JPH01268544A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 超音波受信信号から減衰係数周波数傾度を算出する超音
波診断装置に関し、 生体Ｍｉ織からの超音波受信信号を白色化して直線回帰
を行う解析帯域を拡大すると共に各短時間パワスペクト
ラムの周波数方向の傾度を精度高く求め、減衰係数周波
数１）ＪＩ度を高精度に算出することを目的とし、 超音波受信信号を白色化する白色化手段と、この白色化
手段によって白色化された信号を区間で区切り、これら
各区間の短時間パワスペクトラムを算出する短時間パワ
スペクトラム算出手段と、この短時間パワスペクトラム
算出手段によって算出された各短時間パワスペクトラム
から深さ方向の傾きを算出する減衰係数周波数傾度算出
手段とを備え、この減衰係数周波数傾度算出手段によっ
て算出された傾きに対応する減衰係数周波数傾度を出力
するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超音波受信信号から減衰係数周波数傾度を算
出する超音波診断装置に関するものである。

近年、超音波を用いた診断法の進歩に伴い、従来の臓器
や腫瘍の形態によって診断する診断法から、組織の質に
よって診断を行うことで診断精度を向上させたいという
要求が高まっている０組織の質を表すものとして組織の
音響特性、特に減衰係数を用いようとする試みがなされ
ている。これらは肝臓の慢性疾患や癌の検出に有効では
ないかと期待されているが、実際の診断に用いるために
は高い精度で減衰特性を測定する必要がある。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕生体組織
の減衰係数α（ｄｌｌ／ｃａ＋）は、周波数ｒ＜ＭＨｚ
）に比例することが知られており、下式（１）によって
表される。

α＝βｆ・・・・・・・・・・・・　・　・・　・ｆｉ
ｌここで、β（ｄＢ／ＭＨｚ／ｃｍ）は、減衰係数周波
数傾度と呼ばれ、減衰特性の指標として用いられている
。

従来、この減衰係数周波数傾度βを求める手法として、
スペクトラムディフプレンス法がある。

これは、第１０図（ａｌの如く生体から反射してきた超
音波受信信号の区間０．１．２・・・・７における短時
間フーリエ解析を行って、第１０図ｆｂ）に示すような
深さに対する短時間ログパワスペクトラムを求める。こ
れら求めた隣あった短時間ログパワスペクトラムの差（
以下差分ログパワスペクトラムという）を全て求め、こ
れらの差分ログパワスペクトラムに対して最小二乗法を
適用して周波数方向の１頃き（ｄＢ／ＭＨｚ）を求め、
各解析区間の距離の２倍（行きと帰りの距離）で除算す
ることにより、減衰係数周波数傾度β（、ｄＢ／ＭＨｚ
／ｃｔａ）を算出していた。

しかし、この手法は後述する要因などにより、実際の診
断に耐えうる充分な精度が得られないという問題があっ
た。

生体＆＋１織はいわば寒天の中に細かい粒子が数多く浮
いているようなものであり、かつ時間的に粒子の位置が
自由に移動するわけでないので、この生体Ｍ織に放射し
て帰ってきた超音波受信１３号の１走査線の短時間フー
リエ解析を行って求めた短時間ログパワスペクトラムは
第１Ｏ図（ｂｌに示すように、大きな変動があり、これ
を用いて減衰特性を算出すると大きなバラツキを生ずる
。このバラツキを少なくするために、従来、なるべく広
い周波数帯域を用いて差分ログパワスペクトラムから直
線回帰を行うと共に、走査方向に平均化を施してバラツ
キを押えるようにしている。しかし、後者は例えばｌ　
（ＨｍＸ　ｌ　ｃｍ程度の分解能を確保しなければなら
ないために平均化できるデータ数に限度があり、おのず
と精度向上に限界がある。前者についは、下記の問題が
ある。

（１）一般の超音波診断装置の超音波プローブの周波数
特性は、数ＭＨｚにピークを持っている。このため、超
音波反射信号から時藺窓でデータを切り出してフーリエ
解析を行った場合、いわゆる“エツジ効果”が起き、第
１０図ｉｄ＋実線を用いて示すように、ログパワスペク
トラムの両端が裾広がりとなった波形となる。このため
、ログパワスペクトラムの裾の部分は信頼性が低く、解
析に用いることができず、差分ログパワスペクトラムに
対して直線回帰を行うための解析帯域を広く取ることが
できず、精度高く減衰特性を測定し得ないという問題が
あった。

