超音波画像診断装置
【課題】簡便な構成で送信超音波を出力可能な矩形波による送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好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】送信部は、時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させて、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ駆動信号として出力して超音波探触子２に送信超音波を生成させる。信号成分抽出部１３５は、第１の送信信号に対応する第１の受信信号と、第２の送信信号に対応する第２の受信信号と、第３の送信信号に対応する第３の受信信号と、第４の送信信号に対応する第４の受信信号と、を合成して２次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する。
【解決手段】送信部は、時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させて、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ駆動信号として出力して超音波探触子２に送信超音波を生成させる。信号成分抽出部１３５は、第１の送信信号に対応する第１の受信信号と、第２の送信信号に対応する第２の受信信号と、第３の送信信号に対応する第３の受信信号と、第４の送信信号に対応する第４の受信信号と、を合成して２次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する。
【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】
超音波画像診断装置は、超音波パルス反射法により、体表から被検体内の軟組織の断層像を低侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波画像診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線等の被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等の多くの特長を有する。そのため、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿器科系（腎臓、膀胱）、および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
さらに、近年、超音波画像を用いた診断の精度向上のために、従来のような超音波の基本波成分ではなく、高調波成分を用いたハーモニックイメージング（ＨＩ）診断が行われている。高調波成分は、送信する基本波成分が被検体内における非線形性の影響を受けて生じる周波数成分である。ＨＩ診断は、従来の基本波成分によるＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。
【０００４】
ＨＩ診断により得られる超音波画像は、基本波成分による超音波画像と比較して、サイドローブレベルが小さいことでＳ／Ｎが高く、コントラスト分解能が向上すること、ビーム幅が細くなり方位分解能が向上すること等の利点を有する。さらに、近距離では音圧が小さく、さらに音圧の変動が少ないので多重反射が起こらないこと、焦点以遠の減衰は基本波成分並みであり、高調波成分は、同一周波数の基本波成分に比べ深達度を大きく取れること、等の多くの利点を有している。
【０００５】
高調波成分による超音波画像診断は、上述したように、多くの利点を有しているが、送受信を行う超音波の周波数帯域は、使用する超音波探触子の特性により規定される周波数帯域に限定されてしまうため、距離分解能が向上しないという問題があった。
【０００６】
これに対し、従来の超音波画像診断装置において、周波数の異なる２つの基本波について、それぞれ波形の位相調整を行って超音波の送受信を行い、受信した２つの基本波成分から得られる差音成分を利用して広帯域の高調波成分を取得するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また、位相が調整された広帯域な波形の送信信号により超音波の送信を行い、これを受信して得たベースバンド高調波成分を利用して広帯域の高調波成分を取得するようにしたものもある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２９８６２０号公報
【特許文献２】特開２００８−４３７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記各特許文献に記載された技術の何れも、位相が調整された特殊な波形である送信信号を生成する必要があることから、特別な送信回路構成を必要とし、回路規模が大きくなりコストがかかる。
【００１０】
また、一般的な送信信号として適用される矩形波を生成する送信回路を利用した超音波画像診断装置が知られているが、このような超音波画像診断装置では、送信信号に複数周波数を含ませたり、広帯域な信号波形による送信超音波の出力は可能であるが、位相の調整を任意に行うことが困難であり、広帯域の高調波成分を取得することは困難である。
【００１１】
また、上記各特許文献に記載された技術の何れも、所望の波形に調整された送信信号を生成できたとしても、超音波が伝搬する媒質の不均一性やビームフォーミング等により、送信信号を調整して得られた超音波の位相が超音波の伝搬中に崩れてしまうことがあるが、上記各特許文献に記載された技術では、このような状態を調整することはできないため、良好な超音波画像を取得することができない場合がある。
【００１２】
本発明の課題は、簡便な構成で送信超音波を出力可能な送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好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】
【００１３】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、超音波画像診断装置において、
駆動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超音波探触子と、
時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ前記駆動信号として出力して前記超音波探触子に前記送信超音波を生成させる送信部と、
前記第１の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第１の受信信号と、前記第２の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第２の受信信号と、前記第３の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第３の受信信号と、前記第４の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第４の受信信号と、を合成して高次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する信号成分抽出部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
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、
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係を変更する位相変更部と、
前記位相変更部によって相対的な位相関係が変更された前記高次高調波成分及び前記差音成分を合成する信号合成部と、
前記信号合成部によって合成された受信信号に基づいて前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波画像診断装置において、
前記位相変更部は、前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係の変更量を、前記超音波探触子が受信する反射超音波の深度に応じて設定することを特徴とする。
【００１６】
請求項４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、
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分及び前記差音成分のそれぞれについて、信号の大きさを画像の輝度を示す輝度データに変換し、前記高次高調波成分から変換された輝度データと、前記差音成分から変換された輝度データとを合成して前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
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、
前記高次高調波成分は２次高調波成分であることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の超音波画像診断装置において、
前記信号成分抽出部は、前記第１の受信信号、第２の受信信号、第３の受信信号及び第４の受信信号の和を求めることにより前記２次高調波成分を抽出し、前記第１の受信信号及び第２の受信信号の和と、前記第３の受信信号及び第４の受信信号の和との差分を求めることにより前記差音成分を抽出することを特徴とする。
【００１９】
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、
前記送信部は、矩形波のパルス信号にて前記駆動信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡便な構成で送信超音波を出力可能な送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好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】
【００２１】
【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】受信部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】画像処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図６】第１の送信信号の波形について説明する図である。
【図７】第３の送信信号の波形について説明する図である。
【図８】第１〜第４の送信信号の関係性について説明する図である。
【図９】第１〜第４の送信信号の信号波形を周波数空間で表した図である。
【図１０】第１の送信信号の波形の一例について説明する図である。
【図１１】基本波成分の経過時間と強度との関係を示す図である。
【図１２】第１の基本波成分と第２の基本波成分との強度積を示す図である。
【図１３】送信信号に対する反射超音波の高調波成分の位相の関係について説明する図である。
【図１４】送信信号に対する反射超音波の高調波成分の位相の関係について説明する図である。
【図１５】高調波成分を抽出する過程について説明する図である。
【図１６】２次高調波成分と差音成分とを分離抽出する過程について説明する図である。
【図１７】２次高調波成分と差音成分の帯域について説明する図である。
【図１８】高調波成分の帯域について説明する図である。
【図１９】高調波成分の位相調整の手順について説明する図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る受信部の概略構成を示すブロック図である。
【図２１】第２の実施の形態に係る画像処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図２２】従来の周波数コンパウンドの手法について説明する図である。
【図２３】第２の実施の形態に係る周波数コンパウンドの手法について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（第１の実施の形態）
第１の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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、駆動信号波形設定部１２３及び遅延回路１２４を備えている。
【００２８】
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、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。また、矩形波によるパルス信号に限らず、例えば、正弦波等、他の波形による信号を発生させるものであってもよい。
駆動信号波形設定部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ことにより、駆動信号の波形を設定する。すなわち、パルス発生回路１２２は、駆動信号波形設定部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。なお、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可能に設定できるものであってもよい。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。なお、駆動信号波形設定部１２３によるデューティー比の設定の詳細については、後述する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、図４に示すように、ＡＭＰ（Amplifier）１３１、ＡＤＣ（Analog/Digital Converter）１３２、整相加算部１３３、音線メモリー１３４、信号成分抽出部１３５、帯域調整フィルター１３６ａ，１３６ｂ、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂ及び信号加算器１３８を備えている。
【００３２】
ＡＭＰ１３１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。
ＡＤＣ１３２は、増幅された受信信号をアナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）するための回路である。
整相加算部１３３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）して音線データを生成するための回路である。すなわち、整相加算部１３３は、振動子２ａ毎の受信信号に対して受信ビームフォーミングを行って音線データを生成する。
音線メモリー１３４は、整相加算部１３３にて生成された音線データを一時的に保持しておくためのメモリーである。音線メモリー１３４は、複数の音線データについて領域を異ならせて保持することができる。
【００３３】
信号成分抽出部１３５は、音線メモリー１３４に保持されている複数の音線データを読み出し、これらを加減算処理することにより、差音成分と２次高調波成分とを抽出する。差音成分及び２次高調波成分の抽出の要領については後述する。信号成分抽出部１３５は、２次高調波成分が抽出された音線データを帯域調整フィルター１３６ａに出力するとともに、差音成分が抽出された音線データを帯域調整フィルター１３６ｂに出力する。
