JPS59122919A - 波の周波数領域特性を決定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的に超音波診断装置、更に具体的に云え
ば、時間領域解析によって組織内の周波数依存性を持つ
超音波減衰を決定する方法及び手段に関する。

超音波診断装置は公知であり、医療診断用に市場で入手
し得るものである。例えば米国特許第４゜１７２．３８
６号及び同第４．２０４，４３３号を参照されたい。市
場で入手し得るゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
のデーターソン（Ｄ　ａｔａｓｏｎ）超音波装置は、テ
レビジョン表示装置に実時間像及び静止像の両方を映す
。

簡単に云うと、こういう装置は音波変換器を利用して、
超音波（例えば数メガヘルツ程度）を患者に送込、み、
反射信号を受取る。反射信号を解析することにより、肉
体的な組織のパラメータの定量的な評価を行なうことが
出来る。こういうパラメータは、周波数依存性を持つ信
号の減衰、飛行時間、信号の散乱及び屈折効果を含む。

超音波信号の解析による医療診断が成功しているが、生
理学的な変動並びにサンプルの誤りの問題が、測定精度
を制限している。

１つの動作様式では、変換器を複数個の枢着アームに取
付けて、単一平面内で動ける様にし、枢着アームに付設
されたポテンションメータが、変換器の位置を同定する
信号を発生する。この代りに、変換器の配列又は手で持
つ変換器を使つＣもよい。エコー信号が時間利得補償増
幅器に印加されて、患者の中を通過する時の減衰に対し
Ｃ工」−信号を調節する。調節済みの信号をアナログ・
ディジタル変換器及びビデオ処理回路に通して、その後
表示の為の形式を整える為、走査変換回路に送る。表示
は水平の行及び垂直の列に分れた複数個の画素で構成さ
れ、各々の画素が入力信号に応答する輝度レベルを持っ
ている。普通、輝度は３２レベルのグレースケールによ
って定められ、従って画素の輝度レベルは５ビツトのデ
ィジタル符号を必要とする。

従来、時間利得補償（ＴＧＣ＞増幅器に対する制御信号
は、増幅器の出力が大体平坦になるまで、時間利得制御
信号を調節することによって定められていた。これは必
然的に検査されるｆｉｌｌ　ｌｄでの減衰が全般的に一
様であると仮定している。然し、減衰並びに信号の散乱
は組織の中で変化するのが普通であり、平均応答に基づ
＜ＴＧＣ信号は必然的に片寄っている。

１乃至１０メガヘルツの範囲内の超音波エネルギの組織
による減衰は、大体周波数及び深さの線形関数であり、
普通は次元としてｄｂ／　ｃｍ／　ｍｈｚで表わされる
。組織が異なると、そして所定の組織内で異なる機能障
害があると、異なる減衰係数を持つ傾向があり、この為
何れもこの係数を決定することによって特徴づけること
が出来る。

従来、組織内の相異なる２種類の深さの所で信号サンプ
ルを求め、次にこの信号のフーリエ変換を求めて、それ
を比較することにより、減衰係数を直接的に測定するの
が普通であった。理論的には、減衰関数の周波数依存性
は、１つのスペクトルを別のスペクトルで除すことによ
って得られる。

然し、実際には、組織の散乱によってスペクトルが雑音
性のスペクトルを生じ、このスペク１〜ル又は周波数偏
移を普通は評価する。更に、サンプルが短かすぎると、
スペクトル分解能が制限され、サンプルが長すぎると、
スペクトルが深さと共に変化するので、スペク１〜ル・
スミヤリング（３ｍｅａｒｉｎｇ　）が起るので、スペ
ク［・ル評価を行なうのが困難になる。この為、組織に
対する周波数依存性を持つ減衰係数は、制約のある困難
な測定であった。

この発明の目的は組織内の超音波エネルギの周波数依存
性を持つ減衰係数を決定する改良された方法を提供する
ことである。

この発明の別の目的は組織の減衰係数を決定するのに使
うものとして、簡単で信頼性があって低廉な装置を提供
することである。

この発明の別の目的は、検査する組織内の種々の深さの
所での減衰の測定値を使うことにより、時間利得補償増
幅器に対する時間利得制御信号を設定する改良された方
法を提供することである。

この発明の別の目的は、一層正確な時間利得制御信号を
設定する為の、超音波走査装置に用いる手段を提供する
ことである。

この発明の特徴は、成る領域内の信号周波数スペクトル
を予測する為に、領域内の反射信号のゼロ交差を使うこ
とである。検査される組織内の相異なるレベルに対して
、反射された超音波信号のゼロ交差を計数し、その後１
つのレベルのゼロ交差密度を第２のレベルのゼロ交差密
度と比較することにより、２つのレベルめ間の組織の減
衰を確めることが出来る。ゼロ交差密度を用いて減衰の
値を導き出すと、有限のサンプル期間に対するゼロ交差
密度の何れの１個の目安も、必然的にそれに変分が関係
し−Ｃいるから、その評価が出来る。

通常、サンプルの変分ば、Ｉｓ△トランスアクションズ
、第１０巻第１号所載のフラックス他の論文「ドツプラ
ー形超音波血流計の統計的な評価」に記載される様に、
サンプル期間を増加することによっ゛Ｃ減少することが
出来る。

