超音波画像診断装置
【課題】広帯域特性を有する超音波探触子を安価にて効率よく活用して、良質な超音波画像を取得することができる超音波画像診断装置を提供する。
【解決手段】送信部１２は、矩形波のパルス信号を出力することにより振動子に送信超音波を生成させる。送信部１２は、パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる振動子のステップ応答の振幅に、パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる振動子のステップ応答の振幅が重畳されるように、パルス信号のデューティー比を設定する。
【解決手段】送信部１２は、矩形波のパルス信号を出力することにより振動子に送信超音波を生成させる。送信部１２は、パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる振動子のステップ応答の振幅に、パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる振動子のステップ応答の振幅が重畳されるように、パルス信号のデューティー比を設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波画像診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波画像診断装置は、超音波探触子によって、生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信し、受信した超音波（反射超音波）から受信信号に変換し、これに基づいて超音波画像を表示する。反射超音波は被検体内の状態を示す情報を含んでいるため、良質な反射超音波を得ることが良質な超音波画像を得るために重要となっている。受信信号に対する信号処理等によって超音波画像の画質を向上させるはできるが、本質的には、送信超音波が良質であることが望ましい。
【０００３】
良質である送信超音波とは、空間分解能及び深達度（ペネトレーション）に優れたものであるといわれている。高い空間分解能を得るためには送信超音波のパルス幅が短いことが要求される。すなわち、送信超音波の周波数帯域を広帯域とするか、送信超音波の周波数を高周波とすることにより短パルス化を実現することができる。一方、優れた深達度を得るためには、被検体内を往復する超音波が減衰に負けないようにする必要があり、これは、超音波の振幅が大きいこと、もしくは、送信超音波の周波数を低周波とすることにより、要求を満たすことが可能である。すなわち、低周波成分及び高周波成分の両成分を含む広帯域の送信超音波であって、振幅が大きく、パルス幅が短いものを出力できることが望ましい。
【０００４】
このような状況に鑑み、従来の超音波画像診断装置において、所望とする送信超音波の波形とするために、任意波形生成方式によって、トランスデューサーの特性に適切な駆動信号を与えるものがある（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、矩形波による駆動信号のデューティー比を変更して広帯域な送信超音波を出力するようにした超音波画像診断装置もある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５３６３０９号公報
【特許文献２】米国特許第５８３３６１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年では、広帯域特性を有する超音波探触子が知られており、この超音波探触子によれば、超音波の送受信を広帯域にて行うことができるので、利用価値が高い。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１のように任意波形生成方式によれば、広帯域な波形である送信超音波を出力することができるため、広帯域特性を有する超音波探触子を効率よく活用することが可能であるが、回路規模及び装置が大型化し、コストがかかるものである。
【０００９】
また、上記特許文献２の技術によれば、広帯域である送信超音波の出力を行うことができるが、超音波探触子の特性は考慮されておらず、超音波探触子の特性を効率よく利用できるようなものではない。
【００１０】
本発明の課題は、広帯域特性を有する超音波探触子を安価にて効率よく活用して、良質な超音波画像を取得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】
【００１１】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、パルス信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する振動子を有する超音波探触子と、
矩形波のパルス信号を出力することにより前記振動子によって前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅に、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅が重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークに、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークが重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記振動子によって生成される前記送信超音波の周波数帯域特性が、前記振動子の周波数帯域特性よりも広くなるような前記パルス信号を出力することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号のデューティー比を変更可能に構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の振幅が正極性及び負極性で同一となるように前記パルス信号の電圧を変位させることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記受信信号に対して所定の周波数成分のフィルターを行うフィルター部と、
受信信号の取得タイミングから特定される取得深度に応じて、前記フィルター部によってフィルターする周波数成分を変更する帯域設定部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記振動子は、前記送信超音波が被検体内を伝播することにより生じるベースバンド成分を受信可能な周波数帯域特性を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、広帯域特性を有する超音波探触子を安価にて効率よく活用して、良質な超音波画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】超音波画像診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】超音波画像診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】送信部の概略構成を示すブロック図である。
【図４】画像生成部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】パルス信号の駆動波形について説明する図である。
【図６】パルス印加に対する振動子のステップ応答について説明する図である。
【図７】パルス印加に対する振動子のステップ応答について説明する図である。
【図８】パルス信号の駆動波形に対する振動子の応答について説明する図である。
【図９】パルス信号の駆動波形に対する振動子の応答の一例について説明する図である。
【図１０】従来の送信超音波のスペクトルを示す図である。
【図１１】本実施の形態による送信超音波及び反射超音波のスペクトルを示す図である。
【図１２】本実施の形態の他の態様による送信超音波によって得られる反射超音波のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る超音波画像診断装置について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２１】
本実施の形態に係る超音波画像診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、超音波画像診断装置本体１と超音波探触子２とを備えている。超音波探触子２は、図示しない生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。超音波画像診断装置本体１は、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に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波探触子２にて受信した被検体内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号である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。
