JP3652791B2

JP3652791B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP3652791B2
Application number: JP16341896A
Authority: JP
Inventors: 憲賢中鉢; 浩金井; 喜郎小岩
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-06-24
Also published as: JPH105226A; US5840028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて、心臓、動脈、その他の臓器内の各部位の運動速度波形の非侵襲的計測を行なう超音波診断装置に関するものであり、特に大振幅で拍動している心筋組織に重畳している微小な運動の速度波形の計測に有用な超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断に関する技術は、日本が世界中で最も進んでいるが、国内外において、「大振幅で拍動している心筋組織の振動波形の計測」に関する研究例・診断装置の開発例はない。
【０００３】
一方、心電図と心音解析は、発明されて１００年余りの歴史があり、様々な計測と解析が行なわれてきた。しかし、（ａ）検出信号中に数十Ｈｚ以下の低周波成分しか含まれない、（ｂ）心筋などの局所性に関する情報がない、（ｃ）心臓１拍の中で信号の得られる区間が限られる、という問題がある。
【０００４】
その他の主要な従来技術については、以下に述べる。
〈ＲＦ信号に対するゼロクロス点検出法〉
心臓壁や内部組織の振動の体表面から超音波を用いて計測する方法が報告されている。超音波の対象からの反射波のＲＦ（Radio frequency)信号のゼロクロス点の移動時間から、対象の変位の計測を行なう。回路のクロック周波数を f_CLKと表すと、その値に依存して、速度推定には量子化誤差が生じる。変位波形は、速度波形をローパスフィルタリングしたものであるから、変位波形に関しては従来計測できていて誤差が目立たないとしても、速度波形に変換して考えると、計測誤差が大きいことになる。また、変位波形には、数〜十数Ｈｚ程度の成分までしか含まれないから、速度波形のように周波数スペクトル解析を行なっても意味がない。
〈組織ドプラ法〉
この技術に関しては、参考文献『特開昭６２−２６６０４０号公報（出願人：株式会社東芝）』を挙げることができる。この文献は、被検体に向けて発射した超音波パルスの反射波を受信しこの反射波に基づいた超音波画像を表示する超音波動態自動計測装置であって、反射波の任意時点における位相を検出する位相検出手段と、反射波の任意位置のサンプル点を定めるサンプル点指定手段と、反射波のサンプル点における位相差を検出しこの位相差に対応する距離だけサンプル点を移動するサンプル移動手段と、サンプル点の移動を追跡することにより被検体の動態を自動計測しディスプレイに表示する動態計測表示手段と、を備えた超音波動態自動計測装置を明らかにしている。
【０００５】
この装置では、反射波のサンプル点における位相差を検出しこの位相差に対応する距離だけサンプル点を移動しているが、サンプル点の間隔は数百μｍであり、3.５ＭＨｚの超音波の生体内での波長が約５００μｍであるから、それ以上にサンプル点を細かくしてもあまり意味がない。いずれにしてもサンプル点間の距離が数百μｍであるから、この場合の変位計測の粗さは、このオーダになり、非常に粗いものとなる。
