JPH10192276A - 超音波による骨の評価装置 - Google Patents
超音波による骨の評価装置Info
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- JPH10192276A JPH10192276A JP35996596A JP35996596A JPH10192276A JP H10192276 A JPH10192276 A JP H10192276A JP 35996596 A JP35996596 A JP 35996596A JP 35996596 A JP35996596 A JP 35996596A JP H10192276 A JPH10192276 A JP H10192276A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波反射法によって骨の弾性定数あるい
は密度を体外から非侵襲的に測定し、その測定値に基づ
いて演算した骨の評価値を出力する超音波診断装置を提
供する。 【構成】 被検者の骨評価部位に対して超音波を斜め
方向より照射し、骨の表面に漏洩弾性波を励振、伝搬さ
せ、再放射した超音波を受波することによって骨の超音
波伝搬速度を測定する音速測定手段と、前記骨評価部位
に対して超音波を垂直方向より照射し、骨の表面からの
反射波を受波して超音波の反射係数を測定し、骨の音響
インピーダンスを決定する音響インピーダンス測定手段
と、前記超音波伝搬速度と前記音響インピーダンスとで
定義される評価値を演算する骨評価値演算手段とを含む
ことを特徴とする。
は密度を体外から非侵襲的に測定し、その測定値に基づ
いて演算した骨の評価値を出力する超音波診断装置を提
供する。 【構成】 被検者の骨評価部位に対して超音波を斜め
方向より照射し、骨の表面に漏洩弾性波を励振、伝搬さ
せ、再放射した超音波を受波することによって骨の超音
波伝搬速度を測定する音速測定手段と、前記骨評価部位
に対して超音波を垂直方向より照射し、骨の表面からの
反射波を受波して超音波の反射係数を測定し、骨の音響
インピーダンスを決定する音響インピーダンス測定手段
と、前記超音波伝搬速度と前記音響インピーダンスとで
定義される評価値を演算する骨評価値演算手段とを含む
ことを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、医用診断装置に関わ
り、特に骨の疾患である骨粗鬆症の診断や骨折治療後の
治癒経過の監視に有用な骨の質や状態を反映する評価値
を提供するための超音波診断装置に関する。なお、診断
の対象としては、身体の骨以外の部位や固体材料等に適
用することも可能である。
り、特に骨の疾患である骨粗鬆症の診断や骨折治療後の
治癒経過の監視に有用な骨の質や状態を反映する評価値
を提供するための超音波診断装置に関する。なお、診断
の対象としては、身体の骨以外の部位や固体材料等に適
用することも可能である。
【０００２】
【従来の技術】超音波による骨の診断法は、被曝がなく
何度でも繰り返し測定可能であることから、ガンマ線や
Ｘ線による診断法と比較して定期的な診断に適した方法
として注目されている。また、弾性特性と対応する骨質
を評価できる可能性についても期待されている。超音波
を用いた診断法は、これまで、透過法によって骨の音速
または減衰を測定する ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ（ＡＥ）法、ａｐｐａｒｅｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ（ＡＶＵ）法、ｓｐｅｅ
ｄ ｏｆ ｓｏｕｎｄ−ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｕｌｔｒ
ａｓｏｕｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ（ＳＯＳ−ＢＵ
Ａ）法などが主流となっていた。最近では、反射法で超
音波の反射係数を測定して、骨のインピーダンスを求め
る音響インピーダンス法も提案されている。
何度でも繰り返し測定可能であることから、ガンマ線や
Ｘ線による診断法と比較して定期的な診断に適した方法
として注目されている。また、弾性特性と対応する骨質
を評価できる可能性についても期待されている。超音波
を用いた診断法は、これまで、透過法によって骨の音速
