JP2010194085A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少数の圧電素子を用いて小型でありながら低コストで超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】１個の超音波の送信用素子である圧電素子と１個の超音波の受信用素子である圧電素子との組み合わせを用いることで、反射源Ｒの存在する確率を有する位置の範囲を、各々の圧電素子の相対位置として求める。さらに、複数の送信用素子である圧電素子と受信用素子である圧電素子の組み合わせを採用し、各々の組み合わせにおいて、同様に反射源Ｒが存在する確率を有する位置の範囲を求めていくことで、反射源Ｒが存在する位置、ひいては反射源Ｒの形状を算出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波信号を被検体内に送信し、反射した超音波信号を基に、被検体内の超音波画像を構築する小型の超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、診断対象の被検体の内部を超音波信号で走査して反射波を受信し、反射波の強度に対応した画像データを求め、それによっていわゆるＢモード画像と呼ばれる２次元断面画像（超音波画像）を生成する。一般的には病院等で用いるものであって、医療機関には普及しており、広く知られるところであるが、一般消費者が任意の場所や状況で使用することは想定されていない。しかし、情報端末機器の普及に伴って、高度な情報機器を消費者が個人的に携帯し、任意の場所や状況で使用することは一般化しつつあるので、従来では医療機関で用いられている超音波診断装置であっても、消費者が個人的に携帯し、任意の場所や状況で使用することが可能となれば利便性が著しく向上する。

このような目的で提案された小型の超音波診断装置がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に示した技術は、超音波探触子を術者が被検体に対して手動で走査し、超音波探触子の傾き角度と移動方向の各々をセンサで検出し、反射波の受信信号とを合わせて超音波面像を再構成するものである。超音波信号を送受信する圧電素子の数が非常に少ないことから超音波探触子にとってスケールメリットがあり、超音波探触子および超音波診断装置の小型化に繋がる。

特開２００８−２２９２４５号公報

特許文献１に記載の技術においては、圧電素子の数が少ないのでどうしても超音波画像の画質が低下する。また、センサの出力から角度や位置を求めるには、高価なセンサや非常に複雑な電子回路や高度な座標再構成アルゴリズムを必要とし、高価格となってしまう。

本発明は、少数の圧電素子を用いて小型でありながら低コストで超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．超音波信号を被検体内に送信可能な複数の送信用素子を有し、前記複数の送信用素子の中から、一つの送信用素子を選択して第１超音波信号を送信させる送信手段と、
超音波信号を受信可能な複数の受信用素子を有し、前記複数の受信用素子の中から、一つの受信用素子を選択して、選択された送信用素子が送信した前記第１超音波信号が前記被検体内の反射源で反射して生成された第２超音波信号を受信させる受信手段と、
選択された送信用素子が前記第１超音波信号を送信した後、選択された受信用素子が前記第２超音波信号を受信するまでの時間を計測して、選択された送信用素子と選択された受信用素子に対する前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出する算出手段と、
前記送信手段と、前記受信手段と、前記算出手段とを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記複数の送信用素子と前記複数の受信用素子の中から各々一つずつ選択して前記算出手段に前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出させる動作を、前記複数の送信用素子と前記複数の受信用素子の所定の組み合わせについて実施し、前記反射源が存在する確率を有する全ての相対位置の算出結果を基に、前記反射源が存在する確率が高い位置を算出することを特徴とする超音波診断装置。

２．超音波信号を被検体内に送信可能な複数の送信用素子を有し、前記複数の送信用素子の中から、複数の送信用素子を選択して第１超音波信号を送信させる送信手段と、
超音波信号を受信可能な複数の受信用素子を有し、前記複数の受信用素子の中から、一つの受信用素子を選択して、選択された送信用素子が送信した前記第１超音波信号が前記被検体内の反射源で反射して生成された第２超音波信号を受信させる受信手段と、
選択された複数の送信用素子を合成した仮想送信用素子が前記第１超音波信号を送信した後、選択された受信用素子が前記第２超音波信号を受信するまでの時間を計測して、前記仮想送信用素子と選択された受信用素子に対する前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出する算出手段と、
前記送信手段と、前記受信手段と、前記算出手段とを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記仮想送信用素子と前記複数の受信用素子の中から各々一つずつ選択して前記算出手段に前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出させる動作を、仮想送信用素子と前記複数の受信用素子の所定の組み合わせについて実施し、前記反射源が存在する確率を有する全ての相対位置の算出結果を基に、前記反射源が存在する確率が高い位置を算出することを特徴とする超音波診断装置。

