JP6996035B2 - 超音波診断装置、および、生体組織の物性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に係り、被検体内において弾性波を発生させ、伝搬に伴う組織変位を計測することにより、生体組織の性状を評価する技術に関する。

超音波撮像装置やMRI（Magnetic Resonance Imaging）装置、X線CT（Computed Tomography）装置に代表される医療用の画像表示装置は、目視できない生体内の情報を数値または画像の形態で提示する装置として広く利用されている。中でも超音波撮像装置は、他の装置と比較して高い時間分解能を備えており、拍動下の心臓を滲みなく画像化できる性能を持つ。

生体内を伝搬する超音波は、主に縦波と横波に区別される。従来の超音波撮像装置は、主に縦波（音速約1540m/s）の情報を利用して、組織形態の映像化や血流速度の計測を行う。

近年、横波（以降、せん断波と呼ぶ）を利用して組織の弾性率を評価する技術が注目されており、慢性肝疾患や癌に対する臨床利用が進められている。この技術では、計測対象となる組織内部にせん断波を発生させ、組織の変位を計測し、変位から伝搬速度を求め、さらに伝搬速度から組織の弾性率を算出して組織を評価する。せん断波を発生させる手法は、機械方式と放射圧方式に大別される。機械方式は、バイブレータ等を利用して体表面に1kHz程度の振動を与えてせん断波を発生させる方式で、振動源となる駆動装置が必要である。一方、放射圧方式は、超音波を組織内の局所に集中させた集束超音波を利用して生体内に音響放射圧を加え、瞬時的に発生する組織変位を利用してせん断波を発生させる。

非特許文献１には、検査対象を伝搬するせん断波の波面から特定成分を抽出する方法が開示されている。具体的には、この方法は、伝搬するせん断波の波面振幅の空間分布を、方位方向および深度方向に関する空間周波数として縦軸および横軸とする周波数空間に変換し、空間周波数の空間を等角に分割する。そして、分割した空間に含まれる成分（波面振幅）毎に実空間に再変換することで、実空間上の波面振幅を、せん断波の伝搬方向別に抽出する。

特許文献１には、非特許文献１と同様に、検査対象の機械的特性を計測する目的でせん断波を励起して、実空間ｘ－ｚの変位を計測し、空間周波数ｋ－時間周波数ｆの空間に変換し、方向フィルタを適用することにより特定の方向に所定範囲の速度で伝搬するせん断波を抽出する技術が開示されている。

非特許文献２には、心筋性状を評価する技術が開示されている。心臓は洞房結節からの電気信号が、心臓の左右を隔てる中隔組織等の心筋組織を伝わることで、周期的な拍動を繰り返す。電気信号の伝導に伴い中隔組織には弾性波が伝わるが、非特許文献２の技術では、弾性波の伝搬に伴う中隔組織の変位を計測して心臓の機能評価を行なっている。

非特許文献３には、同じく心臓の組織性状を目的とした弾性波計測の技術が開示されている。この技術では、生体模擬組織に挿入したバイブレータを利用して表面波を生成し、媒質の変位を計測する。変位計測結果は周波数解析され、表面波の速度の周波数分散が算出される。

特表２０１５－５２４７４０号公報

H. Zhao, et al., IEEE Trans. Med. Imaging, 33, 11, (2014) H. Kanai, IEEE Trans. Ultrason. Ferr. Freq. Contll, vol. 52, no. 11, (2005) pp.1931 I. Nenadic, et.al., 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS (2010) pp.45

生体内の組織の中で、膀胱や心臓は、排尿や血液循環に関するポンプ機能を備えており、その壁構造は筋層組織で形作られている。その筋層組織の性状が異常である場合、ポンプ機能が低下し、排尿障害や不整脈等の症状が現れる。

泌尿器関係の障害は、特に高齢化社会が進む中で重要性が増す疾患である。例えば頻尿や残尿感は命に関わる症状ではないため、患者が医師に相談せず、疾患であるという診断がなされていない場合がある。このような場合、投薬など適切な処置が患者に対してなされない。しかし排尿関係の異常は、QOL（Quality of life）を著しく低下させる重要要素であるため、可能な限り簡便な診断方法が求められている。

また、心臓疾患の場合、発症した場合は命に関わるため、可能な限り早い段階でリスク判定を行なう必要がある。心臓については、主に血流や心臓としてのポンプ機能（拍動下の心壁運動）を検査することが多いが、心筋の性状を正確に評価することでより早期にリスク判定ができる可能性がある。

また、体表組織（脂肪および筋肉）と体内臓器（例えば肝臓）の間には腹膜があり、患者によっては、腹膜と体内臓器、または、体内臓器同士が癒着を起こしている場合がある。高齢化社会が進む中、身体的負担が少ない低侵襲な治療法として腹腔鏡手術が普及しつつあるが、体内の癒着の有無や癒着位置の情報は、鉗子やメス、ならびに、カメラ等を患部まで挿入するデバイスルートを確保する上で極めて重要な術前情報である。

膀胱、心臓、癒着膜に共通するのは、着目している組織が膜状（または一定の厚みを持つ平面板状）であるという点である。弾性波の波長サイズより充分に大きい生体組織の中心部に着目する場合には、着目領域に伝搬する弾性波の種類としては実体波（疎密波またはせん断波）が主要成分となるため、従来のようにせん断波に適した評価方法を用いればよい。しかしながら、膜状の組織の評価を超音波を用いて行うためには、評価対象の厚さが弾性波の波長サイズに比べて小さいため、実体波だけでなく表面波（レイリー波またはラブ波）の影響を検出し、その波に適した評価方法を用いる必要がある。

