JPH0147182B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (A) 発明の技術分野 本発明は、超音波診断処理方式、特にポンピン
グ波の存在する音圧下において測定波の音速が媒
体の非線形定数に対応した形で変調されることを
利用する診断を行うに当つて、上記ポンピング波
の周波数を掃引せしめて得た各周波数毎の測定波
位相偏位量を得、当該位相偏位量をフーリエ変換
して、媒体内の上記測定波走査線上での非線形定
数の空間分布を測定するようにした超音波診断処
理方式に関するものである。

(B) 技術の背景と問題点 従来からＸ線を用いたコンピユータ・トモグラ
フイ技術が知られており、該技術は、第１図にそ
の概念を示す如く、例えば生体１に対して、Ｘ線
送受信器２Ａ，２ＢによつてＸ線を照射し、受信
器２Ｂによる受信結果が、図示線２Ｃ上の組織に
よる影響の累積された結果とみなすようにし、図
示Ｘ線送受信器２A′，２B′の如く生体１に対す
る照射位置を変化せしめ、ｎ次元の連立方程式を
解くことによつて、生体１上の各メツシユ３毎の
態様を決定するようにしているものである。しか
し、超音波を用いる診断においては、例えば生体
内のガス体の存在や、生体内の骨の存在などによ
つて、超音波の透過が妨げられる。このために、
生体１に対する全方向からの超音波透過の態様を
求めて連立方程式を解く方式を採用することが困
難である。

このために、第２図に示す如く、超音波送受信
器４Ａ，４Ｂによつて、生体１に超音波を印加
し、超音波が伝播し得た走査線４Ｃ上の各位置５
−１，５−２，……の態様を、受信器４Ｂによる
受信結果から直接（連立方程式を解く形でなく）
得るようにすることが望まれる。

一方、従来から、低い周波数の音波の場によつ
て、これと交差する高い周波数の音波が周波数変
調を受けることが知られている。このような音波
の相互作用は媒体内の非線形性によつて生じるも
のとされている。このことは、超音波媒体内にお
ける音速Ｃが、 Ｃ＝C₀＋１／2ρ₀C₀（Ｂ／Ａ）ΔP＋…… −(1) （但し ΔP：音圧 C₀：ΔP＝０の時の音速 ρ₀：ΔP＝０の時の密度 Ｂ／Ａ：非線形パラメータ） で表わされるように、音圧ΔPの存在によつて変
化することをもつて言い換えることもできる。な
お超音波媒体が生体組織である場合に、上記Ｂ／
Ａは健常組織と病変組織とを識別するために有用
なものであると考えられている。

上記Ｂ／Ａの値は正・負いずれの場合も存在し
得るが、以下Ｂ／Ａ＞０であるものとして説明を
続ける。

Ｂ／Ａ＞０の場合には、音圧の高い場所で音速
が早くなることを示しており、第３図Ａ図示の如
く、音圧ΔPが周波数の正弦波をつくりつつ音
波が進行する場合、全体は速度C₀で進行するが
高圧部でより早く進行し低圧部でより遅く進行す
る形となり、第３図Ｂ，Ｃの如く変形してゆく。
そして、第３図Ｃの状態のもとでは、圧力が不連
続に変化する衝撃波を生じたこととなり、超音波
エネルギは、他種エネルギに変換されてそれ以上
圧力分布が変化しないで進行が著しい減衰を受け
る形となり、圧力が減少し消滅する。

このように、受信された超音波の周波数分析を
行うことによつて、非線形パラメータＢ／Ａを測
定することが可能である。この場合、特に第２高
調波成分のエネルギが大きく、第２高調波成分を
定量的に測定するようにされる。しかし、 (i) 上述の如く、上記第２高調波成分は、上記音
圧ΔPは勿論のこと、当該音圧ΔP以外にも通過
距離の関数であり、かつこの関数形が線形でな
いことから、上記第２高調波成分から、上記
Ｂ／Ａを求めることは非常に困難でありかつ大
きい誤差をもつものであつた。

(ii) また、周波数が高い程、高調波が発生し易
く高い感度が得られる。しかし一方生体組織な
どでは透過時の圧力減衰が距離につれていわば
指数関数的に減衰してしまいかつ減衰係数が周
波数に比例することが知られている。このた
めに、高い周波数のものを使用して測定するこ
とがむづかしい。

