JP4079708B2 - 超音波計量及び画像測定用多区分送信器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に云えば計量用(qualitative) 超音波装置に関し、具体的には、撮像及び計量測定のための別々の送信モードを提供する超音波トランスジューサに関する。
【０００２】
【発明の背景】
生体組織の測定を行うために計量用超音波装置を使用し得る。骨粗鬆症の様な状態を判断する際に、このような装置を使用して骨の質を評価する場合、対向した超音波送信器及び超音波受信器が小柱骨を含む人体部位をはさむように配置される。踵（かかと）は、接近し易さ、その周りの軟らかい組織の層が比較的薄いこと、及び踵骨のかなりの割合が小柱骨であることにより、測定対象の場所とされることが多い。
【０００３】
骨及び軟らかい組織を通過した超音波信号は、骨の健康状態を見極めるために分析される。分析により、 音速や減衰度などのパラメータの変化を決定し得る。このようなシステムの１つが米国特許第６，０２７，４４９号、発明の名称「膨張可能な膜を用いる超音波計」に記載されている。この特許は、本願の譲受人に譲渡されており、参考のためにここに引用する。
【０００４】
骨の測定のための初期の計量用超音波装置は計量出力に限られていたが、画像を提供する能力があれば、人体部位を位置決めするのに有用であり、従って時間を隔てて測定を行ったときに再現性のある結果を得るのに有用であると分かった。超音波画像は、１つの受信用トランスジューサを走査することによって、或いは、超音波受信器を複数の素子に分割し、これらの素子を配列してアレイ（配列体）を構成し、受信超音波信号を各々の素子で別々に検出することによって、作成することが出来る。以下に述べる本発明は両方の手法に適用可能である。
【０００５】
別々の測定値が音速又は減衰率や別のパラメータに関して分析され、これらの分析された値がグレースケールにマッピングされて、画像を作成するために使用される。各グレースケール値は、元の超音波信号の検出位置に対応する画像内の場所（画素）に配置される。画像は、計量測定のために関心のある領域を識別するために自動的な方法で、表示及び／又は使用することが出来る。
【０００６】
【発明の概要】
本発明者は、骨の周辺から来る超音波による多経路干渉波が、骨を通って来る超音波の計量分析を損なうことを見い出した。この「骨周辺」成分は、撮像の目的のために骨を完全に「照射」するのに必要な寸法まで超音波送信器の寸法を大きくすると、増大する。
【０００７】
一旦干渉波が超音波受信器に到達すると、その影響を除去又は補償することは困難である。従って、本発明は、計量測定のための局在化した超音波エネルギ源を生じる第１の小面積超音波送信器と、第２のより大きい超音波トランスジューサとを備えた、二重モード超音波送信器を提供する。この大きい方の超音波トランスジューサは、小さい方の超音波トランスジューサと共に使用されて、骨及びその周囲の組織を撮像するのに適した大面積の超音波を発生する。これらの２つのモードは、要求に応じて使用される。
【０００８】
詳しく述べると、本発明は、第１の所定の面積の受信開口を提供する超音波受信器ユニットと、第２の所定の面積の送信開口を持つ超音波送信器ユニットと有する撮像／計量用超音波装置を提供する。超音波送信器ユニットは、受信開口へ超音波を差し向けるために、測定領域をはさんで超音波受信器ユニットと対向して位置決めされている。超音波送信器ユニッは更に、送信開口の第１及び第２の部分から超音波を独立に送信する手段を含む。制御器が超音波送信器ユニットと連絡して、（ａ）計量測定を行うために送信開口の第１の部分のみから、及び（ｂ）画像を作成するために送信開口の第１及び第２の両方の部分から、超音波を交互に送信する。
【０００９】
このようにして、撮像のために一様な広い面積の超音波信号を供給するようにしながら、計量測定においては骨の周辺から来る散乱超音波を最小にすることが出来る。
【００１０】
超音波送信器ユニットは、電気的に別々の円形トランスジューサと同軸の環状トランスジューサとを有するようにすることが出来る。
【００１１】
従って、本発明は、標準的なセラミック・トランスジューサ技術を使用するのによく適応する。
【００１２】
