JPWO2017138090A1 - 超音波発振装置並びにこれと関連する方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

超音波発振装置(1)はほぼ半球形状のメンブレン(11)を有する。メンブレン(11)の内側面は複数の超音波振動子(12)を保持している。アクチュエータ(14)によってメンブレン(11)を変形させることで、超音波振動子(12)が発振する超音波の焦点位置を調整することができる。焦点位置が超音波によって加熱される。一つの超音波振動子(Ti)が超音波を発振してから他の超音波振動子(Tj)がその直接波を感知するまでの時間が測定される。この時間に基づいて、両振動子(Ti, Tj)の間の距離が算出される。受信側振動子(Tj)が感知した直接波の高調波成分に基づいて、発振側振動子(Ti)の向き(di)に対して前記直接波の進行方向がなす角度(θij)が算出される。当該距離及び当該角度に基づいて、振動子(12)間の相対的な位置関係を示す情報が補正される。

Description

本発明は、超音波を発振する装置に関する。

従来、配列された複数の第一の振動素子を含み、被検体に治療用超音波を射出する治療用振動子と、配列された複数の第二の振動素子を含み、前記被検体に診断用超音波を射出し、前記被検体で反射された前記診断用超音波を受信する診断用振動子とを備え、前記治療用振動子と前記診断用振動子とが積層されている超音波プローブが提案されている（特許文献１を参照）。

また、治療用超音波を発生する超音波発生源と、超音波発生源から発生される治療用超音波の周波数が経時的に変化するように超音波発生源を駆動する駆動手段とを具備する超音波治療装置が提案されている（特許文献２を参照）。

国際公開第２００４／０６６８５６号 特開平８−１３１４５４号公報

従来、超音波を発振することで、対象を加熱する装置が提案されている。しかし、従来の装置では、超音波による加熱位置を正確に調整するために、超音波振動子の位置を高精度で機械制御することが必要であり、このような装置を操作するためのユーザーの負担も大きいものであった。そして、このような加熱が治療のために用いられる場合には、加熱前の準備に時間が掛かることや、加熱中にも治療を受ける者が体を殆ど動かすことが出来ないこと等の理由により、治療を受ける者も、大きな負担を強いられていた。

そこで、出願人は、上記問題に鑑み、従来に比べて簡便な装置構成およびユーザー操作で、対象を正確に加熱することが可能な超音波発振装置を発明した（ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０５６７５０）。この超音波発振装置は、超音波を発振および／または感知する複数の振動子と、対象に対する凹面を形成する変形可能な凹部に、前記複数の振動子を保持することによって、該複数の振動子を、前記凹面に沿って配置された状態で該凹部の変形に応じて移動するように保持する保持部と、前記振動子を制御して超音波を発振させる制御部と、を備えるものである。

但し、変形可能な凹部に振動子を保持し、凹部の変形に応じて振動子が移動する構成の場合、機械的な精密さをもって振動子の位置等が予め決定している従来の装置に比べて、振動子が保持される位置等の精密さにおいて不利である。一方、振動子を予め決定された精密な位置等に保持しようとした場合、装置構成が複雑化／高コスト化し、簡便な装置構成およびユーザー操作といった利点が没却されてしまう。

本発明は、上記した問題に鑑み、変形可能な凹部に振動子を保持する超音波発振装置において、振動子の位置等を正確に把握することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本開示の一例は、超音波を用いて対象を加熱する超音波発振装置であって、超音波を発振および／または感知する複数の振動子と、対象に対する凹面を形成する変形可能な凹部に、前記複数の振動子を保持することによって、該複数の振動子を、前記凹面に沿って配置された状態で該凹部の変形に応じて移動するように保持する保持部と、前記振動子を制御して超音波を発振させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数の振動子の何れかから発振された超音波を感知した前記振動子から出力された感知信号を受信する受信手段と、受信された感知信号に含まれる、直接波に係る感知信号を特定する直接波特定手段と、前記直接波の発振から感知までの時間に基づいて、発振側振動子と感知側振動子との間の距離を算出する距離算出手段と、前記直接波に係る感知信号に基づいて、前記発振側振動子から発振の中心軸および該感知側振動子を見込む角を算出する角度算出手段と、前記複数の振動子の相対的な位置関係を示す位置情報を、前記距離および前記見込む角を用いて補正する補正手段と、を有する、超音波発振装置である。

本発明によれば、変形可能な凹部に振動子を保持する超音波発振装置において、振動子の位置等を正確に把握することが可能となる。

実施形態に係る超音波発振装置の概略を示す図である。 実施形態に係る超音波発振装置が備えるメンブレンの概略を示す図である。 実施形態に係る制御部の機能構成の概略を示す図である。 実施形態における起動・運転処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態における振動子の相対位置／姿勢およびメンブレン形状の決定処理（キャリブレーション処理）の流れを示すフローチャートである。 実施形態における振動子の相対位置／姿勢の決定処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態において発振側振動子および感知側振動子の向き（姿勢）と、発振側振動子から発振されて感知側振動子において感知された直接波との関係を示す図である。 実施形態におけるメンブレン形状の決定処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態において発振側振動子および感知側振動子の向き（姿勢）と、発振側振動子から発振されて感知側振動子において感知された反射波との関係を示す図である。 実施形態におけるスキャン・画像化処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態において位相制御による焦点合わせを行うための計算内容を示す模式図である。 実施形態における加熱処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本開示に係る超音波発振の実施の形態を、図面に基づいて説明する。但し、以下に説明する実施の形態は、実施形態を例示するものであって、本開示に係る超音波発振装置１を以下に説明する具体的構成に限定するものではない。実施にあたっては、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用され、また、種々の改良や変形が行われてよい。

＜システム構成＞
図１は、本実施形態に係る超音波発振装置１の概略を示す図である。本実施形態に係る超音波発振装置１は、超音波を用いて生体８内の対象９を加熱することによる治療および治療の状況確認を効率化することによって、治療者（ユーザー）の負担を軽減し、また、従来に比べて精度の高いスキャン・加熱を可能とするものである。

本実施形態に係る超音波発振装置１は、略半球の形状を有するメンブレン１１と、メンブレン１１に設置された複数の超音波振動子１２（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）からなる超音波振動子アレイ１３と、メンブレン１１外面に設置されたアクチュエーター１４と、メンブレン１１等が設置される筐体１５と、筐体１５上端に設けられてユーザーに把持されるハンドル１６と、ユーザーがハンドル１６を把持した状態で操作可能なレバー１７と、超音波振動子１２およびアクチュエーター１４等を制御する制御部１０と、ハンドル１６上端に設置されて制御部１０から出力された画像データ等を表示する表示装置１８と、外部装置と接続されるケーブル１９と、を備える。ケーブル１９には、通信ケーブル、電力ケーブル、超音波振動子１２の冷却のための水冷パイプ、等が内包されてよい。但し、超音波発振装置１の具体的なハードウェア構成に関しては、実施の態様に応じて適宜省略や置換、追加が可能である。例えば、表示装置は、超音波発振装置１の構成に含まれず、有線または無線で外部に接続された表示装置が用いられることとしてもよい。また、制御部についても、有線または無線で外部に接続された制御部が用いられてよいことは同様である。

ユーザーは、ハンドル１６を把持して、超音波発振装置１を、加熱対象９を含む生体８の表面において自在に移動させることが出来る。また、ユーザーは、ハンドル１６を把持した状態で、表示装置１８による表示内容を確認しながら、レバー１７を操作することで、加熱対象９への加熱（超音波振動子１２からの発振）を、制御部１０に対して指示することが出来る。

図２は、本実施形態に係る超音波発振装置１が備えるメンブレン１１の概略を示す図である。メンブレン１１は、超音波発振装置１を加熱対象９に向けた状態で加熱対象９に対して凹面を形成する凹部１１１と、凹部１１１の開口を塞ぎ加熱対象９を含む生体８に接触する接触部１１２と、を有することで、全体として略半球の形状を有する部材である。但し、本実施形態において、凹部１１１は略半球の形状を有しているが、凹部１１１の形状にはその他の形状が採用されてもよい。凹部１１１の形状には、例えば、円錐、円錐台、半回転楕円体およびこれらに近似する形状等が採用されてもよい。

メンブレン１１の外殻は弾性素材によって形成されており、内部にはゲルが満たされている。このため、メンブレン１１の凹部１１１および接触部１１２は変形可能である。なお、内部を満たす物質はメンブレン１１の凹部１１１の変形に追従可能な物質であればよく、例えば液体であってもよい。また、メンブレン１１およびメンブレン１１の内部を満たす物質は、超音波の伝搬のために、超音波の吸収が少なく、伝搬速度が生体８と差が少なく、濃淡の生じにくい均一な媒質であることが好ましい。

また、メンブレン１１の凹部１１１の内側面には、複数の超音波振動子１２が並べて保持されており、これによって、加熱対象９に対する凹面に沿って複数の超音波振動子１２が配置され、凹状の超音波振動子アレイ１３が構成される。即ち、本実施形態において、メンブレン１１は、超音波振動子１２を保持する保持部としても機能する。但し、複数の超音波振動子１２は、メンブレン１１の凹部１１１の外側面に保持されてもよい。

