部ＣＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２が第２電極５３−２下だけでなく第１電極５３−１下にも拡がり、電荷Ｑ１（＝Ｑ／２）がこの第１および第２電極５３−１，５３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持される。そして、第２分割部ＣＤ２では、第１および第２電極５３−４，５３−５に電圧が印加されることによって、第２分割部ＣＤ２の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４が第１電極５３−４下だけでなく第２電極５３−５下にも拡がり、電荷Ｑ２（＝Ｑ／２）がこの第１および第２電極５３−４，５３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持される。
【００５７】
次の動作タイミングの時刻ｔ１５において、第１分割部ＣＤ１では、第１分割部ＣＤ１の第２電極５３−２に印加されていた電圧が解消されるとともに、第１分割部ＣＤ１の第１電極３３−１に電圧が印加されることによって、２等分された電荷Ｑ１が第１分割部ＣＤ１の第１電極５３−１下に形成された第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に保持される。そして、第２分割部ＣＤ２では、第２分割部ＣＤ２の第１電極５３−４に印加されていた電圧が解消されるとともに、第２分割部ＣＤ２の第２電極５３−５に電圧が印加されることによって、２等分された電荷Ｑ２が第２分割部ＣＤ２の第２電極５３−５下に形成された第２分割部ＣＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５に保持される。
【００５８】
このように電荷分割部Ｄは、電荷Ｑを２等分に分割するような所定パターンの駆動電圧を各電極５３に印加することによって、第１分割部ＣＤ１の第３ポテンシャル井戸ＰＷ３に保持されている電荷Ｑを２等分し、第１分割部ＣＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２（第１ポテンシャル井戸ＰＷ１）および第２分割部ＣＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５（第３ポテンシャル井戸ＰＷ６）のそれぞれへ導き保持することによって、電荷Ｑを２個の電荷に２等分することができる。
【００５９】
そして、複数の電荷を１個の電荷に統合する電荷統合部ＳＤも、たとえば図８に示すように、半導体６１と、半導体６１上に形成された絶縁体層６２と、絶縁体層６２上に連続的に形成された複数の電極（ゲート電極）６３（６３−１〜６３−６）とを備えて構成され、３個１組の電極６３を含んで１個の統合部ＳＤｋが構成され、図８には、電極６３−１〜６３−３を含む第１統合部ＳＤ１と、電極６３−４〜６３−６を含む第２統合部ＳＤ２とが図示されている。また、各電極６３（６３−１〜６３−６）には、電極６３に電圧を印加するための信号線Ｐ６１〜Ｐ６３が接続されている。
【００６０】
このような電荷統合部ＳＤでは、電極６３に外部から電圧を印加することによって電極６３下の半導体６１内にポテンシャル井戸ＰＷが形成される。ポテンシャル井戸ＰＷは、その対応する電極６３に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷統合部ＳＤでは、第１および第２統合部ＳＤ１，ＳＤ２における各電極６３−１〜６３−３；６３−４〜６３−６に電荷を統合するような所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第１統合部ＳＤ１に保持されている第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２に保持されている第２電荷Ｑ２とが合わせられて１個の電荷Ｑ（Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２）に統合され、この電荷Ｑが第１統合部ＳＤ１（第２統合部ＳＤ２）に保持される。
【００６１】
たとえば、時刻ｔ２１において、初期状態（加算処理前）として、第１統合部ＳＤ１の第１電極６３−１に電圧が印加されることによって形成された第１統合部ＳＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に第１電荷Ｑ１が保持され、第２統合部ＳＤ２の第２電極６３−５に電圧が印加されることによって形成された第２統合部ＳＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５に第２電荷Ｑ２が保持されている。次の動作タイミングの時刻ｔ２２において、第１統合部ＳＤ１では、第１統合部ＳＤ１の第１および第２電極６３−１，６３−２に電圧が印加されることによって、第１統合部ＳＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１が第１電極６３−１下だけでなく第２電極６３−２下にも拡がり、第１電荷Ｑ１がこの第１および第２電極６３−１，６３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持される。そして、第２統合部ＳＤ２では、第２統合部ＳＤ２の第１および第２電極６３−４，６３−５に電圧が印加されることによって、第２統合部ＳＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５が第２電極６３−５下だけでなく第１電極６３−４下にも拡がり、第２電荷Ｑ２がこの第１および第２電極６３−４，６３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持される。
