JPS61290941A - 超音波組織診断装置 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は超音波を生体内に送受波して医学的な診断情報
を得る装置であって、特に、超音波と生体組織との相互
作用で生じる非線形現象を用いて生体の組織診断を行な
う超音波組織診断装置に関するものである。

［発明の技術的前Ｗ４］ 近時、超音波を利用して生体組織の質の情報を抽出する
手法が種々提案されている。例えば、パルスエコー法に
よって送波ビームと受波ビームとを交差させ、種々の音
響パラメータ、非線形パラメータを計測する所謂交差ビ
ーム法“は代表的な手法として注目されている。以下、
この交差ビーム法について説明する。

即ち、先行技術１、交差ビーム法を適用した超音波組織
診断装置の一例としては、通常のリニアスキャン用等の
複数の超音波振動子を配列した超音波振動子アレイを用
い、この超音波振動子アレイの中で互いに所定距離を存
して第１の振動子群と第２の振動子群とを設定し、例え
ば、第１の振動子群を送波用とし第２の振動子群を受渡
用として送受切換えを行ない、この第１の振動子群の各
振動子へ時間差を持った駆動パルスを供給し所定の方向
へ超音波を送波して、この超音波送波から受渡までの伝
播時間を計測すると共に上記駆動パルスの駆動電圧を制
師し、上記第２の振動子群で受波された超音波エコーの
駆動電圧依存性を計測し駆動電圧依存パラメータを計算
し、これらのデータに基づいて非線形パラメータを算出
するようにしたものがある。

これにより、基本波（Ｊｏ　）の電圧依存性と伝播時間
を計測することによって、音速（Ｃ）と非線形パラメー
タＢ／Ａを計測し表示する。

また、先行技術２として、秋山他「パルスエコ一方式に
よる非線形パラメータ映像法の提案」日本超音波医学会
１９８３年第４３回研究発表会講演論文集ｐ５２１〜ｐ
５２２によれば、パルスエコー法において、基本波＜ｆ
ａ　）を送波し、２次高調波（２ｆｏ　＞の振幅を受波
してパラメータにれている。この場合、パラメータＫに
含まれる音速（Ｃ）は独立して計測していないものであ
る。

［背景技術の問題点］ 先行技術１では以下の如くの不具合がある。即ち、非線
形効果による基本波（（０）の振幅の減少は小さい。従
って、非線形効果を明確に把握するためには、パルス印
加電圧を順次変更させねばならず、これを実現するには
、装置構成上の複雑さを伴うことになり、有利でない。

また、先行技術２では以下の如くの不具合がある。即ち
、組織の非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）を直接計測してい
るわけではなく、音速（Ｃ）の２いるため、組織の音速
（Ｃ）の変化によって非線形効果（Ｂ／Ａの変化）がキ
ャンセルされる場合がある。

ならば、 Ｋ異常肝−に正常肝となってしまって、正常肝と異常肝
が区別できない。即ち、生体組織の音速（Ｃ）の変化に
伴わない病変は、発見不可能である。

［発明の目的］ 本発明は上記事情に基づいてなされたもので、同一生体
組織の音速（Ｃ）とパラメータ（Ｋ）との２種類の生体
情報を計測し、その音速（Ｃ）と非線形パラメータ（Ｂ
／Ａ）との２つの情報を独立に算出することにより、従
来発見することが難しかった病変を容易に発見すること
が可能な超音波組織診断装置を提供することにある。

［発明の概要］ かかる目的を達成するために本発明による超音波組織診
断装置は、複数の超音波振動子を配列した超音波振動子
アレイと、この超音波撮動子アレイの各振動子と接続さ
れ送信に使用する複数の隣接する第１の振動子群とこの
第１の振動子群と所定距離離れた受信に使用する第２の
振動子群とを送受で切換えるスイッチ部と、この第１の
振動子群から所定の方向へ超音波が送波されるように第
１の振動子群の各振動子群の各振動子へ時間差を持った
所定の周波数ｉｏを有するバーストパルスを供給する送
波部と、所定の方向からの超音波エコーを受波するよう
に第２の振動子群の各振動子から供給される受信信号を
時間差を与えて加算する受渡部と、この超音波送波から
受渡までの伝播時間を計測する伝接時間計測部と、上記
第２の振動子群で受波された超音波エコーの周波数２ｆ
ｔｒの２次高調波振幅を計測する２次高調波振幅計測部
と、上記伝接時間計測部と２次高調波振幅計測部とから
得られたデータに基づいて音速（Ｃ）と非線形パラメー
タ（Ｂ／Ａ）とを算出する組織診断パラメータ計測部と
を備えたことを特徴とする特［発明の実施例］ 以下、図面に従って゛本発明を具体的に説明する。

