JP5235477B2 - 超音波による画像形成方法及び超音波装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて試料の断層像もしくは三次元像を取得する画像形成方法及び超音波装置に関する。また試料内で生ずる音響光学的な収差を補正する超音波の収差補正方法に関する。

従来の一般的な超音波を用いて断層像を得る装置（画像形成装置）は、超音波を試料（例えば生体等の被検体）に送信する送信部と、反射波を受信する受信部と、送受信波を走査する走査手段と、受信した反射信号を輝度信号に変換、可視化するための手段によって構成されている。このように構成された画像形成装置によって得られた時系列断層画像を用いて試料の内部を観察することが行われている。また、上記装置の一つの形態においては、上記走査手段によって超音波を上下左右に走査し三次元像を得ることも行われている。

ところで、特許文献１に示されているように、超音波信号（単に超音波と記す場合もある）を生体等の被検体に送信した場合、当該超音波信号は被検体内を伝播して被検体内部に存在する反射体で反射される。そして、再び被検体内を伝播して超音波探触子で受波される工程においては、伝播する媒体である被検体内の各組織は一般に均質ではないため、超音波探触子に到達する段階で、各音波間に位相差を生じる。その結果、受波超音波による画像が歪んでしまう現象（位相相殺効果と呼ばれる）が発生する。この位相相殺効果により超音波探触子の超音波信号を発信又は受信する面（開口又は開口面ともいう）での反射波の遅延分布が理論値とのずれが生じる。このため、単に開口（開口面）を大きくしても、分解能は大きくは向上せず、従って画質の向上も困難になる。

この問題を解決するために、位相共役送受信という方法がある。位相共役送受信というのは、一般的には入射波面の受波開口面上での位相分布に基づきその入射波の到来する方向に自動的に指向性が向くような整相加算処理（ビームフォーミングともいう）をすることをいう。前述の課題に対しては、その性質を入射波面の受波開口面上での位相分布が途中の経路の音速の分布により歪んでいる場合でも目的波源（エコー源ともいう）に正しく収差補正されるようにするために利用する。即ち受波アレイ（受波プローブともいう）が受信した受波信号の中から２つの受波信号を選択してそのチャネル間位相差を求める。次いで当該チャネル間位相差に含まれる非理想成分を求めて位相補正量を定め、その位相補正量により受波信号の位相を補正する。２つの受波信号としては、受波アレイを構成する超音波エレメントの各隣接エレメントからの２信号、又は、全エレメントからの信号の平均値と、各エレメントからの信号の２信号が選択される。位相補正量の演算には特許文献２にも示されているように相互相関演算が用いられる。ここで上記「エレメント」とは超音波を送受信する際の１つまたは複数の超音波変換素子からなる単位ユニットを意味する。

また特許文献３によれば別の収差補正の形態として、アレイ探触子から第一の波面を送信するステップと、得られた波面を用いて収差補正値を用いるステップを有する。さらに、アレイ探触子から収差補正値に対応した第二の波面を送信するステップと、得られた第二の波面より画像を形成するステップを有する。そして、第一の波面は位相の精度を高める為に狭いビームを、第二の波面は走査スピードを高める為に広いビームを用いる方法がある。

一方、非特許文献１によれば特許文献１の方法を反復処理することによって補正精度を高めることが試みられている。また特許文献４、５では基本周波数、ハーモニック周波数
のいずれか一方で収差補正を行い、他方で画像化を行う方法について言及されている。
特開平５−２３７１０４号公報 特開平７−７９９７２号公報 特開２００６−１４２０２６号公報 米国特許第６，０２３，９９７号明細書 米国特許第６，２２３，５９９号明細書 "Estimation of ultrasound wave aberration with signals from random scatterers", J. Acoust. Soc. Am. 115(6),2004.

従来の方法においては、点ターゲットからの反射のように反射強度が所定レベル以上の強度を有する対象物（測定対象物ともいう）からの信号（反射波）では補正が可能である。しかし、微小な散乱体からの反射のように反射強度が弱く所定レベル以下である対象物からの信号（反射波）では、各反射波の相関性が低いため、補正が困難であるという課題を有していた。つまり、特許文献１に述べられているように従来の収差補正方法においては収差補正の対象となる音線を含む信号（反射波）を発する対象物の近傍に存在する媒体が発する弱く不均一な反射波（エコー）のスペックル成分も位相誤差計測の対象としなければならない。しかし、スペックル成分（微小散乱体からの信号）は統計的性質でしか論ぜられない不安定な存在であり、点ターゲットによる位相計測とは異なり、あるエコーの区間長について積分しなければならない。また超音波探触子が有する測定の対象となる信号（メインローブともいう）の位相計測の障害となる周囲の信号（サイドローブともいう）のため、対象を通る円周上にある目標物以外の反射点からのエコーが受波される場合がある。そしてこのようなエコーの受波は収差補正の誤差の原因となっている。

特に上記特許文献１においてはドプラ成分を有する目標からのエコーに限定してデータを収集することによって前記のサイドローブによる位相補正誤差はある程度低減できる。しかし、例えば被検体が生体等の場合には、血流や動きのある部分でしか使用できず、適用範囲が大きく制限されていた。

