JPS58500976A - 超音波断層撮影法の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波断層撮影法の改良 本発明は超音波断層撮影の方法および装置、特に限定するものではないが、臨床 診断に適した超音波断層撮影方法および装置に関するものである。

一般に、人間その他の動物にとって外科技術に固有な麻酔、感染等に関連した危 険性を軽減するために非侵入型の診断技術が好ましい。無生物体には、コストお よび実用の観点から、非破壊的な検査技術が望ましい。身体の内部構造の正確な 映像を得るのにＸ線およびガンマ線技術が有効であると証明さ−れているが、最 近、動物、特に人間には非電離型放射を使用するのが好ましいことが判明してい る。放射線傷害を非常に受けやすい身体部分もがん、のう腫その他の傷害の形式 の素因を統計的に示すことに留意する必要がある。上記した種類の傷害を受ける 恐れのある患者では、患部を規則的に診断して傷害の病的寒化を監視することが 重要である。婦人では、乳がんの高発生部の見える所で胸部診断を規則的に行な うことが勧められている。

電離型放射を用いないで非侵入型診断の必要性に適応するために、ある種の超音 波診断影像技術が開発されている。これらの技術は、生物体組織に有害であると して知られているよシも低い超音波エネルギーレベルを使用している。既知の超 音波装置は臨床診断に有用であるとの報告があるが、得られたデータの様式およ び品質の解像度および再現可能性の点で上記の装置は全く満足できないものであ る。

現在使用されている超音波撮影装置には基本的に２種類のものがある。これらは 、身体の内部構造を表示する映像を再現するためにエコー反射情報または伝搬情 報を頼みにしている。

現在、最もよく発達し従って最もよく使用されている装置は、パルスエコーＢ走 査モードままたはその変形したものである。この装置において、媒質内の表面ま たは界面から反−射された超音波パルスは、表示装置の明るさを調節する復帰エ コーの強度または振幅を伴ないながら、検出され表示装置に表示される。パルス 発生／受信トランスデユーサと反射面との相対位置は、スクリーン上でＹ軸とＹ 軸に表示される。身体の設定面内で畳なる角度で走査して得−られる複数のエコ ー信号から成る合成像において、得られた映像表示は、各映像要素が身体に関係 した種々の反射面に直接の幾何学的な位置関係を有する映像として作られたもの であ３ る。

Ｂ走査装置は、パルスエコーモードを用いることで生じる多数の不利益を受けや すい。媒質内で異なる音響インピーダンスを有する媒質間界面でエコーが発生す ると、繊細な皮膚組織構造からの微弱な反射信号は、とシわけ媒質中の反射信号 路で希薄化された後では、検出されないかもしれない。パルスの衝突角が反射面 または界面に実質的に直角でなければ、反射パルスの検出強さは容赦なく弱めら れる。これは、呼吸、心臓の鼓動等の間に患者の種々の身体部分が動くために、 該装置の目盛り測定を困難まだは不可能にする。

しかしながら、Ｂ走査技術における最近の進歩によって、ある種の固有の欠点は ある程度軽減された。コンピュータ付きのＸ線断層撮影法に類似したように、媒 質内の音響インピーダンス分布を表示する映像は、映像スクリーン上に二次元像 として再現し表示することができる。同一試料における複数の断層撮影像に関す る取得データは、変換して、診察下の身体内でインピーダンス分布を有する全く ありのままの三次元表示を得ることができ仝。

超音波像形成に関するもう１つの提案は、コンビュ特表昭５ｆ−５００９７Ｇ（ ３） −タ付きの伝搬または時間−飛翔断層撮影を用いて二次元平面における速度分布 を再現することによって可能であると主張するものである。木明細書において「 伝搬断層撮影」なる表現は、音響速度または音響希薄化またはそれらの組み合せ に言及したものである。扇形ビームアレイ中で伝搬したパルスを受けるためにア ーチ形アレイ中に受像トランスデユーサが配置される。

そのアーチ形受像プレイは、実質的に扇形状の末広ビーム中で伝搬するパルスの 到・着を検出し、各受像部力よ、特定経路に沿って試料中を走行するパルス部を 検出する。このようにして各経路に沿った速度分布が測定でき、得られたその情 報は映像スクリーン上に像として厳密に再現できる。

