JPH064074B2 - 超音波診断装置およびこれを用いる音速計測方法 - Google Patents

超音波診断装置およびこれを用いる音速計測方法

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JPH064074B2
JPH064074B2 JP58023548A JP2354883A JPH064074B2 JP H064074 B2 JPH064074 B2 JP H064074B2 JP 58023548 A JP58023548 A JP 58023548A JP 2354883 A JP2354883 A JP 2354883A JP H064074 B2 JPH064074 B2 JP H064074B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超音波診断装置およびこれに用いる音速計測方
法に関し、特に従来の超音波診断装置に大きな変更を加
えることなしに、被検体内の音速測定・表示を可能とす
る超音波診断装置およびこれを用いる音速計測方法に関
する。
〔従来技術〕
従来の超音波診断装置は、パルス状調音波送信器と受信
器とを有し、該受信器を構成する受信素子によつて変換
された電気信号を処理することにより被検体の超音波像
を得る如く構成されており、上記超音波像を観測して被
検体の診断を行うものである。
ところで、被検体内の音速を知ることは診断上大変有益
なことであり、例えば肝硬変肝の場合、正常肝と比べて
音速が数％増加することが知られている。従つて、従来
の超音波診断装置の機能に、音速測定機能を付加するこ
とにより、診断能を向上させることが可能である。
超音波を用いた音速計測の例は、西ドイツ特許公開公報
３１２７１９２号（１９８３）に記載されている。しか
しながら、ここに記載された方法では、対象の大きさ、
つまり超音波の通過距離が正確に分かっていなければ、
その音速を測定できず、生体内の器官の音速計測が困難
であるという問題を有している。
〔発明の目的〕
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、従来の超音波診断装置に大きな変更を加
えることなしに、被検体内の音速測定・表示を可能とす
る超音波診断装置およびこれを用いる音速計測方法を提
供することにある。
〔発明の概要〕 本発明の要点は、パルス状超音波送信器と受信器とを有
し、該受信器を構成する受信素子によつて変換された電
気信号を処理することにより被検体の超音波像を得る如
く構成された超音波診断装置において、像形成に際して
フォーカシングに用いるパラメータとしての音速の設定
・調整手段と設定された音速の表示手段を設けて、前記
音速の設定・調整手段を用いて前記表示される超音波像
の強度が最大となる音速を前記音速表示手段に出力する
ように構成した点にある。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の原理および実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。
第１図に典形的な超音波ビームの形状を模式的に示し
た。なお、送信系では実際に物理的なビームが形成され
るのに対し、受信系では物理的なビームは形成されない
が、空間応答関数を等価的なビームに置換えて考えるこ
とが可能である。図において、Ｄは受信または送信に用
いる口径、ｘは口径方向の座標、ｙは深さ方向の座標で
ある。
第２図は第１図に示した超音波ビームの中心軸上の音圧
Ｉの変化を上記深さｙの関数として示したものであり、
図中の焦点深度△Ｙは焦点距離Ｙ，超音波波長λにより
次のように表される。
△Ｙ＝２λＹ2／Ｄ2 …(1) 従来の超音波診断装置は操作上の便のため、焦点深度△
Ｙを大きくとり固定フオーカスまたは高々数個の互いに
離れたフオーカス典を持つフオーカス系としていたが、
これでは音速を測定するには不都合がある。これに対
し、本発明の超音波診断装置においては、音速測定の精
度を向上させるため、上記焦点深度△Ｙを小さくしなく
てはならない。
次に、本発明における音速測定の原理を詳細に説明す
る。
撮影の際仮定する音速をＣ0，設定する焦点距離をＹ0と
すると、 Ｙ0＝Ｃ0Ｔ0 …(2) ここで、Ｔ0は反射信号の戻つてくる時間の1/2また、口
