JP2885377B2 - 超音波密度計測装置 - Google Patents

超音波密度計測装置

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JP2885377B2 JP1118508A JP11850889A JP2885377B2 JP 2885377 B2 JP2885377 B2 JP 2885377B2 JP 1118508 A JP1118508 A JP 1118508A JP 11850889 A JP11850889 A JP 11850889A JP 2885377 B2 JP2885377 B2 JP 2885377B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は骨などの身体の部分の密度を計測するために
用いられる装置、特にその身体の部分の物理的特性およ
び完全性に計測するために超音波信号を利用する装置に
関する。
〔従来の技術〕
現在、骨などの身体の部分の物理的特性および完全性
を計測するために用いられる様々な装置が存在する。害
を与えることのない密度計測装置は人間や競走馬のよう
な動物の骨の中で起こる微小な粉砕や微小な破砕により
もたらされる累積的な内部障害を確認するために用いら
れうる。更に、骨粗鬆症、若しくは骨の鉱物成分の低
下、人体内での検出およびその治療と予防はますます医
療上、生物学上のたいへんな関心事となりつつある。人
口の平均年令が増すにつれて、たいへんな数の患者が急
速な小柱の骨の損傷による合併症を併発しつつある。
フープ（Hoop）に与えられた米国特許第3,847,141号
はカルシウム成分を監視するために指の骨やかかとの骨
などの骨の組織の密度を計測するための装置を開示して
いる。この装置は分析されている骨上に締め付けられる
締め付け装置内に保持された、間を隔てて対向する一対
の超音波変換器を含んでいる。パルス発生器が骨を通っ
て他方の変換器へ向けられる超音波を発生させるために
変換器の一つに結合される。電気回路は受け側の変換器
からの信号を、それらの信号に応じてパルス発生器を再
び起動するために、パルス発生器に入力する。したがっ
て、パルスは超音波が骨の組織を通過するに要する通行
時間、それは骨を通過する音の速度に直接、比例する
が、に比例するが周波数で生成される。骨を通過する音
の速度は骨の密度に比例することがわかっている。この
ようにパルス発生器が再び起動される周波数は骨の密度
に比例する。
骨の強さを迅速に確証するための他の装置および方法
はプラット・ジュニア（Pratt,Jr）に与えられた米国特
許第4,361,154号および第4,421,119号に開示されてい
る。この装置は目盛りが付された副尺により接続され、
骨の強さを決めるために骨を通過する音の速度を決める
発射側の変換器と受け側の変換器を含んでいる。副尺は
２つの変換器の表面間の総通行距離を計測するために用
いられる。
リース（Lees）の文献（Lees,S.（1986）鉱化組織の
音波特性、超音波による組織の特性づけ、CRC publicat
ion 2,pp.207−226）は皮質性および海綿質（格子状若
しくは小柱）の骨の両者における音の減衰と速度の計測
を含む様々な研究について述べている。これらの研究の
結果により、湿性の音の速度と湿性の皮質性の密度との
間および乾性の音の速度と乾性の皮質性の密度との間に
は線型の関係があることが明らかになった。したがっ
て、骨の部分を通過する音波信号の通行時間は骨の密度
に比例する。ラングトン（Langton）らによる文献（Lan
gton,C.M.,Palmer,S.D.およびPorter,S.W.,（1984）格
子状の骨における広帯域超音波の減衰の計測、Eng.Me
d.,13,89−91）は通過伝達技術を用いた、踵骨（かかと
の骨）における周波数に対する超音波の減衰の研究の結
果を発表した。これらの著者は異なる対象物において認
められた減衰度の違いは踵骨の鉱物成分の変化によるも
のであることを示唆した。また、彼らは、低い周波数の
超音波の減衰度は骨粗鬆症の診断における有効なパラメ
ータとなり得、また、それにより起こりうる骨析の危機
を予測しうることを示唆した。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は次のように要約される。生きている身体の部
分の物理的特性および完全性を計測するため超音波密度
計であって、以下のものを含む。そこから少なくとも１
つの特定の周波数成分を有する音波信号が身体の部分お
よび既知の音響特性を有する物質を通して送出される送
り側の変換器と、音波信号が身体の部分を通って送られ
てしまった後で、その音波信号を受信する受け側の変換
器と、前記変換器に接続され、身体の部分を通った音波
信号の身体部分通行時間を決めるための、および／また
は身体の部分を通った音波信号の少なくとも一つのある
特定な周波数成分の絶対減衰度を決めるための、および
物質を通った音波信号の物質通行時間を決めるための、
および／または前記物質を通った音波信号の少なくとも
１つの対応する、ある特定の周波数成分の絶対減衰度を
決めるための手段。
あるいは、送り側の変換器は身体の部分を通して音波
信号を送り、受け側の変換器は音波信号が身体の部分を
通って送られてしまった後、その音波信号を受け、そし
て密度計は通常の通行時間のデータベースを有するマイ
クロプロセッサと、前記通常の通行時間のうちの１つを
選択するための手段と、選択された通常の通行時間に対
する前記身体部分通行時間の数学的比較を行うための手
段と、前記数学的比較を前記身体の部分の物理的特性お
よび完全性に関係づける手段とを含むようにしてもよ
い。データベース内の通常の通行時間の各々は検査され
ている人間の年令、背丈、体重、人種または性別に、ま
たは変換器の間の距離に、または身体の部分の厚さ若し
くは大きさに依存するかもしれない。