【００６２】
次の動作タイミングの時刻ｔ２３において、第１統合部ＳＤ１では、第１統合部ＳＤ１の第１電極６３−１に印加されていた電圧が解消され、そして、第２電極６３−２に電圧が印加されることによって、第１および第２電極６３−１，６３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持されていた第１電荷Ｑ１が第２電極６３−２下に形成された第１統合部ＳＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２に移動して保持される。そして、第２統合部ＳＤ２では、第２統合部ＳＤ２の第２電極６３−５に印加されていた電圧が解消され、第１電極６３−４に電圧が印加されることによって、第１および第２電極６３−４，６３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持されていた第２電荷Ｑ２が第１電極６３−４下に形成された第２統合部の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４に移動して保持される。このような動作によって第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１が第２統合部ＳＤ２へ寄るとともに、第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２が第１統合部ＳＤ１へ寄り、第１統合部ＳＤ１の第２電極６３−２と第２統合部ＳＤ２の第１電極６３−４とが１個の電極（第１統合部の第３電極６３−３）６３を隔てて配置される。
【００６３】
そして、次の動作タイミングの時刻ｔ２４において、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とを隔てているこの第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３に、第１統合部ＳＤ１の第２電極６３−２および第２統合部ＳＤ２の第１電極６３−４にそれぞれ印加されている電圧と同じ電圧が印加されることによって、第１統合部ＳＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２が第２電極６３−２下だけでなく第３電極６３−３下にも拡がるとともに、第２統合部ＳＤ２の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４が第１電極６３−４下だけでなく第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３下にも拡がる結果、第１統合部ＳＤ１の第２および第３電極６３−２，６３−３下ならびに第２統合部ＳＤの第１電極６３−４下に亘るポテンシャル井戸ＰＷ２３４が形成され、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とが統合される。
【００６４】
そして、次の動作タイミングの時刻ｔ２５において、第１統合部ＳＤ１の第２電極６３−２に印加されていた電圧が解消されるとともに第２統合部ＳＤ２の第１電極６３−４に印加されていた電圧が解消され、第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３に電圧が印加されることによって、この統合された第１統合部ＣＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とが第１統合部ＳＤ１の第３電極６３−３下に形成された第１統合部ＳＤ１の第３ポテンシャル井戸ＰＷ３に保持され、加算結果Ｑ（＝Ｑ１＋Ｑ２）となる。
【００６５】
このように電荷統合部ＳＤは、所定パターンの駆動電圧を各電極に印加することによって、第１統合部ＳＤ１のポテンシャル井戸ＰＷに保持されている第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２のポテンシャル井戸ＰＷに保持されている第２電荷Ｑ２とを１個のポテンシャル井戸ＰＷへ導き統合することによって、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とを電荷のままで加算することができるものである。すなわち、電荷統合部ＳＤは、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とをアナログで加算することができる。
【００６６】
