JP5326132B2 - 音響インピーダンス測定装置及び音響インピーダンス測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して試料の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス測定装置及び音響インピーダンス測定方法に関するものである。

従来、医療分野では、生体組織の診断を行う装置として、超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められており、高解像度で生体組織の観察が可能なものが実用化されている。光学顕微鏡では生体組織における化学的性質の違いを例えば染色によって区別するのに対し、超音波顕微鏡では物理的性質の違いを無染色で区別することができる。つまり、超音波顕微鏡を用いる場合には、染色を行わなくても生体組織診断を行うことができるといった利点がある。

具体的には、超音波顕微鏡を用いる場合、生体組織などの試料に超音波を照射しその反射波を検出することにより、音響パラメータ（音響インピーダンス、音速、減衰などのパラメータ）を算出して、その算出値に応じた超音波像（音響インピーダンス像、音速像、減衰像など）を表示する。本発明者らはパルス励起型の超音波顕微鏡を利用して生体組織の音響インピーダンス像を表示する超音波画像検査装置をすでに提案している（例えば、特許文献１参照）。

この超音波画像検査装置では、図１１に示されるように、樹脂プレート５０（透過部材）の上面に生体組織５１を密着させて支持し、その生体組織５１の周縁となる位置にリファレンス５２を設けている。そして、超音波振動子５３から樹脂プレート５０を介して生体組織５１及びリファレンス５２に超音波Ｓ_０を照射する。

ここで、リファレンス５２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）Ｓ_０と反射波Ｓ_refとは次式（１）の関係が成り立つ。

ただし、Ｚ_subは樹脂プレート５０の音響インピーダンスであり、Ｚ_refはリファレンス５２の音響インピーダンスである。

また、生体組織５１においてその表面と直交する角度で照射される超音波Ｓ_０と反射波Ｓ_tgtとは次式（２）の関係が成り立つ。

ただし、Ｚ_tgtは生体組織５１の音響インピーダンスである。

従って、上記式（１），（２）から生体組織５１の音響インピーダンスＺ_tgtは、次式（３）により求められる。

この超音波画像検査装置において、音響インピーダンスＺ_tgtを測定しながら超音波Ｓ_０の照射点を二次元走査することにより、二次元の音響インピーダンス像が得られる。音響インピーダンスＺ_tgtは、組織の硬さに関連するパラメータであり、音響インピーダンス像によって生体組織５１の性状を観察することができる。
特開２００６−７８４０８号公報

ところで、上記超音波画像検査装置では、画像分解能を高めるために焦点型超音波振動子５３を用い、生体組織５１の表面（樹脂プレート５０との界面）で焦点を結ぶよう超音波Ｓ_０が照射されている。ここで、超音波振動子５３において、中心軸から出た超音波Ｓ_０は、生体組織５１の表面に対して直交するが、周辺部から出た超音波Ｓ_０は生体組織５１の表面に対して斜めに入射する。また、超音波Ｓ_０が斜めに入射した場合、樹脂プレート５０中には縦波だけではなく横波も発生してしまう。このため、超音波Ｓ_０の集束角が大きくなるほど、音響インピーダンスＺ_tgtの測定値に誤差が生じてしまう。この測定誤差を回避するため、従来では、生体組織５１に音響インピーダンスＺ_tgtが近い物質（例えば、水）をリファレンスとして用いるようにしていた。

リファレンスとして水を用いる場合、水は表面張力で生体組織５１と接触して移動してしまうため、生体組織５１の周辺に水を配置する作業は非常に困難となる。また、リファレンスとして樹脂材料（シリコーン樹脂やアクリル樹脂など）を用いれば、生体組織５１の周辺にリファレンスを確実に固定することができるため、水のように配置場所が移動するといった問題は回避することができる。しかしながら、シリコーン樹脂やアクリル樹脂は、生体組織５１と音響インピーダンスが異なるため、上述したように超音波Ｓ_０の集束角による測定誤差が生じてしまう。

