JPS59174152A - 超音波媒体特性値測定方式 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、反射超音波を用いて媒体く特に生体の組織）
特性値であるｎ及びβの値を測定する方式に関する。こ
こで、βは減衰傾斜と呼ばれ、組織中での超音波の減衰
率がβｆ　　（ｆは超音波の周波数）に比例するとした
ときの比例定数であり、またｎは反射係数が周波数のｎ
乗に比例するとしたときの、幕指数である。

またさらに詳しくいえば、本発明は上記ｎ及びβを反射
超音波のパワー・スペクトルの形状から求める方式に関
する。

（発明の従来技術） 従来はβ（即ち減衰傾斜）を求める方法として、以下の
２つの方法が三輪氏等により提案されでいる。

１）２つの周波数バンドのエネルギー比からβ゛　　の
値を得るエネルギー・レシオ法。（特願昭５５−７４６
８０号） ２）ガウス分布型スペクトルを持つ超音波が組織を通過
する際の中心周波数のシフトからβの値を求める周波数
シフト法。（特願昭５６一−６５５３６号） これらの方法は反射係数が周波数依存性を持たないとの
仮定に基づいている。しかし、実際の実験等によると反
射係数は周波数のｎ乗に比例することが明らかであり、
ｎの値は口ないし６の範囲で組織の種類に応じて変化し
、従って組織特性を示すものである。従って、上記の方
法には誤差が含まれることになる。

他の従来のβ及びｎを求める方法として、βとｎとの影
響が複合された反射波を分析してβとｎの値を分離して
求める方法がやはり三輪式等により提案されている（特
願昭５７−５７５７３号）。

この方法は上記エネルギー・レシオ法の拡張であり、３
つの周波数を用いるものである。この方法は有効ではあ
るが特定の３つの狭帯域に注目するために、スペクトル
の局所的な凸凹に起因する誤差の影響を受けるという欠
点が有る。このスペクトルの局所的な凸凹は、所謂スカ
ロノピングとしテ知うれるもので、パルス重畳による相
互干渉によるものである。このため、スカロソビングの
影響を除去するには、有効帯域内で異なる３周波数の組
合せによってβとｎとを求め、それらの複数の結果に統
計処理を施す必要があり、計算量が厖大になるという欠
点も有る。

本発明はこれらの欠点を解決するため、スペクトルの全
体の形状に注目するものである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、パワー・スペクトルの形状からβとｎ
とを分離して求めるシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、βとｎとの算出を簡単な計算で行
ううことである。

本発明の更に他の目的は、組織中の走査線上に沿った複
数の測定点でのβを求め、走査線を移動させることによ
り組織の断層像を高速に求めることにある。

本発明の更に他の目的は、スカロノピングの影響を除い
たβとｎを求めることにある。

本発明の他の目的は、β及び／又はｎによる断層像と、
反射強度による断層像などとを組合せて表示することに
ある。

〔発明の構成〕

本発明は、超音波パルス波を送出し２反射波を受信する
ことを含む。アナログの反射波はデジタル・データに変
換され、パワー周波数スペクトルが高速フーリエ変換に
より求められる。そのパワー・スペクトルは正規化され
、パワー・スペクトル曲線の最大値の周波数が求められ
る。パワー・スペクトルが最大値の半分になる上側およ
び下側の周波数（半値点）も合わせて求められる。半値
点の周波数は最大値周波数により正規化され、上側及び
下側の周波数レシオが求められる。そしてそれらはｎを
求める計算に使用されるか、またはテーブル参照方式な
らば、索引のために使用される。減衰傾斜βは、ｎと最
大値周波数と音速と２つのサンプリング点からのエコー
の時間差を用いて計算される。複数の点でのβとｎとを
求めて生体組織の断層像を得る。β及び／又はｎの断層
像は反射強度の断層像やその他の像と組合せられ、より
高度の診断画像を提供する。