特許文献１および非特許文献１に記載の技術は、肝臓などの比較的大きな組織を対象としているため、計測する弾性波としてせん断波を想定している。そのため、膜状組織を評価するために、積極的にせん断波以外の波を計測し、膜状組織の特性を考慮した解析を行うことは、特許文献１および非特許文献１では開示されていない。

また非特許文献２の技術は心臓の中隔組織に着目しており、膜状組織を対象とする点で本発明と類似するが、大きな組織を対象とする場合と同様の手法で中隔組織を評価している。

非特許文献３の技術は、表面波に着目しているが、処理内容は特許文献１および非特許文献１に記載のせん断波に対する処理と同じであり、表面波の特性を考慮した処理は行っていない。

本発明の目的は、生体内の膜状の組織や組織の表面の性状を超音波によって評価する技術を提供することにある。

本発明によれば、検査対象である生体組織の表面に、１点以上の計測点を設定する計測点設定部と、生体組織に弾性波が伝搬している状態で、生体組織の計測点における変位を超音波を用いて計測することにより、弾性波のうち少なくとも表面波を計測する変位計測部と、計測した変位を用いて生体組織の物性を表す指標値を算出する物性評価部とを有する超音波診断装置が提供される。

本発明によれば、生体内の膜状の組織や組織の表面の性状を超音波によって評価することができる。

実施形態の超音波撮像診断装置の一構成例のブロック図。 （ａ）膜状の生体組織に放射圧用超音波を照射することを示す説明図、（ｂ）放射圧用超音波により生じた表面波が伝搬することを示す説明図。 生体組織１００の計測点で計測された変位の時間変化を示すグラフ。 （ａ）２つの生体組織の境界に放射圧用超音波を照射することを示す説明図、（ｂ）放射圧用超音波により生じた表面波が、２つの生体組織の表面を伝搬することを癒着ありの場合と癒着なしの場合とで示す説明図。 （ａ）２つの生体組織の境界を表面波が伝搬することにより生じる変位の波形を、癒着ありの場合と無しの場合とで示すグラフ、（ｂ）２つの生体組織の境界付近における変位波形の相関値と、物性を示す指標値の変化を、癒着ありの場合と無しの場合とで示すグラフ。 生体組織１００が膀胱である場合の膨張期と収縮期の形状の変化と、物性を示す指標値（速度）の変化を説明する図。 膀胱の膨張期と収縮期における物性を示す指標値（速度）と容量の変化（ヒステリシス）を示す図。 実施形態１の超音波診断装置の動作を示すフローチャート。 （ａ）および（ｂ）実施形態１の計測用超音波の送受信方法を示す説明図。 （ａ）および（ｂ）実施形態１により求められた生体組織の機能を示す表示方法の例。 実施形態２の超音波診断装置の動作を示すフローチャート。 実施形態２により求められた生体組織の癒着の有無を示す表示方法の例。 （ａ）～（ｆ）実施形態の計測波形から透過波の表面波を抽出する場合の手順を示す説明図。

以下、本発明の実施形態を図面に従い説明する。

本実施形態では、生体組織に伝搬する弾性波のうち表面波を主に計測することにより、物性を表す指標値を算出し、膜状組織または組織の表面の評価を行う。

図１に実施形態の超音波診断装置（超音波送受信装置）１の一構成例のブロック図を示す。本実施形態の超音波診断装置は、図１のように、計測点設定部３１、変位計測部３２と、物性評価部３３とを備えて構成される。

計測点設定部３１は、図２（ａ），（ｂ）に示したように、検査対象である生体組織１００の表面に、１点以上の計測点３０１を設定する。変位計測部３２は、生体組織１００に弾性波が伝搬している状態で、生体組織の計測点３０１における変位を超音波を用いて計測する。

生体組織１００は、弾性体であり、何らかの方法で振動が与えられ、もしくは生体組織１００の自発的な運動により振動を生じ、生体組織１００には弾性波が伝搬している状態である。弾性波には、複数の種類があり、生体組織１００の内部にはせん断波が、表面には表面波が伝搬する。表面波は、特徴的な振動を伴い進行し、その振幅はせん断波よりも小さく、生体組織の厚さが薄いほど大きくなる。また、表面波のモードには、膜の両面で位相関係が異なるモードもある。

本実施形態では、計測点設定部３１が、生体組織１００の表面に計測点３０１を設定するため、変位計測部３２が計測点３０１の変位を計測することにより、表面波による変位を計測することができる。物性評価部３３は、計測した変位を用いて生体組織１００の物性を表す指標値を算出する。

物性を表す指標値としては、生体組織１００を伝搬する弾性波（主に表面波）の速度や、２以上の計測点を伝搬する弾性波の速度の差、２以上の計測点を伝搬する弾性波の位相差、生体組織１００の弾性率等を用いることができる。

このように、本実施形態の超音波診断装置は、表面波を計測することにより、生体組織１００が、膜状組織である場合や、生体組織１００の表面が評価対象である場合に、精度よく物性を評価することができる。

