JP2575583B2 - 生体組織中の超音波伝搬特性に関する係数値の推定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体組織中の超音波伝
搬特性に関する係数値の推定方法、特に生体組織評価に
関連し、生体における特定組織中の音速等を推定する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体に超音波を透過させ生体組織の診断
を行う生体組織評価装置が提案されている。かかる装置
としては、本出願人が特願平４−１２７７５１号で提案
した装置が挙げられる。この装置は、骨の強度に関する
評価値を算出するものであり、具体的には、超音波計測
による骨中の音速と、Ｘ線計測による骨密度（単位体積
当たりのミネラル量）と、を求め、それらの計測結果を
所定の演算式に代入することにより、骨評価値を演算し
ている。

【０００３】ところで、骨は、「皮質骨」と「海綿骨」
とに大別される。ここで、皮質骨は表層部をなす比較的
硬い部分であり、「海綿骨」はその皮質骨の内部に存在
する鬆状の部分である。

【０００４】代表的な骨疾患として、骨粗鬆症がある
が、その症状は主に海綿骨に現れる。そこで、上記特願
平４−１２７７５１号で提案した装置では、海綿骨を多
く含む例えば踵骨を評価対象としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、骨に超音波を
透過させて超音波診断をする場合には、当然、目的とす
る海綿骨以外の皮質骨にも超音波が透過することにな
る。従って、骨粗鬆症等の症状があまり顕著に現れない
皮質骨も計測対象の一部となり、海綿骨のみの純粋な計
測は実現できなかった。

【０００６】例えば、上記特願平４−１２７７５１号で
提案した装置においては、骨評価値の正確な演算のため
には、海綿骨中の音速を正確に求めることが必要となる
が、皮質骨を含めた骨全体としての音速しか計測できな
かった。

【０００７】従って、音速の演算上、海綿骨と皮質骨と
を分離計測できる方法が要望されていた。

【０００８】一方、超音波を生体組織に透過させて生体
組織の診断を行う他の装置においても、目的とする組織
のみについての超音波伝搬特性に関する係数値（音速、
密度、減衰定数等）の推定を行う手法が要望されてい
た。

【０００９】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、各組織毎に超音波伝搬特性に
関する未知係数の値（係数値）を推定できる方法を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、生体に対して超音波を送波し、生体組織
を透過した超音波を受波して受信信号の実波形を取り込
む工程と、超音波伝搬経路上の各層毎の伝搬特性に関す
る複数の係数を用いて受信信号の理論波形を形成する工
程を有し、前記形成される理論波形を前記実波形に一致
させるように、前記各係数に代入される係数値の最適な
組合せを決定する工程と、を含むことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明は、「受信信号の実波形」に対し、各生
体組織毎の超音波伝搬に関する係数値から理論的に定義
される「受信信号の理論波形」を試行錯誤的に一致させ
ることによって、結果として、未知係数の値（係数値）
を推定するものである。従って、上記構成によれば、超
音波を生体組織へ透過させ、受信信号の実波形が取り込
まれる。そして、理論波形が実波形に一致するように、
各未知係数に適当な値を代入し、最終的に両波形の一致
が生じたとき、その時の値をもって真の値と推定するも
のである。

【００１２】例えば、以上のようにして海綿骨中の音速
を推定し、その音速を利用して骨評価値を演算すれば、
その演算結果の信頼性を著しく向上できる。

【００１３】なお、両波形の一致までの演算量を減少さ
せるためには、他の計測等を利用して、できる限り既知
係数値の個数を多くし、かつ未知係数に数値を代入する
際にはできる限り真の値に近いと予想されるものから代
入し、両波形比較の回数を少なくすることが望ましい。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００１５】（Ａ）本発明の原理の説明 図１には、生体に対して超音波を透過させる場合の超音
波伝搬経路上の各層が示されている。ここで、生体８
は、例えば踵であり、軟組織１０と骨１２とで構成さ
れ、骨１２は皮質骨１４と海綿骨１６とに大別される。
そして、踵は音響整合材としての水１８が充填された水
槽内に入れられている。また、生体８を挾んで一対の振
動子２０、２２が配置され、超音波の送受波が行われ
る。

【００１６】以上のように、本実施例では７層モデルが
仮定されており、各層に関する幅Ｌ、音速Ｖ、密度ρ、
減衰定数αをそれぞれ図示のパラメータで表すものとす
る。

【００１７】本発明では、いわゆる等価伝送線路理論を
用いて受信信号の理論波形が形成される。そして、その
理論波形を実波形に一致させるように、未知パラメータ
の値を調整設定するものである。以下に具体的に説明す
る。