先ず、本発明の概要を第１図の概要説明図に従って説明
する。先づ、第１に音速（Ｃ）測定の原理を、次に２次
高調波振幅パラメータ（Ｋ）測定の原理を、そして第３
に非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）算出の原理を述べる。

■音速（Ｃ）の測定の原理 リニア電子スキャン用プローブ１を用い、図示しない体
表に接している超音波送受信面２の一端Ａから体内へθ
方向に超音波パルスを発射し、超音波パルスは例えば肝
組織中の送波経路４を直進し点Ｐで反射した超音波は受
波経路５を通り右端Ｂの振動子で受信される。Ａ、８間
の距離ｙは既知であるから経路４．５を伝播する伝播時
間ｔを測定すれば肝組織中の音速Ｃは Ｃ−ｙ　／　（ｔ　−ｓｉｎθ）　　　　　−（１１と
して求まる。

以上が本発明による音速測定法の基礎となる原理である
。但し音速が未知であるからθは厳密には未知であり、
また生体の中に点Ｐなる反射体が存在するわけではない
から（１）式から音速を求めるために実際には種々の工
夫も必要となる。

■２２次高調波振パラメータ（Ｋ）の測定の原理リニア
電子スキャン用プローブ１を用い、音速測定の場合と同
様にして超音波送受信面の一端Ａから体内へθ方向に周
波数ｆｏを有する超音波バーストパルスを発射し、生体
組織中の経路４を直進し点Ｐで反射した超音波は受波経
路５を通り右端Ｂの振動子で受信される。この時、受渡
信号の２次高調波（２ｆａ　）成分の振幅ＬＩ２（Ｘ）
を求め記憶しておく。

・・・（２ ここで、ｕ２　（Ｘ）は２次高調波成分の振幅、ＩＪｔ
（０）は送波地点（ｘ−０）における基本波成分の振幅
、αは基本波の減衰定数、α２は２次高調波の減衰定数
である。Ｘは往路４又は復路５の距離、γ２は２次高調
波の反射係数である。

次に上記と同様にして超音波送受信面の一端Ａから体内
へθ方向に周波数２１ａを有する超音波バーストパルス
を発射し、生体組織中の経路４を直進し点Ｐで反射した
超音波は受渡経路５を通り右端Ｂの振動子で受信される
。この時受波信号の２ｆａ成分の振幅ＬＩ２（Ｘ）を求
め記憶しておく。

１２（ｘ）＝鶴（０）　ｅ−”２　”　ｒ　２　ｅ−“
２８・・・（３ ここで、ｆｉ２　（Ｘ）は距離Ｘにおける２ｆａ成分に
おける振幅であり、７２（０）は送波点（Ｘ　−０）に
おける２ｆａ成分の振幅である。

次に（ｚ（３式の比を求め、α−α２／２の近似をおく
と となりこれによりパラメータＫが求まる。

このとき、２次高調波パラメータ（Ｋ）と非線形パラメ
ータ（Ｂ／Ａ＞及び音速（Ｃ）との間に次式（５）が成
立する。

■非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）の算出 上記式（１）により音速（Ｃ）を計測でき、上記式（勾
により２次高調波パラメータ（Ｋ）を計測できるので、
上記式（５）により非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）を計算
することができる。具体的には、次式（６１によって非
線形パラメータ（Ｂ／Ａ＞を求めることができる。

以下に、本発明の一実施例を具体的に説明する。

く■音速測定〉 第２図のブロック図は本実施例の構成を示している。振
動子アレイ１１は第１図のプローブの超音波送受波面２
に配列されており、電圧パルスを加えられると超音波パ
ルスを放射し、超音波が入射すると電圧を発生して超音
波を検出する。