【０００６】
この変位計測による変位波形は、速度波形をローパスフィルタリングしたものである。変位波形に関しては従来計測できていたとしても、速度波形に変換して考えると、計測誤差が大きいことになる。また、変位波形には、数〜十数Ｈｚ程度の成分までしか含まれないから、速度波形のように周波数スペクトル解析を行なっても意味がない。
【０００７】
またこの装置では、速度波形を計測する際に、超音波パルスを数個から十数個（Ｎ個とする）送信して得られた反射波をまとめて、その間の平均的ドプラシフトを求めている。従って、得られた速度波形の時間分解能が悪く、パルス送信周波数ＰＲＦのＮ分の１の標本化周波数で標本化した速度波形が得られることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の血流速度のドプラ計測では、超音波プローブから対象反射体までの距離が一定であるが、心臓壁振動の計測では、拍動に伴って、壁位置が十mm以上動くために、超音波プローブとの距離が時間とともに大きく変化する。これは心臓壁振動の計測に影響して、誤差の要因になっていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、拍動によって変動する対象物の深さ方向の局所位置を高精度にトラッキングすることにより課題の解決を図るものである。
【００１０】
図１は、本発明による超音波診断装置の原理説明図である。
【００１１】
図１において、１は超音波トランスデューサ、２は胸部表面、３は心臓壁、４は増幅器、５は直交復調器、６はＡ／Ｄ変換器、７はデータ解析処理部を示す。
【００１２】
超音波トランスデューサ１はΔＴの周期の超音波パルスにより駆動されて、超音波を胸部表面２から体内に向けて放射する。放射された超音波は、速度ｖ（ｔ）で振動している心臓壁３で反射され、反射波はトランスデューサ１で受信される。受信された反射波の超音波信号は増幅器４で増幅され、直交復調器５で検波されて、検波出力信号はＡ／Ｄ変換器６によりサンプリング周期Ｔｓでディジタルデータに変換されたあと、データ解析処理部７に入力される。
【００１３】
データ解析処理部７では、時刻ｔにおける深さｘの対象物からの反射波の検波波形ｙ（ｘ；ｔ）と、ΔＴ秒後のパルス送信波に対する反射波の検波波形ｙ（ｘ；ｔ＋ΔＴ）に関して、その間の位相偏移∠β（ｔ＋ΔＴ／２）を検出し、対象物が、ΔＴ秒間に移動した距離を算出する。その際に、雑音に対して強くするために、時刻ｔと時刻ｔ＋ΔＴの２つの波形が、振幅は変化せず位相と反射波位置のみが変化するという制約の下で、以下に述べる式の最小２乗整合を行なって、その間の位相偏移∠β（ｔ＋ΔＴ／２）を検出し、さらに振動速度ｖ（ｔ）を求める。
（２−１）位相差の算出の高精度化
図２は、反射波の検波波形（複素波形）のモデルを示す波形図であり、図中の（ａ）は時刻ｔの信号ｙ（ｘ；ｔ）を示し、（ｂ）は時刻（ｔ＋ΔＴ）における次の信号ｙ（ｘ；ｔ＋ΔＴ）を示している。また、□マークは実数成分、×マークは虚数成分を示す。
【００１４】
検波波形ｙ（ｘ；ｔ）に対して、ΔＴ秒後には対象が、δ_xだけ移動したと仮定すると、検波波形ｙ（ｘ；ｔ）とｙ（ｘ＋δ_x；ｔ＋ΔＴ）に関して、振幅は変化せず位相のみが、Δθ（δ_x）だけ変化したものとすれば、２つの波形間の整合をとったときの整合誤差α（Δθ（δ_x）；δ_x）は、次式で与えられる。
【００１５】
【数１】

