(57)【要約】【課題】血管壁の軸方向への移動を考慮し、生体組織の厚さ変化量や弾性率を簡単な演算回路を用いて正確に計測することのできる超音波診断装置を提供する。【解決手段】本発明の超音波診断装置は、動脈の血管壁を含む被検体の計測領域へ、第１および第２の送信波を送信するように超音波探触子を駆動する送信部１３と、前記第１および第２の送信波が前記被検体において反射することによりそれぞれ得られる反射波を前記超音波探触子を用いて受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する受信部１２と、前記第１の受信信号に基づいて前記被検体中の血管壁の移動方向を決定する移動方向決定部１８と、前記移動方向決定部が決定した移動方向と前記第２の送信波の音響線の方向とが略平行になるように前記送信部を制御する遅延時間制御部１４と、前記第２の受信信号に基づいて前記被検体の形状値を算出する演算部１６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動脈の血管壁を含む被検体の計測領域へ、第１および第２の送信波を送信するように超音波探触子を駆動する送信部と、
前記第１および第２の送信波が前記被検体において反射することによりそれぞれ得られる反射波を前記超音波探触子を用いて受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する受信部と、
前記第１の受信信号に基づいて前記被検体中の血管壁の移動方向を決定する移動方向決定部と、
前記移動方向決定部が決定した移動方向と前記第２の送信波の音響線の方向とが略平行になるように前記送信部を制御する遅延時間制御部と、
前記第２の受信信号に基づいて前記被検体の形状値を算出する演算部と、
を備えた超音波診断装置。
【請求項２】
前記遅延時間制御部は、前記第１の送信波の音響線が前記動脈の軸に対して略垂直となるように前記送信部を制御し、前記第１および第２の送信波の音響線の方向は互いに異なっている請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記第１の受信信号の振幅情報に基づいてＢモード画像用信号を生成する断層画像生成部をさらに備え、
前記送信部および受信部は前記計測領域を前記第１の送信波で走査することにより１フレーム分の前記第１の受信信号を複数フレーム分繰り返して生成し、
前記断層画像生成部は、フレームごとに前記Ｂモード画像用信号を生成し、
前記移動方向決定部は、前記Ｂモード画像用信号に基づいて前記被検体中の血管壁の移動方向を決定する請求項２に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記移動方向決定部は、前記複数のフレーム分のＢモード画像用信号を用いて前記血管壁の軌跡を算出し、前記軌跡に基づいて前記血管壁の移動方向を決定する請求項３に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記移動方向決定部は、前記複数のフレーム分のＢモード画像用信号の相関を計算することによって前記血管壁の軌跡を算出する請求項４に記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記演算部は、前記形状値に基づいて前記被検体の性状値を算出する請求項５に記載の超音波診断装置。
【請求項７】
前記演算部は、前記計測領域内に設定された直交しない２方向に配列された複数の単位領域における性状値をそれぞれ算出し、前記性状値の二次元分布画像を示す分布信号を生成する請求項６に記載の超音波診断装置。
【請求項８】
前記断層画像生成部が生成したＢモード画像用信号による断層画像および前記演算部が生成した前記分布信号による二次元分布画像を重畳して表示する表示部をさらに備え、
前記二次元分布画像における単位領域は前記動脈の軸方向に対して非垂直な方向に配列されている請求項７に記載の超音波診断装置。
【請求項９】
前記性状値は弾性率である請求項８に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は医療用の超音波診断装置に関し、特に血管壁を計測する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、心筋梗塞や脳梗塞などの循環器系疾病を患う人々が増加してきており、このような疾病の予防および治療を行うことが大きな課題となっている。
【０００３】
心筋梗塞や脳梗塞の発病には、動脈硬化が深く関係している。具体的には、血管壁に粥腫が形成されたり、高血圧等の種々の要因によって動脈の新しい細胞が作られなくなったりすると、動脈は弾力性を失い、硬く、脆くなる。そして、粥腫が形成された部分において血管が閉塞したり、粥腫を覆う血管組織が破裂することにより粥腫が血管内へ流出し、別の部分において動脈を閉塞させたり、動脈が硬化した部分が破裂したりすることによって、これらの疾病が引き起こされる。このため、動脈硬化を早期に診断することがこれらの疾病予防や治療には重要となる。
【０００４】
従来、動脈硬化病変の診断は、血管カテーテルを用いて血管内部の様子を直接観察することによって行われていた。しかし、この診断には、血管カテーテルを血管に挿入する必要があるため、被験者への負荷が大きいという問題があった。このため、血管カテーテルによる観察は、動脈硬化病変が存在していることが確かである被験者に対して、その場所を特定するために用いられ、例えば、健康管理のための検査として、この方法が用いられることはなかった。
【０００５】
