JPH0984788A

JPH0984788A - 組織構造解析装置

Info

Publication number: JPH0984788A
Application number: JP7247654A
Authority: JP
Inventors: Naoki Otomo; 直樹大友; Sadayuki Ueha; 貞行上羽
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-03-31
Also published as: WO1997011639A1

Abstract

(57)【要約】【課題】骨の微細構造を超音波を利用して解明する。【解決手段】超音波散乱の面から見て、海綿骨を２次
元配列された複数の円柱として予めモデリングし、その
理論式を求めておく。次に、生体に向けて超音波を送波
し、海綿骨にて散乱した超音波を受波する。そして、そ
の超音波の受波により得られる受信信号の周波数特性を
演算し、理論式に含まれる未知パラメータの値を周波数
特性に基づいて推定する。その未知パラメータの値とし
て骨粱間隔と骨粱の太さが推定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は生体組織の評価に関
連して組織構造を解析する装置に関し、特に超音波を利
用して海綿骨の構造解析を行う新しいタイプの装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】生体に超音波を透過させ、生体組織の評
価・診断を行う生体組織評価装置が提案されている。こ
のような生体組織評価装置及び評価方法の例としては、
例えば、本出願人が先に提案した特願平４−１２７７５
１号、特願平５−５５５３１号、特願平５−１８０５４
１号などが挙げられる。

【０００３】特願平４−１２７７５１号で提案した装置
は、生体組織のうちで特に骨を評価するための装置であ
り、超音波計測によって骨中の音速を求め、更にＸ線計
測によって骨密度（単位体積当たりのミネラル量）を求
め、それらの計測結果を利用して骨の剛性に関する評価
値を算出するものである。また、特願平５−５５５３１
号では、骨の対して超音波を透過させた場合の減衰特性
に基づいて骨評価が行われている。さらに、特願平５−
１８０５４１号では、生体組織中の超音波伝搬特性に関
する係数値（音速、減衰定数など）を推定する方法が示
されており、生体組織を透過した超音波の受信信号か
ら、いわゆる等価伝送線理論を用いて超音波伝搬特性に
関する係数値が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の装置及び方法
は、送波振動子と受波振動子が生体組織を介在して直線
上に対向配列されており、その受信信号に基づいて生体
組織の評価を行うものであった。

【０００５】しかしながら、生体組織へ送波された超音
波は、生体組織内の微視的な構造によって、回折・散乱
されるため、透過した超音波はある程度空間的広がりを
もったものとなるが、従来においては、そのような回折
・散乱した超音波（単に直線的に透過した超音波以外の
超音波）を何ら考慮するものではない。そのような回折
・散乱した超音波は、生体組織内部構造を反映するもの
と考えられ、逆に散乱超音波から組織構造を推定できる
可能性がある。なお、特願平６−２６４９０１号では、
そのような散乱超音波の分布特性を利用する技術が提案
されている。

【０００６】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、生体組織にて散乱した超音波
に基づいて生体組織内部構造を推定する新しいタイプの
装置を提供することにある。

【０００７】また、本発明の目的は、骨粗鬆症などの疾
病診断に有用な骨梁の太さ及び間隔を推定できる装置を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る装置は、生体組織に対して超音波を送
波する送波手段と、前記生体組織を透過して散乱した超
音波を受波する受波手段と、前記受波手段からの受信信
号の周波数特性を演算する周波数特性演算手段と、前記
周波数特性に基づいて、前記生体組織の構造を推定する
組織構造解析手段と、を含むことを特徴とする。

【０００９】すなわち、本発明は、後述するθ空間法や
ｆ空間法を実現するものである。ここで、θ空間法では
連続波が用いられ、その方法はＳ／Ｎ比が比較的高いな
どの利点があるが定在波による問題などが指摘される。
一方、ｆ空間法はパルス波を利用するもので、定在波も
生じ難く、分解能も時間的な操作で容易に向上すること
ができる。そこで、本発明では望ましくはｆ空間法が適
用される。

