JPS62268538A - 超音波媒体特性値測定装置 - 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〕 本発明は波音波パルスを生体等の不均質媒体に送信し、
その反射波（エコー）を受信し、受儒信号？解析して媒
体の音響特性値を仰１定する装置に於て媒体の不均質性
に起因する誤差を減少するため、先ず１時周波数を深さ
の函数として求め、此に非線形平滑処理を施すことによ
り、減衰傾斜をはじめとする音響特性値への不均質性に
起因する誤差を減少することを可能としたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は生体等の不均質媒体の音響特性値を超音波パル
スを用いて定量的に測定する装置に関する。

超音波パルスを生体に送信し、その反射波からレーダー
の如く生体の内部構造な映倫化する所謂超音波エコー診
断装置は広く用いられているが、その表示輝度には定量
性がな（構造を示すにとどまり、生体組織の質（病変情
況）を示すためＫ。

音響的減衰係数９反射係数、音響インピーダンス。

非線形伝播係数等の特性値を定量的に測定する要望が強
い。此等に於て最も基礎となるものは減衰係数で、その
他の特性値を求めるには先ず減衰係数分布を知ることが
必要である。

生体中には超音波パルス長よりも短かい間隔で不均質に
多数の反射体が存在し、夫々からの反射波は互に重畳干
渉して波形に著しい歪を生じ、この重畳歪が減衰係Ｆｉ
、値より詳しくは後述する減衰傾斜値に大きな誤差を生
じろ。この誤差を極力抑圧して、精度よく測定するため
に従来で？々の方式が考案された。本発明はその中で位
相法（又は瞬時周波数法とも呼ばれる）の着度向上法に
関するものである。

〔従来の技術〕

時刻ｔ＝ＯＫ体表（２＝０）から体内に向って送信され
たパルスは、深さ方向に進行すると共に夫々の深さで反
射波（エコー）を送り返す。エコーが再び体表で受信さ
れる時間（ｔｌと、そのエコーの発生深さ２とは音速Ｃ
を介して次式で与えられる。

ｔ＝２ｚ／ｃ　　　　　　　　　　　　　　　（１１し
たがって以下の説明で時刻と深さとは同義語である。

各深さからはほとんど全てエコーを返すので、送信はパ
ルス波であろにか＼わらず受信信号（エコー信号）は時
間の連続函数である。

従来の技術で位相或いは瞬時周波数を用いろものは、三
輪性により理論及び実験結果が報告されている（特開昭
６１−７５１号参照）。

これ等はエコー信号Ｐ（０な直交検波し、同相出力■（
ｔ）と、直交出力Ｑ　（ｔｌとを求め、両者から位相θ
（ｔｌを次式で求め、 θの時間微分から瞬時周波数ｆを求め、ｆのアンサンプ
ル平均（後述）から中心周波数ｆｃを求めろ。即ち、 次いでｆｃの深さによる変動から減衰傾斜βを求めろ。

即ち、 ここにσは送信スペクト、Ｉ＋／をガウス形と仮定した
時の標準偏差で帯域中に比テ１する。又減衰係数αは生
体では周波数に比例することが知られておりβはその比
例係数として定義されろ。

α＝βｆ（６） 上述の従来例の概略ブロック図を播くと第６図の如くな
る。

瞬時周波数は前述の重畳歪のためランダムに変化する。

アンサンプル平均は時間窓内の時間平均で置きかえられ
る。この平均時間窓を十分に長くすればｆｃの変動は少
くなり精度が上るが、これは長い深さ範囲で平均するこ
とと同義であるから減衰傾斜の空間分れ求める場合は著
しく空間分解能を低下するので窓長に制限をうけろ。こ
のた〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は上述の瞬時周波数の時間窓平均において、空間
分解能な高く保ったま＼（例えば深さ方向１ｃｍ）で、
時間窓内平均値の変動を抑圧することを目的とし工いる
。

