JPH0254095B2

JPH0254095B2 -

Info

Publication number: JPH0254095B2
Application number: JP59031516A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Fujii; Yoshimitsu Ishizuka
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1990-11-20
Also published as: DE3578226D1; EP0154869B1; JPS60176629A; US4646748A; EP0154869A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景Ａ技術分野本発明は、超音波を物体に送信し、物体の内部
からの反射超音波を受信して物体内部の音響特性
を測定する超音波測定装置の改良に係り、特に、
物体内部における超音波減衰の周波数依存性に関
する情報を提供する超音波測定装置に関する。Ｂ先行技術とその問題点超音波測定技術は現在、金属探傷、魚群探知、
医療診断分野等、広範囲にわたつて利用されてい
る。中でも医療用の超音波断層装置の最近の発展
には目をみはるものがある。この装置は原理的に
はパルス−エコー法を用い、生体内へ送信された
超音波パルスが生体内部の音響インピーダンスの
異なる境界で反射する現象を利用しており、この
反射波（エコー）を受信して、いわゆるＢモード
法による断層像を表示するものである。従つてこ
のエコーにはエコーの発生部位の反射散乱特性と
往復の伝搬路の減衰特性等、生体内部での超音波
の減衰度、音響インピーダンス、音速度等の情報
が含まれている。これらの有効な情報を含むにも
かかわらず、現在利用している情報はエコーの振
幅のみであり、具体的には生体内の音速を一定と
仮定し、さらに生体内の超音波伝播による減衰
は、いわゆるSTC（Sensitivity Time Control）
回路と呼ばれている回路によつて任意的に補正を
したエコー振幅値を輝度に変調し、ブラウン管上
に断層像として表示しているのみである。従つ
て、得られた断層像は、生体内部の音響インピー
ダンスの境界面の２次元的分布を定性的に画像化
しているにすぎず、必然的に生体組織の位置や形
に関する形態情報がその利用の中心となつてお
り、生体組織の特性である減衰度、音速等の測定
はなされていないのが現状である。生体組織の減衰情報を得ようとする試みがいく
つか報告されているが、後で詳しく述べるように
エコー信号には生体組織伝播による減衰と音響イ
ンピーダンスの異なる境界での反射強度の２つの
情報が含まれており、いずれも未知である。した
がつて厳密にこの２つの影響を分離することは今
のところ極めて困難であると言わざるを得ない。
反射強度が超音波の周波数に依存しないと仮定し
た場合には、２つ以上の複数の周波数によつて超
音波エコーを同一部分について送受信し、エコー
の各周波数成分の音圧比を測定すれば、反射強度
の影響をなくして減衰係数を求めることが可能と
なる（特開昭46−38490）。このような仮定は超音
波の波長に比べて十分大きな広がりをもつ、例え
ば平面反射板の場合には成立するが、実際の生体
組織では波長程度あるいはそれ以下の大きさの散
乱体も存在することが考えられるので、この仮定
は生体組織全体を考えたとき必ずしも成立すると
は限らない。生体組織のある部分で反射強度がほぼ一定であ
るという仮定をすれば、組織のその部分の前後に
於けるエコー音圧の比はそのまま減衰係数に比例
すると考えられる。また、反射強度の周波数依存
性の関数を仮定し、３つ以上の複数周波数によつ
て超音波エコーを同一部分について送受信し、エ
コーの各周波数成分の音圧から減衰係数を求める
という試みも報告されている（特開昭56−
147082）。以上のように、いずれの場合も反射強度につい
てある仮定をし、単数あるいは複数の周波数成分
をもつ超音波を送受信することで、減衰係数を分
離して測定するという方法をとつている。また減
衰と反射（散乱）情報を合わせた減衰度を測定す
る試みもいくつか報告されている（特開昭58−
24824、特開昭57−179745）。さらに、減衰度の周
波数依存性を測定する試みもいくつか報告されて
いる（特開昭57−89858、特開昭57−139326、特
開昭57−209040）これらの報告は基本的には生体
組織の関心ある領域に於けるエコー波形（信号）
について良く知られたフーリエ解析等によつて周
波数分析を行い、得られた周波数スペクトラムを
従来の断層像と併示しているものである。また関
心ある領域内での２つの点におけるスペクトラム
の差を表示してこの関心領域内の音響特性（減
衰）の周波数依存性の情報を与えているものであ
る。いずれにしても、得られる情報はスペクトラ
ムであり、従来の断層像という画像情報に比べて
