JPS62179437A - 超音波非線形パラメ−タ分布測定装置 - 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】 〔概要〕 ポンピング波のある場合とない場合、又はポンピング波
の正相に重ねた場合と逆相に重ねた場合の夫々について
、先ず測定波の反射波の瞬時周波数を求め、それらの差
からＢ／入の分布を得ることを特徴とする超音波による
組織特性の測定装置である。

〔発明の技術分野〕

本発明は、超音波媒体の非線形パラメータ分布測定装置
、特に、生体組輪、等の超音波媒体の物理特性の空間分
布を測定する方式に係り、音速が音圧に対し、−次近似
としては一定値であるが、二次近似としては音圧に比例
するという非線形性を示すのを利用し、この非線形性パ
ラメータの空間的分布を妊体の特性値として測定し、更
には、必要に応じてその空間的分布の映像化を高速且つ
容易に行う様にした測定装置に関する。更には、特に、
いわゆる透過法でなく反射法によって上記非線形パラメ
ータを測定する事ができる装置に関する。

〔従来技術〕

本発明が利用する非線形パラメータ映像法の原理は、特
開餡６０−１１９９２６号に詳述されている０ これは、測定波としてバースト状のパルス波を送受信兼
用の又は送信用／受信用の１組の測定波用振動子から送
信すると共に、該測定用超音波パルスとほぼ同一場所か
らほぼ同一方向にポンピング用の比較的低周波の超音波
パルスを被観察媒体内に送出する様にしておき、且つ、
第１図に示す様に、ポンピング波の音圧の高い部分（又
は低い部分）に測定用のバースト波が重畳する様に振動
子の駆動タイミングを調整しておき、ポンピングパルス
と測定用パルスの両方を送信した時に反射されて帰って
来た測定用パルスの受信信号の位相と、測定用パルスだ
けを送信した時に反射されて帰って来た測定用パルスの
受信信号の位相もしくは最初に送信した時とくらべて逆
相になるようにポンピング用パルスを測定用超音波パル
スと共に送出して得られた受信信号の位相との差を求め
る事により、ポンピングパルスの影響だけによる測定用
パルスの位相変調を反射法で検出して、被観察媒体内の
超音波被線形パラメータＢ／Ａ求めるようとするもので
ある。

即ち、進行する測定波上の１つの点に注目した場合、そ
の点が反射体に散るまでの間に、測定用パルスが通過し
た領域の被線形パラメータＢ／Ａ（但し場所の関数）と
ポンピング波の音圧Ｐ（減衰の影響により場所の関数）
との積の積分値により定まる位相変調を受ける事を利用
して受信信号を復調して得た位相信号を微分する事によ
り、非紗形パラメータＢ／Ａの分布を得ようとするもの
である。

〔発明の解決しようとする問題点〕

従来の方法ではポンプ波を測定波と同時に送信した時の
受信波の位相と、測定′ｆＩＬ波のみ、もしくは逆相の
ポンプ波と測定波を同時に送信したときの受信波の位相
との差をとり、微分することによってＢ／Ａの分布を求
めていたが、この方法においては受信波の位相を求める
ため、２πごとに不連続が生ずるいわゆるラップアラウ
ンドの影響から逃れることができなかった。

そして、このようにラップアラウンドした信号の差をと
って、更にそれを微分するため、誤差が拡大される欠点
があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は位相の微分が瞬時周波数として直接求まること
に着目し、微分操作を前に行いポンプ波を測定波と同時
に送信した時の受信波の瞬時周波数と、測定波のみもし
くは逆相のポンプ波と測定波を同時に送信した時の受信
波の瞬時周波数との差をとりＢ／Ａの分布を求めるよう
Ｋしている。

