JP2007195743A

JP2007195743A - 音響インピーダンス測定方法、音響インピーダンス測定装置、物体特性評価方法、及び物体特性評価装置

Info

Publication number: JP2007195743A
Application number: JP2006018036A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Kobayashi; 和人小林
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: JP4747300B2

Abstract

【課題】被検査物の音響インピーダンスを迅速に測定することができる音響インピーダンス測定装置を提供すること。
【解決手段】音響インピーダンス測定装置１において、超音波振動子１３は超音波伝達体１２を介して被検査物１６と対向配置されており、超音波振動子１３の振動面１４での反射作用により被検査物１６の表面にて超音波が多次的に反射される。それらの反射波のうちの一次反射波及び二次反射波の信号強度が検出される。各反射波の信号強度、超音波伝達体１２の固有音響インピーダンス及び超音波振動子１３の固有音響インピーダンスに基づいて、被検査物１６の音響インピーダンスが算出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を利用した音響インピーダンス測定方法、音響インピーダンス測定装置、物体特性評価方法、及び物体特性評価装置に関するものである。

音響インピーダンスは、密度と音速との積により決定され、硬さを反映したパラメータとして利用される。具体的には、例えば、軟組織（表層部）及び骨（コア部）の音響インピーダンスを測定して、その測定値に基づいて骨粗鬆症の診断を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の音響インピーダンス測定装置は、被検査物に超音波を照射するためのトランスデューサを備える。このトランスデューサは、超音波振動子を主要部として構成された超音波センサと、その超音波センサに接合された中間媒体とからなる。この装置では、パルス信号を供給することにより、超音波振動子が振動して超音波が照射されるようになっている。

この音響インピーダンス測定装置において、被検査物（軟組織及び骨）の音響インピーダンスを測定する場合、先ず、初期校正としてトランスデューサを空気中にセットしてトランスデューサから超音波を照射することにより、中間媒体と空気との境界面からの反射波信号が取得される。その後、既知の音響インピーダンスを有する校正媒体にトランスデューサを当接させた状態で、トランスデューサから超音波を照射することにより、中間媒体と校正媒体との境界面からの反射波信号が取得される。そして、音圧反射係数の関係式を利用し、中間媒体と空気との境界面からの反射波信号と、中間媒体と校正媒体との境界面からの反射波信号と、空気の音響インピーダンスと、校正媒体の音響インピーダンスとに基づいて、中間媒体の音響インピーダンスが算出される。

次いで、トランスデューサを軟組織の表面に当接させた状態で、トランスデューサから超音波を照射することにより、中間媒体と軟組織との境界面からの反射波信号と、軟組織と骨との境界面からの反射波信号とが取得される。そして、音圧反射係数の関係式を利用し、中間媒体と軟組織との境界面からの反射波信号と、中間媒体の音響インピーダンスとに基づいて、軟組織の音響インピーダンスが求められる。さらに、軟組織と骨との境界面からの反射波信号と軟組織の音響インピーダンスとに基づいて、骨の音響インピーダンスが求められ、その音響インピーダンスに応じて骨粗鬆症の診断が行われる。
特開２０００−１０２５３７号公報

ところで、特許文献１の音響インピーダンス測定装置では、被検査物の音響インピーダンスを測定するのに先立ち初期校正が行われる。この初期校正では、空気中に超音波を照射した後に、校正媒体に向けて超音波を照射する必要がある。従って、被検査物の音響インピーダンスを測定するためには超音波を複数回照射しなければならない。また、中間媒体の音響インピーダンスを求めてから、被検査物の音響インピーダンスを求める必要があるので、その演算処理が複雑になり、測定時間が長くなるといった問題や装置サイズが大型化するといった問題が生じる。

