JP2005066041A - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力の情報を必要とする弾性画像診断において、圧力の情報を構造的に簡便に、且つ、空間的に精細に取得することにより、高画質、高精細な弾性画像を安全に映像化する臨床上有用な超音波診断装置を提供する。
【解決手段】 超音波の送受信面を覆うように圧計測用変形体手段を設け、その超音波探触子を用いて被検体の診察部位を圧迫する。この圧計測用変形体手段が被検体表皮との境界部分の圧力に応じて変形するようになるので、その変形の状態を信号処理で求め、それに基づいて超音波探触子によって圧迫された診断部位の体表に与えられた圧力を計測する。その圧力に基づいて高画質な弾性画像を取得する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を利用して被検体内の診断部位について断層像を得る超音波診断装置に係り、特に時系列に並んだの１組のＲＦ信号フレームデータからその画像上の各点の歪み及び弾性率を演算し、生体組織の硬さまたは柔らかさを表す弾性画像として表示することができる超音波診断装置に関する。

従来の一般的な超音波診断装置は、超音波送受信を制御する超音波送受信制御手段と、被検体に超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、この超音波送受信手段からの反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内の断層像データを所定周期で繰り返して得る断層走査手段と、この断層走査手段によって得た時系列断層像データを表示する画像表示手段とを有して構成されていた。そして、被検体内部の生体組織の構造を例えばＢモード像として表示していた。

これに対して、最近、被検体の体表面から圧迫装置もしくは探触子で人為的に生体内部組織を圧迫し、時系列的に隣接する２フレーム（連続２フレーム）の超音波受信信号の相関演算を利用して、各点における変位を求め、さらにその変位を空間微分することによって歪みを計測し、この歪みデータを画像化する手法、更には、外力による応力分布と歪みデータから、生体組織のヤング率等に代表される弾性率データを画像化する手法が現実的になってきている。このような歪み及び弾性率データ（以下、弾性フレームデータ）を基にした弾性画像によれば、生体組織の硬さや柔らかさを計測して表示することができる。このような超音波装置として、特許文献１又は特許文献２に記載されたものなどがある。
特開平５−３１７３１３号公報 特開２０００−６０８５３号公報

しかし、このような従来の超音波診断装置による生体組織の弾性率データの画像化においては、体表に与えられた圧力を計測する目的で体表と圧迫機構との接触面に圧力センサーを介在させ、この圧力センサーによって直接的に計測された圧力データを弾性率の演算に利用している。従って、従来の超音波診断装置では、ＲＦ信号フレームデータに加え、圧力センサーからの圧力データも同時に取得し、弾性率演算手段に圧力データを送出する手段を設ける必要がある。

また、弾性率を高精度に取得するには、体表と圧迫機構との接触面における圧力データ分布を高精度に計測する必要がある。その為には圧力データが必要となる接触面の個々の領域のそれぞれについて、一つの圧力センサーを独立して設ける必要があり、更に、圧力データ分布を構成する要素の数だけの圧力データを取得して送出する手段も必要になる。さらに、圧力センサーの大きさには限界があり、体表と圧迫機構との接触面に配置できる圧力センサーの個数にも制約が生じる為に、圧力データ分布を構成する空間的な座標間隔を所望の間隔にすることができない。

また、圧力センサーは超音波を透過させることができない為に、超音波探触子の超音波送受信面上に圧力センサーを装着して、被検体の断層像を観察することは不可能である。従い、被検体内の領域の内、超音波送受信面の直下に配置した組織領域に印加された圧力を直接的に計測することは不可能であり、超音波送受信面を避けて配置された複数の圧力センサーの情報から、超音波送受信面直下の表皮に印加された圧力を推定する方法を選択せざるを得ない。また、表皮との接触状況によっては、超音波送受信面直下の表皮に印加された圧力を正確に取得できない。

また、患者への負担を低減する目的で構成された経直腸探触子などのような探触子は、探触子ヘッド部が可能な限り小さく構成されており、このような探触子に圧力センサーを装着した場合、探触子ヘッド部が大きくなることは免れず、安全性の面と患者への負担の面において、実現することは困難である。

この発明は、上述の点に鑑みなされたものであり、被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力の情報を必要とする弾性画像診断において、圧力の情報を構造的に簡便に、且つ、空間的に精細に取得することにより、高画質、高精細な弾性画像を安全に映像化することができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された本発明の超音波探触子は、被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力の情報を取得するために超音波送受信面を覆うように圧計測用変形体手段を設けたものである。これは、超音波の送受信面を覆うように圧計測用変形体手段の設けられた超音波探触子を用いて被検体の診察部位を圧迫すると、その圧計測用変形体手段が被検体表皮との境界部分の圧力に応じて変形するようになるので、その変形の状態を信号処理で求め、それに基づいて超音波探触子によって圧迫された診断部位の体表に与えられた圧力を計測するように構成された超音波探触子に関するものである。

請求項２に記載された本発明の超音波探触子は、請求項１において、前記圧計測用変形体手段が、音響結合材料や音響レンズ素材などの超音波減衰が小さく、且つ、音速、音響インピーダンスが生体内のものに近いなど、生体との結合特性に優れた素材にて構成されたものである。これは、超音波の送受信面を覆うように設けられる圧計測用変形体手段の構成に関するものである。

