JP4381118B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に骨の力学的特性を評価するための超音波診断装置に関する。

骨粗鬆症などの骨代謝疾患の診断や易骨折性の判定、また、骨折治療後の骨癒合を定量的に診断するために、骨の力学的特性の簡便かつ定量的な測定が望まれている。

骨形成や骨癒合の評価はＸ線写真に大きく依存している。しかし、Ｘ線写真では骨強度を定量的に診断することは困難である。また、骨強度の従来の測定法として測定対象のサンプル骨の強度試験がある。しかし、サンプル骨の摘出手術が必要であり侵襲的である。さらに、骨量や骨密度の測定法として、汎用Ｘ線ＣＴの利用、ＤＸＡ（二重エネルギー吸収測定法）装置などが実用化されている。しかしこれらは、あくまで骨量を測定する手段であって、骨強度を評価することはできない。しかも、Ｘ線を照射する点では、非侵襲的であるとは言えない。

このほかの骨強度を定量評価する試みとしては、創外固定器に歪みゲージを装着してその固定器の歪みを計測する歪みゲージ法、骨に外部から振動を加え固有振動数を評価する振動波法、降伏応力を生じた骨から発生する音波を検出するアコースティックエミッション法などの既存の手法が挙げられる。しかし、これらの手法は適応できる治療法に制限があること、骨に侵襲を加える必要があること、及び、定量評価の指標の精度が不十分であること、といった問題が残されている。

また、超音波を利用して骨の微細構造を解析する試みもなされている。しかし、その結果と骨強度との関連は不明である（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−８４７８８号公報

上記のように、骨に関する従来の力学的特性の測定にはいくつかの問題点が存在していた。そこで本発明は、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、骨の短軸断面内において、複数方向から超音波ビームを形成して各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、前記各エコー信号ごとに骨表面に対応する表面ポイントを特定し、複数のエコー信号から得られる複数の表面ポイントに基づいて、前記骨の短軸断面の形状データを生成する形状測定手段と、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記形状データの変化に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、を有することを特徴とする。

この構成において、骨の短軸断面とは、骨の長軸に直交する断面である。もちろん、厳密に長軸に直交している必要はなく、実質的に直交する平面も短軸断面の概念に含まれる。また、形状データとは、例えば、表面ポイントの位置やその位置から推定される短軸断面の面積などである。この構成により、検査者は、形状データの変化に基づく特性情報から骨の力学的特性を評価することができる。つまり、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定することができる。

望ましくは、前記送受波手段は、互いに異なる方向から超音波ビームを形成する複数のプローブを含む、ことを特徴とする。また望ましくは、前記送受波手段は、複数の振動素子が円周状に配置されたアレー振動子を含む、ことを特徴とする。また望ましくは、前記形状測定手段は、骨の短軸断面の形状変化に応じて前記各表面ポイントをトラッキングする、ことを特徴とする。表面ポイントのトラッキングには、いわゆる、エコートラッキング処理を利用することが好適である。エコートラッキング処理により、表面ポイントの抽出精度が飛躍的に向上する。

望ましくは、前記形状測定手段は、前記形状データとして、３点以上の前記表面ポイントの位置を測定し、前記特性情報生成手段は、前記特性情報として、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記表面ポイントの変位から前記骨の短軸断面の歪み量を演算する、ことを特徴とする。また望ましくは、前記形状測定手段は、前記形状データとして、３点以上の前記表面ポイントを結んだ複数の直線で囲まれた領域の面積を求める、ことを特徴とする。

本発明により生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に測定することができる。

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。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。本実施形態では、診断対象である骨の骨短軸断面４２を取り囲む円周上に４つのプローブ８が配置される。骨は被検者体内のものであり、骨短軸断面４２は、骨の長軸に直交する断層面である。各プローブ８はプローブ固定具４０により固定され、被検者の体表（図示せず）に当接して用いられる。なお、各プローブ８を創外固定器に固定して、創外固定器をプローブ固定具４０として利用してもよい。