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、簡単な構成で被検査物の音響インピーダンスを迅速に測定することができる音響パラメータ測定方法、及び音響パラメータ測定装置を提供することにある。また、別の目的は、簡単な構成で被検査物の特性評価を迅速に行うことができる物体特性評価方法、及び物体特性評価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、超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の音響インピーダンスを測定する音響インピーダンス測定方法であって、既知の固有音響インピーダンス及び振動面を有する超音波振動子と前記被検査物とを対向配置するとともに、前記超音波振動子と前記被検査物との間に前記超音波振動子及び前記被検査物とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有する超音波伝達体を介在させるステップと、前記超音波振動子から前記被検査物に向けて超音波を照射し、その照射された超音波を前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記被検査物の表面にて多次的に反射させ、前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）の信号強度を検出するステップと、前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出するステップとを含むことを特徴とする音響インピーダンス測定方法をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、超音波振動子と被検査物との間に超音波伝達体が介在され、超音波振動子から被検査物に向けて超音波が照射される。超音波振動子と被検査物とは超音波伝達体を介して対向配置されており、超音波振動の振動面での反射作用により被検査物の表面にて超音波が多次的に反射される。このとき、それらの反射波のうちの任意の２つの反射波であるｎ次反射波及びｍ次反射波の信号強度が検出される。そして、ｎ次反射波の信号強度、ｍ次反射波の信号強度、超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、被検査物の音響インピーダンスが算出される。この測定方法によると、従来技術のように超音波を複数回照射する必要がなく、超音波振動子から超音波を１回照射すれば、被検査物の音響インピーダンスを求めることができる。

請求項２に記載の発明は、超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の音響インピーダンスを測定する音響インピーダンス測定装置であって、既知の固有音響インピーダンスを有しかつ前記被検査物の表面からの反射波を反射可能な振動面を有し、電気信号を振動に変換して超音波を発生させるとともに、前記反射波を受信して電気信号に変換する超音波振動子と、前記被検査物及び前記超音波振動子とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有し、基端が前記超音波振動子の前記振動面に接合される一方、先端が前記被検査物に対して直接接触するように配置される超音波伝達体と、前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）に基づいて、それらの信号強度を検出する信号強度検出手段と、前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出する演算手段とを備えることを特徴とする音響インピーダンス測定装置をその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、超音波伝達体の基端が超音波振動子の振動面と接合されるとともにその先端が被検査物に対して直接接触するよう配置される。そして、超音波振動子が電気信号を振動に変換することにより、その超音波振動子の振動面から超音波伝達体を介して被検査物に超音波が照射される。超音波振動子と被検査物とは超音波伝達体を介して対向配置されており、超音波振動の振動面での反射作用により被検査物の表面にて超音波が多次的に反射される。このとき、信号強度検出手段により、それらの反射波のうちの任意の２つの反射波であるｎ次反射波及びｍ次反射波の信号強度が検出される。そして、演算手段により、ｎ次反射波の信号強度、ｍ次反射波の信号強度、超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、被検査物の音響インピーダンスが算出される。この音響インピーダンス測定装置によると、従来技術のように超音波を複数回照射する必要がなく、超音波振動子から超音波を１回照射すれば、被検査物の音響インピーダンスを求めることができる。またこの測定装置では、音響インピーダンスを簡単に求めることができ、従来技術と比較して処理回路の簡素化が可能となる。従って、装置を小型化して携帯が可能な測定装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記ｎ次反射波は、前記超音波振動子が発した超音波が前記被検査物の表面で反射される結果、前記超音波振動子に最初に到着する一次反射波であり、前記ｍ次反射波は、前記振動面で反射された前記一次反射波が再び前記被検査物の表面で反射される結果、前記一次反射波の次に到着する二次反射波であることをその要旨とする。

本発明のように、被検査物の表面にて超音波を多次的に反射させる場合、反射が繰り返される度に反射波の信号強度は小さくなるとともに、その反射波を超音波振動子で電気信号に変換する時刻も遅くなってしまう。従って、請求項３に記載の発明のように、比較的に信号強度が大きく超音波振動子に到達する時間が早い一次反射波及び二次反射波の信号強度を用いることにより、音響インピーダンスを正確かつ迅速に求めることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記信号強度検出手段は、前記一次反射波及び前記二次反射波を検出してそれら信号強度に応じた電圧値をそれぞれ前記演算手段に出力し、前記演算手段は、それら電圧値に基づいて前記被検査物の音響インピーダンスを算出することをその要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、信号強度検出手段により、一次反射波及び二次反射波が検出され、それら反射波の信号強度に応じた電圧値が演算手段に出力される。演算手段により、それら電圧値に基づいて、一次反射波と二次反射波との反射率の関係を求めることができ、その関係を利用して被検査物の音響インピーダンスを正確に算出することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１項において、前記演算手段が算出した音響インピーダンスを表示する表示装置をさらに備えることをその要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、演算手段により算出された音響インピーダンスが表示装置に表示されるので、その音響インピーダンスに基づいて、被検査物の性状を容易に確認することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれか１項において、全体としてペン状を呈するハンドピースをさらに備え、そのハンドピースの先端に前記超音波振動子及び前記超音波伝達体が配置されていることをその要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、ユーザはハンドピースを手で持ってその先端の超音波伝達体を被検査物に当接させることで、被検査物の音響インピーダンスを測定することができるので、操作性に優れた音響インピーダンス測定装置を実現することができる。また、ハンドピースに信号強度検出手段及び演算手段が収容されていることが好ましく、さらに、ハンドピースに表示装置が設けられることが好ましい。この構成を採用すれば、携帯型の音響インピーダンス測定装置を実現することができる。