物性評価部３３は、算出した物性を表す指標値を用いて生体組織１００の組織性状、または、生体組織１００が構成する臓器（例えば心臓や膀胱）の機能の良否を判定することができる。

生体組織１００が膜状または壁状である場合、物性を表す指標値としては、膜状または壁状の生体組織１００の両面の計測点をそれぞれ伝搬する弾性波（主に表面波）の速度または位相の差を用いることができる。この場合、計測点設定部３１は、図２（ｂ）のように膜状または壁状の生体組織１００の両面にそれぞれ計測点３０１、３１１を少なくとも１点ずつ設定する。変位計測部３２は、図３に一例を示すように、各計測点３０１、３１１における変位を計測する。物性評価部３３は、両面の計測点３０１，３１１における変位を用いて、両面の計測点３０１，３１１をそれぞれ伝搬する弾性波の速度または位相の差を、物性を表す指標値として算出する。

また、本実施形態において、生体組織の組織性状には、生体組織と周囲の組織との結合状態（例えば、癒着）の有無が含まれ、生体組織が周囲の組織に結合しているかどうかを判定することができる。この場合、計測点設定部３２は、図４（ａ）に示すように、隣り合う２つの生体組織１００－１，１００－２が対向する位置において、２つの生体組織１００－１，１００－２のそれぞれの表面に計測点３０１，３０２を設定する。変位計測部３２は、それぞれの計測点３０１，３０２において変位を計測することにより、弾性波（主に表面波）の波形を計測する（図４（ｂ）、図５（ａ）参照）。

図４（ｂ）の左側の図に示すように、生体組織１００－１、１００－２の間の境界層１００－３が粘弾性膜である場合、生体組織１００－１、１００－２は結合（例えば、癒着）しており、両組織の変位は連動する。このため、計測点３０１，３０２の変位波形の相関度合、ならびに、計測点３０１，３０２の物性を表す指標値（例えば、弾性波の速度や弾性率）の相関度合は、図５(ａ)、（ｂ）に示すように大きくなる。

一方、図４（ｂ）の右側の図に示すように、生体組織１００－１、１００－２の間の境界層１００－３が液層である場合、生体組織１００－１、１００－２は結合しておらず、両組織の変位は連動しないため、計測点３０１，３０２の変位波形の相関度合、ならびに、計測点３０１，３０２の物性を表す指標値（例えば、弾性波の速度や弾性率）の相関度合は、図５（ａ），（ｂ）に示すように癒着している場合より小さくなる。

よって、物性評価部３３は、２つの計測点３０１、３０２の変位の波形の相関度合、または、２点の計測点３０１，３０２の物性を表す指標値の相関度合を求めることにより、相関度合の大小により２つの生体組織の結合状態（例えば、癒着）の有無を判定することができる。

なお、図４（ｂ）に示すように、境界層１００－３にも計測点３０３を設定してもよい。

なお、計測点設定部３１は、生体組織１００の画像に基づいて、生体組織の表面に計測点３０１等を設定することが可能である。例えば、計測点設定部３１は、生体組織１００の画像を処理することにより、生体組織１００の表面や生体組織１００－１，１００－２の境界を検出し、計測点３０１等を設定することができる。

また、生体組織１００が、図６に示すように内部に空間１００ａを有し、空間１００ａに液体または気体を蓄えたり、排出したりすることができる臓器を構成している場合、物性評価部３３は、物性を表す指標値と、空間１００ａの容量とに基づいて、生体組織１００の組織性状、または、生体組織１００が構成する臓器の機能の良否の判定を行う構成としてもよい。この場合、物性評価部３３は、生体組織１００の画像に基づき、画像における空間の大きさを求めることにより空間１００ａの容量を求めてもよい。

また、物性評価部３３は、生体組織１００が空間１００ａに液体または気体を蓄えたり、排出したりする途中の複数の時点における空間１００ａの容量を算出するとともに、複数の時点における生体組織１００の物性を表す指標値を算出し、空間１００ａの容量と、指標値の変化とに基づいて、生体組織１００が構成する臓器の機能の良否の判定を行う構成であってもよい。例えば、物性評価部３３は、空間１００ａの容量と物性を表す指標値の変化とを、図７に示すように、容量と指標値を２軸とする空間にプロットし、得られたヒステリシスの形状または面積に基づいて判定を行う構成とする。

以下、本実施形態の超音波診断装置１の構成についてさらに詳しく説明する。以下の説明では、集束超音波を生体組織１００に照射して、音響放射圧によりせん断波を発生させる場合を例に説明する。

図１に示したように、本実施形態の超音波診断装置１には、送受信制御部２０と、制御部３０が配置されている。超音波診断装置１には、探触子１０と、外部入力部１３と、表示部１５が接続されている。送受信制御部２０は、探触子１０を構成する各振動子に受け渡す送信信号を生成する送信部（以下、送信ビームフォーマと呼ぶ）２１と、探触子１０の各振動子の出力から、生体組織１００内の所定の点についての受信信号を生成する受信部（以下、受信ビームフォーマと呼ぶ）２２とを備えている。

