JP3268396B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用して被検
体の診断部位について断層像を得る超音波診断装置に関
し、特に時系列の二つの断層像からその画像上の各点の
弾性率を演算し、生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾
性画像として表示することができる超音波診断装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な超音波診断装置は、被検
体に超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、こ
の超音波送受信手段からの反射エコー信号を用いて運動
組織を含む被検体内の断層像データを所定周期で繰り返
して得る断層走査手段と、この断層走査手段によって得
た時系列の断層像データを表示する画像表示手段とを有
して成っていた。そして、被検体内部の生体組織の構造
を例えばＢモード像として表示していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超音波
診断装置においては、被検体内部の生体組織の構造は表
示することができたが、その生体組織が硬いのかあるい
は柔らかいのかを計測して表示することはできなかっ
た。従って、例えば血管の診断において、血管の位置や
血流状態は表示できたが、その血管が正常なのかあるい
は動脈硬化を起しているのかは画像表示上ではわからな
いものであった。

【０００４】これに関連して、超音波診断装置におい
て、対象臓器の各部分の変位を計測する手法として、時
系列的に連続する２枚の断層像間で差分演算し、この差
分画像から変位を計測することが行われているが、この
ようにして抽出した変位のみでは各部分の硬さや柔らか
さを計測することは不可能であった。

【０００５】これに対して、最近、被検体の体表面から
外力を加え、この外力が生体内部で減衰するカーブを仮
定し、この仮定された減衰カーブから各点における圧力
と変位を求めて弾性率を計測し、この弾性率のデータを
基に弾性画像を得る方法が、「超音波イメージング」第
１３巻第２号・1991年４月（Ｕltrasonic Ｉmaging，Vo
l.13 No.2,April 1991）のＪ．オファー著「弾性画像」
（J.Ophier “ELASTOG-RAPHY"）の項で提案されてい
る。このような弾性画像によれば、生体組織の硬さや柔
らかさを計測して表示することができるが、この方法は
主として腹部などの比較的大きな臓器に対しては有効で
あるものの、頚動脈などの比較的小さい臓器や動きの激
しい心臓壁などに対しては、生体内部で力が減衰するカ
ーブを仮定するのがむずかしく、弾性率の計測が容易に
はできず、弾性画像を得るのが困難と思われる。

【０００６】そこで、本発明は、このような問題点に対
処し、時系列の二つの断層像からその画像上の各点の弾
性率を演算し、生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性
画像として表示することができる超音波診断装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による超音波診断装置は、被検体に超音波を
送信及び受信する超音波送受信手段と、この超音波送受
信手段からの反射エコー信号を用いて被検体内の断層像
データを得る断層走査手段と、この得られた時系列の断
層像データを表示する画像表示手段とを有する超音波診
断装置において、上記断層走査手段によって得られた時
系列の二つの断層像間で演算を行って断層像上の各点の
移動量又は変位を計測する変位計測手段と、上記被検体
の診断部位の体腔内圧力を直接計測又は推定する圧力計
測手段と、上記各計測手段で求めた変位及び圧力から断
層像上の各点の弾性率を演算して弾性画像データを生成
する弾性率演算手段と、この生成された弾性画像データ
を入力して弾性率によって色を変える色相情報が付与さ
れたカラーの弾性画像データにより生体組織の硬さ又は
柔らかさを表す弾性画像を表示する手段とを備えたもの
である。

【０００８】

【作用】このように構成された超音波診断装置は、変位
計測手段により断層走査手段によって得られた時系列の
二つの断層像間で演算を行って断層像上の各点の移動量
又は変位を計測し、圧力計測手段で被検体の診断部位の
体腔内圧力を直接計測又は推定し、弾性率演算手段によ
り上記各計測手段で求めた変位及び圧力から断層像上の
各点の弾性率を演算して弾性画像データを生成し、この
生成された弾性画像データを入力して弾性率によって色
を変える色相情報が付与されたカラーの弾性画像データ
により生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性画像を表
示するように動作する。これにより、診断部位の生体組
織の硬さ又は柔らかさを表す弾性画像を、生体組織の構
造を表す断層像と共に、若しくは単独で表示することが
できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明による超音波診断装置の
実施例を示すブロック図である。この超音波診断装置
は、超音波を利用して被検体の診断部位について断層像
を得ると共に、生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性
画像を表示するもので、図に示すように、探触子１と、
送波回路２と、受信回路３と、整相回路４と、信号処理
部５と、白黒スキャンコンバータ６と、画像表示器７と
を有し、さらに変位計測部８と、圧力計測部９と、弾性
率演算部１０と、カラースキャンコンバータ１１と、切
換加算器１２とを備えて成る。

