JPH0693889B2

JPH0693889B2 - 超音波生体温度計測装置

Info

Publication number: JPH0693889B2
Application number: JP20883985A
Authority: JP
Inventors: 清岡崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-24
Filing date: 1985-09-24
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPS6268439A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は超音波を利用して生体組織の温度を測定する超
音波生体温度測定装置に係り、特に超音波と生体組織と
の相互作用による非線形効果を利用したものに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

癌等の生体内組織を生体内において破壊するための手法
として、被破壊組織のみを選択的に長時間加熱する方法
（「ハイパーサーミヤ」と称される）がある。

被破壊組織の選択加熱方法としては種々の方法が考えら
れるが、温熱治療において被破壊組織の温度を正確に把
握することは温熱治療の効果を調べる上であるいは適切
な温熱治療を行う上で極めて重要である。

ところで、従来の温熱治療においては、例えばサーモカ
ップル等を生体内に穿設し、穿刺したサーモカップル等
で被破壊組織の温度を直接測定することにより、被破壊
組織の温度モニタを行っている。

しかしながら、このような穿刺による温度測定は生体に
対して侵襲的であるばかりでなく、被破壊組織たる癌細
胞を正常組織に散らしてしまうという欠点がある。

また、温熱治療に際して被破壊組織及びその周辺組織の
温度分布を２次元的に把握したいという要請もあるが、
上記サーモカップル等を用いる直接測定法は被破壊組織
中の数点の温度測定が限度であるため、上記の要請に到
底応えられるものではない。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目
的とするところは、生体に対して非侵襲であり且つ生体
の正常組織に悪影響を及ぼすことなく、生体組織の温度
分布情報を速やかに得ることができる超音波生体温度計
測装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するための本発明の概要は、超音波振動
子アレイを構成する複数の超音波振動子を送波用の第１
の振動子群と受波用の第２の振動子群とに切り換て使用
し、生体に向って送波した超音波の生体よりの反射波を
基に生体所望部位の温度分布情報を得る超音波生体温度
計測装置において、前記第１の振動子群の励振に供され
る駆動電圧を段階的に可変なる駆動電圧制御部と、この
駆動電圧の可変毎に送波された超音波の反射波による受
波信号を基に受波信号の駆動電圧依存パラメータを算出
すると共に、算出された駆動電圧依存パラメータより生
体局所における局所電圧依存パラメータを得ることによ
り、生体所望部位の温度がそれぞれ異なる複数の局所電
圧依存パラメータ画像を作成する電圧依存パラメータ計
算回路と、作成された複数の局所電圧依存パラメータ画
像より画像間の変化率を算出する変化率計算回路と、算
出された変化率を２次元画像として表示するディスプレ
イとを有して構成したことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を具体的に説明する。

ここで先ず、本発明の原理について説明する。本発明
は、振動子に供給する駆動電圧の大きさと、その駆動電
圧より駆動された振動子から送波され、生体内で反射さ
れた反射波を受波した受波信号の大きさとの関係を示し
た駆動電圧依存パラメータの温度依存性から生体内の温
度を計測するものである。電圧依存パラメータＫと非線
形パラメータB/Aと超音波伝播速度（以下、音速とい
う）Ｃとの間には次の関係がある。

ｋは超音波の減衰，反射，周波数，音場の効果が含まれ
る定数である。ただし、ｋの温度依存性は小さい。

他方、音速の温度依存性は非線形パラメータの温度依存
性より一般に１桁以上大きいので、電圧依存パラメータ
Ｋの温度依存性は近似的に次式のように表わされる。

つまり、電圧依存パラメータＫの温度変化率は、音速の
温度変化率のほぼ２倍となることから、電圧依存パラメ
ータの温度変化率は、音速変化を測定するより２倍の感
度で得ることができる。また、電圧依存パラメータ変化
率ξ（x,y）は、次式により表わされる。

この（３）式の演算実行により得られるξ（x,y）を画
像として表示すれば、表示画面上において温度の変化し
た部分と変化しない部分とが明瞭に区別することができ
る。温度の絶対値を得る場合には、人体様ファントム又
は動物等を用いた実験等によって各部位毎のξ変化率と
温度との絶対値を測定し、測定値よりｍ＝dK/dTを求
め、求めたｍを次式に代入することにより温度変化ΔＴ
を算出すれば良い。

