JPH09313483A

JPH09313483A - 骨粗鬆症診断装置

Info

Publication number: JPH09313483A
Application number: JP13700696A
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: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】骨密度の状態を正確に推定し、信頼性の高い
診断を簡易に行う。【解決手段】トランスデューサ１は、周波数が掃引さ
れる連続波の超音波を繰り返し被験者の骨に向けて送波
し、骨からのエコーを受波する。受波信号（電気信号）
に基づいて、骨からのエコーのＣＯＳ成分及びＳＩＮ成
分が検波され、デジタル信号に変換される。デジタル化
されたＣＯＳ成分とＳＩＮ成分とから逆フーリエ変換し
て送信残響等を除去し骨エコー波形が抽出される。次
に、ＣＰＵ１１は、エコーレベルの中から最大エコーレ
ベルを抽出し、最大エコーレベル抽出時の骨エコー波形
に基づいてフーリエ変換してスペクトルを求め、このス
ペクトルに基づいて、骨の（特性）音響インピーダンス
を算出する。これにより振幅情報及び位相情報が得られ
るので、骨粗鬆症がかなり進行して骨の音響インピーダ
ンスが軟組織のそれより小さくなっていても、正確な診
断が可能となる。

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、超音波を被験者
の所定の骨に向けて送波し、該骨からのエコーレベルを
検出することにより、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。骨粗鬆症の物
理的診断は、主として、ＤＸＡ等に代表されるＸ線を使
用する診断装置により、骨の密度を精密に測定すること
によって行われるが、Ｘ線による物理的診断では、装置
が大がかりになる上、使用にあたっては、放射線被爆障
害防止の見地から、いろいろな制約を受ける、という煩
わしい問題を抱えている。

【０００３】そこで、このような不都合が全く起きない
簡易な装置として、超音波を利用する診断装置が普及し
始めてきている。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、
骨密度や骨の弾性率（弾性的強度）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、経
験上骨組織中では音速は骨密度に比例する、という前提
に立って動作するからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、骨密度
と音速とを結び付ける理論的根拠は不確かで、厳密に言
うと、骨組織中での音速は、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、骨の弾性率と骨密度とは、骨密度が増加すれば骨
の弾性率も上昇するという互いに相殺する形で音速に寄
与するために、骨組織中での音速は骨密度の増加に敏感
には応答できず、骨組織中での音速と骨密度との相関係
数は、けっして高くはない。また、骨密度と超音波の減
衰とを結び付ける理論的根拠も不確かである。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、骨密度や骨の弾性率を推定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。

【０００５】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、放射線被爆の心配のない簡易型であるにもかか
わらず、骨密度又は骨の弾性率をこの種の従来装置より
も一段と正確（敏感）に推定でき、信頼性の高い診断を
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。

【０００６】

【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様々に変えな
がら、超音波を上記皮膚下の骨に向けて送波すると共
に、上記超音波トランスデューサが超音波受波時に電気
信号として出力する受波信号に基づいて、上記骨から戻
ってくる上記超音波のエコーを検出し、該エコーに基づ
いて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、所定の時間持続し、かつ、所定の周波数幅
の範囲で周波数が時間と共に変化する連続波電気信号を
繰り返し生成して上記超音波トランスデューサに与え、
該超音波トランスデューサに上記連続波電気信号に対応
した連続超音波を送波させる信号発生手段と、上記連続
超音波のエコーを受波した結果として、上記超音波トラ
ンスデューサから電気信号として出力される受波信号に
基づいて、送波された上記連続超音波のエコーのうち、
上記連続波電気信号と同期した第１の成分を検出する第
１のエコー検出手段と、上記連続電気信号に対して位相
が略９０度ずれた第２の成分を検出する第２のエコー検
出手段と、上記第１のエコー検出手段によって検出され
た上記第１の成分を第１のデジタル信号に変換する第１
のアナログ／デジタル変換器と、上記第２の検出手段に
よって検出された上記第２の成分を第２のデジタル信号
に変換する第２のアナログ／デジタル変換器と、上記第
１及び第２のアナログ／デジタル変換器から出力される
上記第１及び第２のデジタル信号に基づいて、上記骨の
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、上記骨の複素音響特
性情報を算出する演算手段と、該演算手段によって算出
された上記骨の複素音響特性情報に基づいて、骨粗鬆症
を判断する判断手段とを備えてなることを特徴としてい
る。

【０００７】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、上記第１及び第２のア
ナログ／デジタル変換器から出力される上記第１及び第
２のデジタル信号に基づいて上記エコーのスペクトルを
得、得られたスペクトルに基づいて逆フーリエ変換を行
ってエコー波形を得、得られたエコー波形に基づいて上
記超音波のエコーに対応した上記骨からのエコー波形を
抽出するエコー抽出手段を備え、上記エコーレベル検出
手段は、上記エコー抽出手段によって抽出された上記骨
からのエコー波形に基づいて、エコーレベルを検出する
ことを特徴としている。

【０００８】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の骨粗鬆症診断装置であって、上記エコー抽出手段
は、上記逆フーリエ変換によって得られたエコー波形に
基づいて、上記骨からのエコー波形以外のエコー波形を
除去することによって上記骨からのエコー波形を抽出す
ると共に、上記演算手段は、上記最大エコーレベルが抽
出されたときの上記超音波のエコーに係る上記骨からの
エコー波形に基づいてフーリエ変換を行って上記骨から
のエコーのスペクトルを求め、求められたスペクトルに
基づいて上記骨の複素音響特性情報を算出することを特
徴としている。

【０００９】また、請求項４記載の発明は、請求項１，
２又は３記載の骨粗鬆症診断装置であって、上記演算手
段は、上記骨の複素音響特性情報として、上記被験者の
軟組織に対する上記骨の超音波複素反射係数を算出し、
算出された超音波複素反射係数から振幅情報及び位相情
報を得ると共に、上記判断手段は、上記演算手段によっ
て得られた上記振幅情報及び位相情報を指標として骨粗
鬆症を判断することを特徴としている。