径上で信号に与える遅延時間τ(X)を次式の如く定めて
パルス状超音波を送受信する（第３図参照）。
ここで、τ0はすべてのｘについてτ(X)≧０となるよう
に加えた定数 このようにして送受信した場合に、最も強い反射信号強
度の得られる反射体位置から、パルスが実際に戻つてく
る時間を往復で２Ｔ（ｘ＝０に対して）とするとき、被
検体内における実際の音速Ｃおよび実際の焦点距離Ｙに
ついて次の関係が成立する。
Ｙ＝ＣＴ …(4) τ(X)≒τ0−ｘ2／（２ＣＹ） …(5) 従つて、式(3)と(5)から Ｙ＝Ｃ0Ｙ0／Ｃ …(6) また、式(2)，(4)および(6)から 式(7)に示される如く、仮定した音速Ｃ0，設定した焦点
距離Ｙ0および強い反射信号が実際に戻つてくる時間Ｔ
から実際の音速Ｃを求めることが原理的には可能であ
る。
ここで、音速測定精度△Ｃ／Ｃ0を見積ると、 となり、例えば、λ＝０．３mm，Ｙ0＝１００mm，Ｄ＝
６０mmとした場合０．８％の精度が得られる。
以上が本発明の基本原理であるが、この方法で従来の固
定フオーカスまたは高々数個の互いに離れたフオーカス
点を持つ送受信系により被検体内の音速を測定すること
は困難である。その理由は、被検体内の焦点位置（体表
からの距離が(4)式で与えられるＹである位置）の近傍
に充分な反射強度を有する反射体が存在するとは限らな
いことである。
また、点反射体に対する送受信系の空間応答関数は、第
４図に模式的に示される如く、ピークＰの両側に蝶が羽
根を拡げた形であり、点反射体が実際の焦点位置にある
ときとそれからずれたときとで、反射像の形状の現われ
る差は小さく、この場合には、音速の設定ずれを形状よ
り強度で判定する方が確実であるといえる。
そこで、本発明においては、設定音速Ｃ0を可変とし
て、形成された超音波像を表示すると同時に、上記設定
音速Ｃ0をも表示するようにしたものである。これによ
り、(6)式で与えられる被検体内の焦点距離Ｙを微調整
して充分な反射強度を有する反射体の超音波像を観察す
ることができるようになり、前述の強い反射信号が戻つ
てくる時間Ｔの正確な測定が可能になる。なお、(6)式
からわかるように、Ｙを微調整するという目的におい
て、Ｃ0を微調整することとＹ0を微調整することは等価
であるが、本明細書では便宜上前者の場合を中心に説明
していく。装置のオペレータは例えば次のようにして音
速を計測することができる。まず、仮定音速Ｃ0と焦点
距離Ｙ0とを設定し、形成される像を観察する。次に、
オペレータは焦点位置から遠くない、充分な反射強度を
有する反射体に注目し、該反射体の像が最大強度で形成
されるように、前者音速Ｃ0を調整する。調整完了時の
Ｃ0，Ｙ0およびＴから、前記式(7)により体表から前記
反射体までの間の、最も確からしい平均音速Ｃを求める
ことができる。
ところが、上述の像観察を行うに当つて、像の強度が最
大となる点を正確に判定することは必ずしも容易ではな
い。これは第２図に示されている如く、中心軸上音圧が
前記焦点深度△Ｙ内で殆んど変化しないため、焦点距離
または音速の設定ずれを高精度では判定しにくいためで
ある。上記焦点深度△Ｙは、先に式(1)として示した如
く、送受信の口径Ｄの２乗に反比例するので、△Ｙを小
さくして音速設定のずれに対する感度を上げるために、
上記口径Ｄを大きくすることも考えられる。しかし、こ
れには、振動子の分割数を増やすことが必要であり、装
置コストの上昇を招くという問題がある。
そこで、本発明においては、前記機能に、更に、第５図
に示す如く、焦点Ｆに対し互いに独立した３方向から超
音波を送信または受信する機能を付加して設定音速のず
れに対する感度を高めた装置をも提案するものである。
本装置による点反射体に対する送受信系空間応答関数
は、第６図に示す如く、３本の直線が交わる形となる。
そして、その交点の形は設定音速Ｃ0と設定焦点距離Ｙ0
との積Ｃ0Ｙ0と、実際の音速Ｃと実際の焦点距離Ｙとの
積ＣＹとの大小関係に従つて第６図(A)，(B)，(C)の如
く、はつきり変化することが大きな利点である。なお、
この方式においても、音速設定のずれに対する感度を上
げるためには、前述の如く、口径Ｄを大きくする必要が
あるが、使用する振動子チヤネル数を増加させなくても
良いという利点がある。
また、これとは別に、本発明においては、前記強い反射
信号が戻つてくる時間Ｔを測定するためにフオーカスの