各プローブ８は、被検者体内の骨に対して超音波を送受波して骨短軸断面４２内において超音波ビームを形成する。各プローブ８は、複数の振動素子を電子走査して所定のフォーカス点に超音波ビームを形成する電子走査型のプローブである。なお、各プローブ８は電子走査型に限定されず、振動素子を１つだけ有するシングルプローブであってもよい。

マルチプレクサ１０は、４つのプローブ８から出力される４系統のエコー信号を切り替えて送受信部１２へ出力するとともに、送受信部１２から供給される送信信号を４系統に切り替えて各プローブ８へ出力する。

送受信部１２は、各プローブ８が有する複数の振動素子に対して送信信号を供給して、骨短軸断面４２内において超音波ビームを形成する。また、送受信部１２は、各プローブ８の各々から出力されるエコー信号を取得する。取得されたエコー信号は断層画像形成部１８に出力され、断層画像形成部１８はエコー信号に基づいて骨短軸断面４２の断層画像（Ｂモード画像）を形成する。断層画像を形成する際、４つのプローブ８の各々に対応する断層画像を合成した合成断層画像を形成してもよい。

送受信部１２で取得されたエコー信号は、エコートラッキング処理部２０へも出力される。エコートラッキング処理部２０は、各プローブ８ごとに、エコー信号から骨表面部を抽出してトラッキングする、いわゆるエコートラッキング処理を行うものである。エコートラッキング処理には、例えば、特開２００１−３０９９１８号公報に詳述される技術が利用される。この技術の概要は次のとおりである。

各プローブ８で取得されるエコー信号は骨表面に対応する部分で大きな振幅となっている。単に振幅の大きな部分として骨表面部を捉えた場合、大きな振幅の範囲の中のどの部分が表面部に対応するのかが不明であり、結果として大きな振幅の範囲程度の抽出誤差が生じてしまう。エコートラッキング処理では、エコー信号の代表点としてゼロクロス点が検知され、検知されたゼロクロス点をトラッキングすることで抽出精度を飛躍的に高めている。ゼロクロス点は、トラッキングゲート期間内においてエコー信号の振幅が正から負へ、または、負から正へと極性が反転するタイミングとして検知される。ゼロクロス点が検知されるとその点を中心として、新たにトラッキングゲートが設定される。そして、次のタイミングで取得されるエコー信号においては、新たに設定されたトラッキングゲート期間内でゼロクロス点が検知される。このようにして、各プローブ８ごとに、エコー信号のゼロクロス点が表面ポイントとしてトラッキングされ、骨表面の位置が各プローブ８を基準として高精度に計測される。

形状データ生成部２２は、エコートラッキング処理部２０でトラッキングされる表面ポイントの位置に基づいて、骨短軸断面４２に関する形状データを生成する。以下、図２を利用して形状データの生成処理を説明する。なお、以下において、図１に示した部分については図１の符号を利用して説明する。

図２は、形状データの生成処理を説明するための図であり、図１に示す４つのプローブ８が示されている。つまり、図２に示される４つのプローブ８ａ〜８ｂは、図１に示される４つのプローブ８に相当し、骨短軸断面４２を取り囲むように配置されている。

図２に示すように、プローブ８ａ，８ｃはｘｙ直交座標系のｘ軸上に配置され、プローブ８ｂ，８ｄはｘｙ直交座標系のｙ軸上に配置される。４つのプローブ８ａ〜８ｄは、ｘｙ直交座標系において既知の位置に固定されている。また、エコートラッキング処理部２０において、各プローブ８ａ〜８ｄごとに、骨の表面ポイントがトラッキングされ、骨表面の位置が各プローブ８ａ〜８ｄを基準として計測されている。