または減衰を測定する ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ（ＡＥ）法、ａｐｐａｒｅｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ（ＡＶＵ）法、ｓｐｅｅ
ｄ ｏｆ ｓｏｕｎｄ−ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｕｌｔｒ
ａｓｏｕｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ（ＳＯＳ−ＢＵ
Ａ）法などが主流となっていた。最近では、反射法で超
音波の反射係数を測定して、骨のインピーダンスを求め
る音響インピーダンス法も提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】骨の弾性定数は、音速
値や音響インピーダンスの変化に比較して、骨粗鬆症に
よる骨質の変化をよく反映することが知られている（例
えば、Ａｂｅｎｄｓｈｅｉｎら、Ｃｌｉｎ．Ｏｒｔｈｏ
ｐａｅｄ．Ｒｅｌ．Ｒｅｓ．，１９７０，ｐｐ．２９４
−３０１参照）。したがって、骨の弾性定数に基づいて
骨の評価値を決定すれば骨の疾患の診断や治癒経過の観
察に有効な指標が得られると考えられる。しかし、骨の
弾性定数を体外から非侵襲的に診断することは、これま
で困難であった。現在市販されている骨の診断装置の一
部には、音速値と減衰の周波数係数値とから推測する方
法でｓｔｉｆｆｎｅｓｓと呼ぶ評価値を求めているが、
物理的な根拠が曖昧であり、本来の弾性定数とは本質的
に異なる値しか得ることができない。また、音速値とＸ
線によって測定された骨密度値から決定する方式（特開
平６−２２９６０参照）では、Ｘ線を必要とするため、
被爆がないという超音波診断の特徴を生かすことができ
ず、また、Ｘ線の減弱率から決定される骨密度は物理的
な意味での密度とは異なるため、本来の弾性定数を得る
ことは難しい。しかも、これらの方法は透過法であるの
で、測定できる部位が踵骨部などに限定されてしまうと
いう問題がある。
値や音響インピーダンスの変化に比較して、骨粗鬆症に
よる骨質の変化をよく反映することが知られている（例
えば、Ａｂｅｎｄｓｈｅｉｎら、Ｃｌｉｎ．Ｏｒｔｈｏ
ｐａｅｄ．Ｒｅｌ．Ｒｅｓ．，１９７０，ｐｐ．２９４
−３０１参照）。したがって、骨の弾性定数に基づいて
骨の評価値を決定すれば骨の疾患の診断や治癒経過の観
察に有効な指標が得られると考えられる。しかし、骨の
弾性定数を体外から非侵襲的に診断することは、これま
で困難であった。現在市販されている骨の診断装置の一
部には、音速値と減衰の周波数係数値とから推測する方
法でｓｔｉｆｆｎｅｓｓと呼ぶ評価値を求めているが、
物理的な根拠が曖昧であり、本来の弾性定数とは本質的
に異なる値しか得ることができない。また、音速値とＸ
線によって測定された骨密度値から決定する方式（特開
平６−２２９６０参照）では、Ｘ線を必要とするため、
被爆がないという超音波診断の特徴を生かすことができ
ず、また、Ｘ線の減弱率から決定される骨密度は物理的
な意味での密度とは異なるため、本来の弾性定数を得る
ことは難しい。しかも、これらの方法は透過法であるの
で、測定できる部位が踵骨部などに限定されてしまうと
いう問題がある。
【０００４】
【本発明の目的】本発明では、かかる従来例の有する問
題を解決するため、超音波反射法によって骨の弾性定数
あるいは密度を体外から非侵襲的に測定し、その測定値
に基づいて演算した骨の評価値を出力する超音波診断装
置を提供することを目的とする。
題を解決するため、超音波反射法によって骨の弾性定数
あるいは密度を体外から非侵襲的に測定し、その測定値
に基づいて演算した骨の評価値を出力する超音波診断装
置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】超音波によって弾性定数
を決定する方法としては、音速の２乗に密度を乗じる方
法、音響インピーダンスの２乗を密度で割る方法、音速
と音響インピーダンスの積から求める方法等がある。本
発明では、音速と音響インピーダンスの積から弾性定数
を求める方法を用いる。したがって、密度について仮定
したりあるいはＸ線等によって測定する必要がない。従
来法では、透過法を用いるため測定の部位が限られてい
た。その問題を解決するため、本発明では反射法を用い