【００１０】上記探触子１は、機械的または電子的にビ
ーム走査を行って被検体に超音波を送信及び受信するも
ので、図示省略したがその中には超音波の発生源である
と共に反射エコーを受信する振動子が内蔵されている。
送波回路２は、上記探触子１を駆動して超音波を発生さ
せるための送波パルスを生成すると共に、内蔵の送波整
相回路により送信される超音波の収束点をある深さに設
定するものである。受信回路３は、上記探触子１で受信
した反射エコーの信号について所定のゲインで増幅する
ものである。また、整相回路４は、上記受信回路３で増
幅された受波信号を入力して位相制御し、一点又は複数
の収束点に対して超音波ビームを形成するものである。
さらに、信号処理部５は、上記整相回路４からの受波信
号を入力してゲイン補正、ログ圧縮、検波、輪郭強調、
フィルタ処理等の信号処理を行うものである。そして、
これらの探触子１と送波回路２と受信回路３と整相回路
４と信号処理部５との全体で超音波送受信手段を構成し
ており、上記探触子１で超音波ビームを被検体の体内で
一定方向に走査させることにより、１枚の断層像を得る
ようになっている。

【００１１】白黒スキャンコンバータ６は、上記超音波
送受信手段の信号処理部５から出力される反射エコー信
号を用いて運動組織を含む被検体内の断層像データを超
音波送波周期で得、このデータを表示するためテレビ同
期で読み出すための断層走査手段及びシステムの制御を
行うための手段となるもので、上記信号処理部５からの
反射エコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換
器と、このＡ／Ｄ変換器でディジタル化された断層像デ
ータを時系列に記憶する複数枚のフレームメモリと、こ
れらの動作を制御するコントローラなどとから成る。

【００１２】また、画像表示器７は、上記白黒スキャン
コンバータ６によって得た時系列の断層像データを表示
する手段となるもので、該白黒スキャンコンバータ６か
ら出力され後述の切換加算器１２を介して入力した画像
データをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、この
Ｄ／Ａ変換器からのアナログビデオ信号を入力して画像
として表示するカラーテレビモニタとから成る。

【００１３】ここで、本発明においては、上記白黒スキ
ャンコンバータ６の出力側から分岐して変位計測部８が
設けられると共に、これと並列に圧力計測部９が設けら
れ、これらの後段には弾性率演算部１０が設けられ、か
つこの弾性率演算部１０の出力側にはカラースキャンコ
ンバータ１１が設けられ、さらにこのカラースキャンコ
ンバータ１１と上記白黒スキャンコンバータ６の出力側
には切換加算器１２が設けられている。

【００１４】上記変位計測部８は、前記白黒スキャンコ
ンバータ６によって得られた時系列の二つの断層像間で
演算を行って断層像上の各点の移動量又は変位を計測す
る手段となるもので、上記白黒スキャンコンバータ６か
ら出力される時系列的に連続する二つの断層像から２次
元相関処理により、断層像上の各点の移動ベクトル（変
位の方向と大きさ）を計測するようになっている。この
移動ベクトルの検出法としては、ブロック・マッチング
法とグラジェント法とがある。ブロック・マッチング法
は、画像を例えばＮ×Ｎ画素からなるブロックに分け、
現フレーム中の着目しているブロックに最も近似してい
るブロックを前フレームから探し、これを参照して予測
符号化を行うものである。

