JP6789173B2 - 超音波測定用ファントムおよび超音波ｃｔ装置 - Google Patents

超音波測定用ファントムおよび超音波ｃｔ装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波測定用ファントムおよび超音波CT装置に関する。
超音波測定を乳がんの検出に応用した医療用診断装置として、乳房専用超音波CT（Computed tomography）装置がある。超音波CT装置では、水中に挿入された乳房の周囲に超音波送信／受信器が配置される。そして、超音波送信／受信器を用いて、全周方向の超音波の反射信号および透過信号が測定され、画像の再構成処理により、乳房の断層画像が取得される。反射信号からは乳房組織の構造に関する情報が得られ、透過信号からは組織における超音波の音速及び減衰に関する情報が得られる。
一般に、腫瘍における超音波の音速および減衰量は、周囲の乳腺、脂肪等の正常組織に比べて高い。したがって、超音波の音速または減衰量の断層像から腫瘍を定量的に検出することが可能となる。
J Ultrasound Med 2012, 31; 1389-1404 Medical Physics 2007, 34; 744-753 Ultrasound in Med. & Biol., 2009, 35; 1185-1197 Ultrasound in Med. & Biol., 2003, 29; 1053-1060 IWBBIO 2013. Proceedings, 233-241
超音波CT装置により、組織における超音波の音速または減衰量の定量値を高い精度で測定することは、腫瘍の良性／悪性を判別する上で非常に重要である。したがって、超音波CT装置の診断装置としての信頼性を維持するためには精度管理が必須であり、生体の音響特性を模擬したファントムによる定期的な定量値の評価が必要である。
精度管理を行う上でファントムに求められる要件として、音響特性が生体を模擬していること、および、長期的に定量値が変化しないことが挙げられる。超音波CT装置の性能評価に用いられるファントムとして、ポリアクリルアミド・ゲルがある。Nebekerらは、円柱状のポリアクリルアミド・ゲルに関心領域としてロッド状の穴が形成されたファントムを用いている。このファントムでは、水、油、またはエタノールなどの溶液が穴に入れられる（非特許文献1）。ここで、ポリアクリルアミド・ゲルは、乳房の正常組織であるバックグランド領域を模擬しており、溶液は、腫瘍である関心領域を模擬している。このファントムの特徴として、音速の異なる溶液を使用することで、腫瘍を模擬した関心領域における音速値を変更することが可能であることが挙げられる。
乳房は主に乳腺と脂肪から構成されており、乳腺が脂肪よりも多い高濃度乳房における音速は1560[m/s]であり、脂肪が乳腺よりも多い脂肪性乳房における音速は1380[m/s]である（非特許文献2）。乳房を35度の水中で撮像する場合、水における音速は1520[m/s]である。したがって、高濃度乳房の場合、乳房のバックグランド領域は、水における音速よりも高い音速値を有する。一方、脂肪性乳房の場合、乳房のバックグランド領域は、水における音速よりも低い音速値を有する。
超音波CT装置では、ファントムも実際の乳房撮像の場合と同様に、水中に設置された状態で撮像される。Nebekerらのポリアクリルアミド・ゲルを用いたファントムでは、ポリアクリルアミド・ゲルにおける音速は水よりも高いため、バックグランド領域は背景の水よりも高い音速値をもつ高濃度乳房を模擬していることになる。ポリアクリルアミド・ゲルを用いたファントムでは、高濃度乳房を模擬することは可能であるが、脂肪性乳房を模擬することはできない。また、ポリアクリルアミド・ゲルは劣化しやすく、同一ファントムによる定期的な定量値の評価には適していない。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高濃度乳房および脂肪性乳房の両方を模擬することが可能なファントムを提供する。
例えば、上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、測定興味対象を模擬する第１部材と、前記第１部材を内部に有する第２部材とを備え、前記第２部材は、外部からの温度制御による温度上昇によって音速が低下する性質を有し、かつ、所定の温度において前記第２部材の周囲に存在する第３部材と同じ音速を有し、前記第１部材と前記第２部材とは混ざらない性質を有する、超音波測定用ファントムが提供される。
本発明によれば、所定の温度T0よりも低い温度ではファントムのバックグランド領域の音速は水よりも高く、高濃度乳房を模擬することが可能となり、T0よりも高い温度ではファントムのバックグランド領域の音速は水よりも低く、脂肪性乳房を模擬することが可能となる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
一実施例に係る超音波CT装置の構成を示した図である。 一実施例に係る超音波送受信素子アレイモジュールおよびファントムを示した図である。 超音波が水中の被写体を透過した場合の波の軌跡を示した図である。 透過波が受信素子で受信される領域を示した図である。 オイル・ゲルの音速および減衰率を示した図である。 一実施例に係るオイル・ゲルを用いたファントムを示した図である。 水、食塩水、オイル・ゲルの温度に対する音速の変化を示した図である。 インクルージョン領域に水を満たしたファントムの音速の再構成画像を示した図である。 インクルージョン領域に食塩水（3.5％）を満たしたファントムの音速の再構成画像を示した図である。 オイルゲル・ファントムが模擬する乳房の音速Sbr、腫瘍の音速Scを示した図である。 オイル・ゲルの水に対する相対屈折率を示した図である。 バックグランド領域を作成する際に用いられる容器の形状を示した図である。 一実施例に係る球状のインクルージョン領域を有するファントムを示した図である。 一実施例に係るフィルムによって密閉したファントムを示した図である。 一実施例に係る溶液を交換しないファントムの作成法を示した図である。 インクルージョン領域の形態を示す図である。 様々な材料の音速の温度依存性を示した図である。 一実施例に係る超音波CT装置の性能評価のフローチャートを示した図である。 一実施例に係る性能評価を行う際のGUI画面を示した図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
