JP2005095320A - 超音波送受信装置及び超音波送受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波送受信装置において、被検体内において発生したバイブロ音が被検体内の反射体から反射されて伝播したバイブロ音の検出信号を用いて画像を生成する。
【解決手段】 印加される複数の駆動信号に従って被検体に超音波をそれぞれ送信する送信素子１１及び１２と、送信素子１１及び１２にそれぞれ印加される複数の駆動信号を生成するシンセサイザ２１及び２２と、被検体内の領域に向けて送信素子１１から周波数ｆ_１を有する超音波を送信すると共に、送信素子１２から周波数ｆ_２を有する超音波を送信するようにシンセサイザ２１及び２２を制御するシステム制御部４１と、被検体内において発生したバイブロ音を受信して複数の検出信号をそれぞれ出力する複数の受信部１５ａ〜１５ｃと、受信部１５ａ〜１５ｃからそれぞれ出力された複数の検出信号について演算処理を施すことにより、受信されたバイブロ音を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成する相関部４５及び反射位置推定演算部４６とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を送受信することにより生体内臓器の診断等を行うために用いられる超音波送受信装置及び超音波送受信方法に関する。

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な画像技術が開発されている。その中でも、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い画像技術として、産科領域における胎児診断、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。

超音波撮像においては、音響インピーダンスの異なる物質の境界において反射された超音波を検出することにより、画像を生成する。ここで、一般に、超音波は周波数が高いほど減衰し易い性質を有している。そのため、被検体の浅部を撮像する場合には、比較的高い周波数（例えば、５ＭＨｚ程度）の超音波が用いられ、被検体の深部を撮像する場合には、比較的低い周波数（例えば、２ＭＨｚ程度）の超音波が用いられている。特に、骨部のように、音響インピーダンスの差が大きい境界が存在する場合には、比較的低い周波数（例えば、０．５ＭＨｚ）の超音波が用いられる。

ところで、超音波ビームの方位分解能ΔＹは円形開口の２次元アレイの場合、方位分解能ΔＹは、焦点距離Ｆと、超音波の波長λと、開口の直径Ｄとを用いて、次のように表される。
ΔＹ＝１．２２×Ｆ×λ／Ｄ
同じ大きさの開口であれば、超音波の波長λが小さいほど、即ち、超音波の周波数が高いほど、ΔＹの値が小さくなり、方位分解能が良くなる。反対に、超音波の波長λが大きいほど、即ち、超音波の周波数が低いほど、ΔＹの値が大きくなり、方位分解能が低下する。一方、開口の大きさは、被検体の大きさとの関係により、一定の大きさに制限される。そのため、被検体の深部を撮像するために低い周波数の超音波を用いると、方位分解能が低くなってしまうので、骨の内部のような深部の微細な構造を画像化することができない。

ところで、周波数が僅かに異なる２つの超音波を物体に照射すると、超音波を照射された部分から、２つの超音波の周波数の差に相当する周波数を有する振動が発生することが知られている。この振動は、バイブロ（vibro）音とも呼ばれている。非特許文献１によれば、バイブロ音が発生するメカニズムは、次のように考えられている。即ち、（１）被検体の検査位置におけるインピーダンスの変化や、超音波の吸収及び拡散による放射圧、又は、（２）非線形干渉によって生成された音響ビームの反射といった物理現象によるものであると説明されている。

このようなバイブロ音は、数ｋＨｚ程度の可聴域〜数百ｋＨｚ程度の超音波帯域の周波数を有しているので、例えば、音響インピーダンスの差が大きい境界を通過したり、被検体の深部から戻ってきたバイブロ音であっても、十分な強度を有する信号を取得することができる。また、バイブロ音を発生させる際には高周波の超音波が用いられるので、バイブロ音による走査領域を細く絞って高分解能を実現することができる。そこで、非特許文献１には、バイブロ音を用いて、被検体から取り出した骨の内部について画像化することが記載されている。また、非特許文献２には、被検体の深部の微細構造を画像化することが記載されている。さらに、特許文献１には、バイブロ音を可聴域で受信することが開示されている。また、特許文献２には、バイブロ音を発生させるために、多リングアニュラアレイを用いたり、複数の超音波トランスデューサを用いて電子スキャンすることが開示されている。