【００１６】
ここで、ｘ∈Ｒは、領域Ｒの範囲のｘに関して和を計算する意味である。この整合誤差α（Δθ（δ_x）；δ_x）を最小にするδ_xを求める必要があるが、δ_xだけ波形ｙ（ｘ；ｔ＋ΔＴ）を移動させたときに、波形の区間Ｒ内に含まれるパワーが変化してしまうかも知れない。したがってそのパワーを正規化するために、式（１）の右辺は、分母の２つの波形の平均パワーで割っている。
【００１７】
なお、図３に整合誤差の値のδ_xに関する変化の様子を示す。図中の（ａ）は、整合の際に位相と振幅の両方が変化することを許した場合であり、真値δ_x＝−５以上の値に対して、いたるところで最小値をとってしまう。また図中の（ｂ）は、整合の際に位相の変化だけを許した場合であり、真値δ_x＝−５で唯一の最小値をとる。
【００１８】
あるδ_xに対して、式（１）を最小にするΔθ（δ_x）を求めるために、α（Δθ（δ_x）；δ_x）を、Δθ（δ_x）で偏微分した式を零とおくことによって、α（Δθ（δ_x）；δ_x）を最小にする最適なΔθ（δ_x）は、
exp｛ｊΔθ( δ_x) ｝＝ exp（ｊ∠Ｃ（δ_x) ）・・・・・（２）
と得られる。ここで、Ｃ（δ_x）は次式で与えられる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
また、∠Ｃ（δ_x）は、複素数Ｃ（δ_x）の位相を表す。＊は複素共役を表す。
【００２１】
さらに上記の演算を、ある範囲内でδ_xを変更してその都度求め、その中で最小の整合誤差となる
【００２２】
【数３】

