(57)【要約】【課題】計測対象部位を動かしながら連続的に超音波計測できるようにすること。【解決手段】サポーター型超音波プローブ３０は、関節部に装着する伸縮性のサポーター部３１を有し、その内面には着脱自在な小型の超音波センサーユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃが計測対象部位を取り囲むようにして分散して取り付けてある。処理装置２０は、超音波センサーユニット４０ａ〜４０ｃの相対位置と相対姿勢を算出し、各センサーユニットで計測した結果から得られる３次元の超音波画像を、算出した相対位置と相対姿勢とが整合するように合成して計測部位のボリュームデータを生成する。そして、ボリュームレンダリングして、計測部位全体にかかる３次元画像を生成・表示する。【選択図】図１
2015093140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検者の計測対象部位を取り囲むように離散配置され、超音波を送受信する複数の超音波センサーと、
前記超音波の送受信の情報に基づいて前記複数の超音波センサーの相対情報を算出する相対情報算出部と、
前記複数の超音波センサーの計測結果と前記相対情報とを用いて、前記計測対象部位の３次元超音波計測画像を生成する３次元超音波計測画像生成部と、
を備えた超音波計測装置。
【請求項２】
前記相対情報算出部による前記相対情報の算出と、前記３次元超音波計測画像生成部による画像生成とを実行させる制御部、
を更に備えた請求項１に記載の超音波計測装置。
【請求項３】
前記３次元超音波計測画像生成部は、前記複数の超音波センサーの計測結果を合成して前記３次元超音波計測画像を生成する、
請求項１又は２に記載の超音波計測装置。
【請求項４】
前記複数の超音波センサーが、前記計測対象部位に装着する伸縮性を有する装着具に、前記超音波の送出面を前記被検者に向けた姿勢で配置された、
請求項１に記載の超音波計測装置。
【請求項５】
前記装着具は筒状の形状を有し、
前記複数の超音波センサーが、前記装着具の周方向に亘って配置された、
請求項４に記載の超音波計測装置。
【請求項６】
前記装着具は繊維製品であり、
前記複数の超音波センサーは前記装着具に着脱自在に係合する係合部を有する、
請求項４又は５に記載の超音波計測装置。
【請求項７】
前記複数の超音波センサーは、前記被検者に粘着可能な粘着部材に配置されている
請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波計測装置により生体内の生体情報を非侵襲に計測する技術が周知である。
例えば、特許文献１では、超音波プローブを膝関節付近に設定された回転軸で揺動可能に支持し、折り曲げた膝の上面に沿って移動させながら超音波計測できるメカニカル超音波プローブと、計測結果に基づいて膝関節内部のボリュームデータを求めることのできる超音波診断装置とについて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、超音波による関節部への計測は、主に腰痛や老化による障害の診断のために行われていたが、近年、スポーツによる関節障害についても用いられるようになってきた。例えば、野球肘と呼ばれる離断性骨軟骨炎、尺側副靱帯不全、疲労骨折など、バトミントン肩と呼ばれる腱板障害、ジャンパー膝と呼ばれる膝蓋腱炎、ランナー膝とよばれる腸脛靱帯症候群などの検査にも、超音波計測が使われるようになってきた。こうした関節部の軟骨や筋、腱、靱帯などの軟部組織の観察には、エックス線やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）よりも超音波計測の方が優れているからである。
【０００５】
しかし、従来の超音波計測装置、より具体的には従来の超音波プローブを用いる超音波計測では、関節周りの計測において幾つかの課題が残っている。
例えば、障害の発生の仕方や障害部位への負荷のかかり具合を判断するためには、関節を様々な角度に動かしながら連続的に観察するのが望まれる。しかし、その為には関節を動かすのに合わせて超音波プローブを当てる位置や姿勢を逐次変更しなければならず、良好に連続的な観測をするのが著しく難しい。
【０００６】
また、従来の超音波プローブを用いる超音波計測装置では、オペレーターは、片方の手で超音波プローブを計測対象部位に当てる操作を行い、もう一方の手で超音波計測装置を操作しなければならない。両手がふさがった状態である。これでは、関節を手で動かしながら障害部位を探すことも、また障害部位を確認しながら注射治療をするといったこともできず、不便であった。
【０００７】
特許文献１に開示された超音波診断装置では、オペレーターの両手が自由になる点については上記課題の一部を解決し得る。しかし、機械的に予め決められた経路に沿った一方向からの超音波計測をする構成のため、その他の課題を解決することは難しい。
【０００８】
例えば、図１２は、ランナー膝の例を示す膝関節周りの簡略透視図である。ランナー膝と呼ばれる関節障害の一例では、膝の曲げにより腸脛靱帯９０と大腿骨９２の外側上顆の側面とがこすれる範囲（図中の斜線でハッチングされた範囲）について、連続的な観察が望まれる。しかし、特許文献１に開示された装置では、膝を曲げた状態で計測しなければならない上に、膝関節上面及び正面側からの超音波計測に限られる。関節可動域全体における腸脛靱帯９０と大腿骨９２とのこすれる範囲全体を観察するには不向きである。また、膝を曲げ伸ばしする間の連続的な観察にも不向きである。
【０００９】
