JPS62226027A - 超音波計測装置 - Google Patents

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、生体内組織の音響特性変動、とりわけ温熱療
法加温時の温度上昇に伴う音響特性変動を検出する超音
波計測装置に関するものである。

従来の技術 最近、生体内の温度計測は癌の温熱療法の温度モニタき
して必要であるため注目されている。生体内組織の種々
音響特性は温度依存性を有するため極めて重要な測定項
目となっている。その一つのパラメータである音速の温
度依存特性を利用して逆（＝温度変化を求める方法が超
音波医学会研究発表会講演論文集（４５号、２１〜２２
頁、１９８４　）等に記載されている交差ビーム法とし
て知られている。以下、第３図を参照して交差ビーム法
について説明する。

第３図において、１，２はそれぞれ超音波の送受信を行
う超音波変換器、３は超音波変換器１゜２を所定の角度
、間隔で固定する保持器、４は被検体、５は超音波変換
器ｌのビーム方向、６は超音波変換器２のビーム方向、
Ｐはビーム方向５きビーム方向６が交差する点である。

以上のような構成において、以下その動作について説明
する。

まず超音波変換器１において駆動パルスが加えられ、被
検体４内へ超音波パルスが照射される。

超音波パルスはビーム方向５に沿って被検体４である生
体組織により散乱されながら進行する。その後、超音波
パルスは点Ｐ（二到達し、そこで散乱された超音波パフ
レスの一部はビーム方向６を逆行して超音波変換器２に
到達する。ビーム方向５゜６に沿った超音波パルスの伝
搬距離は、超音波変換器１　、２（！：保持器３の寸法
により決まるから、超音波パルスの伝搬時間を計測する
ことにより生体内の音速を求めることが可能である。

発明が解決し、ようとする問題点 しかし、以上のような構成は生体内組織の音速があらゆ
る場所で一定であるという前提のもとて音速測定が可能
であり、実際の生体のように組織に依存して音速が変化
する場合には音波ビームは複雑に屈折し、直線で伝搬径
路を近似して音速を求めることは誤差が多く意味がない
。これは加温による音速の変化が］度Ｃにつき０．１係
程度のわずかな量であり、精度の高い音速測定が要求さ
れるという理由による。又、得られた音速は超音波の伝
搬径路上の平均値に対応するものであり、局所的な温度
上昇にも吉づく局所的な音速変化も正確に求まらないと
いう問題があった。

本発明は従来技術の以上のような問題点を解決するもの
で、生体のように組織に対応して音速が変化する場合に
も任意の部位における温度上昇を検出することを目的と
するものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、超音波エコー信号を複数の窓区間において離
散フーリエ変換し、隣接窓区間に対応するエコーの位相
差を求め、この位相差の周波数変化率を求めるこきによ
り、被検体の音速分散の相対値を求め、この音速分散の
相対値の加温前後の変化率を求めることにより上記目的
を達成するものである。

作　　　　用 本発明は上記構成により被検体の音速分散の相対値を求
めるようにしたもので、被検体の音速分散の温度依存デ
ータをもとに、音速分散の相対値の加温前後の変化率か
ら被検体内の局所的温度上昇を推定することが可能であ
る。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

