JPH0222660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (A) 発明の技術分野 本発明は、超音波媒体の非線形パラメータ分布
測定装置、特に、生体組織等の超音波媒体の物理
特性の空間分布を測定する方式に係り、音速が音
圧に対し、一次近似としては一定値であるが、二
次近似としては音圧に比例するという非線形性を
示すのを利用し、この非線形性パラメータの空間
的分布を媒体の特性値として測定し、更には、必
要に応じてその空間的分布の映像化を高速且つ容
易に行う様にした測定装置に関する。更には、特
に、いわゆる透過法でなく反射法によつて上記非
線形パラメータを測定する事ができる装置に関す
る。

(B) 技術の背景と問題点 本発明が利用する非線形パラメータ映像法の原
理は、特願昭57−167036号（特開昭59−55245号）
又は特願昭58−119100号（特開昭60−10165号）
に詳述されている。前者においては、比較的高周
波の測定用連続超音波ビームに直交する方向か
ら、比較的低周波のポンピング用平面パルス波を
交差させ、ポンピングパルスによつて位相変調さ
れた測定波を位相復調する事によつて、測定波ビ
ーム走査線上の非線形パラメータＢ／Ａを高速に
求めていた。又、後者においては、ポンピングパ
ルスを、測定用ビームに直交する様に与える代わ
りに、測定用ビームと同軸状で且つ進行方向が測
定用ビームと逆方向になる様に与える事により、
測定用ビームが殆どあらゆる所でほぼ同一形状の
ポンピングパルスを受ける様にして、機械的に大
きな構造をなくす等の効果を得ていた。

しかし、これらの方法はいずれも測定波送信用
振動子から放射された後、被測定媒体内を通過し
て測定波受信用振動子で受信された信号を利用す
るという、いわゆる透過法を用いているため、実
際の臨床応用において、断層面像を得ようとする
と、その適用部位が、測定用振動子対の間に被観
察部位を設ける事ができる様な乳房等に限られる
か、あるいは被観測部位を水枕で囲つて測定用振
動子対を走査する必要がある等操作上の問題が大
きかつた。

(C) 発明の目的と構成 本発明は、測定波として連続波を用いる代わり
にバースト状のパルス波を送受信兼用の又は送信
用／受信用の１組の測定波用振動子から送信する
と共に、該測定用超音パルスとほぼ同一場所から
ほぼ同一方向にポンピング用の比較的低周波の超
音波パルスを被観察媒体内に送出する様にしてお
き、且つ、第１図に示す様に、ポンピング波の音
圧の高い部分（又は低い部分）に測定用のバース
ト波が重畳する様に振動子の駆動タイミングを調
整しておき、ポンピングパルスと測定用パルスの
両方を送信した時に反射されて帰つて来た測定用
パルスの受信信号の位相と、測定用パルスだけを
送信した時に反射されて帰つて来た測定用パルス
の受信信号の位相との差を求める事により、ポン
ピングパルスの影響だけによる測定用パルスの位
相変調を反射法で検出して、被観察媒体内の超音
波被線形パラメータＢ／Ａ求めようとするもので
ある。

本発明は、進行する測定波の１つの点に注目し
た場合、その点が反射体に到るまでの間に、測定
用パルスが通過した領域の被線形パラメータＢ／
Ａ（但し場所の関数）とポンピング波の音圧Ｐ（減
衰の影響により場所の関数）との積の積分値によ
り定まる位相変調を受ける事を利用して受信信号
を復調して得た位相信号を微分する事により、非
線形パラメータＢ／Ａの分布を得ようとするもの
である。そしてそのため、本発明は特許請求の範
囲記載の構成を持つ事を特徴としている。

以下具体的に説明する。

(D) 発明の実施例 超音波媒体内の音圧がゼロの時の音速をCo、
密度をρoとすると、Ｐなる音圧が加えられた時
の音速Ｃは Ｃ＝Co＋１／2ρoCo・Ｂ／Ａ・Ｐ ……(1) 但し Ｂ／Ａ＝2ρoCo（∂C／∂P）_s 但し添字ｓは等エントロピーである事を示す。
となる。従つて、ポンピングパルスの音圧Ｐによ
り、音速Ｃは、 △Ｃ＝１／2ρoCoＢ／ＡＰ ……(2) だけ変化する事になる。