【００１０】さらにまた、請求項５記載の発明は、請求
項１，２又は３記載の骨粗鬆症診断装置であって、上記
演算手段は、上記骨の複素音響特性情報として、上記骨
の複素音響インピーダンスを算出し、算出された複素音
響インピーダンスから振幅情報及び位相情報を得ると共
に、上記判断手段は、上記演算手段によって得られた上
記振幅情報及び位相情報を指標として骨粗鬆症を判断す
ることを特徴としている。

【００１１】

【作用】この発明の構成では、骨の（特性）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いう、
相乗効果を受けるために、音速以上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、（特性）音響インピーダンスは、これらの相乗
効果を受けて、音速以上に敏感に応答して顕著に減少す
る。それ故、骨の（特性）音響インピーダンスは、骨密
度を判断する上で、良い指標となる。例えば、皮質骨の
（特性）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。

【００１２】また、演算手段において、最大エコーレベ
ルが抽出されたときのエコーに係るデジタルのエコー信
号に基づいてフーリエ変換を行ってスペクトルを求め、
このスペクトルに基づいて、複素表示の（特性）音響イ
ンピーダンスを所定の周波数範囲で算出し、得られた
（特性）音響インピーダンスの周波数特性に基づいて診
断が行われるので、より詳細な情報をもとに一段と多角
的で正確な骨粗鬆症の診断を行うことができる。また、
得られる（特性）音響インピーダンスは、複素音響イン
ピーダンスであって、振幅情報だけでなく位相情報も含
まれているので、従来は計測が困難であった、例えば、
軟組織に較べて（特性）音響インピーダンスが小さい皮
質骨や、超音波の波長よりも薄い皮質骨についても音響
特性情報を得ることができるようになった。

【００１３】また、エコー抽出手段において、第１のア
ナログ／デジタル変換器から出力された第１のデジタル
信号及び第２のアナログ／デジタル変換器から出力され
た第２のデジタル信号に基づいて逆フーリエ変換を行っ
て時間と共に変化する波形を求め、この波形から超音波
トランスデューサから超音波が送波された直後の残響を
含む所定の時間の信号を除去することによってデジタル
のエコー信号を抽出するので、所望の信号を的確に抽出
し、一段と正確な計測を行うことができる。また、連続
波が測定に用いられるので、パルスを用いる方法に比べ
てＳ／Ｎ比が改善される。さらにまた、骨の（特性）音
響インピーダンスを骨密度の指標とする代わりに、骨の
単位面積当たりの質量、すなわち、面積骨密度や、骨の
（特性）音響インピーダンスの単調増加関数である軟組
織と骨との界面での超音波複素反射係数を骨密度の指標
としても、上述したと同様の効果を得ることができる。

【００１４】

【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、また、図
５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、
電気信号が入力されるとこれに応答して、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Ａｉを送波
すると共に、軟組織Ｍｂと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙから
戻ってくるエコー（以下、骨エコーという）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に電気信号を供給し、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に対応した骨エコーレベルを
抽出した後、所定の演算処理を施すことにより、骨粗鬆
症の診断を行う装置本体２と、トランスデューサ１と装
置本体２とを接続するケーブル３とから概略なってい
る。

【００１５】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
Ａｉの送受波面）には、送信残響の効果を弱めるため
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Ａｅ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）。

【００１６】上記装置本体２は、掃引発振器４と、方向
性結合器５と、直交検波器６と、Ａ／Ｄ変換器７ａ，７
ｂと、インタフェース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。掃引発振器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、所定の周波数範囲（例えば、２００ｋＨｚ〜２ＭＨ
ｚ）で、かつ、所定の掃引時間（例えば、１００msec）
の間周波数を掃引しながら連続波の電気信号（以下、送
波信号という）を所定の時間間隔で繰り返し生成して、
トランスデューサ１に送信する。方向性結合器５は、ブ
リッジ型回路であって、送波信号を掃引発振器４からト
ランスデューサ１へ、トランスデューサ１から出力され
た受波信号を直交検波器６へそれぞれ導く。

【００１７】直交検波器６は、トランスデューサ１によ
って変換された受波信号から、送波信号と同期したＣＯ
Ｓ成分を検波するＣＯＳ成分検波部６ａと、送波信号と
位相が略９０度ずれたＳＩＮ成分を検波するＳＩＮ成分
検波部６ｂとからなり、検波した上記ＣＯＳ成分及びＳ
ＩＮ成分をそれぞれＡ／Ｄ変換器７ａ，７ｂに入力す
る。

【００１８】Ａ／Ｄ変換器７ａ，７ｂは、それぞれ、図
示せぬサンプルホールド回路、サンプリングメモリ（Ｄ
ＲＡＭ）等を備え、ＣＰＵ１１のサンプリング開始要求
に従って、入力される直交検波器６の出力信号（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、Ａ／Ｄ変換器７ａは、ＣＯＳ成分検
波部６ａから入力された上記ＣＯＳ成分を対応したデジ
タルエコー信号（以下、エコー信号ＣＯＳ成分という）
に順次変換し、また、Ａ／Ｄ変換器７ｂは、ＳＩＮ成分
検波部６ｂから入力された上記ＳＩＮ成分を対応したデ
ジタルエコー信号（以下、エコー信号ＳＩＮ成分とい
う）に順次変換し、Ａ／Ｄ変換器７ａ，７ｂは、それぞ
れ、エコー信号ＣＯＳ成分、エコー信号ＳＩＮ成分を一
旦自身のサンプリングメモリに格納した後、インタフェ
ース８を介してＣＰＵ１１に送出する。なお、同じタイ
ミングでサンプリングされた対をなすエコー信号ＣＯＳ
成分及びエコー信号ＳＩＮ成分は、ＣＰＵ１１に入力さ
れたときは複素表示のデジタルエコー信号（以下、エコ
ー信号という）として認識される。

