JP5895152B2 - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

超音波検査装置及び超音波検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、生体の体内観察を行うための超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。
乳癌の早期発見を主目的とする集団検診を支援するための種々の技術が開発されている。その１つが、Ｘ線による乳房の撮像技術を活用したマンモグラフィ検診である。しかしながら、マンモグラフィ検診では、組織密度が高い乳房をＸ線で撮像した場合に、病変が正常組織に隠される等、正確に病変部位を描画できない恐れがあった。また、マンモグラフィ検診は、乳房の上下又は左右を強く押圧した状態で撮影を行うため、被検者によっては苦痛を感じることがあった。このため、病変を見落とす可能性が低く、被検者への負担が少ない、超音波による乳房の画像撮影技術が検討されてきた。
超音波検査装置は、超音波を被検体内に送波し、被検体内の音響インピーダンスの異なる組織の界面（以後、反射組織）で反射される反射波（以後、超音波エコー）に基づいて被検体内部の情報を画像化する装置である。現在、このような超音波検査装置を用いて乳癌検診を行う場合は、技師が超音波プローブ（以後、プローブ）を手動で動かす。これにより、超音波検査装置は、乳房の断面像（以後、断層画像）を表示する。そして、技師は、表示された断面像を見ながら乳房の全断面を検査する。そして、異常があると思われる断層画像が記録され、記録された画像を後で医師が読影して診断が行われる。しかし、このような方法は、検査結果が技師の技能に大きく依存するとともに、データの再現性も乏しいという課題がある。さらに、このような方法は、一人の検査に要する時間も長いという課題がある。
このため、近年、プローブを機械的に移動することで、技師の技能に依存することなく乳房の断層画像を撮影する超音波検査装置の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の方法は、プローブを仰向けとなった被検者の乳房に接触させ、乳頭を中心に機械的に旋回させながら超音波データを収集する。これにより、当該方法は断層画像を撮影する。このような方式は直接接触法と呼ばれる。
一方、プローブと乳房との間に温水などを介在させて超音波を送受信する、水浸法と呼ばれる方式がある。水浸法は、乳房全体をほぼ自然な形のままで撮像できる反面、超音波の送受信方向に対して乳房の表面が傾斜すると画質が劣化するという課題がある。この水浸法を用いる技術として、例えば、特許文献２記載の技術がある。特許文献２記載の超音波検査装置は、より劣化の少ない画像を得るために、個々の乳房の大きさに対応してプローブの位置を調整する。具体的には、特許文献２の超音波検査装置は、予めプレスキャンを行って乳房の外形を測定し、得られた外形データから乳房の表面の傾斜を求める。さらに、当該超音波検査装置は、この傾斜に沿うようにプローブを傾斜させることで、乳房に対して垂直に超音波を送受信しようと試みている。
特開２００３−３１０６１４号公報 特開２００７−３０１０７０号公報
しかしながら、前記従来の構成は次のような課題を有している。
特許文献１の構成は、プローブを乳房に接触させたまま機械的に回転させて複数の断層画像を撮影する。しかし、乳房は柔軟な組織であるため、この方法では乳房の形状は撮影ごとに大きく変化する。これにより、撮影される複数の断層画像は、各々が異なる形状の乳房を撮影した断層画像となる。よって、このような方法で自動検査を行い、検査結果から医師が診断を行おうとすると、撮影ごとに異なる形状の断層画像を大量に読影することになる。つまり、特許文献１の構成では、効率のよい診断を行なうことは困難である。
ここで、撮影された多数の断層画像を短時間でしかも詳しく診断するためには、これらの断層画像を三次元のボクセルデータに変換して記憶し、任意断面で表示可能とするのが望ましい。しかし、上述したように、特許文献１記載の技術では、超音波の送信及び受信を行う超音波プローブを被検体に押し当てながら移動させる必要があるため、被検体の形状が検査中に変化してしまう。そのため、被検体の変化の状態や変形量が、撮影ごとに（撮像時間によって）異なる。また、被検体の変形による影響は各々の断層画像ごとに異なる。そのため、断層画像ごとに被検体の変形を補正する必要があるので、三次元画像を再構成することが困難である。
さらに、このような直接接触法では、乳房の形状及びサイズの個人差により、プローブと体表とが接触できない部分が生じやすいという課題がある。そのため、超音波を正確に送受信することが難しくなり、その結果、断層画像の画質が劣化する。また、被検体の変形に再現性が無いため、得られる画像が再現性に欠けるという問題点がある。よって、検査者の判断を要さず、自動的に検診を行う自動化検診装置としては十分とはいえない。
一方、特許文献２に記載された水浸法の構成では、乳房表面にプローブを接触させないため、乳房の形状は初期状態から変形せず、常に再現性のよい画像が得られる。また、課題であった乳房への超音波の入射角についても対策がとられており、一定の効果はあると思われる。しかし、この画質劣化を防ぐ試みは十分とは言えない。すなわち、特許文献２記載の技術は、水槽に垂下された乳房の傾斜角がほぼ均一であると見なしてプローブの傾斜角度を調整している。これにより、例えばプローブの中央付近と端部付近とで傾斜角度が異なる場合、スキャンを行った領域の一部において充分な画質の断層画像が得られない可能性がある。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、検査時の被検体の変形量を低減できるとともに、画質を向上できる超音波検査装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、生体の体内観察を行うための超音波検査装置であって、被検体の内部に超音波を送信する送信プローブと、前記被検体の表面の微小変位を、前記被検体と非接触で検出することで、前記被検体の内部で反射された前記超音波である反射超音波を検出する受信プローブと、前記送信プローブが前記被検体に対して固定され、かつ前記受信プローブが前記被検体に対して移動される走査動作の際の前記反射超音波に基づき、前記被検体の内部の画像を生成する信号処理部とを備える。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、送信プローブを固定した状態において、非接触の受信プローブを移動させた際の反射超音波に基づき画像を生成する。これにより、検査時における被検体の変形量を低減できるとともに、被写体表面とプローブとが非接触となることにより画質の劣化を抑制できる。さらに、当該超音波検査装置は、被検体の表面の微小変位を検出することで、反射超音波を検出する。これにより、当該超音波検査装置は、被検体表面の傾斜角への画質の依存が少ない良好な画像を生成できる。このように、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、検査時の被検体の変形量を低減できるとともに、画質を向上できる。
また、前記受信プローブは、レーザ光を出射する第１光源と、前記レーザ光を、検出光と参照光とに分離する分離素子と、前記検出光を前記被検体に照射することで、前記被検体の表面に光スポットを形成する照射光学系と、前記光スポットで反射した検出光である反射検出光と前記参照光との干渉光を受光し、当該干渉光に応じたビート信号を生成する受光素子と、前記ビート信号をＦＭ復調することにより、前記光スポットにおける前記被写体の表面の微小変位を示す検出信号を生成する受信部とを備えてもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、被検体に非接触で反射超音波を検出できる。
また、前記超音波検査装置は、さらに、前記ビート信号の周波数から、前記光スポットと前記受信プローブとの第１相対位置を算出する位置検出部を備えてもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、光スポットと受信プローブとの相対位置を検出できる。
