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JPWO2006082966A1 - 超音波診断装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の超音波診断装置は、生体の動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置であって、複数の超音波振動子１を含む超音波プローブ２の各超音波振動子１の遅延制御を行う遅延制御部３と、遅延制御部３の制御に基づき、超音波プローブ２が所定のフレーム期間毎に、生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するよう、超音波プローブを駆動する送信部５と、所定のフレーム期間毎に、複数の第１の超音波ビームが動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を出力する受信部６と、複数の第１の超音波エコー信号に基づいて、動脈壁組織に設定された複数の測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行う信号処理部１３とを備え、信号処理部１３は、動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択する。

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に、動脈壁組織の厚さ変化量あるいは弾性率を算出する超音波診断装置に関する。
超音波を用いて生体組織の運動速度あるいは移動変位量を計測する手法として、超音波エコー信号のドップラ効果による周波数偏移を検出するドップラ法が知られている。たとえば、特許文献１はドップラ法により血流速度を計測する方法を開示している。また、周波数偏移の生じた超音波エコー信号の周波数解析を正確に行うために、非特許文献１は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることを開示している。特許文献２および特許文献３は、自己相関法を用いることを開示している。
ドップラ法による計測は比較的簡単であるが、生体組織の移動方向と直交する方向に反射する超音波エコーにはドップラ効果が生じないという問題がある。言い換えれば、超音波エコーと直交する方向における生体組織の運動速度はドップラ法では検出できない。このため、特許文献４から特許文献７は、複数の偏向角度が異なる超音波ビームを用いて、生体組織の完全な二次元あるいは三次元運動を検出する方法を開示している。
一方、特許文献８は、超音波エコー信号の位相変化を最小二乗法を用いて高精度で推定し、計測点の運動量を精度良く推定する方法を開示している。この方法によれば、生体組織の各部の運動量から、生体組織の厚さ変化量（歪み量）を算出することが可能となる。生体組織は、弾性繊維、膠原線維、脂肪、血栓などによって構成されており、これらは弾性率が異なる。このため、生体内組織に応力を加えたときの厚さ変化量から弾性率を求めることによって組織の構成を特定したり、弾性率の値から組織の病変状態を推定することが可能となる。
近年、心筋梗塞や脳梗塞などの循環器系疾病を患う人が増加してきており、これらの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。心筋梗塞や脳梗塞の発病には、動脈硬化が関与しているので、上述したように超音波診断装置を用いて動脈壁組織の弾性率を測定することができれば、動脈の硬化の度合を診断することが可能となり、これらの疾病の予防や治療に役立つと考えられる。このため、動脈壁組織の弾性率を測定することが可能な超音波診断装置の開発が求められている。
特開２００１−０７０３０５号公報 特公昭６２−４４４９４号公報 特開平６−１１４０５９号公報 特開平５−１１５４７９号公報 特開平１０−２６２９７０号公報 米国特許第６７７００３４号明細書 米国特許第６２５８０３１号明細書 特開平１０−５２２６号公報 （社）日本電子機械工業会編「改訂医用超音波機器ハンドブック」、コロナ社、１９９７年１月２０日発行、第１１６−１２３頁
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。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、動脈壁組織の厚さ変化量を測定することができ、弾性率を求めることができると考えられる。
しかしながら、本願発明者の詳細な実験によれば、動脈壁は心周期に同期してわずかに軸方向へ移動することがあることが分かった。また、動脈壁の軸方向への移動は、常に観測されるわけではなく、測定位置や被験者による個体差などによっては、動脈壁の軸方向への運動がほとんど生じない場合もあることが分かった。
動脈壁が軸方向へ運動している場合において、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く、誤差を含んでいる。しかし、動脈壁の軸方向への移動が生じているかどうかが分からない限り、得られた弾性率が正しいかどうかを判断することは困難である。
動脈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、動脈壁の二次元運動を正確に測定することによって、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動脈壁の運動を正確に解析し、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コンピュータでは、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。
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、動脈壁の軸方向への移動を考慮して、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。
本発明の超音波診断装置は、生体の動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置であって、複数の超音波振動子を含む超音波プローブの各超音波振動子の遅延制御を行う遅延制御部と、前記遅延制御部の制御に基づき、前記超音波プローブが所定のフレーム期間毎に、前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するよう、前記超音波プローブを駆動する送信部と、前記所定のフレーム期間毎に、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を出力する受信部と、前記複数の第１の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点間の前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行う信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、前記フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、運動速度検出部を含み、前記送信部は第２の超音波ビームを送信し、前記受信部は前記第２の超音波ビームが前記動脈壁において反射することにより得られる第２の超音波エコー信号を出力し、前記運動速度検出部は、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度を求める。
ある好ましい実施形態において、前記第１の超音波ビームと前記第２の超音波ビームとの偏向角度は異なっている。
ある好ましい実施形態において、前記遅延制御部が所定の周期で前記遅延制御の量を偏向することにより、前記第２の超音波ビームを送信する。
ある好ましい実施形態において、前記遅延制御部は、前記生体に関する生体信号を受け取り、前記生体信号の周期に同期した周期で前記遅延制御の量を偏向することにより、前記第２の超音波ビームを送信する。
ある好ましい実施形態において、前記生体信号の周期は心周期である。
ある好ましい実施形態において、前記第１の超音波ビームは前記動脈の軸方向に対しておおよそ垂直であり、前記第２の超音波ビームは前記動脈の軸方向と非垂直である。
ある好ましい実施形態において、前記複数の測定点は二次元に配置されており、前記演算部は、前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を二次元で求める。
ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記演算部の演算結果を二次元マッピング表示するための表示部をさらに備える。
本発明の超音波診断装置の制御方法は、超音波診断装置の制御部による超音波診断装置の制御方法であって、超音波プローブを用いて、所定のフレーム期間毎に、前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するステップと、前記所定のフレーム期間毎に、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈の動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を得るステップと、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、前記フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択するステップと、前記選択した第１の超音波エコー信号を用いて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点から選ばれる少なくとも２点間における前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行うステップとを包含する。
ある好ましい実施形態において、前記演算ステップは、第２の超音波ビームを前記動脈へ送信し、前記第２の超音波ビームが前記動脈壁において反射することにより得られる第２の超音波エコー信号を得るステップと、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるステップとをさらに包含する。
ある好ましい実施形態において、前記第２の超音波ビームは前記生体に関する生体信号の周期に同期した周期で送信される。
ある好ましい実施形態において、前記生体信号の周期は心周期である。
本発明の超音波診断装置は、生体の動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置であって、複数の超音波振動子を含む超音波プローブの各超音波振動子の遅延制御を行う遅延制御部と、前記遅延制御部の制御に基づき、前記超音波プローブが前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信し、かつ、第１の超音波ビームとは異なる偏向角度で前記生体の動脈に向けて第２の超音波ビームを送信するよう、前記超音波プローブを駆動する送信部と、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーおよび前記第２の超音波ビームを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する受信部と、前記複数の第１の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点間における前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行い、かつ、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記複数の測定点間における動脈壁の軸方向の運動速度または移動変位量を検出する信号処理部と、前記厚さ変化量または弾性率を表示する表示部とを備え、前記表示部は、前記動脈壁組織の運動速度または移動変位量に基づいて、前記表示部における厚さ変化量または弾性率の表示を変更する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、対応する組織の厚さ変化量または弾性率を前記表示部へ出力しない。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、対応する組織の厚さ変化量または弾性率を所定の値に設定し、表示部へ出力する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、前記表示部に所定の文字情報または図形情報を表示させる。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、前記動脈壁組織の軸方向において、複数の組織における厚さ変化量または弾性率の平均を求め、前記表示部に出力する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、前記運動速度または移動変位量に基づき、前記動脈壁組織の軸方向において、厚さ変化量または弾性率の平均を求める組織の数を決定し、決定した数の組織における前記厚さ変化量または弾性率の平均を求め、前記表示部に出力する。
本発明によれば、動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、各測定点間の厚さ変化量や弾性率を求めるための超音波エコー信号をフレーム期間ごとに選択する。各測定点における運動速度などは、選択した超音波ビームを用い従来と同様の方法により求めることができる。したがって、演算量を著しく増大させることなく高精度で生体の動脈組織の形状特性または性状特性を測定することが可能となる。これにより、超音波診断装置に高い演算能力を備えた演算回路を用いる必要がなく、弾性率測定を高精度で行うことのできる超音波診断装置を低コストで実現することができる。
本発明の超音波装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 超音波プローブから送信される超音波ビームを説明する模式図である。 図１の超音波診断装置を用いて計測を行う手順を示すフローチャートである。 生体内の動脈壁組織の軸方向への運動を説明する模式図である。 フレームごとに超音波ビームを選択する様子を説明する模式図である。 第２の超音波ビームを用いて動脈壁組織の軸方向の運動速度を求める方法を説明する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の超音波ビームおよび第２の超音波ビームを送信するタイミングを説明する模式図である。 超音波ビーム上の測定点を説明する図である。 測定点間の伸縮量を求める手順を説明する図である。 （ａ）〜（ｆ）は、それぞれ一心周期における動脈壁振動速度波形、心電波形、血流速度波形、血管内径変化、血管壁厚さ変化および軸方向変位を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、血管壁の厚さが最大となる時刻ｔ１および最小となる時刻ｔ２における動脈壁中の対象組織の位置を説明する図である。 本発明の超音波装置の第２の実施形態を示すブロック図である。 図１２の超音波診断装置を用いて計測を行う手順を示すフローチャートである。 図１２の超音波診断装置の表示部に表示される画面の一例を模式的に示している。 図１２の超音波診断装置の表示部に表示される画面の他の例を模式的に示している。 図１２の超音波診断装置を用いて計測を行う他の手順を示すフローチャートである。 図１６の手順により動作する超音波診断装置の表示部に表示される画面の一例を模式的に示している。 図１６の手順により動作する超音波診断装置の表示部に表示される画面の他の例を模式的に示している。
