JPS608822B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波パルスを生体内に発射しその反射波か
ら生体内情報を検出する方式の超音波診断装置に係わり
、特に生体内の血流の状態等動きのあるものを観測する
超音波診断装置に関する。

従来から知られている電子走査形超音波診断装置は、生
体内において超音波ビームの高速走査ができる為０臓等
動きのある内臓の観測が可能である。しかし、動くもの
でも例えば血液はこれからの反射が極めて弱いため、上
記のような装置によって皿流を観測することは困難であ
った。一方、血流を検出する方法としては、超音波ドッ
プラ法が一般に知られている。

この方法は、超音波の送受波方向に反射体が動いている
と、ドップラ効果によりその速度に比例して反射超音波
の周波数が変化するので、この周波数変化を検出するこ
とによって、超音波の送受波方向の反射体の速度を求め
る方法である。この方法によれば反射体の移動速度の超
音波送受波方向成分は求まるが、この方向と垂直な方向
の速度成分を求めることはできない。ところが、生体中
の血管や心臓内の血流等は体表にほぼ平行な場合が多い
。例えば、第１図ａは人体の肝臓部分の断面図であるが
、肝臓１内の肝静脈２は体表（腹壁）３にほぼ平行とな
っており＼肝静脈２内を血液は矢印方向、即ち体表３と
ほぼ平行に流れる。尚、４は皮下組織である。又、第１
図ｂは人体の心臓部分の断面図であるが、心臓５内の左
心房６から左心室７に入り大動脈に流出する血液は矢印
のように、体表（胸壁）８に対してほぼ平行に流れる。
尚、９は助骨、１０は皮下組織である。したがって、上
記超音波ドップラ法によって流速を求めるには、体表の
垂線に対して斜め方向から超音波ビームを入射させる必
要があり、取扱いが不便となる。本発明は、このような
問題点に鑑みてなされたもので、血液の如く生体の体表
に対してほぼ平行に動くような反射体をリアルタイムに
観測できる超音波診断装置を提供することを目的とする
。

本発明は、血液等は体表に対してほぼ平行に移動するこ
と、及び超音波診断装置における超音波の送受波方向は
体表にほぼ垂直な方向であることに鑑みてなされたもの
で、電子的に一定の範囲で超音波の走査を行ない１フレ
ーム分毎の断面情報を得−旦メモリに記憶した後、所定
時間後に同様の走査により得られた１フレーム分の断面
情報から上記記憶された１フレーム分の断面情報を差し
引き動態面像を得るものである。このようにすれば、血
液の如く生体の体表に対してほぼ平行に動くような生体
内の反射体が特に良好に観察できる。

即ち、生体内のほとんど動かない反射体は断面情報の差
し引き処理により消される。又、生体内で体表に対して
ほぼ垂直、したがって超音波の送受波方向に対してほぼ
平行に動く反射体は超音波の反射波が弱くなることがあ
り、良く観測できないこともある。しかし、上記の如く
血液の如きは体表に対してほぼ平行に動くのでこれから
は常に良好な反射波が得られ、したがって血流等が強調
された良質の動態断面像が得られ、動態観測が可能とな
った。まず、本発明の原理について述べる。

第２図に示すように、容器１１に水１２を満たし、その
中に例えば「計測と制御」ｖｏｕ６、Ｎｏ．１２、ｐ．
１１〜１７（１９７７）に記載されている如きリニア電
子走査形超音波診断装置用の探触子１３を入れ、その超
音波振動子配設面が水面下に入り超音波ビーム１４が下
方に送波されるように保持される。図に示す如く或る時
刻にＰ点に反射体があったとする。尚、第１図において
、探触子１３の超音波振動子配設面で左方から右方にｘ
鞭をとり、この配設面から垂直下方にｙ軸をとる。そし
て、反射体が最初あった位置をｘ＝０とする。まず、最
も左方の超音波振動子から超音波ビーム１４が送波され
同じ方向からの反射波が再びこの振動子により受波され
る。