ＤＡ乗算器３４１は、たとえば係数ｇ（ｌ）の２進表現に従ったビット数個の直列に接続された複数の前記電荷分割部ＣＤと、前記電荷統合部ＳＤとを備え、電荷保持部３２１の出力値に対応する電荷量Ｑを、前述のように電荷分割部ＣＤで２等分し、その一方を、この２等分した電荷分割部ＣＤにおける後段の電荷分割部ＣＤで２等分し、これを繰り返すことで、２−１Ｑ、２−２Ｑ、２−３Ｑ、・・・、２−ｎＱの複数の電荷を生成し、これら各電荷を、係数ｇ（ｌ）の２進表現ｇ１（ｌ）、ｇ２（ｌ）、ｇ３（ｌ）、・・・、ｇｎ（ｌ）に従って取捨し、そのうち取り上げた電荷を電荷統合部ＳＤで統合することで、Ｇ（ｌ）×Ｑの乗算をアナログで行うことができるものである。そのため、係数ｇ（ｌ）の２進表現ｇ１（ｌ），ｇ２（ｌ），ｇ３（ｌ），・・・，ｇｎ（ｌ）に従った取捨では、ビットが０の場合には捨て、ビットが１の場合には残す。たとえば、Ｑ×０．３６８２７(１０進数)の乗算を行う場合は、Ｑ×０．０１０１１１１０(２進数)となって、Ｑ×（０＋０／２＋１／４＋０／８＋１／１６＋１／３２＋１／６４＋１／１２８＋０／２５６）となる。各ＤＡ乗算器３４１−１〜３４１−ｎでの乗算結果は、前記電荷統合部ＳＤと同様に構成される加算部３５によって相互に加算され、各相関部Ｆ１−１，Ｆ０−２，Ｆ０−３，・・・，Ｆ０−ｉの出力Ｙ１，Ｙ２，・・・，Ｙｉとなる。なお、ＤＡ乗算器３４１では、電荷保持部３２１の電荷量Ｑをセンシングフローティングゲートを介して転写し、電荷保持部３２１の出力値（電荷量Ｑ）と等しい電荷量Ｑが保持される。
【００６７】
このように相関部Ｆ１は、アナログ信号である電荷Ｑを用い、上述したように、遅延（転送）、乗算および加算が可能な、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されたデバイスであり、これを用いることで、高分解能、高速かつ低消費電力に、相関処理演算が可能となる。
【００６８】
なお、このような構成の相関部Ｆ１では、扱われる電荷Ｑが正の値であることから、受信部１３の正負いずれの出力にも対応すべく、たとえば受信部１３とサンプルホールド部３１との間に、入力信号の絶対値を出力するとともに入力信号における正負の符号（符号ビット列）を出力する絶対値化回路が介挿されてもよく、この場合では、その符号（符号ビット列）は、以後、絶対値化された信号の各処理に伴って、サンプルホールド部３１、電荷転送部３２、デジタルアナログ乗算部３４および加算部３５の各部を伝播するように、これら各部が構成される。
【００６９】
このようなＤＡ乗算器３４１は、たとえば特開平６−２３７１７３号公報（特許第２５９９６７９号公報）、特開平６−３５０４５３号公報（特許第２９５５７３４号公報）、特開平７−３３５８６６号公報（特許第２６６５７２６号公報）および特開平８−０５０５４６号公報も参照することができる。
【００７０】
係数設定部３３は、参照信号記憶部１８に記憶されている参照信号に基づいて、デジタルアナログ乗算部３４の各ＤＡ乗算器３４１に対し、前記係数ｇ（ｌ）を設定する回路である。
【００７１】
このような構成の相関部Ｆ１は、次のように動作する。相関部Ｆ１における相関処理とは、２つの波形がどの程度似ているかを判定する処理であり、たとえば２つの数列ｘｎとｚｎとがあった場合、次の式１で示される相関値Ｙが大きい程、２つの数列が似通っていることになる。
【００７２】
Ｙ＝Σｘｋｚｋ ・・・（１）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。
【００７３】
ここで、送信信号（参照信号）をｓ（ｔ）とし、該送信信号ｓ（ｔ）に雑音を含ませたものを受信信号ｘ（ｔ）とし、上記の式１からなる相関値（判定基準）をＹとすると、図９に波線で示すように、参照信号ｓ（ｔ）と受信信号ｘ（ｔ）とが重なる瞬間に急峻なピークが検出されることになる。このピークが大きければ大きいほど、参照信号ｓ（ｔ）とよく類似した信号が受信されたことになる。なお、図９では、送信信号ｓ（ｔ）は、太い実線で示され、受信信号ｘ（ｔ）は、細い実線で示されている。また、図９では、相関のピークがずれているように見えるけれども、参照信号ｓ（ｔ）と受信信号ｘ（ｔ）との相関演算後、相関結果を信号の開始タイミングに合わせて出力しており、デジタル演算で相対的な時間遅延が生じ、このような波形となる。
【００７４】
実際には、図５のように、受信部１３で受信される連続的な受信信号ｘ（ｔ）が時間τでサンプルホールドされ、離散量ｆ（ｔ）、ｆ（ｔ−τ）、ｆ（ｔ−２τ）、ｆ（ｔ−３τ）、ｆ（ｔ−４τ）、・・・とされる。図５に示す例では、ｆ（ｔ）＝ｘａ（１）、ｆ（ｔ−τ）＝ｘａ（２）、ｆ（ｔ−２τ）＝ｘａ（３）、ｆ（ｔ−３τ）＝ｘａ（４）、ｆ（ｔ−４τ）＝ｘａ（５）、・・・である。したがって、前記相関値Ｙは、式２に示すように、これら各々に相当する係数ｇ（１）〜ｇ（ｌ）を掛けて総和を取ることによって、得られる。
【００７５】
Ｙ＝Σｆ（ｔ−ｋτ）ｇ（ｋ） ・・・（２）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。
【００７６】
このように電荷転送部３２の電荷保持部３２１の各ステージに蓄えられている電荷量Ｑｋに参照信号（テンプレート）の対応する係数ｇ（ｌ）を乗じ、和をとることで、ノイズの中に信号が存在するか否かを高いＳ／Ｎ比で計算することができる。
【００７７】
