JPH0467149B2

JPH0467149B2 -

Info

Publication number: JPH0467149B2
Application number: JP58229853A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Hayakawa; Tadashi Fujii
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1983-12-07
Filing date: 1983-12-07
Publication date: 1992-10-27
Also published as: JPS60122367A; US4566330A; EP0146707B1; DE3485387D1; EP0146707A3; EP0146707A2

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景Ａ技術分野本発明は、超音波を物体に送信し、物体の内部
からの反射超音波を受信して、物体内部の音響特
性を測定する超音波測定方法の改良に係り、特に
物体内部の超音波伝播に伴う減衰に関する情報を
提供する超音波測定方法およびその装置に関す
る。

Ｂ先行技術とその問題点超音波測定技術は現在金属探傷、魚群探知、医
療診断分野等広範囲にわたつて利用されている。
中でも医療用の超音波断層装置の最近の発展には
目をみはるものがある。

超音波断層装置は原理的には、パルスエコー法
を用いており、被測定物体としての生体内へ送信
された超音波パルスが生体内部の音響インピーダ
ンスの異なる境界で反射する現像を利用し、この
反射波（エコー）を受信していわゆるＢモード法
による生体の断層像を表示するものである。従つ
てこのエコーには生体内部での超音波の減衰、音
響インピーダンス、音速等の様様な情報が含まれ
ている。しかし従来の装置ではこれらの各情報が
明確に分離されず、単にエコーの振幅を表示して
いるにすぎない。

具体的には、生体内の音速を一定と仮定し、さ
らに生体内の超音波伝播による減衰は、いわゆる
STC（Sensitivity Time Control）回路と呼ばれ
ている回路によつて任意的に補正をしたエコー振
幅値を輝度に変調し、これをラウン管上に断層像
として表示しているにすぎない。従つて、得られ
ただ断層像は、生体内部の音響インピーダンス境
界面の２次元的分布を定性的に画像化したものと
なり、必然的に生体組織の位置や形に関する形態
情報がその利用の中心となつている。つまり、生
体組織の特性である減衰度、音速等の測定はなさ
れていないのが現状である。

生体組織の減衰情報を得ようとする試みがいく
つか報告されている。後で詳しく述べるように、
エコー信号には生体組織伝播による減衰と音響イ
ンピーダンスの異なる境界での反射強度の２つの
情報が含まれており、両者はいずれも、未知であ
る。したがつて厳密にこの２つの影響を分離する
ことは、今のところ極めて困難であると言わざる
を得ない。

反射強度が超音波の周波数に依存しないと仮定
した場合には、被測定物体の同一部分について複
数の異なる周波数の超音波を送受信したエコーの
各周波数成分の音圧比を測定すれば、反射強度の
影響をなくして伝播による減衰係数を求めること
が可能となる。このような仮定は、超音波の波長
に比べて十分大きな広がりもつ音響境界、例えば
平面反射板の場合には成立する。しかし実際の生
体組織では、使用する超音波の波長程度あるいは
それ以下の大きさの散乱体が存在し得るので、こ
の仮定は生体組織全体を考えたとき必ずしも成立
するとは考えにくい。

このような状況を鑑みて本出願人は、生体の超
音波伝播による減衰情報を音響境界での反射強度
の影響を少なくして測定する方法および装置を特
願昭55−49571（特公平２−1273号公報）として出
願している。しかしながら前記出願の発明で得ら
れる超音波減衰情報は、減衰係数そのものではな
く、被測定物体内の所定の区間における超音波減
衰係数の平均値の一次式である。

発明の目的本発明は、被測定物体の減衰係数、および減衰
係数の周波数依存性を近似的に測定する超音波測
定方法および装置を提供するとを目的とする。

本発明によれば、複数の異なる周波数の超音波
パルスを被測定物体に送信し、物体内より反射さ
れた超音波パルスのエコーを検出し、この検出さ
れた複数の周波数のエコーを情報処理することに
よつて物体の超音波特性に関する定量的な情報を
得る超音波測定方法において、２つの異なる周波数より測定された減衰係数の
平均値、およびこれら２つの周波数を含む３つの
異なる周波数より測定された減衰係数の平均値よ
り、物体の減衰係数に関する情報を算出する。

本発明の一つの特徴によれば、減衰係数に関す
る情報は、被測定物体における超音波の減衰係数
を含む。

本発明の他の特徴によば、減衰係数に関する情
報は、被測定物体における超音波の減衰係数の周
波数依存性を含む。

本発明による超音波測定装置は、複数の異なる
周波数の超音波パルスを被測定物体に送信する主
だと、物体内より反射された超音波パルスのエコ
ーを検出する手段と、検出された複数の周波数の
エコーを情報処理し物体の超音波特性に関する定
量的な情報を得る手段と、この得られた定量的な
情報を表示する手段とを有する超音波測定装置で
あつて、情報を得る手段は、２つの異なる周波数
の減衰係数の平均値、および２つの周波数を含む
３つの異なる周波数の減衰係数の平均値を求め、
これらの平均値より該物体の減衰係数に関する情
報を算出する。

発明の具体的説明および作用次に添付図面を参照して、本発明による超音波
測定方法の実施例を詳細に説明する。

まず第１図によつて本発明の原理について説明
を行う。超音波探触子１から被測定物体４に放射
された超音波パルス１０は、音響特性不連続面２
および３によつてそれぞれ反射され、それぞれの
反射パルス２０および３０が探触子１によつて検
出される。

