JPS6238982B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波に対する被検体内の屈折率分
布、音速分布または減衰定数分布を断層画像とし
て映像化する超音波診断装置に関する。

被検体の断層画像を映像化する装置としてＸ線
CT装置が周知であり、被検体内のＸ線吸収係数
を高い精度で計測することができ、臨床診断上高
く評価されているが、被検者のＸ線被曝量が多く
その使用には十分な管理が必要である。一方、超
音波ビームを用いる超音波診断装置は被検者に有
害な被曝がなく手軽に断層画像が得られるため、
広く利用されている。従来の超音波診断装置は通
常パルスエコー法と呼ばれる方式を採用してい
る。この方式は超音波ビームを被検体内に発射
し、種々の深さからの反射波を検出してその強度
を深さの関数としてCRT上に表示するものであ
る。しかし、超音波の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、パルスエコー法で
得られる画像は被検体内の組織等の境界面を映像
化するためには有効であるが、組織自体の質的差
異の識別能が劣るという欠点があつた。また超音
波の反射強度は超音波ビームの入射角度に依存
し、さらに反射波は超音波通路の被検体自体によ
り減衰されるため、測定された画像の再現性が劣
り、その読影にも熟練を要するという問題があつ
た。

これらの不備を改善する装置として超音波CT
装置が考えられる。これはＸ線CT装置における
Ｘ線ビームを超音波ビームに置き換えるものであ
り、超音波の透過強度を測定することにより超音
波に対する減衰定数分布が、また超音波の伝播時
間を測定することにより音速分布または屈折率分
布が表示画面上に再構成される。周知のように、
通常のCTアルゴリズムでは断層面中の全方向か
ら透過強度または伝播時間を測定する必要があ
る。しかしながら、生体への応用を考えた場合、
骨や空気などを含む部位については全方向からの
測定ができないという問題がある。すなわち、他
の組織と音響的性質が著しく異なる骨などを含む
部位では、その表面での反射・屈折のため、透過
波が受信用トランスデユーサに到達しない場合が
考えられる。従つて、ただ単にＸ線ビームを超音
波ビームに置き換えた超音波CT装置では、例え
ば乳腺のような骨を含まない部位への応用は可能
であるが、その他の部位への応用は困難であつ
た。

第１図にはＸ線ビームを超音波ビームに置き換
えた従来の超音波CT装置の１例が示されてい
る。図中１０は送信用トランスデユーサであり、
これから叛射された超音波パルスは被検体１４を
透過し、複数個の受信用トランスデユーサ１２に
より検出される。１０２は測定された投影データ
であり、超音波を用いる場合には、透過波強度ま
たは伝播時間の２種のデータのいずれをデータと
しても良い。このような投影データ１０２は送受
信用トランスデユーサ１０，１２の位置を円弧１
００に沿つて小角度回転変移させる度に測定さ
れ、180゜以上にわたり測定された一連の投影デ
ータは、データ処理装置１６において再構成演算
処理が施され、この結果、算出された断層画像が
表示装置１８に表示される。

CT装置に用いられる再構成演算処理は、周知
のように、ある物理量の２次元分布の任意の方向
に関する線積分値を既知として、もとの２次元分
布を求めようというものである。超音波の透過波
強度を投影データとして測定する場合、測定値を
適宜対数変換することにより、超音波ビームに沿
つた部分の超音波の減衰定数に関する線積分値を
求めることができる。従つて、これに再構成演算
処理を施せば、減衰定数分布が算出できることに
なる。一方、伝播時間は超音波ビームに沿つた部
分の音速の逆数の分布、すなわち屈折率分布に関
する線積分値とみなすことができる。従つて、伝
播時間に再構成演算処理を施せば屈折率分布が得
られ、また更に屈折率分布の各要素について逆数
を取れば、音速分布が算出できることになる。