請求項３に記載された本発明の超音波診断装置は、請求項１又は２の超音波探触子を用いて被検体に対して超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、前記超音波の送信及び受信を制御する超音波送受信制御手段と、前記超音波送受信手段から出力される反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内のＲＦ信号フレームデータを所定周期で繰り返し取得する断層走査手段と、前記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータの信号処理を行う信号処理手段と、前記信号処理手段からの時系列の断層フレームデータを白黒断層像データに変換する断層フレームデータ情報変換手段と、上記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータ群の中から、変位計測の対象となるＲＦ信号フレームデータの組を選択するＲＦ信号フレームデータ選択手段と、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって選択されたＲＦ信号フレームデータの組に基づいて断層像上の各点の変位及び歪みを演算する変位・歪み演算手段と、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって得られたＲＦ信号フレームデータの中に含まれる前記被検体及び前記圧計測用変形体手段からの超音波反射信号に基づいて前記被検体の診断部位の体表に与えられた圧力を演算する圧力演算手段と、前記変位・歪み演算手段及び前記圧力演算手段によって求められた前記歪み及び圧力から断層像上の各点の弾性率を演算して弾性フレームデータを生成する弾性率演算手段と、前記弾性率演算手段からの弾性フレームデータを入力して弾性フレームデータの信号処理を行う弾性データ処理手段と、前記弾性データ処理手段からの弾性フレームデータを入力して色相情報もしくは白黒輝度情報の付与された弾性画像データを出力する弾性フレームデータ情報変換手段と、前記断層フレームデータ情報変換手段からの前記白黒断層像データと、前記色相情報変換手段からの前記弾性画像データとを加算したもの又は独立したものを画像データとして出力する切替加算手段と、前記切替加算手段から出力される画像データを表示する画像表示手段とを備えたものである。これは、請求項１又は２に記載の圧計測用変形体手段を備えた超音波探触子を用いて被検体の診断部位の体表に与えられた圧力を演算し、その圧力に基づいて高画質な弾性画像を取得するようにした超音波診断装置に関するものである。

請求項４に記載された本発明の超音波診断装置は、超音波探触子を用いて被検体に対して超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、前記超音波の送信及び受信を制御する超音波送受信制御手段と、前記超音波探触子と前記被検体との間に設けられた適切な弾性を有する圧計測用変形体手段と、前記超音波送受信手段から出力される反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内のＲＦ信号フレームデータを所定周期で繰り返し取得する断層走査手段と、前記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータの信号処理を行う信号処理手段と、前記信号処理手段からの時系列の断層フレームデータを白黒断層像データに変換する断層フレームデータ情報変換手段と、上記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータ群の中から、変位計測の対象となるＲＦ信号フレームデータの組を選択するＲＦ信号フレームデータ選択手段と、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって選択されたＲＦ信号フレームデータの組に基づいて断層像上の各点の変位及び歪みを演算する変位・歪み演算手段と、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって得られたＲＦ信号フレームデータの中に含まれる前記被検体及び前記圧計測用変形体手段からの超音波反射信号に基づいて前記被検体の診断部位の体表に与えられた圧力を演算する圧力演算手段と、前記変位・歪み演算手段及び前記圧力演算手段によって求められた前記歪み及び圧力から断層像上の各点の弾性率を演算して弾性フレームデータを生成する弾性率演算手段と、前記弾性率演算手段からの弾性フレームデータを入力して弾性フレームデータの信号処理を行う弾性データ処理手段と、前記弾性データ処理手段からの弾性フレームデータを入力して色相情報もしくは白黒輝度情報の付与された弾性画像データを出力する弾性フレームデータ情報変換手段と、前記断層フレームデータ情報変換手段からの前記白黒断層像データと、前記色相情報変換手段からの前記弾性画像データとを加算したもの又は独立したものを画像データとして出力する切替加算手段と、前記切替加算手段から出力される画像データを表示する画像表示手段とを備えたものである。これは、圧計測用変形体手段を備えていない通常の超音波探触子を用いた場合でも、超音波探触子と被検体との間に適切な弾性を有する圧計測用変形体手段を設けて、被検体の診断部位の体表に与えられた圧力を演算し、その圧力に基づいて高画質な弾性画像を取得するようにした超音波診断装置に関するものである。

請求項５に記載された本発明の超音波診断装置は、請求項４において、前記圧計測用変形体手段が、音響結合材料や音響レンズ素材などの超音波減衰が小さく、且つ、音速、音響インピーダンスが生体内のものに近いなど、生体との結合特性に優れた素材にて構成されたものである。これは、超音波探触子と被検体との間に設けられる圧計測用変形体手段の構成に関するものである。

請求項６に記載された本発明の超音波診断装置は、請求項３、４又は５において、前記圧力演算手段が、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記ＲＦ信号フレームデータ又は前記断層走査手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記白黒断層像データを利用して前記圧計測用変形体手段における歪み量を求め、前記圧計測用変形体手段における歪み量と前記圧計測用変形体手段の既知の弾性率とを用いて、前記被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を演算するものである。これは、圧力の演算方法として、ＲＦ信号フレームデータ又は白黒断層像データを用いて圧計測用変形体手段の歪み量を求め、その歪み量と既知の弾性率とを参照することにより、体表に与えられる圧力を求めるようにしたものである。

請求項７に記載された本発明の超音波診断装置は、請求項３、４又は５において、前記圧力演算手段が、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記ＲＦ信号フレームデータ又は前記断層走査手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記白黒断層像データを利用して前記圧計測用変形体手段の厚さを求め、前記圧計測用変形体手段の厚さと前記圧計測用変形体手段の既知の弾性率とを用いて、前記被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を演算するものである。これは、圧力の演算方法として、ＲＦ信号フレームデータ又は白黒断層像データを用いて圧計測用変形体手段の厚さを求め、その厚さと既知の弾性率とを参照することにより、体表に与えられる圧力を求めるようにしたものである。

請求項８に記載された本発明の超音波診断装置は、請求項３、４又は５において、前記圧力演算手段は、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記ＲＦ信号フレームデータ又は前記断層走査手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記白黒断層像データを利用して前記圧計測用変形体手段の厚さを求め、前記圧計測用変形体手段の厚さと圧力の関係を示す実測データに基づいて、前記被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を演算するものである。これは、圧力の演算方法として、ＲＦ信号フレームデータ又は白黒断層像データを用いて圧計測用変形体手段の厚さを求め、その厚さと予め計測された圧力の関係を示す実測データに基づいて、体表に与えられる圧力を求めるようにしたものである。

