JPH08511184A - 超音波走査のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超音波パルスエコー走査装置が走査する物体における減衰変化の影響を補償する方法と装置であって、補償信号を、発生後のある時点における受信信号の信号強度が減衰と後方散乱の両者によって影響を受けると言う事に基づいて導く方法と装置。装置は反射信号から受信信号を発生する一組のトランスデューサー（15）の列、時間依存利得を加えて、受信信号の関数である信号を作成する手段（16）、一時記憶手段（17）、各時点毎に開始点からの信号の値の総和を計算出来る積分手段（18）、積分された信号を、記憶された元の信号と組み合わせて商を形成する手段（19）、そしてこのように生成した信号を表示する手段（20）から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波走査のための方法及び装置 本発明は一般に超音波走査に関するものである。 超音波パルスを組織に透過し、その反射信号で生成した像はリアルタイムで直 接表示出来る。超音波走査は物体の内部構造に関する情報を得る為の、価値ある 非侵襲性の診断手段である。医療用では、「物体」は人体であったり動物の身体 であったりするが、組織の非均質性の為、超音波信号の減衰と後方散乱の程度が 変化し、医学的に不満足な表示像となる。 公知の超音波走査装置は通常、超音波パルス信号を発信して受信するトランス デューサー（実際には複数の個々のトランスデューサー要素を直線或いは環状に 配置したものである場合もある）を持っている。個々のトランスデューサー要素 から物体に透過し、その中の複数の場所から反射して同じトランスデューサー要 素が受信する超音波パルスは、物体の内部構造に関する情報を、トランスデュー サー要素から物体の中に延びる線上に与える。この様な情報の一次元線をＡ走査 と言う。Ｂ走査と言われる二次元像は、Ａ走査線を継続的に生成するようにトラ ンスデューサーを走査する事により作成出来る。この様な走査は一つのトランス デューサー（一つのトランスデューサー要素からなるトランスデューサ ーである）を物理的に変位する事により、或いはトランスデューサー要素の配列 からなるトランスデューサーの場合には電子走査する事により行う事が出来る。 従ってＢ走査像はトランスデューサーがが決定する（トランスデューサーが複数 のトランスデューサー要素の配列からなる場合）、或いは一つのトランスデュー サーが横断する経路が決定する線を通る物体の断面を表し、これを使って例えば ビデオモニタースクリーンに表示して物体の内部構造を可視化するのに用いられ る。 この表示を正規化する為、また均質物体では物体のより深い複数の場所からの 反射信号が、信号が通過した経路長がより長い為、より強く減衰されると言う事 実を考慮して、受信信号を時間依存利得で増幅をするのが普通である。この様な 公知の装置の利得関数は、深さの関数として利得を効果的に変化させるものであ るが、平均的物性に基づいている。実際の生物状況においては、しかしながら、 仮定した平均より減衰が大きかったり小さかったりする局部部位（軟骨とか羊水 とか）があって、時間依存利得変化関数は正確ではない。従って、より大きな範 囲からの信号に対して受信機利得を段階的に増加する事によりある程度補償出来 るが、簡単な補償関数で、組織構造で起こり得る変化に適応させる事は出来ない 事、そして同じ利得関数を繰り返し適用する通常のやり方は、未修正の信号に対 してある程度改善するが、完全とは言いがたい妥協である事は認めざるを得ない 。 公知の走査装置には像を最適化する為、換言すれば検査している実際の物体内 の物理的特徴を考慮する為、利得関数を多少調整或いは変化さ せる手段を備えているが、最善の結果を得る為これらを調整しても、像には、影 、即ち周囲の像との関係で像の全体的明るさに比べて暗い領域、及び、その領域 の正確な明るさよりもっと明るい領域である「高揚」あるいは「逆影」の形の像 欠陥（image artefacts）が含まれる。「影」は、軟骨組織の様に透過超音波パ ルスのエネルギーを、より強く減衰させる身体的特徴の背後に現れ、一方、「高 揚」は嚢胞或いは羊水といったエネルギーの減衰が少ない身体的特徴の背後（即 ち表面から断面の方向へ身体のより深い所）に現れる。