３．前記送信手段はドライブ符号化パルスである第１超音波信号を生成するドライブ符号化パルス形成手段を有し、
前記受信手段は前記第２超音波信号を復号化する復号化手段を有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。

少数の圧電素子を用いて小型でありながら低コストで超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供できる。

超音波診断装置の外観構成を示す図である。 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。 超音波探触子の概要を示す三面図である。 音響分離部２４、共通電極、音響整合層２７を除去し、超音波探触子２を斜め方向から観察した概要図である。 超音波探触子２を側面から観察した断面図である。 １個の超音波の送信用素子である圧電素子と１個の超音波の受信用素子である圧電素子を用いて反射源Ｒの存在位置を求める方法の概要図である。 超音波の送信用素子である圧電素子と超音波の受信用素子である圧電素子の複数の組み合わせを２個用意した場合における反射源Ｒの存在する確率を有する位置を求める方法の概要図である。 反射源Ｒ２が微小な反射源の集合であるとして、複数の反射源楕円を描いた概要図である。 被検体内の第１超音波信号を反射する反射源の形状を測定する測定フロー図である。 第１超音波信号を反射する２次元状の物体である。 反射源が存在する確率を有する位置の集合である反射源楕円の形状を算出した結果である。 ファントムの計算結果である。 パソコンＰを用いた超音波診断装置の構成の概要図である。 パソコンＰを用いた場合の超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。 符号化送受信法の概要を説明する図である。 １３ビットのバーカーコードの一例を表す概要図である。 複数の点音源である圧電素子ａからｅに、この順番で所定の時間間隔で超音波信号を送信させた際の超音波波面の様子を示す概要図である。 複数の点音源から送信される第１超音波信号が所定の時刻に１点に集めることで、１点の想定点音源が位置Ｆに形成される波面の様子を示す概要図である。

以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。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、その説明を省略する。

超音波診断装置について図１、図２を用いて説明する。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に示すように、図略の被検体Ｈに対して超音波（第１超音波信号とも称す）を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波信号の反射波（第２超音波信号とも称す）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Ｈ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Ｈ内からの第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された受信信号に基づいて被検体Ｈ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２は、複数の圧電素子を備えており、例えば図２に示すように、圧電素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの五つの圧電素子を備えている。圧電素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅのうち、圧電素子ｂ、ｄは超音波を送受信する機能を有し、圧電素子ａ、ｃ、ｅは超音波を送信する機能のみ有している。超音波信号を受信する圧電素子ｂ、ｄには過度の電気信号等から回路を保護する保護回路２９が接続されている。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力する操作入力部１１と、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供給することで超音波探触子２に第１超音波信号を発生させるよう駆動する送信手段である送信部１２と、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受信手段である受信部１３と、受信部１３で受信した受信信号に基づいて信号処理を実施する信号処理部１７と、信号処理部１７の出力に基づいて被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する画像処理部１４と、信号処理部１７や画像処理部１４で得られた結果等を記憶させる記憶部１８と、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する表示部１５と、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５、信号処理部１７および記憶部１８を、該機能に応じて制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う制御部１６と、を備えて構成される。

送信部１２は、例えば、所定の信号波形を有する送信信号を生成するファンクションジェネレータ１２ａ、生成された送信信号を増幅するリニアアンプ１２ｂ、そして、超音波探触子２を構成する圧電素子の各々に、逐次時系列に送信信号を印加するためのチャンネル切替回路１２ｃを備えてなる。

受信部１３は、被検体Ｈから反射して生成された第２超音波信号を受信して超音波探触子２を構成する圧電素子ｂ、ｄが変換した電気信号を増幅するプリアンプ１３ａと、増幅された電気信号をアナログ値からデジタル値へ変換するＡＤコンバータ１３ｂを備えてなる。

次に超音波探触子２の形態について図３から図５を用いて説明する。図３は超音波探触子２の概要を示す三面図である。図３（ａ）は超音波探触子２の正面図、図３（ｂ）は超音波探触子２の上面図、図３（ｃ）は超音波探触子２の側面図である。