【００３４】
帯域調整フィルター１３６ａは、入力した音線データに対し、２次高調波成分の周波数帯域以外の信号成分を除去するようなフィルター処理を施す帯域制限フィルター（Band Pass Filter）である。帯域調整フィルター１３６ａは、フィルター処理を施した音線データを位相調整フィルター１３７ａに出力する。なお、本実施の形態において、帯域調整フィルター１３６ａを設けない構成としてもよい。
位相調整フィルター１３７ａは、入力した音線データの位相を所定量だけ変位させて出力するフィルターである。音線データの位相の変位量は、制御部１８からの指示により、例えば、受信する反射超音波の深度に応じて可変する。このように構成することで、深度によっては高調波成分の帯域が広がらないような場合でも、位相の変位量を調整することで広帯域化を図ることができるようになる。
【００３５】
帯域調整フィルター１３６ｂは、入力した音線データに対し、差音成分の周波数帯域以外の信号成分を除去するようなフィルター処理を施す帯域制限フィルターである。帯域調整フィルター１３６ｂは、フィルター処理を施した音線データを位相調整フィルター１３７ｂに出力する。なお、本実施の形態において、帯域調整フィルター１３６ｂを設けない構成としてもよい。
位相調整フィルター１３７ｂは、入力した音線データの位相を所定量だけ変位させて出力するフィルターである。音線データの位相の変位量は、制御部１８からの指示により、例えば、受信する反射超音波の深度に応じて可変する。このように構成することで、深度によっては高調波成分の帯域が広がらないような場合でも、位相の変位量を調整することで広帯域化を図ることができるようになる。
なお、本実施の形態では、２次高調波成分の位相を変更するための位相調整フィルター１３７ａと、差音成分の位相を変更するための位相調整フィルター１３７ｂとの両方を設けるようにしたが、何れか一方のみ設けられた態様であってもよい。
【００３６】
信号加算器１３８は、位相調整フィルター１３７ａ及び位相調整フィルター１３７ｂから出力された音線データを加算することによって差音成分と２次高調波成分とが合成された音線データを生成し、画像生成部１４に出力する。
【００３７】
以上のように、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂは、信号成分抽出部によって抽出された高次高調波成分と差音成分との間の相対的な位相関係を変更する位相変更部を構成する。
また、信号加算器１３８は、位相変更部によって相対的な位相関係が変更された高次高調波成分及び差音成分を合成する信号合成部を構成する。
【００３８】
画像生成部１４は、図５に示すように、例えば、包絡線検波部１４１、対数変換部１４２及び輝度変換部１４３を備えている。
包絡線検波部１４１は、入力した音線データに対して全波整流を行い、包絡線データを得る。包絡線検波部１４１は、取得した包絡線データを対数変換部１４２に出力する。
対数変換部１４２は、入力した包絡線データに対して対数増幅を行う。このとき、ゲインやダイナミックレンジの調整等を行ってもよい。
輝度変換部１４３は、対数増幅された包絡線データ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モード画像データを生成する。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。輝度変換部１４３は、このようにして生成されたＢモード画像データをメモリー部１５に出力する。
【００３９】
メモリー部１５は、図２に示すように、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画像データ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画像データは、制御部１８の制御に従って読み出され、ＤＳＣ１６に送信される。
【００４０】
ＤＳＣ１６は、メモリー部１５より受信した超音波画像データ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。
【００４１】
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デ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。本実施の形態では、表示部１７として、白色もしくはフルカラーＬＥＤ（Light-Emitting Diode）のバックライトを備えたＬＣＤが適用されている。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。
【００４２】
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を一時的に記憶するワークエリアを形成する。
【００４３】
次に、上述のようにして構成された超音波画像診断装置Ｓの送信部１２によって生成される駆動信号について説明する。
本実施の形態では、超音波画像診断装置Ｓにより、４回の超音波の送受信を行って１つの音線データを得ることで、広帯域で良質な高調波成分を取得できるように構成されている。より具体的には、送信部１２の駆動信号波形設定部１２３により、時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号とがそれぞれ生成されるように駆動信号の波形を設定し、第１〜第４の送信信号をそれぞれ送受信することにより得られた受信信号を、受信部１３の信号成分抽出部１３５及び信号加算器１３８により合成することによって、広帯域で良質な高調波成分を取得する。
【００４４】
先ず、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第１の送信信号を生成する。図６は、第１の送信信号に適用される好ましい駆動信号の波形の一例を示している。
すなわち、図６に示される第１の送信信号の波形は、１周期がＴ０の周期関数ｆ（ｔ）で表された矩形波であり、デューティー比を規定するパラメーターＡ及びパラメーターＢを使用してフーリエ級数展開を行って、周波数１／Ｔ０の整数倍の成分の和として表現されたものである。図６に示すように、−Ｔ０／２からＴ０／２までのパルスからなる第１の送信信号の波形は、時間軸で非対称の信号波形により形成されている。
そして、図６に示される周期関数ｆ（ｔ）は、下記式（１）によって表すことができる。
【数１】
【００４５】
上記式（１）中、成分ａ０、係数ａｎ及び係数ｂｎは、下記式（２）〜（４）に示される式に置き換えることができる。
【数２】
【００４６】
そして、ｎ＝１のとき、係数ａ１及び係数ｂ１は下記式（５）及び（６）によって示される。
【数３】
【００４７】
また、ｎ＝２のとき、係数ａ２及び係数ｂ２は下記式（７）及び（８）によって示される。
【数４】
【００４８】
ここで、使用する超音波探触子２の帯域特性により、超音波探触子２を通過する送信信号の波形の成分は、第１の基本波成分及び第１の基本波成分の２倍の周波数成分である第２の基本波成分が支配的となる。したがって、超音波探触子２の帯域特性により規定される帯域よりも低周波である成分ａ０、及び、第１の基本波成分の３倍以上の周波数成分については無視することができ、図６に示される周期関数ｆ（ｔ）は、下記式（９）によって近似的に表すことができる。
【数５】
【００４９】
したがって、上記式（９）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２によって出力される。
なお、第１の送信信号の波形は上述したものに限定されず、適宜設定することができる。
【００５０】
次に、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第２の送信信号を生成する。第２の送信信号は、第１の送信信号の位相を１８０度変位させることにより形成される。すなわち、第２の送信信号は、第１の送信信号の信号波形を位相反転させたものである。
このようにして生成された第２の送信信号は、周期関数−ｆ（ｔ）によって表される。ここで、超音波探触子２を通過する第２の送信信号の波形の成分も、第１の送信信号と同様に、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が支配的となるため、周期関数−ｆ（ｔ）は、下記式（１０）によって近似的に表すことができる。
【数６】
【００５１】
したがって、上記式（１０）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２によって出力される。
【００５２】
次に、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第３の送信信号を生成する。第３の送信信号は、図７に示すように、−Ｔ０／２からＴ０／２までのパルスからなる第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させることにより形成される。
このようにして生成された第３の送信信号は、図７に示すように、周期関数ｇ（ｔ）によって表される。ここで、超音波探触子２を通過する第３の送信信号の波形の成分も、第１の送信信号と同様に、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が支配的となるため、周期関数ｇ（ｔ）は、下記式（１１）によって近似的に表すことができる。
【数７】
【００５３】
したがって、上記式（１１）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２により出力される。
【００５４】
次に、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第４の送信信号を生成する。第４の送信信号は、第１の送信信号の信号波形を位相反転し、さらに時間軸で反転させることにより形成される。
このようにして生成された第４の送信信号は、周期関数−ｇ（ｔ）によって表される。ここで、超音波探触子２を通過する第４の送信信号の波形の成分も、第１の送信信号と同様に、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が支配的となるため、周期関数−ｇ（ｔ）は、下記式（１２）によって近似的に表すことができる。
【数８】
【００５５】
したがって、上記式（１２）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２によって出力される。
【００５６】
以上のように生成された第１〜第４の送信信号は、図８に示すような関係として表すことができる。ここで、図８（ａ）に示される周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形は、フーリエ級数展開により、ｎ＝１の場合はｓｉｎ波が、ｎ＝２の場合はｃｏｓ波が表れていることがわかる。そして、図８（ａ）に示される周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形を位相反転させると、図８（ｂ）に示されるように、第１項及び第２項の符号が反転した、周期関数−ｆ（ｔ）で表される第２の送信信号が生成される。これは、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形のうちの、ｓｉｎ波及びｃｏｓ波の位相を１８０度変位させることと同義となる。また、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させると、図８（ｃ）に示すように、第１項の符号が反転した、周期関数ｇ（ｔ）で表される第３の送信信号が生成される。これは、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形のうちの、ｓｉｎ波の位相のみを１８０度変位させることと同義となる。また、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させると、図８（ｄ）に示すように、第２項の符号が反転した、周期関数−ｇ（ｔ）で表される第４の送信信号が生成される。これは、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形のうちの、ｃｏｓ波の位相のみを１８０変位させることと同義となる。ここで、図８（ｂ）に示される第２の送信信号の信号波形を時間軸で反転させることによっても、第４の送信信号を得ることができる。さらに、図８（ｃ）に示される第３の送信信号の信号波形を位相反転させることによっても、第４の送信信号を得ることができる。
【００５７】
図８に示された第１〜第４の送信信号の信号波形の関係を周波数空間で表すと、図９に示すようになる。ここで、図９中、「Ｉｍ」は虚数軸を示し、「Ｒｅ」は実数軸を示す。図９（ａ）は、第１の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１１）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２１）の位相を示している。また、図９（ｂ）は、第２の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１２）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２２）の位相を示している。また、図９（ｃ）は、第３の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１３）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２３）の位相を示している。また、図９（ｄ）は、第４の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１４）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２４）の位相を示している。
【００５８】
図９に示すように、第１の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１１及び第２の基本波成分ｎ２１と、第２の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１２及び第２の基本波成分ｎ２２とはそれぞれ逆相の関係であることがわかる。また、第３の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１３及び第２の基本波成分ｎ２３と、第４の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１４及び第２の基本波成分ｎ２４とはそれぞれ逆相の関係であることがわかる。
【００５９】
本実施の形態では、送信部１２は、第１の送信信号を形成する最も適切な信号波形の一例として、図１０に示すような矩形波による第１の送信信号Ｓを生成するようにしている。この第１の送信信号Ｓは、１周期が１７６ｎｓｅｃであって、パラメーターＡが１６ｎｓｅｃに設定され、パラメーターＢが５６ｎｓｅｃに設定されている。すなわち、第１の送信信号Ｓは、周期の始期の時点で強度が０から１．０まで立ち上がった後、パラメーターＡによって規定される１６ｎｓｅｃが経過した時点で強度が１．０から−１．０まで立ち下がる。その後、第１の送信信号Ｓは、パラメーターＢによって規定される５６ｎｓｅｃが経過した時点で、強度が−１．０から１．０まで立ち上がった後、パラメーターＡによって規定される１６ｎｓｅｃの間、強度１．０の状態が維持されるように半周期（８８ｎｓｅｃ）分の信号波形が形成されている。その後、第１の送信信号Ｓは、周期の終期となるまで強度を１．０に維持した後、０まで立ち下がるような信号波形が形成されている。