第１図は本発明の一実施例における超音波計測装置の機
能ブロック図である。

第１図において、１０は超音波変換器、１１は超音波変
換器１０を駆動するパルス駆動器、１２は発振器であり
、発振器１２の出力によりパルス駆動器１１のＲＦパル
スの几Ｆ周波数が決定される。１３は超音波変換器１０
からの受信信号を増幅するプリアンプ、１４はプリアン
プ１３の出力を増幅する可変利得アンプ、１５は可変利
得アンプエ４の利得を時間的に制御するＴｉｍｅ　Ｇａ
１ｎ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（以後ＴＧＣと略す。）
、１６はパルス駆動器１１やＴＧＣ１５の動作タイミン
グを制御するタイミング制御部、１７は可変利得アンプ
１４の出力をデジタルデータへ変換するＡ／Ｄ変換器、
１８はＡ／Ｄ変換器１７の出力を記憶するメモリ、１９
はメモリ１８ののアドレスを発生するアドレス発生器、
２ｏはタイミング制御部１６、ＴＯＣ１５、アドレス発
生器１９、等システム全体の制御を行う主制御部、２１
はメモリ１８に記憶されたデータのなかの特定の窓区間
に対応するデータを記憶するメモリ、２２は離散フーリ
エ変換を行う時に必要な係数を記憶しているリードオン
リメモリ（以後ＲＡＭと略す）、２３はメモ’）　２１
　ヤＲＯＭ　２２のアドレスを発生するアドレス発生器
、２４は乗算器であり、メモリ２１とＲ，０Ｍ２２の出
力するデータの乗算を行い、その結果を前段のメモリ２
１へ戻すか、又は次段の累積加算器２５へ伝える。累積
加算器２５は乗算器２４の出力について累積加算を行う
。離散フーリエ変換の角周波数を変える度に累積加算器
２５の出力をメモリ２６゜２７へ書込む。複素フーリエ
変換の実部をメモリ２６へ、虚部をメモリ２７へ書込む
。メモリ２１．１１０Ｍ２２、アドレス発生器２３、乗
算器２４、累積加算器２５、メモリ２６　、２７により
離散フーリエ変換部２８を構成する。２９はメモリ２６
のデータを実部、メモリ２７のデータを虚部としたとき
の複素数の偏角φを計算する演算器、３０は特定の窓区
間に対応する偏角φを記憶するメモリ、３１は前記した
特定の窓区間とは異なる窓区間に対応する偏角φを記憶
するメモリ、３２はメモＩＪ　３０　、３１　Ｅ記憶さ
れた偏角φの差を計算して異なる窓区間同士の位相差△
φを求める演算器であり、メモリ３０　、３１、演算器
２９　、３２で位相差演算部３３を構成する。３４は位
相差△φを記憶するメモリ、３５はメモリ３４に記憶さ
れた位相差Δφからその局所変化率△△φを計算する演
算器、３６は局所変化率△△φを記憶するメモリ、３７
はメモリ３６に記憶された局所変化率Δ△φから周波数
変化率Ｒφを計算する演算器であり、メモＩＪ　３４　
、３６、演算器３５゜３７で変化率演算部３８を構成す
る。３９は周波数変化率Ｒφを記憶するメモリ、４０は
メモリ３９に記憶されている周波数変化率から温度変化
率を計算する演算器、メモリ３９、演算器４０により温
度変化率演算部４１を構成する。４２は温度変化率を表
示する表示部、５０は被検体である。

以上のような構成において以下その動作を説明する。

まず、パルス駆動器１１により駆動された超音波変換器
１０は被検体５０内へ超音波パルスを照射する。超音波
パルスは被検体５０内の反射体Ｒ１。

Ｒ２により次々反射され、超音波変換器１０において受
信信号に変換される。反射体＆　、　Ｒ２による受信波
形をり、　、　Ｒ２とし、ｈｌとＲ２の位相がどのよう
に変化しているかを以下に説明する。

一般に生体組織のように周波数のほぼ１乗（二比例して
超音波の減衰が増大する場合には（１）式で示す関係が
あることがウルトラソニック　イメージング：　ＵＬＴ
ＲＡ８ＯＮＩＣＩＭＡＧＩＮＧ　（ｖｏｌ　４．１９８
２゜第３５５頁−第３７７頁）に記載されている。

ここでω；角周波数、■（ω）；位相速度、τ；遅延時
間、β；減衰の周波数勾配である。（１１式は位相速度
Ｖ（ω）が周波数依存する、すなわち分散することを示
している。角周波数ω１とω２における位相速度の差△
Ｖは以下のように表わせる。

