JP2021183036A - Sound speed measurement method and apparatus for ultrasonic wave - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大腿骨や橈骨等の荷重がかかる長骨を対象に、体荷重方向に伝搬する超音波の音速を測定する方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for measuring the speed of sound of ultrasonic waves propagating in the body load direction for a long bone under a load such as a femur or a radius.
骨粗鬆症の予防診断用として、超音波によって骨密度を測定する方法が実用化されている。そのうち踵骨超音波計測法では、踵を通過した縦波超音波の平均音速で骨量を推定しているが、骨の強度や弾性を評価することができない。大腿骨等の長骨の弾性を評価には、皮膚軟組織を介して長骨の体荷重方向(長軸)に伝搬する超音波の音速を測定する必要がある。 A method of measuring bone density by ultrasonic waves has been put into practical use for preventive diagnosis of osteoporosis. Among them, in the calcaneal ultrasonic measurement method, the bone mass is estimated from the average sound velocity of the longitudinal wave ultrasonic waves passing through the heel, but the strength and elasticity of the bone cannot be evaluated. In order to evaluate the elasticity of long bones such as the femur, it is necessary to measure the speed of sound of ultrasonic waves propagating in the body load direction (long axis) of the long bones through the soft tissue of the skin.
このような長骨を伝搬する超音波の音速を測定し、その音速から骨の強度や弾性を測定する方法は、AT(Axial Transmission)法と呼ばれ、欧州で実用化に向けて開発が進められている(非特許文献1参照)。 The method of measuring the speed of sound of ultrasonic waves propagating through long bones and measuring the strength and elasticity of bones from the speed of sound is called the AT (Axial Transmission) method, and is being developed for practical use in Europe. (See Non-Patent Document 1).
一方、骨の評価には、圧縮負荷に対する強度以外に、ねじりやせん断負荷に対する強度を推定する必要がある。上述した従来のAT法では、超音波のうち、主として圧縮応力に関係した縦波の音速を測定していたことから、圧縮弾性しか推定できず、せん断弾性の推定に用いることはできなかった。 On the other hand, in order to evaluate bone, it is necessary to estimate the strength against torsional and shear loads in addition to the strength against compressive loads. In the conventional AT method described above, since the sound velocity of the longitudinal wave mainly related to the compressive stress was measured among the ultrasonic waves, only the compressive elasticity could be estimated and could not be used for the estimation of the shear elasticity.
本発明は上述の状況に鑑みてなされたもので、AT法を改良し、せん断弾性の推定に用いることができる横波超音波の音速測定方法および装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the AT method and to provide a method and apparatus for measuring the sound velocity of transverse wave ultrasonic waves that can be used for estimating shear elasticity.
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波の音速測定方法は、
人体の長骨の長軸を含む平面内において、超音波の送波器を用いて、前記長骨に対し、軟組織を介して縦波の臨界角を超える入射角で超音波を照射する第1のステップと、
前記長骨を伝搬し、更に前記軟組織を伝搬して生体の表面から漏れ出た超音波を、受波器で受波して電気信号に変換する第2のステップと、
前記受波器によって、前記長骨の長軸と平行な方向であって、前記送波器に対して距離の異なる複数の位置で受波した電気信号に基づいて、前記長骨を伝搬する超音波のうち横波の音速を測定する第3のステップと、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the method for measuring the sound wave of ultrasonic waves according to the present invention is:
First, in a plane including the long axis of the long bone of the human body, the long bone is irradiated with ultrasonic waves at an incident angle exceeding the critical angle of the longitudinal wave through the soft tissue using an ultrasonic transmitter. Steps and
The second step of transmitting the ultrasonic waves propagating through the long bone and further propagating through the soft tissue and leaking from the surface of the living body by a wave receiver and converting them into an electric signal.
The ultrasonic wave propagates through the long bone based on the electric signals received by the wave receiver at a plurality of positions parallel to the long axis of the long bone and at different distances from the transmitter. It is characterized by including a third step of measuring the speed of sound of a transverse wave among ultrasonic waves.
ここで、前記受波器から出力された電気信号の輝度信号の時間軸を横軸とし、前記受波器が前記横波の超音波を受波した位置を縦軸としたBモード画像を生成し、当該Bモード画像の傾きから前記横波の超音波の音速を算出することが好ましい。 Here, a B-mode image is generated in which the time axis of the luminance signal of the electric signal output from the receiver is the horizontal axis and the position where the receiver receives the ultrasonic waves of the transverse wave is the vertical axis. , It is preferable to calculate the sound velocity of the ultrasonic wave of the transverse wave from the inclination of the B mode image.
