JPH08332186A

JPH08332186A - 骨粗鬆症診断方法及び骨粗鬆症診断装置

Info

Publication number: JPH08332186A
Application number: JP14073495A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ishii; 徹哉石井; Masashi Kuriwaki; 真史栗脇; Yasuyuki Kubota; 康之久保田
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】骨密度や骨弾性率を推定し、骨粗鬆症の進行
状況を診断する。【構成】超音波トランスデューサ１を皮膚に当て、骨
Ｍｂに向け、かつ骨Ｍｂの法線に対して所定の角度範囲
内で振らせながら超音波インパルスＡｉを断続的に発射
し、骨Ｍｂから戻ってくる骨エコーＡｅを逐次受波し
て、エコーレベル及び前記超音波インパルスが発射され
てから骨エコーＡｅが戻ってくるまでのエコー到達時間
を計測する。そして、計測により得られたエコー情報か
ら最大エコーレベル及びこのときのエコー到達時間を抽
出する。装置本体２内のＣＰＵは、抽出された最大エコ
ーレベル及びこのときのエコー到達時間に基づいて、骨
のインピーダンスを算出する。骨Ｍｂの音響インピーダ
ンスは、骨Ｍｂの［弾性率×密度］の平方根で表され、
骨密度が増加（減少）すると、弾性率も（増加）低下す
るので、骨密度や骨弾性率を判断する上で、良い指標と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波インパルスを
人体の所定の部位の骨組織に当てて骨粗鬆症を診断する
骨粗鬆症診断方法及び骨粗鬆症診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】骨粗鬆症とは、骨のカルシウムが抜け出
してスカスカになり、変形したり少しのショックで折れ
易くなる病気である。骨粗鬆症を診断する手段の一つと
して、従来、特開平２−１０４３３７号公報に記載され
ているような超音波により診断する装置が知られてい
る。この超音波による診断装置では、骨組織中での音速
が、骨密度に経験上比例するとみなせるとして、超音波
パルスを被験者の皮膚から測定部位の骨組織に向けて発
射し、当該骨組織を透過してきた超音波パルスを受波し
て、骨組織中での音速を測定する。そして、骨組織中で
の音速が遅い程、骨粗鬆症が進行していると診断する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、骨組織中で
の音速は、厳密に言うと、骨密度に比例するのではな
く、［骨の弾性率／骨密度］の平方根で与えられる。し
かも、骨密度が増加すれば弾性率も上昇する関係にある
ため、骨密度の増加に対して音速は敏感には応答でき
ず、音速と骨密度との相関係数は、けっして高くはな
い。したがって、音速情報に基づく上記従来の診断装置
では、骨粗鬆症の進行状況を確実に判断するには無理が
あった。一方、骨弾性率の状況から骨粗鬆症を診断でき
るという意見もある。

【０００４】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、骨密度や骨弾性率の状態を正確に推定し、骨
粗鬆症の進行状況を確実に診断できる骨粗鬆症診断方法
及び骨粗鬆症診断装置を提供することを目的としてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、超音波送受波器を生体に当
て、その送受波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対
して所定の角度範囲内で振り動かしながら、超音波イン
パルスを断続的に発射すると共に、上記骨からのエコー
を逐次受波し、受波された骨からのエコー情報に基づい
て骨密度又は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を診断
する骨粗鬆症診断方法であって、上記骨の表面で反射し
て上記送受波面に戻ってくるエコーを逐次受波して、エ
コーレベル及び上記超音波インパルスが発射されてから
上記エコーが戻ってくるまでのエコー到達時間を計測
し、計測により得られたエコー情報から最大エコーレベ
ル及びこのときのエコー到達時間を抽出する第１のステ
ップと、抽出された上記最大エコーレベル及びこのとき
のエコー到達時間に基づいて、上記生体の軟組織と骨と
の界面での反射係数又は上記骨の音響インピーダンスを
算出する第２のステップとからなり、第２のステップに
おいて算出された上記反射係数又は骨の音響インピーダ
ンスから骨密度又は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症
を診断することを特徴としている。

【０００６】また、請求項２記載の発明は、超音波送受
波器を生体に当て、その送受波面の法線を骨に向け、か
つ骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
ら、超音波インパルスを断続的に発射すると共に、上記
骨からのエコーを逐次受波し、受波された骨からのエコ
ー情報に基づいて骨密度又は骨弾性率の状況を推定して
骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であって、上記超
音波インパルスが発射されてから上記エコーが戻ってく
るまでのエコー到達時間を計測するための計時手段と、
上記超音波送受波器によって逐次受波された上記骨から
のエコーの中から最大エコーレベルを抽出する最大エコ
ーレベル抽出手段と、該最大エコーレベル抽出手段によ
って抽出された最大エコーレベル及び上記計時手段によ
って計測されたエコー到達時間に基づいて、上記生体の
軟組織と骨との界面での反射係数又は上記骨の音響イン
ピーダンスを算出する演算手段と、該演算手段によって
算出された上記反射係数又は上記骨の音響インピーダン
スを骨粗鬆症診断の指標として出力する出力手段とを備
えてなることを特徴としている。

