JPH0767451B2 - 超音波組織変位計測装置 - Google Patents

超音波組織変位計測装置

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JPH0767451B2
JPH0767451B2 JP34085891A JP34085891A JPH0767451B2 JP H0767451 B2 JPH0767451 B2 JP H0767451B2 JP 34085891 A JP34085891 A JP 34085891A JP 34085891 A JP34085891 A JP 34085891A JP H0767451 B2 JPH0767451 B2 JP H0767451B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、医療用超音波装置に係
り、特に生体内組織の微小変位や変位速度等を超音波に
よって計測する超音波組織変位計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、超音波診断装置が各種医療分野に
おいて活用されている。この超音波診断装置によれば、
生体の断層像の表示や超音波ドプラ法による血流速度分
布の表示等が行えるが、特に最近では、超音波パルスド
プラ法を用いて、生体内部組織における超音波の波長以
下の微小変位を計測する研究やその臨床応用の研究が活
発になってきている。
【0003】この微小変位計測によれば、心筋梗塞や動
脈硬化等の部位の同定や肝臓内の組織性状の診断に有用
な情報を提供することができる可能性がある。例えば、
肝臓等の生体内臓器を微視的に観察すると、臓器内の動
脈の拍動により血管に接触した組織が微小変位し、さら
にその変位が周りの組織に伝わっていく。ここで、正常
組織と異常組織とを比較した場合、組織性状の相違から
上記した変位の伝わり方が異なることがある。従って、
組織変位の観察により、組織の弾性特性による組織性状
の診断ができる可能性があり、この組織変位による診断
が近年注目されている。
【0004】このような組織変位を計測するものとし
て、組織変位計測が行える超音波診断装置が提案されて
いる。この装置は、超音波ドプラ診断法の原理を応用し
たものであり、変位前の受信信号と変位後の受信信号と
の位相差により、超音波ビーム上の組織の変位を演算す
るものである。従って、この原理により超音波の波長よ
り短い分解能で、ミクロンオーダーの組織変位を計測で
きる。
【0005】ここで、超音波パルスドプラ法を用いた生
体内組織の微小変位の測定原理を計算式を用いて説明す
る。
【0006】生体内の散乱体から反射してくる超音波受
信信号S1 (t)は、次の(1)式で表される。ここ
に、A1 (t)は振幅、Φ1 (t)は位相、ω0 は送信
信号の角周波数を示す。
【0007】 S1 (t)=A1 (t)exp〔−j(ω0 t+Φ1 (t))〕 …(1) 散乱媒質全体がΔxだけ変位したときの受信信号をS2
(t)とすると、これは次の(2)式で表される。
【0008】 S2 (t)=S1 (t−Δt) =A1 (t−Δt)exp〔−j(ω0 ・(t−Δt) +Φ1 (t−Δt))〕…(2) ここで、Δtは散乱媒質がΔxだけ変位したときの伝搬
時間差(変位時間)であり、次の(3)式で表される。
ただし、cは音速である。
【0009】 Δt=2・Δx/c …(3) この受信信号S1 (t)、S2 (t)を角周波数ω0
直交検波した出力の偏角をθ1 (t)、θ2 (t)とす
ると、これらは次の(4)、(5)式で与えられる。
【0010】 θ1 (t)=Φ1 (t) …(4) θ2 (t)=Φ1 (t−Δt)+ω0 Δt …(5) 従って、変位前後の両者の位相差Δθは、次の(6)式
で与えられる。
【0011】 Δθ=θ2 (t)−θ1 (t) =Φ1 (t−Δt)−Φ1 (t)+ω0 Δt …(6) ここで、Φ1 (t−Δt)はΦ1 (t)にほぼ等しいこ
とから、(6)式は次の(7)式となる。
【0012】 Δx=(c/2ω0 )Δθ …(7) ここで、位相差Δθは、例えば特公昭62−44494
