【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、血流情報等を含む生体内画像情報を得ることができる超音波撮像方法及び超音波撮像装置に関する。 特に、エコーの基本波信号、
高調波信号、分調波信号をリアルタイムに３次元画像化することもできる超音波撮像方法及び超音波撮像装置等に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
超音波診断は、血流情報をも得ることができるという特徴を有することから、胸部並びに腹部領域の診断において著しく発展した。 特に、造影剤を用いる超音波撮像技術が開発されたため、より正確な血流情報が得られるようになって来ている。 このような超音波造影においては、直径が１〜数μｍの多数のマイクロバブルを液体に混入したマイクロバブル造影剤を、主に静脈に注射することにより用いる。 このマイクロバブルは、生体に無害な気体（空気、フッ化炭素等）を、生体に無害な物質（レシチン等）からなる殻に封入したものである。

【０００３】日本国特許出願公開（特開）平９−１６４
１３８号公報には、血流中に微小気泡の超音波コントラスト剤を注入し、組織中の微小気泡を破壊する超音波パルスを発信し、微小気泡の破壊からある時間間隔の間にどの程度組織中に微小気泡が再灌流したかを超音波により測定する超音波診断画像処理方法が掲載されている。

【０００４】また、超音波撮像技術においても、ドップラー信号や高調波信号の利用が進み、より多くの組織における血流情報の取得が可能となった。 特に、超音波造影との組み合わせにより、血流動態の評価がより正確に行われるようになった。

【０００５】特開平１１−１７８８２４号公報には、変調された超音波のシーケンスを体内に発信し、その応答として得られる超音波エコーに位相差を生じさせる発信段階と、該発信シーケンスに応答する超音波エコー信号の集合を受信する段階と、線形と非線形信号成分の位相シフト情報を分離するために該集合を分析する段階とからなるパルス反転ドップラー超音波診断画像処理方法が掲載されている。 しかしながら、このようなドップラー信号の検出においては、心筋等の動きの大きい組織からの強い信号や、組織そのものから発生する高調波信号が混入するため、血管内のマイクロバブルのみを検出することはできない。

【０００６】また、米国特許第５，７０６，８１９号には、高調波コントラスト剤の影響を極性（位相）を交互に反転させながら受信することにより、送信信号の高調波成分を抑圧すると共に散乱を除去して高調波コントラスト剤の影響を検出する超音波診断画像処理方法が掲載されている。 しかしながら、このような高調波画像処理を行うためには、極性（位相）の異なる複数の超音波を送信する必要があり、測定に時間がかかるため、その間に被測定物が動くと画像の空間分解能が低下してしまうという問題があった。

【０００７】一方、連続する複数の波を有する超音波を照射することにより、血管内にあるマイクロバブルのみから発生するサブハーモニック（分調波）エコーに基づいて画像を生成する、いわゆるサブハーモニックイメージングが検討され始めている。 分調波成分はマイクロバブルのカオス的振動と分岐現象によってのみ生成されるため、サブハーモニックイメージングによれば、ハーモニックイメージングよりも高いコントラストの造影が得られると考えられている。 ここに、分調波とは、基本波をｆとした時、（ｍ／ｎ）ｆ：（ｍ、ｎは自然数で、
（ｍ／ｎ）は整数でない）で表される波形である。

【０００８】マイクロバブルのサブハーモニックエコーについては、Ｐ． Ｍ． Ｓｈａｎｋａｒ等がＪ． Ａｃｏｕ
ｓｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． ，１０６（４），２１０４（１９
９９）に発表した論文に示されるように、連続する超音波により発生することが知られており、サブハーモニックイメージングを行うためには、バースト波という連続する複数の波を含む超音波が用いられる。 しかしながら、バースト波のように長時間連続する複数の波を用いると、１組の波が長くなって、やはり画像の空間分解能が低下してしまう。

