CN104837411B - 测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
课题在于提供一种能够测量生物体内的皮质骨的声速以及BUA的测量装置。解决手段为,传递函数设定部设定以包含皮质骨的SOS以及BUA作为参数的方式将基准信号R(jω)的传播路径(27)与接收信号Fn(jω)的传播路径(28)的差异建模而得到的传递函数Hn(jω)。信号合成部通过将使皮质骨的SOS以及BUA的组合互相不同的多个传递函数Hn(jω)分别适用于基准信号R(jω),生成对应于所述SOS以及BUA的组合的合成信号Gn(jω)。一致度算出部分别算出作为各个合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)的一致度的内积<Fn,Gn>。然后,参数选择部求出内积示出最大值时的SOS与BUA的组合。
Description
技术领域
本发明主要涉及在使用超声波的测量装置中同时测量声速和吸收(BUA)的技术。
背景技术
使用超声波来测量皮质骨的声速的测量装置众所周知。通过测量皮质骨的声速,能够评估骨骼的健康性。该种诊断装置记载于例如专利文献1中。
超声波在皮质骨中传播的时候,由该皮质骨产生吸収(宽带超声衰减:BroadbandUltrasonic Attenuation,BUA)。该BUA造成由测量装置接收的超声波信号的波形失真,因此成为导出声速时的误差的原因。该方面,专利文献1中记载的测量装置在导出声速时没有考虑BUA,也不能够测量BUA。
非专利文献1中公开了BUA与皮质骨的骨质之间存在相关性。因此,认为通过测量皮质骨的BUA,能够作为骨骼诊断的有用的指标而利用。由此,在临床现场,期望能够测量生物体内的皮质骨的BUA的技术。
此外,非专利文献2公开了以下方法:通过针对向骨骼发送高斯脉冲(Gaussianpulse)时的接收信号进行建模,并将各个参数优化,从而测量骨骼中的声速和BUA。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:特开2010-246692号公报
非专利文献
非专利文献1:Magali Sasso,Salah Naili,Guillaume Haiat,Mami Matsukawa,Yu Yamato.'Broadband Ultrasonic Attenuation in femoral bovine cortical boneis an indicator of bone properties'.2007 IEEE Ultrasonics Symposium.Pages2167-2170。
非专利文献2:Stefanie Dencks,Reinhard Barkmann.'Model-Based Estimationof Quantitative Ultrasound Variables at the Proximal Femur'.IEEE TRANSACTIONSON ULTRASONICS,FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL,VOL.55,NO.6,JUNE2008.pages 1304-1315。
非专利文献3:Reinhard Barkmann,Pascal Laugier,Urs Moser,StefanieDencks,Michael Klausner,Frederic Padilla,Guillaume Haiat,Martin Heller,Claus.-C.Gluer.'In Vivo Measurements of Ultrasound Transmission Through theHuman Proximal Femur'.Ultrasoud in Medicine and Biology,Volume34,Issue 7,July2008,Pages 1186-1190。<URL:http://www.umbjournal.org/article/S0301-5629%2807%2900652-7/abstract>。
发明内容
发明要解决的问题
非专利文献1将切下来的皮质骨样本作为对象来测量BUA,并没有测量生物体内的皮质骨的BUA。因此,非专利文献1未能涉及提出能够在临床现场测量BUA的方法。
非专利文献2也不是测量生物体内的骨骼的文献,而是测量水槽内的骨骼的样本的文献。非专利文献2虽然暗示了也适用于生物体内的骨骼的测量的可能性,但为此需要考虑骨骼周围的软组织的影响。此外,在非专利文献2中导出骨骼声速时,需要骨骼的厚度的信息,但在非专利文献2中由于骨骼的厚度假设为d=30mm,并没有能够算出实际的骨骼中的声速。
此外,非专利文献2在2个超声波振子之间配置骨骼的样本从而进行超声波信号的收发,基于透射骨骼的信号导出骨骼声速和BUA。
非专利文献3公开了一种测量生物体内的骨骼的技术。该非专利文献3与非专利文献2一样将测量对象的骨骼夹在2个超声波振子间,基于透射该骨骼的信号导出骨骼声速和BUA。像这样利用透射波的方法,能够被用来测量骨骼内部的海绵骨,但不能利用该方法测量骨骼表面的皮质骨。
如上述那样,用以往的超声波测量装置不能测量生物体内的皮质骨的声速以及BUA。
本发明鉴于上述情况,主要的目的为提供一种能够测量生物体内的皮质骨的声速以及BUA的测量装置。
