JP2005506124A - 身体の組織の力学的剛性を示す装置と方法 - Google Patents
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Abstract
ドップラー画像技法を用いる、体の組織の力学的剛性を示す装置と方法。ターゲットに放射された超音波信号は、信号がターゲットに当たるとき、反射からターゲットに像を生成するために反射されるだけでなく、放射された信号の強度の適当な選択により、検査される身体組織が変形すなわち移動される。検査される身体組織の変形すなわち移動は、画像化され、この身体組織の力学的剛性を表す。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、身体の部分の検査に関するものであり、より詳細には、検査対象の身体の組織に超音波を放射して反射された超音波から体の組織の力学的剛性を決定するための装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、超音波撮影は、Ｘ線撮影に続いて、２番目に大きな医療用の撮影方法である。超音波撮影では、画像は、高周波の音波を体の中へ放射し、その音響信号が体内を伝搬するときに戻ってくるエコーの応答をマップすることにより形成される。音響エコーは、体内の各界面で発生され、その界面は、インピーダンス不連続として特徴づけられる。典型的には、像は、戻ってくるエコー信号を、伝搬の範囲と方向の関数としてマップすることにより得られる。１つの面内における音波の運動は、多数の方向からの組織の応答を連続的に解析することを可能にする。このように展開される像はＢモード像（すなわち、「身体」モード像）として知られている。
【０００３】
他の超音波撮影技術も現在実際に存在している。色ドップラーモードは、そのような技術の１つである。色ドップラーモードは、血液のような移動するターゲット構造により、戻ってくる音のエコーの強度に生じる平均ドップラー周波数シフトを測定しマップするという方法である。この平均ドップラーシフトは、パケットとして知られている一連のパルスの中の連続的音響パルスの間の平均位相回転又は時間遅延を測定することにより決定される。同様に、パワードップラーは、平均周波数シフトよりはむしろドップラー信号の強度がマップされて像が形成されるモードである。
【０００４】
最近、１つの撮像モード（高調波モードとして知られている）が導入されている。この方法では、超音波パルスは、通常のＢモード撮像のように、体内に放射される。もとのパルスと同じ周波数での超音波エコーの戻りを検出する代わりに、フィルタ技術が、高調波周波数での信号を検出するために使用される。次に、これらの検出された信号の強度は、通常のようにマップされる。これらの信号は組織の非線形伝搬の関数として生成されるので、解剖学的構造上の異なる特徴が、たぶんよりよいコントラストで、観察される。
【０００５】
最近発表された論文「リアルタイム・リモート触診撮像の研究」("Investigation of Real-time Remote Palpation Imaging"), （Nightingale, Soo, Nightingale, Palmeri and Trahay著、Proceedings SPIE Medical Imaging 2001）に記載された実験では、組織がまず通常の超音波パルスを放射され、次に、戻ってくる超音波エコーに関連する無線波信号が記録された。次に、組織は、その組織の中に力を生じる連続的（すなわち比較的長い)超音波（１２０〜３００W/cm２)を放射される。次に、これから生じる組織の変位は、最初の超音波パルスと次の超音波パルスの間のラジオ波周波数相関技術を用いて測定された。生じた力から、３０μｍほどの変位が観察できた。最大の変位は一般に５ｍｓ内に得られた。組織の変位は、Ｂモード像の解剖学的構造とよく相関された。変位の量と回復時間は、伝搬媒体の剛性と関連できた。
【０００６】
この変位の現象は、波の伝搬の物理学により説明できた。波が媒体の中を伝わるとき、音波であれ電磁波であれ、エネルギー(Ｅ)だけでなく運動量(Ｐ)も運ぶ。しかし、音波が組織の中を伝搬するとき、エネルギーは、非弾性的輸送過程により吸収される。このエネルギー変化に関連して、それにつりあった運動量の変化が起こる。運動量の変化は、また、エネルギーが音響の界面により反射されるときにも起こる。これは弾性的過程であることもある。
ニュートンの法則から、この運動量変化は、伝搬の経路における微分組織部分に力を加える（ｄＰ/ｄｔ＝Ｆ)。この力は、次に、微小な組織部分を動かす（Ｆ＝質量×加速度）。移動量は、その物質の剛性と局所的吸収の関数である。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明は、そのもっとも単純な形では、身体の部分の動きの像を表示するため、ドップラー画像化法において前に使用されていたアルゴリズムとハードウェアと同様なアルゴリズムとハードウェアを使用できる。本発明において、ターゲットに放射された超音波信号は、信号がターゲットに当たるとき、反射されて、その反射からターゲットの像を生成するだけでなく、超音波伝播による変位を測定するために信号がターゲットに当たるとき、放射された信号の強度の適当な選択により、検査される身体組織が変形すなわち移動される。検査される身体組織の変形すなわち移動は、画像化され、この身体組織の力学的剛性を表す。
【０００８】
本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する装置は、身体の中のターゲットに、（ａ）前記のターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、（ｂ）続いて、前記のターゲットを変形するのに十分であり、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスと、を放射する放射手段を含む。この装置は、さらに、（ａ）第１の超音波パルスの前記のターゲットからの反射を受信して、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第１信号を生成し、（ｂ）続いて、第２の超音波パルスの前記のターゲットからの反射を受信して、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第２信号を生成する、受信手段を含む。この装置は、さらに、第１の信号と第２の信号に応答して、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に対して相対的な変化を表示する表示手段を備える。