いま、パルス放射から反射パルス受信までの時
間をｔとすると、超音波探触子１から音響特性不
連続面までの距離ｘは、音速をＶとして次式で与
えられる。

ｘ＝Ｖ・ｔ／２ここで周波数で放射されたパルス１０の強度
I₀（）、受信した反射パルスの強度をＩ（、ｘ）
とすると、近似的に次式が成立する。

Ｉ（、ｘ）＝I₀（）・^a(、^x)・ｇ(x)・x^b(x)
・exp｛−4∫^x ₀α（、ｘ）dx｝……(1) (1)式の両辺の自然対数をとると lnI（、ｘ）＝lnI₀（）＋ａ（、ｘ）・ln＋l
n〔ｇ(x)・x^b(x)〕−4∫^x ₀α（、ｘ）dx｝……(2) ここでα（、ｘ）は被測定物体４の超音波伝
播による減衰係数であり、^a(、^x)・ｇ(x)は、周
波数依存性を考慮に入れた音響特性不連続面の反
射強度である。

ａ（、ｘ）の値は、波長（λ＝Ｖ／）より
充分大きい音響特性不連続面では、ａ（、ｘ）＝
０であり、波長より充分小さい音響特性不連続面
では、ａ（、ｘ）＝４である。従つてある特定の
周波数帯域内ではａ（、ｘ）は一定であり、生
体については０α（、ｘ）４であると考え
られる。またx^b(x)は、、反射波が広がることに起
因して超音波探触子１の位置での反射強度が弱ま
る効果を考慮したもので、充分に広い音響特性不
連続面では、ｂ(x)＝０、小さい音響特性不連続面
では、ｂ(x)＝−２である。従つて一般に−２ｂ
(x)０である。またα（、ｘ）は、超音波の伝
播による減衰係数である。但し、以上の考察で
は、放射超音波１０は理想的に細いペンシル・ビ
ームとし、また近接した複数の音響特性不連続面
からの反射波相互間の干渉の効果は無視してい
る。

エコー強度の分布から情報処理をして被検査物
体４の超音波特性に関する定量的情報を得る原理
は、(2)式から出発する。

数学的見通しを良くするため、ここで仮りにエ
コー強度Ｉ（、ｘ）が距離ｘおよび周波数に
ついて連続的に得られるとして、(2)式の両辺をｘ
で一階偏微分すると、 ∂／∂_x〔lnI（、ｘ）〕＝ln∂／∂_x〔ａ（、ｘ
）＋∂／∂_x〔ln（ｇ(x)・x^b(x)〕−4α（、ｘ）……
(3) さらに周波数で一階偏微分すると、 ∂²／∂∂_x〔lnI（、ｘ）〕＝ln∂²／∂∂_x〔
ａ（、ｘ）］＋∂／∂_x〔α（、ｘ）〕・１／−
４∂α（、ｘ）／∂……(4) 両辺にをかけ整理すると次式を得る。

・∂α（、ｘ）／∂＝−／４ ∂²lnI（、ｘ
）／∂・∂_x＋１／４〔∂α（、ｘ）／∂_x＋∂²a（
、ｘ）／∂・∂_x・・ln〕……(5) また(3)式の両辺を周波数の対数lnで２階偏微
分すると次式を得る。

∂²α（、ｘ）／∂（ln）²＝−１／４ ∂³lnI（
、ｘ）／∂（ln）²∂_x＋１／４〔２・∂²a（、ｘ）
／∂（ln）∂_x＋∂³a（、ｘ）／∂²（ln）∂_xln
〕……(6) 被検査物体の超音波減衰係数が周波数の巾β(x)
乗に比例するとα（、ｘ）＝α₀(x)・〓(x)となり
、
従つて(5)式の左辺は次のようになる。

・∂α（、ｘ）／∂＝β(x)・α(、x)……(7
) また(6)式の左辺は、次のようになる。

∂²α（、ｘ）／∂（ln）²＝β(x)²・α（、ｘ
）……(8) (8)／(7)より β(x)＝∂²α（、ｘ）／∂（ln）²／・∂α（
、ｘ）／∂……(9) (7)²／(8)より α（、ｘ）＝〔・∂α（、ｘ）／∂〕²／∂²α（、ｘ）
／∂（ln）²……(10) となり、減衰係数α（、ｘ）およびその周波数
依存性β(x)が求まる。すなわち(9)式および(5)(6)式
より β(x)＝〔−１／４ ∂³lnI（、ｘ）／∂（ln）²∂_x＋１／４（２・∂²a（、ｘ）／∂（ln）・∂_x＋∂³a（、ｘ）／∂²（ln）・∂_x・ln）〕／〔−１／
４・∂²lnI（、ｘ）／∂∂_x＋１／４（∂a（、ｘ
）／∂_x＋∂²a（、ｘ）／∂∂_x・・ln）〕……
(11) また(9)式のβ(x)および(10)式のα（、ｘ）より、
α（、ｘ）＝α₀(x)・〓(x)の関係を用いてα₀(x)
が、
次式α₀(x)＝α（、ｘ）／〓(x)より求められる。

(11)式の分母および分子の第１項は測定量である
が、第２項は非測定量である音響性不連続面の反
射強度による項であり、β(x)を求める場合には誤
差を生じる原因となる。

反射強度の周波数依存性を示す係数ａ（、ｘ）
が測定する周波数の範囲で一定であれば、すなわ
ちαa（、ｘ）／∂＝０であれば、ａはｘのみの関
数となり、従つて(5)式および(6)式はそれぞれ次式の
ようになる。

