JPH0640096B2 - 微小散乱体間隔空間分布測定方法および装置 - Google Patents

微小散乱体間隔空間分布測定方法および装置

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JPH0640096B2 JP1128538A JP12853889A JPH0640096B2 JP H0640096 B2 JPH0640096 B2 JP H0640096B2 JP 1128538 A JP1128538 A JP 1128538A JP 12853889 A JP12853889 A JP 12853889A JP H0640096 B2 JPH0640096 B2 JP H0640096B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は人体臓器に発生した腫よう等の早期発見等臨床
医学における超音波生体組織診断や、工業・産業におけ
る不均質な構造をもつ複合材料の超音波非破壊試験、あ
るいは測定上障害となる浮遊物の多い海域における超音
波海洋探査等で要求される微小散乱体群で形成される超
音波散乱媒質の、構造不均質性の空間分布計測に関する
ものである。
［従来の技術］ 従来開発されている上記分野における超音波計測技術は
散乱媒質からの超音波散乱波の振幅を計測する方法であ
る。散乱媒質を微小散乱体群とみなしてその散乱体群の
空間分布の解析を行った例は極めて少ない。ここでは医
療診断の分野で行われた研究例の一つであるケプストラ
ム法を示す。ケプストラム法のブロック図を第７図に示
す。
ケプストラム法のための装置は、超音波振動子駆動装置
１，送受超音波振動子２，超音波受信装置３，パワース
ペクトル演算装置４，結果表示装置５からなっている。
超音波振動子駆動装置によって発生されたパルス電圧は
振動子に印加される。このパルス電圧は機械的振動に変
換され、超音波として空間に放射され、試料６（微小散
乱体群により形成された散乱媒質）によって散乱され
る。超音波の周波数は、測定目的により異なるが、例え
ば生体試料の測定では10MHz 以下の周波数が通常用いら
れる。また、目的に応じて、超音波ビームを集束可能な
振動子を用いる場合もある。この測定の様に散乱媒質か
らの後方散乱波の測定を行う場合には、１個の振動子を
用いて送波受波の機能をもたせる。従って、散乱媒質で
散乱された超音波は再び振動子に到達し、機械的振動が
電気的振動に変換される。振動子によって変換された電
気信号は超音波受波装置に入力され、必要に応じて増幅
等が行われ、さらにA/D 変換されてパワースペクトル演
算装置に入力され、パワースペクトルが計算される。こ
のパワースペクトルの形状特徴を求めるためさらに高速
フーリエ変換(FFT) を行いケプストラムを得る。その結
果は、表示画面あるいはプロッタを有する結果表示装置
で表示される。この方法は河野らによって示されている
（腹腔鏡 No.８May 1988）方法であるが、第７図に示
すように時間波形に対して２回FFT を行ってケプストラ
ムを求め、これによりパワースペクトル形状の特徴を抽
出している。第８図はこの方法の解析過程を示してい
る。得られたケプストラム波形のある時間軸上にピーク
（矢印位置）が現れるが、このピーク位置をτとおくと
微小散乱体粒子間隔ａは、 ａ＝τ×Ｃ／２ で与えられる。ここでＣは音速を表す。この様に、従来
法では超音波散乱媒質中の微小散乱粒子の平均間隔を求
めることができる。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来の測定手法では、超音波散乱媒質を形
成する微小散乱体の間隔の空間分布（微小散乱体のばら
つきの度合い）、換言すれば不均質性そのものを数値的
に測定することは不可能であった。
本発明は微小散乱体の間隔の空間分布を測定する方法お
よびそのため装置を提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明方法は微小散乱体群からなる超音波散乱媒質に対
して超音波を放射し、散乱媒質からの散乱波を電気信号
に変換してそのパワースペクトル形状を求め、さらにパ
ワースペクトル形状についてフラクタル次元およびフラ
クタル性の度合いを求めるフラクタル解析を行い、解析
結果にもとづいて散乱媒質の構造不均質性の空間分布を
測定することを特徴とする。
本発明装置は微小散乱体群からなる超音波散乱媒質に対
して超音波を放射し、かつ散乱媒質からの散乱波を受信
して電気信号を出力する送波受波超音波振動手段と、電
気信号をA/D 変換する超音波受波手段と、超音波受波手
段の出力信号を受けて散乱波のパワースペクトル形状を
計算するパワースペクトル演算手段と、パワースペクト
ル形状についてフラクタル解析を行うフラクタル解析手
段とを具えたことを特徴とする。
［作 用］ 上述した従来の問題点を解決するために、本発明におい
ては、パワースペクトル形状を数値的に評価する手法と
して、従来のケプストラムを求める方法に変えて、パワ
