JPH0681616B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

超音波診断装置

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JPH0681616B2
JPH0681616B2 JP63129073A JP12907388A JPH0681616B2 JP H0681616 B2 JPH0681616 B2 JP H0681616B2 JP 63129073 A JP63129073 A JP 63129073A JP 12907388 A JP12907388 A JP 12907388A JP H0681616 B2 JPH0681616 B2 JP H0681616B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 受信した超音波信号から生体の減衰係数などを算出し得
るように構成した超音波診断装置に関し、 散乱特性の明確な血液からの散乱波パワーを求めて減衰
係数を精度高く算出すると共に関心組織領域の散乱係数
などを精度高く算出することを目的とし、 血液によって散乱され、受信された超音波散乱波パワー
P(Di)を算出する散乱パワー算出部と、この算出された
超音波散乱波パワーP(Di)に基づいて、当該血液の位置
までの累積減衰係数を算出する累積減衰係数算出部とを
備え、生体の累積減衰係数を算出するように構成する。
また、上累積減衰係数算出部によって、算出された複数
の位置の血液に対する夫々の累積減衰係数に基づいて、
これら複数の位置の血液で挟まれた区間の平均減衰係数
βを算出する係数算出手段とを備え、生体の平均減衰係
数βを算出するように構成する。更に、血液の近傍にお
ける関心組織領域における超音波反射波パワースペクト
ラムを算出する散乱スペクトラム算出部と、この算出さ
れた超音波反射パワースペクトラムおよび上記累積減衰
係数あるいは平均減衰係数に基づいて、この関心組織領
域における散乱係数などを算出する係数算出部とを備
え、血液の近傍の関心組織領域の散乱係数などを算出す
るように構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、受信した超音波信号から生体の減衰係数など
を算出し得るように構成した超音波診断装置に関するも
のである。
近年、超音波を用いた診断法の進歩に伴い、従来の臓器
や腫瘍の形態によって診断する診断法から、組織の質に
よって診断を行うことで診断精度を向上したいという要
求が高まっている。組織の質を表すものとして組織の音
響特性、特に減衰係数(減衰係数週波数傾斜度)、散乱
係数(単位体積当りの微分散乱断面積)を用いようとす
る試みがなされている。これらは肝臓の瀕慢性疾患や癌
の検出、特に散乱係数は心筋硬塞の検出に有効とされて
いるが、実際の診断に用いるためには高い精度で音響特
性を測定する必要がある。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕
従来、超音波を生体に放射し、その反射波を受信して算
出した音響特性の計測は、精度が十分でなかった。その
要因について説明する。
(1)音響特性の中で、基本的なものは減衰係数や、散乱
係数であるが、減衰係数を求めるときには散乱係数が深
度に係わらず一定であると仮定し、一方、散乱係数を求
めるときには減衰係数が深度に係わらず一定であると仮
定し、算出することが行われている。このため、減衰係
数あるいは散乱係数のいずれか一方のみを正確に求め難
いという問題があった。
(2)生体組織はいわば寒天の中に細かい粒子が数多く浮
いていようなものであるため、1走査線での超音波反射
信号の短時間フーリエ解析を行って求めたパワースペク
トラムや、中心周波数、振幅などが多きな変動を持ち、
これらを用いて音響特性を算出すると、大きなバラツキ
を生じ、十分な精度を得難いという問題があった。
本発明は、散乱特性の明確な血液からの散乱波パワーを
求めて減衰係数を精度高く算出すると共に関心組織領域
の散乱係数などを精度高く算出することを目的としてい
る。
〔課題を解決する手段〕
第1図を参照して課題を解決する手段を説明する。
第1図において、超音波プローブ1は、超音波を生体に
向けて放射、および反射波を受信するものである。
散乱パワー算出部30は、血液によって散乱され、受信さ
れた超音波散乱波パワーP(Di)を算出するものである。