本発明の第１の目的は身体の部分を通った超音波信号
の通行時間を迅速に、効率よく、簡便に決定することに
より、生きている身体の部分の物理的特性および完全性
を計測するための超音波密度計装置および方法を提供す
ることにある。
本発明の第２の目的は身体の部分を通った超音波信号
の通行時間を、既知の音響特性を有する物質を通った音
波信号の通行時間と比較することにより、生きている身
体の部分の物理的特性および完全性を計測するための超
音波密度計装置および方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は身体の部分を通った超音波信号
の特定の周波数成分の絶対減衰度を決めることにより、
生きている身体の部分の物理的特性および完全性を計測
するための超音波密度計装置および方法を提供すること
にある。
本発明の更なる目的は身体の部分を通った超音波信号
の特定の周波数成分の絶対減衰度を、既知の音響特性を
有する物質を通った音波信号の対応する周波数成分の絶
対減衰度と比較することにより、生きている身体の部分
の物理的特性および完全性を計測するための超音波密度
計装置および方法を提供することにある。
本発明の他の目的は身体の部分を通った超音波信号の
通行時間を、検査されている人間の年令、背丈、体重、
人種または性別に、また変換器間の距離若しくは身体の
部分の大きさにも依存する通常の通行時間のデータベー
スから選択される。選択された通常の通行時間と比較す
ることにより、生きている身体の部分の物理的特性およ
び完全性を計測するための超音波密度計装置および方法
を提供することにある。
本発明の更なる目的は各々、複数の要素の配列を含む
送り側および受け側の変換器を有し、このことにより受
け側の１以上の要素によって受信される音波信号は受け
側の要素により受信された音波信号の各々が身体の部分
に対しｄ相対的にどこに位置するかを決めるために分析
されうるところの、生きている身体の部分の物理的特性
および完全性を計測するための超音波密度計装置および
方法を提供することにある。
本発明の他の目的、特徴および効果は本発明のより好
ましい実施例が例示のため選ばれており、添付の図面に
関連させて記載されている以下の詳細な説明から明らか
となろう。
〔実施例〕
より詳細に図面を参照すると、図面では同じ番号は同
じ部分を示しており、第１図には骨などの生きている身
体の部分の物理的特性および完全性を計測するための小
型な超音波密度計10が示されている。第１図に示される
ように、密度計10は起動ボタン12を備えたハンドル11を
含んでいる。接続ロッド13はハンドル11からまっすぐに
延びている。また、密度計10は固定アーム15と調整可能
なアーム16とを含んでいる。固定アーム15は好ましくは
接続ロッド13と連続的に成形されており、したがって、
接続ロッド13の端17に接続される。調整可能なアーム16
はハンドル11とロッド13上に置かれたデイジタル表示器
18との間の接続ロッド13上に摺動可能な状態で置かれて
いる。ノブ19は調整可能なアーム16をアーム15および16
の間の距離が調整されうるように接続ロッド13に沿って
摺動せしめるたにロックしたり、ロック解除したりする
ように回動可能である。
固定アーム15の端には第１（左）の変換器21が接続さ
れ、調整可能なアーム16の端には第２（右）の変換器21
が接続される。第１および２図に示されるように、変換
器21の各々の上には検査されるべき対象物に変換器を音
響的に結合するために、柔軟な音響結合器23が配置され
ている。この音響結合器23はプラスチック製のリング24
とウレタンまたは他の柔軟な物質からなる取り付けパッ
ド26を含む。第３図は通常は音響結合器23の柔軟なパッ
ド26の後に隠される第１（左）の変換器21の表面を示し
ている。変換器の表面28は通常、第２図に示されるパッ
ド26の内部表面29と接している。第３図に示される変換
器の表面28はａからｌの符号が付された12個の変換器要
素の配列を含んでいる。第２（右）の変換器21は第３図
に示される表面の鏡像である表面28を含んでいる。
第４図には密度計10の電気回路31が概略的に示されて
おり、この電気回路は物理的にはデイジタル表示器18の
筐体内に収容される。対象物32は音波信号が対象物を介
して伝わるように２つの変換器21の間に置かれる。この
対象物32は骨のような身体の部分か、または蒸留水若し
くはネオプレーンの比較物のかたまりなどの知られた音
響特性を有する物質を代表する。第４図に図示された実
施例に示されるように、一番左の変換器21は送信側の変
換器であり、一番右の変換器21は受信側の変換器であ
る。しかしながら、実際には変換器21のいずれかまたは
両者とも送信側および／または受信側の変換器でありう
る。第４図の回路の送信側および受信側の変換器21は要
素選択信号36および37によりマイクロプロセッサ38に接
続されている。マイクロプロセッサ38は任意の時点にお
いて変換器要素ａからｌの各対のうちのどが送信し、受
信すべきものかを決めるようにプログラムされる。この
選択は要素選択信号線36および37により行われ、その線
は必要とされる選択データを変換器21に送るために複数
の信号線であってもよいし、シリアルデータ線であって
もよい。またマイクロプロセッサ38はデータおよびアド
レス・バス40によって、デイジタル表示器18、デイジタ
ル信号プロセッサ41、サンプリング・アナログ／デイジ
タル変換器42および外部タイマ部43に接続される。マイ
クロプロセッサ38には電気的に書き込み可能な不揮発性
ランダム・アクセス・メモリ（NURAM）および、おそら
く同様に、周知のRAMメモリが組み込まれており、密度
計10の動作を制御する。デイジタル信号プロセッサ41は
読み出し専用メモリ（ROM）が組み込まれており、マイ
クロプロセッサ38の制御の下に密度計10により行われる
数学的機能の多くを実行する。デイジタル信号プロセッ
サ41は特に受信した波形信号を時間領域から周波数領域