また、前記位置検出部は、さらに、前記送信プローブと前記受信プローブとの第２相対位置を検出し、前記第１相対位置と、前記第２相対位置とから、前記送信プローブと前記光スポットとの第３相対位置を算出し、前記信号処理部は、前記第３相対位置に基づいて、前記反射超音波が前記光スポットに到達する時間を演算し、当該時間を用いて前記検出信号に整相加算を行うことで、前記画像を生成してもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、検出信号に基づき被検体の内部の画像を生成できる。
また、前記超音波検査装置は、さらに、前記受信プローブと前記送信プローブとの相対位置及び相対角度を固定するとともに、当該相対位置及び相対角度を変更可能な駆動部を備え、前記駆動部は、前記送信プローブを前記被検体に対して固定し、前記受信プローブを前記被検体に対して移動することで前記走査動作を行ってもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、自動で受信プローブを移動できる。
また、前記超音波検査装置は、さらに、前記光スポットにおける前記被検体の表面と前記受信プローブとの傾斜角を算出し、前記傾斜角に応じて前記光スポットで検出された変位の振幅を補正する制御部を備えてもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、被検体の表面が受信プローブに対して傾斜している場合の画質の低下を抑制できる。
また、前記制御部は、前記第１相対位置を用いて前記被検体の表面の形状を推測することにより、前記傾斜角を算出してもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、被検体の表面と受信プローブとの傾斜角を算出できる。
また、前記第１光源は、光周波数を鋸歯状に変調した前記レーザ光を出射してもよい。
また、前記位置検出部は、前記ビート信号の周波数から、前記検出光と前記参照光との光路差を求め、前記検出光の出射角と、前記光路差とから前記第１相対位置を算出してもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、検出光の出射角が垂直出ない場合でも、第１相対位置を算出できる。
また、前記超音波検査装置は、さらに、前記受信プローブと前記送信プローブとの相対位置及び相対角度を固定するとともに、当該相対位置及び相対角度を変更可能な駆動部を備え、前記位置検出部は、前記駆動部にから出力される前記受信プローブと前記送信プローブとの相対位置及び相対角度を示す情報から前記第２相対位置を検出してもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、送信プローブと受信プローブとの相対位置を検出できる。
また、前記送信プローブ及び前記受信プローブのうち一方は、第２光源を備え、前記送信プローブ及び前記受信プローブのうち他方は、前記第２光源からの光を、画像を用いて検出する光センサを備え、前記位置検出部は、前記光センサからみた前記複数の第２光源の位置関係から、前記第２相対位置を検出してもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、送信プローブと受信プローブとが完全に切り離された状態でも、送信プローブと受信プローブとの相対位置を検出することができる。これにより、例えば、技師が受信プローブを手動で自由に動かしながら検査を行うことができる。
また、前記送信プローブは、当該送信プローブの姿勢を検出する第１ジャイロセンサを備え、前記受信プローブは、当該受信プローブの姿勢を検出する第２ジャイロセンサを備え、前記位置検出部は、前記第１ジャイロセンサ及び前記第２ジャイロセンサで検出された前記送信プローブの姿勢と前記受信プローブの姿勢とを比較することにより、前記送信プローブと前記受信プローブとの相対角度を検出してもよい。
この構成によれば、本発明の一形態に係る超音波検査装置は、送信プローブと受信プローブとが完全に切り離された状態でも、送信プローブと受信プローブとの相対角度を検出できる。
また、前記受信プローブは、さらに、前記被検体の内部の断層画像を表示するディスプレイを備え、前記ディスプレイは、前記ディスプレイの表示面に対して略平行な断面の断層画像を表示してもよい。
この構成によれば、技師が腫瘍の位置等が直感的に判断し易くなる。これにより、例えば、マンモトーム生検のような検査において、針を疑わしい部分に容易に導くことができる。
また、前記送信プローブは、前記被検体に接触した状態で前記被検体の内部に前記超音波を送信してもよい。
なお、本発明は、このような超音波検査装置として実現できるだけでなく、超音波検査装置に含まれる特徴的な手段をステップとする超音波検査方法として実現したり、そのような特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体、及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
以上より、本発明は、検査時の被検体の変形量を低減できるとともに、画質を向上できる超音波検査装置を提供できる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るプローブ部の構成を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る光プローブの構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る参照光及び検出光の信号波形を示す図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態１に係る光プローブの受光素子の出力波形を示す図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光プローブの受光素子の出力波形を示す図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態１に係る、受信スポットが平面上にある場合の遅延時間を示す図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態１に係る、受信スポットが曲面上にある場合の遅延時間を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１に係る超音波検査装置のフローチャートである。 図９Ａは、本発明の実施の形態１の変形例１に係る光プローブを示す斜視図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態１の変形例１に係る光プローブの断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る超音波検査装置を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る超音波検査装置のブロック図である。 図１２Ａは、本発明の実施の形態２に係るプロジェクターの構成を示す図である。 図１２Ｂは、本発明の実施の形態２に係るプロジェクターの動作を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状等については正確な表示ではない場合がある。
また、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る超音波検査装置は、被検体に非接触の状態で反射超音波を検出する受信プローブを有する。さらに、当該超音波検査装置は、送信プローブを被検体に対して固定した状態で、非接触の受信プローブを移動させる。これにより、当該超音波検査装置は、検査時の被検体の変形量を低減できるとともに、画質を向上できる超音波検査装置を提供できる。
ます、本発明の実施の形態１に係る超音波検査装置の基本構成を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波検査装置１０の概略構成を示すブロック図である。
この超音波検査装置１０は、生体の体内観察を行うための超音波検査装置である。超音波検査装置１０は、送信プローブ１２と、受信プローブ１３と、信号処理部１６とを備える。
送信プローブ１２は、被検体１１の内部に超音波２６を送信する超音波プローブである。
受信プローブ１３は、被検体１１の表面の微小変位を、被検体１１と非接触で検出することで、被検体１１の内部で反射された超音波２６である反射超音波（超音波エコーとも呼ぶ）を検出し、当該反射超音波に応じた検出信号９４を生成する。
