JPS6268441A - 超音波組織診断装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は超音波を生体内に送受波して医学的な診断情報
を得る超音波０組織診断装置に係り、特に超音波の生体
組織との相互作用で生じる非線形現象を用いて生体の組
織診断を行う超音波組織診断装置に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

超音波組織診断装置として生体内における超音波伝播速
度（以下「音速」という）を測定することにより生体ｍ
織に対する医学的診断を行う方式のものと、生体組織の
非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）と音速の逆数の２乗との積
を計測することにより生体Ｍｉ織の医学的診断を行う方
式のものとがある。

〔背景技術の問題点〕

ところで、後者の方式を採用する装置においては、非線
形パラメータ（Ｂ／Ａ）の絶対値を得るために、超音波
の音場と、超音波振動子の励振に供される駆動電圧と、
超音波振動子より送波される超音波の音響的パワーとの
絶対的関係を求める必要がある。このため、非線形パラ
メータ（Ｂ／Ａ）の絶対値を得るのは極めて困難となり
、もっと簡便な手法により生体組織を特性化することに
よって診断能の向上を図りたいというのが事情である。

〔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、簡便な手法により生体組織を特性化
することができ、医学的診断能の向上を図ることができ
る超音波組織診断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、複数の超音
波振動子を配列して成る超音波振動子アレイと、この超
音波振動子アレイを、それぞれ隣接する複数の超音波振
動子毎に超音波送波用と受波用とに切り換える切換手段
と、超音波送波用の振動子群の励振に供される駆動電圧
を段階的に可変でき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を基に電圧依存パ
ラメータを算出する電圧依存パラメータ算出回路と、超
音波送波用及び受波用の振動子群それぞれの中心位置の
切り換え移動毎に各超音波伝播径路における超音波の平
均音速を算出する音速計算回路と、算出された電圧依存
パラメータ及び平均音速を取り込み、それぞれ隣接する
超音波伝播径路間での差をとることにより局所電圧依存
パラメータ及び局所音速を算出する局所パラメータ計算
回路と、既知の物理特性を有するファントムから得られ
た局所電圧依存パラメータ及び局所音速、未知の物理特
性を有する生体から得られた局所電圧依存パラメータ及
び局所音速を基に局所複合パラメータを算出する複合パ
ラメータ計算回路と、算出された局所複合パラメータ及
び局所音速を基に２次元画像表示を行う表示手段とを有
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。

最初に複合パラメータξ（ｘ＋いの測定原理について説
明し、その後に超音波伝播径路のスキャン原理、生体組
織における音速の測定原理、電圧依存パラメータの測定
原理１局所音速と局所電圧依存パラメータとの測定原理
について説明する。

く複合パラメータξ　（ｘ、ｙ）の測定〉超音波と生体
との非線形効果によって生成される電圧依存パラメータ
Ｋ　（ｘ、いは、非線形パラメータ（Ｂ／Ａ）と音速（
Ｃ）等によって次のように表わされる。

ここで、ｋは超音波の減衰９反射２周波数、音場の効果
に依存する定数である。このため、非線形パラメータＢ
／Ａの絶対値を求めることは極めて困難となる。

そこで、本発明においては、第１に、超音波の減衰＜Ａ
ｔ　”）　、散乱係数（γＰＭ）、音速（Ｃｏ”）及び
非線形パラメータ（（Ｂ／Ａ）ＰＭ）が既知であるファ
ントム（例えば寒天グラファイトファントムナト）ヲ用
意し、このファントムに超音波パルスを送波することに
より、非線形効果で生ずる電圧依存パラメータＫＰＨ（
ｘ＋ｙ）と音速Ｃ’　”　（ｘ　＋　ｙ）　とを測定す
る。第４図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ測定されたＫ
ＰＨ（ｘ、ｙ）及びＣ”　（ｘ＋　ｙ）を模式的に示し
たものである。測定された電圧依存パラメータＫ　”’
　（ＸＩ　ｙ）には、前（１）式における定数にの効果
が含まれている。

