JP2013063159A - 超音波診断装置および超音波画像生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有効ビット長が十分でないＡ／Ｄコンバータを用いながらも高画質の超音波画像の生成を図ることができる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】第１送信パルスに対応する受信信号のうち強度の大きな基本波成分のみがＡ／Ｄコンバータ４６でデジタル化されてメモリ４７に保存された後、Ｄ／Ａコンバータ４８でＤ／Ａ変換されて加減算器４５の第２入力端Ｂに入力されると共に、第１送信パルスに対してパルス反転された第２送信パルスに対応する受信信号が加減算器４５の第１入力端Ａに入力され、これら双方の信号が加減算器４５により互いにアナログ的に加算されることで第２送信パルスに対応する受信信号から基本波成分が除去され、非線形成分のみが抽出されて出力端Ｃから出力され、Ａ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換される。
【選択図】図３

Description

この発明は、超音波診断装置および超音波画像生成方法に係り、特に、被検体による超音波エコーを受信したアレイトランスデューサから出力される受信信号を受信信号処理部で処理することで得られるサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波プローブのアレイトランスデューサから被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーをアレイトランスデューサで受信して、その受信信号を装置本体で電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

例えば、特許文献１には、超音波エコーを受信したアレイトランスデューサから出力された受信信号が、それぞれ、プリアンプで増幅され、Ａ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換されてデジタルのサンプルデータとされた後、適切な遅延を与えられることで互いに位相が合致した状態で加算され、これにより受信フォーカス処理を行う超音波診断装置が開示されている。
この受信フォーカス処理によって超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号が生成され、このようにして生成された診断領域内の複数の音線信号に基づいて、被検体内の断層画像情報であるＢモード画像信号が生成される。

特開平４−２３２８８８号公報

このような超音波診断においては、超音波ビームが被検体内を進行するに従って減衰するので、深度が深くなるほど到達する超音波ビームの強度は小さくなる。また、被検体内の各部で反射されて超音波プローブに戻ってくる超音波エコーも、同様に進行するに従って減衰する。さらに、周波数依存減衰により中心周波数が低周波数側に移動する。その結果、アレイトランスデューサから出力される受信信号の振幅は、測定深度に応じて変化することとなる。

そこで、測定領域内の深度の浅い領域に対応する比較的大きな振幅の受信信号から深度の深い領域に対応する比較的小さな振幅の受信信号まで全域にわたる受信信号を良好な分解能でＡ／Ｄ変換し、高画質の超音波画像を生成するために、Ａ／Ｄコンバータは、有効ビット長が長く、大きなダイナミックレンジを有することが望まれる。
しかしながら、有効ビット長の長いＡ／Ｄコンバータは極めて高価であり、また、超音波診断装置ではチャンネル毎にＡ／Ｄコンバータを設置するために多数のＡ／Ｄコンバータが用いられるので、通常、超音波診断装置に使用されているＡ／Ｄコンバータの有効ビット長は十分なものではないのが現状である。
また、Ａ／Ｄコンバータの有効ビット長が十分でないことから、受信信号に含まれる非線形成分を良好な分解能でＡ／Ｄ変換することができないという問題も生じている。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、有効ビット長が十分でないＡ／Ｄコンバータを用いながらも高画質の超音波画像の生成を図ることができる超音波診断装置および超音波画像生成方法を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波診断装置は、アレイトランスデューサから被検体に向けて送信パルスが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信したアレイトランスデューサから出力される受信信号をチャンネル毎に受信信号処理部で処理することで得られるサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置であって、受信信号処理部は、アレイトランスデューサから出力される受信信号をＡ／Ｄ変換する第１のＡ／Ｄコンバータと、第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換された受信信号を保存する第１のメモリと、第１のメモリに保存された受信信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、アレイトランスデューサから出力される受信信号からＤ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された信号をアナログ的に差し引くことによりアレイトランスデューサから出力される受信信号のうち強度の大きな信号部分を除去して強度の小さな信号部分を抽出する抽出器とを含み、抽出器で抽出された強度の小さな信号部分を用いてサンプルデータを生成するものである。

第１のメモリは、第１送信パルスに対応してアレイトランスデューサから出力されると共に第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換された第１の受信信号を保存し、抽出器は、第２送信パルスに対応してアレイトランスデューサから出力される第２の受信信号からＤ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された第１の受信信号を差し引くことで基本波成分を除去して非線形成分を抽出することができる。
抽出器で抽出された強度の小さな信号部分は、第１のＡ／ＤコンバータによりＡ／Ｄ変換することが好ましい。
第１送信パルスと第２送信パルスとして、互いにパルス反転されたものを用い、抽出器として、Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された第１の受信信号を第２の受信信号に加算する加算器を用いてもよい。あるいは、第１送信パルスと前記第２送信パルスとして、互いに振幅変調されたものを用い、抽出器として、Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された第１の受信信号の振幅を第２の受信信号の振幅に合わせた後に第２の受信信号から減算する減算器を用いてもよい。

