JP2005040474A - 硬軟度測定装置及びそれに使用される解析プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 筋肉のような体内組織、前立線のような臓器、食道のような気管等の対象部位の硬軟度を定量的に把握できるようにして適切な診断をくだすことのできる硬軟度測定装置とその解析プログラムを提供する。
【解決手段】 本硬軟度測定装置は、対象部位に対してあらかじめ定められた計測位置から振動を与えることによりその周囲に発生する表面波を検出して対象部位の硬さ度合いを測定する。そのために、プローブ１００に配置された間隔Ｌの少なくとも２つの振動検出器１１Ａ、１１Ｂと、その振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を出力する計測器１２と、その解析プログラムに基づく信号処理を行う信号処理部を備える。信号処理部は、フーリエ変換を行ってスペクトル及びクロススペクトルを用いて伝達関数Ｈ（ｆ）を算出し、更に算出された時間差Δｔ（ｆ）と前記間隔Ｌより、表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、表面波、特にレイリー波の特性を利用して筋肉のような体内組織、前立線のような臓器、食道のような気管あるいは血管などの器官等の対象部位の硬度や軟度を測定する装置に関する。本測定装置は、例えば動脈硬化性血管の硬化度や前立線ガンにおける前立線組織の硬化度等、体内の対象部位の正常時における硬度測定値と病変時における硬度測定値との差を知ることにより適切な対象部位に対して病理診断をくだすのに有用である。

体内の、例えば臓器の診断には、これまでＸ線による透過量の大小、磁気による感応度の大小、超音波による反射量の大小等による定性的な計測によって臓器の異常性の有無を診断したり、直接指触によりその異常性を感じて診断をくだす手法がとられてきた（例えば、特許文献１参照）。

しかし、これらの診断技術は体内の対象部位の質的な変化を定性的にとらえるだけであり、特に指触による診断は医師の個人的な感受性や経験等に依存するところが大きい。それゆえ、対象部位に対し共通でしかも一定の基準のもとで異常性の有無に関する判断を下すことは難しいとされてきた。
特開平７−１２４１５６号公報

前記の定性的な診断技術に対し、今後の医学においては更に高度な診断技術が必要とされると思われる。これには従来の定性的な診断に加え、更に正常時並びに病変時における対象部位の定量的診断を行うことが必要と思われる。

そこで、本発明の課題は、筋肉のような体内組織、前立線のような臓器、食道のような気管あるいは血管などの器官等の対象部位の硬軟度を定量的に把握できるようにして適切な診断をくだすことのできる硬軟度測定装置及びそれに使用される解析プログラムを提供することにある。

本発明による硬軟度測定装置は、動脈硬化性血管の硬化度や前立線ガンにおける前立線組織の硬化度等を計測することができ、これにより、例えば体内の対象部位の正常時における硬度測定値と病変時における硬度測定値とを得るようにすることでこれらの比較により動脈硬化の程度や前立線ガンの有無を判定する診断に寄与することができるようにした装置である。

本発明によれば、対象部位に対してあらかじめ定められた計測位置から振動を与えることによりその周囲に発生する表面波を検出して対象部位の硬さ度合いを測定する装置において、間隔Ｌをおいてプローブに配置された少なくとも２つの振動検出器と、該２つの振動検出器からの検出信号を受けて振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を出力する計測器と、前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を受けて予め定められた解析プログラムに基づく信号処理を行う信号処理部であって、フーリエ変換を行ってスペクトル及びクロススペクトルを用いて伝達関数Ｈ（ｆ）を算出し、更に算出された時間差Δｔ（ｆ）と前記間隔Ｌより、表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する信号処理部とを備えたことを特徴とする硬軟度測定装置が提供される。

本硬軟度測定装置においては、更に、前記プローブに配置されて対象部位を起振する小型起振機を備え、前記計測器は前記小型起振機に与える励振信号を発生する発振部を備えることにより、前記励振信号は電力増幅器で増幅されて前記起振機に与えられる。

本硬軟度測定装置においてはまた、前記発振部は、前記励振信号としてステップサイン波又はマルチサイン波、スェプトサイン波を切り替えて発生することが可能であり、前記ステップサイン波は周波数の異なる複数種類の正弦波で規定され、前記マルチサイン波は周波数の異なる複数種類の正弦波を合成した合成波で規定され、前記スェプトサイン波は周波数の異なる複数種類の正弦波を振幅一定の状態で合成した合成波で規定される。

本硬軟度測定装置においてはまた、前記信号処理部は、前記伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と前記対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する処理を繰り返して対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成すると共に、該対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を基に任意の厚さ毎にあらかじめ定められた演算を行って部分速度値を算出し、更に、算出された部分速度値が、あらかじめ設定されている複数種類の範囲のどの範囲に属するかを分類したうえで範囲毎に異なる記号で、横軸を距離、縦軸を厚さ及び部分速度値とするグラフ上にプロットするグラフ作成を行う。

本硬軟度測定装置においては更に、前記プローブを前記あらかじめ定められた計測位置から直線上において所定距離ずつずらすようにし、前記信号処理部は、前記所定距離ずつずらした複数の各位置において前記対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成すると共に前記部分速度値の算出及び分類並びに前記グラフ上へのプロットによる第１のグラフ作成を行い、作成された第１のグラフ上において同じ記号の点であって最も外側の点を結ぶことにより前記第１のグラフ上に等高線状の作図を行う。

