JPH04198789A - 超音波診断用パルス圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は超音波診断用パルス圧縮装置に関し、特に超
音波を利用して生体等の被検体の特性を診断する超音波
診断用パルス圧縮装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、内視鏡の先端部に超音波振動子を配設し、こ
の超音波振動子から超音波パルスを発生して体内の診断
部からの反射エコーを受信波として捉え、且つこれを走
査することにより体内の断層像を得る超音波診断装置が
、種々開発されている。

このような診断装置は、通常パルス波を用いているので
、生体等の被検体の診断を行うに際して、診断距離を可
能な限り長く、且つ距離分解能を可能な限り良好にしよ
うとすると、送信パルスの振幅を大きくすることや振動
子の広帯域化が必須の条件となっていた。これらの条件
は、生体への安全性や実現するための回路、及び振動子
の製作上の限界等の問題から、現状では満足させること
が非常に困難なものであった。

そこで、超音波診断装置にレーダ等で実用化されている
パルス圧縮（周波数合成）という手法を応用して、診断
距離並びに分解能を飛躍的に向上させようとする発明が
なされている。すなわち、第２図に示されるように、超
音波の送信波に直線的なＦＭ変調（チャーブ）をかけて
送波を行う。

そして、受信時には受信波に整合フィルタをかけること
により、第３図に示されるような受信信号の圧縮を可能
にしたものである。上記整合フィルタは、受信波に対し
て圧縮波形が良好になるように、フィルタ特性をダイナ
ミックに可変にして最適化を図っている。そのため、予
め用意されたフィルタ関数を随時選択できるように、回
路系による相関演算手段によって実現している。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、生体内に於ける超音波の減衰は大きいもので
あり、反射エコーの戻ってくる深さに応じて、その反射
エコー信号、すなわち受信波の周波数成分は、第４図に
示されるようになっている。

つまり、高周波数帯域が減衰され、深いところでは低周
波成分しか受信波として得ることができないものであっ
た。

また、振動子に於いて、電気音響変換が行われる場合や
生体内の超音波が伝播する場合に位相歪みが発生して、
送信時に振動子に与えた信号波形とは、受信時の周波数
スペクトラムは、深さによっておよそ異なったものとな
る。

更に、パルス圧縮のための送信波、上述した従来例では
ＦＭ変調波（以下チャーブ波と称する）が生体内に伝播
され、分布する反射層からの反射エコーが受信波として
得られる基本原理について、次のように考えることがで
きる。時間ｔの関数として送信波をｆ（ｔ）、受信波を
ｇ　（ｔ）とし、生体内の反射層の分布を深さＸの関数
として「（Ｘ）とする。送信波は生体内に分布する反射
層で反射され、それぞれの反射層での孤立反射波が反射
層の間隔に対応する時間で遅延され、重畳された形で受
信波になる。また、上述したように、反射層の深さに応
じて反射層と振動子の間を送信波が往復すると、減衰や
位相歪みの影響を受ける。

この影響は、周波数に依存される一種のフィルタ関数と
して大きく捉えれば、送信波が深さによって異なるフィ
ルタ関数をかけられたものと考えられる。

これらの関数を用いて受信波を表すと、ｇ（ｔ）＝　ｆ
″ｈ（ｔ−ｘ、ｘ）ｒ（ｘ）ｄｘ　　　　−（１）但し
ｈ　（ｔ、ｘ）は送信波ｆ　（ｔ）を送信した場合の深
さＸから返送される孤立受信波を示す。

と考えられる。上記（１）式は任意の深さＸに於いて送
信波ｆ　（ｔ）が深さＸの関数でもある減衰、位相歪み
を受け、深さＸでの反射分布係数による重み付けにより
反射した孤立波形が、Ｘに従って重畳されていることを
意味している。したがって、説明を簡単にするために、
任意の深さＸだけからの反射波に着目し、それをフーリ
エ面でみると、Ｆｌｈ（ｔ、ｘ）ｌ−団（ｖ、ｘ）ｌｅ
−ｊθｕ（１／′”）　　−（２）ここでＦはｔに於け
るフーリエ変換を示し、θＢはフーリエ面に於ける各周
波成分の位相を示す。