アクチュエーター１４（駆動部）は、メンブレン１１に接続されて駆動することで、メンブレン１１の凹部１１１を変形させる。本実施形態では、複数のリニアアクチュエーター１４が、メンブレン１１を取り囲む筐体１５とメンブレン１１とを接続するように設置され、制御部１０による指示に従って夫々のリニアアクチュエーター１４が駆動することで、凹部１１１が変形する。但し、本実施形態において示された駆動部の構成は一例であり、駆動部を用いて凹部１１１を変形させる手段は、本実施形態における例に限定されない。例えば、傘を開閉するための機構と同様の機構をメンブレン１１の凹部１１１を取り囲むように設置し、これを１のアクチュエーターによって開閉させることで、凹部１１１を変形させることとしてもよい。また、駆動部は、筐体１５に接続されていなくても、凹部１１１を変形させることが出来る。

なお、本実施形態では、アクチュエーターを用いて凹部を変形させる例について説明しているが、凹部を変形させる方法には、その他の方法が採用されてもよい。例えば、メンブレン内部のゲル量を調整することによって凹部を変形させる方法が採用されてもよい。この場合、制御部１０は、ゲル量と凹部の形状（例えば曲率）との対応関係を示したマップや関数を予め保持しておくことで、ゲル量の調整による凹部の変形を行うことが出来る。

また、本実施形態において、複数の超音波振動子１２は、他の超音波振動子１２から発振された超音波の直接波または反射波を感知する感知手段としても用いられる。複数の超音波振動子１２は、他の超音波振動子１２から発振された超音波の直接波または反射波を感知すると、感知された超音波の振幅、周波数および位相等に応じた感知信号を、制御部１０に対して出力する。制御部１０は、感知信号を受信すると、受信された感知信号のうち、反射波に基づく感知信号を用いて、加熱対象９を含む反射対象に係る三次元画像データを生成する。

但し、本実施形態では、超音波の発振用の超音波振動子１２を感知用のセンサーとしても用いたが、感知用のセンサーは発振側振動子とは別に設けられてもよい。また、加熱のための発振および感知と、撮像のための発振および感知とは、同一の超音波振動子アレイを用いて行われてもよいし、別々に設けられた加熱用超音波振動子アレイと撮像用超音波振動子アレイとを用いて行われてもよい。加熱用超音波振動子アレイと撮像用超音波振動子アレイとが別々に設けられる場合には、加熱用超音波振動子アレイと撮像用超音波振動子アレイとは凹部１１１に積層されて設置されてもよいし、同一の層に分散配置されてもよい。

制御部１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ストレージ（補助記憶装置）、通信インターフェース等（図示は省略する）を備えるコンピューターであり、ストレージから読み出されてＲＡＭに展開されたプログラムやＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することで、後述する各種の制御を行う。但し、制御部１０の具体的なハードウェア構成に関しては、実施の態様に応じて適宜省略や置換、追加が可能である。また、制御部１０は、単一の装置に限定されない。制御部１０は、所謂クラウドや分散コンピューティングの技術等を用いた、複数の装置によって実現されてよい。

制御部１０は、超音波振動子１２を制御して、超音波を発振させる。より具体的には、制御部１０は、複数の超音波振動子１２から発振させる超音波の焦点が加熱対象９の位置となる状態で、これらの超音波振動子１２の夫々を制御して超音波を発振させ、加熱対象９を加熱する。ここで、制御部１０は、複数の超音波振動子１２の夫々を制御して超音波振動子１２の夫々から発振される超音波の位相を調整することで、超音波による加熱位置の制御や、加熱のキャンセル等を行う。なお、位相制御によって加熱位置（焦点位置）を変える具体的な方法としては、夫々の超音波振動子１２から出力される超音波の位相を異ならせることで、擬似的に発振点が異なるような状態とし、合成波の方向を制御する、超音波フェーズドアレイ技術を採用することが出来る。本実施形態において、制御部１０は、夫々の超音波振動子１２から出力される超音波の位相を制御することで、合成波の方向を制御し、加熱位置を調整する。

また、制御部１０は、アクチュエーター１４を制御してアクチュエーター１４に凹部１１１を押し／引きさせることによって凹部１１１を変形させ、複数の超音波振動子１２の夫々による超音波の発振方向を調整することで、複数の超音波振動子１２から発振される超音波による加熱位置（焦点位置）を制御する。上述の通り、超音波を発振する複数の超音波振動子１２は、メンブレン１１の凹部１１１に設けられることで、超音波振動子アレイ１３を構成している。このため、アクチュエーター１４によって凹部１１１が変形すると、これに応じて複数の超音波振動子１２は移動し、夫々の超音波振動子１２による超音波の発振方向は変化する。本実施形態に係る超音波発振装置１では、このようにして凹部１１１を変形させることで、超音波の発振方向および加熱位置を調整可能としている。

図３は、本実施形態に係る制御部１０の機能構成の概略を示す図である。制御部１０は、ストレージから読み出されてＲＡＭに展開されたプログラムやＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することで、受信部２１、直接波特定部２２、反射波特定部２３、距離算出部２４、角度算出部２５、補正部２６、姿勢算出部２７、反射点算出部２８、接触面算出部２９、焦点制御部３０および画像処理部３１として機能する。

受信部２１は、他の超音波振動子１２から発振された超音波を感知した超音波振動子１２から出力された感知信号を受信する。

直接波特定部２２は、受信された感知信号に含まれる、直接波に係る感知信号を特定する。

反射波特定部２３は、受信された感知信号に含まれる、反射波に係る感知信号を特定する。

距離算出部２４は、直接波の発振から感知までの時間に基づいて、発振側振動子と感知側振動子との間の距離を算出し、また、反射波の発振から感知までの時間に基づいて、発振側振動子から感知側振動子までの反射波の経路長を更に算出する。ここで、距離算出部２４は、発振から感知までの時間に伝搬速度を乗算することで距離を算出する。

角度算出部２５は、直接波に係る感知信号に基づいて、発振側振動子から発振の中心軸（メインローブの発振軸）および当該感知側振動子を見込む角を算出する。また、角度算出部２５は、反射波に係る感知信号に基づいて、発振側振動子から発振の中心軸および反射点を見込む角を更に算出し、反射波の強度に基づいて、当該反射点からの当該感知側振動子への入射角を更に算出する。ここで、角度算出部２５は、予め保持されている発振角度とスペクトルとの対応関係に基づいて、感知信号のスペクトルに対応するスペクトルを有する発振角度を算出することで、見込む角を算出する。なお、「見込む角」とは、あるポイント（他の振動子や反射点等の対象）が振動子の向きに伸びる発振の中心軸から何度ずれているかを示す角度であり、例えば、発振側振動子が発振の中心軸および対象を見込む角は、「発振側振動子の発振面を通る中心軸の方向（発振側振動子から発振された超音波が指向する中心方向）」と、「発振側振動子の発振面の中心と対象とを結ぶ線」と、がなす角度である。換言すれば、「見込む角」は、発振側振動子の発振面の中心を原点に、発振面の中心軸をｚ軸に選んだ球面座標系で対象を見たときの天頂角に等しい。また、角度算出部２５は、感知側振動子が垂直に感知した場合の感知信号の推定強度と、実際に受信された感知信号の強度とを比較することで、入射角を算出する。

補正部２６は、複数の超音波振動子１２の相対的な位置関係を示す位置情報を、距離および見込む角を用いて補正する。

姿勢算出部２７は、発振側振動子から発振の中心軸および第一の感知側振動子を見込む角と、発振側振動子から発振の中心軸および第二の感知側振動子を見込む角と、発振側振動子の位置情報と、第一の感知側振動子の位置情報と、第二の感知側振動子の位置情報とに基づいて、当該発振側振動子の向き（姿勢）を算出する。なお、ここでは第一の感知側振動子および第二の感知側振動子の２つの感知側振動子に係る情報（見込む角および位置情報）が姿勢の算出に用いられているが、姿勢の算出には、３以上の感知側振動子に係る情報（見込む角および位置情報）が用いられてもよく、その数は限定されない。

反射点算出部２８は、接触部１１２が生体８に接触する接触面上にある反射点の位置を示す反射点位置情報を、超音波振動子１２の位置情報、超音波振動子１２の向き、反射波の経路長、発振側振動子から発振の中心軸および反射点を見込む角および入射角に基づいて算出する。

接触面算出部２９は、接触部１１２が生体８に接触する接触面の形状を示す接触面形状情報を、複数の反射点位置情報を用いて算出する。

焦点制御部３０は、複数の超音波振動子１２の相対的な位置関係を示す位置情報、超音波振動子１２の向き、および接触面形状情報に基づいて、超音波が各超音波振動子１２から当該接触面を経て焦点位置に到達するまでの時間を算出し、算出結果に従って当該複数の超音波振動子１２の夫々による超音波の位相（発振時刻）を調整することで、当該複数の超音波振動子１２から発振される超音波による焦点位置を制御する。

