超音波測定装置および超音波治療システム
【課題】超音波を利用して生体内の温度変化を検出する装置の改良構成を提供する。
【解決手段】治療用振動子１４により、比較的強力な超音波の送信ビームＢ１，Ｂ２が形成され、測定ポイントＰ１，Ｐ２が設定される。そして、測定用振動子１２を利用した超音波の送受信により測定ポイントＰ１，Ｐ２の各々についての境界データが形成される。さらに、その境界データに基づいて測定ポイントＰ１，Ｐ２が追跡され、測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔の変化が計測される。その間隔の変化から、組織の膨張収縮や組織内における音速の変化が確認され、治療領域１００の温度変化が検出される。
【解決手段】治療用振動子１４により、比較的強力な超音波の送信ビームＢ１，Ｂ２が形成され、測定ポイントＰ１，Ｐ２が設定される。そして、測定用振動子１２を利用した超音波の送受信により測定ポイントＰ１，Ｐ２の各々についての境界データが形成される。さらに、その境界データに基づいて測定ポイントＰ１，Ｐ２が追跡され、測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔の変化が計測される。その間隔の変化から、組織の膨張収縮や組織内における音速の変化が確認され、治療領域１００の温度変化が検出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内の温度変化を検出する超音波測定装置および超音波治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
強力集束超音波（ＨＩＦＵ）やラジオ波を利用し、生体内の悪性腫瘍等を加熱して生体を治療する焼灼治療装置が実用化されている。焼灼治療装置では、悪性腫瘍等を含んだ治療領域を例えばセ氏６５度程度に加熱する。しかし、必要以上の加熱、例えばセ氏９０度程度以上の加熱は、細胞組織を沸騰させてしまうことなどが懸念され、生体にとって好ましくない。そのため、焼灼治療装置を利用した治療においては、治療領域の温度を確認しつつ治療領域を加熱することが望ましい。
【０００３】
こうした背景において、生体内の温度を確認するために超音波を利用した技術がいくつか提案されている。例えば、特許文献１，２には、超音波を利用して組織の温度を確認する旨の装置が提案されている。また、生体内の温度を確認する際の原理として、非特許文献１には、組織の温度膨張に注目し、２点間の距離の変化から確認される組織の膨張に基づいて、温度の変化を検出する旨の原理が紹介されている。さらに、非特許文献２には、組織内における音速の温度依存性が紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７３５２８０号公報
【特許文献２】特開２００５−５３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Eunsol Baek and Jongbum Seo,“Temperature Estimation in HIFU with Lateral Speckle Tracking”, 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium.
【非特許文献２】U.Techavipoo et al,“Temperature dependence of ultrasonic propagation speed and attenuation in excised canine liver tissue measured using transmitted and reflected pulses”,J.Acoust.Soc.Am.115(6),June 2004,p2859-2865.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、超音波を利用して生体内の温度変化を検出する技術について研究開発を重ねてきた。特に、非特許文献１に紹介された組織の温度膨張や非特許文献２に紹介された音速の温度依存性などの原理に注目した。
【０００７】
本発明は、上述した研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、超音波を利用して生体内の温度変化を検出する装置の改良構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的にかなう好適な超音波測定装置は、生体に対して超音波を送受する振動子と、振動子を制御することにより、生体内にある複数の測定ポイントの各々に対して複数の超音波ビームを形成する送受信部と、各超音波ビーム内において各測定ポイントの境界を特定することにより、各測定ポイントごとに複数の境界点を得る境界特定部と、各測定ポイントごとに、前記複数の境界点に基づいてその測定ポイントの境界に関する形状データを得る形状特定部と、各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することによりその測定ポイントを追跡する測定ポイント追跡部と、追跡された複数の測定ポイント間における間隔の変化に基づいて生体内の温度変化を検出する温度変化検出部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
望ましい具体例において、前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記測定ポイント間の距離の変化から、生体内組織の膨張収縮を確認して、生体内の温度変化を検出する、ことを特徴とする。
【００１０】
望ましい具体例において、前記温度変化検出部は、超音波ビーム方向における前記測定ポイント間の時間的な間隔の変化から、生体内における音速変化を確認して、生体内の温度変化を検出する、ことを特徴とする。
【００１１】
望ましい具体例において、前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記距離の変化から生体内組織の膨張収縮量を算出し、当該膨張収縮量に基づいて、超音波ビーム方向における膨張収縮に伴う誤差を補正して、生体内における音速変化量を算出する、ことを特徴とする。
【００１２】
望ましい具体例において、前記形状特定部は、各測定ポイントごとに、前記形状データとして複数の境界点を結ぶ境界線データを形成する、ことを特徴とする。
【００１３】
望ましい具体例において、前記測定ポイント追跡部は、各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士の相関演算により形状データの変位後の位置を特定してその測定ポイントを追跡する、ことを特徴とする。
【００１４】
また上記目的にかなう好適な超音波治療システムは、前記超音波測定装置と、生体に対して超音波を送波して生体内を加熱する治療用振動子と、治療用振動子を送信制御して生体内の互いに異なる複数の箇所を焦点として超音波を送波させることにより、当該複数の箇所における組織の性状を変化させて当該複数の箇所を前記複数の測定ポイントとする治療用送信部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、超音波を利用して生体内の温度変化を検出する装置の改良構成が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することによりその形状データに対応した測定ポイントが追跡される。これにより、例えば、超音波ビームに対して直交する方向における測定ポイント間の距離の変化から、生体内組織の膨張収縮が確認され、生体内の温度変化が検出される。また、例えば、超音波ビーム方向における測定ポイント間の時間的な間隔の変化から、生体内における音速変化が確認され、生体内の温度変化が検出される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明において好適な超音波の送受信制御を説明するための図である。
【図２】境界線データを説明するための図である。
【図３】境界線データに基づいた測定ポイントの追跡を説明するための図である。
【図４】測定ポイント間の間隔の計測を説明するための図である。
【図５】測定ポイント間の時間的な間隔の計測を説明するための図である。
【図６】本発明の実施において好適な超音波治療システムを示す図である。
【図７】強力超音波の照射制御を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明において好適な超音波の送受信制御を説明するための図である。複合型振動子１０は、測定用振動子１２と治療用振動子１４で構成されている。測定用振動子１２は、超音波を送受する複数の振動素子を備えている。そして、これら複数の振動素子が制御され、生体に対して超音波の送信ビームが形成され、受信ビームに沿って受信信号が得られる。なお、測定用振動子１２として、例えば、公知の超音波診断装置が備える超音波振動子を利用してもよい。
【００１９】
一方、治療用振動子１４は、比較的強力な超音波を送波する複数の振動素子を備えている。そして、これら複数の振動素子が制御され、生体に対して比較的強力な治療用の送信ビームが形成される。治療用振動子１４は、測定用振動子１２の外側に配置される。また治療用振動子１４を構成する複数の振動素子は、例えば、外側のものほど深さ方向に突出して配置される。なお、治療用振動子１４として、例えば、公知の強力集束超音波（ＨＩＦＵ）を送波する焼灼治療装置が備える超音波振動子を利用してもよい。
【００２０】
