JPS60188865A - 超音波測定方法および装置 - 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】 ■９発明の背景 Ａ、技術分野 本発明は、超音波を物体に送信し、物体の内部からの反
射超音波を受信して物体内部の音響特性を定量的に測定
する超音波測定方法の改良に係り、特に超音波探触子に
おいて送信時に形成される近距離音場に起因した受信波
への悪影響がない送信音場を被測定物体中に提供する超
音波測定方法に関する。

Ｂ、先行技術とその問題点 超音波測定技術は現在、金属探傷、魚群探知、医療診断
分野等、広範囲にわたって利用されている。中でも医療
用の超音波断層装置の最近の発展は目をみはるものがあ
る。超音波断層装置は原理的にはパルスエコー法を用い
ており、生体内へ送信された超音波ｉ４ルスが生体内部
の音響インピーダンスの異なる境界で反射する現象を利
用して、この反射波（エコー）を受信していわゆるＢモ
ード法による断層像を表示するものである。

従ってこのエコーには生体内部での超音波の減衰情報、
音響インピーダンス、音速等の情報が含まれているにも
かかわらず、現在、利用している情報はエコーの振幅の
みである。

具体的には、生体内の音速を一定と仮定し、生体内の超
音波伝播による減衰はいわゆるＳＴＣ回路（５ｅｎｓｉ
ｔｉｖｉｔｙ　Ｔｉｍｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　）あるいは
’Ｉ”ＧＣｌ路（Ｔｉｍｅ　Ｇａ１ｎ　Ｃａｎｔｒｏｌ
　）と１乎ばれる回路によって任意的に補正をしたエコ
ー振幅値で輝度変調を行ない、ブラウン管に断層像とし
て表示しているのみである。従って得られた断層像は、
生体内部の音響インピーダンスの不連続面の２次元的分
布を定性的に画像化しているにすぎず、必然的に生体組
織の位置や形に関する形態情報が、その利用の中心とな
っている。しかし生体組織の特性である超音波の減衰情
報等の測定はなされていないのが現状である。

生体組織の減衰情報を得ようとする試みがいくつか報告
されている（特公昭５６−３７８２０゜特開昭５７−１
７９７４５　、特開昭５７−５５０）。

しかしながらこれらの方法を実用化する場合には、測定
に使用する超音波探触子の送信音場の影響を考慮に入れ
なければならない。すなわち探触子から送波形成された
音場はその伝播距離と共に変化し、例えば平面円形振動
子の送信音場は第１図（Ａ）のように近似的に作図出来
ることがよく知られている。すなわち平面円形探触子の
開口Ｄ（直径）と超音波の波長λとの関連によって近距
離音場（フレネルゾーン）と遠距離音場（フラウンホー
ファゾーン）を形成する。第１図の音場の中心軸上の相
対強度（最大強度ＩＯで規格化した相対強度、■／Ｉ。

）は第１図（Ｂ）のように変化することも、よく知られ
ている（米国Ａｃａｄｅｒ７＋ｉｃ　Ｐｒｅｓｓ社発行
のＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ＵＬ
ＴＲＡＳＯＮＩＣＤＩＡＧＮＯ８ＩＳの第５４頁に記載
されている）。また送信音場の伝播距離による強度パタ
ーンは第１図（Ｃ）のように複雑に変化している。従っ
て被測定物体からの受信信号をその壕ま使用すれば（た
とえどのような信号処理の方法を駆使したとしても）前
記した送信音場の影響を免れないことは明らかであろう
。

このような送信音場の影響を除くために超音波探触子と
被測定物体の測定領域との距離を常に一定に保つように
して測定する方法が報告されている（特開昭５８−２；
４８２４）。しかしこの方法は探触子と被測定物体の間
に水等の媒質を必要するいわゆる水浸法と呼ばれるもの
であシ、また前記距離を一定にするために探触子を測定
領域を変える毎に機械的に移動させる必要がある。従っ
て実用的観点からは、水浸法による操作の繁雑さ、探触
子移動のための機械装置の必要性、および不必要に長い
検査時間という欠点を有している。