これらのスペクトラムの形そのものの変化を捉え
て、組織の性状診断を行うことは、実際上困難と
言わざるを得ないし、また組織の拡がりに対する
スペクトラムの分布を実時間で捉えることも困難
であることが推測されよう。また多周波断層法によつて得られた異なつた周
波数の断層像の表示方式の一つとして、スペクト
ルカラー法を呼ばれている方法が良く知られてい
る。これは、テレビジヨン学会編「不可視情報の
画像化」(株)昭晃堂の第195〜196頁、日本超音波医
学会第28回研究発表会（1975.11.）の講演論文集
の28−27（第47〜48頁）および米国特許第4228804
号にその内容が報告されている。この方法は、異
なつた周波数によつて生体組織の減衰情報の周波
数依存性を捉えようとするものであるが、後で詳
しく述べるように複数の周波数によつて得られた
各周波数毎の断層像を単に重畳表示しているにす
ぎない。したがつてこの方法では減衰媒質（組
織）の厚さ、超音波探触子から測定しようとする
対象の媒質（組織）までの距離、および、対象組
織と探触子の間にある他の組織の影響によつて
元々同じ減衰度の組織でも違つた減衰量として測
定されるという根本的な問題点をかかえている。発明の目的本発明では、仮定を設けて減衰と反射（散乱）
を分離することなく、減衰と反射（散乱）を合わ
せて、その生体組織に於ける減衰度として取り扱
い、さらにこの減衰度の周波数依存性を実時間で
測定し画像化することで、従来得られながつた生
体組織の減衰情報を映像として提供することを目
的とする。本発明によれば、超音波パルスを被測定物体に
送信し、被測定物体から反射された超音波エコー
信号を検出することによつて、被測定物体の音響
特性を測定する超音波測定装置は、被測定物体に
広帯域の超音波パルスを送信する送信手段と、被
測定物体から反射された広帯域の超音波エコー信
号を受信し、所望の数の周波数帯域の信号を通過
させる帯域通過回路を有する受信手段と、受信手
段において得られた、所望の周波数帯域を有する
エコー信号から、被測定物体の所望の被測定領域
についてのエコー信号を識別し、被測定領域にお
ける２つの境界について測定された所望の数の周
波数帯域におけるエコー信号の比によつて、被測
定領域について、超音波の吸収係数、反射散乱係
数および透過散乱係数を含んだ減衰係数を算出す
る減衰係数算出手段と、算出された減衰係数を被
測定領域に対応した可視画像として表示する表示
手段とを含む。減衰係数算出工程は、被測定領域における２つ
の境界について測定された所望の複数の周波数帯
域におけるエコー信号の比によつて、被測定領域
の減衰係数の周波数依存度を算出する。送信手段は、表示手段に表示される可視画像が
実質上複数の走査線で形成されるように被測定物
体に対して超音波パルスを送信し、減衰係数算出
手段は、複数の走査線において所定数の走査線に
ついて平均をとつた減衰係数を算出する。表示手段は、所望の周波数帯域における減衰係
数を所望の色に対応して表示する。表示手段は、減衰係数の周波数依存度を所望の
色に対応して表示する。表示手段は、所望の周波数帯域における減衰係
数と所望の周波数帯域において帯域通過回路から
出力される高い周波数帯域の信号とを加算する。発明の具体的説明および作用以下第１図で、本発明の原理について詳細説明
を行う。超音波探触子４０から被測定物体１０へ送信さ
れた超音波パルスの振幅をV₀（）とする。但し
は超音波の周波数である。物体１０内の音響イ
ンピーダンスの不連続面２０（物体１０の表面１
０ａからの距離ｘ＝x₁）からのエコー信号の振幅
Ｖ（，x₁）は次式で与えられる。Ｖ（，x₁）＝V₀（）・T^x1 ₀（）・Ｒ（，x₁）・
T⁰ _x1（）・exp（−2∫^x1 ₀α（，ｘ）dx）(1) 但しＲ（，x₁）は反射係数、T^x1 ₀（）は物体
表面（ｘ＝０）から不連続面２０（ｘ＝x₁）まで
の超音波の伝播における透過係数の積、T⁰ _x1（）
はその逆の値すなわちｘ＝x₁からｘ＝０までの透
過係数の積である。不連続面２０と表面との間に
もいくつかの音響不連続面が存在すると考える。
またα（，ｘ）は吸収係数を表わしている。 (1)式の両辺の自然対数をとつて変形すると次の
ようになる。 ln〔Ｖ（，x₁）／V₀（）〕＝ln〔T^x1 ₀（）・T⁰ _x1（）〕＋ln〔Ｒ（，x₁）〕−2∫^x1 ₀α（，ｘ）dx
(2) 不連続面３０についても(2)式と同様の式が得ら
れる。 ln〔Ｖ（，x₂）／V₀（）〕＝ln〔T^x2 ₀（）・T⁰ _x2（）〕＋ln〔Ｒ（，x₂）〕−2∫^x2 ₀α（，ｘ）dx
(3) (2)−(3)より次式を得る。 ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）〕＝ln〔１／（T^x2 _x1
（）・T^x1 _x2（））〕＋ln〔Ｒ（，x₁）／Ｒ（
