JP2016049253A - Ultrasonic diagnostic device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a value related to the speed of a shear wave in a biological tissue with high accuracy.SOLUTION: An ultrasonic diagnostic device irradiates each of a plurality of excitation points Si defined in a subject 14 with a pressurization ultrasonic wave individually and excites a shear wave from each excitation point Si. As well as irradiation of the ultrasonic wave to each excitation point Si, the ultrasonic diagnostic device sequentially acquires tomographic frame data expressing a tomographic image with the lapse of time with transmission and reception of the ultrasonic wave for tomographic image measurement. The ultrasonic diagnostic device also measures displacement based on the shear wave on the basis of the plurality of sequentially-acquired pieces of tomographic frame data for each of the plurality of measurement points Mj defined in the subject 14. The ultrasonic diagnostic device obtains response characteristics expressing the relation between the shear wave excited at each excitation point Si and the displacement measured at each measurement point Mj, and obtains the distribution of elastic moduli in the biological tissue of the subject 14 by using the response characteristics.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、生体組織における剪断波速度に関する値を測定する装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to an apparatus for measuring a value related to a shear wave velocity in a living tissue.

生体組織の弾性率を測定する超音波診断装置が広く用いられている。弾性率は、弾性変形する物体に与えられた応力を、その物体の歪みで割った値として定義され、物体の変形し難さを表す。一般に、癌、動脈硬化、肝硬変等の疾患がある組織は、その弾性率が他の組織の弾性率と異なる。そのため、弾性率を測定することで疾患を発見できる場合が多い。   2. Description of the Related Art Ultrasonic diagnostic apparatuses that measure the elastic modulus of living tissue are widely used. The elastic modulus is defined as a value obtained by dividing the stress applied to an elastically deformed object by the distortion of the object, and represents the difficulty of deformation of the object. In general, a tissue having a disease such as cancer, arteriosclerosis, or cirrhosis has an elastic modulus different from that of other tissues. Therefore, it is often possible to find a disease by measuring the elastic modulus.

特許文献1および2に記載されているように、弾性率を測定する超音波診断装置には、振動体によって生体組織に剪断波(せん断波)を発生させると共に、超音波の送受信によって断層面における超音波データを取得するものがある。この超音波診断装置では、超音波データに基づいて断層面における剪断波の速度分布が求められ、断層面における弾性率の分布が求められる。   As described in Patent Documents 1 and 2, in an ultrasonic diagnostic apparatus that measures an elastic modulus, a shear wave (shear wave) is generated in a living tissue by a vibrating body, and at the tomographic plane by transmitting and receiving ultrasonic waves. Some obtain ultrasonic data. In this ultrasonic diagnostic apparatus, the shear wave velocity distribution on the tomographic plane is obtained based on the ultrasonic data, and the elastic modulus distribution on the tomographic plane is obtained.

また、振動体やユーザの手による加振によって生体組織に剪断波を発生させると共に、生体組織内の複数の測定点において変位を測定する超音波診断装置がある。この超音波診断装置では、時系列順に観測された複数の断層画像に基づいて、複数の測定点において変位が測定される。そして、各測定点における変位測定値を用いて、計算の上で各測定点に剪断波がフォーカスされ、そのフォーカスされた剪断波の振幅の空間分布(振幅分布)に基づいて剪断波の速度が求められる。具体的には、剪断波の振幅分布のピーク特性、例えば、その半値幅等に基づいて剪断波の波長が求められ、剪断波の波長および周波数に基づいて剪断波の速度が各測定点において求められる。さらに、各測定点において求められた速度から、各測定点における弾性率が求められる。   In addition, there is an ultrasonic diagnostic apparatus that generates shear waves in a living tissue by vibration by a vibrating body or a user's hand and measures displacement at a plurality of measurement points in the living tissue. In this ultrasonic diagnostic apparatus, displacement is measured at a plurality of measurement points based on a plurality of tomographic images observed in time series. Then, using the displacement measurement value at each measurement point, the shear wave is focused on each measurement point in the calculation, and the shear wave velocity is determined based on the spatial distribution (amplitude distribution) of the amplitude of the focused shear wave. Desired. Specifically, the wavelength of the shear wave is determined based on the peak characteristics of the amplitude distribution of the shear wave, for example, the half width thereof, and the velocity of the shear wave is determined at each measurement point based on the wavelength and frequency of the shear wave. It is done. Furthermore, the elastic modulus at each measurement point is obtained from the speed obtained at each measurement point.

非特許文献1には、媒質で発生したノイズを複数の測定点で測定し、各測定点におけるノイズ測定値を用いて計算の上で各測定点にノイズをフォーカスすることで、媒質の特性を解析する技術が記載されている。ただし、非特許文献1に記載の技術は、地震解析に関する技術であり、生体組織の診断に関する技術ではない。   In Non-Patent Document 1, noise generated in a medium is measured at a plurality of measurement points, and noise is measured at each measurement point, and the noise is focused on each measurement point after calculation. The technique to analyze is described. However, the technique described in Non-Patent Document 1 is a technique related to earthquake analysis and not a technique related to diagnosis of living tissue.

国際公開第2011−004661号明細書International Publication No. 2011-004661 Specification 国際公開第2011−001776号明細書International Publication No. 2011-001776 Specification 国際公開第2013−073304号明細書International Publication No. 2013-073304 Specification

Thomas Gallot, Stefan Catheline, Philippe Roux, and Michel Campillo, “ A passive inverse filter for Green’s function retrieval “ JASA Express Letters, Acoustical Society of America, J. Acoust. Soc. Am. 131, EL21 (2012).Thomas Gallot, Stefan Catheline, Philippe Roux, and Michel Campillo, “A passive inverse filter for Green ’s function retrieval“ JASA Express Letters, Acoustical Society of America, J. Acoust. Soc. Am. 131, EL21 (2012).

振動体やユーザの手による加振によって生体組織に剪断波を発生させると共に、生体組織内の複数の測定点において変位を測定する超音波診断装置では、生体組織内の不特定の点で剪断波が発生する。また、各点で発生する剪断波の強度のばらつきが大きい。そのため、剪断波の速度の測定結果について十分な精度が得られないことがある。   In an ultrasonic diagnostic apparatus that generates a shear wave in a living tissue by vibration by a vibrating body or a user's hand and measures displacement at a plurality of measurement points in the living tissue, the shear wave is generated at an unspecified point in the living tissue. Will occur. Moreover, the dispersion | variation in the intensity | strength of the shear wave generated at each point is large. Therefore, sufficient accuracy may not be obtained for the measurement result of the shear wave velocity.

本発明は、生体組織における剪断波の速度に関する値を高精度で測定することを目的とする。   An object of this invention is to measure the value regarding the speed of the shear wave in a biological tissue with high precision.

本発明は、生体組織内に定められた加振点に超音波を照射する加振処理と、前記加振点で励振された剪断波に基づく変位を、超音波の送受信によって、前記生体組織における複数の測定点で測定する測定処理と、を実行する測定部と、複数の前記加振点のそれぞれについて個別に前記加振処理が実行され、各前記測定点について前記測定処理が実行されることにより、各前記加振点に対する各前記測定点での応答特性を求める応答特性演算部と、前記応答特性に基づいて前記生体組織における剪断波の速度に関する値を求める速度演算部と、を備えることを特徴とする。   The present invention relates to an excitation process for irradiating an ultrasonic wave to an excitation point defined in a biological tissue and a displacement based on a shear wave excited at the excitation point by transmitting and receiving ultrasonic waves in the biological tissue. A measurement unit that performs measurement at a plurality of measurement points; and the excitation process is performed individually for each of the plurality of excitation points, and the measurement process is performed for each of the measurement points. A response characteristic calculation unit that obtains a response characteristic at each measurement point with respect to each excitation point, and a speed calculation unit that obtains a value relating to the shear wave velocity in the living tissue based on the response characteristic. It is characterized by.

本発明では、被検体の生体組織に定められた複数の加振点のそれぞれに、超音波が個別に照射され、各加振点から剪断波が励振される。加振点の数、各加振点の位置等は、例えば、十分な測定精度が得られるように定められる。そのため、振動体やユーザの手による加振によって生体組織のあらゆる点に剪断波を発生させる場合のように、剪断波が実際に発生する点を設定することが困難な従来の装置に比べて、測定精度が高くなる。   In the present invention, ultrasonic waves are individually applied to each of a plurality of excitation points determined on the living tissue of the subject, and a shear wave is excited from each excitation point. The number of excitation points, the position of each excitation point, etc. are determined so that sufficient measurement accuracy can be obtained, for example. Therefore, compared to conventional devices where it is difficult to set the point at which shear waves are actually generated, such as when shear waves are generated at every point of biological tissue by vibration by a vibrating body or user's hand, Measurement accuracy increases.

