JP3513298B2

JP3513298B2 - 超音波骨評価装置

Info

Publication number: JP3513298B2
Application number: JP01347796A
Authority: JP
Inventors: 直樹大友
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: JPH09201357A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波を利用した骨
評価装置に関し、特に、超音波ビームの横断面積の制御
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波を利用して骨の評価を行う骨評価
装置としては、従来から各種のタイプの装置が提案され
ている。例えば、米国特許第３，８４７，１４１号に開
示された骨評価装置では、足の踵が一対の振動子で挟ま
れ、その状態で超音波を放射することにより、骨評価が
なされている。この従来装置では、各振動子の前面に柔
らかいラバーパットが設けられている。超音波の伝搬経
路上に、音響インピーダンスが極端に異なる空気層が存
在していると、その空気層によって、超音波が減衰・反
射されてしまう。上記のラバーパットは、その問題を解
消するものである。

【０００３】他のタイプの骨評価装置としては、特開平
６−２２９６０号公報（米国特許番号５，３４８，００
９号）、特開平６−２５４０９９号公報などに開示され
た装置が挙げられる。このタイプの骨評価装置では、音
響整合のためのカップリング液体が満たされた水槽の中
に、一定の距離を隔てて一対の超音波振動子が配置され
ている。そして、水槽内に足を入れた状態で、一対の超
音波振動子の間で超音波の送受波が行われ、これにより
骨評価が行われている。しかし、水槽の管理が面倒であ
るなどの問題が指摘されている。

【０００４】水槽を利用しない他のタイプの骨評価装置
としては、特開平７−２０４２０５号公報で開示された
装置が挙げられる。この従来装置では、生体の両側に、
超音波振動子を備えた一対の振動子アセンブリが設けら
れている。各振動子アセンブリは、超音波振動子の前面
側に、カップリング液体を収納した液体バックを有す
る。液体バックは比較的大型であり、その生体接触面は
四角形で形成され、また、その生体接触面はやや外側
（生体側）に膨らんでいる。

【０００５】特開平７−３０３６４３号公報には、上記
骨評価装置と同様のタイプの骨評価装置が開示されてい
る。この装置では、液体バック内に、振動子アセンブリ
の生体への押圧力を検出する圧力センサが設けられてい
る。そして、一定の押圧力が維持されつつ、超音波の送
受波が行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
いずれの骨評価装置においても、生体に放射する超音波
ビームの横断面積（換言すれば、骨表面上の超音波ビー
ムのスポット面積）を可変することはできなかった。す
なわち、従来において、超音波ビームの太さの制御は行
われていない。

【０００７】現在普及しつつある骨評価装置は、もとも
と骨粗鬆症などの骨の疾患が生じやすい比較的年をとっ
た人々（すなわち、大人）を診断対象とするものであ
る。このため、従来の骨評価装置では、超音波ビームの
横断面積が大人の骨（例えば、踵骨）に対応する大きさ
に設定されていた。

【０００８】その一方、近年、比較的若い人々（子供）
についても、その骨疾患の予防、診断のために、骨評価
を行う必要性が高まっている。骨の疾患の予防や早期治
療のためには、より早い時期から骨評価を行うのが望ま
しい。

【０００９】しかし、従来の骨評価装置では、上述した
ように大人の計測を前提としていたため、従来の骨評価
装置を用いて、子供の骨評価を行った場合には以下のよ
うな問題があった。これを図７を用いて説明する。

【００１０】図７（Ａ）には、大人の足（踵の骨）が示
されており、１０は踵骨、１２は距骨、１４は舟状骨、
１６は立方骨である。踵骨１０は、海綿骨を多く含むた
め、骨粗鬆症などの骨の疾患による変化が現れやすい。
そこで、骨評価を行う際には、踵骨１０が診断対象とさ
れる場合が多い。図７（Ａ）に示すように、従来におい
て、超音波ビームのスポット１８（すなわち、踵骨上の
超音波ビームの横断面積）は、一般的な大人の踵骨１０
の大きさを考慮して設定されている。

【００１１】しかし、（Ｂ）に示すように、スポットの
直径を切り替えることなく、子供の踵骨１０に対して超
音波を送波すると、第１に、符号２０で示すように踵骨
１０からビームスポット１８がはみ出る問題が生じ、第
２に、骨の接合部２２に超音波が送波されてしまうとい
う問題が生じる。