(iii) 更に、上述の如く音圧が距離に応じて指数関
数的に減衰変化すると、上記第(1)式から判る如
く、上記Ｂ／Ａについての解析は複雑となり、
殆んどＢ／Ａを求めること自体が困難となる。

(iv) 一方言うまでもなく、距離による音圧の減衰
を実質上無視できる程度の低い周波数のものを
用いると、十分な感度が得られない。

(v) また伝播される超音波の上記第２高調波成分
を測定する方式の場合、伝播路上での効果が蓄
積されたものとして受信されることから、当該
伝播路上での空間的な分布を求めることができ
ない。

上記の如き理由から、所定の周波数の超音波を
印加して、生体などの媒体内を伝播した際の音圧
波形を周波数分析する方式は、実用的でない。こ
の点を解決するものとして、比較的低周波数のポ
ンピング波を供給して音圧の場を与え、当該場内
に比較的高周波数の測定波を交差するように印加
し、測定波が周波数変調を受ける態様を調べる方
式が考慮されている。即ち、第(1)式における音圧
ΔPをポンピング波によつて与えておき、測定波
が周波数変調を受ける状態を調べる方式が考慮さ
れている。しかし、この方式の場合、上記第(v)項
と同じ理由から、即ち効果が蓄積された結果とし
て受信されることから、いわばＢ／Ａの平均的な
値しか検出できない。換言すれば、第２図図示の
伝播路上の各位置５−１，５−２，……における
夫々のＢ／Ａを検出することができないものであ
つた。

(C) 発明の目的と構成 本発明は、上記の点を解決することを目的とし
ており、上記ポンピング波を用いる方式を採用し
つつ、伝播路上の各位置の非線形パラメータＢ／
Ａを決定できるようにすることを目的としてい
る。そしてそのため、本発明の超音波診断処理方
式は超音波音圧に対する物理定数の非線型定数ま
たはその関連量についての上記超音波媒体内にお
ける空間的分布を測定する超音波診断処理方式に
おいて、上記媒体内に圧力を発生せしめるための
比較的低周波数のポンピング波を当該媒体内に供
給すると共に、当該ポンピング波の進行方向と交
差する方向に印加される比較的高周波数の測定波
を上記媒体内に供給するよう構成し、かつ上記ポ
ンピング波の周波数を変化せしめる手段をもう
け、上記ポンピング波が存在しない場合における
上記測定波の受信位相と上記ポンピング波が存在
する場合における上記測定波の受信位相との位相
偏移量について、上記ポンピング波の各周波数毎
に求め、当該位相偏移量が、非線型定数またはそ
の関連量の分布を空間周波数領域にフーリエ逆変
換した際の、当該ポンピング波の測定波走査線上
の実効波長を波長とする空間周波数成分であると
みなして、上記位相偏移量をフーリエ変換するこ
とによつて、上記媒体内の上記測定波走査線上の
非線型定数またはその関連量の分布を測定するよ
うにしたことを特徴としている。以下図面を参照
しつつ説明する。

なお本発明においては、時間関数ｆ(A)の周波数
関数Ｆ（ｗ）を求める形をフーリエ変換と呼び、
周波数関数Ｆ（ｗ）か時間関数ｆ（ｔ）を求める形
をフーリエ逆変換と呼んでいる。

(D) 発明の実施例 第４図は本発明における原理を説明する説明
図、第５図は本発明の一実施例構成、第６図は本
発明の他の一実施例を示す。

第４図において、符号１，４Ａ，４Ｂ，４Ｃは
第２図に対応し、６はポンピング波発生器であつ
て連続平面波を発生するもの、７−１，７−２，
……は夫々発生された連続平面波の音圧最大点を
表わしている。

図示の全体が例えば水中に浸されており、ポン
ピング波発生器６から比較的低周波数の（_p＝
0.2、0.4、0.8、1.6MHzなど）の超音波がポンピ
ング波として発生される。一方、超音波送信器４
Ａ（例えば凹面トランスジユーナ）から比較的高
周波（_n＝3.5MHzなど）の超音波が測定波とし
て連続的に発生される。そして受信器４Ｂにおい
て当該測定波が受信される。

