JPH0351757A - 音響特性測定方法およびその装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超音波を例えば生体内に送信し、生体内から
の反射波を受信して生体内組織の音響特性を測定する音
響特性測定方法およびその装置に関するものである。

従来の技術 生体内の情報を超音波の利用により得る方式としては超
音波診断装置がある。この超音波診断装置としては、生
体内に超音波を送信し、生体内からの反射波より生体内
の情報を得るパルス反射法を用いるものが主流を占めて
いる。このパルス反射法は、生体内の音響インピーダン
スの差のある界面からの反射エコー強度、すなわち、振
幅値と超音波の伝搬時間とから生体内の情報を２次元的
に集めることにより、断層像を表示するようになってい
る。

近年、主に生体組織の形状診断を行う超音波診断装置に
対し、生体内組織形状以外の情報も得たいという要望も
高まっている。このような情報の例として生体の音波減
衰係数がある。この音波減衰係数を得る方法として、例
えば「超音波医学」（　Ｖｏｌ．　ｌ２　Ｎｏ．６．１
９８５）　等ＶＣ記ＱｔＬＪｈテイル非正規化モーメン
ト法が知られている。

この方法によれば、均一なテストファントムを用いた場
合のように、超音波パルス反射システムの受信信号振幅
が深さ方向に対して指数関数的に単調に減衰する場合に
は、被検体の音波減衰係数βを次の（１）、（２）式を
用いて求めることができる。

β＝　−（ｄＭｏ／ｄｘ　）　７４Ｍ１　　　　　・・
−・・・（１）＝：　／　ｆｎＰ（ｆ）　ｄｆ　　　　
　　　　　・・−・・（２）但し、Ｍｎ；パワースペク
トルのｎ次モーメントＰ　（ｆ）　；被検体中の例えば
長さ１ｃＩＬ程度の区間に相当する受信信号のパワース
ペ クトル Ｘ；超音波パルス伝搬方向距離 発明が解決しようとする課題 しかし、上記従来の非正規化モーメント法では、均一な
テストファントムを用いた場合でも、ファントム内の音
波散乱体の影響によりパワースペクトルの形状が乱れ、
特に上記（２）式よシ得られる１次モーメントＭ１　の
値が大きく変動し、音波減衰係数βを正確に求めること
ができないなどの課題があった。

本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するもの
で、生体、あるいはそのテストファントムのように多数
の音波散乱体を含む被検体であっても、正確に音波減衰
係数を求めることができるようにした音響特性測定方法
およびその装置を提供することを目的とするものである
。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するため、本発明の音響特性測定方法は
、超音波を被検体に送信し、被検体からの反射波を受信
し、上記受信信号の零次モーメントを得、この零次モー
メントの相対減衰量よシ補正係数を得、上記補正係数と
零次モーメントを用いて音波減衰係数を求めるようにし
たものである。

また、本発明の音響特性測定装置は、超音波を被検体に
送信し、被検体からの反射波を受信する手段と、上記受
信信号の零次モーメントを得る手段と、上記零次モーメ
ントの相対減衰量よシ補正係数を得る手段と、上記補正
係数と上記零次モーメントを用いて音波減衰係数を求め
る手段を備えたものである。

作　　　　用 したがって、本発明によれば、被検体の音波減衰係数を
求める際に短詩パワースペクトルの１次モーメントの代
わシに補正係数を使用し、この補正係数は零次モーメン
トから得るので、値の変動が小さくなる。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

まず、第１図を参照しながら本発明に用いる音響特性測
定方法の原理について説明する。

受信信号の短詩パワースペクトルＰ（ｘ、ｆ）は、次の
（３）式で近似できる。

Ｐ（ｘ、　ｆ）　−Ｎ（ｘ、　ｆ）　＠Ｇ（ｆ）／ｅｘ
ｐ（−４βｆｘ　）　　−（３）但し、ｆ：周波数 Ｘ；超音波伝搬方向距離 Ｎ（ｘ、ｆ）；ノイズスペクトル（音波散乱特性、雑音
、音響特性などの起因する項） Ｇ（す；入射超音波スペクトル特性 β；音波減衰係数 このパワースペクトルＰ（ｘ、ｆ）は以下のようにして
求めることができる。第１図（ａ）に示すように超音波
トランスデユーサ１より送信した超音波パルスは被検体
２の内部を距離Ｘ方向へ伝搬し、被検体２中に多数分布
する音波散乱体により次々に散乱され、反射波として逆
方向に伝搬してトランスデユーサ１で受信される（第１
図（ｂ）は典型的な受信信号ｈ　（ｔ）の例を示してい
る。）。