〔発明の実施例〕

本発明では、組織特性の周波数伝達関数を、βとｎとの
関数としてではなく、ｎと正規化された周波数とのみの
関数として定義する。本発明ではｎを求めるのに、ｎと
その他の複雑な量を用いることなく、上側及び下側周波
数レシオに対応する点での周波数スペクトル応答はｎの
関数として表現されることに注目する。上側周波数レシ
オＹ十はｆ＋／ｆｍであり、下側周波数レシオＹ−はｆ
　−／　ｆ　ｍであり、ｆＩｌｌはパワー・スペクトル
曲線が最大値を示す周波数であり、ｆ十とｆ−はパワー
・スペクトル曲線が、それぞれｆｌｌ＋の上側および下
側で最大値の半分の値を示す周波数である。またβは上
記で求めたｎとｆｍとから求めることができる。

第１図は生体１２の表面に対向して置かれたニーランス
デューサ３によって、生体１２の内部２方向へ、中心周
波数ｆＯで帯域幅２Ωの超音波パルス波が送出される様
子を示している。パルス波はそれぞれの組織領域ｉに音
速Ｃで到達し、各組織境界で反射された波は一２方向へ
音速Ｃで伝播し、トランスデユーサ３で受信される。深
さ２に位置する組織の特性を測定する場合、パルス波は
１１固の異なる組織を通過し、音速は何処でも一定であ
ると仮定する。生体１２中を伝播するパルス波の音圧は
各領域ｉ中において、周波数に比例する減衰定数αｉに
応じて減衰する。比例定数をβｉとすると、減衰定数α
ｉはαｉ　＝Ａｉ＋βｉ　＊ｆと表される（Ａｉは定数
）。βｉは特定の組織ｉの特性を示し、減衰傾斜と呼ば
れる。各領域ｉはパワー反射係数を有し、それは周波数
のｎ３乗に比例するとされ、ｎｉ　も特定の組織ｉの特
性を示すものであり、反射パワー幕指数と呼ばれる。超
音波又は超音波パルス波が領域ｉ−１から領域ｉに透過
するとき、超音波エネルギーの一部は反射されるため、
段階的な伝播ロスを生じる。その際の音圧の透過率をτ
ｉとし、また、深さ２で反射して−Ｚ方向に伝播する超
音波が領域ｉから領域ｉ−１に透過するときの透過率を
同様にτｉ′とする。τｉ、τｉ°はともに周波数依存
性は無いものとする。

トランスデユーサ３は超音波パルス波を送信した後、超
音波が組織により深く伝播するのに従って異なる組織領
域から反射されてくる反射波を受信する。深さ２に対応
する反射波は、原パルス波の送出からｔ　＝　２ｚ　／
　Ｃの時間後に到来する。従って、深さ２での組織特性
は、時間ｔの付近に到来するある短時間の反射波形を分
析すればよい。

一般に、生体組織の測定は音圧、パワー、その他のパラ
メータに注目して行われるが、本発明ではパワー・スペ
クトルに注目する。深さ２での反射波のパワー・スペク
トルＰｒ（ｆ）は、周波数分析装置や周知の高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）技術を用いて汎用デジタル計算機によ
り得ることができる。

このような、ＦＦＴによるパワー・スペクトルの算出に
ついては「デジタル・シグナル・アナリシス」　（サミ
ュエル・Ｄ・スターンズ、１９７５年ハイデン・ブック
・カンパニーＱ行）の２４９〜２５５ページに記載され
ている。パワー関数Ｐｒ（ｆｌは伝達関数の自乗であり
、伝達関数とはトランスデユーサの伝達関数、音波のビ
ーム指向性、測定系の増幅器の伝達関数、および生体組
織の伝播、減衰、反射係数を含む伝達関数を全て総合し
たものである。

正規化されたパワー・スペクトルを得る為に、受信波に
関する測定系のパワー・スペクトルＰｏ（ｆｌを得る必
要がある。測定系のパワー・スペクトルＰｏＴｆ）は、
トランスデユーサを水中に置き、トランスデユーサから
２の距離に置いた標準反射体からのパルス反射波を受信
する。受信波がらＦＦＴ技術を用いてパワー・スペクト
ルＰａ（ｆ）が求まる。

