JPH0570769B2 - - Google Patents
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- JPH0570769B2 JPH0570769B2 JP61268662A JP26866286A JPH0570769B2 JP H0570769 B2 JPH0570769 B2 JP H0570769B2 JP 61268662 A JP61268662 A JP 61268662A JP 26866286 A JP26866286 A JP 26866286A JP H0570769 B2 JPH0570769 B2 JP H0570769B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/523—Details of pulse systems
- G01S7/526—Receivers
- G01S7/527—Extracting wanted echo signals
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/52—Devices using data or image processing specially adapted for diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/5215—Devices using data or image processing specially adapted for diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves involving processing of medical diagnostic data
- A61B8/5223—Devices using data or image processing specially adapted for diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves involving processing of medical diagnostic data for extracting a diagnostic or physiological parameter from medical diagnostic data
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H5/00—Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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- G01S7/52017—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00 particularly adapted to short-range imaging
- G01S7/52023—Details of receivers
- G01S7/52036—Details of receivers using analysis of echo signal for target characterisation
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H50/00—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics
- G16H50/30—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for calculating health indices; for individual health risk assessment
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、生体内に超音波を送受波し、生体内
組織の音響特性が温度依存することを利用して温
度を推定する超音波測温装置に関するものであ
る。
組織の音響特性が温度依存することを利用して温
度を推定する超音波測温装置に関するものであ
る。
従来の技術
生体内の情報を超音波を用いて得る方式として
は超音波診断装置がある。超音波診断装置は生体
内に超音波を送受し、生体内からの反射波より生
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。パルス反射法は生体内の音響イ
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次元的に集め表示することで断層像を
得るものである。しかし近年、おもに生体組織の
形状判断を行う超音波診断装置に対し、生体内組
織形状以外の情報も得たいという要望も高まつて
いる。このような情報の例として生体内温度があ
る。生体内の温度情報が得られれば、癌の温熱療
法における温度モニタが可能になる。生体内の温
度変化は、例えば生体内での超音波減衰の大きさ
や音速等の温度変化を計測し、予め調べておいた
生体組織内の超音波の減衰や音速等の温度依存係
数と比較することにより推定することが可能であ
る。しかし生体組織の多くは不均質な散乱体で構
成されており、これら減衰や音速等の情報を生体
内で得ることは容易ではない。例えば超音波パル
ス反射法により生体組織内の超音波減衰を求める
場合には、反射エコーの周波数分析が行われる
