JPH0970404A

JPH0970404A - 骨組織解析装置および方法

Info

Publication number: JPH0970404A
Application number: JP25446395A
Authority: JP
Inventors: Akira Itabashi; 明板橋; Akira Takeuchi; 晃竹内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1997-03-18
Also published as: WO1997008994A1; AU6889696A

Abstract

(57)【要約】【目的】骨組織内部を光によって非侵襲的に解析する
ことができる装置および方法を提供する。【構成】演算器１３は、得られた透過光の時間分解波
形から検体（骨組織）６の光散乱係数μｓ´および光吸
収係数μａを求める。類別器１４は、求めた光散乱係数
μｓ´と光吸収係数μａとの相対関係を、各係数μｓ
´，μａの値が共に高い第１の相対関係，光散乱係数μ
ｓ´の値が高く光吸収係数μａの値が低い第２の相対関
係，光散乱係数μｓ´の値が低く光吸収係数μａの値が
高い第３の相対関係，または各係数μｓ´，μａの値が
共に低い第４の相対関係のいずれかに類別する。表示器
１５はこの類別結果を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を用いて骨組
織を調べる骨組織解析装置および方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、骨の内部を調べるには、単純Ｘ線
によって骨の構造変化を調べる方法や、２種のＸ線を使
って骨内カルシウム密度を定量するＤＸＡ法と呼ばれる
方法が用いられている。また、高性能Ｘ線ＣＴによるｐ
ＱＣＴ法と呼ばれる方法によっても骨組織が調べられて
いる。現在、このＤＸＡ法やｐＱＣＴ法による骨密度測
定の結果が骨強度の重要な指標として用いられてきてい
る。また、最近では、骨密度ばかりでなく骨質をも反映
する解析方法として超音波法などが検討されている。

【０００３】また、骨組織はリモデリングと呼ばれる骨
の形成と骨の吸収の周期を持っており、この周期の測定
は例えば骨粗鬆症の進行速度の評価に用いられている。
従来、この骨の形成と吸収の周期の測定は、一般的に
は、生検による組織検査で行ったり、あるいは、血液検
査や尿検査によって得られる骨形成および吸収のマーカ
ー（徴候）の測定により行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｘ線を
用いた上記従来の全ての骨組織解析手法は、骨内カルシ
ウムの分布、密度から骨の構造変化を推定しているに過
ぎない。また、Ｘ線の被曝に対する防曝施設を設置する
必要があり、さらに、Ｘ線被曝による被検者に対する侵
襲も問題になる。

【０００５】また、上記従来の超音波法を用いた骨組織
解析手法は、簡易に解析することができ、骨の物理学的
強度（弾性強度）を測定はしているが、ＤＸＡ法により
求めた骨塩量（骨内カルシウム）との相関性の評価に留
まっており、簡略式骨塩定量器としての意味合いが強
い。つまり、この解析手法では精度良く、正確に骨組織
内部を解析することは困難である。

【０００６】また、骨の形成と吸収の周期に関する骨組
織解析手法に関しては、従来の生検は観血的であるた
め、頻繁に施行することは望めない。また、血液検査や
尿検査によって骨形成および吸収マーカーを測定する従
来の解析手法は、骨組織を直接測定していないため、そ
の評価解析結果は間接的なものでしかない。従って、こ
れら解析手法でもやはり、精度良く、正確に骨組織内部
を解析することは困難である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するためになされたもので、レーザ光を出射する
レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光
を骨組織に導く導光手段と、骨組織を透過した光を受光
する受光器と、得られた透過光から骨組織の光散乱係数
および光吸収係数を求める演算器と、求めた光散乱係数
と光吸収係数との相対関係を、各係数の値が共に高い第
１の相対関係，光散乱係数値が高く光吸収係数値が低い
第２の相対関係，光散乱係数値が低く光吸収係数値が高
い第３の相対関係，または各係数の値が共に低い第４の
相対関係のいずれかに類別する類別器と、この類別結果
を表示する表示器とを備え、骨組織解析装置を構成し
た。