望ましくは、前記加振処理は、前記加振点にパルス波形の超音波を照射する処理を含み、前記応答特性は、変位についての時間応答特性である。   Desirably, the said vibration process includes the process which irradiates the ultrasonic wave of a pulse waveform to the said vibration point, and the said response characteristic is a time response characteristic about a displacement.

これによって、加振点に照射する超音波の時間波形をデルタ関数時間波形に近似させて、応答特性をインパルス応答に近似させることができる。   Thereby, the time waveform of the ultrasonic wave irradiated to the excitation point can be approximated to a delta function time waveform, and the response characteristic can be approximated to an impulse response.

望ましくは、前記応答特性についてのインバース特性であって、各前記測定点での変位に対して各前記加振点における剪断波の状態が求められるインバース特性を、前記応答特性に基づいて求めるインバース特性演算部を備え、前記速度演算部は、前記応答特性および前記インバース特性に基づいて、剪断波を前記測定点に仮想的にフォーカスするフォーカス演算部を備え、仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度に関する値を求める。   Desirably, an inverse characteristic for the response characteristic, wherein an inverse characteristic for obtaining a state of a shear wave at each excitation point with respect to a displacement at each measurement point is obtained based on the response characteristic. A calculation unit, and the speed calculation unit includes a focus calculation unit that virtually focuses the shear wave on the measurement point based on the response characteristic and the inverse characteristic, and is based on the virtually focused shear wave. To determine the value for shear wave velocity.

本発明によれば、剪断波を測定点にフォーカスするという処理(剪断波を測定点に集めて収束させるという処理)を計算の上で仮想的に実現することができる。被検体に対する実測処理として加振処理および測定処理がひとたび実行された後の処理は計算によって実行され、剪断波の速度の測定が簡単となる。   According to the present invention, a process of focusing a shear wave on a measurement point (a process of collecting and converging a shear wave on a measurement point) can be virtually realized by calculation. The processing after the vibration processing and the measurement processing are once executed as the actual measurement processing on the subject is executed by calculation, and the measurement of the shear wave velocity is simplified.

望ましくは、前記インバース特性は、前記生体組織内におけるノイズの寄与を低減または除去する特性を有し、前記測定点における極限的なフォーカス状態についての情報が与えられることで、当該極限的なフォーカス状態を実現するための各前記加振点における剪断波の状態を表す。   Desirably, the inverse characteristic has a characteristic of reducing or eliminating the contribution of noise in the living tissue, and is given the information about the extreme focus state at the measurement point, so that the extreme focus state The state of the shear wave at each excitation point for realizing

測定点に仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度を求める処理が、極限的なフォーカス状態を基準として行われるため、測定精度が高まる。   Since the process of obtaining the shear wave speed based on the shear wave virtually focused on the measurement point is performed based on the extreme focus state, the measurement accuracy is increased.

本発明によれば、生体組織における剪断波の速度に関する値を高精度で測定することができる。   According to the present invention, it is possible to measure a value related to the velocity of a shear wave in a living tissue with high accuracy.

超音波診断装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an ultrasonic diagnosing device. プローブおよび被検体を模式的に示す図である。It is a figure which shows a probe and a test object typically. フレームデータ生成部によって生成された複数の断層フレームデータを概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally several tomographic frame data produced | generated by the frame data production | generation part. 剪断波をフォーカスさせた測定点Mqを原点とするx軸上の振幅分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the amplitude distribution on the x-axis which makes the origin the measurement point Mq which focused the shear wave.

図1には、本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成が示されている。超音波診断装置は、プローブ10、測定部20、応答特性演算部34、インバース特性演算部38、速度演算部36、弾性画像生成部44、画像合成部46、断層画像生成部48、および表示部50を備える。測定部20、応答特性演算部34、インバース特性演算部38、速度演算部36、弾性画像生成部44、画像合成部46、および断層画像生成部48は、例えば、プロセッサによって構成される。この場合、プロセッサは、超音波診断装置用のプログラムを読み込むことで各構成要素を構築する。各構成要素の詳細な構成および動作については後述する。   FIG. 1 shows the configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention. The ultrasonic diagnostic apparatus includes a probe 10, a measurement unit 20, a response characteristic calculation unit 34, an inverse characteristic calculation unit 38, a velocity calculation unit 36, an elastic image generation unit 44, an image synthesis unit 46, a tomographic image generation unit 48, and a display unit. 50. The measurement unit 20, the response characteristic calculation unit 34, the inverse characteristic calculation unit 38, the velocity calculation unit 36, the elastic image generation unit 44, the image synthesis unit 46, and the tomographic image generation unit 48 are configured by, for example, a processor. In this case, the processor constructs each component by reading the program for the ultrasonic diagnostic apparatus. The detailed configuration and operation of each component will be described later.

超音波診断装置で実行される処理の概要を説明する。超音波診断装置は、被検体14内に定められた複数の加振点のそれぞれに、加圧用超音波(剪断波発生用の超音波)を個別に照射して、各加振点から剪断波を励振する。各加振点に対する超音波の照射と共に、超音波診断装置は、断層像測定用の超音波の送受信によって、断層像を表す断層フレームデータを時間経過と共に順次取得する。さらに、超音波診断装置は、被検体14内に定められた複数の測定点のそれぞれについて、時系列順に取得された複数の断層フレームデータに基づいて、剪断波に基づく変位を測定する。超音波診断装置は、各加振点で励振された剪断波と、各測定点で測定された変位との関係を表す応答特性を求め、この応答特性を用いて被検体14の生体組織における弾性率の分布を求める。超音波診断装置は、弾性率の分布が求められた断層面における断層画像と、弾性率の分布を表す弾性画像とを重ねて表示する。あるいは、超音波診断装置は、断層画像と弾性率の分布を個別に並べて表示する。   An outline of processing executed by the ultrasonic diagnostic apparatus will be described. The ultrasonic diagnostic apparatus individually irradiates each of a plurality of excitation points defined in the subject 14 with ultrasonic waves for pressurization (ultrasonic waves for generating shear waves), and generates shear waves from the respective excitation points. Excited. The ultrasonic diagnostic apparatus sequentially acquires tomographic frame data representing a tomographic image as time elapses by transmitting and receiving ultrasonic waves for measuring a tomographic image along with irradiation of ultrasonic waves to each excitation point. Furthermore, the ultrasonic diagnostic apparatus measures displacement based on shear waves based on a plurality of tomographic frame data acquired in time series for each of a plurality of measurement points defined in the subject 14. The ultrasonic diagnostic apparatus obtains a response characteristic representing the relationship between the shear wave excited at each excitation point and the displacement measured at each measurement point, and uses this response characteristic to determine the elasticity of the subject 14 in the living tissue. Find the distribution of rates. The ultrasonic diagnostic apparatus displays a tomographic image on a tomographic plane from which the elastic modulus distribution is obtained and an elastic image representing the elastic modulus distribution in an overlapping manner. Alternatively, the ultrasonic diagnostic apparatus displays the tomographic image and the elastic modulus distribution side by side.

図2には、プローブ10および被検体14が模式的に示されている。被検体14には複数の加振点Siが定められている。各加振点Siには、加圧用超音波が個別に照射され、各加振点Siから剪断波が励振される。図2には、弾性特性を測定する関心領域52を囲むように16個の加振点Si(i=1〜16)が定められた例が示されている。   FIG. 2 schematically shows the probe 10 and the subject 14. The subject 14 has a plurality of excitation points Si. Each excitation point Si is individually irradiated with pressurizing ultrasonic waves, and shear waves are excited from each excitation point Si. FIG. 2 shows an example in which 16 excitation points Si (i = 1 to 16) are determined so as to surround the region of interest 52 whose elastic characteristics are to be measured.

加振点Siの数は、測定に要される時間、関心領域52の大きさ、関心領域52の形状等の測定条件に応じて決定される。また、複数の加振点Siの各位置は、関心領域52を囲むものに限られない。すなわち、関心領域52内に加振点Siが位置してもよいし、複数の加振点Siのうち一部が関心領域52を囲み、残りの一部が関心領域52内に位置してもよい。また、関心領域52の外側に総ての加振点Siが位置してもよい。   The number of excitation points Si is determined according to measurement conditions such as the time required for measurement, the size of the region of interest 52, the shape of the region of interest 52, and the like. Further, the positions of the plurality of excitation points Si are not limited to those surrounding the region of interest 52. That is, the excitation point Si may be located in the region of interest 52, or a part of the plurality of excitation points Si may surround the region of interest 52 and the remaining part may be located in the region of interest 52. Good. Further, all the excitation points Si may be located outside the region of interest 52.

