JP4983802B2

JP4983802B2 - 骨粗鬆症進行状況計測器及び骨粗鬆症進行状況計測方法

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Publication number: JP4983802B2
Application number: JP2008544135A
Authority: JP
Inventors: 洋人立野
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-11-13
Also published as: WO2008059811A1; JPWO2008059811A1; US20100063394A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、骨量の減少による骨粗鬆症の進行状況を計測する骨粗鬆症進行状況計測器及び骨粗鬆症進行状況計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会は、好む好まざるに拘わらず、車等に代表される乗り物社会であり、人間の健康維持に必要な運動量の低下が懸念されている。この人間の健康維持に必要な運動量の低下は、骨量の著しい減少、即ち骨粗鬆症様の変化を示すことが知られている。
【０００３】
また、本発明者らの研究でも、大腿骨に対する力学的負荷軽減に伴う骨粗鬆症様変化は、負荷回復後も、不可逆的な器質障害を招くという実験結果を得ている。例えば、本発明者らは、下記の非特許文献１で以下に示す実験結果を報告している。
【０００４】
体重約２００ｇの生後７週齢のウィスター系オスラットを９週間後肢懸垂した後、８週間ケージに戻して飼育した後肢懸垂群と、そのままケージで飼育した対照群とに分け、飼育後、両群のウィスター系オスラットからそれぞれ後肢大腿骨を摘出した。前者の後肢懸垂群のウィスター系オスラットにおける後肢大腿骨は、後者の対照群のウィスター系オスラットにおける後肢大腿骨に比べて、重力下の十分な回復期間で回復せず、局所的に脆弱性を持つ結果が得られた。
【０００５】
即ち、上述した非特許文献１の実験結果では、骨に対する力学的負荷の軽減が継続的に行われた場合に、当該力学的負荷の軽減に伴う骨粗鬆症様変化は負荷回復後も元の状態に戻らないことを示している。よって、現代の高齢化社会において、医療費・介護費の増大を抑制する政策として、この骨粗鬆症の進行状況をその都度、手軽に把握できるようにすることは大変重要である。
【０００６】
【非特許文献１】
超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム論文集、第２６巻（２００５年１１月１６日発行）、Ｐ．１５７
【発明の開示】
［０００７］
従来、この骨粗鬆症の進行状況を計測する方法としては、Ｘ線を用いる方法や超音波を用いる方法等が考えられている。このうち、Ｘ線を用いる方法では、Ｘ線を被験者に照射して計測を行うため、被験者の身体に多大な負荷がかかるという問題がある。特に、被験者が高齢である場合や長期入院中の患者である場合などでは、より顕著な問題となる。
［０００８］
一方、超音波を用いる方法では、Ｘ線を用いる方法のように被験者の身体に多大な負荷がかかるという問題は生じないが、従来の超音波を用いる方法では、骨粗鬆症の進行状況を定量的に、且つ、適正に計測することが困難であった。
［０００９］
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、被験者の身体に多大な負荷をかけること無く、骨粗鬆症の進行状況を定量的に、且つ、適正に計測することを実現する骨粗鬆症進行状況計測器及び骨粗鬆症進行状況計測方法を提供することを目的とする。
［００１０］
本発明の骨粗鬆症進行状況計測器は、被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波と前記骨部に対して縦振動を与える超音波とを発振する発振手段と、前記骨部を伝播した前記捩れ振動に係る超音波と前記骨部を伝播した前記縦振動に係る超音波とを、前記被験体を介して検出する検出手段と、前記検出手段で検出した前記捩れ振動に係る超音波に基づいて前記捩れ振動に係る超音波の音速を算出し、前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波に基づいて前記縦振動に係る超音波の音速を算出する音速算出手段と、前記音速算出手段で算出した、前記捩れ振動に係る超音波の音速に対して前記縦振動に係る超音波の音速を除算して、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出手段とを有する。
［００１１］
本発明の骨粗鬆症進行状況計測器における他の態様は、被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波を発振する発振手段と、前記骨部を伝播した捩れ振動に係る超音波を、前記被験体を介して検出する検出手段と、前記発振手段から発振された超音波に対して前記検出手段で検出した前記捩れ振動に係る超音波の減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、前記減衰係数算出手段で算出した減衰係数に基づいて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出手段とを有する。
