JP2000287968A - Osteoporosis measuring apparatus - Google Patents
Osteoporosis measuring apparatusInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波パルスを被
験者の所定の部位に向けて放射し、軟組織と骨との界面
で反射される超音波(エコー)の反射率を測定して骨粗
鬆症に関する情報を得る超音波反射式の骨粗鬆症測定装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to osteoporosis by radiating an ultrasonic pulse toward a predetermined part of a subject and measuring the reflectance of an ultrasonic wave (echo) reflected at an interface between soft tissue and bone. The present invention relates to an ultrasonic reflection type osteoporosis measuring device for obtaining information.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、高齢化社会の到来に伴って、骨粗
鬆症(osteoporosis)と呼ばれる骨の疾患が問題となっ
ている。これは、骨からカルシウムが抜け出してすかす
かになり、少しのショックでも折れ易くなる病気であ
り、高齢者をいわゆる寝たきりにさせる原因の1つにな
っている。骨粗鬆症の物理的診断は、主として、X線を
使用するDXA、QCT等の診断装置により、骨の密度
を精密に測定することによって行われるが、X線による
物理的診断では、装置が大がかりになる上、被曝のおそ
れがある。2. Description of the Related Art In recent years, with the advent of an aging society, a bone disease called osteoporosis has become a problem. This is a disease in which calcium comes out of bones and becomes faint and easily breaks even with a slight shock, which is one of the causes of so-called bedridden elderly people. Physical diagnosis of osteoporosis is mainly performed by precisely measuring bone density using a diagnostic device such as DXA or QCT using X-rays. However, physical diagnosis using X-rays requires a large-scale device. In addition, there is a risk of exposure.
【0003】そこで、無被曝下で取り扱える簡易な装置
として、超音波を利用する骨粗鬆症診断装置が普及して
きている。超音波を利用する診断装置では、超音波が骨
組織中を伝搬するときの音速や減衰を計測して、骨密度
や骨の弾性率(弾性的強度)を推定し、低い推定値が得
られれば、骨粗鬆症と診断している。[0003] Therefore, as a simple device that can be handled without exposure, an osteoporosis diagnostic device using ultrasonic waves has become widespread. A diagnostic device using ultrasonic waves measures the speed of sound and attenuation when the ultrasonic waves propagate through bone tissue, estimates the bone density and the elastic modulus (elastic strength) of the bone, and obtains a low estimated value. If you are diagnosed with osteoporosis.
【0004】例えば、特開平2−104337号公報
(米国特許出願第193295号)に記載の診断装置で
は、測定部位である被験者の骨を挟んで2つの超音波ト
ランスデューサを向かい合わせ、一方の超音波トランス
デューサから被験者の骨組織に向けて超音波パルスを放
射し、骨組織を透過してきた超音波パルスを他方の超音
波トランスデューサで受信することにより、骨組織中で
の音速を測定し、骨組織内での音速が遅い程、骨粗鬆症
が進行していると診断している。これは、同診断装置の
処理アルゴリズムが骨組織中では音速は骨密度に比例す
る、という経験則に基づいている。[0004] For example, in a diagnostic apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-104337 (US Patent Application No. 193295), two ultrasonic transducers face each other across a subject's bone, which is a measurement site, and one ultrasonic transducer is used. The ultrasonic pulse is emitted from the transducer toward the bone tissue of the subject, and the ultrasonic pulse transmitted through the bone tissue is received by the other ultrasonic transducer, so that the speed of sound in the bone tissue is measured. It is diagnosed that osteoporosis is progressing as the speed of sound at is slower. This is based on an empirical rule that the processing algorithm of the diagnostic device indicates that the speed of sound is proportional to the bone density in bone tissue.
【0005】しかし、骨密度と音速とを結び付ける理論
的根拠は不確かで、厳密に言うと、骨組織中での音速
は、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、骨の弾性率と骨密
度とは、骨密度が増加すれば骨の弾性率も上昇するとい
うように、互いに相殺する形で音速に寄与するため、骨
組織中での音速は骨密度の増加に敏感には応答できず、
骨組織中での音速と骨密度との相関関係は、決して高く
はない。また、骨密度と超音波の減衰とを結び付ける理
論的根拠も不確かである。However, the theoretical basis for linking bone density and sound speed is uncertain. Strictly speaking, the speed of sound in bone tissue is not proportional to bone density, but rather [elastic modulus of bone / bone density]. Given by the square root of In addition, the elasticity and density of bone contribute to the speed of sound in such a way that the elasticity of bone increases as the density of bone increases. Can't respond sensitively to the increase,
The correlation between the speed of sound in bone tissue and bone density is by no means high. Also, the rationale for linking bone density and ultrasound attenuation is uncertain.
