(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象骨を挟んで配置され、二次元走査可能な第１および第２超音波振動子と、
第１および第２超音波振動子に対応して設けられ、これらの超音波振動子を制御する送受信部と、
第１超音波振動子による超音波の送受により取得された第１超音波振動子側の測定対象骨の表面形状と、第２超音波振動子による超音波の送受により取得された第２超音波振動子側の測定対象骨の表面形状とを、第１超音波振動子と第２超音波振動子の相対位置に基づき合体させて測定対象骨表面の三次元モデルを形成する三次元モデル形成手段と、
第１および第２超音波振動子の二次元走査範囲に設定された体積算出範囲内の測定対象骨の体積を形成された三次元モデルに基づき演算する体積算出部と、
第１および第２超音波振動子の一方から送信され他方で受信した信号に基づき、体積算出範囲内の測定点ごとに、その測定点における超音波の減衰量を算出された体積で割り、更にこれらの測定点ごとに算出された値を積算して体積当たりの超音波減衰量を算出する演算部と、
を有する、超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に超音波診断装置における三次元的な情報の取得に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内の臓器、骨などの測定対象物に対し超音波振動子から超音波を送信し、その反射波を受信して得た情報に基づき診断を行う超音波診断装置が知られている。通常、測定対象物に対して１方向から超音波を送信し、測定対象物全体からの反射波を受信する。また、測定対象物を透過した超音波に基づき診断を行う装置も知られている。下記、特許文献１には、足の踵を挟んで一対の超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信して、骨、例えば踵骨での減衰量を測定する骨密度測定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２０４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された装置は、一対の超音波振動子を有しているが、これらの振動子は、一方が送信用、他方が受信用として使用される。したがって、測定対象物（例えば踵骨）の超音波ビームの減衰量の情報は得られるものの、測定対象物の三次元的な（立体的な）組織構造、形状等を把握することはできなかった。一方の超音波振動子により超音波の送受を行い、反射波の情報から測定対象物の構造、形状等を把握することはできるが、測定対象物の、当該超音波振動子が配置された側と反対側の部分からの情報は、減衰が大きくなり、詳細な情報を得ることが難しいという問題がある。
【０００５】
本発明は、測定体対象物の三次元的な情報を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る超音波診断装置は、二次元走査可能な二つの超音波振動子を備え、これらは、測定対象骨を挟む位置に配置される。二つの超音波振動子は、これらに対応して設けられた送受信部により駆動される。一方の超音波振動子により超音波を送受し、受信された超音波に基づき、当該超音波振動子が配置された側の測定対象骨の表面形状を取得する。他方の超音波振動子においても同様にして、他方の超音波振動子側が配置された側の測定対象骨の表面形状を取得する。それぞれの超音波振動子で得られた表面形状をあらかじめ把握されている二つの超音波振動子の相対的な位置に基づき合体させて測定対象骨表面の三次元モデルを形成する。
【０００７】
さらに、第１および第２超音波振動子の二次元走査範囲に設定された体積算出範囲内の測定対象骨の体積を形成された三次元モデルに基づき演算する。そして、第１および第２超音波振動子の一方から送信され他方で受信した信号に基づき、体積算出範囲内の測定点ごとに、その測定点における超音波の減衰量を算出された体積で割り、更にこれらの測定点ごとに算出された値を積算して体積当たりの超音波減衰量を算出する。
【発明の効果】
【０００８】
測定対象物を挟むように配置された二つの超音波振動子により反射波情報を得ることにより、精度の高い三次元モデルを取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の超音波骨評価装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の超音波骨評価装置の外観を示す斜視図である。
【図３】足置き台および振動子ユニットの外観を示す拡大斜視図である。
【図４】足置き台、振動子ユニットおよび足の位置関係を示す拡大断面図である。
【図５】振動子ユニットの概略断面図である。
【図６】整合材袋の表側部材の形状を示す斜視図である。
【図７】整合材袋の表側部材の形状を示す斜視図である。
【図８】整合材袋の表側部材の形状を示す斜視図である。
【図９】超音波振動子を移動させるための機構の概略を示す斜視図である。
