JPS6216743A - 生体内温度計測装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は生体内温度計測装量、特に被検体内に超音波パ
ルスを送受波して所定の被検部位からの反射エコーを分
析処理することによって生体内温度を無侵襲で計測する
ことのできる改良されＩＣ装置に関する。

［従来の技術］ 生体内に超音波、マイクロ波あるいはＲＦ波等によって
波動エネルギを与え、生体内に湿度十ｙ１を生じさせる
ことが各種の治療装置、特にハイパサーミア（温熱療法
）に実用化されでｄ３す、懇情腫瘍の効果的な治療方法
として注目されている。

この温熱療法は、悪性腫瘍に４３°Ｃ程度の温度を与え
てその組織を縮退させて癌などを治療するものであるか
ら、生体内の伯の組織に対しても大きな影響を与え、正
常組織を壊死さｌ！てしまう場合がある。

従って、生体内ＩＩ械に温熱療法を７ＡＩＪ−場合には
、悪性腫瘍の周辺組織の湿度に対して十分に注意する必
要があり、このために、超音波等を照！Ｊ４′？Ｉる組
織の温度分布を正確に測定Ｊることが極めて重要となる
。

「発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来装置においては、このような被検体
深部の温度を無侵襲で正確に計測することがほと／υど
不可能であった。現在実用されている方法として、熱電
対を被検体内に挿入することが行われているが、このに
うな従来の侵襲的手法では被検者に大ぎな苦痛を与える
ばかりでなく、悪性腫瘍への熱電対の挿入及び取出しの
際に癌細胞が他の正常１１織に転移Ｍる危険性がある等
の大きな問題を有していた。

発明の１」的 本発明は前記従来の課題に鑑みなされたものでＪ５す、
その目的は、超音波を用いて無侵襲で正６１「な渇度泪
測ができる装置を提供Ｊることにある。

１問題点を解決するための手段及び作用］前記目的を達
成りるために、本発明は、被検体内に超音波を送波し内
部絹様からの反ｑ・１−■−」−を受波する超音波トラ
ンスデ＝ｔ　−晋Ｊ−ど、超？１波送（ｌｉ波の搬送周
波数を有しｎいに複素関係にある一組の複素基準信号ど
受信信号（高周波信号）とをＩｒＡ合して受信信号を複
素信号に変換する複素信号変換器と、前記複素信号の偏
角を演算づる一角演算器と、前記偏角演算器から出力さ
れた加温前と加温後の偏角を記憶するメ土りと、加温前
ど加温１９の複素信号の位相差を演ｃ３ＴＩ−る位相差
演算器と、前記位相差から加’ｆＲｎＦｆ加温加温液検
体内部の音速比を演算する音速比演算器と、前記音速比
から温度を演算器る温度演算器とを含み、加温前ｊｐの
超音波受信信号を複素信号に変換して求めた音速比によ
り加温後の被検体内温度を測定することを特徴とする。

以上のにうｈ構成により、まず超音波１〜ランスデユー
４ノで１ｑられた受信信号は複素信号変換器にて直交検
波され複素信号に変換される。これを加温前と加温後の
両省にて行い、これらの複素信号の位相差を演算するこ
とにより生体内を伝搬した超音波の音速比を演Ｏ１−る
。

周知のように、成人の体温は体表面を除き一定しており
、通常３７℃前後に保たれている。従って、これら生体
内の一定温度に保たれた各組織における超音波の音速は
一定とみなぜる。しかし、超音波等を生体内に照射する
と、各組織の超音波等の吸収係数の相違にｊこり各組織
の加温効果が異なって被検体内に温度分布が生じる。そ
して、温度の高いＩＩ織を伝搬する超音波の音速は温度
が低い場合の音速よりも速くなることから、生体内組織
を加温する前後の音速比を求めてやれば、無侵襲で生体
内の温度測定あるいは温度分布を知ることができる。

このようにして、従来装置のように絶対音速を求めて温
度を測定しようとする極めて困難な方法ににることなく
、音速の変化を捉えることによつて生体内の温度を容易
に測定覆ることが可能どなる。

