JP6352734B2

JP6352734B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP6352734B2
Application number: JP2014176031A
Authority: JP
Inventors: 椎名　毅; 毅椎名; 健悟近藤; 三竹　毅; 毅三竹
Original assignee: Hitachi Ltd; Kyoto University
Current assignee: Hitachi Ltd; Kyoto University
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016049253A

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、生体組織における剪断波速度に関する値を測定する装置に関する。

生体組織の弾性率を測定する超音波診断装置が広く用いられている。弾性率は、弾性変形する物体に与えられた応力を、その物体の歪みで割った値として定義され、物体の変形し難さを表す。一般に、癌、動脈硬化、肝硬変等の疾患がある組織は、その弾性率が他の組織の弾性率と異なる。そのため、弾性率を測定することで疾患を発見できる場合が多い。

特許文献１および２に記載されているように、弾性率を測定する超音波診断装置には、振動体によって生体組織に剪断波（せん断波）を発生させると共に、超音波の送受信によって断層面における超音波データを取得するものがある。この超音波診断装置では、超音波データに基づいて断層面における剪断波の速度分布が求められ、断層面における弾性率の分布が求められる。

また、振動体やユーザの手による加振によって生体組織に剪断波を発生させると共に、生体組織内の複数の測定点において変位を測定する超音波診断装置がある。この超音波診断装置では、時系列順に観測された複数の断層画像に基づいて、複数の測定点において変位が測定される。そして、各測定点における変位測定値を用いて、計算の上で各測定点に剪断波がフォーカスされ、そのフォーカスされた剪断波の振幅の空間分布（振幅分布）に基づいて剪断波の速度が求められる。具体的には、剪断波の振幅分布のピーク特性、例えば、その半値幅等に基づいて剪断波の波長が求められ、剪断波の波長および周波数に基づいて剪断波の速度が各測定点において求められる。さらに、各測定点において求められた速度から、各測定点における弾性率が求められる。

非特許文献１には、媒質で発生したノイズを複数の測定点で測定し、各測定点におけるノイズ測定値を用いて計算の上で各測定点にノイズをフォーカスすることで、媒質の特性を解析する技術が記載されている。ただし、非特許文献１に記載の技術は、地震解析に関する技術であり、生体組織の診断に関する技術ではない。

国際公開第２０１１−００４６６１号明細書国際公開第２０１１−００１７７６号明細書国際公開第２０１３−０７３３０４号明細書

Thomas Gallot, Stefan Catheline, Philippe Roux, and Michel Campillo, " A passive inverse filter for Green’s function retrieval " JASA Express Letters, Acoustical Society of America, J. Acoust. Soc. Am. 131, EL21 (2012).

振動体やユーザの手による加振によって生体組織に剪断波を発生させると共に、生体組織内の複数の測定点において変位を測定する超音波診断装置では、生体組織内の不特定の点で剪断波が発生する。また、各点で発生する剪断波の強度のばらつきが大きい。そのため、剪断波の速度の測定結果について十分な精度が得られないことがある。

本発明は、生体組織における剪断波の速度に関する値を高精度で測定することを目的とする。

本発明は、生体組織内に定められた加振点に超音波を照射する加振処理と、前記加振点で励振された剪断波に基づく変位を、超音波の送受信によって、前記生体組織における複数の測定点で測定する測定処理と、を実行する測定部と、複数の前記加振点のそれぞれについて個別に前記加振処理が実行され、各前記測定点について前記測定処理が実行されることにより、各前記加振点に対する各前記測定点での応答特性を求める応答特性演算部と、前記応答特性に基づいて前記生体組織における剪断波の速度に関する値を求める速度演算部と、を備え、前記速度演算部は、前記応答特性を用いた計算の上で、剪断波を前記測定点に仮想的にフォーカスするフォーカス演算部を備え、仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度に関する値を求めることを特徴とする。

本発明では、被検体の生体組織に定められた複数の加振点のそれぞれに、超音波が個別に照射され、各加振点から剪断波が励振される。加振点の数、各加振点の位置等は、例えば、十分な測定精度が得られるように定められる。そのため、振動体やユーザの手による加振によって生体組織のあらゆる点に剪断波を発生させる場合のように、剪断波が実際に発生する点を設定することが困難な従来の装置に比べて、測定精度が高くなる。さらに、本発明によれば、剪断波を測定点にフォーカスするという処理（剪断波を測定点に集めて収束させるという処理）を計算の上で仮想的に実現することができる。被検体に対する実測処理として加振処理および測定処理がひとたび実行された後の処理は計算によって実行され、剪断波の速度の測定が簡単となる。

