JPS6034433A - パワ−スペクトラムモ−メント利用測定装置 - 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】 〈発明の技術分野〉 本発明は超音波、電波等で、媒体の減衰係数が周波数に
比例する様な場合、即ち超音波パルスで生体組織の伝達
特性を測定するような場合に、パワースペクトラムモー
メントを用いて媒質の伝達特性を測定する装置に係り、
特に信号の複数径路透過や１反射波の重畳９反射係数の
周波数依存性等に起因する誤差を除いて正確にまた実時
間的にそれら伝達特性をめることのできるデータ処理方
式に関する。

〈発明の従来技術〉 従来、超音波パルスで生体組織を測定する様な時は、生
体の如き伝播路の減衰係数が周波数に比例している媒質
に対してスペクトラムの形状がガウス分布形であるよう
な信号を伝播させ、受信信号の０次、１次、２次パワー
スペクトラムモーメントより減衰係数の周波数に対する
領きを算出する方法があるが、実際には伝播信号のパワ
ースペクトラムが完全なガウス形ではないことや、スペ
クトラムスキャロソピングや、散乱の周波数特性等によ
り、大きな誤差を生ずるという欠点がある。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、受信信号の３次以上のパワースペクト
ラムモーメントを用いて」二記誤差を打ち消す伝播特性
算出方式を提供するにある。

本発明は、伝播路の伝達特性の自乗を周波数に比例した
減衰係数による項ｅｘｐ　（−Ｂ　ｆ　）と多項式で表
した散乱・スキャロソピング等による項との積で近似し
、受信信号の０次、１次、２次１３次１等のパワースベ
ター・ラムモーメントよりＢを正確にめるようにしたも
のである。

第１図に本発明の一実施例装置の全体構成ブロック図を
示す。図において、１はトランスデユーサ、２は送受信
回路、３はパワースベター・ラムモーメントの検出回路
、４は送受信等のタイミング制御回路、５ば得られたモ
ーメン］・により伝播特性を計算する回路、６はフレー
ムメモリ、８は画１象ディスプレイである。

まず、媒質を通ってきた信号波のバワースベクｉ・ラム
モーメントのめ方の概要を説明する。媒質からの信号波
に第２図に示した時間中工の時間窓を掛けた信号Ｘ丁（
１）のパワースペクトラム１Ｘ　ｔ　（ｆｌ　ｌをめた
とする。このパワースペクトラムのモーメン］・、すな
わちパワースペクトラムモーメント （１）式で定義されたパワースペクトラムモーメンＬ　
Ｍ　ｉはＸ（【）の解析信号　ｖ　ｆｔ）　ミＸ　ｆｔ
ｌ　＋　ｊ　７（ｔ）によって再定義できる。ただしｘ
ｔｏｃよｘ　（ｔｌのヒルベルト変換である。すなわち
前述の時間窓をｖ　（ｔｌとなる。

ここでＶ　Ｔ　（ｔｌの自己相関関数をＲｖｔ（τ）と
すると。

・・・・・・・・（３） ここで第３図に示したｘ　（ｔｌを周波数νで直交ａ波
した検波出力Ｈ　ｃ　（ｔｌ，　Ｈ　ｓ　ｆｔ）をそれ
ぞれ火口１５と虚部に持つ複素信号ａ（１１−Ｈ　ｃ（
ｔｌ−１−　ｊ　ＩＩ　ｓ（１１に前述の時間窓を掛け
た信号ａ丁（ｔｌの自己相関関数をＲａｔ（τ）とする
と２次の関係が成り立つ。

・　・　・　・　・　・　・　・（４）・　・　・　・
　・　・　・　・（５）＝　ＲＯ（ｔｌｎ）　・・・・
（６） −ｊＲｌ　（ｔｌｕ）　・・・１７１ −−Ｒ２（ｔｕｂ）　・　・　・　・（８）＝ｊＲ３（
を田）　・・・　・（９） ＝Ｒ４（ｔＩｌｌ）・・・・ｕＯ） よって第３図、第４図に示すように、受信信号ｘ　（ｔ
ｌを周波数νの正弦波を用いて直交検波を行し）。