【図１０】超音波ビームの走査範囲を示す図である。
【図１１】本実施形態の超音波骨評価装置の機能ブロック図である。
【図１２】受信信号の信号処理に係る説明図である。
【図１３】測定対象物の三次元表示の例を示す図である。
【図１４】体積を求める範囲の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。以下においては、踵骨を測定対象物とする超音波診断装置、特に骨密度等の骨に関する評価が可能な超音波骨評価装置について説明するが、測定対象はこれに限られない。踵骨以外の骨や他の臓器についても、この骨、臓器、およびこれら対象物の周囲の組織の形状、特性等に合わせて、装置の構成を適宜変更し本発明の趣旨を達成することは、当業者においては容易に想定可能である。
【００１１】
図１および図２は、踵骨を評価対象とする超音波骨評価装置１０の外観を示す斜視図である。装置本体１２の上部には、足置き台１４が配置されている。足置き台１４は、略Ｌ字形の載置面を有する台であり、図２の鎖線で示すように足Ｆを載せ、位置決めを行うものである。踵を足置き台１４のＬ字形の角に合わせることにより、足の位置決めが行われる。足置き台１４の左右には、踵部分を挟むように、超音波振動子を含む二つの振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂが配置されている。左右の振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂは、対称な構造を有しており、特に左右を区別する必要がないときには、単に振動子ユニット１６と記して、以下説明する。また、左右の各振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂを構成する要素についても、左右の区別が必要な場合はその符号にＡ，Ｂを付し、また区別の必要がない場合には数字の符号のみを用いて説明する。振動子ユニット１６は、踵部分と超音波振動子の間の音響整合を図るために音響整合部を有している。音響整合部は変形可能であり、変形して踵部分に密着し、間の空気層を排除する。音響整合部は、この超音波骨評価装置１０においては、水等の音響整合材と、この水等を収容した整合材袋１８を有する。足を足置き台１４上に置いたときに、整合材袋１８が足の踵部分に当接して、超音波振動子とこの踵部分の間の音響インピーダンスの整合を図っている。
【００１２】
図３および図４は、足置き台１４と振動子ユニット１６の拡大図である。図３，４において、足置き台１４の正中面で破断して、一方の側、つまり被検者が足置き台１４に足を置いたときに被検者にとって右側となる部分が示されている。足置き台１４は、略Ｌ字形状であり、Ｌ字の２辺を構成する底面２０と当接面２２のなす角度は、ほぼ直角となっている。被検者は足の踵の後端面を当接面２２に当接させて足裏を底面２０に置く。このときの足の踵、特に踵骨の位置およびその周囲の位置に当接するよう整合材袋１８が配置されている。整合材袋１８の踵部分およびその周囲に当接する面は、概略球面の、一つの直径に直交する面と、この直径に平行で互いに直交する二つの面とで囲まれた部分の形状となっている。足置き台１４に足を置くと、踵部分およびその周囲の左右両側に整合材袋１８が当接し、整合材袋１８が踵部分の表面に倣うように変形し、空気層の介在を排除する。
【００１３】
図５は、振動子ユニット１６の断面図である。整合材袋１８は、対象の生体である足側の表側部材２４と反対側の裏側部材２６を、環状のリングフレーム２８に固定して形成される。表側部材２４は、その周縁部をリングフレーム２８とリングフレーム２８の内側に位置する第１固定リング３０に挟持され、リングフレーム２８に固定されている。また、裏側部材２６は、その周縁部を第１固定リング３０と第２固定リング３２に挟持され、間接的にリングフレーム２８に固定されている。裏側部材２６は、蛇腹状に屈曲しており、中心部分は、超音波振動子３４の外周部分に結合されている。裏側部材２６の更に背面側には、裏側部材２６が背面側に膨出しないように規制し、これを支持する支持盤３６が配置されている。支持盤３６は複数の円環板状の支持プレート３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄから構成され、最外周の支持プレート３８ａは、外周縁部分に円筒形状の部分を更に有し、これが、リングフレーム２８に固定されている。最内周の支持プレート３８ｄは、超音波振動子３４の外周部分に固定されている。裏側部材２６は、超音波振動子３４の外周部分に設けられたフランジ４０と、最内周の支持プレート３８ｄに挟持されて超音波振動子３４に固定される。支持プレート３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄは、相互にスライド可能であり、後述する超音波探触子３４の探触子軸線に直交する方向の動きを許容する。
【００１４】
