JPH0430862B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、人体の生物学的組織内で反射する境
界層、特に結石の検出のための探槙（方位測定）
システムに関する。この結石は例えば胆石、膀胱
結石、腎結石である。探索システムは超音波パル
ス源を有し、ここから出るパルスは音響を良く伝
達する物質、例えば液体（例えば水）と生物学的
組織を経て、超音波を自由に透過させない実在す
る境界面に到達し、反射された後に超音波受信機
によつて受領される。別の装置が、受信された超
音波エコーを人が立体（ステレオ）的に感知でき
る信号に変換する。

〔従来の技術〕

映像を示す超音波デイスプレイ装置は、医療に
おいて既に存在する技術である。また体内の反射
境界層の運動（例えば胎児の心筋運動）をエコー
ドツプラー法で解析し、モノラル音響信号で表示
する装置が公知である。その場合、弱すぎて利用
できないエコー信号を抑制する閾値回路があつて
もよい。

ところが医療技術で公知のこの超音波エコー装
置は一次元モノラル音響標識（例えばピーピーと
いう音）しか生成できず、又はドツプラーエコー
検出器の出力信号を制御するに過ぎない。

特に体外音波による砕石（膀胱結石）術におい
ては、人体内の音響反射体の位置決定が問題であ
る。この場合Ｘ線及び超音波映像表示法が適用さ
れている。しかし人体内のＸ線と音波の伝播条件
は相違するから、結石の位置決定の両者における
完全な一致は見られない。結石位置のＸ線技術に
よる決定は位置決定に役立つ陰影像をもたらす
が、焦点が調整される衝撃波発生装置の焦点寸法
が小さくなる程、その焦点に結石の位置を合わせ
ることは難しくなる。従つて有用な深さ及び左右
の位置決定を充分に確実に行うことができない。

結石の位置決定のために超音波映像表示法を利
用する場合は、今日の先行技術に従つて行われる
表示は特別に訓練を受けた専門家しか解釈するこ
とができず、結石から生じたものでない反射を誤
認しやすい。特に結石と骨や恐らくガスを含む部
位を区別する場合にこの危険が高い。

上記したことろとは全く別に、盲人の位置識別
問題に関連して、立体的（ステレオ）信号表示
が、以前に超音波盲人誘導装置において提案され
ている（DAGA′80−音響学の進歩〔Fort−
schritt der Akustik〕VDE出版所、ベルリン
1980年、767頁以下）。だが生物学的組織や水に対
する超音波透過性の問題はその場合、何ら役割を
演じない。従つてそこにおける立体的超音波探索
システムの記述は、本発明の如く医療技術に応用
できる装置の構造のための教示を行うものではな
い。

技術的超音波探索システムも公知である。例え
ば船舶の位置決定のために短い持続時間の超音波
パルスが送出され、送信機は大抵同時に受信機も
兼ね（「電気音響変換機」）、エコーパルスの走行
時間が測定される。

ソナー信号の映像表示も既に、米国特許第
2528725号ないし第2528730号に認められる。

〔発明の解決しようとする問題点〕

本発明の解決しようとする問題点は、医療上人
体内の結石の検出のために利用される超音波方位
測定システムにおいて、音響的に感知し得る信号
により治療医が、公知の超音波及びＸ線映像表示
法から得られる位置決定の判断を確認し、斥け、
又は疑問視することができるようにする探索シス
テムを開発することである。従つてこのシステム
は、超音波受信機から特定の距離にある空間容積
内の反射体の存在と、当該物体によつて生じる反
射の大きさと種類を記録し、処理することができ
らければならない。

〔問題点を解決するための手段〕

特許請求の範囲の上位概念に基づく探索システ
ムにおいて、特許請求の範囲第１項の特徴を有す
るシステムを示すことによつて上記の問題が解決
される。好適な変型例を従属クレームに示す。

その場合、正常な聴覚の人はすべて音の発生源
の方向を充分に良好な精度で指摘することができ
ることが前提とされる。この能力は本発明装置に
より、可聴かつ位置決定可能な擬似音源を変換さ
れた超音波エコー信号の助けによりシミユレート
するために利用される。そのために使用可能な２
チヤンネル立体音源のレベル差範囲は、２チヤン
ネル再生で０ないし20dBに及び、利用可能な走
査時間差は、探索の際にステレオ的な音の印象を
生じさせようとする場合、ヘツドホン再生で０な
いし約600μs、拡声器再生では約200msまでであ
る。

