JP2006271765A - 超音波検査方法、及び超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成を簡素化し、生体組織を短時間で検査することができる超音波検査装置を提供すること。
【解決手段】 超音波検査装置１は、超音波プローブユニット２とパソコン３とを備える。超音波プローブユニット２を構成する超音波プローブ５には、パルス励起されることによって異なる周波数成分を含む超音波を照射するためのトランスデューサ１２が設けられている。トランスデューサ１２は、皮膚からの反射波を受信して電気信号に変換する。パソコン３は、反射波の電気信号に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算することにより、皮膚における異なる深さでの硬さ情報を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を利用して皮膚などの生体組織を検査する超音波検査方法、及び超音波検査装置に関するものである。

従来、医療分野においては、超音波を利用して人体内部の診断を行う超音波検査装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の装置では、超音波を照射する超音波プローブユニットを人体の検査部位に直接当てて、臓器などで反射した反射波の信号を画像処理することにより人体内部の診断が行われる。また、その装置では、低周波振動子と高周波振動子との２つの超音波振動子を備え、周波数の異なる２種類の超音波を照射できるよう構成されている。超音波には、周波数が低くなるほど（即ち波長が長くなるほど）人体内部の奥深くまで入射するという特性がある。そのため、人体内の浅い部分の診断では高周波振動子が用いられ、深い部分の診断には低周波振動子が用いられる。
特開２００４−３０５４５１号公報

ところで、人間の皮膚は層構造を有しており、表面側から表皮、真皮、皮下組織の順になっている。そして最近では、皮膚における各層の情報（例えば層の厚さや硬さなど）を取得して検査に役立てたいといった要望がある。そして、低周波の超音波ほど人体内部に入射しやすいといった上記特性を利用すれば、皮膚の層情報を取得することが可能である。ところが、特許文献１の装置では、超音波の周波数を２種類しか切り替えることができないので、３層構造からなる皮膚の層情報を正確に取得することが難しい。しかも、皮膚の各層の厚さは、個人差があり、また同一人物であっても部位による差があるため、このような情報の正確な取得は事実上極めて困難な状況にある。

従来の超音波検査装置を用いて皮膚の層情報を取得しようとすれば、例えば、超音波を複数種類の周波数に切り替えて何回も測定するといった機能が必要になる。従って、パルス発生回路などの回路構成が複雑になって装置が高価格化することに加え、測定時間も長くなるといった問題が生じる。しかも、このような装置が実現できたとしても皮膚の層情報の正確な取得は依然として困難であると予想される。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、生体組織の層情報を正確にかつ迅速に取得できる超音波検査方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、生体組織の層情報を正確にかつ迅速に取得できるにもかかわらず、構造が比較的簡素な超音波検査装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、層構造を有する生体組織に対して超音波を照射し、得られた反射波に基づいて前記生体組織を検査する超音波検査方法であって、パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含む超音波を、前記生体組織に向けて照射する第１ステップと、前記生体組織からの反射波に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算することにより、前記生体組織における異なる深さでの硬さ情報を求める第２ステップとを含むことを特徴とする超音波検査方法をその要旨とする。なお、異なる周波数成分を含む超音波とは、ある程度広い幅の周波数帯域を持った超音波のことを指し、例えば数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの周波数帯域を持った超音波が好適である。

従って、請求項１に記載の発明によれば、パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含む超音波が、層構造を有する生体組織に向けて照射される。このとき、高周波数の超音波は生体組織の表面で反射するのに対し、低周波数の超音波は生体組織の表面を透過して組織内部に達して反射する。従って、生体組織からの反射波に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算すれば、生体組織における異なる深さでの硬さ情報を求めることができる。この測定方法では、パルス励起によって異なる周波数成分を含む超音波を得ることができるので、従来技術のように異なる周波数の超音波に切り替えて何回も測定するといった必要がない。ゆえに、１回の測定で生体組織における層情報を迅速にかつ正確に取得でき、検査に役立てることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、周波数と音響インピーダンスとの相関関係を示す音響インピーダンス曲線を演算により求め、その音響インピーダンス曲線において傾きが所定値よりも大きい箇所の周波数に対応する深さに層の界面があるものと判定するとともに、各層の厚さを判定することをその要旨とする。

層構造を有する生体組織においては、各層の音響インピーダンスが異なり、各層の界面で音響インピーダンスが大きく変化する。請求項２に記載の発明によれば、音響インピーダンス曲線において傾きが所定値よりも大きい箇所の周波数を判定することで、層の界面がある深さを判定することができ、その界面の位置により層の厚さを判定することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、周波数と音響インピーダンスとの相関関係を示す音響インピーダンス曲線を演算により求め、その音響インピーダンス曲線において傾きが所定値よりも大きい箇所の周波数に対応する深さに層の界面があるものと判定するとともに、前記箇所の周波数を挟んでその低周波数側及び高周波数側の音響インピーダンスをそれぞれ求めることにより、異なる層の硬さを求めることをその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、音響インピーダンス曲線において傾きが所定値よりも大きい箇所の周波数を判定することで、層の界面がある深さを判定することができる。そして、その傾きが大きい箇所の周波数の低周波数側及び高周波数側の音響インピーダンスをそれぞれ求めることにより、界面よりも下層側及び上層側の層の硬さ情報を求めることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第１ステップでは、パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含み、かつ前記生体組織の表層部を焦点として収束する超音波を、二次元走査しながら前記生体組織に向けて照射することをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によれば、生体組織の奥行き方向の情報に加えて、平面方向の情報を取得することができる。つまり、生体組織における三次元情報を取得することができ、生体組織の検査をより正確に行うことができる。しかも、生体組織の表層部を焦点として収束する超音波であることから、生体組織内の微細な構造についても把握することが可能である。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記生体組織は皮膚であることをその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によれば、皮膚を構成する表皮、真皮、皮下組織の各層の厚さや硬さ情報を取得することができ、それに応じて皮膚の健康状態を検査することが可能となる。