本硬軟度測定装置においては更に、前記プローブを前記直線を中心軸として所定角度ずつ回転させるようにし、前記信号処理部は、前記所定角度ずつ回転させた複数の各位置において前記対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成すると共に前記部分速度値の算出及び分類並びに前記グラフ上へのプロットによる第２のグラフ作成を行い、作成された第２のグラフ上において同じ記号の点であって最も外側の点を結ぶことにより前記第２のグラフ上に等高線状の作図を行う。

本硬軟度測定装置においてはまた、前記計測器が更に、前記２つの振動検出器からの検出信号を受けてディジタルの前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）に変換して出力するＡ／Ｄ変換部を含み、該Ａ／Ｄ変換部は入力レベルに応じて入力感度を自動調整する機能を有するようにしても良い。

本硬軟度測定装置においてはまた、前記信号処理部は、前記励振信号として前記ステップサイン波が使用される場合にはＤＦＴ（離散フーリエ変換）による処理を行い、前記励振信号としてマルチサイン波、スェプトサイン波が使用される場合にはＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行う。

本発明によればまた、対象部位を起振することによりその周囲に発生する表面波を検出して前記対象部位の硬軟度測定を行う硬軟度測定装置における信号処理において所定の処理を行うために用いられる解析プログラムであって、前記硬軟度測定装置は、間隔Ｌをおいて対象部位上に配置される少なくとも２つの振動検出器と、該２つの振動検出器からの検出信号を受けて振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を出力する計測器と、前記解析プログラムを有し前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を受けて信号処理を行う信号処理部とを備え、前記解析プログラムは、前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）に対してフーリエ変換を行ってパワースペクトル及びクロススペクトルを算出するステップと、算出されたパワースペクトル及びクロススペクトルを用いて伝達関数Ｈ（ｆ）を算出するステップと、算出された伝達関数Ｈ（ｆ）より前記２つの振動検出器間の位相差Δθ（ｆ）とその時間差Δｔ（ｆ）を算出するステップと、算出された時間差Δｔ（ｆ）と前記間隔Ｌより表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出するステップとを含むことを特徴とする解析プログラムが提供される。

本解析プログラムは更に、前記伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と前記対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する処理を繰り返して対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成するステップを含むことが好ましい。

本発明による硬軟度計測装置によれば、非破壊で正確に迅速でしかも経済的に測定を行うことのできる硬軟度計測装置を提供できる。

本発明は、表面波を体内の対象部位に励振させ、この表面波が対象部位内を伝搬する時の分散現象をとらえてこれを解析することにより、対象部位の硬軟度に関する定量的診断を可能としたものである。

はじめに、本発明による測定原理について説明する。

診断しようとする対象部位、例えば臓器の外部、または必要により内部の一部から、診断しようとする対象部位に対して起振機により振動を与えるとＰ波、Ｓ波以外に表面波と呼ばれる波が体内組織の中に発生する。このうち、Ｐ波、Ｓ波はそれぞれ、起振機による振動方向並びに４５度の方向に伝わるエネルギーで直角方向には伝わり難い。従って、対象部位内では唯一表面波のみが起振方向に直角（この場合は水平方向となる）な方向に大振幅を与える唯一の波と言える。

Ｐ波、Ｓ波の幾何学的減衰係数は振動方向に対してはｒ^-1（但し、ｒは振動源からの距離）であるが、起振機付近ではｒ^-2である。

これに対し、表面波の起振方向と直角（この場合は水平方向）な方向では幾何学的減衰係数はｒ^-0.5である。

表面波にはレイリー波、ラブ波、Ｐ−Ｐモード波、板波等あるが、本発明ではレイリー波を扱う。

レイリー波速度とＰ波速度、Ｓ波速度の関係は図９に示す通りであり、これら３種類の速度比はポアソン比νで異なる。図９において、縦軸はＶ／Ｖｓ＝Ｖ・（ρ／Ｇ）^1/2 で表される値である。但し、ＶｓはＳ波速度、ρは対象部位の密度、Ｇは対象部位の剛性率であり、ＶにはＰ波あるいはレイリー波速度が当てはまる。

上記のような知見に基づいて、本発明は表面波、特にレイリー波の分散性を利用し、正確で迅速かつ経済的に体内の対象部位の硬軟度計測を行うことのできる硬軟度測定装置を提供するものである。

図１を参照して、本発明の好ましい実施の形態による硬軟度測定装置の構成について説明する。図１において、本装置は、２つの振動検出器１１Ａ、１１Ｂと、これらの振動検出器１１Ａ、１１Ｂからの振動検出信号を受ける計測器１２とを含む。計測器１２は、振動計測部１２−１、Ａ／Ｄ変換部１２−２、通信部１２−３、発振部１２−４とから成る。振動計測部１２−１は、ローパスフィルタ回路を内蔵し、アナログの振動検出信号から振動時系列信号を生成するためのものである。Ａ／Ｄ変換部１２−２は、振動計測部１２−１からのアナログの振動時系列信号をディジタルの振動時系列信号に変換するためのもので、入力感度の自動調整機能を有する。通信部１２−３は、ディジタルの振動時系列信号を計測器１２に接続される機器、例えばモニタ付きのパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称する）１３に送信するためのものである。なお、振動検出器は３個以上（図１には３個目を１１Ｃとして示す）備えられても良い。

