JP3377882B2

JP3377882B2 - 骨粗鬆症診断装置

Info

Publication number: JP3377882B2
Application number: JP14073095A
Authority: JP
Inventors: 徹哉石井; 真史栗脇; 康之久保田
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 2003-02-17
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: JPH08215196A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波インパルスを
人体の所定の部位の骨組織に当てて骨粗鬆症を診断する
骨粗鬆症診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】骨粗鬆症とは、骨のカルシウムが抜け出
してスカスカになり、変形したり少しのショックで折れ
易くなる病気である。骨粗鬆症を診断する手段の一つと
して、従来、特開平２−１０４３３７号公報に記載され
ているような超音波により診断する装置が知られてい
る。この超音波による診断装置では、骨組織中での音速
が、骨密度に経験上比例するとみなせるとして、超音波
パルスを被験者の皮膚から測定部位の骨組織に向けて発
射し、当該骨組織を透過してきた超音波パルスを受波し
て、骨組織中での音速を測定する。そして、骨組織中で
の音速が遅い程、骨粗鬆症が進行していると診断する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、骨組織中で
の音速は、厳密に言うと、骨密度に比例するのではな
く、［骨の弾性率／骨密度］の平方根で与えられる。し
かも、骨密度が増加すれば弾性率も上昇する関係にある
ため、骨密度の増加に対して音速は敏感には応答でき
ず、音速と骨密度との相関係数は、けっして高くはな
い。したがって、音速情報に基づく上記従来の診断装置
では、骨粗鬆症の進行状況を確実に判断するには無理が
あった。一方、骨弾性率の状況から骨粗鬆症を診断でき
るという意見もある。

【０００４】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、骨密度や骨弾性率の状態を正確に推定し、骨
粗鬆症の進行状況を確実に診断できる骨粗鬆症診断装置
を提供することを目的としている。

【０００５】

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明に係る骨粗鬆症診断装置は、超
音波送受波器を生体に当て、その送受波面の法線を骨に
向け、かつ骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動
かしながら、超音波インパルスを断続的に発射すると共
に、上記骨からのエコーを逐次受波し、受波された骨か
らのエコー情報に基づいて、少なくとも骨密度又は骨弾
性率の状況を推定して骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断
装置であって、上記超音波送受波器によって逐次受波さ
れた骨からのエコーの中から垂直反射エコーによる最大
エコーレベルを抽出する最大エコーレベル抽出手段と、
該最大エコーレベル抽出手段によって抽出された最大エ
コーレベルを骨粗鬆症診断の指標として出力する出力手
段とを備えてなることを特徴としている。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、超音波送受
波器を生体に当て、その送受波面の法線を骨に向け、か
つ骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
ら、超音波インパルスを断続的に発射すると共に、上記
骨からのエコーを逐次受波し、受波された骨からのエコ
ー情報に基づいて、少なくとも骨密度又は骨弾性率の状
況を推定して骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であ
って、上記超音波送受波器によって逐次受波された上記
骨からのエコーの中から垂直反射エコーによる最大エコ
ーレベルを抽出する最大エコーレベル抽出手段と、該最
大エコーレベル抽出手段によって抽出された最大エコー
レベルに基づいて、上記生体の軟組織と上記骨との界面
での反射係数を算出する反射係数算出手段と、該反射係
数算出手段によって算出された反射係数を骨粗鬆症診断
の指標として出力する出力手段とを備えてなることを特
徴としている。

【０００８】また、請求項３記載の発明は、超音波送受
波器を生体に当て、その送受波面の法線を骨に向け、か
つ骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
ら、超音波インパルスを断続的に発射すると共に、上記
骨からのエコーを逐次受波し、受波された骨からのエコ
ー情報に基づいて、少なくとも骨密度又は骨弾性率の状
況を推定して骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であ
って、上記超音波送受波器によって逐次受波された上記
骨からのエコーの中から垂直反射エコーによる最大エコ
ーレベルを抽出する最大エコーレベル抽出手段と、該最
大エコーレベル抽出手段によって抽出された最大エコー
レベルに基づいて、上記生体の軟組織と上記骨との界面
での反射係数を算出する反射係数算出手段と、該反射係
数算出手段によって算出された反射係数に基づいて、上
記骨の音響インピーダンスを算出する音響インピーダン
ス算出手段と、該音響インピーダンス算出手段によって
算出された骨の音響インピーダンスを骨粗鬆症診断の指
標として出力する出力手段とを備えてなることを特徴と
している。

