JP5730978B2 - 超音波診断装置、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は，超音波送受信によって被検体の粘弾性に関する計測を行う技術に関するものである。

乳癌や肝硬変，血管障害などの診断方法として，医者の触診の代わりとして，超音波エコー信号から被検体内部の硬さを診断する方法（エラストグラフィー技術）がある。エラストグラフィー技術による硬さの診断では，従事者は超音波プローブを被検体である生体表面に押し当てて圧迫し，被検体内部の組織に変位を生じさせる。圧迫による生体組織の圧縮前後のエコー信号から圧縮方向の変位が推定され，変位の空間微分量である歪みを求める。さらに，歪と応力から硬さに関する値，例えばヤング率が算出される。この方法では，撮像対象として，体表からの圧迫が容易なところに存在する臓器に限られるという課題がある。例えば，体表と肝臓の間に介在層として，すべり面が存在するため，十分な変位を生じさせるような圧迫が困難である。

そこで，変位生成用超音波集束ビーム、すなわち，プッシュビーム，もしくはプッシュパルスを用いて被検体内部に音響放射圧を印加し，介在層の影響を抑えて対象組織を変位させて，硬さの診断をする技術がある。これらの技術では，集束ビームの進む方向に生じる組織の変位量を画像化したり，焦点での組織変位に伴って集束ビームの進む方向とは垂直な方向に生じるせん断波の伝搬速度の推定から剛性率やヤング率といった弾性率を算出したりする。この技術を用いると，上記のすべり面などの介在層の影響を低減する効果等が期待される。

さらに、近年では、慢性肝疾患や腫瘍の診断情報として臨床現場でのエラストグラフィー技術の利用が拡大する中、粘性を含めた粘弾性計測を実現しようとする技術開発が盛んになってきた。本来、生体組織は粘性と弾性の両特性を備えた粘弾性体であることから、より実態に即した高精度な粘弾性評価技術が期待されている。

粘弾性の評価には，せん断波の群速度から剛性率やヤング率の算出に加え，粘性係数等の粘性パラメータの推定が必要である。粘弾性の評価においては，特許文献１や特許文献２に開示されるように、粒子速度（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）波形を用いる手法がある。

米国公開ＵＳ２００７／００３８０９５号公報 米国公開ＵＳ２０１１／００６３９５０号公報

粘弾性の評価において，対象組織が粘弾性体である場合，せん断波の伝搬速度はせん断波の周波数によって変化するが、上述の粒子速度波形を用いた粘弾性評価は，体動等のせん断波以外の周波数成分の影響を受けにくいという利点がある。

一方で、特許文献１では，ＡＭ変調されたプッシュビームを対象組織に照射する。１００〜1ｋＨｚ程度の周波数を持つせん断波を発生させるため，最大で１５ｍｓの間，プッシュビームを照射している。また、特許文献２では，１回あたりのプッシュビームの照射時間は1ｍｓであるが，１０ｍｓ毎に複数回プッシュビームの照射が必要である（ｔｏｎｅ ｂｕｒｓｔ）。このように、従来の手法では，合計のプッシュビームの照射時間が長いため，生体内部での局所的な温度上昇が大きくなるおそれがあった。このような局所的な温度上昇を抑えるためには，例えば１回の１ｍｓ以内といったより少ない照射回数・照射時間でのプッシュビームの照射で粘性を評価する必要がある。

せん断波に対する粘性の影響は、周波数依存性を含む位相速度や減衰率の違いである。この影響はせん断波の伝搬に伴い増幅するため、基本的には伝搬距離が長いほど粘弾性計測に適する。つまり、粘弾性計測の好適条件の一つは、高振幅のせん断波を発生させることであり、上述の温度上昇による制約条件との両立が困難であることを意味する。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、生体組織の温度上昇を最小限に抑制し、高精度に粘性パラメータを解析可能な超音波診断装置、及び粘性パラメータ推定方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、超音波診断装置であって、被検体内に対して音響放射圧を印加して変位させる変位生成部と，被検体の複数の位置で超音波を送受信することで被検体内に生じたせん断波の粒子速度を検出する変位検出部と，粒子速度により粘性パラメータを推定する粘弾性解析部とを有し、粘弾性解析部は、粒子速度波形の時間広がりから粘性パラメータを推定する超音波診断装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、超音波診断装置における粘性パラメータ推定方法であって、被検体内に対して音響放射圧を印加して変位させ，被検体の複数の位置で超音波を送受信することで被検体内に生じたせん断波の粒子速度を検出し，検出した粒子速度波形の時間広がりから粘性パラメータを推定する粘性パラメータ推定方法を提供する。

