JP5235112B2 - 形状検出装置、形状検出方法、及び形状検出装置を用いた骨強度診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて対象物の形状を検出する形状検出装置、形状検出方法、及び形状検出装置を用いて骨強度診断装置に関する。

従来から、超音波を用いて対象物の形状を検出する装置として、１列に配列された複数の振動子を備えた以下のような装置がよく知られている（例えば、特許文献１参照）。
この従来の形状検出装置は、複数の振動子の端から順に対象物に対して超音波をそれぞれ送受して、対象物の表面からの反射波を送波と同一の振動子によって受波する。各振動子から対象物の表面までの距離は異なっているので、各振動子で超音波を送波してから反射波を受波するまでの時間は異なる。複数の振動子の反射波の受波信号の位相の差（送波から受波までの伝播時間の差）を用いることにより、対象物の形状を検出することができる。

特開平４−３１７６４１号公報

一般的に、振動子は、送信回路に接続されており、この送信回路から電気信号を受けることにより微小振動して超音波を発生させるようになっている。複数の振動子を順に駆動させるには、振動子ごとに時間をずらして電気信号を送信する必要がある。従って、上述したような従来の形状検出装置の送波部は、複数の振動子にそれぞれ接続される複数の送信回路を備えるか、もしくは、複数の振動子のうち送信回路に接続される振動子を切り替えるための切替回路を備える必要がある。そのため、回路構成が複雑となり、且つ、コストが高くなる。

また、上述したような従来の形状検出装置は、複数の振動子を順に駆動させて、その反射波を受波しているため、全ての振動子が超音波の送受波を終えるまでにある程度の時間を要する。そのため、例えば測定対象が生体の骨などの場合には、被検者が測定中に動いてしまい、検出精度が低くなる場合がある。

そこで、本発明は、超音波の送波を行うための構成が簡易であって、測定時間の短い形状検出装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

請求項１の形状検出装置は、対象物に対して、複数の送波振動子から同時に超音波を送波する送波部と、前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、複数の受波振動子により受波する受波部と、 前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出部とを備えることを特徴とする。

複数の送波振動子から同時に送波された超音波は、平面波として伝播して対象物の表面で反射し、これにより生じた表面反射波は複数の受波振動子により受波される。従って、各受波振動子で受波される表面反射波は、どの送波振動子から送波されたものであるか特定されない。複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、この１組の振動子組に到達する表面反射波の到来方向及び伝播時間を検出して、これらの値を用いて、対象物の表面上の反射点を検出する。複数の送波振動子から送波される超音波（平面波）の伝播方向が予めわかっているため、この表面反射波がどの送波振動子から送波されたものであるか特定されていなくても、検出された到来方向と伝播時間とを用いることにより反射点の位置を検出することができる。他の振動子組についても同様に、対象物の表面上の反射点をそれぞれ検出することにより、複数の反射点の位置が検出され、対象物の表面の形状を導出することができる。

複数の送波振動子から同時に超音波を送波するには、複数の送波振動子に対して同じ電気信号（送波信号）を送信すればよい。従って、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波を送波する場合、即ち、複数の送波振動子に対して時間をずらして電気信号を送る場合に比べて、送波部の構成を簡易化することができる。
また、複数の送波振動子から同時に超音波を送波して、その反射波を受波しているため、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波をそれぞれ送波し、それにより生じた複数の反射波を受波する場合に比べて、測定時間を短縮することができる。

請求項２の形状検出装置は、請求項１において、前記送波振動子が、前記受波振動子を兼ねていることを特徴とする。この構成により、超音波の送受波に用いる振動子の数を少なくすることができ、コストを低減できる。

請求項３の形状検出装置は、請求項１又は２において、前記複数の送波振動子及び前記複数の受波振動子が、１列に配列されていることを特徴とする。この構成により、対象物の表面の断面形状を検出することができる。

請求項４の形状検出装置は、請求項１又は２において、前記複数の送波振動子及び前記複数の受波振動子が、格子状に配列されていることを特徴とする。この構成により、対象物の表面の３次元の形状を検出することができる。

請求項５の形状検出装置は、対象物に対して、１つの送波振動子から超音波を送波する送波部と、前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、複数の受波振動子により受波する受波部と、前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出部とを備えることを特徴とする。

１つの送波振動子から送波された超音波は、対象物の表面で反射し、これにより生じた表面反射波は複数の受波振動子により受波される。複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、この１組の振動子組に到達する表面反射波の到来方向及び伝播時間を検出して、これらの値を用いて、対象物の表面上の反射点を検出する。１つの送波振動子から送波される超音波の伝播方向が予めわかっているため、この表面反射波が送波振動子のどの位置から送波されたものであるか特定されていなくても、検出された到来方向と伝播時間とを用いることにより反射点の位置を検出することができる。他の振動子組についても同様に、対象物の表面上の反射点をそれぞれ検出することにより、複数の反射点の位置が検出され、対象物の表面の形状を導出することができる。

１つの送波振動子から超音波を送波しているため、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波を送波する場合に比べて、送波部の構成を簡易化することができる。
また、１つの送波振動子から超音波を送波して、その反射波を受波しているため、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波をそれぞれ送波し、それにより生じた複数の反射波を受波する場合に比べて、測定時間を短縮することができる。

請求項６の形状検出装置は、請求項５において、前記送波振動子と前記複数の受波用振動子が、１列に配列されており、前記送波振動子から送波される超音波の中心周波数が、１〜１０ＭＨｚであって、前記送波振動子の配列方向に関する長さが、１０〜１００ｍｍであることを特徴とする。

請求項７の形状検出装置は、請求項１〜６の何れかにおいて、前記受波部が、前記表面反射波の受波に加えて、前記表面反射波よりも遅れて前記複数の受波振動子に到達する、前記対象物の裏面からの裏面反射波の受波を行い、前記到来方向検出部が、前記表面反射波の前記到来方向の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記裏面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記裏面反射波の到来方向の検出を行い、前記伝播時間検出部が、前記各振動子組に到達する前記表面反射波の前記伝播時間の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記裏面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記裏面反射波の伝播時間の検出を行い、さらに、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記裏面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記形状導出部により導出された前記対象物の表面の形状とに基づいて、前記超音波の前記対象物の裏面における反射点を検出する裏面反射点検出部を備え、前記形状導出部が、前記裏面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の裏面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の裏面の形状を導出することを特徴とする。

送波部から送波された超音波の一部は、対象物中を伝播して、対象物の裏面で反射する。これにより生じた裏面反射波は、表面反射波よりも遅れて複数の受波振動子で受波される。各振動子組に到達する裏面反射波の到来方向及び伝播時間を検出し、検出されたこれらの値と、予め導出された対象物の表面の形状とを用いて、対象物の裏面上の反射点を検出する。複数の振動子組についてそれぞれ検出された複数の反射点を用いることにより、対象物の裏面の形状を導出することができる。但し、対象物中の音速は、仮定した値又は予め測定した値を用いる。
このように、裏面反射波の受波信号と、予め導出された対象物の表面の形状とを用いることにより、対象物の裏面の形状を導出することができる。

請求項８の骨強度診断装置は、前記対象物が骨である請求項７に記載の形状検出装置を用いた骨強度診断装置であって、前記形状導出部が、導出された前記骨の表面及び裏面の形状に基づいて、前記骨の厚みを導出するものであって、前記骨の厚みから骨強度を診断する骨強度診断部を備えることを特徴とする。

この構成によると、骨に対して超音波を送波して、骨の表面及び裏面からの反射波を受波し、その受波信号を用いることにより、骨の厚みを導出することができる。骨の厚みは、骨強度を決定する要因の一つであるため、骨厚みから骨強度を診断することができる。

請求項９の形状検出装置は、複数層からなる対象物に対して、複数の送波振動子から、同時に超音波を送波する送波部と、前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面及び前記対象物の各層の裏面からの反射波を、複数の受波振動子により受波する受波部と、前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子の受波信号の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記対象物の表面及び前記各層の裏面からの反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の各反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記各反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記対象物の表面からの反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出して、前記対象物の表面の形状を導出する最外層表面形状検出部と、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記各層の裏面からの反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記最外層表面形状検出部により検出された前記対象物の表面の形状とに基づいて、前記対象物の表面側の層から順に前記各層の裏面の形状を検出する裏面形状検出部とを備えることを特徴とする。

複数の送波振動子から同時に送波された超音波は、平面波として伝播して、その一部が、対象物の表面（最外層の表面）で反射し、また、最外層を通過した超音波の一部が、対象物の表面側から順に各層の裏面で反射する。これにより生じる複数の反射波は、複数の振動子によって受波される。複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組に到達する各反射波の到来方向及び伝播時間を検出する。各振動子組に到達する対象物の表面からの反射波の到来方向と伝播時間とを用いて、対象物の表面上の複数の反射点を検出して、対象物の表面の形状を検出する。また、各振動子組に到達する対象物の各層の裏面からの反射波の到来方向と、予め検出された対象物の表面の形状とを用いて、対象物の表面側の層から順に各層の裏面の形状を検出する。
このように、対象物の表面側の層から順に各層の形状を検出することにより、複数層からなる対象物の形状を検出することができる。

また、複数の送波振動子から同時に超音波を送波するには、複数の送波振動子に対して同じ電気信号（送波信号）を送信すればよい。従って、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波を送波する場合、即ち、複数の送波振動子に対して時間をずらして電気信号を送る場合に比べて、送波部の構成を簡易化することができる。
また、複数の送波振動子から同時に超音波を送波して、その反射波を受波しているため、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波をそれぞれ送波し、それにより生じた複数の反射波を受波する場合に比べて、測定時間を短縮することができる。

請求項１０の形状検出装置は、対象物に対して、格子状に配列された複数の送波振動子から同時に超音波を送波する送波部と、前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、格子状に配列された複数の受波振動子により受波する受波部と、前記複数の受波振動子のうち、交差する２つの列上に配置されている近接する３つ又は４つの受波振動子を１組の振動子組として、前記各振動子組を構成する、一方の列上に配置されている２つの受波振動子の前記表面反射波の受波時刻の時間差を用いて、第１到来方向を検出し、さらに、他方の列上に配置されている２つの受波振動子の前記表面反射波の受波時刻の時間差を用いて、第２到来方向を検出して、前記第１到来方向と前記第２到来方向とから前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、前記各振動子組を構成する前記３つ又は４つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出部とを備えることを特徴とする。

この構成によると、対象物の表面の形状が、たとえ球面状であっても、その３次元の形状を検出することができる。
また、複数の送波振動子から同時に超音波を送波するには、複数の送波振動子に対して同じ電気信号（送波信号）を送信すればよい。従って、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波を送波する場合、即ち、複数の送波振動子に対して時間をずらして電気信号を送る場合に比べて、送波部の構成を簡易化することができる。
また、複数の送波振動子から同時に超音波を送波して、その反射波を受波しているため、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波をそれぞれ送波し、それにより生じた複数の反射波を受波する場合に比べて、測定時間を短縮することができる。

