被検査物の測定方法、及び被検査物の測定装置
【課題】被検査物の音速及び音響インピーダンスを求め、それらを用いて被検査物の物理特性をより正確に把握すること。
【解決手段】トランスデューサ１４はパルス励起されることによって超音波を生体組織２１に向けて照射するとともに、生体組織２１からの反射波を受信する。ＣＰＵ３１は、ガラス基板２０からの反射波を用いてデコンボリューション処理を行うことで、生体組織２１からの反射波を補正する。ＣＰＵ３１は、補正した反射波から、生体組織２１の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離する。ＣＰＵ３１は、分離した各反射波をそれぞれ周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスを求める。
【解決手段】トランスデューサ１４はパルス励起されることによって超音波を生体組織２１に向けて照射するとともに、生体組織２１からの反射波を受信する。ＣＰＵ３１は、ガラス基板２０からの反射波を用いてデコンボリューション処理を行うことで、生体組織２１からの反射波を補正する。ＣＰＵ３１は、補正した反射波から、生体組織２１の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離する。ＣＰＵ３１は、分離した各反射波をそれぞれ周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して被検査物を測定する被検査物の測定方法、及び被検査物の測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外科手術中において切除する部位の大きさは、術後の患者の負担を考えるとできるかぎり小さく抑えるべきであるが、患部の一部が切除されずに残ってしまうと病気が再発するといった問題がある。このため、切除後の残留部分から標本（生体組織）をサンプリングし、患部の拡がりがないことを確認する必要がある。現在、この作業は、摘出した生体組織の切片を染色し、光学顕微鏡で観察することによって行われている。組織確定診断は、病理学的所見に基づいて標本部分に患部が拡がっていないことを確認する診断であるが、切片の染色には数日を要することから、術後の確認に用いられている。
【０００３】
術中においては、縫合前に患部が残されていないことを短時間で判断することが要求される。そのため、特殊な染料を用いて短時間で染色し、標本部分に患部が拡がっていないことを概ね確認する「組織迅速診断」といった方法も実用化されている。ところが、この組織迅速診断においても１時間程度の時間を必要とし、この間手術が中断されるので、これに代わる方法として、超音波による音速像の観察が提案されている。つまり、超音波によって音速像を得る場合には、染色法を用いなくても生体組織の観察を行うことができる。このことから、組織確定診断を行う診断装置として超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められている。
【０００４】
具体的には、従来の超音波顕微鏡では、単一周波数のバースト波を利用し、反射した超音波信号の強度や位相を解析することで、生体組織の性状を観察する。しかし、このような超音波顕微鏡には、超音波信号の測定に長時間を要するという問題があった。また、十分な精度と安定度を持った発振器や測定系などのアナログシステムが必要となるため、装置が大型化、複雑化するといった問題もあった。
【０００５】
これら問題を解消して術中診断を可能とするための手段として、本発明者らはパルス励起型の超音波顕微鏡をすでに提案している（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。このパルス励起型超音波顕微鏡を用いた観察では、生体組織から切り出し、その組織を用いて厚さ数μｍの凍結切片５１を作製し、これをまずガラス基板５２上に固定する（図１５参照）。そして、パルス波でトランスデューサ５３を励起して超音波Ｓ０を出力させ、その超音波Ｓ０を水などの媒質５４を介して凍結切片５１に照射する。そして、組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとの合成波を、トランスデューサ５３で受信する。さらに、この受信波をフーリエ変換して基板５２からの直接反射と比較することにより、強度及び位相スペクトルを得る。
【０００６】
ところで、バースト波を用いた従来方式では、同じ測定点で周波数を切り替え何回も測定し、組織表面の反射と背面の反射との干渉を観測する必要があった。これに対して、パルス励起型超音波顕微鏡によれば、１回の測定で算出することができるという利点がある。この測定で得られた信号強度の極小点または極大点の周波数をｆｍ、そのときの位相をφｍとすると、組織表面と背面からの反射は極小点では逆位相、極大点では同位相となる。すなわち、極小点においては組織表面からの反射は背面からの反射より位相が（２ｎ−１）π進んでおり、φｍ＋（２ｎ−１）πとなる（ｎは自然数）。従って、組織の厚さｄ、水の音速Ｃ０とすると、
【０００７】
【数１】
が成立している。
【０００８】
従って、次式のように組織厚さｄが求まる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
また、距離２ｄを組織音速Ｃで通過した波と水の音速Ｃ０で通過した波との位相差がφｍであることから、
【００１１】
【数３】
となり、次式のように組織音速Ｃが求まる。
【００１２】
【数４】
【００１３】
また、極大点においては組織表面からの反射と背面からの反射との位相差が２ｎπとなっていることから、次式の関係が成立している。
【００１４】
【数５】
【００１５】
この式を用いれば、極小点の場合と同様に、組織厚さｄを求めることができ、さらに、その組織厚さｄを用いて音速Ｃを求めることができる。
【００１６】
このように、組織音速Ｃを測定しながら、超音波の照射点を二次元走査することにより、二次元の音速像が得られる。音速Ｃは、組織の硬さに関連するパラメータであり、音速像によって凍結切片５１の性状を観察することができる。
【００１７】
さらに、本発明者らはパルス励起型の超音波顕微鏡を利用して生体組織の音響インピーダンス像を表示する超音波画像検査装置も提案している。この超音波画像検査装置では、超音波Ｓ０が走査される範囲内において生体組織６１の周縁となる位置にリファレンス部材６２を設け、ガラス基板６３を介して生体組織６１及びリファレンス部材６２に超音波Ｓ０を照射する（図１６参照）。
【００１８】
リファレンス部材６２においてその表面と直交する角度で照射される超音波（入射波）Ｓ０と反射波Ｓｒとの間には次式（６）の関係が成り立つ。
【００１９】
【数６】
【００２０】
ただし、Ｚｓはガラス基板６３の音響インピーダンスであり、Ｚｒはリファレンス部材６２の音響インピーダンスである。
【００２１】
生体組織６１においてその表面と直交する角度で照射される超音波Ｓ０と反射波Ｓｔとの間には次式（７）の関係が成り立つ。
【００２２】
【数７】
【００２３】
ただし、Ｚｔは生体組織６１の音響インピーダンスである。
【００２４】
従って、上記式（６），（７）から生体組織６１の音響インピーダンスＺｔは、次式（８）により求められる。
【００２５】
【数８】
【００２６】
この超音波画像検査装置において、音響インピーダンスＺｔを測定しながら超音波Ｓ０の照射点を二次元走査することにより、二次元の音響インピーダンス像が得られる。音響インピーダンスＺｔも、組織の硬さに関連するパラメータであり、音響インピーダンス像によって生体組織６１の性状を観察することができる。
【特許文献１】特開２００４−２９４１８９号公報
【非特許文献１】「医用超音波：パルス励起型超音波音速顕微鏡」（「超音波TECHNO」VOL.15 No.6(2003.11〜12)（１０１〜１０５頁）日本工業出版社発行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ところで、音速Ｃや音響インピーダンスＺｔは、生体組織の硬さに関連する音響パラメータであるが、体積弾性率などのような物理パラメータではないため、生体組織のより正確な物理特性を得ることはできない。同一の生体組織における同じ場所の音速Ｃと音響インピーダンスＺｔとを取得することができれば、それらを用いてその場所の体積弾性率を求めることができ、その体積弾性率により生体組織の硬さ情報を正確に把握することが可能となる。しかし、従来技術では、組織音速Ｃを求める装置と音響インピーダンスＺｔを求める装置とが別々に必要となるため、装置の設置スペースが増大したり、設備コストが嵩んだりするといった問題が生じる。また、生体組織をそれぞれの装置に設置して各画像を取得する必要があるため、生体組織を各装置間で移動させなければならない。さらに、観察場所の位置合わせも困難となるため、組織診断を迅速に行うこと困難となるといった問題も生じてしまう。
【００２８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検査物の音速及び音響インピーダンスを求め、それらを用いて被検査物の物理特性をより正確に把握することができる被検査物の測定方法、及び被検査物の測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、前記被検査物からの反射波を取得するステップと、前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスを求めるステップとを含むことを特徴とする被検査物の測定方法をその要旨とする。
【００３０】
請求項１に記載の発明によれば、パルス励起型超音波顕微鏡において、異なる周波数成分を含む超音波がパルス励起されて被検査物に照射される。その被検査物で反射される反射波も異なる周波数成分を含む。そのため、非載置面からの反射波を用いて、被検査物からの反射波を周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスが求められる。そして、これら音速及び音響インピーダンスを用いれば、各種の物理パラメータを求めることができ、被検査物の物理特性を正確に把握することができる。
【００３１】
請求項２に記載の発明は、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、前記被検査物からの反射波を取得するステップと、前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行うステップと、前記補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離するステップと、前記分離された各反射波の位相に基づいて音速を求めるステップと、前記分離された各反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスを求めるステップとを含むことを特徴とする被検査物の測定方法をその要旨とする。
【００３２】
前記被検査物で反射される反射波は、被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が干渉した波形となる。従って、請求項２に記載の発明のように、試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を用いてデコンボリューション処理を行うことにより、被検査物からの反射波が補正され、その反射波から被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が時間領域で分離される。そして、分離された各反射波の位相に基づいて音速が求められ、反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスが求められる。これら音速及び音響インピーダンスを用いれば、各種の物理パラメータを求めることができるため、被検査物の物理特性を正確に把握することができる。
【００３３】
前記時間領域で分離した各反射波も異なる周波数成分を含むため、各反射波をそれぞれフーリエ変換することにより、信号強度及び位相スペクトルの周波数特性データを求めることができる。そして、位相スペクトルの周波数特性データにより得られる位相差に基づいて、被検査物の音速を求めることができる。また、強度スペクトルの周波数特性データにより得られる反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスを求めることができる。このようにすると、音速や音響インピーダンスなどの各種のパラメータの周波数依存性を得ることができるため、被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。
