JPS63194644A - 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、被検体内に超音波を送受波し、被検体内の伝
搬特性が受信超音波の特性を変化させることを利用して
被検体の超音波特性を計測する超音波計測装置に関する
ものである。

従来の技術 被検体内の音響的情報を超音波を用いて得る方式の例と
しては超音波診断装置がある。超音波診断装置は生体内
に超音波を送波し、生体内からの反射波により生体内の
情報を得るパルス反射法を用いるものが主流を占めてい
る。通常、パルス反射法は生体内の音響インピーダンス
差のある界面からの反射エコー強度、すなわち振幅値と
超音波の伝搬時間とから生体内の情報を２次元的に集め
表示することで断層像を得るものである。しかし近年、
おもに生体組織の形状判断を行う超音波診断装置に対し
、生体内組織形状のみならず質の情報も得たいという要
望も高まっている。このような生体組織の質に関する情
報は例えば生体内の各種臓器で特有の値を有する超音波
の減衰の大きさ、音速、音響的非線形パラメータ等を計
測することで得ることが可能になる。この非線形パラメ
ータＢ／Ａを計測する場合には次の関係式を基本とする
方法が考えられる。

△ｃ　＝　（１＋　Ｂ／２Ａ　）−Ｖ　　　　　　・・
−・・−（１）ここで、■は音波の粒子速度、Ｂ／Ａは
媒体の音響的非線形パラメータ、△Ｃは非線形効果にも
とすく音速の変化である。（１）式は音波の粒子速度の
方向が音波進行方向と致するとき音速度が増大し、逆方
向の場合には音速度が減少し、結果的に音波の波形が歪
むことを示す。この波形歪を測定する従来の装置では、
被検体に超音波パルスを送波し、得られた受信信号の歪
を分析し、高調波成分のレベルを比較することにより非
線形パラメータを推定することが行わねていた。

発明が解決しようとする問題点 しかし、このような計測方式で生体のように超音波の減
衰が大きく、しかもその減衰特性が周波数依存し、その
結果、音速の周波数分散を生じるような媒質においては
パルスの反射受信信号の高調波成分から非線形パラメー
タを求める方法は本質的に誤差が太きいという問題があ
った。

本発明は従来技術の以上のような問題を解決するもので
、生体のような組織に依存した様々な減衰特性、音速特
性を有する被検体に対して正確に超音波減衰特性や音響
的非線形パラメータを計測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 本発明は周波数の異なる２つの超音波パルス、すなわち
ポンプ波パルスとプローブ波パルス（ポンプ波パルスよ
り周波数が高い）を被検体中に送Ｗする手段と、非線形
効果にもとすく受信信号の変調特性が最大となるように
ポンプ波パルスとプローブ波パルスの位相関係を帰還的
に制御する手段を有し、この変調特性をもとに超音波減
衰特性や非線形パラ′メータ等の音響特性を得るように
したものである。

作　　　　用 本発明は上記構成により、被検体中におけるポンプ波パ
ルスとプローブ波パルスの速度差を補正することにより
、被検体中の目的部位において、ポンプ波パルスの粒子
速度絶対値最大、あるいは粒子加速度絶対値最大の点に
プローブ波パルスを重畳することを可能とし、非線形パ
ラメータ等の音響特性を計測可能としている。

