JP6393502B2 - Method for obtaining elastic properties of biological tissue - Google Patents
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Description
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、生体組織の弾性特性を計測する装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to an apparatus for measuring elastic characteristics of a living tissue.
生体組織の弾性率を計測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、弾性率を計測することで疾患を発見できる場合が多い。 2. Description of the Related Art Ultrasonic diagnostic apparatuses that measure the elastic modulus of living tissue are widely used. The elastic modulus is defined as a value obtained by dividing the stress applied to an elastically deformed object by the distortion of the object, and represents the difficulty of deformation of the object. In general, a tissue having a disease such as cancer, arteriosclerosis, or cirrhosis has an elastic modulus different from that of other tissues. Therefore, it is often possible to find a disease by measuring the elastic modulus.
特許文献1および2に記載されているように、弾性率を計測する超音波診断装置には、振動体によって生体組織にせん断波(剪断波)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せん断波の伝搬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。
As described in
また、シングルプローブを振動体によって振動させることで、生体組織にせん断波を発生させて、せん断波の伝搬速度をシングルプローブで計測する超音波診断装置がある。この装置では、超音波ビーム軸上の平均的な弾性率が計測される。 In addition, there is an ultrasonic diagnostic apparatus that generates a shear wave in a living tissue by vibrating a single probe with a vibrating body and measures the propagation speed of the shear wave with a single probe. In this apparatus, an average elastic modulus on the ultrasonic beam axis is measured.
このように振動体によって生体組織にせん断波を発生させる超音波診断装置の他、音響放射圧によって生体組織にせん断波を発生させる超音波診断装置がある。この超音波診断装置では、高エネルギーの超音波がプローブから送信され、音響放射圧によって生体組織にせん断波を発生させる。それと共に、超音波の送受信によって断層面における超音波データが取得され、超音波データに基づいて断層面におけるせん断波の伝搬速度分布が求められ、さらに、弾性率の分布が求められる。 As described above, there is an ultrasonic diagnostic apparatus that generates a shear wave in a biological tissue by an acoustic radiation pressure in addition to an ultrasonic diagnostic apparatus that generates a shear wave in a biological tissue by a vibrating body. In this ultrasonic diagnostic apparatus, high-energy ultrasonic waves are transmitted from a probe, and shear waves are generated in a living tissue by acoustic radiation pressure. At the same time, ultrasonic data on the tomographic plane is acquired by transmission / reception of ultrasonic waves, a propagation velocity distribution of shear waves on the tomographic plane is obtained based on the ultrasonic data, and further a distribution of elastic modulus is obtained.
生体組織に振動体によって振動を与えることで、生体組織にせん断波を発生させる超音波診断装置では、振動を発生させるための機構が必要となるため構成が複雑となる。また、音響放射圧によって生体組織にせん断波を発生させる超音波診断装置では、高エネルギーの超音波が用いられるため、超音波に対する反射係数が大きい部位の計測が困難となる。 An ultrasonic diagnostic apparatus that generates a shear wave in a living tissue by applying vibration to the living tissue with a vibrating body requires a mechanism for generating the vibration, and thus the configuration is complicated. In addition, in an ultrasonic diagnostic apparatus that generates shear waves in a living tissue by acoustic radiation pressure, high-energy ultrasonic waves are used, so that it is difficult to measure a portion having a large reflection coefficient for ultrasonic waves.
本発明は、生体組織の弾性特性の計測を簡単にすること目的とする。 An object of this invention is to simplify the measurement of the elastic characteristic of a biological tissue.
