シ ス テ ムデザイ ン研究科 情報通信 シス テ ム学域

平 成 2 6 年 度 修 士 論 文

超音波生体画像化におけ る周波数依存減衰 によ る画質劣化の改善

シ ス テ ムデザイ ン研究科 情報通信 シス テ ム学域

平岡 拓也

指導教員  田川憲男 教授

第

章  序論

1.1

本研究の背景 と 目的

本論文の構成 第

章  本研究の関連知識

2.1

超音波診断法

2.1.1

超音波診断法の特徴

2.1 .2

超音波診断装置の構成

2.1.3

超音波画像の表示方法

2.1.4

画像の分解能

2.1 .5

超音波画像のア ーチ フ ァ ク ト

2.2

生体高調波画像化法

の発生原理

2.2.2 THI

の利点と欠点

2.3

パルス圧縮法

2.3.1

パルス圧縮法の概要

2.3.2

リ ニ ア

チ ヤー プ

第

3.1

提案手法の概要

探触子の特性補償

3.2.1

探触子の特性補償

3.2 .2

高調波帯におけ る探触子の特性補償

3.3 FDA

補償手法

3.3.1

基本的な考え方

3.3.2

基本波に対す る

補償手法

3.3.3

高調波に対する

補償手法

1

3 4 4 4 5 7 8 9 11 11 12 14 14 14 19 19 19 19 20 21 21 21 21

l l

3.3.4

受信信号を增幅 させ る手法

3.3.5 FDA

の定義

第

章  シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

4.1

基本波帯 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

4.1 .1

探触子の特性補償

4.1.2 FDA

補償

4.2

高調波帯 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

4.2.1

探触子の特性補償

4.2.2 FDA

補償

画像化によ る評価

4.3.1

画像化準備

4.3.2

画像化結果

第

5.1

実験準備

5.2 FDA

補償実験

第

章  結論

6.1

本研究の総括 と 今後の研究課題 謝辞

参考文献

本研究に関す る研究業績

23 25 26 26 26 28 32 32 34 39 39 40 41 41 43 47 47 48 49 50

図 目 次

2.1

探触子の構成

2.2 A

モ ー ド およ び

モ ー ドの概念図

多重反射の概念図

サイ ド ロ ーブの概念図 

非線形音響媒質中の伝搬によ る高調波の発生

基本波 と 高調波の ビーム幅

矩形窓 をかけ たチ ヤープ信号の例

ハ ミ ング窓 をかけたチ ヤープ信号の例 

矩形窓 をかけ たチ ヤー プ信号の圧縮波形 と エ ンベロ ー プ

2.10

ハ ミ ン グ窓 を かけ たチ ヤー プ信号の圧縮波形 と エ ンベロ ー プ

3.1 RFDA(

ω

と 、

線形近似, (b) 曲線近似

を受け た エ コ ー信号 

に よ る低下 を増幅 し た信号

補償信号に対す る エ コ ー信号 

圧縮検波波形の比較

を受けたエ コ ー信号

によ る低下を

増幅 し た信号

補償信号に対するエ コ ー信号

探触子の特性補償のための シ ミ ュ レ ー シ ョ ンモ デル

探触子の特性補償前の信号

任意の

チ ヤー プ送信信号

エ コ ー信号

探触子の特性補償後の信号

探触子の特性補償送信信号

エ コ ー信号

補 償の ため の シ ミ ュ レ ー シ ョ ンモ デル

4.5 FDA

の影響 を受けたエ コ ー信号

時間波形

周波数領域の振幅ス

ペク ト ル

実線

と理想的な振幅スペク ト ル

破線

ω

破線

と

ω

実線

線形近似

曲線近似

6 8 10 10 11 13 17 17 18 18 22 24 24 24

25 26

27 27 28 29 29

iv

4.7

補償後のエ コ ー信号

線形補償後のエ コ ー信号

におけ る振幅スペ ク ト ル

と理想的な振幅スペ ク ト ル

破線) , (c) 曲 線補償後のエ コ ー信号

実 線

圧縮検波波形

補償前のエ コ ー信号

と線形補償後のエ コ ー信号

(実線) , . . . 31 4.9

探触子の特性補償前の信号

任意のFM チヤー プ信号

エ コ ー

信号g2(t) . . . 33

探触子の特性補償後の信号

探触子の特性補償送信信号

エ

コ ー信号

4.11 FDA

の影響 を受けたエ コ ー信号

周波数領域の振幅

スペ ク ト ル

と理想的な振幅スペク ト ル

ω

破線

と 、

、 

^実線

^線形近似

^曲線近似

4.13

補償後のエ コ ー信号

線形補償後のエ コ ー信号

曲線補償後のエ

コ ー信号

数領域の振幅スペ ク ト ル

と理想的な振幅スペク ト ル

の周波数領域の振幅スペ ク ト ル

実線

と 理想的 な振幅スペ ク ト ル

破線

4.14

圧縮検波波形

補償前のエ コー信号

と線形補償後のエ コ ー信号

(実線), . . . .

