JPS6241646A - 超音波音速測定装置 - Google Patents

超音波音速測定装置

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JPS6241646A
JPS6241646A JP18020385A JP18020385A JPS6241646A JP S6241646 A JPS6241646 A JP S6241646A JP 18020385 A JP18020385 A JP 18020385A JP 18020385 A JP18020385 A JP 18020385A JP S6241646 A JPS6241646 A JP S6241646A
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JP
Japan
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ultrasonic
sound velocity
ultrasonic transducer
receiving
phase difference
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Application number
JP18020385A
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English (en)
Inventor
高見沢 欣也
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は生体等の媒質中の超音波音速を測定する装置に
係り、特に媒質中の局所的な音速を測定する超音波音速
測定装置に関する。
〔発明の技術的背景〕
超音波を用いて生体内の情報を得る超音波診断法は、被
検者に負担をかけずに軟部組織の診断ができ、しかも無
侵輯であるという利点を持っており、近年の高速走査装
置の進歩によって急速に普及してきた。超音波診断法に
はパルス反射法と透過法とがあるが、操作性の良さと、
診断部位の自由度の高さという点から、パルス反射法が
実用化されている。
このような超音波診断法に対して最近、画像の定量化の
要求が高まっている。画像の定量化は持に、臓器疾患の
良性・悪性の鑑別診断に有効である。しかしながら、従
来のパルス反射法では、反射波強度が生体内組織間の音
響インピーダンス(密度と音速との積)の差のみならず
、反射面の形状2反射面に対する超音波ビームの入射角
、生体中での超音波吸収層等にも依存していることと、
これらの情報を分離して検出することが困難であるとの
理由から、画像の定量化は極めて困難であった。
一力、生体内の音速を計測する方法は、従来より透過型
超音波CTにおいて行なわれており、未だ研究段階であ
るがその性能が徐々に向上しつつある(文献1 : G
reenleaf、 J 、F 、 et、al。
[Acoustical Holography J 
vol、6.1975) 。しかし、透過法は超音波伝
搬経路に骨やガスのある部位には適用できないため、乳
腺検査等ごく限られた領域でしか使用できないという大
きな欠点を有している。
そこで、パルス反射法により臓器内の音速を測定する方
法が、文献2:第44回日超医論文集p129.198
4  r超音波伝搬速度を利用したび慢性肝疾患診断の
試み」赤松他、によって報告されている。これは強い指
向性を持つ2つの超音波トランスデユーサを各々送信用
、受信用として用い、送信用超音波トランスデユーサか
ら送信された超音波が両トランスデユーサの中心軸の交
点付近で反射した後、受信用超音波トランスデユーサに
到達するまでの伝搬時間の差を求め、この伝搬時間差と
両トランスデユーサ間の距離および両トランスデユーサ
の中心軸のなす角度から算出される予想伝搬距離とによ
り、肝臓内の平均音速を求める方法である。
この方法は肝臓内金体が一様な音響特性を持つ肝硬変の
ようなび慢性疾患の診断には確かに有効であるが、得ら
れる音速が伝搬経路内での平均音速であるために局所的
な疾患には適用できない。
また、肝臓内部とは音速の異なる表皮や脂肪層をも超音
波が伝搬するため、音速測定誤差が大きいという問題が
ある。さらに、この方法においては生体内からの反射波
波形をシンクロで表示し、この表示波形を検者が直接観
測することにより前記の伝搬時間差を求めているため、
診断上有益な短時間内での2次元的超音波音速分布の測
定は不可能であった。
[発明の目的] 本発明はこのような従来の問題点を解決するためになさ
れたもので、媒質中の局所的な超音波音速を精度良く、
しかも自動的に測定することを可能とした超音波音速測
定装置を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明はこの目的を達成するため、送信用超音波トラン