パルス圧縮を行う場合は、参照波ｒｅｒ（ｔ）と受信波
ｇ　（ｔ）に相関演算が施されることになるから、孤立
受信波ｈ　（ｔ、ｘ）に対しても相関演算が施されるこ
とになる。つまり、 Ｆ　（ｈ　（ｔ、　　ｘ）★ｒｅｒ（ｔ））−１ｉｔ（
ｖ、ｘ）　１ｅ−ｊθ＋＋　（’　°ｘ）　−１Ｒｅ　
ｒ（ｖ　）　１　ｅ　ＪθＲ（ｖ）−ＩＨ（ｖ、ｘ）　
ｌ　１Ｒｅｒ（ｖ）　１ｅ−ｊ（０Ｈ（”ｘ）−θＲ（
ｖ）１・・・（３） ここで★は相関演算を示し、Ｒｅｆ　　（ｗ）はＲｅｆ
（ｗ）の複素共役を示す。

であり、パルス圧縮波を得るためには、（３）式に於い
て振幅成分ｌ１１（ｖ、ｘ）　ｌ　１Ｒｅｆ（ｖ）　ｌ
が所望する圧縮波形のパワースペクトラム、例えばガウ
シアン波形や２乗余弦波形のパワースペクトラムになる
ように決定されなければならない。且つ、位相項（θ□
　（ｗ、ｘ）−θｌｌ　（ｗ）ｌ　は、零としなければ
ならない。

ところが、上記（３）式に於ける振幅項、位相項の何れ
にしても、どちらも深さＸに依存していることがわかる
。これは、最適な参照波を深さに応じてダイナミックに
変化させることはもとより、減衰、位相歪みが既知でな
ければならないことになる。診断する生体の任意の深さ
に於いて、それを知ることは非常に困難であるから、浅
い部位から深い部位に渡って最適なパルス圧縮を行うこ
とは困難である。

固定参照波を使用する場合、例えば第２図及び第３図に
示されたように、チャーブ波を自己相関演算によって位
相整合をとろうとする場合、上記（３）式により、 Ｆ　　＋ｆ　　（ｔ）★ｆ（ｔ）］ −Ｐ（ｖ）ｅ’θ””　、Ｆ（ｖ）ｅｊθＦ（Ｖ）−Ｉ
Ｆ（Ｗ）＋２　　　　　　　　・・・（４）のようにな
らずに、第３図に示されるような良好な圧縮波形を得る
ことはできないことになる。

この発明は上記のような点に鑑みてなされたもので、診
断深さの浅い部位から深い部位に渡る全ての範囲に於い
て最適参照波を用意することなく良好なパルス圧縮が可
能で、その解像度及び感度を向上させた超音波診断用パ
ルス圧縮装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段〕 すなわちこの発明は、互いに周波数成分に於いて１８０
度の位相差を有して超音波振動子に送信するためのチャ
ーブ波形を発生する手段と、上記超音波振動子から得ら
れる上記位相差を有する２つのエコー信号を受信して蓄
積する手段と、この蓄積された２つのエコー信号につい
て相関演算を行う相関手段と、この相関手段で相関演算
された信号をフーリエ変換するフーリエ変換部と、この
フーリエ変換部でフーリエ変換されたスペクトラム信号
を１／２乗するスペクトラム処理部と、このスペクトラ
ム処理部で１／２乗された信号を逆フーリエ変換する逆
フーリエ変換部とを具備することを特徴とする。

［作　用］ この発明の超音波診断用パルス圧縮装置では、超音波振
動子に対して互いに位相が１８０度異なる第１及び第２
のチャーブ波信号が倍波発生手段で発生され、これらが
交互に切換えられて同一診断部位の反射エコーが２回受
信される。そして、バッファメモリで上記第１及び第２
のチャーブ波信号による第１及び第２の受信信号がＡ／
Ｄ変換されて一旦蓄積され、この蓄積された第１及び第
２の受信信号が相関手段で相関演算される。この相関演
算された後の信号からは、フーリエ変換手段にてフーリ
エ変換されて複素フーリエ信号としてスペクトラム処理
部で波形のパワーの平方根がとられた後、逆フーリエ変
換部で逆フーリエ変換されることにより、−走査線とし
ての超音波断層信号が得られる。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明の超音波診断用パルス圧縮装置の基
本構成を示したブロック構成図である。