制御部３０は、上述した計測点設定部３１、変位計測部３２、物性評価部３３および画像生成部３４を含む。制御部３０には、メモリ１６が接続されている。

制御部３０は、計測点設定部３１、変位計測部３２、物性評価部３３および画像生成部３４の機能をソフトウエアによって実現することも可能であるし、その一部または全部をハードウエアによって実現することも可能である。ソフトウエアによって実現する場合、制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサを内蔵するコンピュータシステムで構成され、CPU等が、メモリ１６に予め格納されたプログラムを読み込んで実行することにより、計測点設定部３１、変位計測部３２、物性評価部３３および画像生成部３４の機能を実現する。また、ハードウエアによって実現する場合には、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のようなカスタムＩＣや、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプログラマブルＩＣを用いて制御部３０を構成し、計測点設定部３１、変位計測部３２、物性評価部３３および画像生成部３４の動作を少なくとも実現するように回路設計を行えばよい。

＜実施形態１＞
実施形態１の超音波診断装置の各部の動作例を図８を用いて説明する。実施形態１では、膜状の生体組織１００の物性を示す指標値を算出するとともに、生体組織１００の構成する臓器の機能の良否を判定する例について説明する。なお制御部３０は、ソフトウエアにより実現される場合を例に説明する。図８は、超音波診断装置全体の動作を示すフローチャートである。また、図９（ａ）、（ｂ）には、探触子１０において送受信される超音波の一例を示す。

制御部３０は、図６に示したように、画像取得範囲４００の生体組織１００の画像を生成するために、画像生成用超音波の送受信を送受信制御部２０に指示する（ステップ８０１）。送受信制御部２０の送信ビームフォーマ２１は、画像取得範囲４００に１以上の送信走査線を設定し、送信走査線に沿って超音波ビームを照射させるための送信信号を生成して探触子１０の各振動子に出力する。これにより、探触子１０から送信走査線に沿って画像生成用超音波ビームが生体組織１００の画像取得範囲４００に照射される。生体組織１００では、照射された超音波ビームのエコーが生じ、探触子１０の各振動子によって受信される。受信ビームフォーマ２１は、各振動子の受信信号を整相加算することにより、画像取得範囲４００内の設定した複数の受信走査線上の複数の受信焦点について焦点データを生成する。画像生成部３４は、焦点データを受信焦点の位置に対応する画素の画素値として設定することにより、画像取得範囲４００の画像を生成し、表示部１５に表示させる（ステップ８０２）。

制御部３０は、生体組織１００の計測範囲３００の位置を図２のようにユーザから外部入力部１３を介して受け付ける（ステップ８０３）。図２の例では、生体組織１００は膜状である。

計測点設定部３１は、画像生成部３４の生成した画像の計測範囲３００について２値化処理等の画像処理を施すことにより、膜状の生体組織１００の外形を抽出し、表面近傍に計測点３０１等を設定する（ステップ８０４）。ここでは、膜状の生体組織１００の両面の表面波の速度を物性を表す評価値として算出するために、膜状の生体組織１００の両面（表面と裏面）にそれぞれ２点以上の計測点３０１－１、３０１－２、３１１－１、３１１－２を設定する。また、ここでは、速度の他に、両面を伝搬する表面波の位相差も物性を表す評価値として求める。

つぎに、変位計測部３２は、図９（ａ）、（ｂ）のように、計測点３０１－１等の位置に弾性波を伝搬させることができる位置３３０を設定し、この位置３３０に送信焦点を結び、所定の音響強度を有する放射圧用超音波２３を照射するように送受信制御部２０に指示する（ステップ８０５）。これを受けて送受信制御部２０は、音響放射圧を生じさせる放射圧用超音波２３を計測範囲３００内の所定の位置に照射するための送信信号を送信ビームフォーマ２１に生成させ探触子１０に出力する。探触子１０は、生体組織１００の送信焦点３３０に向かって放射圧用超音波を送信する。これにより、生体組織１００内で音響放射圧が生成され、生体組織１００は局所的に圧力を受け、弾性よる復元力が働くため、生体組織１００に弾性波が発生する。弾性波は、膜状の生体組織を送信焦点３３０を起点に放射状に伝搬するが、膜状の生体組織１００の表面には、弾性波のうち表面波が、中心部にはせん断波が主に伝搬する。なお、図９（ａ）、（ｂ）の図面では、右方向に伝搬する波面を計測する場合を例示している。

変位計測部３２は、送受信制御部２０に、計測用超音波２４を送受信し、膜状の生体組織１００の両面にそれぞれ配置された計測点３０１－１，３０１－２、３１１－１，３１１－２等の組織の変位を計測する（ステップ８０６，８０７）。これにより、図３のように、計測点３０１－１，３０１－２、３１１－１，３１１－２の変位を、少なくともある時点において計測する。なお、図３の例では、時系列に変位を計測している。具体的には、送受信制御部２０の制御下で、送信ビームフォーマ２１は送信信号を生成し、探触子１０に出力する。これにより、図９（ａ），（ｂ）のように、探触子１０は、複数の計測点３０１等に所定のタイミングで１以上の計測用超音波２４を照射し、計測点３０１等から反射した超音波のエコーを、探触子１０の各振動子によって受信する。送受信制御部２０は、計測用超音波２４の複数の計測点３０１をそれぞれ通って深さ方向（ｚ方向）に延びる複数の受信走査線を設定し、受信ビームフォーマ２２を動作させて、受信走査線上の複数の受信焦点について振動子の出力信号を整相加算させて、受信焦点データを生成させる。送受信制御部２０は、計測用超音波２４の送信およびそのエコーの受信を、所定の時間間隔で繰り返すことにより、図３のような計測点３０１－１等ごとの変位の時間変化を得てもよい。

