JPH043222B2

JPH043222B2 -

Info

Publication number: JPH043222B2
Application number: JP59131685A
Authority: JP
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1984-06-26
Publication date: 1992-01-22
Also published as: JPS6111025A; US4664123A; US4771786A

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］本発明は超音波を生体内に送受波して医学的な
診断情報を得る装置に係り、特に超音波の生体組
織との相互作用で生じる非線形現象を用いて生体
の組織診断を行なう超音波組織診断装置に関す
る。［発明の技術的背景とその問題点］超音波の非線形現象は、超音波の音圧が高くな
ると音速が速くなる現象として一般的に説明され
ている。従来、超音波の非線形現象を用いて生体
の組織診断を行なう方法としては、ポンプ波を加
えた場合の音速の変化を測定する方法（市田他、
「実時間非線形パラメータ・トモグラフイ」第43
回日超医p519（1983））および、非線形効果によ
り発生する２次高調波成分を測定する方法（秋山
他「パルスエコー方式による非線形パラメータ映
像法の提案」第43回日超医p521（1983））などが
報告されている。前者は、通常の超音波送受信の他にポンプ波を
別に加え、ポンプ波を加えた場合と加えない場合
とにおける音速の差を測定用超音波の位相差を測
定することにより、非線形特性を求めるものであ
る。しかし乍ら、この方法にあつては、通常の超
音波送受信の他に別にポンプ波を必要とし、さら
に、パルス反射法にはあまり適していないため実
用上いろいろ問題を生じる。一方、後者は、パルス反射法を利用できるが、
トランスデユーサを送受別々に持つ必要があり、
また送受信の周波数が異なり音場や減衰さらには
反射体の反射率の補正が必要になるため有益な情
報を簡単に得ることは非常に難しい。［発明の目的］本発明は上記事情に基づいてなされたもので、
その目的とするところは、容易に生体組織の非線
形特性を検出することが可能な超音波組織診断装
置を提供するにある。［発明の概要］本発明による超音波組織診断装置は、超音波振
動子およびこれを駆動する駆動回路と、この駆動
回路により駆動された超音波振動子から放射され
物体と相互作用を起こした超音波を受信する上記
と同一又は異なる超音波振動子および受信回路
と、上記駆動回路の駆動電圧を制御する駆動電圧
制御回路と、上記受信回路からの受信信号を入力
し所定の演算を行なう演算回路とを有し、同一方
向に対して異なる駆動電圧で超音波を放射し、そ
の駆動電圧に対する受信電圧とから、上記受信電
圧の上記駆動電圧への依存性に関するパラメータ
を演算してその演算結果を出力する手段を備えた
構成とし、超音波放射出力を変えそれに伴つて生
じる受信波の振幅が直線関係からずれる効果、即
ち、非線形効果を演算によつて求めて出力するよ
うにしたことを特徴とする。［発明の実施例］以下本発明による超音波組織診断装置の一実施
例を図面を参照して説明する。先づ、実施例の構成に先立ち本発明の基本原理
について説明する。即ち、超音波の非線形性は、
超音波の音圧が高くなると音速が速くなる現象と
して一般的に説明されている。そして、非線形に
より高調波成分を発生するため高調波を除いた基
本波成分は音圧が高くなるにつれて飽和する傾向
を持つ。第１図及び第２図はその様子を示しており、第
１図は開口が12mm、周波数3.75MHz、集束点60mm