本発明は、こうした技術的背景と関節部の超音波計測にまつわる課題を鑑みて考案されたものであって、計測対象部位をハンズフリーで超音波計測できるようにすること、更には、計測対象部位を動かしながら連続的に超音波計測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の課題を解決するための第１の発明は、被検者の計測対象部位を取り囲むように離散配置され、超音波を送受信する複数の超音波センサーと、前記超音波の送受信の情報に基づいて前記複数の超音波センサーの相対情報を算出する相対情報算出部と、前記複数の超音波センサーの計測結果と前記相対情報とを用いて、前記計測対象部位の３次元超音波計測画像を生成する３次元超音波計測画像生成部と、を備えた超音波計測装置である。
【００１１】
第１の発明によれば、超音波センサーを計測対象部位を取り囲むように複数配置することで計測対象部位全体を計測範囲に収めることができる。超音波センサーは、例えば個別に皮膚面に貼り付けや粘着などして取り付けることができる。よって、関節部の障害部位をハンズフリーで超音波計測することが可能となる。
そして、超音波センサーを分散配置したことを利用し、更に、超音波センサーそれぞれの相対位置および相対姿勢を求め、各超音波センサーで計測した結果から計測対象部位に係る全体画像（３次元超音波計測画像）を生成することもできる。
【００１２】
第２の発明は、前記相対情報算出部による前記相対情報の算出と、前記３次元超音波計測画像生成部による画像生成とを実行させる制御部、を更に備えた第１の発明の超音波計測装置である。
【００１３】
第２の発明によれば、超音波センサーそれぞれの相対情報の算出と、各超音波センサーで計測した結果から計測対象部位に係る３次元超音波計測画像の生成とを、連続的に繰り返すことが可能となる。よって、関節を動かしながら障害部位を連続的に且つ立体的に観察することが可能となる。
【００１４】
第３の発明は、前記３次元超音波計測画像生成部が、前記複数の超音波センサーの計測結果を合成して前記３次元超音波計測画像を生成する、第１又は第２の発明の超音波計測装置である。
【００１５】
第３の発明によれば、超音波センサーそれぞれの計測結果（例えば計測対象部位のボリュームデータ）を合成することにより、任意の視点や断面で３次元超音波計測画像を生成することが可能になる。
【００１６】
第４の発明は、前記複数の超音波センサーが、前記計測対象部位に装着する伸縮性を有する装着具に、前記超音波の送出面を前記被検者に向けた姿勢で配置された、第１の発明の超音波計測装置である。
【００１７】
第４の発明によれば、超音波センサーをまとめて計測対象部位に配置することができる。しかも、装着具が伸縮性なので計測対象部位を動かしたとしても、超音波センサーが安定的に皮膚面に密着するので、計測部位を動かしながらの連続的な観察に効果的である。
【００１８】
第５の発明は、前記装着具は筒状の形状を有し、前記複数の超音波センサーが、前記装着具の周方向に亘って配置された、第４の発明の超音波計測装置である。
【００１９】
第５の発明によれば、計測対象部位を周方向に計測することが可能になる。
【００２０】
第６の発明は、前記装着具は繊維製品であり、前記複数の超音波センサーは前記装着具に着脱自在に係合する係合部を有する、第４又は第５の発明の超音波計測装置である。
【００２１】
第６の発明によれば、超音波センサーの取付位置の調整や、超音波センサーの個別交換が可能になる。
【００２２】
第７の発明は、前記複数の超音波センサーは、前記被検者に粘着可能な粘着部材に配置されている第１〜第３の何れかの発明の超音波計測装置である。
【００２３】
第７の発明によれば、超音波センサーの分散位置を自在に変えることができる。被検者の体形に応じたて超音波センサーの配置位置を最適化することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】超音波計測装置のシステム構成例を示す図。
【図２】ランナー膝と呼ばれる関節障害の計測を想定したサポーター型超音波プローブの装着例と、各超音波センサーユニットの位置関係の例を示す図。
【図３】図２に同じ。
【図４】ボリュームデータを生成するために必要な、各超音波センサーユニットの相対情報を算出する原理について説明するための図。
【図５】超音波計測結果を用いたボリュームデータの生成を説明するための概念図。
【図６】超音波計測装置の機能構成例を示すブロック図。
【図７】記憶部５００に記憶されるプログラムやデータの例を示す図。
【図８】相対情報算出用基礎データのデータ構成例を示す図。
【図９】超音波計測装置の計測制御に係る処理の流れを説明するためのフローチャート。
【図１０】サポーター型超音波プローブの変形例を示す図。
【図１１】超音波計測装置のシステム構成の変形例を示す図。
【図１２】ランナー膝の例を示す膝関節周りの簡略透視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔第１実施形態〕
図１は、本実施形態における超音波計測装置１０のシステム構成例を示す図である。超音波計測装置１０は、関節部に装着するサポーター型超音波プローブ３０と、当該超音波プローブと通信接続され計測結果を演算処理して計測対象部位の画像を連続的に生成する処理装置２０とを備える。
【００２６】
処理装置２０は、超音波計測に係る各種演算処理を実行する装置である。例えば、タッチパネル２１やキーボード２２と言った画像表示装置や操作入力デバイス、演算処理するＣＰＵ（Central Processing Unit）２３やＩＣメモリー２４、通信制御ＩＣ２５などを搭載した制御基板２６を備えたコンピューターにより実現できる。パソコンやタブレット型コンピューターなどの汎用のコンピューターに所定のプログラムを実行させることで実現しても良いし、制御基板２６の一部または全部を専用のＬＳＩ等のハードウェアで実現した専用コンピューターとして実現しても良い。
