JP2005211590A - 超音波距離測定方法、超音波距離測定装置および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズなどの影響を低減し、超音波画像を用いずに測定対象物の厚さ変化量を測定する。
【解決手段】 超音波を用いて測定対象物の２点間の距離変化量を測定する超音波距離測定方法であって、前記測定対象物の２点を含むように超音波の音響線を設定し、前記音響線上において前記測定対象物を含む複数の測定対象位置における位置変化量を所定の期間、測定するステップと、前記測定対象物の２点間の距離変化を生じさせる力の力変化量を前記測定対象位置の位置変化量の測定と同時に所定の期間、測定するステップと、前記複数の測定対象位置における位置変化量から、各測定対象位置間の距離変化量それぞれを求めるステップと、前記所定の期間における前記力変化量と各距離変化量を比較し、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定するステップとを包含する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて距離情報の時間変化量を測定する超音波距離測定方法および超音波距離測定装置に関する。また、そのような超音波距離測定装置を備えた超音波診断装置にも関する。

近年、心筋梗塞や脳梗塞などの循環器系疾病を患う人々が増加してきており、このような疾病の予防および治療を行うことが大きな課題となっている。心筋梗塞や脳梗塞の発病には、動脈の硬化が深く関係しているため、血管の硬化の度合いを示す血管の弾性率を精確に測定する装置が求められている。

物質の弾性率は、物質の厚さの変化量と厚さの変化をもたらす力の変化量とを測定することにより求められる。これら２つの変化量のうち、厚さの変化をもたらす力の変化量は圧力計等を用いることによって比較的容易に求めることができる。

一方、物質の厚さを非破壊で測定する方法としては、Ｘ線や超音波を用いる方法が知られている。特に超音波を用いる方法は、Ｘ線と比べて人体への影響が少なく、装置を取り扱うために特殊な資格が必要ないため、医療分野を始め種々の工業分野でも用いられている。

超音波を用いて物質の厚さの変化量を精度良く求める方法として、例えば特許文献１に開示されている方法が公知である。この方法は、検波信号の振幅および位相の両方を用い、制約付最小二乗法によって対象の瞬時の位置を決定し、高精度なトラッキングを実現する。この方法によれば、拍動によって大きく動いている組織上の微小振動を測定することが可能であり、振幅が１０ｍｍ以上ある拍動に伴う大振幅変位運動上の数百Ｈｚまでの微小振動を、拍動が１０回程度繰り返されても充分再現性良く測定することができる。この方法を用いた超音波診断装置は、数百Ｈｚまでの高い周波数成分を再現性良く測定でき、超音波ビームの集束によって心筋や動脈壁上の１〜２ｍｍ程度の領域における厚さ変化量を測定することができる。また、一心拍中、あらゆる時相の成分の超音波信号が得られ、その信号の周波数スペクトル解析可能である等の優れた特徴を備えていると報告されている。
特開平１０−５２２６号公報

超音波により厚み変化量を求める場合、測定対象となる二点の位置を同定することが重要となる。例えば、ある物質の厚さ変化量を求めようとした場合、その物質の上端部と下端部を特定する必要がある。通常、超音波診断装置には画像表示機能が搭載されており、超音波の反射エコー強度を輝度に変換して得られる画像（Ｂモード画像）を見ることができれば、輝度の高い位置が音響インピーダンスの不連続に変化する点、すなわち厚さを測定すべき物質の上端部あるいは下端部であると特定することができる。この際、物質の厚さは変化しているので、ある時刻における上端部および下端部の位置を同時にかつ瞬時に特定する必要がる。

しかし、ある瞬間の輝度最大値を上端部あるいは下端部としてしまうことには問題がある。ノイズの影響などによってその瞬間だけ輝度が高くなる可能性があるためである。また、画像によって上端部あるいは下端部を特定する場合、経時的に厚さあるいは厚さ変化量を測定することが難しい。

本発明はこのような従来の問題を解決し、超音波を用いて二つの測定対象物間の距離変化量を測定する際に、その二点を高精度に同定することで、より正確な距離変化量を測定することが可能な超音波距離測定方法および超音波距離測定装置を提供する。また、そのような超音波距離測定装置を備えた超音波診断装置を提供する。