信号処理部１６は、送信プローブ１２が被検体１１に対して固定され、かつ受信プローブ１３が被検体１１に対して移動される走査動作の際の、超音波エコーに基づき、被検体１１の内部の画像を生成する。
図２は、超音波検査装置１０の詳細なブロック図である。
図２に示すように超音波検査装置１０は、本体部８１と、プローブ部８２とを備える。なお、図２に示す処理部の配置は一例であり、本体部８１に含まれる処理部の一部がプローブ部８２に含まれてもよいし、プローブ部８２に含まれる処理部の一部が本体部８１に含まれてもよい。
プローブ部８２は、被検体１１へ超音波２６を送信するとともに、超音波エコーを検出する。また、プローブ部８２は、検出した超音波エコーに基づく検出信号９４を本体部８１へ出力する。
このプローブ部８２は、送信プローブ１２と、受信プローブ１３と、駆動部２１とを備える。また、受信プローブ１３は、光プローブ１３Ａと、受信部１４とを含む。
光プローブ１３Ａは、被検体１１の表面の微小振動及び形状を光で検出するとともに、検出した情報を変調し、変調により得られるビート信号９３を出力する。
受信部１４は、受信プローブ１３から出力されるビート信号９３を復調し、当該復調により得られる信号を増幅及びデジタル変換することで検出信号９４を生成する。
駆動部２１は、送信プローブ１２と受信プローブ１３とを機械的に接続するとともに、送信プローブ１２に対する受信プローブ１３の相対位置を三次元的に移動させる。
本体部８１は、位置検出部１５と、信号処理部１６と、画像処理部１７と、画像表示部１８と、送信部１９と、制御部２０とを備える。
位置検出部１５は、光プローブ１３Ａから出力されるビート信号９３と、駆動部２１の位置決めデータ９２とを用いて、超音波２６の送信位置と受信位置との相対的な位置関係を算出し、算出した位置関係を示す相対位置情報９５を生成する。
信号処理部１６は、受信部１４で生成された検出信号９４及び位置検出部１５で生成さされた相対位置情報９５を用いてデジタルビームフォーミングを行うことで三次元データ９６を生成する。
画像処理部１７は、信号処理部１６で生成された三次元データ９６に基づいて、三次元画像のレンダリング処理等を施すことで三次元画像９７を生成する。
画像表示部１８は、画像処理部１７で生成された三次元画像９７を表示する。
送信部１９は、超音波２６を送信するための駆動信号９８を発生する。制御部２０は、所定のタイミングで駆動信号９８を発生するように送信部１９を制御する。
ここで、送信プローブ１２は、複数の振動子を二次元的に配列した振動子アレイを備える。各振動子はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電素子と、当該圧電素子に接続された電極とを備える。この振動子アレイにおいて、各振動子の電極に、送信部１９から送られたパルス状の電圧が印加されることにより、超音波パルスが発生する。また、送信プローブ１２は、この超音波２６のフォーカスを変更できるとともに、当該超音波２６を偏向できる。また、パルス状の電圧は、送信部１９により遅延処理が施されている。この構成により、送信プローブ１２は三次元方向に超音波２６を送信するセクタ走査を行える。
ここで、光プローブ１３Ａは、従来の超音波検査装置とは異なり、被検体１１の体表に対して非接触である。すなわち、光プローブ１３Ａの下面と被検体１１との間には所定の距離の空間が存在している。この構成によって被検体１１のひずみは低減されている。
また、光プローブ１３Ａは、周波数変調されたレーザ光を検出光と参照光とに分離し、検出光を用いて被検体１１の表面に複数の光スポット（以後、受信スポット）を形成する。なお、検出光とは、光プローブ１３Ａから被検体１１の表面に向けて出射される光である。参照光とは光プローブ１３Ａ内部の偏光反射板３７で反射される光を意味している。また、光プローブ１３Ａは、各受信スポットで反射した検出光（以下、反射検出光とも呼ぶ）と参照光とを干渉させることで超音波エコーの検出を行い、検出した超音波エコーを示すビート信号９３を生成する。
このビート信号９３は、搬送波をＦＭ変調した波形である。ビート信号９３を受信部１４及び位置検出部１５で復調することにより被検体１１の表面の微小振動及び形状の情報が得られる。この光プローブ１３Ａの具体的構成及び信号の検出原理については後で詳しく説明する。
また、信号処理部１６は、信号記憶部１６ａと、位置記憶部１６ｂと、演算処理部１６ｃと、画像メモリ１６ｄとを備える。
信号記憶部１６ａは、受信部１４で生成された検出信号９４を記憶する。位置記憶部１６ｂは、位置検出部１５で生成された相対位置情報９５を記憶する。
演算処理部１６ｃは、信号記憶部１６ａに記憶されている検出信号９４と位置記憶部１６ｂに記憶されている相対位置情報９５とに基づいてビームフォーミング処理を行うことで画像データ９９を生成する。
画像メモリ１６ｄは、演算処理部１６ｃで生成された画像データ９９を三次元データ９６として記憶する。
以下、プローブ部８２の概略構成について説明する。
図３は、プローブ部８２の概略構成を示す図である。図３において、被検体１１は乳房であり、乳頭部付近に送信プローブ１２が配置されている。また、送信プローブ１２は、被検体１１に接触した状態で被検体１１の内部に超音波２６を送信する。
駆動部２１は、受信プローブ１３と送信プローブ１２との相対位置及び相対角度を固定するとともに、当該相対位置及び相対角度を変更可能である。この駆動部２１は、送信プローブ１２が固定された状態で、受信プローブ１３を移動する。駆動部２１は、回動機構２２及び２３と、伸縮可能な支持アーム２４と、回動機構２５とを含む。
具体的には、受信プローブ１３は、送信プローブ１２に対して回動機構２２、２３、支持アーム２４、及び、回動機構２５を介して保持されている。ここで、回動機構２２は、受信プローブ１３が送信プローブ１２を中心に回動できるように構成されている。また、回動機構２３は回動機構２２の回転軸と直交する回転軸を有している。さらに支持アーム２４の長さを変化させることにより、受信プローブ１３（光プローブ１３Ａ）と送信プローブ１２との間の距離を調整することが可能である。そのため、回動機構２２と回動機構２３と支持アーム２４との組合せで、送信プローブ１２に対して受信プローブ１３が三次元的に移動できるように構成されている。また、回動機構２５により、被検体１１の表面と受信プローブ１３の角度（支持アーム２４と受信プローブ１３の成す角度）を調整できるように構成されている。なお、ここでは送信プローブ１２を乳頭付近に配置しているが、乳頭以外に配置してもよい。
ここで、回動機構２２、２３、２５及び支持アーム２４は、位置決め制御の可能なサーボモータ、ステッピングモータ又はソレノイドなどを含む。また、位置検出部１５は、駆動部２１にから出力される受信プローブ１３と送信プローブ１２との相対位置及び相対角度を示す位置決めデータ９２から、送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対位置（第２相対位置）及び相対角度を検出する。
ここで、送信プローブ１２の位置とは、超音波の送信位置であり、送信プローブ１２上（又は、被検体１１上）の１点を意味している。具体的には、この送信位置は、超音波２６の波面の進行方向に延びる直線であって超音波２６の収束点（ここでは反射組織２７）を通る直線と、送信プローブ１２との交点と定めることができる。
また、受信プローブ１３の位置とは、光プローブ１３Ａの各検出光の出射位置である。また、超音波の受信位置とは、被検体１１の表面上の受信スポットが形成される位置を意味している。
ここで、回動機構２２、２３及び２５の回転角度、並びに支持アーム２４の長さの情報を用いて、超音波の送信位置と光プローブ１３Ａの各検出光の出射位置との距離を求めることができる。したがって、光プローブ１３Ａの各検出光の出射位置と受信スポットとの相対位置が分かれば、超音波の送信位置と受信スポットとの相対位置を求めることができる。
なお、光プローブ１３Ａの表面には、略等間隔に検出光の出射位置が配列されている。よって、超音波の送信位置に対する光プローブ１３Ａの中心点の相対位置を算出することができれば、この相対位置を利用して光プローブ１３Ａの中心点以外に存在する検出光の出射点の位置を算出することが可能になる。なお、光プローブ１３Ａの各検出光の出射位置と受信スポットとの相対位置を検出する方法については、後で詳しく説明する。