本発明は、プローブと、送受信部と、フレームデータ生成部と、演算部とを備える装置によって、生体組織の弾性特性を求める方法において、ユーザの手の運動によって前記プローブにパルス振動を与え、前記プローブの振動によって前記生体組織にせん断波を励振するステップと、前記送受信部が前記プローブに超音波を送受信させるステップと、前記送受信部から出力された受信データに基づいて、前記フレームデータ生成部が前記生体組織の断層フレームデータを生成するステップと、前記フレームデータ生成部によって時間経過と共に生成された複数の断層フレームデータに基づいて、前記演算部が前記生体組織の断層面における弾性特性を求めるステップとを含み、前記演算部が前記生体組織の断層面における弾性特性を求めるステップは、前記複数の断層フレームデータに基づいて、せん断波の伝搬特性を求める伝搬特性解析ステップと、前記伝搬特性に対して、せん断波の反射波成分を除去または低減するフィルタ処理を施すフィルタ処理ステップと、前記フィルタ処理後の前記伝搬特性に基づいて、前記生体組織の断層面における弾性特性を求める弾性特性解析ステップと、を含み、前記伝搬特性解析ステップは、前記複数の断層フレームデータに基づいて、前記生体組織の深さ方向位置yおよび時間tに対して前記生体組織のy軸方向粒子速度を対応付けたyt分布を、前記伝搬特性として求めるyt分布演算ステップを含み、前記フィルタ処理ステップは、前記yt分布に対して二次元高速フーリエ変換を施して、波数kおよび角周波数ωに対するせん断波の分布を表すkω分布を求める変換ステップと、前記kω分布に対してフィルタ演算を施すフィルタ演算ステップと、前記フィルタ演算が施された前記kω分布に対し、前記二次元高速フーリエ変換についての逆変換を施して、前記フィルタ処理後の前記伝搬特性を求める逆変換ステップと、を含み、前記フィルタ演算は、位相速度ω/kが負である反射波成分を低減または除去する演算を含むことを特徴とする。 The present invention provides a pulse vibration to the probe by a user's hand movement in a method for obtaining an elastic characteristic of a living tissue by a device including a probe, a transmission / reception unit, a frame data generation unit, and a calculation unit , a step of exciting the shear wave into the biological tissue by the vibration of the probe, the steps of the transmitting and receiving unit to transmit and receive ultrasonic waves to the probe, based on the received data output from the transceiver unit, the frame data generating unit wherein the step of generating a tomographic frame data of the living tissue, based on the plurality of tomographic frame data generated with time by the frame data generating section, the step of the arithmetic unit determine the elastic properties in the tomographic plane of the body tissue wherein the door, scan said calculation unit obtains the elasticity characteristic in the tomographic plane of the body tissue -Up, the plurality of based on the tomographic frame data, performs the propagation characteristic analyzing step of obtaining the propagation characteristics of the shear wave, with respect to the propagation characteristics, the filtering process for removing or reducing the reflected wave component of the shear wave filter a processing step, based on the propagation characteristics after the filtering process, comprises an elastic characteristic analyzing step of obtaining elastic properties in the tomographic plane of the body tissue, the propagation characterization step, the plurality of tomographic frame data based on the yt distribution which associates the y-axis direction particle velocity of the biological tissue with respect to the living tissue in the depth direction position y and time t, comprises yt distribution calculating step of obtaining as the propagation characteristics, the filtering process The step performs a two-dimensional fast Fourier transform on the yt distribution, thereby dividing the shear wave with respect to the wave number k and the angular frequency ω. A transform step for obtaining a kω distribution representing a cloth, a filter operation step for performing a filter operation on the kω distribution, and an inverse transform for the two-dimensional fast Fourier transform on the kω distribution subjected to the filter operation. And performing an inverse transformation step for obtaining the propagation characteristics after the filtering, and the filtering operation includes an operation for reducing or removing a reflected wave component having a negative phase velocity ω / k. To do.
本発明は、ユーザの手の運動によってプローブにパルス振動を与え、前記プローブの振動によって前記生体組織にせん断波を励振するステップを含む。これによって、振動を発生させるための機構を設けなくとも、生体組織にせん断波を発生させることができる。したがって、本発明に用いられる装置の構成が簡単となり計測が容易となる。複数の断層フレームデータに基づいて、せん断波の伝搬特性を求め、伝搬特性から弾性特性を求める際に、プローブ方向に向かうせん断波の反射波成分の寄与を低減または除去することで、求められる弾性特性の精度が向上する。そこで、本発明は、せん断波の伝搬特性に対して、せん断波の反射波成分を除去または低減するフィルタ処理を施すフィルタ処理ステップを含んでいる。さらに、本発明におけるフィルタ処理ステップでは、kω分布に対して演算を行うことで、フィルタ処理が実行される。これによって、フィルタ処理に要する演算が容易になる。 The present invention includes a step of applying pulse vibration to a probe by movement of a user's hand and exciting a shear wave to the living tissue by vibration of the probe. Thereby, a shear wave can be generated in the living tissue without providing a mechanism for generating vibration. Therefore, the configuration of the apparatus used in the present invention is simplified and measurement is facilitated. Based on multiple tomographic frame data, shear wave propagation characteristics are obtained, and when obtaining elastic characteristics from the propagation characteristics, the required elasticity can be obtained by reducing or eliminating the contribution of the reflected wave component of the shear wave toward the probe. The accuracy of characteristics is improved. The present invention includes to the propagation characteristics of the shear wave, a filtering step of performing a filtering process to remove or reduce the reflected wave component of the shear wave. Further, in the filter processing step according to the present invention, the filter processing is executed by calculating the kω distribution. This facilitates the computation required for the filtering process.
