JP2006167097A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】骨粗鬆症やリウマチなどの骨疾患を適確に診断する。
【解決手段】骨を含む検査部位に投射する超音波の反射波、透過波にそれぞれ基づいて検査部位の空隙率φe 、φt を算出する反射波解析手段１１、透過波解析手段１２と、空隙率φe 、φt に基づいて骨の空隙率βを算出し、骨の平均密度ρb 、平均ヤング率Ｅb を算出する評価手段１３とを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、骨粗鬆症やリウマチなどの骨疾患を適確に診断することができる超音波診断装置に関する。

骨を含む生体組織に超音波を投射すると、骨と、骨のまわりの筋肉との境界面で超音波が反射するから、生体組織内の骨の位置や形状をチェックすることができる。また、骨に対して超音波を斜めに投射し、皮質骨中に超音波の一部を伝搬させて皮質骨中の伝搬速度を計測することにより、骨密度を評価することも可能である（たとえば特許文献１）。超音波は、空隙を有する材料中を伝搬するとき、材料の空隙率によって伝搬速度が変化するからである。
特開２００２−３４９８６号公報

かかる従来技術によるときは、皮質骨中の超音波の伝搬速度を計測して骨密度を評価することができるとしても、骨の硬さ（剛性）を測定することができないため、必ずしも十分な診断結果を得ることができないという問題があった。骨中の超音波の伝搬速度は、骨の空隙率に加えて、骨の剛性によっても変化する可能性があるが、従来は、骨の剛性に全く着目していなかったからである。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、検査部位に投射する超音波の反射波、透過波の双方を解析することによって、骨の平均密度、平均ヤング率を算出し、一層適確な診断結果を得ることができる超音波診断装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、骨を含む検査部位に投射する超音波の反射波、透過波にそれぞれ基づいて検査部位の空隙率を算出する反射波解析手段、透過波解析手段と、反射波解析手段、透過波解析手段からの各空隙率に基づいて検査部位の骨の空隙率を算出し、骨の平均密度、平均ヤング率を算出する評価手段とを備えることをその要旨とする。

なお、反射波解析手段は、逆方向から投射する超音波の各反射波に基づいて検査部位の空隙率を算出することができ、反射波解析手段には、雑音除去手段を前置することができる。

また、透過波解析手段は、固相を伝搬するファスト波、液相を伝搬するスロー波の各伝搬速度に基づいて検査部位の空隙率を算出してもよい。

かかる発明の構成によるときは、反射波解析手段は、検査部位に投射する超音波の反射波に基づいて検査部位の空隙率を算出するが、このようにして算出される空隙率は、検査部位の内部組織が骨と筋肉等の軟組織とからなるとした場合の軟組織の割合を示す。検査部位に投射された超音波は、一般に、骨の表面から反射する他、投射側と反対側の軟組織の表面から反射するからである。一方、透過波解析手段は、骨と軟組織とを透過する透過波の伝搬速度に基づいて検査部位の空隙率を算出するが、このようにして算出される空隙率は、筋肉等の軟組織と、骨髄や骨中の空隙との合計を液相とし、他を固相とする場合の平均的な空隙率である。

そこで、評価手段は、反射波解析手段からの空隙率φe 、透過波解析手段からの空隙率φt に基づいて、
φe ＝（Ｄ−ｄ）／Ｄ＝１−ｄ／Ｄ …（１）
φt ＝（Ｄφe ＋ｄβ）／Ｄ＝φe ＋（ｄ／Ｄ）β …（２）
の各式により、骨の空隙率βを分離して算出することができる。ただし、Ｄは、超音波の投射方向にとる検査部位の全幅、ｄは、同方向にとる検査部位中の骨の全幅である。

また、評価手段は、骨の空隙率βを利用して、
ρb ＝（１−β）ρs ＋βρf …（３）
Ｅb ＝（１−β）Ｅs ＋βＥf …（４）
の各式により、骨の平均密度ρb 、平均ヤング率Ｅb を求めることができる。ただし、ρs 、Ｅs は、それぞれ検査部位の固相部（緻密骨）の密度、ヤング率であり、ρf 、Ｅf は、それぞれ液相部（骨髄、筋肉など）の密度、ヤング率である。骨の平均密度ρb 、平均ヤング率Ｅb は、骨粗鬆症やリウマチなどの骨疾患の診断指標として有効である。

