JPS5919852A - 超音波生体組織特性測定方式 - Google Patents

超音波生体組織特性測定方式

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JPS5919852A
JPS5919852A JP57129902A JP12990282A JPS5919852A JP S5919852 A JPS5919852 A JP S5919852A JP 57129902 A JP57129902 A JP 57129902A JP 12990282 A JP12990282 A JP 12990282A JP S5919852 A JPS5919852 A JP S5919852A
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spectrum
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Hirohide Miwa
三輪 博秀
Mitsuhiro Ueda
光宏 上田
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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〕 本発明は超音波の反射波を用いて生体組織の如く減衰定
数が周波数に比例(比例定数β)シ、且つ反射係数が各
種生体組織特性値により定まる周波数の関数である媒体
において、β等の各種特性値を測定する方式にかかわり
、特にパワー・スペクトル測定値から理論式・実験式に
回帰することによって、各種特性値を求める方式に関す
る。
〔発明の従来技術〕
従来、fl音波の透過における減衰定数が周波数fに比
例し、その比例定数βは組織特性を示す一つの量である
こと、又反射係数は周波数fのn乗に比例し、この墓指
数nは組織特性を示すもう一つの量であることが、実験
的に知られている。
又9本発明者の上田等は反射係数が。
6.己。−cd1′ノ2 の形であることを理論的に示している。ここに。
b、dは組織特性と関連を持つ量である。
このように反射係数がfの関数である場合について、パ
ワー・スペクトルの形状から生体組織特性値を求める方
式は一般的なものはなく9本発明者の三輪等によるエネ
ルギー・レシオ法により。
該関数形がrのn乗である場合についてn、βを求める
方式が特許出願されている。
この方法は有効であるが、少なくとも3つの狭帯域のエ
ネルギー成分に着目するため、所謂スカロソピングとし
て知られているスペクトルの局所的凸凹による誤差を招
き易い。このため、有効帯域内で多数の3周波数の組に
ついて計算し、得られたn、βの集合について統計処理
を施す必要があり、計算量が多い欠点があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、超音波反射波の受信信号から生体の伝
達関数を求め、生体組織特性値を求めるに当って。
■組織領域端界の不連続変化を避けたスペクトルの形状
を求める方法と。
■その形状の理論・実験から推定される関数形が指数関
数項と非指数関数項との積で表わされるのに対し、実測
値からの回帰が容易な方式を与え。
■その回帰によって該関数形に含まれるパラメータを決
定し、更に生体組織特性値を求める方式を提供すること
にある。
〔発明の構成〕
本発明は、生体組織伝達関数の周波数応答スペクトルを
正規化して、その絶対値には関係なく。
その形状のみに着目するとともに、理論または実験より
推定される関数形が指数関数項と非指数関数項との積で
与えられる場合、非指数関数項で除して対数をとること
によって得られる測定値から回帰することにより、指数
関数項の指数部に含まれる生体組織特性値に関連するパ
ラメータを求めるようにしたものである。
〔発明の実施例〕
生体組織に第1図に示す如く生体表面から生体深部へ(
方向Zに)トランスデユーサ−〇によって超音波パルス
(中心周波数fo、帯域2Ω)を送信し、そのパルス波
形が生体内容部位に音速Cの速さで順次到達し、夫々か
ら逐次反射波が音速Cで逆方向に伝播し、再びトランス
デユーサ−■によって受(言されるものとする。
今、深さ2における組織の特性を測定するものとす−る
。生体は2の深さまでにi種の組織領域から構成されて
いるとする。又、音速Cはほぼ一定と仮定する。
体表■、即ち2=0から送信された音圧パルスは、各領
域iの中では周波数fに比例した減衰定数αiの減衰を
受ける。この比例定数をaiとすると。
αi=a++βr*f   (aiは定数)となり、a
iは組織iに対応した特性を示すパラメータで減衰傾斜
と略称される。
又、各領域の中では周波数fの関数であるパワー反射係
数r(f)を示す。
又、各領域相互の境界では大きく音響インピーダンスが
変化し、且つその表面が略滑らかである場合が多く、こ
の境界1例えば領域i−1から領域iに通過するときは
1段階的な若干の透過1員失を生じる。この透過率をτ
jとする。
深さ2からの反射波が逆方向に領域iからi−1に通過
するときも同様で、この透過率をτ′iとする。τiと
τ′iは周波数特性を持たないと考えてよい。
さて、トランスデユーサ■は送信後、順次深い所からの
