JPS6332138B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は、測定媒体に対し超音波を送受信して
媒体の減衰情報を測定する反射超音波による媒体
特性測定方法に関し、特に複数の異なる周波数成
分を持つ超音波を送信して測定する際に、送信周
波数の相違による送信音場の変化のため生じる受
信波えの悪影響を除去しうる反射超音波による媒
体特性測定方法に関する。

(2) 技術の背景 超音波の送受信によつて媒体の特性を測定する
ことは、人体の検査や金属探傷分野で広く利用さ
れている。人体の検査に利用される係る装置とし
て超音波診断装置が普及しているが、このような
超音波診断装置は組織の音響的異質点からの反射
波を受信し、超音波送信時点からの時間関係によ
つて音響的異質点の位置を表示するにすぎないも
のであつた。一方、近年この反射波を分析して組
織の質を測定する試みが行われており、係る装置
が実用化されれば、診断効果が一層充実し、その
実用化が望まれている。

(3) 従来技術と問題点 例えば、日本国特許公開昭49―25785号公報が
日本国特許公開昭49―38490号公報には、２種類
の周波数の超音波を送信し、媒体からのその各々
の周波数の受信波を受け、各々の周波数の受信波
の大きさの比から媒体の内部の減衰情報を測定す
る装置が開示されている。係る開示技術によれ
ば、媒体の超音波反射点である音響的異質点の角
度や要の滑らかさによる反射率の影響を除去し、
音響的異質点からの反射液から媒体の内部組織の
超音波の吸収（減衰）のみを示す情報を抽出する
ことができ、媒体組織の質的な診断が可能とな
る。即ち、媒体の内部組織の超音波の吸収（減
衰）情報によつて、その組織の硬度等が判別出
来、その組織の質を診断することが可能となる。

一方、係る開示技術によれば、反射波の強度が
弱い場合に測定の誤差が生じ易いので、本発明者
は、送信波の強度スペクトルの形状と受信波の強
度スペクトルの形状との比較から媒体の減衰情報
を測定する技術を発明し、特許出願昭56―65536
（特開昭57―179745号）として出願している。

しかしながら、係る開示技術や出願された技術
は、発信された超音波ビームが一次元的構造を持
ち、一次元的に伝播するとの仮定のもとにその解
決策を示しているもので、実際の三次元的構造を
持ち、三次元的に伝播する超音波ビームに対して
は、その他の工夫が必要となる。

即ち、三次元構造を持ち、三次元的に伝播する
超音波ビームは、発信周波数によつてそのビーム
形状が相違し、各周波数によつてビーム周辺の有
効測定空間が変化する。従つて、複数の周波数成
分の送信波を用いる際には、この有効測定空間の
変化によつて受信波が発信周波数ごとに異なる影
響を受け、受信波には、有効測定空間の周波数の
相違による成分と、媒体特性の周波数の相違によ
る差の成分が含まれ、これらは分離できない。従
つて、発信周波数が相違しても発信超音波のビー
ム形状が周波数依存性を持たないような工夫が必
要となる。

このため、本発明者等は、発信周波数に応じて
超音波トランスデユーサの開口径を変化せしめて
各発信周波数の超音波のビーム形状が三次元的に
同一とする方法や各発信周波数の超音波のビーム
形状の重複する領域を受信範囲とする様に選択的
に反射波を受信する方法を発明し、各々特許出願
昭56―48275号（特開昭57―161672号）「超音波利
用測定方式」及び特許出願昭56―76986号（特開
昭57―191546号）「超音波測定装置」として出願
している。これらによれば、送信音場制御により
実音場が周波数依存性を有せず、又受信音場制御
により実音場が周波数依存性を有しないので、実
質的に発信超音波のビーム形状が周波数依存性を
持たない様にすることが可能となる。

もしこのような音場制御により、実音場の周波
数依存形が完全になくせるとすれば、複数の周波
数成分を含んだ超音波ビームを用いた場合には、
周波数依存性をもたないか又は周波数依存性を持
つても相互作用の弱い基準媒体（例えば水）で
は、音場内の深さの異なる各点に置いた同一反射
特性の反射体からの反射受信波の周波数成分情報
（例えばスペクトル分布形状）は、深さによらず
総て相似になるはずである。