望ましくは、前記加振処理は、前記加振点にパルス波形の超音波を照射する処理を含み、前記応答特性は、変位についての時間応答特性である。

これによって、加振点に照射する超音波の時間波形をデルタ関数時間波形に近似させて、応答特性をインパルス応答に近似させることができる。

また、本発明は、生体組織内に定められた加振点に超音波を照射する加振処理と、前記加振点で励振された剪断波に基づく変位を、超音波の送受信によって、前記生体組織における複数の測定点で測定する測定処理と、を実行する測定部と、複数の前記加振点のそれぞれについて個別に前記加振処理が実行され、各前記測定点について前記測定処理が実行されることにより、各前記加振点に対する各前記測定点での応答特性を求める応答特性演算部と、前記応答特性に基づいて前記生体組織における剪断波の速度に関する値を求める速度演算部と、前記応答特性についてのインバース特性であって、各前記測定点での変位に対して各前記加振点における剪断波の状態が求められるインバース特性を、前記応答特性に基づいて求めるインバース特性演算部と、を備え、前記速度演算部は、前記応答特性および前記インバース特性に基づいて、剪断波を前記測定点に仮想的にフォーカスするフォーカス演算部を備え、仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度に関する値を求めることを特徴とする。望ましくは、前記加振処理は、前記加振点にパルス波形の超音波を照射する処理を含み、前記応答特性は、変位についての時間応答特性である。これによって、加振点に照射する超音波の時間波形をデルタ関数時間波形に近似させて、応答特性をインパルス応答に近似させることができる。

本発明によれば、剪断波を測定点にフォーカスするという処理（剪断波を測定点に集めて収束させるという処理）を計算の上で仮想的に実現することができる。被検体に対する実測処理として加振処理および測定処理がひとたび実行された後の処理は計算によって実行され、剪断波の速度の測定が簡単となる。

望ましくは、前記インバース特性は、前記生体組織内におけるノイズの寄与を低減または除去する特性を有し、前記測定点における極限的なフォーカス状態についての情報が与えられることで、当該極限的なフォーカス状態を実現するための各前記加振点における剪断波の状態を表す。

測定点に仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度を求める処理が、極限的なフォーカス状態を基準として行われるため、測定精度が高まる。

本発明によれば、生体組織における剪断波の速度に関する値を高精度で測定することができる。

超音波診断装置の構成を示す図である。プローブおよび被検体を模式的に示す図である。フレームデータ生成部によって生成された複数の断層フレームデータを概念的に示す図である。剪断波をフォーカスさせた測定点Ｍｑを原点とするｘ軸上の振幅分布の例を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成が示されている。超音波診断装置は、プローブ１０、測定部２０、応答特性演算部３４、インバース特性演算部３８、速度演算部３６、弾性画像生成部４４、画像合成部４６、断層画像生成部４８、および表示部５０を備える。測定部２０、応答特性演算部３４、インバース特性演算部３８、速度演算部３６、弾性画像生成部４４、画像合成部４６、および断層画像生成部４８は、例えば、プロセッサによって構成される。この場合、プロセッサは、超音波診断装置用のプログラムを読み込むことで各構成要素を構築する。各構成要素の詳細な構成および動作については後述する。

超音波診断装置で実行される処理の概要を説明する。超音波診断装置は、被検体１４内に定められた複数の加振点のそれぞれに、加圧用超音波（剪断波発生用の超音波）を個別に照射して、各加振点から剪断波を励振する。各加振点に対する超音波の照射と共に、超音波診断装置は、断層像測定用の超音波の送受信によって、断層像を表す断層フレームデータを時間経過と共に順次取得する。さらに、超音波診断装置は、被検体１４内に定められた複数の測定点のそれぞれについて、時系列順に取得された複数の断層フレームデータに基づいて、剪断波に基づく変位を測定する。超音波診断装置は、各加振点で励振された剪断波と、各測定点で測定された変位との関係を表す応答特性を求め、この応答特性を用いて被検体１４の生体組織における弾性率の分布を求める。超音波診断装置は、弾性率の分布が求められた断層面における断層画像と、弾性率の分布を表す弾性画像とを重ねて表示する。あるいは、超音波診断装置は、断層画像と弾性率の分布を個別に並べて表示する。

図２には、プローブ１０および被検体１４が模式的に示されている。被検体１４には複数の加振点Ｓｉが定められている。各加振点Ｓｉには、加圧用超音波が個別に照射され、各加振点Ｓｉから剪断波が励振される。図２には、弾性特性を測定する関心領域５２を囲むように１６個の加振点Ｓｉ（ｉ＝１〜１６）が定められた例が示されている。