また、非特許文献１では同様の方法を反復改良することによって補正精度を高めることが試みられているが、同様に相関性の低いデータにおける課題が指摘されている。

一方、特許文献３に述べられている如く第一の波面に狭いビーム（音線の束）を用いる場合には一般に高周波数領域を使用する。また第二の波面に広いビームを用いる場合には一般に低周波数領域を使用するか、周波数は変化せずに遅延、開口制御等にてビーム径を制御する。これは狭いビームを用いる場合に高周波数領域を使用すると位相に対する感度が高くなる一方、一周期以上の位相変化を生じ波面が揃わないという問題（エイリアシングともいう）がある。また一方エイリアシングを避けるために低周波数を用いた場合には十分な解像度が得られないという問題があった。

また一方特許文献４、５で述べられている方法では基本周波数、もしくはハーモニック周波数で収差補正が可能であることを前提としているものの、収差が大きく収差補正が困難である場合の解決法が示されていない。また、本発明者らの知見によれば、単に異なる２つの周波数を有する超音波を用いるのみでは、必ずしも精度の高い収差補正値が得られるものではなく、例えば周波数の組み合わせによっては、補正効果が小さいか、むしろ悪くなる場合がある。

一般に超音波の指向性は横軸に方位もしくは位置、縦軸に信号強度を用いて評価されるが、指向性が強い一方サイドローブの高いビームと、指向性がそれほど鋭敏でない一方サ
イドローブの少ないビームの評価は定量的には困難であった。これは上記特許文献４，５に述べられている収差補正を行う際にも同様であるが、上記特許文献では収差の評価およびその周波数に関しては注意が払われていなかった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、収差が大きく収差補正が困難である場合において、正確な収差補正値を導出する方法及び当該収差補正値を用いて高分解能な超音波撮像を得る方法を提供することにある。

上記課題を解決する為、本発明者らが鋭意検討を行った結果、本発明の完成に至ったものである。本発明は、低周波数による送受信の場合に各受信素子における相関がとりやすくなり収差補正の精度が上がるという知見と、超音波のイメージングにおいては高周波による送受信は低周波の送受信に比較して解像度が良いという知見に基づくものである。さらに本発明は、収差補正量は周波数依存性が低いという知見と、収差補正に採用する低周波、高周波には最適値が存在するという知見に基づくものである。

本発明は上記の知見に基づくものであり、その骨子とするところは、対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
前記対象物に第１の超音波を送信した際に前記対象物から反射される第１の反射波を受信し第１の受信信号に変換する第１の工程と、
前記第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第２の工程と、
前記収差補正値を用いて生成した送信信号に基づいて第２の超音波を前記対象物に送信
した際に、前記対象物から反射される第２の反射波を受信し、第２の受信信号に変換する第３の工程と、
前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
を含み、
前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、
前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とするものである。

また本発明は、対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信した際に前記対象物から反射される反射波を受信し受信信号に変換する第１の工程と、
前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離する第２の工程と、
前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第３の工程と、
前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
を含み、
前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、
前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とするものである。

また、本発明は、対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
前記対象物に第１の超音波を送信した際に前記対象物から反射される第１の反射波を受信し第１の受信信号に変換する第１の工程と、
前記第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第２の工程と、
前記収差補正値に基づいて補正した第２の超音波を前記対象物に送信した際に前記対象物から反射される第２の反射波を受信し第２の受信信号に変換する第３の工程と、
前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
を含み、
前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数よりも高いことを特徴とするものである。

また、本発明は、対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用い
て画像を形成する画像形成方法であって、
前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信した際に前記対象物から反射される反射波を受信し受信信号に変換する第１の工程と、
前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離する第２の工程と、
前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第３の工程と、
前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
を含み、
前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数よりも高いことを特徴とするものである。
また、本発明は、対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
前記対象物に第１の超音波を送信して前記対象物から反射される第１の反射波を受信し、第１の受信信号に変換する探触子と、
前記第１の受信信号を用いて収差補正値を求める演算回路と、
画像を形成する画像処理装置と、
を有し、
前記探触子は、前記収差補正値を用いて生成された送信信号に基づいて前記対象物に第２の超音波を送信し、前記対象物から反射される第２の反射波を受信して第２の受信信号に変換し、
前記画像処理回路は、前記収差補正値と前記第２の受信信号とを用いて画像を形成し、
前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とするものである。
また、本発明は、対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信し、前記対象物から反射される反射波を受信して受信信号に変換する探触子と、
前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離するフィルタと、
前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める演算回路と、
前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する画像処理装置と、
を、有し、
前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とするものである。
また、本発明は、対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
前記対象物に第１の超音波を送信して前記対象物から反射される第１の反射波を受信し、第１の受信信号に変換する探触子と、
前記第１の受信信号を用いて収差補正値を求める演算回路と、
画像を形成する画像処理装置と、
を有し、
前記探触子は、前記収差補正値を用いて生成された送信信号に基づいて前記対象物に第２の超音波を送信し、前記対象物から反射される第２の反射波を受信して第２の受信信号に変換し、
前記画像処理回路は、前記収差補正値と前記第２の受信信号とを用いて画像を形成し、
前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数より高いことを特徴とするものである。
また、本発明は、対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信し、前記対象物から反射される反射波を受信して受信信号に変換する探触子と、
前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離するフィルタと、
前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める演算回路と、
前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する画像処理装置と、
を、有し、
前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数より高いことを特徴とするものである。

