音速測定方法、及び音速測定装置
【課題】超音波伝達媒体中の音速を求め、その音速を考慮して試料中の音速を正確に測定すること。
【解決手段】パルス励起型超音波顕微鏡２において、Ｚ軸ステージ１５にトランスデューサ１３が設けられており、そのＺ軸ステージ１５を移動させることにより、ガラス基板２０とトランスデューサ１３との間隔がトランスデューサ１３の焦点距離と一致するよう調整される。その間隔を維持した状態で、ガラス基板２０の表面にトランスデューサ１３から超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間が検出される。その間隔と受信時間とに基づいて、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速が求められる。生体組織２１の表面にトランスデューサ１３から超音波を照射したときに受信した反射波と超音波伝達媒体Ｗ１中の音速とに基づいて、生体組織２１中の音速が算出される。
【解決手段】パルス励起型超音波顕微鏡２において、Ｚ軸ステージ１５にトランスデューサ１３が設けられており、そのＺ軸ステージ１５を移動させることにより、ガラス基板２０とトランスデューサ１３との間隔がトランスデューサ１３の焦点距離と一致するよう調整される。その間隔を維持した状態で、ガラス基板２０の表面にトランスデューサ１３から超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間が検出される。その間隔と受信時間とに基づいて、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速が求められる。生体組織２１の表面にトランスデューサ１３から超音波を照射したときに受信した反射波と超音波伝達媒体Ｗ１中の音速とに基づいて、生体組織２１中の音速が算出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して試料中の音速を測定する音速測定方法、及び音速測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療分野では、生体組織の診断を行う装置として、超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められており、光学顕微鏡と同等の解像度で生体組織の観察が可能なものが実用化されている。光学顕微鏡では生体組織における化学的性質の違いを例えば染色によって区別するのに対し、超音波顕微鏡では物理的性質の違いを無染色で区別することができる。つまり、超音波顕微鏡を用いる場合には、染色を行わなくても生体組織を診断することができるといった利点がある。
【０００３】
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。
【０００４】
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４１を作製し、これをまずガラス基板４２上に固定する（図１２参照）。そして、パルス波でトランスデューサ４３を励起して超音波Ｓｏを出力させ、その超音波Ｓｏを水などの超音波伝達媒体Ｗ１を介して凍結切片４１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４３で受信する。さらに、この受信波をフーリエ変換してガラス基板４２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。
【０００５】
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、水中の音速Ｃｏとすると、
【数１】
が成立している。
【０００６】
従って、次式のように組織厚さｄが求まる。
【数２】
【０００７】
また、距離２ｄを組織音速Ｃで通過した波と水中の音速Ｃｏで通過した波との位相差がφｍであることから、
【数３】
となり、次式のように組織音速Ｃが求まる。
【数４】
【０００８】
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４１の性状を観察することができる。
【特許文献１】特開２００５−２９１８２７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】
【０００９】
ところで、上記の音速測定方法では、所定温度（例えば、測定開始時にて温度センサなどで測定した水温）での水中の音速Ｃｏを上式（４）に代入して、組織音速Ｃを求めている。しかしながら、超音波顕微鏡が設置された部屋の室温などの測定条件が変化したり測定時に超音波照射を繰り返したりすることで、水温が変化して水中の音速Ｃｏが変化してしまうことがある。この場合、実際の水中の音速Ｃｏと異なる値を用いることとなり、凍結切片４１の厚さｄや組織音速Ｃを正確に算出することができず、測定誤差が生じる。特に、超音波照射により水温が変化する場合、超音波が伝搬する部分で局所的に温度が上がる。そのため、温度センサではその水温上昇を正確に検出することができず、測定誤差が生じる。このような測定誤差は、より精密できめ細かな画像診断を行う上で障害となる。
【００１０】
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、超音波伝達媒体中の音速を求め、その音速を考慮して試料中の音速を正確に測定することができる音速測定方法、及び音速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】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定方法であって、前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整するステップと、前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出するステップと、前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求めるステップと、前記試料の表面に超音波を照射した場合に受信した反射波と、前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を求めるステップとを含むことを特徴とする音速測定方法をその要旨とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔が調整され、その間隔を維持した状態で試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間が検出される。そして、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔と反射波の受信時間とに基づいて、超音波伝達媒体中の音速が求められる。具体的には、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔をＬ、受信時間をＴとすると、超音波伝達媒体中を伝搬する超音波の音速Ｃｏは、Ｃｏ＝２Ｌ／Ｔの演算を行うことで求められる。その後、試料の表面に超音波が照射され、その反射波と超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、試料中の音速が求められる。このようにすれば、超音波伝達媒体の温度が変化した場合でも、その温度変化に応じた超音波伝達媒体中の音速を求めることができる。またこの場合、超音波伝達媒体において実際に超音波が伝搬する部分の温度に応じた音速を求めることができるため、従来技術のように温度センサなどで温度を測定する場合と比較してより正確な音速を求めることができる。そして、その超音波伝達媒体中の音速を用いることにより、試料中を伝搬する音速を正確に算出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定装置であって、前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整する間隔調整手段と、前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出する受信時間検出手段と、前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求める第１音速算出手段と、前記試料の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射したときに受信した反射波と前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を算出する第２音速算出手段とを備えることを特徴とする音速測定装置をその要旨とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、間隔調整手段により、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔が調整される。その間隔を維持した状態で、受信時間検出手段により、試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間が検出される。そして、第１音速算出手段により、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔と反射波の受信時間とに基づいて、超音波伝達媒体中の音速が求められる。具体的には、間隔をＬ、受信時間をＴとすると、超音波伝達媒体中を伝搬する超音波の音速Ｃｏは、Ｃｏ＝２Ｌ／Ｔの演算を行うことで求められる。その後、第２音速算出手段により、試料の表面に超音波を照射した場合に受信した反射波とその超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、試料中の音速が求められる。このようにすれば、超音波伝達媒体の温度が変化した場合でも、その温度変化に応じた超音波伝達媒体中の音速を求めることができる。そして、その超音波伝達媒体中の音速を用いることにより、試料中を伝搬する音速を正確に算出することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記反射波の音圧に対応した反射波信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出手段をさらに備え、前記間隔調整手段は、前記ピーク電圧検出手段の検出結果に基づいて、前記試料載置板の表面からの反射波の音圧が最大となるよう前記間隔を調整することをその要旨とする。
【００１６】
