JPS6272336A - 超音波組織診断装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は超音波を生体内に送受波して医学的な診断情報
を得る超音波組織診断装置に係り、特に超音波の４１一
体組織との相カー作用で？■しる一ＩＦｖＡ形現象を用
いて生体の組織診断を行う超音波組織診断装置に関する
ものである。

〔発明の技術的背景〕

超音波組織診断装置として牛体内における超音波伝播速
度（以下［−音速］という）を測定することにより生体
組織に対する医学的診断を行う方式のものと、生体組織
の非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）と音速の逆数の２乗との
積を計測することにより生体組織の医学的診断を行う方
式のものとがある。

〔背景技術の問題点〕

ところで、後者の方式を採用する装置においては、非線
形パラメータ（Ｂ／Ａ）の絶対値を得るために、超音波
の音場と、超音波振動子の励振に供される駆動電圧と、
超音波振動子より送波される超音波の音響的パワーとの
絶対的関係を求める必要がある。このため、非線形パラ
メータ（Ｂ／Ａ）の絶対値を得るのは極めて困難となり
、もっと簡便な手法により生体組織を特性化することに
よって診断能の向上を図りたいというのが事情である。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目
的とするところは、簡便な手法により生体組織を特性化
することができ、医学的診断能の向上を図ることができ
る超音波組織診断装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するための本発明の概要は、複数の超音
波振動子を配列して成る超音波振動子アレイと、この超
音波振動子アレイを、それぞれ隣接する複数の超音波振
動子毎に超音波送波用と受波用とに切り換える切換手段
と、超音波送波用に切り換えられた振動子群への超音波
バーストパルスの印加により送波された超音波の反射波
に含まれる高調波の振幅を算出する振幅算出回路と、超
音波送波用及び受波用の振動子群それぞれの中心位置の
切り換え移動毎に各超音波伝播径路における超音波の平
均音速を算出する音速計算回路と、算出された高調波振
幅及び平均音速を取り込み、それぞれ隣接する超音波伝
播径路間での差をとることにより局所高調波振幅及び局
所音速を算出する局所パラメータ計算回路と、既知の物
理特性を有するファントムから得られる局所高調波振幅
及び局所音速、未知の物理特性を有する生体から得られ
る局所高調波振幅及び局所音速を基に局所複合パラメー
タを算出する複合パラメータ計算回路と、算出された局
所複合パラメータ及び局所音速を基に２次元画像表示を
行う表示手段とを有して構成したことを特徴とするもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を具体的に説明する。

ここで先ず、本発明の原理について説明する。

最初に複合パラメータξ（ｘ、ｙ）の測定原理について
説明し、その後に超音波伝播径路のスキャン原理、生体
組織における音速の測定原理、２次高調波振幅の測定原
理１局所音速と局所２次高調波振幅との測定原理につい
て説明する。

〈複合パラメータξ（Ｘ、Ｖ）の測定〉超音波と生体と
の非線形効果によって生成される２次高調波振幅ｕｚ（
ｘ＋ｙ）は、非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）と音速（Ｃ）
等によって次のように表わされる。

ここで、ｋは超音波の減衰１反射１周波数、音場の効果
に依存する定数である。このため、非線形パラメータＢ
／Ａの絶対値を求めることは極めて困難となる。

そこで、本発明においては、第１に、超音波の減衰（１
”）、散乱係数（γＰＭ）、音速（ｃｏ″）及び非線形
パラメータ（（Ｂ／Ａ）”）が既知であるファントム（
例えば寒天グラファイトファントムなど）を用意し、こ
のファントムに周波数ＩＯの超音波バーストパルス波を
送波することにより、非線形効果で生ずるところの周波
数２ｉｏの２次高調波振幅ｕ＊″′（ｘ＋ｙ）と音速Ｃ
”（ｘ＋ｙ）とを測定する。第４図（ａ）　、　（ｂ）
はそれぞれ測定されたｕ　ｚ”　（ｘ＋　ｙ）及びＣ”
（ｘ、ｙ）を模式的に示したものである。測定された２
次高調波振幅ｕｚ”（ｘ＋ｙ）には、前（１）式におけ
る定数にの効果が含まれている。

