JPH10229984A - 超音波トランスデューサ及び該超音波トランスデューサを用いた骨粗鬆症診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音響レンズの焦点を測定部位に確実に合わせ
るようにする。 【解決手段】 超音波振動子１１は被験者の皮質骨に向
けて超音波ビームパルスを放射し、この超音波ビームパ
ルスがアクリル音響レンズとウォータバッグとを経て皮
質骨に達し、反射して戻ってくる骨エコーを受波する。
受波信号がデジタルエコー信号に変換された後、ＣＰＵ
２８はエコーレベルを検出し、計時回路３１は超音波ビ
ームパルスの放射から骨エコーの受波までの骨エコー到
達時間を計時する。ＣＰＵ２８は、計時された骨エコー
到達時間に基づいてアクリル音響レンズ・皮質骨表面間
の距離を算出し、算出された距離と既知のアクリル音響
レンズの焦点距離とに基づいて焦点位置調節機構１４を
制御し、ウォータバッグ１３を伸縮させて皮質骨表面に
焦点を結ばせ、この状態で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、皮質骨の音響インピー
ダンスを算出する。

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、超音波トランス
デューサ及び該超音波トランスデューサを用いた骨粗鬆
症診断装置に係り、超音波ビーム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超音波
反射式の骨粗鬆症診断に用いて好適である。

【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、二重エネルギＸ線吸収法（ＤＸ
Ａ:Dual energy X-ray Absorptiometry）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
射線被曝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】そこで、単一の超音波トランスデューサを
用いて、被験者の骨組織に向けて超音波パルスを発射
し、骨組織から戻ってくるエコーを受波し、受波したエ
コーのうち最大のものを抽出し、この最大のエコーに基
づいて診断する方法が考えられている。しかしながら、
上記方法においては、超音波トランスデューサを被験者
の皮膚に当てた状態で、骨組織に向けて十分平面波とみ
なせる超音波パルスを放射し、垂直反射のエコーを受波
するようにしているが、超音波パルスの入射方向と骨組
織表面における法線方向とのずれに対するエコーレベル
の変化が非常に大きい。

【０００６】例えば、図１９に示すように、所定の半径
ｒを有する超音波トランスデューサ１０１を用いて、骨
組織Ｃに向けて、超音波パルスの骨組織Ｃの表面への入
射角（超音波パルスの入射方向と骨組織Ｃの表面におけ
る法線方向とがなす角度）θ及び超音波トランスデュー
サ１０１と骨組織Ｃとの距離ｄを変化させて、所定のレ
ベルを基準としたエコーレベルＥ（ｄＢ）を測定すると
したときの模擬実験を行ったところ、図２０に示すよう
な結果が得られた。なお、この模擬実験では、超音波ト
ランスデューサ１０１の半径ｒを様々に変えている。同
図よりかわるように、入射角θが２度ずれた方向で、入
射角θが０度、すなわち、垂直入射の場合に比べて、例
えば、ｒ＝７．５ｍｍのときは、エコーレベルＥが略３
ｄＢ下がっている。また、どの半径ｒの超音波トランス
デューサ１０１を用いても、入射角θが大きくなるとと
もにエコーレベルＥが下がり、かつ、半径ｒが大きい
程、このエコーレベルＥの測定値は入射角θや距離ｄの
変化に対して不安定となることがわかる。このため、垂
直反射のエコー、すなわち、上記最大のエコーを得るた
めには、高度の熟練した技能を要していた。したがっ
て、正確な測定を行うことが困難であるという問題があ
った。

【０００７】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、放射線被曝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トランスデューサ及び該超音波
トランスデューサを用いた骨粗鬆症診断装置を提供する
ことを目的としている。

【０００８】

【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記載の発明に係る超音波トランスデューサ
は、超音波ビームパルスを生体内部に放射すると共に、
測定部位である骨からのエコーを受波するための超音波
振動子と、上記超音波振動子から放射された上記超音波
ビームパルスを集束させて焦点を結ばせるための音響レ
ンズと、上記音響レンズと生体の皮膚表面との間に介挿
され、上記焦点の位置を調節するための伸縮自在な超音
波遅延スペーサとを備えてなることを特徴としている。

【０００９】請求項２記載の発明に係る超音波トランス
デューサは、収束ビーム束の超音波ビームパルスを生体
内部に放射すると共に、測定部位である骨からのエコー
を受波するための凹湾曲状の超音波振動子と、上記超音
波振動子と生体の皮膚表面との間に介挿され、上記超音
波ビームパルスの集束点の位置を調節するための伸縮自
在な超音波遅延スペーサとを備えてなることを特徴とし
ている。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の超音波トランスデューサに係り、上記超音波遅延ス
ペーサは、上記超音波ビームパルスの伝達方向に伸縮自
在の袋状容器の中に生体の軟組織と音響学的に同質の液
体が充填されてなることを特徴としている。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項３記載の超
音波トランスデューサに係り、上記袋状容器は、蛇腹式
に伸縮自在な構成とされていることを特徴としている。

【００１２】また、請求項５記載の発明は、請求項１，
３又は４のいずれか１に１記載の超音波トランスデュー
サに係り、上記音響レンズから射出される上記超音波ビ
ームパルスのビームの広がりを制限するための絞りが付
加されてなることを特徴としている。

【００１３】また、請求項６記載の発明は、超音波反射
法により骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であっ
て、請求項１乃至５のいずれか１に記載の超音波トラン
スデューサを備えてなることを特徴としている。

【００１４】また、請求項７記載の発明は、請求項６記
載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記超音波ビームパルス
が放射されてから骨からのエコーが上記超音波振動子の
送受波面に戻ってくるまでの往復時間を計時する計時手
段と、上記往復時間に基づいて焦点調節信号又は集束点
調節信号を出力する制御手段と、上記焦点調節信号又は
集束点調節信号に基づいて、上記超音波遅延スペーサを
伸縮させることによって、上記超音波振動子と上記骨と
の間の距離を調節する駆動手段と、上記骨からのエコー
に基づいて上記骨の音響情報を算出する演算手段と、上
記演算手段によって算出された上記骨の音響情報に基づ
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。

【００１５】請求項８記載の発明は、超音波反射法によ
り骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であって、請求
項１乃至５のいずれか１に記載の構成を有する第１の超
音波トランスデューサと、上記第１の超音波トランスデ
ューサからいずれも等距離な位置に設けられ、それぞれ
少なくとも超音波を受波可能な超音波振動子を有する４
個の第２の超音波トランスデューサとからなり、第１の
直線方向に上記第１の超音波トランスデューサを挟んで
２個の第２の超音波トランスデューサが設けられ、上記
第１の直線方向と直交する第２の直線方向に上記第１の
超音波トランスデューサを挟んで残り２個の第２の超音
波トランスデューサが設けられた超音波トランスデュー
サユニットと、上記超音波ビームパルスが放射されてか
ら骨からのエコーが上記送受波面に戻ってくるまでの往
復時間、上記超音波ビームパルスが放射されてから骨か
らのエコーが上記２個の第２の超音波トランスデューサ
を構成する超音波振動子の受波面でそれぞれ受波される
までの第１及び第２の時間と、上記超音波ビームパルス
が放射されてから骨からのエコーが上記残り２個の第２
の超音波トランスデューサを構成する超音波振動子の受
波面でそれぞれ受波されるまでの第３及び第４の時間と
を計時する計時手段と、上記往復時間に基づいて焦点調
節信号又は集束点調節信号を出力し、上記第１及び第２
の時間に基づいて第１の角度調節信号を出力し、上記第
３及び第４の時間に基づいて第２の角度調節信号を出力
する制御手段と、上記焦点調節信号又は集束点調節信号
に基づいて、上記超音波遅延スペーサを伸縮させること
によって、上記第１の超音波トランスデューサを構成す
る超音波振動子と上記骨との間の距離を調節する第１の
駆動手段と、上記第１の角度調節信号に基づいて、上記
第１の直線方向に設けられた上記第１の超音波トランス
デューサと上記２個の第２の超音波トランスデューサを
各垂直軸を互いに平行な状態に保ったまま回転駆動する
ことにより、各超音波トランスデューサを構成する各超
音波振動子の送受波面及び受波面と上記生体の骨面にお
ける第１の直線方向とがなす第１の角度を連動して変更
すると共に、上記第２の角度調節信号に基づいて、上記
第２の直線方向に設けられた上記第１の超音波トランス
デューサと上記残り２個の第２の超音波トランスデュー
サを各垂直軸を互いに平行な状態に保ったまま回転駆動
することにより、各超音波トランスデューサを構成する
各超音波振動子の送受波面及び受波面と上記生体の骨面
における第２の直線方向とがなす第２の角度を連動して
変更する第２の駆動手段と、上記骨からのエコーに基づ
いて上記骨の音響情報を算出する演算手段と、上記演算
手段によって算出された上記骨の音響情報に基づいて骨
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。

