WO2015137131A1 - 超音波診断装置、及び超音波診断方法 - Google Patents

超音波診断装置、及び超音波診断方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus and an ultrasonic diagnostic method for diagnosing the state of cartilage.
  • an ultrasonic diagnostic apparatus that derives information related to cartilage based on the reflected echo of the ultrasonic wave transmitted toward the cartilage.
  • an ultrasonic diagnostic apparatus that derives information related to cartilage based on the reflected echo of the ultrasonic wave transmitted toward the cartilage.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus disclosed in Patent Document 1 by performing edge extraction at the echo level of an echo signal of an ultrasonic beam transmitted toward the knee cartilage, cartilage and other adjacent cartilage The boundary with the organization is extracted. Then, the shape of the cartilage is extracted based on the extracted boundary.
  • the edge extraction as described above may not be performed accurately, and the estimation accuracy of the boundary between the two may be reduced. is there. Then, the shape of cartilage cannot be detected accurately.
  • the present invention is for solving the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to accurately detect the shape of the cartilage and derive information on the cartilage based on the accurately detected cartilage echo. .
  • an ultrasonic diagnostic apparatus is a soft tissue that covers a joint part including an end part of a first bone part and an end part of a second bone part.
  • An ultrasonic transmitter for transmitting an ultrasonic wave toward the cartilage at the end of the first bone part, and an ultrasonic receiver for receiving an echo signal of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter
  • An ultrasonic diagnostic apparatus for diagnosing the degree of degeneration of the cartilage based on the echo signal received by the ultrasonic receiver, wherein the ultrasonic transmitter transmits and receives the ultrasonic waves In each of a plurality of bending states in which the bending angle of the second bone portion with respect to the first bone portion is different in a state where the relative position of the transmitting / receiving surface with respect to the cartilage is fixed, ultrasonic waves are applied to the cartilage.
  • the ultrasonic receiver receives the plurality of bent states. Each receiving an echo signal in each frame specified by a depth direction of the cartilage and a direction orthogonal to the depth direction, and the ultrasonic diagnostic apparatus receives the echo received by the ultrasonic receiver
  • a low-frequency component extraction unit that extracts low-frequency echo data that is echo data having a frequency component lower than a predetermined frequency in a frame direction that is an alignment direction of the plurality of frames is extracted from the signal by the low-frequency component extraction unit.
  • a derivation unit for deriving information on the cartilage based on the low-frequency echo data.
  • the second bone portion has a predetermined period between the first bent state having the largest bending angle and the second bent state having the smallest bending angle among the plurality of bent states.
  • the ultrasonic transmission unit transmits ultrasonic waves at a predetermined time interval.
  • the said predetermined frequency is set as a frequency lower than the frequency represented as the reciprocal number of the said predetermined period.
  • the derivation unit includes an echo image generation unit that generates an echo image as information on the cartilage based on the low-frequency echo data.
  • the low-frequency component extraction unit is configured by echo data for each frame aligned in the frame direction, and includes the frame direction, the depth direction of the cartilage, and the frame direction and the depth.
  • a Fourier transform unit that performs Fourier transform at least in the frame direction on 3D echo data specified by a direction orthogonal to both directions, and the 3D echo that has undergone Fourier transform in the Fourier transform unit
  • a low pass filter for extracting the low frequency echo data from the data.
  • the Fourier transform unit performs a three-dimensional Fourier transform on the three-dimensional echo data
  • the derivation unit uses the three-dimensional echo data Fourier-transformed by the Fourier transform unit
  • a selection unit for selecting low-frequency two-dimensional echo data, which is low-frequency two-dimensional echo data in the frame direction, and a reference line passing through the origin in the low-frequency two-dimensional echo data selected by the selection unit A sum of echo intensities in a region corresponding to each of the plurality of angular positions to calculate a total value, a spectral angle characteristic calculation unit that calculates each of the total values for each of the angular positions as a spectral angle characteristic; and In the spectral angle characteristic calculated by the spectral angle characteristic calculation unit, the total value is a peak of the spectral angle characteristic.
  • the angle width calculation unit that calculates the width of the angle at which a predetermined percentage of the value.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus is specified in any one of the echo data for each frame in a depth direction of the cartilage and a direction orthogonal to the depth direction, and includes the cartilage.
  • an analysis region setting unit that sets an analysis region that is a region excluding the subchondral bone to which the cartilage adheres, and the selection unit is included in the analysis region set by the analysis region setting unit Select low-frequency two-dimensional echo data.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus is used for the femur as the first bone part and the tibia as the second bone part.
  • the wave transmitting / receiving surface is arranged along a direction in which a normal direction is directed to the cartilage and the femur extends.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus further includes a display unit for displaying information on the cartilage derived by the deriving unit.
  • an ultrasonic diagnostic method provides a soft tissue that covers a joint part including an end part of a first bone part and an end part of a second bone part.
  • a soft tissue that covers a joint part including an end part of a first bone part and an end part of a second bone part.
  • ultrasonic waves are applied to the cartilage.
  • the shape of the cartilage can be accurately detected, and information on the cartilage can be derived based on the cartilage echo detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention, and a cross-sectional view schematically illustrating a patient's knee in a state where a probe of the ultrasonic diagnostic apparatus is set.
  • It is a schematic diagram which shows the state of the knee joint at the time of ultrasonic transmission, Comprising: (A) shows the state (1st bending state) with the largest angle (flexion angle) between a femur and a tibia at the time of apparatus use. The figure shown, (B) is a figure which shows the state (2nd bending state) with the smallest bending angle.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows an example of a structure of the analysis area
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasound diagnostic apparatus 1 is for diagnosing the state (degeneration degree) of the cartilage at the proximal end of the femur (first bone) in the patient's knee.
  • the index indicating the degree of degeneration of the knee cartilage described above is calculated, as will be described in detail later, and the user (for example, a doctor) diagnoses the patient's knee cartilage from the index. Can do.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1 includes an operation unit 2, a control unit 3, a probe 4, a signal processing unit 10, and a display unit 5.
  • the operation unit 2 is composed of, for example, a keyboard or a touch panel, and accepts user operation input.
  • the operation unit 2 instructs the control unit 3 to start executing a process for detecting the cartilage surface in accordance with a user operation input.
  • the operation unit 2 outputs an instruction to set or switch the display mode to the display unit 5 in accordance with a user operation input.
  • the operation unit 2 may be incorporated in the display unit 5.
  • the control unit 3 generates a pulsed ultrasonic signal and controls the probe 4 so that the ultrasonic signal is transmitted from the probe 4.
  • the probe 4 includes a plurality of transducers 4b arranged in a direction parallel to the transmission / reception surface 4a (see FIG. 1).
  • the direction in which the transducers 4b are arranged is the scanning direction (the X direction in FIG. 1, the direction perpendicular to the depth direction of the cartilage 52).
  • Each transducer 4b is provided as an ultrasonic transmitter that transmits an ultrasonic signal toward the cartilage 52 at predetermined time intervals.
  • Each transducer 4b is provided as an ultrasonic receiver that receives an echo signal of the transmitted ultrasonic signal.
  • the probe 4 is such that the normal direction of the wave transmitting / receiving surface 4 a of the probe 4 is directed to the cartilage 52 of the femur 51 and from the proximal to the distal side of the femur 51. It is applied to the surface of the soft tissue 60 of the knee (that is, along the direction in which the femur 51 extends). Thereby, an ultrasonic wave is transmitted along the depth direction of the cartilage 52.
  • the soft tissue 60 is a portion that exists on the surface side of the knee relative to the cartilage 52 of the femur 51, and is composed of skin, muscle, and the like.
  • the cartilage 52 is attached to the subchondral bone 53, and the subchondral bone 53 is a tissue connected to the cancellous bone 54.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the state of the knee joint 50 during ultrasonic transmission.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus in the ultrasonic diagnostic apparatus 1, ultrasonic waves are transmitted from each transducer 4b in each of a plurality of bending states in which the bending angles of the tibia 55 (second bone portion) with respect to the femur 51 are different.
  • the reflected wave of the transmitted ultrasonic wave is received by each transducer 4b.
  • the echo signals obtained in each bent state are each output to the signal processing unit 10.
  • each transducer 4b has a predetermined time. Send ultrasonic waves at intervals. Specifically, the doctor determines that the patient's knee state is repeated between the first bent state shown in FIG. 2 (A) and the second bent state shown in FIG. 2 (B). The part is bent and stretched at a predetermined cycle (for example, 10 seconds). During this time, each transducer 4b transmits an ultrasonic wave at a constant time interval and receives the ultrasonic echo signal transmitted in each bent state between the first bent state and the second bent state.
  • a predetermined cycle for example, 10 seconds
  • the probe 4 When the patient's lower knee is bent and stretched as described above, the probe 4 is fixed in a relative position with respect to the femur 51. Accordingly, when the knee is bent and stretched, the position of the cartilage 52 with respect to the probe 4 becomes substantially the same, whereas the position of the soft tissue 60 with respect to the probe 4 changes with a predetermined periodicity (with the predetermined period). .
  • the signal processing unit 10 analyzes the state of the cartilage 52 based on the echo signal received by each transducer 4b as described above, and outputs the analysis result to the display unit 5. The detailed configuration and operation of the signal processing unit 10 will be described later in detail.