第２に、上記ファントム測定と同一条件で超音波パルス
を生体（被検体）に送波し、電圧依存パラメータＫ　１
１０（ｘ＋　ｙ）と音速Ｃ”（ｘ＋ｙ）とを測定する。

第４図（ｃ）　、　（ｄ）はそれぞれ測定されたＫ”（
ｘ、ｙ）及びＣｌ１０（ｘ、　ｙ）を模式的に示したも
のである。このとき、生体における超音波の減衰９反射
は未知である。

第３に、上記測定において得られたＫ”（ｘ、ｙ）。

Ｃ″）ｌ（ｘ＋ｙ）　、　　Ｋ”（ｘ、ｙ）　、　　Ｃ
Ｂｏ（ｘ、ｙ）を用いて超音波の音場１周波数の影響を
キャンセルし、次式で示すように超音波の減衰、散乱、
非線形パラメータの積で定義される複合パラメータξ（
ｘ、ｙ）を求める。

・・・（２） 第４図（ｅ）はξ（ｘ、ｙ）を模式的に示したものであ
る。

このようにして求められた複合パラメータξ（ｘ、ｙ）
は、生体組織を特性化する量となっている。なぜなら、
複合パラメータξ（ｘ、ｙ）は生体における超音波の減
衰、散乱係数、非線形パラメータの積であり、しかもこ
れら各因子のそれぞれが生体組織を特性化するものだか
らである。

く超音波伝播径路のスキャン〉 第５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Ａ
１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径路
ＡＩ　　ｐＨを直進し、点Ｐ、での反射波が受渡径路ｐ
ＨＢ＋１を通り、Ｂ、を中心とする第２の振動子群によ
って受波される。そして後述するように、この超音波伝
播径路Ａ＋　　Ｐ＋＋　　Ｂ＋＋における平均音速（ご
１１）と全電圧依存パラメータ（Ｋ　ｌ　＋）とが算出
されると、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Ｐ１
□での反射波が今度はＢ１２を中心とする第２の振動子
群により受波される。そして、この超音波伝播径路ＡＩ
　　　ＰＩ３　　Ｂ＋□における平均音速（砺２）と全
電圧依存パラメータ（Ｋ、□ンとが算出される。以下同
様に超音波送波位置及び受波位置をスキャンすることに
より、最終的に２ｍＸｎ個の平均音速（コ）と全電圧依
存パラメータ（Ｋ）　との組みが算出される。

〈平均音速（Ｃ）の測定〉 上記の各超音波伝播径路毎に超音波の送波から受波まで
の超音波伝播時間ｔを測定すれば、送信用の第１の振動
子群と受信用の第２の振動子群との中心間距離ｙは既知
であるから、次式により平均音速こを算出することがで
きる。

但し音速が未知であるからθは厳密には未知であり、ま
た生体の中に点Ｐなる反射体が存在するわけではないか
ら（３）式から音速を求めるために実際には種々の工夫
も必要となる。

く全電圧依存パラメータ（Ｋ）の測定〉リニア電子スキ
ャン用プローブｌを用い、音速測定の場合と同様にして
超音波送受信面２の第１の振動子群から生体に向って超
音波パルスを発射し、生体組織中の特定の点で反射した
超音波を第２の振動子群で受波する。このとき超音波の
励振に供される駆動電圧Ｕを例えばｕ＝１０．２０．・
０．。

１００　〔ボルト〕と変化させたときの受波振幅Ｖ〔ボ
ルト〕を求めて記憶しておく。

次に次式（４）のプロット（第６図）によって傾きγと
切片δとを求める。

１／ｖｚ＝Ｔ工／ｕ２＋δ　　　・（４）このとき、駆
動電圧依存パラメータ（Ｋ＝δ／Ｔ）と、非線形パラメ
ータ（Ｂ／Ａ）及び音速（Ｃ）との間に次式（５）が成
立する。