次に、受信信号ｈ　（ｔ）より短詩パワースペクトルを
求めるため、関心領域（以下、ＲＯＩと称す）３に対応
する受信信号の区間を窓関数−より抜き出す。深さｘｉ
のＲＯＩ３に相当する部分からの受信信号をｈｉ（ｔ）
（第１図（Ｃ）参照）とすると、そのパワースペクトル
Ｐ（ｘｉ、ｆ）が受信信号ｈ　（ｔ）の短詩パワースペ
クトルになる。

上記（３）式におけるノイズスペクトルＮ（ｘ、ｆ）が
距離Ｘに依存しないと近似できる場合、短詩パワースペ
クトルを用いて音波減衰係数βを以下のようにして求め
ることができる。まず、パワースベクトルの零次モーメ
ントＭｏ（ｘ）は、次の（４）式で表わすことができる
。

Ｍｏ（ｘ）＝　ｆＰ（ｘ、ｆ）ｄｆ ＝　ｆＮ（ｆ）Ｇ（ｆ）　−ｅｘｐ（−４βｆｘ）ｄｆ
−（４）したがって、零次モーメントを距離Ｘで微分す
ると次の（５）式が得られる。

ｄＭｏ（ｘ）／ｄｘ＝−４βｆ　ｆ　−Ｐ（ｘ、ｆ）ｄ
ｆ＝−４βＭｌ（ｘ）　　　　　　・・・・・・（５）
但し、　Ｍｌ（ｘ）　ｐパワースペクトルの１次モーメ
ント したがって、パワースペクトルの零次モーメントと１次
モーメントを求めれば、上記（５）式を用いて音波減衰
係数βを求めることができる。通常、１次モーメン）　
Ｍｒは上記（５）式に示すように周波数「とパワースペ
クトルＰ（ｘ、ｆ）の積を周波数積分して得られる。し
かし、第１図（ｄ）に示すようにテストファントムのよ
うな均一な伝搬媒体に対しても得られるようなパワース
ペクトルの形状はかなり乱れたものとなり、周波数ｆと
の積より１次モーメントを求めると、その値が大きく変
動するという問題があった。本発明においては、伝搬媒
体中における零次モーメン）Ｍｏ（ｘ）と１次モーメン
）Ｍｌ（Ｘ）の関係をあらかじめ求めておき、この関係
をもとに測定した零次モーメン）Ｍｏ（ｘ）から１次モ
ーメン）Ｍｌ（Ｘ）を得るようにしたものである。

次に、零次モーメン）Ｍｏ（ｘ）から１次モーメントＭ
ｒ（ｘ）を得る方法について説明する。第２図は生体と
同様な音波減衰特性を有する伝搬媒体中における超音波
パルスのエネルギー減衰量Ｄ　（ｘ）と、その平均周波
数（または補正係数）ｆｍ（ｘ）の関係を示す数値シミ
ュレーション結果である。ここで、超音波パルスの波形
ｈ（りは次の（６）式で表わした。

ｈ（ｔ）＝ｅｘｐ＠−ｔｏ）２／ｚδ２〕Ｘ５ｊｎ　Ｃ
２ｒｃ　ｆｃ　ｍ　（ｔ−ｔｏ　）　）　　、・（５１
但シ、ｔｏ；　　パルスのエネルギー中心の時間δ２；
　時間分散（パルスの長さを表すパラメータであシ、送
、受信系の帯 載持性に逆比例する量である） ｆＣ；　　パルスの送信時の中心周波数ここで、エネル
ギー減衰量Ｄ　（ｘ）は零次モーメントによシ次の（７
）式で近似できる。

Ｄ　（ｘ）　＝　Ｍｏ（ｘ）　／　Ｍｏ（ｘ　＝０　）
　　　　−”（７）また、平均周波数ｆｍ（ｘ）は次の
（８）式で定義される。

ｆｍ（ｘ）　＝　Ｍｌ　（Ｘ）　／　Ｍｏ　（Ｘ）　　
　　　　　・・・−・−＋８）したがって、受信信号の
零次モーメントを求め、上記（７）式を用いてエネルギ
ー減衰量Ｄ　（ｘ）を求め、第２図に示したようなエネ
ルギー減衰量Ｄ　（ｘ）と平均周波数ｆｍ（ｘ）の関係
からｆｍ（ｘ）と零次モーメン）ＭＯ（Ｘ）を代入して
１次モーメン）Ｍｔ（ｘ）を求めることができる。この
ようにして得られた各モーメントを上記（５）式に代入
することによシ音波減衰係数βを得ることができる。

