JPH04204249A - 生体用骨弾性検査装置 - Google Patents

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】 ［概　要〕 骨の状態を骨に衝撃を与えたときの振動の特性から定量
化し、評価できるようにした生体用骨牌性検査装置に関
し、インパルスハンマーを用いて骨の一端にインパルス
衝撃を与え５骨の他端に伝搬した振動を骨振動検出器に
より検出して、骨の状態を定量的に評価できるようにす
るものであるが、特に骨振動検出器に一定の予荷重を加
えて骨と骨振動検出器との間の皮下軟部組織の振動を抑
え、骨の曲げ振動のみを非侵襲的に検出できるようにし
た。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、骨の状態を骨に衝撃を与えたときの振動の特
性から定量化し、評価できるようにした生体用骨弾性検
査装置に関する。

四肢長管骨の骨折は交通災害、労働災害ならびにスポー
シ外傷などによって頻繁に生ずる疾患である。一方で人
口の高齢化社会を迎えて骨多孔症患者が増加しており、
栄養のアンバランスや運動量の減少による若年者の骨の
発育障害も報告されている。これらは軽微な外力によっ
て容易に骨折を起こしてくる。医療側においては骨折に
よって生じる患者のｉｍｐａｉｒｍｅｎｔおよびｄｉｓ
ａｂｉｌｉｔｙをできるだけ効率的に機能回復させ、さ
らにはこれによって生じる患者の社会的活動の制限を最
小限にすることがますます要求される現状にある。また
。

骨折の予防的観点から骨組織の質的変化を簡便に知り得
る検査方法の開発が望まれている。

四肢長管骨の骨折の治療においては、ｉ！実に骨接合の
得られる適切な治療法が選択され、早期の機能回復が得
られるような後療法が実施されなければならない、この
ためには骨の癒合程度を定量化し、その癒合度に対応す
る後療法が過不足なく処方されることが理想である。こ
とに治療後早期の骨癒合の定量的評価が可能になれば偽
関Ｖ（いつまでも骨性癒合が起こらず、骨折部の修復機
転が鎮静化し１両骨片は厚い結合織で隔離され、骨折端
の髄瞠は廠痕組織または硬化した骨組織で閉鎖され、あ
るいは両骨折端が全く離れて先端が萎縮する状態）、遷
延治癒（骨折の癒合に要する普通の日数が経通しても骨
化機転が量的に少なく。

かつ緩慢に進行する状態）あるいは変形治癒などの骨折
の合併症の発生を未然に防ぐ上で極めて有用な手段とな
る。

骨折の癒合機序は経時的に、血腫が両管片間に満たされ
る炎症期（ｉｎｆｌａｍ＋＊ａｔｏｒｙ　ｐｈａｓｅ）
、血腫内に肉芽組織が形成（結合ｍ織性仮骨形成）され
る修復期（ｒｅｐａｒａｔｉｖｅ　ｐｈａｓｅ）　、お
よび肉芽組織に骨塩が沈着し仮管が形成されこれが成熟
した皮質骨や海綿骨に変化する数構！ｔｌＩ　（ｒｅｍ
ｏｄｅｌｉｎｇ　ｐｈａｓｅ）の３期に分けられる。レ
ントゲン写真では炎症期や修復期ではその修復過程を画
像として捉えることが不可能で、骨折後約３〜４週経過
した改構期に至ってはじめて仮骨形成像として抽出され
る。

仮管形成は骨癒合にとって不可欠であるが、仮管形成の
量や形態は骨折部位、骨の損傷状態でさまざまであり９
両骨片間を架橋する仮管形成（ｂｒｉｄｇｉｎｇ　ｃａ
ｌｌｕｓ）がレントゲン像として認められる。

早くて５週以後になってはじめて骨癒合の進行が得られ
ると臨床的に判断している。しかし、この時期での骨癒
合の予後判定は、前述した偽関節や遷延治癒への進行が
すでに起きてしまっている時期であり、もっと早期の予
後判定法が開発される必要がある。しかも、レントゲン
像からは骨癒合の量的、もしくは機能的な評価は不可能
であり。

レントゲン像から臨床医は過去の経験に基づいた機能的
診断を下さざるを得ない現状にある。これはともすれば
、誤った早期荷重による再骨折や逆に長すぎる外面定期
間もしくは免荷期間による弊害を患者に負わせることに
なる。従って、もっと早期の修復期に骨癒合の機能的お
よび治癒時期の予後判定が可能になることは、臨床的に
大きな意義が有ると言える。

［従来の技術］ 従来、生体の骨の損傷状態や骨′１ｆｉＮ症などの変化
については、レントゲン写真が唯一の診断手段であった
。

レントゲン写真による診断は、損傷の形態を把握するに
は通しでいるか損傷の程度あるいは治癒経過の定量的な
診断には適していない。しかし他に良い診断方法がない
ため、レントゲン写真から医師の経験と勘に軌った診断
をせざるをえない状況となっている。