【0006】従って、骨組織中での音速や超音波の減衰
についての計測結果から骨密度や骨の弾性率を推定す
る、という従来の超音波透過式の診断装置に信頼性の高
い診断を求めることには無理がある。Therefore, a highly reliable diagnosis is required for a conventional ultrasonic transmission type diagnostic apparatus for estimating bone density and elasticity of bone from measurement results of sound speed and ultrasonic attenuation in bone tissue. That is impossible.
【0007】このような不都合を解消する手段として、
本出願人は、超音波トランスデューサを用いて、表面が
平らな骨組織に向けて超音波パルスを繰り返し放射し、
骨組織から戻ってくるエコーを受信し、受信したエコー
のうち、垂直反射のエコーであるとみなすことのできる
最大エコーを抽出し、その抽出した最大エコーに基づい
て、反射率や音響インピーダンス等を算出し、これらの
算出値に基づいて骨粗鬆症を診断する超音波反射式の骨
粗鬆症診断装置を提案している(特願平8−34100
号)。As means for solving such inconveniences,
Applicants have used ultrasonic transducers to repeatedly emit ultrasonic pulses toward flat surface bone tissue,
Receives the echoes returned from the bone tissue, extracts the maximum echo that can be regarded as a vertical reflection echo from the received echoes, and based on the extracted maximum echo, calculates the reflectance and acoustic impedance. An ultrasonic reflection type osteoporosis diagnostic apparatus which calculates and diagnoses osteoporosis based on these calculated values has been proposed (Japanese Patent Application No. 8-34100).
issue).
【0008】また、本出願人は、より正確な測定を行え
るようにすることを目的として、複数のトランスデュー
サから測定部位に向けて放射される超音波パルスのビー
ムを、トランスデューサの送受信面に設けた超音波遅延
スペーサによって集束(フォーカス)し、測定部位に焦
点を結ばせて音響インピーダンスを測定する構造の骨粗
鬆症診断装置を提案している(特願平9−241173
号)。[0008] Further, in order to enable more accurate measurement, the applicant has provided a beam of ultrasonic pulses radiated from a plurality of transducers toward a measurement site on a transmitting / receiving surface of the transducer. An osteoporosis diagnostic apparatus has been proposed which has a structure in which the acoustic impedance is measured by focusing on an ultrasonic delay spacer and focusing on a measurement site (Japanese Patent Application No. 9-241173).
issue).
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところで、特願平9−
241173号に記載の骨粗鬆症診断装置によれば、ト
ランスデューサの数が不十分であるため、平坦な骨の音
響インピーダンスを測定する際の角度依存性を軽減する
程度の効果しか得ることができず、局所的で曲面形状の
骨の測定は困難である。例えば、腰椎はひだがある間隔
で存在するため局所的で曲面形状の骨に相当する。The problem to be solved by the present invention is disclosed in Japanese Patent Application No. Hei.
According to the osteoporosis diagnostic apparatus described in Japanese Patent No. 241173, the number of transducers is insufficient, so that only an effect of reducing the angle dependence when measuring the acoustic impedance of flat bone can be obtained. It is difficult to measure a target and curved bone. For example, the lumbar vertebrae correspond to local and curved bones because the folds are present at certain intervals.
【0010】ここで、腰椎は骨折が起こりやすいので骨
粗鬆症の診断上重要な部位であり、その音響インピーダ
ンスを正確に測定できれば、医学的な有効性が大きくな
るため、これを実現できる装置の提供が望まれている。[0010] Here, the lumbar vertebra is an important part for diagnosing osteoporosis because fractures are liable to occur. If the acoustic impedance of the lumbar vertebra can be measured accurately, medical effectiveness will be increased. Is desired.
【0011】本発明はそのような実情に鑑みてなされた
もので、腰椎の音響インピーダンスを確実かつ正確に測
定することが可能な骨粗鬆症測定装置の提供を目的とす
る。The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an osteoporosis measuring apparatus capable of reliably and accurately measuring the acoustic impedance of a lumbar spine.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の骨粗鬆症測定装
置は、超音波パルスを生体内部に放射するとともに、生
体内部からのエコーを受信する複数のトランスデューサ
が配列されてなるトランスデューサアレイと、各トラン
スデューサのそれぞれに接続された超音波送受波器と、
各トランスデューサによって受波されたエコー信号をA
/D変換器を介して採り込み、そのA/D変換後のエコ
ー信号に基づいて、軟組織と骨との境界での超音波の反
射率を求めて骨粗鬆症に関する情報を得る演算手段とを
備え、上記トランスデューサアレイの複数のトランスデ
ューサが、超音波放射側にある1点からの放射方向にか
つその点から一定の距離となる位置に配置されているこ
とによって特徴づけられる。SUMMARY OF THE INVENTION An osteoporosis measuring apparatus according to the present invention comprises: a transducer array in which a plurality of transducers for radiating an ultrasonic pulse into a living body and receiving an echo from the inside of the living body are arranged; An ultrasonic transducer connected to each of the
The echo signal received by each transducer is represented by A
Calculating means for obtaining information on osteoporosis by obtaining the reflectance of ultrasonic waves at the boundary between soft tissue and bone based on the echo signals after A / D conversion, A plurality of transducers of the transducer array are characterized by being arranged in a radiation direction from one point on the ultrasonic wave radiation side and at a fixed distance from the point.
