(57)【要約】【課題】生体等の被検体の熱物性情報を取得し、生体組織の病理学的な診断を可能とする超音波診断装置を得る。【解決手段】超音波診断装置は、被検体で反射された超音波のエコー信号に基づいて被検体の断層画像を生成する。超音波診断装置は、被検体に超音波を照射するとともにエコー信号を受信する第１プローブと、被検体に加温のための超音波を照射する第２プローブと、受信したエコー信号に基づいて被検体の断層画像を生成する制御部と、生成された被検体の断層画像を表示する表示部と、を備える。制御部は、第２プローブによる超音波の照射による前記被検体の加温前に取得したエコー信号と、加温後に取得したエコー信号と、に基づいて、被検体の熱物性情報を取得し、熱物性情報に基づいて被検体の組織性状を判定する。【選択図】図１
2020065799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体で反射された超音波のエコー信号に基づいて前記被検体の断層画像を生成する超音波診断装置であって、
前記被検体に超音波を照射するとともに前記エコー信号を受信する第１プローブと、
前記被検体に加温のための超音波を照射する第２プローブと、
受信した前記エコー信号に基づいて前記被検体の断層画像を生成する制御部と、
生成された前記被検体の断層画像を表示する表示部と、を備え、
前記制御部は、前記第２プローブによる超音波の照射による前記被検体の加温前に取得したエコー信号と、加温後に取得したエコー信号と、に基づいて、前記被検体の熱物性情報を取得し、前記熱物性情報に基づいて前記被検体の組織性状を判定する、
超音波診断装置。
【請求項２】
前記第２プローブによる超音波の照射位置と、超音波の照射時間と、を指定する操作部を更に備え、
前記制御部は、前記操作部による指定に基づいて、前記第２プローブを用いて、前記被検体に加温のための超音波を照射する、請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記被検体の熱物性情報は、前記第２プローブによる加温後における前記被検体の中を伝播する超音波の音速と、加温前における前記被検体の中を伝播する超音波の音速と、の差を示す情報を含む、請求項１または２に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記差が正のときは、前記被検体が非脂肪組織であると判定し、前記差が負のときは、前記被検体が脂肪組織であると判定する、請求項３に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記被検体の組織性状の判定結果を前記断層画像に重畳表示した画像を生成する、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記制御部は、予め設定された所定の時間だけ前記第２プローブによる超音波の照射を行う、請求項１〜５のいずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記被検体の温度が、前記第２プローブによる加温前の前記被検体の温度より予め設定された所定値以上高くなった場合、その旨を前記表示部に表示し、および／または、前記第２プローブによる加温を終了させる、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記第２プローブによる加温後における前記被検体の中を伝播する超音波の音速と、加温前における前記被検体の中を伝播する超音波の音速と、の差に基づいて、前記被検体の温度が前記第２プローブによる加温前の前記被検体の温度より予め設定された所定値以上高くなったか否かを判定する、請求項７に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体で反射された超音波のエコー信号に基づいて前記被検体の断層画像を生成する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体組織の物理的特性を得ることによって、生体情報をin vivoで得ようとする組織性状診断（tissue characterization）の手法が知られている。これにより、重大な異変に至る前の組織や細胞レベルでの変化を検出し、疾病の早期発見が可能となる。
【０００３】
また、臓器の境界等の生体内部の境界で反射された超音波のエコー信号に基づいて前記被検体の断層画像を生成する超音波診断装置が知られている。超音波診断装置による診断は、組織性状診断の一例である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の超音波診断装置では、生体内部の境界を可視化するに過ぎず、生体組織の病理学的な診断情報を詳細に分析することは困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、生体等の被検体の熱物性情報を取得し、生体組織の病理学的な診断を可能とする超音波診断装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、被検体で反射された超音波のエコー信号に基づいて被検体の断層画像を生成する超音波診断装置を提供する。超音波診断装置は、被検体に超音波を照射するとともにエコー信号を受信する第１プローブと、被検体に加温のための超音波を照射する第２プローブと、受信したエコー信号に基づいて被検体の断層画像を生成する制御部と、生成された被検体の断層画像を表示する表示部と、を備える。制御部は、第２プローブによる超音波の照射による前記被検体の加温前に取得したエコー信号と、加温後に取得したエコー信号と、に基づいて、被検体の熱物性情報を取得し、熱物性情報に基づいて被検体の組織性状を判定する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、生体等の被検体の熱物性情報を取得し、生体組織の病理学的な診断を可能とする超音波診断装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る超音波診断装置の構成を示す図である。
