JP2015173879A - 音速測定装置、音速測定方法、及び音速測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】対象物における超音波の速度を正確に測定する。【解決手段】対象物に対して対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、対象物における超音波の速度を測定する音速測定装置を対象とする。音速測定装置１ｄは、受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が対象物を伝播したと仮定した場合における、複数の速度仮定値のそれぞれに対する受信信号の強度である強度スペクトラムを算出する強度スペクトラム算出部５８ａと、強度スペクトラムに基づき対象物における超音波の速度を算出する速度算出部６０ａと、を備えている。【選択図】図２９

Description

本発明は、対象物における超音波の速度を測定する音速測定装置、音速測定方法、及び音速測定プログラムに関する。

従来より、対象物における音速を測定する音速測定装置が知られている。例えば、特許文献１には、対象物としての骨の表面形状が曲線状であっても、骨の表面に沿って伝播する超音波の音速を精度良く導出可能な骨強度診断装置（音速測定装置）が開示されている。また、非特許文献１には、特異値分解を行うことにより、所望の低周波の対象波を、他の不要な波の影響を取り除いた状態で、正確に検出できる技術が開示されている。

米国特許８２４６５４２号明細書

Magali Sasso他４名、「DEVELOPMENT OF A MULTI-DIMENSIONAL SVD BASED TECHNIQUE FOR MULTI-RECEIVERS ULTRASOUND USED IN BONE STATUS CHARACTERIZATION」、IEEE、2006、P663-P666

ところで、特許文献１に記載の音速測定装置は、ノイズが多い環境においては、測定結果にバラつきが生じてしまう。また、非特許文献１に記載の技術では、対象波に対して不要波の強度が強いと、正確な測定が行えなくなる。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、対象物における超音波の速度を、ノイズ及び不要波の影響を極力受けることなく、正確に測定することである。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る音速測定装置は、対象物に対して該対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて前記対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記対象物における超音波の速度を測定する音速測定装置であって、前記受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、前記対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が前記対象物を伝播したと仮定した場合における、前記複数の速度仮定値のそれぞれに対する前記受信信号の強度である強度スペクトラムを算出する強度スペクトラム算出部と、前記強度スペクトラム算出部で算出された前記強度スペクトラムに基づき、前記対象物における超音波の速度を算出する速度算出部と、を備えている。

（２）好ましくは、前記音速測定装置は、前記複数の受信部のそれぞれで受信された各前記受信信号に対して、前記対象物に所定の入射角度で入射した超音波が各前記受信部に受信されるまでの伝搬経路に応じた伝搬時間で遅延処理を行うことにより、各前記受信信号のうち前記対象物に前記所定の入射角度で入射した超音波に基づく受信信号である対象受信信号の位相を揃える遅延処理部、を更に備え、前記強度スペクトラム算出部は、前記遅延処理が行われた前記受信信号に前記適応ビームフォーミング法を適用する。

（３）更に好ましくは、前記音速測定装置は、各前記対象受信信号の包絡線のピーク値に基づいて、各前記受信信号の増幅処理を行う増幅処理部、を更に備え、前記強度スペクトラム算出部は、前記遅延処理及び前記増幅処理が行われた各前記受信信号に前記適応ビームフォーミング法を適用する。

（４）好ましくは、前記速度算出部は、前記強度スペクトラム算出部で算出された前記強度スペクトラムのピーク値を検出し、該ピーク値における前記速度仮定値を、前記対象物における超音波の速度として算出する。

（５）好ましくは、前記音速測定装置は、各前記受信信号に基づいて生成される相関行列に対して、複数方向から到来する超音波の相関性を抑圧する相関性抑圧部、を更に備えている。

（６）更に好ましくは、前記相関性抑圧部は、前記相関行列に基づいて、複数方向から到来する超音波の相関性を抑圧する平均処理を行って平均相関行列を算出する平均相関行列算出部、を有している。

（７）好ましくは、前記音速測定装置は、前記伝搬時間を前記対象物の形状に基づいて導出する伝搬時間導出部を更に備えている。

（８）更に好ましくは、前記音速測定装置は、前記対象物に送信された超音波又は電磁波のエコーに基づいて前記対象物の形状を導出する形状検出部を更に備え、前記伝搬時間導出部は、前記形状検出部で導出された前記対象物の形状に基づいて前記伝搬時間を導出する。

（９）好ましくは、前記音速測定装置は、前記他の物質としての軟組織を介して前記対象物としての皮質骨に送信されて該皮質骨を伝播し、前記複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記皮質骨における超音波の速度を測定する。

（１０）好ましくは、前記音速測定装置は、前記送信部及び前記複数の受信部を有するプローブを更に備えている。

（１１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る音速測定方法は、対象物に対して該対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて前記対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記対象物における超音波の速度を測定する音速測定方法であって、前記受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、前記対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が前記対象物を伝播したと仮定した場合における、前記複数の速度仮定値のそれぞれに対する前記受信信号の強度である強度スペクトラムを算出するステップと、前記強度スペクトラムに基づき、前記対象物における超音波の速度を算出するステップと、を含む。

（１２）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る音速測定プログラムは、対象物に対して該対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて前記対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記対象物における超音波の速度を測定するための音速測定プログラムであって、前記受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、前記対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が前記対象物を伝播したと仮定した場合における、前記複数の速度仮定値のそれぞれに対する前記受信信号の強度である強度スペクトラムを算出するステップと、前記強度スペクトラムに基づき、前記対象物における超音波の速度を算出するステップと、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、対象物における超音波の速度を、ノイズ及び不要波の影響を極力受けることなく、正確に測定できる。

本発明の実施形態に係る骨強度診断装置の構成を示す模式図及びブロック図を、診断対象となる骨の概略形状の横断面図とともに示す図である。 形状検出部の構成を示すブロック図である。 アレイ振動子で送受信される超音波について説明するための模式図である。 図４（Ａ）は、表面反射波を受信している振動子組の近傍を拡大した模式図であり、図４（Ｂ）は振動子組を構成する２つの振動子に到来する表面反射波の伝播経路の差を説明する模式図である。 遅延時間算出処理部の構成を示すブロック図である。 送信専用振動子から送信された超音波が、ある振動子に到達するまでの複数の伝播経路を概念的に示した図である。 送信専用振動子が超音波を送信した後、各振動子が超音波を受信して出力する波形信号の波形を示すグラフである。 表面屈折波の伝播経路の算出方法を説明する模式図である。 仮定伝播時間ｔと、振動子２４ａからの距離ｘとの関係を示すｔ−ｘ曲線を示すグラフである。 複数の速度仮定値に対して算出された複数のｔ−ｘ曲線を示す図である。 処理対象信号生成部の構成を示すブロック図である。 処理対象信号生成部で行われる信号処理を説明するための図である。 遅延処理部による遅延処理を説明するためのグラフである。 増幅処理部による増幅処理を説明するためのグラフである。 速度算出処理部の構成を示すブロック図である。 速度算出処理部で行われる信号処理を説明するための図である。 相関行列生成部で生成される相関行列について説明するための図であって、超音波送受信器を模式的に示す図である。 強度スペクトラム算出部で算出された強度スペクトラムの一例を示す図である。 音速領域強度スペクトラム算出部で算出された音速領域強度スペクトラムの一例を示す図であって、図１８から生成された音速領域強度スペクトラムを示す図である。 骨強度診断装置の動作を説明するためのフローチャートである。 処理対象信号生成部の動作を説明するためのフローチャートである。 速度算出処理部の動作を説明するためのフローチャートである。 各振動子の受信信号に対してビームフォーミング法を適用することにより生成される強度スペクトラムの一例を示す図であって、図１８に対応させて示す図である。 図２３に示す強度スペクトラムから導出された音速領域強度スペクトラムの一例を示す図であって、図１９に対応させて示す図である。 変形例に係る骨強度診断装置の構成を示す模式図及びブロック図を、診断対象となる骨の概略形状の横断面図とともに示す図である。 変形例に係る骨強度診断装置の演算部の構成を示すブロック図である。 変形例に係る骨強度診断装置の構成を示すブロック図である。 変形例に係る骨強度診断装置の構成を示すブロック図である。 変形例に係る骨強度診断装置の構成を示すブロック図である。 変形例に係る骨強度診断装置の超音波送受信器の構成を模式的に示す図である。

本発明の実施形態に係る音速測定装置としての骨強度診断装置１は、例えば、脛骨、橈骨などの長管状の骨の皮質骨について骨強度を診断するものである（ただし、診断対象はこれらに限定されない）。以下、骨強度診断装置１の構成を説明する前に、まず、診断対象となる骨の形状について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る骨強度診断装置１の構成を示す模式図及びブロック図を、診断対象となる骨の概略形状の横断面図とともに示す図である。骨は、一般的に、皮質骨１０と、皮質骨１０の内側に存在する網目状の海綿骨１２とから構成されている。また、皮質骨１０の周囲は、筋肉や脂肪などの軟組織１１に覆われている。本実施形態の骨強度診断装置１は、軟組織１１の外側から皮質骨１０に対して超音波を放射し、当該皮質骨１０中の音速（骨速度ＳＯＳ）を測定するように構成されている。

図１の左側には、人体の脛の部分を骨の長手方向に直交する平面で切った断面が示されている。図１に示すように、皮質骨１０表面の輪郭形状は、径方向（骨の長手方向と直交する方向）に向かって膨らんだ穏やかな曲線状となっている。一方、図示は省略するが、骨の長手方向と平行な平面で切った断面において、皮質骨１０の表面輪郭はほぼ直線状となっている。

［骨強度診断装置の全体構成］
骨強度診断装置１では、該骨強度診断装置１で測定される皮質骨１０中の音速等に基づき、患者の骨の強度を診断可能なように構成されている。骨強度診断装置１は、図１に示すように、超音波送受信器２と、装置本体３とを備えている。