また前記送波器は単一のトランスデューサで構成され、正弦波1波または数波のパルス状駆動信号を印加して超音波を発生することが好ましい。 Further, it is preferable that the transmitter is composed of a single transducer and generates ultrasonic waves by applying a pulsed drive signal of one sine wave or several waves.
前記送波器および受波器は、前記長骨の長軸と平行な方向に配列された複数のトランスデューサで構成され、それらのうち1つのトランスデューサを送波器として用い、他のトランスデューサを受波器として用いることが好ましい。 The transmitter and receiver are composed of a plurality of transducers arranged in a direction parallel to the long axis of the long bone, one of which is used as a transducer and the other transducer is received. It is preferable to use it as a vessel.
また上記目的を達成する本発明に係る超音波の音速測定装置は、
人体の長骨の長軸を含む平面内において、前記長骨に対し、軟組織を介して縦波の臨界角を超える角度で超音波を照射する送波器と、
前記長骨を伝搬し、更に前記軟組織を伝搬して生体の表面から漏れ出た超音波を受波して電気信号に変換する受波器と、
前記受波器によって、前記長骨の長軸と平行な方向であって、前記送波器に対して距離の異なる複数の位置で受波した電気信号に基づいて、前記長骨を伝搬する超音波のうち横波の音速を測定する音速測定手段と、を備えたことを特徴とする。
Further, the ultrasonic sound velocity measuring device according to the present invention that achieves the above object is
A transmitter that irradiates the long bone with ultrasonic waves at an angle exceeding the critical angle of the longitudinal wave through the soft tissue in the plane including the long axis of the long bone of the human body.
A receiver that propagates through the long bones, further propagates through the soft tissue, receives ultrasonic waves leaked from the surface of the living body, and converts them into electrical signals.
The ultrasonic wave propagates through the long bone based on the electric signals received by the wave receiver at a plurality of positions parallel to the long axis of the long bone and at different distances from the transmitter. It is characterized by being provided with a sound velocity measuring means for measuring the sound velocity of a transverse wave among ultrasonic waves.
ここで、前記送波器の音波照射面および前記受波器の音波受波面には、それぞれウォーターバッグが取り付けられていることが好ましい。 Here, it is preferable that a water bag is attached to the sound wave irradiation surface of the transmitter and the sound wave reception surface of the receiver.
本発明に係る超音波の音速測定方法によれば、骨のせん断弾性と関係の深い横波超音波の音速を、縦波とは分離して測定できることから、従来のAT法では困難であったせん断弾性の推定に利用できる。このため、骨粗鬆症の予防診断のレベルアップを図る上で有力な手段となり得る。 According to the ultrasonic sound wave measuring method according to the present invention, the sound velocity of transverse wave ultrasonic waves, which is closely related to the shear elasticity of bones, can be measured separately from longitudinal waves, which is difficult with the conventional AT method. It can be used to estimate elasticity. Therefore, it can be a powerful means for improving the level of preventive diagnosis of osteoporosis.
以下、本発明の実施の形態にかかる超音波の音速測定方法および装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the method and apparatus for measuring the sound wave velocity of ultrasonic waves according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
発明者等は、シミュレーションを通じて、大腿骨や橈骨等の長骨を伝搬する超音波のうち横波を縦波から分離して検出することができること、およびその結果に基づいて、分離した横波の音速を測定することができることを見出した。本実施の形態では、シミュレーションの内容および横波超音波の音速測定方法について説明する。
(Embodiment 1)
Through simulation, the inventors can detect the transverse wave separated from the longitudinal wave among the ultrasonic waves propagating in the long bones such as the femoral bone and the radius, and based on the result, the sound velocity of the separated transverse wave can be detected. We have found that it can be measured. In this embodiment, the contents of the simulation and the method of measuring the sound velocity of the transverse wave ultrasonic wave will be described.