第２に、上記ファントム測定と同一条件で超音波パルス
を生体（被検体）に送波し、２次高調波振幅ｕｉ”（ｘ
＋ｙ）と音速Ｃ”　（ｘ、　ｙ）とを測定する。

第４図（ｃ）　、　（ｄ）はそれぞれ測定されたｕｉＢ
ｏ（ｘ＋ｙ）及びＣ”（ｘ＋ｙ）を模式的に示したもの
である。このとき（生体における超音波の減衰２反射は
未知である。

第３に、上記測定において得られたｕ２″′（Ｘ＋　Ｖ
）　＋Ｃ”（ｘ、ｙ）　、　　ｕｚ″。（ｘ＋ｙ）、　
　Ｃ”（ｘ、ｙ）を用いて超音波の音場１周波数の影響
をキャンセルし、次式で示すように超音波の減衰、散乱
、非線形パラメータの積で定義される複合パラメータξ
（ｘ、ｙ）を求める。

Ａ　（”　　　　　　　　　　　　　・・・（２）第４
図（ｅ）はξ（Ｘ、ｙ）を模式的に示したものである。

このようにして求められた複合パラメータξ（Ｘ、Ｖ）
は、生体組織を特性化する量となっている。なぜなら、
複合パラメータξ（Ｘ、ｙ）は生体における超音波の減
衰、散乱係数、非線形パラメータの積であり、しかもこ
れら各因子のそれぞれが生体組織を特性化するものだか
らである。

〈超音波伝播径路のスキャン〉 第５図に示すようにリニア電子スキャン用プローブ１を
用い、生体表面に接している超音波送受波面２の一端Ａ
１を中心とする第１の振動子群より、生体表面と垂直（
超音波偏向角θ−０’）となる方向に周波数ｊ０の超音
波バーストパルスを発射する。すると超音波バーストパ
ルスは生体内における送波径路Ａ＋　　Ｐ＋＋を直進し
、点Ｐ＋＋での反射波が受波径路ｐＨＢ１１を通り、Ｂ
　Ｉ　＋を中心とする第２の振動子群によって受波され
る。そして後述するように、この超音波伝播径路Ａ＋　
−ｐＨＢ１１における平均音速（ＣＩ＋　）と全２次高
調波振幅（ｕ２（Ｉ＋１）とが算出されると、再びＡ。

を中心とする第１の振動子より上記と同様に超音波が送
波され、送波された超音波の点Ｐ１□での反射波が今度
はＢ、！を中心とする第２の振動子群により受波される
。そして、この超音波伝播径路Ａ１ｐ＋ｚ　　Ｅｌ＋ｉ
における平均音速（コ、□）と全２次高調波振幅（ｕｔ
ｎＨ）とが算出される。以下同様に超音波送波位置及び
受波位置をスキャンすることにより、最終的に２ｍｘｎ
個の平均音速（ご）と全２次高調波振幅（Ｕｌ、）との
組みが算出される。

く平均音速（Ｃ）の測定〉 上記の各超音波伝播径路毎に超音波の送波から受波まで
の超音波伝播時間ｔを測定すれば、送信用の第１の振動
子群と受信用の第２の振動子群との中心間距離ｙは既知
であるから、次式により平均音速Ｃを算出することがで
きる。

但し音速が未知であるからθは厳密には未知であり、ま
た生体の中に点Ｐなる反射体が存在するわけではないか
ら（３）式から音速を求めるために実際には種々の工夫
も必要となる。

〈全２次高調波振幅（ｕ２）の測定〉 リニア電子スキャン用プローブ１を用い、上述した音速
測定の場合と同様にして受波信号を検出し、検出した受
波信号の２次高調波成分（２ｆｏ）の振幅を求める。最
終的に２ｍＸｎ個の全２次高調波振幅（ｕｚ）が求めら
れる。

く局所音速９局所２次高調波振幅の測定〉上記のように
して求められた２ｍ×ｎ個の全２次高調波振幅（ｕ２）
と平均音速（Ｃ）とからそれぞれ局所２次高調波振幅ｕ
ｚ（ｉ、３）と局所音速Ｃ（ｉ、ｊ）　とを次式により
求める。