が、分析結果に含まれる生体組織の超音波散乱特
性が極めて大きな周波数依存特性を有し、このた
めこの分析結果から音波減衰特性を正確に得るこ
とは難しい。この散乱特性の影響を軽減する方法
として例えばプロシーデイングスオブザアイイー
イーイー：PROCEEDINGS OF THE IEEE、
Vol.73、No.７、1985、1159〜1168頁に記載されて
いる構成が知られている。以下、第４図を参照し
て従来の減衰特性測定法について説明する。
は超音波診断装置がある。超音波診断装置は生体
内に超音波を送受し、生体内からの反射波より生
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。パルス反射法は生体内の音響イ
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次元的に集め表示することで断層像を
得るものである。しかし近年、おもに生体組織の
形状判断を行う超音波診断装置に対し、生体内組
織形状以外の情報も得たいという要望も高まつて
いる。このような情報の例として生体内温度があ
る。生体内の温度情報が得られれば、癌の温熱療
法における温度モニタが可能になる。生体内の温
度変化は、例えば生体内での超音波減衰の大きさ
や音速等の温度変化を計測し、予め調べておいた
生体組織内の超音波の減衰や音速等の温度依存係
数と比較することにより推定することが可能であ
る。しかし生体組織の多くは不均質な散乱体で構
成されており、これら減衰や音速等の情報を生体
内で得ることは容易ではない。例えば超音波パル
ス反射法により生体組織内の超音波減衰を求める
場合には、反射エコーの周波数分析が行われる
が、分析結果に含まれる生体組織の超音波散乱特
性が極めて大きな周波数依存特性を有し、このた
めこの分析結果から音波減衰特性を正確に得るこ
とは難しい。この散乱特性の影響を軽減する方法
として例えばプロシーデイングスオブザアイイー
イーイー：PROCEEDINGS OF THE IEEE、
Vol.73、No.７、1985、1159〜1168頁に記載されて
いる構成が知られている。以下、第４図を参照し
て従来の減衰特性測定法について説明する。
第４図において、１は被検体、２は被検体１に
対して超音波の送受信を行う超音波探触子、３は
超音波探触子２を駆動するパルス駆動器、４は超
音波探触子２の受信信号を増幅する増幅器、５は
増幅器４の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換器、６はＡ／Ｄ変換器５の出力に対し、周波
数分析等の処理を行うCPUである。
対して超音波の送受信を行う超音波探触子、３は
超音波探触子２を駆動するパルス駆動器、４は超
音波探触子２の受信信号を増幅する増幅器、５は
増幅器４の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換器、６はＡ／Ｄ変換器５の出力に対し、周波
数分析等の処理を行うCPUである。
以上のような構成において、以下その動作につ
いて説明する。
いて説明する。
まずパルス駆動器３により駆動パルスが送出さ
れ、超音波探触子２に加えられ、超音波探触子２
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１の中を伝搬しながら組織の音響的質
の変化に対応して次々に散乱され、その一部は伝
搬経路すなわち音響走査線上を逆行して超音波探
触子２に戻り、受信信号に変換される。この伝搬
や散乱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
信号は増幅器で増幅され、Ａ／Ｄ変換器５でデジ
タル信号に変換され、CPU６において周波数分
析等の信号処理がなされ、減衰特性が計算され
る。減衰特性の計算は次のように行われる。ま
ず、被検体１内の特定の深さａに対応する受信信
号ｈ(a)と深さｂに対応する受信信号ｈ(b)を抜取
る。抜取る信号の長さは被検体１内で例えば１
cm、時間に換算して13μs程度である。次に、ｈ(a)
とｈ(b)に対して周波数分析、例えばフーリエ変換
を行い、それぞれ周波数特性Ｈ（ａ、ω）、Ｈ（ｂ、
ω）を得る。ここでωは角周波数である。Ｈ（ａ、
ω）、Ｈ（ｂ、ω）は次のように表わすことができ
る。
れ、超音波探触子２に加えられ、超音波探触子２
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１の中を伝搬しながら組織の音響的質
の変化に対応して次々に散乱され、その一部は伝
搬経路すなわち音響走査線上を逆行して超音波探
触子２に戻り、受信信号に変換される。この伝搬
や散乱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
信号は増幅器で増幅され、Ａ／Ｄ変換器５でデジ
タル信号に変換され、CPU６において周波数分
析等の信号処理がなされ、減衰特性が計算され
る。減衰特性の計算は次のように行われる。ま
ず、被検体１内の特定の深さａに対応する受信信
号ｈ(a)と深さｂに対応する受信信号ｈ(b)を抜取
る。抜取る信号の長さは被検体１内で例えば１
cm、時間に換算して13μs程度である。次に、ｈ(a)
とｈ(b)に対して周波数分析、例えばフーリエ変換
を行い、それぞれ周波数特性Ｈ（ａ、ω）、Ｈ（ｂ、
ω）を得る。ここでωは角周波数である。Ｈ（ａ、
ω）、Ｈ（ｂ、ω）は次のように表わすことができ
る。
Ｈ（ａ、ω）＝Ｔ（ω）・Ｇ（ａ、ω）・Ｓ（ａ、ω
）