【００１６】請求項９記載の発明は、超音波反射法によ
り骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であって、請求
項１乃至５のいずれか１に記載の構成を有する第１の超
音波トランスデューサと、上記第１の超音波トランスデ
ューサからいずれも等距離な位置に設けられ、それぞれ
超音波を送受波可能な超音波振動子を有する４個の第２
の超音波トランスデューサとからなり、第１の直線方向
に上記第１の超音波トランスデューサを挟んで２個の第
２の超音波トランスデューサが設けられ、上記第１の直
線方向と直交する第２の直線方向に上記第１の超音波ト
ランスデューサを挟んで残り２個の第２の超音波トラン
スデューサが設けられた超音波トランスデューサユニッ
トと、上記第１の超音波トランスデューサを構成する超
音波振動子の送受波面から超音波ビームパルスが放射さ
れてから骨からのエコーが上記送受波面に戻ってくるま
での第１の往復時間、上記第１の直線方向に設けられた
２個の第２の超音波トランスデューサを構成する各超音
波振動子の送受波面からそれぞれ超音波ビームパルスが
放射されてから骨からのエコーが各送受波面に戻ってく
るまでの第２及び第３の往復時間、上記第２の直線方向
に設けられた残り２個の第２の超音波トランスデューサ
を構成する各超音波振動子の送受波面からそれぞれ超音
波ビームパルスが放射されてから骨からのエコーが各送
受波面に戻ってくるまでの第４及び第５の往復時間を計
時する計時手段と、上記第１の往復時間に基づいて焦点
調節信号又は集束点調節信号を出力し、上記第２及び第
３の往復時間に基づいて第１の角度調節信号を出力し、
上記第４及び第５の往復時間に基づいて第２の角度調節
信号を出力する制御手段と、上記焦点調節信号又は集束
点調節信号に基づいて、上記超音波遅延スペーサを伸縮
させることによって、上記第１の超音波トランスデュー
サを構成する超音波振動子と上記骨との間の距離を調節
する第１の駆動手段と、上記第１の角度調節信号に基づ
いて、上記第１の直線方向に設けられた上記第１の超音
波トランスデューサと上記２個の第２の超音波トランス
デューサを各垂直軸を互いに平行な状態に保ったまま回
転駆動することにより、各超音波トランスデューサを構
成する各超音波振動子の送受波面及び受波面と上記生体
の骨面における第１の直線方向とがなす第１の角度を連
動して変更すると共に、上記第２の角度調節信号に基づ
いて、上記第２の直線方向に設けられた上記第１の超音
波トランスデューサと上記残り２個の第２の超音波トラ
ンスデューサを各垂直軸を互いに平行な状態に保ったま
ま回転駆動することにより、各超音波トランスデューサ
を構成する各超音波振動子の送受波面及び受波面と上記
生体の骨面における第２の直線方向とがなす第２の角度
を連動して変更する第２の駆動手段と、上記骨からのエ
コーに基づいて上記骨の音響情報を算出する演算手段
と、上記演算手段によって算出された上記骨の音響情報
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。

【００１７】また、請求項１０記載の発明は、請求項７
乃至９のいずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、
上記演算手段は、上記骨の音響情報として、上記骨の音
響インピーダンス又は超音波反射係数を算出することを
特徴としている。

【００１８】

【作用】この発明の構成の超音波トランスデューサによ
れば、超音波振動子から測定部位である骨に向けて放射
された超音波ビームパルスは、音響レンズと伸縮自在な
超音波遅延スペーサとを経て骨に達するが、この際、音
響レンズによって集束され、かつ、超音波遅延スペーサ
の伸縮によって、超音波振動子と骨との間の距離が調節
されて、骨の表面に焦点が結ばれるので、超音波ビーム
パルスの上記骨への入射方向と骨の表面の法線方向との
ずれに対する超音波振動子によって受波されるエコーの
レベルの変化が緩やかとなる。それゆえ、上記超音波ト
ランスデューサを用いる骨粗鬆症診断装置では、操作者
の熟練度や操作の巧拙に拘らず、最大エコーを容易に受
波できるので、正確な測定を行うことができる。また、
超音波ビームパルスのビームは絞られているので、骨の
曲率半径が小さくても、確実かつ正確な測定を行うこと
ができる。

【００１９】また、骨の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。それゆえ、骨
の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、骨の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。また、骨の音響インピー
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。

【００２０】

【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、同装置に用いられる超音波トランスデュー
サの構成を示す断面図、図４は、同装置の使用状態を示
す模式図、図５は、同装置の動作処理手順を示すフロー
チャート、図６は、同装置の動作の説明に用いられる
図、図７は、同装置の動作の説明に用いられる図、ま
た、図８は、同装置及び同超音波トランスデューサに用
いられる超音波振動子と半径が異なる超音波振動子を用
いた骨粗鬆症診断装置によって得られる超音波ビームパ
ルスの入射角と超音波振動子によって受波されるエコー
のレベルとの関係、及び同装置に用いられるアクリル音
響レンズの凹面から皮質骨表面までの距離とエコーのレ
ベルとの関係を示す特性図である。この例の骨粗鬆症診
断装置は、図１乃至図４に示すように、超音波ビームパ
ルスを所定の測定部位に放射すると共に、測定部位から
のエコーを受波するための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骨からの
反射波の振幅である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とから概略構成されている。

【００２１】この例のトランスデューサ１は、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、例えば、踵骨等の皮質骨
Ｍｂに向けて超音波ビームパルスＡｉを発射すると共
に、骨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
振動子１１と、超音波振動子１１の送受波面１１ａに取
着され、この送受波面１１ａから発射された超音波ビー
ムパルスＡｉを集束させるための所定の焦点距離ｆを有
するアクリル音響レンズ１２と、ゴム製の袋状容器１３
ａの中に水１３ｂが充填されてなる変形自在のウォータ
バッグ１３と、ウォータバッグ１３が被験者の皮膚表面
Ｘに載置された状態で、超音波振動子１１及びアクリル
音響レンズ１２を直線運動させることによって、ウォー
タバッグ１３を伸縮させるための焦点位置調節機構１４
と、内部の側壁において焦点位置調節機構１４が取り付
けられ、操作者によって把持されるカバー１５とから概
略構成されている。

【００２２】ここで、超音波振動子１１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
両面に電極層が形成されてなり、送受波面１１ａの直径
は略２４ｍｍである。また、アクリル音響レンズ１２に
おいて、超音波振動子１１が取着される面に相対向する
端面は曲率半径が略５０ｍｍの凹面１２ａを形成してい
る。また、焦点距離ｆは略６０ｍｍに設定されている。
また、ウォータバッグ１３は、袋状容器１３ａ内に水１
３ｂが充填され、かつ、袋状容器１３ａの開口部端縁と
アクリル音響レンズ１２下端面の端縁とが接合された状
態で、アクリル音響レンズ１２に取り付けられている。
また、焦点位置調節機構１４は、カバー１５の内部の側
壁に固定され、回転運動を行うＤＣサーボモータ１４１
と、ＤＣサーボモータ１４１の回転運動を直線運動に変
換するミニチュアボールネジ１４２と、ミニチュアボー
ルネジ１４２のボールナットを、アクリル音響レンズ１
２の側壁側に取り付けるためのスペーサ１４３とを有し
てなっている。なお、ＤＣサーボモータ１４１が配設さ
れている側にアクリル音響レンズ１２を挟んで相対向す
る側には、アクリル音響レンズ１２を案内するための案
内棒１４４が、上部において、カバー１５の内部の側壁
に固定されたスペーサ１４５によって支持され、下部に
おいて、アクリル音響レンズ１２の側壁に固定されたス
ペーサ１４６の挿通孔に挿通された状態で配設されてい
る。

【００２３】装置本体２は、パルス発生器２１と、整合
回路２２と、増幅器２３と、波形整形器２４と、Ａ／Ｄ
変換器２５と、ＲＯＭ２６と、ＲＡＭ２７と、ＣＰＵ
（中央処理装置）２８と、レベルメータ２９と、表示器
３０と、計時回路３１と、駆動回路３２とから構成され
ている。パルス発生器２１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１ＭＨｚの電
気パルス信号を所定の周期で繰り返し生成して、トラン
スデューサ１に送信する。また、この電気パルス信号の
トランスデューサ１へ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３１へ供給する。なお、この超
音波ビームパルスの周期は、後述する骨エコー到達時間
よりも充分長く設定されている。整合回路２２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１１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２２を介して、エネルギの損失なし
に、増幅器２３に入力される。

【００２４】増幅器２３は、整合回路２２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２４に入力する。波形整形器２４は、ＬＣ構成のバ
ンドパスフィルタからなり、増幅器２３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２５に入
力する。Ａ／Ｄ変換器２５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、Ｃ
ＰＵ２８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２４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、ＣＰＵ２８に送
出する。

【００２５】ＲＯＭ２６は、オペレーティングシステム
（ＯＳ）の他に、ＣＰＵ２８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２５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、トランスデューサ
１の超音波振動子１１の送受波面１１ａから超音波ビー
ムパルスＡｉが発射された後、骨エコーＡｅが送受波面
１１ａに戻って来るまでの骨エコー到達時間Ｔに基づい
て、アクリル音響レンズ１２の凹面１２ａから軟組織Ｍ
ａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙまでの距離を算出する手
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に対する骨の超音波反射係数Ｒを算出する
手順、及び算出された骨の超音波反射係数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Ｚ
ｂは、式（１）によって与えられる。

【００２６】

【数１】 Ｚｂ＝Ｚａ（Ｒ＋１）／（１−Ｒ） …（１）

【００２７】Ｚａ：軟組織Ｍａの音響インピーダンス
（既知） ここで、超音波ビームパルスＡｉの入射方向（すなわ
ち、超音波振動子１１の送受波面１１ａの中心軸に平行
な方向）が軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙに略垂
直であるときには、被験者の軟組織Ｍａに対する超音波
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、超音波ビームパルスＡｉの入射方向が境界
面Ｙに略垂直であ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、超音波ビームパルス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。