【００１０】また、本発明は、前記組織構造解析手段
は、生体組織をモデリングして得られた理論式に含まれ
る未知パラメータの値を前記周波数特性に基づいて推定
することにより、前記生体組織の構造を解析することを
特徴とする。すなわち、本発明は、生体組織を理論的に
モデリングし、そのモデルから得られる理論式に計測デ
ータをあてはめることにより、その理論式に含まれる未
知パラメータの値を推定するもので、その未知パラメー
タとしては生体組織が海綿骨であれば骨粱間隔やその太
さが該当する。骨粱の太さは、骨の強度に相関があると
いわれており、特に骨租鬆症の診断に有用な情報を提供
できる。

【００１１】また、本発明は、前記組織構造解析手段
は、前記周波数特性の極大を検索する極大検索手段を有
し、前記極大を利用して前記未知パラメータの値を推定
することを特徴とする。すなわち、基本となる理論式か
ら極大条件を求め、その極大条件に計測データを当ては
めることによって未知パラメータの値を推定するもので
ある。

【００１２】また、本発明は、前記組織構造解析手段
は、前記理論式に基づく理論特性が前記周波数特性に合
致するように、前記未知パラメータの値を推定するフィ
ッティング手段を有することを特徴とする。すなわち、
上記の極大条件と基本論理式に基づくフィッティングに
より、複数の未知パラメータの値がそれぞれ推定され
る。もちろん、未知パラメータの値は各種の方法により
推定可能である。

【００１３】また、本発明は、前記生体組織は海綿骨で
あり、前記組織構造解析手段は、海綿骨を２次元配列さ
れた複数の円柱としてモデリングして得られる理論式を
有し、その理論式に含まれる未知パラメータの値を前記
周波数特性により推定することを特徴とする。

【００１４】また、本発明は、前記理論式は、骨粱の間
隔と骨粱の直径の内で少なくとも一方を未知パラメータ
として含み、前記組織構造解析手段は、骨粱の間隔と骨
粱の直径の内で少なくとも一方を推定することを特徴と
する。

【００１５】また、本発明は、前記組織構造解析手段
は、前記理論式を格納した理論式記憶手段と、前記周波
数特性の極大を検索する極大検索手段と、前記極大を利
用して前記理論式に含まれる未知パラメータとしての骨
粱の間隔を推定する骨粱間隔推定手段と、前記理論式に
基づく理論特性が前記周波数特性に合致するように前記
未知パラメータの値を調整することによって、骨粱の直
径を推定するフィッティング手段と、を含むことを特徴
とする。

【００１６】また、本発明は、前記骨粱間隔推定手段
は、極大と極大との間の周波数差を利用して骨粱の間隔
および骨粱の傾きを推定する手段を有することを特徴と
する。また、本発明は、前記骨粱の間隔および骨粱の傾
きを推定するために、少なくとも２つの異なる散乱角度
で散乱超音波の受波が行われ、それらの周波数特性を利
用して骨粱の間隔と骨粱の傾きが推定されることを特徴
とする。

【００１７】また、本発明に係る方法は、超音波散乱の
面から生体組織を予めモデリングして理論式を求めてお
く工程と、前記生体組織に向けて超音波を送波する工程
と、前記生体組織にて散乱した超音波を受波する工程
と、前記超音波の受波により得られる受信信号の周波数
特性を演算する工程と、前記理論式に含まれる未知パラ
メータの値を前記周波数特性に基づいて推定する工程
と、を含むことを特徴とする。

【００１８】

【原理説明】

１．はじめに骨内部の海綿骨は、網目構造の骨梁とその間を満たす骨
髄とで構成される。骨粗鬆症の病状は、海綿骨中の骨梁
の太さに関係があるといわれており、その骨梁の直径を
計測することにより、骨粗鬆症の病状を定量的に診断で
きると考えられる。しかし、現在までＸ線（骨塩量）や
超音波（音速、減衰率など）を利用した方法が提案され
ているが、いずれも骨梁の太さ自体を計測するものでは
なく、診断部位の全体的な積分値で評価しており、骨折
との相関が不完全である点が問題として挙げられてい
る。また、定期検診等での利用を考慮すると、超音波を
利用した手軽で安価、病状を定量的に診断できる装置が
望まれている。

