WO2010055904A1 - 物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法 - Google Patents

物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法 Download PDF

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WO2010055904A1
WO2010055904A1 PCT/JP2009/069318 JP2009069318W WO2010055904A1 WO 2010055904 A1 WO2010055904 A1 WO 2010055904A1 JP 2009069318 W JP2009069318 W JP 2009069318W WO 2010055904 A1 WO2010055904 A1 WO 2010055904A1
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hardness
distribution
frequency
wave
probe element
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PCT/JP2009/069318
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English (en)
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定夫 尾股
嘉延 村山
Original Assignee
学校法人 日本大学
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/48—Diagnostic techniques
    • A61B8/485—Diagnostic techniques involving measuring strain or elastic properties

Definitions

  • the present invention relates to a substance hardness distribution display system and a substance hardness distribution display method, and more particularly to a substance hardness distribution display system capable of displaying the relationship between the hardness of a living body and a measurement depth at which the hardness is measured, and The present invention relates to a method for displaying the hardness distribution of a substance.
  • a method using ultrasonic waves is known as a technique for evaluating the hardness of a substance. Furthermore, the inventor of the present application converts the phase change into the frequency change in consideration of the fact that the difference in the hardness of the substance is larger in the phase change than the change in the frequency of the ultrasonic wave, but the accuracy of the phase measurement technique is not necessarily high.
  • the mechanism was devised and disclosed in Patent Document 1. This technology includes a vibrator that injects ultrasonic waves into a substance, a vibration detection sensor that detects a reflected wave from the substance, an amplifier having an input terminal connected to a signal output terminal of the vibration detection sensor, and an output terminal of the amplifier and vibration.
  • the configuration includes a phase shift circuit and frequency change amount detecting means for detecting a frequency change amount for shifting the phase difference to zero.
  • the frequency change amount detection means the phase difference due to the difference in hardness is shifted to zero and converted into a frequency change amount. In this conversion, a reference transfer function indicating the relationship between the amplitude gain and phase of the reflected wave with respect to the frequency is obtained in advance and used.
  • Patent Document 2 includes a sensor composed of a pulse incident means and a pulse reception means as a material characteristic measurement device, and performs frequency analysis of incident waves and reflected waves, and the incidence thereof.
  • the phase distribution ⁇ x which is the difference between the phase of the incident wave and the phase of the reflected wave at each frequency fx, is identified, and the fx and ⁇ x are input and obtained in advance. It is disclosed that the hardness of a substance is obtained from a frequency change df when the input ⁇ x is made zero by calculating using the reference transfer characteristic curve.
  • Patent Document 3 discloses a plurality of probe elements including a vibrator that injects vibration into a living tissue and a vibration detection sensor that detects reflected waves, as a living body lump inspection apparatus to which the techniques of Patent Documents 1 and 2 are applied.
  • Each probe element is sequentially selected by a hardness calculation switching circuit and connected to a hardness calculation unit.
  • a pressure sensor is provided corresponding to each probe element, and the hardness data of the probe element whose pressing pressure is within a predetermined range is displayed two-dimensionally on the display unit to check the lump. It is stated.
  • an ultrasonic transducer that irradiates an ultrasonic wave toward an observation site of a subject and receives an echo signal from the observation site of the subject is arranged.
  • an ultrasonic diagnostic apparatus that has an ultrasonic probe, generates an ultrasonic image from sound ray data obtained by digitizing an echo signal, and displays the ultrasonic image, within one cycle of the electrocardiogram signal based on the motion of the subject's heart Using the timing signal synchronized with the two points, the sound ray data for two frames at the two points is acquired, the distortion of the living tissue is calculated from the sound ray data for two frames with the time difference, and the hardness based on the calculated It is disclosed to display an elastic image that quantitatively represents.
  • Patent Document 3 As described above, according to the technique of Patent Document 3 to which Patent Documents 1 and 2 are applied, a two-dimensional distribution of the hardness of the substance can be obtained with high accuracy. However, only the techniques of Patent Documents 1, 2, and 3 cannot obtain a three-dimensional distribution of the hardness of a substance.
  • Patent Document 4 discloses that an elastic image indicating the hardness of the heart is displayed by using an ultrasonic technique and an electrocardiogram technique together. Therefore, if the technique of Patent Document 3 is used, it is possible to obtain a three-dimensional distribution of the hardness of the heart. However, since the technique of Patent Document 3 uses an electrocardiogram technique, a general three-dimensional distribution of hardness of a substance cannot be obtained.
  • An object of the present invention is to provide a material hardness distribution display system and a material hardness distribution display method capable of associating the hardness of a material with the depth at which the hardness is measured with a relatively simple configuration. That is. Another object of the present invention is to provide a material hardness distribution display system and a material hardness distribution display method capable of obtaining a three-dimensional distribution of material hardness with a relatively simple configuration.
  • the material hardness distribution display system includes a vibrator that makes a pulse wave incident on a substance to be measured, a vibration detection sensor that receives a reflected wave in which the incident pulse wave is reflected from the substance to be measured, Performs frequency analysis to analyze the incident wave into multiple sine wave components and cosine wave components, and obtains the frequency distribution of each sine wave component and the spectrum distribution of the phase obtained from the sine wave component and cosine wave component at that frequency
  • the reflected wave frequency component analyzing means for obtaining the spectrum distribution of the phase is compared with the spectrum distribution of the incident wave and the spectrum distribution of the reflected wave, and the respective frequencies fx constituting the distribution.
  • a frequency phase difference calculating means for calculating a phase difference ⁇ x that is a difference between the phase of the incident wave and the reflected wave under the frequency fx, and data to be measured based on the data of the set of the frequency fx and the phase difference ⁇ x.
  • Measurement that is the depth of the position where the hardness is measured based on the hardness calculation means for calculating the hardness of the substance, and the incident time of the incident wave used to calculate the hardness and the reception time of the reflected wave
  • a measurement depth calculation unit that calculates the depth and a display unit that displays the hardness and the measurement depth in association with each other are provided.
  • the probe elements each including the vibrator and the vibration detection sensor are arranged two-dimensionally, and the hardness calculation means is arranged two-dimensionally. Based on the incident wave and the reflected wave from each probe element, the hardness at the position of each probe element is calculated to obtain a two-dimensional distribution of the hardness. Based on the incident wave and the reflected wave by each probe element arranged on the surface, the measurement depth at the position of each probe element is calculated to obtain a two-dimensional distribution of the measurement depth. Regarding the measurement substance, it is preferable to display a three-dimensional hardness distribution by associating the two-dimensional distribution of hardness with the two-dimensional distribution of measurement depth.
  • the two-dimensional coordinate position of each probe element when each probe element is two-dimensionally arranged is associated with the identification address of each probe element.
  • Storage means for storing the hardness calculating means obtains the hardness at the position of each probe element in association with the identification address of each probe element, and the measurement depth calculating means is the identification address of each probe element
  • the display means reads out the two-dimensional coordinate position corresponding to the identification address of each probe element from the storage means, and the measurement depth corresponding to the identification address.
  • a measurement depth two-dimensional display means for displaying the distribution of the measurement depth in a two-dimensional coordinate system and the hardness at the position of each probe element corresponding to the read identification address.
  • Hardness distribution in the coordinate system Display the three-dimensional hardness distribution by superimposing the hardness distribution in the same two-dimensional coordinate system on the distribution of the measurement depth in the two-dimensional coordinate system. It is preferable.
  • the hardness calculation means includes a reference transfer function indicating a relationship between the amplitude gain and the phase of the reflected wave with respect to the frequency of the incident wave when vibration of an arbitrary frequency is incident.
  • a frequency change for obtaining df which is a change from fx of the frequency when the frequency fx and the phase difference ⁇ x are input and the phase difference ⁇ x is set to zero, using a storage means for obtaining and storing in advance and a reference transfer function It is preferable to include an amount detection unit and a hardness conversion unit that converts the df obtained by the frequency change amount detection unit into hardness based on the hardness-df characteristic obtained in advance.
  • the hardness calculating means is based on a set of the maximum phase difference ⁇ x (MAX) and the frequency fx (MAX) at the time of the maximum phase difference. It is preferable to calculate the hardness of the substance.
  • the material hardness distribution display method performs frequency analysis for analyzing an incident wave incident as a pulse on a material to be measured by a vibrator into a plurality of sine wave components and cosine wave components.
  • Incidence wave frequency component analysis step for obtaining the phase spectral distribution obtained from the frequency of the sine wave component and the sine wave component and cosine wave component at that frequency, and a plurality of reflected waves from the measured substance detected by the vibration detection sensor Reflection wave frequency component analysis to obtain the frequency distribution of each sine wave component and the phase distribution obtained from the sine wave component and cosine wave component at that frequency by performing frequency analysis to analyze the sine wave component and cosine wave component of
  • the process is compared with the spectrum distribution of the incident wave and the spectrum distribution of the reflected wave, and for each frequency fx constituting the distribution, the frequency fx Calculate the phase difference ⁇ x, which is the difference between the phase of the incident wave below and the phase of the reflected wave, and calculate the hardness of the substance to be measured based on the
  • Measurement to calculate the measurement depth which is the depth of the position where the hardness was measured, based on the hardness calculation step to be performed and the incident time of the incident wave used to calculate the hardness and the reception time of the reflected wave It is preferable to include a depth calculation step and a display step for displaying the hardness and the depth in association with each other.
  • the probe elements each including the vibrator and the vibration detection sensor are arranged two-dimensionally, and the hardness calculation step is arranged two-dimensionally. Based on the incident wave and the reflected wave by each probe element, the hardness at the position of each probe element is calculated to obtain a two-dimensional distribution of hardness, and the measurement depth calculation step is two-dimensional Based on the incident wave and the reflected wave by each probe element arranged on the surface, the measurement depth at the position of each probe element is calculated to obtain a two-dimensional distribution of the measurement depth. Regarding the measurement substance, it is preferable to display a three-dimensional hardness distribution by associating the two-dimensional distribution of hardness with the two-dimensional distribution of measurement depth.
  • the two-dimensional coordinate position of each probe element when each probe element is two-dimensionally arranged is associated with the identification address of each probe element.
  • the hardness calculation step obtains the hardness at the position of each probe element in association with the identification address of each probe element, and the measurement depth calculation step calculates the identification address of each probe element.
  • the display step the two-dimensional coordinate position corresponding to the identification address of each probe element is read from the storage device, and the measurement depth corresponding to the identification address is obtained.
  • a measurement depth two-dimensional display process for displaying the distribution of measurement depth in a two-dimensional coordinate system and the hardness at the position of each probe element corresponding to the read identification address. Table of hardness distribution in the coordinate system And displaying a three-dimensional hardness distribution by superimposing the hardness distribution in the same two-dimensional coordinate system on the distribution of the measurement depth in the two-dimensional coordinate system. Is preferred.