【００２８】

【数２】 Ｒ＝（Ｚｂ−Ｚａ）／（Ｚｂ＋Ｚａ） …（２）

【００２９】ここで、軟組織Ｍａの音響インピーダンス
Ｚａは、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Ｚｗ［＝１．５×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓｅｃ］で
代用される。

【００３０】ＲＡＭ２７は、ＣＰＵ２８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。ＣＰＵ２８は、ＲＯＭ２７に格納されている上述
の各種処理プログラムをＲＡＭ２７を用いて実行するこ
とにより、パルス発生器２１やＡ／Ｄ変換器２５を始め
装置各部を制御する。例えば、計時回路３１によって計
時された骨エコー到達時間Ｔに基づいてアクリル音響レ
ンズ１２と境界面Ｙとの間の距離Ｌを算出し、算出され
た距離Ｌと既知のアクリル音響レンズ１２の焦点距離ｆ
とに基づいて、駆動回路３２を介して焦点位置調節機構
１４を制御して、ウォータバッグ１３を伸縮させて焦点
位置を調節する。また、１パルス１エコー毎にＡ／Ｄ変
換器２５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、焦点を合わせた状態で得られた骨エ
コーレベル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を算出して骨粗鬆
症の診断を行う。

【００３１】レベルメータ２９は、ＣＰＵ２８によって
制御され、ＲＡＭ２７に記憶されている今回骨エコーレ
ベルを図２及び図４に破線で示す液晶指針パターン２９
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２９ｂの振れとして同時に表示する。ま
た、表示器３０は、ＣＲＴディスプレイ又は液晶ディス
プレイ等からなり、ＣＰＵ２８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）、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。また、計時回
路３１は、超音波振動子１１の送受波面１１ａから超音
波ビームパルスＡｉが発射された後、骨エコーＡｅが受
波面に戻ってくるまでの骨エコー到達時間を計測する。
この計時回路３１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２１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
２５から終了信号を受けると、計時を終了する。ここ
で、Ａ／Ｄ変換器２５から終了信号が送られるのは、Ａ
／Ｄ変換器２５が受波された骨エコーＡｅに対応する信
号の立上りを検出したタイミングである。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、骨エコー到達時間として要求に応じてＣＰＵ２８に
与えられる。また、駆動回路３２は、ＤＣサーボモータ
１４１を駆動するための回路であって、ＣＰＵ２８から
与えられる制御信号に従って、所定の極性及び大きさの
印加電圧をＤＣサーボモータ１４１に供給する。

【００３２】次に、図４乃至図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ＣＰＵ２８の処
理の流れ）について説明する。装置に電源が投入される
と、ＣＰＵ２８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５））、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４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
のウォータバッグ１３及びカバー１５の先端を皮膚の表
面Ｘに当て、かつ、超音波振動子１１の送受波面１１ａ
を皮質骨Ｍｂに向けた状態でカバー１５を手で支持し、
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）、ＣＰＵ２８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５に示す処理手順に従って診断動
作を開始する。

【００３３】ＣＰＵ２８は、まず、パルス発生器２１に
１パルス発生命令を発行する（ステップＳＰ１２）。パ
ルス発生器２１は、ＣＰＵ２８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
すると共に、この電気パルス信号の送信のタイミングと
同一のタイミングで、計時開始信号Ｔｐを計時回路３１
へ供給する。トランスデューサ１は、パルス発生器２１
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に向けて超音波ビームパルスＡｉを発射する。発射
された超音波ビームパルスＡｉは、アクリル音響レンズ
１２内を伝播することによってアクリル音響レンズ１２
の焦点位置へ向かって集束していく。もし、アクリル音
響レンズ１２の焦点位置が、図６（ｂ）に示すように、
軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙよりも超音波振動
子１１寄りにあると、アクリル音響レンズ１２を通過し
た超音波ビームパルスＡｉは、ウォータバッグ１３の水
１３ｂ中を集束しながら伝播し、水１３ｂ内において焦
点位置に達するとビームの大きさは最小となり、この焦
点位置を通過すると発散を始め、皮膚の表面Ｘに達す
る。そして、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、なおも発散しながら軟組織Ｍａ内に注
入され、皮質骨Ｍｂに向かって伝搬する。そして、軟組
織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面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Ｍｂを透過する。骨エコーＡｅは、発散しながら
入射超音波ビームパルス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１１によって受波さ
れる。

【００３４】それゆえ、超音波ビームパルスＡｉの発射
後、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１１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。なお、境界面Ｙで反射して戻ってきた骨エ
コーＡｅのうち大部分は、超音波振動子１１によって受
波されるが、超音波振動子１１に達するまでに途中発散
するために、一部は受波されない。また、図６（ｂ）に
おいては、超音波ビームパルスＡｉの境界面Ｙへの入射
角（超音波振動子１１の送受波面１１ａの中心軸と境界
面Ｙにおける法線とがなす角度）θ（図７参照）が略０
の場合、すなわち、超音波ビームパルスＡｉが境界面Ｙ
に対して略垂直に入射する場合について例示したが、入
射角θが大きい程、境界面Ｙで反射した骨エコーＡｅの
うち、超音波振動子１１によって受波されないエコーの
割合は増加する。

【００３５】生成された受波信号は、ケーブル３を介し
て装置本体２の整合回路２２に入力され、増幅器２３に
おいて所定の増幅度で増幅され、波形整形器２４におい
て線形に波形整形された後、Ａ／Ｄ変換器２５に入力さ
れる。ＣＰＵ２８は、パルス発生器２１に１パルス発生
命令を送出した後（ステップＳＰ１２）、超音波振動子
１１によって送信残響が受波され、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１１ａに戻ってくる時
刻を見計らって、Ａ／Ｄ変換器２５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
２５は、ＣＰＵ２８からサンプリング開始命令を受ける
と、波形整形器２４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。一方、計時回路３１へは終了信号を送り、計時を終
了させる。この後、ＣＰＵ２８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ＣＰＵ２８に順次送出する。

【００３６】ＣＰＵ２８は、Ａ／Ｄ変換器２５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、ＲＡＭ２７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ＲＡＭ２７のエコーデータメモリエリア
に格納する（ステップＳＰ１４）。一方、骨エコー信号
の読み込みと共に、骨エコー到達時間を読み、読み込ん
だ今回骨エコー到達時間もＲＡＭ２７のエコーデータメ
モリエリアに格納する。

【００３７】次に、ステップＳＰ１５において、ＣＰＵ
２８は、距離算出ルーチンを用いて、ＲＡＭ２７に格納
された今回骨エコー到達時間に基づいて、アクリル音響
レンズ１２の凹面から軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界
面Ｙまでの距離Ｌを算出する。そして、ステップＳＰ１
６へ進み、算出された凹面１２ａから境界面Ｙまでの距
離Ｌが、予めＲＯＭ２６に格納されたアクリル音響レン
ズ１５の焦点距離ｆから収差等を考慮した誤差Δｆの範
囲（ｆ−Δｆ≦Ｌ≦ｆ＋Δｆ）内にない場合は、駆動回
路３２に制御信号を送出し、ＤＣサーボモータ１４１を
回転させて、算出された凹面１２ａから境界面Ｙまでの
距離Ｌとアクリル音響レンズ１５の焦点距離ｆとの差分
だけ超音波振動子１１を移動させる（ステップＳＰ１
７）。現在の凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌは、
アクリル音響レンズ１５の焦点距離ｆよりも長いので、
超音波振動子１１を皮質骨Ｍｂ側へ移動させるように、
ＣＰＵ２８は、駆動回路３２を介して焦点位置調節機構
１４を作動させる。

【００３８】逆に、アクリル音響レンズ１２の焦点位置
が、図６（ｃ）に示すように、皮質骨Ｍｂの内部にある
と、アクリル音響レンズ１２を通過した超音波ビームパ
ルスＡｉは、ウォータバッグ１３の水１３ｂ中を集束し
ながら伝播し皮膚の表面Ｘに達する。そして、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、なお
も集束しながら軟組織Ｍａ内に注入され、皮質骨Ｍｂに
向かって伝搬する。そして、軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂと
の境界面Ｙで一部が反射して骨エコーＡｅとなり、一部
は、弾性表面波となってエネルギを漏洩しながら境界面
Ｙを伝播し、別の一部は、なおも、集束しながら皮質骨
Ｍｂ内を伝播する。この過程で、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、発散しながら入射超音波ビームパルス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１
１によって受波される。なお、境界面Ｙで反射して戻っ
てきた骨エコーＡｅは、超音波振動子１１によって受波
されるが、この場合には、上記弾性表面波から漏れて超
音波振動子１１の方へ戻ってきた漏洩波と直接境界面Ｙ
で反射して戻ってきた骨エコーＡｅとの間の干渉等によ
り、凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌの変化に対す
る骨エコーＡｅの変化が激しく、超音波振動子１１によ
って受波される骨エコーＡｅの大きさそのものも小さ
い。

