JPH11113894A

JPH11113894A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JPH11113894A
Application number: JP28155397A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kondo; 祐司近藤; Toshiaki Fujiki; 俊昭藤木; Yoshiaki Kobayashi; 好明小林; Masao Kobayashi; 正夫小林
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波診断において、組織の性状を超音波の
位相の観点から把握できる新しい情報を提供する。【解決手段】直交検波器２０によって複素信号が生成
される。この複素信号に基づいて第１の位相差演算器３
０において自己相関が演算され、各サンプル点ごとに位
相差を表す信号が求められる。第２の位相差演算器３２
において、自己相関器出力結果に基づき位相差Δφが実
際に演算される。抽出回路４０は、ＲＯＩ内の位相差Δ
φを抽出し、ヒストグラム作成回路４４でその位相差Δ
φのヒストグラムが作成される。分散演算回路４６は位
相差Δφの分散を演算する。ヒストグラムあるいは分散
値によって組織の性状を把握することができる。

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生体組織の
性状を表す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、位相情報が反映した画像を形成す
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。

【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
号から超音波ビーム上の各サンプル点の位相を演算し、
位相比較により前記各サンプル点の位相差を求める位相
差演算手段と、前記位相差の分散を演算する分散演算手
段と、を含むことを特徴とする。

【０００８】上記構成によれば、複素信号から各サンプ
ル点ごとに位相差が演算される。位相差は境界における
音響的特性を反映するものであり、その位相差の分散を
表示することによって、診断者に従来装置では得られな
い新しい診断情報を提供可能である。

【０００９】本発明の望ましい態様では、前記位相差演
算手段は、同じ超音波ビーム上の２つのサンプル点間で
前記複素信号の自己相関を演算する自己相関回路と、前
記自己相関回路から出力される実数成分及び虚数成分に
基づいて偏角を演算する偏角演算回路と、で構成され
る。自己相関回路では、２つのサンプル点間で相関演算
が実行され、その演算結果から偏角を演算することによ
り位相差を取得できる。本発明の望ましい態様では、前
記分散を数値で表示する表示手段を含み、あるいは、前
記分散を二次元画像上に表す表示手段を含む。

【００１０】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、前記複素信号から超音波ビー
ム上の各サンプル点の位相を演算し、位相比較により前
記各サンプル点の位相差を求める位相差演算手段と、前
記位相差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手
段と、を含むことを特徴とする。位相差のヒストグラム
は、分散同様に、組織の性状を表すものとして位置付け
られる。

【００１１】なお、本発明は、反射波を利用する場合及
び透過波を利用する場合の双方に適用可能である。ま
た、分散の演算及びヒストグラムの作成に当たっては、
空間的な一定領域内の複数の差分値が参照され、あるい
は、時間的な一定期間内の複数の差分値が参照される。

【００１２】[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。

【００１３】（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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】（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Ｐ_0,Ｐ₁及び粒子速度ｖ₀，ｖ₁は、以下のよ
うに表される。

【００１８】

【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。

【００１９】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。

【００２０】

【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。

【００２１】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。

【００２２】

【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。

【００２３】

【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。

【００２４】

【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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】（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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】

【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。

【００３２】（４）上記モデリングを基礎とした位相差
の分散演算以上のように、位相差は生体組織の性状を表す指標とな
りうる。また、診断領域の全体又は一部を対象として位
相差の分散を求めれば、それも生体組織の性状を表す指
標となりうる。例えば位相差の平均値が同じような２つ
の組織であっても、その位相差の分散が異なればそれら
を区別して表現できる。

【００３３】（５）位相演算に好適な自己相関演算の説
明ところで、受信信号のサンプル周期をＴとしたとき、サ
ンプル点ｎにおける受信信号Ｒ（ｎＴ）及びサンプル点
ｎ＋１における受信信号Ｒ（（ｎ＋１）Ｔ）は、それぞ
れ以下のように表される。

【００３４】

【数１７】ただし、ａは振幅であり、φは位相である。この場合、
自己相関Ｃ（Ｒ）は以下のように定義される。

【００３５】

【数１８】従って、自己相関結果は、２つのサンプル点間の位相差
Δφ＝φ（（ｎ＋１）Ｔ）−φ（ｎＴ）を位相として有
する信号である。すなわち、自己相関の出力信号として
逐次的に位相を求めることができる。

【００３６】ちなみに、直交検波などによって変換され
た複素信号について、あるサンプル点での値をＲ１と
し、次のサンプル点での値をＲ２とし、その実数部及び
虚数部をそれぞれａ，ｂで表せば、