然し、反射された超音波のゼロ交差密度は定数ではなく
、実際には、減衰の為に、深さと共に減少する。この為
、定量する組織を通る幾つかの独立したベクトルからゼ
ロ交差密度を平均化Ｊることによってのみ、統計的な改
良が達成される。

この発明の別の目的は、ゼロ交差密度データの様な周波
数の目安を蓄積して、その平均値を求める装置を提供す
ることである。

１個の超音波信号ベクトルに沿ってゼロ交差を標本化す
ると、実質的な変分がある。従来、複数個の読みを求め
て、それを平均化して変分を最小限に抑えていた。時間
利得制御信号を設定する為の評価された組織の減衰は、
この様な平均化によって改善することが出来るが、分解
能は画像の表示を改善しない。

この発明は限られた容積の組織に対する複数個の減衰測
定値を求めて平均化する。複数個の測定値を求める時、
超音波を複数個のベクトルに沿って限られた容積に差し
向（）、限られた容積に対１−る減衰が、各々のベク］
・ルに対し、周波数偏移の目安を用いて８１算され、減
衰を決定する。複数個のベクトルを用いて、複数個の限
られた容積に基づく全体的な組織の減衰を画定すること
は、組織の成る断面の断層像再構成と同様である。

この発明の特徴は、限られた容積の組織と交差する複数
個の超音波ベクトルを用いて、限られた容積の減衰の目
安を求めることである。

然し、減衰のみによって予測される様な単調に減少する
単純な周波数偏移は必ずしも起らない。

選択的な周波数効果により、周波数偏移の目立った変化
が認められることがある。この周波数偏移が適切に検出
され）は、この偏移自体を使って照会した組織を特徴づ
りることが出来る。更に、この様な摂動は、反射波の周
波数偏移の解析から導き出された組織の減衰をバイアス
することが出来る。

この発明の別の目的は、反射された超音波信号の周波数
偏移に基づく、生物学的な組織の周波数依存性を持つ散
乱特性の変化を検出して決定する改良された方法を提供
することである。

この発明の特徴は、選択的に異なる周波数でエネルギの
散乱を特徴づける周波数依存係数を使うことである。

簡単に云うと、この発明では、波の時間的な特徴の解析
から、波の周波数領域特性が決定される。

時間的な特徴を検出して、そのヒストグラムを設定する
。次にこのヒストグラムを周波数領域特性に相関させる
ことが出来る。例えばゼ［１交差のヒストグラムを周波
数領域の２次モーメントと相関させ、単位時間あたりの
波の最大値のヒス１−グラムを周波数領域の４次モーメ
ントと相関させる。

この発明では、検査される組織の異なるレベルに於ける
超音波の減衰が時間領域の解析によつ−Ｃ設定され、次
に減衰係数を使って、反射された超音波を増幅するのに
使う時間利得制御信号を定める。

この発明の特徴は検査される組織内の深さに対する減衰
の目安を求める為に、複数個の超音波信号ベクトルを使
うことである。

この発明の１実施例では、組織に於りる周波数依存性を
持つ減衰を予測する方法が、超音波信号を組織に送込み
、反射信号を受取り、組織内の深さの関数として、反射
信号のゼロ交差の数を決定する工程から成る。成る深さ
に於けるゼロ交差の数を２番目の深さに於けるゼロ交差
の数と比較することにより、第１の深さ及び第２の深さ
の間にある組織に於ける減衰の目安が得られる。

更に具体的に云うと、検査される組織内の相異なるレベ
ルに於ける超音波のゼロ交差密度を設定し、成るレベル
に於ける密度のカウントを第２のレベルに於ける密度の
）Ｊラントと比較することにより□、レベル間の組織の
周波数依存性を持つ減衰が設定される。この様に組織サ
ンプル内での超音波減衰を設定することにより、走査装
置に対して一層正確な時間利得制御信号が定められる。

この代りに、波の最大値の様な他の反復的な特徴を同定
して、それらの特徴のヒストグラムを設定し、それから
相関によって周波数領域モーメントが決定される。

反射された超音波信号のゼロ交差を数を決定する装置は
、入力及び出力を持つ単安定マルチバイブレータと、反
射された超音波を受取って単安定マルチバイブレータを
トリガする手段と、前記出力に接続されていて、単安定
マルチバイブレータの出力パルスを測定する手段とで構
成される。好ましい実施例では、トリガはシュミット・
トリガ回路で構成され、出力パルスを測定する手段は電
荷貯蔵手段で構成される。この為、１番目の深さからの
反射信号によって蓄積された電荷が、２番目の深さの所
からの反射信号の蓄積されｌ、：電荷の目安から差し引
かれて、第１及び第２の深さの間にある組織の周波数依
存性を持つ減衰が決定される。

この発明並びにその目的及び特徴は、以下図面について
詳しく説明する所から更によく理解されよう。

第１図は超音波走査装置の機能的なブロック図である。

この実施例では、装置が枢着アーム装置１２に装着した
変換器１０を含んでいて、変換器１０は単一平面内で自
由に動くこζが出来る。装置のアームに関連して走査ヘ
ッド１４に設けられたポテンションメータが、移動平面
内での走査器１０のＸ及びＹ位置を示す信号を発生ずる
。