【０００８】また、レーザ光源から出射されたレーザ光
を骨組織に照射する第１の工程と、骨組織を透過した光
を受光する第２の工程と、得られた透過光から骨組織の
光散乱係数および光吸収係数を求める第３の工程と、求
めた光散乱係数と光吸収係数との相対関係を、各係数の
値が共に高い第１の相対関係，光散乱係数値が高く光吸
収係数値が低い第２の相対関係，光散乱係数値が低く光
吸収係数値が高い第３の相対関係，または各係数の値が
共に低い第４の相対関係のいずれかに類別する第４の工
程とを備え、骨組織を解析する。

【０００９】

【作用】求めた光散乱係数および光吸収係数の相対関係
が、第１の相対関係に類別された場合には、骨内に含ま
れる光散乱体である骨塩量は高く、骨の腔内に光吸収体
である血液成分が多く含まれているものと解析される。
また、第２の相対関係に類別された場合には、骨塩量は
高くなく、腔内には血液成分に代わって光散乱体である
脂肪分が多く含まれているものと解析される。また、第
３の相対関係に類別された場合には、骨塩量は低く、腔
は大きく形成され、腔内には血液成分が多量に含まれて
いるものと解析される。また、第４の相対関係に類別さ
れた場合には、骨塩量は低く、腔内には血液成分も脂肪
分も少ししか含まれていないものと解析される。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の一実施例による骨組織解析装
置および方法について説明する。

【００１１】図１は本実施例による骨組織解析装置の概
略構成を示すブロック図である。

【００１２】チタン・サファイヤ・パルスレーザ光源１
は光強度約４００ｍＷ，ビーム直径２ｍｍ，波長７５０
〜８００ｎｍ，繰り返し周波数７６ＭＨｚで半値幅１０
０ｆｓのパルスレーザ光を出射する。このパルスレーザ
光は導光手段を構成する光学ミラー２，３，４によって
サンプル５まで導かれる。サンプル５は１０ｍｍ角のブ
ロック状に形成された骨組織等の検体６であり、生食
（生理的食塩水）７を満たした箱状の黒いアクリルセル
８に固定されている。パルスレーザ光は、この黒いアク
リルセル８の一部に設けられた透明ガラス窓の中央から
入射し、検体６へ向けて照射される。検体６を透過した
光は入射窓に対向して設けられた透明ガラス窓から出射
し、直後に設置された受光器（型名Ｍ２８１６、浜松ホ
トニクス社製）９で検出される。受光器９で検出された
透過光は、光オシロスコープ（型名ＯＯＳ−０１、浜松
ホトニクス社製）１０において、２ＭＨｚで１０回積算
される。そして、この光オシロスコープ１０において、
積算された受光器９の出力に基づき、検体６の光入射点
から光検出点に至るまでに透過光が経た時間および透過
光の強度が時間分解計測される。この計測結果は光オシ
ロスコープ１０に時間分解計測波形として記録される。
また、光オシロスコープ１０には、レーザ光源１から出
射され、光学ミラー２，１１を経て受光器９と同様な受
光器１２に検出された光が、参照光として入力されてい
る。

【００１３】演算器１３は、得られた透過光の時間分解
計測波形から検体６の光散乱係数μｓ´および光吸収係
数μａを求める。これら係数を評価する一般的な手法に
は、光の拡散方程式から解析的に両係数を評価する手法
や、モンテカルロ法と呼ばれるコンピュータを用いた確
率的な手法で、光の散乱、吸収を数値的にシミュレート
して評価する手法がある。類別器１４は、演算器１３で
求めた光散乱係数μｓ´と光吸収係数μａとの相対関係
を、次の４つの相対関係のいずれかに類別する。つま
り、各係数μｓ´，μａの値が共に高い第１の相対関
係，光散乱係数μｓ´の値が高く光吸収係数μａの値が
低い第２の相対関係，光散乱係数μｓ´の値が低く光吸
収係数μａの値が高い第３の相対関係，または各係数μ
ｓ´，μａの値が共に低い第４の相対関係のいずれかに
類別する。表示器１５はこの類別結果を表示する。

