(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物質にパルス波を入射し被測定物質から反射されてくる反射波を受信するプローブを体表に押し当てる工程と、被測定物質に入射されたパルス波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析工程と、入射されたパルス波が、被測定物質から反射されてくる反射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析工程と、前記入射波のスペクトル分布と前記反射波のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを特定する周波数位相差特定工程を有していて、これらのｆｘとθｘの値から物質の硬さに対応する物質の特性値を得るところの物質の特性測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載する物質の特性測定方法においてさらに、前記周波数ｆｘと位相差θｘを入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める位相差補償演算工程を有していて、そのｄｆから物質の硬さを得るところの物質の硬さ対応特性測定方法。
【請求項３】
被測定物質にパルス波を入射するパルス入射手段と、その入射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析手段と、入射されたパルス波が被測定物質から反射されてくる反射波を受信するパルス受信手段と、入射されたパルス波が、被測定物質から反射されてくる反射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析手段と、前記入射波のスペクトル分布と前記反射波のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを特定する周波数位相差特定手段を有していて、これらのｆｘとθｘの値から物質の硬さに対応する物質の特性値を得るところの測定する物質の特性測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載する物質の特性測定装置においてさらに、前記周波数ｆｘと位相差θｘを入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める位相差補償演算装置を有していて、そのｄｆから物質の硬さを得るところの測定する物質の硬さ対応特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス波を用いた物質の特性測定方法及びその特性測定装置に係り、特に超音波パルスを用いて生体内部の組織物質の硬さに対応する特性値の特性測定方法及びその特性測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来生体の組織物質の硬さを測定する方法として、プローブを被測定物質に押し当てつつ振動を与えて、その入力振動に対する生体組織物質の機械振動応答をセンサで検出して周波数、位相の変化等から硬さに対応する特性値を得る方法がある。例えば尾股定夫「圧電型バイブロメータによる軟組織の硬さ測定とその解析」、医用電子と生体工学、第２８巻第１号、１９９０年、第１頁から第８頁、およびＳ．Ｏｍａｔａ  ｅｔａｌ，Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ，３５（１９９２）ｐｐ９−１５などである。図７に従来例として、特開平９−１４５６９１号に開示された生体組織の硬さ測定装置を示す。図７において、被測定物質１である生体組織、例えば皮膚組織、開腹した部所の肝臓等の内臓組織に、プローブ本体２が押し当てられる。プローブ本体２はその内部に振動体３及び歪検出センサ４を有し、さらにプローブ本体２は外部の制御ユニット５と結合している。制御ユニット５は自励発振回路６を有し、自励発振回路６は、増幅器７及びゲイン変化補正回路８を有している。さらに、自励発振回路６と結合してその周波数の周波数測定回路９及びその振幅の電圧測定回路１０が備えられる。
【０００３】
この従来例の作用を次に述べる。被測定物質１にプローブ本体２が押し当てられると、その内部の振動体３は制御ユニット５における自励発振回路６との機械電気振動系により電気信号が機械振動に変換されて自励発振振動を起こしているので、その振動がプローブ本体２の先端部から被測定物質１に入力される。この入力された振動により、被測定物質１はその機械振動伝達特性に応じて応答する。この応答した出力振動（歪）を歪検出センサ４で検出し電気信号に変換する。かかる振動体３と歪検出センサ４は、例えば圧電振動素子と圧電センサによって実現できる。振動体３と歪検出センサ４は増幅器７とともに帰還ループを形成して自励発振する。ここで振動体３からの入力信号に被測定物質１が応答した結果、一般に周波数が変化し位相差を生じ振幅が低下するが、ゲイン変化補正回路８は歪検出センサ４の出力信号の振幅ゲインを補正する働きを有する。またゲイン変化補正回路８が自励発振回路６の帰還ループ中に構成されているので、振幅ゲインを補正しつつ生じた位相差をゼロにするように帰還がかかる。その位相差がゼロに帰還されたときの被測定物質１、振動体３、自励発振回路６、歪検出センサ４等の機械電気振動系の共振周波数を周波数測定回路９により求めることができる。
【０００４】
