JP4050707B2 - 超音波計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて生体としての被計測物体内部の状態を計測するための装置に関する。

医療分野で利用される超音波診断装置は、超音波ビームを生体内に送波し、これに対する生体内からのエコーを検知してこれを画像化する。電子走査方式などにより断層画像をリアルタイム表示する装置が広く普及しており、体内の非侵襲的な診断に大きな威力を発揮している。

広く普及している超音波診断装置には、ＢモードやＭモードなどのようにエコーの強さを輝度変調などで画像化するものと、カラードプラなどのように反射体の運動によるエコーのドプラシフト成分を画像化するものとがあり、これら両者の機能を併せ持つ装置もよく用いられている。

超音波診断装置は、リアルタイム画像の画質向上や、画像からの血流量の算出その他の応用ソフトウエアの開発など、様々な面で進歩しつつある。なお、以下の公知文献がある。

特開平８−６３２号公報 特開平７−５５２２６号公報 特開平８−５８６号公報 特開平８−２９９４６９号公報 特開平２−３０７０５３号公報 特開平６−７３５２号公報 特開平４−２７２７５０号公報 山家智之他，健常者における左室収縮時系列曲線のカオス解析の試み，Journal of Cardiology，１９９４年，vol.24，pp.469-474

このように、超音波診断装置の進歩は続いているが、開発の方向性がある程度定まって来ており技術的に成熟に近づいている面もある。これからの超音波診断装置の発展のためのブレークスルーが求められている。

また、生体の構造や動きなどの性状は、非常に複雑且つ微妙であり、従来の超音波診断装置でそのような複雑性が評価・診断の対象として十分に解析されていたかどうかには疑問がある。例えば、心臓に軽い異常が起こった場合の動きの変化などは、リアルタイム画像で見ていては判断が難しい場合が多く、血流量などのマクロな計測量で評価しようとしても検出できない場合もある。そのような複雑微妙な性状を的確に分析できる計測技術が求められている。

以上から、超音波の送受波を用いて生体内の性状を表示する新しい計測技術が要望される。

本発明は、超音波を用いた従来にない新たな計測・解析のための装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、どの部位のカオス解析結果かを一目で理解できるようにすることにある。本発明の更に他の目的は、生体内におけるカオス的な特徴の分布を一目で把握できるようにすることにある。

発明者らは、心臓等の診断対象を超音波診断装置で診断したときの受信信号に対しカオス解析手法を適用して解析を行った結果、受信信号の時系列がカオスであることを発見した。そして、その受信信号のカオス的な特徴、例えばアトラクタや相関次元（フラクタル次元）、リアプノフ指数などが、診断対象の状態変化に応じて変化することを確認した。本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、超音波計測装置で得られた受信信号にカオス解析処理を施すことにより、診断対象のカオス的な特徴を求め、これを診断のための情報として提示する。

望ましくは、超音波計測装置は、被計測物体内に超音波を送波し、被計測物体を透過した超音波又は被計測物体内で反射された超音波を受波する送受波手段と、前記送受波手段の受信信号に対してカオス解析処理を施すカオス解析手段と、前記カオス解析手段の解析結果を出力する出力手段とを有する。

カオス解析手段が行うカオス解析処理には、例えば信号を相空間に埋め込んでアトラクタを構築する処理や、そのアトラクタから相関次元（フラクタル）やリアプノフ指数などの特徴量を求める処理などがある。解析対象となる送受波手段の受信信号には、例えば超音波診断装置の場合の高周波（ＲＦ）の受信信号がある。この他にもＲＦ受信信号に包絡線検波や直交検波等の信号処理を施して得た信号や、それら検波結果から生成した画像の画素値なども、解析対象の受信信号の概念に含まれる。カオス解析処理の結果は、画面表示その他の方式で出力され、ユーザに提供される。

好適な態様では、アトラクタやその特徴量などの正常値などの参照情報を予め本装置に登録しておき、実際の計測で得たアトラクタ等をその参照情報と比較することにより、計測対象の異常判定を行うことができる。

また、別の好適な態様では、カオス解析処理を、一定時間間隔ごと等、時間を追って順次行い、その解析結果の経時変化を一覧表示したり、あるいはその経時変化の特徴を表す評価値（例えば相関次元の変化の傾きなど）を求めたり、などの経時変化解析を行う。この態様によれば、負荷その他の影響を加えた後の被計測物体の変化などをカオスの観点から解析することができる。なお、解析結果の一覧表示には、例えば各時点でのアトラクタの一覧表示や、各時点での相関次元の値の変化を表すグラフなどが含まれる。

望ましくは、超音波計測装置は、超音波パルスを被計測物体内に送波して被計測物体内からのエコーを受波する送受波手段と、前記送受波手段の受信信号の時系列の中から、予め設定された範囲に対応する信号を取り出す信号抽出手段と、前記信号抽出手段で抽出された範囲の信号に対してカオス解析処理を施すカオス解析手段と、前記カオス解析手段の解析結果を出力する出力手段とを有する。

