JPH0525493B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 Ａ 技術分野 本発明はパルスエコー法に基づき被検体内部の
音響特性を測定する超音波断層測定方法およびそ
の装置の改良に関する。

Ｂ 先行技術とその問題点 超音波の透過・反射特性を利用した超音波診断
装置は、生体を解剖することなくその断層像を実
時間で観察することができる装置として近年、医
療分野において広く利用されている。この超音波
診断装置は、一般に、パルスエコー法を用いてお
り、被検体に超音波パルスを発射し、この超音波
パルスが被検体内部の音響インピーダンスの不連
続点で反射したエコーを検出し、たとえばＢモー
ドによる二次元像を表示するようにしている。こ
の場合、エコーは超音波トランスジユーサから対
象となる音響インピーダンスの不続点までの間を
往復する際に通過領域での減衰や反射の影響を受
けるので、従来はSTC回路で途中の減衰分を補
償し近似的に実用化を図つていた。

けれども、生体断層の質的状態を含めた正確な
診断を行なう各層の音響インピーダンスそのもの
を測定し表示することが必要であるが、上記従来
の方法では、エコーに対する通過部分の減衰分の
補償が十分でないばかりか、エコーには未だ途中
の反射による影響が混在しており、従つて、エコ
ー源の位置情報の他は断層像を読む人の判断を加
えた診断に頼らざるを得ず、熟練を要し診断の迅
速性および再現性に欠けるという問題があつた。

これに対し、複数の周波数成分を含む超音波を
発生し、周波数成分別の反射パルスの振幅を関連
させて近似的な減衰係数を測定する方法が提案さ
れているが（特開昭49−38490号公報）、得られる
情報に限りがあり、音響インピーダンス値自体を
直接測定することのできる方法及び装置の実用化
が待ち望まれていた。

発明の目的 したがつて本発明は、被検体の音響インピーダ
ンスを直接測定することができ、対象の状態を迅
速で正確に把握することが可能な超音波断層測定
装置を提供することを目的とする。

本発明によれば次のような超音波断層測定装置
が提供される。すなわち、この超音波断層装置
は、複数の周波数成分を含む超音波を音響特性の
既知媒質を通して物体に送波し、この物体で反射
した超音波を既知媒質を通して受波する超音波送
受手段と、この超音波送受手段で受波した反射波
の複数の周波数成分の各々の振幅を検出する検出
手段と、第１層である既知媒質と第２層である前
記物体の表面との境界面における反射係数を既知
媒質の音響特性及び境界面からの反射波の振幅減
衰比より求め、第２層以下の層とみなされる前記
物体内について、(イ)反射波の周波数成分毎の振幅
減衰比の比から吸収係数を求め、(ロ)前層の反射係
数から音響インピーダンス及び層間の透過係数を
求め、(ハ)上記(イ)，(ロ)で求めた音響特性及び前層の
反射係数並びに反射波の振幅減衰比から反射係数
を求めることによつて各層の音響インピーダンス
を測定する測定手段とを具備する。

本発明の一つの態様によれば測定手段は、音響
インピーダンスの輝度変調により表示手段に表示
させる。

本発明の他の態様によれば、測定手段は、物体
内の関心領域の測定を複数回行い、その加算平均
より音響インピーダンスを求め、関心領域外の反
射波信号とともに合成して輝度変調し表示手段に
表示させる。