測定用振動子１２と治療用振動子１４は、１次元的に配列された複数の振動素子で構成されてもよいし、２次元的に配列された複数の振動素子で構成されてもい。２次元的に配列された複数の振動素子で構成される場合には、例えば、測定用振動子１２の振動子面と治療用振動子１４の振動子面が同心円状に形成され、同心円の中心に円状の測定用振動子１２が配置され、それを取り囲むように環状の治療用振動子１４が設けられる。
【００２１】
治療用振動子１４は、生体内の治療領域１００を目標として比較的強力な超音波を送波する。例えば、悪性腫瘍等を含んだ治療領域１００の中心位置を焦点とするように送信ビームが形成され、比較的強力な超音波により治療領域１００を加熱して悪性腫瘍等を焼灼する。治療領域１００は、例えば、深さ方向に１０ｍｍ程度、深さ方向に垂直な横方向に５ｍｍ程度の大きさである。この焼灼においては、治療領域１００が例えばセ氏６５度程度に加熱される。しかし、必要以上の加熱、例えばセ氏９０度程度以上の加熱は、細胞組織を沸騰させてしまう等の理由から好ましくない。そこで、本実施形態においては、超音波を利用して治療領域１００の温度変化が確認される。その温度変化の確認において、複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２が利用される。
【００２２】
複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２は、治療領域１００内あるいは治療領域１００の近傍にあり、後に説明するエコートラッキング処理に利用される。そのため、複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２の各々は、その周辺の組織に比べて超音波の強い反射スポットであることが望ましい。本実施形態においては、治療用振動子１４を利用して、生体内に複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２が形成される。
【００２３】
つまり、治療用振動子１４により、測定ポイントＰ１となる箇所を焦点として、比較的強力な超音波の送信ビームＢ１が形成され、この送信ビームＢ１により焦点における組織の性状を変化させ、測定ポイントＰ１が形成される。治療用振動子１４が備える複数の振動素子を制御することにより、送信ビームＢ１の方向や焦点の位置（深さ）を調整することにより、その制御の範囲内において任意の位置に測定ポイントＰ１を形成することができる。例えば、測定用振動子１２を利用して治療領域１００を含むＢモード画像を形成して、医師等のユーザがそのＢモード画像を確認し、測定ポイントＰ１の位置を決定するようにしてもよい。
【００２４】
同様に、治療用振動子１４により、測定ポイントＰ２となる箇所を焦点として、比較的強力な超音波の送信ビームＢ２が形成され、この送信ビームＢ２により焦点における組織の性状を変化させ、測定ポイントＰ２が形成される。測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２は、例えば、治療領域１００の中心を挟むように、Ｙ軸方向の互いに異なる深さに且つＸ軸方向の互いに異なる位置に形成される。例えば、測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２を結ぶ直線が超音波ビーム方向（深さ方向）であるＹ軸方向に対して３０〜６０度程度の角度で交差するように、測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２が設定される。
【００２５】
治療用振動子１４を利用して測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２が形成されると、測定用振動子１２を利用して測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔が測定される。この測定においては、公知のエコートラッキング処理が利用される。なお、例えば、治療領域１００内あるいは治療領域１００の近傍に、エコートラッキング処理に好適な比較的硬い組織等があれば、既に存在するそれらの組織等を複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２として利用してもよい。
【００２６】
本実施形態においては、エコートラッキング処理により、測定ポイントＰ１，Ｐ２の境界に対応した境界点を追跡する。エコートラッキング処理においては、複数のトラッキング用の超音波ビームが利用される。トラッキング用の超音波ビームは、超音波画像の形成に利用される複数の超音波ビームの中から選択されてもよいし、超音波画像用の超音波ビームとは別に、トラッキング用の超音波ビームが形成されてもよい。
【００２７】
エコートラッキング処理では、各超音波ビームごとに、そのエコー信号内の比較的振幅の大きな信号部分で、組織等の境界に対応した境界点が特定される。単に振幅の大きな部分として信号部分を捉えてしまうと、信号部分は時間軸方向（深さ方向）に広がっているため、その広がりの程度に応じた誤差が生じてしまう可能性がある。そこで、エコートラッキング処理では、信号部分の代表点としてゼロクロス点が検知され、検知されたゼロクロス点をトラッキングすることで、境界点の特定の精度を飛躍的に高めている。ゼロクロス点は、トラッキングの範囲として設定されたトラッキングゲート期間内において、エコー信号（受信信号）の振幅が正から負へ、または、負から正へと極性が反転するタイミングとして検知される。ゼロクロス点が検知されるとその点を中心として、新たにトラッキングゲートが設定される。そして、次の送受信タイミングで、同じ部位から取得されるエコー信号においては、新たに設定されたトラッキングゲート期間内でゼロクロス点が検知される。
【００２８】
こうして、エコートラッキング処理により、各超音波ビームごとに境界点が特定され、測定ポイントＰ１に対して形成された複数のトラッキング用の超音波ビームを利用して測定ポイントＰ１に関する複数の境界点が追跡され、測定ポイントＰ２に対して形成された複数のトラッキング用の超音波ビームを利用して測定ポイントＰ２に関する複数の境界点が追跡される。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、測定ポイントＰ１に関する複数の境界点に基づいて、測定ポイントＰ１の境界に関する形状データが生成され、測定ポイントＰ２に関する複数の境界点に基づいて、測定ポイントＰ２の境界に関する形状データが生成される。形状データとして、例えば複数の境界点を結ぶ境界線データが形成される。
【００３０】
図２は、境界線データを説明するための図である。図２（Ａ）は、ある１つの測定ポイント（例えば図１の測定ポイントＰ１）が変位する前の計測状態を示しており、図２（Ａ）には、測定用振動子１２により形成される５本のトラッキング用の超音波ビームＢ１〜Ｂ５と、各超音波ビーム上において特定される境界点Ｅ１〜Ｅ５が図示されている。
【００３１】
境界点Ｅ１〜Ｅ５は、前述のエコートラッキング処理により追跡されるゼロクロス点である。本実施形態においては、境界点Ｅ１〜Ｅ５に基づいて、各測定ポイントの境界の形状を反映させた境界線データＬａが形成される。
【００３２】
超音波ビームＢ１〜Ｂ５は、図示しない制御部により制御される測定用振動子１２により形成される。そのため、測定用振動子１２を基準としたＸＹ座標系上において、各超音波ビームＢ１〜Ｂ５のＸ軸上における位置は予め分かっている。そして、各超音波ビームＢ１〜Ｂ５上において、エコートラッキング処理により各境界点Ｅ１〜Ｅ５が追跡され、各境界点Ｅ１〜Ｅ５のＹ軸上における位置（深さ）が計測される。これにより、図２のＸＹ座標系内における各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値が得られる。
【００３３】
そこで、図２のＸＹ座標系上において、各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値に基づいて、５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を結ぶ境界線データＬａが形成される。例えば、５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を対象とした多項式近似やスプライン補間などの数学的な演算を用いて、測定ポイントの境界線に関する近似曲線である境界線データＬａが形成される。
【００３４】
エコートラッキング処理では、各超音波ビームＢ１〜Ｂ５上において、刻々と変位する境界点Ｅ１〜Ｅ５が追跡されている。そのため、図２（Ａ）の変位前と同様に、図２（Ｂ）に示す測定ポイントが変位した後においても、各境界点Ｅ１〜Ｅ５のＹ軸上における位置が計測され、ＸＹ座標系内において各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値が得られる。
【００３５】
そして、図２（Ｂ）の変位後においても、各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値に基づいて、５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を結ぶ境界線データＬｂが形成される。境界線データＬｂも、例えば５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を対象とした多項式近似やスプライン補間などにより形成される。
【００３６】
こうして、１つの測定ポイントの変位前と変位後において、境界線データＬａと境界線データＬｂが形成されると、境界線データＬａと境界線データＬｂが比較され、変位する測定ポイントが追跡される。
【００３７】