微調整を行う代りに、１回の送信により連続的に焦点距
離を走査して受信する、いわゆる実時間ダイナミツクフ
オーカス受信を行う装置をも提案するものである。この
装置は、送信時刻からの経過時間をｔとするとき、(3)
式におけるＹ0を、次式をみたすように連続的に走査し
受信する。
Ｙ0＝Ｃ0ｔ／２ …(8) (8)式を(6)式に代入すると、被検体内の実際の焦点距離
が、次子のよう走査されることがわかる。
Ｙ＝Ｃ0 2／Ｃ×ｔ／２ …(10) ところで、実時間ダイナミツクフオーカス受信系では、
Ｙ＝Ｃ×ｔ／２をみたすようにＹが走査されるとき、最
も鮮明な像が得られる。従つて、(10)式からわかるよう
にＣ0がＣに一致したときに、最も鮮明な像あるいは最
大の像の強度が得られる。装置のオペレータは例えば次
のようにして音速を計測することができる。まず、仮定
音速Ｃ0を設定する。次に、オペレータは、充分な反射
体強度を有する反射体に注目し、該反射体の像が最大強
度で形成されるように前記音速Ｃ0を調整する。調整完
了時のＣ0が、体表から前記反射体までの間の最も確か
らしい平均音速Ｃそのものである。この装置の場合、オ
ペレータが前記Ｙ0およびＴを意識せずに音速測定でき
る点が特長である。
以下、主として、上述の第２，第３の提案に係る超音波
診断装置について、実施例を挙げ、より具体的に説明す
る。
第７図は上述の第２の提案に係る装置に対応する回路構
成例である。図において、Ｅ1〜ＥNは分割振動子を構成
する振動子エレメント、ＥK〜ＥK+n-1はエレメント選択
回路ＥＣにより選択されたエレメント、Ｂは送受信偏向
回路、Ｍはフレームメモリ、Ａは上記フレームメモリＭ
のためのアドレス信号発生回路、Ｄは画像表示回路、Ｖ
は音速表示回路である。
本構成例においては、焦点に対して互いに独立した３方
向から超音波を送受信して得たエコー信号をフレームメ
モリＭ上で加算するようにしており、Ｓ1〜Ｓ4は後述す
る如き信号である。
送信タイミングパルスＳ1に従つて、送受信偏向回路Ｂ
は送信信号をエレメント選択回路ＥＣに送り、アドレス
信号発生回路Ａはアドレスのｙ座標をリセツトする。ま
た、ラスタ切換信号2に従つて、エレメント選択回路Ｅ
Ｃは選択エレメントを走査し、アドレス信号発生回路Ａ
はアドレスのｘ座標を走査する。更に、偏向切換信号Ｓ
3に従つて、送受信偏向回路Ｂは送受信の偏向方向を切
換え、アドレス信号発生回路Ａはアドレス走査方向を切
換える。送受信偏向回路ＢからフレームメモリＭに送ら
れた受信信号は、位相情報込みで重ね書きされる。１フ
レーム分の走査が終了するごとに、フレームメモリＭ上
のデータは、画像表示回路ＤPに送られると同時にリセ
ツトされる。アドレス信号発生回路Ａは、また、仮定音
速信号Ｓ4に従つて、アドレス走査方向を微小量変化さ
せる。すなわち、第８図に示す如く、同時使用口径をｘ
とし口径両端の遅延時間差をτとしたとき、アドレス走
査角度θを、仮定する音速Ｃ0に従つて sinθ＝Ｃ0τ／ｘ …(11) を満たすように制御する。
本実施例装置は、振動子ブロック面から特定距離にある
固定化された焦点を持つものではなく、音速ＣがＣ0に
一致したときすべての距離の反射体について反射エコー
像が第６図(B)に示した状態となる。従つて、オペレー
タは仮定する音速Ｃ0を調整しながら像を観察し、注目
する反射体の像が前記第６図(B)の状態になつたときに
音速表示回路Ｖに表示されているＣ0を以て、最も確か
らしいＣの近似値とすれば良い。
第９図は本発明の他の実施例を示す回路構成図であり、
１個の振動子ブロツクによりパルス状超音波信号を送信
し、反射エコー信号を分離した３個の振動子ブロツクに
より受信するようした例を示すものである。
分割振動子を構成する振動子ブロツクＥK〜ＥK+n-1によ
りパルス状超音波信号を送信し、反射エコー信号を３個
の振動子ブロツクＥj〜Ｅj+n-1，ＥK〜ＥK+n-1，Ｅl〜
Ｅl+n-1により受信する。Ｓ1は前述の送信パルス信号、
Ｔrは送信回路、Ｒ0，Ｒ1，Ｒ2は受信回路である。ま
た、Ｆは受信の焦点を示し、Σは仮定する音速Ｓ4に従
つて遅延時間を微小変化させることのできる整相加算回
路である。
本実施例装置は第７図に示した先の実施例装置に比べ
て、撮像に必要な３方向の信号を同時受信するために、
被検体の運動による誤差を生じない点に利点を有する。
なお、第７図に示した実施例装置において、送信・受信
