CN102525549A - 超声波软骨解析装置、超声波软骨解析方法以及程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供超声波软骨解析装置、超声波软骨解析方法以及程序，能够提供用于对准确的软骨的状态进行定量评价的解析数据。从振子(11)向人的膝部的关注区域内的多个点发送脉冲群信号，由回波信号接收部(12)接收被软骨反射而成的回波信号。回波信号解析部(13)取得接收到的回波信号的振幅值，计算取得的振幅值的平均值以及标准偏差。进而，回波信号解析部(13)的解析数据生成部(132)根据计算出的振幅值的平均值以及标准偏差，计算关注区域的变动系数(CV)。解析数据生成部(132)基于计算出的变动系数(CV)，生成软骨用的解析数据。

Description

超声波软骨解析装置、超声波软骨解析方法以及程序

技术领域

本发明涉及提供用于对软骨的状态进行解析的定量信息的超声波软骨解析装置、超声波软骨解析方法以及程序。

背景技术

以往，为了直观且定量地评价关节腔内的软骨的状态，提出了各种向软骨发射超声波并基于其反射回波来生成解析数据的系统。

例如，在专利文献1所示的超声波解析系统中，将在前端具备超声波收发体的内窥镜插入到关节内部，取得从超声波收发体发送的脉冲信号的回波。然后，对回波信号进行小波变换，显示根据软骨表面回波电平、软骨表面回波脉冲宽度、假定音速来算出的软骨厚度结果。

专利文献1：日本特开2002-345821号公报

但是，在将专利文献1中所示的方法原样用于经皮测量的情况下，由于回波振幅受软组织的影响，因此难以评价振幅的绝对量。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种超声波软骨解析装置、超声波软骨解析方法以及程序，能够提供用于根据软骨部回波的空间特征量来对准确的软骨性状进行定量评价的解析数据。

本发明的超声波软骨解析装置具备取得部、计算部以及生成部，基于向生物体的不同位置发送的多个超声波信号在生物体的内部反射而成的多个回波信号，生成与生物体的软骨的状态有关的解析数据。取得部取得在生物体的软骨表面反射而成的多个回波信号的振幅值。计算部计算由取得部取得的多个振幅值的统计量。生成部基于由计算部计算出的统计量，生成与软骨的状态有关的解析数据。

在该结构中，基于在生物体的软骨表面反射而成的多个回波信号的振幅值的统计量，生成与生物体的软骨的状态有关的解析数据。通过在解析数据的生成中使用多个回波信号的振幅值的统计量，能够提供用于经皮定量评价软骨的准确的状态的解析数据。

在本发明的超声波软骨解析装置中，计算部基于由取得部取得的多个振幅值，计算标准偏差或变动系数作为统计量。

在该结构中，作为计算多个振幅值的统计量的具体例，示出使用标准偏差或变动系数的例子。

在本发明的超声波软骨解析装置中，取得部取得软骨表面或与该软骨表面大致平行的面上的多个回波信号的振幅值。计算部计算软骨表面或与该软骨表面平行的面上的多个振幅值的统计量。

在该结构中，示出取得回波信号的振幅值、以及计算振幅值的统计量的具体例。

在本发明的超声波软骨解析装置中，取得部随时取得回波信号的振幅值。计算部计算沿着软骨表面的法线方向的振幅值的统计量。

在该结构中，示出计算的振幅值的统计量的具体例。

本发明的超声波软骨解析装置还具备发送部。发送部向生物体的不同位置发送脉冲群信号。

在该结构中，作为向生物体发送的超声波信号的具体例，假设是脉冲群信号。

本发明的超声波软骨解析装置还具备显示部。显示部显示由生成部生成的解析数据。

在该结构中，示出能够显示解析数据的结构。

发明效果

根据本发明，通过在解析数据的生成中使用多个回波信号的振幅值的统计量，能够提供不易受软组织的影响的定量解析数据。

附图说明

图1是表示实施方式的超声波软骨解析装置的结构的框图。

图2是从正面看的人的膝部，是示意地表示振子发送脉冲群信号的区域的图。

图3是表示正常软骨的情况下的解析数据的图。

图4是表示初期变性软骨的情况下的解析数据的图。

图5是表示与深度方向对应的变动系数CV的变化的解析数据的示意图。

图6是表示与深度方向对应的变动系数CV的变化的解析数据的示意图。

图7是表示与深度方向对应的变动系数CV的变化的解析数据的示意图。

图8是表示超声波软骨解析装置中执行的处理的顺序的流程图。

符号说明

1超声波软骨解析装置；10发送控制部；11振子；12回波信号接收部(选择部)；13回波信号解析部(取得部、计算部、生成部)；131存储部；132解析数据生成部(取得部、计算部、生成部)；14操作部；15显示部

