JP4378552B1 - 超音波プローブ支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膝関節の軟骨の超音波エコー情報を得るために、膝頭に沿って超音波プローブを移動させる。
【解決手段】膝を屈曲させた状態で、大腿に当接する装着ユニットフレーム５８と、膝に当接する膝当接部６２により、装着ユニット１６の位置決めを行う。装着ユニットは、さらに超音波プローブを膝頭に沿って移動させるためのプローブ支持フレーム６０を備える。プローブ支持フレームは、膝関節の機械中心回りに回動し、これによって超音波プローブ７８は、膝関節の機械中心に向いた状態で、膝頭に沿って移動し、超音波ビームの走査を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、膝の軟骨の診断に用いられる超音波診断装置の超音波プローブを支持し、この超音波プローブが所定の経路に沿って移動するようにする技術に関する。

変形性膝関節症は、膝関節のクッションの役目を果たす軟骨の摩耗が要因となって、膝の関節に炎症が起きたり、関節が変形したりして痛みが生じる疾患である。変形性膝関節症の患者は年齢と共に増加するが、発症前に、大腿骨軟骨の厚みや表面形状を正確に把握することができれば、予防策を講じることができる。高齢人口の増加に伴い変形性膝関節症患者の増加が予想される現在、簡便な診断方法が待望されている。

変形性膝関節症の診断手法として、膝の中に関節鏡（内視鏡）を挿入し、軟骨表面の状態を観察する手法や、レントゲン検査により関節の隙間の開き具合から推定する方法などが知られている。しかし、これらの診断手法では、軟骨の厚みを計測することや、三次元的な形状を取得することはできない。

これに対し、特許文献１には、関節内探触子を膝関節内に挿入して超音波を送受することで、膝関節の軟骨の厚みを評価するシステムが開示されている。しかし、このシステムは侵襲的であるため、手軽に利用できるものではない。したがって、定期健康診断等の多数の被検者に対する検査としては適していない。

また、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置は、非侵襲的な画像診断装置であり、原理上軟骨を骨や筋肉、体液等から区別して画像化することができ、軟骨の厚みも計測できる。しかしながら、ＭＲＩは利用コストが高額であり、測定にも時間を要するため、多数の被検者の検査に用いるには適していない。

特開２００２−３４５８２１号公報

超音波による診断によれば、体表面から超音波を送受し、受診した超音波エコーに基づき、臓器、骨等の体内組織の形状を取得することが可能である。膝軟骨についても、これを利用すれば、非侵襲で簡便な診断装置を提供することが可能となる。このとき、体表面より超音波を送受する超音波プローブを膝軟骨の形状を測定するのに適切な位置に合わせ、また適切な経路で移動させ、走査を行う必要がある。

本発明は、超音波診断装置の超音波プローブを、膝軟骨の測定に適切な位置に合わせ、また適切な経路で移動させるための支持装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる超音波プローブ支持装置は、屈曲した状態の膝に対して、好適な位置となるように超音波プローブを支持し、さらに超音波プローブを、膝関節の機械的中心に向いた状態で膝頭に沿って移動するよう案内する。

膝を屈曲した状態とすることで、大腿骨内側顆周囲の軟骨を観測できるようになる。被検者の姿勢は、膝が屈曲した状態であればどのような姿勢でもよいが、典型的には座位である。また、膝は直角、またはそれ以上に屈曲された状態が好ましい。当該支持装置は、被検者の膝に対して超音波プローブを位置決めするために、大腿に当接する装着ユニットフレームと、膝または膝下に当接する膝当接部を有する。被検者が座位にある場合で説明すれば、装着ユニットフレームが大腿の上に置かれて装置の上下方向の位置決めがなされ、また、膝当接部が膝または膝下に当接して前後方向の位置決めがなされる。これにより、支持装置の膝関節に対する位置が決定される。

装着ユニットは、超音波プローブを支持するプローブ支持フレームを有する。プローブ支持フレームは、超音波プローブが膝頭に沿う動きを実現するよう、これを装着ユニットフレームに対して支持する。超音波は、軟骨に対して直交する入射角にて送受されることが好ましく、これが実現するよう、超音波プローブが膝関節中心を向いた状態で超音波プローブを移動させて、複数の断面における超音波エコーを取得する。このときの超音波プローブの動きは、ほぼ膝頭表面に垂直に当てた状態を維持しつつ、膝頭の脛側から、膝頭の表面に沿って腿側への動き、またはその逆の動きとなる。大腿骨遠位端の関節面は、矢状面において、膝関節の機構上、関節の機械的中心を中心とした略円弧形状を有する。つまり、大腿に対して脛が回動運動を行うためには、大腿骨と頸骨の接続面が、脛の回動中心（機械的中心）に対して、円弧形状を有する必要がある。したがって、超音波プローブも、この円弧に対応した経路で移動させることが好ましい。プローブ支持フレームは、装着ユニットフレームに回動可能に支持されることができ、この回動運動によって超音波プローブの膝頭に沿う動き、または大腿骨遠位端の関節面に対応した動きが実現される。例えば、関節面の円弧と同心の円弧状を、この中心、つまり膝関節の機械的中心に向いた状態で超音波プローブを移動させることができる。このとき、プローブ支持フレームの回動中心が膝関節の機械的中心に一致するよう、装着ユニットを位置決めされることが好ましい。