動脈硬化の一因であるコレステロール値を測定したり、血圧値を測定したりすることは、被験者への負担が少なく、容易に行うことのできる検査である。しかし、これらの値は、動脈硬化の度合いを直接示すものではない。
【０００６】
また、動脈硬化を早期に診断して、動脈硬化の治療薬を被験者に対して投与することができれば、動脈硬化の治療に効果を発揮する。しかし、動脈硬化が進行してしまうと、治療薬によって動脈硬化の進展を抑制することはできても、硬化した動脈を完全に回復させることは難しいと言われている。
【０００７】
こうした理由から、被験者への負担が少なく、動脈硬化が進行する早期段階において、動脈硬化の度合いを診断する診断方法あるいは診断装置が求められている。
【０００８】
被験者への負担が少ない非侵襲の医療診断装置としては、超音波診断装置が広く用いられている。従来の超音波診断装置は、エコー信号の強度を対応する画素の輝度に変換することにより、被検体の構造を示す断層画像を得る。断層画像はリアルタイムで取得され、断層画像から被検体の内部の構造を診断するために利用されている。
【０００９】
近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波診断装置の測定精度を飛躍的に向上させることが可能となり、これに伴って、生体組織の微小運動を計測する超音波診断装置の開発が進んでいる。例えば、特許文献１は、制約付き最小二乗法を用いて超音波エコー信号の振幅と位相を解析することにより、測定対象を高精度でトラッキングする技術を開示している。この技術を位相差トラッキング法と呼ぶ。この技術によれば、血管運動による振幅が数ミクロンであり、周波数が数百Ｈｚまでの速い振動成分を高精度に計測できる。このため、血管壁の厚さ変化や歪みを数ミクロンのオーダーで高精度に計測をすることが可能になると報告されている。
【００１０】
特許文献２、３は、特許文献１の技術を利用して血管壁の形状値を取得し、弾性率を算出する技術を開示している。
【特許文献１】特開平１０−５２２６号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０１１５０４号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２００６／０４３５２８号パンフレット
【特許文献４】特開平５−１１５４７９号公報
【特許文献５】特開平１０−２６２９７０号公報
【特許文献６】米国特許第６７７００３４号明細書
【特許文献７】米国特許第６２５８０３１号明細書
【非特許文献１】S. Golemati, et al.，Ultrasound Med. Biol. vol. 29，pp. 387-399, 2003.
【非特許文献２】J. Bang, et al.，Ultrasound Med. Biol., vol. 29, pp. 967-976, 2003.
【非特許文献３】M. Cinthio, et al.，IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr., vol. 52, pp. 1300-1311, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
動脈は、動脈内を移動する血液の血流および血圧変化に応じて径方向に拡張・収縮する。動脈の拡張・収縮は、動脈の軸方向と垂直な方向へのみの運動によるため、動脈の軸を通る断面において、軸方向と垂直な方向から超音波ビームを走査させた場合、各超音波ビームから得られるエコー信号によって血管壁の運動を解析することが可能である。言い換えれば、各超音波ビーム上にある血管壁の組織の運動は、隣接する超音波ビームによるエコー信号を用いることなく、求めることができる。このため、動脈の軸を通る断面において、軸方向と垂直な方向から超音波ビームを動脈へ入射させ、超音波エコーを受信することにより、比較的少ない演算量で、血管壁組織の厚さ変化量の二次元分布を測定することができ、弾性率を求めることができる。
【００１２】
しかしながら、非特許文献１、２、３などに開示されているように、頸動脈の血管壁は、心周期に同期してわずかに軸方向へ運動する場合があることが確認されている。この運動は、心臓の収縮・拡張に伴って、頸動脈が心臓に引っ張られることにより生じるものと考えられる。このような場合には、上述したように、軸方向へ運動していないと仮定して求められた弾性率は正確ではない。
【００１３】
血管壁が軸方向へ移動する場合、動脈の軸を通る断面において、血管壁の二次元運動を正確に測定すれば、正確な弾性率を求めることができると考えられる。たとえば、特許文献４から７に示された方法を用いて血管壁の運動を二次元的に解析し、弾性率を求めることが考えられる。しかし、これらの方法により、二次元運動を測定するためには、大規模な計測回路が必要となり、また、測定対象点の追跡を行うための演算量も膨大なものになってしまう。特に、生体組織の厚さ変化量や弾性率を求めるための演算量は、測定対象点の運動速度を求めるための演算量に比べ膨大である。このため、従来の超音波診断装置に用いられていた演算回路では、そのような膨大な演算を行うことが非常に困難である。また、演算能力が非常に高いコンピュータを超音波診断装置に採用する場合、超音波診断装置が高価になってしまう。