  • the display unit 5 displays the analysis result of the cartilage 52 analyzed by the signal processing unit 10. Specifically, an echo image indicating the shape of the cartilage 52 is displayed on the display unit 5. Further, the display unit 5 displays the feature amount as an index indicating the state of the cartilage calculated by the signal processing unit 10. The user diagnoses the state of the cartilage 52 of the patient's knee from these echo images and feature quantities.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the signal processing unit 10 of the ultrasonic diagnostic apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the signal processing unit 10 includes an echo signal receiving unit 11, an AD conversion unit 12, an analysis region setting unit 13, a three-dimensional DFT processing unit 14, an LPF processing unit 15, and a three-dimensional IDFT.
  • a processing unit 16, an echo image generation unit 17, and a feature amount calculation unit 18 are provided.
  • the signal processing unit 10 is configured using hardware including a CPU, a RAM, a ROM (not shown), and the like.
  • the signal processing unit 10 is configured using software including a signal processing program stored in the ROM.
  • the signal processing program is a program for causing the signal processing unit 10 to execute the signal processing method according to the embodiment of the present invention.
  • This program can be installed externally.
  • the installed program is distributed while being stored in a recording medium.
  • the hardware and software are configured to operate in cooperation.
  • the signal processing unit 10 can be caused to function as the above-described echo signal receiving unit 11, AD conversion unit 12, analysis region setting unit 13, and the like.
  • the echo signal receiving unit 11 performs a predetermined amplification process on the echo signals obtained in each of the plurality of bent states described with reference to FIG.
  • the AD conversion unit 12 converts the echo signal into discrete data by sampling at predetermined time intervals.
  • the echo signal converted into discrete data becomes echo data.
  • a plurality (two or more frames) of two-dimensional echo data specified by the scanning direction x and the depth direction z can be obtained. That is, the AD converter 12 can obtain three-dimensional echo data.
  • the AD conversion unit 12 outputs the echo data to the analysis region setting unit 13.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of the configuration of the analysis area setting unit 13.
  • the analysis area setting unit 13 sets an area excluding an echo signal from the subchondral bone 53 that is unnecessary for diagnosing the state of the cartilage 52 as an analysis area.
  • the analysis region setting unit 13 includes an attention region setting unit 13a, an echo level difference calculation unit 13b, a determination unit 13c, and a setting unit 13d.
  • FIG. 5 is an echo image based on the echo data output from the AD conversion unit 12, and is a diagram for explaining the setting of the region of interest.
  • FIG. 5 is illustrated as an echo image of a region specified by the scanning direction of the probe 4 (x direction in FIG. 5) and the depth direction of the cartilage (z direction in FIG. 5).
  • Region of interest R n is comprised of a first region R A and the second region R B.
  • the first region RA is a region on the knee surface side in the region of interest R.
  • the second region R B is a region of the first region R A depth direction than the (Z direction) is deeper side in the region of interest R, is a short region width in the depth direction than the first region R A .
  • the attention area setting unit 13a sets the attention area R n a plurality of times while shifting the attention area R n by a predetermined interval toward the deep side in the depth direction.
  • the echo level difference calculation unit 13b calculates an average value (first average value) of echo intensities of all samples in the first region and an average value (second average value) of echo intensities of all samples in the second region.
  • the subtraction value is calculated by subtracting the second average value from the first average value.
  • Determining unit 13c from a plurality of the subtraction values calculated for each region of interest R n which is set a plurality of times, to select the most value is less subtraction value, the subtracted value is calculated and determining a region of interest R N, and a subchondral bone area which is an area that includes the subchondral bone.
  • the setting unit 13d sets a region excluding the subchondral bone region determined by the determination unit 13c, specifically, a rectangular region shallower than the subchondral bone region as the analysis region.
  • the three-dimensional DFT processing unit 14 performs a three-dimensional DFT (Discrete Fourier Transformation) process on the echo data in the analysis region set by the analysis region setting unit 13. Thereby, the three-dimensional echo data including the data in the real space region and the time region can be converted into the three-dimensional echo data including the data in the wave number space region and the frequency region.
  • the three-dimensional echo data is output to the LPF processing unit 15 and the feature amount calculation unit 18.
  • the LPF processing unit 15 performs LPF processing (low-pass filter processing) in the frame direction on the three-dimensional echo data output from the three-dimensional DFT processing unit 14.
  • LPF processing low-pass filter processing
  • the echo signal of the soft tissue 60 having substantially the same period as the predetermined period can be removed from the echo signal of the cartilage 52 whose period is sufficiently smaller than the predetermined period.
  • the data obtained by the LPF processing unit 15 is output to the three-dimensional IDFT processing unit 16 as low frequency echo data.
  • This low-frequency echo data can be displayed as a power spectrum on the coordinates specified by the wave number kx in the x direction and the wave number kz in the z direction.
  • the three-dimensional IDFT processing unit 16 performs an inverse Fourier transform on the low frequency echo data output from the LPF processing unit 15. Accordingly, the three-dimensional IDFT processing unit 16 converts the low frequency echo data, which is data in the wave number space domain and the frequency domain, into echo data in the real space.
  • the three-dimensional DFT processing unit 14, the LPF processing unit 15, and the three-dimensional IDFT processing unit 16 described above are echo data having a frequency component lower than a predetermined frequency from the three-dimensional echo data output from the AD conversion unit 12. It functions as a low frequency component extraction unit that extracts low frequency echo data.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an echo image generated by the echo image generation unit 17.
  • the echo image generation unit 17 generates an echo image from the echo data generated by the three-dimensional IDFT processing unit 16 in which the echo data of the soft tissue 60 is reduced.
  • the echo image generation unit 17 of the present embodiment generates an echo level image based on echo data from each position in the analysis region set by the analysis region setting unit 13.
  • the echo level image is composed of a plurality of pixels arranged in a grid pattern. Each pixel is arranged at a position corresponding to each position in the analysis area, and has a luminance level corresponding to the echo intensity at each position in the analysis area.
  • the luminance level goes from higher to lower, for example, colors that gradually change in the order of red, orange, yellow, green, blue, and dark blue are displayed in association with each other.
  • FIG. 6 for convenience, a region with a high luminance level is indicated by dark hatching, and a region with a low luminance level is indicated by thin hatching.
  • the echo image is displayed on the display unit 5.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the feature amount calculation unit.
  • the feature amount calculation unit 18 is a feature amount that is an index indicating the feature of the echo data from the low-frequency echo data output from the LPF processing unit 15, that is, echo data mainly composed of echo data from the cartilage 52. Is calculated.
  • the feature amount calculation unit 18 calculates a half-value width, which will be described in detail later, as the feature amount.
  • the feature amount calculation unit 18 includes a power spectrum selection unit 18a, a spectrum angle characteristic calculation unit 18b, and a half-value width calculation unit 18c (angle width calculation unit).
  • FIG. 8 is a diagram showing a power spectrum of a low frequency component.
  • the power spectrum selection unit 18a selects a power spectrum of a low frequency component from the power spectrum obtained from the three-dimensional echo data output from the three-dimensional DFT processing unit 14. That is, the power spectrum selection unit 18a selects a power spectrum mainly composed of echo data of the cartilage 52.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method for calculating the spectral angle characteristic from the power spectrum shown in FIG. 8, and FIG. 10 is a waveform showing an example of the spectral angle characteristic obtained by the method shown in FIG. It is.
  • the spectrum angle characteristic calculation unit 18 b sets a target region R ⁇ that is a fan-shaped minute region centered on the center C (origin) of the power spectrum.
  • the spectrum angle characteristic calculation unit 18b shifts the rotational position ⁇ of the target region R ⁇ in the range of 0 degrees to 180 degrees.
  • Spectral angle characteristic calculation unit 18b in the region of interest R [Delta] [theta] of the rotational position ⁇ gradually shifted, adding the echo intensity of all points within each target region R [Delta] [theta].
  • the spectral angle characteristic calculation unit 18b calculates the spectral angle characteristic shown in FIG. 10 by calculating the total value of the echo intensities corresponding to the respective rotational positions ⁇ .
  • the total value of the echo intensity for each rotational position ⁇ is standardized.
  • the present invention is not limited to this, and the above-described total value may be used as it is.
  • the half-width calculator 18c calculates the half-width of the peak of the spectrum angle characteristic calculated by the spectrum angle characteristic calculator 18b. Specifically, the half-value width calculation unit 18c detects a peak value in a predetermined angle range near 90 degrees (for example, 80 degrees to 100 degrees as an example), and the half-value width of the peak waveform having the peak value (FIG. 10). In the example shown in FIG.
  • the full width at half maximum is output and displayed on the display unit 5 as a feature amount that is an index indicating the degree of degeneration of the cartilage 52. In the present embodiment, the full width at half maximum is obtained from the spectral angle characteristic, but the present invention is not limited to this. Specifically, in the spectral angle characteristic, an angle width in which the total value is a predetermined ratio with respect to the peak value of the spectral angle characteristic may be calculated.
  • FIG. 11 is an echo image of cartilage
  • (A) shows an example of an echo image of normal cartilage
  • (B) shows an example of an echo image of degenerated cartilage.
  • FIG. 12 is an image of echo data obtained by inverse Fourier transform of the degenerated cartilage echo data shown in FIG.
  • the echo image of cartilage shown in FIG. 11A is obtained by performing inverse Fourier transform on the echo data shown in FIG.