しかしながら、送信音場制御に若干の誤差があ
つたり、考慮すべき周波数成分が多い場合には、
完全に周波数依存性を有しない実音場を得ること
が困難となる。しかも、近距離と遠距離との音場
を１回の送信制御でカバーすることが困難とな
り、例え２回に分けて近距離と遠距離との音場を
カバーしても、近距離と遠距離との音場の遷移領
域では、同様に完全に周波数依存性を有しない実
音場を得ることが困難となる。

従つて、複数周波数成分を含んだ超音波ビーム
では、例え基準媒体中で同一反射体を用いた場合
でも、音場内の深さの異なる各点からの反射受信
波の周波数成分情報（例えばスペクトル分布形
状）は実際には相似ではなくなる。

又、送信音場に周波数依存性を許し、受信音場
制御により実音場の周波数依存性を除去する方法
では、特に音場内の各点からの反射受信波の周波
数成分情報（例えばスペクトル分布形状）の相似
性が損なわれる。即ち、同一開口径のトランスデ
ユーサで形成される音場は、遠距離では超音波の
周波数に逆比例した拡散角をもち、このため低周
波成分は、高周波成分よりもその深さとともによ
り広い立体角に拡散され相対比は低下する。超音
波の反射は、各深度から周波数依存性なく行われ
ても、各深度からの受信反射波のスペクトル分布
形状は例え基準媒体中いえども相似性を保つこと
ができなくなる。

以上のように、送信音場制御及び受信音場制御
によつても、例え、音速が測定媒体とほぼ同じ
で、周波数特性を持たないか又は周波数特性を持
つても相互作用の弱い基準媒体（例えば水）とい
えども、反射波が反射点深度によつてスペクトル
分布形状の変化を生じることは、測定媒体の測定
にも、係る反射点深度によつてスペクトル分布形
状の変化の影響が生じ、測定時に測定媒体自体の
周波数成分変化と分離できなくなり、測定誤差が
大きくなる欠点がある。

(4) 発明の目的 本発明の目的は、係る複数の周波数の超音波を
送信した際に生じる音場形状の相違による受信波
への悪影響を除去し、媒体の正確な減衰情報を測
定しうる反射超音波による媒体特性測定方法を提
供するにある。

(5) 発明の構成 この目的の達成のため、本発明反射超音波によ
る媒体特性測定方法は、予め上記超音波送受信手
段を用いて、音速が前記測定媒体とほぼ同じで、
周波数特性を持たないか又は周波数特性を持つて
も相互作用の弱い基準媒体に、前記複数の異なる
周波数成分を持つ超音波を送信し、前記基準媒体
の各深度からの反射波を受信し、該受信波から各
深度毎の補正情報を作成し、それをメモリに記憶
しておく工程と、 次いで前記測定媒体に対して上記超音波送受信
手段より前記複数の異なる周波数成分を持つ超音
波を送信し、測定媒体からの反射波を受信し、該
受信波の周波数特性を各深度毎に前記記憶してお
いた補正信号により補正する工程とを含むことを
特徴とする。

(6) 発明の実施例 以下本発明を実施例により説明する。

第１図は、本発明の一実施例説明図である。図
中、１は受信兼用のトランスデユーサであり、例
えばPZT等の圧電素子で構成される。２は人体
の如き測定媒体である。測定媒体２の表面にトラ
ンスデユーサ１を接し、その深さ方向Ｚ軸方向に
トランスデユーサ１から超音波を送信し、Ｚ軸上
の各点からの反射波を受信して、測定媒体の減衰
傾斜等の周波数依存性のある媒体特性値のＺ軸上
の分布を測定するものである。送信超音波として
は、バースト状パルス波、時間的に変化する
Chirp変調又は擬似ランダムコード変調による連
続波等を用いることにより、各深度Ｚからの反射
信号を時間情報により識別することができる。こ
の場合、いずれもある中心周波数F0とその両側
に拡がる周波数帯域が必要である。

トランスデユーサ１から中心周波数F1の超音
波を送信した場合には、第１図ａの如くのビーム
形状となり、トランスデユーサ１から中心周波数
F2（F2＞F1）の超音波を送信した場合には、第
１図ｂの如くのビーム形状となり、低周波数の超
音波ビームａの方が高周波数の超音波ビームｂよ
り拡がる。

本発明者等の発明による前述の特許出願昭56―
76986号（特開昭57―191546号）「超音波測定装
置」によれば、低周波数の超音波ビームａと高周
波数の超音波ビームｂの重複する立体角内に周波
数依存性を有しない受信音場の領域ｃを設けるこ
とができる。即ち、受信用トランスデユーサを多
数の分割素子で構成しておき、各素子からの受信
信号に所定の遅延時間を与えることによつて、特
定の方向に特定の指向性を持つ受信音場を形成で
きる事は知られているが、この手法を利用して周
波数成分毎に異なる遅延時間の与え方をすれば、
異なる周波数が同一の受信音場ｃを持つようにす
ることができる。