Ｋ＝Ｋｏ　　（１＋Ｂ）／２Ａ）／Ｃ”　　・・・（５
）ここで、Ｋｏは周波数に依存する定数である。

このようにして２　ｍ　Ｘ　ｎ個の駆動電圧依存パラメ
ータ（Ｋ）を求める。

〈局所音速９局所電圧依存パラメータの測定〉上記のよ
うにして求められたｚｍｘｎ個の全電圧依存パラメータ
（Ｋ）と平均音速（Ｃ）とからそれぞれ局所電圧パラメ
ータＫ（ｉ、ｊ）と局所音速Ｃ（ｉ、ｊ）　とを次式に
より求める。

Ｋ（ｉ、ｊ）　　＝Ｋ（ｉ、ｊ＋１）　　　Ｋ（ｉ、ｊ
）　　　　　　・・・（６）Ｃ（ｉ＋ｊ）　　＝Ｃ（ｉ
、ｉ＋１）　　−Ｃ（ｉ＋ｊ）　　　　　　０．・（７
）以上が本発明の原理である。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。

〈音速測定〉 第１図のブロック図は本実施例の構成を示している。振
動子アレイ１１は第５図のプローブの超音波送受波面２
に配列されており、電圧パルスが印加されると超音波パ
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　　（ＴＩ−Ｔ１２１１　）は振動子
素子幅ａが０．４５ｍのものが素子中心間隔ｄ　＝　０
．５鰭で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１０１Ｈｚ基準
クロツ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４　ｋＨｚのレートパルスを発生
し１６ケのパルサ１４を駆動する。

パルサ１４の出力は切換手段たるマルチプレクサ１３に
よりの振動子アレイ１１のうちＡを中心とする振動子群
Ｔ、〜Ｔ＋６にそれぞれ接続される。

振動子アレイ１１はプローブのコーテイング材を通して
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Ｃｏ　＝１５３０
　ｍ／　Ｓとすれば、超音波ビームをθ。方向に放射す
るには隣接する各素子間の遅延時間τ。は、 Ｔｏ　＝　（ｄ／Ｃｏ　）　　・ｓｉｎ　θ　　　　　
　−（８１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ＰＤ＋　＝Ｏ，ｐｏ２＝τｏ　、ＰＤ３＝２τ０゜
・・・・・・、ＰＤ＋ｂ＝　１６τ。なる遅延時間を与
える。

もし生体組織の音速が００であれば超音波ビームはθ。

方向へ進むが一般にはＣ０とは限らす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 ｓｉｎ　θ／Ｃ＝ｓｉｎ　θｏ　／　Ｃｏ　　　　　　
　−ｆ９１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Ｂ１
１を中心とする振動子群Ｔ、〜Ｔ、、６の１６ケと受信
遅延回路１６とを接続し、このときＴ。

〜Ｔ□、１６で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た後、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ＲＤ
＋＝１５τ。、ＲＤ、＝１４τ。。

・・・・・・、ＲＤ＋ｓ＝τ。、　　ＲＤ　＋ｂ＝　Ｏ
のように設定される。このようにすると振動子群Ｔ、〜
Ｔ　ｍ　＊　１　は生体の音速がＣ３（Ｃ）であればθ
。（θ）方向に指向性を持ち、θ。（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１０ＭＨｚ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生体中のＰ点からの反射波
を示し、音速計算回路２４でピーク値の時間（アドレス
）を検出すれば伝播時間ｔ１１が求まる。前述の（９）
式を（３）式に代入すると生体中の音速Ｃは、 となり、ｙｚ＋ｃｏ＋　　θ０は既知であるから、測定
によって得られた伝播時間ｔ、を用いて音速計算回路２
４により００）弐の計算を行って音速Ｃの値を算出する
。