一方、前記相関部Ｆ１に並列に接続されるバンドパスフィルタＦ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍからの出力Ｙ２，Ｙ３，・・・，Ｙｍは、前記係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍを経た後、遅延器Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄｍにおいて、前記電荷転送部３２における転送遅延時間やＤＡ乗算器３４１における転送および演算処理時間に対応した時間だけ遅延されて、加算器Ｈ１で係数器Ｋ１を介する対応する相関部Ｆ１からの出力と加算され、出力Ｙ’として画像処理部１５に入力される。前記係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍと加算器Ｈ１とは、加算部を構成する。
【００７８】
画像処理部１５は、位相ばらつき検出部１５１と、遅延補正部１５２と、整相加算部１５３とを備えて構成される。位相ばらつき検出部１５１は、信号処理部１４の各出力Ｙ’から位相のばらつきを検出する回路である。フォーカルポイントと超音波探触子２の圧電素子２１，２２との間における平均音速は、圧電素子２１，２２毎に異なっているため、位相がずれてしまうことが知られている。位相ばらつき検出部１５１は、この位相のずれを検出するものである。
【００７９】
遅延補正部１５２は、前記各出力Ｙ’に対し、前述のような音速補正を行うとともに、フォーカルポイント（フォーカス点）および／またはステアリング角度（方位）に対応した時間差を付与することによって遅延（位相）を調整する。整相加算部１５３は、遅延補正部１５２で音速補正および遅延補正された出力Ｙ’を整相加算する回路である。そして、画像処理部１５は、その加算値Ｙ（ｔ）に基づいて超音波画像を生成する。
【００８０】
このとき、前記ｉ個の有機圧電素子２１の出力の内、バンドパスフィルタＦ３から得られる３次調波（中心周波数ｆ３）の成分は、レベル検出部３７によってその信号レベルがそれぞれ検知されており、前記制御部１７は、その内、送信超音波の中心音線に対応する素子の３次調波の振幅の最大値を１．０として、残余の音線における３次調波の振幅を正規化するとともに、その正規化した値を各係数器Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，・・・，Ｋｍの係数ｋ１，ｋ２，ｋ３，・・・，ｋｍに設定する。図１０に、その様子を示す。
【００８１】
図１０では、前記中心音線を参照符号Ａで、両側の音線を参照符号Ｂ，Ｃで、基本周波および３次調波のみを示し、それぞれ添え数字１と３とを付している。したがって、この図１０では、中心音線Ａの３次調波のレベルをＡ３とするとき、その係数器Ｋ３の係数ｋ３には１／Ａ３が設定されてその出力は１．０となり、基本周波の振幅Ａ１には、係数ｋ１として１．０が乗算されている。一方、左右の音線Ｂ，Ｃの３次調波のレベルをＢ３，Ｃ３とするとき、係数ｋ３にも１／Ａ３が設定されてその出力はＢ３／Ａ３，Ｃ３／Ａ３となり、これらの信号振幅Ｂ３／Ａ３，Ｃ３／Ａ３が係数ｋ１に設定され、基本周波の出力は、Ｂ１・Ｂ３／Ａ３，Ｃ１・Ｃ３／Ａ３となる。
【００８２】
図１１は、本願発明者による実験結果を示すものであり、水中内の反射物に対して、本願発明手法を適用した場合のシミュレーション画像である。図１１（ａ）は相関部Ｆ１の出力Ｙ１のにみによる画像を表し、図１１（ｂ）はバンドパスフィルタＦ３から得られる３次調波Ｙ３のにみによる画像を表している。図の左方から超音波を入射した状態を示し、したがって図の上下（ｙ）方向が方位分解能を表し、左右（ｘ）方向が距離（深さ）分解能を表している。図１１（ａ）で示すように、基本周波数では、周波数が低いことから、ビームが拡がり、方位分解能が劣っている。しかしながら、相関部Ｆ１によるマッチトフィルタ処理によって、余分な信号は発生せず、高いＳ／Ｎが得られるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができている。こうして、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）に対しては高い性能が得られている。
【００８３】
これに対して、図１１（ｂ）で示すように、３次調波では、周波数が高いことから、ビームが狭く、高い方位分解能が得られているものの、前記プリリンギングやポストリンギングによって、抽出信号以外の信号が発生し、Ｓ／Ｎが低下して、距離分解能が著しく劣っている。
【００８４】
そこで上述のようにこれらの信号を加算した出力Ｙ１’，Ｙ２’，・・・，Ｙｍ’を得ることで、図１１（ｃ）で示すように、距離分解能，方位分解能およびＳ／Ｎを共に向上することができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態の超音波画像診断装置Ｓでは、送信部１２から送信される第１の超音波信号をパルスとし、それによって受信部１３で受信された第２の超音波信号の内、信号処理部１４では、送信した第１の超音波信号と同じ基本周波数成分を相関部Ｆ１で抽出する一方、被検体の非線形歪みによって発生する高次調波の成分は、通過帯域の制限を行うバンドパスフィルタＦ２，Ｆ２，・・・．Ｆｍで抽出する。そして、前記相関部Ｆ１およびバンドパスフィルタＦ２，Ｆ２，・・・．Ｆｍからの出力は、係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍにおいてそれぞれ所定の重みを施した後、加算部Ｈ１で加算し、画像処理部１５に与える。