号公報で開示されているような通常のカラードプラ装置
で用いられている自己相関法等により求められる。従っ
て、変位量Δxは(7)式から容易に求められる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の超
音波組織変位計測装置では、上記した相関法を用いて
(7)式により組織の変位量Δxを求め、これを表示す
るようになっていた。この場合、相関時間はパルス繰返
し周波数の整数倍であるため、変位量Δxは相関のラグ
時間に等しい比較的短い時間について得られたものとな
る。
【0014】しかしながら、実際の臨床診断では、例え
ば呼吸や心拍の周期のように比較的長い時間にわたって
組織変位の観察を行うことが要求される場合があり、従
来の超音波組織変位計測装置では対応することができな
いという問題があった。
【0015】従って、上記問題点を解決しなければなら
ないという課題がある。
【0016】本発明は、かかる問題を解決するためにな
されたもので、呼吸や心拍の周期のような比較的長い時
間にわたって生体組織の変位を観察することができる超
音波組織変位計測装置を得ることを目的する。
【0017】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明に係
る超音波組織変位計測装置は、一定の繰返し周期で超音
波パルスを生体内に送波して生体内組織からの反射波を
受波し、超音波の位相変化に基づき生体組織内の微小変
位を計測する医用超音波装置であって、生体内組織から
の受信信号と所定の参照信号との直交検波により得られ
複素信号の自己相関演算を行う自己相関演算手段と、
この自己相関演算手段の出力に基づき、所定超音波ビー
ム方向に沿った各位置における生体内組織の該超音波ビ
ーム方向への単位時間当たりの変位量を演算する微小
位量演算手段と、こ微小変位量演算手段により算出さ
れた前記各位置の単位時間当たりの変位量を前記各位置
ごとに順次積算することにより、前記各位置における変
位量積算値をそれぞれ求め、所定のタイミングごとに出
力する変位量積算手段と、所定の生体信号の検出に応じ
て前記変位量積算手段に対してリセット信号を発する生
体信号検出手段とを有し、前記変位量積算手段は、前記
生体信号検出手段からのリセット信号が入力されるとそ
れまでの積算結果を初期化してその時点からの積算値を
演算することを特徴とする
【0018】請求項2記載の発明では、請求項1記載の
超音波組織変位計測装置における変位量積算手段に、繰
返し周期の整数倍を単位時間とする時間間隔で微小変位
量演算手段の出力を前記各位置ごとに順次加算する加算
器と、この加算器の加算結果を記憶するラインメモリと
を具備させ、生体信号検出手段からのリセット信号に応
じてラインメモリを初期化する
【0019】
【作用】本発明に係る超音波組織変位計測装置では、
定の超音波ビーム方向に沿った各位置における生体内組
織の単位時間当たりの変位量が、それら各位置ごとに
次積算されることにより、その所定超音波ビーム方向に
沿った各位置についての変位量積算値が求められる。変
位量積算手段による積算演算は、生体信号検出手段から
発せられるリセット信号により初期化され、これにより
変位量積算演算が生体の特徴的な状態を示す生体信号と
リンクされる。
【0020】
【実施例】以下実施例について、本発明を詳細に説明す
る。ここでは、生体内組織の微小変位のうち超音波ビー
ムに沿う方向の成分を計測するものとして説明するが、
もちろん、二次元的に組織変位を計測する装置に以下に
述べる実施例を応用することも容易である。
【0021】図1は、本発明の一実施例における超音波
組織変位計測装置を表したもので、超音波ドプラ法を応
用して生体内組織の微小変位を計測するものである。こ
の装置には送受信器11が備えられ、図示しない走査制
御器から所定のタイミングで出力される超音波ビーム走
査制御信号に従い、一定の送信繰返し周期で駆動パルス
を発生し、超音波探触子12に供給する。
【0022】超音波探触子12内には超音波振動子(図
示せず)が設けられており、駆動パルスによって発生し
た超音波が生体13内に放射されることになる。生体1
