超音波診断装置
【課題】基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を効率よく増幅することで、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】超音波を送信し、送信された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、受信信号から３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、３次高調波抽出部は、受信信号と、受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【解決手段】超音波を送信し、送信された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、受信信号から３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、３次高調波抽出部は、受信信号と、受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に３次高調波を用いる超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、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無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、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ではなく、高調波信号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。ＨＩ診断は、従来の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診断は、基本波に比較して、サイドローブレベルが小さいことでＳ／Ｎが良くコントラスト分解能が良くなること、周波数が高くなることでビーム幅が細くなり横方向分解能が良くな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並みであり、高調波の超音波は基本波の超音波に比べ深速度を大きく取れること、等の多くの利点を有している。
【０００５】
現在実用化されているＨＩ診断は、２次高調波を用いたものである。２次高調波は基本波に比べて信号強度が弱いために（２次高調波は、基本波の−６ｄＢ以下であるとされている）、２次高調波を効率よく取り出す方法が考案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１では、送信波を、位相を１８０°異ならせて２回送信することで、受信された位相が１８０°異なる反射波を重ね合わせて基本波成分を除去するとともに、２次高調波を２倍に増幅する、所謂パルスインバージョン法が示されている。
【０００７】
また、例えば特許文献２には、送信波を１回だけ送信し、受信された反射波にデジタル的に演算処理を加えることで、パルスインバージョン法を実現する方法が示されている。
【０００８】
一方、市場からは、２次高調波よりもさらに高解像度が実現できる３次高調波を用いたＨＩ診断技術が求められている。例えば特許文献３には、受信された超音波信号と、予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、より高いＳ／Ｎで３次高調波を抽出することのできる高品質超音波診断装置が示されている。
【０００９】
ただ、例えば特許文献１や特許文献２に示された、位相を１８０°異ならせて重ね合わせるパルスインバージョン法を３次高調波に適用すると、基本波と同様に３次高調波も除去されてしまうので、そのままでは適用できないことが分かっている。
【００１０】
また、例えば特許文献４には、隣接する２つの振動子から送信する基本波の位相を、本来の位相からπ／３だけずらすことにより、隣接する２つの振動子から送波される超音波に含まれる３次高調波成分を除去する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−０１７４０６号公報
【特許文献２】特開２００３−０００５９６号公報
【特許文献３】特開２００９−２７９０３３号公報
【特許文献４】特開２０１０−０６３４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、例えば特許文献１や特許文献２に示された、位相を１８０°異ならせて重ね合わせるパルスインバージョン法を３次高調波に適用すると、基本波と同様に３次高調波も除去されてしまうので、そのままでは適用できない。
【００１３】
また、特許文献４には、基本波を除去して３次高調波を残す方法は示されていない。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、基本波成分を除去するとともに、３次高調波を効率よく増幅することで、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００１６】
１．被検体内に超音波を送信し、被検体内で反射された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、
前記受信信号から、送信された超音波の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、
前記３次高調波抽出部で抽出された３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、
前記３次高調波抽出部は、
前記受信信号と、
前記受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、
前記受信信号の位相を４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、前記受信信号から基本波成分および２次高調波成分を略除去するとともに、３次高調波成分を略３倍に増幅して抽出することを特徴とする超音波診断装置。
【００１７】
２．被検体内に超音波を１回だけ送信して前記受信信号を得ることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
【００１８】
３．前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、アナログ遅延回路によって生成することを特徴とする前記１または２に記載の超音波診断装置。
【００１９】
４．前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、デジタル遅延回路およびソフトウェアの何れか一方または両方によって生成することを特徴とする前記１または２に記載の超音波診断装置。
【００２０】
５．前記超音波プローブは、前記反射波を受信する受信素子を有し、
前記受信素子は、１００個以上の圧電素子で構成される圧電素子アレイであることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、超音波を送信し、送信された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、受信信号から３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、３次高調波抽出部は、受信信号と、受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】各実施の形態における超音波診断装置の外観構成の一例を示す模式図である。
【図２】各実施の形態における超音波診断装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【図３】受信部の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図４】基本信号と、基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分とを示すグラフである。
【図５】基本信号、２π／３遅延信号および４π／３遅延信号と加算出力との関係を示すグラフである。
【図６】受信部の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図７】各実施の形態における送受信素子の一例を示す断面模式図である。
【図８】実施の形態における超音波プローブの構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を図示の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略することがある。
【００２４】
最初に、本発明の各実施の形態における超音波診断装置の構成の一例について、図１および図２を用いて説明する、図１は、各実施の形態における超音波診断装置の外観構成の一例を示す模式図である。
【００２５】
図１において、超音波診断装置Ｓは、本体ユニット１、超音波プローブ２およびケーブル３等で構成される。
【００２６】
本体ユニット１は、操作部１１および表示部１５等を備えている。操作部１１は、例えば検査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を入力するためのキーボード等である。表示部１５は、操作部１１で入力された各種情報や、超音波プローブ２で受信した受信信号に基づいて生成された被検体内の内部状態の画像（超音波診断画像）等を表示する液晶ディスプレイ等である。
【００２７】
超音波プローブ２は、図示しない人体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信するとともに、被検体内で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）を受信し、受信信号を生成する。
【００２８】
ケーブル３は、本体ユニット１と超音波プローブ２とを接続し、本体ユニット１からの送信信号を超音波プローブ２へ伝達するとともに、超音波プローブ２で生成された受信信号を本体ユニット１に伝達する。さらに、ケーブル３は、本体ユニット１から、超音波プローブ２を駆動するための電源を供給する。
【００２９】
図２は、各実施の形態における超音波診断装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【００３０】
図２において、上述したように、超音波診断装置Ｓは、本体ユニット１、超音波プローブ２およびケーブル３等で構成される。本体ユニット１は、送信部１２、受信部１３、画像生成部１４、制御部１６、記憶部１７、および上述した操作部１１、表示部１５等で構成される。超音波プローブ２は、送受信素子２１および送受信回路２２等で構成される。
【００３１】
操作部１１は、上述したように、検査の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を入力したり、後述する超音波診断画像の調整モードや設定モードの指示、超音波診断画像の表示の指示の設定等を行う。
【００３２】