累積減衰係数算出部31は、血液から反射され、算出され
た超音波散乱波パワーP(Di)から、この反射された位置
までの累積減衰係数を算出するものである。
散乱スペクトラム算出部32は、関心組織領域5によって
散乱され、受信された超音波散乱波パワースペクトラム
を算出するものである。
係数算出部18は、この算出された関心組織領域5からの
超音波散乱波パワースペクトラムに基づいて散乱係数、
および複数の累積減衰係数から平均減衰係数を算出など
するものである。
〔作用〕
本発明は、第1図に示すように、散乱パワー算出部30が
例えば散乱特性の明確な血管(1)内の血液によって散乱
されて受信された信号から超音波散乱波パワーP(Di)を
算出し、累積減衰係数算出部31がこの算出された超音波
散乱波パワーP(Di)に基づいて累積減衰係数および複数
の累積減衰係数から平均減衰係数を精度高く算出するよ
うにしている。更に、散乱スペクトラム算出部32が例え
ば血管(1)の近傍の関心組織領域5によって散乱されて
受信された複数の信号の超音波散乱波パワースペクトラ
ムを算出し、係数算出部18がこれら複数の信号の超音波
散乱波パワースペクトラムから散乱係数などを精度高く
算出するようにしている。
従って、散乱特性が明確な血液によって散乱され、受信
された信号に基づいて、生体の減衰係数(累積減衰係
数、平均減衰係数)を精度高く算数することが可能とな
る。更に、この精度高く求めた減衰係数を用いて、血液
(1)、(2)の近傍の関心組織領域5における散乱係数など
を精度高く求めることが可能となる。
〔実施例〕
次に、第1図から第6図を用いて本発明の1実施例の構
成および動作を順次詳細に説明する。
第1図において、超音波プローブ1は、超音波ビーム4
を放射すると共に、超音波を受信するものである。
受信アンプ(超音波パルサ)2は、パルス状の電気信号
を、超音波プローブ1に入力して駆動するものである。
受信アンプ3は、超音波プローブ1によって受信した超
音波信号を増幅するものである。
関心組織領域(ROI)5は、血管(1)の近傍に位置し、超
音波受信信号の散乱パワースペクトラムを求める範囲を
示したものである。
ROM10は、読み出し専用のメモリであって、アドレスに
対応づけて各種データ、例えば超音波ビームの拡散特
性、送信受信特性、装置の周波数特性を含めたパワー伝
達関数などを記憶させたものである。
Bモード受信回路17は、受信アンプ3によって受信・増
幅した超音波受信信号の強度を輝度に対応づけたいわゆ
るBモード像を表示する信号を生成するものである。
係数算出部18は、平均減衰係数および散乱係数などを算
出するものである。
表示部19は、Bモード像、減衰係数、散乱係数などを表
示するものである。
タイミング制御部20は、各種タイミングを制御するもの
である。
散乱パワー算出部30は、散乱特性が判明している血液に
よって散乱されて受信された信号の散乱波パワーP(Di)
を算出するものである。
累積減衰係数算出部31は、散乱パワー算出部30によっ
て、算出された散乱波パワーP(Di)に基づいて、累積減
衰係数を算出するものである。
散乱スペクトラム算出部32は、血液の近傍の関心組織領
域5によって散乱されて受信された信号の、散乱パワー
スペクトラムを算出するものである。
第1図構成の動作を簡単に説明する。
第1図において、第1に、生体の血管(1)中の図示SV1の
位置によって散乱されて受信される受信信号の超音波散
乱パワーが算出されるように設定し、超音波ビーム4の
位置で超音波を複数回受信し、SV1からの瞬時の受信信
号のパワーを送受の回数だけ加算平均を行い、血液によ
って散乱された散乱パワーP(Di)を算出する(第1図散
乱パワー算出部が算出する)。ここで、血液の散乱特性
は、個体差が非常に小さいため、本実施例では、基準と
して用いる。また、血液の散乱パワーP(Di)が周波数f
のほぼ4乗に比例する(これらは、本発明者によって実
験的に確かめられている)。生体の減衰特性は、周波数
の1乗に比例する。以下数式を用いて本発明に係わる累
積減衰係数、平均減衰係数、散乱係数などの算出につい
て詳細に説明する。
体表から深さzの位置における減衰係数をβ(z)(dB
/MHz/cm)とすると、体表(z=0)から散乱パワーの
測定点SV1までの往復の累積減衰係数B1(dB/MHz)およ
び累積減衰量(dB)は、下式(1)および式(2)によて表さ
れる。
累積減衰量=B1|f|(dB) ……(2) 体表から散乱パワーの測定点SV1までの距離D1における
