JPS63122923A - 超音波測温装置 - Google Patents
超音波測温装置Info
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- JPS63122923A JPS63122923A JP61268662A JP26866286A JPS63122923A JP S63122923 A JPS63122923 A JP S63122923A JP 61268662 A JP61268662 A JP 61268662A JP 26866286 A JP26866286 A JP 26866286A JP S63122923 A JPS63122923 A JP S63122923A
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- G—PHYSICS
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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。
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、生体内に超音波を送受波し、生体内組織の音
響特性が温度依存することを利用して温度を推定する超
音波測温装置に関するものである。
響特性が温度依存することを利用して温度を推定する超
音波測温装置に関するものである。
従来の技術
生体内の情報を超音波を用いて得ろ方式とじては超音波
診断装置がある。超音波診断装置は生体内に超音波を送
波し、生体内からの反射波より生体内の情報を得るパル
ス反射法を用いるものが主流を占めている。パルス反射
法は生体内の音響インピーダンス差のある界面からの反
射エコー強度すなわち振幅値と超音波の伝搬時間とから
生体内の情報を2次元的に集め表示することで断層像を
得るものである。しかし近年、おもに生体組織の形状判
断を行う超音波診断装置に対し、生体内組織形状以外の
情報も得たいという要望も高まっている。このような情
報の例として生体内温度がある。生体内の温度情報が得
られれば、癌の温熱療法における温度モニタが可能にな
る。生体内の温度変化は、例えば生体内での超音波減衰
の大きさや音速等の温度変化を計測し、予め調べておい
た生体組織内の超音波の減衰や音速等の温度依存係数と
比較することにより推定することが可能である。しかし
生体組織の多くは不均質な散乱体で構成されており、こ
れら減衰や音速等の情報を生体内で得ることは容易では
ない。例えば超音波バルス反射法により生体組織内の超
音波減衰を求める場合には、反射エコーの周波数分析が
行われるが、分析結果に含まれる生体組織の超音波散乱
特性が極めて大きな周波数依存特性を有し、このためこ
の分析結果から音波減衰特性を正確に得ることは難しい
。この散乱特性の影響を軽減する方法として例えばプロ
シーデイングスオブザアイイーイーイ−: PROCE
EDINGS OF THE IEEE、 Vol。
診断装置がある。超音波診断装置は生体内に超音波を送
波し、生体内からの反射波より生体内の情報を得るパル
ス反射法を用いるものが主流を占めている。パルス反射
法は生体内の音響インピーダンス差のある界面からの反
射エコー強度すなわち振幅値と超音波の伝搬時間とから
生体内の情報を2次元的に集め表示することで断層像を
得るものである。しかし近年、おもに生体組織の形状判
断を行う超音波診断装置に対し、生体内組織形状以外の
情報も得たいという要望も高まっている。このような情
報の例として生体内温度がある。生体内の温度情報が得
られれば、癌の温熱療法における温度モニタが可能にな
る。生体内の温度変化は、例えば生体内での超音波減衰
の大きさや音速等の温度変化を計測し、予め調べておい
た生体組織内の超音波の減衰や音速等の温度依存係数と
比較することにより推定することが可能である。しかし
生体組織の多くは不均質な散乱体で構成されており、こ
れら減衰や音速等の情報を生体内で得ることは容易では
ない。例えば超音波バルス反射法により生体組織内の超
音波減衰を求める場合には、反射エコーの周波数分析が
行われるが、分析結果に含まれる生体組織の超音波散乱
特性が極めて大きな周波数依存特性を有し、このためこ
の分析結果から音波減衰特性を正確に得ることは難しい
。この散乱特性の影響を軽減する方法として例えばプロ
シーデイングスオブザアイイーイーイ−: PROCE
EDINGS OF THE IEEE、 Vol。
73、 No、7.1985.1159〜1168頁に
記載されている構成が知られている。以下、第4図を参
照して従来の減衰特性測定法について説明する。
記載されている構成が知られている。以下、第4図を参
照して従来の減衰特性測定法について説明する。
第4図において、1は被検体、2は被検体1に対して超
音波の送受信を行う超音波探触子、3は超音波探触子2
を駆動するパルス駆動器、4は超音波探触子2の受信信
号を増幅すや増幅器、5は増幅器4の出力をデジタル信
号に変換するA/D変換器、6はA/D変換器5の出力
に対し、周波数分析等の処理を行うCPUである。
音波の送受信を行う超音波探触子、3は超音波探触子2