【００１８】等価伝送線路理論の二端子対回路を平面音
波の場合に応用すると、次の第１式の関係が成り立つ。

【００１９】

【数１】 この関係式は、各層の入力と出力の関係を定義するもの
であり、各周波数で成り立つ。なお、減衰定数αは、周
波数に依存し、α＝ａ・ｆ（ａ：定数、ｆ：周波数）で
表される。

【００２０】第１式に示されるように、各層における入
出力間の音圧及び振動速度の関係を表す伝送行列は、図
１に示した各係数によって表される。

【００２１】ここで、第１式の左辺の入力行列をＡ_i と
し、右辺側の出力行列をＢ_i とし、また伝送行列をＸ_i
とすると、第１式は次の第２式で表される。ただしｉは
各層の番号である。

【００２２】 Ａ_i ＝Ｘ_i Ｂ_i …（２） 従って、上記７層モデル全体では、各伝送行列をＸ₁ ，
Ｘ₂ ，Ｘ₃ ，…，Ｘ₇とし、入力行列をＡとし、出力行
列をＢとすると、次の第３式が成立する。

【００２３】 Ａ＝Ｘ₁ ・Ｘ₂ ・Ｘ₃ ・Ｘ₄ ・Ｘ₅ ・Ｘ₆ ・Ｘ₇ ・Ｂ …（３） よって、出力行列は、 Ｂ＝Ｘ₇ ^-1・Ｘ₆ ^-1・Ｘ₅ ^-1・Ｘ₄ ^-1・Ｘ₃ ^-1・Ｘ₂ ^-1
・Ｘ₁ ^-1・Ａ …（４）で求まることになる。

【００２４】従って、この第４式から受信信号の波形
（理論波形）が演算できることが理解されるが、具体的
には例えば以下の２つの手法が考えられる。

【００２５】第１の手法では、まず上記逆行列から、各
周波数における入力に対する出力の関係（音圧の透過
率）が求められる。すなわち、各周波数における入力パ
ワーに対する出力パワーの比率が算出される。そして、
その計算をすべての周波数について行うことにより、伝
達関数（透過率のスペクトル）が求まる。なお、この伝
達関数は、超音波伝搬経路上の全層によるフィルタ特性
に相当する。

【００２６】次に、その伝達関数を逆フーリエ変換する
と、当該モデルのインパルス応答が求まる。すなわち、
理想的インパルスが入力された時の出力信号が求められ
る。なお、実際の装置においては、超音波パルスが放射
され、前記インパルス応答は、前記超音波パルスに対す
る当該モデルの応答特性に相当する。

【００２７】ただし、そのインパルス応答には、超音波
伝搬経路（前方の水の層から後方の水層までの間）以外
の測定系の特性が考慮されていない。

【００２８】そこで、インパルス応答に加えて測定系の
伝達特性を加味することが必要であり、その結果が求め
たい受信信号の理論波形となる。なお、測定系の伝達関
数は水槽中に生体を入れないで超音波の送受波を行うこ
とにより計測可能である。

【００２９】第２の手法では、第４式から直接的に理論
波形が形成される。すなわち、まず各周波数毎に、第４
式に入力音圧を与えて各周波数毎の出力音圧を得る。こ
れによりパワースペクトルが形成される。そのパワース
ペクトルに対して逆フーリエ変換が実行され、理論波形
が形成される。

【００３０】さて、上述のように理論波形が求まれば、
それと実波形とを比較しつつ、理論波形を実波形に一致
させるように各係数に代入される数値が調整される。そ
して、両波形が一致した時の係数値が真の係数値である
と推定できる。その結果、波形の一致により未知の係数
値を実際に特定することが可能となり、例えば海綿骨中
の音速を他の媒体の影響を受けずに正確に求めることが
可能である。

【００３１】（Ｂ）実施例の装置の説明 図２には、本発明に係る係数値の推定方法が適用される
生体組織評価装置の要部構成が示されている。この装置
は例えば踵骨の骨評価値を算出するものであり、より具
体的には踵骨のうちの海綿骨中の音速と、Ｘ線計測によ
る骨密度と、から骨の強度に関する評価値を算出するも
のである。

【００３２】生体８は水槽内に入れられており、生体８
の両側には、振動子２０、２２が配置され、またＸ線発
生器３０及びＸ線検出器３２が配置されている。

【００３３】各振動子２０、２２は、超音波計測部３４
に接続され、振動子２０へ送信信号が供給され、振動子
２２からの受信信号が取り込まれている。一方、Ｘ線発
生器３０及びＸ線検出器３２は、Ｘ線計測部３６に接続
されている。