なお、図９（ａ）の例は、複数の計測点３０１ごとに計測用超音波２４を照射し、その都度、送信した計測点３０１に受信走査線を設定して受信焦点データを得る構成を示している。一方、図９（ｂ）の例は、複数の計測点３０１にわたって１つの計測用超音波２４を照射し、複数の計測点３０１にそれぞれ受信走査線を設定して受信焦点データを得る構成を示している。図９（ａ）の送受信パターンは、感度に優れ、図９（ｂ）の送受信パターンは、時間分解能が高い。生体組織１００の部位や、必要な時間分解能に応じて、図３（ａ），（ｂ）のいずれかの送受信パターンを用いればよい。

物性評価部３３は、ステップ８０７で求めた表面側及び裏面側の計測点３０１等の変位を用いて、表面側（深度ｚ＝ｚ_０）および裏面側（ｚ＝ｚ_１）をそれぞれ伝搬する弾性波（主に表面波）の速度V_ｚ０、V_ｚ１と、その比率V_ｚ０／V_ｚ１、ならびに、表面側の弾性波と裏面側の弾性波の位相差δを求める。変位の計測結果は、伝搬方向ｘと深さ方向ｚと時間方向ｔの３次元の情報である。伝搬方向ｘと時間方向ｔの変化から速度、深さ方向ｚと時間方向ｔの相互相関演算により位相差δを算出することができる。速度Ｖは、粘弾性率Ｅの違いを、位相差δは、深度による物性の違いを、それぞれ示す評価指標である。

具体的には、生体組織１００の表面側（深度ｚ＝ｚ_０）の計測点３０１－１、３０１－２の膜面内方向ｘの位置がそれぞれｘ＝ｘ_０、ｘ＝ｘ_１である場合、時刻ｔの変位ｕをそれぞれu（ｘ_０，ｚ_０，ｔ）、ｕ（ｘ_１，ｚ_０，ｔ）で表すと、表面側を伝搬する弾性波の速度V_ｚ０は、式（１）で表される。ただし、Δ[a,b]は、ａとｂとの差、もしくは、相互相関演算の結果を示す。

同様に、生体組織１００の裏面側（深度ｚ＝ｚ_１）の計測点３１１－１、３１１－２の方向ｘの位置がそれぞれｘ＝ｘ_０、ｘ＝ｘ_１である場合、裏面側を計測点３１１－１、３１１－２の時刻ｔの変位ｕはそれぞれu（ｘ_０，ｚ_１，ｔ）、ｕ（ｘ_１，ｚ_１，ｔ）で表され、裏面側を伝搬する弾性波の速度V_ｚ１は、式（２）で表される。

物性評価部３３は、式（１）、（２）より、それぞれ表面側および裏面側の弾性波の速度V_ｚ０、V_ｚ１を求め、さらに速度比V_ｚ０／V_ｚ１を算出する（ステップ８０８，８０９）。さらに、物性評価部３３は、式（３）により弾性率Ｅを求めてもよい。

Ｅ＝３ρＶ^２ ・・・（３）
ただし、Ｖは、式（１）または式（２）で求めた速度であり、ρは予め定めて定めておいた密度である。

また、図３に示したように、物性評価部３３は、表面側の計測点３０１等の変位ｕと裏面側の計測点３１１等の変位ｕとの位相差δを、式（４）により、相互相関演算により求める（ステップ８１０，８１１）。

物性評価部３３は、算出した物性を表す指標値（速度Ｖ、速度比率、位相差δ）を用いて、生体組織１００が構成する臓器の機能を良否を判定する（ステップ８１２）。例えば、臓器ごとに予め定めておいた基準値と、算出した指標値を比較することにより、臓器の機能の良否を判定する。例えば、組織が軟らかく変形しやすい方が望ましい臓器であれば、速度Ｖから求められる粘弾性率Ｅが組織が基準値よりも軟らかいことを示している場合は機能が良いと判定し、逆に基準値よりも硬いことを示している場合には、機能が悪いと判定する。判定結果は、図１０（ａ）に示すように、ステップ８０２で求めた画像（Ｂモード画像）に重畳させて、計測点の位置の膜状の生体組織１００に機能の良否を示す色彩や模様を付して表示部１５に表示することができる（ステップ８１３）。また、図１０（ｂ）に示すように、生体組織１００の深さ方向ｚおよび伝搬方向ｘについて計測点３０１、３１１等ごとに指標値の大小、または、基準値との比較結果（機能の良否）を示す色彩や模様を表示してもよい。

また、生体組織１００が内部に空間１００ａを有する臓器である場合、ステップ８１２において、物性評価部３３は、ステップ８０２において生成された画像を時系列に取得し、空間１００ａの面積を求めることにより容量を求め、それぞれの時点の指標値（例えば速度Ｖ）と容量とを上述した図７のようにプロットしてもよい。このプロットをその臓器の収縮期と膨張期にそれぞれ行うことにより、その臓器特有のヒステリシスを得て、ヒステリシスの形状や面積、収縮加速度や膨張加速度により、臓器の機能の良否を判定することができる。

