JPH04135544A

JPH04135544A - 被検体内の音速分布検出装置

Info

Publication number: JPH04135544A
Application number: JP2259912A
Authority: JP
Inventors: Susumu Takahashi; 進高橋; Mamoru Kaneko; 守金子; Kuniaki Kami; 邦彰上; Shoichi Gotanda; 正一五反田; Shuichi Takayama; 修一高山; Ichiro Nakamura; 一郎中村; Kazunari Nakamura; 一成中村; Eiichi Fuse; 栄一布施; Yoshihiro Kosaka; 小坂　芳広; Hiromasa Suzuki; 鈴木　博雅
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1992-05-11

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、被検体内の音速分布を検出する音速分布検出
装置に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題］従来より
、超音波を利用して、体内の組織や臓器等の診断を行う
超音波断層装置や超音波内視鏡等の超音波診断装置が知
られている。この超音波診断装置では、生体内に超音波
を放射し、生体内の音響インピーダンスの異なる境界面
で反射したエコーを検出する。そして、このエコーの戻
り時間に対するエコーの強度を表示する。前記エコーの
戻り時間は境界面の深さに対応する。

ここで、第７図及び第８図を用いて、エコーの戻り時間
と、境界面の生体表面からの距離（深さ）との関係につ
いて説明する。

第７図（ａ）に示すように、生体のモデルとして、音速
がＣｏの媒質１００中に、音速がＣｏとは異なるＣ１で
ある層からなる境界面１０１，１０２が存在するとする
。また、境界面１．０１の生体表面１０４からの距離を
ｄｌ、境界面１０１と境界面１０２の距離をｄ２とする
。生体表面１０４から生体内に超音波パルス（発信パル
ス）を放射すると、この超音波パルスは、そのパワーの
一部が前記境界面１０１．１０２で反射されてエコーと
して戻ってくる。第７図（ｂ）に示すように、発信パル
スの発信時刻と境界面１０１でのエコーによる受信パル
スの戻り時刻との時間差をｔｌ、境界面１０１でのエコ
ーによる受信パルスの戻り時刻と境界面１０２でのエコ
ーによる受信パルスの戻り時刻との時間差をｔ２とする
と、距離ｄ１ｄ２と時間差ｔｌ、ｔ２は比例する。

ところが、第８図＜ａ）に示すように、生体内の音速の
分布が不均一で、生体表面１０４と境界面１０１との間
の媒質１００の音速がＣｏで、境界面１０１と境界面１
０２との間の媒質】−０５の音速Ｃ２が前記Ｃｏとは異
なる場合には、各境界面１０１．１０２でのエコーの戻
り時間が距にに比例しなくなる。そのため、エコーの戻
り時間によって求めた境界面の位置と、境界面の実際の
位置とに誤差が生じることになる。例えば、第８図（ａ
）に示すように距＊　ｄ　１とｄ２とが異なるにもかか
わらず、第８図（ｂ）に示すように、発信パルスの発信
時刻と境界面１０１でのエコーによる受信パルスの戻り
時刻との時間差と、境界面１０１でのエコーによる受信
パルスの戻り時刻と境界面１０２でのエコーによる受信
パルスの戻り時刻との時間差が、たまたま同じｔ】とな
ることもある。

また、境界面の位置が分かっていれば、その境界面から
のエコーの戻り時間によって媒質の音速が求まるが、超
音波による測定のみでは、境界面の位置を正確に求める
ことができない。

このように、超音波のエコーの戻り時間から境界面の位
置あるいは媒質の音速を求める方法では、この方法を形
状測定に用いても、音速の測定に用いても、得られる情
報がエコーの戻り時間だけであるので、他の手段によっ
て境界面の位置と媒質の音速との一方を求めないと、他
方を正確に測定することができない。

従来の超音波診断装置では、生体内の音速を一定と仮定
するか、音速の変化を無視して、生体内部の超音波断層
画像を形成している。そのため、得られる断層画像は、
生体内の音速の各部での変化分だけ、深さ方向に歪を有
するという問題点がある。また、超音波による測定のみ
では、境界面の深さ情報が不明なので、生体内の音速分
布を求めることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、被検
体内の音速分布を検出する被検体内の音速分布検出装置
を提供することを目的としている。