一方、送信音場の変化を較正（補正）するために、基準
媒体からの各伝播距離（深度）の反射受信波を補正のだ
めの情報として予めメモリに記憶させ、被測定物体から
の反射受信波をその深度（距離）に対応する前記補正情
報で補正するという方法が報告されている（特開昭５８
−５５８５０　）。その場合、問題は基準媒体として何
が適切かということである。この報告では水又は生！（
１食塩水を基準媒質とし、基準反射体としては球体ある
いはアルミニウム、プラスチック等の略平面体でその表
面が凹凸を有するもの等を用いると便利であると記載さ
れているが、実際問題として具体的に何が理年的な基準
媒質であシ、また基準反射体であるが明確な答を得るこ
とは今のところ難かしいと思われる。又実験での確認も
不明確である。

基準媒質による音場の補正については他にも報告があル
（ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡｃＴＩＯＮＳ　ＯＮ　５ＯＮ
ｒＣ８ＡＮＤＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ３第３０巻第１号（
１９８３年１月）の第２６〜３６頁のＭａｔｔｈｅｗ　
Ｏ’Ｄｏｎｎｅｌｌのｒ　Ｑｕａｎｔｉ　ｔａｔｉｖｅ
　Ｖｏｌｕｍｅ　Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ　Ｉｍａｇｉ
ｎｇＪ）。

この報告では水中の平面板を基準媒質として使用し、各
深度の後方散乱波（受信波）のエネルギー変化と生体に
近いゼラチンファントムの表面付近からの受信波のエネ
ルギ変化を比較し、両者が良く合致しているとしている
。しかし正確に比較すると両者の間には違いがあり、確
かに補正を施さない場合に比べて音場の影響は少なくな
るが、定量性という面ではまだ問題を含んでいる。

以上のように探触子の送信音場の影響を除くためいくつ
かの報告があるが、実用面あるいは定量性という面では
未だ満足すべき方法は提示されていないのが現状である
。

■１発明の目的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、探触子の
送信音場に起因する受信波への影響、とくに近距離音場
による影響を極力小さくするような超音波測定方法を提
供することを目的とする。

本発明によれば、超音波パルスを被ｄｌｌＪ定物体に送
信し、被測定物体から反射された超音波エコー信号を検
出することによって被測定物体（１）音＠特性を測定す
る超音波測定方法は、被測定物体の平均音速より速い音
速を有する媒質を介して被測定物体に超音波送受信する
超音波送受信工程と、この媒質と被測定物体との境界面
によって反射された反射波が被測定物体からの超７［？
波エコー信−弓に混入することを除去するように超音波
エコー信号を補正する補正工程とを有する。

補正工程は、補正用媒質に超音波を送信して得られた補
正用媒質からの超音波反射波を予め記憶する工程と、反
射波を超音波エコー信号よシ差し引くだめの減算工程と
を有する。

補正用媒質は、無響水槽あるいはシリコーン・ゴム等の
減衰媒質である。

■０発明の詳細な説明および作用 以下本発明を実施列によっ゛て詳細に説明する。

第２図は本発明の原理を示す図である。よく知られてい
るように近距離音場限界距離は、円形平板探触子ｌＯの
開口（直径）をＤ１被測定物体中の波長をλとすれば、
近似的にＤ２／４λでめられる。その様子を第２図（４
）に示す。−例としていまＤ　＝　ｌ　Ｏｗで共振周波
数ｆ　＝　３　ＭＨｚの探触子で人体ｌｆＩ：被測定物
体とする場合を考える。人体の甲均音速をＣｏ　＝　１
５００　ｍ／ｓ　とすれば、波長はλｏ　＝Ｃｏ　／ｆ
　＝０．５　＋＋ａとなシ、従ッテＤ２／４λ。

