JP5753633B2 - 超音波診断装置、及び送受信方法 - Google Patents

Description

本発明は超音波診断装置に係わり、特に、超音波の送受信によって被検体内のせん断波を検出する超音波技術に関するものである。

乳癌や肝硬変、血管障害などの診断方法として、医者の触診の代わりとして、超音波エコー信号から生体等の被検体内部の硬さを診断する方法（エラストグラフィー技術）がある。エラストグラフィー技術による被検体の硬さの診断では、従事者は超音波プローブを被検体表面に押し当てて圧迫し、被検体内部の組織に変位を生じさせる。圧迫による内部の組織の圧縮前後で変位検出用超音波ビームを照射してエコー信号を取得し、取得したエコー信号に基づいて圧縮方向の変位を推定し、変位の空間微分量である歪みを求める。さらに、歪みと応力から硬さに関する値、例えばヤング率が算出される。また、非特許文献１に記載されるように、超音波集束ビームを用いて被検体内部に放射圧を印加することにより、介在層の影響を抑えて対象組織を変位させて、変位検出用超音波ビームを照射してエコー信号を取得し、取得したエコー信号に基づいて生体等の被検体の硬さの診断をするエラストグラフィー技術がある。

Ｊｅｒｅｍｙ Ｊ．Ｄａｈｌ他、"Ａ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｉｍａｇｉｎｇ"、ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、 ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、 ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ、 Ｖｏｌ．５４、Ｎｏ．２、２００７、ｐｐ．３０１―３１２．

上記の超音波プローブを被検体表面に押し当てて圧迫する方法では、撮像対象が、体表からの圧迫が容易なところに存在する臓器に限られるという課題がある。例えば、体表と肝臓の間には、介在層としてすべり面が存在するため、肝臓に十分な変位を生じさせるように圧迫することは困難である。

超音波集束ビームを用いて被検体内部に放射圧を印加する方法は、超音波によって組織を変位させるため、すべり面などの介在層の影響を低減でき、手技依存性が少ない。

いずれの方法においても、圧迫や放射圧の印加により、被検体内にせん断波を生じさせ、せん断波の伝搬に伴う被検体内部の組織の変位を、変位検出用超音波ビームにより検出し、せん段波の速度等が推測され、被検体の硬さ等が推測される。せん断波速度の推定精度は、変位検出用超音波ビームによるせん断波の検出位置が多い程、高くなる。そこで、複数の検出位置で変位を検出するために、複数の検出位置に、変位検出用超音波ビームのパルスを時分割で並列に照射する動作を繰り返す方法（Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｔｒａｃｋｉｎｇ法）が知られている。しかしながら、この方法は、計測位置全体のせん断波計測の時間分解能が、変位検出用超音波ビームのＰＲＴ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ、パルス繰返し周期）によって制限される。すなわち、変位検出用超音波ビームを時分割で並列に照射する検出位置の数を増やすほど、同一の検出位置に変位検出用超音波ビームが照射される周期（時間間隔）は広がり、一カ所当たりの時間分解能が低下する。以上のように、検出位置の増加による空間分解能向上と、せん断波のピーク位置検出の時間分解能にはトレードオフの関係がある。

非特許文献１には、Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ技術を用いて時間分解能を低下させずに複数の検出位置で同時にせん断波を検出するために、せん断波を検出するための超音波ビームのビーム径を大きくして、１カ所に超音波を照射し、その受信波形から複数位置の受信波形を生成する方法も開示されている。この場合、時間分解能を維持することは可能であるが、ビーム径を大きくすることにより、空間分解能が低下するという課題がある。

本発明の目的は、上述したエラストグラフィー技術における課題を解決し、高い時間分解能と空間分解能でせん断波速度の計測が可能な超音波診断装置、および超音波ビームの送受信方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、超音波探触子と、被検体の内部を変位させ、せん断波を発生させる変位生成部と、超音波探触子から、被検体の複数の検出位置に順次第１の超音波ビームを送信して反射信号を受信し、受信した反射信号を用いて、検出位置の変位を検出することにより、せん断波を検出する検出部と、検出部の出力に基づき、せん断波速度を算出し、被検体の硬さ情報を出力する制御部とを備える構成の超音波診断装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、超音波ビームの送受信方法であって、被検体の内部を変位させ、超音波探触子から、被検体の複数の検出位置の一つに第１の超音波ビームを送信して反射信号を受信し、受信した反射信号に基づき、検出位置を切り換え、複数の検出位置の変位によるせん断波速度を検出して被検体の硬さ情報を算出する超音波ビームの送受信方法を提供する。

本発明によれば、高い時間分解能かつ空間分解能でせん断波の計測が可能となる。

実施例１における超音波診断装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。 実施例１に係わる、超音波探触子により超音波集束ビームを焦点Ｆに集束させ、せん断波を発生させる状態を示す説明図である。 実施例１に係わる、超音波のビームフォーミングを説明する図である。 実施例１に係わる、超音波ビーム送受信のシーケンスを説明する図である。 実施例１に係わる、各検出位置におけるせん断波の伝搬による変位の時間変化波形を示すグラフである。 実施例１に係わる、せん断波の変位がピークとなる時刻と検出位置との関係を示すグラフである。 従来の検出位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３におけるせん断波の検出タイミングのシーケンスを説明する図である。 実施例１に係わる、検出位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３におけるせん断波の検出タイミングのシーケンスを説明する図である。 実施例１、２に係わる、せん断波検出の動作を示すフローチャートである。 実施例１において、表示部５の硬さ計測結果の表示画面の例を示す説明図である。 実施例１の応用例に係わる、検出位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３におけるせん断波の検出タイミングのシーケンスを説明する図である。 実施例１に係わる、各検出位置におけるせん断波の粒子速度の時間変化波形を示すグラフである。 実施例１に係わる、各検出位置におけるせん断波の粒子速度の時間変化波形の別の例を示すグラフである。 実施例１に係わる、減衰比が１または１より小さい場合のせん断波の変位の時間波形と、閾値ＴＨとの関係を説明する図である。 実施例１に係わる、減衰比が１より大きい場合のせん断波の変位の時間波形と、閾値ＴＨ，−ＴＨとの関係を説明する図である。 実施例２に係わる、検出位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３におけるせん断波の検出タイミングのシーケンスを説明する図である。 実施例２に係わる、せん断波の相関関数の一例を説明する図である。 実施例２に係わる、せん断波の相関関数の一例を説明する図である。 実施例３に係わる、境界がある場合のせん断波の伝搬方向について説明する図である。 実施例３に係わる、検出位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３におけるせん断波の検出タイミングのシーケンスを説明する図である。 実施例３に係わる、せん断波検出の動作を示すフローチャートである。 実施例３に係わる、表示部５の計測結果の表示画面の例を示す説明図である。 実施例３に係わる、せん断波の変位（振幅）の減数特性の一例（境界がない場合）を説明する図である。 実施例３に係わる、せん断波振幅の減数特性の他の例（境界がある場合）を説明する図である。 実施例４に係わる、機械駆動源を用いてせん断波を発生する超音波診断装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。

以下、図面に従い、本発明の種々の実施の形態を説明する。まず、実施例１〜３に共通の超音波診断装置の構成例を説明する。本実施形態の超音波診断装置は、被検体組織にせん断波を生じさせ、せん断波の伝搬により生じる被検体組織の変位を、複数の検出位置で検出し、例えば、せん断波速度を推定する。せん断波速度は、検出位置とせん断波の到来時刻との線形近似によって算出、推定される。また、せん断波の到来時刻は、例えば、せん断波の時間波形のピーク値を検出することによって推定される。