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、超音波の集束角による測定誤差を補正して、迅速かつ正確に音響インピーダンスを測定することができる音響インピーダンス測定装置及び音響インピーダンス測定方法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、試料に超音波を照射し、その超音波の反射波信号に基づいて、前記試料の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス測定装置であって、前記試料を密着させるための第１面と、その第１面の反対側に位置しかつ超音波伝達媒体を接触させるための第２面とを有し、超音波を透過しうる透過部材と、前記第１面に接触するようにして存在し、前記透過部材の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有するリファレンスと、前記第１面に超音波の焦点を合わせた状態で前記超音波伝達媒体及び前記透過部材を介して前記第２面側から前記試料及び前記リファレンスに対し、有限の集束角を有する超音波の集束ビームを照射するとともに、前記試料及び前記リファレンスからの反射波を受信して電気信号に変換する焦点型超音波振動子と、前記透過部材及び前記リファレンスの音響インピーダンスと、前記リファレンス及び前記試料からの反射波信号とに基づいて前記試料の音響インピーダンスを求める算出手段と、前記焦点型超音波振動子の発する超音波（Ｓｏ）の集束角（θ_{0_max}）及び集束距離（Ｌ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第２面における超音波の透過率（Ｔ' _0→sub ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第１面における超音波の反射率（Ｒ _sub→tgt ）とに基づいて前記入射角（θ ₀ ）の値を変数とする積分演算を行うことにより、送信波強度及び受信波強度を求めることで、送信波強度に対する受信波強度の比率として定義された見かけの反射定数を算出し、当該見かけの反射定数に基づいて算出した補正データを用いて前記音響インピーダンスを補正する補正手段とを備えた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１に記載の発明によれば、透過部材の第１面に試料が密着され、その第１面の反対側に位置する第２面には超音波伝達媒体が接触される。また、透過部材の第１面に接触するようリファレンスが存在している。そして、焦点型超音波振動子により、透過部材の第１面に焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び透過部材を介して第２面側からリファレンスに対して、有限の集束角を有する超音波の集束ビームが照射され、そのリファレンスからの反射波が受信され電気信号に変換される。さらに、焦点型超音波振動子により、透過部材の第１面に焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び透過部材を介して第２面側から試料に対して、有限の集束角を有する超音波の集束ビームが照射され、その試料からの反射波が受信され電気信号に変換される。そして、算出手段により、透過部材及びリファレンスの音響インピーダンスと、リファレンス及び試料からの反射波信号とに基づいて試料の音響インピーダンスが求められる。さらに、補正手段により、焦点型超音波振動子の発する超音波の集束角が考慮されて音響インピーダンスが補正される。このようにすれば、試料の音響インピーダンスをより正確に求めることができる。またこの場合、従来技術のように試料の音響インピーダンスに近い水をリファレンスとして用いる必要はなく、例えば、装置周囲に存在する空気を用いることが可能となる。従って、リファレンスとして空気を用いれば、従来技術のように試料の周囲に水や樹脂材料などを配置させる必要がなく、試料の音響インピーダンスを迅速に測定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記算出手段は、前記透過部材の第１面に対して前記超音波が垂直に入射したものと仮定して前記音響インピーダンスを求めることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、透過部材の第１面に対して超音波が垂直に入射したものと仮定して、算出手段により音響インピーダンスが求められる。この場合、算出手段が求めた音響インピーダンスの算出値は、超音波の集束角による誤差を含んだ値となるが、補正手段によって、音響インピーダンスの算出値が補正されることにより、正確な音響インピーダンスを求めることができる。

請求項５に記載の発明は、試料に超音波を照射し、その超音波の反射波信号に基づいて、前記試料の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス測定方法であって、超音波を透過しうる透過部材の第１面に前記試料を密着させるとともに、前記第１面において前記試料の周囲に前記透過部材の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有するリファレンスを存在させておくステップと、焦点型超音波振動子により、前記第１面に超音波の焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び前記透過部材を介してその透過部材の第２面側から前記リファレンスに対し、有限の集束角を有する超音波の集束ビームを照射するステップと、前記リファレンスの表面で反射した超音波の反射波信号を取得するステップと、前記焦点型超音波振動子により、前記第１面に超音波の焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び前記透過部材を介してその透過部材の第２面側から前記試料に対し、前記超音波の集束ビームを照射するステップと、前記試料の表面で反射した超音波の反射波信号を取得するステップと、前記透過部材及び前記リファレンスの音響インピーダンスと、前記リファレンス及び試料からの前記反射波信号とに基づいて前記試料の音響インピーダンスを求めるステップと、前記焦点型超音波振動子の発する超音波（Ｓｏ）の集束角（θ_{0_max}）及び集束距離（Ｌ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第２面における超音波の透過率（Ｔ' _0→sub ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第１面における超音波の反射率（Ｒ _sub→tgt ）とに基づいて前記入射角（θ ₀ ）の値を変数とする積分演算を行うことにより、送信波強度及び受信波強度を求めることで、送信波強度に対する受信波強度の比率として定義された見かけの反射定数を算出し、当該見かけの反射定数に基づいて算出した補正データを用いて前記音響インピーダンスを補正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５に記載の発明によれば、透過部材の第１面に試料が密着され、その試料の周囲にリファレンスが存在している。このリファレンスは透過部材の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有する。そして、焦点型超音波振動子により、透過部材の第１面に焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び透過部材を介して第２面側からリファレンスに対して、有限の集束角を有する超音波の集束ビームが照射され、そのリファレンスからの反射波が受信され電気信号に変換される。さらに、焦点型超音波振動子により、透過部材の第１面に焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び透過部材を介して第２面側から試料に対して、有限の集束角を有する超音波の集束ビームが照射され、その試料からの反射波が受信され電気信号に変換される。そして、透過部材及びリファレンスの音響インピーダンスと、リファレンス及び試料からの反射波信号とに基づいて試料の音響インピーダンスが求められる。さらに、焦点型超音波振動子の発する超音波の集束角が考慮されて音響インピーダンスが補正される。このようにすれば、試料の音響インピーダンスをより正確に求めることができる。またこの場合、従来技術のように試料の音響インピーダンスに近い水をリファレンスとして用いる必要はなく、例えば、装置周囲に存在する空気を用いることが可能となる。従って、リファレンスとして空気を用いれば、試料の周囲にリファレンスを配置させるための作業工程が不要となり、試料の音響インピーダンスを迅速に測定することができる。