を駆動するパルス駆動器、4は超音波探触子2の受信信
号を増幅すや増幅器、5は増幅器4の出力をデジタル信
号に変換するA/D変換器、6はA/D変換器5の出力
に対し、周波数分析等の処理を行うCPU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。
する。
まずパルス駆動器3により駆動パルスが送出され、超音
波探触子2に加えられ、超音波探触子2は超音波パルス
を発生する。発生した超音波パルスは被検体1の中を伝
搬しながら組織の音響的質の変化に対応して次々に散乱
され、その一部は伝搬径路すなわち音響走査線上を逆行
して超音波探触子2に戻り、受信信号に変換される。こ
の伝搬や散乱の過程で超音波パルスは生体組織の超音波
減衰特性や超音波散乱゛特性の影響を受ける。受信信号
は増幅器で増幅され、A/D変換器5でデジタル信号に
変換され、CPU6において周波数分析等の信号処理が
なされ、減衰特性が計算される。
波探触子2に加えられ、超音波探触子2は超音波パルス
を発生する。発生した超音波パルスは被検体1の中を伝
搬しながら組織の音響的質の変化に対応して次々に散乱
され、その一部は伝搬径路すなわち音響走査線上を逆行
して超音波探触子2に戻り、受信信号に変換される。こ
の伝搬や散乱の過程で超音波パルスは生体組織の超音波
減衰特性や超音波散乱゛特性の影響を受ける。受信信号
は増幅器で増幅され、A/D変換器5でデジタル信号に
変換され、CPU6において周波数分析等の信号処理が
なされ、減衰特性が計算される。
減衰特性の計算は次のように行われる。まず、被検体1
内の特定の深さaに対応する受信信号h (a)と深さ
bに対応する受信信号h(b)を抜取る。抜取る信号の
長さは被検体1内で例えば1cm、時間に換算して13
μs程度である。次に、h (alとh(t))に対し
て周波数分析、例えば7−リエ変換を行い、それぞれ周
波数特性)I (a、ω)、H(b、ω)を得る。
内の特定の深さaに対応する受信信号h (a)と深さ
bに対応する受信信号h(b)を抜取る。抜取る信号の
長さは被検体1内で例えば1cm、時間に換算して13
μs程度である。次に、h (alとh(t))に対し
て周波数分析、例えば7−リエ変換を行い、それぞれ周
波数特性)I (a、ω)、H(b、ω)を得る。
ここでωは角周波数である。H(a、ω)、f((b、
ω)は次のように表わすことができる。
ω)は次のように表わすことができる。
H(a、ω)=T(ω)・G(a、ω)φs(a、ω)
・・・・・・・・・(1) H(b、ω)=T(ω)@G(b、ω)・s(b、ω)
・・・・・・・・・(2) 但し、T(ω)は超音波探触子2が発生する超音波パル
スの周波数特性、G(a、ω)は超音波探触子2と被検
体1の深さaの間を往復する際に超音波が受ける伝搬特
性、S(a、ω)は深さaにおける超音波の散乱特性で
ある。散乱特性S(a、ω)とs(b。
・・・・・・・・・(1) H(b、ω)=T(ω)@G(b、ω)・s(b、ω)
・・・・・・・・・(2) 但し、T(ω)は超音波探触子2が発生する超音波パル
スの周波数特性、G(a、ω)は超音波探触子2と被検
体1の深さaの間を往復する際に超音波が受ける伝搬特
性、S(a、ω)は深さaにおける超音波の散乱特性で
ある。散乱特性S(a、ω)とs(b。
ω)が等しければ(1) 、 (2)式よシ消去し絶対
値をとることにより次式に示すように、被検体1内の深
さaと深さbの間で超音波が受ける減衰、E(b、a。
値をとることにより次式に示すように、被検体1内の深
さaと深さbの間で超音波が受ける減衰、E(b、a。
ω)が得られる。
E(b、a、ω) = l G(b、ω)/G(a、ω
) 1= IH(b 、ω) /l((a 、ω) I
−=−=(3+このようにして被検体1内の任意の部
位に於ける減衰特性を得ることが可能である。しかし、
−搬に生体内に於ける超音波散乱特性は部位により大幅
に異なり、上記したようにS(a、ω)とS(b、ω)
を等しいと仮定することはできない。このだめ、この超
音波散乱特性が部位によりランダムに変化することを逆
に利用することが行われる。すなわち、超音波探触子2
が被検体1に対して超音波を送受信する位置を所定の範
囲内で横方向にずらし、多数の部位に於て得られた受信
信号についてそれぞれ周波数分析を行い、得られた多数
の周波数分析結果を平均処理することにより、ランダム
に変化する散乱特性のみを相殺し、このようにして得ら
れた7−リエ変換H(a、ω)、H(b、ω)に対して
c3)式を適用することが可能となり減衰特性が求めら
れる。
) 1= IH(b 、ω) /l((a 、ω) I
−=−=(3+このようにして被検体1内の任意の部
位に於ける減衰特性を得ることが可能である。しかし、
−搬に生体内に於ける超音波散乱特性は部位により大幅
に異なり、上記したようにS(a、ω)とS(b、ω)
を等しいと仮定することはできない。このだめ、この超
音波散乱特性が部位によりランダムに変化することを逆
に利用することが行われる。すなわち、超音波探触子2
が被検体1に対して超音波を送受信する位置を所定の範
囲内で横方向にずらし、多数の部位に於て得られた受信