  • the normal cartilage echo image is continuous along the scanning direction x of the probe 4. Therefore, when this is subjected to inverse Fourier transform, a directional power spectrum is generated (see FIG. 8). Therefore, the half-value width of the spectrum angle characteristic calculated from the power spectrum is relatively small as shown in FIG.
  • the echo image of the degenerated cartilage is different from the echo image of the normal cartilage shown in FIG. 11 (A), and is continuous along the scanning direction x of the probe 4 as shown in FIG. 11 (B). Rather, it becomes discrete. Therefore, when this is subjected to inverse Fourier transform, a power spectrum with relatively small directivity is generated (see FIG. 12). Therefore, the half-value width of the spectrum angle characteristic calculated from the power spectrum is larger than the half-value width of the spectrum angle characteristic obtained from normal cartilage, as shown in FIG. In FIG. 13, a waveform indicated by a broken line is a spectral angle characteristic obtained from normal cartilage, and a waveform indicated by a solid line is a spectral angle characteristic obtained from degenerated cartilage.
  • FIG. 14 is a flowchart for explaining the operation of the signal processing unit 10. The operation of the signal processing unit 10 will be described with reference to FIG.
  • step S1 the probe 4 is set on the patient's knee. At this time, the probe 4 is set with respect to the patient's knee so that the normal direction of the wave transmitting / receiving surface 4a is along the direction in which the femur 51 extends.
  • step S2 referring to FIG. 2, the patient's knee is bent and stretched at a predetermined cycle between the first bent state and the second bent state.
  • this bending and stretching is performed by, for example, a doctor swinging the patient's lower knee.
  • the ultrasonic wave is transmitted and received by the transducer 4b of the probe 4 in step S3.
  • the echo signal received by the transducer 4 b is subjected to a predetermined amplification process by the echo signal receiving unit 11 and then converted into a digital signal by the AD conversion unit 12.
  • step S4 it is determined whether or not data necessary for the subsequent three-dimensional DFT processing has been acquired. Specifically, it is determined whether or not the necessary number (for example, 32 as an example) of echo data in a bent state is obtained.
  • the process proceeds to step S5.
  • the process returns to Step S2 and Step S3, and Steps S2 and S3 are performed again.
  • step S5 an analysis area is set.
  • the region of interest setting unit 13a sets a configured region of interest R 1 in the first region R A and the second region R B
  • the echo level difference calculation unit 13b After calculating the average value (first average value and second average value) of the echo intensities of all the samples in the regions R A and R B , the subtraction value obtained by subtracting the second average value from the first average value is obtained. calculate.
  • the subtraction value is calculated for each region of interest R n to be even by a predetermined distance to the deep direction.
  • the determination unit 13c determines that the region of interest having the largest subtraction value is a subchondral bone region that includes the subchondral bone, and the setting unit 13d has a shallower side than the subchondral bone region. Set the rectangular area as the analysis area.
  • step S6 three-dimensional DFT processing is performed on the echo data in the analysis region set in step S5 among the echo data of the knee joint corresponding to each of a plurality of flexion states. Thereby, three-dimensional echo data including data in the wave number space domain and the frequency domain can be obtained.
  • step S7 the LPF processing unit 15 generates low frequency echo data by performing LPF processing on the three-dimensional echo data in the frame direction. Thereby, the echo signal from the soft tissue 60 can be reduced.
  • step S8 the three-dimensional IDFT processing unit 16 performs inverse Fourier transform on the low-frequency echo data. Accordingly, the three-dimensional IDFT processing unit 16 converts the low frequency echo data, which is data in the wave number space domain and the frequency domain, into echo data in the real space.
  • step S9 the echo image generation unit 17 generates an echo image from the low-frequency echo data generated by the three-dimensional IDFT processing unit 16 (that is, echo data in which the echo signal of the soft tissue 60 is reduced). (See FIG. 6).
  • the echo image is displayed on the display unit 5 as information on cartilage.
  • step S10 the feature amount calculation unit 18 performs a process of calculating a half width as a feature amount.
  • FIG. 15 is a flowchart showing each step performed in step S10. With reference to FIG. 15, the step of calculating the feature amount will be described.
  • the power spectrum selection unit 11a selects a power spectrum of a low frequency component from the power spectrum obtained from the three-dimensional echo data output from the three-dimensional DFT processing unit 14.
  • the power spectrum selection unit 11a may select the power spectrum of the low frequency component from the power spectrum obtained from the low frequency echo data generated by the LPF processing unit 15.
  • step S12 the spectrum angle characteristic calculation unit 18b sets a target region R ⁇ that is a fan-shaped minute region centered on the center C (origin) of the power spectrum (see FIG. 9).
  • the target region R ⁇ where the rotation angle is 0 degree is set as an example.
  • step S13 the spectrum angle characteristic calculation unit 18b calculates the total value by summing up the echo intensities at all points in the target region R ⁇ .
  • step S14 the spectrum angle characteristic calculation unit 18b determines whether or not the total value has been calculated over the entire range in which the total value is to be calculated in the selected power spectrum. Specifically, the spectrum angle characteristic calculation unit 18b determines whether or not the rotation angle of the target region R ⁇ has reached 180 degrees. When the angle does not reach 180 degrees (No in step S14), the spectral angle characteristic calculation unit 18b shifts the position of the target region R ⁇ by rotating the target region R ⁇ by a predetermined angle in step S15, and newly The process of step S13 is performed again for the set target region R ⁇ . On the other hand, if the angle reaches 180 degrees (Yes in step S14), the process proceeds to step S16.
  • step S16 the spectrum angle characteristic calculation unit 18b normalizes the total value calculated as described above. Specifically, the spectral angle characteristic calculation unit 18b detects the maximum value of each total value calculated for each rotation angle, calculates a coefficient such that the maximum value after normalization is 1, Multiply all other values by the factor. Thereby, a spectral angle characteristic can be obtained. Note that step S16 may be omitted, and step S17 may be performed after step S14.
  • step S17 the half-value width calculation unit 18c obtains the half-value width of the spectrum angle characteristic.
  • the said half value width is displayed on the display part 5 as a feature-value.
  • a plurality of ultrasonic waves are transmitted while changing the bending angle of the tibia 55 with respect to the femur 51 while the relative position of the probe 4 with respect to the cartilage 52 is fixed.
  • an echo signal of the cartilage 52 is obtained in each of a plurality of bent states.
  • the echo resulting from the soft tissue 60 which is a high frequency component can be reduced by extracting a low frequency component from each echo signal obtained in each of the said some bending state. That is, unnecessary echoes (echoes from the soft tissue 60 in this embodiment) can be removed from desired echoes (echoes from the cartilage 52 in this embodiment). In this way, even if the difference in echo level between the desired echo and the unwanted echo is small, the unwanted echo can be reliably separated from the desired echo.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1 can accurately detect the shape of the cartilage 52.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1 based on the accurately detected shape of the cartilage 52, information on the cartilage 52 (in the case of the present embodiment, an echo image of the cartilage 52 and a half-value width as a feature amount of the cartilage 52 ) Can be derived. Therefore, the degree of cartilage degeneration can be diagnosed with higher accuracy.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus since ultrasonic waves are transmitted at predetermined time intervals to the knee joint that is bent and stretched at a predetermined cycle, an echo signal can be acquired smoothly in a relatively short time. it can.
  • the cutoff frequency is set as a frequency lower than a cycle (0.1 Hz in the present embodiment) expressed as the reciprocal of the knee bending / extension cycle. Thereby, a cutoff frequency can be set appropriately.
  • an echo image is generated as information on cartilage, so that a user (physician or the like) can diagnose the state of the cartilage from the echo image.
  • the three-dimensional echo data specified by the frame direction, the cartilage depth direction (z direction), and the direction orthogonal to the depth direction (x direction) is Fourier transformed in the frame direction.
  • the high-frequency component is removed from the three-dimensional echo data subjected to the Fourier transform by the low-pass filter unit. Thereby, the echo signal resulting from the soft tissue 60 can be appropriately removed from the three-dimensional echo data.
  • the three-dimensional echo data is Fourier-transformed in all directions, and a low-frequency component (low-frequency two-dimensional echo data) in the frame direction is extracted from the Fourier-transformed three-dimensional echo data.
  • a feature value (half-value width) is calculated based on the data.
  • an area including the cartilage 52 and excluding the subchondral bone 53 is set as an analysis area, and three-dimensional Fourier transform is performed on an echo signal in the analysis area.
  • a region unnecessary for calculating the feature amount (a region including the subchondral bone 53) can be removed, and the calculation load on the signal processing unit 10 can be reduced.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1 can diagnose the degree of degeneration of the cartilage 52 of the femur 51 for the knee joint including the proximal end of the femur 51 and the distal end of the tibia 55.
  • the normal direction of the wave transmitting / receiving surface 4 a of the probe 4 is arranged along the direction toward the cartilage 52 and the femur 51 extends, so that it is appropriate along the depth direction of the cartilage 52. Can transmit ultrasonic waves.
  • the feature amount (half-value width) calculated by the signal processing unit 10 is displayed on the display unit 5. Thereby, the user can visually recognize the feature amount as an index indicating the degree of degeneration of the cartilage 52.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus 1a according to a modification.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1a according to this modification includes an automatic knee bending mechanism 30 that can automatically change the bending state of the patient's knee.
  • the configuration of the automatic knee bending mechanism 30 described below is merely an example, and any configuration may be used as long as the mechanism can automatically bend the patient's knee.