【００１２】上記の第１の問題が生じると、骨の評価を
行いたいにもかかわらず、骨以外の部分の計測データも
取り込んでしまうことになり、骨評価結果の信頼性が低
下する。また、上記の第２の問題が生じると、骨の接合
部が構造的に特殊であり、音速が異常に早くなるなどの
特殊性を有することから、音速を利用して骨評価を行う
場合に骨評価結果の信頼性が低下してしまう。なお、こ
の問題は、子供の超音波計測に限られず、足の大きさが
小さい人に対する超音波計測においても生じる。

【００１３】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、計測対象の大きさに合わせ
て、超音波ビームのスポット面積を可変可能であり、計
測の信頼性を高められる骨評価装置を提供することにあ
る。

【００１４】また、本発明の目的は、電気的な簡単な切
換えにより超音波ビームのスポット面積の調整を行うこ
とにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、生体へ超音波を送受波し、骨の評価を行
う超音波骨評価装置において、振動面積が切り換え可能
な超音波振動子と、その超音波振動子と生体との間で超
音波伝搬を行うカップリング部と、を有する少なくとも
１つの振動子アセンブリと、測定部位の大きさに合わせ
て、前記振動面積を切り換え制御する振動面積切換え手
段と、を含み、前記振動面積の切換えにより、超音波ビ
ームの横断面積の調整を行うことを特徴とする。

【００１６】上記構成によれば、振動面積切換え手段が
測定部位の大きさに従って、超音波振動子において動作
（機能）する振動面積を切換える。よって、振動子アセ
ンブリのカップリング部を生体に接触させた状態で、振
動面積の適切な設定を行えば、測定部位の大きさに対応
した太さをもった超音波ビームにより計測を行うことが
でき、従来の問題を解消できる。

【００１７】本発明の好適な態様では、前記超音波振動
子は、互いに独立して動作することが可能な複数の振動
素子で構成される。

【００１８】この場合、望ましくは、前記超音波振動子
は、中央に配置された第１の振動素子と、その周囲に形
成されたリング状の第２の振動素子で構成され、大形の
超音波ビーム横断面積を形成する場合には、前記第１の
振動素子及び前記第２の振動素子が同時に動作し、小形
の超音波ビーム横断面積を形成する場合には、前記第１
の振動素子のみが動作する。

【００１９】また、本発明の好適な態様では、前記超音
波振動子は、圧電部材と、前記圧電材料の前面に形成さ
れ、個別に又は同時に動作することが可能な複数の前面
側電極素子と、前記圧電材料の前面に形成され、個別に
又は同時に動作することが可能な複数の後面側電極素子
と、を含む。すなわち、電極を複数の電極素子に区分し
ておくことにより、単一の超音波振動子を複数の振動素
子の集合体として構成できる。これにより、動作する電
極素子数の選択により、振動面積の切換えが行われる。

【００２０】上記目的を達成するために本発明は、生体
へ超音波を送受波し、骨の評価を行う超音波骨評価装置
において、振動面積が切り換え可能な超音波振動子と、
その超音波振動子と生体との間で超音波伝搬を行うカッ
プリング部と、を有し、生体の両側に配置される一対の
振動子アセンブリと、測定部位の大きさに合わせて、前
記振動面積を切り換え制御する振動面積切換え手段と、
を含み、一方の超音波振動子アセンブリは送波用であ
り、他方の振動子アセンブリは受波用であることを特徴
とする。

【００２１】また、本発明の好適な態様では、評価対象
としての足を置く足台と、前記足台上の足のサイズを判
定するサイズ判定器と、を含み、前記振動面積切換え手
段は、足のサイズに従って前記振動面積を切り換え制御
する。この構成によれば、自動的な振動面積の切換えが
実現される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。

【００２３】図１には、本発明に係る超音波骨評価装置
の全体構成が示されている。この超音波骨評価装置は、
超音波を利用して計測を行う計測ユニット２００と、そ
の計測ユニットの計測結果を解析して骨評価値を演算す
る解析ユニット２０２と、で構成される。解析ユニット
２０２は例えばコンピュータで構成される。

【００２４】図２には、計測ユニット２００の外観が示
されている。ユニット本体２４の上面２４Ａは傾斜して
おり、その上面２４Ａには交換自在に足台２６が配置さ
れる。足の大きさに合わせて複数種類の足台２６が用意
されており、いずれかの足台２６が選択されて使用され
る。各足台２６は、超音波ビームの中心と踵骨の中心と
を一致させるために、厚さなどの形状が互いに異なって
いる。