しかしながら、その受信音場ｃ内のＺ軸上の各
座標での超音波の周波数特性は、送信音場の周波
数依存性が既に影響している。つまり第１図から
明らかな如く、ビームａとビームｂとの広がり形
状が相似ではないために、各深さでの受信音場ｃ
内部での周波数F1とF2の強度比は一定ではなく
なる。従つて、例え前述のようにして受信音場の
周波数依存性が無くせたとしても、送受信の総合
特性としては周波数依存性を生じてしまう。

本発明では、音速が測定媒体とほぼ同じで、周
波数特性を持たないか又は周波数特性を持つても
相互作用の弱い媒体を基準媒体として用い、測定
系の周波数特性を測定しておく。基準媒体として
は、測定媒体が生体の場合には、水又は食塩水を
用いることができる。生体は減衰係数が送信超音
波の周波数の略一乗に比例するのに対し、水は減
衰係数が送信超音波の周波数の略二乗に比例する
ことが知られているが、水の減衰係数は生体の減
衰係数に比較して無視しうる程小さい。そして、
この基準媒体中に模擬反射体をもうける。模擬反
射体としては、実際の測定媒体である生体組織
（微細な反射体が不定間隔で密集している）に近
づけるために、鏡面のような完全反射体よりも、
球体や略平面でその表面が凹凸を有するもの等を
用いると便利であり、例えばアルミ等の金属やプ
ラスチツクが良い。この模擬反射体を基準媒体中
に固定し、この基準媒体にトランスデユーサ１を
接し、トランスデユーサ１から中心周波数F1の
超音波を送信する。そして、その反射波を受信し
てその周波数特性を分析する。例えば、反射波の
周波数特性として低周波数域の信号強度が低いと
分析されると、これを補正して低周波数域の信号
を強めさせる様な補正信号を作成する。同様に模
擬反射体を基準媒体中でＺ軸上を移動せしめ、Ｚ
軸上の他の点で固定し、同様の超音波の送信、受
信、反射波の分析、補正信号の作成を行う。そし
て、Ｚ軸上の各点に対し、これらを行い、Ｚ軸上
の各点に対する補正信号を作成する。同様に中心
周波数F2の超音波に対しても行いＺ軸上の各点
に対する補正信号を作成する。これらをメモリに
記憶させておく。

そして、測定媒体の測定時にえられる反射波の
フイルタ回路における各周波数のゲインをこの補
正信号で補正して、フイルタ回路の出力とする。

この様に、基準媒体によつて各発信周波数にお
ける測定系自体の周波数特性を求めておき、測定
時には、測定された各反射波からこの周波数特性
を除く様にこの反射波を補正することにより、測
定媒体自体の周波数特性のみを含む反射波を得る
ことができる。

第２図は、本発明の一実施例ブロツク図であ
る。図中、１はトランスデユーサであり、超音波
ビームを送信し前述の如く反射波を受信し、中心
周波数F1，F2の超音波の送受完了毎に送信方向
を変え測定媒体を走査するもの、３は送信ユニツ
トであり、中心周波数F1，F2でトランスデユー
サ１を発振させるもの、４は受信ユニツトであ
り、トランスデユーサ１の受信出力をフイルタ回
路で弁別し、各反射波のエネルギー量と反射波の
超音波送信時からの到達時間を出力するもの、５
はメモリユニツトであり、受信ユニツト４の出力
を順次格納するもの、６は演算ユニツトであり、
各周波数の反射波のエネルギー量と反射波の超音
波送信時からの到達時間によつて減衰傾斜を求め
るもの、７は表示制御ユニツトであり、受信ユニ
ツト４の受信タイミングに同期して前述の演算ユ
ニツト６からのデータに基づき断層面の表面情報
を作成するもの、８は表示ユニツトであり、
CRTデイスプレイ装置等の映像を表示するため
のもの、９は制御ユニツトであり、超音波の送
信／受信の切り換え、メモリユニツト５の書込
み、読出しタイミング制御等を行うもの、１０は
前述の補正情報を記憶するための補正メモリであ
り、１１は受信信号の周波数分析を行い、補正情
報を作成する補正情報作成回路である。

