JPH02142547A - 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信し、被検体内からの
反射波を受信し、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 従来、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。

この超音波診断装置としては、生体内に超音波を送信し
、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。このパルス反
射法は、通常、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次元的に集めて表示する
ことにより断層像を得るものである。しかし、近年、主
に生体内組織の形状判断を行う超音波診断装置に対し、
生体内組織の形状のみならず、質の情報も得たいという
要望が高まっている。このような生体内組織の質に関す
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、音速等を計測することにより得
ることができる。

この超音波の減衰係数を計測する超音波計測装置として
、例えばウルトラソニック・イメージング：　ＵＴ、Ｔ
ＲＡＳＯＮＩＣＩＭＡＧＩＮＧ、　Ｖｏｌ、　５　、　
Ｎｏ２　。

１９８３、１１７〜１３５頁に記載されている構成が知
られている。以下、第５図を参照しながら上記従来の超
音波計測装置について説明する。

第５図において、１０１は被検体１０２に対して超音波
を送信し、被検体１０２からの反射波を受信する超音波
変換器、１０３は超音波変換器１０１を駆動するパルス
駆動器、１０４は超音波変換器１０１の受信信号を増幅
する受信回路、１０５は受信回路１０４の出力から周波
数分析を行う周波数分析器、１０６は周波数分析器１０
５の出力から演算を行う演算部である。

一次に上記従来例の動作について説明する。

まず、パルス駆動器１０３より送出された駆動パルスが
超音波変換器１０１に加えられ、超音波変換器１０１は
超音波パルスを発生する。発生した超音波パルスは被検
体１０２の中を伝搬しながら組織の音響的性質に対応し
て次々に散乱され、その一部は伝搬径路、すなわち音響
走査線上を逆行して超音波変換器１０１へ到達し、受信
信号に変換される。

この過程で、超音波パルスは生体組織の超音波減衰特性
や超音波散乱特性の影響を受ける。受信信号は受信回路
１０４で増幅され、周波数分析器１０５で中心周波数が
求められる。中心周波数の求め方としては、ゼロクロス
カウンタ、あるいは高速ツーＪ工変換手法（ＦＦＴ　）
等を利用した方法がある。

この中心周波数は伝搬距離、超音波の減衰係数に依存す
る値である。演算部１０６では、周波数分析器１０５の
中心周波数出力から超音波の減衰係数を求める。以上の
説明では被検体１０２の超音波散乱係数の影響が無いも
のとしている。

発明が解決しようとする課題 しかし、上記のような従来例の構成では、被検体１０２
において、同じ組織においても少し場所が異なると、超
音波散乱状態がかなり変化するが、この超音波散乱特性
の影響を大きく受けるので、中心周波数から被検体１０
２特有の超音波減衰特性を求めると、誤差が大きくなる
という課題があった。

本発明は、従来技術の以上のような課題を解決するもの
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、超音波伝搬径路の散乱特性
を相殺し、正確に特定部位の超音波減衰特性を計測する
ことができるようにした超音波計測装置を提供すること
を目的とするものである。

課題を解決するだめの手段 本発明は、上記目的を達成するために、ポンプ波パルス
を送出する第１の超音波変換器と、上記ポンプ波パルス
より周波数の高いプローブ波パルスを送出する第２の超
音波変換器と、上記第１及び第２の超音波変換器を扇形
走査する超音波変換器走査部と、上記第１及び第２の超
音波変換器を位相制御駆動し、プローブ波パルスをポン
プ波パルスの粒子加速度の正負のピーク位置に重畳させ
る制御駆動部と、上記第２の超音波変換器の出力である
受信信号を記憶するメモリと、このメモリに記憶された
上記受信信号を別々に加算する加算平均部と、この加算
平均部で重み付け加算する時に用いる重み付け値を記憶
している重み付け特性部と、上記加算平均部の出力を任
意の区間抜き出すウィンドウ特性部と、このウィンドウ
特性部で抜き出されたデータにより受信信号のスペクト
ルを算出する周波数分析部と、この周波数分析部の出力
より被検体の音響特性を演算する演算部を備えたもので
ある。

