JP4359626B2

JP4359626B2 - 荷重装置

Info

Publication number: JP4359626B2
Application number: JP2007088150A
Authority: JP
Inventors: 栄一皆川; 亮一酒井; 宏治小川
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: DE602008000272D1; US20080242970A1; US8333719B2; JP2008245738A; EP1974673B1; EP1974673A1

Description

本発明は、骨などの硬組織に荷重を加える荷重装置に関する。

骨粗鬆症などの骨代謝疾患の診断や易骨折性の判定、また、骨折治療後の骨癒合を定量的に診断するために、骨強度などの力学的特性の簡便かつ定量的な測定が望まれている。

骨形成や骨癒合の評価はＸ線写真に大きく依存しているが、Ｘ線写真では骨強度を定量的に診断することは困難である。骨強度の従来の測定法として測定対象のサンプル骨の強度試験が知られているものの、サンプル骨の摘出手術が必要であり侵襲的である。また、骨量や骨密度の測定法として、汎用Ｘ線ＣＴの利用、ＤＸＡ（二重エネルギー吸収測定法）装置などが実用化に至っている。しかし、これらはあくまで骨量を測定する手段であって、骨強度を評価することはできない。また、Ｘ線を照射する点では非侵襲的であるとは言えない。

このほかの骨強度を定量評価する試みとしては、創外固定器に歪みゲージを装着してその固定器の歪みを計測する歪みゲージ法、骨に外部から振動を加え固有振動数を評価する振動波法、降伏応力を生じた骨から発生する音波を検出するアコースティックエミッション法などが既存の方法として挙げられる。しかし、これらの方法は適応できる治療法に制限があること、骨に侵襲を加える必要があること、さらに評価精度などの点において問題が残されている。

こうした背景において、本願の発明者らは、骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に評価する超音波診断装置を提案している（特許文献１参照）。

特開２００５−１５２０７９号公報

特許文献１に記載された超音波診断装置は、骨に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得して各エコー信号ごとに骨表面に対応する表面ポイントを特定し、複数のエコー信号から得られる複数の表面ポイントに基づいて骨の力学的特性を反映した特性情報を生成するものである。そして、骨に対して外的作用を及ぼした場合における骨の力学的特性が評価される。これにより、エコー信号に基づく骨表面の表面ポイントデータから、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に評価することができるという画期的な技術である。

本願の発明者らは、上記特許文献１に記載された画期的な技術をさらに改良し、骨などの硬組織の力学的特性をさらに高い精度で評価する手法について研究を重ねてきた。特に硬組織に対して荷重を加えるための技術について改良を重ねてきた。

本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、硬組織に対して所定の荷重を正確に加える技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である荷重装置は、硬組織に荷重を加える荷重装置であって、支持部材と、支持部材によって支えられた軸を支点としてシーソー運動する揺動アームと、支点に対して揺動アームの一方側に設けられた加圧機構と、支点に対して揺動アームの他方側に設けられたバランサーを有し、前記加圧機構は、荷重用重りによる力に応じた荷重を硬組織に加える加圧子と、加圧子に与えられる荷重用重りによる力を調整する調整ユニットを含むことを特徴とする。

望ましい態様において、前記調整ユニットは、荷重用重りの位置を変化させることにより加圧子に与えられる力の大きさを調整することを特徴とする。望ましい態様において、前記調整ユニットは、荷重用重りを回転させる回転アームを備え、回転アームの一方側が前記揺動アームに回転可能に取り付けられ、回転アームの他方側に荷重用重りが取り付けられることを特徴とする。

望ましい態様において、前記回転アームは、荷重用重りを回転運動させ、これにより、加圧子に与えられる力の大きさが周期的に変化して硬組織に対して周期的に変動する荷重が加えられることを特徴とする。望ましい態様において、前記回転アームは、荷重用重りを所定位置まで回転移動させ、これにより、加圧子に与えられる力が所定の大きさとなり硬組織に対して所定量の静的な荷重が加えられることを特徴とする。望ましい態様において、前記回転アームは、前記揺動アームに取り付けられた一方側の軸を中心として回転することにより、他方側に取り付けられた荷重用重りを前記支点の直上位置と前記加圧子の直上位置との間で回転移動させることを特徴とする。