本発明のように、焦点型超音波振動子を用いる場合、焦点型超音波振動子の焦点が試料載置板の表面に一致するときにその反射波の音圧が最大となる。従って、請求項３のように、ピーク電圧検出手段により、試料載置板の表面からの反射波の音圧に対応した反射波信号のピーク電圧が検出される。そして、間隔調整手段により、その反射波の音圧（ピーク電圧）が最大となるように試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔が調整される。その結果、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔を焦点型超音波振動子の焦点距離と一致させることができ、その状態で超音波振動子から超音波を照射することにより、試料中の音速をより正確に算出することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記受信時間検出手段は、前記焦点型超音波振動子による超音波の照射時刻と、前記ピーク電圧検出手段によるピーク電圧の検出時刻とに基づいて、前記受信時間を測定することをその要旨とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明のように、焦点型超音波振動子による超音波の照射時刻と、ピーク電圧検出手段による反射波信号のピーク電圧の検出時刻とに基づいて、それら時刻の時間差を計算することにより、反射波の受信時間を的確に測定することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項において、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たことをその要旨とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、二次元走査手段により、超音波の照射点が二次元的に走査されるため、試料中の音速を平面情報として得ることができる。従って、それら音速のデータを用いることにより、試料を観察するための二次元の音速像を表示させることが可能となる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記二次元走査手段による超音波の走査前及び走査後において、前記受信時間検出手段は、前記反射波の受信時間を検出するとともに、前記第１音速算出手段は、その受信時間に基づいて前記超音波伝達媒体中の音速を算出し、前記第２音速算出手段は、走査前及び走査後の超音波伝達媒体中の音速に基づいて、前記二次元走査手段による走査時における前記試料中の音速を算出することをその要旨とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、超音波の走査前及び走査後において、超音波伝達媒体中の音速が算出される。このようにすると、二次元走査手段によって超音波が二次元的に走査され、その際に超音波照射を繰り返すことにより超音波伝達媒体の温度が変化した場合でも、温度変化後の超音波伝達媒体中の音速を求めることができる。従って、超音波の走査前及び走査後における超音波伝達媒体中の音速の変化に基づいて、超音波の走査時における超音波伝達媒体中の音速を推定することができ、それに応じた試料中の音速を正確に算出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、超音波伝達媒体中の音速を求め、その音速を考慮して試料中の音速を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
【００２５】
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は音速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。
【００２６】
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。
【００２７】
超音波顕微鏡２には、パルス発生回路１０と、送受波分離回路１１と、受信回路１２と、トランスデューサ１３と、Ｘ−Ｙステージ１４と、Ｚ軸ステージ１５と、エンコーダ（ＥＮＣ）１６と、Ｘ−Ｙコントローラ１７と、Ｚ軸コントローラ１８とが設けられている。
【００２８】
超音波顕微鏡２において、Ｚ軸ステージ１５の下部に焦点型超音波振動子としてのトランスデューサ１３が固定されている。Ｚ軸ステージ１５は、駆動モータ１９Ｚを備え、このモータ１９ＺにＺ軸コントローラ１８が接続されている。そして、このＺ軸コントローラ１８の駆動信号に応答してモータ１９Ｚが駆動することにより、Ｚ軸ステージ１５とともにトランスデューサ１３がＺ軸方向（図１では上下方向）に移動して、そのトランスデューサ１３から照射される超音波の焦点位置が調整される。
【００２９】
トランスデューサ１３は、酸化亜鉛の薄膜圧電素子１３ａとサファイアロッドの音響レンズ１３ｂとからなり、パルス発生回路１０で発生される励起パルスにより薄膜圧電素子１３ａが振動して所定周波数帯域の超音波が音響レンズ１３ｂを通して出力される。この音響レンズ１３ｂにおける超音波は円錐状に収束され、水などの超音波伝達媒体Ｗ１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１３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。
【００３０】
また、トランスデューサ１３の下方に、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１４が設けられ、そのステージ１４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、試料としての生体組織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。
【００３１】
Ｘ−Ｙステージ１４は、生体組織２１を二次元的に動かすためのステージ１４Ｘ，１４Ｙを備えるとともに、それぞれのステージ１４Ｘ，１４Ｙを駆動するモータ１９Ｘ，１９Ｙを備えている。これらのモータ１９Ｘ，１９Ｙ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。
【００３２】
各モータ１９Ｘ，１９ＹにはＸ−Ｙコントローラ１７が接続されており、該Ｘ−Ｙコントローラ１７の駆動信号に応答してモータ１９Ｘ，１９Ｙが駆動される。これらモータ１９Ｘ，１９Ｙの駆動により、Ｘステージ１４Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ１４Ｙを間欠送りとなるよう制御する。そしてこの制御によりＸ−Ｙステージ１４の高速走査が可能となっている。
【００３３】
また、本実施の形態においては、Ｘステージ１４Ｘ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１４Ｘの走査位置が検出される。具体的にいうと、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Ｘ−Ｙコントローラ１７に供給する。Ｘ−Ｙコントローラ１７は、この駆動制御信号に基づいてモータ１９Ｘを駆動する。また、Ｘ−Ｙ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１９Ｙを駆動して、Ｙステージ１４ＹをＹ方向に１ピクセル分移動させる。
【００３４】
さらに、Ｘ−Ｙ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１０に供給する。これにより、パルス発生回路１０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１１を介してトランスデューサ１３に供給されて該トランスデューサ１３から超音波が照射される。
【００３５】
図２は、トランスデューサ１３側から見たＸ−Ｙステージ１４の平面図である。図２に示されるように、Ｘステージ１４Ｘ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。
【００３６】
図３には、本実施の形態における超音波の走査範囲Ｒ１の一例を示している。すなわち、超音波の走査範囲Ｒ１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Ｒ１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。
【００３７】
図１に示すトランスデューサ１３の薄膜圧電素子１３ａは、送受波兼用の素子であり、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１１を介して受信回路１２に供給される。受信回路１２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。
【００３８】
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、ゲート回路２３ａやピーク検出回路２３ｂ（ピーク電圧検出手段）などを含む。本実施の形態の検波回路２３のゲート回路２３ａは、トランスデューサ１３で受信した反射波信号のなかからガラス面２０ａまたは生体組織２１の反射波信号を抽出する。超音波は、トランスデューサ１３とガラス面２０ａまたは生体組織２１との間で繰り返し反射されるものである。そのため、検波回路２３（ゲート回路２３ａ）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。また、検波回路２３のピーク検出回路２３ｂは、その反射波信号のピーク電圧を検出する。そして、検波回路２３で検出された反射波信号やピーク電圧の電圧信号は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。
【００３９】
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。
【００４０】
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１４による二次元走査を制御するためのプログラム、自動焦点調整を行うためのプログラムや組織音速を算出するためのプログラムなどを含む。
【００４１】
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）である。インターフェース３３は、コントローラ１７，１８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んだりするための入出力ポートである。
【００４２】
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の音速像や、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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に、本実施の形態の超音波画像検査装置１において、超音波の焦点を調整するための調整方法について説明する。
【００４５】
図４に示されるように、トランスデューサ１３からガラス基板２０の表面（ガラス面２０ａ）に垂直に超音波Ｓｏを照射する場合、超音波Ｓｏの焦点が合った位置で反射波の音圧が最大になる。このように、反射波の音圧が焦点位置で最大となる特性を利用して、超音波Ｓｏの焦点を調整する。
【００４６】
具体的には、トランスデューサ１３の焦点がガラス面２０ａ付近となるようＺ軸ステージ１５を設定した後、Ｚ軸ステージ１５を駆動しつつトランスデューサ１３から超音波Ｓoを照射し、その際に検波回路２３のピーク検出回路２３ｂにおいて反射波信号のピーク電圧を検出する。その検出結果に基づいて、反射波が最大音圧（反射波信号のピーク電圧が最大）となる位置を判定する。そして、その最大音圧となる位置でＺ軸ステージ１８を停止させることにより、トランスデューサ１３から照射される超音波Ｓｏがガラス面２０ａ上で焦点を結ぶように超音波Ｓｏの焦点位置が調整される。つまり、トランスデューサ１３とガラス面２０ａとの間隔Ｌがトランスデューサ１３の焦点距離と一致するよう調整される。
【００４７】
次に、超音波伝達媒体Ｗ１を伝搬する超音波Ｓｏの音速を算出するための算出方法を説明する。
【００４８】
上記の方法で超音波Ｓｏの焦点をガラス基板２０の表面（ガラス面２０ａ）に調整した後、そのガラス面２０ａに超音波Ｓｏを照射してからその反射波Ｓｒを受信するまでの受信時間Ｔを測定する（図５参照）。具体的には、トランスデューサ１３から超音波Ｓｏを照射した照射時刻ｔ１と、ピーク検出回路２３ｂにて反射波のピーク電圧を検出した検出時刻ｔ２との時間差により、受信時間Ｔ（＝ｔ２−ｔ１）を算出する。そして、トランスデューサ１３とガラス面２０ａとの間隔Ｌと、その受信時間Ｔとに基づいて次式（５）のように超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求める。