ＰＣ１３は、あらかじめインストールされた解析プログラムソフトに基づいて信号処理を行い、硬軟度解析を行うためのものである。特に、本発明ではこの信号処理にＦＦＴ（高速フーリエ変換）、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）を採用しているが、これについては後述する。

発振部１２−４は、起振機１５に与える励振信号を発生するためのもので、この励振信号は電力増幅器１４で増幅されて起振機１５に与えられる。発振部１２−４は、励振信号として、サイン波信号、マルチサイン信号、スェプトサイン信号を発生することができる。ここで、サイン波信号というのは、正弦波のことであり、周波数の異なる複数種類のサイン波信号を生成できる。マルチサイン信号というのは、図２（ａ）に示すような異なる周波数ｆ₁ 〜ｆ_n のサイン波信号を様々な振幅を持つように合成したもので、一例をあげると図２（ｂ）のような合成波である。一方、スェプトサイン信号というのは、異なる周波数ｆ₁ 〜ｆ_n のサイン波信号を振幅が一定の状態になるように合成したもので、一例をあげると図２（ｃ）のような合成波、いわば周波数変調波である。なお、図２（ｂ）、図２（ｃ）は便宜上の合成波形であり、図２（ａ）のサイン信号の実際の合成波形を示すものでは無い。

後述する説明で明らかになるように、本形態では、励振信号としてサイン波信号を用いる場合には信号処理は上記のＤＦＴにより行われる（以下では、これをステップサイン計測と呼ぶ）。一方、マルチサイン信号、スェプトサイン信号を用いる場合には信号処理は上記のＦＦＴにより行われる（以下では、これをマルチサイン計測と呼ぶ）。ＦＦＴの場合、周波数は２ⁿ で決まる固定値となり、ステップ幅も固定である。しかも、設定する周波数を低い方から高い方に変化させてゆく必要がある。これに対し、ＤＦＴの場合には、周波数を任意に設定することができ、設定する周波数も低い方から高い方、高い方から低い方への両方の変化が可能である。

図３は、図１に示した起振機１５及び振動検出器１１Ａ、１１Ｂを一直線上に並べて収容したプローブの一例を示す。つまり、起振機１５及び振動検出器１１Ａ、１１Ｂを、例えば直腸や尿道を通して体内に挿入するためにプローブ１００が使用される。図３は、直腸２００を通して前立線３００の計測診断を行う場合の例を示している。３１０は尿道である。プローブ１００の先端側に起振機１５が内蔵され、プローブ１００の内壁には少なくとも２個の振動検出器１１Ａ、１１Ｂが配置されている。起振機１５、振動検出器１１Ａ、１１Ｂは図示しない導線を介してプローブ１００外の電力増幅器１４、計測器１２に接続される。このようなプローブ１００は、その外径を数ｍｍ程度あるいは血管に通す場合にはそれ以下にすることができる。ここでも、３個目の振動検出器を備える場合には１１Ｃで示す位置に配置される。

プローブ１００は、測定時、矢印で示す方向に、前進、後退、あるいはまた前後方向に平行な中心軸を中心として回転するようにされる。勿論、このような前進、後退、回転は手動、自動のいずれで行われても良い。

以下に、本測定装置の動作を前立線の計測診断を行う場合について説明する。まず、直腸２００からプローブ１００を挿入し、診断を要する前立線に起振機１５、振動検出器１１Ａ、１１Ｂを一直線上に備えたプローブ１００を当てる。振動検出器１１Ａ、１１Ｂ間の距離をＬ（ｃｍ）とする。起振機１５を使って前立線を図３中上下方向に起振することにより、起振機１５の周りに表面波を発生させる。前立線表面付近を伝播する表面波（レイリー波）の上下振動を、振動検出器１１Ａ、１１Ｂで検出する。この時の計測点位置をＣ１とする。振動検出器１１Ａ、１１Ｂからの振動検出信号は、振動計測部１２−１のローパスフィルタ回路を通すことで、アナログの振動時系列信号Ａａ（ｔ）、Ｂａ（ｔ）となり、Ａ／Ｄ変換部１２−２に入力される。Ａ／Ｄ変換部１２−２でＡ／Ｄ変換された振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）は通信部１２−３からＰＣ１３へ転送される。

ＰＣ１３では、あらかじめ定められた解析プログラムに基づいて振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）のパワースペクトルＧ_AA（ｆ）、Ｇ_BB（ｆ）、クロススペクトルＧ_BA（ｆ）、伝達関数Ｈ（ｆ）、コヒーレンス関数γ² （ｆ）等を計算する。得られたパワースペクトルＧ_AA（ｆ）、Ｇ_BB（ｆ）、クロススペクトルＧ_BA（ｆ）、伝達関数Ｈ（ｆ）、コヒーレンス関数γ² （ｆ）等は、内蔵のハードディスクに保存される。