符号の説明
１ 超音波振動子
２ 超音波プローブ
３ 遅延制御部
４ 遅延制御量記憶部
５ 送信部
６ 受信部
７ 受信信号記憶部
８ 運動速度検出部
９ 演算部
１０ 表示部
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ 信号処理部
１４ 画像生成部
２０ 超音波診断装置
３１ 生体信号検出部
５１ 断層画像
６１ 動脈前壁
６２ 血管腔
６３ 動脈後壁
Ａ、Ａ１・・Ａｎ 第１の超音波ビーム
Ｂ 第２の超音波ビーム
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波診断装置の第１の実施形態を説明する。図１は、超音波診断装置２０のブロック図を示している。超音波診断装置２０は超音波プローブ２を用いて生体の形状特性または性状特性を測定する。特に、生体の動脈壁組織の弾性率を測定するのに好適に用いられる。ここで、生体の形状特性とは、生体組織の形状または、形状の時間変化による生体組織の運動速度やその積分値である位置変位量、生体組織に設定した２点間の厚さ変化量などをいう。生体の性状特性は、生体組織の弾性率などをいう。超音波診断装置２０は、遅延制御部３、遅延制御量記憶部４、送信部５、受信部６、受信信号記憶部７、信号処理部１３、表示部１０、制御部１１および記憶部１２を備えている。
超音波プローブ２は複数の超音波振動子１を含み、測定対象である動脈壁組織へ超音波ビームを送信し、送信した超音波ビームが動脈壁組織において反射することにより得られる超音波エコーを受信するために用いられる。以下において詳細に説明するように、超音波プローブ２は少なくとも一次元に配列された複数の超音波振動子１を含んでいることが好ましい。超音波プローブ２は、遅延制御部３に接続される。
送信部５は、超音波プローブ２の各超音波振動子１を駆動し、動脈壁組織へ超音波ビームを送信するための超音波送信信号を生成する。生成した超音波送信信号は遅延制御部３に入力され、各超音波振動子１が所定のタイミングで駆動するように遅延制御される。これにより、動脈壁組織へ超音波ビームが送信される。送信部５が生成する超音波送信信号には、測定対象である動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定するために用いるものと、動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるために用いられるものがある。このため、超音波プローブ２から送信される超音波ビームにも動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定するために用いるものと、動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるために用いられるものとがある。これをそれぞれ第１および第２の超音波ビームと呼ぶ。
図２は、超音波プローブ２から送信される超音波ビームを模式的に示している。超音波プローブ２では、送信部５で生成される超音波送信信号が遅延制御部３による遅延制御を受けることにより、複数（たとえば十数個から数十個度）の超音波振動子１が音響線２５を有する１つの第１の超音波ビーム２６を生成する。超音波振動子１が一次元に配列されているため、駆動する超音波振動子１の組み合わせを超音波振動子１の配列方向（矢印Ｄ１）へ順次シフトさせることによって、第１の超音波ビーム２６の位置を超音波振動子１の配列方向へシフトさせることができる。これにより、第１の超音波ビーム２６を走査させ、第１の超音波ビーム２６の走査方向（矢印Ｄ１）および深さ方向（矢印Ｄ２）で規定される二次元の走査領域Ｒ１において動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定することができる。走査領域Ｒ１をフレームと呼び、第１の超音波ビーム２６によって１回走査する期間をフレーム期間と呼ぶ。動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定するためには、１秒間に複数回走査領域Ｒ１を第１の超音波ビーム２６が走査することが好ましい。
図２に示すように音響線２７を備える第２の超音波ビーム２８は、第１の超音波ビーム２６と異なる偏向角度で送信される。好ましくは、第１の超音波ビーム２６はその音響線２５が測定対象である動脈壁組織の軸方向と垂直となるように、超音波プローブ２から送信され、第２の超音波ビーム２８は、その音響線２７が動脈壁組織の軸方向と非垂直となるように、超音波プローブ２から送信される。
反射により動脈壁から超音波プローブ２へ向かう超音波エコーは、超音波プローブ２の各超音波振動子１で受信され、遅延制御部３で遅延制御された後、受信部６において合成および増幅される。受信部６は合成した超音波エコー信号を信号処理部１３へ出力する。第１および第２の超音波ビームの反射による超音波エコーを合成した信号をそれぞれ第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号と呼ぶ。
遅延制御部３における超音波の送信時および超音波エコーの受信時の遅延制御は、遅延制御量記憶部４に予め記憶された超音波振動子１ごとの遅延制御量に基づき、超音波ビームを超音波プローブ２から送信するたびに行われる。また、受信部６で合成された超音波エコー信号は、受信信号記憶部７において記憶される。受信信号記憶部７は、複数のフレーム分の第１の超音波エコー信号を記憶することのできる容量を備えていることが好ましい。
信号処理部１３は、運動速度検出部８および演算部９を含む。運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号から、動脈壁組織の各測定点における運動速度またはその積分値である移動変位量を検出する。また、第２の超音波エコー信号から動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量を求める。
演算部９は、第１の超音波エコー信号から得られた動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量に基づき、測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。この際、演算部９は、第２の超音波エコー信号から求めた動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量に基づき、フレーム期間ごとおよび各測定点間の動脈壁組織ごとに厚さ変化量または弾性率を求めるための第１の超音波エコー信号を選択する。このようにして選択した第１の超音波エコー信号を用いて演算を行うことにより、動脈壁組織の軸方向の運動を考慮して動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を求めることができる。
運動速度検出部８における各計測点の運動速度の検出は、一般的に用いられているＦＦＴドップラ法、自己相関法など、どの手法を用いてもよい。しかし、以下において詳細に説明するよう、制限付き最小二乗法を用いることによって、より微細な領域の厚さ変化量または弾性率を演算することができる。
表示部１０は、信号処理部１３において求めた動脈壁組織各部の運動速度や厚さ変化量などの形状特性、または、弾性率などの性状特性の少なくとも一方を表示する。測定位置に応じてこれらの値を二次元マッピング表示してもよいし、さらに、一般的な超音波診断装置の基本機能であるＢモード断層画像上に重ねて表示してもよい。形状特性や性状特性は、求めた特性量に応じた諧調あるいは色調を用いて表示してもよい。
制御部１１は超音波診断装置２０全体の制御を行う。具体的には、制御部１１は遅延制御部３、送信部５、受信部６、信号処理部１３および表示部１０の制御を行い、また、遅延制御部３、送信部５、受信部６、信号処理部１３および表示部１０で得られた情報および制御情報を記憶部１２に記憶させる。
超音波診断装置２０は、図３に示すフローチャートの手順により計測を行う。まず、ステップ１０２に示すように、送信部５を用いて超音波プローブ２から動脈血管を含む生体へ向けて超音波を送信する。送信された超音波が生体において反射することにより得られた超音波エコーは超音波プローブ２を用いて受信部６により受信される。送信される超音波には、第１および第２の超音波ビームが含まれ、これらの反射エコーにより、受信部６は第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する。
ステップ１０３に示すように、信号処理部１３の運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号を用いて動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量を検出する。このとき求められる運動速度または移動変位量は超音波ビームと平行な方向の成分のみである。したがって、第１の超音波ビーム２６が走査することによって得られた複数の第１の超音波エコー信号のそれぞれから得られた各測定点における運動速度または移動変位量は、他の第１の超音波エコー信号から独立に求められる。
続いて、ステップ１０４に示すように、運動速度検出部８は第２の超音波エコー信号を用いて動脈壁の軸方向の運動速度を検出する。さらに移動変位量を算出してもよい。演算部９は、ステップ１０５に示すように、動脈壁の軸方向の運動速度または移動変位量に基づいて、以下において詳細に説明するように、測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を求めるために用いる第１の超音波エコー信号を選択する。そして、ステップ１０６に示すように選択された第１の超音波エコー信号から得られる各測定点における運動速度または移動変位量を用いて測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。
ステップ１０２に示される超音波の送受信は計測中繰り返し行われ、ステップ１０２から１０６も繰り返し実行される。ステップ１０３とステップ１０４とはこの順で実行される必要はなく同時に実行されてもよいし、ステップ１０４を先に実行してもよい。
次に、超音波診断装置２０における計測の原理を詳細に説明する。図４は、生体組織３０内の動脈３１を模式的に示している。図４に示すように、心臓の収縮によって血液が周期的に押し出され、血流Ｆが生じる。また、動脈３１内を流れる血液は圧力Ｐを受ける。圧力Ｐにより、動脈３１は周期的に拡張および収縮し、拡張にともなって血管壁が薄くなる。この運動は、図４に示すように、動脈３１の軸方向と垂直な方向（ｙ方向）の運動となる。一方、血流Ｆは動脈３１の血管壁にせん断応力Ｑを生じさせる。このため、動脈３１の血管壁は、せん断応力Ｑによって動脈３１の軸方向へ変位する。動脈３１の計測領域が心臓に近い場合、心臓の収縮によって物理的に動脈３１が軸方向へ変位することも考えられる。これら運動は、動脈３１の軸方向（ｘ方向）の運動となる。動脈３１のこれら軸方向および軸方向と垂直な方向の運動は心周期に一致した周期で繰り返される。
図４に示すように、動脈３１の形状特性または性状特性を測定する場合、超音波プローブ２の超音波振動子１の配列方向が動脈３１の軸方向と一致するように、超音波プローブ２が動脈３１に対して配置される。矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３・・・で示すように、超音波ビームが超音波プローブ２の走査領域Ｒ１を軸方向において所定の時間間隔で順に送信される。また矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３で示される超音波ビームの反射波が超音波エコーとしてそれぞれ超音波プローブ２へ戻ってくる。図２を参照して説明したように、各超音波ビームは遅延制御された複数の超音波振動子１から送信される超音波を合成することにより形成される。
このとき、動脈３１の動脈壁組織が心臓の収縮により拡張および収縮のみを行うのであれば、動脈壁組織に設定した測定点Ｍは、超音波ビームＡ１、Ａ２、Ａ３・・・と平行な方向にのみ変位する。このため、動脈壁組織の形状特性または性状特性はその測定点を通過する超音波ビームのみによって計測することが可能である。言い換えれば、図４において超音波ビームＡ２による計測結果は測定点Ｍの軸方向と垂直な方向の運動には影響しない。
しかし、動脈壁組織は軸方向に運動している。このため、超音波診断装置２０では、動脈壁組織の軸方向への変位に合わせて、計測のための超音波ビームも動脈壁組織の軸方向へ変位させる。これは、走査領域Ｒ１を走査する超音波ビームＡ１、Ａ２、Ａ３・・・を測定点の変位量に応じて選択することによって実現できる。具体的には、動脈壁組織の軸方向への運動によって時刻ｔ＝０において超音波ビームＡ１上に位置していた測定点Ｍが所定の時間ｔ＝ｔ’後においてＭ’へ移動する場合、動脈壁組織に設定した測定点Ｍの形状および性状特性を求めるための超音波ビームとして、ｔ＝０において超音波ビームＡ１を選択し、ｔ＝ｔ’において超音波ビームＡ３を選択する。
フレーム期間ごとにどの超音波ビームを選択するかは、動脈壁組織の軸方向への運動速度に依存する。図５は、超音波診断装置２０において、走査領域Ｒ１を走査する超音波ビームと、軸方向へ運動する動脈壁組織内に設定した測定点Ｍとの関係とを模式的に示す図である。一心周期中にｍ回、走査領域Ｒ１を超音波ビームが走査して、走査領域Ｒ１の形状または性状特性を測定する場合、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔｍの時刻において、Ｆ１からＦｍで示されるフレームが取得される。各フレームにおいて順次走査するように送信される超音波ビームＡ１からＡｎの位置は変化せず一致している。
図５に示すように、フレームＦ１を取得するｔ＝ｔ１では、測定点Ｍは超音波ビームＡ１上に位置している。動脈壁組織の軸方向の運動により、フレームＦ２を取得するｔ＝ｔ２においては、測定点はＭ’で示すように超音波ビームＡ３上に位置する場所へ移動している。その後、動脈壁組織はゆっくり元の位置へ戻り、フレームＦｍ−１およびＦｍを取得するｔ＝ｔｍ−１およびｔ＝ｔｍにおいては、元の位置である超音波ビームＡ１上に位置している。この場合、測定点Ｍにおける動脈壁組織の形状および性状特性を測定するために、フレームＦ２において、超音波ビームＡ３を選択し、他のフレームＦ１、Ｆｍ−１、Ｆｍにおいては、超音波ビームＡ１を選択する。
