(57)【要約】【課題】測定対象物の内部の超音波反射像を高精度な３Ｄ像として得ること。【解決手段】３つ以上の振動素子を有する超音波プローブを測定対象物に当接させ、各振動素子から順々に超音波を測定対象物の内部に照射し、測定対象物からの反射波を、照射した振動素子ごとに各受信データセットとして２個以上の振動素子で受信させ、得られた受信データセットに基づいて開口合成法を適用することにより測定対象物の内部の３次元反射像を生成する、ことを含み、各受信データセットは、位置データ、超音波の到達時間、受信した超音波の強度のデータを含む、３次元反射像を取得する方法及び装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）少なくとも第１〜第Ｍ（但し、Ｍは３以上の整数である。）の振動素子を有する超音波プローブを測定対象物に当接させ、
（Ｂ）前記超音波プローブの第１の振動素子から第Ｎ（但し、Ｎは２以上かつＮ以下の整数である。）の振動素子まで順々に超音波を測定対象物の内部に照射し、測定対象物からの前記超音波の反射波を、照射した振動素子ごとに第１から第Ｎの受信データセットとして前記超音波プローブが有する振動素子のうちの２個以上の振動素子で受信させ、
（Ｃ）第１から第Ｎの受信データセットに基づいて開口合成法を適用することにより測定対象物の内部の３次元反射像を生成する、
ことを含む測定対象物の内部の３次元反射像を取得する方法であって、
前記第１から第Ｎの受信データセットは、それぞれ、照射した振動素子の位置データ、受信した振動素子の位置データ、照射から受信までの到達時間、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、
上記３次元反射像を取得する方法。
【請求項２】
Ｍ及びＮが２００以上の整数である請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１〜第Ｍの振動素子が測定対象物に対して凹曲面を形成し得るように前記超音波プローブが構成されてなる、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
測定対象物が生体である請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
超音波プローブの振動素子は、予め設計した凹曲面の軌道で発信と受信する位置を変更して、違う位置と角度の関係にて開口合成で画像を再建し、及び照射から受信までの到達時間と受信した超音波の強度データを計算する方法。
【請求項６】
少なくとも第１〜第Ｍ（但し、Ｍは３以上の整数である。）の振動素子を有する超音波プローブと、制御装置と、出力装置とを備え、前記制御装置は以下の（Ｂ）及び（Ｃ）、
（Ｂ）前記超音波プローブが測定対象物に当接している状態において、前記超音波プローブの第１の振動素子から第Ｎ（但し、Ｎは２以上かつＭ以下の整数である。）の振動素子まで順々に超音波を測定対象物の内部に照射し、測定対象物からの前記超音波の反射波を、照射した振動素子ごとに第１から第Ｎの受信データセットとして前記超音波プローブが有する振動素子のうちの２個以上の振動素子で受信させること、及び
（Ｃ）第１から第Ｎの受信データセットに基づいて開口合成法を適用することにより測定対象物の内部の３次元反射像を生成すること、
を実行させるよう構成されており、
前記出力装置は前記（Ｃ）において生成した３次元反射像を出力するものであり、
前記第１から第Ｎの受信データセットは、それぞれ、照射した振動素子の位置データ、受信した振動素子の位置データ、照射から受信までの到達時間、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、
測定対象物の内部の３次元反射像の測定装置。
【請求項７】
Ｍ及びＮが２００以上の整数である請求項６記載の測定装置。
【請求項８】
第１〜第Ｍの振動素子が測定対象物に対して凹曲面を形成し得るように前記超音波プローブが構成されてなる、請求項６又は７記載の測定装置。
【請求項９】
測定対象物が生体である請求項６〜８のいずれか１項記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の内部の３次元反射像を取得する方法及びそのような３次元反射像を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波測定においては、測定対象物に超音波を照射し、測定対象物からの応答を検知して分析が行われる。超音波測定は、測定対象物への破壊が全く無いかあるいは極めて小さいことが多い点で優れた測定法である。通常、超音波プローブを測定対象物に接触させて、超音波プローブに内蔵される振動素子から測定対象物へ超音波が照射される。そして、測定対象物からの応答が超音波などの振動情報である場合には、前記振動素子を受動素子として用いることもしばしば行われる。