本発明によれば，生体組織の温度上昇を最小限に抑制しつつ、粘性パラメータを精度良く評価することが可能になる。

実施例１に係る超音波診断装置の一システム構成を示す図である。 実施例１に係る超音波探触子による変位生成を説明する図である。 実施例１に係る超音波探触子による超音波のビームフォーミングを説明する図である。 実施例１に係る粘性パラメータの算出シーケンスを説明する図である。 実施例１に係るせん断波の粒子速度検出処理の一例を示す図である。 実施例１に係る粒子速度検出処理の他の例を示す図である。 実施例１に係るせん断波の変位の時間波形を示す図である。 実施例１に係るせん断波の粒子速度の時間波形を示す図である。 実施例１に係る粒子速度の時間波形の一例を示す図である。 実施例１に係る粒子速度の時間波形の他の例を示す図である。 粘弾性モデルを説明する図である。 せん断波の伝搬速度の周波数依存性を示す図である。 粘性がない場合のせん断波の粒子速度波形の一例を示す図である。 粘性がある場合のせん断波の粒子速度波形の一例を示す図である。 実施例１に係る粘性がある場合の粒子速度の時間波形を示す図である。 実施例１に係る粘性がある場合の粒子速度の距離減衰特性を説明する図である。 実施例１に係る粒子速度の時間波形の正と負のピークから粘性パラメータを推定する処理を説明する図である。 実施例１に係る粒子速度の時間波形から粘性パラメータを推定するための処理を示すブロック図である。 実施例１に係る粒子速度波形と距離減衰特性を説明する図である。 実施例１に係るせん断波の距離減衰特性を説明する図である。 実施例１に係るせん断波の距離減衰特性から粘性パラメータを推定するための処理を説明する図である。 実施例１に係る粘性パラメータの表示例を示す図である。 実施例１に係る粘性パラメータの表示例を示す図である。 実施例２に係る超音波診断装置の一システム構成を示す図である。 実施例２における粘性パラメータの算出シーケンスを示す図である。 実施例２におけるＲＯＩ再設定処理を説明する図である。 実施例２におけるＲＯＩ再設定処理の標示例を示す図である。 実施例２における計測領域の決定プロセスを示す図である。

以下，本発明の実施形態を図面に従い説明する。各図面において、共通する数番は同一の構成要素を示している。

第１の実施例は、被検体内に対して音響放射圧を印加して変位させる変位生成部１０と，被検体の少なくとも２以上の複数の位置で超音波を送受信することで被検体内に生じたせん断波の粒子速度を検出する変位検出部３０と，粒子速度により粘性パラメータを推定する粘弾性解析部３４とを有し、粘弾性解析部は、粒子速度波形の時間広がりから粘性パラメータを推定する超音波診断装置、及び粘性パラメータ推定方法の実施例である。

図１に実施例１における装置全体構成の一例を示す。図示しない被検体の外皮に接触させて用いられる超音波探触子１は，被検体との間で超音波を送信及び受信する複数の振動子が配列された超音波送受信面を有して形成されている。装置の構成要素である各ブロック、すなわち被検体内に変位を生じさせるための変位生成部１０，送受切替スイッチ２，第一超音波送受信部２０，第二超音波送受信部３１を含み、変位を検出する変位検出部３０，粘弾性解析部３４，カラースケール設定部５０は，中央制御部３によって制御される。

超音波探触子１は送受切替スイッチ２を介して変位生成用送波ビーム生成部１３，第一超音波送受信部２０，および，第二超音波送受信部３１に接続されている。送受波切替スイッチ２は，中央制御部３により超音波探触子１と変位生成用送波ビーム生成部１３，第一超音波送受信部２０，および第二超音波送受信部３１との接続を切断したり，切り離したりするように制御される。

第一超音波送受信部２０は，図示を省略した変位検出用送波波形生成部で作られた波形を用いて，超音波探触子１の素子の送波信号に遅延時間や重みを与えて，被検体の所望の位置である焦点に変位検出用超音波ビーム、すなわち，プッシュビーム，もしくは，プッシュパルスが集束するように，中央制御部３によって制御されている。被検体内で反射して探触子に戻ってきたエコー信号は，超音波探触子１において電気信号に変換され，第一超音波送受信部２０に送られる。第一超音波送受信部２０はエコー信号を整相加算し，包絡線検波やｌｏｇ圧縮やバンドパスフィルタ，ゲインコントロールなどを行う信号処理回路を含んでいる。第一超音波送受信部２０からの出力信号は白黒デジタルスキャンコンバータ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＤＳＣ）５に入力される。白黒ＤＳＣ５では白黒からなる輝度を表す断層像、すなわちＢモード像の情報を形成することができる。

変位生成部１０について説明する。変位生成部１０の送波ビーム条件設定部１２では，集束位置，振幅値，送波に使用する超音波探触子１の各素子の素子数，キャリアの周波数等を設定する。変位生成用送波波形生成部１１では，送波ビーム条件設定部１２で設定されたキャリアの周波数を用いて波形を生成する。変位生成用送波ビーム生成部１３は、変位生成用送波波形生成部１１で作られた波形および送波ビーム条件設定部１２で設定された設定条件を用いて，超音波探触子１の各素子の送波信号に遅延時間や重みを与えて，被検体内部に超音波ビームが集束するように，中央制御部３によって制御される。変位生成用送波ビーム生成部１３からの電気信号は超音波探触子１において超音波信号に変換され，図示しない被検体に向かって，変位生成用超音波ビームが照射される。