本発明に基づくシステムは、送出方向を制御し
得る少なくとも一個の超音波パルス送信機と、こ
れと同様に方向付けることができる少なくとも二
個の超音波受信機から成る。超音波送信機は例え
ば圧電式、電磁的、誘導式、磁歪式の変換機（送
受信機）として、若しくは爆発式又は点火ギヤツ
プ式送信機として公知である。受信機としては特
に圧電式、容量式変換機から使用される。結石の
検出に好適な超音波周波数は、100kHzないし約
5MHzの範囲である。その場合、超音波パルス列
周波数はおよそ５Hz、パルス持続時間は約３ない
し100回の振動周期をカバーする。

音波を反射する物体が複数の受信機に対して等
間隔にあれば、反射されたエコーは同時にこれら
の受信機に到着する。即ちその走行時間差はゼロ
である。反射体がほぼ対称的に散乱を行うなら
ば、エコー振幅は等しい。結石は球に似た構造で
あるから、大抵の場合にそのようになる。このこ
とは、ステレオ再生装置によつてステレオ的に中
央位置にある擬似音源が生成されることを意味す
る。

他方、物体が受信機に対して等距離になけれ
ば、受信されるエコー超音波信号に走行時間差が
生じ、先に信号を受けた受信機は物体への距離が
短いことを指示する。それと共に、先に現れる超
音波受信信号はより大きな振幅を有する。この場
合、ステレオ再生装置はステレオ的中央位置の外
にある擬似音源を生成することになる。

位置決定区域全体が水又は生物学的組織の中に
あるから、受信信号に生じる走行時間差は通常は
甚だ小さく、従つて人間の聴覚では位置決めのた
めに利用することができない。また超音波は、静
かな環境下でもせいぜい知覚できるか否かといつ
たものである。そこで受信機が受領した信号を、
以下に詳述する本発明装置によつて可聴ステレオ
信号に変換している。この信号は仮想の擬似音源
から生ずるかのように見える。本発明によれば、
位置決定システムは受領した信号を記憶し、この
信号から走査時間差、振幅、閾値、反射特性（反
射の極性）、更には好ましくはエコーの時間位置
を記録し、記憶された信号を可聴周波数範囲にア
ナログ変換する装置又は回路を具備する。装置を
電子回路でなくコンピユータプログラムのアルゴ
リズムとして実現することが可能である。

従つて左右の位置決定だけでなく、音響特性と
強さにより反射体の種類の推定をも可能にする可
聴信号が発生される（例えば組織と組織、組織と
骨又は組織と結石の間の境界層）。

本発明に基づく位置検出システムは時限素子と
して各超音波受信機毎に組み合わせられるゲート
回路を具備する。開放時期と開放時間は、被検空
間領域から予想されるエコー信号だけが通過でき
るように選定されている。各ゲート回路は同時に
加減増幅器と組み合わせることが好ましい。その
増幅は被検空間領域の距離と共に増加するから、
被検空間領域が球形反射体を含むならば、出力側
に一定の高さのエコー信号が現れる。

ゲート回路は、受信機毎に組み合わせられた
各々一個のメモリ位置を有し且つ超音波エコー信
号を検出する過渡記憶装置、及び記憶されたデー
タを直接的に時間的に拡大する装置と結合され
る。その機能は後で詳しく説明する。

時間の拡大によつて、受信された不可聴超音波
パルスを該パルスの曲線形状に忠実に、可聴周波
数範囲に変換し、ステレオ音響信号を得ることが
可能である。しかし必ずしもすべての場合におい
て、ある時間拡大率が超音波受信信号を約400Hz
ないし1kHzの最適中間可聴周波数範囲へ、また
同時に立体的感知に最適の0μsないし約600μsの走
行時間差へと変換する訳ではない。例えば超音波
パルスがすこぶる高い周波数分（約10MHz）を含
み、複数の受信機からの距離が著しく異なるため
変換されたエコー走行時間差が余りに高い値を取
るような位置にある結石を検出するような場合が
あるからである（ヘツドホンで＞1ms、拡声器で
＞10ms）。