望ましくは、前記プローブは、線状に配列された複数の振動素子を備え、前記送受信部は、前記プローブに平面波を送信させる。 Preferably, the probe includes a plurality of vibration elements arranged in a line, and the transmission / reception unit causes the probe to transmit a plane wave.
本発明においては、プローブが複数の振動素子を備えており、プローブに平面波を送信させる。例えば、複数の振動素子が直線状に配列されている場合には、複数の振動素子に同一のタイミングで同一強度の超音波を送信させることで平面波が送信される。プローブに平面波を送信させることで、1回の超音波の送受信によって1フレーム分の断層フレームデータが生成され、フレームレートが高くなる。 In the present invention, the probe includes a plurality of vibration elements, and causes the probe to transmit a plane wave. For example, when a plurality of vibration elements are arranged in a straight line, a plane wave is transmitted by causing the plurality of vibration elements to transmit ultrasonic waves having the same intensity at the same timing. By causing the probe to transmit a plane wave, tomographic frame data for one frame is generated by one transmission and reception of ultrasonic waves, and the frame rate is increased.
望ましくは、前記フィルタ演算は、前記kω分布の第2象限および第4象限における値を低減または除去する演算を含む。また、望ましくは、前記生体組織にせん断波を励振するステップは、前記ユーザの手の運動によって、前記プローブに10Hz以上100Hz以下の周波数帯域を有するパルス振動を与えるステップである。 Preferably, the filter operation includes an operation for reducing or removing values in the second quadrant and the fourth quadrant of the kω distribution. Also, preferably, the step for exciting shear waves into the biological tissue, by movement of the hand of the user, Ru steps der pulsing vibrations having a 100Hz frequency band below or 10Hz to the probe.
本発明によれば、kω平面の第2象限および第4象限という単純に仕切られた領域において、各フィルタ係数が設定される。これによって、フィルタ演算に際してはkω分布の値と、その値が属する象限との関係によってフィルタ係数が定まるため、フィルタ演算が容易となる。 According to the present invention, each filter coefficient is set in a simply partitioned region of the second quadrant and the fourth quadrant of the kω plane. As a result, the filter operation is facilitated because the filter coefficient is determined by the relationship between the value of the kω distribution and the quadrant to which the value belongs in the filter operation.
本発明によれば、生体組織の弾性特性の計測を簡単にすることができる。 According to the present invention, it is possible to simplify the measurement of the elastic characteristics of a living tissue.
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。この超音波診断装置は、ユーザの手の運動によってプローブ10にパルス振動16を与え、プローブ10の振動によって被検体14に振動を与えてその組織にせん断波を励振するものである。プローブ10に与えられるパルス振動16は、例えば、10Hz以上100Hz以下の周波数帯域を有するものとする。このようなパルス振動は、ユーザが被検体14に当接させたプローブ10を把持した状態で、ユーザが自らの手によってプローブ10を介して被検体14に圧力を加えた直後にその圧力を弱め、被検体14に衝撃を与えることで発生させることができる。超音波診断装置は、被検体14にパルス振動16が与えられると共に、プローブ10において超音波を送受信させ、プローブ10で受信された超音波に基づいて生体組織の弾性率分布を計測する。
FIG. 1 shows the configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention. This ultrasonic diagnostic apparatus applies pulse vibration 16 to the
図1を参照して超音波診断装置の構成および動作について説明する。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。送信部20は、制御部22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20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に出力される送信信号の強度および出力タイミングを同一とし、各振動素子12に同一強度の超音波を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。
The configuration and operation of the ultrasonic diagnostic apparatus will be described with reference to FIG. The
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24に出力する。受信部24は、制御部22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。これによって、受信部24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受信データ記憶部26に記憶させる。ここで、各受信ベースバンドデータは、同相成分Iおよび直交成分Qを含む。IQ平面におけるベクトル(I,Q)の位相角は、受信信号の位相角を表す。