本発明の超音波距離測定方法は、超音波を用いて測定対象物の２点間の距離変化量を測定する方法であって、前記測定対象物の２点を含むように超音波の音響線を設定し、前記音響線上において前記測定対象物を含む複数の測定対象位置における位置変化量を所定の期間、測定するステップと、前記測定対象物の２点間の距離変化を生じさせる力の力変化量を前記測定対象位置の位置変化量の測定と同時に所定の期間、測定するステップと、
前記複数の測定対象位置における位置変化量から、各測定対象位置間の距離変化量それぞれを求めるステップと、前記所定の期間における前記力変化量と各距離変化量を比較し、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定するステップとを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記測定対象物の２点間は前記測定対象物の厚さを規定している。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差に基づいて決定する。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差をそれぞれ求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差をそれぞれ求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における前記各距離変化量および前記力変化量をそれぞれフーリエ変換し、前記各距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値との差に基づいて決定する。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差を求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差を求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する。

ある好ましい実施形態において、前記決定ステップは、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量が複数ある場合、もっとも離れた２点により規定される距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。

本発明の超音波距離測定装置は、距離変化量を測定すべき前記測定対象物の２点を含むように設定された前記超音波送信波の音響線上において、前記測定対象物を含む複数の測定対象位置から超音波反射波が得られるように超音波プローブを駆動する駆動部、前記超音波反射波を受信する受信部、および前記超音波反射波を位相検波する位相検波部を含む超音波測定制御部と、前記位相検波された超音波反射波に基づき、複数の測定対象位置の所定期間における位置変化量および各測定対象位置間の距離変化量それぞれを求める距離変化量演算部と、前記測定対象位置の位置変化量の測定と同時に測定された前記測定対象物の２点間の距離変化を生じさせる力の前記所定期間における力変化量に関する測定値を受け取り、前記所定の期間における前記力変化量と各距離変化量を比較し、前記所定の期間における前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する距離変化量決定部とを備える。

ある好ましい実施形態において、前記測定対象物の２点間は前記測定対象物の厚さを規定している。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差に基づいて決定する。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差を求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差を求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における前記各距離変化量および前記力変化量をそれぞれフーリエ変換し、前記距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値との差に基づいて決定する。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差を求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差を求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する。

ある好ましい実施形態において、前記距離変化量決定部は、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量が複数ある場合、もっとも離れた２点により規定される距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。

本発明の超音波診断装置は、上記いずれかに規定される超音波距離測定装置と、血管内に挿入可能な直径を有するファイバ状の超音波プローブであって、前記距離変化を生じさせる力を測定する力検知部を有し、前記ファイバの延びる方向と非平行な平面内において超音波を放射状に出力する超音波プローブとを備える。

本発明によれば、所定の期間における複数の測定位置間のそれぞれの距離変化量を求め、距離変化を生じさせる力の力変化量と最も一致するプロフィアルを有する距離変化量を特定することにより、測定中の瞬時ノイズなどの影響を受けることなく、正確な距離変化量を求めることができる。また、超音波画像等を見て操作者が測定位置を決定しなくてよいため、操作者の測定癖などの操作者に依存する誤差を排除することができる。さらに、決定した測定位置を用いて、それ以降の距離変化をリアルタイムで求めることも可能である。

以下、本発明による超音波距離測定装置の実施形態を説明する。図１は、超音波距離測定装置５１の構成を示すブロック図である。超音波距離測定装置５１は、距離変化量測定部１１と距離変化量決定部１３とを備える。また、これらを制御するマイコン１４も備える。

距離変化量測定部１１は、超音波によって測定対象物の任意の位置の二点間距離（ここでは厚さ）の変化量を測定する。このために、距離変化量測定部１１は、二点間距離変化量を測定すべき測定対象物の２点を含むように設定された超音波送信波の音響線上において、測定対象物を含む複数の測定対象位置から超音波反射波が得られるように超音波を送信し、超音波反射波を受信する超音波測定制御部１６と、超音波反射波に基づき、複数の測定対象位置の所定期間における位置変化量および各測定対象位置間の距離変化量それぞれを求める距離変化量演算部１７とを含む。距離変化量測定部１１は、好ましくは、超音波を送受信する超音波プローブ１５を備えている。

距離変化量決定部１３は、距離変化量測定部１１から、各測定対象位置間の距離変化量に関するデータを受け取る。また、距離変化量測定部１１による測定対象位置の位置変化量の測定と同時に測定された測定対象物の２点間の距離変化を生じさせる力の力変化量に関する測定値を力変化量測定部１２から受け取る。そして、定の期間における前記力変化量と各距離変化量を比較し、力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量を測定対象物の２点間の距離変化量として決定する。力変化量測定部１２は、力センサ２６および力変化量演算部２７を含む。