請求項１１の形状検出方法は、複数の送波振動子から同時に超音波を送波する送波ステップと、前記送波ステップにより送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、複数の受波振動子により受波する受波ステップと、前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出ステップと、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出ステップと、前記到来方向検出ステップ及び前記伝播時間検出ステップにより、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出ステップと、前記表面反射点検出ステップにより、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出ステップとを備えることを特徴とする。

複数の送波振動子から同時に送波された超音波は、平面波として伝播して対象物の表面で反射し、これにより生じた表面反射波は複数の受波振動子により受波される。従って、各受波振動子で受波される表面反射波は、どの送波振動子から送波されたものであるか特定されない。複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、この１組の振動子組に到達する表面反射波の到来方向及び伝播時間を検出して、これらの値を用いて、対象物の表面上の反射点を検出する。複数の送波振動子から送波される超音波（平面波）の伝播方向が予めわかっているため、この表面反射波がどの送波振動子から送波されたものであるか特定されていなくても、検出された到来方向と伝播時間とを用いることにより反射点の位置を検出することができる。他の振動子組についても同様に、対象物の表面上の反射点をそれぞれ検出することにより、複数の反射点の位置が検出され、対象物の表面の形状を導出することができる。

複数の送波振動子から同時に超音波を送波するには、複数の送波振動子に対して同じ電気信号（送波信号）を送信すればよい。従って、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波を送波する場合、即ち、複数の送波振動子に対して時間をずらして電気信号を送る場合に比べて、送波部の構成を簡易化することができる。
また、複数の送波振動子から同時に超音波を送波して、その反射波を受波しているため、複数の送波振動子から送波時間をずらして超音波をそれぞれ送波し、それにより生じた複数の反射波を受波する場合に比べて、測定時間を短縮することができる。

請求項１２の形状検出方法は、請求項１１において、前記受波ステップにおいて、前記表面反射波の受波に加えて、前記表面反射波よりも遅れて前記複数の受波振動子に到達する、前記対象物の裏面からの裏面反射波の受波を行い、前記到来方向検出ステップにおいて、前記表面反射波の前記到来方向の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記裏面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記裏面反射波の到来方向の検出を行い、前記伝播時間検出ステップにおいて、前記各振動子組に到達する前記表面反射波の前記伝播時間の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記裏面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記裏面反射波の伝播時間の検出を行い、さらに、前記到来方向検出ステップ及び前記伝播時間検出ステップにより、前記各振動子組について検出された、前記裏面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記形状導出ステップにより導出された前記対象物の表面の形状とに基づいて、前記超音波の前記対象物の裏面における反射点を検出する裏面反射点検出ステップを備え、前記形状導出ステップにおいて、前記裏面反射点検出ステップにより、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の裏面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の裏面の形状を導出することを特徴とする。

送波ステップにおいて送波された超音波の一部は、対象物中を伝播して、対象物の裏面で反射する。これにより生じた裏面反射波は、表面反射波よりも遅れて複数の受波振動子で受波される。各振動子組に到達する裏面反射波の到来方向及び伝播時間を検出し、検出されたこれらの値と、予め導出された対象物の表面の形状とを用いて、対象物の裏面上の反射点を検出する。複数の振動子組についてそれぞれ検出された複数の反射点を用いることにより、対象物の裏面の形状を導出することができる。
このように、裏面反射波の受波信号と、予め導出された対象物の表面の形状とを用いることにより、対象物の裏面の形状を導出することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態では、骨強度診断装置の一部に、本発明の形状検出装置を適用した場合を例に挙げて説明する。本実施形態の骨強度診断装置１は、骨の形状を検出し、この骨の形状を用いて、骨の表面に沿って伝搬する超音波の音速を導出して、骨強度を診断する装置である。

骨強度診断装置１は、例えば、脛骨などの長管状の骨の皮質骨を診断対象とするが、診断対象となる部位は、これに限定されるものではない。通常、骨は、皮質骨と、皮質骨の内側に存在する網目状の海綿骨とから構成されている。図１に示すように、皮質骨（以下、単に骨という）１０の表面１０ａは、筋肉や脂肪などの軟組織１１に覆われている。図１は、骨１０の長軸方向に直交する断面（円周断面）を示しており、骨表面１０ａの形状は、軟組織１１側に膨らんだ緩やかな曲面状となっている。なお、図示は省略するが、骨１０の長軸方向の断面の表面は、ほぼ平坦状であって、軟組織１１の表面に対して傾いている場合がある。本実施形態の骨強度診断装置１は、骨表面１０ａを円周方向に伝播する超音波の音速（以下、円周方向の音速という）、及び、骨表面１０ａを長軸方向に沿って伝播する超音波の音速（以下、長軸方向の音速という）を導出して、これら２方向の音速を用いて、骨強度を診断する装置である。

図１に示すように、本実施形態の骨強度診断装置１は、超音波送受波器２と、装置本体３とから構成されている。装置本体３は、送受信分離部４と、送信回路５と、送信切替部５ａと、複数の受信回路６ａ〜６ｌと、超音波制御部７と、演算部８と、表示部９とを有する。

超音波送受波器２は、超音波の送波及び受波を行うものであって、軟組織１１の表面に当接される。軟組織１１の表面に当接される面を当接面２ａとする。超音波送受波器２は、送波専用振動子２１と、一列に配列された複数（本実施形態では１２個）の振動子２２ａ〜２２ｌからなるアレイ振動子２２と、遮音材２３とを有する。振動子とは、電気信号を与えられると振動してその表面（振動面）から超音波を発射し、また、その表面に超音波を受けて振動すると電気信号を生成するものである。

送波専用振動子２１と遮音材２３とアレイ振動子２２とは、アレイ振動子２２の配列方向に沿って並んで配置されている。なお、円周方向の音速を測定する場合には、図１に示すように、骨超音波送受波器２は、アレイ振動子２２の配列方向が骨１０の円周方向にほぼ一致するように、軟組織１１に当接される。また、長軸方向の音速を測定する場合には、超音波送受波器２は、アレイ振動子２２の配列方向が骨１０の長軸方向にほぼ一致するように当接される。

送波専用振動子２１は、その表面（振動面）が当接面２ａに対して傾くように設置されている。送波専用振動子２１としては、指向性の広い超音波を送波するもの（言換えると、放射する超音波の角度範囲の広いもの）が用いられる。振動面の面積が小さいほど指向性は広くなる。超音波の感度と指向性とはトレードオフの関係にあるので、測定対象に合わせて、送波専用振動子２１の設置角度と振動面の寸法は適宜設計される。

また、アレイ振動子２２を構成する１２個の振動子２２ａ〜２２ｌは、その表面（振動面）が当接面２ａと平行になるように設置されている。なお、アレイ振動子２２を構成する振動子の数は、本実施形態では１２個であるが、この数に制限されるものではない。アレイ振動子２２の図１中の左右方向長さは、例えば２４ｍｍである。

遮音材２３は、板状に形成されており、送波専用振動子２１とアレイ振動子２２との間に配置されている。遮音材２３の材料としては、例えば、コルクや、合成ゴムや、多孔質材（例えば発泡樹脂材）などの吸音作用を有する材料が用いられる。遮音材２３は、送波専用振動子２１から送波された超音波が、超音波送受波器２内を伝播してアレイ振動子２２に直接到達するのを防止する。つまり、骨中の音速を導出するのに不要な超音波がアレイ振動子２２に受波されるのを防止することができる。

なお、当接面２ａと軟組織１１の表面との間には、図示しないカップリング材が介在している。カップリング材は、当接面２ａと軟組織１１の表面との間に隙間が生じるのを防止するとともに、振動子２２ａ〜２２ｌと軟組織１１の音響インピーダンスを整合させて、送波専用振動子２１又はアレイ振動子２２から送波された超音波が、軟組織１１の表面で反射するのを抑制するためのものである。

送波専用振動子２１は、送信切替部５ａを介して、送信回路５に接続されている。また、複数の振動子２２ａ〜２２ｌは、送受信分離部４及び送信切替部５ａを介して、送信回路５に接続されている。送信回路５は、電気パルス信号を生成するとともに、この電気パルス信号を送信切替部に送信するものである。なお、電気パルス信号の代わりに、チャープ信号を用いてもよい。電気パルス振動の中心周波数は、例えば１〜１０ＭＨｚである。

送信切替部５ａは、送信回路５から送信される電気パルス信号を、送波専用振動子２１及びアレイ振動子２２の何れかに送信するものである。つまり、送信切替部５ａにより、超音波の送波を行う振動子が切り替えられる。

また、アレイ振動子２２を構成する１２個の振動子２２ａ〜２２ｌは、送受信分離部４を介して、１２個の受信回路６ａ〜６ｌにそれぞれ接続されている。受信回路６ａ〜６ｌは、振動子２２ａ〜２２ｌからそれぞれ送信される電気信号（受波信号）に対して、増幅処理や、フィルタ処理、デジタル変換処理などを施し、演算部８に送信するものである。

送受信分離部４は、送信回路５からアレイ振動子２２に送られる送波信号（電気パルス信号）が受信回路６ａ〜６ｌに直接流れるのを防止するとともに、アレイ振動子２２から受信回路６ａ〜６ｌに送られる受波信号が送信回路５に流れるのを防止するためのものである。

超音波制御部７は、送信回路５に接続されており、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌから超音波を送波させるための信号を送信回路５に送信する。

なお、本発明の形状検出装置の送波振動子及び受波振動子は、アレイ振動子２２を構成する１２個の振動子２２ａ〜２２ｌに相当する。従って、本実施形態では、送波振動子が、受波振動子を兼ねている。そのため、超音波の受波を行う振動子の数が少なくて済む。

また、本発明の形状検出装置の送波部は、アレイ振動子２２と送信回路５から構成され、本発明の形状検出装置の受波部は、アレイ振動子２２と１２個の受信回路６ａ〜６ｌとから構成されている。

以下、超音波送受波器２の動作について説明する。

＜アレイ振動子２２により超音波の送波を行う場合＞
送信切替部５ａにより、超音波の送波を行う振動子として、アレイ振動子２２が決定された場合、送信回路５からアレイ振動子２２に電気パルス信号が送られ、アレイ振動子２２を構成する振動子２２ａ〜２２ｌは、同時に同位相の超音波（入射波）を骨１０に対して送波する。図２（ａ）に示すように、アレイ振動子２２から送波された入射波は、平面波として軟組織１１中を伝播する。この平面波は、当接面２ａに直交する方向に進行する。

図２（ｂ）に示すように、入射波の一部は、骨表面１０ａで反射する。これにより生じた表面反射波は、振動子２２ａ〜２２ｌに受波される。また、骨表面１０ａで反射せずに骨１０中を伝播した入射波の一部は、骨１０の裏面１０ｂで反射する。これにより生じた裏面反射波は、表面反射波よりも遅れて振動子２２ａ〜２２ｌに受波される。従って、各振動子２２ａ〜２２ｌで受波される表面反射波又は裏面反射波は、どの振動子から送波されたものであるか特定されない。