次にその右の振動子が同様に騒動され超音波の送受波が
なされる。以下同様に順次駆動される振動子が最右端ま
で切り替えられて１フレーム分の断面情報が得られる。
再び最左端の振動子が駆動され同様にして第２フレーム
の断面情報が得られる。このように順次リニア走査によ
り１フレーム分毎の断面情報が得られる。或るフレーム
でｉ番目の走査線上の中央（Ｐ点）に反射体があったと
し、この反射体は移動速度ｖでｘの正の方向に動き、次
のフレームでは同じｉ番目の走査線上のパルスが放射さ
れたときにはｘ方向に△ｘだレナ動いていたとする。と
ころで、超音波ビームはその中心軸（ｘ＝０）に対して
第３図に示すような幅のある送受波感度特性を持ってい
る。

即ち、矩形振動子では感度曲線の最大感度をＶｏとする
と、ｖ＝ｖ。

（晋）・・・・・・．・…ｚ三窯Ｘ・…・…剛 で表わされる。

ここで、入は超音波の波長、Ｄは超音波振動子の閉口（
アパチャ）、ｙは振動子表面からＰ点までの距離である
。ｘ＝０に最も近いＶ＝０となるｘの値は×＝入ｙ／Ｄ
であり、これは方位分解能×。（＝入ｙ／Ｄ）に相当す
る。又、中央の感度の大きい部分はメインローブと呼ば
れ、その両側の感度の小さい部分はサイドローブと呼ば
れているが、そのサイドローブの極大感度はメインロー
ブの極大感度Ｖｏの５％以下である。第３図の感度曲線
から明らかな如く、ｘ＝０よりのずれ△×がＸｏより小
さい範囲では、その受信信号レベルの差（Ｖｏ−Ｖ）は
△×が大きくなると共に増加し、ふより大きくなると（
Ｖ。

−Ｖ）はほぼ一定となる。したがって、先にｘ＝０の位
置で超音波走査を行なったときこの走査線上Ｐ点にあっ
た反射体が、所定時間後この位置の走査を行なったとき
Ｐ′点に移っていたとし、その間の距離△×が大体Ｘｏ
より小さければ差信号は△×と共に増加し、Ｘｏより大
きくなれば最大値でほぼ一定（約Ｖｏ）となる。このよ
うに、フレーム毎の超音波走査を行ない２フレーム間の
断面情報の差信号を得、これによって輝度変調し断面像
を表示すれば静止した物体はほとんど表示されず、動い
ている物体だけが表示され、しかも△ｘが０からふまで
は△×の大きい程、即ち移動速度ｖが大きい程強く表示
されることになる。

したがって、動いている物体を強調して表示又は記録で
きる。尚、上記第２図、第３図による説明では水中に物
体（反射体）が移動するとして述べたが、生体は水中と
ほぼ同機に考えられ移動物体は血液又は血球の流れと考
えることができる。今、１フレームの走査に要する時間
、即ち超音波が或るｉ番目の走査線の位置で送受波され
、次に再び同じｉ番目の走査線の位置で送受波されるま
での時間をＴ、フレーム数をＦとすればＴ＝１／Ｆであ
り、△ｘは次のようになる。

△ｘ＝ｖ・Ｔ＝ｖ／Ｆ……｛３’ 一方、１フレームの走査に要する時間Ｔに、反射体の移
動する距離が大きいと特に反射体が多数ある場合には反
射体の動きを把握することが困難となるが、その限度を
ＭＸｏとする。

又上述のように反射体が充分強く表示される△×の最小
値はほぼべであるから、反射体を良好に表示する△×の
範囲として次の不等号が成り立つ。Ｘ。

ミｘＳＭＫ。…・・・‘４）あるいはフレーム数の範囲
は、｛３’式を代入して敵。

≦Ｆ≦史・・・・・側第４図において、機軸に反射体の
移動速度ｖを、縦鞠にフレーム数Ｆ〔ｆｒａｍｅｓ／ｓ
〕をとり、良好に反射体を表示、記録できる範囲を斜線
で示す。

但し、Ｘｏ＝３柳、Ｍ＝２とする。したがって、例えば
測定観測しようとする血流速度ｖ及び装置の方位分解能
×。対して第４図の斜線で示された範囲内で適当なフレ
ーム数Ｆを選び、フレーム毎の断面情報の差を順次表示
すれば、血液からの反射が強調されて、リアルタイムで
その速度範囲の皿流動態が良好に観測される。本発明の
一実施例の回路構成を第５図に示す。

