特許 6132337 超音波診断装置及び超音波画像構築方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6132337

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】超音波診断装置及び超音波画像構築方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/14 20060101AFI20170515BHJP

【ＦＩ】

   A61B8/14ZDM

【請求項の数】5

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2013-90933(P2013-90933)

(22)【出願日】2013年4月24日

(65)【公開番号】特開2014-212872(P2014-212872A)

(43)【公開日】2014年11月17日

【審査請求日】2016年2月9日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 「非接触超音波の医療分野への応用に関する実現性の検討」地域イノベ医工連携フォーラム、一般社団法人・首都圏産業活性化協会（ＴＡＭＡ協会）、平成２５年３月５日（火）開催でのパワーポイント資料にて発表

(73)【特許権者】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100067736

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100096677

【弁理士】

【氏名又は名称】伊賀 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100106781

【弁理士】

【氏名又は名称】藤井 稔也

(72)【発明者】

【氏名】グレゴリー トーマス クレメント

(72)【発明者】

【氏名】鎌倉 友男

(72)【発明者】

【氏名】野村 英之

(72)【発明者】

【氏名】安達 日出夫

【審査官】 冨永 昌彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２７６３１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ８／００ − ８／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定媒体の表面から離間した位置に配置されて、１次音源としての集束超音波を発生する集束超音波発生手段と、
上記集束超音波発生手段によって照射された集束超音波を上記被測定媒体の表面直下に集束点を有するように制御する集束点位置合せ手段とをそれぞれ含む複数の集束超音波制御回路ユニットを備え、
上記複数の集束超音波制御回路ユニットによって、上記被測定媒体の表面に超音波を集束させて複数の２次音源を形成し、該２次音源に基づいて被測定媒体の内部を伝搬する２次送信超音波によって形成される合成波面を制御する送信ビームフォーミング手段を更に備える超音波診断装置。

【請求項2】

上記集束点位置合せ手段は、上記集束点の位置を上記集束超音波の伝搬方向に沿って可変する集束点位置可変手段を含むことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。

【請求項3】

集束超音波を発生する集束超音波発生手段と、
上記集束超音波発生手段によって照射された集束超音波を被測定媒体の表面直下に位置するように制御する集束点位置合せ手段と、
上記集束点位置合せ手段によって上記被測定媒体の表面直下に形成される２次音源に基づいて該被測定媒体の内部を伝搬する２次送信超音波パルスを、該被測定媒体の内部の関心領域に対して１次元又は２次元に走査して、該関心領域における該２次送信超音波パルスの裏面への透過超音波パルス、又は音響インピーダンス境界で反射したパルスエコー信号の特徴値に基づいて画像形成する画像形成手段とを備える超音波診断装置。

【請求項4】

対象物の表面に離間した空中位置から該対象物の表面直下に２次点音源を形成する集束超音波発生手段と、
上記２次点音源から上記対象物の深部に向かって２次送信超音波パルスを発生させる手段と、
上記２次送信超音波パルスが上記対象物を透過して該対象物の裏面に到達した透過超音波パルスを該対象物の裏面側で、又は、該対象物の内部にある音響インピーダンス境界で反射したパルスエコー信号を該対象物の表面側で受信し、電気信号に変換する手段と、
上記電気信号の特徴値を記憶する記憶手段と、
上記対象物の表面の関心領域範囲で上記２次点音源の焦点が面内の直交した方向に該焦点の面内座標を上記記憶手段に記憶させながら機械的に相対的移動させる機械的移動手段と、
上記記憶手段に記憶した電気信号の特徴値と２次点音源の面内座標の間の相関をとることによって超音波画像を構築する画像構築手段とを備えることを特徴とする超音波診断装置。

【請求項5】

集束超音波発生手段によって、被測定媒体の表面から離間した第１の音源から超音波を送信し、
集束点位置合せ手段によって、上記被測定媒体の表面に上記第１の音源の音響焦点を結ぶようにして第２の音源を形成し、
上記第２の音源によって、上記被測定媒体の内部を伝搬する透過又は反射超音波パルスを生成し、
受信手段によって、透過又は反射超音波パルスを受信して、画像形成のための信号処理を行うことによって超音波診断画像を構築する超音波画像構築方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波診断装置及び超音波画像構築方法に関し、特に、非接触で被測定対象物の超音波画像を得ることができる超音波診断装置及び超音波画像構築方法に関する。

【背景技術】

【0002】

医療用超音波画像診断は、高分解能な画像が得られること、装置の小型化により移動利便性が向上してきたこと、放射線被ばくがないこと等から、広く普及している。また、将来的にはさらなる低消費電力化や超小型化の余地が大きく、トランスデューサと信号処理回路を一体化し、画像構築のためのホスト装置とワイヤレスで接続することができる体表貼付け型や体内埋込型にすることによって、いつでも、どこでも、だれでも利用し、受診することができるユビキタス装置への展開の可能性が、ＭＲＩ（核磁気共鳴、Magnetic Resonance Imaging）装置やＣＴ（コンピュータ断層撮影、Computed Tomography）装置に比較して圧倒的に大きい。

【0003】

ところで、現状では携帯型の装置が市販され始め、ネットワークを利用した遠隔診断が可能になりつつあるが、装置と超音波診断用プローブとを結ぶケーブルは依然として存在している。また、超音波診断用プローブの大きさも携帯型とは言いながら、旧来の据置型装置のものと大差ないのが実状である。特に、音響カプラを介して、超音波診断用プローブを被験者の体表に押し付けて超音波診断するスタイルは変わっていない。したがって、体表に傷があったり、体表を押し付けるのを避けたい患者にとっては、好ましい診断手法とは言えず、ＭＲＩやＣＴのような非接触診断が望まれている。しかしながら、超音波は、空中を伝搬しにくいという基本特性上、超音波診断プローブを体表から離間させて超音波診断を行うという方法は、不可能とされてきた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−２７６３１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１には、空気中を伝搬する超音波を用いて、非接触で材料表面性状、内部欠陥あるいは異常部を検出、評価する空気超音波診断システムが開示されている。特許文献１のシステムでは、空中用アレイ型超音波振動子を用いて非接触で被測定対象物中に伝搬超音波の焦点を結ばせて、超音波ビームの位相制御（フェーズドアレイ走査）を行うことによって、フォーカシング、ステアリングを行い、超音波診断画像を構築する。

【0006】

ところで、超音波ビームの入射角θ_１と屈折角θ_２との間にはスネルの法則が成り立ち、空中の音速ｖ_１、生体内の音速ｖ_２とすると以下の関係がある。

【0007】

ｓｉｎθ_１／ｓｉｎθ_２＝ｖ_１／ｖ_２ （１）

【0008】

ここで、空中の音速ｖ_１＝３４０ｍ／ｓ、生体の音速ｖ_２＝１５００ｍ／ｓとすると、入射角θ_１が１３°程度を超えると、θ_２は９０°以上になり、空中の超音波は、生体内部には伝搬しないこととなる。