信号についてそれぞれ周波数分析を行い、得られた多数
の周波数分析結果を平均処理することにより、ランダム
に変化する散乱特性のみを相殺し、このようにして得ら
れた7−リエ変換H(a、ω)、H(b、ω)に対して
c3)式を適用することが可能となり減衰特性が求めら
れる。
発明が解決しようとする問題点
しかし、以上のような構成では被検体1内の超音波散乱
特性が、その測定部位をずらした場合、完全にランダム
に変化する、すなわち各測定部位の間で全く相関がない
ということが前提となる。
特性が、その測定部位をずらした場合、完全にランダム
に変化する、すなわち各測定部位の間で全く相関がない
ということが前提となる。
しかしながらこの前提が、生体組織内に通常存在する明
確な音響的境界を有する構造物により成立たなくなると
いう問題があった。
確な音響的境界を有する構造物により成立たなくなると
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を解決するもので
、任意の超音波散乱特性を有する被検体に対して正確に
超音波減衰特性とその温度変化を検出し、生体内の温度
変化を正確に得ることを目的とするものである。
、任意の超音波散乱特性を有する被検体に対して正確に
超音波減衰特性とその温度変化を検出し、生体内の温度
変化を正確に得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
本発明は上記目的を達成するもので、その技術的手段は
、超音波パルスを送出するプローブ波トランスデユーサ
と前記プローブ波トランスデユーサの超音波パルスより
周波数の低い超音波パルスを送出するポンプ波トランス
ジューサを位相制御駆動する手段と、前記プローブ波ト
ランスデユーサの受信信号のスペクトルシフト量と位相
シフト量を検出する手段と、前記スペクトルシフト量と
位相シフト量により温度変化を演算する手段とを少なく
とも有することを特徴とする超音波測温装置にある。
、超音波パルスを送出するプローブ波トランスデユーサ
と前記プローブ波トランスデユーサの超音波パルスより
周波数の低い超音波パルスを送出するポンプ波トランス
ジューサを位相制御駆動する手段と、前記プローブ波ト
ランスデユーサの受信信号のスペクトルシフト量と位相
シフト量を検出する手段と、前記スペクトルシフト量と
位相シフト量により温度変化を演算する手段とを少なく
とも有することを特徴とする超音波測温装置にある。
作 用
本発明は上記構成により、プローブ波パルスの波形重心
位置をプローブ波パルスよシ周波数の低いポンプ波パル
スの粒子速度零近傍かつ粒子加速度方向一定部分に重畳
(以下位相状態Cと記す)及び粒子速度ピーク部分に重
畳(以下位相状態りと記す)し、受信信号の周波数分析
を行い、スペクトルシフト量、位相シフト量を求め、こ
れらの値から異なる深さ間の超音波減衰を求め、被検体
の加温の前後について求めた超音波減衰の値と減衰率変
化衣をもとに被検体内の温度変化を求めるもので、生体
内の温度変化を正確に得ることができる。
位置をプローブ波パルスよシ周波数の低いポンプ波パル
スの粒子速度零近傍かつ粒子加速度方向一定部分に重畳
(以下位相状態Cと記す)及び粒子速度ピーク部分に重
畳(以下位相状態りと記す)し、受信信号の周波数分析
を行い、スペクトルシフト量、位相シフト量を求め、こ
れらの値から異なる深さ間の超音波減衰を求め、被検体
の加温の前後について求めた超音波減衰の値と減衰率変
化衣をもとに被検体内の温度変化を求めるもので、生体
内の温度変化を正確に得ることができる。
実施例
以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例における超音波測温装置を示
す機能ブロック図である。第1図において、10はポン
プ波用の超音波変換器、11はプローブ波用の超音波変
換器、12は超音波変換器10を駆動するパルス駆動器
、13は超音波変換器11を駆動するパルス駆動器、1
4はパルス駆動器12゜13よシ構成されるパルス駆動
部、15はパルス駆動器12.13の出力の位相関係を
制御するタイミング制御部、16はタイミング制御部1
5ヘクロツクを供給するクロック発生部、17は超音波
変換器11からの受信信号を増幅する増幅器、18は増
幅器17の出力をデジタルデータに変えるA/D変換器
、19はA/D変換器18の出力を記憶するメモリ、2
0はメモリ19に記憶されているデータに対する周波数
分析部、21.22.23.24は周波数分析部20の
出力を記憶するメモリ、25はメモリ21゜22に記憶
されたデータに対してスペクトルシフト量の分析を行う
スペクトルシフト分析部、26はメモIJ 23.24
に記憶されたデータに対して位相シフト量の分析を行う
位相シフト分析部、27はスペクトルシフト分析部25
の出力を記憶するメモリ、28は位相シフト分析部26
の出力を記憶するメモリ、29はメモIJ 27.28
に記憶されたデータから減衰データを求める減衰演算部
、30.31は減衰演算部29の出力を記録するメモリ
、32は減衰率の温度依存を記憶している減衰率変化衣
、33はメモIJ 30.31と減衰率変化衣32から
温度変化を求める温度差演算部、34は温度差演算部3