図１に実施例１〜３に係わる超音波診断装置の一例の全体構成を示す。超音波診断装置は、生体等の被検体に向かって超音波ビームの送受信をする超音波探触子１、超音波探触子１に接続された送受切替スイッチ２、被検体内に変位を生じさせる変位生成部１０、被検体内に生じた変位を検出する検出部２０、および、変位生成部１０と検出部２０を制御するための制御部３を備えている。更には、超音波診断装置は、検出部２０の出力が入力されるデジタルスキャンコンバータ４、その出力を表示する表示部５、制御部３に接続され、後で説明する各種の入力がなされる入力部６とを備える。変位生成部１０は、後で説明するように変位生成用送波波形生成部１１、焦点位置設定部１２、変位生成用送波ビーム生成部１３、および、ビーム周波数設定部１４を含む。検出部２０は、変位検出用送波波形生成部２１、変位検出用送波ビーム生成部２２、変位検出用受波ビーム演算部２３、および、検波部２５を含んでいる。なお、本明細書において、変位検出用超音波ビームを第１の超音波ビームと呼び、変位生成用超音波ビームを第２の超音波ビームと呼ぶ場合がある。

制御部２９は、検出部２５の出力を受け、その波形解析をおこなう波形解析部２６、および、波形解析部２６の出力を受け、被検体の硬さ情報を算出する硬さ情報算出部２８を含む。また、制御部２９には、波形解析部２６と、情報算出部２８と、変位生成部１０と、検出部２０とを制御する中央制御部２９を含んでいる。超音波探触子１は、送受切替スイッチ２を介して、変位生成用送波ビーム生成部１３、変位検出用送波ビーム生成部２２、および、変位検出用受波ビーム演算部２３に接続されている。図１において、白抜き矢印はその接続関係を示したものである。

まず、図１の超音波診断装置の変位生成部１０について説明する。変位生成部１０内の変位生成用送波ビーム生成部１３は、中央制御部２９の制御下で、変位生成用送波波形生成部１１で作られた波形を用いて、焦点位置設定部１２で設定された位置に超音波ビームが集束するように、遅延時間や重みを与えた超音波探触子１の素子毎の送波信号を生成する。変位生成用送波ビーム生成部１３からの送波信号は、超音波探触子１において超音波信号に変換され、生体等の被検体に向かって照射される。これにより、変位生成用超音波ビームである第２の超音波ビームが照射される。変位生成用超音波ビームの照射開始時間と終了時間はビーム周波数設定部１４で設定される。ここで、ビーム周波数とは、変位生成用超音波ビームの照射の繰り返し周波数のことを示している。

次に、図１の検出部２０について説明する。変位生成用送波ビーム生成部１３からの電気信号（送波信号）に基づく変位生成用超音波ビームの照射後、被検体内組織の変位を検出するための第１の超音波ビームである変位検出用超音波ビームが、超音波探触子１から照射される。変位生成用送波ビーム生成部１３と同様に、変位検出用送波ビーム生成部２２は、中央制御部２９の制御下で、変位検出用送波波形生成部２１で作られた波形を用いて、所望の位置に変位検出用超音波ビームが集束するように、遅延時間や重みを与えた超音波探触子１の素子毎の送波信号を生成する。

被検体内で反射して超音波探触子１に戻ってきた反射信号であるエコー信号は、超音波探触子１において電気信号に変換され、送受切替スイッチ２経由で変位検出用受波ビーム演算部２３に送られる。変位検出用受波ビーム演算部２３の出力は、検波部２５において、包絡線検波、ｌｏｇ圧縮、バンドパスフィルタ処理およびゲインコントロールなどの信号処理の後、制御部３内の波形解析部２６に、せん断波の伝搬に伴う被検体組織の変化を示す信号として出力される。波形解析部２６では、入力された信号に基づき、せん断波による被検体組織の変位を求める演算や、せん断波に関する解析を行う。せん断波に関する解析としては、例えばせん断波の時間波形のピーク値を検出し、ピークとなる時刻が算出する演算を行う。

波形解析部２６の出力は、中央制御部２９を経由して検出部２０の変位検出用送波ビーム生成部２２に送られ、せん断波の検出位置や検出時刻の設定に用いられる。すなわち、本実施例の超音波診断装置にあっては、検出部２０の出力に基づき、複数の検出位置のうち変位検出用超音波ビーム（第１の超音波ビーム）が照射される検出位置を切り換えるよう制御する。また、検出部２０の出力に基づき、複数の検出位置の検出時刻を制御する。

また、波形解析部２６の出力信号として、検出位置と解析結果が硬さ情報算出部２８に送られる。この解析結果は、例えば、せん断波による被検体組織の変位のピークとなる時刻を示す信号である。硬さ情報算出部２８では、入力された信号から被検体組織の硬さ情報を表す、せん断波速度およびヤング率等を算出して出力する。硬さ情報算出部２８から出力された硬さ情報を示す信号は、スキャンコンバータ４において画像信号に変換され、表示部５において、硬さ情報を示す数値や画像として表示される。

なお、図１に示すブロックの一部である中央制御部２９、波形解析部２６、および、硬さ情報算出部２８等は、例えば、中央処理部（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）と、プログラムやデータを記憶するメモリ等とを含む通常のコンピュータが、ＣＰＵにおいてプログラムを実行することにより実現することができる。このプログラムは、当該コンピュータ構成のメモリ等に記憶される。あるいは、波形解析部２６、硬さ情報算出部２８の少なくとも一方を専用のハードウェアで構成することも可能である。

実施例１は、被検体内のせん断波を測定する複数の検出位置における検出時刻を切替え、せん断波の速度を求め、被検体の硬さ情報を推定することが可能な超音波診断装置の実施例である。なお、以下の説明においては、被検体の硬さ情報として、せん断波速度を求める場合を例に説明するが、これに限定するものでなく、ヤング率等の他の硬さ情報であっても良い。

本実施例の超音波診断装置は、図１に示すように、超音波探触子１と、被検体の内部を変位させる変位生成部１０と、超音波探触子１から被検体の複数の検出位置に順次第１の超音波ビームを送信して反射信号を受信し、受信した反射信号を用いて検出位置における被検体組織の変位を検出することにより、せん断波の伝搬を検出する検出部２０と、検出部２０の出力に基づきせん断波速度を算出し、せん断波速度を被検体の硬さ情報として出力する制御部３とを備える。また、本実施例の超音波ビームの送受信方法は、被検体の内部を変位させ、超音波探触子から、被検体の複数の検出位置の一つに第１の超音波ビームを送信してエコー信号（反射信号）を受信し、受信した反射信号に基づき、検出位置を切り換え、複数の検出位置の変位によるせん断波速度を検出して被検体の硬さ情報を算出する超音波ビームの送受信方法の実施例である。

変位生成部１０は、第１の超音波ビーム（変位検出用超音波ビーム）の照射の前に、第２の超音波ビームである変位生成用超音波ビームを放射して被検体組織を変位させ、せん断波を発生させる。検出部２０が、せん断波の検出のために第１の超音波ビームを照射する検出位置および検出時刻の切り換えは、複数の検出位置各々への第１の超音波ビームの送信時間を切替えることにより実現される。

図２に示すように、本実施例の超音波診断装置は、超音波探触子１の各素子１００から送出される超音波集束ビーム（変位生成用超音波ビーム＝第２の超音波ビーム）を用いて被検体内部に放射圧を印加する方法を用いる装置である。リニアアレイ型の超音波探触子１を被検体である生体の体表面に接触させ、変位生成部１０の変位生成用送波ビーム生成部１３の出力に基づき、体内の所望の断層面に、超音波探触子１から照射される第２の超音波ビーム（変位生成用超音波ビーム）を焦点に集束させる場合について以下説明する。ここでは、所望の断層面内において、変位生成用超音波ビームの伝搬方向は体表に対して垂直な方向とする。図２において、白抜き矢印で示すのがせん断波伝搬方向、実線矢印が変位の方向である。