以上説明したように本発明によれば、収差が大きく収差補正が困難である場合において、収差補正を行う最適な周波数を選択し、正確な収差補正値を導出することにより高分解能な超音波撮像を実現することができる。

本発明においては、収差補正に使用する超音波を第１の超音波と定義し、周波数画像化に用いる超音波を第２の超音波と定義する。

また本発明においては、画像形成は必須ではなく、本発明の収差補正方法により得た収差補正データのみを解析データ等として活用することもできる。

本発明においては、好適な収差補正を行うには、収差補正用の周波数および画像化の周波数を適切に選択する必要があることと、ビーム特性の評価を行う必要があることに配慮した。これは従来の方法では収差補正を行った際に、当該収差が補正できているのか、補正できていないのかが必ずしも明確に判断できる指標が存在しないために本発明者らが検討の結果求めたものである。

具体的には次の評価関数を定義し、ビーム特性の評価を行うことが好ましい。

また、重み関数は次のように定義された条件を満たす。

重み関数のパラメータをａ＝ｃ＝２、ｂ＝１とした場合の評価関数を等価半値幅と定義する。

本発明において、画像形成に用いる超音波（第２の超音波）の周波数（第２の周波数）の好ましい範囲は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下である。より好ましい範囲は０．７ＭＨｚ以上、１５ＭＨｚ以下である。最適には１ＭＨｚ以上、１２ＭＨｚ以下である。当該画像形成に用いる第２の超音波の中心周波数は、形成する画像に求められる精度、解像度、精細度等に基づいて決定することが好ましい。

本発明において収差補正に用いる超音波（第１の超音波）の周波数（第１の周波数）の好ましい範囲は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６（１８％）以上、９／２０（４５％）以下の中心周波数である。

以下に本発明にかかる超音波撮像における収差補正のための方法を説明する。撮像にあたっては、二段階の超音波送受信プロセスを有する。まず第一段階においては低周波領域においての超音波（第１の超音波）送受信によって収差量の測定を行う。つまり、低周波数の超音波（第１の信号）がマルチエレメントトランスデューサ（複数のエレメントを有する超音波送受波器）から送信され、反射した超音波（第１の信号）は各エレメントによって受波される（第１の工程）。そして各エレメント間のフォーカス、ステアリングに伴う遅延量補正がなされた後、エレメント間の位相差の計測が相互相関演算によって行われる。相互相関演算は特許文献２と同様の方法を用いて行う。すなわち、各受信信号の一部を相関計算領域として切り出し（抽出し）、この切り出された各受信信号のうち、互いに隣接する２つの受信信号間で相互相関演算が行われ、求められた相互相関関数のピーク値の存在する位置から隣接素子間の時間ずれΔτが求められる。この時間ずれΔτが互いに隣接する２つの受信信号の全てについて求められ、この求められた各時間ずれΔτが例えば１番目の素子に対応する受信信号の到達時刻を基準にして順次積算される。これにより基準の受信信号に対する他の受信信号の各時間ずれΔｔが求められる。そして各時間ずれΔｔが素子毎の時間遅延量（収差補正値）として装置に記憶される（第２の工程）。

上記第３の工程の前に、第１の工程と第２の工程とを複数回繰り返すことによって、一旦求めた補正値を再補正して、補正値の精度をより高めることができる。当該繰り返し工程において、２回目以降に使用する前記第１の超音波は、直前の前記第２の工程で求めた収差補正値を用いて補正したものである。

またこの際に使用する超音波の周波数は１つの周波数（中心周波数）に固定する必要はなく、工程毎に変化（増加又は減少）させても良い。本発明者らの知見によれば徐々に（例えば前の工程で使用した超音波の周波数の５〜５０％の範囲）で増加させることにより、より精度の高い補正値を求めることができる。またこの際毎回増加させる必要はなく、得られた信号に応じて前回の超音波の周波数を維持する、或いは減少させる工程を含んで
いても良い。そして画像形成に用いる超音波（第２の超音波）の中心周波数は、最後に使用した前記第１の超音波の中心周波数よりも高いことが補正値の精度を向上する上で好ましい。これは周波数が高いほど分解能が高いことが理由と考えられる。

次に第二段階においては収差補正が行われた超音波（第２の超音波）の送受信によって撮像を行う。つまり第一段階において計測された遅延量だけ補正された超音波の送信を行い、また対象物から反射され受信された超音波信号（第２の信号）も同様の遅延補正を行う（第３の工程）。これにより適正な収差補正が行われた状態にて超音波の送受信を行うことができる。そして、収差補正後の第２の信号に基づいて画像が形成される（第４の工程）。なお画像形成に用いる第２の超音波は、前記第１の超音波よりも高周波数のものが用いられる。

収差補正に用いる第一の周波数と画像形成に用いる第二の周波数の組み合わせは、上記の等価半値幅が所定の範囲の値となるように次のように決定することが好ましい。図１に０．５ＭＨｚから４ＭＨｚの第一の周波数を送信して収差補正値を求め、それぞれの収差補正値を用いて４ＭＨｚの第二の周波数で形成した送信ビームの等価半値幅を示す。図１において、横軸は画像形成用の超音波（第２の超音波）の周波数として０．５ＭＨｚから４ＭＨｚの超音波を用いる場合の収差補正に用いる超音波（第１の超音波）の周波数である。横軸は等価半値幅である。等価半値幅は、その値が小さいほど目標位置に焦点形成されていることを意味する。