ポンピング波と測定波との進行方向が角度θを
もつて交差しているとすると、走査線（伝播路）
４Ｃ上における図示最大音圧点ａ上にあつた測定
波は、ポンピング波が１波長λ_pだけ進行する間に
（即ちλ_p／C₀時間経過後に）図示Ｚ軸方向にλ_pだ
け進行した点a₁にあり、そのときのポンピング波
の圧力は δ＝2π／λ_p（λ_p／cosθ−λ_p）cosθ ＝2π（１−cosθ） −(2) だけ位相が進んだ形となつている。したがつて、
走査線４Ｃ上を進行する測定波は、見掛け上の角
速度ω_e（又は周波数e又は波長λe）として、 なるポンピング波によつて周波数変調を受ける形
となる。

即ち、測定波は、送信器４Ａを出発して受信器
４Ｂにおいて受信されるまでの間において、ポン
ピング波の圧力Δp_pと自己の圧力Δpmとによつて
速度が影響を受け、全経路において積分されたも
のとなり、即ち、その位相は、ポンピング波が存
在しないときの位相よりも、次式に示すΔφだけ
偏移するものとなる。

即ち、Δφは「圧力Δp_pが存在するときに測定
波が距離Ｌだけ伝搬した際の位相φΔp」から「圧
力Δp_pが零のときに測定波が距離Ｌだけ伝搬した
際の位相φ₀」を差し引いたものであることから Δφ＝−2πC₀／λm〔∫^L ₀dz／C₀＋ΔC−∫^L ₀dz／C₀〕 ≒2πC₀／λm∫^L ₀ΔC／C₀ ²dz＝2π／λm∫ΔC（dz／C
₀） となる。なお厳密には積分に当つて０からＬまで
ではなく、第４図に示す如く4Aから4Bまでを積
分することとなるから、 となる。ここでΔCは ΔC≒１／2ρ₀C₀〔Ｂ／Ａ〕ΔP（ｚ） で与えられ、また測定波のポンプ波に重畳する位
置は第(3)式で示されるように周波数feで変化す
る。したがつて、音圧ΔPは距離とともに以下の
ように変化する。即ち （但し、｜｜はポンプ波のピーク音圧） したがつて、ΔCをΔφの式に代入することによ
つて となり、ΔP（ｚ）をΔφの式に代入することによ
つて、第(4)式が得られる。即ち、 で与えられるものとなる。なお、第(4)図に示す
ΔCは第(1)式右辺第２項以降の和を示すものであ
つて近似的には第(1)式右辺第２項そのものである
と考えてよいものである。またρ₀C₀は位置（ｙ、
ｚ）の関数であるが生体においては略一様である
と近似することができ、更にポンピング波の圧力
Δp_pが測定波の圧力Δpmよりも十分大きく ｜Δp_p｜≫｜Δpm｜ であると仮定されている。そして、ポンピング波
の圧力｜Δp_p｜は正確には減衰のために位置
（ｙ、ｚ）の関数であるが、ポンピング波の周波
数f_pが比較的低く、略一定であると考えてよい。

ここで、上記第(4)式の形は、 なる形態をもつていることが判る。

これは、関数ｆ（ｔ）をフーリエ変換した際の
式およびそのフーリエ逆変換した式 Ｆ（ω）＝∫f（ｔ）e^-j〓^t・dt ｆ（ｔ）＝１／2π∫F（ω）e^+j〓^t・dω なる関係の後者フーリエ逆変換の関係に対応する
形となつており、つまりΔφはｆ（ｔ）に、（Ｂ／
Ａ）（ｙ、ｚ）はＦ（ω）に夫々対応しており、上
記（Ｂ／Ａ）（ｙ、ｚ）に対応する関数Ｆ（ω）
は、関数ｆ（ｔ）をフーリエ変換することによつ
て Ｆ（ω）＝∫f（ｔ）e^-j〓^tdt の如く得られることから、媒体１上の非線型パラ
メータ（Ｂ／Ａ）は、上記第(4)式で与えられる位
相偏移量Δφを、ポンピング波の周波数を掃引せ
しめて夫々の周波数毎に求め、フーリエ変換する
ことによつて位置の関数として求めることができ
る。

換言すると、媒体１内の走査線４Ｃ上の非線形
パラメータの分布を空間周波数領域にフーリエ逆
変換した際の、上記走査線４Ｃ上でみえるポンピ
ング波の見掛け上の波長を波長とする空間周波数
成分が上記位相偏移量Δφであるとみて、フーリ
エ変換を行うことによつて、上記非線型パラメー
タの分布を抽出することができる。