なお、上記（５）式は上記（８）式を用いて次の（９）
式のように変形することができる。

更に、平均周波数ｆｍ（ｘ）は時間分散δ２とエネルギ
ー減衰量Ｄ　（Ｘ）の関数であるから、次の（１０１式
のように表わすことができる。

ｆｍ（ｘ）　＝　Ｆ　（δ２．Ｄ（Ｘ））　　　　　−
・・−α〔以後、関数Ｆを補正関数と呼び、その値を補
正係数と呼ぶ。以上の例では補正係数は数値シミュレー
ションから得られた平均周波数そのものであったが、補
正係数は実験的にも得ることができる。

すなわち、機知の一定の音波減衰特性を有する均一テス
トファントムについて零次モーメントＭＯ（Ｘ）を測定
すれば、上記（９）式より平均周波数ｆｍ（Ｘ）に相当
する量が得られる。この場合には、平均周波数と呼ぶよ
りは補正係数とする方がその意味が明確になる。

以上説明した零次モーメントと補正係数から音波減衰係
数を求める方法をその装置と共に、図面を参照しながら
説明する。

第３図は本発明の一実施例における音響特性測定装置を
示す機能ブロック図である。

本実施例においては、いわゆるエコー信号を受信する超
音波パルス反射法を基本原理としている。

第３図において、ｌは超音波パルスの送信と受信を行う
超音波トランスデユーサ、４は超音波トランスデユーサ
１に対して駆動パルスを加えるパルス駆動器、５は超音
波トランスデユーサ１の受信出力を増幅するプリアンプ
、６はプリアンプ５の出力を増幅、検波する検波部、７
はプリアンプ５の出力から零次モーメントおよびエネル
ギー減衰量を計算する信号処理部、８は信号処理７が出
力するエネルギー減衰量より補正係数を発生する補正係
数発生部、９は信号処理部７が出力する零次モーメント
値と、補正係数発生部８が出力する補正係数より音波減
衰係数を計算する演算部、ｌＯは検波部６の出力と演算
部９の出力を表示する表示部、１１はシステム全体を制
御する制御部である。

第４図は上記信号処理部７の好ましい例を示す機能ブロ
ック図である。第４図において、７０はプリアンプ５の
出力を増幅する増幅器、　　７１は増幅器７０の出力を
デジタルデータに変換するＮ勺コンバータ、７２はＡ／
Ｄコンバータ７１の出力を記憶するメモリ、７３はメモ
リ７２の記憶内容に対して零次モーメントを計算する零
次モーメント演算部、７４は零次モーメント演算部７３
の出力に対してエネルギー減衰量を計算するエネルギー
減衰量演算部である。

以上のような構成において、以下、その測定動作につい
て説明する。

超音波トランスデユーサ１が発生する超音波パルスは被
検体２中を伝搬し、被検体２中に多数分布する音波散乱
体によシ散乱され、この反射波がトランスデユーサ１に
より受信されて受信信号に変換される。この受信信号は
プリアンプ５で増幅された後、その一部は検波部６で検
波され、表示部ｌＯに例えば断像像として表示される。

プリアンプ５の出力の一部は信号処理部７の増幅器７０
で増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ７１へ送られ、デジ
タルデータに変換される。Ａ／Ｄコンバータ７１の分解
能としては、例えば１２ビツト、変換速度としては、超
音波パルスの中心周波数の４倍程度以上、例えば中心周
波数３ＭＨｚに対して、２０ＭＨ２の変換速度は十分な
精度と分解能を有する。Ａ／Ｄ変換されたデータはメモ
リ７２に記憶される。被検体２の深さ１０１程度の区間
に相当するデータを記憶する場合、被検体２の音速が水
中の音速と等しい場合には、受信信号の長さは約１３０
マイクロ秒となり、２０ＭＨ２でＡ／Ｄ変換すると２６
００点のデータを記憶する必要がある。次に、記憶され
たデータは零次モーメントを計算するため、　ＲＯＩ３
の長さに相当する窓区間について読出される。例えば、
ＲＯＩ３０寸法が１ｃＩＬ程度とすると、データの数は
約２６０点となる。零次モーメント演算部７３では、こ
の窓区間のデータに対して零次モーメントが計算される
。零次モーメントの計算法としては、例えば高速フーリ
エ変換等の技術を用いてパワースペクトルを計算し、こ
のパワースペクトルを上記（２）式により積分して求め
ることができる。あるいは、パーセバルの公式として知
られている次の００式の関係より、零次モーメントは時
間領域の信号の２乗の積分に等しいことがわかる。

＝　ｆＰ（ｆ）　ｄ　ｆ ＝　Ｍ。

したがって、Ａ／Ｄ変換されたデータを窓区間について
２乗和をとることによっても零次モーメントを得ること
ができる。あるいはＡ／Ｄコンバータ７１を用いずにア
ナログの２乗回路、積分回路等によっても零次モーメン
トを得ることはできる０ この零次モーメントは音波の伝搬方向に窓区間を移動し
て次々に計算される。窓区間の移動量としては窓区間の
長さの１／４程度、例えば窓区間のデータが２５６点あ
る場合には、６４点は適当な値である。