【００３９】この後、ＣＰＵ２８は、上述したと同様に
ステップＳＰ１２からステップＳＰ１４までを経て、ス
テップＳＰ１５において、距離算出ルーチンを用いて、
ＲＡＭ２７に格納された今回骨エコー到達時間に基づい
て、凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌを算出する。
そして、ステップＳＰ１６で、凹面１２ａから境界面Ｙ
までの距離Ｌが、所定の範囲内にないと判断すると、今
度の凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌは、アクリル
音響レンズ１５の焦点距離ｆよりも短いので、超音波振
動子１１を皮質骨Ｍｂから遠ざける方向へ移動させるよ
うに、ＣＰＵ２８は、駆動回路３２を介して焦点位置調
節機構１４を作動させる（ステップＳＰ１７）。

【００４０】このようにして、図６（ａ）に示すよう
に、凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌを、アクリル
音響レンズ１５の焦点距離ｆに略一致させると、アクリ
ル音響レンズ１２を通過した超音波ビームパルスＡｉ
は、ウォータバッグ１３の水１３ｂ中を集束しながら伝
播し、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、なおも集束しながら軟組織Ｍａ内に注入さ
れ、軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙにおいて略焦
点位置に達してビームの大きさは最小となる。そして、
軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙで一部が反射して
骨エコーＡｅ となり、一部は、発散しながら皮質骨Ｍ
ｂ内を伝播していき、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、発散しな
がら入射超音波ビームパルス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１１によって受
波される。ここで、境界面Ｙで反射して戻ってきた骨エ
コーＡｅは、超音波ビームパルスＡｉの入射方向（すな
わち、超音波振動子１１の送受波面１１ａの中心軸）と
境界面Ｙにおける法線の方向とが略一致しているとき
は、略その全てが超音波振動子１１によって受波され
る。この場合は、ＣＰＵ２８は、ステップＳＰ１６にお
いて、凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌが所定の範
囲内にあると判断し、ステップＳＰ１８へ進む。

【００４１】ステップＳＰ１８において、ＣＰＵ２８
は、ＲＡＭ２７に格納された今回骨エコーレベルを、図
４に破線で示すように、レベルメータ２９に液晶指針パ
ターン２９ａの振れとして表示させる。次に、ステップ
ＳＰ１９において、ＣＰＵ２８は、ＲＡＭ２７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。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、ＣＰＵ２８
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、ＲＡＭ２７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、ＲＡＭ２
７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ＳＰ２
０）。そして、更新された最大骨エコー波形を、表示器
３０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２９に
液晶指針パターン２９ｂの振れとして表示する（ステッ
プＳＰ２１）。

【００４２】次に、ＣＰＵ２８は、ＲＡＭ２７内の測定
続行フラグを見て（ステップＳＰ２２）、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）、ＣＰＵ２８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ＳＰ１２〜ＳＰ１８）を
繰り返した後、ステップＳＰ１９において、再び、ＲＡ
Ｍ２７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ＳＰ２２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
ＰＵ２８は、上述の１パルス発射１エコー受波（ステッ
プＳＰ１２〜ＳＰ１８）、最大骨エコーレベルの抽出作
業（ステップＳＰ１９〜ステップＳＰ２２）を繰り返
す。

【００４３】操作者は、ＣＰＵ２８が上述の処理（ステ
ップＳＰ１２〜ＳＰ２２）を繰り返す間、図４に示すよ
うに、トランスデューサ１のウォータバッグ１３を、皮
膚の表面Ｘに当てがい、カバー１５を手で支持して、超
音波振動子１１を測定部位であるの皮質骨Ｍｂに向け、
ゆっくりと、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、超音波振動子１１の送受波面１１ａの向きを変え、
角度を変えながら、レベルメータ２９の液晶指針パター
ン２９ａ，２９ｂ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２
９の液晶指針パターン２９ａ，２９ｂの振れが最大にな
るのは、図７（ａ）に示すように、皮質骨Ｍｂの法線と
超音波振動子１１の送受波面１１ａの中心軸が一致する
ときであり、したがって、超音波ビームパルスＡｉが境
界面Ｙに略垂直入射するときである。何故なら、既に、
凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌが、略焦点距離に
一致しているので、さらに、上記法線及び中心軸が略一
致すれば、図７（ａ）に示すように、境界面Ｙにおいて
反射した骨エコーＡｅは、超音波振動子１１の送受波面
１１ａに略全て戻ってくるため、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、上記法線及び中心軸が不一致のときは、図７
（ｂ）に示すように、境界面Ｙにおいて反射した骨エコ
ーＡｅは、入射方向と正反対の方向（すなわち、超音波
振動子１１の送受波面１１ａの中心がある方向）からず
れた方向へ向かって発散しながら伝播してしまうため
に、一部は超音波振動子１１の送受波面１１ａに達する
ことができない。

【００４４】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２９の液晶指針パターン２９ａ，
２９ｂ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１１ａの中心軸との不一致が、はなはだし
いときは、レベルメータ２９の液晶指針パターン２９
ａ，２９ｂが敏感に振れるので、上記法線及び中心軸の
はなはだしい不一致を認識でき、一方、上記法線及び中
心軸が一致に近づくと、超音波振動子１１の送受波面１
１ａ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２９ａ，２９ｂの振れが落ちつい
てくることから、上記法線及び中心軸の一致を確認でき
る。

【００４５】操作者は、レベルメータ２９の液晶指針パ
ターン２９ａ，２９ｂ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、ＣＰＵ２
８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、ＣＰＵ２８は、次回以降の１
パルス発射を中止する（ステップＳＰ２２）。そして、
ＲＡＭ２７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３０に画面表示
する（ステップＳＰ２３）。この後、ＣＰＵ２８は、反
射係数算出ルーチンを実行することにより、ＲＡＭ２７
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ＲＯＭ２６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Ｍ
ｂとの界面での超音波反射係数Ｒを算出する（ステップ
ＳＰ２４）。

【００４６】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、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）を超音波振動子１１の送受波面１１ａに取着し、
超音波ビームパルスＡｉを空に向けて発射し、上記超音
波遅延スペーサの先端面から戻ってくる開放時エコーを
超音波振動子１１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、
ＣＰＵ２８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ＳＰ２５）、算出結果を表示器３０に画面表
示する（ステップＳＰ２６）。

【００４７】この例のトランスデューサ１及び超音波振
動子の半径ｒを変えたトランスデューサを用いて、入射
角θ及び凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌを変化さ
せて、所定のレベルを基準としたときのエコーレベルＥ
（ｄＢ）を測定するとしたときの模擬実験を行ったとこ
ろ、図８に示すような結果が得られた。同図よりかわる
ように、入射角θが４度ずれた方向で、入射角θが０
度、すなわち、垂直入射の場合に比べて、エコーレベル
Ｅが略３ｄＢ下がっており、従来の平面波を用いた場合
に比べて、入射角θに対する依存性が低いため、垂直入
射となるように厳密に調整する必要性は従来に比べて少
ない。また、凹面１２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌが略
焦点距離ｆに等しいときに、エコーレベルＥは極大とな
り、この焦点距離ｆ付近においては変化は穏やかであ
る。さらに、このエコーレベルＥの測定値は入射角θや
距離Ｌの変化に対して安定していることがわかる。

【００４８】上記構成によれば、超音波振動子１１から
皮質骨Ｍｂに向けて放射された超音波ビームパルスＡｉ
は、アクリル音響レンズ１２とウォータバッグ１３とを
経て皮質骨Ｍｂに達するが、この際、アクリル音響レン
ズ１２によって集束され、かつ、焦点位置調節機構１４
が作動して、超音波振動子１１を皮質骨Ｍｂに向けて、
又は皮質骨Ｍｂから遠ざけるように、直線運動させて、
ウォータバッグ１３を伸縮させることによって、凹面１
２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌが自動的に調節されて、
アクリル音響レンズ１２の焦点位置は境界面Ｙに合わせ
られるので、平面波を用いる方法に比べて入射角θに対
する依存性が低く、超音波ビームパルスＡｉの皮質骨Ｍ
ｂへの入射方向と境界面Ｙにおける法線方向とのずれに
対する超音波振動子１１によって受波されるエコーのレ
ベルの変化が緩やかとなる。それゆえ、この例の骨粗鬆
症診断装置では、操作者の熟練度や操作の巧拙に拘ら
ず、最大エコーを容易に受波できるので、正確な測定を
行うことができる。また、超音波ビームパルスＡｉのビ
ームは絞られているので、測定部位の曲率半径が小さく
ても、確実かつ正確な測定を行うことができる。

【００４９】また、境界面Ｙにおける法線及び超音波振
動子１１の送受波面１１ａの中心軸が略一致したとき
は、送受波面１１ａ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２９の液晶指針パタ
ーン２９ａ，２９ｂ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２９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Ｚｂを精度良く求
めることができる。皮質骨Ｍｂの音響インピーダンスＺ
ｂ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の音響インピーダン
スＺｂ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３０に表示されている皮質
骨Ｍｂの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、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。

【００５０】また、ＲＡＭ２７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、ＲＡＭ２７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。

