JP6307462B2 - 関節音測定システム - Google Patents
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Description
本発明は、関節音測定システムに関する。
従来、変形性膝関節症（以下、ＯＡともいう）の診断は、主にＸ線画像を用いた診断が行われている。ＯＡとは、関節軟骨が、磨耗により磨り減ったり変形することによって炎症を起こすものである。
しかしながら、Ｘ線画像には軟骨が写らないため、骨間距離から軟骨の状態を推測して診断する必要があり診断精度に問題があった。
さらに、高精度に診断する方法として、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）診断や関節鏡を用いた診断があるが、大型の装置が必要であったり、患者への負担が大きいため、早期診断や生着診断等に利用するのは難しいという問題があった。
しかしながら、Ｘ線画像には軟骨が写らないため、骨間距離から軟骨の状態を推測して診断する必要があり診断精度に問題があった。
さらに、高精度に診断する方法として、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）診断や関節鏡を用いた診断があるが、大型の装置が必要であったり、患者への負担が大きいため、早期診断や生着診断等に利用するのは難しいという問題があった。
これに対して、ＯＡの診断技術として関節音による測定（ＶＡＧ（Vibroarthrography））が提案されている。
ＶＡＧとは、屈伸運動などを行うことで、自分の体重を負荷として軟骨細胞に付加し、膝器官中の大腿骨と脛骨および膝蓋骨との端部に存在する軟骨細胞同士が擦れることで発生する関節音を、体外に設置した加速度センサやマイクロフォンを用いて振動信号や音信号として検出し、ＯＡ疾患の有無によりある特定の周波数成分の信号強度が増減する点から関節軟骨の状態を評価する非侵襲的な診断方法である。
ＶＡＧとは、屈伸運動などを行うことで、自分の体重を負荷として軟骨細胞に付加し、膝器官中の大腿骨と脛骨および膝蓋骨との端部に存在する軟骨細胞同士が擦れることで発生する関節音を、体外に設置した加速度センサやマイクロフォンを用いて振動信号や音信号として検出し、ＯＡ疾患の有無によりある特定の周波数成分の信号強度が増減する点から関節軟骨の状態を評価する非侵襲的な診断方法である。
例えば、特許文献１には、被検査者の関節近傍の皮膚上に取り付けられる生体用音響センサと、関節近傍の屈伸角度を検出する角度センサと、被検査者の関節の屈伸に伴う運動加速度を検出する加重計と、生体用音響センサと、角度センサと、加重計の検出結果に基づいて関節症の診断を行う診断装置と、を備える診断システムが記載されている。
この特許文献１には、生体音響センサの検出信号に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数解析等の信号処理を行って、周波数スペクトル特性の特徴に基づいて診断を行うことが記載されている。尚、本発明における振動センサは、加速度センサやマイクロフォンおよび音響センサの総称である。
この特許文献１には、生体音響センサの検出信号に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数解析等の信号処理を行って、周波数スペクトル特性の特徴に基づいて診断を行うことが記載されている。尚、本発明における振動センサは、加速度センサやマイクロフォンおよび音響センサの総称である。
また、非特許文献１では、ノイズを抑制するために、音響センサからのデータの２５°〜７５°の範囲に該当するデータについてＦＦＴを行うことが記載されている。
しかしながら、単純に１つの加速度センサと傾斜計で屈伸運動による軟骨細胞の擦れ音を検出しようとした場合、音源の位置、すなわち、患部の位置を特定することができなかった。
そこで、非特許文献２では、４つの加速度計を用いて、それぞれの位置からの信号の相関係数を計算して、信号間の遅延時間により、音源（患部）の位置を推定することが記載されている。
6th Int'l Conf. Generic Evolutionary Computing, 2012（T.F.Lee et al.）
Med.Eng.Phys.(1995)vol.17.583-594；Localization of knee joint cartilage pathologh by multichannel vibroarthrography
しかしながら、非特許文献２に記載されるように、複数の加速度計を用いて、それぞれの位置からの信号の相関係数を計算して、遅延時間により、音源の位置を特定する場合であっても、相関係数自体非常に小さく、精度が十分でないことがわかった。
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、非侵襲的に変形性膝関節症の診断を行うことができ、かつ、高精度に患部の位置を特定可能な関節音測定システムを提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、検査対象物の屈伸運動に伴う振動を検出し、振動信号を出力する１以上の振動センサと、検査対象物の屈伸角度を検出し、角度情報を出力する角度センサと、角度情報に基づいて、１回の屈伸運動で得られた振動信号を、屈伸角度に応じて２以上の分割信号に分割する信号分割部と、２以上の分割信号それぞれに対して、周波数解析を行い、２以上の解析信号を出力する周波数解析部とを有することで上記課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（１２）を提供する。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（１２）を提供する。
（１） 検査対象物の屈伸運動に伴う振動を検出し、振動信号を出力する１以上の振動センサと、
検査対象物の屈伸角度を検出し、角度情報を出力する角度センサと、
角度情報に基づいて、振動信号を２以上の分割信号に分割する信号分割部と、
２以上の分割信号それぞれに対して、周波数解析を行い、２以上の解析信号を出力する周波数解析部とを有する関節音測定システム。
（２） ２以上の解析信号同士の比較、および、２以上の解析信号と基準信号との比較の少なくとも一方を行って、音源位置を判定する判定部を有する（１）に記載の関節音測定システム。
（３） 振動センサを２以上有する（１）または（２）に記載の関節音測定システム。
（４） 振動センサを４つ有する（３）に記載の関節音測定システム。
（５） ２以上の振動センサそれぞれから出力される２以上の振動信号の相互相関関数から遅延時間を算出する遅延時間算出部を有する（３）または（４）に記載の関節音測定システム。
（６） 判定部は、２以上の解析信号同士の比較結果、および、２以上の解析信号と基準信号との比較結果の少なくとも一方と、遅延時間とに基づいて、音源位置を判定する（５）に記載の関節音測定システム。
（７） 信号分割部における、振動信号の分割数が、２以上１０以下である（１）〜（６）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（８） 信号分割部における分割数が３であり、振動信号の分割位置が、屈伸角度が３０°±５°の位置、および、６０°±５°の位置である（１）〜（７）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（９） 角度センサが、傾斜計である（１）〜（８）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（１０） 振動センサが、加速度センサである（１）〜（９）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（１１） 加速度センサが、圧電型加速度センサである（１０）に記載の関節音測定システム。
（１２） 周波数解析部が、高速フーリエ変換を行う（１）〜（１１）のいずれかに記載の関節音測定システム。
検査対象物の屈伸角度を検出し、角度情報を出力する角度センサと、
角度情報に基づいて、振動信号を２以上の分割信号に分割する信号分割部と、
２以上の分割信号それぞれに対して、周波数解析を行い、２以上の解析信号を出力する周波数解析部とを有する関節音測定システム。
（２） ２以上の解析信号同士の比較、および、２以上の解析信号と基準信号との比較の少なくとも一方を行って、音源位置を判定する判定部を有する（１）に記載の関節音測定システム。
（３） 振動センサを２以上有する（１）または（２）に記載の関節音測定システム。
（４） 振動センサを４つ有する（３）に記載の関節音測定システム。
（５） ２以上の振動センサそれぞれから出力される２以上の振動信号の相互相関関数から遅延時間を算出する遅延時間算出部を有する（３）または（４）に記載の関節音測定システム。
（６） 判定部は、２以上の解析信号同士の比較結果、および、２以上の解析信号と基準信号との比較結果の少なくとも一方と、遅延時間とに基づいて、音源位置を判定する（５）に記載の関節音測定システム。