プローブ10は複数の振動素子12を備えている。複数の振動素子12は、被検体14に当接させる面に沿ってx軸方向に配列されている。加圧用超音波が送信される際には、各振動素子12に与えられる送信信号のタイミングおよびレベルが調整される。これによって、剪断波を励振する加振点Siを焦点とした加圧ビーム16が形成される。各加振点Siに対し加圧ビーム16の焦点が順に合わせられることで、各加振点Siに加圧用超音波が順に照射される。   The probe 10 includes a plurality of vibration elements 12. The plurality of vibration elements 12 are arranged in the x-axis direction along a surface that is in contact with the subject 14. When the pressurizing ultrasonic wave is transmitted, the timing and level of the transmission signal applied to each vibration element 12 are adjusted. As a result, the pressurized beam 16 with the excitation point Si for exciting the shear wave as a focal point is formed. By applying the focus of the pressurizing beam 16 to the respective excitation points Si in order, the ultrasonic waves for pressurization are sequentially applied to the respective excitation points Si.

関心領域52に対しては、断層像測定用の超音波がプローブ10において送受信されることによって、断層像を表す断層フレームデータが時間経過と共に順次取得される。関心領域52には、Nr個の測定点Mj(j=1〜Nr)が定められている。各測定点Mjについては、時系列順に取得された複数の断層フレームデータに基づいて、剪断波に基づく生体組織の変位が求められる。   For the region of interest 52, tomographic image data representing a tomographic image is sequentially acquired as time passes by transmitting and receiving ultrasonic waves for measuring a tomographic image at the probe 10. In the region of interest 52, Nr measurement points Mj (j = 1 to Nr) are defined. For each measurement point Mj, the displacement of the living tissue based on the shear wave is obtained based on a plurality of tomographic frame data acquired in time series.

測定点Mjの数は、測定に要される時間、関心領域52の大きさ、形状等の測定条件に応じて決定される。図2では、説明の便宜上、隣接する測定点の間隔が大きく描かれている。複数の測定点Mjは、例えば、関心領域52内に一様に配置される。複数の測定点Mjは、必ずしも関心領域52内に格子状に配置されていなくてもよい。   The number of measurement points Mj is determined according to measurement conditions such as the time required for measurement, the size and shape of the region of interest 52, and the like. In FIG. 2, the interval between adjacent measurement points is drawn large for convenience of explanation. For example, the plurality of measurement points Mj are uniformly arranged in the region of interest 52. The plurality of measurement points Mj are not necessarily arranged in a grid pattern in the region of interest 52.

超音波診断装置においては、各加振点Siから励振された剪断波と、各測定点Mjで測定された変位との関係を表す応答特性が求められる。そして、この応答特性を用いて、剪断波を1つの測定点Mqに計算の上で仮想的にフォーカスさせたときの各測定点Mj(j=1〜Nr)における剪断波の振幅が求められる。後述するように、剪断波がフォーカスされた測定点Mqおよびその近傍における振幅分布のピーク特性に基づいて、その測定点Mqにおける剪断波の速度が求められる。さらに、各測定点Mjにおける剪断波の速度と、生体組織の密度に基づいて、生体組織における弾性率の分布が求められる。   In the ultrasonic diagnostic apparatus, response characteristics representing the relationship between the shear wave excited from each excitation point Si and the displacement measured at each measurement point Mj are obtained. Then, using this response characteristic, the amplitude of the shear wave at each measurement point Mj (j = 1 to Nr) when the shear wave is virtually focused on one measurement point Mq is calculated. As will be described later, the velocity of the shear wave at the measurement point Mq is obtained based on the peak characteristic of the amplitude distribution at and near the measurement point Mq where the shear wave is focused. Furthermore, based on the shear wave velocity at each measurement point Mj and the density of the living tissue, the elastic modulus distribution in the living tissue is obtained.

超音波診断装置の詳細な構成および動作について図1に戻って説明する。測定部20は、送信部22、受信部26、ビーム制御部24、整相加算部28、フレームデータ生成部30および変位演算部32を備える。測定部20は、被検体14の生体組織に定められた加振点に、プローブ10から超音波を送信する加振処理を実行する。また、測定部20は、被検体14の生体組織における複数の測定点のそれぞれについて、加振点で励振された剪断波に基づく変位を求める測定処理を実行する。変位の測定は、プローブ10における超音波の送受信によって行われる。   The detailed configuration and operation of the ultrasonic diagnostic apparatus will be described with reference back to FIG. The measurement unit 20 includes a transmission unit 22, a reception unit 26, a beam control unit 24, a phasing addition unit 28, a frame data generation unit 30, and a displacement calculation unit 32. The measurement unit 20 executes an excitation process in which an ultrasonic wave is transmitted from the probe 10 to an excitation point determined in the living tissue of the subject 14. Further, the measurement unit 20 performs a measurement process for obtaining a displacement based on a shear wave excited at the excitation point for each of a plurality of measurement points in the living tissue of the subject 14. The displacement is measured by transmitting and receiving ultrasonic waves in the probe 10.

加振処理について説明する。送信部22は、ビーム制御部24による制御に従って、加振点を焦点とする加圧ビーム16がプローブ10に形成され、インパルス波形(デルタ関数波形)に近似したパルス波形を有する加圧用超音波が送信されるように、各振動素子12に出力する送信信号のタイミングおよびレベルを調整する。各振動素子12は、送信部22から出力された送信信号に応じて超音波を発生する。これによって、加圧ビーム16の焦点が1つの加振点に合わせられ、その加振点に加圧用超音波が照射される。加圧用超音波が照射された加振点からは、生体組織に剪断波が励振される。後述のように、複数の加振点のそれぞれに対し加圧ビーム16の焦点が順に合わせられることで、各加振点に加圧用超音波が順に照射され、各加振点から順に剪断波が励振される。   The vibration process will be described. According to the control by the beam control unit 24, the transmission unit 22 forms a pressurizing beam 16 having a focal point on the excitation point on the probe 10, and pressurizing ultrasonic waves having a pulse waveform approximate to an impulse waveform (delta function waveform). The timing and level of the transmission signal to be output to each vibration element 12 are adjusted so as to be transmitted. Each vibration element 12 generates an ultrasonic wave according to the transmission signal output from the transmission unit 22. Thereby, the focus of the pressurizing beam 16 is adjusted to one excitation point, and the ultrasonic wave for pressurization is irradiated to the excitation point. A shear wave is excited in the living tissue from the excitation point irradiated with the ultrasonic waves for pressurization. As will be described later, when the pressurizing beam 16 is focused on each of the plurality of excitation points in order, the ultrasonic waves for pressurization are sequentially applied to the respective excitation points, and shear waves are sequentially generated from the respective excitation points. Excited.

次に、測定処理について説明する。以下の説明では、図2の表記に倣い、被検体14に定められたNs個の加振点について「Si」(i=1〜Ns)の符号を必要に応じて用い、被検体14に定められたNr個の測定点について「Mj」(j=1〜Nr)の符号を必要に応じて用いる。   Next, the measurement process will be described. In the following description, following the notation of FIG. 2, the symbol “Si” (i = 1 to Ns) is used for the Ns number of excitation points determined for the subject 14 as necessary, and the subject 14 is determined. The sign of “Mj” (j = 1 to Nr) is used as necessary for the Nr measurement points obtained.