この構成では、超音波パルスを生体としての被計測物体内に送波し、そのエコーを検出する。送信波をパルス波としたことにより、距離分解能が得られる。すなわち、被計測物体内の音速（これは被計測物体の材質から分かる）から、目標とする深さ（送受波手段からの距離）に超音波が到達し、そこで反射して戻ってくるまでの時間が分かるので、ゲート回路などの信号抽出手段によりその時間の前後の間だけ信号（部分信号）を取り出すことができる。抽出した所望の深さ範囲の信号に対してカオス解析処理を施すことにより、その範囲の診断部位のカオス特徴を求めることができる。このように、この構成によれば、所望の範囲の部位のカオス特徴を求めることができる。なお、この信号抽出の範囲は、最も小さい場合としては１つの点の場合も考えられる。１つの超音波パルス当たりの信号抽出の範囲が小さい場合には、各超音波パルスの送信毎に得られたその範囲の信号を連結して１つの時系列信号と捉え、その時系列信号に対してカオス解析処理を適用することもできる。これにより、十分な長さの信号に対してカオス解析を行えるという利点が得られる。

この構成の好適な態様は、前記受信信号を用いて前記被計測物体内各部の超音波反射特性を表す計測画像を生成して表示する計測画像表示手段と、前記計測画像に関連付けて前記信号抽出手段の抽出対象の範囲の指定を受け付けて前記信号抽出手段に設定する範囲設定手段とを備える。

超音波反射特性には、反射の強さ（エコー強度）だけでなく、血流その他の運動体速度によるドプラシフト（ドプラ情報）なども含まれる。この態様では、超音波診断装置におけるＢモード断層像などの計測画像（超音波画像）上で解析対象としたい部位を指定できるので、解析したい範囲を的確に指定することができる。

このようにして指定した範囲についてのカオス解析結果を、計測画像（超音波画像）の対応位置に重畳表示することにより、どの部位の解析結果かが一目で理解できる。

また、信号抽出手段で、複数の範囲についての信号を抽出し、それぞれについてカオス解析を行ってその結果を計測画像（超音波画像）上に重畳して表示すれば、被計測物体各部のカオス特徴の分布が表示できる。

本発明に係る超音波計測装置は、被計測物体としての生体内に超音波パルスを送波し、生体を透過した超音波又は生体内で反射された超音波を受波する送受波手段と、前記送受波手段の受信信号に基づき超音波画像を形成する手段と、前記送受波手段の受信信号に対してカオス解析処理を施すカオス解析手段と、前記超音波画像上に前記カオス解析手段の解析結果を重畳表示する手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る超音波計測装置は、被計測物体としての生体内に超音波パルスを送波し、生体を透過した超音波又は生体内で反射された超音波を受波する送受波手段と、前記超音波パルスの送信ごとに前記送受波手段から出力される受信信号に基づき超音波画像を形成する手段と、前記超音波パルスの送信ごとに前記送受波手段から出力される受信信号の中から、予め設定された範囲に対応する部分信号を取り出す部分信号抽出手段と、前記部分信号に対してカオス解析処理を施すカオス解析手段と、前記超音波画像上における前記範囲に対応する位置に前記カオス解析手段の解析結果を重畳表示する手段と、を有することを特徴とする。

望ましくは、前記超音波パルスの送信ごとに取り出された複数の部分信号を連結して時系列信号を生成する連結手段を含み、前記カオス解析手段は前記複数の部分信号を連結した時系列信号に対してカオス解析処理を施す。望ましくは、前記超音波画像上において前記部分信号を取り出す複数の範囲の指定を受け付けて前記部分信号抽出手段に設定する範囲設定手段を含み、前記超音波画像上における前記複数の範囲に対応する複数の位置にカオス解析結果が重畳表示される。望ましくは、前記超音波画像上にカオス解析結果の分布が重畳表示される。望ましくは、前記超音波画像はＢモード断層画像であり、前記Ｂモード断層画像上に前記カオス解析結果がカラーで重畳表示される。望ましくは、前記受信信号として、高周波信号、検波後の輝度信号、又は、ドプラ信号を選択する手段を有する。

以上説明したように、本発明によれば、被計測物体内に超音波を送波し、これに起因する被計測物体内からの超音波信号を受波してカオス解析することにより、従来にない新たな超音波計測／診断のための手法が得られた。特に、超音波パルスのエコーを用いることにより、距離分解能が得られ、被計測物体内の特定部位のカオス的な特徴を求めることが可能になった。本発明によれば、重畳表示により、どの部位のカオス解析結果かを一目で理解できる。本発明によれば、分布表示により、生体内におけるカオス的な特徴の分布を一目で把握できる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

以下、本発明に係る超音波診断装置の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の超音波診断装置の構成例を示す機能ブロック図である。この構成において、プローブ１０は、被検体に対して超音波の送受波を行うための装置であり、超音波振動子のアレイを含む。送信ビームフォーマ１２は、プローブ１０の各振動子に対してそれぞれ適切な遅延量を与えた駆動パルスを供給することにより、プローブ１０の振動子アレイから発せられる送信超音波パルスを指向性のあるビームとする。プローブ１０の各振動子は、この超音波パルスビームに対する被検体内部からのエコーを受信し、電気的な受信信号に変換する。各振動子の各受信信号は受信ビームフォーマ１４により整相加算されて、受信ビームに対応する１つの受信信号となる。制御器５０は、超音波診断装置各部を総合的に制御するためのものであり、送信ビームフォーマ１２及び受信ビームフォーマ１４はこの制御器５０からの制御に従って上記の処理を実行する。送信ビームフォーマ１２及び受信ビームフォーマ１４を制御することにより、送信ビーム及び受信ビームを形成するとともに、これらビームを例えば所定の面に沿って２次元的に走査する。