（７） 信号分割部における、振動信号の分割数が、２以上１０以下である（１）〜（６）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（８） 信号分割部における分割数が３であり、振動信号の分割位置が、屈伸角度が３０°±５°の位置、および、６０°±５°の位置である（１）〜（７）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（９） 角度センサが、傾斜計である（１）〜（８）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（１０） 振動センサが、加速度センサである（１）〜（９）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（１１） 加速度センサが、圧電型加速度センサである（１０）に記載の関節音測定システム。
（１２） 周波数解析部が、高速フーリエ変換を行う（１）〜（１１）のいずれかに記載の関節音測定システム。
本発明によれば、非侵襲的に変形性膝関節症の診断を行うことができ、かつ、高精度に患部の位置を特定可能な関節音測定システムを提供することができる。
以下、本発明の関節音測定システムについて、添付の図面に示される好適な第１実施形態を基に、詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
図１に、本発明の関節音測定システムの一例を、ブロック図によって概念的に示す。
図１に示す関節音測定システム１０は、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄと、角度センサ１３と、加速度センサ１２ａ〜１２ｄおよび角度センサ１３に接続される信号分割部１６と、周波数解析部１８と、判定部２０と、表示部２２と、制御部２４と、操作部２６とを有する。
図示例においては、信号分割部１６、周波数解析部１８、判定部２０、表示部２２、制御部２４、および、操作部２６が、測定装置本体１４を構成する。
また、加速度センサ１２ａ〜１２ｄは、本発明における振動センサの一種である。
図１に示す関節音測定システム１０は、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄと、角度センサ１３と、加速度センサ１２ａ〜１２ｄおよび角度センサ１３に接続される信号分割部１６と、周波数解析部１８と、判定部２０と、表示部２２と、制御部２４と、操作部２６とを有する。
図示例においては、信号分割部１６、周波数解析部１８、判定部２０、表示部２２、制御部２４、および、操作部２６が、測定装置本体１４を構成する。
また、加速度センサ１２ａ〜１２ｄは、本発明における振動センサの一種である。
図示例の関節音測定システム１０において、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄおよび角度センサ１３は、検査対象物（被検体）の膝関節近傍の皮膚に取り付けられるものであり、ケーブルあるいは無線によって測定装置本体１４と接続される。
なお、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄは、被検体の膝関節近傍の異なる位置に取り付けられる以外は、基本的に同じ構成を有するので、以下の説明において、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄを区別する必要がない場合には、加速度センサ１２として説明を行う。
なお、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄは、被検体の膝関節近傍の異なる位置に取り付けられる以外は、基本的に同じ構成を有するので、以下の説明において、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄを区別する必要がない場合には、加速度センサ１２として説明を行う。
加速度センサ１２は、被検体の屈伸運動に伴う関節音を振動として検出し、振動信号を出力するセンサである。
加速度センサ１２としては、圧電式、静電容量式、サーボ式、気泡式、熱検知方式、機械的変位測定方式等の種々の公知の加速度センサが利用可能である。なかでも、圧電型加速度センサは、検出できる加速度成分の範囲と検出できる周波数範囲の点で好適である。
加速度センサ１２としては、圧電式、静電容量式、サーボ式、気泡式、熱検知方式、機械的変位測定方式等の種々の公知の加速度センサが利用可能である。なかでも、圧電型加速度センサは、検出できる加速度成分の範囲と検出できる周波数範囲の点で好適である。
加速度センサ１２の取り付け位置には特に限定はなく、加速度センサの数、被検体の屈伸運動の方法等に応じて適宜決定すればよい。
一例として、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄを有する場合には、加速度センサ１２ａは脛骨の外側顆の位置、加速度センサ１２ｂは脛骨の内側顆の位置、加速度センサ１２ｃは膝蓋骨の位置、加速度センサ１２ｄは脛骨の位置に取り付けるのが好ましい。
一例として、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄを有する場合には、加速度センサ１２ａは脛骨の外側顆の位置、加速度センサ１２ｂは脛骨の内側顆の位置、加速度センサ１２ｃは膝蓋骨の位置、加速度センサ１２ｄは脛骨の位置に取り付けるのが好ましい。
なお、図示例においては、加速度センサを４つ有する構成としたが、これに限定はされず、１つであっても良いし、２つまたは３つであっても良いし、あるいは、５つ以上であっても良い。
加速度センサを２つ以上有する構成は、後述する遅延時間算出部における遅延時間の算出を行うことができるので、より高精度に音源位置を特定できる点で好ましい。特に、加速度センサを４つ有する構成は、遅延時間算出部における遅延時間の算出において、３次元空間上でより高精度に音源位置を特定できる点、コストの点等で好ましい。
加速度センサを２つ以上有する構成は、後述する遅延時間算出部における遅延時間の算出を行うことができるので、より高精度に音源位置を特定できる点で好ましい。特に、加速度センサを４つ有する構成は、遅延時間算出部における遅延時間の算出において、３次元空間上でより高精度に音源位置を特定できる点、コストの点等で好ましい。
また、加速度センサ１２を被検体に取り付ける際には、加速度センサ１２と被検体との間に、音響インピーダンスの値が生体に近い物質からなる層を設けることがより好ましい。
具体的には、音響インピーダンスが、１．３５×１０6〜４７×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）の範囲の物質が好ましく、ソナゲル（タキロン社製）、ジェルファイン（オオサキメディカル株式会社）、キャビジェル（株式会社メイク）などの超音波検査で用いられる超音波ジェルを用いることができる。
加速度センサ１２を被検体の皮膚に直接接触させて固定した場合には、加速度センサ１２と皮膚との間に空気の層ができてしまい、この空気との界面で振動が反射して体内に戻ってしまうため、振動が加速度センサ１２に十分に伝わらないおそれがある。これに対して、加速度センサ１２と被検体との間に、音響インピーダンスの値が生体に近い物質からなる層を設けることで、センサと皮膚との間に空気の層ができることを抑制でき、これにより、振動を加速度センサ１２に十分に伝えることができる。
具体的には、音響インピーダンスが、１．３５×１０6〜４７×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）の範囲の物質が好ましく、ソナゲル（タキロン社製）、ジェルファイン（オオサキメディカル株式会社）、キャビジェル（株式会社メイク）などの超音波検査で用いられる超音波ジェルを用いることができる。
加速度センサ１２を被検体の皮膚に直接接触させて固定した場合には、加速度センサ１２と皮膚との間に空気の層ができてしまい、この空気との界面で振動が反射して体内に戻ってしまうため、振動が加速度センサ１２に十分に伝わらないおそれがある。これに対して、加速度センサ１２と被検体との間に、音響インピーダンスの値が生体に近い物質からなる層を設けることで、センサと皮膚との間に空気の層ができることを抑制でき、これにより、振動を加速度センサ１２に十分に伝えることができる。
加速度センサ１２ａ〜１２ｄそれぞれから出力された振動信号は、測定装置本体１４の信号受信部（図示せず）を介して、測定装置本体１４に供給され、信号分割部１６に供給される。なお、信号受信部は、加速度センサ１２から出力された振動信号を、ＡＤ変換するＡＤ変換部や、信号を増幅する増幅部を有していてもよい。また、信号受信部と信号分割部１６との間には、ノイズの除去等を行う信号処理部を有していてもよい。
角度センサ１３は、被検体の屈伸運動に伴う膝の曲げ伸ばしの角度（屈伸角度）を検出し、時間と角度との関係を角度情報として出力するセンサである。