加振点Ｓｉの数は、測定に要される時間、関心領域５２の大きさ、関心領域５２の形状等の測定条件に応じて決定される。また、複数の加振点Ｓｉの各位置は、関心領域５２を囲むものに限られない。すなわち、関心領域５２内に加振点Ｓｉが位置してもよいし、複数の加振点Ｓｉのうち一部が関心領域５２を囲み、残りの一部が関心領域５２内に位置してもよい。また、関心領域５２の外側に総ての加振点Ｓｉが位置してもよい。

プローブ１０は複数の振動素子１２を備えている。複数の振動素子１２は、被検体１４に当接させる面に沿ってｘ軸方向に配列されている。加圧用超音波が送信される際には、各振動素子１２に与えられる送信信号のタイミングおよびレベルが調整される。これによって、剪断波を励振する加振点Ｓｉを焦点とした加圧ビーム１６が形成される。各加振点Ｓｉに対し加圧ビーム１６の焦点が順に合わせられることで、各加振点Ｓｉに加圧用超音波が順に照射される。

関心領域５２に対しては、断層像測定用の超音波がプローブ１０において送受信されることによって、断層像を表す断層フレームデータが時間経過と共に順次取得される。関心領域５２には、Ｎｒ個の測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）が定められている。各測定点Ｍｊについては、時系列順に取得された複数の断層フレームデータに基づいて、剪断波に基づく生体組織の変位が求められる。

測定点Ｍｊの数は、測定に要される時間、関心領域５２の大きさ、形状等の測定条件に応じて決定される。図２では、説明の便宜上、隣接する測定点の間隔が大きく描かれている。複数の測定点Ｍｊは、例えば、関心領域５２内に一様に配置される。複数の測定点Ｍｊは、必ずしも関心領域５２内に格子状に配置されていなくてもよい。

超音波診断装置においては、各加振点Ｓｉから励振された剪断波と、各測定点Ｍｊで測定された変位との関係を表す応答特性が求められる。そして、この応答特性を用いて、剪断波を１つの測定点Ｍｑに計算の上で仮想的にフォーカスさせたときの各測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）における剪断波の振幅が求められる。後述するように、剪断波がフォーカスされた測定点Ｍｑおよびその近傍における振幅分布のピーク特性に基づいて、その測定点Ｍｑにおける剪断波の速度が求められる。さらに、各測定点Ｍｊにおける剪断波の速度と、生体組織の密度に基づいて、生体組織における弾性率の分布が求められる。

超音波診断装置の詳細な構成および動作について図１に戻って説明する。測定部２０は、送信部２２、受信部２６、ビーム制御部２４、整相加算部２８、フレームデータ生成部３０および変位演算部３２を備える。測定部２０は、被検体１４の生体組織に定められた加振点に、プローブ１０から超音波を送信する加振処理を実行する。また、測定部２０は、被検体１４の生体組織における複数の測定点のそれぞれについて、加振点で励振された剪断波に基づく変位を求める測定処理を実行する。変位の測定は、プローブ１０における超音波の送受信によって行われる。

加振処理について説明する。送信部２２は、ビーム制御部２４による制御に従って、加振点を焦点とする加圧ビーム１６がプローブ１０に形成され、インパルス波形（デルタ関数波形）に近似したパルス波形を有する加圧用超音波が送信されるように、各振動素子１２に出力する送信信号のタイミングおよびレベルを調整する。各振動素子１２は、送信部２２から出力された送信信号に応じて超音波を発生する。これによって、加圧ビーム１６の焦点が１つの加振点に合わせられ、その加振点に加圧用超音波が照射される。加圧用超音波が照射された加振点からは、生体組織に剪断波が励振される。後述のように、複数の加振点のそれぞれに対し加圧ビーム１６の焦点が順に合わせられることで、各加振点に加圧用超音波が順に照射され、各加振点から順に剪断波が励振される。

次に、測定処理について説明する。以下の説明では、図２の表記に倣い、被検体１４に定められたＮｓ個の加振点について「Ｓｉ」（ｉ＝１〜Ｎｓ）の符号を必要に応じて用い、被検体１４に定められたＮｒ個の測定点について「Ｍｊ」（ｊ＝１〜Ｎｒ）の符号を必要に応じて用いる。

測定処理は、１つの加振点Ｓｉに対し加圧用超音波が照射されるごとに実行される。１回の測定処理によって、複数の測定点Ｍｊのそれぞれについてｚ軸方向変位が求められる。１つの加振点に加圧用超音波を照射した後、送信部２２は、ビーム制御部２４による制御に従い、プローブ１０から被検体１４に平面波１８が送信されるように、各振動素子１２に送信信号を出力する。各振動素子１２は、送信部２２から出力された送信信号に応じて超音波を発生する。例えば、各振動素子１２に強度がほぼ同一の超音波をほぼ同時に発生させることで、プローブ１０の当接面と平行な波面を有する平面波１８が発生する。なお、複数の振動素子１２が直線状に配列されていない場合には、各振動素子１２の位置に応じて、各振動素子１２に発生させる超音波の強度、各振動素子に超音波を発生させるタイミングを調整してもよい。