【０００９】また、特開２０００−５１６７号公報には、連続する複数の波を持つ超音波を送波するに当り、
マイクロバルーン（マイクロバブル）を破壊しない瞬時音圧を持つ少なくとも１つの波の前後にマイクロバルーンを破壊する瞬時音圧を持つ波がそれぞれ存在する超音波を送信し、サブハーモニックエコーを確実に発生させる超音波送波方法が掲載されている。 しかしながら、送信波に対して長波長の成分を多く含むサブハーモニックを検出するためには、受信信号の処理を含めて、さらなる改良が望まれている。

【００１０】サブハーモニック強度の検出方法としては、受信した波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）する方法が用いられているが、ＦＦＴによれば演算時間が長いので、リアルタイムの画像表示に適さないという問題がある。 また、回路的にフィルタリングしてサブハーモニックの周波数成分を取り出す方法では、サブハーモニックのみを抽出することは困難である。

【００１１】ところで、いわゆる超音波エコー観察等を行う超音波診断装置は、探触子の超音波検出部（センサー）に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電材料を用いるのが一般的である。 図６は、現在用いられている一般的な探触子の構造を模式的に示す図である。 （Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）は配列振動子を拡大して示す斜視図である。 この図の探触子３０１は、全体として薄い箱型をしており、細長い長方形状の探触面３
０２を有する。 この探触面３０２を人体に当てて超音波を放射し人体の奥部から返ってくる超音波エコーを受信する。 探触子３０１の図の上側には、超音波送受信信号を伝えるケーブル３０７が接続されている。

【００１２】探触面３０２内には、超音波の発振子と受振子を兼ねる、櫛状の配列振動子（素子群）３０３が収められている。 配列振動子３０３は、薄い（例えば厚さ０．２〜０．３mm）ＰＺＴの帯状板に、多数のスリット３０６（例えば幅０．１mm）を入れて櫛の歯状の個別振動子（素子）３０５（例えば幅０．２mm、長さ２０mm）
を多数（例えば２５６個）配列したものである。 図示はされていないが、各個別振動子３０５には電極が形成されており、信号線が接続されている。 また、同様に図示はされていないが、配列振動子３０３の表面（図の下面）側には、樹脂系材料（ゴム含む）からなる音響レンズ層や整合層が貼られており、裏面側にはバッキング材が貼られている。 音響レンズ層は発振する超音波の集束性を良くする。 整合層は超音波の発振効率を高める。 バッキング材は、振動子を保持する機能を有するとともに、振動子の振動を早く終了させる。

【００１３】なお、このような超音波探触子及び超音波診断装置については、東洋出版「超音波観察法・診断法」や、医歯薬出版「基礎超音波医学」に詳しく説明されている。

【００１４】ところで、超音波診断分野では、被検者のより詳細な体内情報を取得するために、３次元データの収集が望まれている。 それを実現するために、探触子の超音波検出部（センサー）を２次元アレー化することが求められている。 しかし、この２次元探触子では、配列される素子（センサー）数が多くなる上、画像処理のための演算も複雑になるため、高調波並びに分調波をリアルタイムに演算で求めることは困難である。

【００１５】本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、エコーの基本波信号、高調波信号、分調波信号をリアルタイムに３次元画像化できる超音波撮像方法等を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するため、本発明の２次元探触子は、 超音波を被検体に送信し、送信された超音波が前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを受信する探触子であって、 固有発振周波数の実質的に異なる２種類以上の送受信素子群が２次元アレー状に配置されることを特徴とする。

【００１７】本発明の超音波撮像装置は、 固有発振周波数の実質的に異なる２種類以上の送受信素子群を有する探触子と、 前記各々の送受信素子群を駆動する駆動手段と、 前記各々の送受信素子群の受信する信号を増幅し、該信号に基づいて被検体の画像情報を得る信号処理手段と、 を具備することを特徴とする。

【００１８】前記超音波撮像装置においては、 第１の種類の素子群から超音波を送信し、該送信された超音波が前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、他の種類の素子群で受信することができる。

