JP5374086B2 - 骨強度診断装置及び骨強度測定方法 - Google Patents
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Description
この装置901は、骨の表面が平坦状であって、且つ、骨表面と骨を覆う筋肉等の軟組織の表面とが平行であると想定して、以下の方法により音速を測定している。
まず、送波用振動子902により、骨の表面に対して臨界角付近で超音波を入射させて、骨の表面に表面波を発生させる。表面波は、所定の角度(臨界角と同じ角度)で漏洩表面波を放射しつつ、骨の表面に沿って伝播する。この漏洩表面波を2つの受波用振動子903、904によりそれぞれ受波する。2つの受波用振動子903、904の間隔は既知であるため、2つの受波用振動子903、904がそれぞれ漏洩表面波を受波した時刻の時間差から、表面波の音速が算出される。
そこで、この誤差を解消できる装置も種々提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。そのような装置の具体例として、図17(b)に示すような、2つの送波用振動子902、905と、2つの受波用振動子903、904とを備えた音速測定装置901´がある。
この装置901´では、送波用振動子902から超音波を送波して、これにより生じる漏洩表面波を2つの受波用振動子903、904で受波し、さらに、送波用振動子905からも同様に超音波を送波して、これにより生じる漏洩表面波を2つの受波用振動子903、904により受波する。
送波用振動子902(又は905)から超音波を送波した場合の、2つの受波用振動子903、904の漏洩表面波の受波時刻の時間差と、送波用振動子902から超音波を送波して、受波用振動子903(又は904)により漏洩表面波を受波した場合の送波から受波までの伝播時間と、送波用振動子905から超音波を送波して、受波用振動子903(又は904)により漏洩表面波を受波したときの送波から受波までの伝播時間の差とを用いることにより、骨表面の傾きを考慮して表面波の音速を算出することができる。
この装置では、まず、アレイ振動子から超音波を骨に対して送波し、骨表面からの反射波を受波して、この受波信号を基に公知の方法によって骨表面の形状を画像化して、軟組織の厚みを導出する。
この軟組織の厚みから、送波用振動子と受波用振動子との間の最適な離間距離を算出する。軟組織が厚い場合には、送波用振動子と受波用振動子との間隔が近すぎると、漏洩表面波を受波できない。一方、軟組織が薄い場合には、両振動子の間隔が遠すぎると、振幅の小さい漏洩表面波しか受波できないため、好ましくない。このように、送波用振動子と受波用振動子との間の最適な距離は、軟組織の厚みにより異なっている。
次に、算出された送波用振動子と受波用振動子の最適な離間距離に基づいて、アレイ振動子を構成する振動子の中から、音速測定に用いる2つの送波用振動子及び2つの受波用振動子を決定する。そして、決定された4つの振動子を用いて、表面波の音速を算出する。
このように、骨の表面の形状の情報を用いて、骨中の音速を導出することにより、たとえ骨の表面の形状が曲面状であっても、骨中の音速を精度良く導出することができる。その結果、骨強度の診断精度が向上する。
また、複数の形状検出用送波振動子から同時に超音波を送波して骨表面の形状を検出しているため、複数の振動子から送波時間をずらして超音波を送波して骨表面の形状を検出する場合に比べて、形状検出に要する時間が短くて済む。そのため、超音波の送受波の途中に、装置の位置がずれることが少なくなり、骨の形状を精度良く検出することができる。
このように、骨の表面の形状の情報を用いて、骨中の音速を導出することにより、たとえ骨の表面の形状が曲面状であっても、骨中の音速を精度良く導出することができる。その結果、骨強度の診断精度が向上する。
本実施形態の骨強度診断装置1は、骨の表面に沿って伝搬する超音波の音速を導出して、この音速により骨強度を診断する装置である。
送信切替部5aにより、超音波の送波を行う振動子として、アレイ振動子22が決定された場合、送信回路5からアレイ振動子22に電気パルス信号が送られ、アレイ振動子22を構成する振動子22a〜22lは、同時に同位相の超音波(入射波)を骨10に対して送波する。図2(a)に示すように、アレイ振動子22から送波された入射波は、平面波として軟組織11中を伝播する。この平面波は、当接面2aに直交する方向に進行する。
送信切替部5aにより、超音波の送波を行う振動子として、送波専用振動子21が決定された場合、送信回路5から送波専用振動子21に電気パルス信号が送られ、送波専用振動子21は、骨10に対して超音波を送波する。図4に示すように、送波専用振動子21からは、指向性の広い超音波(入射波)が送波される。入射波は、当接面2aに対して斜め方向に軟組織11中を伝播する。
アレイ振動子22から超音波を送波したときのアレイ振動子22の受波信号を用いて、形状検出部82が骨表面10aの形状を導出する。先ず、到来方向検出部82aが、11個の振動子組22A〜22Kについて、それぞれ表面反射波の到来方向を検出する(S11)。
