JP6186737B2 - 超音波測定装置、超音波画像装置及び超音波測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波測定装置、超音波画像装置及び超音波測定方法等に関係する。

被検体である人体の内部を検査するために用いる装置として、対象物に向けて超音波を出射し、対象物内部における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する超音波測定装置が注目されている。さらに、超音波測定装置は、内臓脂肪の測定や血流量の測定など、被検体の表層の画像診断にも応用されている。

このような超音波測定装置を用いて画像診断を行う場合には、超音波エコーの画像処理の高分解能化を図る必要があり、例えばハーモニックイメージング（ハーモニックイメージング法）などが利用されている。

ここで、ハーモニックイメージングにおいては、超音波エコーのハーモニック成分を抽出する必要があるが、そのためのハーモニック成分抽出方法としては、フィルター法や、特許文献１等に記載される位相反転法がある。

特開２００４−１１３８１８号公報

位相反転法では、１つの超音波走査線における画像データを得るために、２度の超音波送信パルスを送信する必要がある。そのため、一定の間隔で超音波送信パルスを送る場合には、通常のＢモード走査と比較し、時間分解能が低下するという問題点がある。

また、心臓に代表される臓器の動きが存在する実際の生体に対して上記の位相反転法を用いた場合には、臓器の動きの影響により、超音波の受信波における基本波が消え残り、生成される画像上にモーションアーチファクトを生じさせることがある。

本発明の幾つかの態様によれば、対象物が動く場合であっても、時間分解能を低下させずに、アーティファクト（偽像ノイズ）の少ない画像を生成することができる超音波測定装置、超音波画像装置及び超音波測定方法等を提供することができる。

本発明の一態様は、対象物に対して１波以上の超音波を送信する処理を行う送信処理部と、送信した前記超音波に対する超音波エコーの受信処理を行う受信処理部と、前記受信処理部からの受信信号に対して処理を行う処理部と、を含み、前記処理部は、前記受信信号から第１の分離信号と、前記第１の分離信号とは位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成し、前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、前記超音波エコーのハーモニック成分を抽出する超音波測定装置に関係する。

本発明の一態様では、１波以上の超音波を１回送信し、受信した受信波から互いに位相が１８０度異なる二つの分離信号を生成する。そして、新たに生成した第１の分離信号と第２の分離信号とを用いて位相反転法により、ハーモニック成分の抽出処理を行う。

これにより、対象物が動く場合であっても、高分解能で、アーティファクト（偽像ノイズ）の少ない高品質な画像を生成することができる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記受信信号の振幅ゼロ点を検出し、検出結果に基づいて前記第１の分離信号と前記第２の分離信号とを生成してもよい。

これにより、例えば任意の振幅ゼロ点を開始タイミングとし、他の振幅ゼロ点を終了タイミングとする分離信号を生成すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記送信処理部は、前記対象物に対して１．５波の超音波を送信し、前記処理部は、前記受信信号において振幅がゼロになる第１のゼロ点、第２のゼロ点、第３のゼロ点及び第４のゼロ点を検出し、前記第１のゼロ点、前記第２のゼロ点及び前記第３のゼロ点の検出結果に基づいて前記第１の分離信号を生成し、前記第２のゼロ点、前記第３のゼロ点及び前記第４のゼロ点の検出結果に基づいて前記第２の分離信号を生成し、前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との前記加算処理又は前記減算処理を行って、前記超音波エコーの前記ハーモニック成分を抽出してもよい。

これにより、互いに位相が１８０度異なる１波の分離信号を２つ生成して、ハーモニック成分を抽出すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記送信処理部は、前記対象物に対して１波の超音波を送信し、前記処理部は、前記受信信号において振幅がゼロになる第１のゼロ点、第２のゼロ点及び第３のゼロ点を検出し、前記第１のゼロ点と前記第２のゼロ点の検出結果に基づいて、第１の信号を生成し、前記第２のゼロ点と前記第３のゼロ点の検出結果に基づいて、第２の信号を生成し、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて前記第２の分離信号を生成し、元の前記受信信号である前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との前記加算処理又は前記減算処理を行って、前記超音波エコーの前記ハーモニック成分を抽出してもよい。

これにより、送信する超音波を１波にすることが可能になり、より距離分解能を向上させること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記第１の信号と前記第２の信号の波形の入れ替え処理を行い、前記入れ替え処理後の波形の結合処理を行うことにより、前記第２の分離信号を生成してもよい。

これにより、送信した１波の超音波に対する受信信号から、互いに位相が１８０度異なる第１の分離信号と第２の分離信号とを生成すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との前記減算処理を行って、前記減算処理後の信号に対してフィルター処理を行い、前記超音波エコーの三次以上のハーモニック成分を抽出してもよい。

これにより、超音波エコーの三次以上の奇数次のハーモニック成分を用いて、表示用画像データを生成すること等が可能になる。

また、本発明の他の態様では、超音波測定装置と、前記超音波エコーの前記ハーモニック成分に基づいて生成された表示用画像データを表示する表示部と、を含む超音波画像装置に関係する。

また、本発明の他の態様では、対象物に対して１波以上の超音波を送信する処理を行い、送信した前記超音波に対する超音波エコーの受信処理を行い、前記受信信号から第１の分離信号と、前記第１の分離信号とは位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成し、前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、前記超音波エコーのハーモニック成分を抽出する超音波測定方法に関係する。