3の出力を走査変換する走査変換部、35は走査変換部
34の出力を表示する表示部、36は増幅器17の出力
に信号処理を加える信号処理部、信号処理部36の出力
は走査変換部34へ加えられる。 37はシステム全体
の制御を行う主制御部、40は被検体、Rz、Rzは被
検体40内にある超音波散乱体であり、それぞれ被検深
さa、bに存在する。
す機能ブロック図である。第1図において、10はポン
プ波用の超音波変換器、11はプローブ波用の超音波変
換器、12は超音波変換器10を駆動するパルス駆動器
、13は超音波変換器11を駆動するパルス駆動器、1
4はパルス駆動器12゜13よシ構成されるパルス駆動
部、15はパルス駆動器12.13の出力の位相関係を
制御するタイミング制御部、16はタイミング制御部1
5ヘクロツクを供給するクロック発生部、17は超音波
変換器11からの受信信号を増幅する増幅器、18は増
幅器17の出力をデジタルデータに変えるA/D変換器
、19はA/D変換器18の出力を記憶するメモリ、2
0はメモリ19に記憶されているデータに対する周波数
分析部、21.22.23.24は周波数分析部20の
出力を記憶するメモリ、25はメモリ21゜22に記憶
されたデータに対してスペクトルシフト量の分析を行う
スペクトルシフト分析部、26はメモIJ 23.24
に記憶されたデータに対して位相シフト量の分析を行う
位相シフト分析部、27はスペクトルシフト分析部25
の出力を記憶するメモリ、28は位相シフト分析部26
の出力を記憶するメモリ、29はメモIJ 27.28
に記憶されたデータから減衰データを求める減衰演算部
、30.31は減衰演算部29の出力を記録するメモリ
、32は減衰率の温度依存を記憶している減衰率変化衣
、33はメモIJ 30.31と減衰率変化衣32から
温度変化を求める温度差演算部、34は温度差演算部3
3の出力を走査変換する走査変換部、35は走査変換部
34の出力を表示する表示部、36は増幅器17の出力
に信号処理を加える信号処理部、信号処理部36の出力
は走査変換部34へ加えられる。 37はシステム全体
の制御を行う主制御部、40は被検体、Rz、Rzは被
検体40内にある超音波散乱体であり、それぞれ被検深
さa、bに存在する。
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、プローブ波用の超音波変換器11の超音波パルス
出力の例を第2図(a)に、ポンプ波用の超音波変換器
10の超音波パルス出力の例を第2図(b)に、位相状
態Cで重畳された超音波変換器10と超音波変換器11
の超音波パルス出力の例を第2図FC)に、位相状態り
で重畳された超音波変換器10と超音波変換器11の超
音波パルス出力の例を第2図り)にそれぞれ示す。ポン
プ波の超音波パルス、すなわちポンプ波パルスは例えば
0.4■(Z、プローブ波の超音波パルス、すなわちプ
ローブ波パルスは例えば4.□ MIIZとし、その中
心周波数は大幅に異なる値が選ばれている。位相状態C
ではプローブ波パルスの波形の重心はポンプ波パルスの
粒子速度が零近傍、かつその値が負から正へ変化する、
すなわち粒子加速度が正のタイミングで重畳されている
。位相状態りではプローブ波パルスの波形重心はポンプ
波パルスの粒子速度がピーク値を示すタイミングで重畳
されている。ポンプ波パルスとプローブ波パルスの波形
に関しては、ポンプ波パルスの波長を人、プローブ波パ
ルスのパルス長をWとしたとき、 W く 入/2 とすることが望ましい。これによりプローブ波パルスの
スペクトルシフトや位相シフトの解析全容易にできる。
出力の例を第2図(a)に、ポンプ波用の超音波変換器
10の超音波パルス出力の例を第2図(b)に、位相状
態Cで重畳された超音波変換器10と超音波変換器11
の超音波パルス出力の例を第2図FC)に、位相状態り
で重畳された超音波変換器10と超音波変換器11の超
音波パルス出力の例を第2図り)にそれぞれ示す。ポン
プ波の超音波パルス、すなわちポンプ波パルスは例えば
0.4■(Z、プローブ波の超音波パルス、すなわちプ
ローブ波パルスは例えば4.□ MIIZとし、その中
心周波数は大幅に異なる値が選ばれている。位相状態C
ではプローブ波パルスの波形の重心はポンプ波パルスの
粒子速度が零近傍、かつその値が負から正へ変化する、
すなわち粒子加速度が正のタイミングで重畳されている
。位相状態りではプローブ波パルスの波形重心はポンプ
波パルスの粒子速度がピーク値を示すタイミングで重畳
されている。ポンプ波パルスとプローブ波パルスの波形
に関しては、ポンプ波パルスの波長を人、プローブ波パ
ルスのパルス長をWとしたとき、 W く 入/2 とすることが望ましい。これによりプローブ波パルスの
スペクトルシフトや位相シフトの解析全容易にできる。
次に、プローブ波パルス、及び位相状態CとDで重畳さ
れた超音波パルスが被検体40内伝搬する様子を詳しく
説明する。通常の超音波診断装置で用いられる程度のピ
ーク超音波出力レベルの場合でも伝搬の非線形現象によ
シ超音波の伝搬速度は波形の山と谷では異なる。この関
係は次式で表わされる。
れた超音波パルスが被検体40内伝搬する様子を詳しく
説明する。通常の超音波診断装置で用いられる程度のピ
ーク超音波出力レベルの場合でも伝搬の非線形現象によ
