(57)【要約】【課題】反射像とは異なるモードの超音波への挙動を把握する方法および測定装置の提供。【解決手段】３つ以上の振動素子を有する照射用振動素子群と、複数の振動素子を有する受信用振動素子群と、を有する超音波プローブを、照射用振動素子群から受信用振動素子群へと測定対象物の内部を通過するように、前記超音波プローブを測定対象物に当接させ、照射用振動素子群の振動素子を順々に超音波を測定対象物の内部に照射し、測定対象物を透過した超音波を、照射した振動素子ごとに各々の受信データとして受信用振動素子群の振動素子にそれぞれ受信させ、受信データ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各位置における超音波の強度減衰と超音波の伝播速度とを算出する、測定対象物の超音波測定方法方法及び装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）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照射用振動素子群と、照射用振動素子群とは別個に複数の振動素子を有する受信用振動素子群と、を有する１又は複数の超音波プローブを測定対象物に当接させ、このとき、
照射用振動素子群が有する振動素子と受信用振動素子群が有する振動素子とを結ぶ直線が測定対象物の内部を通過するように、前記超音波プローブを測定対象物に当接させるステップ、
（Ｂ）前記第１の振動素子から第Ｍ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、測定対象物を透過した超音波を、照射した振動素子ごとに各々の受信データとして受信用振動素子群が有する複数の振動素子にそれぞれ受信させるステップ、及び
（Ｃ）前記受信データ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各位置における超音波の強度減衰と超音波の伝播速度とを算出するステップ、を有し、
前記各々の受信データは、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、照射した超音波の強度のデータ、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、
測定対象物の超音波測定方法。
【請求項２】
Ｍが２００以上の整数である請求項１記載の方法。
【請求項３】
測定対象物が生体である請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
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照射用振動素子群と、第１の振動素子群とは別個に複数の振動素子を有する受信用振動素子群と、を有する１又は複数の超音波プローブと、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）前記第１の振動素子から第Ｍ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、測定対象物を透過した超音波を、照射した振動素子ごとに各々の受信データとして受信用振動素子群が有する複数の振動素子にそれぞれ受信させること、及び
（Ｃ）前記受信データ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各位置における超音波の強度減衰と超音波の伝播速度とを算出すること、
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）において生成した超音波の強度減衰及び超音波の伝播速度の少なくとも１つを出力するものであり、
前記各々の受信データは、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、照射した超音波の強度のデータ、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、
測定対象物の超音波測定装置。
【請求項５】
Ｍが２００以上の整数である請求項４記載の測定装置。
【請求項６】
測定対象物が生体である請求項４又は５記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の内部を透過する超音波の速度及び強度の減衰挙動を取得する方法及びそのための測定装置に関する。
【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の把握を種々の態様で実現できることが好ましい。比較的多くの場合、測定対象物の各位置における照射超音波の反射挙動を観測する、いわゆる反射像の取得が行われている。本発明は、反射像とは異なるモードの超音波への挙動を把握する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）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照射用振動素子群と、照射用振動素子群とは別個に複数の振動素子を有する受信用振動素子群と、を有する１又は複数の超音波プローブを測定対象物に当接させ、このとき、照射用振動素子群が有する振動素子と受信用振動素子群が有する振動素子とを結ぶ直線が測定対象物の内部を通過するように、前記超音波プローブを測定対象物に当接させるステップ、（Ｂ）前記第１の振動素子から第Ｍ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、測定対象物を透過した超音波を、照射した振動素子ごとに各々の受信データとして受信用振動素子群が有する複数の振動素子にそれぞれ受信させるステップ、及び（Ｃ）前記受信データ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各位置における超音波の強度減衰と超音波の伝播速度とを算出するステップ、を有し、前記各々の受信データは、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、照射した超音波の強度のデータ、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、測定対象物の超音波測定方法。
（２）Ｍが２００以上の整数である（１）の方法。
（３）測定対象物が生体である（１）又は（２）の方法。
