JPH0246212B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は超音波エコーグラフイにより被検物
体、ことに生体組織を走査する装置で、少なくと
も１個の超音波トランスデユーサを具え、この超
音波トランスデユーサが超音波信号を繰り返し送
信するための送信段と、この送信された信号がそ
の伝播方向において遭遇した最も重要な障害に対
応する超音波エコーを受信するための受信段とに
接続され、この受信段は受信されたエコーに対す
る第１の処理回路を具え、この第１の処理回路が
主として、超音波トランスデユーサの出力電極に
接続されている第１の増幅器と、利得補償装置
と、時間の関数としての走査方向でのエコーの位
置と振幅とを表示する表示装置とから成る超音波
エコーグラフイにより物体を走査する装置に関す
るものである。

発明の課題 本発明は殊に超音波像により生ずる有用な情報
の量が相当に増える、このような装置での改良さ
れた受信段に関するものである。このような改良
により医用装置で一層正確で信頼度の高い診断が
できるようになる。

本発明装置は特許請求の範囲に記載の如くの構
成を有してなることを特徴とする。

例えば医用装置の場合通常のエコーグラフイ法
により得られる超音波像では組織と組織の間の境
界だけが明瞭に見える。Ａ形エコーグラム内の大
振幅のエコーで求まるこれらの境界と境界の間に
は一層重要度の低いエコーを生ずる区域が存在す
るが、これは一般にはダイナミツク圧縮処理をし
た後にはじめて任意の灰色（グレー）レベルの形
態で表示されるだけである（これらのグレーレベ
ルは如何なる意味でも定量的情報に関係していな
い）。

しかし、本発明装置ではこれらの区域内で非常
に正確な定量的情報が得らるが、それは提案され
ている第２の処理回路が上記区域内での超音波減
衰率の値に直接関係するパラメータを高分解能で
局所的に計算するからである（上記超音波減衰率
は超音波の減衰の周波数依存性の評価である）。
この定量的情報は次に直接Ａ形エコーグラフイで
走査方向での各区域内での超音波減衰率の値を表
示するのに使用されるか又はＢ形エコーグラフイ
で組織の断層の二次元像を例えばグレースケール
又は異なる色のレジスタで変調するのに用いられ
る。このような全く定性的な情報をずつと精密な
定量的画像で置き換えると超音波減衰率が所定の
値を有する健康な器官がこの値を僅かに変える腫
瘍を含んでいるために生ずる超音波減衰率の小さ
な変化を追跡することができ、これにより診断の
信頼性が相当に改良される。

実施例 以下図面により本発明を説明する。

第１図の装置は超音波トランスデユーサ１０の
支持体を形成し、またＡ形エコーグラムを得るの
に用いられる１個のプローブを具える。本発明は
１本のプローブをレーダ形表示装置に接続して手
で動かしたり、あるいは機械式セクタ走査した
り、又は被検組織内の対応する数（ｐ個）の平行
な走査方向を画成するｐ個の超音波トランスデユ
ーサの線形アレーをスイツチング回路に接続し、
これによりエコー処理装置を順次に活性化された
トランスデユーサ若しくはトランスデユーサ群に
接続したり、若しくは所謂電子式セクタ走査を用
いるトランスデユーサアレーを同じくスイツチン
グ回路に接続して処理装置を遅延線回路網若しく
は移相回路網に接続することにより一つの直線だ
けでなく、組織の完全な画部を検査する時も全く
同じように利用できる。

トランスデユーサ１０は一方では送信機段５０
に接続する。この送信機段５０によりトランスデ
ユーサ１０は任意の走査方向に、被検組織を貫い
て超音波信号を反復して送信できる。他方ではト
ランスデユーサ１０は受信機段に接続する。受信
機段はトランスデユーサで受信され、伝播方向で
送信された信号が遭遇した最も重要な障害物に対
応する超音波エコーを処理する。このような障害
物の状況は、エコーグラムで超音波減衰率を定め
るべき組織間の境界を表わす大振幅のエコーによ
り画成される。

受信機段は既知の態様で受信された超音波エコ
ーを処理するための第１処理回路１００を具え
る。この第１処理回路１００は第１増幅器１０１
（これは実際には前置増幅器である）と、利得補
償装置１０２と、表示装置１０３とから成る。ト
ランスデユーサ１０の出力電極を第１増幅器１０
１の入力端子に接続し、この第１増幅器１０１の
出力信号を利得補償装置１０２に入力し、ここで
エコーの振幅を距離により補償し、その後で信号
をトランスデユーサ１０の主伝播方向に対応する
座標軸に沿つてＡ形のエコーグラムの形で表示装
置１０３上に表示する。