【図２ａ】第１プローブおよび第２プローブの圧電素子の配列構成の一例を示す図である。
【図２ｂ】第１プローブおよび第２プローブの圧電素子の配列構成の他の例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る超音波診断装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図４ａ】表示部に表示された肝臓のＢモード画像の一例を示す図である。
【図４ｂ】図４ａに示されたＢモード画像を模式的に示す図である。
【図５】図３に示した組織性状診断ステップの詳細な流れを示すフローチャートである。
【図６】パルスエコー法を説明するための模式図である。
【図７】加温前と加温後のエコー信号を表すエコーデータを示す模式図である。
【図８】脂肪組織と非脂肪組織内を伝播する超音波の音速の温度依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態２に係る超音波診断装置の構成を示す図である。
【図１０】音速の温度係数の計測環境を示す図である。
【図１１ａ】ＴＭＭファントムの音速の温度依存性についての測定結果を示すグラフである。
【図１１ｂ】豚の筋組織の音速の温度依存性についての測定結果を示すグラフである。
【図１１ｃ】豚の脂肪組織の音速の温度依存性についての測定結果を示すグラフである。
【図１１ｄ】牛の肝臓の音速の温度依存性についての測定結果を示すグラフである。
【図１２】温度変化を導出するための実験環境を示す図である。
【図１３】豚の筋組織と豚の脂肪組織についてのエコーシフト時間を示すグラフである。
【図１４】ＴＭＭファントムの温度変化の時間依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、図面に示された各距離または寸法の比率等は、現実のものとは相違する。
【００１０】
［１．実施形態１］
［１−１．構成］
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波診断装置１００の構成を示す図である。超音波診断装置１００は、プローブ筐体１、第１信号生成部２、第２信号生成部３、受信部４、制御部５、記憶部６、表示部７および操作部８を備える。
【００１１】
プローブ筐体１は、患者等の被検体の生体に超音波を照射するとともに反射波（エコー）を受信して電気信号に変換する診断用の第１プローブ１１と、生体に超音波を照射して生体を加温するための第２プローブ１２とを備える。プローブ筐体１は、その内部に、第１プローブ１１と第２プローブ１２とが所定の位置関係で配列されるように支持する。
【００１２】
第１プローブ１１は、第１信号生成部２から供給される電気信号に基づいて超音波パルスを放射し、生体内で反射された反射波を受信して電気信号に変換する。例えば、第１プローブ１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子を含み、第１信号生成部２から供給される電気信号が圧電素子を振動させて超音波を発生させる。また、圧電素子は、生体内で反射された反射波による振動を電気信号に変換することができる。第１プローブ１１の共振周波数は、２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ、例えば５．２ＭＨｚ、例えば１０ＭＨｚである。第１プローブ１１は、トランスデューサとも呼ばれる。
【００１３】
例えば、第１プローブ１１は、複数の圧電素子１１ａ（図２ａ参照）を１次元的または２次元的に配列してなるアレイ型プローブである。第１プローブ１１は、各圧電素子１１ａ（各チャネル）からパルス状の超音波を走査して放射する。
【００１４】
第１プローブ１１は、過剰な振動を生じさせないように圧電素子１１ａを支持するバッキング材１３（図２ａ参照）、および、超音波を所望の位置に集束させるための音響レンズ（図示せず）、音響インピーダンスを調整する音響整合層（図示せず）等を含んでもよい。
【００１５】
第２プローブ１２は、第２信号生成部３から供給される電気信号に基づいて超音波を放射し、生体を加温する。超音波によって生体を加温する技術の一例は、ＨＩＦＵ（High Intensity Focused Ultrasound）として知られている。例えば、第２プローブ１２は、圧電素子１２ａ（図２ａ参照）を含み、第２信号生成部３から供給される電気信号が圧電素子を振動させて超音波を発生させる。第２プローブ１２の共振周波数は、２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ、例えば３．２ＭＨｚ、例えば１０ＭＨｚである。第２プローブ１２は、トランスデューサとも呼ばれる。
