JP5169845B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、フェイズドアレイ型探触子におけるビームステアリングによる断層検査を行う超音波診断装置において、サイドローブによるアーチフェクトの影響を低減してより診断性の高い超音波画像を形成することができる超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。

この超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。この超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備えて構成されている。このような複数の圧電素子を備えるアレイ型超音波探触子で超音波を送受信する超音波診断装置では、超音波信号として所定の方向（方位）に音圧レベルの高い超音波ビームを形成すると、その構造等からメインローブの側方に１または複数のサイドローブが形成され、このサイドローブによる不要輻射の検出によってアーチフェクトが生じてしまい、超音波画像の画質が低下してしまう。

このため、例えば、特許文献１に開示の超音波診断装置は、超音波の送受波により得られる受信信号に基づいて超音波画像を形成する超音波診断装置であって、所望方位に主ビームを向けつつ第１ビームパターンを形成し、第１受信信号を取得する手段と、前記第１ビームパターンに含まれるサイドローブの方向に主ビームを向けつつ第２ビームパターンを形成し、第２受信信号を取得する手段と、前記第１受信信号から前記第２受信信号を減算するサイドローブ低減手段と、を含み、前記第１ビームパターンの特定サイドローブと前記第２ビームパターンの主ビームの仮想的な重ね合わせによる相殺を利用して特定サイドローブを低減する超音波診断装置である。そして、第１受信信号は、複数の振動素子からの複数の受信信号が入力され、これら各受信信号の整相加算によって第１ビームパターンを形成する第１整相加算手段によって生成され、第２受信信号は、前記複数の振動素子からの複数の受信信号が入力され、これら各受信信号の整相加算によって第２ビームパターンを形成する第２整相加算手段によって生成される。この構成によれば、第１ビームパターンを形成して第１受信信号を取得するだけでなく、第１ビームパターンに含まれる特定サイドローブの方向に主ビームを向けつつ第２ビームパターンを形成して第２受信信号を取得することによって、ビームパターンに含まれるサイドローブ（不要輻射）を低減することができる。

また、例えば、特許文献２に開示の超音波診断装置は、メインビームの方位が互いに一致しかつサイドローブパターンが互いに異なる複数の超音波ビームを形成するビーム形成手段と、前記複数の超音波ビームの形成によって得られる複数の受信信号の相互比較に基づいてサイドローブ成分を抽出する成分抽出手段と、前記複数の受信信号の少なくとも１つに対し、前記サイドローブ成分に従ってサイドローブ除外演算を実行する補正手段と、前記サイドローブ除外演算後の受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成手段とを含む。この構成によれば、前記複数の超音波ビームの形成によって得られる複数の受信信号の相互比較に基づいてサイドローブ成分を抽出し、信号補正を行うことで、超音波画像の画質を高めることができる。

特開平１０−１２７６３４号公報 特開２００２−２７２７３５号公報

ところで、上記特許文献１や特許文献２に開示の超音波診断装置では、その手法から超音波診断画像において有用な信号成分までもサイドローブとして除去されてしまう可能性があった。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、超音波画像におけるサイドローブによるアーチフェクトを低減し、より高画質な超音波画像を形成することができる超音波診断装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる超音波診断装置は、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子によって、所定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を被検体内に送信するための送信信号を生成する送信部と、前記所定方向に受信感度を持たせて、前記複数の圧電素子で受信された被検体内から来た第２超音波信号に基づいて第１受信信号を生成する第１受信部と、前記所定方向の受信感度を無くして、前記複数の圧電素子で受信された被検体内から来た前記第２超音波信号に基づいて第２受信信号を生成する第２受信部と、前記第１受信信号を前記第２受信信号に基づいて補正しつつ、前記第１受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像処理部とを備えることを特徴とする。

