JP6449753B2 - 関節炎症検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、骨から発生する弾性波を検出することで、関節部位の炎症の有無や位置を特定する関節炎症検出装置に関する。

例えば、膝関節等に生じた関節炎症を診断する場合に、一般的にＸ線、磁気共鳴診断装置（ＭＲＩ）、コンピュータトポグラフィー（ＣＴ）等が利用されている。Ｘ線は最も広く一般的に利用されている技術であるが、体に放射線を照射することから、妊娠中などは特に注意が必要となる。また、Ｘ線は静的なモードでしか撮像することができないという問題がある。ＭＲＩは、高エネルギー磁場を利用するため、体内に金属等の物質が含まれている場合には特に注意が必要となる。ＣＴは、Ｘ線を使用するため、妊娠中などは特に注意が必要となり、また、静的なモードでしか撮像することができないという問題も有している。

以上のように現在一般的に利用されている関節炎症の診断には上記のような問題があり、これらを解決する技術の開発が強く望まれている。上記問題に関連する技術として、例えば特許文献１及び非特許文献１に示す技術が開示されている。

特許文献１に示す技術は、生体用音響センサ（１４）と、診断装置（１８）を含んで構成され、診断装置（１８）は、症状グレードごとの典型診断情報（１００）が記憶される記憶部（９０）と、診断のためのデータ処理等を行う制御部（８０）と、診断結果を表示する表示部（７０）を含んで構成され、制御部（８０）は、生体用音響センサ（１４）の実検出信号の周波数スペクトル特性の情報である実診断情報を生成する実診断情報生成部（８２）と、実診断情報を検索キーとして、記憶部（１８）を検索し、実診断情報に最も相関関係が強い典型診断情報を特定する典型診断情報特定部（８４）と、特定された典型診断情報に対応する症状グレードを出力する症状グレード出力部（８６）を含んで構成されるものである。

非特許文献１に示す技術は、運動に伴って関節から発生する音を聴診器で測定し、ウェーブレット変換を用いて分析することで、炎症状態を診断するものである。

国際公開第２０１１／０９６４１９号

戸沢優介 他、「関節音による変形性膝関節症診断手法に関する基礎的研究 −ウェーブレット変換による評価と音源位置推定精度検証−」、バイオメカニズム学術講演会予稿集、Ｖｏｌ．３５ｔｈ、ｐｐ．２２１−２２４、２０１４／１１／８