（２）　　また、差分ログパワスペクトラムは第１θ図
（ｅ）に示すような正規分布からずれており、分布形状
は広がった形をしている。一方、確率密度分布が正規分
布である時に限り、最小２乗法による直線回帰が最適な
方法となる。このため、差分パワスペクトラムに対する
最小二乗法による直線回帰によっては、精度良好に測定
し得ないという問題があった。

本発明は、生体組織からの超音波受信信号を白色化して
直線回帰を行う解析帯域を拡大すると共に各短時間パワ
スペクトラムの周波数方向の傾度を精度高く求め、減衰
係数周波数傾度を高精度に算出することを目的としてい
る。

〔課題を解決する手段〕

第１図は本発明の原理構成図を示す。

第１図において、白色化手段１は、超音波受信信号を白
色化するものである。

短時間パワスペクトラム算出手段２は、白色化された信
号（超音波受信信号）を区間で区切り、これらの各区間
の短時間パワスペクトラムを算出するものである。

減衰係数周波数傾度算出手段３は、各短時間パワスペク
トラムから深さ方向の傾きを算出するものである。

〔作用〕

本発明は、第１図に示すように、白色手段１によって生
体＆１）織から受信した超音波受信信号を白色化し、短
時間パワスペクトラム算出手段２によってこの白色化さ
れた信号を区間に区切ってこれらの区間の短時間パワス
ペクトラムを算出し、減衰係数周波数傾度算出手段３に
よってこれらの短時間パワスペクトラムから深さ方向の
傾きを算出し、この傾きに対応する減衰係数周波数傾度
を出力するようにしている。

従って、生体組織からの超音波受信信号を白色化して解
析帯域を拡大すると共に、この白色化された信号から算
出した各区間の短時間パワスペクトラムから深さ方向の
傾きを高精度に算出することにより、生体＆１）織の減
衰係数周波数傾度を精度良く求めることが可能となる。

〔実施例〕

次に、第２図から第９図を用いて本発明の１実施例の構
成および動作を順次詳細に説明する。

第２図において、適応型トランスバーサルフィルタ１−
１は、超音波受信信号を白色化するものであって、ディ
ジタルフィルタである（第３図を用いて詳述する）。

送受信回路９は、超音波信号を超音波プローブ１０に供
給したり、超音波プローブ１０が受信した超音波受信信
号を増幅したりするものであって、超音波の送信用アン
プと受信用アンプとが組み合わさったものである。

超音波プローブ１０は、超音波を送受信するものであっ
て、例えばリニア型トランスデユーサである。

パワスペクトラム算出回路１）は、白色化された信号（
超音波受信信号）を区間で区切り、これらの各区間の短
時間パワスペクトラムを算出するものであって、例えば
ＦＦＴプロセッサおよびパワ算出回路等から構成される
ものである。

対数回路１２は、真数を対数に変換するものであって、
例えば真数をアドレスとし、出力データを対数として予
め書き込んだＲＯＭである。この対数回路１２によって
、入力された短時間パワスペクトラムが短時間ログパワ
スペクトラムに変換される。

周波数方向直線回帰計算回路１３は、各短時間ログパワ
スペクトラムの周波数傾度を夫々計算するものである。

これら周波数傾度は、後述する最尤法、あるいは最大フ
ィルタと最小二乗法とによる手法などによって求める。

深さ方向直線回帰計算回路１４は、各短時間ログパワス
ペクトラムの夫々の周波数傾度から、深さ方向（区間方
向）の傾きを算出するものである。

減衰係数周波数傾度は、この傾きを２　（往きと帰りの
距離）で除算して得られる。

表示部１５は、減衰係数周波数傾度などを表示するもの
である。

第３図を用いて適応型トランスバーサルフィルタ１−１
の構成および動作を詳細に説明する。

第３図（ａｌに示すように、超音波受信信号を体表から
深さ方向（超音波を受信した時間方向）に４区間０．１
．２・・・というように順次区切る。そして、これらの
区間毎に、第３図（′ｂ）に示す適応型トランスバーサ
ルフィルタ１−１の左から超音波受信信号を入力し、右
下から白色信号を出力する。