この算出値はフレームメモリ２５に書き込まれる。

第２図は、超音波伝播時間ｔの測定法を示すタイムチャ
ー１・であり、レートパルスの立上りｔ。

よりわずか遅れた時刻に超音波パルスが発射されパルス
のピークの時刻はｔ、である。送波ビームの中心と受波
指向性の中心の交点に無反射体がある場合は時刻ｔ２に
ピークを持つ反射波が得られｔ２とｔ、の時間間隔とし
てｔが求められる。

〈電圧依存パラメータ（Ｋ）の測定〉 駆動電圧依存パラメータ（Ｋ）の測定方法は基本的には
音速測定の場合と同様であるが次の点で異なっている。

ＣＰＵ２１の制御により駆動電圧制御部１７が動作し、
パルサ１４の出力電圧（駆動電圧）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振動子群が励振され、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１０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（！！！動電圧（ｕ）毎の受波信号）は、ＣＰＴ
Ｊ２１の制御により読み出され、電圧依存パラメータ計
算回路２３に伝達される。そしてこの電圧依存パラメー
タ回路２３において前（４）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（Ｋ）がフレ
ームメモリ２５に書き込まれる。

く局所音速１局所電圧依存パラメータの測定〉このよう
にしてフレームメモリ２５に書き込まれた２ｍｘｎ個の
平均音速（Ｃ）、全電圧依存パラメータ（Ｋ）は、ＣＰ
Ｕ２１の制御により読み出され、局所パラメータ計算回
路２７に入力される。そしてこの局所パラメータ計算回
路２７において前（６１，（７１式の演算が実行され、
局所音速Ｃ（ｉ　、　ｊ）及び局所電圧依存パラメータ
Ｋ（ｉ、ｊ）が求められる。

ここで、求められた局所音速及び局所電圧依存パラメー
タが、ファントムに向って超音波の送受波を行った結果
より求められたものであればそれぞれＣ”（ｘ、ｙ）及
びＫＰＨ（ｘ、ｙ）　として、また、生体（被検体）に
向って超音波の送受波を行った結果より求められたもの
であればそれぞれＣＢｏ（ｘ＋ｙ）及びＫ　”　（ｘ＋
　ｙ）　　としてフレームメモリ２５に書き込まれる。

〈複合パラメータの測定〉 フレームメモリ２５に書き込まれたＣ”（ｘ＋ｙ）。

Ｋ　”’　（ｘ＋　ｙ）及びＣ”（ｘ、ｙ）、　　Ｋ１
１０（ｘ、ｙ）は、ＣＰＵ２１の制御により読み出され
、複合パラメータ計算回路２８に入力される。そしてこ
の複合パラメータ計算回路２８において前（２）式の演
算が実行され、複合パラメータξ（ｘ＋ｙ）が求められ
る。求められた複合パラメータξ（ｘ、ｙ）はディスプ
レイメモリ２６を介してＤ／Ａ変換器２９に入力され、
アナログ信号に変換された後、表示手段たるＣＲＴディ
スプレイ３０に人力される。

〈表　示〉 第３図はＣＲＴディスプレイ３０の表示の一例を示すも
のであり、３１は生体の超音波Ｂモード像（断層像）、
３２は局所音速Ｃ（ｉ、ｊ）に基づく局所音速値画像、
３３は複合パラメータξ（ｘ、ｙ）に基づく複合パラメ
ータ画像、３４は第２図に示したような受信信号パター
ン（Ａモード）である。

３６は超音波伝播径路であり、必要に応じて超音波Ｂモ
ード像３１に重畳表示される。局所音速値画像３２は例
えば青色で表示され、その輝度は音速値の大小に応じて
表示される。また、複合パラメータ画像３３は例えば赤
色で表示され、−その輝度は複合パラメータ値の大小に
応じて表示される。