正規化されたパワー・スペクトルＲ（ｆ）ｅｘｐ　、即
ち生体組織の伝達関数の自乗は、組織から反射された波
のパワー・スペクトルＰｒ（ｆ）を測定系のパワー・ス
ペクトルＰｏｆｆ１で除することで得られる。

この正規化された実測データのパワー・スペクトルＲ（
ｆｌｅｘｐは実験、若しくは実測スペクトル値と呼ばれ
る。上述した周波数応答の記載より、パワー・スペクト
ルＲ（ｆ）の理論式は次式で表される筈・　・　・（１
，） ここでｋは周波数に依存しない定数、ｌｉは領域ｉ中で
の超音波の伝播距離である。本発明では、実測したパワ
ー・スペクｔルＲｔｆｌｅｘｐと（１）式の理論的なパ
ワー・スペクトルＲ（ｆｌとを比較することによりβを
求める。

単一のトランスデユーサではその有効帯域以外では有意
のＲ（ｆｌｅｘｐを得ることはできない。よって、異な
る周波数帯域を有する複数のトランスデユーサを用いて
、充分に広い周波数範囲でのＲｆｆ１ｅｘｐを求めるこ
とが望ましい。

実際の測定においては、隣接する反射体からの反射波が
重畳して相互干渉するため、周波数スペクトル形状に局
所的凸凹を生じてスペクトル・スカロソピングを住じ、
測定終着を招く。三輪等による先願にも述べている如く
、このような誤差を除去するには、統計的データ処理に
よって、測定点（即ち２の周辺）で時間的、空間的に平
均化することが必要である。即ち２の点の前後左右上下
の各点でのデータからＲ（ｆｌｅｘｐを求める。

（１）式よりＲ（ｆｌの最大値を与える周波数ｆｍは次
式の如くになる。

ｆｍ＝　ｎ　（ｚ）／　４Σβ１−１ｉ　　　・・−１
２１メ″−Ｉ もしく３）式によって周波数が正規化されると、Ｙセｆ
／ｆｍ　　　　　　　　・・・・・・（３）（１）式は
次のように表現できる。

Ｒ＝Ｋ　（ｎＹ）　　ｅｘｐ　（−ｎＹ）　　　・・・
・・（４）式は次のようになる。

５＝Ｙ−ｅ’−Ｙ　　　・・・・・・・（５）ＳはＹ＝
１のとき最大値Ｓ　ｍａｘをとり、ＳｍａｘはＳｍａｘ
＝ｅ’　　　　−・・・１６１であるから、ＳをＳ　ｍ
ａｘで正規化すると、（５）式はＹ Ｓ／Ｓｍａｘ＝Ｙ−ｅ　　・・・・・・・（７）となる
。この（７）式は普遍的な正規化された、Ｋ、τ、及び
βに無関係な関数である。（７）式の左辺はｎの関数で
あり、右辺は周波数の関数である。

（７）式はすでに本願発明者の一人によってｎ＝４の場
合について導出されたものを、本発明においてｎが不定
の場合に拡張したものである。

本発明では、まず（７）式によってｎを求め、その後に
後述するごとくβを求める。＋１１式は周波数ｆｆｆ＋
で最大値Ｒｍを呈し、ｆｌｌｌの両側で次第に値が減少
する曲線を示している。ｆｍの上側及び下側の半値点間
波数ｆ＋、ｆ−がＲ（ｆ）について求められる。これら
の値はパワー・スペクトル上でその値が最大値Ｒｍの半
分になる点を探して求められる。そしてｆｍに対するｆ
ｌ、ｆ−の周波数レシオ、Ｙ＋、Ｙ−が求められる。ま
たＲ＝Ｒｍ／２に対応するＳの値Ｓｚは次式のようにな
る。

＝２１ＳＬＩｌａｘ・・・・・・Ｌ８）（７１（８１式
及びＹ＋、Ｙ−におけるＳ　’Ａ　／　Ｓ　ｍ、ａｘよ
り、２−≠１＝Ｙ＋・ｅｌ−）１及び　２−”＝’ｌ−
−ｅ’−”　　・・＋９１となる。Ｙ−３Ｙ十は実測値
から求まるので、（９）式よりｎが求まることになる。

