JPWO2014038569A1 - 厚み測定装置及び厚み測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定体の表面と裏面との間に多くの空孔があったり、不要エコーが多い環境でも、超音波を用いて良好な精度で厚みを測定できる厚み測定装置を提供する。【解決手段】皮質骨厚み測定装置１は、振動子２４と、受信波形記憶部５０と、エコー波形合成部５１と、裏面フォーカス波形取得部５２と、厚み算出部５３と、を備える。振動子２４は、複数並べて配置され、それぞれが超音波を送受信可能である。エコー波形合成部５１は、超音波ビームのフォーカス位置を走査させながら、当該超音波ビームに対応するエコー波形を、受信波形記憶部５０において事前に記憶された各振動子２４の受信波形を合成することにより取得する。得られたエコー波形について、裏面フォーカス波形取得部５２による評価の結果、皮質骨１０の裏面にビームが良好にフォーカスしていると判定されると、厚み算出部５３は、当該エコー波形に基づいて皮質骨１０の厚みを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、主に、被測定体に超音波を照射してエコー信号を取得し、これに基づいて当該被測定体の厚みを測定する厚み測定装置に関する。

この種の厚み測定装置は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の超音波診断装置は、血管壁組織の性状診断を行うためのものであって、被験者の体表に密着するように支持された超音波プローブを備えている。この超音波プローブは、アレー状に配列された複数の超音波振動子を含んでいる。超音波診断装置は、血管外組織及び血管を含む体組織内部へ超音波プローブから超音波を送信する。すると、血管等にて反射、散乱した超音波の一部が超音波プローブへ戻り、エコーとして受信される。このとき、超音波振動子群に与える駆動パルス信号の遅延時間を制御することで、超音波プローブから送信される超音波ビームの音響線の方向や焦点深度を変化させる。また、超音波振動の受信信号の遅延時間を制御することにより、開口径や焦点位置を変化させることもできる。

特許文献１の超音波診断装置は、このエコーによる受信信号の解析及び演算を行い、血管外組織や血管の弾性特性を求める。なお、特許文献１の構成は基本的に２点の厚さ変化量を求めるものであるが、２点の位置の初期値等の特別な情報が与えられる場合には、２点間の厚さそのものも求めることができる旨が開示されている。

特許文献１は主に血管壁組織を測定する超音波診断装置についてのものであるが、近年、骨粗しょう症が注目されるに伴い、骨量と強い関係を持つといわれる皮質骨の厚みを測定することが検討されている。例えば、非特許文献１及び非特許文献２は、皮質骨の表面及び裏面からのエコーをスペクトル処理することにより、皮質骨の厚みを導出する技術を開示する。また、非特許文献３及び非特許文献４では、低周波のラム波を用いることによって皮質骨の厚みを計算して得る方法が提案されている。

特許第４６０２９７２号公報

Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｅｐｓｔｒａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｉｂｉａｌ Ｃｏｒｔｉｃａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， Ｗｅａｒ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ ＵＦＦＣ， ｖｏｌ ５０． Ｎｏ ６， Ｊｕｎｅ ２００３ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｒｔｉｃａｌ Ｂｏｎｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｉｎ ｖｉｔｒｏ ａｎｄ Ｉｎ ｖｉｖｏ， Ｊ．Ｋａｒｊａｌａｉｎｅｎ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ ＵＦＦＣ， ｖｏｌ ５５． Ｎｏ １０， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００８ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｂｉａ ｕｓｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｇｕｉｄｅｄ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｐｕｂｅｒｔａｌ ｇｉｒｌｓ， Ｍｏｉｌａｎｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ｖｏｌ １４， ２００３ Ｌｏｗ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｘｉａｌ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｂｏｎｅ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｒｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｔｉｂｉａ ｉｎ ｐｒｅ− ａｎｄ ｐｏｓｔｍｅｎｏｐａｕｓａｌ ｗｏｍｅｎ， Ｖｉｌａｐｐａ ｅｔ ａｌ．， Ｖｏｌ２２． Ｎｏ ４， ２０１１

しかしながら、上記した皮質骨は、個体差もあるが、その内部に多数の空孔が存在することが多いという特徴がある。また、超音波を使用する場合、空孔の大きさと波長のオーダーがほぼ一致してしまう。従って、このような皮質骨を測定体とする場合には、単純に特許文献１のように超音波ビームを送受信して求めることとすると、皮質骨の裏面からのエコー信号が空孔による散乱等の影響により捕捉されにくくなるので、精度の高い厚み測定が困難になる。

また、非特許文献１及び非特許文献２の方法で皮質骨の厚みを測定する場合、皮質骨の表面と裏面が平行であり、表面が平滑で、かつ骨の内部が均質であること等、理想的な条件を満たすことが前提となる。従って、空孔が多く曲面状である実際の皮質骨について、厚み測定精度を実用的なレベルで確保するのは困難であるといわざるを得ない。

一方で、非特許文献３及び非特許文献４のようにラム波を使った場合は、低周波であるために厚みの測定精度に限界があると言われている。また、ラム波を使う場合は長い伝播距離が必要になるため、測定のロバスト性の観点からも改善の余地が残されていた。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、被測定体の表面と裏面との間に多くの空孔があったり、不要エコーが多い環境でも、超音波を用いて良好な精度で厚みを測定できる厚み測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成の厚み測定装置が提供される。即ち、この厚み測定装置は、送受波部と、受信波形記憶部と、エコー波形合成部と、裏面フォーカス波形取得部と、厚み算出部と、を備える。前記送受波部は、複数並べて配置され、それぞれが被測定体に超音波を送信可能であるとともに、当該超音波に対するエコー信号を取得可能である。前記受信波形記憶部は、それぞれの前記送受波部で超音波を送信するごとに全ての前記送受波部の受信波形を取得して記憶する。前記エコー波形合成部は、超音波ビームのフォーカス位置を走査させながら、当該超音波ビームに対応するエコー波形を、前記受信波形記憶部において記憶された各送受波部の受信波形を合成することにより取得する。前記裏面フォーカス波形取得部は、前記エコー波形合成部により得られた複数のエコー波形をそれぞれ評価することにより、前記被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得する。前記厚み算出部は、前記裏面フォーカス波形取得部により取得されたエコー波形に基づいて前記被測定体の厚みを算出する。