このようにすることによつて、ポンピング波の
圧力｜Δp_p｜が位置（ｙ、ｚ）に拘らず略一定と
したときの非線型パラメータＢ／Ａのｚ軸上の空
間分布を求めることが可能となる。即ち、第２図
図示の各点５−１，５−２，……における非線型
パラメータＢ／Ａを求めることができる。ただポ
ンピング波の周波数f_pが高くなつてポンピング波
の圧力の減衰が無視できない場合には、第(4)式に
おいて （Ｂ／Ａ）・｜Δp_p｜ を位置（ｙ、ｚ）の関数として、上記と同様のフ
ーリエ変換を行い （Ｂ／Ａ）・｜Δp_p｜ なる値の空間分布を求めることができる。

なお、上記非線型パラメータＢ／Ａを求めるに
当つて、角度θ＝90゜の場合には、ポンピング周
波数の圧力が減衰を生じる場合においても、ｚ軸
上では｜Δp_p｜を略一定とみることが比較的容易
であるという利点をもつている。また、この場合
において、系全体を浸漬している水の代りに、生
体の平均減衰定数に近い減衰定数をもちかつ伝播
速度も生体に近い液体を用いるようにすると、上
記圧力｜Δp_p｜をｚ軸上において実質上一定にす
ることができる。

第５図は本発明の一実施例構成を示している。
図中の符号１，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，６は第４図に
対応し、８は媒体１を含む系を浸漬している液槽
であつて無反射吸音材で内壁を覆われているも
の、９は測定系、１０はポンピング波駆動系、１
１は測定波駆動回路であつてクロツク制御系１８
の制御の下にポンピング波用発振器２１と同期し
て例えば3.5MHzの正弦波を発生して送信器４Ａ
を駆動するもの、１２は可変位相偏移回路であつ
てポンピング波の出力が存在しないときに図示出
力Ｒが最大値をとりかつ図示出力Ｉが零になるよ
う位相を調整するもの、１３，１４は夫々乗算直
交検波器、１５は約90゜位相シフタ、１６，１７
は夫々アナログ・デジタル変換器、１８はクロツ
ク制御器であつてシステム全体のクロツクや時間
的制御を行うもの、１９はコンピユータであつて
上記出力ＲとＩとにもとづいて上述の位相偏移量
Δφを Δφ＝tan^-1（Ｉ／Ｒ） −(6) なる形で計算しかつ非線型パラメータＢ／Ａの空
間分布を計算するもの、２０は出力結果を表わし
ている。

また２１はポンピング波原振周波数ｆ用発生
器、２２は増幅器であつてポンピング波発生器６
を駆動するものを表わしている。なお、上記発生
器２１は例えばｆ＝1.6MHzの正弦波信号を発生
し、コンピユータ１９からの指示に対応して、ク
ロツク制御器１８のクロツクに同期する形で、
ｆ／２、ｆ／４、……の周波数信号（ポンピング
波）を発生する。

図示の場合、第４図を参照して説明した如く、
ポンピング波が供給された状態の下で測定値が媒
体１に供給され、受信器４Ｂにおいて受信され
る。図示出力ＲとＩとは、受信波におけるリアル
成分とイマージナル成分とに対応しており、コン
ピユータ１９は各ポンピング波の周波数毎に、第
(6)式にしたがう形で第(4)式に対応する位相偏移量
Δφ〓_eを求めることができる。そして、コンピユ
ータ１９は、これらの結果にもとづいて偏移量
Δφをフーリエ変換し、所望の走査線４Ｃ上での
非線型パラメータＢ／Ａの分布を得ることが可能
となる。

即ち、第(4)式は、上述の如く、 であり、第(3)式から １／λe＝f_p（１−cosθ）／C₀ である。したがつて また ｔ＝１−cosθ／C₀・ｚ とおくと、 Δφ（ω_p、ｙ）＝K∫〔Ｂ／Ａ〕（ｙ、ｔ）e^j〓^ptdt−
(8) となる。なお第(7)式におけるΔφ（ｙ）は周波数f_p
の関数でもあることから、第(8)式においてはΔφ
（ω_p、ｙ）として表記している。