［実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には、生体内温度計測装置の第１実施例が示され
、安定な高周波信号を発生する水晶発振器１０の出力は
分周同期回路１２に供給され、この分周同期回路１２に
Ｊ：って所望周波数の各種出力信号が得られる。これら
の出力信号は、例えば超音波パルスビーム送信用の繰返
し周波数の送信信号１００．複素変換のための複素基準
信号１０２．１０４．装置各部の同期を行うクロック信
号１０６等である。

前記分周同期回路１２の出力である送信信号１００は、
駆動回路及び送受切換回路等を含む送受波制御器１４を
介してトランスデユーサ１６に供給され、このトランス
デユーサ１６から超音波パルスビームが被検体１７に放
射される。

そして、被検体１７からの反射エコーは１〜ランスゲ：
１−リ−１６によって電気伯母に変換され、送受波制御
器１７′Ｉから高周波増幅器１８へ供給されて所望の増
幅作用が施される。ここで、超富波診断装買にて生体内
の断層像を８モ一ド表示を行う場合には、増幅器１８の
出力は検波器２０．Ａ／Ｄ変換器２２を介してデジタル
・スキャン・コンバーク（ＤＳＯ）２４に供給される。

本発明に４３いて特徴的４Ｔことは、加湿前と加温後の
超音波受信信号を複素信号に変換し、これら複素１８号
の位相差を検出して加温前後の音速比を求め、この音速
比から生体内の温度を演算することであり、前記高周波
増幅器１８の他方の出力は複素信号変換器２６に供給さ
れ、複素信号に変換される。

ず４Ｔわら、第１実施例において、複素信号変換器２６
は、位相検波器を含む一組のミニ１：す２８ａ。

２８１）と低域フィルタ３Ｑａ　、３０ｔ）とＡ／Ｄ変
換器３２ａ、３２ｂどから構成され、ミキ」Ｊ２８ａ　
、　２８１）には、分周同期回路１２の出力である複素
基７％信シコ１０２，１０４がそれぞれ供給されている
。この複素基準信号１０２．１０４は、送受波の搬送周
波数を有し、かつＨいに位相差９０°を有する５ｉｎＯ
）ｏｔ　、　　ＣＯ３ωｏｔの信号であり、この複素基
準信号１０２．１０４の信号は、ミキ→ノ２８ａ、２８
１）に既に入力されている受信信号と混合され、画周波
数の和と差の周波数の信号が出力される。この信号が低
域フィルタ３０ａ。

３０１）に供給されて差の周波数成分のみが取り出され
る。

次に、前述した複素変換を演算式により訂細に説明する
。ここで、超音波の送信波、受信波は実際にはパルス波
であるが、説明を簡単にするために連続波で表わす。

加温前、加温後の送信波Ｗｔ（ｔ）は、Ｗ　　（ｔ）−
△　・　５１ｎ（ＩＪｏｌ　　　　　　・・・（１）で
表わゼる。ただし、Ａ　は送信波の振幅、ω。

ば送信波の基本角周波数とする。

また、加温前の被検体からの反身・１」」−の受信波Ｗ
、、（ｔ）は、 Ｗｌ）　（ｔ）　＝Ａｂ−ｓｉｎ（ωｏ（ｔ−τｂ）一
ト　φ　ｂ　　）　　　　　・・・　（２）で表わせる
。ただし、Ａｉ、は加温前の受信波の振幅、τ１．は送
信波の伝播に要覆る時間、φｂは受信波の初期位相であ
る。

そして、被検体の加温に」；る反射波への影響は、受信
波の波高値より受信波の伝搬時間のほうに大きく影響す
る。このため、加温前の受信波Ｗゎ（［）ど加温後の受
信波Ｗａ（ｔ）どは伝搬時間だＧ−１が異なる波形であ
るとみなせる。従って、加温後の受信波Ｗａ（１１）は
、 ｗ　　ｍ　＝Ｗｂ（ｔ＋Δτ（ｔ）） −Ａｌ）・５ｉｎ（ωｏ（１＋Δτ（１）−τｂ）十φ
ｂ）　・・・（３） となる。ただし、Δτ（１）は加温前、加温後の同一部
位からの反射工］−の到達時間差である。