【０００９】
本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する方法は、ターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスを体内のターゲットに放射するステップと、第１の超音波パルスの前記のターゲットからの第１の反射を受け取るステップと、ターゲットを変形するのに十分な、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスを放射するステップと、第２の超音波パルスの前記のターゲットからの第２の反射を受け取るステップとを含む。また、この方法は、第１の反射から、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の第１の表示を生成するステップと、第２の反射から、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の第２の表示を生成するステップと、第１の表示と第２の表示から、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に相対的な、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の変化の表示を生成するステップとを含む。
【００１０】
なお、理解されるように、本発明の上述の一般的な記載と、後の発明の詳細な説明は、例であり、発明を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照すると、本発明による第１の実施の形態の、身体の組織の力学的剛性を表示する装置は、身体の中のターゲットに、そのターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、それに続き、ターゲットを変形するのに十分であり、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスとを放射する放射手段を含む。図１に示す実施の形態では、放射手段は、パルス装置１０と変換器１２を含む。パルス装置１０は、変換器１２に接続される超音波パルスのためのエネルギー源として動作し、次に、超音波波形１４により表されるように、体内のターゲットに放射される。
【００１２】
理解されるように、本発明は、２より多い数の超音波パルスの放射を含んでいてもよい。むしろ、一連の超音波パルスが放射でき、その中の任意の２つが、放射される第１の超音波パルス及び放射される第２の超音波パルスと考えられる。
本発明により、以下の説明から理解されるように、放射された第１の超音波パルスによるターゲットの変形と、放射された第２の超音波パルス（すなわち、２つの連続的に放射された超音波パルス）によるそのターゲットの変形により生じたターゲットの相対的な変形を決定するため、この放射される連続的な超音波パルスの音の強度は異なる。これは、第２の超音波パルスの音の強度を、第１の超音波パルスの音の強度より、音の強度の２つの異なるレベルで、または、３以上のレベルで、大きく又は小さく設定することにより達成できる。
【００１３】
本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する図１の装置は、第１の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第１信号を生成し、それに続いて、前記の第２の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第２信号を生成する受信手段を含む。また、波形１４は、ターゲットからの超音波信号の反射を表す。本発明の図１の実施の形態では、受信手段は、変換器１２を含む。放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射は、それぞれ、変換器１２により電気信号に変換される。
【００１４】
放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射からそれぞれ変換器１２により得られた電気信号は、低いレベルであり、本発明の実施の形態の図１に示されるように、時間ゲイン補償増幅器１６により増幅される。超音波パルスが組織内を進むにつれエネルギーが吸収されるので、時間ゲイン補償増幅器１６のゲインは、反射を起こす身体の深さが深くなるのに対応して、時間とともに増加される。これは、戻ってくる電気信号の大きさを等化して、信号を、身体の深さに比較的依存しなくさせる。
【００１５】
図１に示されるように、各々の反射について増幅される信号は、次に、戻ってくる反射の周波数範囲の外側の不要な電気信号を除く帯域フィルタ１８を通る。これは、信号雑音比を改善する。
【００１６】
図１に示す本発明の実施の形態において、受信された第１と第２の超音波パルスの反射を表す信号は、それぞれ、変換器１２によりサンプルホールド回路２０に出力され、次に、サンプルホールド回路２０は、所要の時に信号電圧を保持する。この電圧は、アナログディジタル変換器２２により、アナログ信号からディジタル信号に変換される。アナログディジタル変換器２２から出力されるディジタル信号のシーケンスは、それぞれ、変換器１２により出力された第１と第２の超音波パルスの受信された反射を表す。サンプルホールド回路２０によるサンプリングは、時間的に十分速く（ナイキスト周波数以上で）行われて、ディジタルの形で、第１と第２の超音波パルスの反射から得られたもとのアナログ信号に含まれる情報を記録する。現在のアナログディジタル変換器は、サンプルホールド回路を含む必要がない可能性がある。
【００１７】
本発明による、体の組織の力学的剛性を示す装置は、さらに、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の後での前記のターゲットの位置を表す第２の信号とに応答して、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に対して相対的な変化を表示する表示手段を含む。図１に示す実施の形態において、そのような表示手段は、第１の超音波パルスと第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の後での前記のターゲットの位置を表す２つの信号の中の一方の波形の選択されたセグメントを、他方の信号の波形の対応するセグメントについて最大の一致が達成されるまでシフトする手段を含む。
【００１８】