【００１４】図２は、上記の骨組織解析装置を用いて牛
の各組織を時間分解計測した結果を示すグラフである。
この計測においてはパルスレーザ光の波長を８０５ｎｍ
とした。同グラフの縦軸は透過光の相対強度（INTENSIT
Y)を示し、単位は光子量［COUNTS］である。また、同グ
ラフの横軸はパルスレーザ光が検体６に当たってからの
経過時間（TIME）を示し、単位は［ｐＳ］である。検体
６には、牛の筋肉，脂肪，海綿骨および皮質骨のそれぞ
れを１０ｍｍ角ブロックに形成したものを用いた。同グ
ラフにおいて、波形Ａは光散乱も吸収もない生食の時間
分解計測波形であり、参照波形として用いられる。波形
Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥはそれぞれ筋肉，脂肪，海綿骨およ
び皮質骨の時間分解計測波形である。一般的に、検体６
が光学的に吸収が強い組織である場合には、透過光の減
少に伴って最大光強度（maximumintensity,ＩＭａｘ）
は低下し、時間分解計測波形がピークに達するピーク時
間（peak time,ＰＴ）は前方つまりグラフの左方にシフ
トする。また、検体６が光散乱が強い組織である場合に
は、相対強度はやはり低下するが、時間分解計測波形の
ピーク時間は後方つまりグラフの右方にシフトする。

【００１５】筋肉の波形Ｂでは、最大光強度は高く、ピ
ーク時間は生食の参照波形Ａのピーク時間に比べて５０
［ＰＳ］位しか遅れていない。これは、筋肉には照射し
た光の波長領域に吸収スペクトルを持つミオグロビンが
含まれているにもかかわらず、筋肉は光の透過性が良
く、散乱も少ない組織であることを示している。また、
海綿骨の波形Ｃでは、最大光強度は高く透過性はある
が、筋肉に比べて散乱はかなり多い。同波形のピーク時
間は１００［ＰＳ］以降になり、散乱を多く受けた光路
長の長いフォトンは４００［ＰＳ］近くに検出すること
ができる。また、脂肪の波形Ｄからは脂肪組織が強い光
散乱体であることが分かる。また、皮質骨の波形Ｅでは
さらに強い光散乱パターンが示されている。

【００１６】また、上記の骨解析装置を用い、３例の剖
検時に得られたヒト（人）の第３腰椎中央部より海綿骨
の１０ｍｍ角ブロックを形成し、これを検体６として時
間分解計測した。このヒト腰椎サンプルについては、サ
ンプル内に含まれるヘモグロビン（Ｈｂ）の影響を考慮
するため、４０分間の超音波洗浄の前後で測定した。

【００１７】図３はこの計測結果を示すグラフである。
同図（ａ）のグラフはヒト腰椎の骨密度ＢＭＤと時間分
解計測波形の最大光強度ＩＭａｘとの相関関係を示すグ
ラフであり、同グラフの縦軸はＢＭＤ［ｇ／cm2 ］，横
軸はＩＭａｘ［counts］である。また、同図（ｂ）のグ
ラフはヒト腰椎の骨密度ＢＭＤと時間分解計測波形のピ
ーク時間ＰＴとの相関関係を示すグラフであり、同グラ
フの縦軸はＢＭＤ［ｇ／cm2 ］，横軸はＰＴ［ｐＳ］で
ある。ここで、ＢＭＤ値の測定はＤＸＡ法を用いた測定
器（型名DPX-L 、米国ルナー社製）を使用し、小動物用
ソフトウエアのハイ・レゾリューション・モード（High
resolution mode) で計測した。また、これら各グラフ
において、黒塗りの丸印から得られる直線ａはサンプル
を洗浄する前に測定して得られた結果であり、白抜きの
丸印から得られる直線ｂはサンプルを超音波洗浄した後
に測定して得られた結果である。また、これら各グラフ
におけるプロットＨ１は、アルコール性の肝不全で死亡
した５０才の男性の腰椎サンプルデータである。また、
プロットＨ２は、卵巣がんで死亡した５４才の女性の腰
椎サンプルデータである。また、プロットＨ３は、肝細
胞がんで死亡した６３才の男性の腰椎サンプルデータで
ある。