〔作用〕

この結果、瞬時周波数を求める際にはラップアラウンド
は生じないため、それらの差であるＢ／Ａにも誤差を招
くことなく測定することかできる。

〔発明の実施例〕 まず、本特許が利用する非線形パラメータ映像法の原理
について説明する。

超音波媒体内の音圧がゼロの時の音速をＣ〆、密度をρ
０とすると、Ｐなる音圧が加えられた時の音速Ｃは 但し添字Ｓは等エントロピーである事を示す。

どなる。従って、ポンピングパルスの音圧Ｐにより、音
速Ｃは、 たけ変化する事になる。

今、第２図に示す櫟に、２＝０に置かれた測定波用超音
波振動子Ｘｍからバースト状の超音波パルスＷｍを図の
Ｚ軸方向に被測定媒体中に送り込み、反射体Ｍからの反
射波を受信する場合を考える。この時　ｇｉｌ」定波用
去動子Ｘｍとほば同一場所に設置されたポンピングパル
ス送信用振動子Ｘｐから、ポンピングパルスＷｐを図示
の様にＺ軸方向に送り込む。以下簡単のためにＷｐとＷ
ｍとは重畳しているとする。又、Ｗｍの音圧はＷｐの音
圧に比べて充分に小さく、式ｆｉｌ（２）のＰとしては
Ｗｐによるものだけを考慮すれは良いものとする。測定
用パルスＷｍがＺ＝ＺＩＣある反射体Ｍに到達するまで
の間に、各Ｚにおいて、式（２）により、場ｎ「により
異なる音速変化 を受ける事になり、従って場所（Ｚ）Ｋより異なったΔ
Ｃ（Ｚ）に比例する位相変化を受ける事になる。

従って、反射体Ｍに到達した時には、式（３）で示され
る音速変化の積分値に比例した位相変化（音圧変化やＢ
、よる変化を受けなかった場合に比べて）を受けている
事になる。Ｍで反射された後、振動子Ｘｍで受信される
までの間は、ポンピングパルスが存在しない（正確には
、ポンピングパルスの反射波が、測定用パルスの反射波
と共に戻って来るが、媒体の反射本は一般に低周波程小
さいため、往路での音圧に比べれば充分に小さくなって
いる）ので、振動子Ｘｍで受信された測定用パルスの反
射波を位相復調すれば式（４）で示されるψ（Ｚ）が得
られる事になる。

ψ（Ｚ）をＺで微分する事により が得られ、式（５）の左辺は実測で得られる値、右辺の
に、ρ０ｙＣＯは定数であるから、Ｐ（Ｚ）を知る事が
できれば−（Ｚ）を求める事ができる。

入 超音波周波数の例として、ポンピングパルスＷｐは生体
組織内での減衰が余り大きくない５００ＫＨｚ程度のも
のが、測定波パルスＷｍはそれよりも１桁程度高い５Ｍ
Ｈｚ程度のものが用いられる。生体組織中では、超音波
はほぼ１ｄＢ／ＭＨｚ／ａｎの減衰を受ける事が良く知
られており、　５００ＫＨｚのＷｐの場合、はｋｌ　０
．５　ｄＢ／ａｎの減衰ヲ受ける事になる。従って、式
（５）のＰ　（Ｚ）として、例えば 一± Ｐ　（Ｚ）　＝Ｐ（０１・１０２０ （但し、Ｚの単位はσ）　・・・・・・　（６）という
式を用いてＰ　（Ｚ）を推定しても良い。この場合、式
（５）より つまり、位相復調出力ψ（Ｚ）を微分したものＫ。

距離Ｚと共に増大する様な係数に’　ｅ　”を乗する事
だより一！Ｌ（ｚ）を得る事ができろ。

生体組織中での減衰が１　ｄＢ／ＭＨｚ　／ｃｒｒ＋　
という櫟に場所によらず一定という様な仮定が成立しな
い場合は、通常のＢモード断層撮像装なでよく用いられ
ている様に１距離Ｚ毎に第３図の如き自由なゲインを与
える事のできるいわゆるＴＧＣ（Ｔ−ｉｍｅ　　Ｇａ１
ｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いても良い事は言うまでもな
い。このゲインカーブは測定結果を見ながら試行鉛誤的
に求める。

尚、媒体中の平均音速をＣ０とした時、Ｚ−Ｃｏｔ（ｔ
：超音波が送信されてからの時間）であるから、ｄＺ＝
Ｃｏｄｔ となり、式（５）のＺによる微分は、時間微分に置き換
えられるのは言うまでもない。