また、本発明の骨粗鬆症進行状況計測器におけるその他の態様は、被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波と前記骨部に対して縦振動を与える超音波とを発振する発振手段と、前記骨部を伝播した前記捩れ振動に係る超音波と前記骨部を伝播した前記縦振動に係る超音波とを、前記被験体を介して検出する検出手段と、前記検出手段で検出した前記捩れ振動に係る超音波に基づいて前記捩れ振動に係る超音波の音速を算出し、前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波に基づいて前記縦振動に係る超音波の音速を算出する音速算出手段と、前記音速算出手段で算出した前記捩れ振動に係る超音波の音速と前記縦振動に係る超音波の音速とを用いてポアソン比を求めて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出手段とを有する。
［００１２］
本発明の骨粗鬆症進行状況計測方法は、被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波と前記骨部に対して縦振動を与える超音波とを発振する発振ステップと、前記骨部を伝播した前記捩れ振動に係る超音波と前記骨部を伝播した前記縦振動に係る超音波とを、前記被験体を介して検出する検出ステップと、前記検出ステップで検出した前記捩れ振動に係る超音波に基づいて前記捩れ振動に係る超音波の音速を算出し、前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波に基づいて前記縦振動に係る超音波の音速を算出する音速算出ステップと、前記音速算出ステップで算出した、前記捩れ振動に係る超音波の音速に対して前記縦振動に係る超音波の音速を除算して、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出ステップとを有する。
［００１３］
本発明の骨粗鬆症進行状況計測方法における他の態様は、被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波を発振する発振ステップと、前記骨部を伝播した捩れ振動に係る超音波を、前記被験体を介して検出する検出ステップと、前記発振ステップにおいて発振された超音波に対して前記検出ステップで検出した前記捩れ振動に係る超音波の減衰係数を算出する減衰係数算出ステップと、前記減衰係数算出ステップで算出した減衰係数に基づいて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出ステップとを有する。
［００１４］
本発明によれば、被験者の身体に多大な負荷をかけること無く、骨粗鬆症の進行状況を定量的に、且つ、適正に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
［００１５］
［図１Ａ］図１Ａは、背景技術で説明した対照群ラットの後肢大腿骨に超音波を与えた際の特性図である。
［図１Ｂ］図１Ｂは、背景技術で説明した対照群ラットの後肢大腿骨に超音波を与えた際の特性図である。
［図２Ａ］図２Ａは、背景技術で説明した後肢懸垂群ラットの後肢大腿骨に超音波を与えた際の特性図である。
［図２Ｂ］図２Ｂは、背景技術で説明した後肢懸垂群ラットの後肢大腿骨に超音波を与えた際の特性図である。
［図３］図３は、本発明の実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器の概略構成を示すブロック図である。
［図４Ａ］図４Ａは、骨粗鬆症進行状況参照データの一例を示す模式図である。
［図４Ｂ］図４Ｂは、骨粗鬆症進行状況参照データの一例を示す模式図である。
［図５］図５は、被験体の骨部（踵骨〜脛骨）を伝播する超音波の減衰波を説明するための図である。
［図６］図６は、図３に示す脛骨の概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器による骨粗鬆症進行状況計測方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】図８は、２２歳男性Ｓの脛骨を伝播した捩れ振動に係る超音波の位相値及び位相相関振幅値を示す特性図である。
【図９】図９は、２２歳男性Ｓの脛骨を伝播した縦振動に係る超音波の位相値及び位相相関振幅値を示す特性図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
−本発明の骨子−
本発明者は、被験者の身体に多大な負荷をかけること無く、骨粗鬆症の進行状況を定量的に、且つ、適正に計測することを実現するため、以下に示す発明の骨子を思料した。
【００１７】
まず、本発明者は、計測を行う被験者の身体に多大な負荷がかかることを回避するため、Ｘ線を用いた計測ではなく、超音波を用いた計測を行うようにした。
【００１８】
続いて、本発明者は、骨粗鬆症の進行状況、即ち、骨粗鬆症様変化の状況について、上述した非特許文献１の実験結果に対する考察を行った。
【００１９】
図１Ａ及び図１Ｂは、背景技術で説明した対照群ラットの後肢大腿骨に超音波を与えた際の特性図であり、図２Ａ及び図２Ｂは、背景技術で説明した後肢懸垂群ラットの後肢大腿骨に超音波を与えた際の特性図である。一般的に骨は、当該骨の表面から内側にかけて、骨膜、緻密質、海綿質、骨髄腔を備えて構成されており、図１Ａ及び図１Ｂ、並びに、図２Ａ及び図２Ｂは、各後肢大腿骨における緻密質を約１．０ｍｍ抽出したものの特性である。
【００２０】
図１Ａ及び図２Ａは、各後肢大腿骨の緻密質において、ＣａイオンとＭｇイオンについてのイオン励起超音波による特性を表しており、横軸は緻密質の骨膜側から骨髄腔に向かう位置を示し、縦軸は各イオンの濃度を示している。図１Ａに示す対照群ラットの後肢大腿骨における緻密質では、Ｃａイオン及びＭｇイオンの濃度変化が見られないのに対して、図２Ａに示す後肢懸垂群ラットの後肢大腿骨における緻密質では、Ｃａイオンについてはそれほど濃度変化が見られないものの、Ｍｇイオンについては緻密質の中央部（０．５ｍｍ付近）で濃度が約１／１０に減少していることが分かる。この緻密質の中央部では、結晶学的に見ると、結晶構造が壊れていることが読み取れる。
【００２１】
