JP2007000220A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響を低減し、高い精度で性状特性を計測することが可能であり、さらに、組織同定も可能な超音波診断装置を提供する。
【解決手段】複数の異なる組織を含んでおり、応力によって周期的に変形する被検体へ超音波を送信するために、探触子１０１を駆動する駆動信号を生成する送信部１０２と、得られるエコーを探触子により受信し、受信エコー信号を生成する受信部１０３と、受信エコー信号に基づいて被検体中の任意の２つの測定部位間の距離変化を示す厚さ変化波形を算出する演算部１５１と、複数の組織にそれぞれ対応した複数の基準波形を生成する基準波形発生部１１７と、各基準波形と厚さ変化波形とを比較することにより、両波形が一致する度合いを示す指標を算出する厚さ変化量推定部１１８と、指標に基づいて、厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織が複数の組織のいずれに該当するかを判定する組織判定部１７２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波診断装置に関し、被検体を構成する組織の性状特性、特に、弾性率を計測する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波を被検体に照射し、そのエコー信号に含まれる情報を解析することにより、被検体を非侵襲的に検査する。従来から広く用いられている超音波診断装置は、エコー信号の強度を対応する画素の輝度に変換することにより、被検体の構造を断層画像として得ている。これにより、被検体の内部の構造を知ることができる。また、エコー信号のドップラーシフトを検出し、被検体の運動情報、たとえば、血流情報を画像表示する超音波診断装置も用いられてきた。

これに対し、近年、エコー信号の主に位相を解析することによって、被検体の組織の動きを精密に測定し、組織の歪みや弾性率、粘性率などの物理的（性状）特性を求めることが試みられている。

特許文献１は、エコー信号の検波出力信号の振幅および位相を用い、被検体の瞬間的な位置を決定することによって、被検体組織の追跡を高精度に行い、拍動している心臓組織に生じている微小振動を捕らえる方法を開示している。この方法によれば、被検体に対して同じ方向にΔＴの間隔をおいて超音波パルスを複数回送信し、被検体において反射した超音波をそれぞれ受信する。図９に示すように受信したエコー信号をｙ（ｔ）、ｙ（ｔ＋ΔＴ）、ｙ（ｔ＋２ΔＴ）とする。ある深度ｘ１から得られるエコー信号の受信時刻ｔ１は、パルス送信時刻をｔ＝０とすると、ｔ１＝ｘ１／（Ｃ／２）となる。ただし、Ｃは音速である。このとき、ｙ（ｔ１）とｙ（ｔ１＋ΔＴ）の間の位相偏移をΔθ、ｔ１付近での超音波の中心周波数をｆとすると、この期間ΔＴにおけるｘ１の移動量Δｘは、以下の式（１）で表される。

Δｘ＝−Ｃ・Δθ／４πｆ （１）

移動量Δｘをｘ１に加算することで、以下の式（２）に示すように、ΔＴ秒後のｘ１の位置ｘ１’を求めることができ、この計算を繰り返すことにより、被検体の同一部位ｘ１を追跡していくことができる。この方法は位相差トラッキング法と呼ばれている。

ｘ１’＝ｘ１＋Δｘ （２）

特許文献２は、特許文献１の方法をさらに発展させ、被検体組織、特に動脈壁の弾性率を求める方法を開示している。この方法によれば、まず、図１０に示すように、探触子１０１から血管壁１６へ向けて超音波を送信し、血管壁１６上に設定した測定点ＡおよびＢからのエコー信号を特許文献１の方法により解析することにより、測定部位ＡおよびＢの動きを追跡する。図１１は、測定点ＡおよびＢの位置を示す追跡波形ＴＡおよびＴＢを示している。また、心電波形ＥＣＧも合わせて示している。

図１１に示すように、追跡波形ＴＡおよびＴＢは心電波形ＥＣＧに一致した周期性を有している。これは、心臓の心拍周期に一致して、動脈が拡張および収縮することを示している。具体的には、心電波形ＥＣＧ中にＲ波と呼ばれる大きなピークが見られる際、心臓の収縮が開始し、心臓の収縮によって、動脈中に血液が押し出される。この際の血液変化によって急激に血管が拡張する。したがって、心電波形ＥＣＧにＲ波が現れた後、追跡波形ＴＡおよびＴＢも急激に立ち上がり、動脈が急激に拡張する。その後、心臓はゆっくり拡張するので、追跡波形ＴＡおよびＴＢも徐々に立ち下がり、動脈血管がゆっくり収縮する。このような動きを動脈は繰り返している。

追跡波形ＴＡおよびＴＢの差は測定点ＡＢ間の厚さ変化波形Ｗとなる。厚さ変化波形ＷはＡＢ間の歪み波形とみなすこともできる。最大厚さ変化量ΔＷは、厚さ変化波形Ｗの最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎとの差から求めることができる。