プローブ１０から送信された超音波は被検体１４内において反射し、各振動素子１２で受信される。各振動素子１２は、受信された超音波を電気信号である受信信号に変換して受信部２６に出力する。受信部２６は、例えば、ビーム制御部２４による制御に従い、各振動素子１２から出力された受信信号を取得し、増幅、直交検波等の処理を施すように構成される。これによって、受信部２６は、複数の振動素子１２に対応する複数チャネルの受信ベースバンドデータを生成し、各受信ベースバンドデータを整相加算のために一時的に記憶する。

整相加算部２８は、受信部２６に記憶された複数チャネルの受信ベースバンドデータを整相加算して、複数のｚ軸方向受信ビームデータを生成する。これら複数のｚ軸方向受信ビームデータは、被検体１４の深さ方向（ｚ軸方向）に向けられてｘ軸方向に並ぶ複数の受信ビームに対応する。整相加算部２８は、各ｚ軸方向受信ビームデータをフレームデータ生成部３０および断層画像生成部４８に出力する。なお、このような整相加算は、例えば、上記特許文献３に記載されている。

フレームデータ生成部３０は、整相加算部２８から出力された各ｚ軸方向受信ビームデータに基づいて、超音波の１回の送受信に対応して、１つの断層フレームデータを生成する。ビーム制御部２４、送信部２２、プローブ１０、および受信部２６は、被検体１４に対する超音波の送受信を繰り返し行う。整相加算部２８およびフレームデータ生成部３０は、時間経過と共に繰り返し行われた複数回の超音波の送受信に対応して、時間経過と共に複数の断層フレームデータを生成する。フレームデータ生成部３０は、各断層フレームデータを変位演算部３２に出力する。

図３には、フレームデータ生成部３０によって生成された複数の断層フレームデータが概念的に示されている。この図では、加振時刻Ｔｐｓｈで１つの加振点に加圧用超音波が照射され、時間ｔ_０から時間ｔ_０＋（ｎ−１）・δの間に、時間δの間隔でｎ個の断層フレームデータＦ０〜Ｆｎ−１が生成された例が示されている。各断層フレームデータは、ｘ軸方向に配列された複数の受信ビームに対応する複数のｚ軸方向受信ビームデータ５４を含む。

各断層フレームデータにはｘｚ座標が対応付けられている。断層フレームデータが取得された断層面における点（ｘ、ｚ）には、ｚ軸方向受信ビームデータのデータ値ＢＤ（ｘ，ｔ’）が対応付けられている。１つのｚ軸方向受信ビームデータ５４には、対応する受信ビームのｘ座標が対応付けられ、１つのｚ軸方向受信ビームデータ５４の時間パラメータｔ’には、ｚ座標が対応付けられている。ここで、生体組織をｚ軸方向に往復伝搬する超音波の速さをｖとすれば、ｔ’＝２ｚ／ｖの関係がある。したがって、データ値ＢＤ（ｘ，ｔ’＝２ｚ／ｖ）に対し点（ｘ、ｚ）が対応する。

図１の変位演算部３２は、フレームデータ生成部３０から出力された複数の断層フレームデータに基づいて、被検体１４のｘｚ断層面に定められた各測定点Ｍｊにおけるｚ軸方向変位を求める。すなわち、変位演算部３２は、各測定点Ｍｊに対応する生体組織粒子について、ｚ軸方向への移動量をｚ軸方向変位として求める。１つの測定点Ｍｊにおけるｚ軸方向変位は、その測定点Ｍｊを通るｘｚ平面に垂直な直線５６に対するｚ軸方向変位ｄｊｉ（ｔ）である。ただし、ｚ軸方向変位ｄｊｉ（ｔ）は、時間ｔ＝ｔ_０、ｔ_０＋δ、ｔ_０＋２δ、・・・・・ｔ_０＋（ｎ−１）・δにおける離散値である。図３には、離散的なｚ軸方向変位ｄｊｉ（ｔ）が黒点によって表されている。

ｚ軸方向変位を求める処理は、例えば、時間を前後して連続して取得された２つの断層フレームデータに基づいて、生体組織粒子の１フレーム間隔当たりのｚ軸方向への移動量をｚ軸方向速度として求め、ｚ軸方向速度の積算量をｚ軸方向変位として求めることで行われる。