送信部１２は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の送受信回路２２の送信回路２２１へ送信信号１２ａを供給することで、送受信素子２１に超音波を発生させるように駆動する。各実施の形態では、送信部１２は、被検体に超音波を１回だけ送信するように送信回路２２１へ送信信号１２ａを供給する。
【００３３】
受信部１３は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の送受信素子２１で受信した超音波の反射波の信号２１ａに基づいて送受信回路２２で生成された受信信号２２ａを受信し、超音波信号１３ａを画像生成部１４に供給する。反射波には、送信された超音波と同じ周波数を有する基本波成分と、基本波の整数倍の周波数を有する高調波成分とが含まれている。
【００３４】
各実施の形態では、受信部１３は、基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、基本波の３倍の周波数を有する３次高調波成分を増幅して、超音波信号１３ａとして画像生成部１４に供給する。ここに、受信部１３は本発明における３次高調波抽出部として機能する。
【００３５】
画像生成部１４は、受信部１３から供給された３次高調波の超音波信号１３ａに基づいて、被検体の内部状態の高精細な超音波診断画像を生成する。表示部１５は、上述した操作部１１で入力された各種情報や、画像生成部１４で生成された被検体内の超音波診断画像を表示する。記憶部１７は、上述した操作部１１で入力された各種情報や、画像生成部１４で生成された被検体内の超音波診断画像を記憶する。
【００３６】
制御部１６は、操作部１１、送信部１２、受信部１３、画像生成部１４、表示部１５および記憶部１７を各機能に応じて制御することによって、超音波診断装置Ｓの全体制御を行う。
【００３７】
送受信素子２１としては、有機圧電素子や、無機圧電素子を用いることができる。また、上述したＨＩ診断に適した送受信素子として、送信素子と受信素子とを分けて、送信素子として無機圧電素子を用い、受信素子として有機圧電素子を用いる方法もある。受信素子は、例えば、１００個以上の圧電素子で構成される圧電素子アレイである。詳細は図７で後述する。
【００３８】
送受信回路２２は、超音波を送信するための送信回路２２１と、送信された超音波の反射波を受信して増幅し受信信号２２ａを生成するための受信回路２２２等とで構成される。
【００３９】
尚、図２では、送信信号１２ａと受信信号２２ａとを有線で供給する場合を説明したが、ケーブル３が太くて操作性が劣る原因である送信信号１２ａと受信信号２２ａとを無線化する方式も可能である。本体ユニット１と超音波プローブ２とを接続するケーブル３の配線数を減らすことで、ケーブル３を細くすることができ、超音波プローブ２の操作性が良好となる。
【００４０】
次に、本発明における受信部１３の第１の実施の形態の構成を、図３を用いて説明する。図３は、受信部の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。第１の実施の形態では、受信部１３は、アナログ的に３次高周波を抽出する。
【００４１】
図３において、送受信素子２１はｎ個（ｎは正の整数）の受信素子を備えており、受信部１３は、送受信回路２２からｎ個の受信信号２２ａ（２２ａ１〜２２ａｎ）を受信する。受信部１３は、ｎ個の受信信号２２ａに対応して、ｎ個の３次高周波抽出回路１３１から１３ｎを備えている。
【００４２】
３次高周波抽出回路１３１に着目して説明する。３次高周波抽出回路１３１に入力された受信信号２２ａ１は、基本信号ｆ（０）として加算回路１３１３に入力されるとともに、２π／３位相遅延回路１３１１に入力される。２π／３位相遅延回路１３１１は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等のアナログ遅延素子を用いて実現できる。
【００４３】
２π／３位相遅延回路１３１１の出力である２π／３遅延信号ｆ（２π／３）は、加算回路１３１３に入力されるとともに、２段目の２π／３位相遅延回路１３１２に入力される。２段目の２π／３位相遅延回路１３１２の出力である４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、加算回路１３１３に入力される。
【００４４】
加算回路１３１３は、受信信号２２ａ１と２π／３遅延信号ｆ（２π／３）と４π／３遅延信号ｆ（４π／３）とを加算することで、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が増幅されて抽出された、加算出力Ｆを出力する。加算出力Ｆは、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１３１４でデジタルデータに変換された後、３次高調波の周波数を中心周波数とする帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３１５で３次高調波だけが抽出され、超音波信号１３１ａとして画像生成部１４に供給される。
【００４５】
加算回路１３１３で３次高調波成分を増幅して抽出することで、アナログデジタル変換器１３１４の入力レンジを、振幅の小さい３次高調波成分に効率よく割り当てることができ、高精度なＡ／Ｄ変換が可能となり、Ｓ／Ｎの向上に寄与する。
【００４６】
他の３次高周波抽出回路１３２から１３ｎも同様で、各出力が超音波信号１３２ａから１３ｎａとして画像生成部１４に供給される。超音波信号１３ａは、超音波信号１３１ａから１３ｎａの総称である。
【００４７】
ここで、上述した３次高周波抽出回路１３１の構成で、３次高調波だけが抽出される理由を説明する。
【００４８】
まず、反射波の４次以上の高調波は、振幅が基本波の−１８ｄＢ以下と非常に小さくなることが理論的および実験的に確認されているので、反射波として３次高調波までを考えることとする。この場合、上述した受信信号２２ａ１である基本信号ｆ（０）は、
ｆ（０）＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂｓｉｎ２ωｔ＋Ｃｓｉｎ３ωｔ
で表される。ここに、
ω：基本波の周波数
Ａ：基本波成分の振幅
Ｂ：２次高調波成分の振幅
Ｃ：３次高調波成分の振幅
である。
【００４９】
次に、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、それぞれ、
ｆ（２π／３）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）
ｆ（４π／３）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）
と表される。
【００５０】
そこで、加算回路１３１３の加算出力Ｆは、これらを加算して、
Ｆ＝ｆ（０）＋ｆ（２π／３）＋ｆ（４π／３）
＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂｓｉｎ２ωｔ＋Ｃｓｉｎ３ωｔ＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）
＝Ａ｛ｓｉｎωｔ＋ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）｝＋Ｂ｛ｓｉｎ２ωｔ＋ｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）｝＋Ｃ｛ｓｉｎ３ωｔ＋ｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）｝
となる。
【００５１】
加算出力Ｆを、基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分に分けて考えると、
基本波成分は、
ｓｉｎωｔ＋ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
＝ｓｉｎωｔ＋（ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ２π／３＋ｃｏｓωｔ・ｓｉｎ２π／３）＋（ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ４π／３＋ｃｏｓωｔ・ｓｉｎ４π／３）
＝ｓｉｎωｔ（１＋ｃｏｓ２π／３＋ｃｏｓ４π／３）＋ｃｏｓωｔ（ｓｉｎ２π／３＋ｓｉｎ４π／３）
＝ｓｉｎωｔ（１−０．５−０．５）＋ｃｏｓωｔ（０．８７−０．８７）
＝０
となる。
【００５２】
同様に、２次高調波成分は、
ｓｉｎ２ωｔ＋ｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）
＝ｓｉｎ２ωｔ＋（ｓｉｎ２ωｔ・ｃｏｓ４π／３＋ｃｏｓ２ωｔ・ｓｉｎ４π／３）＋（ｓｉｎ２ωｔ・ｃｏｓ８π／３＋ｃｏｓ２ωｔ・ｓｉｎ８π／３）
＝ｓｉｎ２ωｔ（１＋ｃｏｓ４π／３＋ｃｏｓ８π／３）＋ｃｏｓ２ωｔ（ｓｉｎ４π／３＋ｓｉｎ８π／３）
＝ｓｉｎωｔ（１−０．５−０．５）＋ｃｏｓωｔ（−０．８７＋０．８７）
＝０
となる。
【００５３】
また、３次高調波成分は、
ｓｉｎ３ωｔ＋ｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）
＝ｓｉｎ３ωｔ＋ｓｉｎ３ωｔ・ｓｉｎ２π＋ｓｉｎ３ωｔ・ｓｉｎ４π
＝３・ｓｉｎ３ωｔ
となる。
【００５４】
よって、加算出力Ｆは、
Ｆ＝３Ｃ・ｓｉｎ３ωｔ
となり、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が３倍に増幅されて出力されることが分かる。
【００５５】
従って、原理的には、加算回路１３１３の加算出力Ｆで、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が３倍に増幅されて出力されることになる。しかし、実際には、送信波の長さが有限であることと、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）が、受信信号２２ａを遅延して生成されることから、加算出力Ｆの先頭と最後尾とでは、計算通りにはならない。
【００５６】
これについて、図４および図５を用いて説明する。図４は、上述した基本信号と、基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分とを示すグラフである。ここでは、送受信素子から超音波を１回だけ２波送信した場合を例示する。グラフの縦軸は、基本波成分の振幅Ａ＝１に正規化し、２次高調波成分の振幅を基本波成分の振幅の−６ｄＢつまり１／２、３次高調波成分の振幅を基本波成分の−１２ｄＢつまり１／４とした場合を例示している。上述した基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分から、基本信号ｆ（０）は、図示したような波形となる。
【００５７】
図５は、上述した基本信号、２π／３遅延信号および４π／３遅延信号と加算出力との関係を示すグラフである。図５（ａ）は基本信号ｆ（０）、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）の関係を示すグラフ、図５（ｂ）は加算出力Ｆを示すグラフである。
【００５８】