特に、図１に示す実施の形態において、計算装置２４は、まず、変換器１２により放射された第１の超音波パルスの反射を表すディジタル信号と、変換器１２により放射された第２の超音波パルスの反射を表すディジタル信号（すなわち、連続的に放射された複数の超音波の反射を表すディジタル信号）を記憶する。計算装置２４は、次に、第１の超音波パルスの反射の波形の、波形の始めからの短い（たぶん８〜３２サンプルの）セグメントを選択し、これを、第２の超音波パルスの反射の波形の対応するセグメントと比較する。ターゲットの位置のわずかな移動が予想されるので、計算装置２４は、最大の一致が達成されるまで、波形のセグメントを、予想される位置の近くで選択する。数学的には、これは、相互相関として知られていて、図１に示される実施の形態は、相互相関の実施の形態として特徴づけられる。なお、反射を表すディジタル信号のゲインは、相互相関の演算を行う前に、超音波パルスの音の強度の差を補償するように調整される。
【００１９】
信号の位置の差、すなわち、波形のセグメントの開始点から、最大の波形の相関を生成する点への移動の量は、そのセグメントについて生じたターゲットの変位に対応する。この遅延すなわちシフトは記録される。この処理は、変換器１２により出力された第１の超音波パルスの反射の波形の各々の連続的なセグメントについて繰り返される。この処理で、第１の超音波パルスの反射の波形の各セグメントは、変換器１２により出力された第２の超音波パルスの反射の波形の対応するセグメントと相互相関により比較される。
こうして、計算装置２４は、波形の選択されたセグメントの最大の一致を達成する、そのセグメントの相対的なシフトを表す信号を出力する。この信号は、ターゲットの像とターゲットの変形を示す表示手段であるディスプレイ装置２６を駆動する。特に、計算装置２４により得られる信号の振幅は、変換器１２により放射された第１の超音波パルスの反射の波形から得られた第１の信号と、変換器１２により放射された第２の超音波パルスの反射の波形から得られた第２の信号との平均として得られて、通常のＢモード像を提供するために使用される。同様に、振幅のシフトは、剛性を示す変形の像を得るために使用される。変換器１２により放射された第１の超音波パルスと変換器１２により放射された第２の超音波パルスの間の力の差分は、この２つの超音波パルスの間の音の強度の差に線形的に関連するので、実際の剛性の測定は、パルスが組織を通るにつれ力の差が音エネルギーの吸収により減少することを補償するように調整される。
【００２０】
計算装置２４からの信号は、波形の中の選択されたセグメントにおける、そのセグメントの最大の一致を達成する相対的シフトを表すが、また、ターゲットの変形を、アナログ又はディジタルの形で、示すメーターを駆動することもできる。
【００２１】
図２を参照すると、本発明による第２の実施の形態による、身体の組織の力学的剛性を示す装置は、身体の中のターゲットに、ターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、それに続き、ターゲットを変形するのに十分であり、前記の第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスとを放射する放射手段を含む。図２に示す第２の実施の形態の装置では、そのような放射手段は、パルス装置３０と変換器３２を含む。パルス装置３０は、変換器３２へ送られ、また、体内のターゲットに放射される、波形３４によって表されるような超音波パルスのためのエネルギー源として動作する。
【００２２】
図１に示される発明の実施の形態では、２より多い超音波パルスが変換器３２により放射できる。好ましくは、一連の超音波パルスが放射でき、その中の任意の２つの超音波パルスが、放射される第１の超音波パルスと第２の超音波パルスとして考えられる。
【００２３】
図１に示される発明の実施の形態では、放射された第１の超音波パルスによるターゲットの変形と放射された第２の超音波パルスによるターゲットの変形（すなわち、２つの連続的に放射された超音波パルス）により生じたターゲットの相対的な変形を決定するため、この放射される連続的な超音波パルスの音の強度は異なる。これは、第２の超音波パルスの音の強度を、第１の超音波パルスの音の強度より、音の強度の２つのみの異なるレベルで、または、３以上のレベルで、大きく又は小さく設定することにより達成できる。
【００２４】
図２に示される、本発明による体の組織の力学的剛性を示す装置は、また、受信手段を含み、この受信手段は、第１の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第１信号を出力し、それに続き、前記の第２の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第２信号を出力する。図２に示す実施の形態において、そのような受信手段は、変換器３２を含む。放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射は、それぞれ、変換器３２により電気信号に変換される。
【００２５】
放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射からそれぞれ変換器３２により得られた電気信号は、低いレベルであり、本発明の実施の形態の表す図２に示されるように、時間ゲイン補償増幅器３６により増幅される。超音波パルスが組織内を進むにつれエネルギーが吸収されるので、時間ゲイン補償増幅器３６のゲインは、反射を生じる身体の深さが深くなるにつれ、時間とともに増加される。これは、戻ってくる電気信号の大きさを等化して、信号を、身体の深さに比較的依存しなくさせる。
【００２６】
図２に示されるように、増幅された信号は、次に分割され、信号の分割された成分はそれぞれミキサ３８、４０に入る。ミキサ３８，４０は、もとの戻ってきた反射を表す無線周波数の波形を、ミキサの直角位相基準信号cos(2πf０t)とsin(2πf０t)と位相の合った２つのベースバンド信号に変換する。これらの同位相信号と直角位相信号をＩ(t)、Ｑ(t)で表す。
【００２７】
本発明の実施の形態を表す図２に示されるように、同位相信号と直角位相信号は、それぞれ、フィルタ４２と４４を通り、戻ってくる反射の周波数範囲の外の不要な電気信号を除く。これは、信号雑音比を改善する。
【００２８】
