JP5472851B2 - 超音波検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を用いて骨などの不均一構造を持つ被検体の内部の構造を評価するための超音波検査装置とこれを用いた検査方法に関する。

骨の健康状態を診断することは医学上重要であり、特に近年の高齢者人口の増加に伴い、高齢者に多く見られる骨粗鬆症を早期に発見する必要性が叫ばれ、これに関する研究や機器開発が行われている。骨粗鬆症診断装置には、X線を用いるものと、超音波を用いるものとがある。この分野ではX線による診断技術が先行していたが、近年、より安価で放射線被曝の恐れのない超音波による技術が開発されている。本発明は超音波を用いる装置に関する。
図９〜１１は従来の超音波を用いた骨粗鬆症診断装置の概略を示す。いずれの場合も、患者の手、足首、指などに、主としてパルス状の超音波を照射し、その透過波の状態を評価することにより診断がなされる。
図９は超音波送信子2と受信子3を、多くはゼリーなどの接触補助材を介して被検体1に接触させ、送信回路6で発生させた電気信号をケーブル4を介して送信子2に印加して超音波を発生させ、受信子3により被検体1を透過した超音波を受信し、その信号をケーブル5を介して受信回路7に送る構成である。受信回路7では、発信波と透過波とを比較して骨密度等を算出する。
図１０は被検体1を水槽８内の水９に浸し、超音波送信子２と受信子３を被検体1から離し、水９を介して送受信を行う構成である。
図１１はこれを変化させたもので、水槽の替わりに水９を内包するバルーン１０，１１を介して超音波を送受信する構成である（共通機能は略）。
上記いずれの構成においても、ある振幅のパルス状超音波を入射させ、透過波の到達時間から被検体1における超音波の音速を測定すると共に、透過波の振幅から超音波の減衰量を測定し、それらの値から骨密度を推定する方法が取られる。音速と減衰量の値を骨密度の具体的な値に関係付ける手続きは、すでにこの分野において先行しているX線による方法（二重エネルギーX線吸収法）による測定結果との照合をとったデータにより行われるのが普通である。
これらの基本構成に基づいた種々のデータ処理技術も発表されている。たとえば、送信超音波をパルスとし、受信波をフーリエ変換し、音速と減衰量の周波数分布を求める方法、被検体を伝搬する速い波と遅い波に分けてデータ処理をする方法などである。