変位生成用超音波ビームのビームフォーミングは、図３の上段に示すように、超音波ビームを集束させる焦点と超音波探触子１の各素子１００との位置の間の距離を求め、素子１００間での距離差を対象物の音速で割って算出した時間を、遅延時間として素子１００毎の送波信号に与えることにより実現する。焦点に集束ビームが照射されると、伝搬に伴う超音波の吸収や散乱に応じて放射圧が生じる。通常、焦点において放射圧が最大となり、焦点領域の生体組織に変位が生じる。この放射圧の生成によって、図２に示すように、集束点を起点として被検体表面と平行方向にせん断波が発生する。また、集束ビームの照射が止められると、変位量が緩和される。なお、図３の下段は、超音波探触子１の素子１００への駆動パルスの遅延時間を制御することにより、焦点位置の変更を行った場合を図示している。なお、変位検出用超音波ビームについても、変位生成用超音波ビームと同様に、各素子１００に供給する送波時間の遅延時間を制御することにより、焦点位置を変更することができる。これにより、変位検出量超音波ビームが照射される検出位置を変更することができる。

次に、図４を用いて、本実施例の超音波診断装置の超音波ビームの送受波方法について説明する。図４は、本実施例の超音波診断装置の第２の超音波ビームである変位生成用送波ビーム７、第１の超音波ビームである変位検出用送波ビーム８、変位検出用受波ビーム９の照射／受信シーケンスを模式的に示す。図４において、縦軸の１をＯＮ、０をオフと呼ぶ。変位生成用送波ビーム７および変位検出用送波ビーム８は、ＯＮのときに、それぞれ焦点Ｆおよび検出位置に照射される。一方、変位検出用受波ビーム９をＯＮにするとは、送受波切替スイッチ２により、変位検出用送波ビーム生成部２２と超音波探触子１との接続を切り離し、変位検出用受波ビーム演算部２３と超音波探触子１との接続を行い、エコー信号（反射信号）である受波信号の取得し、ビームフォーミングのための整相加算演算を行うことである。ＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、送受切替スイッチ２を例えば電圧の振幅値で制御することによって行う。図４のように、まず、変位検出用送波ビーム８、変位検出用受信ビーム９の順にＯＮし、せん断波による被検体組織の変位およびせん断波速度を検出する際の演算に使用する参照信号を得る。

参照信号を得た後、図２の焦点Ｆに第２の超音波ビームである変位生成用送波ビーム７を照射し、被検体組織にせん断波を発生させる。このとき、変位生成用送波ビーム７の照射（ＯＮ）および非照射（ＯＦＦ）を所定の周波数ＰＲＦｐで繰り返す。周波数ＰＲＦpの値は、変位生成部１０のビーム周波数設定部１４で設定する。これにより、変位生成用送波ビーム７のＯＮとＯＦＦの周波数ＰＲＦpを制御して、測定することができる。前記変位生成用送波ビーム７の送信周波数（繰り返し周波数であるＰＲＦｐではなく、送波ビーム自体の周波数）は、超音波探触子１にて高感度な送受信が実現する中心周波数付近で実施する。

図４では、一例として変位生成用送波ビーム７の照射（ＯＮ）の回数を３回としているが、照射回数は、３回には限られない。照射回数が多い方が、被検体組織の変位は大きくなる。変位生成用送波ビーム７の照射後、せん断波による被検体組織の変位を検出位置で検出するため、変位検出用送波ビーム８と変位検出用受波ビーム９が順にＯＮとなる。変位検出用送受波ビームによって得られた信号には、検出部２０の検波部２５においてバンドパスフィルタ等の信号処理および演算処理が行われ、ＰＲＦｐに相当する信号がせん断波に関する信号として抽出され、出力される。

検出位置における変位検出の演算は、波形解析部２６において、先に得た参照信号と変位検出用送受波ビームによって得られた信号とを用いて行われる。波形解析部２６で実行される変位検出の演算には、周知技術である相関演算、位相検波などが用いられる。変位検出用送受波ビームを、繰り返し周波数ＰＲＦｄで繰り返しＯＮとし、せん断波による変位の時間波形を検出する。ＰＲＦｄは、せん断波の周期Ｔに対して十分に測定できるサンプリング間隔、例えば（１／１０）×Ｔとする。このＰＲＦｄは、検出部２０の変位検出用送波波形生成部２１で設定する。

本実施例においては、変位の検出位置は、被検体表面と平行方向なせん断波の伝搬方向に沿っており、かつ、等間隔に並ぶ複数位置ｘ１、ｘ２、ｘ３とする。ここで、図２の焦点Ｆの位置をｘ＝０とし、ｘ１＜ｘ２＜ｘ３とする。図５Ａに変位の検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３におけるせん断波変位（＝せん断波の伝搬による被検体組織の変位の振幅値）の時間波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の例を示す。図５Ａでは、せん断波速度は３ｍ／ｓ、ｘ１＝１．２ｍｍ、ｘ２＝２．５ｍｍ、ｘ３＝３．８ｍｍの場合の測定値を示している。図５Ａから、検出位置が焦点から遠くなるほど、せん断波の変位がピークとなる時刻が遅くなることがわかる。そして、制御部３の硬さ情報算出部２８は、波形解析部２６の出力に基づき、図５Ｂに示すようにピークとなる時刻と検出位置とのグラフで、ピークとなる時刻とせん断波の検出位置との線形近似した近似直線５０の傾きを算出することによって、硬さを表わすパラメータであるせん断波速度を算出する。

なお、後で説明するように、ここでのピーク値やゼロクロス値を用いて算出されるせん断波速度は、群速度である。すなわち、本実施例における制御部３は、せん断波のピーク値、もしくは、ゼロクロス値に基づき、せん断波の群速度を算出し、この群速度に基づき被検体の硬さ情報を算出する。後で説明するように、せん断波のスペクトル値に基づき、せん断波の位相速度および粘性を算出し、この位相速度および粘性に基づき前記硬さ情報を算出することもできる。術者は、入力部６により、求める硬さ情報として、せん断波の群速度、せん断波の位相速度および粘性を設定（選択）することが可能である。

図６を用いて、従来の、複数の検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３のせん断波による変位を同時に検出する技術（Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ技術）を説明する。この技術は、複数の検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３に変位検出用超音波ビームを時分割して並列に照射する動作を全計測期間において繰り返すことにより、複数の検出位置の変位を同時に全計測期間において検出する。すなわち、各検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ１、ｘ２、ｘ３・・・・の順に変位検出用超音波ビームを照射する動作を計測時間中繰り返す。図６中の縦軸は検出位置とその検出位置における変位を示し、横軸は計測時間を示す。点線は、時間方向のせん断波の検出ライン（変位検出用超音波ビームの照射タイミング）を示す。また、図６において、せん断波Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を示す曲線は、検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３にそれぞれ到来するせん断波の波形（変位）を示す。したがって、図６に示す、検出ラインとせん断波Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の曲線が交差する位置であり、全計測期間においてせん断波の変位量が検出されていることがわかる。図６に示すとおり、各検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３において、等時間間隔ＰＲＴ'でせん断波の変位を検出している。

