JPH1189833A - 超音波骨計測装置 - Google Patents

超音波骨計測装置

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JPH1189833A
JPH1189833A JP25046897A JP25046897A JPH1189833A JP H1189833 A JPH1189833 A JP H1189833A JP 25046897 A JP25046897 A JP 25046897A JP 25046897 A JP25046897 A JP 25046897A JP H1189833 A JPH1189833 A JP H1189833A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波計測によって海綿骨における骨梁の方
向を判定できるようにする。 【解決手段】 複数の円柱でモデリングされる骨梁に対
して超音波を送波し、各散乱角度で散乱波を検出する。
これを生体を少しずつ回転させながら行う。回転角度と
散乱角度の組み合わせごとに得られる受信信号を周波数
解析し、その周波数解析結果に基づき骨梁の方向を判定
する。具体的には、周波数解析結果に含まれるピークの
規則性を利用して骨梁の判定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波骨計測装置に
関し、特に超音波の散乱特性により骨を計測する装置に
関する。
【0002】
【従来の技術及びその課題】骨は皮質骨とその内部の海
綿骨とで構成される。海綿骨には骨の疾病が現れやすい
ため、その海綿骨を多く含む踵骨などが診断対象とされ
る場合が多い。ちなみに、海綿骨は骨梁とその間を満た
す基質とで構成される。特開平9−84788号公報で
は、そのような骨梁が二次元の円柱の配列体としてモデ
リングされ、そのモデルにおけるパラメータの値を超音
波計測結果から推定することにより、骨の構造(骨梁の
太さやその間隔)を解析する方法が提案されている。
【0003】しかし、実際の生体における海綿骨をモデ
リングするためには、その海綿骨の骨梁の方向(軸方
向)を特定する必要がある。例えば踵骨の両側で超音波
の送波及び受波を行う場合を想定すると、骨梁の軸は超
音波ビームに垂直な面と平行に走っているものと推定さ
れるが、その面内における骨梁の軸方向は各個人によっ
てある程度ばらつくものである。また、骨梁の軸方向自
体も疾病診断や研究に利用できる有益な情報である。
【0004】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、超音波を利用して骨梁の方向
を計測できる装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(1)原理説明 図1には、骨梁方向を計測するための装置構成の概念が
示されている。中央に示されるのは、骨梁(実験では金
網を使用)を模擬したマトリクスである。骨梁は、金網
とは異なり、一般に互いに隔てて平行配置された複数の
円柱によってモデリングされ、その円柱の長手方向が骨
梁の方向である。図1においては、マトリクス面を構成
する一方方向が骨梁方向に相当する。このマトリクス面
は、送信用振動子10からの超音波の送波方向に対して
直交しており、その面内で生体が相対的に回転される。
その回転角度がξで表されている。受信用振動子12
は、各検出散乱角度で散乱波を検出可能である。その検
出散乱角度がθで表されている。受信信号は、回転角度
ξと散乱角度θの組み合わせごとに取得される。各受信
信号はFFTなどによって周波数解析される。
【0006】図2には、図1の実験系で金網を利用した
場合における周波数解析パターンが示されている。この
グラフにおいて、横軸は回転角度ξであり、縦軸は周波
数である。各周波数のパワーが輝度で表現されている。
なお、図2は検出散乱角度θが60度のものであるが、
もちろん各検出散乱角度θごとに図2のような周波数解
析パターンが作成される。この周波数解析パターンにお
いては、複数の周波数ピークが観測される(図2におい
て円参照)。図2に示すように、この例では回転角度ξ
が0度、±18度及び±45度付近で鋭いスペクトルの
ピークが現れている。ただし、海綿骨の場合、微小構造
の対称性が金網よりも乏しいことから、回転角度ξが±
18度及び±45度付近での検出は困難であると思われ
る。
【0007】その一方、図3に示すように、回転角度ξ
が0度の場合、周波数ピークは検出散乱角度θに応じて
良好な規則性を示す。なお、図3において、横軸は検出
散乱角度θを表しており、縦軸は周波数を表している。
【0008】すなわち、海綿骨について、図2に示した
パターンを各検出散乱角度θごとに作成し、各検出散乱
角度θを変化させながら周波数ピークを観測すると、骨
梁の方向を示すピークのみが規則的に周波数の高い方又
は低い方へシフトすることになる。そのような挙動を示
す周波数ピークが存在する回転角度ξとして骨梁の方向
を決定できる。ちなみに、他のピークは消滅したり非連
続的に移動したりする。
【0009】以上のことから理解されるように、回転角
度ξ及び検出散乱角度θの組み合わせごとに周波数ピー
クを比較すれば、その規則性から骨梁の方向を回転角度
ξとして読み取ることが可能である。
【0010】一般に、図2に示すようなパターンを利用
して自動的に又は人為的に骨梁方向が判定されるが、場
合によっては、図3に示したようなグラフを各回転角度
ξごとに作成し、それらの中から最もピークの規則性の
あるものを判定することにより、結果として、骨梁方向
を判定してもよい。