【０００７】

【作用】この発明の構成において、超音波送受波器を生
体に当て、その波送受波面の法線を上記骨に向け、かつ
骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
ら、超音波インパルスを断続的に発射すると共に骨から
のエコーを逐次受波し、受波された骨からのエコー情報
を収集する。このエコー情報の中には、エコーレベル及
び上記超音波インパルスが発射されてから上記エコーが
戻ってくるまでのエコー到達時間が含まれる。そして、
収集されたエコー情報の中から最大エコーレベル及びこ
のときのエコー到達時間を抽出する。最大エコーレベル
が受波されるのは、骨の法線と送受波面の法線とが一致
したとき、したがって、骨の表面で垂直に反射して戻っ
てきたエコーが送受波面に垂直に入射するときである。
エコーが骨の表面で垂直に反射する場合には、変位（超
音波送受波器の振れ）に対して骨からのエコーのレベル
変化が鈍るので、再現性の良い測定データが得られる。
しかも、音響インピーダンスの算出式は、骨からのエコ
ーが垂直反射の場合には簡素な表現となるので、演算処
理を迅速に行うことができる。

【０００８】それゆえ、この発明の構成によれば、測定
再現性が良く、算出式も簡素であり、加えて、超音波の
軟組織往復による減衰度（エコー時間差の関数）も考慮
されるので、骨の音響インピーダンスを確実にかつ簡易
に測定できる。骨の音響インピーダンスは、骨の［弾性
率×密度］の平方根で表されるので、骨密度の増加に伴
って弾性率が上昇すると、これらの相乗効果を受けるた
めに、敏感に応答して顕著に増加する。逆に、骨密度が
減少して、弾性率が低下すると、音響インピーダンス
は、これらの相乗効果を受けて、敏感に応答して顕著に
減少する。それゆえ、骨の音響インピーダンスは、骨密
度や骨弾性率を判断する上で、良い指標となる。したが
って、操作者は、出力手段によって出力される骨の音響
インピーダンスの値から、骨粗鬆症の進行状況を確実に
推定することができる。例えば、音響インピーダンス
が、その年齢層の平均値から著しく小さい場合には、骨
粗鬆症が悪化していることが判る。

【０００９】また、骨の音響インピーダンスを骨密度や
骨弾性率の指標とする代わりに、通常は、骨の音響イン
ピーダンスの単調増加関数とみなすことのできる生体に
おける軟組織と骨との界面での反射係数を骨密度や骨弾
性率の指標としても、上述したと同様の効果を得ること
ができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１は、この発明の一実施例である骨粗
鬆症診断装置の電気的構成を示すブロック図、図２は、
同装置の外観図、図３は、同装置の使用状態を示す図、
図４は、同装置による骨粗鬆症診断の様子を示す図、図
５は、同装置の動作処理手順を示すフローチャート、ま
た、図６は、同装置の動作を説明するための図である。
図１乃至図４に示すように、この例の骨粗鬆症診断装置
は、被験者Ｍの測定部位である骨Ｍｂに向けて、指向性
の良い超音波インパルスＡｉを発射すると共に、骨Ｍｂ
の表面Ｙから戻ってくるエコー（骨エコー）Ａｅを受波
して受波信号（電気信号）に変換する超音波トランスデ
ューサ（以下、単に、トランスデューサという）１と、
このトランスデューサ１に半波インパルスの電気信号を
入力すると共に、トランスデューサ１から供給される各
種エコーの受波信号（電気信号）を処理して、骨粗鬆症
診断の指標となる骨Ｍｂの音響インピーダンス情報を提
供する装置本体２と、これらを接続するケーブル３とか
ら概略なっている。

【００１１】上記トランスデューサ１は、図示しない
が、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円板状の厚
み振動型圧電素子の両面に電極層を積層してなってい
る。ここで、トランスデューサ（超音波振動子）１とし
ては、平面波の状態で骨エコーＡｅを受けるのが測定感
度上好ましいことから、発射された超音波インパルスＡ
ｉが平面波に近い状態で骨Ｍｂに向かって伝搬できるよ
うに、送受波面のなるべく大きなものを用いるのが好ま
しい。