［超音波送受信器の構成］
超音波送受信器２は、超音波の送信及び受信を行うものである。この超音波送受信器２は、測定部位の軟組織１１の表面に当接する送受信面２ａと、送信専用振動子２１と、アレイ振動子２２と、遮音材２３と、を備えている。アレイ振動子２２は、１列に並んで配列された複数の振動子２４からなっている。また、送信専用振動子２１と遮音材２３は、アレイ振動子２２の配列方向に沿って並んで配置されている。なお、本実施形態で使用される振動子としては、電気信号を与えられるとその表面が振動して超音波を発射するとともに、その表面に超音波を受信すると電気信号を生成して出力するものが採用されている。

送信専用振動子（送信部）２１は、その表面が送受信面２ａに対して傾くように設置され、送受信面２ａから超音波を斜め方向に送信できるように構成されている。送信専用振動子２１としては、放射する超音波の指向性が弱い（超音波の角度範囲が広い）ものが用いられる。

アレイ振動子２２は、複数の振動子２４を備えている。各振動子２４は超音波を送信及び受信可能に構成されている。なお、以下の説明では、複数の振動子２４を区別する必要がある場合には、送信専用振動子２１に近い側から順に小文字のアルファベットを符号の末尾に付し、振動子２４ａ、振動子２４ｂ、振動子２４ｃ、・・・、振動子２４Ｎ、のように表記することがある。この振動子２４は、送受信面２ａと平行になるようにして等間隔で１列に並んで配置されている。

遮音材２３は板状に形成され、送信専用振動子２１とアレイ振動子２２との間に配置される。この遮音材２３は、送信専用振動子２１から送信された超音波が、超音波送受信器２内を伝播してアレイ振動子２２に直接到達してしまうことを防止するためのものである。なお、遮音材２３の材料としては、例えば、コルク、合成ゴム、多孔質材（例えば発泡樹脂）などの吸音作用を有する材料を用いることができる。

次に、装置本体３について説明する。装置本体３は、ケーブルによって超音波送受信器２と接続されており、当該超音波送受信器２との間で信号の送受信ができるように構成されている。具体的には、この装置本体３は、超音波制御部３０と、送信回路３１と、送信切替部３２と、複数の受信回路３３と、送受信分離部３４と、演算部３５と、を備えている。

送信回路３１は、送信専用振動子２１又はアレイ振動子２２を振動させて超音波を発生させるための電気パルス信号を生成するとともに、この電気パルス信号を送信切替部３２に送信するように構成されている。電気パルス振動の中心周波数は、例えば１〜１０ＭＨｚ程度である。なお、電気パルス信号の代わりに、例えばチャープ信号を用いても良い。

なお、アレイ振動子２２によって超音波を発生させる場合には、送信回路３１は、複数の振動子２４それぞれに対して任意のタイミングの電気パルス信号を生成することができるように構成されている。また、超音波制御部３０は送信回路３１に接続されており、複数の振動子２４から超音波を送信させるための制御信号を送信回路３１に送信するように構成されている。これにより、複数の振動子２４から、一斉に、あるいは個別のタイミングで超音波を送信するように制御することが可能となっている。

送信切替部３２は、送信回路３１から送信される電気パルス信号を、送信専用振動子２１又はアレイ振動子２２の何れに送信するかを切り替えるように構成されている。即ち、送信切替部３２によって、超音波の送信を行う振動子が選択される。

複数の受信回路３３は、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子２４にそれぞれ対応して接続されている。各受信回路３３は、１つの振動子２４が超音波を受信することにより出力する電気信号を受信し、当該電気信号に対して、増幅処理、フィルタ処理、デジタル変換処理などを施したデジタル信号を生成して演算部３５に送信するように構成されている。なお、アレイ振動子２２から直接出力される信号はアナログの波形信号であり、演算部３５に送信される信号は信号処理されたデジタルの波形信号であるが、以下の説明ではこれらを区別せず、単に「波形信号」と呼ぶことがある。

送受信分離部３４は、アレイ振動子２２と、前記送信回路３１及び前記受信回路３３と、の間に接続されている。この送受信分離部３４は、送信回路３１からアレイ振動子２２に送られる電気信号（電気パルス信号）が受信回路３３に直接流れるのを防止するとともに、アレイ振動子２２から受信回路３３に送られる電気信号が送信回路３１側に流れるのを防止するためのものである。

演算部３５は、形状検出部４０と、遅延時間算出処理部４５と、処理対象信号生成部５０と、速度算出処理部５５と、を有している。演算部３５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ（図示せず）等を含むハードウェアを用いて構成されている。また、演算部３５は、ＲＯＭに記憶された音速測定プログラムを含むソフトウェアを用いて構成されている。

上記音速測定プログラムは、本発明の一実施形態における音速測定方法を、演算部３５に実行させるためのプログラムである。このプログラムは、外部からインストールできる。このインストールされるプログラムは、例えば、記録媒体に格納された状態で流通する。上記ハードウェアとソフトウェアとは、協働して動作するように構成されている。これにより、演算部３５を、形状検出部４０、遅延時間算出処理部４５、処理対象信号生成部５０、及び速度算出処理部５５として機能させることができる。演算部３５では、これらの構成要素が所定の動作を行うことにより、皮質骨１０における超音波の速度（骨速度ＳＯＳ）を正確に計測することができる。計測された骨速度は、例えば、図示しない表示部に表示される。形状検出部４０、遅延時間算出処理部４５、処理対象信号生成部５０、及び速度算出処理部５５については、以下で順に詳しく説明する。

［形状検出部の構成］
形状検出部４０は、皮質骨１０の表面形状を検出可能に構成されている。形状検出部４０では、皮質骨１０のうち超音波送受信器２の送受信面２ａ側の部分の表面形状が検出される。

図２は、形状検出部４０の構成を示すブロック図である。形状検出部４０は、到来方向検出部４１と、到達時間検出部４２と、表面反射点検出部４３と、骨表面ライン検出部４４と、を有している。なお、以下では、まず、形状検出部４０で皮質骨１０の形状検出が行われる際に超音波送受信器２で送受信される超音波について説明する。その後、形状検出部４０の構成要素である到来方向検出部４１、到達時間検出部４２、表面反射点検出部４３、及び骨表面ライン検出部４４について説明する。

形状検出部４０が動作する際（すなわち、皮質骨１０の形状検出が行われる際）には、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子２４が、超音波を送信及び受信する。すなわち、振動子２４は、超音波を送信する送信部、及び超音波を受信する受信部、の双方として機能する。なお、皮質骨１０の形状検出の際には、送信専用振動子２１は超音波を送信しない。

図３は、皮質骨１０の形状検出が行われる際に、アレイ振動子２２で送受信される超音波について説明するための模式図である。図３（Ａ）は、アレイ振動子２２から超音波が送信されたときの様子を示す図、図３（Ｂ）は、アレイ振動子２２から送信された超音波が皮質骨１０の表面及び裏面で反射されたときの様子を示す図、である。

アレイ振動子２２によって超音波を送信する場合、送信切替部３２によって、超音波の送信を行う振動子としてアレイ振動子２２が決定される。そして、送信回路３１からのパルス信号がアレイ振動子２２に送られ、当該アレイ振動子２２を構成している複数の振動子２４が同時に同位相の超音波を骨に対して送信する。

複数の振動子２４が同時に送信することにより、図３（Ａ）に示すような平面波を発生させることができる。この平面波は送受信面２ａに平行な波であって、送受信面２ａと直交する向きに軟組織１１中を進行する。平面波は、皮質骨１０の表面及び裏面で図３（Ｂ）のように反射して、振動子２４に受信される。振動子２４に受信されたエコーは、受信回路３３によってデジタル信号に変換された後、形状検出部４０に出力される。

到来方向検出部４１は、複数の振動子２４のうち隣接する２つの振動子を１組として振動子組２５を決定し（図３参照）、各振動子組２５に到達する超音波の到来方向を検出する。なお、以下の形状検出部４０に関する説明において、アレイ振動子２２から送信された平面波が皮質骨１０の表面で反射して受信された超音波を表面反射波、同じく皮質骨１０の裏面で反射して受信された超音波を裏面反射波と称することがある。また、各振動子組２５を区別する必要がある場合には、送信専用振動子２１に近い側から順に大文字のアルファベットを符号の末尾に付し、振動子組２５Ａ、振動子組２５Ｂ、・・・のように表記することがある。

以下、図４を参照して具体的に説明する。図４（Ａ）は、表面反射波を受信している振動子組２５Ａの近傍を拡大した模式図、図４（Ｂ）は振動子組を構成する２つの振動子２４ａ，２４ｂに到来する表面反射波の伝播経路の差を説明する模式図である。ある振動子組２５において、隣接する２つの振動子２４に対する表面反射波の到来方向は近似している。例えば図４において、振動子組２５Ａを構成する振動子２４ａと振動子２４ｂには、それぞれ到来角度θ_aで表面反射波が到来したとみなすことができる。ここで、到来角度θ_aを求めるために、以下のような演算を行う。

まず、到来方向検出部４１は、振動子組２５Ａを構成する２つの振動子２４ａ，２４ｂが表面反射波のピークを検出する時間差Δｔを測定する。なお、前述のように、アレイ振動子２２から平面波を送信すると表面反射波及び裏面反射波が発生するが、表面反射波は裏面反射波よりも必ず先に受信されるから、表面反射波のピークを適切に検出することができる。

続いて、この時間差Δｔに基づいて、当該振動子組２５Ａに対する表面反射波の到来角度θ_aを求める。図４（Ｂ）に示すように、振動子２４ａと振動子２４ｂとの間隔をＷとすると、振動子２４ａには、振動子２４ｂと比べてＷsinθ_aだけ長い距離を伝播して表面反射波が到達する。ここで、軟組織中の音速をＳＯＳ_softとおくと、ＳＯＳ_softΔｔ＝Ｗsinθ_a、となるため、到来角度θ_aは、以下の（１）式によって求めることができる。

