JP2008183118A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動脈壁の軸方向への移動を考慮して、動脈壁の厚さ変化量や弾性率を正確に求めることのできる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波診断装置は、複数の超音波ビームを送信するための超音波探触子を駆動する送信部１０２であって、フレームごとに、前記動脈血管壁の軸方向に沿って走査するように、前記超音波探触子を駆動する送信部１０２と、前記超音波ビームの反射波を、フレームごとに前記超音波探触子を用いて受信し、受信信号を生成する受信部１０１と、前記受信信号に基づいて、前記動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出する軸方向運動情報算出部１０９と、前記軸方向の運動情報に基づき、各フレームにおける複数の超音波ビームから演算に用いる超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームによる受信信号を用いて前記動脈血管壁の径方向の運動情報を算出する径方向運動情報算出部１１０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に、動脈壁組織の厚さ変化量あるいは弾性率を算出する超音波診断装置に関する。

超音波を用いて生体組織の運動速度あるいは移動変位量を計測する手法として、超音波エコー信号のドップラ効果による周波数偏移を検出するドップラ法が知られている。たとえば、特許文献１はドップラ法により血流速度を計測する方法を開示している。また、周波数偏移の生じた超音波エコー信号の周波数解析を正確に行うために、非特許文献１は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることを開示している。特許文献２および特許文献３は、自己相関法を用いることを開示している。

ドップラ法による計測は比較的簡単であるが、生体組織の移動方向と直交する方向に反射する超音波エコーにはドップラ効果が生じないという問題がある。言い換えれば、超音波エコーと直交する方向における生体組織の運動速度はドップラ法では検出できない。このため、特許文献４から特許文献７は、複数の偏向角度が異なる超音波ビームを用いて、生体組織の完全な二次元あるいは三次元運動を検出する方法を開示している。

一方、特許文献８は、超音波エコー信号の位相変化を最小二乗法を用いて高精度で推定し、計測点の運動量を精度良く推定する方法を開示している。この方法によれば、生体組織の各部の運動量から、生体組織の厚さ変化量（歪み量）を算出することが可能となる。生体組織は、弾性繊維、膠原線維、脂肪、血栓などによって構成されており、これらは弾性率が異なる。このため、生体内組織に応力を加えたときの厚さ変化量から弾性率を求めることによって組織の構成を特定したり、弾性率の値から組織の病変状態を推定することが可能となる。

近年、心筋梗塞や脳梗塞などの循環器系疾病を患う人が増加してきており、これらの疾病の予防および治療を行うことが大きな課題となっている。心筋梗塞や脳梗塞の発病には、動脈硬化が関与しているので、上述したように超音波診断装置を用いて動脈壁組織の弾性率を測定することができれば、動脈の硬化の度合を診断することが可能となり、これらの疾病の予防や治療に役立つと考えられる。このため、動脈壁組織の弾性率を測定することが可能な超音波診断装置の開発が求められている。
特開２００１−０７０３０５号公報 特公昭６２−４４４９４号公報 特開平６−１１４０５９号公報 特開平５−１１５４７９号公報 特開平１０−２６２９７０号公報 米国特許第６７７００３４号明細書 米国特許第６２５８０３１号明細書 特開平１０−５２２６号公報 （社）日本電子機械工業会編「改訂医用超音波機器ハンドブック」、コロナ社、１９９７年１月２０日発行、第１１６−１２３頁 S. Golemati, et al.，Ultrasound Med. Biol. vol. 29，pp. 387-399, 2003. J. Bang, et al.，Ultrasound Med. Biol., vol. 29, pp. 967-976, 2003. M. Cinthio, et al.，IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr., vol. 52, pp. 1300-1311, 2005.

動脈血管は、動脈内を移動する血液の血流および血圧変化に応じて径方向に拡張・収縮する。このため、心周期に同期して動脈壁は径方向へ移動する。通常、動脈血管は軸方向へ運動しないと見なされ、動脈壁の運動解析においても、軸方向への運動は考慮されていなかった。

しかし、非特許文献２、３および４などに示されているように、近年、動脈硬化の指標として計測される頸動脈の動脈壁は、心周期に同期してわずかに軸方向へ運動することが確認されている。この運動は、心臓の収縮・拡張に伴って、頸動脈が心臓に引っ張られることにより生じるものと考えられる。

動脈壁が軸方向へ運動している場合において、軸方向へ運動していないと仮定して求められた弾性率は正確ではなく、誤差を含んでいる。動脈壁が軸方向へ移動する場合、動脈の軸を通る断面において、動脈壁の二次元運動を正確に測定することによって、正確な弾性率を求めることができると考えられる。たとえば、特許文献４から７に示された方法を用いて動脈壁の運動を正確に解析し、弾性率を求めることが考えられる。