角度センサ１３としては、特に限定はなく、水平方向に対する傾斜角度を検出する傾斜計、ロータリーエンコーダ等の回転角センサ、ポテンショメータ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）静電容量方式角度センサ等の種々の公知の角度センサが利用可能である。なかでも、ＭＥＭＳ静電容量方式角度センサは、角度分解能と応答速度の点で好適である。
角度センサ１３としては、特に限定はなく、水平方向に対する傾斜角度を検出する傾斜計、ロータリーエンコーダ等の回転角センサ、ポテンショメータ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）静電容量方式角度センサ等の種々の公知の角度センサが利用可能である。なかでも、ＭＥＭＳ静電容量方式角度センサは、角度分解能と応答速度の点で好適である。
なお、角度センサ１３による屈伸角度の検出は、膝を伸ばした状態を０°とし、膝を９０°曲げた状態を９０°として検出してもよく、あるいは、膝を伸ばした状態を９０°とし、膝を９０°曲げた状態を０°として検出してもよい。なお、以下の説明においては、膝を９０°曲げた状態を０°として、膝を伸ばした状態を９０°として検出したものとして説明を行う。
角度センサ１３は、検出した角度情報を測定装置本体１４の信号分割部１６に供給する。
角度センサ１３は、検出した角度情報を測定装置本体１４の信号分割部１６に供給する。
測定装置本体１４の信号分割部１６は、角度センサ１３から供給される角度情報に基づいて、角度情報のグラフから、予め設定された角度となる時間を検出し、この時間の位置で、加速度センサ１２から供給される振動信号を２以上の分割信号に分割する部位である。
この点について、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を用いて説明する。
この点について、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を用いて説明する。
図２（Ａ）は、角度センサ１３から供給される角度情報の一例を概念的に表すグラフであり、図２（Ｂ）は、１つの加速度センサ１２から供給される振動信号の一例を概念的に表すグラフである。
図２（Ａ）に示す角度情報のグラフは、被検体の屈伸運動により、膝を９０°曲げた状態から、膝を伸ばした状態まで変化する屈伸角度と時間との関係を測定したものである。この際、前述のとおり膝を９０°曲げた状態を角度０°、膝を伸ばした状態を角度９０°と定義する。
一方、図２（Ｂ）に示す振動信号のグラフは、図２（Ａ）に示す膝の角度変化に伴って発生する膝の軟骨細胞の擦れ音（関節音）を加速度として測定した、加速度と時間との関係を表すものである。すなわち、この加速度の時間変化が振動信号である。
図２（Ａ）に示す角度情報のグラフは、被検体の屈伸運動により、膝を９０°曲げた状態から、膝を伸ばした状態まで変化する屈伸角度と時間との関係を測定したものである。この際、前述のとおり膝を９０°曲げた状態を角度０°、膝を伸ばした状態を角度９０°と定義する。
一方、図２（Ｂ）に示す振動信号のグラフは、図２（Ａ）に示す膝の角度変化に伴って発生する膝の軟骨細胞の擦れ音（関節音）を加速度として測定した、加速度と時間との関係を表すものである。すなわち、この加速度の時間変化が振動信号である。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す例では、信号分割部１６は、図２（Ａ）の角度情報のグラフから、３０°および６０°となる時間をそれぞれ検出し、図２（Ｂ）の振動信号Ｖを、これらの時間の位置で、３つの分割信号に分割し、０°から３０°に対応する信号である第１分割信号Ｖ１と、３０°から６０°に対応する信号である第２分割信号Ｖ２と、６０°から９０°に対応する信号である第３分割信号Ｖ３を生成する。
すなわち、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すグラフは、１回の屈伸運動に対応する信号であり、信号分割部１６は、１回の屈伸運動で得られた振動信号を、屈伸角度に応じて３つの分割信号に分割している。
すなわち、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すグラフは、１回の屈伸運動に対応する信号であり、信号分割部１６は、１回の屈伸運動で得られた振動信号を、屈伸角度に応じて３つの分割信号に分割している。
なお、図示例においては、信号分割部１６による振動信号の分割数は３つとしたが、これに限定はされず、２つであってもよく、あるいは、４つ以上であってもよい。なお、振動信号の分割数が多いと、各分割信号の情報量が少なくなるため、後述する周波数解析部１８における周波数解析の分解能が低下するので、分割数は、２つ以上１０個以下であるのが好ましい。
さらに、信号分割部１６による分割数は３つであるのが特に好ましい。この点については後に詳述する。
さらに、信号分割部１６による分割数は３つであるのが特に好ましい。この点については後に詳述する。
また、図示例においては、信号分割部１６による振動信号の分割の位置は、３０°間隔とした、すなわち、角度が均等になる位置で分割したが、これに限定はされず、均等でない角度位置で分割してもよい。
なお、信号分割部１６による振動信号の分割位置は、角度が均等になる位置で分割するのが好ましく、信号分割部１６による分割数が３つの場合には、角度が３０°±５°の位置、および、６０°±５°の位置で分割するのが好ましい。
なお、信号分割部１６による振動信号の分割位置は、角度が均等になる位置で分割するのが好ましく、信号分割部１６による分割数が３つの場合には、角度が３０°±５°の位置、および、６０°±５°の位置で分割するのが好ましい。
また、信号分割部１６が、振動信号を分割する角度や、分割数は、予め設定されていてもよく、あるいは、操作者が操作部２６から入力して設定してもよい。
信号分割部１６は、１以上の加速度センサ１２ａ〜１２ｄから供給される振動信号それぞれについて、２以上の分割信号に分割し、得られた複数の分割信号を周波数解析部１８に供給する。
周波数解析部１８は、信号分割部１６から供給される複数の分割信号それぞれに対して、周波数解析を行って、複数の解析信号を出力する部位である。
図示例においては、４つの加速度センサ１２を有し、信号分割部１６において、各加速度センサ１２から出力される振動信号をそれぞれ３つに分割するので、周波数解析部１８は、１２個の分割信号それぞれについて、周波数解析を行う。
図示例においては、４つの加速度センサ１２を有し、信号分割部１６において、各加速度センサ１２から出力される振動信号をそれぞれ３つに分割するので、周波数解析部１８は、１２個の分割信号それぞれについて、周波数解析を行う。
周波数解析部１８が行う周波数解析としては、分割信号の周波数特性を求める数学処理であれば特に限定はない。具体的には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、ウェーブレット変換、time-frequency法、統計的解析手法等が利用可能である。
なかでも、処理負荷が低い、計算コストが安価等の観点からＦＦＴによる周波数解析が好ましい。
なお、後述の実施例における解析信号を示す図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、分割信号に対してＦＦＴによる周波数解析を行った解析信号の例である。
なかでも、処理負荷が低い、計算コストが安価等の観点からＦＦＴによる周波数解析が好ましい。
なお、後述の実施例における解析信号を示す図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、分割信号に対してＦＦＴによる周波数解析を行った解析信号の例である。
変形性膝関節症（ＯＡ）の診断では、ＯＡ患者の関節音は、健常者の関節音に比べて、所定の周波数帯（例えば、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯）で高いパワーを示すことを利用して診断を行う。
すなわち、膝の関節音の振動信号に対して、ＦＦＴ等の周波数解析を行い、パワー値と周波数との関係を表す解析信号を求め、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯でのパワー値を健常者のものと比較することで、診断を行う。
すなわち、膝の関節音の振動信号に対して、ＦＦＴ等の周波数解析を行い、パワー値と周波数との関係を表す解析信号を求め、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯でのパワー値を健常者のものと比較することで、診断を行う。
ここで、本発明においては、振動信号を２以上に分割して、各分割信号に対して周波数解析を行う。そのため、膝の屈伸の状態（角度）ごとに、ＯＡの診断を行うことができる。したがって、どの角度域で所定の周波数帯のパワー値が高いか、すなわち、どの角度域でＯＡの症状が現れているかを判断することで、音源の位置、すなわち、患部の位置を特定することができる。
この点について、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を用いて詳細に説明する。