4.15

画像化 のた め の シ ミ ュ レ ー シ ョ ンモ デル

モ ー ド 画像

補償前の基本波, (a) 曲線補償後の基本波,

実験 モ デル

使用 し た探触子

任意の

チ ヤー プ信号

5.4 FDA

の影響を受けたエ コ ー信号

時間波形

周波数領域の振幅ス

ペク ト ル

と理想的な振幅スペク ト ル

の影響を受けたエ コー信号

図

周波数 領域の振幅スペ ク ト ル

実線

と理想的な振幅スペ ク ト ル

破線

ω

破線

と

ω

実線

補償後のエ コ ー信号

曲線補償後のエ コ ー信号

周波数領域の振

幅スペク ト ル

と理想的な振幅スペク ト ル

補償後のエ コ ー信号

図

周波数領域の振幅 スペク ト ル

と理想的な振幅スペク ト ル

33

35 35

36 37 39 40 41 42 43

44

44 45

45 45

5.9

圧縮検波波形

補償前の基本波エ コ ー信号

と 曲線補償後の基本 波エ コ ー信号

補償前の第二高調波 エ コ ー信号

点線) と 曲線補

償後の第二高調波エ コ ー信号

実線)

第 1 章  序論

1.1 本研究の背景と 目的

近年, 高齢化や医療技術の高度化等に伴い超音波診断の需要が高ま っ て きて い る. 超音 波診断には

被曝の恐れがな く

実時間で画像診断が行え る と い う 利点があ る一方で

他 の生体内の画像化法, 例えば

線

やM R I な ど と比較 し て低画質で ある. そこ で本研 究で は, 生体内

特 に生体深部に おけ る超音波画像の高画質化 を目的 と し て い る

超音 波画像の高画質化のためには, パルス圧縮技術

が有効で あ る

では, 送信信号と の相関処理によ っ て受信エ コ ー信号の時間圧縮を 行 う. 圧縮後の信号の時間波形は, 送信信号の帯域幅に逆比例 し て細 く な る ため

帯域幅 を広げ る こ と で距離分解能が向上す る

さ ら に

に おい て継続時間の長い信号を用 い る こ と で信号対雑音比

を高める こ と がで き る. そこ で本研究では, 広帯域かつ継続時間の長い

チ ヤー プ信号を送信信号と し て採用す る.

一方, 別の高分解能化手法と し て生体高調波画像化法

が挙げ ら れる. T H I と は, 音響的非線形性 を有す る生体組織 を超音波が伝搬す る際 に逐次的 に生 じ る高調波成分 を利用 し て画像化 を行 う 手法で あ る

高調波は高次に な る に つれて急激に振幅が減少す るため, 二次高調波 を用い るのが一般的 で あ る

の利点 と し て以下が挙げ ら れ る

二次高調波の帯域幅は

基本波成分の約

倍で あ るため

距離分解能が向上す る

非線形性によ る高調波の発生は音圧の高い ビームの中心近

く に制限 さ れる ため

ビーム幅が狭 く な り 方位分解能が向上す る

多重反射や送信 波のサイ ド ロ ー ブは音圧が低いため

高調波は発生 し づ ら く

ゆえ に それ ら に よ る ア ーチ フ ァ ク ト が軽減 さ れる

に

を適用す る こ と で

分解能 と

の向上が期 待で き る. し かし

高調波の利用は周波数依存減衰

F D A )

の影響 を受けやす く な る. F D A と は生体内 を伝搬す る超音波信号の周波数が高

く な る につれて大 き く な る減衰特性のこ と で あ る

広帯域 な信 号や, 二次高調波 な どの高

周波成分を持つ信号を送受信する際に, F D A は強 く 影響す る. F D A によ るエ コ ー波形

の歪みは, P C T の圧縮特性 を著 し く 低下 させ, その結果

画質劣化が生 じ る. 先行研究

で は既 に

を低下 させ る こ と な く

によ っ て生 じ る基本波エ コ ーの歪みを軽減

す る

補償手法を提案 し てい る

こ の手法は

エ コ ー信号が

によ る歪みを受け た上で

歪みのない理想的 な信号にな るよ う に送信

チ ヤー プ信号を適切に変調す る と い う も ので あ る

本研究で はまず, こ れまでの検討に比べよ り 生体に近い条件での シ ミ ュ レ ー シ ョ ン評価 を行い

その結果に基づいて従来法よ り も有効な送信波変調手法を検討す る. さ ら に こ の手法 を

へ拡張 し

実験 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ンによ り その有効性 を確認 す る

本論文は, 全

各章の概要は以下の通 り で あ る.

1.2.

本論文の構成

1.2

本論文の構成

第

章

序論

第

章は序論で あ り

超音波診断におけ る最近の研究動向について述べた後

本研究の 意義 と日的 を示す.