これにより、被測定体の表面と裏面との間に多くの空孔があったり、不要エコーが多い環境でも、超音波を用いて良好な精度で被測定体の厚みを測定できる厚み測定装置を提供できる。

前記の厚み測定装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この厚み測定装置は、前記被測定体の表面の位置及び形状を検出する表面検出部を備える。前記エコー波形合成部は、前記被測定体の内外の音速を取得又は仮定した上で、前記フォーカス位置を走査させながら、送信側の送受波部から当該フォーカス位置を経由して受信側の送受波部に到達する超音波の経路を、前記表面検出部で取得した被測定体の表面での屈折を考慮しつつ計算し、この計算の結果に基づいて前記受信波形を合成して前記エコー波形を取得する。

これにより、超音波の伝播経路を精度よくシミュレートしながらエコー波形を合成できるので、厚みの測定精度を向上させることができる。

前記の厚み測定装置においては、前記エコー波形合成部は、前記フォーカス位置を走査させながら、送信側の送受波部から当該フォーカス位置を経由して受信側の送受波部に到達する超音波の伝播時間を計算するとともに、この伝播時間に基づいて計算される遅延時間だけズラして前記受信波形を合成することで前記エコー波形を取得することが好ましい。

これにより、正確な計算でエコー波形を合成しながら、フォーカス位置の走査により、被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得することができる。

前記の厚み測定装置においては、前記エコー波形合成部は、前記超音波ビームのフォーカス位置を２次元で走査させることが好ましい。

これにより、フォーカス位置を被測定体の内部で広範囲に走査できるので、被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスした波形を得られる可能性が高くなる。従って、厚みの測定精度を向上させることができる。

前記の厚み測定装置においては、前記裏面フォーカス波形取得部は、合成されたエコー波形をエンベロープ化し、得られたエコーパターンの形状を評価することで、前記被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得することが好ましい。

これにより、エコー波形をエンベロープの形で評価できるので、被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を簡単かつ確実に識別することができる。

前記の厚み測定装置においては、前記厚み算出部は、前記裏面フォーカス波形取得部により取得されたエコー波形に現れる表面エコーと裏面エコーの時間差に基づいて、前記被測定体の厚みを算出することが好ましい。

これにより、簡単な処理で被測定体の厚みを得ることができる。

前記の厚み測定装置においては、複数の前記送受波部としての振動子を並べて配置したアレイ振動子を備えることが好ましい。

これにより、送受波部のシンプルな配置が実現されるので、受信波形記憶部により記憶した受信波形からエコー波形を的確に合成することができる。

前記の厚み測定装置においては、前記アレイ振動子が備える複数の前記振動子は、一斉に超音波を送信可能であり、かつ、個別のタイミングで超音波を送波可能であることが好ましい。

これにより、それぞれの振動子が個別に超音波を送波することで前記受信波形を容易に得られるとともに、複数の振動子が一斉に送信することで得られる平面波を様々な場面で活用することができる。

前記の厚み測定装置においては、前記被測定体が皮質骨であることが好ましい。

これにより、骨量と強い関係を持つといわれる皮質骨の厚みを高精度で測定できるので、骨強度診断等において有用な情報を提供することができる。

本発明の第２の観点によれば、並べて配置され、それぞれが被測定体に超音波を送信可能であるとともに当該超音波に対するエコー信号を取得可能な複数の送受波部を有する厚み測定装置における、以下のような厚み測定方法が提供される。即ち、この厚み測定方法は、受信波形記憶工程と、エコー波形合成工程と、裏面フォーカス波形選択工程と、厚み算出工程と、を含む。前記受信波形記憶工程では、それぞれの前記送受波部で超音波を送信するごとに全ての前記送受波部の受信波形を取得して記憶する。前記エコー波形合成工程では、超音波ビームのフォーカス位置を走査させながら、当該超音波ビームに対応するエコー波形を、前記受信波形記憶工程において記憶された各送受波部の受信波形を合成することにより取得する。前記裏面フォーカス波形取得工程では、前記エコー波形合成工程で得られたエコー波形をそれぞれ評価することにより、前記被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得する。前記厚み算出工程では、前記裏面フォーカス波形取得工程で取得されたエコー波形に基づいて前記被測定体の厚みを算出する。

これにより、被測定体の表面と裏面との間に多くの空孔があったり、不要エコーが多い環境でも、超音波を用いて良好な精度で被測定体の厚みを測定することができる。

本発明の一実施形態に係る皮質骨厚み測定装置の模式的な断面図及び機能ブロック図。 （ａ）超音波ビームが皮質骨内の空孔にフォーカスした様子を示す概念図。（ｂ）空孔にフォーカスした場合の受信波形のエンベロープを示すグラフ。 （ａ）は、超音波ビームが皮質骨の裏面にフォーカスした様子を示す概念図。（ｂ）皮質骨の裏面にフォーカスした場合の受信波形のエンベロープを示すグラフ。 本実施形態の厚み測定方法のフローチャート。 （ａ）アレイ振動子によって平面波を送波した様子を示す図。（ｂ）アレイ振動子が送波した平面波が皮質骨の表面又は裏面で反射する様子を示す図。 （ａ）表面反射波を受波している振動子組の近傍を拡大した模式図。（ｂ）振動子組を構成する２つの振動子に到来する表面反射波の伝播経路の差を説明する模式図。 （ａ）フォーカス位置を変えながらビームフォーミングを行う様子を示す概念図。（ｂ）フォーカス位置がＰ点である場合の受信波形のエンベロープを示すグラフ。（ｃ）フォーカス位置がＱ点である場合の受信波形のエンベロープを示すグラフ。 エンベロープ波形を評価する指標を例示するグラフ。