または、上記超音波変換器走査部が第１及び第２の超音
波変換器を扇形走査に替えてリニア走査するようにした
ものである。

作　　　　用 本発明は、上記の構成により次のような作用を有する。

すなわち、ポンプ波パルスの粒子加速度正負のピーク位
置にプローブ波パルスを重畳させた時の時間的、空間的
に近い複数の受信信号を加算平均し、ポンプ波パルスの
粒子加速度ピーク位置の符号に対応した２つのスペクト
ル分布を求めて比較することにより、被検体の複雑な散
乱特性を相殺して被検体内の音響特性を求める。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図（ａ）、　（ｂ）、（Ｃ）は本発明の一実施例に
おける超音波計測装置を示し、同図（ａ）は全体の機能
ブロック図、同図（ｂ）は制御駆動部の機能ブロック図
、同図（Ｃ）は信号処理部の機能ブロック図である。

第１図（ａ）において、■は低周波帯の第１の超音波パ
ルスであるポンプ波パルスを送出する第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
音波パルスであるプローブ波パルスを送出する第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を機械的に、または電子的に扇形走査させる
超音波変換器走査部、４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
り、この制御駆動部４は第１図（ｂ）に示すように第１
の超音波変換器１を駆動するパルス駆動器１１　と、第
２の超音波変換器２を駆動するパルス駆動器１２と、パ
ルス駆動器１１及び１２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１３とから構成されている。第
１図（ａ）において、５は第２の超音波変換器２の出力
である受信信号を増幅する受信回路、６は受信回路５の
出力に信号処理を行う信号処理部であり、この信号処理
部６は第１図（Ｃ）に示すように構成されている。

第１図（Ｃ）において、２１は受信回路５から出力され
た受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、　
２２はＡ、／Ｄ変換器２１　の出力を記憶するメモリ、
２３はメモリ２２の書き込みアドレスを発生させる書き
込みアドレス発生部、２４はメモリ２２の読み出しアド
レスを発生させる読み出しアドレス発生部、２５　、２
６はメモリ２２　の出力を加算する加算平均部、２７は
加算平均部２５に重み付け値を与える重み付け特性部、
２８は加算平均部２６に重み付け値を与える重み付け特
性部、２９は加算平均部２５の出力を任意の区間抜き出
すウィンドウ特性部、３０は加算平均部２６の出力を任
意の区間抜き出すウィンドウ特性部、　３１はウィンド
ウ特性部２９で抜き出されたデータにより受信信号のス
ペクトルを算出する周波数分析部、３２はウィンドウ特
性部３０で抜き出されたデータにより受信信号のスペク
トルを算出する周波数分析部、３３は周波数分析部３１
　、３２の出力より被検体１０の音響特性である超音波
減衰特性を演算する演算部である。第１図（ａ）におい
て、６は制御駆動部４の遅延制御部１３（第１図（ｂ）
参照）、信号処理部６のＡ／Ｄ変換器２１（第１図（Ｃ
）参照）ヘクロックを供給するクロｙり源、８は信号処
理部６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、プローブ波パルスとポンプ波パルスの関係につい
て説明する。プローブ波パルスの一例を第２図（ａ）に
示し、ポンプ波パルスの一例を第２図（ｂ）に示す。第
２図（Ｃ）はプローブ波パルスとポンプ波パルスが重畳
された例を示す。これらの波形は制御駆動部４の遅延制
御部１３の制御によるものである。ポンプ波パルスの中
心周波数は、例えばＱ、３　ＭＨｚ　、　　プローブ波
パルスの中心周波数は、例えば３ＭＨ２であり、これら
の中心周波数は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で、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れている。ポ
ンプ波パルスの波長をＡ１プローブ波パルスのパルス長
をｔとしたとき、次の（１）式の関係に設定するのが望
ましい。

Ｚｔ＜Ａ　　　　　　　　　　　　　・・・・（１）上
記（１）式の関係を満たすと、プローブ波パルスの変調
特性の解析を容易に行うことができる。

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。通常の超音波診断装置で用い
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
いる。その原因は次の（２）式により簡単に説明するこ
とができる。