しかしながら、上記各文献に示す技術は、いずれも関節部位で生じるを音響を検出するものであるため、雑音やノイズの影響により正確性が十分ではないという課題を有する。

本発明は、関節部位に生じている炎症を骨から生じる弾性波を検出することで、炎症の有無及びその位置や大きさを特定する関節炎症検出装置を提供する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、検査対象者の関節部位に複数配設され、前記関節部位の動作時に当該関節部位における骨から生じる弾性波を超音波の検出信号として検出するセンサと、前記検出信号を増幅する増幅器と、増幅された前記検出信号に基づいて、前記検査対象者の骨に生じている炎症の有無を判定する炎症判定手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、検査対象者の関節部位に複数配設され、前記関節部位の動作時に当該関節部位における骨から生じる弾性波を超音波の検出信号として検出するセンサと、前記検出信号を増幅する増幅器と、増幅された前記検出信号に基づいて、前記検査対象者の骨に生じている炎症の有無を判定する炎症判定手段とを備えるため、検査対象者の体に必要以上の負荷を掛けることなく、年齢と共に骨に生じた異常（例えば、変形や破壊等）による弾性エネルギーを超音波として検出することで炎症の有無を正確に検出することができるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記炎症判定手段が、前記検出信号における最大振幅の値が所定の閾値を超えている場合に前記炎症が有ると判定するものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、検出信号における最大振幅の値が所定の閾値を超えている場合に前記炎症が有ると判定するため、検査対象者の体に必要以上の負荷を掛けることなく、炎症の有無を正確に検出することができるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、前記検出信号が連続して複数検出された場合に前記炎症が有ると判定するものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、検出信号が連続して複数検出された場合に炎症が有ると判定するため、検査対象者の体に必要以上の負荷を掛けることなく、炎症の有無を正確に検出することができるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記炎症判定手段が、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、初期の動作において前記検出信号が検出された場合に前記炎症が有ると判定するものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、初期の動作において検出信号が検出された場合に炎症が有ると判定するため、検査対象者の体に必要以上の負荷を掛けることなく、炎症の有無を正確に検出することができるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記炎症判定手段が、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、前記移行動作を複数回行い、毎回の動作において前記検出信号が検出された場合に、前記炎症が有ると判定するものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、前記移行動作を複数回行い、毎回の動作において検出信号が検出された場合に炎症が有ると判定するため、検査対象者の体に必要以上の負荷を掛けることなく、炎症の有無を正確に検出することができるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記センサを複数備え、前記炎症判定手段が、複数の前記センサから得られた前記検出信号に基づいて、前記炎症の位置を特定するものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、前記センサを複数備え、前記炎症判定手段が、複数の前記センサから得られた前記検出信号に基づいて、前記炎症の位置を特定するため、簡単な構成で炎症の位置まで正確に特定することが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記関節部位の接合箇所を中心として、少なくとも４つ以上の前記センサが前記中心から放射状に分散する位置に配設され、前記炎症判定手段が、４つ以上の前記センサのうち、任意の３つの前記センサで特定される前記炎症の位置を複数のパターンで演算して３次元上の前記炎症の位置を特定するものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、前記関節部位の接合箇所を中心として、少なくとも４つ以上の前記センサが前記中心から放射状に分散する位置に配設され、前記炎症判定手段が、４つ以上の前記センサのうち、任意の３つの前記センサで特定される前記炎症の位置を複数のパターンで演算して３次元上の前記炎症の位置を特定するため、炎症の正確な位置を３次元的に求めることが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る関節炎症検出装置は、前記関節部位で接合される第１部位及び第２部位のそれぞれに配設され、前記第１部位及び前記第２部位の関節の動作角度を検出する角度検出手段と、前記炎症判定手段が特定した前記炎症の位置と、前記角度検出手段及び前記各センサに基づいて特定される炎症の位置とを比較して、前記炎症の位置を決定する炎症位置決定手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る関節炎症検出装置においては、前記関節部位で接合される第１部位及び第２部位のそれぞれに配設され、前記第１部位及び前記第２部位の関節の動作角度を検出する角度検出手段と、前記炎症判定手段が特定した前記炎症の位置と、前記角度検出手段及び前記各センサに基づいて特定される炎症の位置とを比較して、前記炎症の位置を決定する炎症位置決定手段とを備えるため、炎症判定手段が特定した炎症の位置と、角度検出手段及び各センサに基づいて特定される炎症の位置との一致／不一致を判定した上で、最終的な炎症の位置を決定することができ、炎症の位置を高精度に検出することが可能になるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る関節炎症検出装置の構成を示す図である。 膝関節部位に４つのＡＥセンサを配設した場合の図である。 第１の実施形態に係る関節炎症検出装置におけるコンピュータの機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る関節炎症検出装置で検出された検出信号の一例を示す図である。 ２０代のグループのＡＥ信号の検知結果を示す図である。 ４０代のグループのＡＥ信号の検知結果を示す図である。 ６０代のグループのＡＥ信号の検知結果を示す図である。 膝に異常を持つ人達のグループのＡＥ信号の検知結果を示す図である。 各グループごとの最大振幅値を示す図である。 第１の実施形態に係る関節炎症検出装置の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る関節炎症検出装置の構成を示す図である。 膝関節部分に角度センサを配設した場合の状態を示す図である。 第２の実施形態に係る関節炎症検出装置におけるコンピュータの機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る関節炎症検出装置の動作を示すフローチャートである。 実験回数比率に関する実験結果を示す図である。 膝に異常を持つ人達のＡＥ信号の検知結果を示す図である。 その他の実施形態に係る関節炎症検出装置における各センサの配置構成を示す図である。 実施例におけるＡＥセンサの配置位置を示す図である。 実施例における炎症位置の演算結果を示す図である。 実施例における炎症位置を示すレントゲン写真である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る関節炎症検出装置について、図１ないし図１０を用いて説明する。本実施形態に係る関節炎症検出装置は、検査対象者の関節部位に複数配設され、関節部位の動作時に当該関節部位における骨から生じる弾性波を超音波の検出信号として検出する複数のＡＥセンサ（アコースティック・エミッションセンサ）の検出信号を用いて検査対象者の骨に生じている炎症の有無及び炎症の位置を特定する。

ここで、ＡＥセンサは、一般的に、構造物に発生する亀裂や変形等の位置、大きさを弾性波で計測し、構造物の劣化度合いを診断するのに利用されているセンサである。本実施形態においては、骨についても構造物と同様の経年劣化があることから、このＡＥセンサを関節部位の炎症の検出に適用したものである。なお、本実施形態においては、特に、膝の関節部位における炎症を検出することを具体例として説明するが、その他、足首、肘、手首、首、肩、腰等の関節部位においても本実施形態の技術を適用可能である。