本発明受信段はまた第２処理回路２０を具え
る。この第２処理回路２００は第１処理回路１０
０と並列に接続され、次の要素から成る。

(A) 第２増幅器２１０。

これもトランスデユーサの出力信号を受取
る。

(B) ｎ個の相互に並列なチヤネル２２０ａ〜２２
０ｎの群。

これらのチヤネルは増幅器２１０の出力端子
に接続され、各チヤネルが順次に次のものを具
える。

(1) 帯域フイルタ２２１ａ〜２２１ｎ。

各フイルタの関連通過帯域はほぼ等しく、
ほぼ順次に連なつており、１まとめにしたス
パンが第２増幅器２１０の通過帯域にほぼ等
しい。

(2) 包絡線検波器２２２ａ〜２２２ｎ。

これは各チヤネルに対して同一であり、整
流器とその後段の低域フイルタとを具える。
低域フイルタの時定数は２個の隣接する散乱
点（なおエコーを出す範囲で走査される組織
内の最小要素）に対応する小振幅のエコー間
の平均時間間隔よりも大きな値に調整して、
生体の不均一性に特有の雑音を減らせるよう
にすると好適である。

(3) 乗算回路２２５ａ〜２２５ｎ。

これらの乗算回路は関連包絡線検波器の出
力信号を受取る第１入力端子とし、メモリ２
３０（これはクロツク回路２３１により制御
される）から補正信号を受取る第２入力端子
とを具える。いわゆる第１補正信号はトラン
スデユーサの寸法が無限小でないためにトラ
ンスデユーサのいわゆるニアフイールドで生
ずる回折効果に対する補正を与える。このよ
うな回折の効果はエコーの深さが増す時（即
ち最も重要な障害とトランスデユーサ１０と
の間の距離が増す時）遮断周波数が高くなる
低域フイルタの効果と同じである。これから
結論されることはトランスデユーサからの距
離が大きくなるとこの効果は小さくなり、フ
アーフイールドでは零に等しくなることであ
る。それ故検査対象たる組織が使用されるト
ランスデユーサに対してフアーフイールド内
に位置していると、ｎ個の乗算回路２２５ａ
〜２２５ｎ及び、これに接続されていて補正
信号の値を供給するメモリ２３０を省略でき
る。

(C) 演算回路２４０。

これはｎ個のチヤネル２２０ａ〜２２０ｎの
出力端子に接続されていて、このｎ個の出力信
号に基づいて、次の２つの要件を同時に満足す
るパラメータを計算する。

(a) このパラメータを決めるための情報を導き
出す方法によつて、このパラメータがｎ個の
チヤネルをまとめた周波数レンジ内で生起す
る、各チヤネルの中心周波数を有する信号の
振幅の広がりのインデイケータを形成する。

(b) このようにｎ個の出力信号を使用するよう
に選択したため、このパラメータは直接局所
的に、走査される組織内での周波数の関数と
しての超音波の減衰の変化を表わす曲線の平
均勾配β（この勾配βは微分超音波減衰率で
ある）に関連させられる。本例では回路２４
０により決まるパラメータは時間（即ち走査
方向での距離）の関数としての変化が上記(b)
を満足するｎ個のチヤネル２２０ａ〜２２０
ｎの出力信号の重心である。連続信号の場合
は、この受信は次式で定義される。

ｇ（ｔ）＝∫^f ₂／_f1ｆ・Ｈ（ｆ，ｔ）・df／＋∫^f ₂／
_f1Ｈ（ｆ，ｔ）・df(1) ここでＨ（ｆ，ｔ）は周波数でサンプリング
した信号のフーリエ変換であり、f₁とf₂はトラ
ンスデユーサの通過帯域を決める。。離散（デ
イスクリート）信号の場合（今の場合、並列接
続チヤネルの数は有限だから、これが当てはま
る）は、式(1)は次式で置き換えられる。

さらに簡単に説明すると、本発明によれば処
理装置のｎ個の並列に接続されたチヤネルの出
力側に一種の表示が連続的に得られ（トランス
デユーサ１０の出力信号の周波数スペクトルの
瞬時値）。その各々が演算回路２４０により対
応する重心値に当てられ、その結果重心の時間
関数としての変化に追従できる。