  • the material hardness distribution display system receives a reflected wave that is incident on a measured material, receives a reflected wave, analyzes the incident wave and the reflected frequency, and based on the result, the measured material. Calculate the hardness.
  • This technique is an application of what is disclosed in Patent Document 2. Then, based on the incident time of the incident wave used to calculate the hardness and the reception time of the reflected wave, a measurement depth that is the depth of the position where the hardness is measured is calculated. Are displayed in association with each other. In this way, it is possible to display the hardness of the substance and the measurement depth at which the hardness is measured in association with each other with a relatively simple configuration.
  • the pulse transmitting / receiving means including the pulse incident means and the pulse receiving means as a set is two-dimensionally arranged, a two-dimensional distribution of hardness can be obtained. Then, based on each incident wave and each reflected wave by the two-dimensionally arranged pulse transmitting / receiving means, a two-dimensional distribution of the depth at which the hardness is measured can be calculated. By displaying in combination with a general distribution, a three-dimensional distribution of hardness can be displayed.
  • the two-dimensional coordinate position of each probe element when each probe element is arranged two-dimensionally is stored in association with the identification address of each probe element,
  • the hardness at the position of each probe element is obtained in association with the identification address of the probe element
  • the measurement depth at the position of each probe element is obtained in association with the identification address of each probe element
  • storage means The two-dimensional coordinate position corresponding to the identification address of each probe element is read out, the measurement depth corresponding to the identification address is used to display the distribution of the measurement depth in the two-dimensional coordinate system, and the read identification
  • the hardness distribution in the two-dimensional coordinate system is displayed using the hardness at the position of each probe element corresponding to the address, and the hardness in the same two-dimensional coordinate system is displayed in the distribution of the measurement depth in the two-dimensional coordinate system.
  • Superimposing the distribution of 3-dimensional hardness distribution is displayed. In this way, since the association is performed using the identification address of the probe element, an accurate three-dimensional distribution display of hardness is obtained.
  • the hardness calculation means obtains in advance a reference transfer function indicating the relationship between the amplitude gain and phase of the reflected wave with respect to the frequency of the incident wave when vibration of an arbitrary frequency is incident.
  • a frequency change amount detection unit that stores the frequency fx and the phase difference ⁇ x using the reference transfer function, and obtains a df that is a change from the frequency fx when the phase difference ⁇ x is zero; Based on the obtained hardness-df characteristic, the df obtained by the frequency change amount detection unit is converted into hardness.
  • This technique is an application of what is disclosed in Patent Document 2. Therefore, it is possible to display the hardness and the depth in association with each other with high accuracy using a technique that has already been proven.
  • the hardness of the material to be measured is calculated based on the set of the maximum phase difference ⁇ x (MAX) and the frequency fx (MAX) at the time of the maximum phase difference. Since fx (MAX) and ⁇ x (MAX) are considered as representative characteristics, the calculated hardness can be used as a representative value.
  • FIG. 10 It is a figure which shows the structure of the hardness distribution display system of the substance in embodiment which concerns on this invention. In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the state which pressed the probe part on the biological tissue. It is a block diagram explaining the flow of the signal of the hardness distribution display system 10 of the substance in embodiment which concerns on this invention. In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining a mode that a hardness and a measurement depth are calculated
  • phase difference (theta) x is calculated
  • a living tissue in particular, an abnormal part having different hardness inside the living body will be described, but a general substance other than the living tissue may be used.
  • the materials, shapes, and dimensions described below are merely examples, and these contents can be changed as appropriate according to the purpose of use.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a substance hardness distribution display system 10.
  • the material hardness distribution display system 10 includes a probe unit 20 in which a plurality of probe elements 22 are two-dimensionally arranged, and a probe unit 20 connected to the probe unit 20 to measure the hardness in a three-dimensional manner. And a control device 40 that performs display 100.
  • the probe unit 20 includes a disc-shaped probe base part and a grip part extending from the probe base part and gripped by a hand.
  • the probe base part includes a plurality of probes pressed against the surface of a living body.
  • Elements 22 are arranged two-dimensionally. In the example of FIG. 1, a total of 37 probe elements 22 are two-dimensionally arranged. Of course, the number of the probe elements 22 may be other than that as long as it appropriately constitutes a two-dimensional arrangement.
  • Each probe element 22 is assigned a number as an identification address. For each identification address, a coordinate position value for a two-dimensional coordinate system preset in the probe unit 20 is obtained and stored in an appropriate memory in the control device 40.
  • the two-dimensional coordinate system for example, the direction parallel to the center line extending from the probe base portion to the grip portion is defined as the Y axis, the direction orthogonal thereto is defined as the X axis, and the XY plane constituted by both axes is defined as the probe base.
  • an appropriate position of the probe base portion can be used as the origin of the XY plane.
  • the origin position is preferably provided with a mark in advance. For example, a specific one of the probe elements 22 can be set as the origin position and a special color can be given to the probe element 22.
  • An example of the size of the probe base part is about 60 mm in diameter and about 20 mm in thickness.
  • An example of the size of the grip part is about 20 mm in thickness in accordance with the probe base part, and the width of the handle part is about 45 mm.
  • the length can be about 100 mm.
  • a suitable plastic molded product can be used for the probe unit 20.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a state in which the probe unit 20 is pressed against the living tissue 16 as the substance to be measured.
  • the body tissue 16 is shown as having a lump portion 18 as an abnormal portion having different hardness.
  • the probe unit 20 is configured so that the plurality of probe elements 22 are appropriately pressed against the living tissue 16 so that the probe base unit remains pressed even if the probe base unit is not moved.
  • the measurement can be performed on a two-dimensionally wide area.
  • FIG. 2 further shows an enlarged view in a state where one probe element 22 is pressed against the living tissue 16.
  • the probe element 22 is an element having a function of detecting a reflected wave from the living tissue 16 by causing vibration to enter the living tissue 16.
  • the response to the elastic characteristic of the reciprocating part cancels out. Therefore, a part having a different elastic characteristic in the living tissue 16, a lump part in FIG. Only a response when vibration is incident on and reflected from 18 is detected.
  • the probe element 22 when the probe element 22 is pressed against the living tissue 16, the probe element 22 has a function of making a vibration enter the lump portion 18 which is an abnormal portion inside the living tissue 16 and detecting a reflected wave from the bottom. Work as a thing. When the probe element 22 does not come into contact with the living tissue 16, the air space to the living tissue 16 becomes a reciprocating portion having the same elastic characteristics, so that vibration is incident on the living tissue 16 itself, and the reflected wave from there. It has the function to detect.
  • the probe element 22 has a structure in which a base portion 24, a vibrator 26, a vibration detection sensor 28, and a contact ball 30 are stacked.
  • the base portion 24 is a base for attaching each probe element 22 to the probe base portion of the probe portion 20 and can be a disc having an appropriate size.
  • a plastic disk having a diameter of about 10 mm and a thickness of about several mm can be used.
  • the contact ball 30 is a member formed of a plastic resin such as nylon resin, for example, and has a function of smoothly press-contacting the living tissue with a hemispherical surface thereof. As the radius of the hemisphere, for example, about 5 mm can be used.
  • the vibrator 26 and the vibration detection sensor 28 use a piezoelectric element, for example, and apply an alternating current signal to generate mechanical vibrations at the frequency of the alternating current signal.
  • a mechanical-electrical conversion function that generates an AC signal having the vibration frequency can be used as the vibration detection sensor 28.
  • a piezoelectric element disk such as PZT provided with electrodes can be used as the vibrator 26 and the vibration detection sensor 28, respectively.
  • a signal line 32 is connected to the vibrator 26, and a pulse drive signal is supplied from a pulse wave generator 60 of the control device 40, as will be described later.
  • the vibrator 26 generates an incident wave of ultrasonic waves and enters the living tissue 16.
  • the vibration detection sensor 28 detects a reflected wave from the inside of the living tissue 16 and outputs it as a reflected wave signal to the signal line 34.
  • the signal lines 32 and 34 pass through the inside of the probe base portion and the grip portion, and are transmitted to the control device 40 by an appropriate cable.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the signal flow of the material hardness distribution display system 10.
  • the hardness distribution display system 10 includes the probe unit 20 and the control device 40 as described above, and these are connected by signal lines 32 and 34 for each probe element 22.
  • the control device 40 includes a switching circuit 50, a scanning unit 54 that operates the switching circuit 50 to sequentially select a plurality of probe elements 22 of the probe unit 20, and one probe element selected via the switch circuit 50.
  • a pulse wave generator 60 that supplies a drive signal to the transducer 26 of 22 and a lump portion 18 based on the incident wave signal and the reflected wave signal of one probe element 22 selected via the switching circuit 50.
  • a hardness calculation unit 70 that calculates the hardness of the part, and a measurement depth calculation unit 82 that calculates the depth of the part where the hardness is calculated.
  • control device 40 collects the data calculated from the hardness calculation unit 70, the data collection unit 84 that collects and stores the data calculated from the measurement depth calculation unit 82, and the collected data,
  • a display processing unit 86 that performs a display process such as a coordinate transformation process so that the two-dimensional distribution of the hardness and the two-dimensional distribution of the depth are associated with each other and displayed in a three-dimensional manner, and the three-dimensional hardness
  • a display unit 88 that displays as a display 100 and an overall control unit 90 that integrates and controls the operation of each element constituting the control device 40 as a whole are configured.
  • the control device 40 can be configured by an appropriate computer, and the other functions can be realized by software except for the pulse wave generator 60 and the switching circuit 50 among the above components. This can be realized by executing a substance hardness distribution display program. Of course, some of the functions realized by software may be realized by hardware.
  • the switching circuit 50 is a selection switch circuit having a function of selecting the probe element 22 connected to the pulse wave generator 60, the hardness calculator 70, and the measurement depth calculator 82. That is, the signal line 32 from each transducer 26 and the signal line 34 from each vibration detection sensor 28 are sequentially switched by a plurality of switches 52, and a pulse wave generator 60 is connected to the signal line 32. And a switch circuit having a function of connecting the hardness calculation unit 70 and the measurement depth calculation unit 82 to the signal line 32. In order to facilitate the sequential switching, each probe element 22 is provided with a probe element address.
  • the pulse wave generator 60 a commercially available pulse wave generator can be used.
  • the pulse width of the pulse wave when the primary natural frequency of the vibrator 26 is 1 MHz, it is preferable to use about several times 1/400 kHz. Alternatively, a rectangular pulse on which 400 kHz is superimposed may be used.
  • the output of the pulse wave generator 60 is connected to the signal line 42.