△Ｖ＝Ｖ（ω２）　−Ｖ（ω１） ω２／ω１−２の場合、脂肪組織ではΔｖが１　ｍ／ｓ
ｅｃ　。

筋肉では３ｒｎ／Ｓｅｃ程度になることがわかる。又減
衰の周波数勾配βが温度依存することからΔＶも温度依
存することがわかる。

一方、受信波形ｈｌとＲ２の角周波数ωにおける位相差
△φは次式で表わされる。

ここでパは反射体Ｒ１とＲ２の間の距離であり、この場
合、被検体内に存在するため未知の量となっている。周
波数ωをΔωだけ変化させた場合の位相差△φの変化で
ある局所変化率品φは位相速度Ｖ（ω沙変化が小さいと
して次式で近似できる。

角周波数ωを大きくω１からω２まで変化させた場合の
前記局所変化率△△φの比である周波数変化率Ｒφは となり位相速度の比となることがわかる。（５１式にお
いて未知の量である距離△Ｘが消去されていることが重
要になる。

以上のようにして、受信波形のｈｌとＲ２の位相を分析
、演算することにより、角周波数ω１とω２における位
相速度の周波数変化率Ｒφが得られることがわかる。（
Ｒφ−１）は（５）式と（２）式を用いて次式で表わさ
れるから （Ｒφ−１）が減衰の周波数勾配βに比例する、つまり
温度依存することがわかる。このことから逆に（Ｒφ−
１）の値を被検体５０を加温する前と後で記録すること
により、βの温度依存データをもとに加温による被検体
内の温度上昇を推定することが可能になる。又、この（
Ｒφ−１）の値は、反射体Ｒ１とＲ２の距離ΔＸを用い
ずに得られており、このことは、長時間の加温の後に距
離ΔＸが変化しても構わないという利点を有する。

次に、この（Ｒφ−１）の値が、第１図のブロック図に
おいてどのような過程で得られるかを以下に説明する。

超音波変換器１０からの受信信号はプリアンプ１３で増
幅され、さらに可変利得アンプ１４においてＴＧＣ１５
の制御のもとに増幅される。ＴＧＣ１５は被検体５０内
における超音波パルスの減衰を補償するように可変利得
アンプ１４の利得を制御する。

可変利得アンプ１４の出力はＡ／Ｄ変換器１７において
デジタルなサンプルデータ列Ｘ　（ｎ）　；　（ｎ＝ｔ
〜Ｎ）に変換される。Ａ／Ｄ変換器１７はビット数が多
く、サンプリング速度も超音波周波数の１０倍程度以上
の高速で動作するものが望ましい。サンプルデータ列Ｘ
　（１）はメモリ１８　に記憶された後、まず受信波形
ｈ１に相当する部分のデータ列Ｈ（１）〜ＨＭがメモリ
２１　へ転送される。データ列Ｈ（１）〜Ｈ□□□は（
６）式に示す公式にもとづいて離散フーリエ変換される
。

Ｚ（ｏｉ）＝ΣＨ（ｍｌ−ｅｘｐ　（ｊ・ωｉ−ａＴ−
ｍ）　　　　−（６）Ｚ（ｏｉ　）　＝　Ｒ（ｏｉ　）
　＋　ｊ　Ｘ　（ｏｉ）ここで△Ｔはサンプル時間間隔
である。