3内の各組織からの反射波は、超音波探触子12の超音
波振動子によって受波され、受信信号は送受信器11に
よって位相合成などの処理が行われた後、直交検波器1
4へ出力される。
【0023】直交検波器14によって直交検波された受
信信号は、振幅演算器16によって振幅値が演算され、
Bモード断層画像形成のためデジタルスキャンコンバー
タ(以下、DSCという)21に出力され、ここで一時
的に記憶される。
【0024】一方、直交検波器14においては、受信信
号と所定の参照信号との直交検波が行われ、複素信号
I、Qが出力される。これらの複素信号I、Qは自己相
関器24に入力され、ここで複素信号である実数部信号
Iと虚数部信号Qとの共役複素積の演算が行われ、自己
相関が求められる。この自己相関結果は、変位量演算器
25に出力され、ここで生体内組織の変位Δxの演算が
行われる。なお、組織変位Δxを求めるまでの以上の受
信信号処理は、上記(1)〜(7)までの計算式を実現
したものであり、上述したように例えば特公昭62−4
4494号に記載された自己相関法を応用したものであ
る。
【0025】さて、変位量演算器25から出力された変
位信号Δxは変位量積分器26に入力され、ここで順次
積算される。この変位量積分器26には、本装置内若し
くは外部に設けられた生体信号検出器27から出力され
たリセット信号28が入力さるようになっている。この
生体信号検出器27は、生体信号センサ29から得られ
る図3(a)に示すような心電図信号の例えばR波を検
出し、このタイミングで同図(b)に示すリセット信号
28を出力する。この場合、R波以外の信号(Q、S、
T波等)を基準としてもよい。さらに、心電図信号の代
わりに呼吸のタイミングを検出してこれを基準としても
よい。
【0026】図2は、変位量積分器26の要部を表した
ものである。この変位量積分器26には加算器31が備
えられ、変位量演算器25で求められた変位量Δxと、
メモリ32から読出信号34のタイミングで読み出され
た変位量積算値とを加算するようになっている。メモリ
32としては、例えばラインメモリが用いられ、いま着
目している1本の超音波ビームに沿った組織の変位量積
算値(以下、1ライン分の積算値と呼ぶ。)が格納可能
となっている。
【0027】図3(c)に示すように、いま、心電図の
R波(図3(a))に対応するリセット信号28のタイ
ミングを時刻t0 とし、単位時間、すなわちある時刻t
i-1 から次の時刻ti までの変位量をΔxi とすると、
基準時刻t0 から時刻ti までの総変位量ΔXi は次の
(8)式のように表される。
【0028】 ΔXi =ΔXi-1 +Δxi …(8) ここに、ΔXi-1 は時刻ti-1 までの総変位量を示す。
また、上記した単位時間としては、繰返し周期の整数倍
を採用する。
【0029】この(8)式の加算は、加算器31により
行われる。すなわち、まず、リセット信号28が入力さ
れると、切換器35はすべてのビットが“0”である初
期値を保持する初期値保持部(図示せず)側に切り換え
られ、メモリ32の内容が初期化される。この後、切換
器35は加算器31の出力側に切り換えられ、加算器3
1からの出力データは順次メモリ32の該当アドレスに
格納される。
【0030】例えば、時刻ti において変位量演算器2
5から出力された変位量Δxi は、メモリ32の対応ア
ドレスに格納された時刻ti-1 までの積算変位量ΔX
i-1 と加算され、再びメモリ32の同一アドレスに格納
される。このような処理を順次行うことにより、各時刻
における総変位量ΔXi が求められ、順次出力されるこ
ととなる。
【0031】このようにして変位量積分器26から出力
された変位量積算データΔXi は、DSC21に送られ
て一時的に記憶される。これにより、DSC21には生
体断面のBモード断層画像データと、1ライン分の積算
値とが格納される。そして、これらのデータはDSC2
1から読み出され、D/A変換器(図示せず)によって
アナログ信号に変換された後、表示器22に送られる。
これにより表示器22には、Bモードにおける生体断面
の断層画像と、1本の超音波ビームに沿った生体断面組
織の変位量積算データとが表示されることとなる。