これらの文献においては、送信素子（１次音源）から送信された２つの超音波が共に焦点を形成した位置（２次音源）からバイブロ音が発生するものとして取り扱い、そのバイブロ音を、１つの無指向性の受信素子を用いて受信することにより、音波情報を収集している。しかしながら、被検体内においては、２次音源から発生したバイブロ音が他の組織等の反射体から反射されることにより、反射体の位置を音源（３次音源）とするバイブロ音（バイブロ音の間接波）が発生しているものと考えられる。しかしながら、従来、そのようなバイブロ音の間接波を受信して画像化することは行われていなかった。

また、バイブロ音の周波数は、可聴域、又は、それより少し高い周波数帯域に含まれるので、バイブロ音を受信する際には、それらの帯域をカバーする受信素子が用いられる。そのような帯域の音波や超音波は、空気中においても散乱されずに伝播する。そのため、超音波診断において一般的に用いられる周波数帯域（例えば、３ＭＨｚ〜１０ＮＨｚ）を受信する場合には問題にはならないが、バイブロ音を受信する場合には、空気中を伝播する音波や超音波が検出信号に混入してしまうので、超音波診断の妨げになるおそれがある。
米国特許ＵＳ５，９０３，５１６号明細書 米国特許ＵＳ５，９９１，２３９号明細書 サミュエル カレ（Samuel Calle）等、「骨弾性撮像へのバイブロ音響記録法の応用（Application of Vibro-Acoustography to Bone Elasticity Imaging）」、２００１ ＩＥＥＥ超音波シンポジウム、第１６０１頁〜第１６０５頁 ファテミ（Fatemi）、グリーンリーフ（Greenleaf）、「超音波刺激による振動音分波法（Ultrasound-Stimulated Vibro-Acoustic Spectrography）」、サイエンス（SCIENCE）、第２８０巻、１９９８年４月３日、第８２頁〜第８５頁

そこで、本発明は、超音波送受信装置及び超音波送受信方法において、超音波を送信することによって発生したバイブロ音だけでなく、そのようなバイブロ音が被検体内の反射体に反射することによって２次的に伝播するバイブロ音の検出信号を用いて画像を生成することを第１の目的とする。また、本発明は、バイブロ音を受信して画像を生成する超音波送受信装置及び超音波送受信方法において、空気中を伝播する音波や超音波による雑音の影響を低減することを第２の目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る超音波送受信装置は、印加される複数の駆動信号に従って被検体に超音波をそれぞれ送信する第１の送信手段及び第２の送信手段と、該第１及び第２の送信手段にそれぞれ印加される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、第１の送信手段から被検体内の領域に向けて第１の超音波を送信すると共に、第２の送信手段から上記領域に向けて第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波を送信するように、駆動信号生成手段を制御する制御手段と、上記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を受信して複数の検出信号をそれぞれ出力する複数の受信手段と、該複数の受信手段からそれぞれ出力された複数の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成する演算手段とを具備する。

また、本発明の第２の観点に係る超音波送受信装置は、印加される複数の駆動信号に従って被検体に超音波をそれぞれ送信する第１の送信手段及び第２の送信手段と、該第１及び第２の送信手段にそれぞれ印加される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、第１の送信手段から被検体内の領域に向けて第１の超音波を送信すると共に、第２の送信手段から上記領域に向けて第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波を送信するように、駆動信号生成手段を制御する制御手段と、上記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を受信して少なくとも１つの第１の検出信号を出力する少なくとも１つの第１の受信手段と、被検体外から伝播する超音波又は音波を受信して第２の検出信号を出力する第２の受信手段と、少なくとも１つの第１の検出信号と、利得及び／又は位相が調整された第２の検出信号との差を取ることにより、少なくとも１つの第３の検出信号を生成する処理手段と、少なくとも１つの第３の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成する演算手段とを具備する。

本発明の第１の観点に係る超音波送受信方法は、第１の超音波と、該第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波とを、被検体内の領域に向けて送信するステップ（ａ）と、上記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を、複数の受信手段を用いて受信して複数の検出信号をそれぞれ出力するステップ（ｂ）と、複数の受信手段からそれぞれ出力された複数の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内における反射領域に関する情報を生成するステップ（ｃ）とを具備する。

また、本発明の第２の観点に係る超音波送受信方法は、第１の超音波と、該第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波とを、被検体内の領域に向けて送信するステップと、上記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を受信して少なくとも１つの第１の検出信号を出力するステップと、被検体外から伝播する超音波又は音波を受信して第２の検出信号を出力するステップと、少なくとも１つの第１の検出信号と、利得及び／又は位相が調整された第２の検出信号との差を取ることにより、少なくとも１つの第３の検出信号を生成するステップと、少なくとも１つの第３の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成するステップとを具備する。

