JPH0428376B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、被検体内に超音波を送信し、被検体
内からの反射波を受信し、被検体内の伝搬特性が
受信超音波の特性を変化させることを利用して被
検体の超音波特性を計測する超音波計測装置に関
するものである。

従来の技術 従来、被検体内の音響的情報を超音波を用いて
得る方式の例としては、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により生体内の情報
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、通常、生体内の音響
インピーダンス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次元的に集めて表示することによ
り断層像を得るものである。しかし、近年、主に
生体内組織の形状判断を行う超音波診断装置に対
し、生体内組織の形状のみならず、質の情報も得
たいという要望が高まつている。このような生体
内組織の質に関する情報は、例えば生体内の各種
臓器で特有の値を有する超音波の減衰の大きさ、
音速等を計測することにより得ることができる。
この超音波の減衰係数を計測する超音波計測装置
として、例えばウルトラソニツク・イメージン
グ：ULTRASONIC IMAGING，Vol.5、No.２、
1983、117〜135頁に記載されている構成が知られ
ている。以下、第５図を参照したながら上記従来
の超音波計測装置について説明する。

第５図において、１０１は被検体１０２に対し
て超音波を送信し、被検体１０２からの反射波を
受信する超音波変換器、１０３は超音波変換器１
０１を駆動するパルス駆動器、１０４は超音波変
換器１０１の受信信号を増幅する受信回路、１０
５は受信回路１０４の出力から周波数分析を行う
周波数分析器、１０６は周波数分析器１０５の出
力から演算を行う演算部である。

次に上記従来例の動作について説明する。

まず、パルス駆動器１０３より送出された駆動
パルスが超音波変換器１０１に加えられ、超音波
変換器１０１は超音波パルスを発生する。発生し
た超音波パルスは被検体１０２の中を伝搬しなが
ら組織の音響的性質に対応して次々に散乱され、
その一部は伝搬径路、すなわち音響走査線上を逆
行して超音波変換器１０１へ到達し、受信信号に
変換される。この過程で、超音波パルスは生体組
織の超音波減衰特性や超音波散乱特性の影響を受
ける。受信信号は受信回路１０４で増幅され、周
波数分析器１０５で中心周波数が求められる。中
心周波数の求め方としては、ゼロクロスカウン
タ、あるいは高速フーリエ変換手法（FET）等
を利用した方法がある。この中心周波数は伝搬距
離、超音波の減衰係数に依存する値である。演算
部１０６では、周波数分析器１０５の中心周波数
出力から超音波の減衰係数を求める。以上の説明
では被検体１０２の超音波散乱係数の影響が無い
ものとしている。

発明が解決しようとする課題 しかし、上記のような従来例の構成では、被検
体１０２において、同じ組織においても少し場所
が異なると、超音波散乱状態がかなり変化する
が、この超音波散乱特性の影響を大きく受けるの
で、中心周波数から被検体１０２特有の超音波減
衰特性を求めると、誤差が大きくなるという課題
があつた。

本発明は、従来技術の以上のような課題を解決
するもので、生体のような組織に依存した様々な
減衰特性、音速特性を有する被検体に対し、超音
波伝搬径路の散乱特性を相殺し、正確に特定部位
の超音波減衰特性を計測することができるように
した超音波計測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 本発明は、上記目的を達成するために、ポンプ
波パルスを送出する第１の超音波変換器と、上記
ポンプ波パルスより周波数の高いプローブ波パル
スを送出する第２の超音波変換器と、上記第１及
び第２の超音波変換器を扇形走査する超音波変換
器走査部と、上記第１及び第２の超音波変換器を
位相制御駆動し、上記超音波変換器走査部による
扇形走査またはリニア走査時にプローブ波パルス
をポンプ波パルスの粒子加速度の正負のピーク位
置に交互に重畳伝搬させる制御駆動部と、上記第
２の超音波変換器の出力である受信信号を記憶す
るメモリと、このメモリに記憶された上記受信信
号をポンプ波の粒子加速度の極性毎に加算する加
算平均部と、この加算平均部で重み付け加算する
時に用いる重み付け値を記憶している重み付け特
性部と、上記加算平均部の出力を任意の区間抜き
出すウインドウ特性部と、このウインドウ特性部
で抜き出されたデータにより受信信号のスペクト
ルを算出する周波数分析部と、この周波数分析部
の出力より被検体の音響特性を演算する演算部を
備えたものである。