同図において点線で囲んだ部分は従来のリニア走査方式
の電子走査形超音波診断装置と同様の構成である。即ち
、発振周波数ｆの基準パルスを出力する基準発振器３１
の出力は走査制御回路３２に供給される。走査制御回路
３２は送受波回路３３に制御信号を送り、送受波回路３
３は所定の超音波振動子に印加する駆動パルスを探触子
３４に送る。探舷子３４の駆動パルスを印加された超音
波振動子からは超音波ビームが生体内に送波され、その
反射波は再びこれらの振動子により受波される。この反
射信号は送受波回路３３を通って信号処理回路３５にお
いて検波等の信号処理される。信号処理は、走査制御回
路３２の制御の下においてなされる。送受波回路３３は
、通常１個又は複数個の駆動パルス発生回路（パルサー
）と超音波振動子数と同数のスイッチ群とから成る。本
発明のこの実施例においては、基準発振器３１にこの発
振器の発振周波数ｆを変える。

発振周波数切換回路３６が接続されており、又走査制御
回路３２に１フレームを構成する走査線数を変える走査
数制御回路３７が接続されている。又、この実施例では
、信号処理回路３５にて処理された反射信号（連続的ア
ナログ信号）は、ＡＤ変換器３８にてディジタル信号に
変換されフレームメモリ３９に記憶される。１フレーム
分の超音波走査がなされこの１フレーム分の断面情報が
フレームメモリ３９に順次一旦書き込まれる。

次のフレームの走査がなされＡＤ変換器３８にてディジ
タル信号が得られるとフレームメモリ３９に書き込むと
同時にフレームメモリ３９から前フレームの対応する部
分におけるディジタル信号が読み出され、差信号回路４
０‘こおいて前者から後者が差し引かれる。差信号が負
のときは零とする。こうして得られた両フレーム間の差
の断面情報はＤＡ変換器４１によりアナログ信号に変換
されこの信号によって輝度変調されディスプレイ４２に
動態断面像（移動物体が強調された断面像）として表示
される。尚、フレームメモリ３９へのディジタル信号の
書込み、議出し、及びディスプレイ４２の表示は走査制
御回路３２によりタイミングコントロールされる。この
ように順次ディジタル的な断面情報を１フレーム分毎に
一旦記憶しその後の１フレーム分の断面情報からこの記
憶された断面情報を得てディスプレイ４２に表示するこ
とにより、リアルタイムに例えば血流の動態観測が可能
となる。実施例では、さらに信号処理回路の出力そのま
まを利得調整回路４３を通して差信号に重じようしてい
る。このようにすると動きの少ない断面像（例えば心臓
）と強調された移動物体（例えば皿流）が同一画面上で
同時に観測できる。上記実施例では、断面情報をディジ
タル信号に変えディジタル的に差の断面情報を得ている
。しかし、アナログ的に例えば電圧として差の断面情報
を得てもよい。この場合にはＡＤ、ＤＡ変換器は不要と
なる。ところで、上記（５｝式を変形すると次式が得ら
れる。

′Ｘ。

ＦＳｖＳＭ×ｆ・・・・・・■この式から或るフレーム
数Ｆに対して、良好に描写される速度ｖの範囲のあるこ
とが理解される。

例えば、第４図からＦ＝３０〔ｆｒａｍｅｓ／ｓ〕に対
してｖ＝９〜１８〔肌ノｓ〕の速度の反射体は良好に描
写されるが、それより遅いものは輝度が弱くなり、上記
範囲の速度より速い反射体は表示されるがその動きの様
子の把握が困難となる。そこで、フレーム数を変えるこ
とによって逆に反射体の速度を推測できる。