【００３４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記音響インピーダンスを前記音速で除算することにより被検査物の密度を求めることをその要旨とする。
【００３５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記音響インピーダンスと前記音速とを乗算することにより被検査物の体積弾性率を求めることをその要旨とする。
【００３６】
請求項３や請求項４に記載の発明のように、音響インピーダンスと音速を用いて、被検査物の密度や体積弾性率といった物理パラメータを求めることができるので、被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。
【００３７】
請求項５に記載の発明は、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する測定装置であって、パルス励起されることによって超音波を被検査物に照射するとともに、前記被検査物からの反射波を受信する超音波振動子と、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波と前記被検査物からの反射波とに基づいて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行う処理手段と、前記処理手段により補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離する波形分離手段と、前記波形分離手段により分離された各反射波の位相に基づいて、前記被検査物の音速を算出する音速算出手段と、前記波形分離手段により分離された各反射波の信号強度に基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス演算手段とを備えることを特徴とする被検査物の測定装置をその要旨とする。
【００３８】
請求項５に記載の発明によれば、超音波振動子がパルス励起されることによって超音波が被検査物に向けて照射され、超音波振動子により被検査物からの反射波が受信される。そして、処理手段により、試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を用いてデコンボリューション処理が行われて被検査物からの反射波が補正される。また、波形分離手段により、補正された反射波から被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が時間領域で分離される。さらに、音速算出手段により、各反射波の位相に基づいて被検査物の音速が算出され、音響インピーダンス演算手段により、各反射波の信号強度に基づいて被検査物の音響インピーダンスが算出される。そして、これら音速及び音響インピーダンスを用いれば、各種の物理パラメータを求めることができ、被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。またこの場合、従来技術のように音速の測定装置と音響インピーダンスの測定装置とを別々に設ける必要がないので、測定装置の設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。さらに、被検査物を移動させることなく、同一場所の音速や音響インピーダンスなどのパラメータを容易に取得できるため、被検査物の解析を迅速に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００３９】
以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、被検査物の音速及び音響インピーダンスを求め、それらを用いて被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は測定装置としての超音波画像検査装置を示す概略構成図である。
【００４１】
図１に示されるように、本実施の形態の超音波画像検査装置１は、パルス励起型超音波顕微鏡２と、Ａ／Ｄボード３と、パーソナルコンピュータ（パソコン）４とを備える。
【００４２】
超音波顕微鏡２には、パルス発生回路１１と、送受波分離回路１２と、受信回路１３と、トランスデューサ１４と、Ｘ−Ｙステージ１５と、エンコーダ（ＥＮＣ）１６と、コントローラ１７と、駆動モータ１８Ｘ，１８Ｙとが設けられている。
【００４３】
トランスデューサ１４は、酸化亜鉛の薄膜圧電素子１４ａとサファイアロッドの音響レンズ１４ｂとからなり、パルス発生回路１１で発生される励起パルスにより薄膜圧電素子１４ａが振動して所定周波数帯域の超音波が音響レンズ１４ｂを通して出力される。この音響レンズ１４ｂにおける超音波は円錐状に収束され、水などの媒質１９を介して試料載置板としてのガラス基板２０の表面で焦点を結ぶようになっている。なお、トランスデューサ１４としては、口径１．２ｍｍ、焦点距離１．５ｍｍ、中心周波数８０ＭＨｚ、帯域幅５０〜１０５ＭＨｚ（−６ｄＢ）の仕様のものを用いている。
【００４４】
また、トランスデューサ１４の下方に、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１５が設けられ、そのステージ１５上にはガラス基板２０が固定されている。そして、そのガラス基板２０の上面に、被検査物としての生体組織２１が載置され、この生体組織２１に対してその上方から超音波が照射される。なお、この生体組織２１は、数μｍ程度（通常４μｍ〜１０μｍ）の厚さにスライスされた凍結切片（生体組織切片）である。
【００４５】
Ｘ−Ｙステージ１５は、生体組織２１を二次元的に動かすためのステージ１５Ｘ，１５Ｙと、それぞれのステージ１５Ｘ，１５Ｙを駆動するモータ１８Ｘ，１８Ｙとを備えている。このモータ１８Ｘ，１８Ｙとしては、ステッピングモータやリニアモータが使用される。
【００４６】
各モータ１８Ｘ，１８Ｙにはコントローラ１７が接続されており、該コントローラ１７の駆動信号に応答してモータ１８Ｘ，１８Ｙが駆動される。これらモータ１８Ｘ，１８Ｙの駆動により、Ｘステージ１５Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ１５Ｙを間欠送りとなるよう制御することで、Ｘ−Ｙステージ１５の高速走査が可能となっている。
【００４７】
また、本実施の形態においては、Ｘステージ１５Ｘに対応してエンコーダ１６が設けられ、エンコーダ１６によりＸステージ１５Ｘの走査位置が検出される。具体的に、走査範囲を３００×３００個の測定点（ピクセル）に分割した場合、１回のＸ方向（水平方向）の走査が３００分割される。そして、各測定点の位置がエンコーダ１６によって検出され、パソコン４に取り込まれる。パソコン４はそのエンコーダ１６の出力に同期して駆動制御信号を生成して、その駆動制御信号をコントローラ１７に供給する。コントローラ１７は、この駆動制御信号に基づいてモータ１８Ｘを駆動する。また、コントローラ１７は、エンコーダ１６の出力信号に基づきＸ方向の１ラインの走査が終了した時点でモータ１８Ｙを駆動して、Ｙステージ１５ＹをＹ方向に１ピクセル分移動させる。
【００４８】
さらに、コントローラ１７は、駆動制御信号に同期してトリガ信号を生成してパルス発生回路１１に供給する。これにより、パルス発生回路１１において、そのトリガ信号に同期したタイミングで励起パルスが生成される。その励起パルスが送受波分離回路１２を介してトランスデューサ１４に供給されて該トランスデューサ１４から超音波が照射される。
【００４９】
図２は、トランスデューサ１４側から見たＸ−Ｙステージ１５の平面図である。図２に示されるように、Ｘステージ１５Ｘによるｘ方向への往復走査とＹステージによるｙ方向への走査とを行うことにより、ガラス基板２０上の生体組織２１に対して超音波が二次元的に走査される。
【００５０】
図３には、本実施の形態における超音波の走査範囲Ｒの一例を示している。すなわち、超音波の走査範囲Ｒは、生体組織２１に加えてガラス基板２０の表面が露出している部分（ガラス面２０ａ）を含むように設定される。そして、走査範囲Ｒの左上の隅の位置から走査が開始され、矢印で示すように、Ｘ方向及びＹ方向に二次元的に走査が順次行われる。
【００５１】
図１に示すトランスデューサ１４の薄膜圧電素子１４ａは、送受波兼用の超音波振動子であり、生体組織２１で反射した超音波（反射波）を電気信号に変換する。そして、その反射波の信号は送受波分離回路１２を介して受信回路１３に供給される。受信回路１３は、図示しない信号増幅回路を含み、反射波の信号を増幅してＡ／Ｄボード３の検波回路２３に出力する。
【００５２】
検波回路２３は、超音波の反射波を検出するための回路であり、図示しないゲート回路を含む。本実施の形態の検波回路２３は、トランスデューサ１４で受信した反射波信号のなかからガラス面２０ａもしくは生体組織２１の反射波信号を抽出する。超音波はトランスデューサ１４とガラス面２０ａもしくは生体組織２１との間で繰り返し反射されるものであるため、検波回路２３は、最初に得られる反射波信号を抽出するよう構成されている。そして、検波回路２３で抽出された反射波信号はＡ／Ｄ変換回路２４に入力されて、Ａ／Ｄ変換された後、パソコン４に転送される。
【００５３】
パソコン４は、ＣＰＵ３１、インターフェース（Ｉ／Ｆ）３２，３３、メモリ３４、記憶装置３５、入力装置３６、及び表示装置３７を備え、それらはバス３８を介して相互に接続されている。
【００５４】
ＣＰＵ３１は、メモリ３４を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、Ｘ−Ｙステージ１５による二次元走査を制御するためのプログラム、音速や音響インピーダンスといった各種のパラメータを算出するためのプログラムなどを含む。
【００５５】
インターフェース３２は、Ａ／Ｄボード３からの転送データ（Ａ／Ｄ変換後の反射波信号など）を取り込むための通信ポート（例えば、ＵＳＢポート）であり、インターフェース３３は、コントローラ１７への駆動制御信号を出力したりエンコーダ１６の出力信号を取り込むための入出力ポートである。
【００５６】
表示装置３７は、例えば、ＬＣＤやＣＲＴなどのカラーディスプレイであり、生体組織２１の画像や、各種設定の入力画面を表示するために用いられる。入力装置３６は、キーボードやマウス装置などであり、ユーザからの要求や指示、パラメータの入力に用いられる。
【００５７】
記憶装置３５は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などであり、その記憶装置３５には制御プログラム及び各種のデータが記憶されている。ＣＰＵ３１は、入力装置３６による指示に従い、プログラムやデータを記憶装置３５からメモリ３４へ転送し、それを逐次実行する。なお、ＣＰＵ３１が実行するプログラムとしては、メモリカード、フレキシブルディスク、光ディスクなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には記憶装置３５にインストールして利用する。
【００５８】
次に、本実施の形態の超音波画像検査装置１において、生体組織２１の厚さ、音速、音響インピーダンスなどの各種のパラメータを算出するための方法について説明する。
【００５９】
先ず、図４に示すように、ガラス基板２０の表面（ガラス面）２０ａに超音波Ｓｏを照射し、そのガラス面２０ａでの反射波Ｓrefを取得する。その後、生体組織２１の表面に超音波Ｓｏを照射し、生体組織２１からの反射波Ｓｔを取得する。この生体組織２１からの反射波Ｓｔは、組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとを含んだ合成波として取得される。そして、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrefを参照波形としてデコンボリューション処理を行うことにより、生体組織２１での反射波Ｓｔを補正して組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとを分離する。
【００６０】
なお、このデコンボリューション処理では、各反射波Ｓref，Ｓｔをそれぞれフーリエ変換し、フーリエ変換後の反射波Ｓｔの周波数成分を反射波Ｓrefの周波数成分で除算し、さらに、その算出結果を逆フーリエ変換する。これにより、補正した反射波Ｓｔのデータが得られる。