しかし、これらの方法により、二次元運動を測定するためには、大規模な計測回路が必要となり、また、測定対象点の追跡を行うための演算量も膨大なものになってしまう。特に、生体組織の厚さ変化量や弾性率を求めるための演算量は、測定対象点の運動速度を求めるための演算量に比べ膨大である。このため、従来の超音波診断装置に用いられていたコンピュータでは、そのような膨大な演算を行うことが非常に困難である。また、演算能力が非常に高いコンピュータを超音波診断装置に採用する場合、超音波診断装置が高価になってしまう。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、動脈壁の軸方向への移動を考慮して、動脈壁の厚さ変化量や弾性率を正確に求めることのでき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、複数の超音波ビームを送信するための超音波探触子を駆動する送信部であって、フレームごとに、前記複数の超音波ビームが動脈血管壁を含む被検体の計測領域を前記動脈血管壁の軸方向に沿って走査するように、前記超音波探触子を駆動する送信部と、前記超音波ビームが前記被検体において反射することにより得られる反射波を、フレームごとに前記超音波探触子を用いて受信し、受信信号を生成する受信部と、前記受信信号に基づいて、前記動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出する軸方向運動情報算出部と、前記軸方向の運動情報に基づき、各フレームにおける複数の超音波ビームから演算に用いる超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームによる受信信号を用いて前記動脈血管壁の径方向の運動情報を算出する径方向運動情報算出部とを備える。

ある好ましい実施形態において、前記軸方向運動情報算出部は、異なる２つのフレームにおいて、前記受信信号の振幅を比較することにより、前記軸方向の運動情報を算出する。

ある好ましい実施形態において、前記軸方向運動情報算出部は、異なる２つのフレームにおける受信信号の振幅情報の相関を計算することによって、前記計測領域内に設定された各計測点の前記２つのフレーム間における軸方向の変位量を算出する。

ある好ましい実施形態において、前記径方向運動情報算出部は、前記軸方向の変位量に基づいて、演算に用いる各フレームにおける超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームを用いて前記異なる２つのフレーム間における各計測点の径方向の変位量を算出する。

ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記軸方向運動情報算出部から前記各計測点の径方向の変位量を一心周期中において複数回受け取り、前記変位量の最大変位量と、外部から受け取る前記被検体の血圧に関する情報とに基づき、前記複数の計測点の任意の２点間の弾性率値を求める弾性率値算出部をさらに備える。

ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記弾性率値算出部から前記弾性率値を受け取り、前記弾性率値の二次元マッピング画像を生成する画像合成部をさらに備える。

ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記受信信号に基づき前記被検体の計測領域における断層画像の信号を生成する断層画像処理部をさらに備え、前記画像合成部は前記断層画像の信号を受け取り、前記弾性率値の二次元マッピング画像を前記断層画像に重畳して表示する画像を生成する。

本発明の超音波診断装置によれば、軸方向運動情報算出部によって動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出し、算出した軸方向の運動情報に基づいて径方向の運動情報を求める演算に用いるための超音波ビームを選択、決定する。このため、軸方向の動脈壁の運動を考慮した上で、径方向の運動速度や位置変位量などの運動情報および弾性率値を求めることができ、動脈壁組織のより正確な径方向の運動情報や弾性率値を計測することが可能となる。

また、軸方向の運動情報の算出には、計測領域を軸方向に走査する超音波ビームを用いるため、軸方向の運動情報を算出するために特別な超音波を付加的に送信する必要がない。このため、探触子の駆動制御が複雑になったり、受信信号の処理が大幅に増加したりすることがなく、制御部や演算部の処理能力の負担を抑制することができる。

まず、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して、頸動脈の血管壁の径方向および軸方向の運動について説明する。図１（ａ）は超音波診断装置を用いて計測を行った被検体の計測領域を模式的に示している。図１（ａ）に示すように、血管壁の血管腔に近い側から順に計測点Ａ、Ｂ、Ｃを設定している。図１（ｂ）は、一心周期分の心電波形を示しており、図１（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ計測点Ａ、Ｂ、Ｃの軸方向および径方向の変位量の一心周期分を示している。図１（ｃ）および（ｄ）において、横軸は時間を示しており、心臓側への移動方向および血管の外側への移動方向を縦軸の正の方向にとっている。径方向および軸方向は短軸方向および長軸方向とも言う。

これらの図に示すように、心臓の収縮期において血液が心臓により押し出され、血圧が上昇することによって血管が拡張し、血管壁の計測点Ａ、Ｂ、Ｃが血管の外側へ移動する。一方、血管壁は血管壁の移動の少し前から心臓の収縮によって心臓方向に移動し、血管壁の変位量が最大となる時刻より少し遅れて心臓方向への変位量が最大となる。また、最大変位量は、軸方向においては血管壁の内側ほど大きくなっている。一方、径方向においては、最大変位量は計測点Ａが最も大きく、計測点Ｂ、Ｃの最大変位量はほぼ等しくなっている。これは、頸動脈の外側は体組織に覆われていること、動脈壁は、内膜、中膜および外膜という異なる組織によって構成され、組織ごとに弾性率が異なることなどの理由により、動脈壁の位置によって軸方向および径方向の変位量が異なるためと考えられる。