本発明者らの知見によれば、より高精細な画像を形成するためには、等価半値幅を所定のレベル以下に小さくすること、及びサイドローブの影響を所定のレベル以下に抑制する必要がある。本発明者らの知見によれば、メインローブのみを収差補正の半値幅として評価する場合には閾値−１０ｄＢとなる。そして、図１において閾値−１０ｄＢの曲線が変化を開始し始める等価半値幅は８ｍｍである。従って等価半値幅を８ｍｍ以下、閾値を−１０ｄＢ以下とすることが好ましい。

等価半値幅８ｍｍ、閾値−１０ｄＢを目標とする場合には、０．７５ＭＨｚから１．８ＭＨｚが収差補正値を求めるための第一の周波数として適しているが、２ＭＨｚ以上や０．６ＭＨｚ以下は適さないことがわかる。これは、高周波数では収差補正値に数波長分のずれが生じやすく、低周波数では補正値の精度が下がるためであると推測できる。媒質の状態や閾値によってもある程度は変化するが、上記の目標の場合、最適な第一の周波数は第二の周波数の３／１６以上、９／２０以下であると考えられる。

上記検討結果は、第２の超音波の中心周波数として、４ＭＨｚの超音波を使用し、第１の超音波の中心周波数として０．５ＭＨｚから４ＭＨｚの周波数を用いた際の関係を示すものである。本発明者らの知見によれば、この関係は上記周波数範囲に限定されるものではなく、少なくとも第２の超音波として、０．５ＭＨｚから２０ＭＨｚの周波数を使用する際の補正値を求める第１の超音波の周波数の範囲にも有効である。これは以下の理由によるものと考えられる。第一の周波数と第二の周波数の関係はそれぞれの位相測定精度によって決定されることが主な要因であるため、同じ位相測定精度を求める場合には、他の周波数であっても、その比率は適用できるものと考えられる。例えば、第二の周波数を２０ＭＨｚにて使用した場合には最適な第一の周波数は３．７５ＭＨｚから９ＭＨｚである。

等価半値幅は焦点形成の目標点を中心とした送信電力の分散を評価関数としているため、より高精細な画像を形成するためには目標点からの送信電力のばらつきが少ないものを選択する必要がある。等価半値幅は主ビームの幅、ビーム形成位置のずれの両者を評価できるが、目標点から離れた位置に形成されるサイドローブほど評価値に与える影響が大き
くなるという問題点がある。そこで以下に説明するように評価関数を決定することによって最適な補正を行うことも可能である。図２は１．３３ＭＨｚ、１ＭＨｚ、０．８ＭＨｚのそれぞれの送信周波数で収差補正値を求めたときの、４ＭＨｚでの送信ビームパターンである。図２において横軸はｘ座標、縦軸は送信ビーム電力を示す。１ＭＨｚで収差補正したビームパターンは主ビーム幅、サイドローブレベルの点で他の２つより優れているが、周辺部におけるサイドローブの電力のため、閾値を−１５ｄＢ、−２０ｄＢとしたとき１．３３ＭＨｚと比較し等価半値幅が広くなっていると考えられる。このように、等価半値幅を用いた場合には最適な第一の周波数の選択が困難な場合がある。そこで等価半値幅だけでは評価が不十分な場合には以下のような関数を選択することもできる。つまりサイドローブは形成位置にかかわらずその電力が問題となるため、サイドローブの評価には形成位置に関係するパラメータが不要である。そのため、主ビーム領域とそれ以外で重み関数として異なる関数を用い、特に主ビーム領域（メインローブともいう）以外では位置の関数を含まないようｃ＝０とする。図３、４は重み関数をａ＝２，ｃ＝０とし、ｂをそれぞれ１または１０としたときの、図２に示した各送信ビームパターンの評価値である。いずれの評価関数を用いた場合でも第一の周波数を１ＭＨｚに選択でき、等価半値幅を用いる場合と比較し改善が認められる。このように、主ビーム領域と主ビーム領域以外で異なる重み関数を用い、主ビーム領域以外では位置の関数を含まない、という評価関数を選択することもビームパターンの評価には有効である。

次に、本発明の別の形態である、第１の超音波（成分）と第２の超音波（成分）とを同一の超音波信号に合成して送信する構成について説明する。広帯域超音波信号（複数の中心周波数の異なる超音波の合成波）を送信する場合の収差補正技術を用いた超音波撮像方法を説明する。収差が大きい場合には、撮像に用いる第二周波数成分と比較し十分低い第一周波数成分で収差補正値を求める。撮像にあたっては、中心周波数の異なる２以上の超音波を含む、広帯域の超音波送信ビームを測定空間全体に１回走査する（第１の工程）。第一、第二帯域通過フィルタを用いて受信信号から第一周波数成分（第１の信号）、第二周波数成分（第２の信号）を分離する（第２の工程）。第一帯域通過フィルタの最適な通過域（通過させる周波数）は収差の大きさに依存するが、その好適な範囲は撮像に用いる第二帯域通過フィルタの通過域の３／１６（１８％）以上９／２０（４５％）以下である。まず第一周波数成分を用いて収差補正値を計算し（第３の工程）、第二周波数成分を用いて第一周波数成分で計算した収差補正値をさらに補正（改良ともいう）した後、当該再補正後の補正値を使用して第二周波数成分から超音波画像を形成する（第４の工程）。この方法では、広帯域超音波信号を１回走査するだけで全測定方向の収差補正、画像化が可能であり、高い時間分解能が実現できる。

