JPH0595946A - 超音波の音速測定法及び音速測定手段を備えた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 組織の超音波伝播速度を外部から無侵襲に測
定する超音波診断装置を実現することである。 【構成】 送波振動子１は角度調節器１３で出射角度θ
_i を変えられながら超音波を送波し、受波振動子２は角
度調節器１４で角度θ_j を変えられながら超音波を受波
する。この間の経過時間ｔ_ijは時間計測回路１７で計測
されてｔ_ijメモリ１８に格納される。音速メモリ１９に
は仮想音速分布図が格納されており、この音速分布図に
基づいて音線追跡演算回路２０は音速メモリ１９上で送
受波振動子の送受波角度を変化させて音線経路を設定し
て、その所要時間ｔ_ij′をｔ_ij′メモリ２１に格納す
る。比較器２２はｔ_ijとｔ_ij′の比較による誤差データ
をコントローラ２３に入力し、コントローラ２３は入力
された誤差データを最小にするように音速メモリ１９に
格納されている仮想音速分布を修正し、最終的に得られ
た音速分布により音速を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波診断装置に関し、
特に超音波の生体内を伝播する音速を無侵襲に測定し、
音速分布の不均一に基づく誤差の少ない画像を得る音速
測定法及び音速測定手段を備えた超音波診断装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置は超音波探触子から超音
波信号を被検体内に照射して、被検体内の組織や病変部
から反射されてくる信号を超音波探触子で受波し、その
反射信号により形成される断層像をＣＲＴに表示して診
断の用に供する装置である。

【０００３】この超音波診断装置において得られる情報
は一般に反射波の強さの情報であって、音響インピーダ
ンスの不連続性及び構造上の不連続性を反映している。
近時、上記のようなＢモード像を表示する超音波診断装
置では、分解能の向上が図られ、表示された画像に基づ
く診断がほぼ定着しているが、異なる情報を診断情報に
加えたいという要求が高まり、音速等の相違による特性
抽出を臨床的に行おうとする試みがなされている。

【０００４】このように生体内を伝播する超音波の速
度、特に生体組織の局部音速値を臨床的に測定すること
は、超音波診断装置による診断に極めて有用と考えられ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、生体内にお
ける音速は決して一様ではなく、異なる媒質を通過する
毎に音速は変化し、送波から受波に至る間の行程におい
て多くの媒質を経由するために、超音波探触子の送波部
の送波用振動子から反射体を経て受波部の受波用振動子
に至る距離とパルス間隔から得られる時間差によって各
媒質における音速を求めることはできない。

【０００６】従来、生体組織の音速測定法としては次の
ような方法がある。 （イ）送受２個の振動子を向い合わせて配置し、その間
に乳房などを挾んで振動子間の距離と超音波の伝播時間
から音速を求める方法。

【０００７】（ロ）断層像を合成する場合に設定した音
速設定値を音速とする方法。 （ハ）所定距離離れた２組の振動子をそれぞれ送信用と
受信用に用い、その間の超音波の伝播時間と、超音波の
受波角度と、２振動子間の距離とから被測定点に至る超
音波の伝播速度を求めることにより音速を知る方法。

【０００８】併しながら、上記の方法には次のような問
題点がある。以下に示す各項目は上記の各項目に対応し
て記述してある。 （イ）乳房のような体表面に突出している組織の測定に
限られ、例えば、肝臓などの臓器の音速は測定できな
い。

【０００９】（ロ）音速設定により画像のピント合わせ
を行うことは、操作者のパタン認識を必要とするため時
間がかかり、操作者が疲労するなど実用的ではない。 （ハ）超音波の送信経路と受信経路が直線であると仮定
しており、生体内部特に皮膚下部の筋肉や脂肪層などの
異なる音速をもつ組織の境界に生ずる屈折の影響による
誤差が大きいため、臨床装置として使用できない。