超音波ビームの散乱特性、送受信特性、装置の周波数特
性を含めたパワー伝達特性をG(f,D1)とすると、散乱
パワーの測定点SV1からの受信パワースペクトラムR
(f,D1)は、下式(3)によって表される。
ここで、b0f4は血液の散乱係数を表し、既知の量であ
る。
従って、散乱パワーの測定点SV1からの受信パワーP(D
1)は下式(4)によって表される。
この際、予め、十分遠い距離に置かれたタングステンカ
ーバイドの小球で感度較正を行った標準超音波プローブ
により、デキストランの微粒子の浮遊液の散乱係数を絶
対測定しておき、この微粒子浮遊液を標準ファントムと
して、深さD1からの散乱パワースペクトラムを当該超音
波プローブおよび装置を用いて測定することにより、G
(f,D1)が得られる。そして、式(4)によって、D1、B1
に応じたP(D1)を計算することが可能となる。また、
式(4)からP(D1)と、B1とは互いに一価関数となるの
で、D1と、P(D1)とからB1を求めるのも容易である。
従って、D1と、P(D1)とを入力としてB1が求められる
ように、第2図ROM9にデータを予め書き込んでおくこと
により、散乱パワーP(D1)から累積減衰係数B1を求め
ることができる(第1図散乱パワー算出部30および累積
減衰係数算出部31によって当該累積減衰係数B1を求め
る)。同様に、散乱パワーの測定点SV2の散乱パワーP
(D2)を求めることができる。そして、SV1とSV2とによ
って挟まれた間の平均減衰係数β12(dB/MHz/cm)は、
下式(5)によって算出される(第1図係数算出部が算出
する)。
β12=(B1−B2)/2(D2−D1) ……(5) 更に、散乱パワーの測定点SV1の近傍の関心組織領域5
からの受信信号の平均パワースペクトラムRROIは下式
(6)によって求められる。
ここで、S(f)は関心組織領域5における組織の散乱
特性である。すでにB1が求められているので、このS
(f)は下式(7)で算出される。
次に、第2図の構成を説明する。
第2図において、ドプラ信号算数回路6は、サンプルボ
リュームにおけるドプラ信号を計算するものである。
パワー算出回路7は、ドプラ信号の虚数成分と実数成分
との2乗和をとって時間平均するものであって、ドプラ
信号のパワーを算出するものである。
A/D変換器8は、ドプラ信号のパワーを、ディジタル値
に変換するものである。
ROM9は、ドプラ信号のパワー(超音波散乱波パワーP(D
i)から累積減衰係数を算出するためのデータを格納する
ものである。
ROM10は、超音波ビームの拡散特性、送受信特性、装置
の周波数特性を含めたパワー伝達特性をデータとして記
憶したものである。
ログアンプ11は、受信信号の振幅を対数圧縮増幅するも
のである。
A/D変換器12は、アナログの受信信号をディジタル値に
変換するものである。
逆対数回路13は、A/D変換器1によってディジタル値に
変換した値を、逆数変換して元の真数に戻すものであ
る。
演算回路(FFT演算回路)14は、受信信号の短時間フー
リエスペクトラムを高速演算するものである。
パワー演算回路15は、短時間フーリエスペクトラムの実
数成分と虚数成分との2乗和を演算するものである。
累積器16は、関心組織領域5中の走査線におけるパワー
スペクトラムを加算するものである。
Bモード受信回路17は、受信信号の振幅を輝度としたい
わゆるBモード画像を表示部19に表示するための信号を
生成するものである。
係数算出部18は、減衰係数および散乱係数などを算出す
るものである。
表示部19は、Bモード像、減衰係数、散乱係数などを表
示するものである。
タイミング制御部2は、回路全体のタイミング信号を発
生するものである。
次に、第2図構成の動作を説明する。
第2図において、送信アンプ2から送出されたパルス信
号で超音波プローブ1を駆動して生体に超音波を放射す
る。生体から時々刻々と超音波反射波が帰ってくる。超
音波プローブ1で受信した超音波反射波信号を受信アン
プ3で増幅する。この増幅した受信信号は、ログアンプ
11およびBモード受信回路17を介して表示部19にBモー
ド像が表示される。
また、累積減衰係数を求めるため、ドプラ信号算出回路
6が、血管(1)のサンプルボリュームSV1からの受信信号
に基づいて、ドプラ信号を得、パワー算出回路7によっ
てこのドプラ信号のパワーを算出し、A/D変換器8によ
ってディジタル値に変換し、ROM9がこのディジタル値に