ΔＷ＝Ｗｍａｘ−Ｗｍｉｎ （３）

測定点ＡＢ間の初期化時の基準厚さをＷｓとすると、測定点ＡＢ間の最大歪み量εは以下のようになる。

ε＝ΔＷ／Ｗｓ （４）

また、血圧計などを用いて、このときの被検体の最高血圧Ｐｍａｘおよび最低血圧Ｐｍｉｎを測定する。血圧差ΔＰは以下の式で表される。

ΔＰ＝Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ （５）

最大歪み量εは、血圧差ΔＰにより発生したものと考えられる。弾性率Ｅｒは応力を歪みで除した値として定義されるので、測定点ＡＢ間の弾性率Ｅｒは以下の式で表される。

Ｅｒ＝ΔＰ／ε＝ΔＰ・Ｗｓ／ΔＷ＝ΔＰ・Ｗｓ／（Ｗｍａｘ−Ｗｍｉｎ） （６）

非特許文献１は、血管が不均一な厚さをもつ管とした場合において、各部の弾性率を最大歪み量εおよび血圧差ΔＰを用いて算出する方法を開示している。

これらの演算を断層画像上の複数点に対して行うことにより、弾性率Ｅｒの分布画像が得られる。図１０に示すように、血管壁１６中に粥腫１１が生じている場合、粥腫とその周りの血管壁組織とでは弾性率が異なる。したがって、弾性率の分布画像が得られれば粥腫の生成やその位置を診断することが可能となる。
特開平１０−５２２６号公報 特開２０００−２２９０７８号公報 長谷川他著「不均一な壁厚を有する管の局所壁弾性率の計測法」、J Med Ultrasonics Vol.28 No.1(2001)

しかしながら、従来技術による弾性率の測定方法は、厚さ変化波形Ｗの最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎとの差を用いて弾性率を測定するため、ノイズ耐性が低いという問題がある。たとえば、図１２に示す厚さ変化波形Ｗが得られた場合、時刻ｔ１およびｔ２のときの値をそれぞれ最大値Ｗｍａｘおよび最小値Ｗｍｉｎとして弾性率を求める。しかし、図に示すように、時刻ｔ２における厚さ変化波形Ｗの値はノイズが混入しており、正しい値ではない。

また、診断を行う上で、弾性率の特異な領域が診断対象の器官内にあるかどうかが重要である。しかし、Ｂモード断層画像は、測定対象領域内のすべての器官が判別できるように被検体を表示できず、対象器官の位置および範囲を特定できない場合がある。さらに、弾性率と組織とは必ずしも1対1には対応しないため、弾性率断層像を用いても対象器官の位置および範囲を特定できない場合がある。

本発明は、このような従来技術の問題を解決し、ノイズの影響を低減し、高い精度で弾性特性を計測することが可能であり、さらには、組織同定をも可能とする超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波診断装置は、複数の異なる組織を含んでおり、応力によって周期的に変形する被検体へ超音波を送信するために、探触子を駆動する駆動信号を生成する送信部と、前記超音波が前記被検体において反射することにより得られるエコーを前記探触子により受信し、受信エコー信号を生成する受信部と、前記受信エコー信号に基づいて前記被検体中の任意の２つの測定部位間の距離変化を示す厚さ変化波形を算出する演算部と、前記複数の組織にそれぞれ対応した複数の基準波形を生成する基準波形発生部と、各基準波形と前記厚さ変化波形とを比較することにより、前記厚さ変化波形と各基準波形とが一致する度合いを示す指標を算出する厚さ変化量推定部と、前記指標に基づいて、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織が前記複数の組織のいずれに該当するかを判定する組織判定部とを備える。

ある好ましい実施形態において、前記厚さ変化量推定部は、前記厚さ変化波形および前記各基準波形の一方と、係数を乗じた他方との整合残差が最小となるように、前記係数および前記係数を用いた場合の整合残差をそれぞれ算出し、前記係数および前記基準波形の振幅から、各基準波形を用いた場合における厚さ変化波形の最大厚さ変化量を求め、前記組織判定部へ出力する。

ある好ましい実施形態において、前記厚さ変化量推定部は、前記各整合残差を前記指標として前記組織判定部へ出力し、前記組織判定部は、最も小さい整合残差が得られた基準波形に対応する組織を前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織として判定し、その基準波形を用いて得られた最大厚さ変化量を出力する。

ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記被検体の変形周期において生じる前記応力の応力差の情報および前記組織判定部から出力される最大厚さ変化量に基づいて弾性率を求める弾性率算出部をさらに備える。

ある好ましい実施形態において、前記基準波形発生部は、前記各基準波形のデータを記憶した記憶部を含む。

ある好ましい実施形態において、前記基準波形は、あらかじめ複数の被検体の前記複数の組織から取得した厚さ変化波形を平均したものである。

ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記組織判定部で判定した結果に基づき、前記弾性率を表示するための画像データを生成する画像処理部をさらに含む。

ある好ましい実施形態において、前記組織判定部は、前記各整合残差が所定の値より大きい場合、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織は、前記複数の組織のいずれでもないと判定する。

本発明の超音波診断装置の制御方法は、超音波診断装置の制御部による超音波診断装置の制御方法であって、探触子を駆動して超音波を送信するステップ（Ａ）と、複数の異なる組織を含んでおり、応力によって周期的に変形する被検体において前記超音波が反射することにより得られるエコーを前記探触子により受信するステップ（Ｂ）と、前記受信エコー信号に基づいて前記被検体中の任意の２つの測定部位間の距離変化を示す厚さ変化波形を算出するステップ（Ｃ）と、前記複数の組織にそれぞれ対応した複数の基準波形を生成するステップ（Ｄ）と、各基準波形と前記厚さ変化波形とを比較することにより、前記厚さ変化波形と各基準波形とが一致する度合いを示す指標を算出するステップ（Ｅ）と、前記指標に基づいて、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織が前記複数の組織のいずれに該当するかを判定するステップ（Ｆ）とを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｅ）は、前記厚さ変化波形および前記各基準波形の一方と、係数を乗じた他方との整合残差が最小となるように、前記係数および前記係数を用いた場合の整合残差をそれぞれ算出し、前記係数および前記基準波形の振幅から、各基準波形を用いた場合における厚さ変化波形の最大厚さ変化量を求める。

ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｅ）において前記各整合残差を前記指標として出力し、前記ステップ（Ｆ）は、最も小さい整合残差が得られた基準波形に対応する組織を前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織として判定し、その基準波形を用いて得られた最大厚さ変化量を出力する。

ある好ましい実施形態において、制御方法は、前記被検体の変形周期において生じる前記応力の応力差の情報および前記ステップ（Ｆ）において求めた最大厚さ変化量に基づいて弾性率を求めるステップ（Ｇ）をさらに包含する。

ある好ましい実施形態において、前記基準波形は、あらかじめ複数の被検体の前記複数の組織から取得した厚さ変化波形を平均したものである。

ある好ましい実施形態において、制御方法は、前記ステップ（Ｆ）における判定した結果に基づき、前記弾性率を表示するための画像データを生成するステップ（Ｈ）をさらに包含する。

ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｆ）は、前記各整合残差が所定の値より大きい場合、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織は、前記複数の組織のいずれでもないと判定する。

本発明によれば、基準波形および厚さ変化波形を比較することにより、最大厚さ変化量を推定する。波形を比較することにより厚さ変化波形に突発的なノイズなどが重畳しても、より正確な最大厚さ変化量および弾性率を求めることが可能となる。また、求めた弾性率がどの組織から得られたものであるかを判定するため、弾性率を測定した部位の組織同定も可能となる。したがって、本発明の超音波診断装置によれば、高い精度で弾性率を測定し、さらには測定した部位の組織も高い精度で特定することが可能となる。

以下、本発明による超音波診断装置の実施形態を説明する。図１は、超音波診断装置２０１の構成を示すブロック図である。超音波診断装置２０１は、送信部１０２、受信部１０３、演算部１５１、基準波形発生部１１７、厚さ変化量推定部１１８および組織判定部１７２を備えている。また、これら超音波診断装置２０１の各構成要素を制御するために、超音波診断装置２０１は制御部１００を備えている。

送信部１０２は、制御部１００の指令に基づいて、探触子１０１を所定のタイミングで駆動する駆動信号を生成する。探触子１０１は駆動信号に基づいて、超音波を送信する。送信された超音波は、応力によって周期的に変形している被検体へ到達し、被検体の内部において反射する。本実施形態では、被検体は動脈血管の血管壁を含み、超音波診断装置２０１は血管壁の弾性率を求める。動脈血管には心周期に一致した周期で血液が流れるため、血液から受ける応力によって血管壁は周期的に変形する。

受信部１０３は、被検体から反射するエコーを探触子１０１によって受信する。具体的には、エコーを探触子１０１が電気信号に変換し、受信部１０３は、電気信号を増幅して、受信エコー信号を生成する。また、受信エコー信号をデジタル信号に変換する。

送信部１０２および受信部１０３は、好ましくは、遅延時間制御部を含んでおり、駆動信号や受信エコー信号の遅延時間を制御することにより、被検体を走査するように超音波を送信し、所定の位置および方向からの超音波のみを検出する。また、探触子１０１は複数の超音波振動子が配列されたアレイ振動子を含むことが好ましい。

演算部１５１は、受信エコー信号を解析することにより、被検体の複数の測定部位の動きを追跡する。そして、被検体中の任意の２つの測定部位間の距離変化である厚さ変化波形を生成する。このために、演算部１５１は移動波形算出部１１５と厚さ変化波形算出部１１６とを含む。移動波形算出部１１５は、受信エコー信号を受け取って、被検体中に設定した複数の測定部位の位置変化である移動波形を式（１）および（２）にしたがって算出する。厚さ変化波形算出部１１６は、複数の測定部位から選ばれる２つの間の距離変化を示す厚さ変化波形を２つの測定部位の移動波形の差を求めることによって算出する。

測定部位は、送信する超音波の周波数などによって定まる解像度に応じて、１つの超音波ビーム上に複数設定することができる。したがって、超音波ビームを走査させることによって、２次元に配列された測定部位の各移動波形を取得することができる。

基準波形発生部１１７は、基準波形を生成する。この基準波形は、厚さ変化波形算出部１１６において算出する厚さ変化波形の基準となるものである。基準波形は、被検体中の測定対象領域に含まれる異なる組織ごとに用意される。本実施形態では、基準波形はあらかじめ計測などによって求められており、基準波形のデータが基準波形発生部１１７に設けられた半導体メモリなどの記憶部に記憶されている。

厚さ変化量推定部１１８は、以下において詳細に説明するように、厚さ変化波形算出部１１６から得られる厚さ変化波形と基準波形発生部１１７から得られる各基準波形とを比較することによって、厚さ変化波形の最大厚さ変化量を算出し、またこれら２つの波形がどの程度一致しているかを示す指標を算出する。より具体的には、厚さ変化量推定部１１８は、厚さ変化波形および基準波形の一方と、係数を乗じた他方との整合残差が最小となるように係数およびその係数を用いた場合の整合残差とを算出する。そして、係数および基準波形の振幅から厚さ変化波形の最大厚さ変化量を算出する。算出した各基準波形を用いた場合における最大厚さ変化量と整合残差とは組織判定部１７２へ出力される。

組織判定部１７２は、厚さ変化波形と各基準波形との一致度を示す指標である各基準波形を用いて算出された整合残差に基づいて、厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織が被検体中のどの組織であるか判定する。より具体的には、もっとも小さい整合残差が得られた基準波形に対応する組織を厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織であると判定する。また、その基準波形を用いて得られた最大厚さ変化量を出力する。