（４）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照射用振動素子群と、第１の振動素子群とは別個に複数の振動素子を有する受信用振動素子群と、を有する１又は複数の超音波プローブと、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）、すなわち、（Ｂ）前記第１の振動素子から第Ｍ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、測定対象物を透過した超音波を、照射した振動素子ごとに各々の受信データとして受信用振動素子群が有する複数の振動素子にそれぞれ受信させること、及び（Ｃ）前記受信データ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各位置における超音波の強度減衰と超音波の伝播速度とを算出すること、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）において生成した超音波の強度減衰及び超音波の伝播速度の少なくとも１つを出力するものであり、前記各々の受信データは、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、照射した超音波の強度のデータ、受信した超音波の強度のデータを少なくとも含む、測定対象物の超音波測定装置。
（５）Ｍが２００以上の整数である（４）の測定装置。
（６）測定対象物が生体である（４）又は（５）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、その透過データを開口合成法により統合することにより、測定対象物の内部の形状や組成に由来する超音波の強度減衰や伝播速度を高精度に測定することができる。
【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】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３】受信データの解析の説明図である。
【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、測定対象物の超音波測定装置は、照射用及び受信用の振動素子群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。照射用及び受信用の振動素子群は１つの超音波プローブに備えられていてもよいし、複数の超音波プローブに分散して備えられていてもよい。
【００１１】
照射用振動素子群に含まれる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。第１〜第Ｍの振動素子は、測定時に超音波を照射する振動素子である。測定精度向上の観点から、Ｍは好ましくは３２〜１０２４であり、より好ましくは２５６〜５１２である。
【００１２】
受信用振動素子群に含まれる複数の振動素子は、測定時に超音波を受信する振動素子である。測定精度向上の観点から、受信用振動素子群は、好ましくは３２〜１０２４個、より好ましくは２５６〜５１２個の振動素子を有する。
【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】
本発明では、超音波測定に際して、照射用振動素子群が有する振動素子から照射される超音波が、測定対象物の内部を透過して、受信用振動素子群が有する振動素子へと受信させるようにする。よって、振動素子の配置に関しては、照射用振動素子群が有する振動素子と、受信用振動素子群が有する振動素子とが結ぶ直線が、測定対象物の内部を通過するような配置にする。そのような振動素子の配置の非限定的な例を以下に挙げる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図１のプローブは、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。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。凹曲面で測定対象物を包むようにプローブ１０を測定対象物に当接させると、複数の振動素子１１のうち凹曲面の片端付近の振動素子１１ａと、多端付近の振動素子１１ｂとが結ぶ直線は、測定対象物の内部を通過することになる。よって、図１（Ｂ）に示す形態の場合には、例えば、振動素子１１ａが照射用振動素子群を構成し、振動素子１１ｂが受信用振動素子群を構成することができる。
【００１８】
プローブの別の例として、別途、フレームを備え、プローブ本体が前記フレーム内で可動となっている形態が挙げられる。図２は、本発明の超音波プローブの一形態の模式図である。この超音波プローブ２０は、プローブ本体２２・２３が、フレーム２４に取り付けられた状態で移動可能になっている。
【００１９】
図２（Ａ）においては、超音波プローブ２０には、プローブ本体２２・２３とフレーム２４とが備えられ、プローブ本体２２とプローブ本体２３とは一体となって、フレーム２４に取り付けられている。プローブ本体２２には複数の振動素子２１ａが設けられ、図面では破線で指し示しているように、プローブ本体２３にも複数の振動素子２２ｂが設けられている。
【００２０】
ここで、プローブ本体２２とプローブ本体２３は、フレーム２４に設けられた曲線状の溝２５に沿って、動かすことができる。そのようにプローブ本体２２とプローブ本体２３を動かして、図２（Ｂ）に示すように、プローブ本体２２とプローブ本体２３とを別々の部材、すなわち複数の部材へと分離することができる。このように分離した形態では、プローブ本体２２に組み込まれた振動素子２１ａとプローブ本体２３に組み込まれた振動素子２１ｂとが、全体として、測定対象物に対して凹曲面を成していると解釈することができる。このように、プローブ本体を分離可能にすることで、使用する振動素子の数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。また、生体を測定対象物にする場合には、体の部位は大きさや形状において個体差の存在が想定されるところ、図２の形態のように、プローブ本体を分離可能にすることで、測定する個体にとって最適な位置にプローブ本体を移動させることができる。
【００２１】
図２（Ｂ）のようにプローブ本体２２とプローブ本体２３とを複数の部材へと分離することにより、プローブ本体２２に設けられる振動素子２１ａと、プローブ本体２３に設けられる振動素子２１ｂとは測定対象物を挟む形態となる。よって、振動素子２１ａと振動素子２２ｂとを結ぶ直線は、測定対象物の内部を通過する。そこで、例えば、振動素子２２１ａを照射用振動素子群として用い、振動素子２１ｂを受信用振動素子群として用いることができる。
