JPH0622960A - 骨評価装置 - Google Patents

骨評価装置

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JPH0622960A
JPH0622960A JP4127551A JP12755192A JPH0622960A JP H0622960 A JPH0622960 A JP H0622960A JP 4127551 A JP4127551 A JP 4127551A JP 12755192 A JP12755192 A JP 12755192A JP H0622960 A JPH0622960 A JP H0622960A
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Naoki Otomo
直樹 大友
Shigero Kimura
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 骨折の危険度等を知るために有益な骨の強度
に関する評価値を提供する。 【構成】 X線によって骨中の骨塩量(BMD)が計測
される。一方、超音波によって骨中の超音波伝搬速度V
及び骨の厚さdが計測される。骨塩量(BMD)と骨の
厚さdから単位体積あたりの骨塩量の密度、すなわち、
骨密度ρが演算される。評価値Eは、速度V2 に骨密度
ρを乗算した数値の関数として与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、骨疾患を診断する際に
有用な骨の質に関する新しい情報を提供する骨評価装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】老年人口の急激な増加と相俟って、骨粗
鬆症・骨軟化症等の骨の疾患をもつ人が増加しており、
その診断や予防の必要性が強く要望されている。骨は、
その組成でみると、大別して骨塩(カルシウムなどのミ
ネラル量)と基質(骨組織の細胞間物質)とで構成され
ている。
【0003】ここで、「骨粗鬆症」とは一般に、骨基質
と骨塩との比率は正常であるが骨の量自体が減少した病
態をいい、「骨軟化症」とは一般に、骨石灰化障害によ
り骨塩のみが減少した病態をいう。つまり、骨疾患とい
っても、その病態における骨の組成は一様ではない。い
ずれにしても骨の強度が弱まると骨折が生じ、特に老年
の人はいわゆる寝たきりになるおそれがある。
【0004】従来、骨疾患の診断のために、骨塩量測定
装置が用いられている。この骨塩量測定装置は、体外か
ら被検体にX線を照射し、その際の減弱率から骨塩量
(カルシウムなどのミネラル量)を解析するものであ
る。なお、従来の骨塩量測定装置では、単位面積当たり
での骨塩量(g/cm2 )が演算されている。
【0005】そして、その求められた骨塩量の大きさに
基づいて、骨粗鬆症等が診断される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、“骨の強
さ”は、骨塩の量のみに依存しないといわれている。骨
塩の量は、確かに骨の強度を決定する主要因とはなる
が、それ以外に骨の剛性、弾性や構造(例えば、基質の
構成要素である線質の形成構造)などによっても骨の強
度は左右される。
【0007】つまり、骨塩量が多くても骨の剛性が乏し
く、骨折を生じやすい場合がある一方、骨塩量が少なく
ても骨の剛性が高く、骨折を生じにくい場合もある。
【0008】要するに、骨折の危険度を知るためには、
骨塩量のみで評価するだけでは不十分であり、骨の組成
及び構造に基づく「骨の強度」自体を知る必要がある。
【0009】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、骨の強度を指標する骨に関す
る新しい評価値を得られる骨評価装置を提供することに
ある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
(a)本発明の原理 本発明では、骨塩量を基礎として求められる骨密度ρ
と、骨中の音波(超音波)の伝搬速度Vを用いて、骨の
強度を指標する“評価値”を算出する。
【0011】超音波の伝搬速度Vは、骨のような異方性
の媒体においては、その伝搬方向において、骨密度ρと
弾性率Eとの関数である。すなわち、一般式で示せば、 V=k・(E/ρ)1/2 …(1) である。
【0012】ここでkは定数であり、骨密度ρは従来の
骨塩量測定装置で測定される骨塩量BMD(g/c