【数５】
【００４９】
ここで、トランスデューサ１３とガラス面２０ａとの間隔Ｌは、トランスデューサ１３の製品出荷時等でその焦点距離として予め測定された値を用いる。なお、この焦点距離のデータは、メモリ３４に予め記憶されている。
【００５０】
上式（５）により求めた音速Ｃｏは、その測定時の超音波伝達媒体Ｗ１の温度に応じた正確な値となる。そして、その音速Ｃｏを用いて上式（２）に対応した演算を行うことにより、生体組織２１の厚さｄが正確に求められる。また、音速Ｃｏを用いて、上式（４）に対応した演算を行うことにより、生体組織２１中の音速Ｃが正確に求められる。
【００５１】
次に、本実施の形態において、生体組織２１の音速像を生成するためにＣＰＵ３１が実行する処理例について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００５２】
先ず、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでＸ−Ｙコントローラ１７によってモータ１９Ｘ，１９Ｙを駆動し、超音波Ｓｏ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１４を移動する。そして、間隔調整手段としてのＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでＺ軸コントローラ１８によってモータ１９Ｚを駆動し、Ｚ軸ステージ１５を移動して超音波Ｓｏの焦点位置を調整する（ステップ１００）。
【００５３】
具体的には、超音波Ｓｏの焦点域近傍となる初期位置（例えば、トランスデューサ１３の焦点距離Ｌよりも若干離れた位置）にＺ軸ステージ１５を移動させる。その後、励起パルスがトランスデューサ１３に供給されると、トランスデューサ１３から超音波Ｓｏがガラス面２０ａに照射され、反射波信号のピーク電圧がピーク検出回路２３ｂで検出される。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（ピーク電圧）をＺ軸ステージ１５の位置（Ｚ軸の座標データ）と関連付けてメモリ３４に記憶する。
【００５４】
次いで、トランスデューサ１３をガラス面２０ａに近づけるようにＺ軸ステージ１５が所定距離（例えば、０．０１ｍｍ）だけ移動された後、ガラス面２０ａに超音波Ｓｏが照射され、反射波信号のピーク電圧がピーク検出回路２３ｂで検出される。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ピーク電圧としてＺ軸ステージ１５の位置と関連付けてメモリ３４に記憶する。
【００５５】
同様に、Ｚ軸ステージ１５をガラス面２０ａに徐々に近づけ、その都度、Ｚ軸ステージ１５の位置に対応する反射波信号のピーク電圧を取得してメモリ３４に記憶する。そして、ＣＰＵ３１は、メモリ３４に記憶された各ピーク電圧について、最大となる位置（Ｚ軸の座標）を判定し、その位置にＺ軸ステージ１５を移動させることにより、ガラス面２０ａ上で焦点を結ぶように超音波Ｓｏの焦点位置を調整する。
【００５６】
その後、受信時間検出手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａに超音波Ｓｏを照射してからその反射波を受信するまでの受信時間Ｔを測定する（ステップ１１０）。具体的には、図７に示されるように、トランスデューサ１３から超音波Ｓｏがガラス面２０ａに照射されると、そのガラス面２０ａからの反射波Ｓｒの電気信号（反射波信号）が検波回路２３で検出される。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、メモリ３４に記憶する。またこのとき、ＣＰＵ３１は、トランスデューサ１３が超音波Ｓｏを照射した照射時刻ｔ１と、ピーク検出回路２３ｂが反射波信号のピーク電圧を検出した検出時刻ｔ２とに基づいて、受信時間Ｔを算出する（図５参照）。
【００５７】
そして、第１音速算出手段としてのＣＰＵ３１は、メモリ３４に記憶されている焦点距離Ｌと、その受信時間Ｔとを用いて上式（５）に対応した演算を行い、超音波伝達媒体Ｗ１を伝搬する超音波Ｓｏの音速Ｃｏを求める（ステップ１２０）。
【００５８】
さらに、ＣＰＵ３１は、メモリ３４に記憶したガラス面２０ａにおける反射波信号を用いて、周波数成分を得るためのフーリエ変換を行い、その変換結果をガラス面２０ａでの直接反射波のデータとしてメモリ３４に記憶する。
【００５９】
次に、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでＸ−Ｙコントローラ１７によってモータ１９Ｘ，１９Ｙを駆動し、Ｘ−Ｙステージ１４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。そして、図７に示すように、生体組織２１に超音波Ｓｏが照射されると、その反射波（組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとの合成波）Ｓｔの反射波信号が検波回路２３で抽出される。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１３０）。なおここでは、走査範囲Ｒ１における全ての測定点での反射波信号を検出して１画面分のデータを取得する。
【００６０】
そして、ＣＰＵ３１は、各測定点における反射波のデータをフーリエ変換して、その変換結果をガラス面２０ａでの反射波信号（フーリエ変換結果）と比較することにより、強度及び位相スペクトルを求める（図８参照）。ＣＰＵ３１は、その強度及び位相スペクトルから信号強度の極小点の周波数ｆｍとそのときの位相φｍとを判定する。ＣＰＵ３１は、それら周波数ｆｍ及び位相φｍと、ステップ１２０で求めた超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏとを用いて、上記の式（２）に対応した演算を行い、測定点での生体組織２１の厚さｄを求める（ステップ１４０）。
【００６１】
さらに、第２音速算出手段としてのＣＰＵ３１は、算出した厚さｄを用いて上記の式（４）に対応した演算を行い、測定点での生体組織２１中の音速Ｃを求める（ステップ１５０）。なお、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃは、測定点毎に求められ、その測定点での座標データと関連付けてメモリ３４に記憶される。
【００６２】
その後、ＣＰＵ３１は、算出した組織音速Ｃ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１６０）。詳しくは、ＣＰＵ３１は、組織音速Ｃを用いてカラー変調処理を行い、組織音速Ｃの大きさに応じた画像データを生成する。そして、ＣＰＵ３１は、各画像データを表示装置３７に転送することにより、その表示装置３７の画面に生体組織２１の音速像を表示させた後、図６の処理を終了する。
【００６３】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００６４】
（１）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、ガラス基板２０とトランスデューサ１３との間隔Ｌとガラス面２０ａからの反射波の受信時間Ｔとに基づいて、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏが求められ、生体組織２１からの反射波信号とその超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏとに基づいて、生体組織２１中の音速Ｃが求められる。このようにすれば、超音波伝達媒体Ｗ１の温度が変化した場合でも、その温度変化に応じた超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求めることができる。またこの場合、超音波伝達媒体Ｗ１において実際に超音波Ｓｏが伝搬する部分の温度に応じた音速を求めることができるため、従来技術のように温度センサなどで温度を測定する場合と比較してより正確な音速を求めることができる。そして、その超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを用いることにより、生体組織２１中を伝搬する音速Ｃを正確に算出することができる。
【００６５】
（２）本実施の形態の場合、パルス励起型の超音波顕微鏡２を用いたので、バースト波を用いて音速Ｃを測定する従来方式のように同じ測定点で周波数を切り替え何回も測定する必要がなく、各測定点について１回の測定で音速Ｃを算出することができる。そのため、超音波Ｓｏの照射による超音波伝達媒体Ｗ１の温度変化を最小限に抑えることができる。
【００６６】
（３）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、生体組織２１の音速像を取得する前に、Ｚ軸ステージ１５を駆動することにより、トランスデューサ１３から照射される超音波Ｓｏがガラス面２０ａ上で焦点を結ぶようにガラス基板２０とトランスデューサ１３との間隔Ｌを調整することができる。このように、超音波Ｓｏの焦点位置を調整することにより、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを正確に求めることができるとともに、生体組織２１中の音速Ｃを正確に算出することができる。従って、その音速Ｃに基づいて鮮明な音速像を表示装置３７に表示させることができ、生体組織２１の診断を厳密に行うことができる。
［第２の実施の形態］
【００６７】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を説明する。本実施の形態では、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを算出するための算出方法が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態における超音波画像検査装置１の構成は、上記第１の実施の形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００６８】
以下、本実施の形態において、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを算出するための方法について説明する。
【００６９】
先ず、図７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Ｓr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。ここで、ガラス面２０ａでの反射波Ｓr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。
【００７０】
なお、このデコンボリューション処理では、各反射波Ｓr，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Ｓr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。
【００７１】
図９には、デコンボリューション処理前のガラス面２０ａの反射波Ｓrと生体組織２１の反射波Ｓｔを示し、図１０には、デコンボリューション処理後におけるガラス面２０ａの反射波Ｓrと生体組織２１の反射波Ｓｔを示している。
【００７２】
図９及び図１０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。