［数１］
θ_a＝arc sin（ＳＯＳ_softΔｔ／Ｗ） …（１）

到来方向検出部４１は、他の振動子組２５についても同様に到来角度を求める。なお、本実施形態では軟組織１１中の音速ＳＯＳ_softとしては経験により得られた値を用いているが、実測値を用いても良い。

到達時間検出部４２は、アレイ振動子２２によって超音波が送信されてから、振動子組２５に表面反射波が到達するまでの到達時間Ｔ_aを求める。本実施形態では、アレイ振動子２２によって超音波が送信されてから、振動子組２５を構成する２つの振動子２４それぞれに表面反射波が到達するまでの時間の平均値を、到達時間Ｔ_aとしている。なお、平均値に限らず、例えばどちらか一方の振動子２４に表面反射波が到達するまでの時間をそのまま到達時間Ｔ_aとして用いても良い。

表面反射点検出部４３は、到来角度θ_aと到達時間Ｔ_aに基づいて、各振動子組２５に到達した表面反射波の反射点Ｒ_aを検出する。

ここで、図４に示される平面内において、アレイ振動子２２が並んでいる方向をｘ軸とし、ｘ軸と直交する方向をｙ軸とする。そして、振動子組２５Ａから反射点Ｒ_aまでのｘ軸方向の距離をＸ、ｙ軸方向の距離をＹとおく。図４から明らかなように、表面反射波の伝播距離Ｌ_aは、Ｌ_a＝Ｙ＋Ｙ／cosθ_a、となる。一方、到達時間Ｔ_aと軟組織１１中の音速ＳＯＳ_softを用いると、Ｌ_a＝ＳＯＳ_soft×Ｔ_a、であるから、反射点Ｒ_aの位置を示す距離Ｘ，Ｙは、以下の（２）式で求めることができる。

［数２］
Ｙ＝ＳＯＳ_soft×Ｔ_a×cosθ／（１＋cosθ）
Ｘ＝Ｙ×tanθ＝ＳＯＳ_soft×Ｔ_a×sinθ／（１＋cosθ） …（２）

このように、平面波の到来角度θ_aと到達時間Ｔ_aに基づいて、反射点Ｒ_aの位置を算出することができる。そして、表面反射点検出部４３は、他の振動子組２５についても同様に反射点を求める。

骨表面ライン検出部４４は、表面反射点検出部４３が求めた複数の反射点を直線又は曲線で結ぶことにより、骨表面ラインを検出する。反射点は皮質骨１０表面上の点であるから、骨表面ラインは皮質骨１０の表面形状を表す。

［遅延時間算出処理部の構成］
図５（Ａ）は、遅延時間算出処理部４５の構成を示すブロック図である。遅延時間算出処理部４５は、図５（Ａ）に示すように、仮定伝播時間算出部４６（伝播時間導出部）と、遅延時間算出部４７と、を有している。

遅延時間算出処理部４５では、送信専用振動子２１から送信された超音波のうちの表面伝播波（詳しくは後述する）が各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…に到達するまでの時間が算出される。そして、遅延時間算出処理部４５では、送信専用振動子２１に最も近い振動子２４ａ（以下、基準振動子２４ａと称する場合もある）に表面伝播波が到達した時刻を基準とした、表面伝播波の各振動子２４ｂ，２４ｃ，…への到達遅延時間（遅延時間）が算出される。以下では、まず、送信専用振動子２１から送信された超音波が各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…に到達するまでの伝播経路について説明し、その後、仮定伝播時間算出部４６、及び遅延時間算出部４７について説明する。

図６は、送信専用振動子２１から送信された超音波が、ある振動子２４に到達するまでの複数の伝播経路を概念的に示した図である。送信専用振動子２１によって超音波を送信する場合、送信切替部３２によって、超音波の送信を行う振動子として送信専用振動子２１が決定される。そして、送信回路３１からのパルス信号が送信専用振動子２１に送られると、当該送信専用振動子２１は、パルス状に変調された超音波を、皮質骨１０に対して斜め方向に送信する。

図６に示すように、送信専用振動子２１から送信された超音波は、複数の伝播経路を経由してアレイ振動子２２に受信される。アレイ振動子２２に超音波が受信されると、各振動子２４からの波形信号が遅延時間算出処理部４５に送信される。なお、図６では、１つの振動子２４に到達する超音波の例のみを示しているが、実際は、すべての振動子２４のそれぞれに対して複数の経路で超音波が到達し得る。

送信専用振動子２１から送信された超音波が伝播する複数の経路について、図６を参照して説明する。図６に示すように、直接波は、送信専用振動子２１から送信された超音波が軟組織１１の表面に沿って伝播して、振動子２４に直接到達するものである。表面からの反射波は、送信専用振動子２１から送信された超音波が軟組織１１内を伝播し、皮質骨１０の表面（軟組織１１と皮質骨１０との境界面）で反射して振動子２４に到達するものである。また、裏面からの反射波は、軟組織１１中を伝播した超音波が、皮質骨１０内に入射して当該皮質骨１０内を伝播し、皮質骨１０の裏面（皮質骨１０と海綿骨１２との境界面）で反射した後、再び軟組織１１中に放射されて振動子２４に到達するものである。

また、送信専用振動子２１から送信された超音波が、軟組織１１中を伝播し、皮質骨１０に当たり、当該皮質骨１０表面近傍を伝播し、再び軟組織１１中に放射されて振動子２４に到達する場合もある。本明細書では、このような伝播経路を経て受信される超音波（対象超音波）を、表面伝播波と呼ぶ。表面伝播波には、漏洩表面波と表面屈折波の２通りの伝播経路がある。

皮質骨１０の表面に臨界角で超音波が当たると、皮質骨１０表面に表面波が発生する。この表面波は、軟組織１１側に所定方向（出射角が臨界角となる方向）に漏洩波を放射しつつ、皮質骨１０の表面に沿って伝播する。このとき振動子２４によって受信される漏洩波を、漏洩表面波と呼ぶ。一方、臨界角よりも小さい角度で皮質骨１０の表面に超音波が当たると、皮質骨１０表面で屈折する。このとき、臨界角に近い入射角で超音波が入射した場合は、皮質骨１０内であって当該皮質骨１０の表面近傍を伝播した後、皮質骨１０表面でアレイ振動子２２側に屈折して軟組織１１中に放射される。このとき受信される超音波を、本明細書では表面屈折波と呼ぶこととする。表面屈折波は、皮質骨１０の断面輪郭形状が曲線状の場合のみ発生する。

なお、骨の形状、受信する振動子２４の位置、及び送信専用振動子２１から送信される超音波の角度などの条件によっては、上記複数種類の超音波のうち、一部が発生しない場合や、発生しても振動子２４に受信されない場合が有り得る。ただし、本実施形態では、前述のように指向性の広い送信専用振動子２１を用いているので、超音波を臨界角又は臨界角に近い角度で皮質骨１０に当てることができる。これにより、漏洩表面波又は表面屈折波を確実に発生させ、複数の振動子２４のうち少なくとも何れか１つには漏洩表面波又は表面屈折波を到達させることができるようになっている。

次に、図７を参照して、それぞれの振動子２４が生成する信号波形について説明する。図７は、送信専用振動子２１が超音波を送信した後、各振動子２４が超音波を受信して出力する波形信号の波形を示すグラフである。各振動子２４の波形において、横軸ｔは時間であり、各波形信号の縦軸は当該波形信号の振幅を示している。また、グラフのｘ軸は、送信専用振動子２１に最も近い振動子である振動子２４ａ（基準振動子）から各振動子２４ｂ，２４ｃ，・・・までの距離を示している。

なお、受信する振動子２４が送信専用振動子２１から離れるに従い、波形信号の振幅は小さくなる。図７に示す波形の曲線は、便宜上、各波形信号に適当なゲインを掛けて、各波形信号の振幅が略同じになるように調整したものである。

図７に示すように、各振動子２４の波形信号には複数のピークが含まれている。図７においては、各振動子２４の波形信号に含まれるピークの位置を点線で繋いで、当該ピークが、直接波、表面からの反射波、裏面からの反射波、及び表面伝播波の何れによるものかを示している。なお、このグラフでは漏洩表面波と表面屈折波は区別しにくいので、２つをまとめて表面伝播波として示している。

仮定伝播時間算出部４６の動作の概略を説明する。仮定伝播時間算出部４６は、皮質骨１０における超音波の速度がある値（速度仮定値）であると仮定し、送信専用振動子２１から送信された表面伝播波の各振動子２４ａ，２４ｂ，…への伝播時間を算出する。そして、仮定伝播時間算出部４６は、上記速度仮定値をスキャンすることにより徐々に変化させながら、皮質骨１０における表面伝播波の速度が各速度仮定値ＳＯＳ_temp-m（ｍ＝１，２，…，Ｍ）であると仮定した場合における、各振動子２４ａ，２４ｂ，…への表面伝播波の伝播時間ｔ_ｍｎを算出する。ここで、ｎ＝ａ，ｂ，…，Ｎであり、各アルファベットは、振動子２４ａ，２４ｂ，…２４Ｎに対応している。すなわち、仮定伝播時間算出部４６は、速度仮定値が、ＳＯＳ_temp-1，ＳＯＳ_temp-2，…，ＳＯＳ_temp-M、のそれぞれの場合において、表面伝播波の各振動子２４ａ，２４ｂ，…への伝播時間ｔ_ｍｎを算出する。

仮定伝播時間算出部４６の動作を、以下で順を追って詳しく説明する。仮定伝播時間算出部４６は、仮定伝播時間を求めるために、まず、表面伝播波の伝播経路を求める。即ち、皮質骨１０の表面形状と、骨速度と、軟組織１１中の音速と、が既知であれば、公知のスネルの法則により、送信専用振動子２１から各振動子２４まで表面伝播波が伝播する経路を、一意に求めることができる。