実施例 以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例における超音波計測装置を示
す機能ブロック図である。第１図（ａｌにおいて、１は
低周波帯の第１の超音波パルス（以後ポンプ波パルスと
呼ぶ）を送出する第１の超音波変換器、２は第１の超音
波パルスより周波数の高い第２の超音波パルス（以後プ
ローブ波パルスと呼ぶ）を送出する第２の超音波変換器
、３は第１の超音波変換器１及び第２の超音波変換器２
を位相制御駆動する制御駆動部である。制御駆動部３の
内部のより詳細な機能ブロック図は第１図（ｂｌＫ示さ
れる。第１図ｆｂ）において３１は第１の超音波変換器
１を駆動するパルス駆動器、３２は第２の超音波変換器
２を駆動するパルス駆動器、３３はパルス駆動器３１及
び３２の相互のパルス発生タイミング差を制御する遅延
制御部である。パルス駆動器３１及び３２と遅延制御部
３３により制御駆動部３を構成する。また第１図ｆａ）
において４は第２の超音波変換器２の出力を増幅する受
信回路、５は受信回路４の出力に信号処理を行う信号処
理部である。信号処理部５の内部のより詳細な機能ブロ
ック図は第１図（Ｃ）に示される。第１図（Ｃ１におい
て５１は受信回路４の出力信号をデジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器、５２はＡ／Ｄ変換器５１の出力を記憶
するメモリ、５３はメモリ５２の出力データに対して周
波数分析を行う周波数分析器、５４は周波数分析器５３
の出力の変化を求める演算部、５５は演算部５４の出力
に対して処理を行つ後処理部である。Ａ／Ｄ変換器５１
、メモリ５２、周波数分析部５３、演算部５４、後処理
部５５により信号処理部５を構成する。更に第１図（ａ
ｌにおいて、６は制御駆動部３等ヘクロックを供給する
クロック源、７は信号処理部５の出力により制御駆動部
３を帰還的に調節する帰還制御部である。８は信号処理
部５の出力を表示する表示部、９はシステム全体の制御
を行う主制御部、１０は被検体である。

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、プローブ波パルスの例を第２図（ａ）に、ポンプ
波パルスの例を第２図（ｂ）に示す。第２図（Ｃ１、及
び（ｄｌは重畳されたプローブ波パルスとポンプ波パル
スの例である。これらの波形は制御駆動部３の状態変化
に対応するものである。ポンプ波パルスの中心周波数は
例えば０．３　ＭＨｚ　、プローブ波パルスの中心周波
数は例えば３　ＭＨｚとし、これら中心周波数の値は互
いに大幅に異なる値が選ばれている。第２図（Ｃ）にお
いては、プローブ波パルスの波形の重心はポンプ波パル
スの粒子速度が零近傍、かつその粒子加速度が正のピー
クを示すタイミングで重畳さねており、この状態を位相
状態Ａと呼ぶ。一方、粒子加速度が負のピークを示すタ
イミングで重畳される場合には位相状態Ａ′と呼ぶ。第
２図（ｄｌにおいては、プローブ波パルスの波形の重心
はポンプ波パルスの粒子速度が正のピーク値を示すタイ
ミングで重畳されており、この状態を位相状態Ｂと呼ぶ
。一方、負のピーク値を示すタイミングで重畳される場
合には位相状態Ｂ′と呼ぶ。

ポンプ波パルスの波長なＡ、プローブ波パルスのパルス
長をｔとしたとき ２ｔ＜Ａ　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・（
２）とすることが望ましい。（２）式の関係を満たすと
プローブ波パルスの変調特性の解析が容易にできる。

次に、第２図に示した各パルスが被検体１０内を伝搬す
る様子を詳しく説明する。通常の超音波検査装置で用い
られる程度のピーク超音波出力レベルの場合でも伝搬の
非線形現象により超音波の波形が歪むことが知られてお
り、その歪の原因は（１）式で説明したとおりである。