反射波解析手段は、逆方向から投射する超音波の各反射波を利用することにより、超音波の投射方向を逆にしたときの計測値を平均し、骨の全幅ｄを一層精度よく計測することができる。なお、超音波の投射方向を逆方向に反転させるには、超音波の送波側、受波側の双方にそれぞれ切換可能な一対の素子（トランスジューサ）を検査部位の表面側、裏面側に密着させ、一方の素子を送波側にして超音波のパルスを送信し、直ちに受波側に切り換えて反射波を受信し、その後、他方の素子を同様に動作させればよい。また、このとき、検査部位の全幅Ｄは、適当な距離センサにより、各素子の間隔を読み取るものとする。ただし、各素子は、送波側から受波側に切り換えるとき、不要な雑音を生じることがあるため、反射波解析手段には、このような切換時の雑音を除去する雑音除去手段を前置させることが好ましい。

一方、透過波解析手段は、検査部位の表面側、裏面側に密着させる反射波解析手段用の一対の素子をそのまま兼用して使用することができる。すなわち、一方の素子から超音波を送信し、他方の素子により透過波を受信すればよい。なお、一般に、固相を伝搬するファスト波は、伝搬材料の空隙率によって伝搬速度が大きく変化し、空隙率を精度よく検出することができる。これに対し、液相を伝搬するスロー波は、伝搬中の減衰が少なく、受波レベルを大きくすることができる。そこで、透過波解析手段は、ファスト波、スロー波の両方に着目して検査部位の空隙率を算出することが好ましく、有効なデータが得られる限り、両者に基づく空隙率の平均値を採用することが好ましい。

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

超音波診断装置は、パーソナルコンピュータ１０内にソフトウェアによって構成する反射波解析手段１１、透過波解析手段１２を備えてなる（図１）。

超音波診断装置は、骨Ｂを含む検査部位Ｐを対象として、骨Ｂの評価、診断に使用する（図２）。検査部位Ｐは、たとえば腕、指などであり、骨Ｂのまわりには、筋肉等の軟組織Ｍが存在し、骨Ｂの中心部には、骨髄Ｂm が存在する。また、骨Ｂには、微細な空隙Ｂp 、Ｂp …が含まれている。

検査部位Ｐの表面側、裏面側には、超音波の送波側、受波側の双方に切換可能な一対の素子（トランスジューサ）Ｔ1 、Ｔ2 が密着して配置されている。素子Ｔ1 、Ｔ2 には、切換スイッチＳＷを介して励振器２１が接続され、素子Ｔ1 、Ｔ2 の出力は、ディジタルストレージスコープ２２に個別に接続されている。また、ディジタルストレージスコープ２２の出力は、パーソナルコンピュータ１０に入力されている。

ディジタルストレージスコープ２２の出力は、パーソナルコンピュータ１０内において、雑音除去手段１１ａ、１２ａを介して反射波解析手段１１、透過波解析手段１２に分岐接続されている（図１）。反射波解析手段１１、透過波解析手段１２の各出力は、評価手段１３に接続されており、評価手段１３の出力は、ディスプレイ、プリンタなどの出力手段１４に接続されている。なお、反射波解析手段１１には、図示しない距離センサによって検出する素子Ｔ1 、Ｔ2 の距離、すなわち検査部位Ｐの全幅Ｄが入力されている。

図２において、切換スイッチＳＷを介して一方の素子Ｔ1 を励振器２１に接続し、送波側にセットした素子Ｔ1 から超音波のパルスを送信して素子Ｔ1 を受波側に切り換えると、素子Ｔ1 は、検査部位Ｐからの反射波を受信することができる（図３）。ただし、図３（Ａ）は、検査部位Ｐ内における反射波の発生経路を示す模式概念図であり、同図（Ｂ）は、素子Ｔ1 によって受信される反射波波形の一例である。そこで、ディジタルストレージスコープ２２は、図３（Ｂ）の反射波の波形データをそのまま記憶し、必要に応じてパーソナルコンピュータ１０に送出することができる。