【０００３】
測定対象物に超音波を照射すると、測定対象物の物性に応じて超音波が反射したり透過したり干渉したりするなどの変異が想定される。それら変位を観測して、観測により得られたデータを処理することで測定対象物の内部構造や内部物性を推定することが提案される。例えば、特許文献１では、プローブを備える超音波診断装置において、被検体内で反射した超音波を前記プローブを介して受信する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１４５２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超音波による測定や診断は測定対象物の破壊が全く無いかあるいは小さいことが多く、優れた測定、診断法であり、さらなる適用の拡大が望まれる。そのような観点から、測定対象物の内部状態を高精度に測定でき、さらに、診断や被検者への説明が容易になるよう、三次元立体像（３Ｄ像）として結果を得ることができるのが望ましい。本発明は、超音波の反射像を高精度かつ３Ｄ像として得られるような３次元反射像の取得方法および測定装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らが鋭意検討した結果、以下のような本発明を完成した。
（１）（Ａ）少なくとも第１〜第Ｍ（但し、Ｍは３以上の整数である。）の振動素子を有する超音波プローブを測定対象物に当接させ、（Ｂ）前記超音波プローブの第１の振動素子から第Ｎ（但し、Ｎは２以上かつＭ以下の整数である。）の振動素子まで順々に超音波を測定対象物の内部に照射し、測定対象物からの前記超音波の反射波を、照射した振動素子ごとに第１から第Ｎの受信データセットとして前記超音波プローブが有する振動素子のうちの２個以上の振動素子で受信させ、（Ｃ）第１から第Ｎの受信データセットに基づいて開口合成法を適用することにより測定対象物の内部の３次元反射像を生成する、ことを含む測定対象物の内部の３次元反射像を取得する方法であって、前記第１から第Ｎの受信データセットは、それぞれ、照射した振動素子の位置データ、受信した振動素子の位置データ、照射から受信までの到達時間、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、上記３次元反射像を取得する方法。
（２）Ｍ及びＮが２００以上の整数である（１）の方法。
（３）第１〜第Ｍの振動素子が測定対象物に対して凹曲面を形成し得るように前記超音波プローブが構成されてなる、（１）又は（２）の方法。
（４）測定対象物が生体である（１）〜（３）の方法。
（５）超音波プローブの振動素子は、予め設計した凹曲面の軌道で発信と受信する位置を変更して、違う位置と角度の関係にて開口合成で画像を再建し、及び照射から受信までの到達時間と受信した超音波の強度データを計算する方法。
（６）少なくとも第１〜第Ｍ（但し、Ｍは３以上の整数である。）の振動素子を有する超音波プローブと、制御装置と、出力装置とを備え、前記制御装置は以下の（Ｂ）及び（Ｃ）、（Ｂ）前記超音波プローブが測定対象物に当接している状態において、前記超音波プローブの第１の振動素子から第Ｎ（但し、Ｎは２以上かつＮ以下の整数である。）の振動素子まで順々に超音波を測定対象物の内部に照射し、測定対象物からの前記超音波の反射波を、照射した振動素子ごとに第１から第Ｎの受信データセットとして前記超音波プローブが有する振動素子のうちの２個以上の振動素子で受信させること、及び（Ｃ）第１から第Ｎの受信データセットに基づいて開口合成法を適用することにより測定対象物の内部の３次元反射像を生成すること、を実行させるよう構成されており、前記出力装置は前記（Ｃ）において生成した３次元反射像を出力するものであり、前記第１から第Ｎの受信データセットは、それぞれ、照射した振動素子の位置データ、受信した振動素子の位置データ、照射から受信までの到達時間、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、測定対象物の内部の３次元反射像の測定装置。
（７）Ｍ及びＮが２００以上の整数である（６）の測定装置。
（８）第１〜第Ｍの振動素子が測定対象物に対して凹曲面を形成し得るように前記超音波プローブが構成されてなる、（６）又は（７）の測定装置。
（９）測定対象物が生体である（６）〜（８）の測定装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の照射ポイントから測定対象物に対して超音波を照射して、その反射データを開口合成法により統合することにより、測定対象物の内部を高精度にかつ三次元的に描写することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明で用いることができる超音波プローブの一例の模式図である。