【００５１】◇第２実施例 次に、第２実施例について説明する。図９は、この発明
の第２実施例である骨粗鬆症診断装置に用いられるトラ
ンスデューサの構成を示す断面図、また、図１０は、同
装置の動作の説明に用いられる説明図である。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、図
９に示すように、トランスデューサ４がアクリル音響レ
ンズ１２から射出される超音波ビームパルスのビームの
広がりを制限するための絞り機構４１が付加されてなっ
ている点である。これ以外は、第１実施例と略同一の構
成であるので、同図において、図３の構成部分と対応す
る各部には同一の符号を付してその説明を簡略にする。
絞り機構４１は、複数の絞り羽根が組み合わされて内周
側において所定の絞り径の開口を形成するように配置さ
れ、かつ、各絞り羽根を同時に回転させて同心円状に上
記開口の絞り径を変化させるための絞りレバー４１ａを
有してなっている。この絞り機構４１は、取付部材４２
によってアクリル音響レンズ１２の下方に配設され、か
つ、上記開口内にはウォータバッグ１３が挿通されて、
絞りレバー４１ａを用いて上記開口の絞り径を絞り込む
ことによってウォータバッグ１３の上部を締め付けて超
音波ビームパルスのビームの広がりを制限する。

【００５２】次に、図１０を参照して、この例の動作に
ついて説明する。まず、絞り機構４１の絞りレバー４１
ａを用いて、開口の絞り径を調節し、超音波ビームパル
スＡｉのビームの広がりを所望の太さに制限できるよう
にしておく。この後、超音波振動子１１から超音波ビー
ムパルスＡｉが放射されると、アクリル音響レンズ１２
から射出された超音波ビームパルスＡｉは、図１０
（ｂ）に示すように、ウォータバッグ１３の絞り機構４
１によって絞り込まれた箇所で、ビームの太さは狭めら
れ、水１３ｂ中を焦点位置（この場合は、軟組織Ｍａと
皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙ）に向かって集束しながら伝播
し、一部は境界面Ｙで反射して骨エコーＡｅとなる。絞
り機構４１によって絞られた超音波ビームパルスＡｉ
は、図１０（ａ）に示すように、全く絞らなかった場合
と比較して、ビームが狭められているため、集束及び発
散の程度が小さい。それゆえ、凹面１２ａから境界面Ｙ
までの距離Ｌの変化に対する超音波振動子１１によって
受波される骨エコーＡｅの変化が少ない。

【００５３】この例の構成によれば、第１実施例で述べ
たと略同様の効果を得ることができる。加えて、絞り機
構４１を備えているので、絞りレバー４１ａを用いて絞
り径を変化させることによって、焦点が合っている範囲
や収差の状況を変化させることができる。それゆえ、例
えば、絞りを絞ることによって、凹面１２ａから境界面
Ｙまでの距離Ｌの調節を一段と容易に行うことができ
る。

【００５４】◇第３実施例 次に、第３実施例について説明する。図１１は、この発
明の第３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１２は、同装置の外観図、図１３
は、同装置に用いられるプローブの透視斜視図、図１４
は、図１３のＡ−Ａ'断面図、図１５は、同装置に用い
られるトランスデューサの構成を示す断面図、図１６
は、同装置の動作処理手順を示すフローチャート、図１
７は、同装置の動作の説明に用いられる図である。図１
１乃至図１５において、図１乃至図４の各部に対応した
部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。この
例の骨粗鬆症診断装置は、図１１乃至図１５に示すよう
に、５個のトランスデューサ１，１₁〜１₄や角度調節機
構５５等を有するプローブ５１と、トランスデューサ
１，１₁〜１₄と送受信する信号の処理、トランスデュー
サ１から送波される超音波ビームパルスＡｉの焦点位置
調節処理及び角度調節処理等を行って骨粗鬆症を診断す
る装置本体５２と、プローブ５１と装置本体５２とを接
続するケーブル５３とから概略構成されている。

【００５５】この例のプローブ５１は、図１３及び図１
４に示すように、５個のトランスデューサ１，１₁〜１₄
と、各トランスデューサ１，１₁〜１₄がその先端が突出
して取り付けられた支持円板５４と、各トランスデュー
サ１，１₁〜１₄のウォータバッグ１３が被験者の皮膚表
面Ｘに載置された状態で、支持円板５４を互いに直交す
る２方向へ回転運動させることによって、トランスデュ
ーサ１から送波される超音波ビームパルスＡｉの骨への
入射角度を調節するための角度調節機構５５と、内部の
側壁において角度位置調節機構５５が取り付けられ、操
作者によって把持されるカバー５６とから概略構成され
ている。

【００５６】トランスデューサ１₁〜１₄において、各超
音波振動子５０は、トランスデューサ１を構成する超音
波振動子１１の送受波面１１ａから発射された超音波ビ
ームパルスＡｉが被験者の骨によって反射された骨エコ
ーＡｅを受波するだけであり、超音波ビームパルスＡｉ
を発射しないので、受波する機能のみを有するが、微弱
な骨エコーＡｅをも受波できるように感度が高いもので
構成されている。また、トランスデューサ１₁〜１₄にお
いては、トランスデューサ１と異なり、焦点調節機構１
４が設けられておらず、図１５に示すように、上面に超
音波振動子５０が取着され、下端面にウォータバッグ１
３が取り付けられたアクリル音響レンズ１２は、上部に
おいて、カバー１５の内部側壁上部の相対向する位置に
それぞれ固定されたスペーサ１４５₁，１４５₂によって
支持され、下部において、アクリル音響レンズ１２の側
壁に固定されたスペーサ１４６₁，１４６₂の挿通孔に挿
通された状態で配設され、下端に落下防止用の返しが形
成された案内棒１４４₁，１４４₂によって支持されてい
る。従って、アクリル音響レンズ１２は、操作者がプロ
ーブ５１のカバー５６を把持して被験者の測定部位の皮
膚表面にプローブ５１を載置したり、角度調節機構５５
の動作により支持円板５４が回転駆動されることによ
り、案内棒１４４₁，１４４₂により案内されて上下に摺
動する。

【００５７】そして、図１３及び図１４に示すように、
支持円板５４の中央部には１個の孔が、その周縁部近傍
の互いの角度間隔が９０度である位置には４個の孔が形
成されており、中央部に形成された孔にはトランスデュ
ーサ１が、周縁部近傍の４個の孔にはトランスデューサ
１₁〜１₄が、それぞれその先端が支持円板５４の下面か
ら突出するように挿入され、固定されている。支持円板
５４は、トランスデューサ１₁，１₂近傍の各周縁部５４
₁，５４₂に取り付けられ、軸方向に３６０度回転支持可
能なジョイント５７₁，５７₂によってカバー５６の内壁
に水平に取り付けられている。一方、支持円板５４の周
縁部５４₁，５４₂とそれぞれ相対向する周縁部、すなわ
ち、トランスデューサ１₃，１₄近傍の各周縁部５４₃，
５４₄にもジョイント５７₁，５７₂と同一機能のジョイ
ント５７₃，５７₄が取り付けられているが、ジョイント
５７₃，５７₄の他端には、ジョイント５７₃，５７₄の軸
方向に対して上下方向に回転支持可能なジョイント５８
₁，５８₂と雌ネジ５９₁，５９₂が取り付けられている。
そして、雌ネジ５９₁，５９₂には、カバー５６の内部側
壁に固定され、回転運動を行うステッピングモータ６０
₁，６０₂の回転軸に固定され、ステッピングモータ６０
₁，６０₂の回転運動を直線運動に変換するミニチュアボ
ールネジ６１₁，６１₂が螺合されている。

【００５８】なお、図１３及び図１４においては、トラ
ンスデューサ１，１₁〜１₄の形状を全て同一に画いてい
るが、トランスデューサ１の直径は略２０ｍｍ、トラン
スデューサ１，１₁〜１₄の直径は略１０ｍｍ、トランス
デューサ１，１₁〜１₄の高さは略５０ｍｍ、各トランス
デューサ１₁〜１₄とトランスデューサ１との間隔は略４
０ｍｍである。従って、超音波振動子１１の送受波面１
１ａの直径及び超音波振動子５０の受波面５０ａの直径
も対応するトランスデューサ１，１₁〜１₄の直径に略等
しい。また、図１３及び図１４においては、各トランス
デューサ１，１ ₁〜１₄並びにステッピングモータ６
０₁，６０₂に接続すべきケーブルは図示していないが、
実際には、それぞれの上面にケーブルが取り付けられ、
カバー５６内で１本のケーブル５３にまとめられ、図１
２に示すように、カバー５６の上面中央部に形成された
孔より外部に取り出されて装置本体５２に接続されてい
る。

