JPH02213332A - パルスエコー型超音波装置 - 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】 ［発明の利用分野］ 本発明は、生体の超音波非線形係数を利用した医療用の
画像診断ならびに定量診断に好適な超音波診断装置、治
療効果監視機能付き治療装置に関する。

［従来の技術］ 超音波の生体組織における反射を利用して生体の超音波
反射能の断層像を無侵襲に描出する超音波診断装置は、
腹部をはじめとする体内各部位の医療画像診断に広く用
いられている。これに対し、生体組織における超音波の
減衰係数・音速・非線形係数などの値または分布の無侵
襲計測に関しては、従来それぞれについていくつかの手
法が発表され研究されているが、諸々の実用上の問題点
のため広く普及するに至っていない。

このうち、非線形係数は、減衰係数や音速と比較して、
生体の温度や生体中の水の構造に関して敏感に変化する
といわれており、生体情報としての潜在的重要性が注目
されている。非線形係数の生体組織申分布の反射法によ
る無侵襲計測に関しては、日本超音波医学会第４６回研
究発表会講演論文集（１９８５年６月）第３９９頁から
第４００頁に提案されているように、エコーの高調波成
分の送波パワー依存性を用いて計測しようとする手法が
ある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の手法では、有限振幅超音波の非線
形伝播により生ずる高調波成分と、日本超音波医学会第
４４回研究発表会講演論文集（１９８４年　６月）第２
５５頁から第２５６頁に指摘されているような非線形反
射係数により生ずる高調波成分とが、分離されることな
く計測されてしまう。前者は送波器から着目反射点まで
の積分効果として計測され、後者は着目反射点近傍に局
在する値として計測されるので、このことは計測データ
の処理や解釈において重大な問題を生ずる。

さらに９反射波中の基本波成分と高調波成分の位相関係
は１反射体が自由端的であるか固定端的であるかにより
変化し、自由端的な場合には往路で生じた高調波成分が
復路において大きく減少してしまう場合も出てくるので
１問題はさらに複雑になる。

本発明の目的は、このような課題を解決し、有限振幅超
音波の非線形伝播による高調波成分発生を他と分離して
パルスエコー法により計測する超音波診断装置を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明では、送波焦域中に
基本波成分の形成する零点に、第２高調波成分の主極大
が形成されるよう送波器を構成し、その第２高調波主極
大位置に受波器の主極大が形成されるよう構成する。

より具体的には、以下のように送波器および受波器を構
成する。まず、送波口径を複数個に分割し、その複数個
の部分口径を２群に分けて、その２群を互いに１８０″
′位相の異なる信号により駆動して送波する。アレイ型
送波器を用いてフォーカスやビーム偏向を電子的に行な
う場合には、通常の送波焦点を形成するための駆動位相
を基準として、上記２群のうち１群の駆動位相を１８０
６反転させる。送波音波の伝播によって生じた第２高調
波は、上記２群を同位相で駆動したときに生じる焦域に
焦点を持つ受波器によって、その反射エコーが受信され
るよう構成する。

本発明では、さらに、上記第２高調波成分に等しい周波
数を基本波周波数として、上記零点に焦点を形成する送
波モードを設け、上記送波モードによる受信信号強度を
この送波モードによる受信信号強度によって規格化して
表示するよう装置を構成する。

［作用］ 送波口径を複数個に分割し、その複数個の部分口径をそ
れぞれの合計面積がほぼ等しい２群に分け、通常の送波
焦点を形成するための駆動位相を基準とするとき２群の
うち１群の駆動位相を１８ｏ°反転させて送波器を駆動
すると、基本波成分に関するかぎり、本来の送波焦点位
置における音圧に関して各群からの寄与が互いに打ち消
しあい、その位置に複数の焦点に挟まれた零点が形成さ
れる。これに対し、第２高調波成分については、基本波
成分に関する１８ｏ°の位相差が第２高調波成分に関す
る３６０°の位相差に対応するので、本来の送波焦点位
置において各群からの寄与が互いに強めあい、その位置
に焦点が形成される。