請求項７に記載の発明は、超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の特性を評価する方法であって、既知の固有音響インピーダンス及び振動面を有する超音波振動子と前記被検査物とを対向配置するとともに、前記超音波振動子と前記被検査物との間に前記超音波振動子及び前記被検査物とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有する超音波伝達体を介在させるステップと、前記超音波振動子から前記被検査物に向けて超音波を照射し、その照射された超音波を前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記被検査物の表面にて多次的に反射させ、前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）の信号強度を検出するステップと、前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の特性評価のための要素となるパラメータを算出するステップとを含むことを特徴とする超音波を利用した物体特性評価方法をその要旨とする。

請求項７に記載の発明によれば、超音波振動子と被検査物との間に超音波伝達体が介在され、超音波振動子から被検査物に向けて超音波が照射される。超音波振動子と被検査物とは超音波伝達体を介して対向配置されており、超音波振動の振動面での反射作用により被検査物の表面にて超音波が多次的に反射される。このとき、それらの反射波のうちの任意の２つの反射波であるｎ次反射波及びｍ次反射波の信号強度が検出される。そして、ｎ次反射波の信号強度、ｍ次反射波の信号強度、超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、被検査物の特性評価のための要素となるパラメータが算出される。この評価方法によると、超音波を複数回照射する必要がなく、超音波振動子から超音波を１回照射すれば、被検査物のパラメータを算出することができ、それに応じて被検査物の特性評価を迅速に行うことができる。

請求項８に記載の発明は、超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の特性を評価する装置であって、既知の固有音響インピーダンスを有しかつ前記被検査物の表面からの反射波を反射可能な振動面を有し、電気信号を振動に変換して超音波を発生させるとともに、前記反射波を受信して電気信号に変換する超音波振動子と、前記被検査物及び前記超音波振動子とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有し、基端が前記超音波振動子の前記振動面に接合される一方、先端が前記被検査物に対して直接接触するように配置される超音波伝達体と、前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）に基づいて、それらの信号強度を検出する信号強度検出手段と、前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の特性評価のための要素となるパラメータを算出する演算手段とを備えることを特徴とする超音波を利用した物体特性評価装置をその要旨とする。

請求項８に記載の発明によれば、超音波伝達体の基端が超音波振動子の振動面と接合されるとともにその先端が被検査物に対して直接接触するよう配置される。そして、超音波振動子が電気信号を振動に変換することにより、その超音波振動子の振動面から超音波伝達体を介して被検査物に超音波が照射される。超音波振動子と被検査物とは超音波伝達体を介して対向配置されており、超音波振動の振動面での反射作用により被検査物の表面にて超音波が多次的に反射される。このとき、信号強度検出手段により、それらの反射波のうちの任意の２つの反射波であるｎ次反射波及びｍ次反射波の信号強度が検出される。そして、演算手段により、ｎ次反射波の信号強度、ｍ次反射波の信号強度、超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、被検査物の特性評価のための要素となるパラメータが算出される。この評価装置によると、超音波を複数回照射する必要がなく、超音波振動子から超音波を１回照射すれば、被検査物のパラメータを求めることができ、それに応じて被検査物の特性評価を迅速に行うことができる。またこの評価装置では、被検査物のパラメータを簡単に求めることができ、処理回路の簡素化が可能となる。従って、装置を小型化して携帯が可能な評価装置を実現することができる。

以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、簡単な構成で被検査物の音響インピーダンスを迅速に測定することができる。また、請求項７，８に記載の発明によると、簡単な構成で被検査物の特性評価を迅速に行うことができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は音響インピーダンス測定装置を示す斜視図である。