変位検出部３０について説明する。変位検出部３０内の測定範囲設定部３３では，変位を測定する範囲を設定する。第二超音波送受信部３１は、図示を省略した変位検出用送波波形生成部で作られた波形、および測定範囲設定部３３で設定した測定範囲を用いて，超音波探触子１の各素子の送波信号に遅延時間や重みを与えて，図示しない被検体の所望の位置、焦点に変位検出用超音波ビームが集束するように，中央制御部３によって制御されている。被検体内で反射して超音波探触子に戻ってきたエコー信号は，超音波探触子１において電気信号に変換され，第二超音波送受信部３１に送られる。

変位検出部３０の第二超音波送受信部３０はエコー信号を整相加算し，包絡線検波やｌｏｇ圧縮やバンドパスフィルタ，ゲインコントロールなどを行う信号処理回路を含んでいる。第二超音波送受信部３１からの出力信号は、変位演算部３２に入力される。また，変位演算部３２では，後で詳述する相関演算により各部位の変位、または粒子速度が演算される。また，変位演算部３２から出力された変位または粒子速度の情報は粘弾性解析部３４に入力される。

粘弾性解析部３４では、入力された情報に基づき、せん断波の伝搬速度、更には粘性パラメータを解析、推定する。粘弾性解析部３４で解析・推定された粘性パラメータの値はカラーＤＳＣ４に送信される。カラーＤＳＣ４ではこの粘性パラメータの値を用いて、カラー情報として粘弾性を表す断層像の情報が形成される。カラーＤＳＣ４からの出力は合成部６で合成され，表示部７に表示されるＢモード像と同じ画面上に表示される。

更に、粘弾性解析部３４で計算された粘性パラメータなどの粘弾性情報は中央制御部３を介してカラースケール設定部５０に送信される。カラースケール設定部５０では，粘性パラメータなどの粘弾性の値を基に，粘弾性カラー画像に対応するカラースケールを作成する。後で説明するように、このカラースケールは好適にはＢモード像と重畳等して表示される粘弾性の大きさを示すカラー画像に隣接して表示部７に表示される。

なお，同図にブロックで示す構成要素の一部である中央制御部３、粘弾性解析部３４等は，中央処理部（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）によるプログラム実行により実現することができる。このＣＰＵとしては、通常のＣＰＵや記憶部（メモリ）や入出力部を備えたコンピュータを用いることができる。その場合、表示部７はコンピュータの入出力部のディスプレイなどを利用できる。

本実施例では，図２に示す複数の素子１００で構成されるリニアアレイ型の超音波探触子１を被検体の体表面に接触させ，体内の目的断層面に変位生成用超音波ビームを集束する場合について説明する。ここでは，所望の断層面内において，変位生成用超音波ビームの伝搬方向は体表に対して垂直な方向とした場合について説明する。超音波のビームフォーミングは図３に示すように，各焦点と超音波探触子１の各素子１００との位置の間の距離を求め，素子間での距離差を対象物の音速で割ることにより算出される遅延時間を素子毎に与えて送波を行うことにより実現する。同図の下段は、上段と比較して焦点である集点が上側に走査された場合を模式的に示している。

図２に示したように、焦点（図２中の集点Ｆ）に集束ビームが照射されると，伝搬に伴う超音波の吸収や散乱に応じて放射圧が生じる。通常では焦点において放射圧が最大となり，焦点領域の生体組織に変位が生じる。また，集束ビームの照射が止められると，変位量が緩和される。この放射圧の生成によって，図２に示したように集点Ｆを起点として被検体表面と平行する方向にせん断波が発生する。変位の方向は、体表に対して垂直な方向である。

次に、図４を用いて実施例１における粘性パラメータなどの粘弾性計測の処理フローについて説明する。まず，ステップＳ００で粘弾性計測が開始される。開始の信号は図示を省略した入力デバイス、例えばコンピュータのキーボードやマウスを使って入力される。粘弾性計測の開始前は，通常のＢモード像が表示部７に表示されている。ステップ１０では，粘弾性計測における測定情報が入力される。測定情報は，変位発生用の超音波ビームの体表面からの深度（すなわち，集点Ｆ），Ｆ値（＝焦点距離／開口径），キャリアの周波数などの値である。変位生成用超音波ビームの焦点の位置，Ｆ値，キャリアの周波数などは中央制御部３に入力され，さらに，中央制御部３を介して焦点の位置，Ｆ値，キャリアの周波数が送波ビーム条件設定部１２に入力されるようになっている。測定情報は図示しない入力デバイスで入力するか，もしくは，中央制御部３において，乳腺や前立腺，血管，肝臓などの部位に適した値を図示を省略した記憶部の記憶媒体から読み出すようにしてもよい。