しかしながら、従来のCT装置では被検体の全
周にわたり投影データを得る必要があるため、こ
れが満足できないような部位または被検体内に音
響的性質が著しく異なる骨や空気などの組織を含
む部位を含む場合には、前述した再構成演算処理
が適用できないという欠点があつた。

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたもの
で、その目的はある限られた範囲で測定されたデ
ータから減衰定数分布・音速分布または屈折率分
布を映像化することにより被検体の全周の投影デ
ータが得られない部位または音響的性質が著しく
異なる組織を含む部位の診断を可能にする改良さ
れた超音波診断装置を提供することにある。

本発明に係る装置は、被検体の被検部位を介し
た対向位置に被検体に密着保持された送信用トラ
ンスデユーサおよび受信用トランスデユーサと、
被検部位を基準として送信用トランスデユーサと
受信用トランスデユーサとの相対的位置関係を変
化させながら前記トランスデユーサのいずれか少
なくとも一方を被検体に沿つて移動させる手段
と、前記移動領域中の任意の複数位置において扇
状の透過超音波ビームを被検体部位に向かつて送
受信制御する手段と、受信用トランスデユーサの
測定データを所定の移動線に沿つた仮想トランス
デユーサ位置におけるデータに変換するデータ処
理手段と、前記変換されたデータに基づいて再構
成演算を行う演算手段と、を含み、送信用トラン
スデユーサと受信用トランデユーサとの相対的位
置関係を変化させながら被検部位に異なる方向か
ら超音波を送受波して複数の投影データを得るこ
とを特徴とする。

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２図には本発明に係る超音波診断装置の好適
な実施例における走査方式の１例が示されてい
る。被検体１４中の被検部位１４ａを包含するよ
うに、送信用トランスデユーサ１０から扇状の超
音波を放射し、受信用トランスデユーサ１２で透
過波強度または伝播時間が測定される。前述した
従来の超音波CT装置では次に送受信器対を回転
させるのであるが、本発明では送信用トランスデ
ユーサ１０と被検体１４との相対的位置関係を変
え、従来と同様のデータを順次測定する。図にお
いてこの相対移動は直線２００に沿つて行われて
いる。

第３図および第４図には更に第２図と等価なデ
ータが得られる本発明の他の実施例における走査
方式が示されている。

第３図の実施例では、１対の送受信用トランス
デユーサ１０，１２を用い、これらのいずれか一
方を直線または曲線２００，２０２上で移動させ
ることにより、扇状の超音波ビームによるデータ
と等価なデータを得ることができる。また第４図
の実施例では送信および受信用トランスデユーサ
１０，１２の機械的移動をなくするため複数個の
送信用トランスデユーサ１０と複数個の受信用ト
ランスデユーサ１２を用いるもので、送信用トラ
ンスデユーサ１０を順次切り換えて励振すること
により、相対的位置関係を変えることができる。

第２図、第３図および第４図の実施例では、送
受信用トランスデユーサ１０，１２を直線上に配
置するか、または直線上で移動させているが、こ
れは後述する本発明の原理の説明を簡単にするた
めであり、本発明においてこれら配置および移動
方向は任意に設定可能である。

以下に互いに平行な直線上に配設された送受信
用トランスデユーサを用いた場合について測定さ
れたデータから、減衰定数分布、屈折率分布また
は音速分布を求める本発明の原理を説明する。

まず被検体断層面内の音速、減衰定数などの２
次元分布を、第５図に示すように互いに平行なｎ
層から成る１次元分布の集合と考える。このと
き、１対の送受信用トランスデユーサ１０，１２
により測定された伝播時間Ｔは次式で表わされ
る。

ここでV₁（ａ_i）は第ｉ層中の１次元音速分布
Ｖ_i（ｘ）のｘ＝ａ_iにおける値であり、ａ_iは送受
信用トランスデユーサ１０，１２を結ぶ直線と第
ｉ層を代表する直線（第ｉ直線と呼ぶ）との交点
ｐのｘ座標を表わす。Δｙ_iは第ｉ層の厚さであ
り、θは第５図に示したように送受信用トランス
デユーサ１０，１２の位置により決まる既知の角
度である。