（６）式における乗算の係数ｅｘｐ　（ｊ・ω１・△Ｔ
、ｋ）はＲＯＭ　２２に記憶されている。（６）式にお
けるＨ（ｋ）と係数の積は乗算器２４で、Σ演算は累積
加算器２５で実行される。離散フーリエ変換結果の実部
几（ωＩ）はメモリ２６へ、虚部Ｘ（ｏｉ）はメモリ２
７へ記憶される。ＲＯＭ　２２には窓区間の重み係数も
記憶しておいても良い。重み係数を乗じたデータ列に離
散フーリエ変換を実行した場合の効果は周知の事実であ
る。サンプルデータ列Ｘ（ｎ）からデータ列Ｈ（ｍ）の
選択は主制御部２０による窓区間の設定とそれに対応し
たアドレス発生器１９のアドレス発生（二より実行され
る。同様にして受信波形り、、　ｌ”ニー相当するデー
タ列も離散フーリエ変換され、メモＩＪ　２６　、２７
に記憶される。次に角周波数ω！における受信波形ｈｉ
の位相φ１（ｏｉ）は演算器２９において次式のように
求まる。

φ１　（ωｘ）＝ａｒｃｔａｎ　（Ｘ（ｏｉ　）／Ｒ（
ｏｉ　））　　　　　−＝　（７）位相φ１（ｏｉ）は
メモリ３０へ、受信波形ｈ２の位相φ２（ωＩ）はメモ
リ３１に記憶される。受信波形ｈ１とｈ２の角周波数ω
１における位相差Δφは、次式％式％（８） 演算器３２で計算される。この位相差Δφ（ω１）はメ
モリ３４に記憶される。この位相差△φは反射休刊ｌと
几２の間の伝播媒体の位相特性を反映するものであり、
（３）式に示した△φに相当するデータである。次に演
算器３５は（４）式と（５）式で示した角周波数ω１．
ω１＋蜘、ω２．ω２−１−ンノｌ二対応した位相差Δ
φをメモリ３４から読出し位相差の変化、即ち、局所変
化率ΔΔφを以下のように計算する。

△△φ（ω１）＝△φ（ω１＋ｍ）−△φ（ω１）ΔΔ
φ（ω２）＝Δφ（ω２＋帥）−ムφ（ω２）　　　・
・・・（９）このようにして求めた△△φ（ω１）とΔ
△φ（ω２）はメモリ３６へ記憶される。メモ’Ｊ３６
Ｅ記憶された△Δφ（ωｌ）とΔΔφ（ω２）の比であ
る周波数変化率Ｒφは演算器３７で（５）式に示す除算
で求められる。比Ｒφは被検体５０の加温の各段階でメ
モリ３９　に記憶される。演算器４０はメモリ３９に記
憶されている周波数変化率Ｒφの値から（Ｒφ−１）の
値がどのように変化しているかを計算する。例えば常温
時における（Ｒφ−１）の値で加温時におけるのφ−１
）の値を除すれば（６）式より となって減衰の周波数勾配βの温度変化が求まる。

温度変化演算部４１の結果は表示部４２に表示される。

なお（９）式で示した位相差の変化ΔΔφは非常に小さ
な量であり、精度を上げるためω１の付近の多数の異な
る周波数で△△φを計算し、その計算結果を平均して△
△φ（ωｌ）とし、△△φ（ω２）についても同様な平
均値を用いても良い。又、△φ（ω１）〜Δφ（ω１＋
Δω）の区間を直線等で近似し、その結果新たに決定さ
れた△φ（ω１）とΔφ（ω十△ω）の値を用いてΔ△
φを求める等の精度向上の手法が考えられる。

又、超音波の送、受信を多数回繰返しアベレージングし
た結果について離散フーリエ変換を行う等の手法も可能
である。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、受信
波形を複数窓区間において離散フーリエ変換することに
より、位相差演算部３３で異なる窓区間における波形の
位相差Δφを求め、更に位相差の変化である局所率化率
ΔΔφから周波数変化率Ｒφを求め、被検体内の温度上
昇にもとづく音速分散特性の変化を検出することができ
る。又、音速分散の温度依存があらかじめ知られている
場合には、温度変化を推定することもできる。又、窓区
間（二おける測定を行っているので窓区間を２次元的に
走査すれば被検体内の音度変化の２次元分布を得ること
も可能である。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第２図は本発明の第２の実施例における位相差演算部と
その周辺のブロック図である。第２図において、第１図
の構成と異なる点は演算器２９　の出力に位相補正部３
８０を設け、可変利得アンプ１４の伝播遅延時間差を補
正した点である。