膝当接部は、送受される超音波の音響整合を行う音響整合部材を含むようにできる。音響整合部材は、膝頭に沿った湾曲した形状を有し、膝に当接して超音波プローブとの間に介在する。膝当接部は、音響整合部材を膝の右側および左側で支持する２本の整合部材支持フレームを有するようにできる。整合部材支持フレームは、装着ユニットフレームに固定されて、大腿遠位部から脛近位部にかけて膝頭に沿って湾曲した形状を有するようにできる。整合部材が自身の固有の形を有さないとき、この整合部材支持フレームで支持することにより、整合部材が湾曲した形状となるようにしてよい。

整合部材は、左右を整合部材支持フレームで固定支持された固定部分と、固定部分から先に延びて、前後方向の動きが許容された自由部分を有するようにできる。自由部分は、膝が深く曲げられたとき、これに追従する。固定部分は、装着ユニットの前後方向の位置決めに寄与し、また自由部分を設けることにより、装着ユニットを装着しやすくすると共に、測定の範囲が十分に確保される。

整合部材支持フレームは、円弧形状とすることができる。特に、装着ユニットが膝に装着された際、膝関節の機械的中心が整合部材支持フレームの円弧の中心に位置するようにすることが好ましい。

本発明の超音波プローブ支持装置は、さらに、床に設置されるベースと、ベースに立設され、ベースに対し回動可能に支持された回動フレームとを有するようにできる。回動フレームは、その下端において、ベースに支持されることが好ましい。前述の装着ユニットは、回動フレームに回動可能に支持される。装着ユニットを、被検者に装着する際には、回動フレームを立った状態から回動させて倒し、装着ユニットフレームが被検者の大腿に、膝当接部が膝または膝下に当接するようにして位置あわせを行う。

回動フレームは、ベース部材に回動可能に支持される下フレームと、下フレームに対して回動の半径方向にスライドし、装着ユニットを回動可能に支持する上フレームとを有するようにできる。

本発明によれば、膝関節の軟骨の形状を計測するために適切に超音波プローブを位置決めし、また適切な超音波プローブの動きが実現されるように、これを支持することができる。

実施形態の装置構成例を説明する前に、当該装置が対象とする膝関節（特に人間の）の内部構造について、図１を参照して簡単に説明する。図１は、立位での右足の膝関節の、体の正面側から見たときの模式的な断面図である。

図１に示すように、膝関節は、大腿骨２００の遠位端部と、脛骨２２０の近位端部と、膝蓋骨２３０とから構成される。大腿骨２００の遠位端の表面は軟骨２０５で覆われ、脛骨２２０の近位端の表面は軟骨２２５で覆われている。骨（例えば大腿骨２００）の表面のうち軟骨で覆われた部分は、軟骨下骨と呼ばれる。大腿骨２００の軟骨２０５と脛骨の軟骨２２５との間には半月板２１０が存在している。大腿骨２００の遠位端は、立位の身体の正面方向から見た場合、図示のように二股に分かれて突起（それぞれ内側顆、外側顆と呼ばれる）しており、内側顆及び外側顆の軟骨２０５は、内側及び外側の半月板２１０にそれぞれ空いた穴を介して、脛骨２２０の近位端の軟骨２２５と接している。なお、以上に説明した膝関節部分は滑膜及び関節包２４０により覆われている。

大腿骨２００の遠位端の軟骨２０５は、当該遠位端部の表面を広く覆っているが、そのうち立位の際に脛骨２２０の近位端の軟骨２２５と接する部分は、上半身の荷重を強く受ける部分である。この部分は、軟骨荷重部と呼ばれる。軟骨荷重部は摩耗しやすく、摩耗が著しくなると変形性膝関節症を引き起こす。変形性膝関節症の診断には軟骨荷重部の軟骨厚みが重要な判断指標となる。

人間の大腿骨２００の遠位端の軟骨２０５の厚みは健常者で２〜３ｍｍ程度と薄いものである。したがって、超音波診断の手法でその厚みを精度よく測定しようとすれば、軟骨２０５の表面に対してできるだけ垂直に近い角度で超音波ビームを当てることが望ましい。ところが、立位では、大腿骨２００の遠位端の軟骨荷重部は脛骨２２０の軟骨２２５に接しているので、仮にこの状態で軟骨荷重部の表面に垂直に近い角度で超音波ビームを当てようとすれば、脛骨側から上に向けて超音波ビームを当てる必要がある。しかし、そのような位置に超音波プローブを当てることは不可能である。また、仮にそのような位置に超音波プローブを配置できたとしても、軟骨は大腿骨又は脛骨の影になるので、超音波は軟骨には届きにくく、軟骨を画像化することは困難である。