【００１９】前記超音波撮像装置においては、 第１の種類の素子群から超音波を送信し、該送信された超音波が前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、 第１の種類の素子群で受信することにより基本波信号を得、 それと同時に、第２の種類の素子群で前記エコーを受信することにより高調波信号を得、 さらに同時に、第３の種類の素子群で前記エコーを受信することにより分調波信号を得る、こともできる。

【００２０】本発明の超音波撮像方法は、 超音波を被検体に送信し、送信された超音波が前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを探触子で受信し、受信した信号に基づいて前記被検体の画像情報を得る超音波撮像方法であって、 前記探触子に、固有発振周波数の実質的に異なる２種類以上の送受信素子群を配置し、 第１の種類の素子群から超音波を送信し、 該送信された超音波が前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、他の種類の素子群で受信することを特徴とする。

【００２１】前記超音波撮像方法においては、 第１の種類の素子群から超音波を送信し、該送信された超音波が前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、 第１の種類の素子群で受信することにより基本波信号を得、 それと同時に、第２の種類の素子群で前記エコーを受信することにより高調波信号を得、 さらに同時に、第３の種類の素子群で前記エコーを受信することにより分調波信号を得る、こともできる。

【００２２】前記超音波撮像方法においては、 前記第１の種類の素子群の固有発振周波数をＡとし、 第２の種類の素子群の固有発振周波数を約２Ａとし、 前記第１の種類の素子群から送信され、前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、前記第２の種類の素子群で受信することにより、２次高調波信号を受信することができる。

【００２３】前記超音波撮像方法においては、 前記第１の種類の素子群の固有発振周波数をＡとし、 第２の種類の素子群の固有発振周波数を約３．５Ａとし、 前記第１の種類の素子群から送信され、前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、前記第２の種類の素子群で受信することにより、３次以上の高調波信号を受信することもできる。

【００２４】前記超音波撮像方法においては、 前記第１の種類の素子群の固有発振周波数をＡとし、 第２の種類の素子群の固有発振周波数を約０．５Ａとし、 前記第１の種類の素子群から送信され、前記被検体の組織に反射されて生じるエコーを、前記第２の種類の素子群で受信することにより、分調波信号を受信することもできる。

【００２５】前記超音波撮像方法においては、 前記固有発振周波数の実質的に異なる２種類以上の送受信素子群を前記探触子に２次元アレー状に配置し、 前記基本波信号及び／又は、高調波信号及び／又は、分調波信号の受信を同時に行い、 該信号を画像処理することにより、リアルタイムにエコーを３次元画像化することを特徴とする請求項５〜９いずれか１項記載の超音波撮像方法。

【００２６】上述の超音波撮像方法等によれば、高調波信号や分調波信号の画像処理を行うために、極性（位相）の異なる複数の超音波を送信する必要が無くなり、
測定時間を短縮することができ、リアルタイムに測定を行える。 また、素子群数の多い２次元探触子を用いる際にも、高調波信号や分調波信号の画像処理のための複雑な演算処理が必要なくなるため、高調波並びに分調波をリアルタイムに３次元画像化できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明する。 図１は、本発明の実施の形態に係る超音波撮像装置の主要構成を示すシステム図である。 この超音波撮像装置は、例えば、人体等の診察用の超音波診断装置や工業用の探傷装置として用いられる。 図１に示すように、この超音波撮像装置は、被検体に当接させて用いられる超音波探触子１０を含んでいる。 超音波探触子１０は、超音波の送受信機能を有する超音波検出部（センサー）１
１を含んでいる。 超音波検出部１１は、詳しくは後述するが、発振周波数の実質的に異なる超音波トランスデューサ（素子、素子群）１ａ、１ｂが２次元状に組み上げられた構造をしている。 素子１a、１ｂとしては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック圧電材やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材を材料とする圧電素子を用いることができる。 なお、この例では、２種類の異なる発振周波数を有する素子群を用いた例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２８】超音波探触子１０中の素子１a、１ｂには、それぞれに対応する複数のパルス発生回路（パルサ）１２ａ、１２ｂが接続されている。 素子１a、１ｂ
は、それぞれに対応する複数のパルス発生回路１２ａ、
１２ｂから入力した駆動信号に基づいて超音波パルスを被検体に送信し、被検体から反射された超音波パルスを受信して検出信号を出力する。 複数のパルサ１２ａ、１
２ｂは、それぞれに対応する複数のデジタル遅延器１３
ａ、１３ｂの出力信号に基づき励振して駆動信号を出力する。 これらのパルサとしては、高い繰り返し周期で駆動信号を出力できる高速パルサが好ましい。