図１に示すように、本実施形態では、たとえば、水１中に弾性体からなる管４を保持し、流体（伝達媒体）７の移動によって脈動する管４の厚さの変化量を測定する。より、具体的には、管４の位置６における厚さの変化量を測定するために、管４の外部から超音波を送信し、管４の位置６において反射した超音波を受信するための超音波プローブ１５を水１中に保持する。超音波プローブ１５には、たとえば、アレイ状に配列された複数の超音波振動子（超音波振動子群）を有する超音波診断装置用プローブを用いることができる。プローブの大きさはたとえば１ｃｍ×５ｃｍである。

管４の厚さ変化は流体７に加えられる力により生じる。このため、流体７中の位置６近傍に力センサ１８を配置する。力センサ２６は具体的には流体７の圧力を測定する圧力センサである。測定対象物の２点間の距離変化を引き起こす力変化を正確に測定するため、超音波プローブ１５と力センサ２６とは近接しているほうが好ましいが、超音波プローブ１５および力センサ１８の位置は図１に示す位置関係に限られるわけではない。たとえば、超音波プローブ１５は管４の内部に配置してもよいし、力センサ２６も管４の外側に設けてもよい。また、測定対象物が生体の動脈である場合には、市販の血圧計を力変化量測定部１２として用いてもよい。

図２は、距離変化量測定部１１の構成を具体的に示すブロック図である。超音波測定制御部１６は、駆動部１８、受信部１９、遅延時間制御部２０、位相検波部２１およびフィルタ２２を含む。駆動部１８は、所定の駆動パルス信号を超音波プローブ１５に与える。駆動パルスにより超音波プローブ１５から送信される超音波送信波は、測定対象物である管４において反射し、生じた超音波反射波が超音波プローブ１５で受信される。超音波プローブ１５により受信された超音波反射波は、受信部１９において増幅される。受信部１９はＡ／Ｄ変換部を含み、受信部１９において増幅された超音波反射波はデジタル信号に変換される。

遅延時間制御部２０は送信部１８および受信部１９に接続されており、送信部１８から超音波プローブ１５の超音波振動子群に与える駆動パルス信号の遅延時間を制御する。これにより、超音波プローブ１５から送信される超音波送信波の超音波ビームの音響線の方向や焦点深度を変化させる。また、超音波プローブ１５によって受信され、受信部１９によって増幅された超音波反射波信号の遅延時間を制御することにより、受信される超音波の音響線の方向を変化させることができる。遅延時間制御部２０の出力は位相検波部２１に入力される。

位相検波部２１は、遅延時間制御部２０で遅延制御された受信反射波信号を位相検波し、実部信号と虚部信号とに分離する。分離された実部信号および虚部信号はフィルタ部２２に入力される。フィルタ部２２は測定対象以外からの反射成分やノイズ成分を除去する。位相検波部２１およびフィルタ部２２はソフトウエアによってもハードウエアによっても構成することができる。

距離変化量演算部１７は、運動速度演算部２３と、位置変位量演算部２４と、距離変化量候補演算部２５とを含む。位相検波された信号の実部信号および虚部信号を用いて、運動速度演算部２３が対象となる管４の位置６を含む音響線上に設定された複数の測定対象位置の運動速度を求める。位置変位量演算部２４は運動速度を積分することにより音響線上の複数の測定対象位置それぞれの位置変位量を求めることができる。距離変化量候補演算部２５は、位置変位量演算部２４において求めた複数の測定対象位置から各測定位置間の差を求めることにより、複数の厚さ（距離）候補を演算する。

距離変量測定部１１の超音波測定制御部１６は市販されている超音波診断装置の該当する部分を利用して構成することが可能である。また、超音波距離測定装置５１を超音波診断装置に組み込む場合には、これらの構成を超音波距離測定装置５１および超音波診断装置とで共用してもよい。

次に、管４に設定された複数の測定対象位置およびら各測定位置間の差から求められる距離（厚さ）変化量候補を説明する。図３は、超音波プローブ１５から送信される超音波ビーム２４の音響線２２上に設定された測定対象位置を示している。求めたい値は位置６における壁５の厚さ（距離）であり、そのためには位置６における壁５の外側表面５ａおよび内側表面５ｂの正確な位置変位量が必要である。特許文献１の方法による超音波測定では、測定対象物に設定した測定対象物の移動あるいは変形とともに変位する測定位置を正確にトラッキングでき、位置変位量を測定することができる。この測定位置は、測定対象物に設定した位置であって、測定対象物の移動とともに位置も変位する。しかし、壁５を規定する外側表面５ａおよび内側表面５ｂ上に正確に測定位置を設定することは難しく、また、外側表面５ａおよび内側表面５ｂがどこに位置しているかを知ることも難しい。