変換器１０が（例えば２メ力ヘルツ程度の）超音波信号
を送出し、送出した超音波信号の反射に応答して、電気
信号を発生する。発生される信号は、患者を通過する時
の超音波信号−の減衰の為に、時間的に減衰する。

減衰したビデオ信号が可変利得増幅器１６に印加され、
増幅された信号がアナログ・ディジタル変換及びビデオ
処理回路１８に印加される。回路１８の出力がへ１〜レ
一ス変換回路２０並びに走査変換及び記憶回路２２に印
加され、これらが夫々テレビジョン・モニタ２４．２６
を制御する信号を発生する。

Ａトレース変換回路企Ｏは、反射された各々の超音波の
振幅を実時間で表示する為の信号を発生ずる。モニタ２
４に印加されたＡトレース・データが、モニタ上の水平
位置（例えば５１２個の位置）と、各々のＸ位置に関連
した振幅又は垂直位置とを同定する。このデータが、ビ
ームがラスター線走査をする間、表示装置の電子ビーム
の強度を制御する。表示されるＡトレースの目盛標識が
くし形マーク発生器２８によって発生され、時間利得補
償曲線が発生器３０によって発生される。

患者の断面図が、走査変換及び記憶回路２２に応答して
、モニタ２６に表示される。回路１８からの信号は５１
２Ｘ５１２の記憶マトリクスに貯蔵する為に変換され、
７１〜リクス内の各点が５ビツトの輝度符号を持つ。マ
トリクスはモニタ２６の表示装置に現われる画素に対応
し、輝度符号が画素のグレースケールを表わす。

超音波走査装置の制御が中央処理装＠３４によって行な
われる。これは超音波走査装置に対するタイミング信号
を発生する時間ベース発生器３６をも制御する。時間利
得補償（ＴＧＣ）制御発生器３８が増幅器１６に対する
制御信号を発生し、中央処理装置を介して超音波走査装
置を手動で制御する為に、制御パネル４ｏが設けられて
いる。

第２図は検査される組織から反射された超音波信号がゼ
ロ交差検出器５ｏに印加される様にした、ゼロ交差密度
を測定する為のこの発明の装置の機能的なブロック図で
゛ある。検出器５０はシュミツ１〜・トリガによってト
リ力される単安定マルチバイブレータで構成することが
好ましく、こうすると、反射信号の各々のゼロ交差に応
答して、パルスが発生される。この様なシュミット・（
−リガ及び単安定マルチバイブレータは市場で入手し得
る。

例えばテキサス・インスッルメンツ社の７４２２１型集
積回路装置であってよい。検出器５ｏの出ツノは一連の
パルスであり、これらが計数器１、計数器２・・・計数
器Ｎの様な複数個の４数器に接続される。好ましい実施
例では、各々の計数器は普通のパルス計数器である。こ
の代りに各々の計数器はパルスに応答して電荷を貯蔵す
る容量性手段で構成することが出来る。

マスター・タイマ５２が各々の計数器を制御し、検査さ
れる組織内の成る深さに対応する特定された期間の間、
カラン１〜が累算される。マスター・タイマはオペレー
タの開始信号及び超音波走査装置からの同期信号を受取
り、その後、検査される組織内の超音波の飛行時間、並
びに反射信号のゼロ交差の計数をそこから開始すべき組
織の深さに基づいて、各々の計数器に対する作動信号を
発生する。

成るＬ／ベベルカウントを別のレベルのカウントと比較
することにより、その間の音響波の周波数依存性を持つ
減衰の評価が得られる。この様に検査される組織全体に
わたる減衰を定めることにより、組織の減衰を定量する
一層正確な手段が得られる。特に、超音波走査装置にあ
る時間利臂補償増幅器（１６）に対して一層正確な時間
利得制御信号が定められる。

第３図は人間の組織から反射される様な、計算機で模擬
した超音波信号と、組織の深さの関数としての信号のゼ
ロ交差密度とを示すグラフである。

全体を２１０に示す信号は複雑な波形であり、組織内の
深さと共に変化し、こうしてＩ織の散乱の不規則性を示
している。模擬した超音波の下方に、組織内の種々の深
さに於ける複雑な波のゼロ交差密度のグラフが示されて
いる。曲線２１２から、ゼロ交差密度が９０から１０５
まで変化覆ることが判る。然し、平均値は一定であり、
予想されるゼロ交差密度に正味の変化がないことを示す
。

第４図は動物の腎臓から実際に反射された超音波信号２
００の同様なグラフであり、前壁から後壁までの信号の
減衰を示している。この場合も、ゼロ交差密度曲線２２
０は、腎臓の後壁から前壁まで、約８５から１００より
少し上まで変化する。

然し、深さの関数として、時間あたりのゼロ交差は平均
として減少する様に思・ねれる。

上に述べた様に、反射された超音波のゼロ交差密度は、
組織内の相異なるレベルに於ける反射波の周波数スペク
トルを表わすものである。この為、この発明では、組織
内の第１及び第２のレベルの間にある組織の超音波信号
の周波数依存性を持つ減衰は、第１のレベルに於けるゼ
ロ交差密度と第２のレベルに於けるゼロ交差密度とを比
較することによって容易に決定することが出来る。反射
された超音波の実際のスペクトル分解能を決定するとと
並びにそれに伴う難点が回避される。

