JP4830099B2

JP4830099B2 - 音速測定方法、及び音速測定装置

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Publication number: JP4830099B2
Application number: JP2005246894A
Authority: JP
Inventors: 直裕穂積; 和人小林
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2007057511A

Description

本発明は、超音波を利用して被検査物における音速を測定する音速測定方法、及び音速測定装置に関するものである。

外科手術中において切除する部位の大きさは、術後の患者の負担を考えるとできるかぎり小さく抑えるべきであるが、患部の一部が切除されずに残ってしまうと病気が再発するといった問題がある。このため、切除後の残留部分から標本（生体組織）をサンプリングし、患部の拡がりがないことを確認する必要がある。現在、この作業は、摘出した生体組織の切片を染色し、光学顕微鏡で観察することによって行われている。組織確定診断は、病理学的所見に基づいて標本部分に患部が拡がっていないことを確認する診断であるが、切片の染色には数日を要することから、術後の確認に用いられている。

術中においては、縫合前に患部が残されていないことを短時間で判断することが要求される。そのため、特殊な染料を用いて短時間で染色し、標本部分に患部が拡がっていないことを概ね確認する「組織迅速診断」といった方法も実用化されている。ところが、この組織迅速診断においても１時間程度の時間を必要とし、この間手術が中断されるので、これに代わる方法として、超音波による音速像の観察が提案されている。つまり、超音波によって音速像を得る場合には、染色法を用いなくても生体組織の観察を行うことができる。このことから、組織確定診断を行う診断装置として超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められている。

具体的には、従来の超音波顕微鏡では、単一周波数のバースト波を利用し、反射した超音波信号の強度や位相を解析することで、生体組織の性状を観察する。しかし、このような超音波顕微鏡には、超音波信号の測定に長時間を要するという問題があった。また、十分な精度と安定度を持った発振器や測定系などのアナログシステムが必要となるため、装置が大型化、複雑化するといった問題もあった。

これら問題を解消して術中診断を可能とするための手段として、本発明者らはパルス励起型の超音波顕微鏡をすでに提案している（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。このパルス励起型超音波顕微鏡を用いた観察では、生体組織から切り出し、その組織を用いて厚さ数μｍの凍結切片４１を作製し、これをまずガラス基板４２上に固定する（図１２参照）。そして、パルス波でトランスデューサ４３を励起して超音波Ｓ_ｏを出力させ、その超音波Ｓ_ｏを水などの媒質４４を介して凍結切片４１に照射する。そして、組織表面の反射波Ｓ_frontと組織裏面の反射波Ｓ_rearとの合成波を、トランスデューサ４３で受信する。さらに、この受信波をフーリエ変換して基板４２からの直接反射と比較することにより、強度及び位相スペクトルを得る。

ところで、バースト波を用いた従来方式では、同じ測定点で周波数を切り替え何回も測定し、組織表面の反射と背面の反射との干渉を観測する必要があった。これに対して、パルス励起型超音波顕微鏡によれば、１回の測定で算出することができるという利点がある。この測定で得られた信号強度の極小点または極大点の周波数をｆ_ｍ、そのときの位相をφ_ｍとすると、組織表面と背面からの反射は極小点では逆位相、極大点では同位相となる。すなわち、極小点においては組織表面からの反射は背面からの反射より位相が（２ｎ−１）π進んでおり、φ_ｍ＋（２ｎ−１）πとなる（ｎは自然数）。従って、組織の厚さｄ、水の音速Ｃ_ｏとすると、

が成立している。

従って、次式のように組織厚さｄが求まる。

また、距離２ｄを組織音速Ｃで通過した波と水の音速Ｃ_ｏで通過した波との位相差がφ_ｍであることから、

となり、次式のように組織音速Ｃが求まる。

また、極大点においては組織表面からの反射と背面からの反射との位相差が２ｎπとなっていることから、次式の関係が成立している。

この式を用いれば、極小点の場合と同様に、組織厚さｄを求めることができ、さらに、その組織厚さｄを用いて音速Ｃを求めることができる。

このように、組織音速Ｃを測定しながら、超音波の照射点を二次元走査することにより、二次元の音速像が得られる。音速Ｃは、組織の硬さに関連するパラメータであり、音速像によって凍結切片４１の性状を観察することができる。
特開２００４−２９４１８９号公報「医用超音波：パルス励起型超音波音速顕微鏡」（「超音波TECHNO」VOL.15 No.6(2003.11〜12)（１０１〜１０５頁）日本工業出版社発行）