このため、本発明では、図３に示すように、測定対象物の２点である位置６における外側表面５ａおよび内側表面５ｂを含むように超音波ビーム３１の音響線３０を設定する。そして、音響線３０上において、ある時刻を基準として測定対象物である管４の壁５を含むように複数の測定対象位置Ｐ₁、Ｐ₂、・・・Ｐ_k、・・Ｐ_n（トラッキング点）を設定する。この図では、Ｐ₄およびＰ_k+2がそれぞれ外側表面５ａおよび内側表面５ｂにもっとも近い位置である。測定対象位置の間隔は、用いる超音波プローブ１５や超音波測定制御部１６の測定精度や、求められる測定精度によって任意に定めることができる。

超音波プローブ１５から発信した超音波ビーム３１は、水１、壁５および流体７中を伝播し、その過程においてこれらにより反射または散乱し、超音波プローブ１５へ戻り、超音波反射波として受信される。超音波反射波は距離変化量測定部１１の位相検波部２１において反射波信号ｒ（ｔ）として位相検波され、検波された信号が実部信号および虚部信号に分離されフィル部２２を通過する。運動速度演算部２３では、反射波信号ｒ（ｔ）と微小時間Δｔ後の反射波信号ｒ（ｔ＋Δｔ）において振幅は変化せず、位相および反射位置のみが変化するという制約のもとで、反射波信号ｒ（ｔ）とｒ（ｔ＋Δｔ）との波形の整合誤差が最小となるよう最小二乗法によって位相差を求める。この位相差から、測定対象位置Ｐｎの運動速度Ｖｎ（ｔ）が求められ、さらにこれを位置変位量演算部２４において積分することにより、位置変位量ｄｎ（ｔ）を求めることができる。

距離変化量候補演算部２５は、ｎ点存在する測定位置のなかから任意の二点間の距離をすべての組み合わせ、すなわちｎ!／［（ｎ−２）!×２］個の距離変化量候補を演算し、この結果を距離変化量決定部１３に出力する。具体的には、所定の期間における測定対象位置間Ｐ₁−Ｐ₂、Ｐ₁−Ｐ₃、・・・、Ｐ₁−Ｐ_n、Ｐ₂−Ｐ₃、・・・・Ｐ₂−Ｐ_n、Ｐ_n-1−Ｐ_nの位置変位量差である距離変化量ｄ₁（ｔ）−ｄ₂（ｔ）、ｄ₁（ｔ）−ｄ₃（ｔ）、・・・、ｄ₁（ｔ）−ｄ_n（ｔ）、ｄ₂（ｔ）−ｄ₃（ｔ）、・・・・ｄ₂（ｔ）−ｄ_n（ｔ）、ｄ_n-1（ｔ）−ｄ_n（ｔ）を求める。この際、例えば、壁５の厚さがトラッキング点に換算して少なくとも２０点以上離れていることが事前にわかっている場合には、測定対象位置が２０点未満の組み合わせは演算しないようにすることが好ましい。具体的には、ｄ₁（ｔ）−ｄ₂₀（ｔ）、ｄ₁（ｔ）−ｄ₂₁（ｔ）、・・・、ｄ₁（ｔ）−ｄ_n（ｔ）、ｄ₂（ｔ）−ｄ₂₂（ｔ）、・・・・ｄ₂（ｔ）−ｄ_n（ｔ）、ｄ_n-1（ｔ）−ｄ_n（ｔ）のみを求める。これにより、演算量を減らすことができ、演算に要する時間を短縮することができる。

距離変化量決定部１３は、複数個の距離変化量候補を受け取り、力変化量測定部１２から出力された力変化量と比較することにより、正しい距離変化量を決定し選択する。その比較、決定方法を以下に説明する。

一般に、弾性体に力が加えられたとき、その弾性体には歪みが発生する。加えられた力をΔｐ（ｔ）、歪みをε（ｔ）とすると、これらの間には以下の関係式（１）が成り立つ。

Δｐ（ｔ）＝Ｅ・ε（ｔ） ・・・（１）

ここでＥは弾性率であり、弾性体に固有の数値である。力が加えられていない状態の弾性体の厚さをｈｄ、時刻ｔのときの厚さをｈ（ｔ）とすると、歪みε（ｔ）は以下の式（２）で表される。