【００１５】圧力計測部９は、被検体１３の診断部位の
体腔内圧力を直接計測又は推定する手段となるもので、
図１に示すように、例えば診断部位の血管１４内に圧力
センサ１５としてのカテーテルなどを挿入し、この圧力
センサ１５で計測した検出信号を取り込んで上記血管１
４内の血圧を直接計測するようになっている。しかし、
診断部位の体腔内にカテーテルを挿入するのは被検体に
対し苦痛を与えるので、第二の方法としては、間接的に
体腔内の血圧を推定する方法として、被検体の体表面か
ら計測されたコロトコフ音から最高及び最低血圧を測定
すると共に、血圧波形の立上り及び立下り点は脈波波形
から決定し、これらの四つのパラメータから血圧波形を
推定する方法がある。さらに、第三の方法としては、血
中バブルに対する超音波共振現象を利用して血圧を計測
する方法も考えられる。上記第二又は第三の方法によれ
ば、被検体に与える苦痛を軽減することができる。

【００１６】そして、弾性率演算部１０は、上記変位計
測部８及び圧力計測部９でそれぞれ求めた移動量及び圧
力から断層像上の各点の弾性率を演算して弾性画像デー
タを生成する手段となるもので、圧力の変化を移動量の
変化で除したヤング率を計算して求めるようになってい
る。

【００１７】また、カラースキャンコンバータ１１は、
上記弾性率演算部１０から出力される弾性画像データを
入力して赤、緑、青などの色相情報を付与する色相情報
変換手段となるもので、例えば弾性率の大きい画像デー
タは赤色コードに変換し、弾性率の小さい画像データは
青色コードに変換するようになっている。

【００１８】さらに、切換加算器１２は、前記白黒スキ
ャンコンバータ６からの白黒の断層像データと上記カラ
ースキャンコンバータ１１からのカラーの弾性画像デー
タとを入力し、両画像データを加算又は切り換える手段
となるもので、白黒の断層像データだけ又はカラーの弾
性画像データだけを出力したり、あるいは両画像データ
を加算合成して出力したりするように切り換えるように
なっている。そして、この切換加算器１２から出力され
た画像データが前記画像表示器７へ送られるようになっ
ている。そして、上記カラースキャンコンバータ１１と
切換加算器１２とで、弾性画像データに対して弾性率に
よって色を変える色相情報を付与し該色相情報が付与さ
れたカラーの弾性画像データにより生体組織の硬さ又は
柔らかさを表す弾性画像を表示する手段を構成してい
る。

【００１９】次に、このように構成された超音波診断装
置の動作について説明する。まず、被検体１３の体表面
に接触された探触子１に送波回路２により高圧電気パル
スを印加して超音波を打ち出し、診断部位からの反射エ
コー信号を上記探触子１で受信する。次に、この受波信
号は、受信回路３へ入力して前置増幅された後、整相回
路４へ入力する。そして、この整相回路４により位相が
揃えられた受波信号は、次の信号処理部５で圧縮、検波
などの信号処理を受けた後、白黒スキャンコンバータ６
へ入力する。この白黒スキャンコンバータ６では、上記
受波信号がＡ／Ｄ変換されると共に、時系列的に連続す
る複数の断層像データとして内部の複数枚のフレームメ
モリに記憶される。

【００２０】次に、上記白黒スキャンコンバータ６内に
記憶された断層像データのうち時系列的に連続する２枚
の画像データが順次読み出され、変位計測部８へ入力し
て２次元変位分布を求める。この２次元変位分布の算出
は、前述の移動ベクトルの検出法としての例えばブロッ
ク・マッチング法によって行うが、以下にこの方法を図
２を参照して詳しく説明する。

【００２１】図２において、現フレームを第ｍフレーム
とし、前フレームを第（ｍ−１）フレームとする。そし
て、各フレーム上の画像をＮ×Ｎ画素からなる複数のブ
ロックに分ける。ここで、画像上の移動物体は、第（ｍ
−１）フレームのＡ₁の位置から、第ｍフレームのＡ₂の
位置へ移動したとする。このような状態で、第ｍフレー
ムを符号化対象フレームとして、Ｎ×Ｎ画素からなる各
ブロック中の左上端の画素位置（Ｎk，Ｎl）における値
をＸm（Ｎk，Ｎl）とする。そして、前フレームの第
（ｍ−１）フレーム上で位置を（ｉ，ｊ）だけずらした
ブロック中の左上端の画素位置（Ｎk＋ｉ，Ｎl＋ｊ）に
おける値をＸm-1（Ｎk＋ｉ，Ｎl＋ｊ）とする。そこ
で、第（ｍ−１）フレームにおけるブロックと第ｍフレ
ームにおけるブロックとの差分の絶対値和Ｓijを次式で
計算する。 そして、位置の移動を示す（ｉ，ｊ）を種々変えていろ
いろなＳijを計算し、その最小値を求め、このときの
（ｉ，ｊ）を移動ベクトルとする。この移動ベクトル、
すなわち変位をΔＬとすると、 となる。ただし、ｐは画素ピッチである。