，x₂）〕＋2∫^x2 _x1α（，ｘ）dx （∵T^x2 ₀（）＝T^x1 ₀（）・T^x2 _x1（），T⁰ _x2＝T^x1 _x2（）・T⁰ _x1（））(4) (4)式の意味するところは以下のようである。２
つの不連続面２０および３０からのエコーの振幅
の比の自然対数ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）〕
は、この面２０と３０との間の領域５０内の吸収
係数の積分値∫^x2 _x1α（，ｘ）dxと面２０および３
０各々での反射係数の比の自然対数値ln〔Ｒ（，
x₁）／Ｒ（，x₂）〕、および領域５０内での超音
波の伝播における透過係数に関する値ln〔１／
（T^x2 _x1（）・T^x1 _x2（）〕を情報として含んでいる
こ
とになる。生体軟組織の透過係数については未だ正確なデ
ータはないが概略次のように考えることができ
る。生体軟組織の平均音響インピーダンスは1.63
×10⁶〔Kg／m²・ｓ〕であり、また音響インピーダ
ンスの範囲は大略1.4〜1.7×10⁶〔Kg／m²・ｓ〕で
あることが知られている。透過係数の値を調べる
ために、平面層でのモデルを用いると次のように
なる。すなわち第１９図のように、仮に互いに最
も離れた値の音響インピーダンスＺ１およびＺ２
をそれぞれ有する２つの層１および２がある場合
を考えると、Ｚ１の層１からＺ２の層２への超音
波の透過係数T₁₂は、 T₁₂＝2Z₂／Z₁＋Z₂ 層２から層１への透過係数T₂₁は、 T₂₁＝2Z₁／Z₁＋Z₂ ∴T₁₂・T₂₁＝4Z₁Z₂／（Z₁＋Z₂）²＝４（Z₂／Z₁）／（１
＋Z₂／Z₁）² たとえばZ1＝1.4，Z2＝1.7とすると、 Z₂／Z₁＝1.7／1.4＝1.214 ∴T₁₂・T₂₁＝1.009 ∴T² ₁₂・ T² ₂₁＝1.018 ∴ln〔１／T² ₁₂・T² ₂₁〕＝ln〔0.982〕＝−0.018 これはdB換算すると−0.158dBとなる。実際に
生体内では音響インピーダンスの差が平均的に小
さいと考えられる。たとえばZ₁＝1.5，Z₂＝1.6と
すると Z₂／Z₁＝1.06 ∴ln〔１／T² ₁₂・T² ₂₁〕＝−0.001 dB換算すると0.009dBとなる。 Z₂／Z₁とln〔１／T² ₁₂・T² ₂₁〕の関係を計算した
のが第２０図である。一方、生体軟組織の吸収係数は大略0.5〜
2.0dB／cm・ＭHzの範囲にあることが知られてい
る。通常使用される周波数帯である3MHz程度で
は1.5〜6.0dB／cmの範囲となる。従つて１cm当り
の吸収による減衰と透過による減衰を比べると透
過による減衰の方は約１／10以下〜１／100以下
と考えることができる。１mm当りの吸収による減
衰は0.15〜0.6dB／mmとなり第２０図より0.86
Z₂／Z₁1.17の範囲であれば、透過による減衰の
方が約１／10以下と考えることができる。従つ
て、生体の軟組織の平均音響インピーダンス1.63
×10⁶に対して1.4〜1.9×10⁶の範囲の軟組織との
透過による減衰については吸収による減衰の約
１／10以下と推定できる。実際の生体軟組織の透過係数を計算することは
現在のところ明確な理論がなくできない。しかし
音響インピーダンスの差が非常に小さいことを考
えると、透過係数はかなり１に近いことが予想さ
れ、吸収係数に比べて無視できるものと推定され
る。もし、透過係数が小さく吸収係数に対して無
視できない場合には、この分が吸収係数への誤差
として入つてくることになる。第表に生体組織
の音響インピーダンス値を、第表に吸収係数を
示してある。第表生体組織音響インピーダンス(×10⁵g/cm²秒) 脂肪 1.38 眼球水晶体水様液 1.50 眼球硝子液 1.52 脳 1.58 血液 1.61 腎臓 1.62 人体組織(平均値) 1.63 脾臓 1.64 肝臓 1.65 筋肉 1.70 眼球水晶体 1.84 頭がい骨 7.80

【表】

【表】そこで生体軟組織に限つては次式のように反射
の項と吸収の項の和が ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）として与えられ
ることになる。 ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）〕＝ln〔Ｒ（，x₁）
／Ｒ（，x₂）〕＋2∫^x2 _x1α（，ｘ）dx(5) (4)式、(5)式いずれにしてもln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ
（，x₂）〕という観測値は距離（x₂−x₁）である
領域５０の超音波の周波数における減衰情報
（吸収、反射、透過）を表わしていることになる。
従つてこの減衰度を単位長さ当りに換算しあらた
めてβ（，ｘ）とおく。すなわち β（，ｘ）≡１／x₂−x₁×ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（
，x₂）〕(6) で定義できる。現在までの非臨床的な実験によると生体軟組織