【００１８】同図（ａ）のグラフから、ＢＭＤの低いサ
ンプルは光を通し易いことが分かる。また、同図（ｂ）
のグラフから、散乱の増加を示唆するＰＴの値はＢＭＤ
の値が高いほど長くなる傾向が見られた。また、このよ
うなサンプル計測結果の相対関係は超音波洗浄でＨｂを
除去しても保たれていたが、除去後は図示されるように
ＩＭａｘが全体的に増加し、ＰＴが後方にシフトした。

【００１９】ＢＭＤとＩＭａｘとの相対関係はサンプル
に連続光を照射することによっても確認できる。このこ
とは次の実験により確認されている。つまり、光源にハ
ロゲンランプを用い、この光源の出力を調光器によって
２００［Ｗ］程度に減光する。このようにして得られる
連続拡散光を、２ｍｍ厚の白色アクリル板間に固定され
た骨サンプルに照射する。骨サンプルを透過してきた光
はコンピューターＣＣＤスキャナ（型名EPSON6500ART、
セイコーエプソン社製）で受光し、得られた画像データ
をコンピュータで解析した。つまり、得られたＲＧＢ画
像データを２５６階調の濃淡画像データ（gray scale)
に変換し、この変換データから平均光学密度を算出し
た。この実験の測定サンプルには、牛の大腿骨近位端の
海綿骨部より採った１０ｍｍ角の骨ブロックを用いた。
そして、サンプルの透過光量に影響を与える因子をカル
シウムによる散乱減衰のみに限定するため、このサンプ
ルをｐＨ７．２に調整した１５％ＥＤＴＡ２Ｎａ溶液中
で徐々に脱灰し、骨構造を変えずに骨ブロック中のＣａ
の結晶体（ハイドロオキシアパタイト）の含量のみを変
化させた。このように脱灰を開始して２日目，９日目，
１８日目および３０日目における骨サンプル中のＢＭＤ
を上記方法によって測定した。

【００２０】この測定で得られたＲＧＢ画像は、脱灰の
進行に伴って明るく見えるようになった。また、濃淡画
像データを解析して得られた平均光学密度（mean densi
ty)と、前述のＤＸＡ法で測定されたＢＭＤ値との相対
関係は、図４のグラフに示す結果となった。同グラフの
縦軸は平均光学密度であり、横軸はＢＭＤ［ｇ／cm2］
である。同グラフから、ＢＭＤの減少に伴って平均光学
密度が低下し、骨サンプルを透過する光量はＢＭＤ値の
減少に伴って直線的に増加することが確認され、相関関
数Ｒ2 は０．９９６という高い値になった。すなわち、
この実験結果は図３（ａ）に示すパルスレーザ光を用い
た時間分解計測結果と一致している。

【００２１】この実験結果より、光散乱体であるハイド
ロオキシアパタイト含量のみを変化させた場合の透過光
量の変化は、散乱特性の変化、すなわち散乱を繰り返
し、受光部に到達する前に減衰してしまうフォトンの増
減として評価できることが分かった。これらのことから
光の散乱特性とＢＭＤには強い相関があることが明らか
になり、光による骨塩量の測定が可能であることが示唆
された。また、可視光に比べ組織透過性が良い近赤外域
でのパルスレーザ光による時間分解計測法によって得ら
れる波形を評価することで、組織の散乱、吸収特性を分
離して評価することが可能となり、さらに、Ｈｂや脂肪
などの骨内成分を光学的変化として測定できる可能性が
示唆された。また、これらの結果から、カルシウムによ
るＸ線の吸収減衰と光の散乱減衰は同じ傾向を示すこと
が明らかになり、現在主としてＸ線により測定されてい
る骨塩量が光散乱の測定によっても計量することが可能
であることも分かった。