せん断波変位検出の時間分解能について説明する。せん断の変位検出の時間分解能は、変位検出用超音波ビームのＰＲＴ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ、パルス繰返し周期）によって制限される。すなわち、変位検出用超音波ビームのＰＲＴよりも細かい周期では、せん断波の変位は検出できないため、最小時間分解能は、ＰＲＴとなる。図４に示すように、変位検出用超音波ビームのＰＲＴは、１／ＰＲＦｄであり、せん断波の検出位置が一カ所のみの場合は、その検出位置にＰＲＴにより変位検出用超音波ビームを照射できるため、最小時間分解能はＰＲＴに等しい。しかしながら、図６に示すように、３つの検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３に並列に変位検出用超音波ビームを照射する場合には、検出位置は３カ所あるため、一つの検出位置に変位検出用超音波ビームが照射可能な周期は、ＰＲＴの３倍になる。したがって、各検出位置における最小時間分解能ＰＲＴ’はＰＲＴ＊３となる。

次に、図７を用いて、本実施例における複数の検出位置におけるせん断の検出シーケンスについて説明する。本実施例の超音波診断装置においては、複数の検出位置にせん断波の到来する時刻に差があることを利用し、検出位置ごとに計測期間を割り当て、一つの計測期間においては、一つの検出位置についてのみせん断波を検出する。せん断波を計測する検出位置の切り替えは、波形解析部２６の出力に基づいて行うように制御する。具体的には、まず、検出位置ｘ１のみに第１の超音波ビームである変位検出用超音波ビームを照射可能な最小の周期（ＰＲＴ）で送出し、検出位置ｘ１におけるせん断波Ｗ１の変位を検出する（検出位置ｘ１の計測期間）。このとき、他の検出位置ｘ２とｘ３では検出を行わない。検出位置ｘ１でせん断波Ｗ１の変位の時間波形のピーク値が検出されると、検出位置ｘ１での検出を終了し、同時に、検出位置ｘ２に第１の超音波ビームである変位検出用超音波ビームを、照射可能な最小の周期（ＰＲＴ）で送出し、検出位置ｘ２におけるせん断波Ｗ２の検出を行う（検出位置ｘ２の計測期間）。同様に検出位置ｘ２において、せん断波Ｗ２の変位のピーク値が検出されると、検出位置ｘ２でのせん断波検出を終了し、同時に検出位置ｘ３に第１の超音波ビームである変位検出用超音波ビームを、照射可能な最小の周期（ＰＲＴ）で送出し、検出位置ｘ３におけるせん断波Ｗ３の検出を行う（検出位置ｘ３の計測期間）。検出位置ｘ３において、せん断波Ｗ３のピーク値が検出されると、せん断波Ｗ３の検出は終了する。

本実施例におけるせん断波の変位のピーク値の検出は、例えば、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ハイパスフィルタ）等の既存技術を用いて、制御部３の波形解析部２６、例えばＣＰＵで検出される。上記の説明では、検出位置の数は３つとしているが、検出位置の数はこれに限らない。

本実施例の複数の検出位置におけるせん断の検出シーケンスは、複数の検出位置にそれぞれせん断波の到来する時刻に差があることを利用し、一つの検出位置でせん断波の変位のピークが検出されるまで、その検出位置のみに変位検出用超音波ビームを照射し続けるように制御するため、せん断の変位検出の時間分解能ＰＲＴ’はＰＲＴに等しい。そして、ピークが検出されたタイミングで次の検出位置に、変位検出用超音波ビームの照射位置を移動させることにより、各検出位置でせん断波の変位のピークを検出することができる。したがって、複数の検出位置でのせん断波の検出を可能にしながら、せん断波検出の時間分解能を低下させることなく、また空間分解能も低下させることなく、複数位置で検出したせん断波変位からせん断波速度を求めることができ、硬さ情報の算出が可能となる。

次に、図８を用いて実施例１の超音波診断装置の制御部３の波形解析部２６、硬さ情報算出部２８、中央制御部２９における、せん断波速度算出の処理フローについて説明する。まず、図８のフローチャートにおいて、ステップＳ００で計測を開始する。ここでは、表示部５に表示される断層像、例えばＢモード像やストレイン画像を見て、術者が固さを測定する範囲（ＲＯＩ：Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を設定し、表示部５の表示画面上のＧＵＩ（Graphical User Interface）中の開始スイッチ、或いは入力部６の開始スイッチを押す。範囲の設定は例えば、表示部５の表示画面や、トラックボール、マウス、キーボード、タッチパネルなどの入力部６を介して決定してもよいし、また、制御部３が図示しない記憶装置であるメモリ等から肝臓や乳腺等の測定部位に応じた位置を読み出し、決定してもよい。開始スイッチは超音波診断装置の入力部６であるパネル上に配置されている。検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３・・・ｘｎは、術者が設定したＲＯＩ内に設定される。検出位置の間隔等、検出位置の具体的な位置は、制御部３が自動で設定することも可能であるし、入力部６から術者が設定することも可能である。

次に、ステップＳ１０において、図７に示した検出位置ｘ１でのせん断波Ｗ１の検出を開始する。変位検出用送波ビーム生成部２２において、検出位置ｘ１の位置に第１の超音波ビームである変位検出用超音波ビームをＰＲＴの時間間隔で照射し、変位検出用受波ビーム演算部２３が被検体からの反射波を受波し、検波部２５を介して波形解析部２６で変位計算およびピーク検出が行われる。

図８のステップＳ１２において、検出位置ｘ１でせん断波Ｗ１のピーク値を検出するまで、検出位置ｘ１での変位検出用ビームの送受信は継続する。本実施例の構成にあっては、制御部３の波形解析部２６でせん断波のピーク値が検出されると、波形解析部２６から変位検出用超音波ビーム生成部２２に直接、或いは中央制御部２９経由で、次の変位の検出位置をｘ２に設定するための信号が出力される。

すなわち、本実施例の装置によれば、制御部３の波形解析部２６からの信号で、検出部２０の変位検出用送波ビーム生成部２２は、複数の検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３・・・の各々に変位検出用超音波ビームを送信する検出時刻を切替える、言い換えるなら検出部２０の出力に従い、変位を検出する検出位置を動的に切替えることが可能となる。また、図７に示す第一の検出位置ｘ１とピーク値となった時刻Ｔ１が、中央制御部２９により図示しないメモリに記録される。検出部２０は、第一の検出位置におけるせん断波の解析結果に応じて、第二の検出位置ｘ２に変位検出用超音波ビームを送信する時刻、すなわち、第二の検出位置ｘ２に動的に切替える時刻を設定可能である。

次に、ステップＳ２０において、ステップＳ１０と同様に、検出位置ｘ２でせん断波の検出が開始される。また、ステップＳ２２において、ステップＳ１２と同様の処理が、検出位置ｘ２で検出されたせん断波Ｗ２に対して実行される。検出位置ｘ２でピーク値が検出された場合、検出位置ｘ２とピーク値となった時刻Ｔ２が制御部３を介して、図示しないメモリに記録される。硬さ情報算出部２８におけるせん断波速度の算出には、図５Ｂから明らかなように、少なくとも２カ所の検出位置とピーク値となる時刻が必要である。２カ所で計測を終了する場合には、ステップＳ５０において、せん断波速度の算出を行う。せん断波速度の算出は、波形解析部２６で得られたピーク時刻と検出位置を使って、硬さ情報算出部２８で行う。硬さ情報算出部２８で算出する値は、せん断波速度の他、せん断粘性、ヤング率、せん断波弾性係数等の硬さ情報である。硬さ情報算出部２８における、せん断波速度などの硬さ情報の算出が終了すると、ステップＳ６０において、計測が終了し、表示部５に硬さ情報に関する値や画像が表示される。