・∂α（、ｘ）／∂＝−／４・∂²lnI（、ｘ）／∂・∂_x＋１／４〔∂a(x)／∂_x〕……(12) ∂²α（、ｘ）／∂（ln）²＝−１／４・∂³lnI（
、ｘ）／∂（ln）²∂_x ……(13) 従つて(11)式は(12)および(13)式より β(x)＝〔−１／４ ∂³lnI（、ｘ）／∂（ln
）²∂_x〕／〔−／４・∂²lnI（、ｘ）／∂・∂_x
＋１／４・∂a(x)／∂_x〕……(14) となり、同様に(10)式は次のようになる。

α（、ｘ）＝〔−１／４・∂²lnI（、ｘ）／
∂・∂_x＋１／４（∂a(x)／∂_x〕²／〔−１／４ ∂³l
nI（、ｘ）／∂（ln）²・∂_x〕……(15) これらは(11)式および(10)式に比べて誤差の項が少
なくなつていることがわかる。すなわち(14)式では
誤差は分母の１／４・∂a(x)／∂_xのみであり、(15)式
では分母の１／４ ∂a(x)／∂_xのみである。更に、標的強度
ａ (x)が距離ｘに依存せず一定であれば、∂a(x)／∂_x＝０より(14)式は次式のように誤差を含まない式とな
る。

β(x)＝∂³lnI（、ｘ）／∂（ln）²∂_x／・∂²ln
I（、ｘ）／∂・∂_x ……(16) つまり、反射強度の周波数依存性を示す係数ａ
（、ｘ）が測定する範囲の周波数および距離
ｘに依存せず一定であれば、^aとなり、(16)式によ
つて減衰係数α（、ｘ）の周波数依存性β(x)が
正確に測定れるわけである。この場合には(15)式よ
り、α（、ｘ）も次式のように正確に測定する
ことが可能となる。

α（、ｘ）＝²／４〔∂²lnI（、ｘ）／∂・
∂_x〕² ／∂³lnI（、ｘ）／∂（ln）²∂_x ……(17) 以上の説明ではエコー信号強度Ｉ（、ｘ）が
距離ｘおよび周波数に関して連続的に得られる
場合について述べたが、実際の測定の場合には、
エコー信号は散乱体のある位置ｘにより離散的に
与えられるので、若干の修正を必要とする。

すなわち、(5)式および(6)式で用いた微分の代わ
りに差分を用いなければならない。。第１図に示
すように、散乱体２，３が離散的に存在する位置
をx₁およびx₂として両位置の間で(2)式の差分を求
め変形すると、次式のようになる。

∫^x2 _x1α（、ｘ）dx＝ −１／４ln〔Ｉ（、x₂）／Ｉ（、x₂）〕＋１／４〔ａ（、x₂）−ａ（、x₁）〕ln ＋１／４ln〔ｇ（x₂）・x₂ ^b(x2)／ｇ（x₁・x₁ ^b(x1)〕 ……(18) 数値微分により(4)式に対応する近似式を得るに
は、２つの周波数₁、₃について(18)式の差分をと
り、１／（₃−₁）・１／（x₂−x₁）を乗じて整理す
ると、次式のようになる。

１／（x₂−x₁）・（₃−₁）∫^x2 _x1〔α（₃、ｘ） −α（₁、ｘ）〕dx ＝１／４（x₂−x₁）・（₃−₁） ln〔Ｉ（₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）
／Ｉ（₁、x₂）〕＋１／４（x₂−x₁）・（₃−₁）〔｛ａ（₃、x₂
） −ａ（₃、x₁）｝ln₃ −｛ａ（₁、x₂）−ａ（₁、x₁）｝ln₁〕……(19
) さらに(5)式に対応する近似式を得るために
₃＋₁／２をかけ、次式を得る。

H₂＝₃＋₁／２（x₂−x₁）・（₃−₁）∫^x2 _x1〔α
（₃、ｘ）−α（₁、ｘ）〕dx＝₃＋₁／８（x₂−
x₁）・（₃−₁）・ln
〔Ｉ（₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）／Ｉ
（₁、x₂）〕＋D₂ ただし D₂＝₃＋₁／８（x₂−x₁）・（₃−₁）〔｛ａ（₃、x₂）−ａ（₃−x₁）｝ ln₃−｛ａ（₁、x₂）−ａ（₁、x₁）｝lnf₁〕 α（、ｘ）＝α₀(x)〓(x)より₃ ＋₁／２（x₂−x₁）・（₃−₁）∫^x2 _x1〔α（
₃、ｘ） −α（₁、ｘ）〕dx＝₃＋₁／２（x₂−x₁）・（
₃−₁） ∫^x2 _x1α₀(x)〔₃〓(x)−₁〓(x)〕dx であるから、 H₂≒１／x₂−x₁∫^x2 _x1β(x)・α（₁＋₃／２、ｘ）d
x ……（21）同様に数値微分により(6)式に対応する近似式を
得るために、３つの周波数f₁、f₂、f₃（f₁＜f₂＜f₃）
についてデータをとり、周波数の対数lnf₁、lnf₂、
lnf₃に関して２階の差分商をとつて変形すれば次
式を得る。