また、第１のメモリは、アレイトランスデューサから出力された受信信号の振幅全体を第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換した信号を保存し、抽出器は、アレイトランスデューサから出力された受信信号からＤ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された信号を差し引くことで受信信号のうち振幅の小さな信号部分のみを抽出し、受信信号処理部は、抽出器で抽出された強度の小さな信号部分をＡ／Ｄ変換する第２のＡ／Ｄコンバータと、第２のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換された振幅の小さな信号部分を保存する第２のメモリと、第１のメモリに保存された受信信号と第２のメモリに保存された振幅の小さな信号部分とを結合することによりサンプルデータを生成するデータ結合器とをさらに含むように構成することもできる。
この場合、受信信号処理部は、それぞれアレイトランスデューサから出力された受信信号を保持する一対のサンプルホールドと、一対のサンプルホールドのうち一方を選択的にアレイトランスデューサに接続すると共に他方を選択的に抽出器に接続する切替スイッチと、第１のメモリとＤ／Ａコンバータとの間に接続されると共に切替スイッチの切替周期分だけ遅延させる遅延回路とをさらに含むことが好ましい。

この発明に係る超音波画像生成方法は、アレイトランスデューサから被検体に向けて超音波ビームが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信したアレイトランスデューサから出力される受信信号を処理することで得られるサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成方法であって、アレイトランスデューサから出力される受信信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された受信信号を保存し、保存された受信信号をＤ／Ａ変換し、アレイトランスデューサから出力される受信信号からＤ／Ａ変換された信号をアナログ的に差し引くことによりアレイトランスデューサから出力される受信信号のうち強度の大きな信号部分を除去して強度の小さな信号部分を抽出し、抽出された強度の小さな信号部分を用いてサンプルデータを生成する方法である。

この発明によれば、アレイトランスデューサから出力される受信信号を第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換した後にＤ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された信号をアナログ的に差し引くことによりアレイトランスデューサから出力される受信信号のうち強度の大きな信号部分を除去して強度の小さな信号部分を抽出し、抽出された強度の小さな信号部分を用いてサンプルデータを生成するので、有効ビット長が十分でないＡ／Ｄコンバータを用いながらも高画質の超音波画像の生成を図ることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１で用いられた受信信号処理部の内部構成を示すブロック図である。 互いにパルス反転された第１送信パルスおよび第２送信パルスを用いた場合の実施の形態１における受信信号処理部の作用を示し、（Ａ）は第１送信パルスに対応した状態、（Ｂ）は第２送信パルスに対応した状態をそれぞれ示すブロック図である。 互いに振幅変調された第１送信パルスおよび第２送信パルスを用いた場合の実施の形態１における受信信号処理部の作用を示し、（Ａ）は第１送信パルスに対応した状態、（Ｂ）は第２送信パルスに対応した状態をそれぞれ示すブロック図である。 実施の形態２で用いられた受信信号処理部の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態２における受信信号処理部の作用を示すタイミングチャートである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、実施の形態１に係る超音波診断装置の構成を示す。超音波診断装置は、超音波プローブ１と、この超音波プローブ１と無線通信により接続された診断装置本体２とを備えている。

超音波プローブ１は、１次元又は２次元のアレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサ３を有し、これら超音波トランスデューサ３にそれぞれ対応して受信信号処理部４が接続され、さらに受信信号処理部４にパラレル／シリアル変換部５を介して無線通信部６が接続されている。また、複数の超音波トランスデューサ３に送信駆動部７を介して送信制御部８が接続され、複数の受信信号処理部４に受信制御部９が接続され、無線通信部６に通信制御部１０が接続されている。そして、パラレル／シリアル変換部５、送信制御部８、受信制御部９および通信制御部１０にプローブ制御部１１が接続されている。

複数の超音波トランスデューサ３は、それぞれ送信駆動部７から供給される駆動信号に従って超音波を送信すると共に被検体からの超音波エコーを受信して受信信号を出力する。各超音波トランスデューサ３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電素子、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体）に代表される圧電単結晶等からなる圧電体の両端に電極を形成した振動子によって構成される。
そのような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電圧を印加すると、圧電体が伸縮し、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生して、それらの超音波の合成により超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することにより伸縮して電気信号を発生し、それらの電気信号は、超音波の受信信号として出力される。

送信駆動部７は、例えば、複数のパルサを含んでおり、送信制御部８によって選択された送信遅延パターンに基づいて、複数の超音波トランスデューサ３から送信される超音波が被検体内の組織のエリアをカバーする幅広の超音波ビームを形成するようにそれぞれの駆動信号の遅延量を調節して複数の超音波トランスデューサ３に供給する。
各受信信号処理部４は、受信制御部９の制御の下で、対応する超音波トランスデューサ３から出力される受信信号に対して直交検波処理又は直交サンプリング処理を施すことにより複素ベースバンド信号を生成し、複素ベースバンド信号をサンプリングすることにより、組織のエリアの情報を含むサンプルデータを生成して、サンプルデータをパラレル／シリアル変換部５に供給する。受信信号処理部４は、複素ベースバンド信号をサンプリングして得られるデータに高能率符号化のためのデータ圧縮処理を施すことによりサンプルデータを生成してもよい。
パラレル／シリアル変換部５は、複数の受信信号処理部４によって生成されたパラレルのサンプルデータを、シリアルのサンプルデータに変換する。

無線通信部６は、シリアルのサンプルデータに基づいてキャリアを変調して伝送信号を生成し、伝送信号をアンテナに供給してアンテナから電波を送信することにより、シリアルのサンプルデータを送信する。変調方式としては、例えば、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、１６ＱＡＭ（16 Quadrature Amplitude Modulation）等が用いられる。
無線通信部６は、診断装置本体２との間で無線通信を行うことにより、サンプルデータを診断装置本体２に送信すると共に、診断装置本体２から各種の制御信号を受信して、受信された制御信号を通信制御部１０に出力する。通信制御部１０は、プローブ制御部１１によって設定された送信電波強度でサンプルデータの送信が行われるように無線通信部６を制御すると共に、無線通信部６が受信した各種の制御信号をプローブ制御部１１に出力する。