【００６０】
以上のように形成された第１の送信信号Ｓをフーリエ級数展開すると、５．７ＭＨｚの第１の基本波成分Ｆ０と、その２倍の周波数１１．４ＭＨｚである第２の基本波成分Ｆ１とが含まれていることがわかる。
【００６１】
本実施の形態では、第１の送信信号ＳにおけるパラメーターＢを以下の理論により設定している。図１１は、第１の基本波成分Ｆ０及び第２の基本波成分Ｆ１の、矩形波の信号が立ち上がってからの経過時間と各基本波成分の強度との関係について示しており、図１２は、第１の基本波成分Ｆ０の強度と第２の基本波成分Ｆ１の強度とを乗じて得た強度積ＦＰを示している。
図１２に示すように、第１の基本波成分Ｆ０及び第２の基本波成分Ｆ１の強度積ＦＰは、矩形波の信号の立ち上がり後、およそ５３ｎｓｅｃが経過した時点において極大値を示している。パラメーターＢをこの極大値を示す時間に設定すると、差音成分が最も効率よく発生し、また、第１の基本波成分Ｆ０の損失も、矩形波の信号の立ち上がりから８８ｎｓｅｃが経過した時点において示す極大値のおよそ８４％程度であるため、最適となる。本実施の形態では、パラメーターＡ及びパラメーターＢは、例えば、それぞれ８ｎｓｅｃ単位で設定されるため、パラメーターＢは、上述した５３ｎｓｅｃに近似する５６ｎｓｅｃに設定されている。
なお、パラメーターＡ及びパラメーターＢについては、上述したようにして設定されたものに限定されず、種々の条件に応じて適宜設定することができるが、パラメーターＡとパラメーターＢとが等しいものでないものとするのが好適である。
【００６２】
次に、上述のようにして生成された第１〜第４の送信信号を超音波探触子２に入力することによって出力される超音波が被検体内で伝搬することにより発生する非線形成分について説明する。
【００６３】
超音波の伝搬は、その音圧が有意に高い場合には、非線形波動方程式で表される挙動を示すことが知られている。この非線形波動方程式は、元になる超音波が、超音波の元の波形が持つ周波数成分の干渉によって種々の周波数成分を発生させながら伝搬する挙動を表現しており、この超音波の伝搬によって発生する周波数成分は高調波成分（非線形成分）と呼ばれる。この高調波成分は、簡易的に、伝搬する超音波の波形の２乗の時間微分として近似できるため、伝搬の元になる超音波の波形（基本波）を特定できれば、発生する高調波成分も推定することができる。
【００６４】
以上の理論により、上記式（９）に示される周期関数ｆ（ｔ）によって示される第１の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分は、下記式（１３）によって表すことができる。
【数９】
【００６５】
ここでも、超音波探触子２の帯域特性によって通過する超音波の帯域が規定される。その結果、上記式（１３）に示される高調波成分のうち、超音波探触子２を通過するのは、上記式（１３）中の第１項に示される第１の基本波成分の２倍の周波数成分である高次高調波成分としての２次高調波成分と、上記式（１３）中の第３項に示される第１の基本波成分及び第２の基本波成分の非線形効果から生ずる差音成分と、となる。すなわち、超音波探触子２を通過する高調波成分は、下記式（１４）によって表すことができる。
【数１０】
【００６６】
上記式（１４）に示される、第１の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる高調波成分を周波数空間で表すと、図１３に示すようになる。ここで、図１３（ａ）は、第１の送信信号の信号波形に含まれる第１の基本波成分ｎ１１と第２の基本波成分ｎ２１とを表しており、図１３（ｂ）は、第１の基本波成分ｎ１１の２次高調波成分ｓ１と、第１の基本波成分ｎ１１及び第２の基本波成分ｎ２１の差音成分ｄ１とを示している。図１３（ｂ）に示すように、２次高調波成分ｓ１と差音成分ｄ１とは位相が異なっていることがわかる。
【００６７】
また、上記式（１０）に示される周期関数−ｆ（ｔ）によって示される第２の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分については、上記式（１３）によって第１の送信信号と同様にして表すことができる。
【００６８】
また、上記式（１１）に示される周期関数ｇ（ｔ）によって示される第３の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分は、下記式（１５）によって表すことができる。
【数１１】
【００６９】
同様に、上記式（１２）に示される周期関数−ｇ（ｔ）によって示される第４の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分についても、上記式（１５）によって表すことができる。
【００７０】
そして、上述した第１〜第４の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる高調波成分の関係を周波数空間で表すと、図１４に示すようになる。ここで、図１４（ａ）は、第１の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ１の位相及び差音成分ｄ１の位相を示している。また、図１４（ｂ）は、第２の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ２の位相及び差音成分ｄ２の位相を示している。また、図１４（ｃ）は、第３の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ３の位相及び差音成分ｄ３の位相を示している。また、図１４（ｄ）は、第４の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ４の位相及び差音成分ｄ４の位相を示している。
【００７１】
図１４に示すように、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ１及び差音成分ｄ１と、第２の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ２及び差音成分ｄ２とは、それぞれ同相であることがわかる。また、第３の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ３及び差音成分ｄ３と、第４の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ４及び差音成分ｄ４とは、それぞれ同相であることがわかる。
【００７２】
また、図１４に示すように、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ１、第２の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ２、第３の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ３及び第４の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ４は、何れも同相で発生していることがわかる。これは、２次高調波成分が第１の基本波成分の２乗によって求められるためである。
【００７３】
また、差音成分は、第１の基本波成分及び第２の基本波成分の非線形効果によって発生する。
第１の送信信号と第２の送信信号とは位相反転の関係にあって第１の基本波成分と第２の基本波成分との位相関係が実質的に同じであるため、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ１及び第２の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ２は、図１４に示すように、同相で発生する。
また、第３の送信信号及び第４の送信信号は、第１の送信信号とは時間軸反転の関係にあるため、第１の基本波成分と第２の基本波成分との位相関係が第１の送信信号とは異なる。したがって、第３の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ３の位相及び第４の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ４の位相は、図１４に示すように、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ１とは逆相で現れる。
【００７４】
以上のようにして第１〜第４の送信信号によって超音波探触子２から送信された送信超音波に対応する反射超音波を超音波探触子２にて受信することによって得られた受信信号に基づいて超音波画像データを生成する方法について説明する。
【００７５】
先ず、超音波画像診断装置Ｓの受信部１３は、上述のようにして第１〜第４の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波が超音波探触子２によって電気信号に変換されることにより得られた受信信号について、それぞれ、ＡＭＰ１３１、ＡＤＣ１３２及び整相加算部１３３によって上述した処理を行って音線データ（第１〜第４の音線データ）を生成し、音線メモリー１３４にそれぞれ領域を異ならせて保持する。ここで、第１の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第１の受信信号と呼び、第２の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第２の受信信号と呼び、第３の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第３の受信信号と呼び、第４の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第４の受信信号と呼ぶこととする。
【００７６】
上述のようにして第１〜第４の音線データがそれぞれ音線メモリー１３４に保持されると、信号成分抽出部１３５は、以下のようにして高調波成分を抽出し、さらに、抽出した高調波成分から２次高調波成分と差音成分とに分離する。
ここで、超音波画像においては、受信信号に含まれる高調波成分のみを画像化することにより、低アーチファクトで高解像度の画像を得ることができることが知られている。そのため、受信信号から高調波成分のみを取り出し、これを画像化する様々な手法が知られている。受信信号から高調波成分のみを取り出す技術として広く知られているものにパルスインバージョンがある。これは、位相の反転した２つの送信超音波を送信し、それぞれに対応する反射超音波から得られる受信信号を加算することにより、受信信号に含まれる基本波成分を除去して高調波成分のみを抽出するものであり、高調波成分の位相不変性を利用した技術である。
本実施の形態では、このパルスインバージョンの技術を利用して高調波成分を抽出した上で、この高調波成分から２次高調波成分と差音成分とに分離するようにしている。
【００７７】
信号成分抽出部１３５は、音線メモリー１３４から第１の音線データと第２の音線データとを読み出し、これらを加算して第１の合成データを生成する。すなわち、信号成分抽出部１３５は、第１の音線データと第２の音線データとを加算することにより、基本波成分が除去されて高調波成分が強調された第１の合成データを生成する。つまり、第１の音線データと第２の音線データとが加算されると、図１５（ａ）に示される第１の音線データに含まれる第１の基本波成分ｎ１１及び第２の基本波成分ｎ２１が、図１５（ｂ）に示される第２の音線データに含まれる第１の基本波成分ｎ１２及び第２の基本波成分ｎ２２とそれぞれ逆相であるため、図１５（ｃ）に示すように、第１の基本波成分及び第２の基本波成分は相殺されて除去される。一方、図１５（ａ）に示される第１の音線データに含まれる２次高調波成分ｓ１及び差音成分ｄ１は、第２の音線データに含まれる２次高調波成分ｓ２及び差音成分ｄ２と同相であるため、図１５（ｃ）に示すように、加算後の音線データ、すなわち、第１の合成データにおいて、２次高調波成分ｓ１２及び差音成分ｄ１２が強調される。このようにして、信号成分抽出部１３５は、第１の受信信号（第１の音線データ）と第２の受信信号（第２の音線データ）とから高調波成分の抽出を行う。
【００７８】
また、信号成分抽出部１３５は、同様にして、音線メモリー１３４から第３の音線データと第４の音線データとを読み出し、これらを加算して第２の合成データを生成する。その結果、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が相殺され、２次高調波成分ｓ３４及び差音成分ｄ３４（図１６（ｂ）参照）が強調された第２の合成データが生成される。このようにして、信号成分抽出部１３５は、第３の受信信号（第３の音線データ）と第４の受信信号（第４の音線データ）とから高調波成分の抽出を行う。
【００７９】
そして、信号成分抽出部１３５は、上述のようにして得られた第１の合成データと第２の合成データとから、以下のようにして２次高調波成分と差音成分との分離を行う。すなわち、図１６（ａ）に示される第１の合成データと図１６（ｂ）に示される第２の合成データとは、２次高調波成分が同相の関係にあって、差音成分が逆相の関係にある。そのため、信号成分抽出部１３５は、最初に、第１の合成データと第２の合成データとを加算することにより、図１６（ｃ）に示されるような差音成分が除去されて２次高調波成分ｓ１２３４が強調された第３の合成データを生成することができる。また、信号成分抽出部１３５は、第１の合成データと第２の合成データとを減算することにより、図１６（ｄ）に示されるような２次高調波成分が除去されて差音成分ｄ１２３４が強調された第４の合成データを生成することができる。
【００８０】
ところで、従来のパルスインバージョンの技術によれば、受信信号から高調波成分の抽出を行うことができるが、抽出された高調波成分には２次高調波成分と差音成分とが混然一体に含まれているため、これらを分離抽出することができなかった。本実施の形態では、上述のように構成することにより、高調波成分から２次高調波成分と差音成分とを分離抽出することができる。
【００８１】
信号成分抽出部１３５は、上述のようにして生成された第３の合成データを帯域調整フィルター１３６ａに出力し、第４の合成データを帯域調整フィルター１３６ｂに出力する。帯域調整フィルター１３６ａ，１３６ｂによってそれぞれフィルター処理された各合成データは、それぞれ、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂに入力される。
【００８２】
ここで、本実施の形態における高調波成分の位相調整の手法について説明する。
【００８３】
図１７（ａ）は、第１の合成データを示している。すなわち、図１７（ａ）の周波数空間上に示される音線データは、第１の音線データと第２の音線データとが加算されることにより、従来のパルスインバージョンによって高調波成分が強調された音線データである。
【００８４】
図１７（ａ）に示される第１の合成データには、２次高調波成分ｓ１２と差音成分ｄ１２とが含まれている。実際には、これらの高調波成分は有限長の波形によって構成されているため、図１７（ｂ）に示すように、それぞれ一定の広がりを有する帯域を持っている。これらの高調波成分の帯域は、ある周波数帯で互いに重なり合う場合がある。図１７（ｂ）に示す例では、２次高調波成分の帯域ＳＨ０の低周波領域と、差音成分の帯域ＤＴ０の高周波領域とが重なっている。このように、２次高調波成分の帯域ＳＨ０と差音成分の帯域ＤＴ０とが重なった領域Ｐでは、２つの高調波成分の位相干渉が生じ、これらの高調波成分の位相状態によって相互に信号の強度を強め合ったり、弱め合ったりする。
