JPH11113893A

JPH11113893A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JPH11113893A
Application number: JP27560697A
Authority: JP
Inventors: Masao Kobayashi; 正夫小林; Yuji Kondo; 祐司近藤; Toshiaki Fujiki; 俊昭藤木; Yoshiaki Kobayashi; 好明小林
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1999-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波診断装置において、組織の性状を表す
新しい指標を提供する。【解決手段】直交検波器１６において受信信号が複素
信号に変換される。その実数部と虚数部とが別個に表示
される。すなわち、実数部のみによるＢモード画像と虚
数部のみによるＢモード画像とが選択表示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波診断装置に関
し、特に、直交検波後の複素信号を利用して超音波画像
を形成する超音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波は、音響的な特性の異なる境界
（組織間）で反射する性質を有しており、反射波の強度
すなわち受信信号の振幅は、組織間における固有音響イ
ンピーダンスの差に相当する。そのような超音波の性質
を利用し、従来の超音波診断装置では、超音波パルスの
送受波により得られた受信信号が包絡線検波によってベ
ースバンドの信号に変換され、その信号の振幅を輝度に
対応させることにより、Ｂモード画像やＭモード画像が
形成されている。従来、組織性状の評価は、上記のよう
な輝度画像におけるコントラストや質感に基づいて行わ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波の反
射の際に位相が変わることが知られており、特に、固有
音響インピーダンスが低い組織から固有音響インピーダ
ンスが高い組織への間で超音波が反射する際には位相が
維持されて正相となり、その一方、固有音響インピーダ
ンスが高い組織から固有音響インピーダンスが低い組織
への間で超音波が反射する際には位相が反転して逆相に
なるということが知られている。ここで、組織間での音
響特性の差によって超音波反射時における位相のずれ量
（位相差）が異なるという事実を前提とすれば、位相あ
るいは位相差によって組織の何らかの性状を表せるとい
う結論に帰着する。

【０００４】従来の超音波診断装置においては、単に受
信信号を包絡線検波していたため位相情報は抽出されて
いなかった。そこで、位相情報を反映させた画像を形成
することが望まれる。

【０００５】なお、従来の超音波ドプラ法に基づく超音
波ドプラ診断装置では、受信信号が直交検波され、更に
自己相関演算されているが、それは運動体の速度に依存
する位相シフトを検出するためであり、組織自体の性状
を位相差として検出するものではない。

【０００６】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、組織の性状を超音波の位相の
観点から把握できる超音波診断装置を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、位相情報が保存されたＢモー
ド画像又はＭモード画像を形成することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、超音波の送受波により得られた受信信号
を複素信号に変換する複素信号変換手段と、前記複素信
号の実数部又は虚数部の一方のみに基づいて超音波画像
を形成する画像形成手段と、を含むことを特徴とする。
実数部と虚数部は、後述するように、それぞれ組織の性
状を表す固有の情報を有するものであり、それらの一方
のみを利用して超音波画像を形成すれば、従来装置では
得られない新しい診断情報を提供できる。例えば、実数
部画像と虚数部画像は選択表示され、あるいは、並列表
示される。

【０００８】本発明の望ましい態様では、前記実数部又
は前記虚数部の絶対値を演算する絶対値演算手段を含
み、前記絶対値化された実数部又は虚数部に基づいて超
音波画像が形成される。

【０００９】[超音波の反射に関わるモデリング]以下
に、超音波の反射に関わるモデリングについて説明し、
位相差及び振幅が媒質とどのような関係にあるのか明ら
かにする。

【００１０】（１）従来の考え方異なる音響特性を有する２つの音響媒質[0]、[1]が接合
され、その境界面からの超音波の反射を考える。各媒質
における密度及び音速をそれぞれρ₀，ρ₁，ｃ₀，ｃ₁と
定義すれば、各媒質の固有音響インピーダンスＺ₀，Ｚ₁
は、