【００６１】
図５は、デコンボリューション処理前のガラス面２０ａの反射波Ｓrefと生体組織２１の反射波Ｓｔとを示している。図６は、デコンボリューション処理後におけるガラス面の反射波Ｓrefと生体組織２１の反射波Ｓｔとを示している。
【００６２】
図５及び図６に示されるように、デコンボリューション処理により補正された生体組織２１の反射波Ｓｔは、補正前の波形に比べて生体組織２１の表面及び裏面での反射が分離可能な波形となる。本実施の形態では、このデコンボリューション処理によって補正された反射波Ｓｔに対して窓関数をかけることにより、組織表面での反射波Ｓfrontと組織裏面での反射波Ｓrearとを時間領域で分離する。
【００６３】
このように分離した各反射波Ｓfront，Ｓrearも、超音波Ｓｏと同様に異なる周波数成分を含む。従って、各反射波Ｓfront，Ｓrearのデータをそれぞれフーリエ変換することで各反射波Ｓfront，Ｓrearの強度及び位相スペクトルの周波数特性データ（図７及び図８参照）を求めることができる。なお、これら周波数特性データは、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrefを基準としたデータである。
【００６４】
ここで、組織表面での反射波Ｓfrontの位相φfrontは次式で表される。
【００６５】
【数９】
また、組織裏面での反射波Ｓrearの位相φrearは次式で表される。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
ただし、ｆは周波数、ｄは組織の厚さ、Ｃ０は水の音速、Ｃは組織の音速である。
【００６８】
従って、上記式（９）から組織の厚さｄは次式により求められる。
【００６９】
【数１１】
【００７０】
また、上記式（１０）から組織の音速Ｃは次式により求められる。
【００７１】
【数１２】
【００７２】
このように、周波数ｆとそれに応じた位相φfront，φrearを上記式（１１）及び式（１２）に代入することにより、各周波数ｆに対応した組織音速Ｃを求めることができる。
【００７３】
また、ガラス面２０ａでの反射波Ｓref、組織表面での反射波Ｓfront、組織裏面での反射波Ｓrearはそれぞれ以下の式で表される。
【００７４】
【数１３】
【００７５】
ただし、Ｚsはガラス基板２０の音響インピーダンス、Ｚwは水の音響インピーダンス、Ｚｔは生体組織２１の音響インピーダンス、αwは水の減衰定数、αｔは生体組織２１の減衰定数である。
【００７６】
測定条件における水の減衰定数αwの影響は極めて少ないため、入射される超音波Ｓ０は、上記式（１３）を用いて次式のように簡素化できる。
【００７７】
【数１４】
【００７８】
従って、所定の周波数ｆでの超音波Ｓ０の信号強度は、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrefとガラス基板２０の音響インピーダンスＺsと水の音響インピーダンスＺwとを用いて求めることができる。
【００７９】
また、生体組織２１の音響インピーダンスＺtは、上記式（１４）を用いて次式のように表される。
【００８０】
【数１５】
【００８１】
従って、所定の周波数ｆでの音響インピーダンスＺｔは、その周波数ｆにおける超音波Ｓ０の信号強度と組織表面での反射波Ｓfrontの信号強度とを用いて求めることができる。なおここで、組織表面での反射波Ｓfrontは、図７に示す強度スペクトルの周波数特性データを用いる。
【００８２】
また、上記のように算出した生体組織２１の音響インピーダンスＺｔと音速Ｃとを用いて、次式のように密度ρや体積弾性率Ｋを求める。
【００８３】
【数１６】
すなわち、音響インピーダンスＺｔを音速Ｃで除算することにより生体組織２１の密度ρを求め、音響インピーダンスＺｔと音速Ｃとを乗算することにより生体組織２１の体積弾性率Ｋを求める。
【００８４】
さらに、生体組織２１の減衰定数αｔは、次式のように表される。
【００８５】
【数１７】
従って、生体組織２１の減衰定数αｔは、組織の厚さｄとガラス面２０ａでの反射波Ｓref及び組織裏面での反射波Ｓrearの信号強度とを用いて求められる。なお、減衰定数αｔは、式（１６）で求めた超音波Ｓ０の信号強度や式（１７）で求めた音響インピーダンスＺｔなどに基づいて算出してもよい。
【００８６】
次に、本実施の形態において、生体組織２１の画像を生成するためにＣＰＵ３１が実行する処理例について、図９のフローチャートを用いて説明する。
【００８７】
先ず、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでコントローラ１７によってモータ１８Ｘ，１８Ｙを駆動し、超音波の照射点がガラス面２０ａ上に位置するようにＸ−Ｙステージ１５を移動する。またこのとき、励起パルスがトランスデューサ１４に供給されると、トランスデューサ１４から超音波が照射され、反射波の電気信号が検波回路２３で抽出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２４で変換されたデジタルデータをインターフェース３２を介して取り込み、そのデータをガラス面２０ａでの反射波のデータとしてメモリ３４に記憶する（ステップ１００）。
【００８８】
次に、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでコントローラ１７によってモータ１８Ｘ，１８Ｙを駆動し、Ｘ−Ｙステージ１５による二次元走査を開始させる。このとき、ＣＰＵ３１は、エンコーダ１６の出力に基づいて測定点の座標データを取得する（ステップ１１０）。ここで、励起パルスがトランスデューサ１４に供給されると、トランスデューサ１４から超音波が照射され、反射波の電気信号が検波回路２３で抽出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２４で変換されたデジタルデータをインターフェース３２を介して取り込み、そのデータを各測定点での反射波のデータとして座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１２０）。
【００８９】
その後、処理手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａからの反射波のデータを用いてデコンボリューション処理を行う（ステップ１３０）。図１０には、そのデコンボリューション処理の具体例を示している。
【００９０】
すなわち、第１のフーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａからの反射波Ｓrefのデータをフーリエ変換する（ステップ１３１）。次に、第２のフーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、生体組織２１における測定点での反射波Ｓｔのデータをフーリエ変換する（ステップ１３２）。そして、除算手段としてのＣＰＵ３１は、フーリエ変換後の反射波Ｓｔの周波数成分を反射波Ｓrefの周波数成分で除算する(ステップ１３３)。その後、逆フーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、その除算結果を逆フーリエ変換することで補正された反射波Ｓｔ（図６参照）のデータを得る（ステップ１３４）。この処理の終了後、ＣＰＵ３１は、図９に示すステップ１４０に移行する。
【００９１】
ステップ１４０において、波形分離手段としてのＣＰＵ３１は、所定の窓関数を用いて、補正された反射波Ｓｔから組織表面での反射波Ｓfrontと組織裏面での反射波Ｓrearとを時間領域で分離する。次いで、ＣＰＵ３１は、分離した各反射波Ｓfront，Ｓrearのデータをそれぞれフーリエ変換して各反射波Ｓfront，Ｓrearの位相スペクトルの周波数特性データを求める。そして、音速算出手段としてのＣＰＵ３１は、そのデータを用いて、上記式（１１）及び式（１２）に対応した演算を行うことで、測定点での生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１５０）。
【００９２】
その後、音響インピーダンス算出手段としてのＣＰＵ３１は、上記式（１６）及び式（１７）に対応した演算を行うことで、測定点での生体組織２１の音響インピーダンスＺｔを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する。さらに、算出した音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどを用い、上記式（１８）、式（１９）、式（２０）に対応した演算を行うことで、密度ρ、体積弾性率Ｋ、減衰定数αｔなどのパラメータを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１６０）。
【００９３】
ＣＰＵ３１は、全ての測定点での処理が終了し、１画面分の測定データが取得されたか否かを判断する（ステップ１７０）。ここで、全データが取得されていない場合、ＣＰＵ３１は、ステップ１００に戻って、ステップ１００〜１７０の処理を繰り返し実行し、全データが取得された場合には、画像表示処理を実行する（ステップ１８０）。
【００９４】
図１１には、その画像表示処理の具体例を示している。
先ず、ＣＰＵ３１は、所定のデータを表示装置３７に送信し、設定画面を表示させる（ステップ１８１）。この設定画面には、例えば、表示すべき画像の種類（音速像、インピーダンス像、密度像などのいずれかの画像）を選択するためのチェックボックスや周波数を指定するためのテキストボックスが表示されている。そして、ユーザにより入力装置３６が操作されて、チェックボックスにて画像の種類が選択され、テキストボックスに所定の周波数が入力される。ここで、例えば、音速像が選択された場合、画像生成手段としてのＣＰＵ３１は、入力された周波数に対応する１画面分の音速Ｃのデータをメモリ３４から順次読み出して、その音速Ｃのデータに基づいて音速像を生成するための画像処理を行う（ステップ１８２）。すなわち、ＣＰＵ３１は、音速Ｃを用いてカラー変調処理を行い、音速Ｃの大きさに応じた画像データを生成する。そして、ＣＰＵ３１は、それら画像データを表示装置３７に転送することにより、図１２に示すような音速像３９を表示させる（ステップ１８３）。このように、ＣＰＵ３１は、ユーザが指定した周波数の音速像３９を表示装置３７に表示した後に本処理を終了する。
【００９５】
また、本実施の形態では、ステップ１８１で表示される設定画面において、音響インピーダンスＺｔや密度ρの画像が選択される場合、図１３に示すような音響インピーダンス像４０や図１４に示すような密度像４１などが表示装置３７に表示される。さらに、設定画面において複数種類の画像が選択された場合には、複数の画像が表示装置３７に並べて表示される。なお、図１２〜図１４に示す画像（音速像３９、音響インピーダンス像４０、密度像４１）では、生体組織２１におけるパラメータ値の違いを色の濃淡で示しているが、実際には、パラメータ値に応じて色分けされたカラー画像として表示される。
【００９６】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００９７】
（１）本実施の形態超音波画像検査装置１では、生体組織２１の音速Ｃや音響インピーダンスＺｔを測定することができ、さらに、音速Ｃや音響インピーダンスＺtを用いることで、密度ρ、体積弾性率Ｋ、減衰定数αｔなどの各種パラメータを求めることができる。また、本実施の形態では、音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどの各種のパラメータの周波数依存性に関する情報を得ることができる。従って、これらパラメータによって生体組織２１の物理特性をより正確に判定することが可能となる。具体的には、例えば、体積弾性率Ｋは、生体組織２１の硬さを示す物理パラメータであるので、体積弾性率Ｋによって生体組織２１の硬さ情報を正確に得ることができる。また、低周波数での減衰定数αｔは、生体組織２１の粘性に関連する音響パラメータであるので、その減衰定数αｔによって、生体組織２１の粘り度合いを判定することができる。
【００９８】