図３（ａ）の超音波探触子２の正面図と図３（ｃ）の超音波探触子２の側面図とにおいて、図中下側から上側に順に、音響制動部材２３、音響分離部２４、共通電極２５、音響整合層２７の順で積層されている。個別電極２８は、超音波探触子２内に備えられている後述する複数の圧電素子の各々に個別に備えられており、各圧電素子に電気信号を送受信するための図示しない信号線を接続するための電極である。

図３（ｂ）の超音波探触子２の上面図において、個別電極２８が音響制動部材２３の側面から露出している。

次に、超音波探触子２における、圧電素子の位置関係等を説明する。図４は、音響分離部２４、共通電極２５、音響整合層２７を除去し、超音波探触子２を斜め方向から観察した概要図である。音響制動部材２３の上部に５個の圧電素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが配置され、各圧電素子の下部には個別電極２８が備えられている。説明の簡易化のために圧電素子の数を５個としたが、圧電素子の数が多いほど超音波画像の分解能が向上するので好ましい。圧電素子と個別電極２８は、少なくとも２つ用意される。圧電素子は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。

圧電素子は無機圧電材料または有機圧電材料を成分とする。無機圧電材料には、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いることができる。有機圧電材料には、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電材料は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。

図５は、超音波探触子２を側面から観察した断面図である。図５（ａ）は図３（ｂ）におけるＡＡ’断面を側面から観察した断面図であり、図５（ｂ）は図３（ｂ）におけるＢＢ’断面を側面から観察した断面図である。

図５（ａ）は、圧電素子の断面図を含んだ超音波探触子２の断面図であり、圧電素子は上下の各面に個別電極２８と共通電極２５とを備えている。共通電極２５は、各圧電素子に共通に導通するように各圧電素子の上面に共有化されて形成される。図５（ｂ）は圧電素子の断面図を含まない超音波探触子２の断面図であり、音響分離部２４が各圧電素子の間を満たすように形成されている。

音響制動部材２３は、超音波信号を吸収する材料から構成され、複数の圧電素子から音響制動部材２３方向へ放射される超音波信号を吸収するものである。

圧電素子ａからｅには、送信部１２からケーブル３から電気信号が入力される。この電気信号は、圧電素子の個別電極２８と共通電極２５との間に入力される。複数の圧電素子は、この電気信号を第１超音波信号に変換することによって第１超音波信号を送信する。

音響分離部２４は、圧電素子の音響インピーダンスに比して値が大きく異なる低音響インピーダンス樹脂から構成され、音響インピーダンスが大きく異なることにより、音響分離材として働き、これら圧電素子間の相互干渉を低減する機能を有する。音響分離部２４によって各圧電素子間におけるクロストークの低減が可能となる。

共通接地電極２５は、導電性の材料から構成され、図略の配線によって接地されている。

音響整合層２７は、圧電素子の音響インピーダンスと被検体Ｈの音響インピーダンスとの整合をとる部材である。音響整合層２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体Ｈに向けて送信される第１超音波信号を収束する音響レンズの機能を有する。

このような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で電気信号の送信信号が生成される。

生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。より具体的には、この電気信号の送信信号は、後述するように、超音波探触子２における圧電素子ａからｅのうちの一つへ供給される。この電気信号の送信信号は、例えば、所定の周期で繰り返される電圧パルスである。電気信号の送信信号が供給された圧電素子はその厚み方向に伸縮し、この電気信号の送信信号に応じて超音波振動するよう駆動される。この超音波振動によって、圧電素子は、共通接地電極２５、音響整合層２７を介して超音波を放射する。超音波探触子２が被検体Ｈ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Ｈに対して超音波が送信される。

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

この被検体Ｈに対して送信された超音波は、被検体Ｈ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、超音波の反射波となる。

反射波の超音波は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、反射波の超音波は、音響整合層２７を介して圧電素子で受信され、圧電素子で機械的な振動が受信信号として電気信号に変換されて取り出される。取り出された受信信号は、ケーブル３を介して制御部１６で制御される受信部１３で受信される。

画像処理部１４は、後述するように受信部１３で受信した受信信号に基づいて、送信から受信までの時間などから信号処理部１７が被検体Ｈ内に存在する反射源の座標を算出した結果を基に、超音波画像を生成する。