請求項６に記載の発明は、層構造を有する生体組織に対して超音波を照射し、得られた反射波に基づいて前記生体組織を検査する超音波検査装置であって、パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含む超音波を、前記生体組織に向けて照射するとともに、前記生体組織からの反射波を受信して電気信号に変換する超音波振動子と、前記生体組織からの反射波に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算することにより、前記生体組織における異なる深さでの硬さ情報を求める演算手段とを備えることを特徴とする超音波検査装置をその要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、超音波振動子によって、パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含む超音波が、層構造を有する生体組織に向けて照射される。このとき、高周波数の超音波は生体組織の表面で反射するのに対し、低周波数の超音波は生体組織の表面を透過して組織内部に達して反射する。そして、演算手段によって、生体組織からの反射波に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスが演算され、生体組織における異なる深さでの硬さ情報が求められる。この装置によれば、パルス励起によって異なる周波数成分を含む超音波を得ることができるので、異なる周波数の超音波に切り替えて何回も測定するための複雑な回路構成を必要とせず、構造が比較的簡素なものとなる。また、１回の測定で生体組織における層情報を迅速にかつ正確に取得でき、検査に役立てることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記生体組織における異なる深さでの硬さ情報を示す画像データを生成する処理を行う画像生成手段をさらに備えることをその要旨とする。

従って、請求項７に記載の発明によれば、画像生成手段により、生体組織における異なる深さでの硬さ情報を示す画像データが生成されるので、生体組織の断面構造を容易に可視化することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項６または７において、前記超音波の照射点を前記生体組織の表面に沿って二次元的に走査する二次元走査手段をさらに備え、前記超音波振動子は、前記超音波を前記生体組織の表層部を焦点として収束させて照射する機能を有することをその要旨とする。

従って、請求項８に記載の発明によれば、二次元走査手段によって、生体組織の奥行き方向の情報に加えて、平面方向の情報を取得することができる。つまり、生体組織における三次元情報を取得することができ、生体組織の検査をより正確に行うことができる。しかも、生体組織の表層部を焦点として収束する超音波であることから、生体組織内の微細な構造についても把握することが可能である。

以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、生体組織の層情報を正確にかつ迅速に取得できる超音波検査方法を提供することができる。また、請求項６〜８に記載の発明によると、生体組織の層情報を正確にかつ迅速に取得できるにもかかわらず、構造が比較的簡素な超音波検査装置を提供することができる。

［第１の実施の形態］

以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施の形態における超音波検査装置１を示す概略構成図である。

超音波検査装置１は、超音波プローブユニット２と、パーソナルコンピュータ（パソコン）３とから構成されている。超音波プローブユニット２とパソコン３とは例えばＵＳＢケーブル４を介して接続される。

超音波プローブユニット２は、超音波プローブ５と、先端部にその超音波プローブ５を着脱可能なハンドピース部６とを備える。この超音波プローブ５は、超音波を二次元走査しながら被検査物に照射して、その被検査物からの反射波を電気信号に変換して出力する機能を有している。このハンドピース部６はいわゆる把持部であって、手で把持可能な長さ及び直径を有している。それゆえ、この超音波プローブユニット２は、例えば、医師などが被診察者の皮膚の健康状態を検査するために用いられる。この場合、使用者はハンドピース部６を手で持ち、超音波プローブ５を被診察者の皮膚に直接当てるようにする。

具体的には、超音波プローブ５は、プローブケース１１と、超音波振動子としてのトランスデューサ１２と、二次元走査手段としての第１ロータ部１３及び第２ロータ部１４と、リファレンス部材１５とを備える。プローブケース１１は、生体組織とは異なる既知の音響インピーダンスを有し、超音波を透過しうる材料（例えば、アクリル樹脂）を用いて、先端部が略半球形状に形成されている。プローブケース１１の内部には、超音波伝達媒体（具体的には純水）Ｗが充填されている。

本実施の形態では、プローブケース１１の内部に第１ロータ部１３及び第２ロータ部１４が収納されており、ケース先端側に設けられた第１ロータ部１３の外周面には、２つのトランスデューサ１２が設けられている。これら２つのトランスデューサ１２は、高分子系の圧電材料からなり、第１ロータ部１３の回転軸１３ａを中心として１８０度離れた位置に設けられている。この構成であると、回転軸１３ａを中心とする重量バランスがよくなるので、振動の発生を確実に防止することができる。

トランスデューサ１２が照射する超音波は、超音波伝達媒体Ｗを介して円錐状に収束されてプローブケース１１の外表面で焦点を結ぶようになっている。なお本実施の形態では、トランスデューサ１２として、例えば、口径が３ｍｍ、高さ３ｍｍ、帯域幅が数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の仕様のものを用いている。

本実施の形態において、第１ロータ部１３は、超音波プローブユニット２の短手方向と平行な回転軸１３ａを介してハウジング１７に回転可能に支持されている。また、第２ロータ部１４は、超音波プローブユニット２の長手方向と平行な回転軸１４ａを介してハウジング１７を支持しており、そのハウジング１７とともに第１ロータ部１３を回転させる。これらロータ部１３，１４は、回転速度や回転位置が制御可能な周知の電動モータで構成される。なお、第１ロータ部１３への電源供給やトランスデューサ１２に対する電気信号の授受は図示しないスリップリングを介して行われる。

また、プローブケース１１の外表面において超音波の照射点が走査される範囲内には、リファレンス部材１５が設けられている。本実施形態のリファレンス部材１５は、例えば、エポキシ樹脂により形成される。従って、リファレンス部材１５は、アクリル樹脂からなるプローブケース１１とは異なる既知の音響インピーダンスを有している。