本実施の形態では、一般にFDTD(Finite-difference time-domain method)法と呼ばれる時間領域有限差分法に基づいてシミュレーションを行った。図1に、シミュレーションで用いた仮想の長骨1と、超音波を放射する送波器2および超音波を受波して電気信号に変換する受波器3との位置関係を示す。図1(a)は正面図、図1(b)は側面図である。
In this embodiment, the simulation is performed based on the time domain finite difference method generally called the FDTD (Finite-difference time-domain method) method. FIG. 1 shows the positional relationship between the virtual
長骨1は人の橈骨を想定し、長さ63mm、外径12mm、厚み1.6mm、密度1.81×103kg/m3とした。また超音波の送波器2および受波器3として、円板状の圧電振動子で作製されたトランスデューサを用い、送波器から1MHz、1波のパルス状超音波USを放射する。送波器2および受波器3から長骨1までの超音波USの伝搬距離は、それぞれ25mmとした。
The
長骨1、送波器2および受波器3は、音波伝搬媒体である水4に浸漬されている。円環状の長骨1の長手方向を長軸方向、中心軸から外部に向かう方向を径方向とすると、送波器2は、超音波放射面が、長骨1の径方向に対して所定の角度(以降「入射角」という)θだけ傾いて配置されている。同様に、受波器3の超音波受信面も、長骨1の径方向に対して角度θだけ傾いて配置されている。角度θは調整可能である。
The
なお、長骨1の中央部上方に配置された幅3mm、長さ14mmの空気層5は、送波器2から放射された超音波のうち水4中を伝搬した超音波が受波器3で受波され、受信信号に雑音として混入するのを避けるために設置されている。
In the
また受波器3は、長骨1の長軸と平行な方向(矢印で示す。)に走査、すなわち移動することができ、後述するように、長骨1を伝搬した後、水4中に放出された超音波を、位置を変えながら受信する。そして後述するように、受信信号に基づいて作成されたBモード画像から、長骨1を伝搬する超音波の音速を測定することができる。
Further, the
図2に、送波器1から照射され、長骨1を伝搬した後、受波器3で電気信号に変換された超音波の波形の一例を示す。送波器1から出力されたパルス状超音波には縦波と横波の成分が含まれ、長骨1を伝搬する間、および受波器3で受波されるまでに様々なモードの振動成分が混在して、図2に示した波形となる。図2は、後述の実験において、受波器で受信した信号波形を示すが、シミュレーションにおいても同様の形状の波形が生成され、受波器3から受信信号として出力される。
FIG. 2 shows an example of an ultrasonic waveform that is irradiated from a
図3に、受波器3で受信した信号に基づいて生成されたBモード画像を示す。図3において、横軸は、図2に示した信号波形を輝度信号に変換して表示したときの時間を示し、縦軸は、受波器3を、長骨1の長軸と平行な方向に走査した(移動させた)ときの相対位置を示す。
FIG. 3 shows a B-mode image generated based on the signal received by the
図中、破線で囲んだ白色の直線は、受波器3が移動するにつれて、輝度信号のピーク位置がずれていくことを示しており、この直線の傾きを求めることで、長骨1を伝搬する超音波の音速を測定することができる。
In the figure, the white straight line surrounded by the broken line indicates that the peak position of the luminance signal shifts as the
図3において、(a)は入射角θ=15°、(b)はθ=30°、(c)はθ=45°、(d)はθ=60°の時のBモード画像である。また図4は、図3(a)〜(d)のBモード画像から算出した直線の傾き、すなわち超音波の音速を、入射角θを横軸とし、音速を縦軸とするグラフにプロットしたものである。 In FIG. 3, (a) is a B-mode image when the incident angle θ = 15 °, (b) is θ = 30 °, (c) is θ = 45 °, and (d) is θ = 60 °. Further, FIG. 4 plots the slope of a straight line calculated from the B-mode images of FIGS. 3A to 3D, that is, the speed of sound of ultrasonic waves on a graph having the incident angle θ as the horizontal axis and the speed of sound as the vertical axis. It is a thing.
図4に示すように、入射角が小さいとき(θ=15°、30°)は、伝搬速度が速い縦波と伝搬速度が遅い横波が混在しているため、音速のバラツキが大きいが、入射角が大きくなると(θ=45°、60°)、音速はほぼ一定の値を示している。これは、縦波超音波の臨界角(22°〜25°)を超えると、縦波の伝搬がなくなり、横波だけが長骨を伝搬するためと考えられる。 As shown in FIG. 4, when the incident angle is small (θ = 15 °, 30 °), the longitudinal wave with a high propagation velocity and the transverse wave with a slow propagation velocity are mixed, so that the variation in the speed of sound is large, but the incident When the angle becomes large (θ = 45 °, 60 °), the speed of sound shows an almost constant value. It is considered that this is because when the critical angle (22 ° to 25 °) of the longitudinal wave ultrasonic wave is exceeded, the propagation of the longitudinal wave disappears and only the transverse wave propagates in the long bone.
ここで、超音波の臨界角について説明する。生体では、超音波は脂肪や筋肉等の軟組織を介して長骨に伝達される。一例として、軟組織中の縦波の音速を1500m/sとし、長骨中の縦波の音速を4000m/sとすると、縦波の臨界角は約22°となる。一方、軟組織中の横波の音速を1500m/sとし、長骨中の横波の音速を1800m/sとすると、横波の臨界角は約56°となる。 Here, the critical angle of ultrasonic waves will be described. In living organisms, ultrasonic waves are transmitted to long bones via soft tissues such as fat and muscle. As an example, assuming that the speed of sound of a longitudinal wave in soft tissue is 1500 m / s and the speed of sound of a longitudinal wave in a long bone is 4000 m / s, the critical angle of the longitudinal wave is about 22 °. On the other hand, if the speed of sound of the transverse wave in the soft tissue is 1500 m / s and the speed of sound of the transverse wave in the long bone is 1800 m / s, the critical angle of the transverse wave is about 56 °.