△Ｃ−（１＋Ｂ／２Ａ）・Ｕ　　　・・・・・・（２）
ここで、Ｕ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、ΔＣは非線形効果に基づく音速の変化
分である。上記（２）式は、音波の粒子速度Ｕの方向が
音波進行方向と一致するとき音速変化Δｃ？ｉ増大し、
逆方向の場合には減少し、結果的に音波の波形が歪むこ
とを示す。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（ａ）に伝搬に伴
うポンプ波パルスの歪を示したものであり、第３図（ｂ
）は第３図（ａ）に示すポンプ波パルスの歪により、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圧
縮され、高周波側ヘシフトしている状態を示したもので
ある。また、逆にポンプ波パルスの粒子力ロ速度が負の
ピーク位置にプローブ波パルスを重畳させた場合には、
伝搬に伴い伸張され、低周波側にシフトする。従って、
中心周波数が高周波側にシフトする場合と低周波側にシ
フトする場合の差をとれば、非線形効果に基づく中心周
波数の変化量を大きく得ることが可能になる。ポンプ波
パルスの粒子加速度が正のピーク位置にプローブ波パル
スを重畳させた時のプローブ波パルスの受信信号のスペ
クトルをＰ＋（ω）、ポンプ波パルスの粒子加速度が負
のピーク位置にプローブ波パルスを重畳させた時のプロ
ーブ波パルスの受信信号のスペクトルをＰ−（ω）とす
ると、Ｐ＋（ω）は次の（３）式で表わされる。

Ｐ＋（ω）＝Ｈ士（ω）・Ｓ±（ω）・Ｇ（ω）・Ｔ（
ω）（３）上記（３）式において、）−Ｉ±（ω）は変
調されたプローブ波スペクトル、Ｓ±（ω）は被検体１
０内の散乱特性、Ｇ（ω）は散乱後の伝搬に伴う減衰特
性、Ｔ（ω）はプローブ波パルス用振動子の特性である
。変調された２つの受信信号のスペクトルＰ±（ω）の
比をとると、次の（４）となる。

変調されたプローブ波パルスのスペクトルＨ−ｆｆｌω
）に対し、被検体１０内の散乱特性Ｓｆ（ω）があまり
変化しないとするならば、上記（４）式は次の（５）式
のように近似される。

上記（５）式において、Ｐ＋（ω）の比は、被検体ｌ。

内の複雑な散乱特性Ｓ±（ω）を含まず、単純に変調さ
れたプローブ波パルスのスペクトルＨ±（ω）の比とな
る。このスペクトルＨ±（ω）の比が１となる周波数を
ｆＸ、ｌ！−すると、この周波数ｆｘは被検体の減衰特
性や非線形パラメータＢ／Ａ値等に依存する値であるこ
とが解析的に求められる。以上より変調されたプローブ
波パルスの受信信号スペクトルＰ±（ω）の比が１とな
る周波数を算出することにより、被検体内の音響的性質
を求めることができる。

次に、これらの受信信号が処理される過程を説明する。

第１図（ａ）に示す第１の超音波変換器】及び第２の超
音波変換器２は、超音波変換器走査部３により被検体１
０に対し機械的に、または電子的に扇形走査される。そ
して、まず、第１図（ｂ）に示す制御駆動部３の遅延制
御部１３は、プローブ波パルスがポンプ波パルスの粒子
加速度圧のピーク位置に重畳されるようにパルス駆動器
１１及びパルス駆動器１２を制御する。第１の超音波変
換器１と第２の超音波変換器２から送出されたポンプ波
パルスとプローブ波パルスは、被検体１０の中を伝搬し
ながら、プローブ波パルスは非線形現象に基づく伝搬歪
を生じて変調される。同時に被検体１０内の音響的質の
変化に対応して次々に散乱され、その一部は第２の超音
波変換器２に到達し、受信信号に変換される。この受信
信号は受倍回路５でＳ／Ｎ良く増幅された後、信号処理
部６に入力される。受信回路５の出力は、第１図（Ｃ）
に示す信号処理部６内のＡ／Ｄ変換器２１でデジタル信
号に変換され、メモリ２２　における書き込みアドレス
発生部２３の示す位置に記憶される。