【００２２】また、図１に示す光オシロスコープに代え
てより感度の優れた６００チャンネルのストリークカメ
ラ（型名Ｃ４３３２、浜松ホトニクス社製）を用い、チ
タンサファイアパルスレーザ光源１より出射された波長
７５４ｎｍの近赤外領域におけるパルスレーザ光をヒト
の踵部（約４５ｍｍ厚）の内側より照射したところ、図
５のグラフに示す結果が得られた。ここで、時間分解計
測は、このパルスレーザ光を２００回積算して約１分間
の光照射とし、十分な信号強度が得られるように行っ
た。同図（ａ）のグラフは参照光の時間分解計測結果，
同図（ｂ）のグラフは信号光の時間分解計測結果を示
す。これら各グラフにおいて、横軸は検体に光があたっ
てからの時間［ｎｓ］であり、縦軸は透過光の光強度を
表す光子のカウント数である。また、右斜めの軸はスト
リークカメラの検出チャンネルを示している。同図
（ａ）に示すグラフから、生食の参照光はピーク時間が
約４００［ｐｓ］付近に認められる。また、同図（ｂ）
に示すグラフから、約４５［ｍｍ］厚の踵部を透過した
初期のフォトンは、生食の参照波形に比べて５００［ｐ
ｓ］ほど遅れて現れ、そのピーク時間は１５００［ｐ
ｓ］遅れていた。生体組織内で光は約０．２３［ｍｍ／
ｐｓ］のスピードで進むことから考えると、測定波形に
おける１５００［ｐｓ］付近のピーク位置は、４．５
［ｃｍ］厚の踵部をフォトンは４０［ｃｍ］も散乱しな
がら通過したことを意味する。また、この結果から、こ
のような生体の著しい光散乱の情報を非侵襲的に得られ
ることが明らかになった。

【００２３】Ｘ線と光は同じ電磁波であるが、波長が違
うことによりその性質は異なる。Ｘ線の波長域（数ｎ
ｍ）の電磁波で骨組織を測定する場合は、フォトンは骨
組織中のＣａにより吸収されてしまう。また、光の波長
域の電磁波で骨組織を測定する場合には、骨組織中のハ
イドロオキシアパタイトおよび骨組織の形態変化などに
伴う屈折率の変化により、著しい光拡散が起こることが
知られている。このようにＸ線と光は共に電磁波であり
ながら、骨組織中におけるＸ線の吸収減衰と骨組織中の
光の吸収、散乱減衰とは、前述の連続光を用いた計測で
明らかになったように同じ傾向を示した。従って、光に
よって骨組織中を解析する場合、対象が散乱物質であろ
うと吸収物質であろうと同様な光の減衰が見られるた
め、光吸収体および光散乱体が混在する物質を連続光で
測定しても、散乱による光の減衰なのか、あるいは吸収
による光の減衰なのかを区別することはできない。

【００２４】この問題は時間分解計測法に基づく測光法
を用いることにより解決することが可能である。すなわ
ち、超短時間パルス光を検体に照射し、入射したフォト
ンが散乱や吸収を受けながら検体内を透過していく際に
生じる運動行程の変化、つまり光路長変化を、受光した
フォトンを時間軸にプロットすることによって時間分解
計測し、光吸収、散乱特性を正確に評価することが出来
る。すなわち、入射した時間と位置とが分かっているフ
ォトンが、何秒後にいくつ受光器まで到達したかを測定
することにより、散乱を受けたフォトンの光路長を推測
することができ、散乱と吸収の要素を鑑別することが可
能になる。

【００２５】図６（ａ）には光吸収体２１が存在する検
体（骨組織）６に光が照射された場合における光路長が
示されており、同図（ｂ）には光散乱体２２が存在する
検体（骨組織）６に光が照射された場合における光路長
が示されている。光吸収体２１が検体６内に存在する同
図（ａ）に示す場合には時間分解計測波形は同図（ｃ）
のグラフ、光散乱体２２が検体６内に存在する同図
（ｂ）に示す場合には時間分解計測波形は同図（ｄ）の
グラフに示される。これら各グラフの横軸は時間［ｐ
Ｓ］、縦軸は光子のカウント数である。同図（ｃ）に示
す典型的な光吸収パターンでは、信号波形２３のピーク
時間は参照光波形２４のピーク時間から僅かしか遅れて
いないが、同図（ｄ）に示す典型的な光散乱パターンで
は、信号波形２５のピーク時間は参照光波形２６のピー
ク時間から大きく遅れている。また、信号波形２３の最
大光強度は信号波形２５の最大光強度よりも大きい。