上述してきたように、実施形態１の超音波診断装置は、膜状の生体組織１００の物性を示す指標値を求め、表示することができる。さらに、生体組織１００が構成する臓器の機能の良否を判定して表示することもできる。

＜実施形態２＞
実施形態２の超音波診断装置の各部の動作例を図１１を用いて説明する。実施形態２では、隣合う生体組織１００－１と生体組織１００－２のそれぞれの表面の物性を示す指標値を算出し、生体組織１００－１と生体組織１００－２が癒着しているかどうかを判定する例について説明する。図１１は、超音波診断装置全体の動作を示すフローチャートである。なお、図１１のフローにおいて、図８のフローと同様の動作については説明を省略する。

制御部３０は、図８のフローのステップ８０１～８０３と同様に、画像取得範囲４００の生体組織１００－１、１００－２の画像を生成し、計測範囲３００をユーザから受け付ける。そして、計測点設定部３１は、計測範囲３００の画像を処理することにより、生体組織１００－１，１００－２の境界を抽出し、境界を挟んで対向する表面に計測点３０１、３０２等を設定する（ステップ１１０４）。ここでは、生体組織１００－１、１００－２表面にそれぞれ２点以上の計測点３０１、３０２を設定する。また、生体組織１００－１、１００－２の間の境界層１００－３に計測点３０３をさらに設定してもよい。

つぎに、変位計測部３２は、図８のステップ８０５～８０６と同様に、放射圧用超音波２３を探触子１０から照射させて、生体組織１００－１、１００－２に弾性波を伝搬させ、生体組織１００－１、１００－２に計測用超音波２４を送受信する。そして、ステップ８０７と同様に、境界の表面にそれぞれ複数配置された計測点３０１，３０２、ならびに、境界層１００－３に配置された３０３の組織の変位を時系列に計測する（ステップ１１０７）。

物性評価部３３は、図８のステップ８０８，８０９と同様に、ステップ８０７で求めた計測点３０１、３０３、３０２の変位u_０（ｘ_０，ｚ_０，ｔ）、ｕ_１（ｘ_０，ｚ_１，ｔ）、ｕ_２（ｘ_０，ｚ_２，ｔ）を用いて、生体組織１００－１の表面、境界層１００－３、生体組織１００－２の表面をそれぞれ伝搬する弾性波（主に表面波）の速度V_ｚ０、V_ｚ１、V_ｚ２を式（５）により求め、さらに、その比率V_ｚ０／V_ｚ１、V_ｚ０／V_ｚ２、V_ｚ１／V_ｚ２を求める（ステップ１１０８，１１０９）。

また、図８のステップ８１０，８１１と同様の処理により、弾性波による変位u_０（ｘ_０，ｚ_０，ｔ）、ｕ_１（ｘ_０，ｚ_１，ｔ）、ｕ_２（ｘ_０，ｚ_２，ｔ）のうち、u_０（ｘ_０，ｚ_０，ｔ）とｕ_１（ｘ_０，ｚ_１，ｔ）との位相差δ_０－１、u_１（ｘ_０，ｚ_１，ｔ）とｕ_２（ｘ_０，ｚ_２，ｔ）との位相差δ_１－２、u_０（ｘ_０，ｚ_０，ｔ）とｕ_２（ｘ_０，ｚ_２，ｔ）との位相差δ_０－２を式（６）により求める（ステップ１１１０，１１１１）。

さらに、物性評価部３３は、計測点３０１、３０３、３０２の変位u_０（ｘ_０，ｚ_０，ｔ）、ｕ_１（ｘ_０，ｚ_１，ｔ）、ｕ_２（ｘ_０，ｚ_２，ｔ）の振幅Ａ_ｚ０、Ａ_ｚ１、Ａ_ｚ２を求め、その比率Ａ_ｚ０／Ａ_ｚ１、Ａ_ｚ０／Ａ_ｚ２、Ａ_ｚ１／Ａ_ｚ２を求める（ステップ１１１２，１１１３）。

物性評価部３３は、算出した物性を表す指標値（速度Ｖ、速度比率、位相差δ、振幅Ａ，振幅比率）を用いて、生体組織１００－１、１００－２の境界が癒着している（境界層１００－３が粘弾性膜）か、癒着していないか（境界層１００－３が液膜）を判定する（ステップ１１１４）。癒着している場合、計測点３０１、３０３，３０２は一体となっているため、図５（ａ），（ｂ）に示したように、各計測点の変位は相関性が高い。よって、例えば、速度比率および振幅比率は１に近く、位相差が小さいほど、癒着していると判定できるため、予め定めておいた基準値と、算出した指標値を比較することにより、癒着の有無を判定する。

判定結果は、図１２に示すように、ステップ８０２で求めた画像（Ｂモード画像）に重畳させて、計測点の位置の生体組織１００－１に機能の良否を示す色彩や模様を付して表示部１５に表示することができる（ステップ８１３）。

なお、生体組織１００において発生した弾性波（ここでは主に表面波）は、着目方向に伝搬する主成分（透過波）の他に、生体組織１００の線維や脂肪などの構造物で反射され着目方向とは逆方向に伝搬する反射波や、構造物で屈折、回折、散乱等した屈折波・回折波・散乱波を含んでいる。そのため、表面に設定した計測点３０１等において、弾性波全体の速度を計測した場合、反射波や屈折波・回折波・散乱波が主成分の速度を過小評価させる原因となる。そこで、変位計測部３２が、主成分を抽出する処理を行って、反射波や屈折波・回折波・散乱波の影響を低減し、主成分の速度を精度よく計測する構成としてもよい。