に変換しうるように、現在、集積回路の形態で市販され
ているような離散的なフーリエ変換を実行する能力を含
んでいる。マイクロプロセッサ38およびデイジタル信号
プロセッサ41もまた、マイクロプロセッサ38がデイジタ
ル信号プロセッサ41の動作の制御をずっと維持しつつ、
かつ状態信号を受け取ることができるように、制御信号
45および46により相互接続される。また、マイクロプロ
セッサ38およびデイジタル信号プロセッサ41は密度計10
が以下に説明されるであろうその動作を実行できるよう
に電気回路31を制御する。音声スピーカのような音声帰
還機構48が出力信号49を介してマイクロプロセッサに接
続されうる。
外部タイマ43はマイクロプロセッサ38とデイジタル信
号プロセッサ41内のプログラムに従って、A/D変換器42
に時間情報をもたらすために、A/D変換器42に一連のク
ロック信号51および52を供給し、送り側の変換器から最
終的に受けた電気信号を計時された時間間隔でサンプリ
ングする。また、外部タイマ43は励振増幅器55へのクロ
ック信号53を生成する。計時されたパルスはタイマ43に
より生成され、信号線53を介して増幅器55に送られ、増
幅された信号線56を介して送り側の変換器21へ送られ
る。送り側の変換器21は増幅されたパルスを音波信号に
変換し、その音波信号は対象物若しくは物質32を介して
伝達され、受け側の変換器21により受信され、受け側の
変換器21はその音波信号を電気信号に逆変換する。その
電気信号は出力信号57を介して受け側の増幅器59に入力
され、受け側の増幅器59はその電気信号を増幅する。
励振増幅器55は好ましくはパルス信号を出力するよう
設計された、デイジタル的に制御可能な回路である。そ
のパルスの増幅度は１から99のステップでデイジタル的
に制御可能である。このようにして、パルスの増幅度は
適当な増幅度の受信パルスが、利得もまたデイジタル的
に調整可能な受信／増幅回路59で受けられるまで、デイ
ジタル制御により繰り返し増加されうる。
受信音波信号に対して受け側の変換器21および増幅回
路59の感度を最適化する、デイジタル的に制御可能な自
動利得制御回路が受け側の増幅回路59に接続され、一体
化される。マイクロプロセッサ38は増幅回路および利得
制御59の増幅度を規定するために信号線60を介して増幅
回路および自動利得制御59に接続される。増幅された電
気信号は導線61を介してA/D変換器42に入力され、A/D変
換器42はそれらの信号を計時された時間間隔によりサン
プリングする。したがって、A/D変換器42は事実上、受
信された音波信号をサンプリングすることとなる。一連
の実質的に同じ音波信号が受け側の変換器21により受信
されたとき、A/D変換器42は漸次、各連続する信号波形
の増加部分をサンプルする。マイクロプロセッサ38はそ
れらの部分が単一の信号波形とほぼ等しいデイジタル合
成波形を形成するよう組み合わされるようにプログラム
される。このデイジタル化された波形はデイジタル表示
器18上に表示され得、またデイジタル信号プロセッサ41
により数値解析のために処理されうる。
第１乃至第４図により構成される密度計は完全性や密
度などの身体の部分の物理的特性を計測するために、い
くつかの区別されうる使用法のうちの一以上において動
作可能である。以下に詳細に記載されるように、使用法
の違いは密度計をどのように使用するかについて臨床医
に与えられた指示と共に、マイクロプロセッサ34の動作
をプログラムするソフトウェアの両者に依存する。異な
る使用法は全て単一のユニットの中にプログラムされ
得、その場合、ユーザの選択スイッチが動作モードを選
択するために設けられ得、でなければ密度計は単一モー
ドの使用のためとなるよう構成されうる。いづれの場合
においても、身体の部分の物理的特性を計測するための
密度計の使用法が充分に理解されるためには、まず密度
計自体の内部動作を必要とすることが必要である。
そのいかなる使用法においても、密度計はその特性が
計測されている身体の部分上に過程のいくつかのポイン
トで置かれようとする。これはその身体の部分の反対側
に変換器21を置くことによりなされる。これを行なうた
めに、ノブ19は調整可能なアーム16が動くことができる
ようにゆるめられ、その結果、変換器21は人間の患者の
かかとのような身体の部分の反対側に置かれうるように
なる。パッド26の外側表面は身体の部分32と変換器21と
の間でよりよく音波信号の伝達を行わしめるためにパッ
ド26と対象物32との間に置かれる超音波ゲル35若しくは
他の結合物質と共に対象物であるかかとに対して設置さ
れうる。変換器21が身体の部分上に適当に設置されたな
らば、ノブ19は変換器21に身体の部分32をはさんで相互
に距離を置かせた状態で調整可能なアーム16を固定する
よう締めつけられる。そして、起動ボタン12が押下され
ると、音波信号が身体の部分32を介して送信され、受け
側の変換器21により受信される。第４図の電気回路は受
け側の変換器21から電気信号を受信し、生きている身体
の部分32の物理的特性および完全性に関する情報を得る
ためにこれらの信号をサンプルし、処理する。マイクロ
プロセッサ38はこの情報収集過程が完了しているときを
デイジタル表示器18上に示すようプログラムされる。ま
た、その情報は情報収集過程が完了したとき、デイジタ
ル表示器18上に表示されてもよい。例えば、単に身体の
部分32を通る音波信号の通行（所要）時間がデイジタル
表示器18上に表示されうるであろう。
第４図の回路の動作を詳細にみると、概念的には回路
は対象物32を介して送り側の変換器21から送られ、そし
て、受け側の変換器21により受信される超音波パルスを
生成するように設計される。回路は身体の部分32を通っ
たパルスの通行時間を決め、身体の部分32を通ったパル
スの減衰度を確認し、そしてパルスが身体の部分32を通
過してしまった後、そのパルスの波形をデイジタル的に