ｕ　ｚ（Ｌ３）　＝　ｕ　ｔ（ｉ、ｊ＋１）　−ｕ　ｚ
（ｉ＋ｊ）　　　　　・・・（４）Ｃ（ｉ、ｊ）　　＝
Ｃ（ｉ、ｉ＋１）　−Ｃ（ｉ、ｊ）　　　　　　・・・
（５）以上が本発明の原理である。次に上記原理に則っ
た本発明の一実施例について説明する。

く音速測定〉 第１図のブロック図は本実施例の構成を示している。振
動子アレイ１１は第５図のプローブの超音波送受波面２
に配列されており、電圧パルスが印加されると超音波パ
ルスを放射し、超音波が入射すると電圧を発生して超音
波を検出する。

振動子アレイ１１（Ｔｌ〜Ｔ１□８）は振動子素子幅ａ
が０．４５ｔｍのものが素子中心間隔ｄ　＝　０．５鶴
で１２８素子直線上に並んでいる。これらの各振動子素
子に対する電気信号の送受はケーブル３内のリード線１
２を通して行う。

ＣＰＵ（中央処理袋Ｗ）２１は例えば１０ＭＨｚ基準ク
ロ基準クロックるパルス発生器を有し、その基準クロッ
クを分周して例えば４　ｋＨｚのレートパルスを発生し
１６ケのパルサ１４を駆動する。

パルサ１４の出力は切換手段たるマルチプレクサ１３に
よりの振動子アレイ１１のうちＡを中心とする振動子群
Ｔ１〜ＴＩ６にそれぞれ接続される。

振動子アレイ１１はプローブのコーテイング材を通して
体表に接し、振動素子から発生した超音波は生体中に放
射される。標準的な生体＆ＩＩＷｉの音速をＣＯ＝１５
３０ｍ／Ｓとすれば、Ｂ音波ビームをθ。方向に放射す
るには隣接する各素子間の遅延時間τ。は、 Ｔｏ　＝　（ｄ／Ｃｏ　）　　・ｓｉｎ　θ　　　　　
　・＋６１となり、このような遅延時間差をもって各素
子が駆動されるように送信遅延回路１５を設定する。

即ちＰＤ、＝Ｏ，ＰＤ！−τ。、ＰＤ３＝２τ。。

・・・・・・、ＰＤい＝１５τ。なる遅延時間を与える
。

もし生体組織の音速がＣ０であれば超音波ビームはθ。

方向へ進むが一般にはＣ０とは限らすＣ６と異なる値Ｃ
である。このとき超音波の伝播する方向θはスネルの法
則から ｓｉｎ　θ／Ｃ−５ｉｎ　θｏ　／　Ｃｏ　　　　　　
　−（７１で示される値となる。

超音波パルスを放射した後、マルチプレクサ１３はＢ１
１を中心とする振動子群Ｔい〜Ｔ　ｍ　＊　＋　ｂの１
６ケと受信遅延回路１６とを接続し、このときＴ１−Ｔ
１．１６で受信された超音波反射波信号は送信の場合と
同様の遅延を受けて合成された後、受信回路１９に入力
される。即ち、受信遅延回路１６の遅延時間はＲＤ、＝
１５τ。、ＲＤ２＝１４τ。。

・・・・・・ＲＤ　＋　ｓ−τ。、　　ＲＤ　＋ｂ＝　
Ｏのように設定される。このようにすると振動子群Ｔ、
〜Ｔイ、１は生体の音速がＣＯ（Ｃ）であればθ。（θ
）方向に指向性を持ち、θ。（θ）方向から反射波を受
信する。受信信号は受信回路１９で増幅、検波され、Ａ
／Ｄ変換器２０によりＡ／Ｄ変換されてバッファメモリ
２２に記憶される。バッファメモリ２２はレートパルス
のタイミングを基準として　１０ＭＨｚのクロックでア
ドレスが決定されており、バッファメモリ２２に記憶さ
れた受信波形のサンプル値のアドレスは、超音波パルス
発射時点からの時間に１００ｎｓの精度で正確に一致し
ている。