発明の具体的説明 次に添付図面を参照して本発明の超音波断層測
定方法およびその装置を詳細に説明する。

第１図は本発明の原理を説明するための模式図
であり、トランスジユーサ１０の出力方向に位置
した対象１２が直列に積層された複数の層、即ち
第１層、第２層、…、第ｋ、第ｋ＋１層、第ｎ層
で構成されており、対象１２の左端側が第ｏ層と
してのトランスジユーサ１０、右端側が第ｎ＋１
層としての外部媒質質１４となつている。対象１
２の各層は、厚さx₁〜x_o、吸収係数α₁（）〜α_o
（）、音響インピーダンスZ₁〜Z_oを有するものと
する。又、第ｉ層と第ｉ＋１層の境界面での反射
係数および透過係数をR_i,i+1およびT_i,i+1（但し、ｉ
＝１〜ｎ）とすると、トランスジユーサ１０側か
ら音圧振幅V₀（）で周波数の超音波パルスを
発射したとき、第ｋ層と第ｋ＋１層との境界で反
射し再びトランスジユーサ１０に到着する超音波
の音圧振幅V_k（）は、 V_k（）＝V₀（）_k 〓ⁱ⁼¹ T_i-1,i・_k 〓ⁱ⁼¹ T_i,i-1・R_k,k+1 ・exp〔−２_k 〓ⁱ⁼¹ α_i（）x_i〕 ……(1) の一般式で与えられる。なお、各層での多重反射
の影響は極めて弱いので無視してあり、吸収係数
は例えば対象１２が軟組織の場合、添字をｋに置
き換えて α_k（）＝β_k・ ……(2) の線形と仮定でき、また、各層中の音速は略一定
値C₀（生体では約1500ｍ／ｓ）なため、層の厚さ
は第ｋ−１層からのエコーと第ｋ層からのエコー
の時間差t_kに対し x_k＝（C₀・t_k）／２ ……(3) で表わされ測定可能な量となる。反射係数と透過
係数は音響インピーダンスＺを用いて R_k,k+1＝（Z_k+1−Z_k）／（Z_k+1＋Z_k） ……(4) T_k,k+1＝2Z_k+1／（Z_k+1＋Z_k） ……(5) T_k+1,k＝2Z_k／（Z_k＋Z_k+1） ……(5a) と表わすことができ、いずれも周波数に依存しな
いと考えてよい。

ここで、相隣接する境界面からの反射パルスの
振幅（音圧）比は、 K^k+1 _k≡V_k+1（）／V_k（） ＝T_k,k+1・T_k+1,k・ （R_k+1,k+2／R_k,k+1） ・exp〔−2α_k+1（）・ x_k+1〕 ……(6) となる。２つの周波数₁，₂に対して更に(6)式で
得た値の比をとりこれをK^k+1 _k（₁，₂）とすれば K^k+1 _k（₁，₂） ≡V_k+1（₁）／V_k（₁）／V_k+1（₂）／V_k（₂） ＝exp｛−２〔α_k+1（₂） −α_k+1（₁）〕・x_k+1｝ ……(7) となり、更に両辺の対数とすることによつて α_k+1（₂）−α_k+1（₁） ＝１／2x_k+1ln〔K^k+1 _k（₁，₂）〕 ……(8) を得る。(2)式のα_k（）＝β_k・の関係より β_k+1＝１／₂−₁・１／2x_k+1ln〔K^k+1 _k（₁，
₂）〕 ……(9) となり、予め₁，₂を定めておけば、反射エコー
の振幅からK^k+1 _k（₁，₂）を検出し(3)式を用いる
ことにより、当該β_k+1を求めることができる。

けれどもここまでの展開では、原理的に第１層
のα₁（）を求めることはできず、また、各層の
反射係数、透過係数並びに音響インピーダンスを
知ることは不可能である。そこで本発明は次に述
べる工夫を加えてこれらの音響インピーダンス等
の測定を可能にしている。

即ち、第２図に示すように第１層を音響特性の
既知な媒質１６とし、第２層以後を生体などの被
検体１８とする。

第２層左端の生体表面からの反射パルスの振幅
は、(1)式より V₁（）＝V₀（）・T_0,1・T_1,0・R_1,2・exp〔−2α₁
（）x₁〕 …(10) である。トランスジユーサ１０及び第１層の音響
特性が既知なのでT_0,1，T_1,0，α₁（），x₁は予め
知ることができ、又、V₀（）についても、例え
ば水中での完全反射体に対するエコーの振幅から
測定できるので、V₁（）を観測すれば次式より
R_1,2を得ることができる。