本発明の実施の形態を表す図２に示されるように、同位相信号と直角位相信号は、次に、それぞれ、所要の時に信号電圧を保持するサンプルホールド回路５０，５２に進む。これらの電圧は、別々に、アナログディジタル変換器５０,５２によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。アナログディジタル変換器５０,５２から出るＩ(t)とＱ(t)のディジタル信号のシーケンスは、それぞれ、変換器３２により放射される第１と第２の超音波信号の受信された反射を表す。サンプルホールド回路４６,４８によるサンプリングは、時間的に十分速く（ナイキスト周波数以上で）行われて、ディジタルの形で、第１と第２の超音波パルスの反射から得られたもとのアナログ信号に含まれる情報を記録する。これらのシーケンスは、
Ｉ１(ｎ)Ｑ１(ｎ)とＩ２(ｎ)Ｑ２(ｎ)
として表される。ここで、下付文字は、それぞれ、放射された第１の超音波パルスと第２の超音波パルスを示し、ｎは、時間における１つのサンプルを示す。なお、現在のアナログディジタル変換器は、サンプルホールド回路を含む必要がない可能性がある。また、ディジタルの同位相信号と直角位相信号は、アナログミキサに入る前にもとのディジタルの表現（値）から直接に生成できる。これは、これらのミキサ部品を不必要にする。
【００２９】
図２に示される、本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する装置は、さらに、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２の信号とに応答して、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形に対する相対的な変化を示す表示手段を含む。図２に示す実施の形態において、そのような表示手段は、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後での、ある基準に対するターゲットの位置を表す第１信号の位相を決定し、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの、その基準に対する位置を表す第２信号の位相を決定する手段を備える。この実施の形態は、位相差の実施形態として特徴づけられる。
【００３０】
特に、図２に示す実施の形態において、ある時間において、第１の超音波パルスによるターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１信号の波形と、第２の超音波パルスによるターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２信号の波形との間の位相差は、以下のようになる。
Δ＝arctan([I１(n)Q１(n)-I２(n)Q２(n)]/[I１(n)Q１(n)+I２(n)Q２(n)])
ここに、Δは、位相差を表し、残りの項は、同位相信号成分と直角位相信号成分を表す。
この位相差は、ミキサ参照信号（ｆｏ）の波長の一部（fraction）であり、距離の変位は、以下のように決定される。
変位＝ΔＣ／２πｆ０
ここに、Ｃは媒体中の音速である。
【００３１】
図２に示す本発明の実施の形態において、計算装置５４は、ディスプレイ装置５６を駆動してターゲットの像とターゲットの位置を提供するため、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２の信号の間の位相差を表す信号を出力する。特に、計算装置５４は、この位相差を決定し、この位相差を、Ｃ／２πとミキサ参照周波数ｆ０の積と乗算する。なお、反射を表すディジタル信号のゲインは、位相差の計算の演算を行う前に、超音波パルスの音の強度の差を補償するように調整される。
【００３２】
また、計算装置５４により出力される信号、すなわち、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２の信号との間の位相差を表す信号は、ターゲットの変形を、アナログ又はディジタルの形で、表示するメーターを駆動することもできる。
【００３３】
本発明は、以上にいくつかの実施の形態を用いて説明されたが、その詳細な説明に限定されるものではない。むしろ、種々の変形は、請求の範囲の均等物の範囲内で、本発明の要旨から離れることなく、可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明により構成された第１の実施の形態の体の組織の力学的剛性を示す装置のブロック図である。
【図２】本発明により構成された第２の実施の形態の体の組織の力学的剛性を示す装置のブロック図である。
【０００１】
本発明は、一般に、身体の部分の検査に関するものであり、より詳細には、検査対象の身体の組織に超音波を放射して反射された超音波から体の組織の力学的剛性を決定するための装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、超音波撮影は、Ｘ線撮影に続いて、２番目に大きな医療用の撮影方法である。超音波撮影では、画像は、高周波の音波を体の中へ放射し、その音響信号が体内を伝搬するときに戻ってくるエコーの応答をマップすることにより形成される。音響エコーは、体内の各界面で発生され、その界面は、インピーダンス不連続として特徴づけられる。典型的には、像は、戻ってくるエコー信号を、伝搬の範囲と方向の関数としてマップすることにより得られる。１つの面内における音波の運動は、多数の方向からの組織の応答を連続的に解析することを可能にする。このように展開される像はＢモード像（すなわち、「身体」モード像）として知られている。
【０００３】
他の超音波撮影技術も現在実際に存在している。色ドップラーモードは、そのような技術の１つである。色ドップラーモードは、血液のような移動するターゲット構造により、戻ってくる音のエコーの強度に生じる平均ドップラー周波数シフトを測定しマップするという方法である。この平均ドップラーシフトは、パケットとして知られている一連のパルスの中の連続的音響パルスの間の平均位相回転又は時間遅延を測定することにより決定される。同様に、パワードップラーは、平均周波数シフトよりはむしろドップラー信号の強度がマップされて像が形成されるモードである。
【０００４】
最近、１つの撮像モード（高調波モードとして知られている）が導入されている。この方法では、超音波パルスは、通常のＢモード撮像のように、体内に放射される。もとのパルスと同じ周波数での超音波エコーの戻りを検出する代わりに、フィルタ技術が、高調波周波数での信号を検出するために使用される。次に、これらの検出された信号の強度は、通常のようにマップされる。これらの信号は組織の非線形伝搬の関数として生成されるので、解剖学的構造上の異なる特徴が、たぶんよりよいコントラストで、観察される。