具体实施方式

以下，对照附图说明本发明的超声波软骨解析装置、超声波软骨解析方法以及程序的优选的实施方式。在以下说明的实施方式中，作为超声波软骨解析装置的被检体，以人的膝部的软骨为例进行说明，但对于同样利用超声波信号从被检体外部对被检体内部的构造进行解析的其他装置，也能够适用以下的实施方式的结构。

(实施方式1)

图1是表示本实施方式的超声波软骨解析装置的结构的框图。超声波软骨解析装置1具备发送控制部10、振子11、回波信号接收部12、回波信号解析部13、操作部14、显示部15以及存储部16。存储部16例如是ROM(Read Only Memory：只读存储器)等，存储需要的程序及数据等。

操作部14根据来自用户的与发送有关的操作输入，设定发送频率、脉冲宽度或输入电压等发送参数，并向发送控制部10输出。此外，操作部14根据来自用户的与显示有关的操作输入，向显示部15输出设定或切换显示方式的指示。另外，该操作部14也可以被并入显示部15。

发送控制部10按照设定的频率以及发送定时间隔，生成用于使后述的振子11发送超声波信号的驱动信号。频率以及发送定时间隔既可以由用户通过操作部14来设定，也可以预先设定。发送控制部10将生成的驱动信号向振子11输出。

振子(发送部)11内置在具有适于与膝部的外皮接触来使用的形态的壳体(例如便携式扫描仪那样的壳体)中。振子11根据来自发送控制部10的驱动信号，以规定的指向性发送超声波信号。此外，振子11接收所发送的超声波信号在膝部的软骨表面反射而成的回波信号，将其变换为电信号，并向回波信号接收部12输出。另外，软骨表面是指距膝部表皮具有设定的距离(深度)的截面。此外，深度既可以由用户从操作部14设定，也可以预先设定。

以下，将振子11所发送的超声波信号作为脉冲长度比较长的脉冲群信号来进行说明。脉冲群信号是指将设定的频率的载波连续发送规定的波数量(例如5个波)而形成波形的脉冲信号。另外，根据规格或状况，发送的超声波信号也可以是脉冲长度比较短的脉冲信号。

图2是表示对膝部设定了振子11发送脉冲群信号的区域的状态的示意图。图2中是弯曲的状态的膝部的主视图。振子11发送脉冲群信号的区域(以下称为关注区域)A是1～4cm²程度的2维区域，设定在避开了图中用点划线表示的膝盖骨100的位置。

关注区域A只要是避开膝盖骨100的位置即可，既可以是如图2所示的实线部分，也可以是虚线部分。本实施方式的振子11对于关注区域A的多个点，与关注区域A大致垂直地发送脉冲群信号，接收回波信号。即，关注区域A与软骨表面大致平行，因此振子11在与软骨表面平行的面上以2维状进行多个信号的收发。以下，如图2所示，将腿的长度方向作为x轴方向，将宽度方向作为y轴方向。另外，振子11构成为能够扫描关注区域A。就扫描而言，既可以是机械式扫描，也可以是电子扫描。

发送控制部10及振子11能够以多种发送频率发送脉冲群信号。例如，发送控制部10及振子11能够发送约10MHz～24MHz那样规定的频带内的指定的频率的脉冲群信号。在此，接收区间被设定为：长于从脉冲群信号向人的膝部发送的定时起到振子11接收达到预先设定的深度的脉冲群信号的反射信号的定时为止的期间。该脉冲群信号的频率，可以利用通过实验得到的结果等，预先设定为以下频率，该频率适于取得适合评价人的软骨的后述回波数据或者软骨用的解析数据。此外，也可以在取得基于多个频率的脉冲群信号的回波模式等解析数据的基础上，设定为由用户通过操作部14调整的频率。

回波信号接收部12以规定采样定时对回波信号进行数据化，形成从膝部表面沿着深度方向(法线方向)进行采样的个别回波数据排列而成的回波数据。此外，回波信号接收部12对于发送了脉冲群信号的关注区域A的多个点，形成该回波数据。即，与一次脉冲群信号相应的回波数据(以下称为1PING(生脉冲)的回波数据)由沿着深度方向以规定间隔排列的个别回波数据组构成，该回波数据沿着软骨表面方向形成相当于关注区域A的量。回波信号接收部12将形成的回波数据向回波信号解析部13输出。

回波信号解析部13例如由微型计算机构成，通过执行保存在存储部16中的程序16a，从而利用从回波信号接收部12输入的回波数据，生成软骨用的解析数据。回波信号解析部13具备存储部131以及解析数据生成部132。

