(57)【要約】【課題】固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することのできる超音波による固体の力学特性測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】基準とする、Ｃモード画像の輝度値と超音波反射強度値との関係を示す情報と、Ｃモード機能により得られたＣモード画像を構成する各ドットの輝度値とを基に、超音波反射強度を求める。この超音波反射強度を基に音響インピーダンスを求める。この音響インピーダンスとＸＺモード機能により求められた漏洩弾性表面波速度分布とを基に、試料の力学特性を求める。【選択図】        図６
2007108167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料としての固体に向けて超音波を照射して当該固体の力学特性を測定する超音波による固体の力学特性測定方法であって、
前記試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と、予め求められ、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報とを基に、前記試料に係る超音波反射強度を求める第１のステップと、
前記試料に係る漏洩弾性表面波速度を求める第２のステップと、
前記第１のステップにより求められた結果と前記第２のステップにより求められた結果とを基に、前記試料としての固体の力学特性を求める第３のステップと、
を含むことを特徴とする超音波による固体の力学特性測定方法。
【請求項２】
試料としての固体の平面画像を表示するＣモード機能と当該固体に係る弾性表面波速度を求めるＸＺモード機能とを有する超音波顕微鏡を用いて当該固体の力学特性を測定する超音波による固体の力学特性測定方法であって、
前記Ｃモード機能による前記試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と、予め求められ、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報とを基に、前記試料に係る超音波反射強度を求める第１のステップと、
前記ＸＺモード機能による前記試料に係る漏洩弾性表面波速度を求める第２のステップと、
前記第１のステップにより求められた結果と前記第２のステップにより求められた結果とを基に、前記試料としての固体の力学特性を求める第３のステップと、
を含むことを特徴とする超音波による固体の力学特性測定方法。
【請求項３】
前記第３のステップは、
前記第１のステップにより得られた超音波反射強度を基に音響インピーダンスを求め、この求めた音響インピーダンスと前記第２のステップにより求められた漏洩弾性表面波速度とを基に、前記試料としての固体の力学特性を求めるステップを含む
ことを特徴とする請求項１または２記載の超音波による固体の力学特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体表面の力学特性を非破壊、非接触かつ高精度で測定する超音波による固体の力学特性測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を使って固体の力学特性を測定する方法は、音速と音響インピーダンスを測定し、これらの測定の結果を基に固体の力学特性を算出する方法が主流である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、この測定方法では、弾性波（超音波）を固体に向けて斜めに入射し、当該固体表面に漏洩弾性表面波を励振させて、その音速を求める。また、固体から直接反射する超音波エコーの大きさから固体の音響インピーダンスを求める。そして、これら音速の値および音響インピーダンスの値を基に、音弾性理論に基づいて固体の力学特性を算出する。
【特許文献１】特開２０００−０２８５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の方法では、力学特性を測定するために、測定点毎に、音速と音響インピーダンスを測定する必要があり、そのため、固体表面の力学特性が不均一に分布する場合は、測定点を多くしなければ正確な評価を行うことができず、多くの測定時間を要していた。
【０００５】
そこで、本発明は、固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することのできる超音波による固体の力学特性測定方法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】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の超音波測定方法は、試料としての固体に向けて超音波を照射して当該固体の力学特性を測定する超音波による固体の力学特性測定方法であって、前記試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と、予め求められ、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報とを基に、前記試料に係る超音波反射強度を求める第１のステップと、前記試料に係る漏洩弾性表面波速度を求める第２のステップと、前記第１のステップにより求められた結果と前記第２のステップにより求められた結果とを基に、前記試料としての固体の力学特性を求める第３のステップと、を含むことを特徴とする。
