特開 2017-169865 脂肪診断用超音波プローブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-169865(P2017-169865A)

(43)【公開日】2017年9月28日

(54)【発明の名称】脂肪診断用超音波プローブ

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/08 20060101AFI20170901BHJP

【ＦＩ】

   A61B8/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-59750(P2016-59750)

(22)【出願日】2016年3月24日

(71)【出願人】

【識別番号】505127721

【氏名又は名称】公立大学法人大阪府立大学

(71)【出願人】

【識別番号】506122327

【氏名又は名称】公立大学法人大阪市立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100114030

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿島 義雄

(72)【発明者】

【氏名】堀中 博道

(72)【発明者】

【氏名】森川 浩安

【テーマコード（参考）】

4C601

【Ｆターム（参考）】

4C601DD02

4C601DD20

4C601EE12

4C601GA01

4C601GC02

4C601GC10

(57)【要約】

【課題】主プローブからの超音波と副プローブからの超音波とを、駆動機構を用いることなく同軸状に照射することができる脂肪診断用超音波プローブを提供する。
【解決手段】プローブホルダ５は、主プローブ２からの超音波信号が伝播体３を直進通過する軸線Ｌ上に、軸線Ｌが斜めに入射するように傾斜配置され、かつ、副プローブ４から出射される超音波エネルギーを反射して軸線Ｌの延長方向に照射させる平板部材５ａが固定され、平板部材５ａは、主プローブ２からの超音波信号がラム波Ａ０モードの伝播特性で平板部材５ａ内を伝播することによって平板部材５ａを通過し、さらに軸線Ｌの延長方向に進行することができるように、超音波信号の周波数および伝播体３の材料に応じて、ラム波Ａ０モードの伝播条件を満たす軸線Ｌに対する平板部材５ａの傾斜角度や材料や厚さが設定されるようにする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プローブホルダに主プローブと副プローブとが装着され、前記主プローブから出射される診断用の超音波信号と前記副プローブから出射される加温用の超音波エネルギーとが前記プローブホルダ内に充填された伝播体内を伝播して被検体に照射される脂肪診断用超音波プローブであって、
前記プローブホルダは、前記主プローブからの前記超音波信号が前記伝播体を直進通過する軸線上に、当該軸線が斜めに入射するように傾斜配置され、かつ、前記副プローブから出射される超音波エネルギーを反射して前記軸線の延長方向に照射させる平板部材が固定され、
前記平板部材は、前記主プローブからの前記超音波信号がラム波Ａ０モードの伝播特性で前記平板部材内を伝播することによって前記平板部材を通過し、さらに前記軸線の延長方向に進行することができるように、前記超音波信号の周波数および前記伝播体の材料に応じて、ラム波Ａ０モードの伝播条件を満たす前記軸線に対する前記平板部材の傾斜角度、前記平板部材の材料、前記平板部材の厚さが設定されていることを特徴とする脂肪診断用超音波プローブ。

【請求項2】

前記主プローブからの超音波信号の周波数が２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲内であり、前記副プローブからの加温用の超音波エネルギーは０．５ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲内である請求項１に記載の脂肪診断用超音波プローブ。

【請求項3】

前記平板部材の板厚は０．０２ｍｍ〜２ｍｍである請求項１または請求項２に記載の脂肪診断用超音波プローブ。

【請求項4】

前記軸線に対する前記平板部材の傾斜角度が略４５°である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の脂肪診断用超音波プローブ。

【請求項5】

前記平板部材の材料が金属板、またはガラス板、またはその他のラム波が伝播可能な固体板である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の脂肪診断用超音波プローブ。

【請求項6】

前記伝播体が水、またはオイル、またはその他の液体材料である請求項１〜請求項５のいずれかに記載の脂肪診断用超音波プローブ。

【請求項7】

前記プローブホルダは、前記超音波信号の周波数に応じて板厚が異なる前記平板部材が交換可能に取り付けられる請求項１〜請求項６のいずれかに記載の脂肪診断用超音波プローブ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波速度変化による脂肪診断で使用する脂肪診断用超音波プローブに関する。本発明は、例えば脂肪肝の診断、血管内プラークの脂質性の診断等で利用される。

【背景技術】

【0002】

新しい脂肪診断手法として、加温前後の超音波速度変化を測定し、超音波速度が温度変化に対して負の変化をする部位を脂肪組織として検出し、脂肪分布を診断する脂肪組織の検出方法および検出装置が提案されている（特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載された脂肪診断装置（脂肪組織検出装置）について説明する。この装置はＢモード断層画像を取得可能な反射型の超音波診断装置を元に、超音波速度変化画像を取得するために必要な制御部を追加搭載した装置本体と、被検体の体表に直接当接させて超音波照射や加温を行うプローブとを備えている。ここで使用されるプローブには、被検体の測定領域に対し画像診断用の超音波照射を行うアレイ型の多チャンネルプローブ（リニアアレイ探触子）と、当該多チャンネルプローブの隣には、被検体の測定領域を加温するために近赤外光の照射を行う赤外線レーザ光源とを並べて配置した専用のプローブが用いられている。