なお、アレイ振動子２２から骨表面１０ａまでの位置関係は、アレイ振動子２２から送波された平面波が、拡散することなく骨表面１０ａまで伝播するような近距離音場であることが好ましい。これにより、骨表面１０ａの形状をより正確に検出精度が高くなる。また、アレイ振動子２２から骨裏面１０ｂまでの距離も近いことが好ましい。

振動子２２ａ〜２２ｌは、表面反射波又は裏面反射波を受波すると、音波を電気信号に変換し、この電気信号（受波信号）を、送受信分離部４を介して受信回路６ａ〜６ｌにそれぞれ送信する。このように、表面反射波及び裏面反射波の受波は、振動子２２ａ〜２２ｌより独立して行なわれる。図３は、振動子２２ａ〜２２ｌの受波信号の一例を示している。図３の横軸は、入射波を送波してからの時間を示している。図３中の波形Ｍａは、表面反射波を示し、波形Ｍｂは、裏面反射波を示している。裏面反射波は、音響インピーダンスが密（皮質骨）から疎（海綿骨）の反射でもあるため位相が反転する。

＜送波専用振動子２１により超音波の送波を行う場合＞
送信切替部５ａにより、超音波の送波を行う振動子として、送波専用振動子２１が決定された場合、送信回路５から送波専用振動子２１に電気パルス信号が送られ、送波専用振動子２１は、骨１０に対して超音波を送波する。図４に示すように、送波専用振動子２１からは、指向性の広い超音波（入射波）が送波される。入射波は、当接面２ａに対して斜め方向に軟組織１１中を伝播する。

送波専用振動子２１から送波された超音波は、複数の伝播ルートを経由してアレイ振動子２２に受波される。振動子２２ａ〜２２ｌは、アレイ振動子２２から超音波を送波した場合と同様に、超音波を受波すると、受波信号を受信回路６ａ〜６ｌにそれぞれ送信する。

送波専用振動子２１から送波されてアレイ振動子２２に到達する超音波の伝播ルートには、以下の３種類が存在する。軟組織１１の表面に沿って伝播して、アレイ振動子２２に直接到達する伝播ルートと、骨表面１０ａで反射してアレイ振動子２２に到達する伝播ルート（図４中の反射波３１又は反射波３２を含む伝播ルート）と、骨表面１０ａに沿って伝播した後、骨１０から軟組織１１側に出てアレイ振動子２２に到達する伝播ルートである。さらに、この３つ目の伝播ルートには、以下に説明する２種類がある。

入射波の一部が骨表面１０ａに対して臨界角付近で入射すると、骨表面１０ａに表面波が発生する。表面波は、軟組織１１側の所定の方向（骨表面１０ａに対して臨界角付近の方向）に漏洩表面波を放射しつつ、骨表面１０ａに沿って伝播する。この漏洩表面波がアレイ振動子２２により受波される。図４中の超音波３３は、漏洩表面波の一例である。臨界角は、軟組織１１中の音速と、骨１０中の音速とによって決定される角度である。送波専用振動子２１として指向性の広い振動子を用いているため、たとえ被検者によって骨表面１０ａの傾きが異なっていても、骨表面１０ａに対して臨界角付近で入射させることが可能となる。

入射波の一部が臨界角よりも小さい角度で骨表面１０ａに入射すると、骨表面１０ａで屈折し、骨１０中の骨表面１０ａ近傍を伝播した後、骨１０と軟組織１１との界面１０ａで再び屈折する。この屈折波（以下、骨表面屈折波という）がアレイ振動子２２に受波される。図４中の超音波３４は、骨表面屈折波の一例である。骨表面屈折波は、骨表面１０ａの形状が平坦状でない場合にのみ発生する。

また、アレイ振動子２２を構成する１つの振動子に骨表面屈折波と漏洩表面波の両方が受波される場合がある。骨表面屈折波は漏洩表面波よりも先に受波される場合があるが、後に受波される場合もある。

なお、骨幅（図１の左右方向の骨１０の長さ）が小さい場合には、送波専用振動子２１から離れた位置には、漏洩表面波が到達しない場合がある。つまり、骨幅が短いほど、漏洩表面波を受波可能な範囲が短くなる。また、当接面２ａに対する骨表面１０ａの傾きにもよるが、軟組織１１の厚みが大きいほど、漏洩表面波を受波できる振動子のうち最も送波専用振動子２１に近い振動子と送波専用振動子２１との距離は長くなる。本実施形態では、複数の振動子２２ａ〜２２ｌにより漏洩表面波の受波を行っているため、たとえ骨幅や軟組織１１の厚みに個人差があっても、複数の振動子２２ａ〜２２ｌのうち少なくとも何れかの複数の振動子によって漏洩表面波を確実に受波することが可能となる。

上述したように、漏洩表面波は、送波専用振動子２１からある程度離れた位置でしか受波できないのに対して、骨面１０ａからの反射波は、送波専用振動子２１に近接した位置にでも受波できる。図４の場合を例に挙げると、漏洩表面波は振動子２２ｄ以降の振動子に受波されるが、骨面１０ａからの反射波は振動子２２ａ以降の振動子に受波される。このように、アレイ振動子２２の送波専用振動子２１側の振動子は、反射波のみを受波して漏洩表面波を受波しない場合がある。

また、アレイ振動子２２を構成する１つの振動子に、漏洩表面波と骨表面１０ａからの反射波の両方が受波される場合には、漏洩表面波が反射波より先に受波される。これは、骨１０中の音速の方が、軟組織１１中の音速よりも速いからである。

また、軟組織１１の表面に沿って伝播して、アレイ振動子２２に直接到達する超音波（以下、直接波という）は、送波専用振動子２１に近い振動子に対しては、漏洩表面波よりも先に到達するが、送波専用振動子２１から離れた振動子に対しては、漏洩表面波の後に到達する場合がある。なお、直接波の振幅は、遮音材２３があるため、漏洩表面波や反射波の振幅に比べて極めて小さくなるように設計されている。

また、演算部８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等から構成されており、信号処理部８１と、形状検出部８２と、音速導出部８３と、骨強度指標導出部８４とを有する。

信号処理部８１は、記憶部と信号処理回路とから構成されている。信号処理部８１は、受信回路６ａ〜６ｌから送信される受波信号を受信し、超音波の送波から一定時間内の受波信号を記憶部に記憶するとともに、この受波信号のピーク値等を信号処理回路により検出し、形状検出部８２と音速導出部８３に送信する。

形状検出部８２は、アレイ振動子２２から超音波を送波したときの、アレイ振動子２２の表面反射波及び裏面反射波の受波信号を用いて、骨表面１０ａ及び骨裏面１０ｂの形状を検出する。形状検出部８２は、到来方向検出部８２ａと、伝播時間検出部８２ｂと、表面反射点検出部８２ｃと、形状導出部８２ｄと、裏面反射点検出部８２ｅとから構成されている。

到来方向検出部８２ａは、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌのうち隣接する２つの振動子を１組の振動子組として、１１個の振動子組２２Ａ〜２２Ｋ（図１参照）を決定し、各振動子組２２Ａ〜２２Ｋに到達する表面反射波及び裏面反射波の到来方向を検出する。

伝播時間検出部８２ｂは、各振動子組２２Ａ〜２２Ｋに到達する表面反射波の伝播時間と裏面反射波の伝播時間を検出する。

表面反射点検出部８２ｃは、到来方向検出部８２ａ及び伝播時間検出部８２ｂにより検出された、１１個の振動子組２２Ａ〜２２Ｋにそれぞれ到達する表面反射波の到来方向及び伝播時間に基づいて、骨表面１０ａ上の１１個の反射点（表面反射点）を検出する。

形状導出部８２ｄは、表面反射点検出部８２ｃにより検出された１１個の表面反射点を用いて、骨表面１０ａの形状を導出する。また、形状導出部８２ｄは、後述する裏面反射点検出部８２ｅにより検出された１１個の裏面反射点を用いて、骨裏面１０ｂの形状を導出し、さらに、骨表面１０ａ及び骨裏面１０ｂの形状とから、骨（皮質骨）１０の厚みを導出する。

裏面反射点検出部８２ｅは、到来方向検出部８２ａ及び伝播時間検出部８２ｂにより検出された、１１個の振動子組２２Ａ〜２２Ｋにそれぞれ到達する裏面反射波の到来方向及び伝播時間に基づいて、骨裏面１０ｂ上の１１個の反射点（裏面反射点）を検出する。

音速導出部８３は、送波専用振動子２１から超音波を送波したときの、アレイ振動子２２の漏洩表面波又は骨表面屈折波の受波信号と、形状導出部８２ｄにより導出された骨表面１０ａの形状とに基づいて、骨表面１０ａに沿って伝播する超音波の音速を導出する。

骨強度指標導出部８４は、音速導出部８３により導出された骨１０中の２方向の音速と、形状導出部８２ｄにより導出された骨１０の厚みとを用いて、骨強度に関する指標を導出する。

また、表示部９は、演算部８に接続されており、形状導出部８２ｄにより導出された骨表面１０ａ及び裏面１０ｂの形状や、骨強度指標導出部８４により導出された骨強度の診断指標を表示するものである。

以下、骨強度診断装置１の動作について、特に演算部８の動作を中心に説明する。図５は、骨強度診断装置１の動作を示すフローチャートである。

図５に示すように、アレイ振動子２２による超音波の送波及び受波を行った後（Ｓ１）、超音波送受波器２の位置を動かさずに、送波専用振動子２１から超音波を送波して、アレイ振動子２２により超音波の受波を行う（Ｓ２）。

＜形状検出ステップ＞
アレイ振動子２２から超音波を送波したときのアレイ振動子２２の受波信号を用いて、形状検出部８２が骨表面１０ａの形状を導出する。先ず、到来方向検出部８２ａが、１１個の振動子組２２Ａ〜２２Ｋについて、それぞれ表面反射波の到来方向を検出する（Ｓ１１）。

各振動子組を構成する隣接する２つの振動子（例えば、振動子２２ａ、２２ｂ）に対する表面反射波の２つの到来方向は近似している。そのため、到来方向検出部８２ａでは、上記２つの到来方向を同一とみなして、１つの振動子組ごとに、１つの到来角度を検出する。
以下、振動子組２２Ａに対する到来角度を検出する方法について説明する。

図６（ａ）に示すように、振動子組２２Ａに到達する表面反射波４２の到来角度をθａとすると、図６（ｂ）に示すように、２つの振動子２２ａ、２２ｂに到達する表面反射波の到来角度がθａであるため、表面反射波４２の波面４２ａは、アレイ振動子２２の配列方向（図６中のｘ軸方向）対して角度θａ傾いている。そのため、振動子２２ｂには、振動子２２ａに到達した後、さらに距離Ｄだけ進んだ表面反射波４２が到達する。つまり、振動子２２ｂは、振動子２２ａよりも遅れて表面反射波４２を受波している。２つの振動子２２ａ、２２ｂがそれぞれ表面反射波４２を受波した時刻の時間差をΔｔとする。