図５では、測定点Ｍのみを示しているが、測定点Ｍが軸方向へ運動するのにともなって動脈壁組織が全体として運動する場合には、測定点Ｍ以外の各測定点についても同様に、超音波ビームをシフトさせて選択すればよい。一方、動脈壁組織の走査領域Ｒ１内における位置によって軸方向の運動速度が異なる場合には、測定点に応じて超音波ビームを選択する。どの超音波ビームを選択するかは、上述したように動脈壁組織の各測定点の軸方向の運動速度に依存する。一心周期中における動脈壁組織の軸方向の運動特性があらかじめ分かっている場合には、信号演算部１３において、その運動特性に基づいてフレーム毎に超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームを用いて各測定点の運動速度などを求めることができる。
一方、動脈壁組織の各測定点の軸方向の運動特性が既知でない場合や、各測定点の軸方向の運動を正確に求めたい場合には、前述した第２の超音波ビームを利用する。図６に示すように、動脈壁組織の軸方向に対してθａの偏向角度をなすように、超音波プローブ２から第２の超音波ビームＢを動脈３１へ送信する。偏向角度θａは動脈壁組織を計測するための第１の超音波ビームＡの偏向角度とは異なっており、かつ、９０度以外に設定する。偏向角度θａは、超音波プローブ２の各超音波振動子１の遅延時間を制御することにより調整することができる。
図６に示すように、第２の超音波ビームＢが動脈３１の後壁において反射することにより得られる第２の超音波エコーＢ’を超音波プローブ２で検出し、遅延時間を遅延制御部で制御した後、受信部６が第２の超音波エコー信号を生成する。信号処理部１３の運動速度検出部８は、第２の超音波エコー信号から偏向角度θａ方向における各測定点の運動速度ｖ’を求める。各測定点の軸方向の運動速度ｖａは、ｖａ＝Ｖ’／ｃｏｓθａの関係を用いて求めることができる。このとき、各測定点の軸方向と垂直な方向（径方向）の運動速度ｖｒはｖｒ＝ｖ’ｃｏｓθｒの関係を用いて求めることができる。ここで、角度θｒは、偏向角度θａの余角である。動脈壁組織は２つの測定点によって規定され、測定点の運動速度が動脈壁組織の運動速度となる。
図６では、第２の超音波ビームＢは１つしか示していないが、第１の超音波ビームＡと同様、走査領域Ｒ１を走査するように複数の第２の超音波ビームＢを送信してもよい。走査領域Ｒ１内において、動脈壁組織は全体として同じ速度で軸方向へ運動している場合には、１つの第２の超音波ビームＢを用いて軸方向の運動速度を求めるだけで十分である。動脈壁組織の位置によって、軸方向の運動速度が異なる場合には、複数の第２の超音波ビームＢを送信し、複数の測定点における運動速度をそれぞれ求めればよい。
図７（ａ）および（ｂ）は、第２の超音波ビームＢを用いて動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるタイミングを模式的に示している。図７に示すように、一心周期中にｎ回、第１の超音波ビームＡによる走査を行い、フレームＦｎを取得する場合、図７（ａ）に示すように第２の超音波ビームＢを各フレーム間において送信してもよいし、図７（ｂ）に示すように、第１の超音波ビームＡによる各フレームの走査中に第２の超音波ビームＢを送信してもよい。また、すべてのフレームに対応させて第２の超音波ビームＢを送信する必要はなく、フレームの数よりも第２の超音波ビームＢを送信する回数は少なくてもよい。さらに、一心周期中、動脈壁組織の軸方向の運動が大きい期間のみ第２の超音波ビームＢを送信して、運動速度を求めてもよい。少なくとも、第２の超音波ビームＢの送信は、心周期に一致していることが好ましい。
信号処理部１３の演算部９は、このようにして求めた運動速度ｖａを運動速度検出部８から受け取り、運動速度ｖａに基づいて、各測定点における形状特性または性状特性を求めるための第１の超音波エコー信号をフレームごとに選択する。この際、第１の超音波エコー信号はリアルタイムで取得されるものを用いてもよいし、受信信号記憶部７に記憶されていた第１の超音波エコー信号を用いてもよい。具体的には、運動速度ｖａを逐次積分し、各測定点の任意の時刻における変位位置を求めてもよいし、運動速度ｖａに基づいて、所定時間後のフレームにおける各測定点の変位位置を求めてもよい。前述したように、各フレームに対応させて運動速度Ｖａを求めていない場合や計測の結果、運動速度ｖａが小さい場合には、同じ位置の第１の超音波エコー信号を連続して選択する。このようにして各測定点について選択された第１の超音波エコー信号を用い、変位量または運動速度を求め、さらに厚さ変化量を求める。
超音波診断装置２０によれば、動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、各測定点間の厚さ変化量や弾性率を求めるための超音波エコー信号をフレーム期間ごとに選択する。各測定点における運動速度などは、選択した超音波ビームを用い従来と同様の方法により求めることができる。このため、大規模な演算回路を用いることなく、動脈の中心軸を通る断面において二次元運動する動脈壁組織の弾性率を正確に求めることができる。
次に、本発明の超音波診断装置を用いた計測の具体例として、超音波診断装置２０を用い、制約付最小二乗法により動脈壁組織の弾性率を計測する例を説明する。
まず、動脈壁組織が軸方向へ移動しない場合の計測を説明する。動脈壁組織が軸方向へ移動しない場合、動脈壁組織は動脈の軸と垂直な径方向へのみ運動する。このため、動脈壁の各部の弾性率はその位置を通る超音波ビームによりえられる超音波エコー信号のみから求めることができる。
図８に示すように、超音波プローブ２から送信された第１の超音波ビーム２６は、生体組織３０内の動脈３１中を伝播する。動脈３１の動脈壁組織において反射した超音波の一部は超音波プローブ２へ戻り、第１の超音波エコーとして受信され、第１の超音波エコー信号が信号処理部１３へ入力される。第１の超音波エコー信号は時系列信号ｒ（ｔ）として処理され、超音波プローブ２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１の超音波ビーム２６の幅（ビーム径）は、遅延時間を変化させることにより制御することができる。
第１の超音波ビーム２６の音響線２５上に位置する動脈３１の複数の測定対象点Ｐｎ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐｋ・・・Ｐｎ、ｎは３以上の自然数）は、ある一定間隔で超音波プローブ２に近い順にＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐｋ・・・Ｐｎと配列している。生体組織３０の表面を原点とする深さ方向の座標をＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚｋ、・・・Ｚｎとすると、測定対象点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）を運動速度検出部８に設けられた位相検波部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フィルタ部を通過させる。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。この位相差から、測定対象点Ｐｎの運動速度Ｖｎ（ｔ）が求められ、さらにこれを積分することにより、位置変位量ｄｎ（ｔ）を求めることができる。
図９は、測定対象点Ｐｎと弾性率演算の対象組織Ｔｎとの関係を示す図である。対象組織Ｔｋは、隣接する測定対象点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。ｎ個の測定対象点Ｐ１・・・・Ｐｎからは（ｎ−１）個の対象組織Ｔ１・・・・Ｔｎ−１を設けることができる。
対象組織Ｔｋの伸縮量あるいは歪み量である厚さ変化量Ｄｋ（ｔ）は、測定対象点ＰｋとＰｋ＋１の位置変位量ｄｋ（ｔ）とｄｋ＋１（ｔ）とから、Ｄｋ（ｔ）＝ｄｋ＋１（ｔ）−ｄｋ（ｔ）として求められる。対象組織が軸方向へ運動しない場合、測定対象点の位置変位量の差が常に対象組織の伸縮量あるいは歪み量である厚さ変化量を示すことになる。
動脈壁３１の組織Ｔｋの厚さの変化は、動脈壁３１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である最大厚さ変化量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は以下の式によって求めることができる。
Ｅｋ＝（Δｐ×Ｈｋ）／Δｈｋ （１）
弾性率は隣接する測定対象点間に限らず、複数ある測定点の任意の２点の間においても求めることができる。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。たとえば、動脈壁の内膜と外膜とにそれぞれ設定した２点間の厚さ変化量および弾性率を求めることもできる。
これまで説明してきたように、対象組織Ｔｋは軸方向に運動する。このため、本実施形態の超音波診断装置では、第２の超音波ビームを用いて対象組織Ｔｋの軸方向の運動速度を求め、運動速度に基づいて、上述の演算に用いる第１の超音波ビームを選択する。ただし、弾性率Ｅｋを求める場合、一心周期中の厚さ変化量Ｄｋ（ｔ）の最大値と最小値との差である最大厚さ変化量Δｈｋが分かればよく、一心周期中の連続して対象組織Ｔｋの伸縮量を測定する必要はない。
図１０（ａ）〜（ｅ）は、一心周期中の動脈壁の振動速度波形、心電図波形、血流速度波形、血管内径変化波形および血管壁厚さ変化波形を示している。図１０（ｂ）に示すように心臓の駆出期は、一般に心電波形のＲ波からＴ波の期間で示される。Ｒ波の発生は、心臓が収縮を開始する時刻である。この時刻では図１０（ｃ）に示すように動脈内には血流が発生していない。このため、血流による剪断応力も生じず、図１０（ａ）に示すように動脈壁の軸方向の運動は発生しない。こうした理由から、Ｒ波の発生時あるいはその直後が、一心周期中において、もっとも血管が収縮し、血管壁も厚くなる。
Ｒ波の発生からしばらくすると、心臓の収縮によって血流が生じる。これにより図１０（ｄ）および（ｅ）に示すように、血管が拡張するとともに血管壁も薄くなる。また、血流による剪断応力が発生し、動脈壁の軸方向の運動が生じる。
図１０（ｂ）に示すように、心電波形のＴ波は、心臓の収縮末期に発生する。この時刻において血流速度は最も大きくなり、また、血管が最も拡張し、血管壁も最も薄くなる。図１０（ｆ）に示すように軸方向の変位も最大となる。その後、血流速度は徐々に低下し、心電波形のＲ波が発生する時刻まで、血管内径は徐々に小さくなり、また、血管壁も徐々に厚くなる。
図１０（ｅ）から明らかなように、血管壁の最大厚さ変化量Δｈは、心電波形のＲ波の直後およびＴ波の直後における血管壁の厚さ変化量を計測することによって得られる。したがって、弾性率を求めるためには、一心周期中のＲ波およびＴ波の発生直後の厚さ変化量がそれぞれ分かればよい。これには、厚さを規定する２つの測定点において、Ｒ波およびＴ波に同期して運動速度あるいは位置を計測すればよい。具体的には、Ｒ波およびＴ波の発生時あるいはその直後に第２の超音波ビームを送信することによって、厚さを規定する２つの測定点における軸方向の運動速度を測定し、測定結果に基づいて２つの測定点における計測結果を求めるための第１の超音波ビームを選択すればよい。
これには、例えば図１に示すように、生体信号検出器３１として、心電計を超音波診断装置２０に接続し、心電波形中のＲ波およびＴ波の検出信号を用いて第２の超音波ビームを生成させればよい。そして、これらの時刻においてのみ動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めることによって、演算量が増えることなく、動脈壁組織の正確な厚さ変化量を測定することができる。
本実施形態では、生体信号検出器３１として心電計を用い、心電波形のＲ波およびＴ波を検出したが、他の生体信号検出器を用いてもよい。例えば、心音計を用い、心臓が駆出するときに発生するＩ音および拡張に移り大動脈弁が閉鎖するときに発生するＩＩ音に同期して、第２の超音波ビームを送信してもよい。
図１１（ａ）および（ｂ）は、血管壁の厚さが最大となる時刻ｔ＝ｔ１および最小となるｔ＝ｔ２における動脈壁の対象組織の位置を説明する図である。上述したようにこれらの時刻は心電波形のＲ波が生じる直後およびＴ波が生じる直後である。これらの図においてＡ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４は互いに隣接する第１の超音波ビームおよびそのエコーから得られる第１の超音波エコー信号の位置を示している。図１１（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、第１の超音波ビームＡ１上には、測定点の間の組織として規定される対象組織Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ−１が位置している。また、それぞれの対象組織の厚さ変化量はＤ１，１（ｔ１）〜Ｄ１，ｎ−１（ｔ１）で示される。同様に第１の超音波ビームＡ２、Ａ３およびＡ４上の対象組織および厚さ変化量はＴ２，１〜Ｔ２，ｎ−１、Ｄ２，１（ｔ１）〜Ｄ２，ｎ−１（ｔ１）等で示される。
図１１（ｂ）に示すように、血管壁の厚さが最小となる時刻ｔ２では、第１の超音波ビームＡ１上にあった対象組織Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ−１は動脈の軸方向への運動により、第１の超音波ビームＡ３上に位置している。同様に第１の超音波ビームＡ２上にあった対象組織Ｔ２，１〜Ｔ２，ｎ−１は動脈の軸方向への運動により、第１の超音波ビームＡ４上に位置している。このとき、対象組織Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ−１およびＴ２，１〜Ｔ２，ｎ−１厚さ変化量はＤ３，１（ｔ２）〜Ｄ３，ｎ−１（ｔ２）およびＤ４，１（ｔ２）〜Ｄ４，ｎ−１（ｔ２）で示される。第１の超音波ビームＡ１、Ａ２上には、時刻ｔ１において測定範囲外にあった対象組織Ｔω−１，１〜Ｔ１，ｎ−１Ｔ、Ｔω，１〜Ｔ１，ｎ−１Ｔが位置している。
したがって、時刻ｔ１を基準とした場合、第１の超音波ビームＡ１の対象組織Ｔ１，１〜Ｔ１，ｎ−１の最大厚さ変化量Δｈ１，１〜Δｈ１，ｎ−１は、それぞれＤ１，１（ｔ１）〜Ｄ３，１（ｔ２）〜Ｄ１，ｎ−１（ｔ１）〜Ｄ３，ｎ−１（ｔ２）で求められる。また、弾性率は、上記式（１）の関係を用いて求めることができる。血管壁の厚さが最小となる時刻ｔ２における各第１の超音波ビーム上の厚さ変化量は、各超音波ビームの反射による第１の超音波エコー信号により従来と同様の演算によって求められる。したがって、弾性率を求める演算量は、従来の方法によって弾性率を求める場合とほぼ同程度である。