以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、超音波の集束角による測定誤差を補正して、迅速かつ正確に音響インピーダンスを測定することができる。

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は音響パラメータ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り、図２は、その超音波画像検査装置の電気的な構成を示すブロック図である。

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、パーソナルコンピュータ（パソコン）３とを備える。パルス励起型超音波顕微鏡２は、試料ステージ４を有する顕微鏡本体５と、試料ステージ４の下方に設置された超音波プローブ６とを備える。そのパルス励起型超音波顕微鏡２の超音波プローブ６がパソコン３と電気的に接続されている。

本実施の形態の試料ステージ４は、ユーザの手動操作により、水平方向（即ちＸ方向及びＹ方向）に移動できるように構成されている。この試料ステージ４には、生体組織８を載置した樹脂プレート９（透過部材）が固定されている。なお、生体組織８は、例えば、ラットの小脳から切り出した脳組織であり、３００μｍ〜４００μｍの厚さを有する。また、樹脂プレート９としては、超音波を透過する材料(例えば、ポリスチレン)からなる厚さ０．８ｍｍ程度の樹脂板が用いられている。

超音波プローブ６は、水などの超音波伝達媒体Ｗ１を貯留可能な貯留部１１をその先端部に有するプローブ本体１２と、プローブ本体１２の略中心部に配置される超音波トランスデューサ１３（焦点型超音波振動子）と、プローブ本体１２を前記試料ステージ４の面方向に沿って二次元的に走査するためのＸ−Ｙステージ１４（二次元走査手段）とを備える。プローブ本体１２の貯留部１１は上部が開口しており、その貯留部１１の開口側を上向きにした状態で超音波プローブ６が試料ステージ４の下方に設置されている。

超音波トランスデューサ１３は、先端部に凹面１５が形成された円柱状の真鍮１６と、その凹面１５上を覆うように設けられたＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）フィルムからなるフィルムセンサ１７とを備える。超音波トランスデューサ１３は、パルス励起されることでフィルムセンサ１７が振動し、樹脂プレート９の下面９２（第２面）側から生体組織８に対して、有限の集束角を有する超音波の集束ビームを照射する。この超音波の集束ビームは、貯留部１１の超音波伝達媒体Ｗ１を介して円錐状に集束されて樹脂プレート９の上面９１（生体組織８の表面）で焦点を結ぶようになっている。なお、超音波トランスデューサ１３としては、口径２．４ｍｍ、焦点距離３．２ｍｍ、集束角２２°、超音波の帯域幅１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの仕様のものを用いている。

図２に示されるように、超音波プローブ６は、超音波トランスデューサ１３と、Ｘ−Ｙステージ１４と、パルス発生回路２１と、受信回路２２と、送受波分離回路２３と、検波回路２４と、Ａ／Ｄ変換回路２５と、エンコーダ２６と、コントローラ２７とを備える。

