JP2005152079A

JP2005152079A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2005152079A
Application number: JP2003391889A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Sakai; 亮一酒井; Takemitsu Harada; 烈光原田
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP4153407B2

Abstract

【課題】生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定する。
【解決手段】エコートラッキング処理部２０は、エコートラッキング処理により表面ポイント６０を抽出する。直線設定部２２は、エコートラッキング処理部２０において抽出された表面ポイント６０に基づいて、骨５２の骨折部５４を挟んだ上下二つの骨片のそれぞれに対応する直線を設定する。角度演算部２６は、二つの直線の間の角度を演算する。そして、特性曲線生成部３０は、荷重計測器３６で計測される骨に対する荷重値と、角度演算部２６で算出される直線の角度とから、荷重と骨の角度との関係を示す特性曲線を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に骨の力学的特性を評価するための超音波診断装置に関する。

骨折部の癒合状態を評価するために、骨の力学的特性の簡便かつ定量的な測定が望まれている。従来より、骨折部の癒合状態の評価にはＸ線写真が広く用いられている。しかし、Ｘ線写真では患部で成長中の仮骨を明瞭に撮影できないため、癒合状態を定量的に診断することが困難である。

Ｘ線写真を利用せず骨の力学的特性を定量評価する手法として、創外固定器に歪みゲージを装着してその固定器の歪みを計測する歪みゲージ法、骨に外部から振動を加え固有振動数を評価する振動波法、降伏応力を生じた骨から発生する音波を検出するアコースティックエミッション法などが挙げられる。しかし、これらの手法には、適応できる治療法に制限があること、骨に侵襲を加える必要があること、及び、定量評価の指標の精度が不十分であること、といった問題が残されている。

こうした背景において、骨に侵襲を加えない測定を実現するために、超音波を利用して骨患部の治癒状態を計測する装置が提案されている（特許文献１）。

特開２００１−２３１７８８号公報

ところが、特許文献１に記載の装置は、仮骨成長の形状認識や、患部と健常部位との骨密度の比較といった、静止状態における形態計測を行うものであり、骨に対して外的作用を及ぼした場合などの力学的特性を直接計測できるものではない。

そこで本発明は、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、被検体内の骨の骨折部を挟んだ二つの骨片の各々に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、前記各エコー信号ごとに、骨表面に対応する表面ポイントを特定する表面ポイント特定手段と、前記一方の骨片に対応した複数の表面ポイントおよび前記他方の骨片に対応した複数の表面ポイントを利用して求められる前記二つの骨片の間の角度から、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、を有することを特徴とする。

また上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、被検体内の骨の骨折部を挟んだ二つの骨片の各々に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、前記各エコー信号ごとに、骨表面に対応する表面ポイントを特定する表面ポイント特定手段と、前記一方の骨片に対応した複数の表面ポイントに基づいて第一直線を設定し、前記他方の骨片に対応した複数の表面ポイントに基づいて第二直線を設定する直線設定部と、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記第一直線と前記第二直線との間の角度に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、を有することを特徴とする。

この構成において、第一直線や第二直線は、例えば、複数の表面ポイントのうちの二点を結ぶ直線として設定される。また、第一直線と第二直線との間の角度とは、例えば、二つの直線が交差する場合にはその交差角度であり、二つの直線が交差しない場合には同一平面内に投影した場合の二つの投影直線の交差角度などである。この構成により、検査者は、第一直線と第二直線との間の角度に基づく特性情報から骨の力学的特性を評価することができる。つまり、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定することができる。

望ましくは、前記表面ポイント特定手段は、骨表面の変位に応じて前記各表面ポイントをトラッキングする、ことを特徴とする。表面ポイントのトラッキングには、いわゆる、エコートラッキング処理を利用するのが好適である。エコートラッキング処理により、表面ポイントの抽出精度が飛躍的に向上する。

望ましくは、前記送受波手段は、前記骨の長軸断面内において前記複数の超音波ビームを形成し、前記特性情報生成手段は、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記第一直線と前記第二直線の交差角度に基づいて特性情報を生成する、ことを特徴とする。ここで、骨の長軸断面とは、骨の長軸を含む断面を意味する。もちろん、実質的に長軸断面とみなされる断面も長軸断面の概念に含まれる。