本発明者は、この点に注目し、骨粗鬆症の進行状況（骨粗鬆症様変化の状況）を評価するのに際して、従来の海綿質等を含めた骨密度減少に伴う評価に対して、骨の内部（特に、緻密質の中心部）における不可逆的なＭｇ欠陥に伴う新たな評価を行うことを案出した。
【００２２】
図１Ｂ及び図２Ｂは、各後肢大腿骨の緻密質を伝播した超音波の減衰係数（減衰率）とその音速の特性を表しており、横軸は緻密質の骨膜側から骨髄腔に向かう位置を示し、左縦軸は超音波の減衰係数（減衰率）、右縦軸は超音波の音速を示している。図１Ｂに示す対照群ラットの後肢大腿骨における緻密質では、減衰係数及び音速共にそれほど急激な変化が見られないのに対して、図２Ｂに示す後肢懸垂群ラットの後肢大腿骨における緻密質では、図２ＡでＭｇイオン濃度の大幅な減少が見られた緻密質の中央部（０．５ｍｍ付近）において減衰係数及び音速共に急激な変化が観測された。
【００２３】
そして、図１Ｂ及び図２Ｂに示す実験結果から、本発明者は、骨粗鬆症の進行状況（骨粗鬆症様変化の状況）を評価する場合、被験体の骨部の内部を伝播した超音波の減衰係数（減衰率）、或いは、その超音波の音速をパラメータとして評価することが有効であることを見出した。
【００２４】
さらに、本発明者は、被験体の骨部に与える超音波についても考察を行った。具体的には、被験体の長管骨などの骨部におけるＭｇ欠陥と、当該骨部を捩る方向に振動（以下、この振動を「捩れ振動」と称する）を与える超音波及び当該骨部を縦方向（長手方向）に振動（以下、この振動を「縦振動」と称する）を与える超音波との関係について調査した。その結果、縦振動は、捩れ振動に比べてＭｇ欠陥の影響を受け難いことが分かった。
【００２５】
即ち、本発明者は、被験体の骨部における骨粗鬆症の進行状況（骨粗鬆症様変化の状況）を評価する場合には、当該骨部に捩れ振動を与える超音波を印加して当該骨部を伝播した超音波を検出し、当該超音波の減衰係数又は音速を取得することが必要不可欠であることを見出した。さらに、本発明者は、被験体の骨部における骨粗鬆症の進行状況の計測精度を向上させるため、捩れ振動に係る超音波の検出に加えて縦振動に係る超音波の検出を行い、捩れ振動に係る超音波の各パラメータ（減衰係数又は音速）に対して縦振動に係る超音波の各パラメータを除算することを思料した。
【００２６】
−本発明の具体的な実施形態−
次に、上述した本発明の骨子を踏まえた本発明における実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図３は、本発明の実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器１００の概略構成を示すブロック図である。
【００２８】
本発明の実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器１００は、超音波発振部１１０と、超音波検出部１２０と、プリアンプ１３０と、位相検波部１４０と、ＣＰＵ１５０と、自動同調・一定歪加振部１６０と、メモリ部１７０と、表示部１８０と、操作入力部１９０と、切替スイッチ１０１及び１０２を具備して構成されている。
【００２９】
超音波発振部１１０は、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）に対して振動を与える超音波を発振するものである。具体的に、超音波発振部１１０には、踵骨２０１に対して捩れ振動を与える超音波を発振する捩れ振動子１１１と、踵骨２０１に対して縦振動を与える超音波を発振する縦振動子１１２が設けられており、ＣＰＵ１５０が第１の切替スイッチ１０１を切り替えることにより選択される。
【００３０】
超音波検出部１２０は、超音波発振部１１０から発振され、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播した超音波を、被験体２００を介して検出する。具体的に、超音波検出部１２０には、複数の検出素子（１２１〜１２ｎ）が被験体２００に対して整列して設けられており、各検出素子では各地点における超音波の振幅を電気信号として検出する。ここで、図３の減衰波２０３は、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播した超音波を示している。また、各検出素子の検出信号は、ＣＰＵ１５０が第２の切替スイッチ１０２を切り替えることにより選択されて出力される。
【００３１】
プリアンプ１３０は、第２の切替スイッチ１０２を介して超音波検出部１２０で検出した超音波の電気信号を増幅する等の処理を行う。
【００３２】
位相検波部１４０は、超音波発振部１１０から発振された超音波に対して超音波検出部１２０で検出した超音波の位相値φ及び位相相関振幅値ｒを検出する。
【００３３】
ＣＰＵ１５０は、骨粗鬆症進行状況計測器１００における動作及びその制御を統括的に行う。例えば、ＣＰＵ１５０は、操作者による操作入力部１９０への入力信号等に基づいて第１の切替スイッチ１０１を切り替えたり、位相検波部１４０からの入力信号等に基づいて第２の切替スイッチ１０２を切り替えたりする。また、ＣＰＵ１５０は、位相検波部１４０からの入力信号に基づいて超音波検出部１２０で検出した超音波の音速や減衰係数（減衰率）を算出し、算出した超音波の音速や減衰係数（減衰率）に基づいて被験体２００の骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する。さらに、ＣＰＵ１５０は、算出した骨粗鬆症の進行状況を表す特性を表示部１８０に表示する制御も行う。
【００３４】
自動同調・一定歪加振部１６０は、ＣＰＵ１５０による制御に基づいて、被験体２００の骨部を一定歪みで振動させるために超音波発振部１１０から直近に位置する検出素子１２ｎからの検出信号を負帰還させて、超音波発振部１１０を駆動させる駆動電圧を制御する。
【００３５】