【０００９】

【作用】この発明の構成において、超音波送受波器を生
体に当て、その波送受波面の法線を上記骨に向け、かつ
骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
ら、超音波インパルスを断続的に発射すると共に骨から
のエコーを逐次受波し、受波された骨からのエコー情報
を収集する。そして、収集されたエコー情報の中から最
大エコーレベルを抽出する。最大エコーレベルが受波さ
れるのは、骨の法線と送受波面の法線とが一致したとき
であり、したがって、骨からの垂直反射のエコーが送受
波面に垂直に入射するときである。骨からのエコーが垂
直反射の場合には、変位（超音波送受波器の振れ）に対
して骨からのエコーのレベル変化が鈍るので、再現性の
良い測定データが得られる。しかも、音響インピーダン
スの算出式は、骨からのエコーが垂直反射の場合には簡
素な式となるから、骨の音響インピーダンスを確実にか
つ簡易に測定できる。骨の音響インピーダンスは、骨の
［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨密度の増
加に伴って弾性率が上昇すると、これらの相乗効果を受
けるために、敏感に応答して顕著に増加する。逆に、骨
密度が減少して、弾性率が低下すると、音響インピーダ
ンスは、これらの相乗効果を受けて、敏感に応答して顕
著に減少する。それゆえ、骨の音響インピーダンスは、
骨密度や骨弾性率を判断する上で、良い指標となる。し
たがって、操作者は、出力手段によって出力される骨の
音響インピーダンスの値から、骨粗鬆症の進行状況を確
実に推定することができる。例えば、音響インピーダン
スが、その年齢層の平均値から著しく小さい場合には、
骨粗鬆症が悪化していることが判る。

【００１０】また、骨の音響インピーダンスを骨密度や
骨弾性率の指標とする代わりに、骨の音響インピーダン
スの単調増加関数である生体の軟組織・骨の界面での反
射係数や最大エコーレベルそのものを骨密度又は骨弾性
率の指標としても、上述したと同様の効果を得ることが
できる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。 ◇第１実施例図１は、この発明の第１実施例である骨粗鬆症診断装置
の電気的構成を示すブロック図、図２は、同装置の外観
図、図３は、同装置の使用状態を示す図、図４は、同装
置による骨粗鬆症診断の様子を示す図、図５は、同装置
の動作処理手順を示すフローチャート、また図６は、同
装置の動作を説明するための図である。図１乃至図４に
示すように、この例の骨粗鬆症診断装置は、被験者Ｍの
測定部位である骨Ｍｂに向けて、指向性の良い超音波イ
ンパルスＡｉを発射すると共に、骨Ｍｂの表面Ｙから戻
ってくるエコー（骨エコー）Ａｅを受波して受波信号
（電気信号）に変換する超音波トランスデューサ（以
下、単に、トランスデューサという）１と、このトラン
スデューサ１に半波インパルスの電気信号を入力すると
共に、トランスデューサ１から供給される各種エコーの
受波信号（電気信号）を処理して、骨粗鬆症診断の指標
となる骨Ｍｂの音響インピーダンス情報を提供する装置
本体２と、これらを接続するケーブル３とから概略なっ
ている。

【００１２】上記トランスデューサ１は、図示しない
が、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円板状の厚
み振動型圧電素子の両面に電極層を積層してなってい
る。ここで、トランスデューサ（超音波振動子）１とし
ては、平面波の状態で骨エコーＡｅを受けるのが測定感
度上好ましいことから、発射された超音波インパルスＡ
ｉが平面波に近い状態で骨Ｍｂに向かって伝搬できるよ
うに、送受波面のなるべく大きなものを用いるのが好ま
しい。