形状データ生成部２２は、既知のプローブ８ａの位置とプローブ８ａを基準とした骨表面の位置とから、ｘ軸上における骨表面の位置ｘ₁を取得する。同様に、既知のプローブ８ｃの位置とプローブ８ｃを基準とした骨表面の位置とから、ｘ軸上における骨表面の位置ｘ₂を取得する。そして、位置ｘ₁と位置ｘ₂との差から、骨短軸断面のｘ軸方向の直径Ｄ_x（Ｄ_x＝ｘ₁−ｘ₂）を算出する。

また、形状データ生成部２２は、既知のプローブ８ｂの位置とプローブ８ｂを基準とした骨表面の位置とから、ｙ軸上における骨表面の位置ｙ₁を取得する。同様に、既知のプローブ８ｄの位置とプローブ８ｄを基準とした骨表面の位置とから、ｙ軸上における骨表面の位置ｙ₂を取得する。そして、位置ｙ₁と位置ｙ₂との差から、骨短軸断面のｙ軸方向の直径Ｄ_y（Ｄ_y＝ｙ₁−ｙ₂）を算出する。

さらに、形状データ生成部２２は、骨表面４点の位置（ｘ₁，ｘ₂，ｙ₁，ｙ₂）から、隣り合う２点を結ぶ４つの直線で囲まれた領域の面積Ｓ（Ｓ＝Ｄ_x×Ｄ_y／２）を算出する。骨短軸断面のｘ軸方向の直径Ｄ_x、骨短軸断面のｙ軸方向の直径Ｄ_y、および、面積Ｓは形状データとしてメモリ２４に出力される。

本実施形態では、外的作用として骨に荷重を掛けた場合における形状データの変化が測定される。

図３は、骨に荷重を掛けた場合における形状データの変化の様子を説明するための図である。図３には、荷重を掛けないの場合の骨表面４点の位置（荷重無５０）、荷重を掛けた場合の骨表面４点の位置（荷重有５２）が示されている。図３に示すように、荷重を掛けることにより骨短軸断面が歪み、その結果、骨表面４点の位置（ｘ₁，ｘ₂，ｙ₁，ｙ₂）がそれぞれ（ｘ₁´，ｘ₂´，ｙ₁´，ｙ₂´）に変位する。本実施形態では、これら４点の変位から形状データの変化が測定される。以下、この測定について説明する。

図１に戻り、形状データ生成部２２は、４点の位置（ｘ₁，ｘ₂，ｙ₁，ｙ₂）から骨に対して荷重を掛けない場合の形状データ（Ｄ_x，Ｄ_y，Ｓ）を算出し、また、４点の位置（ｘ₁´，ｘ₂´，ｙ₁´，ｙ₂´）から骨に対して荷重を掛けた場合の形状データ（Ｄ´_x，Ｄ´_y，Ｓ´）を算出し、その結果をメモリ２４に記録する。

変形量演算部２６は、荷重を掛けない場合の直径Ｄ_xおよび荷重を掛けた場合の直径Ｄ´_xから、ｘ軸方向の歪み量ε_x＝（Ｄ´_x−Ｄ_x）／Ｄ_xを演算し、また、荷重を掛けない場合の直径Ｄ_yおよび荷重を掛けた場合の直径Ｄ´_yから、ｙ軸方向の歪み量ε_y＝（Ｄ´_y−Ｄ_y）／Ｄ_yを演算する。各直径は骨表面２点の位置の差として求められているので、荷重により骨全体が並進移動しても、並進移動分はキャンセルされて歪み量ε_xやε_yが求められる。変形量演算部２６は、これら歪み量を骨の力学的特性を反映した特性情報として表示画像形成部３２へ出力する。そして、表示画像形成部３２において、骨短軸断面４２の断層画像および特性情報により表示画像が形成され、ディスプレイ３４に表示される。例えば、断層画像の隣に特性情報である歪み量ε_xやε_yが表示される。