スデユーサにより媒質内に超音波を送信すると共に、媒
質内の超音波散乱領域における異なる2点からの反射波
を受信用超音波トランスデユーサにより受信して、これ
ら複数の反射波信号間の位相差を計測し、この位相差に
基づいて媒質内の前記超音波散乱領域における局所的な
超音波音速を算出するようにしたことを特徴とする。即
ち、本発明は送信用超音波トランスデユーサから送信さ
れた超音波が媒質中の超音波大乱領域の異なる2点で反
射された後、受信用超音波トランスデユーサに到達する
までの伝搬時間の差が、両反射波の位相差に依存するこ
とを利用して、この位相差から局所的な超音波音速を測
定するものである。なお、超音波音速を測定すべき前記
超音波散乱領域は、送信用超音波トランスデユーサの送
信領域と受信用超音波トランスデユーサの受信領域との
交叉領域として与えられる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、生体等のi*内の局所的な超音波音速
を測定でき、しかも2つの反射波の位相差計測は電子回
路により演算によって行なうことができるので、音速測
定を自動化することが可能である。従って、超音波音速
を求めようとする超音波散乱領域を種々変えて同様の測
定を行なうことで、短時間で2次元的な超音波音速分布
を求めて表示することも可能であり、局所的に発生する
腫瘍等の鑑別診断に極めて有効な情報を与えることがで
きる。
(発明の実施例〕 第1図は本発明の一実施例に係る超音波音速測定装置の
構成を示すものである。図に示すように、1つの送信用
超音波トランスデユーサ1と、2つの受信用超音波トラ
ンスデユーサ2.3が用意され、生体4の表面に装着さ
れている。
送信用超音波トランスデユーサ1は、コントローラ6の
制御の下で送信回路5から供給される電気的パルスによ
り駆動され、媒質である生体4内に向けて超音波パルス
を送信する。この超音波パルスは生体4内の第2図に示
す超音波散乱領域20で反射され、領域20内のA点か
らの反射波は第1の受信用超音波トランスデユーサ2に
より受信され、B点からの反射波は第2の受信用超音波
トランスデユーサ3により受信される。
受信用超音波トランスデユーサ2,3により受信され電
気信号に変換された反射波は、図示してない増幅器、検
波器等の信号処理回路を適宜介して、コントローラ6に
より制御□□されているA/D変換器7,8でそれぞれ
ディジタル信号に変換される。これらのディジタル信号
に変換された反射波は、メモリ9,10に一旦記憶され
る。
メモリ9.10に記憶された反射波のデータは、FFT
(高速フーリエ変換)回路11において順次フーリエ変
換され、その各周波数スペクトラムの振幅と位相が算出
される。そして、音速演算回路12でこれら周波数スペ
クトラムの振幅と位相に基づいて前記2つの反射波の位
相差が算出され、さらにこの位相差から第2図の超音波
散乱領域20における局所的な超音波音速が算出される
次に、第2図を参照して本実施例における超音波音速の
測定原理を詳細に説明する。第2図に示すように、3つ
の超音波トランスデユーサ1〜3をその各中心軸(送信
または受信超音波ビームの中心軸)が同一面上に位置す
るように生体4の表面に配置する。但し、受信用超音波
トランスデユーサ2,3の中心軸は平行とする。一方、
送信用超音波トランスデユーサ1の中心軸は受信用超音
波トランスデユーサ2.3の中心軸とは角度θ0で交叉
するものとする。このときの各超音波トランスデユーサ
1−3の中心軸の交点をA、B、受信用超音波トランス
デユーサ2.3の位置をE。
F、またA点から線分FBへの垂線と線分FBとの交点
をDとし、領域ADBD’ を超音波音速を測定すべき
超音波散乱領域20(関心領域)とする(但し、AD/
/BD’ )。また、AE間およびDF間での平均音速
をC+ 、C2、超音波散乱領域20での音速をCD 
とすれば、送信用超音波トランスデユーサ1から送信さ
れた超音波がA点。
B点で反射された後、受信用超音波トランスデユーサ2
,3で受信されるまでに要する伝搬時間tl、t2は、 t、 、、j’  −1−t。
。            −(1) となる。但し、tl)は送信された超音波がA点に到達
するまでの伝搬時間、またQx =AE=DFである。
従って、送信用超音波トランスデユーサ1から送信され
る超音波5r(t)を ST  (t)−Q (t>  ・ expj  (ω
ロ t+φ0 )・・・(3) で表わせば、受信用超音波トランスデユーサ2゜3で受
信される反射波SRI  (t)、SR2(i)は各々
次式で示される。
SRL  (t)=YAQ (t−tt )・expj
 (ωo(t−tx)+φ口)・・・(4)SR2(t
)=YsQ (t−t2)・expj (ωロ (t−
t2)+φ0)・・・(5)但し、YA、YBはA、B