【0009】

一方、異なる媒体の境界における超音波の反射率に注目すると、反射率Ｒは、以下のように表わされる。

【0010】

Ｒ＝（ｖ_２ρ_２−ｖ_１ρ_１）／（ｖ_２ρ_２＋ｖ_１ρ_１）
＝（ｚ_２−ｚ_１）／（ｚ_２＋ｚ_１） （２）

【0011】

ここで、ρ_１は、空気の密度であり、１．２９３ｋｇ／ｍ^３、ρ_２は水の密度であり、生体内の密度にほぼ等しく、１０００ｋｇ／ｍ^３である。また、空気の固有音響インピーダンスｚ_１＝ｖ_１ρ_１，水の固有音響インピーダンスｚ_２＝ｖ_２ρ_２であり、ｚ_１≪ｚ_２だから、（２）式よりＲ≒１となる。つまり、空中から生体に向けて垂直に超音波を入射してもほぼ全て反射されてしまうのである。したがって、特許文献１の方法を用いても、固有音響インピーダンスが大きく異ならない材料について内部評価が可能であったとしても、空中から生体内に超音波を発信しても、生体内の超音波画像構築のための超音波伝搬を実現することはできないとの問題がある。

【0012】

そこで、本発明は、非接触で生体組織内を伝搬可能な超音波ビームを形成して超音波画像構築を可能にする超音波診断装置及び超音波画像構築方法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】

【0013】

上述の課題を解決するために、本発明の一実施の形態に係る超音波診断装置は、被測定媒体の表面から離間した位置に配置されて、１次音源としての集束超音波を発生する集束超音波発生手段と、集束超音波発生手段によって照射された集束超音波を被測定媒体の表面又は直下に集束点を有するように制御する集束点位置合せ手段とをそれぞれ含む複数の集束超音波制御回路ユニットを備え、上記複数の集束超音波制御回路ユニットによって、上記被測定媒体の表面に超音波を集束させて複数の２次音源を形成し、該２次音源に基づいて被測定媒体の内部を伝搬する２次送信超音波によって形成される合成波面を制御する送信ビームフォーミング手段を更に備える。

【0014】

また、本発明の他の実施の形態に係る超音波診断装置は、集束超音波を発生する集束超音波発生手段と、集束超音波発生手段によって照射された集束超音波を被測定媒体の表面直下に位置するように制御する集束点位置合せ手段と、集束点位置合せ手段によって被測定媒体の表面直下に形成される２次音源に基づいて被測定媒体の内部を伝搬する2次送信超音波パルスを、被測定媒体の内部の関心領域に対して１次元又は２次元に走査して、関心領域における2次送信超音波パルスの裏面への透過超音波、又は音響インピーダンス境界で反射したパルスエコー信号の特徴値に基づいて画像形成する画像形成手段とを備える。

【0015】

また、本発明の他の実施の形態に係る超音波診断装置は、対象物の表面に離間した空中位置から対象物の表面直下に2次点音源を形成するための集束超音波発生手段と、2次点音源から対象物の深部に向かって２次送信超音波パルスを発生させる手段と、２次送信超音波パルスが対象物を透過して対象物の裏面に到達した透過超音波パルスを対象物の裏面側で、又は対象物の内部にある音響インピーダンス境界で反射したパルスエコー信号を対象物の表面側で受信し、電気信号に変換する手段と、電気信号の特徴値を記憶する記憶手段と、対象物の表面の関心領域範囲で２次点音源の焦点が面内の直交した方向に焦点の面内座標を記憶手段に記憶させながら機械的に相対的移動させる機械的移動手段と、記憶手段に記憶した電気信号の特徴値と２次点音源の面内座標の間の相関をとることによって超音波画像を構築する画像構築手段とを備える。

【0016】

本発明の一実施の形態に係る超音波画像構築方法は、集束超音波発生手段によって、被測定媒体の表面から離間した第１の音源から超音波を出力し、集束点位置合せ手段によって、被測定媒体の表面に第１の音源の音響焦点を結ぶようにして第２の音源を形成し、第２の音源によって、被測定媒体の内部を伝搬する伝搬超音波を生成し、受信手段によって、伝搬超音波を受信して、画像形成のための信号処理を行うことによって超音波診断画像を構築する。
本発明の他の実施の形態に係る超音波画像構築方法は、集束超音波発生手段によって、被測定媒体の表面から離間した第１の音源から超音波を出力し、集束点位置合せ手段によって、被測定媒体の表面に第１の音源の音響焦点を結ぶようにして第２の音源を形成して被測定媒体の表面形状を記憶する段階と、集束点位置合せ手段によって、記憶した被測定媒体の表面に沿って再度第２の音源を形成し、第２の音源によって被測定媒体の内部を伝搬する伝搬超音波を生成し、伝搬超音波を受信して、画像形成のための信号処理を行うことによって超音波診断画像を構築する段階とを有する。