【００２２】
超音波探触子２は、圧電素子からなる振動子２ａを備えており、この振動子２ａは、例えば、方位方向に一次元アレイ状に複数配列されている。本実施の形態では、例えば、１９２個の振動子２ａを備えた超音波探触子２を用いている。なお、振動子２ａは、二次元アレイ状に配列されたものであってもよい。また、振動子２ａの個数は、任意に設定することができる。また、本実施の形態では、超音波探触子２について、リニア走査方式の電子スキャンプローブを採用したが、電子走査方式あるいは機械走査方式の何れを採用してもよく、また、リニア走査方式、セクタ走査方式あるいはコンベックス走査方式の何れの方式を採用することもできる。また、本実施の形態では、広帯域での超音波の送受信を良好な感度にて行うことのできる超音波探触子を適用するのが効果が高く、より良質な超音波画像を取得することができる。超音波探触子における帯域幅は任意に設定してもよいが、好ましくは、比帯域（−２０ｄＢ）が１００％以上であり、反射超音波の基本周波数成分とともに、後述するベースバンド成分を受信することのできる振動子を有する超音波探触子を適用するのがよい。より好ましい超音波探触子としては、比帯域が１２０％以上である振動子を有するものとするのがよく、また、さらに好ましくは、比帯域が１３０％以上である振動子を有するものとするのがよい。
【００２３】
超音波画像診断装置本体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、画像生成部１４と、メモリー部１５と、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）１６と、表示部１７と、制御部１８とを備えて構成されている。
【００２４】
操作入力部１１は、例えば、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ーの入力などを行うための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備えており、操作信号を制御部１８に出力する。
【００２５】
送信部１２は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２にケーブル３を介して電気信号である駆動信号を供給して超音波探触子２に送信超音波を発生させる回路である。より具体的には、送信部１２は、図３に示すように、例えば、クロック発生回路１２１、パルス発生回路１２２、デューティー設定部１２３及び遅延回路１２４を備えている。
【００２６】
クロック発生回路１２１は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。
パルス発生回路１２２は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。パルス発生回路１２２は、例えば、図５に示すように、３値の電圧を切り替えて出力することにより、矩形波によるパルス信号を発生させることができる。このとき、パルス信号の振幅については、正極性及び負極性で同一となるようにしたが、これに限定されない。なお、２値の電圧を切り替えてパルス信号を発生させる構成であってもよい。
デューティー設定部１２３は、パルス発生回路１２２から出力されるパルス信号のデューティー比を設定する。すなわち、パルス発生回路１２２は、デューティー設定部１２３によって設定されたデューティー比に従ったパルス波形によるパルス信号を出力する。デューティー比は、例えば、操作入力部１１による入力操作により可変することができる。また、超音波画像診断装置本体１に接続された超音波探触子２を識別することにより、識別した超音波探触子２に対応するデューディー比が設定されるように構成してもよい。
【００２７】
遅延回路１２４は、駆動信号の送信タイミングを振動子毎に対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させて送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。
【００２８】
以上のように構成された送信部１２は、制御部１８の制御に従って、駆動信号を供給する複数の振動子２ａを、超音波の送受信毎に所定数ずらしながら順次切り替え、出力の選択された複数の振動子２ａに対して駆動信号を供給することにより走査を行う。
【００２９】
ここで、パルス信号が振動子２ａに与えられたときの振動子２ａの応答について説明する。
パルス発生回路１２２により、振動子２ａに対して図６（ａ）に示すようなパルス印加Ｐａが与えられると、振動子２ａは、図６（ｂ）に示すようなステップ応答ＳＲ−Ａを返す。このステップ応答は、広帯域インパルス応答の積分値として求められる。例えば、パルス印加Ｐａの電圧印加時を時刻０とし、時刻０からステップ応答ＳＲ−Ａの第１のピークＡ１までの時間をｔ０、第１のピークＡ１から第２のピークＡ２までの時間をｔ１、第２のピークＡ２から第３のピークＡ３までの時間をｔ２、第３のピークＡ３から第４のピークＡ４までの時間ｔ３とする。図６（ｂ）に示すように、振動子２ａに対して一極の電圧が印加されると、振動子２ａは、複数のピークを持つ振幅を応答として返す。
【００３０】
このような応答特性を持つ振動子２ａによれば、以下のようにしてパルス信号の駆動波形を選定することにより、良質な送信超音波を送信可能な応答を行わせることができるようになる。
例えば、図７に示すように、ある時刻０において図７（ａ）に示すようなパルス印加Ｐ１を与えた場合を考える。振動子２ａは、図７（ａ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１を返す。
【００３１】
次に、パルス印加Ｐ１とは極性の反転した図７（ｂ）に示すようなパルス印加Ｐ２を与える場合には、パルス印加Ｐ２の応答であるステップ応答ＳＲ２の第１のピークＣ１と、ステップ応答ＳＲ１の第２のピークＢ１とが重なって振幅が大きくなるようにされるのが好ましい。そのため、パルス印加Ｐ２の印加タイミングをパルス印加Ｐ１が与えられてから時間ｔ１だけ遅延させるようにする。すなわち、パルス信号の第１のデューティーを時間ｔ１に設定する。時間ｔ１は、図７（ａ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１の第１のピークから第２のピークまでの時間である。
【００３２】
次に、パルス印加Ｐ２とは異なる極性、すなわち、パルス印加Ｐ１と同じ極性であるパルス印加Ｐ３を与える場合には、パルス印加Ｐ３の応答であるステップ応答ＳＲ３の第１のピークＤ２と、ステップ応答ＳＲ１の第３のピークＢ２とが重なって振幅が大きくなるようにされるのが好ましい。そのため、パルス印加Ｐ３の印加タイミングを、パルス印加Ｐ２が与えられてから時間ｔ２だけ遅延させるようにする。すなわち、パルス信号の第２のデューティーを時間ｔ２に設定する。時間ｔ２は、図７（ａ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１の第２のピークから第３のピークまでの時間である。
【００３３】
以上のようにして、パルス信号の駆動波形を生成することで、振動子２ａのステップ応答の振幅を大きくすることができ、また、パルス幅を短くすることができる。なお、上述した要領にて、第４、第５のパルス印加を与えて振動子２ａのステップ応答の振幅をより大きくすることも可能であるが、これにより出力される送信超音波のパルス幅はそれだけ大きくなるため、空間分解能が低下してくる。したがって、適切なパルス印加回数やステップ応答のピーク数を考慮してパルス信号の駆動波形を設定するのが好ましい。
【００３４】
また、振動子２ａは、パルス印加が与えられた後は、複数回のピークを経た後、リンギング（尾引き）が生じるような応答を行うが、パルス信号の信号レベルをＧＮＤ値に戻すために最後に与えられるパルス印加を、第１及び第２のパルス印加によって生じる振動子２ａの応答の振幅の周波数よりも十分に低い周波数、又は、十分に高い周波数に相当する時間（デューティー）を持たせると、リンギングの低周波成分が抑圧され、パルス幅のより短い送信超音波を生成することができる。なお、リンギングの高周波成分は、超音波探触子２から送信超音波が出力される過程で減衰される。
【００３５】
このようにしてパルス印加Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、それぞれ上述したようなタイミングで与えられるようにパルス信号のデューティー比が設定されると、例えば、図８（ａ）に示すような正負非対称である駆動波形のパルス信号が生成される。このようにして生成されたパルス信号が振動子２ａに与えられると、図８（ｂ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３・・・がそれぞれ上述したタイミングで加算されるため、振幅が大きく増幅されるとともに、パルス幅の短い応答ＳＲ（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３・・・）が得られる。
【００３６】
ここで、本実施の形態において用いられる超音波探触子２の振動子２ａに対して与えられる、好ましいパルス信号の一例について図９を参照しながら説明する。