【００２７】
サポーター型超音波プローブ３０は、計測対象とする関節部に被せて皮膚に密着させる伸縮性を有したサポーター部３１と、当該サポーター部３１の内面に取り付け位置可変に着脱自在な複数の超音波センサーユニット４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）と、処理装置２０との間の通信を実現する通信制御ユニット５０とを備える。
【００２８】
サポーター部３１は、計測対象部位に装着する伸縮性を有する装着具である。例えば、伸縮性の繊維製品により実現できる。図１の例は、膝関節部に装着することを想定してデザインされているがこれに限らない。サポーター部３１の大きさや形状は、計測対象とする関節部の種類や、当該関節部を有する計測対象者の体格等に応じて適宜設定するものとする。また、図１の例では有孔筒状の一体型としているが、複数部位で構成された分離型としてもよい。また、表面の材質や粗密も適宜設定可能である。布状に限らずメッシュ状であってもよい。
【００２９】
超音波センサーユニット４０は、小型の２次元超音波振動子アレイ４１と、その制御ＩＣ４２と、当該ユニットをサポーター部３１の内面に着脱自在に係合する係合部４３とを有する。
【００３０】
２次元超音波振動子アレイ４１は、超音波送出面が１ｃｍ２程度、あるいはそれ以下の面積とするのが望ましい。
【００３１】
制御ＩＣ４２は、公知の２次元超音波振動子アレイ用の制御回路により実現可能であり、本実施形態では超音波センサーユニット４０にセクター方式により超音波の発信・受信をさせることができる。より具体的には、超音波送出面の法線方向をＺ軸とする直交３次元座標として、Ｘ軸座標値とＹ軸座標値とで定義される指定方向に超音波ビームを収束照射する制御、いわゆる送信フォーミング制御が可能である。また、Ｘ軸座標値とＹ軸座標値とで定義される指定方向からの超音波エコーを集中的に受信する受信フォーミング制御が可能である。
【００３２】
係合部４３は、例えば面ファスナーにより実現することができるが、ホックやシート状の磁石でもよい。もし、サポーター部３１の内面に超音波センサーユニット４０を挿入することのできるポケット状のものを設けることができるならば、係合部４３は省略することができる。また、図１の例では、２次元超音波振動子アレイ４１と制御ＩＣ４２とを一体構成としているが別体構成も可能である。その場合は、それぞれに係合部４３を設けるものとする。
【００３３】
超音波センサーユニット４０と通信制御ユニット５０とは信号送受可能に通信接続されている。本実施形態では、制御ＩＣ４２と通信制御ユニット５０とが公知の伸縮性の電線４６により接続されているものとする。勿論、超音波センサーユニット４０に別途近距離無線ユニットを設け（あるいは制御ＩＣ４２に近距離無線器の機能を持たせ）、通信制御ユニット５０にも近距離無線機能を搭載して、両者を無線により通信接続させるとしてもよい。
【００３４】
通信制御ユニット５０は、通信制御ＩＣ５１とＩＣメモリー５２とを備える。
通信制御ユニット５０と処理装置２０との通信は、公知のデータ通信技術により実現できる。両者の接続は有線でも無線でもどちらでもよい。
【００３５】
図２と図３は、ランナー膝と呼ばれる関節障害の一例で、膝の曲げにより腸脛靱帯と大腿骨の外側上顆の側面とがこすれる部分の計測を想定した本実施形態におけるサポーター型超音波プローブ３０の装着例と、各超音波センサーユニット４０の位置関係の例を示す図である。
【００３６】
なお、サポーター型超音波プローブ３０の装着前には、適宜超音波センサーユニット４０の超音波送出面あるいは被検者４の膝関節に、音響インピーダンス整合用の媒体（いわゆる「超音波検査用ジェル」「超音波診断用クリーム」「エコー検査用ゲル」などと呼ばれるもの）を適宜塗布する。
【００３７】
本実施形態のサポーター型超音波プローブ３０は、被検者４の膝周りに装着される。サポーター部３１には膝頭を入れる穴部３２が設けられており、膝に対する大体の位置決めと膝の屈伸にともなう相対的なズレを低減する。また、サポーター部３１は、伸縮性を有するので膝を屈伸してもその内面は、膝関節の皮膚面に密着し、超音波センサーユニット４０の２次元超音波振動子アレイ４１の超音波送出面が皮膚に密着できるようになっている。
【００３８】
サポーター型超音波プローブ３０は、超音波センサーユニット４０を複数備えているが、以下においては説明の簡明化のため、３つの超音波センサーユニット４０を備え、右膝関節の計測に適当な位置に取り付けられることとして説明する。
具体的には、右膝関節にサポーター型超音波プローブ３０を装着すると、第１の超音波センサーユニット４０（４０ａ）は膝関節の右斜め前に配置され、超音波の送出面を当該被検者の皮膚面側に向けた姿勢となる。また、第２の超音波センサーユニット４０（４０ｂ）と第３の超音波センサーユニット４０（４０ｃ）は膝関節の右斜め後にほぼ上下に並んで配置され、同じように超音波の送出面を当該被検者の皮膚面側に向けた姿勢となる。
【００３９】
つまり、３つの超音波センサーユニット４０は、この例における計測対象部位（腸脛靱帯と大腿骨の外側上顆の側面とがこすれる部分）を取り囲むように、計測対象部位の周囲に離散配置されることになる。そして、各超音波センサーユニット４０の超音波計測範囲（図３中の破線扇形領域）は、膝を屈伸しても互いの計測範囲が部分的に重複し、且つ計測部位が超音波計測範囲に入るように設定されている。
【００４０】
そして、本実施形態の超音波計測装置１０は、計測対象部位を挟むようにして配置された３つの超音波センサーユニット４０で３次元超音波計測し、それらの超音波計測の結果から、計測対象部位に係る全体的な３次元超音波計測画像（全体画像）を生成することができる。
【００４１】