これに対し、例えば椅子に座るなどして膝を大きく（例えば９０°程度まで）曲げると、図２に示すように、大腿骨２００遠位端の軟骨２０５の荷重部２０８が脛骨側から外れ、膝頭の正面側を向くようになる（図示の荷重部２０８は内側顆のものであり、外側顆の荷重部は図示を省略している。）。したがって、膝頭の正面側からプローブを当てれば、荷重部２０８の表面に対して垂直に近い角度で超音波ビームを当てることができる。また、荷重部２０８の周囲の軟骨も、荷重部２０８との比較対象とするために、計測をすることが好ましく、このためにプローブは、軟骨に対して略垂直に超音波ビームを送受することができる向きに維持した状態で、移動することが必要となる。

そこで、この実施形態では、椅子に座るなどして膝を大きく曲げた状態で、大腿骨遠位端の軟骨の荷重部を含む膝内部の超音波エコーを取得するのに適した超音波プローブの動きを実現するためのプローブの支持装置を提供する。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図３〜図６は、本実施形態の超音波プローブ支持装置１０の概略構成を示す図である。図３は斜視図、図４は正面図、図５，６は側面図である。

超音波プローブ支持装置１０は、床に置かれるベース１２と、ベース１２に回動可能に支持される回動フレーム１４と、回動フレーム１４に回動可能に支持された装着ユニット１６を含む。被検者は、図３，５および６に符号Ｌにて示すように、ベース１２上に、左右いずれか一方の脚を置く。以下の説明においては、一方の脚が図に符号Ｌに示す状態にある時の被検者の姿勢を基準として、左右、上下、前後の方向および向きを用いる。具体的には、図３中のＸ−Ｘ’方向を前後方向、Ｙ−Ｙ’方向を左右方向、Ｚ−Ｚ’方向を上下方向とする。それぞれの向きは、Ｘの向きが前、Ｙの向きが左、Ｚの向きが上である。また、被検者が両脚を揃えて座った状態で、脛と大腿は、膝の中心を通る矢状面（正中面に平行な面）内にほぼ存在する。以下においては、正中面の向きにかかわらず、膝を屈曲した状態で、この脛と大腿が形成する面を矢状面と記して説明する。

ベース１２は、概略、方形の板形状であり、床上に置かれ、その前方の端に１対のキャスタ１８を備える。支持装置１０を移動する際には、ベース１２の後端を上げ、キャスタ１８のみが床に接するようにする。ベース１２の前縁付近には、左右方向に延び、回動フレーム１４を回動可能に支持する回動フレーム支持軸２０が設けられている。

回動フレーム１４は、回動フレーム支持軸２０に係合する２個の軸受部２２を有する下ラテラル部材２４と、回動動作の半径方向に延びる左右のラジアル部材２６と、左右のラジアル部材２６の先端でこれらを結ぶ上ラテラル部材２８を含む。上下のラテラル部材２４，２８の間に、更に左右のラジアル部材２６を橋渡すように補助ラテラル部材３０が設けられて、回動フレーム１４全体としては梯子様の形状を有する。

軸受部２２は、回動フレーム１４が支持軸２０周りに回動可能に、また支持軸２０に沿った方向に移動可能に、支持軸２０と係合している。この支持軸２０周りの回動方向をΘ−Θ’方向、回動フレーム１４が倒れる向きをΘとして以下説明する。支持軸２０には、ラック３２が固定されており、回動フレーム１４には、このラック３２に噛み合うピニオン３４が配置される。ピニオン３４は、ピニオン軸３６の下端に固定されており、ピニオン軸３６は、下ラテラル部材２４および補助ラテラル部材３０にそれぞれ一体に、または固定的に設けられたピニオン軸保持部３８，４０に保持されている。ピニオン軸３６の上端には、ノブ４２が固定されている。このノブ４２を回すと、これと一体にピニオン３４が回転し、回動フレーム１４全体をＹ−Ｙ’方向に移動させる。

回動フレーム１４は、図５に示す直立位置から、倒れ込んで、図３または図６に示すように、Θ方向に回動して、傾いた位置となることが許容される。ベース１２および回動フレーム１４上には、回動フレーム１４を直立した姿勢に維持する直立姿勢維持機構４４が設けられている（図４，５を参照）。また、さらにベース１２には、回動フレーム１４がΘ方向に傾くときに、倒れ込みの速度を制限するダンパ機構４６が備えられている（図５，６を参照）。さらに、回動フレーム１４には、被検者の脛に、Ｖ字、Ｕ字等の凹部を当てて、左右方向の位置決めをする左右方向位置決め機構４７が備えられている。なお、図３においては、直立姿勢維持機構４４、ダンパ機構４６および左右方向位置決め機構４７は簡単のために省略し、その詳細な説明は後述する。

回動フレーム１４のラジアル部材２６は、図に示すＲ−Ｒ’方向の伸縮機能を有する。Ｒの向きがラジアル部材が伸びる向きである。この伸縮機能は、ラジアル部材２６を、入れ子状となる２本の下ロッド４８と上ロッド５０から構成することにより達成される。すなわち、下ロッド４８内部に上ロッド５０が進入し、また下ロッド４８内部から上ロッド５０が進出することで、ラジアル部材２６の伸縮が達せられる。また、所定の伸縮位置でロックする伸縮ロック機構５１（図４参照）が回動フレーム１４には内蔵されている。補助ラテラル部材３０は、上下のロッド４８，５０のいずれに固定されてもよいが、本実施形態では、ピニオン軸３６の伸縮を考慮しないで済むなど、構造を簡略にするために下ロッド４８に固定されている。伸縮機能を有するラジアル部材２６を採用することで、回動フレーム１４は、上下の二つのフレームがスライドして伸縮するものとなる。この伸縮によって、装着フレーム１６を支持する位置と、回動フレーム支持軸２０の距離を変更することが可能となる。