第３図（ａ）乃至（ｃ）は上記原理に基づいて生成され
る画像を模式的に示したものであり、同図（ａ）は加熱
前の電圧依存パラメータK_T0（x,y）画像、同図（ｂ）は
加熱中の電圧依存パラメータK_T（x,y）画像、同図
（ｃ）は電圧依存パラメータ変化率ξ（x,y）画像すな
わち温度変化率画像であり、温度上昇部分が明瞭に表現
される。

次に、局所電圧依存パラメータＫ（x,y）の測定原理に
ついて説明する。

＜超音波伝播経路のスキャン＞第４図に示すようにリニア電子スキャン用プローブ１を
用い、生体表面に接している超音波送受波面２の一端A₁
を中心とする第１の振動子群より、生体表面と垂直（超
音波偏向角θ＝０゜）となる方向に超音波パルスを発射
する。すると超音波パルスは生体内における送波経路A₁
−P₁₁を直進し、点P₁₁での反射波が受波経路P₁₁−B₁₁を
通り、B₁₁を中心とする第２の振動子群によって受波さ
れる。この超音波伝播経路A₁−P₁₁−B₁₁における平均駆
動電圧依存パラメータ（₁₁）が算出されると（後述す
る）、再びA₁を中心とする第１の振動子より上記と同様
に超音波が送波され、送波された超音波の点P₁₂での反
射波が、今度はB₁₂を中心とする第２の振動子により受
波される。そして、この場合の超音波伝播経路A₁−P₁₂
−B₁₂における平均駆動電圧依存パラメータ（₁₂）が
算出される。以下同様に第４図にように送波する超音波
振動子アレイを２分し、右側は左側のスキヤンを折り返
して行うことにより、片側でｍ×ｎ個、左右併せて2m×
ｎ個の平均駆動電圧依存パラメータが算出される。

＜平均駆動電圧依存パラーメータ（）の算出＞次に、超音波伝播経路A₁−P₁₁−B₁₁の場合を例にとり、
平均駆動電圧依存パラメータ₁₁の算出について説明す
る。A₁を中心とする第１の振動子群を構成する各超音波
振動子の励振に供される駆動電圧すなわちパルサ出力電
圧ｕを例えば10,20,…,100〔ボルト〕というように変化
させ、各電圧毎に、B₁₁を中心とする第２の振動子群に
よる受信エコーの振幅ｖ〔ボルト〕を求め、これを記憶
する。次に次式（５）のプロット（第４図）によって傾
きγと切片δとを求める。

このとき、平均駆動電圧依存パラメータと非線形パラメータ（B/A）及び音速（Ｃ）との間には
次式（３）が成立する。

ここで、_０は周波数及び距離に依存する定数である。
同様にして2m×ｎ個の_i,jが求められる。

＜局所電圧依存パラメータの算出＞このようにして求められた2m×ｎ個の平均駆動電圧依存
パラメータ_i,jを用い、次式により局所電圧依存パラ
メータＫ（i,j）を算出することができる。

すなわち、平均駆動電圧パラメータ_i,jは超音波伝播
経路Ai−Pij−Bijの平均駆動電圧パラメータを表してい
る。また、平均駆動電圧パラメータ_i,j＋１は超音波
伝播経路Ai−Pij₊₁−Bij₊₁の平均駆動電圧パラメータを
表している。従って、Pij近傍の局所駆動電圧パラメー
タＫ_（i,j）は次式で表すことができる。

Ｋ（i,j）＝_i,j＋１−_i,j …（７）次に、上記原理に則った本発明の一実施例について説明
する。

第１図は本発明の一実施例たる超音波生体温度計測装置
のブロック図である。

振動子アレイ11は第４図のプローブの超音波送受波面２
に配列されており、電圧パルスを加えられると超音波パ
ルスを放射し、超音波が入射すると電圧を発生して超音
波を検出する。

振動子アレイ11｛T₁〜T₁₂₈｝は振動子素子幅ａが0.45mm
のものが素子中心間隔ｄ＝0.5mmで128素子直線上に並ん
でいる。これらの各振動子素子に対する電気信号の送受
はケーブル３内のリード線12を通して行う。