Ｘ−Ｙステージ１４は、超音波の照射点を二次元的に機械走査させるためのＸステージ１４Ｘ及びＹステージ１４Ｙを備えるとともに、それぞれのステージ１４Ｘ，１４Ｙを駆動するモータ２８Ｘ，２８Ｙを備えている。これらのモータ２８Ｘ，２８Ｙ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２８Ｘ，２８Ｙにはコントローラ２７が接続されており、該コントローラ２７の駆動信号に応答してモータ２８Ｘ，２８Ｙが駆動される。これらモータ２８Ｘ，２８Ｙの駆動により、Ｘステージ１４Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ１４Ｙを間欠送りとなるよう制御することで、Ｘ−Ｙステージ１４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１４Ｘに対応してエンコーダ２６が設けられ、エンコーダ２６によりＸステージ１４Ｘの走査位置が検出される。具体的に、走査範囲（例えば、縦横３ｍｍの走査範囲）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２６によって検出されパソコン３に取り込まれる。パソコン３はそのエンコーダ２６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２７に供給する。コントローラ２７は、この駆動制御信号に基づいてモータ２８Ｘを駆動する。また、コントローラ２７は、エンコーダ２６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２８Ｙを駆動して、Ｙステージ１４Ｙ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２７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２１に供給する。これにより、パルス発生回路２１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２３を介して超音波トランスデューサ１３に供給される結果、超音波トランスデューサ１３から超音波が照射される。

図３には、Ｘ−Ｙステージ１４の移動に伴う超音波の走査範囲Ｒ１の一例を示している。走査範囲Ｒ１は、生体組織８とその生体組織８が載置されていない領域（非載置面）を含むように設定される。この例では、非載置面に接触する空気Ａ１がリファレンスとして用いられる。また、走査範囲Ｒ１の右下の隅に非載置面（空気Ａ１）が存在するようになっており、その位置から走査が開始される。そして、矢印で示すように、生体組織８の表面に沿ってＸ方向及びＹ方向に二次元的に走査が順次行われる。なお、リファレンスとして空気Ａ１を用いたが、それ以外に例えば、シリコーン樹脂やアクリル樹脂などの樹脂材料からなるリファレンスを用いることもできる。

超音波トランスデューサ１３のフィルムセンサ１７は、送受波兼用の素子であり、生体組織８で反射した超音波（反射波）を電気信号に変換する。そして、その超音波の反射波信号は、送受波分離回路２３を介して受信回路２２に供給される。受信回路２２は、信号増幅回路を含んで構成されていて、反射波信号を増幅して検波回路２４に出力する。

検波回路２４は、生体組織８からの反射波信号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２４は、超音波トランスデューサ１３で受信した反射波信号のなかから生体組織８やリファレンスＡ１の反射波信号を抽出する。そして、検波回路２４で抽出された反射波信号は、Ａ／Ｄ変換回路２５に供給されてＡ／Ｄ変換された後、パソコン３に転送される。

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

ＣＰＵ３１は、メモリ３３を利用して制御プログラムを実行し、システム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１４による二次元走査を制御するためのプログラム、音響インピーダンスを算出するためのプログラム、音響インピーダンス像を表示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６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）である。Ｉ／Ｆ回路３２は、超音波プローブ６に制御信号（コントローラ２７への駆動制御信号）を出力したり、超音波プローブ６からの転送データ（Ａ／Ｄ変換回路２５から転送されるデータなど）を入力したりする。

表示装置３６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８の画像（音響インピーダンス像）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３５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３４は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などであり、制御プログラム及び各種のデータを記憶している。なお、この記憶装置３４に記憶されるデータとしては、樹脂プレート９の音響インピーダンスやリファレンスとしての空気Ａ１の音響インピーダンスを含む。具体的には、例えば、樹脂プレート９の音響インピーダンス値は、２．４９×１０^６Ｎｓ／ｍ^３であり、空気Ａ１の音響インピーダンス値は、４．１×１０^２Ｎｓ／ｍ^３である。

ＣＰＵ３１は、入力装置３５による指示に従い、プログラムやデータを記憶装置３４からメモリ３３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３４にインストールして利用する。

本実施の形態の超音波画像検査装置１では、超音波トランスデューサ１３から照射される超音波の集束角を考慮して、生体組織８の音響インピーダンスを算出している。

詳しくは、図４に示されるように、超音波トランスデューサ１３から照射される超音波Ｓ_０は、有限の角度を持つ集束波であり、樹脂プレート９（上面９１）の垂線を基準とした最大値θ_{0_max}（例えば、２２°の角度）で入射する。超音波Ｓ_０の入射角が０°でない場合、縦波の一部は入射の際に横波に変換される。ここで、超音波Ｓ_０が入射角θ₀で樹脂プレート９に入射する場合、その樹脂プレート９を透過して伝搬する縦波の角度θ_{sub_l}はスネルの法則により次式（４）のように求められる。

なお、Ｃ_{sub_l}は、樹脂プレート９における縦波の音速であり、Ｃ₀は超音波伝達媒体Ｗ１における音速である。

図５に示されるように、超音波Ｓ_０が超音波トランスデューサ１３に反響するまでには、３つの横波（図中では点線の矢印で示す）が発生する。横波は反射率に影響を及ぼすが、縦波に比較して十分遅いので、受信時の時間窓の範囲を限定することで除去することができるため、横波の影響を無視できるものとする。またここでは、横波がリファレンスＡ１や生体組織８で発生しないと仮定する。