このように、動脈壁の弾性率を求める場合には、動脈壁の厚さが最大となる時刻を含むフレーム期間において、超音波ビームを走査することにより得られる第１の超音波エコー信号、および、動脈壁の厚さが最小となる時刻を含むフレーム期間において、超音波ビームを走査することにより得られる第１の超音波エコー信号を軸方向の運動速度または移動変位量に基づき選択すればよい。また、動脈壁の厚さが最大となる時刻では動脈壁の軸方向へ運動が最も小さく、軸方向への移動変位量はゼロである。このため、動脈壁の厚さが最小となる時刻を含むフレーム期間あるいはそれに近接した時刻において第２の超音波ビームを送信し、得られる第２の超音波エコー信号から動脈壁軸方向の運動速度または移動変位量を求めればよい。弾性率は心周期に一致して周期的に変化するため、このような第１の超音波エコー信号の選択を心周期ごとに行えばよい。
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波診断装置の第２の実施形態を説明する。本実施形態の超音波診断装置２１は、動脈の軸方向の運動速度または移動変位量を検出し、動脈が軸方向に運動していることが検出された場合、動脈が軸方向に運動しているため、正しい計測が行えないことが操作者に分かるような表示を行う。図１２は、本実施形態による超音波診断装置２１のブロック図を示している。超音波診断装置２１は、遅延制御部３、遅延制御量記憶部４、送信部５、受信部６、受信信号記憶部７、信号処理部１３’、表示部１０、制御部１１、記憶部１２、断層画像生成部１４および表示部１０を備えている。
第１の実施形態と同様、送信部５は、超音波プローブ２の各超音波振動子１を駆動し、動脈壁組織へ第１の超音波ビームおよび第２の超音波部ビームを送信するための超音波送信信号を生成する。生成した超音波送信信号は遅延制御部３に入力され、各超音波振動子１が所定のタイミングで駆動するように遅延制御される。
動脈壁において第１の超音波ビームおよび第２の超音波ビームが反射することにより得られる超音波エコーは、超音波プローブ２の各超音波振動子１で受信され、遅延制御部３で遅延制御された後、受信部６においてそれぞれ合成および増幅される。これにより、受信部６は第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する。
信号処理部１３’は、運動速度検出部８および演算部９’を含む。運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号から、動脈壁組織の各測定点における運動速度またはその積分値である移動変位量を検出する。また、第２の超音波エコー信号から、各測定点の動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量を求める。
超音波診断装置２１により厚さ変化量または弾性率を測定する場合、一心周期中における動脈壁組織の最大厚さおよび最小厚さを正確に求めることが重要である。第１の実施形態において説明したように、動脈壁組織の厚さが最小となるとき動脈壁の軸方向への移動変位量が最大となるので、動脈壁組織の厚さが最小となる時刻を含むフレーム期間またはそれに近接した時刻において第２の超音波ビームを送信し、得られた第２の超音波エコー信号を用いて、各測定点の動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量を求めることが好ましい。
演算部９は、第１の超音波エコー信号から得られた動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量に基づき、測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。また、演算部９は、厚さ変化量または弾性率を求めた各動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量とあらかじめ定めた閾値とを比較する。運動速度または移動変位量が閾値よりも大きい場合には、その動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を表示部１０へ出力しない。あるいは、厚さ変化量または弾性率の値が異常であることが判断できるような値、たとえば、所定の負の値と求めた厚さ変化量または弾性率の値とを入れ替える。運動速度または移動変位量が閾値よりも小さいかまたは等しい場合には、その動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を表示部１０へ出力する。
断層画像生成部１４は、受信部９から出力される第１の超音波エコー信号から断層画像を生成する。たとえば第１の超音波エコー信号の振幅強度を表示部に表示する画像の輝度情報に変換することによってＢモード断層画像を生成する。
表示部１０は、断層画像生成部１４から得られる断層画像と、演算部９’から出力される各動脈組織の厚さ変化量または弾性率とを重畳して表示する。
次に、超音波診断装置２１による計測の手順を図１３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップ１１２に示すように、送信部５を用いて超音波プローブ２から動脈血管を含む生体へ向けて超音波を送信する。送信された超音波が生体において反射することにより得られた超音波エコーは超音波プローブ２を用いて受信部６により受信される。送信される超音波には、第１および第２の超音波ビームが含まれ、これらの反射エコーにより、受信部６は第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する。
ステップ１１３に示すように、信号処理部１３の運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号を用いて動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量を検出する。
続いて、ステップ１１４に示すように、運動速度検出部８は第２の超音波エコー信号を用いて各測定点の軸方向の運動速度を検出する。さらに移動変位量を算出してもよい。
演算部９’は、ステップ１１５に示すように、各測定点における運動速度または移動変位量から、測定点間に位置する各動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。
次にステップ１１６に示すように、厚さ変化量または弾性率を求めた各動脈壁組織の運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。閾値よりも厚さ変化量または弾性率が大きい場合、演算部９’は、その組織に対して求めた厚さ変化量または弾性率を表示部１０に表示させないよう、表示部１０へ出力をやめ、閾値よりも小さい組織に対して求めた厚さ変化量または弾性率のみを表示部１０へ出力する。一方、全ての動脈壁組織の運動速度または移動変位量が閾値よりも小さい場合には、求めた全ての動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を表示部１０へ出力する。
図１４は、超音波診断装置２１の表示部１０に表示される表示画面の一例を模式的に示している。図１４に示すように表示部１０には、計測領域の断層画像５１が示される。断層画像５１は、動脈前壁６１と、血管腔６２と、動脈後壁６３とを含む。動脈後壁６３に計測領域が設定されているため、断層画像５１の動脈後壁６３に弾性率または厚さ変化量の二次元マッピング像５２が重畳されている。
二次元マッピング像５２において、領域５２ａおよび５２ｃには、動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率がその値に応じた諧調あるいは色調で表示される。一方、領域５２ｂには、動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率が表示されておらず、動脈後壁６３の画像が現れている。このため、操作者は、領域５２ｂでは動脈壁組織が軸方向の運動しており、正しく弾性率が求められなかったことを容易に認識することができる。
このように、本実施形態によれば、動脈壁が軸方向に運動することによって厚さ変化量や弾性率が正確に計測できない部分を判定し、表示部には正確に計測できた部分のみの厚さ変化量や弾性率が表示される。したがって、操作者は、表示部に表示された情報から、正しい診断を行うことが可能となる。
なお、本実施形態では、演算部９’は動脈壁が軸方向に運動することによって厚さ変化量や弾性率が正確に計測できない部分を判定しているが、計測領域内の動脈壁組織の一部が軸方向に運動している場合、操作者にそのこと示す文字情報あるいは画像情報を表示部１０に表示し、弾性率はそのまま表示するようにしてもよい。より具体的には、図１４および図１３のステップ１１６、１１９に示すように、演算部９’は、厚さ変化量または弾性率を求めた各動脈壁組織の運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。閾値よりも厚さ変化量または弾性率が大きい組織が１つでもある場合、図１４に示すように演算部９’は表示部１０に計測が正しく行われなかったことを示す情報５３を生成し、表示部１０に信号を出力するとともに、求めた厚さ変化量または弾性率をすべて表示部１０に表示させる。このような表示をおこなっても、操作者は、正しい計測が行えなかったことを容易に判断することができる。計測が正しく行われなかったことを示す情報５３を表示するとともに、図１３に示すように、厚さ変化量や弾性率が正確に計測できない部分を判定し、その部分の弾性率は表示しないようにしてもよい。
また、軸方向に動脈壁が運動している場合、動脈壁組織の軸方向において、複数の組織における厚さ変化量または弾性率の平均を求め、平均した弾性率を表示部１０に表示してもよい。以下、図１６に示すフローチャートを参照しながらこのような形態を説明する。
図１６のステップ１１２、１１３、１１４に示すように、第１の超音波ビームおよび第２の超音波ビームを送信し、受信により得た第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を用いて、動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量を検出する。また、第２の超音波エコー信号を用いて各測定点の軸方向の運動速度または移動変位量を算出する。
次にステップ１１６に示すように、各測定点における運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。ステップ１１８に示すように、運動速度または移動変位量が閾値より大きい測定点がある場合には、軸方向運動速度が閾値より大きい測定点にはさまれる組織については、軸方向に平均をとって厚さ変化量または弾性率の平均を求める。具体的には、まず、従来と同様にして、各測定点によって挟まれる組織の厚さ変化量または弾性率を全て求める。次に、軸方向運動速度が閾値より大きい測定点にはさまれる組織について、あらかじめ定められた数、たとえば軸方向に隣接する２つの組織に対して求められた厚さ変化量または弾性率を平均する。
図１７は、このような手順により求められた弾性率が表示された表示部１０の画面の一例を模式的に示している。図１７に示すように表示部１０には、計測領域の断層画像５１が示される。断層画像５１は、動脈前壁６１と、血管腔６２と、動脈後壁６３とを含む。動脈後壁６３に計測領域が設定されているため、断層画像５１の動脈後壁６３に弾性率または厚さ変化量の二次元マッピング像５２が重畳されている。
二次元マッピング像５２において、領域５２ａおよび５２ｄには、動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率がその値に応じた諧調あるいは色調で表示される。ただし、領域５２ｄでは、軸方向に隣接する組織における弾性率の平均が求められ、隣接する組織が１つの組織であるとして弾性率が示されている。このため、動脈壁組織が軸方向へ運動することにより生じる弾性率の演算誤差が抑制される。
平均を求める組織の数は、前述したようにあらかじめ定めておいてもよいし、動脈壁の運動速度または位置変位量に応じて設定してもよい。この場合には、たとえば図１６に示すように、ステップ１１６において各測定点における運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。ステップ１１９に示すように、運動速度または移動変位量が閾値より大きい測定点がある場合には、そのそれぞれの測定点において、運動速度または移動変位量に基づき、軸方向に平均を求める距離を決定する。続いてステップ１１８に示すように、各測定点によって挟まれる組織の厚さ変化量または弾性率を全て求める。次に、軸方向運動速度が閾値より大きい測定点にはさまれる組織について、ステップ１１９で決定した距離に対応する数の組織に対して求められた厚さ変化量または弾性率を平均する。
図１８は、このような手順により求められた弾性率が表示された表示部１０の画面の一例を模式的に示している。図１８に示すように二次元マッピング像５２の領域５２ｅでは、運動速度または移動変位量に基づいて決定された距離に対応する組織の数、ここでは３つの組織の厚さ変化量または弾性率の平均が求められている。動脈壁の軸方向における運動速度または位置変位量に基づいて、平均を求める組織の数を決定しているため、動脈壁組織が軸方向へ運動することにより生じる弾性率の演算誤差がより抑制される。
このように本実施形態によれば、第２の超音波ビームを用いて動脈壁の軸方向における運動速度または位置変位量を求め、運動速度または位置変位量に基づいて、厚さ変化量または弾性率の表現方法を変更する。このため、操作者は、動脈壁が軸方向へ運動していることによって、厚さ変化量や弾性率が正しく求められていなことを的確に認識することができ、超音波診断装置を用いてより正確な診断を行うことができる。また、厚さ変化量または弾性率の演算には軸方向の運動を考慮しないため、演算量が増大することもなく、高性能な演算装置も必要ではない。このため、低コストで超音波診断装置を提供することが可能となる。
本発明は、生体組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置に好適に用いられる。特に、動脈の弾性率を測定することによって動脈硬化の診断を行うことのできる超音波診断装置に好適に用いられる。
本発明は超音波診断装置に関し、特に、動脈壁組織の厚さ変化量あるいは弾性率を算出する超音波診断装置に関する。
超音波を用いて生体組織の運動速度あるいは移動変位量を計測する手法として、超音波エコー信号のドップラ効果による周波数偏移を検出するドップラ法が知られている。たとえば、特許文献１はドップラ法により血流速度を計測する方法を開示している。また、周波数偏移の生じた超音波エコー信号の周波数解析を正確に行うために、非特許文献１は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることを開示している。特許文献２および特許文献３は、自己相関法を用いることを開示している。
ドップラ法による計測は比較的簡単であるが、生体組織の移動方向と直交する方向に反射する超音波エコーにはドップラ効果が生じないという問題がある。言い換えれば、超音波エコーと直交する方向における生体組織の運動速度はドップラ法では検出できない。このため、特許文献４から特許文献７は、複数の偏向角度が異なる超音波ビームを用いて、生体組織の完全な二次元あるいは三次元運動を検出する方法を開示している。