超音波走査装置によって オペレーターに提示される像は、主として、被検査物体を構成する固体と液体を 音が透過する事に関連した二つの物理現象の結果である。物理現象の一つは音響 エネルギーが物質そのものを透過する際の減衰であり、もう一つは物性の相違す る二つの物質の間の界面における音響エネルギーの後方散乱或いは反射である。 後方散乱は反射信号の到着に影響を与える主要な要因である。と言うのは、反射 されないと、パルスは同じ方向に継続し、反射信号を受信しなくなるのに対し、 減衰現象は受信信号の振幅に大きな影響を与えるからである。受信信号に影響を 与える他の要因もある。例えば、最終像に現れる「スペックル」、音波の干渉性 に起因する干渉の影響、像の歪みや多重像を引き起こす原因となる、相違する組 織間の界面における音速の変化に起因する屈折の影響、そして音響信号の周波数 に依存する音の減衰及び後方散乱の程度の変化の影響がある。殆どの既存の走査 装置によって発生される超音波パルスは或る範囲の周波数成分からなっており、 その結果いろいろな周波数成分のそれぞれの挙動によりパルス波形が変化する。 しかしながら、これらは減衰や後方散乱に比べれば二次的な影響である。 公知の機械においては、後方散乱と減衰は相互に無関係と仮定されている。こ の仮定に基づいて、減衰の影響を補償する為に受信信号に加える時間変化利得は 、場所に無関係に全てのＡ走査線に対し同じである。しかしながら、後方散乱と 減衰は完全には相互に無関係では無く、修正しない或いは補償しない時間変化利 得を信号に加える事が、実は、上記の影や高揚の影響を現出する主要な理由であ ると信じられている。 従来の時間利得制御を利用するものに対し、像信号を改善する試みは行われて いる。その一つは、多くの範囲セグメントのピーク信号を調べ、段階的に更新さ れる記憶から必要な利得を予想するものである。この公知のシステムでは検出装 置の出力を平滑フィルターでは無く、集積されたピーク検出装置で感知し、全範 囲の各セグメントで導かれるピーク値は各セグメント用の記憶用コンデンサーに 保持される。像形成を何回か完了した後は、これらのコンデンサーは、それぞれ の像の一部の任意の範囲セグメントにある完全な信号から誘導された電圧を保持 している。そして、各範囲セグメントに記憶され、次のセグメントの為にその値 の一部に同時に重み付けをして変更した値を読出す事により利得制御関数を導く 。この重み付けは、それぞれの範囲セグメントの全スペースの反射履歴によって 、またフィルターが保持した以前の範囲挙動によって、さらにまた次の記憶用コ ンデンサーに保持された予想挙動によって、制御に重み付けをする為である。し かしながら、これは数秒かかり、従ってリアルタイムの表示装置には使用出来な い。 二次元Ｂ走査像を構成する各Ａ走査線に同じ時間変化利得を適用している為、 Ａ走査線に垂直な方向の減衰特性の変化を斟酌出来ない。しかしながら、身体内 での減衰は必ずしも一定ではなく、従って所定の時間利得関数の適用は、減衰の 変化が未知であると言う事実により必要となる妥協である。 本発明は超音波パルス反射走査装置で走査している物体内の減衰変化の影響を 補償する方法と手段、そして、特に従来のパルス反射走査装置によって作成され た像に現れる影や高揚を完全には消去できないにしても、減少する事の出来る方 法と手段を提供するものである。 従って、本発明の第一の発明は超音波パルス反射走査装置によって走査されて いる物体内の減衰変化の影響を補償する方法であって、受信信号内のある時点に 対し、該時点から開始する一定の時間にわたる、受信信号の関数の値の和を決定 し、そして受信信号の関数と補償信号の商である表示信号を発生する事により、 受信信号から導いた補償信号を発生する事を特徴とする。 受信信号の関数は勿論恒等関数であっても良い。 この方法の基礎となる理論的考察を以下詳細に論ずる。実施においては、該受 信信号は、該補償信号の値を決定している間暫、一時的に記憶される。 