ところで、上記の音速測定方法では、信号強度の極小点または極大点の周波数ｆ_ｍにおける組織音速Ｃを求めることができるが、それ以外の任意の周波数における組織音速Ｃについてまでは求めることができない。それゆえ、音速に関して得られる情報の量が十分であるとはいえず、これに基づいて被検査物における音速の周波数依存性に関する情報を得ることは困難である。また、凍結切片４１の内部構造によっては、組織表面の反射波Ｓ_frontや組織裏面の反射波Ｓ_rear以外の反射波が含まれる場合がある。この場合には、上記の音速測定方法では、組織音速Ｃを正確に求めることができず、より精密で、きめ細かな画像診断を行うことが困難となる。

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、被検査物における音速の周波数依存性に関する情報を得ることで、その被検査物の物理特性をより正確に把握することができる音速測定方法、及び音速測定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、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物の音速を超音波の反射波に基づいて測定する音速測定方法であって、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、前記被検査物からの反射波を取得するステップと、前記非載置面からの反射波を参照波形として前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行うステップと、前記補正された反射波を用いて前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とを時間領域で分離するステップと、前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とをそれぞれ周波数領域で解析し、その解析結果から、前記被検査物の表面の反射波の周波数とこれに対応する位相と、前記被検査物の裏面の反射波の周波数とこれに対応する位相とを計算し、これらに基づいて周波数に対応した被検査物の音速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をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、パルス励起型超音波顕微鏡において、異なる周波数成分を含む超音波がパルス励起されて被検査物に照射される。その被検査物で反射される反射波は、被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が干渉した波形となる。そのため、本発明では、試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を用いてデコンボリューション処理を行うことにより、被検査物からの反射波が補正され、被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が時間領域で分離される。そして、分離された各反射波をそれぞれ周波数領域で解析することにより、周波数に応じた被検査物の音速が算出される。このようにすると、音速に関してより多くの情報が得られるため、これに基づいて被検査物における音速の周波数依存性に関する情報を得ることができ、被検査物の物理特性を正確に把握することが可能となる。またこの測定方法では、被検査物の内部構造によって表面及び裏面以外の反射波が含まれる場合であっても、表面の反射波及び裏面での反射波を時間領域で確実に分離することができるため、被検査物の音速をより正確に求めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記非載置面からの反射波と前記被検査物の表面の反射波との位相差から被検査物の厚さを求め、前記非載置面からの反射波と前記被検査物の裏面の反射波との位相差と前記被検査物の厚さとに基づいて前記音速を求めることをその要旨とする。

前記時間領域で分離した各反射波（被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波）も異なる周波数成分を含むため、各反射波をそれぞれフーリエ変換することにより、位相スペクトルの周波数特性データを求めることができる。そして、このデータを用いて各反射波の位相差を得ることができる。従って、請求項２に記載の発明のように、非載置面からの反射波と被検査物の表面での反射波との位相差から被検査物の厚さを求めることができ、さらに、非載置面からの反射波と被検査物の裏面での反射波との位相差と被検査物の厚さとに基づいて音速を求めることができる。

請求項３に記載の発明は、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物の音速を超音波の反射波に基づいて測定する音速測定装置であって、パルス励起されることによって超音波を被検査物に照射するとともに、前記被検査物からの反射波を受信する超音波振動子と、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を参照波形として前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行う処理手段と、前記処理手段により補正された反射波を用いて前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とを時間領域で分離する波形分離手段と、前記波形分離手段により分離された前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とをそれぞれ周波数領域で解析し、その解析結果から、前記被検査物の表面の反射波の周波数とこれに対応する位相と、前記被検査物の裏面の反射波の周波数とこれに対応する位相とを計算し、これらに基づいて周波数に対応した被検査物の音速を算出する算出手段とを備えることを特徴とする音速測定装置をその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、超音波振動子がパルス励起されることによって超音波が被検査物に向けて照射され、超音波振動子により被検査物からの反射波が受信される。そして、処理手段により、試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を用いてデコンボリューション処理が行われて被検査物からの反射波が補正される。また、波形分離手段により、補正された反射波から被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が時間領域で分離される。さらに、算出手段により、分離された各反射波がそれぞれ周波数領域で解析されることにより、周波数に応じた被検査物の音速が算出される。このようにすると、音速に関してより多くの情報が得られるため、これに基づいて被検査物における音速の周波数依存性に関する情報を得ることができ、被検査物の物理特性を正確に把握することが可能となる。またこの測定装置では、被検査物の内部構造によって表面及び裏面以外の反射波が含まれる場合であっても、表面の反射波及び裏面での反射波を時間領域で確実に分離することができるため、被検査物の音速をより正確に求めることができる。