以上の説明では、距離Ｚにある反射体からの反射波の位
相ψ（Ｚ）が求まると仮定して〜・たが、実トは以下の
理由でこれは容易ではない。

第１に、位相を検出するためには第４図（ａ）Ｋ示す如
き基準偵号と受信信号との位相比較を行うが、反射法の
場合、第４図（ｂ）（ｃ）に示す如く、振動子と反射体
との間の距離が異なるだけで、基準信号に対する受（ｆ
ｉ倍信号位相が大きく変化し、Ｂ／Ａ（Ｚ）・ｐ（ｚ）
の影響による位相シフトを隠してしまう。

第２に、生体組織内からの反射波は、第５図に示す様に
、反射波どうしの重畳が頻繁に起こっており、第５図（
ｃ）に示す如く合成された受信信号は元のいずれの信号
（ａ）（ｂｌとも大きく異なった位相を持つ事罠なって
、やはりＴ−（Ｚ）　’　Ｐ　（Ｚ）の影響による位相
シフトを隠してしまう。

以上の様な理由から、受信波の位相シフトそのものを用
いるのではなく、ポンピングパルスと共に測定用パルス
を送信した時の受信信号の位相と、ポンピングパルスを
送らずに測定波パルスだけを送出した時の受信信号の位
相も膚ま最初に送信した時とくらべて逆相になるように
ポンピング用パルスを測定用超音波パルスと共に送出し
て得られた受信信号の位相との差を求めることが、実用
的な測定のためには必須である。第４図又は第５図に示
した如き、伝搬又はパルス重畳による位相の変化は、ポ
ンピングパルスの存在する時も存在しない時も同様（ポ
ンピングパルスの送出周期は２００μ秒程度であるから
その間は不変と考えてよい）に現われるから、それぞれ
の場合の位相復調出力を記憶しておいてその差を得る事
により、伝搬又はパルス重畳の影響を除いた、−！！−
（Ｚ）・２人 （Ｚ）の影響のみによる位相変化ψ（Ｚ）を抽出する事
ができる。

以上が特願昭６０−１１９９２６号に述べられた非線形
パラメータ映像法の原理である。この方法では、受信信
号の位相を求めなけれはならないが、位相は２πごとに
不連続が生ずるいわゆるラップアラウンドの影響を受け
てしまう。本発明においては、受信信号の位相の微分（
瞬時周波数）が受信信号をある秒の演算回路に通すこと
によって求められることを利用して、ラップアラウンド
の影響をさけることができる。

以下に本発明の方法を詳述する。

特願昭６０−１１９９２６号に述べられた非線形パラメ
ータ映像法の原理においては、ポンピングパルスと共に
測定用パルスを送信した時の受信信号の位相ポンピング
パルスを送らずに測定波パルスだけを送出した時の受信
信号の位相の差を求め、その位相差信号を微分すること
によってＢ／Ａ分布を求めている。ここで微分は線形な
演算であ島るから、上記演算を次のように行なって良い
。

すなわち、ポンピングパルスと共に測定用パルスを送信
した時の受信信号の位相の微分（すなわち瞬時周波数）
ポンピングパルスを送らずに測定波パルスだけを送出し
た時の受信信号の位相の微分（限時周波数）の差を求め
ることによってＢ／Ａ分布を求めることができる。

次に位相の微分（瞬時周波数）を直接受信信号から求め
る方法について説明する。第６図に直交検波回路を示す
。ここでＰ　（ｔｌは受信信号、νはミキシング周波数
である。位相θ（ｔｌは直交検波出力Ｑ（ｔ）、　　Ｈ
ｔ）を用いて次のように表されろ。

上式はｊａｎ　　を用いているので、πごとの不連続点
が生じろ。Ｑ（ｔ）、　　ｌ）の符号を考え合わせてｔ
ａｂ−’を計算したとしても２πごとの不連続点が生じ
てしまう。