第

章 : 本研究の関連知識

第

章で は本研究の関連知識 と し て

超音波診断法の概要 と

について説明す る

第

章

提案手法

第

提案手法で あ る

補償手法について述べ る. まず, 探触子の特性の補

償につい て述べ る. 次に, 基本波帯に おけ る

補償手法の概要 と アル ゴ リ ズムを従来 法 と の差異も 含めて述べる

また提案手法で あ る

補償手法の

への拡張に つい て も 説明す る

第

章

シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

第

章では

シ ミ ュ レ ー シ ョ ンによ り

基本波 と 高調波双方に対 す る提案手法の有効性 を評価 す る

まず, 簡潔 な シ ミ ュ レ ー シ ョ ンモ デルを用い て探触子の特性の補償について 確認す る

次に

生体 を模 し たモ デルを作成 し

シ ミ ュ レ ー ト さ れるエ コ ー を解析 し

波 形や画像 を用いて提案手法の有効性を評価す る

第

章

実験

第

章では

実験によ り 提案手法の有効性を評価す る

実際に使用 さ れてい る探触子を 用いた実験に よ り

提案手法の実性能 を確認す る

第

章

結論

第

本研究で得 ら れた成果 を整理す る と と も に

本研究に関す る今後

の展望 な どに つい て述べ る.

第 2 章  本研究の関連知識

2.1 超音波診断法

2.1.1

超音波診断法の特徴

超音波診断装置 と は超音波 を送信 し

生体組織から のエ コ ーを受信 し て体の内部の情報

を映像化 し

計測す る装置で あ る. 超音波診断の特徴の一つは, 放射線 を用い る レ ン ト ゲ ン

撮影や

線

と は異 な り

線

で は一度の診断で平均

ミ リ シーベル ト の放射線を受け る

一般的 な生活 を し

てい る人の自然放射線量の世界平均値が

ミ リ シーベル ト と さ れて お り

人が自然界か

ら 一年間で受け る放射線 を一度の診断で受け るこ と になる

特に胎児な どは放射線被ば く

に対 し て弱い と さ れて い るので

超音波診断が有効に な る

も う 一つの特徴は

線

や

と 比較 し て映像化の原理が単純なこ と で ある.X 線

や

で は映像化す る際に

複雑 な計算 を行 う ため

診断部位の実時間表示がで き ない

し かし 超音波診断で は

映像化

の原理が単純で あ り 画像 を構成す る時間が短いため実時間表示が可能で あ り

心臓 な どの

実時間検査な どに用い ら れてい る. また, 映像化の原理が単純 なため, 装置の小型化が可能

で あ り

線

の約

以下と 安価にで き る と い う利点がある. し かし

超音波

診断では

線

や

と 比較し て画質が低いこ と や, 頭蓋骨 な ど骨に覆われた組織の

画像化がで き ない と い う 欠点 も あ る.

2.1.

超音波診断法

2.1.2

超音波診断装置の構成

超音波診断装置は, 探触子, 信号処理回路, 観察用モ ニ タ およ び記憶装置によ り 構成 さ れ て い る. こ こ で は探触子について概略 を示す.

探触子

探触子は超音波 を生体内に送信し

また生体内か ら超音波信号を受信す る働 き を持 ち, 装 置の性能 を左右す る重要な部分で ある

探触子に求め ら れる性能は, 送受信感度が高 く 軽量 で, 人間工学的観点から も手にな じ みやすい形状で あ る こ と な どで あ り

ンズ, 音響整合層

振動子, およ びパ ッ キ ング材よ り な る.(図

探触子には大ま かに分類 し て次のよ う な も のがあ る. シ ン グル ビ ームスキ ャ ナ は振動 子が

個の も ので あ る

型探触子は振動子を多数配列 し た探触子の総称で, 振動子を直線状に配列 し た リ ニ ア ア レ イ

凸面状に配列 し た コ ンベ ツク スア レイ

短冊状に並んだ多数の振動子に対 し 電子的に時 間差位相制御 し て画像焦点 を作 る フ エイ ズ ド ア レイ があ る. ま た ア ニ ユラ ア レ イ は, 円形 の振動子 を同心円状に配置 し た も ので あ り

マ ト リ ッ ク ス ア レイ は振動子が縦 と 横に規則 的 な二次元配列 を な し

方向の情報が同時に得 ら れる も ので あ る. ァ ク テ イ ブマ ト リ ツ ク ス ア レ イ は通称, 1.5D ア レ イ と 呼ばれ, 厚み方向 に対 し て も 電子 フ ォ ー カ ス を行 う も ので

超音波 ビームを制御す る こ と によ り 非常 に薄い ス ラ イ ス厚 を得 る こ と がで き る. こ れには特 に浅部でのア ーチ フ ァ ク ト を除去 し

視覚化で き る特徴があ る

音響レ ンズ

音響 レ ンズは

の法則に し たがい超音波 ビームを収束 さ せ る も ので

に位置 し て い る. 生体 と の密着 を よ く す る ためその形状は前方 に凸に蒲鉾状 を呈す る. 材 質は生体 と ほぼ音響イ ン ピー ダ ンスが等 し く

ら れ, 一般的 には耐熱, 耐酸絶縁性に富む シ リ コ ン ゴムが用い ら れてい る.

整合層

整合層は, 超音波 を よ り 効率的 に生体内へ伝搬 させ る ための も ので

複数の整合

層によ り 構成 さ れる. 生体 と 振動子の間ではこ の整合層の働 き によ り 超音波 を発生す る振

動子自体の高い音響特性 イ ン ピ ー ダ ンス と 生体の音響特性 イ ン ピ ー ダ ンス の違い によ る

体表面での超音波反射 を少な く し て, 超音波の生体内への効率的 な伝搬 を可能に し てい る.