る。音速測定法には、先願の発明である漏洩弾性波を利
用して音速を測定する方法（特願平２−１６７２９９参
照）を用いる。音響インピーダンスの測定には超音波の
反射率から測定する方法を用いる。漏洩弾性表面波の速
度測定法では超音波を斜めに入射し、一方、音響インピ
ーダンス測定では超音波を垂直に入射させて測定する。
本発明はこれらを組み合わせた構成となっており、同一
の測定部位について音速と音響インピーダンスとを計測
する。
を決定する方法としては、音速の２乗に密度を乗じる方
法、音響インピーダンスの２乗を密度で割る方法、音速
と音響インピーダンスの積から求める方法等がある。本
発明では、音速と音響インピーダンスの積から弾性定数
を求める方法を用いる。したがって、密度について仮定
したりあるいはＸ線等によって測定する必要がない。従
来法では、透過法を用いるため測定の部位が限られてい
た。その問題を解決するため、本発明では反射法を用い
る。音速測定法には、先願の発明である漏洩弾性波を利
用して音速を測定する方法（特願平２−１６７２９９参
照）を用いる。音響インピーダンスの測定には超音波の
反射率から測定する方法を用いる。漏洩弾性表面波の速
度測定法では超音波を斜めに入射し、一方、音響インピ
ーダンス測定では超音波を垂直に入射させて測定する。
本発明はこれらを組み合わせた構成となっており、同一
の測定部位について音速と音響インピーダンスとを計測
する。
【０００６】
【作用】上記構成によれば、音速測定手段によって骨に
漏洩弾性波が励振されて骨の音速が測定され、また、音
響インピーダンス測定手段によって骨表面の超音波の反
射係数が測定されて骨の音響インピーダンスが求めら
れ、これらの音速測定値と音響インピーダンス測定値を
それぞれ骨評価値演算手段にとりこんで演算を行い、骨
の評価値を得る。
漏洩弾性波が励振されて骨の音速が測定され、また、音
響インピーダンス測定手段によって骨表面の超音波の反
射係数が測定されて骨の音響インピーダンスが求めら
れ、これらの音速測定値と音響インピーダンス測定値を
それぞれ骨評価値演算手段にとりこんで演算を行い、骨
の評価値を得る。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１には、本発明に関わる骨の評価装置の
ブロック図が示されている。漏洩波の音速測定用に、送
波用のトランスジューサ（１）と、受波用のトランスジ
ューサ（２）の２つの集束トランスジューサがある。ト
ランスジューサ（１）は、超音波の入射角が骨の臨界角
付近になるように傾けて設置する。トランスジューサ
（２）は漏洩波の再放射成分を効率よく受信できるよう
に骨の表面に垂直な軸に対して送信側と対称な位置に配
置する。音響インピーダンス測定用に、本実施例では送
受兼用のトランスジューサ（３）を配置する。図１のよ
うな構成とすることにより、漏洩波伝搬速度の測定部位
と音響インピーダンスの測定部位をほぼ同じ位置にする
ことができ、しかも透過法とは異なり、骨を挟んだ反対
側には超音波トランスジューサを配置する必要がないの
で測定部位が限定されない。超音波トランスジューサの
駆動信号を発生させるため、ファンクションジェネレー
タ（４）を設ける。これは、ＲＦバーストパルスもしく
はインパルス信号が得られればよく、他の方法でも良
い。あるいは、連続波を用いてパルス圧縮技術とタイム
ドメイン解析技術を利用して実現することも可能であ
る。受信信号の検波のためにレシーバーを設ける。レシ
ーバーには、検波のほか、信号の増幅、減衰、ゲート、
フィルタリング等の機能を持たせることもできる。検波
した信号をＡ／Ｄ変換するため、デジタルオシロスコー
プ（６）を設ける。これには、Ａ／Ｄ変換器やＡ／Ｄ変
換ボード等を利用してもよい。信号の取り込みと演算処
理、自動測定のための機器の制御のために、ワークステ
ーション（７）を使用している。これには、パーソナル
コンピュータや専用の演算・制御システムを用いること
もできる。音速や音響インピーダンス測定において水の
音速や密度を知るために温度測定用の測温抵抗体（８）
とデジタルマルチメータ（９）を設ける。これらは、他
の温度測定手段によっても実現可能であり、また、他の
方法で水の音速や密度を測定したり、あるいはこれらの
値を仮定して演算することも考えられる。漏洩弾性波の
モードには種々のモードが知られているが、本実施例で