受信ビームフォーマ１４から出力される受信信号は、包絡線検波器１６、直交検波器１８及びＲＦ信号ゲート３０に供給される。包絡線検波器１６は、受信信号に対数圧縮を施した上で包絡線検波を行う。包絡線検波器１６の出力は、受信エコーの強度を表し、ＢモードやＭモード等の表示のための輝度信号として用いられる。Ｂ・Ｍモード信号処理回路２６は、この輝度信号に基づき、Ｂモード断層画像やＭモード画像を生成し、その画像データをＤＳＣ（ディジタルスキャンコンバータ）３４に書き込む。

直交検波器１８は、受信ビームフォーマ１４から入力された受信信号を２つのミキサに加え、プローブ１０の送信周波数と同じ周波数で位相が互いに９０°異なる２つの参照周波数と混合する。直交検波出力は、エコーのドプラシフトの情報を含んでいる。カラードプラ信号演算処理部２８は、この直交検波出力に対してフィルタリングや自己相関演算などの周知のカラードプラ演算処理を行い、その結果をＤＳＣ３４に入力する。

直交検波器１８の出力は、上記カラードプラ演算処理の他、特定サンプル点の血流スペクトルを得るためにスペクトルドプラ処理に供される。このスペクトルドプラ処理では、まず直交検波器１８のＩ，Ｑ出力はそれぞれサンプルゲート２２ａ、２２ｂを通される。サンプルゲート２２ａ、２２ｂには、断層像１フレームのうちの何番目のビームのどの深さ範囲の信号を抽出するかが予め設定されている。サンプルゲート２２ａ、２２ｂは、入力される直交検波出力のうち、この設定された範囲の信号のみを取り出す。各サンプルゲート２２ａ、２２ｂのゲート範囲の設定は、ユーザが操作パネル５２から行うことができ、このゲート範囲は制御器５０に設定され、制御器５０はその設定に応じてゲート信号をサンプルゲート２２ａ、２２ｂに供給し、各サンプルゲートはそのゲート信号に応じて入力信号をゲートする。各サンプルゲート２２ａ、２２ｂで取り出された信号は、それぞれ帯域通過フィルタ２４ａ、２４ｂに通され、これにより血管壁などの低速部分の反射信号の成分が除去される。スペクトルドプラ信号演算処理部３２は、このフィルタ出力に対して高速フーリエ変換を施し、その周波数分析結果である血流パワースペクトルの画像をＤＳＣ３４に書き込む。

ＤＳＣ３４は、書き込まれたＢモード画像、Ｍモード画像、カラードプラ画像及びパワースペクトル画像を、表示装置３６の表示走査に同期して読み出し、Ｄ／Ａ変換して表示装置３６に供給する。これにより、表示装置３６に、Ｂモード断層画像やカラードプラ画像などの生体診断用の超音波画像が表示される。

以上説明したＢモード画像、カラードプラ画像等の超音波画像を形成するための構成は、従来周知の一般的な構成と同様のものを用いることができる。

次に、本実施形態の特徴であるカオス解析のための構成について説明する。本実施形態の装置は、受信ビームフォーマ１４から出力される高周波（ＲＦ）の受信信号、Ｂ・Ｍモード画像形成に用いられる輝度信号、及びスペクトルドプラ処理に用いるドプラ信号に対してカオス解析処理を行う機能を有している。いずれの信号に対してカオス解析処理を行うかは、切換器４０で切り換えることができる。どの信号を解析対象とするかは、例えば解析したい対象部位／組織の特性に応じて選べばよい。例えば血流についてのカオス解析が行いたい場合は、ドプラ信号を選択すればよい。同じ部位でも、用いる信号を切り換えれば、当該部位についての異なった観点からの性状情報が得られる。

また、本実施形態では、超音波パルスの利用及び範囲指定により、受信信号のうち、所望の部位の信号のみを取り出してカオス解析を行う機構、つまり局所カオス解析の機能を備えている。ＲＦ信号ゲート３０や輝度信号ゲート２０などがそのための機構である。これらゲート３０及び２０には、スペクトルドプラ処理のためのサンプルゲート２２ａ、２２ｂと同様、断層像１フレームの信号のうち、どのビームのどの深さ範囲の信号を抽出すべきかが予め設定されている。したがって、ＲＦ信号ゲート３０は受信ビームフォーマ１４から出力されたＲＦの受信信号を、輝度信号ゲート２０は包絡線検波器１６から出力された輝度信号を、それぞれゲートし、予め設定された範囲の信号のみを取り出して後段に出力する。ＲＦ信号ゲート３０、輝度信号ゲート２０のゲート範囲は、サンプルゲート２２ａ、２２ｂと同様、操作パネル５２からのユーザ入力に応じて制御器５０に設定され、制御器５０はこの設定に応じてゲート２０又は３０を制御する。

