JPH09224933A

JPH09224933A - 骨粗鬆症診断装置

Info

Publication number: JPH09224933A
Application number: JP3636296A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ishii; 徹哉石井; Yasuyuki Kubota; 康之久保田; Masashi Kuriwaki; 真史栗脇
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1996-02-23
Publication date: 1997-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】骨の弾性率を正確に測定し、信頼性の高い診
断を簡易に行う。【解決手段】予めＸ線ＣＴ装置等により、被験者の所
定の皮質骨の密度を正確に測定して得られたデータをキ
ーボード３を用いて入力する。次に、超音波パルスを被
験者の骨密度を測定した部位の皮質骨に向けて繰り返し
放射し、該皮質骨からのエコーを受波する。受波信号
は、Ａ／Ｄ変換器８によって、デジタルのエコー信号に
変換され、ＣＰＵ１１によってエコーレベルが検出され
る。ＣＰＵ１１は、測定期間中に検出されたエコーレベ
ルの中から最大エコーレベルを抽出し、抽出された最大
エコーレベルに基づいて皮質骨の音響インピーダンスを
算出する。そして、算出された骨の音響インピーダンス
と入力された皮質骨の密度から被験者の皮質骨の弾性率
を算出する。皮質骨の弾性率は骨の折れ難さを示す重要
な尺度であるので、骨粗鬆症の確実な診断のために有効
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波パルスを
被験者の所定の皮質骨に向けて放射し、該皮質骨表面か
らのエコーレベルを測定することにより、骨粗鬆症を診
断する骨粗鬆症診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高齢化社会の到来に伴って、骨粗
鬆症と呼ばれる骨の疾患が問題となっている。これは、
骨からカルシウムが抜け出してスカスカになり、少しの
ショックで折れ易くなる病気で、高齢者をいわゆる寝た
きりにさせる原因の一つにもなっている。この骨粗鬆症
の物理的診断を行う装置としては、超音波を利用する診
断装置が知られている。超音波を利用する診断装置で
は、超音波が骨組織中を伝搬するときの音速や減衰を計
測して、骨密度を推定し、低い推定値が得られれば、そ
れは、骨からカルシウムが抜け出したためであると考え
ることができるので、骨粗鬆症と診断する。例えば、特
開平２−１０４３３７号公報に記載の診断装置では、一
方の超音波トランスデューサから測定部位である被験者
の骨組織に向けて超音波パルスを発射し、骨組織を透過
してきた超音波パルスを他方の超音波トランスデューサ
で受波することにより、骨組織中での音速を測定し、骨
組織内での音速が遅い程、骨粗鬆症が進行していると診
断する。これは、同診断装置が、骨組織中では音速は骨
密度に比例する、という前提に立って組まれたアルゴリ
ズムで動作するからである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、骨密度
と音速や超音波の減衰とを結び付ける理論的根拠は不確
かである。加えて、この出願に係る発明者らの精緻な臨
床的研究によれば、骨密度が減少したからといって、こ
れに伴って、弾性率が低下するとは限らないことが判っ
た。すなわち、一般には、骨粗鬆症の進行とともに骨の
弾性率が低下し、同時に、骨密度も減少するが、骨の弾
性率が低下し、骨が折れ易くなっているにもかかわら
ず、骨密度は減少していない事例も多々認められた。し
たがって、骨組織中での音速や超音波の減衰についての
計測結果から骨密度を推定して、骨粗鬆症を診察すると
いう従来の診断装置に信頼性の高い診断を求めることに
は無理があった。