第２図はこのような表示が時間と共に続いて
いく態様を示した斜視図である。各表示は周波
数軸と振幅軸とで形成される座標系（0f，0A）
で決まる（時間軸は本当はｎ個のチヤネル２２
０ａ〜２２０ｎでの信号の伝播軸である。この
斜視図に対するｎ個のチヤネルの「状態」は専
ら図解の目的で第２図に示してある）。曲線３
ａ〜3nの組を用いて、第３図は、包絡線検波
器２２２ａ〜２２２ｎ内の整流器と低域フイル
タとの信号が通る前の帯域フイルタ２２１ａ〜
２２１ｎの出力信号が時間と共に変化する様を
図示したものである。

第４図は同一信号の包絡線検波器の出力端子
上での姿を示したものである（第３図と第４図
の左側には増幅器２１０とｎ個のチヤネル２２
０ａ〜２２０ｎの入力部が線図的に示されてい
る）。第３図及び第４図の各曲線に対しては信
号は区域を区切つて図示されているが、これら
の区域は超音波減衰率を求めるべき組織間の境
界線E_p〜E_nで区切られている。これらの境界
線は第１処理回路１００のエコーグラムで見ら
れる大振幅のエコーに対応する（このようなエ
コーグラムの一例を第４図の曲線４ａ〜４ｎと
関係づけて一番下側の図形に示してある）。

第５図は演算回路２４０の一例を示すが、こ
れはチヤネル２２０ａ〜２２０ｎのｎ個の出力
信号に対する第１加算回路２４１と、同じ出力
信号に対するものである。各チヤネル２２０ａ
〜２２０ｎの中心周波数に比例する因子により
重み付けされたものに対する第２加算回路２４
２とを具える（この重み付け処理は加算回路２
４２のｎ個の入力チヤネル内に適当な値のｎ個
の抵抗を設け、別に回路２４１の出力信号によ
り回路２４２の出力信号を除算する除算器２４
３を設けることにより可能となる）。各加算回
路２４１，２４２の出力端子と除算器２４３の
対応する入力端子との間にサンプル・ホールド
回路２４５，２４６を設ける。これらのサンプ
ル・ホールド回路２４５及び２４６はクロツク
回路２３１により制御され、除算器２４３の入
力端子に十分長い時間信号が存在し続け、除算
を実行するのに十分な長さの時間がとれるよう
にするのに役立つ。

(D) 演算回路２４０の出力端子に接続されてい
て、組織内で区画されている各区域内の超音波
減衰率βの値を求めることに使われる回路２５
０。

この回路２５０は第１の処理回路１００を介
して供給される信号により制御され、演算回路
２４０の出力信号上になお存在する雑音を平滑
化するための低域フイルタの後段におかれるア
ナログ微分回路により形成される。この回路は
デイジタル方式のものとすることもできる。ｎ
個のチヤネルの出力信号の重心の位置と因子β
の値との間の相関はフアーフイールドでは直接
となる。前述した回折効果のためニアフイール
ドではこの相関は一層複雑になるが、乗算回路
２２５ａ〜２２５ｎとメモリ２３０との存在に
より許される補正を行えば、これもまた直接的
となる。しかし、第１補正信号は、各チヤネル
でこれらの信号により得られるべき値が較正段
階（この較正段階にとつて必要なことは、選択
されたトランスデユーサがエコーグラフ検査で
通常の深さに対応するトランスデユーサから順
次に全ての距離に位置する反射金属面に対向し
て位置する時この選択されたトランスデユーサ
のエコーグラフ応答を考慮に入れることだけで
ある）の後で予めメモリ２３０に蓄えられてい
る場合だけ乗算回路の第２入力端子に加えるこ
とができる。各チヤネルで第１補正信号が到達
するリズムはクロツク回路２３１により一定に
保たれる。包絡線検波器の時定数〔これは前の
値（２個の順次の散乱点に対応するエコー間の
平均時間間隔）より大きければ好適である〕を
考慮に入れれば、クロツク周期はこの時定数よ
り小さい必要はない。今の場合試験の結果によ
ればクロツク周波数を200kHzに選択している
が、これは、例えば約20cmの組織の深さに対応
する約300マイクロ秒の持続時間を有する超音
波の放射の場合、各チヤネル毎にメモリ２３０
に蓄えるべき補正信号の数を60とする。従つ
て、全エコー処理装置の個別の記憶位置の全数
は60nに等しくなければならない。回路２５０
の出力信号は表示装置１０３上に表示される画
像を変調する。本例では、この画像は下記のよ
うに構成される。即ち、画像は一方では第１処
理回路１００から供給され、表示装置１０３を
第１チヤネルY₁に与えられる既知のＡ形のエ
コーグラムを含み、他方では第２垂直チヤネル
Y₂上に示され、チヤネルY₁のエコーグラムに
より画成される限界間の超音波減衰率βの種々
の値を表わす段階状曲線を含む。このようにし
てチヤネルY₂は回路２５０の出力信号により
変調されている。