【数１９】となる。上述の自己相関の定義に従えば、

【数２０】であり、その計算をハードウエアなどで構成すれば自己
相関回路を実現できる。なお、Ｂモード画像と共にドプ
ラ画像が形成される超音波診断装置においては、位相演
算のための自己相関回路とドプラ演算のための自己相関
回路とを別々に設けるのが望ましい。ただし、１つの自
己相関回路を共用することも可能である。

【００３７】

【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。

【００３８】図６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６はその全体構成を
示すブロック図である。

【００３９】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受波が行われ
る。超音波ビームは電子走査され、その走査方式として
は電子リニア走査、電子コンベックス走査及び電子セク
タ走査が挙げられる。もちろん、本発明はいわゆるメカ
ニカルスキャンが行われる場合においても適用可能であ
る。

【００４０】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。
また、探触子１０には受信器１４が接続され、探触子１
０からの受信信号が受信器１４に出力される。受信器１
４では受信信号に対する増幅などの処理がなされる。送
信器１２及び受信器１４によって送受信器１６が構成さ
れている。送受信制御部１８は、送受信器１６の制御を
行うとともに、後述する直交検波器２０に対して、互い
に９０度位相の異なる２つの参照信号を供給している。
直交検波器２０には、受信器１４から出力される受信信
号が入力される。直交検波器２０は図６に示されるよう
に２つのミキサ２２，２４を有する。それぞれのミキサ
２２，２４は、受信信号に対して各参照信号を混合する
回路である。さらにミキサ２２，２４の後段にはベース
バンド領域の信号成分を取り出す帯域制限フィルタ２
６，２８が設けられている。この直交検波器２０によっ
て受信信号が実数部及び虚数部からなる複素信号に変換
される。

【００４１】位相差演算器は、第１の位相差演算器と第
２の位相差演算器で構成される。ここで、第１の位相差
演算器３０は図６に示す実施形態において自己相関器で
構成される。その自己相関器には直交検波器２０から出
力された複素信号、すなわち実数部Ｉ及び虚数部Ｑが入
力されている。自己相関器では、同一の超音波ビーム上
における隣接する２つのサンプル点あるいは所定個おい
た２つのサンプル点の信号について自己相関を演算し、
その自己相関結果を複素信号として出力する回路であ
る。この自己相関器は上述した（Ｃ４）式を実行する回
路である。この自己相関によって各サンプル点ごとに位
相差を表わす信号が出力される。その信号は、その位相
差の情報を位相情報としてもった信号である。それゆ
え、後述のように、その信号の位相を演算することによ
り、結果として、求めるべき位相情報を検出できる。

【００４２】本実施形態においては、従来の超音波ドプ
ラ診断装置とは異なり自己相関器において同一の超音波
ビーム上における２つの複素信号を利用して自己相関が
演算されている。従来の超音波ドプラ診断装置における
自己相関器では同一方向に向けて複数回の送受波が行わ
れ、その各送受波において取得されたデータ間において
自己相関演算が実行されており、その結果が異なる。。

【００４３】第２の位相差演算器３２は本実施形態にお
いて自己相関器から出力される実数部Ｉ及び虚数部Ｑの
逆正接（ｔａｎ^-1）を演算する回路である。すなわち、
偏角を演算する回路である。ここで、図７を用いて第２
の位相差演算器３２の作用について説明する。

【００４４】図７には、受信信号をサンプリングし更に
位相演算して得られた位相データ列と振幅差データ列の
関係が概念的に示されている。この図７に示すように、
受信信号のサンプリング周期をＴとし、サンプル点ｎに
おける位相をφ(nT)とし、サンプル点ｎ＋ｋにおける位
相をφ((n+k)T)とすると、位相差Δφは、 Δφ＝φ(nT)−φ((n+k)T) で表される。ここで、ｋは１以上の整数であり、位相差
をとる２つのサンプル点の距離を規定するものである。
そのｋと周期Ｔは、位相差検出の精度及び感度を制御す
るパラメータであり、それらをユーザーによって可変で
きるように構成してもよい。ｋ＝１の場合、同じ超音波
ビーム上の隣接する２つのサンプル点ごとに位相差が演
算される。