超音波プローブユニット２におけるハンドピース部６内には、各ロータ部１３，１４を駆動制御するロータ制御回路２１、超音波を送受信するための信号処理回路２２、電気信号の入出力を行うためのＩ／Ｆ回路２３などが設けられている。Ｉ／Ｆ回路２３としては、パソコン等の標準インターフェースであるＵＳＢインターフェースが用いられる。なお、Ｉ／Ｆ回路２３としては、ＵＳＢインターフェースの他にＩＥＥＥ１３９４インターフェースを採用してもよく、また、データ転送速度は遅くなるが、シリアルインターフェースやパラレルインターフェースを採用することもできる。

図２は、超音波検査装置１の電気的な構成を示すブロック回路図である。

図２に示されるように、超音波プローブユニット２におけるロータ制御回路２１は、各ロータ部１３，１４に接続されており、パソコン３から出力される駆動制御信号をＩ／Ｆ回路２３を介して取り込み、その駆動制御信号に基づいて各ロータ部１３，１４を駆動して各ロータ部１３，１４とともにトランスデューサ１２を回転させる。具体的には、ロータ制御回路２１は、第１ロータ部１３を所定の回転速度で回転させ、第１ロータ部１３が半回転（１８０°回転）する度に第２ロータ部１４を所定の角度だけ回転させる。これにより、プローブケース１１の外表面（つまり生体組織である皮膚の表面）に沿って超音波の照射点が二次元的に走査される。

信号処理回路２２は、送信回路２４、受信回路２５、送受波分離回路２６、検波回路２７、Ａ／Ｄ変換回路２８を備える。

送信回路２４は、トランスデューサ１２を駆動させるためのパルスを発生させる回路であり、トリガ回路２４ａとパルス発生回路２４ｂとを備える。送信回路２４において、トリガ回路２４ａは、パソコン３から出力される制御信号をＩ／Ｆ回路２３を介して取り込み、その制御信号に基づいて第１ロータ部１３の回転に同期したトリガ信号を生成する。パルス発生回路２４ｂは、そのトリガ信号に応答して励起パルスを生成する。その励起パルスが送受波分離回路２６を介してトランスデューサ１２に供給されてトランスデューサ１２から超音波が照射される。なお、本実施の形態では、第１ロータ部１３の回転によりトランスデューサ１２がプローブケース１１の先端側の走査範囲内に移動したときに、制御信号に基づいてトリガ信号が生成され、その走査範囲内でのみ超音波が照射されるようになっている。

本実施の形態のトランスデューサ１２は、送受波兼用の超音波振動子であり、皮膚で反射した超音波（反射波）を電気信号に変換する。そして、その反射波の信号は送受波分離回路２６を介して受信回路２５に供給される。受信回路２５は、信号増幅回路を含み、反射波の信号を増幅して検波回路２７に出力する。検波回路２７は、ゲート回路を含み、皮膚からの反射波信号を抽出してＡ／Ｄ変換回路２８に出力する。Ａ／Ｄ変換回路２８は、検波回路２７の出力信号をＡ／Ｄ変換した後、Ｉ／Ｆ回路２３を介してパソコン３に転送する。

パソコン３は、ＣＰＵ３１、Ｉ／Ｆ回路３２、高速フーリエ変換回路３３、メモリ３４、記憶装置３５、入力装置３６、及び表示装置３７を備え、それらはバス３８を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ３１は、メモリ３４を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、各ロータ部１３，１４による二次元走査を制御するためのプログラムや音響インピーダンスを算出するためのプログラムなどを含む。

Ｉ／Ｆ回路３２は、超音波プローブユニット２との間で信号の授受を行うためのインターフェース（具体的には、ＵＳＢインターフェース）であり、超音波プローブユニット２に制御信号（ロータ制御回路２１や送信回路２４への制御信号）を出力したり、超音波プローブユニット２からの転送データ（Ａ／Ｄ変換回路２８からＩ／Ｆ回路２３を介して転送されるデータ）を入力したりする。

高速フーリエ変換回路３３は、反射波信号の周波数成分を得るためにフーリエ変換処理を行う。表示装置３７は、例えば、ＬＣＤやＣＲＴなどのカラーディスプレイであり、音響インピーダンス像を表示したり、各種設定の入力画面を表示したりするために用いられる。入力装置３６は、キーボードやマウス装置などであり、ユーザからの要求や指示、パラメータの入力に用いられる。

記憶装置３５は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などであり、その記憶装置３５には制御プログラム及び各種のデータが記憶されている。ＣＰＵ３１は、入力装置３６による指示に従い、プログラムやデータを記憶装置３５からメモリ３４へ転送し、それを逐次実行する。なお、ＣＰＵ３１が実行するプログラムとしては、メモリカード、フレキシブルディスク、光ディスクなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には記憶装置３５にインストールして利用する。

次に、本実施の形態における皮膚の検査方法について説明する。

図３に示すように、皮膚３９は、その表面側から表皮４０、真皮４１、皮下組織４２で構成されている。表皮４０は、皮膚３９の最も外側にあり、肌のうるおいを保つための角質層４３を含む。一般的に、表皮４０の厚さは１００μｍ程度であり、角質層４３の厚さは２０μｍ程度である。また、表皮４０、真皮４１を合わせると０．４ｍｍ〜１．４ｍｍ程度の厚さである。つまり、皮膚３９は、各層の厚さが表面から内部に行くに従って順番に厚くなる層構造を有している。