図６〜８は、整合材袋の表側部材２４の形状を示す斜視図である。表側部材２４は、円形状の基礎部分４１を有し、基礎部分４１に、足置き台１４上の踵部分に向けて膨出する膨出部４２、対をなす振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂの各々の整合材袋１８Ａ，１８Ｂの内部空間を連通する連通管４４Ａ，４４Ｂ、および校正用のブロックを配置するための校正ブロックポケット４６が設けられている。左右の連通管４４Ａ，４４Ｂは中央部分で連結され、左右の整合材袋の内部空間が連通されてる。この連通管４４Ａ，４４Ｂの位置に二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂを移動させ、これらを対向させることにより、整合材内の音速を計測することができる。
【００１５】
膨出部４２の形状は、球面を一つの直径に直交する第１の平面と、前記の直径に平行で、互いに直交する第２および第３の平面で切った形状となっている。前記の直径は基礎部分４１に直交し、基礎部分４１が形成する平面が前記第１の平面に相当する。第２、第３の平面は、足置き台１４の底面２０と当接面２２が形成する面である。第２、第３の平面による切り口が第１の側面４８、第２の側面５０となる。また、これら第１から第３の平面により切り出された球面の一部が対象部位である足に当接する生体当接面５１となる。したがって、膨出部４２の第１の側面４８は足置き台の底面２０に沿い、第２の側面５０は当接面２２に沿う。そして、第１および第２の側面４８，５０から形成される膨出部４２の側面は、全体としてＬ字形の足置き台の足を置く面に沿ってＬ字形に形成される。また、見方を変えれば、膨出部は、高さの低いドームを、交差する二つの平面により切り取った部分的なドーム形状と見ることもできる。
【００１６】
図９は、超音波振動子３４を移動させる移動機構５２を示す図である。振動子ユニット１６は、支持盤３６を省略した状態で示されており、整合材袋１８の裏側部材２６の蛇腹形状の部分が現れている。二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂは、コの字形またはＵ字形の支持フレーム５４の先端に固定されている。支持フレーム５４は駆動機構５６により、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂが対向する方向（つまり超音波振動子の軸線方向）に直交する平面内で移動される。したがって、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂは、これらが対向する方向においては移動せず、互いの距離も変化しないが、この対向方向に直交する方向には、いずれの方向にも移動可能となっている。この移動において、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂは、対向状態を常に維持される。この超音波振動子３４の移動を許容するために、整合材袋の裏側部材２６は、蛇腹構造を有し、また、支持盤３６は、多重の支持プレート３８ａ〜３８ｄを有する構成を有する。それぞれの支持プレート３８ａ〜３８ｄが相互にスライドして、超音波振動子３４の移動を許容する。
【００１７】
図１０は、足置き台１４とこれに置かれた足Ｆを示す図である。蛇行する矢印Ｙは、超音波振動子３４の走査の経路を示している。この矢印Ｙの軌跡を囲む範囲Ｒが超音波ビームの走査範囲である。超音波振動子３４を、踵骨Ｃを含む範囲Ｒにおいて走査し、透過超音波のデータを得る。この受信データに基づき、骨、特に踵骨の評価を行う。
【００１８】
図１１は、超音波骨評価装置１０の機能構成を示すブロック図である。振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂ、移動機構５２の構造については、既に説明しているとおりである。振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂのそれぞれの超音波振動子は、送受信切替回路６６を介して受信回路６８、送信回路７０に接続されている。送受信切替回路６６を介することにより、超音波の送信の向き、または送信を行う超音波振動子を切り替えることができる。また、一つの超音波振動子から送信された超音波が対象にて反射した反射波を同じ超音波振動子で受信するように接続を行うこともできる。この接続を行うことにより、超音波振動子から整合材袋の膨出部４２までの距離を測定することができる。
【００１９】
制御部７２は、受信回路６８および送信回路７０を制御して、生体を通過した超音波の受信信号を得る。制御部７２は、前述した送受信切替回路６６の切替動作を制御する。また、制御部７２は、移動機構５２の動作も制御し、超音波振動子３４を、例えば図１０に符号Ｙで示す矢印のように移動させ、さらに移動させつつ所定値において超音波の送受信を制御し、走査範囲Ｒ（すなわち測定を行う範囲；測定範囲）内の所定の点における超音波の受信信号を得る。受信された信号は、受信データ処理部７４で処理され、受信データとして格納部７６に格納される。格納される受信データは、受信波形、すなわち時間に対し変化する音圧のデータを含む。