【図２】開口合成法における座標の定義の説明図である。
【図３】遅延の算出の模式説明図である。
【図４】高品質のフルダイナミックフォーカス画像生成の模式説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を適宜参照しながら本発明を説明する。本発明は、図示された態様に限定されるわけではない。
【００１０】
本発明によれば、測定対象物の内部の３次元反射像の測定装置は、３つ以上の振動素子を有する超音波プローブと、制御装置と、出力装置とを備える。制御装置において成すべき制御は後述する。
【００１１】
超音波プローブが有する３つ以上の振動素子について、便宜上、第１〜第Ｍ（但し、Ｍは３以上の整数である。）の振動素子と呼ぶ。超音波プローブ自体の構成については、特に限定は無く、従来公知のものをそのまま用いることもできる。非限定的な例として、図１に、超音波プローブの一例の模式図を示す。図１（Ａ）は外観斜視図であり、図１（Ｂ）は、プローブ本体の内部模式図である。
【００１２】
測定対象物（図示せず）の測定に際して、超音波プローブ１０におけるプローブ本体１２は測定対象物宇の表面に接触させられる。プローブ本体１２は第１〜第Ｍの振動素子１１を備える。制御装置等（図示せず）から送信部１３を介して、プローブ本体１２の各振動素子１１に送信信号が送られる。この送信信号に基づいて、振動素子１１から超音波が照射される。
【００１３】
本発明では、振動素子そのものについては、従来公知のものをそのまま用いることができる。従来の超音波プローブで用いられている振動素子を適宜採り入れることができる。
【００１４】
好ましくは、振動素子は測定対象物に対して凹曲面を形成し得るように構成される。例えば、図１に示されるような超音波プローブでは、プローブ本体１２が凹曲面を形成していて、その中に振動素子１１が組み込まれることにより、複数の振動素子１１が全体として、測定対象物に対して凹曲面を形成している。
【００１５】
プローブ本体１２の材質については特に限定は無く、公知の材料を適宜用いることができる。複数の振動素子１１をプローブ本体１２に組み込む手段についても特に限定は無く、超音波プローブにおける従来発明を適宜参照することができる。
【００１６】
測定の際には、このような超音波プローブを測定対象物に当接させる。次いで、超音波プローブの第１の振動素子から順々に超音波を測定対象物の内部に照射する。便宜上、超音波を照射する超音波を第１の振動素子から第Ｎの振動素子と呼ぶ。ここで、Ｎは２以上かつＭ以下の整数である。Ｎ＝Ｍである場合は、超音波プローブが有する全ての振動素子から順々に超音波が照射されることを意味する。
【００１７】
測定精度を向上させる点から、Ｍ及びＮは好ましくは２００以上である。Ｍ及びＮの好適な上限は特に定められるものではないが、非限定的には５１２が例示される。
【００１８】
超音波から測定対象物の内部に超音波が照射されると、測定対象物の内部構造、内部物性に応じて超音波が反射される。本発明によれば、反射した超音波を超音波プローブが有する２個以上の振動素子で受信させる。好ましくは、超音波を照射した振動素子以外の全ての振動素子で反射した超音波を受信させる。
【００１９】
受信した超音波の信号を、便宜上、受信データセットと呼ぶ。照射した超音波素子の番号（第１〜第Ｎ）に応じて、受信データセットについても、第１のデータセット、第２のデータセット、・・・第Ｎのデータセットと呼ぶ。
【００２０】
各々のデータセットには、少なくとも以下の情報が含まれるべきである。それらの情報とは、照射した振動素子の位置データ、受信した振動素子の位置データ、照射から受信までの到達時間、受信した超音波の強度のデータである。これらのデータが後述のステップで測定対象物の内部の３Ｄ像の解析に用いられる。
【００２１】
上記得られた第１〜第Ｎのデータセットから測定対象物の内部の３Ｄ反射像が生成される。３Ｄ反射像とは、超音波の反射データから再構築される測定対象物の内部の表面情報からなる三次元画像である。超音波の反射データから三次元画像を再構築すること自体は、例えば、領域抽出、マッピング、ビューイング、シェイディングなどの作業を経る、いわゆるレンダリング技術を適宜参照することができる。本発明によれば、その際に開口合成法が適用され、それにより、得られる３Ｄ反射像の高精度化が期待される。
【００２２】