（２）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、従来技術のように音速Ｃの測定装置と音響インピーダンスＺｔの測定装置とを別々に設ける必要がないので、設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。さらに、生体組織２１を移動させることなく、同一場所の音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどを容易に取得できるため、生体組織２１の解析を迅速に行うことが可能となる。
【００９９】
（３）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、Ｘ−Ｙステージ１５により超音波の照射点を二次元的に走査することで、生体組織２１における複数点での音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどのパラメータを求めることができる。そして、それらパラメータを用いて画像処理を行うことにより、生体組織２１の画像を生成することができる。特に、本実施の形態では、音速像３９や音響インピーダンス像４０といった音響像以外に、物理パラメータである密度ρや体積弾性率Ｋに応じた画像を表示させることができるため、音響像で見ることができない構造を確認することが可能となる。
【０１００】
（４）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、音速像３９や音響インピーダンス像４０などの複数種類の画像を表示装置３７に表示させることができるため、各画像に基づいてそれらの相関性を検討することができる。
【０１０１】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
【０１０２】
・上記実施の形態では、デコンボリューション処理により反射波を補正し、その反射波から分離した各反射波Ｓfront，Ｓrearの位相φfront，φrearに基づいて、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを求めるようにしたが、これに限定されるものではない。従来技術のように、生体組織からの反射波をフーリエ変換してガラス面からの反射波と比較することにより、強度及び位相スペクトルの周波数特性データを求め、強度スペクトルの極小点または極大点における周波数とその周波数における位相とに基づいて生体組織の厚さｄ及び音速Ｃを求めてもよい。勿論、厚さｄや音速Ｃと音響インピーダンスＺｔと別々の測定装置で測定し、それらに基づいて密度ρ、体積弾性率Ｋなどの物理パラメータを求めるようにしてもよい。ただし、上記実施の形態の超音波画像検査装置１のように、音速Ｃや音響インピーダンスＺｔを同じ装置で測定し、それらに基づいて各種のパラメータを求めるように構成すると、生体組織２１の物理特性をより迅速に把握することができる。
【０１０３】
・上記実施の形態では、生体組織２１に超音波Ｓｏを照射して音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどのパラメータを測定した後に、設定画面を表示させて画像の種類や周波数を指定するものであったが、これに限定するものではない。例えば、超音波を照射して音速Ｃを測定する前（図９のステップ１００の処理前）に、設定画面を表示させて画像の種類や周波数を指定するように構成してもよい。このようにすると、指定された周波数でのパラメータを求めそれに対応した画像データを生成すればよいので、使用するメモリ３４の容量やＣＰＵ３１の処理負荷を抑えることができる。
【０１０４】
・上記実施の形態では、Ｘ−Ｙステージ１５を駆動することにより、超音波の照射点を二次元的に走査する構成を採用したが、超音波トランスデューサ１４側に二次元走査手段を設けてもよい。
【０１０５】
・上記実施の形態では、被検査物としての生体組織２１の各種パラメータを測定するものであったが、それ以外に、例えば樹脂表面などのパラメータを測定してもよい。
【０１０６】
・上記実施の形態では、音速像３９、音響インピーダンス像４０、密度像４１などの複数の画像を表示装置３７に並べて表示するようにしたが、複数の画像を重ね合わせて表示してもよい。なおこの場合、各パラメータに応じた画像データ同士を重ね合わせて重合像データを生成し、その重合像データに基づいて表示装置３７に画像（重合像）を表示する。ここで、例えば、音速像３９と音響インピーダンス像４０とを重ね合わせることで、体積弾性率Ｋに応じた画像を生成することが可能であり、その画像を用いて生体組織２１の物理特性をより正確に把握することが可能となる。
【０１０７】
・上記実施の形態において、パソコン４を用いて超音波画像検査装置１を構成したが、それ以外にワークステーションなどのコンピュータを用いてもよい。また、音速像３９、音響インピーダンス像４０、密度像４１などの画像を表示するための表示装置３７は、パソコン４に一体的に設けられるものであったが、パソコン４と別体で設けてもよい。
【０１０８】
・上記実施の形態の超音波画像検査装置１では、カラー変調による画像を得るものであったが、それ以外に輝度変調した画像として可視化してもよい。
【０１０９】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【０１１０】
（１）請求項２において、前記分離された各反射波をそれぞれフーリエ変換することで、位相スペクトルの周波数特性データを求め、そのデータにより得られる位相差に基づいて、前記被検査物の厚さ及び音速を求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１１】
（２）請求項２において、前記分離した各反射波をそれぞれフーリエ変換することで、強度スペクトルの周波数特性データを求め、そのデータにより得られる反射波の信号強度に基づいて前記音響インピーダンスを求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１２】
（３）請求項１において、前記被検査物からの反射波をフーリエ変換して前記非載置面からの反射波と比較することにより、強度及び位相スペクトルの周波数特性データを求め、強度スペクトルの極小点または極大点における周波数とその周波数における位相とに基づいて前記被検査物の厚さ及び音速を求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１３】
（４）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記音響インピーダンスに基づいて減衰定数を求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１４】
（５）請求項５において、前記処理手段は、前記被検査物の非載置面からの反射波をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、前記被検査物からの反射波をフーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、前記第２のフーリエ変換手段により得られた変換結果を前記第１のフーリエ変換手段により得られた変換結果で除算する除算手段と、その除算結果を逆フーリエ変換することで補正された反射波のデータを得る逆フーリエ変換手段とを含むことを特徴とする被検査物の測定装置。
【０１１５】
（６）請求項５において、前記超音波の照射点を二次元的に走査させる二次元走査手段をさらに備えることを特徴とする被検査物の測定装置。
【０１１６】
（７）技術的思想（６）に記載の音響パラメータ測定装置と、前記被検査物の音速及び音響インピーダンスに基づいて画像を生成する処理を行う画像生成手段と、前記画像を表示するための表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１１７】
（８）技術的思想（７）において、前記画像生成手段は、輝度変調またはカラー変調して画像表示するための画像データを生成することを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１１８】
（９）技術的思想（７）または（８）において、前記表示装置に、音速像と音響インピーダンス像とを含む複数の画像を別々に表示することを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１１９】
（１０）技術的思想（９）において、前記表示装置に、前記複数の画像を並べて表示することを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１２０】
（１１）技術的思想（９）において、前記表示装置に、前記複数の画像を重ね合わせて表示することを特徴とする超音波画像検査装置。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明を具体化した一実施の形態の超音波画像検査装置を示す概略構成図。
【図２】トランスデューサ側から見たＸ−Ｙステージの平面図。
【図３】超音波の走査範囲を示す説明図。
【図４】各反射波を示す説明図。
【図５】デコンボリューション処理前の反射波を示す説明図。
【図６】デコンボリューション処理後の反射波を示す説明図。
【図７】生体組織の表面及び裏面での反射波の強度スペクトルを示すグラフ。
【図８】生体組織の表面及び裏面での反射波の位相スペクトルを示すグラフ。
【図９】生体組織の画像を生成するための処理を示すフローチャート。
【図１０】デコンボリューション処理を示すフローチャート。
【図１１】画像表示処理を示すフローチャート。
【図１２】音速像を示す説明図。
【図１３】音響インピーダンス像を示す説明図。
【図１４】密度像を示す説明図。
【図１５】従来のパルス励起型超音波顕微鏡での音速測定方法を示す模式図。
【図１６】従来のパルス励起型超音波顕微鏡での音響インピーダンス測定方法を示す模式図。
【符号の説明】
【０１２２】
１…測定装置としての超音波画像検査装置
２…パルス励起型超音波顕微鏡
１４ａ…超音波振動子としての薄膜圧電素子
２０…試料載置板としてのガラス基板
２０ａ…非載置面としてのガラス面
２１…被検査物としての生体組織
３１…処理手段、波形分離手段、及び算出手段としてのＣＰＵ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して被検査物を測定する被検査物の測定方法、及び被検査物の測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外科手術中において切除する部位の大きさは、術後の患者の負担を考えるとできるかぎり小さく抑えるべきであるが、患部の一部が切除されずに残ってしまうと病気が再発するといった問題がある。このため、切除後の残留部分から標本（生体組織）をサンプリングし、患部の拡がりがないことを確認する必要がある。現在、この作業は、摘出した生体組織の切片を染色し、光学顕微鏡で観察することによって行われている。組織確定診断は、病理学的所見に基づいて標本部分に患部が拡がっていないことを確認する診断であるが、切片の染色には数日を要することから、術後の確認に用いられている。
【０００３】
術中においては、縫合前に患部が残されていないことを短時間で判断することが要求される。そのため、特殊な染料を用いて短時間で染色し、標本部分に患部が拡がっていないことを概ね確認する「組織迅速診断」といった方法も実用化されている。ところが、この組織迅速診断においても１時間程度の時間を必要とし、この間手術が中断されるので、これに代わる方法として、超音波による音速像の観察が提案されている。つまり、超音波によって音速像を得る場合には、染色法を用いなくても生体組織の観察を行うことができる。このことから、組織確定診断を行う診断装置として超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められている。
【０００４】
具体的には、従来の超音波顕微鏡では、単一周波数のバースト波を利用し、反射した超音波信号の強度や位相を解析することで、生体組織の性状を観察する。しかし、このような超音波顕微鏡には、超音波信号の測定に長時間を要するという問題があった。また、十分な精度と安定度を持った発振器や測定系などのアナログシステムが必要となるため、装置が大型化、複雑化するといった問題もあった。
【０００５】