図４は、光プローブ１３Ａの概略構成図を示している。図４に示すように光プローブ１３Ａは、半導体レーザ３１と、電流変調器３２と、コリメートレンズ３４と、偏光ビームスプリッタ３５と、ビームエキスパンダ３６と、偏光反射板３７と、マイクロレンズアレイ３８と、受光素子３９とを備える。
半導体レーザ３１及び電流変調器３２は、レーザ光３３を出射する第１光源である。半導体レーザ３１は、局所的に注入電流と発信波長とが線形に変化する動作区間を有する。電流変調器３２は、半導体レーザ３１に供給する電流を変調する。コリメートレンズ３４は、半導体レーザ３１が出射したレーザ光３３をコリメートする。
偏光ビームスプリッタ３５は、レーザ光３３を、被検体１１に照射される検出光と、検出光とは逆方向に進行する参照光とに分離する分離素子である。この偏光ビームスプリッタ３５は、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する。
ビームエキスパンダ３６は、レンズ３６ａ及び３６ｂを含む。偏光反射板３７は、例えばワイヤグリッド偏光板で構成される。この偏光反射板３７は、透過軸方向の偏光成分を透過し、当該透過軸方向と直交する偏光成分を反射する。マイクロレンズアレイ３８は、偏光反射板３７を透過した光を被検体１１上に集光することで複数の受信スポットを形成する。これらビームエキスパンダ３６、レンズ３６ａ、３６ｂ、偏光反射板３７、及びマイクロレンズアレイ３８は、検出光を複数の光束に分岐して被検体１１に照射し、被検体１１上に複数の受信スポットを形成する照射光学系である。
複数の受光素子３９は、複数の受信スポットで反射した検出光である反射検出光と参照光との干渉光を受光し、受光した干渉光に応じたビート信号９３を生成する。また、各受光素子３９は、被検体１１上の各受信スポットに１対１に対応する。
ここで、電流変調器３２は、注入電流に鋸歯状の電流を重畳する。これにより、半導体レーザ３１は、鋸歯状に周波数変調されたレーザ光３３を出射させる。なお、送信プローブ１２は、電流変調器３２の代わりに、レーザ光３３の光周波数を鋸歯状に変調する変調器を備えてもよい。この場合でも、鋸歯状に周波数変調されたレーザ光３３を生成できる。
また、偏光反射板３７は、透過軸が偏光ビームスプリッタ３５におけるＳ偏光に対して略４５度傾くように構成されている。よって、偏光反射板３７に入射した光の一部は反射され、一部は透過する。
なお、マイクロレンズアレイ３８は、複数の受信スポットを形成するように構成されている。この複数の受信スポットは所定方向に１列に配列されてもよいし、二次元のマトリックス状に配置されてもよい。
また、被検体１１上の受信スポットで反射された検出光は、マイクロレンズアレイ３８に再入射する際、往路とは異なるレンズに入射すると、受光素子３９上の対応する受光領域に入射しない。このような光は迷光となるため、アパーチャ４０で遮光するように構成されている。
図５は、光プローブ１３Ａの受光素子３９で検出される参照光と反射検出光との信号波形を示す図である。グラフの縦軸は光周波数（ｆ）、横軸は時間（ｔ）を示している。なお、参照光とは偏光反射板３７で反射された光を意味し、反射検出光とは偏光反射板３７を透過して被検体１１の表面から反射された検出光を意味する。
図５に示すように、参照光の信号波形４１と反射検出光の信号波形４２とは時間△ｔだけずれた波形となる。これは、参照光と検出光とが偏光反射板３７で分離された後、受光素子３９に到達するまでの間に通過する経路に光路差があるためである。ここで、偏光反射板３７と被検体１１表面との距離をＬ／２、光速をｃとすると、光路差はＬであるので、△ｔ＝Ｌ／ｃだけ信号波形がずれることとなる。このとき、受光素子３９で受光される参照光と反射検出光との光周波数には僅かに差が生じるため、受光素子３９では、この差周波（以後、ビート周波数）ｆｂ＝△ν・ｆｍ・△ｔのビート信号９３が検出される。
例えば、レーザ光３３の鋸歯状波の繰り返し周波数ｆｍ＝１０ＭＨｚ、光周波数の変動幅△ν＝１５ＧＨｚ、参照光と検出光との光路差Ｌ＝４０ｍｍ、の場合、ビート周波数ｆｂは２０ＭＨｚとなる。このとき、Ｌの長さが０．０１ｍｍずれると、ビート周波数は５ｋＨｚずれることになり、ビート周波数を精度よく測定することにより、偏光反射板３７と被検体１１との間の距離を精度よく計測することができる。
さらに、被検体１１の表面が超音波エコー２８の伝搬により振動している場合は、被検体１１表面で反射する検出光はドップラシフトにより光周波数がわずかにずれる。これにより、受光素子３９で検出されるビート信号９３も同様にドップラシフトを受ける。このため、受光素子３９で検出されるビート信号９３は、ビート周波数を中心周波数とするＦＭ信号となる。このＦＭ信号を復調することにより、被検体１１の内部で反射してきた超音波エコー２８による振動を検出することができる。
例えば、超音波エコー２８による被検体１１表面の変動振幅を０．５ｎｍ、超音波エコー２８の周波数を５ＭＨｚとすると、被検体１１表面の変動速度ｖは最大０．０１５７ｍ／ｓ、である。このとき、光源の波長λ＝６８３ｎｍ、とすると、ドップラシフトの周波数ｆｂは、ｆｂ＝４πｖ／λ＝２８９ｋＨｚとなる。したがって、ビート周波数が２０ＭＨｚの場合、受光素子３９で検出されるビート信号９３の周波数は１９．７１〜２０．２９ＭＨｚの間でＦＭ変調される。
図６Ａ及び図６Ｂは、光プローブ１３Ａの受光素子３９の出力波形（ビート信号９３）を示す図である。図６Ａはドップラシフトが無い場合の出力波形を示し、図６Ｂはドップラシフトがある場合の出力波形を示している。被検体１１の表面に振動が無い場合は（すなわち超音波エコー２８の伝搬がない場合）、図６Ａに示すような、参照光と検出光との光路差Ｌに応じたビート周波数の搬送波が検出される。位置検出部１５は、このビート周波数を用いて、光路差Ｌを求めることができる。さらに、位置検出部１５は、受光スポットと受信プローブ１３との相対位置（第１相対位置）を算出できる。
また、超音波エコー２８が被検体１１の表面に到達すると、被検体１１の表面が振動する。被検体１１の表面が振動している場合は、図６Ｂに示すように搬送波がＦＭ変調される。受信部１４は、この信号をＦＭ復調することにより、超音波エコー２８による被検体１１表面の微少変位を示す検出信号９４を生成することができる。
なお、検出光はマイクロレンズアレイ３８により複数の光束に分岐しており、受光素子３９もこの光束の分岐領域に応じて複数の受光領域に分離している。または、複数の受光素子を別個に有していてもよい。複数の受光領域で得られた信号から、それぞれのビート周波数を算出することで、被検体１１の表面が図３のように曲面になっていたとしても、光プローブ１３Ａと被検体１１との間の距離をより正確に検出することができる。
以上のように、送信プローブ１２と受信プローブである光プローブ１３Ａを別体にし、光プローブ１３Ａを被検体１１の体表と非接触とすることで、検査開始時を基準とした場合に、検査中に被検体１１に発生する歪み量を低減することが可能になる。
なお、送信プローブ１２は、１つの送信点から三次元的に超音波を送信する構成としているが、複数の超音波プローブを用いて広範囲に超音波を送信する構成としてもよい。
ただし、被検体に接触している部分が少ない方が被検体の歪み量を少なく抑えることができる。
また、仰向けで乳頭部のみを押さえる構成は、手術前に変形状態を再現するのが容易で、手術位置の確認がし易いなどの利点がある。
ところで、検出信号９４を用いてビームフォーミングを行うには、整相加算における仮想の音源をフォーカス点とすると、超音波２６を送信する送信位置とフォーカス点との距離、及び、フォーカス点から各受信スポットまでの距離が既知である必要がある。従来は、送信位置及び受信位置は同一平面上に等間隔に配置されていたため、これらの距離を容易に計算することができた。一方、本構成では、形状が不明な曲面上に受信スポットを形成して検出信号９４を検出するため、超音波２６の送信位置に対する各受信スポットの三次元位置を計測することが必要となる。
図７Ａ及び図７Ｂは、同位相信号が検出される際の遅延時間を示す図である。図７Ａは受信スポットが平面上にある場合の遅延時間を示している。図７Ｂは受信スポットが曲面上にある場合の遅延時間を示している。
図７Ａに示すように、各受信スポット５１が、平面上に等間隔に形成されている場合、フォーカス点５４から各受信スポット５１までの距離は算出可能である。よって、信号処理部１６は、この距離から遅延時間５２を求めてビームフォーミングを行うことができる。
