JPS62152442A - 超音波診断装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波診断装置、特に超音波の生体内伝搬時の
減衰係数を測定することのできる改良された超音波診断
装置に関する。

［従来の技術］ 従来の一般的な超音波診断装置は、通常パルスエコー法
とげばれる方式により、生体組織の断層画像等を得るも
のである。

このパルスエコー法は超音波パルスを被検体内に放射し
、その伝搬途中の種々の深度で反射された反射波を受信
し、その受信信号の強度を生体内深度の関数としてＣＲ
Ｔ上に表示するものであり、超音波反射は音響インピー
ダンスが変化する部分で生じるため、本方式で得られる
断層画像は、被検体内における臓器などの境界面が映像
化されたものである。

ずなわち、パルスエコー法で得られる画像は被検体の形
態情報を得るには極めて有効な手段であるが、被検体の
固有特性の診断を行うためには充分な効果を発揮するこ
とができないものであった。

一方、検体中を伝搬する超音波はその伝搬中の組織に固
有の周波数依存性に基づく減衰を受けることが知られて
いる。すなわ１う、一般に被検体中では高い周波数に対
する減衰率が、低い周波数のそれに比べ大きくなる特性
を有する。そして、減衰率α（ｆ）は次式のごとく周波
数ｆに比例することが知られている。

α（ｆ）−α　・［・・・（１） ここに、α０は組織により異なる減衰係数である。この
減衰係数は、異常組織・正常組織の間で菫なることも報
告されてＪ５す、この減衰係数を正確に測定することで
生体組織の質的診断を正確に行うことが可能となる。

このため、生体組織の減衰率α（ｆ）を計測し、組織の
質的診断を行うことのできる超音波診断装置が開発され
ている。その一つとして、超音波０丁（Ｃｏｍｐｕｔｅ
ｄ　ＴｏｍｏａｒａｐｈＶ　’）がある。これは、被検
体を透過した超音波を検出し、その強度から被検体内で
の減衰率を算出するものである。

ところが、このような改良された超音波診断装置によっ
ても、骨、空気等超富波を透過させにくい部分が被検体
内に存在する場合には、有効な計測が行い得ないという
問題点があった。また、超音波の透過波を計測するため
に装置が大型化し、更に、減衰率α（［）を算出する際
の演算量が膨大となるため、大規模な計算器が必要であ
り、装置の価格が上界してしまうという問題点もあった
。

これに対し、超音波の被検体内からの反射波から減衰率
（ｆ）を計測できる装置も開発されている。

この装置によれば、被検体内に骨、空気等の超音波を透
過さゼにくい部分が存在する場合にも有効な計測を行う
ことができ、しかも反射波を６１則する方式のため装置
を小型化することが可能となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来技術の問題点 ところが、このような反射波から減衰率を副側できる超
音波診断装置は、前記従来の超音波診断装置と同様大規
模な計算器が必要であり、極めて高価な装置となってし
まうという問題点があった。

すなわち、反射波から減衰率を求めるには、通常法のよ
うな演算を行うことが必要である。探触子への入射超音
波パルスのパワースペクトルを５ｏ（ｆ）とすると、被
検体内の深度Ｑの組織から反射してくるエコー信号のパ
ワースペクトルＳ（Ｑ、ｆ＞は次式で表わされる。

Ｓ　（Ｑ、　ｆ　）　＝Ｓ　　（ｆ）　ｅ−２””　　
−（２）ここで、「は超音波の周波数を表わす。

従って、深度Ｑの異なる組織から反射してくる超音波パ
ルスのパワースペクトルＳＣＱ　　、ｆ）及びＳ＜Ｑ　
　、ｆ）を計測すると、次式から減衰率α（［）を求め
ることができる。

しかしながら、前記（２）式からも明らかなように、受
信信号のパワースペクトルを求めるためには、受信信号
をフーリエ変換しなければならないため、高速フーリエ
変換装置（ＦＦＴ）などが必要となり、やはり極めて高
価な超音波診断装置となってしまうという問題点があっ
た。

発明の目的 本発明は前記従来の問題点に鑑みなされたものであり、
その目的は被検体内から返ってくる反射波受信信号から
被検体による超音波の減衰係数（減衰率）を計測するこ
とのできる安価な超音波診断￥Ｒ置を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明に係る超音波診断装
置は、受信信号が零と交差したことを検出する零交差検
出部と、零交差の回数を８１数する計数部と、該甜数部
から出力される計数値を単位時間当たりの零交差密度に
変換する零交差密度演口部と、この零交差密度から平均
周波数を演算する平均周波数演算部と、平均周波数から
減衰係数を求める減衰係数演算部とを含み、反射波より
被検体の減衰係数を測定することを特徴とする。