【００２３】
と、そのときの
【００２４】
【数４】

【００２５】
を算出する。その結果得られた
【００２６】
【数５】

【００２７】
を用いると、この区間ΔＴでの平均的速度
【００２８】
【数６】

【００２９】
を次式によって算出できる。
【００３０】
【数７】

【００３１】
ここでΔＴはパルス送信間隔、ω_o＝２πｆ_oは送信した超音波の角周波数、ｃは音の伝搬速度を表す。
（２−２）トラッキングの高精度化
さらにこの速度値
【００３２】
【数８】

【００３３】
にΔＴを掛けることによって、時間ΔＴにおける対象物の変位量
【００３４】
【数９】

【００３５】
を求める。
【００３６】
【数１０】

【００３７】
この変位量
【００３８】
【数１１】

【００３９】
を前の時刻ｔにおける対象物の位置ｘ（ｔ）に加えることによって、次の時刻における対象物の位置を仮想的に予測できる。
【００４０】
【数１２】

【００４１】
これが、トラッキング軌跡ｘ（ｔ）となる。速度が0.０１ｍ／ｓ、ΔＴ＝２５０μｓのとき、変位幅は2.５μｍとなり、図４の（Ａ）に示される従来のＰＬＬに基づいたゼロクロス点検出による手法と図４の（Ｂ）に示される本発明の手法とを対比することにより明らかなように、本発明によれば得られる空間分解能を従来の数倍以上に向上できる。
【００４２】
図５は、図４の（Ａ）に示す従来のＰＬＬに基づく手法と図４の（Ｂ）に示す本発明の手法での、対象反射体の速度計測における計測精度と計測限界を示す説明図である。従来のＰＬＬに基づく手法では、ΔＴ間での対象物の変位を内部クロック f_CLKの回路で検出した場合、空間分解能は１／ f_CLK×Ｃｏ／２となり、量子化誤差が大きいことが分かる。
（２−３）本計測法の特長
本発明によって計測可能となった心筋の微小振動波形は、
(a) 数百Ｈｚまでの高い周波数成分を再現性良く計測されており、
(b) 超音波ビームの集束によって心筋や動脈壁上の１〜２mmの局所の弾性特性を得ることができ、
(c) 心臓１拍の中であらゆる時相で成分が得られ、
(d) 周波数スペクトル解析可能である
等の点で従来にない優れた特徴がある。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、心筋梗塞部位の位置・範囲の同定、その程度に関する定量的な診断情報など、全く新しい情報を実時間でかつ非観血的に体表から決定することができる。従って、本発明者らにより先駆的に開発された、心筋の微小振動の計測と解析に関する研究は、従来の膨大な心電図や心音の研究に替わる全く新しい学問領域となる可能性がある。また外部加振と組み合わせれば、肝臓などの静止臓器や動脈壁の組織診断への応用も可能であり、非侵襲的組織診断への貢献度は図り知れない。
【００４４】
また左心室拡張末期圧は、心臓疾患の診断上、重要な指標であるが、従来は、心臓カテーテル法という観血的な手法しか有効な方法はなかった。この問題に対して、本申請者は、非侵襲的に計測された心臓壁の微小振動の診断への応用の一つとして、高精度スペクトル解析によって、心室の固有振動周波数を決定し、左心室拡張末期圧を非侵襲的に高精度計測できる画期的な方法を提案し、実験的に妥当性を示している。これも、医用工学の分野において極めて重要な成果と言える。
【００４５】
さらに、上記の手法を応用すれば、動脈壁上の数mm離れた２点での微小振動の同時計測と解析ができ、血管壁を伝搬する圧力波の伝搬遅延時間を算出することによって、動脈壁の局所の弾性的特性を非侵襲的に評価できる。これらは、今後の動脈硬化の早期診断に非常に重要な手段となり得る。
【００４６】
従って、本発明者らが独自に開発してきたこれらの診断法は、工学と医学両面において独創的であると同時に、今後大きな発展が期待される領域であり、急増している心筋梗塞等の疾患に対する、早期診断・予防制圧に必要不可欠な画期的手法となることが期待でき、社会的意義も大きい。
（３−１）心振動データの計測と心臓機能のマクロな解析
被験者は、３人の２０代男性正常者と、慢性白血病の治療のためのアントラサイクリン系制癌剤の投与を受けている３人の２０代患者である。このアントラサイクリン系制癌剤は、最も制癌作用が強力で完全寛解率の高い薬剤であるため臨床的に頻繁に用いられているが、同時に心筋障害性も有し、ある用量以上では不可逆的な心不全を来たし、投与開始と共に繰り返し心筋障害の有無の程度を正確に把握することが強く望まれている。本報告ではこの制癌剤の投与による心筋障害が心臓壁の微小振動の変化から検出し得るかを検討する。
【００４７】
まず、２３歳男性心筋症患者の計測時のＢモード（断層像）を図６に示す。図は、心室中隔壁右室（ＲＶ）側Ａ点、左室（ＬＶ）側Ｂ点付近の超音波断層像を示しており、超音波ビームはほぼ中隔壁に垂直に入射している。
【００４８】
また、本計測システムで得られた心室中隔壁の右室側Ａ点と左室側Ｂ点の振動波形ｖ_A（ｔ），ｖ_B（ｔ）、心電図、心音図を図７と図８に示す。各図において、超音波ビームは心室中隔壁にほぼ垂直である。図７において、（ａ）はＭモード図にトラッキング結果
【００４９】
【数１３】

【００５０】
を重ねて示したもの、（ｂ）は心電図、（ｃ）は心音図、（ｄ），（ｅ）は心室中隔壁の右室側Ａ点、左室側Ｂ点の各速度波形
【００５１】
【数１４】

【００５２】
である。また（ｆ）は、中隔壁の厚みの変化
【００５３】
【数１５】

【００５４】
を示す。
【００５５】
また図８では、（ａ）は心電図、（ｂ）は心音図、（ｃ），（ｄ）は心室中隔壁の右室側Ａ点と左室側Ｂ点の速度波形
【００５６】
【数１６】