【０００４】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、従来よりも一段と確実な診断を行うことのでき
る超音波反射式の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、超音波トランスデューサを
被験者の所定の皮質骨を覆う皮膚表面に当てた状態で、
該超音波トランスデューサの送受波面の向きを、上記皮
質骨表面の法線の向きを含む所定の立体角の範囲内で様
々に変えながら、超音波パルスを上記皮膚下の皮質骨に
向けて繰り返し発射し、１パルス発射毎に、該皮質骨表
面から戻ってくるエコーを上記超音波トランスデューサ
によって受波し、受波信号をアナログ／デジタル変換器
によってデジタル信号に変換し、デジタル化されたエコ
ー信号を用いて信号処理を行うことにより骨粗鬆症を診
断する超音波反射式の骨粗鬆症診断装置であって、入力
される上記エコー信号からエコーレベルを検出するエコ
ーレベル検出手段と、検出された複数の上記エコーレベ
ルの中から最大エコーレベルを抽出するための最大エコ
ーレベル抽出手段と、抽出された上記最大エコーレベル
に基づいて、上記皮質骨の音響インピーダンスを算出す
る音響インピーダンス算出手段と、被験者の上記皮質骨
の密度データを入力するための骨密度入力手段と、上記
音響インピーダンス算出手段において算出された上記皮
質骨の音響インピーダンス及び上記骨密度入力手段によ
って入力された上記皮質骨の密度データに基づいて、上
記皮質骨の弾性率を算出する弾性率算出手段とを備え、
該弾性率算出手段によって算出された上記皮質骨の弾性
率を指標と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、請求項１記
載の骨粗鬆症診断装置であって、上記音響インピーダン
ス算出手段は、上記最大エコーレベル抽出手段によって
抽出された上記最大エコーレベルに基づいて上記被験者
の軟組織に対する上記皮質骨の超音波反射係数を算出
し、算出された該超音波反射係数に基づいて、上記皮質
骨の音響インピーダンスを算出す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、予め、Ｘ線ＣＴ装置
（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）等により、被験者の
所定の皮質骨の密度を正確に測定して得られた密度デー
タを骨密度入力手段を用いて骨粗鬆症診断装置本体に入
力する。次に、超音波トランスデューサから超音波パル
スを被験者の上記皮質骨に向けて繰り返し発射し、１パ
ルス発射毎に、該皮質骨表面から戻ってくるエコーを上
記超音波トランスデューサによって受波し、この受波信
号に基づいて、上記皮質骨の音響インピーダンスを算出
する。そして、一般に、弾性率は音響インピーダンスの
二乗と密度の比で表されるので、この関係から、入力さ
れた上記皮質骨の密度データと上記皮質骨の音響インピ
ーダンスとに基づいて、上記皮質骨の弾性率を算出し、
この皮質骨の弾性率を指標として骨粗鬆症を診断する。
この発明の構成によれば、骨粗鬆症を診断するために重
要な、骨の折れ難さの尺度である皮質骨の弾性率を、受
波したエコーに基づいて算出した皮質骨の音響インピー
ダンスと、骨密度入力手段によって入力された皮質骨の
密度データとから直接的かつ正確に算出し、この皮質骨
の弾性率を指標として骨粗鬆症を診断するので、一段と
信頼性の高い診断を行うことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。 ◇第１実施例図１は、この発明の第１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模式図、図４は、
同装置の動作処理手順を示すフローチャート、図５は、
同装置の動作の説明に用いられる図、図６は、同装置の
動作の説明に用いられる図である。この例の骨粗鬆症診
断装置は、図１乃至図３に示すように、電気パルス信号
が所定の周期で入力される度に、これに応答して、測定
部位である被験者の所定の皮質骨Ｍｂに向けて超音波パ
ルスＡｉを発射すると共に、皮質骨（皮質骨）Ｍｂの表
面Ｙから戻ってくるエコー（以下、骨エコーという）Ａ
ｅ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に電気パルス信号を
供給し、トランスデューサ１から出力される上記受波信
号を処理して皮質骨Ｍｂからの反射波の振幅である骨エ
コーレベルを抽出することにより、骨粗鬆症の診断を行
う装置本体２と、予め、Ｘ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュー
タ断層撮影装置）等により、トランスデューサ１を当て
てエコーを測定する部位の被験者の皮質骨Ｍｂの骨密度
ρを正確に測定して得られたデータを装置本体２に入力
するためのキーボード３とを有してなっており、トラン
スデューサ１と装置本体２とは、ケーブルＣによって接
続されている。

【０００９】上記トランスデューサ１は、チタンジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）等の円板状の厚み振動型圧電素子の両
面に電極層を有する超音波振動子１ａを主要部として構
成され、この超音波振動子１ａの一方の電極面（超音波
パルスＡｉの送受波面）には、送信残響の効果を除去を
するために、ポリエチレンバルク等の超音波遅延スペー
サ１ｂが固着されている。なお、送信残響が骨エコーＡ
ｅの受波に影響を及ぼさない場合には、超音波遅延スペ
ーサ１ｂを省略できる。ここで、精度の高い測定を行う
には、トランスデューサ１の送受波面から平面波とみな
して差し支えのない超音波パルスＡｉを皮質骨Ｍｂに向
けて放射でき、平面波とみなして差し支えのない骨エコ
ーＡｅが送受波面に戻ってくるのが望ましいことから、
トランスデューサ１としては、送受波面をできるだけ広
くしたものが好適である（この例では、送受波面の直径
Ｄを１５［mm］に設定）。同様の観点から、測定部位た
る皮質骨Ｍｂとしては、曲率半径の大きな平坦性の良い
部位、例えば、頭骨、頸骨、肩胛骨等の皮質骨Ｍｂを選
択することが好ましい。

【００１０】上記装置本体２は、パルス発生器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、ＲＯＭ９と、ＲＡＭ１０と、ＣＰＵ（中央処理
装置）１１と、レベルメータ１２と、表示器１３とから
構成されている。パルス発生器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２．５
ＭＨｚの電気パルス信号を所定の周期（例えば、１００
msec）で繰り返し生成して、トランスデューサ１に送信
する。整合回路５は、ケーブル３を介して接続されるト
ランスデューサ１と装置本体２との間で、最大のエネル
ギ効率で信号の授受ができるように、インピーダンスの
整合を行う。それゆえ、受波信号は、トランスデューサ
１の超音波振動子１ａが骨エコーＡｅを受波する度に、
トランスデューサ１から出力され、整合回路５を介し
て、エネルギの損失なしに、増幅器６に入力される。増
幅器６は、整合回路５を経由して入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、ＬＣ構成のバンドパスフィルタからな
り、増幅器６によって増幅された受波信号にフィルタ処
理を施して、ノイズ成分を除去すべく線形に波形整形し
た後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、
図示せぬサンプルホールド回路、サンプリングメモリ
（ＳＲＡＭ）等を備え、ＣＰＵ１１のサンプリング開始
要求に従って、入力される波形整形器７の出力信号（波
形整形されたアナログの受波信号）を所定の周波数（例
えば１２ＭＨｚ）でサンプリングしてデジタルエコー信
号（以下、骨エコー信号という）に順次変換し、得られ
た骨エコー信号を一旦自身のサンプリングメモリに格納
した後、ＣＰＵ１１に送出する。