＝５０１ｎｍとなる。つまシ人体１０表面から５０ｍｍ
程度までに近距離音場となシ、５０ｍｍ以降は遠近離音
場となる。開口りが大きい程近距離音」易の範囲は拡大
する。まだ周波数ｆが高い程、すなわち波長λが短い程
、同じく近距離音場のＪｔＢ囲は拡大し、人体１のより
深い距ｆｌｉＬｘまで近距離１音場が形成さｔｌ、るこ
とになる。この関係を詳しくノ督析したのが第３図のグ
ラフである。現在人体に対して使用されている超音波診
断装置の探触子の開口は１０〜２０ｍ＋周波数は２〜５
Ｒ［（ｚがその中心である。腹部を対象として考えると
、生体表面からの診断距離は１６０〜２００鰭の深度ま
で必要となっている。従ってこの条件では殆ど近距離音
場しか使用していないことが第３図よシ明らかである。

複Ｍな音場・ぐターンを有する近距離音場の範囲を生体
中で縮少するためには、Ｄ２／４λを小さくすることが
必要である。例えばＤ２／４λを２０咽以下とするため
には、第３図より開口りを６鵡以下とすればよい。しか
し第４図かられかるように、開りが小さくなると、遠距
＃副場での近似的なビーム幅２Ｘλ沖が大きくなり、方
位分解能が劣化するという問題が生じてくる。

つまシ近距離ｊ［？場眠界距離Ｄ２／４λを小さくする
ためには、開口りを小さくシ、λを長くすればよいが、
一方遠距離庁場でのビーム幅２・（１／Ｌ））・Ｘを小
さくするためには開口ＤＫ大きくしλを短くすればよい
ことが理解出来る。結局この２つの要件は互い矛盾した
関係となっている。

こ０矛盾を解決するだめの方法を第２図（Ｂ）を参照し
て説明する。生体ｌと゛探触子１０の間に生体の平均音
速Ｃ６，１速い音速Ｃを有する姪質２０を設定する。返
にＣ＝　ｍ−ｃｏ　（ｍ＞　Ｉ　）の関係にあるとする
。いまｍ二２を例として考えると。

近距離音場限界距離Ｄ２／４λは、λ−Ｃ／ｆ＝２・λ
０となるので、生体１に比べてこの距ばは’ＡＫ短縮さ
れる。前記の列で５０調が２５閣になるというわけであ
る。従っ−Ｃ媒質２０のノ早さをこの距離よシ少し長く
しておけば、生体ｌの表面近傍から遠距離音場を形成す
ることができる。従って生体の平均音速ＣｏＫ比べて速
い音速Ｃを有する媒質２０を探触子１０と生体ｌとの中
間に１ニア智的に接続することで、近距離音場限界距離
を短縮することが出来、遠距離音場を実質的に被ａｎｊ
定物体である生体１の中に形成するとか出来るわけであ
る。次に第５図の実施レリについて詳細な説明を行う。

第５図は、既に説明した原理に基づいてＩＩ成された超
音波探触子３０を示す断面図である。超音波振動子ｌＯ
は、よく知られたセラミック系のＰＺＴ等の圧電材料で
あシ、その後方に音響バッキング材２が固着されている
。またその１ｊｕ方には、生体１よシも音速の速い近距
離ｉ′１楊よＪ１＋’ｉ用の媒質ｚＯが設けられ、その
両主面には各々媒質２０および生体１に対する音響整合
層４および６が形成さｔ”ｔている。

介挿媒質２０に心安な条件は、（１）音速Ｃ′が被測定
物体ｌの平均音速Ｃｏ、Ｊ：、！ｌ）も充分に速いこと
、（２）超１°？波の減衰が小さいこと、（：すｉ’Ｔ
　席’インピーダンスが振動子ｌＯと被測定物体１のほ
ぼ中間であること、（４）なるべく密度が小さいこと、
等である。これらの条件を満足する材質としては、アル
ミニウム、ガラス、ジュラルミン等があり、それらの特
性を下記の表に示す。