【００１６】
第２プローブ１２は、第１プローブ１１と同様に、複数の圧電素子を１次元的または２次元的に配列してなるアレイ型プローブであってもよい。例えば、第２プローブ１２の複数の圧電素子は、同時に超音波を発生して生体を加温する。
【００１７】
図２ａは、第１プローブ１１および第２プローブ１２の圧電素子の配列構成の一例を示す図である。プローブ筐体１の遠位端１ａは、診断時、患者の皮膚等の診断対象の生体表面に接触する。第１プローブ１１および第２プローブ１２の各圧電素子から放射される超音波は、遠位方向（図２ａに示した矢印の方向）に、あるいはプローブ筐体１の遠位端１ａから放射状に、放射される。
【００１８】
図２ａに示した例では、第１プローブ１１の圧電素子アレイを構成する圧電素子１１ａの間に、第２プローブ１２の圧電素子１２ａが配置されている。すなわち、圧電素子１２ａの両側に、圧電素子１１ａが４つずつ配置されている。圧電素子１１ａ間、および、圧電素子１２ａと圧電素子１１ａとの間には、樹脂等の絶縁材料が挿入されている。圧電素子１１ａおよび圧電素子１２ａは、バッキング材１３に支持されている。なお、圧電素子の数は例示したものに限定されない。
【００１９】
図２ｂは、第１プローブ１１および第２プローブ１２の圧電素子の配列構成の他の例を示す図である。図２ａに示したようなバッキング材１３に支持された圧電素子アレイを構成する１つまたは複数の圧電素子は、図２ｂに示すように、第１プローブ１１の円筒形状の圧電素子１１ｂと第２プローブ１２の円柱形状の圧電素子１２ｂが同軸に配置された構造を有してもよい。第１プローブ１１および第２プローブ１２の各圧電素子１１ｂ、１２ｂから放射される超音波は、軸方向（図２ｂに示した矢印の方向）に、あるいは各圧電素子１１ｂ、１２ｂから放射状に、放射される。
【００２０】
図２ａおよび図２ｂに示した例の他にも、第１プローブ１１および第２プローブ１２の圧電素子は、プローブ筐体１内において異なる方向に超音波を放射するように配置されてもよい。この場合、プローブ筐体１内にミラー等の光学素子が配置され、第１プローブ１１の圧電素子と、第２プローブ１２の圧電素子と、光学素子とは、プローブ筐体１から外部に超音波を出射する際には、同一の方向に超音波を進行させるように配置される。
【００２１】
なお、超音波診断装置１００は、第１プローブ１１および第２プローブ１２のように異なるプローブを備えるものに限定されない。例えば、１つのプローブが、超音波を照射してエコーを受信する診断機能と、生体の加温を行う加温機能と、を併せ持ってもよい。この場合、第１信号生成部２からの電気信号と、第２信号生成部３からの電気信号とは、切替器（図示せず）等によって切り替えられてプローブに供給される。
【００２２】
図１に戻り、第１信号生成部２は、第１プローブ１１に供給する電気信号を生成する回路またはモジュールである。第１信号生成部２は、第１プローブ１１に供給するパルス信号を生成する。第１信号生成部２は、電気信号を発生させる信号発生器を含む。第１信号生成部２は、発生した電気信号を増幅させるパワーアンプを含んでもよい。
【００２３】
第２信号生成部３は、第２プローブ１２に供給する電気信号を生成する回路またはモジュールである。第２信号生成部３は、電気信号を発生させる信号発生器を含む。第２信号生成部３は、発生した電気信号を増幅させるパワーアンプを含んでもよい。
【００２４】
受信部４は、第１プローブ１１から供給された電気信号を受信してデジタル信号に変換する回路またはモジュールである。受信部４は、例えば第１プローブ１１から供給された電気信号を増幅するプリアンプと、増幅されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを備える。受信部４は、デジタル信号が示すデータ（以下、「エコーデータ」という。）を制御部５に対して出力する。
【００２５】
制御部５は、例えば、プログラムを実行することにより所定の機能を実現するＣＰＵまたはＭＰＵのような汎用プロセッサで構成される。制御部５は、主記憶装置またはフレームメモリとして、高速動作可能なＳＲＡＭおよびＤＲＡＭ等の記憶媒体を含んでもよい。制御部５は、記憶部６に格納された制御プログラムを呼び出して実行することにより、画像生成部５１、走査制御部５２、加温制御部５３等の各種の制御を実現する。制御部５は、ハードウェアとソフトウェアの協働により所定の機能を実現するものに限定されず、所定の機能を実現するＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ等のハードウェア回路で構成されてもよい。
【００２６】
記憶部６は、種々の情報を記録する記録媒体である。記憶部６は、例えば、フラッシュメモリ、ＳＳＤなどの半導体メモリ装置、ハードディスク等の磁気記憶装置、その他の記憶デバイス単独でまたはそれらを適宜組み合わせて実現される。
【００２７】
表示部７は、超音波診断装置１００の診断結果である超音波画像等の情報を表示する表示装置である。表示部７は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プロジェクタ等により構成される。また、超音波診断装置１００は、表示部７の他に、スピーカ、プリンタ等の出力装置を備えてもよい。
【００２８】