メモリ部１７０には、後述の図７に示す処理を含むＣＰＵ１５０が行う処理に必要なプログラムや、ＣＰＵ１５０が被験体２００の骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する際に用いる骨粗鬆症進行状況参照データ等が記憶されている。以下に、メモリ部１７０に記憶されている骨粗鬆症進行状況参照データについて説明する。
【００３６】
図４Ａ及び図４Ｂは、骨粗鬆症進行状況参照データの一例を示す模式図である。ここで、図４Ａ及び図４Ｂには、骨粗鬆症の進行状況を表す特性として骨年齢の特性が示されている。図４Ａは、横軸に骨年齢をとり、縦軸に捩れ振動に係る超音波の減衰係数α_１に対して縦振動に係る超音波の減衰係数α_２を除算した比をとった際の健常者の特性が示されている。図４Ｂは、横軸に骨年齢をとり、縦軸に捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１に対して縦振動に係る超音波の音速Ｖ_２を除算した比をとった際の健常者の特性が示されている。
【００３７】
図３の表示部１８０には、ＣＰＵ１５０で算出した骨粗鬆症の進行状況を表す特性である被験体２００の骨年齢の計測結果や、骨粗鬆症進行状況計測器１００の動作状況を示す情報等がＣＰＵ１５０により表示される。
【００３８】
操作入力部１９０は、操作者による骨粗鬆症進行状況計測器１００に対する操作入力を受け付けるものである。
【００３９】
図５は、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播する超音波の減衰波２０３を説明するための図である。
一般に、減衰波２０３の振幅ｙは、進行方向をｘとすると、図５に示すように、
ｙ＝ａＥＸＰ（−αｘ）ｃｏｓ（２π／λ）ｘ・・・（数式１）
で表せる。ここで、ａは超音波発振部１１０に直近の被験体２００における体外振幅を示し、αは減衰波２０３の減衰係数（減衰率）を示し、λは定在波における減衰波２０３の波長である。
【００４０】
また、減衰波２０３の減衰係数αは、図５に示すように、
α＝（ｙ_１ ^２−ｙ_２ ^２）／ｙ_１ ^２・・・（数式２）
で表せる。
また、減衰波２０３の音速Ｖは、図５に示すように、
Ｖ＝λｆ・・・（数式３）
で表せる。ここで、ｆは減衰波２０３の周波数である。
【００４１】
図６は、図３に示す脛骨２０２の概略構成を示す模式図である。また、図６には、脛骨２０２に対して捩れ振動子１１１から捩れ振動を与えた際のイメージも示している。
【００４２】
図６に示すように、脛骨２０２は、当該脛骨２０２の表面から内側にかけて、骨膜２０２１、緻密質２０２２、海綿質２０２３、骨髄腔２０２４を備えて構成されており、また、緻密質２０２２の中央部には、Ｍｇ（イオン）欠損部２０２２ａが存在している。また、脛骨２０２には捩れ振動による捩れ歪みも矢印で図示しており、この捩れ歪みは、Ｍｇ（イオン）欠損部２０２２ａを通して伝わることを示している。
【００４３】
上述した本発明の骨子で説明したように、縦振動は、Ｍｇ（イオン）欠損部２０２２ａの影響を捩れ振動ほど受けないことが分かっている。本実施形態では、脛骨２０２を伝播した超音波を被験体２００の体側外から計測するために生じる脛骨２０２と皮膚間の組織の厚みによるばらつきを吸収する目的で、捩れ振動に係る超音波の各パラメータ（減衰係数又は音速）に対して縦振動に係る超音波の各パラメータを除算し、その影響を取り除くようにしている。
【００４４】
次いで、骨粗鬆症進行状況計測器１００による骨粗鬆症進行状況計測方法の処理手順について説明する。
【００４５】
図７は、本発明の実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器１００による骨粗鬆症進行状況計測方法の処理手順を示すフローチャートである。
【００４６】
まず、ステップＳ１０１において、ＣＰＵ１５０は、第１の切替スイッチ１０１を捩れ振動子１１１側にして、捩れ振動子１１１から被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）に対して捩れ振動を与える超音波を発振させる。この際、自動同調・一定歪加振部１６０は、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播する捩れ振動に係る超音波が共鳴した状態になるように捩れ振動子１１１から発振する超音波を共振周波数に同調させ、また、検出素子１２ｎからの検出信号を負帰還させて被験体２００の骨部を一定歪みで振動させるための駆動電圧を捩れ振動子１１１に供給する。
【００４７】
続いて、ステップＳ１０２において、超音波検出部１２０は、捩れ振動子１１１から発振され、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播した捩れ振動に係る超音波を、被験体２００を介して検出する。
【００４８】
続いて、ステップＳ１０３において、ＣＰＵ１５０は、捩れ振動子１１１から発振された超音波に対して超音波検出部１２０で検出した捩れ振動に係る超音波の減衰係数（減衰率）α_１を算出する。
【００４９】
具体的に、ステップＳ１０３では、まず、位相検波部１４０において、超音波検出部１２０の各検出素子（１２１〜１２ｎ）で検出された捩れ振動に係る超音波の位相値φ及び位相相関振幅値ｒを検出する。
【００５０】
図８は、２２歳男性Ｓの脛骨を伝播した捩れ振動に係る超音波の位相値φ及び位相相関振幅値ｒを示す特性図である。図８の横軸は検出素子１２ｎからの各検出素子の距離を示し、左縦軸は位相相関振幅値ｒ、右縦軸は位相値φを示している。図８には、各位相値φ及び位相相関振幅値ｒの測定値と、最小二乗法によりフィッティングして算出される各位相値φ及び位相相関振幅値ｒの算出値を示している。
【００５１】
超音波検出部１２０の各検出素子によってとびとびにサンプリングされた捩れ振動に係る超音波は、ＣＰＵ１５０において、上述した数式１に最小二乗法によって近似され、捩れ振動に係る超音波の減衰係数（減衰率）α_１と当該超音波の波長λ_１が算出される。例えば、図８の例では、減衰係数（減衰率）α_１が０．３２と算出され、波長λ_１が４．１ｃｍと算出された。