本発明によれば、検出された第３の超音波又は音波、即ち、バイブロ音の検出信号について演算処理を施すことにより、発生したバイブロ音が反射体から反射されることによって２次的に伝播したバイブロ音の検出信号を用いて画像を生成することができる。従って、そのようなバイブロ音を反射した反射体に関する情報を得て、骨の内部組織について画像化することが可能になる。また、本発明によれば、被検体外から伝播する雑音を検出し、バイブロ音の受信手段によって出力された信号から差し引くので、ＳＮ比の高いバイブロ音の検出信号を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。この超音波送受信装置は、超音波を送信し、被検体からの超音波エコーを受信して画像化すると共に、被検体においてバイブロ（vibro）音を発生させ、被検体内を伝播するバイブロ音を受信して画像化する装置である。

まず、バイブロ音について説明する。図２に示すように、周波数が僅かに異なる２つの超音波ビームＵＳ１及びＵＳ２を物体１０１に向けて送信すると、２つの超音波が照射された領域Ｐ付近において振動が生じる（「バイブロ現象」ともいう）。この振動がバイブロ音と呼ばれる音波（超音波）である。図２には、バイブロ音の波面が示されている。バイブロ音は、２つの超音波ＵＳ１及びＵＳ２の差周波に相当する周波数（例えば、数ｋＨｚ程度の可聴域〜数１００ｋＨｚ程度の超音波帯域）を有している。このように、バイブロ音は、一般に超音波撮像に用いられる超音波と比較して低い周波数を有しているので、被検体の深部に到達し易い（深達性が良い）。また、そのような低い周波数を有する音波（超音波）を、高い周波数を有する超音波を送信することによって形成するので、低い周波数を有する超音波を直接送信する場合と比較して、細いビームスポットを形成することができる。即ち、バイブロ音を用いることにより、被検体への良好な深達性と高分解能とが両立された超音波画像を生成することができる。

図１に示すように、この超音波送受信装置は、被検体１００に当接させて用いられる超音波送信部１０と、メカニカルステージ１３と、超音波受信部１４と、複数のバイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃとを含んでいる。
超音波送信部１０は、送信素子１１及び１２を含んでいる。送信素子１１及び１２としては、ＰＺＴ（Pb(lead) zirconate titanate：チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック圧電材やＰＶＤＦ（polyvinyliden difluoride：ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材等の圧電素子の両端に電極を形成した超音波トランスデューサによって構成される。このような超音波トランスデューサの電極に、連続波駆動信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は伸縮する。この伸縮により、それぞれの超音波トランスデューサから連続的な超音波が発生する。

送信素子１１は円環形状を有しており、送信素子１２は円形状を有している。或いは、送信素子１２を円環形状にしても良い。これらの送信素子１１及び１２は、同心円状に配置されており、同軸のアニュラアレイを構成している。なお、図１に示す超音波送信部１０においては、送信素子１１及び１２の断面が示されている。このように送信素子を配置することにより、異なる送信素子１１及び１２から送信された複数の超音波ビームに、同一方向の同一深度に焦点を形成させることができる。
メカニカルステージ１３は、送信素子１１及び１２を含む超音波送信部１０をメカニカルに駆動する。これにより、超音波送信部１０から送信される超音波によって被検体１００がリニアに走査される。

超音波受信部１４は、ＰＺＴ等を含む受信素子を有しており、被検体から伝播する超音波を受信して検出信号を出力するハイドロホンである。超音波受信部１４は、超音波送信部１０とメカニカルに接続されており、メカニカルステージ１３によってメカニカルに駆動される超音波送信部１０に伴って移動する。

バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃの各々は、ＰＺＴ等を含む受信素子を有しており、被検体から伝播するバイブロ音を受信して検出信号を出力するハイドロホンである。これらの受信素子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波やバイブロ音の検出信号として出力される。

図３は、本実施形態に係る超音波送受信装置において用いられる送信素子及び受信素子の周波数特性を示している。図３に示すように、超音波送信部１０に含まれる送信素子１１及び１２は、メガヘルツ帯域（例えば、３ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）において、最も感度が高くなるように設定されている。また、超音波受信部１４に含まれる受信素子は、数１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有している。さらに、バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃに含まれる受信素子は、数１００Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有している。