または、上記超音波変換器走査部が第１及び第
２の超音波変換器を扇形走査に替えてリニア走査
するようにしたものである。

作 用 本発明は、上記の構成により次のような作用を
有する。

すなわち、超音波変換器の扇形またはリニア走
査中に、プローブ波パルスをポンプ波パルスの粒
子加速度の正及び負のピーク位置に交互に重畳さ
せた時の受信信号をメモリに記憶し、時間的、空
間的に近い複数の受信信号を加算平均し、ポンプ
波パルスの粒子加速度ピーク位置の符号に対応し
た２つのスペクトル分布を求めて比較することに
より、被検体の複雑な散乱特性を相殺して被検体
内の音響特性を求める。

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。

第１図ａ，ｂ，ｃは本発明の一実施例における
超音波計測装置を示し、同図ａは全体の機能ブロ
ツク図、同図ｂは制御駆動部の機能ブロツク図、
同図ｃは信号処理部の機能ブロツク図である。

第１図ａにおいて、１は低周波帯の第１の超音
波パルスであるポンプ波パルスを送出する第１の
超音波変換器、２は第１の超音波パルスより周波
数の高い第２の超音波パルスであるプローブ波パ
ルスを送出する第２の超音波変換器、３は第１の
超音波変換器１及び第２の超音波変換器２を機械
的に、または電子的に扇形走査させる超音波変換
器走査部、４は第１の超音波変換器１及び第２の
超音波変換器２を位相制御駆動する制御駆動部で
あり、この制御駆動部４は第１図ｂに示すように
第１の超音波変換器１を駆動するパルス駆動器
と、第２の超音波変換器２を駆動するパルス駆動
器１２と、パルス駆動器１１及び１２の相互のパ
ルス発生タイミング差を制御する遅延制御部１３
とから構成されている。第１図ａにおいて、５は
第２の超音波変換器２の出力である受信信号を増
幅する受信回路、６は受信回路５の出力に信号処
理を行う信号処理部であり、この信号処理部６は
第１図ｃに示すように構成されている。第１図ｃ
において、２１は受信回路５から出力された受信
信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、２
２はＡ／Ｄ変換器２１の出力を記憶するメモリ、
２３はメモリ２２の書き込みアドレスを発生させ
る書き込みアドレス発生部、２４はメモリ２２の
読み出しアドレスを発生させる読み出しアドレス
発生部、２５，２６はメモリ２２の出力を加算す
る加算平均部、２７は加算平均部２５に重み付け
値を与える重み付け特性部、２８は加算平均部２
６に重み付け値を与える重み付け特性部、２９は
加算平均部２５の出力を任意の区間抜き出すウイ
ンドウ特性部、３０は加算平均部２６の出力を任
意の区間抜き出すウインド特性部、３１はウイン
ド特性部２９で抜き出されたデータにより受信信
号のスペクトルを算出する周波数分析部、３２は
ウインド特性部３０で抜き出されたデータにより
受信信号のスペクトルを算出する周波数分析部、
３３は周波数分析部３１，３２の出力より被検体
１０の音響特性である超音波減衰特性を演算する
演算部である。第１図ａにおいて、６は制御駆動
部４の遅延制御部１３（第１図ｂ参照）、信号処
理部６のＡ／Ｄ変換器２１（第１図ｃ参照）へク
ロツクを供給するクロツク源、８は信号処理部６
の出力を表示する表示部、９はシステム全体の制
御を行う主制御部、１０は被検体である。