また、焦点制御部３０は、複数の超音波振動子１２の相対的な位置関係を示す位置情報および向きと、当該複数の超音波振動子１２の目標位置および目標向きとを比較した結果に基づいて、アクチュエーター１４を制御して凹部１１１を変形させ、複数の超音波振動子１２の夫々による超音波の発振方向を調整することで、当該複数の超音波振動子１２から発振される超音波による焦点位置を制御する。

画像処理部３１は、受信された感知信号のうち、反射波に基づく感知信号に基づいて、対象９を含む反射対象に係る画像データ（画像データの形式は限定されない。例えば、画像データは二次元画像データおよび三次元画像データの何れであってもよい）を生成し、出力する。また、画像処理部３１は、画像データにおける対象９の位置と焦点位置とを照合し、当該焦点位置を対象９の位置に誘導する指示情報を生成し、出力する。

＜装置の制御＞
次に、本実施形態に係る超音波発振装置１において実行される制御を説明する。なお、本実施形態において説明される処理の具体的な内容および順序等は、実施する上での一例である。具体的な処理内容および順序等は、実施の態様に応じて適宜選択されてよい。

図４は、本実施形態における起動・運転処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、超音波発振装置１の電源が投入されたことを契機として開始される。

ステップＳ１０１では、初期化及び自己診断が行われる。制御部１０は、機器の自己診断を行い、超音波発振装置１が正常に動作することを確認する。そして、制御部１０は、超音波発振装置１の起動に伴い、初期化のために予め用意されている制御信号をアクチュエーター１４に対して出力することで、メンブレン１１の凹部１１１の曲率が所定の初期値となるようにアクチュエーター１４を制御する。

具体的には、制御部１０は、アクチュエーター１４を稼働させメンブレン１１の凹部１１１の曲率変更を行い、また、超音波振動子１２から発振される加熱用超音波の位相を設定することで、超音波振動子アレイ１３によって超音波が発振された場合の焦点（加熱位置）を、初期位置に調整する。

その後、超音波発振装置１はスキャンおよび加熱を行える運転状態に遷移し、処理はステップＳ１０２へ進む。運転状態の超音波発振装置１は、定期的に超音波振動子１２の位置および姿勢、並びに接触面の形状を計測しながら、体内の構造を解析し、ユーザーに知らせる「検査・診断補助」と体内の臓器の動きに追従した加熱（焼灼）とを行う。

ステップＳ１０２およびステップＳ１０３では、装置の異常チェックが行われ、異常が検出された場合、装置は縮退運転状態へ遷移するか、電源ＯＦＦされる。本実施形態では、スキャンと加熱を行える状態を「運転状態」と称し、全ての構成機器が正常に動作している場合を特に「通常運転状態」と称する。スキャン・加熱の対象や運用環境によっては、一部の機器（例えば、一部の超音波振動子１２等）が不調であっても、スキャン・加熱に致命的不具合がない限り、スキャン・加熱を続けられることが望ましい場合もあり得る。この場合、超音波発振装置１は、一部の機能を停止してスキャン・加熱を行う縮退運転を行ってもよい。装置の異常チェックが完了すると、処理はステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４からステップＳ１０７では、ユーザーによる操作に応じて、超音波発振装置１の動作モードが設定される。超音波発振装置１が運転状態（通常運転状態または縮退運転状態）にある間、ユーザーは、表示装置１８に表示された画像を確認し、加熱を行って良い状態であると判断した場合には、レバー１７を操作することで、加熱対象９への加熱（超音波振動子１２からの発振）を、制御部１０に対して指示する。ユーザーがレバー１７を操作すると、制御部１０には、加熱指示が入力される。なお、本実施形態では、レバー１７の操作による加熱指示が例示されているが、ユーザーによる指示は、その他のインターフェースを介して行われてもよい。例えば、加熱開始ボタンおよび加熱停止ボタンを備えることで、ユーザーが加熱の開始と停止を指示可能としてもよい。

制御部１０は、ユーザーのレバー操作による加熱指示の入力があるか否かを判定する。ユーザーがレバー１７を離したことによる加熱停止指示、または、後述する加熱処理において加熱位置と加熱対象９とのズレが所定の基準を超えた場合に発行される加熱停止指示（ステップＳ６０９を参照）が入力されたと判定された場合（ステップＳ１０４の「ＹＥＳ」）、動作モードは「スキャンのみモード」に設定される（ステップＳ１０５）。一方、加熱指示が入力されている（または、加熱開始指示が入力された）と判定された場合（ステップＳ１０６の「ＹＥＳ」）、動作モードは「スキャン＋加熱モード」に設定される（ステップＳ１０７）。その後、処理はステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０８およびステップＳ１０９では、曲率変更による加熱位置制御が行われる。後述する加熱処理で曲率変更指示が発行されている場合（ステップＳ１０８の「ＹＥＳ」。曲率変更指示の発行処理については図１２を用いて後述する）、制御部１０は、撮像によって取得された最新の情報（画像データ、診断結果、加熱対象９の位置）に従って、超音波振動子アレイ１３によって発振される超音波の焦点（加熱位置）が加熱対象９の位置またはその近傍となるように、加熱位置（焦点位置）を調整する（ステップＳ１０９）。

ここで、加熱位置の調整は、アクチュエーター１４の制御によるメンブレン１１の凹部１１１の曲率変更によって行われる。具体的には、制御部１０は、凹部１１１の曲率と、超音波振動子１２の位置および向きと、焦点（加熱位置）と、の対応関係を定義した数式やテーブルを予め保持しており、算出された各超音波振動子１２の位置および向きと、焦点に設定すべき位置（本実施形態では、加熱対象９を含む生体８の表面または内部）と、に基づいて、必要な曲率を取得する。更に、制御部１０は、各アクチュエーター１４の稼働量（押し／引きの量）と凹部１１１の曲率との関係を定義した数式やテーブルも予め保持しており、取得された曲率に基づいてアクチュエーター１４の稼働量を取得し、アクチュエーター１４を制御する。その後、処理はステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１１０では、振動子の相対位置／姿勢およびメンブレン形状の決定処理（以下、「キャリブレーション処理」とも称する）が行われる。運転状態では、刻一刻変化し得る超音波振動子１２の相対位置、姿勢、メンブレン１１の接触部１１２（接触面）の形状を決定した上で、「検査・診断補助」および「加熱処理」を行う必要がある。そこで、制御部１０は、超音波振動子アレイ１３において超音波振動子１２のうち所定数の超音波振動子１２（発振側振動子）に対して駆動電圧の印加を行い、超音波を発振させる。発振された超音波は、発振に用いられていないその他の超音波振動子１２によって、直接波および反射波として感知（受信）される。

超音波を感知した超音波振動子１２は感知信号を出力し、感知信号を受信した制御部１０は、あるタイムスロットにおいて発振を行う超音波振動子１２が１つである場合、感知された超音波が当該タイムスロットにおいて発振を行っていた超音波振動子１２から発振されたものであると把握することが出来る。なお、複数の超音波振動子１２から同時に発振が行われた場合であっても、感知信号を受信した制御部１０は、感知信号から、感知された超音波の振幅、周波数および位相等を得ることで、超音波振動子１２毎の振幅、周波数、位相、到達時刻の時間差等の特徴に基づいて、感知された超音波が何れの超音波振動子１２から発振されたものであるかを把握することが出来る。

更に、制御部１０は、同一の超音波振動子１２から発振されて感知された超音波について、直接波が発振側振動子から感知側振動子に到達するまでにかかった時間（以下、「直接波伝搬時間」と称する）を算出し、また、反射波が発振側振動子から感知側振動子に到達するまでにかかった時間（以下、「反射波伝搬時間」と称する）を算出する。そして、制御部１０は、複数の超音波振動子１２の夫々について算出された直接波伝搬時間、反射波伝搬時間、受信波の波形および強度等の情報に基づいて、各超音波振動子１２の位置および向き（姿勢）並びに反射面（接触部１１２の接触面）を算出する。その後、処理はステップＳ１１１へ進む。

ステップＳ１１１では、スキャン・画像化処理が行われる。制御部１０は、超音波振動子アレイ１３の発振側振動子に対して撮像用超音波の発振用電圧を印加し、生体８に向けた超音波発振と、これに伴う反射波の感知、反射波に基づく画像データ生成、および画像データの記憶処理を実行する。その後、処理はステップＳ１１２へ進む。

ステップＳ１１２およびステップＳ１１３では、超音波発振装置１の動作モードが「スキャン＋加熱モード」である場合に、加熱処理が行われる。超音波発振装置１の動作モードが「スキャン＋加熱モード」である場合（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、制御部１０は、加熱対象９の領域内で加熱位置（焦点位置）を移動させながら、超音波振動子１２に加熱用の超音波を発振させることで、加熱対象９に対する加熱を行う（ステップＳ１１３）。なお、この際、制御部１０は、加熱対象９のうち、加熱が行われた領域における累積加熱量、および加熱が完了した領域（加熱完了領域）の情報を蓄積する。その後、処理はステップＳ１０２へ進む。