［作用］ 前述した構成から明らかなように、本発明に係る超音波
診断装置によれば、零交差検出部、５１数部及び零交差
密度演算部により測定された深度Ωからの反射波の零交
差密度Ｎ　（ｉから、平均周波数演算部は例えば次式に
より平均周波数［。

（Ω）を求める。

ここで、α２　（Ｑ）は反射波スペクトルの分散を示す
。

そして、減衰係数演算部では、この平均周波数「　（Ｑ
）から例えば次式により減衰係数α。を求める。

ここで、ε（Ｑ）は、深度Ｑと振動子の形状から特定さ
れる補正項であり、既知の値である。

以上のようにして、超音波パルスビームの被検体内から
の反射波より被検体の減衰係数α。を測定することが可
能となる。

［実施例］ 発明の原理 本発明は、フーリエ変換を行うことなく、時系列に得ら
れる超音波の反射波から減衰係数を求めているが、これ
は次のような原理にＪ：る。

前述のように、生体の減衰率α（［）は超音波の周波数
ｒに比例することが周知であり、α（「）＝α　・ｔ　
　　　　　　　　　・・・（１）で表わされる。

ここで、反射超音波パルスのパワースペクトルＳｏ（「
）が次式のガウス関数で表わされるものと仮定する。

α２はスペクトルの分散を表わす。

この時、被検体内の深度Ｑの部位から反射してくるエコ
ー信号のパワースペクトルＳ　（Ｑ、　ｆ　）は次式に
より示される。

一αｏｒ　・（２Ω） Ｓ　ｉ、　ｆ）＝Ｓｏ（ｆｅｅ ・・・（５） ただし、 ｒ　　ｌ）＝　　ｆ　　−２ｃｙ　　ａｏＱ　　　　・
（６）Ｏ である。

すなわら、前記（４）式と（５）式とにより深度Ｑの部
位から反射してくる反射波のパワースペクトルは、入射
波と同じガウス関数となるが、その平拘置波数ｆ　　（
にｌ）は２σ　ａｏＱだけ低周波数側へ移行し、また振
幅は一α　Ｑ＋２σ　α０α２だ（プ減衰することが理
解される。

従って、平均周波数［。ｌ）が計測できれば、（６）式
から、 −１ｄ のように減衰係数α。が求められる。

ここで、エコー信号から平均周波数ｆ、＜Ｑ＞を求める
には、次のような方法がある。

パワースペクトルがＰ　（ｆ）で表わされるｒ「信号ｐ
（［）を考えると、ｐ（［）が単位時間当たりに零を交
差する回数ずなわら零交差密度ＮはＰ（［）と次のよう
へ関係にあることが知られている。

Ｊ　　Ｐ　（ｆ）ｄｆ すなわち、 となる。

この関係は工］−信号の場合に適用すると次のようにな
る。

すなわち、被検体内の深度Ωの部位から反則しでくる反
射波が、単位時間当たりに零と交差する回数すなわち零
交差密度をＮｉ）で表わすと、で関係づけられる。

マタ、Ｓ　（Ｑ　、　ｆ　）　ハ分子１ｉｌｆｉａ２）
平均力ｆｃ（Ｑ）のガウス関数であるため、次のような
式が成立する。

ｆ″ｒ２Ｓ　（Ｑ、　ｆ）ｄｒ 一−［。（Ｑ） ＬｏｏＳ　（Ｑ　、　　ｆ）ｄｆ 従って、 となる。

（１２）式にｄ３いて、σ２は入ＩＪＩ　、ＩＵ音波パ
ルスのパワースペクトルの分散であり、これは既知の値
である。

従って、零交差密度Ｎ（Ω）を測定すれば、前記（１２
）式を用いて平均周波数ｒＣ（Ｑ）を求めることが可能
となり、更に前記（１）式を用いて減衰係数α。を求め
ることができる。

ところで、一般に超音波診断装置の超音波パルスビーム
にｄ３ける入射波のパワースペクトルは、ガウス関数に
したがわない場合が多い。

従って、前述した原理をそのまま超音波診断装置に適用
することはできず、次にパワースペクトルがガウス関数
でない場合について説明する。

パワースペクトルはガウス関数でない場合には、深度Ｑ
の部位から反射してくるエコー信号のスペクトルの分散
は深度Ｑの関数となり、これをσ２　（Ｑ）で表わす。

このとき、前記（１２）式に相当する式は となる。

また、平均周波数の定義から となり、前記（５）式と同様に、 一α　ｆ（２Ｑ） Ｓ　（Ｑ、　ｆ）＝Ｓ　　（Ｑ、　ｆ）ｅ　　　０・・
・（１５） として前記（１４）式に代入し、この両辺をＱについで
微分すると、次の式を誘導することができる。