【００７３】
この分離した各反射波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の位相スペクトルの周波数特性データ（図１１参照）を求めることができる。なお、このデータは、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrを基準とした位相のデータである。
【００７４】
ここで、組織表面での反射波Ｓfrontの位相φfrontは次式の関係が成り立つ。
【数６】
また、組織裏面での反射波Ｓrearの位相φrearは次式の関係が成り立つ。
【数７】
【００７５】
ただし、ｆは周波数、ｄは生体組織２１の厚さ、Ｃｏは超音波伝達媒体Ｗ１中の音速、Ｃは生体組織２１中の音速である。本実施の形態においても、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏは、上記第１の実施の形態と同様の手法で求められる。すなわち、超音波Ｓｏによる二次元走査を開始する前に、Ｚ軸ステージ１５を駆動して超音波Ｓｏの焦点を調整する。その後、ガラス面２０ａに超音波Ｓｏを照射しその反射波Ｓｒの受信時間Ｔを測定し、その受信時間Ｔを用いて上記の式（５）に対応した演算を行うことにより、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求める。
【００７６】
上式（６）から生体組織２１の厚さｄは次式により求められる。
【数８】
【００７７】
また、上式（７）から生体組織２１中の音速Ｃは次式により求められる。
【数９】
【００７８】
このように、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏと周波数ｆとそれに応じた位相φfront，φrearとを上式（８）及び（９）に代入することにより、組織音速Ｃを求めることができる。
【００７９】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、超音波伝達媒体Ｗ１の温度変化に応じた超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求めることができ、その超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを用いることにより、生体組織２１中を伝搬する音速Ｃを正確に算出することができる。
【００８０】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００８１】
・上記各実施の形態では、Ｘ−Ｙステージ１４による二次元走査前に超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求め、その音速Ｃｏを用いて生体組織２１中の音速Ｃを求めるものであったがこれに限定されるものではない。具体的には、例えば、超音波Ｓｏの走査前及び走査後に超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求める。そして、走査前及び走査後の超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏの変化に基づいて、超音波Ｓｏの走査時における超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを推定することができる。さらに、その推定した音速Ｃｏに基づいて、各測定点における生体組織２１中の音速Ｃを求める。このように構成しても、超音波伝達媒体Ｗ１の温度変化に応じた音速Ｃｏを的確に求めることができ、生体組織２１中の音速Ｃをより正確に算出することができる。
【００８２】
また、図３に示すように超音波Ｓｏの走査範囲Ｒ１を設定した場合では、Ｘ方向の各走査ライン上において、左端の測定点は、ガラス面２０ａ上に位置している。従って、超音波Ｓｏの二次元走査時において、左端の各測定点でガラス面２０ａからの反射波Ｓｒの受信時間Ｔを測定し、その受信時間Ｔに基づいて超音波伝達媒体Ｗ１中の音速ＣｏをＸ方向の走査ライン毎に求める。そして、Ｘ方向の走査ライン毎に、その測定した超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを用いて、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを求める。このようにすれば、超音波Ｓｏの二次元走査時において、超音波Ｓｏの照射により超音波伝達媒体Ｗ１の温度が変化した場合でも、その温度変化に対応した音速Ｃｏを求めることができ、生体組織２１中の音速Ｃをより正確に求めることができる。
【００８３】
・上記実施の形態では、トランスデューサ１３の製品出荷時等に測定された焦点距離Ｌを用いて超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを算出するものであったが、実際の使用時において、その焦点距離Ｌの正確な値がわからない場合もある。この場合には、温度センサなどで超音波伝達媒体Ｗ１の温度を測定するとともに、その温度でのガラス面２０ａの反射波Ｓｒの受信時間Ｔを測定する。そして、その温度における超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏと受信時間Ｔとによって、トランスデューサ１３の焦点距離Ｌを求める。その後、生体組織２１の音速像を生成する際には、算出した焦点距離Ｌを用いて、その時々の受信時間Ｔに基づいて超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求めるとともに、その音速Ｃｏに基づいて生体組織２１中の音速Ｃを算出する。このようにしても、上記実施の形態と同様に、生体組織２１中の音速Ｃを正確に算出することができる。
【００８４】
・上記実施の形態では、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１４をトランスデューサ１３に対向する位置に設け、そのＸ−Ｙステージ１４を駆動することにより、超音波Ｓｏの照射点を二次元的に走査する構成を採用したが、トランスデューサ１３側に二次元走査手段を設けてもよい。また、Ｘ−Ｙステージ１４の上方に焦点調整用のＺ軸ステージ１５を設けるものであったが、Ｘ−Ｙステージ１４の下方にＺ軸ステージ１５を設けてもよい。
【００８５】
・上記実施の形態では、試料としての生体組織２１中の音速Ｃを測定するものであったが、それ以外に、例えば樹脂などの音速Ｃを測定してもよい。
【００８６】
・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。
【００８７】
・上記実施の形態の超音波画像検査装置１では、カラー変調による音速像を生成するものであったが、それ以外に輝度変調した音速像として可視化してもよい。
【００８８】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００８９】
（１）請求項２において、前記間隔調整手段は、前記間隔が前記焦点型超音波振動子の焦点距離と一致するよう調整することを特徴とする音速測定装置。
【００９０】
（２）請求項２乃至５のいずれか１項において、前記間隔及び前記受信時間を記憶するための記憶手段をさらに備えたことを特徴とする音速測定装置。
【００９１】
（３）請求項２乃至５のいずれか１項に記載の音速測定装置と、前記試料中の音速に基づいて音速像を生成する処理を行う画像生成手段と、前記音速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。
【００９２】
（４）技術的思想（３）において、前記試料は生体組織であり、前記表示装置に表示した音速像に基づいて生体組織診断を行うことを特徴とする超音波画像検査装置。
【００９３】
（５）技術的思想（４）において、前記画像生成手段は、算出した試料中の音速の大きさに応じてカラー変調した画像データを生成し、その画像データにより、前記音速の大きさに応じて色分けされた音速像を前記表示装置に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】
【００９４】
【図１】本発明を具体化した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】焦点位置と音圧との関係を示す説明図。
【図５】反射波の受信時間を示すタイムチャート。
【図６】生体組織の音速像を生成するための処理を示すフローチャート。
【図７】各反射波を示す説明図。
【図８】強度スペクトル及び位相スペクトルを示す説明図。
【図９】デコンボリューション処理前の反射波を示す説明図。
【図１０】デコンボリューション処理後の反射波を示す説明図。
【図１１】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説明図。
【図１２】従来のパルス励起型超音波顕微鏡での測定方法を示す模式図。
【符号の説明】
【００９５】
１…音速測定装置としての超音波画像検査装置
１３…焦点型超音波振動子としてのトランスデューサ
２０…試料載置板としてのガラス基板
２１…試料としての生体組織
２３ｂ…ピーク電圧検出手段としてのピーク検出回路
３１…間隔調整手段、受信時間検出手段、第１音速算出手段、及び第２音速算出手段としてのＣＰＵ
Ｌ…間隔
Ｓｏ…超音波
Ｓｒ…反射波
Ｔ…受信時間
ｔ１…照射時刻
ｔ２…検出時刻
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して試料中の音速を測定する音速測定方法、及び音速測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療分野では、生体組織の診断を行う装置として、超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められており、光学顕微鏡と同等の解像度で生体組織の観察が可能なものが実用化されている。光学顕微鏡では生体組織における化学的性質の違いを例えば染色によって区別するのに対し、超音波顕微鏡では物理的性質の違いを無染色で区別することができる。つまり、超音波顕微鏡を用いる場合には、染色を行わなくても生体組織を診断することができるといった利点がある。
【０００３】
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。
【０００４】
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４１を作製し、これをまずガラス基板４２上に固定する（図１２参照）。そして、パルス波でトランスデューサ４３を励起して超音波Ｓｏを出力させ、その超音波Ｓｏを水などの超音波伝達媒体Ｗ１を介して凍結切片４１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４３で受信する。さらに、この受信波をフーリエ変換してガラス基板４２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。
【０００５】
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、水中の音速Ｃｏとすると、
【数１】
が成立している。
【０００６】
従って、次式のように組織厚さｄが求まる。
【数２】
【０００７】
また、距離２ｄを組織音速Ｃで通過した波と水中の音速Ｃｏで通過した波との位相差がφｍであることから、
【数３】
となり、次式のように組織音速Ｃが求まる。
【数４】
【０００８】
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４１の性状を観察することができる。