この際、図示のように各係数ａ０ないしａｎ−＋、例え
ば係数ａ０に対して下式（１）によって表される値を付
与する。そして、超音波受信信号Ｘｉ　、　Ｘｌ−１、
ｘｔ−ｘ　　・・・などに対してこれら係数ａ０ないし
ａ、−７を、乗算器５によって夫々乗算する。

これら乗算した結果の総和を、加算器６によって求め、
白色化信号として出力する。

ａ０＝ρ・Ｘ、・ｙ□　・・・・・・・・・・［１）以
上の白色化を行った信号を用いて短時間ログパワスペク
トラムを算出すると、第３図ｔｃ＋右側に示すような短
時間パワスペクトラム（白色化後）が得られ、解析可能
帯域が、第３図ｆｃ）左側に示す従来の白色化を行わな
い短時間パワスペクトラム（白色化前）に比較して、図
示のように広くなる。

この解析可能帯域が広がることにより、短時間ログパワ
スペクトラムの周波数方向の傾きを算出する際の精度を
高くすることが可能となる。

第４図は、第３図中）トランスバーサルフィルタを用い
て、係数ａ０ないしａｌ−１を設定する手順を示す。

第４図において、■は、区間０において、係数ａ、ない
しａ、−５を決める。これは、既述した第３図（ａｌに
示す超音波受信信号を区切った最初の区間Ｏ１即ち生体
組織の減衰係数による減衰を殆ど含まない体表近くの超
音波受信信号を用いて、第３図（ｂｌ適応型トランバー
サルフィルタの係数ａ０ないしａａ−１を求めることを
意味している。

■は、係数を固定し、区間ｌから区間（ｎ　−１）まで
フィルタリングする。これは、■で求めた係数ａ、ない
しａ、−１を固定し、区間ｌから区間（ｎ−１）までフ
ィルタリングして、夫々の区間の白色化信号を生成する
ことを意味している。

以上のように、適応型トランスバーサルフィルタ１−１
の係数ａ、ないしａ、−６を区間０の超音波受信信号（
体表近くの超音波受信信号）を用いて求め、この求めた
係数値に固定して区間ｌ以降の白色化を行うようにする
。尚、区間０の短時間ログパワスペクトラムを別途取り
出し、これからトランスバーサルフィルタの係数３０な
いしａ。

１を決定するようにしてもよい。

第５図は、短時間ログパワスペクトラム例を示す、これ
は、適応型トランスバーサルフィルタｌ−１によって白
色化した後の信号について、パワスペクトラム算出回路
１）によって各区間０ないしｎについて短時間パワスペ
クトラムを夫々算出し、更にこれらを対数回路１２によ
って真数を対数に変換したものである０図中■、■、■
・・・が区間Ｏ１），２・・・に対応する短時間ログパ
ワスペクトラムである。

第６図は、短時間ログパワスペクトラムから周波数方向
の１頃き（周波数傾度）を算出する説明図を示す。

第６図（ａ）は、短時間ログパワスペクトラムから最尤
法等による周波数方向の傾きを算出する例を示す。後述
する。

第６図中）は、短時間ログパワスペクトラムから最大フ
ィルタでフィルタリングした後、最小二乗法で周波数方
向の傾きを算出する例を示す、第８図を用いて詳述する
。

第７図は、最尤法等による傾き算出説明図を示す。

第７図ｔａ＋は、短時間ログパワスペクトラムの区間ｌ
のものを示す、この第７図（ａｌに示す区間■の短時間
ログパワスペクトラムの図示点線を用いて示す周波数方
向の傾き■を求める（Ｊｌｌ尤法などによって求める、
後述する）、同様に、区間２．３・・・についてその周
波数方向の傾きを求める。

第７図（ｂｌは、第７図（ａｌに示すようにして求めた
区間０，１．２・・・の周波数方向の傾きを縦軸にプロ
ットし、区間（深さ）に対応する図示点線の直線の傾き
を求める。この直線の傾きを２（往きと帰りの距離）で
除算して、所望の減衰係数周波数傾度を図示点線のよう
に算出する。

まず、最尤法によって、第７図（ａｌ短時間ログパワス
ペクトラムの周波数方向の傾きの算出について説明する
。

第７図（＆）に示す例えば区間１の短時間ログパワスペ
クトラムＹＡを下式（３）に代入し、説明のために記載
した式（２）ないしＱｌを辿り、短時間ログパワスペク
トラムの傾度ｂ、即ち式（３）に記載した周波数ｆ、に
依存した傾きｂを算出する。これより、各短時間ログパ
ワスペクトラムから周波数方向の傾きを正確に求めるこ
とが可能となる。以下詳細に説明する。