以下、振動子組22Aに対する到来角度を検出する方法について説明する。
以下、振動子組22Aに対する到来角度θaを用いて、骨表面10a上の1つの表面反射点の位置を検出する方法について説明する。
まず、到来方向検出部82a及び伝播時間検出部82bが、表面反射波42の場合と同様の方法で、各振動子組22A〜22Kに到達する裏面反射波の到来方向θbと伝播時間Tb0をそれぞれ検出する(S15、S16)。なお、各振動子による表面反射波の受波信号と裏面反射波の受波信号は、図3に示すように、時間差があるため、容易に区別することができる。
以下、振動子組22Aについて、到来角度θb及び伝播時間Tb0とを用いて、骨裏面10b上の1つの裏面反射点を検出する場合について説明する。
次に、送波専用振動子21から超音波を送波したときのアレイ振動子22の受波信号と、形状導出部82dにより導出された骨表面10aの形状とを用いて、音速導出部83が骨10中の音速を導出する。まず、骨表面10aの形状に基づいて、複数の振動子22a〜22lのうち、漏洩表面波を受波する振動子を特定する(S21)。以下、具体的に説明する。
一般的に、生体中を伝播する超音波の減衰率は、低周波成分よりも高周波成分の方が大きくなるため、検出されたスペクトル比は傾きを有する。この傾きを算出することにより、減衰係数(BUA:Broadband Ultrasonic Attenuation[dB/MHz])を検出できる。
変更形態7、8の構成によると、受信回路の数を前記実施形態よりも減らすことができ、回路構成が簡易になるとともに、コストを低減できる。
この構成によると、受信回路の数を前記実施形態よりも減らしてコストを低減しつつ、前記実施形態と同様に12個の振動子22a〜22lの受波信号を取得することができる。
この構成によると、受信回路の数を前記実施形態よりも減らすことができる。
この構成によると、送波専用振動子21が必要ないため、超音波送受波器2の構成がアレイ振動子22のみとなり、簡易化される。また、送波専用振動子21を設けない分、アレイ振動子22を構成する振動子の数を増やすことができるため、骨形状を検出できる範囲が広くなる。但し、送信回路が複数必要となり、回路構成が複雑でコストも高くなるため、この点においては、前記実施形態の方が好ましい。
この構成によると、アレイ振動子22に、漏洩表面波又は骨表面屈折波をより確実に受波させることができる。
この構成によると、超音波送受波器302の設置の向きを変えることなく、骨の円周方向の断面形状と長軸方向の断面形状を検出することができるとともに、円周方向の音速と長軸方向の音速を導出することができる。従って、測定時間を短縮することができる。
また、アレイ振動子422の上端から順に、左右方向に配列された6個の振動子422aと、これに対応する送波専用振動子421bとを用いて、骨中の音速を導出することにより、上下方向に並んだ6箇所における、左右右向に伝播する超音波の音速を導出することができる。
2 超音波送受波器
21 送波専用振動子(音速導出用送波振動子)
22 アレイ振動子
22a〜22l 振動子(音速導出用受波振動子、形状検出用送波振動子、形状検出用受波振動子)
22A〜22K 振動子組
23 遮音材
3 装置本体
5 送信回路
6a〜6l 受信回路
8 演算部
82 形状検出部
82a 到来方向検出部
82b 伝播時間検出部
82c 表面反射点検出部
82d 形状導出部
82e 裏面反射点検出部
83 音速導出部
84 骨強度指標導出部
10 骨
10a 骨表面
10b 骨裏面
11 軟組織
θa 到来角度(表面反射波の到来方向)
θb 到来角度(裏面反射波の到来方向)
Ta 伝播時間
Tb0 伝播時間
Ra 表面反射点
Rb 裏面反射点
22L〜22O、22P〜22T 振動子組
106 切替回路
202、302、402 超音波送受波器
421a、421b 送波専用振動子
422 アレイ振動子
422a 振動子(音速導出用受波振動子、形状検出用送波振動子、形状検出用受波振動子)
Claims (10)
- 音速導出用送波振動子から、軟組織に覆われた骨に対して斜めに超音波を送波する音速導出用送波部と、
前記音速導出用送波部から送波されて前記骨の表面に沿って伝播した後、前記骨から前記軟組織側に出た超音波を、複数の音速導出用受波振動子により受波する音速導出用受波部と、
前記骨の表面の形状を検出する形状検出手段と、
前記音速導出用受波部による受波信号と、前記形状検出手段により検出された前記骨の表面の形状とに基づいて、前記骨の表面に沿って伝播する超音波の音速を導出する音速導出部と
を備えることを特徴とする骨強度診断装置。 - 前記音速導出用送波振動子と、前記複数の音速導出用受波振動子との間に、遮音材が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の骨強度診断装置。
- 前記形状検出手段が、
前記骨に対して超音波を送波する形状検出用送波部と、