ここで、骨形状は、形状検出部４０が検出した骨表面ラインを用いる。骨速度としては、骨速度の経験値に基づいて設定された所定範囲内から適当な値を速度仮定値として仮定して計算に用いる。軟組織１１中の音速としては、本実施形態では経験値を用いているが、予め測定しておいた値を用いても良い。また、軟組織１１中の音速は、送信専用振動子２１又はアレイ振動子２２によって超音波を送信し、アレイ振動子２２によって受信することにより測定することもできる。

なお、上記で説明したように、各振動子２４が受信する表面伝播波には、伝播経路の違いによって漏洩表面波と表面屈折波の２種類が存在する。本実施形態では、表面屈折波の伝播経路を計算するものとして説明する。

以下、図８を参照して説明する。図８は、表面屈折波の伝播経路の算出方法を説明する模式図である。

仮定伝播時間算出部４６は、表面屈折波の伝播経路を決定するために、まず、送信専用振動子２１からの超音波が皮質骨１０の内部に入射する入射点Ｐ_inを決定する。

なお、入射点Ｐ_inは、アレイ振動子２２の直下から外れた位置にあるので、アレイ振動子２２から平面波を送信して表面反射波を検出する方法（形状検出部４０による皮質骨表面形状の検出）では、当該入射点Ｐ_in近傍の表面形状を取得することができない。そこで本実施形態では、入射点Ｐ_in近傍の形状を、形状検出部４０が求めた骨表面ラインに基づいて予測しておく。図８には、予測された骨表面ラインが破線で示されている。

次に、仮定伝播時間算出部４６は、この予測したラインに対して超音波が入射する位置（入射点Ｐ_in）を求める。超音波は、臨界角θ_cよりも小さい任意の角度で皮質骨１０の内部に入射することが可能である。ただし、表面屈折波が振動子２４に受信されるのは、臨界角θ_cに近い入射角で皮質骨１０内に超音波が入射した場合に限られる。そこで本実施形態では、臨界角θ_cで皮質骨１０内に超音波が入射するものと近似して入射位置を求める。臨界角θ_cは、骨速度と軟組織中の音速とによって決まるものであるから、骨速度を仮定することにより（ここでは、骨速度を速度仮定値ＳＯＳ_temp-１とする）、入射点Ｐ_inを一意に求めることができる。

続いて、仮定伝播時間算出部４６は、骨表面ライン上に任意の点Ｐ_outを設定する。入射点Ｐ_inから点Ｐ_outまでの直線距離が、皮質骨１０内を超音波が伝播する距離である。

そして、仮定伝播時間算出部４６は、Ｐ_outから超音波が軟組織１１側に放射されるときの角度を求める。超音波が放射されるときの角度は、スネルの法則により一意に求めることができる。具体的には、軟組織中の音速をＳＯＳ_softとすると、皮質骨１０から軟組織１１側に超音波が出射する際の屈折角β₁と入射角β₂の関係は、sinβ₁／ＳＯＳ_soft＝sinβ₂／ＳＯＳ_temp-１、である。入射角β₂は、直線Ｐ_inＰ_outの傾きと、骨表面ラインの形状から求めることができる。従って、上記の式により屈折角β₁を求めることができる。

ここで、図８に示すように、基準振動子２４ａの位置を原点として、アレイ振動子２２が並んでいる方向にｘ軸をとる。屈折角β₁と骨表面ラインの形状が分かっているので、点Ｐ_outから放射された超音波がｘ軸と交わる点Ｐ_xが決まる。

従って、仮定伝播時間算出部４６は、以上で説明した演算処理により、骨における超音波の速度がある値（ある速度仮定値ＳＯＳ_temp-m）であると仮定した場合における、送信専用振動子２１から点Ｐ_xまでの表面屈折波の伝播経路を求めることができる。

なお、入射点Ｐ_inを求める際に、上記のように臨界角θ_cで皮質骨１０内に超音波が入射するものと近似するのは、計算を容易にするためであり、計算される伝播経路は近似的な値となる。一方、皮質骨１０への入射角を臨界角θ_cで近似せずに、伝播経路を厳密に計算することも可能である。即ち、皮質骨１０の表面形状が既知であれば、皮質骨１０への入射角を変化させながらスネルの法則を２回用いることにより、送信専用振動子２１から点Ｐ_xまでの伝播経路を厳密に計算することができる。この場合、入射点Ｐ_inは点Ｐ_xによって変化する。ただし、このような伝播経路の厳密な計算は、臨界角θ_cで入射角を近似する計算方法と比べて処理時間が掛かる。本実施形態では、近似的な計算方法と厳密な計算方法のどちらかを選択して伝播経路を計算することができるように構成されている。

そして、仮定伝播時間算出部４６は、求めた伝播経路に基づいて、送信専用振動子２１によって超音波が送信されてから、表面屈折波が点Ｐ_xに到達するまでの伝播時間を求める。即ち、（点Ｐ_xまでの伝播時間）＝（軟組織中を伝播する距離）／ＳＯＳ_soft＋（皮質骨中を伝播する距離）／ＳＯＳ_temp-１、となる。

仮定伝播時間算出部４６は、Ｐ_outの位置を変えながら上記伝播時間の計算を繰り返す。これにより、点Ｐ_xの位置を変えながら、それぞれの点Ｐ_xまでの表面屈折波の伝播時間を求めることになるので、図９に示すようなｔ−ｘ曲線を求めることができる。なお、図９の縦軸ｘは、振動子２４ａからの距離であり、横軸ｔは、送信専用振動子２１が超音波を送信してから前記ｘ軸に表面屈折波が到達するまでの伝播時間である。

仮定伝播時間算出部４６は、各振動子２４に対して表面屈折波が到達するまでの時間（仮定伝播時間）を求める。即ち、各振動子２４のｘ座標（振動子２４ａからの距離）は既知であるから、ｔ−ｘ曲線を参照することにより、各振動子２４の仮定伝播時間を求めることができる。これにより、仮定伝播時間算出部４６は、骨速度がＳＯＳ_temp-１であると仮定した場合における、表面伝播波の各振動子２４ａ，２４ｂ，…への仮定伝播時間を算出する。

そして、仮定伝播時間算出部４６は、速度仮定値を複数、設定し（ＳＯＳ_temp-１，ＳＯＳ_temp-２，…，ＳＯＳ_temp-Ｍ，）、各速度仮定値に対応する仮定伝播時間を算出する。具体的には、仮定伝播時間算出部４６は、各速度仮定値ＳＯＳ_temp-m（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対応する、各振動子２４ａ，２４ｂ，…への表面伝播波の仮定伝播時間ｔ_ｍａ，ｔ_ｍｂ，…，ｔ_ｍＮ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を算出する（図１０参照）。

遅延時間算出部４７は、表面伝播波が基準振動子２４ａに到達する時刻を基準とした、その他の振動子２４ｂ，２４ｃ，…へ到達する表面伝播波の遅延時間を算出する。具体的には、遅延時間算出部４７は、振動子２４ｂ，２４ｃ，…への表面伝播波の伝播時間から、基準振動子２４ａへの表面伝播波の伝播時間を減算する。

そして、遅延時間算出部４７は、各速度仮定値ＳＯＳ_temp-m（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対応して算出された各振動子２４ａ，２４ｂ，…の仮定伝播時間ｔ_ｍａ，ｔ_ｍｂ，…，ｔ_ｍＮ，に基づいて、各速度仮定値ＳＯＳ_temp-mに対応する、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…への表面伝播波の遅延時間Δｔ_ｍｎ（ｍ＝１，２，…，Ｍ、ｎ＝ｂ，ｃ，…，Ｎ）、を算出する。

［処理対象信号生成部の構成］
処理対象信号生成部５０は、送信専用振動子２１から送信されて各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…に到達する超音波から得られる受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）と、遅延時間算出処理部４５で算出された遅延時間Δｔ_ｍｎ（ｍ＝１，２，…，Ｍ、ｎ＝ｂ，ｃ，…，Ｎ）とに基づき、速度算出処理部５５での処理対象となる処理対象信号を生成する。但し、受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）において、ｘ＝ｘ_ａ，ｘ_ｂ，…，ｘ_Ｎ、であり、ここでの下付きのアルファベットは、それぞれ、振動子２４ａ，２４ｂ，…，２４Ｎの各アルファベットに対応して付されている。例えば、Ｓ（ｘ_ａ，ｔ）は、ある時刻ｔにおいて振動子２４ａによって受信される波形から生成される受信信号を示し、Ｓ（ｘ_ｂ，ｔ）は、ある時刻ｔにおいて振動子２４ｂによって受信される波形から生成される受信信号を示す。

図１１は、処理対象信号生成部５０の構成を示すブロック図であり、図１２は、処理対象信号生成部５０で行われる信号処理を説明するための図である。処理対象信号生成部５０は、遅延処理部５１と、ＩＱサンプリング部５２と、増幅処理部５３と、を有している。

遅延処理部５１は、図１２に示すように、上述した受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）に対して、以下で詳しく説明する遅延処理を行うことにより、複数の第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ），Ｓ_２（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ（ｘ，ｔ）、を生成する。

図１３は、遅延処理部５１による遅延処理を説明するためのグラフであって、破線の波形は、遅延処理が行われる前の各振動子の受信信号を示し、実線の波形は、遅延処理が行われた後の各振動子の受信波形を示す。なお、図１３では、説明の便宜上、表面伝播波のみを図示している。

遅延処理部５１は、振動子２４ｂ，２４ｃ，…に到達する超音波の受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）に対して遅延処理を行う。具体的には、遅延処理部５１は、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…の受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）の位相を、遅延時間算出部４７で算出された各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に対応する遅延時間分だけずらす処理を行う。これにより、各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…で受信された表面伝播波の位相を揃えることができる。