フィルター法の説明図。 位相反転法の説明図。 対象物が動く場合に位相反転法を用いて高調波抽出を行った場合の説明図。 本実施形態のシステム構成例。 本実施形態の超音波画像装置の詳細なシステム構成例。 図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は超音波測定装置の具体的な機器構成の一例。 本実施形態の高調波抽出方法の説明図。 本実施形態の処理の流れを説明するフローチャート。 本実施形態の高調波抽出処理の流れを説明するフローチャート。 送信する超音波が１波である場合の高調波抽出方法の説明図。 送信する超音波が１波である場合の高調波抽出処理の流れを説明するフローチャート。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、超音波トランスデューサー素子の構成例。 超音波トランスデューサーデバイスの構成例。 図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）は、各チャンネルに対応して設けられる超音波トランスデューサー素子群の構成例。

以下、本実施形態について説明する。まず、本実施形態の概要を説明し、次に本実施形態のシステム構成例について説明する。そして、本実施形態の手法について具体例を交えつつ詳細に説明し、次に、フローチャートを用いて本実施形態の処理の流れと変形例について説明する。そして、超音波トランスデューサー素子及び超音波トランスデューサーデバイスの構成例について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．概要
被検体である人体の内部を検査するために用いる装置として、対象物に向けて超音波を出射し、対象物内部における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する超音波測定装置が知られている。さらに、超音波測定装置の応用例としては、内臓脂肪の測定や血流量の測定など、被検体の表層の画像診断を行うポケット型超音波ビューアなどがあり、ヘルスケア分野への展開が期待されている。

上記のように、超音波測定装置を用いて画像診断を行う場合には、超音波エコーの画像処理の高分解能化を図る必要がある。そして、高分解能化を実現する為の画像処理技術としては、ハーモニックイメージング（ハーモニックイメージング法）がある。

ハーモニックイメージングとは、後述するハーモニック成分を映像化する手法のことをいう。ここで、媒質中を伝搬する超音波（粗密波）の速度は、音圧の高い部分は速く、低い部分では遅くなるという性質がある。したがって、単純な正弦波であっても伝搬過程で徐々に歪みが生じて波形が変化し、基本波には含まれなかった基本周波数の整数倍の高調波成分（これをハーモニック成分又は非線形成分とも言う）が含まれるようになる。このような非線形効果は、超音波の音圧に２乗に比例して大きくなり、また伝搬距離に比例して蓄積する。

そして、ハーモニックイメージングは、超音波が組織を伝搬する時に組織自身から発生するハーモニック成分を映像化するティッシュハーモニックイメージングと、超音波造形剤の微小気泡が共振、崩壊する時に発生するハーモニック成分を映像化する造影ハーモニックイメージングの二つに大別される。本実施形態では、ティッシュハーモニックイメージングを用いる。

また、ハーモニックイメージングには２つの利点がある。まず、ハーモニック成分の振幅は送信超音波の振幅の２乗に比例するという特徴があることから、ハーモニック成分の振幅は、音圧の高い送信ビーム中央では強いが、ビーム中央から端になるほど急激に弱くなる。これにより、ハーモニックイメージングでは、非線形効果の生じる範囲はビーム中央に制限され、結果的に他の手法に比べて方位分解能が向上する。これが第１の利点である。

また、超音波画像に乗る主なノイズとしては、多重反射によるノイズとサイドローブによるノイズがある。ここで、反射した超音波エコーは音圧が低く、ハーモニック成分自体が発生しない。そのため、多重反射によるノイズが低減される。さらに、サイドローブは音圧が低く、サイドローブでもハーモニック成分自体が発生しない。そのため、サイドローブによるノイズも低減される。このように、ハーモニックイメージングでは、多重反射によるノイズもサイドローブによるノイズも低減することができる。これが第２の利点である。

ここで、ハーモニックイメージングにおいては、超音波エコーのハーモニック成分を抽出する必要があるが、そのためのハーモニック成分抽出方法としては、フィルター法と位相反転法とがある。

まず、フィルター法とは、周波数フィルター（ハイパスフィルター）により基本波成分と二次高調波成分とを分離し、二次高調波成分だけを抽出し、映像化する手法である。例えば、フィルター法を説明する図として、基本波帯域の中心周波数がｆ_０であり、二次高調波帯域の中心周波数が２ｆ_０である受信信号を、縦軸を信号強度、横軸を周波数とした図１のグラフに示す。実際には図１に示すように、受信する基本波成分と二次高調波成分は、ある帯域幅を有しているため、基本波成分と二次高調波成分とは重複し、両者を分離できなくなり、画像劣化の要因となる。この重複を少なくするためには、パルス幅を長くする必要性がある。しかし、パルス幅が長くなると距離分解能が低下する。

一方で、位相反転法は、フィルター法の欠点を改善するために開発された手法である。この手法は、同一方向に続けて２回の超音波の送信を行う。図２に示すように、２回目の送信波は、１回目の送信波に対して位相が１８０度異なるという特徴がある。そして、生体や造影剤から反射して戻ってくる受信波は、その非線形な伝播特性によりハーモニック成分を含むため、歪んだ波形となる。この２回の受信波の間には、送信波を１回目と２回目で反転させているために基本波成分は反転しているが、ハーモニック成分は反転していないという関係がある。つまり、この２回の送信波に対する２回の受信波は、基本波成分は互いに位相反転しているが、二次高調波成分は同相となる。結果として、２回の受信波を加算すると、基本波成分は除去され、二次高調波成分は振幅が２倍になって残るため、二次高調波成分のみを映像化することが可能となる。また、送受信法も広帯域送受信が可能なため、フィルター法の欠点である距離分解能の低下も改善することができる。

