JPH11347029A - 超音波撮像方法および装置並びにスペーサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検体の浅部についても高調波エコーによる
撮像が可能な超音波撮像方法および装置並びにスペーサ
を実現する。 【解決手段】 被検体に超音波を送波し被検体内での非
線形効果による高調波エコーに基づいて画像を生成する
に当たり、被検体４への超音波の送波を音響伝播媒体か
らなるスペーサ３０を介して行ない、非線形効果が発現
する領域が体表付近から始まるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波撮像方法お
よび装置並びにスペーサに関し、特に、被検体内での超
音波伝播の非線形効果を利用して撮像を行なう超音波撮
像方法および装置、並びに、超音波伝播の非線形効果を
利用して撮像を行なうためのスペーサに関する。

【０００２】

【従来の技術】被検体内での超音波伝播の非線形効果を
利用して撮像を行なう超音波撮像装置は、パラメトリッ
クソーナー(parametric sonar)として知られている。こ
の装置では、被検体内に超音波を送波したときに、体内
での超音波伝播の非線形性により発生する２次や３次の
高調波エコーを利用して撮像を行なう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】非線形効果は、超音波
ビームの瞬時音圧が上昇するいわゆる焦点以降の領域で
発現するので、一般に焦点よりも手前になる被検体の体
表およりそれに近い浅部については高調波エコーによる
撮像ができないという問題があった。

【０００４】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、被検体の浅部についても高
調波エコーによる撮像が可能な超音波撮像方法および装
置並びにスペーサを実現することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１）上記の課題を解決
する第１の発明は、被検体に超音波を送波し前記被検体
内での非線形効果による高調波エコーに基づいて画像を
生成する超音波撮像方法であって、前記被検体への超音
波の送波を音響伝播媒体からなるスペーサを介して行な
う、ことを特徴とする超音波撮像方法である。

【０００６】（２）上記の課題を解決する第２の発明
は、被検体に超音波を送波し前記被検体内での非線形効
果による高調波エコーに基づいて画像を生成する超音波
撮像装置であって、前記被検体への超音波の送波経路に
設けられた音響伝播媒体からなるスペーサ、を具備する
ことを特徴とする超音波撮像装置である。

【０００７】第１の発明または第２の発明において、前
記音響伝播媒体はＢ／Ａ値が水より大きいものであるこ
とが、非線形効果の発現が容易な点で好ましい。この場
合、前記音響伝播媒体は油であることが、適切なＢ／Ａ
値を得る点で好ましい。

【０００８】また、第１の発明または第２の発明におい
て、前記超音波は長距離集束ビームであることが、非線
形効果の発現距離が長い点で好ましい。この場合、長距
離集束ビームはベッセルビームであることが、ビームの
長距離集束性が良い点で好ましい。

【０００９】（３）上記の課題を解決する第３の発明
は、中空の筒部材と、前記筒部材の両端の開口部を封止
する音響学的に実質的に透明な膜部材と、前記筒部材お
よび前記膜部材で囲まれた空間を満たすＢ／Ａ値が水の
Ｂ／Ａ値より大きい音響伝播媒体と、を具備することを
特徴とするスペーサである。

【００１０】第３の発明において、前記音響伝播媒体は
油であることが、適切なＢ／Ａ値を得る点で好ましい。 （作用）本発明では、音響伝播媒体からなるスペーサに
より被検体の体表までの送波超音波の伝播距離を長く
し、非線形効果を被検体の浅部で発現可能にする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置の
ブロック(block) 図を示す。本装置は、本発明の実施の
形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装
置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作
によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示
される。

【００１２】本装置の構成を説明する。図１に示すよう
に、本装置は、超音波プローブ(probe) ２を有する。超
音波プローブ２は、スタンドオフ(stand-off) ３０を介
して被検体４に当接されて超音波の送受波に使用され
る。スタンドオフ３０は、本発明におけるスペーサの実
施の形態の一例である。

【００１３】超音波プローブ２は、図示しない超音波ト
ランスデューサアレイ(transducerarray)を有する。超
音波トランスデューサアレイは、複数の超音波トランス
デューサをアレイ状に配列して構成される。個々の超音
波トランスデューサは、例えばＰＺＴ（チタン(Ti)酸ジ
ルコン(Zr)酸鉛）セラミックス(ceramics)等の圧電材料
で構成される スタンドオフ３０は、例えば、プラスチック(plastics)
等の音響学的に実質的に透明な物質からなる容器に、油
等の音響伝播媒体を満たして構成される。これによっ
て、スタンドオフ３０は、超音波プローブ２を被検体４
の表面に所定の距離を隔てて対面させるとともに、両者
を音響伝播媒体により音響的に結合するものとなる。