【0017】

本出願に係る第１の発明は、被測定媒体の表面から離間した位置に配置されて、１次音源としての集束超音波を発生する集束超音波発生手段と、上記集束超音波発生手段によって照射された集束超音波を上記被測定媒体の表面直下に集束点を有するように制御する集束点位置合せ手段とを備える超音波診断装置である。
また、本出願に係る第２の発明は、上記集束超音波発生手段と上記集束点位置合せ手段とをそれぞれ含む複数の集束超音波制御回路ユニットを備え、上記複数の集束超音波制御回路ユニットによって、上記被測定媒体の表面に超音波を集束させて複数の２次音源を形成し、該２次音源に基づいて被測定媒体の内部を伝搬する２次送信超音波によって形成される合成波面を制御する送信ビームフォーミング手段を更に備えることを特徴とする上記第１の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第３の発明は、上記集束点位置合せ手段は、上記集束点の位置を上記集束超音波の伝搬方向に沿って可変する集束点位置可変手段を含むことを特徴とする上記第１の発明に記載の超音波診断装置である。
また、本出願に係る第４の発明は、上記集束点位置可変手段は、超音波トランスデューサアレイを構成する複数の超音波トランスデューサエレメントを駆動する信号ごとに位相差を与える位相差制御手段を有することを特徴とする上記第３の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第５の発明は、上記超音波トランスデューサアレイは、湾曲した２次元アレイ構造のコンポジット圧電振動子と、該コンポジット圧電振動子の超音波送受側に同じ曲率で湾曲し接合配置させた音響整合層と、該コンポジット圧電振動子の超音波送受側と反対側に、その表面が同じ曲率半径の凹曲面を有し、該コンポジット圧電振動子の超音波送受側と反対側の面に接合されたバッキング層とを含むことを特徴とする上記第４の発明に記載の超音波診断装置である。
また、本出願に係る第６の発明は、上記超音波トランスデューサアレイは、リニアアレイ、セクターアレイ、アニュラアレイのいずれか、又はこれらを複合したビーム走査ができる構造であることを特徴とする上記第４の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第７の発明は、上記集束点位置合せ手段は、上記超音波トランスデューサアレイと、上記被測定媒体の表面との距離を計測する離間距離計測手段を更に有し、上記離間距離計測手段は、上記位相差制御手段に上記距離の情報をフィードバックすることによって離間距離を計測することを特徴とする上記第４の発明に記載の超音波診断装置である。
また、本出願に係る第８の発明は、上記被測定媒体を透過した上記２次送信超音波の合成波面からなる合成超音波ビームを、該被測定媒体の表面とは反対側の面で、透過超音波として非接触で検出する非接触検出手段を更に備えることを特徴とする上記第２の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第９の発明は、上記被測定媒体を伝搬する合成超音波ビームが音響インピーダンス境界で反射することによって得られるパルスエコー信号を該被測定媒体の表面側で非接触で検出する非接触検出手段を更に備えることを特徴とする上記第２の発明に記載の超音波診断装置である。
また、本出願に係る第１０の発明は、上記集束超音波発生手段は、超音波トランスデューサと、上記超音波トランスデューサに振幅変調電圧信号を印加する駆動制御手段とを有することを特徴とする上記第１の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第１１の発明は、集束超音波を発生する集束超音波発生手段と、上記集束超音波発生手段によって照射された集束超音波を被測定媒体の表面直下に位置するように制御する集束点位置合せ手段と、上記集束点位置合せ手段によって上記被測定媒体の表面直下に形成される２次音源に基づいて該被測定媒体の内部を伝搬する２次送信超音波パルスを、該被測定媒体の内部の関心領域に対して１次元又は２次元に走査して、該関心領域における該２次送信超音波パルスの裏面への透過超音波パルス、又は音響インピーダンス境界で反射したパルスエコー信号の特徴値に基づいて画像形成する画像形成手段とを備える超音波診断装置である。
また、本出願に係る第１２の発明は、上記特徴値は、上記透過超音波パルス又は上記パルスエコー信号の最大振幅値を含むことを特徴とする上記第１１の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第１３の発明は、上記特徴値は、上記透過超音波パルス又は上記パルスエコー信号の高調波成分の最大振幅値を含むことを特徴とする上記第１１の発明に記載の超音波診断装置である。
また、本出願に係る第１４の発明は、上記特徴値は、上記透過超音波パルス又は上記パルスエコー信号の基本波成分の位相検波値を含むことを特徴とする上記第１１の発明に記載の超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第１５の発明は、上記特徴値は、上記透過超音波パルス又は上記パルスエコー信号の高調波成分の位相検波値を含むことを特徴とする上記第１１の発明に記載の超音波診断装置である。
また、本出願に係る第１６の発明は、対象物の表面に離間した空中位置から該対象物の表面直下に２次点音源を形成する集束超音波発生手段と、上記２次点音源から上記対象物の深部に向かって２次送信超音波パルスを発生させる手段と、上記２次送信超音波パルスが上記対象物を透過して該対象物の裏面に到達した透過超音波パルスを該対象物の裏面側で、又は、該対象物の内部にある音響インピーダンス境界で反射したパルスエコー信号を該対象物の表面側で受信し、電気信号に変換する手段と、上記電気信号の特徴値を記憶する記憶手段と、上記対象物の表面の関心領域範囲で上記２次点音源の焦点が面内の直交した方向に該焦点の面内座標を上記記憶手段に記憶させながら機械的に相対的移動させる機械的移動手段と、上記記憶手段に記憶した電気信号の特徴値と２次点音源の面内座標の間の相関をとることによって超音波画像を構築する画像構築手段とを備えることを特徴とした超音波診断装置である。
さらに、本出願に係る第１７の発明は、集束超音波発生手段によって、被測定媒体の表面から離間した第１の音源から超音波を送信し、集束点位置合せ手段によって、上記被測定媒体の表面に上記第１の音源の音響焦点を結ぶようにして第２の音源を形成し、上記第２の音源によって、上記被測定媒体の内部を伝搬する透過又は反射超音波パルスを生成し、受信手段によって、透過又は反射超音波パルスを受信して、画像形成のための信号処理を行うことによって超音波診断画像を構築する超音波画像構築方法である。
また、本出願に係る第１８の発明は、上記生成された２次送信超音波を、上記被測定媒体の内部にある関心領域に対して１次元又は２次元に走査することを特徴とする上記第１７の発明に記載の超音波画像構築方法である。
さらに、本出願に係る第１９の発明は、上記第２の音源は、上記第１の音源による集束超音波を用いた音響放射圧に基づくことを特徴とする上記第１７の発明に記載の超音波画像構築方法である。
また、本出願に係る第２０の発明は、集束超音波発生手段によって、被測定媒体の表面から離間した第１の音源から超音波を送信し、集束点位置合せ手段によって、該被測定媒体の表面に上記第１の音源の音響焦点を結ぶようにして第２の音源を形成して該被測定媒体の表面形状を記憶する段階と、上記集束点位置合せ手段によって、上記記憶した被測定媒体の表面に沿って再度第２の音源を形成し、該第２の音源によって上記被測定媒体の内部を伝搬する超音波を生成し、透過又は反射超音波パルスを受信して、画像形成のための信号処理を行うことによって超音波診断画像を構築する段階とを有する超音波画像構築方法である。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、表面又はその直下に集束点を有する集束超音波によって２次音源が被測定媒体を伝搬する伝搬超音波を生成するので、非接触で超音波診断画像を構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明が適用された超音波診断装置を用いた超音波診断の手法を説明するための概念図である。

【図2】本発明が適用された超音波診断装置の構成例の主要部を示すブロック図である。

【図3】本発明が適用された超音波診断装置の構成例のうち画像構築の部分を示すブロック図である。

【図4】本発明が適用された超音波診断装置に用いる集束型超音波トランスデューサの構成例を概念的に示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は各トランスデューサエレメントの配線を示す斜視図である。

【図5】本発明が適用された超音波診断装置に用いる集束型超音波トランスデューサアレイの他の構造例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡＡ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）図のＢＢ’線における断面図である。

【図6】本発明の超音波診断装置の動作原理である音響放射圧を説明するための模式図である。

【図7】本発明の超音波診断装置の動作原理である音響放射圧を利用した２次音源による伝搬超音波生成を説明するための模式図である。（Ａ）図は、伝搬超音波を送信する状態を示し（Ｂ）図は、被測定対象物で反射された超音波エコーを受信する状態を示す。

【図8】音響放射圧を生成するためのサイン波の振幅変調波の波形を示す図である。

【図9】本発明の超音波診断装置において、生体内を伝搬する伝搬超音波の波形の例を示す概念図である。（Ａ）図、（Ｂ）図、（Ｃ）図の順で粘弾性特性が大きくなる場合の伝搬超音波の波形である。

【図10】本発明の超音波診断装置において、体表に２次音源を生成する過程を説明するための概念図である。

【図11】集束型超音波トランスデューサアレイから発信される信号の遅延時間のパターンを変化させることによって、体表で反射されて受信される出力信号パターンの大きさを測定して体表上の焦点位置を探索する手順を説明するための図である。（Ａ）図及び（Ｂ）図は、遅延時間パターンの異なる発信信号波形を示す図である。（Ｃ）図は、（Ａ）図に対応する受信信号の出力信号パターンを示す図であり、（Ｄ）図は、（Ｂ）図に対応する受信信号の出力信号パターンを示す図である。

【図12】集束型超音波トランスデューサアレイによって形成された２次音源が体内を伝搬して合成波面を形成することを説明するための概念図である。

【図13】伝搬超音波によって超音波画像構築が可能であることを示す実験のための環境の概略図である。

【図14】（Ａ）は、図１２の構成で、４０ｋＨｚの伝搬超音波を用いて測定された超音波画像の測定値である。（Ｂ）は、４０ｋＨｚの伝搬超音波を用いた超音波画像のコンピュータシミュレーション値である。（Ｃ）は、４００ｋＨｚの伝搬超音波を用いた超音波画像のコンピュータシミュレーション値である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は、以下の順序にしたがって行う。

【0021】

１．超音波診断システムの構成例
２．超音波診断装置の構成例
２−１．超音波診断装置の回路構成例
２−２．超音波トランスデューサの構成例
３．動作原理及び動作
３−１．２次音源の形成
３−２．集束点制御
３−３．超音波ビームフォーミング
３−４．受信ビームフォーミング
４．模擬実験

【0022】

１．超音波診断システムの構成例
本発明が適用された超音波診断装置１が用いられた超音波診断システム４０は、図１に示すように、たとえば天井裏に設置された超音波診断装置本体１ａと、超音波診断装置本体１ａから延びる配線２ａが多関節マニピュレータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ内を通って接続される集束型超音波トランスデューサアレイ５０を有する超音波プローブ５０ａとを備えている。超音波診断システム４０は、超音波プローブ５０ａによって取得した超音波画像構築のためのデータに信号処理を行い、配線２ｂを介して接続されるモニタ３２に表示する。

