JPS62227332A - 超音波計測装置 - 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、生体内組織の音響特性変動、とりわけ温勢療
法加温時の温度上昇に伴う音響特性変動を検出する超音
波計測装置に関するものである。

従来の技術 最近、生体内の温度計測は癌の温熱療法の温度モニタと
して必要であるため注目されている。生体内組織の種々
音響特性は温度依存性を有するため極めて重要な測定項
目となっている。その一つのパラメータである音速の温
度依存特性を利用して逆に温度変化を求める方法が超音
波医学会研究発表会講演論文集（４５号、２１〜２２頁
、１９８４）等に記載されている交差ビーム法として知
られている。以下、第３図を参照して交差ビーム法につ
いて説明する。

第３図において、１，２はそれぞれ超音波の送受信を行
う超音波変換器、３は超音波変換器１゜２を所定の角度
、間隔で固定する保持器、４は被検体、５は超音波変換
器ｌのビーム方向、６は超音波変換器２のビーム方向、
Ｐはビーム方向５とビーム方向６が交差する点である。

以上のような構成において、以下その動作について説明
する。

まず超音波変換器ｌにおいて駆動パルスが加えられ、被
検体４内へ超音波パルスが照射される。

超音波パルスはビーム方向５に沿って被検体４である生
体組織により散乱されながら進行する。その後、超音波
パルスは点Ｐに到達し、そこで散乱された超音波パルス
の一部はビーム方向６を逆行して超音波変換器２に到達
する。ビーム方向５゜６に沿った超音波パルスの伝搬距
離は、超音波変換器１，２と保持器３の寸法により決ま
るから、超音波パルスの伝搬時間を計測することにより
生体内の音速を求めることが可能である。

発明が解決しようとする問題点 しかし、以上のような構成は生体内組織の音速があらゆ
る場所で一定であるという前提のもとて音速測定が可能
であり、実際の生体のように組織に依存して音速が変化
する場合には音波ビーム方向は複雑に屈折し、直線で近
似して音速を求めるということはできない。又局所的な
音速の分布を求めることもできないという間朗があった
。

本発明は従来技術の以上のような問題点を解決するもの
で、生体のように組織に依存して音速が変化する場合に
も任意のケ所における温度変化を検出することを目的と
するものである。

問題点を解決するための手段 本発明は異なる超音波周波数を有す超音波パルスを生体
内に照射し、受信信号を複数のゲートパルス区間におい
て位相検波し、各ゲートパルス区間の位相の差を位相差
演算器で求め、かつ超音波パルスの状態を変えることに
より生じる位相差演算器の出力の変化を検出することに
より上記目的を達成するものである。

作　　　　用 本発明は上記構成により、低周波超音波と高周波超音波
が生体内組織の非線形パラメータにもとづく相互作用を
行い、その結果生じた高周波超音波の位相変化を位相検
波器出力の複数ゲートパルス区間における位相差の変化
として検出するものである。非線形パラメータが温度依
存性を有することにより生じる位相変化を検出すること
により逆にゲートパルス区間に対応した生体組織の温度
変化を検出するようにしたものである。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例（二ついて説
明する。

第１図は本発明の第１の実施例における超音波計測装置
の機能ブロック図である。

第１図において、１０は低周波側超音波変換器、１１は
高周波側超音波変換器、１２は低周波側超音波変換器１
０を駆動するパルス駆動器、１３は高周波側超音波変換
器１１を駆動するパルス駆動器、１４はパルス駆動器１
２．１３より構成されるパルス駆動部、１５はパルス駆
動部１４の動作タイミングを指定するタイミンク制御部
、１６はタイミング制御部１５ヘクロククを供給するク
ロック発生部、１７は高周波側超音波変換器１１からの
受信信号を増幅するプリアンプ、１８　、１９はプリア
ンプ１７の出力に接続された位相検波器、２０はクロッ
ク発生部１６からクロックを供給され位相検波信号の周
波数を発生させる位相制御部、２１は位相制御部２０の
出力に接続された直交位相検波信号発生部であり、位相
検波器１８へＣＯ８信号、位相検波器１９へＳＩＮ信号
を加える。２２　、２３は積分器であり、タイミング制
御部Ｉ５が発生するゲートパルス信号ｔのタイミンレに
おいて、それぞれ位相検波器１８　、１９の出力ｐｃ　
、　ｐｓを積分する。２４　、２５はＡ／Ｄ　変換器で
あり、積分器２２　、２３の出力ＩＣ。