図１２及び図１３を参照して、遅延処理部５１は、遅延時間Δｔ_１ｎ，Δｔ_２ｎ，…，Δｔ_Ｍｎ（ｎ＝ｂ，ｃ，…，Ｎ）を用いて遅延処理を行う。具体的には、遅延処理部５１は、図１３に示すように、受信信号Ｓ（ｘ_ｂ，ｔ），Ｓ（ｘ_ｃ，ｔ），…，Ｓ（ｘ_Ｎ，ｔ）、のそれぞれに対して、遅延時間Δｔ_１ｂ，Δｔ_１ｃ，…，Δｔ_１Ｎ、を用いて遅延処理を行うことにより、第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ）（ｘ＝ｘ_ａ，ｘ_ｂ，…，ｘ_Ｎ）を生成する。これと同様にして、遅延処理部５１は、受信信号Ｓ（ｘ_ｂ，ｔ），Ｓ（ｘ_ｃ，ｔ），…，Ｓ（ｘ_Ｎ，ｔ）、のそれぞれに対して、遅延時間Δｔ_２ｂ，Δｔ_２ｃ，…，Δｔ_２Ｎ、を用いて遅延処理を行うことにより、第１中間信号Ｓ_２（ｘ，ｔ）（ｘ＝ｘ_ａ，ｘ_ｂ，…，ｘ_Ｎ）を生成する。遅延処理部５１は、この処理を繰り返すことにより、第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ），Ｓ_２（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ（ｘ，ｔ）、を生成する。なお、これらの複数の第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ），Ｓ_２（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ（ｘ，ｔ）は、それぞれ、各速度仮定値ＳＯＳ_temp-1，ＳＯＳ_temp-2，…，ＳＯＳ_temp-M、に対応して生成されたものである。

ＩＱサンプリング部５２は、遅延処理部５１で生成された各第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ），Ｓ_２（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ（ｘ，ｔ）をＩＱサンプリングすることにより、実数の受信波形を複素数に変換して第２中間信号Ｓ_１’（ｘ，ｔ），Ｓ_２’（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ’（ｘ，ｔ）を生成する。なお、当該ＩＱサンプリング部５２は、省略することもできる。

図１４は、増幅処理部５３による増幅処理を説明するためのグラフであって、（Ａ）は、増幅処理を行う前の信号波形を示す図、（Ｂ）は、増幅処理を行った後の信号波形を示す図、である。増幅処理部５３は、各速度仮定値に対応する第２中間信号Ｓ_１’（ｘ，ｔ），Ｓ_２’（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ’（ｘ，ｔ）のそれぞれに対して、所定の増幅処理を行う。

具体的には、図１４に示すように、増幅処理部５３は、遅延処理後の各第２中間信号Ｓ_１’（ｘ，ｔ），Ｓ_２’（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ’（ｘ，ｔ）の包絡線のピーク値が同じ値となるように、各第２中間信号Ｓ_１’（ｘ，ｔ），Ｓ_２’（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ’（ｘ，ｔ）に対して増幅処理を行う。このように増幅処理が行われた各第２中間信号は、図１２に示すように、以下で説明する速度算出処理部での処理対象となる処理対象信号Ｓ_ｍ”（ｘ，ｔ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）として、速度算出処理部５５に出力される。

［速度算出処理部の構成］
図１５は、速度算出処理部５５の構成を示すブロック図であり、図１６は、速度算出処理部５５で行われる信号処理を説明するための図である。速度算出処理部５５は、皮質骨１０内における超音波の速度ＳＯＳを算出するための処理を行うように構成されている。速度算出処理部５５は、相関行列生成部５６と、空間平均処理部５７と、強度スペクトラム算出部５８と、音速領域強度スペクトラム算出部５９と、速度算出部６０と、を有している。

図１７は、相関行列生成部５６で生成される相関行列について説明するための図であって、超音波送受信器２を模式的に示す図である。相関行列生成部５６は、処理対象信号生成部５０で生成された各振動子２４に対応する処理対象信号から、相関行列を生成する。具体的には、相関行列生成部５６は、図１７に示すように、一列に並んだ複数（例えば、Ｎ個）の振動子２４から、Ｋ個の振動子２４で構成されたサブアレイを１個ずつずらしながらＪ個、すなわち（Ｎ−Ｋ−１）個、取り出す。そして相関行列生成部５６は、各サブアレイＳｕｂ_１，Ｓｕｂ_２，…，Ｓｕｂ_Ｊに対応する相関行列Ｒ_ｍｓｕｂ_１（ｔ），Ｒ_ｍｓｕｂ_１（ｔ），…，Ｒ_ｍｓｕｂ_Ｊ（ｔ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を生成する。

空間平均処理部５７は、相関行列生成部５６で生成された複数の相関行列を平均する処理（空間平均処理）を行う。これにより、空間平均処理部５７は、空間平均相関行列Ｒ_ｍ’（ｔ）を算出する。空間平均処理部５７は、時刻ｔ毎及び速度仮定値ＳＯＳ_temp毎に異なる空間平均相関行列を生成する。

強度スペクトラム算出部５８は、空間平均処理部５７で算出された、時刻毎及び速度仮定値毎に異なる空間平均相関行列Ｒ_ｍ’（ｔ）に対して、例えばＣａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ法、Ｐｒｏｎｙ法等の適応ビームフォーミング法を適用して超解像処理を行うことにより、時間領域である第１軸と、骨速度領域（速度仮定値領域）である第２軸とで特定される２次元領域の強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）を算出する。なお、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ法、Ｐｒｏｎｙ法等による超解像処理については、公知の手法であるため、その説明を省略する。

図１８は、強度スペクトラム算出部５８で算出された強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）の一例を示す図である。図１８では、信号強度が高い領域を濃いハッチングで示し、信号強度が低い領域を薄いハッチングで示している。図１８に示すように、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）のうち信号強度が高い部分は、比較的狭い２次元領域内で分布している。

音速領域強度スペクトラム算出部５９は、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）の強度が最大となるｔ（＝ｔ_０）を検出する。そして、音速領域強度スペクトラム算出部５９は、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）においてｔ＝ｔ_０となる断面を、音速領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ）として算出する。

図１９は、音速領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ）の一例を示す図である。図１９に示すように、音速領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ）のうち信号強度が高い部分は、比較的狭い音速領域内で分布している。

速度算出部６０は、音速領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ）のピーク値を検出し、当該ピーク値のときの仮定音速値ＳＯＳ_ｔｅｍｐを、骨における超音波の音速値（確定音速値ＳＯＳ）として確定する。

［骨強度診断装置の動作］
図２０は、骨強度診断装置１の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、骨強度診断装置１の動作について説明する。

まず、ステップＳ１で、測定部位に対して超音波送受信器２がセットされる。この際、測定部位の皮膚表面（即ち、軟組織１１の外側表面）に超音波ゼリーを塗布し、当該皮膚表面に送受信面２ａを当接させる。これにより、軟組織１１と送受信面２ａとの間に隙間が生じるのを防止でき、且つ送受信面２ａと軟組織１１との間の音響インピーダンスを整合することができるため、超音波が軟組織１１の表面で反射するのを抑制できる。

次に、ステップＳ２で、形状検出部４０によって皮質骨１０の表面形状が検出される。具体的には、ステップＳ２では、アレイ振動子２２の各振動子２４から超音波が送信されるとともに、該超音波のエコーが各振動子２４によって受信される。ステップＳ２では、形状検出部４０が、このように受信されたエコーに基づき、皮質骨１０の表面形状を検出する。

次に、ステップＳ３で、送信専用振動子２１が超音波を送信し、ステップＳ４で、各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…が、送信専用振動子２１から送信された超音波を受信する。各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…で受信された超音波から生成された受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）は、処理対象信号生成部５０に出力される。なお、図２０に示すフローチャートでは、ステップＳ２が行われた後にステップＳ３及びステップＳ４が行われている例を示しているが、これに限らない。具体的には、ステップＳ３及びステップＳ４は、ステップＳ２と並行して、又はステップＳ２が行われる前に、行われてもよい。

一方、ステップＳ２の後、ステップＳ５で、遅延時間算出処理部４５が、基準振動子２４ａに到達する表面屈折波の到達時刻を基準とした、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に到達する表面屈折波の遅延時間を算出する。具体的には、ステップＳ５では、遅延時間算出処理部４５を構成する仮定伝播時間算出部４６及び遅延時間算出部４７が、上述のように動作する。これにより、ステップＳ５では、速度仮定値ＳＯＳ_temp-1，ＳＯＳ_temp-2，…，ＳＯＳ_temp-M毎に算出された、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に対応する遅延時間Δｔ_ｍｎが算出される。なお、図２０に示すフローチャートでは、ステップＳ５がステップＳ３及びステップＳ４と並行して行われている例を示しているが、これに限らない。具体的には、ステップＳ５は、ステップＳ３及びステップＳ４が行われる前に、又はステップＳ３及びステップＳ４が行われた後に、行われてもよい。

次に、ステップＳ１０で、処理対象信号生成部５０が、速度算出処理部５５での処理対象となる信号（処理対象信号）を生成する。図２１は、ステップＳ１０に含まれる各ステップの動作を説明するためのフローチャートであって、処理対象信号生成部５０の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、図２１を参照して、処理対象信号生成部５０の動作を説明する。

