JPH0222661B2

JPH0222661B2 -

Info

Publication number: JPH0222661B2
Application number: JP60156074A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Noda; Takashi Ito; Koroku Namekawa; Chihiro Kasai
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-17
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1990-05-21
Also published as: JPS6216743A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は生体内温度計測装置、特に被検体内に
超音波パルスを送受波して所定の被検部位からの
反射エコーを分析処理することによつて生体内温
度を無侵襲で計測することのできる改良された装
置に関する。

［従来の技術］生体内に超音波、マイクロ波あるいはRF波等
によつて波動エネルギを与え、生体内に温度上昇
を生じさせることが各種の治療装置、特にハイパ
サーミア（温熱療法）に実用化されており、悪性
腫瘍の効果的な治療方法として注目されている。

この温熱療法は、悪性腫瘍に43℃程度の温度を
与えてその組織を縮退させて癌などを治療するも
のであるから、生体内の他の組織に対しても大き
な影響を与え、正常組織を壊死させてしまう場合
がある。

従つて、生体内組織に温熱療法を施す場合に
は、悪性腫瘍の周辺組織の温度に対して十分に注
意する必要があり、このために、超音波等を照射
する組織の温度分布を正確に測定することが極め
て重要となる。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、従来装置においては、このよう
な被検体深部の温度を無侵襲で正確に計測するこ
とがほとんど不可能であつた。現在実用されてい
る方法として、熱電対を被検体内に挿入すること
が行われているが、このような従来の侵襲的手法
では被検者に大きな苦痛を与えるばかりでなく、
悪性腫瘍への熱電対の挿入及び取出しの際に癌細
胞が他の正常組織に転移する危険性がある等の大
きな問題を有していた。

発明の目的本発明は前記従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、超音波を用いて無侵襲で正確
な温度計測ができる装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段及び作用］前記目的を達成するために、本発明は、被検体
内に超音波を送波し内部組織からの反射エコーを
受波する超音波トランスデユーサと、超音波送信
波の搬送周波数を有し互いに複素関係にある一組
の複素基準信号と受信信号（高周波信号）とを混
合して受信信号を複素信号に変換する複素信号変
換器と、前記複素信号の偏角を演算する偏角演算
器と、前記偏角演算器から出力された加温前と加
温後の偏角を記憶するメモリと、加温前と加温後
の複素信号の位相差を演算する位相差演算器と、
前記位相差から加温前加温後の被検体内部の音速
比を演算する音速比演算器と、前記音速比から温
度を演算する温度演算器とを含み、加温前後の超
音波受信信号を複素信号に変換して求めた音速比
により加温後の被検体内温度を測定することを特
徴とする。

以上のような構成により、まず超音波トランス
デユーサで得られた受信信号は複素信号変換器に
て直交検波され複素信号に変換される。これを加
温前と加温後の両者にて行い、これらの複素信号
の位相差を演算することにより生体内を伝搬した
超音波の音速比を演算する。

周知のように、成人の体温は体表面を除き一定
しており、通常37℃前後に保たれている。従つ
て、これら生体内の一定温度に保たれた各組織に
おける超音波の音速は一定とみなせる。しかし、
超音波等を生体内に照射すると、各組織の超音波
等の吸収係数の相違により各組織の加温効果が異
なつて被検体内に温度分布が生じる。そして、温
度の高い組織を伝搬する超音波の音速は温度が低
い場合の音速よりも速くなることから、生体内組
織を加温する前後の音速比を求めてやれば、無侵
襲で生体内の温度測定あるいは温度分布を知るこ
とができる。

このようにして、従来装置のように絶対音速を
求めて温度を測定しようとする極めて困難な方法
によることなく、音速の変化を捉えることによつ
て生体内の温度を容易に測定することが可能とな
る。

［実施例］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１図には、生体内温度計測装置の第１実施例
が示され、安定な高周波信号を発生する水晶発振
器１０の出力は分周同期回路１２に供給され、こ
の分周同期回路１２によつて所望周波数の各種出
力信号が得られる。これらの出力信号は、例えば
超音波パルスビーム送信用の繰返し周波数の送信
信号１００、複素変換のための複素基準信号１０
２，１０４、装置各部の同期を行うクロツク信号
１０６等である。