【特許文献１】特開２００５−２９１８２７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】
【０００９】
ところで、上記の音速測定方法では、所定温度（例えば、測定開始時にて温度センサなどで測定した水温）での水中の音速Ｃｏを上式（４）に代入して、組織音速Ｃを求めている。しかしながら、超音波顕微鏡が設置された部屋の室温などの測定条件が変化したり測定時に超音波照射を繰り返したりすることで、水温が変化して水中の音速Ｃｏが変化してしまうことがある。この場合、実際の水中の音速Ｃｏと異なる値を用いることとなり、凍結切片４１の厚さｄや組織音速Ｃを正確に算出することができず、測定誤差が生じる。特に、超音波照射により水温が変化する場合、超音波が伝搬する部分で局所的に温度が上がる。そのため、温度センサではその水温上昇を正確に検出することができず、測定誤差が生じる。このような測定誤差は、より精密できめ細かな画像診断を行う上で障害となる。
【００１０】
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、超音波伝達媒体中の音速を求め、その音速を考慮して試料中の音速を正確に測定することができる音速測定方法、及び音速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】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定方法であって、前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整するステップと、前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出するステップと、前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求めるステップと、前記試料の表面に超音波を照射した場合に受信した反射波と、前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を求めるステップとを含むことを特徴とする音速測定方法をその要旨とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔が調整され、その間隔を維持した状態で試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間が検出される。そして、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔と反射波の受信時間とに基づいて、超音波伝達媒体中の音速が求められる。具体的には、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔をＬ、受信時間をＴとすると、超音波伝達媒体中を伝搬する超音波の音速Ｃｏは、Ｃｏ＝２Ｌ／Ｔの演算を行うことで求められる。その後、試料の表面に超音波が照射され、その反射波と超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、試料中の音速が求められる。このようにすれば、超音波伝達媒体の温度が変化した場合でも、その温度変化に応じた超音波伝達媒体中の音速を求めることができる。またこの場合、超音波伝達媒体において実際に超音波が伝搬する部分の温度に応じた音速を求めることができるため、従来技術のように温度センサなどで温度を測定する場合と比較してより正確な音速を求めることができる。そして、その超音波伝達媒体中の音速を用いることにより、試料中を伝搬する音速を正確に算出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定装置であって、前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整する間隔調整手段と、前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出する受信時間検出手段と、前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求める第１音速算出手段と、前記試料の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射したときに受信した反射波と前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を算出する第２音速算出手段とを備えることを特徴とする音速測定装置をその要旨とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、間隔調整手段により、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔が調整される。その間隔を維持した状態で、受信時間検出手段により、試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間が検出される。そして、第１音速算出手段により、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔と反射波の受信時間とに基づいて、超音波伝達媒体中の音速が求められる。具体的には、間隔をＬ、受信時間をＴとすると、超音波伝達媒体中を伝搬する超音波の音速Ｃｏは、Ｃｏ＝２Ｌ／Ｔの演算を行うことで求められる。その後、第２音速算出手段により、試料の表面に超音波を照射した場合に受信した反射波とその超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、試料中の音速が求められる。このようにすれば、超音波伝達媒体の温度が変化した場合でも、その温度変化に応じた超音波伝達媒体中の音速を求めることができる。そして、その超音波伝達媒体中の音速を用いることにより、試料中を伝搬する音速を正確に算出することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記反射波の音圧に対応した反射波信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出手段をさらに備え、前記間隔調整手段は、前記ピーク電圧検出手段の検出結果に基づいて、前記試料載置板の表面からの反射波の音圧が最大となるよう前記間隔を調整することをその要旨とする。
【００１６】
本発明のように、焦点型超音波振動子を用いる場合、焦点型超音波振動子の焦点が試料載置板の表面に一致するときにその反射波の音圧が最大となる。従って、請求項３のように、ピーク電圧検出手段により、試料載置板の表面からの反射波の音圧に対応した反射波信号のピーク電圧が検出される。そして、間隔調整手段により、その反射波の音圧（ピーク電圧）が最大となるように試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔が調整される。その結果、試料載置板と焦点型超音波振動子との間隔を焦点型超音波振動子の焦点距離と一致させることができ、その状態で超音波振動子から超音波を照射することにより、試料中の音速をより正確に算出することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記受信時間検出手段は、前記焦点型超音波振動子による超音波の照射時刻と、前記ピーク電圧検出手段によるピーク電圧の検出時刻とに基づいて、前記受信時間を測定することをその要旨とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明のように、焦点型超音波振動子による超音波の照射時刻と、ピーク電圧検出手段による反射波信号のピーク電圧の検出時刻とに基づいて、それら時刻の時間差を計算することにより、反射波の受信時間を的確に測定することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項において、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たことをその要旨とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、二次元走査手段により、超音波の照射点が二次元的に走査されるため、試料中の音速を平面情報として得ることができる。従って、それら音速のデータを用いることにより、試料を観察するための二次元の音速像を表示させることが可能となる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記二次元走査手段による超音波の走査前及び走査後において、前記受信時間検出手段は、前記反射波の受信時間を検出するとともに、前記第１音速算出手段は、その受信時間に基づいて前記超音波伝達媒体中の音速を算出し、前記第２音速算出手段は、走査前及び走査後の超音波伝達媒体中の音速に基づいて、前記二次元走査手段による走査時における前記試料中の音速を算出することをその要旨とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、超音波の走査前及び走査後において、超音波伝達媒体中の音速が算出される。このようにすると、二次元走査手段によって超音波が二次元的に走査され、その際に超音波照射を繰り返すことにより超音波伝達媒体の温度が変化した場合でも、温度変化後の超音波伝達媒体中の音速を求めることができる。従って、超音波の走査前及び走査後における超音波伝達媒体中の音速の変化に基づいて、超音波の走査時における超音波伝達媒体中の音速を推定することができ、それに応じた試料中の音速を正確に算出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、超音波伝達媒体中の音速を求め、その音速を考慮して試料中の音速を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の実施の形態］
【００２５】
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は音速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。
【００２６】
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。
【００２７】
超音波顕微鏡２には、パルス発生回路１０と、送受波分離回路１１と、受信回路１２と、トランスデューサ１３と、Ｘ−Ｙステージ１４と、Ｚ軸ステージ１５と、エンコーダ（ＥＮＣ）１６と、Ｘ−Ｙコントローラ１７と、Ｚ軸コントローラ１８とが設けられている。
【００２８】
超音波顕微鏡２において、Ｚ軸ステージ１５の下部に焦点型超音波振動子としてのトランスデューサ１３が固定されている。Ｚ軸ステージ１５は、駆動モータ１９Ｚを備え、このモータ１９ＺにＺ軸コントローラ１８が接続されている。そして、このＺ軸コントローラ１８の駆動信号に応答してモータ１９Ｚが駆動することにより、Ｚ軸ステージ１５とともにトランスデューサ１３がＺ軸方向（図１では上下方向）に移動して、そのトランスデューサ１３から照射される超音波の焦点位置が調整される。
【００２９】
トランスデューサ１３は、酸化亜鉛の薄膜圧電素子１３ａとサファイアロッドの音響レンズ１３ｂとからなり、パルス発生回路１０で発生される励起パルスにより薄膜圧電素子１３ａが振動して所定周波数帯域の超音波が音響レンズ１３ｂを通して出力される。この音響レンズ１３ｂにおける超音波は円錐状に収束され、水などの超音波伝達媒体Ｗ１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１３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。