表わすものを再生し、その結果、それは選択された周波
数での減衰度を決定されうるように設計される。これら
の目的を成しとげるために、第４図の回路はマイクロプ
ロセッサ38の制御の下に動作する。マイクロプロセッサ
38は選択的に、変換器21の各々の表面上のａからｌの要
素のうちの一対の、若しくは一群の要素を要素選択信号
線36を介して選択する。各変換器上の対応する要素は同
時に選択される一方、各変換器の表面上の残りの要素は
起動されない。１つの要素について、例えば要素ａが選
択されたとすると、マイクロプロセッサは外部タイマ43
に信号線53上に励振増幅回路55へのパルスを送出せしめ
る。励振増幅器55の出力は信号線53に沿って送り側の変
換器21の要素ａに伝達され、それにより、その要素は超
音波パルスを送出する。受け側の変換器21上の対応する
要素ａはそのパルスを受信し、増幅回路59へ信号線57を
介してその出力を送出する。A/D変換器42の出力として
望まれるものは選択された一つの変換器の要素の出力で
ある。アナログ波形をデイジタル的に表わしたものであ
る。残念ながら、超音波周波数帯域において波形をサン
プルするに充分な速さで動作しうるリアル・タイム・サ
ンプリングA/D変換器は比較的高価なものである。した
がって、A/D変換器42はエキュイバレント・タイム・サ
ンプリングA/D変換器であることが好ましい。エキュイ
バレント・タイム・サンプリングによって、A/D変換器4
2が任意の超音波パルスの後の狭い時間幅の間、変換器
の出力をサンプルするようにしたものである。概念的に
は第５図に図示されている。受け側の変換器21により受
信され、信号線57に出力された一つのパルスの典型的な
波形は関数“f"により示される、励振パルスが繰り返し
発射されると、同じパルスが繰り返し受信される。受信
パルスはt0−t10の符号が付された一連の時間間隔でサ
ンプルされる。換言すると、信号ｆをリアル・タイムに
よりアナログからデイジタルへ変換するというよりも、
その信号は伝達パルスが送出された後、t0−t10の個々
の固定された期間の間、サンプルされ、各期間の間のア
ナログ値はデイジタル関数に変換され、そのデータは保
持される。このようにして、全体のアナログ波形出力は
波形再生の全体の精度はサンプルされる時間間隔の数に
よるものの、各時間間隔ｔの間に生成される個々のデイ
ジタル値から再生されうる。このサンプリングは受け側
の変換器21からの一つのリアル・タイムのパルスの間で
は完了しない。その代わり、一連のパルスが送り側の変
換器21から送出される。外部タイマは最初のパルスが所
定の変換器の要素へ印加されたとき、そのアナログ値が
時間t0のところでサンプルされ、２番目のパルスの間に
時間t1のところでサンプルされ、３番目のパルスの間に
時間t2のところでサンプルされるという具合に全ての時
間についてサンプルが行われるまで、信号線51および52
を介してサンプリングA/D変換器42に信号を供給するよ
う構成される。各要素について完全な波形がサンプルさ
れてしまえば、次の要素、例えば要素ｂが選択される。
A/D変換器42からの出力はマイクロプロセッサ38および
信号プロセッサ41の両者に供給される。こうして、第５
図の合成波形ｆを表わすデイジタル出力値は各変換器要
素についてそれらが蓄積された後、信号プロセッサ41に
より処理されうる。そしてその波形は、送出された超音
波パルスの性質に照らされ、任意の周波数成分での時間
遅延または減衰について解析されうる。そして、全ての
要素を用いて、受け側の変換器配列21で受信された波形
を表わすデイジタル・データを生成するに充分な一連の
パルスを送出されるまで、他の要素についてもこの過程
が繰り返される。そして、身体の物理的特性を決定する
ための様々な方法において用いられるのはこのデータで
あり、密度計が使用される態様を決定し、このデータが
深し求められると、適宜な出力がデイジタル表示器18を
介してマイクロプロセッサ38または信号プロセッサ41の
いづれかよりもたらされうる。
超音波パルスの発生およびサンプリングは少なくとも
人間から見ると、高速に行われうるので、サンプルされ
た超音波受信パルスを生成する過程は、信号平均化技術
によりノイズを低減するために、付加的に数回繰り返さ
れうる。この付加過程が行われるのであれば、繰り返し
超音波パルスを発射し、第５図に示されるような受信波
形をサンプルする過程は配列内の各要素について次の要
素に進む前に１回以上繰り返される。そして、このよう
にして生成されたサンプルされた波形は単一のサンプル
波形と比べより少ないランダム・ノイズ成分を有するで
あろう合成波形を生成するためにデイジタル的に平均化
されうる。雑音を充分、低減するに必要な繰り返し回数
はこの分野の熟練者に知られた方法でテストすることに
より決定されうる。
このように、第１乃至４図の密度計の内部動作につい
てみてみたが、身体の部分の物理的特性を計測するため
の密度計の使用方法を理解することが今や可能となっ
た。第１の使用方法は対象物を通る超音波パルスの通行
時間を計測し、その時間を水のような既知の音響特性の
物質中の等しい距離を超音波パルスが伝搬するに要する
時間と比較する。この過程において密度計を使用するた
めに、調整可能なアーム16はかかとなどの対象物である
身体の部分が変換器21の間で締めつけられるまで調整さ
れる。そして、ノブ19は調整可能なアームを固定するよ
う締められる。起動ボタン12がパルス発生と計測を始め
るよう押下される。次に、変換器21間の距離が同じに保
たれるようにノブ19を堅くしたまま密度計は対象物から
外される。そして、装置10はあたりに置かれるか、若し
くは蒸留水の水そうに浸すなどにより、既知の音響特性
を備えた基準物質32に浸けられる。起動ボタン12が再び
押下されると、音波信号が送り側の変換器21からその物
質を通って受け側の変換器21へ送られる。身体の部分の
計測のためにはａからｌの要素の配列全てを用いること