振動子アレイ１１（Ｔｒ〜Ｔ１２Ｂ）は振動子素子幅ａ
が０．４５ミリのものが素子中心間隔ｄ−０．５ミリで
１２８素子直線上に並んでいる。これらの各振動子素子
に対する電気信号の送受はケーブル３内のリード線１２
を通して行なう。

ＣＰＵ２１は例えば１０ＭＨｚの基準りＯツクを発生す
るパルス発生器１８を有し、その基準クロックを分周し
て例えば４ＫＨ２のレートパルスを発生し３２ケの送信
遅延回路１５を経由して３２ケのパルサ１４を駆動する
。パルサ１４の出力はマルチプレクサ１３により振動子
アレイ１１のうちＡ端にあるＴ１〜Ｔ３２にそれぞれ接
続される。振動子アレイ１１はプローブのコーテイング
材を通して体表に接し、振動子素子から発生した超音波
は生体中に放射される。標準的な生体組織の音速をＣｏ
　−１５３０＋ａ　／ｓとすれば、超音波ビームを０口
方向に放射するには隣接する各素子間の遅延時間τ０は
、 Ｔ６−　（ｄ　／ＣＯ）　・Ｓｉｎθａ　　　−（７）
となり、このような遅延時間差をもって各素子が駆動さ
れるように送信遅延回路１５を設定する。

すなわちＰＤｌ−０，ＰＤ２−τａ　、ＰＤ３＝２τ０
．・・・・・・、ＰＤ３２−３１τ０なる遅延時間を与
える。

もし生体組織の音速がＣｏであれば超音波ビームはＣ０
方向へ進むが一般にはＣ１１とは限らすＣｏと異なる値
Ｃである。このとき超音波の伝播する方向θはスネルの
法則から ｓｉｎθ／　Ｃ−ｓｉｎθａ／Ｃｏ　　　・＝（８）で
示される値となる。

超音波パルスを放射したあと、マルチプレクサ１３はＢ
端にある振動子素子Ｔ９７〜Ｔ１２６の３２ケと受信遅
延回路１６を接続するように切換えられたＴ１１７〜Ｔ
１２８で受信した超音波反射波信号は送信の場合と同様
の遅延を受けて合成され受信回路１９に入力する。すな
わち受信遅延回路１６の遅延時間はＲＤｌ−３１τｏ、
ＲＤ２−３０τｏ　、　＝、　ＲＤ３１−ＴＯ、ＲＤ３
２−０のように設定される。このようにすると振動子素
子群７９７〜Ｔ１２Ｂは生体の音速がＣｏ　　（Ｃ）で
あればθロ　（θ）方向に指向性を持ち、Ｃ０（θ）方
向からの反射波を受信する。受信信号は受信回路１９で
増幅、検波され、Ａ／Ｄ変換器２０によりＡ／Ｄ変換さ
れてメモリ２２に記憶される。メモリ２２はレートパル
スのタイミングを基準として１０ＭＨｚのクロックでア
ドレスが決定されており、メモリ２２に記憶された受信
波形のサンプル値のアドレスは、超音波パルス発射時点
からの時間に１０Ｑｎｓの精度で正確に一致している。

記憶された波形のピーク値はＰ点からの反射波を示し音
速計算回路２４でピーク値の時局（アドレス）を検出す
れば伝播時間ｔが求まる。前述の（７）１８）式を（１
）式に代入すると生体中の音速ＣはＣ＝　　　Ｖ　　　
　ｏ／（ｔ−ｓｉｎ　　θｏ）　　　　　　−１！ヨ）
となり、Ｙ、Ｃａ、０口は既知であるから、測定によっ
て得られた伝播時間ｔを用い音速計算回路２４により０
式の計算を行なって音速Ｃの値を求めディスプレイ２６
に出力する。