〔問題点を解決するための手段〕

瞬時周波数を時間の函数として眺めた時、通常のランダ
ムに変動する部分と、異常にスパイク状に変動する部分
とが混在すること、又その異常部ではエコー信号の包絡
線波形が異常に減少していることが判明した。本発明は
この性質を利用して第１図に概略ブロック図を示す如く
、時間函数としての瞬時周波数に非線形処理を施し、重
畳歪による訓差を抑圧するものである。

〔作用〕

即ち、瞬時周波数の中でスパイク状に異常変動している
部分というのは、元々受信エコーの音圧レベルが極端に
小さい部分に対応しており、このような部分は反射エコ
ー同士が打消し合っている場所と考えられ、従ってその
波形自体のＳ／Ｎ比も悪いし、そこから得た瞬時周波数
の精度も悪いと考えられる。従ってそのような部分での
情報は無視し、Ｓ／Ｎ比の良い部分のみの情報を用いろ
ことにより、正確な減衰傾斜βを求めることができろ。

苗、受信エコーの包絡線（正確にはその対数）と瞬時周
波数との間には、ヒルベルト変換の関係があることは公
知であり（プロシーテ゛イング・オプＩ　ＥＥＥ、ｖｏ
ｌ　５４．Ａ３，３４０〜３５３頁。

１９６６年３月）、本発明者等によろコンピュータシミ
ュレーシ嘗ンの結果（第２図（ａｌに示す）からも包絡
線の極小部分で瞬時周波数にスパイクを生じることが＊
ｖ！された。

又、実験的にも報告があり（ＩＥＥＥ　１９８５゜ウル
トラソニック・シンポジウム、５６頁）、本発明者等に
よる肝臓からのエコーに関する追試結果（第２図（ｂ）
Ｋ示す）からも、同様の伊、象が確認されている。

第２図（ａ）、　（ｂ）かられかる様に、瞬時周波数は
はツガウス分布に近い頻度分布をもつランダムな変動の
他の異常に大きいスパイク状の正方向又は負方向への異
常変動を有している。この異常変動が瞬時周波数の単純
な線形演算である時間窓平均では大きな調差要因となる
。本発明ではこの異常変動を除去、又はその効果を減少
させるような重みをかけろ非線形処理を瞬時周波数波形
に施すものである。

先ず瞬時周波数自身の性質を利用する場合について説明
する。第２図（ａ）、　（ｂｌの如く瞬時周波数が時間
データ列として得られている時、ある時間巾の′窓を設
け、その窓の内部にあるデータのみにメディアンフィル
ター処理を行うと、もしその窓の巾がスパイクの基部の
巾の少くとも２倍以上であれば、メディアンフィルター
処理によってスパイクは除去される。メディアンフィル
ター処理は典形的な例であり、非線形処理はこれに限ら
れるものではない。例えば窓内の単純平均から窓内の変
動の標準偏差の２〜３倍以上離れたデータを棄却する様
な処理で代替することも可能である。

この様にして非線形処理で異常変動を除去又は抑圧され
た平滑化瞬時周波数ｆ（ｕからβを求めろには、更に約
１Ｇ（時間窓にして約１３μｓ）の時間窓で更に時間平
均してｆｃ＋υを求め式（５）から求めてもよいし、そ
の窓内で直線を最少自乗誤差法で適合し、その傾斜から
ａｆｃ／ａｔを求めてもよい。

次に包絡線の情報を併用する場合について述べろ。第２
図（ａｌ（ｂ）から瞬時周波数異常点では必らず包結線
振巾が減少している。この逆は必らずしも江 部位せず、反射係数の小さい組織部位では瞬時周波数の
異常変動なく包絡線振巾が減少する。しかし包結線振巾
が小さい時はＳ／Ｎの関係から瞬時周波数に別の１１顛
の誤華を導入し易い。したかって包絡線振巾の大なる部
位の瞬時周波数を重視し、小なる部位の瞬時周波数を軽
視するよ５に瞬時周波数に重み付けして処理するとよく
、本発明のもう一つの概念を摺度するものである。