この点について、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を用いて詳細に説明する。
図３（Ａ）は、関節音を測定する膝の骨組みを概念的に示す正面図であり、図３（Ｂ）は、膝を伸ばした状態（９０°）の骨組みを概念的に示す側面図であり、図３（Ｃ）は、膝を曲げる途中の状態の骨組みを概念的に示す側面図であり、図３（Ｄ）は、膝を完全に曲げた状態（０°）の骨組みを概念的に示す側面図である。
なお、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）においては、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔおよび膝蓋骨Ｐのみを示す他の骨や靭帯、骨膜、腱等の図示は省略している。
なお、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）においては、大腿骨Ｆ、脛骨Ｔおよび膝蓋骨Ｐのみを示す他の骨や靭帯、骨膜、腱等の図示は省略している。
図３（Ｂ）に示すように、膝を伸ばした状態では、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃの正面側の側面と接しており、脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃの先端側の面と接している。
一方、図３（Ｄ）に示すように、膝を完全に曲げた状態では、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃの先端側の面と接しており、脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃの後ろ側の側面と接している。
また、図３（Ｃ）に示すように、膝を伸ばした状態から曲げると、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃ上を滑り移動し、脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃ上を滑り移動する。
すなわち、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは常に、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃに接しており、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃは、膝の屈伸の状態により軟骨との接触位置が変わる。
一方、図３（Ｄ）に示すように、膝を完全に曲げた状態では、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃの先端側の面と接しており、脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃの後ろ側の側面と接している。
また、図３（Ｃ）に示すように、膝を伸ばした状態から曲げると、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃ上を滑り移動し、脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃ上を滑り移動する。
すなわち、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃは常に、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃに接しており、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃは、膝の屈伸の状態により軟骨との接触位置が変わる。
したがって、膝を曲げた状態から伸ばし始めの屈伸角度０°〜３０°に対応する第１分割信号Ｖ１、曲げ途中の屈伸角度３０°〜６０°に対応する分割信号Ｖ２、曲げ途中から完全に伸ばすまでの屈伸角度６０°〜９０°に対応する分割信号Ｖ３それぞれに対して、周波数解析を行った解析信号Ａ１、Ａ２、Ａ３において、全ての解析信号Ａ１、Ａ２、Ａ３で、所定の周波数帯のパワー値が健常者に比較して高い場合には、常に他の軟骨と接している部位、すなわち、脛骨Ｔの軟骨Ｔｃおよび膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃの少なくとも一方が悪くなっているということがわかる。
解析信号Ａ１、Ａ２のみ、あるいは、解析信号Ａ２、Ａ３のみが、所定の周波数帯のパワー値が健常者に比較して高い場合、ならびに、解析信号Ａ１、Ａ２、Ａ３のいずれか１つで、所定の周波数帯のパワー値が健常者に比較して高い場合には、他の軟骨と接したり離れたりする部位、すなわち、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃのある箇所が悪くなっていることがわかる。
解析信号Ａ１、Ａ２のみ、あるいは、解析信号Ａ２、Ａ３のみが、所定の周波数帯のパワー値が健常者に比較して高い場合、ならびに、解析信号Ａ１、Ａ２、Ａ３のいずれか１つで、所定の周波数帯のパワー値が健常者に比較して高い場合には、他の軟骨と接したり離れたりする部位、すなわち、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃのある箇所が悪くなっていることがわかる。
前述のとおり、従来、ＯＡ診断において、１つの加速度計を用いて測定を行った場合には、患部の位置を特定することが難しかった。
そこで、患部の位置を更に特定するために、４つの加速度計を患部近傍の異なる位置に取り付け、それぞれの位置からの信号の相関係数を計算して、遅延時間により、音源（患部）の位置を推定することが提案されている。
しかしながら、４つの加速度計を用いて、各加速度計からの信号の遅延時間により、音源の位置を特定する場合であっても、相関係数自体非常に小さく、精度が十分でないという問題があった。
そこで、患部の位置を更に特定するために、４つの加速度計を患部近傍の異なる位置に取り付け、それぞれの位置からの信号の相関係数を計算して、遅延時間により、音源（患部）の位置を推定することが提案されている。
しかしながら、４つの加速度計を用いて、各加速度計からの信号の遅延時間により、音源の位置を特定する場合であっても、相関係数自体非常に小さく、精度が十分でないという問題があった。
これに対して、本発明では、加速度センサで検出した振動信号を、屈伸角度の角度情報に基づいて、２以上の分割信号に分割し、２以上の分割信号それぞれに対して、周波数解析を行って解析信号を出力する。これにより、上述のとおり、どの角度域の解析信号で所定の周波数帯のパワー値が高いかによって、膝の軟骨のどの部位が悪いのかを判断することができ、高精度に患部の位置を特定することができる。
また、本発明においては、１つの加速度センサを用いた場合であっても、患部の位置をある程度特定することができる。
また、本発明においては、１つの加速度センサを用いた場合であっても、患部の位置をある程度特定することができる。
周波数解析部１８は、得られた解析信号を判定部２０に供給する。
判定部２０は、周波数解析部１８から供給される複数の解析信号から音源位置を判定する部位である。
具体的には、例えば、判定部２０は、各解析信号での所定の周波数帯のパワー値を基準となるパワー値と比較して、全ての解析信号が、基準のパワー値を上回った場合には、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃの少なくとも一方が悪いと判定し、解析信号の少なくとも１つが、基準のパワー値を上回った場合には、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃが悪いと判定し、全ての解析信号が基準のパワー値以下であった場合には、正常であると判定する。
具体的には、例えば、判定部２０は、各解析信号での所定の周波数帯のパワー値を基準となるパワー値と比較して、全ての解析信号が、基準のパワー値を上回った場合には、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃの少なくとも一方が悪いと判定し、解析信号の少なくとも１つが、基準のパワー値を上回った場合には、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃが悪いと判定し、全ての解析信号が基準のパワー値以下であった場合には、正常であると判定する。
なお、判定部２０は、複数の解析信号を互いに比較して、パワー値の差が所定の値よりも小さい場合には、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃの少なくとも一方が悪いと判定し、パワー値の差が所定の値よりも大きい場合には、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃが悪いと判定してもよい。例えば、パワー値が最も小さい解析信号のパワー値とパワー値が最も大きい解析信号のパワー値との差が２割未満の場合には、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃの少なくとも一方が悪いと判定し、パワー値が最も小さい解析信号のパワー値とパワー値が最も大きい解析信号のパワー値との差が２割以上の場合には、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃが悪いと判定するようにしてもよい。