用于解决问题的手段及效果
本发明要解决的问题如上所述,接下来说明解决该问题的方法以及效果。
根据本发明的第1观点,提供以下的测量装置。即,该测量装置具备发送部、接收部、传递函数设定部、信号合成部、一致度算出部和参数选择部。所述发送部向被测量体发送信号。所述接收部接收射入所述被测量体的所述信号在所述被测量体内传播并再次被放射到被测量体外的第1信号、以及在与所述第1信号不同的路径上传播并再次被放射到被测量体外的第2信号。所述传递函数设定部设定以至少包含第1参数的方式将所述第1信号与所述第2信号的传播路径的差异建模而得到的传递函数。所述信号合成部,通过将使所述第1参数的值互相不同的多个传递函数分别适用于所述第1信号,生成与各个第1参数对应的合成信号。所述一致度算出部分别算出所述各个合成信号和所述第2信号的一致度。所述参数选择部求出所述一致度为最大时的所述第1参数的值。
像这样,通过将传递函数适用于第1信号来生成合成信号,并判定该合成信号与第2信号的一致度,从而能够判定传递函数设定部设定的传递函数的妥当性。然后,通过寻找使一致度最大化的参数,能够确定该参数的值。由于传递函数仅将第1信号的传播路径与第2信号的传播路径的差异建模即可,因此与将传播路径整体建模的情况相比,传递函数变得简单,也提高了测量精度。
在上述测量装置中,所述接收部在所述信号被发送后,经过第1时间后,接收所述第1信号,经过比所述第1时间长的第2时间后,接收所述第2信号。
由于第1信号与第2信号相比在时间上更早地被接收,所以与第2信号相比在被测量体中传播的距离要短。因此,第1信号与第2信号相比,受到的来自被测量体的影响要少。因此,将该第1信号作为基准,且将该 第1信号与第2信号的传播路径的差异建模,从而能够高精度地求出所述参数。
上述测量装置优选按以下所述方式构成。即,该测量装置具备向所述被测量体发送信号,并基于由该被测量体反射的反射信号检测该被测量体的形状的形状检测部。所述传递函数设定部基于所述形状检测部检测到的所述被测量体的形状设定所述传递函数。
像这样,由于能够通过事先检测出被测量体的形状,求出第1信号以及第2信号的传播路径,所以能够准确地设定传递函数。
在上述测量装置中,所述信号为超声波信号,且能够将所述第1参数设为所述被测量体的声速。
由该测量装置能够测量被测量体的声速。
在上述测量装置中,所述信号为超声波信号,也能够将所述第1参数设为所述被测量体的宽带超声衰减系数。
由该测量装置,能够测量被测量体的宽带超声衰减系数。
上述测量装置优选按以下所述方式构成。即,所述一致度算出部分别算出所述各个合成信号与所述第2信号的内积。所述参数选择部求出所述内积示出最大值时的所述第1参数。
即,若2个信号一致则两者的内积为最大,若不一致则两者的内积变小。因此,能够作为合成信号与第2信号的一致度的指标而利用两者的内积的值。
上述测量装置优选按以下所述方式构成。即,所述传递函数包含与所述第1参数不同的第2参数。所述信号合成部分别将使所述第1参数以及所述第2参数的组合互相不同的多个传递函数适用于所述第1信号,从而生成对应于各个所述组合的合成信号。
像这样,使2个参数的组合不同地适用传递函数,从而能够算出对应于各个组合的合成函数。
在上述测量装置中,所述信号为超声波信号,所述第1参数为所述被测量体的声速,且能够将所述第2参数设为所述被测量体的宽带超声衰减系数。
由此,能够得到使被测量体的声速和宽带超声衰减系数的组合不同而 求出的多个合成函数。
上述测量装置优选按以下所述方式构成。即,所述一致度算出部分别算出所述各个合成信号和所述第2信号的内积。所述参数选择部求出所述内积示出最大值时的所述第1参数和所述第2参数的组合。
像这样,根据本发明结构,能够同时测量被测量体内的声速和宽带超声衰减(BUA)系数。
在上述测量装置中,能够将所述被测量体设为软组织中的皮质骨。
由此,能够根据本发明的测量装置测量生物体内的皮质骨的声速或宽带超声衰减系数等。
在上述测量装置中,所述发送部发送的所述信号优选在所述皮质骨的表面附近传播并被所述接收部接收。
像这样,基于在皮质骨的表面传播的信号,能够测量该皮质骨的声速或宽带超声衰减系数等。
根据本发明的第2观点,提供以下测量方法。即,该测量方法包含发送工序、接收工序、传递函数设定工序、信号合成工序、一致度算出工序和参数选择工序。在所述发送工序中,向被测量体发送信号。在所述接收工序中,接收射入所述被测量体的所述信号在所述被测量体内传播并再次被放射到被测量体外的第1信号、以及在与所述第1信号不同的路径上传播并再次被放射到被测量体外的第2信号。在所述传递函数设定工序中,设定以至少包含第1参数的方式将所述第1信号和所述第2信号的传播路径的差异建模而得到的传递函数。在所述信号合成工序中,通过将使所述第1参数互相不同的多个传递函数分别适用于所述第1信号,生成与各个第1参数对应的合成信号。在所述一致度算出工序中,分别算出所述各个合成信号与所述第2信号的一致度。在所述参数选择工序中,求出所述一致度为最大时的所述第1参数的值。
在上述测量方法中,在所述接收工序中,在所述信号被发送后,经过第1时间后,接收所述第1信号,且经过比所述第1时间长的第2时间后,接收所述第2信号。
上述测量方法优选为如下方式。即,该测量方法包括向所述被测量体发送信号,并基于由该被测量体反射的反射信号来检测该被测量体的形状 的形状检测工序。在所述传递函数设定工序中,基于在所述形状检测工序中检测到的所述被测量体的形状,设定所述传递函数。