前記分周同期回路１２の出力である送信信号１
００は、駆動回路及び送受切換回路等を含む送受
波制御器１４を介してトランスデユーサ１６に供
給され、このトランスデユーサ１６から超音波パ
ルスビームが被検体１７に放射される。

そして、被検体１７からの反射エコーはトラン
スデユーサ１６によつて電気信号に変換され、送
受波制御器１４から高周波増幅器１８へ供給され
て所望の増幅作用が施される。ここで、超音波診
断装置にて生体内の断層像をＢモード表示を行う
場合には、増幅器１８の出力は検波器２０、Ａ／
Ｄ変換器２２を介してデジタル・スキヤン・コン
バータ（DSC）２４に供給される。

本発明において特徴的なことは、加温前と加温
後の超音波受信信号を複素信号に変換し、これら
複素信号の位相差を検出して加温前後の音速比を
求め、この音速比から生体内の温度を演算するこ
とであり、前記高周波増幅器１８の他方の出力は
複素信号変換器２６に供給され、複素信号に変換
される。

すなわち、第１実施例において、複素信号変換
器２６は、位相検波器を含む一組のミキサ２８
ａ，２８ｂと低域フイルタ３０ａ，３０ｂとＡ／
Ｄ変換器３２ａ，３２ｂとから構成され、ミキサ
２８ａ，２８ｂには、分周同期回路１２の出力で
ある複素基準信号１０２，１０４がそれぞれ供給
されている。この複素基準信号１０２，１０４
は、送受波の搬送周波数を有し、かつ互いに位相
差90゜を有するsinω₀t，cosω₀tの信号であり、こ
の複素基準信号１０２，１０４の信号は、ミキサ
２８ａ，２８ｂに既に入力れている受信信号と混
合され、両周波数の和と差の周波数の信号が出力
される。この信号が低域フイルタ３０ａ，３０ｂ
に供給されて差の周波数成分のみが取り出され
る。

次に、前述した複素変換を演算式により詳細に
説明する。ここで、超音波の送信波、受信波は実
際にはパルス波であるが、説明を簡単にするため
に連続波で表わす。

加温前、加温後の送信波W_t（ｔ）は、 W_t（ｔ）＝A_t・sinω₀t …(1) で表わせる。ただし、A_tは送信波の振幅、ω₀は
送信波の基本角周波数とする。

また、加温前の被検体からの反射エコーの受信
波W_b（ｔ）は、 W_b（ｔ）＝A_b・sin｛ω₀（ｔ−τ_b）＋φ_b｝ …(2) で表わせる。ただし、A_bは加温前の受信波の振
幅、τ_bは送信波の伝播にに要する時間、φ_bは受信
波の初期位相である。

そして、被検体の加温による反射波への影響
は、受信波の波高値より受信波の伝搬時間のほう
に大きく影響する。このため、加温前の受信波
W_b（ｔ）と加温後の受信波W_aとは伝搬時間だけ
が異なる波形であるとみなせる。従つて、加温後
の受信波W_a（ｔ）は、 W_a（ｔ）＝W_b（ｔ＋Δτ（ｔ））＝A_b・sin｛ω₀（ｔ＋Δτ（ｔ）−τ_b）＋φ_b｝ …(3) となる。ただし、Δτ（ｔ）は加温前、加温後の同
一部位からの反射エコーの到達時間差である。

ここで、加温前の受信波W_b（ｔ）を複素信号変
換器２６に入力した場合、ミキサ２８ａの出力は
複素基準信号１０２と受信高周波信号との積とな
る。

前述したように、複素基準信号１０２はsinω₀t
であり、他方の複素基準信号１０４はcosω₀tで
あるから、これらの基準信号の振幅を１とする
と、ミキサ２８ａの出力信号x_b（ｔ）は、 x_b（ｔ）＝W_b（ｔ）・sinω₀t ＝A_b／２｛cos（φ_b−ω₀τ_b） −cos（2ω₀t−ω₀τ_b＋φ_b）｝となる。そして、この出力は低域フイルタ
（LPF）３０ａで2ω₀の角周波数成分が除去され
るので、低域フイルタ３０ａの出力信号X_b（ｔ）
は、 X_b（ｔ）＝A_b／２cos（φ_b−ω₀τ_b） …(4) となる。