また、判定部２０は、解析信号が基準のパワー値と比較した結果と、解析信号同士を比較した結果とに基づいて判定を行ってもよい。
また、判定部２０は、解析信号が基準のパワー値と比較した結果と、解析信号同士を比較した結果とに基づいて判定を行ってもよい。
なお、関節音計測システム１０が１つの加速度センサ１２を有し、１つの加速度センサから出力される振動信号を分割して複数の分割信号を生成し、各分割信号に対して周波数解析を行って複数の解析信号を求める場合には、１つの振動信号から得られる複数の解析信号を用いて上記の判定を行えばよい。
また、複数の加速度センサ１２を有し、各加速度センサ１２から出力される振動信号をそれぞれ分割して分割信号を生成し、各分割信号に対して周波数解析を行って複数の解析信号を求める場合には、判定部２０は、同じ角度域ごとに解析信号の平均値を求めて、この解析信号の平均値について、基準のパワー値を上回るか否かの比較を行い、上述の判定をすればよい。あるいは、加速度センサごとに上述の判定を行い、最も判定結果が多い判定結果を採用してもよい。
なお、複数の加速度センサ１２を用いた場合には、理想的には全ての加速度センサ１２の振動信号から同じ判定結果が得られるが、加速度センサ１２の取り付け位置や、ノイズ等の影響で判定結果にばらつきが生じることがある。これに対して、複数の加速度センサ１２を用いることで、加速度センサ１２の取り付け位置や、ノイズ等の影響を低減でき、より正確に判定することができる。
また、１つの加速度センサ１２を有する構成の場合には、全ての解析信号が大きくなった場合には、膝蓋骨起因か脛骨起因かが不明であるが、加速度センサを２以上有する場合には、膝蓋骨付近に取り付けた加速度センサからの信号の解析結果と、脛骨付近に取り付けた加速度センサからの解析結果から音源位置をより正確に判定できる。また、大腿骨起因の場合も、１つの加速度センサでは、大腿骨起因としか推定できないが、２以上の加速度センサを有する場合には、外側顆近傍の加速度センサからの解析結果と内側顆近傍の加速度センサからの解析結果を合わせることで、大腿骨の内側か、外側かが判定できる。
判定部２０は、判定結果を表示部２２に供給する。
また、１つの加速度センサ１２を有する構成の場合には、全ての解析信号が大きくなった場合には、膝蓋骨起因か脛骨起因かが不明であるが、加速度センサを２以上有する場合には、膝蓋骨付近に取り付けた加速度センサからの信号の解析結果と、脛骨付近に取り付けた加速度センサからの解析結果から音源位置をより正確に判定できる。また、大腿骨起因の場合も、１つの加速度センサでは、大腿骨起因としか推定できないが、２以上の加速度センサを有する場合には、外側顆近傍の加速度センサからの解析結果と内側顆近傍の加速度センサからの解析結果を合わせることで、大腿骨の内側か、外側かが判定できる。
判定部２０は、判定結果を表示部２２に供給する。
表示部２２は、例えば、ＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、判定部２０から供給された判定結果を制御部２４の制御の下で表示する。
制御部２４は、操作者により操作部２６から入力された指令に基づいて関節音測定システム１０の各部の制御を行う部位である。
また、制御部２４は、操作部２６を用いて操作者によって入力された各種の情報を、必要な部位に供給する。例えば、操作部２６に、測定の開始および終了の情報、信号分割部１６で用いられる信号の分割数、分割する角度等の情報、判定部２０で用いられる基準のパワー値の情報等の入力が行われた場合には、これらの情報を、必要に応じて、関節音測定システムの各部に供給する。
また、制御部２４は、操作部２６を用いて操作者によって入力された各種の情報を、必要な部位に供給する。例えば、操作部２６に、測定の開始および終了の情報、信号分割部１６で用いられる信号の分割数、分割する角度等の情報、判定部２０で用いられる基準のパワー値の情報等の入力が行われた場合には、これらの情報を、必要に応じて、関節音測定システムの各部に供給する。
操作部２６は、操作者が入力操作を行うためのものであり、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパネル等から形成することができる。
また、操作部２６は、操作者が、必要に応じて各種の情報を入力するための、入力機能を備えている。例えば、操作部２６は、測定の開始および終了の情報、信号分割部１６で用いられる信号の分割数、分割する角度等の情報、判定部２０で用いられる基準のパワー値の情報等を入力するための、入力機能を備えている。
また、操作部２６は、操作者が、必要に応じて各種の情報を入力するための、入力機能を備えている。例えば、操作部２６は、測定の開始および終了の情報、信号分割部１６で用いられる信号の分割数、分割する角度等の情報、判定部２０で用いられる基準のパワー値の情報等を入力するための、入力機能を備えている。
なお、関節音測定システムにおいて、信号分割部１６、周波数解析部１８、判定部２０および制御部２４等は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵに各種の処理を行わせるための動作プログラムから構成され、例えば、ＰＣ（personal computer）を用いてもよい。しかしながら、本発明においては、これらの部位をデジタル回路で構成してもよい。
ここで、図１に示す関節音測定システム１０においては、４つの加速度センサ１２を有し、４つの加速度センサ１２から出力される振動信号すべてに対して、信号分割および周波数解析を行う構成としたが、これに限定はされず、複数の加速度センサを有する場合であっても、少なくとも１つの加速度センサから出力される振動信号に対して信号分割および周波数解析を行う構成であればよい。
また、図１に示す例では、判定部２０の判定結果を表示部２２に表示する構成としたが、これに限定はされず、判定部２０の判定結果を音声等により通知するものであってもよい。
また、図１に示す例では、周波数解析部１８による解析信号に基づいて、判定部２０が患部の位置を判定して、判定結果を表示部２２に表示する構成としたが、これに限定はされず、周波数解析部１８による解析信号のグラフを表示部２２に表示する構成としてもよい。すなわち、解析信号のグラフを表示部２２に表示するのみで、医師等が、解析信号のグラフを見て患部位置の特定を行うようにしてもよい。
また、図１に示す例では、周波数解析部１８による解析信号に基づいて、判定部２０が患部の位置を判定して、判定結果を表示部２２に表示する構成としたが、これに限定はされず、周波数解析部１８による解析信号のグラフを表示部２２に表示する構成としてもよい。すなわち、解析信号のグラフを表示部２２に表示するのみで、医師等が、解析信号のグラフを見て患部位置の特定を行うようにしてもよい。
また、図１に示す例では、振動センサとして、加速度センサを用いたがこれに限定はされず、電子聴診器や、マイクロフォン等の音を検出するデバイスを用いてもよい。
また、本発明の関節音測定システムは、加速度センサから振動信号を取得した後、連続的に、信号分割部による信号の分割や、周波数解析部による周波数解析を行う構成に限定はされず、取得した振動信号を一旦、データ記憶部に記憶しておき、操作者からの指示に応じて、信号分割部による信号の分割や、周波数解析部による周波数解析を行う構成としてもよい。また、取得した振動信号のデータを一旦、取り出し可能な記録媒体に記録して、他のＰＣ等に振動信号のデータを移動して、信号の分割や、周波数解析を行う構成としてもよい。
次に、本発明の関節音測定システムの好適な第２実施形態について、図４を用いて説明する。
なお、図４に示す関節音測定システム３０は、さらに遅延時間算出部３２を有する以外は、図１に示す関節音測定システム１０と同じ構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明では異なる部位を主に行う。
なお、図４に示す関節音測定システム３０は、さらに遅延時間算出部３２を有する以外は、図１に示す関節音測定システム１０と同じ構成を有するので、同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明では異なる部位を主に行う。
図４に示す関節音測定システム３０は、４つの加速度センサ１２ａ〜１２ｄと、角度センサ１３と、加速度センサ１２ａ〜１２ｄに接続される遅延時間算出部３２と、加速度センサ１２ａ〜１２ｄおよび角度センサ１３に接続される信号分割部１６と、周波数解析部１８と、判定部２０と、表示部２２と、制御部２４と、操作部２６とを有する。
図示例においては、遅延時間算出部３２、信号分割部１６、周波数解析部１８、判定部２０、表示部２２、制御部２４、および、操作部２６が、測定装置本体３４を構成する。
