JP2790777B2 - 骨表位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を利用して骨の
表面位置を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、骨の疾病を予防・診断するための
骨評価装置が提案されている。その骨評価装置は、例え
ば超音波を生体に送受波し、その時に得られたデータか
ら、骨の評価をするものである。その骨評価装置として
は、例えば本出願人が特願平５−１３５６１０号で提案
しているものが挙げられる。

【０００３】骨評価に当たっては、骨密度や骨中音速等
を演算するために、骨の幅（厚み）を測定することが必
要となる。そのためには、骨の両側で骨表位置を検出し
なければならない。

【０００４】従来の骨表位置検出方法では、反射超音波
を受波することにより得られる受信信号に基づき、骨表
位置を検出している。すなわち、周知のように、超音波
は音響インピーダンスに差がある境界で反射するため、
受信信号中には複数のピークが現れるので、そのピーク
の位置から組織の境界（体表、骨表）を決定できる。そ
の場合、従来の骨表位置検出方法では、例えば受信信号
を所定のしきい値と比較し、そのしきい値を超える信号
の位置を組織境界と認定していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、患者によって
は体表の角質化が進行し、その体表からの反射波がきわ
めて強い場合があり、その体表を骨表と誤判定してしま
うおそれがあった。一方、信号中にノイズが多く含まれ
ている場合には、多数のピークが発生し骨表ピークの判
定が困難になる場合があった。

【０００６】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、骨表を表す信号（ピーク）を
容易に選別できる方法を提供することを目的とする。

【０００７】また、本発明は、体表信号に惑わされず、
骨表信号を確実に検出することを目的とする。

【０００８】また、本発明は、被検者が動いても骨表を
確実に検出することを目的とする。さらに、本発明は、
被検者の個人差に応じて、適確な骨表検出を行うことを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、超音波パルスを生体に対し
て送受波し、それにより形成される送受波ビーム上の各
深さ位置からの反射波の大きさを表わす受信信号の振幅
値に基づいて、骨表の深さ位置を検出する装置であっ
て、超音波を生体に対して送波し、前記生体からの反射
波を受波する送受波手段と、前記受波により得られる前
記受信信号に対して、前記送受波ビーム上の各深さ位置
において骨表の存在確率が高いところには大きな重み付
け値を有し骨表の存在確率が低いところには小さな重み
付け値を有する骨表確率関数を乗算する重み付け手段
と、前記重み付け後の受信信号から、骨表の深さ位置を
検出する位置検出手段と、を含むことを特徴とする。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、体表位置を
検出する手段と、前記体表位置を基準として前記骨表確
率関数を決定する手段と、を含むことを特徴とする。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、前記体表位
置は、前記受信信号に基づいて検出されることを特徴と
する。

【００１２】さらに、請求項４記載の発明は、被検者情
報を入力する手段と、前記被検者情報に基づいて前記骨
表確率関数を決定する手段と、を含むことを特徴とす
る。

【００１３】

【作用】上記請求項１記載の構成によれば、まず、超音
波が生体に対して送波され、反射波が受波される。これ
によって、受信信号が得られるが、その受信信号には体
表ピーク、骨表ピーク、ノイズなどが含まれる。

【００１４】骨表ピークのみを強調させるために、本発
明においては、受信信号に対して、骨表確率関数が乗算
され、いわゆる重み付けがなされる。この骨表確率関数
は、骨表の存在確率の大きさを示すもので、その関数を
乗算することにより、受信信号中における体表ピークは
低減され、骨表ピークが浮き出てくる。また、重み付け
の低いところでは、ノイズの低減効果もある。

【００１５】よって、重み付けされた後の受信信号に対
して、骨表ピーク検出を行えば、容易に骨表位置を特定
することが可能となる。なお、本発明によれば骨表位置
を正確に検出できるので、例えば、骨幅の測定精度を向
上でき、ひいては骨評価結果の信頼性を高められる。

【００１６】上記請求項２記載の構成によれば、検出さ
れた体表位置を基準として、骨表確率関数が相対的に決
定される。すなわち、体表位置と骨表位置との間隔は、
各人でおよそ一定であるので、体表を基準に骨表確率関
数を決定すれば、その関数を適切なものにすることがで
きる。特に、被検者の位置が通常位置からずれている場
合や被検者が動いてしまった場合等に有効である。