【００１０】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、組織の超音波伝播速度を外部から無侵
襲に測定する音速測定法を実現し、音速測定手段を備え
た超音波診断装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】被測定部を任意の領域に
分割してそれぞれの領域に仮想の音速値を定めた仮想音
速分布を作って格納する段階と、少なくとも２個の異な
る位置に配置した送信手段と受信手段との間でそれぞれ
送受信角度を変えながら超音波の送受を行い、それぞれ
の角度における時間を測定する段階と、前記仮想音速分
布に基づき、音線近似手法を用いて送信から受信に至る
超音波の経路とその所要伝播時間を超音波入射角度と受
波角度を変えながら演算する段階と、前記実測伝播時間
と前記仮想音速分布に基づく仮想伝播時間とを同一送信
角度同一受信角度の場合について比較し、その差の累積
値である誤差関数を求める段階と、仮想音速分布を繰り
返し変更して前記誤差関数の値を最小にする収束演算を
行うことを特徴とするものである。又、第２の発明は、
照射角度θ_i を変えながら測定対象に超音波を送波する
送波振動子と、反射された超音波を入射角度θ_j を変え
ながら受波する受波振動子と、音線を形成し、前記送波
振動子の送波指向性を制御する第１の角度調節器と、前
記受波振動子の指向性を制御すると共に、受波信号を整
相加算する第２の角度調節器と、超音波送波から反射波
受波までの時間を各指向方向θ_i ，θ_j について計測す
る時間計測回路と、該時間計測回路で得た時間データｔ
_ijを格納するｔ _ijメモリと、任意に与えられた仮想音速
の分布を格納する音速メモリと、該音速メモリに格納さ
れている仮想音速分布に基づき音線近似手法を用いて送
信波束及び受信波束の伝播経路を追跡しながら伝播時間
ｔ_ij′を計算する音線追跡演算回路と、該音線追跡演算
回路の出力の仮想音線による伝播時間ｔ_ij′を格納する
ｔ _ij′メモリと、前記ｔ_ijメモリと前記ｔ_ij′メモリと
に格納されているデータを比較して誤差を求める比較器
と、該比較器の出力の誤差データが入力され、該誤差デ
ータの変化に基づいて前記音速メモリに格納されている
音速分布を繰り返し変更して、前記比較器の出力の誤差
データの値を最小にするための制御を行うコントローラ
と、前記音速メモリに格納されている音速値及び音速分
布を表示する表示器とを具備することを特徴とするもの
である。

【００１２】

【作用】送波振動子は第１の角度調節器により照射角度
θ_i を変化させながら照射し、受波振動子は第２の角度
調節器により入射角度θ_j を変化させながら受波する。
この間の経過時間を時間計測回路は測定してｔ_ijメモリ
に格納する。音速メモリには仮想音速分布が格納されて
おり、この音速分布図に基づいて音線追跡演算回路は音
線メモリ上で送受波振動子の送受波角度を変化させて、
それぞれに対応する音線経路を設定し、その所要時間ｔ
_ij′を、ｔ_ij′メモリに格納する。

【００１３】比較器はｔ_ijメモリとｔ_ij′メモリの対応
する各データを比較して誤差データを求め、コントロー
ラは入力される誤差データを最小にするように音線メモ
リに格納されている音線分布を修正し、修正された音線
分布により音速を求める。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。ここで、本発明が実施しようとする方法の
説明をする。図２は生体内の超音波の伝播を平面的に示
した図である。図において、１は超音波を送波する送波
振動子、２は生体内から反射してきた超音波を受波する
受波振動子である。送波振動子１は体表３の垂線に対し
て角度θ_i で超音波を出射する。この超音波は体表組織
４と体内組織５との境界面で屈折し、次に体内組織５と
肝臓６との境界面で屈折して肝臓６に入射される。反射
点Ｑで反射された超音波は同様に各境界面で屈折しなが
ら受波振動子２に角度θ_j で入射する。

【００１５】送波振動子１で送波された超音波が受波振
動子２に到達する間の伝播時間を測定して得た時間をｔ
_ijとする。送波出射角度θ_i と受波入射角度θ_j を変え
ながら測定した伝播時間の実測値を次のように記録す
る。

【００１６】 ｔ_ij（θ_i ，θ_j ） ｉ＝１，２，…，ｎ、ｊ＝１，２，…，ｍ （本明細書を通じてｉ，ｊは上記の範囲の数とする。） 次に、仮想音速分布図を作ってその音速に基づき超音波
伝播経路を想定して、それぞれの音速を求める方法の説
明図を図３に示す。図に示すように送波振動子１と受波
振動子２を含む平面を格子状に分割し、各格子点の音速
を平均値を１５４０ｍ／ｓとして適宜想定して設定す
る。

【００１７】送波振動子１から角度θ_i で出射された超
音波の波束のこの平面における伝播経路及び伝播時間ｔ
_i ′を求め、同時に受波振動子２から角度θ_j で出射さ
れた超音波の波束のこの平面における伝播経路及び伝播
時間ｔ_j ′を求める。この計算を両波束が交差するまで
続ける。θ_i 及びθ_j を変えて得た伝播時間の計算値を
次のように記録する。