【００５７】
を示す。これらは、心電図Ｒ波に基づいて切り出し５拍分を重ねて表示しているが、ほぼ再現性がある。
【００５８】
次に上記の６人の被験者に関する心室中隔壁の左室側境界上の速度波形に関して、II音を中心とする駆出期末期〜等容性弛緩期〜急速充満期のタイミングで切り出した結果とその平均パワースペクトルを図９と図１０に示す。
【００５９】
図９において、左側は２０代男性正常者３人の心室中隔壁の左室側微小振動の心音II音付近の波形を数拍分重ねて表示したもので、右側は速度波形の平均パワースペクトルである。縦棒は、数拍間でのパワーの最大値と最小値の範囲を示している。１００Ｈｚまではほぼ再現性があることが別途定量的に確認されている。
【００６０】
図１０では、左側が心筋症患者３人の心室中隔壁の左室側微小振動のII音付近の波形を数拍分重ねて表示したもので、右側は各々の速度波形の平均パワースペクトルを示す。（ａ）は３２歳男性（８拍分）で、死亡する２ケ月前のもの、（ｂ）は（ａ）と同じ患者（８拍分）で（ａ）より３ケ月前のもの、（ｃ）は２３歳男性（５拍分）、（ｄ）は２５歳女性（６拍分）の患者のものである。
【００６１】
図９に示す正常者は３人ともに、波形が類似しており、また同様なパワースペクトルが得られている。それに対し、図１０の患者では、図（ｄ）の波形振幅は明確に小さくなり、またすべてのスペクトルにおいて特に百Ｈｚまでの成分のパワーが数〜十ｄＢ減少している。このパワーの減少は、心筋機能の低下に対応するものと考えられる。
（３−２）心筋の厚みの変化の計測と心筋機能のミクロな解析
心室中隔壁の局所心筋の厚みの変化の計測結果を図１１に示す。図中、（ａ）は心電図、（ｂ）は心音図、（ｃ）はＭモード図、（ｄ）はＭモード図に中隔壁の深さ方向（ depth ）にほぼ0.７５mm間隔でとった局所の点ｉのトラッキングの結果得られた各点の変位波形
【００６２】
【数１７】

【００６３】
を重ねたもの、（ｅ）は各トラッキング軌跡
【００６４】
【数１８】

【００６５】
上の運動速度波形
【００６６】
【数１９】

【００６７】
、（ｆ）は中隔壁の右心室側の点をトラッキングして得られた変位波形
【００６８】
【数２０】

【００６９】
との差をとることによって算出した、中隔壁心筋内部の深さ方向の局所ごとの厚みの時間変化
【００７０】
【数２１】

【００７１】
を示す。（ｇ）は（ｄ）のトラッキング結果に、運動速度の空間差分結果の絶対値
【００７２】
【数２２】

【００７３】
の大きさで濃淡表示している。このように、心筋内部の局部ごとに、厚みの変化をどれだけ出しているのかを評価することができる。
【００７４】
図１２は、図１１に示した心室中隔壁の局所心筋の厚みの変化の計測結果の最初の１拍分を拡大表示したものである。図１２において、（ａ）は心電図、（ｂ）は心音図、（ｃ）はＭモード図、（ｄ）は深さ方向（ depth ）の局所各点のトラッキング軌跡（変位波形）
【００７５】
【数２３】

【００７６】
上の運動速度波形
【００７７】
【数２４】

【００７８】
、（ｅ）は右心室側のトラッキング結果（変位波形）
【００７９】
【数２５】

【００８０】
との差をとることによって算出した、中隔壁心筋内部の局所ごとの厚みの時間変化
【００８１】
【数２６】

【００８２】
、（ｆ）はトラッキング結果に、運動速度の空間差分結果を絶対値
【００８３】
【数２７】

【００８４】
の大きさで濃淡表示したものである。
（３−３）心筋局部ごとに消費する運動エネルギーの評価
図１３は、心室中隔壁内の心筋の運動速度波形の計測結果の５拍分を心電図Ｒ波のタイミングで切り出して重ね表示している。（ａ）は心音図、（ｂ）は心電図、（ｃ）は図１１の（ｄ）の各トラッキング軌跡（変位波形）
【００８５】
【数２８】