図３は、境界線データに基づいた測定ポイントの追跡を説明するための図である。図３には、図２のＸＹ座標系内において形成された境界線データＬａと境界線データＬｂが図示されている。図２に示す変位前と変位後において、測定用振動子１２に対して測定ポイントが変位すると、図３に示すように、測定ポイントの変位に応じて境界線データも変位する。
【００３８】
本実施形態においては、境界線データＬａと境界線データＬｂとを対象とした相関演算により、境界線データの移動量が算出される。その相関演算においては、例えば、ＸＹ座標系内において境界線データＬａ上の座標に対応したデータを「１」として他の座標に対応したデータを「０」とした変位前の二次元データと、ＸＹ座標系内において境界線データＬｂ上の座標に対応したデータを「１」として他の座標に対応したデータを「０」とした変位後の二次元データが利用される。
【００３９】
そして、変位前の二次元データをＸ軸方向とＹ軸方向に段階的に微小距離だけ移動させつつ、各段階ごとに、変位後の二次元データとの間の全座標に亘るデータの相関値が算出され、相関値が最大となるＸ軸方向の移動量ΔｘとＹ軸方向の移動量Δｙが探索される。つまり、パターンマッチングの原理により移動量Δｘと移動量Δｙが特定される。なお、変位前の二次元データをＸ軸方向とＹ軸方向に段階的に微小距離だけ移動させつつ、さらに微小角度だけ回転させつつパターンマッチングを行うことにより、移動量Δｘと移動量Δｙに加えて、回転移動量が算出されてもよい。
【００４０】
このようにして境界線データに関する移動量Δｘと移動量Δｙが算出されると、変位前の境界線データＬａ上における任意の点、例えば座標値（ｘ，ｙ）の点が、変位後に座標値（ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ）に移動したことが確認される。したがって、変位前後に得られた形状データ同士を比較することにより、変位前後に亘って測定ポイントの位置を追跡することができる。なお、境界線データに関する移動量に基づいて、トラッキング用の超音波ビームの位置が変更されてもよい。
【００４１】
図３では、ある１つの測定ポイントについての追跡処理について説明したが、図１の測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２の各々について、図３による追跡処理が実行される。そして、測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔の変化から、生体内の温度変化、つまり図１の治療領域１００の温度変化が検出される。
【００４２】
図４は、測定ポイント間の間隔の計測を説明するための図である。図４には、図１の測定ポイントＰ１，Ｐ２が拡大表示されている。図４において、測定ポイントＰ１は変位後のものであり、破線で示す変位前の測定ポイントＰ１´が変位（移動）したものである。同様に測定ポイントＰ２は変位後のものであり、破線で示す変位前の測定ポイントＰ２´が変位（移動）したものである。
【００４３】
本実施形態においては、図３を利用して説明した追跡処理により、変位前後に亘って各測定ポイントＰ１，Ｐ２が追跡される。そこで、各測定ポイントＰ１，Ｐ２の代表的な箇所を各測定ポイントＰ１，Ｐ２の測定位置とする。例えば、各測定ポイントＰ１，Ｐ２に対応した境界線データのＹ軸方向の極大箇所が各測定ポイントＰ１，Ｐ２の測定位置とされる。
【００４４】
そして、変位前後における各測定ポイントＰ１，Ｐ２の測定位置における座標値が計測され、その座標値から、測定ポイントＰ１，Ｐ２間における間隔の計測結果として、図４に示すように、変位前におけるＸ軸方向の距離Ｄｘ０と、変位後におけるＸ軸方向の距離Ｄｘ１が計測される。また、変位前におけるＹ軸方向の距離Ｄｙ０を伝播する超音波の伝播時間ｔ０と、変位後におけるＹ軸方向の距離Ｄｙ１を伝播する超音波の伝播時間ｔ１が計測される。
【００４５】
本実施形態においては、図４に示す測定ポイントＰ１，Ｐ２間における間隔の計測結果に基づいて、生体内の温度変化つまり図１の治療領域１００の温度変化が検出される。その検出は、組織の温度膨張や音速の温度依存性に基づいている。
【００４６】
まず、温度上昇に伴う生体組織の膨張（非特許文献１参照）は、温度１度につき１ｃｍあたり０．３６μｍ程度である。エコートラッキング処理による位置の検出精度は、超音波の周波数を６ＭＨｚ、受信信号（エコー信号）のサンプリング周波数を４００ＭＨｚ、音速を１５００ｍ／ｓとすると、約２μｍになる。したがって、この場合における温度変化の測定精度は、５．６（＝２／０．３６）度程度となる。
【００４７】
一方、一般的な組織の音速の温度依存性は、温度１度あたり０．６ｍ／ｓ程度の音速変化であり、したがって、温度１度あたり１ｃｍの組織部分における音速変化を位置変位に換算すると８μｍ程度となる。この音速変化に伴う見かけ上の位置変位８μｍは、前述した組織の熱膨張による変位０．３６μｍに比べて一桁以上大きい値となる。
【００４８】
そこで、組織の温度膨張により温度変化を検出する場合には、図４におけるＸ軸方向の距離の変化を利用する。Ｘ軸方向は、超音波ビーム方向（超音波が送受される方向）であるＹ軸方向に対して直交する方向であるため、音速変化の影響を受けずに、膨張に伴う距離の変化を計測することができる。例えば、変位前におけるＸ軸方向の距離Ｄｘ０が、温度変化後の変位により距離Ｄｘ１に変化した場合に、Ｄｘ１＞Ｄｘ０であれば組織が膨張しており温度が上昇したと判定し、Ｄｘ１＜Ｄｘ０であれば組織が収縮しており温度が下降したと判定し、Ｄｘ１＝Ｄｘ０であれば組織の膨張収縮が無く温度変化も無いと判定する。もちろん、温度１度につき１ｃｍあたり０．３６μｍとする膨張率を利用して、Ｄｘ１とＤｘ０の差から温度の変化量を算出してもよい。
【００４９】
一方、音速の温度依存性により温度変化を検出する場合には、図４におけるＹ軸方向の時間間隔の変化を利用する。Ｙ軸方向は、超音波が送受される方向であるため、超音波の音速変化の影響を受けている。しかも、先に説明したように、音速変化に伴う見かけ上の位置変位は、熱膨張による変位に比べて一桁以上大きい値となる。つまり、熱膨張に比べて音速変化の方が支配的である。
【００５０】
そこで、例えば、変位前におけるＹ軸方向の伝播時間ｔ０が、温度変化後の音速変化により伝播時間ｔ１に変化した場合に、ｔ１＞ｔ０であれば音速が小さくなったと判定し、ｔ１＜ｔ０であれば音速が大きくなったと判定し、ｔ１＝ｔ０であれば音速変化が無いと判定する。
【００５１】
なお、一桁以上の差があるものの、Ｙ軸方向においても組織の膨張や収縮がある。そこで、Ｘ軸方向における膨張収縮の測定結果に基づいて、Ｙ軸方向における膨張収縮に伴う誤差を補正しつつ、音速の変化を検出するようにしてもよい。
【００５２】
例えば、温度上昇に伴う組織の膨張により、Ｙ軸方向において距離Ｄｙ０が距離Ｄｙ１に増加したとする。温度上昇による音速の変化が支配的あるため、このＹ軸方向における距離の変化を直接的に計測することは困難である。そこで、このＹ軸方向における変位後の距離をＸ軸方向の距離の変化から次式のように推定する。
【００５３】
【数１】
【００５４】
数１式におけるαは、Ｘ軸方向の膨張量とＹ軸方向の膨張量の比率である。例えば、測定ポイントＰ１，Ｐ２を結ぶ直線がＸ軸とＹ軸に対して４５度の角度で交差する場合にはαを１とする。また、距離Ｄｙ０は温度変化前における音速の仮定値と、伝播時間ｔ０の計測値に基づいて算出される。例えば、生体の常温状態から測定を開始するのであれば、常温状態の音速として１５００ｍ／ｓを利用して距離Ｄｙ０を算出する。
【００５５】
また、Ｙ軸方向において計測される伝播時間ｔ０と伝播時間ｔ１に基づいて、温度変化前（変位前）の音速Ｓ０と、温度変化後（変位後）の音速Ｓ１がそれぞれ次式のように算出される。
【００５６】
【数２】
【００５７】
したがって、計測値である距離Ｄｙ０と距離Ｄｙ１と伝播時間ｔ０と伝播時間ｔ１、さらに、仮定値である距離Ｄｙ０と数１式から得られる距離Ｄｙ１に基づいて、温度上昇に伴う音速変化ΔＳが次式のように算出される。
【００５８】
【数３】
【００５９】
伝播時間ｔ０と伝播時間ｔ１は、エコートラッキング処理を直接的に利用することにより、極めて高い精度で測定することが可能である。
【００６０】
図５は、測定ポイント間の時間的な間隔の計測を説明するための図である。この計測においては、測定用振動子１２（図１）が利用され、測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２に対して、測定用の超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）が形成され、その超音波ビームに沿って受信信号が得られる。測定ポイントＰ１，Ｐ２は、超音波の比較的強い反射スポットであるため、受信信号内において、測定ポイントＰ１，Ｐ２に対応した信号部分の振幅が比較的大きい。図５には、測定ポイントＰ１，Ｐ２に対応した信号部分を含んだ受信信号が図示されている。
【００６１】
図５（Ｉ）は、温度変化前の受信信号を示しており、図５（ＩＩ）は、温度変化後の受信信号を示している。測定ポイントＰ１を通るように形成された１本の超音波ビームから得られる受信信号内においては、測定ポイントＰ１に対応した信号部分の振幅が比較的大きい。また、測定ポイントＰ２を通るように形成された１本の超音波ビームから得られる受信信号内においては、測定ポイントＰ２に対応した信号部分の振幅が比較的大きい。
【００６２】
エコートラッキング処理では、信号部分の代表点としてゼロクロス点が検知され、検知されたゼロクロス点をトラッキングすることで抽出精度を飛躍的に高めている。つまり、図５に示すように、測定ポイントＰ１に対応した信号部分のゼロクロス点Ｚ１がトラッキングされる。同様に、測定ポイントＰ２に対応した信号部分のゼロクロス点Ｚ２もトラッキングされる。そして、ゼロクロス点Ｚ１とゼロクロス点Ｚ２の時間間隔が測定される。この時間間隔は、ゼロクロス点Ｚ１とゼロクロス点Ｚ２の間の超音波の伝播時間に相当する。