次に、発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る皮質骨厚み測定装置１の模式的な断面図及び機能ブロック図である。

皮質骨厚み測定装置（厚み測定装置）１は、例えば、脛骨などの長管状の骨の皮質骨について骨強度を診断するものである（ただし、診断対象はこれに限定されない）。具体的に説明すると、骨は一般的に、皮質骨１０と、皮質骨１０の内側に存在する網目状の海綿骨１２とから構成されている。また、皮質骨１０の周囲は、筋肉や脂肪などの軟組織１１に覆われている。本実施形態の皮質骨厚み測定装置は、軟組織１１の外側から皮質骨１０に対して超音波を放射し、当該皮質骨１０の厚みを測定するように構成されている。従って、本実施形態では、皮質骨１０が被測定体に相当する。

図１の左側には、人体の脛の部分を骨の長手方向に直交する平面で切った断面が示されている。図１に示すように、皮質骨１０表面の輪郭形状は、径方向（骨の長手方向と直交する方向）に向かって膨らんだ穏やかな曲線状となっている。そこで、以下の説明では、長管状の骨を円柱に見立てて、この断面内において皮質骨１０表面に沿うようにして超音波が伝播する方向を、円周方向と称することがある。一方、図示は省略するが、骨の長手方向と平行な平面で切った断面において、皮質骨１０の表面輪郭はほぼ直線状となっている。

以下、皮質骨厚み測定装置１の構成について具体的に説明する。図１に示すように、皮質骨厚み測定装置１は、超音波送受波器２と、装置本体３とから構成されている。

超音波送受波器２は、超音波の送波及び受波を行うものである。この超音波送受波器２は、測定部位の軟組織１１の表面に当接する当接面２ａと、アレイ振動子２２と、を備えている。アレイ振動子２２は、１列に並んで配列された複数の振動子２４からなっている。なお、本実施形態で使用される振動子としては、電気信号を与えられるとその表面が振動して超音波を発射するとともに、その表面に超音波を受波すると電気信号を生成して出力するものが採用されている。

アレイ振動子２２は、複数の振動子（送受波部）２４を備えている。なお、以下の説明では、複数の振動子２４を区別する必要がある場合には、一側から順に小文字のアルファベットを符号の末尾に付し、振動子２４ａ、振動子２４ｂ、振動子２４ｃ、・・・のように表記することがある。また、同様に個々の振動子２４を特定する目的で、振動子２４ａを１番目、振動子２４ｂを２番目、・・・というように、端から数えて何番目という呼び方をすることがある。この振動子２４は、当接面２ａと平行になるようにして等間隔で１列に並んで配置されている。また、各振動子２４は超音波を送波及び受波可能に構成されている。

この超音波送受波器２を用いて実際に超音波の送受波を行う際には、測定部位の皮膚表面（即ち、軟組織１１の外側表面）に超音波ゼリーを塗布し、当該皮膚表面に当接面２ａを当接させる。そして、アレイ振動子２２によって超音波を送波する。これにより、超音波が、軟組織１１を介して、被測定体である皮質骨１０に当たる。そして、皮質骨１０から帰ってくる超音波は、アレイ振動子２２によって受波される。なお、前記超音波ゼリーは、軟組織１１と当接面２ａとの間に隙間が生じるのを防止するとともに、当接面２ａと軟組織１１との間の音響インピーダンスを整合させて、アレイ振動子２２から送波された超音波が軟組織１１の表面で反射するのを抑制するためのものである。

次に、装置本体３について説明する。装置本体３は、ケーブルによって超音波送受波器２と接続されており、当該超音波送受波器２との間で信号の送受信ができるように構成されている。具体的には、この装置本体３は、超音波制御部３０と、送信回路３１と、複数の受信回路３３と、送受信分離部３４と、演算部３５と、を備えている。

送信回路３１は、電気パルス信号を生成してアレイ振動子２２に送信することで、アレイ振動子２２を振動させて超音波を発生させるように構成されている。電気パルス振動の中心周波数は、例えば１〜１０ＭＨｚ程度である。なお、電気パルス信号の代わりに、例えばチャープ信号を用いても良い。

なお、アレイ振動子２２によって超音波を発生させるとき、送信回路３１は、複数の振動子２４それぞれに対して任意のタイミングの電気パルス信号を生成することができるように構成されている。また、超音波制御部３０は送信回路３１に接続されており、複数の振動子２４から超音波を送波させるための制御信号を送信回路３１に送信するように構成されている。これにより、複数の振動子２４から、一斉に、あるいは個別のタイミングで超音波を送波するように制御することが可能となっている。

複数の受信回路３３は、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子２４にそれぞれ対応して接続されている。各受信回路３３は、１つの振動子２４が超音波を受波することにより出力する電気信号を受信し、当該電気信号に対して、増幅処理や、フィルタ処理、デジタル変換処理などを施したデジタル信号を生成して演算部３５に送信するように構成されている。なお、アレイ振動子２２から直接出力される信号はアナログの波形信号であり、演算部３５に送信される信号は信号処理されたデジタルの波形信号であるが、以下の説明ではこれらを区別せず、単に「波形信号」と呼ぶことがある。