以上のように、ハーモニック成分抽出方法としては、フィルター法よりも位相反転法の方が優れているとも思われる。しかし、位相反転法では、１つの超音波走査線における画像データを得るために、２度の超音波送信パルスを送信する必要がある。そのため、一定の間隔で超音波送信パルスを送る場合、通常のＢモード走査と比較して、２倍の計測時間を必要とし、時間分解能が低下する、すなわちフレームレートが１／２になるという問題点がある。

また、心臓に代表される臓器の動きが存在する実際の生体に対して位相反転法を用いた場合には、臓器の動きの影響により、１回目と２回目の受信波間の各部分に変位が生じ、その結果として基本波が消え残り、画像上にモーションアーチファクトを生じさせることがある。具体例を図３に示す。対象物に動きがある場合には、２回目の送信波に対する受信処理においては、１回目と比較して、対象物の位置の変位に応じたΔｔ時間のずれを含む受信波を受信することになる。その結果、１回目の受信波と２回目の受信波を加算しても、基本波は打ち消し合わずに残留し、一方で、二次高調波は振幅が増幅されず、元の波形が崩れてしまう。その結果、得られる画像にノイズが乗ってしまう。

これらの問題点の原因は、超音波を２回送信する必要があることである。

よって、本実施形態の超音波測定装置、超音波画像装置及び超音波測定方法等では、１波以上の超音波を１回送信し、受信した受信波から互いに位相が１８０度異なる二つの分離信号を生成する。そして、新たに生成した第１の分離信号と第２の分離信号とを用いて位相反転法により、ハーモニック成分の抽出処理を行う。これにより、対象物が動く場合であっても、時間分解能を低下させずに、アーティファクト（偽像ノイズ）の少ない高品質な画像を生成することができる。

２．システム構成例
次に、本実施形態の超音波測定装置の構成例を図４に示す。超音波測定装置１００は、送信処理部１１０と、受信処理部１２０と、処理部１３０とを含む。

さらに、本実施形態の超音波画像装置の具体的な構成例を図５に示す。超音波画像装置は、超音波測定装置１００と、超音波プローブ２００と、表示部３００と、を含む。また、図５に示す超音波測定装置１００は、送信処理部１１０と、受信処理部１２０と、処理部１３０と、送受信切替スイッチ１４０と、ＤＳＣ（Digital Scan Convertor）１５０と、制御回路１６０とを含む。

なお、超音波測定装置１００及びこれを含む超音波画像装置は、図４及び図５の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。また、本実施形態の超音波測定装置１００及びこれを含む超音波画像装置の一部又は全部の機能は、通信により接続されたサーバーにより実現されてもよい。

次に各部で行われる処理について説明する。

超音波プローブ２００は、超音波トランスデューサーデバイスを含む。

そして、超音波トランスデューサーデバイスは、走査面に沿って対象物をスキャンしながら、対象物に対して超音波ビームを送信すると共に、超音波ビームによる超音波エコーを受信する。圧電素子を用いるタイプを例にとれば、超音波トランスデューサーデバイスは、複数の超音波トランスデューサー素子（超音波素子アレイ）と、複数の開口がアレイ状に配置された基板とを有する。そして、超音波トランスデューサー素子としては、薄手の圧電素子と金属板（振動膜）を貼り合わせたモノモルフ（ユニモルフ）構造を用いたものを用いる。超音波トランスデューサー素子（振動素子）は、電気的な振動を機械的な振動に変換するものであるが、この場合には、圧電素子が面内で伸び縮みすると貼り合わせた金属板（振動膜）の寸法はそのままであるため反りが生じる。

また、超音波トランスデューサーデバイスでは、近隣に配置された数個の超音波トランスデューサー素子で一つのチャンネルを構成し、１回に複数のチャンネルを駆動しながら、超音波ビームを順次移動させるものであってもよい。

なお、超音波トランスデューサーデバイスとしては、圧電素子（薄膜圧電素子）を用いるタイプのトランスデューサーを採用できるが、本実施形態はこれに限定されない。例えばｃ‐ＭＵＴ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers）などの容量性素子を用いるタイプのトランスデューサーを採用してもよいし、バルクタイプのトランスデューサーを採用してもよい。超音波トランスデューサー素子及び超音波トランスデューサーデバイスのさらに詳細な説明については、後述する。

次に、送信処理部１１０は、対象物に対して超音波を送信する処理を行う。また、例えば図５に示す送信処理部１１０は、送信パルス発生器１１１と、送信遅延回路１１３とを含む。

具体的に、送信パルス発生器１１１は、送信パルス電圧を印加させ、超音波プローブ２００を駆動させる。

また、送信遅延回路１１３は、送波ビームをフォーカシングする。そのために、送信遅延回路１１３は、送信パルス電圧の印加タイミングに関して、チャンネル間で時間差を与え、複数の振動素子から発生した超音波を集束させる。このように、遅延時間を変化させることにより、焦点距離を任意に変化させることが可能である。