【００３０】
また、トランスデューサ１３の下方に、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１４が設けられ、そのステージ１４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、試料としての生体組織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。
【００３１】
Ｘ−Ｙステージ１４は、生体組織２１を二次元的に動かすためのステージ１４Ｘ，１４Ｙを備えるとともに、それぞれのステージ１４Ｘ，１４Ｙを駆動するモータ１９Ｘ，１９Ｙを備えている。これらのモータ１９Ｘ，１９Ｙ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。
【００３２】
各モータ１９Ｘ，１９ＹにはＸ−Ｙコントローラ１７が接続されており、該Ｘ−Ｙコントローラ１７の駆動信号に応答してモータ１９Ｘ，１９Ｙが駆動される。これらモータ１９Ｘ，１９Ｙの駆動により、Ｘステージ１４Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ１４Ｙを間欠送りとなるよう制御する。そしてこの制御によりＸ−Ｙステージ１４の高速走査が可能となっている。
【００３３】
また、本実施の形態においては、Ｘステージ１４Ｘ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１４Ｘの走査位置が検出される。具体的にいうと、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Ｘ−Ｙコントローラ１７に供給する。Ｘ−Ｙコントローラ１７は、この駆動制御信号に基づいてモータ１９Ｘを駆動する。また、Ｘ−Ｙ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１９Ｙを駆動して、Ｙステージ１４ＹをＹ方向に１ピクセル分移動させる。
【００３４】
さらに、Ｘ−Ｙ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１０に供給する。これにより、パルス発生回路１０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１１を介してトランスデューサ１３に供給されて該トランスデューサ１３から超音波が照射される。
【００３５】
図２は、トランスデューサ１３側から見たＸ−Ｙステージ１４の平面図である。図２に示されるように、Ｘステージ１４Ｘ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。
【００３６】
図３には、本実施の形態における超音波の走査範囲Ｒ１の一例を示している。すなわち、超音波の走査範囲Ｒ１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Ｒ１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。
【００３７】
図１に示すトランスデューサ１３の薄膜圧電素子１３ａは、送受波兼用の素子であり、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１１を介して受信回路１２に供給される。受信回路１２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。
【００３８】
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、ゲート回路２３ａやピーク検出回路２３ｂ（ピーク電圧検出手段）などを含む。本実施の形態の検波回路２３のゲート回路２３ａは、トランスデューサ１３で受信した反射波信号のなかからガラス面２０ａまたは生体組織２１の反射波信号を抽出する。超音波は、トランスデューサ１３とガラス面２０ａまたは生体組織２１との間で繰り返し反射されるものである。そのため、検波回路２３（ゲート回路２３ａ）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。また、検波回路２３のピーク検出回路２３ｂは、その反射波信号のピーク電圧を検出する。そして、検波回路２３で検出された反射波信号やピーク電圧の電圧信号は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。
【００３９】
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。
【００４０】
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１４による二次元走査を制御するためのプログラム、自動焦点調整を行うためのプログラムや組織音速を算出するためのプログラムなどを含む。
【００４１】
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）である。インターフェース３３は、コントローラ１７，１８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んだりするための入出力ポートである。
【００４２】
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の音速像や、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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に、本実施の形態の超音波画像検査装置１において、超音波の焦点を調整するための調整方法について説明する。
【００４５】
図４に示されるように、トランスデューサ１３からガラス基板２０の表面（ガラス面２０ａ）に垂直に超音波Ｓｏを照射する場合、超音波Ｓｏの焦点が合った位置で反射波の音圧が最大になる。このように、反射波の音圧が焦点位置で最大となる特性を利用して、超音波Ｓｏの焦点を調整する。
【００４６】
具体的には、トランスデューサ１３の焦点がガラス面２０ａ付近となるようＺ軸ステージ１５を設定した後、Ｚ軸ステージ１５を駆動しつつトランスデューサ１３から超音波Ｓoを照射し、その際に検波回路２３のピーク検出回路２３ｂにおいて反射波信号のピーク電圧を検出する。その検出結果に基づいて、反射波が最大音圧（反射波信号のピーク電圧が最大）となる位置を判定する。そして、その最大音圧となる位置でＺ軸ステージ１８を停止させることにより、トランスデューサ１３から照射される超音波Ｓｏがガラス面２０ａ上で焦点を結ぶように超音波Ｓｏの焦点位置が調整される。つまり、トランスデューサ１３とガラス面２０ａとの間隔Ｌがトランスデューサ１３の焦点距離と一致するよう調整される。
【００４７】
次に、超音波伝達媒体Ｗ１を伝搬する超音波Ｓｏの音速を算出するための算出方法を説明する。
【００４８】
上記の方法で超音波Ｓｏの焦点をガラス基板２０の表面（ガラス面２０ａ）に調整した後、そのガラス面２０ａに超音波Ｓｏを照射してからその反射波Ｓｒを受信するまでの受信時間Ｔを測定する（図５参照）。具体的には、トランスデューサ１３から超音波Ｓｏを照射した照射時刻ｔ１と、ピーク検出回路２３ｂにて反射波のピーク電圧を検出した検出時刻ｔ２との時間差により、受信時間Ｔ（＝ｔ２−ｔ１）を算出する。そして、トランスデューサ１３とガラス面２０ａとの間隔Ｌと、その受信時間Ｔとに基づいて次式（５）のように超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求める。
【数５】
【００４９】
ここで、トランスデューサ１３とガラス面２０ａとの間隔Ｌは、トランスデューサ１３の製品出荷時等でその焦点距離として予め測定された値を用いる。なお、この焦点距離のデータは、メモリ３４に予め記憶されている。
【００５０】
上式（５）により求めた音速Ｃｏは、その測定時の超音波伝達媒体Ｗ１の温度に応じた正確な値となる。そして、その音速Ｃｏを用いて上式（２）に対応した演算を行うことにより、生体組織２１の厚さｄが正確に求められる。また、音速Ｃｏを用いて、上式（４）に対応した演算を行うことにより、生体組織２１中の音速Ｃが正確に求められる。
【００５１】
次に、本実施の形態において、生体組織２１の音速像を生成するためにＣＰＵ３１が実行する処理例について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００５２】
先ず、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでＸ−Ｙコントローラ１７によってモータ１９Ｘ，１９Ｙを駆動し、超音波Ｓｏ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１４を移動する。そして、間隔調整手段としてのＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでＺ軸コントローラ１８によってモータ１９Ｚを駆動し、Ｚ軸ステージ１５を移動して超音波Ｓｏの焦点位置を調整する（ステップ１００）。
【００５３】
具体的には、超音波Ｓｏの焦点域近傍となる初期位置（例えば、トランスデューサ１３の焦点距離Ｌよりも若干離れた位置）にＺ軸ステージ１５を移動させる。その後、励起パルスがトランスデューサ１３に供給されると、トランスデューサ１３から超音波Ｓｏがガラス面２０ａに照射され、反射波信号のピーク電圧がピーク検出回路２３ｂで検出される。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（ピーク電圧）をＺ軸ステージ１５の位置（Ｚ軸の座標データ）と関連付けてメモリ３４に記憶する。
【００５４】
次いで、トランスデューサ１３をガラス面２０ａに近づけるようにＺ軸ステージ１５が所定距離（例えば、０．０１ｍｍ）だけ移動された後、ガラス面２０ａに超音波Ｓｏが照射され、反射波信号のピーク電圧がピーク検出回路２３ｂで検出される。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ピーク電圧としてＺ軸ステージ１５の位置と関連付けてメモリ３４に記憶する。
【００５５】
同様に、Ｚ軸ステージ１５をガラス面２０ａに徐々に近づけ、その都度、Ｚ軸ステージ１５の位置に対応する反射波信号のピーク電圧を取得してメモリ３４に記憶する。そして、ＣＰＵ３１は、メモリ３４に記憶された各ピーク電圧について、最大となる位置（Ｚ軸の座標）を判定し、その位置にＺ軸ステージ１５を移動させることにより、ガラス面２０ａ上で焦点を結ぶように超音波Ｓｏの焦点位置を調整する。
【００５６】
その後、受信時間検出手段としてのＣＰＵ３１は、ガラス面２０ａに超音波Ｓｏを照射してからその反射波を受信するまでの受信時間Ｔを測定する（ステップ１１０）。具体的には、図７に示されるように、トランスデューサ１３から超音波Ｓｏがガラス面２０ａに照射されると、そのガラス面２０ａからの反射波Ｓｒの電気信号（反射波信号）が検波回路２３で検出される。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、メモリ３４に記憶する。またこのとき、ＣＰＵ３１は、トランスデューサ１３が超音波Ｓｏを照射した照射時刻ｔ１と、ピーク検出回路２３ｂが反射波信号のピーク電圧を検出した検出時刻ｔ２とに基づいて、受信時間Ｔを算出する（図５参照）。
【００５７】
そして、第１音速算出手段としてのＣＰＵ３１は、メモリ３４に記憶されている焦点距離Ｌと、その受信時間Ｔとを用いて上式（５）に対応した演算を行い、超音波伝達媒体Ｗ１を伝搬する超音波Ｓｏの音速Ｃｏを求める（ステップ１２０）。
