JPS62117553A

JPS62117553A - 機能評価装置

Info

Publication number: JPS62117553A
Application number: JP60255851A
Authority: JP
Inventors: 肥後　矢吉; 布村　成具; 雅司小野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-11-16
Filing date: 1985-11-16
Publication date: 1987-05-29
Also published as: JPH0569542B2; DE3639263C2; US4819753A; DE3639263A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は人工関節等の人工機器の健全性を評価する機能
評価装置に関する。

ｏＪ下余白〔従来技術〕最近２種々の人工機器が開発され、実用に供され初めて
いる。これら人工機器の一つとして人工関節がある。通
常２人工間節としてはステンレススチール等の金属材料
によって形成されたもの。

あるいは、金属材料にセラミック等のコーティングを施
したもの等がある。

人工関節は患者の体内に、自然骨間を連結するように埋
め込まれている。この場合２人工間節はその性質上、患
者の運動機能が出来るだけ損なわれないように取シ付け
られていなければならない。

また２人工間節の健全性の低下による取シ換えの際には
゛２手術を要するが１本発明者等の知見によれば１人工
間節の健全性の低下を早期に発見し。

患者を暫く安静な状態に置けば２人工間節の部位によっ
ては健全性を回復する場合が多いことが判明した。した
がって２人工間節の健全性の低下及び低下部位を早期に
発見することは今後極めて重要なことと考えられる。

しかしながら、生体内に埋設された人工関節の健全性の
低下を早期に発見することは実際には仲々困難である。

従来、患者本人の自覚、レントヶ゛ン写真等による評価
、運動機能検査による評価等による評価結果から２人工
間節の健全性を監視する方法が採用されているが、これ
らは全て定性的な評価方法であって定量的評価は出来な
い。したがって、従来の方法では２人工間節の健全性の
低下の発見が遅れることが多く、患者に対して苦痛を強
いる場合が多かった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は人工関節等の人工機器の健全性を定量的
に評価することができる機能評価装置を提供することで
ある。

本発明の他の目的は人工機器の健全性の低下した部位を
も標定できる機能評価装置を提供することである。

〔発明の構成〕

本発明によれば、媒体内に埋設された人工機器の健全性
を評価する機能評価装置において２人工機器からの可聴
域を含む音響波を検知する複数のセンサーと、音響波を
周波数分析するζ、とにょ−）て１人工機器の健全性の
低下の度合を定量的に解析する解析装置と、音響波を時
間軸上で処理することにより健全性の低下位置を評定す
る位置標定装置とを有する機能評価装置が得られる。

〔発明の原理〕

本発明者等の研究結果によれば１人工間節から発生する
音響波は人工関節ではない通常の関節から発生する音響
波と全く異なっていることが判明した。以下８人工間節
から発生する音響波をＡＥ波と称する。更にこの人工関
節のみから発生するＡＥ波を周波数解析した結果、健全
な人工関節からのＡＥ波は結合劣化が生じている人工関
節からのＡＥ波と周波数帯域において異なっていること
が確認された。

第２図を参照して、より具体的に説明する。人工関節か
ら発生するＡＥ波は第２図に示すように。

５０　Ｈｚ以下の帯域Ｉと、　２００　Ｈｚ　〜３５０
　Ｈｚの範囲の帯域■、及び５００　Ｈｚ以下の帯域■
とに分けることができ２人工間節が正常な場合、　ＡＥ
波は患者の運動態位に関係なく、帯域■内にあることが
判明した。尚、運動態位１，５，６．及び７はそれぞれ
歩行１着席、起立、及び着座時の大腿部上下運動である
。

いずれの運動態位においても２人工間節−自然骨間の結
合が正常な場合には、　ＡＥ波は帯域Ｈにあり２人工間
節−自然骨間に結合劣化が生じた場合。

帯域■だけてなく、帯域！及び■のＡＥ波も観測された
。したがって、帯域Ｉ及び■のＡＥ波を監視することに
よって、結合劣化の有無及びその程度を知ることができ
る。

そこで本発明では２本発明者等の以上の研究結果から、
　ＡＥ波を周波数帯域に分け、各帯域のＡＥ波を監視す
ることにより２人工間節の健全性の低下の度合を解析し
ようとするものである。

尚、ここで１人工間節−自然骨間の結合劣化どけ２人工
間節が自然骨中に沈むＳｉｎｋｉｎｇと９人工間節−自
然骨間に隙間が生じるｌｏｏｓｅｎｉｎｇとを意味する
ものである。