以上のような構成において、以下その動作を説
明する。

まず、プローブ波パルスとポンプ波パルスの関
係について説明する。プローブ波パルスの一例を
第２図ａに示し、ポンプ波パルスの一例を第２図
ｂに示す。第２図ｃはプローブ波パルスとポンプ
波パルスが重畳された例を示す。これらの波形は
制御駆動部４の遅延制御部１３の制御によるもの
である。ポンプ波パルスの中心周波数は、例えば
0.3MHz、プローブ波パルスの中心周波数は、例
えば3MHzであり、これらの中心周波数は大幅に
異なる値が選ばれている。第２図ｃにおいては、
プローブ波パルスの波形の重心はポンプ波パルス
の粒子速度が零近傍で、かつその粒子加速度が正
のピークを示すタイミングで重畳されている。ポ
ンプ波パルスの波長をΛ、プローブ波パルスのパ
ルス長をｔとしたとき、次の(1)式の関係に設定す
るのが望ましい。

Zt＜Λ …(1) 上記(1)式の関係を満たすと、プローブ波パルス
の変調特性の解析を容易に行うことができる。

次に、第２図に示した各パルスが被検体１０内
を伝搬する様子を詳しく説明する。通常の超音波
診断装置で用いられる程度のピーク超音波出力レ
ベルの場合でも、伝搬の非線形現象により超音波
の波形が歪むことが知られている。その原因は次
の(2)式により簡単に説明することができる。

△Ｃ＝（１＋Ｂ／２・Ａ）・Ｕ …(2) ここで、Ｕは音波の粒子速度、Ｂ／Ａは媒体の
音響的非線形パラメータ、△Ｃは非線形効果に基
づく音速の変化分である。上記(2)式は、音波の粒
子速度Ｕの方向が音波進行方向と一致するとき音
速変化△Ｃは増大し、逆方向の場合には減少し、
結果的に音波の波形が歪むことを示す。この伝搬
の非線形現象が超音波パルスの波形に与える影響
を第３図に示す。第３図ａに伝搬に伴うポンプ波
パルスの歪を示したものであり、第３図ｂは第３
図ａに示すポンプ波パルスの歪により、重畳され
たプローブ波パルスの中心周波数が伝搬に伴い圧
縮され、高周波側へシフトしている状態を示した
ものである。また、逆にポンプ波パルスの粒子加
速度が負のピーク位置にプローブ波パルスを重畳
させた場合には、伝搬に伴い伸張され、低周波側
にシフトする。従つて、中心周波数が高周波側に
シフトする場合と低周波側にシフトする場合の差
をとれば、非線形効効果に基づく中心周波数の変
化量を大きく得ることが可能になる。ポンプ波パ
ルスの粒子加速度が正のピーク位置にプローブ波
パルスを重畳させた時のプローブ波パルスの受信
信号のスペクトルをＰ＋（ω）、ポンプ波パルスの
粒子加速度が負のピーク位置にプローブ波パルス
を重畳させた時のプローブ波パルスの受信信号の
スペクトルをＰ−（ω）とすると、Ｐ±（ω）は次
の(3)式で表わされる。

Ｐ±（ω）＝Ｈ±（ω）・Ｓ±（ω）・Ｇ
（ω）・Ｔ（ω）…(3) 上記(3)式において、Ｈ±（ω）は変調されたプ
ローブ波スペクトル、Ｓ±（ω）は被検体１０内
の散乱特性、Ｇ（ω）は散乱後の伝搬に伴う減衰
特性、Ｔ（ω）はプローブ波パルス用振動子の特
性である。変調された２つの受信信号のスペクト
ルＰ±（ω）の比をとると、次の(4)となる。

Ｐ−（ω）／Ｐ＋（ω）＝Ｈ−（ω）・Ｓ−（ω）／
Ｈ＋（ω）・Ｓ＋（ω）…(4) 変調されたプローブ波パルスのスペクトルＨ±
（ω）に対し、被検体１０内の散乱特性Ｓ±（ω）
があまり変化しないとするならば、上記(4)式は次
の(5)式のように近似される。

Ｐ−（ω）／Ｐ＋（ω）Ｈ−（ω）／Ｈ＋（ω）…
(5) 上記(5)式において、Ｐ±（ω）の比は、被検体
１０内の複雑な散乱特性Ｓ±（ω）を含まず、単
純に変調されたプローブ波パルスのスペクトルＨ
±（ω）の比となる。このスペクトルＨ±（ω）の
比が１となる周波数をfxとすると、この周波数fx
は被検体の減衰特性や非線形パラメータＢ／Ａ値
等に依存する値であることが解析的に求められ
る。以上より変調されたプローブ波パルスの受信
信号スペクトルＰ±（ω）の比が１となる周波数
を算出することにより、被検体内の音響的性質を
求めることができる。