送受信分離部３４は、アレイ振動子２２と、前記送信回路３１及び前記受信回路３３と、の間に接続されている。この送受信分離部３４は、送信回路３１からアレイ振動子２２に送られる電気信号（電気パルス信号）が受信回路３３に直接流れるのを防止するとともに、アレイ振動子２２から受信回路３３に送られる電気信号が送信回路３１側に流れるのを防止するためのものである。

次に、本実施形態の厚み測定方法の基本的な考え方について、図２及び図３を参照しながら説明する。

超音波を反射させる対象としては上述のとおり、皮質骨１０の裏面のほか空孔１０ａも考えられるが、皮質骨１０の裏面と空孔１０ａとでは特性がそれぞれ異なる。

即ち、空孔１０ａは、その大きさが比較的小さく、数が多いとともに、それぞれの骨の中での位置が不規則である。従って、それぞれの空孔１０ａからの反射波の位相はランダムに現れると考えられる。一方で、皮質骨１０の裏面は、通常、１つの連続的な広い面として存在する。従って、皮質骨１０の裏面からの反射波の位相は互いに近くなると考えられる。

従って、図２（ａ）のように超音波ビームが空孔１０ａの１つにフォーカスする場合、別のところに存在する空孔１０ａにおいても超音波が反射するので、様々な位相のエコーが受信され、互いに弱め合うことになる（相殺的干渉）。従って、この場合の受信波形のエンベロープ（エコーパターン）は、図２（ｂ）に示すように、皮質骨１０表面以外ではピークが明確に現れない。

一方、図３（ａ）のように超音波ビームを皮質骨１０の裏面にフォーカスさせれば、裏面の各部分からのエコーが同位相になるので、互いに強め合うはずである（増加的干渉）。従って、この場合の受信波形のエンベロープ（エコーパターン）は、図３（ｂ）に示すように、皮質骨１０の表面反射波のほかに、裏面反射波のピークが明確に現れることになる。

従って、ビームフォーカシング法を使用すれば、上記の特性の違いを活かして、皮質骨１０の裏面のエコーを不要エコーに埋もれさせることなく効果的に分離できると考えられる。

ただし、皮質骨１０の裏面の位置は未知であるため、即時に裏面にフォーカスすることはできない。従って、本実施形態では、フォーカス位置を適宜走査させつつ、皮質骨１０の裏面からの反射波の位相が合うフォーカス位置（図３（ａ）及び図３（ｂ）のようになるフォーカス位置）を探す。これにより、皮質骨１０の裏面からのエコーが良好に分離された受信波形（エコーパターン）を確実に取得できるようにしている。

なお、このフォーカス位置の走査に伴って、皮質骨１０の表面反射波によるピークも変化することになる。しかし、軟組織での音速は皮質骨の音速よりも遅いため、フォーカス位置を変化させたときの軟組織での超音波の経路変化は、皮質骨での超音波の経路変化よりも少ない。従って、フォーカス位置が変化しても、皮質骨１０の表面反射波によるピーク位置の変動は小さいと考えられるので、皮質骨１０の厚み検出精度に対する実質的な影響は少ないということができる。

次に、本実施形態の皮質骨厚み測定装置１において皮質骨１０の厚みを測定するための具体的な構成と、皮質骨厚み測定装置１において行われる処理について説明する。図４は、本実施形態の厚み測定方法のフローチャートである。

図１に示す皮質骨厚み測定装置１の装置本体３が備える演算部３５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウェアと、前記ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、から構成される。そして、当該演算部３５は、前記ハードウェアとソフトウェアとが協働することにより、形状検出部４０、受信波形記憶部５０、エコー波形合成部５１、裏面フォーカス波形取得部５２、厚み算出部５３等として機能するように構成されている。言い換えれば、皮質骨厚み測定装置１では、演算部３５が、形状検出工程と、受信波形記憶工程と、エコー波形合成工程と、裏面フォーカス波形取得工程と、厚み算出工程と、を順に行うことで、皮質骨１０の厚みを測定している。

形状検出部４０を説明する。形状検出部４０は、後のフォーカシングビーム形成時に超音波伝播経路を計算できるようにするために、骨表面形状の検出を事前に行う。この形状検出部４０の機能は、図４のフローチャートにおけるＳ１０１の処理（形状検出工程）に相当する。

即ち、超音波の伝播経路を求めるためには、皮質骨１０の表面の形状（皮質骨１０の断面輪郭形状）を何らかの方法で取得しなければならない。そこで本実施形態では、厚み算出部５３によって皮質骨１０の厚みを求める前に、形状検出部４０による皮質骨１０の表面形状の検出を行うこととしている。なお、皮質骨１０の表面形状は、別の装置で例えばＸ線等を用いて測定しても良いが、本実施形態では、皮質骨厚み測定装置１が超音波を用いて皮質骨１０の表面形状を測定している。これにより測定の簡便さが向上されている。

形状検出部４０によって骨表面形状の検出を行う際には、事前の準備として、アレイ振動子２２から超音波の送波を行う。アレイ振動子２２によって超音波を送波する様子を、図５を参照して説明する。図５（ａ）はアレイ振動子２２によって超音波を送波した様子を示した図、図５（ｂ）はアレイ振動子２２が送波した超音波が皮質骨１０の表面又は裏面で反射する様子を示した図である。

アレイ振動子２２によって超音波を送波する場合、送信回路３１からのパルス信号がアレイ振動子２２に送られ、当該アレイ振動子２２を構成している複数の振動子２４が同時に同位相の超音波を骨に対して送波する。

複数の振動子２４が同時に送波することにより、図５（ａ）に示すような平面波を発生させることができる。この平面波は当接面２ａに平行な波であって、当接面２ａと直交する向きに軟組織１１中を進行する。平面波は、皮質骨１０の表面及び裏面で図５（ｂ）のように反射して、振動子２４に受波される。