上述したサンプリング及び計算を行うシステムの一例を
第２図に示す。このシステムから送出され、受信される
信号が第３図（ａ）〜ｆｄ＋に示される。

タイミング・クロック・パルスＰｔ１　（第３図（ａ）
）は駆動回路２にタイミング制御回路１から与えられる
。圧電トランスデユーサ３は該パルスによって駆動され
、超音波が生体組ＴＩ＆１２の中（又は標準反射体を置
いた水槽の中）に送出される。生体組織４からの（又は
標準反射体からの）反射波は、トランスデユーサ３によ
って受信され、受信回路５によって増幅される。第３図
中）に示す如くの増幅された信号Ｖｒは、データ収集部
６に送られる。

タイミング制御回路１は第３図ＴＣＩに示す如くのゲー
ト・パルスｐｇを、タイミング・クロック・パルスＰｄ
の１１時間後に発生してデータ収集部６に送る。タイミ
ングＴＩはトランスデユーサ表面から組織測定点までの
、超音波の往復距離に対応する。

ゲート・パルスＰｇＯ幅ｔは測定すべき組織の厚み（分
解能）に応じて決定する。ゲート・パルスＰｇは第３図
（ｄ）に示すように、波形データをデータ収集部６に蓄
積させる。

収集されたデータは周波数分析器７に送られ、高速フー
リエ変換を施され、結果はデータメモリ８に送られる。

高速フーリエ変換による周波数分析の結果として、第４
図（ａｌの如き反射波のパワー・スペクトル、または第
４図（ｂｌの如き標準反射体からの反射波のパワー・ス
ペクトルが得られる。

計算部９はスペクトルを正規化し、ｎを得るための演算
を行う。即ち、第４図４８１に示す如きパワー・スペク
トルＰｒ（ｆｌが第４図（ｂｌに示すＰａ（ｆｌを用い
て正規化され、第４図（Ｃ１に示す如き正規化されたパ
ワー・スペクトルＲ（ｆｌが、生体組織の伝達関数とし
て求まる。パワー・スペクトルの最大超音波を与える周
波数ｆｍ及び−３ｄｂ（半値パワ一点）の周波数ｆ−１
ｆ＋が、パワー・スペクトルデータを走　　□査するこ
とにより得られる。それらから周波数レシオＹ＋、Ｙ−
を求め、そして前記（９）式より、ｎを求める。即ちｎ
　＝−１／　（ｌｏｇ　Ｙ４　＋　（１−Ｙ土）　ｌｏ
ｇ２ｅ　）として求める。計算部９は上記計算が可能な
如何なる汎用計算機でもよい。例えば、マイクロコンピ
ュータ（ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、およびＩｌｏを含む
）を上記計算部９とデータメモリ８の代わりに用いても
よい。

第７図は本発明における上記のｎを求める計算のフロー
チャートである。まずパワー・スペクトルＲ（ｆ）の正
規化を、実測したパワー・スペクトルＰｒ（ｆ）と標準
反射体による標準パワー・スペクトルＰｏ（ｆ）とから
行う。次に、正規化されたデータを走査することにより
、最大値周波数ｆＩＩｌと半値周波数ｆｌ及びｆ−を求
める。そして、上側及び下側の周波数レシオＹ十及びＹ
−を求め、これらを用いてｎを算出する。

上側及び下側の周波数レシオＹ十及びＶ−を求めるため
には、最大値周波数ｆｍと半値周波数ｆｌ及びｆ−を求
める必要があるが、（１１式の示すＲ（ｆｌの曲線は最
大値付近でかなり平坦な特性を示すため、最大値周波数
の決定には誤差を生じ易い。しかし、半値周波数ｆ−及
びｆｌは比較的急峻な傾斜の部分から決定されるので、
誤差はかなり小さいと考えてよい。従って半値周波数ｆ
−及びｆｌとｎの計算には、前記のスカロソピングによ
る誤差が主流を占めると考えてよい。ｎ決定の精度は、
実測して正規化して求めた周波数レシオの値を、上側及
び下側の周波数レシオとそれら周波数レシオの差を示し
たテーブルと比較することにより向上させることができ
る。これは、Ｙ＋やＹ−に多少の誤差が有るとしても、
帯域幅若しくは（Ｙ＋−Ｙ−）の値には誤差が少ないこ
とによる。