【0023】

多関節マニピュレータは、天井に固定された固定アーム７ｄと、固定アーム７ｄに第１関節８ｃによって自在に回動可能に接続された第１アーム７ｃと、第１アーム７ｃに第２関節によって自在に回動可能に結合された第２アーム７ｂと、第２アームに第３関節８ａによって自在に回動可能に接続された３軸変位アーム７ａとを有する。３軸変位アーム７ａの先端には、集束型超音波トランスデューサアレイ５０を有する超音波プローブ５０ａが接続される。超音波プローブ５０ａは、操作者３が一方の手で３軸変位アーム７ａを把持して、ベッド９に横臥する被験者６の体表から離間して保持される。３軸変位アーム７ａは、水平面に対して常に鉛直方向を維持するように配置されるので、超音波プローブ５０ａの測定面は、水平面に対して常に水平方向を維持される。多関節マニピュレータ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの各関節８ａ，８ｂ，８ｃによって、操作者３は、被験者６の体表に沿って超音波プローブ５０ａを水平方向及び鉛直方向に自在に移動することができる。各関節８ａ，８ｂ，８ｃには、エンコーダが内蔵されており、超音波プローブ５０ａの位置は、エンコーダ出力情報に基づいて正確に同定することができる。

【0024】

操作者３は、超音波プローブ５０ａを動かしてモニタ３２を見ながら観測箇所を確認することができる。また、他方の手に持ったリモコン５によって、モニタ３２を見ながら超音波診断装置本体１ａに対して指示を送信し、画像の描画モード等を制御することもできる。

【0025】

なお、図１に示す超音波診断システム４０では、超音波プローブ５０ａを構成する集束型超音波トランスデューサアレイ５０が、超音波の発信及び受信を行うトランスデューサとして機能し、超音波の反射波（エコー波）を測定する場合の構成を示している。このほかにも、超音波プローブには、超音波の発信を行う超音波振動子を用い、被験者に対して反対側に設置された超音波受信器を用いて（図１の場合では、ベッド側に設置）、被験者の体内を透過した超音波を測定するようにしてもよいのは言うまでもない。

【0026】

２．超音波診断装置の構成例
上述した超音波診断システム４０を構成する本発明が適用された超音波診断装置１は、図２に示すように、超音波を送受信する集束型超音波トランスデューサアレイ５０と、集束型超音波トランスデューサアレイ５０に接続され、電気信号に変換された超音波信号を入出力する制御回路ユニット１０と、制御回路ユニット１０に接続され、制御回路ユニット１０に対して体内組織のイメージングのための送信用ビームフォーミングを行う体内組織のイメージング用送信ビームフォーマ１７とを備える。

【0027】

また、図３に示すように、超音波診断装置１は、制御回路ユニット１０からの信号を入力して体内組織のイメージングのための受信用ビームフォームを形成する体内組織のイメージング用受信ビームフォーマ２５と、体内組織のイメージング用受信ビームフォーマ２５からの信号に対して、パルス圧縮、位相検波、フィルタリング等の信号処理を行う信号処理部２９と、信号処理部２９において信号処理された画像信号にしたがって表示画像構築を行うスキャンコンバータ３０と、スキャンコンバータ３０の出力信号に基づいて所定の画像処理を行う画像処理部３１と、画像処理部３１によって処理が施された画像信号を表示するモニタ３２とを備える。

【0028】

体内組織のイメージング用送信ビームフォーマ１７及び体内組織のイメージング用受信ビームフォーマ２５は、超音波診断装置１の動作を設定し、測定の手順等を司る処理部（ＣＰＵ，Central Processing Unit）２６と、処理部２６が実行する命令を展開し、処理データを格納する記憶部（メモリ）２７とともにバス２８に接続され、バス２８を介して、処理部２６からの命令の実行、処理等を行う。処理部２６は、たとえばマイクロプロセサやマイクロコントローラ等であり、記憶部２７は、マイクロプロセサに内蔵された揮発性メモリあるいは不揮発性メモリである。記憶部２７は、マイクロプロセサに外付けされた揮発性メモリあるいは不揮発性メモリであってもよい。バス２８は、マイクロコンピュータシステムにおいて標準的に用いられるバス、たとえばＩＳＡバスやＰＣＩバス等でもよく、専用に設計されたバスであってもよい。なお、バス２８を介して、処理部２６及び記憶部２７が別体の、たとえばスタンドアロンのパーソナルコンピュータやワークステーションが接続されるように構成されてもよい。

【0029】

制御回路ユニット１０は、本発明が適用された超音波診断装置１の中核をなすユニットである。制御回路ユニット１０は、複数個のトランスデューサエレメント６１が１次元状に配列されたカラムアレイ６０ごとに用意され、対応するカラムアレイ６０に接続される。

【0030】

制御回路ユニット１０は、図２の破線内のブロック図で示されるように、体内組織の超音波画像イメージングを行うための伝搬超音波ビームの形態を設定する体内組織のイメージング用送信ビームフォーマ１７が生成する信号に基づいて、送信ビームステアリング及び／又は送信ビームフォーミング用の遅延時間のパターンを生成するビームステアリング用遅延時間パターン生成部１５と、被験者６の体表又はその直下に２次音源を形成するための集束点距離制御用の遅延時間のパターンを生成する２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６とを有する。制御回路ユニット１０は、ビームステアリング用遅延時間パターン生成部１５及び２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６で生成された遅延時間パターンを遅延加算する遅延時間加算部１４を有する。また、遅延時間加算部１４の出力信号をサイン波の振幅変調波に変換して被験者６の体表に２次音源を形成する２次音源形成用送信ビームフォーマ１３を有している。２次音源形成用送信ビームフォーマ１３が出力する振幅変調波は、トランスデューサエレメント６１を駆動することができる振幅に増幅するパルサに送られて、それぞれのトランスデューサエレメント６１を駆動する。制御回路ユニット１０は、１列分のカラムアレイユニット６０を構成するトランスデューサエレメント６１の個数分だけパルサを配列したパルサアレイ１２を有する。パルサアレイ１２の出力は、マルチプレクサ１１を経由して、配線束７０によって集束型超音波トランスデューサアレイ５０を構成するそれぞれのトランスデューサエレメント６１に供給される。

【0031】

上述した超音波を発生し、送信する経路とともに、制御回路ユニット１０は、超音波を受信し、信号処理する経路を有している。すなわち、制御回路ユニット１０は、集束型超音波トランスデューサアレイ５０を構成するトランスデューサエレメント６１で受信され、電気信号に変換された超音波信号がマルチプレクサ１１を介して入力されるレシーバアレイ１８と、レシーバアレイ１８で信号処理された信号が入力され、それぞれの信号を遅延加算処理する受信ビームフォーマ１９とを有する。受信ビームフォーマ１９の出力は、ＳＷ２０を介して、受信信号の最大値を検出する最大値検出部２１又は受信信号のドップラシフトを検出するドップラシフト検出部２３に選択的に接続される。体表に超音波を集束させる超音波集束モードの場合には、集束型超音波トランスデューサアレイ５０を有する超音波プローブ５０ａと被験者６の体表との離間距離を測定し、ＳＷ２０は、受信ビームフォーマ１９の出力が最大値検出部２１と接続するように制御信号入力用端子２０１を有したＳＷ２０を介して制御される。また、被験者６の体表に超音波を集束させ、２次音源を形成して、被験者の体内を伝搬する伝搬超音波によって超音波画像構築する超音波画像構築モードの場合には、ＳＷ２０は、受信ビームフォーマ１９の出力がドップラシフト検出部２３に接続されるように制御される。ＳＷ２０の制御は、好ましくは、制御信号入力用端子２０１を有したｓｗ２０を介して処理部２６の指示にしたがって実行される。