以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、被検査物における音速の周波数依存性に関する情報を得ることで、その被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。

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は音速測定装置としての超音波画像検査装置を示す概略構成図である。

図１に示されるように、本実施の形態の超音波画像検査装置１は、パルス励起型超音波顕微鏡２と、Ａ／Ｄボード３と、パーソナルコンピュータ（パソコン）４とを備える。

超音波顕微鏡２には、パルス発生回路１１と、送受波分離回路１２と、受信回路１３と、トランスデューサ１４と、Ｘ−Ｙステージ１５と、エンコーダ（ＥＮＣ）１６と、コントローラ１７と、駆動モータ１８Ｘ，１８Ｙとが設けられている。

トランスデューサ１４は、酸化亜鉛の薄膜圧電素子１４ａとサファイアロッドの音響レンズ１４ｂとからなり、パルス発生回路１１で発生される励起パルスにより薄膜圧電素子１４ａが振動して所定周波数帯域の超音波が音響レンズ１４ｂを通して出力される。この音響レンズ１４ｂにおける超音波は円錐状に収束され、水などの媒質１９を介して試料載置板としてのガラス基板２０の表面で焦点を結ぶようになっている。なお、トランスデューサ１４としては、口径１．２ｍｍ、焦点距離１．５ｍｍ、中心周波数８０ＭＨｚ、帯域幅５０〜１０５ＭＨｚ（−６ｄＢ）の仕様のものを用いている。

また、トランスデューサ１４の下方に、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１５が設けられ、そのステージ１５上にはガラス基板２０が固定されている。そして、そのガラス基板２０の上面に、被検査物としての生体組織２１が載置され、この生体組織２１に対してその上方から超音波が照射される。なお、この生体組織２１は、数μｍ程度（通常４μｍ〜１０μｍ）の厚さにスライスされた凍結切片（生体組織切片）である。

Ｘ−Ｙステージ１５は、生体組織２１を二次元的に動かすためのステージ１５Ｘ，１５Ｙと、それぞれのステージ１５Ｘ，１５Ｙを駆動するモータ１８Ｘ，１８Ｙとを備えている。このモータ１８Ｘ，１８Ｙ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１８Ｘ，１８Ｙにはコントローラ１７が接続されており、該コントローラ１７の駆動信号に応答してモータ１８Ｘ，１８Ｙが駆動される。これらモータ１８Ｘ，１８Ｙの駆動により、Ｘステージ１５Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ１５Ｙを間欠送りとなるよう制御することで、Ｘ−Ｙステージ１５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１５Ｘに対応してエンコーダ１６が設けられ、エンコーダ１６によりＸステージ１５Ｘの走査位置が検出される。具体的にいうと、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）の走査が３００分割される。そして、各測定点の位置がエンコーダ１６によって検出され、パソコン４に取り込まれる。パソコン４はそのエンコーダ１６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コントローラ１７に供給する。コントローラ１７は、この駆動制御信号に基づいてモータ１８Ｘを駆動する。また、コントローラ１７は、エンコーダ１６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１８Ｙを駆動して、Ｙステージ１５Ｙ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１７は、駆動制御信号に同期してトリガ信号を生成してパルス発生回路１１に供給する。これにより、パルス発生回路１１において、そのトリガ信号に同期したタイミングで励起パルスが生成される。その励起パルスが送受波分離回路１２を介してトランスデューサ１４に供給されて該トランスデューサ１４から超音波が照射される。

図２は、トランスデューサ１４側から見たＸ−Ｙステージ１５の平面図である。図２に示されるように、Ｘステージ１５Ｘによるｘ方向への往復走査とＹステージによるｙ方向への走査とを行うことにより、ガラス基板２０上の生体組織２１に対して超音波が二次元的に走査される。