硬さ情報であるせん断波速度の算出を高精度に行うには、検出位置の数を増やして計測を行う。この場合には、検出位置ｘ２におけるピーク値を検出した後、ステップＳ２４において、次の検出位置が指定される。ここでは、波形解析部２６において、検出番号であるｎ＝３に相当する、検出位置ｘｎ（ｎ＝３）を変位検出用送波ビーム生成部２２に出力することを意味する。ステップＳ３０では、変位検出用送波ビーム生成部２２から送出する変位検出用超音波ビームによる検出位置を動的に切り換えて、検出位置ｘ３でのせん断波Ｗ３のピークの検出を開始する。ステップＳ４０において、検出位置ｘ３でピークを検出できない、もしくは、ｘ３が計測可能な位置の限界に達した場合には、ステップＳ５０においてせん断波速度の推定が行われ、ステップＳ６０において計測が終了する。

なお、ここでピークを検出できないとは、波形解析部２６において相関演算して得られた位相や変位量が、脈波などの影響によるノイズを下回る場合を意味する。また、計測可能な位置の限界とは、超音波探触子１で生成させる変位検出用ビームの位置であるか、もしくは、予め指定された位置である。位置の指定は、入力部６を介して術者が入力するか、もしくは、制御部３の中央制御部２９が図示しないメモリから読みだして行う。ステップＳ４０において、検出位置ｘ３でピークを検出できない、もしくは、ｘ３が計測可能な位置の限界に達した場合のいずれにも該当しない場合には、ステップＳ３２において、波形解析部２６により図５Ｂに示した近似直線５０等を用いて次の検出位置ｘｎ（ｎ＝ｎ＋１）が指定され、ステップＳ３０において、検出位置ｘｎでのせん断波の検出が開始される。

図９に、本実施例の装置の硬さ情報算出部２８で計測され、表示部５に出力される硬さ計測結果の表示画面の例を示す。表示部５は、硬さ情報を表示する。また、表示部５は、硬さ情報の信頼度を表示可能であり、この信頼度として、標準偏差、或いは２つ以上のせん断波の波形の相関関数等を表示可能である。更に、表示部５には、第１の超音波ビームのパルス繰返し周期（ＰＲＴ）もしくはパルス繰返し周波数（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、パルス繰返し周波数）を表示可能である。

図９は、リニアアレイ型探触子でせん断波を検出した場合の、せん断波のピーク位置５１と波面５２を示している。表示部５には、併せてＲＯＩ内で推定されたせん断波速度の値や、その値の信頼度を示す標準偏差等の値が表示される。また、図９の表示画面の右側には、ピーク位置と検出位置との関係を示すグラフが表示される。この図９より、正しく計測が行えているか、術者が目で見て確認することが可能になる。また、表示部５の表示画面には、せん断波計測の時間分解能である実効的なＰＲＴ、もしくは、ＰＲＴの逆数であるＰＲＦを表示してもよい。複数回計測した結果を元にせん断波速度の違いをカラー値で表わし、カラーマッピング表示してもよい。この場合、図１に示す超音波診断装置の構成にカラースケーリング機能を追加すれば良い。

図９に示すように、本実施例における表示部５の表示画面には、制御部３が算出して出力する被検体の硬さ情報であるせん断波速度、その信頼度を示す標準偏差、ＰＲＴ、ＰＲＦ、Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ法を適用の有無（ＯＮ、ＯＦＦ）、せん断波の波面５２、せん断波のピーク位置５１等を表示することにより、利用者の便宜を図ることができる。

続いて、本実施例の超音波診断装置における、検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３・・・ｘｎの間隔の設定方法について説明する。本実施例の装置においては、制御部３は、検出位置の間隔を設定可能である。また、検出位置の間隔を入力部６から術者が設定可能である。例えば、この検出位置の間隔は、せん断波の波長をλとすると、１／２λ〜λの値とする。ただし、波長は計測対象部位で想定されるせん断波速度と変位生成用集束ビームの照射時間情報から決定される。例えば、肝臓の計測を行う場合、肝臓のせん断波速度はおよそ１〜５ｍ／ｓである。集束ビームの照射時間を０．５ｍｓとすると、集束ビームの周期は２×０．５＝１ｍｓとなる。このとき、波長はせん断波速度と周期との積で計算でき、１〜５ｍｍ程度である。したがって、制御部３は、せん断波の検出位置の間隔を、０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲で設定する。

また、上述の通り、この検出位置の間隔は、術者が入力部として機能可能な表示部５や、入力部６を介して入力してもよい。すなわち、図１に示した表示部５、入力部６は、検出位置の間隔を設定可能である。この場合、術者は、計測結果を踏まえてマニュアルで検出位置の間隔をフレキシブルで変更することが可能になる。もしくは、自動で検出位置の間隔を設定してもよい。この場合、検出位置の間隔の設定は、制御部３の波形解析部２６である処理部が行う。検出位置の間隔を変更して硬さを計測し、変更した検出位置の間隔に対する硬さの平均値や分散値等を表示部５に表示するようにしてもよい。

続いて、図１０を用いて、本実施例の変形例について説明する。本変形例は、第一の検出位置における検出部２の出力であるせん断波の検出結果に基づき、第二の検出位置に第１の超音波ビームを送信する時刻を設定する。先に説明した図７では、検出位置ｘ１でピークを検出すると同時に検出位置ｘ２で検出を開始した。図１０では、検出位置ｘ１とピークとなる時刻Ｔ１、および、変位生成用集束ビームの照射時間情報を基に、検出位置ｘ２においてピークとなる時刻Ｔ２を予測する。ここで、照射時間情報は、照射開始時刻、照射時間、または、照射終了時刻である。そして、検出位置ｘ２に対し、ｔ＝Ｔ２―Ｎ×ＰＲＴ（Ｎは任意の正の整数）から変位検出を開始する。この変形例では、せん断波の検出ラインを少なくすることができるため、計算処理コストを低減することが可能である。

以上説明した実施例１では、せん断波の変位の波形のピーク値を検出する方法について説明したが、変位の他、粒子速度、粒子加速度、位相、位相速度を用いてもよい。図１１Ａ、図１１Ｂに、図５Ａに示したせん断波の粒子速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、すなわち、せん断波の変位／ＰＲＴを示している。ただし、粒子速度は、計測したい値であるせん断波の伝搬速度とは異なることに注意する。粒子速度の場合には、検出位置１カ所あたり、正のピーク、負のピーク、およびゼロクロス値の３つのパラメータが存在する。これらのパラメータのうち、１つもしくは複数のパラメータを用いてせん断波速度としてせん断波の群速度の推定が可能である。

図１１Ａに、せん断波の粒子速度波形Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４において、正のピークとなる時刻Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４を示している。また、図１１Ｂに、ゼロクロスとなる時刻Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４を示している。粒子速度を用いる場合の利点は、正のピークを検出した場合には、変位からピークを検出した場合に比べて、検出できる数が多くなることである。また、せん断波の波形がより急峻になるため、体動などによる変動に対してロバストにピークの検出が可能である。

なお、粒子速度や粒子加速度は、せん断波の時間波形に対する信号処理において周知の技術である、傾きや輪郭を検出するフィルタ、例えば、グラディエントフィルタ処理、ラプラシアンフィルタ処理などを用いて検出してもよい。