骨折した骨の治癒経過は、適正な初期治療に依存するこ
とが多い、ギブスによる保存的治療あるいはプレート固
定、エンダーピン固定あるいは創外固定等の観血的治療
によって初期治療が行われているが、これらの処置が適
正でその後順調な治癒経過をたどっているかどうかの判
断は、レントゲン写真によって行われた場合１例えば大
人の脛骨骨折では初期治療後生なくとも４週間以上経過
してからでないと骨癒合の予後診断が出来ない状況にあ
る。

そのため初期治療が不適切と判ったとしても再処置の対
応が遅れ、適切な初期処置が行われていれば２か月程度
で完治する骨折が半年から１年以上も完治までかかると
いう遷延治ｔもしくは偽関節が起こる。また、骨折の回
復経過において荷重をかけることにより骨の接合が促進
すると言われているが、その荷重をかける時期の診断は
レントゲン写真だけからでは難しい。さらに回復が進ん
だ段階で、ギブスや固定装具の取り外す時期あるいは完
治の判断等においても、レントゲン写真のみからでは難
しい点がある。その為、医師は安全を見込んでこれらの
時期を必要以上に遷延させる傾向がある。このことは、
治癒後のリハビリテーションの期間を長くしてしまうこ
とになる。

そこで、骨折の度合い、更に初期治療後の回復経過を定
量的に判断できる診断装置が開発されれば、上記に述べ
た初期治療の適正と回復経過の判断、外固定除去の時期
、許容される荷重の大きさと荷重を掛ける時期および完
治の判断が的確になされることとなり、管損傷の治療を
大いにサポートすることとなり、このような装置の開発
が以前から望まれていた。

従来、工学の分野では建造物１機械装置および材料等の
損傷を調べるのに用いられてきた音Ｉ＃診断法を骨の診
断に応用しようとする研究がなされてきた。その一つの
方法は、超音波伝導を利用した骨の診断方法である。し
かし、この方法では。

骨折部位からの信号と骨を取り巻く筋肉等の軟部組織か
らの信号との区別が難しく、生体の骨の状態を定量的に
評価することはできないとの報告がなされている。

もう一つの方法として、骨の曲げ振動からの定量的な評
価方法の研究がなされてきた。この方法は５外部からの
骨の長軸方向に直角の強制振動あるいはインパルス衝撃
を与え、骨の曲げ振動の固有振動数の変化から骨の状況
、特に骨折した骨の回復過程を定量的に評価することを
狙ったものである。

この方法については、乾燥脛骨や湿潤脛骨等を用いたＩ
Ｉ実験が行われ有効であることが明らかにされてきた。

また、臨床的にも強制振動装置および振動センサーを針
に取り付けて骨に直接刺して行った実験例もある。

しかし現在までのところ、この診断方法は、いくつかの
欠点があるため、臨床的には実用化されていない。その
大きな問題点として、皮下軟部組織に取り囲まれた生体
内の骨のそのものの振動を検出することが難しいことが
あげられる。また。

この点を解決しようとすると、骨に針で直接センサー等
を取り付けるという侵襲的な方法を取らざるをえなくな
る。これらの点がネックとなっていると言える。

〔発明が解決しようとするｙＡ題］ 従来の振動を用いて骨折を定量的に診断する方法は侵襲
的なものであり、苦痛を与えずに手軽に診断を行うこと
ができなかった。

本発明は、臨床の場で骨折や骨粗鬆症などの診断に随時
非侵襲的に手軽に利用することができ。

特に骨折の治癒過程を迅速に定量的に評価できる生体尾
骨弾性検査装置を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段〕 本発明は、インパルス衝撃を骨に加えることによって測
定される時間応答波形を解析し、骨組織の質的変化を定
量化するものである。

さらに具体的には１本発明の生体尾骨弾性検査装置は、
インパルスハンマーを用いて骨の一端にインパルス衝撃
を与え、骨の他端に伝搬した振動を骨振動検出器により
検出して、たとえば骨折等の損傷を受けた骨の治療状態
を定量的に診断できるようにするものであるが、特に骨
振動検出器に一定の予荷重を加えて骨と骨振動検出器と
の間の皮下軟部組織の振動を抑え、骨の曲げ振動のみを
非侵襲的に検出できるようにして１課題の解決を図って
いる。