ステップ２０では，粘弾性の計測領域（ＲＯＩ：Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）が決定される。ＲＯＩは入力デバイスを用いて入力され，中央制御部３を介して，測定範囲設定部３３に入力される。もしくは，乳腺や前立腺，血管，肝臓などの部位に適した値が中央制御部３において，記憶媒体から読み出されて測定範囲設定部３３に入力される。計測領域ＲＯＩの大きさは例えば深度方向の幅が１０ｍｍ程度，体表に水平な方向の幅が５〜２０ｍｍ程度の長方形が用いられる。焦点の位置とＲＯＩが設定されると，せん断波伝搬の変位（通常、数μｍ〜数十μｍ）の検波に用いるラスタとラスタ上のサンプリング点が決定される。各ラスタにおいて，変位検出用ビームの受信のＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：繰返し送信されるパルスの周波数）は，予想されるせん断波の周波数に対してナイキスト定理を満たすように設定する。例えば，ラスタがせん断波の変位の方向と同じ場合は，ＰＲＦをせん断波の周波数の２倍以上とする。

ステップ３０では，ステップ１０で決定した測定条件を用いて変位生成用超音波ビームが超音波探触子１から照射されて，ステップ２０で決定した計測領域内でせん断波が検出される。そして，せん断波の変位、または粒子速度が変位演算部３２で計算される。この変位演算部３２は、変位検出部３０の一部として図示したが、上述したＣＰＵにおけるプログラム処理で実現することも可能である。ステップ４０では，検出したせん断波の変位または粒子速度を用いて，粘弾性解析部３４で粘性パラメータの解析、推定が行われる。ステップ５０では，粘性パラメータの解析、推定結果が、表示部７に表示され，本実施例の構成における粘弾性計測が終了する。

ここで，図５Ａ、図５Ｂを用いて図４中のステップ３０におけるせん断波の検出の処理フローについて詳細説明する。ここでは，リニアアレイ型の超音波探触子１を被検体の体表面に接触させ，体内の目的断層面に変位生成用超音波ビーム、すなわち，プッシュビーム，もしくは，プッシュパルスを集束する場合について説明する。また，所望の断層面内において，変位生成用超音波ビームの伝搬方向は体表に対して垂直な方向とした場合について説明する。本実施例の構成では，せん断波の変位を時間微分したせん断波の粒子速度を検出する。

図５Ａの場合、まず，第二超音波送受信部３１から変位検出用超音波ビームを照射し，参照信号を取得する。次に，変位生成用超音波ビームであるプッシュビーム、プッシュパルスを焦点に照射する。次に，プッシュビーム、プッシュパルスの照射によって生成したせん断波を検出するため，変位検出用超音波ビームがトラックパルスとして照射される。ここで，各ラスタにおいて変位検出用超音波ビームを照射する繰り返し周波数はＰＲＦであり，トラックパルスの検出本数の合計はＮ本（Ｎは任意の整数）である。続いて、参照信号とトラックしたＲＦデータの相関演算５１を行い，せん断波の変位を算出する。すなわち、図５Ａにおいては、粒子速度は、変位検出部３０などで異なる時刻に受信した複数の信号同士の相関演算で計算される。相関演算５１で算出した変位に対し，エッジ強調フィルタとして時間方向にＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）処理を施し，粒子速度を算出する。なお、ＨＰＦに代え，時間微分を行うためのエッジ強調フィルタを用いて粒子速度を得ても良い。

図５Ｂに別の粒子速度の算出法を示す。図５Ｂにあっては、変位検出用超音波ビームであるトラックパルスを１，２，・・・，Ｎまで合計Ｎ本取得した後，ｉ番目とｉ＋１番目（ｉは１〜Ｎ−１までの整数）の高周波（ＲＦ）データに対して相関演算５２を行う。すなわち、図５Ｂにあっては、粒子速度は、変位検出部３０などで異なる時刻に受信した複数の信号同士の相関演算で計算される。図５Ｂの方法では，ＨＰＦなどのフィルタを用いないで粒子速度を直接算出できるため，計算時間を短縮することができる。

ここで、せん断波の粒子速度を検出するメリットについて説明する。図６Ａ、図６Ｂにせん断波の変位もしくは粒子速度の時間波形に低周波ノイズである、例えば１Ｈｚの正弦波が重畳した場合の時間波形を示す。低周波ノイズとは，術者の手ぶれや体動によって生じるノイズである。異なる複数の計測位置、すなわち，ラスタにおける変位の時間波形のピーク値を、図６ＡのＰ１，Ｐ２，Ｐ３として示す。粘弾性計測のためには，ピーク値を高精度に検出する必要があるが，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とピーク値となる時刻が遅くなるにつれて，変位のピーク位置が識別できにくくなっていることがわかる。

一方，図６Ｂに粒子速度の時間波形のピーク値をＰ２２，Ｐ２３，Ｐ２１’，Ｐ２２’，Ｐ２３’に示す。粒子速度の時間波形は各ラスタについて，１つまたは２つのピーク値が検出される。図６Ａに示す変位の時間波形のピークとは異なり，図６Ｂに示す粒子速度の時間波形では，低周波ノイズが重畳した場合にも安定してピーク値を検出することができることが明らかであり、これが粒子速度を検出するメリットである。