他方、ミキサ２８ｂの出力信号y_b（ｔ）は、 y_b（ｔ）＝W_b（ｔ）・cosω₀t ＝A_b／２｛sin（2ω₀t−ω₀τ_b ＋φ_b）＋sin（φ_b−ω₀τ_b）｝となる。そして、低域フイイルタ（LPF）３０
ｂの出力信号はX_b（ｔ）同様に、 Y_b（ｔ）＝A_b／２・sin（φ_b−ω₀τ_b） …(5) となる。

いま、複素基準信号１０２、すなわちsinω₀tを
乗算された出力信号を複素数の実数部、また複素
基準信号１０４、すなわちcosω₀tを乗算された
出力信号を複素数の虚数部に対応させることによ
つて、受信高周波信号を複素変換したことにな
る。

従つて、加温前の受信信号W_b（ｔ）を複素変換
した複素信号Z_b（ｔ）は次のように書き表わせる。

Z_b（ｔ）＝X_b（ｔ）＋jY_b（ｔ） …(6) ＝A_b／２・｛cos（φ_b−ω₀τ_b）＋jsin（φ_b−ω₀τ_b）｝＝A_b／２e^j(〓^b-〓₀〓^b) …(7) 同様に、加温後の受信信号W_a（ｔ）を複素変換
した複素信号Z_a（ｔ）は、 Z_a（ｔ）＝X_a（ｔ）＋jY_a（ｔ） …(8) ＝A_b／２［cos｛ω₀（Δτ（ｔ）−τ_b）＋φ_b｝＋jsin｛ω₀（Δτ（ｔ）−τ_b）＋φ_b｝］＝A_b／２e^j{〓₀ ⁽〓〓^(t)-〓^b)+〓^b} ＝Z_b（ｔ）・e^j〓₀〓〓^(t) …(9) となる。

以上のようにして複素変換された信号Z_b（ｔ），
Z_a（ｔ）は、Ａ／Ｄ変換器３２ａ，３２ｂによつ
てデジタル信号に変換される。前記Ａ／Ｄ変換器
３２には、分周周期回路１２から出力されたクロ
ツク信号１０６が供給されこのクロツク信号１０
６によるサンプリングが行われる。

第１実施例においては、この複素変換された信
号Z_b（ｔ），Z_a（ｔ）は偏角演算器３４によつて複
素信号出力のそれぞれの偏角θ_b（ｔ），θ_a（ｔ）が
求められる。すなわち、各偏角は、 θ_b（ｔ）＝tan^-1（Y_b（ｔ）／X_b（ｔ）） …(10) θ_a（ｔ）＝tan^-1（Y_a（ｔ）／X_a（ｔ）） …(11) として求められる。

そして、この偏角θ（ｔ）をマトリツクスメモ
リ３６に記憶する。前記マトリツクスメモリ３６
にはクロツク信号１０６が供給され、該クロツク
信号によつて書き込み・読み出しが行われる。

このようにして、測定対象領域とする断層像の
走査線（Ｂモード）に対応するすべての加温前の
反射エコーの受信信号W_b（ｔ）を複素変換し、偏
角θ_b（ｔ）をマトリツクスメモリ３６ｂに記憶す
る。同様に、加温後の同一部位からの反射エコー
の受信信号W_a（ｔ）を複素変換し、偏角θ_a（ｔ）
をマトリツクスメモリ３６ａに記憶する。

その後、同一部位に対応する加温前、加温後の
偏角θ_b（ｔ），θ_a（ｔ）を同時に読み出し、位相差
演算器３８でそれらの差を求めると、同一深さの
加温前の反射エコーと加温後の反射エコーの到達
時間差Δτ（ｔ）が次のように求まる。