在上述测量方法中,所述信号为超声波信号,且能够将所述第1参数设为所述被测量体的声速。
在上述测量方法中,所述信号为超声波信号,且能够将所述第1参数设为所述被测量体的宽带超声衰减系数。
上述测量方法也能够优选为如下方式。即,在所述一致度算出工序中分别算出所述各个合成信号与所述第2信号的内积。在所述参数选择工序中求出所述内积示出最大值时的所述第1参数。
上述测量方法也能够优选为如下方式。即,所述传递函数包含与所述第1参数不同的第2参数。在所述信号合成工序中,分别将使所述第1参数以及所述第2参数的组合互相不同的多个传递函数适用于所述第1信号,从而生成对应于各个所述组合的合成信号。
上述测量方法能够优选为如下方式。即,所述信号为超声波信号,所述第1参数为所述被测量体的声速,所述第2参数为所述被测量体的宽带超声波衰减系数。
上述测量方法优选为如下方式。即,在所述一致度算出工序中分别算出所述各个合成信号与所述第2信号的内积。在所述参数选择工序中求出所述内积示出最大值时的所述第1参数与所述第2参数的组合。
在上述测量方法中,能够将所述被测量体设为软组织中的皮质骨。
在上述测量方法中,优选在所述发送工序中发送的所述信号在所述皮质骨的表面附近传播并在所述接收工序中被接收。
附图说明
图1是表示涉及本发明的一个实施方式的超声波诊断装置的结构的框图。
图2是涉及本发明的测量方法的流程图。
图3是图2的流程图的后续。
图4是说明形状检测工序的示意图。
图5中(a)表示对皮质骨发送超声波波束的情况的示意断面图。(b) 表示漏波被各个振子接收的情况的示意断面图。
图6是例示标绘在BUA-t0坐标上的内积<Fn,Gn>的3维曲面的图。
图7是例示标绘在BUA-SOS坐标上的内积<Fn,Gn>的3维曲面的图。
具体实施方式
接下来,参照附图来说明本发明的实施方式。图1为作为涉及本发明的一个实施方式的测量装置的超声波诊断装置1的框图。
本实施方式的超声波诊断装置1将人体的皮质骨10作为诊断对象。本实施方式的超声波诊断装置1向皮质骨10发送超声波信号,并基于从该皮质骨10返回的超声波信号,测量皮质骨10中的声速(SOS:Speed Of Sound)和宽带超声衰减(BUA:Broadband UltrasonicAttenuation)系数。测量而得的SOS和BUA能够作为骨骼的健康性的指标而利用。
如图1所示,超声波诊断装置1由超声波收发器2和装置主体3构成。
超声波收发器2进行超声波的发送以及接收。该超声波收发器2具备:与测量部位的软组织11的表面(皮肤)抵接的抵接面2a和振子阵列22。振子阵列22由沿着抵接面2a按等间隔排为1列而排列的多个振子24构成。
振子24若被给予电信号则其表面振动从而产生超声波,并且若在其表面接收超声波则生成电信号并输出。即,各个振子24按能够进行超声波的发送和接收的方式构成。
装置主体3通过线缆与超声波收发器2相连接,按能够在与该超声波收发器2之间进行信号的收发的方式构成。该装置主体3具备发送电路31、多个接收电路33、收发分离部34、运算部35和显示部32。
发送电路31按以下方式构成:生成用于使振子阵列22的各个振子24振动从而产生超声波的电脉冲信号,并且能够将电脉冲信号施加给各个振子24。电脉冲信号的中心频率为例如1~10MHz左右。
被施加了电脉冲的振子24响应该电脉冲信号而振动从而产生超声波。发送电路31按能够分别对振子阵列22的多个振子24施加任意的定时的电脉冲信号的方式构成。由此,能够按从多个振子24一齐或者在个别的定时发送超声波的方式控制。
多个接收电路33分别与构成振子阵列22的多个振子24相连接。各个接收电路33按以下方式构成:接收由振子24接收超声波而输出的电信号,生成对该电信号实施了放大处理、滤波处理、数字变换处理等后的数字接收信号,并发送至运算部35。
收发分离部34被连接在振子阵列22与所述发送电路31以及所述接收电路33之间。该收发分离部34用于防止从发送电路31发送至振子阵列22的电信号(电脉冲信号)直接流入接收电路33,并且也用于防止从振子阵列22发送至接收电路33的电信号流向发送电路31侧。
运算部35作为具备CPU、RAM、ROM等硬件的计算机而构成,按基于各个振子24接收到的信号算出皮质骨10的SOS以及BUA的方式构成。另外,后述在运算部35进行的处理的详细内容。
由运算部35导出的SOS以及BUA被显示部32适当地显示。由按以上那样构成的超声波诊断装置1能够测量皮质骨10的BUA和SOS。
接下来,作为说明本实施方式的超声波诊断装置1的动作的前提,关于传递函数Hn(jω)进行说明。
如图5(a)中粗线的箭头所示那样,考虑向皮质骨10发送倾斜方向的超声波波束的情况。另外,在本实施方式的超声波诊断装置1中,发送电路31通过对相邻的2个振子24给予规定的时间差地施加电脉冲信号,发送图5(a)那样的倾斜方向的超声波波束。此时,将发送超声波波束的2个振子24称作波束发送对(发送部)25。从波束发送对25发送超声波波束的方向优选按该波束对皮质骨10的表面以临界角或者接近于临界角的角度射入的方式设定。