【００１８】ｔ_ij′（θ_i ，θ_j ）＝ｔ_i′＋ｔ_j ′ 伝播経路及び伝播時間の計算を音線追跡法を用いて行
う。格子内の経路は次のように規定して描く。即ち、一
般に、空間的に速度が線形に変化する場では音線は円弧
を画く。この方法としては、音線の伝播方向に三角形を
展開し、三角形内の音速分布を線形音速場に近似して求
める。図４に線形音速場に近似した三角形を示す。頂点
Ｐの座標をｘ₁ ，ｙ₁ 、音速をｃ₁ とし、同様にＱ点，
Ｒ点のそれをそれぞれｘ₂ ，ｙ₂ ，ｃ₂ 及びｘ₃ ，
ｙ₃ ，ｃ₃ とする。三角形内の任意の点ｘ，ｙにおける
音速ｃ（ｘ，ｙ）は次式で求められる。

【００１９】 c(x,y)＝ c_x ・x ＋ c_y ・y ＋ c_o ………（１） （１）式の定数ｃ_x ，ｃ_y ，ｃ_o は頂点Ｐ，Ｑ，Ｒにお
ける音速値ｃ₁ ，ｃ₂ ，ｃ₃ で決めることができる。

【００２０】 x₁ ・ c_x ＋ y₁ ・ c_y ＋c_o ＝ c₁ x₂ ・ c_x ＋ y₂ ・ c_y ＋c_o ＝ c₂ x₃ ・ c_x ＋ y₃ ・ c_y ＋c_o ＝ c₃ 図４においてＰ点を通過する音線の方向ベクトルを
Ａ_x ，Ａ_y とすれば、超音波の軌跡は次の方程式で表さ
れる円となる。

【００２１】 (x-x_o ) ² + (y-y_o ) ² ={ c₁ /( c_x A_y -c_y A_x )}² ………（２） ここで、ｘ_o ，ｙ_o は次の方程式を満たす直線上の点で
ある。 c_x x_o ＋ c_y y_o ＋ c_o ＝ 0 このようにして、三角形を展開して、三角形の各頂点で
の音速値を各格子点の音速値の補間値として求める。三
角形内を（１）式で示す線形音速場で近似し、三角形内
での音線経路を（２）式で示す円の円弧の一部で表現
し、この円弧を接続して音線を形成する。このようにし
て得た音線経路の始点と終点との間の伝播時間を各三角
形中の伝播時間を累積計算することにより求める。

【００２２】図２で求めた伝播時間の実測値ｔ_ijと、伝
播時間の計算値ｔ_ij′との差をｅとし、次式により演算
する。

【００２３】

【数１】

【００２４】この差ｅは仮想音測分布が体内の音速分布
を的確に反映していないことから生じたものと考える。
このため、図３の仮想音速分布を変えて超音波の経路を
計算し直して求め、ｔ_ij′を再度求める。この過程を
（３）式のｅが最小になるまで繰り返し、最小になった
場合の経路を体内の音速分布による経路として、その時
の各格子点の音速が体内の音速分布に等しいものとす
る。

【００２５】（３）式の計算はニュートン法などの収束
計算手法を用いて行う。以下にニュートン法について説
明する。 測定値をｘ₁ ，ｘ₂ ，…，ｘ_p ，…，ｘ_N 推定値をｙ₁ ，ｙ₂ ，…，ｙ_p ，…，ｙ_N とする。ｘ_p は（３）式のｔ_ij，ｙ_p はｔ_ij′に相当す
る。推定値のコントロールパラメータはｃ₁ ，ｃ₂ ，
…，ｃ_q ，…，ｃ_M である。上記において、ｐ＝１，
２，…，Ｎ、ｑ＝１，２，…，Ｍである。誤差関数ｅ_r
は次式で求められる。

【００２６】

【数２】

【００２７】（４）式はｃ_q の関数である。ｅ_r の最小
値はｅ_r をｃ_q で微分することにより求めればよいが実
際にはｅ_r とｃ_q との関係の式が未知なために演算はで
きない。そのため、ｃ_q を次々と用いて試行錯誤の結果
によりｅ_r の最小値を求める以外にはない。これを努め
て速く求める手法の一つがニュートン法である。

【００２８】図５はニュートン法の説明のための図であ
る。図において８は（４）式に示す誤差曲線である。

【００２９】

【数３】

【００３０】その過程を繰り返して行くと最小誤差min
(ｅ_r ）に達すると考えられる。１からＭまでのＭ個の
ｑに対して（ｃ_q ^o が同一過程で試行される。これをベ
クトルで書けば（５）式のようになる。