一般に、パルスエコー断層撮影は、婦人の乳房の如き柔軟々生体組織の矢状面お よび横断面を走査するのに使用される。その矢状面は人体を縦方向に前方から後 方へ（またはその逆に）ｆヂ張し、その横断面は人体の両側部間で直角に伸張し たものである。伝搬断層撮影は、一般に、送信側および受信側トランスデユーサ が片側に整列している人体部分に制限される。乳房診断において、伝搬断層撮影 は一般に、矢状面および横断面の両面に垂直な冠状面の生体組織を診断するのに 用いられる。

上記のいずれの技術においても、像の再現を伴なう算定方法においである種の仮 定および許容範囲が設けられなければならない。これらの間で、種々の生体組織 試料中の屈折率の分布および変化を計算するとともに回折効果も計算しなければ ならず、また多方向から波面のトランスデユーサに到着することによって生じる 相干渉から発生する困難性がある。取得したブータラ有スるコンピュータ再現に おいて上記現像を計算する方法ではほとんど正確さが増大していない。平行ビー ム幾何は一般に、正確な像の再現をできるのに充分なデータを得る。ために試料 に対して並進運動および回転運動の両方を要求するため、扇形ビーム幾何は平行 ビーム幾何より望ましいと考えられていた。並進運動および回転運動の両者共に （通常はステップモータによって制御された）機械的なリンク仕掛を要求するの で、機械的な不正確さ、機械公差、摩滅による反動等ノタメに、測定に際しであ る種の不正確さを伴うことになる。伝搬断層撮影における扇形ビームアレイは並 進運動を取）除くことで上記の不正確さをいくぶん解消しているが、要求された ようにしなければ、得られた像の再現は長い計算時間によって不利となる。

ハ）Ｌ／スエコー断層撮影において一次トランスデューサアレイが今まで用いら れてきたが、伝搬断層撮影にこれらを使用することは知られていなかった。本発 明者と同じ名前によるオーストラリア国特許出願第４６１０７／７９号およびオ ーストラリア国特許第４８７゜４７７号明細書において、パルスエコー断層撮影 用に一次アレイトランスデューサを組み込むことが記載されている。−次トラン スデューサアレイから生じる種々の有益性の中で、アレイを構成する素子を連続 的に励起することによって電気的にビームの焦点を合わせる能力がある。トラン スデユーサアレイ上に円筒状レンズまだはミラーまたは湾曲面を設けることによ って、さらに焦点調節をすネことができる。

本発明は、従来の超音波結像技術における問題を解決するかまたは軽減するとと もに、非侵入型超音波診断用の敏速かつ信頼性の高い技術を得ることを目的とし てなされたものである。

送信側および受信側のトランスデユーサを備エルトともに１つまたはそれ以上の 実質的に平行な対になっ７ て間隔を置いた一次アレイを使用することによって、伝搬断層撮影においてデー タ取得に速度および正確さの両方で顕著な改善が得られるものと考えられる。

さらに伝搬断層撮影データと反射断層撮影データとを共働的に組み合わせて厳密 に再現した像を得ることによって、音響断層撮影技術において顕著な改善が得ら れるものと考えられる。

本発明の一局面によると、本発明によシ得られる伝搬断層撮影装置は、少なくと も１つの超音波−エネルギー伝搬手段を含む走査手段と、少なくとも１つの超音 波エネルギー受は取シ手段とを備え、該伝搬手段と該受は取シ手段とは、実質的 に平行な超音波輻射ビームを身体中の選択面を通してそれぞれ伝搬し受け取るよ うに、実質的に平行に間隔を置いた関係で結合したー次元ノドランスデューサア レイを備えていることを特徴としている。