【００１３】上記装置本体２は、パルス送出部４と、整
合回路５と、増幅器６と、波形整形器７と、Ａ／Ｄ変換
器８と、ＣＰＵ（中央処理装置）９と、ＲＯＭ１０と、
ＲＡＭ１１と、レベルメータ１２と、表示器１３とから
構成されている。パルス送出部４は、整合回路５を介し
てトランスデューサ１に接続され、中心周波数略２．５
ＭＨｚの半波インパルスの電気信号を所定の周期で生成
して、断続的にトランスデューサ１に送信する。整合回
路５は、ケーブルを介してトランスデューサ１に接続さ
れ、トランスデューサ１と装置本体２との間で最大のエ
ネルギー効率で信号の受け渡しを行う。増幅器６は、整
合回路５の出力信号を所定の増幅度で増幅した後、波形
整形器７に入力する。波形整形器７は、図示せぬ検波回
路とローパスフィルタ（ＬＰＦ）とから構成され、増幅
器６の出力信号（増幅された受波信号）を検波処理・フ
ィルタ処理を施して波形整形した後、Ａ／Ｄ変換器８に
入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、図示せぬレベル検出回
路、サンプルホールド回路等を備え、波形整形器７の出
力信号のレベルや到来時刻等を検出して、骨エコーＡｅ
を逐次抽出する。そして、抽出された骨エコーＡｅの受
波信号をデジタルのエコー信号に変換し、デジタルに変
換されたエコー信号（以下、骨エコー信号という）をＣ
ＰＵ９に逐次入力する。

【００１４】ＣＰＵ９は、ＲＯＭ１０に記憶された処理
プログラムをＲＡＭ１１を用いて実行することにより、
装置各部を制御して、骨粗鬆症診断の指標となる骨Ｍｂ
の音響インピーダンスＺａの算出処理を行う。すなわ
ち、ＣＰＵ９は、Ａ／Ｄ変換器８の出力信号（骨エコー
信号）を逐次取りんで、取り込んだ骨エコー信号の中か
ら最大骨エコーレベルを抽出し、抽出された最大骨エコ
ーレベルに基づいて、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａ
を算出する。ＲＯＭ１０は、ＣＰＵ９の各種処理プログ
ラム及び骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａを算出するた
めの演算サブプログラムを格納する。ＲＡＭ１１は、Ｃ
ＰＵ９の作業領域が設定されるワーキングエリアと、各
種データを一時記憶するデータエリアとを有し、このデ
ータエリアには、今回取り込んだ骨エコーレベルを記憶
する今回抽出データメモリエリアや、これまで取り込ん
だ骨エコーレベルの中から抽出された最大骨エコーレベ
ルを記憶する最大値抽出データメモリエリアや、測定続
行か否かの情報を記憶する測定続行フラグ等が設定され
ている。レベルメータ１２は、ＣＰＵ９によって制御さ
れ、ＲＡＭ１１の今回抽出データメモリエリアに記憶さ
れている今回抽出の骨エコーレベル（骨エコーＡｅの現
在レベル１２ａ）と、ＲＡＭ１１の最大値抽出データメ
モリエリアに記憶されている最大骨エコーレベル（骨エ
コーＡｅの最大レベル１２ｂ）とを液晶指針パターンに
より同時表示する。表示器１３は、ＣＲＴディスプレイ
又は液晶ディスプレイからなり、ＣＰＵ９によって算出
された骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａや算出途中の結
果を表示する。

【００１５】次に、図３乃至図６を参照して、この例の
動作処理手順について説明する。上記構成の装置を用い
て、骨粗鬆症を診断するには、測定対象として、なるべ
く平面波の骨エコーＡｅが得易い形状・部位の骨Ｍｂを
選択する。例えば、踵や膝蓋骨上等は、湾曲が少なく、
皮膚の近くにあり、平面波の骨エコーＡｅが得易いの
で、測定対象として好適である。測定対象の骨Ｍｂを選
択した後、装置に電源を投入すると、ＣＰＵ９は、ま
ず、ステップＳＰ１０（図５）において、装置各部のイ
ニシャライズを行う。このイニシャライズは、ＲＡＭ１
１に設定された各種データメモリエリアのクリア、及び
測定続行フラグのリセット並びに周辺回路の初期設定と
なる各種変数の初期設定等である。これにより、ＲＡＭ
１１に設定された今回抽出データメモリエリア、最大値
抽出データメモリエリア、測定続行フラグ等の内容は、
それぞれ、「０」の状態に初期設定される。