ま た

電気エ ネ ルギ ー と 音波のエ ネ ルギーの変換効率 を改善 し 送受信変換 を高め る効果 も

振動子

振動子は圧電効果 を利用 し て超音波の送受信を行 う もので あ る. 振動子 と し て使用す る 代表的 な圧電材料には, 複合圧電体, 高分子圧電体. 圧電セ ラ ミ ッ ク スの

も圧電 セ ラ ミ ッ ク ス材料は, 電気音響変換効率が高 く 現在最 も多用 さ れて い る圧電材料で, チ タ ン酸 ジル コ ン酸鉛系や チ タ ン酸鉛系の物質 が用い ら れて い る

バ ツキ ン グ材

バ ツキ ン グ材は振動子後方 に放射 し た音響エネ ルギーを速やかに消散 し

る働 き を持つ. こ のバ ツキ ン グ材によ り 振動子後方から の反射波 が抑圧 さ れ, 生体 か ら の 反射波だけ を効率的に受信す る こ と がで き る. 材質には金属粉末 を重鎮 し たエ ポキ シ樹脂 や フ ィ ラ メ ン ト 粉末 を重鎮 し た ゴムが用い ら れ る.

音習レンズ

◆・ ◆

音習整合層

◆ ・

圧電振動子

'

'

-

◆ _

スライス方向断面

図

探触子の構成

配列方向断面

2.1.

超音波診断法

2. 1.3

超音波画像の表示方法

こ こ では本研究に特に関連する超音波画像の表示方法について説明す る. パルス反射法 では, 探触子から超音波パルス を照射 し

エ コ ーが受信 さ れる までの時間 を測定す る こ と によ っ て

目的 と す る反射体までの距離を求め る こ と がで き る

反射点までの距離

を

生体軟部組織での超音波の伝搬速度

と往復の時間

と がで き る

d=

^{・c ・t}

c

は

時間

を測定す る と 距離

を求め るこ と がで き る. こ

の方法によ り 検出 し た超音波のエ コ ーを表示す る方法を以下に示す.

A

モード

A

モ ー ド は送信 さ れた超音波が反射 し

反射の強 さ と

受信す る ま で の時間 を 基に し て

反射 さ れた物質 までの位置 

距離

を計算し

物質 までの距離 を横軸に

反射 し た超 音波の振幅 を縦軸に と り

グラ フ を作成す る

モ ー ド像は

次元表示で あ るた

め

また プロ ー ブの当 て方が少 し 異な る だけで全 く 別の波

形 に な っ て し ま う な ど

表示の再現性に乏 し い. こ のため

初期 にはよ く 用い ら れたが, 次第 に使われ な く な り

現在は

モ ー ド 単独の装置は生産 さ れて い ない

こ の方法で は,

プロ ー ブから 反射体 までの距離は分かるが, 反射体の形態 を知 る こ と はで き ない.

B

モー ド

B

モ ー ド は

モ ー ド が振幅 と 位置 を表示す る のに比 べて

こ の振幅 を輝度 と し て画像 表示す る方法で あ る

本の超音波 ビームでは

次元像 し か得 ら れないが

超音波 ビーム を走査す る こ と で, 2 次元の画像が作成で き る. つま り

超音波断層像が表示で き る 

2.2) .

こ の方法によ り 生体の形態が認識 し やす く な り

診断が容易になっ た. 現在の超音

波診断の中心的 な表示法 と な っ て い る.

探 触 子

(

時 間

Aモード

◆ 

輝度変調 走査

Bモード

図

モ ー ド および

モー ドの概念図

2. 1.4

画像の分解能

分解能は, 超音波画像の良否を左右す る最も重要な因子で

空間分解能 

方位分解能

ス ラ イ ス方向分解能

コ ン ト ラ ス ト 分解能 と

時間分解能があ る.

距離分解能

距離分解能 と は

超音波の進行方向に並ぶ

点を分離 し て表示す る識別可能な最小距離 を言い

縦方向分解能 と も い う

距離分解能 △

は次式で表 さ れ る

△

^・  λ -

n

は送信パルス内 の搬送波 のサイ ク ル数

λは波長で あ り

λはパル ス幅 で あ る

よ っ て距離分解能 は周波数が高 く

サイ ク ル数が小 さ いほ ど向上 す る

し か し 周波数 を高 く す る ほ ど超音波の減衰が増 し 深部の観察が難 し く な る

方位分解能

方位分解能 と は, 超音波 ビームの進行方向に対 し て垂直に並ぶ

な最小距離 をいい

横方向分解能 と も い う

横方向) よ り

2.1.

超音波診断法

大 き い場合に識別可能 と な り

サイ ド ロ ーブ

が十分小 さ い も の と 仮定す る と き方 位分解能 △

は次式 に て 表 さ れ る

△

-

^・ 

λは波長

は反射体 と 音源 と の距離

は探触子の口径で あ る

方位分解能は探触子の 口径が大 き く かつ中心周波数が高いほどよ い. し かし

探 子の口径が大き く な る と

近 距離音場の分解能が悪 く な るので

探触子の口径の小 さ い も のがよ い. その一方で探触子 の口径が小 さ い と 超音波の拡散が早ま る. よ って, 遠距離 までの指向性 を得 るためには探 触子の口径 を 大 き く し なけ れば な ら ない.