【００５９】図１１において、装置本体５２は、パルス
発生器２１と、５個の整合回路２２と、５個の増幅器２
３と、５個の波形整形器２４と、５個のＡ／Ｄ変換器２
５と、ＲＡＭ２７と、ＣＰＵ２８と、レベルメータ２９
と、表示器３０と、計時回路３１と、駆動回路３２，６
３と、ＲＯＭ６２とから構成されている。ＲＯＭ６２
は、図１に示すＲＯＭ２６が格納している処理プログラ
ムの他、トランスデューサ１を構成する超音波振動子１
１の送受波面１１ａから超音波ビームパルスＡｉが発射
された後、骨エコーＡｅが４個のトランスデューサ１₁
〜１₄を構成する４個の超音波振動子５０の受波面５０
ａにそれぞれ受波されるまでの骨エコー到達時間Ｔ₁〜
Ｔ₄に基づいて、トランスデューサ１を構成するアクリ
ル音響レンズ１２の凹面１２ａから軟組織Ｍａと皮質骨
Ｍｂとの境界面Ｙまでの距離と、境界面Ｙからトランス
デューサ１₁〜１₄を構成するアクリル音響レンズ１２の
凹面１２ａまでの距離との和Ｌ₁〜Ｌ₄を算出する手順、
算出された距離Ｌ₁〜Ｌ₄に基づいて、トランスデューサ
１を構成する超音波振動子１１の送受波面１１ａの上記
境界面Ｙに対する２方向の俯角α，βを算出する手順、
及び算出された俯角α，βが０となる、すなわち、超音
波ビームパルスＡｉが境界面Ｙに略垂直に入射するよう
に、駆動回路６３を介してプローブ５１を構成する角度
調節機構５５を制御する手順等が記述されている。ここ
で、俯角αとは、トランスデューサ１₁を構成する超音
波振動子５０の受波面５０ａからトランスデューサ１を
構成する超音波振動子１１の送受波面１１ａを経てトラ
ンスデューサ１₃を構成する超音波振動子５０の受波面
５０ａに達する直線と、被験者の軟組織Ｍａと皮質骨Ｍ
ｂとの境界面Ｙとがなす角度をいい、俯角βとは、トラ
ンスデューサ１ ₂を構成する超音波振動子５０の受波面
５０ａからトランスデューサ１を構成する超音波振動子
１１の送受波面１１ａを経てトランスデューサ１₄を構
成する超音波振動子５０の受波面５０ａに達する直線
と、被験者の軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙとが
なす角度をいう。また、駆動回路６３は、図１３に示す
ステッピングモータ６０₁，６０₂を駆動するための回路
であって、ＣＰＵ２８から与えられる制御信号に従っ
て、所定の極性の印加電圧を所定時間ステッピングモー
タ６０₁，６０₂に供給する。

【００６０】次に、図１３、図１４、図１６及び図１７
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ＣＰＵ２８の処理の流れ）について説明する。な
お、以下の説明においては、超音波ビームパルスＡｉ発
射時の送信残響等の各種現象やＣＰＵ２８その他の構成
要素の動作の細部のうち、上記した第１実施例と同様な
ものについては特に説明しない。また、この第３実施例
と直接関係しないレベルメータ２９への液晶指針パター
ンの表示及び表示器３０へのエコー波形の表示について
も、特に説明しないが、第１実施例と同様、適宜なされ
るのはいうまでもない。装置に電源が投入されると、Ｃ
ＰＵ２８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Ｓ
Ｑ１(図１６)）、測定開始スイッチが押下されるのを待
つ（ステップＳＱ２）。ここで、操作者は、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１，１₁〜１₄のウォータバッグ１
３及びカバー５６の先端を皮膚の表面Ｘに当て、かつ、
超音波振動子１１の送受波面１１ａ及び超音波振動子５
０の受波面５０ａを皮質骨Ｍｂに向けた状態でカバー５
６を手で支持し、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ＳＱ２）、Ｃ
ＰＵ２８は、図１６に示す処理手順に従って診断動作を
開始する。

【００６１】ＣＰＵ２８は、まず、トランスデューサ１
を構成するアクリル音響レンズ１２の凹面１２ａから被
験者の軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙまでの距離
Ｌをアクリル音響レンズ１２の焦点距離ｆに一致させる
焦点位置調節処理を実行する（ステップＳＱ３）。この
焦点位置調節処理は、図５に示すステップＳＰ１２〜Ｓ
Ｐ１７の処理と略同様であるので、その説明を省略す
る。但し、操作者は、上記した第１実施例のように、プ
ローブ５１のカバー５６（第１実施例ではトランスデュ
ーサ１のカバー１５）を手で支持しつつコマの歳差運動
のように動かす必要はなく、単に手で支持していれば良
い。上記焦点位置調節処理が終了すると、ＣＰＵ２８
は、ステップＳＱ４へ進む。

【００６２】ステップＳＱ４において、ＣＰＵ２８は、
超音波ビームパルスＡｉの境界面Ｙへの入射角（トラン
スデューサ１を構成する超音波振動子１１の送受波面１
１ａの中心軸と境界面Ｙにおける法線とがなす角度）が
略０、すなわち、超音波ビームパルスＡｉが境界面Ｙに
対して略垂直に入射するように、トランスデューサ１を
構成する超音波振動子１１の送受波面１１ａの境界面Ｙ
に対する２方向の俯角α，βを調節する角度調節処理を
実行する。この角度調節処理について、図１３、図１４
及び図１７に示す概念図を参照して説明する。図１７に
おいて、図４の各部に対応した部分には同一の符号を付
け、その説明を省略する。この図１７は概念図であり、
各トランスデューサ１、１ ₁，１₃間の距離、トランスデ
ューサ１、１₁，１₃と境界面Ｙとの距離や大きさの比率
等は実際とは異なる。また、図１７においては、皮膚の
表面Ｘと境界面Ｙとは平行であると仮定している。ＣＰ
Ｕ２８は、まず、パルス発生器２１に１パルス発生命令
を発行する。パルス発生器２１は、ＣＰＵ２８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に送信すると共に、この電気パルス信号の送信
のタイミングと同一のタイミングで、計時開始信号Ｔｐ
を計時回路３１へ供給する。トランスデューサ１は、パ
ルス発生器２１から電気パルス信号の供給を受けると、
図１７に示すように、支持円板５４の下面から突出した
発射位置Ｓ０から被験者の皮質骨Ｍｂに向けて超音波ビ
ームパルスＡｉを発射する。発射された超音波ビームパ
ルスＡｉは、図１７に示すように、皮膚の表面Ｘから軟
組織Ｍａ内に注入され、境界面Ｙの反射位置Ｒ１，Ｒ２
に入射角θ₁，θ₂で入射した後、境界面Ｙで一部が反射
角θ₁，θ₂で反射して骨エコーＡｅとなる。骨エコーＡ
ｅは、発散しながら入射超音波パルスＡｉとは角度２θ
₁，２θ₂だけ異なる経路を辿り、トランスデューサ
１₁，１₃によって受波され、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。

【００６３】生成された２つの受波信号は、ケーブル５
３を介して装置本体５２に入力され、対応する増幅器２
３、波形整形器２４及びＡ／Ｄ変換器２５において増幅
及び波形整形された後、デジタル信号に変換され、対応
するＡ／Ｄ変換器２５のサンプリングメモリに一旦格納
される。この時、各Ａ／Ｄ変換器２５は、受波信号のサ
ンプリング終了時に計時回路３１へ終了信号を送るの
で、計時回路３１は、各終了信号到達時の時間を対応す
る骨エコー到達時間Ｔ₁，Ｔ₃として内部に一次記憶す
る。

【００６４】ＣＰＵ２８は、距離算出ルーチンを用い
て、骨エコー到達時間Ｔ₁，Ｔ₃に基づいて、トランスデ
ューサ１を構成するアクリル音響レンズ１２の凹面１２
ａから軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙまでの距離
と、境界面Ｙからトランスデューサ１₁，１₃を構成する
アクリル音響レンズ１２の凹面１２ａまでの距離との和
Ｌ₁，Ｌ₃を算出した後、式（３）に基づいて俯角αを算
出する。

【００６５】

【数３】

【００６６】ここで、式（３）の導出方法について説明
する。トランスデューサ１とトランスデューサ１₁，１₃
との間の距離をＷとすると、図１７より、式（４）〜式
（６）が成り立つ。 ２Ｗｓｉｎα＝Ｌ₁ｃｏｓθ₁−Ｌ₂ｃｏｓθ₂ …（４） Ｌ₁ｓｉｎθ₁＝Ｗｃｏｓα …（５） Ｌ₂ｓｉｎθ₂＝Ｗｃｏｓα …（６） いま、Ｌ₁，Ｌ₂≫Ｗであるから、θ₁≒θ₂と近似して良
い。従って、上記した式（３）により俯角αが求められ
るのである。上記俯角αを求める動作と同時に、トラン
スデューサ１の発射位置Ｓ０から発射された超音波ビー
ムパルスＡｉは、境界面Ｙで一部が反射して骨エコーＡ
ｅとなり、トランスデューサ１₂，１₄によって受波され
るので、上記と同様の動作により俯角βが求められる。

【００６７】次に、ＣＰＵ２８は、算出された俯角α，
βが、予めＲＯＭ６２に格納された許容できる誤差の範
囲内にない場合は、例えば、予めＲＯＭ６２に格納され
た俯角αの角度とステッピングモータ６０₁のモータ回
転角との関係を示すテーブル及び俯角βの角度とステッ
ピングモータ６０₂のモータ回転角との関係を示すテー
ブルを参照して、得られた各モータ回転角に関する制御
信号を駆動回路６２及びケーブル５３を介して角度調節
機構５５に送出し、ステッピングモータ６０₁，６０₂を
回転させて、俯角α，βが略０となるように、支持円板
５４を回転させる。例えば、俯角αが図１７に示すよう
な角度である場合、俯角αを０にすべくステッピングモ
ータ６０₁に上記モータ回転角に対応した極性の印加電
圧が所定時間印加されると、ステッピングモータ６０₁
の回転軸が上記モータ回転角だけ回転するので、ミニチ
ュアボールネジ６１₁の山が雌ネジ５９₁の谷の内面を移
動し、雌ネジ５９₁が多少のすべりを伴って上昇又は下
降する。これにより、雌ネジ５９₁の上昇運動又は下降
運動がジョイント５８₁及びジョイント５７₃を介して支
持円板５４の周縁部５４₃に伝えられ、支持円板５４が
ジョイント５７₁を支点として上方又は下方へ回転す
る。この時、支持円板５４は、周縁部５４₂がジョイン
ト５７₂を介してカバー５６に取り付けられると共に、
周縁部５４₄がジョイント５７₄，５８₂並びに雌ネジ５
９₂を介してステッピングモータ６１₂の回転軸に取り付
けられたミニチュアボールネジ６１₂によって支持され
ているので、これらによって動きが制約され、多少ひね
りが加わりつつ上方又は下方へ回転する。以上の動作に
より、俯角αが略０となる。この後、同様の動作によ
り、俯角βも略０となる。もちろん、１回の制御信号の
送出で俯角α，βが共に略０になるとは限らないので、
俯角α，βが共に許容誤差範囲内の角度になるまで、上
記動作を繰り返す。上記角度調節処理が終了すると、Ｃ
ＰＵ２８は、ステップＳＱ５へ進む。