一方２人工関節のＡＥ波発生の位置標定に関し。

本発明者等は、以下の研究結果をも得ている。

まず、　ＡＥ波の骨伝播速度Ｖは、一定の間隔を設けだ
２地点へのＡＥ波の信号到達時間差と、その各各の地点
で検出されたＡＥ波の相互相関関数とを併用して算出し
た結果、骨伝播速度Ｖ　−＝　２００　ｍ／ｓであるこ
とが判明した。そして、　ＡＥ波を検出するセンサーを
人工関節を挾み他の関節を介（〜ない位置に取り付けて
、　ＡＥ波の信号到達時間差と、上記骨伝播速度■とを
解析して１人工間節の健全性の低下位置を標定しだ。そ
の結果、当該人工関節の健全性の低下位置のＸ線所見と
、センサーによる標定位置とは一致することが確認され
た。特に。

人工関節の運動態位を変化させて測定することにより２
位置標定の精度向上が図れることも確認された。

以上述べたように、　ＡＥ波の骨伝播速度Ｖとその信号
到達時間差とを解析すれば人工関節の健全性の低下の有
無だけでなく、低下位置をも標定できる。

以下余日〔実施例〕次に２図面を参照して説明する。第１図は本発明の一実
施例に係る機能評価装置である。概略内に云えば機能評
価装置は上記した原理に基き、生体１０内に埋設された
人工関節１１からのＡＥ波を受信解析して２人工間節の
健全性を評価並びに健全性の低下位置の標定を行なうも
のである。

まず、上記機能評価装置は人工関節１１からの音響波を
検出する２個のセンサ１２、及び１２□を有している。

人工関節１１より発生したＡＥ波は人体内を伝播し、大
きく減衰するため、金属中のＡＥ波と異なシ２人体表面
に達する信号の前述のように２周波数帯域は数Ｈｚ〜約
１　ｋＨｚの可聴域周波数となっている。

第１図と共に第３図をも参照すると、センサ１２、及び
１２□は上記した可聴域周波数の帯域のＡＥ波を検出で
きればよく、このため、各センサ１２□及び１２□は、
共鳴体にマイクロフォンを装置した基本構造である。具
体的に云えば、各センサ１２□及び１２２は、筒状の共
鳴体２２を有している。共鳴体２２の一端には、開口部
２３が設けてあり、他端は閉成されている。この開口部
２３はプラスティック薄膜２４により覆われている。プ
ラスティック薄膜２４は人体１０に接触して８人工間節
が発するＡＥ波を空気振動に変えるものである。共鳴体
２２の他端には、管２５が取り付けられている。管２５
の外方端部には、可動自在に筒管２６か接合されている
。筒管２６内部には、コンデンサマイクロフォン２７が
設けられている。コンデンサマイクロフォン２７は、適
宜の接着剤２８（シリコンゴム等）にて固着されている
。また、筒管２６には、コンデンサマイクロフォン２７
の付近の適宜位置に、空気抜き穴２９が穿設されている
。空気抜き穴２９は２人体表面の脈拍による低周波或は
大振幅の信号等を低減するためのものである。尚ここで
２人体の運動による入毛、皮膚との接触により、プラス
ティック薄膜２４と人体１０との接触部では、雑音が生
じ易い。

このためグリース（ケラチンクリーム等）を人体との接
触部に塗布して、雑音を低減した後、各センサ１２１及
び１２□と人体とをエラスティックバンドエイド等によ
シ固定しである。

このように２つのセンサ１２□及び１２□を使用するの
は、後述するように２人工間節の健全性の劣化位置を標
定するためである。

第１図に戻ると、センサー１２．及び１２□に到達した
ＡＥ波はそれぞれ電気信号に変換され、増幅器１３□　
、１３□及びケーブル１４１．１４□を介してフィルタ
ー１５１．１５□に送出される。

フィルター１４□　、１４□は電気信号から外部雑音を
除去して被解析信号として送出する。

フィルター１４□からの被解析信号は解析装置１６に供
給される。ここで、解析装置１６は音響波の発生原因を
生体１０の運動と関連して究明するだめのものである。

したがって、生体１０の運動状態を別途用意された撮像
システム（図示せず）によりビデオテープに記録し、ビ
デオテープをも併せ参照して解析すれば、正確な評価が
行なえる。

第１図に示した解析装置１６はＡＥ波の発生量を検出す
る第１の処理部１８と、　ＡＥ波の性質を分析する第２
の処理部１９とを有している。第１の処理部１８は生体
１０の運動回数をあられす事象数。

各事象におけるＡＥ波の発生率等を演算する。これらの
演算は通常のカウンタ等を使用して容易に実行できる。

一方、第２の処理部１９はスペクトル解析装置ヲ有し、
このスペクトル解析装置によって、　ＡＥ波の振幅、エ
ネルギー、立上り時間、持続時間、及び周波数等を解析
する。スペクトル解析装置は市販のものを使用できる。