し課題を解決するための手段］本発明の被検体内の音速分布検出装置は、被検体内に、
音速で移動する光の反射面を生じさせるための音波を放
射する音波放射手段と、前記被検体内に光を照射すると
共に前記反射面で反射した光の周波数変化を検出するこ
とによって前記反射面の移動速度である音速を測定する
音速測定手段と、前記反射面の位置とこの反射面の位置
における音速とを対応付けるために、前記音速測定手段
によって測定された前記音速と前記音速測定手段による
測定時の時刻とを用いて、前記音速を測定した時刻にお
ける前記反射面の位置を演算する演算手段とを備えたも
のである。

［作用］本発明では、音波放射手段によって被検体内に音波を放
射することにより、被検体内に、音速で移動する光の反
射面を生じさせる。また、音速測定手段によって、前記
被検体内に光を照射すると共に前記超音波による反射面
で反射した光の周波数変化を検出して、この周波数変化
に対応する前記反射面の移動速度、すなわち、この反射
面の位置における音速を測定する。また、演算手段によ
って、音速測定手段によって測定された前記音速と音速
測定手段による測定時の時刻とを用いて、前記音速を測
定した時刻における反射面の位置を求める。これにより
、反射面の位置とこの反射面の位置における音速との関
係、すなわち、被検体内の音速分布が求められる。

［実施例］以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図ないし第６図は本発明の一実施例に係り、第１図
は超音波診断装置の構成を示す説明図、第２図は超音波
診断装置の使用状態を示す説明図、第３図は超音波パル
スでの反射による光の周波数シフトを説明するための説
明図、第４図は体内からの戻り光の周波数シフトと測定
時刻との関係を示す特性図、第５図（ａ＞ないしくｄ）
は本実施例の動作を説明するための特性図、第６図（ａ
）は補正後の超音波断層画像を示す説明図、第６図（ｂ
）は音速分布を示す説明図である。

本実施例は、本発明の音速分布検出装置を超音波診断装
置に応用して、検出された音速分布に応じて超音波断層
像を補正できるようにしたものである。

第２図に示すように、超音波診断装置１は、人体２に対
向して配置され、この人体２に対して、超音波断層像形
成用及び音速測定用の超音波と、音速測定用の光とを照
射するようになっている。

第１図に示すように、前記超音波診断装置１は、人体２
の体内に、超音波断層像形成用の超音波パルス及び音速
測定用の超音波パルスを放射すると共に、体内からのエ
コーを検出する超音波送受信器５を備えている。この超
音波送受信器５は、制御回路７によって超音波パルスの
放射タイミングが制御されるようになっている。また、
前記超音波パルスが体内の境界面で反射されて戻ってき
たエコーは、前記超音波送受信器５で受信されてエコー
信号に変換され、画像形成回路８に入力されるようにな
っている。この画像形成回路８は前記エコー信号に基づ
いて超音波断層像を形成するようになっている。前記画
像形成回路８の出力信号は、演算装置１０に入力され、
音速分布に応じた補正を受けてモニタ９に入力され、こ
のモニタ９に補正後の超音波断層像が表示されるように
なっている。また、体内の音速分布検出時には、前記超
音波送受信器５から、周波数νの数個から数十個の超音
波の波速よりなる超音波パルス６が体内に放射されるよ
うになっている。尚、前記周波数νは、体内の血液の動
きや拍動の影響を受けないように選択する。

また、超音波診断装置１は、次のように構成された音速
測定手段を備えている。すなわち、この音速測定手段は
、レーザ１１を備え、このレーザ１１の出射光は、ビー
ムスプリッタ］２によって２光束に分離されるようにな
っている。このビームスプリッタ１２を透過した光は、
例えば音響光学光変調器を用いた周波数シフタ１３によ
って所定の周波数ｆ１で変調されるようになっている。