図４は、全体画像を生成するために必要な、各超音波センサーユニット４０の相対情報を算出する原理について説明するための図である。
超音波センサーユニット４０の相対情報とは、何れかの超音波センサーユニット４０を「基準センサー」とし、当該基準センサーの座標系（超音波送出面の法線ベクトルをＺ軸とした直交３軸座標系）における他センサーユニットの相対位置座標と、他センサーユニットの超音波送出面の法線ベクトルすなわち相対法線ベクトルとである。基準センサーとする超音波センサーユニット４０は予め指定されている。本実施形態では、第１の超音波センサーユニット４０（４０ａ）とする。
【００４２】
まず、基準センサーを「送信センサー」として、相対位置算出用に、超音波計測範囲の全域を順次走査するように超音波ビームを送信制御する。具体的には、送信タイミング（ｔ１，ｔ２，…，ｔｎ，…）毎に超音波計測範囲内の特定方向へ向けて超音波ビームを送信する。ここで言う、特定方向を「送信ベクトル」と呼ぶ。
【００４３】
一方、送信センサー以外の超音波センサーユニット４０（本実施形態では、第２及び第３の超音波センサーユニット４０（４０ｂ、４０ｃ））が「受信センサー」となる。各受信センサーは、送信センサーが超音波ビームを送信する都度すなわち送信タイミング（ｔ１，ｔ２，…，ｔｎ，…）毎に、それぞれの計測範囲全域について受信強度を計測し、受信エコーの分布を得る。
【００４４】
図４の例では、第２の超音波センサーユニット４０（４０ｂ）は、自身の超音波送出面の法線ベクトルをＺb軸と直交するＸbＹb座標系の所定範囲について受信強度分布を計測する。図示は省略されているが、第３の超音波センサーユニット４０（４０ｃ）についても同様にしてＸcＹc座標系の所定範囲について受信強度分布を計測する。
【００４５】
もし、送信センサーからの超音波ビームが届いていれば、何れかの送信タイミングの受信エコーの分布にて、どこかの送信元方向ベクトルＶｓにて所定の基準値Ｒｔを超えるピークを得ることになる。
【００４６】
この基準値Ｒｔを越える受信強度値のピークを得たタイミング、より具体的にはピークの最大値を得たタイミングを最大受信タイミングｔｍとすると、送信センサーから当該受信センサーまでの距離Ｌは、基準値Ｒｔを越える受信強度値のピークを与えたタイミングにおける送受信時間差と、超音波の伝搬速度Ｃｓとの積から求めることができる。
【００４７】
また、送信センサーから当該受信センサーへの向きは、基準値Ｒｔを越える受信強度値の最大ピークを与えた送信タイミングｔｎの送信ベクトル（最大受信時送信ベクトルＶｔ）であるから、受信センサーの送信センサーを基準とする相対位置座標は、最大受信時送信ベクトルＶｔ方向に距離Ｌの位置となる。そして、受信センサーの超音波送出面の送信センサーを基準とする相対的な向き、すなわち相対法線ベクトルは、最大受信時送信ベクトルＶｔと、送信元方向ベクトルＶｓとが逆向きの関係にあることから座標変換して求めることができる。
【００４８】
但し、超音波センサーユニット４０の配置条件によっては、基準センサーを送信センサーとした超音波ビームの照射のみでは、全ての超音波センサーユニット４０の相対情報を得られない場合がある。例えば、図４の例では、第１の超音波センサーユニット４０（４０ａ）の左隣りの位置に超音波センサーユニット４０ｄがあったと仮定すると、当該センサーユニットへは基準センサーである第１の超音波センサーユニット４０（４０ａ）からの超音波ビームは届かない。そこで、基準センサーを送信センサーとして超音波ビームの照射を行ってなお、相対情報が得られなかったセンサーユニットがある場合には、基準値Ｒｔを越える受信強度ピークを得た受信センサー（例えば、図４の例では第２の超音波センサーユニット４０（４０ｂ））に送信センサーを変更して、相対位置算出用に超音波計測範囲の全域を走査するように超音波ビームを送信制御する。そうして得られた相対位置情報を、基準センサーを基準とした座標系に変換して対応する。
【００４９】
超音波計測を行う前には、こうして全ての超音波センサーユニット４０について相対情報の算出が行われる。そして、全ての超音波センサーユニット４０について相対位置と相対姿勢とが明らかとなれば、例えば図５に示すように、同じタイミングで実施したそれぞれの超音波計測の結果（第１の超音波センサーユニット４０ａ〜第３の超音波センサーユニット４０ｃそれぞれの計測結果に基づく３次元画像７０ａ，７０ｂ，７０ｃ（扇状の範囲１つ１つが２次元画像を現し、その集合で１つの３次元画像を構成している）を、基準センサーのＸaＹaＺa座標系において、それぞれの相対情報に整合するように３次元画像７０ａ，７０ｂ，７０ｃを合成することができる。
【００５０】
本実施形態の超音波計測装置１０は、各超音波センサーユニット４０にて３次元超音波計測を行って得られた３次元画像７０ａ，７０ｂ，７０ｃから、計測部位全体のボリュームデータ７２を生成することができる。なお、３次元画像７０ａ，７０ｂ，７０ｃそれぞれから、個別のボリュームデータ（小領域）を中間生成し、中間生成したボリュームデータから計測部位全体のボリュームデータ７２を生成することとしてもよい。本実施形態では、中間生成しない前者の方法として以下説明する。
【００５１】
そして、超音波計測装置１０は、生成したボリュームデータ７２に基づいて計測部位の全体画像（例えば、計測対象部位を構成する各組織の表面で構成された外観画像や、内部構造を半透視した透視画像、内部断面画像を含む）をボリュームレンダリングして生成し、例えば処理装置２０のタッチパネル２１に表示させる。しかも、超音波計測装置１０は、被検者４の膝を屈伸させながら、相対値情報の算出と、３次元超音波計測と、ボリュームデータの生成と、計測対象部位に係る全体的な３次元超音波計測画像（全体画像）をレンダリングするボリュームレンダリングと、全体画像の表示制御とを、所定の制御サイクル（例えば、２０ｆｐｓ）で繰り返し実行することで、膝の屈伸中の障害部位の様子を連続的に観察可能にする。