【０００５】
最近発表された論文「リアルタイム・リモート触診撮像の研究」("Investigation of Real-time Remote Palpation Imaging"), （Nightingale, Soo, Nightingale, Palmeri and Trahay著、Proceedings SPIE Medical Imaging 2001）に記載された実験では、組織がまず通常の超音波パルスを放射され、次に、戻ってくる超音波エコーに関連する無線波信号が記録された。次に、組織は、その組織の中に力を生じる連続的（すなわち比較的長い)超音波（１２０〜３００W/cm２)を放射される。次に、これから生じる組織の変位は、最初の超音波パルスと次の超音波パルスの間のラジオ波周波数相関技術を用いて測定された。生じた力から、３０μｍほどの変位が観察できた。最大の変位は一般に５ｍｓ内に得られた。組織の変位は、Ｂモード像の解剖学的構造とよく相関された。変位の量と回復時間は、伝搬媒体の剛性と関連できた。
【０００６】
この変位の現象は、波の伝搬の物理学により説明できた。波が媒体の中を伝わるとき、音波であれ電磁波であれ、エネルギー(Ｅ)だけでなく運動量(Ｐ)も運ぶ。しかし、音波が組織の中を伝搬するとき、エネルギーは、非弾性的輸送過程により吸収される。このエネルギー変化に関連して、それにつりあった運動量の変化が起こる。運動量の変化は、また、エネルギーが音響の界面により反射されるときにも起こる。これは弾性的過程であることもある。
ニュートンの法則から、この運動量変化は、伝搬の経路における微分組織部分に力を加える（ｄＰ/ｄｔ＝Ｆ)。この力は、次に、微小な組織部分を動かす（Ｆ＝質量×加速度）。移動量は、その物質の剛性と局所的吸収の関数である。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明は、そのもっとも単純な形では、身体の部分の動きの像を表示するため、ドップラー画像化法において前に使用されていたアルゴリズムとハードウェアと同様なアルゴリズムとハードウェアを使用できる。本発明において、ターゲットに放射された超音波信号は、信号がターゲットに当たるとき、反射されて、その反射からターゲットの像を生成するだけでなく、超音波伝播による変位を測定するために信号がターゲットに当たるとき、放射された信号の強度の適当な選択により、検査される身体組織が変形すなわち移動される。検査される身体組織の変形すなわち移動は、画像化され、この身体組織の力学的剛性を表す。
【０００８】
本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する装置は、身体の中のターゲットに、（ａ）前記のターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、（ｂ）続いて、前記のターゲットを変形するのに十分であり、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスと、を放射する放射手段を含む。この装置は、さらに、（ａ）第１の超音波パルスの前記のターゲットからの反射を受信して、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第１信号を生成し、（ｂ）続いて、第２の超音波パルスの前記のターゲットからの反射を受信して、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第２信号を生成する、受信手段を含む。この装置は、さらに、第１の信号と第２の信号に応答して、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に対して相対的な変化を表示する表示手段を備える。
【０００９】
本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する方法は、ターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスを体内のターゲットに放射するステップと、第１の超音波パルスの前記のターゲットからの第１の反射を受け取るステップと、ターゲットを変形するのに十分な、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスを放射するステップと、第２の超音波パルスの前記のターゲットからの第２の反射を受け取るステップとを含む。また、この方法は、第１の反射から、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の第１の表示を生成するステップと、第２の反射から、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の第２の表示を生成するステップと、第１の表示と第２の表示から、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に相対的な、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の変化の表示を生成するステップとを含む。
【００１０】
なお、理解されるように、本発明の上述の一般的な記載と、後の発明の詳細な説明は、例であり、発明を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照すると、本発明による第１の実施の形態の、身体の組織の力学的剛性を表示する装置は、身体の中のターゲットに、そのターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、それに続き、ターゲットを変形するのに十分であり、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスとを放射する放射手段を含む。図１に示す実施の形態では、放射手段は、パルス装置１０と変換器１２を含む。パルス装置１０は、変換器１２に接続される超音波パルスのためのエネルギー源として動作し、次に、超音波波形１４により表されるように、体内のターゲットに放射される。
【００１２】
理解されるように、本発明は、２より多い数の超音波パルスの放射を含んでいてもよい。むしろ、一連の超音波パルスが放射でき、その中の任意の２つが、放射される第１の超音波パルス及び放射される第２の超音波パルスと考えられる。