【0013】本発明の骨粗鬆症測定装置によれば、トラ
ンスデューサアレイを構成する複数のトランスデューサ
を、超音波放射側にある1点からの放射方向にかつその
点から一定距離となる位置に配置しているので、超音波
パルスのビームの集束(フォーカス)を容易に実現で
き、そのフォーカスされた超音波パルスを、腰椎のひだ
とひだとの間に入射させて腰椎に放射することが可能に
なる。これにより、腰椎の音響インピーダンスを確実か
つ正確に測定することができる。また、音響インピーダ
ンスを正確に測定できることから、骨(腰椎)の面積密
度分布を正確に求めることも可能になる。According to the osteoporosis measuring apparatus of the present invention, the plurality of transducers constituting the transducer array are arranged in a radiation direction from one point on the ultrasonic wave radiation side and at a position at a fixed distance from the point. Therefore, focusing (focusing) of the beam of the ultrasonic pulse can be easily realized, and the focused ultrasonic pulse can be made incident between the folds of the lumbar spine and emitted to the lumbar vertebra. Thereby, the acoustic impedance of the lumbar spine can be measured reliably and accurately. Further, since the acoustic impedance can be accurately measured, it is also possible to accurately determine the area density distribution of the bone (lumbar vertebra).
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、以下、図
面に基づいて説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0015】図1は本発明の実施の形態の構成を示すブ
ロック図、図2はその実施の形態の使用状態を模式的に
示す図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram schematically showing a use state of the embodiment.
【0016】まず、本実施の形態の骨粗鬆症測定装置
は、電気パルス信号を超音波パルスに変換し、その超音
波パルスを被験者の所定の測定部位に放射するととも
に、測定部位からの反射超音波(エコー)を受信して電
気信号に変換する複数のトランスデューサT1,T2,・・,
T64が配列されてなるトランスデューサアレイ2と、そ
れらトランスデューサT1,T2,・・, T64に電気パルス信
号を供給するとともに、各トランスデューサT1,T2,・
・, T64からの受信波信号(エコー信号)を採り込ん
で、後述するデジタル解析処理を行って骨粗鬆症の測定
を行う装置本体1と、トランスデューサアレイ2と装置
本体1とを接続するケーブル3等を主体として構成され
ている。First, the osteoporosis measuring apparatus according to the present embodiment converts an electric pulse signal into an ultrasonic pulse, radiates the ultrasonic pulse to a predetermined measurement site of a subject, and reflects ultrasonic waves (reflected from the measurement site). Echoes) and convert them into electrical signals by a plurality of transducers T1, T2,.
A transducer array 2 in which T64 are arranged, and an electric pulse signal is supplied to the transducers T1, T2,..., T64, and each transducer T1, T2,.
The apparatus main body 1 that takes in the received wave signal (echo signal) from T64 and performs digital analysis processing to be described later to measure osteoporosis, and the cable 3 that connects the transducer array 2 and the apparatus main body 1 It is configured as a subject.
【0017】さて、本実施の形態において注目すべきと
ころは、トランスデューサアレイ2の構造にある。すな
わち、本実施の形態に用いるトランスデューサアレイ2
は、図3及び図4(a),(b)に示すように、トラン
スデューサT1,T2,・・, T64の配列を8行×8列とし、
それらトランスデューサT1,T2,・・, T64を、トランス
デューサアレイ2から所定距離だけ離れた1点(焦点F
P)からの放射方向にかつその焦点FPから一定の距離
となる位置に配置(球面状配置)することで、超音波パ
ルスのビームを焦点FPに集束できるようにしたところ
に特徴がある。What should be noted in the present embodiment is the structure of the transducer array 2. That is, the transducer array 2 used in the present embodiment
As shown in FIGS. 3 and 4 (a) and (b), the array of transducers T1, T2,.
The transducers T1, T2,..., T64 are located at a point (focus F
It is characterized in that the ultrasonic pulse beam can be focused on the focal point FP by arranging it in a direction radiating from P) and at a certain distance from the focal point FP (spherical arrangement).
【0018】なお、トランスデューサT1,T2,・・, T64
には、チタンジルコン酸鉛(PZT)等の厚み振動型圧
電素子の両面に電極層を形成したものが用いられてい
る。また、トランスデューサT1,T2,・・, T64は、略球
面形状の支持板(図示せず)等によって支持されてお
り、その送受波面には、送信残響等の影響を除去するこ
とを目的として、ポリエチレンバルク等の超音波遅延ス
ペーサ(図示せず)が必要に応じて装着される。The transducers T1, T2,..., T64
For example, a piezoelectric element having a thickness vibration type such as lead titanium zirconate (PZT) having electrode layers formed on both surfaces is used. Further, the transducers T1, T2,..., T64 are supported by a substantially spherical support plate (not shown) or the like. Ultrasonic delay spacers (not shown), such as polyethylene bulk, are attached as needed.