操作部８は、ユーザから受け付けた入力指示や操作の内容を電気信号に変換して制御部５に伝達する入力用インタフェースである。操作部８は、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、ダイヤル、フットスイッチ、スライドスイッチ、音声入力のためのマイク、ジェスチャ入力のためのセンサ等を含む。例えば、ユーザは、操作部８を用いて、第２プローブ１２による超音波の照射位置と、超音波の照射時間と、を指定する。
【００２９】
［１−２．動作］
［１−２−１．全体のフロー］
図３は、超音波診断装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された各処理は、超音波診断装置１００の制御部５による制御に基づいて実行される。本フローチャートに示す動作は、例えば所定の周期で繰り返し開始される。
【００３０】
まず、医師等のユーザが、プローブ筐体１の遠位端１ａ（図２ａ参照）を患者の皮膚等の診断対象の生体表面に接触させる。走査制御部５２として機能する制御部５は、第１信号生成部２を制御して第１プローブ１１に対してパルス信号を供給させ、第１プローブ１１からパルス状の超音波を放射する（Ｓ１）。第１信号生成部２は、第１プローブ１１のアレイ状の圧電素子１１ａ（図２ａ参照）に対してパルス信号を順次供給し、第１プローブ１１からパルス状の超音波を走査して放射する。
【００３１】
第１プローブ１１から放射された超音波は、生体の皮膚、血管および臓器の境界等の音響インピーダンスの不連続面で反射され、エコー信号となる。第１プローブ１１は、エコー信号を受信して電気信号に変換し、受信部４に対して出力する。受信部４は、第１プローブ１１から供給された電気信号を受信してデジタル信号に変換し、デジタル信号が示すエコーデータを制御部５に対して出力する。制御部５は、受信部４から出力されたエコーデータを受信する（Ｓ２）。
【００３２】
次に、画像生成部５１として機能する制御部５は、受信したエコーデータに基づいて、周知の技術により、反射点の位置をエコー強度に応じた輝度で表示するＢモード画像を生成する（Ｓ３）。これにより、生体の断層画像が得られる。
【００３３】
制御部５は、生成されたＢモード画像を表示部７に表示する。図４ａは、表示部７に表示された肝臓のＢモード画像の一例を示す図である。図４ｂは、図４ａに示されたＢモード画像を模式的に示す図である。図４ｂに示すように、図４ａから、ユーザは、プローブ筐体１の遠位端１ａを当てた皮膚層の下にある輝度の小さい脂肪層と、脂肪層の下の輝度の大きい筋肉層と、筋肉層の下の肝臓と、を識別することができる。
【００３４】
ユーザは、表示部７に表示されたＢモード画像を見ながら、操作部８を用いて、組織性状診断を行いたい部位を選択し、制御部５に対して、組織性状診断を行うように指示する。例えば、ユーザは、図４ｂに点Ｐで示した部位の組織性状診断を行う場合、表示部７の点Ｐの部分をタッチして、タッチパネルとしての操作部８によって、制御部５に選択部位Ｐに対して組織性状診断を行うことを指示する。あるいは、ユーザは、操作部８としてのキーボードを用いて、組織性状診断を行う部位の座標を入力してもよい。
【００３５】
制御部５は、操作部８からの組織性状診断を行う旨の指示の入力を検知する（Ｓ５）。組織性状診断を行う旨の指示の入力がない場合（Ｓ５でＮｏ）、図３のフローチャートに示された動作は終了する。本フローチャートに示す動作は、例えば所定の周期で繰り返し開始されるため、超音波診断装置１００は、組織性状診断を行う旨の指示の入力がない限り、プローブ筐体１の接触位置に応じてＢモード画像を表示する周知の超音波診断装置の動作を行うことになる。
【００３６】
ステップＳ５において組織性状診断を行う旨の指示の入力があった場合（Ｓ５でＹｅｓ）、組織性状診断部５４として機能する制御部５は、選択部位Ｐについて組織性状診断を行う（Ｓ６）。組織性状診断ステップＳ６の詳細については後述する。
【００３７】
次に、制御部５は、組織性状診断の結果をＢモード画像に重畳させて表示部７に表示する（Ｓ７）。例えば、制御部５は、組織性状診断ステップＳ６において選択部位Ｐが脂肪であるという診断結果を得た場合、Ｂモード画像に「選択部位は脂肪組織である」旨の文字画像を重畳表示し、選択部位Ｐが肝臓実質であるという診断結果を得た場合、Ｂモード画像に「選択部位は非脂肪組織である」、「選択部位は肝臓実質である」、または「異常なし」等の文字画像を重畳表示する。あるいは、制御部５は、組織性状診断の結果に応じて、Ｂモード画像上の選択部位Ｐ付近の画素を着色してもよい。例えば、脂肪は黄色で表示され、病変は赤で表示される。また、制御部５は、組織性状診断の結果に応じて、Ｂモード画像上の選択部位Ｐを示す画素の輝度を変更してもよい。
【００３８】
［１−２−２．組織性状診断動作］
図５は、図３に示した組織性状診断ステップＳ６の詳細な流れを示すフローチャートである。まず、組織性状診断部５４として機能する制御部５は、第１プローブ１１から選択部位Ｐの方向に放射された超音波のエコーデータ（加温前エコーデータ）を取得する（Ｓ６１）。取得された加温前エコーデータは、例えば記憶部６に格納される。あるいは、加温前エコーデータは、ステップＳ２（図３参照）において取得されて記憶部６に格納されていてもよい。この場合、ステップＳ６１を省略できる。
【００３９】
次に、加温制御部５３として機能する制御部５は、第２信号生成部３を制御して第２プローブ１２に対して電気信号を供給させる。これにより、第２プローブ１２から超音波が放射され、生体内の選択部位Ｐが加温される（Ｓ６２）。
【００４０】