【００１４】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、血管壁の軸方向への移動を考慮し、生体組織の厚さ変化量や弾性率を簡単な演算回路を用いて正確に計測することのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の超音波診断装置は、動脈の血管壁を含む被検体の計測領域へ、第１および第２の送信波を送信するように超音波探触子を駆動する送信部と、前記第１および第２の送信波が前記被検体において反射することによりそれぞれ得られる反射波を前記超音波探触子を用いて受信し、第１および第２の受信信号をそれぞれ生成する受信部と、前記第１の受信信号に基づいて前記被検体中の血管壁の移動方向を決定する移動方向決定部と、前記移動方向決定部が決定した移動方向と前記第２の送信波の音響線の方向とが略平行になるように前記送信部を制御する遅延時間制御部と、前記第２の受信信号に基づいて前記被検体の形状値を算出する演算部とを備える。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記遅延時間制御部は、前記第１の送信波の音響線が前記動脈の軸に対して略垂直となるように前記送信部を制御し、前記第１および第２の送信波の音響線の方向は互いに異なっている。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記第１の受信信号の振幅情報に基づいてＢモード画像用信号を生成する断層画像生成部をさらに備え、前記送信部および受信部は前記計測領域を前記第１の送信波で走査することにより１フレーム分の前記第１の受信信号を複数フレーム分繰り返して生成し、前記断層画像生成部は、フレームごとに前記Ｂモード画像用信号を生成し、前記移動方向決定部は、前記Ｂモード画像用信号に基づいて前記被検体中の血管壁の移動方向を決定する。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記移動方向決定部は、前記複数のフレーム分のＢモード画像用信号を用いて前記血管壁の軌跡を算出し、前記軌跡に基づいて前記血管壁の移動方向を決定する。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記移動方向決定部は、前記複数のフレーム分のＢモード画像用信号の相関を計算することによって前記血管壁の軌跡を算出する。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記演算部は、前記形状値に基づいて前記被検体の性状値を算出する。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記演算部は、前記計測領域内に設定された直交しない２方向に配列された複数の単位領域における性状値をそれぞれ算出し、前記性状値の二次元分布画像を示す分布信号を生成する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記断層画像生成部が生成したＢモード画像用信号による断層画像および前記演算部が生成した前記分布信号による二次元分布画像を重畳して表示する表示部をさらに備え、前記二次元分布画像における単位領域は前記動脈の軸方向に対して非垂直な方向に配列されている。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記性状値は弾性率である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の超音波診断装置によれば、第１の送信波を用いて血管壁の移動方向を求め、第２の送信波の音響線を血管壁の移動方向と平行に設定する。これにより、第２の送信波の音響線上を血管壁が移動することになるため、形状値を算出する際、血管壁は音響線に沿って１次元に運動すると見なすことができ、複雑な演算を行わなくとも正確な弾性率などの特性値を求めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下本発明による超音波診断装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明による超音波診断装置１０の構造を示すブロック図である。
【００２６】
超音波診断装置１０は、受信部１２、送信部１３、遅延時間制御部１４、位相検波部１５、演算部１６、断層画像生成部１７、移動方向決定部１８および画像合成部１９を備える。また、操作者が超音波診断装置１０に指令を与えるためのユーザインターフェース２４と、ユーザインターフェース２４からの指令に基づき、これらの各構成要素を制御するマイコンなどからなる制御部２３とを備えている。
【００２７】
なお、図１に示す各構成要素は必ずしも独立したハードウエアによって構成される必要はない。例えば、位相検波部１５、演算部１６、移動方向決定部１８などは、マイコンおよびソフトウェアにより構成され、各部の機能が実現されていてもよい。
【００２８】
超音波診断装置１０には、超音波を送受信するための探触子１１および計測結果を表示する表示部２０が接続される。これらは、超音波診断装置１０が備えていてもよいし、汎用の探触子１１および表示部２０を利用してもよい。探触子１１には、複数の圧電素子が少なくとも一次元に配列された一次元アレイの超音波プローブを用いることができる。表示部２０には、例えば、パーソナルコンピュータなどで利用されるモニタを好適に用いることができる。
【００２９】
送信部１３は、制御部２３の指令を受けて、指定されたタイミングで探触子１１を駆動する高圧の送信信号を発生する。探触子１１は、送信部１３で発生した送信信号を超音波に変換して被検体に照射する。以下において詳細に説明するように、探触子１１から、第１の送信波および第２の送信波が送信されるように、送信部１３は探触子１１を駆動する。第１の送信波は、被検体の断層画像を生成するため、および、被検体に含まれる血管壁の移動方向を決定するために用いられる。また、第２の送信波は、血管壁の形状値を算出し、さらに性状値を算出するために用いられる。