上述のように、加圧用超音波の時間波形はインパルス波形に近似したものである。したがって、測定点Ｍｊでのｚ軸方向変位ｄｊｉ（ｔ）は、インパルス応答ｈｊｉ（ｔ）に近似したものとなる。ここで、インパルス応答ｈｊｉ（ｔ）とは、加振点Ｓｉに理想的なインパルス波形の加圧用超音波を照射したときに測定点Ｍｊで測定されるｚ軸方向変位の時間応答波形をいう。変位演算部３２は、測定点Ｍｊにおけるｚ軸方向変位ｄｊｉ（ｔ）をインパルス応答ｈｊｉ（ｔ）とみなして、応答特性演算部３４に出力する。

測定部２０は、各加圧処理に対して１回の測定処理を行い、各加振点に対し、Ｎｒ個の測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）のそれぞれについてインパルス応答を求める。そして、Ｎｒ×Ｎｓ個のインパルス応答ｈｊｉ（ｔ）（ｉ＝１〜Ｎｓ、ｊ＝１〜Ｎｒ）を応答特性演算部３４に出力する。インパルス応答ｈｊｉ（ｔ）は、各加振点で励振された剪断波と、各測定点で測定された変位との関係を時間領域で表す応答特性としての意義を有する。

なお、ここでは、プローブ１０の当接面と平行な波面を有する平面波１８を発生させる例について説明した。このような構成の他、ビーム制御部２４によって送信部２２および受信部２６を制御し、プローブ１０において１本または複数本の超音波ビームを形成し、この超音波ビームをｘｚ断層面で走査してもよい。この場合、各振動素子１２には、超音波ビームが形成されるように遅延時間が調整された送信信号が入力される。また、超音波ビームがｘｚ断層面を１回走査するごとに、フレームデータ生成部３０において１つの断層フレームデータが生成され、後述する断層画像生成部４８において１画像分の断層画像データが生成される。

応答特性演算部３４は、Ｎｒ×Ｎｓ個のインパルス応答ｈｊｉ（ｔ）のそれぞれに対してフーリエ変換処理を施し、Ｎｒ×Ｎｓ個の周波数応答Ｈｊｉを求める。そして、各周波数応答Ｈｊｉを行列成分としたＮｒ行・Ｎｓ列の応答行列Ｈを生成し、速度演算部３６およびインバース特性演算部３８に応答行列Ｈを出力する。応答行列Ｈは、各加振点で励振された剪断波と、各測定点で測定され変位との関係を周波数領域で表す応答特性としての意義を有する。

インバース特性演算部３８は、特異値分解によって、応答行列Ｈを次の（数１）のように分解する。

ここで、Ｕは、Ｎｒ行・Ｎｒ列の行列である。Σは、Ｎｒ行・Ｎｓ列の行列である。Ｖは、Ｎｓ行・Ｎｓ列の行列である。上付きの＊印は、共役転置行列であることを示す。ＵＵ^＊、Ｕ^＊Ｕ、ＶＶ^＊、およびＶ^＊Ｖは、いずれも単位行列となる。Σは、次の（数２）で表される。

ここで、σ_１〜σ_ｒには、σ_１≧σ_２≧・・・・≧σ_Nr≧０の関係がある。Σの対角成分は、各加振点で励振された剪断波が、各測定点で測定される変位に寄与する程度を示す。

なお、応答行列Ｈの逆行列Ｈ^−１は、（数３）〜（数５）によって表される。

すなわち、σ_ｎ ^＋は、σ_ｎが０でないときは１／σ_ｎであり、σ_ｎが０であるときは０である。

インバース特性演算部３８は、（数３）〜（数５）で表される応答行列の逆行列Ｈ^−１を求めるのではなく、この逆行列Ｈ^−１からノイズ成分が低減または除去されたノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１を求める。すなわち、インバース特性演算部３８は、（数６）〜（数８）に従って、ノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１を求める。

（数８）に示されるように、σ^〜 _ｎは、σ_ｎが閾値σ_ｔｈより大きいときは１／σ_ｎとされ、σ_ｎが閾値σ_ｔｈ以下であるときは０とされる。Σ^〜は、各加振点で励振された剪断波が、測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）のそれぞれで測定される変位に寄与した成分のうち閾値σ_ｔｈ以下のものを、疑似逆行列を求める際に強制的に無効とする行列である。すなわち、Σ^〜は、ノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１に含まれるノイズ成分を低減または除去するための行列である。インバース特性演算部３８は、このようにして求めたノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１を速度演算部３６に出力する。なお、閾値σ_ｔｈは、対角成分の最大値σ_１のａ倍（ａは１未満の正の値）として定義してもよい。また、インバース特性演算部３８は、Σの対角成分σ_１〜σ_Nrのうち、大きい方から所定の数Ｌ個（σ_１〜σ_Ｌ）のみを有効としてこれらを逆数に置き換え、残りのσ_Ｌ＋１〜σ_Nrを０に置き換えてΣ^〜を求める処理を実行してもよい。