ＰＣ１３ではまた、伝達関数Ｈ（ｆ）より振動検出器１１Ａ、１１Ｂ間の位相差Δθ（ｆ）を求め、続いてその時間差Δｔ（ｆ）を求める。ＰＣ１３では更に、時間差Δｔ（ｆ）と振動検出器１１Ａ、１１Ｂ間の間隔Ｌより、表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と厚さＤ（ｆ）とを求める。そして、求められた伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と厚さＤ（ｆ）とによりモニター上にＤ−Ｖ_r 分散特性を表示させる。ここで、Ｄは振動点からの厚さ（深さ）を意味する。

図４をも参照して、解析プログラムに基づく、上記の表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と厚さＤ（ｆ）の算出方法について更に詳しく説明する。

ＰＣ１３では、Ａ／Ｄ変換された振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）に対し、下記の数１、数２で表されるフーリエ変換を行って変換信号Ｓ_A （ｆ）、Ｓ_B （ｆ）を得た後（ステップＳ１）、これらの変換信号Ｓ_A （ｆ）、Ｓ_B （ｆ）を用いて下記の数３、数４、及び数５によりパワースペクトルＧ_AA（ｆ）、Ｇ_BB（ｆ）及びクロススペクトルＧ_BA（ｆ）を計算する（ステップＳ２）。

次に、上記の各スペクトルを用いて、下記の数６により伝達関数Ｈ（ｆ）を、数７によりコヒーレンス関数γ² （ｆ）をそれぞれ算出し（ステップＳ３、Ｓ４）、これらをＰＣ１３内蔵のハードディスクに保存する。

なお、コヒーレンス関数γ² （ｆ）は、外乱ノイズの影響を見るために算出されるものである。すなわち、コヒーレンス関数γ² （ｆ）は、０〜１の範囲の値をとるが、外乱ノイズレベルが大きくなってくるとその値が０に近づいてくる。そこで、コヒーレンス関数γ² （ｆ）の値にしきい値を設定しておき、算出されたコヒーレンス関数γ² （ｆ）の値がこのしきい値よりも小さくなった場合には算出された伝達関数Ｈ（ｆ）を採用しないようにされる。

続いて、伝達関数Ｈ（ｆ）の実数成分Ｒｅ（Ｈ（ｆ））と虚数成分Ｉｍ（Ｈ（ｆ））とを用いて、下記の数８により２つの信号間の位相差Δθ（ｆ）を求め、更に下記の数９により２つの信号間の時間遅れΔｔ（ｆ）に変換する（ステップＳ５）。

そして、時間遅れΔｔ（ｆ）と間隔Ｌとを用いて、下記の数１０、数１１により伝播平均速度Ｖ_r （ｃｍ／ｓｅｃ）と厚さＤ（ｃｍ）とをそれぞれ計算する（ステップＳ６）。

なお、上記式中で、記号＊は複素共役を表す。

上記の算出は所望のＤ−Ｖ_r 分散特性が得られるまで（ステップＳ７）繰り返し行われる。すなわち、計測を１回行う毎に起振機１５に与える励振信号の周波数を変化させる。つまり、表面波の伝播速度と逆数関係にある伝達関数Ｈ（ｆ）の位相差が、周波数別に計測される。次に、この位相差と周波数の関係から伝播平均速度Ｖ_r と厚さＤとを計算し、繰り返し計測を行った結果としてモニター上にＤ−Ｖ_r 分散特性が表示される。

特に、ステップサイン計測の場合には、起振機１５にある周波数ｆ_n （図２ａ参照）の励振信号を加えて求められた、振動点からの厚さＤ（ｆ_n ）とそこで得られた伝播平均速度Ｖ_r （ｆ_n ）とで決まる値Ｐ_n をＤ−Ｖ_r 面上にプロットする。値Ｐ_nは、振動点からの厚さＤ（ｆ_n ）における伝播平均速度Ｖ_r （ｆ_n ）を表すことは言うまでも無い。次に、周波数ｆ_n-1 （図２ａ参照）の励振信号を加えて求められた、振動点からの厚さＤ（ｆ_n-1 ）とそこで得られた伝播平均速度Ｖ_r （ｆ_n-1 ）とで決まる値Ｐ_n-1 をＤ−Ｖ_r 面上にプロットする。これを繰り返し、最後に周波数ｆ₁ （図２ａ参照）の励振信号を加えて求められた、振動点からの厚さＤ（ｆ₁ ）とそこで得られた伝播平均速度Ｖ_r （ｆ₁ ）とで決まる値Ｐ₁ をＤ−Ｖ_r 面上にプロットすることで、図５（ａ）に示すような値Ｐ_n 〜Ｐ₁ を持つＤ−Ｖ_r 分散特性が得られる。

一方、マルチサイン計測の場合には、起振機１５に、図２（ｂ）に示したようなマルチサイン信号あるいは図２（ｃ）に示したようなスェプトサイン信号を加えると、合成波による振動に起因する振動時系列信号Ａａ（ｔ）、Ｂａ（ｔ）が得られる。これらの振動時系列信号は、図２（ａ）に示されるような周波数成分を含んでおり、これらの周波数成分をＦＦＴにより分離、抽出する。そして、抽出された周波数成分のそれぞれに対して上記のような処理を行うことで、図５（ａ）に示すような値Ｐ_n 〜Ｐ₁ を持つＤ−Ｖ_r 分散特性が一度に得られる。