図示例においては、遅延時間算出部３２、信号分割部１６、周波数解析部１８、判定部２０、表示部２２、制御部２４、および、操作部２６が、測定装置本体３４を構成する。
遅延時間算出部３２は、２以上の加速度センサ１２が接続されており、これら加速度センサ１２から供給される２以上の振動信号について、相互相関関数から遅延時間を算出する部位である。
２以上の加速度センサ１２を有する場合、ある音源から発せられた振動が、各加速度センサに届くまでの時間は、加速度センサ１２の取り付け位置に応じて異なる。すなわち、音源の近くに取り付けられた加速度センサに振動が届くまでの時間と、音源の遠くに取り付けられた加速度センサに同じ振動が届くまでの時間との間には時間差がある。
遅延時間算出部３２は、この時間差を遅延時間として算出するものである。
２以上の加速度センサ１２を有する場合、ある音源から発せられた振動が、各加速度センサに届くまでの時間は、加速度センサ１２の取り付け位置に応じて異なる。すなわち、音源の近くに取り付けられた加速度センサに振動が届くまでの時間と、音源の遠くに取り付けられた加速度センサに同じ振動が届くまでの時間との間には時間差がある。
遅延時間算出部３２は、この時間差を遅延時間として算出するものである。
ここで、同じ音源から同じタイミングで発せられた振動であっても、異なる経路を通って各加速度センサに到達するため、各加速度センサで検出される振動信号の波形は完全には一致しない。
そこで、遅延時間算出部３２は、各加速度センサが検出した振動信号同士の波形の相互相関関数を求めることで、遅延時間Δｔを求める。
そこで、遅延時間算出部３２は、各加速度センサが検出した振動信号同士の波形の相互相関関数を求めることで、遅延時間Δｔを求める。
具体的には、例えば、２つの振動信号間の相互相関関数を求める場合には、相互相関関数Ｒn (fg)は、下記式で表される。
上記式において、ｆiは、一方の振動信号を表し、ｇi+nは、他方の振動信号を表す。
振動信号ｆiの時間軸はそのままに、振動信号ｇi+nを時間軸上でΔｔずらして、上記相互相関関数Ｒn (fg)を計算し、相互相関関数Ｒn (fg)が最大となる、すなわち、振動信号ｆiと振動信号ｇi+nとの相関が強くなる場合の時間Δｔが遅延時間となる。
振動信号ｆiの時間軸はそのままに、振動信号ｇi+nを時間軸上でΔｔずらして、上記相互相関関数Ｒn (fg)を計算し、相互相関関数Ｒn (fg)が最大となる、すなわち、振動信号ｆiと振動信号ｇi+nとの相関が強くなる場合の時間Δｔが遅延時間となる。
加速度センサを３つ以上有する場合には、各加速度センサから出力される振動信号間での遅延時間を全て求めればよい。
なお、加速度センサが２つの場合には、得られた遅延時間から、音源がどちらの位置に近いかがわかる。また、加速度センサが３つの場合には、得られた遅延時間から、２次元平面上での音源の位置が推定できる。また、加速度センサが４つの場合には、得られた遅延時間から３次元空間上での音源の位置が推定できる。
なお、加速度センサが２つの場合には、得られた遅延時間から、音源がどちらの位置に近いかがわかる。また、加速度センサが３つの場合には、得られた遅延時間から、２次元平面上での音源の位置が推定できる。また、加速度センサが４つの場合には、得られた遅延時間から３次元空間上での音源の位置が推定できる。
具体的には、例えば、２つの加速度センサを用いる場合には、２つの加速度センサをそれぞれ、脛骨外側顆の近傍と脛骨内側顆の近傍、脛骨外側顆の近傍と脛骨の近傍、脛骨外側顆の近傍と膝蓋骨の近傍、脛骨内側顆の近傍と脛骨の近傍、脛骨内側顆の近傍と膝蓋骨の近傍、および、脛骨の近傍と膝蓋骨の近傍のいずれかに付けて、相互相関関数を求める事で、音源の位置が取り付け位置の間のどの位置にあるかを推定でき、1つの場合よりも正確に音源を特定することが出来る。
遅延時間算出部３２は、算出した遅延時間Δｔの情報を判定部２０ｂに供給する。
判定部２０ｂは、周波数解析部１８から供給される複数の解析信号、および、遅延時間算出部３２から供給される遅延時間Δｔから音源位置を判定する部位である。
すなわち、判定部２０ｂは、各解析信号での所定の周波数帯のパワー値を基準のパワー値と比較して、基準のパワー値を上回るか否かに応じて、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃの少なくとも一方が悪いのか、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃが悪いのか、正常であるのかを判定し、さらに、遅延時間Δｔの情報から、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃのどちらが悪いのか、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃのどの位置が悪いのかを判定する。
例えば、各解析信号での所定の周波数帯のパワー値が基準のパワー値を上回り、かつ、遅延時間Δｔの情報から、膝蓋骨Ｐに近い加速度センサに到達するのが最速である場合には、判定部２０ｂは、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃが悪いと判定する。
すなわち、判定部２０ｂは、各解析信号での所定の周波数帯のパワー値を基準のパワー値と比較して、基準のパワー値を上回るか否かに応じて、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃの少なくとも一方が悪いのか、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃが悪いのか、正常であるのかを判定し、さらに、遅延時間Δｔの情報から、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃおよび脛骨Ｔの軟骨Ｔｃのどちらが悪いのか、大腿骨Ｆの軟骨Ｆｃのどの位置が悪いのかを判定する。
例えば、各解析信号での所定の周波数帯のパワー値が基準のパワー値を上回り、かつ、遅延時間Δｔの情報から、膝蓋骨Ｐに近い加速度センサに到達するのが最速である場合には、判定部２０ｂは、膝蓋骨Ｐの軟骨Ｐｃが悪いと判定する。
このように、振動信号を分割して周波数解析を行う構成に加えて、遅延時間算出部３２を有し、２以上の加速度センサ１２それぞれから出力される２以上の振動信号の相互相関関数から遅延時間を算出する構成として、周波数解析の結果と算出した遅延時間から音源の位置を判定することで、より高精度に音源位置を特定できる。
判定部２０ｂは、判定結果を表示部２２に供給し、表示部２２は判定結果を表示する。
なお、関節音測定システム３０において、判定部２０ｂを有さずに、周波数解析部１８により得られた解析信号、および、遅延時間算出部３２が算出した遅延時間Δｔの情報を表示部２２に表示する構成としてもよい。
なお、関節音測定システム３０において、判定部２０ｂを有さずに、周波数解析部１８により得られた解析信号、および、遅延時間算出部３２が算出した遅延時間Δｔの情報を表示部２２に表示する構成としてもよい。
以上、本発明の関節音測定システムに関して詳細に説明したが、本発明は、上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。
［実施例１］
５人の被検体に対して、以下の測定を行った。
なお、５人の被検体は、健常者である被験者Ａ、膝蓋骨軟骨に損傷を有する被験者Ｂ、脛骨軟骨に損傷を有する被験者Ｃ、大腿骨軟骨の外側顆に損傷を有する被験者Ｄ、大腿骨軟骨の内側顆に損傷を有する被験者Ｅとした。
５人の被検体に対して、以下の測定を行った。
なお、５人の被検体は、健常者である被験者Ａ、膝蓋骨軟骨に損傷を有する被験者Ｂ、脛骨軟骨に損傷を有する被験者Ｃ、大腿骨軟骨の外側顆に損傷を有する被験者Ｄ、大腿骨軟骨の内側顆に損傷を有する被験者Ｅとした。
図４に示すような関節音測定システム３０を用いて、測定を行った。
まず、被検体の膝に、加速度センサ（ワコーテック社製 MA3-04AD）、４つを外側顆（ａ）、内側顆（ｂ）、膝蓋骨（ｃ）、脛骨（ｄ）に固定した。固定する際は、バンドを利用して固定した。この際、固定力（バンドの巻き張力）が一定になるように調整した。また角度センサ（ワッティー社製 ＨＡ−２０５）を大腿四頭筋に固定して、膝の傾斜角度を測定できるようにした。なお、実施例においては、座位状態で屈曲した状態を０°、立位状態で膝が伸張した状態を９０°とした。
まず、被検体の膝に、加速度センサ（ワコーテック社製 MA3-04AD）、４つを外側顆（ａ）、内側顆（ｂ）、膝蓋骨（ｃ）、脛骨（ｄ）に固定した。固定する際は、バンドを利用して固定した。この際、固定力（バンドの巻き張力）が一定になるように調整した。また角度センサ（ワッティー社製 ＨＡ−２０５）を大腿四頭筋に固定して、膝の傾斜角度を測定できるようにした。なお、実施例においては、座位状態で屈曲した状態を０°、立位状態で膝が伸張した状態を９０°とした。
−屈伸運動−
加速度センサおよび角度センサを取り付けた状態で、２０秒間で２回、屈伸運動を行った。その際、立上り運動（０°→９０°）、立下り運動（９０°→０°）を１秒間で行えるように運動スピードが一定になるように訓練して実験を行った。また、立上り運動、立ち下がり運動の間は立った状態で３秒間開けて余計なノイズ成分が測定されないように注意した。