【０００７】
このように、試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値、すなわち画像における所定のラインの各点（ドット）の輝度値と、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報と、試料に係る漏洩弾性表面波速度とを基に、固体の力学特性の分布を算出することができるので、固体の力学特性が不均一に分布するような場合であっても、固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することができる。
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項２に記載の本発明の超音波測定方法は、試料としての固体の平面画像を表示するＣモード機能と当該固体に係る弾性表面波速度を求めるＸＺモード機能とを有する超音波顕微鏡を用いて当該固体の力学特性を測定する超音波による固体の力学特性測定方法であって、前記Ｃモード機能による前記試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と、予め求められ、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報とを基に、前記試料に係る超音波反射強度を求める第１のステップと、前記ＸＺモード機能による前記試料に係る漏洩弾性表面波速度を求める第２のステップと、前記第１のステップにより求められた結果と前記第２のステップにより求められた結果とを基に、前記試料としての固体の力学特性を求める第３のステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
このように、超音波顕微鏡を用いて、Ｃモード機能による試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値、すなわち画像における所定のラインの各点（ドット）の輝度値と、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報と、ＸＺモード機能による試料に係る漏洩弾性表面波速度とを基に、固体の力学特性の分布を算出することができるので、固体の力学特性が不均一に分布するような場合であっても、固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することができる。
【００１０】
請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載の発明の構成に加えて、前記第３のステップは、前記第１のステップにより得られた超音波反射強度を基に音響インピーダンスを求め、この求めた音響インピーダンスと前記第２のステップにより求められた漏洩弾性表面波速度とを基に、前記試料としての固体の力学特性を求めるステップを含むことを特徴とする。
【００１１】
このように、Ｃモード機能により得られ、超音波反射エコーに対応する画像における所定のラインの各点（ドット）の輝度値に対応する複数の超音波反射強度に基づいて、複数の音響インピーダンスを求めることができるので、一度の測定で、複数の点の超音波反射強度に対応する複数の音響インピーダンスを求めることができる。また、このようにして求められた複数の音響インピーダンスとＸＺ機能により得られた漏洩弾性表面波速度とを基に、固体の力学特性の分布を算出することができるので、固体の力学特性が不均一に分布するような場合であっても、固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００１３】
すなわち、本発明によれば、試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報と、試料に係る漏洩弾性表面波速度とを基に、固体の力学特性の分布を算出することができるので、固体の力学特性が不均一に分布するような場合であっても、固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、超音波顕微鏡を用いて、Ｃモード機能による試料に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報と、ＸＺモード機能による試料に係る漏洩弾性表面波速度とを基に、固体の力学特性の分布を算出することができるので、固体の力学特性が不均一に分布するような場合であっても、固体の力学特性の詳細な分布を短時間で効率よく測定することができる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、Ｃモード機能により得られ、超音波反射エコーに対応する画像の輝度値に対応する超音波反射強度に基づいて、音響インピーダンスを求めることができるので、一度の測定で、画像を構成する複数の点（ドット）の輝度値を基に複数の点の超音波反射強度を求め、さらに複数の音響インピーダンスを求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態）