【００８６】
上の運動速度波形
【００８７】
【数２９】

【００８８】
である。これらのトラッキングはほぼ1.５mm間隔に行なわれている。これらの運動速度波形の空間差分
【００８９】
【数３０】

【００９０】
をとれば、心筋の厚み変化の速度波形が得られる。この速度値の２乗に、その範囲の心筋の密度または、質量を掛けて、２で割ることによって、その心筋の瞬時の運動エネルギーが算出できる。これは、冠状動脈からその心筋組織に送られる酸素と養分の化学エネルギーに対応するから、この運動エネルギーによって、心筋のアクティビティーの非侵襲的評価が可能となる。
（４）動脈壁の厚みの変化の計測と半径方向の弾性率の非侵襲的計測
動脈壁に運動速度波形も、図１４に示すように、従来計測されていた波形よりも高精度に計測することが可能である。図１４は、２２歳、男性で健常者の腹部大動脈動脈壁上２点における壁の微小振動速度ｖ₁，ｖ₂を算出したものである。さらに、これらのｖ₁（ｔ），ｖ₂（ｔ）両波形の差をとり、時間積分することで厚み変化ｈ（ｔ）が求まる。
【００９１】
さらに、図１５に示すように、動脈壁の厚みの変化ｈ（ｔ）の計測ができ、血圧計で計測した内圧値ｐ（ｔ）を組み合わせれば、動脈壁の半径方向の弾性率Ｅ_rの算出が可能である。管腔ｄ（ｔ）、壁厚ｈ（ｔ）の心臓一拍中での時間変化の測定から、壁厚ｈ（ｔ）の時間変化の計測を行ない、径方向のヤング率Ｅ_rを次のように算出することが可能となる。
【００９２】
【数３１】

【００９３】
これは、従来のＥ_θとは異なる、新しい動脈硬化の指標となる。
（５）心臓壁振動の解析による心内圧の非侵襲的計測
心内圧は、心臓の診断において非常に重要な尺度である。特に左心室の拡張末期圧は、心機能を把握・評価する上で必要不可欠であるが、通常１０〜２０mmＨｇの値をとり、上腕動脈では計測できない。そこで現在までのところ、拡張末期圧の測定には、心臓カテーテル法が用いられており、上腕または下肢の動脈を切開し、小型圧力センサを動脈を介して心室まで挿入している。この測定は正確な心内圧値が得られるが、観血的であるため、病院の外来やベッドサイドなどで繰り返し適用することができない。
【００９４】
そこでここでは、超音波を用いて非侵襲的に計測できる心臓壁の微小振動をスペクトル解析することによって、心室の固有振動周波数を決定し、さらに、心臓壁の厚み、半径などの幾何学的計測値と組み合わせることによって、左心室拡張末期圧を非侵襲的に計測するための新しい方法を提案する。in vitroでの実験データに適用し、定量的に評価した結果、２〜３mmＨｇ以下の誤差で左心室拡張末期圧を非侵襲的に計測できることを示している。これは、医用工学、音響工学、循環器内科学において極めて画期的な成果と言える。
〈非侵襲的心内圧測定の原理〉
左心室心筋弾性値を求めるMirskyの方法によれば、左心室を内径ｒ［ｍ］、左心室壁厚ｈ［ｍ］の弾性球殻と仮定した左心室心筋の硬さＥ_q［Ｐａ］と、左心室内腔の時刻ｔにおける圧力ｐ（ｔ）［Ｐａ］は、次の関係式で表される。
【００９５】
【数３２】