【００３７】
例えば、図９（ａ）に示すように、出力するパルス信号ＰＥにおけるデューティー比を、ｔ１：ｔ２：ｔ３＝２：７：１３の整数倍比率にて徐々に大きくなるように設定する。ここでは、例えば、デューティーとしてのｔ１，ｔ２，ｔ３の各時間をそれぞれ、１６ｎｓ，５６ｎｓ，１０４ｎｓに設定する。なお、ここで設定されるデューティー比はあくまで一例であって、これに限定されず、振動子の特性に応じて適宜適正な比率が設定されることはいうまでもない。また、デューティー比が徐々に小さくなるように設定してもよい。
【００３８】
上述したような比率でデューティー比の設定されたパルス信号ＰＥが振動子２ａに与えられると、図９（ｂ）に示すように、短パルス幅で振幅が非常に大きく増幅されたステップ応答ＳＲ−Ｅが得られるようになる。
【００３９】
従来、深部における超音波画像を良好にするため、反射超音波の被検体内における非線形性により生じる２次高調波等の高次高調波成分を利用し、ＴＨＩ（Tissue Harmonic Imaging）による超音波画像データーの生成が行われている。
そのため、例えば、図１０（ａ）に示すように、周波数帯域Ｐを有する広帯域な振動子を用いたとしても、中心周波数ｆ０である基本波成分の２倍の中心周波数ｆ１である２次高調波成分ＡＴＨを取得する必要がある。そのため、中心周波数ｆ０である送信超音波を出力する必要がある。ところが、送信する超音波が低周波数であるほど、パルス幅は長くなり、したがって、送信する超音波の周波数帯域Ａは図１０（ａ）に図示するように狭小化される。また、送信する超音波の周波数も低周波数化されるので、深達度は向上するものの、空間分解能は低下する。
さらに、振動子にパルス信号が与えられたとしても、送信する超音波の周波数帯域Ａのうち、振動子の周波数帯域Ｐから外れてしまう部分については通過が制限されてしまうため、通過周波数帯域は、図１０（ｂ）のＢで示される部分に制限される。
これらの要因によって、従来では、広帯域な振動子を用いても、その周波数帯域のうちの一部分でしか使用されないため、十分に振動子の特性が活用されているものではなかった。
【００４０】
これに対し、振動子の特性を考慮し、例えば、図９に示すようなデューティー比に設定することにより、広帯域な振動子２ａの周波数帯域Ｐに対し、図１１（ａ）に示すような振動子２ａの周波数帯域Ｐよりも広い帯域特性（周波数帯域Ｃ）を有する送信超音波を発生させる駆動波形であるパルス信号を与えることができるようになる。ここで、振動子の周波数帯域よりも広い帯域特性を有する送信超音波とは、振動子の帯域幅よりも送信超音波の帯域幅が広いことをいう。帯域幅は、例えば、ピークから強度が２０ｄＢ減衰した位置において占める周波数の範囲であり、帯域幅の比較は、上述のようにして規定された振動子の帯域幅と送信超音波の帯域幅とを比較することによって行われる。このようにして、振動子２ａの帯域幅よりも送信超音波の帯域幅を広くした結果、図１１（ｂ）に示すように、送信超音波の周波数帯域Ｃのうち、振動子２ａの帯域特性を通過した送信超音波はＤに示されるようになり、振動子の周波数帯域が広範囲で利用され、広帯域の送信超音波を出力することができるようになる。なお、本実施の形態では、好ましい態様として、送信周波数の周波数帯域が振動子２ａの周波数帯域の１００％をカバーするように構成したが、必ずしも１００％カバーされたものでなくてもよい。
【００４１】
上述したようにして超音波が出力されると、送信超音波から得られる広帯域な基本波成分とともに、同様に広帯域な高次高調波成分が含まれた反射超音波を取得することができる。図１１（ｂ）に示すように、このときの反射超音波の基本波成分の周波数帯域特性はＲによって表され、高次高調波成分の周波数帯域はＴＨによって表される。このとき、高次高調波成分ＴＨは、振動子２ａの周波数帯域Ｐに含まれる部分のみ通過する。
【００４２】
このように、本実施の形態では、送信超音波を広帯域で出力することができるので、従来よりも振動子の周波数帯域を広く利用することができるようになる。これにより、低周波成分と高周波成分とが含まれるようになり、空間分解能の向上と深達度の向上を両立させることが可能となって、良好な超音波画像を取得することができるようになる。
【００４３】
また、反射超音波の被検体内における非線形性により、ベースバンド成分が生じることが知られている。ベースバンド成分の周波数帯域は、送信超音波の周波数に関係なく、反射超音波のパルス幅に依存するため、パルス幅が短いほど、ベースバンド成分の周波数は高くなる。すなわち、反射超音波のパルス幅や振動子の帯域特性によっては、ベースバンド成分を振動子の周波数帯域に含めることが可能となるので、このベースバンド成分を利用して超音波画像データーを生成することができれば、低周波成分であるベースバンド成分を利用し、深部においても優れた超音波画像を取得することができるようになる。
【００４４】
本実施の形態では、広帯域特性を有する振動子２ａによってパルス幅の短い送信超音波を出力することができるので、図１１（ｂ）に示すようにベースバンド成分ＢＢが振動子２ａの周波数帯域Ｐに含まれるようになり、ベースバンド成分ＢＢの少なくとも一部を通過させることができるようになる。
【００４５】
図２に示すように、受信部１３は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２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る。受信部１３は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に、予め設定された所定の増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データーを生成するための回路である。
【００４６】
画像生成部１４は、図４に示すように、例えば、フィルター部１４１、帯域設定部１４２、包絡線検波部１４３、対数増幅部１４４及び輝度変換部１４５を備えている。
【００４７】
フィルター部１４１は、例えば、帯域制限フィルターを備えており、受信部１３から入力された音線データーに対してフィルタリングを行う。
帯域設定部１４２は、音線データーの取得タイミングから取得深度を特定し、取得深度に応じたフィルター特性情報をフィルター部１４１に出力する。
【００４８】
例えば、帯域設定部１４２は、取得深度の浅い部分についてフィルタリングする場合には、基本波成分を強調するためのフィルター特性情報をフィルター部１４１に与える。フィルター部１４１は、基本波成分を強調するためのフィルター情報を入力すると、音線データーに含まれる高調波成分やノイズ成分等を抑圧し、基本波成分を強調する。これにより、被検体の浅い部分については、高周波数の基本波成分によって空間分解能の高い超音波画像データーを生成することができる。
また、帯域設定部１４２は、取得深度の深い部分についてフィルタリングする場合には、基本波成分を抑圧するためのフィルター情報をフィルター部１４１に与える。フィルター部１４１は、基本波成分を抑圧するためのフィルター情報を入力すると、音線データーに含まれる基本波成分を抑圧し、２次高調波成分等の高次高調波成分やベースバンド成分を強調する。これにより、被検体の深い部分についても、ベースバンド成分や高次高調波成分により、空間分解能の高い超音波画像データーを生成することができる。
なお、ベースバンド成分以外の成分を抑圧し、ベースバンド成分を強調して超音波画像データーを生成するようにしてもよい。また、フィルタリングを行わず、基本波成分、高次高調波成分及びベースバンド成分によって超音波画像データーを生成するようにしてもよい。
【００４９】
包絡線検波部１４３は、フィルター部１４１から出力された音線データーに対して全波整流を行い、包絡線データーを得る。
対数増幅部１４４は、包絡線データーに対して対数増幅を行う。
輝度変換部１４５は、対数増幅された包絡線データーの示す信号の大きさを２５６階調に量子化する振幅／輝度変換を行ってＢモード画像データーを得る。すなわち、Ｂモード画像データーは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。また、輝度変換部１４５は、振幅／輝度変換が行われた包絡線データーに対し、ダイナミックレンジやゲインの調整を行う。画像生成部１４にて生成されたＢモード画像データーは、メモリー部１５に送信される。
【００５０】
図２に示すように、メモリー部１５は、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリーによって構成されており、画像生成部１４から送信されたＢモード画像データーをフレーム単位で記憶する。すなわち、メモリー部１５は、フレーム単位により構成された超音波診断画像データーとして記憶することができる。メモリー部１５に記憶された超音波診断画像データーは、制御部１８の制御に従って読み出され、ＤＳＣ１６に送信される。
【００５１】
ＤＳＣ１６は、メモリー部１５より受信した超音波診断画像データーをテレビジョン信号の走査方式による画像信号に変換し、表示部１７に出力する。
【００５２】