Δｔは、振動子２２ａ、２２ｂの受波信号を基にして、以下の方法で導出することができる。例えば、２つの振動子２２ａ、２２ｂの受波信号の最大ピークの時間差を用いてもよい。また、２つの振動子２２ａ、２２ｂの受波信号の最大ピークの立ち上がり部分と、振幅が０のラインとの交点の時間差を用いる、いわゆるゼロクロス法を用いてもよい。また、予め演算部８に記憶しておいた波形との相関処理を行い、時間差Δｔを導出してもよい。また、直交検波法などにより２つの振動子２２ａ、２２ｂの受波信号の位相差を求め、得られた位相差と入射波の周波数により時間差Δｔを導出してもよい。なお、この方法は、２つの振動子２２ａ、２２ｂの受波信号の位相差が１８０°以内である場合にのみ用いることができる。

軟組織１１中の音速をＶｓとすると、伝播経路の差Ｄは、Ｄ＝Ｖｓ・Δｔにより算出される。また、図６（ｂ）に示すように、２つの振動子２２ａ、２２ｂの間隔をＷとすると、伝播経路の差Ｄは、Ｄ＝Ｗ・sinθａで表される。従って、到来角度θａは、θａ＝arcsin（Ｖｓ・Δｔ／Ｗ）により算出される。なお、軟組織１１中の音速Ｖｓは、測定したものを用いてもよいが、仮定値を用いてもよい。

以上、振動子組２２Ａに対する表面反射波４２の到来角度θａの検出方法について説明したが、他の１０個の振動子組２２Ｂ〜２２Ｋに対する到来角度θａも同様の手順により検出することができる。

なお、到来方向を検出する際、振動子組を構成する２つの振動子の受波信号の受波信号の位相差から直接到来角度を検出してもよい。本発明の到来方向検出部の「受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて」とは、位相差を用いる場合も含むものとする。

次に、伝播時間検出部８２ｂが、アレイ振動子２２により超音波が送波されてから、振動子組２２Ａ〜２２Ｋに表面反射波が到達するまでの伝播時間Ｔａを、２つの振動子２２ａ、２２ｂの受波信号を用いて検出する（Ｓ１２）。伝播時間Ｔａは、例えば、アレイ振動子２２により超音波が送波されてから、振動子２２ａ、２２ｂに表面反射波４２がそれぞれ到達するまでの時間の平均値を用いてもよいが、平均値以外の値を用いてもよい。平均値を用いると、検出される骨表面１０ａの形状の誤差を少なくすることができる。

次に、表面反射点検出部８２ｃが、各振動子組２２Ａ〜２２Ｋに到達する表面反射波の到来角度θａ及び伝播時間Ｔａとを用いて、骨表面１０ａ上の表面反射点を検出する（Ｓ１４）
以下、振動子組２２Ａに対する到来角度θａを用いて、骨表面１０ａ上の１つの表面反射点の位置を検出する方法について説明する。

図６（ａ）に示すように、振動子組２２Ａに対する表面反射波４２の到来角度がθａの場合、この表面反射波４２は、振動子２２ａ〜２２ｌの表面上の点Ｅａから送波されて図６（ａ）中のｙ軸方向に進行する入射波４１が、ｘ軸方向に対してθａ／２傾いた骨表面１０ａ上の点（表面反射点）Ｒａで反射したものである。

ここで、図６（ａ）に示すように、ｘ軸方向に関する振動子組２２Ａから表面反射点Ｒａまでの距離をＸとし、ｙ軸方向に関する振動子組２２Ａから表面反射点Ｒａまでの距離をＹとする。

入射波４１の伝播方向がｙ軸方向であるため、点Ｅａから表面反射点Ｒａまでの距離はＹである。また、表面反射点Ｒａから振動子組２２Ａまでの距離がＹ／cosθａで表されるため、点Ｅａから入射波４１が送波されてから振動子組２２Ａに表面反射波４２が到達するまでの伝播距離Ｌａは、Ｌａ＝Ｙ＋Ｙ／cosθａで表される。また、伝播時間Ｔａと軟組織中の音速Ｖｓとから、伝播距離ＬａはＬａ＝Ｖｓ・Ｔａにより算出される。従って、Ｙは、Ｙ＝Ｖｓ・Ｔａ・cosθａ／（１＋cosθａ）により算出される。また、Ｘは、Ｘ＝Ｖｓ・Ｔａ・sinθａ／（１＋cosθａ）により算出される。これにより、表面反射点Ｒａの位置が検出される。

このように、アレイ振動子２２から送波される超音波（平面波）の伝播方向が予めわかっているため、振動子組２２Ａで受波される表面反射波４２がどの振動子から送波されたものであるか特定されていなくても、検出された到来角度θａと伝播時間Ｔａを用いることにより表面反射点Ｒａの位置を検出することができる。

以上、振動子組２２Ａに到達する表面反射波の到来角度θａと伝播時間Ｔａとを用いて、１つの表面反射点Ｒａの位置を検出する方法について説明したが、他の１０個の振動子組２２Ｂ〜２２Ｋについても同様の手順により表面反射点Ｒａの位置をそれぞれ検出することができる。

なお、上述した方法では、振動子組を構成する２つの振動子に受波された表面反射波の伝播時間の平均値を伝播時間Ｔａとしているが、２つの振動子のうちの一方の振動子で受波された表面反射波の伝播時間をそのまま伝播時間Ｔａとしてもよい。この場合、各振動子組を構成する２つの振動子のうち、同じ位置関係にある振動子の表面反射波の受波信号を用いることが望ましい。例えば、振動子組２２Ａで振動子２２ｂの受波信号を用いる場合には、振動子組２２Ｂでは振動子２２ｃの受波信号を用いる。

また、振動子組を構成する２つの振動子で受波された表面反射波の伝播時間と、到来角度θａを用いて、１組の振動子組に対して、２つの反射点を検出してもよい。本発明の伝播時間検出部の「各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間」とは、２つの振動子に受波された表面反射波の伝播時間をそのまま、「各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間」とする場合を含む。

形状導出部８２ｄは、表面反射点検出部８２ｃにより検出された１１個の表面反射点Ｒａを直線又は曲線で結び、図７に示すようなｘｙ軸平面上の骨表面ラインＩａを導出する（Ｓ１３）。骨表面ラインＩａは、後に導出する骨裏面ラインＩｂと合わせて表示部９に表示される。骨表面ラインＩａを用いることにより、骨１０の大きさ（外径）を推定することができる。なお、本発明の形状導出部による「複数の反射点を用いて、骨の表面の形状を導出する」とは、複数の反射点を結んで表面ラインを導出することに限定されず、複数の反射点の位置関係を取得するだけでもよい。

次に、骨裏面１０ｂの形状を導出する。
まず、到来方向検出部８２ａ及び伝播時間検出部８２ｂが、表面反射波４２の場合と同様の方法で、各振動子組２２Ａ〜２２Ｋに到達する裏面反射波の到来方向θｂと伝播時間Ｔｂ０をそれぞれ検出する（Ｓ１５、Ｓ１６）。なお、各振動子による表面反射波の受波信号と裏面反射波の受波信号は、図３に示すように、時間差があるため、容易に区別することができる。

次に、裏面反射点検出部８２ｅが、各振動子組２２Ａ〜２２Ｋに到達する裏面反射波の到来方向θｂ及び伝播時間Ｔｂ０と、形状導出部８２ｄによって導出された骨表面ラインＩａとを用いて、骨裏面１０ｂ上の裏面反射点の位置を検出する（Ｓ１７）。
以下、振動子組２２Ａについて、到来角度θｂ及び伝播時間Ｔｂ０とを用いて、骨裏面１０ｂ上の１つの裏面反射点を検出する場合について説明する。

図７に示すように、振動子組２２Ａに到達する裏面反射波５４の到来角度θｂと、骨表面ラインＩａとから、裏面反射波５４の骨表面１０ａにおける屈折角α１が算出される。

骨１０中の音速の仮定値をＶｂ´、裏面反射波５４の軟組織１１への入射角をα２とすると、スネルの法則により、sinα１／sinα２＝Ｖｓ／Ｖｂ´の関係が成立する。この式より、入射角α２が算出され、裏面反射波５４の骨１０中の伝播方向（図７中のｚ軸）が導出される。

また、振動子２２ａ〜２２ｌの表面上の点Ｅｂ１から送波された入射波５１の骨表面１０ａまでの伝播方向（ｙ軸方向）と、骨表面ラインＩａとから、入射波５１の骨表面１０ａへの入射角β１が算出される。

入射波５１の骨表面１０ａにおける屈折角をβ２とすると、スネルの法則により、sinβ１／sinβ２＝Ｖｓ／Ｖｂ´の関係が成立する。この式より、屈折角β２が算出され、図７に示すように、入射波５１の骨１０中の伝播方向が導出される。入射波５１の骨１０中の伝播方向と、裏面反射波５４の骨１０中の伝播方向（ｚ軸）との交点をＫ１とする。

交点Ｋ１が骨裏面１０ｂ上の反射点（裏面反射点）であると仮定すると、点Ｅｂ１から送波された入射波５１が、骨裏面１０ｂ上の点Ｋ１で反射して、振動子組２２Ａに到達していることになる。この仮定の伝播ルートにおける、送波から受波までの伝播時間の予測値をＴｂ１とする。Ｔｂ１は、点Ｅｂ１から振動子組２２Ａまでの超音波の伝播ルートと、軟組織１１中の音速Ｖｓと、骨１０中の音速の仮定値Ｖｂ´とから算出される。

また、振動子２２ａ〜２２ｌの表面上の点Ｅｂ２、Ｅｂ３から送波された入射波５２、５３についても、入射波５１と同様に、骨１０中の伝播方向とｚ軸との交点Ｋ２、Ｋ３をそれぞれ検出する。さらに、交点Ｋ２、Ｋ３をそれぞれ裏面反射点とした場合の、送波から受波までの伝播時間の予測値Ｔｂ２、Ｔｂ３をそれぞれ算出する。

図８は、ｚ軸上の裏面反射点の位置と、入射波の送波から振動子組２２Ａに裏面反射波が到達するまでの伝播時間Ｔｂとの関係を示すグラフである。図８中の曲線は、交点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３を裏面反射点と仮定したときの、伝播時間の予測値Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３から得られる３つの点を曲線で結んだものである。この曲線と、Ｔｂ＝Ｔｂ０（伝播時間の実測値）のラインの交点から、裏面反射点Ｒｂの位置を検出することができる。

なお、算出された伝播時間の予測値Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３の何れかが、伝播時間の実測値Ｔｂ０とほぼ等しい場合には、図８のようなグラフを用いなくても、裏面反射点Ｒｂを検出できる。