即ち、運転状態にある超音波発振装置１は、ステップＳ１０２からステップＳ１１３に示された処理を、装置が縮退運転状態となるか、または装置の電源が落とされるまで、定期的（例えば、０．１秒毎）に繰り返し実行する。このようにすることで、本実施形態に係る超音波発振装置１は、加熱位置を適切な位置に容易に調整しながら、加熱対象９への加熱を行うことを可能としている。

図５は、本実施形態における振動子の相対位置／姿勢およびメンブレン形状の決定処理（キャリブレーション処理）の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、図４に示された起動・運転処理において、ステップＳ１１０が開始されたことを契機として実行される。即ち、本フローチャートは、図４に示された起動・運転処理のうち、ステップＳ１１０に示された処理をより詳細に説明するものである。

ステップＳ２０１では、超音波振動子１２からのパルス発振、他の超音波振動子１２による感知、および受信データの記録が行われる。制御部１０は、超音波振動子アレイ１３において超音波振動子１２のうち所定数の超音波振動子１２（発振側振動子）に対して、１つずつ順に駆動電圧の印加を行い、超音波を発振させる。発振された超音波は、発振に用いられていないその他の超音波振動子１２によって、直接波および反射波として感知（受信）される。超音波を感知した超音波振動子１２は感知信号を出力する。ここでは、あるタイムスロットにおいて発振を行う超音波振動子１２が１つであるため、制御部１０は、感知された超音波が当該タイムスロットにおいて発振を行っていた超音波振動子１２から発振されたものであると把握することが出来る。なお、複数の超音波振動子１２から同時に発振が行われた場合であっても、感知信号を受信した制御部１０は、感知信号から、感知された超音波の振幅、周波数および位相等を得ることで、超音波振動子１２毎の振幅、周波数、位相、到達時刻の時間差等の特徴に基づいて、感知された超音波が何れの超音波振動子１２から発振されたものであるかを把握することが出来る。

制御部１０は、発振に用いる超音波振動子１２を変更しながら、所定数の超音波振動子１２について発振および他の超音波振動子１２による感知を行う。得られたデータは、発振された超音波振動子１２、感知した超音波振動子１２、発振時刻および感知時刻に関連付けて、制御部１０のＲＡＭまたはストレージに記録される。その後、処理はステップＳ２０２へ進む。

ステップＳ２０２では、各超音波振動子１２の位置および向き（姿勢）が決定される。制御部１０は、同一の超音波振動子１２から発振されて感知された超音波について、受信データ群に基づいて、直接波が発振側振動子から感知側振動子に到達するまでにかかった時間（以下、「直接波伝搬時間」と称する）を算出し、また、反射波が発振側振動子から感知側振動子に到達するまでにかかった時間（以下、「反射波伝搬時間」と称する）を算出する。そして、制御部１０は、複数の超音波振動子１２の夫々について算出された直接波伝搬時間に基づいて、各超音波振動子１２の位置および向き（姿勢）を算出する。その後、処理はステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０３では、反射面（接触部１１２の接触面）の形状が決定される。制御部１０は、同一の超音波振動子１２から発振されて感知された超音波について、１回反射波が発振側振動子から感知側振動子に到達するまでにかかった時間（以下、「１回反射波伝搬時間」と称する）を算出する。そして、制御部１０は、複数の超音波振動子１２の夫々についてステップＳ２０２で算出された各超音波振動子１２の位置及び向き（姿勢）、並びに反射波伝搬時間に基づいて、反射面（接触部１１２の接触面）の形状を算出する。その後、本フローチャートに示された処理は終了する。

次に、図６から図９を用いて、図５で説明したキャリブレーション処理のより詳細な処理内容を説明する。ここで、図６および図８のフローチャートでは、Ｎ個の超音波振動子１２（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を、それぞれＴ_ｉ（ｉは１からＮの自然数）として示す。また、その他の記号の内容は以下の通りである。
Ｐ_ｉ： Ｔ_ｉの座標
ｄ_ｉ： Ｔ_ｉの向き（姿勢）。超音波振動子１２の発振面が向けられた方向を、大きさ１のベクトルとして表す。
τ_ｉｊ： Ｔ_ｉから発振しＴ_ｊで感知された波のうち、直接波伝搬時間
τ′_ｉｊ： Ｔ_ｉから発振しＴ_ｊで感知された波のうち、接触面Π上の反射点Ｒ_ｉｊで１回反射した波の伝搬時間（１回反射波伝搬時間）
ｂ_ｉｊ： Ｒ_ｉｊでのΠの法線
なお、ここで用いられる座標系は、適宜「特定のＴ_ｉを原点に、特定のＴ_ｊを（ｊ≠ｉ）をｚｘ平面のｘ＞０側に取る」等の規約を設けて固定される。

なお、図６から図９に示された処理で振動子の相対位置／姿勢およびメンブレン形状を算出（推定）する場合、予め以下の内容を前提とする。
１． メンブレン１１上に配置された振動子の総数Ｎは既知
２． 超音波振動子はメンブレン１１の凹部１１１上にお椀状に並んでいる
３． メンブレン１１内に充填されているゲルの体積は既知
４． メンブレン１１は均等に膨張する
５． メンブレン１１が「収縮している」状態での超音波振動子１２の配置は、超音波振動子１２付きメンブレン１１製造時に既知
これによって、Ｎ個の振動子の仮の位置（仮座標）を決めることが出来る。振動子の向きについては、全てある一点（焦点）を向いていると仮定しておく（仮方向）。具体的には、仮方向は、曲面を球面と近似したときの球面の中心Ｃに全ての振動子が向いていると仮定し、以下のように設定する。

図６は、本実施形態における、振動子の相対位置／姿勢の決定処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、図５に示されたキャリブレーション処理において、ステップＳ２０２が開始されたことを契機として実行される。即ち、本フローチャートは、図５に示されたキャリブレーション処理のうち、ステップＳ２０２に示された処理をより詳細に説明するものである。

図７は、本実施形態において発振側振動子および感知側振動子の向き（姿勢）と、発振側振動子から発振されて感知側振動子において感知された直接波との関係を示す図である。図７に示した例では、発振側振動子Ｔ_ｉ（座標Ｐ_ｉ）から発振された超音波のうち、Ｔ _ｉの向きｄ_ｉとθ_ｉｊの角をなす方向へ伝搬した超音波が、受信側振動子Ｔ_ｊ（座標Ｐ_ｊ）によって受信されている。

ステップＳ３０１では、Ｔ_ｉとＴ_ｊとの間の距離が算出される。制御部１０は、ステップＳ２０１で取得された、Ｔ_ｉから発振されてＴ_ｊによって感知されたパルスの受信データのうち、直接波の波形からτ_ｉｊを特定する。なお、直接波は、仮座標Ｐ_ｉ，Ｐ_ｊから算出された直接波の仮経路長（ｌ_ｉｊ＝｜Ｐ_ｊ−Ｐ_ｉ｜）と、メンブレン１１内での音速ｃ（本実施形態では、ゲル内での音波の伝搬速度）とに基づいて算出可能な、Ｔ_ｉから発振された超音波が直接Ｔ_ｊへ到達するまでの予想伝搬時間（τ_{ｉｊ，ｅｘｐｅｃｔｅｄ}＝ｌ_ｉｊ／ｃ）近傍でＴ_ｊにて観測されたパルスを探すことで特定可能である。

そして、制御部１０は、算出されたτ_ｉｊと音速ｃとから、Ｔ_ｉ−Ｔ_ｊ間の距離｜Ｐ_ｉ−Ｐ_ｊ｜を算出する（距離は音速ｃと伝搬時間τ_ｉｊの積として、｜Ｐ_ｉ−Ｐ_ｊ｜＝ｃ＊τ_ｉｊとなる）。その後、処理はステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２では、Ｔ_ｉが発振の中心軸およびＴ_ｊを見込む角θ_ｉｊが算出される。先述の通り、「見込む角」とは、あるポイント（他の振動子や反射点等）が振動子の向きｄ_ｉに伸びる発振の中心軸から何度ずれているかを示す角度であり、例えば、Ｔ_ｉが発振の中心軸およびＴ_ｊを見込む角θ_ｉｊは、「Ｔ_ｉの発振面を通る中心軸の方向（Ｔ_ｉから発振された超音波が指向する中心方向）」と、「Ｔ_ｉの発振面の中心とＴ_ｊの感知面の中心とを結ぶ線」と、がなす角度である（図７を参照）。

制御部１０は、Ｔ_ｉから発振されてＴ_ｊによって感知されたパルスの受信データのうち、受信波の波形から直接波の波形を切り出し、周波数領域表現（例えば、高速フーリエ変換やＷａｖｅｌｅｔ変換等）を用いてスペクトルを求め、Ｔ_ｉが発振の中心軸およびＴ_ｊを見込む角θ_ｉｊを算出する。Ｔ_ｉからＴ_ｊへ送られた超音波パルス信号には、基本振動数以外に整数倍の高調波も含まれる。Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ領域では波長により指向性が異なることから、Ｔ_ｊで観測されたＴ_ｉからの直接波パルスの高調波成分比は、Ｔ_ｉの向きｄ_ｉと見込む角θ_ｉｊに依存する。このため、制御部１０は、事前に計算或いは測定した成分比のθ依存性とＴ_ｊで観測された高調波成分比とを比較することでθ_ｉｊを推定することができる。波が媒質を伝搬する際、媒質の粘性等に起因して振幅の減衰が起こるが、減衰率は波の振動数にも依存する。媒質が決まれば、減衰率の振動数依存性は既知であり、伝搬距離が分かれば媒質中を伝搬する間の減衰が振動数毎に計算し、媒質による減衰を補正することが出来る。その後、処理はステップＳ３０３へ進む。