伝搬手段と受け取り手段とは超音波エネルギー伝搬媒質内で回転できるのが好ま しい。

−次元トランスデユーサアレイから成る個々のトランスデユーサを選択的にパル ス伝達する手段を備えているのが好ましい。

特表昭５８−５００９７Ｇ（４） 該走査手段を選択的に回転する手段を備えているのが好ましい。

伝搬断層撮影装置は、走査手段と身体との間を選択的に相対的な軸方向移動でき るのが好ましい。

身体内の複数位置での音響速度の特異値を厳密に再現する計算手段を備えている のが好ましい。

身体内の複数位置での音響減衰の特異値を厳密に再現する計算手段を備えている のが好ましい。

また伝搬断層撮影装置は、身体内の複数位置での音響速度の特異値と音響減衰の 特異値とを厳密に再現する計算手段を備えているのが好ましい。

上記撮影装置は厳密に再現した特異値を視覚表示する手段を備゛えているのが好 ましい。

この視覚表示手段は、音響速度データと音響減衰データとの両方を同時に、身体 の相関面の構造の分離、隣接または重ね合った像として表示する手段から成るの が好ましい。

本発明の他の局面によると、本発明は、伝搬断層撮影走査手段と反射断層撮影走 査手段とを組み合わせて成り、該反射断層撮影走査手段は超音波エネルギー伝搬 手段と反射超音波信号を受け取る手段とを備えていることを特徴とする音響断層 撮影装置を得ることができる。

上記の音響断層撮影走査手段は１反射信号の大きさ、振幅または時間−飛翔、お よび伝搬と反射用の輻射経路の方向とを決定する手段を備えているのが好ましい 。

音響断層撮影走査手段は、反射断層撮影走査手段を選択的に回転する手段を備え ているのが好ましい。

音響断層撮影装置は、反射断層撮影走査手段と身体との間で選択的な相対的軸方 向移動のできる手段を備えているのが好ましい。

上記装置は伝搬断層撮影データと反射断層撮影データとを相互関係する手段を備 えているのが好ましい。

上記装置は伝搬断層撮影データと反射断層撮影データとを分離−隣接または重ね 合った像として視覚表示する手段を備えているのが好ましい。

上記装置は身体組織の特徴を得るために断層撮影データの計算手段を備えている のが好ましい。

伝搬断層撮影装置は、実質的に平行々輻射ビームを発生するように実質的に平行 に間隔を置いた関係で結合した一次元トランスデューサアレイを備えているのが 好ましい。

音響断層撮影走査手段は身体の冠状面に伝搬データが得られるとともに身体に垂 直な面に反射データが得られるように配置され、伝搬および反射断層撮影データ と相互関係する手段は身体の冠状面に像を再現する手段を備えているのが好まし い。

伝搬断層撮影装置は、扇形状の輻射ビームを発生するように配置し結合したトラ ンスデユーサアレイを備えているのが好ましい。

本発明の他の局面によると、本発明は、ｔａ＞音響輻射を実質的に平行な輻射ビ ームで身体の面を通して伝搬し、（１）ｌ該実質的に平行な輻射ビームを受け取 り、（Ｃ）１つまたはそれ以上の映像として表示するために受け取った音響伝搬 データの特異値を計算手段によって厳密に再現することを特徴とする、身体の内 部構造および組織を診察し類別する方法を得ることができる。

本発明のさらに別の局面によると、本発明は、（ａ）音響輻射を身体を通して複 数の選択された方向に沿って伝搬し、（ｂｌ身体中を伝播した後に音響波の時間 −飛翔または減衰またはそれらの組み合わせを測定し、（Ｃ１取得したデータを 処理する計算方法を用いて身体内の複数箇所での音響伝搬データの特異値の分布 を厳密に再現し、（ｄ）身体上および身体中の組織から反射後に後方に散乱した 反射音響波の到達時間、大きさまたは振幅および方向を測定することを特徴とす る、身体の内部構造および組織を診察し類別する方法を得ることができる。

上記の方法はさらに、身体の相関面の内部構造の分離および／または隣接および ／または重ね合った像または表わすものとして伝搬データと反射データの特異値 を両方同時に表示する段階を含んでいるのが好ましい。

上記の方法はさらに、伝搬データおよび反射データを分離、比較および共働的に 診断して身体の内部構造を類別する段階を含んでいるのが、好ましい。

上記の方法はさらに、身体の同−而の内部構造の分離および／または隣接および ／または重なシ合つだ像または表わすものにおいて身体の同一面における複数の 点から伝搬データの特異値と反射データの再現値とを両方同時に表示する段階を 含んでいるのが好ましい。