……(1) Ｈ（ｂ、ω）＝Ｔ（ω）・Ｇ（ｂ、ω）・Ｓ（ｂ、ω
）
……(2) 但し、Ｔ（ω）は超音波探触子２が発生する超
音波パルスの周波数特性、Ｇ（ａ、ω）は超音波
探触子２と被検体１の深さａの間を往復する際に
超音波が受ける伝搬特性、Ｓ（ａ、ω）は深さａ
における超音波の散乱特性である。散乱特性Ｓ
（ａ、ω）区Ｓ（ｂ、ω）が等しければ(1)，(2)式よ
り消去し絶対値をとることにより次式に示すよう
に、被検体１内の深さａと深さｂの間で超音波が
受ける減衰、Ｅ（ｂ、ａ、ω）が得られる。
）
……(1) Ｈ（ｂ、ω）＝Ｔ（ω）・Ｇ（ｂ、ω）・Ｓ（ｂ、ω
）
……(2) 但し、Ｔ（ω）は超音波探触子２が発生する超
音波パルスの周波数特性、Ｇ（ａ、ω）は超音波
探触子２と被検体１の深さａの間を往復する際に
超音波が受ける伝搬特性、Ｓ（ａ、ω）は深さａ
における超音波の散乱特性である。散乱特性Ｓ
（ａ、ω）区Ｓ（ｂ、ω）が等しければ(1)，(2)式よ
り消去し絶対値をとることにより次式に示すよう
に、被検体１内の深さａと深さｂの間で超音波が
受ける減衰、Ｅ（ｂ、ａ、ω）が得られる。
Ｅ（ｂ、ａ、ω）＝｜Ｇ（ｂ、ω）／Ｇ（ａ、ω）
｜ ＝｜Ｈ（ｂ、ω）／Ｈ（ａ、ω）｜ ……(3) このようにして被検体１内の任意の部位に於け
る減衰特性を得ることが可能である。しかし、一
搬に生体内に於ける超音波散乱特性は部位により
大幅に異なり、上記したようにＳ（ａ、ω）とＳ
（ｂ、ω）を等しいと仮定することはできない。
このため、この超音波散乱特性が部位によりラン
ダムに変化することを逆に利用することが行われ
る。すなわち、超音波探触子２が被検体１に対し
て超音波を送受信する位置を所定の範囲内で横方
向にずらし、多数の部位に於て得られた受信信号
についてそれぞれ周波数分析を行い、得られた多
数の周波数分析結果を平均処理することにより、
ランダムに変化する散乱特性のみを相殺し、この
ようにして得られたフーリエ変換Ｈ（ａ、ω）、Ｈ
（ｂ、ω）に対して(3)式を適用することが可能と
なり減衰特性が求められる。
｜ ＝｜Ｈ（ｂ、ω）／Ｈ（ａ、ω）｜ ……(3) このようにして被検体１内の任意の部位に於け
る減衰特性を得ることが可能である。しかし、一
搬に生体内に於ける超音波散乱特性は部位により
大幅に異なり、上記したようにＳ（ａ、ω）とＳ
（ｂ、ω）を等しいと仮定することはできない。
このため、この超音波散乱特性が部位によりラン
ダムに変化することを逆に利用することが行われ
る。すなわち、超音波探触子２が被検体１に対し
て超音波を送受信する位置を所定の範囲内で横方
向にずらし、多数の部位に於て得られた受信信号
についてそれぞれ周波数分析を行い、得られた多
数の周波数分析結果を平均処理することにより、
ランダムに変化する散乱特性のみを相殺し、この
ようにして得られたフーリエ変換Ｈ（ａ、ω）、Ｈ
（ｂ、ω）に対して(3)式を適用することが可能と
なり減衰特性が求められる。
発明が解決しようとする問題点
しかし、以上のような構成では被検体１内の超
音波散乱特性が、その測定部位をずらした場合、
完全にランダムに変化する、すなわち各測定部位
の間で全く相関がないということが前提となる。
しかしながらこの前提が、生体組織内に通常存在
する明確な音響的境界を有する構造物により成立
たなくなるという問題があつた。
音波散乱特性が、その測定部位をずらした場合、
完全にランダムに変化する、すなわち各測定部位
の間で全く相関がないということが前提となる。
しかしながらこの前提が、生体組織内に通常存在
する明確な音響的境界を有する構造物により成立
たなくなるという問題があつた。
本発明は従来技術の以上のような問題を解決す
るもので、任意の超音波散乱特性を有する被検体
に対して正確に超音波減衰特性とその温度変化を
検出し、生体内の温度変化を正確に得ることを目
的とするものである。
るもので、任意の超音波散乱特性を有する被検体
に対して正確に超音波減衰特性とその温度変化を
検出し、生体内の温度変化を正確に得ることを目
的とするものである。
問題点を解決するための手段
本発明は上記目的を達成するもので、その技術
的手段は、超音波パルスを送出するプローブ波ト
ランスデユーサと前記プローブ波トランスデユー
サの超音波パルスより周波数の低い超音波パルス
を送出するポンプ波トランスデユーサを位相制御
駆動する手段と、前記プローブ波トランスデユー
サの受信信号のスペクトルシフト量と位相シフト
量を検出する手段と、前記スペクトルシフト量と
位相シフト量により温度変化を演算する手段とを
少なくとも有することを特徴とする超音波測温装
置にある。
的手段は、超音波パルスを送出するプローブ波ト
ランスデユーサと前記プローブ波トランスデユー
サの超音波パルスより周波数の低い超音波パルス
を送出するポンプ波トランスデユーサを位相制御
駆動する手段と、前記プローブ波トランスデユー
サの受信信号のスペクトルシフト量と位相シフト
量を検出する手段と、前記スペクトルシフト量と
位相シフト量により温度変化を演算する手段とを
少なくとも有することを特徴とする超音波測温装
置にある。
作 用
本発明は上記構成により、プローブ波パルスの
波形重心位置をプローブ波パルスより周波数の低
いポンプ波パルスの粒子速度零近傍かつ粒子加速
度方向一定部分に重畳（以下位相状態Ｃと記す）
及び粒子速度ピーク部分に重畳（以下位相状態Ｄ
と記す）し、受信信号の周波数分析を行い、スペ
クトルシフト量、位相シフト量を求め、これらの
値から異なる深さ間の超音波減衰を求め、被検体
の加温の前後について求めた超音波減衰の値と減