超音波が伝播する媒質中に微小散乱体（弱散乱体ともいう）が存在する不均一媒質中の場合でも正確に収差補正値を計算するためには、第１の超音波と第２の超音波の周波数との関係は以下の関係を満たすように設定することが好ましい。即ち第１の超音波（収差補正に使用する超音波）の中心周波数は第２の超音波（画像形成に用いる超音波）の中心周波数の３／１６（１８％）以上９／２０（４５％）以下とすることが好ましい。従って、超音波信号の送受信に用いる探触子の比帯域（帯域幅を中心周波数で割った値）は、上記第１の超音波と第２の超音波とを送受信する必要がある為、７５．８％以上１３７％以下が必要である。上記の例に記されている収差補正に使用する周波数が１ＭＨｚ、画像化に用いる周波数が４ＭＨｚの場合には比帯域は８３％である。しかし、それぞれの中心周波数に対して十分な帯域幅を確保する必要がある。以上を考慮すると、例えば１００％以上の帯域が確保されること、もしくは第１の超音波（例えば１ＭＨｚ）、第２の超音波（例えば４ＭＨｚ）のそれぞれの中心周波数に対して帯域が確保されていることが望ましい。
以上説明したように広帯域超音波信号を用いる場合であっても、第１の超音波と第２の超音波の周波数（中心周波数）の関係は、第１の超音波と第２の超音波とを独立に用いた場合と同じである。

＜実施例＞
超音波装置の一例として、本実施形態では医用超音波診断装置の例を示すが、医用超音波診断装置に限らず超音波を用いたその他装置にも同様に適用できる。以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれらの記載によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
（第一の超音波送受信）
図５は本発明の実施例１の超音波装置のブロック図である。図において、１は超音波装置全体の制御を行うためのシステム制御部、２は送信超音波を発生する送信信号発生部である。送信信号発生部２はシステム制御部１より送信トリガを入力される。そして各素子に配置された送信遅延回路３に設定される遅延の後、送信パルス変調、電力増幅が行われ各素子の送信信号が探触子４へ送波される。探触子４は電気信号と超音波の変換を行う超音波探触子で、素子はｎ個の長方形に配列されている。

送信された超音波は対象物で反射され、その反射された超音波は再び超音波探触子４によって受波され電気信号に変換される。受波された電気信号は初段アンプ５によって増幅され、アナログ−デジタル変換器６によってデジタル変換される。

（収差量の測定）
そして位相差演算回路８によって素子間の超音波信号の位相差が演算される。具体的には得られた各素子の信号に対して送受信ビームの焦点、ビーム方向に対する遅延量補正を行い、残りの位相誤差を隣接素子間に対して相互相関を取ることによって素子間の相対位相誤差を求める。その後、全ての相対位相誤差の平均からの位相ずれ量が求められる。そして、位相ずれ量は遅延量に換算され、収差補正値（遅延量誤差を補正する量）として、システム制御部１に記憶される。

（第二の超音波送受信）
次に上に述べた超音波送受信と同様の送受信処理を行う。ただしこの際の送信周波数は第一回目の送受信より高くする。位相差演算回路８の動作は行わない。超音波の送信に際しては、先のシステム制御部１に記憶された収差補正値９が送信遅延回路３に入力される。また、送信遅延回路３には焦点、ビーム方向に対する遅延量も加算入力される。それらの遅延の後、送信パルス変調、電力増幅が行われ各素子の送信信号が探触子４へ送波される。

探触子４による試料への超音波送信の後、対象物から反射された超音波は探触子４によって受波され、第一回目の受信と同様に初段アンプ５、アナログ−デジタル変換器６を通じて各素子のデジタル信号が出力される。

（収差量の補正）
次に受信遅延回路１０に信号が入力される。受信遅延回路１０には焦点、ビーム方向、及び第一回目の送受信によってシステム制御部１に記憶された収差補正値１１が加算入力されており、各素子からの信号に対して適正な遅延が与えられる。

（信号処理、画像出力）
そして、遅延が与えられた各素子の信号に対して直交検波器１２によって検波が行われ、信号処理、画像処理回路１３によってＩ信号、Ｑ信号の相乗平均及び輝度信号への変換が行われた後、画像表示部１４に画像出力される。

以上のプロセスをフロー図に表したものが図６である。上に説明したように、まず第一の周波数にて第１の超音波を送信し、対象物から反射される第１の信号を受信する（Ｓ１）。Ｓ１で受信した第１の信号に基づき位相差演算回路８によって収差補正値を演算し、システム制御部１に記憶する（Ｓ２）。次に第二の周波数にて第２の超音波の送信を行う（Ｓ３）。この際にはシステム制御部１に記憶された第一の送受信によって得られた収差補正値を適用する。そして対象物から反射される第２の信号を受信する（Ｓ４）。受信した第２の信号に対してもシステム制御部１に記憶された第一の送受信によって得られた収差補正値を適用する。収差補正した後の第２の信号から画像を形成する（Ｓ５）。