図５（ａ）において、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）は、基本信号ｆ（０）を、２π／３位相遅延回路１３１１で、２π／３だけ遅延させて生成される。同様に、４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）を、２π／３位相遅延回路１３１２で、さらに２π／３だけ遅延させて生成される。
【００５９】
図５（ｂ）において、加算出力Ｆは、基本信号ｆ（０）、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）を加算して得られる。グラフから分かるように、超音波を１回だけ２波送信した場合には、位相が４π／３から４πの間で、基本波成分および２次高調波成分が除去され、３次高調波成分が３倍に増幅されていることが分かる。従って、より高精細な超音波画像を生成できる３次高調波成分を効率よく増幅して抽出することができる。
【００６０】
一方、加算出力Ｆの先端部分の位相が０から２π／３までの間は、基本信号ｆ（０）がそのまま出力され、位相が２π／３から４π／３までの間は、基本信号ｆ（０）と２π／３遅延信号ｆ（２π／３）との合成信号が出力される。
【００６１】
同様に、加算出力Ｆの後端部分の位相が４πから１４π／３までの間は、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）と４π／３遅延信号ｆ（４π／３）との合成信号が出力され、位相が１４π／３から１６π／３までの間は、４π／３遅延信号ｆ（４π／３）がそのまま出力される。
【００６２】
加算出力Ｆの先端部分および後端部分は、図３に示した３次高調波成分の周波数３ωを中心周波数とする帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３１５によって、基本波成分および２次高調波成分が除去される。帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３１５は急峻なフィルタ特性を有する必要はなく、例えば３次高調波の周波数３ωを中心周波数として、帯域ωで−６ｄＢ／オクターブ程度の緩やかな特性であってもよい。
【００６３】
上述したように、受信部の第１の実施の形態によれば、超音波の反射波から生成された受信信号と、受信信号からアナログ的に生成された２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【００６４】
次に、本発明における受信部の第２の実施の形態の構成を、図６を用いて説明する。図６は、受信部の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。第２の実施の形態では、受信部１３は、デジタル的にあるいはソフトウェアを用いて３次高周波を抽出する。
【００６５】
図６において、送受信素子２１はｎ個（ｎは正の整数）の受信素子を備えており、受信部１３は、送受信回路２２からｎ個の受信信号２２ａ（２２ａ１〜２２ａｎ）を受信する。受信部１３は、ｎ個の受信信号２２ａに対応して、ｎ個のアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１３５４を備えている。ｎ個の受信信号２２ａは、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１３５４でデジタルデータに変換される。以下の処理は、デジタル的にあるいはソフトウェアを用いて行われる。Ａ／Ｄ変換されたｎ個の受信信号２２ａは、整相加算処理部１３５６で、周知の方法でビームフォームされる。
【００６６】
整相加算処理部１３５６の出力である基本信号ｆ（０）は、加算部１３５３に入力されるとともに、２π／３位相シフト処理部１３５１に入力されて、２π／３だけ位相が遅れる方向に、あるいは進む方向にシフトされる。２π／３位相シフト処理は、例えば基本信号ｆ（０）の時間アドレス値を、必要な位相シフト分だけずらせる処理を行うデジタル遅延回路を用いることで、あるいはソフトウェアによる処理によって容易に行える。
【００６７】
２π／３位相シフト処理部１３５１の出力である２π／３遅延信号ｆ（２π／３）は、加算部１３５３に入力されるとともに、２段目の２π／３位相シフト処理部１３５２に入力されて、更に２π／３だけ位相が遅れる方向に、あるいは進む方向にシフトされる。２段目の２π／３位相シフト処理部１３５２の出力である４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、加算部１３５３に入力される。
【００６８】
加算部１３５３は、基本信号ｆ（０）と２π／３遅延信号ｆ（２π／３）と４π／３遅延信号ｆ（４π／３）とを加算することで、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が増幅されて抽出された、加算出力Ｆを出力する。
【００６９】
加算出力Ｆは、３次高調波の周波数を中心周波数とする帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３５５で３次高調波だけが抽出され、超音波信号１３ａとして画像生成部１４に供給される。
【００７０】
上述したように、受信部の第２の実施の形態によれば、受信信号をデジタルデータに変換してビームフォームした基本信号と、基本信号をデジタル的に位相シフトした２π／３遅延信号と４π／３遅延信号とを加算することで、アナログ遅延回路を用いることなしに、基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【００７１】
ここで、送受信素子２１の一例を図７に示す。図７は、各実施の形態における送受信素子の一例を示す断面模式図である。
【００７２】
図７において、送受信素子２１は、バッキング層２１１、バッキング層２１１上に設けられた電極および圧電体を有する圧電部２１２、圧電部２１２上に設けられた音響整合層２１３および音響整合層２１３上に設けられた音響レンズ２１４等で構成される。
【００７３】
圧電部２１２は、送信素子２１２ａ、送信素子２１２ａ上に配された中間層２１２ｂ、および中間層２１２ｂ上に配された受信素子２１２ｃ等で構成される。送信素子２１２ａは、送信用圧電素子２１８に電極２１７が付されたものがフレキシブル基板（以下、ＦＰＣと言う）２１５上に載置されて構成される。受信素子２１２ｃも同様に、受信用圧電素子２１９に電極２１７が付されたものがＦＰＣ２１６上に載置されて構成される。
【００７４】
（バッキング層２１１）
バッキング層２１１は、圧電部２１２を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。バッキング層２１１に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体等の熱可塑性樹脂等を用いることができる。
【００７５】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料およびまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は送受信素子２１や送受信素子２１を含む超音波プローブ２の形状に応じて、適宜選択することができる。
【００７６】
ゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したスプリング硬さ試験機（デュロメータ硬さ）におけるタイプＡデュロメータでＡ７０からタイプＤデュロメータでＤ７０までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加することもできる。
【００７７】
ゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴム等が好ましい。
【００７８】
より好ましくは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴム等が挙げられる。本実施の形態のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマー等のゴム成分の１種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように２種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。
【００７９】
ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまでその配合量と共に様々な形で選ぶことができる。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウム等の金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土等のクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウム等の金属塩類、ガラス粉末等やタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。
【００８０】
これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分１００質量部に対して５０〜３０００質量部、より好ましくは１００〜２０００質量部、または３００〜１５００質量部程度が好ましい。また、これらの充填剤は１種または２種以上を組み合わせて添加してもよい。
【００８１】
ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤等が挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ（加硫剤）、ジクミルパーオキサイド（Ｄｉｃｕｐ、架橋剤）、ステアリン酸等を配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分１００質量部に対しそれぞれ１〜１００質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。
【００８２】
エポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールＡタイプ、ビスフェノールＦタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂等が挙げられる。本発明のエポキシ樹脂成分は単独で用いてもよいが、ブレンド樹脂のように２種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いてもよい。
【００８３】
エポキシ成分に添加される充填剤としては、上記ゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕しさく作製した複合粒子までいずれも好ましく使用することができる。複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを、粉砕器にて粉砕し２００μｍ程度の粒径にしたものが挙げることができる。
【００８４】