【００１４】具体的には、スタンドオフ３０は、例えば
図２に示すように、断面形状が概ね長方形の中空の筒体
３０２と、その両端の開口部を封止する音響学的に実質
的に透明で伸縮可能な膜３０４，３０６とからなる容器
に、油を充満させたものとして構成される。筒体３０２
の内壁に吸音材を設けることが、内壁からの超音波の反
射を無くす点で好ましい。

【００１５】筒体３０２は、本発明における筒部材の実
施の形態の一例である。膜３０４，３０６は、本発明に
おける膜部材の実施の形態の一例である。油は本発明に
おける音響伝播媒体の実施の形態の一例である。

【００１６】このようなスタンドオフ３０を、膜３０
４，３０６のうちの一方を被検体４に当接し、他方に超
音波プローブ２を当接して使用する。膜３０４，３０６
が伸縮可能でかつ内側が油で満ちていることにより、ス
タンドオフ３０の両当接部は被検体４および超音波プロ
ーブ２の表面にそれぞれよく馴染むものとなる。

【００１７】音響伝播媒体として油を用いることは、音
響伝播の非線形性を表すいわゆるＢ／Ａ(B over A)の値
が油は水の２倍以上であり、非線形効果が発現し易い点
で好ましい。勿論、非線形効果がやや弱いことを許容す
るなら、油の代わりに水を用いることも可能である。

【００１８】超音波プローブ２は送受信部６に接続され
ている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を
与えて、超音波を送波させるようになっている。送受信
部６は、また、超音波プローブ２が受波したエコーを受
信するようになっている。

【００１９】送受信部６のブロック図を図３に示す。同
図において、送波タイミング(timing)発生回路６０２
は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビーム
フォーマ(beamformer)６０４に入力するようになってい
る。

【００２０】送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミ
ング信号に基づいて、送波ビームフォーミング(beamfor
ming) 信号、すなわち、超音波トランスデューサアレイ
中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波
トランスデューサを時間差をもって駆動する複数の駆動
信号を発生し、送受切換回路６０６に入力するようにな
っている。

【００２１】送受切換回路６０６は、複数の駆動信号を
超音波トランスデューサアレイに入力するようになって
いる。アレイ中の送波アパーチャを構成する複数の超音
波トランスデューサは、複数の駆動信号の時間差に対応
した位相差を持つ複数の超音波をぞれぞれ発生する。そ
れら超音波の波面合成により超音波ビームが形成され
る。

【００２２】超音波ビームの送波は、送波タイミング発
生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所
定の時間間隔で繰り返し行われる。超音波ビームの方位
は送波ビームフォーマ６０４によって順次変更される。
それによって、被検体４の内部が、超音波ビームが形成
する音線によって走査される。すなわち被検体４の内部
が音線順次で走査される。

【００２３】送受切換回路６０６は、超音波トランスデ
ューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコ
ー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力するようにな
っている。受波ビームフォーマ６１０は、複数の受波エ
コーに時間差を付与して位相を調整し次いでそれら加算
して、音線に沿ったエコー受信信号の形成、すなわち、
受波のビームフォーミングを行なうようになっている。
受波ビームフォーマ６１０により、受波の音線も送波に
合わせて走査される。以上の、送波タイミング発生回路
６０２乃至受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部
１８によって制御されるようになっている。

【００２４】このような構成の送受信部６は、例えば図
４に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００
からｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状
の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタ
スキャン(sector scan) を行なう。

【００２５】送波および受波のアパーチャを超音波トラ
ンスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、こ
のアパーチャをアレイに沿って順次移動させることによ
り、例えば図５に示すような走査を行なうことができ
る。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２
０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させること
により、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査さ
れ、いわゆるリニアスキャン(linear scan) が行なわれ
る。

【００２６】なお、超音波トランスデューサアレイが、
超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたい
わゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合
は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図
６に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の
軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０
６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが
行なえるのは言うまでもない。