【００１９】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、掃引時間の間に送波された１つの連続波の超音波Ａ
ｉがエコーとして受波される毎に、Ａ／Ｄ変換器７ａ，
７ｂからインタフェース８を介してエコー信号を取り込
んで、得られた一群のエコー信号（以下、エコー波形と
いう）に基づいて、高速フーリエ逆変換（ＩＦＦＴ）の
手法を駆使して、このエコー波形を時間の関数としての
波形に変換する手順、この時間の関数としての波形から
送信残響を含む雑音の部分を除外して、骨エコーＡｅに
対応した時間の関数としての波形（以下、骨エコー波形
という）を得る手順、この骨エコー波１形に基づいて、
トランスデューサ１の送波面から超音波Ａｉが送波され
た後、骨エコーＡｅが受波面に戻ってくるまでのエコー
到達時間を算出する手順、上記骨エコー波形に基づい
て、エコーレベル（以下、骨エコーレベルという）を検
出する手順、このようにして得ら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、この
最大骨エコーレベルが抽出されたときの骨エコー波形
（以下、最大骨エコー波形という）に基づいて、高速フ
ーリエ変換（ＦＦＴ）の手法を駆使して、スペクトルを
高速に求めさせる処理手順、このスペクトルに基づい
て、角周波数ωにおける被験者の軟組織Ｍａに対する皮
質骨Ｍｂの超音波反射係数Ｒ(ω)を算出する手順、及び
算出された超音波反射係数Ｒ(ω)に基づいて、角周波数
ωにおける被験者の皮質骨Ｍｂの音響インピーダンスＺ
b(ω)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（特性）音
響インピーダンスＺb(ω)は、式（１）によって与えら
れる。

【００２０】

【数１】

【００２１】Ｚa(ω)：軟組織Ｍａの（特性）音響イン
ピーダンス（既知）式（１）において、Ｚa(ω)、Ｚb(ω)、Ｒ(ω)は、とも
に角振動数ωの関数であり、かつ、一般に、複素数とし
て記述される。ここで、境界面Ｙが略平面で、トランス
デューサ１から送波される超音波Ａｉも平面波で、しか
も、その波面が境界面Ｙと略平行であるとみなせるとき
（つまり、超音波Ａｉが境界面Ｙに略垂直に入射すると
き）、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(ω)は、式（２）で表される。ところで、骨
エコーレベルは、超音波Ａｉが境界面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Ａｉが境界面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(ω)は、式（２）によって与えられる超音
波反射係数Ｒ(ω)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。

【００２２】

【数２】

【００２３】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、今回検出
された骨エコーレベル（今回骨エコーレベル）や、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
骨エコーレベル等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の最大骨エコー
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。
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、掃引発振器４やＡ／Ｄ変換器７ａ，７ｂを始め装置
各部を制御して、送波された１つの連続波の超音波Ａｉ
に対応したエコーが受波される毎に、Ａ／Ｄ変換器７
ａ，７ｂからインタフェース８を介してエコー信号を取
り込んだ後、逆フーリエ変換を行ってエコー波形の時間
の関数としての波形を求め、そして、送信残響を含む雑
音の部分を除外して骨エコー波形を得て、この骨エコー
波形に基づいて、骨エコーレベルを検出し、さらに、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
し、最大骨エコー波形に基づいてフーリエ変換を行っ
て、この最大骨エコー波形のスペクトルを求め、このス
ペクトルに基づいて、角周波数ωにおける被験者の軟組
織Ｍａに対する皮質骨Ｍｂの超音波反射係数Ｒ(ω)を算
出し、算出された超音波反射係数Ｒ(ω)に基づいて、角
周波数ωにおける被験者の皮質骨Ｍｂの（特性）音響イ
ンピーダンスＺb(ω)を算出して、すなわち、（特性）
音響インピーダンスＺb(ω)の周波数特性を得て、骨粗
鬆症の診断を行う。

【００２４】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１２
ａ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、角周波数ωと超音波反射係数Ｒ(ω)との関
係を示す特性曲線、角周波数ωと（特性）音響インピー
ダンスＺb(ω)との関係を示す特性曲線、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。

【００２５】次に、図３乃至図５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脛
骨等の皮質骨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。

【００２６】装置に電源が投入されると、ＣＰＵ１１
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ＳＰ１０
（図４））、測定開始スイッチが押下されるのを待つ
（ステップＳＰ１１）。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Ｇを塗
り、超音波ゲルＧ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ＳＰ１１）、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。

【００２７】ＣＰＵ１１は、まず、掃引発振器４に信号
発生命令を発行する（ステップＳＰ１２）。掃引発振器
４は、ＣＰＵ１１から信号発生命令を受けると、送波信
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、掃引発振器４から送波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Ａｉを発射す
る。トランスデューサ１から発射された超音波Ａｉは、
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、境界面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Ｍ
ｂ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Ａｉの送波開始と共に、まず、送信残響
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）が、少し遅れて、骨エコーＡｅが超音波振
動子１ａによって受波されて、超音波の波形と振幅に対
応する受波信号に変換される。生成された受波信号は、
ケーブル３を介して装置本体２（方向性結合器５）に入
力され、直交検波器６において受波信号から、ＣＯＳ成
分とＳＩＮ成分とを検出した後、Ａ／Ｄ変換器７ａ，７
ｂに入力される。