エポキシ樹脂複合剤を使用する際にはさらに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、ｍ−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、Ｎ，Ｎ′−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール等の２級および３級アミン等、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無視トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物を挙げることができる。
【００８５】
バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
【００８６】
（送信素子２１２ａおよび受信素子２１２ｃ）
各実施の形態における送信素子２１２ａおよび受信素子２１２ｃは、電極および圧電素子を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能な素子である。圧電素子は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な圧電材料を含有する電気機械変換素子である。
【００８７】
圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミクス、ＰｂＴｉＯ３系セラミック等の無機圧電セラミクス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機高分子圧電材料、水晶、ロッシェル塩等を用いることができる。圧電材料の厚さとしては、概ね１００μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。圧電材料は、その両面に電極が付された状態で、圧電素子として用いられる。
【００８８】
（電極２１７）
圧電材料に付される電極２１７に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）等が挙げられる。
【００８９】
圧電材料に電極２１７を付す方法としては、たとえば、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）等の下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属およびそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成する方法が挙げられる。
【００９０】
電極形成はスパッタ法以外でも、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。電極は、圧電材料上に、送受信素子２１の形状に応じて、圧電体面の全面あるいは圧電体面の一部に、設けられる。
【００９１】
圧電部２１２とバッキング層２１１とは、接着層を介して積層されていることが好ましい態様である。接着層を形成するための接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。
【００９２】
圧電部２１２の、バッキング層２１１側の表面の一部と、音響整合層２１３側の表面の一部には電極が接触されており、バッキング層２１１と電極２１７とが接着層を介して積層されている部分を含む場合もある。
【００９３】
（音響整合層２１３）
本実施の形態における音響整合層２１３は、圧電部２１２と被検体との間の音響インピーダンスを整合させるもので、圧電部２１２と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。
【００９４】
音響整合層２１３に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（たとえばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。
【００９５】
好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に充填剤として亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。
【００９６】
音響整合層２１３は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上である。音響整合層２１３の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定める必要がある。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こしてしまい好ましくない。このような音響整合層２１３の厚さとしては、概ね３０μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。
【００９７】
音響レンズ２１４は、送受信素子２１の最先端にあり、超音波ビームを集束させるためのものである。音響レンズ２１４の音響インピーダンスは生体組織とほぼ同じであり、音響レンズ２１４の形状を凸形にすることで、スネルの法則に従って超音波ビームを集束させることができる。音響レンズ２１４の凸面は、被検体の表面に当接されて超音波の送受信を行う送受信面２１４ａである。
【００９８】
上述した送受信素子２１では、送信素子２１２ａと受信素子２１２ｃとを別々に備える構成について説明した。送信素子２１２ａと受信素子２１２ｃとの配列は、各々を上下に配置する配列、および並列に配置する配列のどちらでもよいが、上下に配置して積層する構造が好ましい。積層する場合の送信素子２１２ａおよび受信素子２１２ｃの厚さとしては、４０〜１５０μｍであることが好ましい。
【００９９】
なお、送受信素子２１は、送信素子２１２ａと受信素子２１２ｃとを別々に備える構成に限るものではなく、例えば図７において、受信素子２１２ｃ（受信用圧電素子２１９と電極２１７）とＦＰＣ２１６とを無くして、送信素子２１２ａを送受信兼用の送受信素子としてもよい。
【０１００】
次に、本発明の実施の形態における超音波プローブの構成の一例を、図８を用いて説明する。図８は、実施の形態における超音波プローブの構成の一例を示す模式図で、図８（ａ）は超音波プローブの外観模式図、図８（ｂ）は超音波プローブの内部構成図である。
【０１０１】
図８（ａ）において、超音波プローブ２の外観は、筐体２９、筐体２９の先端に配置された送受信素子２１の音響レンズ２１４の送受信面２１４ａ、および筐体２９の後端に接続されたケーブル３等で構成される。
【０１０２】
図８（ｂ）において、超音波プローブ２の筐体２９の内部には、音響レンズ２１４を含む送受信素子２１、基板２５、コネクタ２６およびケーブル３等が配置されている。
【０１０３】
送受信素子２１には、ＦＰＣ２４が接続され、ＦＰＣ２４と基板２５とは接続部２４ａで接続されている。基板２５上には複数の回路素子で構成される送受信回路２２が実装されている。基板２５とケーブル３の各々の配線３ｘとは、コネクタ２６で接続されている。ここに、配線３ｘには、送信信号１２ａや受信信号２２ａを伝達する信号線および超音波プローブ２を駆動するための電源を供給する電源線等が含まれる。
【０１０４】
なお、基板２５と配線３ｘとは、基板２５に直接ハンダ付け等で接続されてもよい。あるいは、配線３ｘを、ハンダ付けあるいは同軸ケーブル用コネクタを用いて別基板に接続し、別基板に設けた基板用コネクタと基板２５に設けたコネクタとで基板２５と配線３ｘとを接続する構成でもよい。
【０１０５】
また、上記の図面による超音波プローブは、複数個の送受信素子を一列に配置した例であるのに対して、図示しないが、例えば縦横４８×４８の配列で２０００素子を超える送受信素子を平面配置している２次元プローブでは、発生した熱が逃げ難い問題があり、本発明がより有効に適用できる。
【０１０６】
以上に述べたように、本発明によれば、超音波を送信し、送信された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、受信信号から３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、３次高調波抽出部は、受信信号と、受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【０１０７】
なお、本発明に係る超音波診断装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
Ｓ 超音波診断装置
１ 本体ユニット
１１ 操作部
１２ 送信部
１２ａ 送信信号
１３ 受信部
１３ａ 超音波信号
１３１１ ２π／３位相遅延回路
１３１２ ２π／３位相遅延回路
１３１３ 加算回路
１３１４ アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）
１３１５ 帯域フィルタ（ＢＰＦ）
１３５１ ２π／３位相シフト処理部
１３５２ ２π／３位相シフト処理部
１３５３ 加算部
１３５４ アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）
１３５５ 帯域フィルタ（ＢＰＦ）
１３５６ 整相加算処理部
１４ 画像生成部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ 記憶部
２ 超音波プローブ
２１ 送受信素子
２２ 送受信回路
２２ａ 受信信号
２２１ 送信回路
２２２ 受信回路
３ ケーブル
ｆ（０） 基本信号
ｆ（２π／３） ２π／３遅延信号
ｆ（４π／３） ４π／３遅延信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に３次高調波を用いる超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、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無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、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ではなく、高調波信号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。ＨＩ診断は、従来の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診断は、基本波に比較して、サイドローブレベルが小さいことでＳ／Ｎが良くコントラスト分解能が良くなること、周波数が高くなることでビーム幅が細くなり横方向分解能が良くな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並みであり、高調波の超音波は基本波の超音波に比べ深速度を大きく取れること、等の多くの利点を有している。
【０００５】
現在実用化されているＨＩ診断は、２次高調波を用いたものである。２次高調波は基本波に比べて信号強度が弱いために（２次高調波は、基本波の−６ｄＢ以下であるとされている）、２次高調波を効率よく取り出す方法が考案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１では、送信波を、位相を１８０°異ならせて２回送信することで、受信された位相が１８０°異なる反射波を重ね合わせて基本波成分を除去するとともに、２次高調波を２倍に増幅する、所謂パルスインバージョン法が示されている。