θ_a（ｔ）−θ_b（ｔ）＝arg（Z_a（ｔ））−arg（Z_b（ｔ））…(12) ＝arg（Z_a（ｔ）／Z_b（ｔ））＝ω₀Δτ（ｔ） …(13) ただし、ω₀は送信波の基本角周波数であるの
で、既知の定数である。

前記位相差は到達時間差Δτ（ｔ）を表わし、こ
の到達時間差Δτ（ｔ）は次の音速比演算器４０に
供給され、到達時間差Δτ（ｔ）から同一部位の加
温前の音速と加温後の音速との比が求められる。
以下に、この音速比演算器４０の演算を説明す
る。

加温前の被検体１７内の平均音速を₀とする
と、深さｘの距離からの反射エコーの到達時間τ
（ｘ）とは次の関係が成り立つ。

従つて、送信時刻をｔ＝０として、反射エコー
の受信時刻をｔと表わすと、到達時間τ（ｘ）＝ｔ
と距離（深さ）ｘとが対応する。

ここで、被検体１７内の加温前の音速分布を
C_b（ｘ）とし、加温後の音速分布をC_a（ｘ）とす
る。生体内の深さｘの位置を加温した場合につい
て考えると、加温前では、第３図ａに示されるよ
うに、音速分布が一定となり、加温後では、深さ
ｘの位置を最高点として、第３図ｂに示されるよ
うな音速分布となる。そして、このときの深さｘ
から反射される加温前と加温後の反射エコーは、
第４図に示されるように、Δτ（ｘ）だけ到達時間
のずれたものとなる。

被検体内部の深さｘからの加温前の反射エコー
において、送信時刻から受信時刻までの時間を到
達時間としてτ_b（ｘ）と表わすと、となる。

また、加温後の被検体内部の音速分布C_a（ｘ）
をC_a（ｘ）＝C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）と表わすと、被検
体内部の深さｘの距離からの反射エコーの到達時
間τ_a（ｘ）は、 τ_a（ｘ）＝2∫^x ₀１／C_a（ｘ）dx ＝2∫^x ₀１／C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）dx…(15) となる。

従つて、加温前の到達時間τ_b（ｘ）と加温後の
到達時間τ_a（ｘ）との到達時間差Δτ（ｘ）は、 Δτ（ｘ）＝τ_b（ｘ）−τ_a（ｘ）＝2∫^x ₀１／C_b（ｘ）dx −2∫^x ₀１／C_a（ｘ）dx ＝2∫^x ₀ΔC（ｘ）／C_b（ｘ）｛C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）
｝dx…(16) となる。

なお、加温前の到達時間τ_b（ｘ）を基準にして、
到達時間差Δτ（ｘ）の符号を、加温後の反射エコ
ーが進む場合は正とし、遅れる場合を負と定義す
ると、（12）式の偏角の符号が進み、遅れを表わ
すことになる。

ここで、到達時間差Δτ（ｘ）を距離ｘで微分す
ると、 dΔτ（ｘ）／dx ＝２ｄ／dx｛∫^x ₀ΔC（ｘ）／C_b（ｘ）｛C_b（ｘ）＋ΔC
（ｘ）｝dx｝＝２［ΔC（ｘ）／C_b（ｘ）｛C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）｝
］…(17) となる。

そして、（13）式の到達時間差Δτ（ｔ）を時間
で微分し、（17）式を代入すると、 dΔτ（ｔ）／dt＝Ｃ_０／―／２・dΔτ（ｘ）／dx ＝₀［ΔC（ｘ）／C_b（ｘ）｛C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）
｝］…(18) となる。（ここで、Δτ（ｔ）＝Δτ（ｘ）の関係を利
用した。）加温前の被検体内部の音速分布C_b（ｘ）が平均
音速₀で分布しているとすると（18）式は、 dΔτ（ｔ）／dt＝ΔC（ｘ）／C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）
…(19) となる。