また、送受信切替スイッチ１４０は、超音波の送受信の切り替え処理を行う。送受信切替スイッチ１４０は、送信時の振幅パルスが受信回路に入力されないように保護し、受信時の信号を受信回路に通す。

一方で、受信処理部１２０は、送信した超音波に対する超音波エコーの受信処理を行う。また、例えば図５に示す受信処理部１２０は、受信遅延回路１２１と、フィルター回路１２３と、メモリ１２５とを含む。

受信遅延回路１２１は、受波ビームをフォーカシングする。ある反射体からの反射波は球面上に広がるため、受信遅延回路１２１は、各振動子に到達する時間が同じになるように遅延時間を与え、遅延時間を考慮して反射波を加算する。

そして、フィルター回路１２３は、受信信号に対して帯域通過フィルターによりフィルター処理を行い、雑音を除去する。

また、メモリ１２５は、フィルター回路１２３から出力された受信信号を記憶するもので、その機能はＲＡＭ等のメモリやＨＤＤなどにより実現できる。

また、処理部１３０は、受信処理部１２０からの受信信号に対して処理を行う。例えば図５に示す処理部１３０は、ハーモニック処理部１３１と、検波処理部１３３と、対数変換処理部１３５と、ゲイン・ダイナミックレンジ調整部１３７と、ＳＴＣ（Sensitivity Time Control）１３９とを含む。

具体的に、ハーモニック処理部１３１は、後に詳述するハーモニック成分の抽出処理を行う。

そして、検波処理部１３３は、絶対値（整流）処理後に、低域通過フィルターをかけて、非変調信号を抽出する。

さらに、対数変換処理部１３５は、Ｌｏｇ圧縮を行い、受信信号の信号強度の最大部分と最小部分を同時に確認しやすいように、表現形式を変換する。

そして、ゲイン・ダイナミックレンジ調整部１３７は、信号強度及び関心領域を調整する。具体的に、ゲイン調整処理では、Ｌｏｇ圧縮後の入力信号に対して、直流成分を加える。また、ダイナミックレンジ調整処理では、Ｌｏｇ圧縮後の入力信号に対して、任意の数を乗算する。

また、ＳＴＣ１３９は、深さに応じて増幅度（明るさ）を補正し、画面全体で一様な明るさの画像を取得する。

なお、処理部１３０の機能は、各種プロセッサー（ＣＰＵ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムなどにより実現できる。

そして、ＤＳＣ１５０は、Ｂモード画像データに走査変換処理を行う。例えば、ＤＳＣ１５０は、バイリニアなどの補間処理により、ライン信号を画像信号に変換する。

また、制御回路１６０は、送信パルス発生器１１１と、送信遅延回路１１３と、受信遅延回路１２１と、送受信切替スイッチ１４０と、ハーモニック処理部１３１の制御を行う。

また、表示部３００は、超音波エコーのハーモニック成分に基づいて生成された表示用画像データを表示する。表示部３００は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ、電子ペーパーなどにより実現できる。

ここで、本実施形態の超音波測定装置（広義には電子機器）の具体的な機器構成の例を図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示す。図６（Ａ）はハンディタイプの超音波測定装置１００の例であり、図６（Ｂ）は据置タイプの超音波測定装置１００の例である。図６（Ｃ）は超音波プローブ２００が本体に内蔵された一体型の超音波測定装置１００の例である。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）の超音波測定装置１００は、超音波プローブ２００と超音波測定装置本体１０１（広義には電子機器本体）を含み、超音波プローブ２００と超音波測定装置本体１０１はケーブル２１０により接続される。超音波プローブ２００の先端部分には、プローブヘッド２２０が設けられており、超音波測定装置本体１０１には、画像を表示する表示部３００が設けられている。図６（Ｃ）では、表示部３００を有する超音波測定装置１００に超音波プローブ２２０が内蔵されている。図６（Ｃ）の場合、超音波測定装置１００は、例えばスマートフォンなどの汎用の携帯情報端末により実現できる。

３．本実施形態の手法
次に、本実施形態の手法について説明する。

以上の本実施形態の超音波測定装置１００は、対象物に対して１波以上の超音波を送信する処理を行う送信処理部１１０と、送信した超音波に対する超音波エコーの受信処理を行う受信処理部１２０と、受信処理部１２０からの受信信号に対して処理を行う処理部１３０と、を含む。そして、処理部１３０は、受信信号から第１の分離信号と、第１の分離信号とは位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成し、第１の分離信号と第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、超音波エコーのハーモニック成分を抽出する。

図７を用いて具体的に説明する。まず、本実施形態では、送信処理部１１０は、対象物に対して１波以上の超音波を送信する処理を行う。

ここで、１波以上の超音波とは、１周期以上の期間、続けて送信される超音波のことをいう。例えば、図７には、１．５波の送信波ＴＸＰが出射されている様子を示す。

そして、受信処理部１２０は、超音波エコーの受信処理により、受信信号を出力する。図７の例では、１．５波の送信波ＴＸＰに対して１．５波の受信波ＲＸＰを受信している。

また、受信処理とは、例えば受信遅延回路１２１による受波ビーム（超音波エコー）のフォーカシング処理や、フィルター回路１２３によるフィルター処理などのことを言う。そして、受信信号とは、このような受信処理を行った後に得られる信号のことを言う。

さらに、処理部１３０は、受信信号から第１の分離信号と、第１の分離信号とは位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成する。