音速の逆数は屈折率に比例するため、この比例
定数をＣとし、第ｉ層中の屈折率分布をＮ_i
（ｘ）とすれば、(1)式は次のようにも書ける。

Δｙ_iは想定した各層の厚さで決まり、各層に
ついて必ずしも同一にする必要はないが、これを
一定とする場合、測定された伝播時間に既知の数
値ｃｏｓθ・Ｃ／Δｙ_ｉをかけることにより次の量を求
めるこ とができる。

一方、測定された透過波強度Ｉは次式で表わさ
れる。

ここでＩ_pは被検体がない状態での透過波強
度、α_i（ｘ）は第ｉ層中の減衰定数の一次元分
布を表わす。測定された強度Ｉに対数変換するな
どの処理を施し、(3)式と類似の関係式が得られ
る。

(3)および(5)式において、T′、I′は測定されたデ
ータに簡単な演算を施して得られる量であり、以
下ではT′およびI′を単に測定されたデータと呼
ぶ。またＮ_i（ｘ）およびα_i（ｘ）をまとめて第
ｉ層中の１次元分布と呼ぶ。

(3)または(5)式の関係から、扇状超音波ビームに
より測定された１組のデータは各層中の屈折率ま
たは減衰定数の１次元分布が受信用トランスデユ
ーサの配置された直線上に投影されたものと考え
られ、第６図にはこの模式図が示されている。図
中２０２は受信用トランスデユーサを配置した直
線であり、２０４は被検部位１４ａの断層画像を
構成する各層中の１次元分布を直線２０２上へ個
別に投影したものを表わす。送信用トランスデユ
ーサ１０からの扇状超音波ビームにより測定され
たデータ２０６は各層個別の投影２０４を加え合
わせたものと考えられる。破線で示されるデータ
２０６′は送信用トランスデユーサの位置を１
０′に変えて測定されたデータを示し、被検部位
１４ａと送信用トランスデユーサ１０との相対位
置を変えて得られる一連のデータ２０６，２０
６′は、各層の位置（第５図でｙ軸方向の位置）
と送信用トランスデユーサ１０の位置とに依存す
る距離だけ各１次元分布の投影をずらしながら加
え合わされたものになる。各層中の１次元分布の
直線２０２上での投影位置は各層の位置と送信用
トランスデユーサの位置とで決まるため既知であ
る。そこで、ある層の１次元分布に着目して、こ
の１次元分布の投影位置だけが一致するように、
すべての測定デーを適宜ずらして加算することが
できる。このとき、着目した層に関する投影だけ
が強調され、他層の投影はぼかされるため、着目
した層の投影だけを抽出することになる。また第
５図から明らかなように、各層の投影はその層の
位置に依存する倍率で拡大されているため、これ
を補正すれば着目した層中での１次元分布に変換
できる。以上の操作をすべての層について行え
ば、断層面内の屈折率または減衰定数の２次元分
布が映像化できることになる。また音速分布を映
像化するには、上述の方法で求めた屈折率分布の
逆数を求めれば良い。

以上のように、被検体１４と送受信用トランス
デユーサ１０，１２との相対位置を変えて得られ
る一連のデータから、減衰定数分布、屈折率分布
などを映像化できることを説明した。しかしなが
ら、上述の方法で得られる画像では、着目した層
以外における分布がぼけて重畳されることにな
る。このぼけを除去し、真の減衰定数分布、屈折
率分布または音速分布を得るためには、上述の方
法で得られた画像に以下に説明する処理をさらに
施すことが好適である。すなわち、上述の方法に
より求められたぼけを含む第ｉ層の１次元減衰定
数分布および１次元屈折率分布をそれぞれα′_i
（ｘ），N′_i（ｘ）とすると、これらは次式で表わ
し得る。