以接近于临界角的角度射入皮质骨10的表面的超声波信号在该皮质骨10内的表面附近传播。像这样在皮质骨10的内部传播的超声波信号以皮质骨10的声速SOS前进,且受到由皮质骨10产生的宽带超声衰减(BUA)的影响。此外,超声波信号在皮质骨10内的表面附近传播时,从该皮质骨10的表面向软组织11中再次放射超声波信号(图5(b))。将从皮质骨10的表面向软组织11再次放射的超声波信号称作漏波。
从皮质骨10来看,波束发送对25和该波束发送对25以外的其他的振子24位于同侧。因此,从皮质骨10的表面向软组织11中再次放射的漏波 至少能被某一个振子24接收。另外,该漏波不被波束发送对25的附近的振子24接收而是被从波束发送对25远离一定程度的位置的振子24接收(参照图5(b))。因此,接收了来自皮质骨10的漏波的振子24之中,将距离波束发送对25最近的振子24设为基准接收部(第1接收部)240。此外,从与基准接收部240相近侧按顺序将接收了漏波的其他的振子24设为接收部241,242……。
如图5(b)所示那样,被基准接收部240接收的漏波与被其他的接收部241,242…接收的漏波相比,在皮质骨10中传播的距离最短。因此,可以认为被基准接收部240接收的信号为受在皮质骨10内传播而产生的影响最小的信号。因此,将被基准接收部240接收的信号设为基准信号R(jω)。将从波束发送对25发送超声波波束后,基准信号R(jω)被基准接收部240接收为止所需的时间设为第1时间。另一方面,被其他的接收部241,242……接收的信号设为接收信号F1(jω),F2(jω)……。另外,在以下的说明中,只要是没有特别说明,在表述信号时使用频域表达。
从基准接收部240以外的接收漏波的接收部241,242…之中,选择任意的接收部作为关注接收部(第2接收部)24n。此外,将关注接收部24n接收的信号表示为接收信号Fn(jω)。另外,添附的字母n表示从基准接收部240数起第几个接收部。从波束发送对25发送超声波波束后,到接收信号Fn(jω)被关注接收部24n接收为止所需的时间设为第2时间。由于关注接收部24n与基准接收部240相比位于远离波束发送对25的位置,所以所述第2时间比所述第1时间要长。
在这里,如图5(b)所示,将基准信号(第1信号)R(jω)的传播路径设为第1传播路径27,将接收信号(第2信号)Fn(jω)的传播路径设为第2传播路径28。如图5(b)所示,将第1传播路径27中超声波信号在皮质骨10中传播的距离设为x0,将在第2传播路径28中超声波信号在皮质骨10中传播的距离设为xn。此外,将第1传播路径27中漏波在软组织11中传播的距离设为x0soft,将第2传播路径28中漏波在软组织11中传播的距离设为xnsoft。
超声波信号在皮质骨10中传播的距离越长则从该皮质骨10受到的影响越大。同样地,超声波信号在软组织11中传播的距离越长则从该软组织 11受到的影响越大。由于在第1传播路径27和第2传播路径28间,超声波信号在皮质骨10中传播的距离与在软组织11中传播的距离分别不同,所以传播的超声波信号从皮质骨10以及软组织11所受到的影响的大小也不同。
例如,在第2传播路径28上传播并被关注接收部44n接收的接收信号Fn(jω)与在第1传播路径27上传播并被基准接收部240接收的基准信号R(jω)相比,多受到在皮质骨10中传播的距离的差(xn-x0)量的皮质骨10的影响,以及多受到在软组织11中传播的距离的差(xnsoft-x0soft)量的软组织11的影响。
若考虑以上方面,基准信号R(jω)和接收信号Fn(jω)的关系能够使用传递函数Hn(jω)如以下那样进行表述。传递函数Hn(jω)为将基准信号R(jω)的传播路径27和接收信号Fn(jω)的传播路径28的差异进行建模而得到的函数。
[算式1]
Fn(jω)=Hn(jω)R(jω)
但是,皮质骨10的表面与振子24排列的方向(图5的左右方向)视为平行的情况下,在第1传播路径27中超声波信号在软组织11中传播的距离x0soft与在第2传播路径28上超声波信号在软组织11中传播的距离xnsoft视为相同。若视为以上情况,则可以认为第1传播路径27和第2传播路径28的差异仅为信号在皮质骨10中传播的距离的差(xn-x0)。该情况下,因为传递函数Hn(jω)不需要考虑软组织11的影响,所以传递函数Hn(jω)变得简单。具体来讲,该传递函数Hn(jω)能够使用皮质骨10的声速SOS[m/s]、皮质骨10的宽带超声衰减系数BUA[dB/Hz/m]、以及传播距离的差(xn-x0)[m]按以下算式进行表述。
[算式2]
在这里,算式2中的(a)的部分表示由皮质骨10中的BUA引起的频率衰减,算式2中的(b)的部分表示在皮质骨10中以声速SOS传播而产生的信号的相位的延后。另外,算式2中的t0为由运算回路的延迟等引起的相位的延后。
接下来,关于本实施方式的超声波诊断装置1中的SOS以及BUA的测量原理进行说明。
如上所述,传递函数Hn(jω)含有4个参数(SOS、BUA、(xn-x0)以及t0)。通过假设这些参数能够设定假定的传递函数Hn(jω)。本实施方式的运算部35具有作为像这样设定假定的传递函数Hn(jω)的传递函数设定部41的功能。
此外,运算部35具有作为信号合成部42的功能。信号合成部42通过将传递函数设定部41设定的假定的传递函数Hn(jω)适用于基准信号R(jω)从而生成合成信号Gn(jω)。具体来讲,信号合成部42通过以下的算式3合成合成信号Gn(jω)。另外,算式3的分母用于对合成信号Gn(jω)进行归一化。
[算式3]