点の反射係数、ω(1は超音波中心各局波数、Q (t
)は超音波パルス包絡線関数、φ口は初期位相をそれぞ
れ示す。
ST (t)、SR1(t)、SR2(t)をフーリエ
変換したものをPG  (ω)、PRl(ω)。
PR2(ω)とすれば、 =YA e−”tt Pa  (ω)−(6)同様にし
て PR2(ω) =YB 6−jωt2  PG  (ω
) −(7)ここで、 * PRI(ω)・PR2(ω) −YAYRe−”’(’z−tI)l Pa  (ω)
  l ”=A ((、)。◆偵ω)       ・
・・(8)(但し、*は複素共役を示す) から位相差φ(ω)が求まり、ざらに伝搬時間差Δt−
t2−tlは Δt=−φ(ω)/ω      ・・・(9)から求
めることができる。
なお、実際に用いられる超音波は有限のビーム幅を有し
ているため、A、B点からの反射波は多くの反射体から
の反射波の合成されたものであり、その位相−周波数特
性はゆらぎを持ち、それに伴い上記位相差φ〈ω)も第
3図の実線で示すようにゆらぎを生じている。従って、
同図に破線で示すように位相差φ(ω)が角周波数ωに
対して直線的に変化するという直線近似を行ない、次式
(10)のようにφ(ω)のこの位相差φ(ω)の周波
数特性の勾配値に基づいて伝搬時間差Δtを求め、超音
波音速を算出することが望ましい。
一方、(1)(2)式より Δt−t2−tl ここで、受信用超音波トランスデユーサ2,3間の距離
ΔXが小さい場合には、超音波の各伝搬経路AE、FD
の音響特性はあまり差がないと仮定することができるた
め、C1&PC2となり、(11)式は Δt−(AB+BD)/Co      −(12)と
なる。また、Δx −3[) janθa=A 3 s
inθ0として(12)式を変形すると、となる。ざら
に、(13)式に(1o)式を代入すると、 となる。
即ち、受信用超音波トランスデユーサ2.3間の距離Δ
X、送信用超音波トランスデユーサ1の中心軸と受信用
超音波トランスデユーサ2,3の中心軸とのなす角く交
叉角)6口および受信された反射波の位相特性より、超
音波散乱領域での超音波音速Coを求めることができる
。実際にはΔXおよび角度0口は既知であるから、位相
差φ(ω)を計測するのみで超音波音速を算出すること
ができる。
第4図は本発明の他の実施例を示すもので、電子走査に
より生体内の断層像(Bモード像)を得る場合に使用さ
れるアレイ型の超音波トランスデユーサの一部を、本発
明に基づく超音波音速の測定に利用した例である。即ち
、アレイ型超音波トランスデユーサ30を構成する多数
配列された撮動子のうち、送信時には斜線で示す31の
領域が使用され、受信時には同じく斜線で示す32の領
域と33の領域が使用される。これら各領域31〜33
における振動子の数は図では複数であるが、場合によっ
ては1つであってもよい。
アレイ型超音波トランスデユーサ300領域31から超
音波を送信する場合、領域31における隣接した複数個
の振動子の駆動タイミングを遅延手段により所定時間ず
つずらせることによって、その超音波ビームを例えば第
4図中に示したように偏向させることができる。このよ
うな電子的な偏向を行なうための具体的な駆動方法とし
ては、例えば特公昭56−10058号公報に記載され
た方法を用いることができる。
この実施例は単一のアレイ型超音波トランスデユーザを
用いた局所的な超音波音速の測定が可能で、操作性に優
れており、またBモード像のリアルタイム表示を併せて
行なうことができるため、超音波音速を測定しようとす
る超音波散乱領域の正確な設定を容易に行なえるという
利点がある。
また、送信および受信用超音波トランスデユーサの位置
(領域31〜33〉および送受信超音波ビームの偏向角
を電子的手段により高速に変えることで、超音波の送信
領域と受信領域との交叉領域を変えることができるので
、生体内全領域での局所的な超音波音速の測定ができ、
さらには2次元的な音速分布を求めて表示することもで
きる。即ち、従来では不可能であったパルス反射法によ
る生体内超音波音速分布の測定が可能となる。
第6図は本発明のざらに別の実施例を示すもので、2つ
の送信用超音波トランスデユーサ1゜1′を用いている
。第1の送信用超音波トランスデユーサ1から送信され
た超音波は、生体4内の超音波散乱領域40における異
なる2点A、Bで反射された後、受信用超音波トランス
デユーサ2゜3でそれぞれ受信され、また追加された第
2の送信用超音波トランスデユーサ1′から送信された
超音波も、同様に超音波散乱領域40の異なる2点り’
 、Dで反射された後、受信用超音波トランスデユーサ
2.3でそれぞれ受信される。そして、受信用超音波ト
ランスデユーサ2.3で受信される点A、Bからの反射
波の位相差と、点D’ 、 Dからの反射波の位相差が
計測され、それらの位相差に基づいて前記実施例と同様