次に、第１図（ｂ）に示す遅延制御部１３は、プローブ
波パルスがポンプ波パルスの粒子加速度負のピーク位置
に重畳されるようにパルス駆動器１１及びパルス駆動器
１２を制御する。第１の超音波変換器１と第２の超音波
変換器２から送出されたポンプ波パルスとプローブ波パ
ルスは、上記と同様に被検体１０内の音響的質の変化に
対応して次々に散乱され、その一部は第２の超音波変換
器２に到達し、受信信号に変換され、受信回路５を通シ
、信号処理部６のＡ／Ｄ変換器２１でデジタル信号に変
換され、メモリ２２における書き込みアドレス発生部２
３の示す位置に記憶される。この動作を繰り返すことに
より、第４図に示すように受信信号を測定する。第４図
において、実線はプローブ波パルスがポンプ波パルスの
粒子加速度圧のピーク位置に重畳した時の受信信号を示
し、破線はプローブ波パルスがポンプ波パルスの粒子加
速度負のピーク位置に重畳した受信信号を示している。

受信信号のスペクトルＰ±（ω）の比を求める場合、時
間的、空間的に同一の部位からの受信信号が必要である
が、第４図に示すように同一部位からの受信信号のスペ
クトルＰ±（ω）は無い。そこで、第４図に示す受信信
号群より平均化処理を行い、受信信号のスペクトルＰ±
（ω）を求める。まず、プローブ波パルスがポンプ波パ
ルスの粒子加速度圧のピーク位置に重畳した時の受信信
号を複数個、例えば第４図に示す１＋、　２＋、　３＋
、・・・８＋の８個を第１図（Ｃ）に示すメモリ２２か
ら読み出しアドレス発生部２４のアドレスにより読み出
し、加算平均部１５に転送する。同様に、プローブ波パ
ルスがポンプ波パルスの粒子加速度負のピーク位置に重
畳したときの受信信号１．２．３、・８をメモリ２２か
ら読み出しアドレス発生部２４のアドレスにより読み出
し、加算平均部２６に転送する。次に加算平均部２５　
、２６はメモリ２２から転送されてきた８個の受信信号
を加算平均する。

但し、この加算平均を行う場合、例えば真中の受信信号
４　と５がピークとなるような例えばガウス分布で重み
付けし、加算平均することで音場補正を行う。このとき
用いる重み付け値は、あらかじめ重み付け特性部２７及
び２８に記憶させておく。次に、加算平均部２５の出力
はウィンドウ特性部２９において、算出しようとする部
位の被検深さに対応するデータを、例えばハミングウィ
ンドウで、例えば２αに対応する領域を抜き出し、周波
数分析部３１で受信信号のスペクトルＰ＋（０りを算出
する。スペクトルＰ＋（ω）を周波数分析部３１　で算
出する方法は、高速フーリエ変換手法（ＦＦＴ　）等に
より実現できる。同様に、加算平均部２６の出力はウィ
ンドウ特性部３０で対象とする領域を抜き出し、周波数
分析部３２で受信信号のスペクトルｐ−（ω）を算出す
る。周波数分析部３１及び３２で算出された２つのスペ
クトルＰ＋（ω）は、演算部３３において、Ｐ±（ω）
の比が１となる周波数ｆｘを求め、この周波数ｆｘより
それに依存する音響特性を求め、表示部８に転送して表
示する。

以上の説明では、第１の超音波変換器１と第２の超音波
変換器２を超音波変換器走査部３により扇形走査しなが
ら変調された受信信号を第４図のように測定しているが
、扇形走査することなく、同一部位において、プローブ
波パルスをポンプ波パルスの粒子加速度圧のピーク位置
に重畳させた時の受信信号と、プローブ波パルスをポン
プ波パルスの粒子加速度負のピーク位置に重畳させた時
の受信信号をメモリ２２　に記憶させ、次に超音波変換
器走査部３により第１の超音波変換器１と第２の超音波
変換器２を微少角度移動させ、同様な測定を繰り返して
も良い。この場合、重み付け特性部２７　、２８は同じ
重み付け値となる。また、扇形走査する時にプローブ波
パルスをポンプ波パルスの粒子加速度圧のピーク位置に
重畳させた時の受信信号だけをメモリ２２に記憶し、次
に同じ位置を扇形走査する時にプローブ波パルスをポン
プ波パルスの粒子加速度負のピーク位置に重畳させだ時
の受信信号をメモリ２２　に記憶させても良い。