【0004】

多チャンネルプローブは、直線状に配列された圧電素子からなる多数の振動子を有しており、各振動子は、制御部からの駆動信号によりパルス波が励振されて超音波信号を送波し、この超音波信号に対する被検体内からの超音波エコー信号を受波する。そして制御信号により送受波を行う振動子を順に切り替えて走査するようにしてある。また、赤外線レーザ光源は多チャンネルプローブの横から７００ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外光を照射するようにしてある。

【0005】

次に、この装置で超音波速度変化を測定し脂肪診断を行う動作について説明する。あらかじめ、上記多チャンネルプローブを駆動して取得したＢモード画像による画像診断で被検体における測定領域を特定する。そして特定した測定領域に対し、赤外線レーザ光源から近赤外光を照射して加温し、所定の加温時間経過後に、リニアアレイ探触子を駆動し、パルス状の超音波信号を順次走査するようにして送波するとともに、被検体からの受信信号である超音波エコー信号を順次受波する。そして、光照射状態で受波した超音波エコー信号（受信信号）の波形を、光照射後超音波エコー信号として記憶する。
光照射後超音波エコー信号の受信波形の記憶が終わると光照射を停止する。この照射停止から所定時間経過し、被検体の温度が十分に低下したところで、再びリニアアレイ探触子を駆動し、超音波信号を送波するとともに、被検体から超音波エコー信号を受波する。そして、光照射停止状態で受波した超音波エコー信号（受信信号）の波形を非照射時超音波エコー信号として記憶する。なお、記憶された超音波エコー信号はその振幅を輝度表示することでＢモード断層画像として表示される。
続いて、光照射後と非照射時の超音波エコー信号に基づいて、以下に示す関係から超音波速度変化を求める。

【0006】

図９はある部分区間の加温前（平温時）超音波エコー信号と加温後（昇温時）超音波エコー信号とを示す模式図である。加温前の超音波速度をＶ、加温後の超音波速度をＶ’とする。また、加温前にある境界間を超音波信号が伝播するときに生じるパルス間隔をτとし、同じ境界間（距離一定）を光照射後に超音波信号が伝播するときに生じるパルス間隔をτ’＝τ＋Δτとする。すなわち、温度変化によりΔτだけパルス間隔が長くなるようにシフトしたとする。
このとき、
Ｖ・τ ＝ Ｖ’・（τ＋Δτ） ・・・（１）
の関係が成立し、したがって、２つの超音波エコー信号におけるパルス間隔の時間変化から超音波速度変化データが次式（２）で算出できる。
Ｖ’／Ｖ ＝ τ／（τ＋Δτ） ・・・（２）
したがって、測定した２つの超音波エコー信号から関心領域におけるパルス間隔（τ）、波形シフト量（Δτ）を算出し、式（２）に基づいて各部位での超音波速度の変化（超音波速度変化比（Ｖ’／Ｖ））を算出する。

【0007】

続いて、算出された各部位の超音波速度変化比（Ｖ’／Ｖ）に基づいて、この値が１より小さい部位（加温に対する超音波速度変化が負の領域）を脂肪領域と判定する。
すなわち、水中および脂肪中を伝播する超音波速度は３７℃のとき水中音速が１５２４ｍ／秒、脂肪中音速が１４１２ｍ／秒であるが、温度変化に対する超音波速度変化を比較すると、以下の通りである。
水： ＋２ ｍ／秒・℃
脂肪： −４ ｍ／秒・℃
よって、水分が多く含まれる筋肉や内臓（肝臓等）は温度が上がると超音波速度が増加するのに対し、脂肪部分では超音波速度が減少することになり、超音波速度変化の極性が反転する。
そこで、測定領域を温度変化させたときに超音波速度変化が負となる領域を特定すれば脂肪領域の検出を行うことができる。

【0008】

そして、アレイ型探触子を走査して受波した多数本の超音波エコー信号による超音波速度変化の解析結果から、超音波速度変化の二次元分布を画像化して表示装置に表示することにより、脂肪領域が他の部位と明確に分けて画像表示される。