従って、超音波を、22°を超える入射角θで長骨に入射すると、超音波のうち縦波は伝搬せず、横波だけが長骨の表面に沿って伝搬する。実際には、臨界角は、送波器の形状と音場、軟組織中の音速と長骨中の音速とにより決定され、ある角度範囲を持っている。 Therefore, when an ultrasonic wave is incident on a long bone at an incident angle θ exceeding 22 °, the longitudinal wave of the ultrasonic wave does not propagate, and only the transverse wave propagates along the surface of the long bone. In reality, the critical angle is determined by the shape and sound field of the transmitter, the speed of sound in the soft tissue and the speed of sound in the long bone, and has a certain angular range.
図4には、参考として、長骨の試料の一部を切り取り、別の方法で測定した縦波と横波の音速を実線で示している。シミュレーションで算出した入射角60°の横波の音速は、参考として示した横波の音速とほぼ等しい値を示している。また、入射角45°についても、横波の臨界角より小さい角度であるが、参考として示した音速に非常に近い値を示している。 In FIG. 4, as a reference, a part of the long bone sample is cut out, and the sound velocities of the longitudinal wave and the transverse wave measured by another method are shown by solid lines. The speed of sound of a transverse wave with an incident angle of 60 ° calculated by simulation shows a value substantially equal to the speed of sound of a transverse wave shown as a reference. Further, the incident angle of 45 ° is smaller than the critical angle of the transverse wave, but shows a value very close to the speed of sound shown as a reference.
これらの結果より、超音波を、縦波の臨界角を超える入射角、特に、横波の臨界角近辺もしくはそれを超える入射角で長骨に入射させると、長骨を伝搬する横波超音波の音速を測定できる可能性が高いことが分かった。 From these results, when ultrasonic waves are incident on the long bone at an incident angle that exceeds the critical angle of the longitudinal wave, especially near or above the critical angle of the transverse wave, the sound velocity of the transverse wave ultrasonic wave propagating through the long bone. It turned out that it is highly possible to measure.
一方、図1に示したシミュレーションでは、軟組織の存在を考慮せず、長骨1に直接、超音波を照射する場合について説明したが、人体では、脂肪や筋肉等の軟組織を介して長骨に超音波を照射するため、上述の方法で、横波超音波の音速を正確に測定できるか疑問がある。
On the other hand, in the simulation shown in FIG. 1, the case where ultrasonic waves are directly applied to the
そこで、図5では、円環状の長骨1の周囲を筒状の軟組織6で覆った場合について、同様のシミュレーションを行った。ここでは、軟組織として、人体に近い寒天と同様の密度1043kg/m3の円筒で覆った場合について、図1と同様の条件でシミュレーションを行い、長骨1を伝搬する超音波の速度を測定した。その結果を図6および図7に示す。
Therefore, in FIG. 5, the same simulation was performed in the case where the circumference of the annular
図6は、長骨1の周囲を厚さ2.2mmの軟組織6で覆ったときの音速の算出結果を示すグラフ、図7は、長骨1の周囲を厚さ4.0mmの軟組織で覆ったときの音速の算出結果を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the calculation result of the speed of sound when the circumference of the
いずれのグラフにおいても、図4に示した軟組織がない場合と同様の結果が得られ、入射角が大きい場合(θ=45°、60°)、音速はほぼ一定の値を示した。この結果より、長骨に対する入射角を、縦波の臨界角を超える値に設定して超音波の音速を測定することで、横波の音速を測定できる可能性が高いことが分かった。 In all the graphs, the same results as in the case without the soft tissue shown in FIG. 4 were obtained, and when the incident angle was large (θ = 45 °, 60 °), the speed of sound showed almost constant values. From this result, it was found that there is a high possibility that the sound velocity of the transverse wave can be measured by setting the incident angle to the long bone to a value exceeding the critical angle of the longitudinal wave and measuring the sound wave of the ultrasonic wave.
(実施の形態2)
本実施の形態では、前述のシミュレーションで行ったのと同様の条件下で、実際に超音波を放射する実験を行い、生体においても、同様の方法で横波超音波の音速を測定できることを確認した。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an experiment in which ultrasonic waves are actually radiated under the same conditions as in the above simulation was performed, and it was confirmed that the sound velocity of transverse wave ultrasonic waves can be measured in the same manner in a living body. ..