【００１７】上記請求項３記載の構成によれば、体表位
置が超音波の受信信号から判定される。すなわち、体表
は水などの整合材に接しており、信号ピークが比較的に
明瞭であるので、体表ピークの検出は確実かつ容易であ
る。このように受信信号を利用して体表ピークが検出さ
れ、それにより骨表確率関数が決定された後、当該受信
信号に対して重み付けが行われ、さらに骨表ピークの検
出が行われる。

【００１８】上記請求項４記載の構成によれば、身長、
体重、性別等の被検者情報に基づいて、当該被検者に適
切な骨表確率関数が決定される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００２０】図１には、本発明に係る骨表位置検出方法
が適用される骨評価装置の全体構成が示されている。ま
ず、この装置の各構成について説明する。

【００２１】図１において、この装置は、踵骨１２の骨
評価を行うものであり、その踵骨１２を含む踵１０の両
側に一対の振動子１６ａ，１６ｂが配置されている。各
振動子１６ａ，１６ｂは、走査ユニット１４に搭載され
ており、この走査ユニット１４はモータ１８を駆動する
ことによって、自在に移動可能である。走査ユニット１
４は、走査制御部２０により制御されている。なお、踵
１０は例えば水槽（図示せず）などに入れられ、振動子
１６ａ、１６ｂと踵１０との間には水が介在している。
各振動子１６ａ，１６ｂは、送受信ユニット２２，２４
によって送受信制御されている。受信信号は、Ａ／Ｄ変
換器２６によってデジタル信号に変換された後、計測制
御部２８を介して制御装置３０へ出力される。ここで、
計測制御部２８は、上記の送受信ユニット２２，２４を
制御するものである。

【００２２】制御装置３０は、後述するように、受信信
号に基づいて骨表の位置を検出し、これに基づき骨幅を
演算して、最終的に骨評価値を求めるものである。この
制御装置３０には、各種の情報を入力するための入力器
３２が接続されている。

【００２３】図２には、制御装置３０における骨表検出
に関する構成が示されている。受信信号１００は、関数
乗算器３４に入力されている。一方、関数発生器３６で
発生された骨表確率関数１０２も関数乗算器３４に入力
されている。関数乗算器３４では、受信信号１００に対
して骨表確率関数１０２が乗算され、これにより重み付
けが行われた後、受信信号は骨表検出器３８に送られ、
後述するように受信信号の骨表ピークが検出され、これ
によって骨表位置が求められる。その結果は骨幅演算器
へ送られる。

【００２４】図３には踵１０と一対の振動子１６ａ，１
６ｂとの関係が示されている。なお、この図３に示され
る踵１０は、右踵であり、左右の骨表位置の間の距離
（骨幅）は例えば３ｃｍであり、左右の体表位置の間の
距離（踵幅）は、例えば６ｃｍである。振動子１６ａと
左側の骨表位置との間の距離は約４ｃｍである。

【００２５】このような状態において、左側の振動子１
６ａから超音波パルスを踵１０に向けて送波すると、超
音波は体表や骨表などの組織の境界面で反射し、その反
射波が振動子１６ａにて受波される。この時の受信信号
が図４に示されている。図４において、約２４μｓのと
ころに体表ピーク（ａ）が表れ、また約５０μｓのとこ
ろに骨表ピーク（ｂ）が表れている。ここで、体表ピー
ク（ａ）は、比較的大きな振幅を有しており、この状態
で骨表ピークの検出を行うと、誤って体表ピーク（ａ）
を骨表ピークと判断してしまう可能性がある。

【００２６】そこで、本発明においては、例えば図５に
示す骨表確率関数を受信信号に乗算することによって、
受信信号に重み付けを行う。その結果得られた重み付け
後の受信信号が図６に示されている。図示されるよう
に、骨表ピーク（ｂ）が明瞭に現れており、一方、体表
ピーク（ａ）は消失している。

【００２７】図２に示した関数発生器３６は、この図５
に示すような骨表確率関数を発生するものであり、その
骨表確率関数と受信信号とを乗算するのが図２に示した
関数乗算器３４である。

