JP2009153945A - Bone thickness measurement apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波を用いて骨の厚み、特に、皮質骨の厚みを測定する骨厚み測定装置に関する。 The present invention relates to a bone thickness measuring apparatus that measures the thickness of bone using ultrasonic waves, particularly the thickness of cortical bone.
従来から、骨粗鬆症の診断や、インプラント(人工歯根)の手術前の診断などのために、骨の強度を診断する様々な装置が知られている。そのような装置として、X線を用いた装置があるが、装置が大がかりになり、放射線の被爆という問題がある。 Conventionally, various apparatuses for diagnosing bone strength are known for diagnosis of osteoporosis, diagnosis of an implant (artificial tooth root) before surgery, and the like. As such a device, there is a device using X-rays. However, the device becomes large and there is a problem of radiation exposure.
そこで、このような問題が生じない安全な装置として、超音波を利用して骨強度を診断する装置が開発されている。そのような超音波を用いた装置としては、例えば、特許文献1に開示されている骨密度測定装置がある。骨強度の評価指標としては、骨密度や、骨の厚み(皮質骨の厚み)などがあるが、特許文献1の装置は、特に骨密度に着目して骨強度を診断している。この骨密度測定装置は、被検体の両側を超音波送波器と超音波受波器とで挟み込み、被検体内中の超音波の通過速度から骨密度を算出するものである。この骨密度測定装置では、例えば、送波器と受波器によって挟み込むことの容易な踵骨を測定対象としている。
Therefore, as a safe device that does not cause such a problem, a device for diagnosing bone strength using ultrasonic waves has been developed. As an apparatus using such an ultrasonic wave, for example, there is a bone density measuring apparatus disclosed in
しかしながら、上述した特許文献1の装置は、あくまでも骨密度を測定する装置であって、骨の厚みを測定するための装置ではない。また、上述した特許文献1の装置では、被検体の両側を超音波送波器と超音波受波器とで挟み込む必要がある。そのため、例えば、顎骨など両側から挟みにくい部位の測定には適しておらず、測定対象が限定される。
However, the device disclosed in
そこで、本願発明者らは、骨強度の指標の1つである骨厚みに着目し、本発明の目的を、骨厚みを安定して測定することのできる骨厚み測定装置を提供することとする。 Accordingly, the inventors of the present application pay attention to bone thickness, which is one of the indices of bone strength, and provide an object of the present invention to provide a bone thickness measuring device that can stably measure bone thickness. .
請求項1の骨厚み測定装置は、骨に対して超音波を送波するとともに、前記骨の表面からの第1反射波、及び、前記骨の裏面からの第2反射波を受波する超音波送受波部と、前記超音波送受波部によって、前記第1反射波と前記第2反射波がそれぞれ受波された時間の差に基づいて、前記骨の厚みを算出する骨厚み演算部とを備え、前記超音波送受波部は、同一平面上に配列され、それぞれ超音波の送波及び受波の両方が可能な、複数の超音波振動子を有することを特徴とする。
The bone thickness measuring device according to
骨に対して超音波が送波されると、骨の表面で反射した第1反射波と、骨の内部を伝播して骨の裏面で反射した第2反射波とが生じる。超音波送受波部は、骨に対して超音波を送波した後、第1反射波と第2反射波をそれぞれ受波する。第2反射波は、骨の表面から裏面の間を往復する分、第1反射波に対して遅れて戻ってくる。即ち、2つの反射波の時間差は、超音波が骨表面から骨裏面までの間を往復する時間に相当する。そのため、骨厚み演算部は、第1反射波と第2反射波の受波時間の差に基づいて、骨の厚みを算出することができる。また、このように、骨厚み測定装置では、反射波を用いて測定を行うため、骨の一方側に超音波の送波と受波を行う機器が配置される。そのため、様々な部位の骨厚みを測定することができる。 When ultrasonic waves are transmitted to the bone, a first reflected wave reflected on the surface of the bone and a second reflected wave propagated through the bone and reflected on the back surface of the bone are generated. The ultrasonic wave transmitting / receiving unit receives the first reflected wave and the second reflected wave after transmitting the ultrasonic wave to the bone. The second reflected wave returns with a delay from the first reflected wave by the amount reciprocating between the front surface and the back surface of the bone. That is, the time difference between the two reflected waves corresponds to the time for the ultrasonic wave to reciprocate between the bone surface and the bone back surface. Therefore, the bone thickness calculation unit can calculate the bone thickness based on the difference between the reception times of the first reflected wave and the second reflected wave. In this way, in the bone thickness measuring apparatus, since the measurement is performed using the reflected wave, a device that transmits and receives an ultrasonic wave is arranged on one side of the bone. Therefore, the bone thickness of various parts can be measured.
また、超音波送受波部は、超音波の送波及び受波の両方が可能な、複数の超音波振動子を有する。超音波送受波部は、複数の超音波振動子によって同時に骨に対して超音波を送波しつつ、はね返ってきた反射波を、複数の超音波振動子のうち受波を行う超音波振動子によって受波する。従って、超音波送受波部は、反射波を確実に受波するためには、骨に対してほぼ垂直に超音波を入射することが望ましい。しかし、骨は脂肪や筋肉などの軟組織で覆われているため、外部からは骨に対する入射方向がわかりにくい。そのため、結果的に、骨に対して超音波が斜めに入射されてしまう場合がある。 The ultrasonic transmission / reception unit includes a plurality of ultrasonic transducers that can both transmit and receive ultrasonic waves. The ultrasonic transmission / reception unit transmits ultrasonic waves to the bone simultaneously by a plurality of ultrasonic transducers, and receives the reflected wave that has bounced out of the plurality of ultrasonic transducers. Receive by. Therefore, it is desirable for the ultrasonic wave transmitting / receiving unit to receive the ultrasonic wave substantially perpendicularly to the bone in order to reliably receive the reflected wave. However, since the bone is covered with soft tissues such as fat and muscle, the incident direction to the bone is difficult to understand from the outside. As a result, ultrasonic waves may be incident on the bone obliquely.
1つの超音波振動子によって超音波の送波と受波の両方を行う場合、上記問題を解決するために、超音波を骨に対して斜めに入射しても、その反射波を受波できるようにするには、超音波を送波する送波面(超音波振動子の振動面)を大きくすることが考えられる。しかし、一般的に、振動面を大きくすると、受波時の指向性が狭くなる。そのため、たとえ送波面を大きくしても、狭い指向性の範囲内でしか反射波を受波できない。 When both ultrasonic wave transmission and reception are performed by one ultrasonic transducer, the reflected wave can be received even if the ultrasonic wave is incident obliquely on the bone in order to solve the above problem. In order to achieve this, it is conceivable to increase the transmission surface for transmitting ultrasonic waves (vibration surface of the ultrasonic transducer). However, generally, when the vibration surface is enlarged, the directivity at the time of reception is narrowed. Therefore, even if the transmission surface is enlarged, the reflected wave can be received only within a narrow directivity range.
一方、本発明の超音波送受部では、超音波の送波面が、複数の超音波振動子の振動面で構成される。また、反射波の受波は、複数の超音波振動子のうち受波を行う超音波振動子ごとに独立して行われる。そのため、1つの超音波振動子によって超音波の送波と受波の両方を行う場合に比べて、受波時の指向性を広くすることができると同時に、送波面を大きくすることができる。従って、超音波を骨に対して斜めに入射した場合であっても、その反射波を受波することが可能となり、安定して骨の厚みを測定することができる。 On the other hand, in the ultrasonic transmission / reception unit of the present invention, the ultrasonic wave transmission surface is constituted by the vibration surfaces of a plurality of ultrasonic transducers. The reception of the reflected wave is performed independently for each ultrasonic transducer that receives the wave among the plurality of ultrasonic transducers. Therefore, compared to the case where both ultrasonic wave transmission and reception are performed by one ultrasonic transducer, the directivity at the time of wave reception can be widened, and at the same time the wave transmission surface can be enlarged. Therefore, even when an ultrasonic wave is incident obliquely on the bone, the reflected wave can be received, and the thickness of the bone can be measured stably.
請求項2の骨厚み測定装置は、請求項1において、前記複数の超音波振動子のうちの受波を行う超音波振動子を決定する受波振動子決定手段を備えることを特徴とする。 A bone thickness measurement apparatus according to a second aspect of the present invention is the apparatus according to the first aspect, further comprising: a wave receiving transducer determining unit that determines an ultrasonic transducer that performs wave reception among the plurality of ultrasonic transducers.