次に、最初の計測点位置Ｃ１において計測された伝播平均速度値、つまり値Ｐ_n 〜Ｐ₁で規定される伝播平均速度Ｖ_r （ｆ_n ）〜Ｖ_r （ｆ₁ ）と振動点からの厚さＤ（ｆ_n ）〜Ｄ（ｆ₁ ）とから、以下の数１２により任意の厚さ毎の部分速度値を求める。

上記数１２において、Ｖ（n ）はｎ番目の厚さにおける部分速度値を示す。また、Ｄ（ｆ_n ）は振動点からｎ番目までの厚さ、Ｄ（ｆ_n-1 ）は振動点から（ｎ−１）番目までの厚さを示す。

ここで、部分速度値について想定される最小値から最大値までを複数の範囲Ａ１〜Ａｋに分類し、上記の部分速度値がどの範囲に属するかを分類する。そして、各範囲Ａ１〜Ａｋを異なる記号、例えば第１の範囲Ａ１は四角形、第２の範囲は三角形、第３の範囲は×印、第４の範囲は＋印というような記号で表すようにし、これらの記号を、縦軸を厚さＤ及び部分速度値とし、横軸を距離とするグラフ上にプロットすると図５（ｂ）に示すような特性が得られる。

続いて、最初の計測点位置Ｃ１からプローブ１００をＸｍｍ前進（計測点位置Ｃ２）させて上記と同じ計測及び部分速度値の算出を行い、これを２Ｘ（計測点位置Ｃ３）、３Ｘ（計測点位置Ｃ４）と逐次増加させて、その都度上記と同じ計測及び部分速度値の算出並びに記号のプロットによる作図を繰り返し行う。これにより、１つのグラフ上に多数の値による多数の記号がプロットされたグラフ（第１のグラフ）が得られる。このようにして多数の記号がプロットされた第１のグラフにおいて同じ範囲に属する点、つまり同じ種類の記号を選び、それらの最も外側の記号を結ぶと、硬さの異なる部分がある場合、図６に示すように、等高線状の曲線が得られる。つまり、同じ範囲に属する記号であっても最も外側の記号より内側領域の記号は削除される。図６は、計測点位置がＣ１〜Ｃ１１の１１箇所である場合の第１のグラフを示す。

図６において、×印で結ばれた曲線は前立線の表皮を示し、三角印で結ばれた点は硬くなっている部分、つまり腫瘍部分の最も外側を示すと考えて良い。そして、これは、前立線をプローブ１００の移動方向の線分を含む面で切断した縦断面を示すと考えて良い。このような結果は、２次元画像としてモニター上に表示される。実際には、図６の画像には図３に示された尿道３１０に対応する部分も表示されるが、便宜上、図示を省略している。これは、後述される図７においても同様である。

なお、上記の部分速度値を、後述する計算により硬さを表す数値として表示させても良いし、部分速度値を複数の範囲に分類して色別に表示させても良い。例えば、４００ｃｍ／ｓｅｃ未満は黄色、４００ｃｍ／ｓｅｃ〜６００ｃｍ／ｓｅｃは桃色、６００ｃｍ／ｓｅｃ〜８００ｃｍ／ｓｅｃは茶色、８００ｃｍ／ｓｅｃ〜１０００ｃｍ／ｓｅｃは橙色、１０００ｃｍ／ｓｅｃ〜１２００ｃｍ／ｓｅｃは赤色、１２００ｃｍ／ｓｅｃ以上は黒色というような色別表示としても良い。この場合、図６において、もし前立線内に硬い部分があれば、その領域が他の領域と異なる特定の色で表示されるので分かり易い。また、測定結果を定量的な部分速度値や硬さの値で得ることができる。

一方、最初の計測点位置Ｃ１においてプローブ１００を直腸内で所定角度ずつ回転させ、その都度上記と同じ計測、部分速度値の算出を繰り返して同様の作図を行うことにより、多数の値による多数の記号がプロットされたグラフ（第２のグラフ）が得られる。つまり、計測点位置Ｃ１においてプローブ１００を時計方向にθ１回転させて上記と同様の計測及び部分速度値の算出並びに作図を行い、以下θ２〜θ６まで計測を行う。これを終了したら、計測点位置Ｃ１における最初の位置に戻し、今度は、プローブ１００を反時計方向にθ１回転（つまり、−θ１）させて上記と同様の計測及び部分速度値の算出並びに作図を行い、以下−θ２〜−θ６まで計測を行う。その結果、上記と同様にして、多数の値による多数の記号がプロットされた第２のグラフが得られる。このようにして多数の記号がプロットされた第２のグラフにおいて同じ範囲に属する記号を選び、それらの最も外側の記号を結ぶと、硬さの異なる部分がある場合、図７に示すように、等高線状の曲線が得られる。なお、同じ範囲であっても最も外側の記号より内側領域の記号は削除される。図７は、図６の計測点位置Ｃ６における第２のグラフを示す。

図７において、×印で結ばれた曲線は前立線の表皮を示し、三角印で結ばれた点は硬くなっている部分、つまり腫瘍部分の最も外側を示すと考えて良い。そして、これは、前立線をプローブ１００の移動方向に直角な面で切断した縦断面を示すと考えて良い。このような結果は、２次元画像としてモニター上に表示される。