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Ｈ内の内部状態の超音波画像を表示する。

次に、被検体Ｈ内部の超音波画像を測定する原理について図６を用いて説明する。簡易化のため、被検体Ｈ内の内部に第１超音波信号を反射して第２超音波信号を生成する微小な大きさを有する反射源Ｒが存在するとし、この反射源Ｒの位置を測定するとして説明する。なお、超音波信号が伝播する場は２次元であるとする。

図６は、１個の超音波の送信用素子である圧電素子と１個の超音波の受信用素子である圧電素子を用いて反射源Ｒの位置を求める方法の概要図である。

Ａは超音波の送信用素子である圧電素子であり、Ｂは点音源である超音波の受信用素子である圧電素子である。圧電素子Ａ、Ｂ間の距離をＬとする。

圧電素子Ａから送信されたパルス状の第１超音波信号が、ｘｙ平面上に存在する反射源Ｒで反射され、任意の時刻ｔに圧電素子Ｂにて受信される。被検体Ｈ内の音速をｃとすると、第１超音波信号はｄ＝ｃｔの距離を伝播してきたことになる。反射が生じた反射源Ｒの位置は、圧電素子Ａおよび圧電素子Ｂの位置を焦点とした短径Ｌ１＝（ｄ^２−Ｌ^２）^１／２、長径Ｌ２＝ｄの楕円の周上のいずれかに存在することになる（この楕円を反射源楕円とも称す）。

このように１個の超音波の送信用素子である圧電素子Ａと、１個の超音波の受信用素子である圧電素子Ｂとの組み合わせを用いることで、反射源Ｒの存在する確率を有する位置の範囲を、各々の圧電素子Ａ、Ｂとの相対位置として求めることができる。従って、送信用の圧電素子と受信用の圧電素子の複数の組み合わせを採用し、各々の組み合わせにおいて、同様に反射源Ｒが存在する確率を有する位置の範囲を求めていくことで、反射源Ｒが存在する位置を絞っていくことができる。具体的には、超音波の送信用素子である圧電素子と超音波の受信用素子である圧電素子の複数の組み合わせで得られる反射源楕円の座標を求め、反射源Ｒが存在する確率の大きい位置を、各反射源楕円の重なり部分として算出する。

例えば、超音波の送信用素子である圧電素子と超音波の受信用素子である圧電素子の複数の組み合わせを２個用意した例を図７に示す。

図７は、超音波の送信用素子である圧電素子と超音波の受信用素子である圧電素子の複数の組み合わせを２個用意した場合における反射源Ｒの存在する確率を有する位置を求める方法の概要図である。

ＡとＣは超音波の送信用素子である圧電素子（点音源）であり、Ｂは超音波の受信用素子である圧電素子である。圧電素子Ａと圧電素子Ｂの組み合わせによって反射源Ｒが存在すると予想される位置は反射源楕円Ｅ１の周上である。同様に、圧電素子Ｃと圧電素子Ｂの組み合わせによって反射源Ｒが存在すると予想される位置は反射源楕円Ｅ２の周上である。反射源Ｒの存在すると考えられる位置は、反射源楕円Ｅ１と反射源楕円Ｅ２の交点Ｑ１、Ｑ２のいずれかであると絞られる。

反射源Ｒが上記のように微小な大きさの場合だけでなく、第１超音波信号の波長に比して無視できない大きさを有する場合には、反射源Ｒの形状を求めることができる。反射源Ｒの形状を求める方法について図８を用いて説明する。図８は、反射源Ｒ２が微小な反射源の集合であるとして、複数の反射源楕円を描いた概要図である。反射源Ｒ２は四角形であるとする。Ａは超音波の送信用素子である圧電素子であり、Ｂは点音源である超音波の受信用素子である圧電素子である。超音波の送信用素子である圧電素子Ａから送信された第１超音波信号は反射源Ｒ２において反射され、反射波は超音波の受信用素子である圧電素子Ｂで受信される。反射源Ｒ２は四角形であり、反射源Ｒ２をなす各部位が微小な反射源であると看做せるので、反射源Ｒ２の各部位において反射波が発生する。各部位の相対位置は、上記のように、圧電素子Ａ、Ｂを焦点とする反射源楕円の周上に存在する。

