JPH074370B2 - Method and apparatus for inspecting an object using ultrasound - Google Patents

Method and apparatus for inspecting an object using ultrasound

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JPH074370B2
JPH074370B2 JP61204971A JP20497186A JPH074370B2 JP H074370 B2 JPH074370 B2 JP H074370B2 JP 61204971 A JP61204971 A JP 61204971A JP 20497186 A JP20497186 A JP 20497186A JP H074370 B2 JPH074370 B2 JP H074370B2
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scattered
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scatterer
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、超音波を用いて物体を検査する方法および
装置に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for inspecting an object using ultrasonic waves.

従来の技術 従来、超音波を利用した物体の検査方法・装置は、超音
波の振幅を無限小と仮定した、いわゆる線形近似にもと
づくものが主流になっている。たとえば、医学の分野で
用いられているパルス・エコー法による超音波診断装置
は、被検者の体内に超音波を入射し、その反射波を受
け、反射強度の空間分布を求めるというものであるが、
そこでは、波動による媒体自体の変動は十分に小さいと
し、波形は伝播とともに変化しないという仮定、いわゆ
る線形の波動方程式を基礎にしている。そのため、この
パルス・エコー法によると、得られる情報は基本的に媒
質の不連続性に関するものが主体となっており、体内組
織の幾何学的な形状を映像化することはできるものの、
媒質の特性自体の情報な何ら得られない。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method and apparatus for inspecting an object using an ultrasonic wave, a method based on a so-called linear approximation, which assumes that the amplitude of the ultrasonic wave is infinitely small, has been the mainstream. For example, an ultrasonic diagnostic apparatus using the pulse echo method used in the field of medicine is to inject an ultrasonic wave into the body of a subject, receive the reflected wave, and obtain a spatial distribution of the reflected intensity. But,
There, it is based on the assumption that the fluctuation of the medium itself due to the wave is sufficiently small and that the waveform does not change with the propagation, a so-called linear wave equation. Therefore, according to this pulse-echo method, the obtained information basically relates to the discontinuity of the medium, and although it is possible to visualize the geometrical shape of internal tissues,
No information about the characteristics of the medium can be obtained.

発明が解決しようとする問題点 ところで、生体軟組織の主成分である水のなかには、通
常の液体のようにランダムな分子配列を持った自由水
と、氷のような構造を持った結合水と呼ばれる水の、2
種類の水が含まれている。生体内部では、結合水は一般
に組織を構成している蛋白質分子などと結合し圧力、熱
等の刺激からそれらを保護する機能を持ち、他方、自由
水は化学反応等に自由に寄与する機能を持つと考えられ
ている。そのため、後者は成長が盛んな悪性腫瘍などに
多く含まれており、これら2種類の水の構成比と悪性腫
瘍との間には大きな相関関係がある。このことは、最近
の核磁気共鳴(NMR)を用いた映像法(MRI)に関する研
究から判明しており、実際、これら2種類の水のスピン
緩和時間に大きな差があることを利用して得られる画像
により悪性腫瘍の診断が盛んになされている。
Problems to be Solved by the Invention By the way, among water, which is the main component of biological soft tissues, it is called free water having a random molecular arrangement like ordinary liquid and bound water having a structure like ice. Of water, 2
Contains a variety of water. In the living body, bound water generally has a function of binding to protein molecules that compose tissues and protecting them from stimuli such as pressure and heat, while free water has a function of freely contributing to chemical reactions. Is considered to have. Therefore, the latter is often contained in malignant tumors that are actively growing, and there is a large correlation between the composition ratio of these two types of water and the malignant tumor. This has been clarified by recent research on imaging (MRI) using nuclear magnetic resonance (NMR), and in fact, it can be obtained by utilizing the large difference in spin relaxation time of these two types of water. Diagnosis of malignant tumors is actively made based on the images obtained.

一般に、媒体に波動を与えると、媒質内で線形的に伝播
していくのみならず、媒質の特性にも影響を与え、これ
が逆に波動の形態にもはね返ってくるという現象が見ら
れる。これらの、超音波と媒質との高次あるいは非線形
のかかわり合いとして見られるものの中に、媒質の性質
が反映され、媒質の特性についての重要な情報が含まれ
ていると考えられる。すなわち、このような非線形なか
かわり合いをとらえることができるなら、上記の2種類
の水の構成比などの医用診断における重要な情報をも得
ることが期待できる。にもかかわらず、従来では、一般
に、このような非線形のかかわり合いについては、その
効果が小さく、複雑であることから、それらの検出・解
析に高感度で高度なものが要求されるため、故意に無視
するようにしていたと言うこともできる。
In general, when a wave is applied to a medium, not only linearly propagating in the medium but also the characteristics of the medium are affected, which reversely reflects back to the form of the wave. It is considered that the properties of the medium are reflected in what is seen as a higher-order or non-linear relation between the ultrasonic wave and the medium, and important information about the properties of the medium is included. That is, if such a non-linear relationship can be captured, it can be expected to obtain important information in medical diagnosis such as the composition ratio of the above-mentioned two kinds of water. Nevertheless, in the past, in general, since the effects of such non-linear relations are small and complicated, highly sensitive and sophisticated detection and analysis are required. It can be said that he was trying to ignore it.