ただし、ここでＳ。（ｆ）はガウス関数である必要はな
い。

一−ｆ　　（Ｑ　） Ｑ　Ｃ ｆｒ２　　・Ｓ（Ω、　ｆ）ｄｆ ｆｓ　　（Ｑ、ｆ）ｒＨ ｆｓ　　（Ｑ、ｆ）ｄｆ ＝−２αｏｆσ　（Ｑ　）　　　　　　　−（１６）従
って、前記（７）式に対応する式として、を得ることが
できる。

ところで、上記の原理は超音波が平面波として伝搬する
ことを前提としている。

しかしながら、超音波診断装置で使用される振動子は焦
点を有しており、通常の超音波診断装置から発信する超
音波が平面波として伝搬することはあり得ない。従って
、前記（１１）式は次式のごとく修正することが必要で
ある。

ｄ ・・・（１８） ここで、ε（Ｑ）は、深度Ｑと振動子の形状とに依存す
る超音波音場に関ザる補正項であり、既知の値である。

すなわち、水中等のように減衰のない伝搬媒質中におか
れた反射体から反射してくる・反射波の平均周波数は超
音波が平面波の場合には、反射体の深度Ｑに依存せず、
常に一定の値となる。

ところが、超音波が平面波でない場合には、平均周波数
は深度Ｑに依存して変化する。補正項εｉ）はこのよう
な深度Ｑに依存する変化を補正１゛るための定数であり
、計算により、あるいは実験的に決定ザることが可能で
ある。

以上のように、通常の超音波診断装置では、入射超音波
パルスのスペクトルはガウス関数にはしたがわないため
、前記（１３）式及び（１８）式から減衰係数を求める
こととなる。

すなわち被検体内の種々の深度Ｑについて該検体内部位
から反（ト）してくる反射波のスペクトルの分散σ２　
（Ｑ）が決定されれば、この反射波の零交差密度Ｎ（Ｑ
＞を測定することで、中心周波数「　（Ｑ）が求められ
、更にこのｆ。（Ｑ）を前記（１８）式に代入すること
で減衰係数α。を求めることが可能となる。

ここで、σ２　（Ｑ）は、被検体内の深度Ｑの部位から
反射してくる反射波のスペクトルの分散で　　−あり、
本来は被検体の減衰係数に応じて変化するものである。

ところが、反射波の周波数帯域幅は比較的狭いため、減
衰係数への依存度は事実上極めて低いものと考えられる
。

従って、生体の減衰係数に近似する減衰係数を有する物
質を用いて、この物質中の種々の深度に反射体をおき、
ここから反射してくる反射波から前記σ２　（Ｑ）は実
験的に求めることが可能である。また、減衰媒質中での
超音波波形は、振動子の形状と波形観測点の位置とから
算出可能であることが周知であり、σ２　（Ｑ）を計算
により決定することも可能である。

具体的実施例 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には本発明に係る超音波診断装置の要部のブロッ
ク図が示されている。

本実施例において、超音波診断装置は、探触子１００、
超音波送受波制御部２００．零交差検出部３００．計数
部４００．零交差密度演ｐ部５００、平均周波数演算部
６００．減衰係数演算部７００及び表示部８００を有す
る。

本実施例において、超音波送受波制御部２００は従来の
パルスエコー法による超音波診断装置の超音波送受波制
御部と同様の構成であり、制御回路２１０１発振器２２
０及び増幅器２３０を含む。

そして、制御回路２１０の制御のもどに発振器２２０は
高圧電気パルスを出力し、これを探触子１００に印＋１
［］することで該探触子１００から超音波パルスが射出
される。

被検体内から反射してきた反射波は、探触子１００によ
り受信されて電気信号に変換され、増幅器２３０にて増
幅された後に零交差検出部３００に出力される。

零交差検出部３００は、前記超音波送受波制御部２００
からの入力信号が零と交差するたびに電気パルスを計数
部４００に出力する。

該計数部４００においては、零交差検出部３００からの
パルス信号を順次積算・計数する。この計数値は零交差
密度演算部５００に出力される。

本実施例において零交差密度演算部５００はラッチ回路
５１０．５２０及び減算器５３０を含み、前記計数部４
００からの計数信号は該ラッチ回路５１０．５２０に入
力される。