この皮膚３９に対してその表面側から広帯域（数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ）の周波数成分を含む超音波Ｓｏを照射する場合、表皮４０の角質層４３の厚さよりも波長が短い高周波数の超音波Ｓｏは、角質層４３で反射する。また、角質層４３の厚さよりも波長が長い超音波Ｓｏは角質層４３を透過する。角質層４３を透過した超音波Ｓｏのうち、表皮４０の厚さよりも波長が短い超音波Ｓｏは表皮４０で反射し、表皮４０の厚さよりも波長が長い超音波Ｓｏは表皮４０を透過する。さらに、表皮４０を透過した超音波Ｓｏのうち、真皮４１の厚さよりも波長が短い超音波Ｓｏは真皮４１で反射し、真皮４１の厚さよりも波長が長い超音波Ｓｏは真皮４１を透過する。

従って、皮膚３９からの反射波をデジタル解析してその反射波の周波数成分を取り出すことにより、皮膚３９の厚さ方向（奥行き方向）の情報を取得することが可能となる。

本実施の形態の超音波検査装置１は、リファレンス部材１５からの反射波と皮膚３９からの反射波とを取得し、それら反射波に基づいて皮膚３９の音響インピーダンスを周波数毎に求める。そして、周波数と音響インピーダンスとの相関関係を示す音響インピーダンス曲線を求めて、その音響インピーダンス曲線に基づいて、皮膚３９における層間の界面の位置や各層の厚さなどの情報を取得する。

詳しくは、図４（ａ）に示すように、プローブケース１１を介してリファレンス部材１５に超音波Ｓｏを照射し、リファレンス部材１５での反射波Ｓｒを取得する。そして、反射波Ｓｒの信号をフーリエ変換することにより、反射波Ｓｒの強度スペクトルの周波数特性データを得る。

また、図４（ｂ）に示すように、皮膚３９表面に超音波Ｓｏを照射し、皮膚３９での反射波Ｓｔを取得する。そして、反射波Ｓｔの信号をフーリエ変換することにより、反射波Ｓｔの強度スペクトルの周波数特性データを得る。

リファレンス部材１５においてその表面と直交する角度で照射される超音波（入射波）Ｓｏと反射波Ｓｒとの間には、次式（１）の関係が成り立つ。

ただし、Ｚｓはプローブケース１１の音響インピーダンスであり、Ｚｒはリファレンス部材１５の音響インピーダンスである。

また、皮膚３９表面と直交する角度で照射される超音波Ｓｏと反射波Ｓｔとの間には、次式（２）の関係が成り立つ。

ただし、Ｚｔは皮膚３９の音響インピーダンスである。

従って、上記式（１），（２）から皮膚３９の音響インピーダンスＺｔは、次式（３）により求められる。

上記式（３）の演算を周波数毎に行うことで、図５に示すような音響インピーダンス曲線を求めることができる。

ここで、皮膚３９の最上層である角質層４３の厚さよりも波長が短い超音波は、角質層４３で反射するため、その超音波に対応する高周波数での反射波Ｓｒ，Ｓｔの信号強度を用いれば、上記式（３）の演算により角質層４３の音響インピーダンスＺｔを求めることができる。

また、低周波数の超音波は角質層４３を透過してその下層の表皮４０に達するため、算出した角質層４３の音響インピーダンスＺｔと低周波数での反射波Ｓｒ，Ｓｔの信号強度とを用いて、表皮４０の音響インピーダンスＺｔを求める。同様に、算出した表皮４０の音響インピーダンスＺｔと低周波数での反射波Ｓｒ，Ｓｔの信号強度とを用いて、真皮４１の音響インピーダンスＺｔを求める。

このように、高周波数側から音響インピーダンスＺｔを求め、それを利用して低周波数側の音響インピーダンスＺｔを求めることにより、図５の音響インピーダンス曲線が求められる。そして、この音響インピーダンス曲線のデータを用いて皮膚３９の健康状態を判定することができる。

すなわち、音響インピーダンス曲線を示す方程式を微分することにより、音響インピーダンス曲線の傾き（変化率）が求められる。そして、図６に示すように、音響インピーダンス曲線における傾きが所定のしきい値ｔｈよりも大きい箇所の周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３が判定される。そして、それら周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３に対応する深さでは音響インピーダンスの変化率が大きく、その位置に層の界面があると推定される。従って、それら周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３に基づいて、界面の位置や各層の厚さが判定される。

また、判定した周波数に対して、高周波数側の音響インピーダンスは界面の上層側の音響インピーダンスであり、低周波数側の音響インピーダンスは界面の下層側の音響インピーダンスである。よって、それら音響インピーダンスを求めることにより、異なる層の硬さ情報がそれぞれ求められる。

さらに、本実施の形態では、超音波の照射点を二次元走査することにより、上記のような皮膚３９の奥行き方向の情報に加えて、皮膚３９の平面方向の情報が取得され、皮膚３９の三次元的な検査が行われる。

なお、本実施の形態では、プローブケース１１の音響インピーダンスＺｓやリファレンス部材１５の音響インピーダンスＺｒは、制御プログラムのデータとして記憶装置３５に予め記憶されている。また、上記の式（２）で示されるように、プローブケース１１の音響インピーダンスＺｓが皮膚３９の音響インピーダンスＺｔと等しい場合、皮膚３９表面で超音波が反射しなくなる。そのため、プローブケース１１としては、皮膚３９の音響インピーダンスＺｔを考慮してその材料を選択するとよく、例えば、音響インピーダンスＺｓが皮膚３９の３倍程度の大きさの材料を用いる。また、超音波伝達媒体Ｗとの界面となるプローブケース１１の内表面側でも超音波の反射が起こるため、超音波伝達媒体Ｗの音響インピーダンスも考慮してプローブケース１１の材料を選択することが好ましい。