の短形振動子１から放射される超音波パルスで形
成されるビーム幅を示している。パルサ２により
振動子１にパルス電圧ｕを加えて水中に超音波を
放射し振動子１から距離x₁＝20mm、x₂＝60mm、x₃
＝110mmに配置された図示しない30μｍφのスチ
ールワイヤターゲツトからの反射波を再び振動子
１で受信しプリアンプ３を介して出力ｖとして得
る。パルサ電圧ｕに対してそれぞれのワイヤターー
ゲツトx₁、x₂、x₃からの反射波出力ｖは第２図に
示すようになる。第２図に示す特性は水中の非線
形特性を現わすものと考えられる。即ち、超音波
が伝播するにつれて距離方向への積分効果として
振動子１から離れる程非線形性が顕著となる。ま
た、集束点60mmのターゲツトからの反射は最も強
く、ここでの非線形効果が大きくその後方では音
が拡散して反射強度は下る。この場合、非線形効
果はなお積分効果として現われるため、x₁、x₂、
x₃の点の順に強くなる。ここで、振動子１におけるパルス印加電圧ｕと
プリアンプ出力ｖとの入出力関係を表わす近似式
の１つとして下記(1)式を用いることができる。ｖ＝ｋ・ｖ／１＋ａ・ｖ ……(1) ここで、実験値から(1)式のｋ，ａの値を最小２
乗法により推定するとx₁、x₂、x₃の距離に対して
下記表に示すような値を得る。

【表】 (1)式に上記のｋ，ａの値を代入して計算した曲
線は第２図の実線であり、実験値と略一致してい
る。以上述べたことは媒体として水を用いた場合の
結果であるが、生体組織に対しても同様の結果を
得ることができる。即ち、生体中に超音波パルス
を発射し組織からの反射波を受信するのである
が、パルス印加電圧ｕを変えていきその都度それ
に対応した反射波を測定することで実現される。超音波のパルサ電圧を変えても音場、組織の減
衰、組織の反射率はほとんど変わらない。そし
て、超音波の非線形性がなければ、パルス印加電
圧ｕとプリアンプ出力ｖは完全に比例することに
なる。すなわち、この場合(2)式のａは零である。
しかし、実際には非線形性があるために、パルス
印加電圧ｕに対しプリアンプ出力ｖは比例せずに
飽和傾向を示す。この原因はまさに非線形効果に
基づくものであり、音場や組織の減衰、反射率の
影響は２次の微小値となる。例えば、同一方向へパルス印加電圧ｕがそれぞ
れ10、20、…、160Vと10Vおきに15回超音波パ
ルスを発射し、連続する組織の各点からの16種類
のプリアンプ出力ｖから各点のｋ，ａの値を容易
に計算することができる。即ち、１方向の、１走査線につき得られるプリ
アンプ出力ｖを例えば256点のサンプリングで
Ａ／Ｄ変換し、各サンプル点につきｋ，ａの値を
計算することができる。ｋは反射波振幅に関する
値であり、ａは非線形項に関する値である。そし
て、非線形効果は、超音波の伝播距離が長くなる
につれて積分されて行くため、距離方向、即ち、
サンプル点間の差分値はサンプルポイントの非線
形効果を示す値に対応する。従つてその値をブラ
ウン管に表示することによつて各所の非線形効果
を測定することができる。以上述べたような非線形効果を利用した超音波
組織診断装置の一実施例を以下に説明する。先づ、Ｂモード像をリニア電子走査により得る
超音波診断装置の原理を第３図を参照して説明す
る。トランスデユーサとして振動子４が複数個配
列されたアレイ形プローブ５は生体６の表面に配
置され、ケーブル７を介して送られた電気パルス
は振動子４の組を駆動して走査線８のｌ＝１の方
向へ超音波パルスを発射する。生体６内の組織か
ら反射された超音波は上記と同じ振動子４の組で
受信され、ケーブル７を介して増幅検波され、デ
イスプレイ上に反射波振幅で輝度変調を受けた１
本の走査線８として表示される。次のパルスでは
走査線８のｌ＝２の方向での超音波パルスの送受