2 )を、骨の厚さd(cm)で除算したものに相当す
る。また、超音波の伝搬速度Vは、超音波の送受波によ
り測定される。
【0013】したがって、弾性率(ヤング率)Eは、次
のとおりである。
【0014】 E=k´・V2 ・ρ (ただし、ρ=BMD/d、k´=k-2) …(2) ここで、弾性率Eは、骨に関して、ひっぱり強さや剛性
等の骨の強度を示すと考えられ、換言すれば、そのEの
値が骨折の危険度を指標すると考えられる。
【0015】そこで本発明では、そのEを骨の評価値と
して定義している。なお、骨に関する弾性率は、各種の
計算式が知られており、骨の強度の指標値としては他の
定義式を用いることもできるが、いずれにしてもEとし
て弾性率が定義される。
【0016】(b)課題解決の手段 上記目的を達成するために、上記原理に基づき本発明
は、被検体の骨評価部位に対して超音波を送受波するこ
とによって骨中の超音波速度Vを測定する速度測定手段
と、前記骨評価部位にX線を照射して、骨密度を測定す
る骨密度測定手段と、前記超音波速度と前記骨密度とで
定義される評価値を演算する骨評価値演算手段と、を含
むことを特徴とする。
【0017】
【作用】上記構成によれば、骨速度測定手段によって超
音波の送受波により骨中の超音波の速度が求められ、さ
らに骨密度測定手段によってX線の照射により骨密度が
測定される。骨評価値演算手段は、以上の2つの測定値
から骨評価値を演算する。
【0018】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。
【0019】図1には、本発明に係る骨評価装置の原理
説明図が示されている。図1において、被検体10は、
大別して骨12と、軟組織14とで構成される。被検体
10の近傍には、X線を発生するX線発生器16が配置
され、また被検体10を透過したX線を検出するX線検
出器18が配置されている。
【0020】さらに、被検体10の近傍には、前記X線
発生器16及びX線検出器18に近接して、超音波を送
波する振動子20及び超音波を受波する振動子22が配
置されている。なお、厚さdの計測を行う場合には、振
動子20及び22が共に、送波兼受波振動子として機能
する。
【0021】骨密度測定部24は、X線発生器16に対
して駆動信号を供給し、一方、X線検出器18からの検
出信号を受け入れ、骨12の骨密度を測定するものであ
る。その骨密度ρは、評価値演算部26に送られてい
る。
【0022】なお、速度測定部28は、振動子20に対
して駆動信号を供給し、一方、振動子22からの受波信
号を受け入れて、骨12中の超音波の伝搬速度Vを演算
するものであり、その速度Vは、評価値演算部26に送
られている。
【0023】評価値演算部26は、上述した第2式を実
行して、骨密度ρ及び速度Vに基づき評価値Eを演算す
る。そしてそのEは出力され、例えば表示器等に表示さ
れる。したがって、その評価値の大きさに基づいて、骨
折の危険度等を知ることができ、あるいは骨粗鬆症等の
診断を行うことができる。
【0024】ところで骨は、その構造上、海綿骨と皮質
骨とで構成され、海綿骨は皮質骨より代謝速度がおよそ
8倍速いといわれている。それゆえ骨量の減少あるいは
骨の強度の低下は、まず海綿骨に現れると考えられる。
そこで、骨の評価を行うにあたっては、その海綿骨の割
合が多い、例えば踵骨や腰椎等を測定することが好適で
あり、診断精度を向上させることができる。そこで、以
下に説明する本発明に係る骨評価装置においては、踵骨
を測定対象としている。
【0025】図2には、本実施例の骨評価装置の全体的
な外観図が示されている。この骨評価装置は大別して、
計測装置30と制御装置32とで構成されている。
【0026】図示されるように、制御装置32は、コン
ピュータ等で構成され、ケーブル34によって計測装置
30に接続されている。
【0027】計測装置30において、台車36の下面側
には複数のキャスタが設けられており、一方、台車36
の上面には、椅子38及び測定ユニット44が配置され
ている。この測定ユニット44は、水槽46を含み、水
槽46の中には足置き48が配置されている。
【0028】計測を行う場合には、被検者40は椅子3
8に腰掛け、足42aを水槽46内に配置された足置き
48に載せ、その状態でX線の照射及び超音波の送受波
が行われる。
【0029】なお、水槽46の外壁は例えばアクリル板
等で構成されている。このように足42aを水槽46内
に入れるのは、水が生体の軟組織とほぼ同等のX線減衰