ここで、第１の分離信号とは、受信信号の一部又は全ての部分を含む信号である。一方、第２の分離信号とは、第１の分離信号とは位相が１８０度異なる信号であって、受信信号の一部又は全ての部分を含む信号である。

図７の例では、受信波ＲＸＰから、基本波ＢＳ１と二次高調波（ハーモニック成分）ＨＭ１とを含む第１の分離信号と、基本波ＢＳ２と二次高調波ＨＭ２とを含む第２の分離信号とを生成している。なお、第１の分離信号と第２の分離信号を生成する際には、位相をずらすために、受信信号から分離した分離信号の受信時間（受信開始時刻から受信終了時刻までの時間）を揃えることに留意する。例えば図７では、元の受信信号の０．５周期経過時点（タイミングＴ２）から１．５周期経過時点（タイミングＴ４）までの信号を第２の分離信号として分離するが、あくまで第２の分離信号は、第１の分離信号と同じタイミングＴ１〜Ｔ３の間に受信したものとみなす。このようにみなさなければ、元の受信信号から分離した信号の位相は、元の受信信号と必ず同相になってしまうためである。

そして、処理部１３０は、第１の分離信号と第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、超音波エコーのハーモニック成分を抽出する。

図７の例においては、ハーモニック成分として二次高調波を抽出するため、第１の受信信号と第２の受信信号との加算処理を行い、図２と同様に基本波が相殺されて消え去り、二次高調波ＤＰが抽出される。なお、二次高調波ＤＰの振幅の大きさは、元の二次高調波ＨＭ１やＨＭ２の振幅の大きさの二倍になっている。

以上の処理を行うことにより、例えば臓器のように対象物が動く場合であっても、超音波の受信波における基本波を打ち消して、高調波のみを抽出することができる。また、超音波を１波しか出射しないために、フィルター法に比べてもフレームレートが低下することもない。よって、対象物が動く場合であっても、時間分解能を低下させずに、アーティファクト（偽像ノイズ）の少ない高品質な画像を生成することができる。

また、処理部１３０は、受信信号の振幅ゼロ点を検出し、検出結果に基づいて第１の分離信号と第２の分離信号とを生成してもよい。

これにより、例えば任意の振幅ゼロ点を開始タイミングとし、他の振幅ゼロ点を終了タイミングとする分離信号を生成すること等が可能になる。

次に、前述した図７の例で行った処理をまとめる。まず、送信処理部１１０は、対象物に対して１．５波の超音波を送信してもよい。そして、処理部１３０は、受信信号において振幅がゼロになる第１のゼロ点、第２のゼロ点、第３のゼロ点及び第４のゼロ点を検出し、第１のゼロ点、第２のゼロ点及び第３のゼロ点の検出結果に基づいて第１の分離信号を生成し、第２のゼロ点、第３のゼロ点及び第４のゼロ点の検出結果に基づいて第２の分離信号を生成し、第１の分離信号と第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、超音波エコーのハーモニック成分を抽出してもよい。

例えば、図７の例では、第１のゼロ点はタイミングＴ１であり、第２のゼロ点はタイミングＴ２であり、第３のゼロ点はタイミングＴ３であり、第４のゼロ点はタイミングＴ４である。そして、前述したように、第１のゼロ点（Ｔ１）〜第３のゼロ点（Ｔ３）までの信号を第１の分離信号として分離して生成し、第２のゼロ点（Ｔ２）〜第４のゼロ点（Ｔ４）までの信号を第２の分離信号として分離して生成する。

これにより、互いに位相が１８０度異なる１波の分離信号を２つ生成して、ハーモニック成分を抽出すること等が可能になる。

また、三次以上のハーモニック成分を抽出する場合には、第１の受信信号と第２の受信信号との減算処理を行う。しかし、減算処理を行った場合には、基本波は打ち消されないため、減算処理後の信号に対してフィルター処理を行い、基本波と三次以上の高調波を分離する必要がある。

すなわち、処理部１３０は、第１の分離信号と第２の分離信号との減算処理を行って、減算処理後の信号に対してフィルター処理を行い、超音波エコーの三次以上のハーモニック成分を抽出してもよい。なお、この際には、三次以上の奇数次の高調波が抽出される。

これにより、超音波エコーの三次以上の奇数次のハーモニック成分を用いて、表示用画像データを生成すること等が可能になる。

４．処理の流れ
以下では、図８のフローチャートを用いて、本実施形態の処理の流れについて説明する。

まず、走査線番号ｎの初期値を１に設定する（Ｓ１０１）。

次に、送信パルス発生器１１１が、パルス電圧を生成する（Ｓ１０２）。

そして、送信遅延回路１１３が送信フォーカス制御を行い（Ｓ１０３）、超音波プローブ２００が、生成されたパルス電圧に対応する超音波ビームを対象物に対して出射する（Ｓ１０４）。さらに、超音波プローブ２００は、出射した超音波ビームが対象物に反射し、返ってきた超音波エコーを受信する（Ｓ１０４）。

これに対して、受信遅延回路１２１は受信フォーカス制御を行い（Ｓ１０５）、フィルター回路１２３が、受信フォーカス制御後の受信信号に対してＢＰＦ（バンドパスフィルター）処理を行い（Ｓ１０６）、ＢＰＦ処理後の受信信号をメモリ１２５に保存する（Ｓ１０７）。

