JP2000287969A

JP2000287969A - 骨粗鬆症測定装置

Info

Publication number: JP2000287969A
Application number: JP11097799A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nakamori; 勇一中森; Tetsuya Ishii; 徹哉石井
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2000-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】測定対象部位以外の領域からのエコー等による
影響を受け難くする。【解決手段】複数のトランスデューサＴ1,Ｔ2,・・, Ｔ64
が配列されたトランスデューサアレイ２の側方周囲を、
超音波を減衰する材料製で超音波放射側に所定の高さを
有する防振壁２１で囲うことによって、測定対象部位以
外の領域からエコー等がトランスデューサＴ1,Ｔ2,・・,
Ｔ64に到達することを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【０００７】このような不都合を解消する手段として、
本出願人は、複数の超音波トランスデューサを２次元状
に配列したトランスデューサアレイを用いて、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、特願平９−２４１１７３号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、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
を用いた測定の場合、測定対象部位（領域）の反射率分
布（密度分布）を求めることは可能であるが、測定対象
部位以外の領域からのエコーなどによる影響を受けやす
く、虚像（グレーティング）の問題が生じる。

【０００９】本発明はそのような実情に鑑みてなされた
もので、測定対象部位以外の領域の影響を受け難い構造
のトランスデューサアレイを備えた骨粗鬆症測定装置の
提供を目的とする。

【００１０】

【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側方周囲が、超音
波を減衰する材料製（例えばシリコンゴム製）で超音波
放射側に所定の高さを有する防振壁によって囲われてい
ることによって特徴づけられる。

【００１１】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の側方周囲が、超音波を減衰する材
料製の防振壁によって囲われているので、測定対象部位
以外の領域からのエコー等は防振壁によりトランスデュ
ーサへの進行が阻止され、虚像が現れ難くなる。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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（８行×８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。

【００１５】トランスデューサアレイ２を構成するトラ
ンスデューサＴ1,Ｔ2,・・, Ｔ64は、各々エレメント化さ
れており、ポリプロピレン製の基板２ａに取り付けられ
ている。トランスデューサアレイ２は、防振壁２１が一
体形成され前面のみが開口された矩形のケース２０内に
収容されており、その防振壁２１によってトランスデュ
ーサアレイ２の前方側の側方周囲（４方）が囲われてい
る。なお、防振壁２１（ケース２０）は、超音波を減衰
させる材料（例えばシリコンゴム）で製作されている。

【００１６】そして、本実施の形態では、図４に示すパ
ラメータつまりトランスデューサＴ1,Ｔ2,・・, Ｔ64の配
列ピッチｐ及び防振壁２１の高さｈを、それぞれ、下記
の範囲に規定している。具体的には、ピッチｐを１４ｍ
ｍ、高さｈを５０ｍｍとしている。

【００１７】ｐ＝７．５ａ〜１２．５ａｈ＝［７・√（ｐ²−ａ²）／ａ］〜Ｌただし、ａは超音波の波長、Ｌはトランスデューサアレ
イと測定対象部位との間の距離である。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２７】次に、本実施の形態の動作（処理の流れ）
を説明する。まず、平面性は良くないが、超音波パルス
の波長と較べて曲率半径が十分に大きい骨を測定部位と
して選ぶ。好適な測定部位としては、例えば、腰椎、上
腕骨、脛骨、踵骨または大腿骨頸部を挙げることができ
る。

【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。

【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。

【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。

【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））。

【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。

【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。

【００３４】ｌｉｍ［Σｎφｎ（ω）φ^*ｎ（ω＋Δω）］＝１ Δω→０を満たす。

【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）

【００３６】

【数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。

【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。

【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。

【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。

【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、骨の音響インピーダンスを求める。

【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。

【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。

【００４４】以上の実施の形態によれば、トランスデュ
ーサアレイ２の側方周囲を、超音波を減衰する材料製で
所定の高さｈを有する防振壁２１によって囲っているの
で、測定対象部位以外の領域からのエコー等は防振壁２
１によりトランスデューサＴ1,Ｔ2,・・, Ｔ64への進行が
阻止され、虚像が現れ難くなる。その結果、骨の音響イ
ンピーダンスを問題なく測定することができる。

【００４５】そして、本実施の形態では、以上の処理で
算出された骨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。

【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。

【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。

【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、複数のトランスデューサが配列され
たトランスデューサアレイの側方周囲を、超音波を減衰
する材料製で超音波放射側に所定の高さを有する防振壁
によって囲っているので、虚像（グレーティング）の影
響が軽減され、軟組織と骨との界面反射率や音響インピ
ーダンスの計測を良好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【図４】同じくトランスデューサアレイの構成を模式的
に示す断面図である。

【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。

【符号の説明】

１装置本体１１ＣＰＵ１２ＲＯＭ１３ＲＡＭ１４ディスプレイ１５送波器１６受波器１７Ａ／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２１防振壁３ケーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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側方周囲
が、超音波を減衰する材料製で超音波放射側に所定の高
さを有する防振壁によって囲われていることを特徴とす
る骨粗鬆症測定装置。