次に、本実施の形態において、皮膚３９を検査するためにＣＰＵ３１が実行する処理例について、図７のフローチャートに従い説明する。

先ず、ＣＰＵ３１は、ロータ制御回路２１に制御信号を出力して、第１ロータ部１３及び第２ロータ部１４を駆動させる。その結果、超音波の照射点がリファレンス部材１５に位置するように移動する。またこのとき、励起パルスがトランスデューサ１２に供給されると、図４（ａ）に示すように、リファレンス部材１５に超音波Ｓｏが照射され、その反射波Ｓｒの信号（反射波信号）が検波回路２７で検出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２８で変換されたデジタルデータをＩ／Ｆ回路２３，３２を介して取り込み、高速フーリエ変換回路３３に入力する。高速フーリエ変換回路３３では、その反射波信号がフーリエ変換されることで、強度スペクトルの周波数特性データが生成される。ＣＰＵ３１は、高速フーリエ変換回路３３から出力されるフーリエ変換後の周波数特性データを、リファレンス部材１５のデータとしてメモリ３４に一旦格納する（ステップ１００）。

その後、ＣＰＵ３１からの指示を受けたロータ制御回路２１が各ロータ部１３，１４を駆動し、超音波の二次元走査が開始する。ＣＰＵ３１は、各ロータ部１３，１４の回転位置を判断し、それに基づいて測定点の座標データを取得する（ステップ１１０）。

そして、図４（ｂ）に示すように、皮膚３９表面に超音波Ｓｏが照射され、その反射波Ｓｔが検波回路２７で検出される。ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２８で変換されたデジタルデータを高速フーリエ変換回路３３に入力し、高速フーリエ変換回路３３から出力されるフーリエ変換後の周波数特性データを、皮膚３９のデータとして測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に一旦格納する（ステップ１２０）。

その後、ＣＰＵ３１は、取得したリファレンス部材１５及び皮膚３９での反射波Ｓｒ，Ｓｔの強度スペクトルのデータと、リファレンス部材１５及びプローブケース１１の音響インピーダンスＺｒ，Ｚｓとを用いて、上記の式（３）に対応した演算処理を行い測定点での音響インピーダンスＺｔを算出する（ステップ１３０）。ここでは、周波数毎に音響インピーダンスＺｔが求められ、図５の音響インピーダンス曲線に対応するデータが求められる。そして、ＣＰＵ３１は、算出された音響インピーダンスのデータを測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶させる。

その後、ＣＰＵ３１は、算出した音響インピーダンスＺｔに基づいて皮膚表面の音響インピーダンス像を生成するための画像処理を行う（ステップ１４０）。上述したように、高周波数側の超音波は皮膚表面で反射するのに対し、低周波数側の超音波は皮膚表面の角質層４３を透過して皮膚３９の内部で反射する。つまり、低周波数側の音響インピーダンスは皮膚内部の硬さ情報を含んでしまうため、ステップ１４０の処理では、皮膚表面での硬さ情報のみを含む高周波側のデータを用いて算出する。この処理において、ＣＰＵ３１は、高周波側の音響インピーダンスＺｔを用いてカラー変調処理を行い、音響インピーダンスＺｔの大きさに応じた画像データを生成し、該画像データをメモリ３４に記憶させる。

ＣＰＵ３１は、全ての測定点での処理が終了し、１画面分の画像データが取得されたか否かを判断する（ステップ１５０）。ここで、全データが取得されていない場合、ＣＰＵ３１は、ステップ１１０に戻って、ステップ１１０〜１５０の処理を繰り返し実行し、全データが取得された場合には、該データを表示装置３７に転送して該データに応じた音響インピーダンス像を表示させる（ステップ１６０）。

この処理により、皮膚３９表面での音響インピーダンスの大きさに応じて色分けされた音響インピーダンス像が表示され、その音響インピーダンス像によって、皮膚３９表面での音響インピーダンスの分布が確認される。

ここで、音響インピーダンス像を確認したユーザが入力装置３６を操作して、音響インピーダンス像における所定のポイント（座標）を指定すると、ＣＰＵ３１は、そのポイントの奥行き方向の情報を表示するための表示処理を行う（ステップ１７０）。この処理において、ＣＰＵ３１は、先ず、所定のポイントの座標データに対応する周波数特性データをメモリ３４から読み出す。そして、ＣＰＵ３１は、そのデータを利用して微分処理を行うことにより、音響インピーダンス曲線の傾きを算出し、算出値が所定のしきい値ｔｈよりも大きい箇所の周波数（図６のｆ１，ｆ２，ｆ３）を判定する。そして、ＣＰＵ３１は、その判定した周波数に基づいて、皮膚３９を構成する各層（角質層４３、表皮４０、真皮４１など）の厚さを求め、それら厚さや各層での音響インピーダンスの大きさに応じた硬さの情報などを表示装置３７の画面に表示する。このような硬さ情報の表示態様は特に限定されず、例えば硬さを数値化して表示してもよい。または、硬さの程度に応じて色分けして表示してもよい。なお、図５，図６のグラフについても、必要に応じて表示装置３７の画面に表示するようにしてもよい。

ここで、再度ユーザが音響インピーダンス像における別のポイント（座標）を指定すると、ＣＰＵ３１は、そのポイントの奥行き方向の情報を表示するための表示処理を繰り返し行う。