測定処理は、1つの加振点Siに対し加圧用超音波が照射されるごとに実行される。1回の測定処理によって、複数の測定点Mjのそれぞれについてz軸方向変位が求められる。1つの加振点に加圧用超音波を照射した後、送信部22は、ビーム制御部24による制御に従い、プローブ10から被検体14に平面波18が送信されるように、各振動素子12に送信信号を出力する。各振動素子12は、送信部22から出力された送信信号に応じて超音波を発生する。例えば、各振動素子12に強度がほぼ同一の超音波をほぼ同時に発生させることで、プローブ10の当接面と平行な波面を有する平面波18が発生する。なお、複数の振動素子12が直線状に配列されていない場合には、各振動素子12の位置に応じて、各振動素子12に発生させる超音波の強度、各振動素子に超音波を発生させるタイミングを調整してもよい。   The measurement process is executed every time the ultrasonic wave for pressurization is applied to one excitation point Si. The z-axis direction displacement is obtained for each of the plurality of measurement points Mj by one measurement process. After irradiating one excitation point with pressurizing ultrasonic waves, the transmission unit 22 transmits to each vibration element 12 so that the plane wave 18 is transmitted from the probe 10 to the subject 14 according to control by the beam control unit 24. Output a signal. Each vibration element 12 generates an ultrasonic wave according to the transmission signal output from the transmission unit 22. For example, a plane wave 18 having a wavefront parallel to the contact surface of the probe 10 is generated by causing each vibration element 12 to generate ultrasonic waves having substantially the same intensity almost simultaneously. In addition, when the plurality of vibration elements 12 are not arranged in a straight line, the intensity of ultrasonic waves generated in each vibration element 12 and the generation of ultrasonic waves in each vibration element according to the position of each vibration element 12. The timing may be adjusted.

プローブ10から送信された超音波は被検体14内において反射し、各振動素子12で受信される。各振動素子12は、受信された超音波を電気信号である受信信号に変換して受信部26に出力する。受信部26は、例えば、ビーム制御部24による制御に従い、各振動素子12から出力された受信信号を取得し、増幅、直交検波等の処理を施すように構成される。これによって、受信部26は、複数の振動素子12に対応する複数チャネルの受信ベースバンドデータを生成し、各受信ベースバンドデータを整相加算のために一時的に記憶する。   The ultrasonic wave transmitted from the probe 10 is reflected in the subject 14 and received by each vibration element 12. Each vibration element 12 converts the received ultrasonic wave into a reception signal that is an electrical signal and outputs the reception signal to the reception unit 26. For example, the reception unit 26 is configured to acquire a reception signal output from each vibration element 12 according to control by the beam control unit 24 and perform processing such as amplification and quadrature detection. Thereby, the receiving unit 26 generates reception baseband data of a plurality of channels corresponding to the plurality of vibration elements 12 and temporarily stores each reception baseband data for phasing addition.

整相加算部28は、受信部26に記憶された複数チャネルの受信ベースバンドデータを整相加算して、複数のz軸方向受信ビームデータを生成する。これら複数のz軸方向受信ビームデータは、被検体14の深さ方向(z軸方向)に向けられてx軸方向に並ぶ複数の受信ビームに対応する。整相加算部28は、各z軸方向受信ビームデータをフレームデータ生成部30および断層画像生成部48に出力する。なお、このような整相加算は、例えば、上記特許文献3に記載されている。   The phasing / adding unit 28 phasing / adding the reception baseband data of the plurality of channels stored in the receiving unit 26 to generate a plurality of z-axis direction reception beam data. The plurality of z-axis direction reception beam data correspond to a plurality of reception beams that are directed in the depth direction (z-axis direction) of the subject 14 and arranged in the x-axis direction. The phasing addition unit 28 outputs each z-axis direction reception beam data to the frame data generation unit 30 and the tomographic image generation unit 48. Note that such phasing addition is described in, for example, Patent Document 3 described above.

フレームデータ生成部30は、整相加算部28から出力された各z軸方向受信ビームデータに基づいて、超音波の1回の送受信に対応して、1つの断層フレームデータを生成する。ビーム制御部24、送信部22、プローブ10、および受信部26は、被検体14に対する超音波の送受信を繰り返し行う。整相加算部28およびフレームデータ生成部30は、時間経過と共に繰り返し行われた複数回の超音波の送受信に対応して、時間経過と共に複数の断層フレームデータを生成する。フレームデータ生成部30は、各断層フレームデータを変位演算部32に出力する。   The frame data generation unit 30 generates one tomographic frame data corresponding to one transmission / reception of an ultrasonic wave based on each z-axis direction reception beam data output from the phasing addition unit 28. The beam control unit 24, the transmission unit 22, the probe 10, and the reception unit 26 repeatedly transmit and receive ultrasonic waves to and from the subject 14. The phasing addition unit 28 and the frame data generation unit 30 generate a plurality of tomographic frame data with the passage of time in response to a plurality of times of ultrasonic transmission / reception repeatedly performed with the passage of time. The frame data generation unit 30 outputs each tomographic frame data to the displacement calculation unit 32.

図3には、フレームデータ生成部30によって生成された複数の断層フレームデータが概念的に示されている。この図では、加振時刻Tpshで1つの加振点に加圧用超音波が照射され、時間tから時間t+(n−1)・δの間に、時間δの間隔でn個の断層フレームデータF0〜Fn−1が生成された例が示されている。各断層フレームデータは、x軸方向に配列された複数の受信ビームに対応する複数のz軸方向受信ビームデータ54を含む。 FIG. 3 conceptually shows a plurality of tomographic frame data generated by the frame data generation unit 30. In this figure, an ultrasonic wave for pressurization is irradiated to one excitation point at the excitation time Tpsh, and there are n pieces of time intervals between time t 0 and time t 0 + (n−1) · δ. An example in which the tomographic frame data F0 to Fn-1 is generated is shown. Each tomographic frame data includes a plurality of z-axis direction reception beam data 54 corresponding to a plurality of reception beams arranged in the x-axis direction.

各断層フレームデータにはxz座標が対応付けられている。断層フレームデータが取得された断層面における点(x、z)には、z軸方向受信ビームデータのデータ値BD(x,t’)が対応付けられている。1つのz軸方向受信ビームデータ54には、対応する受信ビームのx座標が対応付けられ、1つのz軸方向受信ビームデータ54の時間パラメータt’には、z座標が対応付けられている。ここで、生体組織をz軸方向に往復伝搬する超音波の速さをvとすれば、t’=2z/vの関係がある。したがって、データ値BD(x,t’=2z/v)に対し点(x、z)が対応する。   Each tomographic frame data is associated with xz coordinates. The data value BD (x, t ′) of the z-axis direction received beam data is associated with the point (x, z) on the tomographic plane from which the tomographic frame data is acquired. One z-axis direction received beam data 54 is associated with the x coordinate of the corresponding received beam, and the time parameter t ′ of one z-axis direction received beam data 54 is associated with the z coordinate. Here, if the speed of the ultrasonic wave that reciprocates through the biological tissue in the z-axis direction is v, there is a relationship of t ′ = 2z / v. Therefore, the point (x, z) corresponds to the data value BD (x, t ′ = 2z / v).

図1の変位演算部32は、フレームデータ生成部30から出力された複数の断層フレームデータに基づいて、被検体14のxz断層面に定められた各測定点Mjにおけるz軸方向変位を求める。すなわち、変位演算部32は、各測定点Mjに対応する生体組織粒子について、z軸方向への移動量をz軸方向変位として求める。1つの測定点Mjにおけるz軸方向変位は、その測定点Mjを通るxz平面に垂直な直線56に対するz軸方向変位dji(t)である。ただし、z軸方向変位dji(t)は、時間t=t、t+δ、t+2δ、・・・・・t+(n−1)・δにおける離散値である。図3には、離散的なz軸方向変位dji(t)が黒点によって表されている。 The displacement calculation unit 32 in FIG. 1 obtains the z-axis direction displacement at each measurement point Mj defined on the xz tomographic plane of the subject 14 based on the plurality of tomographic frame data output from the frame data generation unit 30. That is, the displacement calculation unit 32 obtains the movement amount in the z-axis direction as the displacement in the z-axis direction for the biological tissue particles corresponding to each measurement point Mj. The z-axis direction displacement at one measurement point Mj is the z-axis direction displacement dji (t) with respect to the straight line 56 passing through the measurement point Mj and perpendicular to the xz plane. However, the z-axis direction displacement dji (t) is a discrete value at times t = t 0 , t 0 + δ, t 0 + 2δ,... T 0 + (n−1) · δ. In FIG. 3, discrete z-axis direction displacements dji (t) are represented by black dots.

z軸方向変位を求める処理は、例えば、時間を前後して連続して取得された2つの断層フレームデータに基づいて、生体組織粒子の1フレーム間隔当たりのz軸方向への移動量をz軸方向速度として求め、z軸方向速度の積算量をz軸方向変位として求めることで行われる。   The process for obtaining the displacement in the z-axis direction is, for example, based on the two tomographic frame data acquired successively before and after the time, and the amount of movement of the biological tissue particles in the z-axis direction per one frame interval is expressed in the z-axis direction. Obtained as the direction velocity, and the integrated amount of the z-axis direction velocity is obtained as the z-axis direction displacement.