信が行なわれ、デイスプレイ上に対応した第２の
走査線を表示する。次々と発射されたパルスによ
り走査線がｌ＝１、２、…、64と形成され２次元
断面像（Ｂモード像）が得られる。次に本発明による超音波組織診断装置の一実施
例の構成について第４図を参照して説明する。第
４図において５は複数の振動子４を配列してなる
アレイ形のプローブであり、第３図に示すリニア
電子走査用のものと同一のものである。１１はプ
ローブ５の各振動子４を切換えて送受信の組を選
定するマルチプレクサである。１２はマルチプレ
クサ１１により選定された振動子４にパルス印加
電圧ｕを与え、その振動子４を励振して生体に超
音波パルスを発射させるパルサであり、このパル
サ１２のパルス印加電圧ｕは可変となつている。１３は上記励振された振動子４により反射波を
受波し、その反射波信号（受信信号）を受信して
増幅し、検波する受信回路である。１４は受信回
路１３の出力をＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル
変換）するＡ／Ｄ変換回路である。１５はＡ／Ｄ
変換器１４からの出力を受け例えば上記式(1)のｋ
及びａを演算する演算回路であり、その詳細は後
述する。１６は各走査線毎の受信信号を蓄積して
Ｂモード像を生成すると共に演算回路１５により
演算された式(1)のｋ及びａを第３図に示すような
走査線ｌ毎に記憶するフレームメモリである。１
７はフレームメモリ１６に記憶された全走査線ｌ
による式(1)のｋ及びａを上記フレームメモリ１６
で生成された通常のＢモード像と共に表示する表
示器である。１８はプローブ５の各振動子４における送受信
の際の走査線ｌの切換制御を行なう走査制御回路
である。１９は走査制御回路１８に所定の切換制
御信号を与え、パルサ１２に繰返し周波数（レー
ト周波数）を設定すると共に電圧制御を行なう信
号を与え、演算回路１５、フレームメモリ１６及
び表示器１７に所定の制御信号を与えるコンピユ
ータである。本実施例においては、プローブ５や電子回路の
一部はリニア電子走査により通常のＢモード像を
得る装置と共通に使用できるが、走査方法、パル
サ出力、表示する情報が異なるものであり、その
具体的な動作について以下詳細に説明する。先づ、パルサ１２で10Vの電気パルスを発生さ
せマルチプレクサ１１によりプローブ５の特定の
１組の振動子４を駆動し、第３図の走査線８のｌ
＝１の方向に超音波パルスを発射する。ｌ＝１の
方向からの反射波は同じ振動子４の組で受信され
たものがマルチプレクサ１１を介して受信回路１
３で受信され、ここで増幅検波されＡ／Ｄ変換器
１４でＡ／Ｄ変換されて高速演算回路１５に送ら
れる。この場合、Ａ／Ｄ変換器１４のクロツクを
1MHzとすると、1μsで超音波が生体組織中で往復
する距離は音速を1500ｍ／ｓとすれば0.75mmとな
るから、Ａ／Ｄ変換器１４により連続して256点
のサンプル値が得られれば振動子面（体表）から
奥に向つて0.75mmおきに0.75×256＝192mmの間の
反射波振幅情報が得られたことになり、演算回路
１５で所定の演算がなされ、その結果がフレーム
メモリ１６に蓄えられる。このことを画素（ピク
セル）でいうなら、ピクセル間隔0.75mmで１走査
線上に256ピクセルの情報が得られることになる。つぎに同一走査線方向（ｌ＝１）に対してパル
サ１２より20Vのパルスを送り、同様に受信波形
をメモリに蓄える。同一走査線方向に対して順次
30V、40V、…、160Vとパルス電圧のみを変えて
16種類のデータが得られたら走査制御回路１８に
より走査線を次の走査線ｌ＝２に移動して同様に
16回の送受信を行ない、つぎに走査線をｌ＝３と
順次繰返す。走査線ｌ＝１に対して、得られた16種類の情報