プローブ制御部１１は、診断装置本体２から送信される各種の制御信号に基づいて、超音波プローブ１の各部の制御を行う。
超音波プローブ１には、図示しないバッテリが内蔵され、このバッテリから超音波プローブ１内の各回路に電源供給が行われる。
なお、超音波プローブ１は、リニアスキャン方式、コンベックススキャン方式、セクタスキャン方式等の体外式プローブでもよいし、ラジアルスキャン方式等の超音波内視鏡用プローブでもよい。

一方、診断装置本体２は、無線通信部２１を有し、この無線通信部２１にシリアル／パラレル変換部２２を介してデータ格納部２３が接続され、データ格納部２３に画像生成部２４が接続されている。さらに、画像生成部２４に表示制御部２５を介して表示部２６が接続されている。また、無線通信部２１に通信制御部２７が接続され、シリアル／パラレル変換部２２、画像生成部２４、表示制御部２５および通信制御部２７に本体制御部２８が接続されている。さらに、本体制御部２８には、オペレータが入力操作を行うための操作部２９と、動作プログラムを格納する格納部３０がそれぞれ接続されている。

無線通信部２１は、超音波プローブ１との間で無線通信を行うことにより、各種の制御信号を超音波プローブ１に送信する。また、無線通信部２１は、アンテナによって受信される信号を復調することにより、シリアルのサンプルデータを出力する。
通信制御部２７は、本体制御部２８によって設定された送信電波強度で各種の制御信号の送信が行われるように無線通信部２１を制御する。
シリアル／パラレル変換部２２は、無線通信部２１から出力されるシリアルのサンプルデータを、パラレルのサンプルデータに変換する。データ格納部２３は、メモリまたはハードディスク等によって構成され、シリアル／パラレル変換部２２によって変換された少なくとも１フレーム分のサンプルデータを格納する。
画像生成部２４は、データ格納部２３から読み出される１フレーム毎のサンプルデータに受信フォーカス処理を施して、超音波診断画像を表す画像信号を生成する。画像生成部２４は、整相加算部３１と画像処理部３２とを含んでいる。

整相加算部３１は、本体制御部２８において設定された受信方向に応じて、予め記憶されている複数の受信遅延パターンの中から１つの受信遅延パターンを選択し、選択された受信遅延パターンに基づいて、サンプルデータによって表される複数の複素ベースバンド信号にそれぞれ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行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれたベースバンド信号（音線信号）が生成される。

画像処理部３２は、整相加算部３１によって生成される音線信号に基づいて、被検体内の組織に関する断層画像情報であるＢモード画像信号を生成する。画像処理部３２は、ＳＴＣ（sensitivity time control）部と、ＤＳＣ（digital scan converter：デジタル・スキャン・コンバータ）とを含んでいる。ＳＴＣ部は、音線信号に対して、超音波の反射位置の深度に応じて、距離による減衰の補正を施す。ＤＳＣは、ＳＴＣ部によって補正された音線信号を通常のテレビジョン信号の走査方式に従う画像信号に変換（ラスター変換）し、階調処理等の必要な画像処理を施すことにより、Ｂモード画像信号を生成する。
表示制御部２５は、画像生成部２４によって生成される画像信号に基づいて、表示部２６に超音波診断画像を表示させる。表示部２６は、例えば、ＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、表示制御部２５の制御の下で、超音波診断画像を表示する。
本体制御部２８は、操作者により操作部２９から入力された各種の指令信号等に基づいて、診断装置本体２内の各部の制御を行うものである。

このような診断装置本体２において、シリアル／パラレル変換部２２、画像生成部２４、表示制御部２５、通信制御部２７および本体制御部２８は、ＣＰＵと、ＣＰＵに各種の処理を行わせるための動作プログラムから構成されるが、それらをデジタル回路で構成してもよい。上記の動作プログラムは、格納部３０に格納される。格納部３０における記録媒体としては、内蔵のハードディスクの他に、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＳＤカード、ＣＦカード、ＵＳＢメモリ等の記録メディア、またはサーバ等を用いることができる。

ここで、超音波プローブ１内における各受信信号処理部４の内部構成を図２に示す。受信信号処理部４は、対応する超音波トランスデューサ３に接続された入力保護回路４１を有し、入力保護回路４１にプリアンプ４２、可変利得アンプ４３およびローパスフィルタ４４が順次接続され、ローパスフィルタ４４が加減算器４５の第１入力端Ａに接続されている。加減算器４５の出力端Ｃには、Ａ／Ｄコンバータ４６が接続され、さらに、Ａ／Ｄコンバータ４６にメモリ４７が接続され、メモリ４７にＤ／Ａコンバータ４８が接続され、Ｄ／Ａコンバータ４８の出力端が加減算器４５の第２入力端Ｂに接続されている。