上述のように、加圧用超音波の時間波形はインパルス波形に近似したものである。したがって、測定点Mjでのz軸方向変位dji(t)は、インパルス応答hji(t)に近似したものとなる。ここで、インパルス応答hji(t)とは、加振点Siに理想的なインパルス波形の加圧用超音波を照射したときに測定点Mjで測定されるz軸方向変位の時間応答波形をいう。変位演算部32は、測定点Mjにおけるz軸方向変位dji(t)をインパルス応答hji(t)とみなして、応答特性演算部34に出力する。   As described above, the time waveform of the pressurizing ultrasonic wave approximates the impulse waveform. Accordingly, the z-axis direction displacement dji (t) at the measurement point Mj approximates the impulse response hji (t). Here, the impulse response hji (t) refers to a time response waveform of the displacement in the z-axis direction measured at the measurement point Mj when the excitation ultrasonic wave having an ideal impulse waveform is irradiated to the excitation point Si. The displacement calculation unit 32 regards the z-axis direction displacement dji (t) at the measurement point Mj as the impulse response hji (t) and outputs it to the response characteristic calculation unit 34.

測定部20は、各加圧処理に対して1回の測定処理を行い、各加振点に対し、Nr個の測定点Mj(j=1〜Nr)のそれぞれについてインパルス応答を求める。そして、Nr×Ns個のインパルス応答hji(t)(i=1〜Ns、j=1〜Nr)を応答特性演算部34に出力する。インパルス応答hji(t)は、各加振点で励振された剪断波と、各測定点で測定された変位との関係を時間領域で表す応答特性としての意義を有する。   The measurement unit 20 performs one measurement process for each pressurizing process, and obtains an impulse response for each of the Nr measurement points Mj (j = 1 to Nr) for each excitation point. Then, Nr × Ns impulse responses hji (t) (i = 1 to Ns, j = 1 to Nr) are output to the response characteristic calculator 34. The impulse response hji (t) has significance as a response characteristic that represents the relationship between the shear wave excited at each excitation point and the displacement measured at each measurement point in the time domain.

なお、ここでは、プローブ10の当接面と平行な波面を有する平面波18を発生させる例について説明した。このような構成の他、ビーム制御部24によって送信部22および受信部26を制御し、プローブ10において1本または複数本の超音波ビームを形成し、この超音波ビームをxz断層面で走査してもよい。この場合、各振動素子12には、超音波ビームが形成されるように遅延時間が調整された送信信号が入力される。また、超音波ビームがxz断層面を1回走査するごとに、フレームデータ生成部30において1つの断層フレームデータが生成され、後述する断層画像生成部48において1画像分の断層画像データが生成される。   Here, the example in which the plane wave 18 having the wavefront parallel to the contact surface of the probe 10 is generated has been described. In addition to such a configuration, the beam control unit 24 controls the transmission unit 22 and the reception unit 26 to form one or a plurality of ultrasonic beams in the probe 10, and scans this ultrasonic beam on the xz tomographic plane. May be. In this case, a transmission signal whose delay time is adjusted so that an ultrasonic beam is formed is input to each vibration element 12. Each time the ultrasonic beam scans the xz tomographic plane once, one tomographic frame data is generated by the frame data generation unit 30, and one tomographic image data for one image is generated by the tomographic image generation unit 48 described later. The

応答特性演算部34は、Nr×Ns個のインパルス応答hji(t)のそれぞれに対してフーリエ変換処理を施し、Nr×Ns個の周波数応答Hjiを求める。そして、各周波数応答Hjiを行列成分としたNr行・Ns列の応答行列Hを生成し、速度演算部36およびインバース特性演算部38に応答行列Hを出力する。応答行列Hは、各加振点で励振された剪断波と、各測定点で測定され変位との関係を周波数領域で表す応答特性としての意義を有する。   The response characteristic calculation unit 34 performs a Fourier transform process on each of the Nr × Ns impulse responses hji (t) to obtain Nr × Ns frequency responses Hji. Then, a response matrix H of Nr rows and Ns columns using each frequency response Hji as a matrix component is generated, and the response matrix H is output to the speed calculator 36 and the inverse characteristic calculator 38. The response matrix H has significance as a response characteristic that represents the relationship between the shear wave excited at each excitation point and the displacement measured at each measurement point in the frequency domain.

インバース特性演算部38は、特異値分解によって、応答行列Hを次の(数1)のように分解する。   The inverse characteristic calculation unit 38 decomposes the response matrix H as shown in the following (Equation 1) by singular value decomposition.

Figure 2016049253
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ここで、Uは、Nr行・Nr列の行列である。Σは、Nr行・Ns列の行列である。Vは、Ns行・Ns列の行列である。上付きの*印は、共役転置行列であることを示す。UU、UU、VV、およびVVは、いずれも単位行列となる。Σは、次の(数2)で表される。 Here, U is a matrix of Nr rows and Nr columns. Σ is a matrix of Nr rows and Ns columns. V is a matrix of Ns rows and Ns columns. The superscript * indicates a conjugate transpose matrix. UU * , U * U, VV * , and V * V are all unit matrices. Σ is expressed by the following (Equation 2).

Figure 2016049253
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ここで、σ〜σには、σ≧σ≧・・・・≧σNr≧0の関係がある。Σの対角成分は、各加振点で励振された剪断波が、各測定点で測定される変位に寄与する程度を示す。 Here, σ 1 to σ r have a relationship of σ 1 ≧ σ 2 ≧... ≧ σ Nr ≧ 0. The diagonal component of Σ indicates the degree to which the shear wave excited at each excitation point contributes to the displacement measured at each measurement point.

なお、応答行列Hの逆行列H−1は、(数3)〜(数5)によって表される。 Note that an inverse matrix H −1 of the response matrix H is expressed by (Equation 3) to (Equation 5).

Figure 2016049253
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Figure 2016049253
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Figure 2016049253
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すなわち、σ は、σが0でないときは1/σであり、σが0であるときは0である。 That is, σ n + is 1 / σ n when σ n is not 0, and 0 when σ n is 0.

インバース特性演算部38は、(数3)〜(数5)で表される応答行列の逆行列H−1を求めるのではなく、この逆行列H−1からノイズ成分が低減または除去されたノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1を求める。すなわち、インバース特性演算部38は、(数6)〜(数8)に従って、ノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1を求める。 The inverse characteristic calculation unit 38 does not obtain the inverse matrix H −1 of the response matrix expressed by (Equation 3) to (Equation 5), but noise with noise components reduced or removed from the inverse matrix H −1. The filter pseudo inverse matrix H −1 is obtained. That is, the inverse characteristic calculation unit 38 obtains the noise filter pseudo inverse matrix H 1 to −1 according to (Equation 6) to (Equation 8).

Figure 2016049253
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Figure 2016049253
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(数8)に示されるように、σ は、σが閾値σthより大きいときは1/σとされ、σが閾値σth以下であるときは0とされる。Σは、各加振点で励振された剪断波が、測定点Mj(j=1〜Nr)のそれぞれで測定される変位に寄与した成分のうち閾値σth以下のものを、疑似逆行列を求める際に強制的に無効とする行列である。すなわち、Σは、ノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1に含まれるノイズ成分を低減または除去するための行列である。インバース特性演算部38は、このようにして求めたノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1を速度演算部36に出力する。なお、閾値σthは、対角成分の最大値σのa倍(aは1未満の正の値)として定義してもよい。また、インバース特性演算部38は、Σの対角成分σ〜σNrのうち、大きい方から所定の数L個(σ〜σ)のみを有効としてこれらを逆数に置き換え、残りのσL+1〜σNrを0に置き換えてΣを求める処理を実行してもよい。 As shown in equation (8), sigma ~ n is, sigma n is the 1 / sigma n when the threshold sigma th greater, are 0 when sigma n is equal to or less than the threshold sigma th. Sigma ~ is the shear wave excited by the excitation point is, those below the threshold sigma th among the components that contributed to the displacement to be measured at each measuring point Mj (j = 1~Nr), pseudo-inverse matrix Is a matrix that is forcibly invalidated when obtaining. That, sigma ~ is a matrix to reduce or eliminate the noise component included in the noise filter pseudo-inverse matrix H ~-1. The inverse characteristic calculation unit 38 outputs the noise filter pseudo inverse matrix H to −1 thus obtained to the speed calculation unit 36. The threshold σ th may be defined as a times the maximum value σ 1 of the diagonal component (a is a positive value less than 1). Further, the inverse characteristic calculation unit 38 validates only a predetermined number L (σ 1 to σ L ) from the larger one of the diagonal components σ 1 to σ Nr of Σ and replaces them with the reciprocal, and the remaining σ the L + 1 ~σ Nr may execute processing for obtaining the ~ sigma replaced with 0.