本発明に基づく方位測定システムでは、走行時
間及び超音波受信信号についての二つの記録と同
期化する送信パルスに関する、受信信号用の単一
の時間拡大装置を有するものでない。その代り
に、二つの変換手段、即ち受信信号の入射までの
走行時間に対してML変換手段を、超音波受信信
号に対してMF変換手段を、互いに独立して適応
することが可能になる。

ML変換手段は、「探索の精度」を選択できる
ようにする。即ちどのような超音波エコー走行時
間差が、音響再生において聴覚に訴えられた走行
時間のどのようなものへと導くかについて、オペ
レータに自由な選択を行わせるのである。ヘツド
ホン再生の場合は、転送される走行時間差が０な
いし600μsでなければならない。

ML変換手段は、「探索の精度」、変換された超
音波エコー信号をどのような音響周波数範囲に置
きたいかについて、自由な選択を行わせる。エコ
ーの音響特性をも判断のために採用しようとする
時は、ほかならぬこの後者の可能性が特に実際上
重要である。実験が示すところでは、これによつ
て組織エコーと結石エコーの区別が可能になるか
らである。

反射された超音波信号で占められた記憶装置の
受信チヤンネルは、場合によつてはタイムラグの
後に、送信パルスによりトリガされて接続され
る。そこで記憶内容が自動的にポーリングされ
て、どの信号が遅れて入射するか、そしてどれだ
け遅れて入射するかをたやすく確かめることがで
きる。入射するエコー信号に先行する、信号を搬
送しない空の走査値（ブランクサンプル）の数の
差異に基づき、遅延時間を知ることが可能であ
り、この場合には、ML変換手段が適用され、こ
れに対して、信号自体にはMF変換手段が適用さ
れる。

この変換はそれ自体公知のように、記憶内容の
走査率を変更することによつて実現される。

このようにして、所期の音響方位測定及び位置
決定の最終目標、即ち超音波受信機からある距離
にある小さな空間容積内の反射性障害物の存在を
検出することが、時限素子の内部に記憶されうる
超音波信号についての、上述の時間拡大によつて
達成される。

位置決定に特に好適な解決策は、二つのエコー
信号を同じレベルに正規化することである。

こうして音響探索は専ら、聴覚に訴えられる走
行時間差に基づいて行われる。例えば（方向に依
存した反射によつて生じる）エコーレベル差の結
果現れる、擬似音源の紛らわしい見掛上の横偏り
が、これによつて効果的に抑制される。

本発明に基づく探索システムの好適な実施態様
の超音波受信部は、一個の送信機がある場合に仮
想の長方形の隅角部に置いた、四個の受信機を含
む。一対の受信機だけでは、一つの平面における
探索しかできないからである。特に好適な正方形
又は菱形配列の場合は、互いに垂直な二つの平面
で探索し、軸上で反射性障害物の存在を検出する
ことが可能になる。

出力側のステレオシステムは、在来のように２
チヤンネル配列で実現される。その場合、好適な
ステレオ表示は、送信機を介して信号送出装置と
無線連絡するヘツドホンによつて行われる。連絡
は例えば高周波により、又は誘導的に又は赤外線
技術により行われる。

特に好適な変型では、ステレオ信号に別の標
識、例えば音声、音声列、合成音、震音、音声文
章表示が加えられる。これは補助情報としてエコ
ー信号の定量的性質、例えば振幅、送信信号に対
する時間的位置、走行時間差、閾値及び極性を説
明する。

また上記の標識を音響部とは別個に、視覚表示
（電灯、モニタ）又は触覚刺激装置（音響送受信
系統を制御する操作要素の振動発生器）により感
知できるようにすることもできる。

〔発明の効果〕

本発明に基づくシステムでは、超音波位置決定
も、音響信号の方位測定も可能である。音響信号
の方位測定は医療において結石を探索する時に、
超音波映像表示法から得られる反射体位置判定に
関連して、精度の大幅な向上をもたらす。それと
共に本発明に基づく方位測定装置は、目標をたや
すく確実迅速に発見することを助け、音響信号
器、或いは更に視覚又は触覚的信号器を介して、
反射体の位置、大きさ及び種類に関する補助的に
有用な情報を送出する。

〔実施例〕

本発明の範囲を限定せず、好適な実施態様を記
述する実施例とそれに対応する図面に基づいて、
本発明の超音波方位測定システムを次に詳述す
る。

この実施例で方位測定システムは変換器／４受
信機手段１８によつて実現される。その場合、ス
テレオ表示はヘツドホン１５を介して行われる。
音響、視覚及び触覚刺激装置用の信号送出装置８
及びその送信機１３とヘツドホン受信機１４の間
には無線連絡がある。１３から１４への連絡は例
えば高周波により、又は誘導的に又は赤外線技術
により行うことができる。