【0019】次に、本実施形態の骨粗鬆症測定装置の詳
細を以下に説明する。装置本体1は、図1に示すよう
に、トランスデューサアレイ2の各トランスデューサT
1,T2,・・, T64にケーブル3を介して接続される送波器
15・・15及び受波器16・・16と、各受波器16に接
続されるA/D変換器17と、CPU(中央処理装置)
11と、ROM12及びRAM13と、ディスプレイ1
5等を主体として構成されている。Next, details of the osteoporosis measuring apparatus of the present embodiment will be described below. As shown in FIG. 1, the apparatus main body 1
, T64,..., T64 via the cable 3 and the A / D converters 17 connected to the respective receivers 16. , CPU (Central Processing Unit)
11, ROM 12, RAM 13, and display 1
5 and so on.
【0020】送波器15は、整合回路及びパルス発生器
(いずれも図示せず)等を備え、例えば周波数範囲0.
54〜1.62MHz(中心周波数1MHz)の電気パ
ルス信号を所定の周期で繰り返し生成し、トランスデュ
ーサT1,T2,・・, T64に供給する。The transmitter 15 includes a matching circuit, a pulse generator (both not shown), and the like.
An electric pulse signal of 54 to 1.62 MHz (center frequency 1 MHz) is repeatedly generated at a predetermined cycle and supplied to the transducers T1, T2,..., T64.
【0021】受波器16は、整合回路、増幅器及び波形
整形回路(いずれも図示せず)等を備え、トランスデュ
ーサT1,T2,・・, T64からの受信波信号を所定の増幅度
で増幅した後、線形に波形整形(ノイズ成分除去等)し
てA/D変換器17に供給する。なお、この受波器16
及び先の送波器15に設けられている整合回路は、トラ
ンスデューサT1,T2,・・, T64と装置本体1との間で、
エネルギの損失なしに信号の授受がなされるように、イ
ンピーダンスの整合を行う。The receiver 16 includes a matching circuit, an amplifier, a waveform shaping circuit (all not shown), and the like, and amplifies the reception wave signals from the transducers T1, T2,..., T64 at a predetermined amplification degree. Thereafter, the waveform is linearly shaped (such as noise component removal) and supplied to the A / D converter 17. Note that this receiver 16
The matching circuit provided in the transmitter 15 is provided between the transducers T1, T2,.
Impedance matching is performed so that signals can be transmitted and received without energy loss.
【0022】A/D変換器17は、サンプルホールド回
路及び高速サンプリングメモリ(いずれも図示せず)等
を備え、CPU11のサンプリング開始要求に従って供
給される受波器16の出力信号(波形整形されたアナロ
グの受信波信号)を、所定の周波数(例えば12MH
z)でサンプリングしてデジタルのエコー信号に変換
し、そのデジタル化されたエコー信号を一旦高速サンプ
リングメモリに格納した後CPU11に供給する。The A / D converter 17 includes a sample hold circuit, a high-speed sampling memory (both not shown), and the like, and outputs an output signal (waveform shaped) of the receiver 16 supplied in accordance with a sampling start request of the CPU 11. An analog reception wave signal is converted to a predetermined frequency (for example, 12 MHz).
In step z), the digital signal is converted into a digital echo signal, and the digitized echo signal is temporarily stored in a high-speed sampling memory and then supplied to the CPU 11.
【0023】ROM12は、CPU11に骨粗鬆症の測
定を実行させるための処理プログラムが格納されてい
る。その処理プログラムは、エコー波形計測処理プログ
ラム、反射率算出プログラム、及び骨の音響インピーダ
ンス算出プログラム等によって構成されている。The ROM 12 stores a processing program for causing the CPU 11 to measure osteoporosis. The processing program includes an echo waveform measurement processing program, a reflectance calculation program, a bone acoustic impedance calculation program, and the like.
【0024】RAM13は、CPU11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備え、例えば、エコー波形データ、
散乱行列の各要素等がデータエリア内に一時記憶され
る。The RAM 13 includes a working area in which a work area of the CPU 11 is set, and a data area for temporarily storing various data.
Each element of the scattering matrix is temporarily stored in the data area.
【0025】CPU11は、ROM12に格納されてい
る上述の処理プログラムをRAM13を用いて実行する
ことにより、送波器15・・15、A/D変換器17・・1
7等の装置各部の制御、8×8個のエコー波形の計測処
理、エコー波形のフーリエ変換、軟組織と骨との界面反
射率の算出、骨の音響インピーダンスの算出(骨粗鬆症
の診断)等の処理を行う。The CPU 11 executes the above-described processing program stored in the ROM 12 by using the RAM 13 so that the transmitters 15... 15 and the A / D converters 17.