また、表示装置３７の画面には、表示処理の終了を指示するための終了ボタンが表示されている。ユーザが入力装置３６を操作してその終了ボタンを押すと、図７の処理が終了する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の超音波検査装置１では、トランスデューサ１２により照射される超音波が広帯域の周波数成分を含んでいる。そして、得られた反射波信号をデジタル解析（フーリエ変換）することで、広帯域内における周波数毎の音響インピーダンスが求められる。この場合、従来技術のように異なる周波数の超音波に切り替えて複数回測定するといった必要はなく、１回の超音波の照射によって音響インピーダンス曲線（周波数特性データ）を得ることができる。ここで測定される音響インピーダンスは皮膚３９の硬さに連動して大きくなるパラメータであるので、その周波数特性データを利用することで、皮膚３９における各層の硬さ情報を取得することができる。よって、この情報に基づけば、皮膚３９の健康状態を迅速にかつ正確に検査することができる。また、本実施の形態の超音波検査装置１は、パルス励起によって異なる周波数成分を含む超音波を発生させる構成であるので、従来技術と比較してパルス発生回路２４ｂなどの回路構成を簡素化することができる。そしてこのような装置の簡素化が達成される結果、装置の低価格化を図ることが可能となる。

（２）本実施の形態の超音波検査装置１では、音響インピーダンス曲線を微分処理することでその傾きが求められ、傾きが所定のしきい値よりも大きい箇所を判定することで、皮膚３９における奥行き方向の情報（各層の厚さや硬さ）を求めることができる。

（３）本実施の形態の超音波検査装置１では、超音波の照射点が二次元走査されるので、皮膚３９の奥行き方向の情報に加えて皮膚３９の表面の情報を取得することができ、皮膚３９の検査をより正確に行うことができる。しかも、皮膚３９の表層部を焦点として収束する超音波をプローブとして利用していることから、皮膚３９表層部の微細な構造についても把握することが可能である。例えば、角質層４３よりも内部の層にミクロンオーダーの硬変部などが存在しているような場合であっても、その硬変部を確実に見つけ出すことが可能である。

（４）実際の検査時においては、温度変化や測定系の回路特性の変化などの要因によって、トランスデューサ１２から出力される超音波の強度が変動する可能性が高い。それを考慮して、本実施の形態の超音波検査装置１では、プローブケース１１の外表面にリファレンス部材１５を設けている。そのため、図４（ａ）に示すように、リファレンス部材１５の反射波Ｓｒの信号を検出し、反射波信号に基づいて音響インピーダンスを算出することにより、測定条件の変動に応じて補正を行うことができる。これにより、正確な音響インピーダンスを得ることができ、皮膚３９の検査を正確に行うことができる。また、リファレンス部材１５が走査範囲内に設けられているので、リファレンス部材１５からの反射波の測定に続いて、皮膚３９の反射波を迅速に測定することができる。

（５）本実施の形態の超音波検査装置１は、手で把持可能な超音波プローブユニット２を備えるため、その超音波プローブユニット２を用いて身体のさまざまな箇所の皮膚３９を検査することができる。
［第２の実施の形態］

次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８に基づき説明する。

第２の実施の形態における超音波検査装置５１は、超音波顕微鏡５２を利用して皮膚の音響インピーダンスを測定する装置であり、超音波顕微鏡５２とその超音波顕微鏡５２を制御するためのパソコン３とから構成されている。

本実施の形態の超音波顕微鏡５２には、トランスデューサ１２と、Ｉ／Ｆ回路２３と、送信回路２４と、受信回路２５と、送受波分離回路２６と、検波回路２７と、Ａ／Ｄ変換回路２８と、Ｘ−Ｙステージ５４と、エンコーダ（ＥＮＣ）５５と、コントローラ５６と、駆動モータ５７Ｘ，５７Ｙとが設けられている。なお、超音波顕微鏡５２において、Ｉ／Ｆ回路２３、送信回路２４、受信回路２５、送受波分離回路２６、検波回路２７、及びＡ／Ｄ変換回路２８は、第１の実施の形態の各回路２３〜２８と同様の構成である。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

超音波顕微鏡５２において、超音波を照射するためのトランスデューサ１２は、Ｘ−Ｙステージ５４の下面に固定されている。このＸ−Ｙステージ５４は、超音波の照射点を二次元的に動かすためのステージ５４Ｘ，５４Ｙと、それぞれのステージ５４Ｘ，５４Ｙを駆動するモータ５７Ｘ，５７Ｙとを備えている。これらのモータ５７Ｘ，５７Ｙとしては、ステッピングモータやリニアモータが使用される。

各モータ５７Ｘ，５７Ｙにはコントローラ５６が接続されており、そのコントローラ５６の駆動信号に応答してモータ５７Ｘ，５７Ｙが駆動される。これらモータ５７Ｘ，５７Ｙの駆動により、Ｘステージ５４Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ５４Ｙを間欠送りとなるよう制御することで、Ｘ−Ｙステージ５４の高速走査が可能となっている。

また、本実施の形態においては、Ｘステージ５４Ｘに対応してエンコーダ５５が設けられ、エンコーダ５５によりＸステージ５４Ｘの走査位置が検出される。具体的に、走査範囲を３００×３００個の測定点（ピクセル）に分割した場合、１回のＸ方向（水平方向）の走査時に３００回超音波が照射される。そして、各測定点の位置がエンコーダ５５によって検出され、Ｉ／Ｆ回路２３を介してパソコン３に取り込まれる。パソコン３はそのエンコーダ５５の出力に同期して駆動制御信号を生成して、その駆動制御信号をＩ／Ｆ回路２３を介してコントローラ５６に供給する。コントローラ５６は、この駆動制御信号に基づいてモータ５７Ｘを駆動する。また、コントローラ５６は、エンコーダ５５の出力信号に基づきＸ方向の１ラインの走査が終了した時点でモータ５７Ｙを駆動して、Ｙステージ５４ＹをＹ方向に１ピクセル分移動させる。

さらに、コントローラ５６は、駆動制御信号に同期した信号を送信回路２４のトリガ回路２４ａに供給する。これにより、トリガ回路２４ａは、駆動制御信号に同期したトリガ信号を生成し、パルス発生回路２４ｂは、そのトリガ信号に応答して励起パルスを生成する。その励起パルスが送受波分離回路２６を介してトランスデューサ１２に供給される結果、トランスデューサ１２から超音波が照射される。