  • the signal line 42 is connected to the input terminal of each transducer 26 via the switching circuit 50. That is, the pulse wave from the pulse wave generator 60 enters the living tissue 16 from each transducer 26 according to the sequential selection of the probe elements 22 by the switching circuit 50, and as shown in FIG.
  • the data is input to the hardness calculation unit 70 and the measurement depth calculation unit 82.
  • a reflected wave from the inside of the living tissue 16 is detected by each vibration detection sensor 28 and is input to the hardness calculation unit 70 and the measurement depth calculation unit 82 through the switching circuit 50 through the signal line 44. In this manner, the pulse wave incident on the inside of the living tissue 16 and the reflected wave from the inside of the living tissue 16 are input to the hardness calculating unit 70 and the measurement depth calculating unit 82.
  • the repetition frequency of the pulse wave output from the pulse wave generator 60 may be the same as the switching frequency of the switching circuit 50, and the gate circuit and the like may be omitted.
  • the hardness calculation unit 70 For each probe element 22 selected by the switching circuit 50, the hardness calculation unit 70 outputs a signal input terminal signal of the transducer 26, that is, a signal line 32 or signal line 42 signal and a vibration detection sensor 28 signal. Based on the signal at the output end, that is, the signal on the signal line 34 or the signal line 44, a circuit that calculates the hardness of the lump portion 18 that is an abnormal portion inside the living tissue 16 with which the probe element 22 contacts. is there.
  • the calculated hardness data is associated with each probe element 22 and sent to the data collection unit 84.
  • the probe element address described above can be used. Details of the internal configuration of the hardness calculation unit 70 will be described later.
  • the measurement depth calculation unit 82 For each probe element 22 selected by the switching circuit 50, the measurement depth calculation unit 82 outputs the signal at the signal input terminal of the transducer 26, that is, the signal line 32 or the signal line 42, and the vibration detection sensor 28. Based on the signal at the signal output end, that is, the signal on the signal line 34 or the signal line 44, this is a circuit that calculates a measurement depth that is the depth of the position where the hardness calculation unit 70 calculates the hardness.
  • the position where the hardness calculation unit 70 calculates the hardness is the lump portion 18 that is an abnormal portion inside the living tissue 16 with which the probe element 22 contacts, so the measurement depth calculation unit 82 and the hardness
  • the calculation unit 70 calculates the measurement depth and hardness at the same position simultaneously.
  • the measurement depth data is calculated based on the distance from the probe element 22, but since the outer dimension of the probe element 22 is known in advance, the depth from the position where the probe element 22 contacts the living tissue 16 is calculated. Can be converted into data. Here, the description will be continued assuming that the measurement depth data indicates the distance from the surface of the biological tissue 16.
  • the calculated measurement depth data is associated with each probe element 22 and sent to the data collection unit 84. As described above, the probe element address can be used for the association. Details of the measurement depth calculation will be described later.
  • the data collection unit 84 is a storage device that stores the hardness data and the measurement depth data in association with each probe element 22.
  • the probe element addresses described above are used for association, and the hardness data and measurement depth data can be arranged and stored for each probe element address.
  • the display processing unit 86 is a circuit that reads out necessary data from the data collection unit 84 and performs signal processing for three-dimensional display of hardness. Specifically, the data is arranged as two-dimensional data of hardness at the same measurement depth based on the two-dimensional distribution data of hardness and the two-dimensional data of measurement depth. Although there is not necessarily hardness data at the same measurement depth, if there is hardness data at the previous and subsequent measurement depths, interpolation data by interpolation or extrapolation is performed to obtain hardness data at the measurement depth. Good thing. In this way, for example, the hardness data at each measurement depth is collected at a predetermined interval of the measurement depth, and this is subjected to processing suitable for display as an image.
  • processing for displaying the hardness distribution along the reference coordinate system is performed.
  • This makes it suitable for displaying the shape of the lump portion 18.
  • the display suitable for displaying the degree of change in the lump portion 18.
  • the two-dimensional data of the hardness for each depth can be aggregated to obtain a three-dimensional display of the hardness using three-dimensional coordinates. This makes it suitable for displaying the three-dimensional outline of the lump portion 18 and displaying the position of the anomalous portion three-dimensionally.
  • the display-processed data is output to the display unit 88.
  • the display unit 88 is a display of the control device 40 or a printer connected to the display.
  • FIG. 1 shows a state in which a three-dimensional display 100 of hardness is performed as a set of two-dimensional hardness distributions for each measurement depth. Further, an interface for transmitting signals to the outside may be provided in the control device 40, and the display-processed data may be output to an external diagnostic device or the like to proceed with further detailed analysis.
  • the data of the incident wave and the data of the reflected wave in each probe element 22 are input to the hardness calculation unit 70 and the measurement depth calculation unit 82, respectively. That is, using the same data, the hardness is calculated on the one hand and the measurement depth is calculated on the other hand.
  • FIG. 4 shows the state of the incident wave signal 92 input to one probe element 22 and the reflected wave signal 94 of the incident wave signal 92 reflected from the inside of the living tissue 16, with time on the horizontal axis and on the vertical axis. This is indicated by a voltage indicating the magnitude of the signal. Since the incident wave signal 92 is incident as a pulse wave, the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94 can be accurately associated if the next pulse wave is not incident until the reflected wave comes.
  • the hardness calculation unit 70 performs frequency analysis on the frequency f and the phase ⁇ of the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94, respectively, and based on the result, the incident wave is reflected and returned as a reflected wave.
  • the hardness of the portion 18 is calculated.
  • the waveform state of the incident wave signal 92 is shown as (f, ⁇ ) 1
  • the waveform state of the reflected wave signal 94 is shown as (f, ⁇ ) 2.
  • the measurement depth calculation unit 82 obtains the time positions of the pulses for the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94, and calculates the measurement depth of the lump portion 18 from the difference.
  • the temporal position of the incident wave signal 92 is shown as t1
  • the temporal position of the reflected wave signal 94 is shown as t2
  • the measurement depth calculation unit 82 is arranged at the temporal positions t1 and t2. Based on this, the measurement depth of the lump portion 18 is calculated.
  • FIG. 5 is a block diagram of the hardness calculation unit 70.
  • the hardness calculator 70 is supplied with an incident wave signal 92 from the signal line 42 and a reflected wave signal 94 from the signal line 44 as input data. These signals are amplified to an appropriate signal level by the amplifier 72 and input to the frequency component analysis unit 74, respectively.
  • the frequency component analysis unit 74 performs frequency component analysis of the incident wave and the reflected wave, analyzes the incident wave and the reflected wave into a plurality of sine wave components and cosine wave components, and the frequency of each sine wave component, The relationship between the phase determined from the ratio of the sine wave component and the cosine wave component at that frequency is obtained. This relationship with the phase with respect to the frequency is a so-called phase spectrum distribution with respect to the frequency. Therefore, the frequency component analysis unit 74 has a function of obtaining a phase spectrum distribution with respect to the frequency of the incident wave signal 92 and a phase spectrum distribution with respect to the frequency of the reflected wave signal 94. For frequency analysis, a technique generally called Fourier analysis can be used.
  • FIG. 6 shows an example of the phase spectrum distribution with respect to the frequencies of the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94 obtained by performing the frequency component analysis.
  • 6A is for the incident wave signal 92
  • FIG. 6B is for the reflected wave signal 94.
  • the horizontal axis represents the frequency f
  • the vertical axis represents the gain or phase ⁇ .
  • the gain data is indicated by the length of the line segment
  • the data of the phase ⁇ is indicated by a circle.
  • 6 (a) and 6 (b) have the origin positions of the frequencies on the horizontal axis aligned, but in this way, at the same frequency, the phase of the incident wave signal 92 and the phase of the reflected wave signal 94 are different values. Is shown. This difference in value reflects the hardness of the lump portion 18.
  • the phase spectrum distribution with respect to the frequencies of the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94 obtained in this way is input to the phase difference calculation unit 76.
  • the phase difference calculator 76 compares the phase spectrum distribution of the incident wave signal 92 with the phase spectrum distribution of the reflected wave signal 94, and represents a change in frequency component between the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94. For each frequency fx, it has a function of calculating a phase difference ⁇ x that is a difference between the phase of the incident wave signal 92 and the phase of the reflected wave signal 94.
  • FIG. 7 shows how the phase difference ⁇ x is obtained.
  • 7 shows the data of the phase spectrum distribution of the incident wave signal 92 and the phase spectrum distribution of the reflected wave signal 94 obtained in FIG. 6, with the horizontal axis representing the frequency fx and the vertical axis representing the reflected wave signal 94 at the same frequency.
  • a phase difference ⁇ x that is a phase difference ( ⁇ 2 ⁇ 1) that is a difference between the phase ⁇ 2 and the phase ⁇ 1 of the incident wave signal 92 is obtained.
  • a set of a plurality of sets of fx and ⁇ x itself can be used as it is to represent a change in frequency component between the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94.
  • the combination of the frequency fx (MAX) at which the phase difference ⁇ x is the maximum value ⁇ x (MAX) and the ⁇ x (MAX) is the difference between the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94 representing the hardness of the lump portion 18. It can be used as a representative representing a change in frequency component between. In the following, it is assumed that fx (MAX) and ⁇ x (MAX) are used.
  • the obtained data of the frequency fx (MAX) and the phase difference ⁇ x (MAX) are input to the frequency change amount detection unit 78.
  • the frequency change amount detection unit 78 uses a reference transfer characteristic curve representing the relationship between the amplitude gain and the phase difference of the reflected wave signal 94 with respect to the frequency of the incident wave signal 92, and the phase difference ⁇ x (MAX) at the frequency fx (MAX). It has a function of calculating a frequency change amount df for shifting the phase difference ⁇ x (MAX) to zero by changing the frequency. Since the function of calculating the amount of frequency change obtains a change in frequency required to compensate for the phase difference, it can be said to be a phase difference compensation calculation function.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the frequency change amount detection unit 78.
  • the horizontal axis indicates the frequency
  • the vertical axis indicates the amplitude gain and the phase as a relative value
  • the reference transfer characteristic curve indicates the bandpass characteristic that maximizes the amplitude gain at the resonance frequency.
  • Such a reference transfer characteristic curve can be generated by a technique for generating a band pass using hardware or software.
  • the reference transfer characteristic curve is a conversion curve for converting a change in phase into a change in frequency, and the curve itself can be designed according to how much the conversion ratio between phase and frequency is desired.
  • the frequency fx (MAX) and the phase difference ⁇ x (MAX) are obtained on the reference transfer characteristic curve, and from this, the phase difference ⁇ x (MAX) is obtained. Is moved on the phase difference characteristic curve to obtain the corresponding frequency change amount df. By doing in this way, the frequency change amount when making phase difference (theta) x (MAX) zero is calculated
  • the frequency and phase difference data reflect the material properties corresponding to the hardness of the lump portion 18 inside the living tissue 16.