上式をｔで微分すると、次式が得られる。

ここで・はｔによる微分を示す。

ここで瞬時周波数は一θ（ｔｌである。

２π これより位相の微分は瞬時周波数と２π倍異なるわけで
あるが、本質的には同じ信号と考えて良い０ （９）式のθｆｔ）は２πごとに不連続な信号であるが
号になるように２πごとのゲタをつけ加えた上で微分し
た信号と等しい。よって（１０）式を用いて得た瞬時周
波数よりＢ／Ａの分布を求めることによって、ラップア
ラウンドの誤差から逃れることができる。

以下、実施例の構成例を第６図〜第９図を用いて説明す
る。第６図は直交検波回路、第７図は瞬時周波数検出器
、第８図は全体図を示す。

図において、１はポンピングパルスの送信のタイミング
を発生するタイミング制御部、２は測定波バーストパル
スのための連続波発振器、３はポンピングパルス用のド
ライバ、４はポンピングパルスの特定の位相（通常は音
圧が最大又は最小の位相）に測定用バーストパルスが重
畳される様に、発振器２の出力を切り出すためのゲート
回路、５は測定用振動子７を駆動するためのドライバ、
６はポンピングパルス発生用の振動子、７は測定用パル
ス発生用の振動子、８は被測定超音波媒体、９は受信増
幅器、１０は第７図に示した瞬時周波数検出器、１１は
１０の出力を一時記憶するためのメモＩＪ、１２１１２
　は引算回路、１３は微分回路、１４はいわゆるＴＧＣ
回路、１７は掛算器、１８はカットオフ周波数νのロー
パスフィルタ、１９は第６図で示した直交検波回路であ
る。

第８図（ｂ）（ｃ）には、振動子６，７の構成例を見取
図（第８図（ｂ）及び断面図（同図（Ｃ））に示しであ
る。

第９図には第８図の主要部の時間波形を示しである。第
９図ｆａｌのパルスが第８図のポンピングパルス甲ドラ
イバ３に与えられると、第９図（ｃｌの波形が第６図の
ポンピングパルス発生用振動子６に印加される。他方、
第８図の連続波発振器２の出力は、ゲート回路４によっ
て例えばポンピングパルスの高音圧部分にだけ測定用パ
ルスが送出される様なタイミング（第９図（ｂ））だけ
切り出され、ドライバ５を通って、第９図（ｄ）の如き
駆動信号が第８図の測定用振動子７に印加される。この
結果、ポンピングパルスと測定用パルスとは、例えば第
１図に示した如きタイミング関係を保ちながら第８図の
被測定媒体８の中を進行する事になる。被測定媒体中か
らの反射波は振動子７で受信され、受信増幅器９で第９
図（ｅ）の如く増幅された後、検出口ＥｇｌＯＫ入力さ
れる。位相検出回路のもう一万の入力には、連続波発振
器２の出力が基準信号として与えられており、第９図（
ｆ）の如くこの２つの入力間の瞬時周波数が瞬時周波数
検出回路１０から出力され、記憶回ｊ！ｉ！ｉｌｌに送
られる。

記憶回路１１には、トリガ信号として、第９図（ａ）ポ
ンピング波駆動タイミングと、（ｂ）ゲートタイミング
とが与えられており、ポンピング波ｉｂタイミングの直
後のゲートタイミングから一走査線の時間（第９図（ｆ
ｌのへの期間）の開信号が記憶され、次のゲートタイミ
ングパルスで記憶内容を出力して引算回路１３に送り出
す。引算回路１２では、記憶回路１１の出力（第９図（
ｆｌのＡ）から、１時周波数検出回路１０の出力（第９
図（ｆ）のＢ）を引き、ポンピング波が存在する場合と
存在しない場合との瞬時周波数検出回路の出力の差を第
７図（ｇｌの如（得て、ＴＧＣ回路１４に送り出す。

ＴＧＣ回路１４には、トリガ信号として第９図（ｂｌの
ゲートタイミング信号が与えられており、測定用パルス
゛の送信に同期して、第８図の引算回路１２の出力（第
９図（ｇ））に対して、例えば、第３図に示す如き時間
的に変化する増幅が行なわれ、尚、記憶回路１１は、Ｂ
ＢＤやＣＣＤ等のディレィラインによるアナログ的なも
のでも、　Ａ／Ｄ変換器とメモリ又ＩＬｉシフトレジス
タを組合せたディジタル的なものでもどちらでも良い事
は言うまでもない。