一方、特許文献８は、超音波エコー信号の位相変化を最小二乗法を用いて高精度で推定し、計測点の運動量を精度良く推定する方法を開示している。この方法によれば、生体組織の各部の運動量から、生体組織の厚さ変化量（歪み量）を算出することが可能となる。生体組織は、弾性繊維、膠原線維、脂肪、血栓などによって構成されており、これらは弾性率が異なる。このため、生体内組織に応力を加えたときの厚さ変化量から弾性率を求めることによって組織の構成を特定したり、弾性率の値から組織の病変状態を推定することが可能となる。
近年、心筋梗塞や脳梗塞などの循環器系疾病を患う人が増加してきており、これらの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。心筋梗塞や脳梗塞の発病には、動脈硬化が関与しているので、上述したように超音波診断装置を用いて動脈壁組織の弾性率を測定することができれば、動脈の硬化の度合を診断することが可能となり、これらの疾病の予防や治療に役立つと考えられる。このため、動脈壁組織の弾性率を測定することが可能な超音波診断装置の開発が求められている。
特開２００１−０７０３０５号公報 特公昭６２−４４４９４号公報 特開平６−１１４０５９号公報 特開平５−１１５４７９号公報 特開平１０−２６２９７０号公報 米国特許第６７７００３４号明細書 米国特許第６２５８０３１号明細書 特開平１０−５２２６号公報 （社）日本電子機械工業会編「改訂医用超音波機器ハンドブック」、コロナ社、１９９７年１月２０日発行、第１１６−１２３頁
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。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、動脈壁組織の厚さ変化量を測定することができ、弾性率を求めることができると考えられる。
しかしながら、本願発明者の詳細な実験によれば、動脈壁は心周期に同期してわずかに軸方向へ移動することがあることが分かった。また、動脈壁の軸方向への移動は、常に観測されるわけではなく、測定位置や被験者による個体差などによっては、動脈壁の軸方向への運動がほとんど生じない場合もあることが分かった。
動脈壁が軸方向へ運動している場合において、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く、誤差を含んでいる。しかし、動脈壁の軸方向への移動が生じているかどうかが分からない限り、得られた弾性率が正しいかどうかを判断することは困難である。
動脈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、動脈壁の二次元運動を正確に測定することによって、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動脈壁の運動を正確に解析し、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コンピュータでは、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。
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、動脈壁の軸方向への移動を考慮して、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。
本発明の超音波診断装置は、生体の動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置であって、複数の超音波振動子を含む超音波プローブの各超音波振動子の遅延制御を行う遅延制御部と、前記遅延制御部の制御に基づき、前記超音波プローブが所定のフレーム期間毎に、前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するよう、前記超音波プローブを駆動する送信部と、前記所定のフレーム期間毎に、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を出力する受信部と、前記複数の第１の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点間の前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行う信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、前記フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、運動速度検出部を含み、前記送信部は第２の超音波ビームを送信し、前記受信部は前記第２の超音波ビームが前記動脈壁において反射することにより得られる第２の超音波エコー信号を出力し、前記運動速度検出部は、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度を求める。
ある好ましい実施形態において、前記第１の超音波ビームと前記第２の超音波ビームとの偏向角度は異なっている。
ある好ましい実施形態において、前記遅延制御部が所定の周期で前記遅延制御の量を偏向することにより、前記第２の超音波ビームを送信する。
ある好ましい実施形態において、前記遅延制御部は、前記生体に関する生体信号を受け取り、前記生体信号の周期に同期した周期で前記遅延制御の量を偏向することにより、前記第２の超音波ビームを送信する。
ある好ましい実施形態において、前記生体信号の周期は心周期である。
ある好ましい実施形態において、前記第１の超音波ビームは前記動脈の軸方向に対しておおよそ垂直であり、前記第２の超音波ビームは前記動脈の軸方向と非垂直である。
ある好ましい実施形態において、前記複数の測定点は二次元に配置されており、前記演算部は、前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を二次元で求める。
ある好ましい実施形態において、超音波診断装置は、前記演算部の演算結果を二次元マッピング表示するための表示部をさらに備える。
本発明の超音波診断装置の制御方法は、超音波診断装置の制御部による超音波診断装置の制御方法であって、超音波プローブを用いて、所定のフレーム期間毎に、前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するステップと、前記所定のフレーム期間毎に、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈の動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を得るステップと、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、前記フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択するステップと、前記選択した第１の超音波エコー信号を用いて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点から選ばれる少なくとも２点間における前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行うステップとを包含する。
ある好ましい実施形態において、前記演算ステップは、第２の超音波ビームを前記動脈へ送信し、前記第２の超音波ビームが前記動脈壁において反射することにより得られる第２の超音波エコー信号を得るステップと、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるステップとをさらに包含する。
ある好ましい実施形態において、前記第２の超音波ビームは前記生体に関する生体信号の周期に同期した周期で送信される。
ある好ましい実施形態において、前記生体信号の周期は心周期である。
本発明の超音波診断装置は、生体の動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置であって、複数の超音波振動子を含む超音波プローブの各超音波振動子の遅延制御を行う遅延制御部と、前記遅延制御部の制御に基づき、前記超音波プローブが前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信し、かつ、第１の超音波ビームとは異なる偏向角度で前記生体の動脈に向けて第２の超音波ビームを送信するよう、前記超音波プローブを駆動する送信部と、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーおよび前記第２の超音波ビームを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する受信部と、前記複数の第１の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点間における前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行い、かつ、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記複数の測定点間における動脈壁の軸方向の運動速度または移動変位量を検出する信号処理部と、前記厚さ変化量または弾性率を表示する表示部とを備え、前記表示部は、前記動脈壁組織の運動速度または移動変位量に基づいて、前記表示部における厚さ変化量または弾性率の表示を変更する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、対応する組織の厚さ変化量または弾性率を前記表示部へ出力しない。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、対応する組織の厚さ変化量または弾性率を所定の値に設定し、表示部へ出力する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、前記表示部に所定の文字情報または図形情報を表示させる。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、前記動脈壁組織の軸方向において、複数の組織における厚さ変化量または弾性率の平均を求め、前記表示部に出力する。
ある好ましい実施形態において、前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量が所定の閾値以上である場合、前記運動速度または移動変位量に基づき、前記動脈壁組織の軸方向において、厚さ変化量または弾性率の平均を求める組織の数を決定し、決定した数の組織における前記厚さ変化量または弾性率の平均を求め、前記表示部に出力する。
本発明によれば、動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、各測定点間の厚さ変化量や弾性率を求めるための超音波エコー信号をフレーム期間ごとに選択する。各測定点における運動速度などは、選択した超音波ビームを用い従来と同様の方法により求めることができる。したがって、演算量を著しく増大させることなく高精度で生体の動脈組織の形状特性または性状特性を測定することが可能となる。これにより、超音波診断装置に高い演算能力を備えた演算回路を用いる必要がなく、弾性率測定を高精度で行うことのできる超音波診断装置を低コストで実現することができる。
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波診断装置の第１の実施形態を説明する。図１は、超音波診断装置２０のブロック図を示している。超音波診断装置２０は超音波プローブ２を用いて生体の形状特性または性状特性を測定する。特に、生体の動脈壁組織の弾性率を測定するのに好適に用いられる。ここで、生体の形状特性とは、生体組織の形状または、形状の時間変化による生体組織の運動速度やその積分値である位置変位量、生体組織に設定した２点間の厚さ変化量などをいう。生体の性状特性は、生体組織の弾性率などをいう。超音波診断装置２０は、遅延制御部３、遅延制御量記憶部４、送信部５、受信部６、受信信号記憶部７、信号処理部１３、表示部１０、制御部１１および記憶部１２を備えている。
超音波プローブ２は複数の超音波振動子１を含み、測定対象である動脈壁組織へ超音波ビームを送信し、送信した超音波ビームが動脈壁組織において反射することにより得られる超音波エコーを受信するために用いられる。以下において詳細に説明するように、超音波プローブ２は少なくとも一次元に配列された複数の超音波振動子１を含んでいることが好ましい。超音波プローブ２は、遅延制御部３に接続される。
送信部５は、超音波プローブ２の各超音波振動子１を駆動し、動脈壁組織へ超音波ビームを送信するための超音波送信信号を生成する。生成した超音波送信信号は遅延制御部３に入力され、各超音波振動子１が所定のタイミングで駆動するように遅延制御される。これにより、動脈壁組織へ超音波ビームが送信される。送信部５が生成する超音波送信信号には、測定対象である動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定するために用いるものと、動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるために用いられるものがある。このため、超音波プローブ２から送信される超音波ビームにも動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定するために用いるものと、動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるために用いられるものとがある。これをそれぞれ第１および第２の超音波ビームと呼ぶ。
図２は、超音波プローブ２から送信される超音波ビームを模式的に示している。超音波プローブ２では、送信部５で生成される超音波送信信号が遅延制御部３による遅延制御を受けることにより、複数（たとえば十数個から数十個度）の超音波振動子１が音響線２５を有する１つの第１の超音波ビーム２６を生成する。超音波振動子１が一次元に配列されているため、駆動する超音波振動子１の組み合わせを超音波振動子１の配列方向（矢印Ｄ１）へ順次シフトさせることによって、第１の超音波ビーム２６の位置を超音波振動子１の配列方向へシフトさせることができる。これにより、第１の超音波ビーム２６を走査させ、第１の超音波ビーム２６の走査方向（矢印Ｄ１）および深さ方向（矢印Ｄ２）で規定される二次元の走査領域Ｒ１において動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定することができる。走査領域Ｒ１をフレームと呼び、第１の超音波ビーム２６によって１回走査する期間をフレーム期間と呼ぶ。動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定するためには、１秒間に複数回走査領域Ｒ１を第１の超音波ビーム２６が走査することが好ましい。