閾値σthは、例えば、測定結果として得られる剪断波の速度の測定精度に応じて定められる。この測定精度は、例えば、閾値σthを変化させながら同様の測定を複数回に亘って行った場合における測定結果の変化の程度、本実施形態による測定結果と他の測定方法によって得られた測定結果との比較等によって評価され得る。 The threshold σ th is determined, for example, according to the measurement accuracy of the shear wave velocity obtained as a measurement result. This measurement accuracy is, for example, the degree of change in the measurement result when the same measurement is performed a plurality of times while changing the threshold σ th , the measurement result obtained by this embodiment, and the measurement obtained by another measurement method. It can be evaluated by comparison with the result.

速度演算部36は、フォーカス演算部40および速度分布演算部42を備える。フォーカス演算部40は、応答特性演算部34から出力された応答行列Hと、インバース特性演算部38から出力されたノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1を用いて、次の(数9)および(数10)に基づいて、計算の上で測定点Mqに剪断波をフォーカスしたときの、各測定点Mj(j=1〜Nr)におけるz軸方向変位を表すフォーカスベクトルΨqを求める。 The speed calculation unit 36 includes a focus calculation unit 40 and a speed distribution calculation unit 42. The focus calculation unit 40 uses the response matrix H output from the response characteristic calculation unit 34 and the noise filter pseudo inverse matrix H 1 to -1 output from the inverse characteristic calculation unit 38 to obtain the following (Equation 9) and ( Based on equation (10), a focus vector Ψq representing a displacement in the z-axis direction at each measurement point Mj (j = 1 to Nr) when the shear wave is focused on the measurement point Mq is calculated.

Figure 2016049253
Figure 2016049253

Figure 2016049253
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ここで、ΨqおよびRqは、Nr行・1列の行列(ベクトル)である。(数10)に示されているように、Rqの第q行の値は1であり、その他の行の値は総て0である。Rqは、測定点Mqに最も狭い範囲で剪断波をフォーカスさせた状態、すなわち、極限的なフォーカス状態を表す行列である。ψj(ω)(j=1〜Nr)は、各測定点Mjにおける、角周波数ωの剪断波の成分を示す。(数9)の物理的な意義を説明するため、次の(数11)につき説明する。   Here, Ψq and Rq are Nr rows and 1 column matrix (vector). As shown in (Expression 10), the value of the qth row of Rq is 1, and the values of the other rows are all 0. Rq is a matrix representing a state in which the shear wave is focused in the narrowest range at the measurement point Mq, that is, an extreme focus state. ψj (ω) (j = 1 to Nr) indicates a shear wave component of the angular frequency ω at each measurement point Mj. In order to explain the physical significance of (Equation 9), the following (Equation 11) will be explained.

Figure 2016049253
Figure 2016049253

(数11)で表されるGqは、(数9)の右辺の応答行列Hが乗ぜられていない式である。Gqは、Ns行・1列の行列である。Gqは、測定点Mqおよびその近傍に最も狭い範囲で剪断波をフォーカスさせるために、各加振点Si(i=1〜Ns)から励振されるべき理想的な剪断波を示す。すなわち、(数11)は、ノイズ成分が低減または除去されたノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1を用いることで、測定点Mqに極限的なフォーカス状態を実現する励振源Gqが逆算的に求められることを意味する。 G to q represented by (Expression 11) are expressions in which the response matrix H on the right side of (Expression 9) is not multiplied. G to q are matrices of Ns rows and 1 column. G to q indicate ideal shear waves to be excited from the respective excitation points Si (i = 1 to Ns) in order to focus the shear waves in the narrowest range in the vicinity of the measurement point Mq. That is, (Equation 11) uses the noise filter pseudo inverse matrix H to −1 in which the noise component is reduced or removed, so that the excitation sources G to q that realize an extreme focus state at the measurement point Mq are inversely calculated. Means that it is required.

このように、ノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1は、応答行列Hが表す応答特性についての逆特性(インバース特性)を表し、各測定点での変位に対して各加振点における剪断波の状態を表す。さらに、ノイズフィルタ疑似逆行列H〜−1は、生体組織内におけるノイズの寄与を低減または除去する特性を有し、測定点における極限的なフォーカス状態についての情報としてベクトルRqが与えられることで、その極限的なフォーカス状態を実現するための各加振点における剪断波の状態を表す。 As described above, the noise filter pseudo inverse matrix H to −1 represents the inverse characteristic (inverse characteristic) of the response characteristic represented by the response matrix H, and the shear wave at each excitation point with respect to the displacement at each measurement point. Represents a state. Furthermore, the noise filter pseudo inverse matrix H 1 to −1 has a characteristic of reducing or removing the contribution of noise in the living tissue, and is given a vector Rq as information about the extreme focus state at the measurement point, The state of the shear wave at each excitation point for realizing the extreme focus state is represented.

(数9)は、(数11)で表される理想的な剪断波Gqに対する周波数応答を、応答行列Hを用いて各測定点Mj(j=1〜Nr)について求める式であるといえる。すなわち、フォーカスベクトルΨqは、理想的な剪断波Gqを、実測された応答行列Hに基づいて測定点Mqにフォーカスさせた場合に、各測定点Mj(j=1〜Nr)で観測される剪断波のz軸方向振幅を示す。 (Equation 9) is an equation for obtaining the frequency response to the ideal shear waves G to q represented by (Equation 11) for each measurement point Mj (j = 1 to Nr) using the response matrix H. I can say that. That is, the focus vector Ψq is observed at each measurement point Mj (j = 1 to Nr) when the ideal shear wave G to q is focused on the measurement point Mq based on the actually measured response matrix H. Z-axis direction amplitude of the shear wave.

フォーカス演算部40は、q=1からq=Nrのそれぞれについて、合計Nr個のフォーカスベクトルΨqを求め、速度分布演算部42に出力する。   The focus calculation unit 40 obtains a total of Nr focus vectors Ψq for each of q = 1 to q = Nr, and outputs them to the velocity distribution calculation unit 42.

速度分布演算部42は、Nr個のフォーカスベクトルΨqに基づいて、各測定点に対応する剪断波の速度を求める。速度分布演算部42が実行する処理の原理を説明するため、ここではフォーカスベクトルΨqの特性について説明する。   The velocity distribution calculation unit 42 obtains the velocity of the shear wave corresponding to each measurement point based on the Nr focus vectors Ψq. In order to explain the principle of the processing executed by the velocity distribution calculation unit 42, the characteristics of the focus vector Ψq will be explained here.

図4(a)には、剪断波をフォーカスさせた測定点Mqを原点とするx軸上の振幅分布の例が示されているものとする。この振幅分布は、x軸に対してフォーカスベクトルΨqの各成分の振幅を対応付けたものである。ただし、測定点Mq−3〜Mq+3は、x軸方向に配列されている。フォーカス点である測定点Mqにおける振幅が最も大きく、測定点Mqから離れるにしたがって、測定点Mq、Mq+1、Mq+2、およびMq+3の順に振幅が小さくなっていく。各振幅は、それぞれ、ψq+1、ψq+2、およびψq+3の各絶対値によって示される。同様に、測定点Mqから離れるにしたがって、測定点Mq、Mq−1、Mq−2、およびMq−3の順に振幅が小さくなっていく。各振幅は、それぞれ、ψq−1、ψq−2、およびψq−3の各絶対値によって示される。   FIG. 4A shows an example of an amplitude distribution on the x-axis with the measurement point Mq focused on the shear wave as the origin. This amplitude distribution associates the amplitude of each component of the focus vector Ψq with the x-axis. However, the measurement points Mq-3 to Mq + 3 are arranged in the x-axis direction. The amplitude at the measurement point Mq that is the focus point is the largest, and the amplitude decreases in the order of the measurement points Mq, Mq + 1, Mq + 2, and Mq + 3 as the distance from the measurement point Mq increases. Each amplitude is indicated by an absolute value of ψq + 1, ψq + 2, and ψq + 3, respectively. Similarly, as the distance from the measurement point Mq increases, the amplitude decreases in the order of the measurement points Mq, Mq-1, Mq-2, and Mq-3. Each amplitude is indicated by an absolute value of ψq-1, ψq-2, and ψq-3, respectively.