The ultrasonic wave transmitted from the
整相加算部28は、受信データ記憶部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y軸方向受信ビームデータを生成する。これら複数のy軸方向受信ビームデータは、被検体14の深さ方向(y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。y軸方向受信ビームデータは、整相加算前の受信ベースバンドデータと同様、同相成分および直交成分を含んでいる。整相加算部28は、各y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43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。
The phasing
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y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。制御部22、送信部20、プローブ10、および受信部24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。フレームレートは、例えば、1秒当たり1000フレーム以上、5000フレーム以下である。フレームデータ生成部30は、各断層フレームデータを伝搬特性解析部33に出力する。
The frame
図2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、時間t0から時間t0+(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y軸方向受信ビームデータ48を含む。
FIG. 2 conceptually shows a plurality of tomographic frame data generated by the frame
各断層フレームデータにはxy座標が対応付けられている。すなわち、1つのy軸方向受信ビームデータ48には、対応する受信ビームのx座標が対応付けられている。また、1つのy軸方向受信ビームデータ48の時間軸t’には、y座標が対応付けられている。ここで、生体組織における超音波の速さをcとすれば、y=c・t’/2の関係がある。1つの断層フレームデータにおける点(x、y)のデータは、同相成分I(x,t’)および直交成分Q(x,t’)を含む。ここで、t’=2y/cである。 Each tomographic frame data is associated with xy coordinates. That is, one y-axis direction received beam data 48 is associated with the x coordinate of the corresponding received beam. In addition, the y coordinate is associated with the time axis t ′ of one y-axis direction reception beam data 48. Here, if the speed of the ultrasonic wave in the living tissue is c, there is a relationship of y = c · t ′ / 2. The data of the point (x, y) in one tomographic frame data includes an in-phase component I (x, t ′) and a quadrature component Q (x, t ′). Here, t ′ = 2y / c.
次に、複数の断層フレームデータに基づいて、被検体14のxy断層面における弾性率分布を求め、弾性画像データを生成する構成および処理について説明する。弾性画像データは、xy断層面における弾性率分布を色彩等によって示す画像を弾性画像として表す。弾性率分布は、伝搬特性解析部33、フィルタ処理部37、および弾性特性解析部38によって構成された演算部42の演算によって求められる。
Next, a configuration and process for generating elastic image data by obtaining an elastic modulus distribution in the xy tomographic plane of the subject 14 based on a plurality of tomographic frame data will be described. The elastic image data represents an image indicating the elastic modulus distribution on the xy tomographic plane by color or the like as an elastic image. The elastic modulus distribution is obtained by calculation of the
速度分布演算部31およびyt分布演算部32は伝搬特性解析部33を構成し、生体組織の深さ方向位置yおよび時間tに対して、生体組織粒子の速度のy軸方向成分を対応付けたyt分布を伝搬特性として求める。
The velocity
速度分布演算部31は、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ついて、xy断層面上の各点に対応する生体組織粒子の振動の位相差Δφを求める。図2に示された例では、これら2つの断層フレームデータは、時間t=t0+i・δに取得された断層フレームデータFi、および、時間t=t0+(i+1)・δに取得された断層フレームデータFi+1である。ここで、iは0〜n−1のうちのいずれかの整数である。位相差Δφは、各点におけるy軸方向受信ビームデータ48の同相成分および直交成分を用いて、次の(数1)に基づいて求められる。
The velocity
ここで、I1およびQ1は、先に取得された断層フレームデータにおける、点(x,y)に対応する同相成分および直交成分である。I2およびQ2は、後に取得された断層フレームデータにおける、点(x,y)に対応する同相成分および直交成分である。(数1)は、IQ平面上の2つのベクトル(I1,Q1)および(I2,Q2)がなす角を表す。このような処理に従って、速度分布演算部31は、xy断層面上の各点に対応する生体組織粒子の振動について位相差Δφを求める。