閾値σ_ｔｈは、例えば、測定結果として得られる剪断波の速度の測定精度に応じて定められる。この測定精度は、例えば、閾値σ_ｔｈを変化させながら同様の測定を複数回に亘って行った場合における測定結果の変化の程度、本実施形態による測定結果と他の測定方法によって得られた測定結果との比較等によって評価され得る。

速度演算部３６は、フォーカス演算部４０および速度分布演算部４２を備える。フォーカス演算部４０は、応答特性演算部３４から出力された応答行列Ｈと、インバース特性演算部３８から出力されたノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１を用いて、次の（数９）および（数１０）に基づいて、計算の上で測定点Ｍｑに剪断波をフォーカスしたときの、各測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）におけるｚ軸方向変位を表すフォーカスベクトルΨｑを求める。

ここで、ΨｑおよびＲｑは、Ｎｒ行・１列の行列（ベクトル）である。（数１０）に示されているように、Ｒｑの第ｑ行の値は１であり、その他の行の値は総て０である。Ｒｑは、測定点Ｍｑに最も狭い範囲で剪断波をフォーカスさせた状態、すなわち、極限的なフォーカス状態を表す行列である。ψｊ（ω）（ｊ＝１〜Ｎｒ）は、各測定点Ｍｊにおける、角周波数ωの剪断波の成分を示す。（数９）の物理的な意義を説明するため、次の（数１１）につき説明する。

（数１１）で表されるＧ^〜ｑは、（数９）の右辺の応答行列Ｈが乗ぜられていない式である。Ｇ^〜ｑは、Ｎｓ行・１列の行列である。Ｇ^〜ｑは、測定点Ｍｑおよびその近傍に最も狭い範囲で剪断波をフォーカスさせるために、各加振点Ｓｉ（ｉ＝１〜Ｎｓ）から励振されるべき理想的な剪断波を示す。すなわち、（数１１）は、ノイズ成分が低減または除去されたノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１を用いることで、測定点Ｍｑに極限的なフォーカス状態を実現する励振源Ｇ^〜ｑが逆算的に求められることを意味する。

このように、ノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１は、応答行列Ｈが表す応答特性についての逆特性（インバース特性）を表し、各測定点での変位に対して各加振点における剪断波の状態を表す。さらに、ノイズフィルタ疑似逆行列Ｈ^〜−１は、生体組織内におけるノイズの寄与を低減または除去する特性を有し、測定点における極限的なフォーカス状態についての情報としてベクトルＲｑが与えられることで、その極限的なフォーカス状態を実現するための各加振点における剪断波の状態を表す。

（数９）は、（数１１）で表される理想的な剪断波Ｇ^〜ｑに対する周波数応答を、応答行列Ｈを用いて各測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）について求める式であるといえる。すなわち、フォーカスベクトルΨｑは、理想的な剪断波Ｇ^〜ｑを、実測された応答行列Ｈに基づいて測定点Ｍｑにフォーカスさせた場合に、各測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）で観測される剪断波のｚ軸方向振幅を示す。

フォーカス演算部４０は、ｑ＝１からｑ＝Ｎｒのそれぞれについて、合計Ｎｒ個のフォーカスベクトルΨｑを求め、速度分布演算部４２に出力する。

速度分布演算部４２は、Ｎｒ個のフォーカスベクトルΨｑに基づいて、各測定点に対応する剪断波の速度を求める。速度分布演算部４２が実行する処理の原理を説明するため、ここではフォーカスベクトルΨｑの特性について説明する。

図４（ａ）には、剪断波をフォーカスさせた測定点Ｍｑを原点とするｘ軸上の振幅分布の例が示されているものとする。この振幅分布は、ｘ軸に対してフォーカスベクトルΨｑの各成分の振幅を対応付けたものである。ただし、測定点Ｍｑ−３〜Ｍｑ＋３は、ｘ軸方向に配列されている。フォーカス点である測定点Ｍｑにおける振幅が最も大きく、測定点Ｍｑから離れるにしたがって、測定点Ｍｑ、Ｍｑ＋１、Ｍｑ＋２、およびＭｑ＋３の順に振幅が小さくなっていく。各振幅は、それぞれ、ψｑ＋１、ψｑ＋２、およびψｑ＋３の各絶対値によって示される。同様に、測定点Ｍｑから離れるにしたがって、測定点Ｍｑ、Ｍｑ−１、Ｍｑ−２、およびＭｑ−３の順に振幅が小さくなっていく。各振幅は、それぞれ、ψｑ−１、ψｑ−２、およびψｑ−３の各絶対値によって示される。