このような構成の超音波診断装置では、送信ビームの所定方向に受信感度を持たせて、複数の圧電素子で受信された被検体内から来た第２超音波信号に基づいて第１受信信号が生成され、送信ビームの所定方向に受信感度を無くして、複数の圧電素子で受信された被検体内から来た第２超音波信号に基づいて第２受信信号が生成され、そして、第１受信信号を第２受信信号に基づいて補正しつつ、第１受信信号に基づいて超音波画像が形成される。このため、このような構成の超音波診断装置は、超音波画像において問題となる、アーチフェクトを引き起こすサイドローブによって受信される信号を第２受信信号によって略確定させることにより、アーチフェクトの除去あるいは緩和を可能とし、より信頼性の高い超音波画像を形成することができる。

そして、上述の超音波診断装置において、前記複数の圧電素子は、複数の圧電素子を含む第１および第２素子部を備え、前記第１素子部は、前記第１超音波信号の送信および前記第１受信信号の生成のために使用され、前記第２素子部は、前記第２受信信号の生成のために使用されることを特徴とする。

この構成によれば、第１素子部によって第１超音波信号が送信されるとともに、第１素子部の出力信号から第１受信信号が生成され、第２素子部の出力信号から第２受信信号が生成される。このため、１つの第１超音波信号の送信ビームで第１受信信号と第２受信信号とが得られるので、１つの受信信号を得るために２つの第１超音波信号を送信する（２度打ちする）必要がなく、フレームレートの高い超音波画像を形成することが可能となる。

さらに、上述の超音波診断装置において、前記第１および第２素子部は、外部に対し前記超音波信号の放射および入射する面から、前記第２素子部、前記第１素子部の順で前記超音波信号の放入射方向に積層されていることを特徴とする。

この構成によれば、第２素子部では、第１素子部を介することなく、被検体内から来た第２超音波信号を受信することができるので、比較的音圧レベルの低い、超音波画像にとってアーチフェクト（ノイズ）となる第２受信信号のピークをより精度良く受信することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置において、前記複数の圧電素子は、複数の圧電素子を含む複数のグループにグループ分けられており、前記第１および第２受信部は、それぞれ、前記グループごとに前記第１および第２受信信号を生成することを特徴とする。

この構成によれば、信号処理がグループごとに実行されるので、信号処理を比較的単純化することができる。このため、比較的小規模な処理回路によって前記信号処理が可能となり、また、高フレームレートを実現することが可能となる。

本発明にかかる超音波診断装置は、サイドローブによるアーチフェクトを低減し、より高画質な超音波画像を形成することができる。

実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。 実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。 実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 素子数が８個で周波数が４ＭＨｚで素子ピッチが１００μｍである場合におけるヌル方向を１つ持つビームの音圧分布を示す図である。 素子数が８個で周波数が４ＭＨｚで素子ピッチが１μｍである場合におけるヌル方向を１つ持つビームの音圧分布を示す図である。 素子数が８個で周波数が１２ＭＨｚで素子ピッチが１μｍである場合におけるヌル方向を１つ持つビームの音圧分布を示す図である。 所定方向が０度である場合における第１受信信号の受信ビームと第２受信信号の受信ビームとの関係を示す図である。 所定方向が３０度である場合における第１受信信号の受信ビームと第２受信信号の受信ビームとの関係を示す図である。 所定方向が６０度である場合における第１受信信号の受信ビームと第２受信信号の受信ビームとの関係を示す図である。 第１受信信号を第２受信信号に基づいて補正する補正処理を説明するための図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。

図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。図３は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。

超音波診断装置Ｓは、図１および図３に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この第１超音波信号に起因して被検体内から来た例えば反射波（エコー波）等の超音波（第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、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へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の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超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波探触子（超音波プローブ）２は、被検体内に第１超音波信号を送信しこの第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号を受信する装置である。超音波探触子２は、例えば、図２に示すように、平板状の音響制動部材（音響吸収部材、バッキング層、ダンパ層）２１と、この音響制動部材２１の一方主面上に積層された圧電部２２と、この圧電部２２上に積層された音響整合層２３と、この音響整合層２３上に積層された音響レンズ２４とを備えて構成される。