  • the frequency fx (MAX) having the largest phase difference change and the maximum phase difference ⁇ x (MAX) particularly represent the hardness of the lump portion 18 inside the living tissue 16 to be measured. It is considered a thing. Therefore, the frequency change amount df for shifting the maximum phase difference ⁇ x (MAX) to zero can be calculated and used as a characteristic value representing the hardness of the lump portion 18 inside the living tissue 16.
  • phase difference calculation unit 76 frequency phase difference identification
  • frequency change amount detection unit 78 phase difference compensation calculation
  • the hardness converter 80 has a function of converting the frequency change amount df into the hardness of the living tissue.
  • a calibration table or the like can be used.
  • a reference material that can be used as a reference for hardness is pressed against the tip of the contact ball 30 of the probe 22, and a pulse wave is incident and a reflected wave is detected and frequency components are detected as in the procedure described above. It can be created by analyzing and obtaining the frequency change at that time.
  • FIG. 9 shows an example in which the relationship between the shear elastic modulus G and df is obtained using 30 mm thick gelatin having different hardness as a hardness standard. As shown in FIG. 9, it can be seen that there is a clean linear relationship between G representing hardness and the frequency variation df obtained by the procedure described in FIG. Such a result can be used as a calibration characteristic line or a calibration table for converting the frequency change amount df into hardness.
  • the output of the hardness converter 80 is supplied to the data collection unit 84 in association with the address of the probe element 22 as described in FIG.
  • the measurement depth calculation unit 82 is based on the temporal position t ⁇ b> 1 of the incident wave signal 92 and the temporal position t ⁇ b> 2 of the reflected wave signal 94, and the propagation speed of ultrasonic waves inside the living tissue 16.
  • the measurement depth of the lump portion 18 is determined. Detection of the respective temporal positions t1 and t2 of the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94 can be performed by maximum peak detection as shown in the voltage-time characteristic of FIG.
  • Maximum peak detection can be performed by using an appropriate voltage threshold and signal differentiation. That is, by setting an appropriate threshold value for the voltage value that is the amplitude of the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94, only the maximum peak can be selected for each.
  • the peak detection can be performed by performing a differentiation process on the selected waveform of the maximum peak and obtaining a zero cross point.
  • the detected time can be a temporal position t1 of the incident wave signal 92 and a temporal position t2 of the reflected wave signal 94.
  • FIG. 11 and FIG. 12 are flowcharts showing a procedure for performing three-dimensional display. These procedures correspond to the processing procedures of the substance hardness distribution display program executed by the CPU of the control device 40.
  • FIG. 11 shows a procedure related to the hardness calculation unit 70, the measurement depth calculation unit 82, and the data collection unit 84
  • FIG. 12 shows a procedure related to the display processing unit 86 and the display unit 88.
  • the probe unit 20 is pressed against the living tissue 16 and the hardness and the measurement depth of each probe element 22 are sequentially measured.
  • the sequential measurement is performed using the identification address of the probe element 22.
  • a pulse wave is supplied to the transducer 26 of the probe element 22, and an ultrasonic pulse wave enters the living tissue 16.
  • the probe element 22 is connected to the hardness calculation unit 70 and the measurement depth calculation unit 82, the incident wave signal 92 and the reflected wave signal 94 are converted by the method described with reference to FIGS. 4 to 10.
  • the hardness Hi and the measurement depth Zi are measured (S14, S16).
  • the number of the identification address i is incremented by 1 (S20), and it is determined whether the incremented number does not exceed iMAX + 1 (S22). If not, measurement of all the probe elements 22 is finished. If not, return to S12 and repeat the above measurement. In this way, the hardness and the measurement depth are sequentially measured for all the probe elements 22.
  • the data collection unit 84 stores the hardness Hi and the measurement depth Zi in association with the identification address i for all the probe elements 22.
  • FIG. 12 shows a procedure for displaying a three-dimensional distribution of the hardness of the lump portion 18 inside the living tissue 16 based on the data stored in the data collection unit 84.
  • the relationship between the identification address i and the coordinate position (Xi, Yi) of the probe element 22 in the two-dimensional coordinate system is stored in an appropriate memory in advance for all the probe elements 22. (S30).
  • This relational data can be stored, for example, by being previously input from the input unit of the control device 40 when the probe unit 20 is set in the material hardness distribution display system 10.
  • the hardness Hi and the measurement depth Zi are read from the data collection unit 84 using the identification address i of the probe element 22 as a search key (S32). Then, the two-dimensional coordinate position (Xi, Yi) of the identification address i is read from the memory of the control device 40 (S34). As a result, the coordinates (Xi, Yi) of the two-dimensional coordinate system, the hardness Hi and the measurement depth Zi at the position are read in association with each other.
  • FIG. 13 shows a measured depth distribution 102 obtained by smoothly connecting 37 sets of (Xi, Yi, Zi). In this example, it is shown that the distribution of the measurement depth at which the ultrasonic pulse enters the living tissue 16 and is reflected has a bowl-shaped surface shape.