【０００７】
また、例えば特許文献２には、送信波を１回だけ送信し、受信された反射波にデジタル的に演算処理を加えることで、パルスインバージョン法を実現する方法が示されている。
【０００８】
一方、市場からは、２次高調波よりもさらに高解像度が実現できる３次高調波を用いたＨＩ診断技術が求められている。例えば特許文献３には、受信された超音波信号と、予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、より高いＳ／Ｎで３次高調波を抽出することのできる高品質超音波診断装置が示されている。
【０００９】
ただ、例えば特許文献１や特許文献２に示された、位相を１８０°異ならせて重ね合わせるパルスインバージョン法を３次高調波に適用すると、基本波と同様に３次高調波も除去されてしまうので、そのままでは適用できないことが分かっている。
【００１０】
また、例えば特許文献４には、隣接する２つの振動子から送信する基本波の位相を、本来の位相からπ／３だけずらすことにより、隣接する２つの振動子から送波される超音波に含まれる３次高調波成分を除去する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−０１７４０６号公報
【特許文献２】特開２００３−０００５９６号公報
【特許文献３】特開２００９−２７９０３３号公報
【特許文献４】特開２０１０−０６３４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、例えば特許文献１や特許文献２に示された、位相を１８０°異ならせて重ね合わせるパルスインバージョン法を３次高調波に適用すると、基本波と同様に３次高調波も除去されてしまうので、そのままでは適用できない。
【００１３】
また、特許文献４には、基本波を除去して３次高調波を残す方法は示されていない。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、基本波成分を除去するとともに、３次高調波を効率よく増幅することで、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００１６】
１．被検体内に超音波を送信し、被検体内で反射された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、
前記受信信号から、送信された超音波の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、
前記３次高調波抽出部で抽出された３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、
前記３次高調波抽出部は、
前記受信信号と、
前記受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、
前記受信信号の位相を４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、前記受信信号から基本波成分および２次高調波成分を略除去するとともに、３次高調波成分を略３倍に増幅して抽出することを特徴とする超音波診断装置。
【００１７】
２．被検体内に超音波を１回だけ送信して前記受信信号を得ることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
【００１８】
３．前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、アナログ遅延回路によって生成することを特徴とする前記１または２に記載の超音波診断装置。
【００１９】
４．前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、デジタル遅延回路およびソフトウェアの何れか一方または両方によって生成することを特徴とする前記１または２に記載の超音波診断装置。
【００２０】
５．前記超音波プローブは、前記反射波を受信する受信素子を有し、
前記受信素子は、１００個以上の圧電素子で構成される圧電素子アレイであることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、超音波を送信し、送信された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、受信信号から３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、３次高調波抽出部は、受信信号と、受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】各実施の形態における超音波診断装置の外観構成の一例を示す模式図である。
【図２】各実施の形態における超音波診断装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【図３】受信部の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図４】基本信号と、基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分とを示すグラフである。
【図５】基本信号、２π／３遅延信号および４π／３遅延信号と加算出力との関係を示すグラフである。
【図６】受信部の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図７】各実施の形態における送受信素子の一例を示す断面模式図である。
【図８】実施の形態における超音波プローブの構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を図示の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略することがある。
【００２４】
最初に、本発明の各実施の形態における超音波診断装置の構成の一例について、図１および図２を用いて説明する、図１は、各実施の形態における超音波診断装置の外観構成の一例を示す模式図である。
【００２５】
図１において、超音波診断装置Ｓは、本体ユニット１、超音波プローブ２およびケーブル３等で構成される。
【００２６】
本体ユニット１は、操作部１１および表示部１５等を備えている。操作部１１は、例えば検査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を入力するためのキーボード等である。表示部１５は、操作部１１で入力された各種情報や、超音波プローブ２で受信した受信信号に基づいて生成された被検体内の内部状態の画像（超音波診断画像）等を表示する液晶ディスプレイ等である。
【００２７】
超音波プローブ２は、図示しない人体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信するとともに、被検体内で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）を受信し、受信信号を生成する。
【００２８】
ケーブル３は、本体ユニット１と超音波プローブ２とを接続し、本体ユニット１からの送信信号を超音波プローブ２へ伝達するとともに、超音波プローブ２で生成された受信信号を本体ユニット１に伝達する。さらに、ケーブル３は、本体ユニット１から、超音波プローブ２を駆動するための電源を供給する。
【００２９】
図２は、各実施の形態における超音波診断装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【００３０】
図２において、上述したように、超音波診断装置Ｓは、本体ユニット１、超音波プローブ２およびケーブル３等で構成される。本体ユニット１は、送信部１２、受信部１３、画像生成部１４、制御部１６、記憶部１７、および上述した操作部１１、表示部１５等で構成される。超音波プローブ２は、送受信素子２１および送受信回路２２等で構成される。
【００３１】
操作部１１は、上述したように、検査の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を入力したり、後述する超音波診断画像の調整モードや設定モードの指示、超音波診断画像の表示の指示の設定等を行う。
【００３２】
送信部１２は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の送受信回路２２の送信回路２２１へ送信信号１２ａを供給することで、送受信素子２１に超音波を発生させるように駆動する。各実施の形態では、送信部１２は、被検体に超音波を１回だけ送信するように送信回路２２１へ送信信号１２ａを供給する。
【００３３】
受信部１３は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の送受信素子２１で受信した超音波の反射波の信号２１ａに基づいて送受信回路２２で生成された受信信号２２ａを受信し、超音波信号１３ａを画像生成部１４に供給する。反射波には、送信された超音波と同じ周波数を有する基本波成分と、基本波の整数倍の周波数を有する高調波成分とが含まれている。
【００３４】
各実施の形態では、受信部１３は、基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、基本波の３倍の周波数を有する３次高調波成分を増幅して、超音波信号１３ａとして画像生成部１４に供給する。ここに、受信部１３は本発明における３次高調波抽出部として機能する。
【００３５】
画像生成部１４は、受信部１３から供給された３次高調波の超音波信号１３ａに基づいて、被検体の内部状態の高精細な超音波診断画像を生成する。表示部１５は、上述した操作部１１で入力された各種情報や、画像生成部１４で生成された被検体内の超音波診断画像を表示する。記憶部１７は、上述した操作部１１で入力された各種情報や、画像生成部１４で生成された被検体内の超音波診断画像を記憶する。
【００３６】
制御部１６は、操作部１１、送信部１２、受信部１３、画像生成部１４、表示部１５および記憶部１７を各機能に応じて制御することによって、超音波診断装置Ｓの全体制御を行う。
【００３７】
送受信素子２１としては、有機圧電素子や、無機圧電素子を用いることができる。また、上述したＨＩ診断に適した送受信素子として、送信素子と受信素子とを分けて、送信素子として無機圧電素子を用い、受信素子として有機圧電素子を用いる方法もある。受信素子は、例えば、１００個以上の圧電素子で構成される圧電素子アレイである。詳細は図７で後述する。
【００３８】
送受信回路２２は、超音波を送信するための送信回路２２１と、送信された超音波の反射波を受信して増幅し受信信号２２ａを生成するための受信回路２２２等とで構成される。
【００３９】
尚、図２では、送信信号１２ａと受信信号２２ａとを有線で供給する場合を説明したが、ケーブル３が太くて操作性が劣る原因である送信信号１２ａと受信信号２２ａとを無線化する方式も可能である。本体ユニット１と超音波プローブ２とを接続するケーブル３の配線数を減らすことで、ケーブル３を細くすることができ、超音波プローブ２の操作性が良好となる。
【００４０】