7, control of each part of the apparatus such as 7, measurement processing of 8 × 8 echo waveforms, Fourier transform of echo waveforms, calculation of interface reflectance between soft tissue and bone, calculation of acoustic impedance of bone (diagnosis of osteoporosis), etc. I do.
【0026】ディスプレイ14はCRTまたはLCD等
であって、CPU11による制御により、最大骨エコー
レベル(測定値)、軟組織と骨との界面反射率(算出
値)、骨の音響インピーダンス(算出値)、今回骨エコ
ー波形や最大骨エコー波形等が画面表示される。The display 14 is a CRT or LCD, etc., and under the control of the CPU 11, the maximum bone echo level (measured value), the interface reflectance between soft tissue and bone (calculated value), the acoustic impedance of bone (calculated value), This time, the bone echo waveform, the maximum bone echo waveform, and the like are displayed on the screen.
【0027】次に、本実施の形態の動作(処理の流れ)
を説明する。なお、この例では、骨折が起こりやすく、
骨粗鬆症の診断上重要な部位である腰椎を測定部位とす
る。Next, the operation of the present embodiment (flow of processing)
Will be described. In this example, fractures are likely to occur,
The lumbar vertebra, which is an important part in the diagnosis of osteoporosis, is set as the measurement site.
【0028】装置に電源が投入されると、CPU11
は、装置各部のプリセット、カウンタや各種レジスタ、
各種フラグの初期設定を行った後、測定開始スイッチが
押下されるのを待つ。ここで、操作者は、図2の模式図
に示すように、被験者の測定部位である骨(腰椎)Mb
を覆う軟組織Maの表面(皮質表面)に、超音波ゲル4
を塗り、超音波ゲル4を介してトランスデューサアレイ
2を皮層の表面に当て、送受波面を骨Mbに向けた状態
で、測定開始スイッチをオンとする。測定開始スイッチ
がオンとされると、CPU11は図5に示す処理手順
(フローチャート)に従って動作を開始する。When the apparatus is powered on, the CPU 11
Are presets, counters and various registers of each part of the device,
After the initial setting of various flags, it waits until the measurement start switch is pressed. Here, as shown in the schematic diagram of FIG. 2, the operator determines a bone (lumbar vertebra) Mb which is a measurement site of the subject.
Ultrasonic gel 4 is applied to the surface (cortical surface) of soft tissue Ma covering
Is applied, the transducer array 2 is applied to the surface of the cortical layer via the ultrasonic gel 4, and the measurement start switch is turned on with the transmitting / receiving surface facing the bone Mb. When the measurement start switch is turned on, the CPU 11 starts operating according to the processing procedure (flow chart) shown in FIG.
【0029】まず、ステップSQ1 において、CPU1
1は、エコー波形計測処理プログラムの制御により、骨
Mbからのエコー波形Smn(t)を計測する。First, in step SQ1, the CPU 1
1 measures the echo waveform Smn (t) from the bone Mb under the control of the echo waveform measurement processing program.
【0030】具体的には、トランスデューサアレイ2の
8×8個のトランスデューサT1,T2,・・, T64のうち、
第n番のトランスデューサTnから超音波を放射したと
きに、軟組織と骨との界面で反射するエコーを、第m番
目(m≠n)のトランスデューサTmで受信するという
処理を、トランスデューサT1,T2,・・, T64の全てにつ
いて実行して、8×8個のエコー波形Smn(t)を計
測する。それらエコー波形Smn(t)はA/D変換器
17を介してCPU11に採り込まれる。Specifically, of the 8 × 8 transducers T1, T2,..., T64 of the transducer array 2,
When ultrasonic waves are emitted from the n-th transducer Tn, the echo reflected at the interface between the soft tissue and the bone is received by the m-th (m ≠ n) transducer Tm. .., T64 are executed to measure 8 × 8 echo waveforms Smn (t). These echo waveforms Smn (t) are taken into the CPU 11 via the A / D converter 17.
【0031】次に、ステップSQ2 及びSQ3 におい
て、CPU11は、トランスデューサの最初の残響やエ
コーの骨とトランスデューサとの間の多重反射等のノイ
ズを除去するために、骨からのエコーと思われる波形S
mn(t)にゲートGmn(t)をかけた(Smn
(t)→Gmn(t)*Smn(t))後、フーリエ変
換する(Smn(t)→Smn(ω))。Next, in steps SQ2 and SQ3, the CPU 11 removes the waveform S which is considered to be an echo from the bone in order to remove noise such as the first reverberation of the transducer and multiple reflection between the echo bone and the transducer.
mn (t) is multiplied by the gate Gmn (t) (Smn
After (t) → Gmn (t) * Smn (t), Fourier transform is performed (Smn (t) → Smn (ω)).