にして超音波散乱領域40における局所的な超音波音速
が算出される。
即ち、第2の送信用超音波トランスデユーサ1′から送
信された超音波が点い′およびDで反射された後、受信
用超音波トランスデユーサ2゜3で受信されるまでの伝
搬時間t= 、t4は、θ0−θロ’ 、GA−HDな
らば、 t3−ム十t・。
。、             ・・・(15)DD’
 AD’ l・ ・     、(16)t4″可7+
可:十司−十1・ となる。ここで、AB=DD’ 、AD’ =DBであ
るから、(1)式および(15)  (16)式よりΔ
t=Δtt2−Δt43 =t  2−tt   −<t  ヨ  − 1+)と
なる。さらに、(16)式より 一方、(17)式におけるΔt12.△t4ヨは〈10
)式と同様にして Δt+ 2−一±・L扛上      ・・・(19)
2π  al △t43−−±・1”4     ・・・(20)2π
  δj のように表わすことができるから、 となる。従って、(21)式を(18)式に代入するこ
とにより、 より超音波散乱領域40における超音波音速を算出する
ことができる。
第1図に示した実施例では、超音波音速を求めるのにC
r−02なる条件が必要であったが、第5図の実施例に
よればこのような条件が成立しない場合でも、超音波音
速を求めることが可能である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことができる。例えば実施例では送信用超音波トランス
デユーサと受信用超音波トランスデユーサをそれぞれの
中心軸が交叉するように配置したが、層構造を持つ媒質
中の超音波音速を測定する場合のように、超音波の反射
が生じる場所が限られており、それが既知であるような
場合には、超音波の送受信を同一の超音波トランスデユ
ーサにより行なうことも可能である。
また、反射波の信号処理に関しては、反射波信号を直交
位相検波した後、A/D変換器に入力してディジタル化
してもよい。その場合、A/D変換器でのサンプリング
周波数を但くすることができ、メモリ9.10やFFT
回路11および音速演算回路12等の回路規模を縮小で
きるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る超音波音速測定装置の
構成図、第2図は同実施例における生体内の局所的超音
波音速を計測する原理を説明するための図、第3図は本
発明における超音波音速測定に使用される反射波の位相
特性とその直線近似について示す図、第4図は本発明の
他の実施例を説明するための図、第5図は本発明のさら
に別の実施例を説明するための図である。 1.1′送信用超音波トランスデユーサ、2.3・・・
受信用超音波トランスデユーサ、4・・・生体く媒質)
、5・・・送信回路、6・・・コントローラ、7.8・
・・A10変換器、9,10・・・メモリ、11・・・
FF7回路、12・・・音速演算回路、13・・・表示
装置、20.40・・・超音波散乱領域、30・・・ア
レイ型超音波トランスデユーサ、31・・・送信領域、
32.33・・・受信領域。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第1図 第2図 ω0     □ω 第3図 第4図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)媒質内に超音波を送信する送信用超音波トランス
    デューサと、媒質内の超音波散乱領域における異なる2
    点からの反射波を受信する受信用超音波トランスデュー
    サと、この受信用超音波トランスデューサにより受信さ
    れた複数の反射波信号間の位相差を計測する位相差計測
    手段と、この位相差に基づいて前記媒質内の前記超音波
    散乱領域における局所的な超音波音速を算出する演算手
    段とを備えたことを特徴とする超音波音速測定装置。
  2. (2)前記超音波散乱領域は、前記送信用超音波トラン
    スデューサの送信領域と前記受信用超音波トランスデュ
    ーサの受信領域との交叉する領域であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の超音波音速測定装置。
  3. (3)前記演算手段は、前記位相差の超音波周波数に対
    する変化を直線近似し、該位相差の周波数特性の勾配値
    に基づいて前記超音波音速を算出するものであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波音速測定
    装置。
JP18020385A 1985-08-16 1985-08-16 超音波音速測定装置 Pending JPS6241646A (ja)

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