ま た, 周波数 を高 く な る と 減衰によ り 遠距離での観察が難 し く な る

ス ラ イ ス方向分解能

ス ラ イ ス方向分解能 と は, 探触子の厚み方向に並ぶ

を い う

探触子の ス ラ イ ス方向分解能 を向上 さ せ る ために シ リ コ ン製の音響 レ ンズによ っ て超音波 ビームが絞 ら れる. こ の音響 レ ンズは固定焦点のため, 焦点以外の領域で は ビー ムが広が り ス ラ イ ス方向の分解能は低下す る

コ ン ト ラ ス ト 分解能

コ ン ト ラ ス ト 分解能 と は, 画像上で識別可能なエ コ ー強度の差で あ り

組織間の輝度差 がどれだけ識別で き る かで表す. ノ イ ズの多い信号や信号強度の低い信号は コ ン ト ラ ス ト 分解能 を低下 さ せ る. SNR を向上 さ せれば, コ ン ト ラ ス ト 分解能 も 向上す る

時間分解能

時間分解能は フ レ ームレ ー ト によ って評価 さ れる

フ レ ームレ ー ト はパルス繰返 し 周波

数 と

ど時間 分解能 は高 く な り

リ アル タ イ ム性が向上 す る

2.1.5

超音波画像のアーチ フ アク ト

ア ーチ フ アク ト

虚像) は超音波 ビームの反射や屈折 に よ り

実際 に存在 し ない も のが

画像 に映 っ て し ま っ た り

本来の形が歪んで見えた り す る場合 を言 う

こ こ で は本研究に

関連す る多重反射 と サイ ド ロ ー ブ ノ ア ー チ フ アク ト につい て 述べ る

多重反射

多重反射 と は, 探触子から放射 さ れた超音波パルスが探触子の生体 と の接触面あ るいは 組織の境界間で何回 も 往復し て反射が繰 り返 さ れる現象 をい う 

図

反射体 と 探触 子の間で起 こ る多重反射は, 実際の反射体の後方に反射体 と 探触子の距離の整数倍に相当 す る間隔で ア ーチ フ ァ ク ト と し て出現す る. また反射体が非常に小 さ い場合で も

周囲組 織 と の音響イ ン ピー ダ ンスの差が大 き い と同 じ 現象 が起き

こ れ を特に コ メ ッ ト 様エ コ ー

と 呼び, 強い エ コ ーの後方 に彗星の尾のよ う なエ コ ーが線状 に尾 を引 い て 見 ら れ る

サイ ド ロ ー ブ

超音波 ビ ームは主 に探触子の中心軸方向に放射 さ れ る メ イ ンロ ー ブ と

それ を 囲み異 な つ と 方向 に超 音波 ビ ー ムが放射 さ れ る サイ ド ロ ー ブか ら な る

サイ ド ロ ー ブの音圧はメ イ ンロ ーブの

程度 と 大き く

サイ ド ロ ー ブ方向に反 射 の強い物体が あ る と

そ れに よ る反射像が メ イ ンロ ー ブ像 に重 な っ て描出 さ れ る 

図

2.4) .

子 

、 、口  口 

管 「 - l

反 体 

. j

ロ

ー

●

[ ・ 

_ 1

5

口

=

^-

l

^図

^{多重反射の概念図} - ^{モニタ上多◆ 反}

標Ia 子 

、口

-

^{/ ︑ メインロ ープ ,}

^{アーチファ = - 口 強い 反}

^体

図

サイ ドロ ーブの概念図

2.2.

生体高調波画像化法

2.2 生体高調波画像化法

生体高調波画像化法

と は生体内部におけ る超音波の 非線形伝搬によ り 発生す るハーモ ニ ツク 

高調波) 成分 を検出 し て, 生体組織 を描出す る も ので

近年では空間分解能を高 く で き る超音波画像化手法 と し て実際の医療超音波診断 装置にその機能が組み込 まれて い る

造影剤に対 し て入射 さ れた超音波に生 じ る非線形効 果に よ り 発生す る高調波 を検出 し て描出す る手法 も あ る が

で は造影剤 を用い ない で高調波 を検出 す る と い う 特徴があ る

2.2.1 T H I

の発生原理

媒質中 を伝搬す る超音波の音速は, 縦波の粗密に応 じ て, わずかながら変化す る. す な わち

疎の部位では音速は遅 く

密では速 く な る

こ のため

図

に示すよ う に

媒質 中 を伝搬す る正弦波状の音波は, その伝搬距離が長 く な る につれて鋸歯状波 に近づいて い く

こ の波形のス ペ ク ト ルには, その波形の基本周波数の他に

高調波成分が多 く 含 ま れて い る

こ れが, 組織 か ら のエ コ ー信号に含 まれ る高調波信号の発生の メ カ ニ ズ ムで あ る. 以 下に こ の非線形性の重要 な特徴 を述べ る.

