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
【課題】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ことである。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４５６９１号公報
【特許文献２】特開２００２−２７２７４３号公報
【特許文献３】特開２００４−２８３５４７号公報
【特許文献４】特開２００７−８２７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【符号の説明】
【００７９】
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。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４５６９１号公報
【特許文献２】特開２００２−２７２７４３号公報
【特許文献３】特開２００４−２８３５４７号公報
【特許文献４】特開２００７−８２７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【符号の説明】
【００７９】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１１５３４４（Ｐ２０１０−１１５３４４Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９０６２９（Ｐ２００８−２９０６２９）
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、都市エリア産学官連携促進事業（発展型）委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、都市エリア産学官連携促進事業（発展型）委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
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