続いて、プローブ１００を直腸２００内でＸｍｍだけ前進させて上記と同じ計測及び部分速度値の算出並びに作図を行い、直腸内の前後方向に関して別の位置で図７と同様の等高線を得る。つまり、プローブ１００を直腸２００内のある位置において図５に示す特性を得るための計測及び部分速度値の算出並びに作図を行った後、図７に示す第２のグラフを得るための計測及び部分速度値の算出並びに作図を行い、次に、プローブ１００をＸｍｍ前進させて図５に示す特性を得るための計測及び部分速度値の算出並びに作図を行った後、図７に示す特性を得るための計測を行うという計測動作及び作図を繰り返すことで、図６に示す第１のグラフと、多数の図７に示す第２のグラフを得ることができる。これらのグラフはいずれも２次元グラフであるが、これらを組み合わせることで３次元グラフ、つまり３次元画像を形成できることは言うまでも無い。

上記のように、図６、図７では、前立線のある断面における硬さの度合いを、等高線や色別の表示で知ることができる。そこで、前立線における標準的な硬さを決めておき、これを基準値として、計測された硬さと比較することで前立線ガンの判定を行うようにすることができるが、以下のようにしても良い。つまり、被検者に対してあらかじめ正常時の前立線の硬さの度合いを計測しておき、定期的に上記の計測を行って計測結果と比較することで前立線ガンの判定を行うようにすることもできる。以下に、その一例について説明する。

一般に、物体（物質）の剛性率Ｇ（せん断弾性係数）は次式で与えられる。

Ｇ＝ρＶ² （但し、ρは密度、Ｖはレイリー波速度であり、前述した部分速度値と等しいと考えて良い）
物体に一様な圧力Ｐを加えると、その物体は単位体積毎にＰ／Ｋ（但し、Ｋは体積弾性率）の割合で圧縮される。これは、物体の変形のしにくさを表したものと言える。圧力Ｐを加えた時変形し易いものを柔らかいもの、変形し難いものを硬いものと定義すると、剛性率Ｇの小さいものは柔らかいもの、大きいものは硬いものと言える。

上式で剛性率Ｇを計測する時、体内組織の密度ρは０．９〜１．０と言われており、場所によってもその変化の割合は小さいと言えるので、ここでは１として良い。

すると、上式における剛性率ＧはＶ² とほぼ等しいと見なすことができる。

体内のレイリー波速度は２００〜２０００ｃｍ／ｓｅｃ程度と言われており、従って体内のある部位では正常値が１０００ｃｍ／ｓｅｃであってそれが病変時に１５００ｃｍ／ｓｅｃになったとすると、以下のようになる。

病変時／正常時＝Ｖ² ´／Ｖ² ＝１５００² ／１０００² ＝２．２５
従って、基準を最低速度の２００ｃｍ／ｓｅｃとし、これを固定値１と仮定すると、正常時の硬さの数値は、正常時／基準値＝１０００² ／２００² ＝２５．００と表される。

一方、病変時の硬さの数値は、病変時／基準値＝１５００² ／２００² ＝３７．５０と表される。

以下の表１は、上記の原理に基づいてレイリー波速度と硬さとの対応関係を示したものである。

なお、上記の説明で明らかなように、マルチサイン計測の場合には、Ｄ−Ｖ_r 分散特性を得るまでの計測処理時間が短くて済む反面、合成波であるために振動のエネルギーが小さくなり、ノイズの影響を受け易くなる。また、図２（ｃ）に示したようなスェプトサイン信号を印加する場合には、マルチサイン信号との切替えを行いながら計測を行う必要がある。

なお、振動エネルギーの弱小化の問題は、図８（ａ）に示すように、周波数ｆ₁ 〜ｆ_n の領域を、例えばｆ₁ 〜ｆ_i （バンドＢ₁ ）、ｆ_i 〜ｆ_k （バンドＢ₂ ）、ｆ_k 〜ｆ_n （バンドＢ₃ ）の３つのバンドに分割してそれぞれのバンドにおいて合成波によるマルチサイン計測を行うことで解消できる。この場合、図８（ｂ）に示すように、バンドＢ₁ での計測でＤ−Ｖ_r 面には曲線Ｃ₁ が、バンドＢ₂ での計測で曲線Ｃ₂ が、バンドＢ₃ での計測で曲線Ｃ₃ がそれぞれ得られ、これらの曲線Ｃ₁ 〜Ｃ₃ は自動合成されてＤ−Ｖ_r 分散特性として表示される。このようにするのは、合成される周波数信号が少ないほど、振動エネルギーは大きくなるからである。勿論、バンド数は２でも良い。

次に、ステップサイン計測と、マルチサイン計測について比較説明する。

ステップサイン計測では、前に述べたように、起振機１５の励振信号としてサイン波が使用され、解析プログラムによる解析ではＤＦＴが用いられる。ステップサイン計測の特徴は以下の通りである。

Ａ．ＤＦＴを用いると、任意のサイン波周波数を設定して計測を行うことができる。つまり、周波数バンド、分解能の制約が無く、任意の発振周波数を設定できる。周波数設定の制約が無ければ任意の発振周波数を設定してデータ収集を行うことができるので、モニターに表示されたＤ−Ｖ_r 分散特性を観察しながら、計測値のプロットが疎となっている曲線領域について周波数を追加設定することで追加の計測を容易に行うことができる。