【0032】

受信ビームフォーマ１９が接続された最大値検出部２１は、受信信号の最大値を検出して２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６に入力し、送信信号パターン及び検出された受信信号に基づいて離間距離演算部２４によって被験者６の体表と超音波プローブとの離間距離を測定し、バス２８を介して処理部２６に離間距離情報を伝送する。なお、本明細書では、２次音源とは、実体のあるトランスデューサ等を示すものではなく、前記の集束型超音波トランスデューサアレイ５０によって体表に形成された集束点を言うものとする。

【0033】

受信ビームフォーマ１９が接続されたドップラシフト検出部２３の出力は、ドップラシフトされた周波数を電圧に変換するＦＶ変換部２４に入力され、電圧信号に変換された受信信号は、体内組織のイメージング用受信ビームフォーマ２５に入力されて画像構築処理がなされる。

【0034】

２−２．超音波トランスデューサの構成例
本発明が適用された超音波診断装置１を構成する集束型超音波トランスデューサアレイ５０は、図２に示すように、ｍ行ｎ列の２次元状に配列されたトランスデューサエレメント６１を有する。トランスデューサエレメント６１が１次元状にｍ個配列されたカラム集束型超音波トランスデューサアレイユニット（以下、カラムアレイユニットともいう。）６０ごとに被験者の体表上に２次音源を形成するように、制御回路ユニット１０が接続されるのが好ましい。

【0035】

トランスデューサエレメント６１は、超音波振動子からなり、材料や構成が特に限定されるものではなく周知のものを制限なく用いることができる。たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミクス材料によるものであってもよく、多孔質ポリプロピレン（セルラーＰＰ）、強誘電性ポリマＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン、PolyVinylidene DiFluoride）のような樹脂系材料のものであっても、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶でもよい。

【0036】

図４（Ａ）に示すように、集束点軸６３上のいずれかの位置に超音波の集束点を形成するように、カラムアレイユニット６０は、集束点軸６３を対称軸とする凹曲線状に基材６２上に配列される複数のトランスデューサエレメント６１によって構成される。

【0037】

カラムアレイユニット６０を構成する各トランスデューサエレメント６１は、後述するように、集束点軸６３上に超音波が集束するように、それぞれ位相差を有する信号で駆動される。ここで、各トランスデューサエレメント６１は、それぞれ集束点軸６３に対して対称になるように配列されることによって、対称位置にあるトランスデューサエレメント６１が同位相で駆動でき、接続配線の本数を減らすことができる。すなわち、図４（Ｂ）に示すように、集束点軸６３上のトランスデューサエレメント６１ａは、接続配線７１ａを有しており、トランスデューサエレメント６１ａに隣接するトランスデューサエレメント６１ｂ１，６１ｂ２は、同位相で駆動されるため同一の接続配線７１ｂを有する。同様にトランスデューサエレメント６１ｂ１，６１ｂ２にそれぞれ隣接し、集束点軸６３に対して対称位置にあるトランスデューサエレメント６１ｃ１，６１ｃ２は、同一の接続配線７１ｃによって、同位相の信号で駆動される。以下同様にして最外のトランスデューサエレメント６１ｎ１，６１ｎ２まで、同一の接続配線７１ｎによって駆動される。このような配線とすることによって、超音波を集束軸６３上に集束させることができる。

【0038】

多数のトランスデューサエレメント６１は２次元状に配列されて、集束型超音波トランスデューサアレイ５０を構成することに代えて、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer、静電容量型マイクロマシンプロセスを用いて製造した超音波トランスデューサ）のように、単一の基材上に多数のトランスデューサエレメントを形成して、より小型化、軽量化を実現することもできる。

【0039】

単一基材上に多数のトランスデューサエレメントが形成された集束型超音波トランスデューサとして、コンポジット圧電体を用いることによって、凹曲面の形成が容易になり、好ましい。

【0040】

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すように、コンポジット圧電体による集束型超音波トランスデューサアレイ８０は、コンポジット圧電体８２を有する。コンポジット圧電体８２は、周知の構成とすることができ、たとえば圧電体層上に形成された多数の微細柱状圧電素子である圧電ピラーと、その圧電ピラーの周囲を柔軟性樹脂で充填された構造となっている。コンポジット圧電体８２は、片面が共通接地電極８３であり、共通接地電極８３は、通常、超音波送受面側に配置される。反対側の面、すなわちバッキング層８５側の面に配置される分割電極８１は、図５（Ａ）に示すように２次元に配列される。コンポジット圧電体８２の圧電ピラーを埋める樹脂には、エポキシ等の高分子樹脂等の柔軟性のある樹脂を用いることができる。コンポジット圧電体８２は、前述のように微細柱状圧電素子である圧電ピラーが柔軟性樹脂で連結された板状の圧電振動子であるため、容易に湾曲構造が実現でき、加えて同形状の圧電セラミクス板では実現不可能な大きな電気機械変換定数を持つことが特徴である。

【0041】

共通接地電極８３上には音響整合層８４が接合され、コンポジット圧電体８２と空気との間の音響インピーダンス不整合を低減させ効率の良い超音波の送受信ができるようにしている。ただし、音響整合層８４の厚さは、あつかう超音波の周波数ｆと音響整合層８４の材料が持つ固有の音速ｖとから計算される波長λも１／４の厚さが最適とされ、この厚さの板が用いられる。したがって、送信時は周波数ｆの超音波を用いて音響整合が好適に実現されても、受信時にｆと乖離した周波数の超音波をあつかうのでは超音波受信の効率を低減させてしまう。本発明の超音波診断装置１では、集束型超音波トランスデューサアレイ８０のみを用いて、周波数ｆの空中超音波を体表に向けて送信し、体表直下に２次音源を形成し、周波数ｆの空中超音波よりも顕著に低周波ｆ’（＝（１／２）ｆ以下となるエンベロープ周波数）の体内伝搬超音波をあつかうので、その周波数ｆ’のままの超音波受信では、受信時の音響不整合を起こすことになる。

【0042】

音響整合層８４に関する他の条件として、音響整合層８４の音響インピーダンスの最適化とこの音響整合層８４も湾曲構造とするので柔軟性が必要であり、これらの条件を勘案した音響整合層８４を用いている。このような音響整合層８４を形成することによって高い超音波送受信効率を持つ湾曲コンポジット超音波振動子を形成することができる。

【0043】

上述では、いずれの集束型超音波トランスデューサアレイにおいても、トランスデューサエレメントがｍ行ｎ列の２次元マトリクス（格子状）に配列されている場合について示したが、たとえばＡモード信号の送受信とし対象物を相対的に走査することによって画像構築する場合には、トランスデューサエレメントが同心円状に配列された単一のアニュラアレイ振動子構造であってもよく、その他公知のトランスデューサアレイの構造とすることができるのは言うまでもない。

【0044】

３．動作原理及び動作
３−１．２次音源の形成
上述したとおり、音響インピーダンスが大きく異なる空気と生体内（水中とほぼ等価）との間では超音波伝搬が困難であるため、本発明の超音波診断装置１では、音響放射圧、すなわち、強度の強い超音波が進行する方向に音響インピーダンスに大きな差がある媒体が存在する場合に、その媒体表面に直流的な圧力が発生するという原理を用いて、被験者の体表直下に形成された２次音源を利用する。