【００８５】
より具体的には、例えば、図１８（ａ）に示すように、２次高調波成分の帯域ＳＨ１の位相と差音成分の帯域ＤＴ１の位相とが近似した場合には、互いに信号の強度を強め合う関係となり、２次高調波成分と差音成分とが重畳された結果、帯域が拡大された高調波成分の帯域ＡＷ１を持つようになる。このような高調波成分の帯域ＡＷ１を有する音線データが得られれば、時間分解能が向上し、したがって、高分解能で高画質な超音波画像を取得することができる。
【００８６】
一方、例えば、図１８（ｂ）に示すように、２次高調波成分の帯域ＳＨ２の位相と差音成分の帯域ＤＴ２の位相とが離間した場合には、互いに信号の強度を弱め合う関係となり、２次高調波成分と差音成分とが重畳された結果、帯域が狭小された高調波成分の帯域ＡＷ２を持つようになる。このような高調波成分の帯域ＡＷ２では、帯域に谷間が生じてしまい、帯域が分離されるようになる。したがって、高調波成分を抽出したとしても、超音波画像の高画質化が望めないという結果となってしまう。
【００８７】
従来の超音波画像診断装置では、受信信号を信号処理することによっては２次高調波成分と差音成分とを分離抽出することができなかったため、例えば、２次高調波成分の位相と差音成分の位相とが近似するように、送信信号の信号波形を調整するようにしたが、これらの高調波成分の位相を常に良好な状態に制御することは、超音波が伝搬する被検体の媒質の不均一性や、これによって生じるビームフォーミングの精度不良等により、超音波の位相が崩れてしまうことがあるため、困難であった。したがって、送信信号の信号波形を調整して送信超音波を送信し、反射超音波から得られた受信信号から高調波成分を抽出したとしても、図１８（ｂ）に示すような、２次高調波成分と差音成分とが弱め合うような受信信号が取得される場合がある。
【００８８】
また、２次高調波成分と差音成分とを帯域制限フィルターを用いて分離することも行われたが、２次高調波成分と差音成分とが混然一体に含まれた受信信号では、位相状態の分離を行うことができないため、超音波画像の高画質化を望むことはできない。
【００８９】
これに対し、本実施の形態では、上述のようにして、受信信号から２次高調波成分と差音成分とを分離抽出することができるので、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂによって２次高調波成分の位相及び差音成分の位相についてそれぞれ自在に調整することができる。すなわち、２次高調波成分の位相及び差音成分の位相を相対的に近似させて、高調波成分の帯域を拡大させることができるようになる。
【００９０】
例えば、図１９（ａ）に示すように、２次高調波成分の帯域ＳＨ２の位相と差音成分の帯域ＤＴ２の位相とが１８０度離間するような場合には、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）に示すように、信号成分抽出部１３５によって２次高調波成分と差音成分とを分離させた後、位相調整フィルター１３７ｂによって差音成分の位相を１８０度ずらす。すると、図１９（ｄ）に示すように、位相が変更された差音成分の帯域ＤＴ２ａが２次高調波成分の帯域ＳＨ２と近似するようになる。そして、信号加算器１３８によってこれらの高調波成分が加算されることにより、帯域が拡大されて広帯域となった高調波成分の帯域ＡＷ２ａを有する音線データを得ることができるようになる。
【００９１】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、上述のようにして２次高調波成分と差音成分とを分離抽出した後、それぞれの位相の調整を行うことに代えて、それぞれの高調波成分について輝度変換を行い、これらを合成（コンパウンド処理）して超音波画像データを得る。２次高調波成分と差音成分とをそれぞれ輝度変換して得られた輝度データを加算することにより、スペックルやノイズ（以下、ノイズ等ということがある。）を抑圧し、超音波画像の空間分解能を向上させることができる。
第２の実施の形態では、超音波画像診断装置Ｓの受信部１３と画像生成部１４とが変更された点で、第１の実施の形態とは異なっている。なお、第１の実施の形態における超音波画像診断装置Ｓと同様の機能構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００９２】
第２の実施の形態における超音波画像診断装置Ｓの受信部１３は、図２０に示すように、第１の実施の形態において上述したようにして信号成分抽出部１３５によって第３の合成データ及び第４の合成データを生成し、それぞれについて帯域調整フィルター１３６ａ，１３６ｂによってフィルター処理を行った後、これらを画像生成部１４に出力する。
【００９３】
画像生成部１４は、図２１に示すように、受信部１３から送信されたフィルター処理後の第３の合成データ及び第４の合成データについて、それぞれ、包絡線検波部１４１ａ，１４１ｂによる包絡線データへの変換、対数変換部１４２ａ，１４２ｂによる対数増幅、及び、輝度変換部１４３ａ，１４３ｂによる振幅／輝度変換を行った後、輝度データ加算器１４４によって第３の合成データ及び第４の合成データからそれぞれ得られた輝度データを加算してＢモード画像データを生成し、メモリー部１５に出力する。すなわち、輝度データ加算器１４４は、第３の合成データ及び第４の合成データからそれぞれ得られた輝度データに対して周波数コンパウンド処理を行ってＢモード画像データを得る。
【００９４】
ところで、スペックルを抑制する方法としては、受信信号を異なる周波数成分からなる２つの信号に分離し、それぞれの信号を輝度変換してから合成する方法（周波数コンパウンド）も考えられる。受信信号の分離はフィルター処理によって行われる。このとき、周波数コンパウンド処理の効果を向上させるために、フィルターの通過帯域が重複しないように設定する手法が知られている。この手法によれば、フィルター処理された受信信号は狭帯域化されてしまう。その結果、解像度の低下を誘発することとなってしまう。また、図２２に示すように、フィルターの通過帯域をある程度重複させて設定する手法が取られる場合もある。この手法によれば、高調波成分の帯域ＨＳ０の狭帯域化は抑制されるが、複数のフィルターの通過帯域ＦＬ１，ＦＬ２の重複する部分Ｑにおいてはノイズ等の抑圧効果が発揮されないという問題がある。すなわち、従来の周波数コンパウンドの手法では、２次高調波成分の帯域と差音成分の帯域とが重畳する領域については、フィルター処理によってそれぞれの成分に分離することができないため、解像度の向上とノイズ等の抑圧との両者の課題を同時に解消することは困難であった。
【００９５】
これに対し、本実施の形態では、図２３に示すように、本来的に発生のプロセスの異なる２次高調波成分ＳＨ３と差音成分ＤＴ３との無相関性を確保したままで高調波成分の分離を行うことができ、これら分離された高調波成分に基づいて周波数コンパウンド処理が実施されるので、高調波成分の帯域ＨＳ１の狭帯域化を抑制でき、解像度を損失することなく、ノイズ等が効果的に抑圧された超音波画像を取得することができるようになる。
【００９６】
以上説明したように、第１及び第２の実施の形態によれば、超音波探触子２は、駆動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。送信部１２は、時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させて、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ駆動信号として出力して超音波探触子２に送信超音波を生成させる。信号成分抽出部１３５は、第１の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第１の受信信号と、第２の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第２の受信信号と、第３の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第３の受信信号と、第４の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第４の受信信号と、を合成して２次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する。その結果、簡便な構成で送信超音波を出力可能な矩形波による送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好な超音波画像を取得することができるようになる。また、発生のプロセスが異なる複数種類の高調波成分を受信信号から分離抽出してそれぞれについて処理することができるので、高調波成分を自由に制御して良好な超音波画像データを生成することができる。
【００９７】
また、第１の実施の形態によれば、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂは、信号成分抽出部１３５によって抽出された２次高調波成分と差音成分との間の相対的な位相関係を変更する。信号加算器１３８は、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂによって相対的な位相関係が変更された２次高調波成分及び差音成分を合成する。画像生成部１４は、信号加算器１３８によって合成された受信信号に基づいて被検体内の超音波画像データを生成する。その結果、発生のプロセスが異なる複数種類の高調波成分の位相を操作して、広帯域な高調波成分とすることができるので、高分解能で高画質な超音波画像を取得することができるようになる。
【００９８】
また、第１の実施の形態によれば、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂは、２次高調波成分と差音成分との間の相対的な位相関係の変更量を、超音波探触子２が受信する反射超音波の深度に応じて設定する。その結果、深度に応じて変化する高調波成分の位相差を考慮して位相を操作することができるので、深度に応じて高分解能で高画質な超音波画像を取得することができるようになる。
【００９９】
また、第２の実施の形態によれば、画像生成部１４は、信号成分抽出部１３５によって抽出された２次高調波成分及び差音成分のそれぞれについて、信号の大きさを画像の輝度を示す輝度データに変換する。画像生成部１４は、２次高調波成分から変換された輝度データと、差音成分から変換された輝度データとを合成して被検体内の超音波画像データを生成する。その結果、広帯域でノイズやスペックルが効果的に抑制された超音波画像を取得することができる。
【０１００】
また、第１及び第２の実施の形態によれば、信号成分抽出部１３５は、第１の受信信号、第２の受信信号、第３の受信信号及び第４の受信信号の和を求めることにより２次高調波成分を抽出する。信号成分抽出部１３５は、第１の受信信号及び第２の受信信号の和と、第３の受信信号及び第４の受信信号の和との差分を求めることにより差音成分を抽出する。その結果、発生のプロセスが異なる複数種類の高調波成分を、簡便な方法にて受信信号から容易に分離抽出することができるようになる。
【０１０１】
また、第１及び第２の実施の形態によれば、送信部１２は、矩形波のパルス信号にて駆動信号を出力する。その結果、簡素な構成によって実現できるので、製造コストを低減できる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
また、本実施の形態では、受信信号に含まれる高調波成分として２次高調波成分と差音成分としているが、３次以上の高次高調波成分が含まれていてもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態では、超音波探触子２が受信する反射超音波の深度に応じて２次高調波成分と差音成分との位相の変位量を変更するようにしたが、深度にかかわらず２次高調波成分と差音成分との位相の同一の変位量としてもよい。
【０１０５】
また、本実施の形態において、受信信号から２次高調波成分と差音成分とを分離抽出するための演算方法や演算順序が異なっていてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
Ｓ 超音波診断装置
２ 超音波探触子
１２ 送信部
１２２ パルス発生回路
１２３ 駆動信号波形設定部
１３ 受信部
１３５ 信号成分抽出部
１３７ａ，１３７ｂ 位相調整フィルター（位相変更部）
１３８ 信号加算器（信号合成部）
１４ 画像生成部
１４４ 輝度データ加算器
【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】
超音波画像診断装置は、超音波パルス反射法により、体表から被検体内の軟組織の断層像を低侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波画像診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線等の被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等の多くの特長を有する。そのため、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿器科系（腎臓、膀胱）、および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
さらに、近年、超音波画像を用いた診断の精度向上のために、従来のような超音波の基本波成分ではなく、高調波成分を用いたハーモニックイメージング（ＨＩ）診断が行われている。高調波成分は、送信する基本波成分が被検体内における非線形性の影響を受けて生じる周波数成分である。ＨＩ診断は、従来の基本波成分によるＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。
【０００４】
ＨＩ診断により得られる超音波画像は、基本波成分による超音波画像と比較して、サイドローブレベルが小さいことでＳ／Ｎが高く、コントラスト分解能が向上すること、ビーム幅が細くなり方位分解能が向上すること等の利点を有する。さらに、近距離では音圧が小さく、さらに音圧の変動が少ないので多重反射が起こらないこと、焦点以遠の減衰は基本波成分並みであり、高調波成分は、同一周波数の基本波成分に比べ深達度を大きく取れること、等の多くの利点を有している。
【０００５】
高調波成分による超音波画像診断は、上述したように、多くの利点を有しているが、送受信を行う超音波の周波数帯域は、使用する超音波探触子の特性により規定される周波数帯域に限定されてしまうため、距離分解能が向上しないという問題があった。
【０００６】
これに対し、従来の超音波画像診断装置において、周波数の異なる２つの基本波について、それぞれ波形の位相調整を行って超音波の送受信を行い、受信した２つの基本波成分から得られる差音成分を利用して広帯域の高調波成分を取得するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また、位相が調整された広帯域な波形の送信信号により超音波の送信を行い、これを受信して得たベースバンド高調波成分を利用して広帯域の高調波成分を取得するようにしたものもある（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２９８６２０号公報