【００１１】ＲＯＭ９は、オペレーティングシステム
（ＯＳ）の他に、ＣＰＵ１１が骨粗鬆症診断のために実
行する処理プログラムを格納する。この処理プログラム
は、１パルス１エコー毎にＡ／Ｄ変換器８から骨エコー
信号を取り込んで骨エコーレベルを検出する手順、この
ようにして検出された多数の骨エコーレベルの中から最
大骨エコーレベルを抽出する手順、抽出された最大骨エ
コーレベルに基づいて、被験者の軟組織Ｍａに対する皮
質骨Ｍｂの超音波反射係数Ｒを算出する手順、算出され
た超音波反射係数Ｒに基づいて、被験者の皮質骨Ｍｂの
音響インピーダンスＺbを算出する手順及びこの音響イ
ンピーダンスＺbとキーボード３を用いて入力された骨
密度ρとに基づいて、被験者の皮質骨Ｍｂの弾性率Ｅを
算出する手順等が記述されている。なお、この処理プロ
グラムでは、被験者の皮質骨Ｍｂの音響インピーダンス
Ｚbは、式（１）によって与えられる。

【００１２】

【数１】Ｚb＝Ｚa（Ｒ＋１）／（１−Ｒ） …（１）Ｚa：軟組織Ｍａの音響インピーダンス（既知）ここで、皮質骨Ｍｂの表面Ｙが略平面で、トランスデュ
ーサ１から発射される超音波パルスＡｉも平面波で、し
かも、その波面が皮質骨Ｍｂの表面Ｙと略平行であると
みなせるとき（つまり、超音波パルスＡｉが皮質骨Ｍｂ
の表面Ｙに略垂直に入射するとき）、被験者の軟組織Ｍ
ａに対する皮質骨Ｍｂの超音波反射係数Ｒは、式（２）
で表される。ところで、骨エコーレベルは、超音波パル
スＡｉが皮質骨Ｍｂの表面Ｙに略垂直に入射するときに
極大となる。したがって、この例によって抽出される最
大骨エコーレベルは、後述するように、超音波パルスＡ
ｉが皮質骨Ｍｂの表面Ｙに略垂直に入射したときに得ら
れるので、抽出された最大骨エコーレベルから算出され
る超音波反射係数Ｒは、式（２）によって与えられる超
音波反射係数Ｒと一致する。それゆえ、式（２）を変形
することにより、式（１）が得られる。

【００１３】

【数２】Ｒ＝（Ｚb−Ｚa）／（Ｚb＋Ｚa） …（２）そして、被験者の皮質骨Ｍｂの弾性率Ｅは、式（１）よ
り算出された音響インピーダンスＺbとキーボード３を
用いて入力された骨密度ρとにより、式（３）によって
求められる。

【数３】Ｅ＝Ｚb²／ρ …（３）

【００１４】ＲＡＭ１０は、ＣＰＵ１１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、データエリアには、キーボー
ド３を用いて入力された骨密度ρや、今回検出された骨
エコーレベル（今回骨エコーレベル）、これまで検出さ
れた骨エコーレベルの中から抽出された最大骨エコーレ
ベルを記憶するエコーデータメモリエリア、今回受波さ
れた骨エコー波形（今回骨エコー波形）や最大骨エコー
レベルが検出されたときに受波された骨エコー波形（最
大骨エコー波形）を記憶する波形メモリエリア、及び測
定続行か否かの情報を記憶する測定続行フラグ等が設定
されている。

【００１５】ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ９に格納されている
上述の各種処理プログラムをＲＡＭ１０を用いて実行す
ることにより、パルス発生器４やＡ／Ｄ変換器８を始め
装置各部を制御して、１パルス１エコー毎にＡ／Ｄ変換
器８から骨エコー信号を取り込んで骨エコーレベルを検
出し、さらに、その中から最大骨エコーレベルを抽出
し、抽出された最大骨エコーレベルの値に基づいて、被
験者の軟組織Ｍａに対する皮質骨Ｍｂの超音波反射係数
Ｒを算出し、算出された超音波反射係数Ｒに基づいて、
被験者の皮質骨Ｍｂの音響インピーダンスＺbを算出
し、さらに、この音響インピーダンスＺbとキーボード
３を用いて入力された骨密度ρとに基づいて、被験者の
皮質骨Ｍｂの弾性率Ｅを算出して骨粗鬆症の診断を行
う。レベルメータ１２は、ＣＰＵ１１によって制御さ
れ、ＲＡＭ１０に記憶されている今回骨エコーレベルを
図２及び図３に破線で示す液晶指針パターン１２ａの振
れとして、また、これまで（今回まで）に検出された中
での最大骨エコーレベルを同図に実線で示す液晶指針パ
ターン１２ｂの振れとして同時に表示する。また、表示
器１３は、ＣＲＴディスプレイ又は液晶ディスプレイ等
からなり、ＣＰＵ１１の制御により、最大骨エコーレベ
ル（測定値）、超音波反射係数Ｒ（算出値）、音響イン
ピーダンスＺb（算出値）、骨密度ρ（入力値）、弾性
率Ｅ（算出値）、今回骨エコー波形や最大骨エコー波形
等が画面表示される。