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記外的作用として骨に掛けられた荷重値と前記角度との対応関係を示す特性曲線を生成することを特徴とする。骨折治療の際、患部へ適度な荷重をかけることにより骨形成を促進させることが期待できる。しかし、荷重を誤ると癒合した骨にダメージを与えることになる。このため、患部へかける荷重値は慎重に設定されなければならない。上記構成によれば、骨に掛けられた荷重値と骨の特性（直線の角度）の対応関係から、骨に掛けるべき荷重の適切値を知ることが可能になる。

また、上記目的を達成するために、本発明の別の好適な態様である超音波診断装置は、被検体内の骨の骨折部を挟んだ二つの骨片に固定されたプレートに対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、前記各エコー信号ごとに、前記プレート表面に対応する表面ポイントを特定する表面ポイント特定手段と、前記一方の骨片側の複数の表面ポイントに基づいて第一直線を設定し、前記他方の骨片側の複数の表面ポイントに基づいて第二直線を設定する直線設定部と、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記第一直線と前記第二直線との間の角度に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、を有することを特徴とする。

この構成において、プレートとは骨の固定に利用されるチタンやステンレスなどの金属製のものが好適である。金属製のプレートを用いることによりプレートの超音波反射率が高くなり、組織減衰の影響が大きい高周波を用いた計測が可能となる。例えば、通常７．５ＭＨｚ程度の超音波で計測するところを１２ＭＨｚ程度の超音波を利用することが可能になる。高周波で送受波を行うことにより、さらに高精度な計測が可能になる。

望ましくは、前記プレートには、前記表面ポイントの位置を指定するマーカが設けられることを特徴とする。マーカは、例えばプレート表面に突起やくぼみとして形成される。

本発明により生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。プローブ１０は被検者５０の体表に当接して用いられる超音波探触子である。プローブ１０は、被検者５０の体内の骨５２に向けて複数の超音波ビーム４０を形成する。この際、骨５２の骨折部５４を挟んだ上下二つの骨片のそれぞれに対して、複数の超音波ビーム４０を形成する。骨５２の表面に設定される表面ポイント６０については後に詳述する。プローブ１０としては、超音波ビーム４０を電子走査するリニア電子スキャンプローブ（リニアプローブ）が好適である。

送受信部１２は、プローブ１０を制御して、断層面（図１による被検者５０の切断面、つまり骨５２の長軸断面）内において超音波ビーム４０を電子走査する。プローブ１０がリニアプローブの場合、例えば１２０本の超音波ビーム４０（図１には、後に詳述するエコートラッキング用の超音波ビーム４本のみが図示されている）が次々に電子走査され、各超音波ビーム４０ごとにエコー信号が取得される。取得された複数のエコー信号は断層画像形成部１８に出力され、断層画像形成部１８は複数のエコー信号に基づいて骨の断層画像（Ｂモード画像）を形成する。形成されたＢモード画像は、表示画像形成部３２を介してディスプレイ３４に表示される。

送受信部１２で取得されたエコー信号は、エコートラッキング処理部２０へも出力される。エコートラッキング処理部２０は、各エコー信号から骨表面部を抽出してトラッキングする、いわゆるエコートラッキング処理を行うものである。エコートラッキング処理には、例えば、特開２００１−３０９９１８号公報に詳述される技術が利用される。この技術の概要は次のとおりである。

プローブ１０から取得されるエコー信号は骨表面に対応する部分で大きな振幅を有している。単に振幅の大きな部分として骨表面部を捉えた場合、大きな振幅の範囲の中のどの部分が表面部に対応するのかが不明であり、結果として大きな振幅の範囲程度の抽出誤差（一般的な超音波診断装置では０．２ｍｍ程度）が生じてしまう。エコートラッキング処理では、エコー信号の代表点としてゼロクロス点が検知され、検知されたゼロクロス点をトラッキングすることで抽出精度を飛躍的に高めている（０．００２ｍｍ程度にまで精度を高めることが可能）。ゼロクロス点は、トラッキングゲート期間内においてエコー信号の振幅が正から負へ、または、負から正へと極性が反転するタイミングとして検知される。ゼロクロス点が検知されると、その点を中心として新たにトラッキングゲートが設定される。そして、次のタイミングで取得されるエコー信号においては、新たに設定されたトラッキングゲート期間内でゼロクロス点が検知される。このようにして、各超音波ビームごとに、エコー信号のゼロクロス点が表面ポイント６０としてトラッキングされ、骨表面の位置がプローブ１０を基準として高精度に計測される。