この２つのラッチ回路５１０．５２０は、制御回路２１
０からのタイミング信号Ｓ　　、Ｓ　　により制御され
ており、各タイミング信号Ｓ　　、Ｓ２の入力まで前記
計数部４００からの計数結果を一時的に保持する。

タイミング信号Ｓ　　、Ｓ２には適宜設定された時間τ
だ【プ時間差が設けられており、これらのタイミング信
号Ｓ、Ｓ２の入力間隔で保持された計数値を減算器５３
０に入力する。該減算器５３０では両ラッチ回路５１０
，５２０で保持された甜数値の差値が求められ、これは
時間τの間に入力信号が零と交差する回数となる。従っ
て、時間τを単位時間にとれば、この差値は零交差密度
を表わすことになる。

すなわち、タイミング信号Ｓ、Ｓ２をΔτ間隔で順次発
生させるならば、タイミング信号Ｓ１及びＳ２の発生時
刻１１．１２は次式で表わすことができる。

ｔｌ−Δｔｒ　　　　　−１＝ｏ、１．２・・・ｔ２＝
Δｔｉ＋τ　　　　　　　　　　・・・（１９）この時
、ｉ番目のタイミング信号で求めた零交差密度は、被検
体中での音速をＣで表わせば、被検体内の深度Ｑ−＜Δ
ｔ、十τ／２）・Ｃ／２の部位から反射してくる反射波
の零交差密度（以下Ｎ・と表示する）を表わすことにな
る。また、こ■ の深度Ω−（Δｔ、＋τ／２）・Ｃ／２に対応する分散
σ２　（Ω）、補正項ε（Ω）をそれぞれσ・、ε１と
表示する。

この零交差密度演算部５００の出力Ｎ１は、平均周波数
演算部６００に出力される。

平均周波数演算部６００は、平均周波数変換器６１０及
び加σ器６２０を含み、前記零交差密度演算部５００の
出力Ｎ　は平均周波数変換器６１０に入力される。

該変換器６１０は、前記（１３）式の関係を用いて、零
交差密度Ｎ、からこれに対応する平均周波数［。ｉに変
換するものであり、演算 を行うこととなる。

また、この変換器６１０は次のように構成することも好
適である。

すなわち、σ、′は深度Ｑ　＜＝ｉ　）に依存する既看 知の定数であるため、予め種々のσ・及びＮ、に対応す
る平均周波数［。ｉを演算しておき、これをＲＯＭに記
憶させておく。そして、この変換器６１０は、σ、、Ｎ
、の値に応じてＲＯＭの「。１を読出し、これを出力す
ることで平均周波数「。１に変換することが可能となる
。

更に、補正項ε・まで含めて、音場補正後の平装置波数
ｒＣ１を予め計算し、これを前記同様ＲＯＭ中に記憶さ
せておけば、平均周波数変換器６１０において音場の補
正まで行うことが可能となる。

ｒ・＝　［・−ε・ ＣＩ　　　　　ＣＩ　　　　　　１ −　Ｎ−■＝「５−’−５，−（２０）ｌ　　　　　　
　　　　　　Ｉ＋ ずなわち、σ：及びεｉは、生体内の深度ｉにのみ依存
するため、この深３！ｉと零交差密度Ｎ。

との二次元の表をＲＯＭ中に作成しておけば、この表か
ら平均周波数ｆ。ｉを得ることが可能となる。

この平均周波数変換器６１０で演算された平均周波数［
。ｉは、加算器６２０に入力される。

すなわち、被検体である生体の超音波反射係数は時間及
び位置により変動Ｊるものであり、確定値を持たないと
考えられる。

従って、このような生体から反射してきた反射波から求
めた平均周波数ｒ・（又は　ｒ、）はそのＣＩ　　　　
　　　　　　ＣＩ 期待値の付近で変動することが予想される。そこで、加
算器６２０は前記平均周波数’ｃｉ　（又はｆ　、）を
加算・平均化し、前記生体の反射係数の変動による誤差
拡大を低減するものである。

以上のようにして得られた平均周波数ｒ。ｉ（又は「、
）は減衰係数演算部７００に出力される。

該減衰係数演算部７００はメモリ７１０及び演算器７２
０を含み、平均周波数演算部６００からの出力、すなわ
ち平均周波数ｆ・（又はｆ。ｌ）はメモリ７１０内に格
納される。

演算器７２０は、前記（１８）式に相当する演算を行う
が、この（１８）式は微分を含んでいる。ところが、メ
モリ７１０内のデータは離散的であるため、演算部７２
０は１１４記（１８）式の微分を差分に置換した次式で
示される演算を行えば足りる。