再び、図１を参照すると、この超音波送受信装置は、送信系回路としてシンセサイザ２１及び２２と、パワーアンプ２３及び２４とを有しており、受信系回路として、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１及び３２ａ〜３２ｃと、プリアンプ３３及び３４ａ〜３４ｃと、Ａ／Ｄコンバータ３５及び３６ａ〜３６ｃと有している。シンセサイザ２１及び２２は、後述するシステム制御部４１の制御の下で、送信素子１１及び１２にそれぞれ与えられる連続波駆動信号を生成する。パワーアンプ２３及び２４は、シンセサイザ２１及び２２によってそれぞれ生成された連続波駆動信号を電力増幅する。

バンドパスフィルタ３１及び３２ａ〜３２ｃは、超音波受信部１４及びバイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃからそれぞれ出力された超音波又はバイブロ音の検出信号の検出信号について、所定の周波数帯域を通過させる。このようなフィルタ処理により、検出信号における不要な帯域を除去してＳＮ比を高くする。プリアンプ３３及び３４ａ〜３４ｃは、フィルタ処理を施された検出信号を前置増幅する。また、Ａ／Ｄコンバータ３５及び３６ａ〜３６ｃは、アナログの検出信号をディジタル信号（検出データ）に変換する。

また、この超音波送受信装置は、処理部４０と、画像表示部５０とを有している。
処理部４０は、例えば、パーソナルコンピュータ等のデータ処理装置であり、システム制御部４１と、超音波検出信号を処理する信号処理部４２と、メモリ４３と、バイブロ音検出信号を処理する相関部４５と、反射位置推定演算部４６と、信号処理部４７と、メモリ４８と、表示画像演算部４９とを含んでいる。

システム制御部４１は、処理部４０の各部４１〜４９を制御すると共に、シンセサイザ２１及び２２に生成させる連続波駆動信号の周波数及びその発生時刻を制御する。また、システム制御部４１は、超音波送信部１０によって被検体１００の所望の領域が走査されるように、メカニカルステージ１３を制御する。

信号処理部４２は、Ａ／Ｄコンバータ３５の出力信号（検出データ）に対して、対数増幅や、検波や、ＴＧＣ（time gain compensation：時間利得補償）等の信号処理を施す。また、メモリ４３は、信号処理を施された検出データを、所定の記憶領域に記憶する。

相関部４５は、Ａ／Ｄコンバータ３６ａ〜３６ｃの出力信号にそれぞれ含まれるバイブロ音の検出信号の中から、複数の検出信号の相関値を求め、相関値が最大となるように複数の検出信号の位相を調整し、それらを合成して合成データを生成する。反射位置推定演算部４６は、相関部４５において求められた複数の検出信号の位相調整に関する情報に基づいて、受信されたバイブロ音の反射位置を推定する演算処理を行う。

信号処理部４７は、相関部４５から出力された合成データに対して、反射位置推定演算部４６によって求められた反射位置に基づいて、対数増幅や、検波や、ＴＧＣ等の信号処理を施す。メモリ４８は、信号処理を施された合成データを、反射位置推定演算部４６によって求められた反射位置に基づいて、所定の記憶領域に記憶する。

表示画像演算部４９は、メモリ４３及び４８にそれぞれ記憶されている面データについて走査フォーマットの変換を行うことにより、Ｂモード画像データを生成する。
画像表示部５０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示デバイスであり、表示画像演算部４９によって生成されたＢモード画像データに基づいて超音波画像を表示する。

次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法について、図１及び図４〜図７を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。
図４のステップＳ１０において、図５の（ａ）に示すように、超音波送受信装置は、送信素子１１から周波数ｆ_１を有する超音波ＵＳ１を、また、送信素子１２から周波数ｆ_２を有する超音波ＵＳ２を、被検体１００の骨部１１０表面の同一領域において焦点を形成するように送信する。

図５の（ａ）に示すように、超音波ＵＳ１及びＵＳ２は、骨部１１０表面の所定の領域において焦点を形成する。これにより、周波数Δｆ＝ｆ_１−ｆ_２を有するバイブロ音が発生し、領域Ｐを音源とするバイブロ音の波面が同心円状に伝播する。図５の（ｂ）に示すように、領域Ｐ（２次音源Ｐ）から発生したバイブロ音は、骨部１１０の内部まで伝播し、領域Ｘや領域Ｙにおいて反射される。これにより、領域Ｘや領域Ｙを音源（３次音源）とするバイブロ音の波面が同心円状にそれぞれ伝播する。

ステップＳ１１において、図５の（ｃ）に示すように、超音波送受信装置のバイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃは、被検体１００の表面に伝播したバイブロ音を受信する。バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃから出力された検出信号は、フィルタ処理及び前置増幅処理を施され、ディジタル信号に変換されて処理部４０の相関部４５に入力される。