以下の実施形態は、超音波CT装置の性能評価または校正を行うファントムに関するものである。はじめに、一般的な超音波CT装置の構成について説明する。次に、超音波CT装置による撮像において、被写体の背景の水に対する相対屈折率が収集に及ぼす影響について説明する。最後に、高濃度乳房、脂肪性乳房のいずれの乳房も模擬することが可能な超音波測定用ファントムについて説明する。
図１は、一実施形態に係る超音波CT装置の構成を示した図である。超音波CT装置100は、被験者がうつ伏せになるベッド2と、複数の超音波送受信素子が配列されている超音波送受信素子アレイモジュール3と、乳房またはファントム1等の被写体を挿入する水槽4と、水槽4へ水を供給する予備タンク5と、超音波送受信素子アレイモジュール3によるデータ収集および予備タンク5内の水の温度調整を実行する制御部6と、収集したデータを画像にする信号処理部7と、収集データおよび画像を保存する記憶部8と、命令の入力および画像を出力する入出力部9とを備える。
制御部6、信号処理部7、および、記憶部8は、汎用のコンピュータで実装されてもよい。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、メモリと、ハードディスクなどの補助記憶装置を備える。制御部6および信号処理部7の処理は、コンピュータ上で実行されるプログラムの機能として実現されてもよい。入出力部9は、例えば、キーボード、ポインティングデバイス（マウスなど）などの入力部と、ディスプレイなどの表示部とによって構成される。
図２（ａ）は、一実施形態に係る超音波送受信素子アレイモジュール3を示した図である。超音波送受信素子アレイモジュール3は、リング状に配列された複数の超音波送受信素子を有する。超音波送受信素子は、周波数が数MHz程度の超音波を送信する。これにより、水中に存在する被写体へ超音波が入射される。入射した超音波の一部は被写体の表面や被写体内に存在する構造体の表面で反射し、これらの反射波は超音波送受信素子で受信される。また、一部の超音波は被写体の表面や内部で屈折を繰り返しながら被写体を透過し、これらの透過波も超音波送受信素子で受信される。これら一連の超音波の送信および受信は被写体の全周方向から行われる。信号処理部7は、反射波の受信信号に対して画像再構成処理を実行し、構造の境界を表す断層画像を取得する。また、信号処理部7は、透過波の受信信号に対して画像再構成処理を実行し、被写体内における超音波の音速と減衰を表す二つの断層像を取得する。超音波送受信素子アレイモジュール3を上下に移動しながら反射波および透過波を収集することにより、被写体の三次元画像が取得される。
図２（ｂ）は、一実施形態に係るファントム1の斜視図である。ファントム1は、測定興味対象を模擬する少なくとも１つの第１部材11と、第１部材11を内部に有する第２部材12とを備える。第２部材12は円柱形状を有し、上面である第１面12aと、その反対側の下面である第２面12bと、側面12cとを有する。第１部材11は円柱形状を有し、その円柱形状の端部が第１面12a側に露出している。第１部材11は、例えば、水、食塩水などの液体である。第２部材12の周囲には、図２（ａ）に示すように第３部材13（例えば、水）が配置される。なお、後述するように、第１部材11は、第２部材12の表面に露出しないような形態で第２部材12内に埋められていてもよい。その他、第１部材11および第２部材12の性質については後述する。
次に、超音波CT装置100による撮像において、被写体の背景の水に対する相対屈折率が収集に及ぼす影響について説明する。超音波CT装置100では被写体が水の中に存在するため、送信された超音波は水、被写体、水を透過した後に超音波送受信素子で受信される。このとき、被写体と背景の水との間の音速差が透過波の受信位置に影響を及ぼす。これは、波の屈折が媒質間の音速の違いによって決まるからである。
図３は、超音波が水中の被写体を透過した場合の波の軌跡を示した図である。図３（ａ）は、被写体における音速C1が背景の水における音速Cwよりも高い場合の図であり、図３（ｂ）は、被写体における音速C2が背景の水における音速Cwよりも低い場合である。図３（ａ）では、超音波が発生源（x=x0）から受信素子（Receiver）の方向に進み、被写体で２回屈折した様子を示している。このとき、透過波の受信位置はx=-dx1となっている。なお、図３での受信素子（Receiver）は、超音波送受信素子アレイモジュール3における受信素子を意味し、以下でも同様である。
一方、図３（ｂ）では、透過波の受信位置がx=+dx2となっている。このように、同じ位置から発生した超音波の透過波は、被写体と背景の水の間の屈折によって透過後の受信位置が変わる。したがって、被写体の水に対する相対屈折率は収集データにおける透過波の位置情報に影響を与え、最終的な画像再構成の結果にも影響を及ぼす。