必要回微分しておき得られたＩ−１ｃ、ＩＩ　ｓ、Ｈｃ
。

Ｈｓ　、Ｈｃ　、［−１ｓ　、・・・を上式で定められ
）こ組合せで掛算、加算、平均を行うことＧこより。

旧、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４がまり　（５）式よりノ（ワース
ペクトラムモーメントＭ′ｉが得られる。

次に伝達路の伝達特性をバワースベクＩ−ラムモーメン
トＭｉよりめる従来の方法について説明する。先に基準
受信信号について説明する。第５図、第６図が基準受信
信号の説明図である。図中９は送信トランスデユーサ、
１０は受信トランスデユーサ、１１は基準媒質、１２は
基準反射体である。透過法の場合、第５図のように対向
させた送信トランスデユーサと受信トランスデユーサの
間にほぼ周波数特性を持たない基準媒質を置き。

送信トランスデユーサから送信パルスを発射し基準媒質
を透過した後、受信トランスデユーサで受信した受信信
すを基準受信信号とする。反射法の場合、第６図のよう
に送受信トランスデユーサ１と平面５琢、不規則面等の
基準反射体１２を対向させその間に該基準媒質１１を置
き、送受信トランスデユーサから送信パルスを発射し基
準媒質を透過した後基準反射体にて反射し再び基準媒質
を透過した後送受信トランスデユーサで受信した受信信
号を基準受信信号とする。

まず簡単のため、基準受信信号のバヮースペク１−ラム
カ呻心周波数がｆＯ１標準偏差がσ０の力゛ウス分布形
をしており、かつ媒質の伝達関数の自乗がｅｘｐ（Ｂｆ
）であるとする。但しｆｌよ周波数、Ｂば媒質に固有の
値である。このような仮定においで受信信司のパワース
ペクトラム番よ送信信号のパワースペクトラムに対して
標準偏差Ｇよ変イしなく、中心周波数のみシフ１−シた
形をとる。ここで受信信号の中心周波数をｆｚとすると
Ｂυよ次ヱしでまる。

、。′ ｆＱ、ｆｚはそれぞれ基準受信信号、受信信冒の　Ｍｌ
　／ＭＯであり、またσＯは基準受信信１弓のＭ２　／
ＭＯ−（Ｍｌ　／ＭＯ）である。

このようにして信号のパワースベター・ラムモーメント
ＭＯ，Ｍ１．Ｍ２より媒質の伝達特性ノぐラメータＢを
めることが可能である。し力・しな力くら上記の仮定は
実際の送信信号、ａ質におし）で番よ不満足である。特
に媒質について説明すると、２つの問題がある。最初の
問題は必ずしも媒質の伝連関数がｅＸｐ（−Ｂｆ）　だ
けで表すことができないことである。

例えば後方散乱波を受信した場合、散乱の周波数特性は
ｆ　であると報告されており、ガウス分布は歪み、中心
周波数はずれる。２番目の問題はスペクトラムスキ中ロ
ソピングである。スペクトラムスキ中ロンピングとは媒
質中の音速差１反射膜の存在によって複数の信号波パル
スが極短時間の時間差をもって重なりあい、その結果パ
ワースペクトラム上で上記時間差に逆比例した周期の波
打らが生ずることをいう。速い周期（大きな時間差）の
波打ち（スキャロソピング）は、モーメン１−をめる時
のスペクトル範囲での積分によってそのＭｉに対する影
響は低減されるが、ゆっくりとした波打ち（スロースキ
ャロソピング；小さな時間差に対応）の影響は積分によ
って低減することが出来ない。即ちガウス分布は歪み、
その中心周波数はゆっくりとしたスペクトラムスキ中ロ
ンピングによって本来のスペクトラムスキ中ロンピング
が起こっていない信号の中心周波数と大きく外れてしま
う。これらの問題を解決するため５本発明においてばガ
ウス分布が歪んでいる場合に拡張可能とするものである
。