【００３４】理論波形演算部４０は、各組織毎の超音波
伝搬特性に関する係数を用いて（図１参照）、受信信号
の理論波形を演算するものである。すなわち、上記第４
式を基礎として、理論上の受信波形を演算する。なお、
本実施例における理論波形演算の具体的内容は後述す
る。

【００３５】比較部３８は、実波形と理論波形とを比較
して一致度を求めるものであり、一定値以内の一致度が
得られた場合、理論波形演算部４０に対して一致信号を
出力する。

【００３６】一致信号が得られない場合、理論波形演算
部４０は、係数値を可変させて、再度、理論波形を演算
する。一方、一致信号が得られた場合、係数値の組合せ
が最適であると考えられるので、その各係数値を出力す
る。

【００３７】骨評価装置では、必要な係数値は海綿骨の
音速Ｖ₄ であり、その海綿骨の音速Ｖ₄ が骨評価値演算
部（図示せず）に送出される。なお、骨評価値演算部で
は、その音速Ｖ₄ と骨密度Ｐ₄ （単位体積当たりのミネ
ラル量）とから骨評価値が演算される。従来の骨評価装
置では、皮質骨を分離排除せずに骨評価値を演算してい
たが、本実施例の装置によれば、骨粗鬆症の症状が顕著
に現れる海綿骨中の音速を求めて、骨評価値の信頼性を
向上できる。

【００３８】（Ｃ）未知係数値の推定 次に、図３〜図５を用いて未知係数値の推定方法を具体
的に説明する。

【００３９】Ｓ１０１では、生体８に対しＸ線が照射さ
れ、透過Ｘ線が検出され、これにより骨塩量ＢＭＤ（ｇ
／ｃｍ² ）が公知の方法により計測される。そして、そ
のＢＭＤから密度ρ_s が算出される。具体的には、ＢＭ
Ｄと密度ρ_s とが比例関係にあるとみなして計算を行う
か、又はテーブルを用いて、ＢＭＤから密度ρ_s を直接
導く。ここで、密度ρ_s は、骨の密度ρ₃ ，ρ₄ の値を
ある程度絞り込み、演算量を削減するために暫定的に用
いられるものである。なお、密度ρ_s を一定値とするこ
ともできる。

【００４０】Ｓ１０２では、生体に対して超音波が送波
され、透過波が受波されて実波形が取り込まれる。そし
て、実波形はフーリエ変換され、もとのパワースペクト
ルとの比較から、減衰定数α_s が算出される。上記密度
ρ_s 同様、この減衰定数α_sは、演算量を削減するため
に暫定的に用いられるものである。なお、各周波数毎に
減衰定数α_s が設定される。

【００４１】Ｓ１０３では、水槽中に生体を入れない状
態で、超音波の送波及び受波が実行され、水中の音速Ｖ
₁ が測定される。これにより、音速Ｖ₁ は既知パラメー
タとなる。なお、この生体除外計測により、後述する測
定系の伝達関数、すなわち振動子やアンプなどの超音波
伝搬経路外の伝達特性が求まる。

【００４２】Ｓ１０４では、生体の一方側及び他方側で
順番に、超音波パルスの送波及び反射波の受波が行わ
れ、水の距離Ｌ₁ ，Ｌ₇ と、軟組織の厚さＬ₂ ，Ｌ
₆ と、がパルスエコー法に基づき計測される。すなわ
ち、超音波を送波し組織表面にて反射した反射波を受波
するまでの時間計測により、各層の距離が算出される。
それらの係数は既知パラメータとなる。

【００４３】Ｓ１０５では、Ｌ₃ ，Ｌ₄ ，Ｌ₅ ，Ｖ₃ ，
Ｖ₄ に対して仮の値が代入される。例えば、過去の平均
値等を代入することが考えられる。

【００４４】Ｓ１０６では、ρ₃ 及びρ₄ に仮の値ρ_s
が代入され、同様に、α₃ 及びα₄に仮の値α_s が代入
される。そして、これまでの設定により一応すべての係
数に対して値が代入されたので、上記第３式に基づきモ
デル全体の伝送行列を演算する。

【００４５】Ｓ１０７では、上記第４式に基づいてＳ１
０６で求められた行列の逆行列が求められる。

【００４６】Ｓ１０８では、上記逆行列から各周波数の
音圧の透過率（減衰率）（＝出力／入力）が求められ、
それを全周波数について演算することにより、透過率の
スペクトル（伝達関数）が求められる。