そして、全ての走査線についてステップＳ１０２〜Ｓ１０７の処理を行ったか否かを判断する（Ｓ１０８）。具体的には、現在の走査線番号ｎが全走査線数Ｎよりも小さいか否かを判定する。

全ての走査線についてステップＳ１０２〜Ｓ１０７の処理を行っていないと判断した場合、すなわち、現在の走査線番号ｎが全走査線数Ｎよりも小さいと判定した場合には、現在の走査線番号ｎに１を加算して（Ｓ１０９）、再度ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理を行う。

一方で、ステップＳ１０８において、全ての走査線についてステップＳ１０２〜Ｓ１０７の処理を行ったと判断した場合、すなわち、現在の走査線番号ｎが全走査線数Ｎと等しいと判定した場合には、ハーモニック処理部１３１が高調波（ハーモニック成分）の抽出処理を行う（Ｓ１１０）。

ここで、本実施形態における高調波（ハーモニック成分）の抽出処理の流れを図９のフローチャートに示す。

まず、受信した受信信号の振幅が０になる時間（時刻、点）を検出する（Ｓ２０１）。次に、振幅が０となる点に基づいて受信信号から、第１の分離信号と、第１の分離信号と位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成する（Ｓ２０２）。そして、位相反転法を用いて、第１の分離信号と第２の分離信号との加算処理を行って（Ｓ２０３）、基本波を相殺して高調波を抽出する。

そして、検波処理部１３３が、抽出した高調波に対して、絶対値（整流）処理後に、低域通過フィルターをかけて、非変調信号を抽出し（Ｓ１１１）、対数変換処理部１３５が、対数変換処理を行う（Ｓ１１２）。

そして、ゲイン・ダイナミックレンジ調整部１３７が、信号強度及び関心領域を調整し（Ｓ１１３）、ＳＴＣ１３９が、深さに応じて増幅度（明るさ）を補正する（Ｓ１１４）。

さらに、ＤＳＣ１５０が、走査変換処理を行って、Ｂモード画像データ（表示用画像データ）を生成し（Ｓ１１５）、表示部３００が生成された表示用画像データを表示し（Ｓ１１６）、処理を終了する。

５．変形例
本実施形態では、前述したように１波以上の超音波を送信する。

ここで、送信処理部１１０は、対象物に対して１波の超音波を送信してもよい。そして、処理部１３０は、受信信号において振幅がゼロになる第１のゼロ点、第２のゼロ点及び第３のゼロ点を検出し、第１のゼロ点と第２のゼロ点の検出結果に基づいて、第１の信号を生成し、第２のゼロ点と第３のゼロ点の検出結果に基づいて、第２の信号を生成し、第１の信号と第２の信号とに基づいて第２の分離信号を生成し、元の受信信号である第１の分離信号と第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、超音波エコーのハーモニック成分を抽出してもよい。

これにより、送信する超音波を１波にすることが可能になり、より距離分解能を向上させること等が可能になる。

また、処理部１３０は、第１の信号と第２の信号の波形の入れ替え処理を行い、入れ替え処理後の波形の結合処理を行うことにより、第２の分離信号を生成してもよい。

これにより、送信した１波の超音波に対する受信信号から、互いに位相が１８０度異なる第１の分離信号と第２の分離信号とを生成すること等が可能になる。

ここで、図１０と図１１のフローチャートを用いて具体例を説明する。なお、以下の処理は、図８のフローチャートのステップＳ１１０における高調波抽出処理に相当する。

まず、図１０に示すように１波の送信波ＴＸＰを送信し、受信波ＲＸＰ１を受信する。

次に、受信波ＲＸＰ１のゼロ点の検出処理を行い、第１のゼロ点ＴＡ、第２のゼロ点ＴＢ及び第３のゼロ点ＴＣを検出する（Ｓ３０１）。そして、受信波ＲＸＰ１の全体を第１の分離信号とする（Ｓ３０２）。

また、第１のゼロ点ＴＡから第２のゼロ点ＴＢまでの信号を第１の信号Ｐ１として生成し（Ｓ３０３）、第２のゼロ点ＴＢから第３のゼロ点ＴＣまでの信号を第２の信号Ｐ２として生成する（Ｓ３０４）。

さらに、第１の信号Ｐ１と第２の信号Ｐ２の波形の入れ替え処理を行う（Ｓ３０５）。具体的には、第１の信号Ｐ１と第２の信号Ｐ２の受信時間の入れ替えを行う。そして、波形入れ替え後の第２の信号Ｐ２と第１の信号Ｐ１の結合処理を行い、第１の分離信号と位相又は振幅が１８０度異なる第２の分離信号ＲＸＰ２を生成する（Ｓ３０６）。

そして、図７を用いて前述した例と同様に、第１の分離信号ＲＸＰ１と第２の分離信号ＲＸＰ２との加算処理又は減算処理を行って、高調波ＤＰを抽出し（Ｓ３０７）、処理を終了する。