よく知られているように、この共振状態は速度共振であるので、変位共振や加速度共振と異なり、系の減衰定数の如何にかかわらず位相がゼロのときに最大共振振幅を示す。したがって減衰定数が何であっても、位相ゼロのときの共振周波数を得ることにより、その物質のばね定数を求めることができる。したがってこの共振周波数と、プローブ本体２が被測定物質１に接触していないときの周波数との周波数変化ｄｆが被測定物質１の硬さに対応する特性値となる。例えば図８は周波数変化ｄｆと、他の方法で測定されたせん断弾性係数Ｇとの関係を３０ｍｍ厚みのゼラチンについて示したものである。図９に生体組織を含むさまざまな被測定物質の周波数変化ｄｆについてフォームラバーを基準とした値を示す。このように測定された周波数変化ｄｆから、せん断弾性係数Ｇとの対応のほか、知られている関係式を用いてヤング率との対応、また一定の直径を有する試験片を押し当てたときにおける被測定物質１のばね定数等の対応などによって、被測定物質１の硬さを得ることが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例の物質硬さ測定装置は、振動体３により振動を被測定物質１に与え、そのばね定数を含めた振動伝達特性の速度共振下における応答を利用しているので、これにより被測定物質１である生体組織の硬さに対応する特性値を定量値として測定することができる。しかし、この場合プローブ本体２を被測定物質に直接押し当てて、プローブ本体２から振動体３の入力信号を被測定物質に与えなければならない。換言すれば、生体内部の組織物質の硬さに対応する特性値を得ようとすれば、生体を解剖または開腹して、被測定物質１との間に介在する他の生体組織物質を取り除いて、被測定物質に直接プローブ本体２を押し当てる必要があった。
【０００６】
本発明は、かかる従来例の問題点を解決して、生体を解剖、開腹して被測定物質との間に介在する他の生体組織物質を取り除く等の必要なく、振動伝達特性の応答を利用した生体内部の被測定物質の硬さに対応する特性値を容易に測定できる、物質の特性測定方法及び物質の特性測定装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明に係る物質の特性測定方法は、被測定物質にパルス波を入射し被測定物質から反射されてくる反射波を受信するプローブを体表に押し当てる工程と、被測定物質に入射されたパルス波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析工程と、入射されたパルス波が、被測定物質から反射されてくる反射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析工程と、前記入射波のスペクトル分布と前記反射波のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを特定する周波数位相差特定工程を有していて、これらのｆｘとθｘの値から物質の硬さに対応する物質の特性値を得ることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る物質の硬さ対応特性測定方法は、前記物質の特性測定方法においてさらに、前記周波数ｆｘと位相差θｘを入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める位相差補償演算工程を有していて、そのｄｆから物質の硬さを得ることを特徴とする。
【０００９】
また本発明に係る物質の特性測定装置は、被測定物質にパルス波を入射するパルス入射手段と、その入射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析手段と、入射されたパルス波が被測定物質から反射されてくる反射波を受信するパルス受信手段と、入射されたパルス波が、被測定物質から反射されてくる反射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析手段と、前記入射波のスペクトル分布と前記反射波のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを特定する周波数位相差特定手段を有していて、これらのｆｘとθｘの値から物質の硬さに対応する物質の特性値を測定することを特徴とする。
【００１０】
さらに本発明に係る物質の硬さ対応特性測定装置は、前記物質の特性測定装置においてさらに、前記周波数ｆｘと位相差θｘを入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める位相差補償演算装置を有していて、そのｄｆから物質の硬さを測定することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る物質の硬さ対応測定装置においては、被測定物質に外部よりパルス波を入射して、その入射されたパルス波が被測定物質から反射されてくる反射波を受信し、その入射波と反射波の周波数成分分析をそれぞれ行い、その各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分から求められる位相差のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを特定する周波数位相差特定により、これらのｆｘとθｘの値から物質の硬さに対応する物質の特性値を得る構成をとるので、パルス入射手段、パルス受信手段と被測定物質との間に他の生体組織物質が介在していても、パルス波がかかる他の生体組織物質を経由して対象被測定物質に到達し、再びかかる他の生体組織物質を経由して反射されてくることから、パルス波の往路復路でこの他の生体組織物質の介在による特性値の変化は打ち消される。