【００９６】
ここで、Ｖは左心室内腔の体積、Ｖ_wは左心室壁の体積、σ_mは壁の厚さ方向の中心における左心室壁応力［Ｐａ］である。また、α，βはｄｐ（ｔ）／ｄＶがαｐ（ｔ）＋βと表現されるときの係数であり、経験的にαはαＶ＝１ｎ（ｐ（ｔ）／５7.３２）から計算でき、また、βは小さく無視できる。
【００９７】
一方、東北大学の本田、小岩らは、左心室を弾性球殻と近似し、自由振動しているときの心筋弾性値Ｅが次式によって近似できることを実験的に示した。
【００９８】
Ｅ＝8.７×１０⁴ｒ²ｆ（ｔ）² (10)
ここで、ｆ（ｔ）は左心室のmode２の固有振動数［Ｈｚ］である。よって、左心室内径ｒ、左心室壁厚ｈ、固有振動数ｆ（ｔ）が与えられれば、式（９）の左心室心筋の硬さＥ_qと式(10)の弾性値Ｅが等しいと仮定した式を解くことにより、左心室内腔の圧力ｐ（ｔ）を算出できる。
〈固有振動数決定のためのスペクトル解析〉
時刻ｔにおける左心室内圧ｐ（ｔ）を推定する際に必要な左心室の内径ｒと壁厚ｈは超音波診断装置により容易に測定できる。一方、固有振動の周波数ｆ（ｔ）の瞬時値を推定するためには、心臓壁上の心振動ｓ（ｔ）が非定常であるため、時間・周波数解析を行なう必要がある。本論文ではそのため、ウェーブレット変換を用いて、非定常な心臓壁振動のスペクトル解析を行なった。
【００９９】
このようなウェーブレット変換を用いた心臓壁上の微小振動ｓ（ｔ）のスペクトル解析から得られる時間−周波数分布には、（１）左心室のmode２以外の様々な振動成分が含まれていると考えられること、（２）各々のスペクトル解析法、採用される窓関数などの信号解析精度は個々に特徴を持っているなどの理由により十分注意して固有振動の周波数ｆ（ｔ）を決定する必要がある。
【０１００】
そこで、ここでは心臓壁上微小振動のmode２の周波数範囲がほぼ２０Ｈｚ以上であることを考慮し、各時刻ｔごとに得られたパワースペクトル｜Ｔ′ψ（ｔ，ｆ）｜²がその分布の各時刻ｔごとに周波数範囲２０〜８０Ｈｚにおいて最大（極大）となる周波数を、心臓壁のmode２に関する瞬時の固有振動の周波数ｆ（ｔ）と決定している。
〈in vitro実験による心内圧計測法の評価〉
加速度ピックアップで計測したイヌの摘出心臓の左心室背面中心部の微小振動ｓ（ｔ）のデータを用いて、拡張末期における左心室内圧推定を行なった。図１６に、その心内圧推定結果を示す。
【０１０１】
図１６において、（ａ）は心電図、（ｂ）は心振動、（ｃ）は時間・周波数分布｜Ｔ′ψ（ｔ，ｆ）｜²上に固有振動数｛ｆ（ｔ_i）｝を重ねて表示したもの、（ｄ）は心内圧（実線はカテーテルによる実測値ｐ（ｔ）、□マークは本手法による拡張末期における内圧推定値
【０１０２】
【数３３】

【０１０３】
である。
【０１０４】
基本ウェーブレットとしてはmodulated Gaussianψ_M(t),Hanning Gaussian ψ_H(t),second derivative of a Gaussian ψ_sG(t) を採用し、評価実験をしている。
【０１０５】
図１６（ｃ）は、心振動波形ｓ（ｔ）に対してψ_M(t)(ｍ＝６）を適応し解析したときの時間−周波数分布｜Ｔ′ψ（ｔ，ｆ）｜²と、Ｒ波より１５ｍｓ前から５ｍｓ間隔ごとに７５ｍｓにわたって求めた固有振動数｛ｆ（ｔ_i）｝（ｉ＝１，２，・・・，１５）を示している。また図１６（ｄ）は、カテーテルを用いて測定した左心室内圧の実測値ｐ（ｔ）と、本手法で得られた拡張末期付近における推定値
【０１０６】
【数３４】

【０１０７】
を示している。これらの結果から、基本ウェーブレット関数としてmodulated Gaussianψ_M(t) を用いた場合はほぼ正確に左心室内圧を推定できると言える。
【０１０８】
さらに、それぞれの基本ウェーブレット関数において変数を変化させながら、mode２の固有振動数に関して拡張末期付近でＳ／Ｎの良好なタイミングで心内圧計測の評価をするために、１拍につき１５点の固有振動数｛ｆ（ｔ_i）｝の中で最もパワーが大きくなる時刻ｔ_maxにおける実測値ｐ（ｔ_max）と推測値
【０１０９】
【数３５】