Ｉｓをゲートパルス信号Ｉのタイミングにおいてディジ
タル信号ＤＣ，Ｄ８へ変換する。２６はＡ／Ｄ変換器２
４　、２５の出力ＤＣ、ＤＳから位相角φを求める演算
器、２７はゲートパルス信号ｔの第１のタイミングに対
応した演算器２６の出力φｌを記憶するメモリ、２８は
ゲートパルス信号ｔの第２のタイミングに対応した演算
器２６の出力φ２を記憶するメモリ、２９はメモＩＪ　
２７　、２８の内容すなわちφｌ。

φ２の差Δφを出力する演算器であり、演算器２６゜２
９、メモＩＪ　２７　、２８により位相差演算部３０を
構成する。３１は位相差演算部３０の出力Δφを記憶す
る第１のメモリ、３２はΔφを記憶する第２のメモリ、
３３はメモリ３１　、３２の内容の減算を行い△Δφを
出力する演算器、３４は演算器３３の出力Δ△φを記憶
する爾１のメモリ、３５は△Δφを記憶する第２のメモ
リ、３６はメモＩＪ　３４　、３５の内容を演算処理す
る演算器、３７は演算器３６の出力を表示する表示部、
４０は被検体、Ｒ１は被検体４０内の第１の反射体、Ｒ
２は被検体４０内の第２の反射体であり、Ｒ１（！−Ｒ
２の距離はΔＸである。

以上のような構成において、以下その動作を説明する。

まず、パルス駆動部１４の状態ａにおいて低周波側超音
波変換器ＩＯが出力する超音波パルスと高周波側超音波
変換器１１が出力する超音波パルスのそれぞれの粒子速
度波形の互いの位相関係を第２図（ａ）　、　（ｂＪに
示す。低周波側の超音波パルスを例えば０．５ＭＨｚ　
、高周波側の超音波パルスを例えば５Ｍ）Ｉｚとその中
心周波数は大幅に異っている。

高周波側パルスは低周波側パルスの粒子速度の方向が超
音波進行方向と同一であるときに出力されている。高周
波側パルスの主応答部分は、低周波側パルスの半サイク
ル以内に収まっている。一方、状態すにおいては低周波
側パルスの粒子速度方向が超音波進行方向に対して逆方
向であるときに出力されている。

このような位相、及び周波数関係で出力された超音波パ
ルスが被検体４０内をどのように伝搬するかを説明する
。

通常の超音波診断装置で用いられる程度のパワーレベル
の超音波パルスでは無限小振幅超音波の伝搬速度ＣＯと
異なる速度Ｃで伝播する。その関係は次式で表わされる
。

ここでＢ／Ａは媒体の非線形パラメータであり、組織に
よりその値は異なるが、例えば６程度の値である。生体
ではＣｏは１５００ｍ／ｓｅｃ程度であり、粒子速度Ｕ
は超音波パワーＩＷ□２のとき１２学臓となる。

第２図においては、状態ａにおける高周波側の超音波パ
ルスの伝搬速度の増加ΔＣは約５Ｑｃｉ／ｓｅｃとなる
。この伝搬速度の相対的な変化量ΔＣ／　Ｃ。

は０．０３％程度にすぎないが、この程度の変化量でも
精密な位相検波技術により精度良く検出することが可能
である。

第２図に示す関係で出力された高周波側パルスが反射体
Ｒ１，Ｒ２により反射され、そのエコーが位相検波され
る過程を次に示す。エコーは高周波側超音波変換器Ｉｌ
ｌ二おいて電気信号に変換され、プリアンプ１７で増幅
され、位相検波器により　５ＭＨｚで位相検波される。

直交する５ＭＨｚのｃｏｓ信号とｓｉｎ信号は直交検波
信号発生部２１で発生する。位相検波器１８の出力ＰＣ
は積分器２２でゲートパルスｔの区間積分され、その出
力ＩＣはＡ／Ｄ変換器２４でデジタル量ＤＣへ変換され
る。位相検波器１９の出力ＰＳは積分器２３で積分され
、その出力ＩＳはＡ／Ｄ変換器２５でデジタル量ＤＳへ
変換される。デジタル量ＤＣとＤＳを次式のように複素
数の実部と虚部とみなし Ｚ＝ＤＣ＋ｊＤＳ　　　　　　　　　　　・・・（２）
Ｚの位相角φを求めれば、位相角φは受信エコーと直交
位相検波信号の間の位相差となる。位相角φは演算器２
６で計算される。ゲートパルス信号ｔの第１のタイミン
グに対応した位相角φｌは反射体Ｒｘによるものであり
、ゲートパルス信号ｔの第２のタイミングに対応した位
相角φ２は反射体Ｒ２によるものであるとする。

位相角φｌはメモリ２７へ記憶され、位相角φ２はメモ
リ２８へ記憶され、演算器２９において位相差Δφ △φ＝φｌ−φ２　　　　　　　　　　・・・（３）が
計算される。一方、反射体Ｒ１と８２の間の距離をΔＸ
とすれば位相差△φは次式で表される。