【0009】

また、加温用に超音波エネルギーを利用した脂肪診断装置も提案されている。すなわち、加温用の超音波ビームを発するプローブを加熱源として、これを超音波診断用プローブに隣接して配置し、超音波ビームにより加温を行うようにして加温前後の超音波速度変化を測定することで血管プラークの脂質性組織の画像診断を行う血管プラーク画像診断装置が提案されている（特許文献２参照）。

【0010】

また、画像診断用の主プローブと加温用の副プローブとをプローブホルダに取り付け、主プローブからの超音波（信号）の進行方向と副プローブからの超音波（エネルギー）の進行方向とが同軸方向になるようにした技術が開示されている（特許文献３参照）。
具体的には、図１０に示すように、従来の脂肪診断用超音波プローブ１００では、超音波が伝播する伝播液（水、オイル等）を充填したプローブホルダ１０１の上面と側面とに、画像診断用の多チャンネルの主プローブ１０２と、加温用の副プローブ１０３とを取り付けてある。そしてプローブホルダ１０１内に設けた切替ミラー１０４の位置を切り替えることにより、主プローブ１０２からの超音波を直進させるか、副プローブ１０３からの超音波を切替ミラー１０４で反射させるかにより、いずれか一方からの超音波が選択的に（シリコーンゴムシートが窓材として取り付けられた）出射口１０５から被検体に照射することができるようにしてある。これにより、主プローブ１０２による画像診断で特定した測定位置（画像中央の位置）に対し、副プローブ１０３で正確かつ同軸状に加温できるようにするとともに、共通の出射口１０５から照射することで、肋骨の間の狭い幅からでも安全に超音波による加温ができることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２０１０−００５２７１号公報

【特許文献2】特開２０１３−０７０７０４号公報

【特許文献3】特開２０１６−０１３１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

特許文献３に記載された脂肪診断用超音波プローブを使用すると、プローブの出射口を肋骨間の隙間に当接して超音波による加温を行うことができ、光加温に比べて体表から深い部位でも加温することができるので、例えば肋骨間から生体深部に位置する肝臓の脂肪診断が可能になる。

【0013】

ところで、図１０に示した脂肪診断用超音波プローブ１００によれば、副プローブ１０３で加温を行うときには、切替ミラー１０４を副プローブ１０３から照射される超音波の軸線上（図１０の点線の位置）に配置させる。また、主プローブ１０２で超音波エコー信号の測定を行うときには、切替ミラー１０４を退避位置（図１０の実線の位置）に移動させる必要があり、これを伝播体中で行う必要があるため、切替ミラー１０４の駆動機構が必要になるとともに構造が複雑になっていた。

【0014】

そこで、本発明は、主プローブからの超音波と副プローブからの超音波とを、駆動機構を用いることなく同軸状に照射することができる脂肪診断用超音波プローブを提供することを目的とする。
なお、以下の説明では、主プローブから出射される診断用の超音波を「超音波信号」とし、副プローブから照射される加温用の超音波を「超音波エネルギー」とする。前者はパルス波で出射され、後者は連続波で照射される。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するためになされた本発明の脂肪診断用超音波プローブは、プローブホルダに主プローブと副プローブとが装着され、前記主プローブから出射される診断用の超音波信号と前記副プローブから出射される加温用の超音波エネルギーとが前記プローブホルダ内に充填された伝播体内を伝播して被検体に照射される脂肪診断用超音波プローブであって、前記プローブホルダは、前記主プローブからの前記超音波信号が前記伝播体を直進通過する軸線上に、当該軸線が斜めに入射するように傾斜配置され、かつ、前記副プローブから出射される超音波エネルギーを反射して前記軸線の延長方向に照射させる平板部材が固定され、前記平板部材は、前記主プローブからの前記超音波信号がラム波Ａ０モードの伝播特性で前記平板部材内を伝播することによって前記平板部材を通過し、さらに前記軸線の延長方向に進行することができるように、前記超音波信号の周波数および前記伝播体の材料に応じて、ラム波Ａ０モードの伝播条件を満たす前記軸線に対する前記平板部材の傾斜角度、前記平板部材の材料、前記平板部材の厚さが設定されるようにしてある。

【0016】

本発明では、板ガラス等の遮音性能で問題になる「コインシデンス効果」を、超音波プローブに利用する。例えば窓ガラス（平板部材）に外部の騒音（音波）が入射したとき、通常の周波数の音波は、窓ガラス（平板部材）により吸収されて減衰（透過損失が生じる）することにより、遮音効果が得られることになる。一方、特定の周波数域の音波が入射し、平板部材に平行な成分が平板部材上を伝播する屈曲波（ラム波）として共振するようになると、音波が窓ガラスを透過（透過損失が低下）するようになり、遮音効果が得られなくなる。この現象がコインシデンス効果として知られている。