若算式3的传递函数Hn(jω)为将传播路径27与传播路径28的差异适当地进行建模而得到的函数,则合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)一致。但是,由于算式3的传递函数Hn(jω)为传递函数设定部41设定的假定的传递函数,合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)未必一致。因此,运算部35具有作为求出合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)的一致度的一致度算出部43的功能。
本实施方式中,一致度算出部43按以下的算式4求出作为合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)的一致度的指标的两者的内积<Fn,Gn>。合成信号Gn(jω)和接收信号Fn(jω)被归一化的情况下,若两者一致则内积<Fn,Gn>为1,若两者不一致则内积<Fn,Gn>比1小。像这样,能 够将内积<Fn,Gn>作为合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)的一致度的指标而利用。
[算式4]
传递函数设定部41设定的假定的传递函数Hn(jω)若已将传播路径27和传播路径28的差异适当地建模,由于合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)一致,则内积<Fn,Gn>为1。另一方面,没有能够适当地建模的情况下,由于合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)不一致,则内积<Fn,Gn>比1小。因此,内积<Fn,Gn>为最大时,判断为传递函数Hn(jω)已将传播路径27与传播路径28的差异适当地建模。
鉴于上述情况后,参照图2以及图3的流程图关于应用了本实施方式的超声波诊断装置1的SOS以及BUA的测量方法进行说明。
以本实施方式的超声波诊断装置测量皮质骨10的BUA以及SOS时,首先,进行作为被测量体的皮质骨10的表面形状的检测(步骤S101,形状检测工序)。操作员在使超声波收发器2的抵接面2a抵接在作为诊断对象的人体表面(皮肤)的状态下,进行规定的测量开始操作。若进行该测量开始操作则发送电路31在相同的定时对振子阵列22的各个振子24施加电脉冲信号。由此,由于在相同的定时从各个振子24向体内发送超声波,所以在与振子24排列的方向相垂直的方向上前进的平面波被发送(图4(a))。
从振子阵列22发送的平面波在软组织11中前进,并在皮质骨10的表面反射从而产生反射波(图4(b))。该反射波被振子阵列22所具备的多个振子24中的至少一部分振子24接收。由各个振子24接收的信号在接收电路33被施以滤波、取样等适当的处理,并输出至运算部35。
运算部35具备作为检测皮质骨10的表面形状的形状检测部40的功能。形状检测部40检测各个振子24所接收到的信号的到来角度,并基于此检测皮质骨10的表面形状。另外,由于检测皮质骨10的表面形状的结构已记载于专利文献1,在此省略详细的说明。
接下来,发送电路31如图5(a)那样向皮质骨10发送超声波波束(步骤S102,发送工序)。所述超声波波束在皮质骨10的表面附近传播,从该皮质骨10的表面向软组织11中再次放射的漏波(图5(b))被振子24接收(步骤S103,接收工序)。
若所述漏波由多个振子24接收,则运算部35从该多个振子24中选择基准接收部(第1接收部)240和关注接收部(第2接收部)24n(步骤S104)。如上述那样,将接收了漏波的振子24之中距离波束发送对25最近的振子设为基准接收部240。关注接收部为接收了漏波的其他的接收部241,242…之中的任意一个即可。
运算部35将由关注接收部24n接收了的接收信号Fn(jω)归一化(步骤S105)。
与上述那样地取得接收信号Fn(jω)的处理(步骤S102~S105)并行地,运算部35进行生成多个合成信号Gn(jω)的处理(步骤S106~步骤S108)。
为了生成多个合成信号Gn(jω),首先,传递函数设定部41设定多个假定的传递函数Hn(jω)。如上述那样,传递函数设定部41通过假设4个参数(SOS、BUA、(xn-x0)以及t0)能够设定假定的传递函数Hn(jω)。
但是在本实施方式中,由于在步骤S101检测了皮质骨10的表面形状,所以能够适用斯奈尔定律模拟超声波波束的传播路径。由该模拟能够求出传播距离的差(xn-x0)。
为了适用斯奈尔定律模拟超声波波束的传播路径,需要软组织11中的声速SOSsoft的值和皮质骨10中的声速SOS的值。软组织11中的声速SOSsoft使用经验值即可。可是,皮质骨10中的声速SOS正是超声波诊断装置1所要测量的值,所以不能够预知此数值。因此,传递函数设定部41使用作为传递函数Hn(jω)的参数而假设的SOS的值进行上述模拟并求出传播距离的差(xn-x0)。
传递函数设定部41通过将由上述模拟求出的传播距离的差(xn-x0)和假设的3个参数(SOS、BUA以及t0)代入算式2中,设定假定的传递函数Hn(jω)。由于传播距离的差(xn-x0)依赖于参数SOS,最后,假定的传递函数Hn(jω)的独立参数为3个(SOS、BUA以及t0)。