【００１８】
図１は本発明の実施の形態である超音波顕微鏡による固体の力学特性測定方法で使用した超音波顕微鏡の概略構成を示す構成図、図２はＣモード画像の一例を示す図、図３はＣモード画像の輝度値と超音波反射強度値との関係を示す図、図４はヒトの大腿骨のＣモード画像の一例を示す図、図５はＸＺモードで測定された弾性表面波速度分布の一例を示す図、図６はヒト大腿骨断面の水平方向の縦弾性係数の微細分布の一例を示す図、図７はイヌの大腿骨のＣモード画像の一例を示す図、図８はイヌ大腿骨断面の水平方向の縦弾性係数の微細分布の一例を示す図、図９は超音波顕微鏡による純アルミニウムのＣモード画像の一例を示す図、図１０は純アルミニウムの縦弾性係数分布の一例を示す図、図１１は純アルミニウム密度分布の一例を示す図、図１２は超音波顕微鏡による骨粗鬆症ラットの大腿骨頸部のＣモード画像の一例とその力学的測定位置を示す図、図１３は図１２における縦弾性係数の分布を示す図、図１４は超音波顕微鏡による正常ラットの大腿骨頸部のＣモード画像の一例とその力学的測定位置を示す図、図１５は図１４における縦弾性係数の分布を示す図、図１６はアルミニウムにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図、図１７は銅における超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図、図１８はチタンにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図、図１９はアクリルにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図、図２０はナイロンにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図、図２１は骨（ビーグル犬）における超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図、図２２はガラスにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【００１９】
本発明の超音波による固体の力学特性測定方法では、試料としての固体に向けて超音波を照射して当該固体の力学特性（縦弾性係数、横弾性係数、ポアソン比、密度）を測定するときは、次の（I）〜（III）の処理を行うようにしている。
【００２０】
（I）試料（固体）に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値、すなわち画像を構成する各点（ドット）の輝度値と、予め求められ、所定の固体に係る超音波反射エコーに対応する画像の輝度値と当該所定の固体に係る超音波反射強度との関係を示す情報とを基に、前記試料（固体）に係る超音波反射強度を求める。
【００２１】
（II）上記試料（固体）に係る漏洩弾性表面波速度を求める。
【００２２】
（III）上記（I）の処理により求められた結果と上記（II）の処理により求められた結果とを基に、試料としての固体の力学特性（縦弾性係数、横弾性係数、ポアソン比、密度）を求める。
【００２３】
この（III）の処理においては、上記（I）の処理により得られた超音波反射強度を基に音響インピーダンスを求め、この求めた音響インピーダンスと上記（II）の処理により求められた漏洩弾性表面波速度とを基に、上記試料としての固体の力学特性を求める。
【００２４】
ここで、音響インピーダンスと試料（固体）の力学特性（縦弾性係数、横弾性係数、ポアソン比、密度）について説明する。
【００２５】
最初に音響インピーダンスについて説明する。
【００２６】
入射した縦波のアルミニウムに対する反射係数をＲａ、入射した縦波の試料に対する反射係数をＲｂとすれば、これらの反射係数Ｒａ、Ｒｂと、アルミニウム、試料、カップラントである水それぞれの縦波に対する音響インピーダンスＺＬａ、ＺＬｂ、ＺＷとの間には、次の数式１および数式２の関係がある。なお、反射係数は超音波反射強度値に対応する。
【数１】
2007108167.tif 000003
【数２】
2007108167.tif 000004
【００２７】
上記数式１から試料の縦波に対する音響インピーダンスＺＬｂを求めたいが、必要となる試料の反射係数Ｒｂの絶対値を正確に測定することが難しい。そこで、音響インピーダンスが明らかなアルミニウムの反射係数Ｒａを同一条件で測定し、その比Ｘ＝Ｒｂ／Ｒａと上記数式１とを基に得られる次の数式３を演算することで、試料の縦波に対する音響インピーダンスＺＬｂを求める。