【0011】図4は、実際に踵骨を観察した場合の測定
結果であり、図2のグラフに対応するものである。回転
角度ξが−12度付近にあるピークは、検出散乱角度θ
に対して規則性を有するものであることが確認されてお
り、その角度として骨梁の方向が判定される。
【0012】なお、周波数解析結果の利用法は上記のも
のには限られず、例えば、各回転角度ξごとにすべての
θについてスペクトルの総和を求め、その総和が最も大
きい回転角度を骨梁方向として判定してもよい。いずれ
にしても周波数特性を利用して骨梁方向を判定可能であ
る。
【0013】(2)解決手段 上記目的を達成するために、本発明は、超音波の送波方
向に交差する面内で生体を相対的に回転させ、各回転角
度で超音波の送波を行う送波手段と、前記生体内の骨に
より散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波し、
受信信号を出力する受波手段と、前記受信信号を周波数
解析する周波数解析手段と、前記回転角度及び前記検出
散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果に
基づいて、骨梁の方向を判定する骨梁方向判定手段と、
を含むことを特徴とする。
【0014】上記構成によれば、生体、送波手段及び受
波手段のいずれかを相対的に回転させることによって、
回転角度及び検出散乱角度の組み合わせごとに周波数解
析結果が得られる。そして、その周波数解析結果に基づ
いて骨梁の方向が判定される。なお、望ましくは、生体
は送波方向に垂直な面内で相対的に回転される。
【0015】本発明の望ましい態様では、前記骨梁方向
判定手段は、一方軸を前記回転角度とし他方軸を周波数
軸とした周波数解析パターンを各検出散乱角度ごとに作
成し、各周波数解析パターンを互いに比較することによ
って骨梁の方向を判定する。
【0016】本発明の望ましい態様では、前記骨梁方向
判定手段は、前記各周波数解析パターンの比較において
周波数ピークが規則性をもって推移する回転角度を骨梁
の方向と判定する。
【0017】本発明の望ましい態様では、前記骨梁方向
判定手段は、一方軸を前記検出散乱角度とし他方軸を周
波数軸とした周波数解析パターンが規則性をもつ回転角
度を骨梁の方向と判定する。
【0018】本発明の望ましい態様では、前記超音波の
送波方向に直交する面内で生体を相対的に回転させる第
1の回転機構と、前記検出散乱角度を変えるために前記
受波手段を生体を中心として回転させる第2の回転機構
と、を含む。
【0019】本発明の望ましい態様では、前記生体は足
の踵であり、前記踵を保持する足置きを有し、前記送波
手段は前記足置きの一方側に配置され、前記受波手段は
前記足置きの他方側に配置される。
【0020】上記目的を達成するために、超音波の送波
方向に交差する面内で生体を相対的に回転させ、各回転
角度で超音波の送波を行う送波手段と、前記生体内の骨
により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波
し、受信信号を出力する受波手段と、前記受信信号を周
波数解析する周波数解析手段と、前記回転角度及び前記
検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結
果を表示する表示手段と、を含むことを特徴とする。こ
の構成によれば、ピーク判定及び骨梁方向の判定に当た
って必要な情報を画像表示できる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。
【0022】図5には、本発明に係る超音波骨計測装置
の好適な実施形態が示されており、図5はその全体構成
を示すブロック図である。
【0023】この超音波骨計測装置は、例えば踵骨に含
まれる海綿骨の骨梁の方向を計測する機能を有する。生
体14は例えば踵であり、その生体は図示されていない
載置台上に載置される。この載置台は例えば足置きであ
る。その載置台の両側に振動子10及び振動子12が配
置されており、振動子10は送信用振動子として機能
し、振動子12は受信用振動子として機能する。振動子
10は踵骨表面に対してほぼ垂直に超音波を送波するよ
うに位置決めされている。
【0024】本実施形態において、装置は、生体14の
回転角度ξを可変するための回転角可変機構20と、受
信用振動子12の受信角度すなわち検出散乱角度θを可
変するための検出散乱角可変機構22と、を有する。も
ちろん、回転角度ξ及び検出散乱角度θは、振動子1
0、生体14及び振動子12のうちのいずれか1つ又は
複数を固定しておいて他のものを移動させることによっ
て可変できるように構成してもよい。
【0025】送信器16は、振動子10に対して送信信
号を供給するものである。受信器18は振動子12から
出力される受信信号を受け入れて、周波数解析器24に
受信信号を出力する。超音波の送受波は、回転角度ξ及
び検出散乱角度θの組み合わせごとに行われる。但し、
例えば複数の振動子12を利用して同時に複数の検出散
乱角度で散乱波の検出を行うような場合、送受信回数は
削減される。
【0026】周波数解析器24は、回転角度ξ及び検出
散乱角度θの組み合わせごとに得られる受信信号に対し
て周波数解析を実行する回路であり、例えばFFT演算
器等で構成される。補正回路26は周波数解析結果に対
して振動子10及び振動子12の周波数特性に基づく補
正を行う回路である。もちろん、このような補正は受信
器18において行ってもよい。
【0027】メモリ28には、回転角度ξ及び検出散乱
角度θの組み合わせごとに周波数解析結果が格納され
る。方向判定部30は、メモリ28に格納された複数の