次に、本発明における受信部１３の第１の実施の形態の構成を、図３を用いて説明する。図３は、受信部の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。第１の実施の形態では、受信部１３は、アナログ的に３次高周波を抽出する。
【００４１】
図３において、送受信素子２１はｎ個（ｎは正の整数）の受信素子を備えており、受信部１３は、送受信回路２２からｎ個の受信信号２２ａ（２２ａ１〜２２ａｎ）を受信する。受信部１３は、ｎ個の受信信号２２ａに対応して、ｎ個の３次高周波抽出回路１３１から１３ｎを備えている。
【００４２】
３次高周波抽出回路１３１に着目して説明する。３次高周波抽出回路１３１に入力された受信信号２２ａ１は、基本信号ｆ（０）として加算回路１３１３に入力されるとともに、２π／３位相遅延回路１３１１に入力される。２π／３位相遅延回路１３１１は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等のアナログ遅延素子を用いて実現できる。
【００４３】
２π／３位相遅延回路１３１１の出力である２π／３遅延信号ｆ（２π／３）は、加算回路１３１３に入力されるとともに、２段目の２π／３位相遅延回路１３１２に入力される。２段目の２π／３位相遅延回路１３１２の出力である４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、加算回路１３１３に入力される。
【００４４】
加算回路１３１３は、受信信号２２ａ１と２π／３遅延信号ｆ（２π／３）と４π／３遅延信号ｆ（４π／３）とを加算することで、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が増幅されて抽出された、加算出力Ｆを出力する。加算出力Ｆは、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１３１４でデジタルデータに変換された後、３次高調波の周波数を中心周波数とする帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３１５で３次高調波だけが抽出され、超音波信号１３１ａとして画像生成部１４に供給される。
【００４５】
加算回路１３１３で３次高調波成分を増幅して抽出することで、アナログデジタル変換器１３１４の入力レンジを、振幅の小さい３次高調波成分に効率よく割り当てることができ、高精度なＡ／Ｄ変換が可能となり、Ｓ／Ｎの向上に寄与する。
【００４６】
他の３次高周波抽出回路１３２から１３ｎも同様で、各出力が超音波信号１３２ａから１３ｎａとして画像生成部１４に供給される。超音波信号１３ａは、超音波信号１３１ａから１３ｎａの総称である。
【００４７】
ここで、上述した３次高周波抽出回路１３１の構成で、３次高調波だけが抽出される理由を説明する。
【００４８】
まず、反射波の４次以上の高調波は、振幅が基本波の−１８ｄＢ以下と非常に小さくなることが理論的および実験的に確認されているので、反射波として３次高調波までを考えることとする。この場合、上述した受信信号２２ａ１である基本信号ｆ（０）は、
ｆ（０）＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂｓｉｎ２ωｔ＋Ｃｓｉｎ３ωｔ
で表される。ここに、
ω：基本波の周波数
Ａ：基本波成分の振幅
Ｂ：２次高調波成分の振幅
Ｃ：３次高調波成分の振幅
である。
【００４９】
次に、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、それぞれ、
ｆ（２π／３）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）
ｆ（４π／３）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）
と表される。
【００５０】
そこで、加算回路１３１３の加算出力Ｆは、これらを加算して、
Ｆ＝ｆ（０）＋ｆ（２π／３）＋ｆ（４π／３）
＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂｓｉｎ２ωｔ＋Ｃｓｉｎ３ωｔ＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）＋Ｂｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）＋Ｃｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）
＝Ａ｛ｓｉｎωｔ＋ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）｝＋Ｂ｛ｓｉｎ２ωｔ＋ｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）｝＋Ｃ｛ｓｉｎ３ωｔ＋ｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）｝
となる。
【００５１】
加算出力Ｆを、基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分に分けて考えると、
基本波成分は、
ｓｉｎωｔ＋ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）
＝ｓｉｎωｔ＋（ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ２π／３＋ｃｏｓωｔ・ｓｉｎ２π／３）＋（ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ４π／３＋ｃｏｓωｔ・ｓｉｎ４π／３）
＝ｓｉｎωｔ（１＋ｃｏｓ２π／３＋ｃｏｓ４π／３）＋ｃｏｓωｔ（ｓｉｎ２π／３＋ｓｉｎ４π／３）
＝ｓｉｎωｔ（１−０．５−０．５）＋ｃｏｓωｔ（０．８７−０．８７）
＝０
となる。
【００５２】
同様に、２次高調波成分は、
ｓｉｎ２ωｔ＋ｓｉｎ２（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ２（ωｔ＋４π／３）
＝ｓｉｎ２ωｔ＋（ｓｉｎ２ωｔ・ｃｏｓ４π／３＋ｃｏｓ２ωｔ・ｓｉｎ４π／３）＋（ｓｉｎ２ωｔ・ｃｏｓ８π／３＋ｃｏｓ２ωｔ・ｓｉｎ８π／３）
＝ｓｉｎ２ωｔ（１＋ｃｏｓ４π／３＋ｃｏｓ８π／３）＋ｃｏｓ２ωｔ（ｓｉｎ４π／３＋ｓｉｎ８π／３）
＝ｓｉｎωｔ（１−０．５−０．５）＋ｃｏｓωｔ（−０．８７＋０．８７）
＝０
となる。
【００５３】
また、３次高調波成分は、
ｓｉｎ３ωｔ＋ｓｉｎ３（ωｔ＋２π／３）＋ｓｉｎ３（ωｔ＋４π／３）
＝ｓｉｎ３ωｔ＋ｓｉｎ３ωｔ・ｓｉｎ２π＋ｓｉｎ３ωｔ・ｓｉｎ４π
＝３・ｓｉｎ３ωｔ
となる。
【００５４】
よって、加算出力Ｆは、
Ｆ＝３Ｃ・ｓｉｎ３ωｔ
となり、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が３倍に増幅されて出力されることが分かる。
【００５５】
従って、原理的には、加算回路１３１３の加算出力Ｆで、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が３倍に増幅されて出力されることになる。しかし、実際には、送信波の長さが有限であることと、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）が、受信信号２２ａを遅延して生成されることから、加算出力Ｆの先頭と最後尾とでは、計算通りにはならない。
【００５６】
これについて、図４および図５を用いて説明する。図４は、上述した基本信号と、基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分とを示すグラフである。ここでは、送受信素子から超音波を１回だけ２波送信した場合を例示する。グラフの縦軸は、基本波成分の振幅Ａ＝１に正規化し、２次高調波成分の振幅を基本波成分の振幅の−６ｄＢつまり１／２、３次高調波成分の振幅を基本波成分の−１２ｄＢつまり１／４とした場合を例示している。上述した基本波成分、２次高調波成分および３次高調波成分から、基本信号ｆ（０）は、図示したような波形となる。
【００５７】
図５は、上述した基本信号、２π／３遅延信号および４π／３遅延信号と加算出力との関係を示すグラフである。図５（ａ）は基本信号ｆ（０）、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）の関係を示すグラフ、図５（ｂ）は加算出力Ｆを示すグラフである。
【００５８】
図５（ａ）において、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）は、基本信号ｆ（０）を、２π／３位相遅延回路１３１１で、２π／３だけ遅延させて生成される。同様に、４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）を、２π／３位相遅延回路１３１２で、さらに２π／３だけ遅延させて生成される。
【００５９】
図５（ｂ）において、加算出力Ｆは、基本信号ｆ（０）、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）を加算して得られる。グラフから分かるように、超音波を１回だけ２波送信した場合には、位相が４π／３から４πの間で、基本波成分および２次高調波成分が除去され、３次高調波成分が３倍に増幅されていることが分かる。従って、より高精細な超音波画像を生成できる３次高調波成分を効率よく増幅して抽出することができる。
【００６０】
一方、加算出力Ｆの先端部分の位相が０から２π／３までの間は、基本信号ｆ（０）がそのまま出力され、位相が２π／３から４π／３までの間は、基本信号ｆ（０）と２π／３遅延信号ｆ（２π／３）との合成信号が出力される。
【００６１】
同様に、加算出力Ｆの後端部分の位相が４πから１４π／３までの間は、２π／３遅延信号ｆ（２π／３）と４π／３遅延信号ｆ（４π／３）との合成信号が出力され、位相が１４π／３から１６π／３までの間は、４π／３遅延信号ｆ（４π／３）がそのまま出力される。
【００６２】
加算出力Ｆの先端部分および後端部分は、図３に示した３次高調波成分の周波数３ωを中心周波数とする帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３１５によって、基本波成分および２次高調波成分が除去される。帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３１５は急峻なフィルタ特性を有する必要はなく、例えば３次高調波の周波数３ωを中心周波数として、帯域ωで−６ｄＢ／オクターブ程度の緩やかな特性であってもよい。
【００６３】
上述したように、受信部の第１の実施の形態によれば、超音波の反射波から生成された受信信号と、受信信号からアナログ的に生成された２π／３遅延信号ｆ（２π／３）および４π／３遅延信号ｆ（４π／３）とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【００６４】
次に、本発明における受信部の第２の実施の形態の構成を、図６を用いて説明する。図６は、受信部の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。第２の実施の形態では、受信部１３は、デジタル的にあるいはソフトウェアを用いて３次高周波を抽出する。