第７図（ａｌ短時間ログパワスペクトラムの任意の周波
数（例えば３ＭＨｚ）における確率密度分布は、下式（
２）に示す確率密度関数であることが知られている。

Ｐ（Ｙ）＝ｅｘｐ（Ｙ−ｅＸｐ（Ｙ））・・・・・・・
・・・・（２）ここで、式（２）の簡素化のために、Ｙ
の単位には（ｎｅｐｅｒ／２　）を用いる。

離散的な周波数ポイン）ｆｏ、ｔ、、ｆ！・・　ｆ、−
１に対して、短時間パワスペクトラムｖ０、’ｔ＋、Ｙ
！、・・　Ｖ、−６が得られたとする。ここで、減衰特
性によって直線ａ＋ｂｆ　１の周りに確率密度分布で決
まる確率で短時間ログパワスペクトラムの振幅が存在す
るため、 Ｙｔ−Ｘｔ÷ａ＋ｂ　ｒＡ　　・・・・・・・・・・・
・（３１となる。従って、同時確率密度関数 が最大になるようにａ　−、ｂを決定すればよい、上記
関数は尤度関数と呼ばれる。従って 〔Ｖ五　＝ｅｘｐ（Ｙｔ　　）　　） を最小にすればよい。ａＳｂでＪを偏微分し、零とお（
ことによって下式（６）が得られる。

□５□・・・・・・・・（６） 上式（６）をｂについて解く。

ｔ＝ｅ　　　・　・　・　・　・　・　・　・　・　・
　・　・　・　・　・　・（８）において、初期値り、
を適当に与えることにより、上式０１の繰り返しによっ
てｔい【いり、・・・と順次求めてゆき、その収束値を
以てｔが求まり、傾きｂも、ｂ＝Ｉｎｔとして求まる。

上記方法は最尤法を用いた直線回帰を行っている。初期
値【０は予め最小二乗法で直線回帰を行って求めた傾き
ｂ゛からｔ・＝ｅｘｐ（−ｂ’）としてもよい。

次に、第８図は最大フィルタを用いた傾き算出説明図を
示す。

第８図（ａ）において、短時間ログパワスペクトラムを
最大フィルタに入力し、出力として正規分布に近づけた
態様の図示短時間ログパワスペクトラムを出力する。そ
して、この出力した正規分布に近づけた態様の短時間ロ
グパワスペクトラムにっいて、最小二乗法で直線回帰す
ることによって、精度の高い周波数方向の傾きを算出す
るようにしている。以下詳細に説明する。

第８図（ｂｌにおいて、左側に示す短時間ログパワスペ
クトラムの連続する３つの組の周波数点から振幅が最大
のものを選び、この振幅が最大のものをその中央の周波
数点の値とした、図示右側に示すような短時間ログパワ
スペクトラムを生成する。

この際、短時間ログパワスペクトラムの連続する３つの
組の周波数点から振幅が最大のものを選んだが、これら
平均点を２点、３点、４点、５点ととると、第９図（ｉ
）　、Ｕ）　、（ｋ）　、　（１）　　の如く、短時間
ログパワスペクトラムの確率密度関数が正規分布に近づ
いて行く。この時、短時間ログパワスペクトラムの独立
なデータの数は最大フィルタで平均化する個数に反比例
して減少してゆくため、３つの隣あった短時間ログパワ
スペクトラ五の中から最大値を取り出す最大フィルタを
用いた場合が、トータルで精度が一番良いことが明らか
になった。

従って、３つの組の周波数点から振幅が最大のものを選
択して生成した短時間ログパワスペクＩ・ラムから最小
二乗法で直線回帰することにより、精度の高い減衰係数
周波数傾度を測定することが可能となる。