このように、予め設定した範囲の信号のみを抽出して後段のカオス解析処理に渡す機構を設けたことにより、所望部位のカオス的特徴を求めることができる。なお、このようなゲートを設けず、例えば１ビーム分の信号全体、又は１フレーム（画面）分の信号全体に対してカオス解析を施すことでも、その範囲全体についての何らかのカオス的特徴を求めることももちろん可能である。これに加え、本実施形態のようにゲートを設けてカオス解析対象部位の限定を可能としたことで、その部位のカオス特徴を弁別してより精密に解析できる。

以上、ＲＦ受信信号及び輝度信号について、所望範囲の信号を取り出すゲートを備えた旨を説明したが、もう一つのカオス解析対象であるドプラ信号については、スペクトルドプラ処理のためのサンプルゲート２２ａ、２２ｂで既に所定の範囲の信号が抽出されているので、新たにゲート手段を設ける必要はない。すなわち、超音波診断装置はスペクトルドプラ処理機能を備えていることが多く、そのような超音波診断装置であれば、スペクトルドプラ処理のためのゲートをカオス解析のためのゲートとして兼用することができる。なお、切換器４０には、サンプルゲート２２ａ、２２ｂの出力そのものではなく、帯域通過フィルタ２４ａ、２４ｂを通過した成分のみが入力される。これは、注目する血流に係る信号成分についてカオス解析を行うためである。なお、帯域通過フィルタ２４ａ、２４ｂの通過帯域を低い帯域に切り換えれば、低速な体組織の動きに関するカオス解析も可能である。

このようにゲート処理により注目範囲のみ取り出されたＲＦ受信信号、輝度信号、ドプラ信号が入力された切換器４０は、それら３種の信号のうちユーザが解析対象に指定した１つを選び、後段のカオス解析機構に渡す。解析対象信号の指定は操作パネル５２から行われ、その指定内容に応じて制御器５０が切換器４０の接続を切り換える。

切換器４０の後段のカオス解析処理機構は、大きく分けてアトラクタ構築部４２と特徴抽出部４４から構成される。アトラクタ構築部４２は、入力される信号からアトラクタを構築する。アトラクタは、例えば、ターケンス（Ｔａｋｅｎｓ）の手法を用いて入力信号を相空間へ埋め込むことにより再構成することができる。周知のようにターケンスの手法では、時系列信号ｘ（ｔ）（ｔは時間）から、時間遅れτを用いてｍ個の変数の組｛ｘ（ｔ）、ｘ（ｔ＋τ）、ｘ（ｔ＋２τ）、…、ｘ（ｔ＋（ｍ−１）τ）｝を作り、これをｍ次元空間（相空間）にプロットすることによりアトラクタを再構成する。アトラクタ構築部４２は、例えばこのターケンスの手法を用いて、入力される信号時系列をｍ次元相空間に埋め込んでいくことによりアトラクタを構築する。このようにして構築されたアトラクタは、対象信号の相空間での軌道（トラジェクトリ）とも言える。

具体的な信号処理としては、例えば入力される信号の値を順次メモリに蓄えていき、そのメモリから順次時刻ｔを変えてτ間隔のｍ個のデータを並列的に読み出していく処理方法がある。この方法によれば、メモリに蓄えた各時点での信号データからアトラクタを動的に構築できる。この方式は容易にハードウエアとして実装可能である。

なお、ドプラ信号は複素信号（Ｉ，Ｑ）なので、これからアトラクタを構成する場合は、例えばＩ，Ｑをそれぞれ独立と考えて２ｍ次元の相空間｛Ｉ（ｔ），Ｉ（ｔ＋τ），…Ｉ（ｔ＋（ｍ−１）τ），Ｑ（ｔ），Ｑ（ｔ＋（ｍ−１）τ）｝に埋め込めばよい。また、Ｉ，Ｑの一方を選んでアトラクタを描かせてもよい。

ターケンスの手法を用いる場合の時間遅れτは、有意なトラジェクトリを得るためには適切に定めなければならない。時間遅れτは、与えられる解析対象信号の周波数帯域などの信号特性に応じて定めることが好適である。例えばＲＦ受信信号をカオス解析する場合には、送信超音波の周波数が信号波形に大きく影響するので、適切な時間遅れτは送信超音波の周波数帯域に依存して決めることも考えられる。ある周波数帯域に対して適切な時間遅れτは、予め実験等で求めておき、アトラクタ構築部４２に設定しておけばよい。また、操作パネル５２から時間遅れτの微調整ができるようにしておくことも好適である。複数の送信周波数が使用可能な超音波診断装置の場合、各周波数帯域ごとに適切な時間遅れτを登録しておき、送信周波数帯域の選択に連動して時間遅れτが自動的に選択されるようにしておくことも好適である。輝度信号やドプラ信号をカオス解析する場合は、それら信号の周波数帯域を求め、その周波数帯域に応じて時間遅れτを選択するなどの手法が考えられる。この場合も、ある周波数帯域に対してどの程度の時間遅れが適切かは、実験等で定めてその関係を予めアトラクタ構築部４２に登録しておけばよい。