図６において、出力信号Ａ〜Ｃは、バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃによって受信されたバイブロ音の信号をそれぞれ表している。ここで、横軸は時間を示し、縦軸は信号の強度を示している。出力信号Ａには、図５の（ｃ）に示す２次音源Ｐから発生したバイブロ音の検出信号Ｐ_Ａと、３次音源によって反射されたバイブロ音の検出信号Ａ１及びＡ２が現れている。また、検出信号Ｂには、２次音源Ｐから発生したバイブロ音の検出信号Ｐ_Ｂと、３次音源によって反射されたバイブロ音の複数の検出信号Ｂ１及びＢ２が現れている。さらに、検出信号Ｃには、２次音源Ｐから発生したバイブロ音の検出信号Ｐ_Ｃと、３次音源によって反射されたバイブロ音の複数の検出信号Ｃ１及びＣ２が現れている。なお、２次音源Ｐから発生して直接受信されるバイブロ音は、３次音源によって反射されたバイブロ音と比較して強度が高く、３次音源からのバイブロ音よりも先に受信される。

次に、ステップＳ１２において、相関部４５は、Ａ／Ｄコンバータ３６ａ〜３６ｃから出力された複数の検出信号の相関値を求める。ここで、一般に、反射体から反射された音波や超音波の波形は、反射体の硬さや弾性のような反射体の性質に影響を受ける。そのため、相関値の高い複数の検出信号は、同じ反射領域において反射されたバイブロ音を表すものと考えられる。そこで、本実施形態においては、相関値の高い複数の検出信号を用いて、反射領域の位置や反射されたバイブロ音の強度を推定する演算処理を行っている。
図６に示すように、出力信号Ａ〜Ｃにおいては、検出信号Ａ２と検出信号Ｂ１と検出信号Ｃ１との波形が相関し、検出信号Ａ１と検出信号Ｂ２と検出信号Ｃ２との波形が相関するものと考えられる。

次に、ステップＳ１３において、相関部４５は、相関値が最大となるように複数の検出信号の位相を調整し、それらを合成する。これにより、複数の検出信号Ａ２、Ｂ１、Ｃ１の合成データや、複数の検出信号Ａ１、Ｂ２、Ｃ２の合成データが生成される。

ステップＳ１４において、反射位置推定演算部４６は、相関部４５の検出結果に基づいて、相関する複数の検出信号が表すバイブロ音の反射位置を推定するための演算を行う。以下において、この演算方法について詳しく説明する。
まず、反射位置推定演算部４６は、図６に示すバイブロ音の検出信号Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃの検出時刻ｔ＝ｔ_ＰＡ、ｔ_ＰＢ、ｔ_ＰＣに基づいて、バイブロ音の発生位置（２次音源）Ｐの位置を求める。２次音源Ｐの位置は、検出信号Ｐ_Ａの検出時刻ｔ_ＰＡと検出信号Ｐ_Ｂの検出時刻ｔ_ＰＢとの時間差Δｔ_ＡＢ＝ｔ_ＰＡ−ｔ_ＰＢと、検出信号Ｐ_Ｂの検出時刻ｔ_ＰＢと検出信号Ｐ_Ｃの検出時刻ｔ_ＰＣとの時間差Δｔ_ＢＣ＝ｔ_ＰＢ−ｔ_ＰＣとを用い、被検体内におけるバイブロ音の伝播速度を一定として、演算により求めることができる。さらに、反射位置推定演算部４６は、求められた２次音源Ｐの位置に基づいて、バイブロ音の発生時刻ｔ＝ｔ_０を求める。

次に、反射位置推定演算部４６は、相関する３つの検出信号Ａ２、Ｂ１、Ｃ１の到達時間を、バイブロ音の発生時刻ｔ＝ｔ_０を基準として求める。図６に示す場合には、検出信号Ａ２の到達時間はΔｔ_Ａ＝ｔ_Ａ２−ｔ_０、検出信号Ｂ１の到達時間はΔｔ_Ｂ＝ｔ_Ｂ１−ｔ_０、検出信号Ｃ１の到達時間はΔｔ_Ｃ＝ｔ_Ｃ１−ｔ_０となる。さらに、反射位置推定演算部４６は、被検体内におけるバイブロ音の伝播速度を一定とし、求められた検出信号の到達時間Δｔ_Ａ、Δｔ_Ｂ、Δｔ_Ｃを、長さＬ_Ａ、Ｌ_Ｂ、Ｌ_Ｃにそれぞれ換算する。