寸なわら、メモリ７１０から補正後の平均周波数ｒ。１
どｆ。ｉ＋１を読み出し、これらの差値を既知の定数で
あるΔｔ−Ｃで割悼し、更にスペクトルの分散σ２で割
算するように演算器７２０を溝■ 成すれば良い。また、（２１）式で示される演口を行う
には、σ、２が必要となるが、これは前述のよう■ に予めメモリ７１０内に格納しておき、必要に応じてこ
れから読み出すことにより得ることができる。

なお、メモリ７１０内のデータがいまだ音場の補正を行
っていない平均周波数ｆ。ｉであるときには、メモリ７
１０内には分散σ・２に加えて、更に補正項ε・を格納
しておき、前記（２１）式の演口を行う前に平均周波数
ｆ。ｉからεｉを減０７Ｊればよい。

更に、（２１）式において種々の深度ｉについて求めた
減衰係数の平均を求めれば測定精度を白土させることが
可能となる。

以上のようにして得られた減衰係数α。は、具体的数値
等どして表示部８００上に表示される。

以上説明したように、本実施例に係る超音波診断装置に
よれば、高速フーリエ変換装百等を用いることなく、反
射波から減衰係数を求めることが可能となる。

なお、零交差検出部３００は、超音波送受波制御部２０
０からの入力信号が零と交差するたびに電気パルスを出
力するものであるが、実際に零と交差するたび毎に電気
パルスを出力するような回路構成を用いると次のような
問題を生じる可能性がある。

すなわち、第２図（Ａ）に示されるように、入力信号が
正弦波に雑音が車前したような場合には、単に零と交差
するたびｆｏに電気パルスを出力することとすれば、同
図（Ｂ）に示すように、本来前るべき信号が零と交差す
る前後に複数の電気パルスを出力してしまうような事態
が考えられる。

従って、本発明において第３図（Ａ）に示すように零レ
ベルにヒステレシス特性をもたせるため、正及び負の２
つのレベル十り、−Ｌを設定し、入力信号が正から負へ
移るときには＝Ｌレベルと交差した時に、また、負から
正へ移る場合には＋Ｌレベルと交差した時に零と交差し
たものと見なすことが好適である。

このような回路構成としては、例えば第４図に示される
ようなものがある。

同図において、入力信号が正の大きな値から減少してい
く状態では、比較器３１０の出力は負の値となっており
、この電圧から抵抗分圧された負の値が入力信号と比較
される。一方、入力信号が負の値から大きくなる場合に
は、比較器３１０の出力は正であり、従って、入力信号
は正の電圧と比較されることとなる。該比較器３１０に
は単安定マルチバイブレーク３２０，３３０が接続され
、単安定マルチバイブレータ３２０は、入力電圧の立上
がり時に電気パルスを出力し、また、単安定マルチバイ
ブレータ３３０は立下がりで電気パルスを出力する。

これら両電気パルス信号をオアゲート３４０に入力し、
入力信号が＋Ｌ又は−Ｌと交差した時点に電気パルス信
号を（ｑることが可能となる。

従って、前記正弦波にｍ音が重畳したような場合にも極
めて正確な測定が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る超音波診断装置によ
れば、エコー信号を周波数解析することなく、減衰係数
を高速演鋒することが可能な超音波診断装置を安価に得
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波診断Ｓ＆青の要部ブロック
図、 第２図及び第３図は零交差検出部の改良状態の説明図、 第４図は本発明の第２実施例に係る零交差検出部のブロ
ック図である。 １００　　・・・　探触子 ２００　・・・　超音波送受波制御部 ３００　・・・　零交差検出部 ４００　　・・・　計数部 ５００　　・・・　零交差密度演算部 ６００　・・・　平均周波数演算部 ７００　　・・・　減衰係数演帥部 ８００　・・・　表示部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波パルスビームを被検体内に送信し反射波を
   受信増幅して表示する超音波診断装置において、受信信
   号が零と交差したことを検出する零交差検出部と、零交
   差の回数を計数する計数部と、この計数値を単位時間当
   たりの零交差密度に変換する零交差密度演算部と、該零
   交差密度を平均周波数に換算する平均周波数演算部と、
   該平均周波数から減衰係数を求める減衰係数演算部とを
   含み、前記反射波より被検体の減衰係数を測定すること
   を特徴とする超音波診断装置。
2. （２）特許請求の範囲（１）記載の装置において、零交
   差検出部の零レベルがヒステレシス特性を有することを
   特徴とする超音波診断装置。