【００３０】
被検体内部から反射してきた第１および第２の送信波による第１および第２の反射波は、探触子１１を用いて電気信号に変換され、受信部１２により増幅される。これにより第１および第２の受信信号がそれぞれ生成する。
【００３１】
遅延時間制御部１４は、送信部１３および受信部１２を制御することによって、探触子１１内の圧電素子の選択、および、圧電素子に電圧を与えるタイミングの調整を行い、第１および第２の送信波の音響線の偏向角およびフォーカスを制御する。また、第１および第２の反射波として受信すべき超音波の偏向角およびフォーカスを制御する。
【００３２】
以下において詳細に説明するように、遅延時間制御部１４は、第１の送信波の音響線の偏向方向が動脈の軸に対して概ね垂直となるように送信部１３を制御する。これに対し、第２の送信波の音響線の方向は、移動方向決定部１８によって決定された移動方向に対して概ね平行になるように送信部１３を制御する。ここで、概ね垂直あるいは平行とは、垂直あるいは平行な方向に対して数度程度の傾きの範囲内にあることを言う。
【００３３】
送信部１３、受信部１２および遅延時間制御部１４のこのような動作により、探触子１１から照射する第１および第２の超音波が被検体の計測領域を超音波で走査し、１フレーム分の第１および第２の受信信号を得る。被検体の一心周期中にこの走査を複数回繰り返し、複数のフレーム分の第１および第２の受信信号を得る。たとえば、数十フレーム分の受信信号を取得する。
【００３４】
位相検波部１５は、第２の受信信号を直交検波する。演算部１６は、形状値算出部１６ａおよび性状値算出部１６ｂを含む。形状値算出部１６ａは、直交検波された第２の受信信号に基づいて被検体の形状値を算出する。具体的には、被検体の計測領域内に設定される関心領域（ＲＯＩ）内において二次元に設定された測定対象位置の運動速度を第２の受信信号から算出し、運動速度から位置変位量を求める。性状値算出部１６ｂは、各測定対象位置間または任意の２つの測定対象位置間の歪み量を位置変位量から求める。また、血圧計２１から動脈の血圧に関する情報を受け取り、歪み量から弾性率を求める。歪み量や弾性率などの性状値は、測定対象位置で挟まれる対象組織ごとに求められるため、関心領域内において性状値の二次元分布が求められる。性状値算出部１６ｂは、画像表示に適した分布信号をさらに生成する。演算部１６における演算は、心電計２２から受け取る心電波形などをトリガとして心周期ごとに行われる。
【００３５】
断層画像生成部１７は、例えば、フィルタ、対数増幅器および検波器などを含み、第１の受信信号からその信号強度（振幅の大きさ）に応じた輝度情報を有するＢモード画像用信号を生成する。
【００３６】
移動方向決定部１８は、第１の受信信号に基づいて血管壁の移動方向を決定する。第１の受信信号を利用する限り、どのような方法で血管壁の移動方向を決定してもよい。例えば、ドップラ効果を利用して移動方向を決定してもよい。本実施形態では、移動方向決定部１８は、第１の受信信号に基づいて断層画像生成部１７が生成したＢモード画像用信号の相関を求め、血管壁の軌跡を算出し、軌跡から血管壁の移動方向を決定する。決定した移動方向に関する情報は遅延時間制御部１４へ出力される。
【００３７】
画像合成部１９は、断層画像生成部１７が生成したＢモード画像用信号による計測領域の断層画像と演算部１６の性状値算出部１６ｂが生成した分布信号による性状値の二次元分布画像を重畳した画像信号を生成し表示部２０へ出力する。表示部２０は画像信号に基づきこれらの画像を表示する。
【００３８】
次に、超音波診断装置１０の動作を詳細に説明する。まず、血管壁軸方向へ移動する場合、従来の方法では正確な弾性率の計測ができない理由を説明する。図２は、従来の超音波診断装置における弾性率の測定手順を模式的に示している。図２に示すように圧電素子１１ａが一次元に配列された探触子１１から血管壁５１に向けて超音波が送信される。超音波の音響線Ｌ１は血管壁５１の軸に対して垂直に設定される。
【００３９】
血管壁５１は、血管を流れる血液の圧力変化に応じて矢印Ｅで示すように径方向に拡張し、拡張した状態の血管壁５１’となる。血管壁５１’はその後収縮し、元に戻る。これらの状態を繰り返す。図２に示すように、例えば、収縮時の血管壁５１上に測定対象位置Ａ１を設定した場合、測定対象位置Ａ１は、拡張後の血管壁５１’においてＡｎへ移動する。図に示すように、血管壁５１の拡張・収縮にともなって、測定対象位置Ａ１は同じ超音波の音響線Ｌ１上に位置している。血管壁５１が拡張・収縮しても、測定対象位置Ａ１はつねに同じ超音波の音響線Ｌ１上にあるため、各超音波ビーム上にある血管壁の組織の運動は、隣接する超音波ビームによる受信信号を用いることなく、求めることができる。
【００４０】
しかし、図２において示すように血管壁５１が例えば軸方向Ｆにも移動する場合、拡張した血管壁５１’において測定対象位置Ａ１は軸方向へ移動する。例えば、点Ａ１’へ移動している。このため、同一音響線上の超音波を解析しても組織の正確な運動を解析することはできない。
【００４１】
本発明の超音波診断装置１０では、血管壁５１が軸方向へも移動する場合において、血管壁５１の弾性率などの性状値を求めるため、まず、第１の送信波を用いて、移動方向決定部１８が被検体の血管壁が一心周期において移動する軌跡を求める。軌跡を求めるためには、以下で説明するように、Ｂモード画像の相関を利用することができる。例えば図３に示すように、収縮状態の血管壁５１に設定した測定対象位置Ａ１の軌跡Ｔを求める。軌跡Ｔは一心周期中の全体にわたって求めてもよい。最大歪み量や弾性率を求める場合には、血管壁５１が最も厚くなる時刻および最も薄くなる時刻における測定対象位置の位置が正確に測定できればよい。このため、収縮−拡張−収縮という一心周期のサイクルのうち、少なくとも収縮から拡張の間あるいは拡張から収縮の間における血管壁の軌跡を求めればよい。