R_1,2＝V₁（）／V₀（）・T_0,1・T_1,0・exp〔−2α₁
（）・x₁〕 …(11) 次に第２層の後境界からの反射パルスの振幅
V₂（）が測定できたとき、V₁（）と合わせて
２つの周波数₁，₂に対し(7)式の K² ₁（₁，₂）＝V₂（₁）／V₁（₁）／V₂（₂）／
V₁（₂）……(12) を計算しこの値を(9)式に代入することによりβ₂が
求まり、更に２式の関係からα₂が得られる。一
方、(4)式からR_1,2＝（Z₂−Z₁）／（Z₂＋Z₁）が成
立するので、既知のZ₁及び(11)式で求めたR_1,2から
次式によつてZ₂を計算できる。

Z₂＝Z₁（１＋R_1,2）／（１−R_1,2） ……(13) ここでZ_k+1を求める一般式は(4)式から Z_k+1＝Z_k（１＋R_k,k+1）／（１−R_k,k+1） ……(14) 更に、Z₁及び上式で得たZ₂を(5)，(5a)式に代入
すればT_k,k+1，T_k+1,kを求めることができる。Ｒ
は６式を変形して一般式が R_k+1,k+2＝V_k+1（）・R_k,k+1 ・exp〔2α_k+1（）・x_k+1〕／V_k（）・
T_k,k+1・T_k+1,k ……(15) と表わされ、この(14)式のｋ＝１とし、今までに求
めた値及び(3)式から得たx₂を代入して、次式から
R_2,3を計算できる。

R_2,3＝V₂（）・R_1,2 ・exp〔2α₂（）・x₂〕／ V₁（）・T₁₂・T₂₁ ……(16) 以下、第３層、第４層、…についても逐次同様
の手順で計算して行くことにより、各層の音響イ
ンピーダンスを含む音響特性を測定することが可
能となる。

次に、第３図により上記動作原理に基づいて構
成された本発明の一実施例に係る超音波診断装置
を説明する。同図において、電気−音響の相互変
換を行なうトランスジユーサ１０に送信回路２０
及び受信回路２２が接続されている。送信回路２
０は、制御回路２４から送られるパルス発生タイ
ミング信号に付勢されてトランスジユーサ１０を
パルス駆動し、トランスジユーサ１０から、例え
ば第４図の送波パルスＰに示す如く複数の周波数
成分を含む超音波パルスを発生させるようになつ
ている。トランスジユーサ１０から発射された超
音波パルスは既知媒質としての脱気水２６を介し
て生体２８又は第５図、第６図に示す完全反射体
３０へ伝搬し、生体２８の組織境界又は完全反射
体３０で反射されたパルスが再びトランスジユー
サ１０に受波され電気信号に変換される。

ここで、前記既知媒質は脱気水２６を用いる
他、超音波の吸収係数が小さく、音響特性の経時
変化及び温度依存性が少ない等の条件を満たせば
他の媒質を用いてもよい。

完全反射体３０は、生体２８が浸漬される脱気
水２６中にトランスジユーサ１０を対向して固定
配置されており、トランスジユーサ１０から入射
した超音波パルスを垂直に、かつ、実質的に内部
吸収することなく完全に反射する機能を有する。
この完全反射体３０によつてパルスの往復時間か
ら脱気水中での音速を求め、水温データ等と合わ
せて脱気水の音響インピーダンスZ₁、吸収係数α₁
を測定し、又、反射パルス振幅からトランスジユ
ーサ１０の出力音圧V₀を測定し、更に、トラン
スジユーサ１０の既知音響特性と合わせて透過係
数T_0,1，T_1,0を測定することができる。