そこで、第２高調波成分を受信するための受波焦点を本
来の送波焦点位置の近傍に設定すれば、往路における伝
播中に生じた第２高調波が、焦域中の反射体により反射
されて受信される。受波焦点付近の基本波成分の音圧は
充分に小さいので、往路において基本波として伝播し非
線形反射により第２高調波に変換されて受信される第２
高調波成分は上記の第２高調波成分に比べ、て無視し得
る。

また、反射波中の基本波成分と高調波成分の位相関係に
よって、受信される第２高調波成分が直接的影響を受け
ることもない。従って、往路における非線形伝播により
生ずる高調波成分のみを他のメカニズムにより生ずる高
調波成分と分離して計測することができる。

さらに、上記第２高調波成分に等しい周波数を基本波周
波数として、上記零点に焦点を形成する送波モードを設
け、上記送波モードによる受信信号強度をこの送波モー
ドによる受信信号強度によって規格化すれば、上記零点
近傍に存在する反射体の強度の影響をとり除くことがで
きる。この規格化により、非線形係数の生体組織申分布
を反射体強度の分布から分離して得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図〜第１６図を用いて詳細
に説明する。

１つめの実施例として、アニユラ・アレイ型送受波器を
２分割した第１図に示すような形式の送受波器を機械的
に走査する型の装置の構成のブロック図を、第２図に示
した。

第１図の送受波器は、通常のアニユラ・アレイ（円環状
アレイ）型送受波器を中心軸を含む平面によりさらに２
分割して２つの超音波振動子素子群１　（１−１〜１−
ｎ）および２　（２−１〜２−ｎ）に分割した形式を持
ち、基本周波の送波並びに倍周波の送受波に備えて音響
整合層４並びに背面制動層５により広帯域化がはかられ
ている。振動子全体は、回転走査機構により８のまわり
に回転可能なように７により支持されている。なお、煩
雑さを避けるため、機械走査機構や音響カップリング材
は、第１図より省略した。また、第１図（ｂ）では、音
響整合層４を透視したときの図を示した。

前述のように本装置は、送波制御回路１２（１２−１，
１２−２）により制御される２つの送波モードをもつ、
第１は、第１群と第２群の対応する振動子素子を互いに
逆相の基本周波により駆動するモード、第２は、第１群
と第２群の対応する振動子素子を互いに同相の倍周波に
より駆動するモードである。第２のモードでは、通常の
単一フォーカスと全く同様なフォーカスのための遅延時
間が与えられた信号で送受波回路１３により各素子が駆
動されるのに対し、第１のモードでは、各素子の信号に
通常の単一フォーカスのための遅延時間が与えられた上
に、第１群または第２群のどちらか一方の素子群の信号
の位相が反転された信号で、各素子が駆動される。

すなわち、第１群のに番めの素子が第３図（ａ）に例と
して示した信号により坊区動されるとき、それに対応す
る第２群のに番めの素子が第３図（ｂ）の信号により駆
動される。第３図（ｃ）に例として示したような、送波
焦点付近の音響的不連続（この例では、点反射体）によ
り反射された倍周波エコーは、超音波振動子１ならびに
２および送受波回路１３により受信され、受波フォーカ
ス回路１４においてフォーカスのための遅延時間が与え
られて互いに加算され、検出回路１５においてエコー強
度に変換される。

倍周波同相送波時のエコー強度は、そのまま表示回路１
８に入力されて通常の超音波パルスエコー像として表示
される一方、記憶回路１６−２に記録されて非線形係数
算出のために用いられる。

他方、基本周波逆相送波時のエコー強度は、記憶回路１
６−１に一旦記録されて除算回路１７に入力され、記憶
回路１６−２に記録されている対応する位置からのエコ
ー強度により除されて、その位置の近傍の非線形係数に
対応する計測値として表示回路１８に入力される。表示
回路１８では、その計測値をもとに超音波非線形係数分
布像を表示する。