【００３１】

【数４】

【００３２】この（５）式がニュートン法の一般式であ
る。（５）式においてｋ，ｋ＋１は回数を示す数字であ
る。この式の意味はｋ＝０においてｃ₁ 以外は一定とし
てｃ ₁ のみを変化させる。この時の変化のステップはΔ
ｃである。ｃ₁ が終ればｃ₂ のみを変化させ、ｃ_M まで
を行った後、ｋ＝１として同様な演算を行う。ｋは予め
決めておいた値まで実施するものである。

【００３３】次に上記のような原理に基づく音速測定法
を実施する装置の実施例について説明する。図１は本発
明の一実施例の装置のブロック図である。図において、
図２と同等の部分には同一の符号を付してある。図中、
１１は送信するためのパルスを作り、又、装置の動作の
タイミングを定めるクロックを発生するクロック発振
器、１２は送波するための高周波信号を発生し、この高
周波信号をクロックパルスで変調し、必要な電力レベル
に増幅する等の処理を行う送信回路である。

【００３４】１３は送波される超音波を目標に焦点を結
ばせるために音線を形成し、音線の指向方向を変化させ
る角度調節器で、音線の角度の調節は電気的に行うもの
に限らず、機械的に送波振動子１を動かして角度を調節
するものであっても良い。この角度調節器１３によって
決められる送波振動子１の超音波入射角度を体表３の垂
線に対してθ_i とする。

【００３５】１４は受波振動子２の受信信号のビームフ
ォーミングを行うと共に、受波信号の到来方向への受波
振動子２の受信指向性を制御する角度調節器で、受波振
動子２への超音波入射角度をθ_j に設定する。１５は受
信信号を増幅，検波などの処理をする受信回路である。

【００３６】１６は受信回路１５の出力のアナログ信号
をディジタル信号に変換するＡＤ変換器、１７はＡＤ変
換器１６の出力が入力されて、別に入力されているクロ
ック発振器１１からのクロックと比較して、送信から受
信までに要した時間ｔ_ijを計測する時間計測回路であ
る。計測された時間データはｔ_ijメモリ１８に格納され
る。時間ｔ_ijというのは角度θ_i で入射された超音波を
θ_j の角度の受波振動子２で受けた場合に要する時間
で、すべてのｉ，ｊについて行った時間の集合である。

【００３７】１９は、既述のように図３に示す格子を生
体内に仮想し、各格子点に仮想音速を設定して格納する
音速メモリである。２０は音速メモリ１９に格納されて
いる各格子点における仮想音速を用いて、その場内に三
角形を展開して音線の経路を算出し、送波振動子１側と
受波振動子２側からの音線が交差した場合の経路を通過
するに要する時間ｔ_ij′を送波振動子１と受波振動子２
の角度θ_i とθ_j を変化させてすべてのｉとｊについて
計算する音線追跡演算回路である。

【００３８】２１は音線追跡演算回路２０で算出された
各角度における所要時間ｔ_ij′を格納するｔ_ij′メモリ
である。２２はｔ_ijメモリ１８とｔ_ij′メモリ２１とに
格納されているデータを読み出して比較し、（３）式の
演算を行う比較器である。比較器２２で演算された誤差
データｅはコントローラ２３に入力される。コントロー
ラ２３は音速メモリ１９の各格子点のアドレスとデータ
とを認識しており、図３に示す速度分布における時間を
実測時間と比較して得た誤差データｅと、例えば座標
（ａ₁ ，ｂ₁ ）のデータをΔｃ変化させた時の誤差デー
タｅとを比較して、誤差が大きくなっていれば同一座標
の格子点の音速をΔｃ変化させ、小さくなっていれば他
の格子点の音速を変化させて同様の演算を行わせるため
の音速変更の制御を音速メモリ１９に行う。Δｃは予め
定めた各格子点の音速を変化させる音速のステップであ
る。

【００３９】２４は音速メモリ１９に格納されている各
格子点の音速値を表示する表示器で、操作者は音速と音
速分布とを知ることができる。次に上記のように構成さ
れた実施例の動作を説明する。クロック発振器１１はク
ロックを発生して送信回路１２に送る。送信回路１２で
発生した高周波信号はトリガで変調され、変調された高
周波信号は電力増幅されて角度調節器１３に入力され
る。角度調節器１３は入力された信号でビームを形成さ
せ、送波探触子１から出射される超音波の音線の出射角
度をθ_i とする。

【００４０】受波振動子２が受波する音線は、角度調節
器１４でθ_j 方向からの音線のみとなっている。この信
号は角度調節器１４で整相加算されて受信回路１５で増
幅，検波等の処理を受け、ＡＤ変換器１６でディジタル
信号に変換されて時間計測回路１７に入力される。