表示部１７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬティスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置が適用可能である。表示部１７は、ＤＳＣ１６から出力された画像信号に従って表示画面上に超音波診断画像の表示を行う。なお、表示装置に代えてプリンター等の印刷装置等を適用してもよい。
【００５３】
制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えて構成され、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラム等の各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波画像診断装置Ｓの各部の動作を集中制御する。
ＲＯＭは、半導体等の不揮発メモリー等により構成され、超音波画像診断装置Ｓに対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な各種処理プログラムや、各種データー等を記憶する。これらのプログラムは、コンピューターが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデーターを一時的に記憶するワークエリアを形成する。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、超音波探触子２は、パルス信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する振動子２ａを有する。送信部１２は、矩形波のパルス信号を出力することにより振動子２ａに送信超音波を生成させる。送信部１２は、パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅に、パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅が重畳されるように、パルス信号のデューティー比を設定する。その結果、送信超音波の振幅を効率よく増幅できるとともに、パルス幅を短くすることができるので、送信超音波を広帯域とすることができ、空間分解能及び深達度の優れた送信超音波を出力することができるようになる。また、広帯域の超音波探触子を用いた場合には、その帯域を効率よく利用することができるようになるため、送信超音波から得られる反射超音波の基本波成分や、送信超音波が被検体内を伝播することにより発生する２次高調波成分やベースバンド成分といった、非線形による高調波成分を効率よく受信することができるようになり、空間分解能及び深達度の優れた、良質な超音波画像の取得が可能となる。また、矩形波のパルス信号にて実現できるので、任意波形を生成して広帯域で振幅の大きい駆動信号を生成する任意波形生成方式や、駆動信号の電圧を多値に切り替えて広帯域で振幅の大きい駆動信号を生成する多値駆動方式等の複雑な回路構成を必要とせず、安価にて実現可能となる。また、エネルギーコストも少ないので、省電力にも優れる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅のピークに、パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅のピークが重畳されるように、パルス信号のデューティー比を設定する。その結果、送信超音波を効率よく増幅させることができるようになる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、振動子２ａによって生成される送信超音波の周波数帯域特性が、振動子２ａの周波数帯域特性よりも広くなるようなパルス信号を出力する。その結果、振動子の周波数帯域を最大限で利用することができるようになる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、パルス信号のデューティー比を変更可能に構成したので、使用する超音波探触子の特性に応じて、パルス信号のディーティー比を最適なものに設定することができるようになる。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、パルス信号の振幅が正極性及び負極性で同一となるようにパルス信号の電圧を変位させるので、回路構成が簡素となり、コストの上昇を抑制することができる。
【００５９】
また、本実施の形態によれば、フィルター部１４１は、受信信号に対して所定の周波数成分のフィルターを行う。帯域設定部１４２は、受信信号の取得タイミングから特定される取得深度に応じて、フィルター部１４１によってフィルターする周波数成分を変更する。その結果、広範な周波数帯域にて得られた受信信号から、深度に応じて適切な周波数成分を抽出することができる。例えば、広帯域で送信した送信超音波は、ごく浅い１ｃｍ程度深さでは、１０ＭＨｚ以上の高い周波数を主成分とするように低周波成分を除去して、より高い分解能の超音波画像が得られるようにし、中程度からさらに深い４ｃｍ以上の深さでは、高周波成分は減衰されるので、フィルターする周波数成分の上限を反射超音波の周波数成分に合わせて設定することで、よりＳ／Ｎの高い信号を取得することができ、良質な超音波画像を取得することができる。
【００６０】
また、本実施の形態によれば、振動子２ａは、送信超音波が被検体内を伝播することにより生じるベースバンド成分を受信可能な周波数帯域特性を有しているので、深部においても空間分解能に優れた超音波画像を取得することができるようになる。
【００６１】
なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波画像診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波画像診断装置を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。
【００６２】
また、本実施の形態において、送信超音波の波形を、送信超音波の中心周波数（キャリア周波数）Ｆｃがベースバンド周波数Ｆｂよりも高周波数であって、ベースバンド周波数Ｆｂにキャリア周波数Ｆｃを乗じて得た形状とし、図１２に示すように、振動子の周波数帯域Ｐの範囲内に、「Ｆｃ−Ｆｂ」によって求められる周波数と、「Ｆｃ＋Ｆｂ」によって求められる周波数とが含まれるようにすると、送信超音波の中心周波数の両側にそれぞれベースバンド成分ＢＢ（Ｌ），ＢＢ（Ｈ）が含まれるようになり、より良質な超音波診断画像を取得することができるようになる。なお、図１２において、送信超音波の周波数帯域特性についてはＥにて示している。
【符号の説明】
【００６３】
Ｓ 超音波画像診断装置
１ 超音波画像診断装置本体
２ 超音波探触子
２ａ 振動子
１２ 送信部
１４ 画像生成部
１２２ パルス発生回路
１２３ デューティー設定部
１４１ フィルター部
１４２ 帯域設定部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波画像診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波画像診断装置は、超音波探触子によって、生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信し、受信した超音波（反射超音波）から受信信号に変換し、これに基づいて超音波画像を表示する。反射超音波は被検体内の状態を示す情報を含んでいるため、良質な反射超音波を得ることが良質な超音波画像を得るために重要となっている。受信信号に対する信号処理等によって超音波画像の画質を向上させるはできるが、本質的には、送信超音波が良質であることが望ましい。
【０００３】
良質である送信超音波とは、空間分解能及び深達度（ペネトレーション）に優れたものであるといわれている。高い空間分解能を得るためには送信超音波のパルス幅が短いことが要求される。すなわち、送信超音波の周波数帯域を広帯域とするか、送信超音波の周波数を高周波とすることにより短パルス化を実現することができる。一方、優れた深達度を得るためには、被検体内を往復する超音波が減衰に負けないようにする必要があり、これは、超音波の振幅が大きいこと、もしくは、送信超音波の周波数を低周波とすることにより、要求を満たすことが可能である。すなわち、低周波成分及び高周波成分の両成分を含む広帯域の送信超音波であって、振幅が大きく、パルス幅が短いものを出力できることが望ましい。
【０００４】
このような状況に鑑み、従来の超音波画像診断装置において、所望とする送信超音波の波形とするために、任意波形生成方式によって、トランスデューサーの特性に適切な駆動信号を与えるものがある（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、矩形波による駆動信号のデューティー比を変更して広帯域な送信超音波を出力するようにした超音波画像診断装置もある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５３６３０９号公報