【００１９】２．海綿骨のモデル化と散乱波の記述（ａ）２次元モデル海綿骨は、上記のとおり、網目構造をもつ骨梁とそれを
満たす骨髄とで構成される。この海綿骨に平面波を照射
し、海綿骨からの散乱波を海綿骨を中心とする円周上で
検出する。このとき、海綿骨は図１に示すように、円柱
（骨梁）を等間隔で配置した構造でモデル化することが
できると考えられる。

【００２０】（ｂ）層数１、試料の傾きがない場合まず、図２に示す層数が１の場合を考える。入射平面波
を試料に対して垂直に入射させ、試料の中心から距離
γ、方向θで散乱波を検出することを考える。このと
き、各円柱は時間的に同相の二次音源としてみることが
でき、多重反射を無視し（Ｂｏｒｎ近似）、またγを媒
質の波長に比べて十分遠方にとることにより受波器には
平行音線の形で入射するものとして計算すると、周波数
がｆで入射方向から角度θの方向で検出される散乱波Ｓ
（ｆ，θ，ａ，ｂ）は、骨梁の直径２ａで決定される関
数Ａ（ｆ，θ，ａ）と骨梁の間隔ｂで決定される関数Ｂ
（ｆ，θ，ｂ）の積で表される。

【００２１】

【数１】ここで、Ｊ_n（ｘ）はｎ次Bessel関数、Ｈ_n ⁽²⁾（ｘ）
は第二種ｎ次Hankel関数、´は微分を表す。また、ｋは
波数、ρは密度で、添字の₀、₁は媒質（骨髄）及び円
柱（骨梁）を表し、Ｎは円柱（骨梁）の本数で、添字の
_x、_yは図１のｘ方向及びｙ方向を表す。

【００２２】Ａ（ｆ，θ，ａ）は直径２ａの円柱に平面
波が入射したときの散乱関数として、またＢ（ｆ，θ，
ｂ）は受波器に対する各円柱の相対的位置によって生ず
る空間的位相差の和として理解できる。

【００２３】（ｃ）層数１、試料の傾きがある場合次に、図３に示すように、試料が入射波に対してφだけ
傾いた場合を考える。この場合、（３）式の各二次音源
の受波器に対する空間的な位相差が変化するのに加え
て、図中のｘ方向のずれの分だけ各二次音源の時間的な
位相差が生じ（４）式のようになる。

【００２４】

【数２】（ｄ）多層、試料の傾きがある場合同様に、図４に示すように、多層構造の分布関数Ｂを１
層の場合と同様に計算すると、以下のようになる。

【００２５】

【数３】ここで、ｘ方向の間隔をｃ、ｙ方向の間隔をｂとした。
（５）式の計算結果を図５および図６に示す。図５の横
軸は散乱角度θで、縦軸は規格化された強度である。図
６は散乱角度６０度についての周波数特性であり、横軸
は周波数で、縦軸は規格化された強度を示している。表
１には、図５および図６のシミュレーション結果を得る
ために用いた各パラメータの値が示されている。

【００２６】

【表１】３．測定原理（ａ）推定に利用できる散乱パターンの特徴次に、図５のパターンを与えられたときに円柱（骨梁）
の間隔ｂ及び直径２ａを求める方法を以下に述べる。角
度φ及び周波数ｆを一定とした場合に得られる散乱関数
｜Ｓ（θ）｜の極大が生ずる角度θは、円柱の間隔ｂと
試料の傾きφにより決定されることが（５）式より分か
る。すなわち、｜Ｓ（θ）｜の極大が生ずる角度θの分
布からｂを求め、その振幅比よりａが求められる（以
下、「θ空間法」と称する）。ただし、実際の測定では
関数Ａ（（２）式）が、骨梁の間隙を透過する信号の影
響が大きいθ＝０［°］付近を補償しないので、この範
囲を評価の対象範囲から除外する必要がある。

【００２７】同様に、図６の角度θ及びφを一定とした
場合に得られる散乱関数Ｓ（ｆ）でも、図５のＳ（θ）
と同様に、極大が生ずる周波数ｆの分布とその振幅比よ
りａ，ｂを求めることができる（以下、「ｆ空間法」と
称する）。