【0045】

図６に示すように、信号源によって、振幅Ａの非線形信号Ａｓｉｎω_１ｔ×ｓｉｎω_２ｔを被験者６の体表６ａに向けて放射する場合を考える。非線形信号Ａｓｉｎω_１ｔ×ｓｉｎω_２ｔは、三角関数の加法定理により、以下のように表わされる。

【0046】

ｓｉｎω_１ｔ×ｓｉｎω_２ｔ＝−（１／２）｛ｃｏｓ（ω_１＋ω_２）ｔ
−ｃｏｓ（ω_１−ω_２）ｔ｝ （３）

【0047】

ここで、ω＝ω_１＝ω_２とすると、（３）式は、第２高調波（２ω）とＤＣ成分のみとなる。

【0048】

Ａｓｉｎω_１ｔ×ｓｉｎω_２ｔ＝−（１／２）｛ｃｏｓ（２ω）ｔ−１｝ （３’）

【0049】

体表６ａは、（３’）式の非線形超音波現象である放射圧のＤＣ成分からなる音響放射圧によって信号の振幅に対象物の粘弾性特性を考慮した距離ｄ_ＤＣだけ凹む。

【0050】

このような音響放射圧に振幅変調をかけることによって、体表６ａを押す圧力を変化させることができる。体表の圧力変化によって、体表６ａを振動させて、生体内に縦波で伝搬する伝搬超音波を生成することができる。なお、図６では、便宜的に集束超音波ではなく、平面波表示であるが、後述するように、実際には集束超音波を用いて、音響焦点において最大の超音波強度になるようにして、音響焦点で最大の非線形性が発揮できるようにする。

【0051】

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、超音波が体表６ａに向かって進行し、体表６ａは、変調された超音波信号の包絡曲線の波形で弾性振動する。この弾性振動は２次音源からの２次送信超音波となり体内深部に向かって伝搬する。この２次送信超音波が音響インピーダンスの異なる異常組織との境界部６ｂに達すると（図７（Ａ））、一部は透過波となり、裏面に到達し、残りは反射され、パルスエコー信号として体表６ａ側に到達する（図７（Ｂ））。

【0052】

図８には、集束超音波発生手段であるカラムアレイユニット６０を構成するいずれかのトランスデューサエレメント６１を駆動するための印加電圧信号波形を示した。

【0053】

図８に示すように、カラムアレイユニット６０に印加する電圧信号は、体内に伝搬する伝搬超音波のパルス幅Ｔ_{ｐｕｌｓｅ}’の２次送信超音波パルス信号Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｔｒａｎｓ}を体表に励起させるための空中超音波のパルス幅Ｔ_{ｐｕｌｓｅ}を有する信号Ｖ_{（ａｉｒ）ｂｕｒｓｔ}と、生体内部から体表へ到達したパルスエコー信号Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｒｅｃ}をドップラ効果に基づいて受信する受信時間Ｔ_ｒｅｃを有する０Ｖではないベースライン信号Ｖ_{（ａｉｒ）ｂａｓｅ}とからなる。空中超音波のパルス幅Ｔ_{ｐｕｌｓｅ}及び受信時間Ｔ_ｒｅｃによって時間Ｔ_ｒｅｐの時間経過を所要し、この時間Ｔ_ｒｅｐを所要する１セットが繰り返される。このパルス信号Ｖ_{（ａｉｒ）ｂｕｒｓｔ}は、第１のバーストパルスＶ_ｂ１、第２のバーストパルスＶ_ｂ２、及びこれらのバーストパルスＶ_ｂ１，Ｖ_ｂ２に挟まれた０Ｖのベースライン時間Ｔ_{ｂａｓｅ０}とからなるパルス信号で、具体的にはサイン波の振幅変調波からなっていると言える。図８の上側の波形図に示す印加電圧信号の印加によって、カラムアレイユニット６０から集束超音波が体表に向かって伝搬し、伝搬時間Ｔ_ａｉｒを経て、体表に２次音源を形成し、これが２次送信超音波パルスＶ_{（ｂｏｄｙ）ｔｒａｎｓ}となって体内深部に向かって伝搬する。この超音波信号Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｔｒａｎｓ}は、カラムアレイユニット６０の伝達関数Ｈ（ω）、空中伝搬時の超音波ロスＡＬ(ω）、音響放射圧によるＤＣ成分変換効率ＤＣ（ω）、及び体表組織の粘弾性特性ＴＳ（ω）による影響を積算的に受け、図８の下側の図に示すようなパルス波形_{Ｖ（ｂｏｄｙ）ｔｒａｎｓ}となる。

【0054】

超音波Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｔｒａｎｓ}は、体内深部に伝搬し、深部の特定の位置にある異常組織６ｂで反射した後、体表に向かって図８の下側の図に示したようにパルスエコー信号Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｒｅｃ}が振幅減衰して体表６ａにもどり、体表６ａは、このパルスエコー信号波形Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｒｅｃ}に基づいて弾性変位振動する。この時、印加電圧の受信期間Ｔ_ｒｅｃにおいて、常時周波数ｆの超音波が体表６ａに照射されているので、この照射信号であるパルスエコー信号Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｒｅｃ}は、ドップラシフトを受け、ｆ±Δｆの周波数となって、カラムアレイユニット６０にもどってゆく。

【0055】

なお、前記した２次送信超音波パルスＶ_{（ｂｏｄｙ）ｔｒａｎｓ}の波形は２つのバーストパルスからなる送信超音波パルス励起用信号の場合について記載したが、バーストパルスは、３つでも、４つでも、５つでもよい。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示すように、伝搬する生体内の粘弾性特性等の粘性特性によって、生体内を伝搬する縦波伝搬超音波の波形は変化し得る。図９（Ｂ）及び図（Ｃ）に示すように、縦波伝搬超音波は、進行するにつれてゆるやかな波形となることもあるし、対象物の粘弾性特性によっては伝搬の最初から、図９（Ｂ）や図９（Ｃ）のような波形になっている場合もある。（図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順で粘弾性特性が大きい。）

【0056】

異常部との境界部６ｂで反射された超音波のパルスエコー信号が被験者６の体表直下に到達すると、体表６ａでは、周波数をｆとした場合に、ｆ×Δｘの振動速度Ｖ_{ｓｕｒｆａｃｅ}を持つ（ここで、ｆ＝１／（Ｔ_{ｂｕｒｓｔ}＋Ｔ_{ｂａｓｅ０}）。

【0057】

図８にもどって、本発明による受信モードについて以下に説明する。

【0058】

受信期間Ｔ_ｒｅｃでは、周波数fの比較的振幅の小さいサイン波Ｖ_{（ａｉｒ）ｂａｓｅ}が後続している。この区間ではその周波数と振幅に対応した比較的小さな音響放射圧による直流的な沈みこみ変位ｄ_ＤＣがＴ_ｒｅｃの間中発生すると同時に、同じ周波数のサイン波が反射しつづける。この状態において、体表６ａにパルスエコー信号Ｖ_{（ｂｏｄｙ）ｒｅｃ}が到達すると、体表６ａが周波数ｆと変位振幅に対応した振動速度の振動変位をするので、体表６ａへ入射する周波数ｆの超音波はドップラシフトを受け、前記反射信号は、ｆ±Δfのドップラ信号となって集束型超音波トランスデューサアレイ５０に戻っていき受信される。一般には、Δfはｆに比べてかなり小さいので、ｆ±Δfが（１／２）ｆより小さくなることはなく、同一の音響整合層で受信時の音響整合効果を活用でき、受信感度を増加させることができる。