今、第２図に示す様に、Ｚ＝０に置かれた測定
波用超音波振動子Xmからバースト状の超音波パ
ルスWmを図のＺ軸方向に被測定媒体中に送り込
み、反射体Ｍからの反射波を受信する場合を考え
る。この時、測定パルスWmとほぼ同一場所に設
置されたポンピングパルス送信用振動子Xpから、
ポンピングパルスWpを図示の様にＺ軸方向に送
り込む。以下簡単のためにWpとWmとは重畳し
ているとする。又、Wmの音圧はWpの音圧に比
べて充分に小さく、式(1)(2)のＰとしてはWpによ
るものだけを考慮すれば良いものとする。測定用
パルスWmがＺ＝Ｚにある反射体Ｍに到達するま
での間に、各Ｚにおいて、式(2)により、場所によ
り異なる音速変化 △Ｃ（Ｚ）＝１／2ρoCo・Ｂ／Ａ（Ｚ） ・Ｐ（Ｚ） ……(3) を受ける事になり、従つて場所（Ｚ）により異な
つた△Ｃ（Ｚ）に比例する位相変化を受ける事に
なる。従つて、反射体Ｍに到達した時には、式(3)
で示される音速変化の積分値に比例した位相変化
（音圧変化やＢ／Ａによる変化を受けなかつた場合に 比べて） Ｋ：比例定数 （Ｚ）＝K∫^z ₀△Ｃ（Ｚ）dZ ＝K∫^z ₀１／2ρoCo・Ｂ／Ａ（Ｚ） ・Ｐ（Ｚ）dZ ……(4) を受けている事になる。Ｍで反射された後、振動
子Xmで受信されるまでの間は、ポンピングパル
スが存在しない（正確には、ポンピングパルスの
反射波が、測定用パルスの反射波と共に戻つて来
るが、媒体の反射率は一般に低周波程小さいた
め、往路での音圧に比べれば充分に小さくなつて
いる）ので、振動子Xmで受信された測定用パル
スの反射波を位相復調すれば式(4)で示される
（Ｚ）が得られる事になる。

（Ｚ）をＺで微分する事により d（Ｚ）／dZ＝Ｋ１／2ρoCo・Ｂ／Ａ（Ｚ） ・Ｐ（Ｚ） ……(5) が得られ、式(5)の左辺は実測で得られる値、右辺
のＫ，ρo，Coは定数であるから、Ｐ（Ｚ）を知る
事ができればＢ／Ａ（Ｚ）を求める事ができる。超 音波周波数の例として、ポンピングパルスWpは
生体組織内での減衰が余り大きくない500kHz程
度のものが、測定波パルスWmはそれよりも１桁
程度高い5MHz程度のものが用いられる。生体組
織中では、超音波はほぼ1dB／ＭHz／cmの減衰を
受ける事が良く知られており、500kHzのWpの場
合、ほぼ0.5dB／cmの減衰を受ける事になる。従
つて、式(5)のＰ（Ｚ）として、例えば という式を用いてＰ（Ｚ）を推定しても良い。こ
の場合、式(5)より つまり、位相復調出力（Ｚ）を微分したものに、
距離Ｚと共に増大する様な係数K′e^+dzを乗ずる事
によりＢ／Ａ（Ｚ）を得る事ができる。

生体組織中での減衰が1dB／ＭHz／cmという様
に場所によらず一定という様な仮定が成立しない
場合は、通常のＢモード断層撮像装置でよく用い
られている様な、距離Ｚ毎に第３図の如き自由な
ゲインを与える事のできるいわゆるTGC（Time
Gain Control）を用いても良い事は言うまでも
ない。このゲインカーブは測定結果を見ながら試
行錯誤的に求める。