【００１２】上記装置本体２は、パルス送出部４と、整
合回路５と、増幅器６と、波形整形器７と、Ａ／Ｄ変換
器８と、計時回路９と、ＣＰＵ（中央処理装置）１０
と、ＲＯＭ１１と、ＲＡＭ１２と、レベルメータ１３
と、表示器１４とから構成されている。パルス送出部４
は、ケーブル３を介してトランスデューサ１に接続さ
れ、中心周波数略２．５ＭＨｚの半波インパルスの電気
信号を所定の周期で生成して、断続的にトランスデュー
サ１に送信すると共に、この半波インパルスの送信と同
一のタイミングで計時開始信号ＥTを計時回路９へ供給
する。なお、半波インパルスの周期は、超音波インパル
スＡｉが発射されてから、その骨エコーＡｅが戻ってく
るまでの所要時間（以下、骨エコー到達時間Ｔｎとい
う）よりも充分長く設定されている。整合回路５は、ケ
ーブル３を介してトランスデューサ１に接続され、トラ
ンデューサ１と装置本体２との間で最大のエネルギ効率
で信号の受け渡しを行う。増幅器６は、整合回路５の出
力信号を所定の増幅度で増幅した後、波形整形器７に入
力する。波形整形器７は、図示せぬ検波回路とローパス
フィルタ（ＬＰＦ）とから構成され、増幅器６の出力信
号（増幅された受波信号）を検波処理・フィルタ処理を
施して波形整形した後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。

【００１３】Ａ／Ｄ変換器８は、図示せぬレベル検出回
路、サンプルホールド回路等を備え、波形整形器７の出
力信号（波形整形された各種受波信号）のレベルや到来
時刻等を検出して、送信残響Ａｎを排除し、骨エコーＡ
ｅのみを抽出する。そして、抽出された骨エコーＡｅの
受波信号をデジタルの骨エコー信号Ｅに変換した後、デ
ジタルに変換された骨エコー信号ＥをＣＰＵ１０に逐次
入力する。ここで、上述のことから明らかなように、デ
ジタルの骨エコー信号Ｅは、骨エコーＡｅがトランスデ
ューサ１の送受波面にまで戻ってきたときの当該骨エコ
ーＡｅのレベル値（骨エコーレベル）を示している。計
時回路９は、図示せぬクロック発生器と計数回路とから
構成され、パルス送出部４から計時開始信号ＥTの供給
を受ける度に、計数回路をリセットして再び計時を開始
し、計数値は、ＣＰＵ１０に与えられる。

【００１４】ＣＰＵ１０は、ＲＯＭ１１に記憶された処
理プログラムをＲＡＭ１２を用いて実行することによ
り、装置各部を制御して、骨粗鬆症診断の指標となる骨
Ｍｂの音響インピーダンス（音響インピーダンス密度：
Ｎ・ｓ／ｍ³）Ｚａの算出処理を行う。すなわち、ＣＰＵ
１０は、Ａ／Ｄ変換器８の出力信号（骨エコー信号
Ｅ）を逐次取り込むと共に、この取り込みのタイミング
で、計時回路９から経過時間を読み込んで、骨エコー到
達時間Ｔｎを計測する。次に、取り込んだ骨エコー
信号Ｅの中から最大骨エコーレベルＥmaxを抽出し、抽
出された最大骨エコーレベルＥmax、このときの骨エコ
ー到達時間Ｔｎ等に基づいて、骨Ｍｂの音響インピーダ
ンスＺａを算出する。

【００１５】ＲＯＭ１１は、ＣＰＵ１０の各種処理プロ
グラム及び骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａを算出する
ための演算サブプログラムを格納する。また、ＲＡＭ１
２は、ＣＰＵ１０の作業領域が設定されるワーキングエ
リアと、各種データを一時記憶するデータエリアとを有
し、このデータエリアには、今回取り込んだ骨エコーレ
ベルＥ、このときの骨エコー到達時間Ｔｎを記憶する今
回抽出データメモリエリアや、これまで取り込んだ骨エ
コーレベルＥの中から抽出された最大骨エコーレベルＥ
max及びこのときの骨エコー到達時間Ｔｎ等を一時記憶
する最大値抽出データメモリエリアや、測定続行か否か
の情報を示す測定続行フラグ等が設定されている。レベ
ルメータ１３は、ＣＰＵ１０によって制御され、ＲＡＭ
１２の今回抽出データメモリエリアに記憶されている今
回抽出の骨エコーレベルＥ（骨エコーＡｅの現在レベル
１３ａ）と、ＲＡＭ１２の最大値抽出データメモリエリ
アに記憶されている最大骨エコーレベルＥmax（骨エコ
ーＡｅの最大レベル１３ｂ）とを液晶指針パターンによ
り同時表示する。表示器１４は、ＣＲＴディスプレイ又
は液晶ディスプレイからなり、ＣＰＵ１０によって算出
された骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａや算出途中の結
果を表示する。