次に、これらの受信信号が処理される過程を説
明する。第１図ａに示す第１の超音波変換器１及
び第２の超音波変換器２は、超音波変換器走査部
３により被検体１０に対し機械的に、または電子
的に扇形走査される。そして、まず、第１図ｂに
示す制御駆動部３の遅延制御部１３は、プローブ
波パルスがポンプ波パルスの粒子加速度正のピー
ク位置に重畳されるようにパルス駆動器１１及び
パルス駆動器１２を制御する。第１の超音波変換
器１と第２の超音波変換器２から送出されたポン
プ波パルスとプローブ波パルスは、被検体１０の
中を伝搬しながら、プローブ波パルスは非線形現
象に基づく伝搬歪を生じて変調される。同時に被
検体１０内の音響的質の変化に対応して次々に散
乱され、その一部は第２の超音波変換器２に到達
し、受信信号に変換される。この受信信号は受信
回路５でＳ／Ｎ良く増幅された後、信号処理部６
に入力される。受信回路５の出力は、第１図ｃに
示す信号処理部６内のＡ／Ｄ変換器２１でデジタ
ル信号に変換され、メモリ２２における書き込み
アドレス発生部２３の示す位置に記憶される。次
に、第１図ｂに示す遅延制御部１３は、プローブ
波パルスがポンプ波パルスの粒子加速度負のピー
ク位置に重畳されるようにパルス駆動器１１及び
パルス駆動器１２を制御する。第１の超音波変換
器１と第２の超音波変換器２から送出されたポン
プ波パルスとプローブ波パルスは、上記と同様に
被検体１０内の音響的質の変変化に対応して次々
に散乱され、その一部は第２の超音波変換器２に
到達し、受信信号に変換され、受信回路５を通
り、信号処理部６のＡ／Ｄ変換器２１でデジタル
信号に変換され、メモリ２２における書き込みア
ドレス発生部２３の示す位置に記憶される。この
動作を繰り返すことにより、第４図に示すように
受信信号を測定する。第４図において、実線はプ
ローブ波パルスがポンプ波パルスの粒子加速度正
のピーク位置に重畳した時の受信信号を示し、破
線はプローブ波パルスがポンプ波パルスの粒子加
速度負のピーク位置に重畳した受信信号を示して
いる。受信信号のスペクトルＰ±（ω）の比を求
める場合、時間的、空間的に同一の部位からの受
信信号が必要であるが、第４図に示すように同一
部位からの受信信号のスペクトルＰ±（ω）は無
い。そこで、第４図に示す受信信号群より平均化
処理を行い、受信信号のスペクトルＰ±（ω）を
求める。まず、プローブ波パルスがポンプ波パル
スの粒子加速度正のピーク位置に重畳した時の受
信信号を複数個、例えば第４図に示す1⁺、2⁺、
3⁺、…8⁺の８個を第１図ｃに示すメモリ２２から
読み出しアドレス発生部２４のアドレスにより読
み出し、加算平均部１５に転送する。同様に、プ
ローブ波パルスがポンプ波パルスの粒子加速度負
のピーク位置に重畳したときの受信信号1^-、2^-、
3^-、…8^-をメモリ２２から読み出しアドレス発生
部２４のアドレスにより読み出し、加算平均部２
６に転送する。次に加算平均部２５，２６はメモ
リ２２から転送されてきた８個の受信信号を加算
平均する。但し、この加算平均を行う場合、例え
ば真中の受信信号4^-と5⁺がピークとなるような例
えばガウス分布で重み付けし、加算平均すること
で音場補正を行う。このとき用いる重み付け値
は、あらかじめ重み付け特性部２７及び２８に記
憶させておく。加算平均部２５の出力はウインド
ウ特性部２９において、算出しようとする部位の
被検体深さに対応するデータを、例えばハミング
ウインドウで、例えば２cmに対応する領域を抜き
出し、周波数分析部３１で受信信号のスペクトル
Ｐ＋（ω）を算出する。スペクトルＰ＋（ω）を周
波数分析部３１で算出する方法は、高速フーリエ
変換手法（FET）等により実現できる。同様に、
加算平均部２６の出力はウインドウ特性部３０で
対象とする領域を抜き出し、周波数分析部３２で
受信信号のスペクトルＰ−（ω）を算出する。周
波数分析部３１及び３２で算出された２つのスペ
クトルＰ＋（ω）は、演算部３３において、Ｐ±
（ω）の比が１となる周波数fxを求め、この周波
数fxよりそれに依存する音響特性を求め、表示部
８に転送して表示する。