一方、この非線形効果をもとらえて、波動の持っている
情報のより効果的、総合的な利用を図り、上記のような
生体組織の特性に関する医用診断上の重要な情報を得よ
うという試みもなされている(佐藤拓宋「波動を利用し
た計測形における非線形効果の最近の2、3の応用」精
密機械第49巻9号、1983、佐藤拓宋、市田信行「超音波
非線形パラメーターの映像法とその応用」応用物理第54
巻第10号、1985、特開昭59-55245号公報、特開昭59-164
956号公報、特開昭60-10165号公報、特開昭60-60837号
公報、特開昭60-119926号公報、特開昭60-253434号公
報、特開昭59-226841号公報)。これらは、基本的に
は、超音波が媒質中を伝播していく際に受ける波形の変
化(非線形効果)をとらえて、その媒質の特性に関する
情報を得ようというものである。なお、上記の試みのな
かには、反射型もあるが、その場合でも発射点から反射
点まで反射点から受波点までの距離を往復する間で受け
る非線形効果を測定しようとしている。
On the other hand, taking this non-linear effect into consideration, we have attempted to obtain more important and useful information on the characteristics of biological tissues for medical diagnosis by making more effective and comprehensive use of the information that waves have. Taku Song Sato "Recent few applications of non-linear effects in measurement form using waves" Precision Machinery Vol.49 No.9, 1983, Taku Song Sato, Nobuyuki Ichida "Ultrasonic Nonlinear Parameter Imaging and Its Application "Applied Physics No. 54
Volume No. 10, 1985, JP-A-59-55245, JP-A-59-164
956, JP-A-60-10165, JP-A-60-60837, JP-A-60-119926, JP-A-60-253434, JP-A-59-226841). These are basically to obtain information about the characteristics of the medium by capturing the change in the waveform (nonlinear effect) that the ultrasonic wave undergoes as it propagates through the medium. Among the above-mentioned attempts, there is a reflection type, but even in that case, it is attempted to measure the nonlinear effect received from the emission point to the reflection point during the round trip from the reflection point to the receiving point.

この発明は、大きくは上記の先例と同じに非線形効果を
とらえようというものであるが、超音波が媒質中を伝播
していく際に受ける波形の変化をとらえるという方向で
なく、散乱そのものの非線形な性質に着目するという方
向で研究を進め、この超音波散乱の非線形性を測定する
ことによって物体を検査する方法および装置を提供する
ことを目的とする。
This invention aims to capture the nonlinear effect in the same way as the above-mentioned precedent, but it is not in the direction of capturing the change in the waveform that an ultrasonic wave undergoes while propagating in a medium, but the nonlinearity of scattering itself. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for inspecting an object by measuring the nonlinearity of the ultrasonic scattering, in order to focus on such properties.

問題点を解決するための手段 この発明の物体検査方法は、物体に超音波を入射し、内
部で発生した散乱波を受波し、該散乱波振幅の入射波振
幅に対する非線形な依存性をとらえることを特徴とす
る。
Means for Solving the Problems In the object inspection method of the present invention, an ultrasonic wave is incident on an object, a scattered wave generated inside is received, and the nonlinear dependence of the scattered wave amplitude on the incident wave amplitude is detected. It is characterized by

また、この発明の物体検査装置は、相対的に低音圧・高
周波のプローブ波をバースト状に送波する第1の送波器
と、相対的に高音圧・低周波のポンプ波を連続的に送波
する第2の送波器と、上記プローブ波の散乱波を受波す
る受波器と、該受波器から得られる散乱波信号のエンベ
ロープの、上記ポンプ波をオンしたときとオフしたとき
の変化量を求める信号処理装置とを有し、上記変化量の
ばらつき度合から物体を検査することを特徴とする。
Further, the object inspection apparatus of the present invention is such that the first wave transmitter for transmitting a probe wave of relatively low sound pressure and high frequency in a burst form and the pump wave of relatively high sound pressure and low frequency are continuously provided. A second transmitter for transmitting a wave, a receiver for receiving a scattered wave of the probe wave, and an envelope of a scattered wave signal obtained from the receiver when the pump wave is turned on and off. And a signal processing device that obtains the amount of change in time, and inspects the object from the degree of variation in the amount of change.