【００２８】ＣＰＵ１１は、掃引発振器４に信号発生命
令を送出した後（ステップＳＰ１２）、Ａ／Ｄ変換器７
ａ，７ｂに、サンプリング開始命令を発行する（ステッ
プＳＰ１３）。Ａ／Ｄ変換器７ａ，７ｂは、ＣＰＵ１１
からサンプリング開始命令を受けると、直交検波器６か
ら出力された、掃引時間中に送波された１つの連続波と
しての超音波Ａｉの皮質骨Ｍｂからのエコーに対応した
受波信号のＣＯＳ成分、ＳＩＮ成分を所定の周波数（例
えば１２ＭＨｚ）でサンプリングしてエコー信号ＣＯＳ
成分、エコー信号ＳＩＮ成分に変換し、得られたＮ個の
サンプル値（１つの連続波の超音波Ａｉのエコーに対応
したデジタル信号）をそれぞれ一旦自身のサンプリング
メモリに格納する。

【００２９】この後、Ａ／Ｄ変換器７ａ，７ｂは、サン
プリングメモリに格納されたそれぞれＮ個のサンプル値
をインタフェース８を介してＣＰＵ１１に順次送出す
る。ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換器７ａ，７ｂからそれぞ
れＮ個のサンプル値をインタフェース８を介して順次取
り込んで、得られたエコー波形をＲＡＭ１０の波形メモ
リエリアに記憶した後、このエコー波形に基づいて逆フ
ーリエ変換を行ってエコー波形の時間の関数としての波
形を求め、この時間の関数としての波形から送信残響や
表面エコー等を含む雑音の部分を除外して、骨エコー波
形を抽出し、今回骨エコー波形としてＲＡＭ１０の波形
メモリエリアに記憶する（ステップＳＰ１４）。

【００３０】次に、骨エコー波形の対をなした各サンプ
ル値の絶対値を計算し、算出された絶対値のうち最も大
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。また、上記骨エコー波形に基づいて、ト
ランスデューサ１の送波面から超音波Ａｉが送波された
後、骨エコーＡｅが受波面に戻ってくるまでのエコー到
達時間を求め、今回エコー到達時間としてＲＡＭ１０の
エコーデータメモリエリアに記憶する。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、今回骨エコー波形は、表示器１３に画
面表示される（ステップＳＰ１５）。

【００３１】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ＳＰ１６）。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、また、最大骨エコーレベルに対応した最大レベル時
エコー到達時間を今回エコー到達時間に書き換え、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ＳＰ１７）。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ＳＰ１８）。

【００３２】次に、ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１０内の測定
続行フラグを見て（ステップＳＰ１９）、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、上述の掃引時
間単位の連続波の超音波Ａｉの送波とこれに対応したエ
コーの受波（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１５）を継続し、
ステップＳＰ１６において、再び、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。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ＳＰ１９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、ＣＰＵ１１は、
上述の送波及び受波（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１５）、
最大骨エコーレベルの抽出作業（ステップＳＰ１６〜ス
テップＳＰ１９）を繰り返す。

【００３３】操作者は、ＣＰＵ１１が上述の処理（ステ
ップＳＰ１２〜ＳＰ１９）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５（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Ａｉの
波面と境界面Ｙが略平行のとき（つまり、平面波の超音
波Ａｉが境界面Ｙに略垂直入射するとき）である。

【００３４】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、境界面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。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
送受波面に境界面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。そして、このときの
最大レベル時エコー到達時間が、超音波Ａｉがトランス
デューサ１から皮質骨Ｍｂに向けて発射されてから、境
界面Ｙで垂直反射して戻ってくるエコーＡｓをトランス
デューサ１によって受波されるまでに要する伝播時間で
ある垂直反射エコー到達時間Ｔaとなる。

【００３５】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（特性）音響インピーダンスＺ
b(ω)を導く式（１）は、上述したように、略垂直反射
の骨エコーＡｅ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１
２ａ，１２ｂ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１２
ａ，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。

【００３６】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、超音波Ａｉの
送波を中止させる（ステップＳＰ１９）。そして、ＲＡ
Ｍ１０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ＳＰ２０）。次に、ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１
０の波形メモリエリアに記憶された時間の関数である最
大骨エコー波形に基づいて、高速フーリエ変換ルーチン
を実行することにより、最大骨エコー波形のスペクトル
（以下、最大エコースペクトルという）Ｖe(ω)を求め
る。最大エコースペクトルＶe(ω)は角周波数ωの関数
であり、所定の角周波数ωの範囲で、例えば、掃引発振
器４によって掃引される周波数範囲に対応させて、周波
数ｆ［Ｈｚ］に換算して略２００［ｋＨｚ］から２［Ｍ
Ｈｚ］の範囲内で求められる。この後、反射係数算出ル
ーチンを実行することにより、算出した最大エコースペ
クトルＶe(ω)に基づき、角周波数ωにおける被験者の
軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの界面での超音波反射係数Ｒ
(ω)を算出し（ステップＳＰ２１）、算出値を表示器１
３に画面表示する（ステップＳＰ２２）。

【００３７】ここで、超音波反射係数Ｒu(ω)が既知で
ある疑似皮質骨について、予め、上述した境界面Ｙで垂
直反射して戻ってくる骨エコーＡｅを受波して最大骨エ
コー波形を求めた手順と同様の手順により、この疑似皮
質骨に垂直反射して戻ってくるエコーＡｕを受波して最
大骨エコー波形及びこのときの垂直反射エコー到達時間
Ｔuを求め、さらに、最大骨エコー波形に基づいて最大
エコースペクトルＶu(ω)を算出しておく。上記疑似皮
質骨としては、皮質骨Ｍｂに音響学的性質が類似した物
質、例えば、アクリル等が用いられる。この疑似皮質骨
を軟組織Ｍａに音響学的性質が類似した水等を満たした
水槽に入れ、軟組織Ｍａの標準的な厚さに相当する距離
を隔ててトランスデューサ１を配置し、超音波Ａｉを疑
似皮質骨に向けて送波することにより、計測が行われ
る。こうして求められた最大エコースペクトルＶu(ω)
及び垂直反射エコー到達時間Ｔuと超音波反射係数Ｒu
(ω)は、ＲＯＭ９に格納しておかれ、超音波反射係数Ｒ
(ω)の演算のために利用される。超音波反射係数Ｒ(ω)
は、最大エコースペクトルＶe(ω)、垂直反射エコー到
達時間Ｔa、最大エコースペクトルＶu(ω)、垂直反射エ
コー到達時間Ｔu、及び超音波反射係数Ｒu(ω)を用い
て、式（３）によって導かれる。