上述3个参数之中,对超声波诊断装置1有用的信息为SOS以及BUA的值,t0并不是有用的信息。因此,在早期阶段确定t0从降低运算负荷的观点出发是优选的。
因此在本实施方式中,首先确定t0,随后求出SOS以及BUA,像这样进行2阶段的处理。首先传递函数设定部41将上述3个参数之中的SOS固定为合适的值(步骤S106),然后设定使BUA和t0的值的组合互相不同的多个传递函数Hn(jω)(步骤S107)。
接下来,信号合成部42通过将传递函数设定部41设定的传递函数Hn(jω)适用于在步骤S104中选择的基准接收部240所接收到的信号(基准信号R(jω)),生产合成信号Gn(jω)(步骤S108)。由于在上述步骤S107中设定了多个传递函数Hn(jω),所以信号合成部42通过将所述多个传递函数Hn(jω)分别适用于基准信号R(jω)中,生产多个合成信号Gn(jω)。由此,得到分别对应于BUA以及t0的组合的合成信号Gn(jω)。
一致度算出部43分别算出接收信号Fn(jω)与信号合成部42所生成的多个合成信号Gn(jω)的内积<Fn,Gn>(步骤S109)。由此,得到对应于上述BUA以及t0的组合的内积<Fn,Gn>。通过将像这样得到的多个<Fn,Gn>的值标绘在BUA-t0坐标的各点,得到图6所示的3维曲面。
运算部35具有作为参数选择部44的功能。参数选择部44在前述3维曲面中求出内积<Fn,Gn>示出最大值时的t0坐标。认为此时的t0的值与实际的t0(运算回路的延迟等引起的相位的延后)一致。因此参数选择部44采用内积<Fn,Gn>为最大时的t0的值作为t0的测量值(步骤S110)。按以上所述能够确定传递函数Hn(jω)的3个参数之中无用的t0的值。
接下来运算部35求出SOS和BUA的值。
传递函数设定部41将传递函数Hn(jω)的3个参数之中的t0的值固定为在步骤S110中求出的值,设定使SOS(第1参数)和BUA(第2参数)的值的组合互相不同的多个传递函数Hn(jω)(步骤S111,传递函数设定工序)。
接下来,信号合成部42通过将传递函数设定部41设定的多个传递函数Hn(jω)分别适用于基准信号R(jω),生成多个合成信号Gn(jω)(步 骤S112,信号合成工序)。由此,得到分别对应于上述SOS以及BUA的组合的合成信号Gn(jω)。
一致度算出部43分别算出接收信号Fn(jω)与信号合成部42所生成的多个合成信号Gn(jω)的内积<Fn,Gn>(步骤S113,一致度算出工序)。由此,得到对应于上述SOS以及BUA的组合的内积<Fn,Gn>。通过将按这样得到的多个<Fn,Gn>的值标绘在SOS-BUA坐标的各点上,得到如图7所示的3维曲面。
另外,在上述处理中,由于使BUA和SOS的值发生变化来逐步标绘内积<Fn,Gn>的值,只能得到离散且间隔大的3维曲面。因此在本实施方式中,参数选择部44按进行上述那样求出的3维曲面的高斯插值的方式构成(步骤S114)。例如,参数选择部44通过利用Levenberg-Marquardt法(列文伯格-马夸尔特法)等,求出对BUA-SOS坐标的各点的内积<Fn,Gn>的值拟合的2维高斯函数。
然后,参数选择部44基于上述那样求出的2维高斯函数,算出使内积<Fn,Gn>的值最大化的BUA-SOS坐标。参数选择部44采用此时的BUA和SOS的组合作为SOS以及BUA的测量值(步骤S115,参数选择工序)。
按以上所述,本实施方式的超声波诊断装置1能够测量皮质骨10的声速SOS(第1参数)和宽带超声衰减BUA(第2参数)的值。
如以上说明那样,实施方式的超声波诊断装置1具备波束发送对25、基准接收部240、关注接收部24n、传递函数设定部41、信号合成部42、一致度算出部43和参数选择部44。波束发送对25向皮质骨10发送信号。基准接收部240接收射入皮质骨10的所述信号在该皮质骨10中传播后再次放射到皮质骨10外的基准信号R(jω)。关注接收部24n接收射入皮质骨10的所述信号在该皮质骨10中以与基准信号R(jω)不同的路径传播后再次放射到皮质骨10外的接收信号Fn(jω)。传递函数设定部41设定以包含皮质骨的SOS以及BUA作为参数的方式将基准信号R(jω)的传播路径27与接收信号Fn(jω)的传播路径28的差异建模而得到的传递函数Hn(jω)。信号合成部42通过分别将使皮质骨的SOS与BUA的组合互相不同的多个传递函数Hn(jω)适用于基准信号R(jω),生成对应于所述SOS与BUA的组合的合成信号Gn(jω)。一致度算出部43分别算出各个合成信号Gn (jω)与接收信号Fn(jω)的内积<Fn,Gn>。然后,参数选择部44求出内积示出最大值时的SOS与BUA的组合。
像这样,通过求出合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)的内积<Fn,Gn>,能够判定传递函数设定部41设定的传递函数Hn(jω)的妥当性。然后,通过寻找使<Fn,Gn>最大化的参数,能够确定该参数的值。由于传递函数仅将传播路径27与传播路径28的差异建模即可,因此与将传播路径整体建模的情况相比,传递函数变得简单,同时也提高了测量精度。
接下来,关于上述实施方式的第1变形例进行说明。
