(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いた音響インピーダンス測定装置において、
電気信号から測定に用いる超音波を発生し、かつ、超音波を受信して電気信号に変換することができる超音波発生器と、
前記超音波発生器と接続され、超音波を伝送する伝送線路と、
測定対象の試料と前記伝送線路との間のマッチング液と、
前記マッチング液と前記試料との間に設置した、インピーダンス既知のインピーダンス変換を行う層とを備え、
前記マッチング液の厚さを変化させることで、前記試料の音響インピーダンスを求めることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波を用いた音響インピーダンス測定装置において、前記層は、前記印加する超音波の波長の概略１／４の奇数倍の厚さを有することを特徴とする音響インピーダンス測定装置。
【請求項３】
超音波を用いた音響インピーダンス測定方法において、
測定試料と超音波を伝送する線路との間に、インピーダンス変換を行う層を挿入し、
前記マッチング液の厚さを変化させて、
前記試料の音響インピーダンスを測定することを特徴とする音響インピーダンス測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の音響インピーダンス測定方法において、前記挿入する層は、さらに、前記印加する超音波の波長の概略１／４の奇数倍の厚さを有することを特徴とする音響インピーダンス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体試料や工業用各種材料の音響インピーダンスの測定に関する。
【０００２】
【発明の背景】
生体試料の特性である音響インピーダンスを、内視鏡やカテーテルに組み込んだ計測装置により測定して、胃の病状診断、血管内のプラークの識別、および、臓器に対する触診を行うことが考えられる。
また、各種工業用各種材料（液状、ゲル状、および、固体）に対して、複素音響インピーダンスを測定することも行われている。
【０００３】
このような音響インピーダンスの測定は、超音波を用いて行われている。この超音波を用いた複素音響インピーダンスの測定は、例えば、試料にマッチング液を介して超音波を照射し、その反射を測定して求めている。
【０００４】
超音波を用いた複素音響インピーダンス測定の原理を説明する。図１（ａ）は固体試料の計測を説明するための図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の等価回路である。固体伝送線路１２から超音波を液体伝送線路（マッチング液）１４を介して試料１６に対して当てる。固体伝送線路１２の端面と試料１６との距離を０から徐々に増やすと、反射波の振幅も徐々に変化する。このように、反射波形を測定することにより試料の音響インピーダンスが求められることになる。
【０００５】
図１（ｂ）の等価回路において、固体伝送線路の固有インピーダンスＺＣ、液体伝送線路（マッチング液）の固有インピーダンスをＺＷ、伝搬定数βおよび距離ｌは既知で、試料の複素インピーダンスＺＬのみが未知であるとする。また、固体伝送線路と液体伝送線路（マッチング液）は無損失と仮定するので、ＺＣとＺＷは実数である。液体伝送線路１４と試料１６との反射係数Γ（０）（複素数）は、次式で与えられる。
【数１】
0003578202.tif 000002
試料からの距離ｌの位置における反射係数Γ（ｌ）（複素数）は次式により与えられる。
【数２】
0003578202.tif 000003
この位置から試料を見込むインピーダンスＺ（ｌ）（複素数）は、
【数３】
0003578202.tif 000004
このインピーダンスを固体伝送線路から観測したときの反射係数Ｓ（ｌ）（複素数）は次のようになる。
【数４】
0003578202.tif 000005
【０００６】
この式（４）に式（３）を代入して整理すると次のようになる。
【数５】
0003578202.tif 000006
ここで
【数６】
0003578202.tif 000007
とした。ＺＣ  ＞  ＺＷであるからＫ０＞０である。
ここで
【数７】
0003578202.tif 000008
とおくと式（５）は次のようになる。
【数８】
0003578202.tif 000009
【０００７】
ここで
【数９】
0003578202.tif 000010
の最大・最小を検討する。
【数１０】
0003578202.tif 000011