本実施形態では、ゲート２０、２２ａ、２２ｂ又は３０により、断層画像形成のための多数の走査線のうちの１本の、しかも特定の深さ範囲の信号のみを解析対象として抽出しているので、画像１フレームの間に得られた解析対象の信号（その深さ範囲分の長さしかない）だけでは、解析処理に足る長さのアトラクタが得られない場合も起こりうる。そのような場合は、各フレームごとに抽出された信号を、十分な長さのアトラクタが得られる程度まで複数フレームにわたって連結し、その連結した信号からアトラクタを求めればよい。すなわち、この方法では、図２に示すように、順次同じ方向に送波した各超音波パルスビーム１１０に対する受信信号（あるいはその検波結果等）から、ゲート１００（上記輝度信号ゲート２０等）により、予め指定された同じ深さ範囲の信号のみを取りだす。そして、アトラクタ構築部４２でそれらを時間順に繋ぎ合わせて１つの時系列信号１２０とみなし、この時系列信号１２０からアトラクタを構築する。

なお、アトラクタの構築手法はターケンスの方法に限られるものではない。入力信号の性質がよければ、入力信号から１次、２次、…、（ｍ−１）次の微分を求め、それら各微分値を座標成分として相空間にプロットする方法も可能である。

アトラクタを構築する際の適切な相空間の次元ｍは、診断対象や診断装置の特性に応じて変わる可能性があるので、予め実験等を行って決めておくことが望ましい。例えば、後述する人間の心臓を対象とした実験では、ｍ＝１０程度で相関次元（フラクタル次元）がほぼ収束したとみなしてよいことが確認されたので、その実験に用いた装置では心臓をカオス解析する場合、１０次元の相空間でアトラクタを構築すればよいことがわかる。

特徴抽出部４４は、そのアトラクタの情報から、アトラクタの相関次元（フラクタル次元）やリアプノフ指数、ポアンカレ断面、あるいはこのポアンカレ断面上でのリターンマップなどを求める。これらアトラクタの諸特徴は、必ずしもすべてを求める必要はなく、どれか一つでも有益な情報が得られる場合がある。特に相関次元やリアプノフ指数は１つの数値となるので扱いやすい。発明者らは、実験で、心臓の状態の変化に応じて相関次元やリアプノフ指数が変化することを確認している。上記諸特徴の求め方自体は、カオスに関する様々な成書に説明されているので、ここでは説明を省略する。特徴抽出部４４は、そのような公知のアルゴリズムを例えばソフトウエア的に実装することにより実現できる。

また、特徴抽出部４４は、上記諸特徴の時間的変化を解析する機能を備える。例えば心臓に運動負荷をかけた後、平常な状態にもどるまでの間に心臓の状態は刻々変化するが、発明者らの実験によれば、その変化が上記相関次元やリアプノフ指数等のカオス諸特徴に現れることが分かった。例えば、健常者を対象にした運動負荷実験では、相関次元が運動前の値に向かってほぼ線形的に回復していくことが確認されている。特徴抽出部４４は、適度な時間間隔ごとに相関次元やリアプノフ指数を求め、その時間変化をグラフ化したり、あるいはその変化の傾き（線形変化の場合）等の評価値を求めたりする。時間変化を表す評価値の一例として変化の「傾き」を挙げたが、どのような評価値が適切かは診断対象等の特性によって変わってくる可能性がある。したがって、診断対象ごとに実験を行い、カオス特徴の変化を近似する関数を求め、その関数を特定するパラメータを評価値とするなどの処置をとることが望ましい。特徴抽出部４４には、このようにして予め求めた診断対象ごとの評価値算出アルゴリズムを登録しておき、ユーザが適宜切り換えて利用できるようにしておけばよい。

以上の各種特徴のうちどれを求めるかを、ユーザが操作パネル５２等から選択できるようにしておくことも好適である。

なお、特徴抽出部４４の処理のためには、アトラクタは必ずしも陽に求められている必要はない。すなわち、アトラクタ構築手法の一例として前に挙げたターケンスの手法は、信号値の時系列から時間遅れτずつ異なるｍ個（ｍ次元の場合）の値を１組としてプロットするというものなので、信号値時系列の情報があれば動的に作り出すことができる。したがって、特徴抽出部４４で信号値時系列からｍ個の値の組を逐次読み出しながら、上記特徴量を計算するという処理も可能である。

特徴抽出部４４で求められた上記カオス諸特徴は、表示装置３６に表示される。表示の形態としては、例えば通常の断層画像等とは別の表示枠を設けてその中に表示する方式がある。ポアンカレ断面やリターンマップ、相関次元の時間変化のグラフなどについては、この方式が好適であろう。相関次元やリアプノフ指数は１つの数値として求められるので、そのような数値自体を専用の表示領域に表示することも可能だが、超音波画像としてのＢモード断層画像上に重畳表示することも好適である。すなわち、図１の装置では、ゲート２０、２２ａ、２２ｂ又は３０でカオス解析処理の範囲を限定しているので、断層画像上のその範囲の位置に、その特徴を数値を表示したり、あるいはその特徴の値をカラーや輝度で表示することも好適である。また、アトラクタ構築部４２で求められたアトラクタそのものを表示装置３６に表示し、診断に供することも好適である。