【００１６】次に、図３乃至図６を参照して、この例の
動作処理手順について説明する。上記構成の装置を用い
て、骨粗鬆症を診断するには、測定対象として、なるべ
く平面波の骨エコーＡｅが得易い形状・部位の骨Ｍｂを
選択する。例えば、踵や膝蓋骨上等は、湾曲が少なく、
皮膚の近くにあり、平面波の骨エコーＡｅが得易いの
で、測定対象として好適である。測定対象の骨Ｍｂを選
択した後、装置に電源を投入すると、ＣＰＵ１０は、ま
ず、ステップＳＰ１０（図５）において、装置各部のイ
ニシャライズを行う。このイニシャライズは、ＲＡＭ１
２内に設定された各種データメモリエリアのクリア及び
測定続行フラグのリセット並びに周辺回路の初期設定と
なる各種変数の初期設定等である。これにより、ＲＡＭ
１２に設定されている今回抽出データメモリエリア、最
大値抽出データメモリエリア、測定続行フラグ等の内容
は、いずれも、「０」の状態に初期設定される。ＣＰＵ
１０は、装置各部のイニシャライズを終えると、ステッ
プＳＰ１１において、プレ測定の開始を待つ。

【００１７】ここで、操作者は、図３に示すように、測
定対象の骨Ｍｂを覆っている軟組織Ｍａの表面（皮膚表
面）Ｘに、例えば水やゼリー等の超音波カップリング材
１５を塗って、超音波が被験者Ｍの体内に注入され易い
状態にした後、超音波カップリング材１５の上からトラ
ンスデューサ１を皮膚表面Ｘに密着させ、かつ送受波面
を測定対象の骨Ｍｂに向けた状態で、測定開始スイッチ
をオンとする。

【００１８】測定開始スイッチがオンとされると（ステ
ップＳＰ１１）、ＣＰＵ１０は、測定続行フラグの内容
を「１」に書き改めた後（測定続行フラグを立てた
後）、これより、図５に示す処理手順に従って診断動作
を開始する。ＣＰＵ１０は、ステップＳＰ１２におい
て、パルス送出部４を制御して、所定の周期で半波イン
パルスの電気信号をトランスデューサ１に送出させると
共に、この送出と同一のタイミングで計時回路９へ計時
開始信号ＥTを送出させる。トランスデューサ１は、パ
ルス送出部４から半波インパルスの電気信号を受ける
と、送受波面から被験者Ｍの骨Ｍｂに向けて指向性の良
い超音波インパルスＡｉを発射する。発射された超音波
インパルスＡｉは、送受波面の法線方向に進み、図４に
示すように、皮膚表面Ｘから軟組織Ｍａ内に注入され
る。注入された超音波インパルスＡｉは、軟組織Ｍａを
構成する分子との相互作用により減衰しながらも測定対
象の骨Ｍｂに向かって伝搬する。そして、骨表面Ｙで一
部は反射して骨エコーＡｅとなり、残りは骨Ｍｂ内に進
入して一部は吸収され一部は透過する。このうち、骨エ
コーＡｅは、逆の経路を辿って、再びトランスデューサ
１の送受波面で受波される。

【００１９】トランスデューサ１は、各種のエコーＡ
ｎ，Ａｅを逐次受波すると、受波信号（電気信号）に変
換し、変換により生成された受波信号をケーブル３を介
して装置本体２（整合回路５）に送出する。増幅器６
は、整合回路５から出力される受波信号を所定の増幅度
で増幅した後、波形整形器７に入力する。波形整形器７
は、増幅器６の出力信号を検波・フィルタ処理を施して
波形整形した後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。

【００２０】ここで、ＣＰＵ１０は、Ａ／Ｄ変換器８を
制御して、波形整形器７の出力信号のレベルや到来時刻
等を検出させ、骨エコーＡｅを抽出させ、骨エコーＡｅ
の受波信号をデジタルの骨エコー信号Ｅに変換させる
（ステップＳＰ１３）。ＣＰＵ１０は、Ａ／Ｄ変換器８
から骨エコー信号Ｅを取り込むと共に、計時回路９から
経過時間を読み込んで、このときの骨エコー到達時間Ｔ
ｎを計測し、それぞれ、今回抽出の骨エコーレベルＥ、
骨エコー到達時間Ｔｎとして、ＲＡＭ１２の今回抽出デ
ータメモリエリアに記憶した後（ステップＳＰ１４）、
レベルメータ１３を制御して、今回抽出の骨エコーレベ
ルＥ（骨エコーＡｅの現在レベル１３ａ）と、ＲＡＭ１
２の最大値抽出データメモリエリアに記憶されている最
大骨エコーレベルＥmax（骨エコーＡｅの最大レベル１
３ｂ）とを液晶指針パターンにより同時表示させる（ス
テップＳＰ１５）。