一方、図７Ｂに示すように、形状が不明な曲面上に受信スポット５１が形成される場合、フォーカス点５４から各受信スポット５１までの距離が不明である。よって、信号処理部１６は、遅延時間５３を求めることができず、ビームフォーミングを行うことができない。したがって、各受信スポットの三次元位置を計測することが必要となる。
本実施の形態では、位置検出部１５は、送信プローブ１２と光プローブ１３Ａとの相対位置と、光プローブ１３Ａと被検体１１上の受信スポットとの間の距離Ｌ／２とを用いて、超音波２６の送信位置と受信スポットとの相対位置関係を算出する。
具体的には、位置検出部１５は、送信プローブ１２と光プローブ１３Ａとの相対位置（第２相対位置）及び相対角度を、駆動部２１の位置決めデータ９２から算出する。また、上述したように、ビート信号９３の周波数から、受信スポットと光プローブ１３Ａとの第１相対位置を算出する。さらに、位置検出部１５は、第１相対位置と、第２相対位置とから、送信プローブ１２と光スポットとの第３相対位置を算出し、算出した第３相対位置を示す相対位置情報９５を位置記憶部１６ｂに記憶する。そして、演算処理部１６ｃは、この第３相対位置に基づいて、超音波エコー２８が受信スポットに到達する時間を演算し、当該時間を用いて検出信号９４に整相加算を行うことで、画像データ９９を生成する。
なお、超音波の送信位置に対する各受信スポットの相対位置を求めるためには、光プローブ１３Ａに対する各受信スポットの相対位置が計測できるように構成されていればよい。この計測は、例えば、ステレオカメラ等、三次元計測のためのセンサを別途用いても実現できる。
また、前述のように受信スポットと光プローブ１３Ａとの間の距離を算出することができるが、光プローブ１３Ａから出射する検出光の進行方向と、偏光反射板３７とのなす角度が垂直でない場合には、光プローブ１３Ａと受信スポットとの相対位置が正しく算出できない可能性がある。
そこで、本実施の形態では、この計測を行うためには、光プローブ１３Ａから出射し各受信スポットを形成する光束（以後、受信ビーム）について、それぞれ出射角を事前に計測しておく。このように、各受信ビームの出射角を事前に計測しておくと、図４及び図５を用いて説明したように、ビート信号９３のビート周波数から各受信ビームの長さ（光路差Ｌ）が求まるので、位置検出部１５は、各受信ビームの方向（出射角）及び長さ（光路差Ｌ）から受信スポット５１の相対位置を求めることができる。
次に、このように構成された本実施の形態１の超音波検査装置１０の動作について図２〜図４及び図８を用いて具体的に説明する。図８は、超音波検査装置１０の動作を示すフローチャートである。
まず、制御部２０は所定のタイミングで駆動信号９８を発生するように送信部１９を制御する。この制御に従い、送信部１９は超音波２６をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行う。そして、送信部１９は、送信プローブ１２の複数の振動子に遅延処理された駆動信号９８をそれぞれ供給する（Ｓ１０１）。送信プローブ１２は、送信部１９から送られた駆動信号９８に従い、各振動子から超音波２６を送信して所定の波面を形成する（Ｓ１０２）。超音波２６はこの波面に従い所定の方向に向かって進行する。送信プローブ１２から送信された超音波２６は、被検体１１内部の反射組織２７で反射され、超音波エコー２８となって被検体１１の表面に伝搬する。
ここで、駆動部２１は、予め超音波エコー２８の検出に適した位置に、光プローブ１３Ａを移動させる（Ｓ１０３）。例えば、駆動部２１は、超音波２６の送信方向を含む断面内に、超音波エコーを検出するための受信スポットが形成されるように、光プローブ１３Ａを移動させる。そして、光プローブ１３Ａにより、超音波エコー２８の受信（Ｓ１０４）、及び、超音波エコー２８の受信位置の計測（Ｓ１０５）が行われる。
光プローブ１３Ａによる信号受信は、以下の動作により行われる。まず、電流変調器３２は注入電流を変調する。これにより半導体レーザ３１は周波数変調されたレーザ光３３を出射する。ビームエキスパンダ３６はこのレーザ光３３を拡大する。偏光反射板３７は、拡大されたレーザ光を参照光と検出光とに分離する。検出光は、被検体１１表面に複数の受信スポットを形成するように照射される。各受信スポットで反射した反射検出光は、受光素子３９上の各受光領域で参照光と重ね合わされて受光される。
このとき、参照光及び検出光の偏光方向は、偏光反射板３７及び被検体１１で反射した直後において互いに直交している。また、偏光ビームスプリッタ３５のＰ偏光に対しては、参照光及び検出光のどちらの偏光方向も略４５度傾いているため、参照光及び検出光のそれぞれＰ偏光成分が偏光ビームスプリッタ３５を透過する。このように、同じ偏光方向の成分が透過するため、参照光及び検出光は干渉して受光素子３９に受光される。
このようにして検出されたビート信号９３は、参照光と検出光との光路差に応じたビート周波数を中心周波数としてＦＭ変調された信号である。よって、受信部１４は、このビート信号９３のＦＭ変調を復調することにより超音波エコー２８に対応する検出信号９４を生成する。
また、位置検出部１５は、ビート周波数から各受信スポットと光プローブ１３Ａとの距離を算出する。なお、光プローブ１３Ａに対する受信ビームの出射角度が垂直ではない場合には、位置検出部１５は、この距離情報に事前に計測しておいた受信ビームの出射角情報を加味して、光プローブ１３Ａと各受信スポットとの相対位置を算出してもよい。そして、位置検出部１５は、光プローブ１３Ａに対する各受信スポットの相対位置と、駆動部２１の位置決めデータ９２とから、超音波２６の送信位置に対する各受信スポットの相対位置を算出する。
なお、光プローブ１３Ａは非接触で超音波エコー２８を検出できる。また、本実施の形態の場合、送信プローブ１２の位置を移動させず、光プローブ１３Ａを移動させることで広範囲の領域の画像情報を取得することができる。そのため、従来のようなプローブの押しつけ圧又は角度の具合で検出される信号が劣化するといった問題が発生しにくい。また、検査開始時の被検体１１の変形状態と、その後の被検体１１の変形状態との間の形状変化を、従来の超音波検査装置に比して低減することが可能になる。そのため、各診断画像中に含まれる被検体１１のひずみの影響が従来よりも一定に近くなるため、取得された診断画像に対して、個別に被検体１１の変形補正を行う必要性が少ない。
また、受信スポットごとに光プローブ１３Ａとの位置関係を算出することもできるので、被検体１１の表面が曲面であっても、受信された信号の整相加算を行うことができる。これにより大きな開口で検査を行うことができるので、高い解像度が得られる。
また、光プローブ１３Ａは、被検体１１表面の振動から超音波エコー２８を検出するため、受信ビームに対して皮膚表面が傾斜していると、見かけ上、超音波エコー２８による振動振幅が小さくなり、コントラストが低下する。これに対して、本実施の形態では、制御部２０は、計測した各受信スポットの三次元位置（第１相対情報）から被検体１１の表面形状を推定することにより、各受信スポットでの傾斜角を求める。そして、制御部２０は、この傾斜角に応じて、受信スポットで検出された変位の振幅（振動振幅）を補正することにより、コントラストの低下を防ぐことができる。具体的には、制御部２０は、傾斜角が予め定められた閾値より大きい場合に、振動振幅を大きくするように制御する。また、制御部２０は、傾斜角が大きいほど振動振幅を大きくするように制御する。例えば、制御部２０は、受信部１４のビート信号９３に対するゲインを大きくすることで振動振幅を大きくする。または、制御部２０は、送信プローブ１２が照射する検出光の強度を高くすることで振動振幅を大きくする。
なお、光プローブ１３Ａに対して皮膚表面が傾斜している場合は、反射光量が減ることになるが、振動振幅はＦＭ変調されたビート信号９３の周波数から検出するので問題無い。
再び図８を参照して説明する。受信部１４は、光プローブ１３Ａで生成されたビート信号９３を復調するとともに、さらに増幅、及びデジタル変換することで検出信号９４を生成する（Ｓ１０６）。この検出信号９４は、信号処理部１６の信号記憶部１６ａに記憶される。また、位置検出部１５で算出された、超音波２６の送信位置に対する各受信スポットの相対位置情報９５（第３相対位置）は位置記憶部１６ｂに記憶される。