の減衰度は周波数に対して１〜２乗の依存性があ
ることが報告されている。すなわち β（，ｘ）＝β₀（ｘ）・ⁿ（ｎ＝１〜２） (7) 減衰度の周波数依存性を測定するためには２つ
の周波数₁，₂について(5)式を求めればよい。 ln〔Ｖ（₁，x₁）／Ｖ（₁，x₂）〕＝ln〔Ｒ（₁，x
₁）／Ｒ（₁，x₂）〕＋2∫^x2 _x1α（₁，ｘ）dx(8) ln〔Ｖ（₂，x₁）／Ｖ（₂，x₂）〕＝ln〔Ｒ（₂，x
₁）／Ｒ（₂，x₂〕＋2∫^x2 _x1α（₂，ｘ）dx(9) そこで両式の差(8)−(9)、つまり₁と₂の観測値
の差分をとると次のようになる。 ln［Ｖ（₁，x₁）／Ｖ（₁，x₂）／Ｖ（₂，x₁）／
Ｖ（₂，x₂）］＝ln［Ｒ（₁，x₁）／Ｒ（₁，x₂）
／Ｒ（₂，x₁）／Ｒ（₂，x₂）］＋2∫^x2 _x1〔α（₁，ｘ）−α（₂，ｘ）〕dx (10) (6)式の定義によつて１／x₂−x₁・ln［Ｖ（₁，x₁）／Ｖ（₁，x₂）／Ｖ（
₂，x₁）／Ｖ（₂，x₂）］＝β（₁，ｘ）−β（₂，ｘ）＝β₀（ｘ）〔ⁿ ₁−ⁿ ₂〕(11) ∴β₀（ｘ）＝１／（x₂−x₁）×１／（ⁿ／₁−ⁿ／₂
）・ln［Ｖ（₁，x₁）／Ｖ（₁，x₂）／Ｖ（₂，x₁
）／Ｖ（₂，x₂）］(12) すなわち周波数₁のときの減衰度β（₁，ｘ）
と周波数₂のときの減衰度β（₂，ｘ）の差、つ
まり第２図に示すように減衰度の周波数依存性が
測定できるわけである。 (6)式のように、１つの周波数₁のみの測定でβ
（₁，ｘ）を測定することはできる。しかし第３
図のように減衰度の周波数依存性が異なる組織に
ついての減衰度曲線１と２、あるいは、何らかの
原因例えば疾患等によつて、ある組織の周波数依
存性が１と２のように変化した場合、２つ以上の
周波数を使用することでこの周波数依存性を測定
することが可能となり、組織１と２の違いを表現
することができるわけである。次に上記のように定義されたβ（，ｘ）およ
び〔β（₁，ｘ）−β（₂，ｘ）は生体中の吸収お
よび反射散乱を含んだ情報であるので、この２つ
の減衰機構による関係で、正、負および零の値を
とることについて詳細に述べる。まずβ（，ｘ）について考える。 β（，ｘ）〕＝１／x₂−x₁・ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）より β（，ｘ）｛正Ｖ（，x₁）＞Ｖ（，x₂）零Ｖ（，x₁）＝Ｖ（，x₂）負Ｖ（，x₁）＜Ｖ（，x₂）と
なる。これを吸収と反射散乱項の関係で分析すると、
次のようになる。１／x₂−x₁・ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）〕＝１／
x₂−x₁ln〔Ｒ（，x₁）／Ｒ（，x₂）〕＋２／x₂−x₁∫^x2 _x1α（，ｘ）dx 吸収項である第２項はこの場合、必ず正の値を
もつ。従つてβ（，ｘ）の値は反射罪乱の項の
性質で決定される。すなわち、 ln〔Ｒ（，x₁）／Ｒ（，x₂）〕｛正Ｒ（，x₁）＞Ｒ（，x₂）零Ｒ（，x₁）＝Ｒ（，x₂）負Ｒ（，x₁）＜Ｒ（，x₂）よりとなる。すなわちＲ（，x₁）＜Ｒ（，x₂）で、かつ反
射散乱項の絶対値が吸収項より大きい場合にβ
（，ｘ）は負の値をとる。β（，ｘ）が零の場
合はＲ（，x₁）＜Ｒ（，x₂）で吸収項と散乱項
の絶対値が等しい場合、およびＲ（，x₁）＝Ｒ
（，x₂）で吸収が無い場合である。その他の場
合にはβ（，ｘ）は正である。正の場合でＲ
（，x₁）＝Ｒ（，x₂）のとき、β（，ｘ）は純
粋な吸収値を表わすことになる。次に〔β（₁，ｘ）−β（₂，ｘ）〕の性質につい
ても同様に考えてみる。 ₁＞₂とすると、通常α（₁，ｘ）＞α（₂，ｘ
）
であるから、吸収項 ∫^x2 _x1〔α（₁，ｘ）−α（₂，ｘ）〕dx＞０すなわ
ち正
である。従つて次のようになる。以上のように、測定物体内での超音波伝播区間
内でのエコー信号の差分をとることで減衰度β
（，ｘ）が測定でき、さらに、２つ以上の周波
数でβ（，ｘ）を測定し、その差分〔β（₁，
ｘ）−β（₂，ｘ）〕（２つの周波数の場合）をとる
ことで、減衰度の周波数依存性が測定できること
が示された。次に、従来のスペクトルカラー法との違いにつ
いて述べる。従来のスペクトルカラー法では、米国特許第
4228804号および実開昭58−18507に記載されてい
るように、基本的には第４図のように１つの探触
子４０からの広帯域のエコー信号を３つのパンド
パス・フイルタ（BPF）６０ａ，６０ｂ，６０
ｃで３つの周波数帯域信号に分離し、各々の周波
数のエコー信号を３つのカラー（赤、青、緑）別
にカラーCRT上７０で重畳しているにすぎない。
この従来の方法によつて３つのバンド・パス・フ
イルタ６０ａ〜６０ｃ（中心のを₁，₂，₃と
する）を通過した信号は、既に本発明の原理説明
で述べたように、透過係数の項を無視すれば次式
で表現できる。 ln〔Ｖ（₁，ｘ）／V₀（）〕＝ln〔Ｒ（₁，ｘ）〕