図１に示されるように、音響インピーダンス測定装置１は、全体としてペン状を呈するハンドピース２と、そのハンドピース２の先端に設けられる超音波センサ３とを備える。超音波センサ３の基端部はゴムなどの制振部材４を介してハンドピース２の先端取付口に固定されており、超音波センサ３はハンドピース２に対して音響的に絶縁されている。装置の不使用時には、ハンドピース２の先端に図示しないキャップを被せ、超音波センサ３を保護するようにしてもよい。本実施の形態の音響インピーダンス測定装置１は、携帯型の装置であり、ユーザがハンドピース２をペンのように手で持って被検査物に超音波センサ３を押し付けることでその音響インピーダンスを測定する。また、音響インピーダンス測定装置１において、ハンドピース２の外周面には操作パネル５やディスプレイ６が設けられるとともに、その内部には各種の処理回路が収納されている。操作パネル５やディスプレイ６は、ハンドピース２の上端面に設けてもよい。

図２は音響インピーダンス測定装置１の電気的な回路構成を示している。図２に示すように、ハンドピース２内には、処理回路として発信機７、受信機８、受信電圧測定器９、マイクロコンピュータ（マイコン）１０などが収納されている。マイコン１０は操作パネル５、ディスプレイ６、発信機７、及び受信電圧測定器９と電気的に接続されており、発信機７及び受信機８が超音波センサ３に電気的に接続されている。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の超音波センサ３は、例えば、アクリル樹脂を用いて円柱状に形成された超音波伝達体１２と、例えば、圧電セラミックであるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて円板状に形成された超音波振動子１３とを備える。超音波振動子１３は超音波伝達体１２と同じ直径を有する。この超音波振動子１３の振動面１４に超音波伝達体１２の基端が接合される一方、超音波伝達体１２の先端が被検査物（例えば、生体組織）１６に直接接触するよう配置される。すなわち、この超音波センサ３では、超音波振動子１３と被検査物１６との間に超音波伝達体１２が介在され、超音波振動子１３と対向するよう被検査物１６が配置される。

操作パネル５には、例えば、電源ボタン１７や測定開始ボタン１８などが設けられ、そのボタン操作に応じた信号がマイコン１０に入力される。

発信機７は、マイコン１０から入力されるトリガー信号に応答して励起パルスを生成し、それを超音波センサ３に出力する。そして、超音波センサ３において、励起パルスが超音波振動子１３に供給され、該超音波振動子１３が振動することで、超音波が超音波伝達体１２を介して被検査物１６に照射される。本実施の形態では、超音波伝達体１２において、超音波振動子１３は被検査物１６と対向する位置に配置されている。そのため、照射された超音波は、超音波振動子１３の振動面１４での反射作用により被検査物１６の表面にて多次的に反射される。

超音波センサ３の超音波振動子１３は、送受信兼用の振動子であり、被検査物１６で反射した超音波（反射波）を電気信号に変換する。

受信機８は、図示しない信号増幅回路、遅延回路、ゲート回路などを含んで構成されていて、超音波振動子１３で変換された反射波信号を増幅するとともに、その反射波信号を抽出する。具体的には、超音波の照射タイミングから所定時間が経過したときに遅延回路からゲートパルスが出力される。そして、そのゲートパルスに応じてゲート回路が動作することで、超音波振動子１３に最初に到達する一次反射波とその次に到達する二次反射波との反射波信号が抽出される。

受信電圧測定器９は、Ａ／Ｄ変換器１９を含んで構成されていて、受信機８から入力される反射波信号の電圧値（アナログ値）をＡ／Ｄ変換し、その変換後のデジタルデータをマイコン１０に出力する。

マイコン１０は、各種の演算処理を行うＣＰＵ２１や処理プログラムやデータを記憶するメモリ２２などを含んで構成されていて、装置全体を統括的に制御する。処理プログラムとしては、音響インピーダンスを算出するためのプログラムや、算出した音響インピーダンスなどをディスプレイ６に表示するためのプログラムを含む。

次に、本実施の形態における音響インピーダンスの測定方法を説明する。図３は、測定原理を示す説明図であり、図４は、音響インピーダンス測定装置１の動作波形を示すタイミングチャートである。