【００４７】Ｓ１０９では、上記透過率のスペクトルを
逆フーリエ変換して、当該モデルのインパルス応答が演
算される。

【００４８】Ｓ１１０では、上記Ｓ１０３で求められた
測定系の伝達関数を加味しながら、上記インパルス応答
から受信信号の「理論波形」を特定する。

【００４９】Ｓ１１１では、理論波形と実波形が比較さ
れ、一致度が演算される。本実施例では、それぞれの波
形の時間軸上でゼロクロス点のずれ量を一致度とし、そ
の一致度が一定値以内の場合に両波形の一致を判断して
いる。本実施例で、このゼロクロス点の一致を判断する
のは、係数に仮の値が代入されているため、波形の一致
性を振幅まで考慮するのは妥当でないからであり、演算
量を削減するためである。なお、この他にも波形一致度
の算出に当たっては各種の手法を採用できる。本ルーチ
ン実行の初期においては、未知パラメータＬ₃ ，Ｌ₄ ，
Ｌ₅ ，Ｖ₃ ，Ｖ₄ に仮の値が代入され、またρ₃ ，
ρ₄ ，α₃ ，α₄ にも仮の値が代入されていたため、Ｓ
１１１では、理論波形が実波形に一致する確率はほとん
どない。一致しない場合、上記Ｓ１１１からＳ１０５以
下の工程が各係数値の組合せを変えて繰り返し実行され
る。

【００５０】このループ処理の結果、Ｓ１１１で両波形
の時間軸上の一致性があると判断された場合、Ｓ１１２
が実行される。

【００５１】Ｓ１１２では、一致が生じたときの未知係
数Ｌ₁ 〜Ｌ₇ ，Ｖ₁ 〜Ｖ₄ の係数値が真の係数値である
と決定（推定）される。そして、上記Ｓ１０５同様
ρ₃ ，ρ₄ ，α₃ ，α₄ に仮の値を代入して、上記Ｓ１
０６〜Ｓ１１０と同じ演算が実行され、理論波形が演算
される。

【００５２】Ｓ１１３では、上記Ｓ１１１同様、理論波
形と実波形との一致が判断される。その一致は、振幅ま
で考慮して判断する。

【００５３】Ｓ１１３で一致していないと判断された場
合、Ｓ１１２でρ₃ ，ρ₄ ，α₃ ，α₄ に代入される値
の組合せが変えられて再度Ｓ１１３で波形比較が実行さ
れる。

【００５４】そして、最終的にＳ１１３で両波形が一致
した場合には、図１に示したすべての係数値が推定され
たことになる。

【００５５】Ｓ１１４では、推定された海綿骨１６中の
音速Ｖ₄ 及び厚さＬ₄ が用いられて骨評価値が演算さ
れ、Ｓ１１５でその骨評価値が表示される。ここで、Ｓ
１１４では、例えば上記特願平４−１２７５５１号のよ
うに、Ｅ＝ｋ・Ｖ₄ ・ρ
…（５）（ただし、ρ＝ＢＭＤ／Ｌ₄ 、
ｋは定数）として弾性率Ｅが演算され、その弾性率Ｅが
骨評価値とされる。なお、骨に関する弾性率は、各種の
計算式が知られており、骨の強度の指標値としては他の
弾性率に関する演算式を用いることもできる。

【００５６】以上の係数値推定方法は、このような骨評
価値の演算に限られず、直接的に特定組織に関する係数
値を計測することが困難な場合に広く適用できる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直接的には計測不可能な超音波伝搬に関する未知係数の
値を推定できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】７層モデルにおける各係数を示す説明図であ
る。

【図２】本発明に係る係数値の推定方法が適用される骨
評価装置の要部構成を示すブロック図である。

【図３】本発明に係る係数値の推定方法を示すフローチ
ャートである。

【図４】本発明に係る係数値の推定方法を示すフローチ
ャートである。

【図５】本発明に係る係数値の推定方法を示すフローチ
ャートである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 茂郎 東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号 アロ カ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−93025（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−49834（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−80951（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体に対して超音波を送波し、生体組織
   を透過した超音波を受波して受信信号の実波形を取り込
   む工程と、 超音波伝搬経路上の各層毎の伝搬特性に関する複数の係
   数を用いて受信信号の理論波形を形成する工程を有し、
   前記形成される理論波形を前記実波形に一致させるよう
   に、前記各係数に代入される係数値の最適な組合せを決
   定する工程と、 を含むことを特徴とする生体組織中の超音波伝搬特性に
   関する係数値の推定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、 前記推定される係数値の中には少なくとも海綿骨中の音
   速が含まれ、前記海綿骨中の音速は骨評価値の演算に利
   用されることを特徴とする生体組織中の超音波伝搬特性
   に関する係数値の推定方法。