在上述实施方式中,从多个接收部241,242…24n…之中选择1个接收部24n作为关注接收部后,基于该关注接收部24n所接收的接收信号Fn(jω)和基准接收部240所接收的基准信号R(jω)导出BUA以及SOS。即,在上述实施方式中只利用了2个振子(关注接收部24n和基准接收部240)接收的信号的信息。
可是,由于通过本实施方式的超声波诊断装置1所具备的振子阵列22,能够在多个接收部241,242…24n…得到接收信号F1(jω),F2(jω)…Fn(jω)…,认为通过利用在这些多个接收部得到的多个信号的信息,能够更加稳定地求出SOS和BUA。
因此,用以下的算式定义多个接收部241,242…24n…接收到的接收信号F1(jω),F2(jω)…Fn(jω)…与对于各个接收部所求出的合成信号G1(jω),G2(jω),…Gn(jω)…的内积的平均<F,G>ave。
[算式5]
与上述实施方式同样地,使SOS与BUA的值的组合互相不同地求出内积的平均<F,G>ave,并求出<F,G>ave示出最大值时的SOS与BUA的组合。像这样,通过利用在多个接收部241,242…24n…得到的多个信号,能够更加稳定地求出SOS以及BUA。
接下来,关于上述实施方式的第2变形例进行说明。
在上述实施方式中,将皮质骨10的表面视为相对于振子24排列的方向平行进行了说明。由此能使传递函数变得简单。可是,皮质骨10的表面 弯曲的情况下,漏波相对于基准接收部240的到来角度与漏波相对于关注接收部24n的到来角度不同(参照图5(b))。由于振子24具有指向性,所以到来角度与区别很大时,存在不能无视指向性的影响的情况。
若将表示相对于基准信号R(jω)由于到来角度的不同而接收信号Fn(jω)所受到的影响的传递函数设为Hdirectivity,n(jω),则包含指向性的影响的传递函数H'n(jω)能够用以下的算式6定义。另外,传递函数Hdirectivity,n(jω)由振子24的接收特性和漏波相对于关注接收部24n的到来角度决定。运算部35能够基于信号的传播路径算出到来角度并基于此求出传递函数Hdirectivity,n(jω)。
[算式6]
H′n(jω)=Hn(jω)·Hdirectivity,n(jω)
此外,皮质骨10的表面相对于振子24排列的方向不平行时,存在不能将软组织11中的漏波的传播距离在第1传播路径27与第2传播路径间视为相同的情况。例如图5(b)的情况,第2传播路径28与第1传播路径27相比,漏波在软组织11中传播的距离短(xnsoft-x0soft)量。在软组织11中传播的距离的差(xnsoft-x0soft)大的情况下,不能无视软组织11的BUA(软组织BUA)和软组织11中的SOS(软组织SOS)的影响。
若将表示相对于基准信号R(jω)由于软组织11中的漏波的传播距离的差(xnsoft-x0soft)而接收信号Fn(jω)所受到的软组织BUA的影响的传递函数设为HSoftAbsorption,n(jω),将表示软组织SOS的影响的传递函数设为HSoftSpeed,n(jω),则包含软组织BUA和软组织SOS的影响的传递函数H”n(jω)能够用以下的算式7定义。另外,算式7中的BUAsoft为软组织11中的BUA,能够使用经验值。其中,将该BUAsoft作为参数亦可。算式7中的SOSsoft为软组织11中的SOS,能够使用经验值。其中,将该SOSsoft作为参数亦可。运算部35能够通过基于形状检测部40所检测的皮质骨10的形状模拟超声波波束的传播路径来算出距离xnsoft-x0soft,并基于此求出传递函数HSoftAbsorption,n(jω)和传递函数HSoftSpeed,n(jω)。
[算式7]
H″n(jω)=Hn(jω)·HSoftSpeed,n(jω)·HSoftAbaorption,n(jω)
更进一步,包含指向性的影响和软组织BUA以及软组织SOS的影响两者的传递函数H”'n(jω)能够用以下的算式8。
[算式8]
H″′n(jω)
=Hn(jω)·Hdirectivity,n(jω)·HSoftSpeed,n(jω)·HSoftAbsorption,n(jω)
能够用包含指向性的影响的传递函数H'n(jω)、包含软组织的影响的传递函数H”n(jω)、或者包含两者的影响的传递函数H”'n(jω)代替算式2的传递函数Hn(jω)。由此,即使皮质骨10的表面弯曲程度很大的情况下也能够准确地测量SOS以及BUA。
以上说明了本发明的优选的实施方式以及变形例,上述结构也可以按例如以下所述那样进行变更。
在上述实施方式中,作为用于对皮质骨10发送波束的发送部,利用从由相邻的2个振子24构成的波束发送对25,但如例如专利文献1记载的声速测量装置那样,具备用于发送波束的专用的振子(发送部)亦可。
在上述实施方式中,将接收漏波的振子24之中距离波束发送对25最近的振子24设为基准接收部(第1接收部)240,但只要是接收了来自皮质骨10的漏波的振子24,任意一个都可以设为基准接收部(第1接收部)。
在上述实施方式中,同时测量SOS以及BUA,但仅测量SOS或者仅测量BUA亦可。
在上述实施方式中,并且进行取得接收信号Fn(jω)的处理(步骤S102~S105)和,生成多个合成信号Gn(jω)的处理(步骤S106~步骤S108),但逐次进行这些处理亦可。
在上述实施方式中,在步骤S114中采取了高斯插值,只要是能够适用于3维曲面的插值方法,使用其他的插值方法亦可。进而,省略步骤S114的插值亦可。