一般に上述した如く関数ｆ（ｔ）をフーリエ変
換した式は Ｆ（ω）＝∫f（ｔ）e^-j〓^tdt−(9) であり、第(9)式をフーリエ逆変換した式は ｆ（ｔ）＝１／2π∫F（ω）e^j〓^t・dω −(10) である。

このことから、第(8)式において 〔Ｂ／Ａ〕_(y、_t)→Ｆ（ω） ｔ→ω dt→dω Δφ（ω_p、ｙ）→ｆ（ｔ） とみなせば、第(8)式は第(10)式に対応するものであ
り、第(9)式に対応するものとして、 〔Ｂ／Ａ〕_(y、_t)＝K′∫Δφ（ω_p、ｙ）e^-j〓^ptdω_p
−(11) が第(8)式から導かれる。

第(11)式は、位相偏移量Δφ（ω_p、ｙ）とフーリ
エ変換して非線形パラメータの分布〔Ｂ／Ａ〕_(y、_t) を得ることに対応している。即ち、コンピユータ
１９では、ポンプ波の周波数f_p〔＝ω_p／2π〕をかえて 位相偏移Δφ（ω_p、ｙ）を測定し、第(11)式にした
がつて、パラメータの分布を得る。

第６図は、本発明の他の一実施例を示し、媒体
１上の非線型パラメータＢ／Ａについての２次元
および／または３次元分布を得るようにしたもの
を表わしている。図中の符号１，４Ａ，４Ｂ，４
Ｃ，６，８，９，１０は第５図に対応しててい
る。また、２２は送受信器載置部材であつて送受
信器を所定の位置関係の下で一緒に移動し得るも
の、２３はモータであつて送受信器載置部材を駆
動するもの、２４はスキヤン制御系であつて超音
波による走査線位置を指示するもの、２５はイメ
ージ・メモリであつて測定系から得られた各走査
線位置毎の非線型パラメータＢ／Ａの分布結果を
して各走査線位置毎に格納するもの、２６は表示
装置を表わしている。

(E) 発明の効果 以上説明した如く、本発明によれば第(4)式の如
き形で得られる位相偏移量Δφについて、ポンピ
ング波の周波数を掃引せしめて夫々求め、フーリ
エ変換処理によつて、非線型パラメータＢ／Ａま
たはその関連量の空間分布を抽出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の前提問題を説明
する説明図、第４図は本発明における原理を説明
する説明図、第５図は本発明の一実施例構成、第
６図は本発明の他の一実施例を示す。 図中、１は超音波媒体（又は生体）、４Ａは測
定波送信器、４Ｂは測定波受信器、４Ｃは走査線
（又は伝播路）、６はポンピング波発生器、８は液
槽、９は測定系、１０はポンピング波駆動系、２
４はスキヤン制御系、２６は表示装置を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波媒体に超音波音圧を印加し、当該超音
   波音圧に対する物理定数の非線型定数またはその
   関連量についての上記超音波媒体内における空間
   的分布を測定する超音波診断処理方式において、
   上記媒体内に圧力を発生せしめるための比較的低
   周波数のポンピング波を当該媒体内に供給すると
   共に、当該ポンピング波の進行方向と交差する方
   向に印加される比較的高周波数の測定波を上記媒
   体内に供給するよう構成し、かつ上記ポンピング
   波の周波数を変化せしめる手段をもうけ、上記ポ
   ンピング波が存在しない場合における上記測定波
   の受信位相と上記ポンピング波が存在する場合に
   おける上記測定波の受信位相との位相偏移量につ
   いて、上記ポンピング波の各周波数毎に求め、当
   該位相偏移量が、非線型定数またはその関連量の
   分布を空間周波数領域にフーリエ逆変換した際
   の、当該ポンピング波の測定波走査線上の実効波
   長を波長とする空間周波数成分であるとみなし
   て、上記位相偏移量をフーリエ変換することによ
   つて、上記媒体内の上記測定波走査線上の非線型
   定数またはその関連量の分布を測定するようにし
   たことを特徴とする超音波診断処理方式。 ２ 上記測定波の走査線位置を変更可能に構成さ
   れ、上記超音波媒体内における上記非線型定数ま
   たはその関連量の２次元的および／または３次元
   的空間分布を測定するようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の超音波診断処理方
   式。