図３には、本実施の形態における超音波の走査範囲Ｒの一例を示している。すなわち、超音波の走査範囲Ｒは、生体組織２１に加えてガラス基板２０の表面が露出している部分（ガラス面２０ａ）を含むように設定される。そして、走査範囲Ｒの左上の隅の位置から走査が開始され、矢印で示すように、Ｘ方向及びＹ方向に二次元的に走査が順次行われる。

図１に示すトランスデューサ１４の薄膜圧電素子１４ａは、送受波兼用の超音波振動子であり、生体組織２１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１２を介して受信回路１３に供給される。受信回路１３は、図示しない信号増幅回路を含み、反射波の信号を増幅してＡ／Ｄボード３の検波回路２３に出力する。

検波回路２３は、超音波の反射波を検出するための回路であり、図示しないゲート回路を含む。本実施の形態の検波回路２３は、トランスデューサ１４で受信した反射波信号のなかからガラス面２０ａもしくは生体組織２１の反射波信号を抽出する。超音波はトランスデューサ１４とガラス面２０ａもしくは生体組織２１との間で繰り返し反射されるものであるため、検波回路２３は、最初に得られる反射波信号を抽出するよう構成されている。そして、検波回路２３で抽出された反射波信号はＡ／Ｄ変換回路２４に入力されて、Ａ／Ｄ変換された後、パソコン４に転送される。

パソコン４は、ＣＰＵ３１、インターフェース（Ｉ／Ｆ）３２，３３、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、Ｘ−Ｙステージ１５による二次元走査を制御するためのプログラムや組織音速を算出するためのプログラムなどを含む。

インターフェース３２は、Ａ／Ｄボード３からの転送データ（Ａ／Ｄ変換後の反射波信号など）を取り込むための通信ポート（例えば、ＵＳＢポート）であり、インターフェース３３は、コントローラ１７への駆動制御信号を出力したりエンコーダ１６の出力信号を取り込むための入出力ポートである。

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、生体組織２１の音速像や、各種設定の入力画面を表示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、本実施の形態の超音波画像検査装置１において、生体組織２１の厚さ及び音速を算出するための方法について説明する。

先ず、図４に示すように、ガラス基板２０の表面（ガラス面）２０ａに超音波Ｓ_ｏを照射し、そのガラス面２０ａでの反射波Ｓ_refを取得する。その後、生体組織２１の表面に超音波Ｓ_ｏを照射し、生体組織２１からの反射波Ｓ_ｔを取得する。この生体組織２１からの反射波Ｓ_ｔは、組織表面の反射波Ｓ_frontと組織裏面の反射波Ｓ_rearとを含んだ合成波として取得される。そして、ガラス面２０ａでの反射波Ｓ_refを参照波形としてデコンボリューション処理を行うことにより、生体組織２１での反射波Ｓ_ｔを補正して組織表面の反射波Ｓ_frontと組織裏面の反射波Ｓ_rearとを分離する。

なお、このデコンボリューション処理では、各反射波Ｓ_ref，Ｓ_ｔをそれぞれフーリエ変換し、フーリエ変換後の反射波Ｓ_ｔの周波数成分を反射波Ｓ_refの周波数成分で除算し、さらに、その算出結果を逆フーリエ変換する。これにより、補正した反射波Ｓ_ｔのデータが得られる。

図５は、デコンボリューション処理前のガラス面２０ａの反射波Ｓ_refと生体組織２１の反射波Ｓ_ｔとを示している。図６は、デコンボリューション処理後におけるガラス面の反射波Ｓ_refと生体組織２１の反射波Ｓ_ｔとを示している。

図５及び図６に示されるように、デコンボリューション処理により補正された生体組織２１の反射波Ｓ_ｔは、補正前の波形に比べて生体組織２１の表面及び裏面での反射が分離可能な波形となる。本実施の形態では、このデコンボリューション処理によって補正された反射波Ｓ_ｔに対して窓関数をかけることにより、組織表面での反射波Ｓ_frontと組織裏面での反射波Ｓ_rearとを時間領域で分離する。