さらに、この発明の物体検査装置は、相対的に低音圧・
高周波のプローブ波をバースト状に送波する第1の送波
器と、相対的に高音圧・低周波のポンプ波を連続的に送
波する第2の送波器と、上記プローブ波の散乱波を受波
する受波器と、該受波器から得られる散乱波信号のエン
ベロープの、上記ポンプ波をオンしたときとオフしたと
きの変化量を求める信号処理装置と、上記変化量を時間
軸に関して表示したプローブ波入射方向の散乱の非線形
性に関する分布を映像化する装置とを備えることを特徴
とする。
Furthermore, the object inspection device of the present invention has a relatively low sound pressure
A first transmitter for transmitting a high frequency probe wave in a burst form, a second transmitter for continuously transmitting a relatively high sound pressure / low frequency pump wave, and scattering of the probe wave A wave receiver for receiving a wave, a signal processing device for obtaining a change amount of the envelope of a scattered wave signal obtained from the wave receiver when the pump wave is turned on and when the pump wave is turned off, and the change amount And a device for visualizing a distribution regarding non-linearity of scattering in the incident direction of the probe wave displayed with respect to the axis.

作用 超音波の散乱波の振幅は、従来、入射波の振幅に比例す
ると考えられてきたが、物体(散乱体)に応じて、入射
波振幅に対して非線形な依存性があることが実験的に確
認できた。
It was conventionally thought that the amplitude of scattered waves of action ultrasonic waves is proportional to the amplitude of the incident wave, but it was experimentally found that there is a nonlinear dependence on the amplitude of the incident wave depending on the object (scatterer). I was able to confirm.

その散乱の非線形性を説明するメカニズムとしては、超
音波音圧による各散乱体(微細構造を有する物体内部の
微小な各々の散乱体)の位置の変動(摂動)が考えられ
る。
As a mechanism for explaining the non-linearity of the scattering, position variation (perturbation) of each scatterer (each minute scatterer inside an object having a fine structure) due to ultrasonic sound pressure is considered.

そこで、散乱波振幅の入射波振幅に対する非線形依存性
(ばらつき度合)を測定すれば、逆に散乱体の微細構造
の相違すなわち物体の特性自体に関する情報が得られ
る。
Therefore, if the non-linear dependence (variation degree) of the scattered wave amplitude on the incident wave amplitude is measured, conversely, information on the difference in the fine structure of the scatterer, that is, the characteristics of the object itself can be obtained.

また、相対的に低音圧・高周波のプローブ波をバースト
状に送波したときの散乱波を受波し、高音圧・低周波の
連続的なポンプ波をオンしたときとオフしたときの散乱
波信号のエンベロープの変化量を求めると、これが散乱
波振幅の入射波振幅に対する非線形依存性を示す。
In addition, it receives the scattered wave when a relatively low sound pressure / high frequency probe wave is transmitted in bursts, and the scattered wave when the high sound pressure / low frequency continuous pump wave is turned on and off. When the change amount of the signal envelope is obtained, this shows the nonlinear dependence of the scattered wave amplitude on the incident wave amplitude.

さらに、ポンプ波をオンしたときとオフしたときのプロ
ーブ波の散乱波信号のエンベロープの変化量を時間軸に
関して表示すると、プローブ波入射方向の散乱の非線形
性に関する分布を映像化することになる。
Furthermore, when the amount of change in the envelope of the scattered wave signal of the probe wave when the pump wave is turned on and off is displayed with respect to the time axis, the distribution regarding the nonlinearity of scattering in the probe wave incident direction is visualized.

実施例 まず、第1の実施例として第1図に示すような計測系を
構成する。散乱体11に対して5cmの距離に超音波振動子1
2を置き、45度の方向に散乱される散乱波を、5cmだけ離
れた位置に置かれた広帯域のハイドロフォン13で受波す
るようにする。これらは水槽18内に置かれる。散乱体11
としては、数種類のスポンジや鶏肉を用い、スポンジの
場合にはあらかじめ水に浸して脱気しておく。超音波振
動子12は、周波数500KHzで発振している発振器14の出力
を増幅する増幅器15により駆動される。この発振器14は
計算機17で制御されその振幅が変化させられる。これに
より超音波振動子12から送波される音圧を変化すること
ができる。ハイドロフォン13からの受波信号は、この実
施例ではダイナミックレンジ48dB、8ビットのデジタル
メモリ16を介して計算機17に入力される。
Example First, as a first example, a measurement system as shown in FIG. 1 is constructed. Ultrasonic transducer 1 at a distance of 5 cm with respect to the scatterer 11
2 is placed so that the scattered wave scattered in the direction of 45 degrees is received by the broadband hydrophone 13 placed at a position separated by 5 cm. These are placed in the aquarium 18. Scatterer 11
For this, several kinds of sponges and chicken are used, and in the case of sponges, they are soaked in water and deaerated beforehand. The ultrasonic oscillator 12 is driven by an amplifier 15 that amplifies the output of the oscillator 14 that oscillates at a frequency of 500 KHz. The oscillator 14 is controlled by a computer 17 and its amplitude is changed. Thereby, the sound pressure transmitted from the ultrasonic transducer 12 can be changed. The received signal from the hydrophone 13 is input to the computer 17 through the 8-bit digital memory 16 having a dynamic range of 48 dB in this embodiment.