超音波診断装置２０１は、好ましくは、組織判定部１７２から出力された最大厚さ変化量から弾性率を算出する弾性率算出部１２０をさらに備える。弾性率算出部１２０は、血圧計１１９など被検体に加えられた応力に関する情報を受け取る。たとえば、血圧計から、最高血圧と最低血圧との血圧差ΔＰを受け取る。そして、式（６）にしたがって、血圧差ΔＰと最大厚さ変化量ΔＷとから弾性率Ｅｒを求める。ここで基準厚さＷｓは、厚さ変化波形を求めた２つの測定部位間の距離（たとえば４００μｍ）であり、厚さ変化波形算出部１１６で選択した２つの測定部位の位置に応じて、あらかじめ設定される。このようにして、被検体の弾性率を求めることができる。

求めた弾性率は被検体の断層画像とともに表示することが好ましい。これにより、測定部位の位置を分りやすく示すことができるからである。このために、超音波診断装置２０１は、断層画像生成部１０４と、画像処理部１０５と、画像表示部１０６とをさらに備えていることが好ましい。断層画像生成部１０４は、フィルタおよび振幅検出器を含み、受信部１０３から受け取った受信エコー信号の振幅を主として解析し、被検体の内部の構造を画像化した断層画像の画像信号を生成する。

画像処理部１０５は、画像信号および弾性率算出部１２０から得られた弾性率のデータを受け取って、求めた弾性率が断層画像上の適切な位置にマッピングされるように、画像信号と弾性率のデータとを合成する。このとき、組織判定部１７２から、測定部位がどの組織であるかを判定した結果を受け取り、判定結果に基づき、弾性率を表示する。たとえば、組織ごとに異なる色を用い、弾性率の値に応じた階調（輝度）で弾性率を表示する。これにより、弾性率を精度よく求めることが可能となり、かつ、所定の色で示された弾性率の領域の位置を被検体中で特定することが容易となる。したがって、画像表示部１０６に示された弾性率に基づき、信頼性の高い診断を行うことができる。

次に、本発明の要部である基準波形発生部１１７、厚さ変化量推定部１１８および組織判定部１７２および画像処理部１０５の動作をさらに詳しく説明する。まず、本実施形態において測定対象とする被検体を説明する。図２は、被検体に含まれる動脈血管の断面を模式的に示している。図２に示すように、動脈血管をその軸を含む平面で切断した断面には、血管腔４０を挟むように血管壁３０’、３０が見られる。血管壁３０’、３０を区別する場合には、被検体の表面に近い血管壁３０’を血管前壁と呼び、他方を血管後壁３０と呼ぶ。血管壁３０’、３０は同心円状に異なる組織が分布した３層構造を備えており、血管腔４０に隣接する内膜３３、３３’最も外側に位置する外膜３２、３２’およびこれらに挟まれる中膜３４、３４’を含む。内膜３３および中膜３４、ならびに、内膜３３’および中膜３４’をまとめて内中膜複合体３１、３１’と呼ぶ。本実施形態では、血管壁３０’、３０の弾性率を測定するため、内膜３３、３３’、中膜３４、３４’および外膜３２、３２’のそれぞれに対応した基準波形を用意する。

図３（ａ）から（ｃ）は、基準波形発生部１１７の記憶部に記憶されている基準波形Ｍ₁（ｔ）からＭ₃（ｔ）をそれぞれ示している。この波形は、あらかじめ、複数の被検者に対し、内膜３３、３３’、中膜３４、３４’および外膜３２、３２’の厚さ変化波形の測定を行い、その一心周期分について平均を求めることによって得られている。血管腔４０を流れる血液の圧力によって、血管壁３０’、３０の内膜３３、３３’、中膜３４、３４’および外膜３２、３２’はそれぞれ周期的に応力を受け、変形する。しかし、内膜３３、３３’、中膜３４、３４’および外膜３２、３２’の各組織の粘性特性および弾性特性は互いに異なるため、図３（ａ）から（ｃ）に示すように、厚さの変化波形も異なっている。

基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）の振幅であるΔＷは、基準値、たとえば１μｍとなるよう正規化されている。複数の被検者から得られたデータを平均化するため、実測したデータであってもノイズの影響等は低減されている。

本実施形態では、上述したように血管壁の弾性率を求めるため、血管壁を構成している内膜３３、３３’、中膜３４、３４’および外膜３２、３２’の厚さ変化波形を基準波形として選択するが、用意する基準波形の数は、測定対象に依存する。また、健常者用基準波形のセット、糖尿病患者用基準波形のセット、動脈硬化患者用基準波形のセットなど、被検者の状態ごとにそれぞれ基準波形のデータを基準波形発生部１１７の記憶部に記憶しておき、操作者の指示により、用いる基準波形のセットを選択することも可能である。これにより、さらに精密な厚さ変化量の推定が可能となる。

図４は、厚さ変化波形算出部１１６から得られた測定対象領域内のある２つの測定部位間の厚さ変化波形ｙ（ｔ）を示している。この厚さ変化波形は被検体を実際に計測することによって得られた波形の一心周期分である。ｔはサンプリング時刻を表しており、サンプリング点数をＮ個とすると、ｔはｔ＝０、１、・・・Ｎ−１で表される整数である。