【0017】

本発明は、主プローブから出射される超音波信号の軸線上に傾斜配置された平板部材に対し、コインシデンス効果を積極利用して当該超音波信号を透過させるものである。具体的には、主プローブで発生する超音波信号の周波数およびプローブホルダ内の伝播体の材料に応じて、平板部材の傾斜角度、材料、厚さを選択することで、入射する超音波信号を平板部材で共振させてラム波を伝播させ、平板部材を透過させて軸線の延長方向に超音波信号が直進するようにしている。
一方、副プローブは、照射される超音波エネルギーが平板部材で反射され、主プローブの軸線の延長方向に照射されるように（プローブホルダに取り付ける角度を設定して）プローブホルダに装着する。
これにより、主プローブからの超音波信号は、固定された平板部材を、コインシデンス効果を利用して透過することで軸線の延長方向に直進するようになる。また、副プローブからの超音波エネルギーは、固定された平板部材で反射されて主プローブの軸線の延長方向に進行するようになる。

【0018】

なお、脂肪診断用超音波プローブで使用する２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの超音波周波数帯域では、後述する解析計算により「ラム波Ａ０モード」で平板部材を伝播していることになる。

【0019】

ここで、主プローブからの超音波信号の周波数が２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲内であり、副プローブからの加温用の超音波エネルギーは０．５ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲内であるのが好ましい。
これにより、０．５ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲の超音波エネルギーで生体深くまで加温ができるようになり、通常の肝臓の超音波画像診断（Ｂモード画像診断）で用いられる２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲の超音波信号を送波して超音波エコー信号を受波することで、脂肪肝の診断に応用できるようになる。

【0020】

また、平板部材の板厚は０．０２ｍｍ〜２ｍｍで設定するのが望ましい。平板部材の板厚がこれよりも薄いと、平板部材が破損しやすく外部振動等のノイズの影響を受けやすくなる。逆に、平板部材の板厚がこれよりも厚いと、平板部材による超音波の吸収が大きくなり、主プローブからの超音波信号が十分な強度で平板部材を通過することが困難になる。

【0021】

また、上記発明において、軸線に対する平板部材の傾斜角度が略４５°であってもよい。
主プローブからの超音波信号の軸線に対する平板部材の傾斜角度を略４５°に設定することで、副プローブから出射する超音波エネルギーの方向を、主プローブからの超音波信号の軸線に対して略９０°にすることができるので、主プローブの出射方向を鉛直方向、副プローブの出射方向を水平方向にすればよく、プローブホルダの上面と側面へ各プローブを取り付けるときの角度調整が容易になる。

【0022】

また、上記発明において、平板部材の材料が金属板、またはガラス板、またはその他のラム波が伝播可能な固体板であってもよい。
ここで、金属板にはアルミニウム、鉄、ステンレス等が利用できる。ガラス板にはソーダガラス、石英ガラス等が利用できる。また、アクリル板等の樹脂板も利用できる。さらに、その他の材料でも表面が平坦でラム波が伝播可能な材料であれば使用できる。
また、伝播体が水、またはオイル、またはその他の液体材料であってもよい。
ここで、オイルにはシリコーンオイル、潤滑油、スピンドル油、食用油等が利用できる。また、アセトン、アルコール等のその他の液体材料であってもよい。

【0023】

また、プローブホルダは、超音波信号の周波数に応じて板厚が異なる平板部材が交換可能に取り付けられるようにしてもよい。
周波数が異なる主プローブを差し替えてプローブホルダに取り付け、これに合わせて平板部材を差し替えることで、異なる周波数での脂肪診断が可能になる。
なお、平板部材や伝播体の材料をそれぞれ１種類に固定しておけば、主プローブの周波数に応じて交換するときの板厚が異なる平板部材の数を少なくすることができ、平板部材や伝播体の選択の種類を増やせば、その分だけ交換用の平板部材の数を増やす必要がある。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、駆動機構を用いることなく、主プローブからの超音波信号と副プローブからの超音波エネルギーとの軸線を同軸状にして照射することができる脂肪診断用超音波プローブを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施形態である脂肪診断用超音波プローブの構成を示す断面図。

【図2】副プローブの構成を示す図。

【図3】本発明の脂肪診断用超音波プローブを用いた脂肪診断システムの一例を示す外観図。

【図4】図３の脂肪診断システムの構成を示すブロック図。

【図5】本発明の実施形態における透過確認実験の測定系を示す図。

【図6】透過確認実験での透過超音波信号の波形を示す図。

【図7A】透過確認実験での透過超音波信号の波形を示す図。

【図7B】透過確認実験での透過超音波信号の波形を示す図。

【図8】平板部材をアルミニウム板としたときの位相速度分散曲線を示す図。

【図9】加温前と加温後の超音波エコー信号を示す模式図。

【図10】従来の脂肪診断用超音波プローブを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本発明の実施形態について説明する。以下では、まず、本発明に係る脂肪診断用超音波プローブの全体構造、および、これを用いた脂肪診断システムの全体構成を説明する。続いて、コインシデンス効果による透過確認実験の説明を行い、さらに本発明に関係するラム波Ａ０モードの説明とその利用について説明する。