【００１６】ここで、操作者は、図３に示すように、測
定対象の骨Ｍｂを覆っている軟組織Ｍａの表面（皮膚表
面Ｘ）に、例えば水やゼリー等の超音波カップリング材
１４を塗って、超音波が被験者Ｍの体内に注入され易い
状態にした後、超音波カップリング材１４の上からトラ
ンスデューサ１を皮膚表面Ｘに密着させ、かつ送受波面
を測定対象の骨Ｍｂに向けた状態で、測定開始スイッチ
をオンとする。

【００１７】測定開始スイッチがオンとされると（ステ
ップＳＰ１１）、ＣＰＵ９は、測定続行フラグの内容を
「１」に書き改めた後（測定続行フラグを立てた後）、
これより、図５に示す処理手順に従って診断動作を開始
する。ＣＰＵ９は、ステップＳＰ１２において、パルス
送出部４を制御して、半波インパルスの電気信号をトラ
ンスデューサ１に送出させる。トランスデューサ１は、
パルス送出部４から半波インパルスの電気信号を受ける
と、送受波面から垂直に被験者Ｍの骨Ｍｂに向けて指向
性の良い超音波インパルスＡｉを発射する。発射された
超音波インパルスＡｉは、図４に示すように、皮膚表面
Ｘから軟組織Ｍａ内に注入され、測定対象の骨Ｍｂに向
かって伝搬する。そして、骨表面Ｙで一部は反射して骨
エコーＡｅとなり、残りは骨Ｍｂ内に進入して一部は吸
収され一部は透過する。このうち、骨エコーＡｅは、逆
の経路を辿って、再びトランスデューサ１の送受波面で
受波される。

【００１８】トランスデューサ１は、送信残響Ａｎ（図
４）や骨エコーＡｅを逐次受波すると、受波信号（電気
信号）に変換し、変換により生成された受波信号をケー
ブル３を介して装置本体２（整合回路５）に送出する。
増幅器６は、整合回路５から出力される受波信号を所定
の増幅度で増幅した後、波形整形器７に入力する。波形
整形器７は、増幅器６の出力信号を検波・フィルタ処理
を施して波形整形した後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。

【００１９】ここで、ＣＰＵ９は、Ａ／Ｄ変換器８を制
御して、波形整形器７の出力信号のレベルや到来時刻等
を検出させ、送信残響Ａｎを除去して、骨エコーＡｅの
みを順次抽出させ、骨エコーＡｅの受波信号をデジタル
の骨エコー信号に変換させる（ステップＳＰ１３）。Ｃ
ＰＵ９は、Ａ／Ｄ変換器８から骨エコー信号を取り込ん
で、今回抽出の骨エコーレベルとして、ＲＡＭ１１の今
回抽出データメモリエリアに記憶した後（ステップＳＰ
１４）、レベルメータ１２を制御して、今回抽出の骨エ
コーレベル（骨エコーＡｅの現在レベル１２ａ）と、Ｒ
ＡＭ１１の最大値抽出データメモリエリアに記憶されて
いる最大骨エコーレベル（骨エコーＡｅの最大レベル１
２ｂ）とを液晶指針パターンにより同時表示させる（ス
テップＳＰ１５）。