続いて、ステップ４０における粘性パラメータの解析推定方法の詳細について説明する。図７Ａ、図７Ｂに、図６Ｂに対応した粒子速度の時間波形を示す。異なる計測位置における粒子速度の波形Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３について，１つまたは２つのピークとなる時刻が存在する。図７ＡのＴ２２，Ｔ２３はＷ２２とＷ２３の負のピークとなる時刻である。また，図７ＡのＴ２１’，Ｔ２２’，Ｔ２３’はＷ２１，Ｗ２２，Ｗ２３の正のピークとなる時刻である。一方、図７ＢのＴ２１’’，Ｔ２２’’，Ｔ２３’’はＷ２１，Ｗ２２，Ｗ２３がゼロと交差する、すなわち，ゼロクロスとなる時刻である。

次に、以上で説明した粒子速度の時間波形のピーク値，もしくは，ピークとなる時刻を用いて粘性パラメータを推定する。まず，粘性とピーク値，および，ピークとなる時刻との関係について説明する。図８は生体の粘弾性を表すモデルの一つであるＶｏｉｇｔ モデル（ｍｏｄｅｌ）８０を示している。Ｖｏｉｇｔ モデル８０はせん断弾性係数μとせん断粘性係数ηの２要素から成る。Ｖｏｉｇｔ モデル８０の他，Ｚｅｎｅｒ ｍｏｄｅｌなどの３要素の粘弾性モデルを考えてもよい。

図９Ａに示すように、生体が図８で示したＶｏｉｇｔ モデルで表されるとき，せん断波の伝搬速度は周波数分散性を持つ。図９Ｂと図９Ｃは，せん断粘性係数ηがない場合，および粘性係数ηが１．５Ｐａ・ｓの場合のせん断波の粒子速度波形の一例を示している。時間波形はプッシュ位置、すなわち，焦点からせん断波の伝搬方向に沿った距離ｘ＝４，７，１０ｍｍの地点での波形である。図９Ｂに示すように、粘性がない場合，計測位置がプッシュ位置から４，７，１０ｍｍと遠くなっても，粒子速度の時間方向の波形は変化しない。一方，図９Ｃに示すように、粘性がある場合，計測位置がプッシュ位置から遠くなるにつれて，正と負のピークとなる時刻が広がる。また，粘性があると伝搬に伴うピーク値の減少度合いが大きくなることが明らかである。

すなわち、図１０Ａに模式的に示すように，粘性が大きい程，正のピーク１０１と負のピーク１０２となる時刻の差は大きくなる。また，図１０Ｂに示すように，粘性が大きい程，ピーク値の振幅と距離を示す距離減衰特性の傾きが大きくなることがわかる。

次に，図１１Ａ、図１１Ｂを用いて、本実施例における粘性パラメータの推定方法について説明する。図１１Ａは、計測位置ｘｎにおける粒子速度の時間波形ｗｎ、並びに粒子速度波形の時間広がりを示す。図１１Ａはｎ＝２の時の例、すなわち２つの位置に検出した２つの粒子速度波形の時間広がりを模式的に示す図である。同図においては、各時間波形ｗ１，ｗ２における正のピーク値と負のピーク値となる時間の差をｔ（ｘ１）とｔ（ｘ２）とする。この時間の差ｔ（ｘ１）とｔ（ｘ２）から、粒子速度波形の時間広がりを算出することができる。

図１１Ｂに、せん断波の粒子速度波形の時間広がりの一例である、正のピーク値と負のピーク値の時間差ｔ（ｘｎ）を用いた、粘性パラメータの推定解析のための処理フローを示す。まず，粒子速度波形の時間広がりとして、少なくとも２以上の複数のｔ（ｘｎ）（ｎは整数）１１０が入力される。次に，ＦＦＴ１１１のよる演算により，粒子速度波形の中心周波数ωが算出される。すなわち、粘弾性解析部３４では，粒子速度の中心周波数を算出する。位置情報ｘｎ，正と負のピーク値となる時間の差ｔ（ｘｎ）は，中心周波数ω１，ω２，ω３，・・・に対して，粘弾性モデルに特有の関数で与えられる。例えば，関数はエクスポネンシャル曲線を示す、Ａ×ｅｘｐ（α・ｘｎ）で与えられる。そこで、検出した中心周波数ω，ｘｎ，ｔ（ｘｎ）の情報をもとに，関数とのフィッティングが行われ、粘性パラメータαの評価１１２が行われる。粘性パラメータαの評価１１２でのフィッティングにより，パラメータＡや粘性パラメータαが推定される。

すなわち、粘弾性解析部３４では、複数の位置で算出した粒子速度波形の時間広がりに基づき、エクスポネンシャル曲線などを用いてフィッティングにより粘性パラメータを推定する。

そして、例えば中心周波数ωとフィッティングで求めた粘性パラメータαが出力される。ここで利用した関数は、図示を省略した記録媒体から中央制御部３を介して，粘弾性解析部３４に読み込まれる。この関数は，ｅｘｐの他，多項式関数など，周知の関数を用いてもよい。さらに，粘性パラメータαとせん断波生成の超音波ビームの条件である、Ｆ値，焦点距離，キャリアの周波数などのパラメータをもとに，粘弾性モデルにフィッティング１１３され、ｖｏｉｇｔ ｍｏｄｅｌの粘性係数ηが推定される。ここで，粘性係数ηとフィッティングで求めた粘性パラメータαとの関係は，ルックアップテーブル（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ：ＬＵＴ）または関数として，中央制御部３を介して図示を省略した記憶部の記憶媒体から読み出してもよい。そして、せん断粘性係数ηが出力１１４される。