包結線波形を８　（１１とすると、別型函数ω（υはｅ
（ｔ１の撮巾ｅ（ｔｌの函数として単調増大する一価函
数であればよい。単純な１例として ω（ｔｌ＝ｅ（ｔ）（ｎ＞０）　　　　　　（７１等を
用いろことができろ。

時間窓Ｔでの耐重平均（８）式をそのま＼ｆｃとしても
よいし、更Ｋｆの Ｔでの単純平均なｆｏとしてもよい。平滑化されたｆに
最小自乗誤差法でＴの範囲で直線を適合してもよい。

又ｆ（ｔ）又はｆ（ｖにＴの範囲で直線を最小自乗誤差
適合を行う時に自乗誤差にこのω（Ｖで附重して加算し
、この計重加算値を最小にするように適合することもで
きろ。

以上述べたように本発明によれば、瞬時周波数異常点の
データが除去されろか、又はその影響が抑圧されろよう
に作用する。

〔実施例〕

第３図は本発明の第一実施例で、瞬時周波数そのものの
性質を利用した装置の主要部のブロック図である。第４
図は本発明の第二央２１１！ｉ例で、瞬時周波数そのも
のの性質及び包絡線の性質を併用する装置の主！！部の
ブロック図である。

超音波の送信回路、受信回路、トランスジューサーは通
常医用診断に広く用いられているものが利用することが
出来、一般にその技術は広知されているので図示から省
略した。通常の医用診断装置ではパルスの往復による減
衰を補正するＴＧＣ（Ｔｉｍｅ−Ｇａｉｎ−Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌ　）回路が使用されろ。

本発明でも此も用いろ必要があるが図示から省略した。

又通常の医用診断装置では受信信号を対数変換して用い
ているので、逆に通常の装置の対数変換の直前から受信
信号を分岐し、更に必要な線形増巾を行って第３図、第
４図の入力エコー信号Ｐ（υとしくよく、この場合は在
来のＢモード、Ｍモード、ドプラー等の機能に音響特性
の定量測定機能を附加させろことが出来る利点がある。

図中、１は直交検波回路で、入力エコー信号Ｐ（ｔ）に
基準周波数の余弦信号を乗算し、和周波成分を除き差周
波成分を通過する低域通過フィルタを通すことで同相成
分Ｉ（υカ準周波数の正弦信号を乗算し、和周波成分を
除き差周波成分を通過する低域通過フィルターを通すこ
とで直交成分Ｑ（ｔ）が得られろ。

２は瞬時周波数計算回路で、Ｉ　（ｔｂ　Ｑ（ｔ）から
その時間微分値Ｉ　（ｔｌ、　Ｑ（ｕ’を計算し、更に
（３）式に従って瞬時周波数ｆを計算する。アナログ回
路、ディジタル回路側れの１式でも可能である。後者の
場合は■（ｔ＞、　Ｑ＋ａをＡ／Ｄ変換し、相つづくサ
ンプリング時点での値の差分なＩ（ｔｌ、　Ｑ＋ｔ）と
近似することができろ。数学的にはＩ（ｔｌ、　Ｑ（ｔ
ｌが解析函数の実数部。

虚数部であるとし、解析函数の自己相関函数から瞬時周
波数を求めろ手法と等価である。又、エコー信号と、そ
のヒルベルト変換とが解析函数の実数部、虚数部である
として取扱ってよいことも勿論である。

３は直並列変樽回路で時系列データ列として２から出力
される瞬時周波数ｆがある時間窓Ｔの範囲にわたって並
列に、Ｉｔｈｌ力されろ。Ａ／Ｄ変換のサンプリングレ
ートなＰ／ｓｅｅとすると、ｒ’Ｔ＝ｍ段数の直列シフ
トレジスターを用い夫々の段数が並列に読み出し可能と
することによって実際に回路を構成することができろ。