音響制動部材２１は、圧電部２２を機械的に支持し、また、圧電部２２の音響特性を良好に保つべく音響的に制動をかけるものであり、超音波を吸収する材料（超音波吸収材）から構成され、主に、圧電部２２から音響制動部材２１方向へ放射される超音波を吸収するものである。圧電部２２は、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の圧電素子を備えて構成される。これら複数の圧電素子は、例えば、本実施形態では、直線的に配列され、１次元リニアアレイ型超音波振動子を構成している。圧電部２２は、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信信号を超音波信号へ変換してこの超音波信号を被検体へ第１超音波信号として送信すると共に、受信した第２超音波信号を電気信号へ変換してこの電気信号（受信信号）をケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体に当てられることによって、圧電部２２で生成された超音波信号が第１超音波信号として被検体内へ送信され、被検体内からの第２超音波信号が圧電部２２で受信される。音響整合層２３は、圧電部２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。そして、音響レンズ２４は、圧電部２２から被検体に向けて送信される第１超音波信号を収束する部材であり、例えば、図２に示すように、円弧状に膨出した形状とされている。なお、音響整合層２３と音響レンズ２４とは、一体で構成されてもよい。

超音波診断装置本体１は、例えば、図３に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えて構成されている。

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を入力するものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信部１２は、制御部１６の制御に従って、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子によって、所定方向（所定方位）にメインビーム（主ビーム）を形成した送信ビームの第１超音波信号を被検体内に送信するための送信信号を生成する回路である。送信信号は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定した、パルス状の複数の駆動信号を備えて構成される。このような複数の駆動信号が前記複数の圧電素子に供給されると、各圧電素子から放射された超音波の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の送信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成される。また、一般的に、メインビームの特定方向以外の方向にも超音波が放射され、これがサイドローブとなる。前記所定方向は、圧電部２２における超音波信号の送受信面の法線方向を基準（０度）とした角度によって表される。このような電子走査方式には、リニア走査方式、セクタ走査方式およびコンベックス方式等があり、本実施形態の超音波診断装置Ｓでは、これらリニア走査方式、セクタ走査方式およびコンベックス方式が採用可能である。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器と、送信ビームを形成すべく、高圧パルス発生器で生成されるパスルに遅延回路で前記遅延時間を付与することによって前記駆動信号を生成する送信ビームフォーマ等を備えて構成される。送信部１２で生成された送信信号の複数の駆動信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子のそれぞれに供給され、この送信信号の複数の駆動信号によって超音波探触子２は、所定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を発生する。

受信部１３は、制御部１６の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して受信信号を受信する回路であり、この受信信号を画像処理部１４へ出力する。受信部１３は、送信ビームにおける前記所定方向に受信感度を持たせて、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子で受信された被検体内から来た第２超音波信号に基づいて第１受信信号を生成する第１受信部１３１と、前記所定方向の受信感度を無くして、前記複数の圧電素子で受信された被検体内から来た前記第２超音波信号に基づいて第２受信信号を生成する第２受信部１３２とを備えている。送信時の送信ビームの形成と同様に、受信時もいわゆる整相加算することによって受信ビームが形成される。すなわち、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子のそれぞれから出力される複数の出力信号に対し適宜に遅延時間を個別に設定し、これら遅延された複数の出力信号を加算することによって、各出力信号の位相が特定方向（特定方位）（あるいは、特定の受信フォーカス点）において一致し、その特定方向にメインビームが形成され、そのメインビームの側方にサイドローブが生じる。受信部１３は、例えば、ケーブル３の伝送損失（伝送ロス）を補償すべく、各出力信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅回路、前記増幅回路で増幅された各出力信号が入力される第１受信部１３１としての第１受信ビームフォーマ、および、前記増幅回路で増幅された各出力信号が入力される第２受信部１３２としての第２受信ビームフォーマ等を備えて構成される。前記第１受信ビームフォーマは、送信ビームにおける前記所定方向に受信感度を持たせるように、遅延回路で前記遅延時間を設定してこれら遅延した各出力信号を加算することによって、前記第１受信信号を生成する回路であり、そして、前記第２受信ビームフォーマは、送信ビームにおける前記所定方向の受信感度を無くすように、遅延回路で前記遅延時間を設定してこれら遅延した各出力信号を加算することによって、前記第２受信信号を生成する回路である。