受信回路２２は、トランスジユーサ１０から送
られる受波信号に、過大入力を防止するためリミ
ツタを掛けるともに前置増幅を行なう。受信回路
２２の出力側には、対数増幅回路３２を介してＡ
−Ｄ変換器３４が接続されており、このＡ−Ｄ変
換器３４でデイジタル信号に変換されたエコー原
信号（いわゆるＡモード信号）が音響インピーダ
ンス抽出部３６へ送出されるようになつている。
対数増幅回路３２は、Ａ−Ｄ変換器３４のダイナ
ミツクレンジを縮少し、データ処理を容易に行な
わせるためのものである。対数増幅回路３２の出
力は、STC回路３３へも分岐され、これによつ
てSTC補正を受け、検波回路３５によつて検波
されてＢモード断層像を示す映像信号として
CRTモニタ４９に供給される。

音響インピーダンス抽出部３６は、Ａ−Ｄ変換
器３４の出力側に接続されたＡモード信号格納用
の第１のメモリ３８と、このメモリ３８の出力側
に並列接続された第１層である脱気水２６及びト
ランスジユーサ１０と脱気水２６間の所定の音響
特性を測定する初期データ決定部４０、Ａモード
信号の極大位置を検出し各層の反射点を求める極
大位置検出部４２、各極大位置を中心にＡモード
信号の周波数分析を行ない反射パルスの振幅を求
める周波数分析部４４と、初期データ決定部４
０、極大位置検出部４２、周波数分析部４から送
られる各種データに基づき所定の手順に従つて演
算を行ない音響インピーダンスを求める逐次演算
部４６と、この逐次演算部４６の出力側に接続さ
れた音響インピーダンス格納用の画面バツフアと
しての第２のメモリ４８及び音響インピーダンス
抽出部３６の各部の制御を行なう制御部２４とか
ら構成されている。この音響インピーダンス抽出
部３６は例えばマイクロコンピユータシステムを
用いて構成することができる。

音響インピーダンス抽出部３６の出力側には表
示部としてのCRTモニタ装置４９が接続されて
おり、第２のメモリ４８から読み出された音響イ
ンピーダンスが輝度変調されＢモード像として表
示されるようになつている。この表示は輝度の階
調により色分けしたカラー画像の形をとつてもよ
い。

トランスジユーサ１０は制御部２４の制御を受
けて、超音波パルスの送受をくり返しながら所定
速度で走査方向１００に機械送りされるように構
成されており、これにより、生体２８の横断幅よ
りやや広い範囲がリニアスキヤンされる。反射パ
ルスのＡ−４変換や音響インピーダンスの測定は
各走査線に対し行なわれ第２メモリ４８には二次
元の音響インピーダンスが格納される。そして、
制御部２４でCRTモニタ装置５０の表示タイミ
ングと同期をとりながら第２のメモリ４８から読
み出され二次元の音響インピーダンス分布像（断
層像）として表示されるようになつている。

発明の具体的作用 次に、上記実施例の全体的動作を第７図に示す
フローチヤートに従つて説明する。

例えば乳房検診を行なう場合、まず、第５図、
第６図に示すように、既知媒質としての脱気水２
６中の完全反射体３０及びトランスジユーサ１０
の間でトランスジユーサ１０の可動範囲内
に、被検体としての乳房２８を断層像を得ようと
する所定の深さに浸漬する。続いて装置全体を稼
動し、水中のトランスジユーサ１０を第６図の縦
方向にＡ点からＤ点まで直線的に一定速度で移動
しながら、例えば基本周波数成分₁および２倍の
₂（＝2₁）を含む超音波の送受をくり返しの
範囲を所定ピツチで平行に走査して多数の走査線
に関するＡモード信号を得〔50〕対数増幅回路３
２で圧縮したのちＡ−Ｄ変換器３４でデイジタル
信号に変換し第１のメモリ３８へ格納する〔51〕。
初期データ決定部４０は第１のメモリ３８に格納
された情報の内、第６図の及び領域（及
び）の走査線に係るＡモード信号を続出し、
各走査線の加算平均を行なつたのち反射波パルス
Ｑ（第４図参照）のピークを検出する。送波タイ
ミングから受波タイミングまでの時間Ｔ及びトラ
ンスジユーサ１０と完全反射体３０との距離Ｌか
ら2L／Ｔを計算して脱気水２６中の音速Ｃを求
め、予め入力された脱気水温度やトランスジユー
サ１０の特性及び反射パルス振幅から第１層（脱
気水）のZ₁，α₁（）、並びにトランスジユーサ１
０と脱気水間のT_0,1，T_1,0及び出力音圧V₀（）
を測定する〔52〕。測定した各初期データは逐次
演算部４６へ送出される。

