JPS6355334B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は生体内温度計測装置、特に被検体内に
超音波パルス波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つて生体内
温度を無侵襲で計測することのできる改良された
装置に関する。

［従来技術］ 生体内に超音波、マイクロ波あるいはRF波な
どによつて波動エネルギを与え、生体内に温度上
昇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（加温治療）に実用化されており、悪
性腫瘍の効果的な治療方法として近年特に注目さ
れている。

しかしながら、このような加温治療は生体組織
に対して大きな影響を与え、正常組織を壊死させ
てしまう場合もあり、このような加温治療に際し
ては生体組織の温度を正確に測定することが極め
て重要であつた。

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
とがほとんど不可能であつた。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、このような従来の侵襲的手法
では被検者に大きな苦痛を与え、また悪性腫瘍の
治療時には熱電対の挿入及び取出し時に癌細胞が
他の正常組織に転移する危険がある等大きな問題
を有していた。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、無侵襲で正確な温度計測の可
能な改良された装置を提供することにある。

［発明の構成］ 上記目的を達成するために、本発明は、被検体
内に超音波パルス波を送受波し、この時得られる
所望の被検部位からの反射エコーを加温前後にお
いて記憶し、この加温前後における反射エコーか
ら受信波形の時間差すなわち温度上昇によつて被
検体内での超音波の音速が異なることを利用し、
この音速差から生体内温度を計測することを特徴
とする。

すなわち、周知のように、成人の体温は体表面
を除き極めて一定しており、通常37℃前後に保た
れている。従つて、生体内の各組織における超音
波の音速も一定値であることが理解される。従つ
て、生体を加温した場合には、この加温分だけ生
体内の音速が変化し、生体内へ送波したパルス波
の反射エコーを分析して、その音速比を各組織毎
に加温の前後で求めれば、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可能となる。

従来においても、前記温度上昇時の音速変化を
測定することが提案されていたが、このような従
来装置では音速そのものを測定しようとしてお
り、このような絶対音速の測定は極めて困難であ
ることから従来においてその実用化ができなかつ
た。

以下に本発明の原理を簡単に説明する。

第１図は生体内組織を層状組織と考えたときの
超音波パルスの進行状況及び反射状況を示し、図
において、生体組織は距離（厚さ）l₁，l₂，l₃の
３層からなり、各組織の境界面からエコーが反射
している。

前述した３層組織に対して超音波パルスを送波
したときの反射エコー信号が第２図に示されてお
り、第２図Ａは加温前における反射エコー信号を
示し、また第２図Ｂは加温後における反射エコー
信号を示す。横軸は時間であり、、縦軸は反射エ
コー信号強度を示す。まず、加温前の反射エコー
信号は組織境界面からそれぞれP₁，P₂，P₃，P₄
となり、これら各パルス波の間隔をτ₁，τ₂，τ₃で
示す。

加温前における各組織の音速をCbnで示すと、
次式が得られる。

τ₁＝2l₁／Cb₁，τ₂＝2l₂／Cb₂， τ₃＝2l₃／Cb₃ ……(1) 同様に、加温後の反射エコー信号P₁′，P₂′，
P₃′，P₄′は各組織の音速の変化によつて反射エコ
ー信号の発生の時期が異なり、各パルス波間の間
隔τ₁′，τ₂′，τ₃′がそれぞれ変化する。加温後の
音
速がCanとすれば、(1)式と同様に τ₁′＝2l₁／Ca₁，τ₂′＝2l₂／Ca₂， τ₃′＝2l₃／Ca₃ ……(2) が得られる。

それぞれの間隔τの加温前後における差をΔτ
で示すと、各層組織における加温前後の音速比は
次式となり、 Ca₁／Cb₁＝τ₁′／τ₁′ ＝τ₁／（τ₁−Δτ₂） ＝１／（１−Δτ₂／τ₁） Ca₂／Cb₂＝τ₂／τ₂′ ＝τ₂／｛τ₂−（Δτ₃−Δτ₂）｝ ＝１／｛１−（Δτ₃−Δτ₂）／τ₂｝ Ca₃／Cb₃＝τ₃／τ₃′ ＝τ₃／｛τ₃−（Δτ₄−Δτ₃）｝ ＝１／｛１−（Δτ₄−Δτ₃）／τ₃｝ これらを一般化すると、(3)式が得られる。

Can／Cbn＝τn／τn′ ＝１／｛１−（Δτn＋１−Δτn）／τn｝ ……(3) この(3)式から明らかなように、被検体各部の反
射エコーの時間差が加温前後の音速比を示すこと
が理解される。

一方、前述したように、生体組織の音速は生体
内部あるいは試験管等に取り出した状態のいずれ
においても、35℃〜45℃程度の温度範囲では温度
の１次関数にほぼ近似できることが知られてい
る。従つて、今音速をCi、温度をTiの関数とし
て次式のごときリニア特性として示すことができ
る。