【００３８】

【数３】

【００３９】ｊ：虚数単位ここで、ｅｘｐ｛−ｊω（Ｔa−Ｔu）｝は、トランスデ
ューサ１の送受波面において受波される、骨エコーＡｅ
とエコーＡｕとの位相差を表すファクタであり、本測定
で皮質骨Ｍｂについて計測するときの軟組織Ｍａの厚さ
と疑似皮質骨について計測したときの水で代用した軟組
織Ｍａの標準的な厚さとの違いを補正するためのもので
ある。

【００４０】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(ω)の値を式
（１）に代入して皮質骨Ｍｂの（特性）音響インピーダ
ンスＺb(ω)［kg/m²sec］を算出する（ステップＳＰ２
３）。もし、被験者の骨粗鬆症が進行していて、［｜Ｚ
a(ω)｜＞｜Ｚb(ω)｜］となってしまっていた場合に
は、式（２）より、Ｒ(ω)の実部は負となる。このこと
は、境界面Ｙで反射したエコーＡｅの位相が反転したこ
とを意味する。ここで、反射係数Ｒを複素数として記述
しない従来の方式によると、ＣＰＵ１１内部では、超音
波反射係数Ｒの絶対値｜Ｒ｜をとり、式（１）に対応し
て、［Ｚb＝Ｚa（１＋｜Ｒ｜）／（１−｜Ｒ｜）＝Ｚa
（１−Ｒ）／（１＋Ｒ）］のように演算を行ってしま
い、誤った結果を得てしまう。この例では、式（３）よ
り超音波反射係数Ｒ(ω)の大きさとともに位相情報がわ
かるので、この場合でも、ＣＰＵ１１は正確に皮質骨Ｍ
ｂの（特性）音響インピーダンスＺb(ω)を算出する。
しかも、皮質骨Ｍｂの（特性）音響インピーダンスＺb
(ω)は、角周波数ωの関数として詳細に求められる。Ｃ
ＰＵ１１は、こうして算出された皮質骨Ｍｂの（特性）
音響インピーダンスＺb(ω)の算出結果を表示器１３に
画面表示する（ステップＳＰ２４）。

【００４１】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（特性）音響インピー
ダンスＺbを精度良く求めることができる。皮質骨Ｍｂ
の（特性）音響インピーダンスＺbは、皮質骨Ｍｂの
［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨密度が増
加すれば、弾性率も上昇するという、相乗効果を受ける
ために、音速以上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、皮質骨の
（特性）音響インピーダンスＺbは、これらの相乗効果
を受けて、音速以上に敏感に応答して顕著に減少する。
それゆえ、皮質骨Ｍｂの（特性）音響インピーダンスＺ
bは、骨密度を判断する上で、良い指標となる。したが
って、操作者は、表示器１３に表示されている皮質骨Ｍ
ｂの（特性）音響インピーダンスＺbの値から、骨粗鬆
症の進行状況を正確に推定できる。例えば、（特性）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、皮質骨Ｍｂの骨粗鬆症が悪化しているこ
とが判る。

【００４２】また、ＣＰＵ１１は、最大骨エコーレベル
が抽出されたときの最大骨エコー波形に基づいて、スペ
クトルを求め、このスペクトルに基づいて（特性）音響
インピーダンスの周波数特性を得て、この周波数特性に
基づいて診断が行われるので、より詳細な情報をもとに
一段と多角的で正確な骨粗鬆症の診断を行うことができ
る。また、得られる（特性）音響インピーダンスは、複
素音響インピーダンスであって、大きさだけでなく位相
情報も含まれているので、従来は計測が困難であった、
例えば、軟組織よりも（特性）音響インピーダンスの大
きさが小さくなった皮質骨についても音響情報を得るこ
とができる。それ故、被験者の骨粗鬆症が進行してい
て、皮質骨Ｍｂの（特性）音響インピーダンスＺb(ω)
の大きさが低下して、［｜Ｚa(ω)｜＞｜Ｚb(ω)｜］と
なってしまっている場合であっても、従来のように、
［Ｒ＜０］となるためにＣＰＵ１１内部で超音波反射係
数Ｒの絶対値｜Ｒ｜をとって演算を行ってしまって、誤
った結果を出力して誤診を招く事態を防ぐことができ
る。

【００４３】また、エコー波形に基づいて、逆フーリエ
変換を行った後、トランスデューサ１から超音波が送波
された直後の送信残響及び表面エコー等を含む所定の時
間の信号を除去して骨エコー波形を求めるので、所望の
信号を的確に抽出し、一段と正確な計測を行うことがで
きる。また、連続波が測定に用いられるので、パルスを
用いる方法に比べてＳ／Ｎ比が改善される。さらにま
た、ＲＡＭ１０のエコーデータメモリエリアには、今回
検出の今回骨エコーレベルと最大骨エコーレベルのみが
記憶され、前回までに検出のエコーレベルは、最大骨エ
コーレベルでない限り、消去されるので、記憶容量の小
さい安価なＲＡＭを使用することができる。勿論、容量
の大きなＲＡＭを用いて、全測定期間内に検出された全
ての骨エコーレベルを一旦記憶し、測定完了後、ＲＡＭ
１０に記憶された全て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ようにしても良い。