このように、動脈壁は、軸方向へ運動している場合があるため、軸方向へ運動していないと仮定して求められた弾性率は正確ではなく、誤差を含んでいる。本発明の超音波診断装置は、動脈壁の軸方向への運動を考慮した上で、動脈壁組織の厚さ変化量あるいは弾性率を算出することができる。

以下、本発明による超音波診断装置の実施形態を詳細に説明する。図２は、本発明による超音波診断装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の超音波診断装置は、頸動脈や心臓に近接し、心臓の収縮・拡張に伴って心臓に引っ張られる動脈に限られず、軸方向へ運動しない血管壁の厚さ変化量や弾性率も好適に求めることができる。

本実施形態の超音波診断装置は、受信部１０１、送信部１０２、遅延合成部１０４、直交検波部１０５、断層画像処理部１０６、演算部１１５および画像合成部１１３を備える。また、操作者が超音波診断装置に指令を与えるためのユーザインターフェース１２０と、ユーザインターフェース１２０からの指令に基づき、これらの各構成要素を制御するマイコンなどからなる制御部１２１とを備えている。なお、図２に示す各構成要素は必ずしも独立したハードウエアによって構成される必要はない。例えば、以下において詳細に説明する演算部１１５の各部は、マイコンおよびソフトウェアにより構成され、各部の機能が実現されていてもよい。

送信部１０２および受信部１０１には、超音波ビームを被検体へ向けて送信し、被検体から得られる反射波（超音波エコー）を受信するための探触子１０３が接続される。超音波診断装置は専用の探触子１０３を備えていてもよいし、汎用の探触子を探触子１０３として用いてもよい。探触子１０３内には複数の圧電素子が配置され、遅延合成部１０４による圧電素子の選択、および、圧電変換素子に電圧を与えるタイミングの設定によって、送受信する超音波ビームの送信のタイミング、偏向角およびフォーカスを制御する。

送信部１０２は、制御部１２１の指令を受けて、指定されたタイミングで探触子１０３を駆動する高圧信号を発生する。探触子１０３は、送信部１０１で発生した送信信号を超音波に変換して被検体に照射する。

被検体内部から反射してきた反射波は、探触子１０３を用いて電気信号に変換され、電気信号が受信部１０３により増幅されることによって受信信号が生成する。前述したように受信部１０３は、遅延合成部１０４による探触子１０３の圧電変換素子の選択によって、定められた位置（フォーカス）または方向（偏向角）からの超音波のみを検出することができる。

送信部１０２、受信部１０３および遅延合成部１０４のこのような動作により、探触子１０３から照射する超音波ビームが、被検体に含まれる動脈血壁の軸方向に沿って被検体の計測領域を走査し、１フレーム分の受信信号を得る。被検体の一心周期中にこの走査を繰り返し、複数のフレーム分の受信信号を得る。たとえば、１０〜３０フレーム分の受信信号を取得する。

断層画像処理部１０６はフィルタ、対数増幅器および検波器などを含み、受信部１０１から受け取った受信信号を信号強度に応じた輝度情報を有する信号に変換する。これにより、被検体の計測領域における断層画像を示す信号が得られる。

直交検波部１０５は受信信号を直交検波し、演算部１１５へ検波した受信信号を出力する。

演算部１１５は大きく分けて２つの機能を備える。具体的には、演算部１１５は、受信信号に基づいて動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出する機能、および、算出した軸方向の運動情報に基づき、動脈血管壁の軸方向への移動を考慮した上で動脈血管壁の径方向の運動情報を算出する機能を備える。このために、演算部１１５は、振幅情報処理部１０７、位相情報処理部１０８、軸方向運動情報算出部１０９、径方向運動情報算出部１１０および弾性率値算出部１１１を含む。

振幅情報処理部１０７は、直交検波された受信信号から振幅情報を求め、軸方向運動情報算出部１０９へ出力する。

軸方向運動情報算出部１０９は、直交検波された受信信号の振幅情報に基づき、動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出する。軸方向の運動情報が得られる限り、運動情報算出部１０９は、二次元の運動情報を求めてもよいし、三次元の運動情報を求めてもよい。より具体的には、軸方向運動情報算出部１０９は、異なる２つのフレーム間における受信信号の振幅情報の相関を計算することによって、計測領域内に設定された複数の計測点のそれぞれの２つのフレーム間における軸方向への変位量を算出する。