この構成によると、超音波送受波部は、複数の超音波振動子によって同時に骨に対して超音波を送波しつつ、はね返ってきた反射波を、複数の超音波振動子のうち、受波振動子決定手段によって決定された超音波振動子によって受波する。骨の厚みを算出するためには、送波された超音波によって生じる反射波を全て受波する必要はなく、反射波の一部を受波できればよい。そのため、超音波の受波面は、送波面よりも小さくてもよい。そして、複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子によって、受波を行うことにより、全ての超音波振動子によって受波を行うように構成されている場合に比べて、不要に超音波を受波する超音波振動子が少ないため、受波信号を処理するための電気的構成を簡略化でき、コストを低下できる。また、骨の形状によっては、どのように超音波送受波部を設置しても超音波を骨に対して斜めに入射されてしまう場合が考えられるが、このような場合であっても、超音波を受波する受波面の位置を、反射波が戻ってくる位置に設定することにより、確実に反射波を受波することができる。 According to this configuration, the ultrasonic transmission / reception unit transmits the ultrasonic wave to the bone simultaneously with the plurality of ultrasonic transducers, and receives the reflected wave that has rebounded among the plurality of ultrasonic transducers. A wave is received by the ultrasonic transducer determined by the transducer determining means. In order to calculate the thickness of the bone, it is not necessary to receive all the reflected waves generated by the transmitted ultrasonic waves, as long as a part of the reflected waves can be received. Therefore, the ultrasonic wave receiving surface may be smaller than the wave transmitting surface. And, it is unnecessary compared with the case where receiving is performed by some ultrasonic transducers among a plurality of ultrasonic transducers, and receiving is performed by all ultrasonic transducers. In addition, since there are few ultrasonic transducers that receive ultrasonic waves, the electrical configuration for processing the received signals can be simplified, and the cost can be reduced. In addition, depending on the shape of the bone, it may be possible that the ultrasonic wave is obliquely incident on the bone no matter how the ultrasonic transmission / reception unit is installed. By setting the position of the wave receiving surface that receives the sound wave to a position where the reflected wave returns, the reflected wave can be reliably received.
請求項3の骨厚み測定装置は、骨に対して超音波を送波するとともに、前記骨の表面からの第1反射波、及び、前記骨の裏面からの第2反射波を受波する超音波送受波部と、前記超音波送受波部によって、前記第1反射波と前記第2反射波がそれぞれ受波された時間の差に基づいて、前記骨の厚みを算出する骨厚み演算部とを備え、前記超音波送受波部は、同一平面上に配置された、超音波の送波及び受波の両方を行う送受波用超音波振動子、及び、超音波の送波のみを行う送波専用超音波振動子を有することを特徴とする。 The bone thickness measuring device according to claim 3 transmits an ultrasonic wave to the bone, and receives a first reflected wave from the surface of the bone and a second reflected wave from the back surface of the bone. A bone thickness calculator that calculates the thickness of the bone based on a difference in time at which the first reflected wave and the second reflected wave are received by the ultrasonic transmitting / receiving unit, and the ultrasonic transmitting / receiving unit; The ultrasonic transmission / reception unit is disposed on the same plane, and transmits / receives an ultrasonic transducer for both transmission and reception of ultrasonic waves, and a transmission / reception unit that transmits only ultrasonic waves. It has a wave-dedicated ultrasonic transducer.
超音波送受波部は、骨に対して超音波を送波し、骨の表面で反射した第1反射波と、骨の裏面で反射した第2反射波をそれぞれ受波する。2つの反射波の時間差は、超音波が骨表面から骨裏面までの間を往復する時間に相当する。そのため、骨厚み演算部は、第1反射波と第2反射波の受波時間の差に基づいて、骨の厚みを算出することができる。また、このように、骨厚み測定装置では、反射波を用いて測定を行うため、骨の一方側に超音波の送波と受波を行う機器が配置される。そのため、様々な部位の骨厚みを測定することができる。 The ultrasonic wave transmitting / receiving unit transmits an ultrasonic wave to the bone, and receives the first reflected wave reflected from the surface of the bone and the second reflected wave reflected from the back surface of the bone. The time difference between the two reflected waves corresponds to the time for the ultrasonic wave to reciprocate between the bone surface and the bone back surface. Therefore, the bone thickness calculation unit can calculate the bone thickness based on the difference between the reception times of the first reflected wave and the second reflected wave. In this way, in the bone thickness measuring apparatus, since the measurement is performed using the reflected wave, a device that transmits and receives an ultrasonic wave is arranged on one side of the bone. Therefore, the bone thickness of various parts can be measured.
また、超音波送受波部は、超音波の送波及び受波の両方を行う送受波用超音波振動子、及び、超音波の送波のみを行う送波専用超音波振動子を有する。超音波送受波部は、送受波用超音波振動子と送波専用超音波振動子によって同時に骨に対して超音波を送波しつつ、はね返ってきた反射波を送受波用超音波振動子によって受波する。従って、超音波送受波部は、反射波を確実に受波するためには、骨に対してほぼ垂直に超音波を入射することが望ましい。しかし、骨は脂肪や筋肉などの軟組織で覆われているため、外部からは骨に対する入射方向がわかりにくいため、結果的に、骨に対して超音波が斜めに入射されてしまう場合がある。 The ultrasonic transmission / reception unit includes a transmission / reception ultrasonic transducer that performs both transmission and reception of ultrasonic waves and a dedicated ultrasonic transducer for transmission that performs only transmission of ultrasonic waves. The ultrasonic transmission / reception unit transmits ultrasonic waves to the bone at the same time by the ultrasonic transducer for transmission / reception and the ultrasonic transducer for transmission, and reflects the reflected wave by the ultrasonic transducer for transmission / reception. Receive a wave. Therefore, it is desirable for the ultrasonic wave transmitting / receiving unit to receive the ultrasonic wave substantially perpendicularly to the bone in order to reliably receive the reflected wave. However, since the bone is covered with soft tissues such as fat and muscle, the incident direction with respect to the bone is difficult to understand from the outside, and as a result, the ultrasonic wave may be obliquely incident on the bone.
超音波送受部は、超音波の送波面が、送受波用超音波振動子と送波専用超音波振動子の振動面で構成されている。また、反射波の受波は、送受波用超音波振動子によって行われる。そのため、1つの超音波振動子によって超音波の送波と受波の両方を行う場合に比べて、受波時の指向性を狭くすることなく、送波面を大きくすることができる。従って、超音波を骨に対して斜めに入射した場合であっても、その反射波を受波することが可能となり、安定して骨の厚みを測定することができる。尚、骨の厚みを算出するためには、送波された超音波によって生じる反射波を全て受波する必要はなく、反射波の一部を受波できればよい。そのため、超音波の受波面は、送波面よりも小さくてもよい。従って、超音波送受波部が超音波の送波と受波の両方が可能な複数の超音波振動子で構成される場合に比べて、不要な超音波の受波を行う超音波振動子の数が少ないため、受波信号を処理するための電気的構成を簡略化でき、コストを低下できる。 In the ultrasonic transmission / reception unit, the ultrasonic wave transmission surface is constituted by the vibration surfaces of the ultrasonic transducer for transmission / reception and the ultrasonic transducer dedicated for transmission. Further, the reflected wave is received by an ultrasonic transducer for transmitting and receiving waves. Therefore, compared with the case where both ultrasonic wave transmission and reception are performed by one ultrasonic transducer, the wave transmission surface can be enlarged without narrowing the directivity during reception. Therefore, even when an ultrasonic wave is incident obliquely on the bone, the reflected wave can be received, and the thickness of the bone can be measured stably. In order to calculate the thickness of the bone, it is not necessary to receive all the reflected waves generated by the transmitted ultrasonic waves, and it is sufficient that a part of the reflected waves can be received. Therefore, the ultrasonic wave receiving surface may be smaller than the wave transmitting surface. Therefore, compared with the case where the ultrasonic transmission / reception unit is configured by a plurality of ultrasonic transducers capable of both transmitting and receiving ultrasonic waves, the ultrasonic transducers that receive unnecessary ultrasonic waves Since the number is small, the electrical configuration for processing the received signal can be simplified, and the cost can be reduced.
請求項4の骨厚み測定装置は、顎骨の皮質骨に対して超音波を送波するとともに、前記顎骨の皮質骨の表面からの第1反射波、及び、前記顎骨の皮質骨の裏面からの第2反射波を受波する超音波送受波部と、前記超音波送受波部によって、前記第1反射波と前記第2反射波がそれぞれ受波された時間の差に基づいて、前記顎骨の皮質骨の厚みを算出する骨厚み演算部とを備え、前記超音波送受波部は、同一平面上に配置された、超音波の送波及び受波の両方を行う送受波用超音波振動子、及び、超音波の送波のみを行う送波専用超音波振動子を有することを特徴とする。 The bone thickness measuring device according to claim 4 transmits ultrasonic waves to the cortical bone of the jawbone, and includes a first reflected wave from the surface of the cortical bone of the jawbone and a back surface of the cortical bone of the jawbone. Based on the difference between the time when the first reflected wave and the second reflected wave are received by the ultrasonic wave transmitting / receiving unit receiving the second reflected wave and the ultrasonic wave transmitting / receiving unit, A transmission / reception ultrasonic transducer for performing both transmission and reception of ultrasonic waves, the ultrasonic transmission / reception unit being arranged on the same plane, and a bone thickness calculation unit for calculating the thickness of cortical bone And a transmission-dedicated ultrasonic transducer that performs only ultrasonic transmission.