テーブル■ ｎ　　　　　２　　　　Ｙ＋Ｙ−Ｙ＋Ｙ−１，５００２
，７，２４２，４６ ２，７０？　　　２．１　．３８　　１．７２３　　　
．７９４　　１．８　．４７　　１．３３４　　　．８
４１　　１．７　．５１　　１．１９５　　　．８７１
　　１．６　．５３　　１゜０７６　　　．８９１　　
１．５　．６１　　．８９第５図はテーブルを用いる本
発明の実施例システムを示し、テーブルＩが計算部９に
接続されている。計算部９は第２図の実施例で述べたと
同様の計算をした後、Ｙ十及びＹ−の計算を行う。テー
ブルＩには（Ｙ÷−Ｙ−）とｎとの対応が上記のごとく
に格納されている。テーブル参照方式によれば、第２図
の実施例で必要であった、周波数レシオの対数を求める
処理をすることなく、ｎが求まる。

テーブルＩは計算部９の内部メモリの中に設けることも
可能である。

第８図はテーブル参照方式の場合のフローチャートを示
す。半値周波数ｆ＋、ｆ−及び最大値周波数ｆｍをもと
めるステップは第７図に示すのと同様である。半値周波
数を求めたら、その半値幅Ｙ　＋　−Ｙ　−を求め、そ
れを用いてテーブルＩを索引し、第７図の方法よりも正
確なｎを得る。

（２）式を変形すると（１０）式となる。

ｎ　（ｚｌ　／　４　ｆｍ（ｚｌ−、Σβ１−Ｉｉ・・
・・・（１０）１＝１ 左辺はｆ　ｍ　（Ｚ）とｎ　（ｚ）を含み、上記の如（
実測データから計算で求まる。右辺は減衰傾斜βの線型
積分であり、組織領域の変化を緩やかと仮定すれば、（
１１）式で表される。

（１０）式において領域ｉでの値βｉｌｉは、領域ｉで
の値と領域ｉ−１での値との差で与えられる。また１】
の値は、領域ｉ−１と領域ｉとの境界からの反射と、領
域ｉと領域ｉ＋１との境界がらの反射との時間差Δｔか
ら得られる。そしてβｉは（１２）式から得ることがで
きる。

！ｉ＝ＣΔＴ／２ β＝　２［（ｎ／　４ｆｍ）Ｈ，７（ｎ／　４ｆｍ）１
）／ＣΔＴ・・・・・　（１２） （１１）式に示す如く、β（Ｚ）は該式を２で微分する
ことにより得られる。

β（ｚｌ−１，＝　（ｎ　ＬＺ）　／　４　ｆｍ（ｚ）
　）δ −−（ｎ（ｚ）／　４ｆｍ（ｚｌ）　　　　・・・・（
１３）Ｃδ七 βを得るためのシステムが第２図及び第５図に示しであ
る。第５図のシステムの動作は、タイミング制御回路１
の発生するタイムゲートパルスｐｇが第６図に示す如く
、タイミング・クロック・バルスＰｄから領域ｉでの反
射に対応する時間Ｔｉの後に発生され、そのパルス幅の
間の反射信号のデータＤｉを収集する。このデータ収集
は通常、平均データを得るために複数回行われ、スカロ
ッピングの影響を除去する。次に、ゲート・パルスのタ
イミングはＰｄからＴｉ＋１時間後にシフトされ、領域
ｉ＋１のデータＤｉ＋１の収集が（複数回分）行われる
。