【0032】フーリエ変換処理が完了した後、CPU1
1は、各周波数ωに対して、下記の式(1)において絶
対値が十分に大きなN′個(N′<N=8)の固有値
λ、及び、φn(ω)(n=1,2,・・,N)を、以下
に述べる処理で求める(ステップSQ4 及びSQ5 )。
なお、この例ではN′=1つまり単数の固有値を求める
ものとする。After the Fourier transform processing is completed, the CPU 1
1 are N ′ (N ′ <N = 8) eigenvalues λ of sufficiently large absolute values in the following equation (1) and φn (ω) (n = 1, 2) for each frequency ω. ,..., N) are obtained by the processing described below (steps SQ4 and SQ5).
In this example, it is assumed that N '= 1, that is, a single eigenvalue is obtained.
【0033】 ΣnSmn(ω)φn(ω)=λφ* m(ω) ・・・・(1) ただし、φ* mはφmの複素共役である。またφm
(ω)は規格化されており(Σnφn(ω)φ* n
(ω)=1)、そのベクトルとしての向きは周波数の変
化に従って連続的に変化するものとする。ΣnSmn (ω) φn (ω) = λφ * m (ω) (1) where φ * m is the complex conjugate of φm. Also φm
(Ω) is standardized (Σnφn (ω) φ * n
(Ω) = 1), and its direction as a vector continuously changes in accordance with a change in frequency.
【0034】 lim[Σnφn(ω)φ* n(ω+Δω)]=1 Δω→0 を満たす。Lim [Σnφn (ω) φ * n (ω + Δω)] = 1 Δω → 0 is satisfied.
【0035】前記固有値λ及びφn(ω)の算出は、ま
ず、各周波数ωについて2N×2N(N=8)の実対称
行列S′(ω)In calculating the eigenvalues λ and φn (ω), first, for each frequency ω, a 2N × 2N (N = 8) real symmetric matrix S ′ (ω)
【0036】[0036]
【数1】 (Equation 1)
【0037】を作成する。この実対称行列式(固有値は
正負対称)において、S′(ω)の正の固有値を絶対値
の大きい順にλn(ω)(n=1,2,3,・・,N)と
する。一方、負の固有値は絶対値の大きい順に−λn
(ω)(n=1,2,3,・・,N)が存在することが証
明される。これら固有値の絶対値の中から、単数(また
は複数)の固有値λを求める。Is created. In this real symmetric determinant (the eigenvalues are positive / negative symmetric), the positive eigenvalues of S ′ (ω) are set to λn (ω) (n = 1, 2, 3,..., N) in descending order of absolute value. On the other hand, negative eigenvalues are -λn in descending order of absolute value.
It is proved that (ω) (n = 1, 2, 3,..., N) exists. From the absolute values of these eigenvalues, a single (or plural) eigenvalue λ is obtained.
【0038】このとき、正の固有値λnに対する固有ベ
クトルをφ′n(ω)、負の固有値−λnに対する固有
ベクトルをφ″n(ω)とする。また、上記した式
(1)のλをλ1 ,λ2 ,・・,λN'(N'<N)とし、 φn(ω)=φ′n(ω)+jφ″n(ω) とする。ただし、Snn(ω)についてはSnn(ω)
=0として扱う。At this time, the eigenvector for the positive eigenvalue λn is φ′n (ω), and the eigenvector for the negative eigenvalue −λn is φ ″ n (ω). .lambda.N '(N'<N), and .phi.n (.omega.) =. phi.'n (.omega.) + j.phi. "n (.omega.). However, for Snn (ω), Snn (ω)
= 0.
【0039】なお、固有値に関する処理の更に詳しい説
明は、上記した特願平9−241173号の明細書に記
載の「固有値問題」を参照のこと。For a more detailed description of the processing relating to the eigenvalue, refer to the "eigenvalue problem" described in the specification of Japanese Patent Application No. 9-241173.
【0040】以上のようにして得られた固有値λは、ト
ランスデューサの周波数特性等のため、実際には物体
(軟組織と骨との界面)の反射率に比例した値となるの
で、その固有値(絶対値)λに、所定の比例定数をかけ
て軟組織と骨との界面反射率を求める。The eigenvalue λ obtained as described above is actually a value proportional to the reflectance of the object (the interface between the soft tissue and the bone) because of the frequency characteristics of the transducer and the like. Value) λ is multiplied by a predetermined proportionality constant to determine the interface reflectance between soft tissue and bone.
【0041】この後、CPU11は、ステップSQ6 に
進み、骨の音響インピーダンスプログラムの制御によ
り、骨(腰椎)の音響インピーダンスを求める。Thereafter, the CPU 11 proceeds to step SQ6 and obtains the acoustic impedance of the bone (lumbar vertebra) by controlling the acoustic impedance program of the bone.
【0042】ここで、音響インピーダンスを算出する際
に用いる比例定数は、反射率が既知の物体の固有値λ
を、先と同じ処理により予め計測・算出しておき、その
算出値と物体の反射率(既知の値)とから算出する、と
いうような手法で求めることができる。Here, the proportionality constant used for calculating the acoustic impedance is the eigenvalue λ of the object whose reflectance is known.