以上のように本発明によれば、被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力の情報を必要とする弾性画像診断において、圧力の情報を構造的に簡便に、且つ、空間的に精細に取得することにより、高画質、高精細な弾性画像を安全に映像化する臨床上有用な超音波診断装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明による超音波診断装置の実施例を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波を利用して被検体の診断部位について断層像を得ると共に生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性画像を表示するものである。この超音波診断装置は、図に示すように、超音波探触子１０と、超音波送受信制御回路１１と、送信回路１２と、受信回路１３と、整相加算回路１４と、信号処理部１５と、白黒スキャンコンバータ１６と、表示画像データ切替加算器１７と、画像表示器１８と、ＲＦ信号フレームデータ選択部１９と、変位・歪み演算部２０と、圧力演算部２１と、被検体圧迫機構２２と、弾性率演算部２３と、弾性データ処理部２４と、カラースキャンコンバータ２５とを備えて構成される。

超音波探触子１０は、機械式または電子的にビーム走査を行って被検体に超音波を送信及び受信するものである。図２は、一般的に使用されているリニアアレイ超音波探触子の外観を示す図である。超音波探触子の超音波送受信面１０１には超音波の発生源であると共に反射エコーを受信する振動子の素子群が整列して配置されている。超音波送受信制御回路１１は、超音波を送信及び受信するタイミングを制御するものである。送信回路１２は、超音波探触子１０を駆動して超音波を発生させるための送波パルスを生成すると共に内蔵された送波整相加算回路により送信される超音波の収束点をある深さに設定するものである。

受信回路１３は、超音波探触子１０で受信した反射エコーの信号について所定のゲインで増幅するものである。また、整相加算回路１４は、受信回路１３で増幅された受波信号を入力して位相制御し、一点又は複数の収束点に対して超音波ビームを形成するものである。さらに、信号処理部１５は、整相加算回路１４からの受波信号を入力してゲイン補正、ログ圧縮、検波、輪郭強調、フィルタ処理等の信号処理を行うものである。そして、これらの超音波探触子１０、送信回路１２、超音波送受信制御回路１１、受信回路１３、整相加算回路１４及び信号処理部１５の全体で超音波送受信手段を構成しており、超音波探触子１０で超音波ビームを被検体の体内で一定方向に走査させることにより、一枚の断層像を得るようになっている。

白黒スキャンコンバータ１６は、超音波送受信手段の信号処理部１５から出力される反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内のＲＦ信号フレームデータを超音波周期で取得し、このＲＦ信号フレームデータを表示するためテレビ同期で読み出すための断層走査手段及びシステムの制御を行うための手段となるもので、信号処理部１５からの反射エコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器でディジタル化された断層像データを時系列に記憶する複数枚のフレームメモリと、これらの動作を制御するコントローラなどとから成る。

画像表示器１８は、白黒スキャンコンバータ１６によって得た時系列の断層像データを表示する手段となるもので、白黒スキャンコンバータ１６から出力され、表示画像データ切替加算器１７を介して入力した画像データをアナログのビデオ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、このＤ／Ａ変換器からのアナログビデオ信号を入力して画像として表示するカラーテレビモニタとから成る。

ＲＦ信号フレームデータ選択部１９は、整相加算回路１４から超音波診断装置のフレームレートで経時的に次々と出力されるＲＦ信号フレームデータをＲＦ信号フレームデータ選択部１９に備えられたフレームメモリ内に順次確保し、現在確保されたＲＦ信号フレームデータをＲＦ信号フレームデータＮとし、超音波診断装置の制御命令に従って時間的に過去のＲＦ信号フレームデータＮ−１，Ｎ−２，Ｎ−３，・・・，Ｎ−Ｍの中から１つのＲＦ信号フレームデータを選択し、それをＲＦ信号フレームデータＸとする。そして、ＲＦ信号フレームデータ選択部１９は、現在のＲＦ信号フレームデータＮと過去のＲＦ信号フレームデータＸを１組の信号として、変位・歪み演算部２０に出力する。ここでは、整相加算回路１４から出力される信号をＲＦ信号フレームデータとして記述したが、例えば、ＲＦ信号を複合復調したＩ，Ｑ信号の形式の信号であっても良い。

変位・歪み演算部２０は、ＲＦ信号フレームデータ選択部１９によって選択された１組のＲＦ信号フレームデータＮ，Ｘに基づいて１次元もしくは２次元相関処理を行い、断層像上の各点の変位もしくは移動量ベクトル（変位の方向と大きさ）を計測するようになっている。この移動量ベクトルの検出法としては、例えば特許文献１に記載されたブロック・マッチング法とグラジェント法とがある。ブロック・マッチング法は、画像を例えばＮ×Ｎ画素からなるブロックに分け、現フレーム中の着目しているブロックに最も近似しているブロックを前フレームから探し、これを参照して予測符号化を行うものである。さらに、変位・歪み演算部２０は、上述の方法にて演算された変位に基づいて断層像上の各点の歪みを演算し、歪みの数値データ（以下、歪みフレームデータ）を生成し、弾性率演算部２３に歪みフレームデータを出力する。歪みの演算は圧力のデータを必要とせず、変位を空間微分することによって求めることができる。