−2∫^x ₀α（₁，ｘ）dx ln〔Ｖ（₂，ｘ）／V₀（）〕＝ln〔Ｒ（₂，ｘ）〕
−2∫^x ₀α（₂，ｘ）dx ln〔Ｖ（₃，ｘ）／V₀（）〕＝ln〔Ｒ（₃，ｘ）〕
−2∫^x ₀α（₃，ｘ）dx ここでV₀（）は送信時の振幅であり、予め測
定可能である。いま論議を簡単にするために、第５図のように
均一吸収媒質１００の中に１cm毎に均一な反射強
度をもつ反射体２００が独立にあるような系を考
える。同図に矢印で示すように探触子４０を上か
ら下に走査して各反射体２００から反射してくる
４つのエコー信号Ｖ（，ｘ）（ｘ＝１，２，３，
４cm）を測定する。均一吸収媒質１００の吸収係
数を1dB／cm・ＭHzとし、反射強度は１とする。
＝3MHzの場合について考えると3dB／cmの減
衰度になる。送信振幅V₀（）とエコー信号振幅
Ｖ（，ｘ）との比を縦軸に、吸収媒質１００の
距離ｘを横軸にとると、各反射体からのln〔Ｖ
（，ｘ）／V₀（）〕の値は第６図のようにな
る。但し、ｘ＝０のときの値を0dBとしている。
図中の●印が測定値である。従来のスペクトルカラー法ではこの値をそのま
ま輝度変調しモニタCRT７０上に表示していた。
従つて、表示された値の輝度は第６図のように距
離に従つて減少してしまう。全く均一な吸収媒質
１００にもかかわらず表示上異つた値として出力
されることは、原理的に大きな問題であると同時
に、実用上は殆ど役に立たないと考えられる。
STC回路を用いて補正する方法も報告されてい
るが、この方法はあくまで人為的な方法であり、
再現性、定量性に乏しく、従来の超音波断層装置
と全く同じ問題を生じてしまうことになり、何ら
改善の効果がないと言つても過言ではない。１つの周波数（以上の説明では3MHz）での信
号処理法に於いて以上のような原理的問題点を抱
えている以上、周波数を複数にしてカラー表示を
行つても情報としての再現性、定量性は乏しいと
考えられる。さて次に、本発明について述べる。既に原理説
明で述べた如く信号処理は次式に従つて行われ
る。 ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）〕＝ln〔Ｒ（，x₁）
／Ｒ（，x₂）〕＋2∫^x2 _x1α（，ｘ）dx つまり、従来法との根本的な差は距離の異なる
２つのエコーの差分値を採用している点にある。
第７図で説明すると、測定で得られた信号４００
に対して距離１cmの時間に対応した信号４１０を
つくり、この差分をとつたのが第８図の波形５０
０である。差分をとつたことで距離に関係なく出
力が一定になり、すなわち同じ減衰の物質である
ことを示している。上式でいえばＲ（，x₁）＝Ｒ
（，x₂）＝１より、１／２ln〔Ｖ（，x₁）／Ｖ（，x₂）〕＝∫^x2 _x1α（，ｘ）dx となる。すなわち波形５００の値の1/2である線
５５０が吸収係数を与えるわけで、3dB／cmと正
確に測定されていることが第８図より明らかであ
る。ところで現実には、超音波探触子４０から、例
えば減衰の極めて小さい水中に向けて送信された
超音波ビームは、その探触子４０の開口、あるい
は、中心周波数によつてその音場が変化する。音
場は、近似的には、第９図Ａのようになり、また
中心軸上の強度は超音波探触子４０からの距離ｘ
によつて同Ｂに示すように変化する。なお同Ｂの
縦軸は、最大強度I₀に対する距離ｘにおける強度
を示している。そこで装置の実用上はこれを較正しておかなけ
れば正しい測定が行なえない。すなわち、音圧の
変動をあらかじめ標準媒質で測定し、被測定物体
からのエコー振幅（音圧）を標準音圧で割り算し
規格化することで、超音波探触子４０の音場特性
の影響を除き、測定された減衰度を、より普遍的
な値とすることが可能となる。標準媒質による測定は次のようにして行なうの
が適当である。第１０図のように、脱気水１２中
にたとえばステンレスの完全反射体１４を、設
け、この完全反射体１４からのエコー振幅を標準
音圧とする。超音波探触子４０と完全反射体１４
の距離を相対的に変化させ、各距離からのエコー
振幅を測定すれば、標準音圧曲線が第１１図のよ
うに求められる。さらに好ましくは第１２図のよ
うに生体とほぼ同じ減衰特性をもつ例えばひまし
油１２ａを脱気水１２の代わりに媒質として使用
すれば、減衰により超音波の平均周波数が低くな
つていく影響も除くことが可能となり、より実際
的（生体に近い）な標準音圧曲線を得ることがで
きる。但しここで、注意しなければならない点がいく
つかある。１つは完全反射体１４の裏面からのエ
コーと表面からのエコーが時間的に重複しないよ
うに、完全反射体１４の厚さを選択する必要があ
る。２つにはひまし油１２ａの減衰特性は温度依
存性があるので、温度管理する必要がある。生体
の減衰に近づけるためには温度はほぼ20℃〜30℃
の間が適当である。実用に適した装置としては、標準音圧曲線をあ
らかじめ測定し、装置内に記憶させておくことが
有利である。又再度標準音圧曲線を測定したい場
合には、第１３図のように階段状の完全反射体１