が効果的であるが、基準物は均質であるとするならば、
基準物を介した計測については一対の要素を用いさえす
ればよい。そして、２つの計測により受信した信号のプ
ロフィールはマイクロプロセッサ38および信号プロセッ
サ41により分析される。この分析は基準物と比べた場合
の、対象物を通るパルスの通行時間の比較および基準物
と比べた場合の、対象物を通る波形の周波数応答および
減衰特性を両者に方向づけられる。
このように、この方法において、密度計は２つの分析
方式の両者またはいづれかによって、身体の部分32の物
理的特性および完全性を決定しうる。密度計は身体の部
分を通る音波信号の通行時間を、既知の音響特性を有す
る物質を通る音波信号の通行時間と比較し得、および／
または装置10は身体の部分32を通った広帯域の音波信号
の周波数の関数として減衰度を、既知の音響特性をする
物質を通った音波信号の対応する特定の周波数成分の絶
対減衰度と比較する。ある物質を通った音波信号の“減
衰”とは対象物か基準物のいづれかを通った伝播により
音波信号が減少することである。これらの方法の両者を
用いた理論および実験はロスマン（Rossman）、P.J.に
よる人間の踵骨の中の超音波の速度および減衰の測定と
光子吸収による骨の鉱物測定に対するそれらの関係、
（1987）（ウィスコンシン−マディソン大学での科学修
士のための要件を部分的に充足して提出された論文）の
中で表わされ、議論されている。試験は特定の周波数で
の超音波の減衰（デシベルで計測された）（db）とそれ
らの周波数との間には線型の関係が存在することを示し
た。広帯域の超音波の減衰として呼ばれている。その線
型な関係の傾き（dB/MHz）は試験される物質の物理的特
性と完全性に依存している。骨に関しては、その線型な
関係の傾きは骨の鉱物密度に依存するだろう。このよう
に骨を通る広帯域の超音波の減衰度は格子状の骨の基質
の品質に直接、関係しているパラメータである。
したがって、マイクロプロセッサ38は装置が身体の部
分および既知の音響特性を有する物質を介して得られる
相対的な通行時間および／または相対的な広帯域の超音
波の減衰度のいづれかを比較することにより身体の部分
の物理的特性および完全性を決めるようにプログラムさ
れうる。通行時間を比較するとき、マイクロプロセッサ
38は音波信号が身体の部分を介して送出されてしまった
後、その音波信号を受信してしまってから、身体の部分
を通ったそれら音波信号の“身体部分”通行時間を決
め、音波信号が既知の音響特性を有する物質を介して送
られた後、その物質を通った音波信号の“物質”通行時
間を決めるように、かなり簡便にプログラムされうる。
これらの時間はパルスの発射した時とA/D変換器42で受
信パルスを感知した時との間にタイマ43により送出され
た既知の周波数のクロック・パルスの数を数えることに
よりかなり簡便に計測されうる。そして、マイクロプロ
セッサ38は物質通行時間に対する身体部分通行時間の数
学上の時間比較を行い、その数学上の時間比較を、身体
の部分の物理的特性および完全性に関連づける。この数
学上の時間比較は身体部分通行時間と物質通行時間との
間の差を求めるか、若しくは身体部分通行時間と物質通
行時間との間の比を求めるかのいづれかにより行われう
る。
密度計の第２の使用法として、既知の音響特性を有す
る物質を参照することなく、身体の部分を通った音波信
号の広帯域の周波数成分の絶対減衰度を決定し、比較す
ることにより、身体の部分32の物理的特性および完全性
を決定することもできる。この方法を使えば、計測され
るのは減衰度であるので、基準に対する速度の比較は必
要ではなく、パルスの絶対通行時間も計算される必要は
ない。このようなモードにおいては、送り側の変換器21
は単純な超音波パルスのような広い幅の周波数成分を有
する音波信号を送出することが好ましい。いづれの場合
においても、音波信号は少なくとも一つの特定の周波数
成分をもっているべきである。
この減衰度比較モードにおいては、マイクロプロセッ
サ38は受け側の変換器21が骨の部分32を介して送られて
きた音波信号を受信した後、身体の部分を通ることによ
る音波信号の周波数成分スペクトルの絶対減衰度を決め
るようにプログラムされる。励振増幅回路55および受け
側の増幅器59がデイジタル的に制御されうる増幅度レベ
ルを備えているのは、この減衰度の測定を行うためであ
る。連続するパルスに対して、連続的に増幅器55および
59の利得を変化させることにより、第４図の回路は受信
波形のピークを適当な電圧レベルにするにはどのレベル
の利得が必要であるかを決めることができる。もちろ
ん、この利得は音波が身体の部分32を通過する間での減
衰のレベルの関数である。受け側の変換器21が音波信号
を受信した後、マイクロプロセッサ38は信号プロセッサ
41と連携して、その物質を介して送られてきた受信音波
信号の個々の特定の周波数成分の絶対減衰度を決定す
る。そして、デイジタル信号プロセッサ41は身体の部分
を介して得られた、対応する個々の特定の周波数成分の
数学的な“減衰度”比較を行う。これにより、対応する
周波数成分の間で、１組の数学上の減衰度比較がなされ
得、比較されるべき各周波数成分について１回の比較で
ある。このように、減衰度が周波数に対して関数となる
方法が引き出された。そして、マイクロプロセッサ38お
よびデイジタル信号プロセッサ41はその関数を身体の部
分の物理的特性および不完全性に関連づける。
第７図に示されているのは広帯域の超音波パルスの一
例と典型的な受信波形である。周波数領域においてとて
も幅の広い超音波信号、すなわち、広帯域の伝送信号と
するために、70のところで示されるような電子パルスが
送り側の配列21内の選択された超音波変換器に印加さ
れ、変換器は広帯域の超音波放射により共振する。そし
て、時間領域信号表示により第７図中の72のところに示
されるような受信信号が離散的なフーリエ変換解析によ