一般に、超音波を用いた弾性率の画像化における従来の方法による被検体の圧力計測は、超音波探触子１０で超音波送受信を行いつつ、被検体の診断部位の体腔内に効果的に応力分布を与える目的で図３に示すような超音波探触子１０の超音波送受信面１０１に面を合わせて圧迫板３１を装着し、超音波探触子１０の超音波送受信面１０１と圧迫板３１にて構成される圧迫面を被検体の体表に接触させ、圧迫面を人為的又は機械的に上下動させて被検体を圧迫する方法をとっている。さらに、超音波探触子１０の超音波送受信面１０１と被検体との間にどの程度の圧力が印加されているかを計測する為に、例えば、図４に示すように、圧迫板３１に圧力センサー７１〜７６を取り付け、任意の時相において圧迫板３１と被検体の間の圧力を測定し、その圧力データを弾性率演算部２３に送出している。すなわち、圧力センサー７１〜７６は、超音波を透過させることができないので、超音波送受信面１０１上に装着することができないので、図４に示すように、超音波送受信面１０１上を避けて圧迫板３１の周囲に圧力センサー７１〜７６を取り付け、これらの圧力センサー７１〜７６からの圧力データに基づいて超音波送受信面１０１直下の表皮に印加された圧力を推定するという方法を行っているのが現状である。

そこで、この発明では、図５に示すように、超音波探触子１０の超音波送受信面１０１と圧迫板３１とからなる圧迫機構を覆うように、圧計測用変形体１００を設け、信号処理にて、診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を計測するようにした。図６は、図５のように構成された圧計測用変形体１００を介して、被検体の体表が圧迫された時の様子の断面を示す図である。超音波探触子１０の超音波送受信面１０１には超音波の発生源であると共に反射エコーを受信する振動子の素子群が整列して配置されている。これらの振動子を素子ｖ１，ｖ２，ｖ３・・・ｖｎで表す。また、素子ｖ１，ｖ２，ｖ３・・・ｖｎの垂直下において、被検体表皮と圧計測用変形体１００の境界に与えられた圧力をそれぞれ圧力ｐ１，ｐ２，ｐ３・・・ｐｎと表す。従って、こられの圧力ｐ１，ｐ２，ｐ３・・・ｐｎの分布が図６の圧計測用変形体１００と被検体との境界線によって表されることになる。なお、この実施の形態では、超音波送受信面１０１と圧迫板３１にて圧迫機構を構成した例を示したが、特に圧迫板３１を装着することなく、超音波送受信面１０１のみに圧計測用変形体を設け、それを圧迫機構として使用してもよい。

次に、この実施の形態に係る圧力演算部２１の動作を図７を用いて説明する。図７は、圧力演算部２１の詳細構成を示す図である。圧力演算部２１は、境界検出回路２１１と圧力演算回路２１２とから構成される。境界検出回路２１１は、ＲＦ信号フレームデータ選択部１９から出力されたＲＦ信号フレームデータを用いて、被検体１の表皮と圧計測用変形体１００との境界を検出し、検出されたＲＦ信号フレームデータにおける境界の座標を境界座標データとして圧力演算回路２１２に出力する。

境界検出回路２１１の境界検出方法の一例を図８及び図９を用いて説明する。図８は、図６で説明した方法にて被検体１を撮像した場合の超音波断層像データの一例を示す図である。図９は、境界検出回路の境界検出方法の具体例を示す模式図である。超音波探触子１０の超音波送受信面１０１に圧計測用変形体１００を併用した場合、ＲＦ信号フレームデータには、被検体１からのＲＦデータのみならず、圧計測用変形体１００からのＲＦデータも同時に含まれるので、図８に示すように超音波断層像データには圧計測用変形体１００の像も描かれる。このとき、圧計測用変形体１００の厚さはあらかじめ把握されているため、ＲＦ信号フレームデータから被検体１と圧計測用変形体１００の境界を含む領域のＲＦデータを抽出することは容易である。例えば、図９の左図に示したように、被検体１と圧計測用変形体１００の境界ｂ１，ｂ２，ｂ３・・・ｂｎを含む領域のＲＦデータを抽出することができる。圧計測用変形体１００は特に超音波減衰が生体の場合に比較して小さい素材により構成されているので、境界ｂ１，ｂ２，ｂ３・・・ｂｎを含むＲＦデータの信号波形は、これらの境界ｂ１，ｂ２，ｂ３・・・ｂｎにおいてその信号の強度が大きく変化する。例えば、図９の右側のような波形のＲＦデータとなる。このような波形のＲＦデータに基づいて被検体１と圧計測用変形体１００の境界の座標を求める。それは、例えば、境界を含むＲＦデータの信号波形の振幅に対して閾値ｔ１を設け、深度方向の原点０から見て、ＲＦデータの波形の振幅が初めて閾値ｔ１を超えた座標を境界の座標として検出される。 上述のような境界の座標の検出方法は、一例としてＲＦデータの振幅に対して閾値を設ける方法を示したが、ＲＦデータの振幅を自乗した信号強度のデータに対して施してもよい。さらに、ＲＦ信号データを用いて境界の検出を試みるのみならず、図８で例示したような白黒スキャンコンバータ１６から出力される断層像データを境界検出回路２１１に入力し、断層像データを用いて境界の検出を試みてもよい。さらにまた、境界を含むＲＦ信号データ、断層像データに、例えば微分フィルターを施した後のデータを用いて境界検出を試みてもよい。