本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。本発明の範囲内で多くの代案が可能であ
る。とくに機能上既に述べたようにトランスデユ
ーサのニアフイールドでの回折効果の補正にある
乗算回路２２５ａ〜２２５ｎをトランスデユーサ
の伝達関数がガウス形でない場合、この伝達関数
を補正するために使用することも可能である。こ
れはこの伝達関数がガウス形の場合因子β（周波
数の関数としての減衰の変化の曲線の勾配）の式
がβと勾配Δf／Δtとの間に比例関係があること
を示すからである。

β（in dB／cm／ＭHz）＝Ｃ／σ2×Δf（ＭHz）／Δt
（μs）(3) ここでΔfは重心の周波数変化であり、Ｃは定
数であり、σも定数であり、これは次式に見るよ
うにトランスデユーサの伝達関数がガウス形の場
合エコーのスペクトルの式Ｈ（ｆ）内に存在する。

Ｈ（ｆ）＝exp−（ｆ−f₀）²／2σ² (4) （ここではf₀はトランスデユーサの中心周波数で
あり、σは標準偏差である）。

これから結論されることは、βが一定である、
第１処理回路１００により組織内で区画された各
区域内では時間の関数としての重心の周波数変化
Δf／Δtは正確に一定となるということである。
しかし、使用されるトランスデユーサの伝達関数
がガウス形でない場合は時間の関数としての重心
の周波数変化の曲線は直線ではなく、各区域内で
のβの平均値の式ははかるに複雑となる。トラン
スデユーサの伝達関数がガウス形でない場合でも
例えばメモリ２３０と乗算回路２２５ａ〜２２５
ｎとにより補正できれば同式は再び簡単となる。
この場合各乗算回路の第２入力端子にトランスデ
ユーサ１０の伝達関数のこの歪を補正するための
第２補正信号が入り、この第２補正信号はメモリ
２３０から供給される。

また、演算回路２４０と並列に、重心以外にト
ランスデユーサ１０の出力信号の周波数スペクト
ルのモーメント、例えば周波数の関数としての超
音波散乱因子の変化を調べるための二次モーメン
トを計算する１個又は複数個の回路を接続した代
案も可能である。