  • portions that differ greatly from the above embodiment, specifically, the configuration and operation of the automatic knee bending mechanism 30 will be mainly described, and descriptions of other portions will be omitted.
  • the automatic knee flexing mechanism 30 is configured to be able to swing a portion below the patient's knee (lower knee) in a state where the position of the femur is fixed while the patient is sitting on the chair. At this time, the relative position of the probe 4 with respect to the femur is fixed by a fixture (not shown) or the like. Thereby, the patient's knee is bent in a plurality of states by the automatic knee bending mechanism 30.
  • the automatic knee bending mechanism 30 includes a base portion 31, a support column portion 32, and a swing mechanism 33.
  • the base portion 31 is a substantially plate-like portion placed on the floor, and is formed of, for example, a relatively heavy metal material.
  • the column part 32 is provided so as to extend upward from the base part 31 in a state of being installed on the floor. The column part 32 is fixed to the base part 31.
  • the swing mechanism 33 is configured to swing the patient's lower knee in the front-rear direction.
  • the swing mechanism 33 includes an electric motor 34, a footrest portion 35, and a connecting portion 36.
  • the electric motor 34 is attached to the upper portion of the column portion 32.
  • the footrest part 35 is formed in a substantially plate shape on which a patient's foot can be placed, and is supported on the upper surface of the base part 31.
  • the patient's foot is fixed to the footrest 35 by a fixing belt 37.
  • the connecting portion 36 is provided so as to extend in the vertical direction along the column portion, and the lower end portion is fixed to the footrest portion 35, and transmits the rotational force of the electric motor 34 to the footrest portion 35.
  • the electric motor 34 bends and stretches the patient's knee at the predetermined cycle described above between the first bent state and the second bent state shown in FIG. Thus, it rotates forward or backward.
  • ultrasonic waves are transmitted from each transducer 4b at predetermined time intervals.
  • FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of the signal processing unit 10a of the ultrasonic diagnostic apparatus according to the modification.
  • Fourier transform is performed for all directions on the three-dimensional echo data specified by the frame direction, the cartilage depth direction, and the direction orthogonal to both the frame direction and the depth direction (
  • the present invention is not limited to this, and the Fourier transform may be performed only in the frame direction.
  • the calculation load concerning the signal processing part 10a can be reduced.
  • an echo image is generated as information about cartilage, for example.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of the signal processing unit 10b of the ultrasonic diagnostic apparatus according to the modification.
  • the signal processing unit 10b according to this modification includes an echo signal receiving unit 11, an AD conversion unit 12, a low frequency component extraction unit 19, and a derivation unit 20.
  • the low frequency component extraction unit 19 extracts low frequency echo data, which is echo data having a frequency component lower than a predetermined frequency, from the three-dimensional echo data.
  • the low frequency component extraction unit 19 extracts low frequency echo data by using a technique such as LPF processing (low pass filter processing), wavelet transform, convolution, and the like.
  • the wavelet transform is one of frequency analysis methods and uses a wavelet function as a basis function.
  • the convolution a function obtained by performing an inverse Fourier transform on the transfer function used in the low-pass filter processing in the above embodiment is convolved with the three-dimensional echo data.
  • the derivation unit 20 derives information on cartilage based on the low frequency echo data extracted by the low frequency component extraction unit 19.
  • the information on the cartilage includes not only the echo image and the half-value width exemplified in the above embodiment, but also other information.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus is applied to the femoral cartilage.
  • the present invention is not limited thereto, and the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention is applicable to other cartilage. Can be applied.
  • the echo image and the full width at half maximum are displayed on the display unit 5 as information on cartilage.
  • the present invention is not limited to this, and the power spectrum selected by the power spectrum selection unit 18a is displayed on the display unit 5. It may be displayed.

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Abstract

【課題】軟骨の形状を正確に検出するとともに、精度よく検出された軟骨のエコーに基づいて該軟骨に関する情報を導出する。 【解決手段】超音波診断装置は、超音波送信部４ｂ及び超音波受信部４ｂと、低周波成分抽出部１９と、導出部２０と、を備えている。超音波送信部４ｂは、超音波の送受信が行われる送受波面の軟骨５２に対する相対位置が固定された状態における、第１の骨部５１に対する第２の骨部５５の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、軟骨５２に超音波を送信する。超音波受信部４ｂは、複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、各フレームにおけるエコー信号を受信する。低周波成分抽出部１９は、エコー信号から、フレーム方向について所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する。導出部２０は、低周波エコーデータに基づいて、軟骨に関する情報を導出する。