入力保護回路４１は、超音波トランスデューサ３からプリアンプ４２に設定値を超える電圧の信号が入力されることを防止する。プリアンプ４２は、超音波トランスデューサ３から出力された受信信号を静的に増幅し、可変利得アンプ４３は、動的に利得の調整を行う。ローパスフィルタ４４は、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅された受信信号から信号検出に用いられない高周波成分を除去する。
加減算器４５は、ローパスフィルタ４４を介して第１入力端Ａに入力される受信信号とＤ／Ａコンバータ４８から第２入力端Ｂに入力される信号を加算あるいは減算して出力端Ｃに出力する。

Ａ／Ｄコンバータ４６は、受信制御部９から入力される変換開始信号に基づき、加減算器４５を介して入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。ただし、この受信信号処理部４に用いられているＡ／Ｄコンバータ４６は、入力される受信信号を強度の大きな信号部分から強度の小さな信号部分までの全域にわたって良好な分解能でＡ／Ｄ変換するだけの十分な有効ビット長を有していない。このため、強度の大きな基本波成分と強度の小さな非線形成分の双方が含まれる受信信号がＡ／Ｄコンバータ４６に入力されると、基本波成分に対しては良好な分解能でＡ／Ｄ変換が行われるが、非線形成分については十分な分解能でＡ／Ｄ変換されないこととなる。
さらに、メモリ４７は、Ａ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換された信号を保存し、Ｄ／Ａコンバータ４８は、メモリ４７に保存されたデジタル信号をアナログ信号に変換して加減算器４５の第２入力端Ｂに入力させる。

実施の形態１においては、各受信信号処理部４が上述したような構成を有しており、互いに異なる第１送信パルスと第２送信パルスを順次送出してそれぞれ受信信号を受信信号処理部４で処理することにより、受信信号に含まれる非線形成分が取り出される。
第１送信パルスと第２送信パルスとしては、互いにパルス反転されたものを用いることができ、また、互いに振幅変調されたものを用いることもできる。

まず、互いにパルス反転された第１送信パルスおよび第２送信パルスを使用した際の実施の形態１の動作について説明する。このとき、加減算器４５は、加算器として作用し、第１入力端Ａに入力された信号と第２入力端Ｂに入力された信号を互いに加算して出力端Ｃから出力するものとする。
超音波プローブ１の送信駆動部７から供給される駆動信号に従って複数の超音波トランスデューサ３から第１送信パルスが送信され、被検体からの超音波エコーを受信した各超音波トランスデューサ３から出力された受信信号がそれぞれ対応する受信信号処理部４に供給される。

図３（Ａ）に示されるように、第１送信パルスに対応する受信信号は、受信信号処理部４の入力保護回路４１を通り、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅され、ローパスフィルタ４４で不要な高周波成分が除去された後、加減算器４５の第１入力端Ａに入力される。このとき、加減算器４５の第２入力端Ｂには、まだ信号が入力されていないため、加減算器４５の第１入力端Ａに入力された受信信号は、そのまま加減算器４５を通り、Ａ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換された後、メモリ４７に保存される。
上述したように、Ａ／Ｄコンバータ４６は十分に長い有効ビット長を有していないので、メモリ４７に保存された信号は、受信信号のうち主に強度の大きな基本波成分のみがデジタル化された信号である。

次に、超音波プローブ１の送信駆動部７から供給される駆動信号に従って複数の超音波トランスデューサ３から上記の第１送信パルスに対してパルス反転された第２送信パルスが送信され、被検体からの超音波エコーを受信した各超音波トランスデューサ３から出力された受信信号がそれぞれ対応する受信信号処理部４に供給される。
図３（Ｂ）に示されるように、第２送信パルスに対応する受信信号は、受信信号処理部４の入力保護回路４１を通り、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅され、ローパスフィルタ４４で不要な高周波成分が除去された後、加減算器４５の第１入力端Ａに入力される。このタイミングに合わせて、メモリ４７に保存されていた第１送信パルスに対応するデジタルの受信信号が、Ｄ／Ａコンバータ４８でＤ／Ａ変換されて再びアナログ化され、加減算器４５の第２入力端Ｂに入力される。これにより、第１入力端Ａに入力された第２送信パルスに対応する受信信号と第２入力端Ｂに入力された第１送信パルスに対応する信号とが加減算器４５により互いにアナログ的に加算される。

第１送信パルスと第２送信パルスは互いにパルス反転されたパルスであり、また加減算器４５の第２入力端Ｂに入力された第１送信パルスに対応する信号は基本波成分のみを含むものであるため、加減算器４５における加算により、第２送信パルスに対応する受信信号から基本波成分が除去され、非線形成分のみが抽出されて出力端Ｃから出力されることとなる。
その結果、第２送信パルスに対応する受信信号に含まれていた非線形成分がＡ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換され、サンプルデータとしてメモリ４７に保存される。このとき、強度の大きな基本波成分が除去され、強度の小さな非線形成分のみがＡ／Ｄコンバータ４６に入力されるので、十分に長い有効ビット長を有していないＡ／Ｄコンバータ４６においても、非線形成分を良好な分解能でＡ／Ｄ変換することができる。

このようにして生成されたサンプルデータがパラレル／シリアル変換部５でシリアル化された後に無線通信部６から診断装置本体２へ無線伝送される。診断装置本体２の無線通信部２１で受信されたサンプルデータは、シリアル／パラレル変換部２２でパラレルのデータに変換され、データ格納部２３に格納される。さらに、データ格納部２３から１フレーム毎のサンプルデータが読み出され、画像生成部２４で画像信号が生成され、この画像信号に基づいて表示制御部２５により超音波診断画像が表示部２６に表示される。