【００２８】｜Ｓ（θ）｜，｜Ｓ（ｆ）｜の振幅の極大
を与える条件を（５）式より求めると、以下のようにな
る。

【００２９】

【数４】ただし、ｎ，ｍは整数で、ｆ空間法では、ｆ＝０からの
ｎ番目、ｍ番目の｜Ｓ（ｆ）｜の極大を意味する。
（６），（７）式からも分かるように、ｆ空間法では｜
Ｓ（ｆ）｜の極大はｆ＝ｆ_pのときあらわれ、以下のよ
うになる。

【００３０】

【数５】また、入射超音波照射幅より十分薄い板状の試料の場
合、試料の外形の条件としてＮ_x＜＜Ｎ_yとすると、以
下のように（６）式及び（９）式が支配的になる。

【００３１】

【数６】図７に（１２）式を用いた（８）式の計算例を示す。パ
ラメータは表１に示したものを用いた。また、図中でプ
ロットしてある点は金網を用いた実験結果の一例で、詳
細は後述する。図７で、φ＝０［°］としてＳ（θ）を
用いた場合、骨梁の直径及び間隔を推定する根拠となる
｜Ｓ（θ）｜の極大はｆ＝２．２５［ＭＨｚ］、０
［°］≦θ≦９０［°］で１つしか含まれていないこと
が分かる（図５参照）。また、図７で、φ＝０［°］と
してＳ（ｆ）を用いた場合、｜Ｓ（ｆ）｜の極大はθ＝
０［°］、０［ＭＨｚ］≦ｆ≦５［ＭＨｚ］で３つ現れ
ることが分かる（図６参照）。

【００３２】（ｂ）推定方法と手順以上の数学的特徴を利用した４種類の計測方法を表２に
示した。

【００３３】

【表２】既に述べたように、基本的にはＳ（θ）またはＳ（ｆ）
の振幅の極大が生じるθまたはｆより骨梁の間隔ｂ及び
試料の傾きφ等を求め、それらの振幅比より骨梁の直径
２ａを求める。原理的には１つの周波数に対して得られ
るＳ（θ）もしくは２つの角度に対して得られるＳ
（ｆ）（ただし、φが既知等の場合は１つの角度に対し
て得られるＳ（ｆ））が観測できれば、これらのパター
ンだけでａ，ｂ，φをすべて求めることが原理的には可
能である。

【００３４】（ｃ）θ及びｆの帯域による測定条件（６）式、（７）式、（９）式及び（１０）式は、測定
方法によって異なる極値をもつ。θに関してみると、各
式はそれぞれ、θ＋φの値によって、それぞれ試料の傾
きφで決定される極小値をもつ。

【００３５】

【数７】同様に、φに関してみると、θ／２＋φの値によって、
それぞれ検出角度θで決定される極小値をもつ。

【００３６】

【数８】以上（１３）〜（２０）式より測定可能な骨梁の間隔
ｂ，ｃの範囲が決定される。

【００３７】いま、十分薄い試料をθ（θ₁≦｜θ｜≦
θ_h）を変化させてＳ（θ）を計測することを考える。
このとき、（１１）式を解くために、｜Ｓ（θ）｜の極
大の数が変数の個数１個以上θの測定範囲内に入る必要
がある。しかし、（１１）式は（１３）式で決定される
測定対象の骨梁の間隔ｂの限界が存在し、試料の傾きが
π／２−θ_h≦φ≦π／２−θ₁の条件の下では、以下
のようになる。

【００３８】

【数９】また、同様に｜Ｓ（ｆ）｜をｆ₁≦ｆ≦ｆ_hの条件で測
定する場合、直径を推定するには少なくとも｜Ｓ（ｆ）
｜の極大がこの周波数帯域に２個以上なくてはならない
ので、ｆ₁≦Δｆ≦（ｆ_h／２）および（１２）式、
（１４）式より、試料の傾きがπ／２−θ_h≦φ≦π／
２−θ₁の条件の下では、以下のようになる。