【００１６】キーボード３は、操作者が骨密度データを
入力するための各種キーや、測定開始を指示するための
測定開始スイッチ、測定終了を指示するための測定終了
スイッチを備えてなっている。音響インピーダンスＺb
を測定する部位の被験者の皮質骨Ｍｂの骨密度ρは、例
えば、Ｘ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）
等により予め正確に測定して得られ、操作者は、この骨
密度ρを数値データとして、キーボード３から装置本体
２に入力する。なお、キーボード本体は、着脱可能のケ
ーブルを介して装置本体２に接続されている。

【００１７】次に、図３乃至図６を参照して、この例の
動作（骨粗鬆症診断時における主としてＣＰＵ１１の処
理の流れ）について説明する。まず、曲率半径が大き
く、皮膚の表面に近く、かつ、骨の厚さも比較的厚い頭
骨、脛骨又は肩胛骨の皮質骨Ｍｂを測定部位として選
ぶ。このような皮質骨Ｍｂからは、平面波とみなして差
し支えのない骨エコーＡｅが戻ってくるので、測定精度
を高める上で好ましいし、さらに、ノイズの混入が少な
く、再現性の良い安定したエコーレベルの測定が可能と
なるからである。装置に電源が投入されると、ＣＰＵ１
１は、装置各部のプリセット、カウンタや各種レジス
タ、各種フラグの初期設定を行った後（ステップＳＰ１
０（図４））、キーボード３から骨密度ρの数値データ
が送出されてくるのを待つ（ステップＳＰ１１）。そし
て、操作者がキーボード３を用いて骨密度ρのデータを
入力すると、ＣＰＵ１１はこのデータを受け取り、ＲＡ
Ｍ１０へ転送して記憶させると共に、表示器１３に表示
させる（ステップＳＰ１２）。この後、ＣＰＵ１１は、
測定開始スイッチが押下されるのを待つ（ステップＳＰ
１３）ので、ここで、操作者は、図３に示すように、被
験者の測定部位である皮質骨Ｍｂを覆う軟組織Ｍａの表
面（皮膚の表面Ｘ）に、超音波ゲル１４を塗り、超音波
ゲル１４を介してトランスデューサ１を皮膚の表面Ｘに
当て、送受波面を皮質骨Ｍｂに向けた状態で、測定開始
スイッチをオンとする。測定開始スイッチがオンとされ
ると（ステップＳＰ１３）、ＣＰＵ１１は、測定続行フ
ラグに「１」を書き込んで測定続行フラグを立てた後、
これより、図４に示す処理手順に従って診断動作を開始
する。

【００１８】ＣＰＵ１１は、まず、パルス発生器４に１
パルス発生命令を発行する（ステップＳＰ１４）。パル
ス発生器４は、ＣＰＵ１１から１パルス発生命令を受け
ると、電気パルス信号をトランスデューサ１に送信す
る。トランスデューサ１は、パルス発生器４から電気パ
ルス信号の供給を受けると、被験者の皮質骨Ｍｂに向け
て（取り扱う短い距離の間では平面波とみなして差し支
えのない）超音波パルスＡｉを発射する。発射された超
音波パルスＡｉは、図５に示すように、皮膚の表面Ｘで
一部が反射され、残りが皮膚の表面Ｘから軟組織Ｍａ内
に注入され、皮質骨Ｍｂに向かって伝搬する。そして、
皮質骨Ｍｂの表面Ｙで一部が反射して骨エコーＡｅとな
り、一部は皮質骨Ｍｂに吸収され、残りは皮質骨Ｍｂを
透過する。骨エコーＡｅは、入射超音波Ａｉとは逆の経
路を辿り、再びトランスデューサ１の超音波振動子１ａ
によって受波される。それゆえ、トランスデューサ１で
は、超音波パルスＡｉの発射後、まず、送信残響Ａｎ
が、続いて、皮膚の表面Ｘからのエコー（以下、表面エ
コーという）Ａｓが、少し遅れて、骨エコーＡｅが超音
波振動子１ａによってそれぞれ受波されて、超音波の波
形と振幅に対応する受波信号にそれぞれ変換される。生
成された受波信号は、ケーブル３を介して装置本体２
（整合回路５）に入力され、増幅器６において所定の増
幅度で増幅され、波形整形器７において線形に波形整形
された後、Ａ／Ｄ変換器８に入力される。

【００１９】ＣＰＵ１１は、パルス発生器４に１パルス
発生命令を送出した後（ステップＳＰ１４）、トランス
デューサ１の超音波振動子１ａによって送信残響Ａｎが
受波され、続いて、表面エコーＡｓが受波された後、骨
エコーＡｅがトランスデューサ１の超音波振動子１ａの
送受波面に戻ってくる時刻を見計らって、Ａ／Ｄ変換器
８に、サンプリング開始命令を発行する（ステップＳＰ
１５）。Ａ／Ｄ変換器８は、ＣＰＵ１１からサンプリン
グ開始命令を受けると、波形整形器７から波形整形され
た後、入力される皮質骨Ｍｂからの１エコー分の受波信
号を所定の周波数（例えば１２ＭＨｚ）でサンプリング
してデジタル信号に変換し、得られたＮ個のサンプル値
（１エコー分のデジタル信号）を一旦自身のサンプリン
グメモリに格納する。この後、ＣＰＵ１１からの転送要
求に応じて、サンプリングメモリに格納されたＮ個のサ
ンプル値をＣＰＵ１１に順次送出する。ＣＰＵ１１は、
Ａ／Ｄ変換器８からＮ個のサンプル値を順次取り込ん
で、今回骨エコー波形として、ＲＡＭ１０の波形メモリ
エリアに記憶した後、Ｎ個のサンプル値の中から最も大
きな値を抽出することにより、今回骨エコーレベル（今
回骨エコーの振幅）を検出し、検出結果をＲＡＭ１０の
エコーデータメモリエリアに格納する（ステップＳＰ１
６）。ＲＡＭ１０に格納された今回骨エコーレベルは、
図３に破線で示すように、レベルメータ１２に液晶指針
パターン１２ａの振れとして表示される（ステップＳＰ
１７）。