ε（ｔ）＝｛ｈｄ−ｈ（ｔ）｝／ｈｄ＝Δｈ（ｔ）/ｈｄ ・・・（２）
Δｈ（ｔ）は厚さ変化量である。式（１）（２）より、次式（３）が成り立つ。

Δｐ（ｔ）＝Ｅ・Δｈ（ｔ）/ｈｄ ・・・（３）

式（３）より、厚さの変化量は加えられた力に比例していることがわかる。すなわち、力の時間変化グラフと距離の時間変化グラフとは、任意の係数を介せば、理想的には完全に一致する。したがって、所定の期間における力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量候補が求めるべき正しい距離変化量であり、そのより距離変化量を与える２点が弾性体の厚さを規定する２点、つまり正しい測定位置である。トラッキング点が水１内や流体７に設定された場合には、位置変位量を正しく測定することができないため、二つのプロファイルの一致度が低下することは理解できる。しかしながら、複数個の距離変化量候補がすべて弾性体の内部に設けられたトラッキング点から求めたものであった場合、弾性体が完全弾性体であるとすると、これらすべての距離変化量候補のプロファイルは、力変化量のプロファイルとの一致度が同じ値となってしまう。そのような場合には、複数のプロファイル候補の中で、二点間距離が最も離れている（最も厚い）ものを正しい測定値とすることが好適である。通常の弾性体は、完全弾性体ではなく粘性を持っているため、その非線形効果によって印加される力の大きさと位置変位量とは完全には一致しない。そして、その非線形効果は弾性体の内部ほど顕著に現れるため、通常の弾性体ではトラッキング点が水１との境界や流体７との境界に最も近く、かつ弾性体内部に位置する二点間距離のプロファイルが力変化量のプロファイルと最も一致する。

図４（ａ）から（ｄ）を参照して力変化量と距離変化量候補とのプロファイルの比較をさらに説明する。図４（ａ）は、力変化量測定部１２によって測定された所定の期間における力変化量を時間軸を用いたグラフで模式的に示している。また図４（ｂ）から（ｄ）は、距離変化量演算部１７が求めた各測定位置間における距離変化量のうち測定対象位置Ｐ₃−Ｐ_k+2、Ｐ₄−Ｐ_k+2、Ｐ₅−Ｐ_k+2間の距離変化量を時間軸を用いたグラフで模式的に示している。これらのグラフは連続した曲線で示されているが、測定は求められる制精度や装置の演算性能に応じた時間間隔で離散的に行われている。図４（ｂ）から（ｄ）に示すように、図４（ａ）に示す力変化量のプロファイルともっともよく一致するのは図４（ｃ）に示すグラフである。したがって、この場合には、測定対象位置Ｐ₄およびＰ_k+2が管４の壁５の外側表面５ａと内側表面５ｂの位置を表していることになる。このようなプロファイルの比較を、距離変化量決定部１３は数値的に行う。プロファイルの比較には種々の公知の計算方法を用いることができる。たとえば、各測定時刻における力変化量と各距離変化量候補との差を求め、求めた差の二乗平均平方根（ＲＭＳ）、あるいは、二乗平均をそれぞれ計算する。これを所定の期間合計した値を各距離変化量候補について求める。すべての距離変化量候補のうち、二乗平均平方根の値または二乗平均値が最小となるものが正しい距離変化量となる。

なお、力変化量および距離変化量のプロファイル比較する場合、２つの変化量では単位が異なるため、その大きさには意味なく、単純に力変化量と各距離変化量候補との差を求めると、正しい比較ができない。このため、たとえば、各距離変化量の最大値が等しくなるようにすべての距離変化量候補を規格化し、規格化された距離変化量候補を用いてそれぞれ力変化量との差を求める。図４に示す例では、たとえば、Ｐ₃−Ｐ_k+2、Ｐ₄−Ｐ_k+2、Ｐ₅−Ｐ_k+2間の距離変化量を示すグラフにおいて、最大値がそれぞれｈ３、ｈ４、ｈ５であり、力変化量を示すグラフの最大値がｈｆである場合、各時刻のデータをそれぞれｈｆ/ｈ３、ｈｆ/ｈ４、ｈｆ/ｈ５倍することにより、各距離変化量を示すグラフの最大値が規格化される。この規格化された値を用いてそれぞれ力変化量との差を求め、さらにＲＭＳを求めることによって正しい比較が可能となる。

あるいは、各距離変化量候補と力変化量との差を求める際に、力変化量のデータをｈ３／ｈｆ、ｈ４／ｈｆ、ｈ５／ｈｆ倍した値を用いてもよい。この場合には、求めた差をそれぞれｈ３、ｈ４、ｈ５で除し、除した値の二乗平均平方根の値または二乗平均値を求める。

また、力変化量と距離変化量のプロファイルの比較に時間軸を基準としているが、力変化量及び距離変化量の値をそれぞれフーリエ変換し、フーリエ変換値を用いて上述したように差分を求め、差分の二乗平均平方根（ＲＭＳ）、あるいは、二乗平均を計算してもよい。