【００２２】このようにして求めた変位ΔＬの時間変化
の様子を表すと、例えば図３（ａ）に示すようになる。
サンプリング間隔Ｓは、図３（ｃ）に示す撮像時間Ｔと
同一であり、例えば１〜100ｍs程度である。そして、こ
の変位ΔＬの時間変化の波形は、１心拍に対応して略同
一波形を繰り返している。この結果、式（２）を用い
て、２次元変位分布がΔＬ／Ｌとして求められる。

【００２３】一方、圧力計測部９においては、血管１４
内に挿入された圧力センサ１５によって血圧が計測さ
れ、その計測信号が上記圧力計測部９に保持されてい
る。このようにして計測された圧力ΔＰの時間変化の様
子を表すと、例えば図３（ｂ）に示すようになる。ここ
でも、サンプリング間隔Ｓは、図３（ｃ）に示す撮像時
間Ｔと同一である。

【００２４】次に、上記変位計測部８及び圧力計測部９
から出力されたそれぞれの計測信号は、弾性率演算部１
０へ入力し、次式によって弾性率（ヤング率）Ｙmが演
算される。 このようにして求めた弾性率Ｙmの時間変化の様子を表
すと、例えば図３（ｃ）に示すようになる。この場合、
撮像時間Ｔごとの各サンプリング点において、上記の式
（３）を用いて演算される。なお、図３（ｃ）において
は、画像上の１画素の時間変化を表しているが、この演
算を２次元的に行う。すなわち、前記変位計測部８にお
いて２次元的な変位測定が可能であるので、上記式
（３）により、２次元的な弾性率Ｙmの分布を得ること
が可能となる。これにより、時系列的に連続する各画像
ごとの各点の弾性率が求められ、２次元の弾性画像デー
タが連続的に得られる。

【００２５】図４は被検体１３の診断部位の血管１４を
模式的に示す説明図である。破線で示す血管１４′が収
縮状態であり、実線で示す血管１４が拡張状態であると
する。血管内部の血圧変化ΔＰに対応して血管壁がΔＬ
だけ変化する様子を表している。このことから、同じ圧
力の変化ΔＰに対して、変位ΔＬが大きい場合は柔らか
い血管であり、変位ΔＬが小さい場合は硬い血管である
と言える。従って、前述の式（３）からわかるように、
柔らかい血管の場合は求めた弾性率Ｙmの値が小さくな
り、硬い血管の場合は弾性率Ｙmの値が大きくなる。す
なわち、逆に、式（３）により弾性率Ｙmを求めると、
その値の大小により生体組織の硬さ又は柔らかさを計測
することができる。

【００２６】上記のようにして求められた弾性画像デー
タは、次にカラースキャンコンバータ１１へ入力して、
色相情報に変換される。ここでは、弾性率Ｙmが大きく
硬い組織の画像データについては例えば赤色コードに変
換し、弾性率Ｙmが小さく柔らかい組織の画像データに
ついては青色コードに変換する。その後、切換加算器１
２を介して、白黒の断層像と加算合成され、又は単独で
画像表示器７へ送られ、その画面に画像表示される。図
５はその画像表示例を示す説明図であり、白黒のＢモー
ド像１６の一部分をカラー化された弾性画像１７で置換
した例を示している。これ以外にも、Ｂモード像１６に
よる全体像の上に、カラー化された弾性画像１７を重畳
して表示してもよい。その他、種々の変形した組み合わ
せにより表示してもよい。

【００２７】なお、以上の弾性画像の形成については、
前述の式（３）では生体組織のヤング率Ｙmを求めて弾
性画像データを生成する例を説明したが、本発明はこれ
に限らず、他のパラメータを用いて弾性率を演算しても
よい。例えば、スティフネスパラメータβ，圧弾性係数
Ｅp，増分弾性係数Ｅincなどの動脈壁の硬さや物性を記
述するパラメータを用いてもよい。