トランスデューサ１２の下方には皮膚検査用プレート５８が設けられている。トランスデューサ１２が照射する超音波は、超音波伝達媒体Ｗを介して円錐状に収束し、皮膚検査用プレート５８の下面付近（つまり皮膚の表層部）で焦点を結ぶようになっている。

皮膚検査用プレート５８は、第１の実施の形態におけるプローブケース１１と同様に、生体組織とは異なる既知の音響インピーダンスを有し、超音波を透過しうる材料（例えば、アクリル樹脂）を用いて形成されている。この皮膚検査用プレートにおいて、超音波の照射点が走査される範囲内には、例えば、エポキシ樹脂からなるリファレンス部材５９が設けられている。

本実施の形態では、皮膚検査用プレート５８の下面に被診察者の腕などの皮膚を接触させ、この状態で皮膚に向けて超音波が照射される。皮膚で反射した超音波はトランスデューサ１２で電気信号に変換され、送受波分離回路２６、及び受信回路２５を経て検波回路２７に供給される。そして、検波回路２７において皮膚からの反射波信号が抽出された後、Ａ／Ｄ変換回路２８、及びＩ／Ｆ回路２３を介してパソコン３に転送される。

パソコン３は、上記第１の実施の形態と同じ回路構成（ＣＰＵ３１、Ｉ／Ｆ回路３２、高速フーリエ変換回路３３、メモリ３４、記憶装置３５、入力装置３６、及び表示装置３７）を有する。本実施の形態のパソコン３も、図７に示すフローチャートと同様の処理を行うことで、皮膚表面の音響インピーダンス像を表示するとともに、皮膚の奥行き情報を表示する。

従って、本実施の形態のように超音波顕微鏡５２を利用して超音波検査装置５１を構成した場合でも、上記第１実施の形態の効果（１）〜（４）と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記各実施の形態では、算出した高周波数側の音響インピーダンスを用いて皮膚３９表面（角質層４３）での音響インピーダンス像を表示させるものであったが、低周波数側の音響インピーダンスを用いて、皮膚３９内部（表皮４０、真皮４１、皮下組織４２など）での音響インピーダンス像を表示させるよう構成してもよい。具体的な方法としては、先ず、ユーザが表示装置３７の画面に表示された皮膚３９の各層（角質層４３、表皮４０、真皮４１など）の厚さを確認し、表示させる層の位置（表面からの深さ）を指定する。これにより、ＣＰＵ３１は、指定位置に対応する周波数の音響インピーダンスをメモリ３４から読み出して画像生成処理を行い、得られた画像データを表示装置３７に転送することで、指定位置に対応する音響インピーダンス像を表示させる。

・上記各実施の形態では皮膚３９表面の音響インピーダンス像を表示させるものであったが、皮膚３９断面の音響インピーダンス像を表示させるように構成してもよい。例えば、表示装置３７の画面に皮膚３９表面の音響インピーダンス像を表示させた状態で、ユーザがその音響インピーダンス像において断面の位置を設定するための２つのポイントを指定する。ＣＰＵ３１は、２つの指定ポイントを結ぶ直線上にある複数の測定点を抽出し、各測定点の座標に対応する音響インピーダンスの周波数特性データをメモリ３４から読み出して、深さ方向の音響インピーダンスを求める。そして、ＣＰＵ３１は、その音響インピーダンスを用いて画像生成処理を行い、それにより得られた画像データを表示装置３７に転送することで、指定位置での断面を示す音響インピーダンス像を表示させる。

さらに、ユーザが指定した所定領域について、各測定点での周波数特性データを利用して深さ方向の音響インピーダンスを求めて、皮膚３９の立体的な音響インピーダンス像を表示させるように構成してもよい。このようにすれば、皮膚３９の三次元情報を取得することができる。

・上記各実施の形態において、検査した皮膚３９の各層の厚さや硬さを標準的な値と比較して、その比較結果に応じた皮膚３９の健康状態、例えば潤いのある良好な肌、かさかさした乾燥肌などといった肌の状態を表示装置３７の画面に表示するよう構成してもよい。さらに、皮膚３９の検査結果をその都度メモリ３４に記憶し、同一被験者について前回取得したデータと今回取得したデータとを比較することにより、皮膚３９の状態変化を表示装置３７の画面に表示するよう構成してもよい。

・上記各実施の形態の超音波検査装置１，５１は、超音波の照射点を二次元走査する機能を有し、皮膚３９の音響インピーダンス像を得るものであったが、この機能を省略してもよい。つまり、超音波検査装置としては、皮膚３９の奥行き方向の情報を得るものであればよい。例えば、二次元走査することなく所定の測定点のみにパルス励起された超音波を照射し、その反射波から得られる音響インピーダンス曲線に基づいて、皮膚３９の厚さや硬さを検査してもよい。この場合、二次元走査手段（第１ロータ部１３、第２ロータ部１４、Ｘ−Ｙステージ５４など）を省略することができ、超音波検査装置１，５１の構成が簡素化されてその製造コストを低減することができる。

・上記第１の実施の形態において、走査開始時にリファレンス部材１５での反射波Ｓｒを検出するものであったがこれに限定されるものではない。例えば、皮膚３９における１走査ラインの音響インピーダンスの測定を行う度に、リファレンス部材１５での反射波Ｓｒを検出して、その反射波の信号に基づいて音響インピーダンスの算出を行うようにしてもよい。この場合、リファレンス部材１５が両側もしくは片側に位置するよう走査範囲を設定する。このようにすれば、測定条件が急激に変わる場合に、測定条件の変動に応じた補正をリアルタイムで行うことができる。なお、リファレンス部材１５は、操作範囲の周縁に設ける必要はなく、走査範囲のいずれかの位置に設けるものであればよい。