【００２５】上面２４Ａにセットされた足台２６の両側
には、突出部２４Ｂ，２４Ｃが起立形成されており、各
突出部２４Ｂ，２４Ｃには、それぞれ振動子アセンブリ
２８、３０が可動自在に設けられている。この一対の振
動子アセンブリ２８、３０は図示されていない駆動機構
により駆動され、両者を近接させたり、離したりするこ
とができる。足台２６上に足を置いた後に、一対の振動
子アセンブリ２８、３０を互いに近付ければ、一対の振
動子アセンブリ２８、３０で踵を両側から挟むことがで
きる。その状態で一方の振動子アセンブリから超音波が
送波され、踵を通過した超音波が他方の振動子アセンブ
リで受波される。

【００２６】図３には、振動子アセンブリ２８の外観が
示されている。なお、２つの振動子アセンブリ２８、３
０は同一の形態及び構造を有する。振動子アセンブリ２
８は、比較的大型の超音波振動子を内蔵した本体３２
と、本体の前面側に設けられたおよそ円錐形状（断面は
台形）のカップリング部３４と、で構成される。カップ
リング部３４は、超音波振動子と生体との間の超音波伝
搬を良好にするために設けられたもので、弾性変形を生
じるものである。カップリング部３４の生体への接触面
積が超音波ビームの太さ以上になるまで、カップリング
部３４を生体に押し当て、その状態で超音波の送受波が
行われる。

【００２７】図４に示すように、本実施形態では、カッ
プリング部３４はその外形をなすメンブレン３４Ａと、
その内部に充填されたカップリング液３４Ｂ（例えば、
ひまし油）と、で構成される。カップリング部３４は生
体への接触圧力に応じて弾性変形する。カップリング部
３４の先端面の直径は例えば１ｃｍであり、その振動子
側の直径は例えば２．５ｃｍであり、その長さ（高さ）
は例えば２〜３ｃｍ位である。もちろん、本実施形態で
は、各種の形態のカップリング部を利用することができ
る。

【００２８】本体３２内には、超音波の送波又は受波を
行う超音波振動子６４が設けられている。図５の透視斜
視図に示すように、超音波振動子６４は、いわゆるアン
ニュラアレー型の超音波振動子であり、単一の円盤状の
圧電材料６６と、圧電材料６６の前面に形成された前面
側電極６８と、圧電材料の後面に形成された後面側電極
７０と、で構成される。

【００２９】前面側電極６８は、相互に絶縁された中央
電極素子７２と、リング状電極素子７４と、からなる。
その中央電極素子７２は、円形領域７２Ａと、その端部
から圧電材料６６の側面に沿って後方へ伸長した引き出
し領域７２Ｂと、からなる。リング状電極素子７４は、
円形領域７２Ａの周囲にリング状に形成されたリング状
領域７４Ａと、その端部から圧電材料６６の側面に沿っ
て後方へ引き出された引き出し領域７４Ｂと、からな
る。

【００３０】後面側電極７０は、相互に絶縁された円形
の中央電極素子７６と、その周囲にリング状に形成され
たリング状電極素子７８と、からなる。これらの中央電
極素子７２、リング状電極素子７４、中央電極素子７
６、リング状電極素子７８には、それぞれ個別に信号線
が接続され、電気的に各電極素子を選択可能である。

【００３１】前面側電極６８における円形領域７２Ａと
後面側電極７０における中央電極素子７６は同一直径に
形成され、前面側電極６８におけるリング状領域７４Ａ
と後面側電極７０におけるリング状素子７８は同一形状
に形成されている。なお、超音波振動子６４の周囲（後
面側空間、側周囲空間など）には、例えばひまし油等の
絶縁性をもった油が充填されている。

【００３２】図１に戻って、コントローラ８０からのト
リガ信号に基づいて、送信回路８２が振動子アセンブリ
３０に送信駆動信号を供給する。これにより超音波振動
子アセンブリ３０から超音波（超音波パルス）が生体３
９へ向けて送波される。生体３９を通過して減衰などの
特性変化を受けたた超音波は、振動子アセンブリ２８に
て受波される。その振動子アセンブリ２８から出力され
た受信信号は受信回路８４に供給される。受信回路８４
では、受信信号に対し所定の処理（増幅、検波、Ａ／Ｄ
変換など）を行って、その受信信号をコントローラ８０
を介して解析ユニット２０２へ出力する。解析ユニット
２０２では、従来と同様に、超音波の音速又は減衰率な
どに基づいて、骨評価値を演算する。この骨評価値は、
図示されていない表示器に表示される。