超音波送受波部は、顎骨の皮質骨に対して超音波を送波した後、顎骨の皮質骨の表面で反射した第1反射波と、顎骨の皮質骨の裏面で反射した第2反射波をそれぞれ受波する。2つの反射波の時間差は、超音波が顎骨の皮質骨の表面から裏面までの間を往復する時間に相当する。そのため、骨厚み演算部は、第1反射波と第2反射波の受波時間の差に基づいて、顎骨の皮質骨の厚みを算出することができる。また、このように、骨厚み測定装置では、反射波を用いて測定を行うため、顎骨の一方側に超音波の送波と受波を行う機器が配置すればよい。そのため、顎骨の皮質骨の厚みを容易に測定することができる。 The ultrasonic wave transmitting / receiving unit transmits an ultrasonic wave to the cortical bone of the jawbone, and then reflects the first reflected wave reflected on the surface of the cortical bone of the jawbone and the second reflected wave reflected on the back surface of the cortical bone of the jawbone. Is received. The time difference between the two reflected waves corresponds to the time for the ultrasonic wave to reciprocate between the front surface and the back surface of the cortical bone of the jawbone. Therefore, the bone thickness calculation unit can calculate the thickness of the cortical bone of the jawbone based on the difference between the reception times of the first reflected wave and the second reflected wave. In this way, in the bone thickness measurement apparatus, since the measurement is performed using the reflected wave, a device for transmitting and receiving ultrasonic waves may be arranged on one side of the jawbone. Therefore, the thickness of the cortical bone of the jawbone can be easily measured.
また、超音波送受波部は、超音波の送波及び受波の両方を行う送受波用超音波振動子、及び、超音波の送波のみを行う送波専用超音波振動子を有する。超音波送受波部は、送受波用超音波振動子と送波専用超音波振動子によって同時に顎骨に対して超音波を送波しつつ、はね返ってきた反射波を送受波用超音波振動子によって受波する。反射波を確実に受波するためには、顎骨の皮質骨に対してほぼ垂直に超音波を入射することが望ましいが、外部からは顎骨に対する入射方向がわかりにくいため、結果的に、顎骨の皮質骨に対して超音波が斜めに入射されてしまう場合がある。 The ultrasonic transmission / reception unit includes a transmission / reception ultrasonic transducer that performs both transmission and reception of ultrasonic waves and a dedicated ultrasonic transducer for transmission that performs only transmission of ultrasonic waves. The ultrasonic transmission / reception unit simultaneously transmits ultrasonic waves to the jawbone by the ultrasonic transducer for transmission / reception and the ultrasonic transducer for transmission, and reflects the reflected wave by the ultrasonic transducer for transmission / reception. Receive a wave. In order to receive the reflected wave reliably, it is desirable that the ultrasonic waves be incident almost perpendicular to the cortical bone of the jawbone, but the direction of incidence on the jawbone is difficult to understand from the outside, and as a result, the jawbone In some cases, ultrasonic waves are incident obliquely on the cortical bone.
超音波送受部は、超音波の送波面が、送受波用超音波振動子と送波専用超音波振動子の振動面で構成されている。また、反射波の受波は、送受波用超音波振動子によって行われる。そのため、1つの超音波振動子によって超音波の送波と受波の両方を行う場合に比べて、受波時の指向性を狭くすることなく、送波面を大きくすることができる。従って、超音波を顎骨の皮質骨に対して斜めに入射した場合であっても、その反射波を受波することが可能となり、安定して顎骨の皮質骨の厚みを測定することができる。尚、顎骨の皮質骨の厚みを算出するためには、送波された超音波によって生じる反射波を全て受波する必要はなく、反射波の一部を受波できればよい。そのため、超音波の受波面は、送波面よりも小さくてもよい。従って、超音波送受波部が超音波の送波と受波の両方が可能な複数の超音波振動子で構成される場合に比べて、不要な超音波の受波を行う超音波振動子の数が少ないため、受波信号を処理するための電気的構成を簡略化でき、コストを低下できる。 In the ultrasonic transmission / reception unit, the ultrasonic wave transmission surface is constituted by the vibration surfaces of the ultrasonic transducer for transmission / reception and the ultrasonic transducer dedicated for transmission. Further, the reflected wave is received by an ultrasonic transducer for transmitting and receiving waves. Therefore, compared with the case where both ultrasonic wave transmission and reception are performed by one ultrasonic transducer, the wave transmission surface can be enlarged without narrowing the directivity during reception. Therefore, even when ultrasonic waves are incident obliquely on the cortical bone of the jawbone, the reflected wave can be received, and the thickness of the cortical bone of the jawbone can be measured stably. In order to calculate the thickness of the cortical bone of the jawbone, it is not necessary to receive all the reflected waves generated by the transmitted ultrasonic waves, and it is sufficient that a part of the reflected waves can be received. Therefore, the ultrasonic wave receiving surface may be smaller than the wave transmitting surface. Therefore, compared with the case where the ultrasonic transmission / reception unit is configured by a plurality of ultrasonic transducers capable of both transmitting and receiving ultrasonic waves, the ultrasonic transducers that receive unnecessary ultrasonic waves Since the number is small, the electrical configuration for processing the received signal can be simplified, and the cost can be reduced.
請求項5の骨厚み測定装置は、請求項1〜4の何れかにおいて、前記超音波送受波部が、超音波の受波を行う超音波振動子を少なくとも2つ以上有しており、前記2つ以上の超音波振動子がそれぞれ受波した前記第1反射波と前記第2反射波の何れかの位相差に基づいて、前記骨に対する前記超音波の入射方向を検出する入射方向検出部を備えることを特徴とする。
The bone thickness measuring device according to
入射方向検出部によって、骨に対する超音波の入射方向を検出することにより、この検出された入射方向に応じて、超音波送受波部から超音波を送波する方向を調整することができる。これにより、骨に対してより垂直に超音波を入射することができる。そのため、より安定して測定を行うことができるとともに、測定精度が向上する By detecting the incident direction of the ultrasonic wave to the bone by the incident direction detecting unit, the direction in which the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting / receiving unit can be adjusted according to the detected incident direction. Thereby, an ultrasonic wave can be incident more perpendicularly to the bone. Therefore, measurement can be performed more stably and measurement accuracy is improved.
請求項6の骨厚み測定装置は、請求項3又は4において、前記送受波用超音波振動子は、前記送波専用超音波振動子によって囲まれており、全ての超音波振動子の振動面を合わせた面の外縁形状が、円形状又は多角形状であり、全ての前記送受波用超音波振動子の振動面を合わせた面の形状が、円形状又は多角形状であることを特徴とする。超音波送受波部の有する超音波振動子の構成の一例である。
The bone thickness measuring device according to
請求項7の骨厚み測定装置は、請求項1〜6において、前記骨厚み演算部が、前記受波された時間の差と、前記骨中を伝播する超音波の音速の仮定値とを用いて、前記骨の厚みを算出することを特徴とする。 A bone thickness measurement apparatus according to a seventh aspect of the present invention is the bone thickness measurement apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the bone thickness calculation unit uses the difference between the received times and the assumed value of the speed of ultrasonic waves propagating through the bone. Then, the thickness of the bone is calculated.
骨の厚みは、骨中を厚み方向に伝播する超音波の音速と、第1反射波と第2反射波の受波された時間の差から算出することができる。骨中の音速、及び、骨の厚みはいずれも個体差があるが、骨中の音速の個体差によるばらつきは、骨の厚みの個体差によるばらつきに比べて小さい。そのため、骨中の音速を一定値と仮定して骨の厚みを算出することにより、簡便に骨の厚みを算出することができる。 The thickness of the bone can be calculated from the difference between the sound velocity of the ultrasonic wave propagating through the bone in the thickness direction and the time when the first reflected wave and the second reflected wave are received. Both the sound speed in the bone and the bone thickness have individual differences, but the variation due to the individual difference in the sound speed in the bone is smaller than the variation due to the individual difference in the bone thickness. Therefore, by calculating the bone thickness assuming that the sound speed in the bone is a constant value, the bone thickness can be calculated easily.
請求項8の骨厚み測定装置は、請求項7において、前記仮定値が、3000〜3300m/sの範囲内であることを特徴とする。骨中の音速の仮定値を上述した範囲内に設定することにより、精度良く骨の厚みを算出することができる。 The bone thickness measuring apparatus according to an eighth aspect is characterized in that, in the seventh aspect, the assumed value is in a range of 3000 to 3300 m / s. By setting the assumed value of the sound velocity in the bone within the above-described range, the bone thickness can be calculated with high accuracy.