ステップＳ３０３では、制御部１０によりＴ_ｉからＴ_ｊへ至る直接波の到達時間または周波数表現が判定可能なｉおよびｊの組み合わせ（ｉおよびｊは１からＮの自然数）のうち角度を算出可能な組み合わせについて、ステップＳ３０１およびステップＳ３０２の処理が終了したか否かが判定される。超音波振動子１２間の距離算出および見込む角の算出が完了していない超音波振動子１２の組み合わせがある場合、制御部１０は、ｉおよびｊを未完了の組み合わせに更新して、処理をステップＳ３０１へ戻す。一方、角度を算出可能な組み合わせについて超音波振動子１２間の距離算出および見込む角の算出が完了したと判定された場合、処理はステップＳ３０４へ進む。

ステップＳ３０４では、各超音波振動子１２の位置（Ｔ_ｉの座標Ｐ_ｉ）が算出される。制御部１０は、上記した仮座標および仮方向に基づいて算出される超音波振動子１２間の距離および超音波振動子１２が発振の中心軸および他の超音波振動子１２を見込む角と、実際のパルス発振／感知によって得られたデータに基づいてステップＳ３０１からステップＳ３０３の処理で算出された超音波振動子１２間の距離（｜Ｐ_ｉ−Ｐ_ｊ｜）および超音波振動子１２が発振の中心軸および他の超音波振動子１２を見込む角（θ_ｉｊ）と、をパラメータとして、誤差を含むデータに対するフィッティングアルゴリズムを利用することで、Ｔ_ｉの座標Ｐ_ｉ（ｉは１からＮの自然数）を算出する。ここで用いられるフィッティングアルゴリズムは限定されず、例えば、最小二乗法（Ｌｏｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法など）や、ｋｅｒｎｅｌ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ等を用いることが出来る。なお、これらのアルゴリズムによれば、算出された座標Ｐ_ｉ（推定値）の誤差を見積もることも可能である。その後、処理はステップＳ３０５へ進む。

ステップＳ３０５では、超音波振動子Ｔ_ｉの向き（姿勢）ｄ_ｉが算出される。制御部１０は、Ｐ_ｉ，Ｐ_ｊ，θ_ｉｊの組から、ｊについて２組以上選び、ｄ_ｉを求める。ここまでの処理で、Ｔ_ｉからみて遠方（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ領域）にある、Ｔ_ｊとは異なる超音波振動子Ｔｋ，Ｔｌ，・・・についてもθ_ｋ，θ_ｌ，・・・が算出されている。このため、Ｔ_ｉの向きｄ_ｉとｉ→ｊ，ｉ→ｋ，ｉ→ｌ，・・・のなす角θ_ｊ，θ_ｋ，θ_ｌ，・・・が分かる。このとき、ｃｏｓθ_ｊが以下の式によって求められるため、２組以上の独立な条件（例えば、ｉ，ｊの組とｉ，ｋの組）が与えられれば、振動子の向きｄ_ｉ（自由度は２）を決定することが出来る。その後、処理はステップＳ３０６へ進む。

ステップＳ３０６では、向きｄ_ｉを算出可能なｉ（１からＮの自然数）の夫々について、ステップＳ３０５の処理が終了したか否かが判定される。振動子の向きｄ_ｉの算出が完了していない超音波振動子１２がある場合、制御部１０は、ｉを未完了の超音波振動子１２番号に更新して、処理をステップＳ３０５へ戻す。一方、超音波振動子１２のうち算出可能なものについて向きｄ_ｉの算出が完了したと判定された場合、本フローチャートに示された処理は終了する。

上記説明した振動子の相対位置／姿勢の決定処理によれば、位置と向きを算出可能なＴ _ｉについて、位置と向き｛Ｐ_ｉ，ｄ_ｉ｝（ｉは１からＮの自然数）が算出される。その後、引き続きメンブレン形状の決定処理が実行される。

図８は、本実施形態における、メンブレン形状の決定処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、図５に示されたキャリブレーション処理において、ステップＳ２０３が開始されたことを契機として実行される。即ち、本フローチャートは、図５に示されたキャリブレーション処理のうち、ステップＳ２０３に示された処理をより詳細に説明するものである。このため、本フローチャーに示された処理が実行される前に、Ｔ_ｉのうち算出可能なものについて、位置と向き｛Ｐ_ｉ，ｄ_ｉ｝（ｉは１からＮの自然数）は算出済である。

図９は、本実施形態において発振側振動子および感知側振動子の向き（姿勢）と、発振側振動子から発振されて感知側振動子において感知された反射波との関係を示す図である。図９に示した例では、発振側振動子Ｔ_ｉ（座標Ｐ_ｉ）から発振された超音波は、Ｔ_ｉの向きｄ_ｉとφ_{ｉ→Ｒｉｊ}の角をなす方向へ伝搬し、反射点Ｒ_ｉｊにおける反射を経て、受信側振動子Ｔ_ｊ（座標Ｐ_ｊ）の向きｄ_ｊとθ_{Ｒｉｊ→ｊ}の角をなす方向から受信側振動子Ｔ_ｊに入射し、受信側振動子Ｔ_ｊに受信される。

ステップＳ４０１では、Ｔ_ｉからＴ_ｊへの１回反射波の経路の長さが算出される。制御部１０は、ステップＳ２０１で取得された、Ｔ_ｉから発振されてＴ_ｊによって感知されたパルスの受信データのうち、１回反射波の波形からτ′_ｉｊを特定する。ここでは、振動子Ｔ_ｉから発振された超音波パルス信号が接触面Π上の点Ｒ_ｉｊで反射し、振動子Ｔ_ｊで観測された場合について、１回反射波の経路の長さを算出する（図９を参照）。Ｔ_ｉから発振されたパルスは、Ｔ_ｊで観測される際にはＴ_ｉ→Ｒ_ｉｊ→Ｔ_ｊの経路長に依存した減衰に加えて、発振側の指向性、反射率、および感知側の指向性の影響を受けて、媒質中を伝搬し感知側の振動子に到達する間に減衰および波形の変形が起きる。なお、ここで、発振側の指向性はスペクトルに影響を与え、感知側の指向性は感知されたパルスの強度（感度）に影響を与える（スペクトルへの影響は無いかまたは無視出来る）。また、反射率は、媒質と接触部１１２（接触面）の音響インピーダンスから決まる。

そして、Ｔ_ｉから発振された超音波パルス信号（時刻ｔ０に発振）がＴ_ｊで観測された時、Ｔ_ｊで感知されたパルス信号は、到達時刻の早い方から順に、以下のものが観測されるはずである。
（１）Ｔ_ｉ→Ｔ_ｊの直接波
（２）Ｔ_ｉ→Ｒ_ｉｊ→Ｔ_ｊの１回反射波
（３）メンブレン１１内の多重反射波、体内で反射した反射波
このため、一般的には、Ｔ_ｊによって感知された波形のうち、直接波を除いて最も強い反射波が、１回反射波であると推定される。但し、実際には、凹部１１１の曲率とｉ，ｊの組み合わせによっては直接波または１回反射波が弱すぎて見えないか、重なって分離出来ない場合もあり得る。このようなケースについては、事前に実験・試運転した際に直接波または１回反射波の伝搬時間や強度、分離可能性について調べたものを参考にしてもよい。直接波については、Ｔ_ｉ−Ｔ_ｊ間の直接波の予想伝搬時間に近い時間で感知された波形の有無を確認することで、直接波の有無を判定することができる（ステップＳ３０１を参照）。

そして、制御部１０は、特定された１回反射波のピークに基づいてτ′_ｉｊを求め、τ′_ｉｊと音速ｃとから、Ｔ_ｉからＴ_ｊへの１回反射波の経路（Ｔ_ｉ→Ｒ_ｉｊ→Ｔ_ｊ）の長さを算出する。算出方法は、直接波の経路の長さを算出したステップＳ３０１の処理と同様である。その後、処理はステップＳ４０２へ進む。

ステップＳ４０２では、Ｔ_ｉが発振の中心軸および反射点Ｒ_ｉｊを見込む角φ_{ｉ→Ｒｉ ｊ}が算出される。制御部１０は、Ｔ_ｉから発振されてＴ_ｊによって感知されたパルスの受信データのうち、受信波の波形から１回反射波の波形を切り出し、周波数領域表現（例えば、高速フーリエ変換やＷａｖｅｌｅｔ変換等）を用いてスペクトルを求め、Ｔ_ｉが発振の中心軸および反射点Ｒ_ｉｊを見込む角φ_{ｉ→Ｒｉｊ}を算出する。算出方法は、ステップＳ３０２の処理と同様である。その後、処理はステップＳ４０３へ進む。