の関係を逆にしても良く、この場合には送信回路を３組
同時使用する代りに受信回路は１組しか使用しないの
で、送信回路価格が受信回路価格に比べて安価な場合に
有効である。
第１０図，第１１図は前述の第３の提案に係る装置の実
施例を示す回路構成図である。これらの実施例装置にお
いては、受信口径を送信口径の２倍以上に設定し、１回
の送信につき多数の受信焦点切換えを行つて撮像する、
いわゆる実時間ダイナミツクフオーカス受信法を採用し
ているものである。
第１０図に示した実施例回路においては、送波タイミン
グパルスＳ1が送信回路Ｔと受信回路Ｒに与えられ、送
信回路Ｔは仮定音速信号Ｓ4の値に従つて、上記送波タ
イミングパルスＳ1に同期した送波信号を作成し、超音
波トランスデユーサＵに送る。受信回路Ｒは上記仮定音
速信号Ｓ4の値に従つて、上記送波タイミングパルスＳ1
からの経過時間に応じて焦点距離Ｙ0を変えながらダイ
ナミツクフオーカス受信を行い、形成された像信号を画
像表示回路Ｄpに送る。また、仮送音速信号Ｓ4は音速表
示回路Ｖに送られる。
第１１図に示した実施例回路は、仮定音速をＳ4l〜Ｓ4k
のＫ通り設定できるようにしたものである。被検体内の
音速は一定ではなく、部位により数％程度の差があるこ
とが知られている。そこで、本実施例の装置では深さ方
向にＫ通り異なる音速を仮定して撮像可能としたもので
ある。受信回路Ｒは送波タインミングパルスからの経過
時間に応じて仮定する音速をＫ通りに変化させながらダ
イナミツクフオーカス受信を行う如く構成されている。
第１２図は本発明の更に別の実施例を示す回路構成図で
ある。本実施例回路は、第９図に示した実施例回路にお
いて、整相加算回路Σに上記実時間ダイナミツクフオー
カスの機能を持たせ、送信タイミングパルスＳ1からの
経過時間と、仮定音速信号Ｓ4に応じて整相加算におけ
る遅延時間を変化させながら撮像する如く構成されてい
る。これにより、１回の送信により送信波の進行する深
さ方向に拡がつた領域全体の撮像が可能となることは言
うまでもない。
本実施例装置も第７図に示した実施例装置と同じく、特
定の焦点距離を持たず、音速ＣがＣ0に一致したときす
べての距離の反射体について反射エコー像が第６図(B)
に示した状態となる。オペレータの操作も全く同様であ
る。
第１３図は本発明の更に他の実施例を示すものである。
第１２図に示した実施例との相違点は、送信タイミング
パルスＳ1により書込みを開始し、また整相加算回路Σ
に対して上記送信タイミングパルスＳ1に代つて与えら
れる信号Ｓ5により読出しを開始するメモリＭ0，Ｍ1，
Ｍ2を有することである。受信信号は上記メモリＭ0，Ｍ
1，Ｍ2に一旦貯えられるので、同一の受信信号に対して
仮定する音速の信号Ｓ4をさまざまに変えて像を表示で
きるという利点がある。これにより、最も確からしい音
速の判定がより容易になるという効果を生ずるものであ
る。
第１４図は本発明の応用例を示すもので、振動子系Ｅに
より送受信される信号は、従来の超音波撮像系Ｇと本発
明の超音波撮像系Ｈに対してやりとりされる。上記両超
音波撮像系Ｇ，Ｈの出力信号は画像表示回路Ｄに送ら
れ、２つの画像が交互表示または同時表示される。本発
明の超音波撮像系Ｈによる像は音速計測に重点を置いて
いるため、サイドローブレベル等が、従来の超音波撮像
系Ｇによる像よりも大きくなるという事情があるのがカ
バーされ、より使い易い装置を実現できるという効果が
ある。
上記各実施例においては、振動子として電子走査型１次
元アレイ状振動子を用いる例を中心に説明したが、本発
明はこれに限定されるべきものではなく、機械走査型等
他の走査型式のもの、あるいは２次元アレイにも適用可
能であることは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上述べた如く、本発明によれば、パルス状超音波の送
受波を行うアレイ状超音波送受信器と、該超音波送受信
器を構成する各素子によって電気信号に変換された各パ
ルス・エコー信号に各素子の位置座標に対応する時間差
を与えて処理することにより、超音波像を形成する手段
および形成された超音波像を表示する手段を超音波診断
装置において、像形成に際してフオーカシングに用いる
パラメータとしての音速の設定・調整手段と設定された
音速の表示手段を設けて、前記音速の設定・調整手段を
