(57)【要約】【課題】接触状態の自由度が高い硬さ評価を実現する。【解決手段】振動棒１０が被測定物３０に接触して振動する際の共振周波数に基いて、その被測定物３０の硬さを評価する。この際、被測定物３０が振動棒１０にもたらす複素放射インピーダンスについて、その実数軸方向の変化に対してその虚数軸方向の変化が大きいインピーダンス領域で、共振周波数を計測する。例えば、振動棒１０の振動面の半径ａと波長定数ｋとに基いて、ｋａが０．６より小さい領域で共振周波数を計測する。【選択図】図１
2006034672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動棒が被測定物に接触して振動する際の共振周波数に基いて、その被測定物の硬さを評価する超音波硬さ評価装置において、
被測定物が振動棒にもたらす複素放射インピーダンスについて、その実数軸方向の変化に対してその虚数軸方向の変化が大きいインピーダンス領域で、前記共振周波数を計測する、
ことを特徴とする超音波硬さ評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波硬さ評価装置において、
前記振動棒は、その長手方向端部の接触面で被測定物に接触し、
前記インピーダンス領域は、前記振動棒の接触面の面積とその振動棒の長さとに基いて設定される、
ことを特徴とする超音波硬さ評価装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波硬さ評価装置において、
前記振動棒は、その長手方向端部の円状の接触面で被測定物に接触し、
前記インピーダンス領域は、前記振動棒の接触面の半径とその振動棒による振動の波長定数とに基いて設定される、
ことを特徴とする超音波硬さ評価装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波硬さ評価装置において、
前記共振周波数から被測定物の密度情報を求める、
ことを特徴とする超音波硬さ評価装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波硬さ評価装置において、
前記振動棒は、発振回路によって駆動される圧電振動子を含み、
前記発振回路は、前記圧電振動子を駆動することによって前記振動棒をその長手方向に振動させる、
ことを特徴とする超音波硬さ評価装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波硬さ評価装置において、
前記共振周波数として、前記振動棒の長さの２倍の波長を有する振動の周波数を計測する、
ことを特徴とする超音波硬さ評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して組織などの硬さを評価する超音波硬さ評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内組織の診断において、その組織の硬さから組織の状態を把握する手法が知られている。例えば、肝臓は、何らかの原因でその機能が低下して代謝が悪化すると硬さに変化を生じる。このため、肝臓の硬さは、肝臓の状態を把握するための重要な指標となる。
【０００３】
生体などの組織の硬さを評価するために、超音波振動を利用する技術が知られている。その一例として、超音波振動子を組織に接触させることにより、接触前後で共振周波数が変化する原理（特許文献１参照）を利用して、硬さを評価する装置（例えば、特許文献２など）が知られている。
【０００４】
これらの技術により、医者の手などによる主観的な硬さの評価に代わって、装置を利用した客観的で定量的な硬さの評価が可能になる。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１４５６９１号公報
【特許文献２】特開平９−４７４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波振動子を組織に接触させ、接触前後の共振周波数の変化に基いて硬さを評価する場合、超音波振動子と組織の接触状態の変化が、共振周波数の測定値に影響を及ぼす可能性がある。
【０００７】
例えば、超音波振動子を組織に接触させることにより、超音波振動子の振動が弱まることが懸念される。このため、特許文献１では、共振周波数の変化に伴って増幅度を変化させる補償回路が提案されている。
【０００８】
また、超音波振動子と組織との間の接触圧、つまり超音波探触子にかけられる荷重が共振周波数の測定に影響を及ぼすことも懸念される。このため、特許文献２の装置では、超音波振動子が組織に接触するとき、その荷重を一定に保つための機構が設けられている。
【０００９】
このように、従来の装置では、接触状態の自由度が低く、測定精度を高めるために、超音波振動子と組織の接触状態を考慮した追加構成が必要であった。
【００１０】