図4(b)には、図4(a)よりも広い範囲について、x軸上の振幅分布が示されている。振幅が最大となる測定点Mqでの振幅をAとした場合、振幅がその半分A/2となるx軸上の2点間の距離は半値幅Dと称される。剪断波を十分にフォーカスさせた場合、フォーカス点におけるピーク特性には波長依存性があり、例えば、半値幅Dは剪断波の波長λの半分となることが知られている。したがって、例えば、振幅分布のピーク特性から半値幅Dを求めることで、剪断波の波長がλ=2Dとして求められる。剪断波の角周波数をωとした場合、フォーカス点における剪断波の速度Cは、C=f・λ=ω・λ/(2π)=ω・D/πとして求められる。ここで、fは剪断波の周波数であり、f=ω/(2π)である。なお、ピーク特性と剪断波の波長との関係については、半値幅と波長との関係の他、様々な関係が考えられる。したがって、当業者に知られているその他の関係を用いて、ピーク特性から剪断波の波長が求められてもよい。   FIG. 4B shows the amplitude distribution on the x-axis over a wider range than in FIG. When the amplitude at the measurement point Mq where the amplitude is maximum is A, the distance between the two points on the x-axis where the amplitude is half A / 2 is referred to as a half-value width D. When the shear wave is sufficiently focused, the peak characteristic at the focus point is wavelength-dependent, and for example, it is known that the half-value width D is half the wavelength λ of the shear wave. Therefore, for example, by obtaining the half width D from the peak characteristic of the amplitude distribution, the wavelength of the shear wave is obtained as λ = 2D. When the angular frequency of the shear wave is ω, the shear wave velocity C at the focus point is obtained as C = f · λ = ω · λ / (2π) = ω · D / π. Here, f is the frequency of the shear wave, and f = ω / (2π). As for the relationship between the peak characteristic and the wavelength of the shear wave, various relationships can be considered in addition to the relationship between the half width and the wavelength. Accordingly, the shear wave wavelength may be determined from the peak characteristics using other relationships known to those skilled in the art.

ここでは、1つの測定点をフォーカス点としてそのフォーカス点における剪断波の速度を求める原理について説明したが、他の測定点についても同様にして、剪断波の速度が求められる。   Here, the principle of obtaining the shear wave velocity at the focus point with one measurement point as the focus point has been described, but the shear wave velocity is obtained in the same manner for the other measurement points.

また、ここでは、測定点がx軸方向に配列されており、x軸上の振幅分布に基づいてフォーカス点における剪断波の速度を求める例について説明した。複数の測定点が、x軸方向とは異なる方向に伸びる直線上に配列されている一般的な場合には、その直線上の振幅分布(測定点配列軸上の振幅分布)に基づいて、フォーカス点における剪断波の速度が求められる。   Here, an example has been described in which the measurement points are arranged in the x-axis direction and the shear wave velocity at the focus point is obtained based on the amplitude distribution on the x-axis. In the general case where multiple measurement points are arranged on a straight line extending in a direction different from the x-axis direction, focus is based on the amplitude distribution on the straight line (amplitude distribution on the measurement point arrangement axis). The speed of the shear wave at the point is determined.

図1に戻り、速度分布演算部42は、フォーカス演算部40から出力されたNr個のフォーカスベクトルΨq(q=1〜Nr)に基づいて、各測定点Mj(j=1〜Nr)をフォーカス点とした、測定点配列軸上の振幅分布を求める。そして、各振幅分布に基づいて各測定点における剪断波の速度を求める。速度分布演算部42は、各測定点に剪断波の速度を対応付けてxz平面における速度分布データを生成し、弾性画像生成部44に出力する。   Returning to FIG. 1, the velocity distribution calculation unit 42 focuses each measurement point Mj (j = 1 to Nr) based on the Nr focus vectors Ψq (q = 1 to Nr) output from the focus calculation unit 40. The amplitude distribution on the measurement point array axis as a point is obtained. Then, the shear wave velocity at each measurement point is obtained based on each amplitude distribution. The velocity distribution calculation unit 42 associates the velocity of the shear wave with each measurement point, generates velocity distribution data on the xz plane, and outputs the velocity distribution data to the elastic image generation unit 44.

速度分布演算部42は、予め定められた1つの角周波数について速度分布データを求め、弾性画像生成部44に出力してもよいし、異なる複数の角周波数のそれぞれについて速度分布データを求め、各角周波数について求められた各速度分布データを弾性画像生成部44に出力してもよい。   The velocity distribution calculation unit 42 may obtain velocity distribution data for one predetermined angular frequency and output the velocity distribution data to the elastic image generation unit 44, or may obtain velocity distribution data for each of a plurality of different angular frequencies. Each velocity distribution data obtained for the angular frequency may be output to the elastic image generation unit 44.

弾性画像生成部44は、各測定点における剪断波の速度を弾性率Eに変換し、速度分布データから弾性率分布データを求める。この処理は、剪断波の速度Cを用いて、次の(数12)に基づいて弾性率Eを求めることで行われる。   The elastic image generation unit 44 converts the shear wave velocity at each measurement point into an elastic modulus E, and obtains elastic modulus distribution data from the velocity distribution data. This processing is performed by obtaining the elastic modulus E based on the following (Equation 12) using the shear wave velocity C.

Figure 2016049253
Figure 2016049253

ここで、ρは生体組織の密度であり、軟組織の場合、およそ1000kg/mである。弾性画像生成部44は、弾性率分布データに基づいて弾性画像データを生成し、画像合成部46に出力する。異なる複数の角周波数のそれぞれについて弾性率分布データが求められたときは、弾性画像生成部44は、例えば、ユーザの操作によって選択された角周波数についての弾性画像データを生成し、画像合成部46に出力する。 Here, ρ is the density of living tissue, and in the case of soft tissue, it is approximately 1000 kg / m 3 . The elastic image generation unit 44 generates elastic image data based on the elastic modulus distribution data and outputs it to the image composition unit 46. When the elastic modulus distribution data is obtained for each of a plurality of different angular frequencies, for example, the elastic image generation unit 44 generates elastic image data for the angular frequency selected by the user's operation, and the image composition unit 46. Output to.

弾性画像データが示す弾性画像は、例えば、弾性率が大きい領域を青色、弾性率が小さい領域を赤色、弾性率がこれらの中間の値である領域を緑色、黄色等の中間色で表す。弾性率は、色彩の他、塗りつぶし模様、数値、三次元グラフ等で表されてもよい。   The elastic image indicated by the elastic image data represents, for example, a region having a large elastic modulus in blue, a region having a small elastic modulus in red, and a region in which the elastic modulus is an intermediate value thereof in green or yellow. The elastic modulus may be expressed by a paint pattern, a numerical value, a three-dimensional graph, or the like in addition to the color.

次に、断層画像生成部48が、整相加算部28から出力された各z軸方向受信ビームデータに基づいて、xz断層面における断層画像データを生成する処理について説明する。断層画像生成部48は、x軸方向に並ぶ複数の受信ビームに対応する各z軸方向受信ビームデータに基づいて、xz断層面における断層画像データを生成し、画像合成部46に出力する。断層画像生成部48は、超音波の1回の送受信に対応して、1画像分の断層画像データを生成する。断層画像生成部48は、時間経過と共に繰り返し行われる複数回の超音波の送受信に対応して、複数画像分の断層フレームデータを生成し、画像合成部46に出力する。   Next, processing in which the tomographic image generation unit 48 generates tomographic image data on the xz tomographic plane based on each z-axis direction received beam data output from the phasing addition unit 28 will be described. The tomographic image generation unit 48 generates tomographic image data on the xz tomographic plane based on each z-axis direction reception beam data corresponding to a plurality of reception beams arranged in the x-axis direction, and outputs the tomographic image data to the image composition unit 46. The tomographic image generation unit 48 generates tomographic image data for one image corresponding to one transmission / reception of ultrasonic waves. The tomographic image generation unit 48 generates tomographic frame data for a plurality of images corresponding to a plurality of times of ultrasonic transmission / reception repeatedly performed with time, and outputs the tomographic frame data to the image synthesis unit 46.