膝関節炎（osteoarthritis：OA）は全ての人々に障害をもたらすものであり、高齢化と共にその炎症は増大する。ＯＡは初期段階で早期治療を開始することが必要であるが、現在の検査方法では初期の段階でＯＡを発見して診断するのは困難となっている。高齢化社会の中でＯＡの流行を抑えるためにも習慣的に膝関節部位の検査を行う必要がある。そこで、以下の技術を利用することで、簡単な検査で検査対象者に負担を掛けることなく確実にＯＡを検出することができる。

図１は、本実施形態に係る関節炎症検出装置の構成を示す図である。本実施形態に係る関節炎症検出装置１は、検査対象者の大腿骨及び／又は脛骨の骨頭部に対応する膝関節部位に複数装着され、膝関節の屈伸動作時に生じる弾性波を超音波信号として検出すると共に、この超音波信号を増幅する前置増幅器（プリアンプ）を有する複数のＡＥセンサ２と、プリアンプで増幅された超音波信号を増幅して検出信号とする増幅器（アンプ）３と、増幅された検出信号を取得し、当該検出信号を解析するためのコンピュータ５に入力する検出信号取得部４とを備える。

ＡＥセンサ２は、炎症の位置を特定するために検査対象者の膝関節部位に複数配設される。ＡＥセンサ２を２つ配設する場合は、炎症の位置をそれぞれのＡＥセンサ２（センサａ、センサｂ）からの距離に応じてセンサａ，センサｂ間の距離の比率で特定することが可能である。また、ＡＥセンサ２を３つ配設する場合は、炎症の位置をそれぞれのＡＥセンサ２（センサａ，センサｂ，センサｃ）からの距離の比率に応じて二次元的に特定することが可能である。さらに、ＡＥセンサ２を４つ配設する場合は、炎症の位置をそれぞれのＡＥセンサ２（センサａ，センサｂ，センサｃ，センサｄ）のうち任意の３つのＡＥセンサ２（例えば、センサａ，センサｂ及びセンサｃ）からの距離の比率に応じて二次元的に炎症の位置を特定し、次に他の任意の３つのＡＥセンサ２（例えば、センサｂ，センサｃ及びセンサｄ）からの距離の比率に応じて二次元的に炎症の位置を特定する。特定されたそれぞれの２次元上の炎症の位置に基づいて、３次元上の炎症位置を特定することが可能である。

なお、炎症の位置を特定せずに炎症の有無のみを判定する場合は、ＡＥセンサ２は１つのみ配設されるようにしてもよい。

図２は、膝関節部位に４つのＡＥセンサ２を配設した場合の図である。図２においては、４つのＡＥセンサ２を配設することで、炎症の位置を３次元的に検出することが可能となる。なお、炎症の位置は、例えばモアレトポグラフィ等の技術を利用することで特定することが可能である。

ＡＥセンサ２で検出されるＡＥ波は、主に超音波領域（２０ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）の信号として検出される。検出された超音波信号は、プリアンプ及び増幅器３で増幅されて検出信号としてコンピュータ５に入力される。コンピュータ５では、入力された検出信号に基づいて、膝関節の異常を診断する。

図３は、本実施形態に係る関節炎症検出装置におけるコンピュータの機能ブロック図である。コンピュータ５は、検出信号のデータを読み込む検出信号読込部３１と、読み込んだデータのうち不要なデータ（ノイズと判断されるデータ）を閾値処理により削除する閾値処理部３２と、閾値処理されたデータに基づいてＡＥパラメータ（カウント数、立ち上がり時間、持続時間、最大振幅、ＡＥエネルギー等）の計算を行うＡＥパラメータ演算部３３と、演算された結果に基づいて膝関節の異常を診断する異常診断部３４と、異常診断部３４において膝関節に異常があると診断された場合に、ＡＥパラメータに基づいて異常部分（炎症箇所）の位置を特定する炎症位置特定部３５と、診断結果及び炎症位置等をディスプレイや帳票に出力する出力制御部３６とを備える。

図４は、本実施形態に係る関節炎症検出装置で検出された検出信号の一例を示す図である。ＡＥセンサ２では上述したように超音波領域の信号が図４のような波形で検出される。一般的には、パーライトのような鋼やフェライト等のように硬い物質に変形や破壊が生じていると、図４に示すような弾性波が検出され、その挙動を捉えることで物質の疲労を検知する。ここでは、膝関節部位の骨が生じる弾性波の挙動を捉えることで、加齢による骨の疲労損傷を検知する。検出信号からは、図４に示すように、カウント数、立ち上がり時間、持続時間、最大振幅、ＡＥエネルギー等のパラメータを取得することが可能であり、これらのパラメータに基づいて、膝関節の異常が診断される。