( i)

波形のひずみは蓄積す る

(ii) 第2 高調波の振幅は入射超音波の振幅の2 乗 に比例す る.

音波 の伝搬距離 が短 い と き にはわずかなひずみで も

その距離が長 く な る に伴 っ て ひずみ が蓄 積 さ れ

ハ ー モ ニ ツ ク 成分 が顕著 に な る

送信波

伝般途中

伝般後

一 一 一

図

非線形音響媒質中の伝搬に よ る高調波の発生

2.2.2 TH I

の利点と欠点

利点

( a)

距離分解能の良い画像

高調波の帯域幅は, 基本波の帯域幅に比べ広い 

^一 分な音圧強度があれば

次高調波 の帯域幅 は基本波の帯域幅の

倍 にな る

そのため基本波のパルス幅 に比 べ

高調波の パルス幅は細 く な るので, 基本波で生成 し た画像よ り も

距離分解能の良い画像が得 ら れ

る.

( b)

方位分解能の良い画像

非線形歪みは音圧が高 く ない と 発生 し ない. ま た送信 ビームの音圧は ビ ーム中央付近 では強いが, 中央か ら端に な るほど, 音圧は急激に弱 く な る

こ のため高調波の発生は音 圧の高い ビーム中央 に制限 さ れ

ビーム幅が狭ま り 結果 と し て方位分解能が向上す る 

図

( c)

アーチ フ ァ ク ト の少な い画像

超音波画像 には さ ま ざ ま な ア ーチ フ ァ ク ト が生 じ る が, その中 で も

前述の, 多重反 射 と サイ ド ロ ー ブ に よ る ア ー チ フ ァ ク ト は特 に大 き な間題 で あ る

で は, 非線形 ひ ずみは音圧の

一度反射体で反射 し たエ コ ー ﾍ その音圧 が低 く な り

エ コ ー成分では高調波はほ と んど発生 し ないため, 多重反射に よ る ア ーチ フ ァ ク ト が少 な い

ま た基本波のサイ ド ロ ー ブ強度は, メ イ ンロ ーブに比べ

小 さ いのに対 し

高調波のサイ ド ロ ー ブ強度は, メ イ ンロ ーブに比べ

程小 さ い

こ のた めサイ ド ロ ー ブに よ る ア ーチ フ ァ ク ト が少 な く な る

( d)

体表から のエ コ ー の抑圧

超音波診断画像に おい て

体表から のエ コ ーは特に不要で あ る. し か し 基本波成分を 使 っ た画像では こ れを抑 え る こ と がで き なかっ た

では前述の と お り

高調波は伝搬 距離が増すにつれて 発生す るので

伝搬距離がと て も近い体表か ら のエ コ ー を抑 え る こ と がで き る

(e)

生体深部の高周波画像化

高調波は基本波が生体内 を伝搬す る につれて発生す るので

高調波の帯域の信号 を送

2.2.

生体高調波画像化法

受信す るの と 比較 し て周波数依存減衰の影響が小 さ く な る. 従 っ て同 じ 帯域で も T HI を 利用す る こ と で生体深部の高周波の画像化が可能 と な る

欠点

(a) SNR

の低下

高調波の音圧は基本波の音圧に比べて非常に小 さ い ため

圧縮波形の

が低下する

(b) FDA

への影響

高調波は基本波 に比べ倍の周波数成分も持つため

周波数依存減衰がよ り 強 く 作用す る

そのため, T HI は電気的 ノ イ ズ, シス テ ムノ イ ズの影響 を受け やす く

特 に生体深 部で の画像化 に不都合が生 じ る

基本波のビーム領域

l

ハーモニツクのビーム領域

図

基本波 と 高調波の ビーム幅

2.3

パル ス圧縮法

2 .3 .1

パルス圧縮法の概要

SNR

を改善す る一般的 な手法 と し て

パルス圧縮技術が挙げ ら れ る. パルス圧縮技術 で は照射 エ ネ ルギ ー を增やすた めに

符 号化信号 を照射時間 の長い パル ス と し て 送信す る

そ し て目標から の反射波 を受信 し た後に処理を行 う こ と によ り

尖頭電力が大 き く 幅 の細いパルス を送信 し た場合 と同 じ 効果 を得 る手法で ある. パルス圧縮技術はこ こ

年 にわた り

医療超音波分野 を中心に数多 く の研究がな さ れて い る. パルス圧縮に用い る符 号化信号は様 々あ る が, こ こ では リ ニ ア

チ ヤー プについて述べ る.

2.3.2

リ ニア

チ ヤー プ

時間 と と も に周波数が線形に変化 

チ ヤー プ

す る信号は

( )

[

^・ (

^十

)]

で表 さ れる. こ こ に

中心周波数, k は

f, = [

(

)]

= fo

十

(2.4)

(2.5)

の時間に対す る変化率

は

の持続時間であ り

関数は次式で定義 さ れる

rect

( ) = 1 -

= 0 t < - , < t ^(2.6)

式

から瞬時周波数の変化量

と なる. sl( t) のスペ ク ト ルは

フ ー リ エ変換す る こ と によ り 得 ら れ,

SI(f ) = /

二

-

^フ

= [z(y2) - z(y,)]exp

[-

和 ^一 

^。

]

と な る. こ こ に, Z ( y) は複素 プレネ ル積分で

z (y) = CF(y) +

-

^]

(2.7)

(2.8)

2.3.