このように粒子速度や粒子加速度を用いてせん断波を検出する場合には、図８の計測フローにおいて検出する値は、ピーク値の他、ゼロクロス値等を用いることも可能である。

以上説明した、実施例１の超音波診断装置によれば、高い時間分解能かつ空間分解能でせん断波の計測が可能である。これにより、高精度なせん断波速度の推定および硬さの評価が実現可能である。また、各計測位置において、せん断波の検出に必要な時間を最小限に抑えられるので計算コストを下げることができる。更に、任意の一カ所の計測位置において観測されるせん断波の波形から、次の検出位置や時刻を決定することができるため、一カ所あたりのＰＲＴを最大にすることができる。

次に、第２の実施例を説明する。実施例２は、せん断波の周波数依存性を評価することが可能な超音波診断装置の実施例である。なお、実施例２の超音波診断装置の構成は図１に示す実施例１の装置構成と同様である。

実施例１では、せん断波のピークの位置とピークとなる時刻のみを用いて硬さ情報を測定した。その場合に得られるせん断波速度は、群速度に関する値である。一方で、硬さ情報の周波数依存パラメータとして粘性がある。ここでいう周波数とはせん断波の周波数を意味する。一般的に生体組織は粘性を持つため、せん断波速度は周波数依存性を持つ。せん断波速度の周波数依存性を評価するには、せん断波の波形全体を検出し、スペクトル解析してスペクトル値を算出する。スペクトル解析を行うためには、周知技術であるＦＦＴ解析等を用いる。本実施例の検出部２０は、このせん断波のスペクトル値に基づき、せん断波の位相速度および粘性を算出し、位相速度および粘性に基づき被検体の硬さ情報を推定することができる。

更に、せん断波の時間応答は減衰比（Ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ）によって異なる。図１２Ａ、図１２Ｂに、減衰比の違いによるせん断波の時間波形を示す。図１２Ａは、減衰比が＜１もしくは１の場合、図１２Ｂは減衰比が＞１の場合の時間応答波形である。

図１３に実施例２における、せん断波の検出シーケンスを示す。この検出シーケンスも実施例１と同様、波形解析部２６、硬さ情報算出部２８、中央制御部２９を構成するＣＰＵのプログラム処理によって実現することができる。各検出位置ｘ１、ｘ２、ｘ３において、せん断波Ｗ３１、Ｗ３２、Ｗ３３のピーク値が検出された時刻Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ３３の後も波形全体の計測が終了するまで変位の計測を続ける。波形全体の計測が終了したあとに計測位置を変更する。図１２Ａ、１２Ｂに示すように、波形全体の終了時刻は、変位の絶対値が任意の閾値±ＴＨの絶対値｜ＴＨ｜より小さくなった時刻とする。変位が正のとき閾値は正であり、変位が負のとき閾値は負である。この閾値としては、例えば、検出可能な最小変位量、約０．０５μｍを用いる。

図１２Ａの波形の場合、せん断波の変位は、時刻Ｔｔｈ（１）において閾値ＴＨより大きい値となり、その後、時間経過ともに変位は上昇し、最大値となった後に減衰し、時刻Ｔｔｈ（２）において閾値ＴＨより小さくなる。このとき、時刻Ｔｔｈ（２）を計測終了時刻とする。

また、図１２Ｂの波形の場合、減衰比が１以上であり、変位は時間の経過に伴って正と負を繰り返す。この場合、計測終了の候補となる時刻は、時刻Ｔｔｈ（２）、Ｔｔｈ（４）、Ｔｔｈ（６）である。群速度を計測したい場合には、終了時刻は、候補となる時刻のうち、最も早い時刻を用いる。一方、周波数成分も含めて計測を行う場合には、波形全体が計測対象となるため、最も遅い時刻Ｔｔｈ（６）を用いる。このとき、最も遅い時刻Ｔｔｈ（６）は、その時刻Ｔｔｈ（６）から時刻ΔＴｔｈ（＝Ｔｔｈ（６）−Ｔｔｈ（５））と同じ時間が経過しても変位の絶対値が閾値の絶対値より大きくならない時刻に決定される。

なお、図１２Ａ、１２Ｂの変位の正負が逆の場合も、同様に終了時刻を決定することが可能である。計測する対象が粒子速度、粒子加速度、位相、位相速度の場合には、設定する閾値は計測するパラメータに合わせて変更する。

一方、図１３に示すように、せん断波の波形全体を計測するためには、２つの検出位置で同時に計測を行う時間帯（ＴＤ２、ＴＤ３）が存在する場合がある。すなわち、２つの検出位置の計測期間が重なる時間帯がある。その場合、２つの検出位置について同時に検出している時間帯（ＴＤ２、ＴＤ３）のみ、周知技術であるＰａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ法（非特許文献１参照）を適用する。このとき、ＰＲＴ’はＰＲＴ＊２となる。その他の計測時間帯においては、実施例１と同様にＰＲＴ’＝ＰＲＴで計測をする。なお、図１３のように特定の計測時間帯（Ｄ２、Ｄ３）についてのみ２つの検出位置についてＰａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ法を適用する本実施例は、従来の全計測時間帯に全検出位置にＰａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ法を適用する方法に比べ、ＰＲＴの低下を最小限に抑えることができる。また、せん断波の検出位置の間隔を広げることによって、複数の位置で同時に検出するのを防ぐことも可能であり、この場合には、Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ法を適用する時間帯が生じるのを避けることができる。検出位置の間隔は、実施例１で記述したように、術者が入力部６を使ってマニュアルで変更してもよいし、装置が自動的に設定してもよい。

実施例２におけるせん断波の計測フローは図８に示した実施例１の計測フローと同様である。ただし、図８のステップＳ１２、Ｓ２２、Ｓ４０において、各検出値で計測を終了する時刻が、変位量の絶対値が閾値ＴＨを下回った場合となる。また、ステップＳ５０では、せん断波のスペクトル解析が行われて、せん断波速度の周波数特性やせん断粘性等の粘性パラメータが推定される。

実施例２の変形として、１回目は、実施例１の方法で群速度を計測し、２回目は粘性パラメータを計測する計測方法を行うことも可能である。この場合、ステップＳ６０で表示部５に表示される値は、実施例１で記載した値の他、せん断粘性等の粘性パラメータである。また、せん断波速度と周波数との関係を示すグラフを表示してもよい。また、Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇを適用した場合には、表示部５の図９の表示例にＰａｒａｌｌｅｌ：ＯＮと表示することが可能であり、術者がせん断波の検出手法を視覚的に確認することができる。

更に、被検体である生体内の組織の硬さ情報の計測値の信頼度を評価する値として、実施例１で図９を用いて説明した標準偏差の他、異なる位置で検出された２つ以上のせん断波の波形の相関関数から信頼度を決定してもよい。理想的な均質媒質中をせん断波が伝搬する場合には、異なる検出位置においてせん断波の波形は類似の形である。しかし、せん断波が伝搬する領域内において、２種類以上の組織が存在し、それらの組織の音響パラメータ、例えば、せん断波速度、粘性等が異なる場合、伝搬とともに、せん断波の波形同士の類似性が失われる。類似性が高いほど、相関関数の最大値は大きくなり、相関関数の分散値もしくは標準偏差は小さくなる。そこで、表示部５に表示される信頼度として、２つ以上のせん断波の波形の類似度を示す値である、２つ以上のせん断波の波形の相関関数を用いることもできる。

図１４Ａ、図１４Ｂを用いて、この相関関数について説明する。相関関数は２つの異なるせん断波の時間波形やスペクトル値の波形を用いて計算することができる。図１４Ａにはせん断波の時間波形Ｗ１１とＷ１２を用いて計算した相関関数のグラフ、相関関数の最大値Ａおよび分散値σを示す。また、図１４Ｂにはせん断波の変位の周波数スペクトルＷ１１’とＷ１２’を用いて計算した相関関数のグラフ、相関関数の最大値Ａ’および分散値σ’を示す。最大値や分散値、もしくは両方の値を表示部５に表示させ、術者が計測結果の信頼度を評価することができる。相関関数の演算に用いる波形としては、せん断波の時間波形の他、せん断波の粒子速度、位相回転量、位相、加速度等の波形を用いてもよい。