上記方法を用いて超音波の送受信シミュレーションを行った例を次に説明する。本実施例においては第１の超音波として中心周波数１ＭＨｚの超音波を使用し、第２の超音波として中心周波数４ＭＨｚの超音波を使用した。超音波の送受信には１６素子、素子幅０．５ｍｍ、素子間隔０．６ｍｍのアレイトランスデューサを用いた。シミュレーションモデルは図７に示すように厚さ２ｃｍの脂肪層下に筋肉層を有し、深さ５ｃｍに脂肪滴を有するモデルを採用した。また、効果を比較する為に、第１の超音波、第２の超音波共に中心周波数４ＭＨｚの超音波を使用した比較例についても同様のシミュレーションを行った。

計算結果を示したものが図８である。図８は実施例と比較例それぞれの送受信方法における、第２の超音波の送信ビームの指向性を示している。１５は本実施例（第１の超音波：１ＭＨｚ、第２の超音波：４ＭＨｚ）の結果、１６は比較例（第１、第２の超音波：４ＭＨｚ）の結果である。各送受信方法におけるビーム半値幅を測定すると、本実施例の場合には１．７７ｍｍ、比較例の場合には３．５１ｍｍであった。以上のシミュレーションにより本実施例の方法の効果を確認することができた。従って、本実施例の方法を用いてＢモード画像の取得を行った場合は、比較例の方法と比較して約１／２の解像度を達成することができる。

なお本実施例では相互相関演算を行うことによって位相差の演算を行ったが、直交検波出力から各信号の位相を求めることによっても同様の効果を得ることができる。また本実施例ではビーム指向性とＢモード画像について説明したが、本発明は超音波を利用する画像形成方法全般に応用可能である。たとえば、本発明は、Ｍモード、Ｃモード画像、３Ｄ画像の描出、多段フォーカス制御などの機能を有した超音波断層像を用いた診断装置全般に適用可能である。また本発明は、穿刺、ＨＩＦＵ（High-Intensity Focused Ultrasound）、術中超音波、超音波結石破砕などの治療、体腔内超音波にも適用可能である。さら
に本発明は、診断装置以外の超音波探傷装置等超音波の集束が必要な装置にも適用可能である。

また本実施例では、図６のＳ４及びＳ５において画像形成のための受信ビームを形成する際に、Ｓ３の送信時に用いた収差補正値と同じものを用いているが、その収差補正値をＳ４で受信した第２の信号を用いて改良（補正）したものを用いてもよい。これにより、収差補正の精度がより向上する。また、Ｓ１及びＳ２の処理を複数回繰り返して、収差補正値を改良することも好ましい。Ｓ１及びＳ２の処理を複数回繰り返す場合には、Ｓ１で用いる第１の超音波の中心周波数を徐々に高くすることも好ましい。信号の相関をとりやすい低周波数で収差補正値の初期値を求めた後、画像形成に利用する第２の超音波の周波数に徐々に近づけながら補正値の改良を繰り返すことで、画像形成時の送受信波に対する収差補正に適した補正値を容易且つ精度良く得ることができる。なお、画像形成に利用する第２の超音波の中心周波数は、収差補正で最後に使用した第１の超音波の中心周波数よりも高いか同じものが用いられる。

本発明において上記のように、より精度の高い収差補正値を求める為に第１の超音波の中心周波数を徐々に高くする場合、収差補正で最後に使用した第１の超音波の中心周波数
と第２の超音波の中心周波数との関係は、上記関係を満たせばよい。即ち、画像形成に利用する第２の超音波の中心周波数は、収差補正で最後に使用した第１の超音波の中心周波数よりも高いか同じであれば良い。

本発明において、「第１の超音波の中心周波数が第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下である」という条件を満たすことが必要であるのは、収差補正値を求めるために最初に送信する第１の超音波と、画像を形成する為の第２の超音波との関係である。

（実施例２）
実施例１においては２回の超音波送受信によって収差補正を行う例を示したが、本実施例においては１回の超音波送受信によって収差補正を行う例を示す。図９は実施例２の超音波装置のブロック図である。超音波の送信、受信の処理は実施例１と同様であるが、実施例２では、広帯域の超音波を送信する点と、受信後の超音波信号を第１のフィルタ１７、第２のフィルタ１８にて弁別する点が実施例１と異なる。

実施例１においては収差補正に使用する第１の超音波の中心周波数が１ＭＨｚ、画像化に使用する第２の超音波の中心周波数が４ＭＨｚであった。本実施例でも同様の処理を行う為、少なくとも１ＭＨｚの第１の超音波と４ＭＨｚの第２の超音波とを含む広帯域の超音波を用いる。そして、第１のフィルタ１７として、１ＭＨｚを通過させるバンドパスフィルタを用い、第２のフィルタ１８として、４ＭＨｚを通過させるバンドパスフィルタを用いる。