ステップＳ４０３では、１回反射波のＴ_ｊへの入射角θ_{Ｒｉｊ→ｊ}が算出される。制御部１０は、Ｔ_ｉから発振されてＴ_ｊによって感知されたパルスの受信データのうち、感知パルスの強度及び接触面での反射率に基づいて、Ｔ_ｊへの入射角θ_{Ｒｉｊ→ｊ}を算出する。同じ強度のパルスが感知側振動子に到達した場合、入射角が感知側振動子の感知面に対して垂直である場合に感知される信号の強度は高く、入射角が垂直から離れるほど強度は弱くなる。このため、制御部１０は、感知側振動子がパルスを垂直に感知した場合の推定強度と、実際に受信された感知信号の強度とを比較し、その差に基づいて、入射角を算出する。推定強度は、発振側振動子からの発射角度、振動数、媒質の減衰率および伝搬距離等に基づいて算出される推定強度を、接触面における反射率を用いて補正することで算出可能である。その後、処理はステップＳ４０４へ進む。

ステップＳ４０４では、ｉおよびｊの組み合わせ（ｉおよびｊは１からＮの自然数）のうちφ_{ｉ→Ｒｉｊ}とθ_{Ｒｉｊ→ｊ}の組が算出可能なものについて、ステップＳ４０１からステップＳ４０３の処理が終了したか否かが判定される。算出が完了していない超音波振動子１２の組み合わせがある場合、制御部１０は、ｉおよびｊを未完了の組み合わせに更新して、処理をステップＳ４０１へ戻す。算出可能な組み合わせ全てについて算出が完了したと判定された場合、処理はステップＳ４０５へ進む。

ステップＳ４０５では、反射点Ｒ_ｉｊの座標が算出される。制御部１０は、ステップＳ４０４までの処理で得られた、｛Ｐ_ｉ，ｄ_ｉ｝、｛Ｐ_ｊ，ｄ_ｊ｝、経路（Ｔ_ｉ→Ｒ_ｉｊ→Ｔ_ｊ）長、経路の見込み角｛φ_{ｉ→Ｒｉｊ}，θ_{Ｒｉｊ→ｊ}｝のデータに基づいて、Ｒ_ｉｊを算出する。具体的には、以下の式を用いて算出することが出来る。

なお、Ｒ_ｉｊの算出に用いられる、観測値・観測値から推定される値は、何れも誤差を含むため、最小二乗法等のフィッティングアルゴリズムを用いてＲ_ｉｊの位置を決め、誤差を評価してもよい。また、Ｔ_ｉ，Ｒ_ｉｊ，Ｔ_ｊの３点の位置が得られているため、Ｔ_ｉ，Ｒ_ｉｊ，Ｔ_ｊの３点が乗る平面上で、角Ｔ_ｉＲ_ｉｊＴ_ｊを２等分するベクトルを得ることが出来る。このベクトルは、反射点Ｒ_ｉｊ近傍の曲面を特徴付ける「接平面」の法線ｂ _ｉｊに相当するため、ここでは、反射点での接平面も得られる。ｉ，ｊを変えて上記の処理が繰り返されることで、最大（１／２）Ｎ（Ｎ−１）個の反射点の座標、および反射点での接平面が得られる。その後、処理はステップＳ４０６へ進む。

ステップＳ４０６では、接触面Πの形状が算出される。上述の通り、ここまでの処理によって、最大（１／２）Ｎ（Ｎ−１）個の反射点の座標および接平面が得られている。このため、制御部１０は、これらの情報に基づいて、反射点近傍の曲面形状を多項式補間やスプライン補間等を用いて求め、接触面Πの形状を得る。具体的には、制御部１０は、例えば、以下の手順を用いて接触面Πの形状を得る。
（１）反射点Ｒを一つ選ぶ
（２）Ｒ近傍の反射点を、Ｒからの距離が小さい順に複数選ぶ
（３）Ｒ近傍で曲面は（ｘ，ｙ，ｚ）の２−３次の多項式、スプライン関数等で近似できると仮定し、Ｒとその近傍点を通り、その点付近では、接平面上に乗るという条件を課すと、Ｒ近傍の曲面を再現する関数が決まる。

なお、法線の情報を使わず、多くの点を使って補間関数を決めてもよいし、反射点の誤差情報から、補間関数の誤差を見積もってもよい。その後、本フローチャートに示された処理は終了する。

図１０は、本実施形態における、スキャン・画像化処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、図４に示された起動・運転処理において、ステップＳ１１１が開始されたことを契機として実行される。即ち、本フローチャートは、図４に示された起動・運転処理のうち、ステップＳ１１１に示された処理をより詳細に説明するものである。

ステップＳ５０１では、画像化のために発振する超音波ビームの焦点が決定される。制御部１０は、画像化したい領域に基づいて画像化の為の超音波ビーム収束方向を決定し、決定された方向にビームが収束するように焦点の位置（座標）を決定する。その後、処理はステップＳ５０２へ進む。

ステップＳ５０２では、位相制御による焦点合わせのための計算が行われる。各振動子から伝搬した波を特定の一点で位相を合わせ、強め合うように制御するには、各振動子から伝搬する波が、ターゲット（焦点）を通過する時に振幅が大きくなる（特定の位相の）状態となるように、各振動子からターゲットに到達するまでの伝搬時間を見積もる。

図１１は、本実施形態において位相制御による焦点合わせを行うための計算内容を示す模式図である。ここで、既に得られている接触面上の点（反射点や反射点間を補間した点）の集合を｛Ｒ_ｊ：ｊ＝１，・・・ｍ｝とする。また、Ｔ_ｉ→Ｒ_ｊの経路は通常の指向性を有する伝搬とし、Ｒ_ｊ→ＦはＲ_ｊを波源とする球面波とする。そして、制御部１０は、Ｔ_ｉ→Ｒ_ｊ→Ｆ（ｉは１からｎの自然数。ｊは１からｍの自然数）という経路の経路長ｌＴ_ｉ→Ｒ_ｊ→Ｆと指向性因子Ｐ（θ_ｉｊ）から導かれるＴ_ｉ→Ｒ_ｊ→Ｆという経路で伝搬した波を、全ての経路Ｒ_ｊ（ｊは１からｍの自然数）について足しあげることで、Ｔ_ｉから発振し、接触面を通過してターゲットＦを通過する波の波形（振幅・位相・伝搬時間）を求める（図１１を参照）。このようにして、制御部１０は、発振に用いられる超音波振動子１２について、ターゲットＦを通過する波の波形（振幅・位相・伝搬時間）を求める。

その後、制御部１０は、複数の発振側振動子から発振される波の振幅がターゲットＦで最も大きくなるように、複数の発振側振動子間で、発振時刻（位相）を調整する。具体的には、制御部１０は、Ｔ_ｉから鋭いパルスを発した場合に、発振してからＦを通過する波の振幅が最大になるまでの時間をτ_ｉとし、τ_ｉが最大になる発振側振動子に対して他の振動子の発振時刻（位相）を遅らせ、Ｆで振幅が最大となるタイミングが一致するように設定する。このようにすることで、ターゲットＦを通過する複数の振動子からの波は最も振幅が大きくなる通過時刻が一致し、ターゲットが焦点となる。

なお、本実施形態では、媒質が変わる面が１面（媒質がゲルと生体８の２層）である場合について説明したが（図１１を参照）、媒質が変わる面が２面以上である場合であっても、媒質が変わる面の形状を得ることが出来れば、同様の処理によって、位相制御による焦点合わせを行うことが出来る。また、この際上述した接触面の形状決定法を用いて２面目以降の面の形状を推定することも可能である。即ち、本開示によれば、多層構造で複雑に屈折を繰り返すような対象であっても、焦点制御を行うことが可能である。その後、処理はステップＳ５０３へ進む。

ステップＳ５０３では、スキャン用パルスの発振が行われる。制御部１０は、ステップＳ５０２で設定された通りに位相制御を行い、各超音波振動子１２からスキャン用パルスを発振させる。また、発振されたパルスの反射波は、各超音波振動子１２によって感知される。超音波を感知した超音波振動子１２は感知信号を出力し、感知信号を受信した制御部１０は、感知信号から、感知された超音波の振幅、周波数および位相等を得る。得られたデータは制御部１０のＲＡＭまたはストレージに記録される。その後、処理はステップＳ５０４へ進む。

ステップＳ５０４では、画像化に必要な構造データが揃ったか否かが判定される。画像化の対象となっている領域のうち未スキャンの領域がある場合、処理はステップＳ５０１へ戻る。一方、画像化の対象となっている範囲のスキャンが全て完了し、必要なデータが得られた場合、処理はステップ５０５へ進む。