衰率変化表をもとに被検体内の温度変化を求める
もので、生体内の温度変化を正確に得ることがで
きる。
波形重心位置をプローブ波パルスより周波数の低
いポンプ波パルスの粒子速度零近傍かつ粒子加速
度方向一定部分に重畳（以下位相状態Ｃと記す）
及び粒子速度ピーク部分に重畳（以下位相状態Ｄ
と記す）し、受信信号の周波数分析を行い、スペ
クトルシフト量、位相シフト量を求め、これらの
値から異なる深さ間の超音波減衰を求め、被検体
の加温の前後について求めた超音波減衰の値と減
衰率変化表をもとに被検体内の温度変化を求める
もので、生体内の温度変化を正確に得ることがで
きる。
実施例
以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。
明する。
第１図は本発明の一実施例における超音波測温
装置を示す機能ブロツク図である。第１図におい
て、１０はポンプ波用の超音波変換器、１１はプ
ローブ波用の超音波変換器、１２は超音波変換器
１０を駆動するパルス駆動器、１３は超音波変換
器１１を駆動するパルス駆動器、１４はパルス駆
動器１２，１３より構成されるパルス駆動部、１
５はパルス駆動器１２，１３の出力の位相関係を
制御するタイミング制御部、１６はタイミング制
御部１５へクロツクを供給するクロツク発生部、
１７は超音波変換器１１からの受信信号を増幅す
る増幅器、１８は増幅器１７の出力をデジタルデ
ータに変えるＡ／Ｄ変換器、１９はＡ／Ｄ変換器
１８の出力を記憶するメモリ、２０はメモリ１９
に記憶されているデータに対する周波数分析部、
２１，２２，２３，２４は周波数分析部２０の出
力を記憶するメモリ、２５はメモリ２１，２２に
記憶されたデータに対してスペクトルシフト量の
分析を行うスペクトルシフト分析部、２６はメモ
リ２３，２４に記憶されたデータに対して位相シ
フト量の分析を行う位相シフト分析部、２７はス
ペクトルシフト分析部２５の出力を記憶するメモ
リ、２８は位相シフト分析部２６の出力を記憶す
るメモリ、２９はメモリ２７，２８に記憶された
データから減衰データを求める減衰演算部、３
０，３１は減衰演算部２９の出力を記録するメモ
リ、３２は減衰率の温度依存を記憶している減衰
率変化表、３３はメモリ３０，３１と減衰率変化
表３２から温度変化を求める温度差演算部、３４
は温度差演算部３３の出力を走査変換する走査変
換部、３５は走査変換部３４の出力を表示する表
示部、３６は増幅器１７の出力に信号処理を加え
る信号処理部、信号処理部３６の出力は走査変換
部３４へ加えられる。３７はシステム全体の制御
を行う主制御部、４０は被検体、R1、R2は被検
体４０内にある超音波散乱体であり、それぞれ被
検深さａ、ｂに存在する。
装置を示す機能ブロツク図である。第１図におい
て、１０はポンプ波用の超音波変換器、１１はプ
ローブ波用の超音波変換器、１２は超音波変換器
１０を駆動するパルス駆動器、１３は超音波変換
器１１を駆動するパルス駆動器、１４はパルス駆
動器１２，１３より構成されるパルス駆動部、１
５はパルス駆動器１２，１３の出力の位相関係を
制御するタイミング制御部、１６はタイミング制
御部１５へクロツクを供給するクロツク発生部、
１７は超音波変換器１１からの受信信号を増幅す
る増幅器、１８は増幅器１７の出力をデジタルデ
ータに変えるＡ／Ｄ変換器、１９はＡ／Ｄ変換器
１８の出力を記憶するメモリ、２０はメモリ１９
に記憶されているデータに対する周波数分析部、
２１，２２，２３，２４は周波数分析部２０の出
力を記憶するメモリ、２５はメモリ２１，２２に
記憶されたデータに対してスペクトルシフト量の
分析を行うスペクトルシフト分析部、２６はメモ
リ２３，２４に記憶されたデータに対して位相シ
フト量の分析を行う位相シフト分析部、２７はス
ペクトルシフト分析部２５の出力を記憶するメモ
リ、２８は位相シフト分析部２６の出力を記憶す
るメモリ、２９はメモリ２７，２８に記憶された
データから減衰データを求める減衰演算部、３
０，３１は減衰演算部２９の出力を記録するメモ
リ、３２は減衰率の温度依存を記憶している減衰
率変化表、３３はメモリ３０，３１と減衰率変化
表３２から温度変化を求める温度差演算部、３４
は温度差演算部３３の出力を走査変換する走査変
換部、３５は走査変換部３４の出力を表示する表
示部、３６は増幅器１７の出力に信号処理を加え
る信号処理部、信号処理部３６の出力は走査変換
部３４へ加えられる。３７はシステム全体の制御
を行う主制御部、４０は被検体、R1、R2は被検
体４０内にある超音波散乱体であり、それぞれ被
検深さａ、ｂに存在する。
以上のような構成において、以下その動作を説
明する。
明する。
まず、プローブ波用の超音波変換器１１の超音
波パルス出力の例を第２図ａに、ポンプ波用の超
音波変換器１０を超音波パルス出力の例を第２図
ｂに、位相状態Ｃで重畳された超音波変換器１０
と超音波変換器１１の超音波パルス出力の例を第
２図ｃに、位相状態Ｄで重畳された超音波変換器
１０と超音波変換器１１の超音波パルス出力の例
を第２図ｄにそれぞれ示す。ポンプ波の超音波パ
ルス、すなわちポンプ波パルスは例えば0.4MHz、
プローブ波の超音波パルス、すなわちプローブ波
パルスは例えば4.0MHzとし、その中心周波数は
大幅に異なる値が選ばれている。位相状態Ｃでは
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、かつその値が負から正へ変
化する、すなわち粒子加速度が正のタイミングで
重畳されている。位相状態Ｄではプローブ波パル
スの波形重心はポンプ波パルスの粒子速度がピー