【００２０】次に、ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１０内のエコ
ーデータメモリエリアから今回骨エコーレベルと最大骨
エコーレベルを読み出して、今回骨エコーレベルの値
が、最大骨エコーレベルの値よりも大きいか否かを判断
する（ステップＳＰ１８）。今は、初回目の判断であ
り、最大骨エコーレベルの値は、初期設定値「０」のま
まなので、ＣＰＵ１１は、今回骨エコーレベルの値が、
最大骨エコーレベルの値よりも大きいと判断し、ＲＡＭ
１０のエコーデータメモリエリアに記憶されている最大
骨エコーレベルの値を今回骨エコーレベルの値に書き換
え、さらに、ＲＡＭ１０の波形メモリエリアに記憶され
ている最大骨エコー波形を今回骨エコー波形に書き換え
る（ステップＳＰ１９）。そして、更新された最大骨エ
コー波形を、表示器１３に画面表示すると共に、更新さ
れた最大骨エコーレベルを、図３に実線で示すように、
レベルメータ１２に液晶指針パターン１２ｂの振れとし
て表示する（ステップＳＰ２０）。

【００２１】次に、ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１０内の測定
続行フラグを見て（ステップＳＰ２１）、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）、ＣＰＵ１１は測定継続と判断して、上述の１パル
ス発射１エコー受波（ステップＳＰ１４〜ＳＰ１７）を
繰り返した後、ステップＳＰ１８において、再び、ＲＡ
Ｍ１０内のエコーデータメモリエリアから今回骨エコー
レベルと最大骨エコーレベルを読み出して、今回骨エコ
ーレベルの値が、最大骨エコーレベルの値よりも大きい
か否かを判断する。この判断の結果、今回骨エコーレベ
ルが最大骨エコーレベルよりも大きくないときは、更新
処理を行わずに、ステップＳＰ２１へ直接飛んで、測定
続行フラグを見る。測定続行フラグの内容は、操作者が
測定終了スイッチを押さない限り、「１」に保たれ、Ｃ
ＰＵ１１は、上述の１パルス発射１エコー受波（ステッ
プＳＰ１４〜ＳＰ１７）、最大骨エコーレベルの抽出作
業（ステップＳＰ１８〜ステップＳＰ２１）を繰り返
す。

【００２２】操作者は、ＣＰＵ１１が上述の処理（ステ
ップＳＰ１４〜ＳＰ２１）を繰り返す間、図３に矢印Ｗ
で示すように、トランスデューサ１を、皮膚の表面Ｘに
当てがい、測定部位の皮質骨Ｍｂに向け、時にコマの歳
差運動のように円や螺旋を描いたり、時にシーソのよう
に前後左右斜めに振ったりして、トランスデューサ１の
向きを変え、角度を変えながら、レベルメータ１２の液
晶指針パターン１２ａ，１２ｂが最大に振れる方向、つ
まり、最大骨エコーレベルが検出される方向を探す。レ
ベルメータ１２の液晶指針パターン１２ａ，１２ｂの振
れが最大になるのは、図６（ａ）に示すように、皮質骨
Ｍｂの法線とトランスデューサ１の送受波面の法線が一
致するときであり、したがって、平面波の超音波パルス
Ａｉの波面と皮質骨Ｍｂの表面Ｙが略平行のとき（つま
り、平面波の超音波パルスＡｉが皮質骨Ｍｂの表面Ｙに
略垂直入射するとき）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、皮質骨Ｍｂの表面Ｙで垂直反射
した骨エコーＡｅは、トランスデューサ１の送受波面に
垂直に戻ってくるため、骨エコーＡｅの波面も送受波面
に対して略平行に揃い、送受波面での受波位置の違いに
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、最大骨エコーレベルの骨エコー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Ａ
ｅ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。それゆえ、操作者が、トラン
スデューサ１の角度を皮質骨Ｍｂの法線付近で変化させ
たとき、骨エコーレベルが極大になれば、トランスデュ
ーサ１の送受波面に皮質骨Ｍｂの表面Ｙで略垂直に反射
した骨エコーＡｅが戻ってきたと考えることができる。

【００２４】ここで、重要なことは、この例の診断装置
にとって、診断精度を上げるためには、垂直反射の骨エ
コーＡｅを抽出することが必要だ、ということである。
何故なら、皮質骨Ｍｂの音響インピーダンスＺbを導く
式（１）は、上述したように、略垂直反射の骨エコーＡ
ｅに対して成立する式だからである。しかしながら、垂
直反射の骨エコーＡｅを抽出することは、困難なことで
はなく、レベルメータ１２の液晶指針パターン１２ａ，
１２ｂの振れを見ながら、垂直反射の骨エコーＡｅを容
易に見つけ出すことができる。つまり、皮質骨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、レベルメータ１２の液晶指針パターン１２ａ，１２
ｂが敏感に振れるので、両法線のはなはだしい不一致を
認識でき、一方、両法線が一致に近づくと、トランスデ
ューサ１の送受波面の向きが多少変位しても、骨エコー
レベルが安定し、液晶指針パターン１２ａ，１２ｂの振
れが落ちついてくることから、両法線の一致を確認でき
る。