【００２６】光による測定波形を評価して得られるパラ
メータは、基本的には等価散乱係数μｓ´、吸収係数μ
ａの２つである。これら各係数を前述した図１に示す骨
組織解析装置の演算器１３で求め、求めた各係数に基づ
いて骨組織の状態を類別器１４で前述のように類別する
ことにより、骨組織の多彩な状態分析をすることが可能
になる。例えば、本実施例による骨組織解析装置を、生
きたままのヒトの踵部に適用することにより、以下の分
析をすることが出来る。

【００２７】すなわち、求めた光散乱係数μｓ´および
光吸収係数μａの相対関係が、各係数μｓ´，μａの値
が共に高い第１の相対関係に類別された場合には、骨内
に含まれる光散乱体である骨塩量は高く、骨梁間腔（皮
質骨では骨髄腔）内には光吸収体である血液成分に富ん
だ骨髄組織が多く含まれているものと解析される。従っ
て、この第１の相対関係に類別される骨組織は健康な骨
組織であると分析することができる。

【００２８】また、光散乱係数μｓ´の値が高く光吸収
係数μａの値が低い第２の相対関係に類別された場合に
は、骨塩量は高くなく、骨梁間腔（骨髄腔）内の血液成
分に富んだ骨髄組織は、光散乱体である脂肪組織に置き
換えられているものと解析される。従って、脂肪含量が
増加しているこの骨組織には、骨形成、吸収の周期が遅
い老年期に代表される骨変化が起きているものと分析す
ることができる。

【００２９】また、光散乱係数μｓ´の値が低く光吸収
係数μａの値が高い第３の相対関係に類別された場合に
は、骨塩量は低く、それに伴い骨梁幅は細くなり、骨梁
間腔は大きく形成され、腔内には血液成分に富んだ骨髄
組織が多量に含まれているものと解析される。従って、
血液成分に富んだこの骨組織には、骨形成、吸収の周期
が早い女性の閉経後骨粗鬆症に代表される骨変化が起き
ているものと分析することができる。

【００３０】また、各係数μｓ´，μａの値が共に低い
第４の相対関係に類別された場合には、骨塩量は低く、
骨梁間腔（骨髄腔）内には血液成分も脂肪分も少ししか
含まれていないものと解析される。従って、この類別
は、骨自体が細い（小さい）か、萎縮しているなどの、
病態的には分類困難であるが、上記第２の相対関係に類
別された型の憎悪した型と見ることができる。骨組織に
は老年期に多いと思われる骨変化が起きているものと分
析することができる。

【００３１】ここで、各係数値が高いか低いかの評価
は、色々な足の厚さ、色々な皮膚の色をした正常人の各
係数値を統計的に処理して得られた平均値に基づいて行
うことが考えられる。

【００３２】骨粗鬆症の骨病変は、初期には、骨幹部の
皮質骨より、腰椎、大腿骨頸部、踵骨に代表されるよう
な海綿骨に変化が大きい。骨粗鬆症罹患により海綿骨部
の骨塩量は減り、それに伴い骨梁幅は細くなり、骨梁間
腔（骨髄腔）は大きくなるという構造変化を呈する。ま
た、骨粗鬆症は、女性の場合、臨床的に閉経後数年に起
こるものと、老年期に起こるものとに分類される。この
うちの前者は、前述の骨の形成と吸収の周期が早い時期
に、女性ホルモンの急激な欠乏による骨吸収の活性化に
より急激に骨病変が進行する病態である。また、後者
は、骨の形成の低下が病態の主因になるが、骨形成と吸
収の周期が遅いため、病変は徐々に進行する。当然、こ
れら両者は最適な治療法も異なり、治療開始の時期も異
なるため、両者の鑑別は非常に重要である。