本発明は、このような状況に鑑みて成されたものであり、その目的は、接触状態の自由度が高い硬さ評価を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波硬さ評価装置は、振動棒が被測定物に接触して振動する際の共振周波数に基いて、その被測定物の硬さを評価する超音波硬さ評価装置において、被測定物が振動棒にもたらす複素放射インピーダンスについて、その実数軸方向の変化に対してその虚数軸方向の変化が大きいインピーダンス領域で、前記共振周波数を計測する、ことを特徴とする。
【００１２】
望ましくは、前記振動棒は、その長手方向端部の接触面で被測定物に接触し、前記インピーダンス領域は、前記振動棒の接触面の面積とその振動棒の長さとに基いて設定される、ことを特徴とする。望ましくは、前記振動棒は、その長手方向端部の円状の接触面で被測定物に接触し、前記インピーダンス領域は、前記振動棒の接触面の半径とその振動棒による振動の波長定数とに基いて設定される、ことを特徴とする。望ましくは、前記共振周波数から被測定物の密度情報を求める、ことを特徴とする。
【００１３】
望ましくは、前記振動棒は、発振回路によって駆動される圧電振動子を含み、前記発振回路は、前記圧電振動子を駆動することによって前記振動棒をその長手方向に振動させる、ことを特徴とする。望ましくは、前記共振周波数として、前記振動棒の長さの２倍の波長を有する振動の周波数を計測する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、例えば、振動棒を被測定物に押し当てた際、押し当てる力を変化させても共振周波数の測定に影響を与えないので、接触状態の自由度が高い硬さ評価が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基いて説明する。
【００１６】
図１には、本発明に係る超音波硬さ評価装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。本発明に係る超音波硬さ評価装置は、振動棒１０が生体組織（例えば肝臓）などの被測定物３０に接触して振動する際の共振周波数に基いて、被測定物３０の硬さを評価するものである。
【００１７】
振動棒１０は、圧電振動子１２と二つの金属棒１４で構成され、二つの金属棒１４で圧電振動子１２を挟んだランジュバン構造を有している。さらに、振動棒１０の上部は、外筒１６で覆われている。振動棒１０の長手方向の中央部分に振動の節が存在するため、振動棒１０は長手方向の中央部分で外筒１６によって支えられる。なお、金属棒１４や外筒１６は、例えば、チタンなどで構成される。
【００１８】
圧電振動子１２は、その厚さ方向に振動する振動子である。このため、振動棒１０は、その長手方向（図１に示す振動方向）に振動する。振動棒１０は硬さ評価の対象となる被測定物３０に接触して振動し、その際の共振周波数に基いて被測定物３０の硬さが評価される。共振周波数に基く硬さ評価の原理については、後に図３から図９を利用して詳述する。
【００１９】
発振回路２０は、圧電振動子１２を駆動することによって振動棒１０をその長手方向に振動させる回路である。発振回路２０は、２端子定数の圧電振動子１２を振動させるものであれば、どのような回路構成のものでもよい。
【００２０】
図２は、発振回路２０の回路構成例を示す図であり、図２の発振回路２０は、周知のピアース型発振回路である。この発振回路２０は、例えば、＋２．５ボルトの電源で動作し、振動棒１０の共振周波数に対応した電圧信号を出力４０から出力する。
【００２１】
図１に戻り、周波数計測部２２は、発振回路２０から出力される共振周波数（電圧信号の周波数）を計測する。計測には、例えば所定クロックで動作するカウンタ回路などが利用される。
【００２２】
評価値演算部２４は、周波数計測部２２で計測された共振周波数に基いて、被測定物３０の硬さに関する評価値を求める。評価値としては、例えば、被測定物３０の密度などが挙げられる。評価値演算部２４で求められた評価値は、表示部２６に表示される。
【００２３】
以上、本発明に係る超音波硬さ評価装置の概要を説明したが、次に、共振周波数に基く硬さ評価の原理について説明する。
【００２４】
まず、半径ａの円形の振動棒の振動面を想定する。この振動面から媒質（被測定物）に音波（超音波）を放射するとき、振動面は媒質の反作用を受ける。すなわち、振動面にも音圧を生じて、その音圧が振動を妨害するように働く。これが放射インピーダンスであり、次式のように複素形式で表される。
【数１】
2006034672.tif 000003
【００２５】
図３は、式（１）の（複素）放射インピーダンスの式を複素平面上に表した図である。図３において、横軸は式（１）の実数部を示し、縦軸は式（１）の虚数部を示している。なお、両軸ともに媒質の密度と媒質の音速との積で除算した値を示している。また、図３では、波長定数ｋと半径ａとの積ｋａの値も示されている。