この計測系を用いて、散乱体11として比較的やわらか
く、平均散乱体間隔が小さいスポンジを置き、超音波振
動子12から中心周波数500KHzの連続波を送波するととも
に、送波音圧を0.015〜0.3atmに順次変化させる。この
スポンジの大きさは幅3cm、厚さ2cmである。各送波音圧
に対して、ハイドロフォン13で受波した信号を計算機17
でスペクトル解析し、基本波成分のみを取り出してその
振幅の大きさを検出する。発振器14、増幅器15などの電
気系の非線形性や、超音波が水中を伝播することによる
非線形効果は、あらかじめ超音波振動子12とハイドロフ
ォン13とを対向させて実測したデータで補正した。この
測定を超音波の当る位置を変えて複数回行ない、第2図
(a)〜(d)で示すような、散乱波の基本波成分の送
波音圧依存性に関するデータを得た。図中に点線は、微
小音圧でのデータをもとに線形外挿した直線である。こ
の図から、散乱波の基本波成分は微小音圧では音圧に対
して線形とみなせるが、高音圧になると音圧に対して非
線形な挙動を示し、直線からずれていることが分る。し
かもこの高音圧部分での直線からのずれは、上下にばら
ついていて、超音波の当る位置を変えると同じ散乱体で
あるにもかかわらず、再現性がない。また、同時に測定
した高調波成分の大きさは、基本波成分に比較して、2
次調波で最大−40dB程度、3次調波で−50dB以下であ
り、これは、超音波振動子12とハイドロフォン13とを水
中で10cm離して対向させた場合とほぼ同じ値であった。
Using this measurement system, a relatively soft scatterer 11, a sponge with a small average scatterer spacing is placed, and a continuous wave with a center frequency of 500 KHz is transmitted from the ultrasonic oscillator 12, and the transmitted sound pressure is 0.015 to 0.3. Change to atm sequentially. The size of this sponge is 3 cm wide and 2 cm thick. The signal received by the hydrophone 13 for each transmitted sound pressure is calculated by the computer 17
The spectrum analysis is performed in order to extract only the fundamental wave component and detect the magnitude of its amplitude. The non-linearity of the electric system such as the oscillator 14 and the amplifier 15 and the non-linear effect due to the propagation of ultrasonic waves in water were corrected by the data measured in advance with the ultrasonic transducer 12 and the hydrophone 13 facing each other. This measurement was carried out a plurality of times by changing the position where the ultrasonic wave hits, and data on the transmitted sound pressure dependence of the fundamental wave component of the scattered wave was obtained as shown in FIGS. 2 (a) to (d). In the figure, the dotted line is a straight line extrapolated based on the data with the minute sound pressure. From this figure, it can be seen that the fundamental wave component of the scattered wave can be regarded as linear with respect to the sound pressure at a small sound pressure, but exhibits a non-linear behavior with respect to the sound pressure at a high sound pressure and deviates from a straight line. Moreover, the deviation from the straight line at the high sound pressure portion is scattered up and down, and is not reproducible even though the scatterer is the same when the position where the ultrasonic wave hits is changed. In addition, the magnitude of the harmonic component measured at the same time is 2
The maximum of the next harmonic is about −40 dB, and the third harmonic is −50 dB or less, which is almost the same value as when the ultrasonic transducer 12 and the hydrophone 13 are opposed to each other at a distance of 10 cm in water. .

これらの結果から、この散乱には、高調波の発生はほと
んど伴わないが、高音圧の部分で散乱波振幅が送波音圧
に非線形に依存する1つの非線形な効果があることが分
る。また、マクロ的には均一とみなせる散乱体でも、位
置を変えると一般に再現性がないことから、この非線形
効果を特徴づける特性量としては、高音圧部分でのばら
つきの標準偏差などの統計的な量を選ぶ必要がある。換
言すると、このような特性量の適宜な選択により異なる
種類の散乱体の識別が可能となる。
From these results, it can be seen that this scattering has one non-linear effect in which the scattered wave amplitude is non-linearly dependent on the transmitted sound pressure in the high sound pressure portion, although the generation of harmonics is hardly accompanied. In addition, even a scatterer that can be regarded as uniform macroscopically does not generally have reproducibility when the position is changed.Therefore, as a characteristic quantity that characterizes this nonlinear effect, a statistical standard such as a standard deviation of variation in a high sound pressure portion is used. You need to choose the amount. In other words, it is possible to identify different types of scatterers by appropriately selecting such characteristic amount.

そこで、散乱の非線形性を定量的に測定し、評価するた
めの、散乱の非線形性の度合を表すものとして、次のよ
うなパラメータVsを考える。第3図に示すように、微小
音圧P1の連続波を散乱体に照射したときの散乱波振幅が
As1で、高音圧P2の連続波を当てたときの散乱波振幅がA
s2であったとすると、このとき、線形関係からのずれは
As2−As2Lとなる。なお、 As2L=(P2/P1)As1 である。パラメータVsは、 Vs=(As2−As2L)/As2L×100(%) と定義する。
Therefore, the following parameter Vs is considered as a measure of the degree of non-linearity of scattering for quantitatively measuring and evaluating the non-linearity of scattering. As shown in Fig. 3, the scattered wave amplitude when the scatterer is irradiated with a continuous wave of low sound pressure P1
At As1, the scattered wave amplitude is A when a continuous wave with high sound pressure P2 is applied.
If it is s2, then the deviation from the linear relationship is
As2-As2L. As2L = (P2 / P1) As1. The parameter Vs is defined as Vs = (As2-As2L) / As2L x 100 (%).