【数３】
2007108167.tif 000005
【００２８】
密度やポアソン比の算出には横波に対する試料の音響インピーダンスが必要になるが、その音響インピーダンスの絶対値も正確に測定することが難しい。本願発明者らによるこれまでの研究により、縦波の反射係数比Ｘと横波に対する音響インピーダンスＺＴについて、次の数式４の関係式を得ている。
【数４】
2007108167.tif 000006
【００２９】
そして、試料の横波に対する音響インピーダンスＺＴｂは、アルミニウムの縦波に対する反射係数Ｒａと試料の縦波に対する反射係数Ｒｂとの比（反射係数比）Ｘ＝Ｒｂ／Ｒａを上記数式４に代入し、この数式４を演算することで求めることができる。
【００３０】
次に、固体の力学特性について説明する。
【００３１】
１：密度について
【００３２】
試料の表面を伝搬する漏洩弾性表面波の速度（漏洩弾性表面波速度）ＶＲ、試料の密度ρｂ、試料の縦波および横波それぞれに対する音響インピーダンスＺＬｂ、ＺＴｂには、次の数式５の関係がある。
【数５】
2007108167.tif 000007
【００３３】
漏洩弾性表面波速度ＶＲは超音波顕微鏡のＶ（ｚ）曲線法により求めることができ、試料の縦波に対する音響インピーダンスＺＬｂは上記数式３より求めることができ、また、試料の横波に対する音響インピーダンスＺＴｂは上記数式４より求めることができる。
【００３４】
したがって、上記数式５はρｂ２の３次方程式となり、この３次方程式を解くことにより試料の密度ρｂを得ることができる。
【００３５】
２：弾性係数とポアソン比について
【００３６】
等方性を仮定すると、横弾性係数Ｇｂは次の数式６によって求めることができ、縦弾性係数Ｅｂは次の数式７によって求めることができる。
【数６】
2007108167.tif 000008
【数７】
2007108167.tif 000009
【００３７】
ポアソン比νは、試料の縦波の音速ＶＬｂおよび試料の横波の音速ＶＴｂと試料の縦波および横波それぞれに対する音響インピーダンスＺＬｂ、ＺＴｂとの関係を示す次の数式８から求められる。
【数８】
2007108167.tif 000010
【００３８】
（実施例）
【００３９】
本実施例では、超音波顕微鏡を用いて固体の力学特性を測定した。ここで、超音波顕微鏡の概略構成について図１を参照して説明する。
【００４０】
図１に示すように、超音波顕微鏡は、発信器１０、受信器２０、超音波トランスデューサ３０、音響レンズ４０、試料台５０、制御部６０、記憶部７０、表示部８０を備えている。試料台５０には試料９０がセットされる。
【００４１】
このような超音波顕微鏡においては、発信器１０からのバースト波あるいはパルス波が超音波トランスデューサ３０を高周波で励振させることによって発生した超音波は、音響レンズ４０によって絞られ、媒質（例えば水）１００を経て試料９０に照射される。
【００４２】
そして、試料９０からの超音波（反射波）つまり超音波反射エコーは、音響レンズ４０および超音波トランスデューサ３０を経て受信器２０で受信され、さらに図示しないＡ／Ｄ変換器によってアナログ反射信号からデジタル反射信号に変換されて、制御部６０に入力される。
【００４３】
制御部６０は、入力されたデジタル反射信号を基に所定の処理を実行し、この実行結果を表示部８０に表示させる。
【００４４】
記憶部７０は、入力されたディジタル反射信号を示すデータ、上述した数式１〜数式８に対応するデータ、制御部６０による所定の処理の実行結果など、試料の力学特性を求めるのに必要なデータを記憶する。
【００４５】
なお、上記超音波顕微鏡は、音響レンズ４０をＸ−Ｙ方向に走査させるための機構（図示せず）、および試料台５０の移動可能にする機構（図示せず）を備えている。
【００４６】
また、上述した超音波顕微鏡は、Ｃモード機能とＸＺモード機能とを有しており、超音波測定においてこれらのモードを併用して試料（固体）の力学特性を測定するようになっている。
【００４７】
Ｃモード機能は、超音波測定において、試料表面の材料物性に基づいた画像（平面画像）を撮影（表示）する機能、すなわち試料の力学特性を反映した超音波反射エコーを輝度変調して表示する機能である。試料（固体）表面のＣモード画像の一例（ヒト大腿骨断面）を図２に示す。Ｃモード画像において一画像は例えば４００×４００点（ドット）で構成され、各ドットの輝度値は試料反射エコー（超音波反射エコー）の強さに比例し２５６階調に分けられる。
【００４８】
なお、本明細書において、Ｃモード機能により表示される画像（平面画像あるいは表面画像）をＣモード画像という。
【００４９】
ＸＺモード機能は、超音波測定において、試料における所定の線上（Ｘ軸に並行なライン）の弾性表面波速度分布（弾性表面波音速分布）を測定する機能である。ＸＺモード機能では、Ｖ（ｚ）曲線を得ることができ、このＶ（ｚ）曲線を解析することにより、弾性表面波速度分布（弾性表面波音速分布）を測定（算出）することができる。
【００５０】