【数１】と表される。その境界面における音圧の反射係数Ｒ
_pは、

【数２】と表される。そして、入射音圧をＰ_inとすれば受信音圧
Ｐ_rは、

【数３】と表される。

【００１１】この従来のモデリングによれば、媒質間で
の固有音響インピーダンスのわずかな変化を反映して、
受信信号の強度は、固有音響インピーダンスの差が大き
いところでより強いことになる。また、反射係数の正負
は、超音波の反射の際の位相の回転方向を表すものであ
り、固有音響インピーダンスの大きな媒質から小さな媒
質へ超音波が進入する際、その境界面では、超音波は反
転して反射するものと考えられる。

【００１２】しかしながら、この従来のモデリングで
は、異なる２つの媒質が接する境界面に平面進行波が進
入することを前提としており、また、波が進入する媒質
[1]が無限遠に続くという条件が前提となる。

【００１３】超音波診断において、実際の生体内では、
境界面は複雑に入り組んだものとなっており、一般に上
記のような理想的なモデリングを行うことはできない。
超音波の反射についても、より一般的な形で論じる必要
がある。そこで、以下のように、複素信号を利用したモ
デリングを導入する。

【００１４】（２）複素信号による音響反射の考え方ある媒質における波は、平面進行波とその逆方向の波の
合成であるから、互いに接合する媒質[0]及び媒質[1]に
おける音圧Ｐ₀，Ｐ₁及び粒子速度ｖ₀，ｖ₁は、以下のよ
うに表される。

【００１５】

【数４】但し、角周波数ωは一定とし、

【数５】はそれぞれ位相定数を表し、ｘは位置を表すものとす
る。

【００１６】上記（Ａ４）式におけるベクトルＡ₀，
Ｂ₀，Ａ₁，Ｂ₁は、条件によって定まる複素定数であ
る。音圧および粒子速度は境界面において連続であるか
ら、

【数６】という条件を与えることができる。したがって、以下の
ようになる。

【００１７】

【数７】音響インピーダンス密度は境界において連続であると考
えられるから、

【数８】が得られる。よって、境界における音圧の反射係数Ｒ_p
は、

【数９】と表される。ここで、Ｚ₀は媒質[0]における固有音響イ
ンピーダンスであり、Ｚ_1Lは媒質[1]における媒質[0]と
の境界面における音響インピーダンス密度である。複素
定数Ａ₁，Ｂ₁は、媒質[1]の他の境界条件が与えられな
ければ決まらない。

【００１８】上記（Ａ９）式を更に検討する。複素数同
士の分数関数はやはり複素数となるから、

【数１０】とおき、更に、

【数１１】とすれば、以下の式が導かれる。ただし、Ｚ_1aは入射側
である媒質[1]での音響インピーダンス密度であり、θ₁
はその音響インピーダンス密度の位相成分を表してい
る。

【００１９】

【数１２】したがって、入力音圧Ｐ_inに対する反射音圧Ｐ_rは以下
のようになる。

【００２０】

【数１３】これにより、反射信号の振幅Ａｍｐ₁および位相Ａｒｇ₁
は、それぞれ以下のように表される。

【００２１】

【数１４】ここで、媒質[1]側に平面進行波しか存在しない場合に
は、上記（Ａ８）式において、Ｂ₁＝０であるから、Ｚ
_1a＝ρ₁ｃ₁＝Ｚ₁となり、（Ａ１３）式は（Ａ３）式と
同じになることがわかる。

【００２２】上記の（Ａ１４）式及び（Ａ１５）式の示
すところは、反射信号は単に固有音響インピーダンスの
変化分を反映するのではなく、境界条件によって変化す
る音響インピーダンス密度Ｚ_1Lの違いを反映するという
ことである。

【００２３】要するに、反射信号の振幅及び反射信号の
位相回転（位相差）は、音響反射を生じる境界での音響
インピーダンス密度の相違に依存する。換言すれば、受
信信号には、音響インピーダンス密度に関わる情報が内
包されている。