存储部131具有存储规定PING数量的回波数据的容量，依次存储从回波信号接收部12输入的每1PING的回波数据。此时，在存储容量存储满回波数据的状态下被输入了新的回波数据的情况下，对最早的PING的回波数据，进行更新为新的回波数据的处理。由此，存储部131中存储有最新的规定PING数量的回波数据。

解析数据生成部132从存储部131随时取得回波数据，生成所设定的深度的软骨用的解析数据。生成的解析数据由显示部15显示，能够评价软骨的性状。

以下，说明解析数据生成部132生成的解析数据。

解析数据生成部132从关注区域A的各回波数据取得所设定的深度的回波信号的振幅值，生成沿着软骨表面的振幅值的分布图。接着，解析数据生成部132根据取得的振幅值，分别计算关注区域A的振幅值的平均值及标准偏差，进而计算变动系数CV(统计量)。该变动系数CV根据标准偏差/平均值来计算。解析数据生成部132生成包括所生成的振幅值的分布图及计算出的变动系数CV的解析数据。另外，也可以仅计算标准偏差作为统计量。

图3是表示正常软骨的情况下的解析数据的图。图4是表示发生了初期的变性的软骨(以下称为初期变性软骨)的情况下的解析数据的图。初期变性软骨是指表层的胶原密度下降的关节软骨。图3及图4表示在图2所示的关注区域A的软骨表面反射的回波信号的振幅值的分布图、以及计算出的关注区域A的变动系数CV。另外，图3及图4的右侧图表示随着振幅值变大而成为白色、随着变小而成为黑色。

在正常软骨的情况下，构成软骨的表层的胶原密度大、并且均匀，因此正常软骨表面的振幅值大致均匀(对照图3)。相对于此，在初期变性软骨的情况下，在胶原的分解进行的过程中表面上的胶原密度的不均匀性增加，声波反射率的偏差变大，因此振幅值的偏差(不均匀)也变大(对照图4)。因此，解析数据生成部132计算该振幅值的偏差所反映的变动系数CV。随着变动系数CV变小，振幅值的偏差小，即，软骨正常；随着变动系数CV变大，振幅值的偏差大，即，处于软骨的变性进行中的状态。因此，如图3及图4所示，正常软骨的变动系数CV比变性软骨的变动系数CV小。这样，通过利用反映所设定的深度的软骨表面上的多个点的振幅值的偏差的变动系数CV，不使用振幅值的绝对电平而能够评价软骨的性状。

另外，解析数据生成部132也可以生成表示与深度方向对应的变动系数CV的变化的解析数据。图5、图6及图7是表示与深度方向对应的变动系数CV的变化的解析数据的示意图。图5、图6及图7将横轴设为表示从振子11发送脉冲群信号到振子11接收回波信号为止的时间、即深度，在上图及下图中分别表示与深度对应的变动系数CV的变化以及回波信号的振幅值。此外，图5表示正常软骨的情况，图6及图7依次表示初期变性软骨的情况。

与图5相比，在图6、图7中，软骨表面位置(时间约为1.1μs)上的变动系数CV随着变性的进行变高。在该变动系数CV的时间变化中，通过关注从软骨表面到内部的变动系数CV的变动，能够评价软骨表面的性状。此外，也可以设定用各图的虚线表示的变动系数CV的阈值(例如，约20％)，根据有无变动系数CV小于阈值的区域(图5、图6中虚线的椭圆部分)，来评价软骨表面的性状。当存在小于阈值的区域的情况下(对照图5)，评价为关注区域A的软骨是正常软骨，当不存在小于阈值的区域的情况下(对照图7中实线的椭圆)，评价为关注区域A的软骨是初期变性软骨。

此外，解析数据生成部132也可以生成将关注区域A的振幅值的偏差作成直方图而成的解析数据。进而，解析数据生成部132也可以生成与深度方向对应的多个位置上的振幅值的分布图进行二维傅里叶变换而成的解析数据。在该情况下，能够通过评价变换后的模式的凹凸的周期或不连续性，来评价软骨的性状。

接着，对超声波软骨解析装置1的动作进行说明。图8是表示超声波软骨解析装置1中执行的处理的步骤的流程图。

超声波软骨解析装置1的发送控制部10生成驱动信号，使振子11对关注区域A发送脉冲群信号(S1)。接着，回波信号接收部12形成与发送的脉冲群信号有关的回波数据(S2)，回波信号解析部13基于回波数据，取得关注区域A的回波信号的振幅值(S3)。