【００５２】
［機能構成の説明］
次に、本実施形態を実現するための機能構成について説明する。
図６は、本実施形態の超音波計測装置１０の機能構成例を示すブロック図である。超音波計測装置１０は、操作入力部１００と、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎ（ｎは２以上の整数）と、第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎと、通信部１５０と、処理部２００と、画像表示部３６０と、記憶部５００とを備える。
【００５３】
操作入力部１００は、オペレーターによる各種操作入力を受け付け、操作入力に応じた操作入力信号を処理部２００へ出力する。ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、トラックパッド、マウス、などにより実現できる。図１の例ではタッチパネル２１やキーボード２２が該当する。
【００５４】
第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎは、対応する第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎによる超音波の発信や超音波エコーの受信に係る制御、および受信結果に基づく画像の生成処理を実行する。例えば、公知の超音波振動子の制御技術により実現可能である。
例えば、１）送信フォーカシングに係る制御を実行する送信フォーカス制御部１１１と、２）対応する第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎへの駆動信号（パルス電圧）の送出及び超音波エコーの受信信号の取得を行う送受信回路１１２と、受信フォーカシング制御を行う受信フォーカス制御部１１３と、超音波エコーから２次元画像（例えば、２次元Ｂモード画像）を生成する２次元画像生成部１１４と、超音波エコーから３次元画像を生成する３次元画像生成部１１５とを含む。図１の例では、制御ＩＣ４２が該当する。
【００５５】
第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎは、超音波ビームの送信フォーカシングや、所定位置からの超音波エコーを選択的に受信する受信フォーカシングに対応する超音波振動子群である。図１の例では、２次元超音波振動子アレイ４１が該当する。
【００５６】
通信部１５０は、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎと処理部２００との間の信号送受を管理する。通信制御ＩＣや通信ケーブル、ソケット、無線通信機などにより実現できる。図１の例では、サポーター型超音波プローブ３０の通信制御ユニット５０や、処理装置２０の通信制御ＩＣ２５が該当する。
【００５７】
処理部２００は、例えば、ＣＰＵやＧＰＵ等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ、ＩＣメモリーなどの電子部品によって実現される。そして、処理部２００は、各機能部との間でデータの入出力制御を行い、所定のプログラムや各種データに基づいて各種の演算処理を実行して、超音波センサーユニット４０の相対情報の算出に関する制御や、ボリュームデータの生成、ボリュームレンダリングによる全体画像の生成、全体画像の表示制御をすることができる。図１の例では、処理装置２０の制御基板２６が該当する。
【００５８】
そして、本実施形態の処理部２００は、相対情報算出部２０２と、超音波計測制御部２０４と、全体画像生成部２１０と、繰り返し制御部２２０と、計時部２３０と、画像生成部２６０とを有する。
【００５９】
相対情報算出部２０２は、離散配置された第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎの超音波の送受信情報に基づいて相対位置および相対姿勢の相対情報を算出する。図４で説明した相対位置情報の算出に関する制御を行う。
【００６０】
超音波計測制御部２０４は、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎに、それぞれ対応する第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎによる同時（または診断に支障が無い程度の時間ずれを許容する意味での略同時）の超音波計測を実行させる。
【００６１】
全体画像生成部２１０は、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎから、それぞれ対応する第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎで計測した結果データを取得し、計測対象部位に係る全体的な３次元超音波計測画像（全体画像）を生成する。全体画像生成部２１０は、３次元超音波計測画像生成部に相当する。
【００６２】
より詳しくは、全体画像生成部２１０は、ボリュームデータ生成部２１２と、表示制御部２１４と、ボリュームレンダリング部２１６とを有する。
【００６３】
ボリュームデータ生成部２１２は、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎで生成された、それぞれの計測範囲における計測対象部位の２次元画像や３次元画像のデータ（計測対象部位の部分画像のデータ）を取得する。そして、それらを対応する第１超音波振動子アレイ１２０ａ〜第ｎ超音波振動子アレイ１２０ｎの相対位置と相対姿勢とが整合するようにして、所定の基準座標系（図４及び図５の例では、第１の超音波センサーユニット４０の座標系）にて合成して、計測対象部位全体のボリュームデータを生成する。