【００２０】次に、ＣＰＵ９は、ステップＳＰ１６に移
り、ＲＡＭ１１内の今回抽出データメモリエリアから今
回抽出の骨エコーレベルを読み出すと共に、最大値抽出
データメモリエリアから最大骨エコーレベルを読み出し
て、今回抽出の骨エコーレベルが、最大骨エコーレベル
よりも大きいか否かを判断する。この判断の結果が、
「ＹＥＳ」のとき、すなわち、今回抽出の骨エコーレベ
ルが最大骨エコーレベルよりも大きいときは、ステップ
ＳＰ１７へ進み、最大値抽出データメモリエリアの記憶
内容（最大骨エコーレベル）を今回抽出骨データメモリ
エリアの記憶内容（今回抽出の骨エコーレベル）で書き
換えた後、ステップＳＰ１８へ進む。一方、ステップＳ
Ｐ１６における判断の結果が、「ＮＯ」のとき、すなわ
ち、今回抽出の骨エコーレベルが最大骨エコーレベルよ
りも小さいときは、ステップＳＰ１８へ直接飛ぶ。ステ
ップＳＰ１８では、ＣＰＵ９は、ＲＡＭ１１内の測定続
行フラグを見て、測定続行か否かを判断する。測定続行
フラグが立っていれば（測定フラグの内容が「１」のと
きは）、ＣＰＵ９は測定継続と判断して、ステップＳＰ
１２へ戻り、上述の処理（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１
８）を繰り返す。なお、操作者が、測定終了スイッチを
押すまで、測定続行フラグの内容は「１」に保たれる。

【００２１】操作者は、ＣＰＵ９が上述の処理（ステッ
プＳＰ１２〜ＳＰ１８）を繰り返す間、図３矢印Ｒで示
すように、トランスデューサ１を、皮膚表面Ｘに当てが
い、かつ測定対象である骨Ｍｂに向けた状態で、時にコ
マの歳差運動のように円を描いて、時にシーソのように
前後に左右に斜め方向に振りながら、レベルメータ１２
の液晶指針パターンが最大に振れる状態を目指す。レベ
ルメータ１２の液晶指針パターンが最大に振れるとき
は、図６（ａ）に示すように、測定部位である骨Ｍｂの
法線とトランスデューサ１の送受波面の法線とが一致す
るとき、すなわち、平面波の超音波インパルスＡｉが骨
表面Ｙに垂直入射するとき（超音波インパルスＡｉの波
面が骨表面Ｙに対して略平行に揃っているとき）であ
る。

【００２２】何故なら、両法線が一致するときには、同
図（ａ）に示すように、骨表面Ｙで垂直反射した骨エコ
ーＡｅは、トランスデューサ１の送受波面に垂直に戻っ
てくるため、骨エコーＡｅの波面も送受波面に対して略
平行に揃い、それゆえ、受波位置の違いによる骨エコー
Ａｅの位相のずれが最小となるので、受波信号は、山と
谷との打ち消し合いが少なく、したがって、最大レベル
の骨エコーＡｅが受波されることとなるからである。こ
れに対して、両法線が不一致のとき、同図（ｂ）に示す
ように、送受波面で骨エコーＡｅの波面が不揃いのた
め、受波信号は、山と谷とが打ち消し合って、小さくな
る。ここで、大事なことは、骨エコーＡｅのうち、抽出
したいのは、垂直反射で戻ってくる骨エコーＡｅであ
る、ということである。何故なら、後述のアルゴリズム
に適用される数式は、計算の正確性・簡素化のため、骨
エコーＡｅが略垂直反射の場合に成立する式だからであ
る。ただ、骨表面Ｙで垂直反射した骨エコーＡｅは、上
述したように、受波信号が最大レベルとなるので、垂直
反射の骨エコーＡｅを抽出するために、レベルメータ１
２を参照しながら、最大レベルの骨エコーＡｅを抽出す
るのである。なお、レベルメータ１２の液晶指針パター
ンは、骨Ｍｂの法線と送受波面の法線との不一致が、は
なはだしいときは、敏感に変化するが、両法線が略一致
するときは、変化が鈍くなるため、垂直反射の骨エコー
Ａｅは、容易にかつ再現性良く抽出できる。

【００２３】操作者は、レベルメータ１２の液晶指針パ
ターンの振れ具合を見て、最大レベルの骨エコーＡｅを
抽出できたと判断すると、測定終了スイッチを押下す
る。測定終了スイッチが押下されると、ＣＰＵ９は、割
り込み処理により、測定続行フラグの内容を「０」に書
き換えて、測定続行フラグを下ろす。測定続行フラグが
下ろされると、ＣＰＵ９は、測定終了と判断し（ステッ
プＳＰ１８）、パルス送出部４を制御して、トランスデ
ューサ１への半波インパルス（電気信号）の送信を停止
させる。そして、最大値抽出データメモリエリアから、
記憶内容（最大骨エコーレベル）を読み出して、表示器
１３に表示する（ステップＳＰ１９）。