このパラメータVsを各散乱体試料につき測定する。散乱
体試料としては、比較的やわらかく、平均散乱体間隔が
小さいスポンジ、比較的硬く、平均散乱体間隔が大きい
スポンジ、豚肩肉、鶏肉等の5種類の試料を用いた。P
1、P2としてそれぞれ0.075atm、0.3atmを選び、Vsを測
定した。この結果は第4図(a)〜(e)に示す。これ
らから、Vsのばらつき度合は各試料の特性に応じている
ことが分る。
This parameter Vs is measured for each scatterer sample. As the scatterer samples, five kinds of samples such as a sponge having a relatively small average scatterer gap, a sponge having a relatively large mean scatterer gap, pork shoulder meat, and chicken were used. P
Vs was measured by selecting 0.075 atm and 0.3 atm as 1 and P2, respectively. The results are shown in FIGS. 4 (a) to 4 (e). From these, it can be seen that the degree of Vs variation depends on the characteristics of each sample.

このような効果を起す1つのメカニズムとして、入射音
圧による散乱体の微小な位置の摂動が考えられる。ちな
みに、散乱体の微小反射率を持つ多数の反射点のランダ
ムな並びとし、反射点が、外力により、独立にランダム
に移動したと考えたときの、移動後の散乱波振幅の変化
を計算してみると、実験結果と対応している。なお、周
波数500KHz、散乱体の厚さ2cmとし、反射体はポアソン
分布にしたがうランダムな散乱体と仮定し、その平均反
射体間隔は0.5mmであるとした。また、反射体の反射率
はレーリー分布にしたがうものとし、その平均反射率は
0.06とした。
One possible mechanism for producing such an effect is perturbation of minute positions of the scatterer due to incident sound pressure. By the way, we calculated the change in the scattered wave amplitude after the movement, assuming that a large number of reflection points with minute reflectance of the scatterer were arranged randomly and the reflection points were moved randomly due to external force. The results correspond to the experimental results. It is assumed that the frequency is 500 KHz, the thickness of the scatterer is 2 cm, the reflector is a random scatterer according to Poisson distribution, and the average reflector interval is 0.5 mm. Also, the reflectance of the reflector follows the Rayleigh distribution, and its average reflectance is
It was set to 0.06.

つぎに、上記のような散乱の非線形効果を映像化する第
2の実施例について説明する。第5図に模式的に示すよ
うに、散乱体21に対して超音波振動子22からプローブ波
を、超音波振動子23からポンプ波をそれぞれ照射し、反
射波を受波器24で受ける。ポンプ波は散乱体21に振動を
与えるために用いられ、低周波(約500KHz)、高音圧、
連続的な超音波であり、プローブ波はこのポンプ波によ
って引き起された摂動を観測するための、高周波(3.5
〜5MHz)、低音圧、バースト状の超音波である。超音波
振動子22は駆動装置25によって駆動され、この駆動装置
25が計算機33によって制御されてバースト状の超音波が
発生させられる。超音波振動子23は駆動装置26によりゲ
ート27を介して駆動されるが、このゲート27が計算機33
により制御され、超音波振動子23からの連続波がオンま
たはオフされる。受波器24からの信号はプリアンプ28を
経て、プローブ波を中心周波数とする帯域通過フィルタ
29に送られ、その後エンベロープ検出回路30に送られ
る。エンベロープ検出回路30の出力は記憶および減算回
路31に送られ、その出力がモニタ32に送られる。
Next, a second embodiment for visualizing the above non-linear effect of scattering will be described. As schematically shown in FIG. 5, the scatterer 21 is irradiated with a probe wave from the ultrasonic oscillator 22 and a pump wave from the ultrasonic oscillator 23, and a reflected wave is received by a wave receiver 24. The pump wave is used to give vibrations to the scatterer 21, low frequency (about 500 KHz), high sound pressure,
It is a continuous ultrasonic wave, and the probe wave is a high-frequency wave (3.5%) for observing the perturbation caused by this pump wave.
~ 5MHz), low sound pressure, burst ultrasonic waves. The ultrasonic transducer 22 is driven by a driving device 25, and this driving device
25 is controlled by a computer 33 to generate burst ultrasonic waves. The ultrasonic transducer 23 is driven by a driving device 26 through a gate 27, and the gate 27 is a computer 33.
The continuous wave from the ultrasonic transducer 23 is turned on or off. The signal from the wave receiver 24 passes through a preamplifier 28 and is a bandpass filter whose center frequency is the probe wave.
29 to the envelope detection circuit 30. The output of the envelope detection circuit 30 is sent to the storage and subtraction circuit 31, and its output is sent to the monitor 32.