この周波数シスタ１３で変調された光は、ビームスプリ
ッタ１４を透過し、体内に照射されるようになっている
。この光の一部は、前記超音波送受信器５から放射され
た超音波パルス６で反射されて戻り光となり、前記ビー
ムスプリッタ１４に入射して反射され、位相調整部］５
を通り、ミラー１６で反射され、ビームスプリッタ１７
で反射されてディテクタ１８に入射するようになってい
る。

前記位相調整部１５は、前記ビームスプリッタ１４から
の光を反射するプリズム１５ａと、このプリズム１５ａ
の反射光を２回反射させて入射方向と反対方向に出射さ
せるプリズム１５ｂと、このプリズム１５ｂの反射光を
反射して前記ミラー１６へ導くプリズム１５ｃとを有し
、前記プリズム１５ｂを光軸方向へ移動させることによ
り、位相調整部１５を通る光の光路長を変えることがで
きるようになっている。

また、前記レーザ］、１から出射され、ビームスプリッ
タ１２で反射した光は、例えば音響光学光変調器を用い
た周波数シフタ２１によって所定の周波数ｆ２で変調さ
れるようになっている。尚、前記周波数シフタ１３と周
波数シフタ２１とは、変調周波数がΔｆｏだけ異なって
いる。前記周波数シフタ２１で変調された光は、参照光
として、前記ビームスプリッタ１７を透過して、前記戻
り光と同一光軸上に重ね合わされて前記ディテクタ１８
に入射するようになっている。戻り光の変調周波数に変
化がなければ、前記ディテクタ１８の出力信号に、戻り
光と参照光の変調周波数の差ΔｆＯのと−１〜信号が発
生する。このディテクタ１８の出力信号は、周波数検出
回路２３に入力されるようになっている。この周波数検
出回路２３は、前記ΔｆＱを中心とするバンドパスフィ
ルタでビート信号を抽出し、このビート信号の周波数を
検出するようになっている。前記周波数検出回路２３の
出力信号は、前記演算装置１０に入力されるようになっ
ている。

前記演算装置１０は、前記周波数検出回路２３で検出さ
れたビート信号の周波数から、前記超音波パルス６の移
動速度、すなわちこの超音波パルス６の位置における音
速を演算する音速演算回路３１と、この音速演算回路３
１で求められた音速と前記制御回Ｂ７から送られる音速
測定時の時刻情報とに基づいて音速を測定した時刻にお
ける超音波パルス６の深さ（位置）を演算する深さ演算
回路３２と、前記音速演算回路３１の出力信号と深さ演
算回路３２の出力信号とに基づいて体内の音速分布を検
出する音速分布検出回路３３とを備えている。前記演算
装置１０は、更に、前記音速分布検出回路３３によって
求められた音速分布に応じて、画像形成回路８からの超
音波断層像を補正する画像補正回路３４を備え、この画
像補正回路３４で補正された超音波断層像の映像信号が
モニタ９に入力されるようになっている。また、前記演
算回路１０は、更に、前記音速分布検出回路３３によっ
て求められた音速分布から体内の弾性率分布を検出する
弾性率分布検出回路３５と、前記音速分布検出回路３３
によって求められた音速分布と、前記弾性率分布検出回
路３５によって求められた弾性率分布とを画像化する画
像形成回路３６を備え、この画像形成回路３６から出力
される映像信号がモニタ９に入力されるようになってい
る。

次に、第３図ないし第６図を参照して、本実施例の作用
について説明する。

体内の音速分布を検出する場合は、制御回路７の制御に
より、超音波送受信器５から、数個から数十個の波速よ
りなる超音波パルス６を体内に放射する。この超音波パ
ルス６により、体内に屈折率の分布が生じ、光の反射率
が増大し、体内に音速で移動する光の反射面が形成され
る。尚、分解能は、前記超音波パルス６の数が多いと落
ちるが、音速分布１弾性率分布を求めるには十分である
。