図４は、透過波が受信素子で受信される領域を示した図である。図４（ａ）に示すように、被写体における音速が背景よりも高い場合、透過波が受信される受信素子の領域は被写体の大きさよりも広くなる。一方、図４（ｂ）に示すように、被写体における音速が背景よりも低い場合、透過波が受信される受信素子の領域は、被写体の大きさよりも狭くなる。信号処理部7が、図４（ａ）及び図４（ｂ）の収集データを、波の屈折を考慮しない再構成法であるFBP（Filtered Back Projection）によって再構成すると、被写体の大きさは実際の大きさよりもそれぞれ拡大、縮小されて描出される。
次に、高濃度乳房、脂肪性乳房のいずれの乳房も模擬することが可能な超音波測定用ファントムについて説明する。本実施例によるファントム1において、測定興味対象を模擬する第１部材11と、第２部材12とは互いに混ざらない性質を有する。第２部材12は、外部からの温度制御による温度上昇によって音速が低下する性質を有し、所定の温度において当該第２部材12の周囲に存在する第３部材13（例えば、水槽4内の水）と同じ音速を有する。
本実施例では、ファントム1の第２部材12の材料としてオイル・ゲルを用いた。オイル・ゲルは、パラフィンオイルにSEBS（Styrene-Ethylene/Butylenes-Styrene）と呼ばれるポリマーを混合して作成される。本実施例では、パラフィンオイルを175℃のホットプレートで撹拌しながらSEBSを溶解させ、脱気した後に常温で冷却することでオイル・ゲルを作成した。
図５は、オイル・ゲルの基本特性として、オイル・ゲルの音速および減衰率を示した図である。図５（ａ）は、SEBSの重量濃度が4％、10%の場合のオイル・ゲルの音速を示し、図５（ｂ）は、SEBSの重量濃度が4％、10%の場合のオイル・ゲルの減衰率を示す。ここで、オイル・ゲルの温度は25℃、図中のhigh、lowは、それぞれ、パラフィンオイルの動粘度が高い、低い場合を意味する。SEBSの重量濃度が高いほど、音速および減衰率は高くなることが分かる。オイル・ゲルは、SEBSの重量濃度がおよそ2％〜16％の範囲において作成可能であり、重量濃度が16%よりも大きくなると粘性が高くなり、パラフィンオイルに溶解させることが難しくなる（非特許文献3）。本実施例では、動粘度が高いパラフィンオイルにSEBS（重量濃度：10％）を加えたオイル・ゲルを用いてファントム1を作成した。
図６は、オイル・ゲルを用いたファントムの写真を示す。ファントム1は、直径が50mmの円柱である。ファントム1のオイルゲル（第２部材12）の内部には、10、7、5、3mmの円柱状の穴が形成されている。これらの円柱状の穴には溶液を入れることが可能であり、この溶液が、ファントム1の上述した第１部材11となる。溶液を入れた領域は、測定興味対象である腫瘍や腫瘤を模擬した領域であり、インクルージョン領域と呼ばれる。
このファントムの特徴の一つは、溶液の種類を変えることにより、インクルージョン領域の音速や減衰率を変更できることである。ポリアクリルアミド・ゲルの場合と異なり、オイル・ゲルは、インクルージョン領域の溶液と混ざることがないという優れた特徴を有する。なお、オイル・ゲルの領域は、正常組織である乳房の乳腺や脂肪などを模擬したバックグランド領域と呼ばれる。
図７は、水、食塩水、バックグランド領域であるオイル・ゲルの温度に対する音速の変化を示す。ここで、食塩水の濃度は3.5％と8%の場合を示す。食塩水における音速は水よりも高い。温度が上昇すると、食塩水および水の双方において音速も上昇する。一方、オイル・ゲルは温度が上昇すると音速が低下する。このように、オイル・ゲルは、外部からの温度制御による温度上昇によって音速が低下する性質を有する。また、オイル・ゲルにおける音速は、ある温度T0において水における音速と同じ値をとることが分かる。したがって、温度がT0より低い場合は、オイル・ゲルにおける音速は水よりも高く、温度がT0よりも高い場合は、オイル・ゲルにおける音速は水よりも低くなる。
乳房の臨床撮像における水温を35度に設定した場合、水の音速は1520[m/s]である。また、乳腺が脂肪よりも多い高濃度乳房における音速は1560[m/s]であり、脂肪が乳腺よりも多い脂肪性乳房における音速は1380[m/s]である（非特許文献2）。超音波CT装置により高濃度乳房を撮像した場合、乳房における音速は背景の水における音速よりも高くなる。一方、脂肪性乳房を撮像した場合、乳房における音速は背景の水における音速よりも低くなる。したがって、オイル・ゲルを用いたファントム1を温度がT0よりも低い場合で撮像することにより、バックグランド領域であるオイル・ゲルの背景の水に対する相対屈折率を高濃度乳腺の撮像時に相当する値に設定することが可能となる。逆に、ファントム1を温度がT0よりも高い場合で撮像することにより、バックグランド領域であるオイル・ゲルの背景の水に対する相対屈折率を脂肪性乳房の撮像時に相当する値に設定することが可能となる。
ファントム1は、水槽4内に配置され、ファントム1の周囲には水が配置される。オイル・ゲル（第２部材12）は、所定の温度T0において当該オイル・ゲルの周囲に存在する水（第３部材13）と同じ音速を有する。上述したように、温度をT0よりも高くしたり、低くしたりすることで、ファントム1は高濃度乳房及び脂肪性乳房の両方を模擬することができる。なお、本実施例では、オイル・ゲルの周囲の第３部材13が水であるが、これに限定されない。所定の温度でオイル・ゲルと同じ音速になる材料を、水の代わりに使用することができる。