Ｂ．これによって体内組織の表面から厚さ方向の計測を行うことができる。つまり、Ｄ−Ｖ_r 分散特性を観察しながら、体内組織表面から厚さ方向にかけて計測を行い、目的の厚さで計測を終了できる。

これは、本形態では周波数を低い方から高い方、高い方から低い方への両方向に掃引しながらの計測（ステップサイン計測）が可能であることによる。従って、周波数を高い方から低い方向に掃引しながら計測することにより、表層から厚さ方向に向かっての計測が可能となる。

Ｃ．以前計測した周波数と同じ周波数での計測が可能である。つまり、同じ体内組織の場合、その厚さでの周波数設定を簡略化できる。

これは、以前に計測した周波数設定順序をファイルリストとしてＰＣ１３のハードディスクに記憶でき、その記憶された周波数リストを元に以前計測した時と同じ周波数の設定順序で計測が可能であることによる。

Ｄ．自動入力レンジでの計測が可能である。つまり、入力レンジ変更の手間が省ける。

これは、本形態では、Ａ／Ｄ変換器１２−２に入力感度の自動調整機能を持たせていることによる。Ａ／Ｄ変換器１２−２では、入力レベルをあらかじめ設定した上下限値について監視し、下限値以下になると入力感度を上げ、上限値を越えると入力感度を下げる操作を自動的に行う。これにより、最適入力レベルで計測を行うことができる。但し、これは外来ノイズレベルの変動が大きい場所では不向きであり、計測時間が長くなる場合があり得る。そのような場合は手動レンジに切替えるようにする。

Ｅ．Ｄ−Ｖ_r 分散特性に自動変換表示できる。つまり、毎回、伝達関数位相差曲線からＤ−Ｖ_r 変換を行うことが不要となり、手間が省け、しかも図６あるいは図７に示す如く、最終結果であるＤ−Ｖ_r 分散特性に基づく硬軟度特性をリアルタイムで観測できる。

これは、本形態ではデータが更新されるたびにＤ−Ｖ_r 分散特性が自動的に変換されるからである。

Ｆ．計測点の振動レベルを、一例として例えば加速度（Ｇａｌ）でも表示できる。

Ｇ．短い時間での計測が可能である。つまり、周波数バンド、分解能の制約が無く、効率のよいデータ収集ができるため、計測時間が短くできる。

これは、本形態ではＤＦＴを使っているため任意の周波数を設定して信号処理が行えるからである。従って、接近した同じ様なデータを何度も収集する必要がなく、計測時間を短縮できる可能性がある。

Ｈ．大部分の計測点でステップサイン計測だけでカバーできる。

一方、マルチサイン計測では、前に述べたように、起振機１５の励振信号としてマルチサイン波、あるいはスェプトサイン波が使用され、解析プログラムによる解析ではＦＦＴが用いられる。マルチサイン計測の特徴は以下の通りである。

ａ．図８で説明したように、最大３バンドの計測を自動的に合成できる。従って、計測後のＤ−Ｖ_r 曲線の合成作業が省ける。

これは、本形態では最大３バンドの計測データまで自動的に合成表示する機能を有するからである。そして、１バンドの周波数分解能が８００点になっており、きめ細かいＤ−Ｖ_r 分散特性が計測でき、より精密な計測が出来る。

ｂ．周波数範囲を限定してマルチサイン波を周期性ランダム信号として発生できる。従って、バンド範囲を限定することにより、起振機の能力を向上できる。

これは、本形態では周波数範囲を限定できるために個々の周波数スペクトル値を大きくして周期性ランダム信号を発生できるからである。

ｃ．マルチサイン波、スェプトサイン波の切替えが簡単に行える。

ｄ．ステップサイン計測と同様に、Ｄ−Ｖ_r 分散特性に自動変換表示できる。

ｅ．ステップサイン計測と同様に、計測点の振動レベルを加速度（Ｇａｌ）で表示できる。

以上、本発明の実施の形態を、前立線ガンの判定を行う場合について説明したが、本発明による計測装置は、前立線ガンの判定に限らず、硬さの度合いにより判定を行うことのできる筋肉のような体内組織、食道のような気管、臓器全般の判定に適用することができることは言うまでも無い。

本発明の好ましい実施の形態による硬軟度計測装置の構成を示した図である。 本発明のマルチサイン計測の場合に発生されるマルチサイン波（ｂ）、スェプトサイン波（ｃ）を説明するための波形図である。 本発明による硬軟度計測装置を前立線の硬軟度計測に適用する場合について示した図である。 本発明で使用される解析プログラムの動作を説明するためのフローチャート図である。 本発明のステップサイン計測におけるＤ−Ｖ_r 分散特性の描画過程を説明するための図である。 本発明の硬軟度計測装置におけるモニターに表示される表示画面の一例を示した図である。 本発明の硬軟度計測装置におけるモニターに表示される表示画面の一例示した図である。 本発明のマルチサイン計測において周波数バンドを３つに分割してＤ−Ｖ_r 分散特性を得る場合の動作を説明するための図である。 半無限弾性体におけるＰ波、Ｓ波、レイリー波伝播速度とポアソン比とを関係を示した特性図である。