Here, I1 and Q1 are an in-phase component and a quadrature component corresponding to the point (x, y) in the tomographic frame data acquired previously. I2 and Q2 are an in-phase component and a quadrature component corresponding to the point (x, y) in the tomographic frame data acquired later. (Expression 1) represents an angle formed by two vectors (I1, Q1) and (I2, Q2) on the IQ plane. According to such processing, the velocity
速度分布演算部31は、次の(数2)に基づいて、xy断層面上の各点における生体組織粒子の速度のy軸方向成分vを求める。以下、生体組織粒子の速度のy軸方向成分vを、単に粒子速度vとする。
The velocity
cは生体組織における超音波の速さであり、ω0は、プローブ10で送受信される超音波の角周波数である。このような処理によって、速度分布演算部31は、断層フレームデータF0およびF1に対して粒子速度のxy断層面における分布を求め、これを時間t=t0における粒子速度分布とする。同様に、断層フレームデータF1およびF2に対して粒子速度分布を求め、これを時間t=t0+δにおける粒子速度分布とし、断層フレームデータF2およびF3に対して粒子速度分布を求め、これを時間t=t0+2δにおける粒子速度分布とする。すなわち、速度分布演算部31は、断層フレームデータFiおよびFi+1に対して粒子速度分布を求め、これを時間t=t0+i・δにおける粒子速度分布とする。このようにして、速度分布演算部31は、時間t0〜時間t0+(n−2)・δについて、n−1個の粒子速度分布を求める。なお、速度分布演算部31は、断層フレームデータFiおよびFi+1に対して粒子速度分布を求め、これを時間t=t0+(i+1)・δにおける粒子速度分布としてもよい。
c is the speed of the ultrasonic wave in the living tissue, and ω 0 is the angular frequency of the ultrasonic wave transmitted and received by the
yt分布演算部32は、n−1個の粒子速度分布に基づいて、複数の受信ビームの位置に対応する複数のx座標値のそれぞれについて、yt分布を求める。yt分布は、生体組織の深さ方向位置yおよび時間tに対して粒子速度を対応付けた分布である。図3には、n−1個の粒子速度分布と、yt分布が求められるyt平面50との関係が概念的に示されている。図3では、n−1個の粒子速度分布が、速度分布平面V0〜Vn−2によって示されている。速度分布平面上の各点(x,y)には、その点における粒子速度v(x、y)が対応付けられている。ここで、x座標値xjについてのyt分布は、x=xjで表されるyt平面50と、速度分布平面V0〜Vn−2との各交線52上の各点における粒子速度によって形成される。
The yt
図4には、1つのx座標値についてのyt分布の例が示されている。横軸は生体組織の深さ方向位置(y座標値)を示し、縦軸は時間tを示している。この図は、塗りつぶしが薄い程、粒子速度が大きいことを示す。このyt分布には、時間が経過するに従って生体組織の深い方向に移動していく進行波成分54が現れている。また、時間が経過するに従って生体組織の浅い方向(y軸負方向、すなわち、プローブ10に向かう方向)に移動していく反射波成分56も認められる。
FIG. 4 shows an example of the yt distribution for one x-coordinate value. The horizontal axis indicates the depth direction position (y coordinate value) of the living tissue, and the vertical axis indicates time t. This figure shows that the thinner the fill, the greater the particle velocity. In this yt distribution, a traveling
yt分布演算部32は、受信ビームが存在する総てのx座標値のそれぞれについてyt分布を求め、各yt分布をフィルタ処理部37に出力する。
The yt
フィルタ処理部37は、変換部34、フィルタ演算部35および逆変換部36を備え、次のような処理によって、反射波成分を各yt分布から低減または除去する。すなわち、変換部34は、yt分布に対して、非特許文献1に記載されている二次元高速フーリエ変換処理を施してkω分布を求める。ここで、kω分布は、y軸方向の波数kおよび角周波数ωに対して、せん断波の強度を対応付けた分布である。波数は、y軸方向の単位距離当たりの位相回転量であり、伝搬定数とも称される。
The
図5には、kω分布の例が示されている。横軸ωは、せん断波の角周波数ωを示し、縦軸は、せん断波の波数kを示している。このkω分布は、塗りつぶしが薄い程、その領域の成分が大きいことを示す。kω分布における第1象限および第3象限は、位相速度ω/kが正である進行波成分の分布を示し、kω分布における第2象限および第4象限は、位相速度ω/kが負である反射波成分の分布を示す。図5に示される例では、第1象限および第3象限における進行波成分が支配的であるものの、第2象限および第4象限における反射波成分も認められる。 FIG. 5 shows an example of the kω distribution. The horizontal axis ω indicates the angular frequency ω of the shear wave, and the vertical axis indicates the wave number k of the shear wave. This kω distribution indicates that the thinner the fill is, the larger the component of the region is. The first quadrant and the third quadrant in the kω distribution show the distribution of traveling wave components having a positive phase velocity ω / k, and the second and fourth quadrants in the kω distribution have a negative phase velocity ω / k. The distribution of reflected wave components is shown. In the example shown in FIG. 5, the traveling wave components in the first and third quadrants are dominant, but the reflected wave components in the second and fourth quadrants are also recognized.