同様にして、互いに振幅変調された第１送信パルスおよび第２送信パルスを用いることができる。例えば、第１送信パルスは、第２送信パルスに対して振幅が１／２に変調されたものとする。
この場合には、加減算器４５は、減算器として作用し、第２入力端Ｂに入力された信号の振幅を第１入力端Ａに入力された信号の振幅に合わせた後に第１入力端Ａに入力された信号から減算して出力端Ｃから出力する。

図４（Ａ）に示されるように、第１送信パルスに対応する受信信号は、受信信号処理部４の入力保護回路４１を通り、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅され、ローパスフィルタ４４で不要な高周波成分が除去された後、加減算器４５の第１入力端Ａに入力される。このとき、加減算器４５の第２入力端Ｂには、まだ信号が入力されていないため、加減算器４５の第１入力端Ａに入力された受信信号は、そのまま加減算器４５を通り、Ａ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換された後、メモリ４７に保存される。
上述したように、Ａ／Ｄコンバータ４６は十分に長い有効ビット長を有していないので、メモリ４７に保存された信号は、受信信号のうち主に強度の大きな基本波成分のみがデジタル化された信号である。

次に、第１送信パルスに対して振幅が２倍の第２送信パルスが送信されると、図４（Ｂ）に示されるように、第２送信パルスに対応する受信信号は、受信信号処理部４の入力保護回路４１を通り、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅され、ローパスフィルタ４４で不要な高周波成分が除去された後、加減算器４５の第１入力端Ａに入力される。このタイミングに合わせて、メモリ４７に保存されていた第１送信パルスに対応するデジタルの受信信号が、Ｄ／Ａコンバータ４８でＤ／Ａ変換されて再びアナログ化され、加減算器４５の第２入力端Ｂに入力される。これにより、第２入力端Ｂに入力された第１送信パルスに対応する信号が第２送信パルスに対応する受信信号に合わせて振幅が２倍にされた後、第１入力端Ａに入力された第２送信パルスに対応する受信信号からアナログ的に減算される。

加減算器４５の第２入力端Ｂに入力された第１送信パルスに対応する信号は基本波成分のみを含むものであるため、加減算器４５における減算により、第２送信パルスに対応する受信信号から基本波成分が除去され、非線形成分のみが抽出されて出力端Ｃから出力されることとなり、第２送信パルスに対応する受信信号に含まれていた非線形成分がＡ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換され、サンプルデータとしてメモリ４７に保存される。このとき、強度の大きな基本波成分が除去され、強度の小さな非線形成分のみがＡ／Ｄコンバータ４６に入力されるので、十分に長い有効ビット長を有していないＡ／Ｄコンバータ４６においても、非線形成分を良好な分解能でＡ／Ｄ変換することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、Ａ／Ｄコンバータ４６で第１送信パルスに対応する受信信号をＡ／Ｄ変換して基本波成分のみを一旦デジタル化した後、Ｄ／Ａコンバータ４８でＤ／Ａ変換して再びアナログ化したものを用いることにより、第２送信パルスに対応する受信信号から基本波成分を除去して非線形成分のみを取り出すことができる。このため、強度の大きな信号部分から強度の小さな信号部分までの全域にわたって良好な分解能でＡ／Ｄ変換するだけの十分な有効ビット長を有していないＡ／Ｄコンバータ４６を使用しても、高画質の超音波画像を生成することが可能となる。

実施の形態２
図５に実施の形態２に係る超音波診断装置で用いられた受信信号処理部の内部構成を示す。この受信信号処理部は、それぞれ有効ビット長が十分でない２つのＡ／Ｄコンバータを受信信号のうち強度の大きな信号部分と強度の小さな信号部分とに分担させて用いることで、強度の大きな信号部分から強度の小さな信号部分までの全域にわたって良好な分解能でＡ／Ｄ変換するものである。

受信信号処理部は、対応する超音波トランスデューサ３に接続された入力保護回路４１を有し、入力保護回路４１にプリアンプ４２、可変利得アンプ４３およびローパスフィルタ４４が順次接続され、ローパスフィルタ４４にサンプルホールド５１を介して第１のＡ／Ｄコンバータ４６が接続され、さらに、第１のＡ／Ｄコンバータ４６に第１のメモリ４７が接続されている。
ローパスフィルタ４４の出力端には、切替スイッチＳＷ１を介して一対のサンプルホールド５２および５３が並列に接続され、これらサンプルホールド５２および５３にもう一つの切替スイッチＳＷ２を介して減算器５４の第１入力端Ａが接続されている。
また、第１のメモリ４７に遅延回路５５を介してＤ／Ａコンバータ４８が接続され、Ｄ／Ａコンバータ４８の出力端が減算器５４の第２入力端Ｂに接続されている。
減算器５４の出力端Ｃには，第２のＡ／Ｄコンバータ５６および第２のメモリ５７が順次接続され、第１のメモリ４７および第２のメモリ５７にデータ結合器５８が接続されている。

入力保護回路４１、プリアンプ４２、可変利得アンプ４３、ローパスフィルタ４４、Ａ／Ｄコンバータ４６、メモリ４７およびＤ／Ａコンバータ４８は、それぞれ図２に示した実施の形態１における受信信号処理部４で用いられたものと同様である。
サンプルホールド５１、５２および５３は、いずれも、超音波トランスデューサ３で受信され、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅された後、ローパスフィルタ４４で不要な高周波成分が除去された受信信号を保持する。