【００４４】◇第２実施例図６は、この発明の第２実施例である骨粗鬆症診断装置
の使用状態を示す模式図、また、図７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、第１実
施例においては測定部位として比較的厚さの厚い皮質骨
を選んでいたのに対し、超音波の波長よりも薄い皮質骨
Ｍｂと海綿骨Ｍｃとからなる骨を選んでいると共に、こ
れに伴い、第１実施例と若干異なる骨の（特性）音響イ
ンピーダンス算出等のアルゴリズムを採用している点で
ある。このＲＯＭ９に格納されるアルゴリズムが異なる
以外は、第２実施例の構成各部は第１実施例と同一であ
るので、その説明を簡略にする。

【００４５】この例の骨粗鬆症診断装置においては、上
述した第１実施例と同様、図６に示すように、トランス
デューサ１は、電気信号が入力されるとこれに応答し
て、測定部位である被験者の所定の骨に向けて超音波Ａ
ｉを送波すると共に、骨から戻ってくる骨エコーＡｅを
受波して受波信号（電気信号）に変換し、この受波信号
に装置本体２において所定の処理が施される。しかしな
がら、この例の測定部位である被験者の骨は、例えば、
踵骨等の、超音波の波長よりも薄い所定の厚さＬを有す
る皮質骨Ｍｂと、軟組織Ｍａと反対側でこの皮質骨Ｍｂ
に接している海綿骨Ｍｃとからなっている。

【００４６】このため、同図に示すように、皮質骨Ｍｂ
に入射した超音波Ａｉは、境界面Ｙにおいて一部は反射
係数Ｓbで反射してエコーＡe0となり、一部は透過係数
Ｔbで透過して透過波Ａt0となって皮質骨Ｍｂに入り、
皮質骨Ｍｂと海綿骨Ｍｃとの境界面Ｑに到達する。そし
て、この境界面Ｑにおいて透過波Ａt0の一部は反射係数
Ｓcで反射して反射波Ａr1となって皮質骨Ｍｂ中を戻
り、この反射波Ａr1の一部は境界面Ｙを透過係数Ｔbで
透過してエコーＡe1となり、一部は反射して反射波Ａr2
となる。さらに、この反射波Ａr2は、境界面Ｑに到達し
て一部はこの境界面Ｑで反射して反射波Ａr3となる。こ
の反射波Ａr3の一部は境界面Ｙを透過係数Ｔbで透過し
てエコーＡe2となる。以上の皮質骨Ｍｂの両側の境界面
Ｙ及び境界面Ｑにおける多重反射の過程は、反射波の振
幅を弱めながら続けられ、その都度、境界面Ｙから超音
波が透過してくる。

【００４７】したがって、この例の骨粗鬆症診断装置に
おいて観測される皮質骨Ｍｂの境界面Ｙから戻ってくる
骨エコーＡｅは、皮質骨Ｍｂから戻ってくるエコーＡe
0，Ａe1，Ａe2，…の重ね合わせとなる。それ故、角周
波数ωにおける被験者の骨の超音波反射係数Ｒ(ω)は、
式（４）で与えられる。

【００４８】

【数４】

【００４９】τ：超音波が厚さＬの皮質骨Ｍｂ中を伝播
するのに要する時間また、垂直入射の場合には、境界面Ｙにおいて式
（５）、式（６）が、境界面Ｑにおいて式（７）が成り
立つ。なお、この例では、軟組織Ｍａの（特性）音響イ
ンピーダンスＺaは一定と考え、軟組織に音響学的性質
が類似した水の音響インピーダンスで代用する。すなわ
ち、［Ｚa＝１．５×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓｅｃ］とする。

【００５０】

【数５】

【００５１】Ｚb：皮質骨Ｍｂの（特性）音響インピー
ダンス

【００５２】

【数６】

【００５３】

【数７】

【００５４】Ｚc：海綿骨Ｍｃの（特性）音響インピー
ダンス式（５）、式（６）、式（７）をそれぞれ式（４）に代
入し、皮質骨Ｍｂの厚さＬが波長に比べ十分小さいとい
う条件で整理して、Ｒ(ω)を求めるための式を得たうえ
で、さらに、これをもとにして多重エコーを考慮した骨
の（特性）音響インピーダンスＺ(ω)を与える式（８）
を得る。

【００５５】

【数８】

【００５６】さらに、Ｚb>>Ｚcのときは、式（８）は、
式（９）に示すように簡略化して書き換えることができ
る。

【００５７】

【数９】Ｚ(ω)＝Ｚc＋ｊωτＺb ＝Ｚc＋ｊωρＬ …（９）

【００５８】ρ：皮質骨Ｍｂの骨密度ここで、ρＬ
は、皮質骨Ｍｂの単位面積当たりの質量、すなわち、面
積骨密度σを表す。一方、式（１）に対応させて骨の
（特性）音響インピーダンスＺ(ω)を計測データを得た
後に算出でき、この骨の（特性）音響インピーダンスＺ
(ω)は、式（９）によって求まる骨の（特性）音響イン
ピーダンスＺ(ω)と等しいので、測定誤差を考慮して両
者の差が最小となるような、すなわち、式（１０）によ
って与えられる偏差の２乗の和である２乗ノルムＥの値
が最小のときの海綿骨Ｍｃの（特性）音響インピーダン
スＺc及び皮質骨Ｍｂの面積骨密度σを求める。

【００５９】

【数１０】

【００６０】ここで、［Σ_w］は、所定の角周波数範囲
における総和を求めることを意味する。式（１０）を展
開し、２乗ノルムＥの海綿骨Ｍｃの（特性）音響インピ
ーダンスＺcに関する偏微分及び２乗ノルムＥの皮質骨
Ｍｂの面積骨密度σに関する偏微分が共に「０」である
とすると、式（１１）及び式（１２）が導かれ、式（１
１）によって海綿骨Ｍｃの（特性）音響インピーダンス
Ｚcが、式（１２）によって皮質骨Ｍｂの面積骨密度σ
が算出される。なお、皮質骨Ｍｂの厚さＬが既知なら
ば、皮質骨Ｍｂの骨密度ρもわかる。