加速度センサおよび角度センサを取り付けた状態で、２０秒間で２回、屈伸運動を行った。その際、立上り運動（０°→９０°）、立下り運動（９０°→０°）を１秒間で行えるように運動スピードが一定になるように訓練して実験を行った。また、立上り運動、立ち下がり運動の間は立った状態で３秒間開けて余計なノイズ成分が測定されないように注意した。
−データ取得−
各加速度センサからの出力信号は、Ａ／Ｄボードを通してＰＣに入力した。周波数解析部による周波数解析は、（ａ）位置の加速度センサからの振動信号に対して行った。その際、（ａ）位置以外の加速度センサからの信号は入ってこないように他の加速度センサの電源を切った状態で実験を行った。
また、遅延時間算出部による遅延時間を求める実験では、（ａ）位置、（ｂ）位置、（ｃ）位置、（ｄ）位置の４つの加速度センサからの信号を検出した。
各加速度センサからの出力信号は、Ａ／Ｄボードを通してＰＣに入力した。周波数解析部による周波数解析は、（ａ）位置の加速度センサからの振動信号に対して行った。その際、（ａ）位置以外の加速度センサからの信号は入ってこないように他の加速度センサの電源を切った状態で実験を行った。
また、遅延時間算出部による遅延時間を求める実験では、（ａ）位置、（ｂ）位置、（ｃ）位置、（ｄ）位置の４つの加速度センサからの信号を検出した。
−データ処理及び実験−
〔周波数解析〕
（ａ）位置から加速度センサを通して得られた時間領域の加速度データのＲＭＳ（root mean square）平均値（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）、すなわち、振動信号を算出した。
次に、信号分割部において、角度センサを通して得られた角度情報から、０°〜３０°、３０°〜６０°、６０°〜９０°の３つ領域に対応する分割信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に分割して、時間領域の振動信号を３つに分けた。
次に、周波数解析部において、各分割信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のデータに対してＦＦＴ処理を行い、周波数領域のデータである３つの解析信号Ａ１、Ａ２、Ａ３に変換した。
各被験者Ａ〜Ｅについて、得られた解析信号をそれぞれ図５（Ａ）〜図５（Ｅ）に示す。
〔周波数解析〕
（ａ）位置から加速度センサを通して得られた時間領域の加速度データのＲＭＳ（root mean square）平均値（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）、すなわち、振動信号を算出した。
次に、信号分割部において、角度センサを通して得られた角度情報から、０°〜３０°、３０°〜６０°、６０°〜９０°の３つ領域に対応する分割信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に分割して、時間領域の振動信号を３つに分けた。
次に、周波数解析部において、各分割信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のデータに対してＦＦＴ処理を行い、周波数領域のデータである３つの解析信号Ａ１、Ａ２、Ａ３に変換した。
各被験者Ａ〜Ｅについて、得られた解析信号をそれぞれ図５（Ａ）〜図５（Ｅ）に示す。
図５（Ａ）〜図５（Ｅ）にそれぞれ示す角度ごとの３つの解析信号Ａ１〜Ａ３の低周波数領域（５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ）でデータ比較を行い、音源位置の判定、すなわち、軟骨状態を評価すると、
被験者Ａのデータは、Ａ１〜Ａ３の３領域で低い強度となった。すなわち、正常であると判定される。
被験者Ｂのデータは、Ａ１〜Ａ３の３領域で強い強度となった。すなわち、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定される。
被験者Ｃのデータは、Ａ１〜Ａ３の３領域で強い強度となった。すなわち、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定される。
被験者Ｄのデータは、Ａ１とＡ２の２領域で低く、Ａ３の領域で強い強度となった。すなわち、大腿骨軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｅのデータは、Ａ１の領域で低く、Ａ２とＡ３の領域で強い強度となった。すなわち、大腿骨軟骨が悪いと判定される。
これらの判定結果は、実際の被験者の状態と一致しており、正しいことがわかる。
被験者Ａのデータは、Ａ１〜Ａ３の３領域で低い強度となった。すなわち、正常であると判定される。
被験者Ｂのデータは、Ａ１〜Ａ３の３領域で強い強度となった。すなわち、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定される。
被験者Ｃのデータは、Ａ１〜Ａ３の３領域で強い強度となった。すなわち、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定される。
被験者Ｄのデータは、Ａ１とＡ２の２領域で低く、Ａ３の領域で強い強度となった。すなわち、大腿骨軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｅのデータは、Ａ１の領域で低く、Ａ２とＡ３の領域で強い強度となった。すなわち、大腿骨軟骨が悪いと判定される。
これらの判定結果は、実際の被験者の状態と一致しており、正しいことがわかる。
〔遅延時間の算出〕
（ａ）位置、（ｂ）位置、（ｃ）位置、（ｄ）位置の各加速度センサから得られた時間領域の加速度データのＲＭＳ平均値、すなわち、振動信号を算出した。
遅延時間算出部において、各加速度センサから得られた振動信号の相互相関関数を計算して、遅延時間を計算した。その際、（ａ）位置−（ｂ）位置、（ａ）位置−（ｃ）位置、（ａ）位置−（ｄ）位置、（ｂ）位置−（ｃ）位置、（ｂ）位置−（ｄ）位置、（ｃ）位置−（ｄ）位置のそれぞれの振動信号間での遅延時間を計算した。遅延時間計算により、（ａ）位置〜（ｄ）位置のどの位置の信号が最速かを判断することで、音源位置が（ａ）位置起因か、（ｂ）位置起因か、（ｃ）位置起因か、（ｄ）位置起因かを推定した。
なお、相関関数実験には関しては、被験者Ｂ、被験者Ｃ、被験者Ｄ、被験者Ｅに関して行った。
（ａ）位置、（ｂ）位置、（ｃ）位置、（ｄ）位置の各加速度センサから得られた時間領域の加速度データのＲＭＳ平均値、すなわち、振動信号を算出した。
遅延時間算出部において、各加速度センサから得られた振動信号の相互相関関数を計算して、遅延時間を計算した。その際、（ａ）位置−（ｂ）位置、（ａ）位置−（ｃ）位置、（ａ）位置−（ｄ）位置、（ｂ）位置−（ｃ）位置、（ｂ）位置−（ｄ）位置、（ｃ）位置−（ｄ）位置のそれぞれの振動信号間での遅延時間を計算した。遅延時間計算により、（ａ）位置〜（ｄ）位置のどの位置の信号が最速かを判断することで、音源位置が（ａ）位置起因か、（ｂ）位置起因か、（ｃ）位置起因か、（ｄ）位置起因かを推定した。
なお、相関関数実験には関しては、被験者Ｂ、被験者Ｃ、被験者Ｄ、被験者Ｅに関して行った。
遅延時間の算出結果から、音源位置の判定を行うと、
被験者Ｂの場合は、（ｃ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、膝蓋骨近傍の大腿骨軟骨または膝蓋骨軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｃの場合は、（ｄ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、脛骨近傍の大腿骨軟骨または脛骨軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｄの場合は、（ａ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、大腿骨外側顆の軟骨または脛骨外側の軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｅの場合は、（ｂ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、大腿骨内側顆の軟骨または脛骨内側の軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｂの場合は、（ｃ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、膝蓋骨近傍の大腿骨軟骨または膝蓋骨軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｃの場合は、（ｄ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、脛骨近傍の大腿骨軟骨または脛骨軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｄの場合は、（ａ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、大腿骨外側顆の軟骨または脛骨外側の軟骨が悪いと推定される。