【００６３】
こうして、図５（Ｉ）示すように、温度変化前（変位前）における測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２の間の伝播時間ｔ０が計測され、さらに、図５（ＩＩ）示すように、温度変化後（変位後）における測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２の間の伝播時間ｔ１が計測される。
【００６４】
なお、Ｘ軸方向への組織の膨張による影響を低減するために、測定ポイントＰ１の真下に測定ポイントＰ３を設定し、測定ポイントＰ２に代えて測定ポイントＰ３を利用して、図５に示した伝播時間の計測を行ってもよい。その際には、例えば、２つの測定ポイントＰ１，Ｐ３を通る１本の超音波ビームにより、測定ポイントＰ１に対応した信号部分と測定ポイントＰ３に対応した信号部分が特定されてもよい。
【００６５】
図６は、本発明の実施において好適な超音波治療システムを示す図である。治療用振動子１４は、比較的強力な超音波を送波し、治療領域を加熱するとともに、測定ポイントの形成にも利用される（図１参照）。治療用振動子１４は、送信部２４により送信制御される。
【００６６】
測定用振動子１２は、送受信部２２により制御され、生体内の治療領域を含む二次元平面内で又は三次元空間内で超音波ビームを電子走査する。そして、複数の超音波ビームが次々に電子走査され、各超音波ビームごとにエコー信号（受信信号）が取得される。取得された複数のエコー信号は画像形成部３８に出力され、画像形成部３８は複数のエコー信号に基づいて生体内の超音波画像（Ｂモード画像や三次元画像など）を形成する。形成された超音波画像は表示部５０に表示される。
【００６７】
送受信部２２で取得されたエコー信号は、エコートラッキング処理部（ＥＴ処理部）３２へも出力される。エコートラッキング処理部３２は、既に説明したエコートラッキング処理を行うものである。なお、エコートラッキング処理に利用されるトラッキング用エコー信号は、超音波画像に利用される複数の超音波ビームの中から選択されてもよいし、超音波画像用の超音波ビームとは別に、トラッキング用の超音波ビームを形成してトラッキング用エコー信号を得るようにしてもよい。
【００６８】
形状データ生成部３４は、複数の境界点に基づいて対象組織の境界に関する形状データを生成する。形状データ生成部３４は、図２を利用して説明したように、形状データとして、複数の境界点を結ぶ境界線データを形成する。また、測定ポイント追跡部３６は、図３を利用して説明したように、変位前後の互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することにより、各測定ポイントを追跡する。そして、温度変化検出部４０は、図４を利用して説明したように、測定ポイント間の間隔の変化に基づいて、治療領域１００（図１）の温度変化を検出する。その検出結果は、例えば表示部５０に表示される。
【００６９】
また、温度変化検出部４０による温度変化の検出結果は、制御部６０に伝えられ、制御部６０は、検出された温度変化に基づいて送信部２４を制御する。制御部６０は、温度変化の検出結果に基づいて、送信部２４による強力超音波の照射時間などを制御する。
【００７０】
例えば、犬の肝臓に関する音速の計測結果によれば（非特許文献２のＦｉｇ．２）、セ氏６０度程度が音速のピークになる。つまり、セ氏２０度程度から６０度程度までの範囲では、温度の上昇と共に音速も大きくなり、セ氏６０度程度から９０度程度までの範囲では、温度の上昇と共に音速が小さくなる。水中における音速にも同様な現象がみられ、セ氏７５度程度が音速のピークになる。生体組織の主成分が水であり、また、犬の肝臓に関する測定結果も踏まえると、生体組織についても、セ氏６０度程度からセ氏７５度程度の範囲において、音速のピークが現れることが十分に期待される。つまり、音速のピークを検出することにより、例えば、生体組織がセ氏６０度程度からセ氏７５度程度の温度にあることが確認できる。そこで、制御部６０は、例えば、温度変化の検出結果から音速のピークを判定し、生体組織が例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度にあると判断して、強力超音波の照射を停止させる、または、強力超音波を照射する残り時間を決定する。
【００７１】
図７は、図６の超音波治療システムによる強力超音波の照射制御を説明するためのフローチャートである。図１から図６に示した符号を利用しつつ図７のフローチャートに従ってその照射制御について説明する。
【００７２】
まず、測定用振動子１２が利用されて生体内の超音波画像が形成され、医師等のユーザがその超音波画像を参考にして、治療領域１００の位置や大きさなどを確認する（Ｓ７０１，図１参照）。そして、治療用振動子１４が利用され、複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２が設定される（Ｓ７０２，図１参照）。さらに、測定用振動子１２を利用して測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔が計測される（Ｓ７０３，図４参照）。
【００７３】
次に、治療用振動子１４が利用され、治療領域１００に対して強力超音波が照射される（Ｓ７０４）。予め設定された例えば数秒間だけ強力超音波が照射されると、強力超音波が停止されて照射時間が積算される（Ｓ７０５）。その後、測定用振動子１２を利用して測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔が計測され、その計測結果に基づいて音速変化ΔＳ（数３式）が算出される（Ｓ７０６，図４参照）。
【００７４】
Ｓ７０７において、音速変化ΔＳがゼロ以上であれば、音速が増加傾向にあり治療領域１００の温度が上昇傾向にあると判断され、再び強力超音波が照射されてＳ７０４からＳ７０７までの処理が実行される。そして、再び実行されたＳ７０７において、音速変化ΔＳがゼロ以上であれば、さらにＳ７０４からＳ７０７までの処理が実行される。
【００７５】
Ｓ７０４からＳ７０７までの処理が繰り返されると、つまり強力超音波の照射が繰り返し実行されると、治療領域１００の温度が上昇し続け、例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度において音速がピークとなる。音速がピークを超えて減少傾向になると、Ｓ７０７の比較において、音速変化ΔＳがゼロよりも小さくなる。
【００７６】
こうして、Ｓ７０７において音速がピークを超えたことが確認され、治療領域１００の温度が例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度に達したと判断されると、追加の照射時間が決定される（Ｓ７０８）。例えば、治療領域１００の温度がセ氏９０度に達しない程度で所望の温度となるように、実験データなどに基づいた追加の照射時間が決定される。そして、その追加の照射時間だけ、治療領域１００に対して強力超音波がさらに照射される（Ｓ７０９）。
【００７７】
図７に示した照射制御によれば、治療領域１００の温度が例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度に達したことを確認してから、所望の温度となる追加の照射時間を決定しているため、比較的高い精度をもって照射時間を制御でき、例えば過度の加熱を抑えることができる。
【００７８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 複合型振動子、１２ 測定用振動子、１４ 治療用振動子、３２ エコートラッキング処理部、３４ 形状データ生成部、３６ 測定ポイント追跡部、４０ 温度変化検出部、６０ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内の温度変化を検出する超音波測定装置および超音波治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
強力集束超音波（ＨＩＦＵ）やラジオ波を利用し、生体内の悪性腫瘍等を加熱して生体を治療する焼灼治療装置が実用化されている。焼灼治療装置では、悪性腫瘍等を含んだ治療領域を例えばセ氏６５度程度に加熱する。しかし、必要以上の加熱、例えばセ氏９０度程度以上の加熱は、細胞組織を沸騰させてしまうことなどが懸念され、生体にとって好ましくない。そのため、焼灼治療装置を利用した治療においては、治療領域の温度を確認しつつ治療領域を加熱することが望ましい。
【０００３】
こうした背景において、生体内の温度を確認するために超音波を利用した技術がいくつか提案されている。例えば、特許文献１，２には、超音波を利用して組織の温度を確認する旨の装置が提案されている。また、生体内の温度を確認する際の原理として、非特許文献１には、組織の温度膨張に注目し、２点間の距離の変化から確認される組織の膨張に基づいて、温度の変化を検出する旨の原理が紹介されている。さらに、非特許文献２には、組織内における音速の温度依存性が紹介されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７３５２８０号公報
【特許文献２】特開２００５−５３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Eunsol Baek and Jongbum Seo,“Temperature Estimation in HIFU with Lateral Speckle Tracking”, 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium.