以上、振動子組２２Ａに到達する裏面反射波の到来角度θｂ及び伝播時間Ｔｂ０とを用いて、１つの裏面反射点Ｒｂを検出する方法について説明したが、残りの１０個の振動子組２２Ｂ〜２２Ｋについても同様の手順により裏面反射点Ｒｂの位置をそれぞれ検出する。

形状導出部８２ｄは、検出された１１個の裏面反射点Ｒｂを直線又は曲線で結び、図７に破線で示すようなｘｙ軸平面上の骨裏面ラインＩｂを導出する（Ｓ１８）。

導出された骨裏面ラインＩｂは、骨表面ラインＩａと共に表示部９に表示される。これにより骨のイメージング画像を得ることができる。また、形状導出部８２ｄは、骨表面ラインＩａと骨裏面ラインＩｂとを用いて、骨１０の厚みを導出する（Ｓ１９）。

以上説明したように、本実施形態の骨強度診断装置１では、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子２２ａ〜２２ｌから同時に同位相の超音波を送波し、その反射波を利用して、骨表面１０ａ及び裏面１０ｂの形状を導出している。ここで、複数の振動子から送波時間又は位相をずらして超音波を送波する場合、つまり、複数の振動子に対してそれぞれ時間又は位相をずらした電気信号を送る場合には、複数の送信回路又は切替回路を備える必要があるが、本実施形態では、複数の振動子２２ａ〜２２ｌから同時に同位相の超音波を送波すればよいため、１つの送信回路５が、複数の振動子２２ａ〜２２ｌに接続された構成にすることができる。従って、送信側の回路構成が比較的簡易になり、その結果、コストを低減できる。

また、複数の振動子２２ａ〜２２ｌから同時に超音波を送波して骨の形状を検出しているため、複数の振動子から送波時間をずらして超音波を送波して骨の形状を検出する場合に比べて、形状検出に要する時間が短くて済む。そのため、超音波の送受波の途中に、超音波送受波器２の位置がずれることが少なくなり、骨の形状を精度良く検出することができる。

また、複数の振動子２２ａ〜２２ｌが、超音波の送波と受波の両方を行うように構成されているため、骨１０の形状を検出するための超音波の送受波に用いる振動子の数を少なくすることができ、コストを低減できる。

＜音速導出ステップ＞
次に、送波専用振動子２１から超音波を送波したときのアレイ振動子２２の受波信号と、形状導出部８２ｄにより導出された骨表面１０ａの形状とを用いて、音速導出部８３が骨１０中の音速を導出する。まず、骨表面１０ａの形状に基づいて、複数の振動子２２ａ〜２２ｌのうち、漏洩表面波を受波する振動子を特定する（Ｓ２１）。以下、具体的に説明する。

図９に示すように、振動子２２ａと送波専用振動子２１と骨表面ラインＩａとの位置関係とに基づき、フェルマーの原理を用いて、振動子２２ａに到達する骨表面１０ａからの反射波の伝搬経路を検出する。フェルマーの原理とは、２点を通る音波は伝播可能な経路のうち最短の経路を通って伝播するというものである。このフェルマーの原理によると、振動子２２ａに到達する反射波の伝播経路は、送波専用振動子２１の指向性の範囲内で推定できる反射波の伝播経路のうち、送波専用振動子２１から振動子２２ａまでの伝搬距離が最短の経路となる。

次に、振動子２２ａに到達する反射波の伝播経路における、骨表面１０ａに対する入射角λ１を算出する。また、骨１０中の音速の仮定値Ｖｂ´と、軟組織１１中の音速Ｖｓとから、臨界角の仮定値Ｃを算出し、この臨界角の仮定値Ｃと入射角λ１とを比較する。入射角λ１が臨界角の仮定値Ｃよりも小さい場合には、入射角が臨界角の仮定値Ｃと同じ（又はそれ以上）になるまで、送波専用振動子２１に近い順に振動子２２ｂ以降の各振動子について同様の演算を行う。振動子２２ｃに到達する反射波の伝播経路における入射角λ３が、臨界角の仮定値Ｃと同じになったとする。入射角が臨界角と同じ場合、骨表面１０ａでは表面波が発生する。従って、振動子２２ｄが、漏洩表面波を受波する、送波専用振動子２１に最も近い振動子と特定される。即ち、振動子２２ｄ以降の振動子が、漏洩表面波を受波する振動子と特定される。

なお、上述したように、骨幅（図１の左右方向の骨１０の径）が小さい場合には、送波専用振動子２１から離れた位置の振動子（例えば振動子２２ｋ、２２ｌ）は、漏洩表面波が到達しない場合がある。この場合には、上述の方法により漏洩表面波を受波する、送波専用振動子２１に最も近い振動子を特定するとともに、骨表面ラインＩａを用いて、どの振動子まで漏洩表面波が到達するのか特定（即ち、送波専用振動子２１から最も離れた、漏洩表面波を受波できる振動子を特定）してもよい。

次に、漏洩表面波を受波する振動子であると特定された振動子２２ｄ〜２２ｌの、送波から一定時間の受波信号の中から、漏洩表面波（又は骨表面屈折波）の波形を検出する（Ｓ２２）。以下、具体的に説明する。

振動子２２ｄ〜２２ｌの受波信号の中から、超音波の波形とノイズの波形を区別して、最も受波時刻の早い超音波の波形を検出する。具体的には、例えば、図１０に示すように、一般的なノイズレベルより若干大きいノイズ閾値Ｎを決定しておき、振幅がｎ点（例えば３点）連続して閾値Ｎを超えた場合に、超音波の波形として認識する。

上述したように、１つの振動子に漏洩表面波と骨表面１０ａからの反射波の両方が到達する場合、漏洩表面波は反射波よりも先に到達するため、最も受波時刻の早い超音波の波形を検出することにより、漏洩表面波又は骨表面屈折波の波形を検出することができる。この波形の最大ピーク値、ゼロクロス値などから、各振動子２２ｄ〜２２ｌに到達した漏洩表面波又は骨表面屈折波の伝播時間を導出することができる。なお、直接波の方が、反射波や漏洩表面波等よりも先に到達する場合もあるが、上述したように、直接波はこれらに比べて振幅が非常に小さくなるように設計されているため、ほとんど検出されない。

次に、漏洩表面波を受波する振動子であると特定された振動子２２ｄ〜２２ｌの、最も受波時刻の早い超音波の受波信号（漏洩表面波又は骨表面屈折波の受波信号）と、骨表面１０ａの形状とを用いて、骨表面１０ａを円周方向の音速を算出する（Ｓ２３）。

まず、漏洩表面波を受波する振動子であると特定された複数の振動子２２ｄ〜２２ｌから、１つの振動子組を選択する。以下、図１１に示すように、振動子２２ｄと振動子２２ｅからなる振動子組２２Ｄを選択した場合を例に挙げて説明する。

まず、振動子２２ｄ、２２ｅの受波信号から検出された最も受波時刻の早い超音波の波形（漏洩表面波又は骨表面屈折波の波形）が、漏洩表面波の波形であると仮定する。骨表面屈折波の骨表面１０ａからの出射角は、漏洩表面波の骨表面１０ａからの出射角（臨界角と同じ角度）に非常に近い。そのため、たとえ最も受波時刻の早い超音波の波形が、骨表面屈折波の波形であったとしても、精度良く音速を導出することができる。

２つの振動子２２ｄ、２２ｅに到達する漏洩表面波の到来方向が近似すると仮定し、２つの振動子２２ｄ、２２ｅの漏洩表面波の受波信号の時間差から、振動子組２２Ｄに対する漏洩表面波３５の到来角度θｃ１を検出する。到来角度θｃ１の具体的な検出方法は、到来角度検出部による到来角度θａ、θｂの検出方法と同様の方法を用いる（図６（ｂ）参照）。

到来角度θｃ１と、骨表面ラインＩａとから、骨表面１０ａにおける漏洩表面波３５の発生点Ｐ１を検出する。骨表面ラインＩａの点Ｐ１における法線方向と、到来角度θｃ１とから、漏洩表面波３５の骨表面１０ａからの出射角γ１を算出する。骨１０中の音速をＶｂとすると、スネルの法則により、Ｖｂ＝Ｖｓ／sinγ１の関係が成立する。この式から、骨表面１０ａを円周方向に伝播する超音波（より詳細に言うと表面波）の音速Ｖｂが算出される。

さらに、複数の振動子組２２Ｅ〜２２Ｋのうち、全て又は選択された一部の振動子組について、同様に骨１０中の音速Ｖｂを算出し、複数の音速Ｖｂの平均値を求める。これにより、骨１０中の音速を精度良く導出することができる。なお、骨表面ラインＩａに、振動子組２２Ｅ〜２２Ｋについて導出された音速Ｖｂをマッピングすることもできる。

このように、骨表面１０ａの形状の情報を用いて、骨１０中の音速を算出する。そのため、たとえ骨表面１０ａの形状が曲面状であったり、当接面２ａに対して傾いていたりしても、骨１０中の音速を精度良く導出することができる。その結果、骨強度の診断精度が向上する。

以上により、円周方向の音速を導出したが、さらに、超音波送受波器２を、アレイ振動子２２の配列方向が、骨１０の長軸方向にほぼ一致するように設置して、長軸方向の音速も導出する。なお、骨１０の厚みは、骨１０の長軸方向に直交する断面形状を導出したときに導出された骨厚みを用いるため、この場合は骨裏面１０ｂの形状を導出しなくてもよい。

最後に、骨強度指標導出部８４が、音速導出部８３によって導出された円周方向の音速及び長軸方向の音速と、形状検出部８２（形状導出部８２ｄ）によって検出された骨表面１０ａ及び骨裏面１０ｂの形状とを用いて、骨強度に関する指標を導出する（Ｓ２４）。導出された指標は表示部９に表示される。

以上のように、骨強度診断装置１では、骨強度の指標又は骨強度の指標を導出するための要素として、骨１０の厚み、骨１０のイメージング画像、円周方向の音速、長軸方向の音速を得ることができる。

骨は異方性構造を有しており、荷重の作用する方向に強い構造をしている。マクロスケールにおいては、大腿骨や脛骨や橈骨などのように長管状形状をしており、荷重方向に強い構造をしている。ミクロスケールにおいては、数十から数百ミクロンの円柱形状に近い空隙が存在する。この空隙はほぼ荷重方向に伸びており、荷重方向に強い構造をしている。ナノスケールにおいては、コラーゲン繊維に生体アパタイト結晶が取り巻いた構造をしている。このコラーゲン繊維や生体アパタイト結晶のｃ軸は、荷重方向に配向したものが多く存在する。このように、骨の異方性構造を調べることは骨強度を診断する上で重要である。