Is measured and calculated in advance by the same processing as described above, and calculated from the calculated value and the reflectance (known value) of the object.
【0043】具体的には、トランスデューサアレイ2
(トランスデューサ:8×8個,ピッチ14mm,波
源:面波源(指向性:3dBダウン45度)と、直径4
0mmのベークライト球(反射率0.6,密度1.5g
/cm3 ,音速4000m/sec)とを、媒質(水:
密度1.0g/cm3 ,音速1500m/sec)中
に、その両者間の距離が160mmとなるように配置
(図4参照)し、この状態で、ベークライト球の固有値
λを、先と同じ処理により計測・算出(計算条件:周波
数250kHz〜1.25MHz:ステップ5kHz)
し、その算出値と反射率0.6とから比例定数を求める
という手法が挙げられる。なお、この比例定数の計測に
おいて、媒体に水を用いているのは、被験者(人)の軟
組織の音響インピーダンスが、水の音響インピーダンス
に近い値を示すことによる。Specifically, the transducer array 2
(Transducer: 8 × 8, pitch 14 mm, wave source: surface wave source (directivity: 3 dB down 45 degrees), diameter 4
Bakelite sphere of 0mm (reflectance 0.6, density 1.5g
/ Cm 3 , sound velocity 4000 m / sec) and a medium (water:
A density of 1.0 g / cm 3 and a sound velocity of 1500 m / sec) are arranged so that the distance between them is 160 mm (see FIG. 4). (Calculation conditions: frequency 250 kHz to 1.25 MHz: step 5 kHz)
Then, there is a method of obtaining a proportional constant from the calculated value and the reflectance 0.6. In the measurement of the proportionality constant, water is used as the medium because the acoustic impedance of the soft tissue of the subject (person) shows a value close to the acoustic impedance of water.
【0044】以上の構成の本実施の形態によれば、トラ
ンスデューサアレイ2を構成する複数のトランスデュー
サT1,T2,・・, T64を、焦点FPの放射方向にかつその
焦点FPから一定距離となる位置に配置しているので、
超音波パルスのビームの集束(フォーカス)を容易に実
現でき、そのフォーカスされた超音波パルスを、腰椎の
ひだとひだとの間に入射させて腰椎に放射することが可
能になる。その結果、腰椎の音響インピーダンスを確実
かつ正確に測定することができる。According to the present embodiment having the above configuration, the plurality of transducers T1, T2,..., T64 constituting the transducer array 2 are positioned in the radiation direction of the focal point FP and at a fixed distance from the focal point FP. Because it is located in
Focusing of the beam of the ultrasonic pulse can be easily realized, and the focused ultrasonic pulse can be made incident between the folds of the lumbar spine and emitted to the lumbar spine. As a result, the acoustic impedance of the lumbar spine can be reliably and accurately measured.
【0045】そして、本実施の形態では、以上の処理で
算出された骨(腰椎)の音響インピーダンスに基づい
て、骨粗鬆症の進行状況を判断することができる。In the present embodiment, the progress of osteoporosis can be determined based on the acoustic impedance of the bone (lumbar vertebra) calculated by the above processing.
【0046】すなわち、骨の音響インピーダンスは、
[骨弾性率×骨密度]の平方根で与えられ、パラメータ
である「骨弾性率」と「骨密度」とは、一方が増加(減
少)すると、他方も増加(減少)するという関係にあ
る。それ故、骨密度が増加(減少)すると、骨弾性も増
加(減少)するので、音響インピーダンスは、この相乗
効果により、敏感に応答して顕著に増加(減少)する。
従って、骨の音響インピーダンスは、骨密度を判断する
上で、大変良い指標となる。例えば、操作者は、被験者
の骨の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。That is, the acoustic impedance of the bone is
It is given by the square root of [bone elastic modulus x bone density], and the parameters "bone elastic modulus" and "bone density" are in a relationship that if one increases (decreases), the other increases (decreases). Therefore, as bone density increases (decreases), bone elasticity also increases (decreases), and the acoustic impedance significantly increases (decreases) in a sensitive response due to this synergistic effect.
Therefore, the acoustic impedance of bone is a very good index for determining bone density. For example, if the acoustic impedance of the bone of the subject is significantly smaller than the average value of the age group, the operator knows that osteoporosis of the bone is worse.