最初に、超音波を直接、長骨1に照射した(すなわち軟組織を介在させない)ときの実験結果について説明する。図8に、本実験で採用した音速測定の構成を示す。図中、前述のシミュレーションで用いたのと同様の機能を有する部材には、同一の符号を付し、かつシミュレーションとの違いを示すためアルファベットを付加している。以後も同様とする。 First, the experimental results when ultrasonic waves are directly applied to the long bone 1 (that is, without soft tissue intervention) will be described. FIG. 8 shows the configuration of the sound velocity measurement adopted in this experiment. In the figure, the members having the same functions as those used in the above-mentioned simulation are designated by the same reference numerals, and alphabets are added to indicate the difference from the simulation. The same shall apply thereafter.
本実験では、長骨1aとして、牛の大腿骨から長さ63mm、厚み1.6mmの2種類の円環状の試料(試料A:、外径11mm、密度1.75×103kg/m3、試料B:、外径12mm、密度1.81×103kg/m3)を切り出し、人間の橈骨の代替物として用いた。一方、送波器2aおよび受波器3aについては、シミュレーションと同様に、市販の円板状トランスデューサを用いた。
In this experiment, two types of annular samples (Sample A :, outer diameter 11 mm, density 1.75 × 10 3 kg / m 3) with a length of 63 mm and a thickness of 1.6 mm from the femoral bone of a cow were used as the
なお、シミュレーションでは、水中を伝搬する超音波の影響を取り除くため、送波器2と受波器3の間に空気層5を介在させたが、本実施の形態では、代わりに、厚さ3mmの板状のスポンジ5aを配置した。またシミュレーションでは、送波器2を固定し、受波器3を長軸と平行な方向に移動させる構成を採用したが、本実験では、実施の容易さから、送波器2aを長骨1aの長軸と平行な方向に移動させる構成を採用した。
In the simulation, an
図9に、図3と同様の方法で作成したBモード画像を、図10に、図4と同様の方法で作成した音速のグラフを示す。図9は、試料Aについて作成したBモード画像、図10は試料AおよびBについて算出した音速のグラフである。 FIG. 9 shows a B-mode image created by the same method as in FIG. 3, and FIG. 10 shows a graph of the speed of sound created by the same method as in FIG. FIG. 9 is a B-mode image created for the sample A, and FIG. 10 is a graph of the speed of sound calculated for the samples A and B.
図10から分かるように、シミュレーションの結果と同様に、入射角が小さいとき(θ=15°〜30°)は、音速のバラツキが大きいが、入射角が大きくなると(θ=40°〜60°)、音速はほぼ同じ値を示している。更に、入射角が大きい場合(θ=45°〜60°)、サイズの異なる試料Aと試料Bがほぼ同様の音速を示した。この結果より、入射角を臨界角より大きく設定して、長骨を伝搬する超音波の音速を測定した場合、横波超音波の音速を、骨の形状に影響されることなく測定できることが分かった。 As can be seen from FIG. 10, as in the simulation results, when the incident angle is small (θ = 15 ° to 30 °), the variation in sound velocity is large, but when the incident angle is large (θ = 40 ° to 60 °). ), The speed of sound shows almost the same value. Further, when the incident angle was large (θ = 45 ° to 60 °), the sample A and the sample B having different sizes showed almost the same speed of sound. From this result, it was found that when the incident angle is set larger than the critical angle and the sound velocity of the ultrasonic wave propagating in the long bone is measured, the sound velocity of the transverse wave ultrasonic wave can be measured without being affected by the shape of the bone. ..
次に、前述の図5と同様に、超音波を、軟組織6を介在させて照射したときの実験結果について説明する。図11に、本実験で採用した音速測定の構成を示す。本実験では、長骨1aとして前述の試料Aを用い、また軟組織6aとして厚さ4.0mmおよび7.0mmの寒天(密度1043kg/m3、縦波超音波の音速1.75×103m/s)を用い、断面が長方形の長尺の寒天を長骨1aの上に載せた。送波器2aおよび受波器3aの構成と機能については、図8に示したものと同様とした。
Next, the experimental results when the ultrasonic waves are irradiated with the
図12に、図3と同様の方法で作成したBモード画像を、図13および図14に、図4と同様の方法で作成した音速のグラフを示す。図12および図13は、軟組織として厚さ4.00mmの寒天を用いた場合のBモード画像と音速のグラフ、図14は、軟組織として厚さ7.00mmの寒天を用いた場合の音速のグラフである。 FIG. 12 shows a B-mode image created by the same method as in FIG. 3, and FIGS. 13 and 14 show a graph of the speed of sound created by the same method as in FIG. 12 and 13 are B-mode images and a graph of the speed of sound when agar having a thickness of 4.00 mm is used as the soft tissue, and FIG. 14 is a graph of the speed of sound when agar having a thickness of 7.00 mm is used as the soft tissue. Is.