次に、上述した超音波顕微鏡による超音波測定におけるＸＺモードとＣモードを併用して、試料（固体）の力学特性たとえば骨組織力学特性の微細な分布を得るための測定方法について説明する。
【００５１】
（１）最初に、基準とする、Ｃモード画像の輝度値と超音波反射強度値との関係の算出について説明する。
【００５２】
まず、試料９０としての純アルミニウムを試料台５０にセットし、Ｃモード機能により試料９０（純アルミニウム）のＣモード画像における所定のライン上の各ドット（一画像は最大４００ドット）の輝度値と、当該各輝度値に対応する超音波反射強度値とを測定する。すなわち、測定対象のドットの輝度値を測定するとともに、当該ドットに対応する試料９０（の表面）からの超音波の反射強度つまり超音波反射強度値を測定する。
【００５３】
そして、横軸にＣモード画像の輝度値をとり、縦軸に超音波反射強度値をとり、純アルミニウムに関する、前記測定した各輝度値と前記測定した超音波反射強度値との関係を示す情報をプロットする。
【００５４】
ここで、Ｃモード画像の輝度値と超音波反射強度値との関係を示す情報の一例を、図３に示す。この図３に示すように、Ｃモード画像の輝度値と超音波反射強度値との関係から近似値線ｙを求めることができる。
【００５５】
ちなみに、この近似値線ｙはｙ＝０．０１３ｘ＋０．８８５３の関係式が成立する。ここで、ｘはＣモード画像の輝度値であり、ｙは超音波反射強度値である。
【００５６】
この図３に示す特性および近似値線ｙに対応する式のそれぞれを示すデータは、記憶部７０に記憶され、必要に応じて制御部６０によって読み出される。
【００５７】
図３からは、超音波測定におけるＣモード画像の輝度値が固体表面からの超音波の反射強度（超音波反射強度）に比例することが分かる。このことは、Ｃモード画像（デジタル画像）を構成する各ドットの輝度値から超音波反射強度を算出することができることを意味する。
【００５８】
したがって、任意の試料（固体）について、当該任意の試料に関するＣモード画像の各点（ドット）の輝度値を知ることができれば、これら各点の輝度値と図３に示す近似値線ｙとを基に当該各点の輝度値から超音波反射強度を求めることができる。
【００５９】
このように本発明では、超音波測定におけるＣモード画像の輝度値が固体表面からの超音波の反射強度（超音波反射強度）に比例することに着目した。すなわち、Ｃモード画像（デジタル画像）を構成する各ドットの輝度値から超音波反射強度を算出することができる。そのため、一度の測定で多くの点の超音波反射強度が得られることになり、当該各点の超音波反射強度に対応する複数の音響インピーダンスを算出することができる。
【００６０】
（２）次に、測定対象の試料の力学特性の算出（測定）について説明する。
【００６１】
すなわち、次の（２−１）〜（２−３）の処理を行うことにより、試料（固体）の力学特性を測定する。
【００６２】
（２−１）試料（固体）の超音波反射強度を算出する。
【００６３】
すなわち、最初に、試料９０としての測定対象の試料たとえば骨（ヒトの大腿骨）を試料台５０にセットする。
【００６４】
制御部６０は、入力されたデジタル反射信号つまりＣモード機能による試料９０（ヒトの大腿骨）に係る超音波反射エコーを輝度変調してＣモード画像を生成し、このＣモード画像を表示部８０に表示させる。このようにして生成されたＣモード画像を示す画像データは、記憶部７０に記憶され、必要に応じて制御部６０によって読み出される。
【００６５】
測定対象としてヒト（７２歳、女性）の大腿骨を用いた。測定部位はともに左大腿骨骨幹部である。
【００６６】
試料９０としての骨（ヒトの大腿骨）つまりヒト左大腿骨骨幹部のＣモード測定（Ｃモード機能）によるＣモード画像（ヒト大腿骨断面）の一例を図４に示す。
【００６７】
図４中に表示されている線（I、II、IIIおよびＡ、Ｂで示す線）は測定ラインであり、水平方向ラインは近位部よりI、II、IIIとし、垂直方向ラインは骨膜側よりＡ、Ｂとした。
【００６８】
制御部６０は、Ｃモード機能による試料９０（ヒトの大腿骨）に係る超音波反射エコーに対応するＣモード画像の輝度値と、予め求められた図３に示す特性（Ｃモード画像の輝度値と超音波反射強度との関係を示す情報）あるいは近似値線ｙとを基に、試料９０（ヒトの大腿骨）に係る超音波反射強度を求める。このようにして求められた超音波反射強度値を示すデータは、記憶部７０に記憶され、必要に応じて制御部６０によって読み出される。
【００６９】
ここでは、Ｃモード画像の輝度値は、図４中のラインI上の各点（ドット）の輝度値を用いるものとする。
【００７０】
（２−２）試料（固体）の弾性表面波速度分布を算出する。
【００７１】
すなわち、制御部６０は、超音波測定におけるＸＺモード機能において得られるＶ（ｚ）曲線を解析することにより、漏洩弾性表面波速度つまり弾性表面波速度分布（弾性表面波音速分布）を求める。このようにして求められた弾性表面波速度分布（弾性表面波音速分布）を示すデータは、記憶部７０に記憶され、必要に応じて制御部６０によって読み出される。
【００７２】