  • FIG. 13 shows a hardness distribution 104 in which 37 sets of (Xi, Yi, Hi) are represented by hatched distributions having different densities, where the hardness Hi is represented by the hatched density.
  • FIG. 13 shows a three-dimensional distribution 106 of hardness thus obtained.
  • a three-dimensional display 100 can also be performed.
  • the substance hardness distribution display system and the substance hardness distribution display method according to the present invention can be used to display the distribution of the hardness of general substances including biological tissues.
  • 10 material hardness distribution display system 16 biological tissue, 18 lump part, 20 probe part, 22 probe element, 24 base part, 26 vibrator, 28 vibration detection sensor, 30 contact ball, 32, 34, 42, 44 signal lines, 40 control device, 50 switching circuit, 52 switch, 54 scanning unit, 60 pulse wave generator, 70 hardness calculation unit, 72 amplifier, 74 frequency component analysis unit, 76 phase difference calculation unit, 78 frequency change amount Detection unit, 80 hardness converter, 82 measurement depth calculation unit, 84 data collection unit, 86 display processing unit, 88 display unit, 90 overall control unit, 92 incident wave signal, 94 reflected wave signal, 100, 106 hardness 3D display, 102 measurement depth distribution, 104 hardness distribution.

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Abstract

　物質の硬さ分布表示システム（１０）は、生体組織に振動を入射する振動子（２６）、反射波を検出する振動検出センサ（２８）を含む複数の探触素子（２２）を２次元的に配置したプローブ部（２０）を備え、各探触素子（２２）は、切替回路（５０）により順次選択されて硬さ算出部（７０）と測定深さ算出部（８２）に接続される。硬さ算出部（７０）は、振動子（２６）への入射波信号と振動検出センサ（２８）からの反射波信号とについてそれぞれ周波数成分分析を行い、その結果に基いて生体組織の硬さを算出する。測定深さ算出部（８２）は、入射波信号の時間的位置と、反射波信号の時間的位置とに基いて、硬さを測定した位置における生体組織の内部の測定深さを算出する。これらは探触素子（２２）ごとに対応付けられている。

Description

物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法
　本発明は、物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法に係り、特に、生体の硬さと硬さが測定された測定深さとの関係を表示できる物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法に関する。
　物質の硬さを評価する技術として超音波を用いる方法が知られている。さらに本願発明者は、物質の硬さの相違は超音波の周波数の変化よりも位相の変化が大きいが、位相測定技術の精度が必ずしも高くないことを考慮し、位相変化を周波数変化に変換する仕組みを考案し、特許文献１において開示した。この技術は、物質に超音波を入射する振動子と物質からの反射波を検出する振動検出センサと、振動検出センサの信号出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と振動子の信号入力端との間に設けられ、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形との間に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、位相差をゼロにシフトさせるための周波数変化量を検出する周波数変化量検出手段とを含む構成である。ここでは、周波数変化量検出手段において、硬さの相違による位相差をゼロにシフトさせてこれを周波数変化量に変換している。この変換は、周波数に対する反射波の振幅ゲインと位相の関係を示す基準伝達関数を予め求めておいてこれを用いている。
　また、この技術を発展させたものとして、特許文献２には物質の特性測定装置として、パルス入射手段、パルス受信手段からなるセンサを備え、その入射波、反射波の周波数分析を行い、その入射波、反射波のスペクトル分布を比較して、それぞれの周波数ｆｘにおける入射波の位相と反射波の位相の差である位相差θｘとを特定し、そのｆｘとθｘを入力して予め求めておいた基準伝達特性曲線を用いて演算し、入力されたθｘをゼロにするときの周波数の変化ｄｆから物質の硬さを求めることが開示されている。
　また、特許文献３には、特許文献１，２の技術を応用した生体のしこり検査装置として、生体組織に振動を入射する振動子、反射波を検出する振動検出センサを含む複数の探触素子を備え、各探触素子は、硬さ算出切替回路により順次選択されて硬さ算出部に接続される構成が開示されている。そして、各探触素子に対応してそれぞれ圧力センサが設けられ、押し付け圧が所定の範囲にある探触素子の硬さデータが表示部に２次元的に表示されてしこりが検査されることが述べられている。
　また、本願発明者以外の考案として、特許文献４には、被検体の被観察部位に向けて超音波を照射し、被検体の被観察部位からのエコー信号を受信する超音波トランスデューサが配された超音波プローブを有し、エコー信号をディジタル化した音線データから超音波画像を生成しこれを表示する超音波診断装置において、被検体の心臓の動きに基いた心電図信号の１周期内の２点に同期したタイミング信号を用いて、その２点における２フレーム分の音線データを取得し、その時間差のある２フレーム分の音線データから生体組織の歪みを算出
し、それに基く硬さを定量的に表す弾性画像を表示することが開示されている。
特開平９－１４５６９１号公報 特開２００２－２７２７４３号公報 特開２００４－２８３５４７号公報 特開２００７－８２７２５号公報
　上記のように、特許文献１，２を応用した特許文献３の技術によれば、物質の硬さの２次元的分布を精度よく得ることができる。しかしながら、特許文献１，２，３の技術のみでは、物質の硬さの３次元的分布を得ることができない。一方、特許文献４には、超音波技術と心電図技術を併用することで、心臓の硬さを示す弾性画像を表示することが開示されている。したがって、特許文献３の技術を用いれば、心臓の硬さの３次元的分布を求めることが可能である。しかしながら、特許文献３の技術では、心電図技術を用いているので、一般的な物質の硬さの３次元的分布を求めることができない。
　本発明の目的は、比較的簡単な構成で、物質の硬さと硬さが測定された深さとを関連付けることを可能とする物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法を提供することである。他の目的は、比較的簡単な構成で、物質の硬さの３次元的分布を得ることを可能とする物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法を提供することである。
　本発明に係る物質の硬さ分布表示システムは、被測定物質にパルス波を入射する振動子と、入射されたパルス波が被測定物質から反射されてくる反射波を受信する振動検出センサと、入射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析手段と、反射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析手段と、入射波のスペクトル分布と反射波のスペクトル分布とを比較し、分布を構成するそれぞれの周波数ｆｘについて、その周波数ｆｘの下の入射波の位相と反射波の位相との差である位相差θｘを算出する周波数位相差算出手段と、周波数ｆｘと位相差θｘの組のデータに基いて被測定物質の硬さを算出する硬さ算出手段と、硬さを算出するために用いた入射波の入射時刻と反射波の受信時刻とに基いて、硬さを測定した位置の深さである測定深さを算出する測定深さ算出手段と、硬さと測定深さとを対応付けて表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示システムにおいて、振動子と振動検出センサとを１組とする探触素子が２次元的に配置され、硬さ算出手段は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における硬さをそれぞれ算出して硬さの２次元的分布を求め、測定深さ算出手段は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における測定深さをそれぞれ算出して測定深さの２次元的分布を求め、表示手段は、被測定物質について、硬さの２次元分布と測定深さの２次元分布とを対応付けて３次元的な硬さ分布を表示することが好ましい。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示システムにおいて、各探触素子が２次元的に配置されるときの各探触素子の２次元座標位置を各探触素子の識別アドレスに対応付けて記憶する記憶手段を備え、硬さ算出手段は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における硬さを求め、測定深さ算出手段は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における測定深さを求め、表示手段は、記憶手段から各探触素子の識別アドレスに対応する２次元座標位置を読み出し、その識別アドレスに対応する測定深さを用いて、２次元座標系における測定深さの分布を表示する測定深さ２次元表示手段と、読み出された識別アドレスに対応する各探触素子の位置における硬さを用いて、２次元座標系における硬さの分布を表示する硬さ２次元表示手段と、を含み、２次元座標系における測定深さの分布に、同じ２次元座標系における硬さの分布を重畳させて、３次元的な硬さ分布を表示することが好ましい。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示システムにおいて、硬さ算出手段は、任意の周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲインと位相の関係を示す基準伝達関数を予め求めて記憶する記憶手段と、基準伝達関数を用いて、周波数ｆｘと位相差θｘとを入力し、位相差θｘをゼロにするときの周波数のｆｘからの変化であるｄｆを求める周波数変化量検出部と、予め求められている硬さ－ｄｆ特性に基いて、周波数変化量検出部によって求められたｄｆを硬さに換算する硬さ換算手段と、を含むことが好ましい。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示システムにおいて、硬さ算出手段は、最大位相差θｘ（ＭＡＸ）と、最大位相差のときの周波数ｆｘ（ＭＡＸ）との組に基いて、被測定物質の硬さを算出することが好ましい。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示方法は、振動子によって被測定物質にパルスとして入射された入射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析工程と、振動検出センサによって検出された被測定物質からの反射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析工程と、入射波のスペクトル分布と反射波のスペクトル分布とを比較し、分布を構成するそれぞれの周波数ｆｘについて、その周波数ｆｘの下の入射波の位相と反射波の位相との差である位相差θｘを算出する周波数位相差算出工程と、周波数ｆｘと位相差θｘの組のデータに基いて被測定物質の硬さを算出する硬さ算出工程と、硬さを算出するために用いた入射波の入射時刻と反射波の受信時刻とに基いて、硬さを測定した位置の深さである測定深さを算出する測定深さ算出工程と、硬さと深さとを対応付けて表示する表示工程と、を含むことが好ましい。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示方法において、振動子と振動検出センサとを１組とする探触素子が２次元的に配置され、硬さ算出工程は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における硬さをそれぞれ算出して硬さの２次元的分布を求め、測定深さ算出工程は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における測定深さをそれぞれ算出して測定深さの２次元的分布を求め、表示工程は、被測定物質について、硬さの２次元分布と測定深さの２次元分布とを対応付けて３次元的な硬さ分布を表示することが好ましい。