非線形係数分布像を通常のパルスエコー像に重畳させて
表示するときには、パルスエコー像の表示色を非線形係
数の大きさに応じて変化させる。

また、主制御回路１０による制御に従い、必要に応じて
関心領域の超音波非線形係数の経時変化を表示する。こ
の関心領域の位置ぎめや選択には。

上述した通常のパルスエコー像が有用である。

本実施例の装置により焦点面上に形成される音場の一例
を次に示す、第４図は、直径３２ｍｍの超音波振動子を
用い、基本周波数を２　Ｍ　Ｈｚに、焦点距離を６４ｍ
に設定したときの音場を示したものである。図中（ａ）
および（ｂ）は、基本周波逆相送波時の、それぞれ基本
周波２　Ｍ　Ｈｚおよび倍周波４ＭＨｚの音場であり、
図中（ｃ）は倍周波同相受波時（または送波時）の倍周
波の音場である。縦軸はそれぞれの図中の最大値により
規格化した超音波強度である。

焦点において、倍周波成分がピークをもつのに対して、
基本周波数成分の強度はＯなので、同じ点を焦点とする
受波器により倍周波の反射エコーを受信すれば、焦点ま
でにおける非線形伝播により発生した倍周波のみを受信
することができる。

さらに、受信エコー強度を倍周波同相送受波によるエコ
ー強度により除すれば、焦点付近の反射体強度の影響を
除き送波伝播路の非線形係数のみによる計測値を得るこ
とができる。

第５図は、その計測値の振幅における送波伝播路中各点
の非線形係数の寄与を、振動子の中心軸を含み、振動子
を２分割する線に直交する平面上に５プロツトしたもの
である。非線形係数の寄与の分布が、深度方向・方位方
向ともに５ｍ程度の範囲に局在化されており、焦点を走
査して超音波非線形係数分布像を形成するとき、この程
度の空間分解能が得られることがわかる。

比較のため１本発明を用いずに同相の基本周波送波を行
なったとき、焦点面に形成される音場を、それぞれ基本
周波および倍周波について第６図（ａ）および（ｂ）に
示した。焦点において、倍周波成分だけでなく基本周波
数成分もピークをもつので、同じ点を焦点とする受波器
により倍周波の反射エコーを受信するとき、焦点までの
送波の非線形伝播により発生した倍周波だけでなく、反
射における非線形現象により生じた倍周波も分離される
ことなく一緒に受信することになり、問題である。

もう１つの実施例として、第７図に示すリニア・アレイ
型送受波器を用いた電子走査型装置の構成のブロック図
を第８図に示した。

第７図の送受波器は、通常のパルスエコー像撮徴用リニ
ア・アレイ（直線状アレイ）型送受波器と基本的に同様
の形式を持ち、基本周波の送波並びに倍周波の送受波に
備えて音響整合Ｍ４並びに背面制動層５により広帯域化
がはかられ、また、アレイの配列に直交する方向（短軸
方向）のフォーカスのために音響レンズ６を有している
。

第８図の装置構成の第２図との相違点は、振動子の機械
的走査機構９の代わりに送波または受波口径の選択機＃
Ｘ１１を有することである。主＄制御回路１ｏの制御に
従って、超音波振動子全素子３（３−１から３−Ｎ）の
中から、送波または受波口径を形成する振動子素子１お
よび２が選択されることにより、計測または撮像のため
の焦点走査が電子的に行なわれる。

本実施例の装置により焦点面上に形成される音場の一例
を次に示す。

第９図は、短軸幅１２Ｗ１の超音波アレイ振動子を用い
、基本周波数を２　Ｍ　Ｈｚに、送受波口径を６４ｍに
、焦点距離を６４ｍｍに設定したときの音場を示したも
のである。第４図と同様、図中（ａ）および（ｂ）は、
基本周波逆相送波時の、それぞれ基本周波２　Ｍ　Ｈｚ
および倍周波４　Ｍ　Ｈｚの音場であり、図中（ｃ）は
倍周波同相受波時（または送波時）の倍周波の音場であ
り、焦点までの送波の非線形伝播により発生した倍周波
のみを受信することができる。第１０図は、第５図と同
様、送波伝播路中各点の非線形係数の計測値の振幅にお
ける寄与を、送受波口径の中心軸を含み、送波口径を２
分割する線に直交する平面上に、プロットしたものであ
る。非線形係数の寄与の分布が、深度方向・方位方向と
もに３ｍ程度の範囲に局在化されており、焦点を走査し
て超音波非線形係数分布像を形成するとき、この程度の
空間分解能が得られることがわかる。