エコートラッキング処理には、例えば４本のトラッキング用エコー信号が利用される。トラッキング用エコー信号は、断層画像形成に利用されるエコー信号（例えば１２０本のエコー信号）の中から選択されてもよく、あるいは、断層画像形成を中断して４本のトラッキング用エコー信号のみが取得されてもよい。

直線設定部２２は、エコートラッキング処理部２０において抽出された表面ポイント６０に基づいて、骨５２の骨折部５４を挟んだ上下二つの骨片のそれぞれに対応する直線を設定する。そして、角度演算部２６は、二つ骨片に対応する二つの直線の間の角度を演算する。以下、図２を利用して、直線設定部２２における直線の設定処理、および、角度演算部２６における角度演算処理を説明する。なお、図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。

図２は、二つの骨片のそれぞれに対応する直線の設定処理および直線の間の角度演算処理を説明するための図であり、図２（１）には荷重が掛けられていない状態の骨折部５４の拡大図が示され、図２（２）には荷重により力がかけられた状態の骨折部５４の拡大図が示されている。図２における骨片Ａ５２ａは、図１における骨折部５４の上側の骨片に対応し、図２における骨片Ｂ５２ｂは、図１における骨折部５４の下側の骨片に対応する。また、図２における４つの表面ポイント（６０ａ〜６０ｄ）は、図１における表面ポイント６０に対応する。なお、図２において、横方向をｘ軸方向、縦方向をｙ軸方向とする。

４つの表面ポイント（６０ａ〜６０ｄ）は、骨折部５４の位置に応じて設定される。このために、検査者は、ディスプレイ３４に表示される骨のＢモード画像から骨折部５４の位置を確認しながら、骨片Ａ５２ａの表面付近に二つの計測点を設定し、さらに、骨片Ｂ５２ｂの表面付近に二つの計測点を設定する。４つの計測点は、操作パネル１６を介して送受制御部１４に設定される。送受制御部１４は４つの計測点を各々のフォーカス点とする４本のトラッキング用の超音波ビーム４０を形成し、エコートラッキング処理部２０において骨の表面ポイントがトラッキングされ、各表面ポイント（６０ａ〜６０ｄ）の位置がプローブ１０を基準として高精度に計測される。なお、計測点の設定において、検査者が骨折部５４の位置のみを指定して、送受制御部１４が４つの計測点のｘ軸方向の位置を所定間隔で設定してもよい。

直線設定部２２は、エコートラッキング処理部２０において抽出された表面ポイント６０ａ，６０ｂの２点を結ぶ直線を骨片Ａ５２ａに対応する直線ａ−ｂ６２として設定する。同様に、直線設定部２２は、表面ポイント６０ｃ，６０ｄの２点を結ぶ直線を骨片Ｂ５２ｂに対応する直線ｃ−ｄ６４として設定する。直線設定部２２は、直線ａ−ｂ６２および直線ｃ−ｄ６４のデータ（例えば、プローブ１０を基準とした座標系における直線の方程式）をメモリ２４に記録する。なお、直線ａ−ｂ６２および直線ｃ−ｄ６４のデータは、図２（１）の荷重無のもの、図２（２）の荷重有のもの、それぞれの状態のものがメモリ２４に記録される。また、荷重有の場合は各荷重値ごとにメモリ２４に記録される。

角度演算部２６は、メモリ２４に記録された直線ａ−ｂ６２および直線ｃ−ｄ６４のデータから、直線ａ−ｂ６２および直線ｃ−ｄ６４の交差角度を演算する。つまり、角度演算部２６は、メモリ２４から荷重無の状態における直線ａ−ｂ６２および直線ｃ−ｄ６４のデータを読み出して、二つの直線の交差角度θ´６６を算出する。また、角度演算部２６は、メモリ２４から各荷重値に対応する直線ａ−ｂ６２および直線ｃ−ｄ６４のデータを読み出して、二つの直線の交差角度θ６８を算出する。図２（１）および（２）に示されるように、加圧されて荷重が掛けられると二つの直線の交差角度が変化する。角度演算部２６は、各荷重値ごとに交差角度θ６８と交差角度θ´６６との差を算出する。

特性曲線生成部３０は、荷重Ｗと骨の角度θとの関係を示す特性曲線を生成する。荷重Ｗは荷重計測器３６で計測される骨に対する荷重値であり、骨の角度θは角度演算部２６で算出される。角度θには、図２に示される荷重有の場合の交差角度θ６８がそのまま利用されてもよく、あるいは、交差角度θ６８と交差角度θ´６６との差の角度が利用されてもよい。図３から図５に、特性曲線生成部３０で生成される特性曲線を示す。図３から図５に示される特性曲線は表示画像形成部３２を介してディスプレイ３４に表示される。