は漏洩表面擬似縦波（Ｌｅａｋｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｓ
ｋｉｍｍｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｌ ｗａｖ
ｅ；ＬＳＳＣＷ）モードを利用する。弾性表面波を励振
する方法としては種々の方法がある。例えば、超音波顕
微鏡で使用されている音響レンズを用いてもよいし、平
面トランスジューサを斜めに配置する方法でも良い。ま
た、図２の様に医用超音波診断装置に使用されているリ
ニアプローブと同様の構造の配列型超音波探触子とセク
タプローブ等で採用されているビーム偏向方式を組み合
わせることも考えられる。漏洩弾性波の速度測定・解析
法としては、よく知られているＶ（ｚ）曲線法を用いる
ことも可能であるが、骨の場合には、減衰が大きいので
周期解析に対して十分な周期数のＶ（ｚ）曲線を得るこ
とが困難である。そこで、骨の漏洩表面擬似縦波速度の
測定に適した方法として、先願の漏洩波成分の伝搬に伴
う位相回転に着目して解析する方法（特願平２−３２１
７３７参照）を利用した。ファンクションジェネレータ
（４）より、トランスジューサ（１）にＲＦバーストパ
ルスを加え、骨表面に漏洩表面擬似縦波を励振する。漏
洩表面擬似縦波は、水中に漏洩波を再放射しながら試料
表面を伝搬する。試料とトランスジューサの角度を保っ
たまま、試料表面とトランスジューサ対の距離ｚを近づ
けて、各ｚにおけるトランスジューサ（２）の出力波形
をレシーバー（５）で検波し、ディジタルオシロスコー
プ（６）によりＡ／Ｄ変換して、ワークステーション
（７）に取り込む。ワークステーション７では各ｚにお
ける波形から、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて位
相スペクトルを計算する。また、測定時の水温を測温抵
抗体（８）とディジタルマルチメータ（９）を用いて測
定し、水の音速の温度依存性を利用して測定時の水の音
速を測定する。試料を送受のトランスジューサ対にδｚ
だけ近づけたときのトランスジューサ２の出力の位相の
変化δθは、次のように表される。 δθ＝２ｋＷ（δｚ／ｃｏｓθＬＳＳＣＷ）−２ｋ
ＬＳＳＣＷ δｚ ｔａｎθＬＳＳＣＷ ただし、ｋＷ、ｋＬＳＳＣＷはそれぞれ水の
縦波波数ならびに水／試料境界における漏洩表面擬似縦
波の波数である。また臨界角θＬＳＳＣＷは、次式に示
すスネルの法則で表される。 ｓｉｎθＬＳＳＣＷ＝υＷ／υＬＳＳＣＷ＝ｋ
ＬＳＳＣＷ／υＷ ここで、υＷ＝２πｆ／ｋＷならびにυＬＳＳＣＷ＝２
πｆ／ｋＬＳＳＣＷは、それぞれ、水中での縦波音速、
漏洩表面擬似縦波の位相速度である。この関係を利用す
ると、δθは次のように表される。 δθ＝２ｋＷδｚ×ｃｏｓθＬＳＳＣＷ したがって、試料の位置ｚを送受のトランスジューサ対
に近づけながら、各ｚに対して受波信号波形を測定する
と、試料の位置ｚに対する位相θの変化率ξが次のよう
に求められる。 ξ＝δθ／δｚ＝２ｋＷｃｏｓθＬＳＳＣＷ 漏洩表面擬似縦波の位相速度υＬＳＳＣＷは次のように
求められる。 υＬＳＳＣＷ＝υＷ／［１−｛ξ／（２ｋＷ）｝２］
１／２ よって、試料を送受のトランスジューサ対に近づけなが
ら、位相θを測定すれば、位相の変化率ξとそのときの
水の音速υＷ、超音波周波数ｆから、骨の漏洩表面擬似
縦波速度υＬＳＳＣＷを決定できる。なお、以上の実施
例では試料表面とトランスジューサ対との距離ｚを変化
させたが、先願（特願平２−１６７２９）に記述されて
いるようにトランスジューサ同士の距離を変化させても
同様の測定ができる。音響インピーダンスの測定は、よ
く知られている反射率から求める方法を用いる。ファン
クションジェネレータ（４）より、トランスジューサ
（３）にＲＦバーストパルスを加え、骨表面に垂直に超
音波を照射し、その反射波を同じトランスジューサ
（３）で受信する。受信信号をレシーバー（５）で検波
し、ディジタルオシロスコープ（６）によりＡ／Ｄ変換
して、ワークステーション（７）に取り込む。ワークス
テーション（７）では各ｚにおける波形から、高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）を用いてパワースペクトルを計算す
る。また、測定時の水温を測温抵抗体（８）とディジタ
ルマルチメータ（９）を用いて測定し、水の音速ならび
に密度の温度依存性を利用して測定時の水の音速と密度