望ましい態様において、前記バランサーは、回転アームによって荷重用重りが支点の直上位置に移動された状態で揺動アームの一方側と他方側の重量バランスを調整することを特徴とする。望ましい態様において、前記バランサーは、揺動アームの長手方向に沿って調整重りを直線的に移動させることにより重量バランスを微調整することを特徴とする。

本発明により、骨などの硬組織に対して所定の荷重を正確に加えることが可能になる。例えば、本発明の好適な態様によれば、比較的シンプルな構成でありながら、硬組織に対して所定量の荷重を加えることや周期的に変化する荷重を加えることが可能になる。

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。

図１には、本発明に係る荷重装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す斜視図である。図１の荷重装置１０は、支持部材として機能する支柱２０と、支柱２０によって支えられた揺動軸３２を支点としてシーソー運動する揺動アーム３０を備えている。

支柱２０は、内柱部２２と外筒部２４と揺動ベース２６によって構成されている。内柱部２２の底面側にはマグネットが設けられており、例えば金属性のプレートを備えた土台上に、支柱２０を起立させた状態で荷重装置１０を固定することができる。外筒部２４は内柱部２２に対して長手方向に沿って移動することができ、これにより、揺動軸３２を支持する揺動ベース２６の高さが調整され、加圧子５０による加圧位置が調整される。外筒部２４の移動、つまり高さの調整は、例えばユーザが手動で行ってもよいし支柱２０の内部にポンプ機構などを設けてそのポンプ機構によって行ってもよい。

揺動アーム３０の一方端側には、回転アーム４０と加圧子５０が設けられている。回転アーム４０の一方端は揺動アーム３０に対して回転可能に取り付けられており、回転アーム４０の他方端には荷重用重り８０が載せられている。この回転アーム４０が回転することにより、加圧子５０に与えられる荷重用重り８０による力の大きさが調整される。なお加圧子５０にはロードセル５２が取り付けられており、このロードセル５２によって加圧子５０から骨などの硬組織に加えられる荷重の大きさが計測される。

揺動アーム３０の他方端側には、調整用重り９０を支持する支持軸６０が設けられている。この調整用重り９０によって、揺動アーム３０の一方側と他方側の重量バランスが調整される。調整用重り９０による重量バランスの調整や回転アーム４０による力の大きさの調整については後に詳述する。

図２は、図１の荷重装置１０の上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。（Ｂ）に示すように、揺動アーム３０の加圧子５０が設けられた位置から支持軸６０が設けられた位置までの長さを２ａとすると、その長さ方向の中心位置に揺動軸３２が設けられている。また、回転アーム４０の一方端は、回転軸４２を介して揺動アーム３０に取り付けられており、その回転軸４２は、揺動軸３２から揺動アーム３０の一方端側に向かってａ／２だけ離れた位置に設けられている。さらに、回転軸４２の位置から揺動アーム３０の一方端側に向かってａ／２だけ離れた位置に加圧子５０が設けられており、その加圧子５０の真上に荷重用重り８０が存在する。

回転アーム４０は、回転軸４２を中心として回転する。つまり（Ａ）に示す揺動アーム３０の上面を含む面内で回転アーム４０が回転する。図２に示す状態から回転アーム４０が１８０度回転すると、回転アーム４０の他方端に載せられた荷重用重り８０が揺動軸３２の真上に移動する。この状態では、加圧子５０に与えられる荷重用重り８０による力の大きさがゼロとなる。

調整用重り９０は、荷重用重り８０が揺動軸３２の真上に移動された状態で揺動アーム３０の一方側と他方側の重量バランスを調整する。つまり、荷重用重り８０が揺動軸３２の真上に移動された状態で、例えば揺動アーム３０と支柱２０が互いに直交するように、調整用重り９０の重さが適宜調整される。調整用重り９０は、複数の円盤状の部材で構成され、その部材の枚数などによって調整用重り９０の全体の重さが調整される。さらに、調整用重り９０を支持する支持軸６０は、揺動アーム３０に設けられた長穴６２に沿って移動する。つまり、揺動アーム３０の長手方向に沿って調整重り９０を直線的に移動させることができ、これにより、重量バランスを微調整することができる。