厚さ変化量推定部１１８は、基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）および厚さ変化波形ｙ（ｔ）を受け取り、厚さ変化波形ｙ（ｔ）の振幅を何倍すると、各基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）に最も類似するかをそれぞれ最小２乗法により算出する。ｙ（ｔ）に乗じる係数をｋ₁〜ｋ₃とし、Ｍ₁（ｔ）とｋ₁・ｙ（ｔ）との差の２乗をＲ₁とすると、Ｒ₁は式（７）で表される。

係数ｋ₁を変数として式（７）をｋ₁で偏微分し、偏微分した式が０となるとき、２乗差Ｒ₁は最小となる。

式（８）をｋ₁について解くと、式（９）が得られる。

式（９）により得られる係数ｋ₁の値は、測定した厚さ変化波形ｙ(t)をｋ₁倍すると、振幅1μｍの基準波形Ｍ₁（ｔ）との差の２乗が最小となり、２つの波形がもっとも一致することを意味している。したがって、測定した厚さ変化波形ｙ（ｔ）の振幅Ａ₁は、以下の式（１０）により求められる。

Ａ₁＝１／ｋ₁ （μｍ） （１０）

厚さ変化量推定部１１８は、さらに式（９）で求めたｋ₁の値を式（７）へ代入し、Ｒ₁を求める。ｋ₁は２乗差Ｒ₁が最小となるように定められているので、このときのＲ₁をＲ_1mとする。つまり、以下の式（１１）によってＲ_1mを求める。

Ｒ_1mは、基準波形Ｍ₁（ｔ）と係数ｋ₁を乗じた厚さ変化波形ｙ（ｔ）との整合残差を示している。

なお、上述の演算と同様に、基準波形Ｍ₁（ｔ）の振幅を何倍すれば実際の厚さ変化波形ｙ(t)に近づくかを算出してもよい。この場合、基準波形Ｍ₁（ｔ）に乗ずる係数をｋ’₁とし、残差をＲ’₁とすれば、以下の式（１２）で示される。

Ｒ’₁をｋ’₁で偏微分した値を０と置き（式（１２））、係数ｋ’₁について解くと式（１３）が得られる。

この場合には、係数ｋ’₁は、振幅１μｍの基準波形をｋ’₁倍すると、実測の厚さ変化波形ｙ（ｔ）との差の２乗が最小となり、２つの波形がもっとも一致することを意味している。したがって厚さ変化波形ｙ（ｔ）の振幅Ａ’は式（１５）により求められる。

Ａ’₁＝ｋ’₁ （μｍ） （１５）

また、整合残差Ｒ’_1mは以下の式（１６）によって求められる。

基準波形Ｍ₁（ｔ）およびＭ₂（ｔ）についても、式（９）〜（１１）を用いて、同様に、係数ｋ₂、ｋ₃、振幅Ａ₂、Ａ₃および整合残差Ｒ_2m、Ｒ_3mを求める。上述したように係数ｋ’₂、ｋ’₃、振幅Ａ’₂、Ａ’₃および整合残差Ｒ’_2m、Ｒ’_3mを求めてもよい。

このようにして、厚さ変化量推定部１１８は、基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）および厚さ変化波形ｙ（ｔ）を受け取り、式（９）〜（１１）を用いて、基準波形Ｍ₁（ｔ）〜〜Ｍ₃（ｔ）と厚さ変化波形ｙ（ｔ）の整合残差が最小となる場合に求められる振幅Ａ₁〜Ａ₃および整合残差Ｒ_1m〜Ｒ_3mを算出し、これらを組織判定部１７２へ出力する。

ここで、基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）と厚さ変化波形ｙ（ｔ）との比較によりなぜ最大厚さ変化量が求められるかを説明する。図５は、弾性率が異なる血管壁から得られる厚さ変化波形ｙ₀（ｔ）およびｙ₁（ｔ）の一心周期分を模式的に示している。図５に示すように、弾性率が異なることによって、振幅が相違しているが、２つの厚さ変化波形の時間軸方向の変化は一致している。これは被検体が受ける応力変化である血圧の変化、あるいは、心臓の鼓動の様子は、理想的にはほぼ一定であることを意味している。ただし、前述したように組織によって粘性特性および弾性特性が異なるため、厚さ変化波形の時間軸方向の変化は、組織ごとに異なる。言い換えれば、同じ組織であれば、計測によって得られた厚さ変化波形と基準波形とは、弾性率の相違による振幅の差異が生じていても厚さ変化波形の時間軸方向の変化は一致する。

図５に示すように、従来の方法によれば、厚さ変化波形の最大厚さ変化量を求める場合、厚さ変化波形の最大値Ｗｍａｘおよび最小値Ｗｍｉｎを求める必要があった。これに対し、本発明では、厚さ変化波形と基準波形との整合性を解析することによって最大厚さ変化量を推定する。上述したように、弾性率の違いによって厚さ変化波形振幅のみが異なると仮定した場合において、一心周期分の厚さ変化波形から最大厚さ変化量を推定することを意味している。

図５の厚さ変化波形ｙ₀（ｔ）において示しているように、厚さ変化波形の最大値Ｗｍａｘおよび最小値Ｗｍｉｎは、厚さ変化波形ｙ₀（ｔ）のそれぞれ一点で定まるものである。しかし、厚さ変化波形の最大値Ｗｍａｘおよび最小値Ｗｍｉｎの間の傾斜部分ａ１、ａ２およびａ３の傾きは、最大値Ｗｍａｘおよび最小値Ｗｍｉｎに応じて変化する。つまり、傾斜部分ａ１、ａ２およびａ３の傾きは、最大値Ｗｍａｘおよび最小値Ｗｍｉｎに関する情報を含んでいる。このため、厚さ変化波形にノイズが重畳することによって、最大値Ｗｍａｘや最小値Ｗｍｉｎが正しく得られない場合であっても、厚さ変化波形の形状が著しく変形するほどにノイズが重畳しない限り、傾斜部分ａ１、ａ２およびａ３を含む厚さ変化波形から最大厚さ変化量を推定することが可能となる。したがって、本発明によれば、突発的に混入するようなスパイク状ノイズなどのノイズの影響を受けにくく、高い精度で最大厚さ変化量あるいは弾性率を求めることが可能となる。