このようにして決定した測定位置における距離変化量は、所定の測定期間における全データを用いて求められているため、測定中の瞬時ノイズなどの影響を受けにくい。このため、正確な距離変化量を求めることが可能である。また、超音波画像等を見て操作者が測定位置を決定しなくてよいため、操作者の測定癖などの操作者に依存する誤差を排除することができる。

また、一度決定した測定位置は、超音波プローブ１５と測定対象物と位置が変化しない限り、変更する必要がない。このため、決定した測定位置を用いて、それ以降の距離変化をリアルタイムで求めることも可能である。

このように、本発明の超音波距離測定装置によれば、正確な距離変化量を求めることができる。また、求めた距離変化量を用いて測定対象物の正確な弾性率を求めことが可能である。

本発明の超音波距離測定装置は、特に種々の気体や液体を輸送する管の厚さを求めるのに適している。たとえば、ガス配管、水道配管などの厚さを測定するのに適している。生体内の血管の弾性率求め、硬化部分を特定するために正確な血管の厚さを測定するためには、血管の厚さを測定する部分にできるだけ近接した位置において血圧を求めることが好ましい。このためには、たとえば、血管内超音波診断装置（Intravascular Ultrasound、ＩＶＵＳと略す）に本発明を適用することができる。ＩＶＵＳは先端に微小な高周波振動子が設けられた細いプローブを血管内に挿入し、血管壁や血管近傍組織を超音波により診断する装置である。

図５（ａ）および（ｂ）は本発明の超音波距離測定装置を備えたＩＶＵＳに用いるプローブを模式的に示している。図５（ａ）に示すように、プローブ３５は、測定すべき血管に挿入可能な程度の直径および長さを有する外形を備えている。公知のＩＶＵＳのプローブとして３ｍｍ程度、あるいは、１ｍｍ以下の直径を有するものが実現されている。プローブ３５の先端近傍には力センサ２６および超音波振動子３６が設けられている。力センサ２６にはたとえば圧電素子を用いた圧力センサを用いることができる。超音波振動子３６プローブの外周に沿って複数配置されており、電気的に数個ずつ、順に発振させることにより、プローブの長さ方向に非平行な面内、好ましくは、垂直な面内における全方向（３６０度）を走査することができる。

図５（ｂ）に示すプローブ３７は、その先端近傍に力センサ２６と、超音波振動子３８と、ミラー３９とを備えている。超音波振動子３８は図に示すようにミラー３９に向かって超音波を送信する。ミラー３９は、プローブの長さ方向の中心軸周りに回転することによって、超音波をプローブの長さ方向に垂直な面内における全方向に送受信し、走査することができる。

図５（ａ）および（ｂ）に示す以外に、超音波振動子自体が回転するプローブに力センサを設けてもよい。このような、プローブに力センサを設けても血管における微小部分の厚さの変化およびその部分近傍の圧力変化を測定することができ、上述したように距離変化量を求めることができる。

図６は、図５（ａ）に示すプローブを用いて得られるＢモード画像を模式的に示している。図５に示すように、プローブ３５の断面を中心として血液６１、血管壁６２および体組織６３が異なる濃度で示されている。上述したように、プローブ３５はプローブの長さ方向に垂直な面内における全方向（３６０度）を走査することが可能であり、プローブ３５の断面を中心として任意の方向に音響線２２を設定して、その音響線２２上の血管壁６２の厚さを上述した本発明の方法により、測定することができる。血管の長さ方向における超音波振動子３６の位置はプローブの挿入位置をかえることにより、調節することができる。

このように本発明の超音波距離測定装置を備えたＩＶＵＳを用いれば、血管の長さ方向の特定の位置のみならず、その位置における周方向の方位を特定して厚さおよび厚さ変化量を測定することができる。したがって、血管の厚さや弾性率を精度よく測定することが可能となる。

（実験例）
図７を参照しながら、超音波距離測定装置５１を用いてシリコーンチューブ壁の厚さ変化量を求めた実験例を説明する。

シリコーンチューブ４１は、配管４２により脈動ポンプ３２と接続されている。脈動ポンプ３２から排出された水４４は脈動成分を持ち、シリコーンチューブ４１の壁の厚さは、脈動の強弱によって変化する。シリコーンチューブ４１は、水４５で満たされた水槽４６内に設置されている。