補償信号は、超音波パルス発生後のある時点において受信信号の信号強度が減 衰と後方散乱の両者の影響を受けていると言う事、そしてパルスが透過されてい る媒体においては後方散乱と減衰の間に線形或いは非線形関係があると言う事に 基づいて導かれる。 本発明の方法と装置の基礎となるのは、後方散乱と減衰との間に関係があると 言う認識である。 本発明のもう一つの発明は、被検査物体の超音波像を生成する装置であって、 トランスデューサーによって発信し被検査物体内からの反射の後反射信号として 受信するパルス信号を生成し、そしてＡ走査を作成する受信信号を生成するトラ ンスデューサー手段を有し、このＡ走査は他のＡ走査線からの信号との組合せで 被検査物体のＢ走査を形成し、更にＢ走査信号の像欠陥を、該受信信号の関数と 、該受信信号の関数の一定時間にわたる積分によって導いた補償信号との組合せ で商信号を形成する事により、少なくとも減少させて、表示手段に送ってこの様 にして作成した像を表示する手段を備える事を特徴とする装置である。 本発明の装置は該受信信号を記憶する一時記憶手段、該受信信号を一定時間に わたって積分する積分手段、及び該受信信号を該積分補償信号によって割り、該 表示手段に送る出力信号を作成する除算手段とを有してもよい。 また本発明は、既存の超音波走査装置から抽出した信号から補償Ｂ走 査信号を作成する為該走査装置と組み合わせて使用する装置も含む。 本発明の具体化の例を、添付の図面を参照しながら、以下により詳細に説明す る。 図１は受信された超音波信号の時間変化を示す図である。 図２は影の影響の形を説明する図である。 図３は高揚の影響の形を説明する図ある。 図４は本発明の実施例として構成された補償システムの主要な構成品を説明 するブロック図である。 先ず、原点にあるトランスデューサーがｘ軸に沿って音響パルスを音速ｃで発 信する様に設定した座標系を考える。トランスデューサーから発信された音響パ ルスは正のｘ方向に移動する。ｘ点からｘ＋δｘ点に移動する際、信号はこれら 二つの点の間で組織によって減衰される。δｘを小さいと仮定すると、この小さ な範囲では組織の特性は一定であると仮定出来る。パルスがｘ点とｘ＋δｘ点の 間を通過する時の信号強度の減衰は距離δｘに比例すると思われる。これはまた 、ｘ点とｘ＋δｘ点の間の透過の際、単位距離当たりに除去される信号の部分を 表す量ａ(x)として表される組織の減衰特性に依存する。ａ(x)の値は０と１の間 にあり得る。 パルスがｘ点に達した時のパルスの振幅をＳ(x)とすると、 S(x+δx)＝(1-a(x)δx)S(x) となり、δｘで割ってδｘ→０としてリミットをとると、 これは次のように解くことができる。 これはｘ点における振幅と他の点ｘ₀の振幅との関係式となる。 ある点ｘにおいて、信号の一部は、再びトランスデューサーによって受信さ れる方向に分散されるであろう。ｘ点における信号強度をＳ(x)とすれば、 が、帰路に更に減衰してトランスデューサーに戻って来る信号の部分である。組 織の減衰特性が方向に無関係であると仮定すると、ｘ点で散乱してトランスデュ ーサーで受信される信号強度Ｓrは次の式で与えられる。 上記式でＳはトランスデューサーが生成したパルスの振幅を表し、係数 ２は往路と帰路の両方で生じる減衰のためである。音速はｘ＝ｃｔ／２（ｔは発 信と受信の時間遅延）と一定であると仮定されるので。 Ａ走査即ちｘ方向を横切るｙ方向のＡ走査の一群であるＢ査の場合、ａとｂは ｘとｙの両方に依存するかも知れない。ここで、ｙ方向と言う言葉は横断方向を 一つの値に限定するものではなく、場合によっては複数の値をとる場合がある。 例えば、所謂「セクター」スイープの場合ｙ方向は小さな範囲で変化し、複数の 内部プローブを使用する、より基本的な変化の場合スイープは360°にわたる場 合がある。Ｂ走査は、複数のトランスデューサー要素の配列からなり、それらの 出力信号を走電子的に走査するトランスデューサーによってもよく、単一のトラ ンスデューサー要素をｙ方向に沿って変位させて一群のＡ走査像を与えてＢ走査 を生成することもできる。量ｂ(x,y)は後方散乱の尺度であり、これは後方散乱 パルスのトランスデューサー到着前の球状拡散を考慮するため、深さ依存を含ん でもよい。更に本明細書で信号と言う場合常に、場合によっては信号の関数を言 う事を含む。 