第１のフィルタ１７を通過した信号（第１の超音波の反射波に相当する第１の信号）は、位相差演算回路８に入力される。実施例１と同様に位相差演算回路８によって収差補正値の演算が行われる。演算された収差補正値は、システム制御部１を通じ焦点、ステアリングによる遅延量が考慮された後、受信遅延回路１０に入力される。一方第２のフィルタ１８を通過した画像表示に使用される信号（第２の超音波の反射波に相当する第２の信号）も受信遅延回路１０に入力される。受信遅延回路１０では、上記収差補正値を用いて第２の信号の収差補正が行われる。補正後の第２の信号に基づいて、直交検波器１２、信号処理、画像処理回路１３によって画像が形成され、画像表示部１４に表示される。従って、本実施例では一回の送受信によって収差の補正及び画像化が可能となる。

なお本実施例では、２つのフィルタを用いているが、互いに通過域の異なる３以上のフィルタを用いて受信波を３以上の信号（周波数成分）に分離してもよい。このときは、分離した３以上の信号のうち複数の信号を用いて収差補正値の演算を行う。そして、画像の形成には、３以上の信号のうち最も高い周波数の信号を利用する。これにより収差補正の精度向上と分解能の向上を図ることができる。

（実施例３）
実施例１及び２においては収差補正プロセスは１回であるが、本実施例では複数回行う場合の例を示す。図１０は本実施例を説明する収差補正の手順である。本実施例にて使用する超音波システムは実施例１と同様、図５に示されている。

図１０は、まず第一の周波数にて第１の超音波を送信し、対象物から反射される第１の信号を受信する（Ｓ１）。Ｓ１で受信した第１の信号に基づき位相差演算回路８によって収差補正値１を演算し、システム制御部１に記憶する（Ｓ２）。次に第二の周波数にて第２の超音波の送受信を行う（Ｓ３）。この際超音波の送信にはシステム制御部１に記憶された第一の送受信によって得られた収差補正値１を適用する。

そしてＳ３で受信した第２の信号に基づき位相差演算回路８によって収差補正値２を演算し、システム制御部１に記憶する（Ｓ４）そして対象物へ第３の信号を送受信する（Ｓ５）。受信した第３の信号に対してはシステム制御部１に記憶された第ニの送受信によって得られた収差補正値２を適用する。そして収差補正した後の第２の信号から画像を形成する（Ｓ６）。

以上の方法を用いることによって第一の周波数による超音波の送受信によって演算された収差補正量に誤差がある場合であっても再度第二の周波数による超音波の送受信を行うことによって高精度な補正が可能となる。

なお、本実施例では第二の周波数においても収差補正を行ったが、その他の類似した方法、例えば第一の周波数による収差補正を反復して繰り返す方法、第一の周波数による収差補正と第二の周波数による収差補正を反復して繰り返す方法、また、第一、第二の周波数による収差補正に加えさらに第三の周波数による収差補正もしくは画像化を行う等複数回周波数を変化させ、収差補正と画像化を行う方法などの方法を用いることによっても同様の効果が得られる。

本発明にかかる周波数と等価半値幅を説明する為の図。 本発明にかかる収差補正時の送信周波数とビームパターンを説明する為の図。 本発明にかかる収差補正時の送信周波数と評価関数を説明する為の図。 本発明にかかる収差補正時の送信周波数と評価関数を説明する為の図。 実施例１を説明する為の超音波装置の一例を示す図。 実施例１を説明する為の収差補正及び画像化の手順を示す図。 実施例１を説明する為のシミュレーション例を示す図。 実施例１を説明する為のビームパターンを示す図。 実施例２を説明する為の超音波装置の一例を示す図。 実施例３を説明する為の収差補正及び画像化の手順を示す図。

符号の説明

１ システム制御部
２ 送信信号発生部
３ 送信遅延回路
４ 超音波探触子
５ 初段アンプ
６ アナログ−デジタル変換器
８ 位相差演算回路
９、１１ システム制御部に記憶された遅延補正量
１０ 受信遅延回路
１２ 直交検波器
１３ 信号処理、画像処理回路
１４ 画像表示部
１５ 実施例１（第１の超音波：１ＭＨｚ、第２の超音波：４ＭＨｚ）の送信ビームの指向性
１６ 比較例（第１の超音波：４ＭＨｚ、第２の超音波：４ＭＨｚ）の送信ビームの指向性
１７ 第１のフィルタ
１８ 第２のフィルタ

Claims (16)

1. 対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
   前記対象物に第１の超音波を送信した際に前記対象物から反射される第１の反射波を受信し第１の受信信号に変換する第１の工程と、
   前記第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第２の工程と、
   前記収差補正値を用いて生成した送信信号に基づいて第２の超音波を前記対象物に送信した際に、前記対象物から反射される第２の反射波を受信し、第２の受信信号に変換する第３の工程と、
   前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
   を含み、
   前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、
   前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とする画像形成方法。
2. 前記第４の工程において使用する前記収差補正値は、前記第２の工程で求めた収差補正値を前記第２の受信信号を用いてさらに補正した収差補正値であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成方法。
3. 前記第３の工程の前に、前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回繰り返すことによって前記収差補正値を求める工程を含み、
   当該繰り返し工程において、２回目以降に使用する前記第１の超音波は、直前の前記第２の工程で求めた収差補正値を用いて補正したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成方法。
4. 前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回繰り返す際に、前記第１の超音波の中心周波数を工程ごとに変化させ、
   前記第２の超音波の中心周波数は、最後に使用した前記第１の超音波の中心周波数よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の画像形成方法。
5. 前記第１の超音波の中心周波数は、前記収差補正値を用いて補正した前記第２の超音波
   で形成したビームパターンについての以下の式（１）で定義される値が所定の範囲の値となるように、定められることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像形成方法。
   