開口合成法においては、上述したように、第１〜第Ｎの振動素子から順々に超音波が送信され、測定対象物の内部の、形状不連続や組成相違などに基づいて反射する超音波を用いる。そのため、超音波反射の原因となる形状不連続や組成相違などを種々の方向から見た反射源像を得ることになる。これによって、形状不連続などのように超音波の反射指向性が特定の方向に強い反射源からは、そのままのデータが得られ、逆に、組成のノイズ源のような超音波の入射・反射方向に関してランダム性の高い反射源からの信号は、打ち消しあって目立たなくなる傾向がある。このことは、信号のＳ／Ｎ比が向上することを意味し、得られる３Ｄ反射像の高精度化に寄与する。
【００２３】
本発明によれば、測定対象物は特に限定は無く、好ましくは生体であり、特に人体である。例えば、ヒトのふくらはぎやヒトの太腿などに超音波プローブを当接させてもよい。
【００２４】
上述した本発明の方法は、例えば、超音波プローブの振動素子は、予め設計した凹曲面の軌道で発信と受信する位置を変更して、違う位置と角度の関係にて開口合成で画像を再建し、及び照射から受信までの到達時間と受信した超音波の強度データを計算する方法であると表現することともできる。
【００２５】
また、本発明によれば、測定対象物の内部の３次元反射像の測定装置は、制御装置を備えて、制御装置は、第１〜第Ｍ（第１〜第Ｎ）の振動素子が上述のように超音波の照射や受信をするように作動させるとともに、得られた第１〜第Ｎのデータセットから上述のように３次元反射像（３Ｄ反射像）を生成する演算を行うよう、構成されている。生成された３Ｄ反射像は出力装置から出力される。出力装置としてはモニタ、プリンタ、外部メモリ、他の機器への有線又は無線による送信手段など、特に限定されない。
【００２６】
以下、本発明について上述した内容をより具体的に紹介する。以下の例は本発明を限定的に解釈するための記載ではなく一例に過ぎない。
【００２７】
超音波の反射データを収集するにあたっては、装置が有するＡ／Ｄコンバーターの数を考慮することができる。例えばＡ／Ｄコンバーターが１２８個であれば、振動素子の数Ｍや、データセットの数Ｎを例えば５１２程度にすることが好ましい。また、反射データの取得は複数回、例えば３〜６回程度行ってもよい。
【００２８】
開口合成法を使用して、完全なダイナミックフォーカス画像が提供される。上述したように超音波の照射は、まず、第１の振動素子のみが励起して、超音波を照射し、第１以外のすべての振動素子がデータ受信に使用される。次いで、第２、第３、・・・第Ｎの振動素子という具合に、順々に、各チャネルが励起して、超音波を照射するまでＮ回繰り返される。各照射からの多数の低解像度画像を組み合わせることにより、完全なダイナミックフォーカス画像を得ることができる。
【００２９】
開口合成法の適用においては、まず、要素の位置と画像領域の座標を定義する。図２は、開口合成法における座標の定義の説明図である。次いで、振動素子から測定対象物の内部の撮像点までの幾何学的距離を求め、受信素子に戻る距離に基づいて遅延を計算する。ここで、撮像点の座標（ｘimage、ｙimage、ｚimage）、受信素子の座標（ｘprobe、ｙprobe、ｚprobe）、音速ｃに対して、遅延（ｄｅｌａｙ）は以下のように算出される。なお、図３は、遅延の算出の模式説明図である。
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【００３０】
上述の各データが、第１〜第Ｎのデータセットを構成する。
そして、多数の低解像度画像が組み合わされて、高品質のフルダイナミックフォーカス画像が生成される。図４は、高品質のフルダイナミックフォーカス画像生成の模式説明図である。
【００３１】
本発明の装置、方法で得られる３Ｄ反射像については、超音波を使用する各種測定・診断の基礎として用いることができる。超音波を用いる測定や診断は特に限定は無く、従来行われていた測定・診断などを適宜行うことができる。その際、本発明によれば、高精度の３Ｄデータが得られ、複雑な解析や高確度・高精度の測定・診断に寄与し得る。そのような観点から、本発明の超音波プローブは、生体測定に用いることが特に好ましい。測定の際に照射する超音波の周波数は特に限定は無く、好ましくは３ＭＨｚ〜７ＭＨｚである。
【００３２】
また、例えば、受信した超音波（反射波、透過波、回折波）を波形データとして保存し、ＣＴやＭＲＩ等といった他のデータと比較することで、波形データから測定対象の状態や症状等を判断できる特徴を見つける、といった応用も考えられる。これにより、アノテーション付きの波形データを作ることができ、機械学習のための学習用データとして活用するといったことも想定される。
【符号の説明】
【００３３】
１０  超音波プローブ
１１  振動素子
１２  プローブ本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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