第１のトランスジューサは略１インチの直径を持つようにし得る。
【００１３】
このようにして、本トランスジューサは既存の超音波濃度測定装置に整合し且つ他の機械に一貫した測定値を供給するように構成することが可能である。
【００１４】
超音波受信器は受信用素子のアレイ（配列体）を含むようにすることができ、制御器は受信器ユニットと連絡して、逐次的に（ａ）超音波が送信開口の第１の部分のみから送信されているとき受信開口の第１の部分のみにより超音波を検出し、次いで（ｂ）超音波が送信開口の第１及び第２の部分の両方から送信されているとき受信開口の第１及び第２の部分の両方により超音波を検出することが出来る。
【００１５】
このようにして、受信器はまた、直接超音波と散乱超音波とを弁別するように使用することも可能である。
【００１６】
超音波送信器ユニット及び超音波受信器ユニットは、受信及び送信開口の直径の２倍未満の距離だけ離間させるようにすることが出来る。
【００１７】
このような離間により確実に、撮像の目的のための大体平面状の超音波を発生させることが出来る。
【００１８】
上記の特徴及び利点は本発明の全ての実施形態に当てはまるものではなく、また特許請求する本発明の範囲を限定しようとするものでもない。以下の説明において、その一部を形成する図面を参照する。図面は例示のために本発明の好ましい実施形態を示したものである。このような実施形態はまた発明の範囲を限定するものではなく、発明の範囲を定める目的では、特許請求の範囲の記載を見るべきである。
【００１９】
【好適な実施の形態】
図１を参照して説明すると、撮像／計量用超音波装置１０は、人間の足を受け入れる大きさの全体的に上方に開放した足受け部１４を持つハウジング１２を含む。ハウジング１２の上面の足受け部１４の足指側端部には、ディスプレイ／タッチパネル１６があり、これは内部のコンピュータ（図１には図示していない）にデータを入力し且つコンピュータからデータを受け取ることが出来る。足受け部１４の踵側端部の両側部に配置されている超音波送信器ユニット１８及び超音波受信器ユニット２０が、それぞれの対向する面に柔軟性のあるブラダ（袋体）２２を支持しており、該ブラッダ内には水のように結合流体が保持されている。これらのブラダ２２は、送信器ユニット１８の内蔵トランスジューサからの超音波エネルギを、足受け部１４に挿入された患者の足へ伝達し、次いで該足から受信器ユニット２０の内蔵トランスジューサへ伝達するように作用する。
【００２０】
ここで図２を参照して説明すると、送信器ユニット１８は円柱状の中央の超音波素子２４とそれを同軸に囲む環状の外側の超音波素子２６とを含み、両方の素子は当該分野で周知のような通常の超音波用の圧電セラミックから製作される。この代わりに、これらの素子は、一片のセラミックに分割用切り溝を設け且つ独立した複数の電極を適切に配置することにより製作することが出来る。中央の超音波素子２４はほぼ２５ｍｍの直径を持ち、且つ外側の環状のリングはほぼ９０ｍｍの直径を持つようにすることが出来る。
【００２１】
超音波素子２４及び２６は、図１に示されているように足受け部の側部に装着された保持リング２８内に支持されている。保持リング２８には、当該分野で理解されているようにブラダ３４を膨張収縮させるための流体通路を設けてもよい。
【００２２】
超音波素子２４及び２６の前面３０は、超音波素子２４及び２６と柔軟なブラダ３４内に収容されている水との間のインピーダンス結合を行う整合板３２に取り付けられる。整合板３２は、例えば、ポリエステルの板であってよい。
【００２３】
ここで図５を参照して説明すると、中央の超音波素子２４及び外側の超音波素子２６の各々は、超音波信号を発生するために該素子を独立に作動することが出来るようにする少なくとも１つの個別の電極を含む。一実施形態では、環状の外側の超音波素子２６は、中央の超音波素子２４から別個のバッファ増幅器３６によって駆動され、中央超音波素子２４はバッファ増幅器３８によって駆動される。この代わりに、１つのバッファ増幅器を使用して、該増幅器を中央の超音波素子２４のみと、中央の超音波素子２４及び外側の超音波素子２６の両方との間で切り替えるようにすることが出来る。
【００２４】