シ超音波の伝搬速度は波形の山と谷では異なる。この関
係は次式で表わされる。
・・・・・・・・・(4)
ここでB/Aは伝搬媒体の非線形パラメータであシ、生
体の場合組織により異なるが、例えば6程度の値である
。COは無限小振幅超音波の位相速度、Uは粒子速度で
ある。粒子速度Uは超音波パワーIW/(niの場合水
中で12cm/Secとなる。
体の場合組織により異なるが、例えば6程度の値である
。COは無限小振幅超音波の位相速度、Uは粒子速度で
ある。粒子速度Uは超音波パワーIW/(niの場合水
中で12cm/Secとなる。
この場合には八〇は約50cm/ secとなる。この
伝搬の非線形現象が超音波の波形に与える影響を第3図
に示す。第3図(alはポンプ波パルスが伝搬の非線形
現象により歪む様子を、第3図(b)及び(C)ポンプ
波の伝搬の非線形現象によりプローブ波パルスの周波数
特性が変化する様子を示す。第3図(b)では位相状態
Cで重畳されたプローブ波パルスの中心周波数が伝搬に
より高周波側ヘシフトし、第3図(C)では位相状態り
で重畳されたプローブ波パルスの位相が伝搬によりシフ
トする様子を示す。
伝搬の非線形現象が超音波の波形に与える影響を第3図
に示す。第3図(alはポンプ波パルスが伝搬の非線形
現象により歪む様子を、第3図(b)及び(C)ポンプ
波の伝搬の非線形現象によりプローブ波パルスの周波数
特性が変化する様子を示す。第3図(b)では位相状態
Cで重畳されたプローブ波パルスの中心周波数が伝搬に
より高周波側ヘシフトし、第3図(C)では位相状態り
で重畳されたプローブ波パルスの位相が伝搬によりシフ
トする様子を示す。
ポンプ波パルスが位相状態りで重畳されている場合とい
ない場合のプローブ波パルスの位相差、すなわち位相シ
フト量ΔPは次式で表わせる。
ない場合のプローブ波パルスの位相差、すなわち位相シ
フト量ΔPは次式で表わせる。
生体内における位相速度COを1500 m / se
c 。
c 。
伝搬距離ΔXを1cm、角周波数ωを2π×4×106
rad/seeとすると△Pは0,11 rad (=
6.4 deg )となり、十分精度良く検出するこ
とが可能である。
rad/seeとすると△Pは0,11 rad (=
6.4 deg )となり、十分精度良く検出するこ
とが可能である。
第2図(alに示すプローブ波パルス、第2図(C)、
(dlに示す関係で出力された超音波パルスが反射体1
(,1,R2により反射され、その受信信号が処理され
る過程を次に示す。まず、超音波変換器10を停止した
状態では超音波変換器11から発生したプローブ波パル
スは被検体40の中を伝搬しながら組織の音響的質の変
化に対応して次々に散乱されその一部は伝搬径路、すな
わち音響走査線上を逆行して超音波変換器11に戻り、
受信信号に変換される。以上の過程で超音波パルスは生
体組織の超音波減衰特性や超音波散乱特性の影響を受け
る。受信信号は増幅器17で増幅され、A/D変換器1
8でデジタルデータに変換される。A/D変換器のサン
プルタイミングはパルス駆動器13と位相的に同期し、
そのサンプル速度は数十MHz、分解能は10ビット程
度以上あり、入力信号の位相情報を正確に保存する必要
がある。A/D変換器18の出力はメモl719に記憶
される。周波数分析部20はメモリ19のデータを抜取
り、周波数分析等の演算を行う。演算は、具体例として
は、スペクトル振幅計算、位相角計算であり、フーリエ
積分DFT (離散フーリエ変換)等の計算アルゴリズ
ムを実行する。振幅スペクトル、位相角は次のように計
算される。まず、被検体40内の特定の深さaに対応す
る受信信号h (alをメモリ19から抜取り、周波数
分析を行い、フーリエ変換H(a、ω)を得、同様にし
て深さbに対応する受信信号h (blをメモリ19か
ら抜取り、フーリエ変換H(b、ω)を得る。抜取るデ
ータの長さは、被検体40内で例えば1cm、時間に換
算して13μsec程度である。
(dlに示す関係で出力された超音波パルスが反射体1
(,1,R2により反射され、その受信信号が処理され
る過程を次に示す。まず、超音波変換器10を停止した
状態では超音波変換器11から発生したプローブ波パル
スは被検体40の中を伝搬しながら組織の音響的質の変
化に対応して次々に散乱されその一部は伝搬径路、すな
わち音響走査線上を逆行して超音波変換器11に戻り、
受信信号に変換される。以上の過程で超音波パルスは生
体組織の超音波減衰特性や超音波散乱特性の影響を受け
る。受信信号は増幅器17で増幅され、A/D変換器1
8でデジタルデータに変換される。A/D変換器のサン
プルタイミングはパルス駆動器13と位相的に同期し、
そのサンプル速度は数十MHz、分解能は10ビット程
度以上あり、入力信号の位相情報を正確に保存する必要
がある。A/D変換器18の出力はメモl719に記憶
される。周波数分析部20はメモリ19のデータを抜取
り、周波数分析等の演算を行う。演算は、具体例として
は、スペクトル振幅計算、位相角計算であり、フーリエ
積分DFT (離散フーリエ変換)等の計算アルゴリズ
ムを実行する。振幅スペクトル、位相角は次のように計
算される。まず、被検体40内の特定の深さaに対応す