kω分布が求められた後、フィルタ演算部35は、kω分布の第2象限及び第4象限における分布を低減し、または0に置き換えるフィルタ演算を行う。すなわち、フィルタ演算においては、k>0かつω<0の第2象限の値、および、k<0かつω>0の第4象限の値に0以上1未満のフィルタ係数が乗ぜられる。そして、k>0かつω>0の第1象限の値、および、k<0かつω<0の第3象限の値にフィルタ係数として1が乗ぜられる。図6には、kω平面上でのフィルタ係数の分布が例示されている。この図では、第1象限および第3象限のフィルタ係数が1に設定され、第2象限および第4象限のフィルタ係数が0に設定されている。
After the kω distribution is obtained, the
逆変換部36は、フィルタ演算が施されたkω分布に対して二次元高速フーリエ変換処理についての逆変換処理を施して、フィルタ処理後のyt分布を生成し、弾性特性解析部38に出力する。
The
このような処理によって、フィルタ処理部37は、受信ビームが存在する総てのx座標値のそれぞれについて求められた各yt分布に対してフィルタ処理を施し、フィルタ処理後の各yt分布を弾性特性解析部38に出力する。
Through such processing, the
図7には、ある1つのx座標値に対して求められたフィルタ処理後のyt分布の例が示されている。このyt分布では、図4に示されるyt分布に見られるような反射波成分56が除去されている。
FIG. 7 shows an example of the yt distribution after filtering obtained for a certain x coordinate value. In this yt distribution, the reflected
弾性特性解析部38は、次のような処理によって、受信ビームが存在する総てのx座標値のそれぞれについて、xy断層面におけるy軸上の各点におけるy軸方向へのせん断波伝搬速度(y軸上伝搬速度分布)を求める。図8には、1つのx座標値について、y軸上伝搬速度分布を求める処理を説明するためのyt分布が示されている。弾性特性解析部38は、y=yjにおける時間軸上の粒子速度v0(t)=v(yj,t)を抽出する。さらに、弾性特性解析部38は、そこからy軸正方向に距離dだけ離れたy=yj+dにおける時間軸上の粒子速度vd(t)=v(yj+d,t)を抽出する。図9(a)には、粒子速度v0(t)が示されている。また、図9(b)には、粒子速度vd(t)が示されている。
The elastic
弾性特性解析部38は、次の(数3)に従い、粒子速度v0(t)と、粒子速度vd(t+τ)との相関関数R(τ)を求める。
The elastic
相関関数R(τ)は、粒子速度v0(t)の波形と、粒子速度vd(t)の波形をt軸負方向にτだけ平行移動した波形とが近似する度合を表す。弾性特性解析部38は、τを変化させながら各τについて相関関数R(τ)を求め、相関関数R(τ)が最大となるときのτの値を、y=yjからy=yj+dにかけての伝搬時間Tとする。弾性特性解析部38は、CS=d/Tを演算し、このCSをy=yj(またはyj+d)におけるy軸方向へのせん断波伝搬速度とする。
The correlation function R (τ) represents the degree of approximation between the waveform of the particle velocity v 0 (t) and the waveform obtained by translating the waveform of the particle velocity v d (t) by τ in the negative direction of the t-axis. Elastic
弾性特性解析部38は、y座標値yjを生体組織の範囲に亘って変化させ、xy断層面におけるy軸上の各点についてこのような処理を行う。これによって弾性特性解析部38は、1つのx座標値について1つのy軸上伝搬速度分布を求める。
The elastic
弾性特性解析部38は、受信ビームが存在する総てのx座標値のそれぞれについて、y軸上伝搬速度分布を求め、xy断層面におけるせん断波速度分布を求める。このようにして求められるせん断波速度分布は、xy断層面における各点に対し、せん断波のy軸方向への伝搬速度を対応付けた分布である。
The elastic
すなわち、図3に示されている1つのyt平面50から、1つのy軸上伝搬速度分布が求められ、受信ビームが存在する総てのx座標値のそれぞれについて求められたy軸上伝搬速度分布の集合によって、xy断層面におけるせん断波速度分布が形成される。
That is, the propagation velocity distribution on one y-axis is obtained from one yt
弾性特性解析部38は、xy断層面におけるせん断波速度分布に基づいて、xy断層面における弾性率分布を求める。この処理は、xy断層面における各点のせん断波伝搬速度CSを用いて、次の(数4)に基づいて弾性率Eを求めることで行われる。
The elastic
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/m3である。弾性特性解析部38は、xy断層面における弾性率分布を弾性画像生成部40に出力する。弾性画像生成部40は、弾性率分布に基づいて弾性画像データを生成し、画像合成部44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。
Here, ρ is the density of living tissue, and in the case of soft tissue, it is approximately 1000 kg / m 3 . The elastic
次に、断層画像生成部43が、整相加算部28から出力された各y軸方向受信ビームデータに基づいて、xy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43は、x軸方向に並ぶ複数の受信ビームに対応する各y軸方向受信ビームデータに基づいて、xy断層面における断層画像データを生成し、画像合成部44に出力する。断層画像生成部43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43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44に出力する。
Next, processing in which the tomographic
画像合成部44は、断層画像生成部43から出力された断層画像データ、および、弾性画像生成部40から出力された弾性画像データに基づいて、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46に出力する。表示部46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。
The