次に、演算処理部１６ｃは、信号記憶部１６ａに格納された検出信号９４と位置記憶部１６ｂに格納された相対位置情報９５とに基づき、超音波２６の送信経路（以後、音線）に沿った領域のビームフォーミング処理を行うことで、画像データ９９を生成する（Ｓ１０７）。そして当該処理により得られた画像データ９９が画像メモリ１６ｄに記憶される。
以上の動作は送信プローブ１２から送信される超音波２６の音線を被検体内で移動しながら行われる。つまり、全ての検査領域の走査が完了していない場合（Ｓ１０８でＮｏ）、ステップＳ１０３〜Ｓ１０７の処理が行われる。そして、全ての検査領域の走査が完了すると（Ｓ１０８でＹｅｓ）、検査領域全体の画像データ９９が演算されて画像メモリ１６ｄに保存される。
なお、このとき、送信プローブ１２は位置を固定した状態で超音波２６を三次元的に送信する。また、光プローブ１３Ａは、超音波２６の音線方向に合わせて超音波エコー２８の受信し易い位置に移動しながら信号検出を非接触で行う。このように、超音波２６の送信を行う送信プローブ１２と超音波エコー２８の受信を行う光プローブ１３Ａとが別体に構成されていると、特に走査角の大きな場合に、超音波エコー２８の伝搬経路を短くできる。よって、受信する開口数が大きく、減衰も少ない信号検出が行える。これにより広い範囲で解像度及びコントラストの高い検査が行える。
次に、画像処理部１７は、画像メモリ１６ｄに保存された複数の画像データ９９である三次元データ９６に対して三次元画像のレンダリング処理を施すことで三次元画像９７を生成する（Ｓ１０９）。そして、当該処理により得られた三次元画像９７が画像表示部１８に表示される。
以上に説明したように本実施の形態に係る超音波検査装置１０は、検査開始時の被検体の変形を基準とした場合に、検査開始後の被検体１１の変形を従来の超音波検査装置に比して低減することができる。これにより、超音波検査装置１０は、より高精度な乳房の全体像を簡便に三次元画像として取得することができる。よって、再現性が高く、医師が任意断面の断層画像を表示して読影することが可能な三次元の全体像が取得できるので、効率的な診断が行える。
さらに、本実施の形態に係る超音波検査装置１０は、乳房を変形させることなく検査が可能な超音波検査装置を実現できるので、自動計測に適した乳癌検査装置を提供できる。これにより、検査者に依存しない検査結果が得られるので、例えば、女性スタッフのみで乳癌検査を行うことができる。これにより、多くの女性が抵抗なく乳癌検診を受けられる。
また、本実施の形態に係る超音波検査装置１０は、従来の直接接触法と異なり、プローブの押しつけ圧及び角度による画質劣化が少ない。そのため、本実施の形態に係る超音波検査装置１０は、超音波画像を確認しながら検査を行う必要性が低く、より自動化検査装置に適している。さらに、送信プローブ１２に対して光プローブ１３Ａを移動できるように構成しているので、送信する超音波の走査角が大きな場合でも、良好な超音波画像が得られる。これにより、広い範囲で解像度及びコントラストの高い検査が行える。
なお、本実施の形態では、自動化装置を想定して構成を説明したが、技師が光プローブ１３Ａを手動で動かして検査を行う形態にも応用することができる。
図９Ａ及び図９Ｂは、手動で操作することを想定して小型化した光プローブ１３Ａの構成を示す図である。図９Ａは、この場合の光プローブ１３Ａの斜視図である。図９Ｂは光プローブ１３Ａの主要部の断面図である。なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいて、図４と同じ構成要素には同じ符号を付し説明を省略する。
図９Ａに示すように、光プローブ１３Ａは、半導体レーザ３１と、電流変調器３２と、コリメートレンズ３４と、レーザ光３３を線状の平行光に変換する導光棒６１と、面状検出部６２とを備えている。
ここで、導光棒６１には、光が出射する側面に対して略４５°傾斜した傾斜面を有する偏向溝が複数形成されている。この導光棒６１は、当該導光棒６１に入射した光を全反射により略９０°偏向する。
また、面状検出部６２は、例えば、図９Ｂに示す構造で構成される。面状検出部６２は、導光板６３と、偏光反射板３７と、マイクロレンズアレイ３８と、偏光板６４と、視野角制御シート６５と、受光素子３９とを備えている。
導光板６３は、導光棒６１から出射されたレーザ光３３が側面から入射される。この導光板６３は、入射されたレーザ光３３を、一方の主面６３ａから出射する。
偏光反射板３７は、導光板６３の主面６３ａに隣接して配置されている。偏光板６４は、導光板６３を挟んで偏光反射板３７の反対側に配置されている。
視野角制御シート６５は、偏光板６４を透過した光のうち、略垂直に入射した光のみを透過させる。受光素子３９は、被検体１１上の受信スポットに対応した複数の受光領域を有する。
なお、導光板６３の対向面６３ｂには、主面６３ａに対して略４５°傾斜した傾斜面からなる複数の偏向面６３ｃが形成されている。これにより、導光板６３は、主面６３ａに対して略平行に入射した光を全反射により主面６３ａに向けて偏向し、主面６３ａから略垂直に出射することができる。
また、偏光板６４の透過軸は、偏光反射板３７の透過軸と略４５度を成す。また、視野角制御シート６５は、受光素子３９の各受光領域に、対応する受信スポット以外からの迷光が混入するのを防ぐ目的で配置されている。
このように構成された光プローブ１３Ａにおいて、周波数変調されたレーザ光３３は、コリメートレンズ３４でコリメートされ、導光棒６１で線状の平行光に変換され、面状検出部６２に入射する。面状検出部６２の導光板６３に入射したレーザ光３３は、偏向面６３ｃで偏向され、導光板６３の主面６３ａから略垂直に出射し、偏光反射板３７で参照光と検出光とに分離される。検出光はマイクロレンズアレイ３８により被検体１１表面に複数の受信スポットを形成する。各受信スポットで反射した検出光と、偏光反射板３７で反射した参照光とは導光板６３を透過して偏光板６４に入射する。ここで、参照光と検出光とは互いに偏光が直交しているが、どちらも偏光板６４の透過軸に対して偏光が略４５度回転している。よって、参照光と検出光とのそれぞれ同じ偏光成分の光が偏光板６４を透過し、略垂直に透過した光のみ視野角制御シート６５を透過して受光素子３９上で干渉する。そして、この干渉した光が、受光素子３９の各受光領域で検出される。
このような構成としても、検出されたビート信号９３のビート周波数から被検体１１と光プローブ１３Ａとの距離を求めることができ、またＦＭ変調を復調することにより、各受信スポットでの振動を検出することができる。
したがって、以上に説明したような構成は、小型、かつ薄型の光プローブでありながら検査中に発生する被検体１１の変形を低減することができる。これにより、再現性が高く、かつ解像度も高い超音波検査装置を実現できる。
また、本実施の形態では、送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対位置及び相対角度の検出を駆動部２１の位置決め情報を用いて行うとしたが、赤外線センサ又はジャイロ検出などを利用することにより、送信プローブ１２と受信プローブ１３とを切り離した構成とすることができる。
図１０は、プローブ切り離し構成の具体例を示す図である。また、図１１は、この場合の超音波検査装置１０のブロック図である。
図１０に示すように、送信プローブ１２は、さらに、直交するように配置された２本のセンサーバー６７を備える。各センサーバー６７は、当該センサーバー６７の両端に配置された２つの光源６７ａ（第２光源）を備える。この光源６７ａは、例えば赤外線ＬＥＤである。
さらに、図１１に示すように、送信プローブ１２は、ジャイロセンサ８７（第１ジャイロセンサ）を備えている。また、受信プローブ１３は、図９で説明した薄型の構成と、断層画像を表示する表示パネル６６と、光センサ８５と、ジャイロセンサ８６（第２ジャイロセンサ）とを備えている。
ジャイロセンサ８７は、送信プローブ１２の姿勢を検出する。ジャイロセンサ８６は、受信プローブ１３の姿勢を検出する。そして、位置検出部１５は、ジャイロセンサで検出された送信プローブ１２の姿勢と受信プローブ１３の姿勢とを比較することにより、送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対角度を検出する。
光センサ８５は、光源６７ａからの光を、画像を用いて検出する。この光センサ８５は、例えば、ＣＭＯＳセンサであり、センサーバー６７の先端で発光する赤外光を定常的に撮影する。そして、位置検出部１５は、光センサ８５で撮影された画像で示される発光点の間隔及び位置から、光センサ８５からみた光源６７ａの位置関係を求め、当該位置関係から送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対位置を検出する。