る受信信号h (alをメモリ19から抜取り、周波数
分析を行い、フーリエ変換H(a、ω)を得、同様にし
て深さbに対応する受信信号h (blをメモリ19か
ら抜取り、フーリエ変換H(b、ω)を得る。抜取るデ
ータの長さは、被検体40内で例えば1cm、時間に換
算して13μsec程度である。
振幅スペクトルA(a、ω)はフーリエ変換f((a、
ω)の絶対値として、位相角P(a、ω)はフーリエ変
換1−1 (a 、ω)の位相角として次式に示すよう
に得られる。
ω)の絶対値として、位相角P(a、ω)はフーリエ変
換1−1 (a 、ω)の位相角として次式に示すよう
に得られる。
A(a 、ω) = l H(a 、ω) I
−−−−=−(6)P(a 、G)) : arg
II(H(a、ω)) −−−・(7)このよ
うにして得られた振幅スペクトルA(a。
−−−−=−(6)P(a 、G)) : arg
II(H(a、ω)) −−−・(7)このよ
うにして得られた振幅スペクトルA(a。
ω)、位相角P(a、ω)は被検体40の中の散乱体R
1゜R2の散乱の周波数特性の影響を大きく受け、被検
体40が有する超音波減衰特性等を正確に得ることは難
しい。深さaに対応する振幅スペクトルA(a、ω)と
深さbに対応する振幅スペクトルA(b。
1゜R2の散乱の周波数特性の影響を大きく受け、被検
体40が有する超音波減衰特性等を正確に得ることは難
しい。深さaに対応する振幅スペクトルA(a、ω)と
深さbに対応する振幅スペクトルA(b。
ω)はメモI721で、深さaに対応する位相角I’(
a 、ω)と深さbに対応する位相角p(b 、ω)は
メモリ23で記憶される。
a 、ω)と深さbに対応する位相角p(b 、ω)は
メモリ23で記憶される。
次にポンプ波パルスがプローブ辣パルスに重畳する場合
について説明する。まず、位相状態Cでポンプ波パルス
とプローブ波パルスが重畳されながら被検体40の中を
伝搬する場合には、伝搬の様子は次のように近似できる
。伝搬経路は微小区間の集まりとみなせ、その微小な各
区間において重畳された超音波パルスは非線形現象にも
とづく伝搬歪を生じ、プローブ波パルスの中心周波数は
高周波側ヘシフトする。このシフト量は、注目している
区間における粒子速度Uと伝搬媒質の非線形パラメータ
B/Aの両方に依存する。このようにして、プローブ波
パルスはその中心周波数が高周波側にシフトすることに
よシ過剰な減衰を受ける。
について説明する。まず、位相状態Cでポンプ波パルス
とプローブ波パルスが重畳されながら被検体40の中を
伝搬する場合には、伝搬の様子は次のように近似できる
。伝搬経路は微小区間の集まりとみなせ、その微小な各
区間において重畳された超音波パルスは非線形現象にも
とづく伝搬歪を生じ、プローブ波パルスの中心周波数は
高周波側ヘシフトする。このシフト量は、注目している
区間における粒子速度Uと伝搬媒質の非線形パラメータ
B/Aの両方に依存する。このようにして、プローブ波
パルスはその中心周波数が高周波側にシフトすることに
よシ過剰な減衰を受ける。
この過剰な減衰は伝搬媒質の減衰定数にも依存する値で
ある。以上のように微小な各区間における非線形伝搬歪
と減衰による歪を繰返しつつ位相状態Cを保持しながら
超音波パルスは次々に散乱されながら伝搬する。散乱さ
れ、伝搬経路を逆行する間は超音波パルスはその振幅が
非常に小さいため、非線形効果は無視できる。位相状態
Cで得られた深さaに対応する受信信号の振幅スペクト
ルAc(a、ω)と深さbに対応する受信信号の振幅ス
ペクトルAc(b、ω)はメモリ22で記憶される。
ある。以上のように微小な各区間における非線形伝搬歪
と減衰による歪を繰返しつつ位相状態Cを保持しながら
超音波パルスは次々に散乱されながら伝搬する。散乱さ
れ、伝搬経路を逆行する間は超音波パルスはその振幅が
非常に小さいため、非線形効果は無視できる。位相状態
Cで得られた深さaに対応する受信信号の振幅スペクト
ルAc(a、ω)と深さbに対応する受信信号の振幅ス
ペクトルAc(b、ω)はメモリ22で記憶される。
位相状態りでポンプ波パルスとプローブ波パルスが重畳
されながら被検体40の中を伝搬する場合には、プロー
ブ波パルスは非線形現象にもとずく伝搬歪として位相シ
フトのみを受けると近似できる。散乱され、伝搬経路を
逆行する超音波パルスについてはその振幅が非常に小さ
いため非線形効果は無視できる。位相状態りで得られた
被検体の深さaに対応する受信信号の位相角PD(a、
ω)、深さbに対応する受信信号の位相角PD(b、ω
)はメモリ24で記憶される。
されながら被検体40の中を伝搬する場合には、プロー
ブ波パルスは非線形現象にもとずく伝搬歪として位相シ
フトのみを受けると近似できる。散乱され、伝搬経路を
逆行する超音波パルスについてはその振幅が非常に小さ
いため非線形効果は無視できる。位相状態りで得られた
被検体の深さaに対応する受信信号の位相角PD(a、
ω)、深さbに対応する受信信号の位相角PD(b、ω
)はメモリ24で記憶される。
次に、超音波変換器10を停止した場合に得られた位相
角と位相状態りで得られた位相角の差、位相シフト量△
P、 八P(a、ω)=Pn(a、ω)−P(a、ω) −
−−−−・・−(BlΔp(b、ω) =PD(b 、