ここで、加温前の受信波Ｗｂ（ｔ）を複素信号変換器２
６に入力した場合、ミキサ２８ａの出力は複素基準信号
１０２と受信高周波信号との積となる。

前述したＪ：うに、複素基準信号１０２は５ｉｎω０１
であり、他方の複素基準信号１０４はＣＯＳ゛ω。ｔで
あるから、これらの基準信号の振幅を１とすると、ミキ
−’Ｊ２８ａの出力信号ｘ、ｍは、Ｘｂ（ｔ）　−ｗｂ
ｍ　　・　ｓｉｎωｏｔ−ｃｏｓ（２ω　を−ω０τｂ
」φｂ））となる。そして、この出力は低域フィルタ（
Ｌ　ＰＦ）３０ａで２ω０の角周波数成分が除去される
ので、低域フィルタ３０ａの出力信号Ｘｂ（ｔ）は、・
・・（４） となる。

他方、ミキサ２８ｂの出ノｊ信号Ｖｂ（ｔ）は、ｙ　　
（ｔ）−Ｗｂ（ｔ）　　拳　ｃｏｓωｏｔ＋φｂ）→−
５ｉｎ（φｂ−ω０τｂ））となる。そして、低域フィ
ルタ（１−ＰＦ）３０ｂの出ノ〕信号はＸｂ（ｔ：）同
様に、 ・・・（５） となる。

いま、複素基準信号１０２．すなわらｓｉｎω。１を乗
算された出力信号を複素数の実数部、また複素基準信号
１０４、すなわちＣＯＳω。ｔを乗算された出力信号を
複素数の虚数部に対応ざｌ！ることによって、受信高周
波信号を複素変換したことになる。

従って、加湿前の受信信号Ｗ、、（ｔ）を複素変換しだ
複素信号７ｂ（ｔ）は次のＪ：うに書き表わせる。

Ｚｂ　ｍ　＝ｘｂ（ｔ）　十、１Ｙｂ（ｔ）　　　・・
・（６）＋ｊｓｉｎ（φｂ−ω０τｂ）） −八ｂｏｊ（φ１．−ω０τｂ） ・・・（７） 同様に、加温後の受信信号Ｗａ（ｔ）を複素変換した複
素信号７ａ（ｔ）は、 Ｚ　　（ｔ）　＝Ｘ　　（ｔ：）　　＋ｊＹ　　（ｔ）
　　　　　・・・（８）ａ　　　　　　　　　ａ　　　
　　　　　　　　ａ十φ、、　）−＋ｊｓｉｎ（ω０（
Δτ（１）−τｌ、）十φ１月 ｂ −□。ｊ（ω０（△τ（１）−τ１り糧φ１．）−Ｚ、
、（ｔ）・ｅｊ″）０△４（１）　　　　・・・（９）
となる。

以上のＪ：うにして複素変換された信ｇＺ、、（ｔ）。

Ｚａ（ｔ）は、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２１〕によって
デジタル信号に変換される。前記へ／Ｄ変換器３２には
、分周周期回路１２から出力されたりに１ツク信号１０
６が供給されこのクロック信号１０６にＪ：る勺ンプリ
ングが行われる。

第１実施例にｄ５いては、この複素変換された信号Ｚｌ
）（ｔ）　、　Ｚａ（ｔ）は偏角演算器３／Ｉに」；つ
て＝　　１１　− 複素信号出力のそれぞれの偏角θ、　（１）　。

θａ（（）が求められる。すなわち、各偏角は、どして
求められる。

ぞして、この偏角θ（１）を７１〜リツクスメモリ３６
に記憶する。前記マトリックスメモリ３６にはクロック
信号１０６が供給され、該クロック信号によって書ぎ込
み・読み出しが行われる。

このようにして、測定対象領域とする断層像の走査線（
Ｂモード）に対応するすべての加温前の反射工］−の受
信信号Ｗｂ（ｔ）を複素変換し、偏角θｂ（１）をマト
リックスメモリ３６ｂに記憶する。同様に、加温後の同
一部位からの反射工］−の受信信号Ｗ　　（ｔ）を複素
変換し、偏角θ、（ｔ）を７１ヘリツクスメモリ３６ａ
に記憶する。