ースペクトル形状のフラクタル解析を行う。
図形のフラクタル解析において主要な評価量として、
「フラクタル次元」，および「フラクタル性の度合い」
その他が知られている（例えば横矢他：“フラクタルに
よる３次元自然形状の解析とその地形モデル作成への応
用”、電子情報通信学会誌Vol.J70-D,No.12,pp2605-261
4,1987参照）。
ここでフラクタルについて簡単に説明する。スケールを
変えても、元の図形の統計的性質が保存されることをフ
ラクタルという。数学的に厳密なフラクタルはスケール
が無限小から無限大の範囲でこの様な性質が保持される
が、自然界では無限のスケール範囲でフラクタル性が保
存される図形は一般に存在しないので、ある限られたス
ケール範囲内でフラクタル性を論議することになる。
本発明においては、 (1)フラクタル次元 (2)フラクタル性の度合い の２つの評価量に着目し、フラクタルブラウン関数の定
義に従って上記の評価量を求めた。フラクタルブラウン
関数は原図形の自己相似性を評価する関数である。
以下に第９図の図形を例にして、フラクタル解析の手順
を示す。
(1)被解析波形（第９図(a)）の横軸をあるスケールdfで
分割する。
(2)そのdfについて、以下の計算を行う。
log|e[A(f+df)-A(f)]|-H・log|df|＝logC (2.1) Ｄ＝S2-HS (2.2) ここで、関数e[ ]は、あるdfに関して全区間の平均をと
ることを意味する。
(3)スケールdfを変化させ、以上の手順を繰り返す。
(2.1) 式をdfの関数として第９図(b)のように両対数プ
ロットをする。この図で、直線と見倣せるdfの範囲が、
第９図(a)の図形をフラクタルと見倣せる“スケール範
囲”である。同図から、以下の２つの量を求める。
フラクタル次元 この直線区間の傾きＨから、(2.2) 式を用いてフラクタ
ル次元Ｄを求める。２次元平面図形では、フラクタル次
元は１から２の間の値を取る実数でなる。この値が１に
近いほど原図形の凹凸が少なく（１次元図形に近い）、
２に近いほど原図形の凹凸が激しい（２次元図形に近
い）と理解して良い。
フラクタル性の度合い： 次に、この直線区間の直線度、即ち、この区間を最小二
乗近似したときの相関係数を、フラクタル性の度合いと
定義する。フラクタル性の度合いは原図形のフラクタル
性の程度、即ちフラクタルブラウン関数で評価すること
の正当性を表す数値である。これは、０から１の値を取
り、この値が１に近いほど原図形のフラクタル性が高
く、逆に０に使いほど原図形のフラクタル性が小さい。
以上説明したように、本発明によれば、従来の超音波計
測技術では測定不可能であった微小散乱体群の間隔の不
規則性の空間的分布が、超音波散乱波パワースペクトル
形状のフラクタル解析を行うことによって可能となる。
［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第１図に本発明装置の一実施例のブロック図を示す。第
７図の従来例との主要な差はパワースペクトル演算装置
４によって得られたパワースペクトル形状のフラクタル
解析を行い、フラクタル次元およびフラクタル性の度合
いを数値計算するためのフラクタル解析装置７を具えて
いる点である。なお、本実施例においては。超音波振動
子は散乱体間隔の相対精度を上げるため、比較的低周波
（周波数0.5MHz 、水中波長3mm ）の中心周波数をもつ
直径１インチの非集束型を用いた。超音波受波装置によ
り検波、A/D 変換された信号はパワースペクトル演算装
置(FFT装置)へ送られる。この装置により、時間波形上
で時間窓を順次移動させながら、各時間窓内の波形のパ
ワースペクトルおよびそのフラクタル次元とフラクタル
性の度合いを計算する。この例では、時間窓幅10μｓ、
窓移動量２μｓで解析を行った。なお、窓幅10μｓは実
空間で7.5mm に対応する。
超音波拡散試料として、波長に対して十分径が小さく、
かつ散乱係数の小さい材料として径0.1mm のナイロン糸
群を用いた。第２図に示す様にそれぞれ10cm角の２枚の
ステンレス鋼板８がしんちゅう棒によって10cmの間隔で
固定されている。ステンレス鋼板８にはそれぞれ多数の
小孔8Aが設けられている。ナイロン糸10は小孔8Aを通
り、ビス11によって固定される。このようにして、所定
数のナイロン糸をそれぞれ所定の間隔をもって固定する
ことができる。
ナイロン糸の間隔分布をかえた２種類の試料について測
定を行った。
（試料１）散乱体間隔分布の空間的変化をもたせた散乱
体群試料。
試料１は、第３図に示すように位置によりばらつきの程
度の異なる30本（各ばらつき毎に10本）のナイロン糸を
張った。ばらつきは正規分布擬似乱数で求め、ばらつき
の程度Ｒは下式で定義して用いた。
Ｒ＝σ／ｄ ここで、σは標準偏差。ｄは平均間隔を表す。
Ｒの値は0.0,0.1,0.2 とした。
（試料２）局所的に間隔変化を持った散乱体群試料。
試料２は、第４図に示すように2mm の等間隔の30本ナイ
ロン糸群のうちの一箇所のみ（図中Ａで示す）間隔を2.