【００２９】超音波撮像装置のシステム全体を制御するシステム制御部１４は、複数のデジタル遅延器１３ａ、
１３ｂにおける遅延時間を制御する。 この制御により、
これらの駆動信号の時間差に対応した位相差を有する超音波パルスを複数の素子１a、１ｂから被検体に送信し、これらの超音波パルスの合波によって形成される音線を所望の方向に偏向することができる。

【００３０】一方、超音波検出部１１を構成する２種類の発振周波数の実質的に異なる素子１ａ、１ｂには、それぞれに対応する複数の前置増幅器１５ａ、１５ｂ、及び、ＴＧＣ（Time Gain Conpensation：タイムゲインコンペンセーション）増幅器１６ａ、１６ｂ、さらには、
複数のＡ／Ｄ変換器１７ａ、１７ｂが接続されている。
素子１ａ、１ｂから出力された検出信号は、それぞれに対応する複数の前置増幅器１５ａ、１５ｂ及びＴＧＣ増幅器１６ａ、１６ｂにおいてアナログ処理を施される。
このアナログ処理により、これらの検出信号のレベルが、Ａ／Ｄ変換器１７ａ、１７ｂの入力信号レベルに整合される。 複数のＴＧＣ増幅器１６ａ、１６ｂから出力されたアナログ信号は、システム制御部１４の制御の下、複数のＡ／Ｄ変換器１７ａ、１７ｂによってそれぞれデジタル化される。

【００３１】各々の素子１ａ、１ｂに対応した複数のＡ
／Ｄ変換器１７ａ、１７ｂから出力された検出データは、それぞれ複数のデジタルビームフォーマ１９ａ、１
９ｂに並列に入力される。 各々のデジタルビームフォーマ１９ａ、１９ｂには、各々の素子１ａ、１ｂに対応する複数の位相調整部２１ａ、２１ｂが設けられている。
各々の位相調整部２１ａ、２１ｂは、シフトレジスタ遅延線やデジタル微小遅延器若しくはソフトウエア又はこれらの組合せによって、検出データに所望の遅延を与える。 これらの位相調整部２１ａ、２１ｂの出力は、デジタル加算器２２ａ、２２ｂにおいてデジタル加算されることにより、探触子１０に含まれる各々の素子群から得られた複数の検出データにおける位相の整合が行われる。 これらのデジタルビームフォーマ１９ａ、１９ｂから出力されるデータは、メモリ２４に一旦記憶され、データ処理部２５において検出波形の検波や画像データへの変換や所定の画像処理が施された後、再びメモリ２４
に記憶される。

【００３２】さらに、ＤＳＣ（Digital Scan Converto
r：デジタルスキャンコンバータ）２６において走査フォーマットの変換を行うことにより、音線データ空間の画像データが物理空間の画像データに変換される。 尚、
３次元画像の表示を行う場合には、メモリ２４とＤＳＣ
２６との間に３次元画像構成部２７を組み込んでも良い。 ３次元画像構成部２７は、メモリ２４に蓄積された複数枚の断層データから、ある体積についてのデータであるボクセルデータ（voxel data）を生成する。 ＤＳＣ
２６によって走査フォーマットが変換された画像データは、Ｄ／Ａ変換器２８においてアナログ信号に変換され、画像表示部２９に表示される。