さらに、他の一例として、第１１図に示されているよう
にアレイ型送波器２０を超音波治療装置と共有し、基本
波の送波器に組み込まれた倍周波の送受波器２３により
検出される受信信号をもとに治療効果監視用情報を提供
するよう構成した装置の構成のブロック図を、第１２図
に示した。

第１１図の送波器は、アイ・イー・イー・イー超音波シ
ンポジウム会議録（ＩＥＥＥ　　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
ｓ　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
　　）（１９８７年１０月１４日〜１６日）第８６７〜
８７０頁に記載されているアレイ型送波器と基本的に同
様の形式を持ち、送波器素子２ｏからの効果的な放熱を
はかるため軽金属製の音響整合層２１を備えており、送
波回路２５による制御にもとづいて大きさの可変な拡が
りをもつ治療用の焦域を形成することができる。本実施
例では、これを治療用送波器として用いると同時に、こ
の一部分を２分割して互いに逆相で駆動することにより
非線形係数計測用の送波器としても用いる。また、図中
の送受波器２３は通常のパルスエコー像撮像用セクタ・
スキャン型アレイ送受波器と基本的に同様の形式を有し
ており、その送波は制御回路２６により制御される。

本実施例では、これを通常のパルスエコー撮像用の送受
波器として用いると同時に、非線形係数計測用の倍周波
の受波器としても用いる。計測された治療対象領域の超
音波非線形係数にもとづき効果が推定され、治療用送波
強度が制御されるよう構成されている。

また、通常のパルスエコー撮像モードは、治療対象領域
の選定・照準などに便利である。なお。

図中（ｂ）では、音響整合層２０および４を透視したと
きの図を示した。

本実施例の装置により焦点面上に形成される非線形係数
計測用の音場の一例を次に示す。

第１３図（ａ）および（ｂ）は、送波器２ｏの外径８０
ｍ＋内径４０ｍｍの部分口径を第１４回のように２分割
し、図中＋および−の部分をそれぞれ第３図（、）およ
び（ｂ）に波形を示した中心周波数ＩＭＨｚの信号によ
り駆動したとき、幾何学的焦点距離１２０ｍの焦点面に
形成されるそれぞれ基本周波ＩＭＨｚおよび倍周波２　
Ｍ　Ｈｚの音場を示したものである０図中（、）は、送
受波器２３による倍周波受波時（または送波時）の音場
であり、焦点までの送波の非線形伝播により発生した倍
周波のみを受信すること−ができる。

第１５図は、第５図と同様、送波伝播路中各点の非線形
係数の計測値の振幅における寄与を、送受波口径の中心
軸を含み、送波口径を２分割する線に直交する平面上に
、プロットしたものである。

非線形係数の寄与の分布が、深度方向・方位方向ともに
７ｍｍ程度の範囲に局在化されており、焦点を走査して
超音波非線形係数分布像を形成するとき、この程度の空
間分解能が得られることがわかる。

第１６図には、この実施例の超音波治療装置を加温治療
装置として用いたときのタイムチャートの一例を示す。

図中（ａ）に超音波送波器２０の送波振幅の実効値、（
ｂ）に治療対象生体組織の温度、（ｃ）に治療対象生体
組織の超音波非線形係数の３秒おきの計測値の初期値を
基準とした変化分の絶対値をプロットした。治療対象生
体組織の加温目標温度を平常温度＋８℃と設定して加温
を行なった。±１０℃程度の温度範囲では（ｃ）の非線
形係数の温度変化分は（ｂ）の温度変化に比例している
とみることができる。

数秒間の短時間加温を行なったときの温度の立ち上がり
は、生体組織による不確定度の大きい血流量にはよらず
生体組織による不確定度の少ない比熱によって決まる。

また、生体組織の温度の時間変化の時定数は、一般に、
比熱と血流量と熱伝導率によって決まるが、通常の血流
量では熱伝導によって持ち去られる熱量は、血流によっ
て持ち去られる熱量と比較して無視できるので、逆に。