圧力演算回路２１２は、境界検出回路２１１によって検出された境界座標データを用いてＲＦ信号フレームデータにおける圧計測用変形体１００からのＲＦ信号を抽出し、被検体１の表皮と圧計測用変形体１００の境界に与えられた圧力を演算により求めるものである。以下、圧力演算回路２１２による圧力の演算方法の一例を説明する。図６に示したように、被検体１が圧迫された際に、各振動子ｖ１，ｖ２，ｖ３・・・ｖｎがそれぞれの素子に接触した垂直下に位置する圧計測用変形体１００の各領域に圧力を与えることになるが、境界検出回路２１１を用いることにより、被検体１と圧計測用変形体１００の境界の座標を検出することができるので、ＲＦ信号フレームデータにおける圧計測用変形体１００からのＲＦデータと被検体１からのＲＦデータとをそれぞれ分離して抽出する。このようにして抽出された圧計測用変形体１００のＲＦデータもしくは超音波断層像データが分布する各領域をそれぞれデータ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎとする。図１０は、この各データ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎを示す図である。各データ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎは、各振動子ｖ１，ｖ２，ｖ３・・・ｖｎの垂直下に配置される圧計測用変形体１００に対応するものである。従って、各データ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎのそれぞれの領域に分布するＲＦデータもしくは超音波断層像データをそれぞれデータｄｄ１，ｄｄ２，ｄｄ３・・・ｄｄｎとし、変位・歪み演算部２０における変位と歪みの演算と同様の処理をデータｄｄ１，ｄｄ２，ｄｄ３・・・ｄｄｎを用いて行うことにより、図１１に示すようなそれぞれのデータ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎにおける歪み量δｄ１，δｄ２，δｄ３・・・δｄｎを演算で求めることができる。

さらに、圧計測用変形体１００の弾性率は既知であるため、これをＹｍ（例えばヤング率）とすると、
圧力（応力）ｐｉ＝Ｙｍ×（歪み量δｄｉ）
（ｉ＝１，２，３・・・ｎ）………（１）
の関係があり、データ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎの内部における圧力分布をそれぞれ圧力分布ｐ１，ｐ２，ｐ３・・・ｐｎとして求めることができる。これらの圧力分布ｐｄ１，ｐｄ２，ｐｄ３・・・ｐｄｎを解析することにより、図６に示したような、被検体１の表皮と圧計測用変形体１００の境界における圧力をそれぞれ圧力ｐ１，ｐ２，３・・・ｐｎとして、個々の振動子ｖ１，ｖ２，ｖ３・・・ｖｎの垂直下の圧力を求めることができる。

圧力演算回路による圧力の演算方法は、変位・歪み演算部２０における変位と歪みの演算と同様の処理をデータｄｄ１，ｄｄ２，ｄｄ３・・・ｄｄｎに対して行うことにより、それぞれデータ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎにおける歪み量を求め、既知弾性率を参照することにより、圧力ｐ１，ｐ２，３・・・ｐｎを求める方法を採用している。なお、圧力の演算方法はこれだけに限らず、例えば、図１２に示したように、圧計測用変形体１００の無圧縮状態における初期厚をＤとすると、境界検出回路２１１の働きにより、圧計測用変形体１００のＲＦデータもしくは超音波断層像データが分布するデータ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎにおける圧計測用変形体１００の初期厚Ｄからの圧縮量として、圧縮量Δｄｌ，Δｄ２，Δｄ３・・・Δｄｎを求めることができる。各データ領域ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎに対応する圧計測用変形体１００の歪み量Ｄｉは、
歪み量Ｄｉ＝Δｄｉ／Ｄ （ｉ＝１，２，３・・・ｎ）………（２）
として計算される。そして、この歪み量Ｄｉを上記式（１）に代入すれば、同様にして被検体１の表皮と圧計測用変形体１００の境界におけるそれぞれの圧力ｐ１，ｐ２，３・・・ｐｎを求めることができる。

また、図１３に示すように、圧計測用変形体１００に与えた歪み量Δｄ／Ｄと、その圧力（応力）σとの関係の実測データをあらかじめ取得しておけば、より直接的に各領域における被検体１の表皮と圧計測用変形体１００の境界の圧力（応力）σｉを求めることができる。特に弾性率が圧縮量（Δｄ）に依存した、非線形効果と知られる特性を有するような圧計測用変形体１００を用いた場合などには、ヤング率Ｙｍは圧縮量の関数となるが、複雑な弾性率応答を有する素材を使用した場合にも、実測データを参照することにより容易に境界の圧力を求めることができる。

上述の説明における圧計測用変形体１００としては、音響結合材料や音響レンズ素材などの超音波減衰が小さく、且つ、音速、音響インピーダンスが生体内のものに近いなど、生体との音響結合特性に優れ、同時に、形状復元性及び保形性にも優れた素材にて構成された材料を用いることが好ましい。通常、音響結合材料は、超音波画像診断において一般的に使用されている音響媒体を構成する材料である。この音響媒体は、生体面のように凹凸のある部分に超音波探触子１０の超音波送受信面１０１を接触させた場合に隙間を生じさせないようにするものである。すなわち、超音波送受信面１０１と生体面との間に隙間が生じると、超音波探触子１０から照射された超音波がその隙間の空気と超音波探触子１０との境界で跳ね返されてしまい、表示画像に支障をきたす。そこで、超音波探触子１０のヘッド部と生体との接触面に超音波を伝播する音響媒体を介在させることでこのような問題を解決している。なお、最近では、音響媒体に保形性や柔軟性、適度な弾性を備えた材料を用いる試みがなされている。例えば、特開昭５９−８２８３８号公報、特開平１−１４６２３４号公報や、論文（Ｊｐｎ．Ｊ．Ｍｅｄ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１２（１９９３））等に記載されているポリビニルアルコール等の水性高分子と水とからなる水性ゲル（ハイドロゲル）を音響結合材料とするもの、特開平１−３０４１０９号公報や、論文（Ｊｐｎ．Ｊ．Ｍｅｄ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．２，ｐｐ．１−１９（１９９２））等に記載されている液状セグメントを内部構造に有するポリウレタンを音響結合材料とするもの、特開平５−２２０１４３号公報に記載されている二重結合を有するゴムと油状成分とを含む組成物を架橋、成形してなるオイルゲルを音響結合材料とするもの、特開平９−２６２２３８号公報に記載されている生ゴムに、可塑剤として低分子量のゴムを配合したものを含む組成物を成形、架橋したゴムを音響結合材料とするものが報告されている。また、従来から市販されているポリマーゲル・ウルトラソニックコンダクターなどのオイルゲルの一種と考えられるものを音響結合材料に用いた例が報告されている（日本超音波医学会講演論文集、昭和６０年１１月、４４５ページ）。