以上の説明では、超音波変換器を扇形走査する
場合について述べたが、第１、第２の超音波変換
器１，２は扇形走査に替えてリニアに走査させて
も良い。

発明の効果 以上述べたように本発明によれば、ポンプ波パ
ルスの粒子加速度正のピーク位置にプローブ波パ
ルスを重畳させた時の受信信号と、ポンプ波パル
スの粒子加速度負のピーク位置にプローブ波パル
スを重畳させた時の受信信号を扇形またはリニア
走査時に交互に得、これらの受信信号をそれぞれ
複数個抜き出して重み付け加算平均し、この出力
を周波数分析して演算することにより精度良く被
検体の音響特性を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃは本発明の一実施例における
超音波計測装置を示し、同図ａは全体の機能ブロ
ツク図、同図ｂは制御駆動部の機能ブロツク図、
同図ｃは信号処理部の機能ブロツク図、第２図ａ
はプローブ波の一例を示す図、第２図ｂはポンプ
波パルスの一例を示す図、第２図ｃはプローブ波
パルスとポンプ波パルスが重畳された例を示す
図、第３図ａは伝搬に伴うポンプ波パルスの歪を
示す図、第３図ｂはポンプ波パルスの歪により重
畳されたプローブ波パルスの中心周波数が伝搬に
伴い圧縮され、高周波側へシフトしている状態を
示す図、第４図は本発明により得られた受信信号
の説明図、第５図は従来の超音波計測装置を示す
機能ブロツク図である。 １，２…超音波変換器、３…超音波変換器走査
部、４…制御駆動部、５…受信回路、６…信号処
理部、７…クロツク源、８…表示部、９…主制御
部、１０…被検体、１１，１２…パルス駆動器、
１３…遅延制御部、２１…Ａ／Ｄ変換器、２２…
メモリ、２３…書き込みアドレス発生部、２４…
読み出しアドレス発生部、２５，２６…加算平均
部、２７，２８…重み付け特性部、２９，３０…
ウインドウ特性部、３１，３２…周波数分析部、
３３…演算部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ポンプ波パルスを送出する第１の超音波変換
   器と、上記ポンプ波パルスより周波数の高いプロ
   ーブ波パルスを送出する第２の超音波変換器と、
   上記第１及び第２の超音波変換器を扇形走査する
   超音波変換器走査部と、上記第１及び第２の超音
   波変換器を位相制御駆動し、上記超音波変換器走
   査部による扇形走査時にプローブ波パルスをポン
   プ波パルスの粒子加速度の正負のピーク位置に交
   互に重畳伝搬させる制御駆動部と、上記第２の超
   音波変換器の出力である受信信号を記憶するメモ
   リと、このメモリに記憶された上記受信信号をポ
   ンプ波の粒子加速度の極性毎に加算する加算平均
   部と、この加算平均部で重み付け加算する時に用
   いる重み付け値を記憶している重み付け特性部
   と、上記加算平均部の出力を任意の区間抜き出す
   ウインド特性部と、このウインド特性部で抜き出
   されたデータにより受信信号のスペクトルを算出
   する周波数分析部と、この周波数分析部の出力よ
   り被検体の音響特性を演算する演算部とを備えた
   超音波計測装置。 ２ 請求項１の超音波変換器走査部の走査を扇形
   走査にかえてリニア走査としたことを特徴とする
   超音波計測装置。