H₃＝Ａ／x₂−x₁∫^x2 _x1〔α（₁、ｘ）ln（₂／₃）
＋α（₂、ｘ）ln（₃／₁）＋α（₃、ｘ）・ln（
₁／₂）〕dx ＝−Ａ／４（x₂−x₁）｛lnＩ（₁、x₂）／Ｉ（₁、
x₁）・ln（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（₂、x₁）・ln（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）・ln（₁／₂）
｝＋D₃……（22）ただし D₃＝−Ａ／４（x₂−x₁）〔｛ａ（₁、x₂）−ａ（₁、
x₁）｝ln₁・ln（₂／₃）＋｛ａ（₂、x₂）−ａ（₂、x₁）｝ln₂・ln（₃／
₁）＋｛ａ（₃、x₂）−ａ（₃、x₁）｝ln₃・ln（
₁／₂）〕但し、Ａ＝２／｛ln（₁／₂）・ln（₂／₃）
・ln（₁／₃）｝したがつて H₃≒１／x₂−x₁∫^x2 _x1β²(x)・α（₁＋₂＋₃／３、ｘ）dx……（23）（23）／（21）より H₃／H₂≒∫^x2 _x1β²(x)・α（₁＋₂＋₃／３、ｘ）d
x／∫^x2 _x1β²(x)・α（₁＋₃／２、ｘ）dx……（24
）すなわちこの（24）式は(9)式に対応し、x₁とx₂
の間におけるβ(x)の平均値の近似式を与える。又
（20）、（22）式より、H₃／H₂は次式のようにな
る。

H₃／H₂ ＝−Ａ／４（x₂−x₁）〔lnＩ（₁、x₂）／Ｉ（₁、
x₁）・ln₂／₃＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（₂、x₁）・
ln₃／₁＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）・ln₁
／₂〕＋D₃／₃＋₁／８（x₂−x₁）・（₃−₁）
・ln〔Ｉ（₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）
／Ｉ（₁、x₂）〕＋D₁ ……（25）但しここで D₃＝−Ａ／４（x₂−x₁）〔｛ａ（₁／₂）−ａ（₁
、x₁）｝ln₁・ln（₂／₃）＋｛ａ（₂、x₂）−ａ（₂、x₁）｝ln₂・ln₃／
₁＋｛ａ（₃、x₂）−ａ（₃、x₁）｝ln₃・ln（
₁／₂）〕 D₂＝₃＋₁／８（x₂−x₁）・（₃−₁）〔｛ａ（
₃、x₂）−ａ（₃、x₁）｝ln₃−｛ａ（₁、x₂）−ａ
（₁、x₁）｝ln₁〕また（21）式と（23）式より（H₂）²／H₃≒｛∫^x2 _x1β²(x)・α（₁＋₃／２、ｘ
）dx｝²／∫^x2 _x1β²(x)・α（₁＋₂＋₃／３、ｘ）
dx……（26）すなわちこの（26）式は(10)式に対応し、x₁とx₂
および₁と₃の間におけるα（、ｘ）の平均値
を与える。又（20）、（22）式より（H₂）²／H₃は
次式のようになる。

（H₂）²／H₃ ＝｛₃＋₁／８（x₂−x₁）（₃−₁）・ln〔Ｉ（
₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）／Ｉ（₁、
x₂）〕＋D₂｝²／−Ａ／４（x₂−x₁）〔lnＩ（₁、x₂）
／Ｉ（₁、x₁）・ln（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／
Ｉ（₂、x₁）・ln（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ
（₃、x₁）・ln（₁／₂）＋D₃〕 ……（27）（25）式の分母および分子の第１項は(11)式と同
様、測定量であるが、第２項のD₂およびD₃は(11)
式と同様、音響特性不連続面の反射強度による周
波数依存性があるために生じる項であり、β(x)に
対しては誤差の項となる。反射強度の周波数依存
性^a(、^x)が測定する周波数の範囲で一定であれ
ば、すなわちａ（₁、x₁）＝ａ（₂、x₁）＝ａ（₃
、
x₁）およびａ（₁、x₂）＝ａ（₂、x₂）＝ａ（₃、x
₂）
であれば、ａはｘのみの関数となりD₃は零とな
る。よつて（20）式および（22）式は次式のよう
になる。

H₂＝₃＋₁／２（x₂−x₁）・（₃−₁）∫^x2 _x1〔α（₃、ｘ）−α（₁、ｘ）〕dx ＝₃＋₁／８（x₂−x₁）・（₃−₁）ln〔
Ｉ（₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）／Ｉ（
₁、x₂）〕＋₃＋₁／８（x₂−x₁）・（₃−₁）〔｛
ａ（x₂）−ａ（x₁）｝ln（₃／₁）〕……（28） H₃＝−Ａ／４（x₂−x₁）｛lnＩ（₁、x₂）／Ｉ
（₁、x₁）・ln（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（
₂、x₁）・ln（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）・ln（₁／₂）｝（∵D₃＝０） ……（29）従つて（25）式は（28）および（29）式より β(x)＝H₃／H₂ ＝−2A（₃−₁）・〔lnＩ（₁、x₂）／Ｉ（₁、
x₁）・ln（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（₂、x₁）・ln（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）
・ln（₁／₂）〕／（₃、₁）・〔ln｛Ｉ（₃、x
₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）／Ｉ（₁、x₂）｝
＋（ａ（x₂）−ａ（x₁））ln（₃／₁）〕 ……（30）又（27）式は（28）および（29）式より α（、ｘ）≒（H₂）²／H₃＝−１／16A〔₃＋₁／（
x₂−x₁）（₃−₁）〕² ・｛ln〔Ｉ（₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x
₁）／Ｉ（₁、x₂）〕＋（ａ（x₂）−ａ（x₁））・ln（
₃／₁）｝²／｛lnＩ（₁、x₂）／Ｉ（₁、x₁）・l
n（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（₂、x₁）・ln
（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）・ln（
₁／₂）｝……（31）となり、これら２つの式は（25）式および（27）
式に比べると誤差の項が少なくなつていることが
わかる。