これら問題を解消して術中診断を可能とするための手段として、本発明者らはパルス励起型の超音波顕微鏡をすでに提案している（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。このパルス励起型超音波顕微鏡を用いた観察では、生体組織から切り出し、その組織を用いて厚さ数μｍの凍結切片５１を作製し、これをまずガラス基板５２上に固定する（図１５参照）。そして、パルス波でトランスデューサ５３を励起して超音波Ｓ０を出力させ、その超音波Ｓ０を水などの媒質５４を介して凍結切片５１に照射する。そして、組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとの合成波を、トランスデューサ５３で受信する。さらに、この受信波をフーリエ変換して基板５２からの直接反射と比較することにより、強度及び位相スペクトルを得る。
【０００６】
ところで、バースト波を用いた従来方式では、同じ測定点で周波数を切り替え何回も測定し、組織表面の反射と背面の反射との干渉を観測する必要があった。これに対して、パルス励起型超音波顕微鏡によれば、１回の測定で算出することができるという利点がある。この測定で得られた信号強度の極小点または極大点の周波数をｆｍ、そのときの位相をφｍとすると、組織表面と背面からの反射は極小点では逆位相、極大点では同位相となる。すなわち、極小点においては組織表面からの反射は背面からの反射より位相が（２ｎ−１）π進んでおり、φｍ＋（２ｎ−１）πとなる（ｎは自然数）。従って、組織の厚さｄ、水の音速Ｃ０とすると、
【０００７】
【数１】
が成立している。
【０００８】
従って、次式のように組織厚さｄが求まる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
また、距離２ｄを組織音速Ｃで通過した波と水の音速Ｃ０で通過した波との位相差がφｍであることから、
【００１１】
【数３】
となり、次式のように組織音速Ｃが求まる。
【００１２】
【数４】
【００１３】
また、極大点においては組織表面からの反射と背面からの反射との位相差が２ｎπとなっていることから、次式の関係が成立している。
【００１４】
【数５】
【００１５】
この式を用いれば、極小点の場合と同様に、組織厚さｄを求めることができ、さらに、その組織厚さｄを用いて音速Ｃを求めることができる。
【００１６】
このように、組織音速Ｃを測定しながら、超音波の照射点を二次元走査することにより、二次元の音速像が得られる。音速Ｃは、組織の硬さに関連するパラメータであり、音速像によって凍結切片５１の性状を観察することができる。
【００１７】
さらに、本発明者らはパルス励起型の超音波顕微鏡を利用して生体組織の音響インピーダンス像を表示する超音波画像検査装置も提案している。この超音波画像検査装置では、超音波Ｓ０が走査される範囲内において生体組織６１の周縁となる位置にリファレンス部材６２を設け、ガラス基板６３を介して生体組織６１及びリファレンス部材６２に超音波Ｓ０を照射する（図１６参照）。
【００１８】
リファレンス部材６２においてその表面と直交する角度で照射される超音波（入射波）Ｓ０と反射波Ｓｒとの間には次式（６）の関係が成り立つ。
【００１９】
【数６】
【００２０】
ただし、Ｚｓはガラス基板６３の音響インピーダンスであり、Ｚｒはリファレンス部材６２の音響インピーダンスである。
【００２１】
生体組織６１においてその表面と直交する角度で照射される超音波Ｓ０と反射波Ｓｔとの間には次式（７）の関係が成り立つ。
【００２２】
【数７】
【００２３】
ただし、Ｚｔは生体組織６１の音響インピーダンスである。
【００２４】
従って、上記式（６），（７）から生体組織６１の音響インピーダンスＺｔは、次式（８）により求められる。
【００２５】
【数８】
【００２６】
この超音波画像検査装置において、音響インピーダンスＺｔを測定しながら超音波Ｓ０の照射点を二次元走査することにより、二次元の音響インピーダンス像が得られる。音響インピーダンスＺｔも、組織の硬さに関連するパラメータであり、音響インピーダンス像によって生体組織６１の性状を観察することができる。
【特許文献１】特開２００４−２９４１８９号公報
【非特許文献１】「医用超音波：パルス励起型超音波音速顕微鏡」（「超音波TECHNO」VOL.15 No.6(2003.11〜12)（１０１〜１０５頁）日本工業出版社発行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ところで、音速Ｃや音響インピーダンスＺｔは、生体組織の硬さに関連する音響パラメータであるが、体積弾性率などのような物理パラメータではないため、生体組織のより正確な物理特性を得ることはできない。同一の生体組織における同じ場所の音速Ｃと音響インピーダンスＺｔとを取得することができれば、それらを用いてその場所の体積弾性率を求めることができ、その体積弾性率により生体組織の硬さ情報を正確に把握することが可能となる。しかし、従来技術では、組織音速Ｃを求める装置と音響インピーダンスＺｔを求める装置とが別々に必要となるため、装置の設置スペースが増大したり、設備コストが嵩んだりするといった問題が生じる。また、生体組織をそれぞれの装置に設置して各画像を取得する必要があるため、生体組織を各装置間で移動させなければならない。さらに、観察場所の位置合わせも困難となるため、組織診断を迅速に行うこと困難となるといった問題も生じてしまう。
【００２８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検査物の音速及び音響インピーダンスを求め、それらを用いて被検査物の物理特性をより正確に把握することができる被検査物の測定方法、及び被検査物の測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、前記被検査物からの反射波を取得するステップと、前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスを求めるステップとを含むことを特徴とする被検査物の測定方法をその要旨とする。
【００３０】
請求項１に記載の発明によれば、パルス励起型超音波顕微鏡において、異なる周波数成分を含む超音波がパルス励起されて被検査物に照射される。その被検査物で反射される反射波も異なる周波数成分を含む。そのため、非載置面からの反射波を用いて、被検査物からの反射波を周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスが求められる。そして、これら音速及び音響インピーダンスを用いれば、各種の物理パラメータを求めることができ、被検査物の物理特性を正確に把握することができる。
【００３１】
請求項２に記載の発明は、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、前記被検査物からの反射波を取得するステップと、前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行うステップと、前記補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離するステップと、前記分離された各反射波の位相に基づいて音速を求めるステップと、前記分離された各反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスを求めるステップとを含むことを特徴とする被検査物の測定方法をその要旨とする。
【００３２】
前記被検査物で反射される反射波は、被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が干渉した波形となる。従って、請求項２に記載の発明のように、試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を用いてデコンボリューション処理を行うことにより、被検査物からの反射波が補正され、その反射波から被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が時間領域で分離される。そして、分離された各反射波の位相に基づいて音速が求められ、反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスが求められる。これら音速及び音響インピーダンスを用いれば、各種の物理パラメータを求めることができるため、被検査物の物理特性を正確に把握することができる。
【００３３】
前記時間領域で分離した各反射波も異なる周波数成分を含むため、各反射波をそれぞれフーリエ変換することにより、信号強度及び位相スペクトルの周波数特性データを求めることができる。そして、位相スペクトルの周波数特性データにより得られる位相差に基づいて、被検査物の音速を求めることができる。また、強度スペクトルの周波数特性データにより得られる反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスを求めることができる。このようにすると、音速や音響インピーダンスなどの各種のパラメータの周波数依存性を得ることができるため、被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。
【００３４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記音響インピーダンスを前記音速で除算することにより被検査物の密度を求めることをその要旨とする。
【００３５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記音響インピーダンスと前記音速とを乗算することにより被検査物の体積弾性率を求めることをその要旨とする。
【００３６】
請求項３や請求項４に記載の発明のように、音響インピーダンスと音速を用いて、被検査物の密度や体積弾性率といった物理パラメータを求めることができるので、被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。
【００３７】
請求項５に記載の発明は、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する測定装置であって、パルス励起されることによって超音波を被検査物に照射するとともに、前記被検査物からの反射波を受信する超音波振動子と、前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波と前記被検査物からの反射波とに基づいて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行う処理手段と、前記処理手段により補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離する波形分離手段と、前記波形分離手段により分離された各反射波の位相に基づいて、前記被検査物の音速を算出する音速算出手段と、前記波形分離手段により分離された各反射波の信号強度に基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス演算手段とを備えることを特徴とする被検査物の測定装置をその要旨とする。
【００３８】
請求項５に記載の発明によれば、超音波振動子がパルス励起されることによって超音波が被検査物に向けて照射され、超音波振動子により被検査物からの反射波が受信される。そして、処理手段により、試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を用いてデコンボリューション処理が行われて被検査物からの反射波が補正される。また、波形分離手段により、補正された反射波から被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波が時間領域で分離される。さらに、音速算出手段により、各反射波の位相に基づいて被検査物の音速が算出され、音響インピーダンス演算手段により、各反射波の信号強度に基づいて被検査物の音響インピーダンスが算出される。そして、これら音速及び音響インピーダンスを用いれば、各種の物理パラメータを求めることができ、被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。またこの場合、従来技術のように音速の測定装置と音響インピーダンスの測定装置とを別々に設ける必要がないので、測定装置の設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。さらに、被検査物を移動させることなく、同一場所の音速や音響インピーダンスなどのパラメータを容易に取得できるため、被検査物の解析を迅速に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００３９】