従って、図８に示すように、四角形である反射源Ｒ２は、反射源Ｒ２に接する最も小さい反射源楕円Ｅ６と、同じく反射源Ｒ２に接する最も大きい反射源楕円Ｅ３に囲まれた範囲（反射源楕円Ｅ４、５を含む）に存在する複数の反射源楕円の周上に存在する確率を有すると言える。

実際には、超音波を反射する反射源は、少なくとも第１超音波信号の波長と同等の大きさを有していると看做せるので、反射源Ｒ２の形状を、第１超音波信号の大きさで除した数の微小な反射源が存在すると看做すことができる。図８においては、簡単化のため、４つの反射源楕円を描画した。反射源Ｒの形状を、より特定していくには、図７で示したように、さらに多くの超音波の送信用素子である圧電素子と超音波の受信用素子である圧電素子を用意して、複数の反射源楕円を描画していく。そして、描画した反射源楕円の重なりが多い部分が、求める反射源Ｒ２が存在する確率の高い位置であるとして反射源Ｒ２の形状を求めていく。

次に実際に、被検体Ｈ内の第１超音波信号を反射する反射源Ｒの形状を測定する測定フローについて図９を用いて説明する。

最初にステップＳ１にて、制御部１６は、送信部１２に、チャンネル切替回路１２ｃを用いて１個の送信用の圧電素子を選択し、ファンクションジェネレータ１２ａとリニアアンプ１２ｂで作製した電気信号を伝送し、第１超音波信号を送信させる。

次にステップＳ２にて、制御部１６は、送信された第１超音波信号が被検体Ｈ内の反射源Ｒにおいて反射して生成された第２超音波信号を、受信部１３にて所定の受信用素子を選択させて受信させる。

次にステップＳ３にて、信号処理部１７は、第２超音波信号が送信されてから受信されるまでの時間を、制御部１６が自身に備えられたクロックを用いて算出する。

次にステップＳ４にて、信号処理部１７は、反射源楕円の座標を反射源Ｒが存在する位置を、選択した送信用素子と受信用素子との相対位置として算出し、記憶部１８に記憶させる。すなわち、制御部１６は該相対位置の算出手段として機能する。

次にステップＳ５にて、信号処理部１７は、送信用の圧電素子と受信用の圧電素子の他の組み合わせを選択してステップＳ１に移る。他の組み合わせが所定数に到達すれば、ステップＳ６に移り、送信用の圧電素子と受信用の圧電素子の全ての組み合わせについて求めた各反射源楕円の座標を記憶部１８から呼び出し、各々の座標の重なりの多い部分を求める。例えば、重なりが所定回数生じた座標のみを算出し、反射源Ｒの一部の座標であると特定する。この動作を全ての反射源楕円で実施し反射源Ｒの形状を算出し、フローは終了する。

次に、被検体Ｈ内の所定の被測定物に対して、本実施形態に係る形状を測定する原理を用いて、形状測定を行う計算結果を示す。測定対象である所定の被測定物を図１０に示す。図１０は、第１超音波信号を反射する２次元状の物体（ファントムとも称す）である。ファントムは白線で囲まれた領域であり、白線部分が第１超音波信号を反射するものとする。計算に用いる超音波探触子は図３で示した超音波探触子を採用する。圧電素子ｂ、ｄを、第１超音波信号を送信しかつ第２超音波信号を受信する圧電素子とし、圧電素子ａ、ｃ、ｅを、第１超音波信号を送信のみ行う圧電素子であるとする。送信と受信の１０通り圧電素子の組み合わせの各々の組み合わせについて、上記のように反射源Ｒが存在する確率を有する位置の集合である反射源楕円形状を求め、求めた１０通りの反射源楕円の形状の重なり多い部分を特定することで、ファントムの形状を求める。

図１１は、各々の組み合わせにおいて、反射源Ｒが存在する確率を有する位置の集合である反射源楕円の形状を算出した結果である。同図（ａ）から（ｅ）は圧電素子ｂが受信用の圧電素子で共通し、同図（ａ）から（ｅ）の順で、送信用の圧電素子がａからｅとなる。同図（ｆ）から（ｊ）は圧電素子ｄが受信用の圧電素子で共通し、同図（ｆ）から（ｊ）の順で、送信用の圧電素子がａからｅとなる。