を複素平面上で表すと、図２のようになる。図２において、
【数１１】
0003578202.tif 000012
は、原点Ｏから点Ｐに向かうベクトルＡで表されるので、
【数１２】
0003578202.tif 000013
は原点から点Ｐ’に向かうベクトルとなる。従って、
【数１３】
0003578202.tif 000014
は、点Ｃ（−１，０）から点Ｐ’に向かうベクトルとなる。同様に、
【数１４】
0003578202.tif 000015
は点Ｃから点Ｑ’に向かうベクトルとなる。
図２から分かるように
【数１５】
0003578202.tif 000016
が最大となるのは、
【数１６】
0003578202.tif 000017
最小となるのは、
【数１７】
0003578202.tif 000018
のときである。従って
【数１８】
0003578202.tif 000019
が最大値
【数１９】
0003578202.tif 000020
で最小値は
【数２０】
0003578202.tif 000021
で与えられる。反射波の振幅
【数２１】
0003578202.tif 000022
の比をρとすると、
【数２２】
0003578202.tif 000023
を取る。従ってＫ０を既知とし、
【数２３】
0003578202.tif 000024
を測定すれば、ｒ０  が求まる。位相は式９を用いて求めることができる。（たとえば、信学技報ＵＳ９７−１０７「伝送線路を用いる微少試料の音速・複素インピーダンスの測定」（１９９８年２月）参照）
【０００８】
上述のようにして試料のインピーダンスを計測するための計測装置の構成を、図３に示す。図３の計測装置においては、伝送線路１０８として溶融石英棒を用いており、超音波変換子１０６として圧電素子であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いている。さて、発振器１０２からバースト波電圧を振動子１０６に印加して、超音波を発生させる。発生した超音波は石英棒１０８を伝搬し、石英棒１０８の端面および試料１１２で反射して振動子１０６に戻る。それをオシロスコープ１１８によって測定する。試料の１１２の音響インピーダンスを計測するためにはマッチング液１１０の厚さを変化させる必要があるが、装置の安定のために、石英棒１０８は固定して試料を移動し、マッチング液の厚さを変化させるように構成している。このマッチング液としては、水等を用いることができる。図３に示す計測装置においては、マッチング液１１０は表面張力を用いて試料に付着しているので、石英棒１０８は試料１１２に対して垂直に立て、付着漏れがないようにしている。
【０００９】
このようにして、上述の原理で計測した反射係数と、マッチング液の厚さとの関係を示したグラフを図４に示す。このグラフにおいて反射率の最大・最小と、反射率が最小となったときのマッチング液の厚さから、前記式（前述の参照文献参照）により、試料１１２の音響インピーダンスを求めることができる。
しかし、試料１１２の音響インピーダンスと、マッチング液として用いている水等の音響インピーダンスとの差が小さい場合は、反射率の変化が小さくなる。このような場合を示したグラフが図５である。図５の計測において、マッチング液として水を、試料として水の音響インピーダンスとほぼ等しいオイルゼリーを用いている。図５からわかるように、反射率の変化が小さすぎて、最大・最小の区別がつかず、音響インピーダンスを求めることができない。このように、音響インピーダンスの差が小さすぎて計測することができないことが、特に生体試料に多い。これはまた、センサーと測定部位の接着状態等が悪いことにより、試料との界面が明確でないことも原因の一つと考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、計測対象の音響インピーダンスと伝送線路（マッチング液等）の音響インピーダンスとの差が小さい場合でも、超音波の反射を用いて音響インピーダンスを正確に計測できるようにすることである。
また、生体を対象とする測定における場合のように、試料の界面が不明確である場合にも音響インピーダンスの測定を正確に行うことができるようにすることも本発明の目的である。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、超音波を用いた音響インピーダンス測定方法において、測定試料と超音波を伝送する線路との間に、インピーダンス変換を行う層を挿入し、前記マッチング液の厚さを変化させることで、前記試料の音響インピーダンスを測定することを特徴とする。このようにして測定することにより、測定対象の音響インピーダンスと、伝送線路の試料と接する部分における音響インピーダンスとの差が小さい場合でも、正確に測定することができる。