以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、被検査物の音速及び音響インピーダンスを求め、それらを用いて被検査物の物理特性をより正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は測定装置としての超音波画像検査装置を示す概略構成図である。
【００４１】
図１に示されるように、本実施の形態の超音波画像検査装置１は、パルス励起型超音波顕微鏡２と、Ａ／Ｄボード３と、パーソナルコンピュータ（パソコン）４とを備える。
【００４２】
超音波顕微鏡２には、パルス発生回路１１と、送受波分離回路１２と、受信回路１３と、トランスデューサ１４と、Ｘ−Ｙステージ１５と、エンコーダ（ＥＮＣ）１６と、コントローラ１７と、駆動モータ１８Ｘ，１８Ｙとが設けられている。
【００４３】
トランスデューサ１４は、酸化亜鉛の薄膜圧電素子１４ａとサファイアロッドの音響レンズ１４ｂとからなり、パルス発生回路１１で発生される励起パルスにより薄膜圧電素子１４ａが振動して所定周波数帯域の超音波が音響レンズ１４ｂを通して出力される。この音響レンズ１４ｂにおける超音波は円錐状に収束され、水などの媒質１９を介して試料載置板としてのガラス基板２０の表面で焦点を結ぶようになっている。なお、トランスデューサ１４としては、口径１．２ｍｍ、焦点距離１．５ｍｍ、中心周波数８０ＭＨｚ、帯域幅５０〜１０５ＭＨｚ（−６ｄＢ）の仕様のものを用いている。
【００４４】
また、トランスデューサ１４の下方に、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１５が設けられ、そのステージ１５上にはガラス基板２０が固定されている。そして、そのガラス基板２０の上面に、被検査物としての生体組織２１が載置され、この生体組織２１に対してその上方から超音波が照射される。なお、この生体組織２１は、数μｍ程度（通常４μｍ〜１０μｍ）の厚さにスライスされた凍結切片（生体組織切片）である。
【００４５】
Ｘ−Ｙステージ１５は、生体組織２１を二次元的に動かすためのステージ１５Ｘ，１５Ｙと、それぞれのステージ１５Ｘ，１５Ｙを駆動するモータ１８Ｘ，１８Ｙとを備えている。このモータ１８Ｘ，１８Ｙとしては、ステッピングモータやリニアモータが使用される。
【００４６】
各モータ１８Ｘ，１８Ｙにはコントローラ１７が接続されており、該コントローラ１７の駆動信号に応答してモータ１８Ｘ，１８Ｙが駆動される。これらモータ１８Ｘ，１８Ｙの駆動により、Ｘステージ１５Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ１５Ｙを間欠送りとなるよう制御することで、Ｘ−Ｙステージ１５の高速走査が可能となっている。
【００４７】
また、本実施の形態においては、Ｘステージ１５Ｘに対応してエンコーダ１６が設けられ、エンコーダ１６によりＸステージ１５Ｘの走査位置が検出される。具体的に、走査範囲を３００×３００個の測定点（ピクセル）に分割した場合、１回のＸ方向（水平方向）の走査が３００分割される。そして、各測定点の位置がエンコーダ１６によって検出され、パソコン４に取り込まれる。パソコン４はそのエンコーダ１６の出力に同期して駆動制御信号を生成して、その駆動制御信号をコントローラ１７に供給する。コントローラ１７は、この駆動制御信号に基づいてモータ１８Ｘを駆動する。また、コントローラ１７は、エンコーダ１６の出力信号に基づきＸ方向の１ラインの走査が終了した時点でモータ１８Ｙを駆動して、Ｙステージ１５ＹをＹ方向に１ピクセル分移動させる。
【００４８】
さらに、コントローラ１７は、駆動制御信号に同期してトリガ信号を生成してパルス発生回路１１に供給する。これにより、パルス発生回路１１において、そのトリガ信号に同期したタイミングで励起パルスが生成される。その励起パルスが送受波分離回路１２を介してトランスデューサ１４に供給されて該トランスデューサ１４から超音波が照射される。
【００４９】
図２は、トランスデューサ１４側から見たＸ−Ｙステージ１５の平面図である。図２に示されるように、Ｘステージ１５Ｘによるｘ方向への往復走査とＹステージによるｙ方向への走査とを行うことにより、ガラス基板２０上の生体組織２１に対して超音波が二次元的に走査される。
【００５０】
図３には、本実施の形態における超音波の走査範囲Ｒの一例を示している。すなわち、超音波の走査範囲Ｒは、生体組織２１に加えてガラス基板２０の表面が露出している部分（ガラス面２０ａ）を含むように設定される。そして、走査範囲Ｒの左上の隅の位置から走査が開始され、矢印で示すように、Ｘ方向及びＹ方向に二次元的に走査が順次行われる。
【００５１】
図１に示すトランスデューサ１４の薄膜圧電素子１４ａは、送受波兼用の超音波振動子であり、生体組織２１で反射した超音波（反射波）を電気信号に変換する。そして、その反射波の信号は送受波分離回路１２を介して受信回路１３に供給される。受信回路１３は、図示しない信号増幅回路を含み、反射波の信号を増幅してＡ／Ｄボード３の検波回路２３に出力する。
【００５２】
検波回路２３は、超音波の反射波を検出するための回路であり、図示しないゲート回路を含む。本実施の形態の検波回路２３は、トランスデューサ１４で受信した反射波信号のなかからガラス面２０ａもしくは生体組織２１の反射波信号を抽出する。超音波はトランスデューサ１４とガラス面２０ａもしくは生体組織２１との間で繰り返し反射されるものであるため、検波回路２３は、最初に得られる反射波信号を抽出するよう構成されている。そして、検波回路２３で抽出された反射波信号はＡ／Ｄ変換回路２４に入力されて、Ａ／Ｄ変換された後、パソコン４に転送される。
【００５３】
パソコン４は、ＣＰＵ３１、インターフェース（Ｉ／Ｆ）３２，３３、メモリ３４、記憶装置３５、入力装置３６、及び表示装置３７を備え、それらはバス３８を介して相互に接続されている。
【００５４】
ＣＰＵ３１は、メモリ３４を利用して制御プログラムを実行し、装置全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、Ｘ−Ｙステージ１５による二次元走査を制御するためのプログラム、音速や音響インピーダンスといった各種のパラメータを算出するためのプログラムなどを含む。
【００５５】
インターフェース３２は、Ａ／Ｄボード３からの転送データ（Ａ／Ｄ変換後の反射波信号など）を取り込むための通信ポート（例えば、ＵＳＢポート）であり、インターフェース３３は、コントローラ１７への駆動制御信号を出力したりエンコーダ１６の出力信号を取り込むための入出力ポートである。
【００５６】
表示装置３７は、例えば、ＬＣＤやＣＲＴなどのカラーディスプレイであり、生体組織２１の画像や、各種設定の入力画面を表示するために用いられる。入力装置３６は、キーボードやマウス装置などであり、ユーザからの要求や指示、パラメータの入力に用いられる。
【００５７】
記憶装置３５は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などであり、その記憶装置３５には制御プログラム及び各種のデータが記憶されている。ＣＰＵ３１は、入力装置３６による指示に従い、プログラムやデータを記憶装置３５からメモリ３４へ転送し、それを逐次実行する。なお、ＣＰＵ３１が実行するプログラムとしては、メモリカード、フレキシブルディスク、光ディスクなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には記憶装置３５にインストールして利用する。
【００５８】
次に、本実施の形態の超音波画像検査装置１において、生体組織２１の厚さ、音速、音響インピーダンスなどの各種のパラメータを算出するための方法について説明する。
【００５９】
先ず、図４に示すように、ガラス基板２０の表面（ガラス面）２０ａに超音波Ｓｏを照射し、そのガラス面２０ａでの反射波Ｓrefを取得する。その後、生体組織２１の表面に超音波Ｓｏを照射し、生体組織２１からの反射波Ｓｔを取得する。この生体組織２１からの反射波Ｓｔは、組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとを含んだ合成波として取得される。そして、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrefを参照波形としてデコンボリューション処理を行うことにより、生体組織２１での反射波Ｓｔを補正して組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとを分離する。
【００６０】
なお、このデコンボリューション処理では、各反射波Ｓref，Ｓｔをそれぞれフーリエ変換し、フーリエ変換後の反射波Ｓｔの周波数成分を反射波Ｓrefの周波数成分で除算し、さらに、その算出結果を逆フーリエ変換する。これにより、補正した反射波Ｓｔのデータが得られる。
【００６１】
図５は、デコンボリューション処理前のガラス面２０ａの反射波Ｓrefと生体組織２１の反射波Ｓｔとを示している。図６は、デコンボリューション処理後におけるガラス面の反射波Ｓrefと生体組織２１の反射波Ｓｔとを示している。
【００６２】
図５及び図６に示されるように、デコンボリューション処理により補正された生体組織２１の反射波Ｓｔは、補正前の波形に比べて生体組織２１の表面及び裏面での反射が分離可能な波形となる。本実施の形態では、このデコンボリューション処理によって補正された反射波Ｓｔに対して窓関数をかけることにより、組織表面での反射波Ｓfrontと組織裏面での反射波Ｓrearとを時間領域で分離する。
【００６３】
このように分離した各反射波Ｓfront，Ｓrearも、超音波Ｓｏと同様に異なる周波数成分を含む。従って、各反射波Ｓfront，Ｓrearのデータをそれぞれフーリエ変換することで各反射波Ｓfront，Ｓrearの強度及び位相スペクトルの周波数特性データ（図７及び図８参照）を求めることができる。なお、これら周波数特性データは、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrefを基準としたデータである。
【００６４】
ここで、組織表面での反射波Ｓfrontの位相φfrontは次式で表される。
【００６５】
【数９】
また、組織裏面での反射波Ｓrearの位相φrearは次式で表される。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
ただし、ｆは周波数、ｄは組織の厚さ、Ｃ０は水の音速、Ｃは組織の音速である。
【００６８】
従って、上記式（９）から組織の厚さｄは次式により求められる。
【００６９】
【数１１】
【００７０】
また、上記式（１０）から組織の音速Ｃは次式により求められる。
【００７１】
【数１２】
【００７２】
このように、周波数ｆとそれに応じた位相φfront，φrearを上記式（１１）及び式（１２）に代入することにより、各周波数ｆに対応した組織音速Ｃを求めることができる。
【００７３】
また、ガラス面２０ａでの反射波Ｓref、組織表面での反射波Ｓfront、組織裏面での反射波Ｓrearはそれぞれ以下の式で表される。
【００７４】
【数１３】
【００７５】
ただし、Ｚsはガラス基板２０の音響インピーダンス、Ｚwは水の音響インピーダンス、Ｚｔは生体組織２１の音響インピーダンス、αwは水の減衰定数、αｔは生体組織２１の減衰定数である。
【００７６】
測定条件における水の減衰定数αwの影響は極めて少ないため、入射される超音波Ｓ０は、上記式（１３）を用いて次式のように簡素化できる。
【００７７】
【数１４】
【００７８】
従って、所定の周波数ｆでの超音波Ｓ０の信号強度は、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrefとガラス基板２０の音響インピーダンスＺsと水の音響インピーダンスＺwとを用いて求めることができる。
【００７９】
また、生体組織２１の音響インピーダンスＺtは、上記式（１４）を用いて次式のように表される。
【００８０】
【数１５】
【００８１】
従って、所定の周波数ｆでの音響インピーダンスＺｔは、その周波数ｆにおける超音波Ｓ０の信号強度と組織表面での反射波Ｓfrontの信号強度とを用いて求めることができる。なおここで、組織表面での反射波Ｓfrontは、図７に示す強度スペクトルの周波数特性データを用いる。
【００８２】