次に、加温前、加温後の深さｘの距離での音速
比C_a（ｘ）／C_b（ｘ）を求めると、 C_a（ｘ）／C_b（ｘ）＝C_b（ｘ）＋ΔC（ｘ）／C_b（ｘ
）＝１＋ΔC（ｘ）／C_b（ｘ） …(20) となる。

（19）式を変形して（20）式に代入すると、音
速比は、 C_a（ｘ）／C_b（ｘ）＝１／１−（dΔτ（ｔ）／dt）
…(21) となる。

従つて、音速比演算器４０では、位相差演算器
３８からの出力信号を送信信号の期基本角周波数
ω₀で割つた値を時間微分して、dΔτ（ｔ）／dtの
信号を求め、この値を（21）式に代入することに
より、音速比C_a（ｘ）／C_b（ｘ）を求めることが
できる。

前記、音速比演算器４０の出力は、温度演算器
４２に供給され生体内の温度が求められる。

生体内の音速C_iは、InVitro，InVivoにかかわ
らず、35℃〜45℃程度の温度範囲では、温度T_iの
一次関数にほぼ近似できる。音速C_iを温度T_iの関
数として、次のように表わす。

C_i＝ａ・T_i＋ｂ …(22) ただし、ａ，ｂは生体内の組織によつて決まる
定数である。

いま、被検体１７内の深さｘの距離の加温前の
生体組織の温度をT_b（ｘ）（37℃）とし、加温
後の温度T_a（ｘ）として、同一部位の加温前の音
速C_b（ｘ）と加温後の音速C_a（ｘ）との比を求め
ると、 C_a（ｘ）／C_b（ｘ）＝ａ・T_a（ｘ）＋ｂ／ａ・T_b（ｘ
）＋ｂとなる。

従つて、被検体１７内の深さｘの距離にある生
体組織の加温後の温度T_a（ｘ）は次の式によつて
与えられる。

T_a（ｘ）＝（C_a（ｘ）／C_b（ｘ））・T_b（ｘ）＋（C_a（ｘ）／C_b（ｘ）−１）・（ｂ／ａ）…(2
3) ただし、加温前の温度T_b（ｘ）は被検体内にお
いてほぼ一定な値で、通常37℃で近似できる。ま
た、（ｂ／ａ）の値は測定対象の生体組織によつ
て決まる。それゆえ、測定対象となる各組織につ
いて、前もつて実測する。例えば、（ｂ／ａ）の
値として、水の場合は約865［℃］、肝臓の場合は、
ImVitro，ImVivoで多少違うが、1220〜1330
［℃］の値に設定される。

このようにして、音速比演算器４０の出力信号
に基づいて温度演算器４２で（23）式の演算が行
われる。このとき、測定対象領域内の最大温度値
と設定温度、例えば45℃と比較され、設定温度を
超えた場合には、この状態を知らせる信号１１０
（温度演算器４２）が出力される。

そして、この出力信号１１０は、分周同期回路
１２に切換器４８を介して接続された加温用送波
制御器４４に供給され、加温用送波制御器４４内
のパワーアンプを制御して照射パワーを下げるこ
とが行われる。更に、照射パワーを下げずに、加
温領域を移動させることも行われ、加温領域内の
温度分布が設定温度で広く加温されるようにする
ことも行われる。

なお、このような加温制御は、分周同期回路１
２から出力される制御信号１０８に基づいて行わ
れ、加温用照射器４６の照射時刻及び照射時間を
制御する。

本発明において、超音波診断装置と組み合わせ
て使用する場合には、診断装置の表示画像上に写
し出された生体内の断層像に重ねてその温度分布
をカラー表示するようにしており、温度演算器４
２の出力は切換器５０を介してDSC２４に供給
され記憶される。

そして、DSC２４から出力される温度信号は
カラーコンバータ５２に供給される。このカラー
コンバータ５２では、温度情報を含む信号の大き
さに対応させた色調にするため、例えば赤（Ｒ），
緑(G)，青(B)の信号に変換し、Ｄ／Ａ変換器５４を
介してカラーTVモニタ５６に供給される。従つ
てカラーTVモニタ５６に写し出された超音波断
層像の各部位に温度情報が重ねてカラー表示さ
れ、生体内の温度分布を一目で確認することがで
きる。