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態について説明する。
図1に示すように、本実施形態の骨厚み測定装置1は、測定部位の皮質骨に対してほぼ垂直に超音波を送波し、皮質骨の表面及び皮質骨の裏面からの反射波を受波することにより、2つの反射波の受波された時間差に基づいて、皮質骨の厚みを測定する装置である。図1に示すように、骨厚み測定装置1は、下顎骨の皮質骨を測定部位とする。また、上顎骨の皮質骨を測定部位とすることもできる。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the bone
図2に示すように、骨は、皮質骨60と、皮質骨60の内部に存在する網目状の海綿骨61とから構成されている。また、皮質骨の表面63は、脂肪や筋肉などの軟組織62で覆われている。ここで、皮質骨の表面63と反対側の面、つまり、海綿骨61と皮質骨60との界面を、皮質骨裏面64とする。皮質骨表面63は、皮質骨裏面64に対して、平行もしくは僅かに傾斜している。また、皮質骨60の厚みDは、皮質骨表面63及び皮質骨裏面64にほぼ直交する皮質骨60の長さである。
As shown in FIG. 2, the bone is composed of
図1に示すように、骨厚み測定装置1は、超音波送受波器2と、パルス発生器3と、送受信分離部4と、受信部5、信号処理部6と、制御装置7と、表示部8を備える。超音波送受波器2は、送受信分離部4を介して、パルス発生器3と受信部5に接続されている。また、受信部5は、信号処理部6に接続されている。制御装置7は、パスル発生器3と、信号処理部6と、表示部8に接続されている。尚、以下の骨厚み測定装置1の説明において、図1に示す上下方向を上下方向、図1に示す左右方向を左右方向と定義する。
As shown in FIG. 1, the bone
図2に示すように、超音波送受波器2は、皮膚表面65に当接される当接面2aを有している。超音波送受波器2は、この当接面2aが皮質骨60とほぼ平行になるように、測定部位の皮膚表面65に配置される。
As shown in FIG. 2, the ultrasonic transducer 2 has a
超音波送受波器2は、送受信分離部4を介して、パルス発生器3から送られる電気パルス信号に応じて、測定部位の皮質骨60に対してほぼ垂直に超音波パルス(入射パルス)40を送波する。また、超音波送受波器2は、入射パルス40が皮質骨表面63で反射した第1反射波41、及び、入射パルス40が皮質骨裏面64で反射した第2反射波42をそれぞれ受波する。そして、超音波送受波器2は、第1反射波41及び第2反射波42を受波すると、受波信号を、送受信分離部4を介して受信部5に送信する。
The ultrasonic transducer 2 receives an ultrasonic pulse (incident pulse) 40 substantially perpendicular to the
図3(a)に示すように、超音波送受波器2は、振動子群20を有する。振動子群20は、同一平面上に配置された、超音波の送波及び受波の両方を行う4つの超音波振動子(以下、送受波用振動子という)21〜24と、超音波の送波のみを行う1つの超音波振動子(以下、送波専用振動子という)25とから構成される。図3(a)に示すように、超音波を送波する送波面20aは、送受波用振動子21〜24及び送波専用振動子25の振動面により構成される。また、図3(b)に示すように、超音波を受波する受波面20bは、送受波用振動子21〜24の振動面によって構成されている。
As shown in FIG. 3A, the ultrasonic transducer 2 has a
4つの送受波用振動子21〜24は、全て同一形状であり、それぞれ1辺の長さがWの正方形の平板状に形成されている。送受波用振動子21〜24は、格子状に配置されている。詳細には、送受波用振動子21、23が左右に並んで配置されており、送受波用振動子21、23の上方には送受波用振動子22、24がそれぞれ配置されている。送受波用振動子21〜24は、それぞれ超音波を独立して受波可能に構成されている。送受波用振動子21〜24は、受信部5にパラレルに内蔵されている4つの受信回路にそれぞれ接続されている。受信部5の4つの受信回路は、受波信号を信号処理部6に送信する。さらに、信号処理部6は、この受波信号を一旦その記憶器に記憶した後、その信号処理回路で受波信号のピーク値等を検出して制御装置7へ送信する。
All of the four
送波専用振動子25は、4つの送受波用振動子21〜24を取り囲む形状の平板状に形成されている。送波専用振動子25は、その外形が正方形であって、その中央部に送受波用振動子21〜24が配置されている。つまり、送波専用振動子25の外縁形状、及び、送受波用振動子21〜24の振動面を合わせた面(受波面20b)の形状は、それぞれ正方形状である。
The
送受波用振動子21〜24及び送波専用振動子25としては、例えば、PZT(チタンジルコン酸鉛)圧電素子や、PZTと合成樹脂とからなる、いわゆるコンポジット圧電素子を用いることができる。特に、コンポジット圧電素子を用いることが好ましい。
As the transmission /
超音波送受波器2は、パルス発生器3から一定の周期で送られる電気パルス信号を受信する度に、送受波用振動子21〜24及び送波専用振動子25から、所定の周波数帯域の入射パルス40を同時に送波する。尚、この電気パルス信号の周期は、入射パルス40が送波されてから反射波が戻ってくるまでの時間よりも、十分に長い時間に設定されている。
Each time the ultrasonic transducer 2 receives an electrical pulse signal transmitted from the pulse generator 3 at a constant period, the ultrasonic transducer 2 has a predetermined frequency band from the
超音波送受波器2から皮質骨60に対してほぼ垂直に送波された入射パルス40は、軟組織62中を平面波として伝播し、その一部が皮質骨表面63で反射する。これにより、第1反射波41が生じる。また、皮質骨表面63で反射せずに皮質骨60中を伝播した入射パルス40の一部が、皮質骨60の皮質骨裏面64で反射して、第2反射波42が生じる。
The
第1反射波41(第2反射波42)が、受波面20bに対して、送受波用振動子21〜24の指向性の範囲内の角度で入射することにより、第1反射波41(第2反射波42)は、送受波用振動子21〜24によってそれぞれ受波される。超音波送受波器2は、送受波用振動子21〜24が、第1反射波41(第2反射波42)を受波すると電気信号に変換し、この電気信号(受波信号)を、送受信分離部4を介して受信部5に送信する。
The first reflected wave 41 (second reflected wave 42) is incident on the
尚、超音波を受波する際の超音波振動子の指向性とは、超音波を検出できる角度範囲の広がり具合のことである。指向性は、1つの超音波振動子の振動面の面積や超音波の波長などによって決まる。例えば、面積の大きい振動面に対して、超音波が斜めから入射すると、受波位置で位相がずれるため、干渉により振幅が弱められる。そのため、振動面の面積が小さいほど、また、波長が長いほど、指向性は広くなる。 Note that the directivity of the ultrasonic transducer when receiving ultrasonic waves refers to the extent of the angular range in which ultrasonic waves can be detected. The directivity is determined by the area of the vibration surface of one ultrasonic transducer, the wavelength of the ultrasonic wave, and the like. For example, when an ultrasonic wave is incident obliquely on a vibration surface having a large area, the phase is shifted at the receiving position, and the amplitude is weakened by interference. Therefore, the directivity becomes wider as the area of the vibration surface is smaller and the wavelength is longer.
超音波送受波器2が反射波41、42を確実に受波するためには、皮質骨表面63及び皮質骨裏面64に対してほぼ垂直に入射パルス40を入射することが望ましい。しかし、骨は軟組織62で覆われているため、外部からは皮質骨60に対する入射方向がわかりにくい。そのため、結果的に、皮質骨60に対して入射パルス40が斜めに入射されてしまう場合がある。
In order for the ultrasonic transducer 2 to reliably receive the reflected waves 41 and 42, it is desirable that the
超音波の送波と受波の両方を行う1つの超音波振動子のみを有する超音波送受波器の場合、超音波を骨に対して斜めに入射しても、その反射波を受波できるようにするためには、超音波を送波する送波面(超音波振動子の振動面)を大きくすることが考えられる。しかし、一般的に、振動面を大きくすると、指向性が狭くなる。そのため、たとえ送波面を大きくしても、狭い指向性の範囲内でしか反射波を受波できない。 In the case of an ultrasonic transducer having only one ultrasonic transducer that performs both transmission and reception of ultrasonic waves, the reflected waves can be received even if the ultrasonic waves are incident obliquely on the bone. In order to achieve this, it is conceivable to increase the transmission surface for transmitting ultrasonic waves (vibration surface of the ultrasonic transducer). However, generally, when the vibration surface is enlarged, the directivity is narrowed. Therefore, even if the transmission surface is enlarged, the reflected wave can be received only within a narrow directivity range.