【００４２】
移動方向決定部１８は、求めた軌跡から血管壁の移動方向を決定する。これには、軌跡を直線で近似し、近似した直線の傾きを決定する。あるいは、動脈が最も収縮した時刻および最も拡張した時刻における測定対象位置の位置を結ぶ直線の傾きを決定してもよい。
【００４３】
次に、遅延時間制御部１４の制御により、求めた血管壁の移動方向と概ね音響線が平行となるように第２の送信波を送信し、第２の送信波による第２の受信信号を取得する。演算部１６が第２の受信信号から血管壁の形状値を算出し、さらに特性値を算出する。
【００４４】
図３に示すように、血管壁の移動方向と一致するように送信された第２の送信波を用いれば、軸方向に血管壁が移動する場合であっても、概ね第２の送信波の音響線Ｌ２にそって、血管壁に設定する各測定対象位置は移動する。つまり、第２の送信波に対して各測定対象位置は１次元に運動する。したがって、第２の送信波の音響線Ｌ２上に測定対象位置を設定すれば、その第２の送信波のみを用いて測定対象位置の運動を正しく解析することができ、性状値を求めることができる。これにより、測定対象位置の運動を二次元的に解析することなく、血管壁の正確な特性値を求めることが可能となる。
【００４５】
第２の送信波は、測定領域内を同じ方向で走査する必要がある。第２の送信波の音響線の方向が測定領域内で異なる場合、音響線が交差し、正しく測定対象位置の解析をすることができないからである。このため、移動方向決定部１８は、第２の送信波の音響線の方向となる血管壁の移動方向を１つ定める。
【００４６】
図４に示すように、収縮した血管壁５１の厚さｔに比べて、拡張した血管壁５１’の厚さｔ’は薄い。このため、収縮した血管壁５１の半径方向の異なる位置に基準点Ａ１およびＡ２を設定した場合、拡張した血管壁５１’におけるこれらの点の移動後の位置Ａ１’およびＡ２’の間隔は、基準点Ａ１およびＡ２の間隔より狭くなっている。つまり、測定対象位置Ａ１の軌跡と測定対象位置Ａ２の軌跡は完全には平行ではない。
【００４７】
これらの点を考慮し、移動方向決定部１８は、計測領域において、血管壁に複数の移動方向を定めるための基準点を設定し、それらの軌跡を平均することによって移動方向を決定することが好ましい。あるいは、血管壁の半径方向における中央付近に基準点Ａ３を設定し、基準点Ａ３の軌跡を求め、血管壁の移動方向を決定してもよい。
【００４８】
図５は、探触子１１から送信する第１の送信波１１ｂおよび第２の送信波１１ｃを模式的に示している。図５に示すように、探触子１１は一次元に配列された複数の圧電素子１１ａを含み、圧電素子に送信部からの送信信号が印加されることにより、超音波が発生する。探触子１１から送信される超音波は、一般的には隣接する複数（数個から数十個程度）の圧電素子に印加する送信信号の位相やタイミングを遅延時間制御部１４が制御することによって、送信される超音波ビームの方向や広がりを制御する。本実施形態では第１の送信波１１ｂは探触子１１の端面に対してほぼ垂直な音響線Ｌ１を有する超音波ビームである。
【００４９】
また、第２の送信波１１ｃは、垂直方向から角度θだけ傾いた音響線Ｌ２を有する超音波ビームである。第２の送信波１１ｃの音響線の方向は、上述したように、移動方向決定部１８によって求められた血管壁の移動方向と概ね平行となるように角度θが決定されている。
【００５０】
第１の送信波１１ｂおよび第２の送信波１１ｃは、生成に使用する圧電素子１１ａの組み合わせを替えながら、音響線の位置が矢印Ｃで示す方向にシフトするように、送信され、計測領域を第１の送信波１１ｂまたは第２の送信波１１ｃが走査する。図５では、第１の送信波１１ｂおよび第２の送信波１１ｃが一緒に示されているが、第１の送信波１１ｂおよび第２の送信波１１ｃは同時には送信されない。
【００５１】
図６（ａ）は、第１の送信波１１ｂおよび第２の送信波１１ｃを送信するタイミングを示している。一心周期中にｎフレームのデータが取得され、各フレームにおいて、第１の送信波を送信する期間Ｉと第２の送信波を送信する期間ＩＩが含まれる。各期間において第１の送信波または第２の送信波は計測領域を走査する。
【００５２】
上述したように第１の送信波を用いて血管壁の移動方向が決定され、決定した移動方向と第２の送信波の音響線とが平行となるように第２の送信波が制御される。移動方向の決定には、少なくとも一心周期の血管が最も収縮する時刻から最も拡張する時刻までの間、第１の送信波を送信し、第１の受信信号を生成する必要がある。このため、血管壁の移動方向と平行の音響線を有する第２の送信波が送信されるのは、少なくとも２心周期目からである。つまり図６（ｂ）に示すように、心周期Ｓ１において取得したデータに基づき移動方向を決定し、決定した移動方向と平行な第２の送信波を心周期Ｓ２において送信する。血管壁の移動方向の演算に時間を要する場合には、心周期Ｓ１において取得したデータに基づき移動方向を決定し、決定した移動方向と平行な第２の送信波を心周期Ｓ３以降において送信してもよい。一心周期中、最も血管収縮する時刻および拡張する時刻は一心周期の前半部分に位置するため、一心周期の前半部分、つまり、一心周期においてｎフレーム分のデータを取得する場合には、１〜ｎ／２フレーム分の第１の送信波を用い、一心周期中の残りの期間で血管壁の移動方向を求める演算を行えば、第２の送信波の音響線の方向を直前の心周期で求めた血管壁の移動方向に一致させることが可能となる。