切替スイッチＳＷ１およびＳＷ２は、図１に示した受信制御部９の制御の下、１クロック毎に接点Ｇ１と接点Ｇ２との間で切り替えられるように互いに連動して作動し、図５に示されるように、切替スイッチＳＷ１が接点Ｇ１を選択してローパスフィルタ４４が一方のサンプルホールド５２に接続されたときは、切替スイッチＳＷ２も接点Ｇ１を選択して他方のサンプルホールド５３を減算器５４の第１入力端Ａに接続し、次のクロックにおいて、切替スイッチＳＷ１が接点Ｇ２を選択してローパスフィルタ４４が他方のサンプルホールド５３に接続されると、切替スイッチＳＷ２も接点Ｇ２を選択して一方のサンプルホールド５２を減算器５４の第１入力端Ａに接続するように構成されている。すなわち、一対のサンプルホールド５２および５３が１クロック毎に交互にローパスフィルタ４４と減算器５４の第１入力端Ａのいずれかに選択的に接続される。

減算器５４は、第１入力端Ａに入力された信号から第２入力端Ｂに入力された信号を減算して出力端Ｃに出力する。
遅延回路５５は、第１のメモリ４７に保存された受信信号を１クロック分だけ遅延させてＤ／Ａコンバータ４８に出力する。
第２のＡ／Ｄコンバータ５６は、受信制御部９から入力される変換開始信号に基づき、減算器５４の出力端Ｃから入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、第２のメモリ５７は、第２のＡ／Ｄコンバータ５６でＡ／Ｄ変換された信号を保存する。
データ結合器５８は、第１のメモリ４７と第２のメモリ５７にそれぞれ保存された信号を互いに結合してサンプルデータを生成する。

なお、第１のＡ／Ｄコンバータ４６および第２のＡ／Ｄコンバータ５６は、いずれも、超音波トランスデューサ３で受信され、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅された受信信号を強度の大きな信号部分から強度の小さな信号部分までの全域にわたって良好な分解能でＡ／Ｄ変換するだけの十分な有効ビット長を有していない。このため、例えば第１のＡ／Ｄコンバータ４６に受信信号が入力されると、受信信号のうち強度の大きな信号部分に対しては良好な分解能でＡ／Ｄ変換が行われるが、強度の小さな信号部分については十分な分解能でＡ／Ｄ変換されないこととなる。

次に、実施の形態２の作用について図６のタイミングチャートを参照して説明する。
超音波プローブ１の送信駆動部７から供給される駆動信号に従って複数の超音波トランスデューサ３から送信パルスが送信され、被検体からの超音波エコーを受信した各超音波トランスデューサ３から出力された受信信号がそれぞれ対応する受信信号処理部に供給される。

なお、受信制御部９の制御により、時刻Ｔ１に切替スイッチＳＷ１およびＳＷ２がそれぞれ接点Ｇ１を選択するように切り替えられているものとする。
この状態で、超音波トランスデューサ３から出力された受信信号は、受信信号処理部の入力保護回路４１を通り、プリアンプ４２および可変利得アンプ４３で増幅され、ローパスフィルタ４４で不要な高周波成分が除去された後、時刻Ｔ２に信号Ｓ１としてサンプルホールド５１に保持される。このとき、切替スイッチＳＷ１は接点Ｇ１を選択しているため、サンプルホールド５１に保持された信号Ｓ１と同じ信号Ｓ３が切替スイッチＳＷ１を介してサンプルホールド５２にも保持されることとなる。

サンプルホールド５１に保持された信号Ｓ１は、続く時刻Ｔ３に第１のＡ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換されてデジタルの信号Ｓ２となり、第１のメモリ４７に保存される。
上述したように、第１のＡ／Ｄコンバータ４６は十分に長い有効ビット長を有していないので、受信信号の振幅全体が第１のＡ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換されるものの、第１のメモリ４７に保存された信号Ｓ２は、受信信号のうち主に強度の大きな信号部分のみがデジタル化された信号となる。

時刻Ｔ１から１クロック分経過した時刻Ｔ４に、切替スイッチＳＷ１およびＳＷ２はそれぞれ接点Ｇ２を選択するように切り替えられ、時刻Ｔ２から１クロック分経過した時刻Ｔ５に、次の受信信号が信号Ｓ１としてサンプルホールド５１に保持される。このとき、切替スイッチＳＷ１およびＳＷ２は接点Ｇ２を選択しているため、今度はサンプルホールド５１に保持された信号Ｓ１と同じ信号Ｓ４が切替スイッチＳＷ１を介してサンプルホールド５３にも保持される。

また、サンプルホールド５２は、切替スイッチＳＷ１によりローパスフィルタ４４との間が切断されると共に切替スイッチＳＷ２により減算器５４と接続されるため、時刻Ｔ５を過ぎても、このサンプルホールド５２には、時刻Ｔ２にサンプリングした信号Ｓ３がそのまま保持され、切替スイッチＳＷ２を介して減算器５４の第１入力端Ａに入力される。
一方、時刻Ｔ３に第１のＡ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換されて第１のメモリ４７に保存されたデジタルの信号Ｓ２は、遅延回路５５で１クロック分だけ遅延された時刻Ｔ６に、Ｄ／Ａコンバータ４８でアナログ信号Ｓ５に変換され、減算器５４の第２入力端Ｂに入力される。