まず媒質の伝達特性パラメータ算出法を述べる。

基準受信信号のパワースペクトラムばガウス分布であり
、媒質の伝播特性の自乗はｅｘｐ（−Ｂｆ）と歪を表す
有限次多項式との積で近似できるものとする。ここでは
簡単のため２次多項式でスペクトラムスキャロノビング
や反射率等によるパワースペクトラムの歪Ｑ　（ｆ）が
表せるものとする。

すると受信信号のパワースペクトラム ・　ｅｘｐ（−Ｂｆ）−Ｑ　（ｆ） ・・・・・　（１２） ここで、Ａ．　Ａ　は定数である。ｐ，ｑはパワースペ
クトラムの歪を決める定数であるが，このｐ，ｑのため
に受信信号のパワースペクトラムがガウス分布形からは
ずれてくる。

ここで、正規モーメントｍｉと，平均値のまわりの正規
モーメントμｌを定義する。

ｒｎｉ＝Ｍｊ／ＭＯ　・・・・・　（１３）、゛．μ０
ミｌ　・・・・・（１５） このようにｍｉとＭｉばＭｉより算出することのできる
量である。受信信号のｍｉとＭｉをめると次のようであ
る。

ｍｌ　＝ｆｚ＋ｐσＯ　（１＋　ｑａＯ　）　・　・　
・　（１９）・　・　・　・　（２１） 上記３式中，［１，ｐ，ｑ，が未知数であり。

その他の変数ｍｌ，　μ２．μ３，σＯはパワースペク
トラムモーメントより計算できる。よってｆ１＋　ｐ＋
　ｑ＋　は算出できる。

特にｑ＝Ｏの場合は近似の精度は落ちるが計算は簡単と
なり。

からｆｚをめることができる。すなわち（２２）　。

ｆｚ＝ｍｌ−（σ０−μＺ）・・・・（ｔリノが得られ
る。（２５）、あるいは（２６）式のｆｚを（１１）式
に代入することによってＢを精度良くめることが出来る
。

以上の実施例では基準受信信号としてそのパワースペク
トラムがガウス分布のものを用いた。しかし、パワース
ペクトラムがガウス分布から外れてい□る基準受信信号
を用いた場合でも次に述べるように信号処理することに
より、ガウス分布成分を抽出することができ、そのガウ
ス分布をしたパワースペクトラムを持つ基準受信信号を
打ち込んだとした時の受信信号の中心周波数をめること
が出来、更にβ（Ｚ）の分布をめることが出来る。

以下にその原理を説明する。

程度であり５ガウス成分と歪成分との積として近似する
ことが出来る。即ち次式で基準受信パワースペクトラム
を近イ以する。

びｑＯｌば実測パワースベター・ラム力Ａらｍｌ、μ２
、μ３及び最大値を示す周波数ｆｍ、又（ま半（直幅Ω
ａをめ、それぞれを（２１）式カーらＩＭたａト算乙 ２　σ０ ＝ｐＯ−４ｉｎ（１／２）　・（ｑｏ　１／σｏ）・　
・　・　・　・　（２９） 式のようになる。

・　・　・　・　・　（３０） 上式は（１２）式と同一の形式になっている。依ってｆ
ｚはすでに述べた方法で計算することが出来る。得られ
たｆｚ、ｆｏ、σ０を（１１）式に代入することに依っ
て娯差の少ないＢの推定値が得られる。