【００８６】
したがって、基本周波数成分ｆ１に対して、帯域制限フィルタを使用した場合には、抽出信号以外にプリリンギングやポストリンギングが発生し、Ｓ／Ｎが低下してしまうのに対して、相関部Ｆ１において相関処理を行うことで、そのような余分な信号は発生せず、Ｓ／Ｎを向上することができるとともに、戻ってきたタイミングを正確に検出することができる。さらに、送信超音波信号をパルスとすることで、パルス圧縮効果によって信号の検出能力を大きくできるとともに、物理周波数の波長によって決定される距離分解能以上に距離分解能を向上させることも可能であり、前記Ｓ／Ｎの向上およびタイミング精度の向上と合わせて、ペネトレーション（深さ方向の距離分解能）を向上することができるとともに、ノイズとのコントラストが明確になり、コントラストも向上することができる。図１２には前記ペネトレーションの向上の様子を模式的に示し、図１３には前記コントラストの向上を模式的に示す。すなわち、図１２では、（ａ）で示すように、最小検知レベルＶ１の信号が深さＤ１まででしか検知できなかったところ、前記相関処理でＳ／Ｎが向上すると、（ｂ）で示すように、前記深さＤ１の同じ反射物に対する検知レベルがＶ２に上昇し、前記最小検知レベルＶ１では、深さＤ２まで探索深度を深くすることができる。また、図１３では、（ａ）で示すように、レベルＶ３の信号に対して、レベルＶ４のノイズが生じている場合、前記パルス圧縮法にて信号強度が強くなることで、（ｂ）で示すように、信号のレベルはＶ５に上昇し、前記レベルＶ４のノイズフロアとのコントラストを明確にすることができる。
【００８７】
また、前記相関処理にあたって、送信信号自体を参照信号として使用できる基本周波数成分ｆ１に対しては、適切な相関演算器（マッチトフィルタ）を実現できるのに対して、どのようなレベルで発生するか予測が困難な高次調波ｆ２，ｆ３，・・・に関しては、そのような適切な相関演算器（マッチトフィルタ）の実現がなかなか困難であるため、すなわち参照信号記憶部１８に記憶されるテンプレートデータ列の作成が困難であるため、旧来のバンドパスフィルタＦ２〜Ｆｍを用いて関係のない帯域を確実に制限し、方位分解能の向上のみに利用することで、フィルタの構造を無闇に複雑にすることなく、方位分解能を向上することができる。こうして、距離分解能、方位分解能およびＳ／Ｎを向上することができる。
【００８８】
また、減衰が激しいけれど高解像な高次調波成分は浅い部位（近距離部位）を見るのに好適であり、解像度に劣るが遠くまで届く基本周波数成分は深い部位（遠距離部位）を見るのに好適である。そこで、重み設定部として、前記操作入力部１１から、重みとなる前記係数器Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍの係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｍを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定することで、浅い部位から深い部位までに亘って、しかも重みによって、診断により適した、より高精度な超音波画像を形成することができる。ここで、前記被検体の診断部位や診断深度は、たとえば第１および第２の超音波信号のフォーカルポイントや第１の超音波信号の送信時刻を時間原点とした経過時間で表すことができ、前記係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｍは、そのフォーカルポイントや経過時間に応じて設定される。
【００８９】
さらにまた、前記送信部１２は、前記第１の超音波信号としてのパルスに、単純なガウシアンエンベロープ波形ではなく、また、ノイズ耐性を高める観点から、可能な限り冗長な、自然界に無い信号周波数が時間経過に伴って増加または減少するチャープ波を用いることで、レンジサイドロープ（時間的サイドロープ）を抑制することができる。
【００９０】
また、前記相関部Ｆ１を、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置で構成することで、微弱な信号レベルでもより適切に相関処理を行うことが可能となる。
【００９１】
さらにまた、前記超音波振動子２０を、送信用として大パワー送信可能な無機圧電素子２２上に、比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子２１を積層して構成することで、高次調波成分を高感度に受信することができる。
【符号の説明】
【００９２】
Ｓ 超音波画像診断装置
１ 診断装置本体
２ 超音波探触子
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１２１ 駆動信号生成回路
１２２ 送信ビームフォーマ
１３ 受信部
１４ 信号処理部
１５ 画像処理部
１５１ 位相ばらつき検出部
１５２ 遅延補正部