   
6. 前記式（１）の重み関数は、以下の式（２）で定義された条件を満たすことを特徴とする請求項５に記載の画像形成方法。
   

   
7. 前記式（２）のａ、ｂ、ｃがａ＝２、ｂ＞０、ｃ＝０のうち少なくとも１つを満たすことを特徴とする請求項６に記載の画像形成方法。
8. 対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
   前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信した際に前記対象物から反射される反射波を受信し受信信号に変換する第１の工程と、
   前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離する第２の工程と、
   前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第３の工程と、
   前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
   を含み、
   前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、
   前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とする画像形成方法。
9. 前記第２の工程は、前記第１の受信信号を通過させる第１のフィルタと前記第２の受信信号を通過させる第２のフィルタとを用いて前記受信信号を分離する工程であって、
   前記第１のフィルタの通過域は、前記収差補正値を用いて補正した前記第２の超音波のビームパターンについての以下の式（３）で定義される値が所定の範囲の値となるように、設定されていることを特徴とする請求項８に記載の画像形成方法。
   

   
10. 前記第１の工程において、中心周波数の異なる３以上の超音波を含む超音波を用い、
    前記第２の工程において、前記３以上の超音波のそれぞれの周波数に対応する通過域をもつ複数のフィルタを用いて前記対象物からの反射波に対応する受信信号を３以上の受信信号に分離し、
    前記第３の工程において、前記第３の工程で分離した３以上の受信信号のうち複数の受信信号を前記第１の信号として用い、
    前記第４の工程において、前記第３の工程で分離した３以上の受信信号のうち最も高い周波数の受信信号を前記第２の受信信号として用いることを特徴とする請求項９に記載の画像形成方法。
11. 対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
    前記対象物に第１の超音波を送信した際に前記対象物から反射される第１の反射波を受信し第１の受信信号に変換する第１の工程と、
    前記第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第２の工程と、
    前記収差補正値に基づいて補正した第２の超音波を前記対象物に送信した際に前記対象物から反射される第２の反射波を受信し第２の受信信号に変換する第３の工程と、
    前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
    を含み、
    前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数よりも高いことを特徴とする画像形成方法。
12. 対象物に超音波を送信した際に該対象物から反射される反射波を用いて画像を形成する画像形成方法であって、
    前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信した際に前記対象物から反射される反射波を受信し受信信号に変換する第１の工程と、
    前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離する第２の工程と、
    前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める第３の工程と、
    前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する第４の工程と、
    を含み、
    前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数よりも高いことを特徴とする画像形成方法。
13. 対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
    前記対象物に第１の超音波を送信して前記対象物から反射される第１の反射波を受信し、第１の受信信号に変換する探触子と、
    前記第１の受信信号を用いて収差補正値を求める演算回路と、
    画像を形成する画像処理装置と、
    を有し、
    前記探触子は、前記収差補正値を用いて生成された送信信号に基づいて前記対象物に第２の超音波を送信し、前記対象物から反射される第２の反射波を受信して第２の受信信号に変換し、
    前記画像処理回路は、前記収差補正値と前記第２の受信信号とを用いて画像を形成し、
    前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とする超音波装置。
14. 対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
    前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信し、前記対象物から反射される反射波を受信して受信信号に変換する探触子と、
    前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離するフィルタと、
    前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める演算回路と、
    前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する画像処理装置と、
    を、有し、
    前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、０．５ＭＨｚ以上、２０ＭＨｚ以下であり、前記第１の超音波の中心周波数は、前記第２の超音波の中心周波数の３／１６以上、９／２０以下であることを特徴とする超音波装置。
15. 対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
    前記対象物に第１の超音波を送信して前記対象物から反射される第１の反射波を受信し、第１の受信信号に変換する探触子と、
    前記第１の受信信号を用いて収差補正値を求める演算回路と、
    画像を形成する画像処理装置と、
    を有し、
    前記探触子は、前記収差補正値を用いて生成された送信信号に基づいて前記対象物に第２の超音波を送信し、前記対象物から反射される第２の反射波を受信して第２の受信信号に変換し、
    前記画像処理回路は、前記収差補正値と前記第２の受信信号とを用いて画像を形成し、
    前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数より高いことを特徴とする超音波装置。
16. 対象物に超音波を送信し、該対象物から反射される反射波を受信して対象物内の画像を形成する超音波装置であって、
    前記対象物に少なくとも中心周波数の異なる第１の超音波と第２の超音波とを含む超音波を送信し、前記対象物から反射される反射波を受信して受信信号に変換する探触子と、
    前記受信信号を、前記第１の超音波の反射波に対応する第１の受信信号と、前記第２の超音波の反射波に対応する第２の受信信号とに分離するフィルタと、
    前記分離した第１の受信信号に基づいて収差補正値を求める演算回路と、
    前記収差補正値と前記第２の受信信号とから画像を形成する画像処理装置と、
    を、有し、
    前記探触子が送信する前記第２の超音波の中心周波数は、前記第１の超音波の中心周波数より高いことを特徴とする超音波装置。

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