回波信号解析部13根据取得的振幅值，计算关注区域A的振幅值的平均值以及标准偏差(S4)，并根据平均值以及标准偏差，计算变动系数CV(S5)。接着，回波信号解析部13根据取得的振幅值以及计算出的变动系数CV，生成图3及图4等所示的解析数据(S6)。回波信号解析部13将生成的解析数据输出给显示部15，显示部15显示其结果(S7)。根据显示部15上显示的结果，评价关注区域A的软骨的性状。

如以上说明，在本实施方式中，超声波软骨解析装置1生成表示关注区域A的回波信号的振幅值的变动系数CV(偏差)的软骨用解析数据。由此，不需要检测振幅值的绝对电平就能够直观、定量且明确地向用户提供用于评价有无变性软骨的信息。

另外，在上述的实施方式中，回波信号接收部12根据振子11接收到的全部回波信号来形成回波数据，但也可以仅根据振子11接收到的回波信号的一部分来形成回波信号。软骨表面上存在凹凸等，因此即使振子11向与软骨表面大致平行的关注区域A垂直地发送信号，所发送的信号实际上也难以垂直入射到软骨表面。

因此，振子11基于扫描关注区域A而接收到的多个回波信号，判断向软骨表面的信号的入射角是否小于所设定的允许入射角度。向软骨表面的入射角能够基于从振子11发送的信号到达软骨表面所需的时间来计算。例如，通过在关注区域A内接近的3个点上比较从振子11发送脉冲串信号到振子11接收回波信号为止的时间(返回时间)，回波信号接收部12能够判断向软骨表面的入射角是否大致垂直。

另外，允许入射角度能够根据振子11的接收指向特性并基于满足允许灵敏度的角度范围来设定。例如，振子11的允许灵敏度为-6[dB]以内的情况下，若-6[dB]的角度特性为±5°，则允许入射角度设定为5°。该允许入射角度不限于此，能够适当变更。

由此，能够仅根据可靠的回波信号来形成回波数据，因此能够精度更好地评价软骨的性状。

Claims (10)

1.一种超声波软骨解析装置，其特征在于，基于向生物体的不同位置发送的多个超声波信号在上述生物体的内部反射而成的多个回波信号，生成与上述生物体的软骨的状态有关的解析数据，该超声波软骨解析装置具备：

取得部，取得在生物体的软骨表面反射而成的多个回波信号的振幅值；

计算部，计算该取得部取得的多个振幅值的统计量；以及

生成部，基于该计算部计算出的统计量，生成与软骨的状态有关的解析数据。

2.如权利要求1记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

上述计算部基于上述取得部取得的多个振幅值，计算标准偏差或变动系数中的一个作为统计量。

3.如权利要求1或2记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

上述取得部取得软骨表面或与该软骨表面大致平行的面上的多个回波信号的振幅值；

上述算出部计算软骨表面或与该软骨表面平行的面上的多个振幅值的统计量。

4.如权利要求1或2记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

上述取得部随时取得回波信号的振幅值；

上述计算部计算沿着软骨表面的法线方向的振幅值的统计量。

5.如权利要求1～4中任一项记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

还具备发送部，该发送部向生物体的不同位置发送脉冲群信号。

6.如权利要求1～5中任一项记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

还具备显示部，该显示部显示上述生成部生成的解析数据。

7.如权利要求1～6中任一项记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

还具备选择部，该选择部从发送的多个超声波信号中，选择超声波信号相对于上述生物体的内部的反射部位的入射角大致垂直的超声波信号；

上述取得部取得与上述选择部选择的超声波信号有关的回波信号的振幅值。

8.如权利要求7记载的超声波软骨解析装置，其特征在于，

上述选择部基于从发送超声波信号开始到接收回波信号为止的时间，选择超声波信号。

9.一种超声波软骨解析方法，其特征在于，基于向生物体的不同位置发送的多个超声波信号在上述生物体的内部反射而成的多个回波信号，生成与上述生物体的软骨的状态有关的解析数据，该超声波软骨解析方法包括以下步骤：

取得在生物体的软骨表面反射而成的多个回波信号的振幅值；

计算所取得的多个振幅值的统计量；

基于计算出的统计量，生成与软骨的状态有关的解析数据。

10.一种程序，其特征在于，基于向生物体的不同位置发送的多个超声波信号在上述生物体的内部反射而成的多个回波信号，生成与上述生物体的软骨的状态有关的解析数据，该程序由计算机执行，使计算机作为如下各部来发挥功能：

取得部，取得在生物体的软骨表面反射而成的多个回波信号的振幅值；

计算部，计算该取得部所取得的多个振幅值的统计量；以及

生成部，基于该计算部计算出的统计量，生成与软骨的状态有关的解析数据。

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