次に、極大位置検出部４２が第１のメモリ３８
の格納データの内、第６図の領域（断層領域）
の注目する一の走査線を含む両隣りの所定数の走
査線にわたるＡモード信号を読出し、方位方向の
加算平均をとる〔54〕。この加算平均したＡモー
ド信号を検波し〔56〕、高域通過フイルタを通し
て低周波成分を除去したのち〔58〕、抽出したＡ
モード信号の内所定レベル以上のピーク位置を検
出し層の境界とし(3)式x_k＝C₀t_k／２の関係からx₁
〜x_oを求める〔60〕。ここで、ｎの値は、注目す
る走査線によつて変化する。求めた、ピーク位置
情報及びx₁〜x_oの値は、周波数分析部４４及び逐
次演算部４６へ送出される。

周波数分析部４４は、第１のメモリ３８から
領域の前記注目する走査線に係るＡモード原信号
を読み出し逆対数変換を行い、極大位置検出部４
２で検出したピーク位置を中心に例えば所定幅の
ハミングウインドウを掛けてFFT（高速フーリエ
変換）を実行する。

これにより反射波パルスの振幅V₁（）〜V_o
（）を求め逐次演算部４６へ送出する〔62〕。こ
の逐次演算部４６は、初期データ決定部４０から
送られる初期データと極大位置検出部４２から送
られるx₁及び周波数分析部４４から送られるV₁
（）に基づき(11)式からR_1,2を求める〔64〕。ここ
でｋ＝１としたあと〔66〕、極大位置検出部４２
から入力したx₂及び周波数分析部４４から入力し
たV₁（₁），V₁（₂），V₂（₁），V₂（₂）より(9
)式、
(7)式によつてβ₂を計算し〔68〕、(2)式の関係から
α₂を求める〔70〕。一方、ステツプ64で求めた
R_1,2に基づき(14)式よりZ₂を計算し〔72〕、このZ₂
及び初期データ中のZ₁から(5)，(5a)式によつて
T_1,2，T_2,1を得〔74〕、以上で求めた各音響特性
値を(15)式に代入してR_2,3を計算する〔76〕。ｋ＝
ｋ＋１とした後〔78〕、ｋと極大位置検出部４２
から送られるｎを比較し〔80〕ｋ＞ｎの場合は前
記ステツプ68へ戻り、次層の音響インピーダンス
を含む音響特性の計算を行なう。

ステツプ80の判断でｋ＝ｎとなつたときはステ
ツプ68〜80のフローを終わらせ各層につきステツ
プ72で求めた音響インピーダンスZ₂〜Z_oを第２の
メモリ４８へ格納する〔82〕。ステツプ54〜82の
操作を、注目する走査線の位置を１つづつ増しな
がら領域全体について行ない〔84〕、すべて終
了したところで第２のメモリ４８から音響インピ
ーダンスを読み出し輝度変調してCRTモニタ装
置５０にＢモード像として表示する〔86〕。これ
により、音響インピーダンスの二次元分布像を得
ることができる。