以上のようにして得られたＢの推定値は実際の応用にお
いてどのような意味を持つかを次に述べる。媒質が例え
ば生体組織であり、超音波パルスを生体組織に向かって
発射し、帰ってきた反射波を受信したとする。ここで良
く知られた実験事実として生体組織の超音波減衰特性は
周波数に比例する。また、減衰の周波数に対する傾きを
減衰係数１頃斜（ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　５ｌｏｐｅ
　）と呼んでいる。Ｂは超音波パルスの経路における減
衰係数傾斜の積分値である。超音波ビーム上の減衰係数
傾斜をβ（ｚ）、ｚはトランスデユーサからの距ＭｔＩ
、Ｃを（３２）式のようにＢを２で微分又は（３３）よ
り時間で微分することによって生体組織中の減衰係数傾
斜分布が２の関数として計算される。しかもすでに述べ
たようにスペクトラムスキャロソピングや散乱の周波数
特性によらない正（ｍな値がｉＭられる。また、透過法
で測定した場合は、ｉＭられたＢをプロジェクションデ
ータとしてコンピュータ・トモグラフィのアルゴリズム
を用いることによってβの空間分布を得ることが出来る
。

〈発明の効果〉 本発明によれば生体に超音波を適用した時のように媒質
が周波数に比例した減衰係数をもつ場合。

受信波のバワースペクｌ−ラムモーメントより、精度良
く減衰係数傾斜分布を計算することができる。

又、受信パワースペクトラムモーメント装置と伝達特性
計算装置とは簡単な回路で実現でき，しかも実時間計算
が可能である。更に反射法の場合に距離方向におりるビ
ーム形状の変化をすでに述べた基準受信信号を用いるこ
とによって補正できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例装置の全体構成ブロック図。 第２図，第３図，第４図は受信信号のバワースベク１ー
ラムモーメントを得る方法の説明図５第５図、第６図は
貼ｆ％受他信号の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）パルス波を被測定媒質中に送信し、その透過又は
   反射波を受信して媒質の伝達特性をめる時に、直交検波
   器と微分器と相関器とを用いることによって受信波の任
   意次数のパワースペクトラムモーメン１−をめる手段と
   、得られた任意次数のパワースペクトラムモーメントよ
   り伝達路の伝達特性を算出する手段を持つ測定装置にお
   いて。 被判定媒質をほぼ周波数特性を持たない基準媒質と置換
   した時の基準受信信号のパワースペクトラムをガウス分
   布と有限法多項式の積で近似し。 伝達特性を示す伝達関数の自乗をｅＸｐ（−＋３　ｆ　
   ）と有限法多項式との積で近似し、すでに得られた０次
   ないしｎ次（ｎは３以上の整数）の受信パワースペクト
   ラムモーメン１−を用いることによって」二記各々の有
   限法多項式によるバワースベクｌ−ラムの歪みからくる
   誤差を補正してＢの値をめる手段を持つことを特徴とす
   るバワースペク１へラムモーメント利用測定装置。 （２、特許請求の範囲第（１）項において、受信信号と
   して反射波を利用し５反射体として平面。 球、または不規則面等の基準反射体を該当する被測定位
   置においてその反射波を受信し、基準受信信号とするこ
   とを特徴とするバワースベク］・ラムモーメント利用測
   定装置。 （３）特許請求の範囲第（１）項において、パワ−スペ
   クトラムがガウス分布形と相似である基準信号を用いる
   ことによって、伝達特性の自乗のみを、前出のｅＸｌ）
   　（−１３ｆ　）と有限法多項式との積で近似し、０次
   ないしｎ次のパワースペクトラムモーメントを用いるこ
   とによりＢの値をめる手段を持つことを特徴とするパワ
   ースペクトラムモーメント （４）特許請求の範囲第（１）項または第（３）項にお
   いて，受信信号として反射波を利用し．信号を送受する
   ｌ・ランスデューザからの距離に応したＢの値を得た後
   ．Ｂを距離方向に微分又は差分することによって、減衰
   係数傾斜βの分布をめる手段を持つことを特徴とするパ
   ヮースペクＩ−ラムモーメント・利用測定装置。 （５）特許請求の範囲第（１）項または第（３）項にお
   いて、受信信号として透過波を利用し、Ｂヲフロシェク
   ション・データとしてコンピュータ・トモグラフィのア
   ルゴリズムをもちいることによって、減衰係数傾斜βの
   分布をめる手段を持・つことを特徴とするバワースペク
   Ｉ・ラムモーメント利用測定装置。