【００２７】送受信部６はＢモード(mode)処理部１０に
接続され、各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部
１０に入力するようになっている。Ｂモード処理部１０
はＢモード画像データ(data)を形成するものである。Ｂ
モード処理部１０は、例えば図７に示すように基本波処
理部１１０および高調波処理部１３０を備えている。基
本波処理部１１０および高調波処理部１３０には、受波
ビームフォーマ６１０の出力信号が共通に入力される。

【００２８】基本波処理部１１０は、基本波エコーすな
わち送波超音波の中心周波数と同じ周波数を持つエコー
受信信号を通過させる図示しないフィルタ(filter)を有
する。高調波処理部１３０は、高調波エコーすなわち送
波超音波の中心周波数の例えば２次の高調波（第２高調
波）と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図
示しないフィルタを有する。なお、このフィルタは、必
要に応じて３次またはそれ以上の高次の高調波に対応す
るものとしても良いのは勿論である。

【００２９】基本波処理部１１０は、入力信号につき、
基本波エコーを対数増幅および包絡線検波することによ
り、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号
すなわちＡスコープ(scope) 信号を得て、このＡスコー
プ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモー
ド画像データを形成するようになっている。すなわち基
本波処理部１１０は基本波エコーに基づくＢモード画像
データを生成する。

【００３０】高調波処理部１３０は、入力信号につき、
第２高調波エコーを対数増幅および包絡線検波すること
により、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す
信号すなわちＡスコープ信号を得て、このＡスコープ信
号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画
像データを形成するようになっている。すなわち高調波
処理部１３０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画
像データをそれぞれ生成する。

【００３１】Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接
続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０
から入力される複数系統のＢモード画像データに基づい
て複数のＢモード画像をそれぞれ生成するものである。

【００３２】画像処理部１４は、図８に示すように、バ
ス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(d
ata memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ
(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６お
よび画像処理プロセッサ(processor) １４８を備えてい
る。

【００３３】Ｂモード処理部１０から音線毎に入力され
た基本波エコーおよび第２高調波エコーによるＢモード
画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶
される。音線データメモリ１４２内にはそれぞれの音線
データ空間が形成される。

【００３４】ディジタル・スキャンコンバータ１４４
は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間
のデータに変換するものである。ディジタル・スキャン
コンバータ１４４によって変換された画像データは、画
像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１
４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロ
セッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メ
モリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理
を施す。

【００３５】画像処理部１４には表示部１６が接続され
ている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が
与えられ、それに基づいて画像を表示するようになって
いる。表示部１６は、例えばカラー（color)画像が表示
可能なグラフィックディスプレー(graphic display) 等
によって構成される。

【００３６】以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、
画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続さ
れている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与え
てその動作を制御するようになっている。また、制御部
１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力され
るようになっている。制御部１８による制御の下で、超
音波撮像が遂行される。

【００３７】制御部１８には操作部２０が接続されてい
る。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８
に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作
部２０は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作
具を備えた操作パネル(panel) で構成される。

【００３８】本装置の動作を説明する。操作者は、超音
波プローブ２をスタンドオフ３０を介して被検体４の所
望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。
撮像は、制御部１８による制御の下で遂行される。

【００３９】撮像は、例えば図４に示したようなセクタ
スキャンにより、各音線ごとに超音波ビームを送波し、
そのエコーを受信し、エコー受信信号に基づいてＢモー
ド画像を生成する。勿論、図５および図６に示したリニ
アスキャンおよびコンベックススキャンを行なうように
しても良い。

【００４０】このようなスキャンが行なわれる音場にお
いて、被検体４の体表は、スタンドオフ３０を介在させ
た分だけ超音波プローブ２の超音波放射面から遠い距離
にある。これにより、被検体４の体表に到る非線形性を
有する超音波伝播距離が長くなり、超音波ビームの焦点
領域、すなわち、非線形効果が発現する領域を体表付近
から始まるようにすることができ、被検体４の極く浅部
からも高調波エコーを得ることができる。

【００４１】各音線のエコー受信信号に基づき、Ｂモー
ド処理部１０でＢモード画像データが形成される。Ｂモ
ード画像データは、基本波エコーに基づくものと第２高
調波エコーに基づくものとがそれぞれ形成され、画像処
理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。

【００４２】画像処理プロセッサ１４８は、音線データ
メモリ１４２の複数系統のＢモード画像データを、ディ
ジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換してそれ
ぞれ画像メモリ１４６に書き込む。