回動フレーム１４の上フレーム、具体的には、上ロッド５０には、装着ユニット１６を支持する装着ユニット支持部５２が固定されている。装着ユニット支持部５２は、装着ユニット１６を回動可能に支持する装着ユニット支持軸５４と、この装着ユニット支持軸５４と上ロッド５０を結合する装着ユニット支持ブロック５６を含む。

装着ユニット１６は、装着ユニットフレーム５８、プローブ支持フレーム６０および膝当接部６２を有する。構成の簡略化のために、本実施形態においては、装着ユニットフレーム５８とプローブ支持フレーム６０のいずれも、装着ユニット支持軸５４に回動可能に支持されている。しかし、これらの軸が共通である必要はなく、プローブ支持フレームは、装着ユニットフレーム５８上に設けられた別の軸により回動可能に支持するようにできる。また、この軸は、典型的には、装着ユニット支持軸５４と平行である。また、装着ユニットフレーム５８の支持軸５４周りの回動方向をΦ−Φ’とし、Φの向きが装着ユニットフレーム５８が被検者の大腿に向かう向きとする。また、プローブ支持フレーム６０の支持軸５４周りの回動方向をθ−θ’とし、プローブ支持フレーム６０が前方に倒れる向きをθとする。

装着ユニットフレーム５８は、正面から見て門形、すなわち下方に開いたコの字形であり、装着ユニット支持軸５４は、このコの字の内側の空間に入らないよう、左右別個に設けられている。このコの字の内側には、被検者の下肢が進入するため、上記のコの字の内側空間を軸が貫通しない構成を採っている。

図９に示すように、膝当接部６２は、装着ユニットフレーム５８より前方に延び、その後湾曲して下方に向かう音響整合部材６４を有する。音響整合部材６４は、膝頭に沿うよう湾曲し、膝頭に当接することによって、装着ユニット１６の前後方向の位置決めを行う。音響整合部材６４は、典型的には、水の入ったゴム製の袋（以下、水袋６４と記す。）である。水袋のように、自身の形状を維持することが期待できない場合、上記の湾曲した形状を維持し、これを支持するための整合部材支持フレーム（水袋支持フレーム）６６が設けられる。水袋支持フレーム６６は、装着ユニットフレーム５８に固定され、装着ユニット１６が被検者の下肢に装着された際には、膝の左側および右側にそれぞれ湾曲して延びる部分を有する。この部分に左右を支持された水袋６４は、水袋支持フレーム６６の形状に倣って湾曲した形状に維持される。水袋６４は、左右を水袋支持フレームに支持された固定部分６４ａの先に、すなわち下肢の遠位側に、左右を支持されずに、前後に動ける部分である自由部分６４ｂを有する。自由部分６４ｂの端、すなわち水袋６４の端には、水袋６４の端の形状を整える遠位側フレーム７２が設けられる。水袋６４は、水袋支持フレーム６６、遠位側フレーム７２により、湾曲した板形状に維持される。

装着ユニットフレーム５８上には、プローブ支持フレーム６０を回動駆動するプローブ駆動機構７４およびプローブの角度を測定するプローブ角測定機構７６が搭載されている。これらの機構の詳細については、後述する。

プローブ支持フレーム６０は、装着ユニットフレーム５８と同様に正面から見て下方に開いたコの字形である。コの字の縦画部分、すなわち門形の梁の部分には、超音波プローブ７８を着脱可能に保持するプローブホルダ８０が固定されている。プローブ支持フレーム６０は、装着ユニットフレーム５８とは、独立して回動可能であり、この回動動作によって、超音波プローブ７８の膝頭に沿った動きが達成される。超音波プローブ７８は、リニア型でよく、その走査面は、ＸＹ平面に直交する面となるように、プローブホルダ８０に支持される。

図７は装着ユニット１６の拡大斜視図、図８は装着ユニットフレーム５８とプローブ支持フレーム６０の分解斜視図である。前述のように、装着ユニットフレーム５８とプローブ支持フレーム６０は、装着ユニット支持軸５４にそれぞれ独立して回動可能に支持されている。さらに、装着ユニット支持軸５４には、駆動ドラム８２が回動可能に支持されている。駆動ドラム８２の外周には、駆動源８４につながるワイヤ８６が巻き付けられている。駆動源８４は、ワイヤ８６を巻き取る方向に、ワイヤ８６に張力を付与している。駆動ドラム８２には、ストッパピン８８が立設されており、このピン８８が装着ユニットフレーム５８に当接して、駆動ドラム８２のθ方向の回り止めとなる。プローブ支持フレーム６０には連結板９０が固定され、これらは一体となって支持軸５４周りに回動する。連結板９０には、インデックスプランジャ９２が設けられている。インデックスプランジャは、連結板９０を貫通して裏側に向けて延びるプランジャロッドを有し、このロッドが裏側に突出した状態と、引き込まれた状態のそれぞれに維持することが可能である。駆動ドラム８２には、突出したプランジャロッドが挿入する二つのインデックスホール９４ａ，９４ｂが設けられている。プランジャロッドが突出して、いずれかのインデックスホール９４ａ，９４ｂに係合した状態においては、駆動ドラム８２と、連結板９０およびプローブ支持フレーム６０は、一体となって回動する。プランジャロッドが引き込まれた状態では、駆動ドラム８２と、連結板９０は、独立して回動可能となる。