用いて前記表示される超音波像の強度が最大となる音速
を前記音速表示手段に出力するように構成したので、被
検体内の音速測定を可能とした超音波診断装置を実現す
ることができ、超音波診断装置の利用範囲を拡大すると
いう顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は超音波ビームの模式図、第２図はそれに対応す
る中心軸上の音圧の変化を示すグラフ、第３図はフオー
カスのための遅延時間の説明図、第４図は送受信系の空
間応答関数の模式図、第５図は本発明の一実施例の構成
図、第６図は上記実施例装置における点反射体に対する
送受信系空間応答関数を示す図、第７図，第９図〜第１
３図は本発明の他の実施例を示す回路構成図、第８図は
開口と遅延時間差の関係を示す図、第１４図は本発明の
応用例を示す構成図である。 Ｃ0，Ｃ：音速、Ｙ0，Ｙ：焦点距離、Ｄ：送信または受
信口径、Ｆ0，Ｆ：焦点位置、Ｂ：送受信偏向回路、Ｅ
Ｃ：エレメント選択回路、Ａ：アドレス信号発生回路、
Ｅ：振動子エレメント、Ｍ：メモリ、Ｄp：画像表示回
路、Ｖ：音速表示回路、Ｔr：送信回路、Ｒ：受信回
路、Σ：整相加算回路。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−1438（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−196967（ＪＰ，Ａ) 特表 昭59−501758（ＪＰ，Ａ) 米国特許4395909（ＵＳ，Ａ) 米国特許4471785（ＵＳ，Ａ)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】パルス状超音波の送受波を行うアレイ状超
    音波送受信器と、該超音波送受信器を構成する各素子に
    よって電気信号に変換された各パルス・エコー信号に各
    素子の位置座標に対応する時間差を与えて処理すること
    により、超音波像を形成する手段および形成された調音
    波像を表示する手段を有する超音波診断装置において、
    前記時間差を前記位置座標に対応させる際のパラメータ
    としての音速の設定・調整手段および設定された音速の
    表示手段を設けたことを特徴とする超音波診断装置。
  2. 【請求項２】前記超音波像形成手段として、実時間ダイ
    ナミックフォーカス受信機構を有する超音波像形成手段
    を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
    超音波診断装置。
  3. 【請求項３】前記実時間ダイナミックフォーカス受信機
    構が、前記アレイ状超音波送受信器の異なる３個所の前
    記素子から成る振動子ブロックに接続されたことを特徴
    とする特許請求の範囲第２項記載の超音波診断装置。
  4. 【請求項４】パルス状超音波の送受波を行うアレイ状超
    音波送受信器と、該超音波送受信器を構成する各素子に
    よって電気信号に変換された各パルス・エコー信号に各
    素子の位置座標に対応する時間差を与えて処理すること
    により、超音波像を形成する手段および形成された超音
    波像を表示する手段と、前記時間差を前記位置座標に対
    応させる際のパラメータとしての音速の設定・調整手段
    および設定された音速の表示手段を有する超音波診断装
    置を用いる音速測定方法であって、前記表示される超音
    波像を形成する反射エコーの強弱を評価し、前記音速の
    設定・調整手段および音速の表示手段を用いて超音波像
    を形成する反射エコーの強度が最大となる前記音速を求
    めることにより、被検体の平均音速の近似値を得ること
    を特徴とする音速計測方法。
  5. 【請求項５】前記表示される超音波像の鮮明度を評価
    し、前記音速の設定・調整手段および音速の表示手段を
    用いて超音波像を形成する反射エコーの強度が最大とな
    る前記音速を求めることにより、被検体の平均音速の近
    似値を得ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
    の音速計測方法。
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