この伝搬の非線形現象が超音波パルスの波形に与える影
響を第３図に示す。第３図（ａｌはポンプ波パルスが伝
搬の非線形現象により歪む様子を、第３図（ｂｌ及び（
Ｃ１はポンプ波パルスの歪みにより、重畳されたプロー
ブ波パルスが変調される様子を示す。第３図（ｂｌでは
位相状態Ａで重畳されたプローブ波パルスの中心周波数
が伝搬に伴い高周波側ヘシフトし、第３図（Ｃ１では位
相状態Ｂで重畳されたプローブ波パルスの位相が伝搬に
伴いシフトする、すなわち伝搬時間が変化する様子を示
す。位相状態Ａに対し、ポンプ波パルスの位相て関して
１８０度ずれた位置にプローブ波パルスを重畳する場合
には、プローブ波パルスの中心周波数は伝搬に伴い低下
する。従って中心周波数が上昇する場合と低下する場合
の差をとれば、非線形効果にもとすく中心周波数の変化
量を大きく得ることが可能になる。このようにして位相
状態Ｂについても同様に伝搬時間の変化量を大きく得る
ことが可能になる。こわらの中心周波数の変化、伝搬時
間の変化は、ポンプ波の強度、媒質の非線形パラメータ
、超音波減衰特性に支配される値である。従って、こわ
ら中心周波数や伝搬時間の変化を計測することにより媒
質の音響特性を求めることが可能になる。以上の説明で
はポンプ波パルスとプローブ波パルスの伝搬速度は互い
に等しいとしてきたが、下記の二理由によりこねらの伝
搬速度は実際は等しくない。第１の理由は周波大依存減
衰媒質中における音速の分散であり、生体の組織により
異なるが超音波周波数が１桁異なると高周波側の音速は
数〜Ｉｏｍ／ｓｅｅ程度低周波側よりも速くなる。第２
の理由はポンプ波パルスとプローブ波パルスを交差させ
るためその伝搬方向が互いに異なることにより、見かけ
上の伝搬速度が互いに異なることによる。以上の理由に
より、生体中において位相状態Ａ、あるいは位相状態Ｂ
を維持しつづけることは難しい。

次に制御駆動部３の状態変化に対応した第２図に示す各
超音波パルス波形により被検体から受信信号を得、処理
する過程を次に説明する。

まず制御駆動部３のパルス駆動器３２を動作させ、超音
波変換器２を駆動する。超音波変換器２はプローブ波パ
ルスを発生、被検体１０中へ伝搬させる。この際、パル
ス駆動器３１は動作せず、超音波変換器１はポンプ波パ
ルスを発生しないものとする。被検体１０中を伝搬する
プローブ波パルスは被検体１０の音響的質の変化に対応
して次々に散乱され、散乱された超音波は超音波変換器
２において受信さね、受信信号は受信回路４で増幅され
、信号処理部５へ送らハる。信号処理部５において、Ａ
／Ｄ変換器５１は受信回路４の出力をデジタル信号に変
換する。Ａ／Ｄ変換器５１のサンプルタイミングはクロ
ック源６のクロックパルスで制御される。このサンプル
タイミングはパルス駆動器３１．３２と同期しているも
のとする。

Ａ／Ｄ変換器５１の出力データはメモリ５２で記憶され
る。次にメモリ５２で記憶されたデータの中で被検体１
０の深さｚｌに相当する窓区間に相当するデータについ
て周波数分析を行い、位相φ１を求める。窓区間の長さ
としては例えば１副程度とする。次に、主制御部９は被
検体１０の深さＺＩにおいて位相状態Ｂが実現できると
して予め記憶さねている遅延データを帰還制御部７へ送
る。

帰還制御部７はこの遅延データを制御駆動部３へ送る。

制御駆動部３の遅延制御部３３は、この遅延データとク
ロック源６が発生するクロックにより遅延パルスを発生
する。遅延制御部３３は具体的にはプリセットカウンタ
等で構成できる。パルス駆動器３１とパルス駆動器３２
はこの遅延パルスにより、遅延データに相当する時間差
で動作する。パルス駆動器３１は超音波変換器１゛を駆
動し、超音波変換器１しまポンプ波パルスを発生、被検
体１０中へ伝搬させる。被検体１０中で交差、重畳した
プローブ波パルスとポンプ波パルスは非線形相互作用を
行い、散乱され、超音波変換器２で受信される。