【特許文献２】米国特許第５８３３６１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年では、広帯域特性を有する超音波探触子が知られており、この超音波探触子によれば、超音波の送受信を広帯域にて行うことができるので、利用価値が高い。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１のように任意波形生成方式によれば、広帯域な波形である送信超音波を出力することができるため、広帯域特性を有する超音波探触子を効率よく活用することが可能であるが、回路規模及び装置が大型化し、コストがかかるものである。
【０００９】
また、上記特許文献２の技術によれば、広帯域である送信超音波の出力を行うことができるが、超音波探触子の特性は考慮されておらず、超音波探触子の特性を効率よく利用できるようなものではない。
【００１０】
本発明の課題は、広帯域特性を有する超音波探触子を安価にて効率よく活用して、良質な超音波画像を取得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】
【００１１】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、パルス信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する振動子を有する超音波探触子と、
矩形波のパルス信号を出力することにより前記振動子によって前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅に、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅が重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークに、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークが重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記振動子によって生成される前記送信超音波の周波数帯域特性が、前記振動子の周波数帯域特性よりも広くなるような前記パルス信号を出力することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号のデューティー比を変更可能に構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の振幅が正極性及び負極性で同一となるように前記パルス信号の電圧を変位させることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記受信信号に対して所定の周波数成分のフィルターを行うフィルター部と、
受信信号の取得タイミングから特定される取得深度に応じて、前記フィルター部によってフィルターする周波数成分を変更する帯域設定部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記振動子は、前記送信超音波が被検体内を伝播することにより生じるベースバンド成分を受信可能な周波数帯域特性を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、広帯域特性を有する超音波探触子を安価にて効率よく活用して、良質な超音波画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】超音波画像診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】超音波画像診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】送信部の概略構成を示すブロック図である。
【図４】画像生成部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】パルス信号の駆動波形について説明する図である。
【図６】パルス印加に対する振動子のステップ応答について説明する図である。
【図７】パルス印加に対する振動子のステップ応答について説明する図である。
【図８】パルス信号の駆動波形に対する振動子の応答について説明する図である。
【図９】パルス信号の駆動波形に対する振動子の応答の一例について説明する図である。
【図１０】従来の送信超音波のスペクトルを示す図である。
【図１１】本実施の形態による送信超音波及び反射超音波のスペクトルを示す図である。
【図１２】本実施の形態の他の態様による送信超音波によって得られる反射超音波のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る超音波画像診断装置について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２１】
本実施の形態に係る超音波画像診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、超音波画像診断装置本体１と超音波探触子２とを備えている。超音波探触子２は、図示しない生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。超音波画像診断装置本体１は、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に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波探触子２にて受信した被検体内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号である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。
【００２２】
超音波探触子２は、圧電素子からなる振動子２ａを備えており、この振動子２ａは、例えば、方位方向に一次元アレイ状に複数配列されている。本実施の形態では、例えば、１９２個の振動子２ａを備えた超音波探触子２を用いている。なお、振動子２ａは、二次元アレイ状に配列されたものであってもよい。また、振動子２ａの個数は、任意に設定することができる。また、本実施の形態では、超音波探触子２について、リニア走査方式の電子スキャンプローブを採用したが、電子走査方式あるいは機械走査方式の何れを採用してもよく、また、リニア走査方式、セクタ走査方式あるいはコンベックス走査方式の何れの方式を採用することもできる。また、本実施の形態では、広帯域での超音波の送受信を良好な感度にて行うことのできる超音波探触子を適用するのが効果が高く、より良質な超音波画像を取得することができる。超音波探触子における帯域幅は任意に設定してもよいが、好ましくは、比帯域（−２０ｄＢ）が１００％以上であり、反射超音波の基本周波数成分とともに、後述するベースバンド成分を受信することのできる振動子を有する超音波探触子を適用するのがよい。より好ましい超音波探触子としては、比帯域が１２０％以上である振動子を有するものとするのがよく、また、さらに好ましくは、比帯域が１３０％以上である振動子を有するものとするのがよい。
【００２３】
超音波画像診断装置本体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、画像生成部１４と、メモリー部１５と、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）１６と、表示部１７と、制御部１８とを備えて構成されている。
【００２４】
操作入力部１１は、例えば、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ーの入力などを行うための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備えており、操作信号を制御部１８に出力する。
【００２５】
送信部１２は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２にケーブル３を介して電気信号である駆動信号を供給して超音波探触子２に送信超音波を発生させる回路である。より具体的には、送信部１２は、図３に示すように、例えば、クロック発生回路１２１、パルス発生回路１２２、デューティー設定部１２３及び遅延回路１２４を備えている。
【００２６】
クロック発生回路１２１は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。
パルス発生回路１２２は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。パルス発生回路１２２は、例えば、図５に示すように、３値の電圧を切り替えて出力することにより、矩形波によるパルス信号を発生させることができる。このとき、パルス信号の振幅については、正極性及び負極性で同一となるようにしたが、これに限定されない。なお、２値の電圧を切り替えてパルス信号を発生させる構成であってもよい。