第２プローブ１２によって放射される超音波の強度、放射時間は、生体の安全性を損なわないように設定される。超音波の照射を受ける生体の安全性について、例えば、世界超音波医学生物学連合（ＷＦＵＭＢ、World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology）のガイドラインには、生体に１．５℃未満の温度上昇が生じても臨床上問題ないと記載されている。また、ＷＦＵＭＢのガイドラインには、４．０℃を超える温度上昇が５分を超える時間継続した場合、胚や胎児に対して危険があると記載されている。
【００４１】
そこで、例えば、第２プローブ１２によって放射される超音波の強度（音圧）、放射時間は、選択部位Ｐの温度上昇が１．５℃を超えないように設定される。例えば、設定値は記憶部６に記憶され、制御部５が記憶された設定値を用いて第２信号生成部３を制御する。あるいは、第２信号生成部の信号発生器が、予め設定された時間だけ持続するパルス信号を生成してもよい。
【００４２】
具体的には、第２プローブ１２によって放射される超音波の音圧は、２．０ＭＰａ以下、例えば１．０ＭＰａに設定される。また、第２プローブ１２によって放射される超音波の放射時間は、１０秒以下、好ましくは１秒以下、例えば１００ｍｓや５０ｍｓに設定される。
【００４３】
加温の後、制御部５は、第１プローブ１１から選択部位Ｐの方向に放射された超音波のエコーデータ（加温後エコーデータ）を取得する（Ｓ６３）。取得された加温後エコーデータは、例えば記憶部６に格納される。
【００４４】
次に、制御部５は、加温前エコーデータと加温後エコーデータとに基づいて、第１プローブ１１から選択部位Ｐの方向に放射された超音波の加温前後の音速変化率を算出する（Ｓ６４）。
【００４５】
加温前後の音速変化率は、例えばパルスエコー法に基づいて算出される。パルスエコー法では、図６に示すような境界Ｓ１およびＳ２で超音波が反射される場合において、境界Ｓ１とＳ２との間の領域Ｒにある生体が加温されたときは、加温前後の音速変化率は、以下のように算出できる。
【００４６】
図６では、第１プローブ１１の圧電素子１１ａから放射された超音波の一部は境界Ｓ１で反射されてエコー信号ｒ１となり、境界Ｓ１を透過した超音波の一部は境界Ｓ２で反射されてエコー信号ｒ２となっている。エコー信号ｒ１およびｒ２は、第１プローブ１１の圧電素子１１ａに受信される。
【００４７】
図７は、加温前（ａ）と加温後（ｂ）のエコー信号ｒ１およびｒ２を表すエコーデータを示す模式図である。加温前、図６の境界Ｓ１で反射されたエコー信号ｒ１が第１プローブ１１に到達した時刻と、境界Ｓ２で反射されたエコー信号ｒ２が第１プローブ１１に到達した時刻との差はΔｔである。領域Ｒにある生体が加温された後、エコー信号ｒ１が第１プローブ１１に到達した時刻と、エコー信号ｒ２が到達した時刻との差はΔｔ−Δτとなっている。
【００４８】
第１プローブ１１の圧電素子１１ａから距離ｘの点を進行する超音波の加温前の音速をｃ（ｘ）［ｍ／ｓ］、加温後の音速をｃ（ｘ）＋Δｃ（ｘ）［ｍ／ｓ］とする。Δｃ（ｘ）がｃ（ｘ）に比べて十分に小さい場合、次の近似式（１）が成り立つ。
【００４９】
【数１】
2020065799.tif 000003
【００５０】
したがって、領域Ｒ（ｘ１＜ｘ＜ｘ２）における加温前後の音速の時間変化率Δｃ（ｘ）／ｃ（ｘ）は、次式（２）で表される。
【００５１】
【数２】
2020065799.tif 000004
【００５２】
式（２）の右辺Δτ／Δｔは、時間シフトΔτの時間変化率を表している。Δτ／Δｔは、具体的には、次のように測定される。すなわち、測定領域で反射されたエコー信号に対応する遅れ時間ｔを設定する。次に、エコー信号に時間ゲートを設けて信号を切り出し、遅れ時間ｔを順次変更させながら時間シフトΔτを計測する。Δτ／Δｔは、このような計測結果の傾きから推定することができる。時間シフトΔτは微小であるため、時間シフトΔτの時間変化率は、例えば、エコー信号の波形について相互相関法を用いて導出される。あるいは、相互相関法と自己相関法とを組み合わせて時間シフトΔτの時間変化率を算出してもよい。
【００５３】
次に、組織性状診断部５４として機能する制御部５は、ステップＳ６４で算出された音速変化率に基づいて、選択部位Ｐの組織性状を診断し、診断結果データを生成する。（Ｓ６５）。
【００５４】
図８は、脂肪組織と非脂肪組織内に伝播する超音波の音速の温度依存性を示すグラフである。図８に示すように、脂肪組織では、生体の温度Ｔが上昇するに連れて音速ｃは減少することが知られている（例えば、福喜多博著“超音波による生体内温度計測”, BME, vol.2, No.3, p.167-168, 1988参照）。すなわち、脂肪組織の温度変化に対する音速変化の割合（以下、「音速の温度係数」という。）ｄｃ／ｄＴは負である。これを前述の加温前後の音速変化Δｃ（ｘ）についてみると、脂肪組織では、Δｃ（ｘ）は負となる。
【００５５】
他方、生体の温度を含む３０℃〜４５℃において、非脂肪組織内を伝播する超音波の音速は、生体の温度Ｔが上昇するに連れて増加することが知られている。すなわち、非脂肪組織の音速の温度係数ｄｃ／ｄＴは正である。これを前述の加温前後の音速変化Δｃ（ｘ）についてみると、非脂肪組織では、Δｃ（ｘ）は正となる。
【００５６】
したがって、制御部５は、ステップＳ６４で算出された音速変化率Δτ／Δｔが負である場合、選択部位Ｐは脂肪組織であり、正である場合、選択部位Ｐは非脂肪組織であると判定することができる。