【００２４】この後、ＣＰＵ９は、上述の処理によって
得られた最大エコーレベルＶ1と、予めＲＯＭ１０に記
憶されている完全エコーレベルＶ0 とから、軟組織Ｍａ
・骨Ｍｂの界面での反射係数Ｒを算出し（ステップＳＰ
２０）、算出結果を表示器１３に表示する（ステップＳ
Ｐ２１）。ここで、反射係数Ｒは、完全垂直反射したと
きの完全エコーレベルＶ0 と、最大エコーレベルＶ1 と
の比［Ｒ＝Ｖ1 ／Ｖ0］から導かれ、完全エコーレベル
Ｖ0は、理論的に算出することもできるが、プラスチッ
クダミーブロックを用意し、そのエコーレベルを計測す
ることによっても求められる。

【００２５】次に、ＣＰＵ９は、ステップＳＰ２２へ進
んで、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａ（Ｎ・ｓ／ｍ³）
を式（１）を用いて算出し、算出結果を表示器１３に表
示する（ステップＳＰ２１）。

【００２６】

【数１】

【００２７】ここで、Ｚａ(w) ：軟組織の音響インピーダンスＲ：軟組織Ｍａ・骨Ｍｂの境界面での垂直反射のと
きの反射係数式（１）は、次のようにして導かれる。軟組織Ｍａと骨
Ｍｂの界面での垂直反射のときの反射係数Ｒは、式
（２）で与えられる。そこで、式（２）を整理し直すこ
とにより、式（１）が得られる。

【００２８】

【数２】

【００２９】上記構成によれば、変位（トランスデュー
サ１の振れ）に対して骨からのエコーのレベル変化が鈍
る垂直反射の骨エコーＡｅを利用するので、測定データ
の抽出が容易であり、かつ再現性良く抽出できる。加え
て、レベルメータ１２には、骨エコーＡｅの現在レベル
１２ａを刻々と表示すると共に、骨エコーＡｅの最大レ
ベル１２ｂも固定的に表示されるので、最大レベルを容
易に探索できる。したがって、骨Ｍｂの音響インピーダ
ンスＺａを確実に測定できる。

【００３０】骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａは、骨Ｍ
ｂの［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨密度
の増加に伴って弾性率が上昇すると、これらの相乗効果
を受けるために、敏感に応答して顕著に増加する。逆
に、骨Ｍｂの密度が減少して、弾性率が低下すると、音
響インピーダンスＺａは、これらの相乗効果を受けて、
敏感に応答して顕著に減少する。それゆえ、骨Ｍｂの音
響インピーダンスＺａは、骨密度を判断する上で、良い
指標となる。したがって、操作者は、表示器１３に表示
されている骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａの値から、
骨粗鬆症の進行状況を確実に推定できる。例えば、音響
インピーダンスが、その年齢層の平均値から著しく小さ
い場合には、骨Ｍｂの骨粗鬆症が悪化していることが判
る。また、ＲＡＭ１１には、今回抽出されたデータのみ
を記憶する今回抽出データメモリエリア、最大骨エコー
レベル及び関係データのみを記憶する最大値抽出データ
メモリエリアが設定されているので、記憶容量の小さい
安価なＲＡＭを使用することができる。

【００３１】◇第２実施例次に、この発明の第２実施例について説明する。この第
２実施例では、上述の第１実施例と異なる反射係数算出
のアルゴリズムが採用される。これ以外の点では、第１
実施例の構成と略同一である。この第２実施例では、軟
組織Ｍａ・骨Ｍｂの界面での反射係数Ｒは、超音波イン
パルスＡｉ及び骨エコーＡｅが充分平面波とみなせ、か
つ軟組織Ｍａでの超音波の減衰が無視できるときは、式
（３）から与えられる。