【0027】

図１は本発明の一実施形態である脂肪診断用超音波プローブの構成を示す断面図である。超音波プローブ１は、診断用の多チャンネルの主プローブ２、および、加温用で１チャンネルの副プローブ４を装着して一体保持するプローブホルダ５を備えている。

【0028】

主プローブ２には、多チャンネル（例えば１２８個の振動子）のアレイ型プローブ（市販品）が使用され、各チャンネルからパルス波の超音波信号を走査しながら送波し、生体からの超音波エコー信号を受波するようにしてある。そしてチャンネル数と同じ本数の超音波エコー信号が後述する超音波診断装置１１（図３）に送られると、Ｂモード画像等の超音波画像が形成され、超音波診断装置１１の表示画面に表示される。
主プローブ２の各チャンネルからは、１本ずつ超音波信号が出射されるので、超音波信号の進行方向となる「軸線」は出射される本数分だけ存在することになる。これらのうち、副プローブ４からの加温用の超音波エネルギーと、平板部材５ａを通過後に同軸になる１つの軸線を「軸線Ｌ」とする。
本実施形態では、多チャンネルの圧電素子のうちの中央位置の圧電素子から照射される１ラインの超音波信号の軸線を「軸線Ｌ」と選定しており、副プローブ４から出射される超音波エネルギーについても、平板部材５ａで反射後はこの軸線Ｌを中心にして同軸状に照射されるようにプローブホルダ５に取り付けるようにしてある。

【0029】

主プローブ２から照射される超音波の中心周波数は、通常の画像診断と同様に、測定部位の深さ、画像の分解能に応じて、超音波の中心周波数が２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲から選択される。ここでは例えば５ＭＨｚの超音波を発振する圧電素子（トランスデューサ）が使用されるものとする。

【0030】

副プローブ４には、図２に示すように、１チャンネルの振動子４ａからなる円筒状のプローブが用いられる。この振動子４ａには加温用の超音波を照射可能なる大出力用の圧電素子が用いられ、また、振動子４ａの周囲には放熱部材が設けられ、副プローブ４は主プローブ２に比べるとタフな構造に作られるとともに十分に放熱が行われるようにしてある。
副プローブ４から照射される超音波エネルギーの中心周波数は、生体による吸収が小さく生体の深くまで加温できるように０．５ＭＨｚ〜２ＭＨｚの範囲から選択される。

【0031】

プローブホルダ５は四方が側壁５ｂで囲まれた方形体からなり、上面は水平断面が方形である主プローブ２が挿入される開口５ｃにしてある。また、側壁５ｂの一面には開口５ｅが形成してあり、ここに副プローブ４が取り付けてある。
下面は主プローブ２からの超音波信号、副プローブ４からの超音波エネルギーを出射するための開口（出射口）５ｄとしてあり、これらの超音波が通過可能なシリコーンゴム等のシート５ｆを窓材として開口５ｄを塞ぐようにしてある。このシート５ｆは、超音波を伝播させる流動性の伝播体３をプローブホルダ５内に充填するために設けられている。また、超音波の拡散を抑える音響レンズとして用いられるようにしてもよい。
伝播体３は水、オイルのように音速が既知の材料（例えば水の３７℃の音速は１５２４ｍ／ｓ）のものが使用される。
なお、伝播体３とシート５ｆとは、音響インピーダンスの近いものが望ましい。シート５ｆ（音響レンズ）としてシリコーンゴムを用いた場合、シリコーンゴムの音速は１０００ｍ／ｓ程度であるため、インピーダンスマッチングの点からは音速が比較的近いシリコーンオイル（１２７５ｍ／ｓ）を伝播体３の材料とすることが好ましい。

【0032】

プローブホルダ５内には、主プローブ２から出射する超音波信号の軸線Ｌ上に、この軸線Ｌに対し４５°傾斜させて平板部材５ａが固定してある。なお、主プローブ２の軸線Ｌ以外の他のチャンネルから出射される超音波の軸線に対しても平板部材５ａは４５°傾斜するようにしてある。