率及び音速を有するからであり、このような構成により
軟組織から分離して骨塩量の測定ができ、また軟組織の
形状によらずに骨のみの超音波測定を簡単に行うことが
できる。
【0030】図示されるように、測定ユニット44にお
いては、アーム52a,52bによって支持された2つ
の超音波振動子50a,50bが足42aを介して互い
に対向配置されている。なお図2には、X線発生器及び
X線検出器は図示されていない。
【0031】図3には、測定ユニット44の要部を示す
斜視図が示されている。なお、図において水槽46は一
点鎖線で示されている。
【0032】基板54の一方端には、上述したアーム5
2aが配設されると共に、X線発生器56が配置されて
いる。なお、X発生器56のX線照射口にはコリメータ
やフィルタが配置されている。
【0033】一方、基板54の他方端には、アーム52
bが配置されると共に、半導体検出器等で構成されるX
線検出器58が配置されている。したがって、X線は水
槽46の外側から照射され水槽の内部を通って足を通過
した後、水槽の外部で測定されることになる。
【0034】基板54は、移動機構60によって支持さ
れている。この移動機構60は、大別して、図において
Z方向に基板54を昇降させるZ方向昇降ユニットと、
図においてX方向に基板54を移送させるX方向移動ユ
ニットとで構成されている。そして、各ユニットは、モ
ータ62,64と送りねじ66,68とを含み、モータ
62,64によって送りねじ66,68を回転させるこ
とによって、図においてX方向及びZ方向に自在に基板
54を移動させることができる。
【0035】図3に示されるように、X線100は、細
いビームとなって照射されており、超音波102は超音
波振動子50a、50bを結ぶ線上で送受波される。そ
してX線100と超音波102の中心軸は互いに接近し
ている。
【0036】図4には、計測装置30の構成がブロック
図で示されている。X線計測制御部70は、X線の発生
及び検出を制御するものであり、そのX線計測制御部7
0から出力された駆動信号104は、X線制御装置72
を介してX線発生器56に送られている。ここで、X線
制御装置72は、X線発生器56の駆動電圧等を決定す
るものである。一方、X線を検出するX線検出器58か
ら出力されたX線検出信号106は、アンプ74によっ
て増幅された後、計数回路76に入力される。この計数
回路76は、パルスをカウントすることによってX線の
強度を求めるものであり、その計数回路76から計数率
Cを示す信号108がX線計測制御部70に送られてい
る。なお、この計数率Cを示す信号108はさらに制御
装置32へ送出される。
【0037】超音波計測制御部78は、超音波の送波及
び受波の制御を行うものであり、第1送受信ユニット8
0及び第2送受信ユニット82を制御している。各送受
信ユニット80,82は、送信回路及び受信回路で構成
されている。すなわち、第1送受信ユニット80は、超
音波振動子50aに対して送信駆動信号を送ると共に、
超音波振動子50aからの受波信号を受信している。ま
た、第2送受信ユニット82は、第1送受信ユニット8
0と同様に、超音波振動子50bについて送信駆動信号
の供給及び受波信号の受信を行っている。
【0038】送受信ユニット80,82から出力される
受波信号109は、A/D変換器84によってデジタル
値に変換された後、超音波計測制御部78に送られてい
る。そして、この超音波計測制御部78にて、後述する
一定時間t1,t2,t3の計測が行われ、それぞれの
時間値が制御装置32へ出力されている。
【0039】走査制御部86は、基板54の昇降及び前
後動を制御するものであり、モータ62及び64に駆動
信号を出力している。これらの制御部70,78,86
は、いずれも制御装置32によって制御されている。
【0040】図5には、制御装置32の具体的な構成が
ブロック図で示されている。X線の強度を示す計数率C
は、骨塩量(BMD)を演算するBMD演算回路88に
入力されている。その演算結果Bは、骨密度演算回路9
0及びメインコントローラ92に送られている。骨密度
演算回路90は、骨塩量Bを骨の厚さdで除することに
よって、単位体積あたりの骨密度ρを演算し、その演算
結果を評価値演算回路94に出力する。
【0041】一方、厚さ演算回路96は、後に詳述する
ように、t2,t3に基づいて、骨の厚さdを演算する
ものであり、その演算結果dは、上記骨密度演算回路9
0,速度演算回路98、及びメインコントローラ92に
出力されている。
【0042】ここで、速度演算回路98は、後に詳述す