対応する累積減衰係数(体表からサンプルボリュームSV
1までの累積減衰係数B1)を出力するようにしている。
同様に、サンプルボリュームSV2までの累積減衰係数B2
を出力するようにする。これら累積減衰係数B1および累
積減衰係数B2の通知を受けた係数算出部18は、サンプル
ボリュームSV1からサンプルボリュームSV2までの間の平
均減衰係数を算出するようにしている。
更に、血液(1)の近傍の関心組織領域5の散乱係数など
を算出するため、受信信号をログアンプ11で対数圧縮
し、A/D変換器12でディジタル値に変換し、逆対数回路1
3で元の値に戻した後、演算回路(FFT演算回路)14で関
心組織領域5からのRFデータ(受信信号)のフーリエ解
析を行い、パワー算出回路15でパワースペクトラムを求
める。累積器16がこのパワースペクトラムについて、関
心組織領域5内の走査線毎に加算して平均パワースペク
トラムを生成する。係数算出部18は、、この平均パワー
スペクトラムRROI(f)と、ROM9から通知された血液
(1)の累積減衰係数B1などと、ROM10から読み出した超音
波ビームの拡散特性、送受信特性、装置の周波数特性を
含めたパワー伝達特性G(f,x)、体表から関心組織領
域5までの距離などを式(5)に代入して、当該関心組織
領域5内の組織の散乱特性S(f)を算出する。
次に、第3図から第5図を用いて、第2図ドプラ信号算
出回路6およびパワー算出回路7の動作概念および具体
的回路を説明する。
第3図(イ)は受信信号を表示し、第3図(ロ)はこれ
に体応づけた血管内の血液によって超音波信号が散乱さ
れる様子を示す。
第3図(ロ)に示すように、超音波ビームが血管内を流
れる血液に入射すると、図示のように散乱され、これが
受信されて既述した超音波散乱パワーP(D1)が算出さ
れる。この散乱される度合を表す散乱係数は、本発明者
によって生体の個体差によれ変動が非常に小さいことが
実験的に明らかにされており、当該血液の超音波散乱パ
ワーP(D1)から減衰係数を精度高く算出することが可
能となる。ここで、図示距離D1の位置における超音波散
乱パワーP(D1)の平均を<r2(t1)>と表す。
第4図(イ)は、受信検波出力のリアル成分を示す。こ
のリアル成分は、第2図ドプラ信号算出回路6によって
算出されたドプラ信号のうちのリアル成分であって、超
音波ビームと平行な方向についてのものである。
第4図(ロ)は、第4図(イ)の図中丸印を付した部分
の時間的な変化を取り出したいわゆるドプラ信号のリア
ル成分を示す。
第4図(ハ)は、第2図ドプラ信号算出回路6によっ
て、受信信号から算出された直交検波出力Real(リアル
成分、実数成分)および直交検波出力Imag(イマジナリ
成分、虚数成分)を示す。これら実数成分および虚数成
分は、第2図ドプラ信号算出回路6によって図示Rおよ
びIとして出力される。
第5図はドプラ信号のパワー算出回路例を示す。これ
は、第2図ドプラ信号算出回路6およびパワー算出回路
7の具体的回路例である。
第5図において、受信信号(第2図受信アンプ3によっ
て増幅された受信信号)が乗算器23−1、23−2に夫々
入力され、正弦波発振回路21からの周波数信号fおよび
90゜フェイスシフタ22によって90゜位相のずらされた周
波数信号fとが乗算されると、実数成分のドプラ信号、
および虚数成分のドプラ信号が抽出される。そして、夫
々LPF(ローパスフィルタ)24−1、24−2によって高
周波成分が除去され、S/H(サンプルホールド回路)25
−1、25−2によってサンプルホールドされ、HPF(ハ
イパスフィルタ)26−1−26−2によって高周波成分が
取り出されて、ドプラ信号の実数成分および虚数成分が
夫々取り出される。これら取り出されたドプラ信号の実
数成分および虚数成分は、2乗器27−1、27−2によっ
て2乗された後、加算器28によって加算され、更にLPF
(ローパスフィルタ)29によって高周波成分が取り除か
れ、ドプラ信号のパワー、即ち超音波散乱パワーP
(D1)が算出される。同様に、サンプルボリュームSV2に
ついても、超音波散乱パワーP(D2)が算出される。そ
して、これら算出された超音波散乱パワーP(D1)およ
びP(D2)について、第2図A/D変換器8を介してディジ
タルの値に変換し、これと深さD1、D2をROM9のアドレス
信号として入力、データ出力として累積減衰係数B1、B2
が夫々出力され、係数算出部18に通知される。
以上のように、個体差によって散乱係数の誤差が少ない