図４（ｂ）には、図４（ａ）よりも広い範囲について、ｘ軸上の振幅分布が示されている。振幅が最大となる測定点Ｍｑでの振幅をＡとした場合、振幅がその半分Ａ／２となるｘ軸上の２点間の距離は半値幅Ｄと称される。剪断波を十分にフォーカスさせた場合、フォーカス点におけるピーク特性には波長依存性があり、例えば、半値幅Ｄは剪断波の波長λの半分となることが知られている。したがって、例えば、振幅分布のピーク特性から半値幅Ｄを求めることで、剪断波の波長がλ＝２Ｄとして求められる。剪断波の角周波数をωとした場合、フォーカス点における剪断波の速度Ｃは、Ｃ＝ｆ・λ＝ω・λ／（２π）＝ω・Ｄ／πとして求められる。ここで、ｆは剪断波の周波数であり、ｆ＝ω／（２π）である。なお、ピーク特性と剪断波の波長との関係については、半値幅と波長との関係の他、様々な関係が考えられる。したがって、当業者に知られているその他の関係を用いて、ピーク特性から剪断波の波長が求められてもよい。

ここでは、１つの測定点をフォーカス点としてそのフォーカス点における剪断波の速度を求める原理について説明したが、他の測定点についても同様にして、剪断波の速度が求められる。

また、ここでは、測定点がｘ軸方向に配列されており、ｘ軸上の振幅分布に基づいてフォーカス点における剪断波の速度を求める例について説明した。複数の測定点が、ｘ軸方向とは異なる方向に伸びる直線上に配列されている一般的な場合には、その直線上の振幅分布（測定点配列軸上の振幅分布）に基づいて、フォーカス点における剪断波の速度が求められる。

図１に戻り、速度分布演算部４２は、フォーカス演算部４０から出力されたＮｒ個のフォーカスベクトルΨｑ（ｑ＝１〜Ｎｒ）に基づいて、各測定点Ｍｊ（ｊ＝１〜Ｎｒ）をフォーカス点とした、測定点配列軸上の振幅分布を求める。そして、各振幅分布に基づいて各測定点における剪断波の速度を求める。速度分布演算部４２は、各測定点に剪断波の速度を対応付けてｘｚ平面における速度分布データを生成し、弾性画像生成部４４に出力する。

速度分布演算部４２は、予め定められた１つの角周波数について速度分布データを求め、弾性画像生成部４４に出力してもよいし、異なる複数の角周波数のそれぞれについて速度分布データを求め、各角周波数について求められた各速度分布データを弾性画像生成部４４に出力してもよい。

弾性画像生成部４４は、各測定点における剪断波の速度を弾性率Ｅに変換し、速度分布データから弾性率分布データを求める。この処理は、剪断波の速度Ｃを用いて、次の（数１２）に基づいて弾性率Ｅを求めることで行われる。

ここで、ρは生体組織の密度であり、軟組織の場合、およそ１０００ｋｇ／ｍ^３である。弾性画像生成部４４は、弾性率分布データに基づいて弾性画像データを生成し、画像合成部４６に出力する。異なる複数の角周波数のそれぞれについて弾性率分布データが求められたときは、弾性画像生成部４４は、例えば、ユーザの操作によって選択された角周波数についての弾性画像データを生成し、画像合成部４６に出力する。

弾性画像データが示す弾性画像は、例えば、弾性率が大きい領域を青色、弾性率が小さい領域を赤色、弾性率がこれらの中間の値である領域を緑色、黄色等の中間色で表す。弾性率は、色彩の他、塗りつぶし模様、数値、三次元グラフ等で表されてもよい。

次に、断層画像生成部４８が、整相加算部２８から出力された各ｚ軸方向受信ビームデータに基づいて、ｘｚ断層面における断層画像データを生成する処理について説明する。断層画像生成部４８は、ｘ軸方向に並ぶ複数の受信ビームに対応する各ｚ軸方向受信ビームデータに基づいて、ｘｚ断層面における断層画像データを生成し、画像合成部４６に出力する。断層画像生成部４８は、超音波の１回の送受信に対応して、１画像分の断層画像データを生成する。断層画像生成部４８は、時間経過と共に繰り返し行われる複数回の超音波の送受信に対応して、複数画像分の断層フレームデータを生成し、画像合成部４６に出力する。

画像合成部４６は、断層画像生成部４８から出力された断層画像データ、および、弾性画像生成部４４から出力された弾性画像データに基づいて、例えば、断層画像に弾性画像を重ねた画像を示す断層・弾性画像データを生成し、表示部５０に出力する。表示部５０は、断層・弾性画像データに基づく画像を表示する。これによって、ユーザは、断層画像と共に弾性率分布を把握することができ、癌、動脈硬化、肝線維化、肝硬変等の診断が可能となる。なお、断層・弾性画像データは、断層画像および弾性画像を並べて個別に示す画像データであってもよい。また、画像合成部４６は、断層画像および弾性画像をそれぞれ単独で表示部５０に表示してもよい。