ク値を示すタイミングで重畳されている。ポンプ
波パルスとプローブ波パルスの波形に関しては、
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Ｗとしたとき、 Ｗ＜λ／２ とすることが望ましい。これによりプローブ波パ
ルスのスペクトルシフトや位相シフトの解析を容
易にできる。
波パルス出力の例を第２図ａに、ポンプ波用の超
音波変換器１０を超音波パルス出力の例を第２図
ｂに、位相状態Ｃで重畳された超音波変換器１０
と超音波変換器１１の超音波パルス出力の例を第
２図ｃに、位相状態Ｄで重畳された超音波変換器
１０と超音波変換器１１の超音波パルス出力の例
を第２図ｄにそれぞれ示す。ポンプ波の超音波パ
ルス、すなわちポンプ波パルスは例えば0.4MHz、
プローブ波の超音波パルス、すなわちプローブ波
パルスは例えば4.0MHzとし、その中心周波数は
大幅に異なる値が選ばれている。位相状態Ｃでは
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、かつその値が負から正へ変
化する、すなわち粒子加速度が正のタイミングで
重畳されている。位相状態Ｄではプローブ波パル
スの波形重心はポンプ波パルスの粒子速度がピー
ク値を示すタイミングで重畳されている。ポンプ
波パルスとプローブ波パルスの波形に関しては、
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Ｗとしたとき、 Ｗ＜λ／２ とすることが望ましい。これによりプローブ波パ
ルスのスペクトルシフトや位相シフトの解析を容
易にできる。
次に、プローブ波パルス、及び位相状態ＣとＤ
で重畳された超音波パルスが被検体４０内伝搬す
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伝搬速度
は波形の山と谷では異なる。この関係は次式で表
わされる。
で重畳された超音波パルスが被検体４０内伝搬す
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伝搬速度
は波形の山と谷では異なる。この関係は次式で表
わされる。
Ｃ＝Co±（１＋１／２（Ｂ／Ａ））ｕ＝Co＋△Ｃ
……(4)
ここでＢ／Ａは伝搬媒体の非線形パラメータで
あり、生体の場合組織により異なるが、例えば６
程度の値である。Coは無限小振幅超音波の位相
速度、ｕは粒子速度である。粒子速度ｕは超音波
パワー1W／cm2の場合水中で12cm／secとなる。こ
の場合には△Ｃは約50cm／secとなる。この伝搬
の非線形現象が超音波の波形に与える影響を第３
図に示す。第３図ａはポンプ波パルスが伝搬の非
線形現象により歪す様子を、第３図ｂ及びｃポン
プ波の伝搬の非線形現象によりプローブ波パルス
の周波数特性が変化する様子を示す。第３図ｂで
は位相状態Ｃで重畳されたプローブ波パルスの中
心周波数が伝搬により高周波側へシフトし、第３
図ｃでは位相状態Ｄで重畳されたプローブ波パル
スの位相が伝搬によりシフトする様子を示す。ポ
ンプ波パルスが位相状態Ｄで重畳されている場合
といない場合のプローブ波パルスの位相差、すな
わち位相シフト量△Ｐは次式で表わせる。
あり、生体の場合組織により異なるが、例えば６
程度の値である。Coは無限小振幅超音波の位相
速度、ｕは粒子速度である。粒子速度ｕは超音波
パワー1W／cm2の場合水中で12cm／secとなる。こ
の場合には△Ｃは約50cm／secとなる。この伝搬
の非線形現象が超音波の波形に与える影響を第３
図に示す。第３図ａはポンプ波パルスが伝搬の非
線形現象により歪す様子を、第３図ｂ及びｃポン
プ波の伝搬の非線形現象によりプローブ波パルス
の周波数特性が変化する様子を示す。第３図ｂで
は位相状態Ｃで重畳されたプローブ波パルスの中
心周波数が伝搬により高周波側へシフトし、第３
図ｃでは位相状態Ｄで重畳されたプローブ波パル
スの位相が伝搬によりシフトする様子を示す。ポ
ンプ波パルスが位相状態Ｄで重畳されている場合
といない場合のプローブ波パルスの位相差、すな
わち位相シフト量△Ｐは次式で表わせる。
△Ｐ＝２・△ｘ・ω・（１／Co−１／Ｃ＋△Ｃ）
……(5)
生体内における位相速度Coを1500m／sec、伝
搬距離△ｘを１cm、角周波数ωを2π×４×
106rad／secとすると△Ｐは0.11rad（＝6.4deg）
となり、十分精度良く検出することが可能であ
る。
搬距離△ｘを１cm、角周波数ωを2π×４×
106rad／secとすると△Ｐは0.11rad（＝6.4deg）
となり、十分精度良く検出することが可能であ
る。
第２図ａに示すプローブ波パルス、第２図ｃ、
ｄに示す関係で出力された超音波パルスが反射体
R1、R2により反射され、その受信信号が処理さ
れる過程を次に示す。まず、超音波変換器１０を
停止した状態では超音波変換器１１から発生した
プローブ波パルスは被検体４０の中を伝搬しなが
ら組織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１１に戻り、受信信号に変
換される。以上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。受信信号は増幅器１７で増幅され、Ａ／Ｄ変
換器１８でデジタルデータに変換される。Ａ／Ｄ
変換器のサンプルタイミングはパルス駆動器１３
と位相的に同期し、そのサンプル速度は数十Ｍ
Hz、分解能は10ビツト程度以上あり、入力信号の
位相情報を正確に保存する必要がある。Ａ／Ｄ変
換器１８の出力はメモリ１９に記憶される。周波