周波数解析結果に基づいて骨梁の方向を判定する。その
判定結果は表示器32に表示される。もちろん、方向判
定部30にて判定された骨梁の方向に基づいて他の計測
を行ったり、あるいは他の演算を行うようにしてもよ
い。
【0028】図6には、図5に示した方向判定部30の
処理内容が示されている。S101では、各検出散乱角
度θごとに、回転角度ξに対する周波数特性を表したパ
ターンが作成される。すなわち図2に示したようなパタ
ーンが各回転角度ξごとに作成されることになる。
【0029】S102では、そのパターン上において周
波数ピークが特定される。そして、S103では、検出
散乱角度θを可変させた場合において規則性をもって運
動するピークが特定され、そのピークがある回転角度と
して骨梁の方向が決定される。もちろん、例えば図3に
示したような特性を各回転角度ξごとに作成し、その中
において最も規則性をもったグラフに対応した回転角度
ξを骨梁の方向として決定してもよい。あるいは、その
ようなグラフを全く作成することなく数値演算によって
ピークの挙動に規則性のある回転角度を抽出するように
してもよい。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超音波を利用して骨梁の方向を計測することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 骨梁の方向を計測するための実験系の概念を
示す概念図である。
【図2】 各回転角度ごとの周波数特性を中間階調とし
て示す説明図である。
【図3】 各検出散乱角度ごとの周波数特性を中間階調
として示す説明図である。
【図4】 踵骨についての各回転角度に対する周波数特
性を中間階調として示す説明図である。
【図5】 本発明の実施形態に係る装置のブロック図で
ある。
【図6】 方向判定部の具体的な処理内容を示すフロー
チャートである。
【符号の説明】
10,12 振動子、14 生体、16 送信器、18
受信器、20 回転角可変機構、22 検出散乱角可
変機構、24 周波数解析器、26 補正回路、28
メモリ、30 方向判定部、32 表示器。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超音波の送波方向に交差する面内で生体
    を相対的に回転させ、各回転角度で超音波の送波を行う
    送波手段と、 前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散
    乱角度で受波し、受信信号を出力する受波手段と、 前記受信信号を周波数解析する周波数解析手段と、 前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに
    得られる周波数解析結果に基づいて、骨梁の方向を判定
    する骨梁方向判定手段と、 を含むことを特徴とする超音波骨計測装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の装置において、 前記骨梁方向判定手段は、一方軸を前記回転角度とし他
    方軸を周波数軸とした周波数解析パターンを各検出散乱
    角度ごとに作成し、各周波数解析パターンを互いに比較
    することによって骨梁の方向を判定することを特徴とす
    る超音波骨計測装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の装置において、 前記骨梁方向判定手段は、前記各周波数解析パターンの
    比較において周波数ピークが規則性をもって推移する回
    転角度を骨梁の方向と判定することを特徴とする超音波
    骨計測装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の装置において、 前記骨梁方向判定手段は、一方軸を前記検出散乱角度と
    し他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンが規則性
    をもつ回転角度を骨梁の方向と判定することを特徴とす
    る超音波骨計測装置。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の装置において、 前記超音波の送波方向に直交する面内で生体を相対的に
    回転させる第1の回転機構と、 前記検出散乱角度を変えるために前記受波手段を生体を
    中心として回転させる第2の回転機構と、 を含むことを特徴とする超音波骨計測装置。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の装置において、 前記生体は足の踵であり、 前記踵を保持する足置きを有し、 前記送波手段は前記足置きの一方側に配置され、 前記受波手段は前記足置きの他方側に配置されたことを
    特徴とする超音波骨計測装置。
  7. 【請求項7】 超音波の送波方向に交差する面内で生体
    を相対的に回転させ、各回転角度で超音波の送波を行う
    送波手段と、 前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散
    乱角度で受波し、受信信号を出力する受波手段と、 前記受信信号を周波数解析する周波数解析手段と、 前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに
    得られる周波数解析結果を表示する表示手段と、 を含むことを特徴とする超音波骨計測装置。
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