骨の力学的特性の中で、骨が弾性変形を起こしているか、または塑性変形を起こしているかを知ることは、骨の癒合判定において非常に重要である。荷重を取り去った後の骨短軸断面４２の形状が荷重を掛ける前の形状に戻れば弾性変形であり、荷重を掛ける前の形状に戻らなければ塑性変形である。本実施形態では、骨表面４点の位置を結んだ四角形（図３参照）についての荷重を掛ける前後の差から、荷重を掛ける前後の骨短軸断面４２の形状を比較することができる。

つまり、形状データ生成部２２で算出されメモリ２４に記録された荷重を掛ける前後の面積Ｓについて、変形量演算部２６がその差を算出し、表示画像形成部３２を介してディスプレイ３４に面積Ｓの差を表示させる。検査者は、この面積Ｓの差が所定範囲内にあれば、弾性変形であり骨の強度が正常であると判断し、また、面積Ｓの差が所定範囲内に無ければ塑性変形であり骨の強度が異常であると判断する。このように、面積Ｓの差という定量値に基づいて骨の力学的特性を知ることができる。

また、歩行などの動的なサイクル荷重における脛骨の力学的特性を測定したい場合を考慮して、本実施形態では、動的に変化する荷重値ごとの歪み量をメモリ２４に記録しておき、これら荷重値ごとの歪み量を利用した特性曲線を出力する。

図４および図５は、特性曲線の例を示す図である。図４は、横軸を時刻として荷重値および骨の歪み量（ε_xまたはε_y）のそれぞれを示した特性曲線である。図４には、時刻０から時刻ｔに亘って徐々に荷重値を増加させた場合、これに伴って歪み量も時刻０から時刻ｔに亘って徐々に増加している様子が示されている。また、時刻ｔ以降において荷重値が徐々に減少すると歪み量も徐々に減少していることがわかる。図４に示される特性曲線は、メモリ（図１の符号２４）に記録されたデータから表示画像形成部（図１の符号３２）において形成され、ディスプレイ（図１の符号３４）に表示される。検査者はディスプレイに表示される特性曲線から荷重値に対する骨の歪み量を読み取ることができる。なお、荷重値は床反力計などを用いて計測される。

図５は、横軸を骨の歪み量（ε_xまたはε_y）、縦軸を荷重値とした特性曲線である。骨に対する荷重量と骨の歪み量との間にはヒステリシス特性が存在する。つまり、荷重値を徐々に増加させ最大荷重値まで増加させた場合の骨の歪み量の増加特性と、その最大荷重値から徐々に荷重値を減少させた場合の骨の歪み量の減少特性とは同一の曲線にならない。図５は、荷重値を最大荷重値まで増加させ、その後、その最大荷重値から荷重値を減少させた場合の特性を示すものであり、領域８０の面積が荷重値と歪み量との間のヒステリシス特性を反映した定量値となる。図５に示される特性曲線は、メモリ（図１の符号２４）に記録されたデータから表示画像形成部（図１の符号３２）において形成され、ディスプレイ（図１の符号３４）に表示される。

また、骨は荷重が作用する方向によって異なる力学的特性、異方性をもっている。したがって、骨の強度が最大となる方向を測定するために、図１に示す４つのプローブ８を骨の周囲で回転させる機構とし、最大歪み（主歪み）の方向にプローブ８を固定するようにしてもよい。さらに、４つのプローブ８に換えて、複数の振動素子が円周状に配置されたアレー振動子のプローブを利用してもよい。

図６は、円周状に配置されたアレー振動子を説明するための図である。このアレー振動子は、診断対象である骨の骨短軸断面４２を取り囲む円周上に複数の振動素子６０が配置されたものである。各振動素子６０は、被検者の体表（図示せず）に当接される。もちろん、ゼリー状超音波結合剤を介して被検者の体表に当接されてもよい。マルチプレクサ１０は、送受信部（図１の符号１２）から供給された送信信号に基づいて、各振動素子６０ごとに駆動信号を出力する。そして、円周上に配置された複数の振動素子６０が電子走査制御され、円周上の所定の方向から超音波ビームが形成される。つまり、骨短軸断面４２内において所望の方向から超音波ビームを形成することが可能になる。したがって、例えば、図１に示す４つのプローブ８の位置に相当する方向から４本の超音波ビームを形成することも可能であり、また、図１に示すプローブ８の方向とは異なる方向から超音波ビームを形成することも可能である。さらに、超音波ビームの本数が４本以外であってもよい。