CPU（中央処理装置）21は例えば10MHz基準クロックを発
生するパルス発生器を有し、その基準クロックを分周し
て例えば4KHzのレートパルスを発生し16ケの送信遅延回
路15を経由して16ケのパルサ14を駆動する。パルサ14の
出力はマルチプレクサ13により振動子アレイ11のうちA₁
（第４図）を中心とする振動子群T₁〜T₁₆にそれぞれ接
続される。振動アレイ11はブローブのコーティング材を
通して体表に接し、振動素子から発生した超音波は生体
中に放射される。標準的な生体組織の音速をC₀＝1530m/
sとすれば、超音波ビームをθ_０方向に放射するには隣
接する各素子間の遅延時間τ_０は、 τ_０＝（d/C₀）・sinθ …（８）となり、このような遅延時間差をもって各素子が駆動さ
れるように送信遅延回路15を設定する。即ちPD₁＝0,PD₂
＝τ₀,PD₃＝２τ₀,……,PD₁₆＝15τ_０なる遅延時間を与
える。

もし生体組織の音速がC₀であれば超音波ビームはθ_０方
向へ進むが一般にはC₀とは限らずC₀と異なる値Ｃであ
る。このとき超音波の伝播する方向θはスネルの法則か
ら sinθ/C＝sinθ₀/C₀ …（９）で示される値となる。

超音波パルスを放射した後、マルチプレクサ13はB
₁₁（第４図）を中心とする振動子群Tm〜Tm₊₁₅の16ケと
受信遅延回路16を接続するように切換えられ、このTm〜
Tm₊₁₅により受信された超音波反射波信号は送信の場合
と同様の遅延を受けて合成され受信回路19に入力され
る。即ち、受信遅延回路16の遅延時間はRD₁＝15τ₀,RD₂
＝14τ₀,……,RD₁₅＝τ₀,RD₁₆＝０のように設定され
る。このようにすると振動子群Tm〜Tm₊₁₅は生体の音速
がC₀（Ｃ）であればθ_０（θ）方向に指向性を持ち、θ
_０（θ）方向から反射波を受信する。受信信号は受信回
路19で増幅，検波され、A/D変換器20によりA/D変換され
てバッファメモリ22に記憶される。バッファメモリ22は
レートパルスのタイミングを基準として10MH₂のクロッ
クでアドレスが決定されており、バッファメモリ22に記
憶された受信波形のサンプル値のアドレスは、超音波パ
ルス発射時点からの時間に100nsの精度で正確に一致し
ている。

記憶された波形のピーク値はＰ点からの反射波を示して
おり、Ｐ点の振幅値が受信エコーの振幅（ｖ）を示して
いる。

CPU21の制御により駆動電圧制御部17が動作し、パルサ1
4の出力電圧ｕが10,20,…,100〔Ｖ〕というように変化
する。各電圧（ｕ）の印加により所定の作動子群が励振
され、超音波が送波される。各電圧（ｕ）毎に送波され
た超音波の反射波は所定の振動子群により受波され、そ
の受波信号の振幅（ｖ）が各電圧（ｕ）毎にバッファメ
モリ22に書き込まれる。同一条件での超音波送受波が複
数回行われる場合には、加算回路23が動作し、受波信号
の加算平均処理が行われる。

次に、前記バッファメモリ22に書き込まれたu,v情報
（駆動電圧（ｕ）毎の受波信号）は、CPU21の制御によ
り読み出され、電圧依存パラメータ計算回路24に伝達さ
れる。そしてこの電圧依存パラメータ回路24において前
（５）式の傾きγと切片δとが求められ、最終的に平均
電圧依存パラメータ_i,jがフレームメモリ25に書き込
まれる。フレームメモリ25に2m×ｎ個の平均依存パラメ
ータが書き込まれた後、速やかに_i,j、_i,j＋１が読
み出され、読み出された_i,jは前記電圧依存パラメー
タ計算回路24に戻され、前（７）式による局所電圧依存
パラメータＫ（i,j）の算出に供される。算出された局
所依存パラメータ（i,j）はフレームメモリ25の_i,jの
記憶位置の値と置き換えられる。