画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で受信処理した第１および第２受信信号に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。画像処理部１４は、第１受信信号を第２受信信号に基づいて補正しつつ、第１受信信号に基づいて超音波画像を形成する。前記補正は、例えば、本実施形態では、第１受信信号と第２受信信号との差を求めることによって実行される。画像処理部１４は、例えば、受信部１３で受信処理した第１および第２受信信号に基づいて被検体の超音波画像を生成するＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および、表示部１５に超音波画像を表示すべく、前記ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）等を備えて構成される。前記ＤＳＰは、例えば、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路およびカラーモード処理回路等を備え、いわゆるＢモード画像、ドプラ画像およびカラーモード画像の生成が可能とされている。

表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

上述の構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御によって送信部１２で送信信号が生成される。この生成された送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。この送信信号は、上述したように、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子のそれぞれに対し適宜に遅延時間を個別に設定したパルス状の複数の駆動信号であり、各駆動信号は、メインビーム方向（メインビーム方位）を変えて被検体を走査すべく繰り返し生成される。この複数の駆動信号を備える送信信号が供給されることによって前記複数の圧電素子のそれぞれがその厚み方向に伸縮し、この送信信号に応じて超音波振動し、この超音波振動によって、前記複数の圧電素子は、音響整合層２３および音響レンズ２４を介して、所定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を放射する。超音波探触子２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。

なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

この被検体に対して送信された第１超音波信号は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、あるいは超音波造影剤に作用し、第２超音波信号となる。この第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等の第２次高調波成分、第３次高調波成分および第４次高調波成分等も含まれる。この第２超音波信号は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、この第２超音波信号は、音響レンズ２４および音響整合層２３を介して圧電部２２の前記複数の圧電素子でそれぞれ受信され、各圧電素子で機械的な振動が電気信号に変換されて出力信号として取り出される。この取り出された出力信号は、超音波探触子２からケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３で受信される。受信部１３は、この入力された各圧電素子からの出力信号を信号処理し、第１および第２受信信号を生成し、これら第１および第２受信信号を画像処理部１４へ出力する。

ここで、受信部１３の第１受信部１３１は、送信ビームにおける所定方向に受信感度を持たせるように、遅延回路で前記遅延時間を付与してこれら遅延した各出力信号を加算することによって、第１受信信号を生成し、そして、第２受信部１３２は、送信ビームにおける前記所定方向の受信感度を無くすように、遅延回路で前記遅延時間を付与してこれら遅延した各出力信号を加算することによって、第２受信信号を生成する。

この第１および第２受信信号についてより具体的に説明する。まず、アレイ型超音波振動子において、任意の所定の方向における感度を無くす手法について説明する。なお、この感度の無い方向を「ヌル」と呼称することとする。アレイ型超音波振動子における指向性は、アレイファクタＡＦ（θ）と呼ばれ、複数Ｎ個の振動子（圧電素子）を直線的に一次元配列したリニアアレイ型超音波振動子の場合では、式１によって表される。第１受信信号は、この式１に従って生成すればよい。

ここで、ｋは、自由空間における波数であり、波長をλとすると、ｋ＝２×π／λである。ｎは、複数Ｎ個の各素子に一方端から他方端へ順次に割り付けられた素子番号であり（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）、ａ_ｎは、素子番号ｎの素子における重み付け係数である。そして、ｄは、素子間隔であり、θは、方向である。なお、ｊは、虚数単位である。

一方、任意の所定の方向θ_１の感度を無くすためには、式１より、ＡＦ（θ_１）＝０となるように、各素子ｎの重み付け係数ａ_ｎを設定すればよい。ＡＦ（θ）＝０となる各素子ｎの重み付け係数ａ_ｎを求める手法として、例えば、シェルクノフの多項式と呼ばれる解法がある。