例えば、以下の実験結果で示すように、弾性波が検出されるタイミング（又は頻度）に応じて、炎症の有無を診断したり、波形の最大振幅の大きさに応じて病変部の大きさを診断（最大振幅が大きい程病変部のサイズが大きい）したり、カウント数の多さによって病変部の大きさを診断（カウント数が多い程病変部のサイズが大きい）することが可能である。

異常診断部３４による診断処理を具体的に説明する。本発明における診断を行うにあたって、発明者らは予め以下の実験を行った。実験対象者を（１）２０歳代、（２）４０歳代、（３）６０歳代、（４）膝に異常を持つ人達の４つのグループに分け、各グループごとに椅子から立ったり座ったりし、そのときのＡＥ信号を測定した。その結果、各グループごとに図５ないし図８に示すような結果が得られた。図５は、（１）２０代のグループのＡＥ信号の検知結果、図６は、（２）４０代のグループのＡＥ信号の検知結果、図７は、（３）６０代のグループのＡＥ信号の検知結果、図８は、（４）膝に異常を持つ人達のグループのＡＥ信号の検知結果である。図５〜図８における横軸は時間、縦軸は角度であり、グラフ中に実線は膝の角度の変化、グラフ中の点は所定の閾値以上の振幅を持つＡＥ信号（すなわち、骨の変形や炎症等による弾性波）が検出された時点を示している。なお、このグラフにおいては、座った状態（膝が９０度の状態）を０度とし、立った状態（膝が１８０度の状態）を９０度としている。そして、一度ＡＥ信号が検出された時点で、膝の動作を止めて実験を終了している。すなわち、膝の動作を行ってから最初にＡＥ信号が検出された時点の分布を示すものである。

図５〜図８からわかる通り、若い人ほどＡＥ信号の検知が疎らであり、立ったり座ったりを複数回繰り返すことで初めてＡＥ信号が検知されている。これに対して、高齢者や膝に異常を持つ人達では全ての人が最初の立つ動作でＡＥ信号が検知されている。さらに厳密には、高齢者の場合は、立ち上がり始めてから最初の６０度ぐらいの間でほぼ全員のＡＥ信号が検知され、膝に異常を持つ人達の場合は、立ち上がり始めてから最初の３０度ぐらいの間でほぼ全員のＡＥ信号が検知されている。

また、図９において、各グループごとの最大振幅値のグラフを示す。図９のグラフからわかる通り、特に膝に異常を持たない人達（２０代〜６０代）の最大振幅値に対して、膝に異常を持つ人達の最大振幅値が格段に大きくなっている。

つまり、異常診断部３４は、膝関節部位が屈曲した状態から進展した状態に移行する際に、初期の動作においてＡＥ信号が検出された場合に、膝に炎症が有ると推定することができる。また、検出されたＡＥ信号の最大振幅値が所定値以上である場合にも、膝に炎症が有ると推定することができる。

なお、ここで言う初期の動作とは、例えば、膝関節部位が屈曲した最初の状態から進展した状態に移行する１回目の動作、又は、膝関節部位が進展した最初の状態から屈曲した状態に移行する１回目の動作を言う。

また、例えば、膝関節部位が屈曲した状態から進展した状態に移行する際に、初期の動作においてＡＥ信号が検出され、且つ、検出されたＡＥ信号の最大振幅値が所定値以上である場合には、膝に炎症が有る可能性が極めて高い（例えば、Ａ判定：８０％以上）と診断し、膝関節部位が屈曲した状態から進展した状態に移行する際に、初期の動作においてＡＥ信号が検出されたが、その最大振幅値は所定値以下である場合には、膝に炎症が有る可能性あり（例えば、Ｂ判定：６０％〜８０％）と診断し、膝関節部位が屈曲した状態から進展した状態に移行する際に、初期の動作ではなく２回目以降の屈伸動作においてＡＥ信号が検出されたが、その最大振幅値は所定値以上である場合には、膝に炎症が有る可能性あり（例えば、Ｃ判定：４０％〜６０％）と段階的に重み付けをして診断してもよい。

炎症位置特定部３５は、異常診断部３４が異常であると判断した場合に、図２に示したように４つのＡＥセンサ２から得られる各ＡＥパラメータに基づいて、モアレトポグラフィ等の技術を利用することで３次元的に炎症の位置を特定する。出力制御部３６は、上記診断結果や特定された炎症位置の情報をディスプレイや帳票に出力する。医療従事者は、出力された情報を参考にして、膝関節炎症の最終診断を効率よく行うことが可能になると共に、必要に応じて細部を詳細に調べる等のより適正な医療行為が可能となる。