【００２１】次に、ＣＰＵ１０は、ステップＳＰ１６に
移り、ＲＡＭ１２内の今回抽出データメモリエリアから
今回抽出の骨エコーレベルＥ1を読み出すと共に、最大
値抽出データメモリエリアから最大骨エコーレベルＥma
xを読み出して、今回抽出の骨エコーレベルが、最大骨
エコーレベルＥmaxよりも大きいか否かを判断する。こ
の判断の結果が、「ＹＥＳ」のとき、すなわち、今回抽
出の骨エコーレベルＥが最大骨エコーレベルＥmaxより
も大きいときは、ステップＳＰ１７へ進み、最大値抽出
データメモリエリアの記憶内容（最大骨エコーレベル
等）を今回抽出骨データメモリエリアの記憶内容（今回
抽出の骨エコーレベル等）で書き換えた後、ステップＳ
Ｐ１８へ進む。一方、ステップＳＰ１６における判断の
結果が、「ＮＯ」のとき、すなわち、今回抽出の骨エコ
ーレベルＥが最大骨エコーレベルＥmaxよりも小さいと
きは、ステップＳＰ１８へ直接飛ぶ。ステップＳＰ１８
では、ＣＰＵ１０は、ＲＡＭ１２内の測定続行フラグを
見る。このとき、測定続行フラグが立っていれば（測定
フラグの内容が「１」のときは）、測定続行の意味なの
で、ＣＰＵ１０は、ステップＳＰ１２へ戻り、上述の処
理（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１８）を繰り返す。なお、
操作者が、測定終了スイッチを押すまで、測定続行フラ
グの内容は「１」に保たれる。

【００２２】操作者は、ＣＰＵ１０が上述の処理（ステ
ップＳＰ１２〜ＳＰ１８）を繰り返す間、図３の矢印Ｒ
で示すように、トランスデューサ１を、皮膚表面Ｘに当
てがい、かつ測定対象である骨Ｍｂに向けた状態で、時
にコマの歳差運動のように円を描いて、時にシーソのよ
うに前後に左右に斜め方向に振りながら、レベルメータ
１３の液晶指針パターンが最大に振れる状態を目指す。
レベルメータ１３の液晶指針パターンが最大に振れると
きは、図６（ａ）に示すように、測定部位である骨Ｍｂ
の法線とトランスデューサ１の送受波面の法線とが一致
するとき、すなわち、平面波の超音波インパルスＡｉが
骨表面Ｙに垂直入射するとき（超音波インパルスＡｉの
波面が骨表面Ｙに対して略平行に揃っているとき）であ
る。

【００２３】何故なら、両法線が一致するときには、同
図（ａ）に示すように、骨表面Ｙで垂直に反射した骨エ
コーＡｅは、送受波面に垂直に入射して戻ってくるた
め、骨エコーＡｅの波面も送受波面に対して略平行に揃
い、それゆえ、受波位置の違いによる骨エコーＡｅの位
相のずれが最小となるので、受波信号は、山と谷との打
ち消し合いが少なく、したがって、最大レベルの骨エコ
ーＡｅが受波されることとなるからである。これに対し
て、両法線が不一致のとき、同図（ｂ）に示すように、
送受波面で骨エコーＡｅの波面が不揃いのため、受波信
号は、山と谷とが打ち消し合って、小さくなる。ここ
で、大事なことは、骨エコーＡｅのうち、抽出したいの
は、垂直反射で戻ってくる骨エコーＡｅである、という
ことである。何故なら、後述のアルゴリズムに適用され
る数式は、計算の正確性・簡素化のため、骨エコーＡｅ
が略垂直反射の場合に成立する式だからである。ただ、
骨表面Ｙで垂直反射した骨エコーＡｅは、上述したよう
に、受波信号が最大レベルとなるので、垂直反射の骨エ
コーＡｅを抽出するために、レベルメータ１３を参照し
ながら、最大レベルの骨エコーＡｅを抽出するのであ
る。なお、レベルメータ１３の液晶指針パターンは、骨
Ｍｂの法線と送受波面の法線との不一致が、はなはだし
いときは、敏感に変化するが、両法線が略一致するとき
は、変化が鈍くなるため、垂直反射の骨エコーＡｅは、
容易にかつ再現性良く抽出できる。

【００２４】操作者は、レベルメータ１３の液晶指針パ
ターンの振れ具合を見て、最大レベルの骨エコーＡｅを
抽出できたと判断すると、測定終了スイッチを押下す
る。測定終了スイッチが押下されると、ＣＰＵ１０は、
割り込み処理により、測定続行フラグの内容を「０」に
書き換えて、測定続行フラグを下ろす。ＣＰＵ１０は、
次回のステップＳＰ１８の判断の際に測定続行フラグの
内容を見る。そして、測定終了を知ると、パルス送出部
４を制御して、トランスデューサ１への半波インパルス
（電気信号）の送信を停止させる。そして、最大値抽出
データメモリエリアから、記憶内容（最大骨エコーレベ
ルＥmax等）を読み出して、表示器１４に表示する（ス
テップＳＰ１９）。

【００２５】この後、ＣＰＵ１０は、最大値抽出データ
メモリエリアに記憶されているデータ（最大骨エコーレ
ベルＥmax及びこのときの骨エコー到達時間Ｔｎ）を用
いて、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａの算出処理を実
行する。この算出処理は、まず、軟組織Ｍａ中での超音
波の減衰度Ａ(Ｔｎ)を算出し（ステップＳＰ２０）、次
いで、得られた減衰度Ａ(Ｔｎ)等から軟組織Ｍａと骨Ｍ
ｂとの界面での反射係数Ｒを算出した後（ステップＳＰ
２１）、得られた反射係数Ｒ等から骨Ｍｂの音響インピ
ーダンスＺａを算出する（ステップＳＰ２３）という手
順で行われる。