まず、ステップＳ１１で、処理対象信号生成部５０が、ステップＳ４において各振動子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，…で受信された受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）と、ステップＳ５で算出された遅延時間Δｔ_ｍｎとに基づいて、遅延処理を行う。具体的には、図１３を参照して、処理対象信号生成部５０は、各受信信号Ｓ（ｘ_ｂ，ｔ），Ｓ（ｘ_ｃ，ｔ）…の位相を、それぞれ、Δｔ_１ｂ，Δｔ_１ｃ，…だけずらすことにより、各受信信号の位相を揃えて、第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ）（ｘ＝ｘ_ａ，ｘ_ｂ，…，ｘ_Ｎ）を生成する。そして、ステップＳ１１では、図１３に示すように、各速度仮定値ＳＯＳ_temp-1，ＳＯＳ_temp-2，…，ＳＯＳ_temp-Mにおいて同様の動作を行うことにより、各速度仮定値に対応する第１中間信号Ｓ_ｍ（ｘ，ｔ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を生成する。

次に、ステップＳ１２で、ＩＱサンプリング部５２が、各第１中間信号Ｓ_１（ｘ，ｔ），Ｓ_２（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ（ｘ，ｔ）をＩＱサンプリングすることにより、実数の受信波形を複素数に変換して第２中間信号Ｓ_１’（ｘ，ｔ），Ｓ_２’（ｘ，ｔ），…，Ｓ_Ｍ’（ｘ，ｔ）を生成する。

次に、ステップＳ１３で、増幅処理部５３は、図１４に示すように、各第２中間信号Ｓ_ｍ’（ｘ，ｔ）…の包絡線を検出する。

次に、ステップＳ１４で、増幅処理部５３は、各第２中間信号Ｓ_ｍ’（ｘ_ａ，ｔ），Ｓ_ｍ’（ｘ_ｂ，ｔ），…，Ｓ_ｍ’（ｘ_Ｎ，ｔ）に乗算されるゲインを算出する。具体的には、図１４を参照して、増幅処理部５３は、基準振動子２４ａに対応する第２中間信号Ｓ_ｍ’（ｘ_ａ，ｔ）の包絡線のピーク値Ａを、各第２中間信号の包絡線のピーク値Ａ，Ｂ，Ｃ，…で除算した値を、各第２中間信号Ｓ_ｍ’（ｘ_ａ，ｔ），Ｓ_ｍ’（ｘ_ｂ，ｔ），…，Ｓ_ｍ’（ｘ_Ｎ，ｔ）に対応するゲインとして算出する。

そして、ステップＳ１５で、増幅処理部５３は、上述のように算出したゲインを、各第２中間信号Ｓ_ｍ’（ｘ_ａ，ｔ），Ｓ_ｍ’（ｘ_ｂ，ｔ），…，Ｓ_ｍ’（ｘ_Ｎ，ｔ）に乗算することにより、処理対象信号Ｓ_ｍ”（ｘ，ｔ）を生成する。

次に、ステップＳ２０で、速度算出処理部５５が、皮質骨１０における超音波の速度（骨速度）を算出する。図２２は、ステップＳ２０に含まれる各ステップの動作を説明するためのフローチャートであって、速度算出処理部５５の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、図２２を参照して、速度算出処理部５５の動作を説明する。

まず、ステップＳ２１で、相関行列生成部５６は、相関行列を生成する。具体的には、相関行列生成部５６は、図１７のように取り出すことができる複数のサブアレイＳｕｂ_１，Ｓｕｂ_２，…，Ｓｕｂ_Ｊのそれぞれについて、図１６に示すように、相関行列Ｒ_ｍｓｕｂ_１（ｔ），Ｒ_ｍｓｕｂ_２（ｔ），…，Ｒ_ｍｓｕｂ_Ｊ（ｔ）を算出する。相関行列生成部５６は、各速度仮定値及び各時刻で、相関行列Ｒ_ｍｓｕｂ_１（ｔ），Ｒ_ｍｓｕｂ_２（ｔ），…，Ｒ_ｍｓｕｂ_Ｊ（ｔ）を算出する。

次に、ステップＳ２２で、空間平均処理部５７は、ステップＳ２１で生成された相関行列を、図１６に示すように空間平均処理することにより、空間平均相関行列Ｒ_１’（ｔ），Ｒ_２’（ｔ），…，Ｒ_Ｍ’（ｔ）を算出する。これにより、ステップＳ２２では、時刻ｔ毎及び速度仮定値ＳＯＳ_temp毎に異なる空間平均相関行列が生成される。

次に、ステップＳ２３で、強度スペクトラム算出部５８は、時刻ｔ毎及び速度仮定値ＳＯＳ_temp毎に生成された空間平均相関行列のそれぞれに対して、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ法、Ｐｒｏｎｙ法等の適応ビームフォーミング法を適用して超解像処理を行う。これにより、強度スペクトラム算出部５８は、時間領域ｔ及び骨速度領域ＳＯＳ_tempで特定される２次元領域の強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）を算出する（図１８参照）。

次に、ステップＳ２４で、音速領域強度スペクトラム算出部５９は、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）の強度が最大となるｔ（＝ｔ_０）を検出する。そして、音速領域強度スペクトラム算出部５９は、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ｔ）においてｔ＝ｔ_０となる断面を、音速領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ）として算出する（図１９参照）。

次に、ステップＳ２５で、速度算出部６０は、音速領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ）のピーク値を検出し、当該ピーク値のときの仮定音速値ＳＯＳ_ｔｅｍｐを、骨における超音波の音速値（確定音速値ＳＯＳ）として確定する。このように算出されたＳＯＳは、図示しない表示部に表示される。ユーザ（例えば医師）は、当該ＳＯＳの値に基づき、患者の皮質骨１０の骨強度を診断する。

ところで、従来の骨強度診断装置では、例えば一例として、各振動子で受信される超音波から生成される受信信号に対して、いわゆるビームフォーミング法を適用して骨速度ＳＯＳを導出している。この場合、強度スペクトラムは、図２３に示すように、図１８に示す強度スペクトラム（適応ビームフォーミングを適用することにより生成された強度スペクトラム）と比べると、ノイズ等の影響により、２次元領域の広範囲に亘って分布することになる。そうなると、音速領域強度スペクトラムは、図２４に示すように、図１９に示す音速領域強度スペクトラムと比べると、音速領域の広範囲に亘って分布する。このことは、図２４に示す音速領域スペクトラムのピーク値から検出される骨速度ＳＯＳの値のバラつきが大きくなり易い（再現性が低い）ことを意味する。すなわち、従来の骨強度診断装置では、測定毎に発生するＳＯＳ値のバラつきが比較的大きくなってしまう。

これに対して、本実施形態に係る骨強度診断装置１では、各振動子２４ａ，２４ｂ，…で受信される超音波から生成される受信信号に対して、上述のように適応ビームフォーミング法を適用している。これにより、図２４に示すように、音速領域における強度スペクトラムの分布範囲が狭くなる。つまり、本実施形態に係る骨強度診断装置１によれば、測定毎に発生するＳＯＳ値のバラつきを小さくできるため、装置に対する信頼性を向上できる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る骨強度診断装置１では、各振動子２４ａ，２４ｂ，…に対して適応ビームフォーミングを適用している。そして、皮質骨１０において想定されうる複数の音速仮定値ＳＯＳ_temp-m（ｍ＝１，２，…Ｍ）のそれぞれで超音波が皮質骨１０を伝播したと仮定した場合における、複数の速度仮定値ＳＯＳ_temp-mのそれぞれに対応する強受信信号の強度を、強度スペクトラムとして算出している。そして、当該強度スペクトラムに基づき、皮質骨１０における超音波の骨速度ＳＯＳを算出している。こうすると、上述のように、測定毎に発生するＳＯＳ値のバラつきを小さくできる。

従って、骨強度診断装置１では、骨速度ＳＯＳを、ノイズ及び不要波の影響を極力受けることなく、正確に測定できる。

また、骨強度診断装置１では、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に対して上述のような遅延処理を行っているため、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に伝播する表面伝播波の位相を揃えることができる。これにより、上述のような適応ビームフォーミングによる超解像処理を行いやすくなる。

また、骨強度診断装置１では、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に対して上述のような増幅処理を行っているため、強度スペクトラムの分解能が低減するのを抑制できる。

また、骨強度診断装置１では、音速領域強度スペクトラムのピーク値を検出し、該ピーク値における速度仮定値ＳＯＳ_tempを骨速度ＳＯＳとして確定しているため、骨速度を適切に確定することができる。

また、骨強度診断装置１では、上述のような相関性抑圧処理（平均処理、本実施形態における空間平均処理）を行っているため、各振動子２４ａ，２４ｂに帰来する表面波と不要な波を分離することができる。

また、骨強度診断装置１では、各振動子２４ａ，２４ｂ，…に伝播する表面伝播波の伝播時間を、皮質骨１０の表面形状に基づいて導出しているため、該伝播時間を正確に導出できる。

また、骨強度診断装置１では、形状検出部４０により導出された皮質骨１０の表面形状に基づいて前記伝播時間を導出しているため、該伝播時間をより正確に導出できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

［変形例］
（１）図２５は、変形例に係る骨強度診断装置１ａを説明するための図であって、図１に対応させて示す図である。骨強度診断装置１ａは、骨速度ＳＯＳだけでなく、広帯域超音波減衰係数（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ、以下ＢＵＡと称する場合もある）も計測可能に構成されている。ＢＵＡは、骨速度ＳＯＳと同様、骨強度を診断するための指標として用いられる。変形例に係る骨強度診断装置１ａは、上記実施形態に係る骨強度診断装置１と比べて、演算部の構成が異なっている。以下では、上記実施形態と異なる箇所について主に説明し、それ以外の箇所については、説明を省略する。

本変形例に係る骨強度診断装置１ａの演算部３５ａは、図２５に示すように、形状検出部４０と、処理対象信号生成部６１と、速度算出処理部６５と、を備えている。処理対象信号生成部６１及び速度算出処理部６５は、上記実施形態の処理対象信号生成部５０及び速度算出処理部５５と比べて、構成が異なっている。