受信器ユニット２０は、大体矩形の格子状に配列された多数の受信素子４０を有する。各受信素子からの信号が１つ以上のマルチプレクサ４２によって収集されて、１つ以上の信号リード線４４に送り出される。マルチプレクサ４２は、後で詳しく述べるように、外部のコンピュータ信号によって制御されて、信号リード線４４を介して受信素子４０を個々に又は組み合わせて読み出して、撮像の目的で受信器ユニット２０のアレイを走査できるようにする。
【００２５】
ここで図３を参照して説明すると、撮像／計量用超音波装置１０は内部バス４６を備え、この内部バス４６は、プロセッサ５０及びメモリ５２を持つコンピュータ４８が送信器ユニット１８及び受信器ユニット２０の両方と連絡できるようにする。このようにして、送信波をメモリ５２内に保持されたプログラムに従って制御することができ、また受信波をメモリ５２内のプログラムに従って処理することができる。バス４６はまたディスプレイ／タッチパネル１６と連絡して、コンピュータ４８へデータを入力すると共に、プログラム５２の実行中にコンピュータ４８からデータを出力することが出来るようにする。バス４６はまた、ブラダ３４を使用前に膨張させ且つ保管のためにブラダ３４を収縮させるためのポンプのような機械的サブシステム５４と、コンピュータ４８との間を連絡させることも出来る。
【００２６】
ここで図４を参照して説明すると、メモリ５２に保持されているプログラムの実行中に、プロセス・ブロック６０で示されている最初のステップにおいて、コンピュータ４８はバッファ増幅器３６及び３８の両方を付勢して（又は、超音波素子２４及び２６の両方に接続するように１つのバッファを切り替えて）、超音波素子２４及び２６を並列に動作させ、撮像の目的のために大体平面状の波６２（図３及び図５に示す）を発生させる。
【００２７】
図４を更に参照して説明すると、動作プロセス・ブロック６３において、コンピュータ４８はバッファ増幅器３８をオフに切り替えて（又は、単一のバッファ増幅器を外側の超音波素子２６のみに接続するように切り替えて）、波６２で示すように主として踵骨の周辺を通過する外側の波を生じさせる目的のために、外側の超音波素子２６のみを付勢する。このとき、受信器ユニット２０の外側の受信素子４０’’（図５に示す）のみが走査され、又は一緒に同時に接続されて、外側の波６２を検出し、典型的にはそれらの測定値を組み合わせ且つ平均化することによって必要な測定を行う。
【００２８】
図４をまた更に参照して説明すると、動作プロセス・ブロック６６において、コンピュータ４８はバッファ増幅器３６をオフに切り替えて（又は、単一のバッファ増幅器を中央の超音波素子２４のみに接続するように切り替えて）、波６８で示すように踵骨を通過する中央の波を生じさせる目的のために、中央の超音波素子２４のみを付勢する。このとき、受信器ユニット２０の中央の受信素子４０’（図５に示す）のみが走査され、又は一緒に同時に接続されて、中央の波６８を検出し、典型的にはそれらの測定値を組み合わせ且つ平均化することによって必要な測定を行う。
【００２９】
プロセス・ブロック６６において、コンピュータ４８は画像及び計量データを処理する。この画像データは、広帯域超音波減衰率（ＢＵＡ）又は音速測定値（ＳＯＳ）のような振幅データ又は減衰率データ、幾つかの他の音響パラメータ、或いはこれらの幾つか又は全部の組合せで構成して、グレースケール（又はカラー）値と、超音波受信器ユニット２０内の各素子（４０）の位置に対応する画像内の空間位置とにマッピングすることが出来る。画像はディスプレイ／タッチパネル１６上に表示して、以下に述べるように、足の位置を調節し、このプロセスを必要に応じて繰り返すことができる。
【００３０】
第１の実施形態では、画像はプロセス・ブロック６０において収集されるデータのみから作成され、また、計量測定値はプロセス・ブロック６６において収集されるデータのみから作成される。
【００３１】
別の実施形態では、プロセス・ブロック６３において収集されるデータは、散乱超音波エネルギを測定して、計量測定を改善し又は特定の構造を撮像するために、取得して使用することが出来る。更に、内側の超音波素子２４は、撮像のためにのみ、例えば、踵骨の中心部の撮像に使用することが出来る。従って一般的に云えば、本発明は、最大３組のデータ、すなわち、内側の超音波素子２４のみからのデータと、外側の超音波素子２６のみからのデータと、内側及び外側の両方の素子からのデータとを得て、これらの組合せにより別々の画像及び計量情報を作成することを意図している。