ステップＳ５０５では、画像処理が行われる。制御部１０は、反射波を感知した超音波振動子１２から出力された感知信号を増幅およびデジタル化処理し、反射波に基づいて加熱対象９を含む生体８内の三次元画像データおよび断面画像を生成する。反射波を用いた三次元画像データの生成には、エコー検査等に用いられている従来技術を採用することが出来る。また、制御部１０は、現在のメンブレン１１の曲率、加熱用超音波の位相の設定等から、加熱位置（焦点位置）の座標が、三次元画像データ中の何れの位置であるかを特定する。更に、制御部１０は、生成された断面画像や特定されたターゲットのデータに基づいて、表示装置１８の表示内容を更新する。

この際、血流情報や画像診断によるターゲット捕捉（加熱対象９の特定）および表示が行われてもよい。血流情報や画像診断によるターゲット捕捉についても、エコー検査等に用いられている従来技術を採用することが出来る。制御部１０は、画像中から加熱対象９を特定し、画像中における加熱対象９の位置情報を画像データと合わせて記憶する。

また、制御部１０は、得られた三次元画像データに基づいて二次元画像データを生成し、更に当該二次元画像データ上における加熱対象９の位置および加熱位置（焦点位置）を特定する。二次元画像データ上における加熱位置は、三次元画像データ中の加熱位置を、二次元画像データに投影することで特定することが出来る。そして、制御部１０は、生成された二次元画像データを、当該二次元画像データ中における加熱対象９の位置および焦点位置を示す表示と共に出力し、表示装置１８に表示させる。その後、本フローチャートに示された処理は終了する。

ここで、二次元画像データ中における加熱対象９の特定は、本フローチャートに示された処理が開始されてから１回目にステップＳ５０５が実行された際には、ユーザーの入力に基づいて行われ、２回目以降にステップＳ５０５が実行された際には、以前にステップＳ５０５が実行された際の画像データと今回ステップＳ５０５が実行された際の画像データとの比較処理（マッチング処理）によって行われてもよい。

より具体的には、１回目にステップＳ５０５が実行された際には、制御部１０は、二次元画像データを表示装置１８に表示させ、表示された画像を確認したユーザーによる指定操作を受け付けることで、画像データにおける加熱対象９の位置を特定する。ここで、ユーザーによる指定操作とは、例えば、表示装置１８がタッチパネル式ディスプレイである場合には、ディスプレイ上の加熱対象９が表示されている位置をユーザーがタッチする操作である。制御部１０は、ユーザーによって指定された、画像データ上の加熱対象９の位置および画像上の特徴を記憶する。但し、本実施形態では、ユーザー指定に基づいて加熱対象９が特定される仕様を採用した例について説明したが、加熱対象９の特定には、その他の技術が採用されてもよい。例えば、画像データ中の各画素の輝度や色調等に基づいて、加熱対象９が制御部１０によって自動的に特定される仕様が採用されてもよい。

２回目以降にステップＳ５０５が実行された際には、制御部１０は、撮像によって新たに生成された画像データと、以前の画像データとを比較（マッチング）することで、新たに生成された画像データ中の何れの箇所が、以前の画像データにおいて特定された加熱対象９に対応する箇所であるのかを判断し、新たに生成された画像データ中において、以前の画像データにおいて特定された加熱対象９に対応する箇所であると判断された箇所を、加熱対象９として特定する。

図１２は、本実施形態における、加熱処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、図４に示された起動・運転処理において、ステップＳ１１３が開始されたことを契機として実行される。即ち、本フローチャートは、図４に示された起動・運転処理のうち、ステップＳ１１３に示された処理をより詳細に説明するものである。

ステップＳ６０１およびステップＳ６０２では、加熱未完了の領域がある場合に、加熱対象領域が選択される。制御部１０は、保持している画像データにおける加熱対象９全体の領域と、これまでの処理において蓄積された加熱完了領域とを比較することで、加熱対象９において加熱が完了していない領域が有るか否かを判定する（ステップＳ６０１）。

加熱未完了の領域が残っていない（加熱対象９の全体が加熱完了である）と判定された場合、本フローチャートに示された処理は終了する。一方、加熱未完了の領域が残っていると判定された場合、制御部１０は、加熱未完了の領域から、次の加熱の対象となる加熱対象領域を選択する（ステップＳ６０２）。ここで、制御部１０は、例えば、加熱対象９の領域内で加熱位置（焦点位置）が移動するように、加熱対象領域を選択する。その後、処理はステップＳ６０３へ進む。

ステップＳ６０３では、加熱領域に焦点を合わせる為の超音波振動子１２同士の位相差または波形が計算され、位相制御または位相共役法等を用いた焦点制御が行われる。処理の詳細は図１０を用いて説明したステップＳ５０２と同様であるため、省略する。その後、処理はステップＳ６０４へ進む。

ステップＳ６０４では、加熱対象領域が位相制御による焦点制御可能な範囲内であるか否かが判定される。制御部１０は、加熱位置（焦点位置）を、ステップＳ６０３で計算された焦点制御によって加熱対象９の位置に合わせられるか否かを判定する。加熱対象領域が焦点制御可能な範囲内でない場合、換言すれば、加熱位置と加熱対象９とのズレが、超音波振動子１２から発振される超音波の焦点制御によって解消可能な範囲の上限よりも大きいと判定された場合、処理はステップＳ６０７へ進む。一方、加熱対象領域が焦点制御可能な範囲内である場合、処理はステップＳ６０５へ進む。

ステップＳ６０５では、加熱用超音波の発振が行われる。加熱指示の入力を受けた制御部１０は、ステップＳ６０２からステップＳ６０４までの処理で設定された通りに焦点制御を行い、各超音波振動子１２に加熱用の超音波を発振させることで、加熱対象９に対する加熱を行う。

また、ステップＳ６０５において、制御部１０は、複数の超音波振動子１２の夫々を制御して、超音波振動子１２の夫々から発振される超音波の位相を調整することで、発振される超音波の一部をキャンセルし、超音波によって加熱される領域を制限してもよい。より具体的には、加熱対象９のサイズが、焦点を中心とする加熱領域よりも小さい場合、制御部１０は、一部の超音波振動子１２に、他の超音波振動子１２から発振される超音波と、加熱を行いたくない領域において逆位相となる超音波を発振させる。制御部１０によってこのように位相が制御されることで、加熱を行いたくない領域において超音波が打ち消し合い、加熱がキャンセルされる。

即ち、本実施形態に係る超音波発振装置１によれば、加熱対象９のサイズが、焦点を中心とした加熱領域よりも小さい場合であっても、一部の領域における加熱をキャンセルすることで、加熱対象９を加熱しつつ、加熱対象９以外の領域の加熱を行わないようにすることが出来る。その後、処理はステップＳ６０６へ進む。

ステップＳ６０６では、加熱部位の累積加熱量が更新され、当該部位の加熱が完了したか否かが確認される。制御部１０は、加熱対象９のうち、加熱が行われた領域について、累積加熱量を更新する。そして、当該部位の累積加熱量が所定の加熱量以上となった場合、当該部位を、「加熱完了領域」に設定する。その後、処理はステップＳ６０１へ戻る。

ステップＳ６０７では、焦点合わせのための曲率変更指示、および装置移動のナビゲーション生成が行われる。位相制御による焦点制御可能な範囲内でないと判定された場合（ステップＳ６０４のＮＯ）、制御部１０は、メンブレン１１の凹部１１１の曲率変更指示を発行する。なお、実際の曲率変更のための制御は、曲率変更指示を受けて、上述したステップＳ１０９で行われる。

また、制御部１０は、画像データにおける加熱対象９の位置と加熱位置（焦点位置）とを照合し、加熱位置を加熱対象９の位置に誘導する指示情報を生成し、出力する。より具体的には、制御部１０は、画像データ中の加熱対象９と加熱位置とを座標照合し、焦点位置と加熱対象９とのズレを算出する。そして、焦点位置と加熱対象９とのズレがある場合、制御部１０は、画像データにおける焦点位置と加熱対象９の領域に含まれる所定の位置（例えば、加熱対象９領域の重心位置）とを結ぶ矢印等の指示情報を描画して出力し、表示装置１８に、画像データに基づく画像に重ねて表示させる。ユーザーは、表示装置１８に表示された指示情報を見て、例えば、矢印の向きや長さ等から超音波発振装置１を動かすべき方向および移動量を把握し、ハンドル１６を操作して、メンブレン１１の凹面が、適切な位置および角度となるように移動させる。その後、処理はステップＳ６０８へ進む。

ステップＳ６０８およびステップＳ６０９では、加熱位置と加熱対象９とのズレが所定の基準を超える場合に、加熱停止指示が発行される。制御部１０は、画像データにおける加熱対象９の位置と加熱位置（焦点位置）とを照合し、加熱対象９の位置と加熱位置とのズレが所定の基準よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ６０８）。ここで、所定の基準とは、加熱位置と加熱対象９とのズレが、アクチュエーター１４の制御によるメンブレン１１の凹部１１１の曲率変更、および超音波振動子１２から発振される超音波の位相制御によって解消可能な範囲の上限を定めたものである。