【００３３】コントローラ８０は、超音波の送受信制御
及び搬送機構８６の制御を行っている。

【００３４】搬送機構８６は、駆動モータ（図示せ
ず）、トルクリミッタ（図示せず）、及び、送りねじ８
８を含む。送りねじ８８には、振動子アセンブリ２８を
備えた可動体９０と、振動子アセンブリ３０を備えた可
動体９２と、が連結されている。送りねじ８８には、互
いに逆向きのスパイラル溝が形成されており、可動体９
０及び可動体９２は、それぞれ向きが異なるスパイラル
溝と係合している。よって、送りねじ８８を順方向へ回
転させれば、一対の振動子アセンブリ２８、３０が近接
移動し、送りねじ８８を逆方向へ回転させれば、一対の
振動子アセンブリ２８、３０が互いに離れる。

【００３５】トルクリミッタは、一対の振動子アセンブ
リ２８、３０の生体への押圧力が所定のリミット値に到
達した場合に、駆動モータにて発生された駆動力の伝達
を切る。この場合、図４に示したカップリング部３４は
潰れた状態となり、超音波の伝搬経路が十分に確保され
る。

【００３６】本実施形態のコントローラ８０は振動面積
切換え部９４を有する。この振動面積切換え部９４は、
振動素子（換言すれば、電極素子）の選択数により、超
音波振動子６４における振動面の大きさを切り換えるも
のである。

【００３７】具体的に説明すると、振動面積切換え部９
４は、大人計測モードにおいては、前面側電極６８を構
成する中央電極素子７２及びリング状電極素子７４の両
者を機能させ、かつ、後面側電極７０を構成する中央電
極素子７６及びリング状電極素子７８の両者を機能させ
る。すなわち、前面側電極６８及び後面側電極７０の全
体が送信用電極又は受信用電極として機能し、圧電材料
６６の全体が振動する。これにより、超音波ビームの横
断面積を大きくできる。

【００３８】その一方、振動面積切換え部９４は、子供
計測モードにおいては、前面側電極６８を構成する中央
電極素子７２及びリング状電極素子７４の内で中央電極
素子７２のみを機能させ、かつ、後面側電極７０を構成
する中央電極素子７６及びリング状電極素子７８の内で
中央電極素子７６のみを機能させる。すなわち、前面側
電極６８及び後面側電極７０の中央部分のみが送信用電
極又は受信用電極として機能し、その結果、圧電材料６
６の振動領域が制限される。これにより、超音波ビーム
の横断面積を小さくできる。

【００３９】コントローラ８０には、足のサイズを判定
するサイズ判定器４５が接続されており、足台上にある
足が大きいか又は小さいかが直接的に又は間接的に検出
される。このサイズ判定器４５は、例えば光学的センサ
により足の大きさを計測する装置であり、あるいは機械
的センサにより足台の種類を判定する装置であり、いず
れにしても足のサイズが自動判定される。もちろん、人
為的な判定により、コントローラ８０にサイズ判定結果
を与えてもよい。上記のように、振動面積切換え部９４
は、判定された足のサイズに基づいて振動子面積の切換
えを行っている。

【００４０】以上説明したように、超音波ビームの太さ
を２段階に切換えられるので、図７（Ｂ）の１８Ａに示
すように、子供の踵骨１０に対しても適切な直径のビー
ムスポットを形成することができる。以上の実施形態で
は、２つの振動面積が切換え選択されていたが、もちろ
ん３つ以上の振動面積を切換えられるようにし、超音波
の開口面積を多段階に切り替えてもよい。

【００４１】次に、本発明に係る超音波骨評価装置の全
体動作について図６を用いて説明する。

【００４２】まず、Ｓ１０１において、足台上に置かれ
た足のサイズが判定される。これは図１に示したサイズ
判定器４５により自動的に行われるが、人為的に判定し
てもよい。Ｓ１０２において、コントローラ８０は、大
人用の計測すなわち超音波ビームの太さを大きくして計
測を行うか、あるいは子供用の計測すなわち超音波ビー
ムの太さを小さくして計測を行うか、を選択する。その
後、一対の振動子アセンブリ２８、３０の間に生体が挿
入され、その一対の振動子アセンブリ間に生体が挟まれ
る。