次に、本実施形態に係る関節炎症検出装置の動作について説明する。図１０は、本実施形態に係る関節炎症検出装置の動作を示すフローチャートである。まず、検査対象者に装着されたＡＥセンサー２が検知した弾性波を超音波信号として検出し（Ｓ１）、プリアンプ及び増幅器３で増幅する（Ｓ２）。増幅された信号をコンピュータ５の検出信号読込部３１が読み込む（Ｓ３）。閾値処理部３２が、読み込んだデータからノイズを削除し（Ｓ４）、ＡＥパラメータ演算部３３が、ノイズ除去された信号についてのＡＥパラメータを計算する（Ｓ５）。異常診断部３４が、得られたＡＥパラメータを用いて、予め記憶されている診断基準となる値と比較して関節炎症の有無（関節の異常性）を判断する（Ｓ６）。関節炎症が有ると判断された場合には、炎症位置特定部３５が、ＡＥパラメータを用いたモアレトポグラフィの技術により関節炎症の位置を特定する（Ｓ７）。出力制御部３５は、判断結果や炎症位置をディスプレイや帳票に出力して（Ｓ８）、処理を終了する。

このように、本実施形態に係る関節炎症検出装置においては、検査対象者の体に必要以上の負荷を掛けることなく、年齢と共に骨に生じた異常（例えば、変形や破壊等）による弾性エネルギーを超音波として検出することで炎症の有無を正確に検出することができると共に、複数のセンサを配設することで、炎症の位置を正確に特定することが可能になる。

また、各センサの配設位置及び検出信号に基づいて、炎症の位置を特定するため、簡単な構成で炎症の位置まで正確に特定することが可能になる。

さらに、関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する際に、初期の動作において検出信号が検出された場合に、炎症が有ると判定するため、実験結果からも明らかなように、関節部位に炎症がある検査対象者を確実に特定することが可能になる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る関節炎症検出装置について、図１１ないし図１４を用いて説明する。本実施形態に係る関節炎症検出装置は、前記第１の実施形態に係る関節炎症検出装置の機能を拡張したものであり、関節の角度を検出する角度センサを備え、上記第１の実施形態において特定された炎症の位置と、前記角度センサの信号から割り出せる炎症の位置とを比較することで、より正確な炎症の位置を特定するものである。

なお、本実施形態において、前記第１の実施形態に係る関節炎症検出装置と重複する説明は省略する。

図１１は、本実施形態に係る関節炎症検出装置の構成を示す図である。前記第１の実施形態における図１の場合と異なるのは、膝関節における接合部分を挟んだ大腿骨に対応する位置及び脛骨に対応する位置にそれぞれ配設されて、関節の角度を検出する角度センサ１００を備え、検出された角度情報がコンピュータ５に読み込まれることである。

図１２は、膝関節部分に角度センサを配設した場合の状態を示す図である。図１２に示すような位置に角度センサ１００（上部角度センサ１００ａ，下部角度センサ１００ｂ）が配設されることで、ＡＥセンサ２が信号を検知したときの膝関節の動作角度を測定することが可能となる。そして、以下に詳細を説明するように、角度センサが検出した角度情報をコンピュータ５に入力することで、検出された角度における大腿骨と脛骨との接合部分の態様（大腿骨と脛骨とのずれ位置）に基づいて、炎症の位置を割り出すことが可能となる。

図１３は、本実施形態に係る関節炎症検出装置におけるコンピュータの機能ブロック図である。前記第１の実施形態における図３の場合と異なるのは、検出信号読込部３１が、ＡＥセンサ２からの検出信号に加えて角度センサ１００からの角度情報を読み込むことに加えて、炎症位置特定部３５が、角度情報に基づいて炎症位置を割り出し、４つのＡＥセンサ２から得られる炎症位置と角度情報に基づいて得られる炎症位置との比較を行い、一致している場合には、その位置を炎症位置として決定して出力制御部３５に情報を渡すことである。

なお、このとき、４つのＡＥセンサ２から得られる炎症位置と角度情報に基づいて得られる炎症位置とが誤差の範囲を超えて一致しない場合は、その旨の情報を出力制御部３５に渡すようにしてもよい。

出力制御部３５は、異常診断部３４が演算した診断結果と炎症位置特定部３５が特定した炎症位置をディスプレイや帳票に出力する。このとき、炎症位置特定部３５の演算結果により、４つのＡＥセンサ２から得られる炎症位置と角度情報に基づいて得られる炎症位置とが誤差の範囲を超えて一致しない場合は、その旨をディスプレイや帳票に出力する。医療従事者は、出力された情報を見て再度の検査（検査対象者に立ったり座ったりの動作を行ってもらう）や、他の機器を用いたより詳細な検査を行うことで、適正な医療行為を実現することが可能となる。