また、上述の説明では、特に一次元アレーの超音波探触子１０を例にして、被検体１の表皮と圧計測用変形体１００の境界の圧力分布を一次元的に求める場合について説明したが、二次元アレー超音波探触子を用いれば、同様にして二次元の圧力分布を求めることができる。

図４に示したような圧迫機構を有した従来の超音波診断装置を用いて生体組織の弾性率データを画像化する場合には、ＲＦ信号フレームデータに加え、圧力センサー７１〜７６からの圧力データも同時に取得し、それを弾性率演算部２３に送出する手段を設ける必要がある。また、体表と圧迫機構との接触面における圧力データ分布を計測する必要が生じる場合があるが、そのためには圧力データが必要となる接触面の個々の領域のそれぞれについて、一つの圧力センサーを独立して設ける必要があり、さらに、圧力データ分布を構成する要素の数だけの圧力データを取得し、そのための信号経路なども必要になる。また、圧力センサー７１〜７６の大きさには限界があり、体表と圧迫機構との接触面に配置できる圧力センサーの個数には制約が生じる為に、圧力データ分布を構成する空間的な座標間隔を所望の間隔にまで高精細化することができない場合がある。

これに対して、この実施の形態に係る圧計測用変形体１００及び圧力演算部２１を用いることによって複数の圧力センサーを用いることなく簡便な方法にて、被検体１の表皮に与えられた圧力の分布を超音波振動子の素子配列間隔の程度にまで高精細化して求めることができ、高画質、高精細な弾性画像を映像化することができる。

また、圧力センサー７１〜７６は、超音波を透過させることができないので、超音波探触子１０の超音波送受信面１０１上の圧力を正確に計測することは困難である。すなわち、被検体１内において、超音波送受信面１０１の直下に配置した組織領域に印加された圧力を直接的に計測することは不可能であり、超音波送受信面１０１を避けて配置された複数の圧力センサーの情報から、超音波送受信面１０１直下の表皮に印加された圧力を推定するという方法を選択せざるを得ない。また、このように圧力を推定する方法だと、表皮との接触状況によっては、超音波送受信面１０１直下の表皮に印加された圧力を正確に取得できない場合が発生するが、この実施の形態のように圧計測用変形体１００及び圧力演算部２１を用いたものは、被検体１の断層像を観察できると同時に、診断における関心領域となる超音波送受信面１０１の直下に配置した組織領域に印加された圧力を直接的に求めることできる。さらに、表皮との接触状況が変化した場合でも、その圧力変化を正確に追従して捕らえることができるので、安定した弾性診断を行うことができる。

また、患者への負担を低減する目的で構成された経直腸超音波探触子などのような超音波探触子は、超音波探触子ヘッド部が可能な限り小さく構成されており、このような超音波探触子に圧力センサーを装着した場合、超音波探触子ヘッド部が大きくなることは免れず、安全性の面と患者への負担の面において、実現することは困難であったが、この実施の形態のように圧計測用変形体１００及び圧力演算部２１を用いたものは、弾性のある安全な素材にて超音波探触子の超音波送受信面を覆っただけの単純な構成にて実現することができ、患者の負担がなく、安全に弾性の診断を行うことができる。

弾性率演算部２３は、変位・歪み演算部２０で求めた歪みフレームデータと圧力演算部２１で求めた圧力データから断層像上の各点の弾性率を演算して弾性率の数値データ（弾性フレームデータ）を生成し、それを弾性データ処理部２４に弾性フレームデータとして出力するので、弾性率の内の一つである、例えばヤング率の演算は、上記式（１）に示したように、各演算点における応力（圧力）を各演算点における歪み量で除することにより容易に求めることができる。

また、弾性データ処理部２４は、弾性率演算部２３から出力される弾性フレームデータに様々な画像処理を施し、カラースキャンコンバータ２５に処理後の弾性フレームデータを送出する。カラースキャンコンバータ２５は、弾性データ処理部２４から出力された弾性フレームデータに基づいて、弾性画像データとしての赤、緑、青などの色相情報を付与する色相情報変換手段として動作するものであり、例えば、弾性データ処理部２４から出力される弾性フレームデータにおいて、歪みが大きく計測された領域については、弾性画像データ内でその領域を赤色コードに変換し、逆に歪みが小さく計測された領域については、弾性画像データ内でその領域を青色コードに変換するようになっている。また、カラースキャンコンバータ２５に代えて、白黒スキャンコンバータ１６を使用しても良い。白黒スキャンコンバータ１６を用いた場合には、歪みが大きく計測された領域については、弾性画像データ内でその領域の輝度を明るくさせ、逆に歪みが小さく計測された領域については、弾性画像データ内でその領域の輝度を暗くさせるようにすればよい。

さらに、表示画像データ切替加算器１７は、白黒スキャンコンバータ１６からの白黒の断層像データとカラースキャンコンバータ２５からのカラーの弾性画像データとを入力し、両画像を加算又は切り替えるものであり、白黒の断層像データだけ又はカラーの弾性画像データだけを出力したり、あるいは両画像データを加算合成して出力したりするように、自由に出力画像を切り替えることができるようになっている。また、例えば、公知例（特開２０００−６０８５３号公報）にあるように、２画面表示においては白黒断層像とカラーもしくは白黒スキャンコンバータ１６による白黒弾性画像をそれぞれ別々に同時に表示しても良い。そして、この表示画像データ切替加算器１７から出力された画像データは画像表示器１８へ出力され、表示される。