Ci＝θ・Ti＋α ……(4) ただし、ここで、θ及びαは生体内の組織によ
つて定まる定数である。

いま、加温前の生体組織の温度をTb（ほぼ37
℃）とし、加温後の温度をTaとして加温後の音
速Caと加温前の音速Cbとの比γを求めると、 γ＝Ca／Cb ＝（θ・Ta＋α）／（θ・Tb＋α） ＝｛Ta＋（α／θ）｝／｛Tb＋（α／θ）｝ となる。従つて、この比γを用いれば、生体組織
の加温後の温度は次式にて与えられる。

Ta＝γTb＋（γ−１）α／θ ……(5) この(5)式において、音速比γは前述したように
時間差から求められ、またα／θの値は生体組織
によつて定まり、従つて、各組織について固有の
値を測定しておけばよいことが理解される。例え
ば、α／θの値として、水は約865、腎臓は1220
〜1230の値となり、前述したように、加温前の温
度Tbは通常37℃で近似することができる。

従つて、前記(5)式により、加温前後の音速比γ
を用いて極めて容易にかつ無侵襲で正確な生体内
温度計測を可能とすることができる。

［実施例の説明］ 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３図には、本発明に係る生体内温度計測装置
の１例が示されており、実施例においては、所望
の被検部位をモニタテレビにて画像表示しながら
所望部分の温度計測を可能としている。

周知のように、超音波パルスは電子走査用トラ
ンスデユーサ１０から被検体に向けて送波され、
実施例においては超音波パルスがリニア走査され
ている。この送波制御は送波制御器１２により行
われ、また被検体からの反射エコーはトランスデ
ユーサ１０にて電気信号に変換された後、受波制
御器１４にて受信側の走査制御その他が行われ、
両制御器１２，１４は中央制御器１６からの制御
指令を受ける。

通常のＢモード超音波診断装置と同様に、受波
制御器１４の反射エコー信号は対数増幅器１８に
よつてコントラストの圧縮その他の非線形増幅処
理が施され、更にＡ／Ｄ変換器２０にてデジタル
信号に変換された後、画像メモリ２２に記憶され
る。そして、この画像メモリ２２に記憶されたデ
ジタル画像信号は後述する本発明の特徴事項であ
る温度計測信号と加算器２４にて加算された後、
Ｄ／Ａ変換器２６にてアナログ信号に変換され画
像用モニタテレビ２８に送られ、所定の画像表示
が得られる。

第４図には、このようなモニタテレビ２８の画
像の１例が示されている。

一方、前記対数増幅器１８の出力は本発明に係
る温度計測のために波形記憶器３０にも分岐供給
され、所定の反射エコー信号が記憶される。この
波形記憶器３０はそれ自体Ａ／Ｄ変換器を含み、
反射エコー信号をデジタル値として取り込み、こ
れを第１のメモリに記憶保持する。更に、波形記
憶器３０は第２のメモリを有しており、この第２
のメモリには前述したと同様の反射エコー信号を
別個に記憶することができ、これによつて、波形
記憶器３０は異なるタイミング、すなわち加温前
後における異なる反射エコー信号を別個に記憶保
持することが可能となる。

前記波形記憶器３０の有する加温前後における
両記憶信号は時間差検出器３２に供給され、中央
制御器１６の制御作用に基づいて、加温前後にお
ける時間差すなわちΔτを求める。更に、この時
間差は温度演算器３４にて前述した(3)，(5)式に相
当する演算に供され、所定の温度変化を求めるこ
とができる。

実施例において、前記波形記憶器３０での両記
憶情報は、サンプリング処理によつて深さ方向に
沿つて分割されているので、前記温度演算器３４
はこの分割された区間ごとの温度変化を出力する
ことができ、これを一旦マトリクスメモリ３６に
記憶し、これを前述した加算器２４へ供給するこ
とができる。従つて、加算器２４からの出力は画
像メモリ２２からの画像情報とマトリクスメモリ
３６からの温度情報との両者を加算することがで
き、画像上に温度変化を例えば色表示等として表
示することができる。

本実施例においては、前述した超音波パルスに
よる画像及び温度表示と同期して生体へのハイパ
サーミア用の加温制御も行われており、前記送波
制御器１２及び前記受波制御器１４と同期して加
温用送波制御器３８が加温用照射器４０を作動さ
せ、加温用の超音波等を生体の所望部位に照射
し、悪性腫瘍その他を所定温度に加温保持するこ
とができる。

本発明に係る実施例は以上の構成からなり、以
下に第４，５，６図を参照しながらその作用を説
明する。

前述したように、第４図に示すＢモード画像を
表示しながら、中央制御器１６の指令によつて測
定対象とする組織領域をジヨイステツク等の位置
指定手段により第４図の破線で示されるごとき領
域を設定する。この設定された領域は、実施例に
おいて、深度（Ld−Lo）であり、反射エコーの
時間としてはTu〜Tlに相当する。