次に、図３を参照して、本実施形態の装置による処理手順の一例を示す。まず、プローブ１０を診断部位に当接し、超音波の送受を行わせ、ＢモードやＭモード、カラードプラなどの従来からある超音波画像を表示装置３６に表示させる（Ｓ１０）。カオス解析という目的から見た場合、この超音波画像表示は、カオス解析対象部位の位置決めを行うために用いる。また、ユーザは、操作パネル５２にて、解析対象の信号の種類（図１の例では、ＲＦ、輝度又はドプラ）を選択する（Ｓ１２）。この選択に応じて、制御器５０は切換器４０の接続を切り換え、選択された種類の信号をアトラクタ構築部４２に入力できる状態とする。このＳ１０とＳ１２の処理は、どちらを前に行ってもよい。

次に、ユーザは、超音波画像上で、カオス解析対象の範囲（すなわちゲートによる信号の抽出範囲）を指定する（Ｓ１４）。この範囲指定のための操作手順の一例を図４を用いて説明する。この例では、Ｂモード（あるいはＢモード＋カラードプラ）の超音波画像２００が表示装置３６の画面に表示されている。ユーザは、時々刻々変化するこの画像２００を見ながら、カオス解析の対象範囲２５０を決定し、本装置付属のマウスやトラックボール等のポインティングデバイス等を用いて画面上でその範囲を指定する。対象範囲２５０は、典型的には、超音波ビームの１本の走査線２１０に沿ったある深さからある深さまでの範囲である。したがって、例えばユーザが超音波画像２００上でその範囲の始点と終点を指定すると、制御器５０がその始点、終点に近い走査線２１０を選び、その走査線２１０上で、指定された始点、終点に近い点をその対象範囲の始点、終点に選ぶ。制御器５０は、その始点から終点までの範囲が、１フレームの超音波ビーム走査におけるどの走査線のどの期間かを求め、これをゲート範囲として記憶する。

以上、Ｂモード等の断層画像上でカオス解析対象範囲を指定する手順の例を説明したが、対象範囲はＭモード画像上で指定することももちろん可能である。Ｂ・Ｍモードが同時表示可能な超音波診断装置の場合、Ｍモード画像は既にある１つの走査線を選んでそれについて形成されているので、Ｍモード画像上では深さ範囲を指定すれば、それで走査線及び深さ範囲の両方が決まる。したがって、例えばＢモード断層画像を見ながらＭモード表示の走査線を選び、この走査線に関するＭモード表示を見てカオス解析対象の深さ範囲を絞り込むという手順も可能である。

以上の例では、解析対象範囲として１本の走査線の中のある深さ範囲を選択したが、Ｍモードと同様、１本の走査線全体を解析対象範囲と指定することも可能であり、これによっても有益な診断情報が得られるものと期待される。

Ｓ１２で解析対象信号の種類が選択され、Ｓ１４で解析対象範囲の指定がなされると、制御器５０は、それら選択された信号種類のゲート２０、（２２ａ，２２ｂ）、又は３０に対して、指定された範囲の信号を取り出すためのゲート信号を供給し始める。これにより、選択された信号種類の信号のうち、ゲートで抽出された部分（部分信号）が順次アトラクタ構築部４２に供給され、アトラクタが構築される（Ｓ１６）。そして、特徴抽出部４４がそのアトラクタから相関次元やポアンカレ断面などのカオス特徴情報を求め、表示装置３６に表示する（Ｓ１８）。上記のように部分信号を連結して生成される時系列信号からアトラクタが構築されてもよい。

相関次元等の時間変化を解析する場合は、適当な時間間隔ごとにアトラクタを求め、そのアトラクタから相関次元等を求めて記憶しておく。そして、所定時間分の相関次元等の算出結果が蓄積されたところで、グラフ表示や傾き等の評価値算出を行うようにすればよい。

以上、本実施形態に係る装置及びその装置を用いた処理手順の一例を説明した。次に本実施形態に係る装置に関して行った実験の結果を例示する。この実験では、健常人に所定の運動負荷を与えた後の心臓左心室の様子をカオス的な観点から解析した。カオス解析の対象信号としては、超音波診断装置のＲＦ受信信号を用い、超音波パルスの数回送波分についての受信信号から１つのアトラクタを構築し、相関次元を求めた。解析に使用する信号の範囲は、１走査線分全体とした。このアトラクタ構築及び相関次元算出の処理を、運動負荷前、運動負荷直後、及びその後３分ごとの各時点でその処理を行った。

図５は、各時点での受信信号のトラジェクトリ（アトラクタ）の様子を示す図である。表示の都合上、受信信号を３次元相空間に埋め込んだ場合のトラジェクトリを例にとる。この図によれば、運動前のトラジェクトリは、比較的きれいなカオスアトラクタとなっているが、運動直後は乱雑さが増しており、以降時間が経過するにつれて徐々に運動前のトラジェクトリに近いもの戻っていくのが分かる。