図７は、バイブロ音の反射位置（３次音源）を求める方法を説明するための図である。先に求められた長さＬ_Ａは、２次音源Ｐから３次音源Ｘを経て受信位置Ａに至る長さを表している。言い換えると、３次音源Ｘは、２次音源Ｐ及び受信位置Ａを２定点とし、２定点からの距離の和がＬ_Ａである楕円ＥＡの軌道上にある。また、長さＬ_Ｂは、２次音源Ｐから３次音源Ｘを経て受信位置Ｂに至る長さを表しており、３次音源Ｘは、２定点である２次音源Ｐ及び受信位置Ｂからの距離の和がＬ_Ｂである楕円ＥＢの軌道上にある。同様に、長さＬ_Ｃは、２次音源Ｐから３次音源Ｘを経て受信位置Ｃに至る長さを表しており、３次音源Ｘは、２定点である２次音源Ｐ及び受信位置Ｃからの距離の和がＬ_Ｃである楕円ＥＣの軌道上にある。従って、楕円ＥＡと楕円ＥＢと楕円ＥＣとの交点を求めることにより、３次音源Ｘの位置を特定することができる。

反射位置推定演算部４６は、このような方法を用いて、先に求められた２次音源Ｐとバイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃとの位置関係と、長さＬ_Ａ、Ｌ_Ｂ、Ｌ_Ｃとに基づいて、３次音源Ｘの位置を求める。
同様にして、反射位置推定演算部４６は、相関する検出信号Ａ１、Ｂ２、Ｃ２を用いて、３次音源Ｙ（図５）の位置を求める。

図４のステップＳ１５において、図１の信号処理部４７は、相関部４５において生成された合成データに対して、対数増幅や、検波や、ＴＧＣ等の信号処理を施す。その際に、信号処理部４７は、反射位置推定演算部４６によって求められた３次音源の位置（深さ）に基づいてゲインの調整等を行う。さらに、信号処理を施された合成データは、反射位置推定演算部４６によって求められた３次音源の位置に基づいて、メモリ４８の所定の記憶領域に記憶される。
このようなステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を、出力信号Ａ〜Ｃに含まれる相関する複数の検出信号について行うことにより、メモリ４８には、被検体のある断面における面データを構成する合成データが蓄積される。

一方、被検体１００の骨部１１０の外側においては、超音波ＵＳ１や超音波ＵＳ２が被検体１００内の軟部組織１２０に反射することによって超音波エコーが生じている。図４のステップＳ２１において、超音波受信部１４は、超音波エコーを受信して検出信号を出力する。この検出信号は、フィルタ処理及び前置増幅処理を施され、ディジタル変換されて信号処理部４２に入力される。

次に、ステップＳ２２において、信号処理部４２は、入力された検出データについて、検波等の所定の信号処理を施す。信号処理を施された検出データは、メモリ４３の所定の記憶領域に記憶される。これにより、メモリ４３には、被検体のある断面における面データを構成する音線データが蓄積される。

ステップＳ３１において、表示画像演算部４９は、メモリ４３及び４８にそれぞれ記憶されている面データに基づいて、Ｂモード画像データを生成する。これにより、図８の（ａ）に示すように、メモリ４３に記憶されている超音波に基づいて得られたデータからは、骨部１１０の外側の軟部組織１２０が表された超音波画像が生成される。また、図８の（ｂ）に示すように、メモリ４８に記憶されているバイブロ音に基づいて得られたデータからは、骨部１１０の内部組織が表された超音波画像が生成される。

ステップＳ３２において、表示画像演算部４９は、生成されたＢモード画像を表示部５０に表示させる。その際に、表示画像演算部４９は、図８の（ａ）や（ｂ）に示す超音波画像を順次表示させても良い。或いは、図８の（ｃ）に示すように、それらの超音波画像を合成することにより、骨部の外側の軟部組織と骨部の内部組織との両方が表された超音波画像を表示させても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数の受信素子を用いて受信されたバイブロ音の検出信号に基づいて、そのバイブロ音を反射した反射体に関する情報を演算によって求めるので、送信された超音波では直接到達し難い骨の内部について、詳細な画像を得ることが可能になる。また、１回の超音波の送信により、被検体内の複数の反射体に関する情報を得ることができるので、効率的に超音波撮像を行うことが可能になる。

本実施形態においては、３つの受信部を用いて被検体を伝播するバイブロ音を検出したが、４つ以上の受信部を用いても良い。これにより、３次音源の位置の推定精度を高くすることができる。