この実施例では、第6図に示すように、超音波振動子2
2、23および受波器24を散乱体21に対して10cm離し、35
度の角度に配置し、これらを水槽61中に置いた。そし
て、超音波振動子22からは、5MHz、0.06atmの10波長の
バースト状のプローブ波を発射させ、超音波振動子23か
らの500KHz、0.3atmの連続波のポンプ波をオン、オフし
たときのそれぞれについて受波した散乱波のエンベロー
プEon、Eoffを求めた。ここで、受波信号の中からプロ
ーブ波の周波数成分のみ取り出すために、プリアンプ28
の後段のフィルタ29により500KHzの周波数を5MHzに対し
て−60dB減衰している。
In this embodiment, as shown in FIG.
2, 23 and the receiver 24 are separated by 10 cm from the scatterer 21, and 35
They were placed in a water tank 61 at an angle of degrees. When the ultrasonic transducer 22 emits a burst-like probe wave of 10 wavelengths of 5 MHz and 0.06 atm, and the continuous wave pump wave of 500 KHz and 0.3 atm from the ultrasonic transducer 23 is turned on and off. The envelopes Eon and Eoff of the scattered wave received for each of the Here, in order to extract only the frequency component of the probe wave from the received signal, the preamplifier 28
The latter filter 29 attenuates the frequency of 500 KHz by -60 dB with respect to 5 MHz.

Eoffは、散乱体21の内部の各微小散乱体が強力なポンプ
波により摂動を受けていないときの散乱波のエンベロー
プであるから、これは上述の微小音圧での散乱波振幅か
ら予想される高音圧での散乱波振幅As2Lに相当する。一
方、Eonは、ポンプ波により摂動を受けたときの散乱波
のエンベロープであるから、上述の高音圧を散乱体に当
てたときの散乱波振幅As2に相当する。そのため、これ
の差つまりポンプ波散乱波振幅の変化率ΔE ΔE=(Eon−Eoff)/Eoff×100(%) を求めれば、このパラメータΔEは、先に求めた散乱の
非線形性を表すパラメータVsと同様に、ポンプ波という
外力による摂動の受けやすさを示すものと考えることが
できる。
Eoff is the envelope of the scattered wave when each minute scatterer inside the scatterer 21 is not perturbed by the strong pump wave, and this is expected from the scattered wave amplitude at the minute sound pressure described above. It corresponds to the scattered wave amplitude As2L at high sound pressure. On the other hand, Eon is the envelope of the scattered wave when it is perturbed by the pump wave, and therefore corresponds to the scattered wave amplitude As2 when the high sound pressure is applied to the scatterer. Therefore, if this difference, that is, the rate of change in pump wave scattered wave amplitude ΔE ΔE = (Eon−Eoff) / Eoff × 100 (%) is obtained, this parameter ΔE is a parameter Vs that represents the nonlinearity of the scattering previously obtained. Similarly, it can be considered to indicate the susceptibility to perturbation by an external force called a pump wave.

散乱体21としてやわらかいスポンジを用いた結果は第7
図に、かたいスポンジを用いた結果は第8図に示すよう
になった。これら各図において(a)はEon、Eoffを、
(b)はΔEを示す。この第7図から、比較的やわらか
いスポンジの場合、ポンプ波によって引き起される散乱
波振幅の変化が一様でなく、ΔEの値は−50%〜+150
%程度にばらついていることが分る。比較的かたいスポ
ンジの場合、第8図から、ΔEは正負にばらついている
が、そのばらつき度合はやわらかいスポンジの場合より
かなり小さく、およそ±20%程度であることが見てとれ
る。これらの結果から、この2種類のスポンジにはポン
プ波という外力により微小散乱体の摂動の受けやすさに
相違がある、つまりやわらかいスポンジの方がより摂動
を受けやすい性質であることが分るのである。
The result of using a soft sponge as the scatterer 21 is the 7th.
The results using the hard sponge are shown in FIG. In each of these figures, (a) is Eon, Eoff,
(B) shows ΔE. From FIG. 7, in the case of a relatively soft sponge, the variation of the scattered wave amplitude caused by the pump wave is not uniform, and the value of ΔE is −50% to +150.
You can see that it varies about%. In the case of a relatively hard sponge, it can be seen from FIG. 8 that ΔE varies positively and negatively, but the degree of variation is considerably smaller than that of a soft sponge, about ± 20%. From these results, it can be seen that the two types of sponges differ in the susceptibility of the minute scatterer to perturbation due to the external force of the pump wave, that is, the soft sponge is more susceptible to perturbation. is there.