この動作を以下に説明する。

まず、補正情報の作成について説明する。測定
媒体２として前述の基準媒体を置き、制御ユニツ
ト９は送信ユニツト３に対し周波数F1の信号で
トランスデユーサ１を発振せしめる。制御ユニツ
ト９は受信ユニツト４に対し発信タイミング信号
を発し、受信ユニツト４に受信準備及び内蔵する
時計回路による計時動作を開始せしめる。基準媒
体中の模擬反射体からの反射波はトランスデユー
サ１で受信され受信ユニツト４に入力される。受
信ユニツト４は一定値以上の信号が入力される
と、これを反射波としてみなし、内蔵する増幅回
路で増幅後、又内蔵するフイルタ回路で中心周波
数F1の信号をろ波する。ろ波後の信号は、補正
情報作成回路１１に入力され、周波数分析され
る。即ち、所定の帯域幅をもつ中心周波数F1の
信号の各周波数成分の減衰量を求め、この減衰量
を補正する信号を作成し、この補正情報を補正メ
モリに記憶せしめる。

前述の如くＺ軸上の各点に模擬反射体を設け、
各点に対応した反射波を得て、作成された補正情
報をトランスデユーサ１から反射点までの距離に
対応したアドレスで補正メモリ１０に記憶せしめ
る。

同様に周波数F2の超音波に対しても、前述の
補正情報の作成を行い、作成された補正情報を補
正メモリ１０に記憶せしめる。

この補正情報は、測定媒体の音速が基準媒体の
音速とほぼ同じである限り、変更する必要がな
い。

一方、測定の際にはは、制御ユニツト９は送信
ユニツト３に対し周波数F1の信号でトランスデ
ユーサ１を発振せしめる。制御ユニツト９は受信
ユニツト４に対し発信タイミング信号を発し、受
信ユニツト４に受信準備及び内蔵する時計回路に
よる計時動作を開始せしめる。測定媒体中の音響
的異質点からの反射波はトランスデユーサで受信
され受信ユニツト４に入力される。受信ユニツト
４は一定値以上の信号が入力されると、これをを
反射波としてみなし、内蔵する増幅回路で増幅
後、又内蔵するフイルタ回路で中心周波数F1の
信号をろ波する。この場合、フイルタ回路は外部
からの入力によつて、各ろ波周波数のゲインを可
変とする様構成されている。一方、制御ユニツト
９は時計回路の出力によつて得られる距離信号に
応じて、前述の補正メモリ１０の周波数F1の補
正情報を読出し、フイルタ回路のゲインを制御す
る。これにより、フイルタ回路の出力は、測定系
自体の周波数特性の除かれた測定媒体自体の周波
数特性を示す信号となる。フイルタ回路の出力
は、積分回路でエネルギー量に変換され、更にこ
のエネルギー量がデジタル量に変換されて受信ユ
ニツト４の出力となる。

受信ユニツト４からは、この反射エネルギー値
とこの反射波を受信した時の時計回路の時間出力
とが出力され、メモリユニツト５に記憶される。

このようにして、測定媒体の各音響的異質点か
らの反射波に対応する反射エネルギー値と時間出
力とが順次時系列的に格納される。

同様に、制御ユニツト９は送信ユニツト３に対
し周波数F2の信号でトランスデユーサ１を発振
せしめて、その測定媒体からの反射波を受信ユニ
ツト４で受信し、内蔵する増幅回路で増幅後、又
内蔵するフイルタ回路で中心周波数F2の信号を
ろ波する。制御ユニツト９は時計回路の出力によ
つて得られる距離信号に応じて、前述の補正メモ
リ１０の周波数F2の補正情報を読出し、フイル
タ回路のゲインを制御する。フイルタ回路の出力
は、積分回路でエネルギー量に変換され、更にこ
のエネルギー量がデジタル量に変換されて受信ユ
ニツト４の出力となる。

受信ユニツト４からは、この反射エネルギー値
とこの反射波を受信した時の時計回路の時間出力
とが出力され、メモリユニツト５に記憶される。

このようにして、周波数F2に対しても、測定
媒体の各音響的異質点からの反射波に対応する反
射エネルギー値と時間出力とが順次時系列的に格
納される。

演算ユニツト６は、メモリユニツト５の記憶情
報から減衰傾斜を演算する。このための構成は、
本発明者等による特許出願昭55年47680号「検体
の識別方式」明細書に詳細に示されており、詳細
な説明は省略するが、以下の様な演算をおこな
う。