図２に示すように音響線２７を備える第２の超音波ビーム２８は、第１の超音波ビーム２６と異なる偏向角度で送信される。好ましくは、第１の超音波ビーム２６はその音響線２５が測定対象である動脈壁組織の軸方向と垂直となるように、超音波プローブ２から送信され、第２の超音波ビーム２８は、その音響線２７が動脈壁組織の軸方向と非垂直となるように、超音波プローブ２から送信される。
反射により動脈壁から超音波プローブ２へ向かう超音波エコーは、超音波プローブ２の各超音波振動子１で受信され、遅延制御部３で遅延制御された後、受信部６において合成および増幅される。受信部６は合成した超音波エコー信号を信号処理部１３へ出力する。第１および第２の超音波ビームの反射による超音波エコーを合成した信号をそれぞれ第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号と呼ぶ。
遅延制御部３における超音波の送信時および超音波エコーの受信時の遅延制御は、遅延制御量記憶部４に予め記憶された超音波振動子１ごとの遅延制御量に基づき、超音波ビームを超音波プローブ２から送信するたびに行われる。また、受信部６で合成された超音波エコー信号は、受信信号記憶部７において記憶される。受信信号記憶部７は、複数のフレーム分の第１の超音波エコー信号を記憶することのできる容量を備えていることが好ましい。
信号処理部１３は、運動速度検出部８および演算部９を含む。運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号から、動脈壁組織の各測定点における運動速度またはその積分値である移動変位量を検出する。また、第２の超音波エコー信号から動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量を求める。
演算部９は、第１の超音波エコー信号から得られた動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量に基づき、測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。この際、演算部９は、第２の超音波エコー信号から求めた動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量に基づき、フレーム期間ごとおよび各測定点間の動脈壁組織ごとに厚さ変化量または弾性率を求めるための第１の超音波エコー信号を選択する。このようにして選択した第１の超音波エコー信号を用いて演算を行うことにより、動脈壁組織の軸方向の運動を考慮して動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を求めることができる。
運動速度検出部８における各計測点の運動速度の検出は、一般的に用いられているＦＦＴドップラ法、自己相関法など、どの手法を用いてもよい。しかし、以下において詳細に説明するよう、制限付き最小二乗法を用いることによって、より微細な領域の厚さ変化量または弾性率を演算することができる。
表示部１０は、信号処理部１３において求めた動脈壁組織各部の運動速度や厚さ変化量などの形状特性、または、弾性率などの性状特性の少なくとも一方を表示する。測定位置に応じてこれらの値を二次元マッピング表示してもよいし、さらに、一般的な超音波診断装置の基本機能であるＢモード断層画像上に重ねて表示してもよい。形状特性や性状特性は、求めた特性量に応じた諧調あるいは色調を用いて表示してもよい。
制御部１１は超音波診断装置２０全体の制御を行う。具体的には、制御部１１は遅延制御部３、送信部５、受信部６、信号処理部１３および表示部１０の制御を行い、また、遅延制御部３、送信部５、受信部６、信号処理部１３および表示部１０で得られた情報および制御情報を記憶部１２に記憶させる。
超音波診断装置２０は、図３に示すフローチャートの手順により計測を行う。まず、ステップ１０２に示すように、送信部５を用いて超音波プローブ２から動脈血管を含む生体へ向けて超音波を送信する。送信された超音波が生体において反射することにより得られた超音波エコーは超音波プローブ２を用いて受信部６により受信される。送信される超音波には、第１および第２の超音波ビームが含まれ、これらの反射エコーにより、受信部６は第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する。
ステップ１０３に示すように、信号処理部１３の運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号を用いて動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量を検出する。このとき求められる運動速度または移動変位量は超音波ビームと平行な方向の成分のみである。したがって、第１の超音波ビーム２６が走査することによって得られた複数の第１の超音波エコー信号のそれぞれから得られた各測定点における運動速度または移動変位量は、他の第１の超音波エコー信号から独立に求められる。
続いて、ステップ１０４に示すように、運動速度検出部８は第２の超音波エコー信号を用いて動脈壁の軸方向の運動速度を検出する。さらに移動変位量を算出してもよい。演算部９は、ステップ１０５に示すように、動脈壁の軸方向の運動速度または移動変位量に基づいて、以下において詳細に説明するように、測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を求めるために用いる第１の超音波エコー信号を選択する。そして、ステップ１０６に示すように選択された第１の超音波エコー信号から得られる各測定点における運動速度または移動変位量を用いて測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。
ステップ１０２に示される超音波の送受信は計測中繰り返し行われ、ステップ１０２から１０６も繰り返し実行される。ステップ１０３とステップ１０４とはこの順で実行される必要はなく同時に実行されてもよいし、ステップ１０４を先に実行してもよい。
次に、超音波診断装置２０における計測の原理を詳細に説明する。図４は、生体組織３０内の動脈３１を模式的に示している。図４に示すように、心臓の収縮によって血液が周期的に押し出され、血流Ｆが生じる。また、動脈３１内を流れる血液は圧力Ｐを受ける。圧力Ｐにより、動脈３１は周期的に拡張および収縮し、拡張にともなって血管壁が薄くなる。この運動は、図４に示すように、動脈３１の軸方向と垂直な方向（ｙ方向）の運動となる。一方、血流Ｆは動脈３１の血管壁にせん断応力Ｑを生じさせる。このため、動脈３１の血管壁は、せん断応力Ｑによって動脈３１の軸方向へ変位する。動脈３１の計測領域が心臓に近い場合、心臓の収縮によって物理的に動脈３１が軸方向へ変位することも考えられる。これら運動は、動脈３１の軸方向（ｘ方向）の運動となる。動脈３１のこれら軸方向および軸方向と垂直な方向の運動は心周期に一致した周期で繰り返される。
図４に示すように、動脈３１の形状特性または性状特性を測定する場合、超音波プローブ２の超音波振動子１の配列方向が動脈３１の軸方向と一致するように、超音波プローブ２が動脈３１に対して配置される。矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３・・・で示すように、超音波ビームが超音波プローブ２の走査領域Ｒ１を軸方向において所定の時間間隔で順に送信される。また矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３で示される超音波ビームの反射波が超音波エコーとしてそれぞれ超音波プローブ２へ戻ってくる。図２を参照して説明したように、各超音波ビームは遅延制御された複数の超音波振動子１から送信される超音波を合成することにより形成される。
このとき、動脈３１の動脈壁組織が心臓の収縮により拡張および収縮のみを行うのであれば、動脈壁組織に設定した測定点Ｍは、超音波ビームＡ１、Ａ２、Ａ３・・・と平行な方向にのみ変位する。このため、動脈壁組織の形状特性または性状特性はその測定点を通過する超音波ビームのみによって計測することが可能である。言い換えれば、図４において超音波ビームＡ２による計測結果は測定点Ｍの軸方向と垂直な方向の運動には影響しない。
しかし、動脈壁組織は軸方向に運動している。このため、超音波診断装置２０では、動脈壁組織の軸方向への変位に合わせて、計測のための超音波ビームも動脈壁組織の軸方向へ変位させる。これは、走査領域Ｒ１を走査する超音波ビームＡ１、Ａ２、Ａ３・・・を測定点の変位量に応じて選択することによって実現できる。具体的には、動脈壁組織の軸方向への運動によって時刻ｔ＝０において超音波ビームＡ１上に位置していた測定点Ｍが所定の時間ｔ＝ｔ’後においてＭ’へ移動する場合、動脈壁組織に設定した測定点Ｍの形状および性状特性を求めるための超音波ビームとして、ｔ＝０において超音波ビームＡ１を選択し、ｔ＝ｔ’において超音波ビームＡ３を選択する。
フレーム期間ごとにどの超音波ビームを選択するかは、動脈壁組織の軸方向への運動速度に依存する。図５は、超音波診断装置２０において、走査領域Ｒ１を走査する超音波ビームと、軸方向へ運動する動脈壁組織内に設定した測定点Ｍとの関係とを模式的に示す図である。一心周期中にｍ回、走査領域Ｒ１を超音波ビームが走査して、走査領域Ｒ１の形状または性状特性を測定する場合、ｔ＝ｔ1からｔ＝ｔmの時刻において、Ｆ1からＦmで示されるフレームが取得される。各フレームにおいて順次走査するように送信される超音波ビームＡ１からＡｎの位置は変化せず一致している。
図５に示すように、フレームＦ1を取得するｔ＝ｔ1では、測定点Ｍは超音波ビームＡ１上に位置している。動脈壁組織の軸方向の運動により、フレームＦ2を取得するｔ＝ｔ2においては、測定点はＭ’で示すように超音波ビームＡ３上に位置する場所へ移動している。その後、動脈壁組織はゆっくり元の位置へ戻り、フレームＦm-1およびＦmを取得するｔ＝ｔm-1およびｔ＝ｔmにおいては、元の位置である超音波ビームＡ１上に位置している。この場合、測定点Ｍにおける動脈壁組織の形状および性状特性を測定するために、フレームＦ２において、超音波ビームＡ３を選択し、他のフレームＦ1、Ｆm-1、Ｆmにおいては、超音波ビームＡ１を選択する。
図５では、測定点Ｍのみを示しているが、測定点Ｍが軸方向へ運動するのにともなって動脈壁組織が全体として運動する場合には、測定点Ｍ以外の各測定点についても同様に、超音波ビームをシフトさせて選択すればよい。一方、動脈壁組織の走査領域Ｒ１内における位置によって軸方向の運動速度が異なる場合には、測定点に応じて超音波ビームを選択する。どの超音波ビームを選択するかは、上述したように動脈壁組織の各測定点の軸方向の運動速度に依存する。一心周期中における動脈壁組織の軸方向の運動特性があらかじめ分かっている場合には、信号演算部１３において、その運動特性に基づいてフレーム毎に超音波ビームを選択し、選択した超音波ビームを用いて各測定点の運動速度などを求めることができる。
一方、動脈壁組織の各測定点の軸方向の運動特性が既知でない場合や、各測定点の軸方向の運動を正確に求めたい場合には、前述した第２の超音波ビームを利用する。図６に示すように、動脈壁組織の軸方向に対してθaの偏向角度をなすように、超音波プローブ２から第２の超音波ビームＢを動脈３１へ送信する。偏向角度θaは動脈壁組織を計測するための第１の超音波ビームＡの偏向角度とは異なっており、かつ、９０度以外に設定する。偏向角度θaは、超音波プローブ２の各超音波振動子１の遅延時間を制御することにより調整することができる。
図６に示すように、第２の超音波ビームＢが動脈３１の後壁において反射することにより得られる第２の超音波エコーＢ’を超音波プローブ２で検出し、遅延時間を遅延制御部で制御した後、受信部６が第２の超音波エコー信号を生成する。信号処理部１３の運動速度検出部８は、第２の超音波エコー信号から偏向角度θa方向における各測定点の運動速度ｖ’を求める。各測定点の軸方向の運動速度ｖaは、ｖa＝Ｖ'/ｃｏｓθaの関係を用いて求めることができる。このとき、各測定点の軸方向と垂直な方向（径方向）の運動速度ｖrはｖr＝ｖ'ｃｏｓθrの関係を用いて求めることができる。ここで、角度θrは、偏向角度θaの余角である。動脈壁組織は２つの測定点によって規定され、測定点の運動速度が動脈壁組織の運動速度となる。
図６では、第２の超音波ビームＢは１つしか示していないが、第１の超音波ビームＡと同様、走査領域Ｒ１を走査するように複数の第２の超音波ビームＢを送信してもよい。走査領域Ｒ１内において、動脈壁組織は全体として同じ速度で軸方向へ運動している場合には、１つの第２の超音波ビームＢを用いて軸方向の運動速度を求めるだけで十分である。動脈壁組織の位置によって、軸方向の運動速度が異なる場合には、複数の第２の超音波ビームＢを送信し、複数の測定点における運動速度をそれぞれ求めればよい。
図７（ａ）および（ｂ）は、第２の超音波ビームＢを用いて動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるタイミングを模式的に示している。図７に示すように、一心周期中にｎ回、第１の超音波ビームＡによる走査を行い、フレームＦnを取得する場合、図７（ａ）に示すように第２の超音波ビームＢを各フレーム間において送信してもよいし、図７（ｂ）に示すように、第１の超音波ビームＡによる各フレームの走査中に第２の超音波ビームＢを送信してもよい。また、すべてのフレームに対応させて第２の超音波ビームＢを送信する必要はなく、フレームの数よりも第２の超音波ビームＢを送信する回数は少なくてもよい。さらに、一心周期中、動脈壁組織の軸方向の運動が大きい期間のみ第２の超音波ビームＢを送信して、運動速度を求めてもよい。少なくとも、第２の超音波ビームＢの送信は、心周期に一致していることが好ましい。
信号処理部１３の演算部９は、このようにして求めた運動速度ｖaを運動速度検出部８から受け取り、運動速度ｖaに基づいて、各測定点における形状特性または性状特性を求めるための第１の超音波エコー信号をフレームごとに選択する。この際、第１の超音波エコー信号はリアルタイムで取得されるものを用いてもよいし、受信信号記憶部７に記憶されていた第１の超音波エコー信号を用いてもよい。具体的には、運動速度ｖaを逐次積分し、各測定点の任意の時刻における変位位置を求めてもよいし、運動速度ｖaに基づいて、所定時間後のフレームにおける各測定点の変位位置を求めてもよい。前述したように、各フレームに対応させて運動速度Ｖaを求めていない場合や計測の結果、運動速度ｖaが小さい場合には、同じ位置の第１の超音波エコー信号を連続して選択する。このようにして各測定点について選択された第１の超音波エコー信号を用い、変位量または運動速度を求め、さらに厚さ変化量を求める。
超音波診断装置２０によれば、動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、各測定点間の厚さ変化量や弾性率を求めるための超音波エコー信号をフレーム期間ごとに選択する。各測定点における運動速度などは、選択した超音波ビームを用い従来と同様の方法により求めることができる。このため、大規模な演算回路を用いることなく、動脈の中心軸を通る断面において二次元運動する動脈壁組織の弾性率を正確に求めることができる。