各振動子２４が超音波を受信すると、各振動子２４が受波した超音波に対応する波形信号が演算部３５に送られる。この波形信号を解析することで皮質骨１０の表面形状を求めることができる。

なお、理論的には、皮質骨１０の表面のみならず裏面で反射した超音波も振動子２４によって受信されることになるが、図５（ａ）のように単純に平面波を発生させた場合、裏面反射波は表面反射波に比べて、空孔１０ａ等の影響もあり捕捉が難しいことが多い。従って、本実施形態の形状検出部４０では裏面のエコーの解析を特に行わないこととしている。

以下、形状検出部４０について詳細に説明する。演算部３５は、形状検出部４０として機能することにより、反射波が振動子２４に受波されたときの角度及び時間を検出し、これに基づいて皮質骨１０の表面形状を求める。

具体的には、形状検出部４０は、到来方向検出部４１と、到達時間検出部４２と、表面反射点検出部４３と、骨表面ライン検出部４４と、から構成されている。

まず、到来方向検出部４１について説明する。到来方向検出部４１は、複数の振動子２４のうち隣接する２つの振動子を１組として振動子組２５を決定し、各振動子組２５に到達する超音波の到来方向を検出する。なお、以下の形状検出部４０に関する説明において、アレイ振動子２２から送波された平面波が皮質骨１０の表面で反射して受波された超音波を表面反射波、同じく皮質骨１０の裏面で反射して受波された超音波を裏面反射波と称することがある。また、各振動子組２５を区別する必要がある場合には、一端の振動子２４ａの側から順に大文字のアルファベットを符号の末尾に付し、振動子組２５Ａ、振動子組２５Ｂ、・・・のように表記することがある。

以下、図６を参照して具体的に説明する。図６（ａ）は、表面反射波を受波している振動子組２５Ａの近傍を拡大した模式図、図６（ｂ）は振動子組を構成する２つの振動子２４ａ，２４ｂに到来する表面反射波の伝播経路の差を説明する模式図である。ある振動子組２５において、隣接する２つの振動子２４に対する表面反射波の到来方向は近似している。例えば図６において、振動子組２５Ａを構成する振動子２４ａと振動子２４ｂには、それぞれ到来角度θ_aで表面反射波が到来したとみなすことができる。ここで、到来角度θ_aを求めるために、以下のような演算を行う。

まず、到来方向検出部４１は、振動子組２５Ａを構成する２つの振動子２４ａ，２４ｂが表面反射波のピークを検出する時間差Δｔを測定する。なお、前述のように、アレイ振動子２２から平面波を送波すると表面反射波及び裏面反射波が発生するが、表面反射波は裏面反射波よりも必ず先に受波されるから、表面反射波のピークを適切に検出することができる。

続いて、この時間差Δｔに基づいて、当該振動子組２５Ａに対する表面反射波の到来角度θ_aを求める。図６（ｂ）に示すように、振動子２４ａと振動子２４ｂとの間隔をＷとすると、振動子２４ａには、振動子２４ｂと比べてＷsinθ_aだけ長い距離を伝播して表面反射波が到達する。ここで、軟組織中の音速をＳＯＳ_softとおくと、
ＳＯＳ_softΔｔ＝Ｗsinθ_a
従って、到来角度θ_aは、
θ_a＝arcsin（ＳＯＳ_softΔｔ／Ｗ）
によって求めることができる。到来方向検出部４１は、他の振動子組２５についても同様に到来角度を求める。なお、本実施形態では軟組織１１中の音速ＳＯＳ_softとしては経験により得られた値を用いているが、実測値を用いても良い。

次に、到達時間検出部４２について説明する。到達時間検出部４２は、アレイ振動子２２によって超音波が送波されてから、振動子組２５に表面反射波が到達するまでの到達時間Ｔ_aを求める。本実施形態では、アレイ振動子２２によって超音波が送波されてから、振動子組２５を構成する２つの振動子２４それぞれに表面反射波が到達するまでの時間の平均値を、到達時間Ｔ_aとしている。なお、平均値に限らず、例えばどちらか一方の振動子２４に表面反射波が到達するまでの時間をそのまま到達時間Ｔ_aとして用いても良い。

次に、表面反射点検出部４３について説明する。表面反射点検出部４３は、到来角度θ_aと到達時間Ｔ_aに基づいて、各振動子組２５に到達した表面反射波の反射点Ｒ_aを検出する。

ここで、図６に示される平面内において、アレイ振動子２２が並んでいる方向をｘ軸とし、ｘ軸と直交する方向をｙ軸とする。そして、振動子組２５Ａから反射点Ｒ_aまでのｘ軸方向の距離をＸ、ｙ軸方向の距離をＹとおく。図６から明らかなように、表面反射波の伝播距離Ｌ_aは、
Ｌ_a＝Ｙ＋Ｙ／cosθ_a
となる。一方、到達時間Ｔ_aと軟組織１１中の音速ＳＯＳ_softを用いると、
Ｌ_a＝ＳＯＳ_soft×Ｔ_a
であるから、反射点Ｒａの位置を示す距離Ｘ，Ｙは、
Ｙ＝ＳＯＳ_soft×Ｔ_a×cosθ／（１＋cosθ）
Ｘ＝Ｙ×tanθ＝ＳＯＳ_soft×Ｔ_a×sinθ／（１＋cosθ）
で求めることができる。このように、平面波の到来角度θ_aと到達時間Ｔ_aに基づいて、反射点Ｒ_aの位置を算出することができる。そして、表面反射点検出部４３は、他の振動子組２５についても同様に反射点を求める。

骨表面ライン検出部４４は、表面反射点検出部４３が求めた複数の反射点を直線又は曲線で結ぶことにより、骨表面ラインを検出する。反射点は皮質骨１０表面上の点であるから、骨表面ラインは皮質骨１０の表面形状を表す。