【００３３】図２は、本実施形態の超音波撮像装置に用いられる超音波探触子の超音波検出部の構成を示す斜視図である。 図２に示す超音波探触子（プローブ）内の超音波検出部１１には、円柱状の複数の素子１（図１における素子１ａ、１ｂ）が２次元状に組み込まれている。
素子１は、図では省略してあるが、例えば、縦２５６個×横２５６個で計６５５３６個配置されている。 各素子１には、図示せぬ電極が形成されており、駆動信号及び受信データを伝送する信号線２が接続されている。 また、同様に図示はされていないが、素子１の先端（図の手前）には、樹脂系材料（ゴム含む）からなる音響レンズ層や整合層が貼られており、電極側にはバッキング材が貼られている。 音響レンズ層は発振する超音波の集束性を良くする。 整合層は超音波の発振効率を高める。 バッキング材は、振動子を保持する機能を有するとともに、振動子の振動を早く終了させる。

【００３４】複数の素子１は、それぞれに入力された駆動信号に基づき振動して超音波パルスを被検体に送信し、被検体から反射された超音波パルスを受信して振動することにより検出信号（電気信号）を出力する。

【００３５】本発明の２次元探触子の超音波検出部には、発振周波数の実質的に異なる素子が配置されている。 ここでいう「実質的に異なる」というのは、製造時のばらつきを含まず、本発明の超音波撮像方法の仕様を満たす程度に意図的に差をつけたものを示す。

【００３６】本発明の第１の実施の形態に係る超音波検出部の素子の配置について説明する。 図３は、超音波検出部を構成する素子の配置の一部を模式的に示す図である。 図３に示す超音波検出部１１には、発振周波数の異なる素子１ａ、１ｂが交互に配置されている。 なお、配置方法は、これに限定されるのもではなく、様々に変更できる。 この実施の形態においては、素子群１ａの固有発振周波数は２MHzであり、素子群１ｂの固有発振周波数は１MHzである。 素子群の固有発振周波数は、素子群の材質や厚さを変えること等により自在に設定することができる。

【００３７】この実施の形態においては、固有発振周波数１MHzの素子群１ｂを送受信に使用して基本波信号（送信信号とほぼ同一の周波数を有する信号）を取得すると同時に、固有発振周波数１MHzの素子群１ｂの送信信号を固有発振周波数２MHzの素子群１ａで受信することにより高調波信号（送信信号に対して約２倍の周波数を有する信号）を取得することができる。 また、固有発振周波数２MHzの素子群１ａを送受信に使用して基本波信号（送信信号とほぼ同一の周波数を有する信号）を取得すると同時に、固有発振周波数２MHzの素子群１ａの送信信号を固有発振周波数１MHzの素子群１ｂで受信することにより分調波信号（送信信号に対して、約１／２
倍の周波数を有する信号）を取得することができる。

【００３８】このようにしてエコーの基本波信号及び高調波信号、又は、基本波信号及び分調波信号を同時に受信することができ、図１に示した超音波撮像装置において画像処理することにより、リアルタイムにエコーを３
次元画像化できる。

【００３９】本発明の第２の実施の形態に係る超音波検出部の素子の配置について説明する。 図４は、超音波検出部を構成する素子の配置の一部を模式的に示す図である。 図４に示す超音波検出部１１には、発振周波数の異なる素子１ｃ、１ｄ、１ｅが規則的に配置されている。
なお、配置方法は、これに限定されるのもではなく、様々に変更できる。 この実施の形態においては、素子群１
ｃの固有発振周波数は１MHzであり、素子群１ｄの固有発振周波数は２MHzであり、素子群１ｅの固有発振周波数は０．５MHzである。