次に、本発明の超音波診断装置を用いた計測の具体例として、超音波診断装置２０を用い、制約付最小二乗法により動脈壁組織の弾性率を計測する例を説明する。
まず、動脈壁組織が軸方向へ移動しない場合の計測を説明する。動脈壁組織が軸方向へ移動しない場合、動脈壁組織は動脈の軸と垂直な径方向へのみ運動する。このため、動脈壁の各部の弾性率はその位置を通る超音波ビームによりえられる超音波エコー信号のみから求めることができる。
図８に示すように、超音波プローブ２から送信された第１の超音波ビーム２６は、生体組織３０内の動脈３１中を伝播する。動脈３１の動脈壁組織において反射した超音波の一部は超音波プローブ２へ戻り、第１の超音波エコーとして受信され、第１の超音波エコー信号が信号処理部１３へ入力される。第１の超音波エコー信号は時系列信号ｒ（ｔ）として処理され、超音波プローブ２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１の超音波ビーム２６の幅（ビーム径）は、遅延時間を変化させることにより制御することができる。
第１の超音波ビーム２６の音響線２５上に位置する動脈３１の複数の測定対象点Ｐn（Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐk・・・Ｐn、ｎは３以上の自然数）は、ある一定間隔で超音波プローブ２に近い順にＰ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐk・・・Ｐnと配列している。生体組織３０の表面を原点とする深さ方向の座標をＺ1、Ｚ2、Ｚ3、Ｚk、・・・Ｚnとすると、測定対象点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）を運動速度検出部８に設けられた位相検波部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フィルタ部を通過させる。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。この位相差から、測定対象点Ｐnの運動速度Ｖn（ｔ）が求められ、さらにこれを積分することにより、位置変位量ｄn（ｔ）を求めることができる。
図９は、測定対象点Ｐnと弾性率演算の対象組織Ｔnとの関係を示す図である。対象組織Ｔkは、隣接する測定対象点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。ｎ個の測定対象点Ｐ1・・・・Ｐnからは（ｎ−１）個の対象組織Ｔ1・・・・Ｔn-1を設けることができる。
対象組織Ｔkの伸縮量あるいは歪み量である厚さ変化量Ｄk（ｔ）は、測定対象点ＰkとＰk+1の位置変位量ｄk（ｔ）とｄk+1（ｔ）とから、Ｄk（ｔ）＝ｄk+1（ｔ）−ｄk（ｔ）として求められる。対象組織が軸方向へ運動しない場合、測定対象点の位置変位量の差が常に対象組織の伸縮量あるいは歪み量である厚さ変化量を示すことになる。
動脈壁３１の組織Ｔkの厚さの変化は、動脈壁３１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である最大厚さ変化量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は以下の式によって求めることができる。
Ｅk＝（Δｐ×Ｈk）／Δｈk （１）
弾性率は隣接する測定対象点間に限らず、複数ある測定点の任意の２点の間においても求めることができる。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。たとえば、動脈壁の内膜と外膜とにそれぞれ設定した２点間の厚さ変化量および弾性率を求めることもできる。
これまで説明してきたように、対象組織Ｔkは軸方向に運動する。このため、本実施形態の超音波診断装置では、第２の超音波ビームを用いて対象組織Ｔkの軸方向の運動速度を求め、運動速度に基づいて、上述の演算に用いる第１の超音波ビームを選択する。ただし、弾性率Ｅkを求める場合、一心周期中の厚さ変化量Ｄk（ｔ）の最大値と最小値との差である最大厚さ変化量Δｈkが分かればよく、一心周期中の連続して対象組織Ｔkの伸縮量を測定する必要はない。
図１０（ａ）〜（ｅ）は、一心周期中の動脈壁の振動速度波形、心電図波形、血流速度波形、血管内径変化波形および血管壁厚さ変化波形を示している。図１０（ｂ）に示すように心臓の駆出期は、一般に心電波形のＲ波からＴ波の期間で示される。Ｒ波の発生は、心臓が収縮を開始する時刻である。この時刻では図１０（ｃ）に示すように動脈内には血流が発生していない。このため、血流による剪断応力も生じず、図１０（ａ）に示すように動脈壁の軸方向の運動は発生しない。こうした理由から、Ｒ波の発生時あるいはその直後が、一心周期中において、もっとも血管が収縮し、血管壁も厚くなる。
Ｒ波の発生からしばらくすると、心臓の収縮によって血流が生じる。これにより図１０（ｄ）および（ｅ）に示すように、血管が拡張するとともに血管壁も薄くなる。また、血流による剪断応力が発生し、動脈壁の軸方向の運動が生じる。
図１０（ｂ）に示すように、心電波形のＴ波は、心臓の収縮末期に発生する。この時刻において血流速度は最も大きくなり、また、血管が最も拡張し、血管壁も最も薄くなる。図１０（ｆ）に示すように軸方向の変位も最大となる。その後、血流速度は徐々に低下し、心電波形のＲ波が発生する時刻まで、血管内径は徐々に小さくなり、また、血管壁も徐々に厚くなる。
図１０（ｅ）から明らかなように、血管壁の最大厚さ変化量Δｈは、心電波形のＲ波の直後およびＴ波の直後における血管壁の厚さ変化量を計測することによって得られる。したがって、弾性率を求めるためには、一心周期中のＲ波およびＴ波の発生直後の厚さ変化量がそれぞれ分かればよい。これには、厚さを規定する２つの測定点において、Ｒ波およびＴ波に同期して運動速度あるいは位置を計測すればよい。具体的には、Ｒ波およびＴ波の発生時あるいはその直後に第２の超音波ビームを送信することによって、厚さを規定する２つの測定点における軸方向の運動速度を測定し、測定結果に基づいて２つの測定点における計測結果を求めるための第１の超音波ビームを選択すればよい。
これには、例えば図１に示すように、生体信号検出器３１として、心電計を超音波診断装置２０に接続し、心電波形中のＲ波およびＴ波の検出信号を用いて第２の超音波ビームを生成させればよい。そして、これらの時刻においてのみ動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めることによって、演算量が増えることなく、動脈壁組織の正確な厚さ変化量を測定することができる。
本実施形態では、生体信号検出器３１として心電計を用い、心電波形のＲ波およびＴ波を検出したが、他の生体信号検出器を用いてもよい。例えば、心音計を用い、心臓が駆出するときに発生するＩ音および拡張に移り大動脈弁が閉鎖するときに発生するＩＩ音に同期して、第２の超音波ビームを送信してもよい。
図１１（ａ）および（ｂ）は、血管壁の厚さが最大となる時刻ｔ＝ｔ1および最小となるｔ＝ｔ2における動脈壁の対象組織の位置を説明する図である。上述したようにこれらの時刻は心電波形のＲ波が生じる直後およびＴ波が生じる直後である。これらの図においてＡ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４は互いに隣接する第１の超音波ビームおよびそのエコーから得られる第１の超音波エコー信号の位置を示している。図１１（ａ）に示すように、時刻ｔ1において、第１の超音波ビームＡ１上には、測定点の間の組織として規定される対象組織Ｔ1,1〜Ｔ1,n-1が位置している。また、それぞれの対象組織の厚さ変化量はＤ1,1（ｔ1）〜Ｄ1,n-1（ｔ1）で示される。同様に第１の超音波ビームＡ２、Ａ３およびＡ４上の対象組織および厚さ変化量はＴ2,1〜Ｔ2,n-1、Ｄ2,1（ｔ1）〜Ｄ2,n-1（ｔ1）等で示される。
図１１（ｂ）に示すように、血管壁の厚さが最小となる時刻ｔ2では、第１の超音波ビームＡ１上にあった対象組織Ｔ1,1〜Ｔ1,n-1は動脈の軸方向への運動により、第１の超音波ビームＡ３上に位置している。同様に第１の超音波ビームＡ２上にあった対象組織Ｔ2,1〜Ｔ2,n-1は動脈の軸方向への運動により、第１の超音波ビームＡ４上に位置している。このとき、対象組織Ｔ1,1〜Ｔ1,n-1およびＴ2,1〜Ｔ2,n-1厚さ変化量はＤ3,1（ｔ2）〜Ｄ3,n-1（ｔ2）およびＤ4,1（ｔ2）〜Ｄ4,n-1（ｔ2）で示される。第１の超音波ビームＡ１、Ａ２上には、時刻ｔ1において測定範囲外にあった対象組織Ｔω-1,1〜Ｔ1,n-1Ｔ、Ｔω,1〜Ｔ1,n-1Ｔが位置している。
したがって、時刻ｔ1を基準とした場合、第１の超音波ビームＡ１の対象組織Ｔ1,1〜Ｔ1,n-1の最大厚さ変化量Δｈ1,1〜Δｈ1,n-1は、それぞれＤ1,1（ｔ1）ーＤ3,1（ｔ2）〜Ｄ1,n-1（ｔ1）ーＤ3,n-1（ｔ2）で求められる。また、弾性率は、上記式（１）の関係を用いて求めることができる。血管壁の厚さが最小となる時刻ｔ2における各第１の超音波ビーム上の厚さ変化量は、各超音波ビームの反射による第１の超音波エコー信号により従来と同様の演算によって求められる。したがって、弾性率を求める演算量は、従来の方法によって弾性率を求める場合とほぼ同程度である。
このように、動脈壁の弾性率を求める場合には、動脈壁の厚さが最大となる時刻を含むフレーム期間において、超音波ビームを走査することにより得られる第１の超音波エコー信号、および、動脈壁の厚さが最小となる時刻を含むフレーム期間において、超音波ビームを走査することにより得られる第１の超音波エコー信号を軸方向の運動速度または移動変位量に基づき選択すればよい。また、動脈壁の厚さが最大となる時刻では動脈壁の軸方向へ運動が最も小さく、軸方向への移動変位量はゼロである。このため、動脈壁の厚さが最小となる時刻を含むフレーム期間あるいはそれに近接した時刻において第２の超音波ビームを送信し、得られる第２の超音波エコー信号から動脈壁軸方向の運動速度または移動変位量を求めればよい。弾性率は心周期に一致して周期的に変化するため、このような第１の超音波エコー信号の選択を心周期ごとに行えばよい。
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波診断装置の第２の実施形態を説明する。本実施形態の超音波診断装置２１は、動脈の軸方向の運動速度または移動変位量を検出し、動脈が軸方向に運動していることが検出された場合、動脈が軸方向に運動しているため、正しい計測が行えないことが操作者に分かるような表示を行う。図１２は、本実施形態による超音波診断装置２１のブロック図を示している。超音波診断装置２１は、遅延制御部３、遅延制御量記憶部４、送信部５、受信部６、受信信号記憶部７、信号処理部１３’、表示部１０、制御部１１、記憶部１２、断層画像生成部１４および表示部１０を備えている。
第１の実施形態と同様、送信部５は、超音波プローブ２の各超音波振動子１を駆動し、動脈壁組織へ第１の超音波ビームおよび第２の超音波部ビームを送信するための超音波送信信号を生成する。生成した超音波送信信号は遅延制御部３に入力され、各超音波振動子１が所定のタイミングで駆動するように遅延制御される。
動脈壁において第１の超音波ビームおよび第２の超音波ビームが反射することにより得られる超音波エコーは、超音波プローブ２の各超音波振動子１で受信され、遅延制御部３で遅延制御された後、受信部６においてそれぞれ合成および増幅される。これにより、受信部６は第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する。
信号処理部１３’は、運動速度検出部８および演算部９’を含む。運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号から、動脈壁組織の各測定点における運動速度またはその積分値である移動変位量を検出する。また、第２の超音波エコー信号から、各測定点の動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量を求める。
超音波診断装置２１により厚さ変化量または弾性率を測定する場合、一心周期中における動脈壁組織の最大厚さおよび最小厚さを正確に求めることが重要である。第１の実施形態において説明したように、動脈壁組織の厚さが最小となるとき動脈壁の軸方向への移動変位量が最大となるので、動脈壁組織の厚さが最小となる時刻を含むフレーム期間またはそれに近接した時刻において第２の超音波ビームを送信し、得られた第２の超音波エコー信号を用いて、各測定点の動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量を求めることが好ましい。
演算部９は、第１の超音波エコー信号から得られた動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量に基づき、測定点間の動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。また、演算部９は、厚さ変化量または弾性率を求めた各動脈壁組織の軸方向の運動速度または移動変位量とあらかじめ定めた閾値とを比較する。運動速度または移動変位量が閾値よりも大きい場合には、その動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を表示部１０へ出力しない。あるいは、厚さ変化量または弾性率の値が異常であることが判断できるような値、たとえば、所定の負の値と求めた厚さ変化量または弾性率の値とを入れ替える。運動速度または移動変位量が閾値よりも小さいかまたは等しい場合には、その動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を表示部１０へ出力する。
断層画像生成部１４は、受信部９から出力される第１の超音波エコー信号から断層画像を生成する。たとえば第１の超音波エコー信号の振幅強度を表示部に表示する画像の輝度情報に変換することによってＢモード断層画像を生成する。
表示部１０は、断層画像生成部１４から得られる断層画像と、演算部９’から出力される各動脈組織の厚さ変化量または弾性率とを重畳して表示する。
次に、超音波診断装置２１による計測の手順を図１３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップ１１２に示すように、送信部５を用いて超音波プローブ２から動脈血管を含む生体へ向けて超音波を送信する。送信された超音波が生体において反射することにより得られた超音波エコーは超音波プローブ２を用いて受信部６により受信される。送信される超音波には、第１および第２の超音波ビームが含まれ、これらの反射エコーにより、受信部６は第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を出力する。
ステップ１１３に示すように、信号処理部１３の運動速度検出部８は、第１の超音波エコー信号を用いて動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量を検出する。
続いて、ステップ１１４に示すように、運動速度検出部８は第２の超音波エコー信号を用いて各測定点の軸方向の運動速度を検出する。さらに移動変位量を算出してもよい。