図３は、横軸を荷重Ｗ、縦軸を骨の角度θとして荷重と角度の関係を表した特性曲線を示す図であり、荷重Ｗが増加するに従って角度θも増加する様子が示されている。図３の特性曲線を利用して、例えば、荷重変化ΔＷと角度変化Δθとから、変化率Δθ／ΔＷを算出してもよい。

図４は、横軸を時刻として荷重Ｗおよび骨の角度θのそれぞれを示した特性曲線である。図４には、時刻０から時刻ｔに亘って徐々に荷重Ｗを増加させた場合、これに伴って角度θも時刻０から時刻ｔに亘って徐々に増加している様子が示されている。また、時刻ｔ以降において荷重Ｗが徐々に減少すると角度θも徐々に減少していることがわかる。図４の特性曲線には、骨の塑性変形の程度を示す塑性変形成分θ_dが示されている。

骨の力学的特性の中で、骨が弾性変形を起こしているか、または塑性変形を起こしているかを知ることは、骨の癒合判定において非常に重要である。荷重を取り去った後の骨の形状が荷重を掛ける前の形状に戻れば弾性変形であり、荷重を掛ける前の形状に戻らなければ塑性変形である。本実施形態では、角度θについての荷重を掛ける前後の差から、荷重を掛ける前後の骨の形状を比較することができる。つまり、特性曲線生成部３０は、図４に示される荷重を掛ける前の角度θ_startと荷重を取り去った後の角度θ_stopとの差である塑性変形成分θ_dを算出し、算出した塑性変形成分θ_dを特性曲線と共に表示させる。検査者は、この塑性変形成分θ_dが所定範囲内にあれば、弾性変形であり骨の強度が正常であると判断し、また、塑性変形成分θ_dが所定範囲内に無ければ塑性変形であり骨の強度が異常であると判断する。このように、塑性変形成分θ_dという定量値に基づいて骨の力学的特性を評価することができる。

図５は、横軸を荷重Ｗ、縦軸を骨の角度θとした特性曲線である。骨に対する荷重と骨の角度θとの間にはヒステリシス特性が存在する。つまり、荷重値を徐々に増加させ最大荷重値まで増加させた場合の骨の角度の増加特性と、その最大荷重値から徐々に荷重値を減少させた場合の骨の角度の減少特性とは必ずしも一致しない。図５は、荷重値を最大荷重値まで増加させ、その後、その最大荷重値から荷重値を減少させた場合の角度特性を示すものであり、領域８０の面積Ｓが荷重値と角度との間のヒステリシス特性を反映している。面積Ｓは、骨折部の粘弾性成分を評価する指標となる。

図１に戻り、表示画像形成部３２は、断層画像形成部１８で形成された骨の断層画像および特性曲線生成部３０で生成された特性曲線に基づいて表示画像を形成してディスプレイ３４に表示する。断層画像と特性曲線は、例えば、検査者の指示に基づいて切り替えて表示される。断層画像と特性曲線は同時に表示されてよい。また、直線設定部２２で設定された直線を骨の断層画像上に重ね合わせて表示させてもよい。さらに、骨の角度θや図５における領域８０の面積Ｓの数値を表示してもよい。

上述のようにして得られた骨の角度に基づく力学的特性は、骨癒合の定量評価において重要な指標となり、さらに、薬剤による骨強度増加への効果の判定や固定器・インプラントの除去、患者に対する骨癒合促進のための荷重量の程度の指示などにおいて、客観的で信頼できる診断の基礎データとして利用される。

図６は、骨接合材（骨固定用プレート）を用いた場合の骨の力学的特性の評価手法を説明するための図である。骨固定用プレート７０は、骨折部５４を挟んだ二つの骨片Ａ５２ａおよび骨片Ｂ５２ｂにボルト７２で固定されている。骨固定用プレート７０はチタンやステンレスといった金属製のものであり、被検者の体内に埋め込まれている。骨固定用プレート７０を用いた評価の際にも、図１に示す超音波診断装置が利用される。つまり、プローブにより、被検者の体内の骨固定用プレート７０に向けて複数の超音波ビームが形成され、そして、エコートラッキング処理部（図１の符号２０）により、各超音波ビームのエコー信号から骨固定用プレート７０の表面部が抽出され、骨固定用プレート７０の表面上に表面ポイント（６０ａ〜６０ｄ）が設定される。そして、前述した動作により、表面ポイント（６０ａ〜６０ｄ）から特性曲線が生成される。