【００５３】
各心周期で血管壁の移動方向を求め、次の心周期以降において、第２の送信波の音響線の方向を逐次調整してもよい。また、計測中、血管壁の移動方向があまり変化しない場合には、最初に決定した血管壁の移動方向を用いて、第２の送信波の音響線の方向を一定にし、計測をおこなってもよい。第１の送信波は断層画像の生成にも用いられるため、リアルタイムで断層画像を得るため、血管壁の移動方向の決定に第１の送信波を使用しない場合でも、第１の送信波を送信することが好ましい。
【００５４】
次に図７（ａ）〜（ｃ）、および図８を参照しながら、第１の送信波から血管壁の移動方向を決定する方法を詳細に説明する。図７（ａ）に示すように、計測領域３０内に測定対象位置が例えばｎ行ｍ列で配置されているとして、例えば第ｊ（ｊ＝１〜Ｎ−１）フレームにおける計測領域３０中に、血管壁内に１つ以上の基準点（ｓ，ｔ）（ｓ、ｔはそれぞれｎ、ｍ以下の整数）を設定する。さらに設定した基準点を含む基準領域３１を決定する。計測領域３０において相関を求める計算の精度は、基準領域３１の大きさに依存する。一般に、基準領域が大きくなるほど計算の精度は高くなるが、計算量が増大する。このため、計算量と必要な計算精度とを考慮して関心領域３１の大きさを定めることが好ましい。基準点の設定は、表示部２０に表示される断層画像上において、カーソルなどをユーザインターフェース２４により操作者が移動させ、カーソルの位置を指定することによって行ってもよいし、制御部２３あるいは、移動方向決定部１８が自動的に決定してもよい。また、操作者が基準点ではなく、基準領域を指定してもよい。表示部２０に表示される断層画像上において、血管壁の特性値を求めたい領域（関心領域）全体、あるいは、特性値を求めたい領域内に基準領域を設定する。この場合、移動方向決定部１８は基準領域の中心に基準点を設定する。
【００５５】
なお、基準領域の中心に基準点を設定する場合には基準領域が血流部分を含まないようにすることが好ましい。血流部分は血管壁組織とは異なる動きをするため、基準として血流部分に基準点を設定すると、正しい血管壁の移動方向を求めることができないからである。これらのことから、基準領域内に血管壁と異なる動き（血流部分）が含まれる場合には、断層画像の血管壁の部分のみを抽出し、表示部２０に表示したり、血流部分であることを断層画像上において区別がつくように表示部２０に表示し、操作者が基準点を正しく設定できるように補助を行うことが好ましい。
【００５６】
図７（ｂ）に示すように、第ｊフレームから所定の時間が経過した第ｋ（ｋ＝ｊ＋１）フレームでは、血管壁が拡張することにより径方向へｄｙ移動するとともに心臓に引っ張られ軸方向にｄｘ移動したとする。この場合、設定した基準領域３１は、軸方向および径方向へ移動し、基準点（ｐ，ｑ）を中心とする領域３１’へ移動している。図７（ｃ）に示すように、第ｋフレームにおいて、計測領域３０内の各測定対象位置において基準領域３１と同じ大きさの領域３３を設定し、第ｊフレームの基準領域３１に対応する受信信号の振幅情報と第ｋフレームにおける領域３３に対応する受信信号の振幅情報との相関を相関関数を用いて計算し、相関係数を求める。計測領域３０内に設定したすべての測定対象位置について領域３３を設定し、相関を計算した場合、図７（ｂ）に示すように、領域３１’との相関が最も高く、相関係数も最大となる。したがって、基準領域３１は第ｋフレームにおいて領域３１’へ移動したと推定され、このときの軸方向の変位量はｄｘであり径方向への変位量はｄｙである。受信信号の相関を利用して２つのフレーム間における注目する部位の位置を特定する方法は、例えば、特開平８−１６４１３９号公報に開示されている。なお、相関の計算の際、基準点の移動方向としてありえない方向が分かっている場合には、その方向へ移動した場合の演算を省略してもよい。これにより、演算量を低減することができる。
【００５７】
移動方向決定部１８は、この計算をすべての基準点について、複数のフレーム間で行い、設定した基準点の軌跡を順次求める。各フレーム間の上述の演算を行うことによって各フレームにおける基準点の軌跡を求めてもよい。あるいは、隣接フレーム間では時間が短いため移動量が大きくない場合には２フレーム以上隔てた２つのフレーム間で軌跡を求めてもよい。
【００５８】
移動方向決定部１８は、複数の基準点の軌跡を求めた場合には、これらを平均することによって１つの軌跡を算出する。
【００５９】
図８は、このようにして求めた測定対象位置の軌跡Ｔを模式的に示している。移動方向決定部１８は軌跡Ｔから最小二乗法などによって近似直線Ｌを求め、血管壁５１の軸と垂直な方向からの傾きθを求める。傾きθが血管壁の移動方向となる。遅延時間制御部１４は移動方向決定部１８が求めた血管壁の移動方向θと第２の送信波の音響線の方向とが平行となるように送信部１３を制御する。演算部１６は、血管壁の移動方向に平行に送信された第２の送信波を受信し、血管壁の特性値を求める。以下、演算部１６における演算を説明する。
【００６０】
図９に示すように、探触子１１から送信される第２の送信波１１ｃは、血管外組織５２および血管壁５１中を伝播し、その過程において血管外組織５２および血管壁５１によって反射または散乱した超音波の一部が探触子１１へ戻り、反射波として受信される。
反射波は時系列信号ｒ（ｔ）として検出され、探触子１１に近い組織から得られる反射の時系列信号ほど、時間軸上で原点近くに位置する。第２の送信波１１ｃの音響線Ｌ２は血管壁５１の軸に垂直な方向に対して角度θをなしている。
【００６１】