また、レーザ１１から光を出射させ、この光を、ビーム
スプリッタ１２を通した後、周波数シフタ１３により周
波数ｆ１で変調し、ビームスプリッタ１４を通して、前
記超音波パルス６の放射位置の近傍から、この超音波パ
ルス６の放射方向と同一方向に向けて体内に照射する。

この光の一部は、前記超音波パルス６で反射されて戻り
光となり、ビームスプリッタ１４、位相調整部１５、ミ
ラー１６及びビームスプリッタ１７を経て、ディテクタ
１８に入射する。また、レーザ１１から出射されビーム
スプリッタ１２で反射した光は、周波数シフタ２１によ
って周波数ｆ２で変調され、前記ビームスプリッタ１７
を経て、参照光として前記戻り光と同一光軸上に重ね合
わされてディテクタ１８に入射する。このディテクタ１
８の出力信号は、周波数検出回路２３に入力され、ビー
ト信号の周波数が検出される。

ここで、第３図に示すように、超音波パルス６は体内の
各深さ位置の密度２弾性率によって決まる音速Ｃで体内
を伝わるため、変調周波数ｆ１の光が超音波パルス６で
反射すると、この反射光は、ドツプラー効果により、超
音波パルス６の移動速度Ｃに応じて周波数がｆｌ−Δｆ
にシフトする。

尚、光の速度は、屈折率に依存するが、体内の場合ある
いは水中（海中等）の場合は、屈折率は略一定している
。体内は、生理食塩水９８％と同等のため、光の速度は
略均−と考えられる。また、超音波の速度に比べ光の速
度は極めて速いので、音速を基準にすると光速は無限大
と考え、超音波パルス６の発信時刻ｔｏを基準とした時
刻ｔにおける超音波パルス６の速度情報を、同時刻で光
信号から得られると考えて良い。また、超音波の媒質中
での周波数νは単一なので、速度分散は生じない。

従って、前記ディテクタ１８の出力信号には、戻り光と
参照光の周波数の差ΔｆＯ−Δｆのビート信号が発生す
る。このディテクタ１８の出力信号は、周波数検出回路
２３に入力され、前記ビート信号の周波数が検出される
。以上の動作を連続的に行う。第４図に、このように連
続して計測したときの、時刻ｔとビート信号の周波数及
び強度との関係を示す。

前記周波数検出回路２３の出力信号は演算装置１０内の
音速演算回路３１に入力される。この音速演算回路３１
は、前記ビート信号の周波数から周波数シフトΔｆを求
め、この周波数シフトΔｆに対応する超音波パルス６の
移動速度、すなわち、この超音波パルス６の位置におけ
る音速Ｃを演算する。第５図（ａ）は、前記時刻ｔと、
この時刻における周波数シフト△ｆとの関係の一例を示
す。

また、音速Ｃは前記周波数シフトΔｆに比例するため、
時刻ｔと、この時刻における音速Ｃとの関係は、第５図
（ｂ）のようになる。

前記音速演算回路３１によって得られた音速の情報は、
深さ演算回路３２に入力される。この深さ演算回路３２
は、前記音速の情報と制御回路７から送られる音速測定
時の時刻の情報とに基づいて、音速を測定した時刻にお
ける超音波パルス６の深さ（位置）を演算する。すなわ
ち、次の式のように、音速Ｃを時刻ｔｏがらある時刻ｔ
まで積分することによって、その時刻ｔでの超音波パル
ス６の到達距離、すなわち深さｄ（ｔ）が分がる。

まな、音速分布検出回路３３で、前記深さ演算回路３２
によって演算された超音波パルス６の深さｄと前記音速
演算回路３１によって演算された音速Ｃとが、第５図（
ｄ）に示すように対応付けられる０以上の処理を、生体
に照射する光の位置を変えて走査することにより、体内
の音速分布が検出される。前記音速分布検出回路３３で
検出された音速分布の情報は、画像形成回路３６に送ら
れて画像化され、第６図（ｂ）に示すように、モニタ９
に音速分布が表示される。この音速分布の表示方法とし
て、例えば、音速の変化を色調の変化で表しても良い。