【００３２】

【数３】

【００３３】ここで、Ｐ：トランスデューサ１に単位電
気信号（電圧、電流、散乱パラメータ等）を印加したと
きに、トランスデューサ１から垂直方向に出力される超
音波インパルスＡｉの音圧Ｑ：トランスデューサ１の送受波面に単位音圧の骨エコ
ーＡｅが垂直に入射したときにトランスデューサ１から
出力される受波信号（電気信号）の振幅Ｂ：増幅器６の振幅増幅度と波形整形器７の振幅増幅度
との積Ｖｉ：装置使用時、パルス送出部４からトランスデュー
サ１に加えられる電気信号の振幅Ｖｅ：最大骨エコーレベル（Ａ／Ｄ変換器８において検
出される骨エコー信号の最大値電気信号）なお、Ｐ，Ｑ，Ｂ，Ｖｉは、いずれも周波数の関数であ
るが、ここでは、中心周波数（例えば２．５ＭＨｚ）で
の成分を用いる。Ｐ，Ｑ，Ｂ，Ｖｉについては、予め、
これらの測定値、設定値をＲＯＭ１０に書き込んで置
く。

【００３４】式（３）は、次のようにして導かれる。ま
ず、パルス送出部４からトランスデューサ１に振幅Ｖｉ
の電気信号が加えられると、トランスデューサ１の送受
波面から音圧ＰＶｉの超音波インパルスＡｉが骨Ｍｂに
向かって出力される。それゆえ、音圧ＲＰＶｉの骨エコ
ーＡｅが、トランスデューサ１の送受波面に垂直に戻っ
てくる。したがって、最大エコーレベルＶｅは、式
（４）で与えられる。

【００３５】

【数４】Ｖｅ＝Ｑ・Ｒ・Ｐ・Ｂ・Ｖｉ …（４）式（４）から、式（３）が得られる。

【００３６】このように、第２実施例によっても、軟組
織Ｍａ・骨Ｍｂの界面での反射係数Ｒ及び骨Ｍｂの音響
インピーダンスＺａが、ＣＰＵ９によって算出されるの
で、第１実施例と略同様の効果を得ることができる。

【００３７】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、骨は人間
のものに限定されない。同様に、測定部位は、踵や膝蓋
骨上等に限定されない。また、トランスデューサを構成
する超音波振動子は、厚み振動型に限らず、撓み振動型
でも良い。また、超音波振動子の送受波面は、大きなも
のに限定されない。また、使用中心周波数は、２．５Ｍ
Ｈｚに限らない。また、軟組織Ｍａの音響インピーダン
スは、水の音響インピーダンスに近いので、式（１）の
適用に当たっては、軟組織Ｍａの音響インピーダンスに
代えて、水の音響インピーダンスを用いても良い。ま
た、骨粗鬆症診断の指標（音響インピーダンス）を出力
する出力装置としては、表示器に限らず、プリンタを用
いても良い。また、エコー波形を観察するために、時間
波形表示装置（例えば、デジタルオシロスコープ）を備
えても良い。また、軟組織Ｍａの音響インピーダンス
は、水の音響インピーダンスに近いので、式（１）の適
用に当たっては、軟組織Ｍａの音響インピーダンスに代
えて、水の音響インピーダンスを用いても良い。また、
骨弾性率の状況から骨粗鬆症を診断できるという意見が
あるが、骨の音響インピーダンスは、骨の［弾性率×密
度］の平方根で表されるので、骨弾性率の指標ともなり
得る。また、骨の音響インピーダンスを骨密度や骨弾性
率の指標とする代わりに、骨の音響インピーダンスの単
調増加関数である軟組織Ｍａ・骨Ｍｂの界面での反射係
数や最大骨エコーレベルそのものを骨密度や骨弾性率の
指標としても、上述したと同様の効果を得ることができ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の構成に
よれば、変位（超音波送受波器の振れ）に対して骨から
のエコーのレベル変化が鈍る垂直反射の骨エコーを利用
するので、測定データの抽出が容易であり、かつ再現性
良く抽出できる。したがって、骨の音響インピーダンス
を確実に測定できる。骨の音響インピーダンスは、骨の
［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨密度の増
加に伴って弾性率が上昇すると、これらの相乗効果を受
けるために、敏感に応答して顕著に増加する。逆に、骨
密度が減少して、弾性率が低下すると、音響インピーダ
ンスは、これらの相乗効果を受けて、敏感に応答して顕
著に減少する。それゆえ、骨の音響インピーダンスは、
骨密度や骨弾性率を判断する上で、良い指標となる。し
たがって、操作者は、出力手段によって出力される骨の
音響インピーダンスの値から、骨粗鬆症の進行状況を確
実に推定することができる。例えば、音響インピーダン
スが、その年齢層の平均値から著しく小さい場合には、
骨の骨粗鬆症が悪化していることが判る。