デューティー設定部１２３は、パルス発生回路１２２から出力されるパルス信号のデューティー比を設定する。すなわち、パルス発生回路１２２は、デューティー設定部１２３によって設定されたデューティー比に従ったパルス波形によるパルス信号を出力する。デューティー比は、例えば、操作入力部１１による入力操作により可変することができる。また、超音波画像診断装置本体１に接続された超音波探触子２を識別することにより、識別した超音波探触子２に対応するデューディー比が設定されるように構成してもよい。
【００２７】
遅延回路１２４は、駆動信号の送信タイミングを振動子毎に対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させて送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。
【００２８】
以上のように構成された送信部１２は、制御部１８の制御に従って、駆動信号を供給する複数の振動子２ａを、超音波の送受信毎に所定数ずらしながら順次切り替え、出力の選択された複数の振動子２ａに対して駆動信号を供給することにより走査を行う。
【００２９】
ここで、パルス信号が振動子２ａに与えられたときの振動子２ａの応答について説明する。
パルス発生回路１２２により、振動子２ａに対して図６（ａ）に示すようなパルス印加Ｐａが与えられると、振動子２ａは、図６（ｂ）に示すようなステップ応答ＳＲ−Ａを返す。このステップ応答は、広帯域インパルス応答の積分値として求められる。例えば、パルス印加Ｐａの電圧印加時を時刻０とし、時刻０からステップ応答ＳＲ−Ａの第１のピークＡ１までの時間をｔ０、第１のピークＡ１から第２のピークＡ２までの時間をｔ１、第２のピークＡ２から第３のピークＡ３までの時間をｔ２、第３のピークＡ３から第４のピークＡ４までの時間ｔ３とする。図６（ｂ）に示すように、振動子２ａに対して一極の電圧が印加されると、振動子２ａは、複数のピークを持つ振幅を応答として返す。
【００３０】
このような応答特性を持つ振動子２ａによれば、以下のようにしてパルス信号の駆動波形を選定することにより、良質な送信超音波を送信可能な応答を行わせることができるようになる。
例えば、図７に示すように、ある時刻０において図７（ａ）に示すようなパルス印加Ｐ１を与えた場合を考える。振動子２ａは、図７（ａ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１を返す。
【００３１】
次に、パルス印加Ｐ１とは極性の反転した図７（ｂ）に示すようなパルス印加Ｐ２を与える場合には、パルス印加Ｐ２の応答であるステップ応答ＳＲ２の第１のピークＣ１と、ステップ応答ＳＲ１の第２のピークＢ１とが重なって振幅が大きくなるようにされるのが好ましい。そのため、パルス印加Ｐ２の印加タイミングをパルス印加Ｐ１が与えられてから時間ｔ１だけ遅延させるようにする。すなわち、パルス信号の第１のデューティーを時間ｔ１に設定する。時間ｔ１は、図７（ａ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１の第１のピークから第２のピークまでの時間である。
【００３２】
次に、パルス印加Ｐ２とは異なる極性、すなわち、パルス印加Ｐ１と同じ極性であるパルス印加Ｐ３を与える場合には、パルス印加Ｐ３の応答であるステップ応答ＳＲ３の第１のピークＤ２と、ステップ応答ＳＲ１の第３のピークＢ２とが重なって振幅が大きくなるようにされるのが好ましい。そのため、パルス印加Ｐ３の印加タイミングを、パルス印加Ｐ２が与えられてから時間ｔ２だけ遅延させるようにする。すなわち、パルス信号の第２のデューティーを時間ｔ２に設定する。時間ｔ２は、図７（ａ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１の第２のピークから第３のピークまでの時間である。
【００３３】
以上のようにして、パルス信号の駆動波形を生成することで、振動子２ａのステップ応答の振幅を大きくすることができ、また、パルス幅を短くすることができる。なお、上述した要領にて、第４、第５のパルス印加を与えて振動子２ａのステップ応答の振幅をより大きくすることも可能であるが、これにより出力される送信超音波のパルス幅はそれだけ大きくなるため、空間分解能が低下してくる。したがって、適切なパルス印加回数やステップ応答のピーク数を考慮してパルス信号の駆動波形を設定するのが好ましい。
【００３４】
また、振動子２ａは、パルス印加が与えられた後は、複数回のピークを経た後、リンギング（尾引き）が生じるような応答を行うが、パルス信号の信号レベルをＧＮＤ値に戻すために最後に与えられるパルス印加を、第１及び第２のパルス印加によって生じる振動子２ａの応答の振幅の周波数よりも十分に低い周波数、又は、十分に高い周波数に相当する時間（デューティー）を持たせると、リンギングの低周波成分が抑圧され、パルス幅のより短い送信超音波を生成することができる。なお、リンギングの高周波成分は、超音波探触子２から送信超音波が出力される過程で減衰される。
【００３５】
このようにしてパルス印加Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が、それぞれ上述したようなタイミングで与えられるようにパルス信号のデューティー比が設定されると、例えば、図８（ａ）に示すような正負非対称である駆動波形のパルス信号が生成される。このようにして生成されたパルス信号が振動子２ａに与えられると、図８（ｂ）に示すように、ステップ応答ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３・・・がそれぞれ上述したタイミングで加算されるため、振幅が大きく増幅されるとともに、パルス幅の短い応答ＳＲ（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３・・・）が得られる。
【００３６】
ここで、本実施の形態において用いられる超音波探触子２の振動子２ａに対して与えられる、好ましいパルス信号の一例について図９を参照しながら説明する。
【００３７】
例えば、図９（ａ）に示すように、出力するパルス信号ＰＥにおけるデューティー比を、ｔ１：ｔ２：ｔ３＝２：７：１３の整数倍比率にて徐々に大きくなるように設定する。ここでは、例えば、デューティーとしてのｔ１，ｔ２，ｔ３の各時間をそれぞれ、１６ｎｓ，５６ｎｓ，１０４ｎｓに設定する。なお、ここで設定されるデューティー比はあくまで一例であって、これに限定されず、振動子の特性に応じて適宜適正な比率が設定されることはいうまでもない。また、デューティー比が徐々に小さくなるように設定してもよい。
【００３８】
上述したような比率でデューティー比の設定されたパルス信号ＰＥが振動子２ａに与えられると、図９（ｂ）に示すように、短パルス幅で振幅が非常に大きく増幅されたステップ応答ＳＲ−Ｅが得られるようになる。
【００３９】
従来、深部における超音波画像を良好にするため、反射超音波の被検体内における非線形性により生じる２次高調波等の高次高調波成分を利用し、ＴＨＩ（Tissue Harmonic Imaging）による超音波画像データーの生成が行われている。
そのため、例えば、図１０（ａ）に示すように、周波数帯域Ｐを有する広帯域な振動子を用いたとしても、中心周波数ｆ０である基本波成分の２倍の中心周波数ｆ１である２次高調波成分ＡＴＨを取得する必要がある。そのため、中心周波数ｆ０である送信超音波を出力する必要がある。ところが、送信する超音波が低周波数であるほど、パルス幅は長くなり、したがって、送信する超音波の周波数帯域Ａは図１０（ａ）に図示するように狭小化される。また、送信する超音波の周波数も低周波数化されるので、深達度は向上するものの、空間分解能は低下する。
さらに、振動子にパルス信号が与えられたとしても、送信する超音波の周波数帯域Ａのうち、振動子の周波数帯域Ｐから外れてしまう部分については通過が制限されてしまうため、通過周波数帯域は、図１０（ｂ）のＢで示される部分に制限される。
これらの要因によって、従来では、広帯域な振動子を用いても、その周波数帯域のうちの一部分でしか使用されないため、十分に振動子の特性が活用されているものではなかった。
【００４０】
これに対し、振動子の特性を考慮し、例えば、図９に示すようなデューティー比に設定することにより、広帯域な振動子２ａの周波数帯域Ｐに対し、図１１（ａ）に示すような振動子２ａの周波数帯域Ｐよりも広い帯域特性（周波数帯域Ｃ）を有する送信超音波を発生させる駆動波形であるパルス信号を与えることができるようになる。ここで、振動子の周波数帯域よりも広い帯域特性を有する送信超音波とは、振動子の帯域幅よりも送信超音波の帯域幅が広いことをいう。帯域幅は、例えば、ピークから強度が２０ｄＢ減衰した位置において占める周波数の範囲であり、帯域幅の比較は、上述のようにして規定された振動子の帯域幅と送信超音波の帯域幅とを比較することによって行われる。このようにして、振動子２ａの帯域幅よりも送信超音波の帯域幅を広くした結果、図１１（ｂ）に示すように、送信超音波の周波数帯域Ｃのうち、振動子２ａの帯域特性を通過した送信超音波はＤに示されるようになり、振動子の周波数帯域が広範囲で利用され、広帯域の送信超音波を出力することができるようになる。なお、本実施の形態では、好ましい態様として、送信周波数の周波数帯域が振動子２ａの周波数帯域の１００％をカバーするように構成したが、必ずしも１００％カバーされたものでなくてもよい。
【００４１】