り処理され、周波数領域へ変換される。第８図に示され
ているのは周波数領域表示により、サンプルの受信信号
をプロットした一対のプロット表示であるが、これは装
置内に置かれた参照対象物とネオプレーンのプラグとの
間で周波数の関数として、受信信号強度の変化を示して
いる。第９図には同様の比較が図示されており、第８図
では垂直軸に相対的な減衰度を用いているが、第９図で
は受信信号の絶対パワーを用いている。両者ともいかに
広帯域に超音波の減衰度が対象から対象へと変化するか
を示す周波数の関数として相対的な強度の違いを示すも
のである。計算された現実の値、広帯域の超音波の減衰
度はまず受信信号を参照信号に対して比較し、周波数領
域に変換するめに離散的なフーリエ変換を行い、広帯域
の超音波の減衰度をひき出すために減衰度の傾きにおけ
る差分の線型回帰を行うことにより計算される。
離散的なフーリエ変換の数学は減衰度に加えて、ある
いは減衰度に代わる、骨の部分の密度に関する他のパラ
メータが計算されうるようなものである。離散的なフー
リエ変換が時間領域の信号に対して行われたとき、各ポ
イントでの解析は本当の身体部分の成分と想像上の身体
部分の成分とを含んでいる。第８および９図にグラフ化
された値は実成分と虚成分の２乗の合計の平方根をとる
ことによりこの離散的なフーリエ変換から決められるよ
うな受信パルスの増幅度である。超音波パルスが身体の
部分を通過したとき、その超音波パルスの位相上の変化
の位相角は実成分に対する虚成分の比のアークタンジェ
ントをとることにより計算されうる。また、この位相角
値は骨の部分の密度に対しても計算される。
また、マイクロプロセッサ38は密度計が同時に２つの
機能を実行するように、すなわち、最初は身体の部分を
通って送られてきた音波信号の通行時間と絶対減衰度を
決め、そして既知の音響特性を有する物質を通ってきた
音波信号の通行時間と絶対減衰度を決めるようにプログ
ラムされうる。そして、密度計は広帯域の超音波の減衰
度関数をひき出すと共に物質通行時間に対する身体部分
通行時間の数学的な時間比較を行うことができる。そし
て、マイクロプロセッサ38およびデイジタル信号プロセ
ッサ41はその時間比較を減衰度関数と共に、身体の部分
32の物理的特性および完全性または密度に関係づける。
さらに他の可能性のある動作モードにおいては、マイ
クロプロセッサ38は密度計10が既知の音響特性の物質を
通した音波信号の相対通行時間または減衰度のいづれか
を計算する必要性が除かれたモードで動作するようにプ
ログラムされうる。そのようなモードで動作するため
に、マイクロプロセッサ38は変換器間の距離または身体
の部分の厚さ若しくは大きさと同じように検査されるべ
き人の年令、背丈、体重、人種、または性別などの要素
に基づく通常の絶対通行時間のデータベースを含むであ
ろう。この通常通行時間のデータベースは不揮発性のメ
モリに保持されうるか、または他の媒体に保持されえよ
う。このモードにおいて人間を検査するとき、その人間
の関係する要素はそれらの要素に基づく関係する通常通
行時間を選択するためにマイクロプロセッサ38内に取り
込まれる。変換器21が上述したごとく検査されている骨
の部分上に置かれる。起動ボタン12が押下されると、音
波信号が身体の部分32を介して送られる。受け側の変換
器21はそれらの信号が身体の部分を通過してしまった
後、それらの信号を受信する。そして電子回路31は身体
の部分を通った音波信号の身体部分通行時間を決める。
そして、マイクロプロセッサ38およびデイジタル信号プ
ロセッサ41は選択されたデータベースの通常通行時間に
対する計測された身体部分通行時間の数学的な比較を行
い、その数学的な時間比較を身体の部分の物理的特性お
よび完全性、若しくは密度に関係づけ、そしてそれは表
示される。
本発明の密度計の選択的な出力として、デイジタル表
示器18は第３図にみられるような変換器の面上の要素配
列のパターンに対応する表示をも含みうる。この表示は
ａからｌの各配列について、計測されているパラメー
タ、すなわち、通行時間または減衰度に比例するグレー
スケール画像を表示することができよう。この画像は患
者内に存する身体の部分の物理的特性について、経験豊
かな臨床医に対して視覚的に報知を行うことができる。
第６図に示されているのは本発明により構成される超
音波密度計の他の実施例のための概略回路である。第６
図の回路において、第４図の対応する部分と同じ構成お
よび機能を有する部分は同じ参照符号により示されてい
る。
第６図の実施例は送り側および受け側の変換器配列と
して機能する唯一の変換器配列21により機能するように
したものである。付加される反射面64は変換器配列21が
接する身体の部分32の面とは反対の面に置かれる。デイ
ジタル的に制御される多極スイッチ66、それは好ましく
は物理的なものより電子スイッチの方がよいが、は変換
器配列21の要素への入力および、要素からの出力を選択
的に励振増幅器55または制御可能な利得の受信／増幅回
路59に接続する。スイッチ66はスイッチ制御線68により
マイクロプロセッサ38の出力に接続される。
第６図の回路の動作において、回路は多くの面で第４
図の回路と同じように機能するので、その差異のみが議
論される必要がある。超音波パルスを発射している間、
マイクロプロセッサ38はスイッチ66に励振増幅器55の出
力を変換器配列21内の選択された要素に接続させるため
に、スイッチ制御線68に信号を送出する。パルスの発射
が完了すると、マイクロプロセッサ38は選択された一つ
または複数の要素を入力として増幅器59に接続するよう
スイッチ66を作動せしめるため、スイッチ制御線68上の
信号を変化させる。一方、パルスは身体の部分32を通っ
て伝播する。パルスが身体の部分を通過すると、そのパ
ルスが身体の部分の異なる物質の境界を超えるとき、特
にパルスが身体の部分から身体の部分の反対側で空気中
へ出たとき、反射パルスが発生する。身体の部分から空