近年、骨強度は骨量と骨質の２つの要因からなると言われている。骨量である骨の大きさ（外径）や厚みに加えて、異方性構造を調べることは骨質の診断につながる。

まず、骨強度において、皮質骨のマクロ構造である骨の大きさ（外径）や皮質骨厚みは重要な因子である。上述したように、形状導出部８２ｄでは、検出された骨表面１０ａ及び骨裏面１０ｂの形状とから、皮質骨１０の厚みを導出するとともに、骨１０の大きさ（外径）を推定している。従って、皮質骨１０の厚み及び骨１０の大きさを用いることにより、骨量に関する指標を導出することができる。

また、骨表面を円周方向に沿って伝播する超音波の音速は、皮質骨のミクロ構造である空隙率や空隙サイズや空隙連結性の影響を大きく受ける。これは皮質骨の骨密度と関係する因子である。そのため、円周方向の音速を用いることにより、骨密度に関する指標を導出することができる。

一方、骨表面を長軸方向に沿って伝播する超音波の音速は、皮質骨のナノ構造である生体アパタイト結晶の配向性と、骨のミクロ構造による骨密度や空隙の両方の影響を受ける。そのため、長軸方向の音速だけでは、骨の異方性構造を評価することができず、骨強度の診断指標としては不十分である。長軸方向の音速と円周方向の音速の両方を用いることにより、骨の配向性に関する指標を導出することができる。

また、物体中を通過する超音波の音速Ｖは、下記の数式１で表されため、弾性的な性質を表す。

従って、円周方向と長軸方向の音速をそのまま骨強度の指標としても良い。この音速Ｖは、ミクロ構造やナノ構造を全て含めた平均的な弾性的性質を表すことから、Ｘ線と比較して、骨強度に関係する骨質の指標を直接示すことができるという特徴がある。

以上のように、骨強度診断装置１では、骨強度に関する複数の指標を導出することができるため、これらを用いることにより、骨強度をより詳細に診断することが可能となる。なお、実施の形態において、上述の全ての指標を骨強度の指標とせずに、一部の指標のみを用いても良い。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を用いて適宜その説明を省略する。

１］前記実施形態では、円周方向の音速と、長軸方向の音速の両方を導出したが、円周方向の音速（及び皮質骨１０の厚み）だけを導出して、骨強度を診断してもよい（変更形態１）。

２］演算部８は、送波専用振動子２１の送波信号と各振動子２２ａ〜２２ｌの受波信号とから、各振動子に受波される超音波の減衰係数を検出する減衰係数検出部を備えるものであってもよい（変更形態２）。この変更形態における具体的な作用を以下説明する。

減衰特性検出部は、振動子２２ａ〜２２ｌによりそれぞれ受波された漏洩表面波（又は骨表面屈折波）のスペクトルと、送波専用振動子２１から送波された超音波のスペクトルとをフーリエ変換により算出し、送波信号に対する各振動子２２ａ〜２２ｌの受波信号のスペクトル比を検出する。一般的に、生体中を伝播する超音波の減衰率は、低周波成分よりも高周波成分の方が大きくなるため、検出されたスペクトル比は傾きを有する。この傾きを算出することにより、減衰係数（ＢＵＡ：Broadband Ultrasonic Attenuation［dB/MHz］）を検出できる。

検出された複数の振動子２２ａ〜２２ｌの減衰係数（ＢＵＡ）は、表示部９に表示される。複数の振動子２２ａ〜２２ｌの減衰係数（ＢＵＡ）を用いることにより、骨強度をより詳細に診断することができる。

３］振動子２２ａ〜２２ｌにそれぞれ受波された漏洩表面波（又は骨表面屈折波）の例えば最大振幅を表示部９に表示する。これらの値を用いて、骨強度を診断してもよい（変更形態３）。

４］骨１０中の音速を導出する方法としては、以下の方法（変更形態４とする）を用いてもよい。まず、漏洩表面波を受波する振動子であると特定された複数の振動子から、２つの振動子組を選択する。２つの振動子組としては、構成する振動子が重複しないことが好ましい。以下、図１２に示すように、振動子２２ｄと振動子２２ｅからなる振動子組２２Ｄと、振動子２２ｈと振動子２２ｉからなる振動子組２２Ｈとを選択した場合を例に挙げて説明する。

前記実施形態と同様に、振動子２２ｄ、２２ｅ、２２ｈ、２２iの受波信号から検出された漏洩表面波又は骨表面屈折波の波形が、漏洩表面波の波形であると仮定して、２つの振動子組２２Ｄ、２２Ｈに対する漏洩表面波３６、３７の到来角度θｃ２、θｃ３をそれぞれ検出する。

到来角度θｃ２、θｃ３と、骨表面ラインＩａとから、骨表面１０ａにおける漏洩表面波３６の発生点Ｐ２、Ｐ３をそれぞれ検出する。そして、振動子組２２Ｄから点Ｐ１までの距離ｄ１、振動子組２２Ｈから点Ｐ２までの距離ｄ２、及び、点Ｐ１と点Ｐ２の間の距離ｄ３をそれぞれ算出する。

２つの振動子組２２Ｄ、２２Ｈがそれぞれ漏洩表面波３６を受波した時刻の時間差をΔＴｃとすると、２つの振動子組２２Ｄ、２２Ｈに到達する超音波の伝播ルートの違いから、時間差ΔＴｃは、ΔＴｃ＝（ｄ３／Ｖｂ）−｛（ｄ1−ｄ２）／Ｖｓ｝で表される。ΔＴｃは、４つの振動子２２ｄ、２２ｅ、２２ｈ、２２ｉの漏洩表面波の受波時刻を用いて算出できる。従って、骨１０中の音速Ｖｂは、Ｖｂ＝ｄ３／｛ΔＴｃ＋（ｄ１−ｄ２）／Ｖｓ｝の式から算出される。

５］また、骨１０中の音速を導出する方法としては、以下の方法（変更形態５とする）を用いてもよい。まず、漏洩表面波を受波する振動子であると特定された複数の振動子から、１つの振動子組を選択する。以下、図１３に示すように、振動子２２ｄと振動子２２ｅからなる振動子組２２Ｄを選択した場合を例に挙げて説明する。

振動子２２ｄ、２２ｅの受波信号から検出された漏洩表面波又は骨表面屈折波の波形が、骨表面屈折波の波形であると仮定して、振動子組２２Ｄに対する骨表面屈折波３８の到来角度θｃ４を算出する。到来角度θｃ４と、骨表面ラインＩａとから、骨表面１０ａにおける骨表面屈折波３８の出射点（屈折点）Ｐ４を検出し、骨表面ラインＩａの点Ｐ４における法線方向と、到来角度θｃ４とから、骨表面屈折波３８の出射角（屈折角）γ４を算出する。

骨表面屈折波３８は、骨中を伝播する超音波３９が、骨表面１０ａで屈折して発生したものとする。超音波３９の骨表面１０ａに対する入射角φとすると、スネルの法則により、骨１０中の音速（詳細には超音波３９の音速）Ｖｂは、Ｖｂ＝Ｖｓ・sinφ／sinγ４で表される。

次に、送波専用振動子２１から送波される超音波の角度範囲に基づいて、骨表面１０ａ上の超音波の入射範囲のうち、図１３中の左端部の位置Ｐ５を検出する。超音波３９が、点Ｐ５から点Ｐ４まで伝播したと仮定した場合の入射角φminを算出する。なお、点Ｐ５は、形状導出部８２ｄにより導出された骨形状の範囲を超えた位置になる。そのため、形状導出部８２ｄにより導出された範囲の骨形状から予測した骨形状を用いて、点Ｐ５を検出する。

入射角φは、φmin から９０度までの範囲内の角度である。音速Ｖｂは、Ｖmin（Ｖmin＝Ｖｓ・sinφmin ／sinγ４）からＶmax（Ｖmax＝Ｖｓ／sinγ４）の範囲内の速度である。図１４は、入射角φと、送波から受波までの伝搬時間Ｔｃとの関係を示すグラフである。図１４中の曲線は、入射角φをφmin から９０度まで変化させたときの、各入射角φの伝播経路での伝搬時間Ｔｃを示している。ある入射角φでの伝搬時間Ｔｃは、入射角φに応じた伝搬経路長と、入射角φに応じた骨中の音速Ｖｂと、軟組織中の音速Ｖｓとから算出される。

また、振動子２２ｄ、２２ｅの受波信号から、伝播時間の実測値Ｔｃ０を算出する。図１４の曲線と、Ｔｃ＝Ｔｃ０のラインの交点から、入射角φ０が求められる。この入射角φ０を用いて、骨１０中の音速Ｖｂが算出される。このようにして、骨１０中を円周方向に沿って伝播する超音波（詳細には骨１０中の骨表面１０ａ近傍を伝播する超音波）の音速Ｖｂを導出することができる。

６］前記実施形態では、アレイ振動子２２から超音波を送波してから、一定時間空けた後で、送波専用振動子２１から超音波を送波しているが、アレイ振動子２２と送波専用振動子２１から同時に超音波を送波してもよい（変更形態６）。この場合、アレイ振動子２２と送波専用振動子２１にそれぞれ異なる送信回路を接続し、アレイ振動子２２と送波専用振動子２１から、互いに周波数の異なる超音波を送波させればよい。

７］前記実施形態では、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子は、送波と受波の両方を行なっているが、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌのうち一部の振動子のみが超音波の受波を行うように構成されていてもよい。具体的には、例えば、図１５（ａ）に示すように、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌのうち、８個の振動子２２ａ、２２ｂ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｇ、２２ｈ、２２ｊ、２２ｋが、８個の受信回路にそれぞれ接続され、超音波の受波を行うように構成されていてもよい（変更形態７）。この場合、到来方向検出部８２ａは、隣接する２つの振動子を１つの振動子組として、４つの振動子組２２Ｌ〜２２Ｏを決定してもよい。

８］また、例えば、図１５（ｂ）に示すように、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌのうち１つおきに配置されている振動子（例えば、振動子２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、・・・、２２ｋ）が、超音波の受波のみを行うように構成されていてもよい（変更形態８）。この場合、到来方向検出部８２ａは、１つおきに配置されている２つの振動子を１組の振動子組として、５組の振動子２２Ｐ〜２２Ｔを決定してもよい。
変更形態７、８の構成によると、受信回路の数を前記実施形態よりも減らすことができ、回路構成が簡易になるとともに、コストを低減できる。

９］受信回路とアレイ振動子２２との間にアナログスイッチなどの切替回路が設けられ、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌのうち、切替回路により受信回路に接続された一部の振動子のみが受波を行うように構成されていてもよい。例えば、図１５（ｃ）に示すように、切替回路１０６によって、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌのうち１つの振動子のみが受信回路６ａに接続される構成であってもよい（変更形態９）。超音波を１度送波するたびに、切替回路１０６によって、受信回路に接続される振動子を順に切り替える。超音波の送波を合計１２回行うことにより、１２個の振動子２２ａ〜２２ｌの受波信号を取得することができる。なお、図１５（ｃ）中、送信側の回路構成は省略して表示している。
この構成によると、受信回路の数を前記実施形態よりも減らしてコストを低減しつつ、前記実施形態と同様に１２個の振動子２２ａ〜２２ｌの受波信号を取得することができる。