【非特許文献２】U.Techavipoo et al,“Temperature dependence of ultrasonic propagation speed and attenuation in excised canine liver tissue measured using transmitted and reflected pulses”,J.Acoust.Soc.Am.115(6),June 2004,p2859-2865.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、超音波を利用して生体内の温度変化を検出する技術について研究開発を重ねてきた。特に、非特許文献１に紹介された組織の温度膨張や非特許文献２に紹介された音速の温度依存性などの原理に注目した。
【０００７】
本発明は、上述した研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、超音波を利用して生体内の温度変化を検出する装置の改良構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的にかなう好適な超音波測定装置は、生体に対して超音波を送受する振動子と、振動子を制御することにより、生体内にある複数の測定ポイントの各々に対して複数の超音波ビームを形成する送受信部と、各超音波ビーム内において各測定ポイントの境界を特定することにより、各測定ポイントごとに複数の境界点を得る境界特定部と、各測定ポイントごとに、前記複数の境界点に基づいてその測定ポイントの境界に関する形状データを得る形状特定部と、各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することによりその測定ポイントを追跡する測定ポイント追跡部と、追跡された複数の測定ポイント間における間隔の変化に基づいて生体内の温度変化を検出する温度変化検出部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
望ましい具体例において、前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記測定ポイント間の距離の変化から、生体内組織の膨張収縮を確認して、生体内の温度変化を検出する、ことを特徴とする。
【００１０】
望ましい具体例において、前記温度変化検出部は、超音波ビーム方向における前記測定ポイント間の時間的な間隔の変化から、生体内における音速変化を確認して、生体内の温度変化を検出する、ことを特徴とする。
【００１１】
望ましい具体例において、前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記距離の変化から生体内組織の膨張収縮量を算出し、当該膨張収縮量に基づいて、超音波ビーム方向における膨張収縮に伴う誤差を補正して、生体内における音速変化量を算出する、ことを特徴とする。
【００１２】
望ましい具体例において、前記形状特定部は、各測定ポイントごとに、前記形状データとして複数の境界点を結ぶ境界線データを形成する、ことを特徴とする。
【００１３】
望ましい具体例において、前記測定ポイント追跡部は、各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士の相関演算により形状データの変位後の位置を特定してその測定ポイントを追跡する、ことを特徴とする。
【００１４】
また上記目的にかなう好適な超音波治療システムは、前記超音波測定装置と、生体に対して超音波を送波して生体内を加熱する治療用振動子と、治療用振動子を送信制御して生体内の互いに異なる複数の箇所を焦点として超音波を送波させることにより、当該複数の箇所における組織の性状を変化させて当該複数の箇所を前記複数の測定ポイントとする治療用送信部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、超音波を利用して生体内の温度変化を検出する装置の改良構成が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することによりその形状データに対応した測定ポイントが追跡される。これにより、例えば、超音波ビームに対して直交する方向における測定ポイント間の距離の変化から、生体内組織の膨張収縮が確認され、生体内の温度変化が検出される。また、例えば、超音波ビーム方向における測定ポイント間の時間的な間隔の変化から、生体内における音速変化が確認され、生体内の温度変化が検出される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明において好適な超音波の送受信制御を説明するための図である。
【図２】境界線データを説明するための図である。
【図３】境界線データに基づいた測定ポイントの追跡を説明するための図である。
【図４】測定ポイント間の間隔の計測を説明するための図である。
【図５】測定ポイント間の時間的な間隔の計測を説明するための図である。
【図６】本発明の実施において好適な超音波治療システムを示す図である。
【図７】強力超音波の照射制御を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明において好適な超音波の送受信制御を説明するための図である。複合型振動子１０は、測定用振動子１２と治療用振動子１４で構成されている。測定用振動子１２は、超音波を送受する複数の振動素子を備えている。そして、これら複数の振動素子が制御され、生体に対して超音波の送信ビームが形成され、受信ビームに沿って受信信号が得られる。なお、測定用振動子１２として、例えば、公知の超音波診断装置が備える超音波振動子を利用してもよい。
【００１９】
一方、治療用振動子１４は、比較的強力な超音波を送波する複数の振動素子を備えている。そして、これら複数の振動素子が制御され、生体に対して比較的強力な治療用の送信ビームが形成される。治療用振動子１４は、測定用振動子１２の外側に配置される。また治療用振動子１４を構成する複数の振動素子は、例えば、外側のものほど深さ方向に突出して配置される。なお、治療用振動子１４として、例えば、公知の強力集束超音波（ＨＩＦＵ）を送波する焼灼治療装置が備える超音波振動子を利用してもよい。
【００２０】
測定用振動子１２と治療用振動子１４は、１次元的に配列された複数の振動素子で構成されてもよいし、２次元的に配列された複数の振動素子で構成されてもい。２次元的に配列された複数の振動素子で構成される場合には、例えば、測定用振動子１２の振動子面と治療用振動子１４の振動子面が同心円状に形成され、同心円の中心に円状の測定用振動子１２が配置され、それを取り囲むように環状の治療用振動子１４が設けられる。
【００２１】
治療用振動子１４は、生体内の治療領域１００を目標として比較的強力な超音波を送波する。例えば、悪性腫瘍等を含んだ治療領域１００の中心位置を焦点とするように送信ビームが形成され、比較的強力な超音波により治療領域１００を加熱して悪性腫瘍等を焼灼する。治療領域１００は、例えば、深さ方向に１０ｍｍ程度、深さ方向に垂直な横方向に５ｍｍ程度の大きさである。この焼灼においては、治療領域１００が例えばセ氏６５度程度に加熱される。しかし、必要以上の加熱、例えばセ氏９０度程度以上の加熱は、細胞組織を沸騰させてしまう等の理由から好ましくない。そこで、本実施形態においては、超音波を利用して治療領域１００の温度変化が確認される。その温度変化の確認において、複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２が利用される。
【００２２】
複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２は、治療領域１００内あるいは治療領域１００の近傍にあり、後に説明するエコートラッキング処理に利用される。そのため、複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２の各々は、その周辺の組織に比べて超音波の強い反射スポットであることが望ましい。本実施形態においては、治療用振動子１４を利用して、生体内に複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２が形成される。
【００２３】
つまり、治療用振動子１４により、測定ポイントＰ１となる箇所を焦点として、比較的強力な超音波の送信ビームＢ１が形成され、この送信ビームＢ１により焦点における組織の性状を変化させ、測定ポイントＰ１が形成される。治療用振動子１４が備える複数の振動素子を制御することにより、送信ビームＢ１の方向や焦点の位置（深さ）を調整することにより、その制御の範囲内において任意の位置に測定ポイントＰ１を形成することができる。例えば、測定用振動子１２を利用して治療領域１００を含むＢモード画像を形成して、医師等のユーザがそのＢモード画像を確認し、測定ポイントＰ１の位置を決定するようにしてもよい。
【００２４】
同様に、治療用振動子１４により、測定ポイントＰ２となる箇所を焦点として、比較的強力な超音波の送信ビームＢ２が形成され、この送信ビームＢ２により焦点における組織の性状を変化させ、測定ポイントＰ２が形成される。測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２は、例えば、治療領域１００の中心を挟むように、Ｙ軸方向の互いに異なる深さに且つＸ軸方向の互いに異なる位置に形成される。例えば、測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２を結ぶ直線が超音波ビーム方向（深さ方向）であるＹ軸方向に対して３０〜６０度程度の角度で交差するように、測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２が設定される。
【００２５】