【００２６】［１］超音波の軟組織往復による減衰度Ａ
(Ｔｎ)の算出ＣＰＵ１０は、まず、最大値抽出データメモリエリアの
中から骨エコー到達時間Ｔｎを読み出し、読み出された
骨エコー到達時間Ｔｎ［sec］の値を式（１）に代入し
て、軟組織Ｍａ内での超音波の減衰度Ａ(Ｔｎ)を算出す
る（ステップＳＰ２０）。

【００２７】

【数１】

【００２８】ここで、減衰度Ａ(Ｔｎ)とは、超音波が軟
組織Ｍａ内を往復する際に受ける減衰の程度、すなわ
ち、超音波が皮膚表面Ｘから骨表面Ｙにまで伝搬し、骨
表面Ｙで反射して再び皮膚表面Ｘに戻ってくるまでに受
ける減衰の程度を意味する（Ａ(Ｔｎ)が小さい程、減衰
大を意味する）。軟組織Ｍａの往復の道のりは、骨エコ
ー到達時間Ｔｎに軟組織Ｍａ中での音速を乗じることに
より得られる。したがって、減衰度Ａ(Ｔｎ)は、骨エコ
ー到達時間差Ｔｎの関数であり、関係式は、実験もしく
はシミュレーションによって求めることができる。超音
波が、軟組織Ｍａ内で減衰を受けるのは、第１に、この
例で使用する超音波は、完全な平面波ではなく、球面波
成分も多分に含み、この球面波成分により音響エネルギ
が拡散（超音波拡散）するからであり、第２に、軟組織
Ｍａとの摩擦で、音響エネルギが熱エネルギに変換（超
音波吸収）されるためである。超音波拡散に起因する減
衰の程度は、トランスデューサ１の開口、超音波の周波
数、軟組織Ｍａ中の音速等から、計算や実験により求め
ることができる。また、超音波吸収に起因する減衰の程
度は、超音波の周波数を低くすれば小さくなり、周波数
が充分に低くなくとも、軟組織Ｍａの代表的な吸収定数
（単位長当たりの超音波の減衰率）を用いることができ
る。なお、超音波の減衰度Ａ(Ｔｎ)を与える式（１）
は、超音波の使用中心周波数を２．５ＭＨｚに設定し、
トランスデューサ１の開口を１５ｍｍに設定した場合に
成立する実験式である。

【００２９】［２］軟組織Ｍａ・骨Ｍｂの界面での反射
係数Ｒの算出次いで、ＣＰＵ１０は、最大値抽出データメモリエリア
の中から最大骨エコーレベルＥmaxを読み出してきて、
式（１）を用いて算出された減衰度Ａ(Ｔｎ)と共に、式
（２）に代入して、超音波が軟組織Ｍａの媒質側から骨
Ｍｂに垂直に入射する場合の軟組織Ｍａと骨Ｍｂとの界
面での反射係数Ｒを算出する（ステップＳＰ２１）。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、Ｐ：トランスデューサ１に単位電気信号（電圧、電流、
散乱パラメータ等）を印加したときに、トランスデュー
サ１の送受波面から垂直方向に出力される超音波インパ
ルスＡｉの音圧Ｑ：トランスデューサ１の送受波面に単位入射音圧のエ
コーが垂直に入射したときにトランスデューサ１から出
力される受波信号（電圧、電流、散乱パラメータ等の電
気信号）の振幅Ｂ：増幅器６の振幅増幅度と波形整形器７の振幅増幅度
との積Ｖｉ：装置使用時、パルス送出部４からトランスデュー
サ１に加えられる電気信号の振幅なお、Ｐ，Ｑ，Ｖｉは、いずれも周波数の関数である
が、この例では、中心周波数（例えば２．５ＭＨｚ）で
の成分（実測値）を用いる。これらの実測値は、ＲＯＭ
１１に書き込まれている。

【００３２】式（２）は、次のようにして導かれる。ま
ず、パルス送出部４からトランスデューサ１に振幅Ｖｉ
の電気信号が加えられると、トランスデューサ１の送受
波面から音圧ＰＶｉの超音波インパルスＡｉが軟組織Ｍ
ａ内に注入される。注入された超音波インパルスＡｉ
は、軟組織Ｍａ内で減衰しながらも、（骨表面Ｙに対し
て垂直に入射する場合を考えれば、）骨表面Ｙで垂直に
反射し、骨エコーＡｅとなって、トランスデューサ１に
垂直に戻ってくる。それゆえ、トランスデューサ１の送
受波面にまで戻ってきた骨エコーＡｅの音圧Ｐ(ｅ)は、
式（１）より求めた超音波の軟組織Ｍａ往復による減衰
度Ａ(Ｔｎ)を考慮すれば、式（３）で与えられる。