位相情報処理部１０８は、直交検波された受信信号の位相情報を生成する。受信信号の位相情報は径方向運動情報算出部１１０へ出力される。

径方向運動情報算出部１１０は、受信信号の位相情報に基づき、計測領域内に設定された複数の計測点のそれぞれの径方向の運動情報を算出する。この際、軸方向運動情報算出部１０９から得られる軸方向の運動情報に基づき、各フレームにおける複数の超音波ビームから演算に用いる超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームによる受信信号を用いて前記動脈血管壁の径方向の運動情報を算出する。具体的には、前記径方向運動情報算出部１０９は、前記軸方向の変位量に基づいて、演算に用いる各フレームにおける超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームを用いて前記異なる２つのフレーム間における各計測点の径方向の変位量を算出する。

弾性率値算出部１１１は、径方向運動情報算出部１１０から各計測点の径方向における移動量を受け取る。超音波ビームによる走査をフレーム単位で繰り返して行うことにより、フレームごとに受信信号が得られる結果、隣接するフレーム間で逐次各計測点の径方向の変位量が弾性率値算出部１１１に入力される。弾性率値算出部１１１は、一心周期分の各計測点の径方向の変位量から最大変位量を求める。また、血圧計１１２から被検体の血圧に関する情報、具体的には、一心周期の最大血圧および最小血圧に関する情報を受け取る。弾性率値算出部１１１は、これらを用いて複数の計測点の任意の２点間の弾性率値を求め、画像合成部１１３へ出力する。

画像合成部１１３は、各計測点間の弾性率値を受け取り、弾性率値に応じた色調や諧調で弾性率の計測領域における分布を示す二次元マッピング画像のデータを生成する。生成したデータは表示部１１４へ出力され、表示部１１４に弾性率値の二次元マッピング画像が表示される。好ましくは、画像合成部１１３は、断層画像処理部１０６から被検体の計測領域における断層画像の信号を受け取り、断層画像と弾性率の二次元マッピング画像とを合成した画像信号を生成する。

ユーザインターフェース１２０は、操作者が超音波診断装置に指令を与えるための入力部である。具体的には、ユーザインターフェース１２０はキーボードやトラックボール、マウスなどの入力デバイスである。操作者は、ユーザインターフェース１２０を用いて、弾性率を算出するための関心領域（ＲＯＩ）を設定する。

次に本発明による超音波診断装置の計測原理を詳細に説明する。図３は、生体組織３０内の動脈３１を模式的に示している。図３に示すように、心臓の収縮によって血液が周期的に押し出され、血流Ｆが生じる。また、動脈３１内を流れる血液は圧力Ｐを受ける。圧力Ｐにより、動脈３１は周期的に拡張および収縮し、拡張にともなって血管壁が薄くなる。この運動は、図３に示すように、動脈３１の軸方向と垂直な方向（ｙ方向）の運動となる。一方、血流Ｆは動脈３１の血管壁にせん断応力Ｑを生じさせる。このため、動脈３１の血管壁は、せん断応力Ｑによって動脈３１の軸方向へ変位する。動脈３１の計測領域が心臓に近い場合、心臓の収縮によって物理的に動脈３１が軸方向へ変位することも考えられる。これら運動は、動脈３１の軸方向（ｘ方向）の運動となる。動脈３１のこれら軸方向および軸方向と垂直な方向の運動は心周期に一致した周期で繰り返される。

図３に示すように、動脈３１組織の弾性率を測定する場合、探触子１０３の超音波振動子１０３ａの配列方向が動脈３１の軸方向と一致するように、探触子１０３が動脈３１に対して配置される。矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３・・・で示すように、超音波ビームが探触子１０３の計測領域Ｒ１を軸方向において所定の時間間隔で順に送信される。計測領域Ｒ１内の走査が終わることによって１フレーム分の超音波ビームが送信される。送信された超音波ビームは、反射波として探触子１０３により受信される。

このとき、動脈３１の動脈壁組織が心臓の収縮により拡張および収縮のみを行うのであれば、動脈壁組織に設定した計測点Ｍは、超音波ビームＡ１、Ａ２、Ａ３・・・と平行な方向にのみ変位する。このため、動脈壁組織の弾性率はその計測点を通過する超音波ビームのみによって計測することが可能である。言い換えれば、図３において超音波ビームＡ２による計測結果は計測点Ｍの軸方向と垂直な方向の運動には影響しない。

しかし、動脈壁組織は軸方向に運動している。このため、超音波診断装置では、動脈壁組織の軸方向への変位に合わせて、計測のための超音波ビームも動脈壁組織の軸方向へ変位させる。これは、計測領域Ｒ１を走査する超音波ビームＡ１、Ａ２、Ａ３・・・を計測点の変位量に応じて選択することによって実現できる。具体的には、動脈壁組織の軸方向への運動によって時刻ｔ＝０において超音波ビームＡ１上に位置していた計測点Ｍが所定の時間ｔ＝ｔ’後においてＭ’へ移動する場合、動脈壁組織に設定した計測点Ｍの形状および性状特性を求めるための超音波ビームとして、ｔ＝０において超音波ビームＡ１を選択し、ｔ＝ｔ’において超音波ビームＡ３を選択する。このとき、計測点Ｍは軸方向にｄｘ移動し、径方向にｄｙ移動している。