一方、切換スイッチＳＷを切り換え、他方の素子Ｔ2 を介して同様の動作を実行すると、検査部位Ｐに対する超音波の投射方向を逆にして、同様の反射波の波形データをディジタルストレージスコープ２２に記憶させることができる。ただし、励振器２１は、素子Ｔ1 、Ｔ2 を１MHz 程度の高周波により励振するものとする。

また、図２において、素子Ｔ1 を励振器２１に接続して送波側とし、素子Ｔ2 を受波側として素子Ｔ1 から超音波を送信すると、素子Ｔ2 により検査部位Ｐを透過する透過波を受信することができる（図４）。ただし、このとき、素子Ｔ2 が受信するのは、素子Ｔ1 から到達する透過波に加えて、素子Ｔ2 、Ｔ1 を介して反射する透過波を含む。図４（Ａ）は、このようにして検査部位Ｐ内を透過する透過波の伝搬経路を示す模式概念図であり、同図（Ｂ）は、素子Ｔ2 によって受信される透過波波形の一例である。

なお、図４（Ａ）の点線は、骨Ｂと素子Ｔ2 との間に生じる反射波を示し、この反射波は、同図（Ｂ）において、間隔が狭い規則正しいピークとして検出されている。また、同図（Ｂ）には、固相を伝搬するファスト波、液相を伝搬するスロー波が個別に検出されている。ただし、図４（Ｂ）において、Δｔs 、Δｔf は、それぞれファスト波、スロー波が検査部位Ｐを透過して往復するに要する伝搬時間である。ディジタルストレージスコープ２２は、図４（Ｂ）の透過波の波形データをそのまま記憶し、必要に応じてパーソナルコンピュータ１０に送出することができる。

反射波解析手段１１は、雑音除去手段１１ａを介してディジタルストレージスコープ２２からの反射波の波形データを取得すると、それを解析することにより、反射波に基づく検査部位Ｐの空隙率φe ＝（Ｄ−ｄ）／Ｄ＝１−ｄ／Ｄを算出する。検査部位Ｐの全幅Ｄは、図示しない距離センサの出力として取得するものとし、骨Ｂの全幅ｄは、図３（Ａ）、（Ｂ）より、
Ｌ2 ＝Δｔ1 ・Ｖb ／２＝ｄ
Ｌ3 ＝Δｔ2 ・Ｖm ／２
Ｌ1 ＋Ｌ2 ＋Ｌ3 ＝Ｄ
の各式から算出することができる。ただし、Ｖb 、Ｖm は、それぞれ骨Ｂ内、軟組織Ｍ内の超音波の伝搬速度であり、たとえばＶb ＝２７７５ｍ／ｓ、Ｖm ＝１４８２．９ｍ／ｓである。また、検査部位Ｐ内の距離Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 は、素子Ｔ1 から超音波を送信するとして図３（Ａ）のように定め、時間差Δｔ1 、Δｔ2 は、素子Ｔ1 に近い側、遠い側の骨Ｂの各表面、素子Ｔ1 から遠い側の検査部位Ｐの表面からの各反射波が素子Ｔ1 に到達するまでの時間差である（図３（Ｂ））。

なお、反射波解析手段１１は、素子Ｔ1 、Ｔ2 を切り換えて同様に超音波のパルスを送受信し、超音波の投射方向を正逆にしたときの骨Ｂの全幅ｄ＝Ｌ2 の平均値に基づいて、検査部位Ｐの空隙率φe を算出するものとする。

素子Ｔ1 、Ｔ2 は、送波側にして超音波のパルスを送信し、直ちに受波側にして反射波を受信するが、切換時に雑音を発生することがある。そこで、雑音除去手段１１ａは、たとえば、ディジタルストレージスコープ２２に記憶される波形データをフーリエ変換し、雑音域の低周波成分をカットしてフーリエ逆変換することにより、素子Ｔ1 、Ｔ2 を送波側から受波側に切り換える際に発生する雑音を除去することができる。ちなみに、図３（Ｂ）の反射波の波形データは、雑音除去手段１１ａによる雑音除去後の波形を示している。