また、本実施形態においては、１つの超音波受信部１４を用いて被検体からの超音波エコーを検出したが、異なる位置に配置された複数の超音波受信部を用いて超音波エコーを検出しても良い。その場合には、複数の超音波受信部にそれぞれ対応する複数の受信系回路（バンドパスフィルタ、プリアンプ、Ａ／Ｄコンバータ）を設けると共に、信号処理部４２の前段に、それらの受信系回路から出力された検出データについて、所定の遅延を与えて加算することにより受信フォーカス処理を施す処理部を設けることが望ましい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。
図９は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。図９に示す超音波送受信装置において、複数のバイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃは、超音波送信部１０とメカニカルに連結されている。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。

本実施形態においては、メカニカルステージ１３の駆動により超音波送信部１０が移動する際に、バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃも一緒に移動する。これにより、図５に示すように、超音波送信部１０から送信された２つの超音波に基づいて発生したバイブロ音の２次音源Ｐの位置と、バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃとの位置関係は常にそれぞれ一定となる。従って、２次音源Ｐの位置を求める必要がなくなり、演算処理を簡単にすることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置について説明する。
図１０は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。この超音波送受信装置は、Ａ／Ｄコンバータ３６ａ〜３６ｃの前段に、プリアンプ３７ａ〜３７ｃと、位相調整部３８ａ〜３８ｃと、減算処理部３９ａ〜３９ｃとをそれぞれ備えている。また、この超音波送受信装置は、被検体の外部の音波や超音波を収集するように向きを調節されている受信部１６と、受信部１６の出力信号を増幅するプリアンプ１７と、位相調整部１８とを備えている。受信部１６は、バイブロ音受信部１５ａ〜１５ｃと同様に、例えば、数１００Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの周波数帯域においてほぼ一定の受信感度を有するような受信素子を有しており、空気中を伝播する音波や超音波を受信する。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。

ここで、本実施形態において受信されるバイブロ音は、可聴域〜数１００ｋＨｚ程度の周波数を有している。音波は当然のことであるが、４０ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚ程度の比較的周波数が低い超音波は、通常の超音波撮像に用いられるメガヘルツ帯域の超音波と異なり、空気中を伝播することが可能である。そのため、バイブロ音を受信する受信素子が、被検体を伝播するバイブロ音だけでなく、空気中を伝播する音波や超音波も受信してしまうので、検出信号のＳＮ比が著しく低下するおそれがある。
そこで、本実施形態においては、空気中を伝播する雑音を受信部１６によって検出し、その検出信号の利得及び位相を調整することによって雑音の成分を取得する。そして、前置増幅及び位相調整されたバイブロ音の検出信号から、雑音の成分を差し引くことにより、バイブロ音検出信号のＳＮ比を向上させている。

本実施形態においては、複数のバイブロ音の検出信号に基づいて合成データを生成する前に、それぞれのバイブロ音の検出信号から雑音の成分を差し引く処理を行っているが、生成された合成データから雑音の成分を差し引く処理を行っても良い。また、雑音の成分を差し引く処理は、図１０に示すようにアナログ的に行っても良いし、ディジタル的に行っても良い。

以上説明した本発明の第１〜第３の実施形態においては、周波数の異なる２つの超音波を送信することによってバイブロ音を発生させた。しかしながら、バイブロ音の発生方法については、この方法に限られない。例えば、米国特許ＵＳ５，９２１，９２８号明細書に開示されているように、単一周波数の超音波の振幅を変調する方法や、振幅変調された単一周波数の超音波を間歇送信する方法や、米国特許ＵＳ６，４０８，６７９号明細書に開示されているように、低周波の超音波をポンピングして高周波の超音波によって刺激を与えることにより、非線形現象を起こす方法等が挙げられる。
また、バイブロ音を受信する際に、米国特許ＵＳ５，９０３，５１６号明細書の図５に開示されているように、ドプラスキャンを行っても良い。