【0033】

平板部材５ａは、主プローブ２からの超音波信号が透過できる板厚のものを取り付けてある。具体的には、あらかじめ、板厚が異なる複数の候補の中から後述する透過確認実験と同様の手法により、主プローブ２の軸線Ｌに対し、４５°に傾斜させた状態で最も透過性能が優れた板厚のもの、すなわちラム波が伝播可能な条件（共振条件）となる最適な板厚のものを実験的に求めて平板部材５ａとして採用するようにしてある。
このときの平板部材５ａの最適化については、ラム波の伝播特性を表す速度分布曲線（図８）を導出し、これを板厚等の最適化に利用する手法が好ましいので、その方法については後述する。

【0034】

次に、上述した脂肪診断用超音波プローブ１の使用態様について説明する。図３は本発明に係る脂肪診断用超音波プローブ１を用いた脂肪診断システム１０を示す外観図であり、図４は脂肪診断システム１０の構成を説明するためのブロック図である。

【0035】

この脂肪診断システム１０は、図１で説明した脂肪診断用の超音波プローブ１（主プローブ２、副プローブ４、プローブホルダ５、平板部材５ａを含む）と、超音波診断装置１１と、制御ボックス１２と、外部コンピュータ装置１３とで構成される。

【0036】

超音波診断装置１１には、主プローブ２を介して受波した生の超音波エコー信号（ＲＦ信号）を、外部に取り出すことができる外部出力端子を備えたものが用いられる。なお、市販の超音波診断装置の一部にはそのような外部出力端子を備えていないものがあるので、その場合は外部出力端子増設用の増設カードを取り付ける等の簡単な作業により外部出力端子を増設しておく。
超音波診断装置１１は、外部出力端子から信号ケーブル１４を介して、制御ボックス１２に超音波エコー信号を伝送するようにしてある。

【0037】

制御ボックス１２は、信号ケーブル１４を介して超音波診断装置１１の外部出力端子から送られてくる超音波エコー信号を受波するパルサ・レシーバ回路３３、受波した超音波エコー信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換器３４、外部コンピュータ装置１３へ超音波エコー信号を送り出す伝送速度の調整処理を行うバッファメモリ３５を備える。また、信号ケーブル１５を介して副プローブ４から照射するための加温用の超音波連続波を発生する高周波電源３１を備える。さらに、副プローブ４からの超音波エネルギーの照射の制御、パルサ・レシーバ回路３３による超音波エコー信号の受波の開始および停止の制御、バッファメモリ３５による超音波エコー信号の伝送制御を行うコントローラ３６を備えている。

【0038】

外部コンピュータ装置１３は、ＣＰＵ、メモリ、入力装置（キーボード等）、表示装置（液晶パネル）を備えた汎用のパーソナルコンピュータ装置（例えばノート型パソコン）が用いられる。そして超音波診断装置１１と主プローブ２とによって測定され、信号ケーブル１４、制御ボックス１２を介して伝送される超音波エコー信号を受け取る。超音波エコー信号は、少なくとも副プローブ４で加温可能な領域に含まれる超音波エコー信号の本数分を受け取る。この超音波エコー信号は、主プローブ２を動かさずに加温前と加温後との合計２回測定されるので、それぞれを「加温前超音波エコー信号」と「加温後超音波エコー信号」として、同じ本数の超音波エコー信号のデータが記憶される。

【0039】

そして加温前超音波エコー信号と加温後超音波エコー信号に、既述の（２）式による計算を行い、超音波速度変化（ここでは超音波速度比）を算出し、さらに脂肪診断に必要な演算処理を行う。
すなわち、図９で説明した従来例と同様の原理・方法で、加温後に受波した超音波エコー信号と、加温前に受波した超音波エコー信号とに基づいて、加温前後の超音波エコー信号の波形シフト量（Δτ）の計算を行い、また、測定領域内の組織の境界間のパルス間隔（τ）を算出する処理を行う。そして式（２）に基づいて、各部分区間の超音波速度比（Ｖ’／Ｖ）を算出する処理を行う。

【0040】

外部コンピュータ装置１３では、主プローブ２にて受波した複数本の超音波エコー信号データを演算処理するため、算出結果は、副プローブ４で加温された領域について超音波速度変化画像や脂肪分布画像の形成が可能な量のデータとなっている。したがって、伝送される超音波エコー信号データにより、外部コンピュータ装置６の表示画面に、超音波速度変化画像、さらには脂肪分布画像の画像表示を行うことができる。
また、表示した画面上で特定の測定ポイントを指定すれば、当該測定ポイントに対応する超音波エコー信号に基づいて、超音波速度比の値や脂肪情報（脂肪判定、脂肪割合）の演算結果を表示装置に数値表現することもできる。