【００５２】
続いて、ステップＳ１０４において、ＣＰＵ１５０は、超音波検出部１２０で検出した捩れ振動に係る超音波に基づいて、当該超音波の音速Ｖ_１を算出する。
【００５３】
具体的に、ステップＳ１０４では、数式３を用いて捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１を算出する。例えば、被験体２００の骨部を伝播する捩れ振動に係る超音波の周波数ｆ_１が５３．６６ｋＨｚであった場合、ステップＳ１０３で減衰係数α_１と共に算出された波長λ_１の値を用いて、当該波長λ_１の値と周波数ｆ_１の値を数式３に代入することにより、音速Ｖ_１が２２００ｍ／ｓと算出される。
【００５４】
続いて、ステップＳ１０５において、ＣＰＵ１５０は、第１の切替スイッチ１０１を縦振動子１１２側にして、縦振動子１１２から被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）に対して縦振動を与える超音波を発振させる。この際、自動同調・一定歪加振部１６０は、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播する縦振動に係る超音波が共鳴した状態になるように縦振動子１１２から発振する超音波を共振周波数に同調させ、また、検出素子１２ｎからの検出信号を負帰還させて被験体２００の骨部を一定歪みで振動させるための駆動電圧を縦振動子１１２に供給する。
【００５５】
続いて、ステップＳ１０６において、超音波検出部１２０は、縦振動子１１２から発振され、被験体２００の骨部（踵骨２０１〜脛骨２０２）を伝播した縦振動に係る超音波を、被験体２００を介して検出する。
【００５６】
続いて、ステップＳ１０７において、ＣＰＵ１５０は、縦振動子１１２から発振された超音波に対して超音波検出部１２０で検出した縦振動に係る超音波の減衰係数（減衰率）α_２を算出する。
【００５７】
具体的に、ステップＳ１０７では、まず、位相検波部１４０において、超音波検出部１２０の各検出素子（１２１〜１２ｎ）で検出された縦振動に係る超音波の位相値φ及び位相相関振幅値ｒを検出する。
【００５８】
図９は、２２歳男性Ｓの脛骨を伝播した縦振動に係る超音波の位相値φ及び位相相関振幅値ｒを示す特性図である。図９の横軸は検出素子１２ｎからの各検出素子の距離を示し、左縦軸は位相相関振幅値ｒ、右縦軸は位相値φを示している。図９には、各位相値φ及び位相相関振幅値ｒの測定値と、最小二乗法によりフィッティングして算出される各位相相関振幅値ｒの算出値を示している。
【００５９】
超音波検出部１２０の各検出素子によってとびとびにサンプリングされた縦振動に係る超音波は、ＣＰＵ１５０において、上述した数式１に最小二乗法によって近似され、縦振動に係る超音波の減衰係数（減衰率）α_２と当該超音波の波長λ_２が算出される。例えば、図９の例では、減衰係数（減衰率）α_２が０．１６と算出され、波長λ_２が４．８ｃｍと算出された。ここで、図８、図９の例では、捩れ振動に係る超音波の減衰係数α_１が０．３２と算出され、縦振動に係る超音波の減衰係数α_２が０．１６と算出されている。このことからも分かるように、捩れ振動の方がＭｇ（イオン）欠損部２０２２ａの影響を受けやすい。
【００６０】
続いて、ステップＳ１０８において、ＣＰＵ１５０は、超音波検出部１２０で検出した縦振動に係る超音波に基づいて、当該超音波の音速Ｖ_２を算出する。
【００６１】
具体的に、ステップＳ１０８では、数式３を用いて縦振動に係る超音波の音速Ｖ_２を算出する。例えば、被験体２００の骨部を伝播する縦振動に係る超音波の周波数ｆ_２が３９．５８ｋＨｚであった場合、ステップＳ１０７で減衰係数α_２と共に算出された波長λ_２の値を用いて、当該波長λ_２の値と周波数ｆ_２の値を数式３に代入することにより、音速Ｖ_２が１９００ｍ／ｓと算出される。
【００６２】
続いて、ステップＳ１０９において、ＣＰＵ１５０は、算出した超音波の減衰係数から、骨粗鬆症の進行状況を表す特性として被験体２００の骨部の骨年齢を算出する。
【００６３】
具体的に、ステップＳ１０９では、まず、ステップＳ１０３で算出した捩れ振動に係る超音波の減衰係数α_１に対して、ステップＳ１０７で算出した縦振動に係る超音波の減衰係数α_２を除算した比（α_１／α_２）を求める。そして、メモリ部１７０に記憶されている図４Ａに示す骨粗鬆症進行状況参照データを参照して、求めた比（α_１／α_２）に対応する健常者における骨年齢を算出する。この際、算出された骨年齢が３２歳であるとする。
【００６４】
図４Ａに示す骨粗鬆症進行状況参照データでは、年齢と共に比（α_１／α_２）の値が上昇する傾向にある。よって、例えば、被験体２００の実年齢に対応する比（α_１／α_２）の値に対して実際に計測された比（α_１／α_２）の値が大きい場合には、実年齢に対して当該被験体２００の骨年齢が老いている状態（これを、「速老」と称する）となり、一方、被験体２００の実年齢に対応する比（α_１／α_２）の値に対して実際に計測された比（α_１／α_２）の値が小さい場合には、実年齢に対して当該被験体２００の骨年齢が若い状態（これを、「遅老」と称する）となる。
【００６５】
続いて、ステップＳ１１０において、ＣＰＵ１５０は、算出した超音波の音速から、骨粗鬆症の進行状況を表す特性として被験体２００の骨部の骨年齢を算出する。
【００６６】
具体的に、ステップＳ１１０では、まず、ステップＳ１０４で算出した捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１に対して、ステップＳ１０８で算出した縦振動に係る超音波の音速Ｖ_２を除算した比（Ｖ_１／Ｖ_２）を求める。そして、メモリ部１７０に記憶されている図４Ｂに示す骨粗鬆症進行状況参照データを参照して、求めた比（Ｖ_１／Ｖ_２）に対応する健常者における骨年齢を算出する。この際、算出された骨年齢が３４歳であるとする。