これらの材料のうちアルミニウムは好ましい例である。

アルミニウムの音速は６．４２０　ｒｒＶ／ｓで、生体
の平均音速１．５００　ｒｒＶ′ｓに比べて約４．３倍
である。振動子１０が全体として円形平板である場合、
その直径（開口）　Ｄ　＝　１．３　ａｍ、周波数ｆ　
＝　３　ＭＨｚとすると、従来の探触子では近距離音場
限界距離は８４５叫であるが、本発明の原理に従って構
成した探触子３０の場合、媒質ｚＯの厚みをこの値の４
．３分の１以上、すなわち約２０■以上にすれば、生体
１０表面より深部には、実質的に遠距離音場が形成され
ることになる。

さて音響整合層４および６は探触子３０全体の感度向上
、応答性の改良のために用いられる、いわゆる１／４波
長整合層である。振動子１０の音響インピーダンスを約
３０×１１０５（／ｃｒｎ２．Ｓ）とすると、媒質２０
がアルミニウムの場合、その音響インピーダンスは１’
　７．３　Ｘ　１０”であるので、音響整合層４の音響
インピーダンスは１９〜２２が好ましい。又音響整合層
６の音響インビーダンスは生体１のそれを１．５ＸＩＱ
５とすると４〜６にすることが好ましい。これらの音響
インピーダンスの値は日本超音波医学会第４１回講演論
文集第８９頁の４ｌ−ＰＣ−９ｒ２重整合層型超音波ゾ
ローブ４１゛性の検討−に記載されている方法で容易に
算出することが可能である。更に好ましくは、媒質２０
の２つの境界４５および５６での多重反射を極力少なく
するために、音響整合層４および６を各々音響インピー
ダンスが３０〜１７３および１７３〜１．５までＸ方向
にほぼ連続的に変化するように形成する。整合層４およ
び６は特開昭５４−２１０８２にも記載しであるような
方法、すなわちエポキシにタングステン粉を混入する方
法で製作することが可能である。振動子が高分子系（Ｐ
ＶＤＦポリフッ化ビニルデン等）あるいは高分子系と無
機物の複合物のように音響インピーダンスの低い場合に
も、このように連続的に音響インピーダンスの変化する
整合層が有効である。

次にＩｒ　（ｉ　Ａ図および第６Ｂ図の実施例につぃて
詳細な説明を行う。第６Ｂ図は第５図に示した超音波探
触子３０を使用した場合の超音波測定装置の実施例を示
す。点線枠内２００（データ補正部）を除いては従来の
パルスエコー法によるＢモード装置の構成と同様である
。第６Ａ図ハ、従来のパルスエコー法によるＢモード装
置の構成であり、概略の動作は以下の通シである。

被検体１に設定する探触子３０は、走査部４０によって
その表面上を方位方向に垂直に走査される。探触子３０
には、図示のように送信回路２２および受信回路５ｏが
接続され、前者はコントロール回路１４０の制御の下に
探触子３０を介して超音波を送信し、後者は被検体１の
内部から反射したエコーを受信する。

受信したエコー信号は、対数増幅器６ｏによって対数増
幅され、ＳＴＣ回路７ｏによって、いわゆるＳＴＣ補正
を受ける。こ、れは、検波回路８０によって検波され、
ディノタル信号に変換されてメモリ９０に蓄積される。

メモ＋７９０に蓄Ｈ（され／こエコー信号列は、たとえ
ばＣＲＴなどを有する表示部１３０に、いわゆるＢモー
ドエコー像として表示される。

第６Ｂ図ではデータ補正部２００は、補正演ｑ４を行な
う被検体ｌの音響特性を算出する演算を行なう演Ｓ＞−
回路１２０とからなる。このデータ補正部２００は、介
挿媒質２０の境界４５および５Ｇによって超音波が多重
反射することによる受信信号への影響を除去する補正を
行なう。

以下、これについて詳述する。既に第５図の探触子３０
の実施例で説明したように、近距離音場圧縮用の媒ｒ；
ｒ（２６の境界４５および５６での反射波を極力小さく
するために、音響整合層４および６を設けた。しかしな
がら、」〕λ界４５および５６での反射波がわずかでも
残っていると、被測定物体１からの測定すべきエコー信
号に不要な多重反射波として混入する恐れがある。第７
図にはこの境界での多重反射の様子を概念的に示してい
る。参照符号１０００，２０００゜３０００および４０
００がこれらの多重反射波Ｃ例である。これらエコー信
゛シじと多重反射波との関係を第８図に示す。