以上のようにして、形状検出部４０によって皮質骨１０の表面形状（骨表面ライン）を得ることができる。

次に、受信波形記憶部５０を説明する。受信波形記憶部５０は、複数の振動子２４のうち１つから皮質骨１０に対して超音波を送波し、全部の振動子２４の受信波形（波形信号）をそれぞれ記憶する処理を、送信側の振動子２４を１つずつ変えながら繰り返す。

従って、アレイ振動子２２を構成する振動子２４の数をＮ個とした場合、記憶される受信波形はＮ×Ｎ通りとなる。なお、以下の説明では、送信側がｉ番目の振動子２４であり、受信側がｊ番目の振動子２４である場合における受信波形を、ｓ_ij（ｔ）で表すことがある。

なお、この受信波形記憶部５０の機能は、図４のフローチャートにおけるＳ１０２〜Ｓ１０４の処理（受信波形記憶工程）に相当する。以下、このフローチャートに沿って説明すると、受信波形記憶部５０として機能する演算部３５は、まず、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子２４から１つを選択し、当該振動子２４によって、皮質骨１０に対して超音波を送波するよう制御する（Ｓ１０２）。そして、演算部３５は、当該振動子２４から送波された超音波を各振動子２４によって受波し、得られた受信波形を取得してメモリ等の適宜の記憶部に記憶する（Ｓ１０３）。以上の処理を全ての振動子２４について行うことにより（Ｓ１０２〜Ｓ１０４）、全ての振動子２４の受信波形を送信側の振動子２４毎に取得して記憶することができる。

次に、エコー波形合成部５１を説明する。このエコー波形合成部５１は、フォーカス位置を皮質骨１０内で動かしつつ、それぞれのフォーカス位置に対応するフォーカシングビームを形成してエコー波形を合成する。そして、エコー波形合成部５１は、皮質骨１０の裏面に良好にフォーカスしているか否かの観点でエコー波形を評価し、良好なエコー波形を選択（取得）する。

なお、エコー波形合成部５１の機能は、図４のフローチャートにおけるＳ１０５〜Ｓ１０９の処理（エコー波形合成工程）に相当する。このフローチャートに沿って説明すると、エコー波形合成部５１として機能する演算部３５は、まず、皮質骨１０の内部でフォーカス位置を定める（Ｓ１０５）。ここでは、皮質骨１０の表面形状ラインを考慮して仮想グリッドを図７（ａ）の破線のように定め、この仮想グリッドの交点群から適当に選択された１点をフォーカス位置としている。次に、演算部３５は、皮質骨と軟組織の音速を仮定した上で、音源をシミュレートし、送信側の振動子２４から前記フォーカス位置まで伝播して受信側の振動子２４に戻るまでの伝播経路を計算する（Ｓ１０６）。このとき、演算部３５は、Ｓ１０１の形状検出工程で得られた骨表面情報を用いて、経路の骨表面での屈折を、公知のスネルの法則に基づいて正しく計算する。

なお、音速を仮定する理由は以下のとおりである。即ち、軟組織での音速ＳＯＳ_softに関しては、脂肪中、血液中、筋肉中の何れにおいても１４５０〜１５８５ｍ／ｓの比較的小さい範囲に収まっており、音速ＳＯＳ_softを上記の範囲内で適当な値に設定して計算しても影響は少ないと考えられる。また、皮質骨１０内の音速ＳＯＳ_boneに関しては２９００〜３４００ｍ／ｓの範囲で変動し、この音速変動の伝播時間に対する影響は２０％弱程度であるが、一方で、人体における脛骨の皮質骨の厚みは経験的に１ｍｍ〜４ｍｍの範囲を取り得ることが知られている。従って、皮質骨１０内の超音波の伝播時間は皮質骨１０の厚みの影響を大きく受ける一方、皮質骨１０内の音速変動による影響は少ないから、皮質骨１０内の音速ＳＯＳ_boneを２９００〜３４００ｍ／ｓの範囲内で適当な値に設定して計算しても問題ないと考えられる。以上の考え方により、本実施形態では、計算の簡便さと処理時間の短縮等の観点から、軟組織での音速ＳＯＳ_soft及び皮質骨１０内の音速ＳＯＳ_boneを、概ね妥当と判断できる値に仮定（固定）して計算を行っている。

ただし、軟組織での音速ＳＯＳ_soft及び皮質骨１０の音速ＳＯＳ_boneを適宜の手段で入力又は測定し、得られた音速を用いて、超音波の伝播経路の骨表面での屈折等を計算するようにしても良いことは勿論である。

具体的にＳ１０６の処理を説明すると、演算部３５は、上記のように仮定した音速を前提にして、送信側がｉ番目の振動子２４であり、受信側がｊ番目の振動子２４である場合の、フォーカス位置を経由した超音波の伝播経路をシミュレーション計算し、これに基づいて伝播時間ｔ_ijを計算する。上記の伝播時間ｔ_ijは、送信側、受信側の振動子２４を種々異ならせながら計算される。

次に、演算部３５は、複数得られた伝播時間ｔ_ijのうち最短のものmin（ｔ_ij）を求め、得られた最短時間min（ｔ_ij）をそれぞれの伝播時間ｔ_ijから減算することで、遅延時間Δｔ_ijを求める。即ち、遅延時間Δｔ_ijは、
Δｔ_ij＝ｔ_ij−min（ｔ_ij）
となる。

次に、演算部３５は、上記で得られた遅延時間Δｔ_ijを用いて、それぞれの受信波形ｓ_ij（ｔ）をズラしながら加算することにより、上記フォーカシングビームに対応するエコー波形ｓ（ｔ）を合成する（後処理による開口合成、Ｓ１０７）。即ち、エコー波形ｓ（ｔ）は、
ｓ（ｔ）＝Σｓ_ij（ｔ−Δｔ_ij）
により求めることができる。