上述したようにして超音波が出力されると、送信超音波から得られる広帯域な基本波成分とともに、同様に広帯域な高次高調波成分が含まれた反射超音波を取得することができる。図１１（ｂ）に示すように、このときの反射超音波の基本波成分の周波数帯域特性はＲによって表され、高次高調波成分の周波数帯域はＴＨによって表される。このとき、高次高調波成分ＴＨは、振動子２ａの周波数帯域Ｐに含まれる部分のみ通過する。
【００４２】
このように、本実施の形態では、送信超音波を広帯域で出力することができるので、従来よりも振動子の周波数帯域を広く利用することができるようになる。これにより、低周波成分と高周波成分とが含まれるようになり、空間分解能の向上と深達度の向上を両立させることが可能となって、良好な超音波画像を取得することができるようになる。
【００４３】
また、反射超音波の被検体内における非線形性により、ベースバンド成分が生じることが知られている。ベースバンド成分の周波数帯域は、送信超音波の周波数に関係なく、反射超音波のパルス幅に依存するため、パルス幅が短いほど、ベースバンド成分の周波数は高くなる。すなわち、反射超音波のパルス幅や振動子の帯域特性によっては、ベースバンド成分を振動子の周波数帯域に含めることが可能となるので、このベースバンド成分を利用して超音波画像データーを生成することができれば、低周波成分であるベースバンド成分を利用し、深部においても優れた超音波画像を取得することができるようになる。
【００４４】
本実施の形態では、広帯域特性を有する振動子２ａによってパルス幅の短い送信超音波を出力することができるので、図１１（ｂ）に示すようにベースバンド成分ＢＢが振動子２ａの周波数帯域Ｐに含まれるようになり、ベースバンド成分ＢＢの少なくとも一部を通過させることができるようになる。
【００４５】
図２に示すように、受信部１３は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２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る。受信部１３は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に、予め設定された所定の増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データーを生成するための回路である。
【００４６】
画像生成部１４は、図４に示すように、例えば、フィルター部１４１、帯域設定部１４２、包絡線検波部１４３、対数増幅部１４４及び輝度変換部１４５を備えている。
【００４７】
フィルター部１４１は、例えば、帯域制限フィルターを備えており、受信部１３から入力された音線データーに対してフィルタリングを行う。
帯域設定部１４２は、音線データーの取得タイミングから取得深度を特定し、取得深度に応じたフィルター特性情報をフィルター部１４１に出力する。
【００４８】
例えば、帯域設定部１４２は、取得深度の浅い部分についてフィルタリングする場合には、基本波成分を強調するためのフィルター特性情報をフィルター部１４１に与える。フィルター部１４１は、基本波成分を強調するためのフィルター情報を入力すると、音線データーに含まれる高調波成分やノイズ成分等を抑圧し、基本波成分を強調する。これにより、被検体の浅い部分については、高周波数の基本波成分によって空間分解能の高い超音波画像データーを生成することができる。
また、帯域設定部１４２は、取得深度の深い部分についてフィルタリングする場合には、基本波成分を抑圧するためのフィルター情報をフィルター部１４１に与える。フィルター部１４１は、基本波成分を抑圧するためのフィルター情報を入力すると、音線データーに含まれる基本波成分を抑圧し、２次高調波成分等の高次高調波成分やベースバンド成分を強調する。これにより、被検体の深い部分についても、ベースバンド成分や高次高調波成分により、空間分解能の高い超音波画像データーを生成することができる。
なお、ベースバンド成分以外の成分を抑圧し、ベースバンド成分を強調して超音波画像データーを生成するようにしてもよい。また、フィルタリングを行わず、基本波成分、高次高調波成分及びベースバンド成分によって超音波画像データーを生成するようにしてもよい。
【００４９】
包絡線検波部１４３は、フィルター部１４１から出力された音線データーに対して全波整流を行い、包絡線データーを得る。
対数増幅部１４４は、包絡線データーに対して対数増幅を行う。
輝度変換部１４５は、対数増幅された包絡線データーの示す信号の大きさを２５６階調に量子化する振幅／輝度変換を行ってＢモード画像データーを得る。すなわち、Ｂモード画像データーは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。また、輝度変換部１４５は、振幅／輝度変換が行われた包絡線データーに対し、ダイナミックレンジやゲインの調整を行う。画像生成部１４にて生成されたＢモード画像データーは、メモリー部１５に送信される。
【００５０】
図２に示すように、メモリー部１５は、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリーによって構成されており、画像生成部１４から送信されたＢモード画像データーをフレーム単位で記憶する。すなわち、メモリー部１５は、フレーム単位により構成された超音波診断画像データーとして記憶することができる。メモリー部１５に記憶された超音波診断画像データーは、制御部１８の制御に従って読み出され、ＤＳＣ１６に送信される。
【００５１】
ＤＳＣ１６は、メモリー部１５より受信した超音波診断画像データーをテレビジョン信号の走査方式による画像信号に変換し、表示部１７に出力する。
【００５２】
表示部１７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬティスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置が適用可能である。表示部１７は、ＤＳＣ１６から出力された画像信号に従って表示画面上に超音波診断画像の表示を行う。なお、表示装置に代えてプリンター等の印刷装置等を適用してもよい。
【００５３】
制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えて構成され、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラム等の各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波画像診断装置Ｓの各部の動作を集中制御する。
ＲＯＭは、半導体等の不揮発メモリー等により構成され、超音波画像診断装置Ｓに対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な各種処理プログラムや、各種データー等を記憶する。これらのプログラムは、コンピューターが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデーターを一時的に記憶するワークエリアを形成する。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、超音波探触子２は、パルス信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する振動子２ａを有する。送信部１２は、矩形波のパルス信号を出力することにより振動子２ａに送信超音波を生成させる。送信部１２は、パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅に、パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅が重畳されるように、パルス信号のデューティー比を設定する。その結果、送信超音波の振幅を効率よく増幅できるとともに、パルス幅を短くすることができるので、送信超音波を広帯域とすることができ、空間分解能及び深達度の優れた送信超音波を出力することができるようになる。また、広帯域の超音波探触子を用いた場合には、その帯域を効率よく利用することができるようになるため、送信超音波から得られる反射超音波の基本波成分や、送信超音波が被検体内を伝播することにより発生する２次高調波成分やベースバンド成分といった、非線形による高調波成分を効率よく受信することができるようになり、空間分解能及び深達度の優れた、良質な超音波画像の取得が可能となる。また、矩形波のパルス信号にて実現できるので、任意波形を生成して広帯域で振幅の大きい駆動信号を生成する任意波形生成方式や、駆動信号の電圧を多値に切り替えて広帯域で振幅の大きい駆動信号を生成する多値駆動方式等の複雑な回路構成を必要とせず、安価にて実現可能となる。また、エネルギーコストも少ないので、省電力にも優れる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅のピークに、パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる振動子２ａのステップ応答の振幅のピークが重畳されるように、パルス信号のデューティー比を設定する。その結果、送信超音波を効率よく増幅させることができるようになる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、振動子２ａによって生成される送信超音波の周波数帯域特性が、振動子２ａの周波数帯域特性よりも広くなるようなパルス信号を出力する。その結果、振動子の周波数帯域を最大限で利用することができるようになる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、パルス信号のデューティー比を変更可能に構成したので、使用する超音波探触子の特性に応じて、パルス信号のディーティー比を最適なものに設定することができるようになる。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、送信部１２は、パルス信号の振幅が正極性及び負極性で同一となるようにパルス信号の電圧を変位させるので、回路構成が簡素となり、コストの上昇を抑制することができる。