第８図（４）の５００は送信回路２２から探触子３０に
印加される駆動波形である。第８図（Ｂ）には前記の理
由で発生した多重反射波１０００゜２０００．３０００
および４０００がノ」くされている。多重反射の性格上
、各々の波の間隔はす゛べて等間隔となっている。第８
図（Ｃ）は被測定物体１からのエコー信号列を示したも
ので、振動子１０と被測定物体１０間の媒質２０および
音響整合層４，６を往復伝播する時間だけ、駆動時刻５
１０に対して遅れた１１、？刻５２０よシエコー信号列
が振動子１０に受波され始める。従って測定対象のエコ
ー信号に不要な多年反射波として混入するものは、第２
反射波２０００以降の反射波となるわけである。

これらの反射波は第一９図に示した方法で予め測定して
おくことが出来る。すなわち第９図仏）に示したような
無響槽４００゛に第６Ａ図１だは第６Ｂ図の装置の探触
子３０を音響的に接続する。この場合媒′１７↓３００
は被１１１１１定物体１と音袢イ／ピーグンスの実質的
に同じ物質、例えば被６１１ｊ定物体１が人体の場合脱
気水あるいは生理食塩水が適切である。この伯４００へ
送４ｊされた超音波は書び探触子３０へ戻ってこないよ
う、（ｉ”ｌ　４００の内（ｔｒｉにはすべて凹凸の吸
収体４０２が設けである。

筐だ第９図（Ｂ）のように人体と同じ音響インピーダン
ス企もう／リコーン・ゴム等の減衰媒質６００に探触子
３０を音響的に接続し、シリコーン・コゞムロ００の底
面６１０からの反射波が再び探触子３０へ戻って来ない
ようにシリコーン・ゴム６００の厚さを充分に厚くシ、
この底面反射波を充分ＶＣＣ減食るか、おるいはノ戊面
６１０２第９図（〜の吸収体４０２のような形状にして
おいてもよい。このような条件の元で前記反射波（ｉ−
測定し、これらの信号をすべて第６Ｂ図の補正ガータ用
メモリ１ｉｏＶＣ記憶させる。

第６Ｂ図の補正回路１００では、受信回路５００出力１
に号からメモ！１１１０に予め記憶さゐ０ ＩＶ１発明の具体的効果

【図面の簡単な説明】

説１町するための説明図である。 ４．６・・・音響整合層 １０　・・・Ｍｉ音波振動子 ２０　・・・介挿媒質 ３０　・・・超ｊ′？−波探触子 ９０　・・・メモリ １００・・・補正回路 １１０・・・補正データ用メモリ １２０・・・演算回路 ｉａｏ・・・表示部 １４０・・・コントロール回路 ２００・・・データ補正部 ４００・・・無響槽 ６００・・・減衰媒質 ＬＮ２１ 幕２［２１σ） 本３図 、本四、Ａ　図　（Ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 」　超音波パルスを、被測定物体に送信し、該被測定物
   体から反射された超音波エコー信号を検出することによ
   って該物体の音響特性を測定する超音波測定方法におい
   て、該方法は、該物体の平均音速よシ速い音速を有する
   媒質を介して該物体に超音波送受信する超音波送受信工
   程と、該媒質と該物体との境界面によって反射された反
   射波が該物体からの超音波エコー信号に混入することを
   除去するように該超音波エコー信号を補正する補正工程
   とを有することを特徴とする超音波測定方法。 ２、　前記補正工程は、補正用媒質に超音波を送信して
   得られた該補正用媒質からの超音波反射波を予め記憶す
   る工程と、該反射波を前記超音波エコー信号より差し引
   くための減算工程とを有することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の超音波測定方法◇ ３、　前記補正用媒質は、無響水槽あるいはシリコーン
   ・ゴム等の減衰媒質であることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の超音波測定方法。