パルス圧縮法

に よ り 表 さ れ る

は, それぞれ次式 に よ り 定義 さ れ る.

, = - 2(f - f 。 ) -

J2

=-

^十

(2.9) (2.10)

パル ス圧縮 の フ ィ ル タ のイ ンパルス レ ス ポ ン ス と し て次式で 表 さ れ る も の を 考 え る

]  )

一

(

2  7 ﹁

一 

・

一PX 

一一(t,n 

式 

から 分かるよ う 入力信号

化するのに対し

の瞬時周波数は

十

から

-

ル タ の伝達関数は

を フ ー リ エ変換す る こ と によ り

(2.11)

- ^「

^から

^十

^に変

T)

に変化す る

こ の ブ イ

H^「

(f) = J 二

^-

= /

^[-

^{- f) -}

]

= exp

[ ^一 和 ^一 

]

パルス圧縮の フ ィ ル タ に信 号

h( t)

の コ ン ボ リ ュ ー シ ヨ ン積分によ っ て与 え ら れ る

s2(t) =

二 /

^τ

^{- τ}

^τ

=

、

「

ヨ

[

^-

]

た だ し

関数は次式で定義 さ れる

(2.12)

疎の出力は

(2.13)

l ^Sin(7Ta

')

s nc a^' = (2.14)

7

「a

式

で表 さ れる入力信号

式

での出力信号

て電圧で 、f 「

パルス幅が約 倍 と な る こ と がわかる. ま た, パル ス圧縮 フ ィ ル タ の周波数領域におけ る出力は

ま た

と

の積で 表 さ れ

S2(f) = _{= S,(f )}

/- :

_・ 

^-

= [Z(l/2)

-

と な る

次に

パルス圧縮 フ ィ ル タ がマ ツチ ド フ イル タ と し て構成 さ れて い る場合 を考 え る. マ ツチ ド フ イル タ と はその フ ィ ル タ の入力 に おけ る

を固定 し た と き 出力 の

が最大 と な る フ ィ ル タ を い う

ただ し

こ こ で は雑音は白色正規性 と す る

こ の と き マ ツ チ ド フ イル タ の伝達関数は出力信号の遅延 を無視すれば

HM(f ) =

]

一

t- 二 , 一一

.  ・

*

一

*   s

(2.16)

で与え ら れ る

こ こ に

ア ス タ リ ス ク

また, こ の フ ィ ル タ のイ ン パルス応答 は

hM(t) = sl(f)

= rect

( )

[

(

^-

)]

で表 さ れ る. し たがっ て

時間領域におけ る出力信号は

と

ン積分に よ り 得 ら れ

szM(t) =

/-

0 0

。。

・ 

L

^{十 「 一} 

^{- τ}

^」

と な る. 式

と の比較 を容易にするために, 式

を正規化すれば最終的に得

s . , =

、

、

、

ー 一 - - _ltl ^{、 ー} ー ^ノ

と な る. 式

において

振幅の ピーク が生じ る

よ り 時間軸方向に離れる に し たがい分子の第二項は小 さ く な るので

式

は

で表 さ れる波形の振幅 と ほ ぼ同 じ に な る

図

矩形波のチ ヤー プ信号, 図

図

2.9,

図

にそれぞれの圧縮波形の検波信号を示す. ハ ミ ング窓 を掛け る と 距離方向の

特性 を悪化 さ せ る レ ン ジサイ ド ロ ー ブ を抑 え る こ と がで き る が矩形窓 と 比べて半値幅が

広が っ て い る

2.3.

パルス圧縮法

1 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 2

E 0

ll:l;

- 0 . 2 - 0 . 4 - 0 . 6 - 0 . 8 - 1

1 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 2 E a, 0

ll:l:

- 0 . 2 - 0 . 4 - 0 . 6 - 0 . 8 - 1

図

矩 。をか たチ ヤ

ー プ信号の例

T i me [mi c r o sec ]

o図 2.8 1

ハ ミ 、 ン

グ窓 をかけ た ヤー プ信号の例

T i me [mi c r o sec ]

一-l

') :

u Z.,T ,T ePu u 〇

図

矩形 力

エ ンベロ ー プ

T i me [mi c r o sec ]

一-:- 〇

-pa

・

-0:N  1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 

図

ミ .,1

タ窓を か

たチ - ^{橋 聞} 波形 と エ ンベロ ー プ

T i me [mi c r o sec ]

第 3 章  提案手法

19

3.1 提案手法の概要

FDA

を補償す る ための実験や シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を行 う 前に, まず探触子の特性 を補償 す る必要があ る ため

は じ めにその手法につい て述べ る. 次 に, 基本波帯 に おけ る

補償手法の概要 と アル ゴリ ズムを述ぺ

その後

補償手法の

への拡張について 述 べ る

3.2

探触子の特性補償

3.2.1

探触子の特性補償

探触子の特性補償は振幅 と 位相の双方に対 し て行 う

まず, 任意の

チ ヤー プ信号

を送信 し

対応す るエ コ ー信号と し て

を取得す る. こ のと き

の影響 を受 け ないよ う にす るため, 探触子の近 く に反射体 を設定す る必要があ る. f , ( t) の周波数領域 を

ω

の周波数領域を

ω

と表す

こ こ で両者の振幅の比 を

ω

と す る と

l

^ω

n (

ω

と 表せ る

さ ら に

両者の位相差 を計算 し て送信信号の位相に足 し 合わせた も の を

ω

と す る と

Il(

ω

ω

ω

ω

と 表せ る. 最後に

求めた振幅の比

と 位相補償 を し た

を掛け合わせ る.