【００５９】
また、本実施の形態によれば、フィルター部１４１は、受信信号に対して所定の周波数成分のフィルターを行う。帯域設定部１４２は、受信信号の取得タイミングから特定される取得深度に応じて、フィルター部１４１によってフィルターする周波数成分を変更する。その結果、広範な周波数帯域にて得られた受信信号から、深度に応じて適切な周波数成分を抽出することができる。例えば、広帯域で送信した送信超音波は、ごく浅い１ｃｍ程度深さでは、１０ＭＨｚ以上の高い周波数を主成分とするように低周波成分を除去して、より高い分解能の超音波画像が得られるようにし、中程度からさらに深い４ｃｍ以上の深さでは、高周波成分は減衰されるので、フィルターする周波数成分の上限を反射超音波の周波数成分に合わせて設定することで、よりＳ／Ｎの高い信号を取得することができ、良質な超音波画像を取得することができる。
【００６０】
また、本実施の形態によれば、振動子２ａは、送信超音波が被検体内を伝播することにより生じるベースバンド成分を受信可能な周波数帯域特性を有しているので、深部においても空間分解能に優れた超音波画像を取得することができるようになる。
【００６１】
なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波画像診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波画像診断装置を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。
【００６２】
また、本実施の形態において、送信超音波の波形を、送信超音波の中心周波数（キャリア周波数）Ｆｃがベースバンド周波数Ｆｂよりも高周波数であって、ベースバンド周波数Ｆｂにキャリア周波数Ｆｃを乗じて得た形状とし、図１２に示すように、振動子の周波数帯域Ｐの範囲内に、「Ｆｃ−Ｆｂ」によって求められる周波数と、「Ｆｃ＋Ｆｂ」によって求められる周波数とが含まれるようにすると、送信超音波の中心周波数の両側にそれぞれベースバンド成分ＢＢ（Ｌ），ＢＢ（Ｈ）が含まれるようになり、より良質な超音波診断画像を取得することができるようになる。なお、図１２において、送信超音波の周波数帯域特性についてはＥにて示している。
【符号の説明】
【００６３】
Ｓ 超音波画像診断装置
１ 超音波画像診断装置本体
２ 超音波探触子
２ａ 振動子
１２ 送信部
１４ 画像生成部
１２２ パルス発生回路
１２３ デューティー設定部
１４１ フィルター部
１４２ 帯域設定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する振動子を有する超音波探触子と、
矩形波のパルス信号を出力することにより前記振動子によって前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅に、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅が重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定したことを特徴とする超音波画像診断装置。
【請求項２】
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークに、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークが重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波画像診断装置。
【請求項３】
前記送信部は、前記振動子によって生成される前記送信超音波の周波数帯域特性が、前記振動子の周波数帯域特性よりも広くなるような前記パルス信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置。
【請求項４】
前記送信部は、前記パルス信号のデューティー比を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項５】
前記送信部は、前記パルス信号の振幅が正極性及び負極性で同一となるように前記パルス信号の電圧を変位させることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項６】
前記受信信号に対して所定の周波数成分のフィルターを行うフィルター部と、
受信信号の取得タイミングから特定される取得深度に応じて、前記フィルター部によってフィルターする周波数成分を変更する帯域設定部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項７】
前記振動子は、前記送信超音波が被検体内を伝播することにより生じるベースバンド成分を受信可能な周波数帯域特性を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項１】
パルス信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する振動子を有する超音波探触子と、
矩形波のパルス信号を出力することにより前記振動子によって前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅に、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅が重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定したことを特徴とする超音波画像診断装置。
【請求項２】
前記送信部は、前記パルス信号の電圧を変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークに、前記パルス信号の電圧をさらに変位させたときに生ずる前記振動子のステップ応答の振幅のピークが重畳されるように、前記パルス信号のデューティー比を設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波画像診断装置。
【請求項３】
前記送信部は、前記振動子によって生成される前記送信超音波の周波数帯域特性が、前記振動子の周波数帯域特性よりも広くなるような前記パルス信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置。
【請求項４】
前記送信部は、前記パルス信号のデューティー比を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項５】
前記送信部は、前記パルス信号の振幅が正極性及び負極性で同一となるように前記パルス信号の電圧を変位させることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項６】
前記受信信号に対して所定の周波数成分のフィルターを行うフィルター部と、
受信信号の取得タイミングから特定される取得深度に応じて、前記フィルター部によってフィルターする周波数成分を変更する帯域設定部と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
【請求項７】
前記振動子は、前記送信超音波が被検体内を伝播することにより生じるベースバンド成分を受信可能な周波数帯域特性を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４５３０７（Ｐ２０１２−２４５３０７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２１４３８（Ｐ２０１１−１２１４３８）
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【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２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【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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