図13および図14から分かるように、円環状の長骨1を軟組織6で覆ったシミュレーションの結果(図6および図7)と同様に、入射角が小さいとき(θ=15°、30°)は、音速のバラツキが大きいが、入射角が大きくなると(θ=45°、60°)、音速はほぼ同じ値を示している。更に、入射角が大きい場合(θ=45°、60°)、には、軟組織6aの厚さが変わっても、音速にほとんど変化はなかった。
As can be seen from FIGS. 13 and 14, when the incident angle is small (θ = 15 °, 30 °), similar to the result of the simulation in which the annular
上述したシミュレーションおよび実験の結果より、入射角を縦波超音波の臨界角を超える値に設定した場合、長骨を伝搬する横波超音波の音速を、骨の密度や軟組織の厚さに影響されることなく測定できることが分かった。 From the results of the above simulations and experiments, when the incident angle is set to a value exceeding the critical angle of longitudinal ultrasonic waves, the speed of sound of transverse wave ultrasonic waves propagating through long bones is affected by the bone density and soft tissue thickness. It turned out that it can be measured without.
(実施の形態3)
発明者等は、シミュレーションおよび実験を通して効果を確認した横波超音波の音速測定方法を具現化した装置を開発したので、以下にその構成と、各部の機能を説明する。
(Embodiment 3)
Since the inventors have developed a device that embodies a method for measuring the sound velocity of transverse wave ultrasonic waves whose effect has been confirmed through simulations and experiments, the configuration and the functions of each part will be described below.
図15に、長骨を伝搬する超音波の音速を測定する音速測定装置100の構成を示す。本実施の形態では、水平の台10上に置かれた人の前腕部に対し、その上方に配置された送波器2bから、音波照射面に取り付けられたウォーターバッグ21を介して、生体11に向けてパルス状の超音波USを放射している。生体11に入射した超音波USは、橈骨1bを伝搬した後、音波受波面に取り付けられたウォーターバッグ31を介して受波器3bに入射し、電気信号に変換される。ウォーターバッグ21および31には、水が充填されている。
FIG. 15 shows the configuration of a sound
なお、本実施の形態では、超音波USを集束させて、生体11に照射される超音波の強度および受信する信号の強度を高めているが、十分な強度の信号を得られるのであれば、必ずしも集束させる必要はない。また円板状のみならず方形のトランスデューサを用いてもよい。
In the present embodiment, the ultrasonic US is focused to increase the intensity of the ultrasonic wave applied to the living
上述したトランスデューサの電極に、パルス状かつMHz帯の駆動信号を印加すると、圧電振動子が伸縮し、この伸縮によってパルス状の超音波USが生成される。 When a pulsed and MHz band drive signal is applied to the electrodes of the above-mentioned transducer, the piezoelectric vibrator expands and contracts, and this expansion and contraction generates a pulsed ultrasonic US.
送波器2bと受波器3bは、基本的に同一の構成であり、受波器3bのトランスデューサは、橈骨1bおよび軟組織6bを伝搬し、生体11から漏れ出た超音波を受波し、超音波に対応した強さの電気信号を発生する。
The
図15では省略しているが、送波器2bは、旋回可能および上下方向に移動可能な支持具に取り付けられており、橈骨1bの長軸を含む平面内で旋回させることにより、橈骨1bに対して所定の入射角θに保持される。また上下方向への移動機構により、ウォーターバッグ21を生体11に押し付けた状態で支持具によって固定される。
Although omitted in FIG. 15, the
一方、受波器3bは、図示しないが、送波器2bと同様に、旋回可能および上下方向に移動可能な支持具に取り付けられ、更に当該支持具は、水平方向に移動可能に構成されている。水平方向の移動距離は、後述する位置センサ7によって読み取られる。
On the other hand, although not shown, the
超音波の音速を測定する際、送波器2bと受波器3bの旋回角度は所定の値に保持され、更に受波器3bについては、操作者が手動で水平方向に走査しながら、一定の間隔(例えば0.25mm)で超音波の受波を繰り返す。このようにして得られた受信信号に基づいて、前述したBモード画像が生成され、その画像から橈骨1bを伝搬する横波超音波の音速が算出される。
When measuring the sound wave velocity of ultrasonic waves, the turning angles of the
なお、本実施の形態では、送波器2bを固定とし、受波器3bを橈骨1bの長軸と平行な方向に走査するようにしたが、受波器3bを固定とし、送波器2bを長軸と平行な方向に走査することによって、送波器2bに対して距離の異なる複数の位置で受波した電気信号を得るようにしてもよい。