４ａを有する装置を作成すればよい。すなわち超
音波探触子４０を走査機構１０４で水平走査する
と、超音波探触子４０と反射体１４ａの反射面と
の距離が段階状に変化する。そこで完全反射体１
４ａかりのエコー振幅を測定し、順次記憶すれば
標準音圧曲線を得ることが可能となる。次に、第１４図に示す本発明の実施例について
詳細に述べる。点線１０６の枠内は従来のＢモード断層装置の
構成部分を示し、これは周知であるので詳細な説
明は省略する。被測定物体１０からのエコー信号
は受信回路９０、対数増幅回路（LOG.AMP）５
を通り、検波回路１５に入力される。検波回路１
５は従来の検波回路６と違つて、減衰度を正確に
求めるため、雑音成分および高周波成分を除く低
域通過フイルタの役目を兼用している。すなわち
検波の時定数により信号を平滑化し、結果的に信
号の低域成分のみを通過させるようにする。勿論
第１５図に示すように、従来の検波回路６の出力
を２つに分けて一方をSTC回路７に入力し、他
方を検波回路１５の代りに低域通過フイルタ２３
に入力させることでも、上記機能を達成すること
ができる。検波回路１５あるいは低域通過フイルタ２３を
通つた信号は２つに分けられ、一方はそのまま差
分回路１７へ入力され（lnV（，x_i））、他方は遅
延回路１６である時間遅延させられ差分回路１７
へ入力されるlnV（，x_i-1）。差分回路１７では
この２つの信号の差ln〔Ｖ（，x_i-1）／Ｖ（，
x_i）〕が測定され、出入力される。後は、従来の
処理と同様であり、フリーズ・メモリ２１へ入力
され表示部１３へ輝度変調されて断層像として表
示される。遅延回路１６の遅延時間は、遅延時間
設定器２５によつて設定される。この実施例によれば、差を示す差分回路１７の
出力信号は、スイツチ回路１９を通してＡ／Ｄ変
換器１１０にてデイジタル信号に変換され、フリ
ーズメモリ２１に蓄積される。フリーズメモリ２
１に格納された差信号は、コントロール回路２４
の制御によりこれから読み出されて、Ｄ／Ａ変換
器２２によりアナログ信号に変換され、映像増幅
回路１０８によつてCRTなどの表示部１３に輝
度変調をかけ、可視断層画像としてこれに表示さ
れる。表示画像のフリーズは、フリーズスイツチ
１８を操作することによつてスイツチ回路１９を
切り換え、メモリ２１の内容が固定される。スイ
ツチ回路１９以降の構成は従来の部分１０６とほ
ぼ同様である。表示方法として種々の方法が考えられる。第１には従来のＢモード像と本発明による減衰
分布像とを時間的に切り替えて表示する方法、第
２には２つならべて表示する方法、色分けをして
重畳表示する方法である。この第３の方法は例え
ば第１６図に示す構成によつて実現される。これ
は、従来のＢモード像を青系統の濃淡画像とし、
減衰分布像を赤系統の濃淡画像とするものであ
る。このため、フリーズメモリ３の出力が青Ｂの
信号として映像増幅回路１２２を通してカラー
CRTなどのカラー表示部１３ａに入力され、フ
リーズメモリ２１の出力が赤（Ｒ）の信号として
映像増幅回路１２１を通してカラーCRTなどの
カラー表示部１３ａに入力される。遅延回路１６の遅延時間を遅延時間設定器２５
にて外部からコントロールすることによつて減衰
度を測定する単位区間の長さを変えることができ
る。すなわち遅延時間を短かくすれば単位区間は
短くなり、空間分解能は向上するが、逆に局部的
な減衰度が表示されてしまう。また遅延時間を長
くすれば単位区間は長くなり空間分解能は悪くな
るが、逆に組織の平均的な減衰度が測定できるわ
けである。従つて測定すべき対象の大きさによつ
てこの遅延時間を選ぶことができる。さらに、方位方向すなわち走査線と直角の方向
に対して減衰度を平均化することも可能である。
これは、たとえば第１７図に示すように、フリー
ズメモリ２１の出力側に接続した演算回路１１２
によつて実現される。すなわち第１８Ａ図のよう
にフリーズメモリ２１の出力に対して複数の走査
線１〜ｎについて所定の本数（この図では３本）
毎に加算平均値１〜ｋを演算回路１１２で算出
し、この平均値を表示部１３へその所定の本数毎
に表示すればよい。この平均操作は、第１８Ｂ図
に示すように、各走査線１〜ｎを複数回（この例
では３回）ずつ重複して順次ずらせて行ない、ｎ
−２本の平均化した走査線……を形成する
ようにしてもよい。またこの平均する走査線の数
を走査線設定器３１で外部から制御するようにし
てもよい。なお前述した探触子４０の音場特性の較正は第
２１図に示すように、校正演算を行なう演算回路
１１４と、前述した校正データを格内した校正用
メモリ１１６とを含む回路構成によつて行なわれ
る。演算回路１１４は、構成用メモリ１１６の構
成データでフリーズメモリ２１の信号に校正演算
を行ない、こうして構成された信号が表示部１３
に表示される。なお、第１４図の回路のブロツク
１０６にも同様に校正演算回路が設けられるが、
これは図示を省略してある。次に第２２図の実施例について説明を行う。第