その後、同一部位に対応する加湿前、加温後の一　　１
２　− 偏角Ｏｂｍ　、θａ（ｔ）を同時に読み出し、位相差演
算器３８でそれらの差を求めると、同−深さの加温前の
反射工］−と加湿後の反射エコ１−の到達時間差△τ（
［）が次のＪ：うに求まる。

θ　（１）−θ１）（１） ＝　ａｒｏ（Ｚ　　（ｔ））　−ａｒｇ（Ｚ　　（ｔ）
）　　　　・（１２）ａ　　　　　　　＋） Ｚｂ（ｔ） 一ω０△τ（１）　　　　　　　　　　　　・・・（１
３）ただし、ω０は送信波の基本角周波数であるので、
既知の定数である。

前記位相差は到達時間差△τ（１）を表わし、この到達
時間差Δτ（１）は次の音速比油筒器４０に供給され、
到達時間差Δτ（１）から同一部位の加温前の音速と加
温後の音速との比が求められる。

以下に、この音速比演算器４０の演算を説明する。

加温前の被検体１７内の平均音速を６とすると、深さ×
の距離からの反射エコーの到達時間τ（×）とは次の関
係が成り立つ。

τ（×）；ニー× 従って、送信時刻を１＝０どして、反則工＝１−の受信
時刻を１と表わＪど、到達時間τ（ｘ）　＝ｔと／ｌｉ
ｔ）ＭＩ（深さ〉×どがり・１応する。

ここで、被検体１７内の加温前の合速分イ＋ｒをＣ，、
（Ｘ）どし、加温後の音速分布をＣａ（×）とする。牛
体内の深さ×の位置を加湿した場合についで考えるど、
加温前では、第３図（ａ）に示されるように、高速分布
が一定となり、加ＨＩＡ後では、深ざ×の位置を最高点
どして、第３図（１））に示されるようｈ音速分布どな
る。ぞして、このときの深さ×から反射される加温前と
加温後の反射工］−は、第４図に示されるように、Δτ
（×）たり到）ヱ１４間のずれたものとなる。

被検体内部の深さ×からの加温前の反射工］−においで
、送信時刻から受・信時刻までの時間を到達時間どじて
τ、、（Ｘ）と表わすと、γ−−−−×　　　　　　　
　　　　　　　　　・・・（１４）Ｃふ どなる。

また、加温後の被検体内部の音速分布Ｃ（Ｘ）をＣ８（
×）−Ｃｂ（×）→−ΔＣ（ｘ）と表わすと、被検体内
部の深ざ×の距離からの反射工］−の到達時間τａ（×
）は、 ・・・（１５） どなる。

従って、加温前の到達時間τｂ（×）と加温後の到達時
間τａ（×）との到達時間差Δτ（×）は、Δτ（×）
＝τｈ（×）−τａ（×） ・・・（１６） どなる。

なお、加温前の到達時間τｂ（×）を基準にして、到達
時間差△τ（×）の符号を、加温後の反射エコーが進む
場合は正どし、遅れる場合を負と定頼すると、（１２）
式の偏角の符号が進み、遅れを表わすことになる。

ここで、到達時間差Δτ（×）を距ｔｌｆｘで微分する
と、 ｄΔτ（Ｘ） ｄｘ どなる。

そして、（１３）式の到達時間差Δτ（１）を時間で微
分し、（１７）式を代入すると、 ｄｔ　　　　　　　２　　　　　　　　　ｄｘとなる。

（ここで、△τ（１）−Δτ（×）の関係を利用した。

） 加温前の被検体内部の音速分布Ｃｂ（×）が平均音速６
で分布しているとづると（１８）式は、となる。

次に、加温前、加温後の深さＸの距−１での音速比Ｃ８
（×）／Ｃｂ（×）を求めると、Ｃｂ（×）　　　　Ｃ
ｂ（×） どなる。

（１９）式を変形して（２０）式に代入すると、音速比
は、 どなる。

従って、音速比演算器４０では、位相差演算器３８から
の出力信号を送信信号の基本角周波数ω。で割った値を
時間微分して、ｄΔτ（ｔ）　／ｄｔの信号を求め、こ
の値を（２１）式に代入することにＪζす、音速比Ｃ（
Ｘ）　／Ｃｂ　（Ｘ）を求めることができる。