インデックスホール９４ａは、ストッパピン８８が装着ユニットフレームに当接した位置（以下、駆動ドラムの基準位置と記す。）において、ホール９４ａにプランジャロッドが挿入し係合すると、プローブ支持フレーム６０を鉛直とする位置に設けられている。このとき、超音波プローブ７８も鉛直位置となり、直立状態になる。この超音波プローブ７８の位置をθ＝０°とする。もう一つのインデックスホール９４ｂは、駆動ドラム８２がその基準位置にあるときに、ここにインデックスロッドが挿入し係合すると、プローブ支持フレーム６０および超音波プローブ７８が前方に９０°倒れた位置（θ＝９０°）となる位置に設けられている。

インデックスプランジャ９２のロッドをインデックスホール９４ａに結合させた状態で、プローブ支持フレームを前方に倒すと、駆動ドラム８２に回転により、ワイヤ８６が駆動源８４から繰り出される。ワイヤ８６には、駆動源８４により張力が付与されており、前方に倒す力を解放すると、この張力によって駆動ドラム８２が、θ’の向きに駆動される。これにより、超音波プローブもθ＝０°に向けて戻る。駆動源８４は、一定の速度で駆動ドラム８２を回動させるのが好ましい。

プローブ支持フレーム６０には、さらに装着ユニット支持軸５４と同軸にエンコーダドラム９６が固定されている。エンコーダドラム９６と装着ユニットフレーム５８に搭載されたロータリエンコーダ９８には、ベルト１００が巻渡されている。ロータリエンコーダ９８は、プローブ支持フレーム６０の回動角、すなわち超音波プローブの回動角を検出する。この実施形態においては、駆動ドラム８２とエンコーダドラム９６を、装着ユニットフレーム５８の左右に分けて配置したが、左右の一方に両者を配置してもよい。

図９は、膝当接部６２の詳細を示す図である。膝当接部６２は、音響整合部材としての水袋６４を備え、膝にフィットして、膝頭に沿って移動する超音波プローブと、膝との間の音響整合を図る音響整合器として機能する。支持フレーム６６は、装着ユニットフレーム５８に固定されるベース部１０２と、ベース部１０２から前方に延び、さらに湾曲して下方に向かう２本のアーム部１０４を含み、これらベース部１０２と２本のアーム部１０４で、全体として略コの字形の形状となっている。このアーム部１０４の湾曲している部分は、この実施形態においては、円弧であり、この円弧の見込む中心角は９０°である。そして、この円弧の中心は、プローブ支持フレームの回動軸線上とされている。また、支持フレームは、内周側と外周側に分割される。内周側の内フレーム１０６、外周側の外フレーム１０８は、それぞれ略コの字形を有し、４個のクリップ１０９で結合されている。内フレーム１０６のベース部１０２は後方に延び、ここで、ボルト等により装着ユニットフレーム５８に固定されている。

音響整合部材である水袋６４は、内フレーム１０６と外フレーム１０８に挟持されて支持される。水袋６４は、左右の縁の近位側を、内外のフレーム１０６，１０８のアーム部に属する部分に挟持されて支持され、さらに近位側の縁をベース部に属する部分により挟持、支持される。これにより、左右のアーム部１０４の間の水袋６４は、略長方形断面の、湾曲した板形状に保持された固定部分６４ａとなる。水袋６４は、アーム部１０４より先、すなわち遠位側に向けてさらに延び、アーム部１０４から離れた位置で、遠位端フレーム７２に挟持されている。遠位端フレーム７２は、水袋６４の開口を閉じて封止している。遠位フレームは、２本の棒状の内フレーム１１０と外フレーム１１２を、一端で蝶番１１４で結合し、他端をねじで締めて固定する構成を有する。内外のフレーム１１０，１１２で水袋６４を挟んで、水袋内部に水を封止する。

アーム部１０４先端と遠位端フレーム７２の間の水袋６４は、形状が固定されずに、振り子のように前後に振れることが可能な自由部分６４ｂとなっている。遠位端フレーム７２は、水袋６４によって吊り下げられるように構成してもよい。または、二つのアーム部１０４の先端から延びるワイヤ、または薄板状の可撓性フレーム１１８により吊り下げ支持されてもよい。図６には可撓性フレーム１１８の一例として薄板状の部材が示されている。この薄板は、幅方向が左右方向となるように配置され、これによって水袋６４の自由部分の前後方向の揺れが確保される。また、薄板とした場合は、左右方向の揺れを抑制することが可能である。