を測定する。超音波反射法による音響インピーダンス測
定の基本原理は次のようなものである。音響インピーダ
ンスＺ１が既知である媒質１から、音響インピーダンス
Ｚ２が未知である媒質２との平面境界に平面超音波を垂
直に入射して反射係数Ｒを測定すれば、Ｚ２は次式によ
り求めることができる。 Ｚ２＝Ｚ１×（１＋Ｒ）（１−Ｒ） 反射係数Ｒは、入射波と反射波の振幅の比で定義される
が、本実施例では入射波と反射波の振幅を測定するかわ
りに、反射係数が既知の基準試料からの反射波の振幅と
測定試料からの反射波の振幅を測定して、比較法により
反射係数を測定した。測定対象物からの反射波ｙ（ｔ）
をディジタルオシロスコープに表示させ、ワークステー
ションに転送する。転送された信号ｙ（ｔ）は、測定装
置の周波数特性と伝搬媒質の音響特性の周波数依存性で
決められるある周波数帯域に分布した周波数成分を含ん
でいるため、反射係数は、各周波数ごとに反射係数が既
知の基準試料からの反射波と測定試料からの反射波の振
幅を比較し、Ｓ／Ｎの良好な周波数帯域に関してそれら
の平均値を求める必要がある。そこでまず、基準試料か
らの反射波ｙｒ（ｔ）と骨からの反射波ｙｓ（ｔ）のそ
れぞれについて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析するこ
とによりパワースペクトルＰｒ（ｆ）、Ｐｓ（ｆ）を求
める。次に、各周波数成分ごとにＰｓ（ｆ）とＰ
ｒ（ｆ）の比の平方根を計算して、各周波数ｆにおける
反射係数Ｒ（ｆ）を決定する。水／基準試料境界におけ
る音圧反射係数をＲ０、水／被測定試料境界における音
圧反射係数をＲ（ｆ）とすると、水／基準試料境界から
の反射信号のパワースペクトルＰｒ（ｆ）と水／被測定
試料境界からの反射信号のパワースペクトルＰｓ（ｆ）
を測定すれば、反射係数Ｒ（ｆ）は次式により求めるこ
とができる。 Ｒ（ｆ）＝（Ｐｓ（ｆ）／Ｐｒ（ｆ））１／２×Ｒ０ さらに、Ｓ／Ｎのよい周波数帯域について平均値を計算
して反射係数の測定値とする。本発明を踵骨部に適用し
た実施例は以下の通りである。図３はトランスジューサ
対に試料を近づけながら、波形の取り込みと位相スペク
トルの計算を繰り返してトランスジューサ対と試料間の
距離の変化に対する受波信号波形の位相の変化をプロッ
トして得られたもので、最小自乗法により位相の変化率
ξを求めると、漏洩表面擬似縦波速度は３，５７８ｍ／
ｓとなる。また、音響インピーダンスの測定を同時に行
なったところ、音響インピーダンスは、２．４２×１０
６ｋｇ・ｍ−２・ｓとなった。音速測定値と音響インピ
ーダンス測定値とを用いて骨の評価値の一例として弾性
定数を計算すれば、８．６６×１０９ｋｇ・ｍ−１・ｓ
２と決定される。
に説明する。図１には、本発明に関わる骨の評価装置の
ブロック図が示されている。漏洩波の音速測定用に、送
波用のトランスジューサ（１）と、受波用のトランスジ
ューサ（２）の２つの集束トランスジューサがある。ト
ランスジューサ（１）は、超音波の入射角が骨の臨界角
付近になるように傾けて設置する。トランスジューサ
（２）は漏洩波の再放射成分を効率よく受信できるよう
に骨の表面に垂直な軸に対して送信側と対称な位置に配
置する。音響インピーダンス測定用に、本実施例では送
受兼用のトランスジューサ（３）を配置する。図１のよ
うな構成とすることにより、漏洩波伝搬速度の測定部位
と音響インピーダンスの測定部位をほぼ同じ位置にする
ことができ、しかも透過法とは異なり、骨を挟んだ反対
側には超音波トランスジューサを配置する必要がないの
で測定部位が限定されない。超音波トランスジューサの
駆動信号を発生させるため、ファンクションジェネレー
タ（４）を設ける。これは、ＲＦバーストパルスもしく
はインパルス信号が得られればよく、他の方法でも良
い。あるいは、連続波を用いてパルス圧縮技術とタイム
ドメイン解析技術を利用して実現することも可能であ
る。受信信号の検波のためにレシーバーを設ける。レシ
ーバーには、検波のほか、信号の増幅、減衰、ゲート、
フィルタリング等の機能を持たせることもできる。検波
した信号をＡ／Ｄ変換するため、デジタルオシロスコー
プ（６）を設ける。これには、Ａ／Ｄ変換器やＡ／Ｄ変
換ボード等を利用してもよい。信号の取り込みと演算処
理、自動測定のための機器の制御のために、ワークステ
ーション（７）を使用している。これには、パーソナル
コンピュータや専用の演算・制御システムを用いること