【００２８】図５に示す骨表確率関数は、例えば次のよ
うに決定される。図３に示したように、右踵が適正な位
置にセットされている場合、平均的に見て、左側の振動
子１６ａから骨表までの距離は約４ｃｍ程度であるた
め、それに基づき骨表ピークの位置を演算すると、その
骨表ピークが捕えられる時刻は往復でおよそ２×（０．
０４／１５００）＝５３μＳである。ただし、水中での
音速を１５００ｍ／ｓとしている。すなわち、平均的な
骨表位置に最大の重み付け値を与えた関数が図５に示す
骨表確率関数である。これによって、骨表ピークが現れ
る時刻周辺を重点的に考慮できるので、容易かつ正確な
骨表ピークの検出が行える。

【００２９】なお、踵１０の右側においても同様の骨表
ピークの検出が行われ、これらにより得られた骨表位置
から骨幅が例えば３ｃｍと演算される。

【００３０】図７には、ガウス分布型をした骨表確率関
数が示されている。このような関数によれば、より骨表
の存在確率に忠実な重み付けを行うことができる。ま
た、図８にもガウス型をした骨表確率関数が示されてい
る。この関数では、体表ピークが現れる位置にも０．５
の重み付け値が与えられている。

【００３１】図９には、更に他の骨表確率関数が示され
ている。この図９に示す関数では、一定期間内に重み付
け値として１が設定され、それ以外では０．５が設定さ
れている。

【００３２】図１０には、左踵に対して左側から超音波
計測を行った場合の受信信号が示されている。基本的に
は図４に示した受信信号と同じであるが、踵骨１２の形
状が対象となるため、体表ピーク（ａ）の位置及び骨表
ピーク（ｂ）の位置が両者で異なっている。従って、図
１に示した入力器３２を用いて、測定対象が右踵である
かあるいは左踵であるかを入力し、それに合わせた骨表
確率関数を用いることが望ましい。

【００３３】図１１には、図１０に示した計測条件に合
致する骨表確率関数が示されており、この例では平均的
な骨表位置が４０μｓとして関数が構成されている。

【００３４】図１２には、図１０に示した受信信号に対
して図１１に示した骨表確率関数を乗算した後の重み付
けされた受信信号が示されている。図示されるように、
骨表ピーク（ｂ）が明瞭に現れている。

【００３５】以上の実施例においては、固定的に設定さ
れた複数の骨表確率関数をあらかじめ記憶し、場合に応
じて選択していたが、更に体格、年齢、性別などの被検
者情報に応じて適切な骨表確率関数を個別的かつ適応的
に形成することもできる。すなわち、踵骨の大きさは、
各人で異なるため、そのような被検者情報を用いて各人
に最適な骨表確率関数を決定するものである。

【００３６】図１に示した入力器３２によって、被検者
の体格、年齢、性別が入力される。そして、この実施例
では、関数発生器３６が基本関数として図１３に示す関
数を有している。ここでは、その関数として台形型の関
数が採用されており、その中央がＡ点とされ、その半値
幅がＢとされている。

【００３７】関数発生器３６は、被検者情報として与え
られた体格（身長・体重）、年齢、性別から骨表位置を
演算により予測する。そして、その予測した骨表位置に
Ａ点を合わせる。また、関数発生器３６は、身長及び体
重から肥満度を演算し、その肥満度から、踵にどの程度
の厚みで脂肪などの軟組織が存在しているかを演算によ
り予測する。そして、その軟組織の厚みに基づき半値幅
Ｂを決定する。

【００３８】これにより、図１３に示すように、骨表確
率関数が決定されたので、関数発生器３６は関数乗算器
３４に対し、決定された骨表確率関数を出力する。な
お、痩せている人に対してはＢを小さく、太っている人
に対してはＢを大きく設定するのが望ましい。このよう
に、計測される人の体型に関するデータに基づいて、骨
表確率関数を決定すれば、より正確な骨表位置の検出が
行える。

【００３９】ちなみに、踵の厚さを例えばノギスなどで
実測し、その実測値を入力することにより、上述したＢ
の値などを決定してもよい。いずれにおいても、各人の
踵の構造に応じて適応的に最適な骨表確率関数を決定す
るようにするのが望ましい。

【００４０】上述した実施例においては、計測対象であ
る踵が適正な位置にセットされていることが前提とな
る。しかし、実際には踵が正規の位置からずれる場合が
あり、そのための実施例を以下に説明する。

【００４１】この実施例では、受信信号において比較的
明瞭である体表ピーク（ａ）を基準として骨表ピーク
（ｂ）を検出するのための骨表確率関数が相対的に決定
されている。