【００４１】時間計測回路１７にはクロック信号が入力
されていて、このクロック信号（送波時間と同じ）と受
波信号とから伝播時間ｔ_ijを計測し、ｔ_ijメモリ１８に
格納する。

【００４２】一方、音速メモリ１７には図３に示す格子
を仮想し、各格子点に任意に想定された速度が格納され
ている。音速追跡演算回路２０は各格子点の仮想速度を
読み出し、（１）式と（２）式の演算を行って音線の軌
跡を算出し、この経路の所要伝播時間ｔ_ij′を求めてｔ
_ij′メモリ２１に格納する。

【００４３】比較器２２はｔ_ijメモリ１８とｔ_ij′メモ
リ２１とに格納されているデータを読み出して（３）式
の演算を行って誤差データｅを算出する。この誤差デー
タｅはコントローラ２３に入力される。

【００４４】コントローラ２３は誤差データｅの変化に
応じて音速メモリ１９に格納されているデータにデータ
変化のステップΔｃずつ変化させて誤差データｅが小さ
くなるように音速を選択する。音速メモリ１９に格納さ
れている音速データが誤差データｅを最小にするように
全格子点について設定されれば、測定を終了する。音速
メモリ１９のデータは表示器２４に逐次表示され、操作
者は音速と音速分布を知ることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、組織を伝播する超音波の速度を外部から無侵襲に測
定できるようになり、実用上の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の装置のブロック図である。

【図２】生体内の超音波の伝播を平面的に示した図であ
る。

【図３】超音波伝播経路を求めるための仮想音速分布を
示す図である。

【図４】音線経路を求めるために線形音速場に近似して
設けた三角形の図である。

【図５】ニュートン法の説明図である。

【符号の説明】

１ 送波振動子 ２ 受波振動子 １３，１４ 角度調節器 １７ 時間計測回路 １８ ｔ_ijメモリ １９ 音速メモリ ２０ 音線追跡演算回路 ２１ ｔ_ij′メモリ ２２ 比較器 ２３ コントローラ ２４ 表示器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定部を任意の領域に分割してそれぞ
   れの領域に仮想の音速値を定めた仮想音速分布を作って
   格納する段階と、 少なくとも２個の異なる位置に配置した送信手段と受信
   手段との間でそれぞれ送受信角度を変えながら超音波の
   送受を行い、それぞれの角度における時間を測定する段
   階と、 前記仮想音速分布に基づき、音線近似手法を用いて送信
   から受信に至る超音波の経路とその所要伝播時間を超音
   波入射角度と受波角度を変えながら演算する段階と、 前記実測伝播時間と前記仮想音速分布に基づく仮想伝播
   時間とを同一送信角度同一受信角度の場合について比較
   し、その差の累積値である誤差関数を求める段階と、 仮想音速分布を繰り返し変更して前記誤差関数の値を最
   小にする収束演算を行うことを特徴とする超音波の音速
   測定法。
2. 【請求項２】 照射角度θ_i を変えながら測定対象に超
   音波を送波する送波振動子（１）と、 反射された超音波を入射角度θ_j を変えながら受波する
   受波振動子（２）と、 音線を形成し、前記送波振動子（１）の送波指向性を制
   御する第１の角度調節器（１３）と、 前記受波振動子（２）の指向性を制御すると共に、受波
   信号を整相加算する第２の角度調節器（１４）と、 超音波送波から反射波受波までの時間を各指向方向
   θ_i ，θ_j について計測する時間計測回路（１７）と、 該時間計測回路（１７）で得た時間データｔ_ijを格納す
   るｔ_ijメモリ（１８）と、 任意に与えられた仮想音速の分布を格納する音速メモリ
   （１９）と、 該音速メモリ（１９）に格納されている仮想音速分布に
   基づき音線近似手法を用いて送信波束及び受信波束の伝
   播経路を追跡しながら伝播時間ｔ_ij′を計算する音線追
   跡演算回路（２０）と、 該音線追跡演算回路（２０）の出力の仮想音線による伝
   播時間ｔ_ij′を格納するｔ_ij′メモリ（２１）と、 前記ｔ_ijメモリ（１８）と前記ｔ_ij′メモリ（２１）と
   に格納されているデータを比較して誤差を求める比較器
   （２２）と、 該比較器（２２）の出力の誤差データが入力され、該誤
   差データの変化に基づいて前記音速メモリ（１９）に格
   納されている音速分布を繰り返し変更して、前記比較器
   （２２）の出力の誤差データの値を最小にするための制
   御を行うコントローラ（２３）と、 前記音速メモリ（１９）に格納されている音速値及び音
   速分布を表示する表示器（２４）とを具備することを特
   徴とする音速測定手段を備えた超音波診断装置。