第３図は、伝播時間ｔの測定法を示すタイムチャートで
あり、（ａ　）のレートパルスの立下りｔｏよりわずか
遅れた時刻に超音波パルスが発射されパルスのピークの
時刻はｔｌである。第５因、のように送波ビームの中心
と受渡指向性の中心の交点に点反射体Ｐがある場合は第
３図（ａ　）のように時刻ｔ２にピークを持つ反射波が
得られｔ２とｔｌの時間間隔としてｔが求められる。肝
内の血管などがうまくＰ点の位置にくるようプローブを
調整することも可能であるが、一般には臨床の現場でビ
ームの交点に点反射体に相当するものを持ってくること
は困難である。

通常はＰ点で示される近傍は比較的均一な肝組織で満さ
れている。従って得られる反射波は送信超音波のビーム
幅と受信指向性のビーム幅との交叉した部分に含まれる
肝組織からの反射波となり最も早く到達するものは第４
図の８１点を経由するもので最も遅（到達するのは８２
点を経由するものである。従って、この場合の受信波形
は第３ｆｉｌ（ｂ）のように拡がり、しかも組織は完全
に均一ではなくまたスペックル信号として受信されるか
ら種々ランダムな凹凸を生じる。これではピーク値を検
出できないので、プローブを多少動かすことによってビ
ーム交叉点の肝内の位置をわずか、ずらしながら得られ
る反射波データを次々と加算回路２７により加算して行
く。（ｂ　）の波形の凹凸はランダムであると考えられ
るから、ビーム交叉点を変えて数百万回加算するかある
いはピークホールドの処理をすると波形はかなり清らか
となり、（Ｃ）のようになる。これに対しピーク位置を
検出すれば、ピーク値の時間で２を決定することができ
る。ここで、ｔ　−ｔ　２−ｔ　１としてｔを求める。

超音波周波数として３．５Ｍ　Ｈｚを用い、ｙ−４８ミ
リとすると交叉点近傍に集束したとしてそこでのビーム
幅（送受でピークの約１７％）は、約２ミリである。こ
のとき８１点を経由したものと８２点を経由したものの
伝播時間の差Δｔは約４．５μｓである。Ｃ−Ｃｏとし
た場合伝播時間ｔはθｏ”３０”としておよそ６２．７
μｓである。ピーク値の時刻ｔ２の測定精度はΔｔの１
０分の１以下と考えられるから音速測定誤差は１０１　
／Ｓ以下ということができる。

〈０２次高調波パラメータ（Ｋ）の測定〉２次高調波パ
ラメータ（Ｋ）の測定方法は基本的には音速測定の場合
と同様であるが、次の点で異っている。即ち、バルサ１
４の周波数を規程する駆動周波数詞一部１７がＣＰｔＪ
２１の制御によって周波数ｉｎを有するバーストパルス
が振動子アレイ１１から生体に送信される。生体から反
射された超音波は受信回路１９に入って２次高調波成分
（２ｆａ　＞の振幅Ｌ１２（Ｘ）が抽出され、加算回路
２１により加算されてフレームメモリ２２に記憶される
。（第３図参照）次に、周波数２ｉ。

のバーストパルスが送信され、前記と同様にして周波数
２ｆａの振幅（Ｕ２（Ｘ））が抽出され、加算回路２１
により加算されてフレームモリ２２に記憶される。次に
、フレームメモリ２２に記憶されたｕ２（Ｘ　）、　Ｌ
１２　　（ｘ　）情報が２次高調波パラメータ（Ｋ）計
算回路２３に送られ、計算式（４）より２次高調波パラ
メータ（Ｋ）が出力される。

く■非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）の測定〉上述した音速
測定により音速（Ｃ）を求めることができ、上述した２
次高調波パラメータ（Ｋ）を求めることができるので、
これらの測定値を非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）計算回路
２５に入力して上述した式（ａにより非線形パラメータ
（Ｂ／Ａ＞を算出する。

〈０表　示〉 第５因はディスプレイ２６の表示画面を示すもので、該
表示画面には断層像（Ｂ−Ｍｏｄｅ　）　３１のほか次
のものが表示される。即ち、音速値（Ｃ）表示３２、音
速の分散値（σＣ）表示３３、非線形パラメータ値（８
／Ａ）表示３４、非線形パラメータ値の分散値表示３５
等の各種表示が為される。又、第３図（ｄ　）に示した
ような受渡信号パターン３６も表示される。尚、３７は
断！！ｌ像３１上の超音波の通過経路を示す表示である
。