数分析部２０はメモリ１９のデータを抜取り、周
波数分析等の演算を行う。演算は、具体例として
は、スペクトル振幅計算、位相角計算であり、フ
ーリエ積分DFE（離散フーリエ変換）等の計算ア
ルゴリズムを実行する。振幅スペクトル、位相角
は次のように計算される。まず、被検体４０内の
特定の深さａに対応する受信信号ｈ(a)をメモリ１
９から抜取り、周波数分析を行い、フーリエ変換
Ｈ（ａ、ω）を得、同様にして深さｂに対応する
受信信号ｈ(b)をメモリ１９から抜取り、フーリエ
変換Ｈ（ｂ，ω）を得る。抜取るデータの長さは、
被検体４０内で例えば１cm、時間に換算して
13μsec程度である。振幅スペクトルＡ（ａ、ω）
はフーリエ変換Ｈ（ａ、ω）の絶対値として、位
相角Ｐ（ａ、ω）はフーリエ変換Ｈ（ａ、ω）の位
相角として次式に示すように得られる。
ｄに示す関係で出力された超音波パルスが反射体
R1、R2により反射され、その受信信号が処理さ
れる過程を次に示す。まず、超音波変換器１０を
停止した状態では超音波変換器１１から発生した
プローブ波パルスは被検体４０の中を伝搬しなが
ら組織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１１に戻り、受信信号に変
換される。以上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。受信信号は増幅器１７で増幅され、Ａ／Ｄ変
換器１８でデジタルデータに変換される。Ａ／Ｄ
変換器のサンプルタイミングはパルス駆動器１３
と位相的に同期し、そのサンプル速度は数十Ｍ
Hz、分解能は10ビツト程度以上あり、入力信号の
位相情報を正確に保存する必要がある。Ａ／Ｄ変
換器１８の出力はメモリ１９に記憶される。周波
数分析部２０はメモリ１９のデータを抜取り、周
波数分析等の演算を行う。演算は、具体例として
は、スペクトル振幅計算、位相角計算であり、フ
ーリエ積分DFE（離散フーリエ変換）等の計算ア
ルゴリズムを実行する。振幅スペクトル、位相角
は次のように計算される。まず、被検体４０内の
特定の深さａに対応する受信信号ｈ(a)をメモリ１
９から抜取り、周波数分析を行い、フーリエ変換
Ｈ（ａ、ω）を得、同様にして深さｂに対応する
受信信号ｈ(b)をメモリ１９から抜取り、フーリエ
変換Ｈ（ｂ，ω）を得る。抜取るデータの長さは、
被検体４０内で例えば１cm、時間に換算して
13μsec程度である。振幅スペクトルＡ（ａ、ω）
はフーリエ変換Ｈ（ａ、ω）の絶対値として、位
相角Ｐ（ａ、ω）はフーリエ変換Ｈ（ａ、ω）の位
相角として次式に示すように得られる。
Ａ（ａ、ω）＝｜Ｈ（ｂ、ω）｜ ……(6)
Ｐ（ａ、ω）＝arg・（Ｈ（ａ、ω））……(7)
このようにして得られた振幅スペクトルＡ（ａ、
ω）、位相角Ｐ（ａ、ω）は被検体４０の中の散乱
体R1、R2の散乱の周波数特性の影響を大きく受
け、被検体４０が有する超音波減衰特性等を正確
に得ることは難しい。深さａに対応する振幅スペ
クトルＡ（ａ、ω）と深さｂに対応する振幅スペ
クトルＡ（ｂ、ω）はメモリ２１で、深さａに対
応する位相角Ｐ（ａ、ω）と深さｂに対応する位
相角Ｐ（ｂ、ω）はメモリ２３で記憶される。
ω）、位相角Ｐ（ａ、ω）は被検体４０の中の散乱
体R1、R2の散乱の周波数特性の影響を大きく受
け、被検体４０が有する超音波減衰特性等を正確
に得ることは難しい。深さａに対応する振幅スペ
クトルＡ（ａ、ω）と深さｂに対応する振幅スペ
クトルＡ（ｂ、ω）はメモリ２１で、深さａに対
応する位相角Ｐ（ａ、ω）と深さｂに対応する位
相角Ｐ（ｂ、ω）はメモリ２３で記憶される。
次にポンプ波パルスがプローブ波パルスに重畳
する場合について説明する。まず、位相状態Ｃで
ポンプ波パルスとプローブ波パルスが重畳されな
がら被検体４０の中を伝搬する場合には、伝搬の
様子は次のように近似できる。伝搬経路は微小区
間の集まりとみなせ、その微小な各区間において
重畳された超音波パルスは非線形現象にもとづく
伝搬歪を生じ、プローブ波パルスの中心周波数は
高周波側へシフトする。このシフト量は、注目し
ている区間における粒子速度ｕと伝搬媒質の非線
形パラメータＢ／Ａの両方に依存する。このよう
にして、プローブ波パルスはその中心周波数が高
周波側にシフトすることにより過剰な減衰を受け
る。この過剰な減衰は伝搬媒質の減衰定数にも依
存する値である。以上のように微小な各区間にお
ける非線形伝搬歪と減衰による歪を繰返しつつ位
相状態Ｃを保持しながら超音波パルスは次々に散
乱されながら伝搬する。散乱され、伝搬経路を逆
行する間は超音波パルスはその振幅が非常に小さ
いため、非線形効果は無視できる。位相状態Ｃで
得られた深さａに対応する受信信号の振幅スペク
トルAC（ａ、ω）と深さｂに対応する受信信号の
振幅スペクトルＡ（ｂ，ω）はメモリ２２で記憶
される。
する場合について説明する。まず、位相状態Ｃで
ポンプ波パルスとプローブ波パルスが重畳されな
がら被検体４０の中を伝搬する場合には、伝搬の
様子は次のように近似できる。伝搬経路は微小区
間の集まりとみなせ、その微小な各区間において
重畳された超音波パルスは非線形現象にもとづく
伝搬歪を生じ、プローブ波パルスの中心周波数は
高周波側へシフトする。このシフト量は、注目し
ている区間における粒子速度ｕと伝搬媒質の非線
形パラメータＢ／Ａの両方に依存する。このよう
にして、プローブ波パルスはその中心周波数が高
周波側にシフトすることにより過剰な減衰を受け
る。この過剰な減衰は伝搬媒質の減衰定数にも依
存する値である。以上のように微小な各区間にお