【００３９】

【数１０】以上は乱数角度θ及び周波数ｆの帯域を考慮した測定条
件である。

【００４０】４．実験方法及び用いた推定手法（ａ）Ｓ（θ）またはＳ（φ）を求める場合図８に実験系を示す。発信器で発生させた連続正弦波
を、増幅器で増幅した後、トランスデューサに入力し、
試料で散乱された散乱波を受波器で検出する。検出波形
はコンピュータに取り込みＦＦＴ処理を施した後、振動
子の特性（中心周波数２．２５［ＭＨｚ］）を補償した
振幅を角度θ（またはφ）の試料の超音波散乱特性とし
た。ただし、先ほど述べたように、関数Ａはθ＝０
［°］付近の信号を補償しないので、今回は２０［°］
≦θ≦６０［°］の範囲を測定対象とした。

【００４１】このときのθの帯域による測定対象に対す
る測定条件を計算すると、（２１）式より、骨髄の音速
を１５００［ｍ／ｓ］、ｆ＝２．２５［ＭＨｚ］、θ≦
６０［°］とすると、（２１）式でｉ＝３（変数ｎ，
φ，ｂ）となり、３０［°］≦θ≦７０［°］の条件の
もと骨梁の間隔が４［ｍｍ］≦ｂ≦１１［ｍｍ］（θ≦
１８０［°］までとるとｂ≧１［ｍｍ］）の試料に対し
て、骨梁の間隔及び直径を推定することが原理的には可
能であることが分かる。ただし、φ＝０［°］とでき、
十分薄い試料の場合は、（１１）式よりｂ≧１．６［ｍ
ｍ］（θ≦９０［°］までとると約１．４［ｍｍ］）ま
での試料であれば骨梁の間隔ｂ及び直径２ａの計測が原
理的には可能である。

【００４２】（ｂ）Ｓ（ｆ）及びΔｆ（θ，φ）を求め
る場合発信器で発生させたインパルス波を、増幅器で増幅した
後、トランスデューサに入力する。以後は（ａ）と同様
に、散乱波を受波器で検出し、検出波形をコンピュータ
に取り込んだ。検出波形はＦＦＴ処理を施した後、振動
子の周波数特性を補正した値を、ある角度θに対応する
試料の周波数応答特性とした。ただし、振動子の周波数
帯域を考慮して１〜３．５［ＭＨｚ］の値を評価の対象
とした。また、図６に見るようなｆ空間法での｜Ｓ
（ｆ）｜の極大値を検出するため、適当な周波数帯域で
振幅を最大とする周波数を、角度θ（またはφ）を変え
て測定し、これからΔｆ（θ）（またはΔｆ（φ））を
求めた。すなわち、図７に示す条件を参照しつつ、２つ
の極大の間の周波数差Δｆ（θ）を求めた。そして、そ
のΔｆ（θ）を（１２）式に代入して、骨梁の間隔ｂと
試料の傾きφ（またはφ₀）を推定した。その後、適当
な角度θ（またはφ）での｜Ｓ（ｆ）｜の振幅比等のパ
ターン・フィッティングを行って骨梁の直径２ａを求め
た。

【００４３】このときの測定条件は、（２２）式で、骨
髄の音速を１５００［ｍ／ｓ］、１［ＭＨｚ］≦ｆ≦
３．５［ＭＨｚ］、２０［°］≦θ≦６０［°］とする
と、３０［°］≦φ≦７０［°］の条件のもと骨梁の間
隔が１．７［ｍｍ］≦ｂ≦２５［ｍｍ］（θ≦１８０
［°］までとるとｂ≧０．４［ｍｍ］）の試料に対し
て、骨梁の間隔及び直径を推定することが原理的には可
能であることが分かる。ただしφ＝０［°］、θ＝６０
［°］のときは、（１２）式より、ｂ≧１［ｍｍ］まで
の十分薄い試料に対して、骨梁の間隔と直径の推定が可
能である。

【００４４】５．実験結果（ａ）金網による予備実験及び測定法の比較・検討まず、モデルにより近い測定対象として、ステンレス製
の金網（１枚）のファントムを用いた。

【００４５】図７に示したプロット点は、０．５［ＭＨ
ｚ］≦ｆ≦３．０［ＭＨｚ］で｜Ｓ（ｆ）｜の振幅を最
大とする周波数を、θに変えて測定した結果である。図
１０はこれと（８）式より求めたΔｆ（θ）で、（１
２）式より骨梁の間隔ｂと試料の傾きφを推定した。図
９及び図１１はＳ（θ）、Ｓ（ｆ）の測定値ならびにノ
ギス等で試料を直接測定した実測値を用いた計算値を重
ねた例である。これらで用いた値は表３（単位はｍｍ）
に示した。