組織の減衰係数と戻って来た超音波信号のゼロ交差密度
との理論的な関係は、ベル・システム・テクニカル・ジ
ャープル誌２３．２４．１−１６２頁（１９４４年及び
１９４５年）所載のＳ、Ｏ。

ライスの論文「ランダム・ノイズの数学的な解析」、並
びにウルトラソニック・イメージング誌、第１巻第１号
、第１６頁乃至第３３頁（１９７９年）所載のダイン１
及びカフの論文「軟らかい組織の超音波減衰断層写真法
」に記載された理論的な関係に基づいている。ダイン１
及びカフの論文によれば、超音波パルスのスペクトルの
形かがウス形であれば、周波数選択性減衰により、単に
スペクトルが深さと共に下向きに変位するだけで、スペ
クトルの形は変わらない。これを第５図に示してあり、
次に説明する。信号パワー・スペク１−ルがで減衰項が ｃｌ　（ｆ）　＝　ｅ−’　ｏｆＬ （２） であると仮定し、ａ（、振幅定数、ｆを周波数、ｆ、を
スペク１〜ルの中心周波数、σは超音波変換器の相対周
波数帯域幅、α０を減衰比、ｐを伝搬通路の長さとする
。式（２）は、減衰が周波数に対して直線的な関数を持
つと仮定している。これは組織にとって成立覆るが、こ
の発明は減衰と周波数とが直線関係である場合に制限さ
れない。この結束前られる信号スペク１〜ルは式（１）
と（２）％式％ このスペクトルの中心は、指数関数項の最小値をみつけ
ることによって決められる。従って、ｆで微分して、Ｏ
に等しいとあけば ｄ　（ｆ２−２ｆｆ　＋　２ｔｒ２ｄｏｆ１’＋　ｆ、
２〕＝　２ｆ　−２ｆ　＋　２ｅｒ２ｅＡｆｌ＝　００
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０　　　　　
０即ち、ｆ（ピーク）　＝ｆ　　−（ｆ２ｄ　７）０　
　　　　　　　　　　０ ガウス形スペク１〜ルのピークは、α０及びｐの関数と
して、単に一層低い周波数に向つ（直線的に滑ることが
判る。スペクトルの形は一定であるから、単にガウス形
の中心をみつけることにより、α０の良好な評価が得ら
れる。

パルスが組織の様な不規則な非均質な媒質の中を伝搬す
ると仮定すれば、パルスのエネルギは不規則に散乱する
。数学的には、これはパルスを一連の不規則なパルスで
くりこむ＜　ｃｏｎｖｏ　ｌ　ｖｅ　）ことに相当する
。周波数領域では、これはスペクトル５（ｆ）にランダ
ム・ノイズ・パワー・スペクトルを乗することに相当す
る。従って、ガウス形の包絡線が雑音によって変調され
たものになる。これが第６Ａ図乃至第６Ｃ図に示されて
いる。もはや「ずつきりした」ガウス関数を相手とする
のでなく統計的な評価によって、何処が中心であるかを
評価しなければならない。容易に考えられる１つの方法
は、ガウス形の中心に対するよい近似として、スペクト
ルの１次モーメント又は「平均」を探すことである。数
学的には、次の通りである。

ライスの研究から、帯域が制限された信号に対づる時間
あたりの平均のゼロ交差密度は、エネルギ密度スペクト
ルの２次モーメン１〜の平方根によって評価される。即
ち 原点に近くないスペクトル関数に対しては、２次モーメ
ントの平方根が１次モーメントに近似的に等しいことを
定量的に示すことが出来、る。即ちこの例は、ＲＭＩ黒
鉛ゲル・ファントムを用いたデータソン装置からのＡ様
式ディジタル化波形を使って示ターことが出来る。第７
図は１次モーメント、２次モーメントの平方根、及びゼ
ロ交差データを比較したグラフである。１次及び２次モ
ーメントはフーリエ変換データを用いて引算され、ゼロ
交差データはＡ様式信号から直接的に得られた。即ち、
ゼロ交差密度曲線がかなりよく１次及び２次モーメント
・データに追随しＣいることが判る。

身体に於ける超音波の周波数依存性を持つ減衰を決定づ
る場合の様に、波の時間的な特徴の解析により、波の周
波数領域特性を決定する簡単な改良された方法並びに手
段を説明した。ゼロ交差のヒス１〜グラムは周波数領域
の２次モーメントを表わし、単位時間あたりの波の最大
根の数は周波数領域の４次モーメン１〜を表わす。ゼロ
の間の期間の分布の様な伯のヒストグラムを用いること
が出来る。

第８図は組織の深さの関数として、ゼロ交差密度の平均
値を求めるこの発明の装置の機能的なブロック図である
。

この回路は第２図の回路と同様であり、反射された超音
波信号がゼロ交差検出器６０に印加され、ψ ゼロ交差ベクトルのカウントが、図示の様に、ビン１，
２．３・・・Ｎ〜１及びＮに蓄積される。