気中への移動が充分な反射パルスを生み出さないとして
も、反射面64が反射パルスを強めるために、身体の部分
の反対側に対して設置されうる。
このように第６図の実施例は一つの変換器21のみを使
用して身体の部分の物理的特性および完全性を分析する
のに用いられる。このような計測のために上記した方法
の全てがこの形式の装置についても同様に効果的に用い
られうる。身体の部分を通ったパルスの通行時間は反射
パルスが受信されるまでの時間を単に計測し、２で割る
ことにより計測されうる。この通行時間は水などの基準
媒体を同じ距離だけ通る場合の通行時間と比較されう
る。また、反射パルスを受信するまでの時間は年令、性
別などの基準値と比較されうる。周波数を異ならしめて
減衰度を計測することは反射パルスに対して直接、行わ
れうる。反射面64が用いられず、かつ絶対通行時間を求
めたいときは、身体の部分またはサンプルの厚さが計測
されうる。
第３図に図示されるような、変換器21のための複数の
要素の超音波変換器を用いれば第１乃至９図の装置の別
の効果的特徴をもたらしうる。先行技術の密度計を用い
ると、有益な結果を得るには、しばしば計測されている
患者の人体の部分に対し装置を正確に位置させることが
必要であった。これは現実の人体の部分の骨のかたまり
および構造における異質性のためにもたらされる困難で
ある。ある部位の密度を計測することは近くでの計測と
はかなりの差が生じうる。したがって、先行技術の装置
は計測がその都度、正確な場所で行われるように、人体
の部分を正確に固定していた。
本超音波変換器配列を用いればこの正確な位置決めの
必要性は不要なものとなる。第１乃至９図の装置を用い
ると、装置はパルスの送受を行い、離散的フーリエ変換
を行い。ａからｌの変換器配列の各対についての骨の超
音波減衰度の値を生成する。そして、マイクロプロセッ
サ38は関心のある同じ領域をその都度、再生可能に識別
するために、骨の超音波密度計測の結果の配列を分析す
る、換言すると、変換器の物理的配列はその都度、少な
くとも、関心のある一つの共通領域を確実に覆うのに充
分に大きいので、配列によって計測された部位の中から
計測のために適当な部位を電気的に選択することによ
り、その都度同じ焦点に対して計測が限定される。第１
乃至９図の装置は人間の患者のかかとを介して計測され
たときの踵骨の密度を計測することにより丁度よい具合
に用いられうる。この部位において用いられるとき、踵
骨内の関心のある領域は配列内のいくつかのポイントで
の骨の超音波減衰度の比較に基づいて、確実にかつ繰り
返し位置せしめうることがわかった。踵の関心のある領
域は人体の部分において最も減衰度の値の高い領域に近
接しつつ、骨の超音波減衰度および／または速度が局所
的に、または相対的に最小であると認められる。このよ
うに、密度計機器10が連続する計測の度に、同じ位置の
ところにおおよそ位置するだけで、この関心のある同じ
領域での骨の超音波減衰度の値を繰り返し計測すること
ができる。
位置の臨界性を避けるために複数要素の配列を用いる
この方法はここで記載された広帯域の超音波の減衰度を
決定する以外の他の技術にも適用可能である。計測の焦
点を決定するために配列を使って、結果の配列を比較す
るという概念は上述した音の通行時間の速度に基づく身
体の部分の密度の計測や減衰度または位相角の計算に基
づく他の計測にも同様に適用可能であろう。また、関心
のある領域における１つり要素の自動化された選択によ
り、複数要素の配列などを使用することはプラット（Pr
att）に与えられた米国特許第4,361,154号に示唆される
ような伝送パルスにおける速度の変化の測定やフープ
（Hoop）に与えられた米国特許第3,847,141号に示唆さ
れるような“シング・アラウンド”（“sing−aroun
d"）の自己誘起パルスの周波数の測定など骨の密度に関
するパラメータを生成するために用いられる他の計測技
術にも適用可能である。自由に位置決めできるという特
徴をもたらす概念は再生可能な基準値若しくはいくつか
の臨界値によった関心のある領域が選択されるデータ・
ポイントの配列を生成する配列計測によるものである。
また、配列内の要素の数は明らかに関心のある同じ領域
を識別する上で、高い正確さをもたらす大きい数で変化
させうる。
〔発明の効果〕
このように本発明の超音波密度計は放射能を利用する
ことなく、生きている身体の部分の物理的特性を迅速
に、かつ効率よく決定することのできる装置をもたらす
ものである。上述したように、密度計はマイクロプロセ
ッサ38の制御の下に動作するよう構成されているので、
いくつかのモードの１つにおいて動作するようにプログ
ラムされうる。これにより、装置の効率的使用と共に臨
床医の目的に柔軟性をもたらすことができる。
本発明はここにおいて記載された実施例および図説に
特に制限されるものではなく、その変形例など全てを請
求の範囲内にあるものとして含んでいる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従い構成された超音波密度計装置の斜
視図である。 第２図は第１図にその２つが示されている音響結合器の
斜視図である。 第３図は音波信号が送出され、または音波信号が受信さ
れ、他方の変換器の面はその鏡像となっているところの
変換器の面の正面図である。 第４図は本発明に従い構成された超音波密度計装置の回
路の概略ブロック図である。 第５図は第４図の回路によって用いられる受信波形をサ
ンプリングする方法を説明するための図である。 第６図は本発明に従い構成された超音波密度計の他の実
施例の回路の概略ブロック図である。 第７図は本発明による超音波密度計からの実際の超音波
パルスと応答を例示した図である。 第８図は周波数帯域にわたる相対的な超音波パルスの強
度をプロットした例の図である。 第９図は対照例と対比させて測定された目的物の減衰度
対周波数の特性における変化を図示した周波数領域での