【００３３】

【数３】Ｐ(ｅ)＝Ｐ・Ｖｉ・Ｒ・Ａ(Ｔｎ) ……（３）

【００３４】音圧Ｐ(ｅ)の骨エコーＡｅが、トランスデ
ューサ１の送受波面に受波されると、トランスデューサ
１は、振幅Ｑ・Ｐ(ｅ)の受波信号を出力する。この受波
信号は、増幅器６（及び波形整形器７）で増幅度Ｂで増
幅されて、最大骨エコー信号Ｅmax（＝Ｂ・Ｑ・Ｐ(ｅ)）
として、Ａ／Ｄ変換器８にてデジタル変換される。それ
ゆえ、最大骨エコーレベルＥmaxは、式（４）で与えら
れる。

【数４】Ｅmax＝Ｐ・Ｖｉ・Ｒ・Ａ(Ｔｎ)・Ｂ・Ｑ ……（４）式（４）をＲについて解けば、式（２）が求められる。

【００３５】再び、図５のフローチャートの説明に戻れ
ば、ＣＰＵ１０は、式（２）を用いて、軟組織Ｍａと骨
Ｍｂとの界面での反射係数Ｒを算出した後（ステップＳ
Ｐ２１）、算出結果を表示器１４に表示する（ステップ
ＳＰ２２）。

【００３６】［３］骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａの
算出この後、ＣＰＵ１０は、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺ
ａ（Ｎ・ｓ／ｍ³）を式（５）を用いて算出し（ステップ
ＳＰ２３）、算出結果を表示器１４に表示する（ステッ
プＳＰ２４）。

【００３７】

【数５】

【００３８】ここで、Ｚａ(w)：軟組織Ｍａの音響インピーダンス（既知）この例では、Ｚａ(w)の実測値又は理論値が、予め、Ｒ
ＯＭ１１に書き込まれている。

【００３９】上記構成によれば、変位（トランスデュー
サ１の振れ）に対して骨からのエコーのレベル変化が鈍
る垂直反射の骨エコーＡｅを利用するので、測定データ
の抽出が容易であり、かつ再現性良く抽出できる。加え
て、レベルメータ１２には、骨エコーＡｅの現在レベル
１２ａを刻々と表示すると共に、骨エコーＡｅの最大レ
ベル１２ｂも固定的に表示されるので、最大レベルを容
易に探索できる。加えて、超音波の軟組織往復による減
衰度Ａ(Ｔｎ)も考慮されるので、骨Ｍｂの音響インピー
ダンスＺａを確実に測定できる。骨Ｍｂの音響インピー
ダンスＺａは、骨Ｍｂの［弾性率×密度］の平方根で表
されるので、骨密度の増加に伴って弾性率が上昇する
と、これらの相乗効果を受けるために、敏感に応答して
顕著に増加する。逆に、骨Ｍｂの密度が減少して、弾性
率が低下すると、音響インピーダンスＺａは、これらの
相乗効果を受けて、敏感に応答して顕著に減少する。そ
れゆえ、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺａは、骨密度や
骨弾性率を判断する上で、良い指標となる。したがっ
て、操作者は、表示器１４に表示されている骨Ｍｂの音
響インピーダンスＺａの値から、骨粗鬆症の進行状況を
確実に推定できる。例えば、音響インピーダンスが、そ
の年齢層の平均値から著しく小さい場合には、骨Ｍｂの
骨粗鬆症が悪化していることが判る。また、ＲＡＭ１２
には、今回抽出されたデータのみを記憶する今回抽出デ
ータメモリエリア、最大骨エコーレベル及び関係データ
のみを記憶する最大値抽出データメモリエリアが設定さ
れているので、記憶容量の小さい安価なＲＡＭを使用す
ることができる。

【００４０】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、骨は人間
のものに限定されない。同様に、測定部位は、踵や膝蓋
骨上等に限定されない。また、トランスデューサを構成
する超音波振動子は、厚み振動型に限らず、撓み振動型
でも良い。また、圧電素子は、ＰＺＴに限らずチタン酸
バリウム等を用いても良い。また、超音波振動子の送受
波面は、大きなものに限定されない。また、使用中心周
波数は、２．５ＭＨｚに限らない。また、減衰度Ａ(Ｔ
ｎ)を与える式（１）は、一例であり、超音波の使用中
心周波数や、トランスデューサの開口が変われば、変化
し得る。また、骨粗鬆症診断の指標（音響インピーダン
ス）を出力する出力装置としては、表示器に限らず、プ
リンタを用いても良い。また、エコー波形を観察するた
めに、時間波形表示装置（例えば、デジタルオシロスコ
ープ）を備えても良い。