ここで、ＸＺモードで測定された弾性表面波速度分布の一例（ヒト大腿骨断面）を、図５に示す。
【００７３】
（２−３）試料（固体）の力学特性を算出する。
【００７４】
すなわち、制御部６０は、上記（２−１）の処理により求められた結果（超音波反射強度）と上記（２−２）の処理により求められた結果（弾性表面波速度分布）とを基に、試料としての固体の力学特性の分布を求める。
【００７５】
この（２−３）の処理においては、制御部６０は、上記（２−１）の処理により得られた超音波反射強度を基に音響インピーダンスを求め、この求めた音響インピーダンスと上記（２−２）の処理により求められた漏洩弾性表面波速度分布とを基に、試料９０（ヒトの大腿骨）の複数の点の力学特性を求める。このように上記音響インピーダンスとＸＺモードにより求められた固体表面の漏洩弾性表面波速度分布（音速分布）と組み合わせることで、多くの点の力学特性を短時間で算出することができる。
【００７６】
このようにして求められた試料（ヒトの大腿骨）の音響インピーダンス、漏洩弾性表面波速度、および力学特性（複数の点の力学特性）をそれぞれ示すデータは、記憶部７０に記憶され、必要に応じて制御部６０によって読み出される。
【００７７】
つぎに、制御部６０による試料の音響インピーダンスおよび力学特性の具体的な算出方法について説明する。
【００７８】
Ｃモード機能による超音波測定により求められた試料（骨）の超音波反射強度の値を上記数式３に代入して演算することにより、骨の縦波に対する音響インピーダンスＺＬｂが求められる。また、前記試料（骨）の超音波反射強度の値を上記数式４に代入して演算することにより、骨の横波に対する音響インピーダンスＺＴｂが求められる。
【００７９】
ここで、数式３および数式４を演算するに際し、反射係数Ｒｂ＝超音波反射強度の値とし、アルミニウムの音響インピーダンスＺＬａおよび水の音響インピーダンスＺＷは既知であるものとする。また上述したように反射係数比Ｘ＝反射係数Ｒｂ／反射係数Ｒａである。
【００８０】
ＸＺモード機能による超音波測定により得られた漏洩弾性表面波速度（弾性表面波速度）ＶＲの値と、上述したようにして求められた音響インピーダンスＺＬｂ、ＺＴｂとを、上記数式５に代入して演算することにより、骨の密度ρｂが求められる。
【００８１】
ＸＺモード機能による超音波測定により得られた漏洩弾性表面波速度（弾性表面波速度）ＶＲの値と、上述したようにして求められた音響インピーダンスＺＬｂおよび音響インピーダンスＺＴｂとを、上記数式８に代入して演算することにより、骨のポアソン比νが求められる。
【００８２】
骨の横波に対する音響インピーダンスＺＴｂと骨の密度ρｂとを、上記数式６に代入して演算することにより、骨の横弾性係数Ｇｂが求められる。
【００８３】
このようにして求められた骨の横弾性係数Ｇｂと上述したようにして求められた骨のポアソン比νとを、上記数式７に代入して演算することにより、骨の縦弾性係数Ｅｂが求められる。
【００８４】
上述したようにして試料（固体）の力学特性（縦弾性係数、横弾性係数、ポアソン比、密度）の微細な分布を求めることができる。
【００８５】
ここで、具体的に説明する。試料９０としてのヒトの大腿骨つまりヒト左大腿骨骨幹部のＣモード機能（Ｃモード測定）によるＣモード画像（図４参照）のラインI上の力学特性の測定例（算出結果）としての、ヒト大腿骨断面の水平方向の縦弾性係数の微細分布を、図６に示す。
【００８６】
この図６からは、骨組織の力学特性の不均一性から多くの点で弾性係数（縦弾性係数）にバラツキがあることが分かり、また、高齢のヒトにおいては、骨の断面で平均した場合には、縦弾性係数は、ほぼ一定（水平面内ではほぼ一定）であることが分かる。
【００８７】
次に、ヒトの大腿骨に代替してイヌの大腿骨を試料９０として用いた場合の試料の力学特性の測定（算出）について説明する。
【００８８】
この場合の試料の力学特性についても、上述したヒトの大腿骨の力学特性の測定（算出）方法と同様にして求めることができる。
【００８９】
測定対象としてビーグル犬（生後８ヶ月、オス）の大腿骨を用いた。測定部位は左大腿骨骨幹部である。
【００９０】
試料９０としての骨（イヌの大腿骨）つまりビーグル犬左大腿骨骨幹部のＣモード機能（Ｃモード測定）によるＣモード画像（イヌ大腿骨断面）を、図７に示す。
【００９１】
図７中に表示されている線（I、IIおよびＡ、Ｂで示す線）は測定ラインであり、水平方向ラインは近位部よりI、IIとし、垂直方向ラインは骨膜側よりＡ、Ｂとした。
【００９２】
Ｃモード画像の輝度値は、図７中のラインI上の各点（ドット）の輝度値を用いるものとする。
【００９３】
制御部６０は、上記（２−１）の処理により求められた結果（超音波反射強度）と上記（２−２）の処理により求められた結果（弾性表面波速度分布）とを基に、試料としての固体の力学特性を求める。
【００９４】
すなわち、制御部６０は、上記（２−１）の処理により得られた超音波反射強度を基に音響インピーダンスを求め、この求めた音響インピーダンスと上記（２−２）の処理により求められた漏洩弾性表面波速度分布（図示せず）とを基に、試料９０（イヌの大腿骨）の力学特性を求める。このイヌの大腿骨の力学特性は、上述したヒトの大腿骨の力学特性の算出の場合と同様にして算出することができるので、ここでは、その算出方法については省略する。