図３及び図４に示すように、励起パルスＰを超音波振動子１３に供給しその励起パルスＰにより超音波振動子１３を振動させることで、超音波振動子１３から被検査物１６に向けて超音波（入射波）Ｓ_ｏが照射される。この超音波Ｓ_ｏは、超音波伝達体１２において被検査物１６の表面（超音波伝達体１２と被検査物１６との境界面）及び超音波振動子１３の振動面１４（超音波伝達体１２と超音波振動子１３との境界面）で反射を繰り返す。本実施の形態においては、超音波Ｓ_ｏが被検査物１６の表面で反射される結果、超音波振動子１３に最初に到着する一次反射波Ｓ_ｔ１と、振動面１４で反射された一次反射波Ｓ_ｔ１が再び被検査物１６の表面で反射される結果、一次反射波Ｓ_ｔ１の次に到着する二次反射波Ｓ_ｔ２とを抽出する。そして、それらの反射波信号の電圧値Ｖ_１，Ｖ_２を取得する。

反射波信号の電圧値Ｖ_１，Ｖ_２は、音圧反射率の関係を利用し、超音波振動子１３と超音波伝達体１２との間の透過波、被検査物１６や超音波振動子１３での反射波を考慮すると、次式（１），（２）のように表すことができる。

ここで、Ｖ_０は、超音波振動子１３で発生する超音波（入射波）Ｓ_ｏに対応する電圧値であり、Ｚ_１は、超音波振動子１３の音響インピーダンスである。また、Ｚ_２は、超音波伝達体（アクリル樹脂）の音響インピーダンスであり、Ｚ_３は、被検査物１６の音響インピーダンスである。なお、音響インピーダンスＺ_１，Ｚ_２は、超音波振動子１３や超音波伝達体１２の形成材料に応じて決定される既知の固有音響インピーダンスであり、マイコン１０のメモリ２２に予め記憶されている。

上記式（１），（２）を用いると、電圧値の比Ｖ_２／Ｖ_１は、次式（３）のようになる。

この式（３）を次式（４）〜（７）のように整理すると、被検査物１６の音響インピーダンスＺ_３が求まる。

また、上式（７）は、次式（８）のように簡素化することができる。

ここで、Ａは、超音波振動子１３及び超音波伝達体１２の音響インピーダンスＺ_１，Ｚ_２で決定される装置固有の係数であり、Ｂは、各反射波信号の電圧比である（次式９参照）。

従って、測定した電圧値Ｖ_１，Ｖ_２と既知の音響インピーダンスＺ_１，Ｚ_２とを式（８）に代入することにより、被検査物１６の音響インピーダンスＺ_３を求めることができる。

次に、本実施の形態において、被検査物（生体組織）１６の音響インピーダンスＺ_３を測定するためにマイコン１０が実行する処理例について、図５のフローチャートに従い説明する。なお、図５の処理は、ユーザにより操作パネル５の測定開始ボタン１８が操作され、その操作に応じた信号がマイコン１０に入力されたときに開始される。

先ず、マイコン１０は、発信機７にトリガー信号を供給して発信機７から励起パルスＰを出力させる（ステップ１００）。この励起パルスＰが超音波センサ３の超音波振動子１３に供給されると、その超音波振動子１３が振動して振動面１４から超音波Ｓ_ｏが照射される。すると、所定時間後に生体組織１６の表面で反射した最初の反射波Ｓ_ｔ１が超音波振動子１３に到着し、その超音波振動子１３で電気信号（反射波信号）に変換される。そして、その反射波信号が受信機８で抽出され、その反射波信号の信号強度に応じた電圧値が受信電圧測定器９でＡ／Ｄ変換される。

次に、マイコン１０は、受信電圧測定器９で変換されたデジタルデータを取得し、一次反射波Ｓ_ｔ１の電圧値Ｖ_１としてメモリ２２に記憶する（ステップ１１０）。

さらに、超音波伝達体１２においては、超音波振動子１３の振動面１４と組織表面との間で反射が繰り返され、受信機８が一次反射波Ｓ_ｔ１に続いて時間差で到着する二次反射波Ｓ_ｔ２を受信する。そして、その反射波Ｓ_ｔ２の信号強度に応じた電圧値が受信電圧測定器９でＡ／Ｄ変換される。

次に、マイコン１０は、受信電圧測定器９で変換されたデジタルデータを取得し、二次反射波Ｓ_ｔ２の電圧値Ｖ_２としてメモリ２２に記憶する（ステップ１２０）。

次に、マイコン１０は、超音波振動子１３の音響インピーダンスＺ_１と超音波伝達体１２の音響インピーダンスＺ_２とをメモリ２２から読み出し、それら音響インピーダンスＺ_１，Ｚ_２と各反射波Ｓ_ｔ１，Ｓ_ｔ２の電圧値Ｖ_１，Ｖ_２とを用いて上式（８）に対応した演算を行うことで、生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３を求める（ステップ１３０）。