【００２２】
本発明によれば、プローブ本体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。複数の振動素子をプローブ本体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。
【００２３】
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、照射用振動素子群の第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。超音波振動子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の伝播速度が変化したり、減衰により超音波強度が低下する。本発明によれば、測定対象物の内部を透過した超音波を受信用振動素子群が有する２個以上の振動素子で受信させる。
【００２４】
受信した超音波の信号、すなわち受信データは、少なくとも以下の情報が含まれるべきである。含まれるべき情報とは、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、照射した超音波の強度のデータ、受信した超音波の強度のデータである。
【００２５】
超音波の照射は第１の超音波素子から第Ｍの超音波素子へと順々に行われ、その都度、受信用振動素子群が有する振動素子にて超音波の受信が行われる。よって、受信データの個数は、原則として、照射用振動素子群が有する振動素子の数、すなわちＭと、受信用振動素子群が有する振動素子の数との乗算により得られる数である。
【００２６】
このようにして得られた受信データから測定対象物の内部の各位置における超音波伝播速度及び超音波強度の減衰態様を算出することができる。上記の受信データから超音波伝播速度及び超音波強度の減衰態様を得ること自体は、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、高精度に超音波伝播速度及び超音波強度の減衰率を求めることが期待される。
【００２７】
開口合成法においては、上述したように、第１〜第Ｍの振動素子から順々に超音波が送信され、送信された超音波は、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伝播速度が変化したり強度減衰が生じる。そのため、超音波の伝播速度変化や超音波強度減衰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透過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伝播速度変化や超音波強度減衰が常に生じる測定対象物の内部の位置からは、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挙動に関してランダム性の高い位置からの信号は、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、得られるデータの高精度化に寄与する。
【００２８】
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。
【００２９】
測定対象物の内部の各位置における超音波の伝播速度や、超音波の強度減衰率を知ることにより、当該位置における組成や形状を推定することができ、測定対象物が生体である場合には、筋肉や臓器等の状態把握に寄与することになる。
【００３０】
また、本発明によれば、超音波測定装置は、制御装置を備えて、制御装置は、照射用振動素子群及び受信用振動素子群が有する各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、得られた受信データから上述のように測定対象物の内部の各位置における超音波の伝播速度や、超音波の強度減衰率を算出する演算を行うよう、構成されている。算出された各パラメータは、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。
【００３１】
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。
【００３２】
一例として、照射用振動素子群及び受信用振動素子群がそれぞれ２５６個ずつ、合計で５１２個の振動素子を有するプローブの使用を考慮する。照射用振動素子群の第１の振動素子から順に照射シーケンスを実施する。１つのシーケンスでは、１つの振動素子のみが励起され、受信用振動素子群が有する振動素子はすべて受信のために起動される。第１、第２、、、の順に第Ｍの振動素子まで１つずつ励起・照射されるまで、このプロセスが繰り返される。
【００３３】
測定対象物の各位置における伝播速度（音速）を計算するために、受信データには照射した振動素子の位置、受信した振動素子の位置、照射から受信までの到達時間が必要である。伝播経路と到着時間の両方を考慮することにより、音速を決定することができる。減衰量の推定に関しては、すべての照射データに振動素子のピークエネルギーを記録した。減衰はエネルギーピークの逆数として定義される。図３は受信データの解析の説明図である。具体的には、まず、波形データ（ＲＦデータ）の絶対値を算出し（図３（Ａ）、（Ｂ））、次いで、時間とともにエネルギーを蓄積し、各振動素子のピークエネルギーを記録し（図３（Ｃ）、図３（Ｄ））、累積エネルギーを０〜１に正規化し（図３（Ｅ））、到達時間を決定するエネルギー閾値を設定し、伝播距離を考慮して音速を推定する。
【００３４】
本発明の装置、方法により超音波の透過データにより得られる各パラメータについては、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、従来しばしば行われる超音波の反射に基づく解析とは別の解析や高確度・高精度の測定・診断に寄与し得る。そのような観点から、本発明の装置、方法は、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。
【００３５】
また、例えば、受信した超音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】
【００３６】
１０・２０  超音波プローブ
１１・２１  振動素子
１２・２２・２３  プローブ本体
２４  フレーム
２５  溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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