また、前記音速分布検出回路３３で検出された音速分布
の情報は、弾性率分布検出回路３５に送られる。ここで
、音速０．弾性＄ｋ、密度Ｐとの関係は、ｃ＝ｆ玉＝玉
子７７あるが、体内では密度が略一定なので、前記弾性
率分布検出回路３５では、密度Ｐを１．０近傍と仮定し
、前記音速分布の情報から、体内の弾性率分布を求める
。この弾性率分布の情報は、画像形成回路３６に送られ
て画像化され、モニタ９に弾性率分布が表示される。

尚、音速測定の光を２次元的に走査することにより、体
内の音速分布及び弾性率分布を３次元的に得ることがで
き、この音速分布及び弾性率分布は、２次元的に表示し
ても良いし、３次元的に表示しても良い。

また、超音波断層像観察時は、制御回路７の制御により
、超音波送受信器５から、超音波断層像形成用の超音波
パルスが体内に放射される。この超音波パルスが体内の
境界面で反射されて戻ってきたエコーは、超音波送受信
器５で受信されてエコー信号に変換され、画像形成回路
８に入力される。以上の動作は、超音波放射位置を走査
しながら繰り返し行われる。前記画像形成回路８は前記
エコー信号に基づいて超音波断層像を形成する。

この画像形成回路８の出力信号は、演算装置１０内の画
像補正回路３４に入力される。この画像補正回路３４は
、前記超音波断層像に対して、予め音速分布検出回路３
３で求められている音速分布に応じた補正を行いモニタ
９に出力する。そして、このモニタ９に、第６図（ａ）
に示すように、深さ方向の歪を除去した補正後の超音波
断層像が表示される。

このように、本実施例によれば、体内の音速分布を検出
することができ、この音速分布から体内の弾性率分布も
検出することができる９更に、前記音速分布に基づいて
、超音波断層像の深さ方向の歪を除去することができる
。

また、音速測定用の超音波パルスを構成する音波の周波
数を変化させて音速分布を測定することにより、音波の
各周波数に対する音速分布を求めることもできる。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、被検体内に光の反
射面を生じさせる音波を放射し、光を用いて前記反射面
の移動速度を検出することにより、被検体内の音速分布
を検出することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の一実施例に係り、第１図
は超音波診断装置の構成を示す説明図、第２図は超音波
診断装置の使用状態を示す説明図、第３図は超音波パル
スでの反射による光の周波数シフトを説明するための説
明図、第４図は体内からの戻り光の周波数シフトと測定
時刻との関係を示す特性図、第５図（ａ）ないしくｄ）
は本実施例の動作を説明するための特性図、第６図（ａ
＞は補正後の超音波断層画像を示す説明図、第６図（ｂ
）は音速分布を示す説明図、第７図及び第８図はそれぞ
れ超音波パルスのエコーの戻り時間と境界面の深さとの
関係について説明するための説明図である。１・・・超音波診断装置　５・・超音波送受信器８・・
・画像形成回路　　９・・・モニタ１０・・・演算装置１３．２１・・・周波数シフタ１８・・・ディテクタ　　２３・・・周波数検出回路３
１・・・音速演算回路　３２・・・深さ演算回路３３・
・・音速分布検出回路３４・・・画像補正回路３５・・・弾性率分布検出回路３６・・画像形成回路第２図ど第３図第５図（ａ）第５図（ｂ）第５図（ｄ）第６図（０）第６図（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】被検体内に、音速で移動する光の反射面を生じさせるた
めの音波を放射する音波放射手段と、前記被検体内に光
を照射すると共に前記反射面で反射した光の周波数変化
を検出することによって前記反射面の移動速度である音
速を測定する音速測定手段と、前記反射面の位置とこの反射面の位置における音速とを
対応付けるために、前記音速測定手段によって測定され
た前記音速と前記音速測定手段による測定時の時刻とを
用いて、前記音速を測定した時刻における前記反射面の
位置を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする被検体内の音速分布検出装置
。