図８は、インクルージョン領域に水を満たしたファントムの音速の再構成画像を示した図である。図８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、それぞれ、温度が15、17.5、20、22.5、25、27.5度の場合についての画像である。ここで、撮像に使用した超音波CT装置100の超音波送受信素子アレイモジュール3の内径は10cm、超音波の周波数は1.7MHzである。画像再構成法にはFBPを用いた。温度が15〜20度の場合、バックグランド領域における音速が背景の水の音速よりも高いことが分かる。また、温度が15〜17.5度の場合、インクルージョン領域（水）における音速はバックグランド領域よりも低くなっている。一方、温度が22.5〜27.5度の場合、バックグランド領域における音速が、背景の水およびインクルージョン領域（水）における音速よりも低いことが分かる。また、温度が15度の画像と27.5度の画像を比較すると、ファントム1の大きさが15度の方が27.5度の場合よりも大きく描出されている。これは、15度の場合、バックグランド領域における音速が背景の水よりも高いため、透過波の受信領域が広くなり、一方、27.5度の場合、バックグランド領域における音速が背景の水よりも低いため、透過波の受信領域が狭くなるためである。その結果、15度、27.5度の再構成画像は、それぞれ、拡大、縮小されて描出される。
図９は、インクルージョン領域に食塩水（3.5％）を満たしたファントムの音速の再構成画像を示した図である。図９の（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）は、それぞれ、温度が15、17.5、20、22.5、25、27.5度の場合についての画像である。インクルージョン領域が水の場合と同様に、温度が15〜20度の場合、バックグランド領域における音速が背景の水の音速よりも高く、温度が22.5〜27.5度の場合、バックグランド領域における音速が背景の水の音速よりも低いことが分かる。一方、インクルージョン領域（食塩水）における音速は、15〜27.5度の全ての温度においてバックグランド領域よりも高い。さらに、インクルージョン領域の大きさは、温度が上昇するにつれて大きく描出されていることが分かる。これは、インクルージョン領域とバックグランド領域との音速差が増大し、インクルージョンを透過した超音波の受信領域が拡大するためである。
次に、波の屈折に関する観点から、温度を変えた時のファントム撮像が、どのような音速値をもつ乳房に対する波の屈折を模擬しているかについて説明する。ファントム撮像における水、ファントム1のバックグランド領域、ファントム1のインクルージョン領域の音速をそれぞれSw(t)、SBG(t)、Sinc(t)と表す。ここで、tは温度である。また、臨床撮像時の水温を35℃と仮定し、Sw(35)=1520[m/s]、乳房、腫瘍の音速を、それぞれSbr、Scとする。ファントム撮像時の水に対するバックグランド領域の超音波の相対屈折率をn1(=SBG(t)/ Sw(t))、バックグランド領域に対するインクルージョン領域の超音波の相対屈折率をn2(=Sinc(t)/ SBG(t))とする。また、臨床撮像時の水に対する乳房の相対屈折率をn3(=Sbr/ Sw(35))、乳房に対する腫瘍の相対屈折率をn4(=Sc/ Sbr)とする。n1とn3が等しいと仮定すると、以下の関係式が成り立つ。
したがって、Sbrは以下の式で求められる。
同様に、n2とn4が等しいと仮定すると、以下の関係式が成り立つ。
したがって、Scは以下の式で求められる。
図１０は、オイル・ゲルを用いたファントムが模擬する乳房の音速Sbr、腫瘍の音速Scを示した図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ、臨床撮像時の水の音速が35、30℃の場合について示す。ここで、Sc 3.5%、Sc 8%は、それぞれ、インクルージョン領域の食塩水の濃度が3.5%、8%の場合を示し、インクルージョン領域の食塩水が模擬する腫瘍の音速を表す。温度を10〜50℃の範囲で変化させることで、乳房の音速が1369〜1596[m/s]の場合の水に対する屈折を模擬することが可能である。同様に、温度を10〜50℃の範囲で変化させることで、腫瘍の音速が1541〜1622[m/s]の場合の乳房に対する屈折を模擬することが可能である。したがって、食塩水の濃度を0より大きく、かつ、8%以下に設定する（0＜食塩水濃度≦8%）ことで、様々な音速の腫瘍を模擬することが可能となる。
図１１は、オイル・ゲルの水に対する相対屈折率を示す。オイル・ゲルの水に対する相対屈折率を0.9〜1.05に設定することで、様々な音速の乳房を模擬することが可能となる。これを実現するために、制御部6は、水槽4内の水の温度を制御し、オイル・ゲルの水に対する相対屈折率を0.9〜1.05に設定する。このように、本実施例のファントム1は、温度を調整することにより、バックグランド領域の背景の水に対する相対屈折率または音速差を変更可能であり、それによって高濃度乳房や脂肪性乳房を模擬することが可能となる。また、インクルージョン領域の音速は、溶液の種類を変えることによって変更も可能である。さらに、ファントム1のバックグランド領域であるオイル・ゲルは、経年劣化が少ないことが知られており（非特許文献3）、同一のファントムによる定期的な性能評価を長期間にわたって行うことが可能となる。
＜バックグランド領域、インクルージョン領域の作成法＞
次に、バックグランド領域およびインクルージョン領域の作成方法について説明する。図１２は、バックグランド領域を作成する際に用いられる容器の形状を示した図である。上述の実施例では、ファントム1内のバックグランド領域およびインクルージョン領域は円柱の形状である。バックグランド領域の形状は、SEBSが溶解したパラフィンオイルの溶液を円柱の容器に流し込むことで形成される。このときに図１２（ａ）に示す容器を用いることで、円柱状のバックグランド領域（オイル・ゲル）を作成することができる。