最後に、前述したように、本発明は一直線に沿
つての走査（Ａ形エコーグラフイ）だけでなく、
被検組織の完全に平面な一断層を走査（Ｂ形エコ
ーグラフイ）するためにも使用でき、それにはプ
ローブを手で動かしたり機械で動かしたりする
他、既知のトランスデユーサの直線アレー又は電
子セクタ走査付のトランスデユーサアレーを用い
ることができる。この場合超音波減衰率を求める
ための回路２５０の出力信号は、表示装置１０３
では、場合によりグレースケールにより画像の輝
度変調を行い（このグレートーンは第１の処理回
路１００のＡ形エコーグルムにより供給されるエ
コーに対応する境界で被検組織を区切つた各区域
内で因子の種々の値に関連する）、或いはこれま
た因子の種々の値に関連する一連の色による画像
の変調を行う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波エコーグラフイに
より物体を走査する装置の一実施例のブロツク
図、第２図は第２の処理回路のｎ個のチヤネルの
出力端子上の順次の周波数スペクトルにより形成
された電気的に得られる連続現象を示す線図、第
３図及び第４図は夫々包絡線検波器を通る前と後
の並列なチヤネルでの信号の時間変化を示す線図
であり、第４図の一番下のグラフは第１の処理回
路から得られる既知の（Ａ形の）エコーグラムの
一例、第５図は第１図の装置の演算回路の一例の
ブロツク図である。 １０……超音波トランスデユーサ、５０……送
信段、１００……第１の処理回路、１０１……第
１の増幅器、１０２……利得補償装置、１０３…
…表示装置、２００……第２の処理回路、２１０
……第２の増幅器、２２０……ｎ個のチヤネル、
２２１……帯域フイルタ、２２２……包絡線検波
器、２２５……乗算回路、２３０……メモリ、２
３１……クロツク回路、２４０……演算回路、２
５０……減衰率の値を求める回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波エコーグラフイにより被検物体、殊に
   生体組織を走査する装置で、少なくとも１個の超
   音波トランスデユーサ１０を具え、この超音波ト
   ランスデユーサ１０は、超音波信号を繰り返し送
   信するための送信段５０と、この送信された信号
   がその伝播方向において遭遇した最も重要な障害
   に対応する超音波エコーを受信するための受信段
   とに接続され、この受信段は受信されたエコーに
   対する第１の処理回路１００を具え、この第１の
   処理回路１００は主として、超音波トランスデユ
   ーサの出力電極に接続されている第１の増幅器１
   ０１と、利得補償装置１０２と、時間の関数とし
   ての走査方向でのエコーの位置と振幅とを表示す
   る表示装置１０３とから成る超音波エコーグラフ
   イにより物体を走査する装置において、 受信段が第１の処理回路１００に並列に接続さ
   れた第２の処理回路２００を具え、この第２の処
   理回路は主として、 (A) トランスデユーサ１０の出力電極に接続され
   た第２の増幅器２１０と、 (B) 第２の増幅器の出力端子に接続され、各々が
   順次に、 (1) 各フイルタの関連通過帯域がほぼ連続して
   いて、それらを合わせた帯域幅がほぼ第２の
   増幅器の通過帯域に等しい帯域フイルタ２２
   １ａ…２２１ｎと、 (2) 整流器と、低域フイルタとを有し、該低域
   フイルタは被検物体内の２つの隣接散乱点に
   対応するエコーの間の平均時間に少くとも等
   しい時定数を有している如くした包絡線検波
   器２２２ａ…２２２ｎと、 (3) 包絡線検波器２２２ａ…２２２ｎの出力端
   子に接続され、第１の入力端子が対応する包
   絡線検波器の出力信号を受取り、 第２の入力端子がトランスデユーサ１０の
   寸法が無限小でないために生ずるニアフイー
   ルドでの回折効果を時間の関数として補正す
   る補正信号を受取る乗算回路２２５ａ…２２
   ５ｎと、 を具えるｎ個の並列なチヤネル２２０ａ…２２
   ０ｎの群と、 (C) ｎ個のチヤネル２２０ａ…２２０ｎの出力端
   子に接続されている演算回路２４０で、前記出
   力端子の出力信号に基づいて、全チヤネルの全
   体の周波数領域にわたる周波数の関数としての
   信号値の広がりを示すパラメータであり、被検
   物体の物理的特性に局部的に直接相関を有して
   いるパラメータを計算する作用をし、この計算
   は各周波数帯域を表わす周波数に関する係数に
   よつて前記信号値に重みづけすることによつて
   行う如くしてある演算回路２４０と、 を具えてなることを特徴とする超音波エコーグラ
   フイにより物体を走査する装置。 ２ 前記パラメータは、走査される組織内での周
   波数の関数としての超音波減衰の変化の曲線の平
   均勾配、いわゆる微分超音波減衰率であるβに直
   接局所内に関係しており、さらに前記第２の処理
   回路２００は、演算回路２４０の出力端子に接続
   されていて、走査される組織内で、遭遇する最も
   重要な障害に対応するエコーにより区画された各
   区域内での減衰率βの値を求め、出力端子が表示
   装置１０３に接続されている回路２５０を有して
   成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の超音波エコーグラフイにより物体を走査する装
   置。 ３ 第２の処理回路２００が各チヤネル内に、包
   絡線検波器２２２ａ…２２２ｎの出力端子に接続
   され、第１の入力端子が対応する包絡線検波器の
   出力信号を受け取り、第２の入力端子がトランス
   デユーサ１０の寸法が無限小でないために生ずる
   ニアフイールドでの回折効果を時間の関数として
   補正する補正信号を受け取る乗算回路２２５ａ…
   ２２５ｎを具え、上記補正信号がメモリ２３０か
   ら送られてき、乗算回路のｎ個の出力端子が演算
   回路２４０の入力端子に接続されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の超音波エコーグラフイにより物体を走査する
   装置。 ４ 演算回路２４０により求められるパラメータ
   がｎ個のチヤネル２２０ａ…２２０ｎの出力信号
   の重心であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の超音波エコーグラフイにより物体を走
   査する装置。 ５ 演算回路２４０がｎ個のチヤネル２２０ａ…
   ２２０ｎの出力信号を加算する第１の加算回路２
   ４１と、ｎ個のチヤネルの出力信号の各々に関連
   チヤネルの中心周波数に比例する因子を重みづけ
   した後これらのｎ個のチヤネルの出力信号を加算
   する第２の加算回路２４２と、第２の加算回路の
   出力信号を第１の加算回路の出力信号で除算する
   のに役立つ除算器２４３とを具えることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の超音波エコーグ
   ラフイにより物体を走査する装置。