以上説明したように、本実施形態で得られた骨の歪み量などの骨の力学的特性は、骨癒合の定量評価において重要な指標となり、さらに、薬剤による骨強度増加への効果の判定や固定器・インプラントの除去、患者に与える荷重量の程度の指示などにおいて、客観的で信頼できる診断の基礎データとして大いに寄与するものである。

本発明に係る超音波診断装置による診断対象骨は脛骨に限定されるものではない。例えば、腓骨や大腿骨や腕の骨を対象とすることも可能である。大腿骨を対象とする場合、おもりを抱えた被検者を荷重計測器に載せ、プローブを大腿部に当接して診断を行えば、大腿骨に掛かる荷重値と大腿骨の形状測定が可能になる。また腕の骨を対象とする場合、被検者の腕にプローブを当接して、壁に設置した荷重計測器を被検者が腕押しすることにより腕の骨に荷重を掛けた診断が可能であり、あるいは、床に置かれた荷重計測器上に被検者が腕を載せて、腕立て姿勢で腕の骨に荷重を掛けた診断も可能である。このように、本発明に係る超音波診断装置は、被検者体内の様々な部位の骨を対象とすることができる。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す構成図である。 形状データの生成処理を説明するための図である。 骨に荷重を掛けた場合における形状データの変化の様子を説明するための図である。 荷重値および骨の歪み量の時間変化の特性曲線を示す図である。 横軸を骨の歪み量、縦軸を荷重値とした特性曲線を示す図である。 円周状に配置されたアレー振動子を説明するための図である。

符号の説明

８ プローブ、１０ マルチプレクサ、２０ エコートラッキング処理部、２２ 形状データ生成部、２６ 変形量演算部。

Claims (5)

1. 骨の短軸断面内において、複数方向から超音波ビームを形成して各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、
   前記各エコー信号ごとに骨表面に対応する表面ポイントを特定し、複数のエコー信号から得られる複数の表面ポイントに基づいて、前記骨の短軸断面の形状データを生成する形状測定手段と、
   前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記形状データの変化に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、
   を有し、
   前記形状測定手段は、前記形状データとして、３点以上の前記表面ポイントの位置を測定し、
   前記特性情報生成手段は、前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記表面ポイントの変位から前記骨の短軸断面の歪み量を演算し、前記外的作用を増加させた場合の前記歪み量の増加特性と、前記外的作用を減少させた場合の前記歪み量の減少特性と、に基づいて、前記歪み量に関するヒステリシス特性を得る、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 骨の短軸断面内において、複数方向から超音波ビームを形成して各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得する送受波手段と、
   前記各エコー信号ごとに骨表面に対応する表面ポイントを特定し、複数のエコー信号から得られる複数の表面ポイントに基づいて、前記骨の短軸断面の形状データを生成する形状測定手段と、
   前記骨に対して外的作用を及ぼした場合における前記形状データの変化に基づいて、骨の力学的特性を反映した特性情報を生成する特性情報生成手段と、
   を有し、
   前記形状測定手段は、前記形状データとして、３点以上の前記表面ポイントを結んだ複数の直線で囲まれた領域の面積を求める、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
   前記送受波手段は、互いに異なる方向から超音波ビームを形成する複数のプローブを含む、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
   前記送受波手段は、複数の振動素子が円周状に配置されたアレー振動子を含む、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
   前記形状測定手段は、骨の短軸断面の形状変化に応じて前記各表面ポイントをトラッキングする、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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