とに受信信号をサンプリングすることによってＩて受信
信号をサンプリングすることによって−Ｑ（ｔｌを得る
こともできる。

さらに別の直交検出波出力を得る方法として、まず受信
信号をフーリエ変換し、負の周波数成分をゼロにした上
で、周波数を一νだけシフトし、その後逆フーリエ変換
を行ない、得られた物象時間信号の実部をＩｆｔ）、虚
部をＱ　（ｔ）として取り込むことが考えられる。

また、炉時周波数を得る方法として、たとえば受信信号
をリミットアンプに入れ、その出力をＦ−Ｖコンバータ
に通した構成のＦＭ検波器を用いても良い。

以上の如く、本発明によれば、超音波媒体の非縛形パラ
メータＢ／Ａ　（Ｚ）の空間分布を、従来の位相検出時
におけるラップアラウンドによる誤差は生じないように
、正ｉＫ求めることが可能となる。

次に、−（Ｚ）分布のＳ／Ｎ比を向上させる手段に関し
て述べろ。非線形パラメータと音圧との積による測定用
パースの位相変化量が小さい時には、本来の位相変化量
ψ（Ｚ）に対して回路内その他で発生する雑音を無視で
きなくなる。この対策として、同一部位をに回測定して
、Ｋ個の雑音の加わった信号を得て、これらを同一２座
標の点毎に加算すると、各点において信号成分は振幅で
に倍されるが、雑音成分は電力でに倍されるに過ぎず、
もし雑音が不規則雑音であれば、各点における雑音振幅
は（で倍されるＫとどまる。従って、Ｓ／Ｎ比はＪマー
倍改善される。

この方法を用いたシステムの構成例を第１０図に示す。

第１０図において、＠８図と同一の構成要素には同一の
番号を付してあり、説明は省略する。第１０図において
、１６は、ポンピングパルスの送信繰り返し周期Ｔだけ
信号を遅らせる遅延回路であり、例えばＢＢＤ４１ＣＯ
Ｄ等のアナログ的手段で実部しても良いし、又、Ａ／Ｄ
変換器とシフトレジスタ又はメモリとを用いたディジタ
ル的手段で賽伊しても良い事は言うまでもない。１５は
加算器であり、遅延回路の種類に応じてアナログ又はデ
ィジタルのいずれのタイプでも良い。第１０図図示の構
成の場合、１００回路１４の出力が同一のＺ軸座標の各
点毎に加算される事は明らかであり、いわゆる同期加算
によりＳ／Ｎ比の改善を行う事ができる。

本発明においては、更に−（Ｚ）の２次元又は３次元分
布を得る事が可能となる０これまでの駅間で明らかな様
に、特定の走査線上の−（Ｚ）の分布を得る事ができる
から、ポンピングパルス用振動子６及び測定パルス用振
動子７の相対位置を一定に保ったままでＸまたは／およ
びｙ方向に移動させ、各Ｘまたは／およびｙ座標に対応
したメモリ２次元または／および３次元分布を得る事が
できるＯ 例えば第１１図に示す如く、ポンピングパルス用振動子
ｘｐと測定パルス用振動子ｘｍとをそれぞれアレイ振動
子としたものを使い、Ｘ方向にいわゆる電子スキャンを
行えば、容易に−（Ｚ）の２人 次元分布を得る事ができるのは明らかである。又、第１
１図の振動子アレイを図のｙ軸方向に拡張して、例えば
第１２図の様な構成の振動子アレイを用イｊＬＪｆ、ｓ
　容易に−（Ｚ）の３次元分布を得る事ができるのは明
らかである。

以上の説明では、２次元又は３次元の−（Ｚ）のに 分布を得るのに、第１１図又は第１２図の如き振動子ア
レイを用いる場合について説明したが、第８図（ｂｌの
如き振動子を機械的に１次元又は２次元に走査する事に
より、２次元又は３次元の−（Ｚ）の分布を得ても良い
事は言うまでもない。