４はＰＴ個の並列出力データに対し、大小のａに配列し
た時、その中央に位置するデータｆを選択する所謂メデ
ィアンフィルター処理を行う回路で、マイクロプロセッ
サ等で構成することができろ。巾工の窓がサンプリング
クロック毎に連続的に移動するので処理アルゴリズムは
簡巣化℃き石っ５はｆの窓Ｔにおける線形平均回路でｆ
。＝くｆ〉の計算を行う。窓Ｔでのメディアンフィルタ
ーは非線形であるが一種のアンサンプル平均の機能を有
しているので５を省略することもできろ。しかし、５は
線形平均であるので４と相乗的に作用し、ｆｃの変動ひ
いてはβの変動を抑圧するのに有効であり、省略しない
方が良い。６はｆｃから（５）式に従ってβを抽出する
回路である。（５）式の代りに一連のｆｃに対しもよい
。

次に第４図について説明する。１，２は第３図と同じで
ある。７は包絡線検波回路であり、整流素子と低域通過
フィルター等で容易に構成することができ入力高周波信
号であるエコー信号に対し包結線波形＆！（ｔｌを出力
する。８はｅ（υから重み函数ω（ｔｌを作る回路で、
例えばｅ（ｔｌのｎ乗値ω（υ＝ｅ＋Ｌ等を作る。ｅ（
ｔｌをＡ／Ｂ変換し、デジタル的に計算するのが容易で
ある。ｎとしては正の任意の＃を用いろことができる拳
がｎ　＝　０．５〜４位で十分である。９はｆＫωで附
重する為の乗算回路でデジタル処理が便利である。１０
は時間窓Ｔでの加算回路で（８）式の分子を与えろ。１
１は耐重函数ω（Ｖの同じく時間窓Ｔでの加算回路で（
８）式の分母を与える。１２式は１算回路で（８）式の
ｆを出力すろ。５及び６は第■図の場合と同様の動作を
行う。・第５図は本発明の第三の実施例である。

窓長Ｔの内にある瞬時周波数ｆの一連のデータ列に時間
の直線函数を最小自乗誤差適合してその傾きａｆ／ａｔ
を求め、（５）式からβを求めろもので各データの最小
自乗誤差の和に対し、ｆの異常値の影響を低減するため
に変動（誤差）の自乗に包絡線の函数である重みを附重
するものである。即ち１．２．７．８は第３図、第４図
と同じものである。１３はマイクロコンビーータ等で構
成され耐重平均自乗誤差が最小になるように直線函数を
適合する回路である。同一時間窓Ｔ内の瞬時周波数デー
タ列をｆ、、　ｆ、　　・・・・ｆｍとし夫々に対応す
る時点の耐重デー！列をω６．ω１．・・・・・・ωｍ
とする。

Ｔ即ちｍヶのデータ列の範囲で直線ｙ＝ａｔ＋ｂを適合
するとし、その直線からの各データ点の変動（！！Ｉ差
）の自乗に対し耐重加算すると耐重平均自乗誤差Δは Δ＝にΣω１（ｆｉ−ｙｉ）”＝にΣω１（ｆｌ−ａｔ
ｉ−ｂ）”但しに；１／Σω量 で与えられる。このΔが最小になろように＆、ｂを決定
する。

ることかできろことは附重しない最小自乗誤差適合法と
同様である。適合直線の傾斜ａからａｆｃ／からβを（
５）式により計算する回路である。

上例第３図、第４図、第５図では何れもｔ即ち深さの函
数としてβが１本の走査線上に連枦的に求まる。走査線
を順次移動走査するとβの２次元的分布図が求まる。β
即ち減衰定数の分布が定量的に求まると、減衰を補正す
ることができるので反射係数の分布更にその他音響特性
値の分布を定量的に求め表示することができろ。