【００９５】
ここで、具体的に説明する。試料９０としてのイヌの大腿骨つまりイヌ左大腿骨骨幹部のＣモード機能（Ｃモード測定）によるＣモード画像（図７参照）のラインI上の力学特性の測定例（算出結果）としての、イヌ大腿骨断面の水平方向の縦弾性係数の微細分布を、図８に示す。
【００９６】
この図８からは、骨組織の力学特性の不均一性から多くの点で弾性係数（縦弾性係数）にバラツキがあることが分かる。また、若いイヌの骨においては、骨の断面で平均した場合には、縦弾性係数に傾きが見られる。つまり、水平面内において骨内膜側から骨膜側にかけて縦弾性係数が増加していることが分かる。
【００９７】
なお、本実施の形態では、試料（測定対象）としてヒトあるいはイヌの骨を用いるようにしているが、本発明はこれに限定されることなく、金属など固体であれば測定対象の種類は問わない。
【００９８】
ここで、超音波顕微鏡による純アルミニウムのＣモード画像（表面画像）を、図９に示す。この図９中、純アルミニウムの表面における右上部１から中央部２までの直線３は、油性マジックによる目印が表示されている。測定場所は、図９のＣモード画像に示す直線３上である。
【００９９】
そして、超音波顕微鏡による超音波測定におけるＸＺモードとＣモードを併用して得られた試料（純アルミニウム）の力学特性の分布を、図１０および図１１に示す。
【０１００】
図１０は純アルミニウムの縦弾性係数分布の一例を示している。図１０において、画素９４〜１９９までの平均の縦弾性係数は７６．１［ＧＰａ］である。なお、画素０〜９３までの縦弾性係数については油性インク塗布のため除いている。ちなみに、一般的な純アルミニウムの縦弾性係数は、約７０［ＧＰａ］である。
【０１０１】
また、図１１は純アルミニウムの密度分布の一例を示している。図１１において、画素９４〜１９９までの平均の密度は２．８４［ｇ／ｃｍ３］である。なお、画素０〜９３までの密度については油性インク塗布のため除いている。ちなみに、一般的な純アルミニウムの密度は、約２．６９〜２．７１［ｇ／ｃｍ３］である。
【０１０２】
超音波顕微鏡による骨粗鬆症ラットの大腿骨頸部のＣモード画像（表面画像）とその力学的測定位置を図１２に、その縦弾性係数の分布を図１３に示す。また、超音波顕微鏡による正常ラットの大腿骨頸部のＣモード画像（表面画像）とその力学的測定位置を図１４に、その縦弾性係数の分布を図１５に示す。
【０１０３】
図１３において、骨粗鬆症ラットの大腿骨頸部における平均の縦弾性係数は８．２［ＧＰａ］である。また、図１５において、ラットの大腿骨頸部における平均の縦弾性係数は１０．６［ＧＰａ］である。
【０１０４】
次に、超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係について説明する。
【０１０５】
アルミニウム（Ａ１１００）（試料１）、銅（試料２）、チタン（試料３）、アクリル（試料４）、ナイロン（試料５）、骨（ビーグル犬）（試料６）、ガラス（試料７）を試料とし、超音波顕微鏡の発信器ＧＡＩＮの値を変化させて超音波反射強度値を測定した。そして、Ｃモード画像から試料同一点の輝度値（Ｃモード画像輝度値）を算出し、超音波反射強度値との関係を求めた。ここで、超音波顕微鏡のＧＡＩＮ６．５、ＲＥＪＣ４．４、倍率１００倍、周波数２００Ｈｚとし、発信器ＧＡＩＮを、試料１〜３，６，７では０．５４から１．０６まで０．０２間隔で変化させ、試料４，５では１．２０から１．７２まで０．０２間隔で変化させた。
【０１０６】
試料１における超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を図１６に、試料２における関係を図１７に、試料３における関係を図１８に、試料４における関係を図１９に、試料５における関係を図２０に、試料６における関係を図２１に、試料７における関係を図２２に、それぞれ示す。なお、これらの図面においては、最小二乗法で求めた近似値線ｙの関係式（ｘ：Ｃモード画像の輝度値、ｙ：超音波反射強度値）、および決定係数Ｒ２の値も併記されている。
【０１０７】
表１にそれぞれの試料のＣモード画像輝度値と超音波反射強度値の関係式の傾きと相関係数Ｒを示す。
【表１】
2007108167.tif 000011
【０１０８】
表１より、Ｃモード画像の輝度値と固体表面からの超音波の反射強度には強い相関があることがわかる。試料のＣモード画像輝度値をＸ、超音波反射強度値をＹとすると、関係式の平均の傾きを用いて、
Ｙ＝０．０１１２Ｘ＋ｂ
という関係式を導くことができる。
【０１０９】
なお、式中のｂは測定時の条件により変動するので補正が必要である。具体的には、測定試料毎に一度だけ測定ライン上の一点における超音波反射強度値をオシロスコープで測定し、Ｃモード画像より同点の輝度値を読み取り、Ｘ、Ｙに代入することでｂの値が決定される。