について考えてみると、深部方向に0.75mm間隔で
256ピクセルの反射波振幅情報があり、深部方向
の256の各点につきパルス印加電圧の異なる16ケ
の反射波振幅情報を持つことになる。そこで各点
毎に16けのパルス印加電圧（10V、20V、…、
160V）とそれに対する16ケの受信電圧振幅から
各ピクセルｊ＝１〜256に対して式(1)のｋとａの
値｛kj｝，｛aj｝を高速演算回路１５で演算して求
め、その値をフレームメモリ１６に走査線ｌ＝１
に対応する情報として書き込む。走査線ｌ＝２、
３、…、64についても全く同様とし、フレームメ
モリ１６には各走査線ｌ上に対応して｛kj｝およ
び｛aj｝の値が書き込まれる。そして、ｌ＝１〜64の全ての走査線に対する
｛kj｝，｛aj｝の組｛kj，ｌ｝，｛aj，ｌ｝の値をフ
レームメモリ１６から読み出してデイスプレイ上
に表示すればそれぞれの値の２次元断面像が得ら
れる。｛kj，ｌ｝の値を表示すれば従来のＢモー
ド像と同様な画像が得られ｛aj，ｌ｝の値を読み
出して表示すれば非線形効果の情報がデイスプレ
イ上に表示される。この場合例えばデイスプレイ
としてカラーモニタを用い｛kj，ｌ｝の値を白黒
の輝度変調信号として、｛aj，ｌ｝の値をカラー
信号として表示すると体内組織の形体情報に重ね
て非線形効果による質の情報を同時に表示するこ
とができる。尚、パルス発生のくり返し周波数（レート周波
数）を4KHzとすると走査線数が64本の場合、従
来のＢモード像では一画面を走査するのに0.75ｍ
ｓ×64＝16ｍｓであつたが、本実施例の場合16倍
の時間を必要とするため256ｍｓとなり約1/4秒を
必要とする。しかし腹部の診断などでは十分短時
間であり臨床的には問題はない。次に第５図に示す｛kj，ｌ｝および｛aj，ｌ｝
の演算を行なう演算回路１５の実施例について説
明する。パルス電圧入力端子２１には、パルス印
加電圧のデイジタル値u₁＝10、u₂＝20、…、ui、
…、u₁₆＝160を入力し、テーブル２３によりui²
を求めておく。受信電圧入力端子２２には、Ａ／
Ｄ変換回路１４でデイジタル化された受信電圧値
が入力されこれも同様にテーブル２４によりV²
値も出力できるようにする。パルス電圧印加電圧
がuiのときのｊ番目のピクセルの受信電圧をvij
とする。走査線ｌ＝１のｊ番目のピクセルについ
て考えると、それぞれ16ケの入出力データui，
vij（ｉ＝１、２、…、16）から最小２乗法によつ
て推定されるｋとａの値kj，ajは次式(2)，(3)で与
えられる。 kj＝（Σu_jv_ij）（Σu_j ²v_ij ²）−（Σ
u_i ²v_ij）（Σu_iv_ij ²）／（Σu_i ²）（Σu_i ²v_ij ²）−（Σ
u_i ²v_ij）²……(2) aj＝（Σu_jv_ij）（Σu_j ²v_ij）−（Σu
_i ²）−（Σu_iv_ij ²）／（Σu_i ²）（Σu_i ²v_ij ²）−（Σu_i ²v_ij）²……(3) ここでΣは〓ⁱ を意味する。第５図の乗算器２５の出力２６は、上記式(2)、
(3)の分子、分母の（）内の和をとる前の値であ
る。まずｌ＝１の走査線を考えると第１のパルス
すなわちｉ＝１でｊ＝１〜256の各ピクセルにつ
き乗算器２５の出力２６が得られメモリ２７に蓄
えられる。つぎにｉ＝２について同様の値がｊ＝
１〜256の各ピクセルに対して乗算器２５の出力
２６として得られ、それらはメモリ２７に蓄えら
れた値に加算されて再び蓄えられる。ｉ＝３、
４、…、16と同様に行なえばメモリ２７にはｊ＝
１〜256の各ピクセルについてｉ＝１〜16までの
各値の和、即ち、式(2)、(3)の（）内の値が得ら
れる。乗算器２８はさらに上記（）の積を作
り、得られた出力２９間で和、差をとり逆数をと
るテーブル３１により分母の逆数を作り、乗算器