各計測点について、フレームごとにどの超音波ビームを選択するかは、動脈壁組織の軸方向への運動速度に依存する。図４は、計測領域Ｒ１を走査する超音波ビームと、軸方向へ運動する動脈壁組織内に設定した計測点Ｍとの関係とを模式的に示す図である。一心周期中にｍ回、走査領域Ｒ１を超音波ビームが走査して、走査領域Ｒ１の形状または性状特性を測定する場合、ｔ＝ｔ₁からｔ＝ｔ_mの時刻において、Ｆ₁からＦ_mで示されるフレームの受信信号が取得される。各フレームにおいて順次走査するように送信される超音波ビームＡ１からＡｎの位置は変化せず一致している。

図４に示すように、フレームＦ₁を取得するｔ＝ｔ₁では、計測点Ｍは超音波ビームＡ１上に位置している。動脈壁組織の軸方向の運動により、フレームＦ₂を取得するｔ＝ｔ₂においては、計測点はＭ’で示すように超音波ビームＡ３上に位置する場所へ移動している。その後、動脈壁組織はゆっくり元の位置へ戻り、フレームＦ_m-1およびＦ_mを取得するｔ＝ｔ_m-1およびｔ＝ｔ_mにおいては、元の位置である超音波ビームＡ１上に位置している。この場合、計測点Ｍにおける動脈壁組織の形状および性状特性を測定するために、フレームＦ２において、超音波ビームＡ３を選択し、他のフレームＦ１、Ｆ_m-1、Ｆ_mにおいては、超音波ビームＡ１を選択する。

各計測点について、フレームごとにどの超音波ビームを選択するかを決定するため、軸方向運動情報算出部１０９は、異なる２つのフレーム間における受信信号の振幅情報の相関を計算することによって、計測領域内に設定された複数の計測点のそれぞれの２つのフレーム間における軸方向への変位量を算出する。この軸方向の変位量の算出を詳細に説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、例えば第１フレームにおける関心領域２０中に相関を計算するための基準２１を設定する。相関の計算は計測領域Ｒ１全体において行ってもよい。しかし、軸方向への変位量を求めるのは、正確な弾性率を求めるためであるため、弾性率を求める関心領域内で求めれば十分である。これにより、相関の計算に必要な演算量を低減することができる。

図５（ａ）に示すように関心領域２０において計測点が例えばｎ行ｍ列で配置されているとする。基準領域２１は計測点（ｓ，ｔ）（ｓ、ｔはそれぞれｎ、ｍ以下の整数）の移動量を求めるために用いられる。

図５（ｂ）に示すように、第１フレームから所定の時間が経過した第ｎフレームでは、動脈壁が拡張することにより径方向へｄｙ移動するとともに軸方向にｄｘ移動したとする。この場合、設定した基準領域２１は、軸方向および径方向へ移動し、計測点（ｐ，ｑ）を中心とする領域２１’へ移動している。この場合、図５（ｃ）に示すように、第ｎフレームにおいて、関心領域２０内の各計測点について、基準領域２１と同じ大きさの領域２３を設定し、第１フレームの基準領域２１に対応する受信信号の振幅情報と第ｎフレームにおける領域２３に対応する受信信号の振幅情報との相関を相関関数を用いて計算し、相関係数を求める。関心領域２０内のすべての計測点について領域２３を設定し、相関を計算した場合、図５（ｂ）に示すように、領域２１’との相関が最も高く、相関係数も最大となる。したがって、関心領域２１は第ｎフレームにおいて領域２１’へ移動したと推定され、このときの計測点（ｓ，ｔ）の軸方向の変位量はｄｘとなる。受信信号の相関を利用して２つのフレーム間における注目する部位の位置を特定する方法は、例えば、特開平８−１６４１３９号公報に開示されている。

軸方向運動情報算出部１０９は、この計算を各計測点について行うことにより、関心領域内のすべての計測点の所定の２つのフレーム間での変位量を求める。軸方向運動情報算出部１０９は軸方向の変位量を求めればよく、径方向の変位量は求めなくてもよい。

相関を求める計算の精度は、基準領域２１の大きさに依存する。一般に、基準領域が大きくなるほど計算の精度は高くなるが、計算量が増大する。このため、計算量と必要な計算精度とを考慮して基準領域２１の大きさを定めることが好ましい。