本発明に係る超音波診断装置では、被検体の生体組織に定められた複数の加振点のそれぞれに、加圧用超音波が個別に照射され、各加振点から剪断波が励振される。複数の加振点に対しては、順に加圧用超音波が照射される。１つの加振点に対して加圧用超音波が照射され、１つの加振点から剪断波が励振されるごとに、生体組織における各測定点での変位が測定される。これによって、各加振点に対する各測定点での応答特性が求められる。超音波診断装置では、この応答特性に基づいて生体組織における剪断波の速度および弾性率の分布が求められる。

加振点の数、各加振点の位置等は、剪断波の速度または弾性率について十分な測定精度が得られるように定められる。そのため、振動体やユーザの手による加振によって生体組織のあらゆる点に剪断波を発生させる場合に比べて、測定精度が高くなる。

また、各測定点における変位の測定に際して、プローブから送信される超音波として平面波が用いられる場合には、超音波の１回の送受信に対応して１フレーム分の断層フレームデータおよび断層画像データが得られる。これによって、各測定点における変位の測定が迅速に行われる。

また、本発明に係る超音波診断装置では、極限的なフォーカス状態を測定点において実現するための励振源が、ノイズフィルタ疑似逆行列を用いることによって、仮想的に実現される。そして、そのような理想的な励振源から励振される剪断波を、実測に基づく応答行列に基づいて仮想的に測定点にフォーカスさせ、フォーカス点となった測定点を中心とした振幅分布が求められ、さらに、その振幅分布に基づいて剪断波の速度が求められる。したがって、理想的な励振源を用いて振幅分布が求められるため、剪断波の波長の測定精度が高くなり、剪断波の速度の測定精度、さらには弾性率の測定精度が高くなる。

１０プローブ、１２振動素子、１４被検体、１６加圧ビーム、１８平面波、２０測定部、２２送信部、２４ビーム制御部、２６受信部、２８整相加算部、３０フレームデータ生成部、３２変位演算部、３４応答特性演算部、３６速度演算部、３８インバース特性演算部、４０フォーカス演算部、４２速度分布演算部、４４弾性画像生成部、４６画像合成部、４８断層画像生成部、５０表示部、５２関心領域、Ｓｉ加振点、Ｍｊ測定点。

Claims

生体組織内に定められた加振点に超音波を照射する加振処理と、
前記加振点で励振された剪断波に基づく変位を、超音波の送受信によって、前記生体組織における複数の測定点で測定する測定処理と、を実行する測定部と、
複数の前記加振点のそれぞれについて個別に前記加振処理が実行され、各前記測定点について前記測定処理が実行されることにより、各前記加振点に対する各前記測定点での応答特性を求める応答特性演算部と、
前記応答特性に基づいて前記生体組織における剪断波の速度に関する値を求める速度演算部と、を備え、
前記速度演算部は、
前記応答特性を用いた計算の上で、剪断波を前記測定点に仮想的にフォーカスするフォーカス演算部を備え、仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度に関する値を求めることを特徴とする超音波診断装置。
生体組織内に定められた加振点に超音波を照射する加振処理と、
前記加振点で励振された剪断波に基づく変位を、超音波の送受信によって、前記生体組織における複数の測定点で測定する測定処理と、を実行する測定部と、
複数の前記加振点のそれぞれについて個別に前記加振処理が実行され、各前記測定点について前記測定処理が実行されることにより、各前記加振点に対する各前記測定点での応答特性を求める応答特性演算部と、
前記応答特性に基づいて前記生体組織における剪断波の速度に関する値を求める速度演算部と、
前記応答特性についてのインバース特性であって、各前記測定点での変位に対して各前記加振点における剪断波の状態が求められるインバース特性を、前記応答特性に基づいて求めるインバース特性演算部と、を備え、
前記速度演算部は、
前記応答特性および前記インバース特性に基づいて、剪断波を前記測定点に仮想的にフォーカスするフォーカス演算部を備え、仮想的にフォーカスされた剪断波に基づいて剪断波の速度に関する値を求めることを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記インバース特性は、前記生体組織内におけるノイズの寄与を低減または除去する特性を有し、前記測定点における極限的なフォーカス状態についての情報が与えられることで、当該極限的なフォーカス状態を実現するための各前記加振点における剪断波の状態を表すことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記加振処理は、前記加振点にパルス波形の超音波を照射する処理を含み、
前記応答特性は、変位についての時間応答特性であることを特徴とする超音波診断装置。