【０１１０】
の差の平均値Δｐ_maxと標準偏差σ_maxを心振動１６拍分に対して求めた結果を図１７に示す。これより、Δｐ_maxとσ_maxはともに数mmＨｇ以下と非常に小さく、左心室内圧が非常に高精度で推定されていると言える。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明によれば、心臓壁振動の計測において、拍動に伴って壁位置が十mm以上動いて超音波プローブとの距離が時間とともに大きく変化しても、これに影響されることなく、心筋の微小振動波形を精度よく計測することが可能となる。また同時に、心筋の厚み変化の速度波形が得られるため、心筋の瞬時の運動エネルギーを算出することができ、心筋のアクティビティーの非侵襲的評価を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波診断装置の原理説明図である。
【図２】反射波の検波波形のモデルを示す波形図である。
【図３】整合誤差の変化の様子を示すグラフである。
【図４】従来のＰＬＬに基づく手法と本発明の手法による対象反射体の速度計測における計測限界の説明図である。
【図５】従来のＰＬＬに基づく手法と本発明の手法での速度計測における計測精度と計測限界の説明図である。
【図６】心筋症患者のＢモードの断層像を示す説明図である。
【図７】心室中隔壁の運動速度波形の計測結果を示す波形図である。
【図８】心室中隔壁の運動速度波形の計測結果を示す拡大波形図である。
【図９】正常者の心室中隔壁の左室側微小振動の速度波形とパワースペクトルの波形図である。
【図１０】心筋症患者の心室中隔壁の左室側微小振動の速度波形とパワースペクトルの波形図である。
【図１１】心室中隔壁の局所心筋の厚みの変化の計測結果を示す波形図である。
【図１２】心室中隔壁の局所心筋の厚みの変化の計測結果を示す拡大波形図である。
【図１３】心室中隔壁内の心筋の運動速度波形の計測結果を示す波形図である。
【図１４】腹部大動脈動脈壁上２点での算出された微小振動速度を示す波形図である。
【図１５】管腔と壁厚の心臓一拍中での時間変化の測定の説明図である。
【図１６】心内圧推定結果を示す説明図である。
【図１７】拡張末期付近での最大パワー時点における心内圧推定値の誤差の説明図である。
【符号の説明】
１：超音波トランスデューサ
２：胸部表面
３：心臓壁
４：増幅器
５：直交復調器
６：Ａ／Ｄ変換器
７：データ解析処理部

Claims

超音波を体内臓器の対象物に向けて放射し、対象物から反射される超音波信号を検波してその検波信号を解析し、対象物の位置及び運動を計測する超音波診断装置であって、
上記検波信号の振幅及び位相を用いて上記対象物の瞬時的な位置を決定し、心臓拍動に基づく該対象物の大振幅変位運動を精密にトラッキングする大振幅変位運動解析手段と、
上記大振幅変位運動解析手段により得られた対象物の大振幅変位運動の順次の位置に基づき、該対象物の大振幅変位運動に重畳されている微小振動の運動速度波形を求める微小振動解析手段と、
上記対象物の内部に深さ方向に所定間隔でとられた局所ごとのトラッキング軌跡を求めて、該局所ごとの厚みの時間変化を算出する厚み変化解析手段と、
を備えていることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１において、大振幅変位運動解析手段は、時刻ｔと時刻ｔからΔＴだけ後の時刻（ｔ＋ΔＴ）のそれぞれに放射される超音波に対する２つの反射波の波形について、それぞれの振幅は変化せず、位相と反射位置のみが変化するという制約のもとで、最小２乗法により位相差を検出することを特徴とする超音波診断装置。
請求項１において、上記大振幅変位運動の振幅は１０mm以上であり、また上記微小振動は数百Ｈｚまでの周波数帯域のものであることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１において、上記微小振動解析手段は、さらに、微小振動の周波数スペクトル解析を行なうことを特徴とする超音波診断装置。