【００６４】
表示制御部２１４は、操作入力部１００からの所定の表示設定操作に応じて、ボリュームレンダリング部２１６がレンダリングする計測対象部位に係る３次元超音波計測画像（全体画像）の視点や断面を設定する。ボリュームレンダリング部２１６は、計測対象部位全体のボリュームデータを、設定された視点或いは断面で見た画像をレンダリングして生成する。
【００６５】
繰り返し制御部２２０は、相対情報算出部２０２による相対情報の算出と、超音波計測制御部２０４による超音波計測の制御と、全体画像生成部２１０による画像生成とを繰り返し実行させる制御をする。繰り返し制御部２２０は、制御部に相当する。
【００６６】
計時部２３０は、送信タイミングや受信タイミングの基準となるシステムクロックの計時をする。
【００６７】
画像生成部２６０は、各種操作画面や全体画像などを画像表示部３６０へ表示させるための画像信号を生成して出力する。
【００６８】
画像表示部３６０は、画像生成部２６０から入力される画像信号に基づいて画像を表示出力する。図１の例ではタッチパネル２１が該当する。
【００６９】
記憶部５００は、ＩＣメモリーやハードディスク、光学ディスクなどの記憶媒体により実現され、各種プログラムや、処理部２００の演算過程のデータなどの各種データを記憶する。図１の例では、処理装置２０の制御基板２６に搭載されているＩＣメモリー２４が該当する。なお、処理部２００と記憶部５００の接続は、装置内の内部バス回路による接続に限らず、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネットなどの通信回線で実現しても良い。その場合、記憶部５００は超音波計測装置１０とは別の外部記憶装置により実現されるとしてもよい。
【００７０】
図７は、記憶部５００に記憶されるプログラムやデータの例を示す図である。
記憶部５００は、システムプログラム５０１と、計測制御プログラム５０２と、システムクロック５０６と、相対情報算出用基礎データ５１０と、センサー別相対情報５４０と、センサー別３次元画像データ５５０と、表示制御データ５６０と、ボリュームデータ５６２と、全体画像データ５６４とを記憶する。その他、超音波センサーユニット４０の相対位置情報の算出やボリュームデータの生成、ボリュームレンダリングのための各種データも適宜記憶することができる。
【００７１】
システムプログラム５０１は、処理装置２０をコンピューターとしての基本的な入出力機能を実現するためのプログラムである。処理部２００は、システムプログラム５０１を実行している状態で、計測制御プログラム５０２を実行することにより実現する。なお、これらの処理部２００が有する各機能部を電子回路等のハードウェアで実現する場合には、当該機能を実現させるためのプログラムの一部を省略することができる。
【００７２】
相対情報算出用基礎データ５１０は、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎ、すなわち超音波センサーユニット４０（図１）それぞれの相対位置および相対姿勢の相対情報を算出するための基礎データである。相対情報算出用基礎データ５１０は、相対情報の算出のための送信センサーの設定毎に生成される。
【００７３】
例えば、図８に示すように、送信センサーとした超音波センサーユニット４０の識別情報を格納する送信センサーＩＤ５１１と、送信タイミング毎に作成される複数の送受信データセット５２０とを含む。
【００７４】
１つの送受信データセット５２０は、送信時のシステムクロック５０６を格納する送信タイミング５２２と、超音波ビームの送信方向を送信センサーの座標系で記述した送信ベクトル５２４と、受信センサー毎に作成される複数の受信データ５３０とを含む。
【００７５】
１つの受信データ５３０は、当該データがどの超音波センサーユニット４０で受信したものであるかを示す受信センサーＩＤ５３１と、複数の受信エコー分布データ５３２とを格納する。
【００７６】
受信エコー分布データ５３２は、当該受信センサーとなっている超音波センサーユニット４０の計測範囲全域についての受信強度の計測結果である。例えば、受信タイミング５３３と、当該受信センサーとなっている超音波センサーユニット４０の座標系で記述した受信フォーカス座標５３４と、受信エコーの受信強度値５３５とを対応づけて格納する。
【００７７】
図７に戻って、センサー別相対情報５４０は、超音波センサーユニット４０毎に作成され、それぞれが各センサーユニットを識別するセンサーＩＤと、相対位置座標と、相対法線ベクトルとを格納する。
【００７８】
センサー別３次元画像データ５５０は、超音波センサーユニット４０毎に作成され、各センサーユニットによる超音波計測の結果に基づく計測部位の３次元部分画像データを格納する。
【００７９】
表示制御データ５６０は、全体画像を生成するためのボリュームレンダリングの視点や、ボリュームデータの断面を定義する。
【００８０】
［処理の流れの説明］
次に、超音波計測装置１０の動作について説明する。
図９は、超音波計測装置１０の計測制御に係る処理の流れを説明するためのフローチャートであって、所定の計測開始操作を検出すると実行される。なお、被検者４の膝関節には予めサポーター型超音波プローブ３０を装着しているものとする。また、所定の表示制御操作を検出すると、処理部２００は表示制御データ５６０をその都度変更するものとする。
【００８１】
超音波計測装置１０の処理部２００は、所定の計測開始操作を検出すると、所定の終了操作を検出するまで、描画フレーム毎にループＡを所定サイクルで繰り返し実行する（ステップＳ２〜Ｓ３２）。