【００５８】
さらに、ＣＰＵ３１は、メモリ３４に記憶したガラス面２０ａにおける反射波信号を用いて、周波数成分を得るためのフーリエ変換を行い、その変換結果をガラス面２０ａでの直接反射波のデータとしてメモリ３４に記憶する。
【００５９】
次に、ＣＰＵ３１は、制御信号を出力することでＸ−Ｙコントローラ１７によってモータ１９Ｘ，１９Ｙを駆動し、Ｘ−Ｙステージ１４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。そして、図７に示すように、生体組織２１に超音波Ｓｏが照射されると、その反射波（組織表面の反射波Ｓfrontと組織裏面の反射波Ｓrearとの合成波）Ｓｔの反射波信号が検波回路２３で抽出される。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１３０）。なおここでは、走査範囲Ｒ１における全ての測定点での反射波信号を検出して１画面分のデータを取得する。
【００６０】
そして、ＣＰＵ３１は、各測定点における反射波のデータをフーリエ変換して、その変換結果をガラス面２０ａでの反射波信号（フーリエ変換結果）と比較することにより、強度及び位相スペクトルを求める（図８参照）。ＣＰＵ３１は、その強度及び位相スペクトルから信号強度の極小点の周波数ｆｍとそのときの位相φｍとを判定する。ＣＰＵ３１は、それら周波数ｆｍ及び位相φｍと、ステップ１２０で求めた超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏとを用いて、上記の式（２）に対応した演算を行い、測定点での生体組織２１の厚さｄを求める（ステップ１４０）。
【００６１】
さらに、第２音速算出手段としてのＣＰＵ３１は、算出した厚さｄを用いて上記の式（４）に対応した演算を行い、測定点での生体組織２１中の音速Ｃを求める（ステップ１５０）。なお、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃは、測定点毎に求められ、その測定点での座標データと関連付けてメモリ３４に記憶される。
【００６２】
その後、ＣＰＵ３１は、算出した組織音速Ｃ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１６０）。詳しくは、ＣＰＵ３１は、組織音速Ｃを用いてカラー変調処理を行い、組織音速Ｃの大きさに応じた画像データを生成する。そして、ＣＰＵ３１は、各画像データを表示装置３７に転送することにより、その表示装置３７の画面に生体組織２１の音速像を表示させた後、図６の処理を終了する。
【００６３】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００６４】
（１）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、ガラス基板２０とトランスデューサ１３との間隔Ｌとガラス面２０ａからの反射波の受信時間Ｔとに基づいて、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏが求められ、生体組織２１からの反射波信号とその超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏとに基づいて、生体組織２１中の音速Ｃが求められる。このようにすれば、超音波伝達媒体Ｗ１の温度が変化した場合でも、その温度変化に応じた超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求めることができる。またこの場合、超音波伝達媒体Ｗ１において実際に超音波Ｓｏが伝搬する部分の温度に応じた音速を求めることができるため、従来技術のように温度センサなどで温度を測定する場合と比較してより正確な音速を求めることができる。そして、その超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを用いることにより、生体組織２１中を伝搬する音速Ｃを正確に算出することができる。
【００６５】
（２）本実施の形態の場合、パルス励起型の超音波顕微鏡２を用いたので、バースト波を用いて音速Ｃを測定する従来方式のように同じ測定点で周波数を切り替え何回も測定する必要がなく、各測定点について１回の測定で音速Ｃを算出することができる。そのため、超音波Ｓｏの照射による超音波伝達媒体Ｗ１の温度変化を最小限に抑えることができる。
【００６６】
（３）本実施の形態の超音波画像検査装置１では、生体組織２１の音速像を取得する前に、Ｚ軸ステージ１５を駆動することにより、トランスデューサ１３から照射される超音波Ｓｏがガラス面２０ａ上で焦点を結ぶようにガラス基板２０とトランスデューサ１３との間隔Ｌを調整することができる。このように、超音波Ｓｏの焦点位置を調整することにより、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを正確に求めることができるとともに、生体組織２１中の音速Ｃを正確に算出することができる。従って、その音速Ｃに基づいて鮮明な音速像を表示装置３７に表示させることができ、生体組織２１の診断を厳密に行うことができる。
［第２の実施の形態］
【００６７】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を説明する。本実施の形態では、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを算出するための算出方法が上記第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態における超音波画像検査装置１の構成は、上記第１の実施の形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００６８】
以下、本実施の形態において、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを算出するための方法について説明する。
【００６９】
先ず、図７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Ｓr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。ここで、ガラス面２０ａでの反射波Ｓr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。
【００７０】
なお、このデコンボリューション処理では、各反射波Ｓr，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Ｓr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。
【００７１】
図９には、デコンボリューション処理前のガラス面２０ａの反射波Ｓrと生体組織２１の反射波Ｓｔを示し、図１０には、デコンボリューション処理後におけるガラス面２０ａの反射波Ｓrと生体組織２１の反射波Ｓｔを示している。
【００７２】
図９及び図１０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。
【００７３】
この分離した各反射波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の位相スペクトルの周波数特性データ（図１１参照）を求めることができる。なお、このデータは、ガラス面２０ａでの反射波Ｓrを基準とした位相のデータである。
【００７４】
ここで、組織表面での反射波Ｓfrontの位相φfrontは次式の関係が成り立つ。
【数６】
また、組織裏面での反射波Ｓrearの位相φrearは次式の関係が成り立つ。
【数７】
【００７５】
ただし、ｆは周波数、ｄは生体組織２１の厚さ、Ｃｏは超音波伝達媒体Ｗ１中の音速、Ｃは生体組織２１中の音速である。本実施の形態においても、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏは、上記第１の実施の形態と同様の手法で求められる。すなわち、超音波Ｓｏによる二次元走査を開始する前に、Ｚ軸ステージ１５を駆動して超音波Ｓｏの焦点を調整する。その後、ガラス面２０ａに超音波Ｓｏを照射しその反射波Ｓｒの受信時間Ｔを測定し、その受信時間Ｔを用いて上記の式（５）に対応した演算を行うことにより、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求める。
【００７６】
上式（６）から生体組織２１の厚さｄは次式により求められる。
【数８】
【００７７】
また、上式（７）から生体組織２１中の音速Ｃは次式により求められる。
【数９】
【００７８】
このように、超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏと周波数ｆとそれに応じた位相φfront，φrearとを上式（８）及び（９）に代入することにより、組織音速Ｃを求めることができる。
【００７９】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様に、超音波伝達媒体Ｗ１の温度変化に応じた超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求めることができ、その超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを用いることにより、生体組織２１中を伝搬する音速Ｃを正確に算出することができる。
【００８０】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００８１】
・上記各実施の形態では、Ｘ−Ｙステージ１４による二次元走査前に超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求め、その音速Ｃｏを用いて生体組織２１中の音速Ｃを求めるものであったがこれに限定されるものではない。具体的には、例えば、超音波Ｓｏの走査前及び走査後に超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求める。そして、走査前及び走査後の超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏの変化に基づいて、超音波Ｓｏの走査時における超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを推定することができる。さらに、その推定した音速Ｃｏに基づいて、各測定点における生体組織２１中の音速Ｃを求める。このように構成しても、超音波伝達媒体Ｗ１の温度変化に応じた音速Ｃｏを的確に求めることができ、生体組織２１中の音速Ｃをより正確に算出することができる。
【００８２】
また、図３に示すように超音波Ｓｏの走査範囲Ｒ１を設定した場合では、Ｘ方向の各走査ライン上において、左端の測定点は、ガラス面２０ａ上に位置している。従って、超音波Ｓｏの二次元走査時において、左端の各測定点でガラス面２０ａからの反射波Ｓｒの受信時間Ｔを測定し、その受信時間Ｔに基づいて超音波伝達媒体Ｗ１中の音速ＣｏをＸ方向の走査ライン毎に求める。そして、Ｘ方向の走査ライン毎に、その測定した超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを用いて、生体組織２１の厚さｄ及び音速Ｃを求める。このようにすれば、超音波Ｓｏの二次元走査時において、超音波Ｓｏの照射により超音波伝達媒体Ｗ１の温度が変化した場合でも、その温度変化に対応した音速Ｃｏを求めることができ、生体組織２１中の音速Ｃをより正確に求めることができる。