　また、本発明に係る物質の硬さ分布表示方法において、各探触素子が２次元的に配置されるときの各探触素子の２次元座標位置を各探触素子の識別アドレスに対応付けて記憶する記憶装置を用い、硬さ算出工程は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における硬さを求め、測定深さ算出工程は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における測定深さを求め、表示工程は、記憶装置から各探触素子の識別アドレスに対応する２次元座標位置を読み出し、その識別アドレスに対応する測定深さを用いて、２次元座標系における測定深さの分布を表示する測定深さ２次元表示工程と、読み出された識別アドレスに対応する各探触素子の位置における硬さを用いて、２次元座標系における硬さの分布を表示する硬さ２次元表示工程と、を含み、２次元座標系における測定深さの分布に、同じ２次元座標系における硬さの分布を重畳させて、３次元的な硬さ分布を表示することが好ましい。
　上記構成により、物質の硬さ分布表示システムは、被測定物質にパルス波を入射し、反射されてくる反射波を受信し、入射波と反射周波数分析を行ない、その結果に基いて被測定物質の硬さを算出する。この技術は、特許文献２に開示されるものの応用である。そして、硬さを算出するために用いた入射波の入射時刻と反射波の受信時刻とに基いて、硬さを測定した位置の深さである測定深さを算出し、硬さと測定深さとを対応付けて表示する。このようにして、比較的簡単な構成で、物質の硬さと硬さが測定された測定深さとを関連付けて表示することが可能となる。
　また、物質の硬さ分布表示システムにおいて、パルス入射手段とパルス受信手段とを１組とするパルス送受信手段が２次元的に配置されるので、硬さの２次元分布が得られる。そして、２次元的に配置されたパルス送受信手段による各入射波と各反射波とに基いて、硬さを測定した箇所の深さの２次元的分布が算出でき、これを硬さの２次元的分布と組み合わせて表示することで、硬さの３次元的分布を表示することができる。
　また、物質の硬さ分布表示システムにおいて、各探触素子が２次元的に配置されるときの各探触素子の２次元座標位置を各探触素子の識別アドレスに対応付けて記憶し、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における硬さを求め、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における測定深さを求め、そして、記憶手段から各探触素子の識別アドレスに対応する２次元座標位置を読み出し、その識別アドレスに対応する測定深さを用いて、２次元座標系における測定深さの分布を表示し、読み出された識別アドレスに対応する各探触素子の位置における硬さを用いて、２次元座標系における硬さの分布を表示し、２次元座標系における測定深さの分布に、同じ２次元座標系における硬さの分布を重畳させて、３次元的な硬さ分布を表示する。このように、探触素子の識別アドレスを用いて対応付けを行うので、正確な硬さの３次元分布表示となる。
　また、物質の硬さ分布表示システムにおいて、硬さ算出手段は、任意の周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲインと位相の関係を示す基準伝達関数を予め求めて記憶し、この基準伝達関数を用いて、周波数ｆｘと位相差θｘとを入力し、位相差θｘをゼロにするときの周波数のｆｘからの変化であるｄｆを求める周波数変化量検出部と、予め求められている硬さ－ｄｆ特性に基いて、周波数変化量検出部によって求められたｄｆを硬さに換算する。この技術は特許文献２に開示されるものの応用である。したがって、既に実績のある技術を用いて、硬さと深さとを精度よく関連付けて表示することができる。
　また、物質の硬さ分布表示システムにおいて、最大位相差θｘ（ＭＡＸ）と、最大位相差のときの周波数ｆｘ（ＭＡＸ）との組に基いて、被測定物質の硬さを算出する。ｆｘ（ＭＡＸ）とθｘ（ＭＡＸ）は、代表的な特性として考えられるので、算出された硬さは代表的な値として用いることができる。
本発明に係る実施の形態における物質の硬さ分布表示システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、プローブ部を生体組織に押し付けた状態を説明する図である。 本発明に係る実施の形態における物質の硬さ分布表示システム１０の信号の流れを説明するブロック図である。 本発明に係る実施の形態において、同じ入射波信号と反射波信号とを用いて硬さと測定深さを求める様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態における硬さ算出部のブロック図である。 本発明に係る実施の形態において、周波数成分分析を行って得られた入射波信号および反射波信号の周波数に対する位相スペクトル分布の例を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、位相差θｘを求める様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、周波数変化量検出部の作用を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、硬さを表すせん断弾性係数と周波数変化量との関係を求めた例を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、測定深さ算出の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、硬さの３次元的表示を行うためのデータ収集の手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において、データ収集に基いて硬さの３次元的表示を行うための手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において、測定深さ分布、硬さ分布、硬さの３次元的分布を求める様子を説明する図である。
　以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、被測定物質として、生体組織、特に生体の内部における硬さの異なる異変部を説明するが、生体組織以外の一般的な物質であってもよい。以下で説明する材料、形状、寸法は例示であって、使用目的に応じ、これらの内容を適宜変更できる。
　以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
　図１は、物質の硬さ分布表示システム１０の構成を示す図である。物質の硬さ分布表示システム１０は、複数の探触素子２２が２次元的に配置されたプローブ部２０と、プローブ部２０と接続されて、測定されたデータに基いて硬さの３次元的表示１００を行う制御装置４０とを含んで構成される。
　プローブ部２０は、円板状のプローブ基体部と、プローブ基体部から延びて、手で把持されるつかみ部とから構成され、プローブ基体部には、生体の表面に圧接される複数の探触素子２２が２次元的に配置される。図１の例では、探触素子２２が合計３７個２次元的に配置されている。勿論、探触素子２２の数は、適当に２次元的配置を構成するものであれば、これ以外であっても構わない。
　探触素子２２のそれぞれには識別アドレスとしての番号が付される。個々の識別アドレスは、プローブ部２０に予め設定された２次元座標系についての座標位置値が求められていて、制御装置４０における適当なメモリに記憶されている。２次元座標系としては、例えば、プローブ基体部からつかみ部に延びる中心線に平行な方向をＹ軸とし、これに直交する方向をＸ軸とし、その両軸で構成されるＸＹ平面をプローブ基体部の探触素子２２が配列される平面にとって、プローブ基体部の適当な位置をＸＹ平面の原点とすることができる。原点位置は、予め目印マークをつけておくことが好ましい。例えば、探触素子２２の特定の１つを原点位置として、その探触素子２２に特別な色を付すものとできる。
　プローブ基体部の大きさの一例は、直径が約６０ｍｍ、厚みが約２０ｍｍ程度、つかみ部の大きさの一例は、プローブ基体部にあわせて、厚みを約２０ｍｍとし、取っ手部の幅を約４５ｍｍ、長さを約１００ｍｍ程度とすることができる。探触素子２２を除いて、プローブ部２０は、適当なプラスチック成形品を用いることができる。
　図２は、プローブ部２０を被測定物質としての生体組織１６に押し付けた状態を説明する図である。ここでは、生体組織１６の内部に硬さの異なる異変部としてしこりの部分１８があるものとして示されている。図２に示されるように、プローブ部２０は、複数の探触素子２２が生体組織１６に適当に押し付けることで、プローブ基体部を移動させなくても、押し付けた状態のままで、プローブ基体部の広さの２次元的広がりの領域について測定を行うことができる。
　図２には、さらに、１つの探触素子２２が生体組織１６に押し付けられた状態の拡大図が示されている。探触素子２２は、生体組織１６内に振動を入射し、生体組織１６内からの反射波を検出する機能を有する素子である。入射波と反射波は同じ弾性特性を有する部分を往復するときは、その往復する部分の弾性特性に対する応答が相殺されるので、生体組織１６内で弾性特性の異なる部分、図２でしこりの部分１８に対して振動が入射し、これから反射するときの応答のみが検出されることになる。
　その意味から、探触素子２２は、生体組織１６に押し付けられたときには、生体組織１６の内部の異変部であるしこりの部分１８に振動を入射し、底からの反射波を検出する機能を有するものとして働く。なお、探触素子２２が生体組織１６に接触しないときには、生体組織１６までの空気の空間が同じ弾性特性を有する往復部分となるので、生体組織１６そのものに振動を入射し、そこからの反射波を検出する機能を有することになる。
　探触素子２２は、ベース部２４と、振動子２６と、振動検出センサ２８と、接触ボール３０が積層された構造を有する。ベース部２４は、プローブ部２０のプローブ基体部に各探触素子２２を取り付けるための基台で、適当な大きさの円板を用いることができる。例えば直径１０ｍｍ、厚さ数ｍｍ程度のプラスチック円板等を用いることができる。接触ボール３０は、例えばナイロン樹脂等のプラスチック樹脂で成形され、その半球状の表面で生体組織にスムーズに圧接する機能を有する部材である。半球の半径は、例えば５ｍｍ程度を用いることができる。
　振動子２６と、振動検出センサ２８は、例えば圧電素子を用い、交流信号を印加することでその交流信号の周波数で機械的な振動を生じさせる電気－機械変換機能を振動子２６として、振動を加えることでその振動の周波数の交流信号を生じさせる機械－電気変換機能を振動検出センサ２８として利用することができる。具体的には、ＰＺＴ等の圧電素子の円板に電極を設けたものをそれぞれ振動子２６、振動検出センサ２８として用いることができる。
　振動子２６と振動検出センサ２８を積層する場合、２個の圧電素子を直列に接続し、接続点を接地し、一方の圧電素子を振動子２６として用い、他方の圧電素子を振動検出センサ２８として用いることができる。図２では、この共通接続点である接地の図示が省略されている。振動子２６には、信号線３２が接続され、後述するように、制御装置４０のパルス波発生器６０からパルス駆動信号が供給される。これによって振動子２６は超音波の入射波を発生し、生体組織１６の内部に向けて入射される。振動検出センサ２８は、生体組織１６の内部からの反射波を検出し、信号線３４に反射波信号として出力する。信号線３２，３４は、プローブ基体部とつかみ部の内部を通り、適当なケーブルで制御装置４０に伝送される。
　図３は、物質の硬さ分布表示システム１０の信号の流れを説明するブロック図である。硬さ分布表示システム１０は、上記のようにプローブ部２０と制御装置４０とで構成され、これらの間は、各探触素子２２ごとの信号線３２，３４によって接続される。
　制御装置４０は、切替回路５０と、切替回路５０を作動させてプローブ部２０の複数の探触素子２２を順次選択する走査部５４と、切替回路５０を介して選択された１つの探触素子２２の振動子２６に駆動信号を供給するパルス波発生器６０と、切替回路５０を介して選択された１つの探触素子２２についての入射波信号と反射波信号とに基いてしこりの部分１８の硬さを算出する硬さ算出部７０と、硬さを算出した部位の深さを算出する測定深さ算出部８２とを含んで構成される。
　また、制御装置４０は、硬さ算出部７０から算出されたデータと、測定深さ算出部８２から算出されたデータを収集して記憶するデータ収集部８４と、収集されたデータに基いて、硬さの２次元的分布と深さの２次元的分布とを関連付けて３次元的に表示するように座標変換処理等の表示処理を行う表示処理部８６と、これを硬さの３次元的表示１００として表示する表示部８８と、制御装置４０を構成する各要素の動作を全体として統合して制御する統括制御部９０を含んで構成される。
　かかる制御装置４０は、適当なコンピュータで構成することができ、上記各構成要素のうち、パルス波発生器６０と切替回路５０を除いて、その他の機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、物質の硬さ分布表示プログラムを実行することで実現できる。勿論、ソフトウェアで実現される機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