図２６は、本変形例に係る骨強度診断装置１ａの演算部３５ａの構成を詳細に示すブロック図である。図２６に示すように、処理対象信号生成部６１は、フーリエ変換部６２と、伝達関数生成部６３と、デコンボリューション部６４と、を備えている。

フーリエ変換部６２は、受信回路３３で受信された受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）をフーリエ変換し、Ｓ（ｘ，ω）を生成する。

伝達関数生成部６３は、形状検出部４０で検出された骨形状に基づき、伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）を生成する。なお、本明細書中における伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）は、基準信号Ｒ（ｊω）と受信信号Ｆ_ｎ（ｊω）との差異をモデル化したものであり、以下のように表せる。ここで、基準信号Ｒ（ｊω）とは、基準振動子２４ａで受信される信号を示し、受信信号Ｆ_ｎ（ｊω）とは、振動子２４ａ以外の振動子２４ｂ，２４ｃ，…，２４Ｎで受信される信号を示す。

［数３］
Ｆ_ｎ（ｊω）＝Ｈ_ｎ（ｊω）Ｒ（ｊω） …（３）

そして、伝達関数生成部６３は、各振動子に伝播する表面伝播波の遅延時間、及び前記各振動子に伝播する表面伝播波に乗算されるゲイン（減衰による表面伝播波の振幅の変化）を考慮に入れて伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）を生成する。具体的には、伝達関数は、例えば一例として、以下のように表すことができる。

なお、式（４）において、ｘ_ｎ（ｎ＝ｂ，ｃ，…）は、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に到達する表面伝播波の伝播経路において該表面伝播波が皮質骨１０中を伝播する距離である。また、ｘ_０は、基準となる振動子２４ａに到達する表面伝播波の伝播経路において該表面伝播波が皮質骨１０中を伝播する距離である。

式（４）における（ａ）の部分は、皮質骨１０中のＢＵＡの仮定値がＢＵＡ_tempであると仮定した場合における周波数の減衰を表している。また、（ｂ）の部分は、表面伝播波が皮質骨１０中を速度仮定値ＳＯＳ_tempで伝播していると仮定した場合における、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に到達する表面伝播波の位相の遅れを表している。すなわち、（ｂ）の部分では、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に到達する表面伝播波の遅延時間が考慮されている。また、（ｃ）の部分は、皮質骨１０中を伝播する表面伝播波の振幅の減衰が考慮された部分である。

そして、伝達関数生成部６３は、上述のように生成した伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）に含まれるＳＯＳ_temp及びＢＵＡ_tempの値を、それぞれ複数、設定する。これにより、伝達関数生成部６３は、各ＳＯＳ_temp及び各ＢＵＡ_tempにおいて伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）を生成する。

デコンボリューション部６４は、フーリエ変換部６２でフーリエ変換された受信信号Ｓ（ｘ，ω）を、各ＳＯＳ_temp及び各ＢＵＡ_tempにおいて生成される伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）で除算するデコンボリューション処理を行うことにより、各ＳＯＳ_temp及び各ＢＵＡ_tempに対応する複数の処理対象信号Ｓ’（ｘ，ω）を生成する。

上述のように、伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）は、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に到達する表面伝播波の遅延時間と、皮質骨１０中を伝播する表面伝播波の振幅の減衰とが考慮されている。よって、デコンボリューション部６４が、上述のようにデコンボリューション処理を行うことで生成される処理対象信号Ｓ’（ｘ，ω）は、上記実施形態の場合と同様の遅延処理及び増幅処理が行われた信号となる。すなわち、デコンボリューション部６４は、遅延処理部及び増幅処理部として機能する。

速度算出処理部６５は、図２６に示すように、相関行列生成部６６と、空間平均処理部６７（相関性抑圧部、平均処理部）と、強度スペクトラム算出部６８と、２次元領域強度スペクトラム算出部６９と、速度及びＢＵＡ算出部７０と、を備えている。

相関行列生成部６６は、ＳＯＳ_temp及びＢＵＡ_tempごとに、相関行列を生成する。具体的には、図１７を参照して、相関行列生成部６６は、上記実施形態の場合と同様、一列に並んだ複数（例えば、Ｎ個）の振動子２４から、Ｋ個の振動子２４で構成されたサブアレイを１個ずつずらしながらＪ個、すなわち（Ｎ−Ｋ−１）個、取り出す。そして相関行列生成部５６は、各サブアレイＳｕｂ_１，Ｓｕｂ_２，…，Ｓｕｂ_Ｊに対応する相関行列Ｒｓｕｂ_１（ω），Ｒｓｕｂ_１（ω），…，Ｒｓｕｂ_Ｊ（ω）を、周波数ω、ＳＯＳ_temp、及びＢＵＡ_tempごとに生成する。

空間平均処理部６７は、相関行列生成部６６で生成された複数の相関行列を平均する処理（空間平均処理）を行う。これにより、空間平均処理部６７は、空間平均相関行列Ｒ’（ω）を算出する。空間平均処理部５７は、周波数ω、ＳＯＳ_temp、及びＢＵＡ_tempごとに、異なる空間平均相関行列を生成する。

強度スペクトラム算出部６８は、空間平均処理部６７で算出された、周波数ω、ＳＯＳ_temp、及びＢＵＡ_tempごとに異なる空間平均相関行列Ｒ’（ω）に対して、上記実施形態の場合と同様に超解像処理を行うことにより、周波数領域である第１軸と、骨速度領域（速度仮定値領域）である第２軸と、ＢＵＡ領域である第３軸とで特定される３次元の強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ，ω）を算出する。

２次元領域強度スペクトラム算出部６９は、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ，ω）の強度が最大となるω（＝ω_０）を検出する。そして、２次元領域強度スペクトラム算出部６９は、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ，ω）においてω＝ω_０となる断面を、２次元領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ）として算出する。

なお、デコンボリューション部６４でのデコンボリューション処理と相関行列生成部６６での相関行列生成との間に、処理対象信号Ｓ’（ｘ，ω）の逆フーリエ変換を行うことにより、強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ，ｔ）から２次元強度スペクトラム（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ）を導出することもできる。

速度及びＢＵＡ算出部７０は、２次元領域強度スペクトラムＰ（ＳＯＳ_ｔｅｍｐ，ＢＵＡ_ｔｅｍｐ）のピーク値を検出し、当該ピーク値のときのＳＯＳ_ｔｅｍｐ及びＢＵＡ_ｔｅｍｐを、骨における超音波の音速値（確定音速値ＳＯＳ）、及び骨における超音波のＢＵＡ値として確定する。

以上のように、本変形例に係る骨強度診断装置１ａでは、ＳＯＳ及びＢＵＡの双方を測定することができる。

なお、本変形例では、ＳＯＳ_ｔｅｍｐ、ＢＵＡ_ｔｅｍｐ、各振動子への表面伝播波の遅延時間、及び各振動子へ伝播する表面伝播波の振幅の減衰、を考慮に入れた伝達関数Ｈ_ｎ（ｊω）を生成したが、これに限らない。具体的には、各振動子の指向性、軟組織１１の吸収等を考慮に入れた伝達関数を生成することもできる。そうすると、これら（上記指向性及び吸収等）の影響を取り除くことができるため、ＳＯＳ_ｔｅｍｐ等をより高精度で測定することができる。

（２）上記実施形態では、時間領域と骨速度領域とで特定される２次元領域のうち、測定対象となる２次元領域の全てについて、上述のような超解像処理を行っている。しかし、これに限らず、測定対象となる２次元領域について、まず従来の手法によってＳＯＳを算出し、当該ＳＯＳ値を含む所定領域に測定対象領域を限定した上で、当該限定された測定対象領域について、上述のような超解像処理を行ってもよい。

上記実施形態で行われる超解像処理は、従来の処理と比べて演算負荷が大きいため、ＳＯＳの算出に比較的時間がかかる。これに対して、本変形例によれば、演算負荷が比較的小さい従来の手法によってＳＯＳの概算値を算出した上で、当該概算値を含む所定範囲について超解像処理を行っているため、装置の信頼性を維持した上で、演算部にかかる演算負荷を小さくすることができる。

（３）上記実施形態では、平均相関行列算出部として空間平均処理部を設けているが、これに限らず、平均相関行列算出部として、その他の平均処理（例えば、時間平均等）を行う平均処理部を設けてもよい。また、上記実施形態では、相関性抑圧部として、平均相関行列算出部を設けているが、これに限らず、複数方向から到来する受信信号の相関性を抑圧可能であれば、どのような構成であってもよい。

（４）上記実施形態では、相関行列生成部及び空間平均処理部によって生成された相関行列に基づいて強度スペクトラムが算出されたが、これに限らない。具体的には、受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）に対して特異値分解を行うことにより、強度スペクトラムを算出してもよい。なお、特異値分解は、公知な手法であるため、その説明を省略する。

（５）上記実施形態では、形状検出部４０を、超音波を送受信することにより得られた受信信号に基づき皮質骨の表面形状を検出可能なように構成したが、これに限らない。具体的には、電磁波を送受信することにより得られた受信信号に基づき診断対象の表面形状を検出可能なように構成してもよい。なお、電磁波を用いる場合、軟組織における屈折率の方が骨の屈折率より低くなるため、表面波を発生させることができなくなる。よって、この場合、本発明を、骨以外の診断対象の状態を診断する診断装置として用いることができる。

（６）上記実施形態では、本発明を骨強度診断装置に適用する例を挙げたが、これに限らず、その他の装置に適用することができる。その他の装置としては、例えば一例として、地中に埋設された金属のパイプ、又はコンクリートに生じるクラックを検出する装置が挙げられる。

（７）図２７は、変形例に係る骨強度診断装置１ｂの構成を示すブロック図である。図２７に示すように、本発明を、プローブ（受信部及び送信部）を有さない骨強度診断装置１ｂに適用することもできる。