もできる。音速や音響インピーダンス測定において水の
音速や密度を知るために温度測定用の測温抵抗体（８）
とデジタルマルチメータ（９）を設ける。これらは、他
の温度測定手段によっても実現可能であり、また、他の
方法で水の音速や密度を測定したり、あるいはこれらの
値を仮定して演算することも考えられる。漏洩弾性波の
モードには種々のモードが知られているが、本実施例で
は漏洩表面擬似縦波（Ｌｅａｋｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｓ
ｋｉｍｍｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｌ ｗａｖ
ｅ；ＬＳＳＣＷ）モードを利用する。弾性表面波を励振
する方法としては種々の方法がある。例えば、超音波顕
微鏡で使用されている音響レンズを用いてもよいし、平
面トランスジューサを斜めに配置する方法でも良い。ま
た、図２の様に医用超音波診断装置に使用されているリ
ニアプローブと同様の構造の配列型超音波探触子とセク
タプローブ等で採用されているビーム偏向方式を組み合
わせることも考えられる。漏洩弾性波の速度測定・解析
法としては、よく知られているＶ（ｚ）曲線法を用いる
ことも可能であるが、骨の場合には、減衰が大きいので
周期解析に対して十分な周期数のＶ（ｚ）曲線を得るこ
とが困難である。そこで、骨の漏洩表面擬似縦波速度の
測定に適した方法として、先願の漏洩波成分の伝搬に伴
う位相回転に着目して解析する方法（特願平２−３２１
７３７参照）を利用した。ファンクションジェネレータ
（４）より、トランスジューサ（１）にＲＦバーストパ
ルスを加え、骨表面に漏洩表面擬似縦波を励振する。漏
洩表面擬似縦波は、水中に漏洩波を再放射しながら試料
表面を伝搬する。試料とトランスジューサの角度を保っ
たまま、試料表面とトランスジューサ対の距離ｚを近づ
けて、各ｚにおけるトランスジューサ（２）の出力波形
をレシーバー（５）で検波し、ディジタルオシロスコー
プ（６）によりＡ／Ｄ変換して、ワークステーション
（７）に取り込む。ワークステーション７では各ｚにお
ける波形から、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて位
相スペクトルを計算する。また、測定時の水温を測温抵
抗体（８）とディジタルマルチメータ（９）を用いて測
定し、水の音速の温度依存性を利用して測定時の水の音
速を測定する。試料を送受のトランスジューサ対にδｚ
だけ近づけたときのトランスジューサ２の出力の位相の
変化δθは、次のように表される。 δθ＝２ｋＷ（δｚ／ｃｏｓθＬＳＳＣＷ）−２ｋ
ＬＳＳＣＷ δｚ ｔａｎθＬＳＳＣＷ ただし、ｋＷ、ｋＬＳＳＣＷはそれぞれ水の
縦波波数ならびに水／試料境界における漏洩表面擬似縦
波の波数である。また臨界角θＬＳＳＣＷは、次式に示
すスネルの法則で表される。 ｓｉｎθＬＳＳＣＷ＝υＷ／υＬＳＳＣＷ＝ｋ
ＬＳＳＣＷ／υＷ ここで、υＷ＝２πｆ／ｋＷならびにυＬＳＳＣＷ＝２
πｆ／ｋＬＳＳＣＷは、それぞれ、水中での縦波音速、
漏洩表面擬似縦波の位相速度である。この関係を利用す
ると、δθは次のように表される。 δθ＝２ｋＷδｚ×ｃｏｓθＬＳＳＣＷ したがって、試料の位置ｚを送受のトランスジューサ対
に近づけながら、各ｚに対して受波信号波形を測定する
と、試料の位置ｚに対する位相θの変化率ξが次のよう
に求められる。 ξ＝δθ／δｚ＝２ｋＷｃｏｓθＬＳＳＣＷ 漏洩表面擬似縦波の位相速度υＬＳＳＣＷは次のように
求められる。 υＬＳＳＣＷ＝υＷ／［１−｛ξ／（２ｋＷ）｝２］
１／２ よって、試料を送受のトランスジューサ対に近づけなが
ら、位相θを測定すれば、位相の変化率ξとそのときの
水の音速υＷ、超音波周波数ｆから、骨の漏洩表面擬似
縦波速度υＬＳＳＣＷを決定できる。なお、以上の実施
例では試料表面とトランスジューサ対との距離ｚを変化
させたが、先願（特願平２−１６７２９）に記述されて
いるようにトランスジューサ同士の距離を変化させても
同様の測定ができる。音響インピーダンスの測定は、よ
く知られている反射率から求める方法を用いる。ファン
クションジェネレータ（４）より、トランスジューサ
（３）にＲＦバーストパルスを加え、骨表面に垂直に超
音波を照射し、その反射波を同じトランスジューサ
（３）で受信する。受信信号をレシーバー（５）で検波
し、ディジタルオシロスコープ（６）によりＡ／Ｄ変換