【００２４】（３）上記のモデリングの検討ところで、（Ａ９）式を図形的に解釈すると、図１のよ
うな図形が得られる。ここで、Ｚ_1Lを固定して考える。
（Ａ９）式の分子[Ｚ_1L−Ｚ₀]は、実軸上で−Ｚ₀だけ変
移した点を中心として半径｜Ｚ_1L｜の円周上を動く。
（Ａ９）式の分母[Ｚ_1L＋Ｚ₀]は実軸上で＋Ｚ₀だけ変移
した点を中心として半径｜Ｚ_1L｜の円周上を動く。（Ａ
９）式の絶対値を考えると、分母及び分子は、原点か
ら、各円と虚数値が一定の直線に交わる点（交点）まで
の距離として表される。そして、位相はそれぞれの位相
の差として与えられることがわかる。

【００２５】実際に（Ａ１３）式、（Ａ１５）式に数値
を代入して計算すると、反射係数の大きさ及び位相は以
下の各図のように表される。

【００２６】図２は、各Ｚ_1aに関し、反射係数の変化を
複素平面上でみたものである。ただし、（Ａ１３）式に
おいて反射信号は規格化されており、またＰ_in＝１とな
っている。図３は、Ｚ_1aに対する反射係数の絶対値を各
θ値についてみたものである。また図４、図５は、θ₁
に対する振幅特性および位相特性をそれぞれ表してい
る。上述したように、音響インピーダンス密度の変化に
対し、反射振幅あるいは反射位相が変化する。

【００２７】なお、もう一度、音響インピーダンス密度
について考えてみる。

【００２８】

【数１５】とおくと、

【数１６】となる。図４では、音響インピーダンス密度の位相θ₁
が−π／２以下のときあるいはπ／２以上のときに、反
射係数が１を越え、入射音圧よりも反射音圧のほうが大
きくなってしまう。（Ａ１７）式からわかるように、こ
のような状態を与える条件は、音響インピーダンス密度
の実数部が負となるときであり、すなわち、ａ＜ｂのと
きである。これは媒質[1]において進行波よりも後退波
のほうが大きいということで、別の音源が存在しない限
りあり得ない。

【００２９】（４）実数部、虚数部の分離表示（Ａ１４）式から、その実数部および虚数部を求める
と、以下の（Ｂ１）式のようになる。

【００３０】

【数１７】この（Ｂ１）式に基づいて、実数部とＺ_1aの関係を示し
たのが図６に示すグラフであり、虚数部とθ₁の関係を
示したのが図７に示すグラフである。図６に示されるよ
うに、Ｚ_1aはθ₁にあまり依存せず、その一方、実数部
の大きさからＺ₁ _aをある程度特定可能であることが理解
される。また、図７に示すグラフから、θ₁はＺ_1aにあ
まり依存せず、その一方、虚数部の大きさからθ₁をあ
る程度特定可能であることが理解される。

【００３１】従って、生体情報の変化を示すＺ_1aおよび
θ₁の特定に当たっては、必ずしも（Ａ１４）式のよう
に振幅演算をする必要のないことがわかる。つまり、複
素検出された信号の実数部あるいは虚数部のみを画像と
して表示すれば十分に生体内部情報を反映した映像が得
られる。実数部画像は、対象媒質の音響インピーダンス
密度Ｚ_1aを直接的に反映したものであり、虚数部画像
は、伝搬媒質の固有音響インピーダンスＺ₀の変化量を
反映したものである。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。

【００３３】図８には、本発明に係る超音波診断装置の
好適な実施形態が示されており、図８はその全体構成を
示すブロック図である。

【００３４】探触子１０は生体表面に当接して用いら
れ、または体腔内に挿入して用いられる超音波探触子で
あり、その探触子１０によって超音波の送波及び受波が
行われる。超音波ビームは例えば電子リニア走査や電子
セクタ走査によってスキャニングされ、これによって二
次元のエコーデータ取込み領域が形成される。

【００３５】探触子１０には送信器１２が接続され、そ
の送信器１２から送信信号が探触子１０に供給される。
探触子１０には受信器１４が接続されており、その受信
器１４において探触子１０から出力される受信信号に対
して増幅等の処理がなされる。