図３は、図２におけるＡＡ断面図（Ａ）とＢＢ断面図（Ｂ）である。（Ａ）に示すように、揺動ベース２６は、軸受２８で揺動軸３２を支持しており、さらに、カラー２７によって揺動軸３２の軸方向のずれを抑えている。揺動アーム３０は、固定フランジ３４により揺動軸３２を中心として揺動、つまりシーソー運動する。

また（Ｂ）に示すように、回転アーム４０は、回転軸４２を介して揺動アーム３０に取り付けられている。回転軸４２と回転アーム４０は互いに固定されている。揺動アーム３０には、軸受ハウジング３６とカラー３７と軸受３８とスラスト玉軸受付針状ころ軸受３９が設けられている。

図４は、回転アーム４０の回転による力の大きさの調整を説明するための図である。図４は、図１の荷重装置１０の上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）に対応している。荷重用重り８０は、図４の実線で示す状態において加圧子５０の真上に位置している。この状態では、加圧子５０に与えられる荷重用重り８０による力ｆの大きさが最大となる。

回転アーム４０を回転させると、（Ａ）の矢印で示す回転方向に沿って荷重用重り８０が移動する。荷重用重り８０を円周上の所望の位置に移動させることにより、力ｆの大きさを変化させることができる。特に、図４の破線で示す位置８２は、荷重用重り８０が揺動軸３２の真上に移動した状態を示しており、この状態では、加圧子５０に与えられる荷重用重り８０による力ｆの大きさがゼロとなる。

なお、回転アーム４０は、例えばユーザが手動で回転させてもよいし、モーターなどで回転させてもよい。また、荷重用重り８０は、複数の円盤状の部材で構成され、その部材の枚数などによって荷重用重り８０の全体の重さが調整される。

図５は、加圧子（圧縮子）から硬組織に加えられる荷重と回転アームの回転角度との関係を説明するための図である。図５において、横軸には回転アームの回転角度が示されており、縦軸には加圧子（圧縮子）の荷重が示されている。なお、荷重用重りが揺動軸の真上（図４の位置８２）にある場合の回転角度をゼロ度（０ｄｅｇ）とする。

回転角度が０ｄｅｇの状態から回転アームを一定方向に回転させると、荷重用重りが揺動軸の真上から徐々に加圧子に近づくため、加圧子の荷重が徐々に大きくなる。そして、荷重用重りが加圧子の真上（図４の実線で示す荷重用重り８０の位置）において、つまり回転角度が１８０ｄｅｇの位置において、加圧子の荷重が最大となる。さらに、回転アームを一定方向に回転させると、荷重用重りが加圧子の真上から徐々に揺動軸に近づくため、加圧子の荷重が徐々に小さくなる。そして、荷重用重りが揺動軸の真上に戻ると、つまり回転角度が３６０ｄｅｇの位置において、加圧子の荷重が最小（ゼロ）に戻る。

回転アームにより荷重用重りを真円の円周上に沿って移動させることにより、図５に示すような正弦波の荷重を発生させることができる。また、荷重用重りを所定位置まで回転移動させて停止させることにより、その回転角度に応じた静的な荷重を加圧子に与えることができる。

図６は、回転アームの回転運動を継続した場合の加圧子（圧縮子）の荷重の変化の様子を説明するための図である。図６において、横軸には回転アームの回転角度が示されており、縦軸には加圧子（圧縮子）の荷重が示されている。図６においても、荷重用重りが揺動軸の真上（図４の位置８２）にある場合の回転角度をゼロ度（０ｄｅｇ）とする。

回転アームの一定方向への回転運動を継続すると、図６に示すような正弦波の周期的な荷重を発生させることができる。つまり、回転アームによって荷重用重りを回転運動させることにより、加圧子に与えられる力の大きさが周期的に変化して硬組織に対して周期的に変動する荷重を加えることができる。

図７は、本発明に係る荷重装置を利用した超音波診断システムを説明するための図であり、図７には、荷重装置１０によって荷重が加えられる骨８２の形状変化を超音波診断装置７０によって測定するシステムが示されている。

荷重装置１０は、図１に示す荷重装置１０であり、加圧子５０によって被検者８０の骨８２に荷重を加える。つまり、回転アームが回転することにより、加圧子５０に与えられる荷重用重りによる力の大きさが調整され、骨８２に荷重が加えられる。ちなみに、診断対象となる骨８２は、例えば、脛骨や腓骨などである。