本発明により、以下の説明から理解されるように、放射された第１の超音波パルスによるターゲットの変形と、放射された第２の超音波パルス（すなわち、２つの連続的に放射された超音波パルス）によるそのターゲットの変形により生じたターゲットの相対的な変形を決定するため、この放射される連続的な超音波パルスの音の強度は異なる。これは、第２の超音波パルスの音の強度を、第１の超音波パルスの音の強度より、音の強度の２つの異なるレベルで、または、３以上のレベルで、大きく又は小さく設定することにより達成できる。
【００１３】
本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する図１の装置は、第１の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第１信号を生成し、それに続いて、前記の第２の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第２信号を生成する受信手段を含む。また、波形１４は、ターゲットからの超音波信号の反射を表す。本発明の図１の実施の形態では、受信手段は、変換器１２を含む。放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射は、それぞれ、変換器１２により電気信号に変換される。
【００１４】
放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射からそれぞれ変換器１２により得られた電気信号は、低いレベルであり、本発明の実施の形態の図１に示されるように、時間ゲイン補償増幅器１６により増幅される。超音波パルスが組織内を進むにつれエネルギーが吸収されるので、時間ゲイン補償増幅器１６のゲインは、反射を起こす身体の深さが深くなるのに対応して、時間とともに増加される。これは、戻ってくる電気信号の大きさを等化して、信号を、身体の深さに比較的依存しなくさせる。
【００１５】
図１に示されるように、各々の反射について増幅される信号は、次に、戻ってくる反射の周波数範囲の外側の不要な電気信号を除く帯域フィルタ１８を通る。これは、信号雑音比を改善する。
【００１６】
図１に示す本発明の実施の形態において、受信された第１と第２の超音波パルスの反射を表す信号は、それぞれ、変換器１２によりサンプルホールド回路２０に出力され、次に、サンプルホールド回路２０は、所要の時に信号電圧を保持する。この電圧は、アナログディジタル変換器２２により、アナログ信号からディジタル信号に変換される。アナログディジタル変換器２２から出力されるディジタル信号のシーケンスは、それぞれ、変換器１２により出力された第１と第２の超音波パルスの受信された反射を表す。サンプルホールド回路２０によるサンプリングは、時間的に十分速く（ナイキスト周波数以上で）行われて、ディジタルの形で、第１と第２の超音波パルスの反射から得られたもとのアナログ信号に含まれる情報を記録する。現在のアナログディジタル変換器は、サンプルホールド回路を含む必要がない可能性がある。
【００１７】
本発明による、体の組織の力学的剛性を示す装置は、さらに、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の後での前記のターゲットの位置を表す第２の信号とに応答して、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に対して相対的な変化を表示する表示手段を含む。図１に示す実施の形態において、そのような表示手段は、第１の超音波パルスと第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の後での前記のターゲットの位置を表す２つの信号の中の一方の波形の選択されたセグメントを、他方の信号の波形の対応するセグメントについて最大の一致が達成されるまでシフトする手段を含む。
【００１８】
特に、図１に示す実施の形態において、計算装置２４は、まず、変換器１２により放射された第１の超音波パルスの反射を表すディジタル信号と、変換器１２により放射された第２の超音波パルスの反射を表すディジタル信号（すなわち、連続的に放射された複数の超音波の反射を表すディジタル信号）を記憶する。計算装置２４は、次に、第１の超音波パルスの反射の波形の、波形の始めからの短い（たぶん８〜３２サンプルの）セグメントを選択し、これを、第２の超音波パルスの反射の波形の対応するセグメントと比較する。ターゲットの位置のわずかな移動が予想されるので、計算装置２４は、最大の一致が達成されるまで、波形のセグメントを、予想される位置の近くで選択する。数学的には、これは、相互相関として知られていて、図１に示される実施の形態は、相互相関の実施の形態として特徴づけられる。なお、反射を表すディジタル信号のゲインは、相互相関の演算を行う前に、超音波パルスの音の強度の差を補償するように調整される。
【００１９】
信号の位置の差、すなわち、波形のセグメントの開始点から、最大の波形の相関を生成する点への移動の量は、そのセグメントについて生じたターゲットの変位に対応する。この遅延すなわちシフトは記録される。この処理は、変換器１２により出力された第１の超音波パルスの反射の波形の各々の連続的なセグメントについて繰り返される。この処理で、第１の超音波パルスの反射の波形の各セグメントは、変換器１２により出力された第２の超音波パルスの反射の波形の対応するセグメントと相互相関により比較される。
こうして、計算装置２４は、波形の選択されたセグメントの最大の一致を達成する、そのセグメントの相対的なシフトを表す信号を出力する。この信号は、ターゲットの像とターゲットの変形を示す表示手段であるディスプレイ装置２６を駆動する。特に、計算装置２４により得られる信号の振幅は、変換器１２により放射された第１の超音波パルスの反射の波形から得られた第１の信号と、変換器１２により放射された第２の超音波パルスの反射の波形から得られた第２の信号との平均として得られて、通常のＢモード像を提供するために使用される。同様に、振幅のシフトは、剛性を示す変形の像を得るために使用される。変換器１２により放射された第１の超音波パルスと変換器１２により放射された第２の超音波パルスの間の力の差分は、この２つの超音波パルスの間の音の強度の差に線形的に関連するので、実際の剛性の測定は、パルスが組織を通るにつれ力の差が音エネルギーの吸収により減少することを補償するように調整される。
【００２０】
計算装置２４からの信号は、波形の中の選択されたセグメントにおける、そのセグメントの最大の一致を達成する相対的シフトを表すが、また、ターゲットの変形を、アナログ又はディジタルの形で、示すメーターを駆動することもできる。
【００２１】