この場合、樹脂プレート９の上面９１（第１面）における超音波の反射率Ｒ_sub→tgt（反射縦波と入射縦波との比率）は、次式（５）のように表される。

ここで、θ_{sub_t}は式（６）、Ｍ_subは式（７）、Ｎ_sub→tgtは式（８）でそれぞれ表される。

また、式（８）における角度θ_tgtは次式（９）により求めることができる。

なお、上記の式（５）〜式（９）において、Ｚ_tgtは生体組織８の音響インピーダンスであり、Ｚ_{sub_l}は樹脂プレート９の縦波の音響インピーダンスである。また、Ｃ_{sub_t}は樹脂プレート９における横波の音速であり、Ｃ_tgtは生体組織８の音速である。

超音波Ｓ_０は、伝搬時に樹脂プレート９の下面９２（第２面）を２回透過し、その透過率Ｔ_0→sub・Ｔ_sub→0は次式（１０）で示される。

ここで、Ｎ_0→subは次式（１１）で表される。

なお、Ｚ₀は超音波伝達媒体Ｗ１の音響インピーダンスである。

見かけの反射定数（受信波と送信波との比率）は、０°〜θ_{0_max}のそれぞれの入射角度θ₀に応じて積分演算を行うことにより、次式（１２）のように表される。ただし、収差は無視してよいものと仮定する。

ここで、Ｌは超音波Ｓ_０の集束距離である。

また、リファレンスＡ１に超音波Ｓ_０を照射した場合の見かけの反射定数は、Ｓ_ref（Ｚ_ref，Ｃ_ref，θ_{0_max}）として上記式（１２）と同様の式から算出される。

さらに、上記式（１）を参照すると、垂直入射として仮定した見かけの音響インピーダンスＺ_{tgt_app}は、次式（１３）のように推定される。

図６には、音響インピーダンスの真値Ｚ_tgtと、式（１３）を用いて算出した音響インピーダンスの見かけ値Ｚ_{tgt_app}との関係を示している。なお、図６には、リファレンスとして空気Ａ１を用いる場合の見かけ値Ｚ_{tgt_app}と、リファレンスとして水を用いる場合の見かけ値Ｚ_{tgt_app}とを示している。また、図中の実線は、生体組織８の密度（Ｚ_tgt／Ｃ_tgt）を１．０とした場合の算出値であり、実線の上側の点線は密度を１．１とした場合、実線の下側の点線は密度を０．９とした場合の算出値である。

図６に示されるように、リファレンスとして水を用いる場合、真値Ｚ_tgtと見かけ値Ｚ_{tgt_app}とは、生体組織８の音響インピーダンスＺ_tgtが水の音響インピーダンスＺ_refと等しくなるとき（Ｚ_tgt＝Ｚ_ref＝１．４９×１０^６Ｎｓ／ｍ^３）に一致し、音響インピーダンスＺ_tgtが水の音響インピーダンスＺ_refの値から遠くなるにつれて差が大きくなる。また、リファレンスとして空気Ａ１を用いる場合では、真値Ｚ_tgtと見かけ値Ｚ_{tgt_app}との差がより大きくなる。この場合、測定される音響インピーダンスＺ_{tgt_app}は、実際の生体組織８の音響インピーダンス（例えば、１．４〜１．７×１０^６Ｎｓ／ｍ^３）から大きく離れた値となってしまうため、集束角による測定誤差は無視することができない。

従って、本実施の形態では、図６に示される見かけ値Ｚ_{tgt_app}の実線（曲線）に対応する二次関数の補正データを求め、その補正データを用いて、生体組織８の音響インピーダンスＺ_tgtを補正するよう構成している。この補正データは、式（１３）の見かけ値Ｚ_{tgt_app}から求められるデータであって、超音波Ｓ_０の入射角θ₀に依存する式（５）の反射率Ｒ_sub→tgtや式（１０）の透過率Ｔ'_0→subに基づいて求められる。より詳しくは、超音波Ｓ_０の集束ビームは、集束角θ_{0_max}よりも小さな任意の入射角θ₀を持つ超音波Ｓ_０を集めたビームであるため、それら様々の入射角θ₀を持つ超音波Ｓ_０に対して積分演算を行うことにより、補正データが求められている。なお、この補正データは、制御プログラムとともに記憶装置３４に記憶されている。