【００６７】
図４Ｂに示す骨粗鬆症進行状況参照データでは、年齢と共に比（Ｖ_１／Ｖ_２）の値が下降する傾向にある。よって、例えば、被験体２００の実年齢に対応する比（Ｖ_１／Ｖ_２）の値に対して実際に計測された比（Ｖ_１／Ｖ_２）の値が小さい場合には、実年齢に対して当該被験体２００の骨年齢が速老となり、一方、被験体２００の実年齢に対応する比（Ｖ_１／Ｖ_２）の値に対して実際に計測された比（Ｖ_１／Ｖ_２）の値が大きい場合には、実年齢に対して当該被験体２００の骨年齢が遅老となる。
【００６８】
続いて、ステップＳ１１１において、ＣＰＵ１５０は、ステップＳ１０９で算出した骨年齢とステップＳ１１０で算出した骨年齢とに応じて、被験体２００の骨部における最終的な骨年齢を算出する。
【００６９】
具体的に、ステップＳ１１１では、ステップＳ１０９で骨年齢が３２歳と算出され、ステップＳ１１０で骨年齢が３４歳と算出されているため、これらを平均化処理して、被験体２００の骨部における最終的な骨年齢を３３歳と算出する。
【００７０】
続いて、ステップＳ１１２において、ＣＰＵ１５０は、ステップＳ１１１で算出した被験体２００の骨部における骨年齢を表示部１８０に表示する。これにより、表示された骨年齢から、当該被験体２００の骨部における骨粗鬆症の進行状況を定量的に把握することが可能となる。
【００７１】
以上のステップＳ１０１〜ステップＳ１１２の処理を経ることにより、被験体２００の骨部を伝播した超音波の減衰係数及び音速に基づく被験体２００の骨部の骨年齢の算出、及びその表示がなされる。
【００７２】
なお、上述した実施形態では、骨粗鬆症の進行状況を表す特性（骨年齢）の更なる計測精度の向上のために、被験体２００の骨部を伝播した超音波の減衰係数及び音速の両方を算出するようにしているが、本発明においては、何れか一方を用いて骨粗鬆症の進行状況を表す特性（骨年齢）を算出するようにして処理を簡素化した形態も含まれる。
【００７３】
具体的に、例えば、被験体２００の骨部を伝播した超音波の減衰係数のみを用いて当該骨部の骨年齢の算出を行う場合には、図７のステップＳ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１０５〜Ｓ１０７、Ｓ１０９、及び、Ｓ１１２の各ステップを経る形態を採る。また、例えば、被験体２００の骨部を伝播した超音波の音速のみを用いて当該骨部の骨年齢の算出を行う場合には、図７のステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４〜Ｓ１０６、Ｓ１０８、Ｓ１１０、及び、Ｓ１１２の各ステップを経る形態を採る。
【００７４】
また、上述した実施形態では、骨粗鬆症の進行状況を表す特性（骨年齢）の更なる計測精度の向上のために、被験体２００の骨部を伝播した捩れ振動に係る超音波の検出に加えて縦振動に係る超音波の検出を行うようにしているが、本発明においては、捩れ振動に係る超音波の検出のみを行うようにして処理を簡素化した形態も含まれる。
【００７５】
具体的に、捩れ振動に係る超音波の検出のみを行って被験体２００の骨部の骨年齢の算出を行う場合には、まず、メモリ部１７０に予め用意しておく骨粗鬆症進行状況参照データとして、図４Ａ及び図４Ｂに示す各骨粗鬆症進行状況参照データにおいてその縦軸を、それぞれ、捩れ振動に係る超音波の減衰係数α_１及び捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１に変更した際の骨年齢の特性とする。そして、この場合、図７のステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理を経た後、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０３で算出した捩れ振動に係る超音波の減衰係数α_１に基づいて、メモリ部１７０に記憶されている骨粗鬆症進行状況参照データから被験体２００の骨部の骨年齢を算出する。続いて、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０４で算出した捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１に基づいて、メモリ部１７０に記憶されている骨粗鬆症進行状況参照データから被験体２００の骨部の骨年齢を算出し、更に、ステップＳ１１１及びステップＳ１１２の各ステップを経る形態を採る。
【００７６】
さらに、上述した実施形態では、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０４で算出した捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１に対して、ステップＳ１０８で算出した縦振動に係る超音波の音速Ｖ_２を除算した比（Ｖ_１／Ｖ_２）を求め、図４Ｂに示す骨粗鬆症進行状況参照データを参照して、求めた比（Ｖ_１／Ｖ_２）に対応する健常者における骨年齢を算出するようにしているが、例えば、被験体２００の骨部におけるポアソン比を求めて健常者における骨年齢を算出する形態も本発明に適用できる。このポアソン比について、以下に説明する。
【００７７】
ここで、密度ρの媒質を伝播する捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１、及び、密度ρの媒質を伝播する縦振動に係る超音波の音速Ｖ_２は、当該媒質の剛性率（ずり弾性率）をＧ、当該媒質のヤング率をＥとすると、それぞれ、図５に示すように、以下の数式４及び数式５で表せる。
Ｖ_１＝√（Ｇ／ρ）・・・（数式４）
Ｖ_２＝√（Ｅ／ρ）・・・（数式５）
【００７８】