そこで、このように特性の異なる2つのスポンジを前後
に重ねて同様の実験を行なってみると、第9図の結果が
得られた。この図において(a)はEon、Eoffを、
(b)はΔEを示す。ここで、超音波振動子22、23、受
波器24に面する側にやわらかいスポンジが位置し、反対
側にかたいスポンジが位置するようにして配置してあ
る。この第9図(b)を見ると、受波信号の先端を時刻
0として約15μmの時点を堺にして−35%〜+50%と比
較的大きくΔEがばらついている前半部分と、±20%程
度の比較的ばらつきの小さい後半部分とに分けられるこ
とがわかる。この境界となっている15μmの時点を距離
に換算すると、散乱体の前面から約10.5mmの距離にな
る。これは2つのスポンジの境界とよく一致している。
したがって、ΔEを時間軸に関して表示すれば、深さ方
向(超音波入射側から見た)の、摂動の受けやすさとい
う特性の相違を映像化できることになる。
Then, when two sponges having different characteristics were piled up front and back and the same experiment was performed, the results shown in FIG. 9 were obtained. In this figure, (a) shows Eon and Eoff,
(B) shows ΔE. Here, the soft sponge is located on the side facing the ultrasonic transducers 22, 23 and the wave receiver 24, and the hard sponge is located on the opposite side. As shown in FIG. 9 (b), when the end of the received signal is time 0, about 15 μm at Sakai, −35% to + 50%, the first half of which ΔE is relatively large and ± 20%. It can be seen that it can be divided into the latter half of which the degree of variation is relatively small. Converting the time point of 15 μm, which is the boundary, into a distance, the distance is about 10.5 mm from the front surface of the scatterer. This is in good agreement with the boundary of the two sponges.
Therefore, if ΔE is displayed with respect to the time axis, it is possible to visualize the difference in the characteristic of the susceptibility to perturbation in the depth direction (viewed from the ultrasonic wave incident side).

第10図は鶏の胸肉を散乱体のサンプルとした実験結果を
表す。この第10図(b)より、ΔEのばらつき度合が上
記のスポンジとは異なっていることが分る。
Figure 10 shows the results of an experiment using chicken breast meat as a scatterer sample. From FIG. 10 (b), it can be seen that the variation degree of ΔE is different from that of the sponge.

なお、この時間Tの関数となっているΔEのばらつきの
大きさをより直接的に表すものとして、ある区間(T−
1/2ΔT、T+1/2ΔT)でのΔEの標準偏差を求め、こ
れを映像化のための特性量とすることもできる。
In addition, as a more direct expression of the magnitude of the variation of ΔE that is a function of the time T, a certain section (T−
It is also possible to obtain the standard deviation of ΔE in (1 / 2ΔT, T + 1 / 2ΔT) and use this as the characteristic amount for imaging.

さらに、散乱の非線形性はポンプ波を送波してからある
時間後には定常状態になるが、それまでにかかる時間は
各散乱体の特性に依存し、また、過渡的な状態および定
常状態のそれぞれでの散乱の非線形性はやはり散乱体に
よると考えられる。そこで、ポンプ波の送波開始後の過
渡的な状態あるいは定常状態になった時等、種々の時点
において行なう測定によって有用なデータを得ることも
できる。
Furthermore, the non-linearity of scattering reaches a steady state some time after the pump wave is transmitted, but the time taken until that time depends on the characteristics of each scatterer, and the transient and steady state It is considered that the non-linearity of the scattering in each is also due to the scatterer. Therefore, useful data can be obtained by measurement performed at various points such as a transitional state after the start of pump wave transmission or a steady state.

第2の実施例を示す第5図は模式的に表現してあるが、
プローブ波用の超音波振動子22と受波器24とを通常のエ
コー・スキャン装置のアレイ振動子で構成することもで
きる。つまり、この場合、通常のエコー・スキャン装置
に摂動を与えるための超音波送波器を付加した構成とな
る。そして、通常のエコー・スキャン装置と同様に超音
波ビームのスキャンを行なえば、2次元的な画像の表示
が行なえる。
Although FIG. 5 showing the second embodiment is schematically represented,
The ultrasonic transducer 22 for the probe wave and the wave receiver 24 may be configured by an array transducer of a normal echo scanning device. That is, in this case, the structure is such that an ultrasonic wave transmitter for giving a perturbation is added to the normal echo scanning device. Then, a two-dimensional image can be displayed by scanning the ultrasonic beam in the same manner as a normal echo scanning device.