次にこのように構成された超音波診断装置の動作について説明する。まず、この実施の形態のように被検体１と超音波探触子１０の超音波送受信面１０１との間に圧計測用変形体１００を介在させ、超音波送受信面１０１に配列した超音波振動子群に送信回路１２により高電圧電気パルスを印加して超音波を打出し、診断部位からの反射エコー信号を圧計測用変形体１００を介して、超音波探触子１０の超音波振動子群で受信し、その受波信号を受信回路１３に入力する。受信回路１３では、受波信号が前置増幅された後、整相加算回路１４に入力する。そして、この整相加算回路１４により位相が揃えられた受波信号は、次の信号処理部１５で圧縮、検波などの信号処理を受けた後、白黒スキャンコンバータ１６へ入力する。この白黒スキャンコンバータ１６では、受波信号がＡ／Ｄ変換されると共に、時系列的に連続する複数の断層像データとして内部の複数枚のフレームメモリに記憶される。

次にＲＦ信号フレームデータ選択部１９に記憶されたＲＦ信号フレームデータの内、１組のＲＦ信号フレームデータがＲＦ信号フレームデータ選択部１９によって選択され、変位・歪み演算部２０へ入力される。変位・歪み演算部２０では、１次元又は２次元の変位分布（ΔＬi,j）及び歪み量分布（εi,j）が求められる。変位分布の算出は、前述の移動ベクトルの検出法として、例えばブロック・マッチング法によって行うが、特にこの方法によらなくても良いのは言うまでもなく、一般的に用いられる、２画像データの同一領域における自己相関を計算して変位を算出しても良い。また、歪み量分布（εi,j）は変位分布の空間微分（ΔＬi,j／ΔＸ）を行うことによって求められる。

さらに、この実施の形態では、圧力演算部２１においては、上述の説明の動作により、ＲＦ信号フレームデータ選択部１９から出力されるＲＦフレーム信号、若しくは、白黒スキャンコンバータ１６の出力の断層像データを利用して、被検体１の表皮と圧計測用変形体１００の境界における圧力分布を演算し、その演算結果の圧力データを弾性率演算部２３に出力する。

次に、変位・歪み演算部２０及び圧力演算部２１から出力された歪み量（ΔＬi,j／ΔＸ）及び圧力ΔＰi,jのそれぞれの計測信号は、弾性率演算部２３に入力され、特に弾性率の内、ヤング率Ｙｍi,jが次式によって計算される。
Ｙｍi,j＝（ΔＰi,j）／（ΔＬi,j／ΔＸ）
このようにして求められた弾性率Ｙｍi,jにより、各点の弾性率が求められ、弾性データ処理部２４によって２次元の弾性画像データが連続的に得られる。

このようにして求められた弾性フレームデータは、カラースキャンコンバータ２５もしくは白黒スキャンコンバータ１６に入力され、色相情報もしくは白黒輝度情報に変換される。その後、表示画像データ切替加算器１７を介して、白黒の断層像とカラーの弾性画像が加算合成され、又は、白黒の断層像と白黒の弾性画像を加算せずに画像表示器１８に送り込まれ、１画面に白黒断層像とカラーの弾性画像を重畳して表示される。または、白黒断層像と白黒弾性画像を２画面表示により同一画面上に同時に表示しても良い。また、白黒断層像は、特に一般のＢ像のみに限ったものではなく、受信信号の高調波成分を選択して画像化するティシューハーモニック断層像を用いても良い。また、同様に白黒断層像の代わりに、ティシュードプラ像を表示しても良く、その他、２画面に表示する画像を様々な組合せにより選択されても良い。

なお、弾性画像の形成については、前述の生体組織の歪みもしくはヤング率Ｙｍを求めて弾性画像データを生成する例を説明したが、これに限らず、例えばスティフネスパラメータβ、圧弾性係数Ｅｐ、増分弾性係数Ｅｉｎｃなどの他のパラメータを用いて弾性率を演算しても良い（特開平５−３１７３１３号公報参照）。また、図１に示したブロック図では、被検体１の体表面に超音波探触子１０を接触させる場合について説明したが、これに限らず、経直腸探触子、経食道探触子、血管内探触子など、任意の超音波探触子にても同様に適用できる。

この実施の形態に係る超音波診断装置においては、精細な圧力（応力）分布を簡便に取得することができ、高画質な弾性画像を安全に取得することが可能な超音波診断装置を実現することができる。

この実施の形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。 通常の超音波探触子の構成を示す図である。 図１の超音波探触子に圧迫板を装着した場合を示す図である。 図３の超音波探触子に圧力センサーを装着した場合を示す図である。 この実施の形態に係る圧計測用変形体を装着した超音波探触子の一例を示す図である。 この実施の形態に係る圧計測用変形体と被検体表皮との境界の圧力分布の様子を模式的に示す図である。 この実施の形態に係る圧力演算部の動作の一例を示す図である。 この実施の形態に係る圧計測用変形体を併用して撮像した被検体の超音波断層像の一例を示す図である。 この実施の形態に係る圧力演算部内の境界検出回路の動作の一例を示す図である。 この実施の形態に係る圧計測用変形体の各データ領域を説明する図である。 この実施の形態に係る圧計測用変形体内に生じた歪み量を説明する図である。 この実施の形態に係る圧計測用変形体の圧縮量を説明する図である。 歪みと応力との関係を示す図である。

符号の説明

１…被検体
１０…超音波探触子
１１…超音波送受信制御回路
１２…送信回路
１３…受信回路
１４…整相加算回路
１５…信号処理部
１６…白黒スキャンコンバータ
１７…表示画像データ切換加算器
１８…画像表示器
１９…ＲＦ信号フレームデータ選択部
２０…変位・歪み演算部
２１…圧力演算部
２１１…境界検出回路
２１２…圧力演算回路
２２…被検体圧迫機構
２３…弾性率演算部
２４…弾性データ処理部
２５…カラースキャンコンバータ
１００…圧計測用変形体
１０１…超音波送受信面
３１…圧迫板
７１〜７６…圧力センサー