ステレオ信号は左及び右側の拡声器９及び１０
に送られ、結石の位置決定に必要な情報を含む。
ステレオ信号は、聴取者が擬似音源の主観的な方
位測定と（音響エコー信号の音響特性の判定の際
に）更に反射体２４の推定を行うことを可能にす
る。

この実施例では、ステレオ（立体）信号は電灯
表示１６又は振動発生器１７を介して表示される
その他のインジケータを含む。これを略図の下側
に別個の構成部分として示す。しかし音響送受信
系統を制御する操作要素２３で直接にこの振動１
７を発生することも可能である。

ステレオ音声音響系は次の要素によつて制御さ
れる。

参照番号１８は変換器としての超音波受信機を
示す。つまり送信機に同時に受信機が統合されて
いる。受信機は仮想の菱形の隅角部に二組の対を
なして配設される２，３，４，５。送出された超
音波パルス１を反射する反射体２４がこれらの受
信機に対して等距離にあれば、反射されたエコー
信号１１，１２又は２１，２２は同時に受信機
４，５又は３，２に入射するから、走行時間差は
それぞれゼロであり、反射体が概ね対称に反射す
るならば、エコー振幅は事実上等しい。

反射体２４が受信機から異なる位置にあるなら
ば、受信されるエコー超音波信号１１及び１２又
は２１及び２２に走行時間差が生じ、その際反射
体はそれぞれ先に信号が入射された受信機４，５
又は２，３に近接していることになる。それと共
に、先に現れる超音波受信信号はより高い振幅を
有する。

受信された超音波エコー信号１１，１２及び２
１，２２は四個の別個のゲート回路２５によつて
読み取られ、４チヤンネル過渡記憶装置６で検出
され、増幅器２６を介して時間拡大装置７へ送ら
れる。

走行時間を変換基準MLにより、また音声周波
数範囲を変換基準MFにより、別個に独立に変換
するために、記憶装置６から記憶内容が個別に読
み出され、送信パルスの後にタイムラグを考慮し
て、どの信号が遅れて入射し、どれだけ遅れて入
射するかを確かめる。遅延時間は入射する信号に
先行するブランクサンプル数の差異に基づき知ら
れているから、変換基準MLを割り当てることが
でき、信号そのものには変換基準MFが割り当て
られる。

これらの値がセツトされたならば、操作装置２
３、コンバータ１９及びサーボモータ（図示せ
ず）との機械的結合２０を介して変換器１８の全
体を三次元のすべての座標軸方向に移動させ、か
つ前後に旋回して、表示部により反射体２４の正
確な位置と種類を確かめることができる。