【0047】ここで、以上の実施の形態では、トランス
デューサアレイに配置するトランスデューサの数を8×
8個としているが、これに限られることなく、その個数
は必要に応じて増減することができる。また、トランス
デューサアレイは2次元構造のものに限られず、トラン
スデューサが線状に並んだ1次元構造のものであっても
よい。さらに、トランスデューサを構成する超音波振動
子は、厚み振動型に限られず、撓み振動型であってもよ
いし、また、測定に使用する中心周波数も特に限定され
ない。Here, in the above embodiment, the number of transducers arranged in the transducer array is 8 ×
Although the number is eight, the number is not limited thereto, and the number can be increased or decreased as necessary. Further, the transducer array is not limited to a two-dimensional structure, and may have a one-dimensional structure in which transducers are arranged in a line. Further, the ultrasonic vibrator constituting the transducer is not limited to the thickness vibration type, may be a flexural vibration type, and the center frequency used for measurement is not particularly limited.
【0048】[0048]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の骨粗鬆症
測定装置によれば、トランスデューサアレイを構成する
複数のトランスデューサを、超音波放射側にある1点か
らの放射方向にかつその点から一定の距離となる位置に
配置しているので、骨粗鬆症の診断で重要な部位である
腰椎の音響インピーダンスを確実かつ正確に測定するこ
とができ、医学的な有効性が大きな骨粗鬆症の診断が可
能になる。また、従来のフラットなトランスデューサア
レイを用いた装置に比して、骨の面積密度分布をより正
確に測定することができる。As described above, according to the osteoporosis measuring apparatus of the present invention, a plurality of transducers constituting a transducer array are arranged in a direction radiating from one point on the ultrasonic wave radiating side and at a constant distance from that point. Since it is located at a distance, the acoustic impedance of the lumbar spine, which is an important part in diagnosing osteoporosis, can be measured reliably and accurately, making it possible to diagnose osteoporosis with great medical effectiveness. In addition, the bone area density distribution can be measured more accurately than a conventional apparatus using a flat transducer array.
【図1】本発明の実施の形態の構成を示すブロック図で
ある。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態の使用状態を模式的に示す
図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a use state of the embodiment of the present invention.
【図3】本発明の実施の形態に適用するトランスデュー
サアレイの構成を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view schematically showing a configuration of a transducer array applied to the embodiment of the present invention.
【図4】同じくトランスデューサアレイの構成を模式的
に示す平面図(a)及び側面図(b)である。FIG. 4 is a plan view (a) and a side view (b) schematically showing the structure of a transducer array.
【図5】本発明の実施の形態の処理動作の内容を示すフ
ローチャートである。FIG. 5 is a flowchart showing the contents of a processing operation according to the embodiment of the present invention.
1 装置本体 11 CPU 12 ROM 13 RAM 14 ディスプレイ 15 送波器 16 受波器 17 A/D変換器 2 トランスデューサアレイ T1,T2,・・, T64 トランスデューサ 3 ケーブル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Device main body 11 CPU 12 ROM 13 RAM 14 Display 15 Transmitter 16 Receiver 17 A / D converter 2 Transducer array T1, T2, ..., T64 Transducer 3 Cable
Claims (1)
もに、生体内部からのエコーを受信する複数のトランス
デューサが配列されてなるトランスデューサアレイと、
各トランスデューサのそれぞれに接続された超音波送受
波器と、各トランスデューサによって受波されたエコー
信号をA/D変換器を介して採り込み、そのA/D変換
後のエコー信号に基づいて、軟組織と骨との境界での超
音波の反射率を求めて骨粗鬆症に関する情報を得る演算
手段とを備え、上記トランスデューサアレイの複数のト
ランスデューサが、超音波放射側にある1点からの放射
方向にかつその点から一定の距離となる位置に配置され
ていることを特徴とする骨粗鬆症測定装置。1. A transducer array in which a plurality of transducers for emitting ultrasonic pulses into a living body and receiving echoes from the inside of the living body are arranged,
An ultrasonic transducer connected to each of the transducers, and an echo signal received by each transducer are taken in through an A / D converter, and based on the echo signal after the A / D conversion, a soft tissue And calculating means for obtaining information on osteoporosis by determining the reflectance of the ultrasonic wave at the boundary between the bone and the bone, wherein the plurality of transducers of the transducer array are radiated from one point on the ultrasonic wave radiation side and in the direction of radiation. An osteoporosis measuring device, wherein the osteoporosis measuring device is arranged at a position at a fixed distance from a point.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11097797A JP2000287968A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Osteoporosis measuring apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP11097797A JP2000287968A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Osteoporosis measuring apparatus |
Publications (1)
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---|---|
JP2000287968A true JP2000287968A (en) | 2000-10-17 |
Family
ID=14201801
Family Applications (1)
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JP11097797A Pending JP2000287968A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Osteoporosis measuring apparatus |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2000287968A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100752334B1 (en) * | 2001-04-13 | 2007-08-29 | 주식회사 메디슨 | 2 dimensional curved array transducer for use in ultrasound imaging apparatus |
-
1999
- 1999-04-05 JP JP11097797A patent/JP2000287968A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100752334B1 (en) * | 2001-04-13 | 2007-08-29 | 주식회사 메디슨 | 2 dimensional curved array transducer for use in ultrasound imaging apparatus |
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