本願発明者による実験および検討によれば、ヒト頸動脈血管は、０．１秒間に０．５ｍｍ程度軸方向へ移動する。つまり、頸動脈血管の軸方向の運動速度は５ｍｍ／ｓである。超音波診断装置のフレームレートが２００Ｈｚ程度であれば、隣接するフレーム間において頸動脈血管が軸方向へ移動する距離は２５μｍ程度になる。この距離は、探触子１０３が計測領域Ｒ１を走査する超音波ビームの間隔よりも十分小さい。したがって、隣接するフレーム間において、各計測点の変位量を求めるために行う相関の演算は、血管の軸方向に±１ビーム程度あるいはせいぜい±数ビーム程度の範囲で行えばよい。こうした理由から、軸方向運動情報算出部１０９が実際に行う相関演算の演算量はそれほど多くなく、高性能のＣＰＵなどの演算装置を超音波診断装置が備えていなくても、軸方向運動情報算出部１０９の演算を実現することが可能である。

軸方向運動情報算出部１０９は、フレームごとに直前のフレームとの間で受信信号の振幅情報の相関を計算することによって、計測領域内に設定された各計測点の２つのフレーム間における軸方向への変位量を逐次算出する。これにより、連続的に各計測点の軸方向の変位を追跡することができる。しかし、変位量が超音波ビームの音響線の間隔の１/２より小さい場合、あるいは所定の設定値よりも小さい場合には、各計測点は隣接する超音波ビームの音響線の位置にまで移動していないことになる。この場合、軸方向の変位量の算出に用いる超音波ビームは直前の超音波ビームと同じでよい。したがって、隣接する２つのフレーム間では、変位量が超音波ビームの音響線の間隔より小さいとあらかじめ判断される場合、フレームごとに軸方向の変位量を求めなくてもよい。これにより演算量を低減することができる。つまり、動脈壁の軸方向の移動量および超音波ビームの間隔に応じて、軸方向の計算を行う間隔を決定すればよい。

径方向運動情報算出部１１０は、軸方向運動情報算出部１０９から得られる各計測点の軸方向の変位量を受け取り、演算に用いる超音波ビームを変位量に応じて選択する。前述したように超音波ビームの間隔よりも軸方向の変位量が小さい場合には、軸方向の変位量を求めた２つのフレーム間で、同じ位置の超音波ビームを選択し径方向の変位量を求める。また、変位量が、たとえば、超音波ビームの間隔の１．５倍以上であれば、２つのフレーム間において、基準となる超音波ビームと、２つ以上離れた超音波ビームとを選択し、径方向の変位量を求める。

径方向運動情報算出部１１０は、選択した超音波ビームを用いて、各計測点の径方向の運動情報である運動速度および変位量を求める。さらに弾性率値算出部１１１は、変位量から弾性率値を算出する。軸方向の運動情報は、超音波ビームの選択に用いられるため、運動情報の算出精度はそれほど高い必要はない。これに対して、径方向の運動情報は弾性率の算出に用いるため高い精度で運動情報を算出する必要がある。このため、径方向運動情報算出部１１０は、位相差トラッキング法により径方向の運動情報を算出することが好ましい。この算出方法を以下において詳細に説明する。

図６に示すように、探触子１０３から送信された超音波ビーム２６は、生体組織３０内の動脈３１中を伝播する。動脈３１の動脈壁組織において反射した超音波の一部は探触子１０３へ戻り、反射波として受信され、受信信号が受信部１０１から出力される。受信信号は、時系受信信号ｒ₁（ｔ）として処理され、探触子１０３に近い組織から得られる反射の時系列信号ほど、時間軸上で原点近くに位置する。超音波ビーム２６の幅（ビーム径）は、遅延時間を変化させることにより制御することができる。

超音波ビーム２６の音響線２５上に位置する動脈３１の複数の測定対象点Ｐ_n（Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ_k・・・Ｐ_n、ｎは３以上の自然数）は、ある一定間隔で探触子１０３に近い順にＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ_k・・・Ｐ_nと配列している。生体組織３０の表面を原点とする深さ方向の座標をＺ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、Ｚ_k、・・・Ｚ_nとすると、測定対象点Ｐ_kからの反射は、時間軸上でｔ_k＝２Ｚ_k／ｃに位置することになる。ここでｃは体組織内での超音波の音速を示す。受信信号ｒ₁（ｔ）を直交検波部１０５において直交検波し、検波した信号を実部信号および虚部信号に分離してフィルタ部を通過させる。

受信信号ｒ₁（ｔ）が得られたフレームから微小時間Δｔ後に次のフレームの受信信号が得られたとする。上述した手順により、軸方向運動情報算出部１０９は測定対象点Ｐ_nの軸方向の変位量を求める。求めた変位量から、径方向運動情報算出部１１０は、次のフレームにおいて、測定対象点Ｐ_nが位置する超音波ビームの音響線を決定する。たとえば、隣接する超音波ビームを選択したとする。隣接する超音波ビームによる受信信号をｒ₂（ｔ）とした場合、受信信号ｒ₁（ｔ）と微小時間Δｔ後の受信信号ｒ₂（ｔ＋Δｔ）において振幅は変化せず、位相および反射位置のみが変化するという制約のもとで、反射波信号ｒ₁（ｔ）とｒ₂（ｔ＋Δｔ）との波形の整合誤差が最小となるよう最小二乗法によって位相差を求める。この位相差から、測定対象点Ｐ_nの運動速度Ｖ_n（ｔ）が求められ、さらにこれを積分することにより、位置変位量ｄ_n（ｔ）を求めることができる。