・上記各実施の形態において、パソコン３を用いて超音波検査装置１を構成したが、それ以外にワークステーションなどのコンピュータを用いてもよい。勿論、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの携帯端末を用いて超音波検査装置を構成してもよい。第１の実施の形態においてパソコン３の代わりにＰＤＡなどの携帯端末を用いる場合、超音波プローブユニット２とともに手で持って移動可能であるので実用上好ましいものとなる。

・上記各実施の形態では、超音波検査装置１，５１を用いて皮膚３９の検査を行ったが、これ以外に、層構造を有する生体組織の検査を行ってもよい。例えば、超音波検査装置１を用いて爪の検査を行う場合、爪の厚さや硬さを容易に測定することができ、爪の健康状態を適切に判定することができる。さらには、皮膚３９や爪のような体表面に露出している生体組織ばかりでなく、体表面に露出していない生体組織（例えば筋肉や臓器など）についても、前記装置１，５１による検査を行ってもよい。

・検査対象となる生体組織の層構造の厚さによっては、より広帯域の周波数成分を含む超音波が必要となり、１種類のトランスデューサ１２ではその周波数帯域の超音波を照射できない場合も考えられる。このような場合、各周波数帯域専用のトランスデューサを複数設け、それらを切り替えて使用する。具体的には、第１の実施の形態において、第１ロータ部１３に設けられる２つのトランスデューサ１２のうち、一方を低周波数用のトランスデューサとし、他方を高周波数用のトランスデューサとする。

・上記実施の形態の超音波検査装置１，５１では、カラー変調した音響インピーダンス像を得て可視化するものであったが、それ以外に輝度変調した音響インピーダンス像を得て可視化してもよい。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記反射波の信号をフーリエ変換して強度スペクトルの周波数特性データを生成し、そのデータに基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算することを特徴とする超音波検査方法。

（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記生体組織を構成する層は、その表面から内部に行くに従って順に厚くなっていることを特徴とする超音波検査方法。

（３）請求項５において、皮膚における各層の厚さ及び硬さ情報に基づいて、皮膚の健康状態を判定し、その判定結果を表示装置に表示するステップを含むことを特徴とする超音波検査方法。

（４）請求項５において、皮膚における各層の厚さ及び硬さ情報について、前回取得したデータと今回取得したデータとを比較することにより皮膚の状態変化を判定し、その判定結果を表示装置に表示するステップを含むことを特徴とする超音波検査方法。

（５）請求項７において、前記画像生成手段が生成した画像データに基づいて硬さ情報に応じた生体組織の画像を表示するための表示装置をさらに備えることを特徴とする超音波検査装置。

本発明を具体化した第１の実施の形態の超音波検査装置を示す概略構成図。 超音波検査装置の電気的構成を示すブロック回路図。 皮膚における超音波の反射を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は、リファレンス部材及び皮膚での反射を説明するための説明図。 音響インピーダンス曲線を示すグラフ。 図５の音響インピーダンス曲線の傾きを示すグラフ。 皮膚を検査するための処理を示すフローチャート。 第２の実施の形態における超音波検査装置の電気的構成を示すブロック回路図。

符号の説明

１，５１…超音波検査装置
１２…超音波振動子としてのトランスデューサ
１３，１４…二次元走査手段を構成する第１ロータ部及び第２ロータ部
３１…演算手段、及び画像生成手段としてのＣＰＵ
３９…生体組織としての皮膚
５４…二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ

Claims (8)

1. 層構造を有する生体組織に対して超音波を照射し、得られた反射波に基づいて前記生体組織を検査する超音波検査方法であって、
   パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含む超音波を、前記生体組織に向けて照射する第１ステップと、
   前記生体組織からの反射波に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算することにより、前記生体組織における異なる深さでの硬さ情報を求める第２ステップと
   を含むことを特徴とする超音波検査方法。
2. 周波数と音響インピーダンスとの相関関係を示す音響インピーダンス曲線を演算により求め、その音響インピーダンス曲線において傾きが所定値よりも大きい箇所の周波数に対応する深さに層の界面があるものと判定するとともに、各層の厚さを判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波検査方法。
3. 周波数と音響インピーダンスとの相関関係を示す音響インピーダンス曲線を演算により求め、その音響インピーダンス曲線において傾きが所定値よりも大きい箇所の周波数に対応する深さに層の界面があるものと判定するとともに、前記箇所の周波数を挟んでその低周波数側及び高周波数側の音響インピーダンスをそれぞれ求めることにより、異なる層の硬さを求めることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波検査方法。
4. 前記第１ステップでは、パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含み、かつ前記生体組織の表層部を焦点として収束する超音波を、二次元走査しながら前記生体組織に向けて照射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波検査方法。
5. 前記生体組織は皮膚であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波検査方法。
6. 層構造を有する生体組織に対して超音波を照射し、得られた反射波に基づいて前記生体組織を検査する超音波検査装置であって、
   パルス励起されたものであって異なる周波数成分を含む超音波を、前記生体組織に向けて照射するとともに、前記生体組織からの反射波を受信して電気信号に変換する超音波振動子と、
   前記生体組織からの反射波に基づいて異なる周波数についての音響インピーダンスを演算することにより、前記生体組織における異なる深さでの硬さ情報を求める演算手段と
   を備えることを特徴とする超音波検査装置。
7. 前記生体組織における異なる深さでの硬さ情報を示す画像データを生成する処理を行う画像生成手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波検査装置。
8. 前記超音波の照射点を前記生体組織の表面に沿って二次元的に走査する二次元走査手段をさらに備え、前記超音波振動子は、前記超音波を前記生体組織の表層部を焦点として収束させて照射する機能を有することを特徴とする請求項６または７に記載の超音波検査装置。

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