尚、媒体中の平均音速をCoとした時、Ｚ≒Cot
（ｔ：超音波が送信されてからの時間）であるか
ら、dZ＝Codt ∴d（Ｚ）／dZ＝１／Cod（Ｚ）／dt ……(8) となり、式(5)のＺによる微分は、時間微分に置き
換えられるのは言うまでもない。

以上の説明では、距離Ｚにある反射体からの反
射波の位相（Ｚ）が求まると仮定していたが、
以下の理由でこれは容易ではない。

第１に、位相を検出するためには第４図ａに示
す如き基準信号と受信信号との位相比較を行う
が、反射法の場合、第４図ｂ，ｃに示す如く、振
動子と反射体との間の距離が異なるだけで、基準
信号に対する受信信号の位相が大きく変化し、
Ｂ／Ａ（Ｚ）・Ｐ（Ｚ）の影響による位相シフトを
隠してしまう。

第２に、生体組織内からの反射波は、第５図に
示す様に、反射波どうしの重畳が頻繁に起こつて
おり、第５図ｃに示す如く合成された受信信号は
元のいずれの信号ａ，ｂとも大きく異なつた位相
を持つ事になつて、やはりＢ／Ａ（Ｚ）・Ｐ（Ｚ）の 影響による位相シフトを隠してしまう。

以上の様な理由から、反射法を適用するに当た
つては特許請求の範囲第１項ホに示した如く、ポ
ンピングパルスと共に測定用パルスを送信した時
の受信信号の位相と、ポンピングパルスを送らず
に測定様パルスだけを送出した時の受信信号の位
相との差を求めることが、実用的な測定のために
は必須である。第４図又は第５図に示した如き、
伝搬又はパルス重畳による位相の変化は、ポンピ
ングパルスの存在する時も存在しない時も同様
（ポンピングパルスの送出周期は200μ秒程度であ
るからその間は不変と考えてよい）に現われるか
ら、それぞれの場合の位相復調出力を記憶してお
いてその差を得る事により、伝搬又はパルス重畳
の影響を除いた、Ｂ／Ａ（Ｚ）・Ｐ（Ｚ）の影響のみ による位相変化（Ｚ）を抽出する事ができる。

以下、実施例の構成例を、第６図を用いて説明
する。

第６図において、１はポンピングパルスの送信
のタイミングを発生するタイミング制御部、２は
測定波バーストパルスのための連続波発振器、３
はポンピングパルス用のドライバ、４はポンピン
グパルスの特定の位相（通常は音圧が最大又は最
小の位相）に測定用バーストパルスが重畳される
様に、発振器２の出力を切り出すためのゲート回
路、５は測定用振動子７を駆動するためのドライ
バ、６はポンピングパルス発生用の振動子、７は
測定用パルス発生用の振動子、８は被測定超音波
媒体、９は受信増幅器、１０は位相検出器、１１
は１０の出力を一時記憶するためのメモリ、１２
は１１の出力から１０の出力を引算するための引
算回路、１３は微分回路、１４はいわゆるTGC
回路である。第６図ｂ，ｃには、振動子６，７の
構成例を見取図（第６図ｂ）及び断面図（同図
ｃ）に示してある。第７図には第６図の主要部の
時間波形を示してある。第７図ａのパルスが第６
図のポンピングパルス用ドライバ３に与えられる
と、第７図ｃの波形が第６図のポンピングパルス
発生用振動子６に印加される。他方、第６図の連
続波発振器２の出力は、ゲート回路４によつて例
えばポンピングパルスの高音圧部分にだけ測定用
パルスが送出される様なタイミング（第７図ｂ）
だけ切り出され、ドライバ５を通つて、第７図ｄ
の如き駆動信号が第６図の測定用振動子７に印加
される。この結果、ポンピングパルスと測定用パ
ルスとは、例えば第１図に示した如きタイミング
関係を保ちながら第６図の被測定媒体８の中を進
行する事になる。被測定媒体中からの反射波は振
動子７で受信され、受信増幅器９で第７図ｅの如
く増幅された後、位相検出回路１０に入力され
る。位相検出回路のもう一方の入力には、連続波
発振器２の出力が基準信号として与えられてお
り、第７図ｆの如くこの２つの入力間の位相差が
位相検出回路１０から出力される記憶回路１１に
送られる。