まず、測定媒体内の伝播速度をＶ、送信周波数
F1に対するｉ番目の反射波の反射エネルギー値
をRi、送信周波数F2に対するｉ番目の反射波の
反射エネルギー値をRi′とし、ｉ番目の反射波の
時間出力をTiとし、ｉ番目の反射波の生じる音
響的異質点と（ｉ−１）番目の反射波の生じる音
響的異質点との間の組織の減衰係数をμiとする
と、次式が成立する。

μi−μ（ｉ−１）＝−Ｒ／（Ｖ・Ｔ） 但し、 Ｒ＝log（Ri／Ri′） −log〔Ｒ（ｉ−１）／Ｒ（ｉ−１）′〕 Ｔ＝Ti−Ｔ（ｉ−１） 従つて、ｉ番目の反射波の時間出力の送信周波
数F1と送信周波数F2に対するｉ番目の反射波の
反射エネルギー値をメモリユニツト５より読出
し、更に、ｉ−１番目の反射波の時間出力の送信
周波数F1と送信周波数F2に対すするｉ−１番目
の反射波の反射エネルギー値をメモリユニツト５
より読出し、演算ユニツト６でＲを求め、次にｉ
番目の反射波の時間出力とｉ−１番目の反射波の
時間出力をメモリユニツト５より読出し、演算ユ
ニツト６でＴを求め、既知のＶを用いて、演算ユ
ニツト６はμi−μ（ｉ−１）を演算することがで
きる。

更に、減衰傾斜αは次式の演算により求めるこ
とができる。

α＝4.343・μ／（F1−F2） 但し、μ＝μi−μ（ｉ−１） このようにして、得られた減衰係数又は減衰傾
斜は表示制御ユニツト７に送られ、表示制御ユニ
ツト７は受信ユニツト４の受信タイミングに同期
して前述の演算ユニツト６からのデータに基づき
断層面の表示情報を作成し、断層面の映像を表示
する表示ユニツト８で減衰情報の分布を表示せし
める。

前述の実施例の他に、補正情報作成回路１１を
特別に設けず、予め別途作成された補正情報を補
正メモリに記憶せしめても良い。

(7) 発明の効果 以上の様に本発明によれば、基準媒体の各深度
の反射波よりえた各深度毎の補正状報を記憶する
メモリを設け、前記受信された受信波をその深度
に対応する前記メモリの補正情報によつて補正す
ることにより、測定系自体の周波数特性の除かれ
た測定媒体自体の周波数特性を示す反射波信号を
得ることが可能となり、測定媒体の質的測定の精
度が向上し、正確な測定が可能となる。

尚、本発明を一実施例により説明したが、受信
音場制御の場合のみならず、送信音場制御の場合
も適用でき、又音場制御を行わない場合にも適用
できる等、本発明の趣旨の範囲内において、種種
の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から
排除するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例説明図、第２図
は、本発明の一実施例ブロツク図である。図中、
１は送受兼用のトランスデユーサ、２は人体の如
き測定媒体、ａは低周波数の超音波ビーム、ｂは
高周波数の超音波ビーム、３は送信ユニツト、４
は受信ユニツト、５はメモリユニツト、６は演算
ユニツト、７は表示制御ユニツト、８は表示ユニ
ツト、９は制御ユニツト、１０は補正メモリ、１
１は補正情報作成回路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波を測定媒体に送信し前記媒体からの反
   射波を受信する超音波送受信手段を用い、複数の
   異なる周波数成分を持つ超音波を測定媒体に送信
   し、該媒体からの反射波を受信し、該受信波を分
   析して前記媒体内部の特性を測定する反射超音波
   による媒体特性測定方法において、 予め上記超音波送受信手段を用いて、音速が前
   記測定媒体とほぼ同じで、周波数特性を持たない
   か又は周波数特性を持つても相互作用の弱い基準
   媒体に、前記複数の異なる周波数成分を持つ超音
   波を送信し、前記基準媒体の各深度からの反射波
   を受信し、該受信波から各深度毎の補正情報を作
   成し、それをメモリに記憶しておく工程と、 次いで前記測定媒体に対して上記超音波送受信
   手段より前記複数の異なる周波数成分を持つ超音
   波を送信し、測定媒体からの反射波を受信し、該
   受信波の周波数特性を各深度毎に前記記憶してお
   いた補正信号により補正する工程とを含むことを
   特徴とする反射超音波による媒体特性測定方法。