【００２５】操作者は、レベルメータ１２の液晶指針パ
ターン１２ａ，１２ｂの振れ具合を見て、最大骨エコー
レベル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、ＣＰＵ１
１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。測定続
行フラグが下ろされると、ＣＰＵ１１は、次回以降の１
パルス発射を中止する（ステップＳＰ２１）。そして、
ＲＡＭ１０のエコーデータメモリエリアに記憶された最
大骨エコーレベルを読み出して、表示器１３に画面表示
する（ステップＳＰ２２）。この後、ＣＰＵ１１は、反
射係数算出ルーチンを実行することにより、ＲＡＭ１０
のエコーデータメモリエリアに記憶された最大骨エコー
レベルＶeと、予めＲＯＭ９に格納されている完全エコ
ーレベルＶ0 とから、被験者の軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂ
との界面での超音波反射係数Ｒを算出し（ステップＳＰ
２３）、算出値を表示器１３に画面表示する（ステップ
ＳＰ２４）。

【００２６】ここで、超音波反射係数Ｒは、完全垂直反
射したときの完全エコーレベルＶ0と、最大骨エコーレ
ベルＶeとの比［Ｒ＝Ｖe／Ｖ0］から導かれ、完全エコ
ーレベルＶ0は、理論的に算出することもできるが、超
音波パルスＡｉを空に向けて発射し、この際、ポリエチ
レンバルク等の超音波遅延スペーサ（ダミーブロック）
１ｂの先端面から戻ってくる開放時エコーを超音波振動
子１ａによって受波して開放時エコーレベルを測定する
ことによっても求めることができる。次に、ＣＰＵ１１
は、音響インピーダンス算出ルーチンを実行することに
より、反射係数算出ルーチンによって与えられた超音波
反射係数Ｒの値を式（１）に代入して皮質骨Ｍｂの音響
インピーダンスＺb［kg/m²sec］を算出し（ステップＳ
Ｐ２５）、算出結果を表示器１３に画面表示する（ステ
ップＳＰ２６）。さらに、この音響インピーダンスＺb
［kg/m²sec］とキーボード３を用いて入力された骨密度
ρ［kg/m³］とに基づいて、被験者の皮質骨Ｍｂの弾性
率Ｅ［N/m²］を算出し（ステップＳＰ２７）、この算出
結果を表示器１３に画面表示する（ステップＳＰ２
８）。

【００２７】上記構成によれば、骨の法線と送受波面の
法線が略一致に達したときは、送受波面の向きが多少変
位しても、エコーレベルが安定するので（レベルメータ
１２の液晶指針パターン１２ａ，１２ｂの振れが落ちつ
くので）、垂直反射時の骨エコーレベル、すなわち最大
骨エコーレベルを容易に抽出でき、しかも、再現性の良
い測定データが得られる。加えて、レベルメータ１２に
は、今回骨エコーレベルが刻々と表示されると共に、最
大骨エコーレベルも、更新されない限り、固定的に表示
されるので、最大骨エコーレベルの探索がさらに容易と
なる。したがって、皮質骨Ｍｂの音響インピーダンスＺ
bを精度良く求めることができる。皮質骨Ｍｂの弾性率
Ｅは、骨の折れ難さを示す尺度であり、この弾性率Ｅ
を、受波したエコーに基づいて算出した音響インピーダ
ンスＺbと、入力された骨密度ρとから直接的かつ正確
に算出することができるので、一段と信頼性の高い診断
を行うことができる。すなわち、例えば、弾性率Ｅが、
その年齢層の平均値から著しく小さい場合には、皮質骨
Ｍｂの骨粗鬆症が悪化していることが判る。

【００２８】◇第２実施例図７は、この発明の第２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８は、同装置の動作
処理手順を示すフローチャートである。この第２実施例
が、上述の第１実施例と大きく異なるところは、超音波
の軟組織Ｍａ往復による減衰度Ａ(Ｔ)を考慮することに
より、皮質骨Ｍｂの音響インピーダンスＺbを確実に測
定できるようにした点、及び第１実施例において超音波
反射係数Ｒを完全エコーレベルＶ0と最大骨エコーレベ
ルＶeとの比［Ｒ＝Ｖe／Ｖ0］として算出したのに対
し、完全エコーレベルＶ0を用いずに超音波反射係数Ｒ
を算出するようにした点である。この第２実施例の装置
本体２ａには、図７に示すように、トランスデューサ１
の送受波面から超音波パルスＡｉが発射された後、骨エ
コーＡｅが送受波面に戻ってくるまでの骨エコー到達時
間Ｔを計測する計時回路１４が付加されている。また、
この例の処理プログラムは、第１実施例と同様のアルゴ
リズムにより抽出された最大骨エコーレベルと、このと
きの骨エコー到達時間Ｔとに基づいて被験者の軟組織Ｍ
ａに対する皮質骨Ｍｂの超音波反射係数Ｒを算出する手
順の記述を含み、ＣＰＵ１１は、処理プログラムを実行
することにより、超音波反射係数Ｒを算出し、算出され
た超音波反射係数Ｒに基づいて、音響インピーダンスＺ
bが算出される。なお、これ以外の点では、図１の構成
各部と同一であるので、図７において、図１に示す構成
部分と同一の構成各部には同一の符号を付してその説明
を簡略にする。