温度の時間変化の時定数から生体組織の血流量を推定す
ることができる。

そこで、短時間に治療対象生体組織を目標温度に到達さ
せるべく、超音波非線形係数計測値の初期値を主制御回
路１０に記録した上で、ＩＯＷ／（！Ｉ＋３．３秒間の
急速な熱量投入を超音波送波器２０により行ない、急速
加温停止直後の非線形係数計測値を定常加温時の比較参
照値として送波回路２５に記憶させた。急速加温停止後
６０秒間、非線形係数の時間変化を計測し、その時定数
から血流量を推定し、その推定値から治療対象生体組織
・を目標温度に定常加温するに必要な投入熱量を算出し
、急速加温停止後６０秒以後、その算出値を中心に前述
の比較参照値と非線形係数計測値を比較することにより
投入熱量を調節しながら加温を行なうよう主制御回路１
ｏと送波回路２５を構成した。この例では、計測された
時定数１００秒から血流量が１０Ｋｇ／ｓ／ｍ’と推定
され、定常加温に必要な投入熱量が４０ｍＷ／ａｍ３と
概算された。

なお、本実施例では、加温治療の手段として、超音波を
用いる場合を例としたが、電界や磁界など他の低侵襲性
手段を用いてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、パルスエコー法
を用いて、往路における有限振幅超音波の非線形伝播に
より生ずる高調波成分のみを他のメカニズムにより生ず
る高調波成分と分離して計測することができ、非線形係
数の生体組織申分布を求めることができる。これにより
、超音波による臨床診断において大きな有用性を持つ診
断装置を提供することができる。また、非線形係数は、
減衰係数や音速などの線形パラメタよりも大きな温度係
数を有すると言われているので、ハイパーサーミア治療
における超音波による温度監視にも、極めて有用な監視
装置を提供することができる。

なお、以上では、簡単のため説明を省略したが、本発明
の方法を「日本超音波医学会第４６回研究発表会講演論
文集第３９９頁から第４００頁」に記されているような
従来方法と組合せることにより、非線形反射係数により
生ずる高調波成分を、往路における非線形伝播により生
ずる高調波成分と分離して計測することもでき、非線形
反射係数の生体組織申分布を求めることができる。

また、実施例の説明では、簡単のため送波口径を２分割
して互いに反対の位相により駆動する場合を例としたが
、本発明の適応範囲は、送波口径を２分割する場合に限
られず、２群に分かれた複数個の部分口径に分割された
送波口径を有し、その２群を互いに反対の位相により駆
動する場合にも及ぶものである６