なお、上述の説明から明らかなように傾斜部分ａ１、ａ２およびａ３にそれぞれ最大値Ｗｍａｘや最小値Ｗｍｉｎの情報が含まれているため、厚さ変化波形の一心周期の一部を用いても、従来よりもノイズの影響が低減された最大厚さ変化量を推定することができる。ただし、選択する区間が長いほど推定する最大厚さ変化量の精度が高まるため、厚さ変化波形の一心周期全体を用いて基準波形と比較し、最大厚さ変化量を求めることが最も好ましい。このことは、式（１４）を用いて以下のように説明できる。厚さ変化波形ｙ（ｔ）を厚さ変化ｓ（ｔ）とノイズｎ（ｔ）の和で表すと式（１４）は以下のように表すことができる。

ノイズｎ（ｔ）がスパイクノイズやランダムノイズである場合、加算区間が長いほど式（９’）の分子の第２項は第１項に比べて小さくなる。したがって、厚さ変化ｓ（ｔ）が基準波形と相似（ｓ（ｔ）＝ｊ・Ｍ（ｔ））であり、加算区間が十分に長く、式（１４’）の第２項が無視できる場合には、式（１４’）は以下の式（１４’’）と表せる。

したがって、真の係数ｊを推定できることになる。逆にこのことから、厚さ変化波形の全体を用いて基準波形と比較することによって、ノイズの影響が低減された厚さ変化量を推定できることが分かる。

上述したように、厚さ変化波形の時間軸方向の変化は、組織ごとに異なる。したがって、組織ごとに用意した基準波形を用いて上述の演算によって整合残差を求めた場合、整合残差が最も小さくなる基準波形に対応する組織が、厚さ変化波形が得られた組織であることになる。組織判定部１７２は、この判定を行う。

図６は、組織判定部１７２の動作を説明するフローチャートである。組織判定部１７２は、組織判定動作を開始（ステップ３０１）後、振幅Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃および整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mを受け取る（ステップ３０２）。あらかじめ振幅Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃および整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mを組織判定部１７２が受け取っており、制御部１００からの指令で判定動作を開始してもよい。まず、整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mをそれぞれ所定の閾値Ｒ_THと比較する（ステップ３０３）。整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mのいずれもが閾値Ｒ_THよりも大きい場合、厚さ変化波形ｙ（ｔ）は基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）のいずれにも類似しておらず、厚さ変化波形ｙ（ｔ）が得られた部位の組織は、基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）に対応する組織のいずれでもないことを意味している。この場合、組織判定部１７２は、判定結果Ｓに０を代入し、また、振幅Ａに０を代入する（ステップ３０４）。

一方、整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mの少なくとも１つが閾値Ｒ_THよりも小さい場合、整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mの中から最小値を求める。整合残差Ｒ_1mが最も小さい場合には、厚さ変化波形ｙ（ｔ）は基準波形Ｍ₁（ｔ）と最も類似しており、厚さ変化波形ｙ（ｔ）が得られた部位の組織は、基準波形Ｍ₁（ｔ）に対応する組織であることを意味している。したがって、判定結果Ｓに１を代入し、また、振幅ＡにＡ₁を代入する。

同様に整合残差Ｒ_2mが最も小さい場合には、厚さ変化波形ｙ（ｔ）は基準波形Ｍ₂（ｔ）と最も類似しており、厚さ変化波形ｙ（ｔ）が得られた部位の組織は、基準波形Ｍ₂（ｔ）に対応する組織であることを意味している。したがって、判定結果Ｓに２を代入し、また、振幅ＡにＡ₂を代入する。整合残差Ｒ_3mが最も小さい場合には、厚さ変化波形ｙ（ｔ）は基準波形Ｍ₃（ｔ）と最も類似しており、厚さ変化波形ｙ（ｔ）が得られた部位の組織は、基準波形Ｍ₃（ｔ）に対応する組織であることを意味している。したがって、判定結果Ｓに３を代入し、また、振幅ＡにＡ₃を代入する。これにより組織判定部１７２における判定を終了する（ステップ３０６）。弾性率の測定が２次元で行われる場合には、２次元マトリクスの各点について、判定を行う。

組織判定部１７２は、これらの判定結果を弾性率算出部１２０および画像処理部１０５へ出力する。具体的には、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃または０が代入された振幅Ａを弾性率算出部１２０へ出力し、０、１、２または３が代入された判定結果Ｓを画像処理部１０５へ出力する。

なお、本実施形態では、整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mと所定の閾値Ｒ_THとの比較を行った後、最も小さい整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mを特定しているが、先に最も小さい整合残差Ｒ_1m、Ｒ_2m、Ｒ_3mを特定し、最小の整合残差と閾値Ｒ_THとを比較してもよい。

弾性率算出部１２０は、上述したように受け取った振幅Ａを最大厚さ変化量ΔＷとして弾性率を求める。振幅Ａの値が０である場合には、正しい最大厚さ変化量を求められなかったことを意味しているので、弾性率の算出は行わない。正しい弾性率の計算結果と区別し得る数値たとえば０を弾性率として代入しておいてもよい。