なお、ここでは、送信プローブ１２が光源６７ａを備え、受信プローブ１３が光センサ８５を備えているが、送信プローブ１２が光センサ８５を備え、受信プローブ１３が光源６７ａを備えてもよい。
このように構成すると、送信プローブ１２と受信プローブ１３とが完全に切り離された状態でも、送信プローブ１２と受信プローブ１３と相対位置及び相対角度を検出することができるので、技師が受信プローブ１３を手動で自由に動かしながら検査を行うことができる。
また、このとき、受信プローブ１３の位置に応じて、送信プローブ１２から送信する超音波２６を、受信プローブ１３と略平行な方向に移動するように動作させると、表示パネル６６は、表示パネル６６の表示面に対して略平行な断面の、被検体１１の内部の断層画像を表示する。これにより、技師が、腫瘍の位置等を直感的に判断し易くなる。また、例えば、マンモトーム生検のような検査において、針６８を疑わしい部分に容易に導くことができる。
なお、図１０に示した構成例では、送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対位置及び相対角度の検出をジャイロセンサ及び赤外線センサを用いて行うとしたが、電波、磁気、又は超音波を用いるセンサを用いて、送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対位置及び相対角度を検出してもよい。また、カメラで撮影した画像を画像処理することで送信プローブ１２と受信プローブ１３との相対位置及び相対角度を検出してもよい。
なお、本実施の形態の送信プローブ１２は振動子が二次元に配列された構造として記載したが、１次元に配列された振動子をプローブ内で機械的に揺動させるメカニカルセクタ型プローブであってもよい。
また、本実施の形態では、光プローブ１３Ａから皮膚表面に向けてレーザ光を照射する構成としているが、皮膚を保護するとともに皮膚表面での反射率を上げるため、皮膚の表面に光保護剤を塗ってもよい。この光保護剤としては、たとえば、酸化チタン、酸化亜鉛、カオリン、タルク、又は雲母などの粉末を含んだ遮光剤を用いることができる。
また、本実施の形態では、超音波検査装置１０は、三次元画像９７を表示するとしたが、三次元画像を生成せずに、二次元画像（断層画像）を表示してもよい。
また、本実施の形態では、乳癌検査の例を説明したが、超音波検査装置１０は、人体の他の部分の検査用途にも用いることができる。さらに、超音波検査装置１０は、人体に限らず生体全般の検査用途にも用いることができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、光プローブを含むプロジェクターについて説明する。
図１２Ａは、本発明の実施の形態２に係るプロジェクター７１の構成を示す図である。図１２Ｂは、プロジェクター７１に含まれる光プローブ１３Ｂの動作を説明するための図である。本実施の形態では、実施の形態１で説明した光プローブ１３Ａを変形した構成をプロジェクター用のタッチ検出用途に用いる。なお、プロジェクター７１が備える光プローブ１３Ｂに含まれる構成要素のうち、実施の形態１で説明した光プローブ１３Ａと同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
図１２Ａに示すように、プロジェクター７１は、スクリーン、壁又は机などの表示体７２に映像を映し出す。さらにプロジェクター７１は、光プローブ１３Ｂを備える。この光プローブ１３Ｂは、表示体７２上に振動検出のための受信スポット７３ａ〜７３ｄを形成する。この受信スポット７３ａ〜７３ｄは、指７４で表示体７２を触った際に発生する表面弾性波７５を検出する。プロジェクター７１は、光プローブ１３Ｂで検出された受信信号に基づき、指７４が触った位置を特定する。
ここで、図１２Ｂに示すように、光プローブ１３Ｂは、半導体レーザ３１と、電流変調器３２と、コリメートレンズ３４と、レーザ光３３のＳ偏光成分が反射する偏光ビームスプリッタ３５ａ及び３５ｂと、透過軸が入射偏光に対して略４５度傾くように構成された偏光反射板３７ａ及び３７ｂと、受光素子３９ａ及び３９ｂと、偏光ビームスプリッタ３５ａを透過した光の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板７６とを備えている。
なお、図１２Ｂでは説明を簡単にするため、受信スポット７３ｃ及び７３ｄを形成する光学系を省略しているが、当該光学系は、図１２Ｂに示す受信スポット７３ａ及び７３ｂを形成する光学系と同様である。
このように構成された光プローブ１３Ｂにおいて、周波数変調されたレーザ光３３は、コリメートレンズ３４でコリメートされる。そして、コリメートされた光のうち、偏光ビームスプリッタ３５ａでＳ偏光成分は反射され、Ｐ偏光成分は透過する。偏光ビームスプリッタ３５ａを透過したＰ偏光成分の光は、１／２波長板７６でＳ偏光に変換され、その後、偏光ビームスプリッタ３５ｂで反射される。偏光ビームスプリッタ３５ａ及び３５ｂで反射された光は偏光反射板３７ａ及び３７ｂで参照光と検出光とに分離される。検出光は表示体７２上に照射され受信スポット７３ａ〜７３ｄを形成する。
ここで、指７４で表示体７２上の一部をタッチすると、指７４が触れた位置を起点として表面弾性波７５が発生する。発生した表面弾性波７５は、表示体７２の表面を伝搬し、やがて受信スポット７３ａ〜７３ｄに到達する。これにより、各受信スポットが振動する。このとき検出光はドップラシフトにより光周波数が僅かにずれて反射される。
この検出光と、偏光反射板３７ａ及び３７ｂで反射された参照光とは、偏光ビームスプリッタ３５ａ及び３５ｂに入射する。これらの光のそれぞれのＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ３５ａ及び３５ｂを透過する。そして受光素子３９ａ及び３９ｂ上で検出光と参照光との干渉光が受信される。そして、プロジェクター７１により、受信されたＦＭ変調信号から各受信スポットの位置及び表面弾性波７５に対応する信号が検出される。なお、この検出原理は、上述した実施の形態１と同様である。
このとき、各受信スポットの位置及び表面弾性波７５を受信した時間から表面弾性波７５の起点の位置、すなわち、指７４がタッチした位置を求めることができる。これにより、表示体７２をタッチパネルのように動作させることができる。
なお、光源に赤外光を用いれば、表示体７２上に多くの受信スポットを形成させることもできる。これにより、表示体７２の表面が曲面であっても、タッチした位置を正確に検出できる。したがって、振動を伝える物であれば形状に関わらずタッチパネルとして使えるので有用である。また、表示体７２上の受信スポット７３ａ〜７３ｄとプロジェクター７１の距離がわかるので、台形補正なども自動で行える。
以上のように、本発明の実施の形態２に係るプロジェクターは、被検体表面の複数の位置の微小変位を非接触で検出する受信プローブを備える。前記受信プローブは、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光を検出光と参照光とに分離する分離素子と、前記検出光を複数の光束に分岐して被検体に照射し、前記被検体の表面上に複数の光スポットを形成する照射光学系と、前記複数の光スポットで反射した検出光をそれぞれ受光するとともに、前記参照光を各前記検出光と重ね合わせて受光する複数の受光素子とを備える。前記受信プローブは、前記被検体表面に発生する表面弾性波を、前記複数の光スポットで検出する。前記プロジェクターは、前記複数の光スポットの位置及び振動が検出された時間から前記表面弾性波の発生源を検出する。
なお、本発明の実施の形態１及び実施の形態２に示した構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。また全ての構成はどのように組み合わせてもよく、それぞれ本発明固有の効果を発揮することは言うまでもない。
また、上記実施の形態に係る超音波検査装置又はプロジェクターに含まれる処理部の一部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。
また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