画像合成部46は、断層画像生成部48から出力された断層画像データ、および、弾性画像生成部44から出力された弾性画像データに基づいて、例えば、断層画像に弾性画像を重ねた画像を示す断層・弾性画像データを生成し、表示部50に出力する。表示部50は、断層・弾性画像データに基づく画像を表示する。これによって、ユーザは、断層画像と共に弾性率分布を把握することができ、癌、動脈硬化、肝線維化、肝硬変等の診断が可能となる。なお、断層・弾性画像データは、断層画像および弾性画像を並べて個別に示す画像データであってもよい。また、画像合成部46は、断層画像および弾性画像をそれぞれ単独で表示部50に表示してもよい。   Based on the tomographic image data output from the tomographic image generation unit 48 and the elastic image data output from the elastic image generation unit 44, the image composition unit 46 shows, for example, an image obtained by superimposing the elastic image on the tomographic image. Tomographic / elastic image data is generated and output to the display unit 50. The display unit 50 displays an image based on the tomographic / elastic image data. Thus, the user can grasp the elastic modulus distribution together with the tomographic image, and can diagnose cancer, arteriosclerosis, liver fibrosis, cirrhosis, and the like. Note that the tomographic / elastic image data may be image data in which the tomographic image and the elastic image are individually shown side by side. Further, the image composition unit 46 may display the tomographic image and the elasticity image on the display unit 50 singly.

本発明に係る超音波診断装置では、被検体の生体組織に定められた複数の加振点のそれぞれに、加圧用超音波が個別に照射され、各加振点から剪断波が励振される。複数の加振点に対しては、順に加圧用超音波が照射される。1つの加振点に対して加圧用超音波が照射され、1つの加振点から剪断波が励振されるごとに、生体組織における各測定点での変位が測定される。これによって、各加振点に対する各測定点での応答特性が求められる。超音波診断装置では、この応答特性に基づいて生体組織における剪断波の速度および弾性率の分布が求められる。   In the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention, the ultrasonic waves for pressurization are individually applied to each of the plurality of excitation points determined on the living tissue of the subject, and shear waves are excited from each excitation point. The ultrasonic waves for pressurization are sequentially applied to the plurality of excitation points. Each time an excitation point is irradiated with ultrasonic waves for pressurization and a shear wave is excited from one excitation point, the displacement at each measurement point in the living tissue is measured. Thereby, response characteristics at each measurement point with respect to each excitation point are obtained. In the ultrasonic diagnostic apparatus, the shear wave velocity and the elastic modulus distribution in the living tissue are obtained based on the response characteristics.

加振点の数、各加振点の位置等は、剪断波の速度または弾性率について十分な測定精度が得られるように定められる。そのため、振動体やユーザの手による加振によって生体組織のあらゆる点に剪断波を発生させる場合に比べて、測定精度が高くなる。   The number of excitation points, the position of each excitation point, etc. are determined so that sufficient measurement accuracy can be obtained for the velocity or elastic modulus of the shear wave. Therefore, the measurement accuracy is higher than in the case where shear waves are generated at all points of the living tissue by vibration by the vibrating body or the user's hand.

また、各測定点における変位の測定に際して、プローブから送信される超音波として平面波が用いられる場合には、超音波の1回の送受信に対応して1フレーム分の断層フレームデータおよび断層画像データが得られる。これによって、各測定点における変位の測定が迅速に行われる。   Further, when a plane wave is used as the ultrasonic wave transmitted from the probe when measuring the displacement at each measurement point, the tomographic frame data and the tomographic image data for one frame corresponding to one transmission / reception of the ultrasonic wave are obtained. can get. As a result, the displacement at each measurement point is quickly measured.

また、本発明に係る超音波診断装置では、極限的なフォーカス状態を測定点において実現するための励振源が、ノイズフィルタ疑似逆行列を用いることによって、仮想的に実現される。そして、そのような理想的な励振源から励振される剪断波を、実測に基づく応答行列に基づいて仮想的に測定点にフォーカスさせ、フォーカス点となった測定点を中心とした振幅分布が求められ、さらに、その振幅分布に基づいて剪断波の速度が求められる。したがって、理想的な励振源を用いて振幅分布が求められるため、剪断波の波長の測定精度が高くなり、剪断波の速度の測定精度、さらには弾性率の測定精度が高くなる。   In the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention, the excitation source for realizing the extreme focus state at the measurement point is virtually realized by using the noise filter pseudo inverse matrix. Then, the shear wave excited from such an ideal excitation source is virtually focused on the measurement point based on the response matrix based on the actual measurement, and the amplitude distribution around the measurement point that becomes the focus point is obtained. Furthermore, the velocity of the shear wave is determined based on the amplitude distribution. Therefore, since the amplitude distribution is obtained using an ideal excitation source, the measurement accuracy of the shear wave wavelength is increased, the measurement accuracy of the shear wave velocity, and further the measurement accuracy of the elastic modulus is increased.

10 プローブ、12 振動素子、14 被検体、16 加圧ビーム、18 平面波、20 測定部、22 送信部、24 ビーム制御部、26 受信部、28 整相加算部、30 フレームデータ生成部、32 変位演算部、34 応答特性演算部、36 速度演算部、38 インバース特性演算部、40 フォーカス演算部、42 速度分布演算部、44 弾性画像生成部、46 画像合成部、48 断層画像生成部、50 表示部、52 関心領域、Si 加振点、Mj 測定点。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Probe, 12 Vibration element, 14 Subject, 16 Pressurization beam, 18 Plane wave, 20 Measurement part, 22 Transmission part, 24 Beam control part, 26 Reception part, 28 Phased addition part, 30 Frame data generation part, 32 Displacement Calculation unit, 34 Response characteristic calculation unit, 36 Speed calculation unit, 38 Inverse characteristic calculation unit, 40 Focus calculation unit, 42 Speed distribution calculation unit, 44 Elastic image generation unit, 46 Image composition unit, 48 Tomographic image generation unit, 50 display Part, region of interest, Si excitation point, Mj measurement point.

Claims (4)

生体組織内に定められた加振点に超音波を照射する加振処理と、
前記加振点で励振された剪断波に基づく変位を、超音波の送受信によって、前記生体組織における複数の測定点で測定する測定処理と、を実行する測定部と、
複数の前記加振点のそれぞれについて個別に前記加振処理が実行され、各前記測定点について前記測定処理が実行されることにより、各前記加振点に対する各前記測定点での応答特性を求める応答特性演算部と、
前記応答特性に基づいて前記生体組織における剪断波の速度に関する値を求める速度演算部と、を備えることを特徴とする超音波診断装置。
Excitation processing that irradiates ultrasonic waves to the excitation point determined in the living tissue,
A measurement unit that performs a measurement process of measuring displacement based on a shear wave excited at the excitation point at a plurality of measurement points in the living tissue by transmitting and receiving ultrasonic waves;
The excitation process is individually executed for each of the plurality of excitation points, and the measurement process is executed for each of the measurement points, thereby obtaining a response characteristic at each of the measurement points with respect to each of the excitation points. A response characteristic calculator,
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: a speed calculation unit that obtains a value related to a shear wave speed in the living tissue based on the response characteristics.
請求項1に記載の超音波診断装置において、
前記加振処理は、前記加振点にパルス波形の超音波を照射する処理を含み、
前記応答特性は、変位についての時間応答特性であることを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1,
The excitation process includes a process of irradiating the excitation point with ultrasonic waves of a pulse waveform,
The ultrasonic diagnostic apparatus, wherein the response characteristic is a time response characteristic with respect to displacement.
請求項1または請求項2に記載の超音波診断装置において、
前記応答特性についてのインバース特性であって、各前記測定点での変位に対して各前記加振点における剪断波の状態が求められるインバース特性を、前記応答特性に基づいて求めるインバース特性演算部を備え、
前記速度演算部は、
前記応答特性および前記インバース特性に基づいて、剪断波を前記測定点に仮想的にフォーカスするフォーカス演算部を備え、仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度に関する値を求めることを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1 or 2,
An inverse characteristic for the response characteristic, wherein an inverse characteristic for obtaining a state of a shear wave at each excitation point with respect to a displacement at each measurement point is obtained based on the response characteristic. Prepared,
The speed calculator is
Based on the response characteristic and the inverse characteristic, a focus calculation unit that virtually focuses the shear wave on the measurement point, and obtaining a value related to the speed of the shear wave based on the virtually focused shear wave. A characteristic ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項3に記載の超音波診断装置において、
前記インバース特性は、前記生体組織内におけるノイズの寄与を低減または除去する特性を有し、前記測定点における極限的なフォーカス状態についての情報が与えられることで、当該極限的なフォーカス状態を実現するための各前記加振点における剪断波の状態を表すことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3.
The inverse characteristic has a characteristic to reduce or eliminate the contribution of noise in the living tissue, and is provided with information on the extreme focus state at the measurement point, thereby realizing the extreme focus state. An ultrasonic diagnostic apparatus characterized by expressing a state of a shear wave at each excitation point for the purpose.
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