【００４６】

【表３】図１２〜図１４は、同様に金網５枚を層状に重ねたファ
ントムを測定した例である。

【００４７】以上より、規則正しい網目構造を持つ測定
対象で（１）式が成立することを確認した。

【００４８】ここで、測定方法の比較・検討を行う。

【００４９】θ空間法での計測は、連続波を使用してい
るのでＳ／Ｎ比が高く、低い電圧での測定が可能となる
が、それに伴って定在波が生じたり測定部位への影響等
が欠点として考えられる。また、特に図１２でその影響
が確認できるが、振幅値が受波器の面積範囲（今回では
約５［°］）で平均化されていると考えられ、推定値の
誤差等の原因となっており、測定に必要な時間を考える
と実際には受波器のアレイ化等を行う必要がある。

【００５０】これに対してｆ空間法では空間的には最低
２点を計測するだけですみ、インパルス波を用いている
ため定在波も生じにくく、分解能も時間的な操作で容易
に向上することができ、図１１及び図１４に示すよう
に、図８のような簡単な装置でも十分な精度が得られる
と考えられる。

【００５１】以上を総合すると、Ｓ（θ）に比較してＳ
（ｆ）での推定方法の方が分解能、再現性、計測時間等
の点で優れており、実際の診断にも適していると考えら
れる。以下は、表２に示したＳ（ｆ）及びΔｆ（θ）を
用いた計測について検討する。

【００５２】（ｂ）生体試料による検討図１５及び図１６は骨髄を洗い流した人間の踵骨を、図
１７及び図１８は骨髄が充填されている牛の大腿骨を、
それぞれプレート状に切り出してΔｆ（θ）及びＳ
（ｆ）を計測した結果である。また、表４（単位はｍ
ｍ）にノギス等で測った実測値と、超音波散乱特性より
推定される推定値等を示した。

【００５３】

【表４】ただし、図１５のΔｆ（θ）は、適当な周波数帯域にお
いて、｜Ｓ（ｆ）｜を最大とする周波数ｆ＝ｆ_pをΔｆ
（θ），（ｎ＝１）として採用した。また、図１５の計
測値は、φ＝０［°］として（１２）式を用いた。図１
６は、図１５より分かる骨梁の間隔ｂを用い、適当な角
度θ及びφにおける散乱特性のパターン・フィッティン
グの結果である。最終的にこれより、骨梁の直径２ａが
推定できる。また、図１７及び図１８についても同様に
求めた。

【００５４】

【発明の実施の形態】図１９には、本発明に係る生体組
織評価装置の好適な実施形態が示されており、図１はそ
の全体構成図である。この装置は、上記した「ｆ空間
法」に基づいて人体の踵骨（海綿骨）について、その骨
梁の間隔と太さを推定計測するものである。もちろん、
上記原理は上述したモデルと同様のモデルが想定できる
限りにおいて、踵骨以外の骨に適用でき、また骨以外の
組織についても適用可能である。

【００５５】図１９において、踵１０の一方側には、送
信用の超音波振動子１２が配置され、一方、踵１０の他
方側には、受信用の超音波振動子１４が配置されてい
る。ここで、超音波振動子１２は、単一の超音波振動子
で構成され、上記のｆ空間法を実現するために、広帯域
の超音波である超音波パルスを踵１０に向けて送波する
ものである。なお、踵１０は必要に応じて水槽内に収納
され、その状態で超音波の送受が行われるが、もちろ
ん、各超音波振動子１２、１４を踵１０の表面に直接接
触させて計測を行ってもよい。

【００５６】超音波振動子１４は、この実施形態におい
て超音波振動子１２と同様に単一の超音波振動子で構成
され、踵骨１０Ａにて回折・散乱した超音波（散乱超音
波）を受信するものであり、送波ビーム軸に対して一定
角度偏向して放射された超音波を受波するものである。
すなわち、本実施形態では、従来とは異なり、送波用超
音波振動子、生体組織、受波用超音波振動子の三者は直
線上に配列されておらず、受波用の超音波振動子１４が
回転した位置に設けられる。その角度は振動子角度調整
機構（図示せず）によって調整可能であり、設定された
角度で散乱超音波の受波を行うことができる。