【００６８】ステップＳＱ５において、ＣＰＵ２８は、
上記した焦点位置調節処理及び角度調節処理により、ア
クリル音響レンズ１２の焦点位置が境界面Ｙに達し、し
かも超音波ビームパルスＡｉが境界面Ｙに対して略垂直
に入射するように調節されているので、上記角度調節処
理終了時にＲＡＭ２７のエコーデータメモリエリアに格
納されている最大骨エコーレベルを読み出して表示器３
０に画面表示すると共に、右最大骨エコーレベルに基づ
いて音響インピーダンスＺｂを算出して表示器３０に画
面表示する音響インピーダンス算出処理を実行する。こ
の音響インピーダンス算出処理は、図５に示すステップ
ＳＰ２３〜ＳＰ２６の処理と略同様であるので、その説
明を省略する。

【００６９】上記構成によれば、焦点位置調節機構１４
がアクリル音響レンズ１２の焦点位置を境界面Ｙに達す
るように調節するだけでなく、角度調節機構５５が超音
波ビームパルスＡｉが境界面Ｙに対して略垂直に入射す
るように直ちに調節するので、操作者は単にプローブ５
１を支持していれば良い。それゆえ、この例の骨粗鬆症
診断装置では、上記第１及び第２実施例よりもさらに操
作者の熟練度や操作の巧拙に拘らず、最大エコーを容易
に受波できるので、正確な測定を行うことができる。

【００７０】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、焦点位置を境界面Ｙに合わせる際
に、計時回路３１が骨エコー到達時間Ｔを計時し、この
骨エコー到達時間Ｔに基づいて、ＣＰＵ２８が、凹面１
２ａから境界面Ｙまでの距離Ｌを算出して、この距離Ｌ
と予め知られた焦点距離ｆとを比較し、両者の差分に基
づいて焦点位置調節機構１４によって超音波振動子１１
及びアクリル音響レンズ１２を移動させたが、計時回路
３１を省略し、超音波振動子１１の送受波面１１ａの皮
膚表面Ｘに対する角度を固定した上で、焦点位置調節機
構１４によって超音波振動子１１及びアクリル音響レン
ズ１２を微少移動させながら、この状態での最大の骨エ
コーレベルが抽出された位置で焦点位置調節機構１４を
停止させ、超音波振動子１１及びアクリル音響レンズ１
２を固定させる構成としても良い。

【００７１】また、上述した第１乃至第３実施例におい
ては、超音波振動子１１，５０は、円板状の厚み振動型
圧電素子の両面に電極層を形成する構成としたが、例え
ば、図１８に示すように、球面状の超音波振動子７１を
用いて、超音波ビームパルスを超音波振動子７１の送受
波面の曲率中心で集束させ、音響レンズを廃する構成と
しても良い。この際、同図に示すように、超音波振動子
７１を、両端面が共に上記送受波面の曲率中心と同一の
曲率中心を有する樹脂製又はゴム製の支持体７２によっ
て支持するようにしても良い。また、上述した第１及び
第２実施例においては、単一の超音波振動子１１を用い
たが、複数の超音波振動子を、例えば、同心円状や放射
状に配置するようにしても良い。さらに、球面状の超音
波振動子を用いて、電極を同心円状に分割して配置した
構成としても良い。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。同様に、使用中心周波数は、１ＭＨｚに限らな
い。さらに、上述した第１乃至第３実施例において、焦
点位置調節機構１４及び角度調節機構５５で用いたミニ
チュアボールネジに代えて、送りネジとして、例えば、
すべりネジを用いる構成としても良い。また、ＤＣサー
ボモータ１４１に代えて、ＡＣサーボモータ、又はステ
ッピングモータを用いるようにしても良いし、ステッピ
ングモータ６０₁，６０₂に代えて、ＤＣサーボモータ、
又はＡＣサーボモータを用いるようにしても良い。ま
た、上述した第１乃至第３実施例において、袋状容器１
３ａは、蛇腹式に伸縮自在な構成でも良い。

【００７２】さらに、上述した第３実施例において、ト
ランスデューサ１に代えて、第２実施例におけるトラン
スデューサ４を用いても良いことはもちろんである。ま
た、上述した第３実施例において、焦点位置調節処理
は、１回だけ行う例を示したが、これに限定されず、よ
り正確を期すために、角度調節処理の後もう１度焦点調
節処理を行っても良い。さらに、上述した第３実施例に
おいて、トランスデューサ１₁〜１₄は、受波のみの機能
しか有さない超音波振動子５０を備えた構成としたが、
これに限定されず、トランスデューサ１と同様の構成と
すると共に、装置本体５２に対応する４個のパルス発生
器２１を設けても良い。この場合、上記した方法で俯角
α，βを求めるのではなく、各トランスデューサ１，１
₁〜１₄を構成するアクリル音響レンズ１２の凹面１２ａ
から軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂとの境界面Ｙまでの距離Ｌ
をそれぞれ測定し、全ての距離Ｌが略等しくなるよう
に、角度調節機構５５により支持円板５４を駆動しても
良い。また、上述した第３実施例において、角度調節機
構５５の構造は図１３及び図１４に示す構造に限定され
ない。例えば、支持円板５４をカバー５６に固定すると
共に、同一直線方向に設けられた３個のトランスデュー
サを支持円板５４の対応する孔に遊貫支持し、さらに各
トランスデューサを各垂直軸を互いに平行な状態を保っ
たまま回転駆動することにより、各超音波トランスデュ
ーサを構成する各超音波振動子の送受波面及び受波面と
境界面Ｙにおける上記直線方向とがなす角度を連動して
変更する構造としても良い。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の超音波
トランスデューサによれば、超音波振動子から測定部位
である骨に向けて放射された超音波ビームパルスは、音
響レンズと伸縮自在な超音波遅延スペーサとを経て骨に
達するが、この際、音響レンズによって集束され、か
つ、超音波遅延スペーサの伸縮によって、超音波振動子
と骨との間の距離が調節されて、骨の表面に焦点が結ば
れるので、超音波ビームパルスの上記骨への入射方向と
骨の表面の法線方向とのずれに対する超音波振動子によ
って受波されるエコーのレベルの変化が緩やかとなる。
それゆえ、上記超音波トランスデューサを用いる骨粗鬆
症診断装置では、操作者の熟練度や操作の巧拙に拘ら
ず、最大エコーを容易に受波できるので、正確な測定を
行うことができる。また、超音波ビームパルスのビーム
は絞られているので、骨の曲率半径が小さくても、確実
かつ正確な測定を行うことができる。

【００７４】また、請求項８及び９記載の発明によれ
ば、第１の駆動手段により第１の超音波トランスデュー
サを構成する超音波振動子と骨との間の距離が調節され
て、骨の表面に焦点が結ばれるだけでなく、第２の駆動
手段により超音波ビームパルスが骨面に対して略垂直に
入射するように直ちに調節されるので、操作者は単に超
音波トランスデューサユニットを支持していれば良い。
それゆえ、さらに操作者の熟練度や操作の巧拙に拘ら
ず、最大エコーを容易に受波できるので、正確な測定を
行うことができる。

【００７５】さらに、骨の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。それゆえ、骨
の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、骨の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。また、骨の音響インピー
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】同装置に用いられるトランスデューサの構成を
示す断面図である。

【図４】同装置の使用状態を示す模式図である。

【図５】同装置の動作処理手順を示すフローチャートで
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】同装置の動作の説明に用いられる説明図であ
る。

【図８】同装置及び同トランスデューサに用いられる超
音波振動子と半径が異なる超音波振動子を用いた骨粗鬆
症診断装置によって得られる超音波ビームパルスの入射
角と超音波振動子によって受波されるエコーのレベルと
の関係、及び同装置に用いられるアクリル音響レンズの
凹面から皮質骨表面までの距離とエコーのレベルとの関
係を示す特性図である。