データＤｉ及びＤｉ＋１のスペクトルが求められ、それ
ぞれの計算はｎｉ、　ｎｉ＋１、ｆｍｉ　、　ｆｍｉ＋
１を用いて計算部９にて、または上記のテーブルを用い
て行われる。このようにして、βは求められる。

第９図は第７図及び第８図においてβを求めるフローチ
ャートである。図示の如く、複数の最大値周波数ｆｍと
ｎとが求められる。これらの値は、。

（１２）式によりｎｉを求めるのに用いられる。ｎｉの
値は超音波ビームに沿って求められ、他の超音波ビーム
とともに、断層像を得るのに用いられる。

以上の如く、各深さ２におけるｎ　（ｚｌおよびβ（Ｚ
ｌが超音波ビームの走査線方向に沿って求まるので走査
線を順次シフトしていくことにより、ｎ　［ｚ）および
β（Ｚｌの断層像を得ることができる。

また、β（Ｚ）の分布像は（１０）式や（１１）式に述
べた線積分をあらゆる方向について求め、Ｘ線ＣＴ（コ
ンピュータ・トモグラフィ）の手法として周知の手法を
用いて再構成することもできる。

上記の生体組織特性、の測定方式は、人体の癌などの病
変部の検出や、それら病気の診断に非常に有用である。

本方式は組織を無侵襲で測定でき、体表に超音波プロー
ブを当てるだけでよい。

反射超音波は当然ながら反射強度若しくは反射係数の情
報をも含んでおり、反射強度を用いた周知の断層像を、
同時に得ることもできる。このような反射強度による断
層像や、さらにはＸ線像、Ｘ線ＣＴ像、ＮＭＲ像などと
、本発明のｎやβの断層像とを重ね表示する等して組み
合わせることにより、より一層詳細なかつ正確な診断が
可能となる。

尚、上記半値周波数は最大値の半分のパワー・スペクト
ルを与える周波数であるとしたが、その他の適当な比率
での周波数を用いることも可能である。

本発明は上記した実施例に限定されることなく、本発明
の目的の範囲において変更されたものも含むことは言う
までもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はトランスデユーサと超音波媒体との関係を示す
図、第２図は本発明の一実施例構成ブロック図、第３図
（ａｌ〜（ｄｉは第２図の実施例における各部の波形を
示す図、第４図（ａｌ〜（ｃ）はパワー・スペクトルの
処理過程を示す図、第５図は本発明の他の実施例構成ブ
ロック図、第６図（ａｌ〜（ｄｌは第５図の実施例にお
ける各部の波形を示す図、第７図は本発明の実施例にお
ける計算処理過程を示すフローチャート、第８図はテー
ブル参照方式におけるフローチャート、第９図は本発明
においてβを求めるためのフローチャート、である。 第１図において、１はタイミング制御回路、２は駆動回
路、３はトランスデユーサ、４は標準反射体または測定
対象部位、５は受信回路、６はデータ収集部、７は周波
数分析部、８はデータメモリ、９は計算部である。 −た］ 第　１　図 −２ 第７図 茅ε閲

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 超音波パルス波を媒体中に送信し、その反射波を受信し
   てその周波数を分析することにより、媒体特性値を測定
   する方式であって、以下のステップを有することを特徴
   とする超音波媒体特性値測定方式。 ■分析すべき部位からの反射波を周波数分析し、そのパ
   ワー・スペクトルを求めるステップ、■該部位に標準反
   射体を置いた場合のスペクトルで上記パワー・スペクト
   ルを正規化して、組織伝達関数を求めるステップ、 ■上記伝達関数の最大値に相当する周波数ｆｍ、及び該
   ｆｍの上側とよび下側にあり、上記最大値の所定の割合
   の値に相当する周波数ｆ−１ｆ（を求め、さらにＹ−＝
   ｆ−／ｆｍ、　Ｙ＋＝ｆ＋／ｆｍ　　を計算するステッ
   プ、 ■上記測定部位のパワー反射係数が周波数のｎ乗に比例
   する場合の、ｎとＹ−またはＶ＋との関係式から、上記
   Ｙ−またはＹ十により媒体特性値を示すバラメークであ
   るｎを求めるステップ。