このように本実施例の超音波組織診断装置によれば、同
一の生体組織の音速（Ｃ）とパラメータにとの二種類の
生体情報を計測して音速（Ｃ）と非線形パラメータ（Ｂ
／Ａ）の２つの情報をモニター上に表示するので、生体
組織の音速（Ｃ）の変化を伴わない病変も非線形パラメ
ータ（Ｂ／Ａ）の変化によって発見することができ、又
、病変が起きても音速（Ｃ）と非線形パラメータ（Ｂ／
Ａ＞との双方の変化がしたため非線形パラメータ（Ｂ／
Ａ）と音速の逆数の２乗との積には変化が現われず病変
を発見できないということも音速（Ｃ）の変化、非線形
パラメータ（Ｂ／Ａ）の変化の発見によって回避するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、生体内臓器の音速
（Ｃ）及び非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）を患者には同等
負担をかけず（無侵襲）に体外から簡単且つ短時間に測
定することができる。そして、この超音波組織診断装置
は従来臨床的にルーチン検査に使用されているリアルタ
イム断層装置と同時併用が可能でしかも同一プローブで
検査することができるので通常の断層像を観測しながら
適当な断面で音速及び非線形パラメータ測定モードにワ
ンタッチで切換えるという理想的な検査方法を実施でき
る。そして、診断を何回も繰返して行うことができるの
で、患者の病状の経時変化追跡にも適している。しかも
、生体組織の音速と非線形パラメータとを表示するので
従来の超音波診断装置では得られなかった生体組織につ
いての定量的情報が得られることになり、音速の変化を
伴わない病変、音速と非線形パラメータの逆数の２乗と
の乗算値の変化を伴わない病変も発見することができる
。従って、本発明は超音波診断に新しい画期的な臨床価
値を付加するものといえる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を説明するものであり、第１図
は本発明における超音波伝播速度及び２次高調波パラメ
ータ＜Ｋ）を求める原理の概要を示す概要説明図、第２
図は装置の回路構成を示すブロック図、第３図は伝播時
間計測方法を示すタイミングチャート、第４図は送受信
指向性と送受信号との関係を示す説明図、第５図はディ
スプレイによる表示を示す正面図である。 Ｔ・・・振動子、１１・・・振動子アレイ、１２・・・
リード線、１３・・・スイッチ（マルチプレクサ）、１
４・・・送波部（パルサ）、１５・・・送信遅延回路、
１６・・・受渡部、１７・・・駆動周波数制御部、１８
・・・パルス発生器、１９・・・受信回路、２０・・・
Ａ／Ｄ変換器、２１・・・ＣＰＩＪ、２２・・・フレー
ムメモリ、２３・・・２次高調波パラメータ計測部、２
４・・・音速計測部、２５・・・非線形パラメータ計測
部、２６・・・ディスプレイ、２７・・・加算回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第　３ｖ！Ｊ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の超音波振動子を配列した超音波振動子アレイと、
   この超音波振動子アレイの各振動子と接続され送信に使
   用する複数の隣接する第１の振動子群とこの第１の振動
   子群と所定距離離れた受信に使用する第２の振動子群と
   を送受で切換えるスイッチ部と、この第１の振動子群か
   ら所定の方向へ超音波が送波されるように第１の振動子
   群の各振動子群の各振動子へ時間差を持った所定の周波
   数ｆ＿０を有するバーストパルスを供給する送波部と、
   所定の方向からの超音波エコーを受波するように第２の
   振動子群の各振動子から供給される受信信号を時間差を
   与えて加算する受波部と、この超音波送波から受波まで
   の伝播時間を計測する伝播時間計測部と、上記第２の振
   動子群で受波された超音波エコーの周波数２ｆ＿０の２
   次高調波振幅を計測する２次高調波振幅計測部と、上記
   伝接時間計測部と２次高調波振幅計測部とから得られた
   データに基づいて音速（Ｃ）と非線形パラメータ（Ｂ／
   Ａ）とを算出する組織診断パラメータ計測部とを備えた
   ことを特徴とする超音波組織診断装置。