コンピュータで生成したβ＝　１ｄｎＡ４　Ｈｚσでの
ランダム反射体列からのエコー信号について第５図に示
した処理のシミーレーションを行った所、包絡線対重し
ない時（ｎ＝ｏ）Ｉ　ｎ＝１１２．３１４の耐重函数で
自乗誤差に附重した時の夫々に対し、Ｔ＝１０．２４μ
Ｂで抽出されたβの変動範囲をその標準偏差（ｄＢ／　
Ｍ　）Ｔｚ　７ｃｍ　）で示すと次のようであった。

ｎ　　　　　Ｏ１２３４ βの標］￥！＠差　３．２７　２，０１　１．８４　１
，８８　１．９７ｎ　＝　Ｏのφ合、即ち通常の最小自
乗誤差適合に対し、本発明によろｎ＝１〜４で大巾にβ
の変動、即ち標準側差が抑圧されていることがわかる。

こさ れは本発明の有効度を示すものである。又ω＝町闇）の
時、ｎ＝２附近が最適であることも判明した。

〔発明の動床〕

本発泡によれば瞬時周彼斂に混在するその異常変動値の
影響を除去、又は抑圧することができろので瞬時周ｅｌ
数から得られろ減衰傾斜等の情報の変動を抑圧し、精度
を上昇することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略ブロック図、第２図（ａｔ　（ｂ
ｌは瞬時周波数と包結線との関係を示す図、第３図〜第
奎図は本発明の第１〜第３の実施列ブロツク図、第６図
は従来例を示す景略ブロック図である。 図中、１は直交検鼓器、２は瞬時周波数計算回路、３は
直並列変換回路、４はメディアンフィルタ処理回路、５
は時間窓平均回路、６はβ抽出回路、７はり絡線検波回
路、８は重み函数生成回路、９は乗算回路、１０．１１
は加算回路、１２はｌｉ′Ｉｉ算回路、１３は繭重平均
自乗誤差最小化直線適合回路、１４はβ計算回路である
。 １５２目１　擬イ夙エコー框号η・うカ市キ１１周〃１
ギ疋乙包鴎ｔＩ／ｎｅ（ｕｓｅｃＪ ３．６Ｂ６ｕｓｅｃ／ｂｉｖ １５２０（ｂ）耳千声氏エコ畠二号θ）うの１ヰｖＩ４
庇）ズとυ勝牙汚−−従来イダ１フロ、フ図 第　６　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波パルスを媒体に送信し、その反射波（エコ
   ー）を受信し、受信エコー信号を解析して、媒体の音響
   特性値を測定する装置において、少なくとも次の手段を
   有することを特徴とする超音波媒体特性値測定装置。 イ）受信エコー信号から瞬時周波数を時間（深さ）の函
   数として求める手段（１、２）、 ロ）瞬時周波数に非線形平滑処理を施す手段（３、４、
   ７〜１３）、 ハ）平滑化瞬時周波数の時間（深さ）による変化から減
   衰係数の周波数依存傾斜（減衰傾斜）を求める手段（６
   、１４）。
2. （２）特許請求の範囲第１項において上記非線形平滑処
   理手段が、 ある深さの、その前後の範囲Ｔの窓内におけるメディア
   ンフィルター処理手段（３、４）又は、瞬時周波数自体
   の異常変動値を除去、又は抑圧する処理手段である ことを特徴とする超音波媒体特性値測定装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、上記非線形平滑
   処理手段が少なくとも、 各時間（深さ）におけるエコー信号包絡線の函数を重み
   として、瞬時周波数及び又は、その変動の函数値に附重
   する処理手段（７〜１２又は７、８、１３）を含むこと
   を特徴とする超音波媒体特性値測定装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項において、 重みとしての函数が包絡線振巾のｎ乗で、且つｎが正の
   実数である ことを特徴とする超音波媒体特性値測定装置。