然し、複数個の信号ベクトルが発生され、各々のベクト
ルがマスター・タイマ６８に同期信号を印加Ｊる。ベク
トルの数がベクトル剖数器７０によって計数され、計数
器７０のカウントが複数個の割算器７２を制御する。こ
れらの割算器は各々のビンからの累算カウントを受取り
、ベクトルの数で累算カウントを除すことにより、平均
値を取出す。各々のビンからの平均値が、ビデオ表示装
置７６の様な表示装置を制御する為に、表示形式作成装
置７４に印加される。

この為、装置のオペレータは、表示装置を見て、データ
がどの位早く許容し得る値に収斂するかを判断すること
により、測定値がどの位の信頼性があるかを目で見て判
断ザることが出来る。

表示装置で見たデータの収斂する様子が、第９Ａ図乃至
第９Ｃ図に例示されている。これらの図は、深さに対す
るゼロ交差密度の曲線であって、データの収斂す゛る様
子を示している。第９Ａ図では、１個のベクトルに対し
て測定されたゼロ交差密度が曲線８０として示されてい
る。組織の深さと共に減少するゼロ交差密度の理論値が
破線８２で示されている。従って、測定値には多数の増
分的な変分を伴うことが判る。第９Ｂ図はベクトル８０
、ベクトル８４及びベタ１〜ル８６を含む３つのベクト
ルの合成である。各々のベクトルがカウントを発生し、
合計カウントが第８図のビン１乃至Ｎに累算される。第
９Ｃ図は曲線８８として示した３つのベクトルの平均値
であり、曲線８８の増分的な変分が、個々のベクトル曲
線８０，８４゜８６の増分的な変分よりかなり減少して
いることが判る。従って、ベクトルの数が増加すると、
実際のゼロ交差曲線の一層正確な目安が得られる。

第１０図乃至第１２図は、この発明に従って限られた容
積の組織と交差する複数個のベクトルを求める為に使わ
れる変換器手段の図である。第１０図で、変換器１２０
は検査される組織の表面１２２に対して垂直な向きにな
っており、表面１２２に対して垂直な向きの複数個のベ
クトル１２４に対する読みを求める。図示の様に、１つ
のベクトルが組織１２６の限られた区域と交差し、第２
図の方式を用いて、反射された超音波のゼロ交差の解析
から、限られた容積１２６の超音波減衰の目安を求める
。

第１１図では、変換器１２０は垂直な方向から角度θの
向きに向けられ、表面１２２に対して角度θの向きを持
つ複数個のベクトル１２８に対する読みを求める。１つ
のベクｌ〜ルが限られた容積１２６と交差し、やはり１
つのベクトルに対する反射された超音波信号の周波数偏
移の解析により、限られた容積の超音波減衰の目安を求
める。

第１２図では、変換器１２０が垂直方向に対して成る角
度の傾きを持ち、表面に対して角度θで傾く複数個のベ
クトルに対する読みを求める。この場合も、１つのベク
トルが限られた容積１２６と交差し、このベクトルに沿
って反射された超音波信号の解析から、限られた容積１
２６の減衰に対する第３の目安を求める。

これで限られた容積１２６の超音波減衰の３つの目安が
得られたので、この減衰の３つの目安の平均により、限
られた容積の減衰を更に正確に決定する。付加的な読み
を求め平均化して、限られた容積の減衰を決定する精度
を更に改善することが出来ることが理解されよう。

第１３図は、組織の表面１４４に対して相異なる傾斜を
持つ細組かの平行なベクトルを用いて、複数個の限られ
た容積１４０の減衰を上に述べた様に求めることにより
、組織全体の減衰を求めるこの発明の構成の図である。

組織内の複数個の区域をこの様に再構成するのは、周知
の成る区域の計算機式断層写真再構成方法と同様である
。

第１４図は、周波数偏移が単調に減少すると仮定して予
想される、組織の深さに対するゼロ交差（例えば周波数
）のグラフ２０１である。超音波の反射通路の長さが長
ければ長い程、検出される波のゼ［１交差カウント又は
周波数は小さくなる。

第１５図は場合によって観測される、深さに対するゼロ
交差又は周波数のグラフである。曲線２２１の中間領域
２４１では、ゼロ交差及び周波数　　　□が突然に上昇
することが認められる。この増加は、組織内では周波数
偏移が単調に減少づるという仮定からすれば、容易に理
解出来ない。然し、周波数偏移の目立った変化は、減衰
の変化ではなく、散乱の摂動又は選択的な周波数効果に
よって起ることが知られている。

この考えでは、周波数依存性を持つ項に散乱の式を乗じ
て、散乱因子が選択的に相異なる周波数でエネルギを再
び放射する様にする。これは周知の現象であり、ｆを周
波数、Ｚを０（鏡面反射の場合）から４　（−Ｒａｙｌ
ｅｉｇｈ散乱の場合）までの係数として、項（＋２）と
表わされる。即ち、散乱式は次の様になる。

こ）で（ｅ−７０が　）は減衰項であり、　　−（ｆ−
ｆ　）　　　　Ｏ ／２σ２は変換器のスペクトル包絡線であり、ＩＡ（ｆ
）＋２は雑音変調を表わす不規則な散乱変数である。指
数項を組合せ、自乗を完結すれば、スペクトルがｐの関
数とし−Ｃどの様に変化するかを決定することが出来る
。１２項に対してシ同じ手順を行なう。この為、３項の
テーラ展開式を用いた次の近似式が得られる。