【００８３】
・上記実施の形態では、トランスデューサ１３の製品出荷時等に測定された焦点距離Ｌを用いて超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを算出するものであったが、実際の使用時において、その焦点距離Ｌの正確な値がわからない場合もある。この場合には、温度センサなどで超音波伝達媒体Ｗ１の温度を測定するとともに、その温度でのガラス面２０ａの反射波Ｓｒの受信時間Ｔを測定する。そして、その温度における超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏと受信時間Ｔとによって、トランスデューサ１３の焦点距離Ｌを求める。その後、生体組織２１の音速像を生成する際には、算出した焦点距離Ｌを用いて、その時々の受信時間Ｔに基づいて超音波伝達媒体Ｗ１中の音速Ｃｏを求めるとともに、その音速Ｃｏに基づいて生体組織２１中の音速Ｃを算出する。このようにしても、上記実施の形態と同様に、生体組織２１中の音速Ｃを正確に算出することができる。
【００８４】
・上記実施の形態では、二次元走査手段としてのＸ−Ｙステージ１４をトランスデューサ１３に対向する位置に設け、そのＸ−Ｙステージ１４を駆動することにより、超音波Ｓｏの照射点を二次元的に走査する構成を採用したが、トランスデューサ１３側に二次元走査手段を設けてもよい。また、Ｘ−Ｙステージ１４の上方に焦点調整用のＺ軸ステージ１５を設けるものであったが、Ｘ−Ｙステージ１４の下方にＺ軸ステージ１５を設けてもよい。
【００８５】
・上記実施の形態では、試料としての生体組織２１中の音速Ｃを測定するものであったが、それ以外に、例えば樹脂などの音速Ｃを測定してもよい。
【００８６】
・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。
【００８７】
・上記実施の形態の超音波画像検査装置１では、カラー変調による音速像を生成するものであったが、それ以外に輝度変調した音速像として可視化してもよい。
【００８８】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００８９】
（１）請求項２において、前記間隔調整手段は、前記間隔が前記焦点型超音波振動子の焦点距離と一致するよう調整することを特徴とする音速測定装置。
【００９０】
（２）請求項２乃至５のいずれか１項において、前記間隔及び前記受信時間を記憶するための記憶手段をさらに備えたことを特徴とする音速測定装置。
【００９１】
（３）請求項２乃至５のいずれか１項に記載の音速測定装置と、前記試料中の音速に基づいて音速像を生成する処理を行う画像生成手段と、前記音速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。
【００９２】
（４）技術的思想（３）において、前記試料は生体組織であり、前記表示装置に表示した音速像に基づいて生体組織診断を行うことを特徴とする超音波画像検査装置。
【００９３】
（５）技術的思想（４）において、前記画像生成手段は、算出した試料中の音速の大きさに応じてカラー変調した画像データを生成し、その画像データにより、前記音速の大きさに応じて色分けされた音速像を前記表示装置に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】
【００９４】
【図１】本発明を具体化した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】焦点位置と音圧との関係を示す説明図。
【図５】反射波の受信時間を示すタイムチャート。
【図６】生体組織の音速像を生成するための処理を示すフローチャート。
【図７】各反射波を示す説明図。
【図８】強度スペクトル及び位相スペクトルを示す説明図。
【図９】デコンボリューション処理前の反射波を示す説明図。
【図１０】デコンボリューション処理後の反射波を示す説明図。
【図１１】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説明図。
【図１２】従来のパルス励起型超音波顕微鏡での測定方法を示す模式図。
【符号の説明】
【００９５】
１…音速測定装置としての超音波画像検査装置
１３…焦点型超音波振動子としてのトランスデューサ
２０…試料載置板としてのガラス基板
２１…試料としての生体組織
２３ｂ…ピーク電圧検出手段としてのピーク検出回路
３１…間隔調整手段、受信時間検出手段、第１音速算出手段、及び第２音速算出手段としてのＣＰＵ
Ｌ…間隔
Ｓｏ…超音波
Ｓｒ…反射波
Ｔ…受信時間
ｔ１…照射時刻
ｔ２…検出時刻
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定方法であって、
前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整するステップと、
前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出するステップと、
前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求めるステップと、
前記試料の表面に超音波を照射した場合に受信した反射波と、前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を求めるステップと
を含むことを特徴とする音速測定方法。
【請求項２】
試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定装置であって、
前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整する間隔調整手段と、
前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出する受信時間検出手段と、
前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求める第１音速算出手段と、
前記試料の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射したときに受信した反射波と前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を算出する第２音速算出手段と
を備えることを特徴とする音速測定装置。
【請求項３】
前記反射波の音圧に対応した反射波信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出手段をさらに備え、
前記間隔調整手段は、前記ピーク電圧検出手段の検出結果に基づいて、前記試料載置板の表面からの反射波の音圧が最大となるよう前記間隔を調整することを特徴とする請求項２に記載の音速測定装置。
【請求項４】
前記受信時間検出手段は、前記焦点型超音波振動子による超音波の照射時刻と、前記ピーク電圧検出手段によるピーク電圧の検出時刻とに基づいて、前記受信時間を測定することを特徴とする請求項３に記載の音速測定装置。
【請求項５】
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たことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の音速測定装置。
【請求項６】
前記二次元走査手段による超音波の走査前及び走査後において、前記受信時間検出手段は、前記反射波の受信時間を検出するとともに、前記第１音速算出手段は、その受信時間に基づいて前記超音波伝達媒体中の音速を算出し、
前記第２音速算出手段は、走査前及び走査後の超音波伝達媒体中の音速に基づいて、前記二次元走査手段による走査時における前記試料中の音速を算出することを特徴とする請求項５に記載の音速測定装置。
【請求項１】
試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定方法であって、
前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整するステップと、
前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出するステップと、
前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求めるステップと、
前記試料の表面に超音波を照射した場合に受信した反射波と、前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を求めるステップと
を含むことを特徴とする音速測定方法。
【請求項２】
試料及び試料載置板と焦点型超音波振動子との間に超音波伝達媒体を介在させ、この状態で前記焦点型超音波振動子をパルス駆動して前記試料に超音波を照射し、前記焦点型超音波振動子にて受信した前記超音波の反射波に基づいて前記試料中の音速を測定する音速測定装置であって、
前記試料載置板と前記焦点型超音波振動子との間隔を調整する間隔調整手段と、
前記間隔を維持した状態で前記試料載置板の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射してからその反射波を受信するまでの受信時間を検出する受信時間検出手段と、
前記間隔と前記受信時間とに基づいて、前記超音波伝達媒体中の音速を求める第１音速算出手段と、
前記試料の表面に前記焦点型超音波振動子から超音波を照射したときに受信した反射波と前記超音波伝達媒体中の音速とに基づいて、前記試料中の音速を算出する第２音速算出手段と
を備えることを特徴とする音速測定装置。
【請求項３】
前記反射波の音圧に対応した反射波信号のピーク電圧を検出するピーク電圧検出手段をさらに備え、
前記間隔調整手段は、前記ピーク電圧検出手段の検出結果に基づいて、前記試料載置板の表面からの反射波の音圧が最大となるよう前記間隔を調整することを特徴とする請求項２に記載の音速測定装置。
【請求項４】
前記受信時間検出手段は、前記焦点型超音波振動子による超音波の照射時刻と、前記ピーク電圧検出手段によるピーク電圧の検出時刻とに基づいて、前記受信時間を測定することを特徴とする請求項３に記載の音速測定装置。
【請求項５】
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たことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の音速測定装置。
【請求項６】
前記二次元走査手段による超音波の走査前及び走査後において、前記受信時間検出手段は、前記反射波の受信時間を検出するとともに、前記第１音速算出手段は、その受信時間に基づいて前記超音波伝達媒体中の音速を算出し、
前記第２音速算出手段は、走査前及び走査後の超音波伝達媒体中の音速に基づいて、前記二次元走査手段による走査時における前記試料中の音速を算出することを特徴とする請求項５に記載の音速測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−４６０９７（Ｐ２００８−４６０９７Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２４７４４（Ｐ２００６−２２４７４４）
【出願日】平成１８年８月２１日（２００６．８．２１）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２１日（２００６．８．２１）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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