【特許文献２】特開２００８−４３７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記各特許文献に記載された技術の何れも、位相が調整された特殊な波形である送信信号を生成する必要があることから、特別な送信回路構成を必要とし、回路規模が大きくなりコストがかかる。
【００１０】
また、一般的な送信信号として適用される矩形波を生成する送信回路を利用した超音波画像診断装置が知られているが、このような超音波画像診断装置では、送信信号に複数周波数を含ませたり、広帯域な信号波形による送信超音波の出力は可能であるが、位相の調整を任意に行うことが困難であり、広帯域の高調波成分を取得することは困難である。
【００１１】
また、上記各特許文献に記載された技術の何れも、所望の波形に調整された送信信号を生成できたとしても、超音波が伝搬する媒質の不均一性やビームフォーミング等により、送信信号を調整して得られた超音波の位相が超音波の伝搬中に崩れてしまうことがあるが、上記各特許文献に記載された技術では、このような状態を調整することはできないため、良好な超音波画像を取得することができない場合がある。
【００１２】
本発明の課題は、簡便な構成で送信超音波を出力可能な送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好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】
【００１３】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、超音波画像診断装置において、
駆動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超音波探触子と、
時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ前記駆動信号として出力して前記超音波探触子に前記送信超音波を生成させる送信部と、
前記第１の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第１の受信信号と、前記第２の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第２の受信信号と、前記第３の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第３の受信信号と、前記第４の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第４の受信信号と、を合成して高次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する信号成分抽出部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
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、
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係を変更する位相変更部と、
前記位相変更部によって相対的な位相関係が変更された前記高次高調波成分及び前記差音成分を合成する信号合成部と、
前記信号合成部によって合成された受信信号に基づいて前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波画像診断装置において、
前記位相変更部は、前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係の変更量を、前記超音波探触子が受信する反射超音波の深度に応じて設定することを特徴とする。
【００１６】
請求項４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、
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分及び前記差音成分のそれぞれについて、信号の大きさを画像の輝度を示す輝度データに変換し、前記高次高調波成分から変換された輝度データと、前記差音成分から変換された輝度データとを合成して前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
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、
前記高次高調波成分は２次高調波成分であることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の超音波画像診断装置において、
前記信号成分抽出部は、前記第１の受信信号、第２の受信信号、第３の受信信号及び第４の受信信号の和を求めることにより前記２次高調波成分を抽出し、前記第１の受信信号及び第２の受信信号の和と、前記第３の受信信号及び第４の受信信号の和との差分を求めることにより前記差音成分を抽出することを特徴とする。
【００１９】
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、
前記送信部は、矩形波のパルス信号にて前記駆動信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡便な構成で送信超音波を出力可能な送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好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】
【００２１】
【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】受信部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】画像処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図６】第１の送信信号の波形について説明する図である。
【図７】第３の送信信号の波形について説明する図である。
【図８】第１〜第４の送信信号の関係性について説明する図である。
【図９】第１〜第４の送信信号の信号波形を周波数空間で表した図である。
【図１０】第１の送信信号の波形の一例について説明する図である。
【図１１】基本波成分の経過時間と強度との関係を示す図である。
【図１２】第１の基本波成分と第２の基本波成分との強度積を示す図である。
【図１３】送信信号に対する反射超音波の高調波成分の位相の関係について説明する図である。
【図１４】送信信号に対する反射超音波の高調波成分の位相の関係について説明する図である。
【図１５】高調波成分を抽出する過程について説明する図である。
【図１６】２次高調波成分と差音成分とを分離抽出する過程について説明する図である。
【図１７】２次高調波成分と差音成分の帯域について説明する図である。
【図１８】高調波成分の帯域について説明する図である。
【図１９】高調波成分の位相調整の手順について説明する図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る受信部の概略構成を示すブロック図である。
【図２１】第２の実施の形態に係る画像処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図２２】従来の周波数コンパウンドの手法について説明する図である。
【図２３】第２の実施の形態に係る周波数コンパウンドの手法について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（第１の実施の形態）
第１の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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、駆動信号波形設定部１２３及び遅延回路１２４を備えている。
【００２８】
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、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。また、矩形波によるパルス信号に限らず、例えば、正弦波等、他の波形による信号を発生させるものであってもよい。
駆動信号波形設定部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ことにより、駆動信号の波形を設定する。すなわち、パルス発生回路１２２は、駆動信号波形設定部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。なお、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可能に設定できるものであってもよい。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。なお、駆動信号波形設定部１２３によるデューティー比の設定の詳細については、後述する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、図４に示すように、ＡＭＰ（Amplifier）１３１、ＡＤＣ（Analog/Digital Converter）１３２、整相加算部１３３、音線メモリー１３４、信号成分抽出部１３５、帯域調整フィルター１３６ａ，１３６ｂ、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂ及び信号加算器１３８を備えている。
【００３２】
ＡＭＰ１３１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。
ＡＤＣ１３２は、増幅された受信信号をアナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）するための回路である。
整相加算部１３３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）して音線データを生成するための回路である。すなわち、整相加算部１３３は、振動子２ａ毎の受信信号に対して受信ビームフォーミングを行って音線データを生成する。
音線メモリー１３４は、整相加算部１３３にて生成された音線データを一時的に保持しておくためのメモリーである。音線メモリー１３４は、複数の音線データについて領域を異ならせて保持することができる。
【００３３】
信号成分抽出部１３５は、音線メモリー１３４に保持されている複数の音線データを読み出し、これらを加減算処理することにより、差音成分と２次高調波成分とを抽出する。差音成分及び２次高調波成分の抽出の要領については後述する。信号成分抽出部１３５は、２次高調波成分が抽出された音線データを帯域調整フィルター１３６ａに出力するとともに、差音成分が抽出された音線データを帯域調整フィルター１３６ｂに出力する。
【００３４】
帯域調整フィルター１３６ａは、入力した音線データに対し、２次高調波成分の周波数帯域以外の信号成分を除去するようなフィルター処理を施す帯域制限フィルター（Band Pass Filter）である。帯域調整フィルター１３６ａは、フィルター処理を施した音線データを位相調整フィルター１３７ａに出力する。なお、本実施の形態において、帯域調整フィルター１３６ａを設けない構成としてもよい。
位相調整フィルター１３７ａは、入力した音線データの位相を所定量だけ変位させて出力するフィルターである。音線データの位相の変位量は、制御部１８からの指示により、例えば、受信する反射超音波の深度に応じて可変する。このように構成することで、深度によっては高調波成分の帯域が広がらないような場合でも、位相の変位量を調整することで広帯域化を図ることができるようになる。
【００３５】
帯域調整フィルター１３６ｂは、入力した音線データに対し、差音成分の周波数帯域以外の信号成分を除去するようなフィルター処理を施す帯域制限フィルターである。帯域調整フィルター１３６ｂは、フィルター処理を施した音線データを位相調整フィルター１３７ｂに出力する。なお、本実施の形態において、帯域調整フィルター１３６ｂを設けない構成としてもよい。
位相調整フィルター１３７ｂは、入力した音線データの位相を所定量だけ変位させて出力するフィルターである。音線データの位相の変位量は、制御部１８からの指示により、例えば、受信する反射超音波の深度に応じて可変する。このように構成することで、深度によっては高調波成分の帯域が広がらないような場合でも、位相の変位量を調整することで広帯域化を図ることができるようになる。
なお、本実施の形態では、２次高調波成分の位相を変更するための位相調整フィルター１３７ａと、差音成分の位相を変更するための位相調整フィルター１３７ｂとの両方を設けるようにしたが、何れか一方のみ設けられた態様であってもよい。
【００３６】
信号加算器１３８は、位相調整フィルター１３７ａ及び位相調整フィルター１３７ｂから出力された音線データを加算することによって差音成分と２次高調波成分とが合成された音線データを生成し、画像生成部１４に出力する。
【００３７】
以上のように、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂは、信号成分抽出部によって抽出された高次高調波成分と差音成分との間の相対的な位相関係を変更する位相変更部を構成する。
また、信号加算器１３８は、位相変更部によって相対的な位相関係が変更された高次高調波成分及び差音成分を合成する信号合成部を構成する。
【００３８】
画像生成部１４は、図５に示すように、例えば、包絡線検波部１４１、対数変換部１４２及び輝度変換部１４３を備えている。
包絡線検波部１４１は、入力した音線データに対して全波整流を行い、包絡線データを得る。包絡線検波部１４１は、取得した包絡線データを対数変換部１４２に出力する。
対数変換部１４２は、入力した包絡線データに対して対数増幅を行う。このとき、ゲインやダイナミックレンジの調整等を行ってもよい。
輝度変換部１４３は、対数増幅された包絡線データ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モード画像データを生成する。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。輝度変換部１４３は、このようにして生成されたＢモード画像データをメモリー部１５に出力する。
【００３９】
メモリー部１５は、図２に示すように、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画像データ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画像データは、制御部１８の制御に従って読み出され、ＤＳＣ１６に送信される。
【００４０】
ＤＳＣ１６は、メモリー部１５より受信した超音波画像データ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。
【００４１】
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デ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。本実施の形態では、表示部１７として、白色もしくはフルカラーＬＥＤ（Light-Emitting Diode）のバックライトを備えたＬＣＤが適用されている。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。