本発明者らは、上記超音波画像検査装置１において、音響インピーダンスＺ_tgtの補正が正しく行われているか確認するため、濃度の異なる食塩水の音響インピーダンスを測定した。その結果を図７に示している。なおここでは、リファレンスとして水を用いた場合（図中では「●」で示す）とリファレンスとして空気を用いた場合（図中では「▲」で示す）とについて、超音波Ｓ_０が垂直入射したものと仮定して食塩水の音響インピーダンスを測定している。

図７に示されるように、垂直入射と仮定した各測定値は、図６の見かけ値Ｚ_{tgt_app}とほぼ一致している。また、補正後の音響インピーダンス（図中では、水を用いた場合を「○」、空気を用いた場合を「△」で示す）は、真値に一致しており、リファレンスに依存しないことが確認できた。

次に、生体組織８の音響インピーダンス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。なお、図８の処理に先立ち、樹脂プレート９の上面９１の試料支持領域内（具体的には、超音波Ｓ_０の走査範囲Ｒ１内）において、生体組織８表面を密着させるとともにその周囲にリファレンスとしての空気Ａ１が存在するようにして生体組織８をセットする。その後、パソコン３の入力装置３５が操作されることにより図８の処理が開始される。

まず、超音波プローブ６の初期動作として、ＣＰＵ３１からの指示に基づいてコントローラ２７によりモータ２８Ｘ，２８Ｙが駆動され、樹脂プレート９の上面９１における走査位置が生体組織８の非載置面に位置するようにＸ−Ｙステージ１４が移動される。またこのとき、励起パルスがトランスデューサ１３に供給されると、図９に示されるように、非載置面の空気Ａ１に向けて超音波Ｓ_０が照射され、その反射波Ｓ_refが検波回路２４で検出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２５で変換されたデジタルデータをＩ／Ｆ回路３２を介して取得し、そのデータをリファレンスでの反射波のデータとしてメモリ３３に記憶する（ステップ１００）。

その後、ＣＰＵ３１からの指示に基づいてコントローラ２７によりモータ２８Ｘ，２８Ｙが駆動され、Ｘ−Ｙステージ１４による二次元走査が開始される。ＣＰＵ３１は、エンコーダ２６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）。そして、図９に示されるように、生体組織８に超音波Ｓ_０が照射され、その反射波Ｓ_tgtが検波回路２４で検出される。ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２５で変換されたデジタルデータをＩ／Ｆ回路３２を介して取得し、そのデータを生体組織８の反射波Ｓ_tgtのデータとして座標データに関連付けてメモリ３３に記憶する（ステップ１２０）。

その後、ＣＰＵ３１は、得られたリファレンスＡ１及び生体組織８での反射波Ｓ_ref，Ｓ_tgtの強度と、リファレンスＡ１及び樹脂プレート９の音響インピーダンスＺ_ref，Ｚ_subの値とを用いて、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Ｚ_tgtを算出する（ステップ１３０）。さらに、ＣＰＵ３１は、補正データを用いて、音響インピーダンスＺ_tgtを補正し、集束角による測定誤差の少ない正確な値を求める（ステップ１４０）。そして、ＣＰＵ３１は、補正した音響インピーダンスＺ_tgtを測定点の座標データに関連付けてメモリ３３に記憶する。

その後、ＣＰＵ３１は、補正後の音響インピーダンスＺ_tgtに基づいて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。詳しくは、ＣＰＵ３１は、音響インピーダンスＺ_tgtを用いてカラー変調処理を行い、音響インピーダンスＺ_tgt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３３に記憶する（ステップ１５０）。これの具体例を挙げると、音響インピーダンスＺ_tgtの値が大きくなるほど赤色系の色調を強くし、音響インピーダンスＺ_tgtの値が小さくなるほど青色系の色調を強くするような画像処理を行う。

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１１０に戻って、ステップ１１０〜１６０の処理を繰り返し実行する。そして、全データが取得された場合には、該データを表示装置３６に転送して、図１０に示すような音響インピーダンス像４１を表示させた後、図８の処理を終了する。なお、図１０の音響インピーダンス像４１では、生体組織８における音響インピーダンスＺ_tgtの違いを色の濃淡で示しているが、実際には、音響インピーダンスＺ_tgt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。

また、図１０の音響インピーダンス像４１において、四角で囲まれた領域Ｒ０の音響インピーダンスＺ_tgtの分布を確認した。補正前の音響インピーダンスＺ_tgtは、１．９２〜２．０４×１０^６Ｎｓ／ｍ^３で分布していたが、補正された音響インピーダンスＺ_tgtは、１．５９〜１．６８×１０^６Ｎｓ／ｍ^３の間に分布していた。さらに、リファレンスとして水を用いて生体組織８の音響インピーダンス像４１を取得し、同様に、音響インピーダンスＺ_tgtの分布を確認した。この場合、補正前の音響インピーダンスＺ_tgtは、１．６８〜１．８５×１０^６Ｎｓ／ｍ^３で分布していたが、補正された音響インピーダンスＺ_tgtは、１．５９〜１．６８×１０^６Ｎｓ／ｍ^３の間に分布していた。このように、本実施の形態の超音波画像検査装置１を用いれば、リファレンスの種類にかかわらず補正後の音響インピーダンスＺ_tgtの分布が一致することが確認された。