これにより、減算器５４の第１入力端Ａに入力された信号Ｓ３から第２入力端Ｂに入力された信号Ｓ５がアナログ的に減算される。ここで、信号Ｓ３は、時刻Ｔ１にサンプルホールド５２にサンプリングされたもので、受信信号の強度の大きな信号部分から強度の小さな信号部分までの振幅全域を含む信号であり、一方、信号Ｓ５は、第１のＡ／Ｄコンバータ４６で一旦Ａ／Ｄ変換されることにより受信信号のうち主に強度の大きな信号部分のみがデジタル化された信号Ｓ２をＤ／Ａコンバータ４８でアナログ信号に変換された信号である。このため、減算器５４により信号Ｓ３から信号Ｓ５がアナログ的に減算されると、受信信号のうち強度の小さな信号部分が抽出されることとなる。

このようにして受信信号から抽出された強度の小さな信号部分が、減算器５４の出力端Ｃから出力され、第２のＡ／Ｄコンバータ５６でＡ／Ｄ変換された後、第２のメモリ５７に保存される。このとき、このとき、強度の小さな信号部分のみが第２のＡ／Ｄコンバータ５６に入力されるので、十分に長い有効ビット長を有していない第２のＡ／Ｄコンバータ５６であっても、強度の小さな信号部分を良好な分解能でＡ／Ｄ変換することができる。
そして、第１のメモリ４７に保存された信号Ｓ２、すなわち強度の大きな信号部分のみがデジタル化された信号と、第２のメモリ５７に保存された強度の小さな信号部分のみがデジタル化された信号とがデータ結合器５８で互いに結合され、サンプルデータとして出力される。

なお、同様にして、時刻Ｔ４から１クロック分経過した時刻Ｔ７に、切替スイッチＳＷ１およびＳＷ２はそれぞれ接点Ｇ１を選択するように切り替えられ、時刻Ｔ５から１クロック分経過した時刻Ｔ８に、次の受信信号が信号Ｓ１としてサンプルホールド５１に保持されるが、この時刻Ｔ８を過ぎても、時刻Ｔ５にサンプルホールド５３にサンプリングされた信号Ｓ４は、そのまま保持され、切替スイッチＳＷ２を介して減算器５４の第１入力端Ａに入力される。
一方、時刻Ｔ６に第１のＡ／Ｄコンバータ４６でＡ／Ｄ変換されて第１のメモリ４７に保存されたデジタルの信号Ｓ２は、遅延回路５５で１クロック分だけ遅延された時刻Ｔ９に、Ｄ／Ａコンバータ４８でアナログ信号Ｓ５に変換され、減算器５４の第２入力端Ｂに入力される。

これにより、減算器５４の第１入力端Ａに入力された信号Ｓ４から第２入力端Ｂに入力された信号Ｓ５がアナログ的に減算されて、受信信号のうち強度の小さな信号部分が抽出され、第２のＡ／Ｄコンバータ５６でＡ／Ｄ変換された後、第２のメモリ５７に保存される。
そして、第１のメモリ４７に保存された信号Ｓ２、すなわち強度の大きな信号部分のみがデジタル化された信号と、第２のメモリ５７に保存された強度の小さな信号部分のみがデジタル化された信号とがデータ結合器５８で互いに結合され、サンプルデータとして出力される。

このようにして、超音波トランスデューサ３から出力される受信信号に対応して順次データ結合器５８からサンプルデータが出力される。
サンプルデータは、パラレル／シリアル変換部５でシリアル化された後に無線通信部６から診断装置本体２へ無線伝送される。診断装置本体２の無線通信部２１で受信されたサンプルデータは、シリアル／パラレル変換部２２でパラレルのデータに変換され、データ格納部２３に格納される。さらに、データ格納部２３から１フレーム毎のサンプルデータが読み出され、画像生成部２４で画像信号が生成され、この画像信号に基づいて表示制御部２５により超音波診断画像が表示部２６に表示される。

以上のように、実施の形態２によれば、サンプルホールド５２および５３のいずれかでサンプリングして保持した受信信号から、第１のＡ／Ｄコンバータ４６で受信信号の振幅全体をＡ／Ｄ変換して強度の大きな信号部分のみを一旦デジタル化した後にＤ／Ａコンバータ４８でＤ／Ａ変換して再びアナログ化したものを差し引くことにより、受信信号のうち強度の小さな信号部分のみを取り出して第２のＡ／Ｄコンバータ５６でデジタル化することができる。そして、第１のＡ／Ｄコンバータ４６で強度の大きな信号部分のみをデジタル化した信号と第２のＡ／Ｄコンバータ５６で強度の小さな信号部分のみをデジタル化した信号をデータ結合器５８で結合することでサンプルデータが生成される。このため、強度の大きな信号部分から強度の小さな信号部分までの全域にわたって良好な分解能でＡ／Ｄ変換するだけの十分な有効ビット長を有していないＡ／Ｄコンバータ４６を使用しても、高画質の超音波画像を生成することが可能となる。

上記の実施の形態１および２では、超音波プローブ１と診断装置本体２とが互いに無線通信により接続されていたが、これに限るものではなく、接続ケーブルを介して超音波プローブ１が診断装置本体２に接続されていてもよい。この場合には、超音波プローブ１の無線通信部６および通信制御部１０、診断装置本体２の無線通信部２１および通信制御部２７等は不要となる。