次に、本実施形態に係る関節炎症検出装置の動作について説明する。図１４は、本実施形態に係る関節炎症検出装置の動作を示すフローチャートである。まず、検査対象者に装着されたＡＥセンサー２が検知した弾性波を超音波信号として検出し（Ｓ１）、プリアンプ及び増幅器３で増幅する（Ｓ２）。増幅された信号をコンピュータ５の検出信号読込部３１が読み込む（Ｓ３）。ＡＥセンサ２による弾性波の検出と同時に、角度センサ１００からその時の角度信号を検出し、コンピュータ５の検出信号読込部３１が読み込む（Ｓ４）。閾値処理部３２が、読み込んだデータからノイズを削除し（Ｓ５）、ＡＥパラメータ演算部３３が、ノイズ除去された信号についてのＡＥパラメータを計算する（Ｓ６）。異常診断部３４が、得られたＡＥパラメータを用いて、予め記憶されている診断基準となる値と比較して関節炎症の有無（関節の異常性）を判断する（Ｓ７）。関節炎症が有ると判断された場合には、炎症位置特定部３５が、ＡＥパラメータを用いたモアレトポグラフィの技術により関節炎症の位置を特定する（以下、第１の炎症位置という）と共に、角度センサ１００から得られた情報に基づいて関節炎症の位置（以下、第２の炎症位置という）を特定する（Ｓ８）。炎症位置特定部３５は、第１の炎症位置と第２の炎症位置とを比較し（Ｓ９）、誤差を超える範囲で一致しない場合は、その旨の情報を出力制御部３５に渡す（Ｓ１０）。誤差の範囲内で一致する場合は、特定された炎症位置の情報を出力制御部３５に渡す（Ｓ１１）。出力制御部３５は、診断結果や炎症位置（第１の炎症位置と第２の炎症位置とが一致しない場合はその旨の情報）をディスプレイや帳票に出力して（Ｓ１２）、処理を終了する。

このように、本実施形態に係る関節炎症検出装置においては、第１の炎症位置と第２の炎症位置との一致／不一致を判定した上で、最終的な炎症の位置を決定することができ、炎症の位置を高精度に検出することが可能になる。

（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る関節炎症検出装置について、図１５及び図１６を用いて説明する。本実施形態に係る関節炎症検出装置は、前記第１の実施形態に係る関節炎症検出装置の機能を拡張したものであり、異常診断部３４における異常診断の精度をより高めたものである。

上記第１の実施形態においては、膝の進展における初期の動作において弾性波が検出されるかどうか、及び／又は、その最大振幅に基づいて異常の有無を判定するものであるが、本実施形態においては、複数回の膝の進展動作において、全ての進展動作で弾性波が検出された場合に、膝に異常があると判定するものである。

本実施形態における異常診断部３４による診断処理を具体的に説明する。本発明における診断を行うにあたって、発明者らは予め以下の実験を行った。実験対象者を（１）４０歳代、（２）６０歳代、（３）膝に異常を持つ人達の３つのグループに分け、各グループごとに椅子から立ったり座ったりし、そのときのＡＥ信号を測定した。第１の実施形態の場合とは異なり、弾性波が検出された後も継続して立ったり座ったりの動作を繰り返した。その結果、各グループごとに図１５に示すような結果が得られた。

図１５は、５回分の弾性波の検出信号を得るために施行した実験回数（「座り→立ち」で実験回数１回、「立ち→座り」で実験回数１回とする）の平均比率を示している。（３）膝に異常を持つグループの人では、５回分の検出信号を検出するのに実験回数５回の施行で得られたため、比率が１００％となっている。（１）４０歳代、（２）６０歳代については比率が２５％〜６０％となっており、すなわち５回分の検出信号を検出するのに、その２〜４倍程度の施行を繰り返している。このことからわかるように、複数回の膝の進展動作をした際に、毎回の進展動作において検出信号が検出された場合は、膝に異常が有ると判断することができる。

また、図１６は、（３）膝に異常を持つグループの人の進展動作２回分（座り→立ち→座りの動作を１回とする）における検出信号の分布を示す図である。図１６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ別の被験者である。いずれも全ての「座り→立ち」及び「立ち→座り」の動作で検出信号が検出されているが、その検出信号が検出されるタイミングが「座り→立ち」と「立ち→座り」の動作で類似したタイミングとなっている。すなわち、「座り→立ち」の動作においても「立ち→座り」の動作においても炎症がある部分から共通の弾性波が検出されていると推測できる。なお、実験結果として記載していないが、「座り→立ち」と「立ち→座り」の動作で類似したタイミングとなるのは、２回目以降の「座り→立ち→座り」の動作においてより顕著に現れる傾向にあった。すなわち、複数回の進展動作における１回目の進展動作の結果は除いて異常診断を行うようにしてもよい。