すなわち（30）式では誤差は分母の〔ａ（x₂）−
ａ（x₁）〕・ln（₃／₁）のみであり、（31）式では
分子の〔ａ（x₂）−ａ（x₁）〕・ln（₃／₁）のみである
。

更に反射強度の周波数依存性ａ(x)が距離ｘに依
存せず一定であればａ（x₂）＝ａ（x₁）より（30）
式は次式のようにさらに誤差を、少ない式とな
る。

β(x)≒H₃／H₂ ＝−2A（₃−₁）〔lnＩ（₁、x₂）／Ｉ（₁、x₁）・ln（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（₂、x₁）
・ln（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）・
ln（₁／₂）〕／（₃＋₁）×ln〔Ｉ（₃、x₁）
／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁）／Ｉ（₁、x₂）〕
……（32）つまり反射強度の周波数依存性を示す係数ａ
（、ｘ）が測定する範囲の周波数および距離
ｘに依存せず一定であればａ（、ｘ）＝ａとな
り、（32）式によつて減衰係数α（、ｘ）の周波
数依存性の平均値β(x)がさらに正確に測定される
わけである。この場合には、（31）式により、α
（、ｘ）も次式のようにさらに正確に測定する
ことが可能となる。

α（、ｘ）＝−１／16A〔₃＋₁／（x₂−x₁）（₃−₁）〕² 〔ln〔Ｉ（₃、x₁）／Ｉ（₃、x₂）／Ｉ（₁、x₁
）／Ｉ（₁、x₂）〕²／〔lnＩ（₁、x₂）／Ｉ（₁、
x₁）・ln（₂／₃）＋lnＩ（₂、x₂）／Ｉ（₂、x₁）・ln（₃／₁）＋lnＩ（₃、x₂）／Ｉ（₃、x₁）
・ln（₁／₂）〕……（33）この場合α₀(x)もさらに正確に求められる。

(20)式及び（22）式においてD₂及びD₃は実験値
からは求まらない誤差項である。(20)式において
D₂はａ（、ｘ）が₁、₃、x₁、x₂によらず定数
のときは消去され、（22）式においてD₃はａ（、
ｘ）がx₁、x₂には依存していても周波数₁、₂、
₃について一定であるときは消去されるが、そう
でない場合については次のようにしてその相対誤
差を評価できる。即ち０ａ（、ｘ）４であ
るので｜D₂／H₂｜₃＋₁／２｜₃−₁｜｜ln（
₃／₁）｜／∫^x2 _x1β(x)・α（₁＋₃／２ｘ）dx…
（34）となり、これは(20)式におけるD₂による相対誤差
を与える。また同様にして｜D₃／H₃｜≦2Max〔｜ln₁ln（₂／₃）｜、
｜ln₃ln（₁／₂）｜〕／｜∫^x2／_x1β²(x) ・α（₁＋₂＋₃／３、ｘ）dx｜｜ln（₁／₂）ln（₂／₃）ln（₁／₃）｜……（35）これは（22）式のD₃による相対誤差の値を与
える。結論として（34）、（35）式より ∫^x2 _x1β(x)α（₁＋₃／２）dx及び∫^x2 _x1β²(x)α （₁＋₂＋₃／３、ｘ）dxが充分大きい場合は誤差項、D₂及びD₃は無視できる。

ところで現実には、超音波プローブ１から、例
えば減衰の極めて小さい水中に向けて送信された
超音波ビームは、そのプローブ１の開口、あるい
は中心周波数によつてその音場が変化する。音場
は、近似的には第２図Ａのようになり、また中心
軸上の強度は超音波プローブ１からの距離ｘによ
つて同Ｂに示すように変化する。なお同Ｂの縦軸
は、最大強度I₀に対する距離ｘにおける強度を示
している。

そこで装置の実用上はこれを較正しておかなけ
れば正しい測定が行なえない。すなわち、音圧の
変動をあらかじめ標準媒質で測定し、被測定物体
からのエコー振幅（音圧）を標準音圧で割り算し
規格化することで、超音波プローブの音場特性の
影響を除き、測定された減衰度を、より普遍的な
値とすることが可能となる。

標準媒質による測定は次のようにして行なうの
が適当である。第３図のように、脱気水１００中
にたとえばステンレスの完全反射体１０２を、設
け、この完全反射体１０２からのエコー振幅を標
準音圧とする。超音波プローブ１と完全反射体１
０２の距離を相対的に変化させ、各距離からのエ
コー振幅を測定すれば、標準音圧曲線が第４図の
ように求められる。

実用に適した装置としては、標準音圧曲線をあ
らかじめ測定し、装置内に記憶させておくことが
有利である。又再度、標準音圧曲線を測定したい
場合には、第５図のように階段状の完全反射体１
０２ａを有する装置を作成すればよい。すなわち
超音波プローブ１を走査機構８で同図の矢印の方
向に水平走査すると、超音波プローブ１と反射体
１０２ａの反射面との距離が段階的に変化する。
そこで完全反射体１０２ａからのエコー振幅を測
定し、順次記憶すれば標準音圧曲線を得ることが
できる。

以上のように、複数の異なる周波数（₁、₂、
₃）によつて減衰係数α（、ｘ）、α₀(x)およびそ
の周波数依存性β(x)を近似的に測定できることが
示されたわけである。とくに、反射強度が観測す
る範囲の周波数および距離ｘに依存せず一定で
あれば、α（、ｘ）、α₀(x)およびβ(x)をさらに正
確に測定することが可能である。