被験者Ｅの場合は、（ｂ）位置の加速度センサの振動信号が最速であった。したがって、大腿骨内側顆の軟骨または脛骨内側の軟骨が悪いと推定される。
次に、周波数解析の結果と、遅延時間算出の結果から、
被験者Ｂの場合は、周波数解析の結果から、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定され、遅延時間からは、膝蓋骨近傍の大腿骨軟骨または膝蓋骨軟骨が悪いと推定された。したがって、膝蓋骨軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｃの場合は、周波数解析の結果から、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定され、遅延時間からは、脛骨近傍の大腿骨軟骨または脛骨軟骨が悪いと推定された。したがって、脛骨軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｄの場合は、周波数解析の結果から、大腿骨軟骨が悪いと判定され、遅延時間からは、大腿骨外側顆の軟骨または脛骨外側の軟骨が悪いと推定された。したがって、大腿骨外側顆の軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｅの場合は、周波数解析の結果から、大腿骨軟骨が悪いと判定され、遅延時間からは、大腿骨内側顆の軟骨または脛骨内側の軟骨が悪いと推定された。したがって、大腿骨内側顆の軟骨が悪いと判定される。
これらの判定結果は、実際の被験者の状態と一致しており、正しいことがわかる。
以上の判定結果を表１に示す。
被験者Ｂの場合は、周波数解析の結果から、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定され、遅延時間からは、膝蓋骨近傍の大腿骨軟骨または膝蓋骨軟骨が悪いと推定された。したがって、膝蓋骨軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｃの場合は、周波数解析の結果から、膝蓋骨軟骨および脛骨軟骨の少なくとも一方が悪いと判定され、遅延時間からは、脛骨近傍の大腿骨軟骨または脛骨軟骨が悪いと推定された。したがって、脛骨軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｄの場合は、周波数解析の結果から、大腿骨軟骨が悪いと判定され、遅延時間からは、大腿骨外側顆の軟骨または脛骨外側の軟骨が悪いと推定された。したがって、大腿骨外側顆の軟骨が悪いと判定される。
被験者Ｅの場合は、周波数解析の結果から、大腿骨軟骨が悪いと判定され、遅延時間からは、大腿骨内側顆の軟骨または脛骨内側の軟骨が悪いと推定された。したがって、大腿骨内側顆の軟骨が悪いと判定される。
これらの判定結果は、実際の被験者の状態と一致しており、正しいことがわかる。
以上の判定結果を表１に示す。
表１に示すように、被験者の屈伸運動に伴う振動を検出して、この振動信号を角度情報に基づいて、２以上の分割信号に分割し、２以上の分割信号それぞれに対して、周波数解析を行うことで、加速度センサを１つ有する構成でも、損傷位置をある程度特定できることがわかる。
また、複数の加速度センサからの振動信号の相互相関関数から遅延時間を求めるのみでは、２箇所以上の位置特定まではできるが、損傷位置を１箇所に特定することはできない。これに対して、周波数解析から得られる判定結果と、複数の加速度センサからの振動信号の相互相関関数から得られる判定結果とを組み合わせることで、損傷位置を１箇所に特定することができることがわかる。
また、複数の加速度センサからの振動信号の相互相関関数から遅延時間を求めるのみでは、２箇所以上の位置特定まではできるが、損傷位置を１箇所に特定することはできない。これに対して、周波数解析から得られる判定結果と、複数の加速度センサからの振動信号の相互相関関数から得られる判定結果とを組み合わせることで、損傷位置を１箇所に特定することができることがわかる。
［参考例］
参考例として被験者Ａに関して、１つの加速度センサで振動信号を検出し、０°〜９０°の全領域でＦＦＴを行い、データの精度に関して調べた。図６に参考例のＦＦＴの結果を示す。
図５（Ａ）〜図５（Ｅ）と図６との比較から明らかなように、本手法を用いると、若干データにノイズが見られるようになったが、損傷を持った患者に対するデータと健常者のデータの信号差が不明確になるほどのノイズではなく、本手法が非常に優れたものである事を示す結果となった。
以上から本発明の効果は明らかである。
参考例として被験者Ａに関して、１つの加速度センサで振動信号を検出し、０°〜９０°の全領域でＦＦＴを行い、データの精度に関して調べた。図６に参考例のＦＦＴの結果を示す。
図５（Ａ）〜図５（Ｅ）と図６との比較から明らかなように、本手法を用いると、若干データにノイズが見られるようになったが、損傷を持った患者に対するデータと健常者のデータの信号差が不明確になるほどのノイズではなく、本手法が非常に優れたものである事を示す結果となった。
以上から本発明の効果は明らかである。
１０、３０ 関節音測定システム
１２ 加速度センサ
１３ 角度センサ
１４、３４ 測定装置本体
１６ 信号分割部
１８ 周波数解析部
２０、２０ｂ 判定部
２２ 表示部
２４ 制御部
２６ 操作部
３２ 遅延時間算出部
１２ 加速度センサ
１３ 角度センサ
１４、３４ 測定装置本体
１６ 信号分割部
１８ 周波数解析部
２０、２０ｂ 判定部
２２ 表示部
２４ 制御部
２６ 操作部
３２ 遅延時間算出部
Claims (12)
- 検査対象物の屈伸運動に伴う振動を検出し、振動信号を出力する１以上の振動センサと、
前記検査対象物の屈伸角度を検出し、角度情報を出力する角度センサと、
前記角度情報に基づいて、前記振動信号を２以上の分割信号に分割する信号分割部と、
２以上の前記分割信号それぞれに対して、周波数解析を行い、２以上の解析信号を出力する周波数解析部とを有することを特徴とする関節音測定システム。 - ２以上の前記解析信号同士の比較、および、２以上の前記解析信号と基準信号との比較の少なくとも一方を行って、音源位置を判定する判定部を有する請求項１に記載の関節音測定システム。
- 前記振動センサを２以上有する請求項１または２に記載の関節音測定システム。
- 前記振動センサを４つ有する請求項３に記載の関節音測定システム。
- ２以上の前記振動センサそれぞれから出力される２以上の前記振動信号の相互相関関数から遅延時間を算出する遅延時間算出部を有する請求項３または４に記載の関節音測定システム。
- ２以上の前記解析信号同士の比較、および、２以上の前記解析信号と基準信号との比較の少なくとも一方を行って、音源位置を判定する判定部を有し、
前記判定部は、２以上の前記解析信号同士の比較結果、および、２以上の前記解析信号と基準信号との比較結果の少なくとも一方と、前記遅延時間とに基づいて、音源位置を判定する請求項５に記載の関節音測定システム。 - 前記信号分割部における、前記振動信号の分割数が、２以上１０以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
- 前記信号分割部における分割数が３であり、前記振動信号の分割位置が、前記屈伸角度が３０°±５°の位置、および、６０°±５°の位置である請求項１〜７のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
- 前記角度センサが、傾斜計である請求項１〜８のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
- 前記振動センサが、加速度センサである請求項１〜９のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
- 前記加速度センサが、圧電型加速度センサである請求項１０に記載の関節音測定システム。
- 前記周波数解析部が、高速フーリエ変換を行う請求項１〜１１のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
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| JP2015050419A JP6307462B2 (ja) | 2015-03-13 | 2015-03-13 | 関節音測定システム |
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|---|---|---|---|
| JP2015050419A JP6307462B2 (ja) | 2015-03-13 | 2015-03-13 | 関節音測定システム |
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