【００３２】
中央の受信素子４０’及び外側の受信素子４０’’の精確な位置は、公知の手法によってプロセス・ブロック６３の作成された画像から自動的に決定することが出来、或いはオペレータによって画像から手動で選択することが出来る。従って、受信パターンは、計量測定が正しい領域で行われるように画像に応じて移動させることが出来る。この代わりに、オペレータは、画像に基づいて、患者の足を移動させて、足の適切な領域を中央の受信素子４０’及び／又は中央の超音波素子２４と整列させることが出来る。足の移動は、足受け部１４の中に嵌合する所定の厚さの一組のシム１７（図１に示す）を用いることによって、或いは画像に基づいてオペレータによって又は自動的に移動可能である足支持用のモ−タ駆動ステージによって、行うことが出来る。収集されたデータは、プロセス・ブロック７０で示すように、周知の手法を使用してコンピュータ４８によって処理されて、ディスプレイ／タッチスクリーン１６へ計量値を出力する。
【００３３】
ここで図５を参照して説明すると、本出願人は特定の理論に束縛されたくないが、平面状の波６２の発生の際、線７２に沿って生じる散乱又は屈折により、人の踵７８の骨（踵骨）７６の中心の小柱領域７４を通過していない音波エネルギが中央の受信素子４０’の方へ向きを変えて計量測定値に入り込むと信じられる。従って、計量測定部分の際に環状の外側の超音波素子２６を動作停止させることによって、線７２に沿ったこの散乱を低減して、中央の超音波素子２４から踵骨７６の小柱領域７４を通って中央の受信素子４０’へ進む直接経路８０を有利にすることが出来る。
【００３４】
本発明は、この散乱を低減する簡便な方法を提供するものであり、該方法は単独で用いることが出来、或いは、素子４０によって受信した超音波信号の位相を用いて、受信器ユニット２０を踵骨７６の特定の領域に焦点合わせする合成開口型手法と組み合わせて用いることも出来る。
【００３５】
本発明は上述した実施形態及び例に限定されるものではなく、これらの実施形態の一部分を含むこれらの実施形態の変形や異なる実施形態の要素の組合せもまた特許請求の範囲内に含まれることを特に意図している。例えば、送信器ユニット１８は、同軸の複数の領域に分割する必要はないが、撮像及び計量測定のために異なるデータを生じさせることの出来る任意の２つの独立に励起可能な領域を設けようにすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いるのに適した撮像／計量用超音波濃度計の斜視図であって、超音波受信器ユニットと超音波送信器ユニットとが足受け部を挟んで対向していることを示す。
【図２】図１の超音波送信器ユニットの分解斜視図であって、その構成要素である同軸のトランスジューサ、結合板及び柔軟な水充填ブラダを示す。
【図３】図１の濃度計の略図であって、マイクロプロセッサによって送信器ユニット及び受信器ユニットを制御すると共に、機械的サブシステム及びディスプレイも制御することを示す。
【図４】計量及び画像データを得る際の本発明の動作を示すフローチャートである。
【図５】図１の線５−５に沿って撮った断面図であって、所定の位置にある患者の足が撮像プロセスの際において散乱を生じさせることを示す。
【符号の説明】
１０ 撮像／計量用超音波装置
１２ ハウジング
１４ 足受け部
１６ ディスプレイ／タッチパネル
１７ シム
１８ 超音波送信器ユニット
２０ 超音波受信器ユニット
２２、３４ 柔軟なブラダ
２４ 中央超音波素子
２６ 外側超音波素子
２８ 保持リング
３０ 前面
３２ 整合板
３６、３８ バッファ増幅器
４０ 受信素子
４２ マルチプレクサ
４４ 信号リード線
４６ 内部バス
４８ コンピュータ
５０ プロセッサ
５２ メモリ
５４ 機械的サブシステム
６２ 平面波
６８ 波
７４ 小柱領域
７６ 踵骨
７８ 踵

Claims (10)

1. 第１の所定の面積の受信開口（１４）を提供する超音波受信器ユニットと、第２の所定の面積の送信開口を持つ超音波送信器ユニット（１８）であって、当該超音波送信器ユニットは、前記受信開口へ超音波を差し向けるために、測定領域をはさんで前記超音波受信器ユニット（２０）と対向して位置決めされており、当該超音波送信器ユニッは更に、前記送信開口の第１及び第２の部分（２４、２６）から超音波を独立に送信する手段を含んでいる、当該超音波送信器ユニット（１８）と、