シリコーンチューブ４１内の水の圧力変化は、力センサ１８にて検出し、力変化量演算部２７を用いて測定する。測定結果は超音波距離測定装置５１内の距離変化量決定部１３に出力される。超音波距離測定装置５１の超音波プローブ１５から送信された超音波は、図３に示すように音響線２２を有する超音波ビーム３１となりシリコーンチューブ４１と水４５との境界、および、シリコーンチューブ４１と水４４との境界にて強く反射され、超音波プローブ１５により受信される。測定位置は音響線２２上にＰ１、Ｐ２・・・・・Ｐ５０として約５１．９μｍ間隔で設定する。ポンプ３２の脈動の１周期分の期間に得られた信号は超音波距離測定装置５１の本体に出力され、距離変化量演算部１７にて複数の距離変化量候補が演算され、その結果が距離変化量決定部１３に出力される。図８に複数の距離変化量候補のうち、４つの距離変化量グラフを示す。
図８（ａ）はトラッキング点Ｐ８およびＰ３９から得た距離変化量であり、以下図８（ｂ）はＰ８およびＰ４０、図８（ｃ）はＰ９およびＰ３９、図８（ｄ）はＰ９およびＰ４０から得た距離変化量をそれぞれ示す。また、４つのグラフが示す距離変化量の最大値は、それぞれ、５．１４μｍ、４．６２μｍ、５．３４μｍ、および４．８２μｍであり、それぞれ異なっている。

図９に力変化量グラフを示す。この力変化量グラフが図８（ａ）の距離変化量グラフとなるべく一致するよう力変化量グラフを任意倍し、力変化量グラフおよび距離変化量グラフにおける各点の差の二乗平均平方根を求めたところ０．２０６となった。同様の演算を他の３つの距離変化量グラフに対しても行ったところ、それぞれの二乗平均平方根は図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のグラフについてそれぞれ０．１９２、０．２１２、０．１９０となり、図８（ｄ）における二乗平均平方根が最も小さい値となった。図１０に二乗平均平方根が最小となったＰ９およびＰ４０から得た距離変化量グラフ（実線、μｍ単位）と力変化量グラフ（破線、任意単位）とを重ねて示す。縦軸はμｍを示しており、距離変化量グラフに対するものである。

以上より、二乗平均平方根が最小となったＰ９およびＰ４０間の距離変化量４．８２μｍを、シリコーンチューブ４１の壁の厚さ変化量とすることができる。また、測定位置の間隔は約５１．９μｍであることから、点Ｐ９とＰ４０とがチューブの外側表面５ａ、および内側表面５ｂに相当し、シリコーンチューブ４１の厚さは５１．９μｍの３１倍、すなわち１．６１ｍｍである。

本発明の超音波距離測定装置は、力の変化により、２点間の距離が経時変化する測定対象物の距離変化量を正確に測定することができる。特に、気体や液体を輸送する管の厚さを求めるのに適している。また、生体の血管の厚さあるいは厚さ変化量を正確に求めることができる。

本発明による超音波距離測定装置を示すブロック図である。 図１に示す超音波距離測定装置の距離変化量測定部の構成を示すブロック図である。 図１に示す超音波距離測定装置の測定対象位置を説明する図である。 （ａ）は力変化量を示すグラフであり、（ｂ）から（ｄ）は、距離変化量候補を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、血管に挿入するプローブの例を示す模式図である。 図５（ａ）のプローブを用いて得られるＢモード画像の模式図である。 図１に示す超音波距離測定装置を用いて脈動するシリコーンチューブ壁の厚さ変化量を測定する実験例を説明するブロック図である。 図７に示す実験例において、超音波距離測定装置により測定された複数の距離変化量候補のうちの４つの距離変化量を示すグラフである。 図４に示す実験例において、力測定部により測定された力変化量を示すグラフである。 図４に示す実験例において、ＲＭＳが最小となった距離変化量グラフと力変化量グラフとを重ねたものを示している。

符号の説明

１ 水
４ 弾性体
５ 壁
６ 音響線
７ 流体
１１ 距離変化量測定部
１２ 力変化量測定部
１３ 距離変化量決定部
１４ マイコン
１５ 超音波プローブ
１６ 超音波測定制御部
１７ 距離変化量演算部
１８ 送信部
１９ 受信部
２０ 遅延時間制御部
２１ 位相検波部
２２ フィルタ部
２３ 運動速度演算部
２４ 位置変位量演算部
２５ 距離変化量候補演算部
２６ 力センサ
２７ 力変化量演算部
３０ 音響線
３１ 超音波ビーム
４１ シリコーンチューブ
４２ 配管
４３ 脈動ポンプ
４４、４５ 水
４６ 水槽
５１ 超音波距離測定装置

Claims (23)