この分離した各反射波Ｓ_front，Ｓ_rearも、超音波Ｓ_ｏと同様に異なる周波数成分を含む。従って、各反射波Ｓ_front，Ｓ_rearのデータをそれぞれフーリエ変換することで各反射波Ｓ_front，Ｓ_rearの位相スペクトルの周波数特性データ（図７参照）を求めることができる。なお、このデータは、ガラス面２０ａでの反射波Ｓ_refを基準とした位相のデータである。

ここで、組織表面での反射波Ｓ_frontの位相φ_frontは次式で表される。

また、組織裏面での反射波Ｓ_rearの位相φ_rearは次式で表される。

ただし、ｆは周波数、ｄは組織の厚さ、Ｃ_０は水の音速、Ｃは組織の音速である。

従って、上記式（６）から組織の厚さｄは次式により求められる。

また、上記式（７）から組織の音速Ｃは次式により求められる。

このように、周波数ｆとそれに応じた位相φ_front，φ_rearを上記式（８）及び式（９）に代入することにより、各周波数ｆに対応した組織音速Ｃを求めることができる。

次に、本実施の形態において、生体組織２１の音速像を生成するためにＣＰＵ３１が実行する処理例について、図８のフローチャートを用いて説明する。

先ず、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでコントローラ１７によってモータ１８Ｘ，１８Ｙを駆動し、超音波の照射点がガラス面２０ａ上に位置するようにＸ−Ｙステージ１５を移動する。またこのとき、励起パルスがトランスデューサ１４に供給されると、トランスデューサ１４から超音波が照射され、反射波の電気信号が検波回路２３で抽出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２４で変換されたデジタルデータをインターフェース３２を介して取り込み、そのデータをガラス面２０ａでの反射波のデータとしてメモリ３４に記憶する（ステップ１００）。

次に、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでコントローラ１７によってモータ１８Ｘ，１８Ｙを駆動し、Ｘ−Ｙステージ１５による二次元走査を開始させる。このとき、ＣＰＵ３１は、エンコーダ１６の出力に基づいて測定点の座標データを取得する（ステップ１１０）。ここで、励起パルスがトランスデューサ１４に供給されると、トランスデューサ１４から超音波が照射され、反射波の電気信号が検波回路２３で抽出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２４で変換されたデジタルデータをインターフェース３２を介して取り込み、そのデータを各測定点での反射波のデータとして座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１２０）。

その後、処理手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａからの反射波のデータを用いてデコンボリューション処理を行う（ステップ１３０）。図９には、そのデコンボリューション処理の具体例を示している。

すなわち、第１のフーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａからの反射波Ｓ_refのデータをフーリエ変換する（ステップ１３１）。次に、第２のフーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、生体組織２１における測定点での反射波Ｓ_ｔのデータをフーリエ変換する（ステップ１３２）。そして、除算手段としてのＣＰＵ３１は、フーリエ変換後の反射波Ｓ_ｔの周波数成分を反射波Ｓ_refの周波数成分で除算する（ステップ１３３）。その後、逆フーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、その除算結果を逆フーリエ変換することで補正された反射波Ｓ_ｔ（図６参照）のデータを得る（ステップ１３４）。この処理の終了後、ＣＰＵ３１は、図８に示すステップ１４０に移行する。

ステップ１４０において、波形分離手段としてのＣＰＵ３１は、所定の窓関数を用いて、補正された反射波Ｓ_ｔから組織表面での反射波Ｓ_frontと組織裏面での反射波Ｓ_rearとを時間領域で分離する。次いで、算出手段としてのＣＰＵ３１は、分離した各反射波Ｓ_front，Ｓ_rearのデータをそれぞれフーリエ変換して各反射波Ｓ_front，Ｓ_rearの位相スペクトルの周波数特性データを求める。そして、ＣＰＵ３１は、そのデータを用いて、上記式（８）及び式（９）に対応した演算を行うことで、測定点での組織の厚さｄ及び音速Ｃを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１５０）。

ＣＰＵ３１は、全ての測定点での処理が終了し、１画面分の測定データが取得されたか否かを判断する（ステップ１６０）。ここで、全データが取得されていない場合、ＣＰＵ３１は、ステップ１００に戻って、ステップ１００〜１６０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、音速像の表示処理を実行する（ステップ１７０）。