して、ワークステーション（７）に取り込む。ワークス
テーション（７）では各ｚにおける波形から、高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）を用いてパワースペクトルを計算す
る。また、測定時の水温を測温抵抗体（８）とディジタ
ルマルチメータ（９）を用いて測定し、水の音速ならび
に密度の温度依存性を利用して測定時の水の音速と密度
を測定する。超音波反射法による音響インピーダンス測
定の基本原理は次のようなものである。音響インピーダ
ンスＺ１が既知である媒質１から、音響インピーダンス
Ｚ２が未知である媒質２との平面境界に平面超音波を垂
直に入射して反射係数Ｒを測定すれば、Ｚ２は次式によ
り求めることができる。 Ｚ２＝Ｚ１×（１＋Ｒ）（１−Ｒ） 反射係数Ｒは、入射波と反射波の振幅の比で定義される
が、本実施例では入射波と反射波の振幅を測定するかわ
りに、反射係数が既知の基準試料からの反射波の振幅と
測定試料からの反射波の振幅を測定して、比較法により
反射係数を測定した。測定対象物からの反射波ｙ（ｔ）
をディジタルオシロスコープに表示させ、ワークステー
ションに転送する。転送された信号ｙ（ｔ）は、測定装
置の周波数特性と伝搬媒質の音響特性の周波数依存性で
決められるある周波数帯域に分布した周波数成分を含ん
でいるため、反射係数は、各周波数ごとに反射係数が既
知の基準試料からの反射波と測定試料からの反射波の振
幅を比較し、Ｓ／Ｎの良好な周波数帯域に関してそれら
の平均値を求める必要がある。そこでまず、基準試料か
らの反射波ｙｒ（ｔ）と骨からの反射波ｙｓ（ｔ）のそ
れぞれについて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析するこ
とによりパワースペクトルＰｒ（ｆ）、Ｐｓ（ｆ）を求
める。次に、各周波数成分ごとにＰｓ（ｆ）とＰ
ｒ（ｆ）の比の平方根を計算して、各周波数ｆにおける
反射係数Ｒ（ｆ）を決定する。水／基準試料境界におけ
る音圧反射係数をＲ０、水／被測定試料境界における音
圧反射係数をＲ（ｆ）とすると、水／基準試料境界から
の反射信号のパワースペクトルＰｒ（ｆ）と水／被測定
試料境界からの反射信号のパワースペクトルＰｓ（ｆ）
を測定すれば、反射係数Ｒ（ｆ）は次式により求めるこ
とができる。 Ｒ（ｆ）＝（Ｐｓ（ｆ）／Ｐｒ（ｆ））１／２×Ｒ０ さらに、Ｓ／Ｎのよい周波数帯域について平均値を計算
して反射係数の測定値とする。本発明を踵骨部に適用し
た実施例は以下の通りである。図３はトランスジューサ
対に試料を近づけながら、波形の取り込みと位相スペク
トルの計算を繰り返してトランスジューサ対と試料間の
距離の変化に対する受波信号波形の位相の変化をプロッ
トして得られたもので、最小自乗法により位相の変化率
ξを求めると、漏洩表面擬似縦波速度は３，５７８ｍ／
ｓとなる。また、音響インピーダンスの測定を同時に行
なったところ、音響インピーダンスは、２．４２×１０
６ｋｇ・ｍ−２・ｓとなった。音速測定値と音響インピ
ーダンス測定値とを用いて骨の評価値の一例として弾性
定数を計算すれば、８．６６×１０９ｋｇ・ｍ−１・ｓ
２と決定される。
【０００８】
【発明の効果】以上の説明で示したように、本発明によ
る骨の評価装置によれば、骨の音速と音響インピーダン
スとが同一の部位について測定され、それらの測定結果
に基づいて弾性定数や密度によって定義される評価値が
求められるので、従来のようにＸ線によるデータを用い
ないでも骨の疾患や骨折の治癒状態などの監視に有効な
情報を提供することができる。しかも、超音波の反射法
によって測定が行われるため、従来の透過法による装置
に比較して原理的に測定部位にこだわる必要がなく、身
体の各部位での骨の健康状態を診断することが可能とな
る。
る骨の評価装置によれば、骨の音速と音響インピーダン
スとが同一の部位について測定され、それらの測定結果
に基づいて弾性定数や密度によって定義される評価値が
求められるので、従来のようにＸ線によるデータを用い
ないでも骨の疾患や骨折の治癒状態などの監視に有効な
情報を提供することができる。しかも、超音波の反射法
によって測定が行われるため、従来の透過法による装置
に比較して原理的に測定部位にこだわる必要がなく、身
体の各部位での骨の健康状態を診断することが可能とな
る。
【図１】本発明のブロック図である。
【図２】リニアプローブとビーム偏向による構成の例