（８）図２８は、変形例に係る骨強度診断装置１ｃの構成を示すブロック図である。本変形例に係る骨強度診断装置１ｃは、図２７に示す骨強度診断装置１ｂと比べて、形状検出部が省略された構成となっている。本変形例に係る骨強度診断装置１ｃでは、例えば、予めメモリ（図示省略）に記憶された骨形状に基づき、遅延時間算出処理部４５が、各振動子２４ｂ，２４ｃ，…に伝播する表面伝播波の遅延時間を算出するように構成されている。そして、処理対象信号生成部５０及び速度算出処理部５５が、上記実施形態の場合と同様に動作する。これにより、本変形例に係る骨強度診断装置１ｃによっても、上記実施形態の場合と同様、骨速度ＳＯＳを正確に算出することができる。

（９）図２９は、変形例に係る骨強度診断装置１ｄの構成を示すブロック図である。本変形例に係る骨強度診断装置１ｄは、図２８に示す骨強度診断装置１ｃと比べて、遅延時間算出部及び処理対象信号生成部が省略された構成となっている。そして、骨強度診断装置１ｄの速度算出処理部５５ａは、強度スペクトラム算出部５８ａと、速度算出部６０ａと、を有している。

強度スペクトラム算出部５８ａは、受信回路３３から出力された受信信号Ｓ（ｘ，ｔ）に適応ビームフォーミング法を適用して超解像処理を行うことにより、各時刻ｔ及び各ＳＯＳ_tempで、受信信号の強度（強度スペクトラム）を算出する。

速度算出部６０ａは、上述した強度スペクトラムのピーク値を検出し、当該ピーク値におけるＳＯＳ_tempを骨速度ＳＯＳとして確定する。

従って、本変形例に係る骨強度診断装置１ｄでも、上記実施形態の場合と同様、骨速度ＳＯＳを正確に算出することができる。

（１０）図３０は、変形例に係る骨強度診断装置の超音波送受信器４の構成を模式的に示す図である。この超音波送受信器４は、送信専用振動子を省略し、複数の振動子２４が略等間隔で１列に並んだアレイ振動子２２のみを備えるものである。ここで、アレイ振動子２２は、上記実施形態で送信専用振動子２１が配置されていた位置まで延長して設けられている。

ここで、上記実施形態の骨強度診断装置１においては、以下のような課題があった。すなわち、上記実施形態では、骨表面ラインを検出する際に、皮質骨１０に対する超音波の入射点Ｐ_in近傍の形状は検出することができなかった。これは、形状検出部４０によって皮質骨表面の形状を検出する際に、アレイ振動子２２の直下の形状しか検出することができないためである。このため、表面伝播波の伝播経路を算出する際には、骨表面ラインから予測したラインに基づいて入射点Ｐ_inの位置を求めていたが、この方法では正確な入射点Ｐ_inの位置を求めることができないので、導出する音速の誤差にも繋がる。

そこで、本変形例は、送信専用振動子を省略して、音速測定を行う際の超音波の送信もアレイ振動子（リニアアレイ）２２によって行うようにしたものである。例えば、振動子２４ａと振動子２４ｂを、上記実施形態における送信専用振動子２１の代わりとして用いる。

すなわち、隣接する振動子２４がタイミングをズラして超音波を送信することにより、斜め方向に超音波ビームを送信することができる。これによれば、アレイ振動子２２が送信専用振動子２１の機能を兼ねることができるだけでなく、任意の角度で超音波を送信できるようになるので、皮質骨１０に対して適切な角度（臨界角又は臨界角近傍の角度）で超音波を当てることができる。これにより、効率が良く、指向性による音速誤差も低減できる。

更に、上記のように構成すれば、皮質骨１０に対して超音波が入射する入射点の位置は、常にアレイ振動子２２の直下の位置であるから、形状検出部４０による骨表面ラインの検出結果に基づいて、当該入射点の位置を精度良く算出することができる。また、本変形例の超音波送受信器４は、図３０のように全幅にわたってアレイ振動子２２が配置されるので、測定時に骨形状の全体を把握でき、測定が行い易くなる。

以上で説明したように、この超音波送受信器４においては、複数の振動子２４が、等間隔で１列に並べられたアレイ振動子２２を構成するとともに、複数の振動子のうち少なくとも何れか１つは、上記実施形態における送信専用振動子２１の機能を兼ねている。

これにより、上記実施形態の場合における送信専用振動子２１及び遮音材２３を省略することができるので、装置を簡略化することができる。また、隣接する振動子２４から超音波を送信するタイミングをズラし、当該タイミングをズラす間隔を調整することにより、任意の角度で超音波ビームを形成することができる。これにより、皮質骨１０の表面に対して最適な角度で超音波を当てることができる。また、アレイ振動子２２によって平面波を発生させて皮質骨１０の表面形状を検出する構成の場合、当該表面形状を検出できるのはアレイ振動子２２の直下の位置のみである。従って、送信専用振動子２１とアレイ振動子２２が別の構成の場合は、皮質骨表面への入射点近傍の形状を検出することができない。この点、振動子２４が送信専用振動子２１としての機能を兼ねることにより、皮質骨表面への入射点近傍の形状を検出することができる。これにより、伝播時間を正確に算出することができる。

本発明は、対象物における超音波の速度を測定する音速測定装置、音速測定方法、及び音速測定プログラムとして広く適用することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 骨強度診断装置（音速測定装置）
１０ 皮質骨（対象物）
１１ 軟組織（他の物質）
２１ 送信専用振動子（送信部）
２４ 振動子（受信部）
５８，５８ａ 強度スペクトラム算出部
６０，６０ａ 速度算出部
ＳＯＳ_temp 速度仮定値

Claims (12)

1. 対象物に対して該対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて前記対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記対象物における超音波の速度を測定する音速測定装置であって、
   前記受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、前記対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が前記対象物を伝播したと仮定した場合における、前記複数の速度仮定値のそれぞれに対する前記受信信号の強度である強度スペクトラムを算出する強度スペクトラム算出部と、
   前記強度スペクトラム算出部で算出された前記強度スペクトラムに基づき、前記対象物における超音波の速度を算出する速度算出部と、
   を備えていることを特徴とする、音速測定装置。
2. 請求項１に記載の音速測定装置において、
   前記複数の受信部のそれぞれで受信された各前記受信信号に対して、前記対象物に所定の入射角度で入射した超音波が各前記受信部に受信されるまでの伝搬経路に応じた伝搬時間で遅延処理を行うことにより、各前記受信信号のうち前記対象物に前記所定の入射角度で入射した超音波に基づく受信信号である対象受信信号の位相を揃える遅延処理部、を更に備え、
   前記強度スペクトラム算出部は、前記遅延処理が行われた前記受信信号に前記適応ビームフォーミング法を適用することを特徴とする、音速測定装置。
3. 請求項２に記載の音速測定装置において、
   各前記対象受信信号の包絡線のピーク値に基づいて、各前記受信信号の増幅処理を行う増幅処理部、を更に備え、
   前記強度スペクトラム算出部は、前記遅延処理及び前記増幅処理が行われた各前記受信信号に前記適応ビームフォーミング法を適用することを特徴とする、音速測定装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の音速測定装置において、
   前記速度算出部は、前記強度スペクトラム算出部で算出された前記強度スペクトラムのピーク値を検出し、該ピーク値における前記速度仮定値を、前記対象物における超音波の速度として算出することを特徴とする、音速測定装置。
5. 請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の音速測定装置において、
   各前記受信信号に基づいて生成される相関行列に対して、複数方向から到来する超音波の相関性を抑圧する相関性抑圧部、を更に備えていることを特徴とする、音速測定装置。
6. 請求項５に記載の音速測定装置において、
   前記相関性抑圧部は、前記相関行列に基づいて、複数方向から到来する超音波の相関性を抑圧する平均処理を行って平均相関行列を算出する平均相関行列算出部、を有していることを特徴とする、音速測定装置。
7. 請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の音速測定装置において、
   前記伝搬時間を前記対象物の形状に基づいて導出する伝搬時間導出部を更に備えていることを特徴とする、音速測定装置。
8. 請求項７に記載の音速測定装置において、
   前記対象物に送信された超音波又は電磁波のエコーに基づいて前記対象物の形状を導出する形状検出部を更に備え、
   前記伝搬時間導出部は、前記形状検出部で導出された前記対象物の形状に基づいて前記伝搬時間を導出することを特徴とする、音速測定装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の音速測定装置において、
   前記他の物質としての軟組織を介して前記対象物としての皮質骨に送信されて該皮質骨を伝播し、前記複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記皮質骨における超音波の速度を測定することを特徴とする、音速測定装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の音速測定装置において、
    前記送信部及び前記複数の受信部を有するプローブを更に備えていることを特徴とする、音速測定装置。
11. 対象物に対して該対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて前記対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記対象物における超音波の速度を測定する音速測定方法であって、
    前記受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、前記対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が前記対象物を伝播したと仮定した場合における、前記複数の速度仮定値のそれぞれに対する前記受信信号の強度である強度スペクトラムを算出するステップと、
    前記強度スペクトラムに基づき、前記対象物における超音波の速度を算出するステップと、
    を含むことを特徴とする、音速測定方法。
12. 対象物に対して該対象物とは異なる他の物質を介して送信部から送信されて前記対象物を伝播し、複数の受信部のそれぞれで受信される超音波、から生成される受信信号を処理することにより、前記対象物における超音波の速度を測定するための音速測定プログラムであって、
    前記受信信号に適応ビームフォーミング法を適用して、前記対象物における超音波の速度の仮定値である複数の速度仮定値のそれぞれで超音波が前記対象物を伝播したと仮定した場合における、前記複数の速度仮定値のそれぞれに対する前記受信信号の強度である強度スペクトラムを算出するステップと、
    前記強度スペクトラムに基づき、前記対象物における超音波の速度を算出するステップと、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする、音速測定プログラム。

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