またさらに、前記周波数ｆｘと位相差θｘを入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める位相差補償演算を行なう構成をとるので、被測定物質のばね定数を含めた振動伝達特性の応答を利用していて、被測定物質の硬さに対応する特性値を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１において、被測定物質１は、生体組織１１の内部にある場合について示してある。センサ１２と示した部分は、超音波プローブであって、その内部に超音波パルスを外部の物質に対して入射する超音波入射部と、その入射された超音波パルスが外部の物質から反射されてくる反射波を受信する超音波受信部を備える。このセンサ１２は、増幅器１３、周波数成分分析部１４、周波数位相差特定部１５、位相差補償演算部１６と順次結合される。周波数位相差特定部１５の結果から出力部Ａが、位相差補償演算部１６の結果から出力部Ｂが取り出されている。
【００１３】
かかる構成における作用について説明する。超音波プローブであるセンサ１２が生体組織１１に押し付けられることで、センサ１２の内部の超音波入射部から超音波パルスが生体組織１１に入射されて、その内部を伝播し、被測定物質１に到達し、反射して再び生体組織１１を逆にたどって伝播し、センサ１２の内部の超音波受信部によりその反射パルス波が検出され、電気信号に変換される。かかるセンサ１２としての超音波プローブとしては、一素子で入射部と受信部の機能を持つもの、あるいは入射部と受信部が別体で構成されるもの等一般に市販されているものを用いることができる。図２にかかる入射波と反射波の様子を横軸に時間軸、縦軸にパルス波の電気信号の振幅で模式的に示した。一般的には反射波は入射波に比較して振幅が減少し周波数成分、位相差などのスペクトルも変化するが、この変化はパルス波が反射する被測定物質１例えば肝臓等の特性を反映している。また入射波が途中の生体組織１１を経由して対象被測定物質１である肝臓等から反射して戻ってくるとき、肝臓等の表面から反射したときの伝播経路特性は、肝臓等までの入射伝播経路特性と同じなので、対象被測定物質１である肝臓等の特性のみを反映することになる。
【００１４】
これらの入射波、反射波の電気信号は、増幅器１３により適切な信号レベルに増幅され、つぎに周波数成分分析部１４において、その入射波、反射波の周波数成分分析を行なって、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のスペクトル分布を求める。図３にかかる周波数成分分析の結果の一例を模式的に示す。図３（ａ）は入射波の、図３（ｂ）は反射波のそれぞれの周波数成分を、横軸に周波数、縦軸に各周波数成分のゲインと位相をそれぞれ実線の高さ方向の長さ及び丸印の高さの位置で示したものである。ここで、周波数成分分析とは一般にフーリエ解析とよばれる手法を用いることができる。よく知られているように電気信号の周期関数はフーリエ級数に展開できるので、パルス波は周波数と振幅の異なる多くの正弦波成分の集まりとして表される。ここでフーリエ級数は同じ周波数について正弦波成分と余弦波成分に分けられ、これらを合成してその周波数について位相差を有する一つの正弦波成分と表す。したがってここでいう位相差とは、その周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相差のことを言う。
【００１５】
つぎに周波数位相差特定部１５においては、上記入射波のスペクトル分布と上記反射波のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを求めて特定する。図４に、図３（ａ）と図３（ｂ）から求めた周波数位相差特定の一例を示す。このような周波数位相差特定を行なうには、手作業でも可能であるが、莫大なデータ処理が必要なので、高速デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いることが好適である。この周波数位相差特定における、周波数ｆｘと位相差θｘの組のデータは、被測定物質１の硬さに対応する物質特性を反映しているので、出力部Ａからこの値を取り出して利用する。
【００１６】
一回の測定でこの一組の周波数位相差特定のデータが得られるが、位相差が最も大きい周波数成分について、その周波数とその位相差の組について考えてみる。例えば、図４の周波数位相差特定のデータからは、図４にｆ０、θ０と示す成分がもっとも位相差の変化が大きい。この最大位相差を示す周波数ｆ０とその位相差θ０は、被測定物質の特性値を特に代表しているものと考えられる。そこで、以後はこの最大位相差を示す周波数ｆ０とその位相差θ０についての処理に代表させて説明を進める。
【００１７】