治療用振動子１４を利用して測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２が形成されると、測定用振動子１２を利用して測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔が測定される。この測定においては、公知のエコートラッキング処理が利用される。なお、例えば、治療領域１００内あるいは治療領域１００の近傍に、エコートラッキング処理に好適な比較的硬い組織等があれば、既に存在するそれらの組織等を複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２として利用してもよい。
【００２６】
本実施形態においては、エコートラッキング処理により、測定ポイントＰ１，Ｐ２の境界に対応した境界点を追跡する。エコートラッキング処理においては、複数のトラッキング用の超音波ビームが利用される。トラッキング用の超音波ビームは、超音波画像の形成に利用される複数の超音波ビームの中から選択されてもよいし、超音波画像用の超音波ビームとは別に、トラッキング用の超音波ビームが形成されてもよい。
【００２７】
エコートラッキング処理では、各超音波ビームごとに、そのエコー信号内の比較的振幅の大きな信号部分で、組織等の境界に対応した境界点が特定される。単に振幅の大きな部分として信号部分を捉えてしまうと、信号部分は時間軸方向（深さ方向）に広がっているため、その広がりの程度に応じた誤差が生じてしまう可能性がある。そこで、エコートラッキング処理では、信号部分の代表点としてゼロクロス点が検知され、検知されたゼロクロス点をトラッキングすることで、境界点の特定の精度を飛躍的に高めている。ゼロクロス点は、トラッキングの範囲として設定されたトラッキングゲート期間内において、エコー信号（受信信号）の振幅が正から負へ、または、負から正へと極性が反転するタイミングとして検知される。ゼロクロス点が検知されるとその点を中心として、新たにトラッキングゲートが設定される。そして、次の送受信タイミングで、同じ部位から取得されるエコー信号においては、新たに設定されたトラッキングゲート期間内でゼロクロス点が検知される。
【００２８】
こうして、エコートラッキング処理により、各超音波ビームごとに境界点が特定され、測定ポイントＰ１に対して形成された複数のトラッキング用の超音波ビームを利用して測定ポイントＰ１に関する複数の境界点が追跡され、測定ポイントＰ２に対して形成された複数のトラッキング用の超音波ビームを利用して測定ポイントＰ２に関する複数の境界点が追跡される。
【００２９】
さらに、本実施形態においては、測定ポイントＰ１に関する複数の境界点に基づいて、測定ポイントＰ１の境界に関する形状データが生成され、測定ポイントＰ２に関する複数の境界点に基づいて、測定ポイントＰ２の境界に関する形状データが生成される。形状データとして、例えば複数の境界点を結ぶ境界線データが形成される。
【００３０】
図２は、境界線データを説明するための図である。図２（Ａ）は、ある１つの測定ポイント（例えば図１の測定ポイントＰ１）が変位する前の計測状態を示しており、図２（Ａ）には、測定用振動子１２により形成される５本のトラッキング用の超音波ビームＢ１〜Ｂ５と、各超音波ビーム上において特定される境界点Ｅ１〜Ｅ５が図示されている。
【００３１】
境界点Ｅ１〜Ｅ５は、前述のエコートラッキング処理により追跡されるゼロクロス点である。本実施形態においては、境界点Ｅ１〜Ｅ５に基づいて、各測定ポイントの境界の形状を反映させた境界線データＬａが形成される。
【００３２】
超音波ビームＢ１〜Ｂ５は、図示しない制御部により制御される測定用振動子１２により形成される。そのため、測定用振動子１２を基準としたＸＹ座標系上において、各超音波ビームＢ１〜Ｂ５のＸ軸上における位置は予め分かっている。そして、各超音波ビームＢ１〜Ｂ５上において、エコートラッキング処理により各境界点Ｅ１〜Ｅ５が追跡され、各境界点Ｅ１〜Ｅ５のＹ軸上における位置（深さ）が計測される。これにより、図２のＸＹ座標系内における各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値が得られる。
【００３３】
そこで、図２のＸＹ座標系上において、各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値に基づいて、５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を結ぶ境界線データＬａが形成される。例えば、５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を対象とした多項式近似やスプライン補間などの数学的な演算を用いて、測定ポイントの境界線に関する近似曲線である境界線データＬａが形成される。
【００３４】
エコートラッキング処理では、各超音波ビームＢ１〜Ｂ５上において、刻々と変位する境界点Ｅ１〜Ｅ５が追跡されている。そのため、図２（Ａ）の変位前と同様に、図２（Ｂ）に示す測定ポイントが変位した後においても、各境界点Ｅ１〜Ｅ５のＹ軸上における位置が計測され、ＸＹ座標系内において各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値が得られる。
【００３５】
そして、図２（Ｂ）の変位後においても、各境界点Ｅ１〜Ｅ５の座標値に基づいて、５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を結ぶ境界線データＬｂが形成される。境界線データＬｂも、例えば５つの境界点Ｅ１〜Ｅ５を対象とした多項式近似やスプライン補間などにより形成される。
【００３６】
こうして、１つの測定ポイントの変位前と変位後において、境界線データＬａと境界線データＬｂが形成されると、境界線データＬａと境界線データＬｂが比較され、変位する測定ポイントが追跡される。
【００３７】
図３は、境界線データに基づいた測定ポイントの追跡を説明するための図である。図３には、図２のＸＹ座標系内において形成された境界線データＬａと境界線データＬｂが図示されている。図２に示す変位前と変位後において、測定用振動子１２に対して測定ポイントが変位すると、図３に示すように、測定ポイントの変位に応じて境界線データも変位する。
【００３８】
本実施形態においては、境界線データＬａと境界線データＬｂとを対象とした相関演算により、境界線データの移動量が算出される。その相関演算においては、例えば、ＸＹ座標系内において境界線データＬａ上の座標に対応したデータを「１」として他の座標に対応したデータを「０」とした変位前の二次元データと、ＸＹ座標系内において境界線データＬｂ上の座標に対応したデータを「１」として他の座標に対応したデータを「０」とした変位後の二次元データが利用される。
【００３９】
そして、変位前の二次元データをＸ軸方向とＹ軸方向に段階的に微小距離だけ移動させつつ、各段階ごとに、変位後の二次元データとの間の全座標に亘るデータの相関値が算出され、相関値が最大となるＸ軸方向の移動量ΔｘとＹ軸方向の移動量Δｙが探索される。つまり、パターンマッチングの原理により移動量Δｘと移動量Δｙが特定される。なお、変位前の二次元データをＸ軸方向とＹ軸方向に段階的に微小距離だけ移動させつつ、さらに微小角度だけ回転させつつパターンマッチングを行うことにより、移動量Δｘと移動量Δｙに加えて、回転移動量が算出されてもよい。
【００４０】
このようにして境界線データに関する移動量Δｘと移動量Δｙが算出されると、変位前の境界線データＬａ上における任意の点、例えば座標値（ｘ，ｙ）の点が、変位後に座標値（ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ）に移動したことが確認される。したがって、変位前後に得られた形状データ同士を比較することにより、変位前後に亘って測定ポイントの位置を追跡することができる。なお、境界線データに関する移動量に基づいて、トラッキング用の超音波ビームの位置が変更されてもよい。
【００４１】
図３では、ある１つの測定ポイントについての追跡処理について説明したが、図１の測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２の各々について、図３による追跡処理が実行される。そして、測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔の変化から、生体内の温度変化、つまり図１の治療領域１００の温度変化が検出される。
【００４２】
図４は、測定ポイント間の間隔の計測を説明するための図である。図４には、図１の測定ポイントＰ１，Ｐ２が拡大表示されている。図４において、測定ポイントＰ１は変位後のものであり、破線で示す変位前の測定ポイントＰ１´が変位（移動）したものである。同様に測定ポイントＰ２は変位後のものであり、破線で示す変位前の測定ポイントＰ２´が変位（移動）したものである。
【００４３】
本実施形態においては、図３を利用して説明した追跡処理により、変位前後に亘って各測定ポイントＰ１，Ｐ２が追跡される。そこで、各測定ポイントＰ１，Ｐ２の代表的な箇所を各測定ポイントＰ１，Ｐ２の測定位置とする。例えば、各測定ポイントＰ１，Ｐ２に対応した境界線データのＹ軸方向の極大箇所が各測定ポイントＰ１，Ｐ２の測定位置とされる。
【００４４】
そして、変位前後における各測定ポイントＰ１，Ｐ２の測定位置における座標値が計測され、その座標値から、測定ポイントＰ１，Ｐ２間における間隔の計測結果として、図４に示すように、変位前におけるＸ軸方向の距離Ｄｘ０と、変位後におけるＸ軸方向の距離Ｄｘ１が計測される。また、変位前におけるＹ軸方向の距離Ｄｙ０を伝播する超音波の伝播時間ｔ０と、変位後におけるＹ軸方向の距離Ｄｙ１を伝播する超音波の伝播時間ｔ１が計測される。
【００４５】
本実施形態においては、図４に示す測定ポイントＰ１，Ｐ２間における間隔の計測結果に基づいて、生体内の温度変化つまり図１の治療領域１００の温度変化が検出される。その検出は、組織の温度膨張や音速の温度依存性に基づいている。
【００４６】