Ｓr(x)の式中の指数因子の影響を補償する試みとして、受信信号を時間依存利 得を導入して増幅する。代表的には、この補償は、受信信号にｔの指数関数（従 ってｘ）を掛けて行う。同じ補償を、ｘ及びｙ方向の減衰変化を考慮しないでＢ 走査における各Ａ走査線に適用する。Ｓd(x)がこの増幅信号とすると ここでＡは定数である。Ａの値を変更する事が出来る事のみが時間利得の唯一 の調整方法である。超音波像の影と高揚の影響が生じるのは、Ａxが をよく近似するようＡの値を必ずしも選択出来ないからである。例えば変数ｙを Ｓd(x,y)の式で無視出来る様に一つのＡ走査を取りＳ=1となる様に単位を選択す ると、後方散乱がｂ(x)=ｂ₀と一定で減衰がａ(x)=ａ₀と一定である試料が与えら れ、Ｓd(x,y)の式は以下を与える。 もし時間利得を調整して、Ａがａ₀に等しくなる様に選ぶとＳd(x)=ｂ₀となり 、後方散乱地図をよく表す。ここで、仮に時間利得を固定したままとし、しかし 減衰ａ(x)は ａ₁， （ｘ₁＜ｘ＜ｘ₂の場合） ａ₀， （そうで無い場合） であるとする。 これは領域をｘ₁からｘ₂に渡る対象物が存在するためであると考える事が出 来る。Ｓd(x,y)の式に代入するとＳd(x)は となる。 a₁＞a₀であれば、ｘ＞x₂の場合の信号はb₀未満になり、対象物の背後の影を与 える。これを図２に示す。ｘとｘ₂との間のＳd(x)の値の低下を勾配１１で示す が、この後は、他のいかなる減衰特性と無関係に連続した低い値１２になる。 他方a₁＜a₀であれば信号は、ｘ＞x₂において、b₀より大きくなり、図３に示 すように対象物の背後の高揚となり、そして登り勾配１３の後、ｘの大きな値で は、大きくなったＳd(x)の値となる。 Ｓd(x,y)の式において、組織の減衰と後方散乱は、夫々式ａ(x,y)とｂ(x,y)で 規定される。オペレーターに対して示され、Ｓd(x,y)で表される像はａ(x,y)と ｂ(x,y)の両者に依存する。これはまた透過パルスＳ強度と、定数Ａによって表 される時間利得に依存する。 実際上では走査装置は減衰と後方散乱の影響を分離しない（ａ(x,y)とｂ(x,y) の両者を得るのに等しい）ので、唯一の入手可能な情報は超 音波像Ｓd(x,y)である。Ｓd(x,y)の式から、この作業は数学的に二つの未知数を 持った一つの方程式を解くのに等しい。この問題に対しては唯一の解はないが、 問題を一つの未知数を持った一つの方程式を解く様に変えるために、もし追加の 仮定が為されれば解を得ることができる。 殆どの既存の装置て使用されている様に、固定した時間利得を使用するのはａ (x,y)が一定であるとの仮定に基づくものと考える事が出来る。自動時間利得算 法は、例えばｂ(x,y)は一定であるといった色々な仮定を行う。本発明は、これ らの仮定は問題を単純かしすぎており、更に悪い事に仮定自体の誤差を持ち込む という主張に基づいている。その代わり減衰ａ(x)と後方散乱ｂ(x)との間の関係 を利用している。 ｂ(x)＝ｋ ａ(x)という単純なケースでは となり、従って これから となる事が分かる。 かくして、受信信号を、関心点から先の範囲にわたる受信信号の積分によって 割る事により（上記式では上限を∞で表しているが実際にはこの範囲は有限であ る）、後方散乱ｂ(x)に依存する成分を有効的に補償することができる。この結 果はａ(x)とｂ(x)の関係が単純な直線関係であるとの仮定によって到達している 。実際には勿論、この関係は寧ろもっと複雑であるのが殆ど確実なので、一般的 な式として、表示に使用する信号はＳ(x)によって表す事が出来る。但し でＳ(x)は受信信号の関数であり、 図４は像欠陥を補償する手段を持った超音波走査システムの主要な構成品をブ ロック図で示す。図のシステムは、一つのトランスデューサー１５を備えている が、これは実際には指向性超音波パルスを被検査物体（図示せず）に発信し、そ して受信する複数のトランスデューサー素子からなる。発信パルスを生成したり 、反射信号を検出したりする回路は、信号のフィルター、パルス整形その他の処 理を含め、公知の市販超音波走査装置で従来技術であるので図示していない。 トランスデューサーからの信号ｓ(t)は前処理回路１６に送られ、例 えば、受信信号の関数である信号Ｓ［s(t)］を発生させるために、従来の走査装 置で知られているように時間依存利得を加える。