この膝当接部６２を膝に当接した状態で、水袋６４の外周表面をなぞるように超音波プローブ７８を移動させ、超音波情報を取得する。水袋の固定部分６４ａは、膝頭に当接して装着ユニット１６の前後方向の位置決めを行うのに寄与する。このとき、固定部分は前方より、膝の下まで回り込むようにはなっていないので、装着ユニット１６のとき装着の邪魔にならない。一方で、自由部分の可撓性により、測定においては、超音波プローブを水平方向より更に下に回り込ませ、水平方向より更に下の、例えば３５°の位置から、膝関節に対する超音波の送受を可能とする。また、水袋の固定部分６４ａは、装着ユニット１６の前後方向の位置決め機能が達成されるのであれば、固定部分の円弧の中心を見込む角度が９０°より小さい角度であってもよい。

膝当接部６２が装着ユニット１６の前後方向の位置決めを行う機能と、超音波の送受信に関し音響整合を行う機能の双方を担うが、位置決め機能のみ有するようにも構成可能である。例えば、膝下の頸骨の近位端付近に当たるプレートを装着ユニットフレーム５８に固定し、このプレートによって前後方向の位置決めを行うようにしてよい。この場合、音響整合部材を装着ユニットには設けず、膝頭に音響ゼリー等を塗布して計測を行うようにすることも可能となる。

図１０は、直立姿勢維持機構４４の構造を模式的に示した断面図である。直立姿勢維持機構４４は、下ラテラル部材２４上に固定設置されたボールプランジャ１２０と、ベース１２に固定されたボール受け箱１２２を有する。ボール受け箱１２２の上面には、ボールプランジャのボール１２４と係合するボール受けスリット１２６を有する。ボール受けスリット１２６は、左右方向、つまり図１０においては紙面を貫く方向に長く延び、回動フレームが左右に移動した場合にも、ボールとスリットの係合が行われるようにされている。ボール１２４がばね１２８により付勢されており、ボールとスリットの係合が維持され、この状態が回動フレーム１４を立設位置に維持する位置となる。回動フレーム１４を倒す方向に動かすと、ボール１２４は、ばね１２８の付勢力に抗してプランジャに押し込まれ、スリットとボールの係合が解除される（図６参照）。

回動フレーム１４の倒れ込みの速度を抑制し、またその重量の少なくとも一部を担うためのダンパ機構４６が図５および図６に示されている。下ラテラル部材２４には、押圧子１３０が固定されており、これに軸１３２回りに回動する伝達板１３４が接している。伝達板１３４は、略扇形であり、一方の半径に押圧子１３０が接し、他方の半径には、ダンパ１３６のロッドが接している。ダンパ１３６は、その軸線が水平方向となるようにベース内に収められており、ベースの高さの抑制に寄与している。回動フレーム１４を直立した状態（図５）から倒すと、押圧子１３０は、伝達板１３４を押す。これにより伝達板１３４は、図中反時計回りに回動して、ダンパ１３６のロッドを押し込む。このとき、ダンパ１３６により発生する抵抗により、回動フレーム１４の倒れ込みの速度が抑制される。また、ダンパは、回動フレーム１４を直立させる向き、つまりΘ’の向きに回動するように、伝達板１３４を介して付勢力を付与している。これにより、回動フレーム１４および装着ユニット１６の自重の少なくとも一部を相殺している。

回動フレーム１４を被検者の下肢に合わせて左右に位置あわせする左右方向位置決め機構４７が図４，５および図１１に示されている。図１１は、左右位置決め機構４７を模式的に示す平面図である。補助ラテラル部材３０上に、軸１３８を支持するブラケット１４０が固定されている。被検者の下肢の、特に脛に当接する当接ブロック１４２が軸１３８に回動可能に支持されている。当接ブロック１４２は、回動フレーム１４に対して左右方向には移動しない。図１１に示されるように、当接ブロック１４２には、脛に対して凹の部分、典型的にはＶ字の溝１４４が形成されている。この溝１４４に脛が当たるように、回動フレーム１４を左右方向に移動させて、下肢が、回動フレーム１４の左右方向の中央に位置するように調整する。左右方向の移動は、前述のようにノブ４２を回すことにより行う。また、当接ブロック１４２に脛を当てることで、正面から見て、脛が極端に左または右に倒れた状態となることが防止できる。

前述のように回動フレーム１４は伸縮可能であって、この位置を固定する伸縮ロック機構５１を備えている。伸縮ロック機構５１は、下ロッド４８内に進入する上ロッド５０の下端に備えられるロック部１４６と、上ラテラル部材２８の端に設けられる駆動部１４８を含む。ロック部１４６の詳細な構造が図１２に示されている。上ロッド５０は、中空で、内部に開閉する１対のロックアーム１５０を有している。図中１５０で示す位置が開状態、１５０’で示す位置が閉状態である。ロックアーム１５０には連結ロッド１５２が連結しており、連結ロッド１５２の上下動によりロックアーム１５０の開閉が行われる。連結ロッド１５２は、図中の下端において、ばね１５４に結合しており、このばね１５４によって常時下向きに付勢されている。連結ロッド１５２の上端には、上ロッド５０内を上方に延びるワイヤ１５６が連結されている。ワイヤ１５６は、上ロッド５０の上端まで延び、上ラテラル部材２８内に達している。上ラテラル部材２８の端には、ロックノブ１５８が設けられ、これの上ラテラル部材２８内に延びる円筒部分に、ワイヤ１５６の端が結合されている。ロックノブ１５８には、プランジャ１６０が設けられており、プランジャ１６０は、ばねで上ロッド５０に向けて押圧されており、上ロッド５０に設けられた穴にプランジャ１６０の先端が入ることにより、ロックノブ１５８の回転を止めることができる。