Re(SI(

ω

ω 、

ω

ω

ω

ω

ω

ω

上記で計算 し た実部 と 虚部に逆

処理を施すこ と で

探触子の特性 を補償す る送信信

号

こ の補償送信信号を以降の処理に対す る基本送信信号 と し て用い る.

3.2 .2

高調波帯におけ る探触子の特性補償

本研究では

高調波 を使用す るため

高調波帯におけ る探触子の特性補償が必要と な る

エ コ ー信号

は一つの探触子で送受信 し て得 ら れた信号で あ り

を受信す る際には, 基本波帯の送信特性 と 高調波帯の受信特性を受けて い る. 従 っ て

ま ず基本波帯の送信特性 と 高調波帯の受信特性を計測す る必要があ る

基本波帯の送信特 性は, 送受信実験中に, 送信波 をハイ ドロ ホ ンで計測す る こ と で求め る こ と がで き る

送 信の振幅特性 と し て

位相特性 と し て

を以下の通 り 求め る.

、

ω

,(

ω

It(

ω

ω

-

^ω

高調波帯の受信特性は, 高調波帯の送受信実験中に, 送信波をハイ ドロ ホ ンで計測 し

送 受信の特性から 送信波の特性 を差 し引 く こ と で求める こ と がで き る. 受信の振幅特性 と し て

ω

位相特性 と し て

ω

を以下の通 り 求め る

IF2(

ω

ω

Ir(

ω

ω

ω

それぞれ を求めた ら

位相補償 さ れた位相

I2(

ω

ω

十

ω

十

「

ω

最後に, 求めた振幅の比

ω

ω

と 位相補償を し た

を掛け合わせ る.

Re(S2 (

ω

ω

^ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

(3.7) (3.8)

(3.9)

(3.10) (3.11)

上記で計算 し た実部 と 虚部に逆

処理を施すこ と で, 高調波帯におけ る探触子の特性

を補償す る送信信号

が得 ら れる

3.3. FDA

補償手法

3.3 FD A 補償手法

3.3.1

基本的な考え方

生体深部に超音波 を送信 し た場合

伝搬距離が長 く

の影響 を大き く 受け る

によ る高

化が有効で あ る も のの

によ る波形歪みによ り 圧縮精度が著 し く 低下 し

圧縮画像が不鮮明に な っ て し ま う

そこ で

補償手法で は, まず

を設定 し

探触子の特性 を補償 し た送信信号を送信 し て エ コ ー信号を取得す る. こ のエ コ ー信号には 探触子から

までの減衰情報が含まれる

こ のエ コ ー信号の減衰情報から

補償手 法 を用いて補償送信信号を決定す る. 決定 さ れた信号は, 減衰の大 き く な る高周波成分を 增幅 さ せ た形状 に な る. 決定 さ れた信号を再び探触子か ら 送信 し エ コ ー信号 を取得す る

こ の送信信号も ま た伝搬過程で

の影響を受け るが

補償によ っ て增幅 さ せた高周波 成分がエ コ ー信号を受信す る時点で

と 相殺 さ れ

波形歪みの軽減 さ れたエ コ ー信号

を取得す る こ と がで き る

3.3 .2

基本波に対する 

補償手法

まず前項で求めた基本送信信号

のあ る媒質に伝播 させ る. そ し て得 ら れ たエ コ ー信号 を

と お く

前提 と し て

は振幅のみ減衰す る も の と し

位相につ いての処理は行わない

によ る減衰関数

ω

を次のよ う に定義す る

l F1(

ω

F A(

ω

K I (

ω

実際の手順では, 計測雑音の影響を回避す るためこ

こ で求めた

を近似す る必要があ る. 本研究では近似手法を線形近似 と 曲線近似 の二種類について評価し た

図

に減衰関数

ω

点線

と 二種類の近似

実線

を示 す・  近似 し た

ω

を

補償送信信号は

、

ω

ω

と 表せ る. 振幅変調 し た

その結果 得 ら れるエ コ ー信号は

によ る減衰の影響を受け た上で

理想的 なエ コ ー信号にな る

と 考え ら れ る

3.3 .3

高調波に対する 

補償手法

高調波帯の

から 減衰関数 を求め る

任意の

チ ヤー プ信号

の二倍の周波数帯域 を持つ, 高調波チ ヤー プ信号を

エ コ ー信号

と お く

こ こ で前項 と同様に高調波帯におけ る減衰