ｆ□　−。ム（ｆつ　−　。Ｚｆ、（ｆ）Ｌ　’　ｅｚ
［１ｎ（ｆｏ）”（ｆ−ｆｏ）／ｆｏ−（ｆ−ｆｏ）２
／２ｆｏ’）　　　（４）この指数関数をｆの関数とし
て微分し、その微分をゼロに等しいと置けば、最大の振
幅又は中心周波数が決定される。即ち、中心周波数につ
いて（ｆｚ）項がなければ、次の様な式になると思われ
る。

ｆ（中心）−（ｆｏ−α０σ２１’）　　　　（７）従
って、ｌσがｔｏに較べて小さければ、例えばＺ−１か
ら２の変化は、項［ｆｏ２／（ｆｏ２−２σ２）］をあ
まり変化させない。

然し、項（２Ｚσ２／［ｏ）は周波数にかなりの変化を
生ずることがある。（−α０σ２ｐ）項は常に単調に減
少する中心周波数を生ずるく他の点では線形の関数に不
規則な摂動が加わる）。然し、増加したＺの値を持つ組
織の領域を通過すると、これに対応する実際の上向きの
周波数偏移がある。これが第１５図に示した効果である
。隣接した２つの散乱領域の間で故多くの走査を平均化
（ることにより、この変化が実際のものであるが、或い
は統計的な収差であるかを確めることが可能である。そ
こで、こういう偏移を決定することが、診断用超音波技
術を用いて組織の違いを特徴づける有効な方法である。

上に述べた様に、反射信号の周波数を決定するのに周波
数依存性を持つ散乱因子（ｚを導入することにより、散
乱の周波数依存性を特徴づける手段が得られる。従って
、この周波数依存性を持つ散乱因子を使って、研央する
組織を特徴づけることが出来る。更に、この因子に対す
る補正により、減衰が一層正確に測定出来る。

２の発明を特定の実施例について説明したが、以上の説
明はこの発明を例示するものであって、この発明を制約
するものと解されるべきではない。

当業者には、特許請求の範囲によって限定されたこの発
明の範囲内で種々の変更並びに用い方が考えられよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波走査装置の機能的なブロック図、第２図
は検査される組織の超音波減衰を定めるのに役立つ装置
、特にこの発明に従ってゼロ交差を計数して周波数依存
性を持つ減衰を決定覆るのに役立つ装置の機能的なブロ
ック図、第３図はザンプルの深さに対して、組織から反
射された模擬超音波信号並びにこの信号のゼロ交差密度
を示すグラフ、第４図は動物の腎臓から反射された実際
の超音波信号、並びに腎臓内の深さに対するこの反射信
号のゼロ交差密度のグラフ、第５図は周波数に対する信
号パワー・スペクトルのグラフ、第６Ａ図乃至第６Ｃ図
はパルス、ノイズ及び反射信号の周波数に対する周波数
スペクトルを示すグラフ、第７図は超音波信号に対する
周波数スペクトルのモーメン１〜及びゼロ交差データを
示すグラフ、第８図は組織の深さの関数とじて、ゼロ交
差密度の平均値を求めるこの発明の装置の機能的なブロ
ック図、第９Ａ図乃至第９Ｃ図はこの発明の方法を例示
する為に、組織の深さに対してゼロ交差密度の曲線を示
すグラフ、第１０図乃至第１２図はこの発明に従って限
られた容積の組織と交差する複数個のベクトルを得る為
に使われる変換器手段を承り図、第１３図はこの発明に
従って組織の超音波減衰を決定する為にベクトルを使う
ことを例示した図、第１４図は周波数偏移が単調に減少
すると仮定した場合の組織の深さに対する周波数のグラ
フ、第１５図は領域に於ける組織の散乱特性の変化によ
り、周波数が高くなる領域を含む様な、組織の深さに対
する周波数のグラフである。 主な符号の説明 １０：超音波変換器′ １４：走査ヘッド １６：可変利得増幅器 １８：アナログ・ディジタル変換及びビデオ処理回路 ２０：ＡＩへレース変換回路 ２２：走査変換及び記憶回路 ２４．２６：テレビジョン・モニタ ２８：くし形マーク発生器 ３０：時間利得補償曲線発生器 ４０：制御パネル ５０．６０：ゼロ交差検出器 ５８．６８：マスター・タイマ ７０：ベクトル計数器 ７２：割算器 ７４：表示形式作成装置 ７６：表示装置 特許出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代理人　（７°
６３０）　生　沼　徳　二ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、　９Ａ ”””　　ＦＩＧ、９Ｃ ＦＩＧ、　１４ ＦＩＧ、　１５ 第１頁の続き 優先権主張　＠１９８２年４月１９日■米国（ＵＳ）■
３６９３７０ ＠１９８２年７月１６日Ｑ米国（ＵＳ）■３９８８１７ ＠１９８２年７月１９日■米国（ＵＳ）■３９９８４５ ■１９８２年７月１６日■米国（ＵＳ）■３９８８１６ ０発　明　者　ギャリイ・ハロルド・グロバーアメリカ
合衆国つィスコンシン 州ウオークシャ・ジャーモン・ ロード・ニス２８ダブリュ２９２８０ ＠発　明　者　ジエイムス・ケネス・リリーアメリカ合
衆国カリフォルニア 州シングル・スプリングス・ラ マダ・ドライブ３４００番 手続ネ甫正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和５８年特許願第０６７８８９号 ２、発明の名称 波の周波数領域特性を決定する方法と装置３、補正をす
る者 事件との関係　　　　　　出願人 住　所　　アメリカ合衆国、１２３０５、ニュー、ヨー
ク州、スケネクタデイ、リバーロード、１番 名　称　　ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代表
者　　サムソン・ヘルツゴツト ４、代理人 住　所　　１０７東京都港区赤坂１丁目１４番１４号第
３５興和ビル　４階 日本ゼネラル・エレクトリック株式会社・極東特許部内
電話（５８８）５２００−５２０７ 昭和５８年７月６日 ６６補正の対象 図面 ７、補正の内容 図面の浄書（内容に変更なし） ８、添付書類の目録