この信号は遅延回路１７又は一 時記憶装置と、各時点ｔ毎に反射パルスの受信から所定の終点迄のＳ［s(t)］（ 又はＳ(t)）の値を合計して を生成する計算をする積分器１８とに送られる。この様に積分された信号Ｃ(x) は遅延関数Ｓ(x)と組み合わされて、組み合わせ回路１９と共に下記の商を形成 する。 そして信号Ｓ(x)はビデオモニターのような走査コンバーター及び表示装置２０ に送られる。上に検討した様に、この様に処理された信号は実質的に影及び高揚 の影響が無く、さらなる処理の結果その他の像劣化も無く、臨床家は信号処理に よって像アーチファクト（技術特異欠陥）が除去されて、遮蔽の影響の無い像を 解釈する範囲が広がる。 超音波走査装置のところで説明した様に、本発明は、また、既存の超音波走査 装置と接続する信号処理付属装置として実施出来、信号Ｓ(t)を走査装置から抽 出して、上記の様に処理し、処理された信号を走査装置に再導入して表示させる 事が出来る。 更に、反射振幅が受信信号の調整パラメーターとなっている超音波エコースコ ピー（echoscopy）を例にして述べて来たが、本発明の上記技術はまたパルス式 ドップラー技術やカラードップラー技術にも適用出来る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超音波パルス反射走査装置によって走査される物体に於ける減衰変化の影響 を補償する方法であって、受信信号から、受信信号のある時点に対し、受信信号 の関数の値の和を、該時点から始まるある時間にわたって決定し、受信信号の該 関数と補償信号との商である、表示用の信号を発生する事を特徴とする方法。 ２．受信信号の該関数を表す信号は、補償信号の該値を決定する間、一時的に記 憶される事を特徴とする特許請求の範囲第一項に記載する方法。 ３．受信信号は、該補償信号が導かれる前に、時間依存関数によって可変時間利 得補償される事を特徴とする特許請求の範囲第一項又は第二項に記載する方法。 ４．発生後のある時点における受信信号の信号強度が減衰と後方散乱の両者によ って影響を受けでおり、パルスが透過される媒体における後方散乱と減衰の間に 線形又は非線形関係があると言う事に基づいて補償信号が導かれる事を特徴とす る特許請求の範囲第一項から第三項のいずれかに記載する方法。 ５．被検査物体の超音波像を作成する装置であって、トランスデューサーと該ト ランスデューサーによって発信されるパルス信号を発生する手段を備え、該トラ ンスデューサーは被検査物体内で反射した反射信号を受信して、Ａ走査を作成す る受信信号を発生し、このＡ走査はその他の Ａ走査線を構成している信号と連携して被検査物体のＢ走査を形成し、受信信号 に加えられた時間変化利得制御によるＢ走査信号内の像のアーチファクト（技術 特異欠陥）を、受信信号の関数と、該受信信号の関数の一定時間にわたる積分に よって導いた補償信号との組合せて商信号を形成する事により、少なくとも減少 させて、表示手段に送ってこの様にして作成した像を表示する手段を備える事を 特徴とする装置である。 ６．該受信信号の関数を表す信号を記憶する一時記憶手段と、受信信号の関数を 一定時間にわたり積分する積分手段と、受信信号の該関数を該積分補償信号によ って割って該表示手段に加える出力信号を作る除算手段とを備える事を特徴とす る特許請求の範囲第五項に記載する装置。 ７．少なくとも一つのトランスデューサーと該トランスデューサーによって発信 されるパルス信号を発生する手段とを備え、該トランスデューサーは被検査物体 内で反射した透過パルス信号の反射信号を受信してＡ走査を作成する受信信号を 発生し、このＡ走査はその他のＡ走査線を構成している信号と連携して被検査物 体のＢ走査を形成する種類の超音波走査装置と接続して使用する装置であって、 Ｂ走査信号を受信する手段、それから、受信信号の関数の一定の時間にわたる積 分により導かれる補償信号を導く手段、受信信号の該関数と補償信号の商を形成 して補償Ｂ走査信号を形成する手段、そして該補償Ｂ走査信号を、接続した超音 波走査装置に表示の為出力する出力手段とからなる事を特徴とする装置。