前記、音速比演算器／ＩＯの出力は、温度演ｎ器４２に
供給され生体内の温度が求められる。

生体内の音速ＣＩは、Ｉｎ　Ｖｉｔｒｏ、　　Ｉｎ　Ｖ
ｉｖ。

にかか４つらず、３５℃〜４５℃程度の温度範囲では、
温度Ｔ　、の＝・次関数にほぼ近似できる。、音速Ｃ１
をｎｕｎ　ＬＣｔ−脳の関数どして、次のように表わす
。

（、＝ａ　−Ｔ、十ｂ　　　　　　　　　　　・（２２
）１ま ただし、ａ、ｂは生体内の組織によって決にる定数であ
る。

−１９＝ いま、被検体１７内の深さ×の距葭（の加）品前の生体
組織の温度をｉ−１，（ｘ）（＝３７℃）どじ、加温後
の温度Ｔ、　（Ｘ）どして、同一部位の加湿前の？Ｒ速
Ｃ，，（Ｘ）と加温後の音速Ｃａ（×）との比を求める
ど、 Ｃｂ（×）　　　ａ−ＴＩ、（×）＋１）どなる。

従って、被検体１７内の深ざ×の距１ｌ１１１にある生
体組織の加温１すの温度Ｔ、（Ｘ）は次の式によって与
えられる。

ただし、加温前の温度Ｔｂ（×）は被検体内においてほ
ぼ一定な値で、通常３７°Ｃで近似できる。Ｊ−だ、（
ｂ　／ａ　）の値は測定対象の生体組織によって決まる
。それゆえ、測定対象となる各絹様にっいて、前もって
実測する。例えば、（ｂ　／ａ）の値どして、水の場合
は約８６５　ｒ　℃］、肝臓の場合は、１ｍ　Ｖｉｔｒ
ｏ、　　ｒｍ　Ｖｉｖｏで多少違うが、１２２０〜１２
３０［℃］の値に設定される。

このようにして、音速比演算器４０の出力信号に基づい
て温度演算器４２で（２３）式の演算が行われる。この
とき、測定対象領域内の最大温度値と設定温度、例えば
４５℃と比較され、設定温度を超えた場合には、この状
態を知らせる信号１１０−（温度演算器１２）が出ノ〕
される。

そして、この出力信号１１０は、分周同期回路１２に切
換器４８を介して接続された加温用送波制御器４４に供
給され、加温用送波制御器４４内のパワーアンプを制御
して照射パワーを下げることが行われる。更に、照射パ
ワーを下げずに、加温領域を移動ざＶることも行われ、
加温領域内の温度分布が設定温度で広く加温されるＪ：
うにすることも行われる。

なお、このような加温制御は、分周同期回路１２から出
力される制御信号１０８に基づいて行われ、加温用照用
器４６の照射時刻及び照１：Ｊ　ＩＰｔ間を制御する。

本発明において、超音波診断装置ど絹み合わせて使用す
る場合には、診断装置の表示画像」二に写し出された生
体内の断層像に重ねてその温度分布をカラー表示するよ
うにしており、温度演算器４２の出力は切換器５０を介
してＤＳＣ２／ｌに供給され記憶される。

そして、ＤＳＣ２４から出力される湿度信号はカラーコ
ンバータ５２に供給される。このカラーコンバータ５２
では、温度情報を含む信号の大きさに対応させた色調に
Ｊ−るため、例えば赤（Ｒ）。

緑（Ｇ）、青（Ｂ）の信号に変換し、Ｄ／Ａ変換器５４
を介してカラーＴＶモニタ５６に供給される。従ってカ
ラーＴＶ′［−ニタ５６に写し出された超音波断層像の
各部位に濡ｉ情報が重ねでカラー表示され、生体内の温
度分布を一目で確認することかできる。