なお、ファントム1は他の形状でもよい。SEBSが溶解したパラフィンオイルの溶液を図１２（ｂ）に示すテーパーを有するコップ形状の容器に流し込むことで、上面の直径が下面の直径よりも大きくなるようなテーパー形状を有するバックグランド領域（オイル・ゲル）を作成することができる。また、SEBSが溶解したパラフィンオイルの溶液を図１２（ｃ）に示すお椀状の容器に流し込むことで、お椀形状を有するバックグランド領域（オイル・ゲル）を作成することができる。このように、パラフィンオイルの溶液を流し込む容器の形状を変更することで、平面及び／又は曲面の任意の組合せの形状を有するファントム1を作成することができる。
上述の容器の材料は、切断することも可能なポリプロピレンが適している。インクルージョン領域は、パラフィンオイルの溶液がゲル化する前に丸棒の型を挿入し、冷却することで作成できる。ゲル化した後に丸棒を抜き取ることで円柱状のインクルージョン領域が作成される。型を抜き取る作業では、30〜40度の水にオイル・ゲルを浸した状態で、細いスパーテルを型とゲルの接触部に挿入し、ゲルを型からはがしながら丸棒の型を抜き取る。丸棒の材料としては、ポリプロピレン、フッ素樹脂などが適している。インクルージョン領域の円柱の直径としては、乳がんを模擬する1〜50mm程度が望ましい。
図１３は、一実施例に係る球状のインクルージョン領域を有するファントムを示した図である。ファントム1内のインクルージョン領域は球状で作成することも可能である。このとき、インクルージョン領域は、球状空間11aと、第２部材12の第１面12aから球状空間11aへ接続する細い円柱状の穴11bとを備える。溶液は穴11bを通して導入され、これにより、球状空間11aが溶液によって満たされ、球状の第１部材11を得ることができる。
球状空間11aおよび円柱状の穴11bは、球に細い丸棒を接続した型を用いて作成される。球状空間11aの直径は、1〜50mm程度が望ましい。また、穴11bを作成するための丸棒の直径は、球の直径の半分以下が望ましい。先程と同様に、ゲル化する前の溶液に型を挿入し、ゲル化した後に型を抜き取ることで球状空間11aと穴11bが作成される。型を抜き取る作業では、スパーテルで穴11bの径を広げながら球の型を抜き取る。型の材料としては、ポリプロピレン、フッ素樹脂などが適している。また、穴の型が細くなるほど型を抜く作業は難しくなるため、型の材料として3Dプリンタで用いられる水溶性のサポート材や、リモネンで溶解するサポート材が用いられてもよい。溶液に型を挿入し、ゲル化した後に型を溶かすことで球および穴の空間を作成することができる。インクルージョン領域は、穴11bと外部との接続部分（第１面12a）に栓14を配置することによって密閉されている。
図１４は、一実施例に係るフィルムによって密閉したファントム1を示した図である。インクルージョン領域は、穴11bと外部との接続部分（第１面12a）にフィルム15を配置することによって密閉されてもよい。
また、溶液を交換するためには、インクルージョン領域に溶液を外部から注入および外部へ取り出すための穴が必要となるが、溶液を交換しないファントム1の作成も可能である。図１５は、一実施例に係る溶液を交換しないファントム1の作成法を示した図である。
図１５（ａ）は、オイル・ゲルにインクルージョン領域を作成した後に、球状空間11aを溶液で満たした状態を示す。次に、図１５（ｂ）に示すように、溶液のすぐ真上に穴11bと同じ直径の円柱状のオイル・ゲルを配置する。次に、図１５（ｃ）に示すように、穴11bにSEBSが溶解したパラフィンオイルの溶液を注入する。その後、図１５（ｄ）に示すように、パラフィンオイルの溶液がゲル化することによって溶液（第１部材11）を密閉することができる。
図１６は、インクルージョン領域の形態を示す図である。図１６（ａ）は、円柱形状のインクルージョン領域を示す。図１６（ｂ）は、球状空間11a及び穴11bを有するインクルージョン領域を示す。図１６（ｃ）は、溶液の注入経路がなく、オイル・ゲルの内部に球状空間11aのみを有するインクルージョン領域を示す。図１６（ｄ）は、溶液の注入経路がなく、オイル・ゲルの内部に円柱空間11cを有するインクルージョン領域を示す。図１６（ｅ）は、穴11bと、表面に凹凸を有する球11dとを有するインクルージョン領域を示す。図１６（ｆ）は、表面に凹凸を有する円柱11eのインクルージョン領域を示す。図１６（ｅ）および（ｆ）は、インクルージョン領域の表面が凹凸形状を有しているので、境界が滑らかではない腫瘍を模擬することができる。インクルージョン領域を作成するときの型に、紙やすり等を貼り付けることで、表面に凹凸を有するインクルージョン領域を作成することが可能となる。
＜ファントムの材料＞
本実施例では、ファントム1の第２部材12（バックグランド領域）の材料にオイル・ゲルを用いた。オイル・ゲル以外の材料としては、ウレタン、ポリ塩化ビニルプラスチゾル（Polyvinyl Chloride Plastisol）等が挙げられる（非特許文献4、非特許文献5）。図１７は、様々な材料の音速の温度依存性を示した図である。図１７に示すように、ウレタン、オイル・ゲル、およびポリ塩化ビニルプラスチゾルは、温度が上昇すると音速が低下する性質を有し、かつ、所定の温度で水における音速と同じ音速になることが分かる。したがって、ウレタンおよびポリ塩化ビニルプラスチゾルもまた、ファントム1の第２部材12（バックグランド領域）の材料として用いることができる。
＜ファントムを用いた装置の性能評価＞
図１８は、一実施例に係る超音波CT装置100の性能評価のフローチャートを示した図である。ここでは、実施例で説明したオイル・ゲルを用いたファントム1を使用する。
始めにユーザーは、ファントム1を測定するときの温度を設定する。本実施例では、温度設定の３つのパターンを説明する。