【００５７】もちろん、本実施形態のように振動子角度
調整機構によりその受波用超音波振動子の角度（受波角
度）を設定するのではなく、複数の超音波振動子を所望
の角度に予め配置して同時受信を行うこともでき、また
円弧上又は直線上に配列された多数の超音波振動素子で
構成されるアレイ振動子を利用して所望の角度の受波信
号を取り出してもよい。ここで、上述したようにθ＝０
［°］の付近は直接透過波の影響を受け、演算で使用困
難であるため、θ＝０［°］付近以外の範囲で計測が行
われる。試料の基準面の傾きφが既知でない場合には、
そのφを決定するために、少なくとも２つの異なる角度
で受波が行われ、例えば３０度及び６０度の角度で散乱
超音波が受波される。

【００５８】送信部１８は制御部１６の制御の下で、送
信信号を超音波振動子１２に供給するものであり、受信
部２０は制御部１６の制御の下で、超音波振動子１４か
ら出力された受信信号に対して増幅やＡ／Ｄ変換などを
行う。

【００５９】ＦＦＴ演算部２２は、受信信号に対してフ
ーリエ変換を行い、各周波数ごとの超音波強度を演算す
る。すなわち、受波された散乱超音波の周波数特性を演
算する。

【００６０】解析部２４は、上記モデリングを基礎とし
て周波数特性から骨梁の間隔ｂと直径２ａを解析するも
ので、理論式記憶部、極大値検索部、間隔演算部、直径
演算部、などで構成される。理論式記憶部は、ｆ空間法
を実現するために必要な計算式、すなわち上記の（１）
式、（２）式、（５）式、（１２）式などを格納したも
のである。なお、演算に必要な条件（例えば図７の条
件）も、この論理式記憶部に記憶される。極大値検索部
は、周波数特性において適当な周波数帯域内で振幅が極
大となる周波数を特定するものであり、その特定は角度
θ（またはφ）を可変させて得られる複数の周波数特性
（少なくともθが異なる２つの周波数特性）に対して行
われる。間隔演算部は、複数の角度θについての極大値
間の周波数差Δｆ（またはΔｆ（φ））を演算し、それ
から（１２）式を利用して骨梁の間隔ｂと傾きφを推定
演算する。また、直径演算部は、ある適当な角度θ（ま
たはφ）での周波数特性に対し、未知パラメータａを変
化させつつ理論特性をフィッティングさせることによ
り、もっとも一致した時のａから骨梁の半径ａ（又は直
径２ａ）を推定演算する。これらの演算結果は、表示器
２６に表示される。

【００６１】以上のように、海綿骨を２次元音源モデル
の近似し、その理論特性（理論式）を予め求めておい
て、実際に超音波の送受波により得られた散乱超音波の
周波数特性と理論特性とを対照することにより、理論特
性の中に含まれる未知パラメータの値を算定できる。こ
れによって、未知パラメータとしての骨梁間隔及び骨梁
の太さを推定演算することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
生体組織からの散乱超音波を計測して生体組織の微細構
造を推定できる。また、本発明によれば、骨梁の間隔及
び太さを推定でき、骨粗鬆症の診断に有用な情報を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】海綿骨の２次元モデルを示す図である。