【0041】

（超音波信号の透過確認実験）
超音波信号がコインシデンス効果により平板部材を透過して直進することを確認する実験結果について説明する。図５は、実験に用いた測定系を示す図である。
超音波信号の伝播体としての水が充填された容器内に、平板部材を挟んで上側に送波側トランスデューサ、下側に受波側トランスデューサを直線状に配置する。平板部材は水平方向を０°として傾斜角度θを調整できるようにしてある。
パルサ・レシーバ回路（PANAMETRICS-NDT、Model5077R）は、送波側トランスデューサに５ＭＨｚのパルス波の超音波信号を出力するとともに、受波側トランスデューサで受波した透過超音波信号が入力される。この透過超音波信号はオシロスコープで検出されるようにしてある。
平板部材にはアルミニウムの薄板を使用し、板厚と傾斜角度を変化させたときの超音波の透過特性を確認した。

【0042】

図６は平板部材の板厚ｔを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍとし、傾斜角度θが０°、４５°で透過特性を測定した透過超音波信号の波形を示す図である。比較のために平板部材を設けずに直接受波した透過超音波信号（生信号という）も示してある。
傾斜角度が０°のときは、生信号に比べて透過超音波信号は大きく減衰しており、特に板厚が厚くなるにつれて減衰が大きくなっている。
傾斜角度が４５°のときは、板厚が０．３ｍｍのときの透過超音波信号は大きく減衰しているが、板厚が０．２ｍｍ、０．１ｍｍではあまり減衰しておらず、特に０．２ｍｍでの生信号に対する透過超音波信号の強度比は９０％であり、優れた透過特性を有している。

【0043】

図７は平板部材の板厚ｔを０．２ｍｍとし、傾斜角度を０°〜７０°で変化させたときの透過超音波信号の波形を示す図ある。傾斜角度が４６°のときに透過小音波信号が最大となっている。

【0044】

以上のことから、伝播体を水とし、平板部材の材料をアルミニウム板とし、超音波周波数を５ＭＨｚとしたときに、傾斜角度を約４５°に設定すると、板厚を０．２ｍｍに加工することでコインシデンス効果により超音波信号が平板部材を透過できることが確認された。

【0045】

伝播体の材料（水、オイル）、平板部材の材料（ガラス、他の金属）、超音波周波数（２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚ）、傾斜角度、板厚を変更すれば、コインシデンス効果が得られる共振条件が変化するので、これらのいずれかのパラメータを変更して最適条件を実験的に探すようにすれば、他の条件でも本発明を実施できることはいうまでもない。

【0046】

（平板部材中の超音波の伝播解析）
上述したように、コインシデンス効果が得られる条件（共振条件）については、あらかじめ、板厚や超音波信号等のパラメータの初期値を定め、適当な範囲で変化させて最適化していくことで実験的に求めることができるが、最適化のためのパラメータの初期値を設定する際に、波動方程式から理論的に導き出した伝播特性を利用することが好ましい。
平板部材中を伝播する超音波は、波動方程式から導出されるRayleigh-Lamb方程式により表され、この方程式から板波であるラム波（Ｌａｍｂ波）の位相速度の分散曲線を算出する研究がなされているので、これを利用する（例えば下記文献Ａ参照）。

【0047】

文献Ａ：計測自動制御学会東北支部第２５１回研究集会（2009.7.15）「平板中のガイド波の伝搬解析」 高村周平、今野和彦 国立大学法人秋田大学 工学資源学部

【0048】

平板部材に超音波が斜め入射すると、ラム波が平板部材中を伝播する。ラム波には平板部材の上下面が対称に伸縮・屈曲するＳモード（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）と非対称に伸縮・屈曲するＡモード（Ａｎｔｉ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）の屈曲波が存在する。Ｓモードは基本モードから高次モードの順にＳ０、Ｓ１、Ｓ２・・・モードが存在し、また、Ａモードは基本モードから高次モードの順にＡ０、Ａ１、Ａ２・・・モードが存在する。
Ｓモード、Ａモードの伝播特性は、Ｓモードが次式（３）、Ａモードが次式（４）で表すことができ、Rayleigh-Lamb方程式と呼ばれている。
そして次式（５）により、ラム波（屈曲波）の位相速度ｃの速度分散曲線を算出することができる。