ここでα_j（ｘ）およびＮ_j（ｘ）は減衰定数お
よび屈折率を表わす第ｊ層中の真の１次元分布で
あり、＊はコンボリユーシヨン演算を表わす。ま
たｈ_ij（ｘ）は第ｊ層中の真の１次元分布α_j
（ｘ）またはＮ_j（ｘ）が、第ｉ層に関するぼけを
含む１次元分布α′_i（ｘ）またはN′_i（ｘ）にどの
ように重畳されているかを記述する関数である。
ｈ_ij（ｘ）は想定した各層の位置および送受信用
トランスデユーサの位置により決定できる既知の
関数であるため、(6)式および(7)式は真の分布α_j
（ｘ）、Ｎ_j（ｘ），（ｊ＝１，２，…ｎ）を未知数
とする連立方程式とみなすことができる。従つ
て、(6)式を解けば各層中の真の減衰定数分布α_j
（ｘ）を、また(7)式を解けば真の屈折率分布Ｎ_j
（ｘ）を求めることができる。(6)式、(7)式の解法
には周知の方法が種々あるが、例えば逐次近似法
により直接解いても良く、また(6)式、(7)式の両辺
をフーリエ変換することにより、周波数領域での
連立方程式に移してから解いても良い。

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、ある限られた方向からのデータから屈折率分
布、音速分布または減衰定数分布を映像化するこ
とが可能である。

前述した説明においては、送受信用トランスデ
ユーサ１０，１２が直線状の移動線２００，２０
２に沿つて移動され、この結果、超音波ビームは
トランスデユーサ１０，１２と被検体１４との空
隙を伝播しなければならない。通常、医用診断に
利用される超音波の周波数は数ＭHz程度であり、
空気中での減衰が著しく、また振動子と空気との
音響インピーダンスの差が大きいために放射超音
波のほとんどが反射してしまい、良好な透過ビー
ムを得ることができない。従つて、移動線２０
０，２０２を被検体１４から離れた位置に設定す
る際には、両者間に水あるいは流動パラフイン等
の超音波を透過させ易い媒体を設置する必要があ
る。

上記空隙を除去するための好適な方法として、
両トランスデユーサ１０，１２を被検体１４に密
着することが好適である。本発明においては、こ
のトランスデユーサ配置により測定されたデータ
を、前述した本発明に係る移動線に沿つた仮想ト
ランスデユーサ位置でのデータに変換することが
可能である。

この原理を第７図に示す。被検体１４の表面に
密着して置かれた実際の送信および受信用トラン
スデユーサ１０，１２と、仮想の送信および受信
用トランスデユーサ１０ａ，１２ａを考える。仮
想のトランスデユーサ１０ａ，１２ａは実際のト
ランスデユーサ１０，１２を結ぶ直線上にあり、
また互いに平行な直線２００，２０２上にあるも
のとする。このとき、超音波の減衰がなく、また
伝播速度が無限に速い理想的な媒体が被検体１４
の外部にあると想定すれば、実際のトランスデユ
ーサ１０，１２で測定されたデータは、仮想のト
ランスデユーサ１０ａ，１２ａによるデータとみ
なすことができる。また被検体１４の外部に例え
ば水のような媒体があると想定すれば想定した媒
体中での伝播時間、減衰量が算出できる。従つ
て、実際のトランスデユーサ１０，１２で測定さ
れたデータを適宜補正することにより、互いに並
行な直線２００，２０２上の仮想のトランスデユ
ーサ１０ａ，１２ａによるデータに変換すること
ができる。

第８図には本発明に係る超音波診断装置の好適
な実施例が示されている。送信用トランスデユー
サ１０および受信用トランスデユーサ１２はそれ
ぞれ複数の振動子から成り、被検体１４の表面に
密着配置されている。送信用トランスデユーサ１
０には超音波発振用パルサ２０から電子的励振信
号が供給され、所望の選択された振動子が励振さ
れて超音波ビームが被検体１４中に放射され、超
音波ビームの走査移動は電子的に行われるので両
トランスデユーサ１０，１２には機械的移動機構
を設ける必要はない。超音波発振用パルサ２０は
制御回路２２により制御されている。