【００２６】
図３に示すように、式（１）の放射インピーダンスは、ｋａが小さな領域、例えば、ｋａが０．６より小さい領域では、虚数軸に対しては大きな変化を示すものの実数軸に対してはそれほど大きな変化を示していない。そこで、この範囲であれば式（１）の放射インピーダンスは次式のように近似できる。
【数２】
2006034672.tif 000004
【００２７】
次に、放射インピーダンスｚrをもたらす媒質に、音響インピーダンスｚ0をもつ振動棒が接触した場合について伝送経路の概念を導入する。つまり、図４に示す伝送経路を仮定する。図４に示す伝送経路を仮定すると、振動棒の他端から見たインピーダンスｚinは、次式のように表せる。
【数３】
2006034672.tif 000005
【００２８】
（３）式から、媒質の放射インピーダンスｚrの変化は、振動棒の他端から見たインピーダンスｚinの変化となって表れることがわかる。つまり、振動棒の他端から見たインピーダンスを測定することにより、媒質の音響特性を知ることができる。
【００２９】
そこで、式（２)を式（３）に代入し、この際の式（３）の特性を図５から図８に表す。なお、振動の強さを見るためにインピーダンスの逆数の実数値（コンダクタンス）をグラフに表す。コンダクタンス値が大きいほど振動が強いことを示し、そのピーク点の周波数が振動棒の共振周波数に相当する。また、図５から図８において、振動棒は次式に示す特性のものとした。
【数４】
2006034672.tif 000006
【００３０】
図５は、媒質の音速を１５００ｍ／ｓで一定にしたときの媒質の密度をパラメーターにした音響コンダクタンス特性を示しており、横軸に周波数が示され、縦軸にコンダクタンス値が示されている。図５において、最も高い周波数にピークを有するのは媒質の密度ρが２００ｋｇ／ｍ3の場合であり、ピークが周波数の低い方へ移るに従い、ρ＝３００，４００，５００，・・・と続き、最も低い周波数にピークを有するのは媒質の密度ρが２０００ｋｇ／ｍ3の場合である。図５に示すように、媒質の密度に応じてコンダクタンスのピーク周波数が異なる。
【００３１】
図６は、媒質の密度を一定にしたときの音速をパラメーターにした音響コンダクタンス特性を示しており、横軸に周波数が示され、縦軸にコンダクタンス値が示されている。図６において、コンダクタンスのピーク値が最も大きいのは、音速ｃが３０００ｍ／ｓの場合であり、ピーク値が小さくなるに従い、ｃ＝２８００，２６００，２４００，・・・と続き、最もピーク値が小さいのは音速ｃが１０００ｍ／ｓの場合である。図６に示すように、媒質の音速が変わっても共振周波数は変化せず、強さ（コンダクタンスのピーク値）だけが変化している。
【００３２】
つまり、図５および図６から、共振周波数は媒質の密度にのみ依存することがわかる。そこで、密度の変化に対するコンダクタンスのピーク（すなわち振動棒の共振点）を抜き出すと、図７および図８のようになる。
【００３３】
図７は、媒質の密度に対するコンダクタンスのピーク周波数（共振周波数）を示す図であり、横軸に密度が示され、縦軸に共振周波数が示されている。図７から、密度の変化に対して共振周波数は、ほぼ線形に変化していることがわかる。したがって、本発明に係る超音波硬さ評価装置により、例えば、図７に示す対応関係を利用して、測定した共振周波数から媒質の密度を求めることができる。例えば、評価値演算部（図１の符号２４）において、評価値として組織の密度ρが求められ、組織の繊維化などの診断に利用される。また、共振周波数や密度と組織の状態とを関連付ける臨床実験結果などに基いて、例えば肝臓であれば肝硬変、脂肪肝などといった疾患状態の指標を評価値演算部で判断してもよい。
【００３４】
図８は、媒質の密度に対するコンダクタンスのピーク値（最大値）を示す図であり、横軸に密度が示され、縦軸にコンダクタンスの最大値が示されている。図８から、コンダクタンスの最大値、つまり振動の強さは、密度が大きい場合（例えば、７５０ｋｇ／ｍ3以上）には大きく変化しないことがわかる。
【００３５】
図９は、本発明に係る超音波硬さ評価装置による測定結果の一例を示している。図９に示す例では、媒質として、シリコーンゴムの原料に硬度を低下させるための専用の薄め溶液を用いて柔らかくしたものを用いた。
【００３６】
図９において、横軸には、センサである振動棒を媒体に押し付ける際の荷重が示されており、縦軸には、各荷重における周波数変化率をパーセントで表した。また、荷重の「−（マイナス）１ｇ」は、振動棒を媒質に接触しない状態を示し、この際の周波数をゼロパーセントとした。「０（ゼロ）ｇ」は振動棒の先端がちょうど媒質に接触した状態である。
【００３７】