【００６５】
図６において、送受信素子２１はｎ個（ｎは正の整数）の受信素子を備えており、受信部１３は、送受信回路２２からｎ個の受信信号２２ａ（２２ａ１〜２２ａｎ）を受信する。受信部１３は、ｎ個の受信信号２２ａに対応して、ｎ個のアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１３５４を備えている。ｎ個の受信信号２２ａは、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１３５４でデジタルデータに変換される。以下の処理は、デジタル的にあるいはソフトウェアを用いて行われる。Ａ／Ｄ変換されたｎ個の受信信号２２ａは、整相加算処理部１３５６で、周知の方法でビームフォームされる。
【００６６】
整相加算処理部１３５６の出力である基本信号ｆ（０）は、加算部１３５３に入力されるとともに、２π／３位相シフト処理部１３５１に入力されて、２π／３だけ位相が遅れる方向に、あるいは進む方向にシフトされる。２π／３位相シフト処理は、例えば基本信号ｆ（０）の時間アドレス値を、必要な位相シフト分だけずらせる処理を行うデジタル遅延回路を用いることで、あるいはソフトウェアによる処理によって容易に行える。
【００６７】
２π／３位相シフト処理部１３５１の出力である２π／３遅延信号ｆ（２π／３）は、加算部１３５３に入力されるとともに、２段目の２π／３位相シフト処理部１３５２に入力されて、更に２π／３だけ位相が遅れる方向に、あるいは進む方向にシフトされる。２段目の２π／３位相シフト処理部１３５２の出力である４π／３遅延信号ｆ（４π／３）は、加算部１３５３に入力される。
【００６８】
加算部１３５３は、基本信号ｆ（０）と２π／３遅延信号ｆ（２π／３）と４π／３遅延信号ｆ（４π／３）とを加算することで、基本波成分と２次高調波成分とが除去され、３次高調波成分が増幅されて抽出された、加算出力Ｆを出力する。
【００６９】
加算出力Ｆは、３次高調波の周波数を中心周波数とする帯域フィルタ（ＢＰＦ）１３５５で３次高調波だけが抽出され、超音波信号１３ａとして画像生成部１４に供給される。
【００７０】
上述したように、受信部の第２の実施の形態によれば、受信信号をデジタルデータに変換してビームフォームした基本信号と、基本信号をデジタル的に位相シフトした２π／３遅延信号と４π／３遅延信号とを加算することで、アナログ遅延回路を用いることなしに、基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【００７１】
ここで、送受信素子２１の一例を図７に示す。図７は、各実施の形態における送受信素子の一例を示す断面模式図である。
【００７２】
図７において、送受信素子２１は、バッキング層２１１、バッキング層２１１上に設けられた電極および圧電体を有する圧電部２１２、圧電部２１２上に設けられた音響整合層２１３および音響整合層２１３上に設けられた音響レンズ２１４等で構成される。
【００７３】
圧電部２１２は、送信素子２１２ａ、送信素子２１２ａ上に配された中間層２１２ｂ、および中間層２１２ｂ上に配された受信素子２１２ｃ等で構成される。送信素子２１２ａは、送信用圧電素子２１８に電極２１７が付されたものがフレキシブル基板（以下、ＦＰＣと言う）２１５上に載置されて構成される。受信素子２１２ｃも同様に、受信用圧電素子２１９に電極２１７が付されたものがＦＰＣ２１６上に載置されて構成される。
【００７４】
（バッキング層２１１）
バッキング層２１１は、圧電部２１２を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。バッキング層２１１に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体等の熱可塑性樹脂等を用いることができる。
【００７５】
好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料およびまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は送受信素子２１や送受信素子２１を含む超音波プローブ２の形状に応じて、適宜選択することができる。
【００７６】
ゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したスプリング硬さ試験機（デュロメータ硬さ）におけるタイプＡデュロメータでＡ７０からタイプＤデュロメータでＤ７０までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加することもできる。
【００７７】
ゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴム等が好ましい。
【００７８】
より好ましくは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴム等が挙げられる。本実施の形態のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマー等のゴム成分の１種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように２種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。
【００７９】
ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまでその配合量と共に様々な形で選ぶことができる。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウム等の金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土等のクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウム等の金属塩類、ガラス粉末等やタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。
【００８０】
これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分１００質量部に対して５０〜３０００質量部、より好ましくは１００〜２０００質量部、または３００〜１５００質量部程度が好ましい。また、これらの充填剤は１種または２種以上を組み合わせて添加してもよい。
【００８１】
ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤等が挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ（加硫剤）、ジクミルパーオキサイド（Ｄｉｃｕｐ、架橋剤）、ステアリン酸等を配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分１００質量部に対しそれぞれ１〜１００質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。
【００８２】
エポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールＡタイプ、ビスフェノールＦタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂等が挙げられる。本発明のエポキシ樹脂成分は単独で用いてもよいが、ブレンド樹脂のように２種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いてもよい。
【００８３】
エポキシ成分に添加される充填剤としては、上記ゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕しさく作製した複合粒子までいずれも好ましく使用することができる。複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを、粉砕器にて粉砕し２００μｍ程度の粒径にしたものが挙げることができる。
【００８４】
エポキシ樹脂複合剤を使用する際にはさらに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、ｍ−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、Ｎ，Ｎ′−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール等の２級および３級アミン等、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無視トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物を挙げることができる。
【００８５】
バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。
【００８６】
（送信素子２１２ａおよび受信素子２１２ｃ）
各実施の形態における送信素子２１２ａおよび受信素子２１２ｃは、電極および圧電素子を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能な素子である。圧電素子は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な圧電材料を含有する電気機械変換素子である。
【００８７】
圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミクス、ＰｂＴｉＯ３系セラミック等の無機圧電セラミクス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機高分子圧電材料、水晶、ロッシェル塩等を用いることができる。圧電材料の厚さとしては、概ね１００μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。圧電材料は、その両面に電極が付された状態で、圧電素子として用いられる。
【００８８】
（電極２１７）
圧電材料に付される電極２１７に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）等が挙げられる。
【００８９】
圧電材料に電極２１７を付す方法としては、たとえば、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）等の下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属およびそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成する方法が挙げられる。
【００９０】
電極形成はスパッタ法以外でも、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。電極は、圧電材料上に、送受信素子２１の形状に応じて、圧電体面の全面あるいは圧電体面の一部に、設けられる。
【００９１】
圧電部２１２とバッキング層２１１とは、接着層を介して積層されていることが好ましい態様である。接着層を形成するための接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。