上記の方法はさらに、身体の内部構造と外側境界部との重なシ合った像または表 わすものにおいて身体内の複数の点での伝搬データの特異値と身体の外側境界部 からの反射データとを両方同時に表示する段階を含んでいるのが好ましい。

音響断層撮影装置には多数の異なる走査装置が考えられるが、現在のところ最も 広く使用可能な走査装置は、（１１音響輻射伝播媒質、通常は水を収容するタン クと、（２）軸回多回転のためにタンク内に取シ付けられたフレームと、（３） 上記フレームが回転するときタンクと同軸な円形経路を描くように回転可能なフ レームの一端または両端に取シ付けられた電気音響トランスデユーサ、！：　、 （４）伝搬）ランスデューサのパルス発生を制御するのに適するとともに、受ゆ 塩シトランスデューサからの反射または伝搬信号をコンピュータの如きデータ取 得処理装置へ向ける回路とを備えたものである。

信号発生および受信トランスデユーサは回転軸または伝搬トランスデユーサを中 心にした曲車半径を有する弓形アレイに配置することができる。該アレイは送信 側と受信側を変えるか、または単一の中央送信部とし一端に受信部を有する弓形 アレイに変えてもよい。

伝搬断層撮影装置用の走査手段は扇形状輻射ビームを伝搬するように配置された 単一の伝搬トランスデユーサから成っていてもよい。（通常は伝搬受像器として 回転軸から類似距離に配置された）受は取シ側トランスデユーサは弓形または線 形プレイに配置される。

本発明の特に好ましい実施例は、従来の伝搬方法および装置とは１つの局面で異 なシ、前記の計算エラーおよび機械的翻訳によシ走査から生じるものは、実質的 に平行な線形のトラン−デューサアレイによって伝搬断層撮影で軽減でき、伝搬 する超音波エネルギービームは実質的に平行となる。上記構成から得られる他の 利益は、得られた伝搬信号から像を厳密に再現することけかなシ単純でかつ顕著 に速いことである。従来の方法および装置においては送信部および受信部を保持 する回転可能なフレームは予め設定された回転角度でステップ様に回転するのに 対し、本発明では、静止期間中に、診断部分は実質的に平行な輻射ビームに当て られる。

線形アレイはいかなる所望のようにもまた特別にも励起でき、ビームは電気的に および／または焦点合わせをして、データ品質したがって再現した備品質を改善 することができる。屈折における減少と生体組織の如く不規則な形状で音響的に 不均質な試料における相干渉効果のために、ビーム焦点合わせによって像の精密 さが高められると考えられる。

実験および従来例と比較すると、平行な超音波輻射ビームによってきわめて幾何 学的に正確な像か得られるものと期待される。

本発明の好ましい実施例においては、上記装置は、直径がほぼ６００ｍｍでほぼ １０ｏリツトルの容積を有するタンクを備えている。回転可能な支持フレームは 、−サから成る結合して対になった線形トランスデユーサアレイを取シ付は中央 部で支持したものである。トは ランスデューサアレイ４２ｏｏｍｍの距離をおいて分離されている。伝搬トラン スデユーサの動作周波数は好ましくは５ＭＨｚであるが、臨床で許容できる結果 はＩＭＨｚ〜１５　ＭＨｚの周波数範囲で得られる。回転可能なフレームは、デ ータ取得回路に結合したステップモータによって０．４５°の多数のアーク角で 適宜に回転される。少なくとも１８ｏ０、好ましくはｉ３６０’でアークを完了 した後、回転可能なフレームはその初期の位置に戻シ、その後、制御回路によっ てフレームの紬調節を成し遂げて、診断試料内の興味のある面を診断することが できる。各回転ステップ用の走査サイクルは典型ｌ５ 的には１秒である。適当であると考えられるトランスデユーサアレイの他の機構 は、それぞれが幅０．３〜３ｍｍ　、高さ２〜２０ｍｍの６４−５１２）ランス デューサから成るアレイから選択できる。

取得した時間−飛翔および／または伝搬減衰データまたはその組み合せは、多数 の既知の計算方法のいずれか１つによって傾斜角情報を用いてコンピュータで処 理されて、診断部位の構造的特徴を再現することができる。その再現は数字デー タとして与えられるが、好ましくは、診断部位の構造的特徴の空間分布を表わす 灰色スケールまたは色彩画として選択面内の二次元像として映像スクリーン上に 表示する。