受信用トランスデユーサ１２からの一連の出力
はデータ計測部２４に供給され、透過波強度また
は伝播時間が計測される。伝播時間の計測には超
音波放射タイミング情報が必要であり、実施例に
おいて、この情報は制御回路２２から得られてい
る。また透過波強度を測定する際には、データ計
測部２４の初段に対数増幅器を設け、前記(5)式で
説明した対数変換が行われる。

透過波強度または伝播時間を表わす測定信号は
データ処理部２６に供給され、仮想データへの変
換が行われる。データ処理部２６へは制御回路２
２からの送信制御信号および位置検出回路２８か
らの両トランスデユーサ１０，１２の位置信号が
供給され、測定信号に所定の補正が与えられ、互
いに平行な直線上の送受信用トランスデユーサに
よる仮想データへの変換が行われ、このデータが
一時記憶される。

こうして、第１図の超音波ビーム送受信が行わ
れ、以下順次制御回路２２により異なる方向の超
音波ビーム送受信が繰り返される。そして、すべ
ての方向からのデータ測定完了後に前述した再構
成演算処理が行われ、この結果がCRT表示装置
３０により表示される。

以上説明したように、本発明によれば、被検体
の全周の投影データが得られない部位や、音響的
性質が著しく異なる組織、例えば骨、空気等を含
む部位を超音波により診断することができ、多く
の診断情報を短時間に得ることが可能となり、広
範囲の診断に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波診断装置の原理を示す説
明図、第２図は本発明に係る超音波診断装置の原
理を示す説明図、第３図は本発明に係る超音波診
断装置の好適な実施例における走査方式を示す概
略説明図、第４図は本発明に係る装置の他の実施
例における走査方式を示す概略説明図、第５図は
第２図における一対の送受信用トランスデユーサ
によるデータ検出作用を示す説明図、第６図は第
２図におけるセクタ超音波ビームから得られるデ
ータの説明図、第７図は本発明におけるデータ変
換作用を示す説明図、第８図は本発明に係る超音
波診断装置の好適な実施例を示すブロツク回路図
である。 １０……送信用トランスデユーサ、１２……受
信用トランスデユーサ、１４……被検体、１４ａ
……被検部位、２００，２０２……移動線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 本発明に係る装置は、被検体の被検部位を介
   した対向位置に被検体に密着保持された送信用ト
   ランスデユーサおよび受信用トランスデユーサ
   と、被検部位を基準として送信用トランスデユー
   サと受信用トランスデユーサとの相対的位置関係
   を変化させながら前記トランスデユーサのいずれ
   か少なくとも一方を被検体に沿つて移動させる手
   段と、前記移動領域中の任意の複数位置において
   扇状の透過超音波ビームを被検体部位に向かつて
   送受信制御する手段と、受信用トランスデユーサ
   の測定データを所定の移動線に沿つた仮想トラン
   スデユーサ位置におけるデータに変換するデータ
   処理手段と、前記変換されたデータに基づいて再
   構成演算を行う演算手段と、を含み、送信用トラ
   ンスデユーサと受信用トランスデユーサとの相対
   的位置関係を変化させながら被検部位に異なる方
   向から超音波を送受波して複数の投影データを得
   ることを特徴とする超音波診断装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の装置において、送信
   用または受信用トランスデユーサのいずれか少な
   くとも一方が機械的に移動制御されていることを
   特徴とする超音波診断装置。 ３ 特許請求の範囲１記載の装置において、送信
   用または受信用トランスデユーサのいずれか少な
   くとも一方が電子走査により移動制御されている
   ことを特徴とする超音波診断装置。