【００２０】
超音波骨評価装置１０は、受信波形について演算処理を行う演算部７８を有する。演算部の演算処理については後述する。さらに、超音波骨評価装置１０は、操作者が、装置の動作の指示を行うための操作パネル部８０および結果の表示を行う表示部８２を有している。操作パネル部８０と表示部８２の機能が一体となった所謂タッチパネルディスプレイを採用することもできる。
【００２１】
三次元モデルの形成について説明する。ここでは、三次元モデルの例として、踵骨の立体形状を用いて説明する。前述のように、超音波骨評価装置１０は、一つの超音波振動子から送信された超音波が対象物にて反射した反射波を同じ超音波振動子で受信する機能を有する。つまり、振動子ユニット１６Ａに属する超音波振動子３４Ａと、振動子ユニット１６Ｂに属する超音波振動子３４Ｂとでそれぞれ超音波を送受信して反射波の受信信号を取得する。第１超音波振動子３４Ａにより受信された受信信号は、格納部７６に第１の側の反射波情報（エコーデータ）７６ａとして格納される。同様に、第２超音波振動子３４Ｂにより受信された受信信号は、格納部７６に第２の側の反射波情報（エコーデータ）７６ｂとして格納される。
【００２２】
受信信号には、体表（および整合材袋）からの反射波が含まれ、必要に応じて、演算部７８にて、これを除去する（体表面除去部７８ａ）。この除去により、踵骨部分での反射波を抽出することができる。図１２には、受信信号の波形が示されている。図１２（ａ）は、受信された信号波形そのものを示しており、最初のピークが体表からの反射波Ｓであり、次のピークが踵骨表面からの反射波Ｔを表す。体表からの反射波Ｓは、その前に目立った反射波は発生しないので、検出は容易である。体表からの反射波Ｓが検出されたとき、これに基づき重み付け関数Ｗを設定する。重み付け関数Ｗは、図１２（ｂ）に一点鎖線で示されるように、体表からの反射波Ｓが検出された後、所定時間経過した後、０から１まで立ち上がり、その後「１」に維持される関数である。また、体表と踵骨表面の間隔は、経験的に知られているので、重み付け関数Ｗは、体表による反射波のピークを排除し、踵骨表面による反射波のピークはそのまま維持されるように設定されている。図１２（ａ）に示される受信信号に、重み付け関数Ｗを乗じた信号波形が図１２（ｂ）に実線で表されている。図１２（ｂ）には、破線で、重み付け処理を行う前の受信信号も示されている。この重み付け処理により、体表からの反射波を排除することができる。
【００２３】
体表からの反射波を除去した受診信号に基づき、輝度変調データを作成する（輝度変調データ作成部７８ｂ）。すなわち、受信信号の電圧値に基づき、超音波振動子からの距離（深度）ごとの輝度値が算出される。超音波振動子３４Ａ，３４Ｂの二次元走査により得た測定点ごとの輝度変調データから、踵骨の三次元モデルを形成する（三次元モデル形成部７８ｃ）。このとき、第１の側の反射波情報７６ａに基づく輝度変調データから、踵骨の第１超音波振動子３４Ａ側の半分の三次元モデルを得、また第２の側の反射波情報７６ｂに基づく輝度変調データから、第２超音波振動子３４Ｂ側の半分の三次元モデルを得る。つまり、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂの中間点を境に、それぞれ側で対応する超音波振動子で得た輝度変調データを作成し、これらを合体させることにより、踵骨全体の三次元モデルを得る。この合体に際しては、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂの位置関係に係る情報が必要であり、これはあらかじめ、例えば格納部７６に格納されている。この超音波骨評価装置１０においては、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂは、コの字形の支持フレーム５４に固定されており、走査の際も平行に移動するので、その距離は常に一定に保たれる。よって、この超音波骨評価装置１０において、超音波振動子の位置関係に係る情報は、二つの超音波振動子の間隔そのものである。輝度変調データは、対応する超音波振動子からの距離情報（深度）を有しているので、二つの超音波振動子の間隔から、第１の側と第２の側の輝度変調データの相対的な位置関係が決定でき、三次元モデルが形成できる。
【００２４】
上記の三次元モデルには、踵骨表面のデータが含まれ、これに基づき踵骨表面の立体形状を得ることができる。骨表面は、超音波を強く反射するので、輝度変調データにおいては、輝度値が高くなる。また、図１２に示される受信波形においては、体表の次に表れるピークが骨表面に該当する。これらのいずれか特徴を用いることにより、踵骨表面の立体形状を抽出することができる。
【００２５】
この立体形状を、例えば図１３に示されるように、三次元表示（奥行き感のある二次元表示）にて表示部８２に表示する。なお、この立体形状は、超音波振動子の走査領域Ｒで踵骨を切り出したような形状であり、図１３の上面、左側面の平面は、この切り出しの断面が表れたものであり、踵骨の表面ではない。