【００４５】図６に戻って、第２の位相差演算器３２か
ら出力される位相差Δφの情報は表示変換回路３４を介
して表示装置３６に送られる。表示装置３６では、位相
差を表した断層画像が表示されることになる。ここで、
その位相差が輝度又は色相等に対応付けられてその断層
画像が表示される。もちろん、そのようなＢモード画像
の他、Ｍモード画像を表示してもよい。

【００４６】本実施形態に係る超音波診断装置では、第
２の位相差演算器３２から出力される位相差Δφが抽出
回路４０に入力されている。この抽出回路４０はＲＯＩ
設定器４２によって設定された関心領域内において、各
サンプル点ごとの位相差Δφを抽出する回路である。図
１０にはその作用が示されており、断層画像６２上にお
いＲＯＩ設定器４２によって関心領域であるＲＯＩ６４
が設定され、ＲＯＩ６４の中に属する位相差情報のみが
抽出回路４０によって抽出される。

【００４７】図６において、ヒストグラム作成回路４４
は、上述するように抽出された位相差Δφの情報に基づ
いて図１１に示すようにヒストグラムを作成する回路で
ある。すなわち、横軸にΔφ、縦軸に度数をとったグラ
フを作成する回路である。このヒストグラムは一定領域
内におけるマクロ的な視点から組織の性状を表すものと
認められ、単に位相差のみではわからないような組織間
の性状の相違をヒストグラムの相違として認識すること
ができる。分散演算回路４６は抽出回路４０から出力さ
れた位相差、あるいはヒストグラム作成回路４４によっ
て作成されたヒストグラムに基づいて分散値を演算する
回路である。その演算結果は表示装置３６に出力され、
その分散値が二次元画像上に例えば色相などによって表
現され、あるいはその分散値が数値表示される。

【００４８】図８には、図６に示した自己相関器３０Ａ
の具体的な回路構成例が示されている。この自己相関器
３０Ａは、２つの遅延器５０と、４つの乗算器５４と、
２つの減算器５６と、で構成されるものである。遅延器
５０においては、１サンプルあるいは数サンプル分だけ
データの遅延が行われている。

【００４９】図９には、本発明に係る超音波診断装置の
他の実施形態の要部構成が示されている。直交検波器２
０から出力される実数部及び虚数部は位相演算器１３０
に入力されている。この位相演算器１３０は実数部Ｉ及
び虚数部Ｑの逆正接を演算する回路であり、その演算に
よって位相φが算出される。その位相は位相差演算器１
３２に入力される。位相差演算器１３２は遅延器５８及
び減算器６０で構成され、遅延器５８においては１サン
プルあるいは数サンプル分だけデータの遅延が行われて
いる。そして、その遅延された位相と最新の位相とが減
算器６０によって減算され、これによって当該最新の位
相について位相差Δφが演算されている。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
組織の性状を超音波の位相の観点から把握できる情報を
提供できる。特に、一定の領域内における組織の性状を
表す指標を提供できる。

【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】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７】位相データ列と位相差データ列の関係を示す
説明図である。

【図８】自己相関器の具体的な構成例を示す図であ
る。

【図９】本発明に係る超音波診断装置の他の実施形態
の要部を示すブロック図である。

【図１０】断層画像上における関心領域の設定を示す
説明図である。

【図１１】ヒストグラムを示す図である。

【符号の説明】

１０探触子、１４送受信器、１６送受信制御部、
２０直交検波器、２６，２８帯域制限フィルタ、３
０第１の位相差演算器、３２第２の位相差演算器、
３４表示変換回路、４０抽出回路、４２ＲＯＩ設
定器、４４ヒストグラム作成回路、４６分散演算回
路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林正夫東京都三鷹市牟礼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、前記複素信号から超音波ビーム上の各サンプル点の位相
を演算し、位相比較により前記各サンプル点の位相差を
求める位相差演算手段と、前記位相差の分散を演算する分散演算手段と、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、前記位相差演算手段は、同じ超音波ビーム上の２つのサンプル点間で前記複素信
号の自己相関を演算する自己相関回路と、前記自己相関回路から出力される実数成分及び虚数成分
に基づいて偏角を演算する偏角演算回路と、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、前記分散を数値で表示する表示手段を含むことを特徴と
する超音波診断装置。
【請求項４】請求項１記載の装置において、前記分散を二次元画像上に表す表示手段を含むことを特
徴とする超音波診断装置。
【請求項５】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、前記複素信号から超音波ビーム上の各サンプル点の位相
を演算し、位相比較により前記各サンプル点の位相差を求める位相
差演算手段と、前記位相差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成
手段と、を含むことを特徴とする超音波診断装置。