演算部９’は、ステップ１１５に示すように、各測定点における運動速度または移動変位量から、測定点間に位置する各動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を演算する。
次にステップ１１６に示すように、厚さ変化量または弾性率を求めた各動脈壁組織の運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。閾値よりも厚さ変化量または弾性率が大きい場合、演算部９’は、その組織に対して求めた厚さ変化量または弾性率を表示部１０に表示させないよう、表示部１０へ出力をやめ、閾値よりも小さい組織に対して求めた厚さ変化量または弾性率のみを表示部１０へ出力する。一方、全ての動脈壁組織の運動速度または移動変位量が閾値よりも小さい場合には、求めた全ての動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を表示部１０へ出力する。
図１４は、超音波診断装置２１の表示部１０に表示される表示画面の一例を模式的に示している。図１４に示すように表示部１０には、計測領域の断層画像５１が示される。断層画像５１は、動脈前壁６１と、血管腔６２と、動脈後壁６３とを含む。動脈後壁６３に計測領域が設定されているため、断層画像５１の動脈後壁６３に弾性率または厚さ変化量の二次元マッピング像５２が重畳されている。
二次元マッピング像５２において、領域５２ａおよび５２ｃには、動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率がその値に応じた諧調あるいは色調で表示される。一方、領域５２ｂには、動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率が表示されておらず、動脈後壁６３の画像が現れている。このため、操作者は、領域５２ｂでは動脈壁組織が軸方向の運動しており、正しく弾性率が求められなかったことを容易に認識することができる。
このように、本実施形態によれば、動脈壁が軸方向に運動することによって厚さ変化量や弾性率が正確に計測できない部分を判定し、表示部には正確に計測できた部分のみの厚さ変化量や弾性率が表示される。したがって、操作者は、表示部に表示された情報から、正しい診断を行うことが可能となる。
なお、本実施形態では、演算部９’は動脈壁が軸方向に運動することによって厚さ変化量や弾性率が正確に計測できない部分を判定しているが、計測領域内の動脈壁組織の一部が軸方向に運動している場合、操作者にそのこと示す文字情報あるいは画像情報を表示部１０に表示し、弾性率はそのまま表示するようにしてもよい。より具体的には、図１４および図１３のステップ１１６、１１９に示すように、演算部９’は、厚さ変化量または弾性率を求めた各動脈壁組織の運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。閾値よりも厚さ変化量または弾性率が大きい組織が１つでもある場合、図１４に示すように演算部９’は表示部１０に計測が正しく行われなかったことを示す情報５３を生成し、表示部１０に信号を出力するとともに、求めた厚さ変化量または弾性率をすべて表示部１０に表示させる。このような表示をおこなっても、操作者は、正しい計測が行えなかったことを容易に判断することができる。計測が正しく行われなかったことを示す情報５３を表示するとともに、図１３に示すように、厚さ変化量や弾性率が正確に計測できない部分を判定し、その部分の弾性率は表示しないようにしてもよい。
また、軸方向に動脈壁が運動している場合、動脈壁組織の軸方向において、複数の組織における厚さ変化量または弾性率の平均を求め、平均した弾性率を表示部１０に表示してもよい。以下、図１６に示すフローチャートを参照しながらこのような形態を説明する。
図１６のステップ１１２、１１３、１１４に示すように、第１の超音波ビームおよび第２の超音波ビームを送信し、受信により得た第１の超音波エコー信号および第２の超音波エコー信号を用いて、動脈壁組織の各測定点における運動速度または移動変位量を検出する。また、第２の超音波エコー信号を用いて各測定点の軸方向の運動速度または移動変位量を算出する。
次にステップ１１６に示すように、各測定点における運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。ステップ１１８に示すように、運動速度または移動変位量が閾値より大きい測定点がある場合には、軸方向運動速度が閾値より大きい測定点にはさまれる組織については、軸方向に平均をとって厚さ変化量または弾性率の平均を求める。具体的には、まず、従来と同様にして、各測定点によって挟まれる組織の厚さ変化量または弾性率を全て求める。次に、軸方向運動速度が閾値より大きい測定点にはさまれる組織について、あらかじめ定められた数、たとえば軸方向に隣接する２つの組織に対して求められた厚さ変化量または弾性率を平均する。
図１７は、このような手順により求められた弾性率が表示された表示部１０の画面の一例を模式的に示している。図１７に示すように表示部１０には、計測領域の断層画像５１が示される。断層画像５１は、動脈前壁６１と、血管腔６２と、動脈後壁６３とを含む。動脈後壁６３に計測領域が設定されているため、断層画像５１の動脈後壁６３に弾性率または厚さ変化量の二次元マッピング像５２が重畳されている。
二次元マッピング像５２において、領域５２ａおよび５２ｄには、動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率がその値に応じた諧調あるいは色調で表示される。ただし、領域５２ｄでは、軸方向に隣接する組織における弾性率の平均が求められ、隣接する組織が１つの組織であるとして弾性率が示されている。このため、動脈壁組織が軸方向へ運動することにより生じる弾性率の演算誤差が抑制される。
平均を求める組織の数は、前述したようにあらかじめ定めておいてもよいし、動脈壁の運動速度または位置変位量に応じて設定してもよい。この場合には、たとえば図１６に示すように、ステップ１１６において各測定点における運動速度または移動変位量と閾値とを比較する。ステップ１１９に示すように、運動速度または移動変位量が閾値より大きい測定点がある場合には、そのそれぞれの測定点において、運動速度または移動変位量に基づき、軸方向に平均を求める距離を決定する。続いてステップ１１８に示すように、各測定点によって挟まれる組織の厚さ変化量または弾性率を全て求める。次に、軸方向運動速度が閾値より大きい測定点にはさまれる組織について、ステップ１１９で決定した距離に対応する数の組織に対して求められた厚さ変化量または弾性率を平均する。
図１８は、このような手順により求められた弾性率が表示された表示部１０の画面の一例を模式的に示している。図１８に示すように二次元マッピング像５２の領域５２ｅでは、運動速度または移動変位量に基づいて決定された距離に対応する組織の数、ここでは３つの組織の厚さ変化量または弾性率の平均が求められている。動脈壁の軸方向における運動速度または位置変位量に基づいて、平均を求める組織の数を決定しているため、動脈壁組織が軸方向へ運動することにより生じる弾性率の演算誤差がより抑制される。
このように本実施形態によれば、第２の超音波ビームを用いて動脈壁の軸方向における運動速度または位置変位量を求め、運動速度または位置変位量に基づいて、厚さ変化量または弾性率の表現方法を変更する。このため、操作者は、動脈壁が軸方向へ運動していることによって、厚さ変化量や弾性率が正しく求められていなことを的確に認識することができ、超音波診断装置を用いてより正確な診断を行うことができる。また、厚さ変化量または弾性率の演算には軸方向の運動を考慮しないため、演算量が増大することもなく、高性能な演算装置も必要ではない。このため、低コストで超音波診断装置を提供することが可能となる。
本発明は、生体組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置に好適に用いられる。特に、動脈の弾性率を測定することによって動脈硬化の診断を行うことのできる超音波診断装置に好適に用いられる。
本発明の超音波装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 超音波プローブから送信される超音波ビームを説明する模式図である。 図１の超音波診断装置を用いて計測を行う手順を示すフローチャートである。 生体内の動脈壁組織の軸方向への運動を説明する模式図である。 フレームごとに超音波ビームを選択する様子を説明する模式図である。 第２の超音波ビームを用いて動脈壁組織の軸方向の運動速度を求める方法を説明する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の超音波ビームおよび第２の超音波ビームを送信するタイミングを説明する模式図である。 超音波ビーム上の測定点を説明する図である。 測定点間の伸縮量を求める手順を説明する図である。 （ａ）〜（ｆ）は、それぞれ一心周期における動脈壁振動速度波形、心電波形、血流速度波形、血管内径変化、血管壁厚さ変化および軸方向変位を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、血管壁の厚さが最大となる時刻ｔ1および最小となる時刻ｔ2における動脈壁中の対象組織の位置を説明する図である。 本発明の超音波装置の第２の実施形態を示すブロック図である。 図１２の超音波診断装置を用いて計測を行う手順を示すフローチャートである。 図１２の超音波診断装置の表示部に表示される画面の一例を模式的に示している。 図１２の超音波診断装置の表示部に表示される画面の他の例を模式的に示している。 図１２の超音波診断装置を用いて計測を行う他の手順を示すフローチャートである。 図１６の手順により動作する超音波診断装置の表示部に表示される画面の一例を模式的に示している。 図１６の手順により動作する超音波診断装置の表示部に表示される画面の他の例を模式的に示している。
符号の説明
１ 超音波振動子
２ 超音波プローブ
３ 遅延制御部
４ 遅延制御量記憶部
５ 送信部
６ 受信部
７ 受信信号記憶部
８ 運動速度検出部
９ 演算部
１０ 表示部
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ 信号処理部
１４ 画像生成部
２０ 超音波診断装置
３１ 生体信号検出部
５１ 断層画像
６１ 動脈前壁
６２ 血管腔
６３ 動脈後壁
Ａ、Ａ１・・Ａｎ 第１の超音波ビーム
Ｂ 第２の超音波ビーム

Claims (13)

  1. 生体の動脈壁組織の形状特性または性状特性を測定する超音波診断装置であって、
    複数の超音波振動子を含む超音波プローブの各超音波振動子の遅延制御を行う遅延制御部と、
    前記遅延制御部の制御に基づき、前記超音波プローブが所定のフレーム期間毎に、前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するよう、前記超音波プローブを駆動する送信部と、
    前記所定のフレーム期間毎に、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を出力する受信部と、
    前記複数の第１の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点間の前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行う信号処理部と、
    を備え、
    前記信号処理部は、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、前記フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択する、超音波診断装置。
  2. 前記信号処理部は、運動速度検出部を含み、
    前記送信部は第２の超音波ビームを送信し、
    前記受信部は前記第２の超音波ビームが前記動脈壁において反射することにより得られる第２の超音波エコー信号を出力し、
    前記運動速度検出部は、前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度を求める請求項１に記載の超音波診断装置。
  3. 前記第１の超音波ビームと前記第２の超音波ビームとの偏向角度は異なっている請求項２に記載の超音波診断装置。
  4. 前記遅延制御部が所定の周期で前記遅延制御の量を偏向することにより、前記第２の超音波ビームを送信する請求項３に記載の超音波診断装置。
  5. 前記遅延制御部は、前記生体に関する生体信号を受け取り、前記生体信号の周期に同期した周期で前記遅延制御の量を偏向することにより、前記第２の超音波ビームを送信する請求項３に記載の超音波診断装置。
  6. 前記生体信号の周期は心周期である請求項５に記載の超音波診断装置。
  7. 前記第１の超音波ビームは前記動脈の軸方向に対しておおよそ垂直であり、前記第２の超音波ビームは前記動脈の軸方向と非垂直である請求項２に記載の超音波診断装置。
  8. 前記複数の測定点は二次元に配置されており、前記演算部は、前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率を二次元で求める請求項１に記載の超音波診断装置。
  9. 前記演算部の演算結果を二次元マッピング表示するための表示部をさらに備える請求項８に記載の超音波診断装置。
  10. 超音波診断装置の制御部による超音波診断装置の制御方法であって、
    超音波プローブを用いて、所定のフレーム期間毎に、前記生体の動脈の軸方向に沿った走査領域内の複数の異なる位置において、それぞれ第１の超音波ビームを送信するステップと、
    前記所定のフレーム期間毎に、前記複数の第１の超音波ビームが前記動脈の動脈壁において反射することによりそれぞれ得られる複数の超音波エコーを前記超音波プローブにより受信し、複数の第１の超音波エコー信号を得るステップと、
    前記動脈壁組織の軸方向の運動速度に基づいて、前記フレーム期間ごとに各測定点における演算のための第１の超音波エコー信号を選択するステップと、
    前記選択した第１の超音波エコー信号を用いて、前記動脈壁組織に設定された複数の測定点選ばれる少なくとも２点間における前記動脈壁組織の厚さ変化量または弾性率の演算を行うステップと、
    を包含する超音波診断装置の制御方法。
  11. 前記演算ステップは、第２の超音波ビームを前記動脈へ送信し、前記第２の超音波ビームが前記動脈壁において反射することにより得られる第２の超音波エコー信号を得るステップと、
    前記第２の超音波エコー信号に基づいて、前記動脈壁組織の軸方向の運動速度を求めるステップと、
    をさらに包含する請求項１０に記載の超音波診断装置の制御方法。
  12. 前記第２の超音波ビームを、前記生体に関する生体信号の周期に同期した周期で送信する請求項１１に記載の超音波診断装置の制御方法。
  13. 前記生体信号の周期は心周期である請求項１２に記載の超音波診断装置の制御方法。
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