以上説明した実施例２の超音波診断装置によれば、実施例１の装置の効果に加え、せん断波の周波数依存性を評価することができ、また、計測結果の信頼度を評価することができるという効果を有する。

次に、第３の実施例を説明する。実施例３は、せん断波の反射波も考慮して、被検体の硬さを検出する超音波診断装置の実施例である。すなわち、実施例３の超音波診断装置における検出部２０は、せん断波の進行波、または反射波を検出する構成の実施例である。なお、実施例３の超音波診断装置の構成は図１に示す実施例１の装置構成と同様であるが、その検出部２０は、せん断波の進行波、または反射波を検出することができるものである。実施例１、２では、せん断波の伝搬方向は一方向のみを考慮しており、せん断波の反射については考慮していない。実施例３では、せん断波が反射する場合についての計測方法について説明する。ここでは、ピーク値のみを検出する場合について説明するが、粘性を計測する場合も同様に考えることができる。

まず、図１５を用いてせん断波の反射について説明する。ここでは、せん断波速度の異なる媒質１と２の境界をせん断波が通過するとする。図１５は、垂直入射の場合、すなわち媒質の境界とせん断波の伝搬方向が直角の場合について説明している。境界５３を通過する前のせん断波を入射波と呼ぶ。媒質１と２の密度は、生体の軟部と仮定すると、およそ１０００ ｋｇ／ｍ^３である。ｔ＝ｔ１の時刻に境界に入射する。入射した直後の時刻、すなわちｔ＝ｔ＋Δｔにおいて、入射波は、透過波と反射波にわかれる。媒質１と２それぞれのせん断波速度ｃ１とｃ２によって、せん断波の反射波の振幅や位相は異なる。

媒質１のせん断波速度ｃ１が媒質２のせん断波速度ｃ２よりも十分に大きい場合、すなわちｃ１＞＞ｃ２の場合には、反射波の位相は反転しない。また、反射波の振幅値は入射波の２倍になる。ｃ１＞＞ｃ２のとき、透過波の振幅は反射波の振幅に対して十分に小さい値となる。一方、ｃ１＜ｃ２の場合には、反射の振幅値は入射波の振幅値よりも小さくなる。さらにｃ１＜ｃ２のときには、反射波の位相は反転する。

図１６に、ｃ１＞＞ｃ２の場合におけるせん断波の反射波の検出シーケンスを示す。ここでは、検出位置ｘ２とｘ３の間に境界があると想定する。反射波の検出をするには、ｘ２でピークを検出したあと、ｘ３でせん断波のピーク検出を開始する。実施例１や２のように境界が存在しない場合、検出位置ｘ３でせん断波がピークとなる時刻Ｔ４３は、検出位置ｘ１とｘ２、およびそれぞれの位置でピークとなった時刻Ｔ４１、Ｔ４２から予想される。

本実施例では、ｘ３におけるせん断波速度は、ｘ２におけるせん断波速度よりも遅い。そのため、好ましくは、検出位置ｘ１とｘ２、およびそれぞれの位置でピークとなった時刻Ｔ４１、Ｔ４２から予想される時刻Ｔ４３にΔＴだけ時間を増やした時刻をＴ４３’＝Ｔ４３＋ΔＴとする。ΔＴは、測定対象に応じて、せん断波速度の値を図示しない記憶媒体から中央制御部２９が読みだして算出する。Ｔ４３’になっても変位が閾値ＴＨを超えない場合、検出位置を伝搬方向とは逆の方向にある位置、例えばｘｒに変更する。検出位置ｘｒでは、反射波のピークの検出を開始する。反射波を計測する位置として、好ましくは、ｘｒ＜ｘ１となる位置を設定する。さらに好ましくは、ｘｒ＝ｘ２−２×（ｘ２−ｘ１）となる位置に設定する。ｘｒで検出されるせん断波のピークの符号は、ｘ１とｘ２で検出されたピークの符号と同じ符号である。

図１７を用いて、実施例３におけるせん断波の検出フローについて説明する。このシーケンスも実施例１、２と同様、波形解析部２６、硬さ情報算出部２８、中央制御部２９を構成するＣＰＵのプログラム処理によって実現することができる。ここでは、実施例１で説明した図８の検出フローと異なるステップＳ４２、４４、４６、４８、５２、６２について説明する。

ステップＳ４２において、検出位置ｘｎでピーク値を検出できなかった場合、ステップＳ４４で場所をｎ＝ｒに変更する。波形解析部２６から直接、或いは中央制御部２９を介して、ｒに相当する位置を変位検出用送波ビーム生成部２２に出力する。上記の例では、ｘｒ＝ｘ２−２×（ｘ２−ｘ１）である。ｘｒの値は、ステップＳ３０での検出位置に応じて最適な値を設定する。ステップＳ４６では、検出位置ｘｒでせん断波の反射波の検出を開始する。

ステップＳ４８で、検出位置ｘｒでせん断波のピーク値を検出し、ピークとなる時刻Ｔ４４を硬さ情報算出部２８に出力する。ステップＳ５２では、検出位置とピーク値、ピークとなる時刻を用いてせん断波速度、反射係数等が計算される。

ステップ５２では、反射位置の推定も同時に行われる。反射位置の推定は、検出位置ｘ２とｘｒ、およびこれらの位置においてピーク値となった時刻Ｔ４２、Ｔ４４を用いて推定することが可能である。これらの計算は上述の硬さ情報算出部２８で行われる。ステップＳ６２で計測が終了すると、計測結果が表示される。

図１８に実施例３における表示部５の表示画面の一例を示す。表示部５には、せん断波速度の他、反射係数が表示される。またせん断波の反射波の波面５５や、境界位置５４が表示される。さらには、検出位置に対するピーク位置として、進行波と反射波の位置を示すグラフを表示してもよい。表示部５を見て、術者は計測が正しく行われているか確認することが可能である。また、境界位置や反射係数等の情報から病変部の特定や症状を観察することが期待される。ステップＳ４８で反射波が検出されなかった場合には、硬さ情報算出部２８の出力値は例えば反射係数０となる。

ここでは、反射波の計測位置が１カ所の場合についてのみ説明したが、計測位置の数は２カ所以上とすることも可能である。また、反射波に対しても、波面全体を計測して、周波数特性や粘性パラメータを算出してもよい。

ｃ１＜ｃ２の場合における反射波の検出方法について説明する。この場合には、反射波の他、透過波も存在するため、閾値を用いて反射の有無を評価することができない。この場合には、ｘ１、ｘ２、ｘ３における変位の減衰特性から反射波の有無を判断する。以下、図１９Ａ、１９Ｂを用いてせん断波の減衰特性について説明する。

図１９Ａのように境界がない場合、各検出位置におけるせん断波の変位の最大値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と最大となった時刻は減衰関数で表わされる。図１９Ａの例では、最大変位ＰはＢ＊ｅｘｐ（−αｔ）で表わされる。αは減衰定数、ｔは時刻である。次に図１９Ｂを用いて、境界があり、かつｃ１＜ｃ２の場合について説明する。せん断波Ｗ４３が境界を透過後の変位波形であるとき、最大変位Ｐ３’は境界がない場合よりも小さい値となる。減衰関数からの誤差、すなわちＰｅ＝（Ｐ３−Ｐ３’）／Ｐ３＊１００がある閾値よりも大きい場合、せん断波Ｗ４３を透過波であるとみなす。閾値は１０％を用いる。例えば減衰関数はエクスポネンシャルの他、ハンケル関数等、一般的な波の減衰を表わす関数でもよい。検出されるせん断波のピークの符号は、ｘ１とｘ２で検出されたピークの符号と同じ符号である。