【００４３】操作者は、操作部２０を操作して、これら
のＢモード画像を表示部１６に表示させる。そして、表
示された基本波エコー像と第２高調波エコー像とを観察
し、両画像の比較対照等により診断を行なう。第２高調
波エコー像は、被検体の体表から始まる画像を含むの
で、基本波エコー像との比較対照を行なうのに都合が良
い。

【００４４】このようにスペーサ３０を用いるとき、撮
像対象のレンジ(range) が遠くなるので、送波の超音波
ビームとしては、長距離集束ビームを利用するのが好ま
しい。長距離集束ビームの典型例はベッセルビーム(Bes
sel beam) である。

【００４５】ベッセルビームについては、例えば文献：
山田，多勢，中村，「コニカル形の放射面を用いたベッ
セルビームトランスジューサ」日本音響学会誌４８巻１
２号，ｐｐ．８７１−８７５，１９９２に記載されてい
る。

【００４６】それによれば、回折の全く生じない波動ビ
ームが理論的に存在し、この波動ビームは、０次の第１
種ベッセル関数Ｊ０（Ｊ０関数）で与えられる断面内分
布を持ち、中心軸上のどの位置においても同じ分布を保
ったまま伝搬する。このような無回折ビームは、本来開
口が無限の場合にのみ存在するものであるが、有限の開
口面から放射された場合でも、ある程度長い距離範囲に
わたり広がらずに伝搬する。

【００４７】ベッセル形の超音波ビームを放射するトラ
ンスデューサ(transducer)としては、圧電セラミック(c
eramic) 振動子をＪ０関数の形に対応させて分極した
後、これを一様な電圧で駆動するようにしたものや、一
様に分極された振動子に設けた電極を同心リング状に分
割し、各電極への印加電圧をＪ０関数の形に応じて変え
るようにしたものがある。

【００４８】ベッセル形の超音波ビームは、中心軸上あ
る程度長い距離範囲にわたってビームが集束したものす
なわち長距離集束ビームとなり、かつその範囲において
瞬時音圧の変化が小さくなる。

【００４９】図９に、ベッセルビーム送波用の超音波ト
ランスデューサアレイの模式的構成を示す。同図に示す
ように、超音波トランスデューサアレイ２０は、複数の
超音波トランスデューサ２２の２次元アレイによって構
成される。

【００５０】送受信部６による超音波トランスデューサ
アレイ２０の駆動は、ベッセル形の超音波ビーム（超音
波ベッセルビーム）を形成するように行われる。具体的
には、例えば図１０に示すように、超音波トランスデュ
ーサアレイ２０の開口における相対的な振動速度分布が
０次の第１種ベッセル関数Ｊ０（Ｊ０関数）の形になる
ように、個々の超音波トランスデューサ２２を駆動する
ことによって行われる。なお、図１０のグラフの横軸
は、開口半径によって正規化された距離を表す。

【００５１】これによって、図１１に示すように、ビー
ムの中心軸に垂直な断面内の瞬時音圧分布がＪ０関数で
与えられる超音波ビーム、すなわち超音波ベッセルビー
ムが得られる。超音波ベッセルビームは、本発明におけ
る長距離集束ビームの実施の形態の一例である。このビ
ームは、同図に示すように、半値幅が開口の１０分の１
程度の集束ビームとなる。なお、図１１の音圧と距離は
いずれも正規化された値である。

【００５２】このような瞬時音圧分布が、ビームの中心
軸上ある程度長い距離範囲にわたって保たれる。すなわ
ち、ビームの集束状態が長い距離範囲にわたって維持さ
れ、長距離集束ビームが形成される。また、このとき、
ビームの中心軸上の瞬時音圧は、図１２に示すように、
長い距離範囲にわたって変化量の少ないものとなる。な
お、図１２における音圧と距離はいずれも正規化値によ
って表す。

【００５３】超音波の送波が、ベッセルビームすなわち
長距離集束ビームによって行われることにより、被検音
場の深さ方向の広い範囲で瞬時音圧がほぼ同じになり、
スペーサ３０の介在により遠くなった被検体４でも適切
に撮像することができる。また、ビームの集束が超音波
トランスデューサアレイ２０の直近から始まるので、被
検体４の浅部から非線形効果を発現させることができ
る。したがって、撮像の深度によってはスペーサ３０を
省略することも可能となる。