5mm とした。
次に測定結果について説明する。
散乱体群のばらつきの空間分布の測定 試料１を用いた散乱体間隔のばらつきの空間分布の測定
結果を第５図に示す。同図(a)は散乱波時間波形であ
る。(b)はフラクタル次元を位置の関数としてプロット
したもの、そして(c)はフラクタル性の度合いを位置の
関数としてプロットしたものである。比較のため、既に
超音波計測技術として実用化されている散乱波振幅の空
間分布による計測結果を同図(d)に示した。(b)，(c)，
(d)において、試料の存在範囲は0mm から60mmである。
従来の散乱波の振幅解析では(d)の様に散乱体間隔のば
らつきの程度の違いを空間的に識別することは困難であ
る。一方、(d)，(c)に見るようにフラクタル理論を採用
して本手法では、散乱体間隔のばらつきの異なる境界部
分、およびそのばらつきの程度がそれぞれ明瞭に現れて
いる。
この様に、本手法は微小散乱粒子間隔の統計的分布が異
なる領域を明瞭に識別できる。
局所的な間隔変化の検出 試料２を用いた測定結果を第６図に示す。試料の存在範
囲は同じである。前述の様に、本測定では、波長３mm、
時間窓幅は10μｓ(実空間では約7.5mm)といずれも散乱
体間隔より長いため、時間波形振幅の空間分布では十分
な分解能が得られない。このことは同図(d)の散乱波時
間波形振幅の空間分布から明らかである。しかし、(b)
フラクタル次元、および(c)フラクタル性の度合いの空
間分布では、散乱体間隔に局所的変化が生じている部分
に、ディップおよびピークが生じている。
この様に本手法では、散乱体間隔が波長以下で分解能が
十分得られない条件下でも散乱体間隔の局所的な微小変
化の検出が可能である。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、従来の音波計測
技術では測定不可能であった微小散乱体群の間隔の不規
則性の空間的な分布が、超音波散乱波パワースペクトル
形状のフラクタル解析を行うことによって可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明実施例のブロック図、 第２図は試料の概観図、 第３図および第４図はそれぞれ試料の模式図、 第５図および第６図はそれぞれ測定結果を示す図、 第７図は従来例のブロック図、 第８図はケプストラム法の解析過程を示す図、 第９図はフラクタル解析を説明する図である。 １……超音波振動子駆動装置、 ２……送受超音波振動子、 ３……超音波受波装置、 ４……パワースペクトル演算装置、 ５……結果表示装置、 ７……フラクタル解析装置、 10……ナイロン糸。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】微小散乱体群からなる超音波散乱媒質に対
    して超音波を放射し、該散乱媒質からの散乱波を電気信
    号に変換してそのパワースペクトル形状を求め、さらに
    該パワースペクトル形状についてフラクタル次元および
    フラクタル性の度合いを求めるフラクタル解析を行い、
    該解析結果にもとづいて前記散乱媒質の構造不均質性の
    空間分布を測定することを特徴とする微小散乱体間隔空
    間分布測定方法。
  2. 【請求項２】微小散乱体群からなる超音波散乱媒質に対
    して超音波を放射し、かつ該散乱媒質からの散乱波を受
    信して電気信号を出力する送波受波超音波振動手段と、 該電気信号をA/D 変換する超音波受波手段と、 該超音波受波手段の出力信号を受けて前記散乱波のパワ
    ースペクトル形状を計算するパワースペクトル演算手段
    と、 前記パワースペクトル形状についてフラクタル解析を行
    うフラクタル解析手段とを具えたことを特徴とする微小
    散乱体間隔空間分布測定装置。
JP1128538A 1989-05-22 1989-05-22 微小散乱体間隔空間分布測定方法および装置 Expired - Lifetime JPH0640096B2 (ja)

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