アトラクタの相関次元Ｄ₂は、次式に従って求めた。

ここでＲはスケーリングの半径を表し、Ｃ（Ｒ）は次式に示す相関積分である。

ここでσはヘビサイト関数であり、Ｎ_datはｍ次元相空間に含まれるアトラクタのデータ点の総数、Ｎ_refは十分大きな参照信号のデータ点の数である。ｘ_i、ｘ_jはアトラクタ上の点である。この計算式自体は公知のものであり、詳細についてはカオスに関する成書を参照されたい。なお、この相関次元の計算方式はあくまで一例である。

実験では、１時点の受信信号をｍ＝３〜１０の各次元の相空間にそれぞれ埋め込んで８個のアトラクタを構成し、それら各アトラクタごとに、上記計算式を用いて相関次元を求めた。図６は、横軸にスケーリング半径Ｒ、縦軸に相関積分Ｃ（Ｒ）をとった両対数グラフであり、ｍ＝３〜１０の各埋め込み次元ごとに、（ｌｏｇＲ，ｌｏｇＣ（Ｒ））をプロットしたものである。各次元ｍごとのグラフ３００、３１０の傾きの極限が、当該埋め込み次元ｍでのアトラクタの相関次元Ｄ₂である。グラフ３２０は、埋め込み次元ｍを増やしていった時のグラフ３００等の傾き（すなわち相関次元）の変化を示す図である。この図から分かるように、左心室に関する受信信号では、埋め込み次元ｍが高くなるにつれて相関次元が急速に収束しており、ｍ＝８〜１０程度でほぼ一定に近くなっていることが分かる。受信信号の最終的な相関次元（フラクタル次元）Ｄ₂は、この収束値である。この結果に基づき、心臓のカオス解析には、埋め込み次元としてｍ＝１０を採用した。

図７は、各時点での埋め込み次元ｍ＝１０におけるアトラクタの相関次元Ｄ₂の時間変化を表すグラフである。このグラフによれば、運動負荷の終了直後（時間０）の時点での値を除けば、相関次元Ｄ₂は、運動前の値までほぼ直線的に回復していることが分かる。このグラフの傾きは心臓の負荷後の回復力を示すものと考えられ、心機能を評価する１つの評価値として利用できる。

図８は、この実験で得られたポアンカレ断面の一例である。図示の例は、運動負荷終了後１２分の時点のアトラクタをある面で切ったときの、その面上のアトラクタの点（図上では黒点で示す）を示したポアンカレ断面である。このようなポアンカレ断面も、診断への利用が期待される。１時点のアトラクタについて異なる複数の面でのポアンカレ断面を求めて並列表示することも好適である。また、各時点のアトラクタから同一面についてのポアンカレ断面を求め、それらを並列表示すれば、経時変化の分析が可能になると期待される。

図９は、運動負荷終了後１２分のあるポアンカレ断面から求めたリターンマップの例である。このようなリターンマップから、アトラクタ軌道の遷移のパターンが分かれば、有益な診断情報となると期待される。

以上、実験例を説明した。本実施形態の装置には、図５に示すようなアトラクタの経時変化や図７に示すような相関次元の経時変化、あるいはポアンカレ断面の経時変化などを求めて表示する機能を有する。また、本実施形態の装置は、相関次元の経時変化からその傾きなどの評価値を求め、表示する機能を有する。このような経時変化の解析表示機能は、上述した運動負荷試験以外にも応用可能である。応用の一例としては、例えば投薬効果の診断などが挙げられる。すなわち、薬剤を投与し始めてから定期的に本実施形態の装置で対象臓器・組織のカオス特徴（例えば相関次元など）を求め、その特徴の経時的変化を提示するなどである。診断者は、この変化から投薬効果の度合いを判断したり、いつ頃治癒するかの予測をしたりすることができる。

なお、１時点で求めたカオス特徴も、このような経時変化と同様診断に有用であることは言うまでもない。診断者は、アトラクタの形状や相関次元の値などから診断対象部位の状態、病変の有無などを判断できるであろう。また、多数の健常人についてアトラクタや相関次元等を調べてその代表値を求めておき、その代表値を参照情報として本装置に登録しておけば、実際の被検者のカオス解析結果に異常があるか否かや、異常の程度を自動判定することも可能である。

以上、本発明の好適な実施形態を説明した。以上説明したように、本実施形態によれば、超音波を用いて従来にない新たな診断情報を得ることができる。例えば心臓を対象に解析を行えば、心臓の性状の違いをアトラクタの違いや相関次元の値として評価することが可能になる。

以上では、カオス解析対象として抽出する信号部分が１カ所である場合を例にとって説明したが、１走査線上、あるいは１画像フレーム中の複数の範囲に対応する部分信号をゲートで抽出し、各範囲ごとに並列的に上述のカオス解析を行うことも可能である。この場合、それら各範囲の相関次元等を断層画像等に重畳して表示（例えばカラー表示など）すれば、各部のカオス的な特徴の分布を一目で把握することが可能となる。