記憶された波形のピーク値は生体中のＰ点からの反射波
を示し、音速計算回路２４でピーク値の時間（アドレス
）を検出すれば伝播時間ｔｌｌが求まる。前述の（７）
式を（３）式に代入すると生体中の音速Ｃは、 となり、）’　ＩＩ＋　　Ｃｏ　ｒ　　θ。は既知であ
るから、測定によって得られた伝播時間ｔ１を用いて音
速計算回路２４により（８）式の計算を行って音速Ｃの
値を算出する。

算出された音速Ｃはフレームメモリ２５に書き込まれる
。尚、同一条件での超音波送受波が複数回行われる場合
には、加算回路１０が動作し、受信信号の加算平均処理
が行われる。

第２図は、超音波伝播時間ｔの測定法を示すりイムチャ
ートであり、レートパルスの立上ｔ０よりわずか遅れた
時刻に超音波パルスが発射されパルスのピークの時刻は
１．である。送波ビームの中心と受渡指向性の中心の交
点に点反射体がある場合は時刻ｔｔにピークを持つ反射
波が得られＴ２とｔｌの時間間隔としてｔが求められる
。

〈全２次高調波振幅（Ｔ１．）の測定〉全２次高調波振
幅（Ｔ１．　）の測定方法は基本的には音速測定場合と
同様であるが次の点で異なっている。

すなわち、上記と同様にして超音波の送受波が行われ、
バッファメモリ２２に書き込まれた受信信号がＣＰＵ２
１の制御により読み出される。読み出された受信信号は
振幅計算回路２７に入力され、２次高調波成分（２ｆｏ
）の振幅の抽出に供される。抽出された振幅はフレーム
メモリ２５に書き込まれる。

〈局所音速１局所２次高調波振幅の測定〉このようにし
てフレームメモリ２５に書き込まれた２ｍｘｎ個の平均
音速（Ｃ）、全２次高調波振幅（ｉ２）は、ＣＰＵ２１
の制御により読み出され、局所パラメータ計算回路２７
に入力される。

そしてこの局所パラメータ計算回路２７において前＋４
１．　＋５１式の演算が実行され、局所音速Ｃ（ｉ、ｊ
）及び局所２次高調波振幅ｕｚ（ｉ、ｊ）が求められる
。

ここで、求められた局所音速および局所２次高調波振幅
が、ファントムに向って超音波の送受波を行った結果よ
り求められたものであればそれぞれＣＰ′″（ｘ、ｙ）
及びｕ　２Ｐ　Ｍ　（ｘ、　ｙ　）として、また、生体
（被検体）に向って超音波の送受波を行った結果より求
められたものであればそれぞれＣ”（ｘ＋ｙ）及びｕｚ
”（ｘ＋ｙ）としてフレームメモリ２５に書き込まれる
。

〈複合パラメータの測定〉 フレームメモリ２５に書き込まれたｃ”（ｘ＋ｙ）＋ｕ
ｚ″′（ｘ＋ｙ）及びＣＢｏ（ｘ、　ｙ）　、ｕ　ｔ″
。（ｘ、　ｙ）は、ＣＰＵ２１の制御により読み出され
、複合パラメータ計算回路２８に入力される。そしてこ
の複合パラメータ計算回路２８において前（２）式の演
算が実行され、複合パラメータξ（ｘ、ｙ）が求められ
る。

求められた複合パラメータξ＜ｘ、ｙ＞はディスプレイ
メモリ２６を介してＤ／Ａ変換器２９に入力され、アナ
ログ信号に変換された後、表示手段たるＣＲＴディスプ
レイ３０に入力される。

〈表　示〉 第３図はＣＲＴディスプレイ３０の表示の一例を示すも
のであり、３１は生体の超音波Ｂモード像（断層像）、
３２は局所音速Ｃ（ｉ、Ｄに基づく局所音速値画像、３
３は複合パラメータξ＜ｘ、ｙ＞に基づく複合パラメー
タ画像、３４は第２図に示したような受信信号パターン
（Ａモード）である。

３６は超音波伝播径路であり、必要に応じて超音波Ｂモ
ード像３１に重畳表示される。局所音速値画像３２は例
えば青色で表示され、その輝度は音速値の大小に応じて
表示される。また、複合パラメータ画像３３は例えば赤
色で表示され、その輝度は複合パラメータ値の大小に応
じて表示される。