この解法では、まず、ｚを式２のように定義すると、式１は、式３になる。

ここで、式３が式４のように因数分解できると設定されると、それぞれのｚ_ｎは、ＡＦ（θ）＝ＡＦ（ｚ）＝０を与える値である。

そして、ヌル方向がｚ_１の１個だけであるとすると、式４は、式５となり、この式５を展開すると、式６となる。

したがって、式３および式６から、θ_１方向の感度を無くするためには、各素子ｎの重み付け係数が式７のように設定されればよい。

なお、ヌル方向が複数である場合も上述と同様である。

図４は、素子数が８個で周波数が４ＭＨｚで素子ピッチが１００μｍである場合におけるヌル方向を１つ持つビームの音圧分布を示す図である。図４（Ａ）は、素子配置と音圧分布との関係を示し、図４（Ｂ）は、ヌル方向が０度である場合を示し、図４（Ｃ）は、ヌル方向が３０度である場合を示し、そして、図４（Ｄ）は、ヌル方向が６０度である場合を示す。図４における周方向は、度単位で表す方位であり、その径方向は、音圧レベルである。後述の図５および図６も同様である。なお、音速は、以下も同様に、１４４０ｍ／ｓとされた。

図４から分かるように、８個の圧電素子が直線的に配列され、８個の圧電素子によって形成される超音波の送受信面の法線方向を基準（０度）とした場合に、各素子ｎ（Ｎ＝１〜８）の重み付け係数を上記式７のように設定することによって、ヌル方向を任意の角度、例えば０度（図４（Ｂ））、３０度（図４（Ｃ））および６０度（図４（Ｄ））に設定したビームを形成することが可能となる。

また、素子数が８個で周波数が４ＭＨｚで素子ピッチが１μｍである場合におけるヌル方向を１つ持つビームの音圧分布を図５に示し、また、素子数が８個で周波数が１２ＭＨｚで素子ピッチが１μｍである場合におけるヌル方向を１つ持つビームの音圧分布を図６に示す。図５および図６において、（Ａ）は、ヌル方向が０度である場合を示し、（Ｂ）は、ヌル方向が３０度である場合を示し、そして、（Ｃ）は、ヌル方向が６０度である場合を示す。図５および図６から分かるように、複数の圧電素子における設計が上記設計である場合でも、各素子ｎ（Ｎ＝１〜８）の重み付け係数を上記式７のように設定することによって、ヌル方向を任意の角度、例えば０度（図５（Ａ）、図６（Ａ））、３０度（図５（Ｂ）、図６（Ｂ））および６０度（図５（Ｃ）、図６（Ｃ））に設定したビームを形成することが可能となる。

図７ないし図９は、第１受信信号の受信ビームと第２受信信号の受信ビームとの関係を示す図である。図７ないし図９における周方向は、度単位で表す方位であり、その径方向は、音圧レベルである。図７は、第１受信信号の受信ビームＲ１におけるメインビーム方向が０度であって、第２受信信号の受信ビームＲ２におけるヌル方向が０度である場合の音圧分布を示す図であり、図８は、第１受信信号の受信ビームＲ１におけるメインビーム方向が３０度であって、第２受信信号の受信ビームＲ２におけるヌル方向が３０度である場合の音圧分布を示す図であり、そして、図９は、第１受信信号の受信ビームＲ１におけるメインビーム方向が６０度であって、第２受信信号の受信ビームＲ２におけるヌル方向が６０度である場合の音圧分布を示す図である。

また、超音波画像を形成するために、第１超音波信号の送信ビームは、そのメインビーム方向が所定範囲、例えば０±６０度の範囲で走査（ビームステアリング）されるが、第１受信部１３１によって、それに応じて送信ビームにおけるメインビーム方向に受信感度を持たせるように第１受信信号が生成され、そして、第２受信部１３２によって、送信ビームにおけるメインビーム方向の受信感度を無くすように第２受信信号が生成される。すなわち、第１受信部１３１は、第１受信信号として、第１超音波信号の送信ビームと略同一（同じ方向で同じフォーカス）の受信ビームＲ１を形成し、第２受信部１３２は、第２受信信号として、第１超音波信号の送信ビームにおけるメインビーム方向と同じ方向に感度を有しない受信ビームＲ２を形成する。

例えば、第１超音波信号の送信ビームにおけるメインビーム方向が０度である場合には、図７に示すように、第１受信部１３１は、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子からの各出力信号のそれぞれに個別の遅延時間を付与してから加算することによって、メインビーム方向が０度である第１受信信号の受信ビームＲ１を生成し、そして、第２受信部１３２は、上記式７に従って、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子からの各出力信号のそれぞれに個別の遅延時間を付与してから加算することによって、ヌル方向が０度である第２受信信号の受信ビームＲ２を生成する。