また以上では、断層画像表示のための超音波ビーム走査のうちの１つの走査線についての受信信号を用いてカオス解析を行ったが、断層画像等で解析対象の範囲を決定したら、その方向にのみ超音波パルスビームを繰り返し送受波するよう、ビーム走査を制御することも好適である。これによれば、受信信号の時間的連続性が改善され、より精度の良い解析結果が得られる。

また以上では、ビームを走査して２次元断層面を形成するタイプの超音波診断装置の場合の例を説明したが、本発明の適用はこれに限らない。例えばビームを２方向について走査して３次元情報を得るタイプの超音波診断装置にも、本発明は適用可能である。また、ビームを走査せずに１方向にのみ送受波する場合にも本発明は当然適用可能である。

また、以上の例では、超音波診断装置のＲＦ受信信号、またはその検波結果など、受信側に近い段階の信号に対してカオス解析を行ったが、もっと診断画像に近い側の信号に対して同様のカオス解析を行うことも可能である。例えば、図１０に示すように、Ｂモードなどの断層画像４００における同一画素（注目点４１０）の画素値の複数フレームにわたる変化を時系列信号と捉え、この時系列信号に対して上述のカオス解析を行うことも考えられる。この場合、原理上は断層画像の各画素毎にこのような解析が行えるので、各画素毎に相関次元等のカオス特徴の値を求めることができ、その値の分布を断層画像に例えばカラーで重畳表示するなどの表示が行える。

以上ではパルス波のエコーの受信信号を解析する場合を例にとって説明したが、このようなエコー（反射波）の受信信号だけでなく、被検体内を透過した透過波の受信信号に対して同様のカオス解析を行うことも可能である。

また、以上の例では、カオス解析結果を表示装置に画像表示したが、これを記憶装置に蓄積したりして後の更なる解析に供することも当然可能である。

以上の超音波診断装置において、上記の重畳表示によれば、どの部位のカオス解析結果かを一目で理解できる。更に、分布表示によれば、生体内におけるカオス的な特徴の分布を一目で把握できる。

本発明を適用した超音波診断装置の構成例を示す機能ブロック図である。 ゲートを用いたカオス解析対象の時系列信号の生成を説明するための図である。 図１の装置における処理手順の一例を示す図である。 解析対象範囲の指定操作の一例を説明するための図である。 運動負荷試験にて左心室のエコー受信信号から得られた各時点のアトラクタの様子を示す図である。 相関次元の求め方を説明するための図である。 運動負荷後の時間経過による相関次元の変化を示す図である。 ポアンカレ断面の一例を示す図である。 リターンマップの一例を示す図である。 断層画像の注目画素の画素値の変化をカオス解析対象とする例を説明するための図である。

符号の説明

１０ プローブ、１２ 送信ビームフォーマ、１４ 受信ビームフォーマ、１６ 包絡線検波器、１８ 直交検波器、２０ 輝度信号ゲート、２２ａ，２２ｂ サンプルゲート、２４ａ，２４ｂ 帯域通過フィルタ、２６ Ｂ・Ｍモード信号処理回路、２８ カラードプラ信号演算処理部、３０ ＲＦ信号ゲート、３２ スペクトルドプラ信号演算処理部、３４ ＤＳＣ、３６ 表示装置、４０ 切換器、４２ アトラクタ構築部、４４ 特徴抽出部。

Claims (6)

1. 被計測物体としての生体内に超音波パルスを送波し、生体を透過した超音波又は生体内で反射された超音波を受波する送受波手段と、
   前記超音波パルスの送信ごとに前記送受波手段から出力される受信信号に基づき超音波画像を形成する手段と、
   前記超音波パルスの送信ごとに前記送受波手段から出力される受信信号中から、予め設定された範囲に対応する部分信号を取り出す部分信号抽出手段と、
   前記部分信号に対してカオス解析処理を施すカオス解析手段と、
   前記超音波画像上における前記範囲に対応する位置に前記カオス解析手段の解析結果を重畳表示する手段と、
   を有することを特徴とする超音波計測装置。
2. 前記超音波パルスの送信ごとに取り出された複数の部分信号を連結して時系列信号を生成する連結手段を含み、
   前記カオス解析手段は前記複数の部分信号を連結した時系列信号に対してカオス解析処理を施すことを特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。
3. 前記超音波画像上において前記部分信号を取り出す複数の範囲の指定を受け付けて前記部分信号抽出手段に設定する範囲設定手段を含み、
   前記超音波画像上における前記複数の範囲に対応する複数の位置にカオス解析結果が重畳表示されることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波計測装置。
4. 前記超音波画像上にカオス解析結果の分布が重畳表示されることを特徴とする請求項３
   記載の超音波計測装置。
5. 前記超音波画像はＢモード断層画像であり、
   前記Ｂモード断層画像上に前記カオス解析結果がカラーで重畳表示されることを特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。
6. 前記受信信号として、高周波信号、検波後の輝度信号、又は、ドプラ信号を選択する手段を有することを特徴とする請求項１記載の超音波計測装置。
   

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