通常、ロックアーム１５０は、連結ロッド１５２が、ばねにより下方に付勢されているために、開いた状態に維持される。このとき、ロックアーム１５０の先端は上ロッド５０の外周面より突出して、上ロッド５０と入れ子になっている下ロッド４８の内周面に当接し、摩擦によって上下のロッドをロックする。ロックノブ１５８を回転させて、その円筒部分にワイヤ１５６を巻き付けるようにすると、ワイヤに引かれ連結ロッド１５２がばね１５４の付勢力に抗して上昇し、これによってロックアーム１５０が閉じる。これにより、ロックアーム１５０の先端が下ロッド４８の内周面との係合を解かれ、上下のロッドがスライド可能となる。上下のロッド５０，４８をスライドさせて、回動フレーム１４の長さを適切な長さとしたら、ロックノブ１５８を逆に回して、ワイヤ１５６に掛かる張力をゆるめ、ロックアーム１５０を開く。これによって、再び上下のロッドがロックされる。

図１３は、上述の超音波プローブ支持装置、膝関節の軟骨、特に大腿骨遠位端の軟骨の診断を行うための超音波診断装置のシステム概要を示す図である。被検者Ｐは、椅子１６２に座り、膝を屈曲した状態としている。椅子１６２の座面１６４は昇降可能であり、被検者の姿勢が膝関節の軟骨の観測に適するようにその高さを調整できる。前述の超音波プローブ支持装置１０の装着ユニット１６が被検者Ｐの膝に装着された状態が示されている。超音波プローブ１７８は超音波診断装置１６６に接続されている。超音波診断装置１６６は周知の装置であり、説明は省略する。

実際の測定時の操作について説明する。初期状態においては、図５に示すように回動フレーム１４は直立状態である。図５においては、後の説明のために、装着ユニット１６は、初期状態ではなく、装着時の位置に示している。被検者Ｐを椅子１６２に着席させ、大腿がほぼ水平なるように、また装置の前後軸（Ｘ−Ｘ’軸）に、矢状面がほぼ平行となるように足をベース上に載せる。ノブ４２を回して、回動フレーム１４の左右方向の概略の位置あわせと目視で行う。回動フレーム１４をΘの向きに倒しつつ、Ｒの向きに伸ばして、装着ユニットフレーム５８を大腿の上面に置くようにし、一方、膝当接部６２を膝頭に当接させる。これにより、装着ユニット１６が上下方向、前後方向に位置決めされる。また、当接ブロック１４２の溝１４４に脛が片当たりしないで入るように、ノブ４２を調節して、左右方向の位置決めを行う。回動フレーム１４を倒した状態が図６に示されている。ただし、図６において、左右位置決め機構４７は省略されている。

インデックスプランジャ９２を操作して、連結板９０と駆動ドラム８２の結合を解除させると、プローブ支持フレーム６０を手動で動かすことができる。操作者は、プローブ支持フレーム６０を手動で動かして、所望の超音波エコー情報が得られるか、超音波診断装置１６６のモニタを見て確認する。問題がなければ、インデックスプランジャ９２をインデックスホール９４ａに係合して、超音波プローブ７８を直立した位置とする。このときのプローブが図５の符号７８-1で示されている。操作者は、プローブ支持フレーム６０をθの向きに手動で回動させて、図５中、符号７８-2の位置に移動させる。この位置は、水平方向より更に３５°下に回り込む位置である。前述のように、水袋６４の遠位側には、前後に振れる自由部分６４ｂが設けられており、この自由部分は、膝下に回り込んだ超音波プローブ７８-2に押されて、後方に振れ、膝下または脛の上部に密着する。