第８図は、超音波診断装置のトランスジユーサ
を電子走査型のプローブ９０とし、このプローブ
９０に接続した送信回路９２、受信回路９４によ
つてプローブ９０の複数の振動子を電気的に切換
えながら超音波パルスの送受を行ない、プローブ
９０を固定したままリニア走査をできる実施例を
示す。これは更に、受波信号を圧縮する対数増幅
回路９６の出力側に音響インピーダンス抽出部９
８と接続されるＡ−Ｄ変換器９７に並列して
STC回路１００、検波回路１０２から成る従来
と同様の受波信号処理部を接続し、この検波回路
１０２の出力側をＡ−Ｄ変換器１０４を介して音
響インピーダンス抽出部９８の出力側とともに映
像回路１０６と接続している。第９図に示す生体
２８内の関心領域Ｒについては複数回の走査を加
算平均したＡモード信号から求めた音響インピー
ダンス分布像、関心領域Ｒ以外については１回の
走査でSTC回路１００、検波回路１０２を通し
て従来のＢモード像となるようCRTモニタ装置
１０８上に表示する画面の合成を可能としてい
る。これによつて関心領域Ｒ部分にＳ／Ｎ比の良
好な音響インピーダンス像を浮き上がらせて診断
者に画像を見やすくし、かつ、全体の計算量を減
らして処理時間の短縮を図ることができる。

なお上記実施例では被検査対象を生体とした
が、本発明は超音波を通す一般の物体に適用でき
ることは言うまでない。

発明の具体的効果 本発明の超音波断層測定装置によれば、被検体
とトランスジユーサの間に音響特性の既知媒質を
介在させることで被検体各層の音響インピーダン
スを求めることができ、質的に正確な読取りを迅
速に行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するためのトラン
スジユーサ及び対象媒質を示す模式図、第２図は
第１図の一部を実際の測定に合わせて具体化した
模式図、第３図は本発明の超音波断層測定装置を
実現する超音波診断装置の一実施例を示すブロツ
ク図、第４図は第３図の一部に係るトランスジユ
ーサで送受される波形図、第５図はトランスジユ
ーサと被検体との位置関係を示す概略縦断面図、
第６図は第５図の横断面図、第７図は第３図に示
す装置の全体的な動作手順を示すフローチヤー
ト、第８図は本発明の他の実施例に係る超音波診
断装置を一部省略して示すブロツク図、第９図は
第８図の一部に係るプローブの走査範囲を示す説
明図である。 主要部分の符号の説明、１０…トランスジユー
サ、２０，９２…送信回路、２２，９４…受信回
路、２６…脱気水、２８…生体、３６，９８…音
響インピーダンス抽出部、４９，１０８…CRT
モニタ装置、９０…電子走査型プローブ、１００
…STC回路、１０２…検波回路、１０６…映像
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の周波数成分を含む超音波を、音響特性
   の既知媒質を通して物体に送波し、該物体で反射
   した超音波を該既知媒質を通して受波する超音波
   送受手段と、 該超音波送受手段で受信した反射波の複数の周
   波数成分の各々の振幅を検出する検出手段と、第
   １層である前記既知媒質と第２層である前記物体
   の表面との境界における反射係数を該既知媒質の
   音響特性及び該境界面からの反射波の振幅減衰比
   より求め、第２層以下の層とみなされる前記物体
   内について、 (イ) 反射波の周波数成分毎の振幅減衰比の比から
   吸収係数を求め、 (ロ) 前層の反射係数から音響インピーダンス及び
   層間の透過係数を求め、 (ハ) 上記(イ)，(ロ)で求めた音響特性及び前層の反射
   係数並びに反射波の振幅減衰比から反射係数を
   求め、 これによつて各層の音響インピーダンスを測定
   する測定手段とを備えたことを特徴とする超音波
   断層測定装置。 ２ 前記測定手段は、前記音響インピーダンスを
   輝度変調により表示手段に表示させることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超音波断層測
   定装置。 ３ 前記測定手段は、前記物体内の関心領域の測
   定を複数回行ない、その加算平均より前記音響イ
   ンピーダンスを求め、関心領域外の反射波信号と
   ともに合成して輝度変調し表示手段に表示させる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
   音波断層測定装置。