しかし、本実施形態の超音波送受波器2では、送波面20aが、送受波用振動子21〜24と送波専用振動子25の振動面で構成され、また、反射波の受波は、送受波用振動子21〜24によってそれぞれ独立して行われる。そのため、1つの超音波振動子によって超音波の送波と受波の両方を行う場合に比べて、受波時の指向性を狭くすることなく、送波面20aを大きくすることができる。従って、入射パルス40を皮質骨表面63又は皮質骨裏面64に対して斜めに入射した場合であっても、その反射波41、42を受波することが可能となり、安定して皮質骨60の厚みを測定することができる。
However, in the ultrasonic transducer 2 of the present embodiment, the
さらに、受波面20bは、送受波用振動子21〜24の振動面で構成されているため、受波面が1つの送受波用振動子で構成されている場合に比べて、振動面を小さくすることができるため、受波時の指向性を広くすることができる。従って、入射パルス40を皮質骨60に対してより斜めに入射した場合であっても、その反射波41、42を受波することが可能となる。
Furthermore, since the
尚、皮質骨60の厚みを算出するためには、送波された入射パルス40によって生じる反射波41、42を全て受波する必要はなく、反射波41、42の一部を受波できればよい。そのため、超音波の受波面20bは、送波面20aよりも小さくてもよい。従って、超音波送受波器2が、超音波の送波と受波の両方が可能な複数の超音波振動子で構成されている場合に比べて、不要な超音波の受波を行う超音波振動子の数が少ないため、受波信号を処理するための電気的構成を簡略化でき、コストを低下できる。
In order to calculate the thickness of the
また、送波専用振動子25の中央部に送受波用振動子21〜24が配置されているため、受波面20bは送波面20aの中央部に位置している。そのため、送波面20aから送波された入射パルス40が、皮質骨表面63及び皮質骨裏面64に対して、上下方向及び左右方向の何れに傾いている場合であっても、受波面20bはその反射波を受波しやすい。
In addition, since the transmitting / receiving
また、このように反射波を用いて測定を行うため、皮質骨表面63側の皮膚表面65に、1つの超音波送受波器2を配置すればよい。そのため、測定対象である顎骨の厚みを容易に測定することができる。
Further, in order to perform the measurement using the reflected wave in this way, one ultrasonic transducer 2 may be disposed on the
パルス発生器3は、制御装置7の後述する超音波制御部10から信号を受けることにより、送受信分離部4を介して、超音波送受波器2に一定の周期で電気パルス信号を送信する。
The pulse generator 3 transmits an electrical pulse signal to the ultrasonic transducer 2 through the transmission / reception separation unit 4 at a constant period by receiving a signal from an
送受信分離部4は、超音波送受波器2と、パルス発生器3及び受信部5との間に配置されている。送受信分離部4は、パルス発生器3から超音波送受波器2に送られる電気パルス信号(送波信号)が、受信部5に送られるのを防止するとともに、超音波送受波器2から受信部5に送られる電気信号(受波信号)が、パルス発生器3に送られるのを防止する。
The transmission / reception separating unit 4 is disposed between the ultrasonic transducer 2, the pulse generator 3 and the receiving
受信部5は、送受信分離部4と信号処理部6との間に配置されている。受信部5は、並列に配置された4つの受信回路を有しており、これら4つの受信回路は、超音波送受波器2の送受波用振動子21〜24にそれぞれ接続されている。受信部5は、超音波送受波器2から送受信分離部4を介して送られた電気信号(受波信号)を、所定の増幅度で増幅し、デジタル信号に変換した後、信号処理部6に送信する。
The receiving
信号処理部6は、記憶部と信号処理回路とから構成され、受信部5から受信したデジタル信号を一旦記憶部に記憶した後、信号処理回路によって図4に示す受波信号のピーク値等を検出して、制御装置7の骨厚み演算部12や入射方向検出部13へ送信する。
The
制御装置7は、CPU、ROM、RAM等からなり、図1に示すように、超音波制御部10と、演算部11とで構成されており、演算部11は、骨厚み演算部12と、入射方向検出部13とを有する。
The
超音波制御部10は、超音波送受波器2から入射パルス40を送波するための信号をパルス発生器3に送信する。
The
演算部11の骨厚み演算部12は、超音波送受波器2によって、第1反射波41と第2反射波42がそれぞれ受波された時間の差ΔTに基づいて、皮質骨60の厚みDを算出する。詳細には、骨厚み演算部12は、この時間差ΔTと、皮質骨60中の音速Vbの仮定値とを用いて、皮質骨60の厚みDを算出する。
The
以下、骨厚み演算部12による厚みDの算出方法について詳細に説明する。骨厚み演算部12は、先ず、信号処理部6から送られた受波信号に基づいて、時間差ΔTを算出する。
Hereinafter, a method for calculating the thickness D by the
時間差ΔTを導出する方法としては、図4(a)に示すような、横軸を時間、縦軸を受波された超音波(反射波)の強さ(振幅)とした時間領域のグラフを用いる方法と、図4(b)に示すような、横軸を周波数、縦軸をパワースペクトルとする周波数領域のグラフを用いる方法がある。図4(a)及び図4(b)に示すグラフは、信号処理部6から送信された信号を基にして、骨厚み演算部12によって導出される。
As a method for deriving the time difference ΔT, as shown in FIG. 4A, a time domain graph is shown in which the horizontal axis is time and the vertical axis is the intensity (amplitude) of the received ultrasonic wave (reflected wave). There is a method of using and a method of using a frequency domain graph as shown in FIG. 4B, in which the horizontal axis is frequency and the vertical axis is power spectrum. The graphs shown in FIG. 4A and FIG. 4B are derived by the
時間領域のグラフを用いて時間差ΔTを算出する方法としては、第1反射波41及び第2反射波42のそれぞれの最大ピークの時間差ΔT1を算出する、いわゆるピーク時間差法を用いることができる。また、第1反射波41及び第2反射波42のそれぞれの最大ピークの立ち上がり部分と、横軸(振幅0のライン)との交点の時間差ΔT2を算出する、いわゆるゼロクロス法を用いてもよい。
As a method of calculating the time difference ΔT using the time domain graph, a so-called peak time difference method for calculating the time difference ΔT1 of the maximum peaks of the first reflected
但し、皮質骨60の厚みDが薄い場合、図4(a)に示すような時間領域のグラフは、第1反射波41の波形と第2反射波42の波形が部分的に重なるため、時間領域のグラフを用いて時間差ΔTを算出するのが困難となる。このような場合には、図4(b)に示す周波数領域のグラフを用いて、時間差ΔTを算出することが好ましい。以下、周波数領域のグラフを用いて時間差ΔTを算出する方法について説明する。
However, when the thickness D of the
第1反射波41と第2反射波42のそれぞれの時間tの関数を、R1(t)、R2(t)とし、第1反射波41に対する第2反射波42の振幅比をkとすると、受波面20bで受波される超音波R(t)は、R(t)=R1(t)+R2(t)=R1(t)+k・R1(t−ΔT)で表される。また、第2反射波42のフーリエスペクトルF[R2(t)]は、以下の数式1で表される。
Assuming that the functions of the time t of the first reflected
[数1]
F[R2(t)]=k・F[R1(t−ΔT)]
=k・exp(−j2πfΔT)・F[R1(t)]
但し、f:周波数、j:虚数単位とする。
[Equation 1]
F [R2 (t)] = k · F [R1 (t−ΔT)]
= K · exp (−j2πfΔT) · F [R1 (t)]
However, f: frequency and j: imaginary unit.
従って、受波面20bで受波される超音波R(t)のパワースペクトル|P(f)|は、下記の数式2で表される。
Therefore, the power spectrum | P (f) | of the ultrasonic wave R (t) received by the
[数2]
P(f)=|F[R1(t)+R2(t)]|2
=|F[R1(t)]|2・|1+k・exp(−j2πfΔT)|2・
=|F[R1(t)]|2・(1+k2+2k・cos2πfΔT)・
[Equation 2]
P (f) = | F [R1 (t) + R2 (t)] | 2
= | F [R1 (t)] | 2 · | 1 + k · exp (−j2πfΔT) | 2 ·
= | F [R1 (t)] | 2 · (1 + k 2 + 2k · cos 2πfΔT) ·
上記数式2より、P(f)は、cos2πfΔT=1となるときにピークが生じ、cos2πfΔT=−1となるときに落ち込みが生じる。ピークが生じる周波数間隔をΔf1、落ち込みが生じる周波数間隔をΔf2とすると、Δf1=Δf2=1/ΔTで表される。従って、図4(b)に示す周波数領域のグラフから、Δf1又はΔf2を算出すると、ΔTを求めることができる。 From Equation 2, P (f) has a peak when cos2πfΔT = 1, and a drop when cos2πfΔT = −1. If the frequency interval at which the peak occurs is Δf1, and the frequency interval at which the drop occurs is Δf2, Δf1 = Δf2 = 1 / ΔT. Therefore, if Δf1 or Δf2 is calculated from the frequency domain graph shown in FIG. 4B, ΔT can be obtained.