前記形状検出用送波部から送波された前記超音波の、前記骨の表面からの表面反射波を受波する形状検出用受波部と、
前記形状検出用受波部による受波信号を用いて、前記骨の表面の形状を検出する表面形状検出部と
を有することを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載の骨強度診断装置。 - 前記形状検出用送波部が、
同時に前記超音波を送波する、複数の形状検出用送波振動子を備え、
前記形状検出用受波部が、
前記表面反射波を受波する複数の形状検出用受波振動子を備え、
前記形状検出手段が、
前記複数の形状検出用受波振動子のうち近接する2つの形状検出用受波振動子を1組の振動子組として、各振動子組を構成する前記2つの形状検出用受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、
前記各振動子組を構成する前記2つの形状検出用受波振動子のうち少なくとも1つの形状検出用受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、
前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記骨の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、
前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記骨の表面における複数の前記反射点を用いて、前記骨の表面の形状を導出する形状導出部と
を備えることを特徴とする請求項3に記載の骨強度診断装置。 - 前記形状検出用送波振動子が、前記形状検出用受波振動子を兼ねていることを特徴とする請求項4に記載の骨強度診断装置。
- 前記音速導出用受波振動子が、前記形状検出用受波振動子を兼ねていることを特徴とする請求項4又は5に記載の骨強度診断装置。
- 前記形状検出手段が、前記骨の表面の形状の検出に加え、前記骨の裏面の形状の検出を行うことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の骨強度診断装置。
- 前記形状検出用受波部が、前記表面反射波の受波に加えて、前記表面反射波よりも遅れて前記複数の形状検出用受波振動子に到達する、前記骨の裏面からの裏面反射波の受波を行い、
前記到来方向検出部が、前記表面反射波の前記到来方向の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記2つの形状検出用受波振動子がそれぞれ前記裏面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記裏面反射波の到来方向の検出を行い、
前記伝播時間検出部が、前記各振動子組に到達する前記表面反射波の前記伝播時間の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記2つの形状検出用受波振動子のうち少なくとも1つの形状検出用受波振動子の前記裏面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記裏面反射波の伝播時間の検出を行い、
さらに、前記形状検出手段が、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記裏面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記形状導出部により導出された前記骨の表面の形状とに基づいて、前記超音波の前記骨の裏面における反射点を検出する裏面反射点検出部を備え、
前記形状導出部が、前記裏面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記骨の裏面における複数の前記反射点を用いて、前記骨の裏面の形状を導出することを特徴とする請求項4〜6の何れかに記載の骨強度診断装置。 - 前記音速導出用送波振動子の送波信号と各音速導出用受波振動子の受波信号とから、前記各音速導出用受波振動子に受波される前記超音波の減衰係数を検出する減衰係数検出部を備えることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の骨強度診断装置。
- 軟組織に覆われた骨の表面の形状を検出する形状検出ステップと、
音速導出用送波振動子から、前記骨に対して斜めに超音波を送波する音速導出用送波ステップと、
前記音速導出用送波振動子から送波されて前記骨の表面に沿って伝播した後、前記骨から前記軟組織側に出た超音波を、複数の音速導出用受波振動子により受波する音速導出用受波ステップと、
前記音速導出用受波ステップにより得られた受波信号と、前記形状検出ステップにより検出された前記骨の表面の形状とに基づいて、前記骨の表面に沿って伝播する超音波の音速を導出する音速導出ステップと
を備えることを特徴とする骨強度測定方法。
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