具体的には、変位計測部３２は、変位の周波数分布を求め、さらに、周波数ごとに、所定の強度（振幅）以上の波成分を選択する。これにより、変位計測部３２は、主成分である透過波の表面波を中心とした速度成分を反射波や屈折波・回折波・散乱波から分離して抽出することができる。

この処理を図１３を用いてさらに詳しく説明する。変位計測部３２は、図８、図１１のステップ８０７、１１０７において計測した弾性波の伝搬方向(ｘ方向）と深さ方向（ｚ方向）を２軸とする空間（平面）の各点についての変位の時間変化（図１３（ａ）参照）から、特定の深度ｚ＝ｚ_０の時空間データ（図１３（ｂ）参照）を抽出する。図１３（ｂ）のように、深度ｚ＝ｚ_０の時空間データは、時間ｔと伝搬方向（ｘ方向）を２軸とする平面の変位（振幅）として表される。なお、図１３（ｂ）は、着目方向の逆方向に伝搬する波がなく、主成分（透過波）６１と屈折波・回折波・散乱波６３のみが伝搬している例である。

つぎに、変位計測部３２は、図１３（ｂ）の時間ｔと伝搬方向（ｘ方向）を２軸とする時空間データに２Ｄ－ＦＦＴ（２次元フーリエ変換）を実行し、時間周波数ｆと空間周波数ｋｘと強度（振幅）で表される波成分に分離する（図１３（ｃ））。図１３（ｃ）のように２Ｄ－ＦＦＴ後のデータは、時間周波数ｆと空間周波数ｋｘを２軸とする空間（平面）の波成分の強度（振幅）分布（以下周波数パワー分布とも呼ぶ）となっている。

変位計測部３２は、図１３（ｃ）の周波数パワー分布から、時間周波数ｆごとまたは空間周波数ｋｘごとに所定の強度以上の波成分をフィルタ(図１３（ｄ）、（ｅ））により選択する。図１３（ｅ）のフィルタは、時間周波数ｆまたは空間周波数ｋｘごとに波成分の強度（振幅）が最も大きい点を含むように範囲１３０１を設定し、この範囲１３０１の波成分のみを選択するものである。

フィルタにより抽出された範囲１３０１の周波数パワー分布（図１３（ｅ））主成分６１である透過波を中心とする速度の波成分を反射波６２や屈折波・回折波・散乱波６３から分離したものとなっている。

つぎに、変位計測部３２は、フィルタで抽出した周波数パワー分布（図１３（ｅ））に、２Ｄ－ＩＦＦＴ（２次元逆フーリエ変換）を施し、再び時間ｔと伝搬方向（ｘ方向）を２軸とする平面の変位（振幅）データに戻す（図１３（ｆ））。

変位計測部３２は、深さｚを少しずつ変えながら、図１３(ａ)～（ｅ）の処理を繰り返し、全ての深度について変位データを得る（図１３（ｆ））。これにより、透過波の表面波を中心とした速度成分を反射波や屈折波・回折波・散乱波から分離して抽出することができる。よって、物性評価部３３は、変位計測部３２が生成した深さ方向（ｚ方向）と伝搬方向（ｘ方向）と時間方向（ｔ方向）について主成分６１の変位（振幅）を示す波面データ（図１３（ｆ））に基づいて、速度を算出することができる。

上述してきたように、本実施形態によれば、表面波を計測することにより、生体内の膜状の組織、組織の表面の性状、ならびに、組織が構成する臓器の機能や結合（例えば癒着）の有無を超音波によって高精度に評価することができる。

本実施形態の超音波診断装置を利用することにより、医師は膀胱や心臓の異常を早期に発見できる。また生体内の結合（例えば癒着）の有無を判断できるため、腹腔鏡下手術の前に事前にデバイスルートの確認が可能であり、患者への身体的負担を低減できる。

１…超音波診断装置、１０…探触子、１３…入力部、１５…表示部、１６…メモリ、２０…送受信制御部、２１…送信ビームフォーマ、２２…受信ビームフォーマ、３０…制御部、３１…計測点設定部、３２…変位計測部、３３…物性評価部、３４…画像生成部、１００…検査対象（生体組織）

Claims (11)