１４図の実施例との相違点は受信回路９０の出力
をBPF（バンド・パス・フイルタ）回路１１８を
通して対数増幅回路５ａ（LOG・AMP）へ入力
している点にある。バンド・パス・フイルタ１１
８は、第２３図のように中心周波数c帯域幅Δ
のものを使用すると、この周波数帯域内の周波数
に関する減衰情報が第１４図の装置と同様な原理
で測定することができるわけである。この周波数
帯域Δおよび中心周波数cを外部から周波数帯
域設定回路２６でコントロールすることで、所望
の周波数帯域における減衰情報を測定することが
できる。表示方法については第１４図の実施例と
同様に３つの方法が考えられる。次に、第２４図の実施例について説明を行う。
本実施例は前記の原理説明で述べた如く減衰の周
波数依存性に関する情報を測定するためのもので
ある。BPF１，１２０ａおよびBPF２，１２０
ｂによつてエコー信号は２つの異なる周波数帯域
に別けられ、各々対数増幅回路１２３ａおよび１
２３ｂ、検波回路１２４ａおよび１２４ｂを通
り、差分回路１２６で差分値ln〔Ｖ（₁，ｘ）／Ｖ
（₂，ｘ）〕が算出される。あとは、第１４図、第
２２図の実施例と同様な信号処理が行われ、結局
出力である表示部１３にはln［Ｖ（₁，x_i+1）／Ｖ（
₂，x_i+1）／Ｖ（₁，x_i）／Ｖ（₂，x_i）］の値が輝度変調された
断層像として展開されるわけである。表示方法については第
１４図の実施例と同様に３つの方法が考えられ
る。次に第２５図の実施例について説明を行う。本
実施例は第２４図の実施例におけるバンド・パ
ス・フイルタ回路を３系統に増やした場合であ
り、例えばカラーCRTモニタ表示部１３ａの３
色赤、青、緑に対応して出力を得ることが可能と
なる。従つて得られた断層像の３色の各色が各周
波数帯域における減衰度に対応しており、３色の
各成分の色の強度によつて出力の色が異なつてく
る。例えば、第２６図に示すように、周波数の低
い方からc₁，c₂，c₃と設定され、これに対応
する色が赤、緑、青とすると、各周波数帯域区分
が同程度であれば、ほぼ白色となる。しかし、た
とえば高い周波数成分（c₃）である青色が減少
してくると、表示画像は黄に近づいてくる。従つ
てカラーCRT表示部１３ａ上の色はそのまま減
衰の周波数依存性の情報を正確に反映しており、
また直観的に色の違いによつて組織の特性化を把
握することが可能となる。またこの３つの周波数
帯域（c，Δ）を第２４図の実施例と同様、
各々について独立に可変とすれば、所望の周波数
帯域の組合せによるスペクトルカラー断層像を得
ることが可能となる。表示方法については第１４
図の実施例と同様に３つの方法が考えられる。次に第２７図の実施例について説明を行う。本
実施例は第２５図の実施例を更に拡張した例であ
る。エコー信号を３つの周波数帯域c₁，c₂，
c₃に別け、このうちの２つの周波数帯域c₁と
c₂，c₂とc₃，c₃とc₁の組合せについて各々の
差分値をとり、減衰の周波数依存性について３組
の情報を同時に得ることが可能となる。あとは第
２５図の実施例と同様、例えばこの３組の減衰情
報を赤、緑、青に対応してカラーCRT表示部１
３ａへ断層像として表示すればよいわけである。
また、この３つの周波数帯域（c，Δ）を第２
５図と同様、各々について独立に可変するように
すれば、所望の周波数帯域の組合せによるスペク
トルカラー断層像を得ることが可能となる。第２８図は第２７図と同様であるが周波数帯域
の差分を映像増幅回路１０８ａ〜１０８ｃの直前
で算出している実施例である。表示方法について
は第１４図と同様、３つの方法が考えられる。次に第２９図の実施例について説明を行う。送
信回路８０より送信された駆動波が探触子４０を
付勢し、被測定物体１０へ超音波パルスが入射さ
れる。エコー信号は探触子４０で受信され受信回
路９０、対数増幅回路５、および検波回路６を通
過し、第１４図の実施例と同様、遅延回路１６お
よび差分回路１７で減衰度が測定される。この差
信号は映像増幅回路１０８に入力され、表示部１
３へ減衰度分布像として表示される。一方検波回路６の出力は高域通過フイルタ
（HPF）回路１３２によつて低域の周波数が除去
され、高域周波数のエコー信号、すなわち組織境
界のエコー成分が相対的に強調される。これは映
像増幅回路１０８へ入力され表示部１３へ境界エ
コー強調像として表示される。以上２つの像を映像増幅回路１０８で混合し重
畳表示させることで、減衰とエコー強調が同時に
展開された断層像を得ることが可能となる。さて本発明は以上説明した実施例にのみ限られ
るものではなく、例えば、複数のバンドパス・フ
イルタを設ければ対応した複数の周波数帯域に関
する減衰情報が測定でき、また周波数に対する分
解能も高くなつてくる。さらには複数の組の周波
数差分情報を測定することも可能である。また探
触子をアレイ型探触子にすればリニアおよびセク
タ電子走査によつてリアル・タイムでのスペクト