るように、t1及びdに基づいて、骨中の超音波の速度
Vを演算するものであり、その演算結果Vは、評価値演
算回路94及びメインコントローラ92に出力されてい
る。
【0043】評価値演算回路94は、上記骨密度ρ及び
速度Vに基づき、上述した第2式の演算を実行し、評価
値であるEを計算する。その評価値EはCRT110に
出力される。一方、本実施例では、評価度数演算回路1
12が設けられており、評価値Eに基づいて骨の評価度
数Hが算出され、CRT110に送られている。
【0044】メインコントローラ92は、この制御装置
の全体を制御すると共に、前述のX線計測制御部70,
超音波計測制御部78,及び走査制御部86の制御を行
っている。そして、メインコントローラ92には、キー
ボードで構成される入力部114が接続されている。
【0045】次に、本実施例の骨評価装置の動作につい
て説明する。
【0046】図2に示すように、骨評価を行う際には、
被検者40を椅子38に座らせ、足42aを水槽46内
に入れさせる。その後操作者は、入力部114から計測
実行を指令する。すると、メインコントローラ92は、
図4に示す走査制御部86に対して初期位置への移動を
命令する。これにより、走査制御部86は、モータ62
及び64を制御して、X線及び超音波の照射位置を初期
位置に移動させる。位置設定が行われた後、図5に示す
メインコントローラ92が図4に示すX線計測制御部7
0に対してX線計測の指令を行う。
【0047】すると、X線計測制御部70から駆動信号
104がX線制御装置72を介してX線発生器56に送
られ、X線が照射される。
【0048】足42aを透過したX線は、X線検出器5
8にて検出され、その検出信号106はアンプ74を介
して計数回路76に入力され、カウントが行われる。そ
のカウント値を示す信号C108は、図5に示すBMD
演算回路88に送られ、骨塩量が従来同様に演算され、
骨塩量Bが骨密度演算回路90に送られる。
【0049】このようなX線測定が行われた後、次に超
音波の計測が行われる。
【0050】メインコントローラ92から図4の超音波
計測制御部78に超音波計測の指令が与えられると、図
6(A)に示すように、超音波計測制御部78は第1送
受信ユニット80に対して送信指令を示すパルスを出力
する。これと同時に、図6(B)に示すように、超音波
計測制御部78は、その内部に設けられたカウンタを起
動させる。これによって、第1送受信ユニット80から
駆動信号が超音波振動子50aに対して与えられ、これ
によって超音波が足42aに対して送波され、透過した
超音波が超音波振動子50bにて受波される。図6
(C)には、その受波により得られる受波信号が示され
ており、受波信号は第2送受信ユニット82及びA/D
変換器84を介して超音波計測制御部78に送られる。
【0051】超音波計測制御部78は、図6(C)に示
す受波パルスが得られたときまでのカウント値を読み取
り、そのカウント値で示される時間情報t1を制御装置
32へ出力する。
【0052】次に、骨(踵骨)の厚さを計測する厚さ計
測が行われる。
【0053】ここで、厚さ測定における動作を説明する
前に、骨(踵骨)の厚さ測定原理について説明する。図
7に示すように、本実施例では、踵骨200の一方側か
ら超音波振動子50aによって超音波が送波され、踵骨
200にて反射した超音波が同じく超音波振動子50a
にて測定される。その後、踵骨200の他方側において
も超音波振動子50bによって同様の超音波の送波及び
反射波の受波が行われる。
【0054】ここで、水は軟組織とほぼ同等の音速を有
するため、踵骨200の一方側における超音波の送受波
期間Δtとその他方側における送受波期間Δtによって
踵骨200の厚さdは容易に算出される。すなわち、水
の音速Vw は既知であるので、次の第3式によって厚さ
dが算出される。
【0055】 d=L−(t2+t3)・(Vw /2) …(3) ただし、Lは振動子間距離である。
【0056】したがって、以上の原理を実現させるため
に、メインコントローラ92から厚さ計測指令が発せら
れると、超音波計測制御部78は、図8(A)に示すよ
うに、まず第1送受信ユニット80に対して送信パルス
を出力し、図8(B)に示すように、その内部に設けら
れたカウンタを起動させる。これによって、第1送受信
ユニット80から超音波振動子50aに対して駆動信号
が出力され、超音波が送波された後、反射波が同じ超音
波振動子50aにて受波される。図8(C)に示される