ける非線形伝搬歪と減衰による歪を繰返しつつ位
相状態Ｃを保持しながら超音波パルスは次々に散
乱されながら伝搬する。散乱され、伝搬経路を逆
行する間は超音波パルスはその振幅が非常に小さ
いため、非線形効果は無視できる。位相状態Ｃで
得られた深さａに対応する受信信号の振幅スペク
トルAC（ａ、ω）と深さｂに対応する受信信号の
振幅スペクトルＡ（ｂ，ω）はメモリ２２で記憶
される。
位相状態Ｄでポンプ波パルスとプローブ波パル
スが重畳されながら被検体４０の中を伝搬する場
合には、プローブ波パルスは非線形現象にもとず
く伝搬歪として位相シフトのみを受けると近似で
きる。散乱され、伝搬経路を逆行する超音波パル
スについてはその振幅が非常に小さいため非線形
効果は無視できる。位相状態Ｄで得られた被検体
の深さａに対応する受信信号の位相角PD（ａ、
ω）、深さｂに対応する受信信号の位相角PD（ａ、
ω）はメモリ２４で記憶される。
スが重畳されながら被検体４０の中を伝搬する場
合には、プローブ波パルスは非線形現象にもとず
く伝搬歪として位相シフトのみを受けると近似で
きる。散乱され、伝搬経路を逆行する超音波パル
スについてはその振幅が非常に小さいため非線形
効果は無視できる。位相状態Ｄで得られた被検体
の深さａに対応する受信信号の位相角PD（ａ、
ω）、深さｂに対応する受信信号の位相角PD（ａ、
ω）はメモリ２４で記憶される。
次に、超音波変換器１０を停止した場合に得ら
れた位相角と位相状態Ｄで得られた位相角の差、
位相シフト量△Ｐ、 △Ｐ（ａ、ω）＝PD（ａ、ω）−Ｐ（ａ、ω）
……(8) △Ｐ（ｂ、ω）＝PD（ｂ、ω）−Ｐ（ｂ、ω）
……(9) 及び深さｂと深さａにおける位相シフト量の
差、すなわち微分位相シフト量△φ、 △φ＝△Ｐ（ｂ、ω）−△Ｐ（ａ、ω） ……(10) が位相シフト分析部２６で計算されメモリ２８で
記憶される。
れた位相角と位相状態Ｄで得られた位相角の差、
位相シフト量△Ｐ、 △Ｐ（ａ、ω）＝PD（ａ、ω）−Ｐ（ａ、ω）
……(8) △Ｐ（ｂ、ω）＝PD（ｂ、ω）−Ｐ（ｂ、ω）
……(9) 及び深さｂと深さａにおける位相シフト量の
差、すなわち微分位相シフト量△φ、 △φ＝△Ｐ（ｂ、ω）−△Ｐ（ａ、ω） ……(10) が位相シフト分析部２６で計算されメモリ２８で
記憶される。
次に、超音波変換器１０を停止した場合に得ら
れた振幅スペクトルと位相状態Ｃで得られた振幅
スペクトルの変化、スペクトルシフト量△Ａ、 △Ａ（ａ、ω）＝Ac（ａ、ω）／Ａ（ａ、ω）
……(11) △Ａ（ｂ、ω）＝Ac（ｂ、ω）／Ａ（ｂ、ω）
……(12) 及び深さｂと深さａにおけるスペクトルシフト
量の変化、微分スペクトルシフト量△α、 △α＝△Ａ（ｂ、ω）／△Ａ（ａ、ω） ……(13) がスペクトルシフト分析部２５で計算されメモリ
２７で記憶される。スペクトルシフト量△Ａ（ａ、
ω）は、位相状態Ｃにおける伝搬特性、G′（ａ、
ω）を用いて、(1)式より △Ａ（ａ、ω）＝｜G′（ａ、ω）／Ｇ（ａ、ω）｜
……(14) と表わせる。(14)式では超音波の散乱特性が消去さ
れている。微分スペクトルシフト量はスペクトル
シフト量の変化として、深さａと深さｂの間で超
音波が受ける減衰Ｅ（ｂ、ａ、ω）と位相状態Ｃ
における減衰E′（ｂ、ａ、ω）を用いて次式で表
わせる。
れた振幅スペクトルと位相状態Ｃで得られた振幅
スペクトルの変化、スペクトルシフト量△Ａ、 △Ａ（ａ、ω）＝Ac（ａ、ω）／Ａ（ａ、ω）
……(11) △Ａ（ｂ、ω）＝Ac（ｂ、ω）／Ａ（ｂ、ω）
……(12) 及び深さｂと深さａにおけるスペクトルシフト
量の変化、微分スペクトルシフト量△α、 △α＝△Ａ（ｂ、ω）／△Ａ（ａ、ω） ……(13) がスペクトルシフト分析部２５で計算されメモリ
２７で記憶される。スペクトルシフト量△Ａ（ａ、
ω）は、位相状態Ｃにおける伝搬特性、G′（ａ、
ω）を用いて、(1)式より △Ａ（ａ、ω）＝｜G′（ａ、ω）／Ｇ（ａ、ω）｜
……(14) と表わせる。(14)式では超音波の散乱特性が消去さ
れている。微分スペクトルシフト量はスペクトル
シフト量の変化として、深さａと深さｂの間で超
音波が受ける減衰Ｅ（ｂ、ａ、ω）と位相状態Ｃ
における減衰E′（ｂ、ａ、ω）を用いて次式で表
わせる。
△α＝｜G′（ｂ、ω）／Ｇ（ｂ、ω）
｜ ｜G′（ａ、ω）／Ｇ（ａ、ω）｜＝E′（ｂ、ａ、ω） Ｅ（ｂ、ａ、ω） (15) この微分スペクトルシフト量△αは、深さａと
深さｂの間における超音波の減衰、及びポンプ波
パルスの粒子速度ｕと伝搬媒質の非線形パラメー
タＢ／Ａにより決まる量である。
｜ ｜G′（ａ、ω）／Ｇ（ａ、ω）｜＝E′（ｂ、ａ、ω） Ｅ（ｂ、ａ、ω） (15) この微分スペクトルシフト量△αは、深さａと
深さｂの間における超音波の減衰、及びポンプ波
パルスの粒子速度ｕと伝搬媒質の非線形パラメー
タＢ／Ａにより決まる量である。
粒子速度ｕと非線形パラメータＢ／Ａの積は微
分位相シフト量△φにより表わせる。したがつて
微分スペクトルシフト量△αは超音波の減衰Ｅと
微分位相シフト量△φから決定することができ
る。逆に、スペクトルシフト量△αと微分位相シ
フト量△φから超音波の減衰Ｅを決定することが
できる。減衰演算部２９ではメモリ２７で記憶さ
れたスペクトルシフト量△αと、メモリ２８で記
憶された位相シフト量△φの値から、対応する超
音波減衰の値Ｅを予め用意された参照テーブルを
もとに決定する。超音波減衰の値Ｅはメモリ３０
で記憶される。他のメモリ３１には被検体が加温
された場合の減衰の値Ｅ(T)を記憶する。減衰率変
化表３２には通常時における超音波減衰Ｅの値と