　切替回路５０は、パルス波発生器６０と硬さ算出部７０と測定深さ算出部８２とに接続される探触素子２２を選択する機能を有する選択スイッチ回路である。すなわち、各振動子２６からの信号線３２、各振動検出センサ２８からの信号線３４を、複数のスイッチ５２により順次切り替えて、信号線３２にはパルス波発生器６０を接続し、信号線３４と信号線３２に硬さ算出部７０と測定深さ算出部８２とを接続する機能を有するスイッチ回路である。順次切替を容易にするために、各探触素子２２には、探触素子アドレスが設けられる。
　パルス波発生器６０は、市販のパルス波発生器を用いることができる。パルス波のパルス幅は、振動子２６の１次固有振動数が１ＭＨｚとすると、１／４００ｋＨｚの数倍程度を用いるのが好ましい。あるいは、４００ｋＨｚを重畳した矩形パルスを用いてもよい。
　パルス波発生器６０の出力は、信号線４２に接続される。信号線４２は、切替回路５０を介し、各振動子２６の入力端子に接続される。つまり、パルス波発生器６０からのパルス波は、切替回路５０による各探触素子２２の順次選択に従って各振動子２６から生体組織１６の内部に入射されるとともに、図３に示されるように、硬さ算出部７０と測定深さ算出部８２に入力される。なお、生体組織１６の内部からの反射波は、各振動検出センサ２８により検出され、切替回路５０を介し、信号線４４により硬さ算出部７０と測定深さ算出部８２に入力される。このように、硬さ算出部７０と、測定深さ算出部８２には、生体組織１６の内部に入射されるパルス波と、生体組織１６の内部からの反射波とが入力される。
　パルス波発生器６０の出力側に、パルス波の出力を規制するゲート回路等を設け、切替回路５０の切り替えに連動させて、１個のパルス波を出力することが好ましい。また、パルス波発生器６０より出力するパルス波の繰り返し周波数を、切替回路５０の切り替え周波数と同じにして、ゲート回路等を省略することもできる。
　硬さ算出部７０は、切替回路５０により選択された各探触素子２２について、振動子２６の信号入力端の信号、すなわち信号線３２または信号線４２の信号、および、振動検出センサ２８の信号出力端の信号、すなわち信号線３４または信号線４４の信号とに基づいて、その探触素子２２が接触する生体組織１６の内部の異変部であるしこりの部分１８の硬さを算出する回路である。
　算出された硬さデータは、各探触素子２２ごとに対応付けられてデータ収集部８４に送られる。対応付けには、例えば上記の探触素子アドレスを用いることができる。硬さ算出部７０の内部構成の詳細については後述する。
　測定深さ算出部８２は、切替回路５０により選択された各探触素子２２について、振動子２６の信号入力端の信号、すなわち信号線３２または信号線４２の信号、および、振動検出センサ２８の信号出力端の信号、すなわち信号線３４または信号線４４の信号とに基づいて、硬さ算出部７０が硬さを算出した位置の深さである測定深さを算出する回路である。硬さ算出部７０が硬さを算出した位置とは、その探触素子２２が接触する生体組織１６の内部の異変部であるしこりの部分１８であるので、測定深さ算出部８２と硬さ算出部７０とは、同じ位置について、その測定深さと、硬さとを同時的に算出していることになる。
　測定深さデータは、探触素子２２からの距離で算出されるが、探触素子２２の外形寸法は予め分かっているので、これを探触素子２２が生体組織１６に接触した位置からの深さデータに換算することができる。ここでは、測定深さデータは、生体組織１６の表面からの距離を示すものとして説明を続ける。算出された測定深さデータは、各探触素子２２ごとに対応付けられてデータ収集部８４に送られる。対応付けには、上記のように、探触素子アドレスを用いることができる。測定深さ算出の内容の詳細については後述する。
　データ収集部８４は、各探触素子２２ごとに、その硬さデータと、測定深さデータとを対応付けて記憶する記憶装置である。対応付けには上記の探触素子アドレスを用い、探触素子アドレスごとにその硬さデータと測定深さデータとを配列して記憶することができる。
　表示処理部８６は、データ収集部８４から必要なデータを読み出し、硬さの３次元表示をするための信号処理を行う回路である。具体的には、硬さの２次元的分布データと、測定深さの２次元的データとに基づいて、同じ測定深さにおける硬さの２次元的データとして整理する。必ずしも同じ測定深さにおける硬さデータがないが、その前後の測定深さにおける硬さデータがある場合には、内挿または外挿による補間を行って、その測定深さにおける硬さデータを求めるものとしてよい。このようにして、例えば、測定深さの予め設定された間隔で、各測定深さにおける硬さデータがまとめられるので、これを画像としての表示に適した処理を施す。
　例えば、基準座標系に沿って硬さ分布を表示する処理を行う。これによってしこりの部分１８の形状の表示に適したものとできる。例えば、硬さの等高線表示とし、あるいは硬さに応じた配色表示とし、あるいは硬さに応じた色の濃淡表示とする処理を行なうことができる。これらによって、しこりの部分１８における異変の程度の表示に適したものとできる。また、深さごとの硬さの２次元的データを集約して、３次元座標で硬さの３次元的表示とすることができる。これによって、しこりの部分１８の３次元的外形の表示および、３次元的に異変部の位置の表示に適したものとできる。また、適当な統計処理等を行って、硬さの平均値、硬さ分布グラフ等を表示するものとしてもよい。
　表示処理されたデータは、表示部８８に出力される。表示部８８は制御装置４０のディスプレイまたはこれに接続されるプリンタ等である。図１には、測定深さごとの２次元硬さ分布の集合として、硬さの３次元的表示１００が行われている様子が示されている。また、制御装置４０に外部との信号伝達を行うインタフェイスを設け、表示処理されたデータを外部の診断装置等に出力し、さらに詳細な解析を進めるものとしてもよい。
　上記のように、硬さ算出部７０と測定深さ算出部８２には、いずれにも、各探触素子２２における入射波のデータと反射波のデータが入力される。つまり、同じデータを用いて、一方で硬さを算出し、他方で測定深さを算出する。図４を用いてその様子を説明する。図４は、１つの探触素子２２に入力された入射波信号９２と、その入射波信号９２が生体組織１６の内部から反射された反射波信号９４の様子を横軸に時間、縦軸に信号の大きさを示す電圧で示したものである。入射波信号９２はパルス波として入射されるので、反射波が来るまで次のパルス波を入射しないことにすれば、入射波信号９２と反射波信号９４とを正確に対応付けできる。
　硬さ算出部７０は、この入射波信号９２と反射波信号９４についてそれぞれ周波数ｆと位相θについての周波数分析を行い、その結果に基いて入射波が反射されて反射波として戻されたしこりの部分１８の硬さを算出する。図４では、入射波信号９２の波形の状態を(ｆ，θ)１として示され、反射波信号９４の波形の状態が（ｆ，θ）２として示されているが、硬さ算出部７０は、この(ｆ，θ)１と（ｆ，θ）２とに基いて、しこりの部分１８の硬さを算出する。
　測定深さ算出部８２は、この入射波信号９２と反射波信号９４についてそれぞれパルスの時間的位置を求め、その差から、しこりの部分１８の測定深さを算出する。図４では、入射波信号９２の時間的位置をｔ１とし、反射波信号９４の時間的位置をｔ２として示されているが、測定深さ算出部８２は、この時間的位置ｔ１とｔ２とに基いて、しこりの部分１８の測定深さを算出する。
　次に硬さ算出部７０の詳細を説明する。図５は、硬さ算出部７０のブロック図である。硬さ算出部７０は、入力データとして、信号線４２からの入射波信号９２と、信号線４４からの反射波信号９４が与えられる。これらの信号は、増幅器７２によって適切な信号レベルに増幅され、それぞれ周波数成分分析部７４に入力される。
　周波数成分分析部７４は、その入射波、反射波の周波数成分分析を行い、入射波、反射波それぞれにつき、複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析し、各正弦波成分の周波数と、その周波数における正弦波成分と余弦波成分との比率から定まる位相との関係を求める。この周波数に対する位相との関係が、いわゆる周波数に対する位相スペクトル分布である。したがって、周波数成分分析部７４は、入射波信号９２の周波数に対する位相スペクトル分布と、反射波信号９４の周波数に対する位相スペクトル分布を求める機能を有する。周波数性分析は一般にフーリエ解析と呼ばれる手法を用いることができる。
　図６に、周波数成分分析を行って得られた入射波信号９２および反射波信号９４の周波数に対する位相スペクトル分布の例を示す。図６（ａ）は入射波信号９２に対するもの、図６（ｂ）は、反射波信号９４に対するものであり、これらの図において横軸は周波数ｆ、縦軸はゲインまたは位相θである。ゲインデータは線分の長さで示され、位相θのデータは丸印で示されている。図６（ａ）と（ｂ）とは横軸の周波数の原点位置をそろえてあるが、このように、同じ周波数において、入射波信号９２の位相と反射波信号９４の位相とは異なった値を示している。この値の相違が、しこりの部分１８の硬さを反映していることになる。このようにして求められた入射波信号９２、反射波信号９４の周波数に対する位相スペクトル分布は、位相差算出部７６に入力される。
　位相差算出部７６は、入射波信号９２の位相スペクトル分布と反射波信号９４の位相スペクトル分布とを比較し、入射波信号９２と反射波信号９４との間の周波数成分の変化を表すものとして、それぞれの周波数ｆｘについて、その入射波信号９２の位相と反射波信号９４の位相の差である位相差θｘを算出する機能を有する。
　図７に位相差θｘを求める様子を示す。図７は、図６で得られた入射波信号９２の位相スペクトル分布と反射波信号９４の位相スペクトル分布のデータを、横軸に周波数ｆｘをとり、縦軸に同じ周波数における反射波信号９４の位相θ２と入射波信号９２の位相θ１の差である位相差（θ２－θ１）である位相差θｘをとったものである。このように、複数のｆｘとθｘの組の集合自体を、そのまま、入射波信号９２と反射波信号９４との間の周波数成分の変化を表すものとして用いることができるが、分かりやすい指標としては、位相差θｘが最大値θｘ（ＭＡＸ）となる周波数ｆｘ（ＭＡＸ）と、そのθｘ(ＭＡＸ）との組を、しこりの部分１８の硬さを表す入射波信号９２と反射波信号９４との間の周波数成分の変化を表す代表として用いることができる。以下では、このｆｘ（ＭＡＸ）とθｘ(ＭＡＸ)とを用いるものとする。
　求められた周波数ｆｘ（ＭＡＸ）と位相差θｘ（ＭＡＸ）のデータは、周波数変化量検出部７８に入力される。周波数変化量検出部７８は、入射波信号９２の周波数に対する反射波信号９４の振幅ゲイン及び位相差の関係を表す基準伝達特性曲線を用い、周波数ｆｘ（ＭＡＸ）における位相差θｘ（ＭＡＸ）について、周波数を変化させることで位相差θｘ（ＭＡＸ）をゼロにシフトさせるための周波数変化量ｄｆを算出する機能を有する。周波数変化量算出の機能は、位相差を補償するのに要する周波数の変化をもとめるので、いわば位相差補償演算機能ということもできる。
　図８は、周波数変化量検出部７８の作用を説明する図である。図８は、横軸が周波数、縦軸が振幅ゲインと位相を相対値で示すもので、基準伝達特性曲線として、共振周波数で振幅ゲインが最大となるバンドパス特性を示すものが示されている。かかる基準伝達特性曲線は、ハードウェアあるいはソフトウェアを用いてバンドパスを生成する技術で生成できる。基準伝達特性曲線は、位相の変化を周波数の変化に換算する換算曲線であり、その曲線自体は、位相と周波数の換算比をどの程度にしたいかで設計することができる。
　この基準伝達特性曲線を用いて位相差補償演算を行うには、まず、周波数ｆｘ（ＭＡＸ）および位相差θｘ（ＭＡＸ）をこの基準伝達特性曲線上に求め、ここから位相差θｘ（ＭＡＸ）分を位相差特性曲線上で移動させてそれに対応する周波数変化量ｄｆを求めるようにする。このようにすることで、位相差θｘ（ＭＡＸ）をゼロにするときの周波数変化量がｄｆとして求められる。
　周波数と位相差のデータは、生体組織１６の内部におけるしこりの部分１８の硬さに対応する物質特性を反映している。そのなかで、最も位相差の変化が大きい周波数ｆｘ（ＭＡＸ）とその最大位相差θｘ（ＭＡＸ）は、測定対象である生体組織１６の内部のしこりの部分１８の硬さを特に代表しているものと考えられる。したがって、最大位相差θｘ（ＭＡＸ）をゼロにシフトさせるための周波数変化量ｄｆを算出し、これをもって生体組織１６の内部のしこりの部分１８の硬さを代表する特性値とすることができる。
　上記周波数成分分析部７４、位相差算出部７６（周波数位相差特定）、周波数変化量検出部７８（位相差補償演算）のさらに詳細な内容については、特開２００２－２７２７４３号公報に述べられている。
　硬さ変換器８０は、周波数変化量ｄｆを生体組織の硬さに変換する機能を有する。周波数変化量ｄｆを生体組織の硬さに変換するには、較正テーブル等を用いることができる。較正テーブルは、硬さの基準とできる基準物質を探触素子２２の接触ボール３０の先端に押し当て、上記で述べた手順のように、パルス波を入射し、反射波を検出して周波数成分分析を行い、そのときの周波数変化を得ることで作成できる。
　図９は、硬さの基準として、硬さの異なる３０ｍｍ厚みのゼラチンを用いて、せん断弾性係数Ｇとｄｆとの関係を求めた例を示すものである。図９に示されるように、硬さを表すＧと図５で述べた手順で求められる周波数変化量ｄｆとの間にきれいな線形関係があることが分かる。このような結果を、周波数変化量ｄｆを硬さに換算するための較正特性線、あるいは較正テーブルとして用いることができる。
　硬さ変換器８０の出力は、図３で述べたように、探触素子２２のアドレスに対応付けてデータ収集部８４に供給される。
　次に測定深さ算出部８２の内容を説明する。測定深さ算出部８２は、図４で説明したように、入射波信号９２の時間的位置ｔ１と反射波信号９４の時間的位置ｔ２とに基き、超音波の生体組織１６の内部における伝播速度ｖを用いて、しこりの部分１８の測定深さを求める。入射波信号９２、反射波信号９４のそれぞれの時間的位置ｔ１，ｔ２の検出は、例えば、図１０の電圧－時間特性に示されるように、最大ピーク検出によって行うことができる。