図２を参照すると、本発明による第２の実施の形態による、身体の組織の力学的剛性を示す装置は、身体の中のターゲットに、ターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、それに続き、ターゲットを変形するのに十分であり、前記の第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスとを放射する放射手段を含む。図２に示す第２の実施の形態の装置では、そのような放射手段は、パルス装置３０と変換器３２を含む。パルス装置３０は、変換器３２へ送られ、また、体内のターゲットに放射される、波形３４によって表されるような超音波パルスのためのエネルギー源として動作する。
【００２２】
図１に示される発明の実施の形態では、２より多い超音波パルスが変換器３２により放射できる。好ましくは、一連の超音波パルスが放射でき、その中の任意の２つの超音波パルスが、放射される第１の超音波パルスと第２の超音波パルスとして考えられる。
【００２３】
図１に示される発明の実施の形態では、放射された第１の超音波パルスによるターゲットの変形と放射された第２の超音波パルスによるターゲットの変形（すなわち、２つの連続的に放射された超音波パルス）により生じたターゲットの相対的な変形を決定するため、この放射される連続的な超音波パルスの音の強度は異なる。これは、第２の超音波パルスの音の強度を、第１の超音波パルスの音の強度より、音の強度の２つのみの異なるレベルで、または、３以上のレベルで、大きく又は小さく設定することにより達成できる。
【００２４】
図２に示される、本発明による体の組織の力学的剛性を示す装置は、また、受信手段を含み、この受信手段は、第１の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第１信号を出力し、それに続き、前記の第２の超音波パルスのターゲットからの反射を受信して、この反射から、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後の位置を表す第２信号を出力する。図２に示す実施の形態において、そのような受信手段は、変換器３２を含む。放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射は、それぞれ、変換器３２により電気信号に変換される。
【００２５】
放射された第１と第２の超音波パルスのターゲットからの反射からそれぞれ変換器３２により得られた電気信号は、低いレベルであり、本発明の実施の形態の表す図２に示されるように、時間ゲイン補償増幅器３６により増幅される。超音波パルスが組織内を進むにつれエネルギーが吸収されるので、時間ゲイン補償増幅器３６のゲインは、反射を生じる身体の深さが深くなるにつれ、時間とともに増加される。これは、戻ってくる電気信号の大きさを等化して、信号を、身体の深さに比較的依存しなくさせる。
【００２６】
図２に示されるように、増幅された信号は、次に分割され、信号の分割された成分はそれぞれミキサ３８、４０に入る。ミキサ３８，４０は、もとの戻ってきた反射を表す無線周波数の波形を、ミキサの直角位相基準信号cos(2πf０t)とsin(2πf０t)と位相の合った２つのベースバンド信号に変換する。これらの同位相信号と直角位相信号をＩ(t)、Ｑ(t)で表す。
【００２７】
本発明の実施の形態を表す図２に示されるように、同位相信号と直角位相信号は、それぞれ、フィルタ４２と４４を通り、戻ってくる反射の周波数範囲の外の不要な電気信号を除く。これは、信号雑音比を改善する。
【００２８】
本発明の実施の形態を表す図２に示されるように、同位相信号と直角位相信号は、次に、それぞれ、所要の時に信号電圧を保持するサンプルホールド回路５０，５２に進む。これらの電圧は、別々に、アナログディジタル変換器５０,５２によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。アナログディジタル変換器５０,５２から出るＩ(t)とＱ(t)のディジタル信号のシーケンスは、それぞれ、変換器３２により放射される第１と第２の超音波信号の受信された反射を表す。サンプルホールド回路４６,４８によるサンプリングは、時間的に十分速く（ナイキスト周波数以上で）行われて、ディジタルの形で、第１と第２の超音波パルスの反射から得られたもとのアナログ信号に含まれる情報を記録する。これらのシーケンスは、
Ｉ１(ｎ)Ｑ１(ｎ)とＩ２(ｎ)Ｑ２(ｎ)
として表される。ここで、下付文字は、それぞれ、放射された第１の超音波パルスと第２の超音波パルスを示し、ｎは、時間における１つのサンプルを示す。なお、現在のアナログディジタル変換器は、サンプルホールド回路を含む必要がない可能性がある。また、ディジタルの同位相信号と直角位相信号は、アナログミキサに入る前にもとのディジタルの表現（値）から直接に生成できる。これは、これらのミキサ部品を不必要にする。
【００２９】
図２に示される、本発明による、身体の組織の力学的剛性を表示する装置は、さらに、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２の信号とに応答して、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形に対する相対的な変化を示す表示手段を含む。図２に示す実施の形態において、そのような表示手段は、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後での、ある基準に対するターゲットの位置を表す第１信号の位相を決定し、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの、その基準に対する位置を表す第２信号の位相を決定する手段を備える。この実施の形態は、位相差の実施形態として特徴づけられる。
【００３０】
特に、図２に示す実施の形態において、ある時間において、第１の超音波パルスによるターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１信号の波形と、第２の超音波パルスによるターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２信号の波形との間の位相差は、以下のようになる。
Δ＝arctan([I１(n)Q１(n)-I２(n)Q２(n)]/[I１(n)Q１(n)+I２(n)Q２(n)])
ここに、Δは、位相差を表し、残りの項は、同位相信号成分と直角位相信号成分を表す。
この位相差は、ミキサ参照信号（ｆｏ）の波長の一部（fraction）であり、距離の変位は、以下のように決定される。
変位＝ΔＣ／２πｆ０
ここに、Ｃは媒体中の音速である。
【００３１】