【００４２】図１４には、一対の振動子１６ａ，１６ｂ
間の任意の位置に踵がおかれた場合の受信信号が示され
ている。ここで、いずれの受信信号においても、比較的
体表ピーク（ａ）は明瞭に表れるため、まず、図２に示
す体表検出器５０が体表ピーク（ａ）の検出を行う。そ
して、関数発生器３６は、その体表ピーク（ａ）の時刻
ｔ１を基準位置として骨表ピーク（ｂ）の位置を予測
し、その予測に基づいて骨表確率関数の設定を行う。こ
の例では、骨表が体表からおよそ２ｃｍぐらいの位置に
あるとの前提に基づき、体表ピークから骨表ピークまで
の時間を２×（０．０２／１５００）＝２７μｓである
と演算し、これを骨表確率関数の中央としている。この
ように設定されたのが図１５に示す骨表確率関数であ
り、それを図１４に示す受信信号に乗算すれば、図１６
に示すように、重み付け後の受信信号が得られる。これ
により、骨表ピーク（ｂ）が明瞭に現れ、これによって
正確な骨幅の演算が可能となる。

【００４３】なお、基準位置からのシフト量、すなわち
基準位置から骨表確率関数中心までの時間差は、上述し
た体格や性別などの被検者情報に基づいて演算すること
も可能である。このようにすれば、より正確なピーク検
出を行うことができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、骨表の存在確率を示す骨表確率関数を受信
信号に乗算することによって、体表ピークやノイズなど
を低減して骨表ピークを明瞭にし、骨表ピーク検出精度
を向上できる。よって、骨幅の演算などを正確に行うこ
とが可能となる。

【００４５】また、請求項２記載の発明によれば、体表
位置を基準として骨表確率関数を決定できるので、被検
者の位置が通常の位置からずれている場合においても、
正確なピーク検出が行える。その場合に、体表位置は超
音波の受信信号自体から判定することができる。

【００４６】請求項４記載の構成によれば、被検者に適
切な骨表確率関数を決定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る骨表位置検出方法が適用される骨
評価装置の全体構成を示す図である。

【図２】前記骨評価装置の制御装置における骨表検出に
関連する構成を示すブロック図である。

【図３】一対の振動子と踵との関係を示す図である。

【図４】受信信号を示す波形図である。

【図５】骨表確率関数の例を示す図である。

【図６】重み付け後の受信信号を示す波形図である。

【図７】骨表確率関数の例を示す図である。

【図８】骨表確率関数の例を示す図である。

【図９】骨表確率関数の例を示す図である。

【図１０】受信信号を示す波形図である。

【図１１】骨表確率関数の例を示す図である。

【図１２】重み付け後の受信信号を示す波形図である。

【図１３】骨表確率関数の基本形を示す図である。

【図１４】位置ずれ時の受信信号を示す波形図である。

【図１５】骨表確率関数の例を示す図である。

【図１６】重み付け後の受信信号を示す波形図である。

【符号の説明】

１０ 踵 １２ 踵骨 １６ａ，１６ｂ 振動子 ３０ 制御装置 ３４ 関数乗算器 ３６ 関数発生器 ３８ 骨表検出器 ５０ 体表検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) A61B 8/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波パルスを生体に対して送受波し、
   それにより形成される送受波ビーム上の各深さ位置から
   の反射波の大きさを表わす受信信号の振幅値に基づい
   て、骨表の深さ位置を検出する装置であって、 超音波を生体に対して送波し、前記生体からの反射波を
   受波する送受波手段と、 前記受波により得られる前記受信信号に対して、前記送
   受波ビーム上の各深さ位置において骨表の存在確率が高
   いところには大きな重み付け値を有し骨表の存在確率が
   低いところには小さな重み付け値を有する骨表確率関数
   を乗算する重み付け手段と、 前記重み付け後の受信信号から、骨表の深さ位置を検出
   する位置検出手段と、 を含むことを特徴とする骨表位置検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 体表位置を検出する手段と、 前記体表位置を基準として前記骨表確率関数を決定する
   手段と、 を含むことを特徴とする骨表位置検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の装置において、 前記体表位置は前記受信信号に基づいて検出されること
   を特徴とする骨表位置検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の装置において、 被検者情報を入力する手段と、 前記被検者情報に基づいて前記骨表確率関数を決定する
   手段と、 を含むことを特徴とする骨表位置検出装置。