図１０には、その表示処理の具体例を示している。

先ず、ＣＰＵ３１は、所定のデータを表示装置３７に送信し、設定画面を表示させる（ステップ１７１）。この設定画面には、例えば、表示すべき音速像の周波数を指定するためのテキストボックスが表示されており、ユーザにより入力装置３６が操作されてそのテキストボックスに所定の周波数が入力される。すると、画像生成手段としてのＣＰＵ３１は、その周波数に対応する１画面分の音速Ｃのデータをメモリ３４から順次読み出して、音速Ｃのデータに基づいて音速像を生成するための画像処理を行う（ステップ１７２）。すなわち、ＣＰＵ３１は、音速Ｃを用いてカラー変調処理を行い、音速Ｃの大きさに応じた画像データを生成する。そして、ＣＰＵ３１は、それら画像データを表示装置３７に転送することにより、図１１に示すような音速像３９を表示させる（ステップ１７３）。なお、図１１の音速像３９では、生体組織２１における音速の違いを色の濃淡で示しているが、実際には、音速の値に応じて色分けされたカラー画像として表示される。

このように、ＣＰＵ３１は、ユーザが指定した周波数の音速像３９を表示装置３７に表示した後に本処理を終了する。なお、ステップ１７１の処理において複数の周波数が入力された場合、それら周波数に応じた複数の音速像３９を表示装置３７に並べて表示する。

従って、本実施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画像検査装置１では、デコンボリューション処理を行うことにより、生体組織２１の表面での反射波Ｓ_front及び裏面での反射波Ｓ_rearに分離することができ、各反射波Ｓ_front，Ｓ_rearに基づいて異なる周波数についての音速Ｃを求めることができる。従って、音速Ｃに関してより多くの情報が得られることとなり、これに基づいて生体組織２１における音速Ｃの周波数依存性に関する情報を得ることができ、生体組織２１の物理特性を正確に把握することが可能となる。

（２）本実施の形態の場合、生体組織２１の内部構造によって表面及び裏面での反射波Ｓ_front，Ｓ_rear以外の反射波が含まれる場合であっても、所定の窓関数を用いることにより、表面の反射波Ｓ_front及び裏面の反射波Ｓ_rearを時間領域で確実に分離することができる。そのため、生体組織２１の音速Ｃをより正確に求めることができる。

（３）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、Ｘ−Ｙステージ１５により超音波の照射点を二次元的に走査することで、生体組織２１における複数点での音速Ｃを求めることができる。また、ユーザが指定した周波数における音速Ｃのデータを用いて画像処理を行うことにより、その周波数に対応した生体組織２１の音速像３９を生成することができる。生体組織２１の音速Ｃは、組織の硬さに関連するパラメータであり、その音速Ｃに対応した音速像３９を表示させることにより、生体組織診断を行うことが可能となる。特に、本実施の形態の場合、異なる周波数についての音速像を表示装置３７に並べて表示できるため、各音速像を比較することにより、生体組織２１の周波数依存性を容易に確認することができる。

なお、本発明の実施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、生体組織２１に超音波Ｓ_ｏを照射して音速Ｃを測定した後に、設定画面を表示させて音速像３９の周波数を指定するものであったが、これに限定するものではない。例えば、超音波を照射して音速Ｃを測定する前（図８のステップ１００の処理前）に、設定画面を表示させて音速像３９の周波数を指定するように構成してもよい。このようにすると、指定された周波数での音速Ｃを求めそれに対応した画像データを生成すればよいので、使用するメモリ３４の容量やＣＰＵ３１の処理負荷を抑えることができる。

・上記実施の形態では、Ｘ−Ｙステージ１５を駆動することにより、超音波の照射点を二次元的に走査する構成を採用したが、超音波トランスデューサ１４側に二次元走査手段を設けてもよい。

・上記実施の形態では、被検査物としての生体組織２１の音速Ｃを測定するものであったが、それ以外に、例えば樹脂表面などの音速Ｃを測定してもよい。

・上記実施の形態において、パソコン４を用いて超音波画像検査装置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。また、音速像３９を表示するための表示装置３７は、パソコン４に一体的に設けられるものであったが、パソコン４と別体で設けてもよい。