【００５７】
なお、後述のように、超音波診断装置１００は、選択部位Ｐが脂肪組織と非脂肪組織のいずれであるかを決定するのみならず、組織の音速の温度係数ｄｃ／ｄＴ、超音波減衰定数α、音速ｃ、体積熱容量Ｃｖ等に基づいて、選択部位Ｐの組織性状を診断することができる。
【００５８】
［１−３．組織性状診断の原理］
超音波照射による生体組織の温度上昇率は、次の生体熱輸送方程式（３）で表される。
【００５９】
【数３】
2020065799.tif 000005
ここで、Ｔ［℃］は温度、κ［ｍ２／ｓ］は組織の熱拡散率、ε［ｓ］は血液灌流率、ｑｖ［Ｗ／ｍ３］は熱発生率、Ｃｖ［Ｊ／ｍ３／℃］は単位体積当たりの熱容量である。血液灌流率εは、血液循環による冷却の時定数であり、単位堆積の生体組織に流入する血液流量を表す。
【００６０】
生体の軟部組織においては、熱拡散率κは０．１０〜０．１５［ｍｍ２／ｓ］、血液灌流率εは１０〜２０００［ｓ］の範囲内にある。初期温度が一様であり、温度上昇が微小であれば、式（３）の右辺第１項の熱拡散項を無視できる。短時間の加温であれば、式（３）の右辺第２項の血液循環項を無視できる。さらに、熱発生率ｑｖは、生体組織の超音波減衰定数（attenuation constant）α［ｄＢ／ｍ］と超音波強度Ｉ［Ｗ／ｍ２］とを用いて、ｑｖ＝２αＩと表すことができる。これらのことから次式（４）を得る。
【００６１】
【数４】
2020065799.tif 000006
【００６２】
超音波照射による音速の時間変化率ｄｃ／ｄｔは、式（４）を用いることによって、次式（５）で表される。
【数５】
2020065799.tif 000007
【００６３】
また、式（２）から次式（６）が得られる。
【数６】
2020065799.tif 000008
【００６４】
Δｃ（ｘ）は、次式（７）で表される。
【数７】
2020065799.tif 000009
ここで、Δｔｈは、超音波による組織の加温時間である。
【００６５】
式（６）に式（７）と式（５）とを代入すると、次式（８）が得られる。
【数８】
2020065799.tif 000010
【００６６】
以上により、音速変化率Δｃ（ｘ）／ｃ（ｘ）はエコーシフト時間の時間変化率Δτ／Δｔに等しく、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴ、超音波減衰定数α、音速ｃ（ｘ）、体積熱容量Ｃｖ、超音波強度Ｉおよび加温時間Δｔｈの関数となる。よって、超音波照射による音速変化率、すなわちエコーシフト時間の時間変化率を測定し、その変化率から組織性状を診断することが可能である。
【００６７】
［１−４．効果等］
以上のように、超音波診断装置１００は、患者等の被検体に超音波を照射するとともにエコー信号を受信する第１プローブ１１と、被検体に加温のための超音波を照射する第２プローブ１２と、受信したエコー信号に基づいて被検体の断層画像であるＢモード画像を生成する制御部５と、生成された被検体の断層画像を表示する表示部７と、を備える。制御部５は、第２プローブ１２による超音波の照射による被検体の加温前に取得したエコー信号と、加温後に取得したエコー信号と、に基づいて、被検体の熱物性情報を取得し、熱物性情報に基づいて被検体の組織性状を判定する。
【００６８】
従来の超音波診断装置では、生体内部の境界を可視化するに過ぎず、生体組織の病理学的な診断情報を詳細に分析することは困難であったが、超音波診断装置１００は、生体内部の境界間にある部位についての熱物性情報を取得し、生体組織の病理学的な診断を行うことができる。
【００６９】
被検体の熱物性情報は、第２プローブ１２による加温後における被検体の中を伝播する超音波の音速と、加温前における被検体の中を伝播する超音波の音速と、の差Δｃ（ｘ）を示す情報を含む。
【００７０】
加温前後の音速差Δｃ（ｘ）は、超音波パルスエコー法によって測定することができる。また、生体組織の組成および病理学的状態によって、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴが異なる。したがって、超音波診断装置１００は、加温前後の音速差Δｃ（ｘ）または音速の温度係数ｄｃ／ｄＴを測定することによって、生体組織の病理学的な診断を行うことができる。
【００７１】
特に、制御部５は、加温前後の音速差Δｃ（ｘ）が正のときは、被検体が非脂肪組織であると判定し、負のときは、被検体が脂肪組織であると判定する。
【００７２】
制御部５は、被検体の組織性状の判定結果を断層画像に重畳表示した画像を生成する。
【００７３】
超音波診断装置１００は、このような重畳画像を表示部７に表示することにより、医師等のユーザに対して、被検体の組織性状の判定結果を知らせることができる。
【００７４】
［２．実施形態２］
［２−１．構成および動作］
図９は、本発明の実施形態２に係る超音波診断装置２００の構成を示す図である。実施形態１の構成および作用に加えて、実施形態２に係る超音波診断装置２００の制御部５は、温度上昇制限部５５としても機能することができる。
【００７５】
温度上昇制限部５５として機能する制御部５は、例えば、超音波の照射によって生体に１．５℃以上の温度上昇が生じた場合、表示部７にその旨を表示する。あるいは、表示部７には生体温度の上昇値が常に表示されており、制御部５は、超音波の照射によって生体に１．５℃以上の温度上昇が生じた場合、表示部７に警告画像を表示させてもよい。これにより、ユーザは、生体に１．５℃以上の温度上昇が生じており、患者等に危険が生じ得ることを知ることができる。