次に、マイコン１０は、その音響インピーダンスＺ_３に基づいて生体組織１６を診断する（ステップ１４０）。ここで、例えば癌化した生体組織においてコラーゲン線維が増加すると、正常組織に比較して硬化するので、算出した音響インピーダンスＺ_３に基づいて癌化した組織か否かを診断する。また、マイコン１０は、算出した生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３及びその診断結果に応じたデータをディスプレイ６に送信し、その音響インピーダンスＺ_３と診断結果とをディスプレイ６に表示させた後（ステップ１５０）、本処理を終了する。

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）本実施の形態の音響インピーダンス測定装置１を用いれば、従来技術のように超音波を複数回照射する必要がなく、超音波振動子１３から超音波Ｓ_ｏを１回照射すれば、生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３を求めることができる。また、音響インピーダンスＺ_３を簡単に求めることができ、従来技術と比較して処理回路を簡素化することができるので、装置の小型化が可能となる。

（２）本実施の形態の音響インピーダンス測定装置１では、比較的に信号強度が大きく超音波振動子１３に到達する時間が早い一次反射波Ｓ_ｔ１と二次反射波Ｓ_ｔ２とを用いているので、生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３を正確かつ迅速に求めることができる。

（３）本実施の形態の音響インピーダンス測定装置１の場合、生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３と生体組織１６の診断結果がディスプレイ６に表示されるので、生体組織１６の性状を容易に確認することができる。

（４）本実施の形態の音響インピーダンス測定装置１は、ペン状を呈するハンドピース２内に、信号強度検出手段としての受信機８及び受信電圧測定器９や演算手段としてのマイコン１０などが収納されており、そのハンドピース２を手で持って生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３を測定することができる。このように構成すると、操作性に優れた携帯型の測定装置を実現することができる。

（５）本実施の形態の場合、超音波振動子１３は、超音波伝達体１２と同じ直径を有し、その超音波伝達体１２と接合される超音波振動子１３の振動面１４は平面であるので、この振動面１４にて超音波Ｓ_ｏを確実に反射させることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態では、超音波振動子１３に最初に到着する一次反射波Ｓ_ｔ１と次に到着する二次反射波Ｓ_ｔ２とを検出し、それらの反射波信号の電圧値Ｖ_１，Ｖ_２に基づいて、生体組織１６の音響インピーダンスＺ_３を求めるものであったが、これに限定されるものではない。具体的には、一次反射波Ｓ_ｔ１や二次反射波Ｓ_ｔ２以外に三次反射波以降の各反射波を用いてもよい。すなわち、各反射波のうちの任意の２つの反射波を抽出して、それら反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスＺ_３を求めるように構成してもよい。ただし、三次反射波以降の反射波を用いる場合、その信号強度が小さくなることに加え、超音波振動子１３に到着するまでの時間が長くなるため、信号検出が困難になる。そのため、上記実施の形態のように一次反射波Ｓ_ｔ１と二次反射波Ｓ_ｔ２とに基づいて音響インピーダンスＺ_３を求めることが好ましい。

・上記実施の形態では、ペン状を呈する音響インピーダンス測定装置１に具体化するものあったが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示す音響インピーダンス測定装置３１のように、ボックス状の装置本体３２に信号ケーブル３３を介して超音波センサ３４を接続した構成の測定装置に具体化してもよい。音響インピーダンス測定装置３１は、手のひらに収まるサイズの装置本体３２を有しており、携帯型の測定装置として使用される。この音響インピーダンス測定装置３１の装置本体３２には、ディスプレイ３５と操作パネル３６とが設けられている。また、超音波センサ３４は、超音波伝達体１２と超音波振動子１３と支持部材３９とを備える。そして、信号ケーブル３３の接続端子３７が装置本体３２に設けられたコネクタ３８に挿入されることで、超音波センサ３４が信号ケーブル３３を介して装置本体３２内の処理回路と接続される。なお、装置本体３２内の処理回路としては、上記実施の形態と同様に、発信機７、受信機８、受信電圧測定器９、マイクロコンピュータ（マイコン）１０などを含む。