（１）ディスプレイに表示されたインタフェース上において温度を直接入力する（S1801）
（２）ディスプレイに表示されたインタフェース上においてファントム1の水に対する相対屈折率または音速差を入力する（S1802-1）
（３）模擬する乳房の種類を選択する（S1803-1）
記憶部8には、ファントム1の水に対する相対屈折率または音速差と、温度との関係が第１テーブルとして格納されている。（２）の場合、制御部6は、入力された相対屈折率または音速差に対応する温度を、第１テーブルを用いて出力する（S1802-2）。
記憶部8には、乳房の種類（例えばextremely dense、heterogeneously dense、scattered fibroglandular、fattyの四種類)と、それぞれの種類に応じたファントム1の水に対する相対屈折率または音速差との関係が第２テーブルとして格納されている。（３）の場合、制御部6は、選択された乳房の種類に対応する相対屈折率または音速差を、第２テーブルを用いて取得し、その後、制御部6は、取得した相対屈折率または音速差に対応する温度を、第１テーブルを用いて出力する（S1803-2）。なお、別の例として、記憶部8には、乳房の種類と、それぞれの種類に応じた温度との関係がテーブルとして格納されていてもよい。
（１）、（２）、（３）のいずれかの入力の後、制御部6が、温度制御処理を実行する（S1804）。具体的には、制御部6は、図示省略の温度調節装置を制御して、予備タンク5内の水を加熱または冷却する（S1805）。制御部6は、加熱または冷却した水を水槽4へ送る。
制御部6は、水槽4へ送水してT1分待機する（S1806）。制御部6は、T1分後に、水槽4内の水の温度が設定温度になっているかを判定する（S1807）。制御部6は、設定温度になるまでS1806およびS1807のステップを繰り返す。
水槽4内の水の温度が設定温度になった後、制御部6は、信号処理部7を制御し、補正データに使用するための水のデータを撮像する（S1808）。信号処理部7は、超音波送受信素子アレイモジュール3によって収集されたデータから水の画像を出力する。
水の撮像が終了した後、ファントム1を水槽4内に設置する（S1809）。次に、T2分待機する（S1810）。次に、制御部6は、信号処理部7を制御し、ファントム1を撮像する（S1811）。信号処理部7は、ファントム1のバックグランド領域における音速値を出力する（S1812）。
信号処理部7は、バックグランド領域における音速値が正常の範囲内であるかを判定する（S1813）。ここで、設定温度におけるファントム1のバックグランド領域における音速値をV、許容範囲をdVとすると、信号処理部7は、測定した音速値がV-dVからV+dVの範囲にあれば正常と判定する。
S1813において音速値が正常の範囲内に入っていれば、信号処理部7は、ファントム1の画像を出力する（S1814）。次に、信号処理部7は、関心領域（インクルージョン領域）の定量値を出力する（S1815）。制御部6は、この定量値が正常の範囲であるかを判定する（S1816）。定量値が正常の範囲である場合、装置は正常に撮像可能であると判定され、処理を終了する。なお、S1816において定量値が正常の範囲内にない場合、装置の点検を行う（S1819）。
S1813において音速値が正常の範囲内に入っていない場合、制御部6は、ファントム撮像を開始してからT3分経過したかを判定する（S1817）。T3分経過していない間は、S1810〜S1813のステップが繰り返し実行される。なお、ファントム撮像を開始してからT3分経過しても音速値が正常の範囲内にならない場合は、ある程度時間が経過しているにもかかわらずファントム1が設定温度に到達していないことを意味する。したがって、この場合には、装置の点検を行う（S1818）。
図１９は、一実施例に係る性能評価を行う際のGUI（Graphical user interface）画面を示した図である。GUIは、入力領域1901と、温度表示領域1902と、再構成画像表示領域1903と、状況や結果等を表示する結果表示領域1904とを含む。入力領域1901は、ユーザーが入力する領域であり、使用するファントムの種類を入力する第１入力部1901a、設定温度を入力するための第２入力部1901b、ファントムの水に対する相対屈折率（または音速差）を入力するための第３入力部1901c、および、乳房の種類を入力するための第４入力部1901dを有する。
第１入力部1901aのファントムの種類としては、（１）インクルージョン領域の大きさ、形状、（２）溶液の種類、（３）バックグランド領域の大きさ、形状、材料等によって分類されてもよい。第１入力部1901aは、これらの種類を設定できるように構成されていればよい。
GUIの「Start」ボタンを押すと、図１８のフローが実行される。第２入力部1901b、第３入力部1901c、第４入力部1901dのいずれかの情報をもとに、温度表示領域1902には、設定温度が表示される。また、水槽4への送水が開始すると、温度表示領域1902には、水槽4の現在の温度も表示される。再構成画像表示領域1903には、ファントム1の再構成画像が表示される。結果表示領域1904には、図１８のフローの実行状況に応じて、現在の状況、指示、及び結果が出力される。
＜ファントムを用いた標準化＞
超音波CT装置100による乳房の臨床撮像のプロトコルは施設により異なる。臨床撮像における診断精度を保証するためには、撮像条件、画像処理方法等の標準化が必要となる。理想的には、どの施設で撮像した場合でも、ある定められた精度以上の診断が可能となるのが望ましい。
上述の標準化を行うためには、施設ごとに装置性能を同一のファントムにより定量的に評価する必要がある。本実施例のファントム1は、長期間にわたり音響特性の変化が小さいため、標準化を進める上での性能評価に用いることが可能である。