この場合も重み付け特性部２７　、２８は同じ重み付け
値となる。更に、第１、第２の超音波変換器ｌ。

２は扇形走査に替えてリニアに走査させても良い。

発明の効果 以上述べたように本発明によれば、ポンプ波パルスの粒
子加速度圧のピーク位置にプローブ波パルスを重畳させ
た時の受信信号と、ポンプ波パルスの粒子加速度負のピ
ーク位置にプローブ波パルスを重畳させた時の受信信号
の分布を得、これらの受信信号をそれぞれ複数個抜き出
して重み付け加算平均し、この出力を周波数分析して演
算することにより精度良く被検体の音響特性を算出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は本発明の一実施例にお
ける超音波計測装置を示し、同図（ａ）は全体の機能ブ
ロック図、同図（ｂ）は制御駆動部の機能ブロック図、
同図（Ｃ）は信号処理部の機能ブロック図、第２図（ａ
）はプローブ波の一例を示す図、第２図（ｂ）はポンプ
波パルスの一例を示す図、第２図（Ｃ）ハフローブ波パ
ルスとポンプ波パルスが重畳された例を示す図、第３図
（ａ）は伝搬に伴うポンプ波パルスの歪を示す図、第３
図（ｂ）はポンプ波パルスの歪により重畳されたプロー
ブ波パルスの中心周波数が伝搬に伴い圧縮され、高周波
側ヘンフトしている状態を示す図、第４図は本発明によ
り得られた受信信号の説明図、第５図は従来の超音波計
測装置を示す機能ブロック図である。 １．２・・・超音波変換器、３・・・超音波変換器走査
部、４・・・制御駆動部、５・・・受信回路、６・・・
信号処理部、７・・・クロック源、８　・表示部、９・
・主制御部、１０・・・被検体、１１　、１２　　・パ
ルス駆動器、１３　　・遅延制御部、２１・・・Ａ／Ｄ
変換器、２２メモリ、２３・・−書き込みアドレス発生
部、２４読み出しアドレス発生部、２５．２６・・加算
平均部、２７　、２８・・・重み付け特性部、２９　、
３０・・・ウィンドウ特性部、３１　、３２・・・周波
数分析部、３３　　演算部。 特許出願人　工業技術院長　飯　塚　幸　三１図 第１図 ＜ｂ） ４なＩＪ御扁Ｉ歎帥 ＼ ３邦音殖愛秋番丈食部 第 図 竺 図 （ｂ） 君き 図 第 図 ｏ３

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ポンプ波パルスを送出する第１の超音波変換器と
   、上記ポンプ波パルスより周波数の高いプローブ波パル
   スを送出する第２の超音波変換器と、上記第１及び第２
   の超音波変換器を扇形走査する超音波変換器走査部と、
   上記第１及び第２の超音波変換器を位相制御駆動し、プ
   ローブ波パルスをポンプ波パルスの粒子加速度の正負の
   ピーク位置に重畳させる制御駆動部と、上記第２の超音
   波変換器の出力である受信信号を記憶するメモリと、こ
   のメモリに記憶された上記受信信号を別々に加算する加
   算平均部と、この加算平均部で重み付け加算する時に用
   いる重み付け値を記憶している重み付け特性部と、上記
   加算平均部の出力を任意の区間抜き出すウィンドウ特性
   部と、このウィンドウ特性部で抜き出されたデータによ
   り受信信号のスペクトルを算出する周波数分析部と、こ
   の周波数分析部の出力より被検体の音響特性を演算する
   演算部とを備えた超音波計測装置。
2. （２）超音波変換器走査部が第１及び第２の超音波変換
   器を扇形走査に替えてリニア走査する請求項１記載の超
   音波計測装置。