Claims (8)

1. 被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力の情報を取得するために超音波送受信面を覆うように圧計測用変形体手段を設けたことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１において、前記圧計測用変形体手段は、音響結合材料や音響レンズ素材などの超音波減衰が小さく、且つ、音速、音響インピーダンスが生体内のものに近いなど、生体との結合特性に優れた素材にて構成されたことを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１又は２の超音波探触子を用いて被検体に対して超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、
   前記超音波の送信及び受信を制御する超音波送受信制御手段と、
   前記超音波送受信手段から出力される反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内のＲＦ信号フレームデータを所定周期で繰り返し取得する断層走査手段と、
   前記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータの信号処理を行う信号処理手段と、
   前記信号処理手段からの時系列の断層フレームデータを白黒断層像データに変換する断層フレームデータ情報変換手段と、
   上記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータ群の中から、変位計測の対象となるＲＦ信号フレームデータの組を選択するＲＦ信号フレームデータ選択手段と、
   前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって選択されたＲＦ信号フレームデータの組に基づいて断層像上の各点の変位及び歪みを演算する変位・歪み演算手段と、
   前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって得られたＲＦ信号フレームデータの中に含まれる前記被検体及び前記圧計測用変形体手段からの超音波反射信号に基づいて前記被検体の診断部位の体表に与えられた圧力を演算する圧力演算手段と、
   前記変位・歪み演算手段及び前記圧力演算手段によって求められた前記歪み及び圧力から断層像上の各点の弾性率を演算して弾性フレームデータを生成する弾性率演算手段と、
   前記弾性率演算手段からの弾性フレームデータを入力して弾性フレームデータの信号処理を行う弾性データ処理手段と、
   前記弾性データ処理手段からの弾性フレームデータを入力して色相情報もしくは白黒輝度情報の付与された弾性画像データを出力する弾性フレームデータ情報変換手段と、
   前記断層フレームデータ情報変換手段からの前記白黒断層像データと、前記色相情報変換手段からの前記弾性画像データとを加算したもの又は独立したものを画像データとして出力する切替加算手段と、
   前記切替加算手段から出力される画像データを表示する画像表示手段と
   を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
4. 超音波探触子を用いて被検体に対して超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、
   前記超音波の送信及び受信を制御する超音波送受信制御手段と、
   前記超音波探触子と前記被検体との間に設けられた適切な弾性を有する圧計測用変形体手段と、
   前記超音波送受信手段から出力される反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内のＲＦ信号フレームデータを所定周期で繰り返し取得する断層走査手段と、
   前記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータの信号処理を行う信号処理手段と、
   前記信号処理手段からの時系列の断層フレームデータを白黒断層像データに変換する断層フレームデータ情報変換手段と、
   上記断層走査手段によって取得された時系列の複数のＲＦ信号フレームデータ群の中から、変位計測の対象となるＲＦ信号フレームデータの組を選択するＲＦ信号フレームデータ選択手段と、
   前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって選択されたＲＦ信号フレームデータの組に基づいて断層像上の各点の変位及び歪みを演算する変位・歪み演算手段と、
   前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段によって得られたＲＦ信号フレームデータの中に含まれる前記被検体及び前記圧計測用変形体手段からの超音波反射信号に基づいて前記被検体の診断部位の体表に与えられた圧力を演算する圧力演算手段と、
   前記変位・歪み演算手段及び前記圧力演算手段によって求められた前記歪み及び圧力から断層像上の各点の弾性率を演算して弾性フレームデータを生成する弾性率演算手段と、
   前記弾性率演算手段からの弾性フレームデータを入力して弾性フレームデータの信号処理を行う弾性データ処理手段と、
   前記弾性データ処理手段からの弾性フレームデータを入力して色相情報もしくは白黒輝度情報の付与された弾性画像データを出力する弾性フレームデータ情報変換手段と、
   前記断層フレームデータ情報変換手段からの前記白黒断層像データと、前記色相情報変換手段からの前記弾性画像データとを加算したもの又は独立したものを画像データとして出力する切替加算手段と、
   前記切替加算手段から出力される画像データを表示する画像表示手段と
   を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項４において、前記圧計測用変形体手段は、音響結合材料や音響レンズ素材などの超音波減衰が小さく、且つ、音速、音響インピーダンスが生体内のものに近いなど、生体との結合特性に優れた素材にて構成されたことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項３、４又は５において、前記圧力演算手段は、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記ＲＦ信号フレームデータ又は前記断層走査手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記白黒断層像データを利用して前記圧計測用変形体手段における歪み量を求め、前記圧計測用変形体手段における歪み量と前記圧計測用変形体手段の既知の弾性率とを用いて、前記被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を演算することを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項３、４又は５において、前記圧力演算手段は、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記ＲＦ信号フレームデータ又は前記断層走査手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記白黒断層像データを利用して前記圧計測用変形体手段の厚さを求め、前記圧計測用変形体手段の厚さと前記圧計測用変形体手段の既知の弾性率とを用いて、前記被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を演算することを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項３、４又は５において、前記圧力演算手段は、前記ＲＦ信号フレームデータ選択手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記ＲＦ信号フレームデータ又は前記断層走査手段により得られた前記圧計測用変形体手段の信号を含む前記白黒断層像データを利用して前記圧計測用変形体手段の厚さを求め、前記圧計測用変形体手段の厚さと圧力の関係を示す実測データに基づいて、前記被検体の診断部位を圧迫した際に体表に与えられた圧力を演算することを特徴とする超音波診断装置。

Images