【００４０】この実施の形態においては、固有発振周波数１MHzの素子群１ｃを送受信に使用して基本波信号（送信信号とほぼ同一の周波数を有する信号）を取得すると同時に、固有発振周波数１MHzの素子群１ｃの送信信号を固有発振周波数２MHzの素子群１ｄで受信することにより高調波信号（送信信号に対して約２倍の周波数を有する信号）を取得し、さらにそれと同時に、固有発振周波数１MHzの素子群１ｃの送信信号を固有発振周波数０．５MHzの素子群１ｅで受信することにより分調波信号（送信信号に対して、約１／２倍の周波数を有する信号）を取得することができる。

【００４１】このようにしてエコーの基本波信号及び高調波信号及び分調波信号を同時に受信することができ、
図１に示した超音波撮像装置において画像処理することにより、リアルタイムにエコーを３次元画像化できる。

【００４２】本発明の第３の実施の形態に係る超音波検出部の素子の配置について説明する。 図５は、超音波検出部を構成する素子の配置の一部を模式的に示す図である。 図５に示す超音波検出部１１には、発振周波数の異なる素子１ｆ、１ｇ、１ｈが規則的に配置されている。
なお、配置方法は、これに限定されるのもではなく、様々に変更できる。 この実施の形態においては、素子群１
ｆの固有発振周波数は１MHzであり、素子群１ｇの固有発振周波数は２MHzであり、素子群１ｈの固有発振周波数は３．５MHzである。

【００４３】この実施の形態においては、固有発振周波数１MHzの素子群１ｆを送受信に使用して基本波信号（送信信号とほぼ同一の周波数を有する信号）を取得すると同時に、固有発振周波数１MHzの素子群１ｆの送信信号を固有発振周波数２MHzの素子群１ｇで受信することにより高調波信号（送信信号に対して約２倍の周波数を有する信号）を取得し、さらにそれと同時に、固有発振周波数１MHzの素子群１ｆの送信信号を固有発振周波数３．５MHzの素子群１ｈで受信することにより３次以上の高調波信号（送信信号に対して、約３倍、又は、それ以上の周波数を有する信号）を取得することができる。

【００４４】このようにしてエコーの基本波信号及び多次の高調波信号を同時に受信することができ、図１に示した超音波撮像装置において画像処理することにより、
リアルタイムにエコーを３次元画像化できる。

【００４５】以上図１〜図６を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る超音波撮像方法等について説明したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、固有発振周波数の実質的に異なる２種類以上の素子を交互に１列で配置した１次元探触子を用いて、リアルタイムにエコーを２次元画像化できる。 また、素子の固有発振周波数を様々に設定することにより、様々な周波数を有する分調波を測定することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、発振周波数の異なる素子群を２次元状に組み上げた２次元探触子を用いることにより、エコーの基本波信号、高調波信号、分調波信号をリアルタイムに３次元画像化することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る超音波撮像装置の主要構成を示すシステム図である。

【図２】本実施形態の超音波撮像装置に用いられる超音波探触子の超音波検出部の構成を示す斜視図である。

【図３】超音波検出部を構成する素子の配置の一部を模式的に示す図である。

【図４】超音波検出部を構成する素子の配置の一部を模式的に示す図である。

【図５】超音波検出部を構成する素子の配置の一部を模式的に示す図である。

【図６】現在用いられている一般的な探触子の構造を模式的に示す図である。 （Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）は素子群を拡大して示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 素子（素子群） １０ 超音波探触子 １１ 超音波検出部 １２ パルス発生回路 １３ デジタル遅延器 １４ システム制御部 １５ 増幅器 １６ ＴＧＣ増幅器 １７ Ａ／Ｄ変換器 １９ デジタルビームフォーマ ２１ 位相調整部 ２２ デジタル加算器 ２４ メモリ ２５ データ処理部 ２６ ＤＳＣ ２８ Ｄ／Ａ変換器 ２９ 画像表示部