なお、上記では、各振動素子12に同一強度の超音波を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を発生させる例について説明した。このような構成の他、制御部22によって送信部20および受信部24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xy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xy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、断層画像生成部43において1画像分の断層画像データが生成される。
In the above description, the example in which the
本実施形態に係る超音波診断装置では、ユーザの手の運動によってプローブにパルス振動が与えられ、プローブの振動によって被検体に振動を与えて生体組織にせん断波が励振される。これによって、振動を発生させる機構が要されないため、超音波診断装置の構成が簡単となり、計測が容易となる。せん断波の周波数成分は、ユーザの手加減によって簡単に調整することができる。また、音響放射圧によって生体組織にせん断波を発生させる場合に比べて、超音波のエネルギーは小さくてもよい。これによって、超音波に対する反射係数が大きい部位の計測が容易となる。 In the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present embodiment, pulse vibration is given to the probe by the movement of the user's hand, and the subject is vibrated by the vibration of the probe to excite a shear wave in the living tissue. Accordingly, since a mechanism for generating vibration is not required, the configuration of the ultrasonic diagnostic apparatus is simplified and measurement is facilitated. The frequency component of the shear wave can be easily adjusted by user control. Moreover, the energy of ultrasonic waves may be smaller than that in the case where shear waves are generated in a living tissue by acoustic radiation pressure. This facilitates measurement of a part having a large reflection coefficient for ultrasonic waves.
さらに、フィルタ処理部によって、せん断波の反射波成分が低減または除去されるため、弾性率分布の計測精度が向上する。この処理は、kω分布に対してフィルタ係数を乗ずるものであるため処理が簡単である。また、kω平面の第2象限および第4象限という単純に仕切られた領域において、各フィルタ係数が設定される。これによって、フィルタ処理に際してはkω分布の値と、その値が属する象限との関係によってフィルタ係数が定まるため、フィルタ演算が容易となる。 Furthermore, since the reflected wave component of the shear wave is reduced or removed by the filter processing unit, the measurement accuracy of the elastic modulus distribution is improved. This process is simple because the kω distribution is multiplied by a filter coefficient. Further, each filter coefficient is set in a simply partitioned region of the second quadrant and the fourth quadrant of the kω plane. As a result, in the filtering process, the filter coefficient is determined by the relationship between the value of the kω distribution and the quadrant to which the value belongs, so that the filter operation is facilitated.
10 プローブ、12 振動素子、14 被検体、16 パルス振動、18 平面波、20 送信部、22 制御部、24 受信部、26 受信データ記憶部、28 整相加算部、30 フレームデータ生成部、31 速度分布演算部、32 yt分布演算部、33 伝搬特性解析部、34 変換部、35 フィルタ演算部、36 逆変換部、37 フィルタ処理部、38 弾性特性解析部、40 弾性画像生成部、42 演算部、43 断層画像生成部、44 画像合成部、46 表示部、48 受信ビームデータ、50 yt平面、52 yt平面と速度分布平面との交線、54 進行波成分、56 反射波成分。
10 probe, 12 vibration element, 14 subject, 16 pulse vibration, 18 plane wave, 20 transmission unit, 22 control unit, 24 reception unit, 26 reception data storage unit, 28 phasing addition unit, 30 frame data generation unit, 31 speed Distribution calculation unit, 32 yt distribution calculation unit, 33 propagation characteristic analysis unit, 34 conversion unit, 35 filter calculation unit, 36 inverse conversion unit, 37 filter processing unit, 38 elastic characteristic analysis unit, 40 elastic image generation unit, 42 calculation unit , 43 Tomographic image generation unit, 44 Image composition unit, 46 Display unit, 48 Received beam data, 50 yt plane, 52 yt plane and velocity distribution plane intersection line, 54 traveling wave component, 56 reflected wave component.