金属製のプレートを用いることにより骨固定用プレート７０の超音波反射率が骨よりも高くなり、組織減衰の影響が大きい高周波を用いた計測が可能となる。例えば、通常７．５ＭＨｚ程度の超音波で計測するところを１２ＭＨｚ程度の超音波を利用することが可能になる。高周波で送受波を行うことにより、さらに高精度な計測が可能になる。また、骨固定用プレート７０には、表面ポイント（６０ａ〜６０ｄ）の位置を指定するマーカが設けられてもよい。マーカは、例えば骨固定用プレート７０の表面に突起やくぼみとして形成される。マーカにより、より高い精度でトラッキングポイントを設定することが可能になる。

本発明に係る超音波診断装置は、脛骨の診断などに好適である。脛骨の診断の場合、椅子に座った被検者の膝上におもりを載せて脛骨に荷重を掛け、おもりによる荷重値を被検者の足元に配置した荷重計測器で計測する。そして、プローブ固定機により固定されたプローブから脛骨に対して超音波を送受波する。

なお、本発明に係る超音波診断装置による診断対象骨は脛骨に限定されるものではない。例えば、腓骨や大腿骨や腕の骨を対象とすることも可能である。大腿骨を対象とする場合、おもりを抱えた被検者を荷重計測器に載せ、プローブを大腿部に当接して診断を行えば、大腿骨に掛かる荷重値と大腿骨の骨の角度測定が可能になる。また腕の骨を対象とする場合、被検者の腕にプローブを当接して、壁に設置した荷重計測器を被検者が腕押しすることにより腕の骨に荷重を掛けた計測が可能であり、あるいは、床に置かれた荷重計測器上に被検者が腕を載せて、腕立て姿勢で腕の骨に荷重を掛けた計測も可能である。このように、本発明に係る超音波診断装置は、被検者体内の様々な部位の骨を対象とすることができる。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す構成図である。直線の設定処理および直線の角度演算処理を説明するための図である。荷重と角度の関係を表す特性曲線を示す図である。横軸を時刻として荷重Ｗおよび骨の角度θのそれぞれについての特性曲線を示す図である。横軸を荷重Ｗ、縦軸を骨の角度θとした特性曲線を示す図である。骨固定用プレートを用いた場合の骨の力学的特性の評価手法を説明するための図である。

符号の説明

２０エコートラッキング処理部、２２直線設定部、２６角度演算部、３０特性曲線生成部。

Claims

被検体内の骨の骨折部を挟んだ二つの骨片の各々に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、
前記各エコー信号ごとに、骨表面に対応する表面ポイントを特定する表面ポイント特定手段と、
前記一方の骨片に対応した複数の表面ポイントおよび前記他方の骨片に対応した複数の表面ポイントを利用して求められる前記二つの骨片の間の角度から、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
被検体内の骨の骨折部を挟んだ二つの骨片の各々に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、
前記各エコー信号ごとに、骨表面に対応する表面ポイントを特定する表面ポイント特定手段と、
前記一方の骨片に対応した複数の表面ポイントに基づいて第一直線を設定し、前記他方の骨片に対応した複数の表面ポイントに基づいて第二直線を設定する直線設定部と、
前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記第一直線と前記第二直線との間の角度に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記表面ポイント特定手段は、骨表面の変位に応じて前記各表面ポイントをトラッキングする、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記送受波手段は、前記骨の長軸断面内において前記複数の超音波ビームを形成し、
前記特性情報生成手段は、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記第一直線と前記第二直線の交差角度に基づいて特性情報を生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記特性情報生成手段は、前記外的作用として骨に掛けられた荷重値と前記角度との対応関係を示す特性曲線を生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
被検体内の骨の骨折部を挟んだ二つの骨片に固定されたプレートに対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、
前記各エコー信号ごとに、前記プレート表面に対応する表面ポイントを特定する表面ポイント特定手段と、
前記一方の骨片側の複数の表面ポイントに基づいて第一直線を設定し、前記他方の骨片側の複数の表面ポイントに基づいて第二直線を設定する直線設定部と、
前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記第一直線と前記第二直線との間の角度に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
請求項６に記載の超音波診断装置において、
前記プレートには、前記表面ポイントの位置を指定するマーカが設けられる、
ことを特徴とする超音波診断装置。