Description

超音波診断装置、及び超音波診断方法
　本発明は、軟骨の状態を診断するための超音波診断装置、及び超音波診断方法に関する。
　従来より、軟骨の状態を解析するために、軟骨に向かって送信された超音波の反射エコーに基づいて、軟骨に関する情報を導出する超音波診断装置が知られている。例えば、特許文献１に開示される超音波診断装置では、膝軟骨に向かって送信される超音波ビームのエコー信号のエコーレベルのエッジ抽出を行うことにより、軟骨と、該軟骨に隣接する他の組織との境界を抽出している。そして、当該抽出された境界に基づき、軟骨の形状を抽出している。
特開２０１０－１２５号公報
　しかし、軟骨と、該軟骨に隣接する他の組織との間のエコーレベルの差が小さい場合、上述のようなエッジ抽出が正確に行われず、両者の間の境界の推定精度が低くなるおそれがある。そうなると、軟骨の形状を正確に検出することができない。
　本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、軟骨の形状を正確に検出するとともに、精度よく検出された軟骨のエコーに基づいて該軟骨に関する情報を導出することである。
　（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る超音波診断装置は、第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信する超音波送信部と、該超音波送信部から送信された超音波のエコー信号を受信する超音波受信部と、を備え、該超音波受信部で受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断装置であって、前記超音波送信部は、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波を送信し、前記超音波受信部は、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨の深さ方向と該深さ方向に直交する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号を受信し、前記超音波診断装置は、前記超音波受信部で受信されたエコー信号から、複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する低周波成分抽出部と、前記低周波成分抽出部で抽出された前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報を導出する導出部と、を更に備えている。
　（２）好ましくは、前記第２の骨部は、前記複数の屈曲状態のうち前記屈曲角度が最も大きい第１屈曲状態と、前記屈曲角度が最も小さい第２屈曲状態との間において、所定周期で屈曲動作を行い、前記超音波送信部は、所定の時間間隔で超音波を送信する。
　（３）更に好ましくは、前記所定周波数は、前記所定周期の逆数として表される周波数
よりも低い周波数として設定されている。
　（４）好ましくは、前記導出部は、前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報としてのエコー画像を生成するエコー画像生成部を有している。
　（５）好ましくは、前記低周波成分抽出部は、前記フレーム方向に整列した前記フレーム毎のエコーデータで構成され、前記フレーム方向、前記軟骨の深さ方向、及び、前記フレーム方向及び前記深さ方向の両方に直交する方向、で特定される３次元エコーデータ、に対して、少なくとも前記フレーム方向にフーリエ変換を行うフーリエ変換部と、前記フーリエ変換部でフーリエ変換が行われた前記３次元エコーデータから前記低周波エコーデータを抽出するローパスフィルタ部と、を有している。
　（６）更に好ましくは、前記フーリエ変換部は、前記３次元エコーデータに対して３次元フーリエ変換を行い、前記導出部は、前記フーリエ変換部でフーリエ変換された前記３次元エコーデータから、前記フレーム方向における低周波の２次元エコーデータである低周波２次元エコーデータを選択する選択部と、前記選択部で選択された前記低周波２次元エコーデータにおける原点を通過する基準線に対して設定される複数の角度位置のそれぞれに対応する領域内のエコー強度を合計して合計値を算出し、各前記角度位置に対する各前記合計値をスペクトル角度特性として算出するスペクトル角度特性算出部と、前記スペクトル角度特性算出部で算出された前記スペクトル角度特性において、前記合計値が、前記スペクトル角度特性のピーク値に対する所定の割合となる角度の幅を算出する角度幅算出部と、を有している。
　（７）更に好ましくは、前記超音波診断装置は、前記フレーム毎のエコーデータのいずれか１つにおいて、前記軟骨の深さ方向及び該深さ方向に直交する方向で特定され、前記軟骨を含み且つ該軟骨が付着する軟骨下骨を除く領域である解析領域、を設定する解析領域設定部を更に備え、前記選択部は、前記解析領域設定部で設定された前記解析領域内に含まれる前記低周波２次元エコーデータを選択する。
　（８）好ましくは、前記超音波診断装置は、前記第１の骨部としての大腿骨、及び前記第２の骨部としての脛骨、に対して用いられる。
　（９）更に好ましくは、前記送受波面は、法線方向が、前記軟骨に向かい且つ該大腿骨が延びる方向に沿って配置される。
　（１０）好ましくは、前記超音波診断装置は、前記導出部で導出された前記軟骨に関する情報が表示される表示部、を更に備えている。
　（１１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る超音波診断方法は、第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信するステップと、前記超音波を送信するステップで送信された超音波のエコー信号を受信するステップと、を含み、前記エコー信号を受信するステップで受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断方法であって、前記超音波を送信するステップでは、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波が送信され、前記エコー信号を受信するステップでは、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて前記軟骨の深さ方向と該深さ方向と交差する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号が受信され、複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを
抽出するステップと、前記低周波エコーデータに基づいて前記軟骨に関する情報を導出するステップと、を更に含む。
　本発明によれば、軟骨の形状を正確に検出できるとともに、精度よく検出された軟骨のエコーに基づいて該軟骨に関する情報を導出できる。
本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図、及び、超音波診断装置のプローブがセットされた状態の患者の膝を模式的に示す断面図、である。 超音波送信時における膝関節の状態を示す模式図であって、（Ａ）は、装置使用時において大腿骨と脛骨との間の角度（屈曲角度）が最も大きい状態（第１屈曲状態）を示す図、（Ｂ）は、屈曲角度が最も小さい状態（第２屈曲状態）を示す図、である。 図１に示す超音波診断装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。 図３に示す解析領域設定部の構成の一例を示すブロック図である。 ＡＤ変換部から出力されたエコーデータに基づくエコー画像であって、注目領域の設定について説明するための図である。 エコー画像生成部によって生成されたエコー画像の一例を示す図である。 図３に示す特徴量算出部の構成を示すブロック図である。 ３次元ＤＦＴ処理部から出力された３次元エコーデータから得られるパワースペクトルＳ２から選択された低周波成分のパワースペクトルを示す図である。 図８で示すパワースペクトルからスペクトル角度特性を算出するための手法について説明するための図である。 図９で示す手法によって得られたスペクトル角度特性の一例を示す波形である。 軟骨のエコー画像であって、（Ａ）は正常な軟骨のエコー画像の一例、（Ｂ）は変性した軟骨のエコー画像の一例、である。 図１１（Ｂ）に示す変性した軟骨のエコーデータを逆フーリエ変換して得られるエコーデータの画像である。 正常な軟骨のスペクトル角度特性を示す波形と、変性した軟骨のスペクトル角度特性を示す波形とを重ねて表示する図であって、両者の違いを説明するための図である。 超音波診断装置の動作を説明するためのフローチャートである。 特徴量を算出するステップで行われる各ステップを示すフローチャートである。 変形例に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 変形例に係る超音波診断装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。 変形例に係る超音波診断装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
　本発明の実施形態に係る超音波診断装置１について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る超音波診断装置１の構成を示す模式図である。超音波診断装置１は、患者の膝における、大腿骨（第１の骨部）の近位端の軟骨の状態（変性度）を診断するためのものである。具体的には、超音波診断装置１では、詳しくは後述するが、上述した膝軟骨の変性度を示す指標が算出され、ユーザ（例えば医師）は、当該指標から患者の膝軟骨を診断することができる。
　［全体構成］
　超音波診断装置１は、図１に示すように、操作部２と、制御部３と、プローブ４と、信号処理部１０と、表示部５と、を備えている。
　操作部２は、例えば、キーボード又はタッチパネル等で構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。操作部２は、ユーザの操作入力に応じて、軟骨表面を検出する処理の実行開始を制御部３へ指示する。また、操作部２は、ユーザの操作入力に応じて、表示態様を設定もしくは切り替える指示を、表示部５に出力する。なお、この操作部２は、表示部５に組み込まれたものであってもよい。
　制御部３は、パルス状の超音波信号を生成し、当該超音波信号がプローブ４から送信されるように、プローブ４を制御する。
　プローブ４は、送受波面４ａに平行な方向へ配列された複数の振動子４ｂを備える（図１参照）。この振動子４ｂの配列方向が走査方向（図１におけるＸ方向、軟骨５２の深さ方向と直交する方向）となる。各振動子４ｂは、超音波信号を、所定の時間間隔で軟骨５２に向けて送信する超音波送信部として設けられている。また、各振動子４ｂは、送信された超音波信号のエコー信号を受信する超音波受信部として設けられている。
　プローブ４は、図１に示すように、当該プローブ４の送受波面４ａの法線方向が、大腿骨５１の軟骨５２に向かい且つ大腿骨５１の近位から遠位側へ向かう方向となるように（すなわち、大腿骨５１が延びる方向に沿うように）、膝の軟部組織６０の表面に当てられる。これにより、超音波が軟骨５２の深さ方向に沿って送信される。ここで、図１に示すように、軟部組織６０は、大腿骨５１の軟骨５２よりも膝の表面側に存在する部位であって、皮膚及び筋肉等で構成されている。軟骨５２は、軟骨下骨５３に付着しており、軟骨下骨５３は、海綿骨５４に結合した組織である。