超音波診断装置７０は、荷重装置１０によって荷重が加えられる骨８２に対して複数の超音波ビームを形成して各超音波ビームごとに骨８２の表面ポイントを特定する。図７では、二つのプローブ７２の各々が５本の超音波ビームを形成している。超音波診断装置７０は、複数の超音波ビームから得られる複数の表面ポイントに基づいて、荷重が加えられることに伴う骨８２の形状変化を測定する。

本実施形態の超音波診断装置７０は、例えば、特許文献１に記載の装置である。つまり、超音波探触子であるプローブ７２を被検者８０の体表に当接させ、プローブ７２によって被検者８０の体内の骨８２に向けて複数の超音波ビームを形成する。プローブ７２を介して取得されるエコー信号は、図示省略する超音波診断装置本体内において信号処理される。例えば、エコートラッキング処理によって各超音波ビームごとに骨８２の表面が検出されて、表面の変位から骨８２の形状変化、例えば特許文献１に詳述される骨表面の角度変化などが測定される。

図５を利用して説明したように、本実施形態の荷重装置１０は、荷重用重りを所定位置まで回転移動させて停止させることにより、その回転角度に応じた静的な荷重を加圧子に与えることができる。本システムでは、その荷重が加えられることに伴う骨８２の形状変化を超音波診断装置７０によって測定する。これにより、骨８２に加えられる荷重量と骨８２の形状変化量との関係から骨８２の弾性を評価することができる。例えば、所定量の荷重を所定時間だけ骨８２に加えた際の骨８２の形状変化が測定される。

弾性計測時の操作手順は、例えば次のとおりである。まず、被検者８０（骨８２）に加える荷重と等しい重さの荷重用重りを荷重装置１０の回転アームに載せる。次に、回転アームを回転させて荷重用重りを支点の位置（揺動軸の真上）に移動させる。次に、荷重装置１０の加圧子５０を被検体８０に載せ、その状態で荷重装置の揺動アームが水平になるように支柱の長さ（高さ）を調整する。次に、回転アームを回転させて荷重用重りを加圧子５０の真上に移動させ、所定量の静的な荷重を骨８２に加える。この状態で荷重が加えられることに伴う骨８２の形状変化を超音波診断装置７０によって測定する。測定が終了すると、荷重装置の回転アームを回転させて荷重用重りを支点の位置に移動させ、骨８２に対する荷重が取り除かれる。

また、図６を利用して説明したように、本実施形態の荷重装置１０は、回転アームによって荷重用重りを回転運動させることにより、加圧子５０に与えられる力の大きさが周期的に変化して、骨８２に対して周期的に変動する荷重を加えることができる。本システムでは、その荷重が加えられることに伴う骨８２の形状変化を超音波診断装置７０によって測定する。これにより、骨８２に加えられる周期的な荷重に対する骨８２の形状変化の追従性から、骨８２の粘弾性を評価することができる。例えば、図６に示した周期的に変化する荷重を骨８２に加えた際の骨８２の形状変化の追従性が測定される。

粘弾性計測時の操作手順は、例えば次のとおりである。まず、被検者８０（骨８２）に加える荷重と等しい重さの荷重用重りを荷重装置１０の回転アームに載せる。次に、回転アームを回転させて荷重用重りを支点の位置（揺動軸の真上）に移動させる。次に、荷重装置１０の加圧子５０を被検体８０に載せ、その状態で荷重装置の揺動アームが水平になるように支柱の長さ（高さ）を調整する。次に、回転アームを回転運動させて荷重用重りを円周上に沿って等速円運動させ、正弦波の周期的な荷重を骨８２に加える。この状態で荷重が加えられることに伴う骨８２の形状変化の追従性を超音波診断装置７０によって測定する。測定が終了すると、荷重装置の回転アームを回転させて荷重用重りを支点の位置に移動させ、骨８２に対する荷重が取り除かれる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明した。本実施形態では、荷重用重りの重さによって揺動アームが揺動して被検者に荷重を加えているため、例えば、被検者が動いた場合でも、揺動アームがその動きに追従することにより、正確な荷重を被検者に加え続けることができる。また、荷重用重りと加圧子近傍の自重を超える荷重が被検者に加えられることがないため安全面においても優れている。また、荷重用重りの重さを視覚的に認識できるため、荷重の加え過ぎを未然に防ぐ効果も期待される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態やその効果は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る荷重装置の全体構成を示す斜視図である。荷重装置の上面図と側面図である。荷重装置のＡＡ断面図とＢＢ断面図である。回転アームの回転による力の大きさの調整を説明するための図である。加圧子の荷重と回転アームの回転角度との関係を説明するための図である。回転運動を継続した場合の荷重変化の様子を説明するための図である。荷重装置を利用した超音波診断システムを説明するための図である。