【００６１】

【数１１】

【００６２】Ｒｅ{Ｚ(ω)}：Ｚ(ω)の実数部分

【００６３】

【数１２】

【００６４】Ｉｍ{Ｚ(ω)}：Ｚ(ω)の虚数部分

【００６５】次に、図７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ＳＰ２０までは、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。Ｃ
ＰＵ１１は、ステップＳＰ２０において、最大骨エコー
レベルを表示器１３に画面表示した後、ＲＡＭ１０の波
形メモリエリアに記憶された時間ｔの関数である最大骨
エコー波形に基づいて、高速フーリエ変換ルーチンを実
行することにより、最大エコースペクトルＶe(ω)を求
める。次に、反射係数算出ルーチンを実行することによ
り、算出した最大エコースペクトルＶe(ω)に基づき、
角周波数ωにおける被験者の骨の超音波反射係数Ｒ(ω)
を算出する（ステップＳＰ２０１）。

【００６６】なお、ここで、第１実施例において疑似皮
質骨について、最大骨エコー波形及び垂直反射エコー到
達時間を求めたときと同様の手順によって、超音波反射
係数Ｒu(ω)が既知である疑似骨について、最大骨エコ
ー波形及び垂直反射エコー到達時間Ｔuを求め、さら
に、最大骨エコー波形に基づいて、最大エコースペクト
ルＶu(ω)を求めておき、超音波反射係数Ｒu(ω)、最大
エコースペクトルＶu(ω)及び垂直反射エコー到達時間
ＴuをＲＯＭ９に格納しておく。但し、この例において
は、水等を満たした水槽に、まず、海綿骨Ｍｃに音響学
的性質が類似した物質からなる疑似海綿骨を沈め、この
疑似海綿骨の上に所定の厚さの疑似皮質骨を載せた後、
軟組織Ｍａの標準的な厚さに相当する距離を隔ててトラ
ンスデューサ１を配置し、超音波Ａｉを疑似皮質骨に向
けて送波することにより、計測が行われる。超音波反射
係数Ｒ(ω)は、最大エコースペクトルＶe(ω)、垂直反
射エコー到達時間Ｔa、最大エコースペクトルＶu(ω)、
垂直反射エコー到達時間Ｔu、及び超音波反射係数Ｒu
(ω)を用いて、第１実施例の場合と同様に、式（３）に
よって導かれる。

【００６７】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、第１実施例におい
て、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(ω)の値を式（１）に代入して皮質骨Ｍｂの
（特性）音響インピーダンスＺb(ω)［kg/m²sec］を算
出したのと同様にして、骨の（特性）音響インピーダ
ンスＺ(ω)を求める（ステップＳＰ２０２）。そして、
ＣＰＵ１１は、この計測データから求めた骨の（特性）
音響インピーダンスＺ(ω)を式（１１）及び式（１２）
に代入して、海綿骨Ｍｃの（特性）音響インピーダンス
Ｚc及び皮質骨Ｍｂの面積骨密度σを求め（ステップＳ
Ｐ２０３）、表示器１３に画面表示する（ステップＳＰ
２０４）。

【００６８】上記構成によれば、ＣＰＵ１１は、最大骨
エコーレベルが抽出されたときの最大骨エコー波形に基
づいて、スペクトルを求め、このスペクトルに基づき、
大きさだけでなく位相情報も含まれた骨の超音波反射係
数Ｒ(ω)及び骨の（特性）音響インピーダンスＺ(ω)を
得るので、従来は計測が困難であった、踵骨等の、薄い
皮質骨Ｍｂと海綿骨Ｍｃとからなる骨についても、超音
波パルスＡｉが軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙで
反射されたエコー及び皮質骨Ｍｂと海綿骨Ｍｃとの境界
面Ｑで反射されたエコーが重ね合わされた骨エコーＡｅ
を観測して、海綿骨Ｍｃ及び皮質骨Ｍｂの音響特性情報
を分離し、海綿骨Ｍｃの（特性）音響インピーダンスＺ
c及び皮質骨Ｍｂの面積骨密度σを算出することができ
る。それ故、測定部位の選択の幅が大幅に広げられ、被
験者の骨の状態についてより詳細に解析でき、骨の骨粗
鬆症についても一段と正確かつ精密に診断できる。

【００６９】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、上述した
実施例においては、疑似皮質骨、疑似骨について求めた
最大エコースペクトル及び垂直反射エコー到達時間は、
予めＲＯＭに格納しておき、本測定時の演算に利用した
が、最大エコースペクトルび垂直反射エコー到達時間を
その都度測定又は算出するようにしても良い。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。また、掃引発振器が掃
引する周波数の範囲及び掃引時間は、それぞれ、２００
ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、１００msecに限らない。

【００７０】

【発明の効果】この発明の構成によれば、骨の（特性）
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
るという、相乗効果を受けるために、音速以上に敏感に
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、（特性）音響インピーダンスは、こ
れらの相乗効果を受けて、音速以上に敏感に応答して顕
著に減少する。それ故、骨の（特性）音響インピーダン
スは、骨密度を判断する上で、良い指標となる。例え
ば、皮質骨の（特性）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。

【００７１】また、演算手段において、最大エコーレベ
ルが抽出されたときのエコーに係るデジタルのエコー信
号に基づいてフーリエ変換を行ってスペクトルを求め、
このスペクトルに基づいて、複素表示の（特性）音響イ
ンピーダンスを所定の周波数範囲で算出し、得られた
（特性）音響インピーダンスの周波数特性に基づいて診
断が行われるので、より詳細な情報をもとに一段と多角
的で正確な骨粗鬆症の診断を行うことができる。また、
得られる（特性）音響インピーダンスは、複素音響イン
ピーダンスであって、振幅情報だけでなく位相情報も含
まれているので、従来は計測が困難であった、例えば、
軟組織に較べて（特性）音響インピーダンスが小さい皮
質骨や、超音波の波長よりも薄い皮質骨についても音響
特性情報を得ることができるようになった。