以上の結果から、２回以上の進展動作を行い、全ての「座り→立ち」及び「立ち→座り」の動作で検出信号が検出され、且つ、「座り→立ち」において検出信号が検出されたタイミングと「立ち→座り」において検出信号が検出されたタイミングが酷似している場合は、かなり高い確率で異常が有ると判定することができる。また、「座り→立ち」において検出された検出信号から求められる病変の位置と、「立ち→座り」において検出された検出信号から求められる病変の位置とが一致又は近似している場合は、高確率でその位置に病変があると判断することが可能である。

なお、上記第１の実施形態の場合と同様に段階的に診断の重み付けをするようにしてもよい。例えば、全ての「座り→立ち」及び「立ち→座り」の動作で検出信号が検出され、且つ、「座り→立ち」において検出信号が検出されたタイミングと「立ち→座り」において検出信号が検出されたタイミングが酷似している場合は、膝に炎症が有る可能性が極めて高い（例えば、Ｓ判定：９５％以上）と診断し、全ての「座り→立ち」及び「立ち→座り」の動作で検出信号が検出されるが検出されたタイミングに規則性がない場合は、膝に炎症が有る可能性が高い（例えば、Ａ判定：８０％以上）と診断し、全ての「座り→立ち」及び「立ち→座り」の動作で検出信号が検出されないが、検出信号が検出されることがあり、その頻度が所定値以上である場合は、膝に炎症が有る可能性が高い（例えば、Ｂ判定：８０％以上だが病変は小さい）と診断し、全ての「座り→立ち」及び「立ち→座り」の動作で検出信号が検出されないが、検出信号が検出されることがあり、その頻度が所定値未満である場合は、膝に炎症が有る可能性がある（例えば、Ｂ判定：５０％以上）といったように、段階的な診断を行うようにしてもよい。

また、上記に例示した段階的な診断に、第１の実施形態で用いたパラメータ（初期の動作において検出信号が検出されたか否か、最大振幅が所定の値以上か否か）を加えて診断の演算を行うことで、より細かい判定を行うようにしてもよい。

（その他の実施形態）
本実施形態に係る関節炎症検出装置について、図１７を用いて説明する。本実施形態に係る関節炎症検出装置は、上記各実施形態に係る関節炎症検出装置の装着時の手間を軽減すると共に、装着後の安定性を向上させるものである。

本実施形態に係る関節炎症検出装置は、図１７に示すように、関節のみに着用するサポータのような着衣１１５に予めＡＥセンサ２及び／又は角度センサ１００が固着されており、検査対象者はその着衣１１５を着用するだけで、ＡＥセンサ２及び／又は角度センサ１００を適正な位置に固定して適正な情報を取得することが可能となる。すなわち、ＡＥセンサ２は、検査対象者が着衣１１５を着用した際に図２に示すような位置に固定されるように、予め着衣１１５に固着されている。同様に、必要に応じて、角度センサ１００は、検査対象者が着衣１１５を着用した際に図１２に示すような位置に固定されるように、予め着衣１１５に固着されている。

このように、本実施形態に係る関節炎症検出装置は、ＡＥセンサ及び／又は角度センサが予め着衣に固着されているため、検査対象者が、その着衣を着用するだけで正確な信号を取得することができ、各センサの着脱の手間を省くことができると共に、診断時の各センサ位置を安定させることができる。

本発明に係る関節炎症検出装置を用いて膝の炎症の位置に関する実験を行った。図１８は、実験におけるセンサの位置を示す図である。図２に示した位置と同様に大腿骨と脛骨との接合部分を中心として右上、左上、右下、左下の４箇所にＣＨ１〜ＣＨ４の４つのＡＥセンサを取り付けた。データは被験者に複数回「座る→立つ→座る」の動作を繰り返してもらい、そのときの弾性波を検知した。膝に異常（炎症）が有る人の検出結果は図１６に示した通りである。

この検出結果を基に炎症の位置を演算した。図１９は、検出信号に基づいて炎症位置を演算した結果を示す図である。本実験においては、４つのＡＥセンサのうち任意の３つのＡＥセンサの結果から炎症位置を特定し、それを全てのパターン（４つのＡＥセンサから３つのＡＥセンサを選択する全４パターン）で演算した。図１９の●はＣＨ１、２及び３に基づいて演算された炎症位置を示し、○はＣＨ２、３及び４に基づいて演算された炎症位置を示し、×はＣＨ１、３及び４に基づいて演算された炎症位置を示し、△はＣＨ１、２及び４に基づいて演算された炎症位置を示している。△については、１つだけ明らかに位置がずれているため除外するが、その他の位置はほぼ同一位置の結果が得られた。