また、上記のように算出した生体組織２１の音響インピーダンスＺｔと音速Ｃとを用いて、次式のように密度ρや体積弾性率Ｋを求める。
【００８３】
【数１６】
すなわち、音響インピーダンスＺｔを音速Ｃで除算することにより生体組織２１の密度ρを求め、音響インピーダンスＺｔと音速Ｃとを乗算することにより生体組織２１の体積弾性率Ｋを求める。
【００８４】
さらに、生体組織２１の減衰定数αｔは、次式のように表される。
【００８５】
【数１７】
従って、生体組織２１の減衰定数αｔは、組織の厚さｄとガラス面２０ａでの反射波Ｓref及び組織裏面での反射波Ｓrearの信号強度とを用いて求められる。なお、減衰定数αｔは、式（１６）で求めた超音波Ｓ０の信号強度や式（１７）で求めた音響インピーダンスＺｔなどに基づいて算出してもよい。
【００８６】
次に、本実施の形態において、生体組織２１の画像を生成するためにＣＰＵ３１が実行する処理例について、図９のフローチャートを用いて説明する。
【００８７】
先ず、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでコントローラ１７によってモータ１８Ｘ，１８Ｙを駆動し、超音波の照射点がガラス面２０ａ上に位置するようにＸ−Ｙステージ１５を移動する。またこのとき、励起パルスがトランスデューサ１４に供給されると、トランスデューサ１４から超音波が照射され、反射波の電気信号が検波回路２３で抽出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２４で変換されたデジタルデータをインターフェース３２を介して取り込み、そのデータをガラス面２０ａでの反射波のデータとしてメモリ３４に記憶する（ステップ１００）。
【００８８】
次に、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでコントローラ１７によってモータ１８Ｘ，１８Ｙを駆動し、Ｘ−Ｙステージ１５による二次元走査を開始させる。このとき、ＣＰＵ３１は、エンコーダ１６の出力に基づいて測定点の座標データを取得する（ステップ１１０）。ここで、励起パルスがトランスデューサ１４に供給されると、トランスデューサ１４から超音波が照射され、反射波の電気信号が検波回路２３で抽出される。そして、ＣＰＵ３１は、Ａ／Ｄ変換回路２４で変換されたデジタルデータをインターフェース３２を介して取り込み、そのデータを各測定点での反射波のデータとして座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１２０）。
【００８９】
その後、処理手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａからの反射波のデータを用いてデコンボリューション処理を行う（ステップ１３０）。図１０には、そのデコンボリューション処理の具体例を示している。
【００９０】
すなわち、第１のフーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａからの反射波Ｓrefのデータをフーリエ変換する（ステップ１３１）。次に、第２のフーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、生体組織２１における測定点での反射波Ｓｔのデータをフーリエ変換する（ステップ１３２）。そして、除算手段としてのＣＰＵ３１は、フーリエ変換後の反射波Ｓｔの周波数成分を反射波Ｓrefの周波数成分で除算する(ステップ１３３)。その後、逆フーリエ変換手段としてのＣＰＵ３１は、その除算結果を逆フーリエ変換することで補正された反射波Ｓｔ（図６参照）のデータを得る（ステップ１３４）。この処理の終了後、ＣＰＵ３１は、図９に示すステップ１４０に移行する。
【００９１】
ステップ１４０において、波形分離手段としてのＣＰＵ３１は、所定の窓関数を用いて、補正された反射波Ｓｔから組織表面での反射波Ｓfrontと組織裏面での反射波Ｓrearとを時間領域で分離する。次いで、ＣＰＵ３１は、分離した各反射波Ｓfront，Ｓrearのデータをそれぞれフーリエ変換して各反射波Ｓfront，Ｓrearの位相スペクトルの周波数特性データを求める。そして、音速算出手段としてのＣＰＵ３１は、そのデータを用いて、上記式（１１）及び式（１２）に対応した演算を行うことで、測定点での生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１５０）。
【００９２】
その後、音響インピーダンス算出手段としてのＣＰＵ３１は、上記式（１６）及び式（１７）に対応した演算を行うことで、測定点での生体組織２１の音響インピーダンスＺｔを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する。さらに、算出した音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどを用い、上記式（１８）、式（１９）、式（２０）に対応した演算を行うことで、密度ρ、体積弾性率Ｋ、減衰定数αｔなどのパラメータを周波数毎に算出し、それら算出値を各測定点の座標データに関連付けてメモリ３４に記憶する（ステップ１６０）。
【００９３】
ＣＰＵ３１は、全ての測定点での処理が終了し、１画面分の測定データが取得されたか否かを判断する（ステップ１７０）。ここで、全データが取得されていない場合、ＣＰＵ３１は、ステップ１００に戻って、ステップ１００〜１７０の処理を繰り返し実行し、全データが取得された場合には、画像表示処理を実行する（ステップ１８０）。
【００９４】
図１１には、その画像表示処理の具体例を示している。
先ず、ＣＰＵ３１は、所定のデータを表示装置３７に送信し、設定画面を表示させる（ステップ１８１）。この設定画面には、例えば、表示すべき画像の種類（音速像、インピーダンス像、密度像などのいずれかの画像）を選択するためのチェックボックスや周波数を指定するためのテキストボックスが表示されている。そして、ユーザにより入力装置３６が操作されて、チェックボックスにて画像の種類が選択され、テキストボックスに所定の周波数が入力される。ここで、例えば、音速像が選択された場合、画像生成手段としてのＣＰＵ３１は、入力された周波数に対応する１画面分の音速Ｃのデータをメモリ３４から順次読み出して、その音速Ｃのデータに基づいて音速像を生成するための画像処理を行う（ステップ１８２）。すなわち、ＣＰＵ３１は、音速Ｃを用いてカラー変調処理を行い、音速Ｃの大きさに応じた画像データを生成する。そして、ＣＰＵ３１は、それら画像データを表示装置３７に転送することにより、図１２に示すような音速像３９を表示させる（ステップ１８３）。このように、ＣＰＵ３１は、ユーザが指定した周波数の音速像３９を表示装置３７に表示した後に本処理を終了する。
【００９５】
また、本実施の形態では、ステップ１８１で表示される設定画面において、音響インピーダンスＺｔや密度ρの画像が選択される場合、図１３に示すような音響インピーダンス像４０や図１４に示すような密度像４１などが表示装置３７に表示される。さらに、設定画面において複数種類の画像が選択された場合には、複数の画像が表示装置３７に並べて表示される。なお、図１２〜図１４に示す画像（音速像３９、音響インピーダンス像４０、密度像４１）では、生体組織２１におけるパラメータ値の違いを色の濃淡で示しているが、実際には、パラメータ値に応じて色分けされたカラー画像として表示される。
【００９６】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００９７】
（１）本実施の形態超音波画像検査装置１では、生体組織２１の音速Ｃや音響インピーダンスＺｔを測定することができ、さらに、音速Ｃや音響インピーダンスＺtを用いることで、密度ρ、体積弾性率Ｋ、減衰定数αｔなどの各種パラメータを求めることができる。また、本実施の形態では、音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどの各種のパラメータの周波数依存性に関する情報を得ることができる。従って、これらパラメータによって生体組織２１の物理特性をより正確に判定することが可能となる。具体的には、例えば、体積弾性率Ｋは、生体組織２１の硬さを示す物理パラメータであるので、体積弾性率Ｋによって生体組織２１の硬さ情報を正確に得ることができる。また、低周波数での減衰定数αｔは、生体組織２１の粘性に関連する音響パラメータであるので、その減衰定数αｔによって、生体組織２１の粘り度合いを判定することができる。
【００９８】
（２）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、従来技術のように音速Ｃの測定装置と音響インピーダンスＺｔの測定装置とを別々に設ける必要がないので、設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。さらに、生体組織２１を移動させることなく、同一場所の音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどを容易に取得できるため、生体組織２１の解析を迅速に行うことが可能となる。
【００９９】
（３）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、Ｘ−Ｙステージ１５により超音波の照射点を二次元的に走査することで、生体組織２１における複数点での音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどのパラメータを求めることができる。そして、それらパラメータを用いて画像処理を行うことにより、生体組織２１の画像を生成することができる。特に、本実施の形態では、音速像３９や音響インピーダンス像４０といった音響像以外に、物理パラメータである密度ρや体積弾性率Ｋに応じた画像を表示させることができるため、音響像で見ることができない構造を確認することが可能となる。
【０１００】
（４）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、音速像３９や音響インピーダンス像４０などの複数種類の画像を表示装置３７に表示させることができるため、各画像に基づいてそれらの相関性を検討することができる。
【０１０１】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
【０１０２】
・上記実施の形態では、デコンボリューション処理により反射波を補正し、その反射波から分離した各反射波Ｓfront，Ｓrearの位相φfront，φrearに基づいて、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを求めるようにしたが、これに限定されるものではない。従来技術のように、生体組織からの反射波をフーリエ変換してガラス面からの反射波と比較することにより、強度及び位相スペクトルの周波数特性データを求め、強度スペクトルの極小点または極大点における周波数とその周波数における位相とに基づいて生体組織の厚さｄ及び音速Ｃを求めてもよい。勿論、厚さｄや音速Ｃと音響インピーダンスＺｔと別々の測定装置で測定し、それらに基づいて密度ρ、体積弾性率Ｋなどの物理パラメータを求めるようにしてもよい。ただし、上記実施の形態の超音波画像検査装置１のように、音速Ｃや音響インピーダンスＺｔを同じ装置で測定し、それらに基づいて各種のパラメータを求めるように構成すると、生体組織２１の物理特性をより迅速に把握することができる。
【０１０３】
・上記実施の形態では、生体組織２１に超音波Ｓｏを照射して音速Ｃや音響インピーダンスＺｔなどのパラメータを測定した後に、設定画面を表示させて画像の種類や周波数を指定するものであったが、これに限定するものではない。例えば、超音波を照射して音速Ｃを測定する前（図９のステップ１００の処理前）に、設定画面を表示させて画像の種類や周波数を指定するように構成してもよい。このようにすると、指定された周波数でのパラメータを求めそれに対応した画像データを生成すればよいので、使用するメモリ３４の容量やＣＰＵ３１の処理負荷を抑えることができる。
【０１０４】
・上記実施の形態では、Ｘ−Ｙステージ１５を駆動することにより、超音波の照射点を二次元的に走査する構成を採用したが、超音波トランスデューサ１４側に二次元走査手段を設けてもよい。
【０１０５】
・上記実施の形態では、被検査物としての生体組織２１の各種パラメータを測定するものであったが、それ以外に、例えば樹脂表面などのパラメータを測定してもよい。
【０１０６】