この音響インピーダンス測定装置３１では、超音波センサ３４（信号ケーブル３３の接続端子３７）が装置本体３２のコネクタ３８に着脱可能に設けられ、被検査物の種類やサイズなどに応じた超音波センサ３４に交換することができる。また、装置本体３２には、比較的に画面サイズが大きなディスプレイ３５を設けることができ、より多くの情報をディスプレイ３５に表示させることが可能となる。さらに、超音波センサ３４を任意の位置に移動させることができるので、被検査物１６における複数個所の音響インピーダンスＺ_３を迅速に測定することができる。

・上記実施の形態では、携帯型の音響インピーダンス測定装置１，３１に具体化したが、これ以外に据え置き型の音響インピーダンス測定装置として具体化してもよい。

・上記実施の形態の音響インピーダンス測定装置１，３１では、１つの超音波センサ３，３４を備えるものであったが、これに限定されるものではなく複数の超音波センサを備える測定装置を構成してもよい。この測定装置において、例えば、複数の超音波センサをマトリクス状に配置させ、それら超音波センサを用いて被検査物１６における複数の測定点の音響インピーダンスＺ_３を測定する。このようにすれば、被検査物１６における音響インピーダンスＺ_３の分布を容易に確認することができる。またこの場合、各測定点での音響インピーダンスＺ_３に基づいて被検査物１６の音響インピーダンス像を表示装置に表示させるよう構成してもよい。この音響インピーダンス像を確認することにより、被検査物１６の性状をより的確に判定することができる。

・上記実施の形態では、超音波センサ３，３４の超音波伝達体１２としてアクリル樹脂を用いたが、それ以外の樹脂やステンレスなどの金属材料を用いてもよい。勿論、超音波伝達体１２としては、樹脂や金属などの固体に限定する必要はなく、超音波を伝達可能な液体（水など）を用いることもできる。

・上記実施の形態では、被検査物１６として生体組織の音響インピーダンスＺ_３を測定するものであったが、肉、魚類、うどん、蕎麦などの食材の音響インピーダンスや液体の音響インピーダンスを測定してもよい。

・上記実施の形態では、測定した被検査物１６の音響インピーダンスＺ_３に基づいて組織診断を行い、その診断結果をディスプレイ６に表示させ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、肉、魚類の音響インピーダンスを測定してその測定値に基づいて鮮度診断を行い、その診断結果をディスプレイ６に表示させてもよい。また、測定した音響インピーダンスに基づいて、うどんや蕎麦などの水分量を表示させてもよいし、液体の塩分濃度などをディスプレイ６に表示させてもよい。

・上記実施の形態では、被検査物１６の音響インピーダンスＺ３を求め、その音響インピーダンスＺ_３に基づいて被検査物１６の特性評価を行うものであったが、音響インピーダンスＺ_３以外のパラメータを用いて被検査物１６の特性評価を行ってもよい。なお、この特性評価のための要素となるパラメータは、上記構成のような超音波センサ３を用いて各反射波Ｓ_ｔ１，Ｓ_ｔ２の信号強度を検出し、それら信号強度、超音波伝達体１２の音響インピーダンスＺ_２及び超音波振動子１３の音響インピーダンスＺ_１に基づいて算出する。

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６において、前記ハンドピース内に前記信号強度検出手段及び前記演算手段が収容されていることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（２）請求項６において、前記ハンドピースに前記表示手段が設けられていることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（３）請求項２乃至６のいずれか１項において、前記振動面は平面であることを特徴する音響インピーダンス測定装置。

（４）請求項２乃至６のいずれか１項において、前記信号強度検出手段は、前記一次反射波及び前記二次反射波を検出するためのゲート回路と、前記各反射波の信号強度に応じた電圧値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器とを含むことを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（５）請求項５において、前記演算手段が算出した音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の性状を判定し、その判定結果を前記表示装置に表示する判定手段をさらに備えたことを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（６）請求項２乃至５のいずれか１項において、前記信号強度検出手段及び演算手段が装置本体に設けられ、前記超音波振動子及び超音波伝達体を有する超音波センサが装置本体に対して着脱可能に設けられることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（７）技術的思想（６）において、前記被検査物の種類に応じて前記超音波センサが交換されることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

本発明を具体化した一実施の形態の音響インピーダンス測定装置を示す斜視図。音響インピーダンス測定装置の電気的構成を示すブロック図。（ａ）〜（ｃ）は超音波センサにおける超音波の反射を示す説明図。音響インピーダンス測定装置の動作波形を示すタイミングチャート。マイコンが実行する処理例を示すフローチャート。別の実施の形態の音響インピーダンス測定装置を示す斜視図。