・上記実施の形態の超音波画像検査装置１では、カラー変調による音速像３９を得るものであったが、それ以外に輝度変調した音速像とし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、前述した実施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２において、前記分離した各反射波をそれぞれフーリエ変換することで、位相スペクトルの周波数特性データを求め、そのデータにより得られる位相差に基づいて前記被検査物の厚さ及び音速を求めることを特徴とする音速測定方法。

（２）請求項３において、前記処理手段は、前記被検査物の非載置面からの反射波をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、前記被検査物からの反射波をフーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、前記第２のフーリエ変換手段により得られた変換結果を前記第１のフーリエ変換手段により得られた変換結果で除算する除算手段と、その除算結果を逆フーリエ変換することで補正された反射波のデータを得る逆フーリエ変換手段とを含むことを特徴とする音速測定装置。

（３）請求項３において、前記超音波の照射点を二次元的に走査させる二次元走査手段をさらに備えることを特徴とする音速測定装置。

（４）技術的思想（３）に記載の音速測定装置と、前記被検査物の音速に基づいて音速像を生成する処理を行う画像生成手段と、前記音速像を表示するための表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像検査装置。

（５）技術的思想（４）において、前記画像生成手段は、輝度変調またはカラー変調して画像表示するための画像データを生成することを特徴とする超音波画像検査装置。

（６）技術的思想（４）または（５）において、周波数を指定するための入力装置をさらに備え、前記画像生成手段はその周波数に対応する音速像を生成することを特徴とする超音波画像検査装置。

（７）技術的思想（４）〜（６）のいずれかにおいて、前記画像生成手段は、異なる周波数についての音速像を生成し、それら周波数毎の音速像を前記表示装置に並べて表示することを特徴とする超音波画像検査装置。

本発明を具体化した一実施の形態の超音波画像検査装置を示す概略構成図。トランスデューサ側から見たＸ−Ｙステージの平面図。超音波の走査範囲を示す説明図。各反射波を示す説明図。デコンボリューション処理前の反射波を示す説明図。デコンボリューション処理後の反射波を示す説明図。生体組織の表面及び裏面での反射波の位相スペクトルを示すグラフ。生体組織の音速像を生成するための処理を示すフローチャート。デコンボリューション処理を示すフローチャート。音速像の表示処理を示すフローチャート。音速像を示す説明図。従来のパルス励起型超音波顕微鏡での測定方法を示す模式図。

符号の説明

１…音速測定装置としての超音波画像検査装置
２…パルス励起型超音波顕微鏡
１４ａ…超音波振動子としての薄膜圧電素子
２０…試料載置板としてのガラス基板
２０ａ…非載置面としてのガラス面
２１…被検査物としての生体組織
３１…処理手段、波形分離手段、及び算出手段としてのＣＰＵ

Claims

パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物の音速を超音波の反射波に基づいて測定する音速測定方法であって、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、
前記被検査物からの反射波を取得するステップと、
前記非載置面からの反射波を参照波形として前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行うステップと、
前記補正された反射波を用いて前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とを時間領域で分離するステップと、
前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とをそれぞれ周波数領域で解析し、その解析結果から、前記被検査物の表面の反射波の周波数とこれに対応する位相と、前記被検査物の裏面の反射波の周波数とこれに対応する位相とを計算し、これらに基づいて周波数に対応した被検査物の音速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。
前記非載置面からの反射波と前記被検査物の表面の反射波との位相差から被検査物の厚さを求め、前記非載置面からの反射波と前記被検査物の裏面の反射波との位相差と前記被検査物の厚さとに基づいて前記音速を求めることを特徴とする請求項１に記載の音速測定方法。
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物の音速を超音波の反射波に基づいて測定する音速測定装置であって、
パルス励起されることによって超音波を被検査物に照射するとともに、前記被検査物からの反射波を受信する超音波振動子と、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を参照波形として前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行う処理手段と、
前記処理手段により補正された反射波を用いて前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とを時間領域で分離する波形分離手段と、
前記波形分離手段により分離された前記被検査物の表面の反射波と前記被検査物の裏面の反射波とをそれぞれ周波数領域で解析し、その解析結果から、前記被検査物の表面の反射波の周波数とこれに対応する位相と、前記被検査物の裏面の反射波の周波数とこれに対応する位相とを計算し、これらに基づいて周波数に対応した被検査物の音速を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする音速測定装置。