また、一般に、ポアソン比νは、以下の数式６で表せる。
Ｇ＝Ｅ／｛２（１＋ν）｝・・・（数式６）
【００７９】
よって、数式４〜数式６から、ポアソン比νは、以下の数式７で表せる。
ν＝Ｅ／（２Ｇ）−１
＝（１／２）・（Ｖ_２／Ｖ_１）^２−１・・・（数式７）
【００８０】
このポアソン比νによる形態では、予めメモリ部１７０に、横軸に骨年齢をとり、縦軸に被験体２００の骨部におけるポアソン比νをとった際の健常者の特性に係る骨粗鬆症進行状況参照データを用意しておく。ここで、このポアソン比νによる骨粗鬆症進行状況参照データは、図４Ｂに示す音速Ｖ_１と音速Ｖ_２との比（Ｖ_１／Ｖ_２）における骨粗鬆症進行状況参照データを、数式７に示す関係に基づいて変形させたものとなる。
【００８１】
具体的に、このポアソン比νによる形態では、まず、ステップＳ１０４で算出した捩れ振動に係る超音波の音速Ｖ_１と、ステップＳ１０８で算出した縦振動に係る超音波の音速Ｖ_２とに基づいて、数式７を用いてポアソン比νを求める。そして、メモリ部１７０に記憶されている、ポアソン比νによる骨粗鬆症進行状況参照データを参照して、求めたポアソン比νに対応する健常者における骨年齢を算出することになる。以上により、ポアソン比を用いた健常者の骨年齢を算出する形態が実施される。
【００８２】
さらに、上述した実施形態では、超音波の減衰係数及び音速を算出するのに際して、第２の切替スイッチ１０２を切り替えて超音波検出部１２０の各検出素子（１２１〜１２ｎ）における各検出信号を用いて算出するようにしているが、例えば、第２の切替スイッチ１０２を切り替えずに、ある１つの検出素子の検出信号を継続的に取得し、当該検出素子の位置での超音波波形に基づいて減衰係数及び音速を算出して、処理を簡素化するようにしてもよい。この場合、超音波の減衰係数については、超音波発振部１１０から発振された超音波の波形に対する、当該検出素子の位置における超音波波形に基づいて算出する。また、超音波の音速については、当該検出素子で検出した超音波波形に基づいて算出する。
【００８３】
さらに、上述した実施形態では、被験体２００の一態様として人間（人体）の例を挙げて説明を行ったが、本発明においてはこれに限定されるわけでなく、例えば、被験体２００としてラットや、猫、犬などの他の動物を適用することも可能である。
【００８４】
本実施形態によれば、被験体２００の骨部を伝播した超音波を検出し、その超音波の減衰係数及び音速のうちの少なくとも何れか一方を用いて骨粗鬆症の進行状況を表す特性である骨年齢を算出するようにしたので、被験者の身体に多大な負荷をかけること無く、骨粗鬆症の進行状況を定量的に、且つ、適正に計測することが可能となる。
【００８５】
上述した本実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器を構成する図３の各手段、並びに骨粗鬆症進行状況計測方法を示した図７の各ステップは、メモリ部１７０に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体（メモリ部１７０）は本発明に含まれる。
【００８６】
具体的に、前記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記憶媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記憶媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、前記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体を用いることができる。また、この際の通信媒体としては、光ファイバ等の有線回線や無線回線などが挙げられる。
【００８７】
また、本発明は、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより本実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器の機能が実現される態様に限られない。そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して本実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明に含まれる。また、供給されたプログラムの処理の全て、或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて本実施形態に係る骨粗鬆症進行状況計測器の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明に含まれる。
【００８８】
また、前述した本実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明によれば、被験者の身体に多大な負荷をかけること無く、骨粗鬆症の進行状況を定量的に、且つ、適正に計測することができる。

Claims

被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波と前記骨部に対して縦振動を与える超音波とを発振する発振手段と、
前記骨部を伝播した前記捩れ振動に係る超音波と前記骨部を伝播した前記縦振動に係る超音波とを、前記被験体を介して検出する検出手段と、
前記検出手段で検出した前記捩れ振動に係る超音波に基づいて前記捩れ振動に係る超音波の音速を算出し、前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波に基づいて前記縦振動に係る超音波の音速を算出する音速算出手段と、
前記音速算出手段で算出した、前記捩れ振動に係る超音波の音速に対して前記縦振動に係る超音波の音速を除算して、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出手段と