1. 検査対象である生体組織の表面に、１点以上の計測点を設定する計測点設定部と、
   前記生体組織に弾性波が伝搬している状態で、前記生体組織の前記計測点における変位を超音波を用いて計測することにより、前記弾性波のうち少なくとも表面波を計測する変位計測部と、
   計測した前記変位を用いて前記生体組織の物性を表す指標値を算出する物性評価部とを有し、
   前記生体組織は、膜状または壁状であり、前記計測点設定部は、前記膜状または壁状の生体組織の両面にそれぞれ前記計測点を設定し、
   前記物性評価部は、前記両面の前記計測点における前記変位を用いて、前記両面の前記計測点をそれぞれ伝搬する前記弾性波の速度または位相の差を、前記物性を表す指標値として算出することを特徴とする超音波診断装置。
2. 検査対象である生体組織の表面に、１点以上の計測点を設定する計測点設定部と、
   前記生体組織に弾性波が伝搬している状態で、前記生体組織の前記計測点における変位を超音波を用いて計測することにより、前記弾性波のうち少なくとも表面波を計測する変位計測部と、
   計測した前記変位を用いて前記生体組織の物性を表す指標値を算出する物性評価部とを有し、
   前記物性評価部は、算出した前記物性を表す指標値を用いて前記生体組織の組織性状、または、前記生体組織が構成する臓器の機能の良否を判定し、
   前記生体組織の組織性状には、前記生体組織と周囲の組織との結合状態が含まれることを特徴とする超音波診断装置。
3. 検査対象である生体組織の表面に、１点以上の計測点を設定する計測点設定部と、
   前記生体組織に弾性波が伝搬している状態で、前記生体組織の前記計測点における変位を超音波を用いて計測することにより、前記弾性波のうち少なくとも表面波を計測する変位計測部と、
   計測した前記変位を用いて前記生体組織の物性を表す指標値を算出する物性評価部とを有し、
   前記物性評価部は、算出した前記物性を表す指標値を用いて前記生体組織の組織性状、または、前記生体組織が構成する臓器の機能の良否を判定し、
   前記計測点設定部は、隣り合う２つの生体組織が対応する位置の前記２つの生体組織のそれぞれの表面に前記計測点を設定し、
   前記物性評価部は、２つの前記計測点の前記変位の波形または前記物性を表す指標値の相関度合を求め、前記相関度合の大小により前記２つの生体組織の結合状態の有無を判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、前記計測点設定部は、前記生体組織の画像に基づいて、前記生体組織の表面に前記計測点を設定することを特徴とする超音波診断装置。
5. 検査対象である生体組織の表面に、１点以上の計測点を設定する計測点設定部と、
   前記生体組織に弾性波が伝搬している状態で、前記生体組織の前記計測点における変位を超音波を用いて計測することにより、前記弾性波のうち少なくとも表面波を計測する変位計測部と、
   計測した前記変位を用いて前記生体組織の物性を表す指標値を算出する物性評価部とを有し、
   前記物性評価部は、算出した前記物性を表す指標値を用いて前記生体組織の組織性状、または、前記生体組織が構成する臓器の機能の良否を判定し、
   前記生体組織は、内部に空間を有し、前記空間に液体または気体を蓄えたり、排出したりすることができる臓器を構成し、
   前記物性評価部は、前記物性を表す指標値と、前記空間の容量とに基づいて前記判定を行うことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項５に記載の超音波診断装置であって、
   前記物性評価部は、前記生体組織の画像に基づき、前記画像における前記空間の大きさを求めることにより前記空間の容量を求めることを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項５に記載の超音波診断装置であって、前記物性評価部は、前記生体組織が前記空間に液体または気体を蓄えたり、排出したりする途中の複数の時点における前記空間の容量を算出するとともに、前記複数の時点における前記生体組織の前記物性を表す指標値を算出し、前記空間の容量と前記指標値の変化に基づいて前記判定を行うことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項５に記載の超音波診断装置であって、前記物性評価部は、前記空間の容量と前記物性を表す指標値の変化を前記容量と前記指標値を２軸とする空間にプロットし、得られたヒステリシスの形状または面積に基づいて前記判定を行う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、前記生体組織に超音波を送信する送信部と、前記生体組織から戻るエコーを受信する受信部とさらに有し、
   前記送信部は、前記生体組織に前記弾性波を発生させて伝搬させるために、前記生体組織に放射圧を生じさせるための第１の超音波と、前記計測点の変位を計測するための第２の超音波とを送信し、
   前記変位計測部は、前記第２の超音波のエコーを受信した前記受信部の受信信号を用いて前記変位を計測することを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項４または６に記載の超音波診断装置であって、前記生体組織に超音波を送信する送信部と、前記生体組織から戻るエコーを受信する受信部と、前記生体組織の画像を生成する画像生成部をさらに有し、
    前記送信部は、前記生体組織に前記弾性波を発生させて伝搬させるために、前記生体組織に放射圧を生じさせるための第１の超音波と、前記計測点の変位を計測するための第２の超音波と、前記生体組織の画像を撮像するための第３の超音波とをさらに送信し、
    前記変位計測部は、前記第２の超音波のエコーを受信した前記受信部の受信信号を用いて前記変位を計測し、
    前記画像生成部は、前記第３の超音波のエコーを受信した前記受信部の出力する受信信号を用いて前記画像を生成することを特徴とする超音波診断装置。
11. 検査対象である生体組織の表面に、１点以上の計測点を設定する工程と、
    前記生体組織に弾性波が伝搬している状態で、前記生体組織の前記計測点における変位を超音波を用いて計測することにより、前記弾性波のうち少なくとも表面波を計測する工程と、
    計測した前記変位を用いて前記生体組織の物性を表す指標値を算出する工程とを有し、
    前記生体組織は、膜状または壁状であり、前記計測点を設定する工程は、前記膜状または壁状の生体組織の両面にそれぞれ前記計測点を設定し、
    前記指標値を算出する工程は、前記両面の前記計測点における前記変位を用いて、前記両面の前記計測点をそれぞれ伝搬する前記弾性波の速度または位相の差を、前記物性を表す指標値として算出する
    ことを特徴とする生体組織の物性評価方法。

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