このように、各々の送信用の圧電素子と受信用の圧電素子の組み合わせ毎に、ファントムの異なる計算結果を得ることができる。なお、各計算結果は超音波探触子２における所定の位置を基準位置とした計算結果である。これらの計算結果を、所定の基準位置を基に、座標を合わせて画素値の大きい部分を算出すると図１２の結果を得る。図１２はファントムの計算結果である。図１２では、反射源楕円の形状の重なりが多い部分が黒くなるように表示されている。同図に示されたように、ファントムと同様の形状の部分が黒く表示され、本実施形態にかかる被検体Ｈ内の所定の被測定物に対する形状を測定する原理が有効であることが証明された。

なお、本実施形態においては、上記のように一つの圧電素子に超音波信号を送信させた場合には、その圧電素子自体が点音源となるが、点音源が、複数の点音源で構成した想定点音源を用いることもできる。以下に図１７、図１８を用いて説明する。図１７は、複数の点音源である圧電素子ａからｅに、この順番で所定の時間間隔で超音波信号を送信させた際の超音波波面の様子を示す概要図である。圧電素子ａからｅが送信した超音波信号は平面波を形成し、時間間隔の設定により、平面波の送信方向を任意に変更することができる。平面波を形成させることで、被検体Ｈに第１超音波信号を送信する際に障害物が存在する場合に、障害物を避けて第１超音波信号を送信することができる。このような平面波は、無限遠方に存在する点音源から球面波が伝播してきたと考えることもできるが、所定の時間に所定の位置に存在する点音源から球面波が送信されたと扱うこともできる。例えば図１７においては、平面波が圧電素子Ｃを通過したタイミングにおいて、位置Ｆに想定の点音源が第１超音波信号を送信したものとして、上記のように反射源Ｒの位置を求めることができる。位置Ｆは、圧電素子Ｃを通過する平面波がいずれかに存在する想定点音源の存在する位置である。想定点音源を平面波が通過する時刻、そして例えば圧電素子Ａに第２超音波信号が反射してきた時刻から上記のように想定点音源と圧電素子Ａとの相対位置を求めることができる。

想定点音源は、平面波上に存在するとしてもよいし、図１８に示すように、複数の点音源から一箇所の点音源を作製してもよい。図１８は、複数の点音源から送信される第１超音波信号が所定の時刻に１点に集めることで、１点の想定点音源が位置Ｆに形成される波面の様子を示す概要図である。図１８においては、圧電素子ａからｅが送信する超音波信号が所定の時刻に位置Ｆに到達する。所定の時刻に同一位置に到達した波は同位相であるので、その位置に想定点音源が存在すると考えることができる。

従って、位置Ｆに想定の点音源が第１超音波信号を送信したものとして、想定点音源に超音波信号が送信される時刻、そして例えば圧電素子Ａに第２超音波信号が反射してきた時刻から上記のように想定点音源と圧電素子Ａとの相対位置を求めることができる。このように実際の圧電素子が存在しない位置に想定点音源を設けることで、障害物が存在する場合にも被検体Ｈの内部を診断することができる。

なお、超音波診断装置Ｓは、図１に示したような構成でもよいし、外部の汎用のコンピュータに制御部１６、表示部１５、操作入力部１１の役割を持たせてもよい。汎用のコンピュータとしては、例えばパーソナルコンピュータ（パソコン）を用いることができる。パソコンを用いることで、小型で低コストの超音波診断装置Ｓを提供できる。パソコンＰを用いた超音波診断装置の構成の概要図を図１３に示す。パソコンＰはパソコン本体Ｐ１、キーボードＰ２、液晶ディスプレイ等のディスプレイＰ３からなる。本体Ｐ１が制御部１６に、キーボードＰ２が操作入力部１１に、ディスプレイＰ３が表示部１５に相当する。パソコンＰを用いた場合の超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図を図１４に示す。超音波診断装置Ｓの外部のパソコンＰに制御部１６、表示部１５、操作入力部１１が配置される。このように汎用的なパソコンを用いて超音波診断を実施する場合には、超音波診断に必要な超音波診断用ソフトウェアを予めインストールする。超音波診断用ソフトウェアは、パソコンの機能を使用して超音波診断を実施する機能を有す。また、超音波診断用ソフトウェアは、超音波診断を実施する手順を、術者に示す機能をも有する。具体的には、術者がキーボードや不図示のマウスを用いて順に入力するに従って、超音波診断装置を操作する手順を表示部に表示していく。ヘルプ機能による細かな解説書や、具体的な取り扱い説明図や、超音波診断装置Ｓにより診断操作の例のモデル例（ビデオ撮影した操作例）なども用意し、全くの素人でも診断画像が得られるように説明が準備されていることが好ましい。これは、超音波診断は非侵襲であるため、失敗や診断に多少時間が掛かっても大きな問題は起こらないことを利用したものである。また、パソコンとの接続は、市販の接続機能であるＵＳＢケーブルなどによって接続できるようにすることが好ましい。