位相差補償演算部１６においては、前記周波数ｆ０と位相差θ０を入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θ０をゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める。かかる基準伝達特性曲線は、単自由度振動系における速度共振特性がスティフネス（硬さ）が増せば周波数が上昇して振幅が減少し、逆にスティフネス（硬さ）が減少すれば周波数が低下して振幅が大きくなることを考慮すると、共振周波数で振幅が最大となるローパスフイルタまたはバンドパスフイルタの特性をもつことが望ましい。このようなフイルタ特性は図５に示す回路構成等で得ることができる。またこのような回路構成によるフイルタ特性を演算で行なわせることもできる。図６に、かかる基準伝達特性曲線において、共振周波数で振幅ゲインが最大となるバンドパスフイルタ特性を持つ例を示す。横軸は周波数、縦軸は振幅ゲインと位相を相対値で示してある。この伝達特性曲線の演算を用いて位相差補償演算を行なうには、まず前記周波数ｆ０及び位相差θ０をこの伝達特性曲線上に求め（図６においてＰ１）、ここから位相差θ０分を位相差特性曲線から移動させて（図６においてＰ２）それに対応する周波数の変化分ｄｆを求めれば、この状態が位相差θ０をゼロにするときに対応する。ここで出力部Ａから得られる位相差θ０がフーリエ解析における正弦波成分と余弦波成分から求められる位相差であり、それ自体硬さに対応する物質の特性値であるが、この周波数の変化分ｄｆは、さらに一歩進めて、ばね定数などスティフネスを考慮した基準伝達特性曲線により変換されるところの、より密接に物質の硬さに対応する特性値であるので、出力部Ｂから取り出して利用する。
【００１８】
また、上記基準伝達特性曲線の演算のかわりに、例えば標準的な人の脂肪といった標準物質について予め求めておいた伝達特性曲線の演算を行なっても良い。この場合は、周波数の変化ｄｆは個体差、部位差等も含めて、その標準とした人の脂肪の硬さを基準として表すことができる。また上記周波数変化ｄｆを代表的な生体組織及び別途硬さを直接他の方法で求めることのできる標準物質（生体に近いフォームラバー、ゼラチン等）について収集しておくことで、周波数変化ｄｆと硬さの校正曲線を得て、硬さを演算で求めることも可能である。これらの場合には、標準物質を基準とした物質の硬さを特性値として得る事が出来る。
【００１９】
またセンサ１２としては、入射部、受信部の機能を一組有する場合に限られず複数の組を配置することも出来る。この場合には被測定物質の広い領域を同時に平面的分布として測定できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明に係る物質の硬さ対応測定装置においては、被測定物質に外部よりパルス波を入射して、その入射されたパルス波が被測定物質から反射されてくる反射波を受信し、その入射波と反射波の周波数成分分析をそれぞれ行い、その各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分から求められる位相差のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘを特定する周波数位相差特定を行い、これらのｆｘとθｘの値から物質の硬さに対応する物質の特性値を測定する構成をとるので、パルス入射手段、パルス受信手段と被測定物質との間に他の生体組織物質が介在していても、パルスの往路復路でこの他の生体組織物質の介在による特性値の変化は打ち消され、生体内部の被測定物質の特性測定が解剖、または開腹を行なうことなく可能となった。またさらに、前記周波数ｆｘと位相差θｘを入力して、基準として予め求めておいた、ある周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲイン、位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用いて演算して、前記入力した位相差θｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆを求める位相差補償演算を行なう構成をとるので、被測定物質のばね定数を含めた振動伝達特性の応答を利用し、被測定物質の硬さに対応する特性値を測定することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る物質の硬さに対応する特性測定方法のブロック図である。
【図２】  本発明の実施の形態にかかる入射波と反射波のパルス波の模様を、横軸に時間軸をとって示した図である。
【図３】  （ａ）は入射波の、（ｂ）は反射波の、それぞれ本発明の実施の形態に係る周波数成分分析の結果の一例を模式的に示す図である。
【図４】  本発明の実施の形態における周波数位相差特定の結果についての一例を模式的に示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態における基準伝達特性曲線を実現する回路構成図である。
【図６】  本発明の実施の形態における基準伝達特性曲線である。
【図７】  従来例における生体組織の硬さ測定装置のブロック図である。
【図８】  周波数変化ｄｆとせん断弾性係数Ｇの関係の一例を示す図である。
【図９】  さまざまな被測定物質の周波数変化ｄｆの値を示す図である。
【符号の説明】
１  被測定物質、２  プローブ本体、３  振動体、４  歪検出センサ、５  制御ユニット、６  自励発振回路、７  増幅器、８  ゲイン変化補正回路、９  周波数測定回路、１０  電圧測定回路、１１  生体組織、１２  センサ、１３  増幅器、１４  周波数成分分析部、１５  周波数位相差特定部、１６  位相差補償演算部、ｄｆ  周波数変化、ｆｘ  周波数、θｘ  位相差、ｆ０  最大位相差における周波数、θ０  最大位相差。
【図１】
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【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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