【図９】この発明の第２実施例である骨粗鬆症診断装置
に用いられるトランスデューサの構成を示す断面図であ
る。

【図１０】同装置の動作の説明に用いられる説明図であ
る。

【図１１】この発明の第３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１２】同装置の外観図である。

【図１３】図１２に示すプローブの透視斜視図である。

【図１４】図１３のＡ−Ａ'断面図である。

【図１５】同装置に用いられるトランスデューサの構成
を示す断面図である。

【図１６】同装置の動作処理手順を示すフローチャート
である。

【図１７】同装置の動作の説明に用いられる説明図であ
る。

【図１８】この発明の第１実施例の変形例である骨粗鬆
症診断装置に用いられるトランスデューサの要部の構成
を示す断面図である。

【図１９】従来技術を説明するための説明図である。

【図２０】従来技術を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１，１₁〜１₄，４ トランスデューサ（超音波トランス
デューサ） １１，５０，７１ 超音波振動子 １２ アクリル音響レンズ（音響レンズ） １３ ウォータバッグ（超音波遅延スペーサ） １３ａ 袋状容器 １３ｂ 水（液体） １４ 焦点位置調節機構（駆動手段の一部） ２８ ＣＰＵ（制御手段の一部、演算手段、判断手
段） ３１ 計時回路（計時手段） ３２，６３ 駆動回路（駆動手段の一部） ４１ 絞り機構（絞り） ５１ プローブ（超音波トランスデューサユニッ
ト） ５５ 角度調節機構（駆動手段の一部） Ａｉ 超音波ビームパルス Ａｅ 骨からのエコー Ｍｂ 皮質骨（骨）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波ビームパルスを生体内部に放射す
   ると共に、測定部位である骨からのエコーを受波するた
   めの超音波振動子と、 該超音波振動子から放射された前記超音波ビームパルス
   を集束させて焦点を結ばせるための音響レンズと、 該音響レンズと生体の皮膚表面との間に介挿され、前記
   焦点の位置を調節するための伸縮自在な超音波遅延スペ
   ーサとを備えてなることを特徴とする超音波トランスデ
   ューサ。
2. 【請求項２】 収束ビーム束の超音波ビームパルスを生
   体内部に放射すると共に、測定部位である骨からのエコ
   ーを受波するための凹湾曲状の超音波振動子と、 該超音波振動子と生体の皮膚表面との間に介挿され、前
   記超音波ビームパルスの集束点の位置を調節するための
   伸縮自在な超音波遅延スペーサとを備えてなることを特
   徴とする超音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】 前記超音波遅延スペーサは、前記超音波
   ビームパルスの伝達方向に伸縮自在の袋状容器の中に生
   体の軟組織と音響学的に同質の液体が充填されてなるこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の超音波トランスデ
   ューサ。
4. 【請求項４】 前記袋状容器は、蛇腹式に伸縮自在な構
   成とされていることを特徴とする請求項３記載の超音波
   トランスデューサ。
5. 【請求項５】 前記音響レンズから射出される前記超音
   波ビームパルスのビームの広がりを制限するための絞り
   が付加されてなることを特徴とする請求項１，３又は４
   のいずれか１に記載の超音波トランスデューサ。
6. 【請求項６】 超音波反射法により骨粗鬆症を診断する
   骨粗鬆症診断装置であって、 請求項１乃至５のいずれか１に記載の超音波トランスデ
   ューサを備えてなることを特徴とする骨粗鬆症診断装
   置。
7. 【請求項７】 前記超音波ビームパルスが放射されてか
   ら骨からのエコーが前記超音波振動子の送受波面に戻っ
   てくるまでの往復時間を計時するための計時手段と、 前記往復時間に基づいて焦点調節信号又は集束点調節信
   号を出力する制御手段と、 前記焦点調節信号又は集束点調節信号に基づいて、前記
   超音波遅延スペーサを伸縮させることによって、前記超
   音波振動子と前記骨との間の距離を調節する駆動手段
   と、 前記骨からのエコーに基づいて前記骨の音響情報を算出
   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音響情報に基づ
   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
   特徴とする請求項６記載の骨粗鬆症診断装置。
8. 【請求項８】 超音波反射法により骨粗鬆症を診断する
   骨粗鬆症診断装置であって、 請求項１乃至５のいずれか１に記載の構成を有する第１
   の超音波トランスデューサと、該第１の超音波トランス
   デューサからいずれも等距離な位置に設けられ、それぞ
   れ少なくとも超音波を受波可能な超音波振動子を有する
   ４個の第２の超音波トランスデューサとからなり、第１
   の直線方向に前記第１の超音波トランスデューサを挟ん
   で２個の第２の超音波トランスデューサが設けられ、前
   記第１の直線方向と直交する第２の直線方向に前記第１
   の超音波トランスデューサを挟んで残り２個の第２の超
   音波トランスデューサが設けられた超音波トランスデュ
   ーサユニットと、 前記超音波ビームパルスが放射されてから骨からのエコ
   ーが前記送受波面に戻ってくるまでの往復時間、前記超
   音波ビームパルスが放射されてから骨からのエコーが前
   記２個の第２の超音波トランスデューサを構成する超音
   波振動子の受波面でそれぞれ受波されるまでの第１及び
   第２の時間と、前記超音波ビームパルスが放射されてか
   ら骨からのエコーが前記残り２個の第２の超音波トラン
   スデューサを構成する超音波振動子の受波面でそれぞれ
   受波されるまでの第３及び第４の時間とを計時する計時
   手段と、 前記往復時間に基づいて焦点調節信号又は集束点調節信
   号を出力し、前記第１及び第２の時間に基づいて第１の
   角度調節信号を出力し、前記第３及び第４の時間に基づ
   いて第２の角度調節信号を出力する制御手段と、 前記焦点調節信号又は集束点調節信号に基づいて、前記
   超音波遅延スペーサを伸縮させることによって、前記第
   １の超音波トランスデューサを構成する超音波振動子と
   前記骨との間の距離を調節する第１の駆動手段と、 前記第１の角度調節信号に基づいて、前記第１の直線方
   向に設けられた前記第１の超音波トランスデューサと前
   記２個の第２の超音波トランスデューサを各垂直軸を互
   いに平行な状態に保ったまま回転駆動することにより、
   各超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子の
   送受波面及び受波面と前記生体の骨面における第１の直
   線方向とがなす第１の角度を連動して変更すると共に、
   前記第２の角度調節信号に基づいて、前記第２の直線方
   向に設けられた前記第１の超音波トランスデューサと前
   記残り２個の第２の超音波トランスデューサを各垂直軸
   を互いに平行な状態に保ったまま回転駆動することによ
   り、各超音波トランスデューサを構成する各超音波振動
   子の送受波面及び受波面と前記生体の骨面における第２
   の直線方向とがなす第２の角度を連動して変更する第２
   の駆動手段と、 前記骨からのエコーに基づいて前記骨の音響情報を算出
   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音響情報に基づ
   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。
9. 【請求項９】 超音波反射法により骨粗鬆症を診断する
   骨粗鬆症診断装置であって、 請求項１乃至５のいずれか１に記載の構成を有する第１
   の超音波トランスデューサと、該第１の超音波トランス
   デューサからいずれも等距離な位置に設けられ、それぞ
   れ超音波を送受波可能な超音波振動子を有する４個の第
   ２の超音波トランスデューサとからなり、第１の直線方
   向に前記第１の超音波トランスデューサを挟んで２個の
   第２の超音波トランスデューサが設けられ、前記第１の
   直線方向と直交する第２の直線方向に前記第１の超音波
   トランスデューサを挟んで残り２個の第２の超音波トラ
   ンスデューサが設けられた超音波トランスデューサユニ
   ットと、 前記第１の超音波トランスデューサを構成する超音波振
   動子の送受波面から超音波ビームパルスが放射されてか
   ら骨からのエコーが前記送受波面に戻ってくるまでの第
   １の往復時間、前記第１の直線方向に設けられた２個の
   第２の超音波トランスデューサを構成する各超音波振動
   子の送受波面からそれぞれ超音波ビームパルスが放射さ
   れてから骨からのエコーが各送受波面に戻ってくるまで
   の第２及び第３の往復時間、前記第２の直線方向に設け
   られた残り２個の第２の超音波トランスデューサを構成
   する各超音波振動子の送受波面からそれぞれ超音波ビー
   ムパルスが放射されてから骨からのエコーが各送受波面
   に戻ってくるまでの第４及び第５の往復時間を計時する
   計時手段と、 前記第１の往復時間に基づいて焦点調節信号又は集束点
   調節信号を出力し、前記第２及び第３の往復時間に基づ
   いて第１の角度調節信号を出力し、前記第４及び第５の
   往復時間に基づいて第２の角度調節信号を出力する制御
   手段と、 前記焦点調節信号又は集束点調節信号に基づいて、前記
   超音波遅延スペーサを伸縮させることによって、前記第
   １の超音波トランスデューサを構成する超音波振動子と
   前記骨との間の距離を調節する第１の駆動手段と、 前記第１の角度調節信号に基づいて、前記第１の直線方
   向に設けられた前記第１の超音波トランスデューサと前
   記２個の第２の超音波トランスデューサを各垂直軸を互
   いに平行な状態に保ったまま回転駆動することにより、
   各超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子の
   送受波面及び受波面と前記生体の骨面における第１の直
   線方向とがなす第１の角度を連動して変更すると共に、
   前記第２の角度調節信号に基づいて、前記第２の直線方
   向に設けられた前記第１の超音波トランスデューサと前
   記残り２個の第２の超音波トランスデューサを各垂直軸
   を互いに平行な状態に保ったまま回転駆動することによ
   り、各超音波トランスデューサを構成する各超音波振動
   子の送受波面及び受波面と前記生体の骨面における第２
   の直線方向とがなす第２の角度を連動して変更する第２
   の駆動手段と、 前記骨からのエコーに基づいて前記骨の音響情報を算出
   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音響情報に基づ
   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。
10. 【請求項１０】 前記演算手段は、前記骨の音響情報と
    して、前記骨の音響インピーダンス又は超音波反射係数
    を算出することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか
    １に記載の骨粗鬆症診断装置。