受信信号は受信回路４で増幅、ポンプ波パルスに対応す
る周波数成分をバンドパスフィルタ等にて除去された後
、信号処理部５へ送られる。信号処理部５において前と
同様に深さＺｌに相当するデータについて位相φ２を求
める。次に帰還制御部７は、主制御部９が送って遅延デ
ータに変更を加え、制御駆動部３へこの変更された遅延
データを送る。この変更の量としては、例えばポンプ波
パルスの超音波の１サイクルの１７３２程度の時間に相
当する値が選ばれる。この変更された遅延データに対応
して得られる受信信号の位相をφ３とする。演算部５４
ではこのようにして得られた位相の変化データΔφ２＝
φ２−φ１とΔφ３＝φ３−φ１を求め、どちらの位相
の変化が大きいかを比較する。Δφ３の方が大きい場合
には、帰還制御部７において遅延データの変更を続ける
。逆に△φ２の方が大きい場合には、遅延データの変更
の仕方を逆向きにする。このようにして変更されたデー
タに対応した位相の変化Δφ４＝φ４−φ１を求め、比
較を行う。以上のプロセスを繰返すことにより位相の変
化データが最大となる遅延データを決定することが可能
になる。この遅延データを制御駆動部３へ送ることによ
り、位相の変化が最大の状態、すなわち位相状態Ｂを被
検体１０の深さｚｌにおいて実印することが可能になる
。以上の遅延データを決定するプロセスにおいて後処理
部５５は演算部５４が出力する位相の変化データをもと
に、帰還制御部７における遅延データの変更量を指定す
る。

以上のようにして得られた遅延データをもとに、帰還制
御部７は位相状態Ｂ′、位相状態Ａ、Ａ’に対応する遅
延データを発生させることができる。なお位相状態Ｂ′
はパルス駆動器３１の出力パルスの極性を反転させるこ
とでも実現できる。位相状態Ａに対する位相状態Ａ′も
同様にパルス駆動器３１の出力パルスの極性を反転させ
ることでも実現できる。

次に、以上のようにして実現された被検体１０における
各位相状態をもとに被検体１０の音響特性を求めるプロ
セスを説明する。計測部位を被検体の１０の深さＺｌと
、そわより深い部位にある深さｚ２の区間であるとする
。

まず、位相状態Ａを被検深さＺｌに実現する。

被検深さｚ２についても位相状態は被検深さｚｌと同様
であるとする。信号処理部５において、被検深さｚｌ、
ｚ２に相当するデータについて周波数分析を行う。周波
数分析器５３は、位相状態Ａ、Ａ′の場合には、スペク
トル分布を求めるものとする。位相状態Ａにおける被検
深さｚｌに対応するスペクトル分布をＡ（Ｚｌ）、被検
深さＺ２に対応するスペクトル分布をＡ（２２）、位相
状態Ａ′における被検深さＺｌに対応するスペクトル分
布なＡ’（Ｚｌ）、被検深さＺ２に対応するスペクトル
分布なＡ’（Ｚ２）と表す。これらのスペクトル分布は
各被検深さにおける入射プローブ波パルスのスペクトル
分布Ｔ、及び超音波散乱の周波数特性Ｓを用いて以下の
ように表わすことができる。

Ａ（Ｚｌ）＝Ｔ（Ｚｌ）ＸＳ（Ｚｌ　）　・・・・・・
（３）Ａ′（Ｚｌ　）＝Ｔ′（Ｚｌ）×５（ｚｌ）　　
・・・・・・（４）Ａ　（Ｚ２　）＝Ｔ（Ｚ２）ＸＳ（
Ｚ２）　　・・・・・・（５）Ａ’（Ｚ２　）＝Ｔ’（
Ｚ２）ＸＳ（２２）　　・・・・・・（６）ここで、入
射プローブ波パルスの各スペクトル特性は第４図に示す
ようになる。すなわち、位相状態Ａではプローブ波パル
スは圧縮されるので、そのスペクトル分布Ｔは高周波側
ヘシフトし、位相状態Ａ’ではプローブ波パルスのスペ
クトル分布Ｔ′は低周波側ヘシフトする。又、被検体１
０中における超音波の周波数依存減衰の影響により、被
検深さＺ２におけるスペクトル分布、Ｔ′は被検深さＺ
ｌにおけるスペクトル分布に比べて低周波側ヘシフトし
ている。この超音波の減衰によるスペクトル分布の中心
周波数のシフト量を計測することができれば被検体１０
の超音波減衰特性を求めることが可能であるが、超音波
の散乱特性Ｓの周波数依存が非常に太きいため、この方
法は極めて誤差が大きい。この散乱特性Ｓの影響を無く
すため、（３）〜（６）式についてスペクトル比Ｒを求
め散乱特性Ｓを消去する。