そして演算部３５は、得られたエコー波形ｓ（ｔ）に対して公知のエンベロープ化処理を行い、エコーパターンＳ（ｔ）を形成する（Ｓ１０８）。

次に、演算部３５は、得られたエコーパターンＳ（ｔ）について、皮質骨１０の裏面にビームが良好にフォーカスしているか否かを評価する（Ｓ１０９）。この評価方法としては様々に考えられるが、例えば、図８に示されるピーク振幅率、ピーク幅、絶対振幅、ピークリップル数等の定量的な指標を、単独で又は組み合わせて用いれば良い。

ここで、ピーク振幅率とは、１番目に現れるピークと比較して２番目のピークが小さくなった割合である。ピーク幅とは、ピークの大きさに所定の割合（例えば、０．７）を乗じた高さでのピークの幅である。絶対振幅とは、１番目に現れるピークの大きさである。ピークリップル数とは、エコーパターンに現れる脈動（凹凸）をカウントした数である。

なお、Ｓ１０９で行われる評価にあたっては、例えば、ピークリップル数が２又は３であり、１番目のピーク（表面のエコー）及び２番目のピーク（裏面のエコー）の絶対振幅がそれぞれ所定の閾値以上であれば、裏面反射波を良好に分離できていると判定するといった手法を用いることができる。要は、裏面反射波を示す２番目のピークの部分でエコーの位相が揃い、強め合っているような波形を識別できるような指標を用いれば良い。

このエコーパターンの評価の結果、当該エコーパターンに皮質骨１０の裏面反射波が良好に現れていると判断すれば、次の厚み算出工程に進む。エコーパターンに皮質骨１０の裏面反射波が良好に現れていないと判断した場合は、Ｓ１０５に戻り、フォーカス位置を、前記当接面２ａに直交し、かつアレイ振動子２２において振動子２４が並べられる方向に平行な平面内で適宜ズラす。ここでは、図７（ａ）の仮想グリッドの交点のうち、直前に設定されていたフォーカス位置とは異なる交点にフォーカス位置を再設定する。その後、上記のＳ１０６〜Ｓ１０８の処理をやり直す。

このように、エコー波形合成部５１は、Ｓ１０９の評価で皮質骨１０の裏面波形が良好に現れていると判定されるまで、フォーカス位置を図７（ａ）の仮想グリッド上で走査させつつエコー波形を次々に合成してエコーパターンを作成する。従って、Ｓ１０５〜Ｓ１０８の処理が１回行われるごとに（即ちフォーカス位置ごとに）、１つのエコーパターンが得られることになる。図７（ｂ）には図７（ａ）のＰ点にフォーカス位置が定められたときのエコーパターンの例が示され、図７（ｃ）には図７（ａ）のＱ点にフォーカス位置が定められたときのエコーパターンの例が示されている。裏面フォーカス波形取得部５２は、このように得られる様々なエコー波形を評価し、裏面反射波が良好に現れているもの、例えば図７（ｃ）のような波形を識別する。これにより、皮質骨１０の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を見つけることができる。

次に、厚み算出部５３を説明する。厚み算出部５３は、裏面フォーカス波形取得部５２によって得られたエコー波形に基づき、皮質骨１０の厚みを計算する。なお、厚み算出部５３の機能は、図４のフローチャートにおけるＳ１１０の処理（エコー波形合成工程）に相当する。

具体的には、演算部３５は厚み算出部５３として機能し、上記のエコー波形（エコーパターン）から、最大のピークと、その次に現れるピークと、の時間差を求め、下記の式に基づいて皮質骨１０の厚みを算出する。

即ち、皮質骨中の音速をＳＯＳ_boneとし、エコーパターン（図７（ｃ）を参照）に最大のピークが現れたタイミングをＴ_p1とし、次のピークが現れたタイミングをＴ_p2とすると、皮質骨１０の厚みＥは、
Ｅ＝ＳＯＳ_bone×（Ｔ_p2−Ｔ_p1）／２
で求めることができる。

以上が本実施形態の皮質骨厚み測定装置１及び厚み測定方法の説明であり、このようにすることで、空孔１０ａ等による干渉が皮質骨１０の厚みを正確に求めることができる。

なお、本願発明者は、本実施形態の皮質骨厚み測定装置１で人体の皮質骨１０の厚みを実際に測定した結果を検証するために、同じ被験者の同一部位をＣＴ断層撮影し、得られたＣＴ画像と比較した。すると、皮質骨１０の厚み測定のデータとＣＴ画像とを重ね合わせた結果、高い精度で測定値が一致していることが確認できた。従って、本実施形態の皮質骨厚み測定装置１が良好な精度で皮質骨１０の厚みを測定できることが裏付けられた。

以上に説明したように、本実施形態の皮質骨厚み測定装置１は、振動子２４と、受信波形記憶部５０と、エコー波形合成部５１と、裏面フォーカス波形取得部５２と、厚み算出部５３と、を備える。振動子２４は、複数並べて配置され、それぞれが皮質骨１０に超音波を送信可能であるとともに当該超音波に対するエコー信号を取得可能に構成されている。受信波形記憶部５０は、それぞれの振動子２４で超音波を送信するごとに全ての振動子２４の受信波形を取得して記憶する。エコー波形合成部５１は、超音波ビームのフォーカス位置を走査させながら、当該超音波ビームに対応するエコー波形を、受信波形記憶部５０において記憶された各振動子２４の受信波形を合成することにより取得する。裏面フォーカス波形取得部５２は、エコー波形合成部５１により得られたエコー波形を評価することにより、皮質骨１０の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得する。厚み算出部５３は、裏面フォーカス波形取得部５２により取得されたエコー波形に基づいて皮質骨１０の厚みを算出する。