ω)−P(b、ω) ・・・・・・・・(9)及び深さ
bと深さaにおける位相シフト量の差、すなわち微分位
相シフト量Δ2、 ΔIZ1=△P(b、ω)−ΔP(a、ω) −・
−−(10)が位相シフト分析部26で計算されメモリ
28で記憶される。
角と位相状態りで得られた位相角の差、位相シフト量△
P、 八P(a、ω)=Pn(a、ω)−P(a、ω) −
−−−−・・−(BlΔp(b、ω) =PD(b 、
ω)−P(b、ω) ・・・・・・・・(9)及び深さ
bと深さaにおける位相シフト量の差、すなわち微分位
相シフト量Δ2、 ΔIZ1=△P(b、ω)−ΔP(a、ω) −・
−−(10)が位相シフト分析部26で計算されメモリ
28で記憶される。
次に、超音波変換器10を停止した場合に得られた振幅
スペクトルと位相状態Cで得られた振幅スペクトルの変
化、スペクトルシフト量ΔA1△A(a、ω)=Ac(
a、ω)/A(a、ω)−−−−=(H)△A(b、ω
)=Ac(b、ω)/A(b、ω) −−−−−−(1
2)及び深さbと深さaにおけるスペクトルシフト量の
変化、微分スペクトルシフト量△α、△α=△A(b、
ω)/ΔA(a、ω) −=−=−(13)がス
ペクトルシフト分析部25で計算されメモリ27で記憶
される。スペクトルシフト量ΔA(a、ω)は、位相状
態Cにおける伝搬特性、G’(a、ω)を用いて、α)
式より △A(a、ω)=lσ(z、ω) /G(a、ω) l
−=(14)と表わせる。(14)式では超音波の
散乱特性が消去されている。微分スペクトルシフト量は
スペクトルシフト量の変化として、深さaと深さbの間
で超音波が受ける減衰E(b、a、ω)と位相状態Cに
おける減衰E’(b、a、ω)を用いて次式で表わせる
。
スペクトルと位相状態Cで得られた振幅スペクトルの変
化、スペクトルシフト量ΔA1△A(a、ω)=Ac(
a、ω)/A(a、ω)−−−−=(H)△A(b、ω
)=Ac(b、ω)/A(b、ω) −−−−−−(1
2)及び深さbと深さaにおけるスペクトルシフト量の
変化、微分スペクトルシフト量△α、△α=△A(b、
ω)/ΔA(a、ω) −=−=−(13)がス
ペクトルシフト分析部25で計算されメモリ27で記憶
される。スペクトルシフト量ΔA(a、ω)は、位相状
態Cにおける伝搬特性、G’(a、ω)を用いて、α)
式より △A(a、ω)=lσ(z、ω) /G(a、ω) l
−=(14)と表わせる。(14)式では超音波の
散乱特性が消去されている。微分スペクトルシフト量は
スペクトルシフト量の変化として、深さaと深さbの間
で超音波が受ける減衰E(b、a、ω)と位相状態Cに
おける減衰E’(b、a、ω)を用いて次式で表わせる
。
この微分スペクトルシフト量△αは、深さaと深さbの
間における超音波の減衰、及びポンプ波パルスの粒子速
度Uと伝搬媒質の非線形バラメータB/Aにより決まる
量である。
間における超音波の減衰、及びポンプ波パルスの粒子速
度Uと伝搬媒質の非線形バラメータB/Aにより決まる
量である。
粒子速度Uと非線形パラメータB/Aの積は微分位相シ
フト量△グにより表わせる。したがって微分スペクトル
シフト量Δαは超音波の減衰Eと微分位相シフト量△〆
かも決定することができる。
フト量△グにより表わせる。したがって微分スペクトル
シフト量Δαは超音波の減衰Eと微分位相シフト量△〆
かも決定することができる。
逆に、スペクトルシフト量△αと微分位相シフト量△グ
から超音波の減衰Eを決定することができる。減衰演算
部29ではメモリ27で記憶されたスペクトルシフト量
Δαと、メモリ28で記憶された位相シフト量Δ〆の値
から、対応する超音波減衰の値Eを予め用意された参照
テーブルをもとに決定する。超音波減衰の値Eはメモリ
30で記憶される。他のメモリ31には被検体が加温さ
れた場合の減衰の値E (T)を記憶する。減衰率変化
衣32には通常時における超音波減衰E9値と種々加温
時における超音波減衰の値E(T)が参照テーブルの形
で用意されている。温度演算部33はメモリ30、 3
1に記憶されている減衰の値から減衰率変化衣32をも
とに温度変化を計算する。温度演算部33で得られた温
度変化は走査変換部34で記憶され表示部35に表示さ
れる。走査変換部34へは、増幅器17の出力に対し、
対数増幅、包絡線検波等を行う信号処理部36の出力が
接続され断層像を形成することもできる。以上のような
パルス駆動部の状態の制御、メモリの書込み、あるいは
読出しの指定、種々演算の実行等は主制御部37で制御
される。
から超音波の減衰Eを決定することができる。減衰演算
部29ではメモリ27で記憶されたスペクトルシフト量
Δαと、メモリ28で記憶された位相シフト量Δ〆の値
から、対応する超音波減衰の値Eを予め用意された参照
テーブルをもとに決定する。超音波減衰の値Eはメモリ
30で記憶される。他のメモリ31には被検体が加温さ
れた場合の減衰の値E (T)を記憶する。減衰率変化
衣32には通常時における超音波減衰E9値と種々加温
時における超音波減衰の値E(T)が参照テーブルの形
で用意されている。温度演算部33はメモリ30、 3
1に記憶されている減衰の値から減衰率変化衣32をも
とに温度変化を計算する。温度演算部33で得られた温