なお、本実施形態の超音波測定装置１００及び超音波画像装置等は、その処理の一部または大部分をプログラムにより実現してもよい。この場合には、ＣＰＵ等のプロセッサーがプログラムを実行することで、本実施形態の超音波測定装置１００及び超音波画像装置等が実現される。具体的には、情報記憶媒体に記憶されたプログラムが読み出され、読み出されたプログラムをＣＰＵ等のプロセッサーが実行する。ここで、情報記憶媒体（コンピューターにより読み取り可能な媒体）は、プログラムやデータなどを格納するものであり、その機能は、光ディスク（ＤＶＤ、ＣＤ等）、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、或いはメモリー（カード型メモリー、ＲＯＭ等）などにより実現できる。そして、ＣＰＵ等のプロセッサーは、情報記憶媒体に格納されるプログラム（データ）に基づいて本実施形態の種々の処理を行う。即ち、情報記憶媒体には、本実施形態の各部としてコンピューター（操作部、処理部、記憶部、出力部を備える装置）を機能させるためのプログラム（各部の処理をコンピューターに実行させるためのプログラム）が記憶される。

６．超音波トランスデューサー素子
図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に、超音波トランスデューサーデバイスの超音波トランスデューサー素子１０の構成例を示す。この超音波トランスデューサー素子１０は、振動膜（メンブレン、支持部材）５０と圧電素子部とを有する。圧電素子部は、第１電極層（下部電極）２１、圧電体層（圧電体膜）３０、第２電極層（上部電極）２２を有する。

図１２（Ａ）は、基板（シリコン基板）６０に形成された超音波トランスデューサー素子１０の、素子形成面側の基板６０に垂直な方向から見た平面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。

第１電極層２１は、振動膜５０の上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層２１は、図１２（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１０に接続される配線であってもよい。

圧電体層３０は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層２１の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層３０の材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。

第２電極層２２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層３０の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層２２は、図１２（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１０に接続される配線であってもよい。

振動膜（メンブレン）５０は、例えばＳｉＯ２薄膜とＺｒＯ２薄膜との２層構造により開口４０を塞ぐように設けられる。この振動膜５０は、圧電体層３０及び第１、第２電極層２１、２２を支持すると共に、圧電体層３０の伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。

開口４０は、基板６０（シリコン基板）の裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。この開口４０の開口部４５のサイズによって超音波の共振周波数が決定され、その超音波は圧電体層３０側（図１２（Ａ）において紙面奥から手前方向）に放射される。

超音波トランスデューサー素子１０の下部電極（第１電極）は、第１電極層２１により形成され、上部電極（第２電極）は、第２電極層２２により形成される。具体的には、第１電極層２１のうちの圧電体層３０に覆われた部分が下部電極を形成し、第２電極層２２のうちの圧電体層３０を覆う部分が上部電極を形成する。即ち、圧電体層３０は、下部電極と上部電極に挟まれて設けられる。

７．超音波トランスデューサーデバイス
図１３に、超音波トランスデューサーデバイス（素子チップ）の構成例を示す。本構成例の超音波トランスデューサーデバイスは、複数の超音波トランスデューサー素子群ＵＧ１〜ＵＧ６４、駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４（広義には第１〜第ｎの駆動電極線。ｎは２以上の整数）、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８（広義には第１〜第ｍのコモン電極線。ｍは２以上の整数）を含む。なお、駆動電極線の本数（ｎ）やコモン電極線の本数（ｍ）は、図１３に示す本数には限定されない。

複数の超音波トランスデューサー素子群ＵＧ１〜ＵＧ６４は、第２の方向Ｄ２（スキャン方向）に沿って６４列に配置される。ＵＧ１〜ＵＧ６４の各超音波トランスデューサー素子群は、第１の方向Ｄ１（スライス方向）に沿って配置される複数の超音波トランスデューサー素子を有する。

図１４（Ａ）に、超音波トランスデューサー素子群ＵＧ（ＵＧ１〜ＵＧ６４）の例を示す。図１４（Ａ）では、超音波トランスデューサー素子群ＵＧは第１〜第４の素子列により構成される。第１の素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ１１〜ＵＥ１８により構成され、第２の素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ２１〜ＵＥ２８により構成される。第３の素子列（ＵＥ３１〜ＵＥ３８）、第４の素子列（ＵＥ４１〜ＵＥ４８）も同様である。これらの第１〜第４の素子列には、駆動電極線ＤＬ（ＤＬ１〜ＤＬ６４）が共通接続される。また、第１〜第４の素子列の超音波トランスデューサー素子にはコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８が接続される。

そして図１４（Ａ）の超音波トランスデューサー素子群ＵＧが、超音波トランスデューサーデバイスの１チャンネルを構成する。即ち、駆動電極線ＤＬが１チャンネルの駆動電極線に相当し、送信回路からの１チャンネルの送信信号は駆動電極線ＤＬに入力される。また駆動電極線ＤＬからの１チャンネルの受信信号は駆動電極線ＤＬから出力される。なお、１チャンネルを構成する素子列数は図１４（Ａ）のような４列には限定されず、４列よりも少なくてもよいし、４列よりも多くてもよい。例えば図１４（Ｂ）に示すように、素子列数は１列であってもよい。

図１３に示すように、駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４（第１〜第ｎの駆動電極線）は、第１の方向Ｄ１に沿って配線される。駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４のうちの第ｊ（ｊは１≦ｊ≦ｎである整数）の駆動電極線ＤＬｊ（第ｊのチャンネル）は、第ｊの超音波トランスデューサー素子群ＵＧｊの超音波トランスデューサー素子が有する第１の電極（例えば下部電極）に接続される。

超音波を出射する送信期間には、送信信号ＶＴ１〜ＶＴ６４が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４を介して超音波トランスデューサー素子に供給される。また、超音波エコー信号を受信する受信期間には、超音波トランスデューサー素子からの受信信号ＶＲ１〜ＶＲ６４が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４を介して出力される。

コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８（第１〜第ｍのコモン電極線）は、第２の方向Ｄ２に沿って配線される。超音波トランスデューサー素子が有する第２の電極は、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８のうちのいずれかに接続される。具体的には、例えば図１３に示すように、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８のうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｍである整数）のコモン電極線ＣＬｉは、第ｉ行に配置される超音波トランスデューサー素子が有する第２の電極（例えば上部電極）に接続される。

コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８には、コモン電圧ＶＣＯＭが供給される。このコモン電圧ＶＣＯＭは一定の直流電圧であればよく、０Ｖ、即ちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。

そして送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が超音波トランスデューサー素子に印加され、所定の周波数の超音波が放射される。

なお、超音波トランスデューサー素子の配置は、図１３に示すマトリックス配置に限定されず、いわゆる千鳥配置等であってもよい。

また図１４（Ａ）〜図１４（Ｂ）では、１つの超音波トランスデューサー素子が送信素子及び受信素子の両方に兼用される場合について示したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば送信素子用の超音波トランスデューサー素子、受信素子用の超音波トランスデューサー素子を別々に設けて、アレイ状に配置してもよい。

以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、超音波測定装置、超音波画像装置及び超音波測定方法の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１００ 超音波測定装置、１１０ 送信処理部、１１１ 送信パルス発生器、
１１３ 送信遅延回路、１２０ 受信処理部、１２１ 受信遅延回路、
１２３ フィルター回路、１２５ メモリ、１３０ 処理部、
１３１ ハーモニック処理部、１３３ 検波処理部、１３５ 対数変換処理部、
１３７ ゲイン・ダイナミックレンジ調整部、１３９ ＳＴＣ、
１４０ 送受信切替スイッチ、１５０ ＤＳＣ、１６０ 制御回路、
２００ 超音波プローブ、３００ 表示部

Claims (7)

1. 対象物に対して所定の周波数において1周期以上の正弦波を有する超音波を送信する処理を行う送信処理部と、
   送信した前記超音波に対する超音波エコーの受信処理を行う受信処理部と、
   前記受信処理部からの受信信号に対して処理を行う処理部と、
   を含み、
   前記処理部は、
   前記受信信号の振幅がゼロになる振幅ゼロ点を検出し、前記振幅ゼロ点の検出結果に基づいて前記受信信号から第１の分離信号と、前記第１の分離信号とは位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成し、前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、前記超音波エコーのハーモニック成分を抽出することを特徴とする超音波測定装置。
2. 請求項１において、
   前記送信処理部は、
   前記対象物に対して所定の周波数において１．５周期の正弦波を有する超音波を送信し、
   前記処理部は、
   前記受信信号から前記振幅ゼロ点となる第１のゼロ点、第２のゼロ点、第３のゼロ点及び第４のゼロ点を検出し、前記第１のゼロ点、前記第２のゼロ点及び前記第３のゼロ点の検出結果に基づいて前記第１の分離信号を生成し、前記第２のゼロ点、前記第３のゼロ点及び前記第４のゼロ点の検出結果に基づいて前記第２の分離信号を生成し、前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との前記加算処理又は前記減算処理を行って、前記超音波エコーの前記ハーモニック成分を抽出することを特徴とする超音波測定装置。
3. 請求項１において、
   前記送信処理部は、
   前記対象物に対して所定の周波数において１周期の正弦波を有する超音波を送信し、
   前記処理部は、
   前記受信信号から前記振幅ゼロ点となる第１のゼロ点、第２のゼロ点及び第３のゼロ点を検出し、前記第１のゼロ点と前記第２のゼロ点の検出結果に基づいて、第１の信号を生成し、前記第２のゼロ点と前記第３のゼロ点の検出結果に基づいて、第２の信号を生成し、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて前記第２の分離信号を生成し、元の前記受信信号である前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との前記加算処理又は前記減算処理を行って、前記超音波エコーの前記ハーモニック成分を抽出することを特徴とする超音波測定装置。
4. 請求項３において、
   前記処理部は、
   前記第１の信号と前記第２の信号の波形の入れ替え処理を行い、前記入れ替え処理後の波形の結合処理を行うことにより、前記第２の分離信号を生成することを特徴とする超音波測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記処理部は、
   前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との前記減算処理を行って、前記減算処理後の信号に対してフィルター処理を行い、前記超音波エコーの三次以上のハーモニック成分を抽出することを特徴とする超音波測定装置。
6. 請求項１乃至５に記載の超音波測定装置と、
   前記超音波エコーの前記ハーモニック成分に基づいて生成された表示用画像データを表示する表示部と、
   を含むことを特徴とする超音波画像装置。
7. 対象物に対して所定の周波数において１周期以上の正弦波を有する超音波を送信する処理を行い、
   送信した前記超音波に対する超音波エコーの受信処理を行い、
   前記受信処理からの受信信号の振幅がゼロになる振幅ゼロ点を検出し、
   前記振幅ゼロ点の検出結果に基づいて前記受信信号から第１の分離信号と、前記第１の分離信号とは位相が１８０度異なる第２の分離信号とを生成し、
   前記第１の分離信号と前記第２の分離信号との加算処理又は減算処理を行って、前記超音波エコーのハーモニック成分を抽出することを特徴とする超音波測定方法。