一例として、以下の条件を標準プロトコルとする。
・オイルゲル・ファントムのインクルージョン領域に食塩水(3.5%)を満たす。
・水の温度を25℃に設定する。
・超音波の送信方式をファンビームとする。
・投影方向の数を256とする。
・画像再構成法をFBP(filtered back projection)とする。
・画像の画素サイズを1mm以下とする。
・画像フィルタを用いない。
超音波CT装置100を用いて各施設でファントム1の撮像を行う。各施設の超音波CT装置100は、ネットワークを介して接続されている。例えば、超音波CT装置100は、各施設での撮像データを収集し、バックグランド領域およびインクルージョン領域の音速および減衰に関して、施設間の平均値、標準偏差、最大値、最小値、中央値のうち少なくとも１つの統計情報を算出してもよい。各施設の超音波CT装置100のディスプレイには、標準化プロトコルの内容と、施設間の上述の統計情報とが表示される。これにより、自施設と他施設の装置性能を比較することができる。ユーザーは、自施設の超音波CT装置100の性能が他施設と比較して同一の性能の範囲にあるかを確認できる。ユーザーは、自施設の超音波CT装置100の数値（バックグランド領域およびインクルージョン領域の音速および減衰）と、統計情報とを比較し、自施設の数値が統計情報から大きく離れている場合、装置の点検を行うことも可能である。したがって、診断精度の保証だけでなく、装置のメンテナンスにも寄与する。
なお、標準化プロトコルは、超音波CT装置100の性能の進歩とともに変わる可能性が有り、標準プロトコルが変わるたびに、施設間での定量値の統計情報は更新される。
＜測定興味対象の定量値補正＞
超音波CT装置で撮像した音速および減衰の定量値の正しさは、送信する超音波の周波数、送受信素子の大きさ、画像再構成法等によって決まる装置の空間分解能に依存する。測定興味対象である腫瘍領域またはインクルージョン領域が小さくなるほど、定量値の精度は低下する。本実施例のファントム1では、インクルージョン領域に溶液が満たされるため、溶液の音速をあらかじめ計測しておけば、インクルージョン領域の音速を正確に知ることができる。そこで、臨床撮像で得られた腫瘍の定量値を以下のようにして補正することが可能である。
はじめに、超音波CT装置100は、インクルージョン領域として球の形状をもつファントム1を撮像する。ファントム撮像における水、バックグランド領域、インクルージョン領域の音速値をそれぞれ、Sw(tp)、SBG(tp)、Sinc(tp, dinc,c)とする。ここで、tpはファントム1の測定時の温度、dincはインクルージョン領域の直径、cは食塩水の濃度である。定量値の補正係数をf(tp, dinc, c)= Sinc(tp, dinc,c)/ SBG(tp)とする。ファントム撮像の再構成画像にROI（region of interest）を設定し、水、バックグランド領域、インクルージョン領域のROIの値をROIw(tp)、ROIBG(tp)、ROIinc(tp, dinc, c)とする。水、バックグランド領域は広いROIを設定できるため、ROIw(tp)= Sw(tp)、ROIBG(tp)= SBG(tp)と仮定できる。水に対するバックグランド領域の比率をr1 p(tp)= ROIBG(tp)/ROIw(tp)、バックグランド領域に対するインクルージョン領域の比率をr2 p(tp, dinc, c)= ROIinc(tp, dinc, c)/ROIBG(tp)とする。
ファントム撮像では、例えば、インクルージョン領域の直径が3、5、7、10、15、20mmのファントムに対して、温度を15、17.5、20、22.5、25、27.5℃に変えて、さらに、食塩水の濃度を0、1、2、3、4、5、6、7、8%に変えて測定が行われる。超音波CT装置100は、それぞれの温度、直径、食塩水濃度に対して、f(tp, dinc, c)、r1 p(tp)とr2 p(tp, dinc, c)を求める。このように、超音波CT装置100は、複数のサイズのインクルージョン領域に関して温度および溶液の濃度を変えながら撮像を実行して補正用データを算出する。ここで求められた補正用データは、記憶部8に格納される。
次に、臨床撮像における水、乳房、腫瘍領域の音速値をそれぞれ、Sw(th)、Sbre、Scan(dcan)とする。ここで、thは臨床撮像時の温度、dcanは腫瘍を球で近似した場合の直径である。臨床撮像の再構成画像にROIを設定し、水、乳房、腫瘍のROIの値をROIw(th)、ROIbre、ROIcan(dcan)とする。水、乳房は広いROIを設定できるため、ROIw(th)= Sw(th)、ROIbre= Sbreと仮定できる。水に対する乳房領域の比率をr1 h(th)= ROIbre/ROIw(th)、乳房領域に対する腫瘍領域の比率をr2 h(dcan)= ROIcan(dcan)/ROIbreとする。r1 p(tp)の中からr1 h(th)に最も近い値における温度をtp’とする。次に、dincの中から腫瘍の直径dcanに最も近い値をdinc’とする。次に、r2 p(tp’, dinc’, c)の中からr2 h(dcan)に最も近い値における食塩水濃度をc’とする。したがって、超音波CT装置100は、腫瘍領域における定量値の補正後の値を、ROIbre×f(tp’, dinc’, c’)によって求める。この構成によれば、超音波CT装置100は、あらかじめ求めておいた補正用データを用いて、臨床撮像で得られた腫瘍の定量値を補正することができる。