Claims (4)
ユーザの手の運動によって前記プローブにパルス振動を与え、前記プローブの振動によって前記生体組織にせん断波を励振するステップと、
前記送受信部が前記プローブに超音波を送受信させるステップと、
前記送受信部から出力された受信データに基づいて、前記フレームデータ生成部が前記生体組織の断層フレームデータを生成するステップと、
前記フレームデータ生成部によって時間経過と共に生成された複数の断層フレームデータに基づいて、前記演算部が前記生体組織の断層面における弾性特性を求めるステップとを含み、
前記演算部が前記生体組織の断層面における弾性特性を求めるステップは、
前記複数の断層フレームデータに基づいて、せん断波の伝搬特性を求める伝搬特性解析ステップと、
前記伝搬特性に対して、せん断波の反射波成分を除去または低減するフィルタ処理を施すフィルタ処理ステップと、
前記フィルタ処理後の前記伝搬特性に基づいて、前記生体組織の断層面における弾性特性を求める弾性特性解析ステップと、
を含み、
前記伝搬特性解析ステップは、
前記複数の断層フレームデータに基づいて、前記生体組織の深さ方向位置yおよび時間tに対して前記生体組織のy軸方向粒子速度を対応付けたyt分布を、前記伝搬特性として求めるyt分布演算ステップを含み、
前記フィルタ処理ステップは、
前記yt分布に対して二次元高速フーリエ変換を施して、波数kおよび角周波数ωに対するせん断波の分布を表すkω分布を求める変換ステップと、
前記kω分布に対してフィルタ演算を施すフィルタ演算ステップと、
前記フィルタ演算が施された前記kω分布に対し、前記二次元高速フーリエ変換についての逆変換を施して、前記フィルタ処理後の前記伝搬特性を求める逆変換ステップと、
を含み、
前記フィルタ演算は、位相速度ω/kが負である反射波成分を低減または除去する演算を含むことを特徴とする方法。 In a method for obtaining elastic characteristics of biological tissue by a device including a probe, a transmission / reception unit, a frame data generation unit, and a calculation unit,
Applying pulse vibration to the probe by movement of a user's hand and exciting a shear wave to the living tissue by vibration of the probe ;
A step in which the transmitting and receiving unit to transmit and receive ultrasonic waves to the probe,
Based on the received data output from the transceiver unit, the method comprising the frame data generating unit generates a tomographic frame data of the living body tissue,
On the basis of the frame data generating section plurality of tomographic frame data generated with time by including a step of the arithmetic unit obtains elastic properties in the tomographic plane of the body tissue,
The step of calculating the elastic characteristic in the tomographic plane of the living tissue by the calculation unit
A propagation characteristic analysis step for obtaining a propagation characteristic of a shear wave based on the plurality of fault frame data;
A filtering process step for applying a filtering process to remove or reduce a reflected wave component of the shear wave with respect to the propagation characteristics;
Based on the propagation characteristics after the filtering process, an elastic characteristic analysis step for obtaining elastic characteristics in the tomographic plane of the living tissue ;
Including
The propagation characteristic analysis step includes
Yt distribution calculation for obtaining, as the propagation characteristics, an yt distribution in which the y-axis direction particle velocity of the living tissue is associated with the depth direction position y and the time t of the living tissue based on the plurality of tomographic frame data Including steps ,
The filtering step includes
A conversion step of performing a two-dimensional fast Fourier transform on the yt distribution to obtain a kω distribution representing a shear wave distribution with respect to a wave number k and an angular frequency ω;
A filter operation step for performing a filter operation on the kω distribution;
An inverse transform step for obtaining the propagation characteristics after the filter processing by performing an inverse transform on the two-dimensional fast Fourier transform on the kω distribution subjected to the filter operation;
Including
The filter operation, a method which comprises the operation phase velocity omega / k to reduce or eliminate reflected wave component is negative.
前記プローブは、
線状に配列された複数の振動素子を備え、
前記送受信部は、
前記プローブに平面波を送信させることを特徴とする方法。 The method of claim 1, wherein
The probe is
It has a plurality of vibration elements arranged in a line,
The transceiver unit is
A method of causing the probe to transmit a plane wave.
前記フィルタ演算は、
前記kω分布の第2象限および第4象限における値を低減または除去する演算を含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 or claim 2, wherein
The filter operation is
A method comprising the operation of reducing or eliminating values in the second quadrant and the fourth quadrant of the kω distribution.
前記生体組織にせん断波を励振するステップは、
前記ユーザの手の運動によって、前記プローブに10Hz以上100Hz以下の周波数帯域を有するパルス振動を与えるステップであることを特徴とする方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein
Exciting the shear wave in the living tissue,
Wherein the by the movement of the hand of the user, a step of providing a pulse vibration having a 100Hz frequency band below or 10Hz to the probe.
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