【００４２】
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を一時的に記憶するワークエリアを形成する。
【００４３】
次に、上述のようにして構成された超音波画像診断装置Ｓの送信部１２によって生成される駆動信号について説明する。
本実施の形態では、超音波画像診断装置Ｓにより、４回の超音波の送受信を行って１つの音線データを得ることで、広帯域で良質な高調波成分を取得できるように構成されている。より具体的には、送信部１２の駆動信号波形設定部１２３により、時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号とがそれぞれ生成されるように駆動信号の波形を設定し、第１〜第４の送信信号をそれぞれ送受信することにより得られた受信信号を、受信部１３の信号成分抽出部１３５及び信号加算器１３８により合成することによって、広帯域で良質な高調波成分を取得する。
【００４４】
先ず、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第１の送信信号を生成する。図６は、第１の送信信号に適用される好ましい駆動信号の波形の一例を示している。
すなわち、図６に示される第１の送信信号の波形は、１周期がＴ０の周期関数ｆ（ｔ）で表された矩形波であり、デューティー比を規定するパラメーターＡ及びパラメーターＢを使用してフーリエ級数展開を行って、周波数１／Ｔ０の整数倍の成分の和として表現されたものである。図６に示すように、−Ｔ０／２からＴ０／２までのパルスからなる第１の送信信号の波形は、時間軸で非対称の信号波形により形成されている。
そして、図６に示される周期関数ｆ（ｔ）は、下記式（１）によって表すことができる。
【数１】
【００４５】
上記式（１）中、成分ａ０、係数ａｎ及び係数ｂｎは、下記式（２）〜（４）に示される式に置き換えることができる。
【数２】
【００４６】
そして、ｎ＝１のとき、係数ａ１及び係数ｂ１は下記式（５）及び（６）によって示される。
【数３】
【００４７】
また、ｎ＝２のとき、係数ａ２及び係数ｂ２は下記式（７）及び（８）によって示される。
【数４】
【００４８】
ここで、使用する超音波探触子２の帯域特性により、超音波探触子２を通過する送信信号の波形の成分は、第１の基本波成分及び第１の基本波成分の２倍の周波数成分である第２の基本波成分が支配的となる。したがって、超音波探触子２の帯域特性により規定される帯域よりも低周波である成分ａ０、及び、第１の基本波成分の３倍以上の周波数成分については無視することができ、図６に示される周期関数ｆ（ｔ）は、下記式（９）によって近似的に表すことができる。
【数５】
【００４９】
したがって、上記式（９）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２によって出力される。
なお、第１の送信信号の波形は上述したものに限定されず、適宜設定することができる。
【００５０】
次に、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第２の送信信号を生成する。第２の送信信号は、第１の送信信号の位相を１８０度変位させることにより形成される。すなわち、第２の送信信号は、第１の送信信号の信号波形を位相反転させたものである。
このようにして生成された第２の送信信号は、周期関数−ｆ（ｔ）によって表される。ここで、超音波探触子２を通過する第２の送信信号の波形の成分も、第１の送信信号と同様に、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が支配的となるため、周期関数−ｆ（ｔ）は、下記式（１０）によって近似的に表すことができる。
【数６】
【００５１】
したがって、上記式（１０）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２によって出力される。
【００５２】
次に、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第３の送信信号を生成する。第３の送信信号は、図７に示すように、−Ｔ０／２からＴ０／２までのパルスからなる第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させることにより形成される。
このようにして生成された第３の送信信号は、図７に示すように、周期関数ｇ（ｔ）によって表される。ここで、超音波探触子２を通過する第３の送信信号の波形の成分も、第１の送信信号と同様に、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が支配的となるため、周期関数ｇ（ｔ）は、下記式（１１）によって近似的に表すことができる。
【数７】
【００５３】
したがって、上記式（１１）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２により出力される。
【００５４】
次に、送信部１２は、駆動信号波形設定部１２３によって第４の送信信号を生成する。第４の送信信号は、第１の送信信号の信号波形を位相反転し、さらに時間軸で反転させることにより形成される。
このようにして生成された第４の送信信号は、周期関数−ｇ（ｔ）によって表される。ここで、超音波探触子２を通過する第４の送信信号の波形の成分も、第１の送信信号と同様に、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が支配的となるため、周期関数−ｇ（ｔ）は、下記式（１２）によって近似的に表すことができる。
【数８】
【００５５】
したがって、上記式（１２）によって表された第１の基本波成分及び第２の基本波成分を主要な成分とする送信超音波が、超音波探触子２によって出力される。
【００５６】
以上のように生成された第１〜第４の送信信号は、図８に示すような関係として表すことができる。ここで、図８（ａ）に示される周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形は、フーリエ級数展開により、ｎ＝１の場合はｓｉｎ波が、ｎ＝２の場合はｃｏｓ波が表れていることがわかる。そして、図８（ａ）に示される周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形を位相反転させると、図８（ｂ）に示されるように、第１項及び第２項の符号が反転した、周期関数−ｆ（ｔ）で表される第２の送信信号が生成される。これは、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形のうちの、ｓｉｎ波及びｃｏｓ波の位相を１８０度変位させることと同義となる。また、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させると、図８（ｃ）に示すように、第１項の符号が反転した、周期関数ｇ（ｔ）で表される第３の送信信号が生成される。これは、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形のうちの、ｓｉｎ波の位相のみを１８０度変位させることと同義となる。また、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させると、図８（ｄ）に示すように、第２項の符号が反転した、周期関数−ｇ（ｔ）で表される第４の送信信号が生成される。これは、周期関数ｆ（ｔ）で表される第１の送信信号の信号波形のうちの、ｃｏｓ波の位相のみを１８０変位させることと同義となる。ここで、図８（ｂ）に示される第２の送信信号の信号波形を時間軸で反転させることによっても、第４の送信信号を得ることができる。さらに、図８（ｃ）に示される第３の送信信号の信号波形を位相反転させることによっても、第４の送信信号を得ることができる。
【００５７】
図８に示された第１〜第４の送信信号の信号波形の関係を周波数空間で表すと、図９に示すようになる。ここで、図９中、「Ｉｍ」は虚数軸を示し、「Ｒｅ」は実数軸を示す。図９（ａ）は、第１の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１１）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２１）の位相を示している。また、図９（ｂ）は、第２の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１２）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２２）の位相を示している。また、図９（ｃ）は、第３の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１３）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２３）の位相を示している。また、図９（ｄ）は、第４の送信信号の信号波形に含まれるｓｉｎ波（第１の基本波成分ｎ１４）の位相及びｃｏｓ波（第２の基本波成分ｎ２４）の位相を示している。
【００５８】
図９に示すように、第１の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１１及び第２の基本波成分ｎ２１と、第２の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１２及び第２の基本波成分ｎ２２とはそれぞれ逆相の関係であることがわかる。また、第３の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１３及び第２の基本波成分ｎ２３と、第４の送信信号に含まれる第１の基本波成分ｎ１４及び第２の基本波成分ｎ２４とはそれぞれ逆相の関係であることがわかる。
【００５９】
本実施の形態では、送信部１２は、第１の送信信号を形成する最も適切な信号波形の一例として、図１０に示すような矩形波による第１の送信信号Ｓを生成するようにしている。この第１の送信信号Ｓは、１周期が１７６ｎｓｅｃであって、パラメーターＡが１６ｎｓｅｃに設定され、パラメーターＢが５６ｎｓｅｃに設定されている。すなわち、第１の送信信号Ｓは、周期の始期の時点で強度が０から１．０まで立ち上がった後、パラメーターＡによって規定される１６ｎｓｅｃが経過した時点で強度が１．０から−１．０まで立ち下がる。その後、第１の送信信号Ｓは、パラメーターＢによって規定される５６ｎｓｅｃが経過した時点で、強度が−１．０から１．０まで立ち上がった後、パラメーターＡによって規定される１６ｎｓｅｃの間、強度１．０の状態が維持されるように半周期（８８ｎｓｅｃ）分の信号波形が形成されている。その後、第１の送信信号Ｓは、周期の終期となるまで強度を１．０に維持した後、０まで立ち下がるような信号波形が形成されている。
【００６０】
以上のように形成された第１の送信信号Ｓをフーリエ級数展開すると、５．７ＭＨｚの第１の基本波成分Ｆ０と、その２倍の周波数１１．４ＭＨｚである第２の基本波成分Ｆ１とが含まれていることがわかる。
【００６１】
本実施の形態では、第１の送信信号ＳにおけるパラメーターＢを以下の理論により設定している。図１１は、第１の基本波成分Ｆ０及び第２の基本波成分Ｆ１の、矩形波の信号が立ち上がってからの経過時間と各基本波成分の強度との関係について示しており、図１２は、第１の基本波成分Ｆ０の強度と第２の基本波成分Ｆ１の強度とを乗じて得た強度積ＦＰを示している。
図１２に示すように、第１の基本波成分Ｆ０及び第２の基本波成分Ｆ１の強度積ＦＰは、矩形波の信号の立ち上がり後、およそ５３ｎｓｅｃが経過した時点において極大値を示している。パラメーターＢをこの極大値を示す時間に設定すると、差音成分が最も効率よく発生し、また、第１の基本波成分Ｆ０の損失も、矩形波の信号の立ち上がりから８８ｎｓｅｃが経過した時点において示す極大値のおよそ８４％程度であるため、最適となる。本実施の形態では、パラメーターＡ及びパラメーターＢは、例えば、それぞれ８ｎｓｅｃ単位で設定されるため、パラメーターＢは、上述した５３ｎｓｅｃに近似する５６ｎｓｅｃに設定されている。
なお、パラメーターＡ及びパラメーターＢについては、上述したようにして設定されたものに限定されず、種々の条件に応じて適宜設定することができるが、パラメーターＡとパラメーターＢとが等しいものでないものとするのが好適である。
【００６２】
次に、上述のようにして生成された第１〜第４の送信信号を超音波探触子２に入力することによって出力される超音波が被検体内で伝搬することにより発生する非線形成分について説明する。
【００６３】
超音波の伝搬は、その音圧が有意に高い場合には、非線形波動方程式で表される挙動を示すことが知られている。この非線形波動方程式は、元になる超音波が、超音波の元の波形が持つ周波数成分の干渉によって種々の周波数成分を発生させながら伝搬する挙動を表現しており、この超音波の伝搬によって発生する周波数成分は高調波成分（非線形成分）と呼ばれる。この高調波成分は、簡易的に、伝搬する超音波の波形の２乗の時間微分として近似できるため、伝搬の元になる超音波の波形（基本波）を特定できれば、発生する高調波成分も推定することができる。
【００６４】
以上の理論により、上記式（９）に示される周期関数ｆ（ｔ）によって示される第１の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分は、下記式（１３）によって表すことができる。
【数９】
【００６５】
ここでも、超音波探触子２の帯域特性によって通過する超音波の帯域が規定される。その結果、上記式（１３）に示される高調波成分のうち、超音波探触子２を通過するのは、上記式（１３）中の第１項に示される第１の基本波成分の２倍の周波数成分である高次高調波成分としての２次高調波成分と、上記式（１３）中の第３項に示される第１の基本波成分及び第２の基本波成分の非線形効果から生ずる差音成分と、となる。すなわち、超音波探触子２を通過する高調波成分は、下記式（１４）によって表すことができる。
【数１０】
【００６６】
上記式（１４）に示される、第１の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる高調波成分を周波数空間で表すと、図１３に示すようになる。ここで、図１３（ａ）は、第１の送信信号の信号波形に含まれる第１の基本波成分ｎ１１と第２の基本波成分ｎ２１とを表しており、図１３（ｂ）は、第１の基本波成分ｎ１１の２次高調波成分ｓ１と、第１の基本波成分ｎ１１及び第２の基本波成分ｎ２１の差音成分ｄ１とを示している。図１３（ｂ）に示すように、２次高調波成分ｓ１と差音成分ｄ１とは位相が異なっていることがわかる。
【００６７】
また、上記式（１０）に示される周期関数−ｆ（ｔ）によって示される第２の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分については、上記式（１３）によって第１の送信信号と同様にして表すことができる。
【００６８】
また、上記式（１１）に示される周期関数ｇ（ｔ）によって示される第３の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分は、下記式（１５）によって表すことができる。
【数１１】
【００６９】
同様に、上記式（１２）に示される周期関数−ｇ（ｔ）によって示される第４の送信信号が超音波探触子２に与えられて出力される超音波により生ずる高調波成分についても、上記式（１５）によって表すことができる。