１ 超音波プローブ、２ 診断装置本体、３ 超音波トランスデューサ、４ 受信信号処理部、５ パラレル／シリアル変換部、６ 無線通信部、７ 送信駆動部、８ 送信制御部、９ 受信制御部、１０ 通信制御部、１１ プローブ制御部、２１ 無線通信部、２２ シリアル／パラレル変換部、２３ データ格納部、２４ 画像生成部、２５ 表示制御部、２６ 表示部、２７ 通信制御部、２８ 本体制御部、２９ 操作部、３０ 格納部、３１ 整相加算部、３２ 画像処理部、４１ 入力保護回路、４２ プリアンプ、４３ 可変利得アンプ、４４ ローパスフィルタ、４５ 加減算器、４６ Ａ／Ｄコンバータ、４７ メモリ、４８ Ｄ／Ａコンバータ、５１〜５３ サンプルホールド、５４ 減算器、５５ 遅延回路、５６ 第２のＡ／Ｄコンバータ、５７ 第２のメモリ、５８ データ結合器、ＳＷ１，ＳＷ２ 切替スイッチ、Ａ 第１入力端、Ｂ 第２入力端、Ｃ 出力端、Ｇ１，Ｇ２ 接点、Ｓ１〜Ｓ５ 信号、Ｔ１〜Ｔ９ 時刻。

Claims (8)

1. アレイトランスデューサから被検体に向けて送信パルスが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信した前記アレイトランスデューサから出力される受信信号をチャンネル毎に受信信号処理部で処理することで得られるサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置であって、
   前記受信信号処理部は、
   前記アレイトランスデューサから出力される受信信号をＡ／Ｄ変換する第１のＡ／Ｄコンバータと、
   前記第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換された受信信号を保存する第１のメモリと、
   前記第１のメモリに保存された前記受信信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、
   前記アレイトランスデューサから出力される受信信号から前記Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された信号をアナログ的に差し引くことにより前記アレイトランスデューサから出力される受信信号のうち強度の大きな信号部分を除去して強度の小さな信号部分を抽出する抽出器と
   を含み、前記抽出器で抽出された強度の小さな信号部分を用いて前記サンプルデータを生成することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記第１のメモリは、第１送信パルスに対応して前記アレイトランスデューサから出力されると共に前記第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換された第１の受信信号を保存し、
   前記抽出器は、第２送信パルスに対応して前記アレイトランスデューサから出力される第２の受信信号から前記Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された前記第１の受信信号を差し引くことで基本波成分を除去して非線形成分を抽出する請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記抽出器で抽出された強度の小さな信号部分は、前記第１のＡ／ＤコンバータによりＡ／Ｄ変換される請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記第１送信パルスと前記第２送信パルスは、互いにパルス反転されたものであり、
   前記抽出器は、前記Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に加算する加算器である請求項２または３に記載の超音波診断装置。
5. 前記第１送信パルスと前記第２送信パルスは、互いに振幅変調されたものであり、
   前記抽出器は、前記Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された前記第１の受信信号の振幅を前記第２の受信信号の振幅に合わせた後に前記第２の受信信号から減算する減算器である請求項２または３に記載の超音波診断装置。
6. 前記第１のメモリは、前記アレイトランスデューサから出力された受信信号の振幅全体を前記第１のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換した信号を保存し、
   前記抽出器は、前記アレイトランスデューサから出力された受信信号から前記Ｄ／ＡコンバータでＤ／Ａ変換された信号を差し引くことで前記受信信号のうち振幅の小さな信号部分のみを抽出し、
   前記受信信号処理部は、
   前記抽出器で抽出された強度の小さな信号部分をＡ／Ｄ変換する第２のＡ／Ｄコンバータと、
   前記第２のＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換された前記振幅の小さな信号部分を保存する第２のメモリと、
   前記第１のメモリに保存された前記受信信号と前記第２のメモリに保存された前記振幅の小さな信号部分とを結合することにより前記サンプルデータを生成するデータ結合器と
   をさらに含む請求項１に記載の超音波診断装置。
7. 前記受信信号処理部は、
   それぞれ前記アレイトランスデューサから出力された受信信号を保持する一対のサンプルホールドと、
   前記一対のサンプルホールドのうち一方を選択的に前記アレイトランスデューサに接続すると共に他方を選択的に前記抽出器に接続する切替スイッチと、
   前記第１のメモリと前記Ｄ／Ａコンバータとの間に接続されると共に前記切替スイッチの切替周期分だけ遅延させる遅延回路と
   をさらに含む請求項６に記載の超音波診断装置。
8. アレイトランスデューサから被検体に向けて超音波ビームが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信した前記アレイトランスデューサから出力される受信信号を処理することで得られるサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成方法であって、
   前記アレイトランスデューサから出力される受信信号をＡ／Ｄ変換し、
   Ａ／Ｄ変換された受信信号を保存し、
   保存された前記受信信号をＤ／Ａ変換し、
   前記アレイトランスデューサから出力される受信信号から前記Ｄ／Ａ変換された信号をアナログ的に差し引くことにより前記アレイトランスデューサから出力される受信信号のうち強度の大きな信号部分を除去して強度の小さな信号部分を抽出し、
   抽出された強度の小さな信号部分を用いて前記サンプルデータを生成する
   ことを特徴とする超音波画像生成方法。

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