記憶回路１１には、トリガ信号として、第７図
ａポンピング波駆動タイミングと、(b)ゲートタイ
ミングとが与えられており、ポンピング波駆動タ
イミングの直後のゲートタイミングから一走査線
の時間（第７図ｆのＡの期間）の間信号が記憶さ
れ、次のゲートタイミングパルスで記憶内容を出
力して引算回路１２に送り出す。引算回路１２で
は、記憶回路１１の出力（第７図ｆのＡ）から、
位相検出回路１０の出力（第７図ｆのＢ）を引
き、ポンピング波が存在する場合と存在しない場
合との位相検出回路の出力の差を第７図ｇの如く
得て、微分回路１３を経てTGC回路１４に送り
出す。

TGC回路１４には、トリガ信号として第７図
ｂのゲートタイミング信号が与えられており、測
定用パルスの送信に同期して、第６図の微分回路
１３の出力（第７図ｈ）に対して、例えば、第３
図に示す如き時間的に変化する増幅が行なわれ、
最終出力Ｂ／Ａ（Ｚ）が得られる。

尚、記憶回路１１は、BBDやCCD等のデイレ
イラインによるアナログ的なものでも、Ａ／Ｄ変
換器とメモリ又はシフトレジスタを組合せたデイ
ジタル的なものでもどちらでも良い事は言うまで
もない。

以上の如く、本発明によれば、超音波媒体の非
線形パラメータＢ／Ａ（Ｚ）の空間分布を、従来の 様な透過法でなく反射法で得る事ができ、透過法
の場合に必要な水槽等の大きな機械的構造を全く
必要としなくなると共に、種々の部位から対象を
観察できる様になり、操作性を大幅に向上させる
事ができる。

上記実施例では、位相検出結果の間の引算によ
つて、ポンピングパルスが存在する場合としない
場合との位相差を得ようとしていたのに対して、
次に述べる実施例は、ポンピング波が存在する場
合の受信RF信号と、ポンピング波が存在しない
場合の受信RF信号とを、直接に位相比較する事
によつて、ポンピング波が存在する場合としない
場合との、受信信号の位相差を求めようとするも
のである。構成例を第８図に示す。第８図におい
て、第７図と同じ構成要素には同一の番号を付し
てあり、説明を省略する。第７図と異なるのは、
位相検出回路１０と記憶回路１１の順序が逆にな
り、引算回路１２がなくなつた事である。第８図
の構成を用る場合は、記憶回路１１は、RF受信
信号を直接記憶できるだけの充分に高速なアナロ
グ（CCD等による）又はデイジタル（AD変換器
とメモリ又はシフトレジスタによる）的な記憶回
路が必要である。第８図のシステムの動作は、第
７図のシステムの動作から容易に類推できるので
説明は省略する。

次に、Ｂ／Ａ（Ｚ）分布のＳ／Ｎ比を向上させる 手段に関して述べる。非線形パラメータと音圧と
の積による測定用パルスの位相変化量が小さい時
には、本来の位相変化量（Ｚ）に対して回路内
その他で発生する雑音を無視できなくなる。更
に、Ｂ／Ａ（Ｚ）を求めるため、（Ｚ）を微分する が、この微分動作も雑音を大きくする元となる。
従つて得られたＢ／Ａ（Ｚ）には雑音が含まれ易い 事になる。この様子を第９図に示す。第９図Ａ図
示の無雑音のＢ／Ａ（Ｚ）出力に、第９図Ｂ図示の 雑音Ｎが加わる事により、第９図Ｃ図示の如き信
号が実際には出力される。この対策として、同一
部位をＫ回測定して、第９図Ｃ図示のS₁〜S₂の如
き雑音の加わつた信号を得て、これらを同一Ｚ座
標の点毎に加算すると、各点において信号成分は
振幅でＫ倍されるが、雑音成分は電力でＫ倍され
るに過ぎず、もし雑音が不規則雑音であれば、各
点おける雑音振幅は√倍されるにとどまる。従
つて、Ｓ／Ｎ比は√倍されて、第９図Ｄ図示の
如き出力が得られる。