【００８２】
ループＡでは、超音波計測装置１０は、先ず相対情報算出用基礎データ５１０を作成し、送信センサーＩＤ５１１を所定の基準センサー（本実施形態では第１の超音波センサーユニット４０ａ；図３，図４）に設定し（ステップＳ４）、送信ベクトル５２４を超音波ビームを最初に送信する方向に初期化する（ステップＳ６）。そして、送信タイミング５２２に現在のシステムクロック５０６の示す値を設定して、送信センサーから送信ベクトル５２４の方向へ超音波ビームを送出させる（ステップＳ８）。
【００８３】
一方、超音波計測装置１０は受信センサー毎に、計測範囲全域で受信エコーを測定し、相対情報算出用基礎データ５１０に受信エコー分布データ５３２を記憶する（ステップＳ１０）。従って、送信センサーからの超音波ビームの送信時間は、ステップＳ１０において各受信センサーが受信エコー分布データ５３２を得るのに十分な時間だけ送出させるものとする。
【００８４】
次に、超音波計測装置１０は今回の超音波ビームの送信で、当該送信センサーの全ての計測範囲全域に超音波ビームを送信したかを判定する（ステップＳ１２）。相対情報算出用基礎データ５１０には、送信ベクトル毎の送受信データセット５２０が格納されるので、送受信データセット５２０が所定数に達していなければ、否定判定する。
そして、もし否定であれば（ステップＳ１２のＮＯ）、超音波計測装置１０は新たな送受信データセット５２０を作成してその送信ベクトル５２４を次の方向を示すように設定して送信方向を変更する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ８に戻る。
【００８５】
やがて、超音波ビームの送信が送信センサーの全ての計測範囲全域に及んだならば（ステップＳ１２のＹＥＳ ）、超音波計測装置１０は次に全ての受信センサーで基準値Ｒｔ（図４）に達する受信エコーの受信強度値が得られたかを判定する（ステップＳ１８）。
【００８６】
もし、否定であれば（ステップＳ１６のＮＯ）、超音波計測装置１０は、相対位置と相対姿勢を求められない超音波センサーユニット４０が残っていると見なし、既に基準値Ｒｔ以上の受信強度値が得られている受信センサーの何れかを選択し、これを新たな送信センサーに設定する（ステップＳ１８）。具体的には、新たに相対情報算出用基礎データ５１０を生成し、送信センサーＩＤ５１１に新たな送信センサーとされた超音波センサーユニット４０の識別情報を設定する。そして、ステップＳ６に戻る。
【００８７】
もし、全ての受信センサーで基準値Ｒｔに達する受信エコーの受信強度値が得られたならば（ステップＳ１６のＹＥＳ）、超音波計測装置１０は受信センサー毎に最大受信強度が得られた時の送信センサーを基準とする相対位置と相対法線ベクトルとを算出し、センサー別相対情報５４０に格納する（ステップＳ２０）。
【００８８】
この段階では、ステップＳ１８により基準センサーとは別の超音波センサーユニット４０を送信センサーとしたときに最大受信強度値を得ているケースが残り得る。
そこで、超音波計測装置１０は次に、最大受信強度値を得た時の送信センサーＩＤ５１１が所定の基準センサーを示していない受信センサーについては、ステップＳ１８で求めた相対位置と相対法線ベクトルとを、最大受信強度値を得た時の送信センサーと基準センサーとの相対位置と相対姿勢とに基づいて、基準センサーの座標系で記述するように変換処理する（ステップＳ２２）。
【００８９】
これで、全ての超音波センサーユニット４０の相対情報（相対位置、相対姿勢）が明らかになったので、超音波計測装置１０は全ての超音波センサーユニット４０による超音波計測を実行する（ステップＳ２４）。
【００９０】
次いで、超音波計測装置１０は、超音波計測の結果に基づいて超音波センサーユニット別の３次元画像（図５の３次元画像７０ａ，７０ｂ，７０ｃ）を生成し（ステップＳ２６）、判明している各超音波センサーユニット４０の相対情報に基づいて、超音波センサーユニット別の３次元画像から計測部位全体のボリュームデータ５６２を生成する（ステップＳ２８）。
【００９１】
そして、生成されたボリュームデータ５６２から表示制御データ５６０に定義されている視点や断面での全体画像を生成し、タッチパネル２１に表示させる（ステップＳ３０）。
【００９２】
以上、本実施形態によれば、伸縮性のサポーター部３１で小型の超音波センサーユニット４０を支持し、関節部を動かしたとしても超音波センサーを安定して皮膚面に密着させ続けることができる。勿論、オペレーターの手を塞ぐこともない。また、この間、各超音波センサーユニット４０の相対位置および相対姿勢の相対情報が算出され続け、各超音波センサーユニット４０それぞれの計測結果と相対情報とを用いて、計測対象部位に係る全体的な３次元超音波計測画像が生成される。よって、関節を様々な角度に動かしながら障害部位を連続的に計測し観察することが可能となる。
【００９３】
具体的には、各超音波センサーユニット４０で計測した結果に基づく関節部の３次元画像を合成してボリュームデータを作成し、任意の視点や断面から計測対象部位を見た全体画像を逐次生成し表示することができる。
よって、関節を動かしながら本実施形態の計測制御を実施すれば、障害部位の様子をリアルタイムに連続的に観察することが可能となる。
【００９４】
〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明が適用可能な形態は上記実施形態に限るものではなく適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。
【００９５】
例えば、サポーター型超音波プローブ３０が有する超音波センサーユニット４０の数やそれらの取り付け位置は上記実施形態に限らず変更可能である。