３２，３３により積を作れば式(2)、(3)のkj，ajの
組｛kj｝＝k₁，k₂，…k₂₅₆）、｛aj｝＝（a₁，a₂，…，
a₂₅₆）の値が得られる。これらの積和演算は高速に行なうことができる
ため、超音波送受信のタイミングに合わせてリア
ルタイムで実現可能である。これにより走査線ｌ
＝１に対する｛kj｝，｛aj｝が得られることになり
これらの値をフレームメモリ１６に送る。順次走
査線をｌ＝２、３、…、64と移動して全く同様の
方法でフレームメモリ１６には２次元断面図の
256×64の全てのピクセルに対するｋ，ａの値
｛kj，ｌ｝、｛aj，う｝が得られる。それに要する
時間はこの場合前述のように約1/4秒ていどであ
る。フレームメモリ１６上に蓄積されている情報
は例えば30フレーム／秒で読み出されて表示器１
７上に表示される。ここで、非線形効果は、距り（深部）方向に対
して積分効果として現われるため、実際の表示で
はａの値を距離方向に微分した値を用いる方がよ
く｛aj｝と１ピクセル遅延回路３４の出力
｛aj_-1｝との差分値｛Δaj｝を出力とし｛Δaj，
ｌ｝の画像をフレームメモリ１６に送つて表示す
ることも可能である。また、パルス印加電圧を前述のように10V、
20V、…、160Vと変えてデータをとつた場合反
射波受信電圧はパルス印加電圧が低い程低くなる
から、受信信号のＳ／Ｎはパルス印加電圧が低い
程劣化する。従つて実際には印加電圧が低い程多
くのデータをとり加算した値あるいは平均値を用
いるのがよい。即ち、走査線方向（ｌ＝１）について考えるな
らば4HHzのレートパルスによつてトリガーされ
るパルサ１２より10Vの印加電圧を（160／10）²
＝256回使用しつぎに20Vの印加電圧を（160／
20）²＝64回、30Vを（160／30）²≒28回、…、
160Vを１回使用して各電圧毎の受信信号は加算
して平均化した値をvijとして用いる。Ｎ回の加
算により信号はＮ倍、ランダムノイズは√Ｎとな
るとすれば各パルス電圧に対してほぼ等しいＳ／
Ｎが得られることになる。この場合１本の走査線に対する｛kj｝，｛aj｝又
は｛Δaj｝の値を得るには256＋64＋28＋…＋１
＝402のレートパルスを必要としレート周波数を
4KHzとすれば約0.1秒の時間がかかる。これでも
腹部では十分であり、このような場合特に診断を
必要とする部位に走査線を設定しその走査線上の
｛kj｝，｛aj｝，｛Δaj｝の値を第６図に示すように断
層像と一緒にグラフ表示することもできる。以上述べたように本実施例によれば以下列挙す
る如くの作用効果を奏する。即ち、同じ振動子４から同じ周波数の超音波が放射
され放射強度だけが変わるため、音場、パルス
波形とも変化がなく、放射強度による非直線性
のみが正確に観測される。従つて放射強度を変
化させたことによる音場補正などは必要ない。本実施例では、通常とパルス反射法が利用で
き、プローブや一部の回路は従来のリニア電子
走査やセクタ、、電子走査と共通にできるため、
従来の超音波診断装置に付加して併用すること
も可能であり、また操作も全く簡単でごく短時
間で２次元画像としての多量の情報が得られ
る。従来のＢモード像を得る超音波診断装置は形
態診断が目的であつたが、本実施例では生体組
織の質の情報を与えるものでこれらを併用する
ことにより、従来不可能だつた鑑別診断も可能
となる。非直線効果を表わすパラメータａは、超音波
の伝播速度情報を含んでおり、従来計測できな
かつた肝臓などの組織の硬さや脂肪潤滑の度合
の評価にも有益である。以上列挙した如く、本実施例では従来全く不可
能であつた生体組織の非線形パラメータの無侵襲
計測が可能となつた。すなわち、きわめて簡単に
１万点以上にのぼる多数の非線形効果を表わすパ