【００４１】また、骨弾性率の状況から骨粗鬆症を診断
できるという意見があるが、骨の音響インピーダンス
は、骨の［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨
弾性率の指標ともなり得る。また、骨の音響インピー
ダンスを骨密度や骨弾性率の指標とする代わりに、通常
は、骨の音響インピーダンスの単調増加関数とみなして
差し支えのない軟組織Ｍａ・骨Ｍｂの界面での反射係数
を骨密度や骨弾性率の指標としても、上述したと同様の
効果を得ることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の構成に
よれば、変位（超音波送受波器の振れ）に対して骨から
のエコーのレベル変化が鈍る垂直反射の骨エコーを利用
するので、測定データの抽出が容易であり、かつ再現性
良く抽出できる。加えて、超音波の軟組織往復による減
衰度Ａ(Ｔｎ)も考慮されるので、骨の音響インピーダン
スを確実に測定できる。骨の音響インピーダンスは、骨
の［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨密度の
増加に伴って弾性率が上昇すると、これらの相乗効果を
受けるために、敏感に応答して顕著に増加する。逆に、
骨の密度が減少して、弾性率が低下すると、音響インピ
ーダンスは、これらの相乗効果を受けて、敏感に応答し
て顕著に減少する。それゆえ、骨の音響インピーダンス
は、骨密度や骨弾性率を判断する上で、良い指標とな
る。したがって、操作者は、表示器に表示されている骨
の音響インピーダンスの値から、骨粗鬆症の進行状況を
確実に推定できる。例えば、音響インピーダンスが、そ
の年齢層の平均値から著しく小さい場合には、骨の骨粗
鬆症が悪化していることが判る。また、骨の音響インピ
ーダンスを骨密度や骨弾性率の指標とする代わりに、通
常は、骨の音響インピーダンスの単調増加関数とみなす
ことのできる生体の軟組織と骨の界面での反射係数を骨
密度や骨弾性率の指標としても、上述したと同様の効果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である骨粗鬆症診断装置の
電気的構成を示すブロック図である。

【図２】同装置の外観を示す図である。

【図３】同装置の使用状態を示す図である。

【図４】同装置による骨粗鬆症診断の様子を示す図であ
る。

【図５】同装置の動作処理手順を示すフローチャートで
ある。

【図６】同装置の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

１トランスデューサ（超音波送受波器）７波形整形器（最大エコーレベル抽出手段の一
部）８Ａ／Ｄ変換器（最大エコーレベル抽出手段の一
部）９計時回路（計時手段）１０ＣＰＵ（最大エコーレベル抽出手段、演算手
段）１４表示器（出力手段）Ａｉ超音波インパルスＭａ軟組織Ｍｂ骨Ｘ軟組織の表面（皮膚表面）Ｙ骨表面Ａｅ骨エコー（エコー）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波送受波器を生体に当て、その送受
波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対して所定の角
度範囲内で振り動かしながら、超音波インパルスを断続
的に発射すると共に、前記骨からのエコーを逐次受波
し、受波された骨からのエコー情報に基づいて骨密度又
は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を診断する骨粗鬆
症診断方法であって、前記骨の表面で反射して前記送受波面に戻ってくるエコ
ーを逐次受波して、エコーレベル及び前記超音波インパ
ルスが発射されてから前記エコーが戻ってくるまでのエ
コー到達時間を計測し、計測により得られたエコー情報
から最大エコーレベル及びこのときのエコー到達時間を
抽出する第１のステップと、抽出された前記最大エコー
レベル及びこのときのエコー到達時間に基づいて、前記
生体の軟組織と骨との界面での反射係数又は前記骨の音
響インピーダンスを算出する第２のステップとからな
り、第２のステップにおいて算出された前記反射係数又
は骨の音響インピーダンスから骨密度又は骨弾性率の状
況を推定して骨粗鬆症を診断することを特徴とする骨粗
鬆症診断方法。
【請求項２】超音波送受波器を生体に当て、その送受
波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対して所定の角
度範囲内で振り動かしながら、超音波インパルスを断続
的に発射すると共に、前記骨からのエコーを逐次受波
し、受波された骨からのエコー情報に基づいて骨密度又
は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を診断する骨粗鬆
症診断装置であって、前記超音波インパルスが発射されてから前記エコーが戻
ってくるまでのエコー到達時間を計測するための計時手
段と、前記超音波送受波器によって逐次受波された前記
骨からのエコーの中から最大エコーレベルを抽出する最
大エコーレベル抽出手段と、該最大エコーレベル抽出手
段によって抽出された最大エコーレベル及び前記計時手
段によって計測されたエコー到達時間に基づいて、前記
生体の軟組織と骨との界面での反射係数又は前記骨の音
響インピーダンスを算出する演算手段と、該演算手段に
よって算出された前記反射係数又は前記骨の音響インピ
ーダンスを骨粗鬆症診断の指標として出力する出力手段
とを備えてなることを特徴とする骨粗鬆症診断装置。