【0049】

【数1】

【0050】

ここで、ｋは波数、ｄは板厚、ωは角周波数、ｃはラム波の位相速度である。ｃ_Ｔ、ｃ_Ｌは平板部材材料で定まる横波音速、縦波音速である。

【0051】

図８は、平板部材の材料がＡｌ（アルミニウム）板（すなわちｃ_Ｔ＝６４００ｍ／ｓ、ｃ_Ｌ＝３０４０ｍ／ｓ）であるとして、算出された位相速度分散曲線を示す図である。
この分散曲線上は縦軸が位相速度ｃであり、横軸が超音波周波数×板厚である。外部伝播体（水）から伝送されてきた超音波が、平板部材に斜めに入射するとき、外部伝播体（水）の音速Ｖ_ｗ（例えば１５２４ｍ／ｓとする）と、平板部材中の伝播速度Ｖ（＝ｃ）とは、幾何学的関係から次式（６）を満たすことで、外部伝播体（水）の音圧分布が平板部材上で同期し、超音波が平板部材に伝播されることになる。
Ｖｓｉｎα＝Ｖ_ｗ ・・・（６）
ここで、αは入射角であり、θ＋α＝９０°の関係をなす。

【0052】

そして、超音波周波数を５ＭＨｚ、板厚ｔ（＝ｄ）を０．２ｍｍとし、図８の位相速度分散曲線から、伝播可能な伝播モードの位相速度Ｖを読み取る（横軸「周波数×板厚」が１ＭＨｚｍｍのときの位相速度）と、Ａ０モード（約２２００ｍ／ｓ）とＳ０モード（５４００ｍ／ｓ）とが該当するが、
式（６）を満たすことができるαがＡ０モードに存在することになる。
すなわち、水の音速Ｖ_ｗ＝１５２４ｍ／ｓと、Ａ０モードの位相速度Ｖ＝２２００ｍ／ｓとから、
ｓｉｎα＝１５４０／２２００
となり、
α＝４４°で伝播可能となる。

【0053】

図７の実験結果ではθ＝４６°（すなわちα＝４４°）のときに最も透過特性が優れているが、これは平板部材内をＡ０モードで超音波信号が伝播されて透過したことに対応している。

【0054】

なお、Ｓ０モード（Ｖ＝５４００ｍ／ｓ）による伝播はθ＝７３°〜７４°（α＝１６°〜１７°）となり、平板部材への入射角が浅すぎるためＳ０モードでの透過特性を利用することは困難である。

【0055】

また、以上の例では、先に周波数（ｆ）と板厚（ｔ）とを決定し、これらから決定される「周波数×板厚」に対応するＡ０モードの位相速度（Ｖ）と外部音速（Ｖ_ｗ）から入射角αを求めるようにした。
これに対し、先に入射角α（例えばα＝４５°（すなわちθ＝４５°））と外部伝播体（水）の音速Ｖ_ｗ（水では１５２４ｍ／ｓ）とを決定し、これらの値と式（６）とから一義的に算出される位相速度（Ｖ）の値に対応するＡ０モードの「超音波周波数×板厚」の値を図８から読み取り、使用する超音波周波数に応じて板厚を定めたり、使用する板厚に応じて超音波周波数を定めたりするようにしてもよい。

【0056】

そして、位相速度分散曲線を用いて決定したパラメータを初期値として、平板部材の板厚を微調整することで伝播特性が優れた板厚の平板部材を容易に得ることができるようになる。

【0057】

以上は、平板部材５ａの傾斜角度θが４５°で材料がアルミニウム板のもの、伝播体に水、超音波周波数を５ＭＨｚとして説明したが、いずれかのパラメータを変更してもよいことはいうまでもない。
例えば、平板部材５ａを取り付ける傾斜角度θを３０°〜６０°程度の範囲で変更してもよい。なお、その場合は副プローブ４をプローブホルダ５に取り付ける角度を調整し、平板部材５ａに反射させた後の副プローブ４の軸線が軸線Ｌと同軸となるようにする必要がある。
また、平板部材５ａをガラス板やステンレス板等に変更してもよい。その場合は式（５）における平板部材５ａ中の音速（ｃ_Ｔ、ｃ_Ｌ）を材料ごとに変更し、それぞれの材料についての速度分散曲線を算出することになる。
また、伝播体３を水からオイルに変更したときは、音速Ｖ_ｗをオイルの音速に変更して計算することになる。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明は脂肪診断用超音波プローブとして利用することができる。

【符号の説明】

【0059】

１ 脂肪診断用超音波プローブ
２ 主プローブ（診断用多チャンネル超音波プローブ）
３ 伝播体（水）
４ 副プローブ（加温用超音波プローブ）
４ａ １チャンネルトランスデューサ
５ プローブホルダ
５ａ 平板部材
１１ 超音波診断装置
１２ 制御ボックス
１３ 外部コンピュータ装置
１４、１５ 信号ケーブル
３１ 高周波電源
３３ パルサ・レシーバ回路
３４ Ａ／Ｄ変換器
３５ バッファメモリ
３６ コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】