【図面の簡単な説明】

第１図、第１１図のそれぞれ（ａ）および（ｂ）は、本
発明の一実施例の装置を構成する機械走査型送受波器の
それぞれ側面図および下面図、第２図、第８図、第１２
図は本発明の実施例の超音波装置の構成を示すブロック
図、第３図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ第１群およ
び第２群の互いに対応する送波器素子の逆相送波時にお
ける駆動信号、同じく（ｃ）は、受信される倍周波エコ
ー信号である。第４図、第９図、第１３図は本発明の実
施例の、焦点面に形成される音場の三次元モデル図、第
５図、第１０図、第１５図は上記実施例の装置を用いた
ときの非線形係数の寄与をプロットした鳥緻図である。 第６図（ａ）および（ｂ）は従来例の装置において同相
の基本周波送波を行なったとき、焦点面に形成される音
場を示した三次元モデル図、第７図（ａ）　　　（ｂ）
および（ｃ）は１本発明の実施例のリニア・アレイ型送
受波器のそれぞれ正面図・下面図および側面図、第１４
図は、本発明の実施例における送波器の部分口径を示す
説明図、第１６図は本発明の超音波装置を加温治療装置
として用いたときのタイムチャートの一例であり、（ａ
）は送波振幅の実効値、（ｂ）は治療対象生体組織の温
度、（ｃ）は治療対象生体組織の超音波非線形係数の計
測値の初期値を基準とした変化分の絶対値を示す図であ
る。 符号の説明 １・・・第１群の超音波振動子素子、２・・・第２群の
超音波振動子素子、３・・・超音波振動子全素子、４・
・・音響整合層、５・・・背面制動層、６・・・音響レ
ンズ層。 ７・・・振動子支持部、８・・・振動子回転軸、９・・
・振動子回転走査機構、１０・・・主制御回路、１１・
・・口径選択回路、１２−１・・・第１群の超音波振動
子素子の送波制御回路、１２−２・・・第２群の超音波
振動子素子の送波制御回路、１３・・・送受波回路、１
４・・・受波フォーカス回路、１５・・・倍周波エコー
強度検出回路、１６−１・・・逆相送波時のエコー強度
記憶回路、１６−２・・・倍周波同相送波時のエコー強
度記憶回路、１７・・・エコー強度除算回路、１８・・
・表示回路、２０−１．２０−２．　・、２０−Ｍ・・
・治療用超音波振動子素子、２１・・・軽金属製音響整
合層、２３−１．２３−２．・・・、２３−ｍ・・・監
視用超音波振動子素子、２５・・・治療用超音波振動子
送波回路、２６・・・監視°用超音波振動子送波制御回
路 第＋図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分割振動子を送波器および受波器として用いるパル
   スエコー型超音波装置において、送波焦域中に基本波成
   分の形成する零点に、第２高調波成分の主極大が形成さ
   れるよう送波器を構成し、その第２高調波主極大位置に
   受波器感度の主極大が形成されるよう構成したことを特
   徴とする超音波装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、２群に
   分かれた複数個の部分口径に分割された送波口径を有し
   、単一の送波焦点を形成するための駆動位相を基準とし
   て、上記２群のうち１群の駆動位相を１８０゜反転させ
   て送波するよう構成したことを特徴とするパルスエコー
   型超音波装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置において、２個の
   部分口径に分割された送波口径を有し、単一の送波焦点
   を形成するための駆動位相を基準として、一方の部分口
   径の駆動位相を１８０゜反転させて送波するよう構成し
   たことことを特徴とするパルスエコー型超音波装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の装置において、送波焦
   域中に基本波成分の形成する上記の零点と受波器感度の
   主極大とを一緒に、方位方向に走査するよう構成したこ
   とを特徴とするパルスエコー型超音波撮像装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載の装置において、送波焦
   域中に基本波成分の形成する上記の零点と受波器感度の
   主極大とを一緒に、深度方向に走査するよう構成したこ
   とを特徴とするパルスエコー型超音波装置。 ６、特許請求の範囲第１項記載の装置において、送波焦
   域中に基本波成分の形成する上記の零点を深度方向に固
   定しておき、受波器感度の主極大のみを深度方向に走査
   するよう構成したことを特徴とするパルスエコー型超音
   波撮像装置。 ７、特許請求の範囲第５項および第６項記載の装置にお
   いて、受波器感度の主極大を深度方向に走査した結果得
   られる受信信号の深度方向の差分値を表示するよう構成
   したことを特徴とするパルスエコー型超音波撮像装置。 ８、特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記第
   ２高調波成分に等しい周波数を基本波周波数として、上
   記零点に焦点を形成する送波モードを有し、上記送波モ
   ードによる受信信号強度を本送波モードによる受信信号
   強度によって規格化して表示するよう構成したことを特
   徴とするパルスエコー型超音波装置。 ９、特許請求の範囲第１項記載の装置において、送波器
   を超音波治療装置と共有し、検出される受信信号をもと
   に治療効果監視用情報を提供するよう構成したことを特
   徴とするパルスエコー型超音波装置。 １０、特許請求の範囲第１項記載の装置において、加温
   治療装置と連動し、急速短時間加温直後に信号を計測し
   て記録し、温度を維持する定常加温中の計測値をその記
   録値と比較することにより温度監視用情報を提供するよ
   う構成したことを特徴とするパルスエコー型超音波装置
   。 １１、特許請求の範囲第１項記載の装置において、加温
   装置と連動し、加温停止後の信号を計測して記録し、そ
   の時間変化の時定数から着目領域の血流量の推定値を提
   供するよう構成したことを特徴とするパルスエコー型超
   音波装置。