次に、以上のようにして算出された時間差ΔTを用いて、皮質骨60の厚みDを算出する方法について説明する。図2に示すように、送波されてから第1反射波41として受波されるまでの経路と、入射パルス40が送波されてから第2反射波42として受波されるまでの経路との差は、超音波が皮質骨60中を厚さ方向に往復する距離2Dである。即ち、超音波は、時間ΔTの間に、皮質骨60中を距離2Dだけ進む。よって、皮質骨60中を厚み方向に進む超音波の音速をVbとすると、皮質骨60の厚みDは、D=Vb・ΔT/2で表される。そこで、皮質骨60中の音速Vbを一定値と仮定し、この仮定値を上記の式に代入することにより、皮質骨60の厚みDを算出する。音速Vbの仮定値は、例えば、3000〜3300m/sの範囲内に設定することが好ましい。
Next, a method for calculating the thickness D of the
皮質骨60中の音速Vb、及び、皮質骨60の厚みDはいずれも個体差があるが、皮質骨60中の音速Vbの個体差によるばらつきは、皮質骨60の厚みDの個体差によるばらつきに比べて小さい。そのため、皮質骨60中の音速Vbを一定値と仮定して皮質骨60の厚みDを算出することにより、算出された厚みDは、実際の皮質骨60の厚みと概ね一致する。
Although the sound velocity Vb in the
以上のように、皮質骨60中の音速Vbを一定値と仮定して皮質骨60の厚みDを算出することにより、簡便に皮質骨60の厚みDを算出することができる。
As described above, by calculating the thickness D of the
以下、音速Vbの仮定値を、3000〜3300m/sの範囲内に設定することが好ましい理由について説明する。 Hereinafter, the reason why it is preferable to set the assumed value of the sound velocity Vb within the range of 3000 to 3300 m / s will be described.
一般的に、皮質骨中の音速は、伝播する方向によって異なることが知られている。皮質骨中の音速は、荷重が作用する方向に関して比較的速く、3900m/s前後である。荷重が作用する方向とは、通常、皮質骨表面に沿った方向である。 In general, it is known that the speed of sound in cortical bone varies depending on the propagation direction. The speed of sound in the cortical bone is relatively fast in the direction in which the load acts, and is around 3900 m / s. The direction in which the load acts is usually the direction along the cortical bone surface.
一方、皮質骨表面に対してほぼ垂直な方向(皮質骨の厚み方向)の音速は比較的遅く、3000〜3500m/s程度である。具体的には、例えば、70〜94歳の男女17体の大腿骨の皮質骨の厚み方向の超音波音速を測定した結果、図5に示すように、3125〜3565m/sの範囲で分布し、平均値は約3300m/sであり、標準偏差値は91m/sであった。尚、この測定は、以下の手順で行った。即ち、大腿骨の小転子の長管方向に関して3cm下方の位置から骨試料を取り出し、1辺1cm以下の直方体の骨ブロックを作製した後、この骨ブロックを2つの超音波振動子で挟み込み、超音波を骨ブロックに透過させることにより超音波音速を測定した。 On the other hand, the speed of sound in a direction substantially perpendicular to the cortical bone surface (cortical bone thickness direction) is relatively slow, about 3000 to 3500 m / s. Specifically, for example, as a result of measuring the ultrasonic velocity in the thickness direction of the cortical bone of the femurs of 17 men and women of 70 to 94 years old, as shown in FIG. 5, the distribution is in the range of 3125 to 3565 m / s. The average value was about 3300 m / s, and the standard deviation value was 91 m / s. This measurement was performed according to the following procedure. That is, a bone sample is taken out from a position 3 cm below the femoral small trochanter in the long tube direction, a rectangular parallelepiped bone block having a side of 1 cm or less is produced, and the bone block is sandwiched between two ultrasonic transducers. The ultrasonic sound velocity was measured by transmitting ultrasonic waves through the bone block.
また、音速Vbを仮定して算出した皮質骨の厚みDが実際の厚みとほぼ一致することを、以下のようにして検証した。表1に示すように、3名の被験者の下顎骨の厚みを、本実施形態の骨厚み測定装置1とX線CT装置を用いてそれぞれ測定した。骨厚み測定装置1による測定では、音速Vbの仮定値を3000m/sとした。
Further, it was verified as follows that the thickness D of the cortical bone calculated assuming the sound velocity Vb substantially coincided with the actual thickness. As shown in Table 1, the thicknesses of the mandibles of three subjects were measured using the bone
骨厚み測定装置1を用いた測定では、被験者の測定対象に当接された超音波送受波器2の傾きを調整しつつ、皮質骨の厚みDを表1に示す測定回数算出した。また、X線CT装置を用いた測定では、撮影されたCT画像からの測定対象の皮質骨の厚みを測定した。
In the measurement using the bone
その結果、表1に示すように、骨厚み測定装置1を用いて測定された皮質骨の厚みDの平均値と、X線CT装置を用いて測定された皮質骨の厚みとはほぼ一致することが確認された。
As a result, as shown in Table 1, the average value of the cortical bone thickness D measured using the bone
従って、骨厚み測定装置1を用いた測定では、音速Vbの仮定値を3000m/sに設定することが好ましい。しかし、例えば音速Vbを3300m/sと仮定して皮質骨の厚みを算出した場合、3000m/sと仮定した場合よりも約10%大きくなるが、実際の皮質骨の厚みの傾向をほぼ把握することができる。よって、音速Vbの仮定値は、3000m/sに限定されるものではない。
Therefore, in the measurement using the bone
以上より、皮質骨60中を厚み方向に伝播する音速Vbの仮定値は、3000〜3300m/sの範囲内に設定することが好ましい。音速Vbの仮定値をこの範囲内に設定することにより、精度良く皮質骨厚みを算出することができる。
From the above, it is preferable to set the assumed value of the sound velocity Vb propagating in the
次に、演算部11の入射方向検出部13について説明する。入射方向検出部13は、送受波用振動子21〜24がそれぞれ受波した第1反射波41と第2反射波42の何れかの位相差に基づいて、皮質骨60に対する入射パルス40の入射角を算出する。
Next, the incident
以下、入射方向検出部13による、皮質骨表面63に対する入射パルス40の入射角の算出方法について具体的に説明する。皮質骨表面63に対する入射パルス40の入射角は、上下方向の入射角と左右方向の入射角よって決まる。
Hereinafter, the calculation method of the incident angle of the
図6に示すように、入射パルス40が皮質骨表面63に対して垂直に入射した場合、第1反射波41は送受波用振動子21〜24に対して垂直に入射する。このとき、第1反射波41の波面41aは、送受波用振動子21〜24の振動面と平行になる。そのため、受波位置での第1反射波41の位相は全て同じになり、4つの送受波用振動子21〜24は、第1反射波41を同時に受波する。このような場合、入射方向検出部13は、入射角を0°と決定する。
As shown in FIG. 6, when the
一方、図7に示すように、入射パルス40が皮質骨表面63に対して、上下方向の入射角θで入射した場合、第1反射波41は、送受波用振動子21〜24に対して入射角2θで入射する。このとき、第1反射波41の波面41aは、送受波用振動子21〜24の振動面に対して2θ傾いている。そのため、上下方向に並んだ2つの送受波用振動子21、22(又は、送受波用振動子23、24)がそれぞれ受波した第1反射波41に位相差が生じる。従って、送受波用振動子21、22(又は、送受波用振動子23、24)が第1反射波41を受波した時間にずれが生じる。この時間の差をΔtとする。
On the other hand, as shown in FIG. 7, when the
この場合、入射方向検出部13は、先ず、信号処理部6から送信された受波信号に基づいて時間の差Δtを算出する。図7に示すように、送受波用振動子21で受波される第1反射波41の経路と、送受波用振動子22で受波される第1反射波41の経路との差は、軟組織62中での距離W・sin2θだけである。即ち、第1反射波41は、時間Δtの間に、軟組織62中を距離W・sin2θだけ進む。従って、軟組織62中の音速をVsとすると、Δtは、Δt=(W・sin2θ)/Vsで表されるため、この式から、皮質骨表面63に対する上下方向の入射角θを算出することができる。
In this case, the incident
また、皮質骨表面63に対する左右方向の入射角は、左右方向に並んだ2つの送受波用振動子21、23(又は、送受波用振動子22、24)の受波信号に基づいて、同様に算出することができる。
Also, the incident angle in the left-right direction with respect to the
また、皮質骨裏面64に対する入射角についても、皮質骨表面63に対する入射角を算出する場合と同様に算出することができる。
Also, the incident angle with respect to the cortical bone back
上述したように、超音波送受波器2は、超音波の受波を行う4つの送受波用振動子21〜24を有し、これら送受波用振動子21〜24が、上下方向及び左右方向に2つずつ配置されている。そのため、入射方向検出部13は、送受波用振動子21〜24による受波信号に基づいて、皮質骨60に対する入射パルス40の上下方向及び左右方向の入射角を算出することができる。
As described above, the ultrasonic transducer 2 includes the four
算出された皮質骨表面63及び皮質骨裏面64に対する入射パルス40の入射角は、即時に表示部8に表示される。測定者は、表示部8に表示された入射角を見ながら、皮膚表面65に接する当接面2aを支点として超音波送受波器2を上下方向又は左右方向に動かす。超音波送受波器2は、一定の周期で入射パルス40を送波し続けているため、測定者は、新たに表示部8に表示される入射角が0°に近づくように、超音波送受波器2の傾きを調整する。
The calculated incident angle of the
このように入射方向検出部13によって、皮質骨60に対する超音波の入射角を算出することにより、この算出された入射角に応じて、超音波送受波器2の傾きを調整することができる。これにより、皮質骨60に対してより垂直に超音波を入射させることができる。そのため、安定して測定を行うことができるとともに、測定精度が向上する。
Thus, by calculating the incident angle of the ultrasonic wave with respect to the
また、特に、皮質骨表面63と皮質骨裏面64とが平行でない場合、第1反射波41と第2反射波42の両方を受波するには、皮質骨裏面64に対してできるだけ垂直に入射パルス40を入射させることが好ましい。これは、皮質骨裏面64は受波面20bまでの距離が長いため、入射角が大きくなると、第2反射波42が受波面20bに戻ってこないためである。
Further, in particular, when the
以上、本発明の好適な実施形態として第1実施形態を説明したが、上記第1実施形態は以下のように変更して実施できる。 The first embodiment has been described above as a preferred embodiment of the present invention, but the first embodiment can be implemented with the following modifications.