同図に於いて、制御部１１からのコントロール信号１２
により所定のタイミングで第１及び第２のチャーブ波発
生部（チャーブ波発生部１、チャーブ波発生部２）１３
及び１４で発生された信号は、送信波選択部１５に於い
て交互に選択され、送信アンプ１６を介して超音波振動
子Ｉ７に送られる。この超音波振動子１７から発振され
、生体内の反射層から反射された超音波反射波は、超音
波振動子１７により再び電気信号として変換され、受信
信号として受信アンプ１Ｂ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ
）１９を介してサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）及びＡ／Ｄ
変換部２０に送られる。このＳ／Ｈ及びＡ／Ｄ変換部２
０は制御部１１からのコントロール信号２Ｉにより制御
されるもので、Ａ／Ｄ変換された受信信号データは、第
１のチャーブ波によるものは第１のバッファメモリ（バ
ッファメモリ１）２２に、第２のチャーブ波によるもの
は第２のバッファメモリ（バッファメモリ２）２３に、
それぞれ制御部１１のコントロール信号２４に従って選
択されて所定のタイミングで格納される。

これら第１及び第２のバッファメモリ２２及び２３に一
旦格納された受信データは、制御部１１からのコントロ
ール信号２５によって適宜相関部２６に送られる。そし
て、更に制御部２２からのコントロール信号２７に応じ
て、相関部２６からの出力がフーリエ変換部２８に送ら
れて変換された後、スペクトラム処理部２９にて平方根
がとられる。このスペクトラム処理部２９の出力は、制
御部１１からのコントロール信号３０により逆フーリエ
変換部３１で逆フーリエ変換された後観測装置３２に送
られる。

次に、同実施例の動作を説明する。

制御部１１からのコントロール信号Ｉ２によって、所定
のタイミングで第１及び第２のチャーブ波発生部１３及
び１４で第１のチャーブ波信号及び第２のチャーブ波信
号が発生される。これら第１及び第２のチャーブ波信号
は、その振幅、周波数帯域、持続時間は全く同一のもの
であるが、位相は互いに１８０度異ムクたものである。

そして、これら第１及び第２のチャーブ波信号は、送信
波選択部１５に於いて交互に選択され、送信アンプ１６
を介して超音波振動子１７に送られる。すなわち、生体
内での同一電圧に対して第１のチャーブ波信号と第２の
チャーブ波信号を、それぞれ１回、所定の間隔をおいて
送信して超音波診断像を形成する走査ラインの１走査ラ
インを、後続する処理により得ることになる。

こうして、超音波振動子１７から発振されて生体内の反
射層から反射された超音波反射波は、超音波振動子１７
により再び電気信号として変換され、受信信号として受
信アンプ１ｇ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１９を介し
てサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）及びＡ／Ｄ変換部２０に
送られる。このＳ／Ｈ及びＡ／Ｄ変換部２０のサンプル
ホールド及びＡ／Ｄ変換の実行タイミングは、制御部１
１からのコントロール信号２１により制御される。そし
て、ここでＡ／Ｄ変換された受信信号データは、それぞ
れ制御部１１のコントロール信号２４に従って、第１の
チャーブ波によるものは第１のバッファメモリ２２に、
第２のチャーブ波によるものは第２のバッファメモリ２
３に選択されて、所定のタイミングで格納される。これ
ら第１及び第２のバッファメモリ２２及び２３に一旦格
納された受信データは、制御部１１からのコントロール
信号２５によって適宜相関部２Ｂに送られ、この相関部
２・６に於いて第１のチャーブ波の受信データと第２の
チャーブ波の受信データとの相関演算がなされる。

このことは、上述した原理説明の式に対応させて説明す
ると次のようになる。上記（３）式に於いて、第１のチ
ャーブ波による深さＸからの受信波をｈ　（ｔ、ｘ）と
すると、第１のチャーブ波による同受信波は参照波に相
当し、 Ｆｌｒｅ４（ｔ）ｌ−Ｈ（ｖ、ｘ） −１８（ｖ、ｘ）　ｌｅｊθＨ（ＷｏＸ）　　　、、、
　＜　ｃ、　＞と考えられる。

これら２つの信号の相関演算を行うことは、フーリエ面
に於いて、 Ｐ（ｈ（ｔ、ｘ）＊ｒｅｆ（を月−ＩＨ（ｖ、ｘ）　１
２−（６）であるから、任意の深さＸでの生体特有の減
衰、位相歪みを含めた反射層の分布を示す項に、位相整
合されたチャーブ波ＩＨ（ｗ、ｘ）１２、すなわち同周
波数分布を有するパルス波がかかったことになる。