血液中の血球によって散乱されて受信された受信信号か
らドプラ信号のパワー(超音波散乱パワーP(D1)、P
(D2))を夫々算出し、更にROM9を用いて累積減衰係数
B1、B2を算出することにより、制度高く累積減衰係数を
求めることが可能となる。
次に、第6図を用いてROI(関心組織領域)5における
散乱係数を制度高く算出し得る動作を説明する。
第6図(イ)は、ROI5が複数の走査線ないしによっ
て操作されている様子を示す。
第6図(ロ)は、の走査線による受信波形を示す。
第6図(ハ)は、第6図(ロ)の走査線の受信波形か
ら算出した、当該ROI5中におけるパワースペクトラム
(超音波パワースペクトラム)を示す。これは、の走
査線の1本のみから第2図パワー演算回路15によって算
出したため、曲線に凹凸があり、精度が悪い。
第6図(ニ)は、第6図(イ)ないしのパワースペ
クトラムの平均したものを示す。これにより、パワース
ペクトラムの凹凸が少なくなり、精度が高くなる。
第6図(ホ)は、更にROIを大きくとって数多い走査線
のパワースペクトラムを平均した場合のものを示す。こ
れは、曲線の凹凸がなく、精度が高い。
従って、ROI5の大きさとして実用的な1cm×1cm位にと
り、走査線を可及的に多くすると共に、第2図累積器16
によって複数回の平均を求めることにより、より精度が
高いパワースペクトラム(超音波散乱パワースペクトラ
ム)を算出するようにしている。これにより、第2図係
数算出部18が、この精度高く算出したROI5の超音波散乱
パワースペクトラムと、予め求めておいた累積減衰係数
B1などとに基づいて、当該ROIの散乱係数を精度高く算
出することが可能となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、散乱特性が明確
な血液によって散乱され、受信された信号に基づいて、
生体の減衰係数(累積減衰係数、平均減衰係数)を算出
すると共に、この算出された減衰係数を用いかつ関心組
織領域における複数の超音波散乱パワースペクトラムを
平均化して当該関心組織領域の散乱係数などを算出する
構成を採用しているため、減衰係数(累積減衰係数、平
均減衰係数)および関心組織領域における散乱係数など
を精度高く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施例構成図、第2図は本発明の具
体的構成図、第3図は血液からの散乱パワー算出説明
図、第4図はドプラ信号説明図、第5図はドプラ信号の
パワー算出回路例、第6図はパワースペクトラム説明図
を示す。 図中、1は超音波プローブ、4は超音波ビーム、9、10
はROM、18は係数算出部、30は散乱パワー算出部、31は
累積減衰係数算出部、32は散乱スペクトラム算出部を表
す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】受信した超音波信号から生体の減衰係数な
    どを算出し得るように構成した超音波診断装置におい
    て、 血液によって散乱され、受信された超音波散乱波パワー
    P(Di)を算出する散乱パワー算出部(30)と、 この算出された超音波散乱波パワーP(Di)に基づいて、
    当該血液の位置までの累積減衰係数を算出する累積減衰
    係数算出部(31)とを備え、 生体の累積減衰係数を算出するように構成したことを特
    徴とする超音波診断装置。
  2. 【請求項2】上累積減衰係数算出部(31)によって、算出
    された複数の位置の血液に対する夫々の累積減衰係数に
    基づいて、これら複数の位置の血液で挟まれた区間の平
    均減衰係数βを算出する係数算出手段(18)とを備え、 生体の平均減衰係数βを算出するように構成したことを
    特徴とする超音波診断装置。
  3. 【請求項3】血液の近傍における関心組織領域における
    超音波反射波パワースペクトラムを算出する散乱スペク
    トラム算出部(32)と、 この算出された超音波反射波パワースペクトラムおよび
    上記累積減衰係数あるいは平均減衰係数に基づいて、こ
    の関心組織領域における散乱係数などを算出する係数算
    出部(18)とを備え、 血液の近傍の関心組織領域の散乱係数などを算出するよ
    うに構成したことを特徴とする超音波診断装置。
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