画像処理部１０５は、弾性率算出部１２０から弾性率を受け取り、組織判定部１７２から受け取る判定結果Ｓに基づいて、断層画像生成部１０４が生成した断層画像上に重畳して弾性率の表示を行うための画像データを生成する。弾性率が算出された測定領域には、その領域がどの組織に該当するかを判定した判定結果Ｓが対応している。このため、弾性率を二次元マッピング表示する場合には、組織の判定に関する情報と弾性率の値に関する情報を表示することが好ましい。

図７は、組織ごとに異なる色を用い、弾性率の値に応じた輝度で弾性率を表示するよう画像データを画像処理部１０５で生成し、生成したデータを画像表示部１０６に表示した一例を示している。画像表示部１０６には、断層画像生成部１０４で生成した断層画像５０が示されている。断層画像５０には、血管腔４０、内膜３３、中膜３４、外膜３２および血管外組織４１が現れている。図では各組織の境界は明瞭であるが、実際の断層画像５０上においては、これらの境界は明瞭でないことが多い。また、内膜３３と中膜３４とは明瞭に区別して示しているが、内膜３３と中膜３４とは同程度の輝度で示され、判別しにくいこともある。

断層画像５０上には、弾性率の２次元マッピング画像５６が重畳されている。２次元マッピング画像５６の各領域は、組織ごとに異なる色および弾性率の値に応じた諧調で表示されている。具体的には、領域５２の弾性率を算出するために用いた厚さ変化波形から、組織判定部１７２は、領域５２の判定結果Ｓに１を代入している。つまり、基準波形Ｍ₁（ｔ）に対応する内膜であると判定している。同様に、領域５３および領域５４はそれぞれ中膜および外膜であると判定されている。一方、領域５１および領域５５から得られた厚さ変化波形は、基準波形Ｍ₁（ｔ）〜Ｍ₃（ｔ）のいずれとも類似しておらず、判定結果Ｓには０が代入されている。つまり、領域５１および領域５５は、内膜、中膜および外膜のいずれの組織でもないと判定されている。このため、たとえば、領域５２、５３、５４に組織の差異を示すため、黄色、赤色、茶色を用い、弾性率の値に応じた輝度で求めた弾性率を表示する。図７に示すように、中膜と判定された領域５３において、弾性率の高い領域５７が存在している。領域５１および領域５５は、内膜、中膜および外膜のいずれの組織でもないため、たとえば、灰色で表示する。領域５１および領域５５では弾性率は求められていない。

また、組織判定部１７２の判定結果に基づき、特定の組織と判定された領域の弾性率のみを表示してもよい。たとえば、図８に示すように、断層画像５０上に重ねられた弾性率の２次元マッピング画像５６において、判定結果Ｓが２であり、中膜と判定された領域５３のみが弾性率の値に応じた輝度で表示されている。

図７に示すように、弾性率が組織の種類ごとに色分けされているため、弾性率の高い領域５７は中膜内にあることが容易に判別することができる。したがって、断層画像５０上においては、組織の境界が明瞭ではなくとも疾病部位を正しく特定することが容易となる。特に、図８に示すように特定の組織の弾性率のみを表示させることによって、より容易に弾性率から疾病部位を特定することが可能となる。また、従来の断層画像では、判別が難しかった血管壁における内膜と中膜との境界あるいは中膜と外膜との境界を特定することも可能となる。

このように、本発明によれば、基準波形と厚さ変化波形と比較することにより最大厚さ変化量を推定する。このため、厚さ変化波形に突発的なノイズなどが重畳しても、より正確な最大厚さ変化量および弾性率を求めることが可能となる。また、算出した弾性率がいずれの組織から得られものであるか判定するため、弾性率の特異な部分が被検体中のどの組織のものであるのかを特定し易い。特に、Ｂモード画像では判別しにくい組織であっても、弾性率の特異な部分が被検体のどの組織にあるかを特定することが可能となる。

なお、上記各実施形態では、基準波形として、被検体中の任意の２つの測定部位間の距離（厚さ）変化波形を用いているが、被検体中の任意の２つの測定部位間の速度差波形を基準波形として用いても同様の効果が得られる。この場合、あらかじめ複数の被検体から２つの測定部位間の速度差波形を求めてもよいし、血管径変化波形を時間微分することによって速度差波形を求めてもよい。また、血圧波形を時間微分することによって速度差波形を求めてもよい。

本発明の超音波診断装置は、被検体を構成する組織の厚さ変化量、歪み量、弾性特性などの性状特性を測定するのに適している。

本発明による超音波診断装置の実施形態を示すブロック図である。 被検体である血管壁の断面構造を模式的に示す図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、血管壁の内膜、中膜および外膜の基準波形をそれぞれ示している。 図１の超音波診断装置の厚さ変化波形算出部から出力される厚さ変化波形を示している。 厚さ変化波形に含まれる情報を説明する図である。 組織判定部の動作を説明するフローチャートである。 画像表示部に表示される弾性率の２次元マッピング画像の一例を示している。 画像表示部に表示される弾性率の２次元マッピング画像の他の例を示している。 超音波エコー信号の位相差から組織の追跡を行う方法を説明する図である。 探触子によって計測される被検体の断面を模式的に示している。 被検体組織の追跡波形から歪み量を求める方法を説明する図である。 厚さ変化波形にノイズが重畳している場合に最大厚さ変化量に誤差が生じることを説明する図である。