【００２８】ここで、上記スティフネスパラメータβ
は、 ただし、Ｐは血管内圧、Ｐsは基準内圧（最低血圧又は1
00mmＨg）、Ｒは血管内圧Ｐにおける血管外半径、Ｒsは
基準内圧Ｐsに対する血管外半径。である。このβは、
血管壁材質のみならず、血管壁の厚さと径とを含むパラ
メータである。

【００２９】また、圧弾性係数Ｅpは、 ただし、δは増分を示す。である。従って、この式
（５）は、前述の式（３）の表現と等価であるが、生理
学的には上記の用語で定義されている。

【００３０】さらに、増分弾性係数Ｅincは、 ただし、Ｒ₀は血管外半径、Ｒiは血管内半径、νはポア
ソン比（血管壁は非圧縮性とみなせるので0.5とす
る）。である。この増分弾性係数Ｅincは、動脈壁の物
性を表すと考えられ、医学的には極めて重要なパラメー
タである。

【００３１】また、図１に示す例では、被検体１３の体
表面に探触子１を接触させる場合について説明したが、
本発明はこれに限らず、経食道探触子又は血管内探触子
を用いる場合でも同様に適用できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されたので、
被検体について得られた時系列の二つの断層像間で演算
を行って断層像上の各点の移動量又は変位を計測すると
共に、上記被検体の診断部位の体腔内圧力を直接計測又
は推定し、上記求めた変位及び圧力から断層像上の各点
の弾性率を演算して弾性画像データを生成し、この生成
された弾性画像データを入力して弾性率によって色を変
える色相情報が付与されたカラーの弾性画像データによ
り生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性画像を表示す
ることができる。この場合、上記被検体の診断部位の体
腔内圧力を直接計測又は推定するので、例えば頚動脈な
どの比較的小さい臓器や動きの激しい心臓壁などについ
ても、弾性率の計測が可能となり、弾性画像を表示する
ことができる。従って、例えば血管の診断において、そ
の血管が正常なのかあるいは動脈硬化を起こしているの
かを画像表示上で診断可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による超音波診断装置の実施例を示す
ブロック図、

【図２】 ２次元変位分布を求めるブロック・マッチン
グ法を説明するための図、

【図３】 求めた変位、圧力、弾性率の時間変化の様子
を示すグラフ、

【図４】 診断部位の血管を模式的に示す説明図、

【図５】 得られたＢモードの断層像及び弾性画像の表
示例を示す説明図。

【符号の説明】

１…探触子、 ２…送波回路、 ３…受信回路、 ４…
整相回路、 ５…信号処理部、 ６…白黒スキャンコン
バータ、 ７…画像表示器、 ８…変位計測部、 ９…
圧力計測部、 １０…弾性率演算部、 １１…カラース
キャンコンバータ、 １２…切換加算器、 １３…被検
体、 １４…血管、 １５…圧力センサ、 １６…Ｂモ
ード像、 １７…弾性画像。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岸 本 眞 治 千葉県柏市新十余二２番１号 株式会社 日立メディコ技術研究所内 (72)発明者 近 藤 敏 郎 千葉県柏市新十余二２番１号 株式会社 日立メディコ技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭64−83248（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−230155（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−259835（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/15

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検体に超音波を送信及び受信する超音波
   送受信手段と、この超音波送受信手段からの反射エコー
   信号を用いて被検体内の断層像データを得る断層走査手
   段と、この得られた時系列の断層像データを表示する画
   像表示手段とを有する超音波診断装置において、上記断
   層走査手段によって得られた時系列の二つの断層像間で
   演算を行って断層像上の各点の移動量又は変位を計測す
   る変位計測手段と、上記被検体の診断部位の体腔内圧力
   を直接計測又は推定する圧力計測手段と、上記各計測手
   段で求めた変位及び圧力から断層像上の各点の弾性率を
   演算して弾性画像データを生成する弾性率演算手段と、
   この生成された弾性画像データを入力して弾性率によっ
   て色を変える色相情報が付与されたカラーの弾性画像デ
   ータにより生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性画像
   を表示する手段とを備えたことを特徴とする超音波診断
   装置。