In the present embodiment, the
次に、図17を参照し、受波器3bの受信信号に基づいて橈骨1bを伝搬する超音波の音速を測定する音速測定手段8の構成と各部の機能を説明する。音速測定手段8は、制御部80、操作部81、駆動信号発生部82、信号処理部83、第1記憶部84、Bモード画像データ生成部85、第2記憶部86、音速算出部87、第3記憶部88および表示部89で構成されている。
Next, with reference to FIG. 17, the configuration of the sound velocity measuring means 8 for measuring the sound velocity of the ultrasonic wave propagating in the
これらの構成部材のうち、制御部80、Bモード画像データ生成部85および音速算出部87のそれぞれの機能は、図示しないマイクロプロセッサにより実現される。マイクロプロセッサは、CPU、ROM、RAMおよび不揮発性メモリで構成され、不揮発性メモリに格納されたソフトウェア(プログラム)を読み出してCPUで実行することにより、上記各部の機能を実現している。
Among these components, the functions of the
また第1記憶部84、第2記憶部86および第3記憶部88の機能は、ハードディスクドライブやメモリカード等の外部記憶装置によって実現される。
Further, the functions of the
なお、本実施の形態では、手動によって受波器3bを水平方向に移動させ、位置センサ7で位置情報を取得しているが、モータを用いて受波器3bを移動させ、エンコーダを用いて位置情報を取得するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
制御部80は、操作部81から入力されたデータに従って、音速測定手段8の各部の動作を制御する。なお、制御部80と各構成部材の間は制御用の配線で結ばれているが、図では、煩雑さを避けるために省略している。
The
操作部81は、操作者が、Bモード画像の生成に必要なデータ(例えば、受波器3bの1回の移動距離)や画像生成の指示等を入力するのに用いられ、キーボードやボタンで構成されている。
The
駆動信号発生部82は、送波器2bの駆動信号を発生させるもので、本実施の形態では、1〜10MHzの帯域の正弦波1波または数波の駆動信号を繰り返し発生し、トランスデューサ24の電極間に印加している。
The drive
受波器3bで発生した超音波の受信信号は信号処理部83に入力される。図示しないが、信号処理部83は、ノイズ除去フィルター、信号増幅器およびA/D変換器で構成されており、ノイズ除去フィルターおよび信号増幅器で不要なノイズの除去と信号の増幅がなされた後、A/D変換器によってデジタル信号に変換される。
The received signal of the ultrasonic wave generated by the
なお、A/D変換器のサンプリング周波数としては、少なくとも受信した超音波に含まれる周波数の10倍程度の周波数が必要であり、受信超音波の周波数の20倍以上の周波数が好ましい。 The sampling frequency of the A / D converter needs to be at least about 10 times the frequency included in the received ultrasonic waves, and is preferably 20 times or more the frequency of the received ultrasonic waves.
第1記憶部84は、信号処理部83によってデジタル信号に変換された受信信号を、受波器3bの走査毎に、位置センサ7から出力された受波器3bの位置情報および駆動信号発生部82から出力された発生時刻の情報と共に記憶する。
In the
第1記憶部84への受信信号のデータの記憶は、図15において、操作者が手動で受波器3bを左端から走査を開始し、右端において走査を終了するまで続けられ、最終的にBモードの1画面分のデータが第1記憶部84に記憶される。
The storage of the received signal data in the
Bモード画像データ生成部85は、第1記憶部84に記憶された1画面分の受信信号のデータを読み出し、それぞれの受信信号に対してSTC(sensitivity time control)機能を用いて距離による減衰の補正を行った後、包絡線検波処理を施して、Bモード画像データを生成する。生成されたBモード画像データは、LCDディスプレイ等で構成された表示部89に転送され、画面に表示される。またBモード画像データ生成部85で生成されたBモード画像データは、第2記憶部86に記憶される。
The B-mode image
音速算出部87は、第2記憶部86に記憶された1画面分の受信信号のデータを読み出し、図3を用いて説明した、輝度信号のピーク値を繋げた直線の傾き、すなわち超音波の音速を算出する。
The sound
なお、ピーク値の直線の傾きは、図3に示すように、操作者が対象となる直線を破線で囲み、その直線の傾きを、ソフトウェアを用いて算出するようにしてもよいし、直線の抽出から傾きの算出まで全ての処理を、ソフトウェアを用いて行うようにしてもよい。 As shown in FIG. 3, the slope of the straight line of the peak value may be calculated by enclosing the target straight line by the operator with a broken line and using software to calculate the slope of the straight line. All the processing from the extraction to the calculation of the slope may be performed by using software.