【００３６】直交検波器１６は、受信器１４から出力さ
れる受信信号を複素信号に変換する手段であり、公知の
直交検波器１６と同様の回路構成を有する。すなわち、
直交検波器１６は一対のミキサ１８，２０と、一対のロ
ーパスフィルタ（ＬＰＦ）２２，２４と、で構成され
る。ここで、ミキサ１８，２０では、互いに位相が９０
度異なる２つの参照信号が受信信号に混合され、ローパ
スフィルタ２２ではミキサ１８，２０からの出力信号の
うちベースバンド領域にある信号成分が抽出される。そ
して、その信号は例えばデジタル信号に変換される。直
交検波器１６から出力されるデジタル信号としての複素
信号は、周知のように実数部及び虚数部で構成されるも
のである。それらの実数部及び虚数部は絶対値演算器２
６，２８によって絶対値演算され、その演算後の実数部
及び虚数部は表示処理回路３０に入力される。表示処理
回路３０は後に説明する表示モードに従って実数部のＢ
モード画像や虚数部のＢモード画像を形成する回路であ
る。それらの画像は表示装置３２に表示される。

【００３７】図９には表示処理回路３０が有する代表的
な表示モードが示されている。第１の表示モードでは実
数部のみによるＢモード画像が形成され、第２の表示モ
ードでは虚数部のみによるＢモード画像が表示される。

【００３８】これは図１０に示すとおりである。第３の
表示モードにおいては、実数部と虚数部の２画面表示が
行われる。すなわち、図１１に示すように実数部による
Ｂモード画像と虚数部によるＢモード画像とがそれぞれ
独立して並列表示される。

【００３９】上述したように、実数部は対象媒質の音響
インピーダンス密度Ｚ_1aを直接的に反映したものであ
り、虚数部の画像は伝搬媒質の固有音響インピーダンス
Ｚ₀からの変化量を反映したものであり、それぞれの画
像を利用して２つの方向から生体内部の組織の性状を観
察することができる。

【００４０】なお、本実施形態ではＢモードが表示され
ていたが、もちろんＭモード画像を表示するようにして
もよい。すなわち、実数部によるＭモード画像及び虚数
部によるＭモード画像を表示するものである。

【００４１】表示装置３２において図１１に示したよう
に２つの画像を並べて表示すれば、それぞれの画像の特
性を個別的に認識して組織を総合診断できるという利点
がある。なお、それらの画像が例えば色相などの差を利
用して合成表示されるようにしてもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
組織の性状を表す新たな情報を提供することができ、疾
病診断精度を向上できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】反射係数を表す計算式における分子と分母の
関係を示す説明図である。

【図２】反射係数の計算値を表す説明図である。

【図３】反射係数の計算値を表す説明図である。

【図４】振幅特性の計算値を表す説明図である。

【図５】位相特性の計算値を表す説明図である。

【図６】音響インピーダンス密度Ｚ_1aと実数部との関
係を示す図である。

【図７】音響インピーダンス密度の位相成分θ₁と虚
数部との関係を示す図である。

【図８】本発明に係る超音波診断装置の実施形態を示
すブロック図である。

【図９】表示処理回路が有する表示モードを説明する
ための図である。

【図１０】実数部画像又は虚数部画像の表示を示す図
である。

【図１１】実数部画像と虚数部画像を並べた表示形態
を示す図である。

【符号の説明】

１０探触子、１２送信器、１４受信器、１６直
交検波器、２６，２８絶対値演算器、３０表示処理回
路、３２表示装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林好明東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号アロカ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波の送受波により得られた受信信号
を複素信号に変換する複素信号変換手段と、前記複素信号の実数部又は虚数部の一方のみに基づいて
超音波画像を形成する画像形成手段と、を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、前記実数部の超音波画像と前記虚数部の超音波画像とを
選択表示させる手段を含むことを特徴とする超音波診断
装置。
【請求項３】請求項１記載の装置において、前記実数部又は虚数部の絶対値を演算する絶対値演算手
段を含み、前記絶対値化された実数部又は虚数部に基づいて超音波
画像が形成されることを特徴とする超音波診断装置。