まず、温度上昇に伴う生体組織の膨張（非特許文献１参照）は、温度１度につき１ｃｍあたり０．３６μｍ程度である。エコートラッキング処理による位置の検出精度は、超音波の周波数を６ＭＨｚ、受信信号（エコー信号）のサンプリング周波数を４００ＭＨｚ、音速を１５００ｍ／ｓとすると、約２μｍになる。したがって、この場合における温度変化の測定精度は、５．６（＝２／０．３６）度程度となる。
【００４７】
一方、一般的な組織の音速の温度依存性は、温度１度あたり０．６ｍ／ｓ程度の音速変化であり、したがって、温度１度あたり１ｃｍの組織部分における音速変化を位置変位に換算すると８μｍ程度となる。この音速変化に伴う見かけ上の位置変位８μｍは、前述した組織の熱膨張による変位０．３６μｍに比べて一桁以上大きい値となる。
【００４８】
そこで、組織の温度膨張により温度変化を検出する場合には、図４におけるＸ軸方向の距離の変化を利用する。Ｘ軸方向は、超音波ビーム方向（超音波が送受される方向）であるＹ軸方向に対して直交する方向であるため、音速変化の影響を受けずに、膨張に伴う距離の変化を計測することができる。例えば、変位前におけるＸ軸方向の距離Ｄｘ０が、温度変化後の変位により距離Ｄｘ１に変化した場合に、Ｄｘ１＞Ｄｘ０であれば組織が膨張しており温度が上昇したと判定し、Ｄｘ１＜Ｄｘ０であれば組織が収縮しており温度が下降したと判定し、Ｄｘ１＝Ｄｘ０であれば組織の膨張収縮が無く温度変化も無いと判定する。もちろん、温度１度につき１ｃｍあたり０．３６μｍとする膨張率を利用して、Ｄｘ１とＤｘ０の差から温度の変化量を算出してもよい。
【００４９】
一方、音速の温度依存性により温度変化を検出する場合には、図４におけるＹ軸方向の時間間隔の変化を利用する。Ｙ軸方向は、超音波が送受される方向であるため、超音波の音速変化の影響を受けている。しかも、先に説明したように、音速変化に伴う見かけ上の位置変位は、熱膨張による変位に比べて一桁以上大きい値となる。つまり、熱膨張に比べて音速変化の方が支配的である。
【００５０】
そこで、例えば、変位前におけるＹ軸方向の伝播時間ｔ０が、温度変化後の音速変化により伝播時間ｔ１に変化した場合に、ｔ１＞ｔ０であれば音速が小さくなったと判定し、ｔ１＜ｔ０であれば音速が大きくなったと判定し、ｔ１＝ｔ０であれば音速変化が無いと判定する。
【００５１】
なお、一桁以上の差があるものの、Ｙ軸方向においても組織の膨張や収縮がある。そこで、Ｘ軸方向における膨張収縮の測定結果に基づいて、Ｙ軸方向における膨張収縮に伴う誤差を補正しつつ、音速の変化を検出するようにしてもよい。
【００５２】
例えば、温度上昇に伴う組織の膨張により、Ｙ軸方向において距離Ｄｙ０が距離Ｄｙ１に増加したとする。温度上昇による音速の変化が支配的あるため、このＹ軸方向における距離の変化を直接的に計測することは困難である。そこで、このＹ軸方向における変位後の距離をＸ軸方向の距離の変化から次式のように推定する。
【００５３】
【数１】
【００５４】
数１式におけるαは、Ｘ軸方向の膨張量とＹ軸方向の膨張量の比率である。例えば、測定ポイントＰ１，Ｐ２を結ぶ直線がＸ軸とＹ軸に対して４５度の角度で交差する場合にはαを１とする。また、距離Ｄｙ０は温度変化前における音速の仮定値と、伝播時間ｔ０の計測値に基づいて算出される。例えば、生体の常温状態から測定を開始するのであれば、常温状態の音速として１５００ｍ／ｓを利用して距離Ｄｙ０を算出する。
【００５５】
また、Ｙ軸方向において計測される伝播時間ｔ０と伝播時間ｔ１に基づいて、温度変化前（変位前）の音速Ｓ０と、温度変化後（変位後）の音速Ｓ１がそれぞれ次式のように算出される。
【００５６】
【数２】
【００５７】
したがって、計測値である距離Ｄｙ０と距離Ｄｙ１と伝播時間ｔ０と伝播時間ｔ１、さらに、仮定値である距離Ｄｙ０と数１式から得られる距離Ｄｙ１に基づいて、温度上昇に伴う音速変化ΔＳが次式のように算出される。
【００５８】
【数３】
【００５９】
伝播時間ｔ０と伝播時間ｔ１は、エコートラッキング処理を直接的に利用することにより、極めて高い精度で測定することが可能である。
【００６０】
図５は、測定ポイント間の時間的な間隔の計測を説明するための図である。この計測においては、測定用振動子１２（図１）が利用され、測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２に対して、測定用の超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）が形成され、その超音波ビームに沿って受信信号が得られる。測定ポイントＰ１，Ｐ２は、超音波の比較的強い反射スポットであるため、受信信号内において、測定ポイントＰ１，Ｐ２に対応した信号部分の振幅が比較的大きい。図５には、測定ポイントＰ１，Ｐ２に対応した信号部分を含んだ受信信号が図示されている。
【００６１】
図５（Ｉ）は、温度変化前の受信信号を示しており、図５（ＩＩ）は、温度変化後の受信信号を示している。測定ポイントＰ１を通るように形成された１本の超音波ビームから得られる受信信号内においては、測定ポイントＰ１に対応した信号部分の振幅が比較的大きい。また、測定ポイントＰ２を通るように形成された１本の超音波ビームから得られる受信信号内においては、測定ポイントＰ２に対応した信号部分の振幅が比較的大きい。
【００６２】
エコートラッキング処理では、信号部分の代表点としてゼロクロス点が検知され、検知されたゼロクロス点をトラッキングすることで抽出精度を飛躍的に高めている。つまり、図５に示すように、測定ポイントＰ１に対応した信号部分のゼロクロス点Ｚ１がトラッキングされる。同様に、測定ポイントＰ２に対応した信号部分のゼロクロス点Ｚ２もトラッキングされる。そして、ゼロクロス点Ｚ１とゼロクロス点Ｚ２の時間間隔が測定される。この時間間隔は、ゼロクロス点Ｚ１とゼロクロス点Ｚ２の間の超音波の伝播時間に相当する。
【００６３】
こうして、図５（Ｉ）示すように、温度変化前（変位前）における測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２の間の伝播時間ｔ０が計測され、さらに、図５（ＩＩ）示すように、温度変化後（変位後）における測定ポイントＰ１と測定ポイントＰ２の間の伝播時間ｔ１が計測される。
【００６４】
なお、Ｘ軸方向への組織の膨張による影響を低減するために、測定ポイントＰ１の真下に測定ポイントＰ３を設定し、測定ポイントＰ２に代えて測定ポイントＰ３を利用して、図５に示した伝播時間の計測を行ってもよい。その際には、例えば、２つの測定ポイントＰ１，Ｐ３を通る１本の超音波ビームにより、測定ポイントＰ１に対応した信号部分と測定ポイントＰ３に対応した信号部分が特定されてもよい。
【００６５】
図６は、本発明の実施において好適な超音波治療システムを示す図である。治療用振動子１４は、比較的強力な超音波を送波し、治療領域を加熱するとともに、測定ポイントの形成にも利用される（図１参照）。治療用振動子１４は、送信部２４により送信制御される。
【００６６】
測定用振動子１２は、送受信部２２により制御され、生体内の治療領域を含む二次元平面内で又は三次元空間内で超音波ビームを電子走査する。そして、複数の超音波ビームが次々に電子走査され、各超音波ビームごとにエコー信号（受信信号）が取得される。取得された複数のエコー信号は画像形成部３８に出力され、画像形成部３８は複数のエコー信号に基づいて生体内の超音波画像（Ｂモード画像や三次元画像など）を形成する。形成された超音波画像は表示部５０に表示される。
【００６７】
送受信部２２で取得されたエコー信号は、エコートラッキング処理部（ＥＴ処理部）３２へも出力される。エコートラッキング処理部３２は、既に説明したエコートラッキング処理を行うものである。なお、エコートラッキング処理に利用されるトラッキング用エコー信号は、超音波画像に利用される複数の超音波ビームの中から選択されてもよいし、超音波画像用の超音波ビームとは別に、トラッキング用の超音波ビームを形成してトラッキング用エコー信号を得るようにしてもよい。
【００６８】
形状データ生成部３４は、複数の境界点に基づいて対象組織の境界に関する形状データを生成する。形状データ生成部３４は、図２を利用して説明したように、形状データとして、複数の境界点を結ぶ境界線データを形成する。また、測定ポイント追跡部３６は、図３を利用して説明したように、変位前後の互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することにより、各測定ポイントを追跡する。そして、温度変化検出部４０は、図４を利用して説明したように、測定ポイント間の間隔の変化に基づいて、治療領域１００（図１）の温度変化を検出する。その検出結果は、例えば表示部５０に表示される。
【００６９】
また、温度変化検出部４０による温度変化の検出結果は、制御部６０に伝えられ、制御部６０は、検出された温度変化に基づいて送信部２４を制御する。制御部６０は、温度変化の検出結果に基づいて、送信部２４による強力超音波の照射時間などを制御する。
【００７０】
例えば、犬の肝臓に関する音速の計測結果によれば（非特許文献２のＦｉｇ．２）、セ氏６０度程度が音速のピークになる。つまり、セ氏２０度程度から６０度程度までの範囲では、温度の上昇と共に音速も大きくなり、セ氏６０度程度から９０度程度までの範囲では、温度の上昇と共に音速が小さくなる。水中における音速にも同様な現象がみられ、セ氏７５度程度が音速のピークになる。生体組織の主成分が水であり、また、犬の肝臓に関する測定結果も踏まえると、生体組織についても、セ氏６０度程度からセ氏７５度程度の範囲において、音速のピークが現れることが十分に期待される。つまり、音速のピークを検出することにより、例えば、生体組織がセ氏６０度程度からセ氏７５度程度の温度にあることが確認できる。そこで、制御部６０は、例えば、温度変化の検出結果から音速のピークを判定し、生体組織が例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度にあると判断して、強力超音波の照射を停止させる、または、強力超音波を照射する残り時間を決定する。
【００７１】
図７は、図６の超音波治療システムによる強力超音波の照射制御を説明するためのフローチャートである。図１から図６に示した符号を利用しつつ図７のフローチャートに従ってその照射制御について説明する。