上記したようなトランスデユーサの線形アレイを単純で実質的に平行に対に結合 することによって、多数の面を同時に調査できる積み重ねたプレイを築き上げる ことができ、診断面間で機械的翻訳から生じる計算時間と翻訳エラーを減少する ことができる。上記実砲例の変形として、トランスデユーサの二次元アレイを使 用して、ビーム焦点合せする調査面の向きの選択または複数面での同時調査にお いて選択的に広げることができる。対に結合した伝搬／受は取ｆｉ）ランスデュ 特衣昭５８−５００９７６（６） −サもまた実質的に垂直な照射軸に配置でき、上記トランスデユーサ対は同じま たは異なる周波数で励起される。

上記した方法および装置は、婦人の乳房の如き柔軟な生体組織の診断用に特に適 している。

本発明はまた、種々の断層撮影技術を共働的に組み合せることによって伝搬と反 射の断層撮影において両者共に改善できると考えられる。上記の共働的組み合わ せには、 （１）減衰伝搬断層撮影を伴なう時間−飛翔伝搬断層撮影と、 （２）時間−飛翔伝搬断層撮影を伴なうＢ走査モード断層撮影と、 （３）減衰伝搬断層撮影を伴なうＢ走査モード断層撮影と、 （４）時間−飛翔および減衰伝搬断層撮影を伴なうＢ走査モード断層撮影と、 （５）境界エコー情報を伴なう時間−飛翔伝搬断層撮影と、 （６）境界エコー情報を伴なう減衰伝搬断層撮影と、（７）境界エコー情報を伴 なう時間−飛翔および減衰伝搬断層撮影とを含めることができる。

上記（ｉ）〜（７）のそれぞれの組み合わせは、線形または扇形のトランスデユ ーサアレイを構成できる。

種々の伝搬断層撮影技術に種々のＢ走査または他のエコー技術を組み合わせるこ とによって、正確さ、信頼性および再現性における共働効果が得られる。各走査 装置によって取得されたデータは、分離および／または隣接および／または重ね 合わせ像として１つまたはそれ以上の映像スクリーン上に同時に表示することが できる。上記の分離データは身体内の共通領域用に比較して計算され、既知デー タに従って選択共通領域を類別化できる。

上記の組み合わせ技術用の装置は、試料内の選択面内で走査用に配置された少な くとも１対の結合した伝搬トランスデユーサと、試料の同一面または異なる面で 走査するように配置された少なくとも１つのエコー反射走査機とを適宜に備える ことができる。伝搬走査装置と反射走査装置との方向は、互いに相対的にまたは 独立して固定して、診断試料内で多様な而を選択的に走査できる。

上記機構の１つを添付図面に概略的に示している。

適当な寸法のタンクｌは、その中に回転可能なフレーム２を備え、線形トランス デユーサアレイ３を伝搬断層撮影用に間隔を置いた実質的に平行な関係で取シ付 けている。フレーム２と同軸的に共通回転または独立した回転用に別のフレーム ４が取シ付けられている。

伝搬トランスデユーサ、５と受け取りトランスデユーサ６とがパルスエコー断層 撮影用にフレーム４の両端部に取シ付けられている。伝搬および受け取ｐ）ラン スデューサ５，６はフレーム４上で回転可能に取り付けられ・ているのが好まし く、これらの各照準は個々にまたは結合して制御することができる。−トランス デユーサ５．６は、予め設定された角度範囲を予め設定された割合で連係して揺 動することができる。フレーム２゜４は、タンク内で選択されたアーク角でステ ップ状に回転するだめの同一または異なるステップモータ（図示せず）に連結さ れている。タンク１は、水の如き適当な超音波伝播媒質を充満していて、使用に 際して既知の患者保持寝台の真下に配置される。上記装置と診断生体試料間で相 対移動して異なる面の診断をできるように、高さ調節手段（図示せず）が設けら れている。