【図２】円柱列の層数が１で、その傾きがない場合の
モデルを示す図である。

【図３】円柱列の層数が１で、その傾きがある場合の
モデルを示す図である。

【図４】円柱列が多層構造をなし、その傾きがある場
合のモデルを示す図である。

【図５】シミュレーション結果として、散乱角度と散
乱超音波の強度の関係を示す図である。

【図６】シミュレーション結果として、周波数と散乱
超音波の強度の関係を示す図である。

【図７】散乱角度とｆ_p（θ）の関係を示す図であ
る。

【図８】実験系を示す図である。

【図９】１枚の金網についての散乱角度と強度との関
係を示す図である。

【図１０】１枚の金網についての散乱角度とｆ
_p（θ）の関係を示す図である。

【図１１】１枚の金網についての周波数と強度の関係
を示す図である。

【図１２】５枚の金網についての散乱角度と強度との
関係を示す図である。

【図１３】５枚の金網についての散乱角度とｆ
_p（θ）の関係を示す図である。

【図１４】５枚の金網についての周波数と強度の関係
を示す図である。

【図１５】人体の踵骨についての散乱角度とｆ
_p（θ）の関係を示す図である。

【図１６】人体の踵骨についての周波数と強度の関係
を示す図である。

【図１７】牛の大腿骨についての散乱角度とｆ
_p（θ）の関係を示す図である。

【図１８】牛の大腿骨についての周波数と強度の関係
を示す図である。

【図１９】本発明の係る生体組織評価装置の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１０踵、１２送波用超音波振動子、１４受波用超
音波振動子、２２ＦＦＴ演算部、２４解析部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体組織に対して超音波を送波する送波
手段と、前記生体組織を透過して散乱した超音波を受波する受波
手段と、前記受波手段からの受信信号の周波数特性を演算する周
波数特性演算手段と、前記周波数特性に基づいて、前記生体組織の構造を推定
する組織構造解析手段と、を含むことを特徴とする組織構造解析装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、前記組織構造解析手段は、前記生体組織をモデリングし
て得られた理論式に含まれる未知パラメータの値を前記
周波数特性に基づいて推定することにより、前記生体組
織の構造を解析することを特徴とする組織構造解析装
置。
【請求項３】請求項２記載の装置において、前記組織構造解析手段は、前記周波数特性の極大を検索
する極大検索手段を有し、前記極大を利用して前記未知パラメータの値を推定する
ことを特徴とする組織構造解析装置。
【請求項４】請求項３記載の装置において、前記組織構造解析手段は、前記理論式に基づく理論特性
が前記周波数特性に合致するように、前記未知パラメー
タの値を決定するフィッティング手段を有することを特
徴とする組織構造解析装置。
【請求項５】請求項１記載の装置において、前記生体組織は海綿骨であり、前記組織構造解析手段は、海綿骨を２次元配列された複
数の円柱としてモデリングして得られる理論式を有し、
その理論式に含まれる未知パラメータの値を前記周波数
特性により推定することを特徴とする組織構造解析装
置。
【請求項６】請求項５記載の装置において、前記理論式は、骨粱の間隔と骨粱の直径の内で少なくと
も一方を未知パラメータとして含み、前記組織構造解析手段は、骨粱の間隔と骨粱の直径の内
で少なくとも一方を推定することを特徴とする組織構造
解析装置。
【請求項７】請求項５記載の装置において、前記組織構造解析手段は、前記理論式を格納した理論式記憶手段と、前記周波数特性の極大を検索する極大検索手段と、前記極大を利用して前記理論式に含まれる未知パラメー
タとしての骨粱の間隔を推定する骨粱間隔推定手段と、前記理論式に基づく理論特性が前記周波数特性に合致す
るように前記未知パラメータの値を調整することによっ
て、骨粱の直径を推定するフィッティング手段と、を含むことを特徴とする組織構造解析装置。
【請求項８】請求項７記載の装置において、前記骨粱間隔推定手段は、極大と極大との間の周波数差
を利用して骨粱の間隔および骨粱の傾きを推定する手段
を有することを特徴とする組織構造解析装置。
【請求項９】請求項７記載の装置において、前記骨粱の間隔および骨粱の傾きを推定するために、少
なくとも２つの異なる散乱角度で散乱超音波の受波が行
われ、それらの周波数特性を利用して骨粱の間隔と骨粱
の傾きが推定されることを特徴とする組織構造解析装
置。
【請求項１０】超音波散乱の面から生体組織を予めモ
デリングして理論式を求めておく工程と、前記生体組織に向けて超音波を送波する工程と、前記生体組織にて散乱した超音波を受波する工程と、前記超音波の受波により得られる受信信号の周波数特性
を演算する工程と、前記理論式に含まれる未知パラメータの値を前記周波数
特性に基づいて推定する工程と、を含むことを特徴とする組織構造解析方法。