符号の説明

１２ 被検体
３１ 血管前壁
３２ 血管腔
３３ 血管後壁
１００ 制御部
１０１ 探触子
１０２ 送信部
１０３ 受信部
１０４ 断層画像生成部
１０５ 画像処理部
１０６ 画像表示部
１１５ 移動波形算出部
１１６ 厚さ変化波形算出部
１１７ 基準波形発生部
１１８ 厚さ変化量推定部
１１９ 血圧計
１２０ 弾性率算出部
１５０ 演算部
１７２ 組織判定部
２０１ 超音波診断装置

Claims (15)

1. 複数の異なる組織を含んでおり、応力によって周期的に変形する被検体へ超音波を送信するために、探触子を駆動する駆動信号を生成する送信部と、
   前記超音波が前記被検体において反射することにより得られるエコーを前記探触子により受信し、受信エコー信号を生成する受信部と、
   前記受信エコー信号に基づいて前記被検体中の任意の２つの測定部位間の距離変化を示す厚さ変化波形を算出する演算部と、
   前記複数の組織にそれぞれ対応した複数の基準波形を生成する基準波形発生部と、
   各基準波形と前記厚さ変化波形とを比較することにより、前記厚さ変化波形と各基準波形とが一致する度合いを示す指標を算出する厚さ変化量推定部と、
   前記指標に基づいて、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織が前記複数の組織のいずれに該当するかを判定する組織判定部と、
   を備えた超音波診断装置。
2. 前記厚さ変化量推定部は、前記厚さ変化波形および前記各基準波形の一方と、係数を乗じた他方との整合残差が最小となるように、前記係数および前記係数を用いた場合の整合残差をそれぞれ算出し、前記係数および前記基準波形の振幅から、各基準波形を用いた場合における厚さ変化波形の最大厚さ変化量を求め、前記組織判定部へ出力する請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記厚さ変化量推定部は、前記各整合残差を前記指標として前記組織判定部へ出力し、
   前記組織判定部は、最も小さい整合残差が得られた基準波形に対応する組織を前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織として判定し、その基準波形を用いて得られた最大厚さ変化量を出力する請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記被検体の変形周期において生じる前記応力の応力差の情報および前記組織判定部から出力される最大厚さ変化量に基づいて弾性率を求める弾性率算出部をさらに備える請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記基準波形発生部は、前記各基準波形のデータを記憶した記憶部を含む請求項１から４のいずれかに記載の超音波診断装置。
6. 前記基準波形は、あらかじめ複数の被検体の前記複数の組織から取得した厚さ変化波形を平均したものである請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 前記組織判定部で判定した結果に基づき、前記弾性率を表示するための画像データを生成する画像処理部をさらに含む請求項４に記載の超音波診断装置。
8. 前記組織判定部は、前記各整合残差が所定の値より大きい場合、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織は、前記複数の組織のいずれでもないと判定する請求項３に記載の超音波診断装置。
9. 超音波診断装置の制御部による超音波診断装置の制御方法であって、
   探触子を駆動して超音波を送信するステップ（Ａ）と、
   複数の異なる組織を含んでおり、応力によって周期的に変形する被検体において前記超音波が反射することにより得られるエコーを前記探触子により受信するステップ（Ｂ）と、
   前記受信エコー信号に基づいて前記被検体中の任意の２つの測定部位間の距離変化を示す厚さ変化波形を算出するステップ（Ｃ）と、
   前記複数の組織にそれぞれ対応した複数の基準波形を生成するステップ（Ｄ）と、
   各基準波形と前記厚さ変化波形とを比較することにより、前記厚さ変化波形と各基準波形とが一致する度合いを示す指標を算出するステップ（Ｅ）と、
   前記指標に基づいて、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織が前記複数の組織のいずれに該当するかを判定するステップ（Ｆ）と、
   を包含する超音波診断装置の制御方法。
10. 前記ステップ（Ｅ）は、前記厚さ変化波形および前記各基準波形の一方と、係数を乗じた他方との整合残差が最小となるように、前記係数および前記係数を用いた場合の整合残差をそれぞれ算出し、前記係数および前記基準波形の振幅から、各基準波形を用いた場合における厚さ変化波形の最大厚さ変化量を求める請求項９に記載の超音波診断装置の制御方法。
11. 前記ステップ（Ｅ）において前記各整合残差を前記指標として出力し、
    前記ステップ（Ｆ）は、最も小さい整合残差が得られた基準波形に対応する組織を前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織として判定し、その基準波形を用いて得られた最大厚さ変化量を出力する請求項１０に記載の超音波診断装置の制御方法。
12. 前記被検体の変形周期において生じる前記応力の応力差の情報および前記ステップ（Ｆ）において求めた最大厚さ変化量に基づいて弾性率を求めるステップ（Ｇ）をさらに包含する請求項１１に記載の超音波診断装置の制御方法。
13. 前記基準波形は、あらかじめ複数の被検体の前記複数の組織から取得した厚さ変化波形を平均したものである請求項９に記載の超音波診断装置の制御方法。
14. 前記ステップ（Ｆ）における判定した結果に基づき、前記弾性率を表示するための画像データを生成するステップ（Ｈ）をさらに包含する請求項１２に記載の超音波診断装置の制御方法。
15. 前記ステップ（Ｆ）は、前記各整合残差が所定の値より大きい場合、前記厚さ変化波形を与えた２つの測定部位間の組織は、前記複数の組織のいずれでもないと判定する請求項１１に記載の超音波診断装置の制御方法。
    
    

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