これらの各窓区間について計算された零次モーメントの
中で、被検体２の最も浅い部分に相当するものが零次モ
ーメン）Ｍｏ（ｘ＝０）としてエネルギー減衰量演算部
７４に記憶される。このＭＯ（ｘ＝０）と次々に深さを
変えて計算される零次モーメン）Ｍｏ（ｘ）との間で上
記（７）式の除算を行い、エネルギー減衰量Ｄ　（ｘ）
を計算する。

次に、得られたエネルギー減衰量Ｄ　（ｘ）をもとに補
正係数発生部８は補正係数を発生する。補正係数は超音
波パルスの時間分散δ２により異なる。

したがって、補正係数とエネルギー減衰量Ｄ　（ｘ）の
対応表を作り、Ｄ　（ｘ）を指定して補正係数を求める
場合には、この対応表を超音波パルスの特性に対して用
意する必要がある。補正係数を得る他の方法として、第
２図に示す平均周波数（または補正係数）とエネルギー
減衰量の関係を与える補正関数Ｆ〔δ２、Ｄ　（Ｘ）　
）をあらかじめ近似的に求めておき、補正係数元部８に
その式をソフトウェア的に実装する方法も可能である。

すなわち、第２図から明らかなように特定の時間分散δ
２に関してエネルギー減衰量の対数値ｌｏｇ　ＣＤ　（
ｘ）　）と平均周波数ｆｍ（または補正係数）との間に
はほぼ直線的な関係があるから、例えば、次のα２式の
ように補正関数を表わしてもよい。

ｆｍ＝　Ｆ　（Ｄ　（ｘ）　） ＝　Ａ　−ｌｏｇ　（Ｄ　（ｘ）　）　十Ｂ　　　　　
　−０＝５但し、Ａ、Ｂ；係数 もちろん近似精度を上げるため、高次関数による近似も
可能である。

以上のようにして得られた零次モーメン）　Ｍ。

（Ｘ）、補正係数をもとに演算部９は上記（９）式に基
づき音波減衰係数βを計算する。上記（９）式には零次
モーメントに関する微分演算があるが、実際には窓区間
の位置Ｘが１ｃＩＬ程度離れた位置関係にある２つの零
次モーメントの間の差分て近似することもできる。得ら
れた音波減衰係数βは表示部ｌＯに表示される。

制御部１１は装置全体のタイミング、あるいは補正係数
発生部８における時間分散δ２の値を制御する。

なお、上記実施例は、音響特性が温度依存することを利
用して生体内の温度変化を測定する超音波測温装置の音
響特性測定部に適用することができる。

発明の効果 以上述べたように本発明によれば、被検体の音波減衰係
数を求める際に短期パワースペクトルの１次モーメント
を求める必要がなく、１次モーメントの代わりに補正係
数を使用し、この補正係数は零次モーメントから得るの
で、値の変動が小さい。したがって、得られる音波減衰
係数の値の変動も小さく、精度が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は超音波トランスデユーサによる被検体に
対する超音波パルス送受信動作説明図、同図（ｂ）は受
信信号の波形図、同図（Ｃ）は関心領域の受信信号の波
形図、同図（ｄ）は受信信号の短詩パワースペクトル分
布を示す図、第２図は平均周波数、または補正係数とエ
ネルギー減衰量の関係を示す図、第３図および第４図は
本発明の一実施例における音響特性測定装置を示し、第
３図は全体の機能ブロック図、第４図は信号処理部の機
能ブロック図である。 １・・・超音波トランスデー−サ、２・・・被検体、４
・・・パルス駆動器、５・・・プリアンプ、７・・・信
号処理部、８・・・補正係数発生部、９・・・演算部、
７３・・・零次モーメント演算部、７４・・・エネルギ
ー減衰量演算部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波を被検体に送信し、被検体からの反射波を
   受信し、上記受信信号の零次モーメントを得、この零次
   モーメントの相対減衰量より補正係数を得、上記補正係
   数と零次モーメントを用いて音波減衰係数を求めること
   を特徴とする音響特性測定方法。
2. （２）超音波を被検体に送信し、被検体からの反射波を
   受信する手段と、上記受信信号の零次モーメントを得る
   手段と、上記零次モーメントの相対減衰量より補正係数
   を得る手段と、上記補正係数と上記零次モーメントを用
   いて音波減衰係数を求める手段を備えたことを特徴とす
   る音響特性測定装置。