過渡記憶装置６の出力を選択により単独で、又
は互いに組み合わせて、極性（硬い／軟らかい反
射）２７、エコー振幅２８、送信信号たる超音波
パルス１に関するエコー１１，１２，２１，２２
の時間的位置２９、結石である反射体２４の空間
的位置３０及び走行時間差の値及び／又は符号３
１の検出のための検出器と結合することができ
る。これらの検出器は単数個又は複数個の信号送
出装置８を制御する。信号送出装置８はデータを
処理し、視覚、音響及び／又は触覚刺激装置に適
当な制御パルスを送る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく超音波方位測定システ
ムの構成図を示す。 １…超音波パルス、２〜５…超音波受信機、６
…４チヤンネル過渡記憶装置、７…時間拡大装
置、８…信号送出装置、９…左側拡声器、１０…
右側拡声器、１１，１２…エコー信号、１３…送
信機、１４…受信機、１５…ヘツドホン、１６…
電灯表示、１７…振動発生器、１８…変換器／４
受信機装置、１９…コンバータ、２１，２２…エ
コー信号、２３…操作装置、２４…反射体、２５
…ゲート回路、２６…増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反射を生起する人体内の境界層、特に結石の
   位置決定のためのシステムであつて： 複数の方向に超音波パルスを送信するための超
   音波パルス送信機手段と； 送信されたパルスを受信するための複数の超音
   波受信機手段と； 前記超音波受信機手段に接続されて、所定の時
   間周期内の受信超音波パルスのみを通過させるゲ
   ート回路手段と； 前記ゲート回路手段に接続されて、通過された
   超音波パルスを増幅するための増幅器手段と； 前記増幅器手段に接続されて、増幅された超音
   波パルスを格納するための記憶手段と； 前記記憶手段に接続されて、増幅された超音波
   パルスを所定の可聴周波数範囲内の増幅された可
   聴パルスに変換するための、MF変換手段と； 前記記憶手段と前記MF変換手段とに接続され
   て、受信された超音波パルスの間の時間遅延を測
   定し、好適な可聴周波数時間遅延を計算し、さら
   にMF可聴パルスに時間遅延を加えて時間遅延さ
   れた可聴パルスを発生するためのML変換手段
   と； 前記ML変換手段と前記MF変換手段に接続さ
   れて、ステレオ可聴信号を出力して、該可聴信号
   に時間遅延が存在する場合には、音響源として認
   識された位置を適当な側にずらすための、ステレ
   オ可聴出力手段と； から成ることを特徴とするシステム。 ２ 前記送信機手段及び受信機手段が同じ本体上
   に形成されたことを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項に記載のシステム。 ３ 視覚インジケータ及び触覚インジケータが前
   記ML及びMF変換手段に接続されて、前記ML
   及びMF変換手段から受け取つた可聴パルスが視
   覚信号及び触覚信号として出力されることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項に記載のシステ
   ム。 ４ １つの超音波発信機と４つの超音波受信機と
   を用い、各超音波発信機を仮想菱面体の隅に配置
   したことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に
   記載のシステム。 ５ 前記増幅器手段に接続されて、前記受信され
   た超音波パルスの極性を発信された超音波パルス
   と比較してその極性を決定し、前記極性を出力す
   るための極性検出器がさらに設けられていること
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のシ
   ステム。 ６ 前記ステレオ可聴出力手段がコードレス式ス
   テレオヘツドホンから成ることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項に記載のシステム。 ７ 前記増幅器手段に接続されて受信された超音
   波パルスの振幅を検出して出力するための信号振
   幅検出器手段と、前記増幅器手段に接続されて発
   信超音波パルスと受信超音波パルスの間の時間周
   期を検出して出力するための時間的位置検出器手
   段と、前記増幅器手段に接続されて結石の位置を
   検出して出力するための空間的位置検出器手段
   と、さらに前記増幅器手段に接続されて各種受信
   機の間の走行時間差の値及び符号を検出して出力
   するための走行時間差検出器手段とを含むことを
   特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のシス
   テム。 ８ 人体内の結石を検出してその位置を決定する
   ためのシステムであつて： 超音波パルスを発信するための超音波パルス発
   信機手段と； 結石から反射された後の超音波パルスを受信す
   るための複数の超音波パルス受信機手段と； 前記受信機手段に接続されて、受信機手段が反
   射された超音波パルスを同時に受信したかどうか
   を判定し、同時に受信されなかつた場合には、ど
   の受信機手段がパルスを最初に受信したかを決定
   し、受信機手段によるそれぞれのパルスの受信時
   間の間の時間遅延を測定するためのゲート回路手
   段と； 前記ゲート回路手段に接続されて、受信された
   超音波パルスを所定の周波数範囲の可聴信号に変
   換するためのMF変換手段と； 前記ゲート回路手段及び前記MF変換手段の双
   方に接続されて、それぞれの受信機手段における
   パルスの受信時間の間で測定された時間遅延を
   MF変換手段により発生された信号に供給し、左
   右のチヤネルを備えたステレオ可聴信号を発生
   し、前記時間遅延に応じて信号を左右のチヤネル
   の内の適当な方にずらすようにされたML変換手
   段と； 前記ML変換手段及び前記MF変換手段に接続
   されて、ステレオ可聴信号を出力し、この出力が
   測定された時間遅延により決定されたように左右
   のチヤネルにずらされるようにされたステレオ出
   力手段と； から成ることを特徴とするシステム。 ９ 前記ML及びMF変換手段が単一の集積回路
   手段から成ることを特徴とする、特許請求の範囲
   第８項に記載のシステム。 １０ ステレオ可聴出力が、超音波パルスを最初
   に受信した受信機手段の方向に位置がずらされた
   疑似信号源から表れて明らかになることを特徴と
   する、特許請求の範囲第８項に記載のシステム。