本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。 バイブロ音を発生させる様子を示す図である。 送信素子及び受信素子の周波数特性を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信方法を説明するための図である。 図１に示すバイブロ音受信部の出力信号を表す図である。 ３次音源の位置を求める方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置によって撮像される超音波画像を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 超音波送信部
１１、１２ 送信素子
１３ メカニカルステージ
１４ 超音波受信部
１５ａ〜１５ｃ バイブロ音受信部
１６ 受信部
１７、３３、３４ａ〜３４ｃ、３７ａ〜３７ｃ プリアンプ
１８ 位相調整部
２１、２２ シンセサイザ
２３、２４ パワーアンプ
３１、３２ａ〜３２ｃ バンドパスフィルタ
３５、３６ａ〜３６ｃ Ａ／Ｄコンバータ
３８ａ〜３８ｃ 位相調整部
３９ａ〜３９ｃ 減算処理部
４０ 処理部
４１ システム制御部
４２、４７ 信号処理部
４３、４８ メモリ
４５ 相関部
４６ 反射位置推定演算部
４９ 表示画像演算部
５０ 画像表示部
１００ 被検体
１０１ 物体
１１０ 骨部
１２０ 軟部組織

Claims (9)

1. 印加される複数の駆動信号に従って被検体に超音波をそれぞれ送信する第１の送信手段及び第２の送信手段と、
   前記第１及び第２の送信手段にそれぞれ印加される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
   前記第１の送信手段から被検体内の領域に向けて第１の超音波を送信すると共に、前記第２の送信手段から前記領域に向けて第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波を送信するように、前記駆動信号生成手段を制御する制御手段と、
   前記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を受信して複数の検出信号をそれぞれ出力する複数の受信手段と、
   前記複数の受信手段からそれぞれ出力された複数の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成する演算手段と、
   を具備する超音波送受信装置。
2. 前記演算手段が、前記複数の受信手段からそれぞれ出力された複数の検出信号の相関値を求め、相関値が最大となるように複数の検出信号の位相を調整して合成する、請求項１記載の超音波送受信装置。
3. 前記演算手段が、前記相関値が最大となるときの複数の検出信号の位相調整に関する情報に基づいて、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域の位置に関する情報を求める、請求項２記載の超音波送受信装置。
4. 前記演算手段によって求められた合成検出信号及び被検体内の反射領域の位置に関する情報に基づいて画像データを生成する画像生成手段をさらに具備する請求項３記載の超音波送受信装置。
5. 印加される複数の駆動信号に従って被検体に超音波をそれぞれ送信する第１の送信手段及び第２の送信手段と、
   前記第１及び第２の送信手段にそれぞれ印加される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
   前記第１の送信手段から被検体内の領域に向けて第１の超音波を送信すると共に、前記第２の送信手段から前記領域に向けて第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波を送信するように、前記駆動信号生成手段を制御する制御手段と、
   前記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を受信して少なくとも１つの第１の検出信号を出力する少なくとも１つの第１の受信手段と、
   被検体外から伝播する超音波又は音波を受信して第２の検出信号を出力する第２の受信手段と、
   前記少なくとも１つの第１の検出信号と、利得及び／又は位相が調整された前記第２の検出信号との差を取ることにより、少なくとも１つの第３の検出信号を生成する処理手段と、
   前記少なくとも１つの第３の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成する演算手段と、
   を具備する超音波送受信装置。
6. 第１の超音波と、該第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波とを、被検体内の領域に向けて送信するステップ（ａ）と、
   前記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を、複数の受信手段を用いて受信して複数の検出信号をそれぞれ出力するステップ（ｂ）と、
   前記複数の受信手段からそれぞれ出力された複数の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内における反射領域に関する情報を生成するステップ（ｃ）と、
   を具備する超音波送受信方法。
7. ステップ（ｃ）が、前記複数の受信手段からそれぞれ出力された複数の検出信号の相関値を求め、相関値が最大となるように複数の検出信号の位相を調整して合成することを含む、請求項６記載の超音波送受信方法。
8. ステップ（ｃ）が、前記相関値が最大となるときの複数の検出信号の位相調整に関する情報に基づいて、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域の位置に関する情報を求めることを含む、請求項７記載の超音波送受信装置。
9. 第１の超音波と、該第１の超音波と異なる周波数を有する第２の超音波とを、被検体内の領域に向けて送信するステップと、
   前記被検体内において第１及び第２の超音波に基づいて発生し、第１の超音波の周波数と第２の超音波の周波数との差の周波数を有する第３の超音波又は音波を受信して少なくとも１つの第１の検出信号を出力するステップと、
   被検体外から伝播する超音波又は音波を受信して第２の検出信号を出力するステップと、
   前記少なくとも１つの第１の検出信号と、利得及び／又は位相が調整された前記第２の検出信号との差を取ることにより、少なくとも１つの第３の検出信号を生成するステップと、
   前記少なくとも１つの第３の検出信号について演算処理を施すことにより、受信された第３の超音波又は音波を反射した被検体内の反射領域に関する情報を生成するステップと、
   を具備する超音波送受信方法。

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