音響線Ｌ２上に位置する血管壁５１（前壁）の複数の測定対象位置Ｐn（Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐk・・・Ｐn、ｎは３以上の自然数）は、ある一定間隔で探触子１１に近い順にＰ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐk・・・Ｐnと配列している。図９の上方を正、下方を負とする座標軸を深さ方向に設け、測定対象位置Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐk・・・Ｐnの座標をそれぞれＺ1、Ｚ2、Ｚ3、Ｚk、・・・Ｚnとすると、測定対象位置Ｐkからの反射は、時間軸上でｔk＝２Ｚk／ｃに位置することになる。ここでｃは体組織内での超音波の音速を示す。反射波信号ｒ（ｔ）を位相検波部１５において位相検波し、検波した信号を実部信号および虚部信号に分離して演算部１６に入力する。測定対象位置Ｐnは一心周期中の基準となる時刻、例えば、最も血管壁が収縮する時刻において、血管壁組織に設定される。これらの測定対象位置Ｐnは血管壁の拡張・伸縮に伴い音響線Ｌ２上を移動し、次の心周期における基準時刻に再び元の位置に戻る。
【００６２】
演算部１６は位相検波した信号から形状値算出部１６ａにおいて位置変位量を求め、性状値算出部１６ｂにおいて、厚さ変化量および厚さ変化量の最大値、最小値を順に求める。具体的には、形状値算出部１６ａは、反射波信号ｒ（ｔ）と微小時間Δｔ後の反射波信号ｒ（ｔ＋Δｔ）において振幅は変化せず、位相および反射位置のみが変化するという制約のもとで、反射波信号ｒ（ｔ）とｒ（ｔ＋Δｔ）との波形の整合誤差が最小となるよう最小二乗法によって位相差を求める（制約付最小二乗法）。この位相差から、測定対象位置Ｐnの運動速度Ｖn（ｔ）を求め、さらにこれを積分することにより、位置変位量ｄn（ｔ）を求める。
【００６３】
図１０は、測定対象位置Ｐnと弾性率を求める対象組織Ｔnとの関係を模式的に示している。対象組織Ｔkは、隣接する測定対象位置ＰkとＰk+1とに挟まれた範囲に厚さｈを有して位置している。本実施形態ではｎ個の測定対象位置Ｐ1・・・・Ｐnから（ｎ−１）個の対象組織Ｔ1・・・・Ｔn-1を規定している。
【００６４】
性状値算出部１６ｂは、測定対象位置ＰkとＰk+1の位置変位量ｄk（ｔ）とｄk+1（ｔ）とから、厚さ変化量Ｄk（ｔ）をＤk（ｔ）＝ｄk（ｔ）−ｄk+1（ｔ）の関係を用いて求める。
【００６５】
さらに性状値算出部１６ｂは、厚さ変化量の最大値および最小値を求める。血管前壁の組織Ｔkの厚さの変化は、血管前壁が構成する血管を流れる血液が心拍によって変化することにより生じる。よって、対象組織Ｔkの厚さの最大値Ｈk（最低血圧時の値）、対象組織の厚さ変化量Ｄk（ｔ）の最大値と最小値との差Δｈkおよび最低血圧値と最高血圧値との差である脈圧Δｐを用い、対象組織Ｔkの歪み率である血管半径方向の弾性率Ｅkを以下の式によって求めることができる。最低血圧値と最高血圧値とは、血圧計２１から受け取る。
【００６６】
ただし、血圧の情報である脈圧Δｐは血管の軸に対して垂直方向において求められる値であるのに対して、血管前壁の組織Ｔkの厚さの変化は血管壁の軸方向への運動も含んだ運動情報に基づいている。このため、厚さの変化の血管壁の軸方向と垂直な方向の成分を求めて、弾性率を算出する。
【００６７】
Ｅｋ＝（Δｐ×Ｈk）／（Δｈk・cosθ）
【００６８】
上記説明では、隣接する測定対象位置間の対象組織Ｔnの弾性率を求めているが、弾性率は複数ある測定対象位置の任意の２点を選択することができる。この場合には、選択した２点間の厚さの最大値および選択した２点間の厚さ変化量の最大値と最小値との差を用いて同様に計算することができる。
【００６９】
このようにして、第２の送信波の音響線上において、複数の対象組織Ｔnが設定され、その弾性率が算出される。第２の送信波は、計測領域を走査するように、血管壁５１の軸方向にそって複数送信されるため、計測領域内において弾性率が二次元で求められる。
【００７０】
図１１は、表示部２０に表示される画面４０の一例を示している。表示部２０の画面４０には断層画像生成部１７が生成した血管壁５１を含む断層画像４１が示されている。断層画像４１には、弾性率を求める領域を指定する関心領域４２が示される。関心領域４２はユーザインターフェース２４により、操作者が任意の位置に指定することができる。
【００７１】
求めた弾性率の二次分布画像４４は、断層画像４３に重畳され、画面４０に表示される。二次分布画像４４は、弾性率の値に応じた諧調あるいは色調で示され、弾性率と諧調あるいは色調との対応を示すバー４５が合わせて画面４０に示される。
【００７２】
図１１に示すように、二次分布画像４４において、対象組織を示す単位領域４４ａは、第２の送信波の音響線の方向にそって配列されている。つまり、血管壁５１の軸方向に対して直垂直ではない方向に配列している。このため、それぞれの単位領域４４ａの形状も平行四辺形になっている。これは、図９に示すように第２の送信波の音響線が、血管壁５１の軸方向に垂直な方向から角度θだけ傾いており、測定対象位置も斜めに配列しているからである。このように単位領域４４ａを配置することによって、断層画像４３で示される対象組織と弾性率を求めた対象組織との位置が正しく対応する。単位領域４４ａの配列方向は、第２の送信波の音響線と平行であることが好ましい。したがって、性状値算出部１６ｂは、単位領域が第２の送信波の音響線と平行になるように、性状特性値の二次元分布画像を示す分布信号を生成することが好ましい。
【００７３】