特開平７−１００１３６号公報 特開２００４−３４４１８１号公報

上記従来の超音波による骨粗鬆症診断装置には、以下のような問題点がある。
被検体である人間の骨は、外側を皮質骨と呼ばれる部分が覆っており、その内側に海綿骨と呼ばれる部分がある。皮質骨は硬く緻密であり、被検体ではパイプ状の形状をしている。海綿骨は小さい柱状または板状の骨が複雑に結合した、いわゆるスポンジ状の構造をしており、その空隙部は骨髄と呼ばれる液体状の物質で満たされている。このような複雑な構造をした骨を伝搬する超音波は、反射、屈折、回折、散乱などの影響を受け、その振幅分布（波面やビームの形状）は複雑に変化する。
図１２はこの状況を簡略化して示したものである。たとえば平面波の超音波を入射させた場合、その超音波はまず皮質骨の表面で屈折する。海綿骨の内部を透過する超音波は、海綿骨構造により、屈折、回折、散乱を生じる。透過した超音波は、再度皮質骨を透過するので、その際にも屈折の影響を受ける。これらの結果として、被検体から出てくる際の超音波は、入射波の平面波構造から大きく変化し、波面は湾曲し、進行方向も種々の方向に広がる。これらの影響は、皮質骨の形状、海綿骨の骨密度、海綿骨の空隙の平均的な大きさと、超音波の波長との関係などにより変化する。たとえば、超音波を入射させた被検体の皮質骨の湾曲が顕著であれば、屈折の影響が大きくなる。また、超音波の波長が海綿骨の空隙の平均的な大きさと同程度か、それより小さければ、スポンジ構造による散乱が顕著になり、超音波は大きな角度に広がって伝搬し、出射する。すなわち、骨を被検体とした場合、超音波は大きく乱されて伝搬する。これは、たとえば均質な金属材料などの工業製品を検査する場合と大きく異なる点である。この影響は、超音波を収束させて被検体に照射する場合でも同様に働く（図１４）。骨がこのような超音波の波面を撹乱する作用があることは、たとえば発明者らの研究によっても明らかにされている。
上記の現象は、超音波の波面を用いて図示すれば図１２、図１４のように表わされるが、超音波を光線的に表わせば、図１３のように表わされる。以下、超音波を光線のように表現したものを「音線」と呼ぶ。図１２、１３によって、波面を用いた表現と、音線を用いた表現の対応を示す。入射波が平面波Ui（図１２）であれば、それは1本の音線Ri（図１３）で代表される。この入射超音波が骨中を透過することにより、波面がUoのように変化したとすれば、それを表現する音線はRoのように種々の方向を持つ多数のものとなる。
超音波による骨粗鬆症診断においては、上記の超音波波面撹乱が常に伴う。このため、同一のパラメータを持つ超音波を入射させても、透過波の状態は検査部位によって異なるのが普通である。この検査部位による差が、内部の海綿骨の密度を反映するのであれば診断として成立するが、多くの場合は、海綿骨密度以外の因子（皮質骨の形状、海綿骨の空隙の大きさや配向状態、それらによる超音波の広がりがもたらす受信もれ）に左右される。
図１５は、従来技術におけるこの状況を示したものである。入射超音波の音線Riは、骨中を伝搬することにより、広がった方向を持つ多数の音線Roに変化する。受信子は、Roのうちaの部分を受信することができるが、bやcの部分は受信することができない。音線の広がり具合は、超音波を入射させる位置によりかなり変化するため、どの程度の部分を受信できるかも変わってくる。
以上のような、音線の広がりによる受信の可・不可の問題とともに、受信時の波面の位相分布による影響も存在する。超音波受信子は、通用圧電素子を用いて構成されるため、受信波面の位相に敏感である。これは、同一の振幅の超音波を受信しても、その空間的な波面（位相）の曲がりにより、受信出力が変化することを意味する。
以上述べたような障害のため、超音波を用いた骨粗鬆症診断装置においては、受信波の状態が一定せず、受信信号とそれにより決定されるデータ、特に超音波の減衰量のデータに誤差を生じる。
本発明は、このような不均一構造を持つ被検体中を伝搬する超音波の撹乱が従来の方法による被検体密度測定の精度劣化に及ぼす影響を減少させ、また超音波の撹乱を逆に利用して被検体密度を測定することができる新しい超音波検査装置と、これを用いた新しい検査方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明の超音波骨検査装置は、被検体に超音波を照射するように当該被検体の一側に配置される超音波送信子と、この送信子に対向するように被検体の他側に配置され、被検体を透過した超音波の透過波を受信する超音波受信子と、送信子から照射された超音波と前記受信子が受信した透過波とを比較して被検体の密度を算出する受信回路と、透過波の受信子への伝搬領域を制限するように被検体と受信子との間に配置される伝搬制限素子とを具備する。伝搬制限素子は、被検体を透過した出射角度の異なる複数の音波成分を含む超音波を多重に反射させ到達時刻を異ならせて超音波受信子へ送ることができるように、相互に対向する少なくとも一対の反射表面を具備する。受信回路は、送信子から照射された超音波の時間幅と、受信子が受信した透過波の到達時刻の時間幅とを比較して被検体の密度を算出する手段を有する。
本発明の超音波骨検査方法は、上記骨検査装置を用いて骨密度を検査する方法である。

この出願に係る発明による超音波検査装置によれば、骨などの不均一構造を持つ被検体を透過して種々の方向に出射する超音波の大部分を受信子に導くことができ、それにより検査の精度を向上させることができる。