本実施例において、術者は反射波を検知するかどうかを、入力部６を用いて切り替えることができる。また、実施例２で説明したＰａｒａｌｌｅｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ法を用いると、反射係数によらず透過波と反射波の両方を検出することが可能である。更に、本実施例は、境界とせん断波の伝搬方向が直角とはならない一般の場合に応用することも可能である。以上説明した実施例３の超音波診断装置によれば、実施例１の装置の効果に加え、せん断波の反射波を評価することができるという効果を有する。

上述した実施例１〜３において、変位生成部１０が第２の超音波ビームの放射することにより被検体を変位させる構成であった。すなわち、超音波集束ビームで放射圧を生成してせん断波を発生させたが、放射圧の他、機械駆動（ＤＣモータ、振動ポンプ、など）、手動圧迫、電気パルスによる圧迫等の周知の方法を用いてもよい。第４の実施例として、機械振動により被検体を変位させる機械駆動を用いて超音波プローブを生体等の被検体表面に押し当て圧迫する超音波診断装置の実施例を説明する。すなわち、機械駆動式変位生成部が、機械駆動により被検体を変位させる構成の超音波診断装置の実施例である。図２０に実施例４の機械駆動を用いて、せん断波を発生させて計測を行う場合の超音波診断装置の構成例を示す。ここでは、図１との違いのみについて説明する。

図２０に明らかなように、変位生成部１０の代わりに機械駆動式変位生成部３０で変位を生成する。また、変位生成用送波波形生成部３１によって、機械駆動する際に用いる波形を生成し、変位生成用駆動部３３に出力する。また、駆動周波数設定部３４で、駆動周波数を設定する。変位生成用駆動部３３は図示しないモータ等のアクチュエータを駆動させる。アクチュエータを生体の体表に接触させ、生体内に変位およびせん断波を生成する。本実施例のように、機械駆動式を用いる利点は、機械駆動による生体内の温度上昇が無視できるため、計測時間や回数に制限がないことである。また、正弦波でアクチュエータを動作させることによって、特定の周波数成分の粘性パラメータを計測することが可能である。しかし、空間分解能は実施例１〜３の放射圧を用いる場合に比べて低い。一方、放射圧を用いる場合には、生体内の温度上昇が制限値を超えない計測時間や計測間隔で計測を行わなければならないが、任意の位置に集束ビームを照射できるため、空間分解能は高い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上説明した各実施例は、送受信のＯＮ、ＯＦＦの制御、および受信信号の処理方式と、更にその結果に基づく送受信制御へのフィードバックに関するものである。つまり、本実施例の実現においては、リニアアレイ型の探触子の代わりに、コンベックス型やセクター型の探触子を用いてもよいし、２次元探触子を使用してもよく、超音波の送受信が可能であれば、利用するデバイスの種類を限定しない。

更に、上述した各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。

１ 超音波探触子
２ 送受切替スイッチ
３ 制御部
４ デジタルスキャンコンバータ
５ 表示部
６ 入力部
７ 変位生成用超音波ビーム
８ 変位検出用超音波ビーム
９ 変位検出用受波ビーム
１０ 変位生成部
１１ 変位生成用送波波形生成部
１２ 焦点位置設定部
１３ 変位生成用送波ビーム生成部
１４ ビーム周波数設定部
２０ 検出部
２１ 変位検出用送波波形生成部
２２ 変位検出用送波ビーム生成部
２３ 変位検出用受波ビーム演算部
２５ 検波部
２６ 波形解析部
２８ 硬さ情報算出部
２９ 中央制御部
３０ 機械駆動式変位生成部
３１ 変位生成用送波波形生成部
３３ 変位生成用駆動部
３４ 駆動周波数設定部
５０ 近似直線
５１ ピーク位置
５２ せん断波の波面
５３ 境界
５４ 境界位置
５５ せん断波の反射波の波面
１００ 超音波探触子の素子

Claims (14)

1. 超音波探触子と、
   被検体の内部を変位させ、せん断波を発生させる変位生成部と、
   前記超音波探触子から前記被検体の第一の検出位置に第１の超音波ビームを送信して第一の反射信号を受信し、前記第一の反射信号に基づいて前記第一の検出位置における第一の変位を検出し、前記第一の変位の検出結果に基づいて、前記第１の超音波ビームを前記第一の検出位置より後に送信する前記被検体の第二の検出位置を動的に変更し、前記変更した第二の検出位置に前記第１の超音波ビームを送信して第二の反射信号を受信し、前記第二の反射信号に基づいて前記第二の検出位置における第二の変位を検出する検出部と、
   前記第一の変位と前記第二の変位に基づき、前記せん断波の速度を算出し、前記被検体の硬さ情報を出力する制御部と、を備える、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、前記検出部は、前記第一の検出位置において前記第一の変位のピーク値が検出されなかった場合、または、前記第一の変位が予め定めた閾値を超えない場合、前記第二の検出位置を変更することを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１に記載の超音波診断装置において、前記検出部は、前記第一の検出位置において前記第一の変位のピーク値を検出した後、前記第二の検出位置を指定することを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
   前記制御部は、前記せん断波のピーク値、もしくは、ゼロクロス値に基づき、前記せん断波の群速度を算出し、前記群速度に基づき前記硬さ情報を出力する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
   前記制御部は、前記せん断波のスペクトル値に基づき、前記せん断波の位相速度および粘性を算出し、前記位相速度および粘性に基づき前記硬さ情報を出力する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
   前記制御部は、前記検出位置の間隔を設定可能である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
   入力部を更に備え、
   前記入力部により、前記硬さ情報として、前記せん断波の群速度、或いは前記せん断波の位相速度および粘性を設定可能である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
   入力部を更に備え、
   前記検出位置の間隔を前記入力部から設定可能である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
9. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
   表示部を更に備え、
   前記表示部に、前記硬さ情報を表示する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項９に記載の超音波診断装置であって、
    前記表示部に、前記硬さ情報の信頼度として、標準偏差、或いは２つ以上の前記せん断波の波形の相関関数を表示する、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
11. 請求項９に記載の超音波診断装置であって、
    前記表示部は、前記第１の超音波ビームのパルス繰返し周期（ＰＲＴ）もしくはパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）を表示する、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
12. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
    前記検出部は、前記せん断波の進行波、または反射波を検出する、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
13. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、
    前記変位生成部は、機械駆動、あるいは第２の超音波ビームの放射により前記被検体を変位させる、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
14. 超音波ビームの送受信方法であって、
    被検体の内部を変位させて、せん断波を発生させ、
    超音波探触子から、前記被検体の第一の検出位置に第１の超音波ビームを送信して第一の反射信号を受信し、前記第一の反射信号に基づいて前記第一の検出位置における第一の変位を検出し、前記第一の変位の検出結果に基づいて、前記第１の超音波ビームを前記第一の検出位置より後に送信する前記被検体の第二の検出位置を動的に変更し、前記変更した第二の検出位置に前記第１の超音波ビームを送信して第二の反射信号を受信し、前記第二の反射信号に基づいて前記第二の検出位置における第二の変位を検出し、
    前記第一の変位と前記第二の変位に基づき、前記せん断波の速度を算出し、前記被検体の硬さ情報を算出する
    ことを特徴とする超音波ビームの送受信方法。

Images