【００９２】
圧電部２１２の、バッキング層２１１側の表面の一部と、音響整合層２１３側の表面の一部には電極が接触されており、バッキング層２１１と電極２１７とが接着層を介して積層されている部分を含む場合もある。
【００９３】
（音響整合層２１３）
本実施の形態における音響整合層２１３は、圧電部２１２と被検体との間の音響インピーダンスを整合させるもので、圧電部２１２と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。
【００９４】
音響整合層２１３に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（たとえばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。
【００９５】
好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に充填剤として亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。
【００９６】
音響整合層２１３は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上である。音響整合層２１３の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定める必要がある。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こしてしまい好ましくない。このような音響整合層２１３の厚さとしては、概ね３０μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。
【００９７】
音響レンズ２１４は、送受信素子２１の最先端にあり、超音波ビームを集束させるためのものである。音響レンズ２１４の音響インピーダンスは生体組織とほぼ同じであり、音響レンズ２１４の形状を凸形にすることで、スネルの法則に従って超音波ビームを集束させることができる。音響レンズ２１４の凸面は、被検体の表面に当接されて超音波の送受信を行う送受信面２１４ａである。
【００９８】
上述した送受信素子２１では、送信素子２１２ａと受信素子２１２ｃとを別々に備える構成について説明した。送信素子２１２ａと受信素子２１２ｃとの配列は、各々を上下に配置する配列、および並列に配置する配列のどちらでもよいが、上下に配置して積層する構造が好ましい。積層する場合の送信素子２１２ａおよび受信素子２１２ｃの厚さとしては、４０〜１５０μｍであることが好ましい。
【００９９】
なお、送受信素子２１は、送信素子２１２ａと受信素子２１２ｃとを別々に備える構成に限るものではなく、例えば図７において、受信素子２１２ｃ（受信用圧電素子２１９と電極２１７）とＦＰＣ２１６とを無くして、送信素子２１２ａを送受信兼用の送受信素子としてもよい。
【０１００】
次に、本発明の実施の形態における超音波プローブの構成の一例を、図８を用いて説明する。図８は、実施の形態における超音波プローブの構成の一例を示す模式図で、図８（ａ）は超音波プローブの外観模式図、図８（ｂ）は超音波プローブの内部構成図である。
【０１０１】
図８（ａ）において、超音波プローブ２の外観は、筐体２９、筐体２９の先端に配置された送受信素子２１の音響レンズ２１４の送受信面２１４ａ、および筐体２９の後端に接続されたケーブル３等で構成される。
【０１０２】
図８（ｂ）において、超音波プローブ２の筐体２９の内部には、音響レンズ２１４を含む送受信素子２１、基板２５、コネクタ２６およびケーブル３等が配置されている。
【０１０３】
送受信素子２１には、ＦＰＣ２４が接続され、ＦＰＣ２４と基板２５とは接続部２４ａで接続されている。基板２５上には複数の回路素子で構成される送受信回路２２が実装されている。基板２５とケーブル３の各々の配線３ｘとは、コネクタ２６で接続されている。ここに、配線３ｘには、送信信号１２ａや受信信号２２ａを伝達する信号線および超音波プローブ２を駆動するための電源を供給する電源線等が含まれる。
【０１０４】
なお、基板２５と配線３ｘとは、基板２５に直接ハンダ付け等で接続されてもよい。あるいは、配線３ｘを、ハンダ付けあるいは同軸ケーブル用コネクタを用いて別基板に接続し、別基板に設けた基板用コネクタと基板２５に設けたコネクタとで基板２５と配線３ｘとを接続する構成でもよい。
【０１０５】
また、上記の図面による超音波プローブは、複数個の送受信素子を一列に配置した例であるのに対して、図示しないが、例えば縦横４８×４８の配列で２０００素子を超える送受信素子を平面配置している２次元プローブでは、発生した熱が逃げ難い問題があり、本発明がより有効に適用できる。
【０１０６】
以上に述べたように、本発明によれば、超音波を送信し、送信された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、受信信号から３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、３次高調波抽出部は、受信信号と、受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、受信信号から基本波成分および２次高調波成分を除去するとともに、３次高調波成分を３倍に増幅して抽出することができ、より高解像度な超音波診断画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することができる。
【０１０７】
なお、本発明に係る超音波診断装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
Ｓ 超音波診断装置
１ 本体ユニット
１１ 操作部
１２ 送信部
１２ａ 送信信号
１３ 受信部
１３ａ 超音波信号
１３１１ ２π／３位相遅延回路
１３１２ ２π／３位相遅延回路
１３１３ 加算回路
１３１４ アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）
１３１５ 帯域フィルタ（ＢＰＦ）
１３５１ ２π／３位相シフト処理部
１３５２ ２π／３位相シフト処理部
１３５３ 加算部
１３５４ アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）
１３５５ 帯域フィルタ（ＢＰＦ）
１３５６ 整相加算処理部
１４ 画像生成部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ 記憶部
２ 超音波プローブ
２１ 送受信素子
２２ 送受信回路
２２ａ 受信信号
２２１ 送信回路
２２２ 受信回路
３ ケーブル
ｆ（０） 基本信号
ｆ（２π／３） ２π／３遅延信号
ｆ（４π／３） ４π／３遅延信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に超音波を送信し、被検体内で反射された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、
前記受信信号から、送信された超音波の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、
前記３次高調波抽出部で抽出された３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、
前記３次高調波抽出部は、
前記受信信号と、
前記受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、
前記受信信号の位相を４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、前記受信信号から基本波成分および２次高調波成分を略除去するとともに、３次高調波成分を略３倍に増幅して抽出することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
被検体内に超音波を１回だけ送信して前記受信信号を得ることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、アナログ遅延回路によって生成することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、デジタル遅延回路およびソフトウェアの何れか一方または両方によって生成することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記超音波プローブは、前記反射波を受信する受信素子を有し、
前記受信素子は、１００個以上の圧電素子で構成される圧電素子アレイであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【請求項１】
被検体内に超音波を送信し、被検体内で反射された超音波の反射波を受信して受信信号を生成する超音波プローブと、
前記受信信号から、送信された超音波の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出部と、
前記３次高調波抽出部で抽出された３次高調波成分に基づいて超音波診断画像を生成する画像生成部とを備え、
前記３次高調波抽出部は、
前記受信信号と、
前記受信信号の位相を２π／３ずらせた２π／３遅延信号と、
前記受信信号の位相を４π／３ずらせた４π／３遅延信号とを加算することで、前記受信信号から基本波成分および２次高調波成分を略除去するとともに、３次高調波成分を略３倍に増幅して抽出することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
被検体内に超音波を１回だけ送信して前記受信信号を得ることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、アナログ遅延回路によって生成することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記３次高調波抽出部は、前記２π／３遅延信号および前記４π／３遅延信号を、デジタル遅延回路およびソフトウェアの何れか一方または両方によって生成することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記超音波プローブは、前記反射波を受信する受信素子を有し、
前記受信素子は、１００個以上の圧電素子で構成される圧電素子アレイであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３９４６４（Ｐ２０１２−１３９４６４Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０３４（Ｐ２０１１−１０３４）
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【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７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【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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