続いて、本実施例における、別の粘性パラメータの決定方法について説明する。図１２は計測位置ｘ１とｘ２における正のピーク値ｐ（ｘ１），ｐ（ｘ２）および負のピーク値ｐ（ｘ１）’，ｐ（ｘ２）’を示している。この決定法では、図１１Ｂのｔ（ｘｎ）の代わりに，粒子速度のｐ（ｘｎ）またはｐ（ｘｎ）’を用いる。そして、粘性パラメータαやパラメータＡの代わりに、エクスポネンシャル曲線を示す、Ｂ×ｅｘｐ（β・ｘｎ）の関数にフィッティングすることにより，パラメータＢや粘性パラメータβを推定する。

図１３Ａ、図１３Ｂは、ｐ（ｘｎ）を入力１３０してフィッティングするときの例を示している。ＦＦＴ１３１での中心周波数ωの検出、及び粘性パラメータβの評価１３２により、粘性パラメータの出力値として，粘性パラメータβや中心周波数ωが出力される。さらに，粘性パラメータβとせん断波生成の超音波ビームの条件であるＦ値，焦点距離，キャリアの周波数などのパラメータをもとに，フィティング１３３により、図８で示したＶｏｉｇｔ Ｍｏｄｅｌの粘性係数ηが推定される。ここで，粘性係数ηとフィッティングで求めた粘性パラメータβとの関係は，ＬＵＴまたは関数として，中央制御部３を介して図示を省略した記憶部である記憶媒体から読み出してもよい。そして、せん断粘性係数ηが出力１３４される。

なお、以上説明した粒子速度波形の時間広がり算出のためのｔ（ｘｎ），ｐ（ｘｎ），ｐ（ｘｎ）’以外の入力パラメータとして，粒子速度波形の積分値，ゼロクロス値となる時刻前後の粒子速度の積分値、ゼロとなる時刻より遅い時刻と早い時刻の粒子速度波形の積分値の差，任意の閾値より大きいまたは小さい粒子速度の積分量，正のピークとなる時刻とゼロとなる時刻の差，負のピークとなる時刻とゼロとなる時刻の差などを用いてよい。すなわち、せん断波の粒子速度波形の時間広がりを、粒子速度が正と負となる２つの時刻から算出する代わりに、粒子速度のゼロクロス値となる時刻、或いはゼロクロス値となる時刻前後の粒子速度の積分値等から算出することもできる。また，図９Ａ〜図１２では，負のピークが正のピークよりも早い時刻に検出されたが，逆の場合も同様に粘性パラメータの決定が可能である。

図１４Ａ、図１４Ｂに、本実施例の超音波診断装置の表示部７に表示される粘性パラメータαの例を示す。例えば，図１４Ａのように粘性パラメータαと中心周波数ωにおけるせん断波の伝搬速度Ｖｓ（ω）をプロット表示１４１することができる。伝搬速度Ｖｓ（ω）は，粘弾性解析部３４において，周知の方法で算出される。粘性パラメータαの他，粘性パラメータβや、せん断粘性係数ηが表示可能である。もしくは，図１４Ｂのように表示部７に表示されたＢ像に重畳して、２Ｄカラ−マップ１４２表示してもよい。このとき，粘性パラメータα，βやせん断粘性係数ηのカラースケール１４３を同時に表示部７に表示することが有効であることは先に説明した通りである。

第２の実施例は、被検体内に対して音響放射圧を印加して変位させる変位生成部１０と，被検体の少なくとも２以上の複数の位置で超音波を送受信することで被検体内に生じたせん断波の粒子速度を検出する変位検出部３０と，粒子速度により粘性パラメータを推定する粘弾性解析部３４と、フィードバックパラメータ決定部３８を有し、粘弾性解析部３４は、粒子速度波形の時間広がりから粘性パラメータを推定し、フィードバックパラメータ決定部３８は、第一の計測で得られた、粒子速度波形の時間広がりから推定された粘性パラメータに基づき、次の計測である第二の計測における送信条件、もしくは計測領域の少なくとも一方を調整する超音波診断装置、及び方法に関する実施例である。

以下、フィードバックパラメータ決定部３８を使って、フィードバック制御を行う超音波診断装置に関する実施例２を説明する。図１５に実施例２の超音波診断装置の全体構成例を示すが、図１で示した構成の超音波診断装置に新たにフィードバックパラメータ決定部３８が加えられている。このフィードバックパラメータ決定部３８は、粘弾性解析部３４と同様、ＣＰＵでのプログラム実行により実現することができる。他の構成要素のブロックは図１に示した実施例１の超音波診断装置の構成と同一であるので、重なる説明は省略する。

図１６に実施例２の超音波診断装置における粘性パラメータの算出シーケンスを示す。実施例２では，ステップＳ４０で解析推定した粘性パラメータの値を，ステップＳ２０におけるせん断波の計測領域決定にフィードバックする。フィードバックする値は、フィードバックパラメータ決定部３８で算出される。算出された値は，中央制御部３を介して、変位検出部３０の測定範囲決定部３３に入力される。