図２に示す本発明の実施の形態において、計算装置５４は、ディスプレイ装置５６を駆動してターゲットの像とターゲットの位置を提供するため、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２の信号の間の位相差を表す信号を出力する。特に、計算装置５４は、この位相差を決定し、この位相差を、Ｃ／２πとミキサ参照周波数ｆ０の積と乗算する。なお、反射を表すディジタル信号のゲインは、位相差の計算の演算を行う前に、超音波パルスの音の強度の差を補償するように調整される。
【００３２】
また、計算装置５４により出力される信号、すなわち、第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第１の信号と、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の後でのターゲットの位置を表す第２の信号との間の位相差を表す信号は、ターゲットの変形を、アナログ又はディジタルの形で、表示するメーターを駆動することもできる。
【００３３】
本発明は、以上にいくつかの実施の形態を用いて説明されたが、その詳細な説明に限定されるものではない。むしろ、種々の変形は、請求の範囲の均等物の範囲内で、本発明の要旨から離れることなく、可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明により構成された第１の実施の形態の体の組織の力学的剛性を示す装置のブロック図である。
【図２】本発明により構成された第２の実施の形態の体の組織の力学的剛性を示す装置のブロック図である。
Claims (7)
- 身体の組織の力学的剛性を表示する装置であって、
身体の中のターゲットに、
（ａ）ターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数をもつ第１の超音波パルスと、
（ｂ）それに続き、前記のターゲットを変形するのに十分であり、第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数をもつ第２の超音波パルスと
を放射する放射手段と、
（ａ）第１の超音波パルスの前記のターゲットからの反射を受信して、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の後の位置を表す第１の信号を生成し、
（ｂ）続いて、第２の超音波パルスの前記のターゲットからの反射を受信して、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の後の位置を表す第２の信号を生成する
受信手段と、
第１の信号と第２の信号に応答して、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に対する変化を示す表示手段と
を備える装置。 - 請求項１に記載された装置において、
前記の表示手段は、ターゲットの像とターゲットの変形を表すディスプレイ装置を含むことを特徴とする装置。 - 請求項２に記載された装置において、
前記の表示手段は、
（ａ）第１の信号と第２の信号の中の一方の信号の前記の波形の選択されたセグメントを、第１の信号と第２の信号の中の他方の信号の前記の波形の同じセグメントに対して、前記の複数の波形の前記の複数のセグメントの最大の一致が達成されるまで、シフトするシフト手段と、
（ｂ）ターゲットの像とターゲットの変形を表す前記のディスプレイ装置を駆動するため、前記の複数の波形の前記の選択された複数のセグメントの、前記の複数の波形の複数のセグメントの最大の一致が達成される前記の相対的なシフトを表す信号を生成する信号生成手段と
を備えることを特徴とする装置。 - 請求項２に記載された装置であって、
前記の表示手段は、
（ａ）前記の第１の信号の１つの基準に対する位相と、前記の第２の信号の同じ基準に対する位相とを決定する位相決定手段と、
（ｂ）ターゲットの像とターゲットの変形を表す前記のディスプレイ装置を駆動するため、前記の第１の信号と前記の第２の信号の間の位相の差を表す信号を生成する信号生成手段と
を備えることを特徴とする装置。 - 身体の組織の力学的剛性を表示する方法であって、
ターゲットを変形するのに十分な第１の音波強度係数の第１の超音波パルスを体内のターゲットに放射するステップと、
第１の超音波パルスの前記のターゲットからの第１の反射を受け取るステップと、
前記のターゲットを変形するのに十分な、前記の第１の超音波パルスの第１の音波強度係数と異なる第２の音波強度係数の第２の超音波パルスを放射するステップと、
第２の超音波パルスの前記のターゲットからの第２の反射を受け取るステップと、
第１の反射から、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の第１の表示を生成するステップと、
第２の反射から、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の第２の表示を生成するステップと、
前記の第１の変形の表示と第２の変形の表示から、第１の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形に相対的な、第２の超音波パルスにより生じた前記のターゲットの変形の変化の表示を生成するステップと
からなる方法。 - 請求項５に記載された方法であって、
第１の超音波パルスにより生じたターゲットの変形に相対的な、第２の超音波パルスにより生じたターゲットの変形の変化の表示を生成する前記のステップは、
（ａ）第１の超音波パルスの反射と第２の超音波パルスの反射の中の一方の波形の選択されたセグメントを、第１の超音波パルスの反射と第２の超音波パルスの反射の中の他方の波形の同じセグメントに相対的に、前記の複数の波形の選択されたセグメントの最大の一致が達成されるまでシフトすることと、
（ｂ）前記の複数の波形の前記の選択された複数のセグメントの波形の最大の一致を達成する、前記の複数の選択された複数のセグメントの前記の相対的なシフトの表示を生成することと
を含む方法。 - 請求項５に記載された方法において、
相対的シフトの表示を生成する前記のステップは、
（ａ）前記の第１の超音波パルスの反射の、１つの基準に相対的な位相と前記の第２の超音波パルスの反射の、同じ基準に相対的な位相とを決定することと、
（ｂ）前記の第１の超音波パルスの反射と前記の第２の超音波パルスの反射との間の位相の差の表示を生成することと
を含む方法。
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