【００７０】
そして、上述した第１〜第４の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる高調波成分の関係を周波数空間で表すと、図１４に示すようになる。ここで、図１４（ａ）は、第１の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ１の位相及び差音成分ｄ１の位相を示している。また、図１４（ｂ）は、第２の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ２の位相及び差音成分ｄ２の位相を示している。また、図１４（ｃ）は、第３の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ３の位相及び差音成分ｄ３の位相を示している。また、図１４（ｄ）は、第４の送信信号によって出力された超音波から得られた反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ４の位相及び差音成分ｄ４の位相を示している。
【００７１】
図１４に示すように、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ１及び差音成分ｄ１と、第２の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ２及び差音成分ｄ２とは、それぞれ同相であることがわかる。また、第３の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ３及び差音成分ｄ３と、第４の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ４及び差音成分ｄ４とは、それぞれ同相であることがわかる。
【００７２】
また、図１４に示すように、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ１、第２の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ２、第３の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ３及び第４の送信信号に対応する反射超音波に含まれる２次高調波成分ｓ４は、何れも同相で発生していることがわかる。これは、２次高調波成分が第１の基本波成分の２乗によって求められるためである。
【００７３】
また、差音成分は、第１の基本波成分及び第２の基本波成分の非線形効果によって発生する。
第１の送信信号と第２の送信信号とは位相反転の関係にあって第１の基本波成分と第２の基本波成分との位相関係が実質的に同じであるため、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ１及び第２の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ２は、図１４に示すように、同相で発生する。
また、第３の送信信号及び第４の送信信号は、第１の送信信号とは時間軸反転の関係にあるため、第１の基本波成分と第２の基本波成分との位相関係が第１の送信信号とは異なる。したがって、第３の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ３の位相及び第４の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ４の位相は、図１４に示すように、第１の送信信号に対応する反射超音波に含まれる差音成分ｄ１とは逆相で現れる。
【００７４】
以上のようにして第１〜第４の送信信号によって超音波探触子２から送信された送信超音波に対応する反射超音波を超音波探触子２にて受信することによって得られた受信信号に基づいて超音波画像データを生成する方法について説明する。
【００７５】
先ず、超音波画像診断装置Ｓの受信部１３は、上述のようにして第１〜第４の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波が超音波探触子２によって電気信号に変換されることにより得られた受信信号について、それぞれ、ＡＭＰ１３１、ＡＤＣ１３２及び整相加算部１３３によって上述した処理を行って音線データ（第１〜第４の音線データ）を生成し、音線メモリー１３４にそれぞれ領域を異ならせて保持する。ここで、第１の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第１の受信信号と呼び、第２の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第２の受信信号と呼び、第３の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第３の受信信号と呼び、第４の送信信号によって送信された送信超音波に対応する反射超音波から得られた受信信号を第４の受信信号と呼ぶこととする。
【００７６】
上述のようにして第１〜第４の音線データがそれぞれ音線メモリー１３４に保持されると、信号成分抽出部１３５は、以下のようにして高調波成分を抽出し、さらに、抽出した高調波成分から２次高調波成分と差音成分とに分離する。
ここで、超音波画像においては、受信信号に含まれる高調波成分のみを画像化することにより、低アーチファクトで高解像度の画像を得ることができることが知られている。そのため、受信信号から高調波成分のみを取り出し、これを画像化する様々な手法が知られている。受信信号から高調波成分のみを取り出す技術として広く知られているものにパルスインバージョンがある。これは、位相の反転した２つの送信超音波を送信し、それぞれに対応する反射超音波から得られる受信信号を加算することにより、受信信号に含まれる基本波成分を除去して高調波成分のみを抽出するものであり、高調波成分の位相不変性を利用した技術である。
本実施の形態では、このパルスインバージョンの技術を利用して高調波成分を抽出した上で、この高調波成分から２次高調波成分と差音成分とに分離するようにしている。
【００７７】
信号成分抽出部１３５は、音線メモリー１３４から第１の音線データと第２の音線データとを読み出し、これらを加算して第１の合成データを生成する。すなわち、信号成分抽出部１３５は、第１の音線データと第２の音線データとを加算することにより、基本波成分が除去されて高調波成分が強調された第１の合成データを生成する。つまり、第１の音線データと第２の音線データとが加算されると、図１５（ａ）に示される第１の音線データに含まれる第１の基本波成分ｎ１１及び第２の基本波成分ｎ２１が、図１５（ｂ）に示される第２の音線データに含まれる第１の基本波成分ｎ１２及び第２の基本波成分ｎ２２とそれぞれ逆相であるため、図１５（ｃ）に示すように、第１の基本波成分及び第２の基本波成分は相殺されて除去される。一方、図１５（ａ）に示される第１の音線データに含まれる２次高調波成分ｓ１及び差音成分ｄ１は、第２の音線データに含まれる２次高調波成分ｓ２及び差音成分ｄ２と同相であるため、図１５（ｃ）に示すように、加算後の音線データ、すなわち、第１の合成データにおいて、２次高調波成分ｓ１２及び差音成分ｄ１２が強調される。このようにして、信号成分抽出部１３５は、第１の受信信号（第１の音線データ）と第２の受信信号（第２の音線データ）とから高調波成分の抽出を行う。
【００７８】
また、信号成分抽出部１３５は、同様にして、音線メモリー１３４から第３の音線データと第４の音線データとを読み出し、これらを加算して第２の合成データを生成する。その結果、第１の基本波成分及び第２の基本波成分が相殺され、２次高調波成分ｓ３４及び差音成分ｄ３４（図１６（ｂ）参照）が強調された第２の合成データが生成される。このようにして、信号成分抽出部１３５は、第３の受信信号（第３の音線データ）と第４の受信信号（第４の音線データ）とから高調波成分の抽出を行う。
【００７９】
そして、信号成分抽出部１３５は、上述のようにして得られた第１の合成データと第２の合成データとから、以下のようにして２次高調波成分と差音成分との分離を行う。すなわち、図１６（ａ）に示される第１の合成データと図１６（ｂ）に示される第２の合成データとは、２次高調波成分が同相の関係にあって、差音成分が逆相の関係にある。そのため、信号成分抽出部１３５は、最初に、第１の合成データと第２の合成データとを加算することにより、図１６（ｃ）に示されるような差音成分が除去されて２次高調波成分ｓ１２３４が強調された第３の合成データを生成することができる。また、信号成分抽出部１３５は、第１の合成データと第２の合成データとを減算することにより、図１６（ｄ）に示されるような２次高調波成分が除去されて差音成分ｄ１２３４が強調された第４の合成データを生成することができる。
【００８０】
ところで、従来のパルスインバージョンの技術によれば、受信信号から高調波成分の抽出を行うことができるが、抽出された高調波成分には２次高調波成分と差音成分とが混然一体に含まれているため、これらを分離抽出することができなかった。本実施の形態では、上述のように構成することにより、高調波成分から２次高調波成分と差音成分とを分離抽出することができる。
【００８１】
信号成分抽出部１３５は、上述のようにして生成された第３の合成データを帯域調整フィルター１３６ａに出力し、第４の合成データを帯域調整フィルター１３６ｂに出力する。帯域調整フィルター１３６ａ，１３６ｂによってそれぞれフィルター処理された各合成データは、それぞれ、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂに入力される。
【００８２】
ここで、本実施の形態における高調波成分の位相調整の手法について説明する。
【００８３】
図１７（ａ）は、第１の合成データを示している。すなわち、図１７（ａ）の周波数空間上に示される音線データは、第１の音線データと第２の音線データとが加算されることにより、従来のパルスインバージョンによって高調波成分が強調された音線データである。
【００８４】
図１７（ａ）に示される第１の合成データには、２次高調波成分ｓ１２と差音成分ｄ１２とが含まれている。実際には、これらの高調波成分は有限長の波形によって構成されているため、図１７（ｂ）に示すように、それぞれ一定の広がりを有する帯域を持っている。これらの高調波成分の帯域は、ある周波数帯で互いに重なり合う場合がある。図１７（ｂ）に示す例では、２次高調波成分の帯域ＳＨ０の低周波領域と、差音成分の帯域ＤＴ０の高周波領域とが重なっている。このように、２次高調波成分の帯域ＳＨ０と差音成分の帯域ＤＴ０とが重なった領域Ｐでは、２つの高調波成分の位相干渉が生じ、これらの高調波成分の位相状態によって相互に信号の強度を強め合ったり、弱め合ったりする。
【００８５】
より具体的には、例えば、図１８（ａ）に示すように、２次高調波成分の帯域ＳＨ１の位相と差音成分の帯域ＤＴ１の位相とが近似した場合には、互いに信号の強度を強め合う関係となり、２次高調波成分と差音成分とが重畳された結果、帯域が拡大された高調波成分の帯域ＡＷ１を持つようになる。このような高調波成分の帯域ＡＷ１を有する音線データが得られれば、時間分解能が向上し、したがって、高分解能で高画質な超音波画像を取得することができる。
【００８６】
一方、例えば、図１８（ｂ）に示すように、２次高調波成分の帯域ＳＨ２の位相と差音成分の帯域ＤＴ２の位相とが離間した場合には、互いに信号の強度を弱め合う関係となり、２次高調波成分と差音成分とが重畳された結果、帯域が狭小された高調波成分の帯域ＡＷ２を持つようになる。このような高調波成分の帯域ＡＷ２では、帯域に谷間が生じてしまい、帯域が分離されるようになる。したがって、高調波成分を抽出したとしても、超音波画像の高画質化が望めないという結果となってしまう。
【００８７】
従来の超音波画像診断装置では、受信信号を信号処理することによっては２次高調波成分と差音成分とを分離抽出することができなかったため、例えば、２次高調波成分の位相と差音成分の位相とが近似するように、送信信号の信号波形を調整するようにしたが、これらの高調波成分の位相を常に良好な状態に制御することは、超音波が伝搬する被検体の媒質の不均一性や、これによって生じるビームフォーミングの精度不良等により、超音波の位相が崩れてしまうことがあるため、困難であった。したがって、送信信号の信号波形を調整して送信超音波を送信し、反射超音波から得られた受信信号から高調波成分を抽出したとしても、図１８（ｂ）に示すような、２次高調波成分と差音成分とが弱め合うような受信信号が取得される場合がある。
【００８８】
また、２次高調波成分と差音成分とを帯域制限フィルターを用いて分離することも行われたが、２次高調波成分と差音成分とが混然一体に含まれた受信信号では、位相状態の分離を行うことができないため、超音波画像の高画質化を望むことはできない。
【００８９】
これに対し、本実施の形態では、上述のようにして、受信信号から２次高調波成分と差音成分とを分離抽出することができるので、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂによって２次高調波成分の位相及び差音成分の位相についてそれぞれ自在に調整することができる。すなわち、２次高調波成分の位相及び差音成分の位相を相対的に近似させて、高調波成分の帯域を拡大させることができるようになる。
【００９０】
例えば、図１９（ａ）に示すように、２次高調波成分の帯域ＳＨ２の位相と差音成分の帯域ＤＴ２の位相とが１８０度離間するような場合には、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）に示すように、信号成分抽出部１３５によって２次高調波成分と差音成分とを分離させた後、位相調整フィルター１３７ｂによって差音成分の位相を１８０度ずらす。すると、図１９（ｄ）に示すように、位相が変更された差音成分の帯域ＤＴ２ａが２次高調波成分の帯域ＳＨ２と近似するようになる。そして、信号加算器１３８によってこれらの高調波成分が加算されることにより、帯域が拡大されて広帯域となった高調波成分の帯域ＡＷ２ａを有する音線データを得ることができるようになる。
【００９１】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、上述のようにして２次高調波成分と差音成分とを分離抽出した後、それぞれの位相の調整を行うことに代えて、それぞれの高調波成分について輝度変換を行い、これらを合成（コンパウンド処理）して超音波画像データを得る。２次高調波成分と差音成分とをそれぞれ輝度変換して得られた輝度データを加算することにより、スペックルやノイズ（以下、ノイズ等ということがある。）を抑圧し、超音波画像の空間分解能を向上させることができる。
第２の実施の形態では、超音波画像診断装置Ｓの受信部１３と画像生成部１４とが変更された点で、第１の実施の形態とは異なっている。なお、第１の実施の形態における超音波画像診断装置Ｓと同様の機能構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００９２】
第２の実施の形態における超音波画像診断装置Ｓの受信部１３は、図２０に示すように、第１の実施の形態において上述したようにして信号成分抽出部１３５によって第３の合成データ及び第４の合成データを生成し、それぞれについて帯域調整フィルター１３６ａ，１３６ｂによってフィルター処理を行った後、これらを画像生成部１４に出力する。
【００９３】