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）時間領域解析によって波の周波数領域特性を決定す
   る方法に於て、前記波の時間領域特性を検出し、成る期
   間の間の検出された時間領域特性を２番目の期間の間に
   検出された時間領域特性と比較することによって、前記
   波の周波数領域特性を決定する工程から成る方法。 ２、特許請求の範囲１〉に記載した方法に於て、時間領
   域波の反復的な特徴を同定し、前記反復的な特徴のヒス
   トグラムを設定し、該ヒストグラムを周波数領域モーメ
   ントと相関させる工程を含む方法。 ３）特許請求の範囲１）又は２）に記載した方法に於て
   、前記時間領域特性が前記波のゼロ交差である方法。 ４）特許請求の範囲２）に記載した方法に於て、前記周
   波数領域特性が２次モー・メントである方法。 ５）特許請求の範囲２）に記載した方法に於て、前記特
   徴が波の最大値である方法。 ６）特許請求の範囲１〉又は２）に記載した方法に於て
   、前記工程が、超音波走査装置の時間補償増幅器に対す
   る時間利得制御信号を設定する方法。 ７）特許請求の範１１１１６）に記載した方法に於て、
   被検体に於ける相異なるレベルの超音波減衰を設定し、
   該減衰に基づいて時間利得制御信号を構成する工程を含
   む方法。 ８）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、被検体
   に於ける相異なるレベルの超音波減衰を設定する工程が
   、前記被検体に超音波を送込み、該被検体から反ｔＪｉ
   超音波信号を受取り、該反射超音波のゼロ交差を検出し
   、被検体に於ける相異なるレベルの超音波のゼロ交差密
   度を設定する工程から成る方法。 ９）特許請求の範囲８）に記載した方法に於て、１つの
   レベルのゼロ文庫密度を別のレベルのゼロ交差密度と比
   較して、１番目のレベル及び２番目のレベルの間の超音
   波減衰を決定する工程を含む方法。 １０）組織内の周波数依存性減衰を予測する方法に於て
   、該組織に超音波信号を送込み、反射信号を受取り、組
   織内の第１の深さ並びに組織内の第２の深さに於ける前
   記反射信号のゼロ交差の数を決定し、第１の深さに於け
   るゼロ交差の数を第２の深さに於けるゼロ交差の数と比
   較して、前記第１の深さ及び第２の深さの間の組織に於
   ける超音波減衰の目安を求める工程から成る方法。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した方法に於て、前
   記比較する工程が、第１の深さに於けるゼロ交差の数を
   第２の深さに於けるゼロ交差の数から差し引くことを含
   む方法。 １２、特許請求の範囲１）又は２）に記載した方法に於
   て、組織の超音波減衰を決定する為、該組織に複数個の
   超音波を送込み、該組織から反射された超音波を受取り
   、前記組織内の種々の深さの所から反射された反射超音
   波の周波数を検出し、組織内の種々の深さの所から反射
   された反射波の周波数を平均化し、種々の深さからの平
   均化された周波数から組織の減衰を決定する工程を含む
   方法。 １３）特許請求の範囲１２）に記載した方法【こ於て、
   反則波の周波数を検出する工程が、反射波のゼロ交差密
   度を検出して計数することを含む方法。 １４）特許請求の範囲１３）に記載した方法に於て、組
   織の減衰を決定する工程が、第１の深さに於ける平均化
   したゼロ交差密度を第２の深さに於ける平均化したゼロ
   交差密度と比較して、前δ８第１の深さ及び第２の深さ
   の間の超音波減衰を設定する方法。 １５）特許請求の範囲１）又は２）に記載した方法に於
   て、組織の超音波減衰を決定する為、限られた容積の組
   織の中に第１のベクトルに沿って超音波を送込み、前記
   第１のベクトルに沿った前記超音波の反射の周波数偏移
   を検出し、前記第１のベクトルに沿って検出された周波
   数偏移力＼ら、前記限られた容積の組織の減衰に対する
   第１の目安を味定１、前記限られた容積の組織の中に少
   なくとも第２のベクトルに沿って超音波を送込み、該第
   ２のベクトルに沿って超音波の反射の周波数偏移を検出
   し、前記第２のベクトルに沿った周波数偏移から、前記
   限られた容積の組織の減衰に対する第２の目安を決定し
   、前記第１の目安及び第２の目安を平均化する工程を含
   む方法。 １６）特許請求の範囲１５）に記載した方法に於て、周
   波数偏移を検出する工程が、反射波のゼロ交差を計数す
   ることを含む方法。 １７）特許請求の範囲１５）又は１６）に記載した方法