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画像検査装置１では、超音波トランスデューサ１３の発する超音波Ｓ_０の集束角θ_{0_max}を考慮して音響インピーダンスＺ_tgtが補正されるので、生体組織８の音響インピーダンスＺ_tgtをより正確に求めることができる。またこの場合、リファレンスとして空気Ａ１を用いることができるため、従来技術のように、水やシリコーン樹脂などを生体組織８の周囲に配置する作業が不要となり、生体組織８の音響インピーダンスＺ_tgtを迅速に測定することができる。

（２）本実施の形態のパルス励起型超音波顕微鏡２は、生体組織８の下方から超音波Ｓ_０を照射してその組織下面の画像を可視化するよう構成された倒立型の顕微鏡である。この場合、試料ホルダなどの特別な固定部材を設ける必要がなく、樹脂プレート９の上面９１に生体組織８を載せるだけで、その音響インピーダンスＺ_tgtを容易に測定することができる。従って、生体組織８を生かした状態でその組織構造を迅速に確認することができる。言い換えると、生体組織８のありのままの様子を観察することが可能となる。

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、二次関数の補正データを用いて音響インピーダンスＺ_tgtを補正するものであったが、これ以外に、例えば、変換テーブルの補正データを用い、測定誤差を含んだ算出値を誤差のない値に補正するよう構成してもよい。

・上記実施の形態において、パルス励起型超音波顕微鏡２は、超音波Ｓ_０の集束角や焦点距離の異なる複数種類の超音波トランスデューサ１３を着脱可能に構成されていてもよい。この場合、超音波トランスデューサ１３の種類に応じた補正データを記憶装置３４に記憶しておき、使用する超音波トランスデューサ１３の種類に応じた補正データを用いて音響インピーダンスＺ_tgtの補正を適切に行うように構成する。

・上記各実施の形態において、ラットの小脳における生体組織８を観察するものであったが、ラット以外の動物の生体組織を観察してもよい。また、脳以外の神経組織や、神経組織以外の臓器（心臓、肺、肝臓、腎臓、脾臓など）の組織を観察してもよい。

・上記実施の形態では、生体組織８の下方から超音波を照射する倒立型の超音波顕微鏡２を用いるものであったが、生体組織８の上方から超音波を照射する超音波顕微鏡を用いてもよい。

・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、音響インピーダンス像を表示するための表示装置３６は、パソコン３に一体的に設けられるものであったが、パソコン３と別体で設けてもよい。

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４のいずれか１項において、前記リファレンスは装置周囲に存在する空気であ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１乃至４のいずれか１項において、前記リファレンスは前記第１面上に設けられた樹脂材料であ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１乃至４のいずれか１項において、前記超音波の照射点を前記第１面に沿って二次元的に走査させる二次元走査手段を備え、前記リファレンス及び前記試料は、前記二次元走査手段により超音波が走査される範囲内に配置されることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（４）請求項１乃至４のいずれか１項において、超音波の集束角が異なる複数種類の超音波振動子が着脱可能に構成され、前記超音波振動子の種類に応じた補正データを前記記憶手段に記憶する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１乃至４のいずれか１項において、前記リファレンスの種類に応じた補正データを前記記憶手段に記憶する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１乃至４のいずれか１項において、前記補正した音響インピーダンスに基づいて、試料表面の超音波像を生成するための処理を行う画像生成手段を備えたことを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（７）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記超音波の周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（８）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記超音波の集束ビームの集束角は１５度以上であることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（９）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記試料は生体組織であることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（１０）請求項３において、前記補正データは、前記透過部材において第１面で反射する超音波の縦波と前記第２面を透過する超音波の縦波に基づいて算出されることを特徴とする音響インピーダンス測定装置。

（１１）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記焦点型超音波振動子と前記超音波の照射点を前記第１面に沿って二次元的に走査させる二次元走査手段とを備えた超音波顕微鏡を含んで構成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超音波画像検査装置を示す概略構成図。 超音波画像検査装置の電気的な構成を示すブロック図。 超音波の走査範囲を示す説明図。 超音波の集束ビームを示す説明図。 入射角θ_０での超音波の伝搬を示す説明図。 音響インピーダンスの真値と見かけ値との関係を示すグラフ。 音響インピーダンスの測定値を示すグラフ。 音響インピーダンス像の生成処理を示すフローチャート。 生体組織及びリファレンスでの反射波を示す説明図。 生体組織の音響インピーダンス像を示す説明図。 従来の音響インピーダンスの測定方法を示す説明図。