超音波診断用ソフトウェアは、超音波探触子２の機能が正常に保たれているかを判定する機能を有す。例えば、送信用の圧電素子が所定の強度の第１超音波信号を送信することができるか、または、受信用の圧電素子が所定の強度の第２超音波信号に対して、所定の強度の電気信号に変換することができるか、等の判定を実施する。判定は個々の圧電素子に対して順番に実施してもよいし、複数の圧電素子に一括して実施してもよい。具体的には、送信用の圧電素子の判定については、一つの送信用の圧電素子を駆動し、その近傍に位置する受信用の圧電素子で第１超音波信号を受信し、所定の強度の第１超音波信号を送信しているかどうかを判定する。また、受信用の圧電素子の判定については、一つの受信用の圧電素子に対して、その近傍に位置する送信用の圧電素子で第１超音波信号を送信し、所定の電気信号を出力しているかどうかを判定する。これらの動作を全ての送信用の圧電素子と受信用の圧電素子に対して実施する。

本実施形態においては、信号処理部１７における信号処理に関して、被検体Ｈ内のより深い場所に位置する反射源Ｒの座標を特定するためにも、第２超音波信号が変換された電気信号に電気ノイズが少ないことが望まれる。そこで、符号化送受信法を採用する。符号化送受信法とは、送信する信号を符号化することで、受信する信号の強度を高めることができる方法を言う。図１５を用いて、符号化送受信法の概要について説明する。図１５（ａ）は送信波形を符号化していない場合、図１５（ｂ）は符号化した場合を示している。図１５（ａ）に示すように、送信波形を符号化していない場合は、図示しないファンクションジェネレータを用いてドライブパルスａ１で超音波探触子２を駆動すると、第１超音波信号に変換される過程で、超音波探触子２の伝達関数により波形ｂ１の形をした超音波パルスが発生され、被検体Ｈ内に向かって送信される。これが被検体Ｈ内の反射源Ｒで反射して第２超音波信号となって戻ってくると、超音波探触子２で受信されて電気信号に変換され、ＡＤコンバータ２１でデジタル信号に変換されて出力される。この時、再び伝達関数による変形を受けるので、受信信号は波形ｃ１のようになる。このように得られた振幅が信号強度である。超音波画像ではパルスが帰ってくるまでの時間から反射源Ｒまでの距離を求めるので、距離分解能はこのパルス状波形である波形ｃ１の幅程度となり、図示の場合には波長×３倍程度になる。

一方、符号化送受信法の場合には、図１５（ｂ）に示すように、図示しない所定のドライブ符号化パルス形成手段を用いて作製した、時間軸方向に長くなったドライブ符号化パルスａ２を用いる。このドライブ符号化パルスａ２で超音波探触子２を駆動すると、超音波探触子２から被検体Ｈ内に波形ｂ２の第１超音波信号が送信され、被検体Ｈ内の反射源Ｒで反射して第２超音波信号となって戻ってくる。それを再び超音波探触子２で電気信号に変換すると、波形ｃ２が得られる。そして、ドライブ符号化パルスａ２に対応し、ドライブ符号化パルスの復号化手段である復号フィルタ２０を用いて、ドライブ信号を長くした分だけ波形ｃ２を時間軸上で縮める処理を行う。その結果、波形ｃ１と比べ、距離分解能が同程度で、信号強度が大きい復号波形ｄ２となる。こうして、被検体Ｈ内での振幅を大きくすることなく送信エネルギーを増やすことが出来る。符号化送受信法によると、被検体Ｈ中を通りぬけた反射超音波が超音波探触子で電気信号に変換された後、信号のエネルギーを保ったまま時間軸方向に圧縮することで、受信信号はピーク値の大きいパルス信号に変換される。