符号の説明

１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 振動検出器
１２ 計測器
１３ パーソナルコンピュータ
１５ 起振機
１００ プローブ
２００ 直腸
３００ 前立線

Claims (10)

1. 対象部位に対してあらかじめ定められた計測位置から振動を与えることによりその周囲に発生する表面波を検出して対象部位の硬さ度合いを測定する装置において、
   間隔Ｌをおいてプローブに配置された少なくとも２つの振動検出器と、
   該２つの振動検出器からの検出信号を受けて振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を出力する計測器と、
   前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を受けて予め定められた解析プログラムに基づく信号処理を行う信号処理部であって、フーリエ変換を行ってスペクトル及びクロススペクトルを用いて伝達関数Ｈ（ｆ）を算出し、更に算出された時間差Δｔ（ｆ）と前記間隔Ｌより、表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する信号処理部とを備えたことを特徴とする硬軟度測定装置。
2. 更に、前記プローブに配置されて対象部位を起振する小型起振機を備え、前記計測器は前記小型起振機に与える励振信号を発生する発振部を備え、前記励振信号は電力増幅器で増幅されて前記起振機に与えられることを特徴とする請求項１に記載の硬軟度測定装置。
3. 前記発振部は、前記励振信号としてステップサイン波又はマルチサイン波、スェプトサイン波を切り替えて発生することが可能であり、前記ステップサイン波は周波数の異なる複数種類の正弦波で規定され、前記マルチサイン波は周波数の異なる複数種類の正弦波を合成した合成波で規定され、前記スェプトサイン波は周波数の異なる複数種類の正弦波を振幅一定の状態で合成した合成波で規定されることを特徴とする請求項２に記載の硬軟度測定装置。
4. 前記信号処理部は、前記伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と前記対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する処理を繰り返して対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成すると共に、該対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を基に任意の厚さ毎にあらかじめ定められた演算を行って部分速度値を算出し、更に、算出された部分速度値が、あらかじめ設定されている複数種類の範囲のどの範囲に属するかを分類したうえで範囲毎に異なる記号で、横軸を距離、縦軸を厚さ及び部分速度値とするグラフ上にプロットするグラフ作成を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の硬軟度測定装置。
5. 前記プローブを前記あらかじめ定められた計測位置から直線上において所定距離ずつずらし、前記信号処理部は、前記所定距離ずつずらした複数の各位置において前記対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成すると共に前記部分速度値の算出及び分類並びに前記グラフ上へのプロットによる第１のグラフ作成を行い、作成された第１のグラフ上において同じ記号の点であって最も外側の点を結ぶことにより前記第１のグラフ上に等高線状の作図を行うことを特徴とする請求項４に記載の硬軟度測定装置。
6. 前記プローブを前記直線を中心軸として所定角度ずつ回転させ、前記信号処理部は、前記所定角度ずつ回転させた複数の各位置において前記対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成すると共に前記部分速度値の算出及び分類並びに前記グラフ上へのプロットによる第２のグラフ作成を行い、作成された第２のグラフ上において同じ記号の点であって最も外側の点を結ぶことにより前記第２のグラフ上に等高線状の作図を行うことを特徴とする請求項４に記載の硬軟度測定装置。
7. 前記計測器は更に、前記２つの振動検出器からの検出信号を受けてディジタルの前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）に変換して出力するＡ／Ｄ変換部を含み、該Ａ／Ｄ変換部は入力レベルに応じて入力感度を自動調整する機能を有することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の硬軟度測定装置。
8. 前記信号処理部は、前記励振信号として前記ステップサイン波が使用される場合にはＤＦＴ（離散フーリエ変換）による処理を行い、前記励振信号としてマルチサイン波、スェプトサイン波が使用される場合にはＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行うことを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の硬軟度測定装置。
9. 対象部位を起振することによりその周囲に発生する表面波を検出して前記対象部位の硬軟度測定を行う硬軟度測定装置における信号処理において所定の処理を行うために用いられる解析プログラムであって、
   前記硬軟度測定装置は、間隔Ｌをおいて対象部位上に配置される少なくとも２つの振動検出器と、該２つの振動検出器からの検出信号を受けて振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を出力する計測器と、前記解析プログラムを有し前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）を受けて信号処理を行う信号処理部とを備え、
   前記解析プログラムは、前記振動時系列信号Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）に対してフーリエ変換を行ってパワースペクトル及びクロススペクトルを算出するステップと、
   算出されたパワースペクトル及びクロススペクトルを用いて伝達関数Ｈ（ｆ）を算出するステップと、
   算出された伝達関数Ｈ（ｆ）より前記２つの振動検出器間の位相差Δθ（ｆ）とその時間差Δｔ（ｆ）を算出するステップと、
   算出された時間差Δｔ（ｆ）と前記間隔Ｌより表面波の伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出するステップとを含むことを特徴とする解析プログラム。
10. 前記解析プログラムは更に、前記伝播平均速度Ｖ_r （ｆ）と前記対象部位厚さＤ（ｆ）とを算出する処理を繰り返して対象部位厚さＤ−伝播平均速度Ｖ_r 分散特性を生成するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の解析プログラム。
    
    

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