３８１はＲＯＭであり、主制御部２０が指定する可変利
得アンプの利得Ａと角周波数ωに対応した遅延位相φｄ
を出力する。演算器３８２において演算器２９が出力す
る位相φに対しＲＯＭ３８１が出力する遅延位相φｄが
減じられ、演算器３８２の出力である補正された位相φ
が、窓区間に対応してメモＩＪ　３０又は３１へ書込ま
れる。その他の構成は第１図の構成と同じである。

上記構成において、以下その動作を説明する。

超音波変換器１０からの受信信号は可変利得アンプ１４
において被検体５０内における超音波の減衰を補正され
る。例えば、電圧により利得を制御される可変利得アン
プの場合にはＴＧＣ１５が時間的に変化する電圧を出力
することにより被検体５０の深部からの受信信号に対す
る利得を浅部からの受信信号に対して相対的に犬とする
手法があることは一般に知られている。しかしながら一
般にアンプの利得を変化させると同時に信号の伝播遅延
時間も変化する場合があることも知られている。

この時間の変化は非常に小さいが、微小な音速の変化を
計測する場合には無視できない量きなる。

離散フーリエ変換の複数の窓区間における可変利得アン
プ１４の利得とその利得に対応した伝播遅延時間から決
定される遅延位相の関係をあらかじめ計測しておくこと
により、この伝播遅延時間の影響を補正することが可能
となる。遅延時間りと遅延位相φｄの間には次式で示す φａ＝Ｄ・ω　　　　　　　　　　　　・・・０１）関
係があり、遅延位相は角周波数ωに大きく依存する値で
あることがわかる。この遅延位相φｄを演算器２９が出
力する位相φから減じることにより、可変利得アンプ１
４の伝播遅延時間りが受信波形の位相φに与える影響を
補正することが可能となる。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、受信
信号に対する可変利得アンプ１４の伝播遅延時間の影響
を位相補正部３８０により補正することにより位相φの
測定精度を高めることができ、その効果は大きい。

発明の効果 以上のように本発明は、超音波変換器からの受信波形を
複数窓区間において離散フーリエ変換し７、フーリエ変
換した結果から位相φを求め、異なる窓区間における位
相の差Δφを求め、この位相差Δφの変化即ち局所変化
率△Δφを求め、この△Δφから周波数変化率Ｒφを求
め、被検体内の温度上昇にもとづく音速分散特性の変化
を検出することができ、被検体内の組織の位置関係が時
間的に変化している場合にもその影響を受けない測定方
法であり、癌の温熱療法等の温度モニタとしてその効果
は太きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における超音波計測装置
の機能ブロック図、第２図は本発明の第２の実施例にお
ける位相差演算部周辺の機能ブロック図、第３図は従来
の超音波計ｌｆＩ＋＋装置の概念図である。 １０・・・超音波変換器、１１・・・パルス駆動器、　
１４・・可変利得アンプ、２８・・・離散フーリエ変換
部、３３・・位相差演算部、３８・・・変化率演算部、
４１・・温度変化率演算部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波変換器と、前記超音波変換器からの受信信
   号に対する増幅器と、前記増幅器の出力を複数の窓区間
   で離散フーリエ変換する離散フーリエ変換部と、前記離
   散フーリエ変換部からの出力データの前記複数の窓区間
   における位相差を求める位相差演算部と、前記位相差演
   算部の出力データの周波数変化率を求める周波数変化率
   演算部と、前記周波数変化率に基づき温度変化率を求め
   る温度変化率演算部とを具備することを特徴とする超音
   波計測装置。
2. （２）位相差演算部が、受信信号に対する増幅器の利得
   レベルに対応して位相補正を行った後、その位相差を求
   めるごとく構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超音波計測装置。