このスペクトル比Ｒ（Ｚｌ）、Ｒ（Ｚ２）は第５図に示
すようになる。このスペクトル比Ｒの周波数軸上での被
検深さに対応するシフト量は、スペクトル分布Ｔ、Ｔ’
の中心周波数の被検深さに対応するシフト量に相当する
ものであるから、このスペクトル比Ｒのシフト量から被
検体１０中における超音波の減衰特性を得ることができ
る。（７）、（８）式、及びスペクトル比Ｒの演算は演
算部５４で行われる。演算部５４で求められたスペクト
ル比Ｒのシフト量をもとに後処理部５５では減衰係数を
求め表示部８に表示する。減衰係数の求め方としてはス
ペクトル比Ｒのシフト量と減衰係数の対応表を予め用意
する等の方法がある。以上の説明では位相状態Ｂを実現
した後、位相状態Ａを実現したが、直接位相状態Ａを実
現する方法も考えられる。例えば、第５図に示すスペク
トル比Ｒの勾配りすなわち変化データは、位相状態Ａ、
Ａ’における非線形効果にもとすくプローブ波パルスの
中心周波数のシフトに対応する量であるから、この勾配
Ｄ、変化データが極大になるよ５に駆動制御部３を調整
する方法が考えられる。

以上の説明から明らかなように、本実施例によれば、帰
還制御部７により、生体のような複雑な音速特性を有す
る被検体１０中において位相状態Ａ、Ｂ等を実現させる
ことが可能であり、スペクトル比Ｒの周波数軸上におけ
るシフト量を求めるこ七により、被検体の超音波散乱特
性の影響を受けずに超音波減衰特性を計測することが可
能になる。

なお以上の実施例では超音波減衰特性を得る例を示した
が、位相状態Ｂにおける受信信号の位相の変化は、ポン
プ波パルスの音圧と被検体１０の音響的非線形パラメー
タ、Ｂ／Ａにより決定される量であるから、予め、被検
体・１０中におけるボ、７−１＋油、ｊ、＋、−ｙ小立
グハ女ｚｒ朋卆ス鱈釦す注加項顛５５等へ記憶させてお
けば、非線形パラメータＢ／Ａの値を求めることも可能
になる。

発明の効果 以上のように本発明は、帰還制御部により被検体中にお
けるプローブ波パルスとポンプ波パルスの重畳の位相状
態を正確に制御し、こわらのパルスの非線形相互作用を
利用して被検体の超音波減衰特性あるいは音響的非線形
パラメータ、Ｂ／Ａを計測するものであり、生体のよう
に複雑な音速特性を有する被検体中においてもプローブ
波パルスとポンプ波パルスの重畳の位相状態を正確に制
御することが可能であり、正確に音響特性を計測でき、
その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例におけろ超音波計測装
置の機能ブロック図、第１図（ｂ）は本発明の要部であ
る制御駆動部の機能ブロック図、第１図（Ｃ１は本発明
の要部である信号処理部の機能ブロック図、第２図ｆａ
）〜ｆｄ）は不発明の一実施例における超音波変換器の
出力波形図、第３図（ａｌ〜（Ｃ）は伝搬の非線形現象
により歪みを生じた超音波パルス波形図、第４図は本発
明の一実施例における入射プローブ波パルスのスペクト
ル特性図、第５図は本発明の一実施例におけるスペクト
ル比を示ｊ特性図である。 １．２・・・超音波変換器、３・・・制御駆動部、訃・
・信号処理部、７・・・帰還制御部。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第１図 （Ｃ） 第２図 第３図 （ａン ４Ｃ １ａｉｍ 第４図 Ｃａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の超音波パルスを送出する第１の超音波変換器と、
   前記第１の超音波パルスより周波数の高い第２の超音波
   パルスを送出する第２の超音波変換器と、前記第１及び
   第２の超音波変換器を位相制御駆動する制御駆動部と、
   前記制御駆動部の状態変化に対応した前記第２の超音波
   変換器の超音波受信信号の変化を得る信号処理手段と、
   前記信号処理手段が出力する変化データが最大となるよ
   うに前記制御駆動部を調節する帰還制御部を具備するこ
   とを特徴とする超音波計測装置。