【００７２】また、エコー抽出手段において、第１のア
ナログ／デジタル変換器から出力された第１のデジタル
信号及び第２のアナログ／デジタル変換器から出力され
た第２のデジタル信号に基づいて逆フーリエ変換を行っ
て時間と共に変化する波形を求め、この波形から超音波
トランスデューサから超音波が送波された直後の残響を
含む所定の時間の信号を除去することによってデジタル
のエコー信号を抽出するので、所望の信号を的確に抽出
し、一段と正確な計測を行うことができる。また、連続
波が測定に用いられるので、パルスを用いる方法に比べ
てＳ／Ｎ比が改善される。

【００７３】さらにまた、骨の（特性）音響インピーダ
ンスを骨密度の指標とする代わりに、骨の単位面積当た
りの質量、すなわち、面積骨密度や、骨の（特性）音響
インピーダンスの単調増加関数である軟組織と骨との界
面での超音波複素反射係数を骨密度の指標としても、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】この発明の第２実施例である骨粗鬆症診断装置
の使用状態を模式的に示す図である。

【図７】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）４掃引発振器（信号発生手段）６ａＣＯＳ成分検波部（第１のエコー検出手段）６ｂＳＩＮ成分検波部（第２のエコー検出手段）７ａＡ／Ｄ変換器（第１のアナログ／デジタル変
換器）７ｂＡ／Ｄ変換器（第２のアナログ／デジタル変
換器）１１ＣＰＵ（エコー抽出手段、エコーレベル検出
手段、最大エコーレベル抽出手段、演算手段、判断手
段）Ａｉ超音波Ａｅ骨からのエコーＭａ軟組織Ｍｂ皮質骨（骨）Ｘ皮膚表面Ｙ軟組織と皮質骨との境界面（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様々に変えながら、超音波
を前記皮膚下の骨に向けて送波すると共に、前記超音波
トランスデューサが超音波受波時に電気信号として出力
する受波信号に基づいて、前記骨から戻ってくる前記超
音波のエコーを検出し、該エコーに基づいて骨粗鬆症を
診断する超音波反射式の骨粗鬆症診断装置であって、所定の時間持続し、かつ、所定の周波数幅の範囲で周波
数が時間と共に変化する連続波電気信号を繰り返し生成
して前記超音波トランスデューサに与え、該超音波トラ
ンスデューサに前記連続波電気信号に対応した連続超音
波を送波させる信号発生手段と、前記連続超音波のエコーを受波した結果として、前記超
音波トランスデューサから電気信号として出力される受
波信号に基づいて、送波された前記連続超音波のエコー
のうち、前記連続波電気信号と同期した第１の成分を検
出する第１のエコー検出手段と、前記連続電気信号に対
して位相が略９０度ずれた第２の成分を検出する第２の
エコー検出手段と、前記第１のエコー検出手段によって検出された前記第１
の成分を第１のデジタル信号に変換する第１のアナログ
／デジタル変換器と、前記第２の検出手段によって検出
された前記第２の成分を第２のデジタル信号に変換する
第２のアナログ／デジタル変換器と、前記第１及び第２のアナログ／デジタル変換器から出力
される前記第１及び第２のデジタル信号に基づいて、前
記骨の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、前記骨の
複素音響特性情報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骨の複素音響特性情
報に基づいて、骨粗鬆症を判断する判断手段とを備えて
なることを特徴とする骨粗鬆症診断装置。
【請求項２】前記第１及び第２のアナログ／デジタル
変換器から出力される前記第１及び第２のデジタル信号
に基づいて前記エコーのスペクトルを得、得られたスペ
クトルに基づいて逆フーリエ変換を行ってエコー波形を
得、得られたエコー波形に基づいて前記超音波のエコー
に対応した前記骨からのエコー波形を抽出するエコー抽
出手段を備え、前記エコーレベル検出手段は、前記エコー抽出手段によ
って抽出された前記骨からのエコー波形に基づいて、エ
コーレベルを検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。
【請求項３】前記エコー抽出手段は、前記逆フーリエ
変換によって得られたエコー波形に基づいて、前記骨か
らのエコー波形以外のエコー波形を除去することによっ
て前記骨からのエコー波形を抽出すると共に、前記演算
手段は、前記最大エコーレベルが抽出されたときの前記
超音波のエコーに係る前記骨からのエコー波形に基づい
てフーリエ変換を行って前記骨からのエコーのスペクト
ルを求め、求められたスペクトルに基づいて前記骨の複
素音響特性情報を算出することを特徴とする請求項２記
載の骨粗鬆症診断装置。
【請求項４】前記演算手段は、前記骨の複素音響特性
情報として、前記被験者の軟組織に対する前記骨の超音
波複素反射係数を算出し、算出された超音波複素反射係
数から振幅情報及び位相情報を得ると共に、前記判断手
段は、前記演算手段によって得られた前記振幅情報及び
位相情報を指標として骨粗鬆症を判断することを特徴と
する請求項１，２又は３記載の骨粗鬆症診断装置。
【請求項５】前記演算手段は、前記骨の複素音響特性
情報として、前記骨の複素音響インピーダンスを算出
し、算出された複素音響インピーダンスから振幅情報及
び位相情報を得ると共に、前記判断手段は、前記演算手
段によって得られた前記振幅情報及び位相情報を指標と
して骨粗鬆症を判断することを特徴とする請求項１，２
又は３記載の骨粗鬆症診断装置。