ラメータのデータが１秒以内に得られ、かつＢモ
ードによる解剖学的形態情報に重ねてこの質の情
報を２次元表示することが可能となり超音波診断
法に１つの新しい分野を加えることができた。本発明は上記実施例に限定されるものではなく
以下の如く変更して実施してもよい。即ち、リニ
ア電子走査方式を利用した場合を例にとつて本発
明の実施例の説明を行なつたが、もちろんシグナ
ルトランスジユーサを用いる方式やセクタ電子走
査その他の走査方式でも全く同様である。また、通常は送受同一振動子を用いるが送受別
でももちろんよく、パルス反射法に限らずパルス
透過法でもバースト波（又は連続波）透過法でも
同様のことが可能である。走査線数、ピクセル数も64、256に限る必要は
全くない。非線形効果を表わすパラメータの式の算出は、
式(1)の近似式には限らず、非線形効果をうまく表
現するものであれば何でもよい。また、式(1)のａに相当する値、その微分値の他
に音場による効果の補正、組織の減衰による効果
の補正あるいは使用した周波数による補正を加え
た値でもよい。2MHzの周波数を用いればあまり
減衰効果は大きくなく単純である。上記の他に本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施できる。［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、超音波振動
子およびこれを駆動する駆動回路と、この駆動回
路により駆動された超音波振動子から放射され物
体と相互作用を起こした超音波を受信する上記と
同一又は異なる超音波振動子および受信回路と、
上記駆動回路の駆動電圧を制御する駆動電圧制御
回路と、上記受信回路からの受信信号を入力し所
定の演算を行なう演算回路とを有し、同一方向に
対して異なる駆動電圧で超音波を放射し、その駆
動電圧に対する受信電圧とから、上記受信電圧の
上記駆動電圧への依存性に関するパラメータを演
算してその演算結果を出力する手段とから構成し
たので、超音波放射出力を変えそれに伴つて生じ
る受信波の振幅が直線関係からずれる効果、即
ち、超音波の非線形効果を演算によつて求めて出
力することを可能とした超音波組織診断装置が提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水の非線形効果を測定するときの超音
波ビームの拡がりを示す図、第２図は超音波出力
に対し反射波受信電圧が飽和現象を示す非線形効
果の実験値と計算値を示す図、第３図はリニア電
子走査の原理を説明するための図、第４図は本発
明による超音波組織診断装置の一実施例を示すブ
ロツク図、第５図は第４図における演算回路の詳
細な一構成例を示す図、第６図は１走査線につい
ての｛kj｝，｛aj｝，｛Δaj｝などをグラフ表示した
例を示す図である。５……アレイ形プローブ、１１……マルチプレ
クサ、１２……パルサ、１３……受信回路、１４
……Ａ／Ｄ変換回路、１５……演算回路、１６…
…フレームメモリ、１７……表示器、１８……走
査制御回路、１９……コンピユータ。

Claims

【特許請求の範囲】

１超音波振動子およびこれを駆動する駆動回路
と、この駆動回路により駆動された超音波振動子
から放射され物体と相互作用を起こした超音波を
受信する上記と同一又は異なる超音波振動子およ
び受信回路と、上記駆動回路の駆動電圧を制御す
る駆動電圧制御回路と、上記受信回路からの受信
信号を入力し所定の演算を行なう演算回路とを有
し、同一方向に対して異なる駆動電圧で超音波を
放射し、その駆動電圧に対する受信電圧とから、
上記受信電圧の上記駆動電圧への依存性に関する
パラメータを演算してその演算結果を出力する手
段を具備したことを特徴する超音波組織診断装
置。