　図２は、超音波送信時における膝関節５０の状態を示す模式図である。図２に示すように、超音波診断装置１では、大腿骨５１に対する脛骨５５（第２の骨部）の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、各振動子４ｂから超音波が送信されるとともに、送信された超音波の反射波が各振動子４ｂによって受信される。各屈曲状態で得られたエコー信号は、それぞれ、信号処理部１０へ出力される。
　本実施形態では、例えば一例として、医師が、患者の脚における膝から下の部分（以下、膝下部と称する場合もある）を所定周期で曲げ伸ばしする間、各振動子４ｂが、所定の時間間隔で超音波を送信する。具体的には、医師は、患者の膝の状態が、図２（Ａ）に示す第１屈曲状態と図２（Ｂ）に示す第２屈曲状態との間で繰り返されるように、患者の膝下部の曲げ伸ばしを所定周期（一例として、１０秒）で行う。この間、各振動子４ｂは、一定の時間間隔で超音波を送信するとともに、第１屈曲状態と第２屈曲状態との間の各屈曲状態において送信された前記超音波のエコー信号を受信する。
　上述のように患者の膝下部が曲げ伸ばしされる際、プローブ４は、大腿骨５１に対する相対位置が固定される。これにより、膝の曲げ伸ばしの際、プローブ４に対する軟骨５２の位置が概ね同じとなるのに対し、プローブ４に対する軟部組織６０の位置は、所定の周期性で（上記所定の周期で）変化する。
　信号処理部１０は、上述のように各振動子４ｂが受信したエコー信号に基づいて軟骨５２の状態を解析し、その解析結果を表示部５へ出力する。信号処理部１０の詳細な構成及び動作については、詳しくは後述する。
　表示部５は、信号処理部１０で解析された軟骨５２の解析結果を表示する。具体的には、表示部５には、軟骨５２の形状を示すエコー画像が表示される。また、表示部５には、信号処理部１０で算出された、軟骨の状態を示す指標としての特徴量が表示される。ユー
ザは、これらのエコー画像及び特徴量から、患者の膝の軟骨５２の状態を診断する。
　［信号処理部の構成］
　図３は、本実施形態に係る超音波診断装置１の信号処理部１０の構成を示すブロック図である。信号処理部１０は、図３に示すように、エコー信号受信部１１と、ＡＤ変換部１２と、解析領域設定部１３と、３次元ＤＦＴ処理部１４と、ＬＰＦ処理部１５と、３次元ＩＤＦＴ処理部１６と、エコー画像生成部１７と、特徴量算出部１８と、を備えている。信号処理部１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ（図示せず）等を含むハードウェアを用いて構成されている。また、信号処理部１０は、ＲＯＭに記憶された信号処理プログラムを含むソフトウェアを用いて構成されている。
　上記信号処理プログラムは、本発明の一実施形態における信号処理方法を、信号処理部１０に実行させるためのプログラムである。このプログラムは、外部からインストールできる。このインストールされるプログラムは、例えば、記録媒体に格納された状態で流通する。上記ハードウェアとソフトウェアとは、協働して動作するように構成されている。これにより、信号処理部１０を、上述したエコー信号受信部１１、ＡＤ変換部１２、解析領域設定部１３、等として機能させることができる。
　エコー信号受信部１１は、図２を参照して説明した複数の屈曲状態のそれぞれで得られたエコー信号に対して所定の増幅処理を行い、ＡＤ変換部１２へ出力する。
　ＡＤ変換部１２は、エコー信号を所定の時間間隔でサンプリングすることで、離散データ化する。この離散データ化されたエコー信号がエコーデータとなる。これにより、走査方向ｘと深度方向ｚとで特定される２次元のエコーデータを、複数枚（複数フレーム枚）、得ることができる。すなわち、ＡＤ変換部１２によって、３次元エコーデータを得ることができる。ＡＤ変換部１２は、当該エコーデータを解析領域設定部１３へ出力する。
　図４は、解析領域設定部１３の構成の一例を示すブロック図である。解析領域設定部１３は、軟骨５２の状態を診断するために不要な軟骨下骨５３からのエコー信号を除く領域を、解析領域として設定する。解析領域設定部１３は、図４に示すように、注目領域設定部１３ａと、エコーレベル差算出部１３ｂと、判定部１３ｃと、設定部１３ｄと、を有している。
　図５は、ＡＤ変換部１２から出力されたエコーデータに基づくエコー画像であって、注目領域の設定について説明するための図である。図５は、プローブ４の走査方向（図５におけるｘ方向）と軟骨の深さ方向（図５におけるｚ方向）とで特定される領域のエコー画像として図示されている。
　注目領域設定部１３ａは、図５に示すように、走査方向（Ｘ方向）に細長い矩形状のエリアを注目領域Ｒｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）として設定する。注目領域Ｒｎは、第１領域ＲＡと第２領域ＲＢとで構成される。第１領域ＲＡは、注目領域Ｒにおける膝表面側の領域である。第２領域ＲＢは、注目領域Ｒにおける第１領域ＲＡよりも深度方向（Ｚ方向）が深い側の領域であって、該第１領域ＲＡよりも深度方向の幅が短い領域である。注目領域設定部１３ａは、注目領域Ｒｎを、深度方向における深い側へ所定間隔ずつずらしながら、複数回、設定する。
　エコーレベル差算出部１３ｂは、第１領域内の全サンプルのエコー強度の平均値（第１平均値）と、第２領域内の全サンプルのエコー強度の平均値（第２平均値）とを算出し、第１平均値から第２平均値を減算して減算値を算出する。エコーレベル差算出部１３ｂは、当該減算値を、複数回に亘って設定される上記注目領域Ｒｎのそれぞれに対して、算出
する。
　判定部１３ｃは、複数回に亘って設定される注目領域Ｒｎのそれぞれに対して算出される複数の上記減算値の中から、最も値が小さい減算値を選択し、当該減算値が算出された注目領域ＲＮを、軟骨下骨が含まれる領域である軟骨下骨領域であると判定する。
　設定部１３ｄは、上記判定部１３ｃで判定された軟骨下骨領域の除く領域、具体的には、軟骨下骨領域よりも浅い側の矩形領域を、解析領域として設定する。
　３次元ＤＦＴ処理部１４（フーリエ変換部）は、解析領域設定部１３で設定された解析領域内のエコーデータに、３次元ＤＦＴ（Discrete　Fourier　Transformation、離散フーリエ変換）処理を行う。これにより、実空間領域及び時間領域のデータを含む３次元エコーデータを、波数空間領域及び周波数領域のデータを含む３次元エコーデータに変換することができる。当該３次元エコーデータは、ＬＰＦ処理部１５及び特徴量算出部１８に出力される。
　ＬＰＦ処理部１５（ローパスフィルタ部）は、３次元ＤＦＴ処理部１４から出力された３次元エコーデータについて、フレーム方向にＬＰＦ処理（ローパスフィルタ処理）を行う。これにより、周波数が低いエコーデータ（膝を屈曲させても位置が概ね変化しない軟骨５２のエコー）から、周波数が高いデータ（膝を屈曲させると位置が変化する軟部組織６０のエコー）を取り除くことができる。本実施形態では、膝の曲げ伸ばしが行われる所定周期の逆数として表される周波数（例えば０．１Ｈｚ）よりも低い周波数がカットオフ周波数として設定されており、当該カットオフ周波数よりも高い周波数成分がカットされる。これにより、上記所定周期よりも十分に周期が小さい軟骨５２のエコー信号から、上記所定周期とほぼ同じ周期を有する軟部組織６０のエコー信号を除去できる。ＬＰＦ処理部１５で得られたデータは、低周波数エコーデータとして、３次元ＩＤＦＴ処理部１６に出力される。この低周波エコーデータは、ｘ方向の波数ｋｘと、ｚ方向の波数ｋｚとで特定される座標上において、パワースペクトルとして表示することができる。
　３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、ＬＰＦ処理部１５から出力された低周波数エコーデータを逆フーリエ変換する。これにより、３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、波数空間領域及び周波数領域のデータである低周波数エコーデータを、実空間のエコーデータに変換する。
　なお、上述した３次元ＤＦＴ処理部１４、ＬＰＦ処理部１５、及び３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、ＡＤ変換部１２から出力された３次元エコーデータから、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する低周波成分抽出部として機能する。
　図６は、エコー画像生成部１７によって生成されたエコー画像の一例を示す図である。エコー画像生成部１７は、３次元ＩＤＦＴ処理部１６で生成された、軟部組織６０のエコーデータが低減されたエコーデータからエコー画像を生成する。本実施形態のエコー画像生成部１７は、解析領域設定部１３で設定された解析領域の各位置からのエコーデータに基づくエコーレベル画像を生成する。エコーレベル画像は、格子状に配列された複数の画素によって構成される。各画素は、解析領域の各位置に対応した位置に配置され、解析領域の各位置におけるエコー強度に対応する輝度レベルを有している。本実施形態では、例えば一例として、輝度レベルが高い方から低い方へいくにつれて、赤、橙、黄、緑、青、濃青、の順に徐々に変化する色調を対応させて表示している。なお、図６では、便宜上、輝度レベルが高い領域を濃いハッチングで示し、輝度レベルが低い領域を薄いハッチングで示している。当該エコー画像は、表示部５に表示される。
　図７は、特徴量算出部の構成を示すブロック図である。特徴量算出部１８は、ＬＰＦ処理部１５から出力された低周波数エコーデータ、すなわち、主に軟骨５２からのエコーデータで構成されるエコーデータから、該エコーデータの特徴を示す指標である特徴量を算出する。本実施形態では、特徴量算出部１８は、特徴量として、詳しくは後述する半値幅を算出する。
　特徴量算出部１８は、図７に示すように、パワースペクトル選択部１８ａと、スペクトル角度特性算出部１８ｂと、半値幅算出部１８ｃ（角度幅算出部）と、を有している。
　図８は、低周波成分のパワースペクトルを示す図である。パワースペクトル選択部１８ａは、３次元ＤＦＴ処理部１４から出力された３次元エコーデータから得られるパワースペクトルのうち、低周波成分のパワースペクトルを選択する。すなわち、パワースペクトル選択部１８ａは、主に軟骨５２のエコーデータで構成されるパワースペクトルを選択する。
　図９は、図８で示すパワースペクトルからスペクトル角度特性を算出するための手法について説明するための図であり、図１０は、図９で示す手法によって得られたスペクトル角度特性の一例を示す波形である。スペクトル角度特性算出部１８ｂは、図９に示すように、パワースペクトルの中心部Ｃ（原点）を中心とする扇形の微小領域である対象領域ＲΔθを設定する。
　スペクトル角度特性算出部１８ｂは、対象領域ＲΔθの回転位置θを０度～１８０度の範囲でずらしていく。スペクトル角度特性算出部１８ｂは、回転位置θが徐々にずれていく対象領域ＲΔθにおいて、各対象領域ＲΔθ内の全地点のエコー強度を足し合わせる。このようにして、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、各回転位置θに対応するエコー強度の合計値を算出することにより、図１０に示すスペクトル角度特性を算出する。なお、図１０においては、各回転位置θに対するエコー強度の合計値が規格化されているが、これに限らず、上述した合計値をそのまま用いてもよい。
　半値幅算出部１８ｃは、スペクトル角度特性算出部１８ｂによって算出されたスペクトル角度特性のピークの半値幅を算出する。具体的には、半値幅算出部１８ｃは、９０度付近の所定角度範囲（例えば一例として、８０度～１００度）においてピーク値を検出し、当該ピーク値を有するピーク波形の半値幅（図１０に示す例では、１６度）を算出する。この半値幅は、軟骨５２の変性度合を示す指標である特徴量として、表示部５に出力されて表示される。なお、本実施形態では、スペクトル角度特性から半値幅を求めているが、これに限らない。具体的には、スペクトル角度特性において、上記合計値が、スペクトル角度特性のピーク値に対する所定の割合となる角度の幅、を算出してもよい。
　［半値幅について］
　ここで、上述のように算出される半値幅と、軟骨５２との変性度合との関係性について説明する。