図１７Ａに、本実施例のフィードバック制御を含む，粘弾性計測の処理フローの概要を示す。例えば図５Ｂで説明したようにプッシュパルス１とトラックパルス１を照射し，せん断波粒子速度の検出、粘性パラメータの推定後に，推定した粘性パラメータの値に基づき、計測領域ＲＯＩの再設定１７１を行う。粘性が大きい程，伝搬に伴うせん断波の振幅値も小さくなるため，計測可能な領域は小さくなる。したがって，粘性の値が大きい程，計測領域ＲＯＩの大きさは小さくなるように再設定する。次に，プッシュパルス２とトラックパルス２を照射して，再設定した計測領域ＲＯＩ内で再度，粘弾性計測を行う。

図１７Ｂに示すように、Ｂ像に重畳される計測領域１７２の大きさの設定は，例えば台形の角度Θを用いて設定する。すなわち、本実施例において、計測領域ＲＯＩの形状の好適な例は台形であり、粘性が大きい程，角度Θの値を大きくする。台形の角度Θの他，計測領域ＲＯＩの横方向の幅，深さ方向の幅としてもよい。これらの値は，焦点Ｆに対して設定される。すなわち、フィードバックパラメータ決定部３８は、調整する計測領域ＲＯＩの大きさを，計測する位置に対応して変化させる。なお、この計測領域ＲＯＩの再設定値は，推定された粘性パラメータに基づき、図示を省略した記憶部から中央制御部３を介して読み出すことができる。

図１８に、本実施例のフィードバックパラメータ決定部３８における計測領域ＲＯＩの決定プロセスを模式的に示す。Ｖｓ値，中心周波数，粘性パラメータα，β，粘性係数ηなどのパラメータ１８１を用いてＲＯＩ制御１８２を行い、角度Θが決定される。角度Θを決定する際，Ｆ値，キャリア周波数，焦点距離などの変位生成用超音波ビームの照射条件、すなわち、点線で示したプッシュパルス送信条件、プッシュビームの照射条件を更に用いて，角度Θを決定するようにしてもよい。その場合，図１７Ｂに示すように，Ｂ像の計測深さによって，計測領域ＲＯＩの形状が変化する。そのため、計測領域ＲＯＩの形状を表示部７に表示することによって，術者は決定する計測領域ＲＯＩを視覚的に確認することができる。

本実施例によれば、フィードバック制御をすることで粘性パラメータ推定、計測の高精度化が可能になる。上述した計測領域ＲＯＩの形状は台形の他，任意の幾何学形状としてもよい。また、フィードバックする値は，計測領域ＲＯＩの他，プッシュパルスの照射条件である振幅値，Ｆ値，キャリアの周波数等としてもよい。これらの値のフィードバックによって，振幅値と計測領域ＲＯＩを小さくした安全性重視の粘弾性計測や，振幅値と計測領域ＲＯＩを大きくした計測領域重視の粘弾性計測などの選択が可能である。

更に、実施例２に係るフィードバック制御のＯＮ／ＯＦＦは、図示を省略した入力デバイスを介して，術者が切替えられるようにしてもよい。また、フィードバックパラメータ決定部３８によるフィードバック制御のＯＮ／ＯＦＦの切替えを行うスイッチを有する構成とすることができる。更に，フィードバック制御するパラメータの選択を術者が図示を省略した入力デバイスを用いて行うようにしてもよい。もしくは，測定対象や計測時刻の情報を用いて，中央制御部３が自動で設定するようにしてもよい。

上記の全ての実施例において，超音波集束ビームで放射圧を生成してせん断波を発生させたが，放射圧の他，ＤＣモータ，振動ポンプなどの機械駆動，手動圧迫，電気パルスによる圧迫等の周知の方法を用いてもよい。

また，リニアアレイ型の探触子の代わりに，コンベックス型やセクター型の探触子を用いてもよいし，２次元探触子を使用してもよい。リニアアレイ型の探触子は好ましくは乳房や腱・筋肉等に用いる。また，コンベックス型は好ましくは肝臓，セクター型は心臓用に用いる。また，超音波探触子１の各素子は，例えばセラミック，高分子，材料とする圧電素子やシリコンを材料とする静電容量型の振動子を用いるが，各素子はこれに限らない。２次元探触子を用いると，せん断波を三次元的に検出することが可能となり、せん断波の伝搬をより明確に表示することができる。これにより，評価性能が向上したり，評価時間が短縮したりすることが効果として期待される。

なお、粘性を計測する領域内において空間的な弾性が複数存在する場合，計測される粘性パラメータや粘性係数も平均化された値となる。そこで，粘性検出する領域は，本件発明者等の先に出願した国際公開ＷＯ２０１２／１０５１５２号公報に記載しているように，歪み情報が均一な領域を選定するようにしてもよい。歪み情報が均一な領域では，弾性率が均一であるため，高精度に粘性パラメータや粘性係数を推定することが可能となる。測定対象は，例えば，肝臓，胸部，血管，前立腺，靭帯，腱，筋肉などが挙げられる。