【００１２】
また、超音波を用いた音響インピーダンス測定装置において、電気信号から測定に用いる超音波を発生し、かつ、超音波を受信して電気信号に変換することができる超音波発生器と、前記超音波発生器と接続され、超音波を伝送する伝送線路と、測定対象の試料と前記伝送線路との間のマッチング液と、前記マッチング液と前記試料との間に設置した、インピーダンス既知のインピーダンス変換を行う層とを備え、前記マッチング液の厚さを変化させることで、前記試料の音響インピーダンスを求めることを特徴とする。
この測定装置を用いることにより、マッチング液（例えば水）の音響インピーダンスと試料の音響インピーダンスとの差が小さい場合でも、試料の音響インピーダンスを正確に測定することができる。
【００１３】
前述の測定方法および測定装置における前記層は、さらに、前記印加する超音波の波長の概略１／４の奇数倍の厚さを有している。この構成により、生体を対象とする測定における場合のように、試料の界面が不明確である場合にも音響インピーダンスの測定を正確に行うことができる。法律の改正による出願人の名義変更手続を準備中。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の実施形態においても、計測装置は図３に示したものと同様のものを使用することができる。
【００１５】
図６は、本発明の実施形態の概略を示す図である。この場合も固体の試料の場合を示している。図６においても、図３と同様に、超音波変換子（ＰＺＴ）１０６で発生した超音波のバーストは、伝送線路１０８、マッチング液１１０を介して試料１１２に対して印加される。本発明においては、試料１１２に対して特性インピーダンスおよび厚さが既知であるインピーダンス変換器１１４が密着配備されている。本発明においては、このインピーダンス変換器１１４を介して、試料１１２に超音波が印加される。このインピーダンス変換器１１４は概略、印加する超音波の波長の１／４の奇数倍の厚さを有していることが望ましい。また、この実施形態においては、インピーダンス変換器は、ベークライト板を用いたが、これに限られるものではない。
【００１６】
このインピーダンス変換器１１４は試料に密着しているので、試料とマッチング液との音響インピーダンスの差が明確になるとともに、センサーと試料の接触状態を一定にすることができる。このため、反射率が正確に計測できるので、マッチング液とのインピーダンスの差が小さい試料に対しても、マッチング液の厚さを変化させて計測すると、試料の反射係数の変化を検知することができる。
【００１７】
図７に、インピーダンス変換器１１４を試料１１２に密着配備した場合の計測結果を示している。図７における計測は、図５と同様に、マッチング液として水、試料としてオイルゼリーを用いている。また、インピーダンス変換器として厚さが１／４波長のベークライト板を用いている。図７のグラフから分かるように、マッチング液の厚さの変化に対して、反射率の変化が明確に判別できる。この図７のグラフにより、前述の式（前述の参考資料等参照）から、インピーダンス変換器と試料とを含めた反射係数（ｒ０およびφ）を求めることができる。さらに、インピーダンス変換器によるインピーダンス変化を考慮すると、試料の音響インピーダンスを計測することができる。図７の場合のように、計測に用いている超音波の１／４波長の厚さのインピーダンス変換器のとき、スミスチャート上では、得られた反射係数の点（ｒ０，φ）を１８０°負荷側に進めた点が試料の反射係数となる。インピーダンス変換器の特性インピーダンスは既知であるので、反射係数から試料の音響インピーダンスを求めることができる。
【００１８】
図８は、音響インピーダンスが既知である試料を、上述のようなインピーダンス変換器を用いて計測した結果を示すグラフである。音響インピーダンスが既知の試料として、濃度が分かっている食塩水を用いている。図８において、分かっている食塩水の音響インピーダンスを実線で示しており、計測した濃度の食塩水の分散と平均とを×と○で示している。図８から分かるように、食塩水の音響インピーダンスの計測結果は、既知である音響インピーダンスとよく一致している。
【００１９】
このように、計測対象と異なる音響インピーダンスを有するインピーダンス変換器を用いることにより、計測対象である試料とマッチング液との音響インピーダンスの差があまりない場合でも、正確に試料の音響インピーダンスを計測することができる。