度変化は走査変換部34で記憶され表示部35に表示さ
れる。走査変換部34へは、増幅器17の出力に対し、
対数増幅、包絡線検波等を行う信号処理部36の出力が
接続され断層像を形成することもできる。以上のような
パルス駆動部の状態の制御、メモリの書込み、あるいは
読出しの指定、種々演算の実行等は主制御部37で制御
される。
以上の説明から明らかなように本実施例によれば、パル
ス駆動部の状態を変化させ被検体40内の異なる深さか
らの受信信号について微分位相シフト量の微分スペクト
ルシフト量を求め、これより超音波減衰を得、減衰変化
衣から被検体内の温度の変化を求めることができる。
ス駆動部の状態を変化させ被検体40内の異なる深さか
らの受信信号について微分位相シフト量の微分スペクト
ルシフト量を求め、これより超音波減衰を得、減衰変化
衣から被検体内の温度の変化を求めることができる。
発明の効果
以上のように本発明は、プローブ波パルスに対し、ポン
プ波パルスを重畳した場合の受信信号のスペクトルシフ
ト量、及び位相シフト量を異なる被検深さについて求め
、異なる深さ間におけるこれらの値の変化である微分ス
ペクトルシフト量、及び微分位相シフト量から異なる深
さ間における超音波減衰を求め、かつ温度による超音波
の減衰率変化衣をもとに被検体中の温度変化を得るもの
であり、受信信号が被検体中の散乱体の複雑な周波数特
性の影響を受ける場合にも正確に温度変化に関する情報
を得ることができ、その効果は大きい。
プ波パルスを重畳した場合の受信信号のスペクトルシフ
ト量、及び位相シフト量を異なる被検深さについて求め
、異なる深さ間におけるこれらの値の変化である微分ス
ペクトルシフト量、及び微分位相シフト量から異なる深
さ間における超音波減衰を求め、かつ温度による超音波
の減衰率変化衣をもとに被検体中の温度変化を得るもの
であり、受信信号が被検体中の散乱体の複雑な周波数特
性の影響を受ける場合にも正確に温度変化に関する情報
を得ることができ、その効果は大きい。
第1図は本発明の一実施例における超音波測温装置の機
能ブロック図、第2図(a)〜は)は本発明の一実施例
における超音波変換器の出力波形図、第3図(a)〜(
C)は伝搬の非線形現象により歪みを生じたパルス波形
図、第4図は従来の超音波減衰特性測定を示す機能ブロ
ック図である。 10、11・・・超音波変換器、14・・・パルス駆動
部、20・・・周波数分析部、25・・・スペクトルシ
フト分析部、26・・・位相シフト分析部、29・・・
減衰演算部、32・・・減衰率変化衣、33・・・温度
差演算部、34・・・走査変換部、35・・・表示部。 特許出願人 工業技術院長 飯 塚 幸 三第2rs
!I 第3図 □イム4−6【プ)1t1 第4図 ?
能ブロック図、第2図(a)〜は)は本発明の一実施例
における超音波変換器の出力波形図、第3図(a)〜(
C)は伝搬の非線形現象により歪みを生じたパルス波形
図、第4図は従来の超音波減衰特性測定を示す機能ブロ
ック図である。 10、11・・・超音波変換器、14・・・パルス駆動
部、20・・・周波数分析部、25・・・スペクトルシ
フト分析部、26・・・位相シフト分析部、29・・・
減衰演算部、32・・・減衰率変化衣、33・・・温度
差演算部、34・・・走査変換部、35・・・表示部。 特許出願人 工業技術院長 飯 塚 幸 三第2rs
!I 第3図 □イム4−6【プ)1t1 第4図 ?
Claims (1)
- 超音波パルスを送出するプローブ波トランスデューサと
前記プローブ波トランスデューサの超音波パルスより周
波数の低い超音波パルスを送出するポンプ波トランスジ
ューサを位相制御駆動する手段と、前記プローブ波トラ
ンスデューサの受信信号のスペクトルシフト量と位相シ
フト量を検出する手段と、前記スペクトルシフト量と位
相シフト量により温度変化を演算する手段とを少なくと
も有することを特徴とする超音波測温装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61268662A JPS63122923A (ja) | 1986-11-13 | 1986-11-13 | 超音波測温装置 |
US07/031,372 US4754760A (en) | 1986-11-13 | 1987-03-30 | Ultrasonic pulse temperature determination method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61268662A JPS63122923A (ja) | 1986-11-13 | 1986-11-13 | 超音波測温装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63122923A true JPS63122923A (ja) | 1988-05-26 |
JPH0570769B2 JPH0570769B2 (ja) | 1993-10-05 |
Family
ID=17461661
Family Applications (1)
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