グラフである。 10……密度計、11……ハンドル、12……起動ボタン、13
……説明ロッド、15……固定アーム、16……調整可能な
アーム、17……端、18……デイジタル表示器、19……ノ
ブ、21……変換器、23……音響結合器、24……リング、
26……パッド、28……変換器の表面、29……内部表面、
32……身体の部分、35……超音波ゲル、36……要素選択
信号線、38……マイクロプロセッサ、40……アドレス・
バス、41……デイジタル信号プロセッサ、42……アナロ
グ／デイジタル変換器、43……外部タイマ部、45,46…
…制御信号、48……音声帰還機構、49……出力信号、5
1,52……クロック信号、55……励振増幅器、57……出力
信号、59……増幅器。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−49834（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−172547（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−195473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−80442（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−82633（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−152679（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−14066（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−68441（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−503199（ＪＰ，Ａ) 国際公開87／1296（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/14 ＪＯＩＳ ＷＰＩ／Ｌ

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】生体内の骨の物理的特性及び完全性を測定
    するための装置であって、骨または基準物質を配置して
    音響信号を送信し、骨または基準物質を通過後の音響信
    号を受信するための一対の超音波変換器が、骨を配置す
    る場合その骨を通過する音響信号の骨の通過時間を決定
    し、そして基準物質を配置する場合には骨の測定と同じ
    距離に超音波変換器の距離を保持して基準物質通過時間
    を決定するように動作する手段と、前記骨の通過時間と
    前記基準物質通過時間とを数学的に時間比較する手段
    と、前記数学的な時間比較から得られ、骨の物理的性質
    に関連する出力を発生する手段とを備えることを特徴と
    する装置。
  2. 【請求項２】前記数学的に時間の比較をする手段が、前
    記骨の通過時間と前記基準物質通過時間との差をとるこ
    とを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記数学的に時間の比較をする手段が、前
    記骨の通過時間と前記基準物質通過時間との比をとるこ
    とを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】試験された個人の少なくとも一つの要素、
    例えば年齢、身長、体重、人種、性別により指示された
    複数の物質通過時間を記憶するデータベース手段を有
    し、前記数学的に時間の比較をする手段が、そのデータ
    ベース手段から物質通過時間を得ることを特徴とする請
    求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】生体内の骨の物理的特性及び完全性を測定
    するための装置であって、骨または基準物質を配置して
    音響信号を送信し、骨または基準物質を通過後その音響
    信号を受信するための一対の超音波変換器と、骨を配置
    する場合その骨を通過する音響信号の骨の通過時間を決
    定し、そして基準物質を配置する場合には骨の測定と同
    じ距離に一対の超音波変換器の距離を保持して通過する
    音響信号の基準物質通過時間を決定するように動作する
    手段と、前記骨が配置されているときその骨を通過する
    音響信号の少なくとも一つの周波数成分の骨の減衰を決
    定し、そして基準物質が配置されているときその基準物
    質を通過する音響信号の少なくとも一つの対応する周波
    数成分の物質減衰をも決定するように動作する手段と、
    前記骨の通過時間と前記基準物質通過時間とを数学的に
    時間比較し、そして前記骨の減衰と前記物質減衰とを数
    学的に減衰比較する手段と、前記数学的な時間比較及び
    前記数学的な減衰比較から得られ、骨の物理的性質に関
    連する出力を発生する手段とを備えることを特徴とする
    装置。
  6. 【請求項６】骨の減衰を決定するように動作する手段
    が、広範囲の周波数を含む一の音響信号を同時に送信
    し、そしてその一の音響信号からその骨を通過する音響
    信号の少なくとも二つの周波数成分の減衰を決定するよ
    うにされていることを特徴とする請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】前記数学的に減衰の比較をする手段が、骨
    の減衰と基準物質の減衰との間の差に基づいて直線回帰
    を達成することを特徴とする請求項６記載の装置。
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