ズレが所定の基準よりも大きいと判定された場合、制御部１０は、加熱停止指示を発行する（ステップＳ６０９）。なお、加熱停止指示が発行されると、超音波発振装置１の動作モードは、「スキャン＋加熱モード」から「スキャンのみモード」に変更される（図４のステップＳ１０５を参照）。即ち、加熱対象９の位置と加熱位置とのズレが所定の基準よりも大きいと判定された場合、制御部１０は、複数の超音波振動子１２による加熱用の超音波の発振を停止する。また、この際制御部１０は、表示装置１８に警告を表示させても良い。なお、本実施形態において、発振の停止は、超音波振動子１２への電力供給の停止によって行われる。一方、ズレが所定の基準以内であると判定された場合、本フローチャートに示された処理は終了する。

本実施形態に示された処理によれば、ユーザーがレバー操作を行った状態でハンドル１６操作を行って、加熱位置が加熱対象９の領域内（または、自動調整可能な領域内）となるように調整すれば、加熱が自動的に再開される。但し、所定時間（例えば、数秒）が経過しても加熱位置が適切な位置に修正されない場合には、ユーザーによるレバー操作の有無に拘らず、本フローチャートに示された処理は自動的に終了されてよい。

本実施形態に係る超音波発振装置１によれば、従来の装置のような、高精度での超音波振動子１２の移動制御手段を備える必要がなく、ユーザーの手で行う調整を、メンブレン１１の曲率変更および位相制御で補助することで、加熱対象９を正確かつ容易に加熱することが出来る。

Claims (17)

1. 超音波を用いて対象を加熱する超音波発振装置であって、
   超音波を発振および／または感知する複数の振動子と、
   対象に対する凹面を形成する変形可能な凹部に、前記複数の振動子を保持することによって、該複数の振動子を、前記凹面に沿って配置された状態で該凹部の変形に応じて移動するように保持する保持部と、
   前記振動子を制御して超音波を発振させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記複数の振動子の何れかから発振された超音波を感知した前記振動子から出力された感知信号を受信する受信手段と、
   受信された感知信号に含まれる、直接波に係る感知信号を特定する直接波特定手段と、
   前記直接波の発振から感知までの時間に基づいて、発振側振動子と感知側振動子との間の距離を算出する距離算出手段と、
   前記直接波に係る感知信号に基づいて、前記発振側振動子から発振の中心軸および該感知側振動子を見込む角を算出する角度算出手段と、
   前記複数の振動子の相対的な位置関係を示す位置情報を、前記距離および前記見込む角を用いて補正する補正手段と、を有する、
   超音波発振装置。
2. 前記制御部は、前記発振側振動子から発振の中心軸および第一の感知側振動子を見込む角と、前記発振側振動子から発振の中心軸および第二の感知側振動子を見込む角と、前記発振側振動子の位置情報と、前記第一の感知側振動子の位置情報と、前記第二の感知側振動子の位置情報とに基づいて、該発振側振動子の向きを算出する姿勢算出手段を更に備える、
   請求項１に記載の超音波発振装置。
3. 受信された感知信号に含まれる、反射波に係る感知信号を特定する反射波特定手段を更に備え、
   前記距離算出手段は、前記反射波の発振から感知までの時間に基づいて、前記発振側振動子から前記感知側振動子までの反射波の経路長を更に算出し、
   前記角度算出手段は、前記反射波に係る感知信号に基づいて、前記発振側振動子から発振の中心軸および反射点を見込む角を更に算出し、前記反射波の強度に基づいて、該反射点からの該感知側振動子への入射角を更に算出する、
   請求項２に記載の超音波発振装置。
4. 前記対象は、生体に含まれる対象であり、
   前記保持部は、前記凹部および該凹部の開口を塞ぎ前記生体に接触する接触部を有する中空の部材であり、
   前記制御部は、前記接触部が前記生体に接触する接触面上にある前記反射点の位置を示す反射点位置情報を、前記位置情報、前記振動子の向き、前記反射波の経路長、前記発振側振動子から発振の中心軸および前記反射点を見込む角および前記入射角に基づいて算出する、反射点算出手段を更に備える、
   請求項３に記載の超音波発振装置。
5. 前記接触部が前記生体に接触する接触面の形状を示す接触面形状情報を、複数の前記反射点位置情報を用いて算出する接触面算出手段を更に備える、
   請求項４に記載の超音波発振装置。
6. 前記制御部は、前記複数の振動子の相対的な位置関係を示す位置情報、向き、および前記接触面形状情報に基づいて、超音波が各振動子から該接触面を経て焦点位置に到達するまでの時間を算出し、算出結果に従って該複数の振動子の夫々による超音波の位相を調整することで、該複数の振動子から発振される超音波による焦点位置を制御する焦点制御手段を更に備える、
   請求項５に記載の超音波発振装置。
7. 前記保持部に接続され、駆動することで前記凹部を変形させる駆動部を更に備え、
   前記制御部は、前記複数の振動子の相対的な位置関係を示す位置情報および向きと、該複数の振動子の目標位置および目標向きとを比較した結果に基づいて、前記駆動部を制御して前記凹部を変形させ、前記複数の振動子の夫々による超音波の発振方向を調整することで、該複数の振動子から発振される超音波による焦点位置を制御する焦点制御手段を備える、
   請求項２から６の何れか一項に記載の超音波発振装置。
8. 前記距離算出手段は、発振から感知までの時間に伝搬速度を乗算することで距離を算出する、
   請求項１から７の何れか一項に記載の超音波発振装置。
9. 前記角度算出手段は、予め保持されている発振角度とスペクトルとの対応関係に基づいて、感知信号のスペクトルに対応するスペクトルを有する発振角度を算出することで、前記見込む角を算出する、
   請求項１から８の何れか一項に記載の超音波発振装置。
10. 前記角度算出手段は、前記感知側振動子が垂直に感知した場合の感知信号の推定強度と、実際に受信された感知信号の強度とを比較することで、前記入射角を算出する、
    請求項３から６の何れか一項に記載の超音波発振装置。
11. 前記制御部は、前記複数の振動子によって発振される超音波が一部の領域において打ち消し合うように、前記複数の振動子の夫々から発振される超音波の位相を制御することで、前記一部の領域における加熱をキャンセルする、
    請求項１から１０の何れか一項に記載の超音波発振装置。
12. 前記保持部の前記中空を満たす液体またはゲルを更に備える、
    請求項１から１１の何れか一項に記載の超音波発振装置。
13. 前記制御部は、受信された感知信号のうち、反射波に基づく感知信号に基づいて、前記対象を含む反射対象に係る画像データを生成し、出力する画像処理手段を更に備える、
    請求項１から１２の何れか一項に記載の超音波発振装置。
14. 前記画像処理手段は、前記画像データにおける前記対象の位置と前記焦点位置とを照合し、該焦点位置を該対象の位置に誘導する指示情報を生成し、出力する、
    請求項１３に記載の超音波発振装置。
15. 前記制御部は、前記画像データにおける前記対象の位置と前記焦点位置とを照合し、該対象の位置と該焦点位置とのズレが所定の基準よりも大きい場合、前記複数の振動子による超音波の発振を停止する、
    請求項１３または１４に記載の超音波発振装置。
16. 超音波を発振および／または感知する複数の振動子と、対象に対する凹面を形成する変形可能な凹部に、前記複数の振動子を保持することによって、該複数の振動子を、前記凹面に沿って配置された状態で該凹部の変形に応じて移動するように保持する保持部と、前記振動子を制御して超音波を発振させる制御部と、を備える超音波発振装置が、
    前記複数の振動子の何れかから発振された超音波を感知した前記振動子から出力された感知信号を受信する受信ステップと、
    受信された感知信号に含まれる、直接波に係る感知信号を特定する直接波特定ステップと、
    前記直接波の発振から感知までの時間に基づいて、発振側振動子と感知側振動子との間の距離を算出する距離算出ステップと、
    前記直接波に係る感知信号に基づいて、前記発振側振動子から発振の中心軸および該感知側振動子を見込む角を算出する角度算出ステップと、
    前記複数の振動子の相対的な位置関係を示す位置情報を、前記距離および前記見込む角を用いて補正する補正ステップと、
    を実行する方法。
17. 超音波を発振および／または感知する複数の振動子と、対象に対する凹面を形成する変形可能な凹部に、前記複数の振動子を保持することによって、該複数の振動子を、前記凹面に沿って配置された状態で該凹部の変形に応じて移動するように保持する保持部と、前記振動子を制御して超音波を発振させるコンピューターと、を備える超音波発振装置の前記コンピューターに、
    前記複数の振動子の何れかから発振された超音波を感知した前記振動子から出力された感知信号を受信する受信ステップと、
    受信された感知信号に含まれる、直接波に係る感知信号を特定する直接波特定ステップと、
    前記直接波の発振から感知までの時間に基づいて、発振側振動子と感知側振動子との間の距離を算出する距離算出ステップと、
    前記直接波に係る感知信号に基づいて、前記発振側振動子から発振の中心軸および該感知側振動子を見込む角を算出する角度算出ステップと、
    前記複数の振動子の相対的な位置関係を示す位置情報を、前記距離および前記見込む角を用いて補正する補正ステップと、
    を実行させるためのプログラム。
    

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