   に於て、複数個の限られた容積の組織に苅し゛で前述の
   全ての工程を繰返すことを含む方法。 １８）特許請求の範囲１）又は２）に記載した方法に於
   て、生物学的な組織内の散乱の周波数依存性を決定する
   為、前記組織に複数個の超音波を送込み、組織から反射
   されＩＣ超音波を受取り、組織内の種々の深さの所から
   反射された超音波の周波数を検出し、統計的な変動並び
   に減衰のみによって起ると考えられるよりも大きな周波
   数偏移を検出し、該偏移に基づいて散乱の周波数依存性
   を決定する工程を含む方法。 １９）特許請求の範囲１）又は２）に記載した方法に於
   て、超音波エネルギに対する組織の減衰を決定する為、
   該組織に超音波信号を送込み、反射された超音波信号を
   検出し、反射された超音波エネルギの周波数依存性を持
   つ散乱摂動を同定し、前記検出された信号から前記摂動
   を特徴づけ、該摂動に対する補正をした後、検出された
   信号から組織の減衰を決定する工程を含む方法。 ２、特許請求の範囲１９）に記載した方法に於て、反射
   された超音波信号を検出する工程が、反射された超音波
   信号の周波数を決定することを含む方法。 ２、特許請求の範囲１９）又は２０）に記載した方法に
   於て、反射された超音波信号の周波数を決定づる工程が
   、反射された超音波信号のゼロ交差を決定することを含
   む方法。 ２２）時間領域解析（三より、波の周波数領域特性を決
   定する装置に於て、前記波の時間領域特性を検出する手
   段と、１つの期間内に検出された時間領域特性を第２の
   期間内に検出された時間領域特性と比較して、波の周波
   数領域特性を決定する手段とを有する装置。 ２、特許請求の範囲２２）に記載した装置に於て、時間
   領域波の反復的な特徴を同定する手段と、該反復的な特
   徴のヒストグラムを設定する手段と、該ヒストグラムを
   周波数領域特性に相関さける手段とを有する装置。 ２、特許請求の範囲２２）又は２３）に記載した装置に
   於て、周波数領域特性が周波数領域モーメントである装
   置。 ２、特許請求の範囲２２）又は２３）に記載した装置に
   於て、トリガ入力及びパルス出力を持つ単安定マルチバ
   イブレータと、前記反射された超音波を受取って前記単
   安定マルチバイブレータの入力にトリが信号を印加する
   手段と、前記出力に接続されていて、前記単安定マルチ
   バイブレータからの出力パルスを測定する手段とを有す
   る装置。 ２、特許請求の範囲２５）に記載した装置に於て、トリ
   ガ信号を印加する手段がシュミット・トリガ回路で構成
   される装置。 ２、特許請求の範囲２５）又は２６）に記載した装置に
   於て、出力パルスを測定する手段が電荷貯蔵手段で構成
   される装置。 ２、特許請求の範囲２２）又は２３）に記載した装置に
   於て、時間利得補償増幅器が反射された波信号を増幅し
   、該増幅器は、反射波の反復的な特徴を同定する手段、
   該反復的な特徴のヒストグラムを設定する手段及び該ヒ
   ストグラムを周波数領域モーメントに相関させる手段で
   構成されている装置。 ２、特許請求の範囲２８）に記載した装置に於て、前記
   反復的な特徴が前記反射波のゼロ交差である装置。 ３０）特許請求の範１１１１２５＞又は２６）に記載し
   た装置に於て、前記出力パルスを測定する手段がパルス
   計数器で構成〆れる装置。 ３１〉特許請求の範囲２８）に記載した装置に於て、前
   記反復的な特徴が反射波のゼロ交差である装置。 ３２、特許請求の範囲２２）又は２３）に記載した装置
   に於て、検査する組織の超音波減衰を決定する超音波走
   査装置を構成するため、前記組織に超音波を送込む変換
   器手段と、反射された超音波を受取って、組織内の種々
   の深さの所から反射された超音波の周波数を検出する検
   出手段と、種々の深さの所から検出された周波数を計数
   して、その平均を求める計数手段と、種々の深さの所の
   平均化した周波数を表示する表示手段とを有りる装置。 ３３）特許請求の範囲３２）に記載した装置に於て、前
   記検出手段が反則波の反復的な特徴を同定Ｊる手段を含
   む装置。 ３４）特許請求の範囲３３）に記載した装置に於て、反
   復的な特徴を同定する手段がゼロ交差検出器で構成され
   る装置。 ３５〉特許請求の範囲３２）、３３）又は３４）に記載
   した装置に於て、前記計数手段が、検出された周波数の
   目安を蓄積する複数個の記憶ビンで構成され、各々の記
   憶ビンが組織内の成る深さに対応しており、更に前記計
   数手段が、前記記を憶ビンにある蓄積された目安を、送
   込まれた超音波の数で除づ割算手段を含んでいる装置。