受波信号は、第1送受信ユニット80及びA/D変換器
84を介して超音波計測制御部78に送られる。この場
合、超音波計測制御部78は、受波信号中における受波
パルスを判定して、カウントの開始からその受波パルス
が得られたときまでのパルス数から送受波期間t2を求
める。そのt2は、制御装置32へ送られる。
【0057】t3の測定においては、上記同様に、第2
送受信ユニット82を動作させて、その測定が行われ、
制御装置32へt3が送られる。
【0058】以上のようにして得られたt2,t3は、
図5の厚さ演算回路96に送られ、上述した第3式が実
行され、骨の厚さdが求まり、その厚さdが骨密度演算
回路90及び速度演算回路98に送られる。これによっ
て、骨密度演算回路90は、次の第4式を実行する。
【0059】 ρ=B/d …(4) 一方、t1が入力される速度演算回路98においては、
次の第5式が実行され速度Vが求まる。
【0060】 V=d/{t1−(t2+t3)/2} …(5) したがって、このようにして得られたρ及びVに基づ
き、評価値演算回路94は、上記第2式、すなわちE=
k・V2 ・ρを実行して評価値Eを求める。
【0061】以上のような工程がある一点の測定部位に
ついて行われた後、走査制御部86の制御の下、測定点
が移動され、上記同様の工程が繰り返される。
【0062】図9には、X線及び超音波の照射領域が示
されている。図中300はX線の照射領域であり、30
2は超音波の送受波領域である。いずれの領域も踵骨を
十分にカバーする大きさを有している。
【0063】ここで、超音波振動子とX線発生装置は互
いに少しずれて配置されているため、領域300及び3
02も互いに少しずれて設定されている。
【0064】上述した初期位置は、図9におけるA及び
A´であり、ここにおいてAはX線照射の初期位置であ
り、A´は超音波照射の初期位置である。そして、上述
したように、この初期位置での照射が実行された後、そ
の照射点が図において左方向あるいは下方向に少しずら
されて再度同様の照射・計測が行われ、このような過程
が繰り返されて最終的に図9に示す領域内におけるデー
タの取込みが行われる。なお、X線の照射の後、そのX
線が照射された点へ超音波の送受波点を移動させること
によって、図9に示す領域300と302とを合致させ
ることも可能である。
【0065】図10には、CRT110における表示例
が示されている。図において304は、骨塩量(BM
D)の分布を示す骨塩量マップであり、306は骨(踵
骨)の厚さdを示す厚さマップであり、308は骨内の
超音波の音速を示す音速マップであり、310は上述の
演算により求められた評価値Eを示す評価値マップであ
る。なお、図中312はカーソルである。
【0066】また、314はカーソル312によって指
定された部位における骨の健康度を示す評価度数であ
り、評価値Eに基づき次のように算出される。
【0067】図11には、各年齢における標準的な評価
値Eを示す標準特性曲線322が示されている。表示さ
れる評価度数314は、被検者の年齢と実際に測定され
た評価値Eとで特定される点とが標準特性曲線322か
らどれだけ離れているかを示すものである。具体的に
は、当該年齢における標準的な評価値から実際に測定さ
れた評価値が減算され、その差が評価度数314として
表示されている。さらに、図10におけるポイントデー
タ表示320は、カーソル312で特定された測定部位
における骨塩量、厚さ、音速、評価値を数値で表示する
ものである。
【0068】以上のように、このような表示をCRT1
10に表示すれば、骨に関する多面的な情報を互いに相
関付けて提供することができ、骨粗鬆症等の骨の疾病の
診断にあたって有意義な情報を提供できる。
【0069】上述の実施例では、踵骨全体にわたってX
線の照射及び超音波の送受波を行ったが、次のような変
形例を用いることも可能である。すなわち、図12にそ
の表示例が示されるように、上記実施例同様にまずX線
の照射を行って骨塩量マップ304のみを表示した後、
操作者によってカーソル312を用いて、評価値を求め
たい部位を特定する。そして、その特定された部位のみ
に超音波を送受波して、上述同様に送受波期間t1,t
2,t3を計測し、それらのデータに基づき、上記実施
例同様に踵骨の厚さ、踵骨内の音速、評価値を演算し
て、それらをポイントデータ表示320として表示す
る。また、これと共に評価度数の表示314を行う。
【0070】このような変形例によれば、全範囲にわた
って超音波の送受波を行う必要がなく、計測の所要時間