超音波Ｂモード像３１は例えば超音波リニアスキャンあ
るいはセクタスキャンによって構成することができるも
のであり、この場合の超音波プローブは本実施例装置に
具備されるものを共用できる。このように超音波Ｂモー
ド像３１を併せて表示すれば、生体中の所望部位３８と
局所音速値画像３２．複合パラメータ画像３３との対応
が明確となる。また、図中３９で示すように画像中に設
定されたカーソルポイントにおける音速値、複合パラメ
ータ値が、画面上３５で示す位置に数値表示されるよう
に成っている。

このように本実施例装置にあっては、生体組織における
音速（Ｃ）及び超音波の減衰、散乱、非線形パラメータ
三者の複合パラメータ（ξ（ｘ、ｙ））を、患者（生体
）に何ら負担をかけることなく、非侵襲且つ短時間で測
定することができる。しかもその測定は、超音波の減衰
（Ａｔ”）、散乱係数（γＰ″）及び非線形パラメータ
（（Ｂ／Ａ）Ｐ′４）が既知であるファントムを用いる
ことにより極めて容易に行い得るものである。また、表
示画面上には、測定された音速（Ｃ）、複合パラメータ
（ξ（ｘ、ｙ））が共に２次元画像として表示されるも
のであるから、表示画面を観察する医師等は病変部と正
常部との鑑別を適確にしかも容易に行うことができる。

さらにこの超音波組織診断装置によれば、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プローブで検査することが
できるので、通常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、送波時の偏向角を００以外とすることもで
きる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、簡便な手法により
生体組織を特性化することができ、医学的診断能の向上
を図ることができる超音波Ｍｉ職診断装置を提供するこ
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組織診断装置のブ
ロック図、第２図は超音波伝播時間の測定法を示すタイ
ムチャート、第３図は本実施例装置における表示の一例
を示す説明図、第４図（ａ）。 （ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　、　（ｅ）乃至第６
図は本発明の詳細な説明するためのものであり、第４図
（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　。 （ｅ）はパラメータ画像の模式図、第５図は超音波伝播
径路のスキャン方法の説明図、第６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、 １３・・・切換手段（マルチプレクサ）、１７・・・駆
動電圧制御部、 ２３・・・電圧依存パラメータ計算回路、２４・・・音
速計算回路、 ２７・・・局所パラメータ計算回路、 ２８・・・複合パラメータ計算回路、 ３０・・・表示手段（ＣＲＴディスプレイ）、Ｔ・・・
超音波振動子。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　　大　　胡　　典　　失 策　　２　図 八

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の超音波振動子を配列して成る超音波振動子
   アレイと、この超音波振動子アレイを、それぞれ隣接す
   る複数の超音波振動子毎に超音波送波用と受波用とに切
   り換える切換手段と、超音波送波用の振動子群の励振に
   供される駆動電圧を段階的に可変できる駆動電圧制御部
   と、この駆動電圧の可変毎に送波された超音波の反射波
   を基に電圧依存パラメータを算出する電圧依存パラメー
   タ算出回路と、超音波送波用及び受波用の振動子群それ
   ぞれの中心位置の切り換え移動毎に各超音波伝播径路に
   おける超音波の平均音速を算出する音速計算回路と、算
   出された電圧依存パラメータ及び平均音速を取り込み、
   それぞれ隣接する超音波伝播径路間での差をとることに
   より局所電圧依存パラメータ及び局所音速を算出する局
   所パラメータ計算回路と、既知の物理特性を有するファ
   ントムから得られた局所電圧依存パラメータ及び局所音
   速、未知の物理特性を有する生体から得られた局所電圧
   依存パラメータ及び局所音速を基に局所複合パラメータ
   を算出する複合パラメータ計算回路と、算出された局所
   複合パラメータ及び局所音速を基に２次元画像表示を行
   う表示手段とを有して構成したことを特徴とする超音波
   組織診断装置。
2. （２）前記複合パラメータ計算回路によって算出される
   局所複合パラメータは、超音波の減衰、反射及び非線形
   パラメータの積である特許請求の範囲第１項に記載の超
   音波組織診断装置。