・上記実施の形態では、音速像３９、音響インピーダンス像４０、密度像４１などの複数の画像を表示装置３７に並べて表示するようにしたが、複数の画像を重ね合わせて表示してもよい。なおこの場合、各パラメータに応じた画像データ同士を重ね合わせて重合像データを生成し、その重合像データに基づいて表示装置３７に画像（重合像）を表示する。ここで、例えば、音速像３９と音響インピーダンス像４０とを重ね合わせることで、体積弾性率Ｋに応じた画像を生成することが可能であり、その画像を用いて生体組織２１の物理特性をより正確に把握することが可能となる。
【０１０７】
・上記実施の形態において、パソコン４を用いて超音波画像検査装置１を構成したが、それ以外にワークステーションなどのコンピュータを用いてもよい。また、音速像３９、音響インピーダンス像４０、密度像４１などの画像を表示するための表示装置３７は、パソコン４に一体的に設けられるものであったが、パソコン４と別体で設けてもよい。
【０１０８】
・上記実施の形態の超音波画像検査装置１では、カラー変調による画像を得るものであったが、それ以外に輝度変調した画像として可視化してもよい。
【０１０９】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【０１１０】
（１）請求項２において、前記分離された各反射波をそれぞれフーリエ変換することで、位相スペクトルの周波数特性データを求め、そのデータにより得られる位相差に基づいて、前記被検査物の厚さ及び音速を求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１１】
（２）請求項２において、前記分離した各反射波をそれぞれフーリエ変換することで、強度スペクトルの周波数特性データを求め、そのデータにより得られる反射波の信号強度に基づいて前記音響インピーダンスを求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１２】
（３）請求項１において、前記被検査物からの反射波をフーリエ変換して前記非載置面からの反射波と比較することにより、強度及び位相スペクトルの周波数特性データを求め、強度スペクトルの極小点または極大点における周波数とその周波数における位相とに基づいて前記被検査物の厚さ及び音速を求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１３】
（４）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記音響インピーダンスに基づいて減衰定数を求めることを特徴とする被検査物の測定方法。
【０１１４】
（５）請求項５において、前記処理手段は、前記被検査物の非載置面からの反射波をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、前記被検査物からの反射波をフーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、前記第２のフーリエ変換手段により得られた変換結果を前記第１のフーリエ変換手段により得られた変換結果で除算する除算手段と、その除算結果を逆フーリエ変換することで補正された反射波のデータを得る逆フーリエ変換手段とを含むことを特徴とする被検査物の測定装置。
【０１１５】
（６）請求項５において、前記超音波の照射点を二次元的に走査させる二次元走査手段をさらに備えることを特徴とする被検査物の測定装置。
【０１１６】
（７）技術的思想（６）に記載の音響パラメータ測定装置と、前記被検査物の音速及び音響インピーダンスに基づいて画像を生成する処理を行う画像生成手段と、前記画像を表示するための表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１１７】
（８）技術的思想（７）において、前記画像生成手段は、輝度変調またはカラー変調して画像表示するための画像データを生成することを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１１８】
（９）技術的思想（７）または（８）において、前記表示装置に、音速像と音響インピーダンス像とを含む複数の画像を別々に表示することを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１１９】
（１０）技術的思想（９）において、前記表示装置に、前記複数の画像を並べて表示することを特徴とする超音波画像検査装置。
【０１２０】
（１１）技術的思想（９）において、前記表示装置に、前記複数の画像を重ね合わせて表示することを特徴とする超音波画像検査装置。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明を具体化した一実施の形態の超音波画像検査装置を示す概略構成図。
【図２】トランスデューサ側から見たＸ−Ｙステージの平面図。
【図３】超音波の走査範囲を示す説明図。
【図４】各反射波を示す説明図。
【図５】デコンボリューション処理前の反射波を示す説明図。
【図６】デコンボリューション処理後の反射波を示す説明図。
【図７】生体組織の表面及び裏面での反射波の強度スペクトルを示すグラフ。
【図８】生体組織の表面及び裏面での反射波の位相スペクトルを示すグラフ。
【図９】生体組織の画像を生成するための処理を示すフローチャート。
【図１０】デコンボリューション処理を示すフローチャート。
【図１１】画像表示処理を示すフローチャート。
【図１２】音速像を示す説明図。
【図１３】音響インピーダンス像を示す説明図。
【図１４】密度像を示す説明図。
【図１５】従来のパルス励起型超音波顕微鏡での音速測定方法を示す模式図。
【図１６】従来のパルス励起型超音波顕微鏡での音響インピーダンス測定方法を示す模式図。
【符号の説明】
【０１２２】
１…測定装置としての超音波画像検査装置
２…パルス励起型超音波顕微鏡
１４ａ…超音波振動子としての薄膜圧電素子
２０…試料載置板としてのガラス基板
２０ａ…非載置面としてのガラス面
２１…被検査物としての生体組織
３１…処理手段、波形分離手段、及び算出手段としてのＣＰＵ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、
前記被検査物からの反射波を取得するステップと、
前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスを求めるステップと
を含むことを特徴とする被検査物の測定方法。
【請求項２】
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、
前記被検査物からの反射波を取得するステップと、
前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行うステップと、
前記補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離するステップと、
前記分離された各反射波の位相に基づいて音速を求めるステップと、
前記分離された各反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスを求めるステップと
を含むことを特徴とする被検査物の測定方法。
【請求項３】
前記音響インピーダンスを前記音速で除算することにより被検査物の密度を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の被検査物の測定方法。
【請求項４】
前記音響インピーダンスと前記音速とを乗算することにより被検査物の体積弾性率を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の被検査物の測定方法。
【請求項５】
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する測定装置であって、
パルス励起されることによって超音波を被検査物に照射するとともに、前記被検査物からの反射波を受信する超音波振動子と、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波と前記被検査物からの反射波とに基づいて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行う処理手段と、
前記処理手段により補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離する波形分離手段と、
前記波形分離手段により分離された各反射波の位相に基づいて、前記被検査物の音速を算出する音速算出手段と、
前記波形分離手段により分離された各反射波の信号強度に基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス演算手段と
を備えることを特徴とする被検査物の測定装置。
【請求項１】
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、
前記被検査物からの反射波を取得するステップと、
前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を周波数領域で解析することにより、複数の周波数についての音速及び音響インピーダンスを求めるステップと
を含むことを特徴とする被検査物の測定方法。
【請求項２】
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する方法であって、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波を取得するステップと、
前記被検査物からの反射波を取得するステップと、
前記非載置面からの反射波を用いて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行うステップと、
前記補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離するステップと、
前記分離された各反射波の位相に基づいて音速を求めるステップと、
前記分離された各反射波の信号強度に基づいて音響インピーダンスを求めるステップと
を含むことを特徴とする被検査物の測定方法。
【請求項３】
前記音響インピーダンスを前記音速で除算することにより被検査物の密度を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の被検査物の測定方法。
【請求項４】
前記音響インピーダンスと前記音速とを乗算することにより被検査物の体積弾性率を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の被検査物の測定方法。
【請求項５】
パルス励起型超音波顕微鏡を利用して、試料載置板上に載置された被検査物を超音波の反射波に基づいて測定する測定装置であって、
パルス励起されることによって超音波を被検査物に照射するとともに、前記被検査物からの反射波を受信する超音波振動子と、
前記試料載置板における被検査物の非載置面からの反射波と前記被検査物からの反射波とに基づいて、前記被検査物からの反射波を補正するデコンボリューション処理を行う処理手段と、
前記処理手段により補正された反射波から前記被検査物の表面での反射波及び裏面での反射波を時間領域で分離する波形分離手段と、
前記波形分離手段により分離された各反射波の位相に基づいて、前記被検査物の音速を算出する音速算出手段と、
前記波形分離手段により分離された各反射波の信号強度に基づいて、前記被検査物の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス演算手段と
を備えることを特徴とする被検査物の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−５７５１２（Ｐ２００７−５７５１２Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４６８９５（Ｐ２００５−２４６８９５）
【出願日】平成１７年８月２６日（２００５．８．２６）
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２６日（２００５．８．２６）
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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