符号の説明

１０荷重装置、２０支柱、３０揺動アーム、４０回転アーム、５０加圧子、６０支持軸、８０荷重用重り、９０調整用重り。

Claims

硬組織に荷重を加える荷重装置であって、
支持部材と、
支持部材によって支えられた軸を支点としてシーソー運動する揺動アームと、
揺動アームの一方側に設けられた加圧機構と、
揺動アームの他方側に設けられたバランサーと、
を有し、
前記加圧機構は、
荷重用重りによる力に応じた荷重を硬組織に加える加圧子と、
荷重用重りを移動させる回転アームと、
を備え、
回転アームの一方側が前記揺動アームに回転可能に取り付けられ、
回転アームの他方側に荷重用重りが取り付けられ、
回転アームが、前記揺動アームに取り付けられた一方側の軸を中心として回転して他方側に取り付けられた荷重用重りを移動させることにより、前記支点からみた荷重用重りの位置を変化させて荷重用重りから加圧子に与えられる力の大きさを調整する、
ことを特徴とする荷重装置。
請求項１に記載の荷重装置において、
前記回転アームは、前記支点の真上を通過するように荷重用重りを移動させる、
ことを特徴とする荷重装置。
請求項１に記載の荷重装置において、
前記回転アームは、前記揺動アームに取り付けられた一方側の軸を中心として回転することにより、他方側に取り付けられた荷重用重りを前記支点の直上位置と前記加圧子の直上位置との間で回転移動させる、
ことを特徴とする荷重装置。
請求項１に記載の荷重装置において、
前記回転アームは、荷重用重りを回転運動させ、これにより、加圧子に与えられる力の大きさが周期的に変化して硬組織に対して周期的に変動する荷重が加えられる、
ことを特徴とする荷重装置。
請求項１に記載の荷重装置において、
前記回転アームは、荷重用重りを所定位置まで回転移動させ、これにより、加圧子に与えられる力が所定の大きさとなり硬組織に対して所定量の静的な荷重が加えられる、
ことを特徴とする荷重装置。
硬組織に荷重を加える荷重装置であって、
支持部材と、
支持部材によって支えられた軸を支点としてシーソー運動する揺動アームと、
支点に対して揺動アームの一方側に設けられた加圧機構と、
支点に対して揺動アームの他方側に設けられたバランサーと、
を有し、
前記加圧機構は、
荷重用重りによる力に応じた荷重を硬組織に加える加圧子と、
加圧子に与えられる荷重用重りによる力を調整する調整ユニットと、
を含み、
前記調整ユニットは、荷重用重りの位置を変化させることにより加圧子に与えられる力の大きさを調整し、
前記調整ユニットは、荷重用重りを回転させる回転アームを備え、
回転アームの一方側が前記揺動アームに回転可能に取り付けられ、
回転アームの他方側に荷重用重りが取り付けられ、
前記回転アームは、前記揺動アームに取り付けられた一方側の軸を中心として回転することにより、他方側に取り付けられた荷重用重りを前記支点の直上位置と前記加圧子の直上位置との間で回転移動させる、
ことを特徴とする荷重装置。
請求項６に記載の荷重装置において、
前記バランサーは、回転アームによって荷重用重りが支点の直上位置に移動された状態で揺動アームの一方側と他方側の重量バランスを調整する、
ことを特徴とする荷重装置。
請求項７に記載の荷重装置において、
前記バランサーは、揺動アームの長手方向に沿って調整重りを直線的に移動させることにより重量バランスを微調整する、
ことを特徴とする荷重装置。