【0059】

３−２．集束点制御
上述したように、集束超音波を体表に照射することによって、体表に２次音源を形成し、体表を振動させて生体深部へ伝搬する２次送信超音波を形成することができる。さらに、超音波を体表直下に集束させることによって、体内への伝搬超音波を球面波あるいはシリンドリカル波として伝搬させることができ、このようにして形成された球面波、シリンドリカル波に対して、ｎ個配列したカラムアレイユニット６０のそれぞれにさらに位相制御を施すことによって、波面合成超音波ビームを形成し（ビームフォーミング）、形成した超音波ビームを集束（ビームフォーカシング）、リニア走査またはセクター走査（ビームステアリング）を実施し、関心領域の超音波診断画像を再構築できるようになる。

【0060】

図１０では、２次音源のための集束点の垂直方向の位置制御方法を説明するために、図２の制御回路ユニット１０と、集束型超音波トランスデューサアレイ５０を構成するカラムアレイユニット６０と、対応する体表６ａの部分とを取り出して示している。集束点の垂直方向の位置制御方法においては、制御回路ユニット１０内の遅延時間パターン生成部１５，１６のうち、ビームステアリング用遅延時間パターン生成部１５は、初期状態では信号を出力せず、２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６のみが動作する。

【0061】

ｎ個配列した集束型超音波トランスデューサアレイ５０の中の１番目の最初の集束型超音波トランスデューサアレイ６０と体表６ａとの離間距離Ｘ１とし、ｎ番目のカラムアレイ集束型超音波トランスデューサアレイ６０と体表６ａとの離間距離Ｘｎとする。この場合に、一般的には、Ｘ１≠Ｘｎである。最初のカラムアレイユニット６０を構成するｍ個のトランスデューサエレメント６１が、２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６によって生成された遅延時間パターンによって空中集束超音波Ｂ１を発生する。この空中集束超音波Ｂ１が体表６ａ上に音響焦点Ｆ１として位置している。Ｘ１≠Ｘｎなので、ｎ番目のカラムアレイユニット６０に対して、２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６が一番目のカラムアレイユニット６０と同じ遅延時間パターンを生成しても、ｎ番目のカラムアレイユニット６０が発生する空中超音波Ｂｎは、体表６ａ上に集束し音響焦点を結ばない。なお、カラムアレイユニット６０は、所定の曲率半径の湾曲形状をしていて、それによる固定音響焦点を有しているので、集束点制御量はその固定集束点を中心に増減させる制御が行われる。

【0062】

図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）は、音響焦点位置合わせ制御の手順例を送受信の波形について示すものである。上述した図１０の１番目のカラムアレイユニット６０について、図１１（Ａ）に示すようなパルサアレイ１２が出力する電圧信号Ｓ1（1）,Ｓ２（1）．．．Ｓｉ（1）．．．Ｓｍ（1）からなる遅延時間パターン１１（１１の前の１は１番目のカラムアレイユニット６０に関しての場合を示し、後の１は１つ目の遅延パターンを示す）の場合に、図１１（Ｃ）のＲ１（１）に示すような受信ビームフォーマ１９による加算処理後の受信パルス信号が得られる。同様に１番目のカラムアレイユニット６０に対し図１１（Ｂ）に示した２つ目の送信遅延パターン１２、すなわち電圧信号Ｓ1（２）,Ｓ２（２）．．．Ｓｉ（２）．．．Ｓｍ（２）からなる遅延時間パターン１２を設定した場合の受信ビームフォーマ１９による加算処理後の受信パルスは図１１（Ｃ）のＲ１（２）となる。さらにｉ番目のカラムアレイユニット６０に対し、図に示していないｉ番目の送信遅延パターン１ｉ、すなわち電圧信号Ｓ1（i）,Ｓ２（i）．．．Ｓｉ（i）．．．Ｓｍ（i）からなる遅延時間パターン１ｉを設定した時の受信ビームフォーマ１９による加算処理後の受信パルスは、図１１（Ｃ）のＲ１（ｉ）となる。そして、それぞれの受信信号レベルは、最大値検出部２１で取得される。上記の様に受信信号Ｒ１（１）は、送信された遅延時間パターン１１によって得られる受信パルス信号であり、Ｒ１（２）は、送信された遅延時間パターン２によって得られる受信波形であり、同様にＲ１（３）、Ｒ１（４）、Ｒ１（ｉ）は図１１（Ａ）に図示していない３番目，４番目,ｉ番目に得られる受信パルス信号である。これらの受信パルス信号のうち、パルスの最大振幅値が最大になる時が音響焦点が体表に一致した場合であり、すなわち図１１（Ｃ）においてはＲ１（２）である。最大振幅値が最大になる送信遅延時間パターンの決定は、以下の様に行われる。送信遅延時間パターン１１に対応して得られる受信パルス信号Ｒ１（１）の最大振幅値Ｖｐｐが検出され、検出結果に基づいて離間距離演算部２２で、体表６ａとカラムアレイユニット６０との離間距離が計算される。計算された結果をバス２８を介して処理部２６に送り、処理部２６は、あらたな遅延信号パターンを生成するように２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６に指示する。２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６は、あらたな遅延時間パターン１２をパルサアレイ１２により送信する（図１１（Ｂ））。あらたな遅延時間パターン１２に対する図８（Ｃ）に示した受信信号Ｒ１（２）を取得して、上述と同様に最大値を取得する。同様にして受信信号の最大振幅値が最大になる送信遅延パターンが見つかるまで送信遅延パターンを変更し、見つかった時点で、その送信遅延パターンを記憶させ、同時に、受信パルス信号の発生時刻を評価することによって、カラムアレイユニット６０から体表６ａまでの距離が判明する。Ｒ１（２）なる受信パルスが得られた時の送信遅延時間パターン２に固定することによって、１番目のカラムアレイユニット６０に関して、体表６ａへの音響焦点合わせが完了することになる。２番目、３番目、・・・,ｉ番目、・・・ｎ番目のカラムアレイユニット６０についても同様の音響焦点合わせをして体表に焦点合わせが実施されて２次音源アレイが構築されたことになる。

【0063】

上述のように、空中超音波を発信する各トランスデューサエレメント６１のそれぞれの遅延時間を制御して受信信号のレベルが最大になる遅延時間パターン（位相パターン）を集束点を取得したものとして採用する。図２において、集束点制御を行う集束点制御モードでは、ＳＷ２０を最大値検出部２１の側に接続することによって行う。各カラムアレイユニット６０ごとに取得された遅延時間パターンを記憶部２７に格納して、伝搬超音波を受信して超音波画像を構築する超音波画像構築モードにおいて、体表位置（距離）を制御しつつ、ＳＷ２０をドップラシフト検出部２３側に切り替えて、伝搬超音波信号、すなわち音響インピーダンスの異なる異物を透過した透過超音波信号を背面側から、又は、異物との境界で反射したパルスエコー信号を体表側から取得する。

【0064】

３−３．超音波ビームフォーミング
本発明が適用された超音波診断装置１では、上述したように、２次音源は、被験者６の体表６ａに点状に形成され、形成された２次音源は、体内に向かって球面波又はシリンドリカル波として伝搬する２次送信超音波を体内深部に伝搬させる。ここで、トランスデューサアレイを構成するカラムアレイユニット６０がそれぞれ生成する２次音源に対して、さらに位相制御を行うことによって、伝搬超音波が形成する合成波面Ｓｗの曲率と向きを任意に設定することができる。