即ち、フレーム数Ｆを上げていったときに良好に表示さ
れる反射体は比較的移動速度の速い反射体である。上記
の如く基準発振器３１の出力パルス（基準パルス）の繰
返し周波数（レート周波数）はｆであり、今、１フレー
ムを構成する走査線数をＮとすれば通常フレーム数Ｆは
次式で与えられる。Ｆ＝ｆ／Ｎ……〔７ｌ したがってフレーム数を変えるには、■繰返し周波数ｆ
を変える方法と、■１フレ−ムを構成する走査線数Ｎを
変える方法がある。

第５図の構成において発振周波数切換回路３６は■を、
走査線数制御回路３７は■を、各々変える為にある。発
振周波数切換回路３６は、例えばその出力される繰返し
周波数より充分高い周波数で安定に発振する発振器を基
に、この出力をカウンタでカウントダウンすることによ
って容易に周波数を変えることができる。又、走査線制
御回路３７は例えば走査制御回路３２中のりード・オン
リーメモリ（ＲＯＭ）の端子を選択することによって走
査線数を変えるようにすればよい。リニア走査方式では
、例えば微少角セクタ法（特開昭５１−１２４９１５）
を用いて微少角の角度を種々変えて走査線数を増すこと
ができ、セクタ走査方式の場合には偏向角を細かくする
為にタップ付遅延線のタップの選択位置の組合わせを細
かくすればよい。ＲＯＭを用いれば、このような走査線
数の切換えをＲＯＭの切換え等により容易に行なうこと
ができる。例えばセクタスキャンの場合にはｆを一定と
してＮを小さくすると走査線間隔が広くなるか視野角が
狭くなるかあるいはその両方であるが、そのいずれを選
択するかは自由ですべてＲＯＭに書き込んだ内容で自由
に選択することが容易である。勿論ｆとＮの両方を同時
に変えてもよい。観測しようとする生体内の反射体の移
動速度ｖが速いときには、発振周波数切換回路３６の制
御により基準発振器３１の発振周波数ｆを上げフレーム
数Ｆを高くする。

しかし、超音波速度及び観測する生体内の深度によりそ
の最高周波数には限界があり、これ以上にフレーム数を
高くする為には走査線数制御回路３７の制御によって走
査線数Ｎを下げる。このようにして、比較的速度の速い
反射体をディスプレイ４２上に表示できる。一方、生体
内の比較的速度の遅い反射体を良好に表示する場合には
第４図から明らかなようにフレーム数Ｆを下げる必要が
ある。しかし、フレーム数が下がりすぎるとディスプレ
イ４２の表示面上の断面像のちらつきが大きくなり観測
しにくくなる。そこで、フレーム数を下げないで移動速
度の遅い反射体を表示するには、次に述べるように差し
引く断面情報のフレームを連続する２つでなく離れてい
る２つを用いればよい。これによって第３図における△
×を大きくできる。このようにする為には、第５図の実
施例においてフレームメモリ３９として一般にｎフレー
ムを記憶できるものを用いればよい。

この一部の回路構成を第６図に示した。但し、ｎは２以
上の整数である。このようなメモリ３９′を用いれば、
ｎ枚前のフレームの断面情報を最新のフレームの断面情
報から差し引くことができ、このとき差をとる信号の時
間間隔Ｔは１／岬に減少する。しかし、フレーム数はＦ
であり、低速度の反射体の検出感度を増加させ、しかも
フレーム数をちらつきのない値に保つことができる。例
えばｎ＝３、Ｆ＝３０〔ｆｒａｍｅｓだ〕とすれば、ま
ず第４フレームと第１フレームの差をとって表示し、次
に第５フレームと第２フレームとの差、第６フレ−ムと
第３フレームとの差、…・・・というように順次動態断
面像を表示することになる。この場合、良好に描写ごれ
る反射体の速度範囲は、速度の高い方ではそのままで低
い方では拡大され範囲が広がる利点もある。例えば上記
ｎ＝３、Ｆ＝３０〔ｆｒａｍｅＳ／ｓ〕の場合、第４図
と同等の速度範囲はｖ＝３〜１８（ｃｍだ）であり、第
５図の実施例のｎ：１、Ｆ＝３０〔ｆｒａｍｅｓ／ｓ〕
の場合の速度範囲ｖ＝９〜１８〔肌／ｓ〕に比較して拡
大されていることが理解される。上記実施例では受波さ
れた超音波の反射信号はそのまま差信号として取り出さ
れていたが、例えば第５図の信号処理回路３５において
反射信号を対数増幅器により増幅した後、差し引くよう
にすることもできる。