ルカラー断層像を展開表示することが可能であ
る。以上の実施例の説明によつても明らかなよう
に、本発明は比較的簡単なアナログ回路によつて
高速に信号処理可能なことが大きな利点であり、
リアル・タイムでの処理にも適していると言え
る。発明の具体的効果以上のように本発明によれば被測定物体とくに
生体組織における超音波の吸収と反射、散乱によ
る減衰度分布、および減衰度の周波数依存性の分
布を断層像として展開表示し、これによつてこれ
らの特性を直観的に把握することが可能となる。
さらには所望の周波数帯域での減衰度をいわゆる
スペクトルカラー像として表示でき、得られた断
層像の色については、従来のように測定系および
被測定物体の構造の影響を受けることなく、被測
定物体の減衰情報と正確に対応することができる
リアル・タイムのスペクトルカラー断層像の測定
およびその装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の基本的原理を説
明するための原理説明図、第４図は従来技術によ
るカラースペクトル法の超音波測定装置の例を示
すブロツク図、第５図ないし第８図は本発明の超
音波測定方法を単純モデルについて説明する説明
図、第９図ないし第１３図は本装置に使用する超
音波探触子の校正方法を説明する説明図、第１４
図は本発明による超音波測定装置の実施例を示す
ブロツク図、第１５図ないし第１７図は、第１４
図の実施例における部分的変形実施例を示すブロ
ツク図、第１８Ａ図および第１８Ｂ図は、第１７
図の実施例における走査平均値算出方法を説明す
る説明図、第１９図および第２０図は、本発明の
原理を説明する説明図、第２１図、第２２図、第
２４図、第２５図、および第２７図ないし第２９
図は、本発明のさらに他の実施例を示すブロツク
図、第２３図および第２６図は、それぞれ第２２
図および第２５図に示す実施例の説明に使用する
周波数特性図である。主要部分の符号の説明、３，２１……フリーズ
メモリ、５，１２３ａ……対数増幅器、７……
STC回路、１３，１３ａ……表示部、１６，１
２８ａ……遅延回路、１７……差分回路、２５…
…遅延時間設定器、４０……探触子、１０８……
映像増幅回路、１１４……演算回路、１２０ａ…
…帯域通過フイルタ、１３２……高域通過フイル
タ。

Claims

【特許請求の範囲】１超音波パルスを被測定物体に送信し、該被測
定物体から反射された超音波エコー信号を検出す
ることによつて、前記被測定物体の音響特性を測
定する超音波測定装置において、該装置は、前記被測定物体に広帯域の超音波パルスを送信
する送信手段と、前記被測定物体から反射された広帯域の超音波
エコー信号を受信し、所望の数の周波数帯域の信
号を通過させる帯域通過回路を有する受信手段
と、該受信手段において得られた、所望の周波数帯
域を有するエコー信号から、前記被測定物体の所
望の被測定領域についてのエコー信号を識別し、
前記被測定領域における２つの境界について測定
された所望の数の周波数帯域におけるエコー信号
の比によつて、前記被測定領域について、超音波
の吸収係数、反射散乱係数および透過散乱係数を
含んだ減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、該算出された減衰係数を前記被測定領域に対応
した可視画像として表示する表示手段とを含むこ
とを特徴とする超音波測定装置。２前記減衰係数算出手段は、前記被測定領域に
おける２つの境界について測定された所望の複数
の周波数帯域におけるエコー信号の比によつて、
前記被測定領域の減衰係数の周波数依存度を算出
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の超音波測定装置。３前記送信手段は、前記表示手段に表示される
可視画像が実質上複数の走査線で形成されるよう
に前記被測定物体に対して超音波パルスを送信
し、前記減衰係数算出手段は、前記複数の走査線
において所定数の走査線について平均をとつた減
衰係数を算出することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の超音波測定装置。４前記表示手段は、前記所望の周波数帯域にお
ける減衰係数を所望の色に対応して表示すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波
測定装置。５前記表示手段は、前記減衰係数の周波数依存
度を所望の色に対応して表示することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の超音波測定装置。６前記表示手段は、前記所望の周波数帯域にお
ける減衰係数と前記所望の周波数帯域において、
前記帯域通過回路から出力される高い周波数帯域
の信号とを加算することを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の超音波測定装置。