結局、上記（１）式より第１及び第２の受信波の相関後
は、 ＰＩｇ＋（ｔ）＊ｇ２（ｔ）１ −ｊθＲ（ＶＸ） −ＩＲ（ｗｘ）　Ｉｅ　　　　　　・ＩＲ（Ｗ）　Ｉｅ
−ｊｏＲ（ｖｘ）・ＩＨ（ｗ、ｘ）１２−　ＩＲ（ｖｘ
）　ｌ　２ｅ−ｊ２θＲ（”　・ＩＩＩ（ｗ、ｘ）１２
・・・（７） である。反射層分布Ｉ　Ｒ（ｗ　ｘ　）　　ｌ　ｅ−ｊ
ｏ”ｘ）ハ、上記処理後は（７）式の如く２乗されてい
るので、フーリエ変換部２８によって一旦フーリエ変換
された後、数値演算によってスペクトラム処理部２９に
於いて平方根がとられる。ここで、スペクトラムのパワ
ーは１／２乗され、その位相は半分に処理される。

こうした処理後のデータは、 Ｉ　Ｒ（ｗ、　）　　ｌ　ｅ−ｊｏＲ（ｖｘ）Ｉ　Ｈ（
ｗ、　　ｘ）　　ｌとなり、ＩＨ（ｗ、ｘ）ｌの周波数
成分を有するパルス波（これは深さＸによって変化する
が、パルス波に近い）が、反射層分布に従って配列され
ている波形情報をもつ。

したがって、これを逆フーリエ変換部３１にて実面上の
波形データに変換する。これによって、生体内の深さに
応じて変化する帯域成分を有するパルス波形で得られた
かのような超音波反射像の信号を得る。但し、この信号
はチャーブ波を位相整合したものであるから、そのピー
ク値の振幅は大きく得られるものである。

こうして逆フーリエ変換部で逆フーリエ変換された信号
は、観測装置３２に送られ、診断像として観測すること
ができる。

このように、チャーブ波送信による受信波が、生体の深
さに応じて変化する帯域を維持しながら位相を整合して
ゆくため、深、さに応じた帯域を有するパルスによって
成形される反射エコーを得ることができる。

故に、受信波に対して整合することのできない参照波と
相関を行うことによるパルス圧縮波形の悪化を除去する
ことができ、良好な圧縮波形を得ることが可能となる。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、診断深さの浅い部位か
ら深い部位に渡る全ての範囲に於いて最適参照波を用意
することなく良好なパルス圧縮が可能となり、その解像
度及び感度を向上させた超音波診断用パルス圧縮装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の超音波診断用パルス圧縮装置の基本
構成を示したブロック構成図、第２図及び第３図は従来
のパルス圧縮技術を説明するもので、第２図は超音波の
送信波に直線的なＦＭ変調をかけた例を示した図、第３
図は受信波に整合フィルタをかけて信号圧縮した例を示
した図、第４図は従来のエコースペクトルの感度特性を
生体の深さに対して示した特性図である。 １１・・・制御部、１３・・・第１のチャーブ波発生部
（チャーブ波発生部１）、１４・・・第２のチャーブ波
発生部（チャーブ波発生部２）、１５・・・送信波選択
部、１６・・・送信アンプ、ＩＩ・・・超音波振動子、
１８・・・受信アンプ、１９・・・ローパスフィルタ（
ＬＰＦ）、２０・・・サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）及び
Ａ／Ｄ変換部、２２・・・第１のバッファメモリ（バッ
ファメモリ１）、２３・・・第２のバッファメモリ（バ
ッファメモリ２）、２６・・・相関部、２８・・・フー
リエ変換部、２９・・・スペクトラム処理部、３１・・
・逆フーリエ変換部、３２・・・観測装置。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 互いに周波数成分に於いて１８０度の位相差を有して超
   音波振動子に送信するためのチャープ波形を発生する手
   段と、 上記超音波振動子から得られる上記位相差を有する２つ
   のエコー信号を受信して蓄積する手段と、この蓄積され
   た２つのエコー信号について相関演算を行う相関手段と
   、 この相関手段で相関演算された信号をフーリエ変換する
   フーリエ変換部と、 このフーリエ変換部でフーリエ変換されたスペクトラム
   信号を１／２乗するスペクトラム処理部と、 このスペクトラム処理部で１／２乗された信号を逆フー
   リエ変換する逆フーリエ変換部と を具備することを特徴とする超音波診断用パルス圧縮装
   置。