本発明の種々の局面に卦いて、診断試料構造のきわめてよシ正確な定量および定 性二次元および三次元像を今まで以上に得ることができる。

当該技術分野の専門家には本発明の範囲内での種々の変形をなしうることは言う までもない。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも１つの超音波エネルギー伝搬手段を含む走査手段と、少なくとも １つの超音波エネルギー受は取シ手段とを備え、該伝搬手段と該受は取シ手段と は、実質的に平行な超音波輻射ビームを身体中の選択面を通してそれぞれ伝搬し 受け取るように、実質的に平行に間隔を置いた関係で結合した一次元のトランス デユーサアレイを備えていることを特徴とする伝搬断層撮影装置。 ２、伝搬手段と受け取勺手段とは超音波エネルギー伝搬媒質内で回転できる請求 の範囲記載の装置。 ８、−次元）ランスデューサアレイから成る個々のトだ請求の範−囲第１項また は第２項記載の装置。 ４、身体内の複数位置での音響速度の特異値を厳密に再現する計算手段を備えた 請求の範囲前項のいずれかに記載の装置。 ５、伝搬断層撮影走査手段と反射断層撮影走査手段とを組み合わせて成シ、該反 射断層撮影走査手段は超音波エネルギー伝搬手段と反射超音波信号を受け取る手 段とを備えていることを特徴とする音響断層撮影装置６、伝搬断層撮影装置は、 実質的に平行な輻射ビームを発生するように実質的に平行に間隔を置いた関係で 結合した一次元トランスデューサアレイを備えている請求の範囲第５項記載の装 置。 ７、伝搬断層撮影装置は、扇形状の輻射ビームを発生するように配置し結合した トランスデユーサアレイを備えている請求の範囲第５項記載の装置。 ８、音響断層撮影走査手段は身体の冠状面に伝搬データが得られるとともに身体 に垂直な面に反射データが得られるように配置され、伝搬および反射断層撮影デ ータと相互関係する手段は身体の冠状面に像を再現する手段を備えている請求の 範囲第５項〜第７項のいずれかに記載の装置。 ９、伝搬断層撮影データと反射断層撮影データとを相互関係する手段を備えてい る請求の範囲第５項〜第８項のいずれかに記載の装置。 １０、伝搬断層撮影データと反射断層撮影データとを分離、隣接または重ね合っ た像として視覚表示する手段を備えた請求の範囲第５項〜第９項のいずれかに記 載の装置。 ｉ　を身体組織の特徴を得るために断層撮影データの計算手段を備えている請求 の範囲第５項〜第１０項のいずれかに記載の装置。 １２、　（ａ）音響輻射を実質的に平行な輻射ビームで身体の面を通して伝搬し 、（ｂ）該実質的に平行な輻射ビームを受け取ｊ５　、（Ｃ）　１つまたはそれ 以上の映像として表示するために受け取った音響伝搬データの特異値を計算手段 によって厳密に再現することを特徴とする、身体の内部構造および組織を診察し 類別する方法。 １８、　（ａ）音響輻射を身体を通して複数の選択された方向に沿って伝搬し、 （ｂ）身体中を伝播した後に音響波の時間−飛翔または減衰またはそれらの組み 合わせを測定し、（Ｃ）取得したデータを処理する計算方法を用いて身体内の複 数箇所での音響伝搬データの特異値の分布を厳密に再現し、ｆｄ）身体上および 身体中の組織から反射後に後方に散乱した反射音響波の到達時間、大きさまたは 振幅およ、び方向を測定することを特徴とする、身体の内部構造および組織を診 察し類別する方法。 １４、身体の相関面の内部構造の分離および／または隣接および／または重ね合 った像または表わすものとして伝搬データと反射データの特異値を両方同時に表 示する請求の範囲第１８項記載の方法。 １５、伝搬データおよび反射データを分離、比較および共働的に診断して身体の 内部構造を類別する請求の範囲第１３項記載の方法。 １６、身体の同一面の内部構造の分離および／または隣接および／または重なり 合った像または表わすものにおいて身体の同一面における複数の点から伝搬デー タの特異値と反射データの再現値とを両方同時に表示する請求の範囲第１３項記 載の方法。 １７、身体の内部構造と外側境界部との重なシ合った像または表わすものにおい て身体内の複数の点での伝搬データの特異値と身体Ｑ外側境界部からの反射デー タとを両方同時に表示する請求の範囲第１８項記載の方法。