図９に示すように、２〜３ｇ程度までの荷重の増加にしたがって僅かに周波数が変化しているが、これは、振動棒の先端のミクロなすき間に空気などが入り込んでいることや、振動棒が媒質に僅かに斜めに当たっていることなどから、媒質が未だ振動棒の先端の全体に接触していないためと考えられる。これに対し、荷重がある程度大きい場合、例えば３ｇ以上の場合には、荷重によって測定結果（周波数変化）がほぼ一定となっている。
【００３８】
つまり、本発明に係る超音波硬さ評価装置では、振動棒を媒質に押し当てたとき、押し当てる力を変化させても、振動棒と媒質の接触面積が変わらないことなどから、共振周波数の測定に影響を与えない。従って媒質の音響特性がより正確に測定でき、しかも、荷重を一定に制御する機構などが必要ないため、装置構成が簡便になる。
【００３９】
本実施形態では、図３を利用して説明したように、式（１）の放射インピーダンスのｋａが小さな領域、例えば、ｋａが０．６より小さい領域において、式（２）の近似式を用いた。その際、振動面を円形と仮定して、その半径をａとしていた。そこで、振動面の形状を一般化するために面積Ｓを利用する。円の面積がＳ＝πａ2であることから次式が導かれる。
【数５】
2006034672.tif 000007
【００４０】
また、数１の波長定数ｋについて、媒質の音速ｃ＝ｆ・２Ｌ（ｆ：振動の周波数、Ｌ：振動棒の長さ）であることから次式が導かれる。
【数６】
2006034672.tif 000008
そして、数５および数６から、波長定数ｋと半径ａとの積ｋａが次式のように一般化できる。
【数７】
2006034672.tif 000009
【００４１】
したがって、振動棒の長さＬと媒質との接触部分の面積Ｓによって決定される数７の指標値Ａが０．６以下（ｋａが０．６以下に相当）であれば、媒質の放射インピーダンスの振動棒への影響において虚数部が支配的となり、図８を利用して説明したように、振動の強さに影響を与えない測定が可能になる。従って、指標値Ａが小さい（例えば０．６以下）となる振動棒を用いることにより、振動棒を媒質に当てた時、発振が弱まったり停止したりする現象を回避できる。さらに、棒の縦振動と波長との関係から、数７をさらに一般化することもできる。
【００４２】
図１０は、棒の縦振動と波長との関係を説明するための図である。長さＬの振動棒が自由振動する場合、図１０に示すように、波長λと棒の長さＬとの間において、Ｌ＝ｎλ／２（ｎ＝１，２，３，・・・）の関係を満たす振動が発生する。つまり、振動棒は、λ＝２Ｌ／ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・）を満足する飛び飛びの振動周波数で振動する。媒質の音速は、ｃ＝ｆ・λ（ｆ：振動の周波数、λ：振動の波長）であり、λ＝２Ｌ／ｎであることから、ｃ＝ｆ・２Ｌ／ｎとなる。従って数６を一般化して次式が導かれる。
【数８】
2006034672.tif 000010
したがって、数７を一般化した次式が導かれる。
【数９】
2006034672.tif 000011
【００４３】
数７における指標値Ａは、数９における指標値Ａ´において、ｎ＝１とした場合に相当する。通常、ｎ＝１の振動が最も大きな振幅の振動となるため、数７を利用して最も大きな振幅のみを考慮し、指標値Ａが０．６より小さい領域で計測を行ってもよい。
【００４４】
指標値Ａ´を利用することにより、さらに、ｎ＝２以上の振動を考慮して、指標値Ａ´が０．６より小さい領域で計測することも可能になる。なお、さらに指標値Ａ´を一般化して、例えば、振動面の形状に応じた形状定数Ｆを利用し、Ｆ×Ａ´を指標値として利用してもよい。
【００４５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る超音波硬さ評価装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】発振回路の回路構成例を示す図である。
【図３】放射インピーダンスの式を複素平面上に表した図である。
【図４】伝送経路を説明するための図である。
【図５】媒質の音速を一定にしたときの媒質の密度をパラメーターにした音響コンダクタンス特性を示す図である。
【図６】媒質の密度を一定にしたときの音速をパラメーターにした音響コンダクタンス特性を示す図である。
【図７】媒質の密度に対するコンダクタンスのピーク周波数を示す図である。
【図８】媒質の密度に対するコンダクタンスのピーク値を示す図である。
【図９】本発明に係る超音波硬さ評価装置による測定結果の一例を示す図である。
【図１０】棒の縦振動と波長との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  振動棒、１２  圧電振動子、１４  金属棒、２０  発振回路、２２  周波数計測部、２４  評価値演算部。
【図１】
2006034672.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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