【００３３】閉経後骨粗鬆症におけるような骨の形成と
吸収の周期が早いタイプの海綿骨組織では、骨梁間腔は
血液成分に富んだ骨髄組織が満たされている。また、老
年期に代表される骨の形成と吸収の周期が遅い海綿骨組
織の骨梁間腔の骨髄組織は、血液成分が脂肪組織に置き
換わっていることが推測される。また、皮質骨部におい
ても軽度の変化は認められ、骨粗鬆症の重度の進行例で
は、皮質骨の厚さが減少し、それに伴う皮質骨の骨塩量
の低下や、骨髄腔の脂肪化などが認められる。

【００３４】一方、光はＸ線や超音波と異なり、骨内カ
ルシウムに対しては強い散乱特性を示し、近赤外域の光
は骨髄腔（海綿骨では骨梁間腔）内のＨｂに対しては吸
収特性を示す。また、光は脂肪組織に対しては主に散乱
特性を示す。従って、測定結果で散乱が非常に強かった
場合には、骨組織は、カルシウムの含量が多く、骨内部
構造が複雑か、もしくは脂肪の含有量が多いかの２通り
の評価が考えられる。これら評価の鑑別は、Ｈｂによる
吸収特性を上記のように評価することによって行える。
もし、骨組織が強い光吸収特性を示せば、骨内部には骨
髄の血液成分が豊富に含まれ、ＢＭＤの高い健康な骨組
織であることが推測できる。また、吸収特性が弱けれ
ば、骨髄内部で血液が脂肪に置き換えられている可能性
が考えられ、この場合の散乱の増加は高いＢＭＤの影響
ではなく、脂肪量の増加によるものであると推測するこ
とができる。さらに、脂肪の吸収スペクトルのピークが
ある９３０［ｎｍ］付近の波長光での検討を加えれば、
より明確に脂肪分を計測することが可能である。また、
散乱が弱い場合はＢＭＤが低いことが疑われるが、骨粗
鬆症などで骨梁間隙が広くなり、そこに血液が多く含ま
れているなどの状態であれば、さらに吸収は強くなる。

【００３５】本実施例で今回使用した装置では測定しな
かったが、コラーゲンの吸収スペクトルもさらに高い波
長域に存在するため、より広範囲な波長域で測定可能な
レーザ測光システムを用いることにより、骨組織の散
乱、吸収特性の測定と、吸収スペクトルを利用した分光
分析法により、骨質の新しい評価をすることが可能であ
る。

【００３６】本実施例により生きたままのヒトの骨組織
についても時間分解計測することが明らかになり、さら
に、その時間分解計測波形の解釈をする際に、骨組織の
光散乱係数および光吸収係数の値に応じてこれら係数を
前述のように類別することにより、骨の周辺組織の影響
を考慮することも可能になった。皮膚、脂肪組織、筋組
織、腱組織などが複雑に重なり合っている骨周辺組織を
光が透過する際におけるフォトンの運動行程の変化を推
測するのは非常に難しい問題である。近年、散乱、吸収
係数の異なる複数の組織を透過する際の光路長の影響に
ついては、様々なモデル実験による数学的検討がなされ
ているが、この問題についての最終的な解決は得られて
いない。また、骨組織を光学的に検討した報告は少な
く、僅かに連続光を用いた豚の頭蓋骨薄切片での基礎光
学特性の検討があるだけである。本実施例のような観点
から骨組織を解析した例は今まで世界になく、本報告が
最初のものと思われる。このような本実施例による骨組
織解析装置および方法により、骨組織を分析することに
より、骨粗鬆症罹患に伴う上述した骨変化は精度良く、
正確に解析することが可能である。