在上述实施方式中,作为合成信号Gn(jω)与接收信号Fn(jω)的一致度的指标求出其内积,但使用内积以外的其他的指标作为2个信号的一致度亦可。
在上述实施方式的说明中,在算式中使用了频域表达,但也能够在时域表达各个算式。因此,在运算部35中的实际的运算处理既可以在频域进行也可以在时域进行。
在上述实施方式中,测量了皮质骨10中的SOS以及BUA,但本申请的测量装置作为测量对象的被测量体不限于皮质骨10。例如,也能够设软组织11为被测量体,用本申请的测量装置测量软组织11的声速SOSsoft以及软组织11的BUAsoft。
此外,本申请的测量装置不限于作为将人体设为诊断对象的诊断装置而利用。例如,能够在非破坏性检查的领域利用本申请的测量装置。例如,通过用本申请的测量装置测量混凝土的SOS以及BUA,能够判断混凝土内部是否有裂缝等。
标号说明:
1 超声波诊断装置(测量装置)
10 皮质骨(被测量体)
24 振子
240 基准接收部(第1接收部)
24n 关注接收部(第2接收部)
25 波束发送对(发送部)
40 形状检测部
41 传递函数设定部
42 信号合成部
43 一致度算出部。
Claims (15)
1.一种测量装置,其特征在于,具备:
发送部,向被测量体发送信号;
接收部,接收射入所述被测量体的所述信号在所述被测量体内传播并再次被放射到被测量体外的第1信号、以及在与所述第1信号不同的路径上传播并再次被放射到被测量体外的第2信号;
传递函数设定部,设定以至少包含第1参数的方式将所述第1信号与所述第2信号的传播路径的差异建模而得到的传递函数;
信号合成部,将使所述第1参数的值互相不同的多个传递函数分别适用于所述第1信号,从而生成对应于各个第1参数的合成信号;
一致度算出部,分别算出各所述合成信号与所述第2信号的一致度;以及
参数选择部,求出所述一致度为最大时的所述第1参数的值。
2.如权利要求1所述的测量装置,其特征在于,
所述接收部,
在所述信号被发送后,经过第1时间后,接收所述第1信号,
经过比所述第1时间长的第2时间后,接收所述第2信号。
3.如权利要求1或2所述的测量装置,其特征在于,
所述测量装置具备形状检测部,该形状检测部向所述被测量体发送信号,并基于由该被测量体反射的反射信号检测该被测量体的形状,
所述传递函数设定部基于所述形状检测部检测出的所述被测量体的形状,设定所述传递函数。
4.如权利要求1或2所述的测量装置,其特征在于,
向被测量体发送的所述信号为超声波信号,
所述第1参数为所述被测量体的声速。
5.如权利要求1或2所述的测量装置,其特征在于,
向被测量体发送的所述信号为超声波信号,
所述第1参数为所述被测量体的宽带超声波衰减系数。
6.如权利要求1或2所述的测量装置,其特征在于,
所述一致度算出部分别算出各所述合成信号与所述第2信号的内积,
所述参数选择部求出所述内积示出最大值时的所述第1参数。
7.如权利要求1或2所述的测量装置,其特征在于,
所述传递函数包含与所述第1参数不同的第2参数,
所述信号合成部将使所述第1参数以及所述第2参数的组合互相不同的多个传递函数分别适用于所述第1信号,从而生成对应于各个所述组合的合成信号。
8.如权利要求7所述的测量装置,其特征在于,
向被测量体发送的所述信号为超声波信号,
所述第1参数为所述被测量体的声速,
所述第2参数为所述被测量体的宽带超声波衰减系数。
9.如权利要求7所述的测量装置,其特征在于,
所述一致度算出部分别算出各所述合成信号与所述第2信号的内积,
所述参数选择部求出所述内积示出最大值时的所述第1参数与所述第2参数的组合。
10.如权利要求1或2所述的测量装置,其特征在于,
所述被测量体为软组织中的皮质骨。
11.如权利要求10所述的测量装置,其特征在于,
所述发送部发送的所述信号在所述皮质骨的表面附近传播,并被所述接收部接收。
12.一种测量方法,其特征在于,包括:
发送工序,向被测量体发送信号;
接收工序,接收射入所述被测量体的所述信号在所述被测量体内传播并再次被放射到被测量体外的第1信号、以及在与所述第1信号不同的路径上传播并再次被放射到被测量体外的第2信号;
传递函数设定工序,设定以至少包含第1参数的方式将所述第1信号与所述第2信号的传播路径的差异建模而得到的传递函数;
信号合成工序,将使所述第1参数的值互相不同的多个传递函数分别适用于所述第1信号,从而生成对应于各个第1参数的合成信号;
一致度算出工序,分别算出各所述合成信号与所述第2信号的一致度;以及
参数选择工序,求出所述一致度为最大时的所述第1参数的值。
13.如权利要求12所述的测量方法,其特征在于,
在所述接收工序中,
在所述信号被发送后,经过第1时间后,接收所述第1信号,
经过比所述第1时间长的第2时间后,接收所述第2信号。
14.如权利要求12或13所述的测量方法,其特征在于,
所述测量方法还包括形状检测工序,所述形状检测工序向所述被测量体发送信号,并基于由该被测量体反射的反射信号检测该被测量体的形状,
在所述传递函数设定工序中,基于在所述形状检测工序中检测出的所述被测量体的形状,设定所述传递函数。
15.如权利要求12或13所述的测量方法,其特征在于,
向被测量体发送的所述信号为超声波信号,
所述第1参数为所述被测量体的声速或所述被测量体的宽带超声波衰减系数。
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