ただし、単位領域４４ａは、第２の送信波の音響線の方向にそって配列されていればよく、例えば、図１２に示すように、各単位領域４４ａの形状は正方形あるいは長方形にし、配列を第２の送信波の音響線の方向に沿って非垂直な方向にすることもできる。
【００７４】
このように本発明の超音波診断装置によれば、第１の送信波を用いて血管壁の移動方向を求め、第２の送信波の音響線を血管壁の移動方向と平行に設定する。これにより、第２の送信波の音響線上を血管壁が移動することになるため、形状値を算出する際、血管壁は音響線に沿って１次元に運動すると見なすことができ、複雑な演算を行わなくとも正確な弾性率などの特性値を求めることが可能となる。
【００７５】
なお、本実施形態では、血管の軸に平行な断面の弾性特性を計測する例を説明したが、本発明は、血管の軸に垂直な断面において、血管の弾性率を計測することも可能である。動脈の軸に垂直な断面において、血管の周囲の血管外組織が不均一である場合、例えば、筋肉と脂肪とが不均一に血管の周囲に分布している場合、血管の収縮に伴って血管は軸に垂直な断面において移動する場合がある。このような場合にも本発明の超音波診断装置を用いることによって血管の軸に垂直な断面における血管壁の弾性率を求めることができる。
【００７６】
血管の軸に垂直な断面では、血管壁は半径方向に拡張・収縮するため、血管が断面内で移動しない場合でも、血管壁の位置によって移動方向が異なる。このため、血管の軸に垂直な断面において弾性率を計測する場合、従来技術によれば血管の軸を通る音響線上でしか正確な弾性率を求めることができず、軸を通る音響線を持つ超音波を決定してからでなければ、正しい弾性率を求めることはできなかった。
【００７７】
これに対して、超音波診断装置１０によれば、相関を求める基準領域を大きく設定しない限り、第１の送信波を用いる上述の方法によって、血管全体が移動していても、血管全体の移動方向に加え、計測領域が半径方向のどの方向に移動しているかを正確に決定することができる。例えば、図１３に示すように、収縮した血管壁５１と拡張した血管壁５１’とにおいて、中心がＣ0からＣ0’へ移動する場合、矢印で示す血管壁の各部移動には、血管全体の移動による成分と血管壁の拡張による成分とが含まれる。しかし、超音波診断装置１０によれば、基準領域４２を設定し、設定した基準領域４２の移動方向を移動方向決定部１８が決定するため、血管壁がどのような原因により移動しているかに関わらず、正しい移動方向を求めることができる。その結果、求めた移動方向と平行な音響線を持つ第２の送信波を用いて、計測を行うことによって、従来に比べ、容易にかつ正確に、血管の軸に垂直な断面における血管壁の弾性率も求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の超音波診断装置は、生体組織の性状特性の測定に好適に用いられ、特に弾性率を正確に測定するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の超音波診断装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】従来の超音波診断装置を用いて動脈壁の測定を行う場合の超音波ビームを説明する模式図である。
【図３】本発明の超音波診断装置を用いて動脈壁の測定を行う場合の超音波ビームを説明する模式図である。
【図４】血管壁の移動方向を説明する模式図である。
【図５】本発明の超音波診断装置において、探触子から送信する超音波ビームを説明する図である。
【図６】（ａ）は、一心周期中に第１および第２の送信波を送信するタイミングを説明する図であり、（ｂ）は、第２の送信波の音響線を設定するタイミングを説明する図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、移動方向決定部において、血管壁の移動方向を求める手順を説明する図である。
【図８】血管壁の軌跡から血管壁の移動方向を決定する手順を説明する図である。
【図９】第２の送信波の音響線上に設定する測定対象位置を説明する図である。
【図１０】測定対象位置と対象組織および弾性率の関係を示す図である。
【図１１】本発明の超音波診断装置の表示部に表示される画像の一例を示す図である。
【図１２】性状値の二次元分布画像の他のパターンを示す図である。
【図１３】軸に垂直な断面における血管の収縮および拡張を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０    超音波診断装置
１１    探触子
１２    受信部
１３    送信部
１４    遅延時間制御部
１５    位相検波部
１６    演算部
１６ａ  形状値算出部
１６ｂ  性状値算出部
１７    断層画像生成部
１８    移動方向決定部
１９    画像合成部
２０    表示部
２１    血圧計
２２    心電計
【図１】
2009000444.tif 000003
【図２】
2009000444.tif 000004
【図３】
2009000444.tif 000005
【図４】
2009000444.tif 000006
【図５】
2009000444.tif 000007
【図６】
2009000444.tif 000008
【図７】
2009000444.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009000444.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2009000444.tif 000013
【図１２】
2009000444.tif 000014
【図１３】
2009000444.tif 000015