この方法を用いたシステムの構成例を第１０図
に示す。第１０図において、第６図と同一の構成
要素には同一の番号を付してあり、説明は省略す
る。第１０図において、１６は、ポンピングパル
スの送信繰り返し周期Ｔだけ信号を遅らせる遅延
回路であり、例えばBBDやCCD等のアナログ的
手段で実現しても良いし、又、Ａ／Ｄ変換器とシ
フトレジスタ又はメモリとを用いたデイジタル的
手段で実現しても良い事は言うまでもない。１５
は加算器であり、遅延回路の種類に応じてアナロ
グ又はデイジタルのいずれのタイプでも良い。第
１０図図示の構成の場合、TGC回路１４の出力
が同一のＺ軸座標の各点毎に加算される事は明ら
かであり、いわゆる同期加算によりＳ／Ｎ比の改
善を行う事ができる。

本発明においては、更にＢ／Ａ（Ｚ）の２次元又 は３次元分布を得る事が可能となる。これまでの
説明で明らかな様に、特定の走査線上のＢ／Ａ（Ｚ） の分布を得る事ができるから、ポンピングパルス
用振動子６及び測定用パルス用振動子７の相対位
置を一定に保つたままでｘまたは／およびｙ方向
に移動させ、各ｘまたは／およびｙ座標に対応し
たメモリアドレスＢ／Ａ（Ｚ）の値を記憶しておけ ばＢ／Ａ（Ｚ）の２次元または／および３次元分布 を得る事ができる。

例えば第１１図に示す如く、ポンピングパルス
用振動子xpと測定パルス用振動子xmとをそれぞ
れアレイ振動子としたものを使い、ｘ方向にいわ
ゆる電子スキヤンを行えば、容易にＢ／Ａ（Ｚ）の ２次元分布を得る事ができるのは明らかである。
又、第１１図の振動子アレイを図のｙ軸方向に拡
張して、例えば第１２図の様な構成の振動子アレ
イを用いれば、容易にＢ／Ａ（Ｚ）の３次元分布を 得る事ができるのは明らかである。

以上の説明では、２次元又は３次元のＢ／Ａ（Ｚ） の分布を得るのに、第１１図又は第１２図の如き
振動子アレイを用いる場合について説明したが、
第６図ｂの如き振動子を機械的に一次元又は２次
元に走査する事により、２次元又は３次元のＢ／Ａ （Ｚ）の分布を得ても良い事は言うまでもない。

又、以上の説明では、ポンピングパルス用振動
子と測定パルス用振動子とは、横方向にずれた位
置に隣り合わせに設けられていたが、例えば第１
３図に示す如く、ポンピングパルス用の振動子
Xpと測定パルス用の振動子xmとを重ね合わせて
も良い。この場合、第１３図の測定用振動子xm
としては例えば柔軟で音響インピーダンスが生体
組織のそれに近いいわゆるPVDFを、ポンピング
パルス用振動子Xpとしては例えば硬くて音響イ
ンピーダンスの大きないわゆるPZTを用いると、
ポンピングパルスはPVDF層を殆ど減衰なく通過
でき、しかもPZT層はPVDF層に対してバツキ
ングとして作用する、等、極めて具合の良い振動
子構造を実現できる。BKはバツキング材であ
る。