【００２０】
上述のインピーダンス変換器を用いた音響インピーダンスの計測は、マッチング液として水を用いることが多い生体試料の場合に適用すると有効である。内視鏡に組み込んで、生体試料の音響インピーダンスを計測する場合を考える。この場合において、生体試料は、マッチング液として用いられている水と音響インピーダンスの差が少ない。このため、音響インピーダンスを正確に計測することが難しかった。また、試料との距離の計測で、測定対象である生体試料が平面ではないため、伝送線路としている石英棒との距離の計測も難しかった。このため、生体試料の音響インピーダンスを計測することは難しかった。
【００２１】
しかし、たとえば図９に示すようなインピーダンス変換器を使用している音響センサーを用いて、平板状のインピーダンス変換器１１４を生体試料に押しつけて、音響インピーダンスを計測することにより、正確に計測することができるようになる。
【００２２】
図９は、石英棒等で構成されている超音波の伝送線路の先端部の構成例を示している。図９において、伝送線路１０８の先端には、インピーダンス変換器１１４を前面に有するケース１１６が、伝送線路と相対的に移動可能に備わっている。ケース１１６内には、マッチング液（例えば、水）が満たされており、外部とはパッキング１２０等で遮断されている。伝送線路１０８は、図示しない駆動部によりケース１１６に対して移動可能である。また、伝送線路１０８の先端部とインピーダンス変換器１１４との距離は、図示しない駆動部や、別に設けた例えばレーザ計測器等により計測されている。
このような音響センサーを、例えば内視鏡とともに用いることにより、インピーダンス変換器１１４を目的の生体試料に押し当てて、生体試料の音響インピーダンスを正確に計測することができる。
なお、上述のインピーダンス変換器として、平板状のもので説明したが、円筒形や球状の形状のもの等でもよい。
【００２３】
また、上述では、生体内における計測を説明したが、生体外からの計測においては、例えば頸動脈に当てて音響インピーダンスを計測すれば、動脈硬化に関する情報を得ることができる。この計測により、血管の形状による診断ばかりでなく、血管の質的変化による診断も可能となる。
【００２４】
インピーダンス変換器を用いる本発明の音響インピーダンス計測は、工業用各種材料（液状、ゲル状、および、固体）の音響インピーダンス計測に適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
上記の説明のように、本発明の音響インピーダンス計測を用いることにより、生体試料等において、正確に音響インピーダンスを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体試料の音響インピーダンスの測定を説明する図である。
【図２】音響インピーダンスを求めるための複素平面図である。
【図３】音響インピーダンスの測定を行う測定装置の構成を説明するブロック図である。
【図４】計測された反射係数とマッチング液の厚さとの関係を示すグラフである。
【図５】マッチング液と比較して、音響インピーダンスの差が少ない試料を計測した場合のグラフである。
【図６】本発明の原理を説明する図である。
【図７】本発明の音響インピーダンス計測を用いた結果を示すグラフである。
【図８】本発明の音響インピーダンス計測の検証結果を示すグラフである。
【図９】本発明を生体試料の計測器に適用した場合を示す図である。
【符号の説明】
１２    固体伝送線路
１４    マッチング液（液体伝送線路）
１８    試料
１０２    発振器
１０４，１１５  増幅器
１０６    超音波変換子（振動子）
１０８    伝送線路
１１０    マッチング液
１１２    試料
１１４    インピーダンス変換器
１１６    ケース
１１８    オシロスコープ
１２０  パッキング
【図１】
0003578202.tif 000025
【図２】
0003578202.tif 000026
【図３】
0003578202.tif 000027
【図４】
0003578202.tif 000028
【図５】
0003578202.tif 000029
【図６】
0003578202.tif 000030
【図７】
0003578202.tif 000031
【図８】
0003578202.tif 000032
【図９】
0003578202.tif 000033