このようにして温度測定領域が指定された後、
加温前における前記領域内の反射エコー信号系列
を対数増幅器１８から波形記憶器３０内の第１メ
モリに取り込む。実施例において、この取込み信
号はリニア走査の全反射エコーに対して行うこと
なく、所定のサンプリング間隔毎に行うことが好
適であり、実施例におけるサンプリング間隔は指
定された領域（Tu〜Tl）をｎ＋１等分した間隔
に設定し、例えば深度方向のサンプリング距離と
してτ：５mm程度が好適である。そして、このよ
うなサンプリング間隔より短い深度方向距離例え
ばδ：１〜1.6mmだけ実際の情報取込みが行われ
る。従つて、加温前の指定領域内のサンプリング
信号は第６図Ａのごとき信号P₁，P₂，P₃…P_oと
なることが理解される。

次に、前記加温前の反射エコー信号の記憶が行
われた後、加温用照射器４０からは被検体に対し
て所定の加温作用が行われ、所定時間経過後に前
記と同様に加温後の反射エコー信号の取込みが行
われる。

第６図Ｂには加温後の反射エコー信号の取込み
状態が示されており、加温後においては、加温前
のサンプリングと異なり、対数増幅器１８の出力
を各走査線（n0，n5，n10）毎に一旦全部取り込
み、この取り込まれた信号と加温前の反射エコー
信号とを比較し、両者の相当する部分の信号を第
２メモリに記憶する。すなわち、生体の加温前後
においても、被検部位に動きがないとすれば、得
られる反射エコー信号自体は生体組織に対応して
同様の信号が得られるはずであり、これを逐次比
較すれば、加温前にサンプリングされた反射エコ
ー情報とほぼ同一形状の信号を捜し出すことがで
き、このような比較測定は相関法、フーリエ解析
法などを用いて行うことができ、このようにすれ
ば、加温前にサンプリングされた各タイミング毎
の同一形状の反射エコー信号が温度差によつて僅
かに距離方向（時間軸方向）にシフトした情報と
して取り込むことが可能となる。

そして、このようにして波形記憶器３０内に取
り込まれた加温前後における２種類の反射エコー
信号が時間差検出器３２によつて処理され、各タ
イミング毎の時間差Δτを得ることができ、これ
らに基づいて温度演算器３４は前述した(3)，(5)式
に相当する演算を行い、各サンプリングしたτ時
間タイミング毎の平均温度を求めることができ、
これをマトリクスメモリ３６に記憶することがで
きる。従つて、このような処理を選択された領域
内の全深度に対して行い、これを温度に対応した
色信号その他として加算器２４へ供給すれば、モ
ニタテレビ２８上にはＢモード画像と温度による
色付けされた画像との重ね合せ表示を得ることが
できる。

前述した実施例においては、波形記憶器３０内
に２個のメモリを設けた例を示したが、単一のメ
モリによつてあらかじめ加温前の反射エコー情報
を記憶し、これに対して対数増幅器１８から加温
後の反射エコー信号を順次波形記憶器３０へ供給
しながら同時に分析比較処理を行い、各タイミン
グ毎の時間差を順次出力することも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、超音波
パルスの伝搬媒質の温度変化によつて音速が異な
ることから、この音速比を測定して生体の温度を
正確にかつ無侵襲で計測することが可能となり、
ハイパサーミア等に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は層状組織に対する超音波の反射作用を
示す模式図、第２図は本発明の原理を示すための
加温前後における反射エコーの検出波形図、第３
図は本発明に係る生体内温度計測装置の好適な実
施例を示すブロツク回路図、第４図は第３図にお
けるテレビモニタの画像例を示す説明図、第５図
は本発明における温度計測用の超音波パルス走査
方式を示す説明図、第６図は第３図に示した実施
例の作用説明図である。 １０……電子走査用トランスデユーサ、１２…
…送波制御器、１４……受波制御器、１６……中
央制御器、２８……画像用モニタテレビ、３０…
…波形記憶器、３２……時間差検出器、３４……
温度演算器、４０……加温用照射器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被検体内に超音波パルス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ユ
   ーサと、前記トランスデユーサで受波された加温
   前の反射エコー信号から所定領域の信号を抽出し
   て記憶するとともに加温後の反射エコー信号を取
   り込む波形記憶器と、加温前後における対応する
   反射エコー波形を比較しその時間差を検出する時
   間差検出器と、前記時間差から加温後の被検体内
   温度を演算する温度演算器とを含み、加温前後に
   おける超音波パルス波の音速比によつて加温後の
   被検体内温度を計測することを特徴とする生体内
   温度計測装置。