次に第６図にブロツク図で示す本発明の実施例
について詳細説明を行う。

第６図に示す実施例は、本発明による超音波測
定方法を実現する装置であり、生体４などの被測
定物体の表面に設定された電気信号と超音波の相
互変換を行なう超音波探触子１に送信回路５が接
続されて送信系が構成され、また受信回路７、対
数増幅回路１８、検波回路１９およびSTC回路
２０によつて受信系が構成されている。探触子１
による走査は走査部８によつて制御回路１７の制
御のもとに行なわれる。

生体４の内部で反射された超音波エコーは表示
部１５に可視像として表示される。表示部１５に
表示されるのは、本発明に従つて算出された、た
とえばエコー振幅の減衰係数および（または）そ
の周波数依存性であるが、これは、受信した超音
波エコーから２つのメモリ回路１０および１２を
使用して演算回路１１によつて得られる。

送信回路５より探触子１に第７図のような急峻
に減衰する広帯域の駆動パルスが印加される。探
触子１は高分子系振動子（ポリフツ化ビニルデ
ン：PVDF）、高分子と無機物の複合系振動子、
あるいは音響整合層を付加したPZT振動子が広
帯域特性をもつ探触子として好ましい。この結合
探触子１より第８図のような広帯域超音波パルス
が被測定物体４の内部へ送波（信）される。

被測定物体４中の音響特性不連続面（たとえば
第１図の２，３）で反射散乱された超音波エコー
は同じ探触子１によつて受波（信）され受信回路
７へ入力される。受信回路７で増幅されたエコー
信号（Ａモード信号）はＡ／Ｄ変換器９でデジタ
ル化され、メモリ１０へ蓄積される。

このメモリ１０内のＡモード信号は、第９Ａ図
および第９Ｂ図に示した所定のアルゴリズムによ
つ演算回路１１で処理され、これによつて前述の
β(x)、α₀(x)、α（、ｘ）を求め、これらの値を
メモリ１２へ蓄積する。このメモリ１２内のβ
(x)、α₀(x)あるいはα（、ｘ）を必要に応じて選
択し、Ｄ／Ａ変換器１３でアナログ化し、映像出
力増幅回路１４へ入力し、表示部１５へ可視画像
として出力する。

生体４におけるβ(x)、α₀(x)あるいはα（、ｘ）
を測定したい関心領域は、表示部１５へ展開され
た生体４のＢモード像２００（第１０図）上にお
いてたとえば枠２０２で示すように、関心領域設
定回路１６によつて設定される。すなわち従来行
なわれているように、Ｂモード像は、走査部８に
よつて探触子１を被測定物体４上に走査し、Ａモ
ード信号を収集することによつて得られる。走査
の方法は、メカニカル・セクタ、コンパウンドス
キヤン、リニア電子スキヤンおよびセクタ電子ス
キヤン等、多くの方式がある。しかしそれらの詳
細については本発明に直接関係ないので、ここで
は説明を省略する。このような走査で得られたエ
コー信号は、受信回路７を通り、対数増幅回路１
８によつて対数増幅され、検波回路１９および
STC回路２０によつてSTC補正を受ける。STC
補正されたエコー信号は、メモリ２１に蓄積さ
れ、映像出力増幅回路１４によつて表示部１５へ
Ｂモード像として展開される。このＢモード像を
出力する各回路の動作は公知であるので、説明を
省略する。

ところでメモリ２１への書き込み（入力）を停
止し、このメモリ２１内の情報を繰返し出力（再
生）すれば、フリーズＢモード像が表示部１５へ
展開される。このフリーズ像２００上において、
第１０図のように、α（、ｘ）、α₀(x)、β(x)を測
定したい関心領域２０２を関心領域設定回路１６
で指定する。指定法は、設定回路１６の操作部
（図示せず）を操作して例えば第１０図のように
関心領域の区間を枠２０２で指定すればよく、こ
の方法は、いわゆるキヤリパ計測による２点間の
距離測定法に類似したものである。

次に、演算回路１１で実行されるα（、ｘ）、
α₀(x)、β(x)を測定するアルゴリズムについて、第
９Ａ図および第９Ｂ図のフローチヤートに従つて
詳細説明を行う。第９Ａ図および第９Ｂ図の左側
のフローチヤートに対応して、右側にその処理結
果がグラフなどで示されている。また演算回路１
１の機能ブロツクが第１１図に示されている。

まず加算平均処理部５０では、メモリ１０から
読み出した受信信号を指定区間について加算平均
を行う（300、302）。次に検波処理部５１で上記
加算平均された受信信号１０００を検波する
（304）。次に高周波成分抽出部５２では、受信信
号１００１の高周波成分のみを抽出した受信信号
１００２を作り、所定レベルL₀以上の受信信号
１００３に変換する（306）。次に極大値検出部５
３では、受信信号１００３の極大値の位置２００
０〜２００３を検出する（308）。

次にエコー強度算出部５４では、検出された極
大値２０００〜２００３のうちで指定区間の始め
と終りの位置に最も近い極大値２０００および２
００３を決定し、この位置に対応した受信信号１
０００の波形について所定巾のハミングウインド
ウをかけて高速フーリエ変換（FFT）を実行し、
Ｉ（、ｘ）を求める（310）。

そこで探触子１による音場特性を較正するため
に、規格部５６では、前述のようにして標準媒質
１００または１００ａなどで求めたＪ（、ｘ）
でＩ（、ｘ）を規格化し、I^（、ｘ）を与える
（312）。生体４の音速C₀を一定、たとえばC₀＝
1530ｍ／ｓと仮定しているので、x₁＝ct₁、x₂＝
ct₂でx₁、x₂が得られる。