　最大ピーク検出は、適当な電圧閾値と、信号の微分処理等を用いることで行うことができる。すなわち、入射波信号９２、反射波信号９４の振幅である電圧値に適当な閾値を設定することで、それぞれについて最大ピークのみを選び出すことができる。選び出された最大ピークの波形について微分処理を行い、ゼロクロス点を求めることでピーク検出を行うことができる。検出された時間を、入射波信号９２の時間的位置ｔ１と反射波信号９４の時間的位置ｔ２とすることができる。
　次に、硬さの３次元表示を具体的に得る手順について詳細に説明する。図１１と図１２は、３次元表示を行うときの手順を示すフローチャートである。これらの手順は、制御装置４０のＣＰＵによって実行される物質の硬さ分布表示プログラムの処理手順に相当する。図１１は、硬さ算出部７０、測定深さ算出部８２、データ収集部８４に関係する手順を示し、図１２は、表示処理部８６、表示部８８に関係する手順を示す。
　硬さの３次元表示を行うには、プローブ部２０を生体組織１６に押し付け、各探触素子２２のそれぞれについて硬さと測定深さとを順次測定することが実行される。順次測定は、探触素子２２の識別アドレスを用いて行われる。図１１において、探触素子２２の識別アドレス番号をｉとしたときに、このｉを１から順に増加させ、ｉの最大値であるｉＭＡＸ＝３７まで、硬さ測定と測定深さを測定する手順が示される。
　すなわち、ｉ＝１を初期状態として設定する（Ｓ１０）。この設定で、切替回路５０は、識別アドレスｉ＝１の探触素子２２をパルス波発生器６０に接続する（Ｓ１２）。これによって、その探触素子２２の振動子２６にパルス波が供給され、生体組織１６の内部に向かって超音波のパルス波が入射される。また、その探触素子２２は硬さ算出部７０と測定深さ算出部８２に接続されるので、図４から図１０に関連して説明した方法で、入射波信号９２と反射波信号９４を用いて、硬さＨｉと測定深さＺｉとがそれぞれ測定される（Ｓ１４，Ｓ１６）。測定された結果は、識別アドレスｉ＝１に対応付けられ、硬さＨ１と測定深さＺ１としてデータ収集部８４に伝送され記憶される。
　次に識別アドレスｉの番号を１進ませ（Ｓ２０）、進ませた番号がｉＭＡＸ＋１を超えないか否かを判断し（Ｓ２２）、超えないときはまだ全部の探触素子２２の測定が終了していないものとして、Ｓ１２に戻り、上記の測定を繰り返す。このようにして、全部の探触素子２２について、硬さと測定深さを順次測定される。そして、データ収集部８４には、全部の探触素子２２について、硬さＨｉと測定深さＺｉが識別アドレスｉに対応付けて記憶される。
　図１２には、データ収集部８４に記憶されるデータに基いて生体組織１６の内部のしこりの部分１８についての硬さの３次元的分布を表示する手順が示されている。制御装置４０には、予め、全部の探触素子２２について、その識別アドレスｉと、その探触素子２２の２次元座標系における座標位置（Ｘｉ，Ｙｉ）との関係が適当なメモリに記憶される（Ｓ３０）。この関係データは、物質の硬さ分布表示システム１０において、プローブ部２０を設定したときに制御装置４０の入力部から予め入力されること等によって記憶されるものとできる。
　そして、３次元的硬さ分布表示を行うには、データ収集部８４から、探触素子２２の識別アドレスｉを検索キーとして、硬さＨｉと測定深さＺｉとを読み出す（Ｓ３２）。そして、制御装置４０のメモリから、その識別アドレスｉの２次元座標位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を読み出す（Ｓ３４）。これによって、２次元座標系の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）と、その位置における硬さＨｉと測定深さＺｉが対応付けられて読み出されたことになる。
　次に、２次元座標系の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）と、その位置における測定深さＺｉのデータを用い、ｉを１から３７まで順に、２次元座標系でＺｉの分布をマップ化して画像で表示する処理を行う（Ｓ３６）。この処理は、生体組織１６の内部のしこりの部分１８の外形を画像化することに相当する。図１３には、３７組の（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を滑らかに結んで得られる測定深さ分布１０２が示されている。この例では、超音波パルスが生体組織１６の内部に入射して反射してくる測定深さの分布が鞍形の面形状を有していることが示される。
　次に、２次元座標系の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）と、その位置における硬さＨｉのデータを用い、ｉを１から３７まで順に、２次元座標系でＨｉの分布をマップ化して画像で表示する処理を行う（Ｓ３８）。この処理は、各探触素子２２が生体組織１６の内部のしこりの部分１８の硬さを測定した結果をその探触素子２２の位置と関係付けて画像化したものに相当する。硬さＨｉの大きさを画像化するには、例えばＨｉの大きさに応じて色相を変える、色の濃淡を変える等の方法を用いることができる。図１３には、硬さＨｉを斜線の密度で表すこととして、３７組の（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｈｉ）を密度の異なる斜線の分布で表した硬さ分布１０４が示されている。
　このようにして、２次元座標系における測定深さ分布１０２と、同じ２次元座標系における硬さ分布１０４が得られると、この２つについて座標（Ｘｉ，Ｙｉ）を共通として重畳させてマップ化することで、硬さの３次元的分布が得られる（Ｓ４０）。図１３には、このようにして得られる硬さの３次元的分布１０６が示されている。
　なお、図１３に示される硬さの３次元的分布１０６のデータを適当に加工することで、図１に示されるように、測定深さごとの２次元硬さ分布の集合として、硬さの３次元的表示１００を行うこともできる。
　本発明に係る物質の硬さ分布表示システム及び物質の硬さ分布表示方法は、生体組織を含む一般的な物質の硬さの分布表示に利用することができる。
　１０　物質の硬さ分布表示システム、１６　生体組織、１８　しこりの部分、２０　プローブ部、２２　探触素子、２４　ベース部、２６　振動子、２８　振動検出センサ、３０　接触ボール、３２，３４，４２，４４　信号線、４０　制御装置、５０　切替回路、５２　スイッチ、５４　走査部、６０　パルス波発生器、７０　硬さ算出部、７２　増幅器、７４　周波数成分分析部、７６　位相差算出部、７８　周波数変化量検出部、８０　硬さ変換器、８２　測定深さ算出部、８４　データ収集部、８６　表示処理部、８８　表示部、９０　統括制御部、９２　入射波信号、９４　反射波信号、１００，１０６　硬さの３次元的表示、１０２　測定深さ分布、１０４　硬さ分布。

Claims (8)

  1. 　被測定物質にパルス波を入射する振動子と、
    　入射されたパルス波が被測定物質から反射されてくる反射波を受信する振動検出センサと、
    　入射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析手段と、
    　反射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析手段と、
    　入射波のスペクトル分布と反射波のスペクトル分布とを比較し、分布を構成するそれぞれの周波数ｆｘについて、その周波数ｆｘの下の入射波の位相と反射波の位相との差である位相差θｘを算出する周波数位相差算出手段と、
    　周波数ｆｘと位相差θｘの組のデータに基いて被測定物質の硬さを算出する硬さ算出手段と、
    　硬さを算出するために用いた入射波の入射時刻と反射波の受信時刻とに基いて、硬さを測定した位置の深さである測定深さを算出する測定深さ算出手段と、
    　硬さと測定深さとを対応付けて表示する表示手段と、
    　を備えることを特徴とする物質の硬さ分布表示システム。
  2. 　請求項１に記載の物質の硬さ分布表示システムにおいて、
    　振動子と振動検出センサとを１組とする探触素子が２次元的に配置され、
    　硬さ算出手段は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における硬さをそれぞれ算出して硬さの２次元的分布を求め、
    　測定深さ算出手段は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における測定深さをそれぞれ算出して測定深さの２次元的分布を求め、
    　表示手段は、被測定物質について、硬さの２次元分布と測定深さの２次元分布とを対応付けて３次元的な硬さ分布を表示することを特徴とする物質の硬さ分布表示システム。
  3. 　請求項２に記載の物質の硬さ分布表示システムにおいて、
    　各探触素子が２次元的に配置されるときの各探触素子の２次元座標位置を各探触素子の識別アドレスに対応付けて記憶する記憶手段を備え、
    　硬さ算出手段は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における硬さを求め、
    　測定深さ算出手段は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における測定深さを求め、
    　表示手段は、
    　記憶手段から各探触素子の識別アドレスに対応する２次元座標位置を読み出し、その識別アドレスに対応する測定深さを用いて、２次元座標系における測定深さの分布を表示する測定深さ２次元表示手段と、
    　読み出された識別アドレスに対応する各探触素子の位置における硬さを用いて、２次元座標系における硬さの分布を表示する硬さ２次元表示手段と、
    　を含み、２次元座標系における測定深さの分布に、同じ２次元座標系における硬さの分布を重畳させて、３次元的な硬さ分布を表示することを特徴とする物質の硬さ分布表示システム。
  4. 　請求項１に記載の物質の硬さ分布表示システムにおいて、
    　硬さ算出手段は、
    　任意の周波数の振動を入射したときの入射波の周波数に対する反射波の振幅ゲインと位相の関係を示す基準伝達関数を予め求めて記憶する記憶手段と、
    　基準伝達関数を用いて、周波数ｆｘと位相差θｘとを入力し、位相差θｘをゼロにするときの周波数のｆｘからの変化であるｄｆを求める周波数変化量検出部と、
    　予め求められている硬さ－ｄｆ特性に基いて、周波数変化量検出部によって求められたｄｆを硬さに換算する硬さ換算手段と、
    　を含むことを特徴とする物質の硬さ分布表示システム。
  5. 　請求項１に記載の物質の硬さ分布表示システムにおいて、
    　硬さ算出手段は、最大位相差θｘ（ＭＡＸ）と、最大位相差のときの周波数ｆｘ（ＭＡＸ）との組に基いて、被測定物質の硬さを算出することを特徴とする物質の硬さ分布表示システム。
  6. 　振動子によって被測定物質にパルスとして入射された入射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める入射波周波数成分分析工程と、
    　振動検出センサによって検出された被測定物質からの反射波を複数の正弦波成分と余弦波成分とに分析する周波数分析を行なって、各正弦波成分の周波数とその周波数における正弦波成分と余弦波成分とから求められる位相のスペクトル分布を求める反射波周波数成分分析工程と、
    　入射波のスペクトル分布と反射波のスペクトル分布とを比較し、分布を構成するそれぞれの周波数ｆｘについて、その周波数ｆｘの下の入射波の位相と反射波の位相との差である位相差θｘを算出する周波数位相差算出工程と、
    　周波数ｆｘと位相差θｘの組のデータに基いて被測定物質の硬さを算出する硬さ算出工程と、
    　硬さを算出するために用いた入射波の入射時刻と反射波の受信時刻とに基いて、硬さを測定した位置の深さである測定深さを算出する測定深さ算出工程と、
    　硬さと深さとを対応付けて表示する表示工程と、
    　を含むことを特徴とする物質の硬さ分布表示方法。
  7. 　請求項６に記載の物質の硬さ分布表示方法において、
    　振動子と振動検出センサとを１組とする探触素子が２次元的に配置され、
    　硬さ算出工程は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における硬さをそれぞれ算出して硬さの２次元的分布を求め、
    　測定深さ算出工程は、２次元的に配置された各探触素子による入射波と反射波とに基いて、各探触素子の位置における測定深さをそれぞれ算出して測定深さの２次元的分布を求め、
    　表示工程は、被測定物質について、硬さの２次元分布と測定深さの２次元分布とを対応付けて３次元的な硬さ分布を表示することを特徴とする物質の硬さ分布表示方法。
  8. 　請求項７に記載の物質の硬さ分布表示方法において、
    　各探触素子が２次元的に配置されるときの各探触素子の２次元座標位置を各探触素子の識別アドレスに対応付けて記憶する記憶装置を用い、
    　硬さ算出工程は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における硬さを求め、
    　測定深さ算出工程は、各探触素子の識別アドレスに対応付けて各探触素子の位置における測定深さを求め、
    　表示工程は、
    　記憶装置から各探触素子の識別アドレスに対応する２次元座標位置を読み出し、その識別アドレスに対応する測定深さを用いて、２次元座標系における測定深さの分布を表示する測定深さ２次元表示工程と、
    　読み出された識別アドレスに対応する各探触素子の位置における硬さを用いて、２次元座標系における硬さの分布を表示する硬さ２次元表示工程と、
    　を含み、２次元座標系における測定深さの分布に、同じ２次元座標系における硬さの分布を重畳させて、３次元的な硬さ分布を表示することを特徴とする物質の硬さ分布表示方法。
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