【００３９】また、骨の音響インピーダンスを骨密度や
骨弾性率の指標とする代わりに、骨の音響インピーダン
スの単調増加関数である軟組織・骨の界面での反射係数
や最大骨エコーレベルそのものを骨密度や骨弾性率の指
標としても、上述したと同様の効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例である骨粗鬆症診断装置
の電気的構成を示すブロック図である。

【図２】同装置の外観を示す図である。

【図３】同装置の使用状態を示す図である。

【図４】同装置による骨粗鬆症診断の様子を示す図であ
る。

【図５】同装置の動作処理手順を示すフローチャートで
ある。

【図６】同装置の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

１トランスデューサ（超音波送受波器）９ＣＰＵ（最大エコーレベル抽出手段の主要部、
反射係数算出手段、音響インピーダンス算出手段）１３表示器（出力手段）Ａｉ超音波インパルスＡｅ骨エコー（骨からのエコー）Ｍｂ骨

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−60837（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−83645（ＪＰ，Ａ) 特表平１−503199（ＪＰ，Ａ) 米国特許5197475（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/15

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波送受波器を生体に当て、その送受
波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対して所定の角
度範囲内で振り動かしながら、超音波インパルスを断続
的に発射すると共に、前記骨からのエコーを逐次受波
し、受波された前記骨からのエコー情報に基づいて、少
なくとも骨密度又は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症
を診断する骨粗鬆症診断装置であって、前記超音波送受
波器によって逐次受波された前記骨からのエコーの中か
ら垂直反射エコーによる最大エコーレベルを抽出する最
大エコーレベル抽出手段と、該最大エコーレベル抽出手
段によって抽出された最大エコーレベルを骨粗鬆症診断
の指標として出力する出力手段とを備えてなることを特
徴とする骨粗鬆症診断装置。
【請求項２】超音波送受波器を生体に当て、その送受
波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対して所定の角
度範囲内で振り動かしながら、超音波インパルスを断続
的に発射すると共に、前記骨からのエコーを逐次受波
し、受波された骨からのエコー情報に基づいて、少なく
とも骨密度又は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を診
断する骨粗鬆症診断装置であって、前記超音波送受波器
によって逐次受波された前記骨からのエコーの中から垂
直反射エコーによる最大エコーレベルを抽出する最大エ
コーレベル抽出手段と、該最大エコーレベル抽出手段に
よって抽出された最大エコーレベルに基づいて、前記生
体の軟組織と前記骨との界面での反射係数を算出する反
射係数算出手段と、該反射係数算出手段によって算出さ
れた反射係数を骨粗鬆症診断の指標として出力する出力
手段とを備えてなることを特徴とする骨粗鬆症診断装
置。
【請求項３】超音波送受波器を生体に当て、その送受
波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対して所定の角
度範囲内で振り動かしながら、超音波インパルスを断続
的に発射すると共に、前記骨からのエコーを逐次受波
し、受波された骨からのエコー情報に基づいて、少なく
とも骨密度又は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を診
断する骨粗鬆症診断装置であって、前記超音波送受波器
によって逐次受波された前記骨からのエコーの中から垂
直反射エコーによる最大エコーレベルを抽出する最大エ
コーレベル抽出手段と、該最大エコーレベル抽出手段に
よって抽出された最大エコーレベルに基づいて、前記生
体の軟組織と前記骨との界面での反射係数を算出する反
射係数算出手段と、該反射係数算出手段によって算出さ
れた反射係数に基づいて、前記骨の音響インピーダンス
を算出する音響インピーダンス算出手段と、該音響イン
ピーダンス算出手段によって算出された骨の音響インピ
ーダンスを骨粗鬆症診断の指標として出力する出力手段
とを備えてなることを特徴とする骨粗鬆症診断装置。