1. 超音波を用いて測定対象物の２点間の距離変化量を測定する超音波距離測定方法であって、
   前記測定対象物の２点を含むように超音波の音響線を設定し、前記音響線上において前記測定対象物を含む複数の測定対象位置における位置変化量を所定の期間、測定するステップと、
   前記測定対象物の２点間の距離変化を生じさせる力の力変化量を前記測定対象位置の位置変化量の測定と同時に所定の期間、測定するステップと、
   前記複数の測定対象位置における位置変化量から、各測定対象位置間の距離変化量それぞれを求めるステップと、
   前記所定の期間における前記力変化量と各距離変化量を比較し、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定するステップと、
   を包含する超音波距離測定方法。
2. 前記測定対象物の２点間は前記測定対象物の厚さを規定している請求項１に記載の超音波距離測定方法。
3. 前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差に基づいて決定する請求項１に記載の超音波距離測定方法。
4. 前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する請求項３に記載の超音波距離測定方法。
5. 前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差をそれぞれ求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる請求項３または４に記載の超音波距離測定方法。
6. 前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差をそれぞれ求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する請求項３または４に記載の超音波距離測定方法。
7. 前記決定ステップは、前記所定の期間における前記各距離変化量および前記力変化量をそれぞれフーリエ変換し、前記各距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値との差に基づいて決定する請求項１に記載の超音波距離測定方法。
8. 前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する請求項７に記載の超音波距離測定方法。
9. 前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差を求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる請求項７または８に記載の超音波距離測定方法。
10. 前記決定ステップは、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差を求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する請求項７または８に記載の超音波距離測定方法。
11. 前記決定ステップは、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量が複数ある場合、もっとも離れた２点により規定される距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する請求項１に記載の超音波距離測定方法。
12. 距離変化量を測定すべき前記測定対象物の２点を含むように設定された前記超音波送信波の音響線上において、前記測定対象物を含む複数の測定対象位置から超音波反射波が得られるように超音波プローブを駆動する駆動部、前記超音波反射波を受信する受信部、および前記超音波反射波を位相検波する位相検波部を含む超音波測定制御部と、
    前記位相検波された超音波反射波に基づき、複数の測定対象位置の所定期間における位置変化量および各測定対象位置間の距離変化量それぞれを求める距離変化量演算部と、
    前記測定対象位置の位置変化量の測定と同時に測定された前記測定対象物の２点間の距離変化を生じさせる力の前記所定期間における力変化量に関する測定値を受け取り、前記所定の期間における前記力変化量と各距離変化量を比較し、前記所定の期間における前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する距離変化量決定部と、
    を備える超音波距離測定装置。
13. 前記測定対象物の２点間は前記測定対象物の厚さを規定している請求項１２に記載の超音波距離測定装置。
14. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差に基づいて決定する請求項１２に記載の超音波距離測定装置。
15. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する請求項１４に記載の超音波距離測定装置。
16. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差を求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる請求項１４または１５に記載の超音波距離測定装置。
17. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量とのそれぞれの差を求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する請求項１３または１４に記載の超音波距離測定装置。
18. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における前記各距離変化量および前記力変化量をそれぞれフーリエ変換し、前記距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値との差に基づいて決定する請求項１２に記載の超音波距離測定装置。
19. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差の二乗平均平方根値または二乗平均値を求め、前記二乗平均平方根値または二乗平均値が最小となる距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する請求項１８に記載の超音波距離測定装置。
20. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量のフーリエ変換値と前記力変化量のフーリエ変換値とのそれぞれの差を求める前に、前記距離変化量または前記力変化量の少なくとも一方に任意の定数を乗じる請求項１８または１９に記載の超音波距離測定装置。
21. 前記距離変化量決定部は、前記所定の期間における各測定対象位置間の距離変化量と前記力変化量との差を求める前に、各距離変化量の最大値が等しくなるよう各距離変化量を規格化する請求項１８または１９に記載の超音波距離測定装置。
22. 前記距離変化量決定部は、前記力変化量のプロファイルともっとも一致するプロファイルを有する距離変化量が複数ある場合、もっとも離れた２点により規定される距離変化量を前記測定対象物の２点間の距離変化量として決定する請求項１２に記載の超音波距離測定装置。
23. 請求項１２から２２のいずれかに規定される超音波距離測定装置と、
    血管内に挿入可能な直径を有するファイバ状の超音波プローブであって、前記距離変化を生じさせる力を測定する力検知部を有し、前記ファイバの延びる方向と非平行な平面内において超音波を放射状に出力する超音波プローブと、
    を備えた超音波診断装置。