以上がＫ（i,j）画像の作成ルーチンである。フレーム
メモリ25に書き込まれた局所依存パラメータＫ（i,j）
が、生体中における被破壊組織の加熱前のものであれば
該パラメータによって形成される画像をK_TO（i,j）と
し、また、加熱中のものであればK_T（i,j）としてそれ
ぞれ区別する。画像の作成ルーチン自体は加熱前，加熱
中共に同様である。このようにして作成されたK_TO（i,
j）画像,K_T（i,j）はCPU21の制御により読み出され、変
化率計算回路26に伝達される。そしてこの変化率計算回
路26において前（３）式の演算が実行され、温度変化率
画像ξ（i,j）が求められる。求められた温度変化率画
像ξ（i,j）はディスプレイメモリ27を介してD/A変換器
28に入力され、このD/A変換器28によりディジタル信号
に変換された後にCRTディスプレイ29に２次元表示され
る。

第２図はCRTディスプレイ29の表示の一例を示すもので
ある。画面30上の左側には生体の超音波Ｂモード像31が
表示され、表示された超音波Ｂモード像31において被破
壊組織（加熱対象部位）32を確認することができる。33
は超音波伝播経路であり、必要に応じて超音波Ｂモード
像31に重畳表示される。また、画面30上の右側には温度
変化画像35が表示される。温度変化画像35は前記D/A変
換器28の出力を輝度変調して白黒表示とすることもでき
るが、カラー変換してカラー表示とした方が温度変化を
把握する上で優れている。カラー表示する場合には、カ
ラーバー37を併せて表示するのが好ましい。さらに、温
度変化画像35中に設定されたカーソルポイント36におけ
る電圧依存パラメータ変化率ξ及びキャリブレートされ
た温度変化ΔＴが、画面30上の右下に数値表示される。

以上のような表示によれば、被破壊組織32及びその周辺
組織の温度分布をマクロ的にしかも直感的に認識するこ
とができるので、適切な温熱治療を行う上で極めて効果
的である。

このように本実施例装置にあっては、超音波と生体組織
との相互作用による非線形効果を積極的に利用して生体
所望部位の温度計測を行うものであり、従来のようなサ
ーモカップル等を用いるものではないから、生体に対し
て非侵襲であり、生体の正常組織に悪影響を及ぼすとい
う不都合は生じ得ない。また、本実施例装置によれば、
従来臨床的にルーチン検査に使用されているリアルタイ
ム断層装置と同時併用が可能でしかも同一ブローブで検
査することができるので、通像の断層像を観測しながら
適当な断面で音速及び非線形パラメータ測定モードにワ
ンタッチで切換えるという理想的な検査方法を実施でき
る。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の
範囲内で適宜に変形実施が可能であるのはいうまでもな
い。例えば上記実施例においては第４図に示すように超
音波の送波指向性（偏向角）を０゜に設定したものにつ
いて説明したが、偏向角を０゜以外に設定しても温度計
測を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、生体に対して非侵
襲であり且つ生体組織の温度分布情報を速やかに得るこ
とができる超音波生体温度計測装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例たる超音波生体温度計測装置
のブロック図、第２図は本実施例装置における表示の一
例を示す説明図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）乃至第
５図は本発明の原理を説明するためのものであり、第３
図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の原理に基づいて生
成される画像の説明図、第４図は超音波伝播径路のスキ
ャン方法の説明図、第５図は1/u²と1/v²との関係図であ
る。 11……超音波振動子アレイ、 17……駆動電圧制御部、 24……電圧依存パラメータ計算回路、 26……変化率計算回路、 29……ディスプレイ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子アレイを構成する複数の超音
波振動子を送波用の第１の振動子群と受波用の第２の振
動子群とに切り換て使用し、生体に向って送波した超音
波の生体よりの反射波を基に生体所望部位の温度分布情
報を得る超音波生体温度計測装置において、前記第１の
振動子群の励振に供される駆動電圧を段階的に可変なる
駆動電圧制御部と、この駆動電圧の可変毎に送波された
超音波の反射波による受波信号を基に受波信号の駆動電
圧依存パラメータを算出すると共に、算出された駆動電
圧依存パラメータより生体局所における局所電圧依存パ
ラメータを得ることにより、生体所望部位の温度がそれ
ぞれ異なる複数の局所電圧依存パラメータ画像を作成す
る電圧依存パラメータ計算回路と、作成された複数の局
所電圧依存パラメータ画像より画像間の変化率を算出す
る変化率計算回路と、算出された変化率を２次元画像と
して表示するディスプレイとを有して構成したことを特
徴とする超音波生体温度計測装置。