本実施例の超音波測定用ファントム1は、測定興味対象を模擬する第１部材（インクルージョン領域）11と、第１部材11を内部に有する第２部材（バックグランド領域）12とを備える。第１部材11と第２部材12とは互いに混ざらない性質を有する。第２部材12は、外部からの温度制御による温度上昇によって音速が低下する性質を有し、所定の温度T0において当該第２部材12の周囲に存在する第３部材13（水槽4内の溶液）と同じ音速を有する。このような構成により、T0よりも低い温度ではファントム1の第２部材12の音速は第３部材13よりも高くなるため、高濃度乳房を模擬することが可能となる。一方、T0よりも高い温度では第２部材12の音速は第３部材13よりも低くなるため、脂肪性乳房を模擬することが可能となる。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
上記の制御部6や信号処理部7の機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤなどの記録媒体に置くことができる。また、上記の機能などは、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
上述の実施例において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
1 …超音波測定用ファントム
2 …ベッド
3 …超音波送受信素子アレイモジュール
4 …水槽
5 …予備タンク
6 …制御部
7 …信号処理部
8 …記憶部
9 …入出力部
11 …ファントムの第１部材
12 …ファントムの第２部材
13 …ファントムの周囲にある第３部材
14 …栓
15 …フィルム
100 …超音波CT装置

Claims (15)

  1. 測定興味対象を模擬する第１部材と、
    前記第１部材を内部に有する第２部材とを備え、
    前記第２部材は、外部からの温度制御による温度上昇によって音速が低下する性質を有し、かつ、所定の温度において前記第２部材の周囲に存在する第３部材と同じ音速を有し、
    前記第１部材と前記第２部材とは混ざらない性質を有する、超音波測定用ファントム。
  2. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第２部材は、オイル・ゲル、ウレタン、またはポリ塩化ビニルプラスチゾルである、超音波測定用ファントム。
  3. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第１部材は、液体である、超音波測定用ファントム。
  4. 請求項３に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記液体は、水または食塩水である、超音波測定用ファントム。
  5. 請求項４に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記食塩水の濃度は、0より大きく、かつ、8%以下である、超音波測定用ファントム。
  6. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第３部材は、水である、超音波測定用ファントム。
  7. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第１部材の形状が円柱または球状を含む、超音波測定用ファントム。
  8. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第１部材の表面が凹凸を有する、超音波測定用ファントム。
  9. 請求項３に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記液体を密閉するための栓またはフィルムをさらに備える、超音波測定用ファントム。
  10. 請求項３に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第１部材が前記第２部材の表面に露出しないような形態で前記第２部材内に埋められている、超音波測定用ファントム。
  11. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムにおいて、
    前記第２部材は、円柱形状、テーパーを有するコップ形状、または、お椀形状を有する、超音波測定用ファントム。
  12. 請求項１に記載の超音波測定用ファントムを備える超音波CT装置であって、
    設定温度、前記第３部材に対する前記第２部材の波の相対屈折率、または、乳房の種類を設定可能な入出力部と、
    前記設定温度、前記第３部材に対する前記第２部材の波の相対屈折率、または、前記乳房の種類に応じて前記ファントムの周囲にある前記第３部材の温度を制御する制御部と
    を備える超音波CT装置。
  13. 請求項１２に記載の超音波CT装置において、
    前記制御部は、前記第３部材の前記温度を制御し、前記第３部材に対する前記第２部材の波の相対屈折率を0.9〜1.05に設定する、超音波CT装置。
  14. 請求項１２に記載の超音波CT装置において、
    前記制御部は、前記第１部材および前記第２部材の音速および減衰に関して、複数の施設間の平均値、標準偏差、最大値、最小値、中央値のうち少なくとも１つの統計情報を算出し、
    前記入出力部が、前記少なくとも１つの統計情報を表示する、超音波CT装置。
  15. 請求項１２に記載の超音波CT装置において、
    前記制御部は、複数のサイズの前記第１部材に関して温度および溶液の濃度を変えながら撮像を実行して補正用データを算出し、
    前記制御部は、前記補正用データを用いて、臨床撮像で得られた腫瘍の定量値を補正する、超音波CT装置。
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