尚、以上の説明は、超音波受信信号の１つの走査線につ
いて、減衰係数周波数傾度を算出したが、同一方向の複
数の走査線について平均して、更に精度を向上させるよ
うにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、生体組織からの
超音波受信信号を白色化して解析帯域を拡大すると共に
、この白色化された信号から算出した各区間の短時間パ
ワスペクトラムに対して、最尤法を適用して周波数方向
の傾度を高精度に算出し、あるいは最大フィルタを用い
て正規分布に近づけた後の短時間パワスペクトラムから
最小二乗法を適用して周波数方向の傾度を高精度に算出
し、これらの各周波数方向の傾度から深さ方向の（引き
を求めて減衰係数周波数傾度を算出する構成を採用して
いるため、生体＆ｌｌ織の減衰係数周波数傾度を高精度
に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は本発明の１実施
例構成図、第３図は白色化説明図、第４図はフィルタリ
ングによる白色化フローチャート、第５図は短時間ログ
パワスペクトラム例、第６図は傾き算出説明図、第７図
は最尤法等による傾き算出説明図、第８図は最大フィル
タを用いた傾き算出説明図、第９図は短時間ログパワス
ペクトラムの平均化説明図、第１０図は従来技術の説明
図を示す。 図中、１は白色化手段、１−１は適応型トランスバーサ
ルフィルタ、２は短時間パワスペクトラム算出手段、３
は減衰係数周波数傾度算出手段、１）はパワスペクトラ
ム算出回路、１２は対数回路、１３は周波数方向直線回
帰計算回路、１４は深さ方向直線回帰計算回路を表す。 本曇８月の原理構仄図 ′！ｆＪ７　　　図 トヲノスハ゛−ブ）Ｌフイ／Ｌり（Ｆ＋（ｂ） 臼巴イこ言えＢ月図（ぞ力）） 晃　３　図 本光明の１宍施イアｉ′１）７ａ八図 元　２　閃 Ｍ罹可罷帯Ｈ父　　　　　　　　　　　　　　　′角竿
杵可ｍ枦峯を表（Ｃ） ０色イ乙説１日月図（：ｆの２） 沁　３　図 にルヲリンワ°’１ｍ、１−ろ白色イし７０−ナヤート
も　　４　　図 天を時開ｎり゛７ｆ’フス負゛フとラム８勺（Ω色猪後
）箔　５　図 （ａン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　↓頬　さ （ｂン ・１唄りさ　鼻出盲艦Ｂ月図 箔　６　図 →ｚＩり０３１文でＦに！Ｌ７ろイ頃きＪ１出１」と明
が４沁　　ソ　　図 ↑２（１−〆）ｅＸ−ｅｘ −Ｊ　　　　　　　　　　　　　　’）仝

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波受信信号から減衰係数周波数傾度を算出す
   る超音波診断装置において、 超音波受信信号を白色化する白色化手段（１）と、この
   白色化手段（１）によって白色化された信号を区間で区
   切り、これら各区間の短時間パワスペクトラムを算出す
   る短時間パワスペクトラム算出手段（２）と、 この短時間パワスペクトラム算出手段（２）によって算
   出された各短時間パワスペクトラムから深さ方向の傾き
   を算出する減衰係数周波数傾度算出手段（３）とを備え
   、 この減衰係数周波数傾度算出手段（３）によって算出さ
   れた傾きに対応する減衰係数周波数傾度を出力するよう
   に構成したことを特徴とする超音波診断装置。
2. （２）上記白色化手段（１）として、トランスバーサル
   フィルタを用い、超音波受信信号の先頭近傍において当
   該トランスバーサスフィルタの係数を決定し、以降は固
   定してフィルタリングして超音波受信信号を白色化する
   ように構成したことを特徴とする第（１）項記載の超音
   波診断装置。
3. （３）上記減衰係数周波数傾度算出手段（３）として、
   各区間における短時間パワスペクトラムの周波数傾度を
   算出する周波数方向直線回帰計算回路（１３）および周
   波数傾度の深さ方向の傾きを算出する深さ方向直線回帰
   計算回路（１４）を設けたことを特徴とする第（１）項
   、第（２）項記載の超音波診断装置。
4. （４）上記周波数方向直線回帰計算回路（１３）として
   、各短時間パワスペクトラムに対して最尤法によって直
   線回帰計算を行って周波数傾度を算出するように構成し
   たことを特徴とする第（１）項、第（２）項、第（３）
   項記載の超音波診断装置。
5. （５）上記周波数方向直線回帰計算回路（１３）として
   、各短時間パワスペクトラムについて最大値フィルタを
   通した後の信号に対して、最小二乗法によって直線回帰
   計算を行って周波数傾度を算出するように構成したこと
   を特徴とする第（１）項、第（２）項、第（３）項記載
   の超音波診断装置。