また例えば、第１超音波信号の送信ビームにおけるメインビーム方向が３０度である場合には、図８に示すように、第１受信部１３１は、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子からの各出力信号のそれぞれに個別の遅延時間を付与してから加算することによって、メインビーム方向が３０度である第１受信信号の受信ビームＲ１を生成し、そして、第２受信部１３２は、上記式７に従って、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子からの各出力信号のそれぞれに個別の遅延時間を付与してから加算することによって、ヌル方向が３０度である第２受信信号の受信ビームＲ２を生成する。

また例えば、第１超音波信号の送信ビームにおけるメインビーム方向が６０度である場合には、図９に示すように、第１受信部１３１は、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子からの各出力信号のそれぞれに個別の遅延時間を付与してから加算することによって、メインビーム方向が６０度である第１受信信号の受信ビームＲ１を生成し、そして、第２受信部１３２は、上記式７に従って、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子からの各出力信号のそれぞれに個別の遅延時間を付与してから加算することによって、ヌル方向が６０度である第２受信信号の受信ビームＲ２を生成する。

なお、各素子ｎの重み付け係数は、第２受信信号の受信ビームを生成する際に第２受信部１３２によって式７に従って逐次算出されてもよいが、角度ごとに予め式７に従って算出し、角度とその角度における各素子ｎの重み付け係数との対応関係を示すルックアップテーブルを作成し、このルックアップテーブルを第２受信部１３２に記憶するように構成することによって、第２受信信号の受信ビームを生成する際にこのルックアップテーブルを参照することによって、第２受信部１３２によって各素子ｎの重み付け係数が取り出されてもよい。このように構成することによって受信部１３の演算処理負荷を軽減することができる。このため、比較的小規模な処理回路によって前記演算処理が可能となり、また、高フレームレートを実現することが可能となる。

そして、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信部１３で受信した第１受信信号を第２受信信号に基づいて補正しつつ、第１受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度等から被検体の超音波画像を形成する。

図１０は、第１受信信号を第２受信信号に基づいて補正する補正処理を説明するための図である。図１０（Ａ）は、第１および第２受信信号を示し、図１０（Ｂ）は、第１受信信号と第２受信信号とを個別に示す。図１０（Ｂ）の上側が第１受信信号であり、下側が第２受信信号である。また、図１０の横軸は、度単位で表す方位であり、その縦軸は、信号レベル（受信音圧レベル）である。

第２受信信号は、上述したように、第１超音波信号の送信ビームにおけるメインビーム方向と同じ方向に感度を有していないため、第２受信信号のピークは、図１０（Ｂ）に示すように、超音波画像にとってアーチフェクト（ノイズ）となる。したがって、第１受信信号と第２受信信号との差分を求めることによって、超音波画像における有用な信号成分の欠落を抑制しつつ、第１受信信号からアーチフェクトを低減することができ、第１受信信号を第２受信信号で補正することができる。そして、このような補正を行った第１受信信号に基づいて超音波画像を形成することによって、より高画質な超音波画像が得られる。

そして、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する。

このように本実施形態の超音波診断装置Ｓでは、第１受信部１３１によって、送信ビームのメインビーム方向に受信感度を持たせて、前記複数の圧電素子で受信された第２超音波信号に基づいて第１受信信号が生成され、第２受信部１３２によって、送信ビームのメインビーム方向に受信感度を無くして、前記複数の圧電素子で受信された第２超音波信号に基づいて第２受信信号が生成され、そして、画像処理部１４によって、第１受信信号を第２受信信号に基づいて補正しつつ、第１受信信号に基づいて超音波画像が形成される。このため、本実施形態の超音波診断装置Ｓは、超音波画像における有用な信号成分の欠落を抑制しつつ、サイドローブによるアーチフェクトを低減し、より高画質な超音波画像を形成することができる。