また、本発明の実施の形態に係る、超音波検査装置又はプロジェクターの機能の一部を、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。
さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
また、上記実施の形態に係る、超音波検査装置、プロジェクターに、及びそれらの変形例の機能又は構成のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。
また、上記のステップが実行される順序は、本発明を具体的に説明するために例示するためのものであり、上記以外の順序であってもよい。また、上記ステップの一部が、他のステップと同時（並列）に実行されてもよい。
本発明は、超音波検査装置に適用できる。特に、本発明は、乳癌検査装置に好適である。
１０ 超音波検査装置
１１ 被検体
１２ 送信プローブ
１３ 受信プローブ
１３Ａ、１３Ｂ 光プローブ
１４ 受信部
１５ 位置検出部
１６ 信号処理部
１６ａ 信号記憶部
１６ｂ 位置記憶部
１６ｃ 演算処理部
１６ｄ 画像メモリ
１７ 画像処理部
１８ 画像表示部
１９ 送信部
２０ 制御部
２１ 駆動部
２２、２３、２５ 回動機構
２４ 支持アーム
２６ 超音波
２７ 反射組織
２８ 超音波エコー
３１ 半導体レーザ
３２ 電流変調器
３３ レーザ光
３４ コリメートレンズ
３５、３５ａ、３５ｂ 偏光ビームスプリッタ
３６ ビームエキスパンダ
３６ａ、３６ｂ レンズ
３７、３７ａ、３７ｂ 偏光反射板
３８ マイクロレンズアレイ
３９、３９ａ、３９ｂ 受光素子
４０ アパーチャ
４１ 参照光の信号波形
４２ 検出光の信号波形
５１ 受信スポット
５２、５３ 遅延時間
５４ フォーカス点
６１ 導光棒
６２ 面状検出部
６３ 導光板
６３ａ 主面
６３ｂ 対向面
６３ｃ 偏向面
６４ 偏光板
６５ 視野角制御シート
６６ 表示パネル
６７ センサーバー
６７ａ 光源
６８ 針
７１ プロジェクター
７２ 表示体
７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄ 受信スポット
７４ 指
７５ 表面弾性波
７６ １／２波長板
８１ 本体部
８２ プローブ部
８５ 光センサ
８６、８７ ジャイロセンサ
９２ 位置決めデータ
９３ ビート信号
９４ 検出信号
９５ 相対位置情報
９６ 三次元データ
９７ 三次元画像
９８ 駆動信号
９９ 画像データ

Claims (15)

  1. 生体の体内観察を行うための超音波検査装置であって、
    被検体の内部に超音波を送信する送信プローブと、
    前記被検体の表面の微小変位を、前記被検体と非接触で検出することで、前記被検体の内部で反射された前記超音波である反射超音波を検出する受信プローブと、
    前記送信プローブが前記被検体に対して固定され、かつ前記受信プローブが前記被検体に対して移動される走査動作の際の前記反射超音波に基づき、前記被検体の内部の画像を生成する信号処理部とを備える
    超音波検査装置。
  2. 前記受信プローブは、
    レーザ光を出射する第１光源と、
    前記レーザ光を、検出光と参照光とに分離する分離素子と、
    前記検出光を前記被検体に照射することで、前記被検体の表面に光スポットを形成する照射光学系と、
    前記光スポットで反射した検出光である反射検出光と前記参照光との干渉光を受光し、当該干渉光に応じたビート信号を生成する受光素子と、
    前記ビート信号をＦＭ復調することにより、前記光スポットにおける前記被検体の表面の微小変位を示す検出信号を生成する受信部とを備える
    請求項１記載の超音波検査装置。
  3. 前記超音波検査装置は、さらに、
    前記ビート信号の周波数から、前記光スポットと前記受信プローブとの第１相対位置を算出する位置検出部を備える
    請求項２に記載の超音波検査装置。
  4. 前記位置検出部は、さらに、
    前記送信プローブと前記受信プローブとの第２相対位置を検出し、
    前記第１相対位置と、前記第２相対位置とから、前記送信プローブと前記光スポットとの第３相対位置を算出し、
    前記信号処理部は、
    前記第３相対位置に基づいて、前記反射超音波が前記光スポットに到達する時間を演算し、当該時間を用いて前記検出信号に整相加算を行うことで、前記画像を生成する
    請求項３に記載の超音波検査装置。
  5. 前記超音波検査装置は、さらに、
    前記受信プローブと前記送信プローブとの相対位置及び相対角度を固定するとともに、当該相対位置及び相対角度を変更可能な駆動部を備え、
    前記駆動部は、前記送信プローブを前記被検体に対して固定し、前記受信プローブを前記被検体に対して移動することで前記走査動作を行う
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波検査装置。
  6. 前記超音波検査装置は、さらに、
    前記光スポットにおける前記被検体の表面と前記受信プローブとの傾斜角を算出し、前記傾斜角に応じて前記光スポットで検出された変位の振幅を補正する制御部を備える
    請求項４記載の超音波検査装置。
  7. 前記制御部は、前記第１相対位置を用いて前記被検体の表面の形状を推測することにより、前記傾斜角を算出する
    請求項６記載の超音波検査装置。
  8. 前記第１光源は、光周波数を鋸歯状に変調した前記レーザ光を出射する
    請求項４記載の超音波検査装置。
  9. 前記位置検出部は、前記ビート信号の周波数から、前記検出光と前記参照光との光路差を求め、
    前記検出光の出射角と、前記光路差とから前記第１相対位置を算出する
    請求項８記載の超音波検査装置。
  10. 前記超音波検査装置は、さらに、
    前記受信プローブと前記送信プローブとの相対位置及び相対角度を固定するとともに、当該相対位置及び相対角度を変更可能な駆動部を備え、
    前記位置検出部は、前記駆動部にから出力される前記受信プローブと前記送信プローブとの相対位置及び相対角度を示す情報から前記第２相対位置を検出する
    請求項４記載の超音波検査装置。
  11. 前記送信プローブ及び前記受信プローブのうち一方は、第２光源を備え、
    前記送信プローブ及び前記受信プローブのうち他方は、前記第２光源からの光を、画像を用いて検出する光センサを備え、
    前記位置検出部は、前記光センサからみた前記複数の第２光源の位置関係から、前記第２相対位置を検出する
    請求項４記載の超音波検査装置。
  12. 前記送信プローブは、当該送信プローブの姿勢を検出する第１ジャイロセンサを備え、
    前記受信プローブは、当該受信プローブの姿勢を検出する第２ジャイロセンサを備え、
    前記位置検出部は、前記第１ジャイロセンサ及び前記第２ジャイロセンサで検出された前記送信プローブの姿勢と前記受信プローブの姿勢とを比較することにより、前記送信プローブと前記受信プローブとの相対角度を検出する
    請求項４記載の超音波検査装置。
  13. 前記受信プローブは、さらに、前記被検体の内部の断層画像を表示するディスプレイを備え、
    前記ディスプレイは、前記ディスプレイの表示面に対して略平行な断面の断層画像を表示する
    請求項４記載の超音波検査装置。
  14. 前記送信プローブは、前記被検体に接触した状態で前記被検体の内部に前記超音波を送信する
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の超音波検査装置。
  15. 生体の体内観察を行うための超音波検査装置における超音波検査方法であって、
    前記超音波検査装置は、
    被検体の内部に超音波を送信する送信プローブと、
    前記被検体の表面の微小変位を、前記被検体と非接触で検出することで、前記被検体の内部で反射された前記超音波である反射超音波を検出する受信プローブとを備え、
    前記送信プローブが前記被検体に対して固定され、かつ前記受信プローブが前記被検体に対して移動される走査動作の際の前記反射超音波に基づき、前記被検体の内部の画像を生成する
    超音波検査方法。
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