これにより、表面と裏面との間に多くの空孔があったり、不要エコーが多い環境でも、良好な精度で皮質骨１０の厚みを測定することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

フォーカス位置の走査は、皮質骨１０の裏面にビームが良好にフォーカスしているかどうかを示す定量的な評価指標の値が所定の閾値以上になった時点で打ち切っても良いが、一方で、全ての位置を走査した上で、評価指標の値が最高を示すフォーカス波形を選択するようにしても良い。

フォーカス位置は、図７（ａ）に示すように皮質骨１０の表面形状ラインに沿う仮想グリッドに沿って２次元で走査させることに限らず、アレイ振動子２２の長手方向（振動子２４の並べられる方向）に平行な方向と、当接面２ａに垂直な方向と、の２次元で走査させても良い。また、フォーカス位置を、当接面２ａに垂直な方向にのみ１次元で走査させても良い。

合成により得られたエコー波形は、エンベロープ化しない状態で、裏面に良好にフォーカスしているかどうかを評価するように構成しても良い。

上記の演算部３５は、超音波送受波器２側に備えるように変更しても良い。また、超音波送受波器２と装置本体３とが別々に備えられる構成に限らず、超音波送受波器２と装置本体３とを一体化しても良い。

本発明の厚み測定装置は、骨の厚みを測定する用途に限らず、他の用途に広く適用することができる。例えば、厚み測定装置を、内部から腐食している可能性がある金属パイプの厚み測定を初めとした非破壊検査等に用いることが考えられる。

１ 皮質骨厚み測定装置（厚み測定装置）
２４ 振動子（送受波部）
４０ 形状検出部
５０ 受信波形記憶部
５１ エコー波形合成部
５２ 裏面フォーカス波形取得部
５３ 厚み算出部

Claims (10)

1. 並べて配置され、それぞれが被測定体に超音波を送信可能であるとともに当該超音波に対するエコー信号を取得可能な複数の送受波部と、
   それぞれの前記送受波部で超音波を送信するごとに全ての前記送受波部の受信波形を取得して記憶する受信波形記憶部と、
   超音波ビームのフォーカス位置を走査させながら、当該超音波ビームに対応するエコー波形を、前記受信波形記憶部において記憶された各送受波部の受信波形を合成することにより取得するエコー波形合成部と、
   前記エコー波形合成部により得られたエコー波形をそれぞれ評価することにより、前記被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得する裏面フォーカス波形取得部と、
   前記裏面フォーカス波形取得部により取得されたエコー波形に基づいて前記被測定体の厚みを算出する厚み算出部と、
   を備えることを特徴とする厚み測定装置。
2. 請求項１に記載の厚み測定装置であって、
   前記被測定体の表面の位置及び形状を検出する表面検出部を備え、
   前記エコー波形合成部は、前記被測定体の内外の音速を取得又は仮定した上で、前記フォーカス位置を走査させながら、送信側の送受波部から当該フォーカス位置を経由して受信側の送受波部に到達する超音波の経路を、前記表面検出部で取得した被測定体の表面での屈折を考慮しつつ計算し、この計算の結果に基づいて前記受信波形を合成して前記エコー波形を取得することを特徴とする厚み測定装置。
3. 請求項２に記載の厚み測定装置であって、
   前記エコー波形合成部は、前記フォーカス位置を走査させながら、送信側の送受波部から当該フォーカス位置を経由して受信側の送受波部に到達する超音波の伝播時間を計算するとともに、この伝播時間に基づいて計算される遅延時間だけズラして前記受信波形を合成することで前記エコー波形を取得することを特徴とする厚み測定装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の厚み測定装置であって、
   前記エコー波形合成部は、前記超音波ビームのフォーカス位置を２次元で走査させることを特徴とする厚み測定装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載の厚み測定装置であって、
   前記裏面フォーカス波形取得部は、合成されたエコー波形をエンベロープ化し、得られたエコーパターンの形状を評価することで、前記被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得することを特徴とする厚み測定装置。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載の厚み測定装置であって、
   前記厚み算出部は、前記裏面フォーカス波形取得部により取得されたエコー波形に現れる表面エコーと裏面エコーの時間差に基づいて、前記被測定体の厚みを算出することを特徴とする厚み測定装置。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載の厚み測定装置であって、
   複数の前記送受波部としての振動子を並べて配置したアレイ振動子を備えることを特徴とする厚み測定装置。
8. 請求項７に記載の厚み測定装置であって、
   前記アレイ振動子が備える複数の前記振動子は、一斉に超音波を送信可能であり、かつ、個別のタイミングで超音波を送波可能であることを特徴とする厚み測定装置。
9. 請求項１から８までの何れか一項に記載の厚み測定装置であって、
   前記被測定体が皮質骨であることを特徴とする厚み測定装置。
10. 並べて配置され、それぞれが被測定体に超音波を送信可能であるとともに当該超音波に対するエコー信号を取得可能な複数の送受波部を有する厚み測定装置における厚み測定方法であって、
    それぞれの前記送受波部で超音波を送信するごとに全ての前記送受波部の受信波形を取得して記憶する受信波形記憶工程と、
    超音波ビームのフォーカス位置を走査させながら、当該超音波ビームに対応するエコー波形を、前記受信波形記憶工程において記憶された各送受波部の受信波形を合成することにより取得するエコー波形合成工程と、
    前記エコー波形合成工程で得られたエコー波形をそれぞれ評価することにより、前記被測定体の裏面にビームが良好にフォーカスしているエコー波形を取得する裏面フォーカス波形取得工程と、
    前記裏面フォーカス波形取得工程で取得されたエコー波形に基づいて前記被測定体の厚みを算出する厚み算出工程と、
    を含むことを特徴とする厚み測定方法。

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