この出願に係る発明による超音波検査装置の構成説明図である。 図１の超音波検査装置における超音波の伝搬状況を示す構成説明図である。 図１の超音波検査装置を水槽内で適用する実施例の構成説明図である。 図１の超音波検査装置をバルーンを用いて適用する実施例の構成説明図である。 本発明による超音波検査装置における受信超音波の波形例を示す説明図である。 本発明による超音波検査装置における受信超音波の他の波形例を示す説明図である。 本発明による超音波検査装置における受信超音波の検波信号の波形例を示す説明図である。 本発明による超音波検査装置における受信超音波の検波信号の他の波形例を示す説明図である。 従来の超音波を用いた骨粗鬆症診断装置の構成説明図である。 従来の超音波を用いた他の骨粗鬆症診断装置の構成説明図である。 従来の超音波を用いた他の骨粗鬆症診断装置の構成説明図である。 従来の超音波を用いた骨粗鬆症診断装置において被検体を透過する超音波の波面の説明図である。 従来の超音波を用いた骨粗鬆症診断装置において被検体を透過する超音波の音線の説明図である。 従来の超音波を用いた骨粗鬆症診断装置において被検体を透過する他の超音波の波面の説明図である。 従来の超音波を用いた骨粗鬆症診断装置における超音波の伝搬状況を示す説明図である。

図面を参照してこの発明による超音波検査装置を骨粗鬆症の検査装置に適用した実施の形態を説明する。

図1において、１は被検体である人体、2は超音波送信子、３は受信子である。１２は超音波伝搬制限素子であり、具体的にはたとえば金属で作った中空のパイプである。１２ａはその外周部、１２ｂは内空を示す。被検体1の周囲には超音波伝搬媒体である水が必要であり、これは図３のような水９を容した水槽８、または図４のように水９を内包したバルーン１０，１１によって実現される。図４の例では、バルーン１１内に水９と超音波伝搬制限素子１２が収容される。これらはこの図１では省略する。その他、図９ないし図１１に示す従来技術と同等の構成部には同一の符号を付して説明を省略する。

図示の伝搬制限素子１２は、円筒状であるが、原理的には矩形その他の角筒状でもよい。また、内部が完全に平行な筒状でなく、ある程度テーパー状でも、曲がっていてもよい。また、２枚の平行板のように、一方向にのみ超音波の伝搬を制限する構造でもよい。いずれの場合も、伝搬制限素子は、被検体を透過した超音波を多重に反射させて超音波受信子３へ送ることができるように相互に対向する少なくとも一対の反射表面１２ｃを具備する。反射率をある程度以上確保できれば、どのような材質で作製してもよい。

検査装置の機能を図２によって説明する。以下、超音波の状態は波面を用いた表現ではなく音線を用いた表現で説明する。入射音線Riは、被検体の骨中を伝搬する際に撹乱を受け、被検体１を出射する際には必ず広がる。本発明では、超音波受信子3を被検体１から一定距離離して配置し、そこに伝搬制限素子１２を挿入している。伝搬制限素子１２は被検体1から出射する超音波の大部分を取り入れることができる角度範囲を包囲する内径とし、かつ被検体1に接近させて配置する。この結果として、被検体1を透過して出射する多方向を持つ音線群Riは、伝搬制限素子１２の内空１２ｂに取り込まれる。透過した超音波は、伝搬制限素子１２の反射表面１２ｃにより多重反射されて内空１２ｂを伝搬する。その反射率は伝搬制限素子１２の材質により決定されるが、水に対して音響インピーダンスの大きい金属等で作製すれば、内面における超音波の反射率は相当に大きくなる。伝搬制限素子１２に入射する超音波の音線には種々の方向を持つものがある。Ro1は、伝搬制限素子１２の反射表面１２ｃにほぼ平行な進行方向を持つ音線であり、これは反射表面１２ｃにより反射されることなく、直接受信子３に到達する。Ro2は、Ro1よりも上方に向かう角度を持つ音線であり、これは反射表面１２ｃに入射するため、そこで反射されて伝搬する。Ro3は、さらに上向きの角度で入ってくる音線であるが、これは反射表面１２ｃで多数回反射され、受信子３に到達する。