【００３７】なお、上記実施例の説明においては、パル
スレーザシステムを用い、骨組織にパルスレーザ光を照
射して時間分解計測法によって骨組織内の光散乱係数お
よび光吸収係数を求めた。しかし、骨組織に連続レーザ
光を照射するフェーズモジュレーション法を採用してこ
れら各係数を求めるようにしてもよい。この場合には、
骨組織に照射する連続レーザ光に変調が加えられ、骨組
織を透過することによってこの変調光の位相がどのよう
に変化するかといった時間情報が調べられることによ
り、骨組織の光散乱係数および光吸収係数が求められ
る。連続レーザ光を光源とするシステムは、光源の冷却
方法，安定性や整備法などの点において、パルスレーザ
光を光源とするシステムに比較して扱いが簡易であり、
しかも、低価格に得られる。従って、このような光源を
用いて装置を構成すれば、より簡易に骨組織を解析する
ことが可能になる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、透
過光から得られた骨組織中の光散乱係数および光吸収係
数の相対関係を類別することにより、骨組織内部を光に
よって非侵襲的に解析することが可能になる。このた
め、Ｘ線を用いた従来の骨組織解析手法は、骨内カルシ
ウムの分布、密度から骨の構造変化を推定しているに過
ぎなかったが、本発明によれば、計測した散乱係数およ
び吸収係数に基づいてより具体的に骨組織内部を評価で
き、より精度良く正確に骨構造変化を解析することが可
能になる。従って、従来の超音波法による骨組織解析手
法や、血液検査や尿検査によって骨形成および吸収マー
カーを測定する間接的な従来の解析手法と比較しても優
れた解析をすることが可能になる。また、光を用いて計
測するため、Ｘ線の被曝に対する防曝施設は不要にな
り、しかも、被検者に対する侵襲の影響を心配する必要
もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による骨組織解析装置を示す
ブロック図である。

【図２】本実施例による骨組織解析装置を使用して計測
された牛の各組織の時間分解計測波形を示すグラフであ
る。

【図３】本実施例による骨組織解析装置を使用して計測
されたヒト腰椎ブロックの時間分解計測波形の最大光強
度およびピーク時間とＢＭＤ値との相関関係を示すグラ
フである。

【図４】牛の骨組織に連続光を照射して透過して得られ
た平均光学密度とＢＭＤ値との相関関係を示すグラフで
ある。

【図５】本実施例による骨組織解析装置を使用して計測
された生きたままのヒトの踵部の時間分解計測波形を示
すグラフである。

【図６】光の散乱による減衰および光の吸収による減衰
のそれぞれの模式図と各透過光の時間分解波形を示す図
である。

【符号の説明】

１…チタンサファイアパルスレーザ光源２，３，４，１１…光学ミラー５…サンプル６…検体７…生食（生理的食塩水）８…アクリルセル９，１２…受光器１０…光オシロスコープ１３…演算器１４…類別器１５…表示器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出射するレーザ光源と、この
レーザ光源から出射されたレーザ光を骨組織に導く導光
手段と、骨組織を透過した光を受光する受光器と、得ら
れた透過光から骨組織の光散乱係数および光吸収係数を
求める演算器と、求めた光散乱係数と光吸収係数との相
対関係を各係数の値が共に高い第１の相対関係，光散乱
係数値が高く光吸収係数値が低い第２の相対関係，光散
乱係数値が低く光吸収係数値が高い第３の相対関係，ま
たは各係数の値が共に低い第４の相対関係のいずれかに
類別する類別器と、この類別結果を表示する表示器とを
備えて構成されたことを特徴とする骨組織解析装置。
【請求項２】レーザ光源から出射されたレーザ光を骨
組織に照射する第１の工程と、骨組織を透過した光を受
光する第２の工程と、得られた透過光から骨組織の光散
乱係数および光吸収係数を求める第３の工程と、求めた
光散乱係数と光吸収係数との相対関係を、各係数の値が
共に高い第１の相対関係，光散乱係数値が高く光吸収係
数値が低い第２の相対関係，光散乱係数値が低く光吸収
係数値が高い第３の相対関係，または各係数の値が共に
低い第４の相対関係のいずれかに類別する第４の工程と
を備えたことを特徴とする骨組織解析方法。