さらに、測定用振動子は送信用と受信用とを別
にしてもよい。

(E) 発明の効果 以上述べた如く、本発明によれば、以前に提案
した超音波媒体の非線形パラメータＢ／Ａ（Ｚ）の 測定法に比べて、よりコンパクトな装置構成で、
しかもより操作性の優れた反射法によつて、Ｂ／Ａ （Ｚ）の分布を測定する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の概念を説明する
図、第３図はいわゆるTGCの概念を説明する説
明図、第４図および第５図は、反射波の位相の概
念を説明する説明図、第６図は本発明の一実施例
構成ブロツク図、第７図は第６図図示構成の動作
を説明する波形説明図、第８図は第６図に対応す
る他の実施例構成ブロツク図、第９図は同期加算
の概念を説明するための説明図、第１０図は同期
加算を行うための更に他の実施例構成ブロツク
図、第１１図ないし第１３図は振動子の種々の実
施形態を示す。 図中、１はタイミング制御部、２は連続波発振
器、３はポンピングパルス用ドライバ、４はゲー
ト回路、５は測定パルス用ドライバ、６はポンピ
ングパルス用振動子、７は測定パルス用振動子、
８は被測定超音波媒体、９は受信増幅器、１０は
位相検出回路、１１は記憶回路、１２は引算回
路、１３は微分回路、１４はTGC回路、１５は
加算回路、１６は遅延線を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (イ) 超音波媒体内に測定用の比較的高周波且
   つ低音圧の超音波パルスを送出し、また該超音
   波媒体内からの反射超音波を受信する送信用と
   受信用の１組の、又は送受信兼用の超音波振動
   子と、 (ロ) 該測定用超音波パルスと実質的に同一場所か
   ら実質的に同一方向にポンピング用の比較的低
   周波且つ高音圧の超音波パルスを該超音波媒体
   内に送出する超音波振動子と、 (ハ) 該測定用超音波パルスが該ポンピング用超音
   波パルスの予め定められた特定の位相の部分に
   重畳する様に送出されるべく、振動子の駆動タ
   イミングを制御する手段と、 (ニ) 該測定用超音波パルスの該超音波媒体内から
   の反射波から成る受信信号の基準信号に対する
   位相を検出する手段と、 (ホ) 上記(ニ)で求めた時間の関数としての位相を微
   分する事により、該超音波媒体の非線形パラメ
   ータの、該測定用ビーム上の空間的分布を求め
   る手段、 を有する事を特徴とする超音波媒体の非線形パラ
   メータ分布測定装置。 ２ (イ) 超音波媒体内に測定用の比較的高周波且
   つ低音圧の超音波パルスを送出し、また該超音
   波媒体内からの反射超音波を受信する送信用と
   受信用の１組の、又は送受信兼用の超音波振動
   子と、 (ロ) 該測定用超音波パルスとほぼ同一場所からほ
   ぼ同一方向にポンピング用の比較的低周波且つ
   高音圧の超音波パルスを該超音波媒体内に送出
   する超音波振動子と、 (ハ) 該測定用超音波パルスが該ポンピング用超音
   波パルスの予め定められた特定の位相の部分に
   重畳する様に送出されるべく、振動子の駆動タ
   イミングを制御する手段と、 (ニ) ポンピング用超音波パルスと共に測定用超音
   波パルスを送信した時の受信信号（いわゆる
   RF信号）と、ポンピング用超音波パルスを送
   出せずに測定用超音波パルスのみを送出した時
   の受信信号（RF信号）との位相差をRF信号間
   の位相比較を行なつて求める手段と、 (ホ) (ニ)で求めた時間の関数としての位相差を微分
   する事により、該超音波媒体の等価非線形パラ
   メータの、該測定用ビーム上の空間的分布を求
   める手段、 を有する事を特徴とする超音波媒体の非線形パラ
   メータ分布測定装置。 ３ 上記空間的分布を求める手段には、上記位相
   差を微分する手段の後段に、時間とともに利得の
   増大する増幅器を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の超音波媒体の非線形パラメ
   ータ分布測定装置。 ４ 上記空間的分布を求める手段には、上記位相
   差を微分する手段の後段に、時間とともに利得の
   増大する増幅器を含むことを特徴とする特許請求
   範囲第２項に記載の超音波媒体の非線形パラメー
   タ分布測定装置。