また、近年、医療分野では、超音波診断装置は、その低価格化に伴ってその普及が促進され、いわゆる大病院だけでなく、開業医にも導入されつつある。このため、大病院のように熟練者が超音波診断装置の操作や画像出力を行って医師が診断するというワークフロではなく、操作に不慣れな医師も超音波診断装置を使用するケースが増加しつつある。本実施形態の超音波診断装置Ｓは、上述のように、装置Ｓ自体がアーチフェクトを低減するので、このような超音波診断装置の操作に不慣れな医師であっても、より高画質な超音波画像を超音波診断装置Ｓによって得ることが可能となる。

なお、上述の実施形態において、超音波探触子２は、互いに所定の間隔を空けて平面視にて線形独立な２方向に、例えば、互いに直交する２方向にｍ行×ｎ列で２次元アレイ状に配列されて構成される２次元アレイ型圧電素子を備えて構成されてもよい（ｍ、ｎは、正の整数である）。

また、上述の実施形態において、受信感度を向上すべく、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子から出力された出力信号と参照信号との相関処理を行うように、受信部１３が構成されてもよい。この参照信号は、第１超音波信号に基づいて生じる第２超音波信号の予測波形（想定波形）であり、第１超音波信号の波形に応じて適宜に設定され、簡易には第１超音波信号の波形が用いられる。この参照信号は、例えば、予めテンプレートとして用意され、受信部１３に記憶される。

また、上述の実施形態において、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子は、複数の圧電素子を含む第１および第２素子部を備え、前記第１素子部は、第１超音波信号の送信および第１受信信号の生成のために使用され、前記第２素子部は、第２受信信号の生成のために使用されるように、構成されてもよい。

このように構成することによって、第１素子部によって第１超音波信号が送信されるとともに、第１素子部の出力信号から第１受信信号が生成され、第２素子部の出力信号から第２受信信号が生成される。このため、１つの第１超音波信号の送信ビームで第１受信信号と第２受信信号とが得られるので、１つの受信信号を得るために２つの第１超音波信号を送信する（２度打ちする）必要がなく、フレームレートの高い超音波画像を形成することが可能となる。

また、上述の場合において、前記第１および第２素子部のそれぞれは、無機圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の無機圧電素子を備えて構成されてもよい。複数の無機圧電素子のそれぞれは、無機圧電材料から成る所定の厚さの圧電体における両面に一対の電極を備えて構成される。この圧電体の厚さは、例えば、送信すべき超音波の周波数や無機圧電材料の種類等によって適宜に設定される。無機圧電材料は、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等である。複数の無機圧電素子のそれぞれは、送信信号が入力されると、圧電現象を利用することによってこの入力された送信信号を超音波信号に変換してこの超音波信号を出力するとともに、超音波信号が入力されると、圧電現象を利用することによってこの入力された超音波信号を電気信号に変換してこの電気信号を出力信号として出力する。

前記第１および第２素子部のうちのいずれか一方は、有機圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の有機圧電素子を備えて構成されてもよいが、上述の構成では、前記第１および第２素子部のそれぞれは、複数の無機圧電素子を備えているので、前記第１および第２素子部が有機−無機の組み合わせである場合に較べて、振動子の特性が互いに近くなり、例えば第１および第２素子部の設計の容易化や製造工程の簡単化等のメリットがある。

また、上述の場合において、前記第１および第２素子部は、超音波信号の放入射方向に対し水平的に並べて配置されてもよいが、図３に示すように、前記第１および第２素子部２２１、２２３は、外部に対し前記超音波信号の放射および入射する面（図３に示す例では音響レンズ２４の超音波信号の放入射面）から、前記第２素子部２２３、前記第１素子部２２１の順で前記超音波信号の放入射方向に積層されるように構成されてもよい。また、第１素子部２２１および第２素子部２２３は、直接的に積層されるように構成されてもよいが、図３に示す例では、中間層２２２を介して間接的に互いに積層されている。この中間層２２２は、第１素子部２２１と第２素子２２３とを積層するための部材であり、第１素子部２２１と第２素子２２３との音響インピーダンスを整合させるものである。