反射波を連続的に受信するが1その中。
深さ2に対応する反射波が送信後t = 2 z / 
Cの時刻に受信されるので、その時点付近のある微小時
間幅τ内の反射波形を分析することで、深さ2における
組織特性を求めることができる。
深さ2からの反射波受信信号のパワー・スペクトルE 
r ff)を求めることは、よく知られたFFT等の周
波数分析装置で容易に実現される。
このE r (f)はトランスデユーサの周波数特性。
深さ2におりるビームの収束の周波数特性、その他計測
系等に起因する伝達関数と、生体中の透過・反射等に起
因する生体組織の伝達関数との積の自乗で与えられる。
今、水中などで深さ2の位置に標準反射体をおいて、そ
の受信波のパワー・スペクトルE o [flを求める
と、Eo(f)は計測系の伝達関数の自乗を示すと考え
られる。ここで、Er(f)をE o fflで除して
正規化すると、生体組織固有の伝達関数の自乗が得られ
る。この実測された生体組織伝達関数のパワー・スペク
トルをR(flで示す。
一方において、R(flは上述の説明から1次式で表わ
されるはずである。
k:fに依存しない定数 11:領域i内の通過長 以下、R(flと(1)式の行とを比較することによっ
て9組織特性を求める方式を詳細に説明する。
一つのトランスデユーサではその有効帯域幅内のfにつ
いてのみしかR([1を求めることができないので、十
分広いfの範囲でR(f)を求めるためには複数のトラ
ンスデユーサで夫々の帯域幅について夫々のR(f)を
求めてつなげればよい。
又、実際の測定に当っては、近接する反射体からの反射
波の干渉、その他によってスペクトルの形状は局所的な
凸凹を示し、所謂スペクトル・スカロソピングの現象を
呈し、゛著しくスペクトル形状の測定に誤差をもたらす
。この防止のためにはその測定点の前後・左右・上下環
を測定したり。
複数回測定したりして、それらを時間的・空間的に平均
する等の統計的処理が必要になる。
さて、(1)式においである特定周波数fo(例えば(
1)式の最大値を与える周波数fm等)におけるR(f
o)で(1)式を規格化すると。
となり、に、τi、τ′iの因子を除去することができ
る。未知数であるτi、τ′iが消去されることの効果
は大きい。
実測値でもfo及びfoにおけるR(fo)を求めるこ
とができるので、同様にR(fo)で規格化するを求め
ることができる。即ち、τi、τ′iの影響を受けるこ
となく、P(f)とQ If)が等しいとしてQ (f
)に含まれるパラメータを回帰により決定することがで
きる。
次にr([1の関数形としてはその近似度により種々の
ものがあり得るが1次の実験式 %式% (4) (a:定数、n:組織により定まる定数)及び、上田等
による理論式 bニドランスデューサ寸法1曲率に関係するfの関数(
既知) b=組織の平均的微細構造に依存する定数σに:組織の
値送受方向における空間的自己相関距離 C:音速 の場合について説明する。
(4)式、(5)式は一見著しく異なった形をしている
が、実用されるある周波数範囲では両者はほぼ一致する
(4)式、又は(5)式を(2)式に代入すると、  
Q4.Q5が得られる。
Q 4 = A4・fηexp[(−4,gρdJf]
    (61Q5−)\、、b’・f’:exp[ニ
ー4(2ゴpdt)f−Cし乙2)ぜ4シ=fr”ノ 
(7)(6)式、(7)式から判るように、Qは指数関
数の項と非指数関数の項との積で与えられることが特徴
的である。両式を夫々非指数関数項で除し、対数をとる
と。
A Q4/ A4− ’7?−Jnf = −4(Σβ
i Ji ) ・f    (81J!5QrJ/Ar
、−、lnl;r”=  −4(Zβ;lb) ・ f
 −(?)白9)ここでQ4.Q5の代りに実測値Pを
代入した(8)式(9)式の左辺を計算し、(8)式又
は(9)式が最も精度良く成立するように回帰計算する
ことにより、パラメータn、’Eo;、ii、  、y
、等を求めることができる。
(8)式は左辺に未知数nがあるが、nを種々に変えて
右辺が一次式となるnを決定すればよい。
夫々の深さZにおけるΣβ77tを求めることによって
、差分によって各lにおけるβiを求めることができる
。βが深さ2の連続関数の時は、この線積分は Iβd
zとなるので、微分によりβfZlを求めたり、X線C
Tのアルゴリスムで各方向での線積分から計算すること
ができる。
このようにして、n、β、lを一つの測定方向走査線上
で求めることができる。この走査線をある面内で走査す
ることにより、その面上のn、βtの分布像をもとめる
こともできる。
以上原理を述べたが、実際に装置化するに当っては、あ
る深さ2でのサンプル点からのパラメータを抽出する技
術はドツプラー測定等で広く行われており、その抽出波
形をフーリエ分析し、パワー・スペクトルを求める装置
は、DFT (デジタル・フーリエ変換装置)等で広く
知られているものが容易に利用できる。その出力は計算
機に容易に入力され、それ以降のすべての計算はプログ
ラムによって遂行できる。以下システムの概略につき、
第2図で説明する。
タイミング制御部1からは(イ)に示す超音波送信同期
信号Pdが送信回路2に送られ、超音波送信に必要なだ
けの電力を持ったパルスで超音波振動子3が駆動され、