種々加温時における超音波減衰の値Ｅ(T)が参照テ
ーブルの形で用意されている。温度演算部３３は
メモリ３０，３１に記憶されている減衰の値から
減衰率変化表３２をもとに温度変化を計算する。
温度演算部３３で得られた温度変化は走査変換部
３４で記憶され表示部３５に表示される。走査変
換部３４へは、増幅器１７の出力に対し、対数増
幅、包絡線検波等を行う信号処理部３６の出力が
接続され断層像を形成することもできる。以上の
ようなパルス駆動部の状態の制御、メモリの書込
み、あるいは読出しの指定、種々演算の実行等は
主制御部３７で制御される。
分位相シフト量△φにより表わせる。したがつて
微分スペクトルシフト量△αは超音波の減衰Ｅと
微分位相シフト量△φから決定することができ
る。逆に、スペクトルシフト量△αと微分位相シ
フト量△φから超音波の減衰Ｅを決定することが
できる。減衰演算部２９ではメモリ２７で記憶さ
れたスペクトルシフト量△αと、メモリ２８で記
憶された位相シフト量△φの値から、対応する超
音波減衰の値Ｅを予め用意された参照テーブルを
もとに決定する。超音波減衰の値Ｅはメモリ３０
で記憶される。他のメモリ３１には被検体が加温
された場合の減衰の値Ｅ(T)を記憶する。減衰率変
化表３２には通常時における超音波減衰Ｅの値と
種々加温時における超音波減衰の値Ｅ(T)が参照テ
ーブルの形で用意されている。温度演算部３３は
メモリ３０，３１に記憶されている減衰の値から
減衰率変化表３２をもとに温度変化を計算する。
温度演算部３３で得られた温度変化は走査変換部
３４で記憶され表示部３５に表示される。走査変
換部３４へは、増幅器１７の出力に対し、対数増
幅、包絡線検波等を行う信号処理部３６の出力が
接続され断層像を形成することもできる。以上の
ようなパルス駆動部の状態の制御、メモリの書込
み、あるいは読出しの指定、種々演算の実行等は
主制御部３７で制御される。
以上の説明から明らかなように本実施例によれ
ば、パルス駆動部の状態を変化させ被検体４０内
の異なる深さからの受信信号について微分位相シ
フト量の微分スペクトルシフト量を求め、これよ
り超音波減衰を得、減衰変化表から被検体内の温
度の変化を求めることができる。
ば、パルス駆動部の状態を変化させ被検体４０内
の異なる深さからの受信信号について微分位相シ
フト量の微分スペクトルシフト量を求め、これよ
り超音波減衰を得、減衰変化表から被検体内の温
度の変化を求めることができる。
発明の効果
以上のように本発明は、プローブ波パルスに対
し、ポンプ波パルスを重畳した場合の受信信号の
スペクトルシフト量、及び位相シフト量を異なる
被検深さについて求め、異なる深さ間におけるこ
れらの値の変化である微分スペクトルシフト量、
及び微分位相シフト量から異なる深さ間における
超音波減衰を求め、かつ温度による超音波の減衰
率変化表をもとに被検体中の温度変化を得るもの
であり、受信信号が被検体中の散乱体の複雑な周
波数特性の影響を受ける場合にも正確に温度変化
に関する情報を得ることができ、その効果は大き
い。
し、ポンプ波パルスを重畳した場合の受信信号の
スペクトルシフト量、及び位相シフト量を異なる
被検深さについて求め、異なる深さ間におけるこ
れらの値の変化である微分スペクトルシフト量、
及び微分位相シフト量から異なる深さ間における
超音波減衰を求め、かつ温度による超音波の減衰
率変化表をもとに被検体中の温度変化を得るもの
であり、受信信号が被検体中の散乱体の複雑な周
波数特性の影響を受ける場合にも正確に温度変化
に関する情報を得ることができ、その効果は大き
い。
第１図は本発明の一実施例における超音波測温
装置の機能ブロツク図、第２図ａ〜ｄは本発明の
一実施例における超音波変換器の出力波形図、第
３図ａ〜ｃは伝搬の非線形現象により歪みを生じ
たパルス波形図、第４図は従来の超音波減衰特性
測定を示す機能ブロツク図である。 １０，１１……超音波変換器、１４……パルス
駆動部、２０……周波数分析部、２５……スペク
トルシフト分析部、２６……位相シフト分析部、
２９……減衰演算部、３２……減衰率変化表、３
３……温度差演算部、３４……走査変換部、３５
……表示部。
装置の機能ブロツク図、第２図ａ〜ｄは本発明の
一実施例における超音波変換器の出力波形図、第
３図ａ〜ｃは伝搬の非線形現象により歪みを生じ
たパルス波形図、第４図は従来の超音波減衰特性
測定を示す機能ブロツク図である。 １０，１１……超音波変換器、１４……パルス
駆動部、２０……周波数分析部、２５……スペク
トルシフト分析部、２６……位相シフト分析部、
２９……減衰演算部、３２……減衰率変化表、３
３……温度差演算部、３４……走査変換部、３５
……表示部。
Claims (1)
- １ 超音波パルスを送出するプローブ波トランス
デユーサと前記プローブ波トランスデユーサの超
音波パルスより周波数の低い超音波パルスを送出
するポンプ波トランスジユーサを位相制御駆動す
る手段と、前記プローブ波トランスデユーサの受
信信号のスペクトルシフト量と位相シフト量を検
出する手段と、前記スペクトルシフト量と位相シ
フト量により温度変化を演算する手段とを少なく
とも有することを特徴とする超音波測温装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61268662A JPS63122923A (ja) | 1986-11-13 | 1986-11-13 | 超音波測温装置 |
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