一方、透過波解析手段１２は、雑音除去手段１２ａを介してディジタルストレージスコープ２２からの透過波の波形データを取得すると、透過波に基づく検査部位Ｐの空隙率φt ＝ｆ（Ｖ）を算出する。ここで、超音波の伝搬速度Ｖは、図４（Ｂ）のファスト波、スロー波のいずれに着目するかにより、
Ｖf ＝Ｄ／（Δｔf ／２）＝２Ｄ／Δｔf
または
Ｖs ＝Ｄ／（Δｔs ／２）＝２Ｄ／Δｔs
のいずれかであり、関数ｆは、ファスト波、スロー波に対応して、たとえば図５の曲線の一方を適用するものとする。そこで、透過波解析手段１２は、ファスト波、スロー波にそれぞれ着目するときの空隙率φt の平均値を採用するものとする。なお、図５は、Ｂｉｏｔの式として知られる多孔質性物体内の超音波の伝搬速度Ｖf 、Ｖs の理論式を、海綿骨中を伝搬するファスト波、スロー波に適用して線図化したものである。雑音除去手段１２ａは、透過波の波形データに含まれる不用な雑音を除去し、必要に応じて設ければよい。

評価手段１３は、反射波解析手段１１からの空隙率φe 、透過波解析手段１２からの空隙率φt に基づき、検査部位Ｐ内の骨Ｂの空隙率βを算出することができる。φe 、φt 、βの間には、前述の（１）、（２）式が成立するからである。すなわち、透過波に基づく空隙率φt は、検査部位Ｐの全幅Ｄに対する骨Ｂの液相幅ｄβと、軟組織Ｍの幅Ｄφe との和に等しい（図６）。ただし、図６は、図２の素子Ｔ1 、Ｔ2 間の検査部位Ｐの断面構成を透過波の伝搬経路に沿って模式化して示している。

つづいて、評価手段１３は、前述の（３）、（４）式を使用して、骨Ｂの平均密度ρb 、平均ヤング率Ｅb を求め、健常者のそれと比較して有効な診断結果を得ることができる。評価手段１３は、その後、出力手段１４を介し、反射波解析手段１１、透過波解析手段１２による解析結果、評価手段１３による計算結果、診断結果を含むデータをデータ出力する。

なお、以上の一連の動作は、パーソナルコンピュータ１０に組み込む図示しない統括制御手段を介し、励振器２１、切換スイッチＳＷ、素子Ｔ1 、Ｔ2 、ディジタルストレージスコープ２２に対する各動作指令を適切に出力し、反射波解析手段１１、透過波解析手段１２、評価手段１３を適時に起動させることにより、必要なすべての診断工程を全自動化することが可能である。

全体ブロック系統図 使用状態模式図 動作説明図（１） 動作説明図（２） 動作説明線図 動作説明模式図

符号の説明

Ｐ…検査部位
Ｂ…骨
φe 、φt 、β…空隙率
ρb …平均密度
Ｅb …平均ヤング率
１１…反射波解析手段
１１ａ…雑音除去手段
１２…透過波解析手段
１３…評価手段

特許出願人 株式会社 越 屋
代理人 弁理士 松 田 忠 秋

Claims (4)

1. 骨を含む検査部位に投射する超音波の反射波、透過波にそれぞれ基づいて検査部位の空隙率を算出する反射波解析手段、透過波解析手段と、前記反射波解析手段、透過波解析手段からの各空隙率に基づいて検査部位の骨の空隙率を算出し、骨の平均密度、平均ヤング率を算出する評価手段とを備えてなる超音波診断装置。
2. 前記反射波解析手段は、逆方向から投射する超音波の各反射波に基づいて検査部位の空隙率を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記反射波解析手段には、雑音除去手段を前置することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記透過波解析手段は、固相を伝搬するファスト波、液相を伝搬するスロー波の各伝搬速度に基づいて検査部位の空隙率を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の超音波診断装置。
   

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