１５３ 整相加算部
１６ 記憶部
１７ 制御部
１８ 参照信号記憶部
２０ 超音波振動子
２１ 有機圧電素子
２２ 無機圧電素子
３１ サンプルホールド部
３２ 電荷転送部
３３ 係数設定部
３４ デジタルアナログ乗算部
３５ 加算部
Ｆ１ 相関部
Ｆ２，Ｆ３，・・・，Ｆｍ バンドパスフィルタ
Ｋ１，Ｋ２，・・・，Ｋｍ 係数器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の超音波信号を被検体内へ送信する送信部と、前記第１の超音波信号が被検体内で反射された第２の超音波信号を受信する受信部と、前記受信部での受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出する信号処理部と、前記信号処理部での抽出結果から前記被検体内の断層画像を作成する画像処理部と、作成された前記断層画像を表示する表示部とを備えて構成される超音波画像診断装置において、
前記送信部は、第１の超音波信号をパルスで送信し、
前記信号処理部は、
前記第１の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、前記受信部の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記受信部の出力から前記第２の超音波信号に含まれる前記基本周波数の成分を検出する相関部と、
前記受信部の出力から、予め設定された１または複数の高次調波の成分を抽出するフィルタと、
前記相関部および１または複数のフィルタからの出力にそれぞれ所定の重みを施して加算する加算部とを含むことを特徴とする超音波画像診断装置。
【請求項２】
前記加算部における重みを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定する重み設定部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波画像診断装置。
【請求項３】
前記送信部は、前記パルスとしてチャープ波を用いることを特徴とする請求項１または２記載の超音波画像診断装置。
【請求項４】
前記送信部および受信部における超音波振動子は、送信用の無機圧電素子上に、受信用の有機圧電素子を積層して成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項１】
第１の超音波信号を被検体内へ送信する送信部と、前記第１の超音波信号が被検体内で反射された第２の超音波信号を受信する受信部と、前記受信部での受信信号に予め定める信号処理を施すことで所望信号成分を抽出する信号処理部と、前記信号処理部での抽出結果から前記被検体内の断層画像を作成する画像処理部と、作成された前記断層画像を表示する表示部とを備えて構成される超音波画像診断装置において、
前記送信部は、第１の超音波信号をパルスで送信し、
前記信号処理部は、
前記第１の超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に、前記受信部の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記受信部の出力から前記第２の超音波信号に含まれる前記基本周波数の成分を検出する相関部と、
前記受信部の出力から、予め設定された１または複数の高次調波の成分を抽出するフィルタと、
前記相関部および１または複数のフィルタからの出力にそれぞれ所定の重みを施して加算する加算部とを含むことを特徴とする超音波画像診断装置。
【請求項２】
前記加算部における重みを、前記被検体における診断部位と診断深度との少なくとも一方に応じて設定する重み設定部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波画像診断装置。
【請求項３】
前記送信部は、前記パルスとしてチャープ波を用いることを特徴とする請求項１または２記載の超音波画像診断装置。
【請求項４】
前記送信部および受信部における超音波振動子は、送信用の無機圧電素子上に、受信用の有機圧電素子を積層して成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波画像診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図９】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図９】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１０７９３（Ｐ２０１１−１０７９３Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５６６７８（Ｐ２００９−１５６６７８）
【出願日】平成２１年７月１日（２００９．７．１）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１日（２００９．７．１）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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