画像生成部１４は、図２１に示すように、受信部１３から送信されたフィルター処理後の第３の合成データ及び第４の合成データについて、それぞれ、包絡線検波部１４１ａ，１４１ｂによる包絡線データへの変換、対数変換部１４２ａ，１４２ｂによる対数増幅、及び、輝度変換部１４３ａ，１４３ｂによる振幅／輝度変換を行った後、輝度データ加算器１４４によって第３の合成データ及び第４の合成データからそれぞれ得られた輝度データを加算してＢモード画像データを生成し、メモリー部１５に出力する。すなわち、輝度データ加算器１４４は、第３の合成データ及び第４の合成データからそれぞれ得られた輝度データに対して周波数コンパウンド処理を行ってＢモード画像データを得る。
【００９４】
ところで、スペックルを抑制する方法としては、受信信号を異なる周波数成分からなる２つの信号に分離し、それぞれの信号を輝度変換してから合成する方法（周波数コンパウンド）も考えられる。受信信号の分離はフィルター処理によって行われる。このとき、周波数コンパウンド処理の効果を向上させるために、フィルターの通過帯域が重複しないように設定する手法が知られている。この手法によれば、フィルター処理された受信信号は狭帯域化されてしまう。その結果、解像度の低下を誘発することとなってしまう。また、図２２に示すように、フィルターの通過帯域をある程度重複させて設定する手法が取られる場合もある。この手法によれば、高調波成分の帯域ＨＳ０の狭帯域化は抑制されるが、複数のフィルターの通過帯域ＦＬ１，ＦＬ２の重複する部分Ｑにおいてはノイズ等の抑圧効果が発揮されないという問題がある。すなわち、従来の周波数コンパウンドの手法では、２次高調波成分の帯域と差音成分の帯域とが重畳する領域については、フィルター処理によってそれぞれの成分に分離することができないため、解像度の向上とノイズ等の抑圧との両者の課題を同時に解消することは困難であった。
【００９５】
これに対し、本実施の形態では、図２３に示すように、本来的に発生のプロセスの異なる２次高調波成分ＳＨ３と差音成分ＤＴ３との無相関性を確保したままで高調波成分の分離を行うことができ、これら分離された高調波成分に基づいて周波数コンパウンド処理が実施されるので、高調波成分の帯域ＨＳ１の狭帯域化を抑制でき、解像度を損失することなく、ノイズ等が効果的に抑圧された超音波画像を取得することができるようになる。
【００９６】
以上説明したように、第１及び第２の実施の形態によれば、超音波探触子２は、駆動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。送信部１２は、時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、第１の送信信号の信号波形を位相反転させて、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ駆動信号として出力して超音波探触子２に送信超音波を生成させる。信号成分抽出部１３５は、第１の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第１の受信信号と、第２の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第２の受信信号と、第３の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第３の受信信号と、第４の送信信号によって超音波探触子２から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第４の受信信号と、を合成して２次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する。その結果、簡便な構成で送信超音波を出力可能な矩形波による送信信号によって広帯域の高調波成分を取得し、良好な超音波画像を取得することができるようになる。また、発生のプロセスが異なる複数種類の高調波成分を受信信号から分離抽出してそれぞれについて処理することができるので、高調波成分を自由に制御して良好な超音波画像データを生成することができる。
【００９７】
また、第１の実施の形態によれば、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂは、信号成分抽出部１３５によって抽出された２次高調波成分と差音成分との間の相対的な位相関係を変更する。信号加算器１３８は、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂによって相対的な位相関係が変更された２次高調波成分及び差音成分を合成する。画像生成部１４は、信号加算器１３８によって合成された受信信号に基づいて被検体内の超音波画像データを生成する。その結果、発生のプロセスが異なる複数種類の高調波成分の位相を操作して、広帯域な高調波成分とすることができるので、高分解能で高画質な超音波画像を取得することができるようになる。
【００９８】
また、第１の実施の形態によれば、位相調整フィルター１３７ａ，１３７ｂは、２次高調波成分と差音成分との間の相対的な位相関係の変更量を、超音波探触子２が受信する反射超音波の深度に応じて設定する。その結果、深度に応じて変化する高調波成分の位相差を考慮して位相を操作することができるので、深度に応じて高分解能で高画質な超音波画像を取得することができるようになる。
【００９９】
また、第２の実施の形態によれば、画像生成部１４は、信号成分抽出部１３５によって抽出された２次高調波成分及び差音成分のそれぞれについて、信号の大きさを画像の輝度を示す輝度データに変換する。画像生成部１４は、２次高調波成分から変換された輝度データと、差音成分から変換された輝度データとを合成して被検体内の超音波画像データを生成する。その結果、広帯域でノイズやスペックルが効果的に抑制された超音波画像を取得することができる。
【０１００】
また、第１及び第２の実施の形態によれば、信号成分抽出部１３５は、第１の受信信号、第２の受信信号、第３の受信信号及び第４の受信信号の和を求めることにより２次高調波成分を抽出する。信号成分抽出部１３５は、第１の受信信号及び第２の受信信号の和と、第３の受信信号及び第４の受信信号の和との差分を求めることにより差音成分を抽出する。その結果、発生のプロセスが異なる複数種類の高調波成分を、簡便な方法にて受信信号から容易に分離抽出することができるようになる。
【０１０１】
また、第１及び第２の実施の形態によれば、送信部１２は、矩形波のパルス信号にて駆動信号を出力する。その結果、簡素な構成によって実現できるので、製造コストを低減できる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
また、本実施の形態では、受信信号に含まれる高調波成分として２次高調波成分と差音成分としているが、３次以上の高次高調波成分が含まれていてもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態では、超音波探触子２が受信する反射超音波の深度に応じて２次高調波成分と差音成分との位相の変位量を変更するようにしたが、深度にかかわらず２次高調波成分と差音成分との位相の同一の変位量としてもよい。
【０１０５】
また、本実施の形態において、受信信号から２次高調波成分と差音成分とを分離抽出するための演算方法や演算順序が異なっていてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
Ｓ 超音波診断装置
２ 超音波探触子
１２ 送信部
１２２ パルス発生回路
１２３ 駆動信号波形設定部
１３ 受信部
１３５ 信号成分抽出部
１３７ａ，１３７ｂ 位相調整フィルター（位相変更部）
１３８ 信号加算器（信号合成部）
１４ 画像生成部
１４４ 輝度データ加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動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超音波探触子と、
時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ前記駆動信号として出力して前記超音波探触子に前記送信超音波を生成させる送信部と、
前記第１の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第１の受信信号と、前記第２の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第２の受信信号と、前記第３の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第３の受信信号と、前記第４の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第４の受信信号と、を合成して高次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する信号成分抽出部と、
を備えたことを特徴とする超音波画像診断装置。
【請求項２】
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係を変更する位相変更部と、
前記位相変更部によって相対的な位相関係が変更された前記高次高調波成分及び前記差音成分を合成する信号合成部と、
前記信号合成部によって合成された受信信号に基づいて前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部と、
を備えた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】
前記位相変更部は、前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係の変更量を、前記超音波探触子が受信する反射超音波の深度に応じて設定することを特徴とする請求項２に記載の超音波画像診断装置。
【請求項４】
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分及び前記差音成分のそれぞれについて、信号の大きさを画像の輝度を示す輝度データに変換し、前記高次高調波成分から変換された輝度データと、前記差音成分から変換された輝度データとを合成して前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部を備えた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５】
前記高次高調波成分は２次高調波成分であ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】
前記信号成分抽出部は、前記第１の受信信号、第２の受信信号、第３の受信信号及び第４の受信信号の和を求めることにより前記２次高調波成分を抽出し、前記第１の受信信号及び第２の受信信号の和と、前記第３の受信信号及び第４の受信信号の和との差分を求めることにより前記差音成分を抽出することを特徴とする請求項５に記載の超音波画像診断装置。
【請求項７】
前記送信部は、矩形波のパルス信号にて前記駆動信号を出力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】
駆動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超音波探触子と、
時間軸で非対称の信号波形である第１の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させた第２の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を時間軸で反転させた第３の送信信号と、前記第１の送信信号の信号波形を位相反転させ、且つ、時間軸で反転させた第４の送信信号と、をそれぞれ前記駆動信号として出力して前記超音波探触子に前記送信超音波を生成させる送信部と、
前記第１の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第１の受信信号と、前記第２の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第２の受信信号と、前記第３の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第３の受信信号と、前記第４の送信信号によって前記超音波探触子から出力された送信超音波に対応する反射超音波から得られた第４の受信信号と、を合成して高次高調波成分と差音成分とをそれぞれ抽出する信号成分抽出部と、
を備えたことを特徴とする超音波画像診断装置。
【請求項２】
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係を変更する位相変更部と、
前記位相変更部によって相対的な位相関係が変更された前記高次高調波成分及び前記差音成分を合成する信号合成部と、
前記信号合成部によって合成された受信信号に基づいて前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部と、
を備えた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】
前記位相変更部は、前記高次高調波成分と前記差音成分との間の相対的な位相関係の変更量を、前記超音波探触子が受信する反射超音波の深度に応じて設定することを特徴とする請求項２に記載の超音波画像診断装置。
【請求項４】
前記信号成分抽出部によって抽出された前記高次高調波成分及び前記差音成分のそれぞれについて、信号の大きさを画像の輝度を示す輝度データに変換し、前記高次高調波成分から変換された輝度データと、前記差音成分から変換された輝度データとを合成して前記被検体内の超音波画像データを生成する画像処理部を備えた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５】
前記高次高調波成分は２次高調波成分であ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】
前記信号成分抽出部は、前記第１の受信信号、第２の受信信号、第３の受信信号及び第４の受信信号の和を求めることにより前記２次高調波成分を抽出し、前記第１の受信信号及び第２の受信信号の和と、前記第３の受信信号及び第４の受信信号の和との差分を求めることにより前記差音成分を抽出することを特徴とする請求項５に記載の超音波画像診断装置。
【請求項７】
前記送信部は、矩形波のパルス信号にて前記駆動信号を出力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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−１１１３０１（Ｐ２０１３−１１１３０１Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１０９９（Ｐ２０１１−２６１０９９）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【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２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【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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