音速算出部87で作成されたグラフは、表示部89の画面に表示されると共に、第3記憶部88に格納される。
The graph created by the sound
なお、図15に示す音速測定装置では、操作者が受波器3bを手動で走査することにより、Bモード画像用の受信信号を取得していたが、リニア走査型超音波診断装置のプローブのように、圧電振動子から切り出された短冊状の複数のトランスデューサを配列した受波器を用いてBモード画像用の受信信号を取得してもよい。
In the sound velocity measuring device shown in FIG. 15, the operator manually scans the
図17に、短冊状の複数のトランスデューサを配列し、かつ送波器と受波器の機能を一体化したプローブ3cの概略構成を示す。プローブ3cは、橈骨1bの長軸方向と平行に配列された複数の短冊状トランスデューサ32と、それらを支持すると共に、後方への超音波の伝搬を抑制するダンパー33で構成されている。
FIG. 17 shows a schematic configuration of a
トランスデューサ32のうち、中心部に位置するトランスデューサ321は送波器としての機能を果たし、超音波USを放射し、それ以外のトランスデューサ322は受波器としての機能を果たす。トランスデューサ321から放射された超音波のうち、入射角が縦波の臨界角を超える超音波USを受波したトランスデューサ322の受信信号から、前述した方法によって横波超音波の音速を測定することができる。なお、プローブ3cを使用する場合には、生体の表面にジェルを塗布して超音波の反射を防止する必要がある。
Of the
図17では、説明を分かりやすくするため、トランスデューサ32の数を9としたが、走査範囲に応じて数十から百を超えるトランスデューサを配置してもよい。また送波器用トランスデューサ321についても、中心部に位置するものに限定されず、左右の端部近傍に位置するトランスデューサを選択してもよい。更に、受波器用トランスデューサ322については、超音波の受波方向に合わせて音波受波面が斜めになるように設置することにより、受信感度を高めることができる。
In FIG. 17, the number of
以上説明したように、本発明に係る超音波の音速測定方法を用いれば、大腿骨や橈骨等の生体内の長骨を伝搬する横波超音波の音速を、骨の密度や軟組織の厚さに影響されることなく測定できるため、長骨のせん断弾性を推定する上で、有効な手段となり得る。 As described above, by using the ultrasonic sound velocity measuring method according to the present invention, the sound velocity of lateral wave ultrasonic waves propagating in a long bone in a living body such as a femur or a radius can be adjusted to the bone density or the thickness of soft tissue. Since it can be measured without being affected, it can be an effective means for estimating the shear elasticity of long bones.
1、1a、1b 長骨
2、2a、2b 送波器
3、3a、3b 受波器
4 水
5 空気層
5a スポンジ
6、6a、6b 軟組織
7 位置センサ
8 音速測定手段
10 台
11 生体
21、31 ウォーターバッグ
22 送波器本体
23、33 ダンパー
24、32 トランスデューサ
100 超音波の音速測定装置
1, 1a, 1b
Claims (9)
前記長骨を伝搬し、更に前記軟組織を伝搬して生体の表面から漏れ出た超音波を、受波器で受波して電気信号に変換する第2のステップと、
前記受波器によって、前記長骨の長軸と平行な方向であって、前記送波器に対して距離の異なる複数の位置で受波した電気信号に基づいて、前記長骨を伝搬する超音波のうち横波の音速を測定する第3のステップと、を含むことを特徴とする超音波の音速測定方法。 First, in a plane including the long axis of the long bone of the human body, the long bone is irradiated with ultrasonic waves at an incident angle exceeding the critical angle of the longitudinal wave through the soft tissue using an ultrasonic transmitter. Steps and
The second step of transmitting the ultrasonic wave propagating through the long bone and further propagating through the soft tissue and leaking from the surface of the living body by a wave receiver and converting it into an electric signal.
The ultrasonic wave propagates through the long bone based on the electric signals received by the wave receiver at a plurality of positions parallel to the long axis of the long bone and at different distances from the transmitter. A method for measuring the speed of sound of an ultrasonic wave, which comprises a third step of measuring the speed of sound of a transverse wave among sound waves.
前記長骨を伝搬し、更に前記軟組織を伝搬して生体の表面から漏れ出た超音波を受波して電気信号に変換する受波器と、
前記受波器によって、前記長骨の長軸と平行な方向であって、前記送波器に対して距離の異なる複数の位置で受波した電気信号に基づいて、前記長骨を伝搬する超音波のうち横波の音速を測定する音速測定手段と、を備えたことを特徴とする超音波の音速測定装置。 A transmitter that irradiates the long bone with ultrasonic waves at an angle exceeding the critical angle of the longitudinal wave through the soft tissue in the plane including the long axis of the long bone of the human body.
A receiver that propagates through the long bones, further propagates through the soft tissue, receives ultrasonic waves leaked from the surface of the living body, and converts them into electrical signals.
The ultrasonic wave propagates through the long bone based on the electric signals received by the wave receiver at a plurality of positions parallel to the long axis of the long bone and at different distances from the transmitter. An ultrasonic sound velocity measuring device provided with a sound velocity measuring means for measuring the sound velocity of a transverse wave among sound waves.
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