超音波Ｂモード像３１は例えば超音波のリニアスキャン
あるいはセクタスキャンによって構成することができる
ものであり、この場合の超音波１０−ブは本実施例装置
に具備されるものを共用できる。このように超音波Ｂモ
ード像３１を併せて表示すれば、生体中の所望部位３８
と局所音速値画像３２．複合パラメータ画像３３との対
応が明確となる。また、図中３９で示すように画像中に
設定されたカーソルポイントにおける音速値、複合パラ
メータ値が、画面上３５で示す位置に数値表示されるよ
うに成っている。

このように本実施例装置にあっては、生体組織における
音速（Ｃ）及び超音波の減衰、散乱５非線形パラメ一タ
王者の複合パラメータ（ξ（Ｘ、５１））を患者（生体
）に何ら負担をかけることなく、非侵襲且つ短時間で測
定することができる。しかもその測定は、超音波の減衰
（Ａｔ”）、散乱係数（γＰＨ）及び非線形パラメータ
（（Ｂ／Ａ）”）が既知であるファントムを用いること
により極めて容易に行い得るものである。また、表示画
面上には、測定された音速（Ｃ）、複合パラメータξ＜
ｘ、ｙ＞が２次元画像として表示されるものであるから
、表示画面を観察する医師等は病変部と正常部との鑑別
を適確にしかも容易に行うことができる。さらにこの超
音波組織診断装置によれば、従来臨床的にルーチン検査
に使用されているリアルタイム断層装置と同時併用が可
能でしかも同一プローブで検査することができるので、
通常の断層像を観測しながら適当な断面で音速及び非線
形パラメータ測定モードにワンタッチで切換えるという
理想的な検査方法を実施できる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の
範囲内で適宜に変形実施が可能であるのはいうまでもな
い。例えば、送波時の偏向角はＯ０以外にしても良く、
また、振幅計算回路２３において２次以外の高調波の振
幅を算出するようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、簡便な手法により
生体組織を特性化することができ、医学的診断能の向上
を図ることができる超音波組織診断装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例たる超音波組織診断装置のブ
ロック図、第２図は超音波伝播時間の測定法を示すタイ
ムチャート、第３図は本実施例装置における表示の一例
を示す説明図、第４図（ａ）。 （ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　、　（ｅ）及び第５
図は本発明の詳細な説明するためのものであり、第４図
（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　。 （ｅ）はパラメータ画像の模式図、第５図は超音波伝播
径路のスキャン方法の説明図である。 １１・・・超音波振動子アレイ、 １３・・・切換手段（マルチプレクサ）、２３・・・振
幅計算回路、２４・・・音速計算回路、２７・・・局所
パラメータ計算回路、 ２８・・・複合パラメータ計算回路、 ３０・・・表示手段（ＣＲＴディスプレイ）、Ｔ・・・
超音波振動子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の超音波振動子を配列して成る超音波振動子
   アレイと、この超音波振動子アレイを、それぞれ隣接す
   る複数の超音波振動子毎に超音波送波用と受波用とに切
   り換える切換手段と、超音波送波用に切り換えられた振
   動子群への超音波バーストパルスの印加により送波され
   た超音波の反射波に含まれる高調波の振幅を算出する振
   幅算出回路と、超音波送波用及び受波用の振動子群それ
   ぞれの中心位置の切り換え移動毎に各超音波伝播径路に
   おける超音波の平均音速を算出する音速計算回路と、算
   出された高調波振幅及び平均音速を取り込み、それぞれ
   隣接する超音波伝播径路間での差をとることにより局所
   高調波振幅及び局所音速を算出する局所パラメータ計算
   回路と、既知の物理特性を有するファントムから得られ
   る局所高調波振幅及び局所音速、未知の物理特性を有す
   る生体から得られる局所高調波振幅及び局所音速を基に
   局所複合パラメータを算出する複合パラメータ計算回路
   と、算出された局所複合パラメータ及び局所音速を基に
   ２次元画像表示を行う表示手段とを有して構成したこと
   を特徴とする超音波組織診断装置。
2. （２）前記複合パラメータ計算回路によって算出される
   局所複合パラメータは、超音波の減衰、反射及び非線形
   パラメータの積である特許請求の範囲第１項に記載の超
   音波組織診断装置。