ωは直交位相検波信号の角周波数である。

パルス駆動部１４の状態ａにおける位相差を△φａ１状
態すにおけるその位相差を△φｂとし、位相差Δφａを
メモ１Ｊ３１へ記憶し、位相差△φｂをメモリ３２へ記
憶する。位相差△φａと位相差Δφｂの差すなわち位相
シフト△Δφは演算器３３において計算される。

ΔΔφ＝△φａ−△φｂ　　　　　　　　・・・（５）
パルス駆動部１４の状態の変化により位相シフトΔ△φ
がどのように変化するかを以下に見積る。

状態ａにおける高周波側パルスの伝播速度をＣｏ＋ΔＣ
１状態すにおける高周波側パルスの伝播速度をＣＯ−Δ
Ｃとすれば位相シフト△△φは次式で表わされる。

△ｔは無限小振幅超音波が反射体Ｒ１とＲ２の間を往復
するのに要する時間である。△Ｘを１ｃｍ。

ΔＣ／Ｃｏを０．０１％とすればΔ△φは０．０４ラジ
アン程度になり、これは十分に検出可能な量である。（
７）式は（１）式で表した非線形パラメータＢ／Ａを用
いて次式のように表わされる。

このように位相シフトΔΔφは非線形パラメータＢ／Ａ
　に依存する量であるから、逆に、Δ△φから非線形パ
ラメータＢ／Ａの変化を計測することが可能である。非
線形パラメータＢ／Ａは温度に依存する量であるから、
位相シフトΔ△φから被検体内の温度変化値を推定する
ことが可能である。

被検体４０の加温前における位相シフトをＭφＮ１加温
後の位相シフトを△△φ１１とし、△△φＮをメモリ３
４へ、Δ△φ■］をメモリ３５へ記憶させ、△△φＮの
△△φＨに対する相対変化率Ｒを演算器３６で求める。

変化率Ｒは表示部３７へ表示させる。変化量の表示方法
は、数値データ、輝度変化、色相変化等として表示する
ことが可能である。又変化率Ｒと温度変化の関係がわか
っていれば、温度変化を逆算して求めることが可能であ
り、それを表示しても良い。

なお以上の説明では位相検波器１８　、１９の出力には
それぞれ１ケの積分器２２　、２３を設けたが、積分の
タイミングが接近する場合も考えられる。

その場合には各位相検波器の出力に複数の積分器を設け
、これらの積分器の出力をマルチプレクサにより選択し
、Ａ／Ｄ変換するという構成も可能である。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、被検
体４０内の反射体Ｒ１とＲ２のエコーの位相差△φを、
パルス駆動部１４の状態を変えて求め、そのときの位相
差△φの変化、すなわち位相シフト△△φを被検体４０
の加温の前後について求めることによりその位相シフト
△△φの相対変化率Ｒを求め、この相対変化率Ｒ１ある
いはＲを支配している非線形パラメータの温度変化を得
ることができる。非線形パラメータＢ／Ａ　、あるいは
この相対変化率が訝知である場合には、逆に加温による
被検体内の温度上昇を推定することが可能である。

発明の効果 以上のように本発明は、異なる周波数の超音波例えば低
周波超音波と高波側超音波の被検体内における非線形相
互作用の結果生じた高周波超音波の位相の変化を位相検
波器出力の複数ゲートパルス区間におる差である位相差
の変化量、つまり位相シフトを検出し、この位相シフト
の加温前後の変化率を求めることにより、被検体内の非
線形パラメータの温度依存を求めたり、あるいは逆に、
被検体内の温度変化を推定することができ、その効果は
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における超音波計測装置の機
能ブロック図、第２図（ａ）　、　（ｂｊは同実施例の
低周波側と高周波側超音波の位相関係の一例を示す図、
第３図は従来の超音波計測装置の概念図である。 ｌＯ・・・低周波側超音波変換器、１１・・・高周波側
超音波変換器、１４・・・パルス駆動部、１８．１９・
・・位相検波器、３０・・・位相演算部。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はか１名７、
）２図 か゛て　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いに異なる周波数の複数の駆動パルスを発生するパル
   ス駆動部と、前記パルス駆動部に接続された超音波変換
   器と、前記超音波変換器からの受信信号に対する位相検
   波器と、前記パルス発生器と同期した複数のゲートパル
   ス区間内における前記位相検波器の出力の位相差を演算
   する位相差演算部と、前記パルス駆動部の出力の異なる
   状態に対応した前記位相差演算器の出力の差を検出する
   手段とを具備することを特徴とする超音波計測装置。