スペクトル解析装置で解析された解析結果は第２の処理
部１９内に備えられた音源識別装置に与えられ２人工間
節の健全性の低下の度合が究明される。

一方、フィルター１５０．及び１５□の被解析信号は２
位置標定装置２０に送出され２両音響波の立上シ時間の
差が検出され、この時間差からＡＥ波の発生位置が標定
できる。

ここで、具体的な一例を上げると、第４図（ａ）に示す
とおり１人工間節１１は、骨盤２９に打ち込まれるソケ
ット部３０と大腿骨３１の先端に設けた頭骨部３２とか
らなる関節部と２頭骨部３２から延出し大腿骨３１中に
挿入されるステム部３３とからなる。関節部の長さは約
１０ｃｒｎであシ、ステム部３３は約１５ｍである。セ
ンサ１２□は膝蓋骨上の外皮に固定され、センサ１２．
は、骨盤骨上の外皮に固定される。センサ１２□及び１
２１の固定部位に膝蓋骨上及び骨盤骨上の部位°を選択
したのは、筋肉自身の運動が伝わらず、且つ、ＡＥ波の
減衰を少さくするために、皮下脂肪の少ない部位である
からである。尚、骨盤のセンサ取付位置から人工関節の
ソケット部までの距離は約２０備であり、膝蓋骨上に取
付けたセンサから人工関節の骨頭部までは約４０ｃｒｎ
であるとす、る。

次に、上記した状態で、骨伝播速度Ｖ　＝　２００＋ｒ
Ｌ／５ＯＡＥ波が、上記の人工関節及び自然骨を伝播す
ると、２個のセンサ（ここでは上部センサ１２□及び下
部センサ１２□と呼ぶ）とに各々検出されるＡＥ波の信
号到達時間に差違が生じる。

第４図（ｂ）の縦軸は、　ＡＥ波の信号到達時間差を示
し、他方、横軸は第２図に関連して説明した運動態位１
，５，６．７を示す。ここで、縦軸の時間差は２個のセ
ンサ１２□及び１２□における時間差Ｏを中心として負
側が下部センサ１２□に早く到達した場合、正側が上部
センサに早く到達した場合の時間差とする。

第４図（ｂ）からも明らかな通り８例えば＋１ｍｓの一
時間差を生じる時のＡＥ波は２人工間節の骨盤２９に打
ち込まれたソケット部３０より発生した場合であり、ま
た、−１ｍｓの時間差を生じる時のＡＥ波は２人工間節
のステム部３３の先端部より発生した場合であることが
標定できる。

また、横軸には、運動態位によりＡＥ波が発生する位置
に相当する時間差はかなり明確な差が認められるが、こ
れは、運動態位により１人工間節にかかる力の大きさと
方向とが異なるため、　ＡＥ波の発生位置も変化するこ
とを示している。よって、運動態位を変化させて種々の
ＡＥ波の到達時間差を得ることにより、精度の高い位置
標定を行うことができる。

解析装置１６及び位置標定装置２０における解析結果及
び標定結果は表示装置２１上に定量的に表示される。し
たがって９表示を見ることによって人工関節１１の健全
性の劣化の度合及び劣化位置を知ることができると共に
１人工間節１１の寿命を予測することも可能である。

以上述べた実施例では１人工間節について述べだが２本
発明は何等これに限定されることなく。

他の人工機器２例えば２人工骨等の健全性を評価するの
にも適用できる。まだ、単に人体に埋設される場合だけ
でなく、他の動物に埋設された人工機器を評価する場合
にも９本発明は適用できる。

〔発明の効果〕

本発明は２人工機器の健全性の劣化を定量的に検出でき
るため、患者に対して適切な指示を与えることが可能と
なシ、患者に加わる肉体的、経済的な坦を大幅に軽減で
きるという効果がある。

ある。第２図は人工関節から発するＡＥ波の周波数帯域
乞、各運動態位毎に表示しだものである。第３図は本発
明に係るセンサーの一実施例を示す断面図である。第４
図（ａ）はＡＥ波発生位置と到達時間差との関係を示す
ものである。第４図（ｂ）は、動作態位と到達時間差の
関係を示すものである。

記号の説明１２、　、１２□：センサ、１３．．１３□：増幅器、
１４．．１４□：ケーブル、１５．．１５□：フィルタ
、１８：解析装置。

２０：位置標定装置、２１：表示装置。

序２図動作態、（ｔＬ動　作態イ立

Claims

【特許請求の範囲】

１、媒体内に埋設された人工機器の健全性を評価する機
能評価装置において、前記人工機器からの可聴域を含む
音響波を検知する複数のセンサーと、前記音響波を周波
数分析することによって、前記人工機器の健全性の低下
の度合を解析する解析装置と、前記音響波を時間軸上で
処理することにより前記健全性の低下位置を評定する位
置標定装置とを有することを特徴とする機能評価装置。