【００７６】
制御部５は、超音波の照射によって生体に１．５℃以上の温度上昇が生じた場合、表示部７に警告画像を表示する代わりに、スピーカ（図示せず）から警告音を鳴らし、プローブ筐体１に備えられたバイブレータによってプローブ筐体１を振動させ、および／または、第２プローブ１２からの超音波の照射を強制的に終了させてもよい。
【００７７】
上記の警告動作や強制終了動作が行われるのは、超音波の照射によって生体に１．５℃以上の温度上昇が生じた場合に限られない。上記の警告動作や強制終了動作は、患者等の超音波の被照射者に危険が生じ得る場合に行われる。例えば、上記の警告動作や強制終了動作は、超音波の照射が所定の時間、例えば１０秒以上行われた場合、４．０℃を超える温度上昇が５分を超える時間継続した場合等に行われてもよい。
【００７８】
［２−２．温度変化の判断方法］
以下、超音波照射による温度変化の推定方法について説明する。まず、超音波照射による加温後の音速と加温前の音速との差Δｃ（ｘ）を式（１）を用いて導出する。導出されたΔｃ（ｘ）と、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴと、を用いて、温度変化ΔＴは、次式（９）で表される。
【００７９】
【数９】
2020065799.tif 000011
【００８０】
したがって、パルスエコーの測定結果から、温度変化ΔＴを決定することができる。
【００８１】
［２−３．温度変化の測定例］
発明者は以下に示すような実験を行い、温度変化ΔＴを実際に求めることができることを実証した。
【００８２】
［２−３−１．音速の温度係数の測定］
軟部組織を模擬したＴＭＭ（Tissue Mimicking Material）ファントム、豚の筋組織、豚の脂肪組織および牛の肝臓につき、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴを計測した。ＴＭＭファントムは、ＩＥＣ６０６０１−２−３７規格に基づいて作製された。
【００８３】
図１０は、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴの計測環境を示す図である。恒温槽２０１の中に、アクリルブロック２０２と、アクリルブロック２０２の上に設けられた１つ以上のアクリル板２０３とを準備した。アクリル板２０３の中央にあるくぼみに、２０ｍｍ×２２ｍｍ×５ｍｍの大きさの試料２１０を配置した。アクリル板２０３および試料２１０の上にアルミニウムブロック２０４を設置した。アルミニウムブロック２０４の上面に圧電素子２０５（B5K10I、JAPAN PROBE、直径１０ｍｍ、共振周波数５．２ＭＨｚ）を取り付けた。圧電素子２０５にパルサ２０６（OLYMPUS、5072PR）と、オシロスコープ２０７（YOKOGAWA ELECTRIC、DL850E）とを接続した。試料２１０に、図示しない２本の熱電対（CHINO Type K、φ＝０．５ｍｍ）を取り付けた。熱電対にもオシロスコープ２０７を接続した。
【００８４】
恒温槽２０１の内部温度を４０℃に保ち、試料２１０の温度を変化させながら、圧電素子２０５から超音波を放射し、圧電素子２０５が受信したエコー信号をオシロスコープ２０７によって観察および記録した。その際、オシロスコープ２０７のサンプリング周波数を１００ＭＨｚ、量子化ビット数を１２ｂｉｔに設定した。オシロスコープ２０７を用いたエコー信号の測定結果から、試料２１０内を超音波が伝播するのに要した時間ｔｓｄを算出した。試料２１０の厚さをｄとすると、試料２１０内を伝播する超音波の音速ｃは２ｄ／ｔｓｄで表される。また、熱電対からの信号をオシロスコープ２０７で観察および記録し、試料２１０内部の温度を測定した。
【００８５】
図１１ａ〜１１ｄは、ＴＭＭファントム、豚の筋組織、豚の脂肪組織および牛の肝臓の音速の温度依存性についての測定結果をそれぞれ示すグラフである。図１１ａ〜１１ｄには、測定値を黒丸で、直線近似による近似線を一点鎖線で示している。近似線の傾きが音速の温度係数ｄｃ／ｄＴとなる。求められたＴＭＭファントム、豚の筋組織、豚の脂肪組織および牛の肝臓の音速の温度係数ｄｃ／ｄＴを次の表１に示す。
【００８６】
【表１】
2020065799.tif 000012
【００８７】
［２−３−１．温度変化の測定］
図１０のような実験環境では、熱電対によって組織の温度Ｔを測定することができる。しかしながら、超音波診断装置２００を用いて患者の診断を行う場合、生体組織に熱電対を設置することはできない。そこで、超音波診断装置２００は、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴと超音波のエコーシフトの時間変化率Δτ／Δｔとを用いて、選択部位Ｐの温度変化ΔＴを推定する。
【００８８】
図１２は、温度変化を導出するための実験環境を示す図である。図１０と同様に、アクリルブロック２０２と、アクリルブロック２０２の上に設けられた１つ以上のアクリル板２０３とを準備した。アクリル板２０３の中央にあるくぼみに、厚さ１０ｍｍの試料２２０を配置した。アクリル板２０３および試料２２０の上に、厚さ５５ｍｍの寒天ブロック２１４を設置した。寒天ブロック２１４の上面に圧電素子２１５ａ、２１５ｂを取り付けた。
【００８９】