例えば、図１０に示すように、複数の超音波センサーユニット４０を、筒型の装着具であるサポーター部３１の周方向に全周と全長に亘って取り付ける構成としてもよい。
【００９６】
また、サポーター型超音波プローブ３０のサポーター部３１を省略した構成も可能である。例えば図１１に示す超音波プローブセット３０Ｃのように、各超音波センサーユニット４０を皮膚に粘着可能な粘着部材で構成された粘着部３３を有するセンサー支持体３４で支持する構成とし、計測対象とする関節部の皮膚面に着脱可能に取り付けるとしてもよい。
【００９７】
また、サポーター型超音波プローブ３０以外の構成として、伸縮性のある貼付可能な布状体の内面側に小型の超音波センサーユニット４０を分散配置して構成した“湿布型超音波プローブ”や、伸縮性の環状の布状体の内面側に小型の超音波センサーユニット４０を分散配置して構成した“腹巻き型超音波プローブ”を構成してもよい。
【００９８】
また、上記の実施形態では、サポーター型超音波プローブ３０の使用例として、関節を動かしながら障害部位をハンズフリーで連続的に観察可能であることを説明した。しかし、上記の“湿布型超音波プローブ”や“腹巻き型超音波プローブ”として、体の動きの少ない内蔵の患部をハンズフリーで連続的に観察することも可能である。
【００９９】
その効果は、例えば、ハンズフリーで視点や断面を様々に変えた画像を自由に表示できるので、体内の腫瘍や結石を探しやすく、早期発見につなげることができることにある。また、心臓疾患の発見なども同様であり、また腫瘍や疾患の手術後の経過なども連続で観察可能である。もちろん、薬や注射などによる治療の経過も常時観察が可能である。また、胎児の様子も常時ハンズフリーで観察でき、異常をいち早く発見することができる。またさらに、膀胱内の畜尿量を常時観察して、失禁の予防をすることもできる。
【０１００】
以上の観察は、サポーター型超音波プローブ３０の他、上記の“湿布型超音波プローブ”や“腹巻き型超音波プローブ”で可能である。被検者の体が動いても観察可能であるから、被検者の姿勢を固定する必要がない。すなわち、寝ている状態の体位（横臥姿勢や仰向け姿勢）や座位の他、歩行などで体位が変化する場面においても、プローブを気にすることなく被検者が常に楽な姿勢でいられるという効果も有する。
【０１０１】
また、上記実施形態では、相対情報算出部２０２と全体画像生成部２１０とを、処理装置２０にて実現する構成としたが、サポーター型超音波プローブ３０に設ける構成としてもよい。例えば、相対情報算出部２０２と全体画像生成部２１０とをそれぞれＬＳＩなどのハードウェアにより実現し、サポーター型超音波プローブ３０の通信制御ユニット５０に搭載するとしてもよい。
【０１０２】
また、上記実施形態では、図６に示すように、第１超音波振動子制御部１１０ａ〜第ｎ超音波振動子制御部１１０ｎが、送信フォーカス制御部１１１，送受信回路１１２、受信フォーカス制御部１１３、２次元画像生成部１１４および３次元画像生成部１１５を有することとして説明したが、これらの機能部の一部を処理部２００が担う構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
４…被検者、１０…超音波計測装置、２０…処理装置、２１…タッチパネル、２２…キーボード、２４…ＩＣメモリー、２５…通信制御ＩＣ、２６…制御基板、３０…サポーター型超音波プローブ、３０Ｃ…超音波プローブセット、３１…サポーター部、３２…穴部、３３…粘着部、３４…センサー支持体、４０…超音波センサーユニット、４１…２次元超音波振動子アレイ、４２…制御ＩＣ、４３…係合部、４６…電線、５０…通信制御ユニット、５１…通信制御ＩＣ、５２…ＩＣメモリー、７０ａ〜７０ｃ…３次元画像、７２…ボリュームデータ、１００…操作入力部、１１０ａ…第１の超音波振動子制御部、１１０ｎ…第ｎ超音波振動子制御部、１１１…送信フォーカス制御部、１１２…送受信回路、１１３…受信フォーカス制御部、１１４…２次元画像生成部、１１５…３次元画像生成部、１２０ａ…第１の超音波振動子アレイ、１２０ｎ…第ｎ超音波振動子アレイ、１５０…通信部、２００…処理部、２０２…相対情報算出部、２０４…超音波計測制御部、２１０…全体画像生成部、２１２…ボリュームデータ生成部、２１４…表示制御部、２１６…ボリュームレンダリング部、２２０…繰り返し制御部、２３０…計時部、２６０…画像生成部、３６０…画像表示部、５００…記憶部、５０１…システムプログラム、５０２…計測制御プログラム、５０６…システムクロック、５１０…相対情報算出用基礎データ、５１１…送信センサーＩＤ、５２０…送受信データセット、５２２…送信タイミング、５２４…送信ベクトル、５３０…受信データ、５３１…受信センサーＩＤ、５３２…受信エコー分布データ、５３３…受信タイミング、５３４…受信フォーカス座標、５３５…受信強度値、５４０…センサー別相対情報、５５０…センサー別３次元画像データ、５６０…表示制御データ、５６２…ボリュームデータ、５６４…全体画像データ
【図１】
2015093140.tif 000003
【図２】
2015093140.tif 000004
【図３】
2015093140.tif 000005
【図４】
2015093140.tif 000006
【図５】
2015093140.tif 000007
【図６】
2015093140.tif 000008
【図７】
2015093140.tif 000009
【図８】
2015093140.tif 000010
【図９】
2015093140.tif 000011
【図１０】
2015093140.tif 000012
【図１１】
2015093140.tif 000013
【図１２】
2015093140.tif 000014