【０１１０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、Ｃモード機能により、試料の１ライン上の最大４００点の反射係数（超音波反射強度）が求められ、さらにＸＺモード機能により、当該試料の同一ライン上の音速（弾性表面波速度）を細かく測定すれば、反射係数（超音波反射強度）および音速（弾性表面波速度）の値を基に上記数式１〜数式８を演算することにより、試料の１ライン上の力学特性の微細な分布を算出することができる。これにより、超音波による固体の力学特性の測定の効率化を図ることができる。
【０１１１】
また、本実施の形態によれば、力学特性測定効率の向上とともに、固体の不均一な力学特性の評価に有効であり、より詳細な力学特性を評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、例えば骨粗鬆症の研究に用いた場合には、その骨組織の力学特性に関し、より精度の高い評価が可能となるので、骨粗鬆症の診断方法に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施の形態である超音波顕微鏡による固体の力学特性測定方法で使用した超音波顕微鏡の概略構成を示す構成図である。
【図２】Ｃモード画像の一例を示す図である。
【図３】Ｃモード画像の輝度値と超音波反射強度値との関係を示す図である。
【図４】ヒトの大腿骨のＣモード画像の一例を示す図である。
【図５】ＸＺモードで測定された弾性表面波速度分布の一例を示す図である。
【図６】ヒト大腿骨断面の水平方向の縦弾性係数の微細分布の一例を示す図である。
【図７】イヌの大腿骨のＣモード画像の一例を示す図である。
【図８】イヌ大腿骨断面の水平方向の縦弾性係数の微細分布の一例を示す図である。
【図９】超音波顕微鏡による純アルミニウムのＣモード画像の一例を示す図である。
【図１０】純アルミニウムの縦弾性係数分布の一例を示す図である。
【図１１】純アルミニウム密度分布の一例を示す図である。
【図１２】超音波顕微鏡による骨粗鬆症ラットの大腿骨頸部のＣモード画像の一例とその力学的測定位置を示す図である。
【図１３】図１２における縦弾性係数の分布を示す図である。
【図１４】超音波顕微鏡による正常ラットの大腿骨頸部のＣモード画像の一例とその力学的測定位置を示す図である。
【図１５】図１４における縦弾性係数の分布を示す図である。
【図１６】アルミニウムにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【図１７】銅における超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【図１８】チタンにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【図１９】アクリルにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【図２０】ナイロンにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【図２１】骨（ビーグル犬）における超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【図２２】ガラスにおける超音波反射強度とＣモード画像輝度値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０    発信器
２０    受信器
３０    超音波トランスデューサ
４０    音響レンズ
５０    試料台
６０    制御部
７０    記憶部
８０    表示部
９０    試料
１００    媒質
【図１】
2007108167.tif 000012
【図３】
2007108167.tif 000013
【図５】
2007108167.tif 000014
【図６】
2007108167.tif 000015
【図８】
2007108167.tif 000016
【図１０】
2007108167.tif 000017
【図１１】
2007108167.tif 000018
【図１６】
2007108167.tif 000019
【図１７】
2007108167.tif 000020
【図１８】
2007108167.tif 000021
【図１９】
2007108167.tif 000022
【図２０】
2007108167.tif 000023
【図２１】
2007108167.tif 000024
【図２２】
2007108167.tif 000025
【図２】
2007108167.tif 000026
【図４】
2007108167.tif 000027
【図７】
2007108167.tif 000028
【図９】
2007108167.tif 000029
【図１２】
2007108167.tif 000030
【図１３】
2007108167.tif 000031
【図１４】
2007108167.tif 000032
【図１５】
2007108167.tif 000033