【0065】

図１２に示すように、２次音源形成用遅延時間パターン生成部１６が生成する遅延時間パターンに、ビームステアリング用遅延時間パターン生成部１５が生成する遅延時間パターンを加算することによって、２次音源が生成する伝搬超音波のビームフォーミング、すなわちビームフォーカシングによる焦点形成と、ビームステアリングを走査、すなわちビームステアリングとを行うことができる。たとえば、最初のカラムアレイユニット６０の空中超音波Ｂ１による集束点Ｆ１に形成される２次音源は、球面波又は円筒波となりその波頭が所定のタイミングで被験者６の体内の位置Ｓｗ１に合成波面を形成する。ｎ番目のカラムアレイ６０の空中超音波Ｂｎにより集束点Ｆｎに形成される２次音源が生成する２次送信超音波の位相をＦ１に形成される２次音源のものよりもｔ_{ｄｅｌａｙ}だけ位相を遅らせてカラムアレイ６０を駆動することによって、最初のカラムアレイ６０による２次音源が生成する伝搬超音波と、ｎ番目のカラムアレイ６０による２次音源が生成する伝搬超音波とでは、伝搬距離差Ｘ_{ｄｅｌａｙ}＝１５００［ｍ／ｓ］×ｔ_{ｄｅｌａｙ}が生ずる。生体内を伝搬する超音波の速度１５００［ｍ／ｓ］は一定なので、２次音源ごとにｔ_{ｄｅｌａｙ}を設定する、すなわち位相制御することにより、各２次音源の生成する球面波の波面が形成する合成波面の曲率と向きを制御することができる。形成された合成波Ｓｗは、伝搬超音波ビームＢＢを形成して体内を伝搬し、ビーム焦点ＦＢを形成する。また、２次音源ごとにｔ_{ｄｅｌａｙ}を動的に制御することによって、合成波面Ｓｗの曲率と向きを動的に変更することができ、図１２の矢印Ｌｏｃｕｓ_{ｓｔｅｅｒ}の方向にセクター走査ができる。

【0066】

なお、ビームステアリング用遅延時間パターン生成部１５によって、位相制御してビームフォーミング及び／又はビームステリングを行う手法については、周知のものを用いることができるのは言うまでもない。

【0067】

３−４．受信ビームフォーミング
受信された超音波信号は、レシーバアレイ１８を構成する各レシーバにおいて所定の信号処理がなされて、受信ビームフォーマ１９に入力される。受信ビームフォーマ１９では、ｍ個の受信信号（ｍ行ｎ列の集束型超音波トランスデューサアレイの場合）が遅延加算処理されて１つの受信信号が形成される。受信ビームフォーマ１９には、周知の構成を用いることができる。

【0068】

なお、受信ビームフォーマ１９の出力信号はドップラ効果の影響を受けた信号であり、送信信号の周波数をｆとすると、ｆ±Δｆの周波数成分からなっていて、ドップラシフト±Δｆの中に異物境界で反射したパルスエコー信号が体表に到達し体表を振動変位させている情報が含まれている。その情報を解析するためには±Δｆをドップラシフト検出器２３によって取り出し、さらにＦＶ変換器２４で電圧信号に変換する。このＦＶ変換信号は、ｎ個の制御回路ユニット１０の１つずつに出力されるので、それらを体内組織のイメージング用受信ビームフォーマ２５で遅延加算処理を行い、加算処理後の受信信号を対数増幅、ダイナミックフィルタリング、ＳＴＣ処理等の周知の信号処理２９を行い、その出力信号をスキャンコンバータ３０で画像信号に変換し、輪郭強調、ガンマ補正、明度、コントラスト強化などの画像処理３１を行いモニタ３２に表示する。本発明が適用された超音波診断装置では、上述したように、サイン波による振幅変調波を用いた音響放射圧に基づく伝搬超音波には、基本周波数ｆに加えて、第２高調波成分等の高調波成分が含まれるので、この高調波成分を用いることによってより高い空間分解能で画像構築することもできる。

【0069】

４．模擬実験
水を入れ、一部に体表に相当するメンブレン（ポリエチレン製の膜）を形成した水槽を生体（密度がほぼ等しく、超音波の伝搬速度がほぼ等しい）に見立てて、メンブレンに集束超音波をあてて、２次音源を形成し、水中を伝搬する伝搬超音波を生成する実験を行った。

【0070】

図１３には、２次音源による伝搬超音波生成実験のための測定系の概要を示す。集束超音波を発信する集束型超音波トランスデューサ１００は、所定の離間距離だけ離間させた水槽１０５の壁面の一部に形成されたメンブレン１０２上に超音波１０１を集束させるように配置した。水槽１０５には水１０７が満たされている。水１０７中には、生体内の骨に見立てた３本の木製の棒１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを等間隔に配置した。木製の棒１０４ａと１０４ｃとの距離は、４．８ｃｍであった。

【0071】

集束型超音波トランスデューサ１００から非線形超音波を発信し、水１０７中を伝搬する伝搬超音波１０６を生成し、水槽１０５の反対側の面にマイクロフォン１０８を配置して、集束型超音波トランスデューサ１００とマイクロフォン１０８をセットにして水槽に対しＸ,Ｙ方向に移動させて、移動量に対してマイクロフォン１０８の出力電圧をプロットすることにより得られた超音波像を図１４に示した。

【0072】

図１４に測定結果と、比較のために行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す。図１４（Ａ）には、図１３の測定系によって測定した超音波信号を画像処理して表示した結果であり、集束型超音波トランスデューサ１００から発信される超音波の周波数は、４０ｋＨｚを用いている。

【0073】

図１４（Ｂ）及び図１４（Ｃ）には、実測値との比較のために行ったコンピュータシミュレーションの結果であり、図１４（Ｂ）には、実測の場合と同じ周波数の超音波を用いた場合の結果を示す。図１４（Ｃ）には、超音波の周波数を４００ｋＨｚにした場合のコンピュータシミュレーション結果を示す。

【0074】

これらの結果より、３本の木製の棒の位置を正確に示していることが検証された。また、図１４（Ｂ）及び図１４（Ｃ）の対比により、超音波の周波数をさらに高周波化することによって分解能を向上させることができることが示唆されている。

【符号の説明】

【0075】

１ 超音波診断装置、１０ 制御回路ユニット、１１ マルチプレクサ、１２ パルサアレイ、１３ ２次音源形成用送信ビームフォーマ、１４ 遅延時間加算部、１５ ビームステアリング用遅延時間パターン生成部、１６ ２次音源形成用遅延時間パターン生成部、１７ 体内組織のイメージング用送信ビームフォーマ、１８ レシーバアレイ、１９ 受信ビームフォーマ、２０ ＳＷ、２１ 最大値検出部、２２ 離間距離演算部、２３ ドップラシフト検出部、２４ ＦＶ変換部、２５ 体内組織のイメージング用受信ビームフォーマ、２６ 処理部、２７ 記憶部、２８ バス、２９ 信号処理部、３０ 画像処理部、３２ モニタ、４０ 超音波診断システム、５０ 集束型超音波トランスデューサアレイ、６０ カラムアレイユニット、６１ トランスデューサエレメント、７０ 配線束、７１ａ〜７１ｎ 接続配線、８０ コンポジットタイプの集束型超音波トランスデューサアレイ、８１ 下部電極、８２ コンポジット圧電体、８３ 共通接地電極、８４ 音響整合層、８５ バッキング層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】