　図１１は、軟骨のエコー画像であって、（Ａ）は正常な軟骨のエコー画像の一例、（Ｂ）は変性した軟骨のエコー画像の一例、である。また、図１２は、図１１（Ｂ）に示す変性した軟骨のエコーデータを逆フーリエ変換して得られるエコーデータの画像である。なお、図１１（Ａ）に示す軟骨のエコー画像は、図８に示すエコーデータを逆フーリエ変換したものである。
　図１１（Ａ）に示すように、正常な軟骨のエコー画像は、プローブ４の走査方向ｘに沿って連続的となっている。よって、これを逆フーリエ変換すると、方向性を持ったパワー
スペクトルが生成される（図８参照）。よって、当該パワースペクトルから算出されるスペクトル角度特性の半値幅は、図１０に示すように、比較的小さくなる。
　これに対して、変性した軟骨のエコー画像は、図１１（Ａ）に示す正常な軟骨のエコー画像と異なり、図１１（Ｂ）に示すように、プローブ４の走査方向ｘに沿って連続的とならず、離散的になる。よって、これを逆フーリエ変換すると、比較的方向性が小さいパワースペクトルが生成される（図１２参照）。よって当該パワースペクトルから算出されるスペクトル角度特性の半値幅は、図１３に示すように、正常な軟骨から得られるスペクトル角度特性の半値幅よりも大きくなる。なお、図１３において破線で示される波形が、正常な軟骨から得られるスペクトル角度特性であり、実線で示される波形が、変性した軟骨から得られるスペクトル角度特性である。
　［信号処理部の動作］
　図１４は、信号処理部１０の動作を説明するためのフローチャートである。図１４を参照して、信号処理部１０の動作について説明する。
　まず、ステップＳ１で、患者の膝に対してプローブ４がセットされる。このとき、プローブ４は、送受波面４ａの法線方向が大腿骨５１の延びる方向に沿うように、患者の膝に対してセットされる。
　次に、ステップＳ２で、図２を参照して、患者の膝が、第１屈曲状態と第２屈曲状態との間において所定周期で曲げ伸ばしされる。この曲げ伸ばしは、例えば一例として、医師が、患者の膝下部を揺動することにより行われる。
　一方、上記ステップＳ２と並行して、ステップＳ３で、プローブ４の振動子４ｂによって超音波の送信及び受信が行われる。振動子４ｂによって受信されたエコー信号は、エコー信号受信部１１によって所定の増幅処理が行われた後、ＡＤ変換部１２によってデジタル信号に変換される。
　次に、ステップＳ４で、以後行う３次元ＤＦＴ処理に必要なデータが取得されたか否かが判断される。具体的には、必要数（例えば一例として、３２）の屈曲状態におけるエコーデータが得られているか否かが判断される。必要数の屈曲状態におけるエコーデータが得られている場合（ステップＳ４のＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。一方、必要数の屈曲状態におけるエコーエータが得られていない場合（ステップＳ４のＮｏ）、ステップＳ２及びステップＳ３に戻り、再度ステップＳ２及びステップＳ３の工程が行われる。
　次に、ステップＳ５で、解析領域の設定が行われる。具体的には、図５を参照して、注目領域設定部１３ａが、第１領域ＲＡと第２領域ＲＢとで構成される注目領域Ｒ１を設定し、エコーレベル差算出部１３ｂが、各領域ＲＡ，ＲＢ内の全サンプルのエコー強度の平均値（第１平均値及び第２平均値）を算出した後、第１平均値から第２平均値が減算された減算値を算出する。ステップＳ５では、深い方向へ所定間隔ずつすらされる各注目領域Ｒｎについて上記減算値が算出される。そして、判定部１３ｃが、最も減算値が大きい注目領域を、軟骨下骨が含まれる領域である軟骨下骨領域であると判定し、設定部１３ｄが、当該軟骨下骨領域よりも浅い側の矩形領域を解析領域として設定する。
　次に、ステップＳ６で、複数の屈曲状態のそれぞれに対応する膝関節のエコーデータのうち、ステップＳ５で設定された解析領域内のエコーデータ、に対して、３次元ＤＦＴ処理が行われる。これにより、波数空間領域及び周波数領域のデータを含む３次元エコーデータを得ることができる。
　次に、ステップＳ７で、ＬＰＦ処理部１５は、３次元エコーデータに対してフレーム方向にＬＰＦ処理を行うことにより、低周波エコーデータを生成する。これにより、軟部組織６０からのエコー信号を低減することができる。
　次に、ステップＳ８で、３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、低周波エコーデータを逆フーリエ変換する。これにより、３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、波数空間領域及び周波数領域のデータである低周波数エコーデータを、実空間のエコーデータに変換する。
　次に、ステップＳ９で、エコー画像生成部１７は、３次元ＩＤＦＴ処理部１６で生成された低周波数エコーデータ（すなわち、軟部組織６０のエコー信号が低減されたエコーデータ）から、エコー画像を生成する（図６参照）。当該エコー画像は、軟骨に関する情報として、表示部５に表示される。
　一方、ステップＳ１０では、特徴量算出部１８が、特徴量としての半値幅を算出する処理を行う。図１５は、ステップＳ１０で行われる各ステップを示すフローチャートである。図１５を参照して、特徴量を算出するステップについて説明する。
　まず、ステップＳ１１で、パワースペクトル選択部１１ａは、３次元ＤＦＴ処理部１４から出力された３次元エコーデータから得られるパワースペクトルのうち、低周波成分のパワースペクトルを選択する。なお、パワースペクトル選択部１１ａは、ＬＰＦ処理部１５で生成された低周波エコーデータから得られるパワースペクトルのうち、低周波成分のパワースペクトルを選択してもよい。
　次に、ステップＳ１２で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、パワースペクトルの中心部Ｃ（原点）を中心とする扇形の微小領域である対象領域ＲΔθを設定する（図９参照）。ステップＳ１２では、例えば一例として、回転角度が０度となる対象領域ＲΔθを設定する。
　次に、ステップＳ１３で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、対象領域ＲΔθ内の全地点のエコー強度を合計して合計値を算出する。
　次に、ステップＳ１４で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、選択したパワースペクトルにおいて合計値を算出すべき領域の全範囲に亘って合計値を算出したか否かを判定する。具体的には、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、対象領域ＲΔθの回転角度が１８０度に到達したか否かを判定する。１８０度に到達していない場合（ステップＳ１４のＮｏ）、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、ステップＳ１５で、対象領域ＲΔθを所定角度だけ回転させることにより対象領域ＲΔθの位置をずらし、新たに設定された対象領域ＲΔθについて再びステップＳ１３の処理を行う。一方、１８０度に到達した場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）、ステップＳ１６に進む。
　次に、ステップＳ１６で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、上述のように算出した合計値を正規化する。具体的には、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、回転角度毎に算出された各合計値の最大値を検出し、正規化後の当該最大値が１となるような係数を算出するとともに、当該係数を他の合計値の全てに乗算する。これにより、スペクトル角度特性を得ることができる。なお、ステップＳ１６を省略し、ステップＳ１４の次にステップＳ１７を行ってもよい。
　最後に、ステップＳ１７で、半値幅算出部１８ｃは、スペクトル角度特性の半値幅を求める。当該半値幅は、特徴量として、表示部５に表示される。
　［効果］
　以上のように、本実施形態に係る超音波診断装置１では、軟骨５２に対するプローブ４の相対位置が固定された状態で大腿骨５１に対する脛骨５５の屈曲角度を変化させつつ、超音波を複数のタイミングで送信することにより、複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、軟骨５２のエコー信号が得られる。そして、当該複数の屈曲状態のそれぞれにおいて得られた各エコー信号のうち低周波成分を抽出することにより、高周波成分である軟部組織６０に起因するエコーを低減できる。すなわち、所望のエコー（本実施形態の場合、軟骨５２からのエコー）から、不要なエコー（本実施形態の場合、軟部組織６０からのエコー）を除去できる。こうすると、所望のエコーと不要なエコーとの間のエコーレベルの差が小さい場合であっても、不要なエコーを所望のエコーから確実に分離することができる。
　従って、超音波診断装置１では、軟骨５２の形状を正確に検出できる。
　また、超音波診断装置１では、正確に検出された軟骨５２の形状に基づいて、当該軟骨５２に関する情報（本実施形態の場合、軟骨５２のエコー画像、及び軟骨５２の特徴量としての半値幅）を導出できる。よって、より高い確度で軟骨の変性度を診断できる。
　また、超音波診断装置１では、所定周期で曲げ伸ばしが行われる膝関節に対して、所定の時間間隔で超音波が送信されるため、比較的短時間でスムーズにエコー信号を取得することができる。
　また、超音波診断装置１では、カットオフ周波数が、膝の曲げ伸ばしの周期の逆数として表される周期（本実施形態の場合、０．１Ｈｚ）よりも低い周波数として設定されている。これにより、カットオフ周波数を適切に設定することができる。
　また、超音波診断装置１では、軟骨に関する情報としてエコー画像が生成されるため、ユーザ（医師等）は、当該エコー画像から軟骨の状態を診断することができる。
　また、超音波診断装置１では、フレーム方向、軟骨の深さ方向（ｚ方向）、及び該深さ方向に直交する方向（ｘ方向）、で特定される３次元エコーデータをフレーム方向にフーリエ変換し、当該フーリエ変換が行われた３次元エコーデータからローパスフィルタ部によって高周波成分が除去されている。これにより、３次元エコーデータから、軟部組織６０に起因するエコー信号を適切に除去できる。
　また、超音波診断装置１では、３次元エコーデータを全方向についてフーリエ変換するとともに、フーリエ変換された当該３次元エコーデータからフレーム方向における低周波成分（低周波２次元エコーデータ）を抽出し、当該データに基づいて特徴量（半値幅）を算出している。これにより、不要なエコー（軟部組織６０からのエコー）の除去と、所望のエコー（軟骨５２からのエコー）に関する解析結果の導出とを、一連の処理によって行うことができる。
　また、超音波診断装置１では、軟骨５２を含み且つ軟骨下骨５３を除く領域を解析領域として設定し、当該解析領域内のエコー信号を対象として３次元フーリエ変換を行っている。これにより、特徴量の算出に不要な領域（軟骨下骨５３を含む領域）を除去できるため、信号処理部１０の計算負荷を軽減できる。
　また、超音波診断装置１では、大腿骨５１の近位端と脛骨５５の遠位端とを含む膝関節について、大腿骨５１の軟骨５２の変性度を診断することができる。
　また、超音波診断装置１では、プローブ４の送受波面４ａの法線方向が、軟骨５２に向
かい且つ大腿骨５１が延びる方向に沿って配置されるため、軟骨５２の深さ方向に沿って適切に超音波を送信することができる。
　また、超音波診断装置１では、信号処理部１０によって算出された特徴量（半値幅）が表示部５に表示される。これにより、ユーザは、軟骨５２の変性度を示す指標としての特徴量を視覚的に認識できる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
　［変形例］