図７は、測定対象点Ｐ_nと弾性率演算の対象組織Ｔ_nとの関係を示す図である。対象組織Ｔ_kは、隣接する測定対象点Ｐ_kとＰ_k+1とに挟まれた範囲に厚さｈを有して位置している。ｎ個の測定対象点Ｐ₁・・・・Ｐ_nからは（ｎ−１）個の対象組織Ｔ₁・・・・Ｔ_n-1を設けることができる。

対象組織Ｔ_kの伸縮量あるいは歪み量である厚さ変化量Ｄ_k（ｔ）は、測定対象点Ｐ_kとＰ_k+1の位置変位量ｄ_k（ｔ）とｄ_k+1（ｔ）とから、Ｄ_k（ｔ）＝ｄ_k+1（ｔ）−ｄ_k（ｔ）として求められる。対象組織が軸方向へ運動しない場合、測定対象点の位置変位量の差が常に対象組織の伸縮量あるいは歪み量である厚さ変化量を示すことになる。

動脈壁３１の組織Ｔ_kの厚さの変化は、動脈壁３１を流れる血液が心拍によって変化することにより生じる。よって、対象組織Ｔ_kの厚さの最大値Ｈ_k（最低血圧時の値）、対象組織の厚さ変化量Ｄ_k（ｔ）の最大値と最小値との差である最大厚さ変化量Δｈ_kおよび最低血圧値と最高血圧値との差である脈圧Δｐを用い、対象組織Ｔ_kの歪み率である血管半径方向の弾性率値Ｅ_kは以下の式によって求めることができる。

Ｅ_k＝（Δｐ×Ｈ_k）／Δｈ_k （１）

弾性率値は隣接する計測点間に限らず、複数ある計測点の任意の２点間においても求めることができる。この場合には、選択した２点間の厚さの最大値および選択した２点間の厚さ変化量の最大値と最小値との差を用いて同様に計算することができる。たとえば、動脈壁の内膜と外膜とにそれぞれ設定した２点間の厚さ変化量および弾性率を求めることもできる。

また、弾性率値Ｅ_kを求める場合、一心周期中の厚さ変化量Ｄ_k（ｔ）の最大値と最小値との差である最大厚さ変化量Δｈ_kが分かればよく、一心周期中の連続して対象組織Ｔ_kの伸縮量を測定する必要はない。

画像合成部１１３は、このようにして求めた各計測点間の弾性率値からを二次元マッピング画像の信号を生成し、断層画像処理部１０６から得られる断層画像に弾性率値の二次元マッピング画像を重畳した信号を生成し、表示部１１４へ出力する。

図８は表示部１１４に表示される画像の一例を示している。表示部１１４の画面１０には、被検体の断層画像５１が示されている。断層画像５１には、動脈血管壁６１、６３と血管腔６２を含む計測領域が示されている。断層画像５１の動脈血管壁６３には弾性率値の二次元マッピング画像５２が重畳されている。二次元マッピング像５２において、動脈壁組織の弾性率がその値に応じた諧調あるいは色調で表示される。断層画像に重畳して弾性率値の二次元マッピング画像を表示することにより、弾性率の求められた領域が被検体の計測領域中においてどこに位置しているか把握しやすくなる。また、動脈血管壁の軸方向への変位を考慮して弾性率を算出しているため、精度の高い弾性率値が得られている。したがって、本発明の超音波診断装置を用いて被検体の診断をより正確に行うことができる。

本実施形態の超音波診断装置によれば、軸方向運動情報算出部によって動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出し、算出した軸方向の運動情報に基づいて径方向の運動情報を求める演算に用いるための超音波ビームを選択、決定する。このため、軸方向の動脈壁の運動を考慮した上で、径方向の運動速度や位置変位量などの運動情報および弾性率値を求めることができ、動脈壁組織のより正確な径方向の運動情報や弾性率値を計測することが可能となる。

また、軸方向の運動情報の算出には、計測領域を軸方向に走査する超音波ビームを用いるため、軸方向の運動情報を算出するために特別な超音波を付加的に送信する必要がない。このため、探触子の駆動制御が複雑になったり、受信信号の処理が大幅に増加したりすることがなく、制御部や演算部の処理能力の負担を抑制することができる。したがって、超音波診断装置の製造コストを抑えることができる。さらに、軸方向運動情報算出部は、隣接する超音波ビームの間隔以上に動脈壁組織が軸方向へ運動した場合にのみ運動情報を径方向運動情報算出部へ出力すればよいので、軸方向の運動情報を算出する周期を動脈壁の軸方向の運動に合わせて長くすることが可能であり、算出のための演算を低減することができる。