この場合には反射強度の比をとったことに相当し、本発
明にはこのような場合も含まれる。又、実施例でも示し
たように差の情報と重ねて生体の断面像の情報をも表示
するようにしてもよい。

こうすればどのような部位を血液等の反射体が移動して
いるか明確に観測できる利点がある。あるいは、差の情
報と生体の断面像の情報を色別に同時に表示するように
すれば、例えば心臓と血流とが各々別の色で分離され同
時に観測できる。更に、上記実施例では同一の探触子の
各振動子により超音波を送受波する場合について述べた
。しかし、別の探触子により超音波ビームを送波するよ
うにしてもよい。又、上記実施例では複数個の超音波振
動子を切り換えて作動させる。即ち受波する超音波の位
置を変えて走査を行なうリニア走査式の装置について述
べた。又、本発明は第５図に示すように動態断面像を表
示するだけでなく、撮影等記録を行なう場合にも適用で
きる。リニア走査式では、超音波の受波方向は振動子配
列面に常にほぼ垂直であり、振動子配列面は体表に密着
させられるから体表に平行に移動する反射体の移動によ
って反射体か弱くなることはほとんどなく、特に良好な
動態断面像が得られる。しかし、本発明は複数個の超音
波振動子を作動させるタイミングを変え走査を行なうセ
クタ走査式の超音波診断装置にも同様に適用できる。

セクタ走査式は特に心臓の検査に適している。以上述べ
たように本発明によれば、例えば従来ほとんど不可能で
あった体表にほぼ平行な血液の流れを検出することがで
き、しかもリアルタイムの動態断面像として血流動態を
描写することができる。

皿流の観測は従来、造影剤を注入してＸ線で行なう方法
以外になかったが、本発明により造影剤を全く使わずに
血流観測が可能となり、特に心臓内血流の逆流を含めた
血流動態観測から弁の機能、欠損部の確認、あるいは心
機能評価等が可能となる。この場合、探触子は１個で済
み、操作性が極めて良く検査部位を充分正確に選ぶこと
が容易で実用的に優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、皿流の状態を示す図、第２図、第３図及び第
４図は本発明の原理説明図、第５図は本発明一実施例の
回路構成図、第６図は本発明の他の実施例の一部の回路
構成図である。 １１・・・・・・容器、１２…・・・水、１３，３４・
・・・・・探触子、１４・・・・・・超音波ビーム、３
１・・・・・・基準発振器、３２・・・・・・走査制御
回路、３３・・・・・・送受波回路、３５…・・・信号
処理回路、３６・・・・・・発振周波数切換回路、３７
・・・・・・走査線数制御回路、３８・・・・・・ＡＤ
変換器、３９……フレームメモリ、４０・…・・差信号
回路、４１・・・・・・ＤＡ変換器。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 生体内へ超音波を送受波して走査し、生体の断面情
   報を得る超音波診断装置において、任意に設定できるフ
   レーム数で１フレーム毎の断面情報を得る手段と、この
   手段により得た少なくとも１フレーム分の断面情報を一
   旦記憶するメモリと、任意に設定された時間後の１フレ
   ーム分の断面情報から前記メモリに記憶されている１フ
   レーム分の断面情報を差し引き動態断面像を得る手段と
   を具備して成ることを特徴とする超音波診断装置。 ２ 断面情報を得る手段は、走査線密度を変えることに
   よりフレーム数を変え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 断面情報を得る手段は走査の操返周波数を変えるこ
   とによりフレーム数を変え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。 ４ メモリは１フレーム分の断面情報を記憶するメモリ
   であり、動態断面像を得る手段は時間的に連続する２つ
   のフレーム分間の断面情報を差し引き動態断面像を得る
   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。 ５ メモリは複数でフレーム分の断面情報を記憶できる
   メモリであり、動態断面像を得る手段は時間的に離れた
   ２フレーム分間の断面情報を差し引き動態断面像を得る
   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。