発明の効果 この発明による物体検査法・装置によれば、従来超音波
では検出不可能であった、散乱の非線形性として表われ
るその物体の特性自体をとらえることができ、映像化が
可能となる。そのため、特に医学の分野で、癌や悪性腫
瘍等の診断に役立つことが期待される。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the object inspection method / apparatus of the present invention, it is possible to capture the characteristics of the object itself, which are not detected by ultrasonic waves and which are manifested as non-linearity of scattering, and thus visualization is possible. . Therefore, it is expected to be useful in the diagnosis of cancer, malignant tumor, etc., particularly in the field of medicine.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は第1の実施例の模式図、第2図(a)〜(d)
はやわらかいスポンジを散乱体としたときの散乱波の基
本波成分の送波音圧依存性の測定結果を示すグラフ、第
3図はパラメータVsを説明するための送波音圧と散乱波
振幅との関係を示すグラフ、第4図は(a)〜(e)は
散乱体とした各試料に関するVs値のばらつきの測定結果
を表すグラフ、第5図は第2の実施例の模式図、第6図
は実験時の配置を示す模式図、第7図乃至第10図は各試
料に関する測定結果を示すグラフで、これらの各図にお
いて(a)はエンベロープEon、Eoffを、(b)はΔE
をそれぞれ示す。 11,21……散乱体、12,22,23……超音波振動子 13……ハイドロフォン、14……発振器 15……増幅器、16……デジタルメモリ 17,33……計算機、18,61……水槽 25,26……駆動装置、27……ゲート 28……プリアンプ、29……フィルタ 30……エンベロープ検出回路 31……記憶および減算回路 32……モニタ
FIG. 1 is a schematic diagram of the first embodiment, and FIGS. 2 (a) to (d).
Fig. 3 is a graph showing the measurement result of the transmitted sound pressure dependence of the fundamental wave component of the scattered wave when a soft sponge is used as the scatterer. Fig. 3 shows the relationship between the transmitted sound pressure and the scattered wave amplitude for explaining the parameter Vs. 4A to 4E are graphs showing the measurement results of variations in Vs values for each sample used as scatterers, FIG. 5 is a schematic diagram of the second embodiment, and FIG. Is a schematic diagram showing the arrangement during the experiment, and FIGS. 7 to 10 are graphs showing the measurement results for each sample. In each of these diagrams, (a) shows envelopes Eon and Eoff, and (b) shows ΔE.
Are shown respectively. 11,21 …… Scatterer, 12,22,23 …… Ultrasonic transducer 13 …… Hydrophone, 14 …… Oscillator 15 …… Amplifier, 16 …… Digital memory 17,33 …… Computer, 18,61… … Water tank 25,26 …… Drive device, 27 …… Gate 28 …… Preamplifier, 29 …… Filter 30 …… Envelope detection circuit 31 …… Memory and subtraction circuit 32 …… Monitor

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】物体に超音波を入射し、内部で発生した散
乱波を受波し、該散乱波振幅の入射波振幅に対する非線
形な依存性をとらえて該物体を検査する方法。
1. A method of inspecting an object by injecting an ultrasonic wave into an object, receiving a scattered wave generated inside, and capturing the nonlinear dependence of the amplitude of the scattered wave on the amplitude of the incident wave.
【請求項2】上記物質は微細構造を有する散乱体である
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の物体を検
査する方法。
2. The method for inspecting an object according to claim 1, wherein the substance is a scatterer having a fine structure.
【請求項3】相対的に高音圧・低周波のポンプ波を連続
的に送波する第1の送波器と、該送波開始から所定時間
後、相対的に低音圧・高周波のプローブ波をバースト状
に送波する第2の送波器と、上記プローブ波の散乱波を
受波する受波器と、該受波器から得られる散乱波信号の
エンベロープの、上記ポンプ波をオンしたときとオフし
たときの変化量を求める信号処理装置とを有し、上記変
化量のばらつき度合から物体を検査する装置。
3. A first wave transmitter for continuously transmitting a pump wave having a relatively high sound pressure and a low frequency, and a probe wave having a relatively low sound pressure and a high frequency after a lapse of a predetermined time from the start of the wave transmission. Second transmitter for transmitting the pulse wave in the form of a burst, a receiver for receiving the scattered wave of the probe wave, and the pump wave of the envelope of the scattered wave signal obtained from the receiver is turned on. An apparatus for inspecting an object from the degree of variation in the change amount, which has a signal processing device for obtaining the change amount between the time and the off state.
【請求項4】相対的に高音圧・低周波のポンプ波を連続
的に送波する第1の送波器と、該送波開始から所定時間
後、相対的に低音圧・高周波のプローブ波をバースト状
に送波する第2の送波器と、上記プローブ波の散乱波を
受波する受波器と、該受波器から得られる散乱波信号の
エンベロープの、上記ポンプ波をオンしたときとオフし
たときの変化量を求める信号処理装置と、上記変化量を
時間軸に関して表示しプローブ波入射方向の散乱の非線
形性に関する分布を映像化する装置とを備える、物体検
査装置。
4. A first wave transmitter for continuously transmitting a pump wave having a relatively high sound pressure and a low frequency, and a probe wave having a relatively low sound pressure and a high frequency after a lapse of a predetermined time from the start of the wave transmission. Second transmitter for transmitting the pulse wave in the form of a burst, a receiver for receiving the scattered wave of the probe wave, and the pump wave of the envelope of the scattered wave signal obtained from the receiver is turned on. An object inspection apparatus, comprising: a signal processing apparatus that obtains a change amount between time and off; and a device that displays the change amount with respect to a time axis and visualizes a distribution regarding nonlinearity of scattering in a probe wave incident direction.
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