次に、前述したように周波数₁、₃における指
定区間での超音波減衰係数の平均値H₂及び₁、
₂、₃にける同平均値に比例する量H₃が減衰係
数算出部５７で求められる（314、316）。このH₂
およびH₃よりさらに、目的のβ(x)、α（、ｘ）
およびα₀(x)が次に求められる（318、320）。これ
らのH₂、H₃、β(x)、α₀(x)およびα（、ｘ）の
値がメモリ１２へ入力され、映像出力増幅器１４
を通つて表示部１５へ出力され、メモリ２１から
読み出されたＢモード画像と共に表示部１５に併
示される。H₂、H₃、およびα（、ｘ）は
〔Neper／cm〕の単位で表現されるが、必要に応
じて演算回路１１内で〔dB／cm〕の単位に変換
してもよい。又は、β(x)も表示可能である。α₀(x)
も〔dB／cm・ＭHz〕の単位で表示できる。

ところで本発明による第２の表示モードでは、
指定区間のみの減衰係数を測定するのではなく、
全画面に対して単位画素（区間）当りのH₂、
H₃、β(x)、α₀(x)およびα（、ｘ）を測定し、そ
の分布を画像として表示することができる。これ
は、第１２図ように画像の各単位画素Δsに対し
て前記と同様のアルゴリズムを適用すれば、可能
となる。この分布像は当然、Ｂモード像に比べて
空間分解能は劣化するが、表示している情報とし
ては、従来全く測定できなかつた減衰係数に関す
る情報が得られることが根本的な相違点となつて
いる。

本実施例では探触子１として広帯域探触子を使
用したが、特開昭56−147082に記載してあるよう
に、複数の異る周波数帯域を有する探触子を使用
してもよい。

発明の具体的効果以上のように本発明によれば、複数の異なる周
波数で被測定物体からのエコー強度を測定し、こ
れによつて被測定物体の減衰係数および減衰係数
の周波数依存性を近似的に測定することができ、
またこれらの値の分布像を得ることができる。よ
つて、従来の形態学的な情報しか得られなかつた
超音波断層測定方法および装置と異なり、被測定
物体の減衰に関する定量的情報を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の基本的な原理を
説明するための説明図、第３図、第４図および第
５図は本発明の実施例に使用する超音波探触子の
校正を説明するための説明図、第６図は本発明に
よる超音波測定方法を実現する装置の実施例を示
すブロツク図、第７図および第８図は、第６図に
示す実施例の作動説明に使用するパルス波形を示
す波形図、第９Ａ図および第９Ｂ図は、第６図に
示す実施例の装置の動作アルゴリズムを示す説明
フロー図、第１０図は、第６図に示す実施例の装
置で表示される超音波段層映像の例を示す図、第
１１図は、第６図に示す実施例の装置における演
算回路の機能的構成を示す機能ブロツク図、第１
２図は、第６図に示す実施例の装置の他の表示モ
ードを説明するための説明図である。主要部分の符号の説明、１……超音波探触子、
１０，１２，２１……メモリ、１１……演算回
路、１５……表示部、１６……関心領域設定回
路、１８……対数増幅回路、２０……STC回路、
５０……加算平均処理部、５２……高周波成分抽
出部、５３……極大値検出部、５４……エコー強
度算出部、５５……指定区間距離算出部、５６…
…規格化部、５７……減衰係数算出部。