１０］前記実施形態では、アレイ振動子２２を構成する複数の振動子２２ａ〜２２ｌは、アレイ振動子２２から送波された超音波の受波と、送波専用振動子２１から送波された超音波の受波の両方を行っているが、この構成に現限定されない。例えば、送波専用振動子２１側の４つの振動子２２ａ〜２２ｄは、アレイ振動子２２から送波された超音波の受波のみを行い、送波専用振動子２１と反対側の４つの振動子２２ｊ〜２２ｌは、送波専用振動子２１から送波された超音波の受波のみを行い、中央部の４つの振動子２２ｅ〜２２ｈは、どちらの送波の場合にも受波を行うように構成されていてもよい（変更形態１０）。この場合、受信回路を８個設け、この８個の受信回路とアレイ振動子２２との間に切替回路を設けて、超音波の送波を行う振動子（送波専用振動子２１又はアレイ振動子２２）に応じて、受波を行う振動子を切り替える構成としてもよい。
この構成によると、受信回路の数を前記実施形態よりも減らすことができる。

１１］送波専用振動子２１を設けずに、アレイ振動子２２の端部の複数（例えば４つ）の振動子から位相を制御した超音波を送波することにより、当接面２ａに対して斜めに超音波を送波してもよい（変更形態１１）。
この構成によると、送波専用振動子２１が必要ないため、超音波送受波器２の構成がアレイ振動子２２のみとなり、簡易化される。また、送波専用振動子２１を設けない分、アレイ振動子２２を構成する振動子の数を増やすことができるため、骨形状を検出できる範囲が広くなる。但し、送信回路が複数必要となり、回路構成が複雑でコストも高くなるため、この点においては、前記実施形態の方が好ましい。

１２］前記実施形態の超音波送受波器２では、送波専用振動子２１の数は１つであるが、例えば、図１６（ａ）に示すように、アレイ振動子２２の配列方向に並んで配置された２つの送波専用振動子２１を備える超音波送受波器２０２でもよい（変更形態１２）。このでは、軟組織１１の厚みや、骨表面１０ａの曲率の大きさに応じて、２つの送波専用振動子２１から超音波を送波する振動子を選択するようにする。
この構成によると、アレイ振動子２２に、漏洩表面波又は骨表面屈折波をより確実に受波させることができる。

１３］前記実施形態の超音波送受波器２は、アレイ振動子２２と送波専用振動子２１を１つずつ備えているが、例えば、図１６（ｂ）に示すように、互いに直交する方向に配置された２つのアレイ振動子２２と、これら２つのアレイ振動子２２の配列方向の一端側にそれぞれ配置された２つの送波専用振動子２１とを備える超音波送受波器３０２でもよい（変更形態１３）。図１６（ｂ）は、当接面２ａと平行な面の断面図である。
この構成によると、超音波送受波器３０２の設置の向きを変えることなく、骨の円周方向の断面形状と長軸方向の断面形状を検出することができるとともに、円周方向の音速と長軸方向の音速を導出することができる。従って、測定時間を短縮することができる。

１４］また、例えば、図１６（ｃ）に示すように、６個×６個の格子状に配列された複数の振動子４２２ａからなるアレイ振動子４２２と、アレイ振動子４２２の図１６（ｃ）中の上側に、左右方向に並んで配置された６個の送波専用振動子４２１ａと、アレイ振動子４２２の図１６（ｃ）中の左側に、上下方向に並んで配置された６個の送波専用振動子４２１ｂとを備えた超音波送受波器４０２でもよい（変更形態１４）。この構成によると、例えば、アレイ振動子４２２の右端から順に、上下方向に配列された６個の振動子４２２ａと、これに対応する送波専用振動子４２１ａとを用いて、前記実施形態と同様に、骨の形状を検出して、検出された骨形状を用いて骨中の音速を導出する。これにより、骨１０の立体的形状を導出することができる。さらに、左右方向に並んだ６箇所における、上下方向に伝播する超音波の音速を導出することができる。従って、ある方向の音速を複数箇所で測定できるため、骨中の超音波の音速をより精度よく導出することができる。
また、アレイ振動子４２２の上端から順に、左右方向に配列された６個の振動子４２２ａと、これに対応する送波専用振動子４２１ｂとを用いて、骨中の音速を導出することにより、上下方向に並んだ６箇所における、左右右向に伝播する超音波の音速を導出することができる。

１５］前記実施形態では、骨強度診断装置の一部に、本発明の形状検出装置を適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明の形状検出装置は単独で実施することもできる（変更形態１５）。図１７に形状検出装置１´の構成の一例を示す。この場合、形状検出装置１´の測定対象は骨に限定されるものではなく、例えば、パイプの内周面の形状を検出する場合に用いてもよい。これにより、パイプ劣化の非破壊検査を行うことができる。また、測定対象が骨の場合、骨皮質骨の厚みを検出して、この皮質骨の厚みから骨強度を診断する骨強度診断装置に、本発明の形状検出装置を適用することもできる。

１６］本発明の形状検出装置は、複数の送波用の振動子と、複数の受波用の振動子とがそれぞれ別の振動子からなる構成でもよい。例えば、図１８（ａ）に示すように、アレイ振動子２２の一端側の６つの振動子２２ａ〜２２ｆが、超音波の送波のみを行い、アレイ振動子２２の他端側の６つの振動子２２ｇ〜２２ｌが、超音波の受波のみを行う構成であってもよい（変更形態１６）。この構成によると、当接面２ａに対して、測定対象物の表面（又は裏面）が大きく傾いている場合であっても、表面からの反射波（又は裏面からの反射波）を受波することができる。なお、中央側の例えば２つの振動子２２ｆ、２２ｇは送波と受波の両方を行うように構成されていてもよい。

１７］本発明の形状検出装置は、図１８（ｂ）に示すように、振動面の大きな１つの送波用の振動子１２２から超音波を対象物に対して送波し、複数の受波用の振動子２２ａ〜２２ｆにより測定対象物からの反射波を受波する構成でもよい（変更形態１７）。振動子１２２の図１８（ｂ）中の左右方向長さは、例えば１０〜１００ｍｍである。この場合、振動子１２２から送波される超音波の中心周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。振動子１２２から送波される超音波は、平面波として伝播する。
この構成によると、変更形態１６と同様に、測定対象物の表面（又は裏面）の傾斜がある場合であっても、その反射波を受波することができる。

１８］本発明の形状検出装置は、前記実施形態のアレイ振動子２２と、到来方向検出部８２ａ及び伝播時間検出部８２ｂとに代えて、図１９に示すような、例えば６個×６個の格子状に配列された複数の振動子からなるアレイ振動子５２２と、以下に説明する到来方向検出部及び伝播時間検出部とを備えた構成であってもよい（変更形態１８）。以下、変更形態１８における、対象物の表面の形状の検出方法について説明する。

まず、アレイ振動子５２２を構成する全ての振動子から同時に同位相の超音波を送波して、対象物の表面からの表面反射波を、アレイ振動子５２２を構成する全ての振動子により受波する。
到来方向検出部は、アレイ振動子５２２を構成する複数の振動子のうち、直交する２つの列上に配置されている近接する３つの受波振動子（例えば、図１９中の５０１ａ、５０１ｂ、５０２ａ）を１組の振動子組５１０として、複数の振動子組５１０を決定する。

図１９中の左右方向に並んだ（即ち、左右方向の列上に配置されている）２つの振動子５０１ａ、５０２ａがそれぞれ表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記実施形態において到来角度θａを検出した場合と同様に、左右方向を含む平面での表面反射波の到来角度（第１到来角度）θａ１を検出する。

さらに、図１９中の上下方向に並んだ（即ち、上下方向の列上に配置されている）２つの振動子５０１ａ、５０１ｂの表面反射波の受波時刻の時間差から、上下方向を含む平面での表面反射波の到来角度（第２到来角度）θａ２を検出する。

図１９（ｂ）に示すように、到来角度θａ１、θａ２を用いて、３つの振動子５０１ａ、５０１ｂ、５０２ｃからなる振動子組５１０に対する表面反射波の到来方向（図１９中の矢印Ｆの方向）を検出する。他の振動子組５１０についても、同様に到来方向を検出する。

次に、伝播時間検出部は、各振動子組５１０を構成する３つの振動子（５０１ａ、５０１ｂ、５０２ａ）の表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組５１０に到達する表面反射波の伝播時間Ｔａを検出する。伝播時間Ｔａは、３つの振動子に受波された表面反射波の伝播時間の平均値を用いてもよいが、３つの振動子のうち２つの振動子に受波された表面反射波の伝播時間の平均値を用いてもよい。また、３つの振動子のうちの１つの振動子に受波された表面反射波の伝播時間を、そのまま伝播時間Ｔａとしてもよい。

表面反射点検出部は、到来方向検出部及び伝播時間検出部により検出された、各振動子組５１０に到達する表面反射波の到来方向Ｆ及び伝播時間Ｔａを用いて、前記実施形態と同様に、対象物の表面上の反射点を検出する。形状導出部は、検出された複数の反射点を用いて、対象物の表面の３次元の形状を導出する。
この構成によると、各振動子組に対する３次元での表面反射波の到来方向を検出することができるため、対象物の表面の形状が、たとえ球面状であっても、その３次元の形状を検出することができる。

１９］また、図１９（ｃ）に示すように、アレイ振動子５２２を構成する複数の受波振動子のうち、直交する２つの列上に配置されている近接する４つの振動子（例えば、５０１ｅ、５０２ｄ、５０２ｆ、５０３ｅ）を１組の振動子組５１０として、変更形態１８と同様の手順で、対象物の表面の形状を検出してもよい（変更形態１９）。

２０］測定対象物が複数層からなる場合、本発明の形状検出装置は、対象物の最外層の表面と裏面の形状だけでなく、内部の層の形状も検出することができる（変更形態２０）。以下、図２０に示すような２層構造の対象物６００の、表面側から２番目の層（以下、第２層という）６０２の裏面６００ｃの形状を検出する場合を例に挙げて説明する。

到来方向検出部８２ａにより、振動子組２２Ａに到達する第２層６０２の裏面６００ｃからの反射波６１４の到来角度θｄを、前記実施形態と同様の方法により算出する。次に、裏面反射点検出部８２ｅにより、予め導出しておいた最外層６０１の表面ラインＩａを用いて、最外層６０１の表面６００ａにおける反射波６１４の屈折角α１及び入射角α２を、前記実施形態と同様の方法により算出した後、予め導出しておいた最外層６０１の裏面ラインＩｂを用いて、最外層６０１の裏面（第２層６０２の表面）６００ｂにおける反射波６１４の屈折角α３及び入射角α４を算出し、第２層６０２中の反射波６１４の伝播方向（図２０中のｚ軸）を導出する。