超音波が生体組織内(または標準反射体を入れた媒質内
)に送出される。
生体組織(または標準反射体)4がらの反射波は再び振
動子3によって受信され、受信回路5によって適当なレ
ベルまで増幅されて(ロ)に示す受信信号Vrとなって
データ収集部6に送られる。
タイミング制御部1がらは、振動子表面から測定したい
反射部位までの距離に対応した時間TIだけPdから遅
れたタイミングで、データ収集部6に対して(ハ)に示
すゲートパルスpgを送り。
希望する部位の反射信号をデータとして取り込む。
なお、Pgの幅τは測定したい範囲に対応して定められ
る。収集されたデータは例えば(ニ)に示す如き波形に
対応している。
収集されたデータは周波数解析部7に送られ。
周波数解析結果がデータ・メモリ8に送られる。
周波数解析結果としては5例えば(A)に示すような生
体組織からの反射波スペクトルや1 (B)に示すよう
な標準反射体からの反射波スペクトルが得られる。
演算処理部9は、データ・メモリ8に保持されている周
波数解析結果に対して前記のごとき種々の計算を行い、
希望する結果を得る。
具体的には、 (A)で示されるスペクトルを(B)で
示されるスペクトルで正規化し、 (C)で示される如
きスペクトル((1)式に対応する)を得て(3)式の
rmを求め、更に(8)式、(9)式の左辺を計算すれ
ばよい。しかる後に回帰計算を行い、nβ 、σを決定
すればよい。各深さ2のβ がらβiも求めることがで
きる。
■の構成は上記の演算が実現できる構成であればどの様
なものでもよく2例えばマイクロ・プロセッサ、RAM
、ROM、I10ポート等から成るマイクロコンピュー
タでもよい。
〔発明の効果〕
本発明によれば。
■正規化によって計測系に影響されない生体組織特性関
数を抽出し、さらにある周波数の値で再正規化すること
によって1組織領域境界の不連続透過の影響を除くこと
ができ。
■推定関数を非指数関数項で除して対数を採ることによ
り1回帰計算が容易になり。
■得られたパラメータから組織特性値を求めることが可
能となる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は超音波走査方向Z軸におりる生体組織構造の断
面を示す模式図であり、■はトランスデユーサ、■は体
表、iは領域i−1と領域iとの境界を示し、1は夫々
の領域中の超音波行路長を示す。 第2図は本発明の一実施例装置のブロック図であり、1
はタイミング制御部、2は送信回路、3は超音波振動子
、4は標準反射体、5は受信回路。 6はデータ収集部27は周波数解析部、8はデータメモ
リ、9は演算処理部である。 第3図は第2図における各部の波形を示す図。 第4図は周波数特性の関係を示す図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (11超音波パルスを生体中に送信し、その反射波を受
    信し2その受信信号を分析することにより生体組織特性
    を測定する方式において。 少なくとも次のステップを有することを特徴とする超音
    波生体組織特性測定方式。 イ)分析すべき部位からの反射波受信信号を周波数分析
    し、そのパワー・スペクトルを求めるステップ。 口)該部位に標準反射体を有する場合の送受測定系のパ
    ワー・スペクトルで、上記イのステップで求めたパワー
    ・スペクトルを正規化し、生体の組織伝達関数Rff)
    を求めるステップ。 ハ)特定の周波数foでの値R(fo)でR([1を正
    規化したP fflを求めるステップ。 二)一方において、理論及び/又は実験から予測される
    生体組織伝達関数を同じ(foでの値で正規化した関数
    Q ff)が Q(fl = A ([1*  eβ(チノで表わされ
    ることを利用して、上記ハのステップで得られたP(「
    )をA (flで除し。 P tfl / A (fl  を求めるステップ。 ホ)上記二のステップで得た値の対数をとるステップ。 へ)上記ホのステップで得られた周波数の関数としての
    値を予測式のB fflと等値であるとして。 A (fl 、  B (flに含まれる各種のパラメ
    ータの最適値を求める回帰ステップ。 (2)上記二のステップにおけるA (f)が周波数f
    の0乗(nは生体組織特性を示す定数)に比例する式で
    表わされ、かつB (flがfの1次式で表わされ、f
    の1次の係数が減衰定数の周波数傾斜(減衰傾斜)の線
    積分と関連した量であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の生体組織特性測定方式。 (311記二のステップにおりるB (flが周波数f
    の2次式で表わされ、定数項、1次項の係数、2次項の
    係数がそれぞれ、平均的微細構造、減衰(頃斜線積分、
    走査方向の自己相関距離に関連した量であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項に記載の生体組織特性測定
    方式。
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