を極めて短縮できるという効果がある。もちろん、装置
にモード切替えスイッチ等を設け、上記実施例又はこの
変形例を操作者の要求に応じて切り替えてもよい。
【0071】図13には、厚さ測定の第2実施例が示さ
れている。この実施例においては、複数の超音波振動素
子を直線配列させたアレイ振動子326が配置されてお
り、図13に示されるように、X線及び超音波のビーム
方向と直交する方向に向けて一定間隔で複数の超音波を
送受波することによって、各振動素子の受信信号の内容
から踵骨200の厚みを容易に求めることができる。
【0072】なお、上述した実施例において水中の超音
波の速度は既知のものとして計算を行ったが、より精度
を高めるためには、図14に示すように、水中音速測定
用として更に別の一対の超音波振動子328a,328
bを設けることが好適である。
【0073】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る骨評
価装置によれば、骨中の超音波の速度と骨密度とで定義
される評価値を求めることができるので、骨折の危険度
等を示す骨の健康度に関する有意義な情報を提供できる
という効果がある。したがって、より骨に関する病気の
診断精度を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定原理を示す原理説明図である。
【図2】本発明に係る骨評価装置の外観を示す外観図で
ある。
【図3】測定ユニットの要部を示す斜視図である。
【図4】計測装置の構成を示すブロック図である。
【図5】制御装置の構成を示すブロック図である。
【図6】超音波計測における各信号のタイミングを示す
タイミングチャートである。
【図7】骨の厚さの測定原理を示す原理説明図である。
【図8】超音波計測における各信号のタイミングを示す
タイミングチャートである。
【図9】X線及び超音波の照射領域を示す概念図であ
る。
【図10】表示例を示す説明図である。
【図11】評価値の標準的な特性図である。
【図12】他の表示例を示す説明図である。
【図13】骨の厚さ測定の第2実施例を示す説明図であ
る。
【図14】水中の音速の測定を示す説明図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検体の骨評価部位に対して超音波を送
    受波することによって骨中の超音波速度を測定する速度
    測定手段と、 前記骨評価部位にX線を照射して骨密度を測定する骨密
    度測定手段と、 前記超音波速度と前記骨密度とで定義される評価値を演
    算する骨評価値演算手段と、 を含むことを特徴とする骨評価装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の骨評価装置において、 前記超音波速度の2乗に前記骨密度を乗算した結果を基
    礎として前記評価値が定義されることを特徴とする骨評
    価装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の骨評価装置において、 前記速度測定手段は、 骨評価部位に対して超音波を送受波する超音波振動子
    と、 前記超音波振動子からの超音波受波信号に基づき,X線
    のビーム方向に沿う方向の骨の厚さを演算する厚さ演算
    器と、 骨中の超音波伝搬時間を前記厚さで除算して超音波速度
    を演算する速度演算器と、 を含み、 前記骨密度測定手段は、 骨評価部位にX線を照射するX線発生器と、 前記骨評価部位を透過した透過X線を検出するX線検出
    器と前記X線検出器からのX線検出信号と前記骨の厚さ
    とに基づき骨密度を演算する密度演算器と、 を含むことを特徴とする骨評価装置。
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US11850084B2 (en) 2019-02-14 2023-12-26 Fujifilm Corporation Fracture risk evaluation value acquisition device, method for operating fracture risk evaluation value acquisition device, and non-transitory computer readable medium

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