また、図２０中の点Ｅｃ１から送波される入射波６１１の、最外層６０１の表面６００ａにおける入射角β１及び屈折角β２を、前記実施形態と同様の方法により算出した後、最外層６０１の裏面６００ｂにおける入射波６１１の入射角β３及び屈折角β４を算出し、入射波６１１の第２層６０２中の伝播方向を導出する。同様に、図２０中の点Ｅｃ２、Ｅｃ３から送波される入射波６１２、６１３の第２層６０２中の伝播方向も導出する。そして、入射波６１１〜６１３の伝播方向とｚ軸との交点Ｋ1、Ｋ２、Ｋ３を検出して、前記実施形態と同様の方法により、第２層６０２の裏面６００ｃ上の反射点Ｒｃを導出する。

他の６つの振動子組２２Ａ〜２２Ｋについても同様の手順を行い、６つの反射点Ｒｃを検出する。形状導出部８２ｄは、検出された７つの反射点Ｒｃを曲線又は直線で結んで、第２層６０２の裏面ラインＩｃを導出する。

また、対象物が３つ以上の層から構成されている場合には、対象物の表面側の層から順に各層の形状を導出することにより、３番目以降の層の裏面の形状も検出することができる。

本発明の実施形態に係る骨強度診断装置の構成を示す図である。 （ａ）はアレイ振動子から送波された超音波を説明するための図であり、（ｂ）はアレイ振動子から送波された超音波の伝播経路を説明するための図である。 アレイ振動子の受波信号を示すグラフである。 送波専用振動子から送波された超音波の伝播経路を説明する図である。 骨強度診断装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）は表面反射点の検出方法を説明するための図であり、（ｂ）は到来方向の検出方法を説明するための図である。 裏面反射点の検出方法を説明するための図である。 裏面反射点の検出の際に用いる、伝播時間と裏面反射点の位置との関係を示すグラフである。 漏洩表面波を受波する振動子を特定する方法を説明するための図である。 ノイズの波形と超音波の波形とを選別する方法を説明するための図である。 音速の導出方法を説明するための図である。 変更形態４の音速の導出方法を説明するための図である。 変更形態５の音速の導出方法を説明するための図である。 変更形態５による音速導出の際に用いる、入射角と伝播時間との関係を示すグラフである。 （ａ）は変更形態７のアレイ振動子を示す図であり、（ｂ）は変更形態８のアレイ振動子を示す図であり、（ｃ）は変更形態９のアレイ振動子と切替回路とを示す図である。超音波送受波器の構成を示す図である。 （ａ）は変更形態１２の超音波送受波器の構成を示す図であり、（ｂ）は変更形態１３の超音波送受波器の構成を示す図であり、（ｃ）は変更形態１４の超音波送受波器の構成を示す図である。 変更形態１５の形状検出装置の構成を示す図である。 （ａ）は変更形態１６の振動子の構成を示す図であり、（ｂ）は変更形態１７の振動子の構成を示す図である。 （ａ）は変更形態１８及び変更形態１９の振動子の構成を示す図であり、（ｂ）は変更形態１８の反射波の到来方向の検出方法を説明するための図であり、（ｃ）は変更形態１９の反射波の到来方向の検出方法を説明するための図である。 変更形態２０の反射点の検出方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 骨強度診断装置
２ 超音波送受波器
２２ アレイ振動子
２２ａ〜２２ｌ 振動子（送波振動子、受波振動子）
２２Ａ〜２２Ｋ 振動子組
２３ 遮音材
３ 装置本体
５ 送信回路
６ａ〜６ｌ 受信回路
８ 演算部
８２ 形状検出部
８２ａ 到来方向検出部
８２ｂ 伝播時間検出部
８２ｃ 表面反射点検出部
８２ｄ 形状導出部
８２ｅ 裏面反射点検出部
８３ 音速導出部
８４ 骨強度指標導出部
１０ 骨
１０ａ 骨表面
１０ｂ 骨裏面
１１ 軟組織
θａ 到来角度（表面反射波の到来方向）
θｂ 到来角度（裏面反射波の到来方向）
Ｔａ 伝播時間
Ｔｂ０ 伝播時間
Ｒａ 表面反射点
Ｒｂ 裏面反射点
２２Ｌ〜２２Ｏ、２２Ｐ〜２２Ｔ 振動子組
１０６ 切替回路
２０２、３０２、４０２ 超音波送受波器
４２１ａ、４２１ｂ 送波専用振動子
４２２ アレイ振動子
４２２ａ 振動子（送波振動子、受波振動子）
１２２ 振動子（送波振動子）
５２２ アレイ振動子
５０１ａ〜５０１ｆ、５０２ａ〜・・・５０６ｆ 振動子（送波振動子、受波振動子）
５１０ 振動子組
θａ１ 第１到来角度
θａ２ 第２到来角度
Ｆ 到来方向
６００ 測定対象物
６００ａ 最外層の表面
６００ｂ 最外層の裏面（第２層の裏面）
６００ｃ 第２層の裏面
６０１ 最外層
６０２ 第２層
Ｒｃ 第２層裏面の反射点

Claims (12)

1. 対象物に対して、複数の送波振動子から同時に超音波を送波する送波部と、
   前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、複数の受波振動子により受波する受波部と、
   前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、
   前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、
   前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、
   前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出部と
   を備えることを特徴とする形状検出装置。
2. 前記送波振動子が、前記受波振動子を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の形状検出装置。
3. 前記複数の送波振動子及び前記複数の受波振動子が、１列に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状検出装置。
4. 前記複数の送波振動子及び前記複数の受波振動子が、格子状に配列されていることを特徴とする請求項１又２に記載の形状検出装置。
5. 対象物に対して、１つの送波振動子から超音波を送波する送波部と、
   前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、複数の受波振動子により受波する受波部と、
   前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、
   前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、
   前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、
   前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出部と
   を備えることを特徴とする形状検出装置。
6. 前記送波振動子と前記複数の受波用振動子が、１列に配列されており、
   前記送波振動子から送波される超音波の中心周波数が、１〜１０ＭＨｚであって、
   前記送波振動子の配列方向に関する長さが、１０〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の形状検出装置。
7. 前記受波部が、前記表面反射波の受波に加えて、前記表面反射波よりも遅れて前記複数の受波振動子に到達する、前記対象物の裏面からの裏面反射波の受波を行い、
   前記到来方向検出部が、前記表面反射波の前記到来方向の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記裏面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記裏面反射波の到来方向の検出を行い、
   前記伝播時間検出部が、前記各振動子組に到達する前記表面反射波の前記伝播時間の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記裏面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記裏面反射波の伝播時間の検出を行い、
   さらに、前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記裏面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記形状導出部により導出された前記対象物の表面の形状とに基づいて、前記超音波の前記対象物の裏面における反射点を検出する裏面反射点検出部を備え、
   前記形状導出部が、前記裏面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の裏面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の裏面の形状を導出することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の形状検出装置。
8. 前記対象物が骨である請求項７に記載の形状検出装置を用いた骨強度診断装置であって、
   前記形状導出部が、導出された前記骨の表面及び裏面の形状に基づいて、前記骨の厚みを導出し、
   前記骨の厚みから骨強度を診断する骨強度診断部を備えることを特徴とする骨強度診断装置。
9. 複数層からなる対象物に対して、複数の送波振動子から、同時に超音波を送波する送波部と、
   前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面及び前記対象物の各層の裏面からの反射波を、複数の受波振動子により受波する受波部と、
   前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子の受波信号の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記対象物の表面及び前記各層の裏面からの反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、
   前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の各反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記各反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、
   前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記対象物の表面からの反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出して、前記対象物の表面の形状を導出する最外層表面形状検出部と、
   前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記各層の裏面からの反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記最外層表面形状検出部により検出された前記対象物の表面の形状とに基づいて、前記対象物の表面側の層から順に前記各層の裏面の形状を検出する裏面形状検出部と
   を備えることを特徴とする形状検出装置。
10. 対象物に対して、格子状に配列された複数の送波振動子から同時に超音波を送波する送波部と、
    前記送波部から送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、格子状に配列された複数の受波振動子により受波する受波部と、
    前記複数の受波振動子のうち、交差する２つの列上に配置されている近接する３つ又は４つの受波振動子を１組の振動子組として、前記各振動子組を構成する、一方の列上に配置されている２つの受波振動子の前記表面反射波の受波時刻の時間差を用いて、第１到来方向を検出し、さらに、他方の列上に配置されている２つの受波振動子の前記表面反射波の受波時刻の時間差を用いて、第２到来方向を検出して、前記第１到来方向と前記第２到来方向とから前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出部と、
    前記各振動子組を構成する前記３つ又は４つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、
    前記到来方向検出部及び前記伝播時間検出部により、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出部と、
    前記表面反射点検出部により、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出部と
    を備えることを特徴とする形状検出装置。
11. 対象物に対して、複数の送波振動子から同時に超音波を送波する送波ステップと、
    前記送波ステップにより送波された前記超音波の、前記対象物の表面からの表面反射波を、複数の受波振動子により受波する受波ステップと、
    前記複数の受波振動子のうち近接する２つの受波振動子を１組の振動子組として、各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記表面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記表面反射波の到来方向を検出する到来方向検出ステップと、
    前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記表面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記表面反射波の伝播時間を検出する伝播時間検出ステップと、
    前記到来方向検出ステップ及び前記伝播時間検出ステップにより、前記各振動子組について検出された、前記表面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間に基づいて、前記超音波の前記対象物の表面における反射点を検出する表面反射点検出ステップと、
    前記表面反射点検出ステップにより、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の表面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の表面の形状を導出する形状導出ステップと
    を備えることを特徴とする形状検出方法。
12. 前記受波ステップにおいて、前記表面反射波の受波に加えて、前記表面反射波よりも遅れて前記複数の受波振動子に到達する、前記対象物の裏面からの裏面反射波の受波を行い、
    前記到来方向検出ステップにおいて、前記表面反射波の前記到来方向の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子がそれぞれ前記裏面反射波を受波した時刻の時間差を用いて、前記各振動子組に対する前記裏面反射波の到来方向の検出を行い、
    前記伝播時間検出ステップにおいて、前記各振動子組に到達する前記表面反射波の前記伝播時間の検出に加えて、前記各振動子組を構成する前記２つの受波振動子のうち少なくとも１つの受波振動子の前記裏面反射波の受波信号を用いて、各振動子組に到達する前記裏面反射波の伝播時間の検出を行い、
    さらに、前記到来方向検出ステップ及び前記伝播時間検出ステップにより、前記各振動子組について検出された、前記裏面反射波の前記到来方向及び前記伝播時間と、前記形状導出ステップにより導出された前記対象物の表面の形状とに基づいて、前記超音波の前記対象物の裏面における反射点を検出する裏面反射点検出ステップを備え、
    前記形状導出ステップにおいて、前記裏面反射点検出ステップにより、構成振動子の異なる複数の前記振動子組についてそれぞれ検出された、前記対象物の裏面における複数の前記反射点を用いて、前記対象物の裏面の形状を導出することを特徴とする請求項１１に記載の形状検出方法。
    

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