このように構成することによって、第２素子部２２３では、第１素子部２２１を介することなく、被検体内から来た第２超音波信号を受信することができるので、比較的音圧レベルの低い、超音波画像にとってアーチフェクト（ノイズ）となる第２受信信号のピークをより精度良く受信することが可能となる。また、第１および第２受信信号波を第１超音波信号の高調波とした場合には、第２素子部２２３で受信する受信ビームの形状を第１超音波信号の高調波に好適なものとするために、第２素子部２２３を構成する複数の圧電素子の配列ピッチを、第１素子部２２１を構成する複数の圧電素子の配列ピッチとは、異なったものとすることができ、好ましい。

また、上述の実施形態において、超音波探触子２の圧電部２２における前記複数の圧電素子は、複数の圧電素子を含む複数のグループにグループ分けされており、第１および第２受信部１３１、１３２は、それぞれ、グループごとに第１および第２受信信号を生成するように構成されてもよい。このように構成することによって、信号処理がグループごとに実行されるので、信号処理を比較的単純化することができる。このため、比較的小規模な処理回路によって前記信号処理が可能となり、受信部１３をこのような比較的小規模な処理回路によって構成可能となる。あるいは、受信部１３の信号処理時間が短縮され、高フレームレートを実現することが可能となる。

また、上述の実施形態において、より高精度の超音波画像を得る観点から、超音波診断装置Ｓは、ハーモニックイメージング（Harmonic Imaging）技術によって超音波画像を形成するように構成されてもよい。このハーモニックイメージング技術には、例えば、特開２００１−２８６４７２号公報等に開示されているように、大別すると、フィルタ法と位相反転法（パルスインバージョン法）との２つの方法がある。このフィルタ法は、高調波検出フィルタによって基本波成分と高調波成分とを分離し、高調波成分だけを抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。また、この位相反転法は、同一方向に続けて互いに位相が反転している第Ａおよび第Ｂ送信信号を送信し、これら第Ａおよび第Ｂ送信信号に対応する第Ａおよび第Ｂ受信信号を加算することによって高調波成分を抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。第Ａおよび第Ｂ受信信号における基本波成分は、位相が反転しているが、高調波の例えば第２次高調波成分は、同相となるため、第Ａおよび第Ｂ受信信号を加算することによってこの第２次高調波成分が抽出される。この超音波画像形成では、画像処理部１４は、ハーモニックイメージング技術によって、受信部１３で受信した第１および第２受信信号に基づいて被検体の超音波画像を生成するように構成される。例えば、画像処理部１４では、フィルタ法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体の超音波画像が生成される。また例えば、画像処理部１４では、位相反転法によって受信信号から高調波成分が抽出され、この抽出された高調波成分に基づいてハーモニックイメージング技術を用いて被検体の超音波画像が生成される。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｓ 超音波診断装置
２ 超音波探触子
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１３１ 第１受信部
１３２ 第２受信部
２２１ 第１素子部
２２３ 第２素子部

Claims (2)

1. 圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子によって、所定方向にメインビームを形成した送信ビームの第１超音波信号を被検体内に送信するための送信信号を生成する送信部と、
   前記所定方向に受信感度を持たせて、前記複数の圧電素子で受信された被検体内から来た第２超音波信号に基づいて第１受信信号を生成する第１受信部と、
   前記所定方向の受信感度を無くして、前記複数の圧電素子で受信された被検体内から来た前記第２超音波信号に基づいて第２受信信号を生成する第２受信部と、
   前記第１受信信号を前記第２受信信号に基づいて補正しつつ、前記第１受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像処理部とを備え、
   前記複数の圧電素子は、複数の圧電素子を含む第１および第２素子部を備え、
   前記第１素子部は、前記第１超音波信号の送信および前記第１受信信号の生成のために使用され、
   前記第２素子部は、前記第２受信信号の生成のために使用され、
   前記第１および第２素子部は、外部に対し前記超音波信号の放射および入射する面から、前記第２素子部、前記第１素子部の順で前記超音波信号の放入射方向に積層されていること
   を特徴とする超音波診断装置。
2. 前記複数の圧電素子は、複数の圧電素子を含む複数のグループにグループ分けられており、
   前記第１および第２受信部は、それぞれ、前記グループごとに前記第１および第２受信信号を生成すること
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。