【図３】漏洩波音速測定において、トランスジューサ対
と試料間の距離の変化に対する受波信号波形の位相の変
化をプロットした例
と試料間の距離の変化に対する受波信号波形の位相の変
化をプロットした例
１ 漏洩波音速測定に使用する送信用超音波トランスジ
ューサ ２ 漏洩波音速測定に使用する受信用超音波トランスジ
ューサ ３ 音響インピーダンス測定に使用する超音波トランス
ジューサ ４ ファンクションジェネレータ ５ レシーバー ６ デジタルオシロスコープ ７ ワークステーション ８ 測温抵抗体 ９ デジタルマルチメータ
ューサ ２ 漏洩波音速測定に使用する受信用超音波トランスジ
ューサ ３ 音響インピーダンス測定に使用する超音波トランス
ジューサ ４ ファンクションジェネレータ ５ レシーバー ６ デジタルオシロスコープ ７ ワークステーション ８ 測温抵抗体 ９ デジタルマルチメータ
Claims (1)
- 【請求項１】 被検者の骨評価部位に対して超音波を斜
め方向より照射し、骨の表面に漏洩弾性波を励振、伝搬
させ、再放射した超音波を受波することによって骨の超
音波伝搬速度を測定する音速測定手段と、前記骨評価部
位に対して超音波を垂直方向より照射し、骨の表面から
の反射波を受波して超音波の反射係数を測定し、骨の音
響インピーダンスを決定する音響インピーダンス測定手
段と、前記超音波伝搬速度と前記音響インピーダンスと
で定義される評価値を演算する骨評価値演算手段とを含
むことを特徴とする骨の評価装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35996596A JPH10192276A (ja) | 1996-12-30 | 1996-12-30 | 超音波による骨の評価装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35996596A JPH10192276A (ja) | 1996-12-30 | 1996-12-30 | 超音波による骨の評価装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10192276A true JPH10192276A (ja) | 1998-07-28 |
Family
ID=18467210
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35996596A Pending JPH10192276A (ja) | 1996-12-30 | 1996-12-30 | 超音波による骨の評価装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10192276A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000005180A (ja) * | 1998-06-25 | 2000-01-11 | Olympus Optical Co Ltd | 音響インピーダンス測定装置 |
| JP2006242738A (ja) * | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Honda Electronic Co Ltd | 超音波プローブ、超音波プローブユニット、超音波画像検査装置 |
-
1996
- 1996-12-30 JP JP35996596A patent/JPH10192276A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000005180A (ja) * | 1998-06-25 | 2000-01-11 | Olympus Optical Co Ltd | 音響インピーダンス測定装置 |
| JP2006242738A (ja) * | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Honda Electronic Co Ltd | 超音波プローブ、超音波プローブユニット、超音波画像検査装置 |
| JP4660752B2 (ja) * | 2005-03-03 | 2011-03-30 | 本多電子株式会社 | 超音波プローブ、超音波プローブユニット、超音波画像検査装置 |
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