【００４３】Ｓ１０２において、足のサイズが大きいと
判定された場合には、Ｓ１０３において、すべての電極
素子の選択（すなわち振動子全体の選択）によって、大
きい振動面積すなわち大開口が設定され、太い超音波ビ
ームによる計測が行われる。一方、Ｓ１０２において、
足のサイズが小さいと判定された場合には、Ｓ１０４に
おいて、一部の電極素子のみの選択（部分的な領域の選
択）によって、小さい振動面積すなわち小開口が設定さ
れ、細い超音波ビームによる計測が行われる。Ｓ１０５
においては、計測データが解析されて骨評価値が演算さ
れ、Ｓ１０６においてその骨評価値が表示される。

【００４４】以上説明した実施形態では、アンニュラア
レー振動子を利用していたが、超音波振動素子が二次元
配列されたアレイ振動子を利用してもよい。また、上記
実施形態では、送信側と受信側の両方で振動面積の切換
え設定を行ったが、送信側のみ振動面積の切換え設定を
行うこともできる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
計測対象の大きさに合わせて、超音波ビームのスポット
面積を可変することができ、計測の信頼性が高められ
る。また、電気的に簡単に超音波ビームのスポット面積
の調整を行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波骨評価装置の実施形態を
示す図である。

【図２】本発明に係る超音波骨評価装置の外観図であ
る。

【図３】本発明に係る振動子アセンブリの外観図であ
る。

【図４】本発明に係る振動子アセンブリの断面図であ
る。

【図５】本発明に係る振動子アセンブリの透視斜視図
である。

【図６】本発明に係る超音波骨評価装置の動作を示す
フローチャートである。

【図７】超音波ビームのスポット面積を変えずに、子
供の踵骨の骨評価を行う場合における問題点を示す図で
ある。

【符号の説明】

２６足台、２８，３０振動子アセンブリ、３４カ
ップリング部、８０コントローラ、８６搬送機構、９
４振動面積切換え部、２００計測ユニット、２０２
解析ユニット。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】生体へ超音波を送受波し、骨の評価を行
う超音波骨評価装置において、振動面積が切り換え可能な超音波振動子と、その超音波
振動子と生体との間で超音波伝搬を行うカップリング部
と、を有する少なくとも１つの振動子アセンブリと、測定部位の大きさに従って、前記振動面積を切り換え制
御する振動面積切換え手段と、を含み、前記振動面積の切換えにより、超音波ビームの横断面積
の調整を行うことを特徴とする超音波骨評価装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、前記超音波振動子は、互いに独立して動作することが可
能な複数の振動素子で構成されたことを特徴とする超音
波骨評価装置。
【請求項３】請求項２記載の装置において、前記超音波振動子は、中央に配置された第１の振動素子
と、その周囲に形成されたリング状の第２の振動素子で
構成され、大形の超音波ビーム横断面積を形成する場合には、前記
第１の振動素子及び前記第２の振動素子が同時に動作
し、小形の超音波ビーム横断面積を形成する場合には、前記
第１の振動素子のみが動作することを特徴とする超音波
骨評価装置。
【請求項４】請求項１記載の装置において、前記超音波振動子は、圧電部材と、前記圧電材料の前面に形成され、個別に又は同時に選択
することが可能な複数の前面側電極素子と、前記圧電材料の前面に形成され、個別に又は同時に選択
することが可能な複数の後面側電極素子と、を含むことを特徴とする超音波骨評価装置。
【請求項５】生体へ超音波を送受波し、骨の評価を行
う超音波骨評価装置において、振動面積が切り換え可能な超音波振動子と、その超音波
振動子と生体との間で超音波伝搬を行うカップリング部
と、を有し、生体の両側に配置される一対の振動子アセ
ンブリと、測定部位の大きさに合わせて、前記振動面積を切り換え
制御する振動面積切換え手段と、を含み、一方の超音波振動子アセンブリは送波用であり、他方の
振動子アセンブリは受波用であることを特徴とする超音
波骨評価装置。
【請求項６】請求項５記載の装置において、評価対象としての足を置く足台と、前記足台上の足のサイズを判定するサイズ判定器と、を含み、前記振動面積切換え手段は、足のサイズに従って前記振
動面積を切り換え制御することを特徴とする超音波骨評
価装置。