　（１）図１６は、変形例に係る超音波診断装置１ａの構成を示すブロック図である。上記実施形態では、医師等によって、患者の膝の屈曲状態が変更させられた。しかし、本変形例に係る超音波診断装置１ａは、上述した実施形態と異なり、患者の膝の屈曲状態を自動で変更可能な自動膝屈曲機構３０を備えている。なお、以下で説明する自動膝屈曲機構３０の構成は、一例であって、患者の膝を自動で屈曲可能な機構であれば、どのような構成であってもよい。また、以下では、上記実施形態と大きく異なる部分、具体的には、自動膝屈曲機構３０の構成及び動作について主に説明し、それ以外の部分については説明を省略する。
　自動膝屈曲機構３０は、患者が椅子に座って大腿骨の位置が固定された状態において、患者の膝から下の部分（膝下部）を揺動可能に構成されている。このとき、プローブ４は、固定具（図示省略）等によって、大腿骨に対する相対的な位置が固定されている。これにより、当該自動膝屈曲機構３０によって患者の膝が複数の状態に屈曲させられる。
　自動膝屈曲機構３０は、基台部３１と、支柱部３２と、揺動機構３３と、を備えている。
　基台部３１は、床に対して載せ置かれる略板状の部分であり、例えば比較的重量が重い金属材料等で形成される。支柱部３２は、床に対して設置された状態の基台部３１から上方へ延びるように設けられている。支柱部３２は、基台部３１に対して固定されている。
　揺動機構３３は、患者の膝下部を前後方向に揺動させるように構成されている。揺動機構３３は、電動モータ３４と、足置き部３５と、連結部３６とを有している。電動モータ３４は、支柱部３２における上側の部分に取り付けられている。足置き部３５は、患者の足を載置可能な略板状に形成され、基台部３１の上面に支持されている。患者の足は、固定ベルト３７によって足置き部３５に固定される。連結部３６は、支柱部に沿って上下方向に延びるように設けられるとともに下端部が足置き部３５に固定されており、電動モータ３４の回転力を足置き部３５に伝達する。
　揺動機構３３では、電動モータ３４が回転すると、その回転力がギア（図示省略）等によって連結部３６に伝達される。これにより、足置き部３５が図１６の両側矢印方向に沿って揺動するため、患者の膝を自動で屈曲することができる。
　また、本変形例に係る超音波診断装置１ａでは、電動モータ３４は、図２に示す第１屈曲状態と第２屈曲状態との間において、患者の膝が上述した所定周期で曲げ伸ばしされるように、正回転又は逆回転する。その間、上記実施形態の場合と同様、各振動子４ｂから、所定の時間間隔で超音波が送信される。これにより、超音波診断装置１ａでは、複数の屈曲状態のそれぞれにおける軟骨のエコー信号を、自動で取得することができる。なお、このように取得されたエコー信号は、上記実施形態の場合と同様にして処理される。
　（２）図１７は、変形例に係る超音波診断装置の信号処理部１０ａの構成を示すブロック図である。上記実施形態では、フレーム方向、軟骨の深さ方向、及び、前記フレーム方向及び前記深さ方向の両方に直交する方向、で特定される３次元エコーデータに対して、全ての方向についてフーリエ変換（３次元フーリエ変換）を行ったが、これに限らず、フレーム方向のみにフーリエ変換を行ってもよい。これにより、上記実施形態の場合と比べて、フーリエ変換を行う際に信号処理部１０ａにかかる計算負荷を低減することができる。本変形例については、例えば一例として、軟骨に関する情報としてエコー画像が生成される。
　（３）図１８は、変形例に係る超音波診断装置の信号処理部１０ｂの構成を示すブロック図である。本変形例に係る信号処理部１０ｂは、エコー信号受信部１１、ＡＤ変換部１２、低周波成分抽出部１９、導出部２０、を備えている。
　低周波成分抽出部１９は、３次元エコーデータから、所定の周波数よりも低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する。例えば、低周波成分抽出部１９は、ＬＰＦ処理（ローパスフィルタ処理）、ウェーブレット変換、畳み込み、等の手法を用いることにより、低周波エコーデータを抽出する。なお、ウェーブレット変換とは、周波数解析の手法の一つであって、基底関数としてウェーブレット関数が用いられる手法である。また、畳み込みでは、上記実施形態におけるローパスフィルタ処理で用いられる伝達関数を逆フーリエ変換した関数が、３次元エコーデータに対して畳み込まれる。
　導出部２０は、低周波成分抽出部１９で抽出された低周波エコーデータに基づいて、軟骨に関する情報を導出する。当該軟骨に関する情報には、上記実施形態で例示したエコー画像及び半値幅に限らず、その他の情報も含まれる。
　（４）上記実施形態では、大腿骨の軟骨に超音波診断装置を適用する例を挙げて説明したが、これに限らず、本発明に係る超音波診断装置は、その他の軟骨に対しても適用することができる。
　（５）上記実施形態では、軟骨に関する情報として、エコー画像及び半値幅を表示部５に表示しているが、これに限らず、パワースペクトル選択部１８ａで選択されたパワースペクトルを表示部５に表示してもよい。
　１，１ａ　　　超音波診断装置
　４　　　　　　プローブ
　４ａ　　　　　送受波面
　４ｂ　　　　　振動子（超音波送信部、超音波受信部）
　１７　　　　　エコー画像生成部（導出部）
　１８　　　　　特徴量算出部（導出部）
　１９　　　　　低周波成分抽出部
　２０　　　　　導出部
　５０　　　　　膝関節（関節部）
　５１　　　　　大腿骨（第１の骨部）
　５２　　　　　（第１の骨部の）軟骨
　５５　　　　　脛骨（第２の骨部）
　６０　　　　　軟部組織

Claims (11)

  1. 　第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信する超音波送信部と、該超音波送信部から送信された超音波のエコー信号を受信する超音波受信部と、を備え、該超音波受信部で受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断装置であって、
    　前記超音波送信部は、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波を送信し、
    　前記超音波受信部は、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨の深さ方向と該深さ方向に直交する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号を受信し、
    　前記超音波受信部で受信されたエコー信号から、複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する低周波成分抽出部と、
    　前記低周波成分抽出部で抽出された前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報を導出する導出部と、
    　を更に備えていることを特徴とする、超音波診断装置。
  2. 　請求項１に記載の超音波診断装置において、
    　前記第２の骨部は、前記複数の屈曲状態のうち前記屈曲角度が最も大きい第１屈曲状態と、前記屈曲角度が最も小さい第２屈曲状態との間において、所定周期で屈曲動作を行い、
    　前記超音波送信部は、所定の時間間隔で超音波を送信することを特徴とする、超音波診断装置。
  3. 　請求項２に記載の超音波診断装置において、
    　前記所定周波数は、前記所定周期の逆数として表される周波数よりも低い周波数として設定されていることを特徴とする、超音波診断装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
    　前記導出部は、前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報としてのエコー画像を生成するエコー画像生成部を有していることを特徴とする、超音波診断装置。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
    　前記低周波成分抽出部は、
    　前記フレーム方向に整列した前記フレーム毎のエコーデータで構成され、前記フレーム方向、前記軟骨の深さ方向、及び、前記フレーム方向及び前記深さ方向の両方に直交する方向、で特定される３次元エコーデータ、に対して、少なくとも前記フレーム方向にフーリエ変換を行うフーリエ変換部と、
    　前記フーリエ変換部でフーリエ変換が行われた前記３次元エコーデータから前記低周波エコーデータを抽出するローパスフィルタ部と、
    　を有していることを特徴とする、超音波診断装置。
  6. 　請求項５に記載の超音波診断装置において、
    　前記フーリエ変換部は、前記３次元エコーデータに対して３次元フーリエ変換を行い、
    　前記導出部は、
    　前記フーリエ変換部でフーリエ変換された前記３次元エコーデータから、前記フレーム方向における低周波の２次元エコーデータである低周波２次元エコーデータを選択する選択部と、
    　前記選択部で選択された前記低周波２次元エコーデータにおける原点を通過する基準線に対して設定される複数の角度位置のそれぞれに対応する領域内のエコー強度を合計して合計値を算出し、各前記角度位置に対する各前記合計値をスペクトル角度特性として算出するスペクトル角度特性算出部と、
    　前記スペクトル角度特性算出部で算出された前記スペクトル角度特性において、前記合計値が、前記スペクトル角度特性のピーク値に対する所定の割合となる角度の幅を算出する角度幅算出部と、
    　を有していることを特徴とする、超音波診断装置。
  7. 　請求項６に記載の超音波診断装置において、
    　前記フレーム毎のエコーデータのいずれか１つにおいて、前記軟骨の深さ方向及び該深さ方向に直交する方向で特定され、前記軟骨を含み且つ該軟骨が付着する軟骨下骨を除く領域である解析領域、を設定する解析領域設定部を更に備え、
    　前記選択部は、前記解析領域設定部で設定された前記解析領域内に含まれる前記低周波２次元エコーデータを選択することを特徴とする、超音波診断装置。
  8. 　請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
    　前記第１の骨部としての大腿骨、及び前記第２の骨部としての脛骨、に対して用いられることを特徴とする、超音波診断装置。
  9. 　請求項８に記載の超音波診断装置において、
    　前記送受波面は、法線方向が、前記軟骨に向かい且つ該大腿骨が延びる方向に沿って配置されることを特徴とする、超音波診断装置。
  10. 　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
    　前記導出部で導出された前記軟骨に関する情報が表示される表示部、を更に備えていることを特徴とする、超音波診断装置。
  11. 　第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信するステップと、前記超音波を送信するステップで送信された超音波のエコー信号を受信するステップと、を含み、前記エコー信号を受信するステップで受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断方法であって、
    　前記超音波を送信するステップでは、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波が送信され、
    　前記エコー信号を受信するステップでは、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて前記軟骨の深さ方向と該深さ方向と交差する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号が受信され、
    　複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出するステップと、
    　前記低周波エコーデータに基づいて前記軟骨に関する情報を導出するステップと、
    　を更に含むことを特徴とする、超音波診断方法。
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