【００２９】この例の装置本体２ａにおいて、パルス発
生器４ａは、ＣＰＵ１１から所定の周期で繰り返される
パルス発生命令に応答して、中心周波数略２．５ＭＨｚ
の電気パルス信号を所定の周期で生成し、トランスデュ
ーサ１に送信すると共に、この電気パルス信号の送信と
同一のタイミングで計時開始信号Ｔｐを計時回路１４へ
供給する。ここで、電気パルス信号の周期は、骨エコー
到達時間Ｔよりも充分長く設定されている。計時回路１
４は、図示せぬクロック発生器と計数回路とから構成さ
れ、パルス発生器４ａから計時開始信号Ｔｐの供給を受
ける度に、計時を開始し、Ａ／Ｄ変換器８ａから終了信
号を受けると、計時を終了する。そして、計時値は、リ
セットされるまで保持され、保持された計時値は、骨エ
コー到達時間Ｔとして要求に応じてＣＰＵ１１に与えら
れる。

【００３０】次に、図８を参照して、この例の動作（骨
粗鬆症診断時における主としてＣＰＵ１１の処理の流
れ）について説明する。この例の処理の流れは、ステッ
プＳＰ１０からステップＳＰ２２までは、骨エコー到達
時間Ｔが計測される点を除けば、第１実施例で述べたと
略同様であるので、その説明を簡略化する。この例で
は、ＣＰＵ１１は、ステップＳＰ１６において、Ａ／Ｄ
変換器８ａから骨エコー信号Ｅｃを読み込むと共に、計
時回路１４から骨エコー到達時間Ｔを読み、読み込んだ
今回骨エコー信号Ｅｃ及び骨エコー到達時間ＴをＲＡＭ
１０のエコーデータメモリエリアに記憶する。測定が終
了した後では（ステップＳＰ２１、ステップＳＰ２
２）、ＣＰＵ１１は、まず、超音波の減衰度算出ルーチ
ンを実行することにより、エコーデータメモリエリアの
中から骨エコー到達時間Ｔを読み出し、読み出された骨
エコー到達時間Ｔ［sec］の値を式（４）に代入して、
被験者の軟組織Ｍａ内での超音波の減衰度Ａ(Ｔ)を算出
する（ステップＳＰ２３）。

【００３１】

【数４】ここで、減衰度Ａ(Ｔ)とは、超音波が軟組織Ｍａ内を往
復するまでに間に受ける減衰の程度、すなわち、超音波
が皮膚の表面Ｘから皮質骨Ｍｂの表面Ｙにまで伝搬し、
皮質骨Ｍｂの表面Ｙで反射して再び皮膚の表面Ｘに戻っ
てくるまでに受ける減衰の程度を意味する（Ａ(Ｔ)が小
さい程、減衰大を意味する）。この減衰度Ａ(Ｔ)は、骨
エコー到達時間Ｔ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られる。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。

【００３２】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(Ｔ)を与える式（４）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。

【００３３】次いで、ＣＰＵ１１は、エコーデータメモ
リエリアの中から最大骨エコーレベルＶｅを読み出して
きて、式（４）を用いて算出された減衰度Ａ(Ｔ)と共
に、式（５）に代入して、超音波が軟組織Ｍａの媒質側
から皮質骨Ｍｂに垂直に入射する場合の軟組織Ｍａと皮
質骨Ｍｂとの界面での超音波反射係数Ｒを算出する（ス
テップＳＰ２４）。

【数５】Ｒ＝Ｖｅ／Ｐ・Ｑ・Ｂ・Ｖｉ・Ａ(Ｔ) …（５）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）を印加したときに、トランスデューサ
１の送受波面から略垂直方向に出力される超音波パルス
Ａｉの音圧Ｑ：トランスデューサ１の送受波面に単位音圧のエコー
が略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：パルス発生器４からトランスデューサ１に加えら
れる電気信号（電圧、電流、散乱パラメータ）の振幅Ｖｅ：最大骨エコーレベルなお、Ｐ，Ｑ，Ｂ，Ｖｉは、いずれも周波数の関数であ
るが、ここでは、中心周波数（例えば２．５ＭＨｚ）で
の成分を用いる。Ｐ，Ｑ，Ｂ，Ｖｉについては、予め、
これらの測定値、設定値をＲＯＭ９に書き込んでおく。

【００３４】式（５）は、次のようにして導かれる。ま
ず、パルス発生器４ａからトランスデューサ１に振幅Ｖ
ｉ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の超音波パルスＡｉが軟組織Ｍａ
内に注入される。注入された超音波パルスＡｉは、軟組
織Ｍａ内で減衰しながらも、（皮質骨Ｍｂの表面Ｙに対
して垂直に入射する場合を考えれば、）皮質骨Ｍｂの表
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（４）より求めた超音波の軟組織Ｍａ往
復による減衰度Ａ(Ｔ)を考慮すれば、式（６）で与えら
れる。

【００３５】

【数６】Ｐ(ｅ)＝Ｐ・Ｖｉ・Ｒ・Ａ(Ｔ) …（６）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)の受波信号を出力し、この受波信号は、増幅器
６（及び波形整形器７）において増幅度Ｂで増幅され
る。そして、Ａ／Ｄ変換器８ａにてデジタル変換された
後、ＣＰＵ１１に取り込まれて、最大骨エコーレベルＶ
ｅ（＝Ｂ・Ｑ・Ｐ(ｅ)）として検出される。