即ち、超音波送受波器2の振動子群20が有する送波専用振動子の数は、1つに限定されるものではなく、2つ以上であってもよい。例えば、図8に示すように、振動子群20Aは、4つの送波専用振動子25A〜28Aを有する構成であってもよい。
That is, the number of transducers dedicated to transmission included in the
また、超音波送受波器2の振動子群20が有する送受波用振動子の数は、4つに限定されるものではない。例えば、図9に示すように、振動子群20Bは、送受波用振動子21Bを1つだけ有する構成であってもよい。この場合、送受波振動子21Bは、受信部5の複数の受信回路のうちの1つの受信回路に接続されてもよいが、受信部5を1つの受信回路で構成し、この1つの受信回路に接続されてもよい。
Further, the number of transducers for transmitting and receiving included in the
また、例えば、振動子群は、上下方向及び左右方向に3つずつ配置された9つの送受波用振動子を有する構成であってもよい。但し、送受波用振動子の数が多すぎると(受波面20bの分割数が多すぎると)、1つの送受波用振動子の振動面が小さくなりすぎて、超音波を受波する感度が低下して、測定精度が低下する。
Further, for example, the transducer group may have a configuration including nine transducers for transmission and reception that are arranged three by three in the vertical direction and the horizontal direction. However, if the number of transducers for transmitting and receiving is too large (if the number of divisions of the receiving
また、送波専用振動子25の外縁形状、及び、送受波用振動子21〜24の振動面を合わせた面(受波面20b)の形状は、それぞれ正方形状に限定されるものではない。例えば、図10(a)に示すように、振動子群20Cの送波専用振動子25Cの外縁形状、及び、送受波用振動子21C〜24Cの振動面を合わせた面(受波面20b)の形状は、それぞれ円形状に形成されていてもよい。また、図10(b)に示すように、振動子群20Dが送受波用振動子21Dを1つだけ有しており、送波専用振動子25Dの外縁形状、及び、送受波用振動子21Dの形状が、それぞれ円形状に形成されていてもよい。送波専用振動子25Cの外形状が円形状であることにより、正方形状の場合よりも、超音波送受波器2を小型化することができる。また、例えば、送波専用振動子25の外縁形状、及び、送受波用振動子21〜24の振動面を合わせた面(受波面20b)の形状が、それぞれ四角形状や八角形状などの多角形状にそれぞれ形成されていてもよい。
Further, the shape of the outer edge of the dedicated transducer for transmitting 25 and the shape of the combined surface of the
また、送波専用振動子25の外縁形状と、送受波用振動子21〜24の振動面を合わせた面(受波面20b)の形状が、互いに異なる形状であってもよい。例えば、送波専用振動子25の外縁形状が円形状であって、受波面20bの形状が正方形状などの多角形状であってもよい。
Further, the shape of the outer edge of the dedicated transducer for transmitting 25 and the shape of the surface (the receiving
また、送波専用振動子25は、その中央部に送受波用振動子21〜24が配置されるように形成されていなくてもよい。例えば、送波専用振動子25の上下方向に関して中央部より下側に、送受波用振動子21〜24が配置されていてもよい。
Further, the
また、前記実施形態では、演算部11の入射方向検出部13によって、入射パルス40の皮質骨60に対する入射角を算出しているが、入射パルス40の入射方向を検出するには、必ずしも入射角を算出しなくてもよい。例えば、図4(a)に示す時間領域のグラフを用いて入射方向を検出してもよい。具体的には、入射方向検出部13によって、送受波用振動子21〜24ごとに、時間領域のグラフを導出して、隣接する送受波用振動子の波形の位相差を比較する。位相差がなければ垂直入射であると判断し、位相差があれば、受波された時間にずれがあるので、入射パルス40が皮質骨60に対して斜めに入射されたと判断できる。
Moreover, in the said embodiment, although the incident angle with respect to the
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。但し、第1実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. However, about the thing which has the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted suitably.
図11に示すように、本実施形態の骨厚み測定装置201は、超音波送受波器202と、送受信分離部4と、切替回路(受波振動子決定手段)209と、受信部5、信号処理部6と、制御装置7と、表示部8とを備える。切替回路209は、送受信分離部4と、受信部5の間に配置されている。
As shown in FIG. 11, the bone
図12に示すように、超音波送受波器202は、振動子群220を有する。振動子群220は、同一平面上に配置された、超音波の送波及び受波の両方が可能な16個の超音波振動子221〜236によって構成されている。
As shown in FIG. 12, the
超音波振動子221〜236は、四角形状の平板状にそれぞれ形成されている。超音波振動子221〜236は、上下方向及び左右方向に4つずつ格子状に配置されている。
The
超音波振動子221〜236は、送受信分離部4を介して、それぞれ独立して切替回路209に接続されている。切替回路209は、16個の超音波振動子221〜236のうち、受波を行う例えば4つの超音波振動子を決定する。以下の説明において、切替回路209によって受波を行うと決定された超音波振動子を受波振動子とする。切替回路209によって受波振動子に決定された超音波振動子によって生成された受波信号は、受信部5に送信される。また、受波振動子以外の超音波振動子によって生成された受波信号は、切替回路209によって受信部5への接続が遮断される。従って、超音波を受波する受波面は、切替回路209によって決定された4つの受波振動子の振動面によって構成される。また、超音波を送波する送波面は、16個の超音波振動子221〜236の振動面によって構成される。
The
また、受信部5は、切替回路209によって選択される4つの受波振動子にそれぞれ接続される4つの受信回路をパラレルに内蔵している。また、信号処理部6は、受信部5の4つの受信回路から送信されたデジタル信号を一旦その記憶器に記憶した後、信号処理回路によりピーク値等を検出して制御装置7へ送信する。
The receiving
切替回路209は、16個の超音波振動子221〜236のうち、4つの超音波振動子を受波振動子に決定する。詳細には、切替回路209は、切替回路209に備えられたスイッチ(図示省略)を測定者が切り替えることによって受波振動子を決定する構成であってもよく、また、図示しないケーブルを介して制御装置7から送波された受波振動子決定信号を切替回路209が受信することによって受波振動子を決定する構成であってもよい。
The
切替回路209によって、例えば、中央に配置された4つの超音波振動子226、227、230、231が受波振動子に決定された場合、超音波送受波器202は、16個の超音波振動子221〜236の振動面(送波面)によって、入射パルス40を同時に送波しつつ、また、はね返ってきた反射波41、42を4つの受波振動子(超音波振動子226、227、230、231)の振動面(受波面)によって受波する。尚、受波振動子は、上述した4つの超音波振動子226、227、230、231に限定されるものではなく、16個の超音波振動子221〜236のうち、任意の4つの超音波振動子を選択することができる。
When the
以上のように超音波送受波器202は、送波面が、複数の超音波振動子221〜236の振動面で構成される。また、反射波の受波は、切替回路209によって決定された受波振動子ごとに独立して行われる。そのため、1つの超音波振動子によって超音波の送波と受波の両方を行う場合に比べて、受波時の指向性を広くすることができると同時に、送波面を大きくすることができる。従って、超音波を皮質骨60に対して斜めに入射した場合であっても、その反射波を受波することが可能となり、安定して皮質骨の厚みを測定することができる。
As described above, in the ultrasonic wave transmitter /
また、複数の超音波振動子221〜236の一部(本実施形態では4つ)の超音波振動子が受波振動子に切り替えられるため、超音波の受波面は、送波面よりも小さくなるが、皮質骨の厚みを算出するためには、送波された入射パルス40によって生じる反射波41、42を全て受波する必要はなく、反射波41、42の一部を受波できればよい。従って、超音波の受波面は、送波面よりも小さくてもよい。従って、切替回路209を設けて、複数の超音波振動子221〜236のうちの一部の超音波振動子によって、受波を行うことにより、切替回路を設けない場合に比べて、不要に超音波を受波する超音波振動子が少ないため、受波信号を処理するための電気的構成を簡略化でき、コストを低下できる。
In addition, since some of the
また、例えば、皮質骨表面63と皮質骨裏面64とが平行でない場合など、皮質骨60の形状によっては、どのように超音波送受波器202を設置しても入射パルス40が皮質骨60に対して斜めに入射されてしまう場合が考えられる。このような場合であっても、受波面の位置を、反射波が戻ってくる位置に設定することによって、確実に反射波を受波することができる。
Further, depending on the shape of the
以上、本発明の好適な実施形態として第2実施形態を説明したが、上記第2実施形態は以下のように変更して実施できる。 The second embodiment has been described above as a preferred embodiment of the present invention. However, the second embodiment can be implemented with the following modifications.