次に、本発明の第２実施例を第２図に基づいて
説明する。なお、第１実施例と同一部材には同一
符号を付して説明を省略する。

第２実施例においては特徴的なことは、加温前
後の受信信号が複素信号に変換された後に、その
複素信号の偏角（第１実施例）を求めずに、複素
信号の実数部及び虚数部をそのままメモリに記憶
しておき、その後に直接加温前後の複素信号の位
相差を求めるようにしている。すなわち、第２図
に示されるように、複素信号変換器２６のＡ／Ｄ
変換器３２ａ，３２ｂから出力される複素信号の
実数部及び虚数部の信号がマトリツクスメモリ５
８ａ，５８ｂに供給される。そして、マトリツク
スメモリ５８に記憶されている複素信号の加温前
後の実数部及び虚数部に基づいて、位相差演算器
６０によつて加温前後の同一部位の複素受信信号
の位相差θ_ab（ｔ）が次式に従つて求められる。

θ_ab(t)＝arg（X_a（ｔ）＋jY_a（ｔ）／X_b（ｔ）＋jY_b（ｔ））…(24) ＝tan^-1（Y_a（ｔ）・X_b（ｔ）−X_a（ｔ）・Y_b（ｔ
）／X_a（ｔ）・X_b（ｔ）＋Y_a（ｔ）・Y_b（ｔ））＝ω₀
Δτ（ｔ）…(25) 前記位相差演算器６０の出力は音速比演算器４
０を介して温度演算器４２に供給されている。第
１実施例で説明したように、位相差θ_ab（ｔ）は到
達時間差Δτ（ｔ）を示しており、超音波の音速の
遅れ分（到達時間差Δτ（ｔ））すなわち複素信号
の位相差から所定の演算処理をすることにより被
検体内の温度変化が求められる。

前述したように、第１実施例の偏角演算器３４
を省略したので、第２実施例においては、複素信
号の位相差演算の処理が簡略化されるという利点
を有する。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、加温前
後の超音波受信信号を複素信号に変換してその複
素信号の位相差から音速比を求め温度を演算する
ようにしたので、生体内の温度を正確かつ迅速
に、また無侵襲で計測することが可能となり、ハ
イパサーミア等における生体内温度計測に極めて
有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る生体内温度計測装置を超
音波診断装置に適用した好適な第１実施例を示す
説明図、第２図は本発明の第２実施例を示す説明
図、第３図は被検体内の音速分布を示す説明図、
第４図は被検体からの反射エコーの到達時間を示
す説明図である。１０……水晶発振器、１２……分周同期回路、
１４……送受波制御器、１６……トランスデユー
サ、２６……複素信号変換器、２８……ミキサ、
３０……低域フイルタ、３２……Ａ／Ｄ変換器、
３４……偏角演算器、３６，５８……マトリツク
スメモリ、３８，６０……位相差演算器、４０…
…音速比演算器、４２……温度演算器。

Claims

【特許請求の範囲】１被検体内に超音波を送波し内部組織からの反
射エコーを受波する超音波トランスデユーサと、
超音波送信波の搬送周波数を有し互いに複素関係
にある一組の複素基準信号と受信信号とを混合し
て受信信号を複素信号に変換する複素信号変換器
と、前記複素信号の偏角を演算する偏角演算器
と、前記偏角演算器から出力された加温前と加温
後の偏角を記憶するメモリと、加温前と加温後の
複素信号の位相差を演算する位相差演算器と、前
記位相差から加温前後の被検体内部の音速比を演
算する音速比演算器と、前記音速比から温度を演
算する温度演算器とを含み、加温前後の超音波受
信信号を複素信号に変換して求めた音速比により
加温後の生体内温度を測定することを特徴とする
生体内温度計測装置。２特許請求の範囲１記載の装置において、前記
複素信号変換器から出力された複素信号の加温前
後の実数部及び虚数部をメモリに記憶して、これ
ら実数部及び虚数部から直接加温前後の複素信号
の位相差を演算することを特徴とする生体内温度
計測装置。