【００３６】それゆえ、最大骨エコーレベルＶｅは、式
（７）で与えられる。

【数７】Ｖｅ＝Ｐ・Ｖｉ・Ｒ・Ａ(Ｔ)・Ｂ・Ｑ …（７）式（７）を超音波反射係数Ｒについて解けば、式（５）
が得られる。再び、図８のフローチャートの説明に戻れ
ば、ＣＰＵ１１は、式（５）を用いて、軟組織Ｍａと皮
質骨Ｍｂとの界面での超音波反射係数Ｒを算出した後
（ステップＳＰ２４）、算出結果を表示器１３に表示す
る（ステップＳＰ２５）。この後、ＣＰＵ１１は、皮質
骨Ｍｂの音響インピーダンスＺb（Ｎ・ｓ／ｍ³）を式
（１）を用いて算出し（ステップＳＰ２６）、算出結果
を表示器１３に表示する（ステップＳＰ２７）。さら
に、この音響インピーダンスＺb［kg/m²sec］とキーボ
ード３を用いて入力された骨密度ρ［kg/m³］とから、
被験者の皮質骨Ｍｂの弾性率Ｅ［N/m²］を式（３）を用
いて算出し（ステップＳＰ２８）、この算出結果を表示
器１３に画面表示する（ステップＳＰ２９）。

【００３７】上記構成によれば、第１実施例で述べたと
略同様の効果に加えて、超音波の軟組織Ｍａ往復による
減衰度Ａ(Ｔ)も考慮されるので、皮質骨Ｍｂの音響イン
ピーダンスＺbを一段と正確に測定できるため、弾性率
Ｅも一段と正確に算出することができる。

【００３８】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、骨密度入
力手段としてキーボードを用いたが、これに限らず、磁
気カードに記憶されたデータをカードリーダにより読み
取って取り込む構成としても良い。また、キーボードを
用いて入力するデータとしては、骨密度だけでなく、骨
粗鬆症の診断の助けのために、例えば、被験者の身長、
体重、性別及び年齢等が加えられても良い。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。同様に、使用中心周波数
は、２．５ＭＨｚに限らない。また、軟組織Ｍａの音響
インピーダンスは、水の音響インピーダンスに近いの
で、式（１）の適用に当たっては、軟組織Ｍａの音響イ
ンピーダンスに代えて、水の音響インピーダンスを用い
ても良い。

【００３９】

【発明の効果】この発明の構成によれば、骨粗鬆症を診
断するために重要な、骨の折れ難さの尺度である皮質骨
の弾性率を、受波したエコーに基づいて算出した皮質骨
の音響インピーダンスと、骨密度入力手段によって入力
された皮質骨の密度データから直接的かつ正確に算出
し、この皮質骨の弾性率を指標として骨粗鬆症を診断す
るので、一段と信頼性の高い診断を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１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】同装置の外観図である。

【図３】同装置の使用状態を示す模式図である。

【図４】同装置の動作処理手順を示すフローチャートで
ある。

【図５】同装置の動作の説明に用いられる説明図であ
る。

【図６】同装置の動作の説明に用いられる説明図であ
る。

【図７】この発明の第２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８】同装置の動作処理手順を示すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

１トランスデューサ（超音波トランスデューサ）３キーボード（骨密度入力手段）Ａｉ超音波パルスＡｅ皮質骨からのエコーＭａ軟組織Ｍｂ皮質骨Ｘ皮膚表面Ｙ皮質骨表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波トランスデューサを被験者の所定
の皮質骨を覆う皮膚表面に当てた状態で、該超音波トラ
ンスデューサの送受波面の向きを、前記皮質骨表面の法
線の向きを含む所定の立体角の範囲内で様々に変えなが
ら、超音波パルスを前記皮膚下の皮質骨に向けて繰り返
し発射し、１パルス発射毎に、該皮質骨表面から戻って
くるエコーを前記超音波トランスデューサによって受波
し、受波信号をアナログ／デジタル変換器によってデジ
タル信号に変換し、デジタル化されたエコー信号を用い
て信号処理を行うことにより骨粗鬆症を診断する超音波
反射式の骨粗鬆症診断装置であって、入力される前記エコー信号からエコーレベルを検出する
エコーレベル検出手段と、検出された複数の前記エコー
レベルの中から最大エコーレベルを抽出するための最大
エコーレベル抽出手段と、抽出された前記最大エコーレ
ベルに基づいて、前記皮質骨の音響インピーダンスを算
出する音響インピーダンス算出手段と、被験者の前記皮
質骨の密度データを入力するための骨密度入力手段と、
前記音響インピーダンス算出手段において算出された前
記皮質骨の音響インピーダンス及び前記骨密度入力手段
によって入力された前記皮質骨の密度データに基づい
て、前記皮質骨の弾性率を算出する弾性率算出手段とを
備え、該弾性率算出手段によって算出された前記皮質骨の弾性
率を指標として骨粗鬆症を診断することを特徴とする骨
粗鬆症診断装置。
【請求項２】前記音響インピーダンス算出手段は、前
記最大エコーレベル抽出手段によって抽出された前記最
大エコーレベルに基づいて前記被験者の軟組織に対する
前記皮質骨の超音波反射係数を算出し、算出された該超
音波反射係数に基づいて、前記皮質骨の音響インピーダ
ンスを算出することを特徴とする請求項１記載の骨粗鬆
症診断装置。