符号の説明

１，３１…音響インピーダンス測定装置
２…ハンドピース
６，３５…表示装置としてのディスプレイ
８…信号強度検出手段を構成する受信機
９…信号強度検出手段を構成する受信電圧測定器
１０…演算手段としてのマイコン
１２…超音波伝達体
１３…超音波振動子
１４…振動面
１６…被検査物としての生体組織

Claims

超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の音響インピーダンスを測定する音響インピーダンス測定方法であって、
既知の固有音響インピーダンス及び振動面を有する超音波振動子と前記被検査物とを対向配置するとともに、前記超音波振動子と前記被検査物との間に前記超音波振動子及び前記被検査物とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有する超音波伝達体を介在させるステップと、
前記超音波振動子から前記被検査物に向けて超音波を照射し、その照射された超音波を前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記被検査物の表面にて多次的に反射させ、前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）の信号強度を検出するステップと、
前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出するステップと
を含むことを特徴とする音響インピーダンス測定方法。
超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の音響インピーダンスを測定する音響インピーダンス測定装置であって、
既知の固有音響インピーダンスを有しかつ前記被検査物の表面からの反射波を反射可能な振動面を有し、電気信号を振動に変換して超音波を発生させるとともに、前記反射波を受信して電気信号に変換する超音波振動子と、
前記被検査物及び前記超音波振動子とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有し、基端が前記超音波振動子の前記振動面に接合される一方、先端が前記被検査物に対して直接接触するように配置される超音波伝達体と、
前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）に基づいて、それらの信号強度を検出する信号強度検出手段と、
前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出する演算手段と
を備えることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。
前記ｎ次反射波は、前記超音波振動子が発した超音波が前記被検査物の表面で反射される結果、前記超音波振動子に最初に到着する一次反射波であり、前記ｍ次反射波は、前記振動面で反射された前記一次反射波が再び前記被検査物の表面で反射される結果、前記一次反射波の次に到着する二次反射波であることを特徴とする請求項２に記載の音響インピーダンス測定装置。
前記信号強度検出手段は、前記一次反射波及び前記二次反射波を検出してそれら信号強度に応じた電圧値をそれぞれ前記演算手段に出力し、前記演算手段は、それら電圧値に基づいて前記被検査物の音響インピーダンスを算出することを特徴とする請求項３に記載の音響インピーダンス測定装置。
前記演算手段が算出した音響インピーダンスを表示する表示装置をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の音響インピーダンス測定装置。
全体としてペン状を呈するハンドピースをさらに備え、そのハンドピースの先端に前記超音波振動子及び前記超音波伝達体が配置されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の音響インピーダンス測定装置。
超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の特性を評価する方法であって、
既知の固有音響インピーダンス及び振動面を有する超音波振動子と前記被検査物とを対向配置するとともに、前記超音波振動子と前記被検査物との間に前記超音波振動子及び前記被検査物とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有する超音波伝達体を介在させるステップと、
前記超音波振動子から前記被検査物に向けて超音波を照射し、その照射された超音波を前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記被検査物の表面にて多次的に反射させ、前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）の信号強度を検出するステップと、
前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の特性評価のための要素となるパラメータを算出するステップと
を含むことを特徴とする超音波を利用した物体特性評価方法。
超音波を被検査物に照射し、得られた反射波に基づいて前記被検査物の特性を評価する装置であって、
既知の固有音響インピーダンスを有しかつ前記被検査物の表面からの反射波を反射可能な振動面を有し、電気信号を振動に変換して超音波を発生させるとともに、前記反射波を受信して電気信号に変換する超音波振動子と、
前記被検査物及び前記超音波振動子とは異なる既知の固有音響インピーダンスを有し、基端が前記超音波振動子の前記振動面に接合される一方、先端が前記被検査物に対して直接接触するように配置される超音波伝達体と、
前記超音波振動子の前記振動面での反射作用により前記超音波振動子に時間差で到達するｎ次反射波（ただしｎは自然数）及びｍ次反射波（ただしｍはｎよりも大きい自然数）に基づいて、それらの信号強度を検出する信号強度検出手段と、
前記ｎ次反射波の信号強度、前記ｍ次反射波の信号強度、前記超音波伝達体の固有音響インピーダンス及び前記超音波振動子の固有音響インピーダンスに基づいて、前記被検査物の特性評価のための要素となるパラメータを算出する演算手段と
を備えることを特徴とする超音波を利用した物体特性評価装置。