図２０は実際に上記被験者の膝のレントゲン写真である。レントゲン写真から得られる炎症の位置と上記演算結果を比較して、ほぼ一致していることがわかった。なお、図２０（Ｂ）に示すＹ軸方向の結果については、演算結果とレントゲン写真の結果がほぼ一致していることが明らかであるが、図２０（Ａ）に示すＸ軸方向の結果については、一見すると演算結果とレントゲン写真の結果がずれているように見える。これは、実験の都合上、各ＡＥセンサの位置（座標）を図１９に示すＡＥセンサの先端部ではなく、後端部でしか取得できなかったためであり、ＡＥセンサの座標とセンサの後端部の位置で演算した場合には、レントゲン写真の結果と一致していることが確認された。

以上の結果から、本発明に係る関節炎症検出装置を用いることで、膝の炎症の有無を確実に検知することが可能となり、さらに炎症位置も正確に求めることができた。これにより、Ｘ線、ＭＲＩ、ＣＴ等の大掛かりで人体に影響を及ぼす可能性があるような検査を行うことなく、膝関節炎を容易に検査することが可能であることが明らかとなった。

１ 関節炎症検出装置
２ ＡＥセンサ
３ 増幅器
４ 検出信号取得部
５ コンピュータ
３１ 検出信号読込部
３２ 閾値処理部
３３ ＡＥパラメータ演算部
３４ 異常診断部
３５ 炎症位置特定部
３６ 出力制御部
１００ 角度センサ
１１５ 着衣

Claims (7)

1. 検査対象者の関節部位に複数配設され、前記関節部位の動作時に当該関節部位における骨から生じる弾性波を超音波の検出信号として検出するセンサと、
   前記検出信号を増幅する増幅器と、
   増幅された前記検出信号に基づいて、前記検査対象者の骨に生じている炎症の有無を判定する炎症判定手段とを備え、
   前記炎症判定手段が、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態に移行する移行動作に対して、水平方向と大腿骨の長手方向との角度が３０度以下において前記検出信号が検出された場合に前記炎症が有ると判定することを特徴とする関節炎症検出装置。
2. 検査対象者の関節部位に複数配設され、前記関節部位の動作時に当該関節部位における骨から生じる弾性波を超音波の検出信号として検出するセンサと、
   前記検出信号を増幅する増幅器と、
   増幅された前記検出信号に基づいて、前記検査対象者の骨に生じている炎症の有無を判定する炎症判定手段とを備え、
   前記炎症判定手段が、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、少なくとも２回目以降の前記移行動作において、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態になる場合に前記検出信号を検出したタイミングと、前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に戻る場合に前記検出信号を検出したタイミングとが類似するときに前記炎症が有ると判定することを特徴とする関節炎症検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の関節炎症検出装置において、
   前記炎症判定手段が、前記検出信号における最大振幅の値が所定の閾値を超えている場合に前記炎症が有ると判定することを特徴とする関節炎症検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の関節炎症検出装置において、
   前記炎症判定手段が、前記関節部位が屈曲した状態から進展した状態又は前記関節部位が進展した状態から屈曲した状態に移行する移行動作を行う際に、前記移行動作を複数回行った場合に、毎回の移行動作において前記検出信号が検出された場合に前記炎症が有ると判定することを特徴とする関節炎症検出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の関節炎症検出装置において、
   前記センサを複数備え、
   前記炎症判定手段が、複数の前記センサから得られた前記検出信号に基づいて、前記炎症の位置を特定することを特徴とする関節炎症検出装置。
6. 請求項５に記載の関節炎症検出装置において、
   前記関節部位の接合箇所を中心として、少なくとも４つ以上の前記センサが前記中心から放射状に分散する位置に配設され、
   前記炎症判定手段が、４つ以上の前記センサのうち、任意の３つの前記センサで特定される前記炎症の位置を複数のパターンで演算して３次元上の前記炎症の位置を特定することを特徴とする関節炎症検出装置。
7. 請求項５又は６に記載の関節炎症検出装置において、
   前記関節部位で接合される第１部位及び第２部位のそれぞれに配設され、前記第１部位及び前記第２部位の関節の動作角度を検出する角度検出手段と、
   前記炎症判定手段が特定した前記炎症の位置と、前記角度検出手段及び前記各センサに基づいて特定される炎症の位置とを比較して、前記炎症の位置を決定する炎症位置決定手段とを備えることを特徴とする関節炎症検出装置。