次に、本発明の第２実施例を第２図に基づいて説明する
。なお、第１実施例と同一部材には同一宥Ｈをイ・１し
て説明を省略刀る。

第２実施例において特徴的４ｔことは、加温前後の受信
信号が複素信号に変換された後に、その複素信号の偏角
（第１実施例）を求めずに、複素信号の実数部及び虚数
部をそのままメモリに記憶してｄ３き、その後に直接加
温前後の複素信号の位相差を求めるようにしている。す
なわち、第２図に示されるＪ：うに、複素信号変換器２
６のΔ／Ｄ変換器３２ａ、３２１１から出ノ〕される複
素信号の実数部及び虚数部の信号がマトリックスメモリ
５８ａ　、５８ｂに供給される。そして、マトリックス
メモリ５Ｂに記憶されている複素信号の加湿前後の実数
部及び心数部に基づいて、位相差演算器６０にＪ：って
加温前後の同一部位の複素受信信号の位相差０，１μ［
）が次式に従って求められる。

一〇）ｏΔτ（１）　　　　　　　　　　　　　　・・
・（２５）前記位相差演算器６０の出力は音速比演算器
４０を介して温度演算器４２に供給されている。第１実
施例で説明したように、位相差０８ｂ（１）（５１到達
時間差△τ（１）を示しており、超音波の音速の遅れ分
（到達時間差Δτ（ｔ））すなわち複素信号の位相差か
ら所定の油筒処理をすることにより被検体内の温度変化
が求められる。

前述したＪζうに、第１実施例の偏角演算器３７１を省
略したので、第２実施例においてｔよ、複素信号の位相
差演算の処理が簡略化されるという利点を有する。

［発明の効果１ 以上説明したＪ：うに、本発明によれば、加温前後の超
音波受信信号を複素信号に変換してぞの複素信号の位相
差から音速比を求め温度を演算するようにしたので、生
体内の湿度を正確かつ迅速に、また無侵襲で目測するこ
とが可能どなり、ハイパ１ノーミア等におりる生体内温
度４測に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る生体内温度泪測装置を超音波診断
装量に適用した好適な第１実施例を示づ説明図、 第２図は本発明の第２実施例を示す説明図、第３図は被
検体内の音速分布を示す説明図、第４図は被検体からの
反射エコーの到達時間を示す説明図である。 １０　・・・　水晶発振器 １２　・・・　分周同期回路 １４　・・・　送受波制御器 １６　・・・　ｊ〜ランスデューザ ２６　・・・　複素信号変換器 ２８　・・・　ミキサ ３０　・・・　低域フィルタ ３２　・・・　Ａ／Ｄ変換器 ３４　・・・　偏角演算器 ３６．５８　　・・・　マトリックスメモリ３８．６０
　　・・・　位相差演算器 ４０　・・・　音速比演算器 ４２　・・・　温度演算器。 出願人　　　　アロカ株式会ネ１ ［７−３３］

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検体内に超音波を送波し内部組織からの反射エ
   コーを受波する超音波トランスデューサと、超音波送信
   波の搬送周波数を有し互いに複素関係にある一組の複素
   基準信号と受信信号とを混合して受信信号を複素信号に
   変換する複素信号変換器と、前記複素信号の偏角を演算
   する偏角演算器と、前記偏角演算器から出力された加温
   前と加温後の偏角を記憶するメモリと、加温前と加温後
   の複素信号の位相差を演算する位相差演算器と、前記位
   相差から加温前後の被検体内部の音速比を演算する音速
   比演算器と、前記音速比から温度を演算する温度演算器
   とを含み、加温前後の超音波受信信号を複素信号に変換
   して求めた音速比により加温後の生体内温度を測定する
   ことを特徴とする生体内温度計測装置。
2. （２）特許請求の範囲（１）記載の装置において、前記
   複素信号変換器から出力された複素信号の加温前後の実
   数部及び虚数部をメモリに記憶して、これら実数部及び
   虚数部から直接加温前後の複素信号の位相差を演算する
   ことを特徴とする生体内温度計測装置。