即ち、超音波送受波器202が有する超音波振動子の数は、16個に限定されるものではない。例えば、超音波送受波器202は、上下方向及び左右方向に3つずつ配置された9つの超音波振動子を有する構成であってもよい。
That is, the number of ultrasonic transducers included in the
また、切替回路209によって決定される受波振動子の数は、4つに限定されるものではなく、例えば、4つ以下であっても、9つであってよい。
Further, the number of receiving vibrators determined by the switching
また、切替回路209を設けずに、全ての超音波振動子221〜236によって受波を行ってもよい。これにより、入射パルス40が皮質骨60に対して斜めに入射してしまっても、その反射波を受波しやすくなる。
Further, reception may be performed by all the
以上、説明した第1実施形態及び第2実施形態では、測定部位を下顎骨又は上顎骨とし、口腔外に超音波送受波器を配置して測定を行っているが、図13に示すように、抜歯後に再生した歯槽骨(顎骨)の皮質骨360の厚みD3を口腔内から測定する場合にも本発明の骨厚み測定装置を適用することができる。歯槽骨の皮質骨360の内側には海綿骨361が存在し、また皮質骨360の表面は、歯肉(軟組織)362で覆われている。超音波送受波器302は、皮質骨360に対してほぼ垂直に入射パルス340を送波し、皮質骨表面363で反射した第1反射波341、及び、皮質骨裏面364で反射した第2反射波362をそれぞれ受波する。この場合、この超音波送受波器302は、歯1つ分程度の大きさに形成されている。また、この場合、超音波送受波器としては、上述した第1実施形態又は第2実施形態と同様に、複数の超音波振動子を有するものを用いてもよいが、超音波の送波と受波の両方を行う1つの超音波振動子のみを有するものを用いてもよい。
As described above, in the first embodiment and the second embodiment described above, the measurement site is the mandible or the maxilla and the measurement is performed by placing the ultrasonic transducer outside the oral cavity. As shown in FIG. The bone thickness measuring device of the present invention can also be applied when measuring the thickness D3 of the
また、本発明の骨厚み測定装置の測定対象は、顎骨に限定されるものではない。例えば、頭蓋骨(顎骨以外)、脛骨等の皮質骨の厚みを測定する場合にも本発明の骨厚み測定装置を用いることができる。この場合、皮質骨の厚み方向の超音波音速Vbは、測定部位に応じて、適切な値にそれぞれ設定される。具体的には、3000〜3300m/sの範囲内の値に設定することが好ましい。 Moreover, the measuring object of the bone thickness measuring apparatus of the present invention is not limited to the jawbone. For example, the bone thickness measuring apparatus of the present invention can also be used when measuring the thickness of cortical bones such as skulls (other than jaw bones) and tibias. In this case, the ultrasonic sound velocity Vb in the thickness direction of the cortical bone is set to an appropriate value according to the measurement site. Specifically, it is preferable to set the value within a range of 3000 to 3300 m / s.
1、201 骨厚み測定装置
2、202、302 超音波送受波器
12 骨厚み演算部
13 入射方向検出部
20、20A、20B、20C、20D 振動子群
20a 送波面
20b 受波面
21〜24、21B、21C、21〜24C、21D 送受波用振動子
25、25A〜28A、25C、25D 送波専用振動子
40 入射パルス
41 第1反射波
42 第2反射波
60、360 皮質骨
61、361 海綿骨
62、362 軟組織
63、363 皮質骨表面
64、364 皮質骨裏面
221〜236 超音波振動子
209 切替回路(受波振動子決定手段)
1,201 Bone
20, 20A, 20B, 20C,
209 switching circuit (received vibrator determining means)
Claims (8)
前記超音波送受波部によって、前記第1反射波と前記第2反射波がそれぞれ受波された時間の差に基づいて、前記骨の厚みを算出する骨厚み演算部とを備え、
前記超音波送受波部は、
同一平面上に配列され、それぞれ超音波の送波及び受波の両方が可能な、複数の超音波振動子を有することを特徴とする骨厚み測定装置。 An ultrasonic transmission / reception unit for transmitting an ultrasonic wave to the bone, and receiving a first reflected wave from the surface of the bone and a second reflected wave from the back surface of the bone;
A bone thickness calculator that calculates the thickness of the bone based on a difference in time when the first reflected wave and the second reflected wave are received by the ultrasonic wave transmitting / receiving unit,
The ultrasonic transmission / reception unit is
A bone thickness measuring apparatus comprising a plurality of ultrasonic transducers arranged on the same plane and capable of both transmitting and receiving ultrasonic waves.
前記超音波送受波部によって、前記第1反射波と前記第2反射波がそれぞれ受波された時間の差に基づいて、前記骨の厚みを算出する骨厚み演算部とを備え、
前記超音波送受波部は、
同一平面上に配置された、超音波の送波及び受波の両方を行う送受波用超音波振動子、及び、超音波の送波のみを行う送波専用超音波振動子を有することを特徴とする骨厚み測定装置。 An ultrasonic transmission / reception unit for transmitting an ultrasonic wave to the bone, and receiving a first reflected wave from the surface of the bone and a second reflected wave from the back surface of the bone;
A bone thickness calculator that calculates the thickness of the bone based on a difference in time when the first reflected wave and the second reflected wave are received by the ultrasonic wave transmitting / receiving unit,
The ultrasonic transmission / reception unit is
It has the ultrasonic transducer for transmission / reception that performs both transmission and reception of ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer dedicated for transmission that transmits only ultrasonic waves, which are arranged on the same plane. Bone thickness measuring device.
前記超音波送受波部によって、前記第1反射波と前記第2反射波がそれぞれ受波された時間の差に基づいて、前記顎骨の皮質骨の厚みを算出する骨厚み演算部とを備え、
前記超音波送受波部は、
同一平面上に配置された、超音波の送波及び受波の両方を行う送受波用超音波振動子、及び、超音波の送波のみを行う送波専用超音波振動子を有することを特徴とする骨厚み測定装置。 Ultrasound that transmits ultrasonic waves to the cortical bone of the jawbone and receives a first reflected wave from the cortical bone surface of the jawbone and a second reflected wave from the back surface of the cortical bone of the jawbone A transmission / reception unit;
A bone thickness calculator that calculates the thickness of the cortical bone of the jawbone based on the difference in time at which the first reflected wave and the second reflected wave are received by the ultrasonic wave transmitting / receiving unit,
The ultrasonic transmission / reception unit is
It has the ultrasonic transducer for transmission / reception that performs both transmission and reception of ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer dedicated for transmission that transmits only ultrasonic waves, which are arranged on the same plane. Bone thickness measuring device.
前記2つ以上の超音波振動子がそれぞれ受波した前記第1反射波と前記第2反射波の何れかの位相差に基づいて、前記骨に対する前記超音波の入射方向を検出する入射方向検出部を備えることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の骨厚み測定装置。 The ultrasonic transmission / reception unit has at least two ultrasonic transducers for receiving ultrasonic waves,
Incident direction detection for detecting an incident direction of the ultrasonic wave to the bone based on a phase difference between the first reflected wave and the second reflected wave respectively received by the two or more ultrasonic transducers The bone thickness measuring apparatus according to claim 1, further comprising a portion.
全ての超音波振動子の振動面を合わせた面の外縁形状が、円形状又は多角形状であり、
全ての前記送受波用超音波振動子の振動面を合わせた面の形状が、円形状又は多角形状であることを特徴とする請求項3又は4に記載の骨厚み測定装置 The transmitting / receiving ultrasonic transducer is surrounded by the dedicated ultrasonic transducer for transmission,
The outer edge shape of the combined surface of all the ultrasonic vibrators is a circular shape or a polygonal shape,
5. The bone thickness measuring device according to claim 3, wherein a shape of a plane obtained by combining vibration surfaces of all the ultrasonic transducers for transmitting and receiving is a circular shape or a polygonal shape.
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