Claims

【特許請求の範囲】１複数の異なる周波数の超音波パルスを被測定
物体に送信し、該物体内より反射された超音波パ
ルスのエコーを検出し、該検出された複数の周波
数のエコーを情報処理することによつて該物体の
超音波特性に関する定量的な情報を得る超音波測
定方法において、 (a) 所望の指定区間にて物体内より反射された少
なくとも３つの周波数f₁、f₂、f₃のエコー信号
を走査した方位方向にわたつて加算平均する工
程。 (b) 前記工程(a)にて加算平均された信号を検波す
る工程と、 (c) 前記工程(b)にて検波された信号の低周波成分
を除去するために高周波通過フイルタを通して
所定レベル以上の信号を抽出する工程と、 (d) 前記工程(c)にて抽出された信号の極大値の位
置を検出する工程と、 (e) 前記工程(d)にて検出された極大値のうち、前
記指定区間の始めの位置（x₁）と終りの位置
（x₂）にそれぞれ最も近い極大値に対応した信
号の波形について所定幅のハミングウインドウ
を乗算して高速フーリエ変換を行ない、その信
号のそれぞれの周波数f₁、f₂、f₃における反射
強度Ｉ（f₁、x₁）、Ｉ（f₂、x₁）、Ｉ（f₃、x₁）、Ｉ
（f₁、x₂）、Ｉ（f₂、x₂）、Ｉ（f₃、x₂）を求める工
程と、 (f) 前記工程(e)にて求めたそれぞれの信号の反射
強度Ｉ（f₁、x₁）…Ｉ（f₃、x₂）を標準媒質で求
めた信号の反射強度Ｊ（ｆ、ｘ）にて規格化し
て規格化反射強度I^（f₁、x₁）…I^（f₃、x₂）を求
める工程と、 (g) 前記工程(f)にて求めた規格化反射強度のう
ち、２つの周波数f₁、f₃について、次式(1)によ
り平均値H₂を求める工程と、 H₂＝［（f₃＋f₁）／｛８・（x₂−x₁）・（f₃−f₁）｝］
・1n［｛I^（f₃、x₁）／I^（f₃、x₂）｝／｛I^（f₁、x₁）／I^（f₁、x₂）｝ ……(1) ただし、1nは自然対数 (h) 前記工程(f)にて求めた規格化反射強度のう
ち、３つの周波数f₁、f₂、f₃について、次式(2)
により平均値H₃を求める工程と、 H₃＝−Ａ／｛４・（x₂−x₁）｝・［1n｛I^（f₁、x₂）／
I^（f₁、x₁）｝・1n（f₂／f₃）＋1n｛I^（f₂、x₂）／I^（f₂、x₁）｝・1n（f₃／f₁）＋1n｛I^（f₃、x₂）
／I^（f₃、x₁）｝・1n（f₁／f₂）］……(2) ただし、Ａ＝２／｛1n（f₁／f₂）・1n（f₂／
f₃）・1n（f₁／f₃）｝ (i) 前記工程(g)、(h)にて求めた平均値H₂、H₃か
ら減衰係数α（ｆ、ｘ）、α₀(x)およびその周波数
依存性β(x)をそれぞれ下表(3)〜(5)にて求める工
程とを含むことを特徴とする超音波測定方法。 β(x)＝H₃／H₂ ……(3) α（ｆ、ｘ）＝（H₂）²／H₃ ……(4) α₀(x)＝α（ｆ、ｘ）／f〓(x) ……(5) ２複数の異なる周波数の超音波パルスを被測定
物体に送信する手段と、該物体内より反射された
超音波パルスのエコーを検出する手段と、検出さ
れた複数の周波数のエコーを情報処理し、該物体
の超音波特性に関する定量的な情報を得る手段
と、該得られた定量的な情報を表示する手段とを
有する超音波測定装置において、 (a) 所望の指定区間にて物体内より反射された少
なくとも３つの周波数f₁、f₂、f₃のエコー信号
を走査した方位方向にわたつて加算平均する加
算平均手段と、 (b) 前記工程(a)にて加算平均された信号を検波す
る検波手段と、 (c) 前記検波手段にて検波された信号の低周波成
分を除去するために高周波通過フイルタを通し
て所定レベル以上の信号を抽出する高周波成分
抽出手段と、 (d) 前記高周波成分抽出手段にて抽出された信号
の極大値の位置を検出する極大値検出手段と、 (e) 前記極大値検出手段にて検出された極大値の
うち、前記指定区間の始めの位置（x₁）と終り
の位置（x₂）にそれぞれ最も近い極大値に対応
した信号の波形について所定幅のハミングウイ
ンドウを乗算して高速フーリエ変換を行ない、
その信号のそれぞれの周波数f₁、f₂、f₃におけ
る反射強度Ｉ（f₁、x₁）、Ｉ（f₂、x₁）、Ｉ（f₃、
x₁）、Ｉ（f₁、x₂）、Ｉ（f₂、x₂）、Ｉ（f₃、x₂）を
求めるエコー強度算出手段と、 (f) 前記エコー強度算出手段にて求めたそれぞれ
の信号の反射強度Ｉ（f₁、x₁）…Ｉ（f₃、x₂）を
標準媒質で求めた信号の反射強度Ｊ（ｆ、ｘ）
にて規格化して規格化反射強度I^（f₁、x₁）…I^
（f₃、x₂）を求める規格化手段と、 (g) 前記規格化手段にて求めた規格化反射強度の
うち、２つの周波数について平均値H₂を求め、
さらに３つの周波数についての平均値H₃を求
めてこれら平均値H₂、H₃より、減衰係数α
（ｆ、ｘ）、α₀(x)およびその周波数依存性を求め
る減衰係数算出手段とを備えたことを特徴とす
る超音波測定装置。３前記減衰係数算出手段は、求めた規格化反射
強度のうち２つの周波数f₁、f₃について、次式(1)
により平均値H₂を求めることを特徴とする特許
請求の範囲第２項に記載の超音波測定装置。 H₂＝｛（f₃＋f₁）／８・（x₂−x₁）・（f₃−f₁）｝・1n
［｛I^（f₃、x₁）／I^（f₃、x₂）｝／｛I^（f₁、x₁）／I^（f₁、x₂）｝］ ……(1) ただし、1nは自然対数。４前記減衰係数算出手段は、求めた規格化反射
強度のうち３つの周波数f₁、f₂、f₃について次式
(2)により平均値H₃を求めることを特徴とする特
許請求の範囲第２項に記載の超音波測定装置。 H₃＝−Ａ／｛４・（x₂−x₁）｝・［1n｛I^（f₁、x₂）／
I^（f₁、x₁）｝・1n（f₂／f₃）＋1n｛I^（f₂、x₂）／I^（f₂、x₁）｝・1n（f₃／f₁）＋1n｛I^（f₃、x₂）
／I^（f₃、x₁）｝・1n（f₁／f₂）］……(2) ただし、Ａ＝２／｛1n（f₁／f₂）・1n（f₂／f₃）・
1n（f₁／f₃）｝５前記減衰係数演算出手段は、求めた平均値
H₂、H₃から減衰係数α（ｆ、ｘ）、α₀(x)およびそ
の周波数依存性β(x)をそれぞれ下式(3)〜(5)にて求
めることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
載の超音波測定装置。 β(x)＝H₃／H₂ ……(3) α（ｆ、ｘ）＝（H₂）²／H₃ ……(4) α₀(x)＝α（ｆ、ｘ）／f〓(x) ……(5)