圧電素子２１５ａ、２１５ｂは、図２ｂに示したものと同様の構造を有する。すなわち、音速測定用の圧電素子２１５ａ（B5K10I、JAPAN PROBE、直径１０ｍｍ、共振周波数５．２ＭＨｚ）と加温用の圧電素子２１５ｂ（内径１０ｍｍ、外径２８ｍｍ、共振周波数３．２ＭＨｚ）が同軸一体となっている。
【００９０】
音速測定用の圧電素子２１５ａには、図１０と同様に、パルサ２０６と、オシロスコープ２０７とを接続した。加温用の圧電素子２１５ｂには、波形発生器２０９（AGILENT、33500B）と、増幅器２０８（NF ELECTRONIC INSTRUMENTS、NF4055）とを接続した。
【００９１】
波形発生器２０９の出力信号（５Ｖｐｐ）を増幅器２０８を用いて１０倍に増幅し、増幅信号を加温用の圧電素子２１５ｂに印加した。これにより圧電素子２１５ｂから加温用の超音波が放射され、試料２２０が加温された。超音波による加温は１００ｍｓの時間行われた。
【００９２】
パルサ２０６を用いて音速測定用の圧電素子２１５ａにインパルス電圧を印加し、超音波による加温前後のエコー信号をオシロスコープ２０７によって記録した。その際、オシロスコープ２０７のサンプリング周波数を１００ＭＨｚ、量子化ビット数を１２ｂｉｔに設定した。
【００９３】
加温前後のエコー信号それぞれに矩形窓関数（時間幅１μｓ）をかけて切り出し、相関法を用いてエコーシフト時間Δτを算出した。エコーシフト時間Δτが上昇した付近を熱源と推定し、測定した３点のエコーシフト時間とその平均値を算出した。
【００９４】
図１３は、このようにして求められた豚の筋組織と豚の脂肪組織についてのエコーシフト時間Δτを示すグラフである。図１３には、豚の筋組織についてのエコーシフト時間の測定データを黒丸で示している。実線は、測定データの直線近似である。また、図１３には、豚の脂肪組織についてのエコーシフト時間の測定データを＋印で示している。一点鎖線は、測定データの直線近似である。
【００９５】
次に、式（１）のΔｔを４μｓとし、図１３の近似線から得られたエコーシフト時間Δτとして、Δτ／Δｔを算出した。算出されたΔτ／Δｔは、次の表２のようになった。
【００９６】
【表２】
2020065799.tif 000013
【００９７】
表１と表２の結果を用いて、組織の温度変化ΔＴの推定を行った。その結果を次の表３に示す。
【００９８】
【表３】
2020065799.tif 000014
【００９９】
なお、ＴＭＭファントムについてもエコーシフト時間Δτを求める実験を行った。そして、式（１）のΔｔを７μｓとして音速変化Δｃ（ｘ）を求めた。得られた音速変化Δｃ（ｘ）と、音速の温度係数ｄｃ／ｄＴ＝１．６（表１参照）とから、温度変化ΔＴを算出した。同様の処理を加温１ｓ後まで１００ｍｓ間隔で繰り返し、温度変化ΔＴの時間依存性を求めた。
【０１００】
図１４は、このようにして得られたＴＭＭファントムの温度変化ΔＴの時間依存性を示すグラフである。図１４の黒丸は、測定値を示している。図１４の一点鎖線は、生体熱輸送方程式（３）を用いた有限要素法によるシミュレーション結果を示している。
【０１０１】
［２−４．効果等］
以上のように、実施形態２では、超音波診断装置２００の制御部５は、被検体の温度が、第２プローブ１２による加温前の被検体の温度より予め設定された所定値以上高くなった場合、その旨を表示部７に表示し、および／または、第２プローブ１２による加温を終了させる。
【０１０２】
表示部７への表示により、医師等のユーザは、患者等の被検体の生体温度が所定値以上変化しており、患者等に危険が生じ得ることを知ることができる。また、このような場合に第２プローブ１２による加温を終了させることにより、超音波診断装置２００は、患者等に危険が生じることを防ぐことができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１  プローブ筐体
２  第１信号生成部
３  第２信号生成部
４  受信部
５  制御部
６  記憶部
７  表示部
８  操作部
１１  第１プローブ
１２  第２プローブ
１３  バッキング材
５１  画像生成部
５２  走査制御部
５３  加温制御部
５４  組織性状診断部
５５  温度上昇制限部
１００  超音波診断装置
【図１】
2020065799.tif 000015
【図２ａ】
2020065799.tif 000016
【図２ｂ】
2020065799.tif 000017
【図３】
2020065799.tif 000018
【図４ａ】
2020065799.tif 000019
【図４ｂ】
2020065799.tif 000020
【図５】
2020065799.tif 000021
【図６】
2020065799.tif 000022
【図７】
2020065799.tif 000023
【図８】
2020065799.tif 000024
【図９】
2020065799.tif 000025
【図１０】
2020065799.tif 000026
【図１１ａ】
2020065799.tif 000027
【図１１ｂ】
2020065799.tif 000028
【図１１ｃ】
2020065799.tif 000029
【図１１ｄ】
2020065799.tif 000030
【図１２】
2020065799.tif 000031
【図１３】
2020065799.tif 000032
【図１４】
2020065799.tif 000033