   前記超音波送信器ユニットと連絡して、（ａ）計量データを作成するために前記送信開口の第１の部分のみから、及び（ｂ）画像データを作成するために前記送信開口の第１及び第２の部分の両方から、超音波を交互に送信させる制御器（４８）と、有する撮像／計量用超音波装置（１０）。
2. 前記画像データは、前記送信開口の第１及び第２の部分の両方からの送信中に前記超音波受信器ユニットによって収集される音波から作成され、また前記計量データは、前記送信開口の第１の部分のみからの送信中に前記超音波受信器ユニットによって収集される音波から求められる、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。
3. 前記画像データは、前記送信開口の第１及び第２の部分の両方からの同時の送信中、及び前記送信開口の第１の部分のみからの送信中に、前記超音波受信器ユニットによって収集される音波から作成され、また前記計量データは、前記送信開口の第１の部分のみからの送信中に前記超音波受信器ユニットによって収集される音波から求められる、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。
4. 前記画像データは、前記送信開口の第１及び第２の部分の両方からの送信中に前記超音波受信器ユニットによって収集される音波から作成され、また前記計量データは、前記送信開口の第１の部分のみからの送信中、及び前記送信開口の第２の部分のみからの送信中に、前記超音波受信器ユニットによって収集される音波から求められる、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。
5. 前記超音波送信器ユニットは円形送信開口を有しており、前記送信開口の第１及び第２の部分から超音波を独立に送信する前記手段は電気的に別個の前記第１の部分に対応する円形トランスジューサ及び前記第２の部分に対応する該円形トランスジューサと同軸の環状トランスジューサを有している、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。
6. 前記超音波装置は更に、前記測定領域内に、前記超音波送信器ユニットと前記超音波受信器ユニットとの間で前記送信開口の中心と整列した軸線にほぼ沿って人の足の踵骨を位置決めする足支持体（１４）を含んでおり、
   前記足支持体は、前記超音波送信器ユニットと前記超音波受信器ユニットとの間で前記軸線に沿って人の足を移動させる位置決め手段を含んでおり、
   前記円形トランスジューサは２５ｍｍにほぼ等しい直径を持ち、前記環状トランスジューサはほぼ９０ｍｍの直径を持つ、請求項５記載の撮像／計量用超音波装置。
7. 前記超音波受信器ユニットは受信素子の配列体を含んでいる、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。
8. 前記制御器は、前記超音波受信器ユニットと連絡して、（ａ）超音波が前記送信開口の第１の部分のみから送信されているとき、前記受信開口の第１の部分のみにより超音波を検出すること、及び（ｂ）超音波が前記送信開口の第１及び第２の部分の両方から送信されているとき、前記受信開口の第１及び第２の部分の両方により超音波を検出すること、を逐次的に又は組み合わせて行う、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。
9. 前記超音波装置は更にディスプレイ（１６）を含み、前記制御器は内蔵プログラムを実行して、前記受信開口の第１及び第２の部分の両方による超音波の受信中に収集されるデータから前記ディスプレイへの画像を出力すると共に、前記受信開口の第１の部分のみによる超音波の受信中に収集されるデータから前記ディスプレイへの計量骨質測定値を出力する、請求項８記載の撮像／計量用超音波装置。
10. 前記送信開口はほぼ前記受信開口に等しい、請求項１記載の撮像／計量用超音波装置。

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