図２では代表的な3種の音線について示したが、いかなる方向に伝搬する音線も、伝搬制限素子１２の反射表面１２ｃで反射されるので、最終的には受信子３に到達する。受信子３は伝搬制限素子１２に接近させて配置し、その直径を伝搬制限素子１２の内径と同等か大きくしておけば、両者の隙間から音線が逃げるのを防ぐことができる。伝搬制限素子１２の反射表面１２ｃに入射した超音波は、ある反射率で反射され、それ以外は透過するので、伝搬制限素子１２が内部の超音波を外に漏らさない効果は100%ではない。しかし、上述したように、伝搬制限素子１２を金属等で作れば、反射率はかなり大きくできる。また、波動伝搬の基礎的な理論により、ある一定角度以上で入射する超音波は全反射される。この場合には反射率は100%となる。仮に伝搬制限素子１２を鉄で作成したとすると、入射角（超音波の音線と内壁の法線がなす角度）が約28度以上の超音波はすべて全反射される。

したがって、上記構成では、従来の構成に比べ、被検体1を出射した超音波の非常に多くの成分を受信子３に導くことができ、これにより、特に超音波の減衰量測定の誤差を低減することができる。

上述したように、骨密度の推定は、被検部を透過する超音波の音速と減衰量によりなされる。音速の測定は図２における直進する音線Ro1により行うことができ、減衰量の測定は受信子３の全体出力からなされる。しかし、本発明の構成は従来の構成とは異なるので、従来構成における音速・減衰量と骨密度の照合基準をそのまま本発明に適用することはできない。従来技術においては、受信子から超音波が外れる効果も含めて実質的な（みかけの）超音波減衰としている。超音波が受信子３から外れるか否かは海綿骨による散乱の度合いに影響されるので、このみかけの超音波減衰が真の超音波減衰とは異なるとは言え、骨密度を推定するためのデータとしては機能していたといえる。本発明では、超音波の大部分を受信することにより、みかけの減衰を真の減衰に近づけることができが、減衰量と骨密度の対応基準は新たに作る必要がある。

また、本発明の実施形態によれば、受信子３の受信信号の時間変化を分析することにより、海綿骨の状況を知ることができる。伝搬制限素子１２の挿入により、種々の方向に伝搬する音線はほとんど受信子3によって受信される。しかし、その受信時刻は同一ではない。明らかに直進する音線Ro1が最も早く受信される。ある角度をもって入射した音線は、伝搬制限素子１２内における伝搬距離が長くなるので、受信子3で受信される時刻は遅れる。入射時の角度がつけばつくほど、受信される時刻の遅れは大きくなる。

図５，６はこの状況を示す。図６は、被検体１の骨中の海綿骨がないか、海綿骨密度が非常に小さい場合の受信信号である。海綿骨が少なければ広い角度にわたって回折する超音波成分が少なく、受信子３は直進する成分かそれに近い成分のみを受信するので、その受信信号の時間幅Teは送信信号とそれほど変わらない。これに対し、海綿骨密度の大きい被検体に対しては、広い角度範囲の透過波が発生する。受信されるまでに伝搬する距離は、音線が被検体1を出射したときの角度に依存し、直進成分が最も短く、角度がつくほど長い。これは受信子3に到達するまでの時間が異なってくることを意味する。したがって、この場合の受信子3の信号は図６のようになる。最初の波の到達時刻toは図５と同一である。しかし、その後の受信信号の幅Te'は図５に比べてはるかに長くなる。この時間幅Te'は骨の状態と定量的に関係づけられる。被検体1から出射する音線の広がりは骨の色々な状態の影響を受けるが、最も影響度の大きいのは海綿骨の空隙の状態である。波動伝搬の基礎理論により、ある波長λの波は直径aの空隙により回折されるが、そのおよその回折角はθ≒λ／a [rad]である。骨粗鬆症診断においては、MHz域の超音波が用いられることが多いが、その波長は、海綿骨の空隙を満たす骨髄の音速を水と同程度と仮定すれば、たとえば周波数1MHzでは1.5 mm，3.5MHｚでは430 μmである。これに対し、人間の海綿骨の空隙の平均的な大きさは数100 μmから1 mm程度である。すなわち、現在用いられている超音波の波長域と海綿骨の空隙の大きさは同程度である。したがって、およその回折角は1 rad（約60度）となる。海綿骨の密度（海綿骨部分全体の体積に対する実質的な骨の分量）が大きければ回折波の量が大きく、海綿骨の密度が小さければ回折波の量も小さい。このことは、本発明の受信信号の時間的な広がりTe'およびそこでの振幅を評価すれば、海綿骨の密度を推定できることを意味する。