又、以上の説明では、ポンピングパルス用振動子と測定
パルス用振動子とは、横方向にずれた位置に隣り合わせ
に設けられていたが、例えば第１３図に示す如く、ポン
ピングパルス用の振動子Ｘｐと辿１定パルス戸の振動子
Ｘｍとを重ね合せても良い。この鳩舎、第１３図の測定
用振動子Ｘｍとしては例えば柔軟で音響インピーダンス
が生体組織。

のそれ忙近いいわゆるＰＶＤＦを、ポンピングパルス用
振動子Ｘｐとしては例えば硬くて音響インピーダンスの
大きないわゆるＰＺＴを用いると、ポンピングパルスは
Ｐ、ＶＤＦ層を殆ど減衰なく通過でき、しかもＰＺＴ層
はＰＶＴ）Ｆ層に対してバッキングとして作用する、等
、極めて具合の良い振動子構造を実匁できる。Ｂ　Ｋは
バッキング材である。

さらＶｃｓ　測定用振動子は送信用と受信用とを別にし
てもよい。

〔発明の効朶〕

の分布を測定する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の用いる原理を説明する図
、泥３図はいわゆるＴＧＣの概念を説明する説明図、第
４図および第５図は、反射波の位相の概念を紗明する説
明図、第６図は直交検波器の′！ｐ放図、第７図は瞬時
周波数検出器の構成図、第８図は本発明の一実施例構成
ブロック図、第９図は第８図図示構成の動作を説明する
波形説明図、第１０図は同期加算を行うための更に他の
実施例構成ブロック図、第１１図ないし第１３図は振動
子の種々の実施形態を示す。 図中、１はタイミング制御部、２は連続波発振器、３は
ポンピングパルス甲ドライバ、４はゲート回路、５は測
定パルス用ドライバ、６はポンピングパルス用振動子、
７は測定パルス用振動子、８は被測定超音波媒体、９は
受信増幅器、１０は瞬時周波数検出回路、１１は記憶回
路、１２．１２は引算回路、１３は微分回路、１４はＴ
ＧＣ回路、１５は加算回路、１６は遅延線、１７は掛Ｘ
器、１８はカットオフ周波数νのローパスフィルタ、１
９は直交検波器を表わす。 １ｍ ２Ｐ 第１２１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（イ）超音波媒体内に測定用の比較的高周波且つ
   低音圧の超音波パルスを送出し、また該超音波媒体内か
   らの反射超音波を受信する送信用と受信用の１組の、又
   は送受信兼用の超音波振動子と、（ロ）該測定用超音波
   パルスとほぼ同一場所からほぼ同一方向にポンピング用
   の比較的低周波且つ高音圧の超音波パルスを該超音波媒
   体内に送出する超音波振動子と、 （ハ）該測定用超音波パルスが該ポンピング用超音波パ
   ルスの予め定められた特定の位相の部分に重畳する様に
   送出されるべく、振動子の駆動タイミングを制御する手
   段と、 （ニ）該測定用超音波パルスの該超音波媒体内からの反
   射波から成る受信信号の瞬時周波数を検出する手段と、 （ホ）ポンピング用超音波パルスと共に測定用超音波パ
   ルスを送信した時に検出した受信信号の瞬時周波数（時
   間の関数）と、ポンピング用超音波パルスを送出せずに
   測定用超音波パルスのみを送出した時、もしくは最初に
   送信した時にくらべて逆相になるようにポンピング用超
   音波パルスを測定用超音波パルスと共に送出した時に検
   出した受信信号の瞬時周波数（時間の関数）との差（時
   間の関数）を求める事により、該超音波媒体の等価非線
   形パラメータの、該測定用ビーム上の空間的分布を求め
   る手段、 を有する事を特徴とする超音波非線形パラメータ分布測
   定装置。
2. （２）上記空間的分布を求める手段には、上記瞬時周波
   数差を得る手段の後段に、時間とともに利得の増大する
   増幅器を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の超音波非線形パラメータ分布測定装置。