符号の説明

１…音響パラメータ測定装置としての超音波画像検査装置
８…試料としての生体組織
９…透過部材としての樹脂プレート
１３…焦点型超音波振動子としての超音波トランスデューサ
１４…二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ
３１…演算手段及び補正手段としてのＣＰＵ
９１…透過部材の第１面としての上面
９２…透過部材の第２面としての下面
Ａ１…リファレンスとしての空気
Ｓ_０…超音波
Ｓ_tgt…試料からの反射波
Ｓ_ref…リファレンスとしとの空気からの反射波
Ｚ_tgt…音響パラメータとしての音響インピーダンス
Ｗ１…音波伝達媒体
θ₀…入射角
θ_{0_max}…集束角

Claims (3)

1. 試料に超音波を照射し、その超音波の反射波信号に基づいて、前記試料の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス測定装置であって、
   前記試料を密着させるための第１面と、その第１面の反対側に位置しかつ超音波伝達媒体を接触させるための第２面とを有し、超音波を透過しうる透過部材と、
   前記第１面に接触するようにして存在し、前記透過部材の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有するリファレンスと、
   前記第１面に超音波の焦点を合わせた状態で前記超音波伝達媒体及び前記透過部材を介して前記第２面側から前記試料及び前記リファレンスに対し、有限の集束角を有する超音波の集束ビームを照射するとともに、前記試料及び前記リファレンスからの反射波を受信して電気信号に変換する焦点型超音波振動子と、
   前記透過部材及び前記リファレンスの音響インピーダンスと、前記リファレンス及び前記試料からの反射波信号とに基づいて前記試料の音響インピーダンスを求める算出手段と、
   前記焦点型超音波振動子の発する超音波（Ｓｏ）の集束角（θ_{0_max}）及び集束距離（Ｌ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第２面における超音波の透過率（Ｔ' _0→sub ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第１面における超音波の反射率（Ｒ _sub→tgt ）とに基づいて前記入射角（θ ₀ ）の値を変数とする積分演算を行うことにより、送信波強度及び受信波強度を求めることで、送信波強度に対する受信波強度の比率として定義された見かけの反射定数を算出し、当該見かけの反射定数に基づいて算出した補正データを用いて前記音響インピーダンスを補正する補正手段と
   を備えたことを特徴とする音響インピーダンス測定装置。
2. 前記算出手段は、前記透過部材の第１面に対して前記超音波が垂直に入射したものと仮定して前記音響インピーダンスを求めることを特徴とする請求項１に記載の音響インピーダンス測定装置。
3. 試料に超音波を照射し、その超音波の反射波信号に基づいて、前記試料の音響インピーダンスを求める音響インピーダンス測定方法であって、
   超音波を透過しうる透過部材の第１面に前記試料を密着させるとともに、前記第１面において前記試料の周囲に前記透過部材の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有するリファレンスを存在させておくステップと、
   焦点型超音波振動子により、前記第１面に超音波の焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び前記透過部材を介してその透過部材の第２面側から前記リファレンスに対し、有限の集束角を有する超音波の集束ビームを照射するステップと、
   前記リファレンスの表面で反射した超音波の反射波信号を取得するステップと、
   前記焦点型超音波振動子により、前記第１面に超音波の焦点を合わせた状態で超音波伝達媒体及び前記透過部材を介してその透過部材の第２面側から前記試料に対し、前記超音波の集束ビームを照射するステップと、
   前記試料の表面で反射した超音波の反射波信号を取得するステップと、
   前記透過部材及び前記リファレンスの音響インピーダンスと、前記リファレンス及び試料からの前記反射波信号とに基づいて前記試料の音響インピーダンスを求めるステップと、
   前記焦点型超音波振動子の発する超音波（Ｓｏ）の集束角（θ_{0_max}）及び集束距離（Ｌ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第２面における超音波の透過率（Ｔ' _0→sub ）と、前記超音波の入射角（θ ₀ ）に依存する、前記第１面における超音波の反射率（Ｒ _sub→tgt ）とに基づいて前記入射角（θ ₀ ）の値を変数とする積分演算を行うことにより、送信波強度及び受信波強度を求めることで、送信波強度に対する受信波強度の比率として定義された見かけの反射定数を算出し、当該見かけの反射定数に基づいて算出した補正データを用いて前記音響インピーダンスを補正するステップと
   を含むことを特徴とする音響インピーダンス測定方法。