【００７２】
まず、測定用振動子１２が利用されて生体内の超音波画像が形成され、医師等のユーザがその超音波画像を参考にして、治療領域１００の位置や大きさなどを確認する（Ｓ７０１，図１参照）。そして、治療用振動子１４が利用され、複数の測定ポイントＰ１，Ｐ２が設定される（Ｓ７０２，図１参照）。さらに、測定用振動子１２を利用して測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔が計測される（Ｓ７０３，図４参照）。
【００７３】
次に、治療用振動子１４が利用され、治療領域１００に対して強力超音波が照射される（Ｓ７０４）。予め設定された例えば数秒間だけ強力超音波が照射されると、強力超音波が停止されて照射時間が積算される（Ｓ７０５）。その後、測定用振動子１２を利用して測定ポイントＰ１，Ｐ２間の間隔が計測され、その計測結果に基づいて音速変化ΔＳ（数３式）が算出される（Ｓ７０６，図４参照）。
【００７４】
Ｓ７０７において、音速変化ΔＳがゼロ以上であれば、音速が増加傾向にあり治療領域１００の温度が上昇傾向にあると判断され、再び強力超音波が照射されてＳ７０４からＳ７０７までの処理が実行される。そして、再び実行されたＳ７０７において、音速変化ΔＳがゼロ以上であれば、さらにＳ７０４からＳ７０７までの処理が実行される。
【００７５】
Ｓ７０４からＳ７０７までの処理が繰り返されると、つまり強力超音波の照射が繰り返し実行されると、治療領域１００の温度が上昇し続け、例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度において音速がピークとなる。音速がピークを超えて減少傾向になると、Ｓ７０７の比較において、音速変化ΔＳがゼロよりも小さくなる。
【００７６】
こうして、Ｓ７０７において音速がピークを超えたことが確認され、治療領域１００の温度が例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度に達したと判断されると、追加の照射時間が決定される（Ｓ７０８）。例えば、治療領域１００の温度がセ氏９０度に達しない程度で所望の温度となるように、実験データなどに基づいた追加の照射時間が決定される。そして、その追加の照射時間だけ、治療領域１００に対して強力超音波がさらに照射される（Ｓ７０９）。
【００７７】
図７に示した照射制御によれば、治療領域１００の温度が例えばセ氏６０度程度からセ氏７５度程度に達したことを確認してから、所望の温度となる追加の照射時間を決定しているため、比較的高い精度をもって照射時間を制御でき、例えば過度の加熱を抑えることができる。
【００７８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 複合型振動子、１２ 測定用振動子、１４ 治療用振動子、３２ エコートラッキング処理部、３４ 形状データ生成部、３６ 測定ポイント追跡部、４０ 温度変化検出部、６０ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に対して超音波を送受する振動子と、
振動子を制御することにより、生体内にある複数の測定ポイントの各々に対して複数の超音波ビームを形成する送受信部と、
各超音波ビーム内において各測定ポイントの境界を特定することにより、各測定ポイントごとに複数の境界点を得る境界特定部と、
各測定ポイントごとに、前記複数の境界点に基づいてその測定ポイントの境界に関する形状データを得る形状特定部と、
各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することによりその測定ポイントを追跡する測定ポイント追跡部と、
追跡された複数の測定ポイント間における間隔の変化に基づいて生体内の温度変化を検出する温度変化検出部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波測定装置において、
前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記測定ポイント間の距離の変化から、生体内組織の膨張収縮を確認して、生体内の温度変化を検出する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波測定装置において、
前記温度変化検出部は、超音波ビーム方向における前記測定ポイント間の時間的な間隔の変化から、生体内における音速変化を確認して、生体内の温度変化を検出する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波測定装置において、
前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記距離の変化から生体内組織の膨張収縮量を算出し、当該膨張収縮量に基づいて、超音波ビーム方向における膨張収縮に伴う誤差を補正して、生体内における音速変化量を算出する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、
前記形状特定部は、各測定ポイントごとに、前記形状データとして複数の境界点を結ぶ境界線データを形成する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、
前記測定ポイント追跡部は、各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士の相関演算により形状データの変位後の位置を特定してその測定ポイントを追跡する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波測定装置と、
生体に対して超音波を送波して生体内を加熱する治療用振動子と、
治療用振動子を送信制御して生体内の互いに異なる複数の箇所を焦点として超音波を送波させることにより、当該複数の箇所における組織の性状を変化させて当該複数の箇所を前記複数の測定ポイントとする治療用送信部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波治療システム。
【請求項１】
生体に対して超音波を送受する振動子と、
振動子を制御することにより、生体内にある複数の測定ポイントの各々に対して複数の超音波ビームを形成する送受信部と、
各超音波ビーム内において各測定ポイントの境界を特定することにより、各測定ポイントごとに複数の境界点を得る境界特定部と、
各測定ポイントごとに、前記複数の境界点に基づいてその測定ポイントの境界に関する形状データを得る形状特定部と、
各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士を比較することによりその測定ポイントを追跡する測定ポイント追跡部と、
追跡された複数の測定ポイント間における間隔の変化に基づいて生体内の温度変化を検出する温度変化検出部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波測定装置において、
前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記測定ポイント間の距離の変化から、生体内組織の膨張収縮を確認して、生体内の温度変化を検出する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波測定装置において、
前記温度変化検出部は、超音波ビーム方向における前記測定ポイント間の時間的な間隔の変化から、生体内における音速変化を確認して、生体内の温度変化を検出する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波測定装置において、
前記温度変化検出部は、超音波ビームに対して直交する方向における前記距離の変化から生体内組織の膨張収縮量を算出し、当該膨張収縮量に基づいて、超音波ビーム方向における膨張収縮に伴う誤差を補正して、生体内における音速変化量を算出する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、
前記形状特定部は、各測定ポイントごとに、前記形状データとして複数の境界点を結ぶ境界線データを形成する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、
前記測定ポイント追跡部は、各測定ポイントごとに、互いに異なる時刻に得られた形状データ同士の相関演算により形状データの変位後の位置を特定してその測定ポイントを追跡する、
ことを特徴とする超音波測定装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波測定装置と、
生体に対して超音波を送波して生体内を加熱する治療用振動子と、
治療用振動子を送信制御して生体内の互いに異なる複数の箇所を焦点として超音波を送波させることにより、当該複数の箇所における組織の性状を変化させて当該複数の箇所を前記複数の測定ポイントとする治療用送信部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波治療システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４２８４（Ｐ２０１２−２４２８４Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６５０５３（Ｐ２０１０−１６５０５３）
【出願日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【出願人】（３９００２９７９１）日立アロカメディカル株式会社 (899)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【出願人】（３９００２９７９１）日立アロカメディカル株式会社 (899)
【Ｆターム（参考）】
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