【００２６】
さらに、演算部７８では、前述のようにして得られた踵骨の立体形状から踵骨の所定部分の体積を算出する（体積算出部７８ｄ）。体積算出の対象となる範囲は、踵骨の輪郭形状の特徴的な部分に基づき決定することができる。例えば、図１４に示す体積算出範囲Ｇを決定し、この範囲内の踵骨の体積を演算する。体積算出範囲Ｇの決定は、以下のように行うことができる。踵の先（図においては下方）に相当する踵骨の略円弧形状の部分Ｈを円弧で近似し、この円弧の中心Ｐから上下左右方向それぞれに所定距離離れた４平面を定める。これらの４平面が図１４中の体積算出範囲Ｇの四角形の各辺に対応する。これらの４平面と、図１４において紙面を貫く方向の手前側の踵骨表面、奥側の踵骨表面で囲まれた部分の体積を算出する。
【００２７】
この体積算出範囲Ｇ内の各測定点ごとに、その測定点おける超音波の減衰量を算出された体積で割り、さらに範囲Ｇ内の各測定点の算出された値を積算する。この値は、体積当たりの超音波減衰量となり、骨密度と相関がある。
【００２８】
測定の流れの概要を以下に記す。被検者の足を足置き台１４の上に置き、操作者が操作パネル部８０より測定開始を指示する。制御部７２は、移動機構５２を制御して、決められた走査線上で踵部分の走査測定を始める。制御部７２は、各測定点において、まず第１超音波振動子３４Ａにより超音波の送受信を行うように送受信切替回路６６の設定を行い、送信回路７０および受信回路６８により送受信を行って、受信信号を得る。受信された信号を受信データ処理部７４を介して格納部７６に送り、ここに第１の側の反射波情報７６ａとして格納する。同一の測定点において、制御部７２は、第２超音波振動子３４Ｂにより超音波の送受信を行うように送受信切替回路６６の設定を行い、送信回路７０および受信回路６８により送受信を行って、受信信号を得る。受信された信号を受信データ処理部７４を介して格納部７６に送り、ここに第２の側の反射波情報７６ｂとして格納する。これを各測定点で繰り返す。また、各測定点において、一方の超音波振動子にて超音波を送信し、踵を透過した超音波を他方の超音波振動子で受信し、得られた受信信号を取得することもできる。走査領域の全範囲において、情報の取得を終了したら、被検者の足を足置き台１４から降ろすことができる。
【００２９】
取得された受信信号から、体表面における反射を除去し、踵骨等の骨の部分に関する情報を抽出する。この抽出は、受信信号に対して重み付け処理を行うことにより実行される。この重み付け処理がされた後の信号に基づき、所定の平面内の断面画像を作成する。この平面は、超音波振動子の走査方向に合わせることが可能である。図１０に示すように、水平方向の走査を、高さを変えて繰り返す場合であれば、断面を水平面とすることが好ましい。この断面画像を積層すれば、三次元モデルが得られる。この情報に基づきボリュームレンダリング等の方法により、三次元画像を作成することができる。
【００３０】
上述の実施形態においては、線状の超音波ビームを形成する超音波振動子を縦横に移動させて二次元走査を行ったが、リニア形、コンベックス形などの一次元アレイ超音波振動子を用い、第１の方向には電子走査を行い、第１の方向に直交する第２の方向に振動子を機械的に移動させて走査を行って、二次元走査を実現することもできる。また、二次元アレイ超音波振動子を用いて、電子走査により二次元走査を行うこともできる。
【００３１】
また、本実施形態では、対をなす超音波振動子は、同一直線上に向かい合わせて配置されているが、測定対象物の対向する側面に対し、それぞれ超音波を操作するように配置されることができる。このとき、超音波振動子の相対的な位置関係が定められている必要がある。
【符号の説明】
【００３２】
１０  超音波骨評価装置、１６，１６Ａ，１６Ｂ  振動子ユニット、３４，３４Ａ，３４Ｂ  超音波振動子、６６  送受信切替回路（送受信部）、６８  受信回路（送受信部）、７０  送信回路（送受信部）、７２  制御部（送受信部）、７４  受信データ処理部（送受信部）、７８  演算部（三次元反射波情報提供手段）。
【図１】
0005650953.tif 000002
【図２】
0005650953.tif 000003
【図３】
0005650953.tif 000004
【図４】
0005650953.tif 000005
【図５】
0005650953.tif 000006
【図９】
0005650953.tif 000007
【図１０】
0005650953.tif 000008
【図１１】
0005650953.tif 000009
【図１２】
0005650953.tif 000010
【図１４】
0005650953.tif 000011
【図６】
0005650953.tif 000012
【図７】
0005650953.tif 000013
【図８】
0005650953.tif 000014
【図１３】
0005650953.tif 000015