を有することを特徴とする骨粗鬆症進行状況計測器。
被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波と前記骨部に対して縦振動を与える超音波とを発振する発振手段と、
前記骨部を伝播した前記捩れ振動に係る超音波と前記骨部を伝播した前記縦振動に係る超音波とを、前記被験体を介して検出する検出手段と、
前記検出手段で検出した前記捩れ振動に係る超音波に基づいて前記捩れ振動に係る超音波の音速を算出し、前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波に基づいて前記縦振動に係る超音波の音速を算出する音速算出手段と、
前記音速算出手段で算出した前記捩れ振動に係る超音波の音速と前記縦振動に係る超音波の音速とを用いてポアソン比を求めて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出手段と
を有することを特徴とする骨粗鬆症進行状況計測器。
前記発振手段から発振された超音波に対して前記検出手段で検出した超音波の減衰係数を算出する減衰係数算出手段を更に有し、
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段は、前記音速算出手段で算出した音速と前記減衰係数算出手段で算出した減衰係数とに応じて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波を発振する発振手段と、
前記骨部を伝播した捩れ振動に係る超音波を、前記被験体を介して検出する検出手段と、
前記発振手段から発振された超音波に対して前記検出手段で検出した前記捩れ振動に係る超音波の減衰係数を算出する減衰係数算出手段と、
前記減衰係数算出手段で算出した減衰係数に基づいて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出手段と
を有することを特徴とする骨粗鬆症進行状況計測器。
前記発振手段は、前記骨部に対して縦振動を与える超音波を更に発振するものであり、
前記検出手段は、前記被験体を介して前記骨部を伝播した縦振動に係る超音波を更に検出し、
前記減衰係数算出手段は、前記発振手段から発振された超音波に対して前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波の減衰係数を更に算出し、
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段は、前記減衰係数算出手段で算出した、前記捩れ振動に係る超音波の減衰係数に対して前記縦振動に係る超音波の減衰係数を除算して、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出することを特徴とする請求項４に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
前記検出手段で検出した超音波に基づいて、当該超音波の音速を算出する音速算出手段を更に有し、
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段は、前記音速算出手段で算出した音速と前記減衰係数算出手段で算出した減衰係数とに応じて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出することを特徴とする請求項４に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段により算出された特性を表示する表示手段を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段により算出された特性を表示する表示手段を更に有することを特徴とする請求項４に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段により算出される特性は、前記骨部の骨年齢であることを特徴とする請求項１または２に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
前記骨粗鬆症進行状況特性算出手段により算出される特性は、前記骨部の骨年齢であることを特徴とする請求項４に記載の骨粗鬆症進行状況計測器。
被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波と前記骨部に対して縦振動を与える超音波とを発振する発振ステップと、
前記骨部を伝播した前記捩れ振動に係る超音波と前記骨部を伝播した前記縦振動に係る超音波とを、前記被験体を介して検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出した前記捩れ振動に係る超音波に基づいて前記捩れ振動に係る超音波の音速を算出し、前記検出手段で検出した前記縦振動に係る超音波に基づいて前記縦振動に係る超音波の音速を算出する音速算出ステップと、
前記音速算出ステップで算出した、前記捩れ振動に係る超音波の音速に対して前記縦振動に係る超音波の音速を除算して、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出ステップと
を有することを特徴とする骨粗鬆症進行状況計測方法。
被験体の骨部に対して捩れ振動を与える超音波を発振する発振ステップと、
前記骨部を伝播した捩れ振動に係る超音波を、前記被験体を介して検出する検出ステップと、
前記発振ステップにおいて発振された超音波に対して前記検出ステップで検出した前記捩れ振動に係る超音波の減衰係数を算出する減衰係数算出ステップと、
前記減衰係数算出ステップで算出した減衰係数に基づいて、前記骨部における骨粗鬆症の進行状況を表す特性を算出する骨粗鬆症進行状況特性算出ステップと
を有することを特徴とする骨粗鬆症進行状況計測方法。