【００５４】長距離集束ビームの送波部としては、上記
のような２次元アレイが、超音波トランスデューサの駆
動条件を個々に調節でき、精度の良いベッセルビームを
得る点で好ましいが、それに限るものではなく、他の送
波手段を利用するようにしても良い。

【００５５】図１３に、長距離集束ビームの送波部の他
の形態例を示す。図１３の（ａ）は、リング(ring)状の
超音波トランスデューサ２２１を用いた例である。同図
では、超音波トランスデューサ２２１を断面図によって
示す。これを駆動したとき、超音波トランスデューサ２
２１から、同図に同心円ないし円弧で示すように、ドー
ナッツ状の波面を成す超音波が送波され、それら波面の
合成により、中心軸２３０に沿って、瞬時音圧の変化が
少ない集束ビームすなわち長距離集束ビームが形成され
る。

【００５６】図１３の（ｂ）は、回転双曲線型の放射面
を有する超音波トランスデューサ２２２を用いたもので
ある。超音波トランスデューサ２２２は断面図で示す。
これを駆動したとき、放射面の各部からそれぞれ法線方
向に放射される超音波の波面合成によって、瞬時音圧の
変化が少ない集束ビームが中心軸２３０に沿って形成さ
れる。

【００５７】図１３の（ｃ）は、上記の構成を簡略化し
たものであり、コーン(corn)状凹面を有する超音波トラ
ンスデューサ２２３を用いている。超音波トランスデュ
ーサ２２３は断面図によって示す。この場合も、（ｂ）
に示したものと同様に長距離集束ビームが送波される。
ただし、超音波送波面の形状を簡略化した分だけビーム
の性状は劣るが、用途によってはこれで十分である。

【００５８】以上、Ｂモード撮像の例について説明した
が、超音波撮像はそれに限るものではなく、エコーのド
ップラシフト(Doppler shift) を利用して動態画像を撮
像するものであっても良いのはいうまでもない。

【００５９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、被検体の浅部についても高調波エコーによる撮像
が可能な超音波撮像方法および装置並びにスペーサを実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置におけるスタ
ンドオフの模式的構成を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置における送受
信部のブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置による音線走
査の概念図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置による音線走
査の概念図である。

【図６】本発明の実施の形態の一例の装置による音線走
査の概念図である。

【図７】本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモ
ード処理部のブロック図である。

【図８】本発明の実施の形態の一例の装置における画像
処理部のブロック図である。

【図９】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波トランスデューサアレイの模式的構成を示す図であ
る。

【図１０】本発明の実施の形態の一例の装置における超
音波トランスデューサアレイの動作状態を示す波形図で
ある。

【図１１】本発明の実施の形態の一例の装置が利用する
ベッセルビームの中心軸に垂直な方向の音圧分布を示す
グラフである。

【図１２】本発明の実施の形態の一例の装置が利用する
ベッセルビームの中心軸方向の音圧分布を示すグラフで
ある。

【図１３】本発明の実施の形態の一例の装置における超
音波トランスデューサの模式的構成を示す図である。

【符号の説明】

２ 超音波プローブ ３０ スタンドオフ ４ 被検体 ６ 送受信部 １０ Ｂモード処理部 １４ 画像処理部 １６ 表示部 １８ 制御部 ２０ 操作部 ６０２ 送波タイミング発生回路 ６０４ 送波ビームフォーマ ６０６ 送受切換回路 ６１０ 受波ビームフォーマ １１０ 基本波処理部 １３０ 高調波処理部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体に超音波を送波し前記被検体内で
   の非線形効果による高調波エコーに基づいて画像を生成
   する超音波撮像方法であって、 前記被検体への超音波の送波を音響伝播媒体からなるス
   ペーサを介して行なう、ことを特徴とする超音波撮像方
   法。
2. 【請求項２】 被検体に超音波を送波し前記被検体内で
   の非線形効果による高調波エコーに基づいて画像を生成
   する超音波撮像装置であって、 前記被検体への超音波の送波経路に設けられた音響伝播
   媒体からなるスペーサ、を具備することを特徴とする超
   音波撮像装置。
3. 【請求項３】 中空の筒部材と、 前記筒部材の両端の開口部を封止する音響学的に実質的
   に透明な膜部材と、 前記筒部材および前記膜部材で囲まれた空間を満たすＢ
   ／Ａ値が水のＢ／Ａ値より大きい音響伝播媒体と、を具
   備することを特徴とするスペーサ。