符号化送受信法を超音波診断装置Ｓに採用する場合、超音波診断装置Ｓの電気回路にドライブ符号化パルス形成手段と、ドライブ符号化パルスの復号化手段を設ける。

具体的には、図２で示した超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図において、送信部１２におけるファンクションジェネレータ１２ａをドライブ符号化パルス形成手段とし、信号処理部１７にドライブ符号化パルスの復号化手段である復号フィルタ２０の機能を付与すればよい。

なお、符号化した送信波形の例としては、振幅値が＋１と−１の二値有し、位相の異なるパルスからなるバーカーコードがある。図１６は１３ビットのバーカーコードの一例を表す概要図である。図１６において横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。

以上のように、本実施形態によれば、被検体Ｈ内の反射源Ｒの形状を測定について新しい原理を採用することで、少数の圧電素子を用いて小型でありながら低コストで超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供できる。

また、本実施形態によれば、実際の圧電素子で存在しない位置に想定点音源を設けることで、障害物が存在する場合にも被検体Ｈの内部を診断することができる。

また、本実施形態によれば、超音波信号の送受信に符号化送受信法を採用することで、第２超音波信号を電気ノイズが少ない状態で電気信号に変換でき、反射源Ｒの座標を被検体Ｈ内のより深い場所においても容易に特定することができる。

１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
３ ケーブル
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ 信号処理部
１８ 記憶部
２０ 復号フィルタ
２１ ＡＤコンバータ
２３ 音響制動部材
２４ 音響分離部
２５ 共通接地電極
２７ 音響整合層
２８ 個別電極
２９ 保護回路
Ａ、ａ、Ｂ、ｂ、Ｃ、ｃ、ｄ、ｅ 圧電素子
Ｒ、Ｒ２ 反射源
Ｓ 超音波診断装置

Claims (3)

1. 超音波信号を被検体内に送信可能な複数の送信用素子を有し、前記複数の送信用素子の中から、一つの送信用素子を選択して第１超音波信号を送信させる送信手段と、
   超音波信号を受信可能な複数の受信用素子を有し、前記複数の受信用素子の中から、一つの受信用素子を選択して、選択された送信用素子が送信した前記第１超音波信号が前記被検体内の反射源で反射して生成された第２超音波信号を受信させる受信手段と、
   選択された送信用素子が前記第１超音波信号を送信した後、選択された受信用素子が前記第２超音波信号を受信するまでの時間を計測して、選択された送信用素子と選択された受信用素子に対する前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出する算出手段と、
   前記送信手段と、前記受信手段と、前記算出手段とを制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記複数の送信用素子と前記複数の受信用素子の中から各々一つずつ選択して前記算出手段に前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出させる動作を、前記複数の送信用素子と前記複数の受信用素子の所定の組み合わせについて実施し、前記反射源が存在する確率を有する全ての相対位置の算出結果を基に、前記反射源が存在する確率が高い位置を算出することを特徴とする超音波診断装置。
2. 超音波信号を被検体内に送信可能な複数の送信用素子を有し、前記複数の送信用素子の中から、複数の送信用素子を選択して第１超音波信号を送信させる送信手段と、
   超音波信号を受信可能な複数の受信用素子を有し、前記複数の受信用素子の中から、一つの受信用素子を選択して、選択された送信用素子が送信した前記第１超音波信号が前記被検体内の反射源で反射して生成された第２超音波信号を受信させる受信手段と、
   選択された複数の送信用素子を合成した仮想送信用素子が前記第１超音波信号を送信した後、選択された受信用素子が前記第２超音波信号を受信するまでの時間を計測して、前記仮想送信用素子と選択された受信用素子に対する前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出する算出手段と、
   前記送信手段と、前記受信手段と、前記算出手段とを制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記仮想送信用素子と前記複数の受信用素子の中から各々一つずつ選択して前記算出手段に前記反射源が存在する確率を有する相対位置を算出させる動作を、仮想送信用素子と前記複数の受信用素子の所定の組み合わせについて実施し、前記反射源が存在する確率を有する全ての相対位置の算出結果を基に、前記反射源が存在する確率が高い位置を算出することを特徴とする超音波診断装置。
3. 前記送信手段はドライブ符号化パルスである第１超音波信号を生成するドライブ符号化パルス形成手段を有し、
   前記受信手段は前記第２超音波信号を復号化する復号化手段を有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。