一方、径方向の運動情報は、位相差トラッキング法などを用いることによって精度の高い運動情報を算出することができる。このとき、軸方向の運動情報に基づいて選択された超音波ビームによる受信信号を用いるが、算出に必要な演算量は軸方向の運動がないと仮定した場合とほとんど変わらない。したがって、演算量が大幅に増加することなく、弾性率値の精度を高めることが可能となる。

なお、上述の方法によって、軸方向運動情報算出部が求める変位量の軸方向の分解能は、図９に示すように、超音波ビームの音響線間隔ｌ₁によって決まる。間隔ｌ₁が十分には小さくないため、軸方向の変位量の計測精度があまり高くない場合には、隣接する音響線２３の受信信号を補間し、補間信号２３’を生成してもよい。これにより軸方向の分解能を高くすることができる。また、径方向の分解能は、音響線２３上に設定された計測点２４の間隔ｌ₂であるが、音響線２３上の２つの計測点間において受信信号を補間し、補間計測点２４’を生成してもよい。

本発明は医療用の超音波診断装置に好適に用いられ、特に、動脈血管壁の診断に用いる超音波診断装置に好適に用いられる。

頸動脈の動脈壁の運動を説明する図であって、（ａ）は、動脈壁に設定した計測点の位置を示す模式図であり、（ｂ）は、被検体の心電図を示し、（ｃ）および（ｄ）は、計測点の軸方向および径方向の位置心周期中の移動量を示すグラフである。 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。 生体内の動脈壁組織の軸方向への運動を説明する模式図である。 フレームごとに超音波ビームを選択する様子を説明する模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、動脈壁の軸方向の運動情報を算出する手順を説明する図である。 超音波ビーム上の計測点を説明する図である。 軸方向の運動情報を算出する手順を説明する図である。 超音波診断装置の表示部に表示される画面の一例を模式的に示している。 計測領域における計測点を説明する図である。

符号の説明

１０１ 受信部
１０２ 送信部
１０３ 探触子
１０４ 遅延合成部
１０５ 直交検波部
１０６ 断層画像処理部
１０７ 振幅情報処理部
１０８ 位相情報処理部
１０９ 軸方向運動情報算出部
１１０ 径方向運動情報算出部
１１１ 弾性率値算出部
１１２ 血圧計
１１３ 画像合成部
１１４ 表示部
１２０ ユーザインターフェース
１２１ 制御部

Claims (7)

1. 複数の超音波ビームを送信するための超音波探触子を駆動する送信部であって、フレームごとに、前記複数の超音波ビームが動脈血管壁を含む被検体の計測領域を前記動脈血管壁の軸方向に沿って走査するように、前記超音波探触子を駆動する送信部と、
   前記超音波ビームが前記被検体において反射することにより得られる反射波を、フレームごとに前記超音波探触子を用いて受信し、受信信号を生成する受信部と、
   前記受信信号に基づいて、前記動脈血管壁の軸方向の運動情報を算出する軸方向運動情報算出部と、
   前記軸方向の運動情報に基づき、各フレームにおける複数の超音波ビームから演算に用いる超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームによる受信信号を用いて前記動脈血管壁の径方向の運動情報を算出する径方向運動情報算出部と、
   を備えた超音波診断装置。
2. 前記軸方向運動情報算出部は、異なる２つのフレームにおいて、前記受信信号の振幅を比較することにより、前記軸方向の運動情報を算出する請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記軸方向運動情報算出部は、異なる２つのフレームにおける受信信号の振幅情報の相関を計算することによって、前記計測領域内に設定された各計測点の前記２つのフレーム間における軸方向の変位量を算出する請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記径方向運動情報算出部は、前記軸方向の変位量に基づいて、演算に用いる各フレームにおける超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームを用いて前記異なる２つのフレーム間における各計測点の径方向の変位量を算出する請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記軸方向運動情報算出部から前記各計測点の径方向の変位量を一心周期中において複数回受け取り、前記変位量の最大変位量と、外部から受け取る前記被検体の血圧に関する情報とに基づき、前記複数の計測点の任意の２点間の弾性率値を求める弾性率値算出部をさらに備える請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記弾性率値算出部から前記弾性率値を受け取り、前記弾性率値の二次元マッピング画像を生成する画像合成部をさらに備える請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 前記受信信号に基づき前記被検体の計測領域における断層画像の信号を生成する断層画像処理部をさらに備え、
   前記画像合成部は前記断層画像の信号を受け取り、前記弾性率値の二次元マッピング画像を前記断層画像に重畳して表示する画像を生成する請求項６に記載の超音波診断装置。

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