したがって、本発明の構成は、従来の評価法であった音速と減衰量の評価に加え、第３の評価項目を追加する効果をもたらす。従来の評価項目のうち、減衰量は、超音波の撹乱により誤差を受けやすかった。本発明は、受信信号の時間幅が被検体に対する受信子の幾何学配置の影響を受けにくいことから、従来の評価項目のデータを補完するのみならず、より正確な第3の評価基準を追加する効果を有する。

具体的な実施例としては、たとえば、図７，８に示すように、受信信号を検波し（交流成分を除去し振幅に応じた直流成分に変換し）、それにある閾値処理を行い、受信検波信号がある一定値以上となる時間幅をもって測定データとする、などの方法が考えられる。

上述したように、本発明は、超音波骨粗鬆症診断装置に、伝搬制限素子を付加することにより、従来の装置が持っていた超音波撹乱による受信漏れを低減させるだけでなく、受信信号の時間幅による測定という新たな評価基準を加えるという効果を有する。

図１に示す検査装置を図1０に示す従来の検査装置の配置と可換な構成にすることもできる。たとえば、受信部３を可動式にして、これを被検体1に近づけて図1０に示す従来法の測定を行った後、図１に示す受信部３と伝搬制限素子１２を用いた構成に移動させて（スライド、回転など）本発明による時間幅測定を行うなどの変更が可能である。

なお、本発明による超音波検査装置は、原理的には、骨以外の、内部に多数の空隙をもつ他の対象物（多孔質、セル構造体）の構造を超音波によって検査する場合にも適用できる。

１ 被検体
２ 超音波送信子
３ 超音波受信子
４ ケーブル
５ ケーブル
６ 送信回路
７ 受信回路
８ 水槽
９ 水
１０ バルーン
１１ バルーン
１２ 超音波伝搬制限素子
１２ａ 外周部
１２ｂ 内空
１２ｃ 反射表面
Ri 入射音線
Ro1〜Ro3 出射音線

Claims (6)

1. 被検体に超音波を照射するように当該被検体の一側に配置される超音波送信子と、
   この送信子に対向するように被検体の他側に配置され、被検体を透過した超音波の透過波を受信する超音波受信子と、
   前記送信子から照射された超音波と前記受信子が受信した透過波とを比較して被検体の密度を算出する受信回路と、
   前記透過波の前記受信子への伝搬領域を制限するように被検体と受信子との間に配置される伝搬制限素子とを具備し、
   前記伝搬制限素子は、被検体を透過した出射角度の異なる複数の音波成分を含む透過波を多重に反射させ到達時刻を異ならせて超音波受信子へ送ることができるように、相互に対向する少なくとも一対の反射表面を具備し、
   前記受信回路は、前記送信子から照射された超音波の時間幅と、前記受信子が受信した透過波の到達時刻の時間幅とを比較して被検体の密度を算出する手段を有することを特徴とする超音波骨検査装置。
2. 前記伝搬制限素子は、対向一対の板状部材で構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波骨検査装置。
3. 前記伝搬制限素子は、内面が超音波の反射表面である筒状部材で構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波骨検査装置。
4. 前記伝搬制限素子は、金属材料で構成されることを特徴とする請求項２ないし３に記載の超音波骨検査装置。
5. 前記超音波送信子は、被検体にパルス状の超音波を照射するように構成され ることを特徴とする請求項１に記載の超音波骨検査装置。
6. 被検体の一側に超音波送信子を配置するステップと、
   前記送信子に対向するように被検体の他側に超音波受信子を配置するステップと、
   被検体と受信子との間に伝搬制限素子を配置するステップと、
   前記送信子から被検体に超音波を照射するステップと、
   被検体を透過した出射角度の異なる複数の音波成分を含む超音波の透過波を前記伝搬制限素子により多重に反射させ、到達時刻を異ならせて前記受信子へ送るステップと、
   前記送信子から照射された超音波の時間幅と、前記受信子が受信した透過波の到達時刻の時間幅とを比較して被検体の密度を算出するステップとを含むことを特徴とする超音波骨検査方法。

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