以上詳述した本発明によれば，粘性パラメータを評価可能であるため，腫瘍などの組織性状を客観的に評価したり治療効果を判定したりすることが可能になる。 また，パルス波を用いた音響放射圧を生成するため，１回の計測あたりに必要な音響放射圧の印加時間は０．５ｍｓ〜１ｍｓであり，生体組織の温度上昇を最小限に抑制できる。また，粒子速度波形を用いることにより，体動等にロバストな計測が可能である。さらに，粘性パラメータに基づいて，せん断波を計測する領域を再設定して，再度，粘性パラメータを評価することができ，高精度な計測が可能になる。

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、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

更に、上述した各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。

１ 超音波探触子
２ 送受切替スイッチ
３ 中央制御部
４ カラーＤＳＣ
５ 白黒ＤＳＣ
６ 合成部
７ 表示部
１０ 変位生成部
１２ 送波ビーム条件設定部
１３ 変位生成用送波ビーム生成部
２０ 第一超音波送受信部
３０ 変位検出部
３１ 第二超音波送受信部
３２ 変位演算部
３３ 測定範囲設定部
３４ 粘弾性解析部
３８ フィードバックパラメータ決定部
５０ カラースケール設定部
５１、５２ 相関演算
８０ Ｖｏｉｇｔ モデル
１００ 超音波探触子１の各素子
１０１ 正のピーク
１０２ 負のピーク
１１０ ｔ（ｘｎ）
１１１、１３１ ＦＦＴ
１１２、１３２ 粘性パラメータαの評価
１１３、１３３ フィッティング
１１４、１３４ η出力
１３０ ｐ（ｘｎ）もしくはｐ（ｘｎ）’
１４１ プロット表示
１４２ ２Ｄカラ−マップ
１４３ カラースケール
１７１ 計測領域ＲＯＩの再設定
１７２ 計測領域
１８１ 粘性パラメータ
１８２ ＲＯＩ制御

Claims (14)

1. 超音波診断装置であって、
   被検体内に対して音響放射圧を印加して変位させる変位生成部と，
   前記被検体の複数の位置で超音波を送受信することで前記被検体内に生じたせん断波の粒子速度を検出する変位検出部と，
   前記粒子速度により粘性パラメータを推定する粘弾性解析部と、を有し、
   前記粘弾性解析部は、前記複数の位置で検出した前記粒子速度波形の時間広がりに基づき、フィッティングにより前記粘性パラメータを推定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   前記粘弾性解析部は、前記粒子速度波形の時間広がりを、前記粒子速度が正と負となる２つの時刻から算出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   前記粘弾性解析部は、前記粒子速度波形の時間広がりを、前記粒子速度のゼロクロス値となる時刻、或いは前記ゼロクロス値となる時刻前後の前記粒子速度の積分値から算出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   前記粘弾性解析部は、エクスポネンシャル曲線を用いて前記フィッティングを行う、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   前記粘弾性解析部は，前記粒子速度の中心周波数を算出する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   前記粒子速度は、１つの参照信号と、前記変位検出部で異なる時刻に受信した複数の信号との相関演算で計算される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   前記粒子速度は、前記変位検出部で異なる時刻に受信した複数の信号同士の相関演算で計算される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１記載の超音波診断装置であって、
   フィードバックパラメータ決定部を更に有し，
   前記フィードバックパラメータ決定部は、第一の計測で得られた、前記粒子速度波形の時間広がりから推定された前記粘性パラメータに基づき、次の計測である第二の計測における送信条件、もしくは計測領域の少なくとも一方を調整する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
9. 請求項８記載の超音波診断装置であって、
   前記フィードバックパラメータ決定部は、調整する前記計測領域の大きさを，計測する位置に対応して変化させる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項９記載の超音波診断装置であって、
    前記計測領域の形状は台形である、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
11. 請求項８記載の超音波診断装置であって、
    前記フィードバック制御のＯＮ／ＯＦＦの切替えスイッチを有する、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
12. 超音波診断装置における粘性パラメータ推定方法であって、
    被検体内に対して音響放射圧を印加して変位させ，
    前記被検体の複数の位置で超音波を送受信することで前記被検体内に生じたせん断波の粒子速度を検出し，
    前記複数の位置で検出した前記粒子速度波形の時間広がりに基づき、フィッティングにより粘性パラメータを推定する、
    ことを特徴とする粘性パラメータ推定方法。
13. 請求項１２記載の粘性パラメータ推定方法であって、
    前記粒子速度波形の時間広がりを、前記粒子速度が正と負となる２つの時刻、或いは前記粒子速度のゼロクロス値となる時刻、或いは前記ゼロクロス値となる時刻前後の前記粒子速度の積分値から算出する、
    ことを特徴とする粘性パラメータ推定方法。
14. 請求項１２記載の粘性パラメータ推定方法であって、
    第一の計測で得られた、前記粒子速度波形の時間広がりから推定された前記粘性パラメータに基づき、次の計測である第二の計測における送信条件、もしくは計測領域の少なくとも一方を調整する、
    ことを特徴とする粘性パラメータ推定方法。

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