【0032】図4は、Bモードによる生体断面の断層画
像の一例を表し、図5は、図4における1本の超音波ビ
ームLL′に沿った生体断面組織の総変位量を時間経過
とともに表したものである。図5において、x軸は超音
波ビームの方向LL′、すなわち生体組織の深さ方向を
示し、z軸は総変位量を示す。また、y軸は時間軸を示
す。なお、ここでは変位量(z軸)を深さ方向(x軸)
と直交する方向に表示しているが、実際には、変位の方
向自体は深さ方向(x軸)と同一である。
【0033】図5に示すように、生体組織の各深さにお
ける変位量が長い時間にわたって表示される。ここで、
深さ方向の測定ポイント数としては例えば500ポイン
ト程度、また時間軸方向には測定時間間隔20msで5
0ポイント程度とることができるが、これ以上の測定ポ
イント数及び測定時間間隔数としてもよい。
【0034】また、図4において、測定の対象経路すな
わち超音波ビームの方向LL′を任意に設定することに
より、図5の表示はこれに対応するものとなる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
生体内組織の単位時間当たりの変位量を順次積算して出
力することとしたので、呼吸や心拍の周期のような比較
的長い時間にわたって組織変位を観察することができる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における超音波組織変位計測
装置の要部を示すブロック図である。
【図2】この超音波組織変位計測装置の変位量積算器の
要部を示すブロック図である。
【図3】この変位量積算器のリセット信号及びその出力
タイミングの基礎として用いられる心電図の信号を示す
説明図である。
【図4】この超音波組織変位計測装置によるBモード表
示の一例を示す説明図である。
【図5】この超音波組織変位計測装置による生体組織の
総変位量表示の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
11 送受信器 12 超音波探触子 13 生体 14 直交検波器 24 自己相関器 25 変位量演算器 26 変位量積分器 27 生体信号検出器 29 生体信号センサ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一定の繰返し周期で超音波パルスを生体
    内に送波して生体内組織からの反射波を受波し、超音波
    の位相変化に基づき生体組織内の微小変位を計測する医
    用超音波装置において、 生体内組織からの受信信号と所定の参照信号との直交検
    波により得られた複素信号の自己相関演算を行う自己相
    関演算手段と、 この自己相関演算手段の出力に基づき、所定超音波ビー
    ム方向に沿った各位置における生体内組織の該超音波ビ
    ーム方向への 単位時間当たりの変位量を演算する微小
    位量演算手段と、 この微小変位演算手段により算出された前記各位置の
    単位時間当たりの変位量を前記各位置ごとに順次積算す
    ことにより、前記各位置における変位量積算値をそれ
    ぞれ求め、所定のタイミングごとに出力する変位量積算
    手段と、 所定の生体信号の検出に応じて前記変位量積算手段に対
    してリセット信号を発する生体信号検出手段と、 を有し、前記変位量積算手段は、前記生体信号検出手段
    からのリセット信号が入力されるとそれまでの積算結果
    を初期化してその時点からの積算値を演算する ことを特
    徴とする超音波組織変位計測装置。
  2. 【請求項2】 前記変位量積算手段は、前記繰返し周期
    の整数倍を単位時間とする時間間隔で前記微小変位量演
    算手段の出力を前記各位置ごとに順次加算する加算器
    と、この加算器の加算結果を記憶するラインメモリとを
    み、前記生体信号検出手段からのリセット信号に応じ
    て前記ラインメモリを初期化することを特徴とする請求
    項1記載の超音波組織変位計測装置。
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