このプローブ支持フレーム６０のθの向きの回動に伴って駆動ドラム８２も回動し、駆動源８４よりワイヤ８６が繰り出される。プローブ支持フレーム６０を離すと、駆動源８４からの張力によりプローブ支持フレーム６０がθ’の向きに回動する。超音波プローブ７８は、膝中心を通る矢状面内の円弧に沿って、また、この円弧の中心に向いた状態を維持しつつ、移動する。この超音波プローブの軌跡の円弧の中心は、膝関節の機械的中心にほぼ一致している。プローブ先端が移動する軌跡（円弧）の半径は、４０〜６０ｍｍに水袋６４の厚さを加えた値とすることが好ましく、本実施形態においては、水袋の厚さが１０〜２０ｍｍであることから、前記の半径を７０ｍｍとしている。この超音波プローブの軌跡の円弧の中心は、膝関節の機械的中心にほぼ一致している。また、超音波プローブの移動速度がほぼ一定となるように、駆動源８４により発生する張力はほぼ一定となっている。また、超音波プローブ７８は、水袋６４の表面をなぞるように、常に接して移動する。このフレーム６０の回動中、その回動角がロータリエンコーダ９８により検出される。所定の角度ごとに超音波のエコー情報を取得して、その情報を超音波診断装置１６６の記憶部に記憶する。これにより、超音波の機械的な走査、特にコンケーブ走査が実現される。このコンケーブ走査の走査方向と、リニア型である超音波プローブ７８自身の走査面は、直交しており、これにより膝関節の三次元情報を取得することができる。直立位置から１５°前方に倒れた位置（符号７８-3で示す。）まで回動すると、計測が終了する。その後も、プローブ支持フレーム６０は、直立の位置（７８-1）まで回動する。超音波プローブの回動が終了したら、回動フレーム１４を直立位置まで起こし、伸縮ロック機構５１のロックを解除して、回動フレーム１４を縮める。回動フレーム１４が縮むことで当該支持装置１０の収納性が向上する。

膝関節の構造を説明するための模式的な断面図である。 座位における膝関節を正面から見た状態を示す図である。 本実施形態に係る超音波プローブ支持装置１０の要部構成を示す斜視図である。 超音波プローブ支持装置１０の正面図である。 超音波プローブ支持装置１０の側面図である。 超音波プローブ支持装置１０の側面図である。 装着ユニット１６の概略構成を示す斜視図である。 装着ユニット１６の分解斜視図である。 膝当接部６２を示す斜視図である。 直立姿勢維持機構４４の概略構成を示す模式図である。 左右位置決め機構４７の概略構成を示す模式図である。 伸縮ロック機構５１のロック部１４６を示す図である。 膝関節の軟骨診断用のシステム概要図である。

符号の説明

１０ 超音波プローブ支持装置、１４ 回動フレーム、１６ 装着ユニット、５４ 装着ユニット支持軸、５８ 装着ユニットフレーム、６０ プローブ支持フレーム、６２ 膝当接部、６４ 音響整合部材（水袋）、６４ａ 固定部分、６４ｂ 自由部分、６６ 水袋支持フレーム、７２ 遠位側フレーム、７８ 超音波プローブ、８２ 駆動ドラム、８６ ワイヤ、９０ 連結板、１６２ 椅子、１６６ 超音波診断装置。

Claims (9)

1. 膝を屈曲させた状態で、超音波プローブを、膝頭に沿って移動可能に支持する超音波プローブ支持装置であって、
   大腿および膝に装着する装着ユニットを含み、
   装着ユニットは、
   大腿に当接する装着ユニットフレームと、
   膝または膝下に当接する膝当接部と、
   装着ユニットフレームに対して超音波プローブを支持し、かつこの超音波プローブが膝関節中心を向いた状態で膝頭に沿って移動するよう支持するプローブ支持フレームと、
   を有する、超音波プローブ支持装置。
2. 請求項１に記載の超音波プローブ支持装置であって、
   膝当接部は、膝頭に当接して送受される超音波の音響整合を行う音響整合部材を含み、この音響整合部材は膝頭に沿った湾曲した形状を有する、
   超音波プローブ支持装置。
3. 請求項２に記載の超音波プローブ支持装置であって、
   前記膝当接部は、装着ユニットフレームに固定されて音響整合部材を膝の右側および左側で支持する整合部材支持フレームを含み、この整合部材支持フレームは膝頭に沿って湾曲した形状を有し、
   整合部材支持フレームの湾曲形状に倣って、音響整合部材が湾曲した形状となる、
   超音波プローブ支持装置。
4. 請求項１に記載の超音波プローブ支持装置であって、
   前記整合部材は、整合部材支持フレームに支持された固定部分と、固定部分から先に延び、前後方向の動きが許容される自由部分を有する、
   超音波プローブ支持装置。
5. 請求項３または４に記載の超音波プローブ支持装置であって、前記整合部材支持フレームは円弧形状である、超音波プローブ支持装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波プローブ支持装置であって、前記プローブ支持フレームは、装着ユニットフレームに対して回動可能に支持されており、この回動によって、超音波プローブの前記膝頭に沿う移動が実現される、超音波プローブ支持装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波プローブ支持装置であって、さらに、
   床に設置されるベースと、
   ベースに立設され、またベースに対し回動可能に支持された回動フレームと、
   を有し、
   前記装着ユニットは、回動フレームに回動可能に支持され、
   回動フレームが、膝に対し倒れ込むように回動して、装着ユニットが大腿および膝または膝下に当接される、超音波プローブ支持装置。
8. 請求項７に記載の超音波プローブ支持装置であって、
   前記回動フレームは、
   前記ベースに回動可能に支持される下フレームと、
   下フレームに対して回動の半径方向にスライドし、前記装着ユニットを回動可能に支持する上フレームと、
   を有する、
   超音波プローブ支持装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載された超音波プローブ支持装置と、前記超音波プローブ支持装置に支持される超音波プローブを含む超音波ユニットと、を有し、前記超音波プローブにより送受された超音波に基づき大腿骨遠位端の軟骨の超音波情報を取得する、超音波診断装置。

Images