第１図は本発明の原理構成図である。　　　　図におい
て。

１は、生体である。

ｌａは１診断対象の骨である。

１ｂは、皮下軟部組織である。

２は、骨１ａにインパルス衝撃を与えるために用いられ
るインパルスハンマーである。

３は、骨１ａに与えるインパルス衝撃の波形を検出する
ための加速度センサーである。

４は、骨１ａに与えられたインパルス衝撃を骨の他の部
位で検出するための骨振動検出器である。

５は、骨振動検出器４を生体１に押しつける荷重の大き
さを検出する圧力センサーである。

６は、骨１ａの曲げ振動を検出する加速度センサーであ
る。

７は、生体尾骨弾性検査装置本体である。

８は、圧力センサー５から出力される圧力検出信号に基
づいて検出圧力のレベルを表示する圧力表示装置である
。

９は、振動解析処理装置である。

ｌＯは、インパルスハンマー２内の加速度センサー３か
ら出力される加速度検出信号に基づいて。

骨１ａに印加したインパルス衝撃の時間応答波形を作成
するとともに、高速フーリエ変換によりパ、ワースベク
トルを求める入力振動波形解析部である。

１１は、骨振動検出器４内の加速度センサー６から出力
される加速度検出信号に基づいて、骨１ａの曲げ振動の
時間応答波形を作成するとともに。

高速フーリエ変換によりパワースペクトルを求める出力
振動波形解析部である。

１２は、求められた印加インパルス衝撃の振動と検出曲
げ振動の２つのパワースペクトルから骨１ａの周波数応
答関数（伝達関数）を求める周波数応答関数演算部であ
る。

１３は１周波数応答関数から骨１ａの固有振動数を抽出
する固有振動数抽出部である。

、１４は、各解析結果のデータを記憶するデータ記憶装
置である。

〔作　用］ 第１図において、インパルスハンマー２を用いて生体１
の外部から骨１ａの一端に衝撃を加え。

インパルス的な振動を発生させると、骨１ａの他端は曲
げ振動の腹となるので、そこに骨振動検出器４を取りつ
ける。

骨振動検出器４には、予め例えば１　ｋｇｆ程度の加重
をかけておくことにより皮下軟部組織１ｂの規制振動を
抑制し、骨１ａの曲げ振動のみを良好に検出できる。

骨振動検出器４にかける加重の大きさは、圧力表示装置
８を用いて任意の値に設定できる。

骨１ａの一端に印加されたインパルス衝撃により生じる
振動は、骨１ａが完全に折れている場合には他端まで伝
わらず、骨折部位の接合が始まると管全体の曲げ振動が
起こり、接合面が強化されるに従い固有振動数は次第に
高い振動数にシフトしてい（、そこで骨の硬さを表すヤ
ング率の値から治癒率を求め、ヤング率は固有振動数の
２乗に比例することから、健常な骨の固有振動数との比
の２乗をとることにより骨折部位の回復状況を定量的に
評価することができる。

以上の原理に従って１本発明の生体用骨牌性検査装置は
、（１）骨の損傷の定量的な評価、　（２）骨折した骨
の回復状況の定量的な評価、　（３）骨折治癒完治の判
定等を行うことができる。

（実施例〕 以下に本発明の詳細を実施例にしたがって説明する。

第２図は本発明の１実施例による生体用骨牌性検査装置
の構成図である。図において、ｌａは診断対象の骨（こ
こでは脛骨を示す）、２はインパルスハンマー、３は加
速度センサー、４は骨振動検出器、５は圧力センサー、
６は加速度センサー。

７は生体尾骨弾性検査装置本体、８は圧力表示装置５２
０は加速度センサー３および６の出力信号を増幅する高
入力インピーダンスの電荷増幅器。

２１はアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコン
バータ、２２は振動解析処理を行うＣＰｔＪ。

２３は高速フーリエ変換その他の処理のためのプログラ
ムおよび制御データなどが格納されている読み出し専用
メモリＲＯＭ、２４は処理中のデータなどが格納される
読み書き可能メモリＲＡＭ。

２５はキー操作部、２６は表示装置、２７はプリンタ装
置２２８はフロッピィディスク装置である。

次に本実施例装置の動作について説明する。

骨１ａの内果をインパルスハンマー２によす叩いて衝撃
を与えると１両端がフリーの梁と同様な曲げ振動が起こ
る。この振動を骨１ａの他端内果に一定の力で押し付け
られた骨振動検出器４により検出する。このとき骨振動
検出器４を押し付ける力は、１ｋｇｆ以上とし、圧力セ
ンサー５と圧力表示装置８によりチエツクされる。

インパルス衝撃波形とそれに基づいて生した曲げ振動の
波形とは、それぞれインパルスハンマー２と骨振動検出
器４の中の加速度センサー３および６によって検出され
、電荷増幅器２０で増幅され、さらにＡＤコンバータ２
１によりデジタル信号に変換されてＣＰＵ２２に入力さ
れる。

ＣＰＵ２２は１順次入力されるデジタル信号をＲＡＭ２
４に記憶し、インパルスおよび曲げ振動の時間応答波形
データを作成する。

次にＣＰＵ２２は、ＲＯＭ２３に格納されている高速フ
ーリエ変換プログラムその他の解析処理用ソフトを用い
て、ＲＡＭ２４にあるインパルスおよび曲げ振動の２つ
の時間応答波形の解析処理を行いそれぞれのパワースペ
クトルを求め、さらに求めた２つのパワースペクトルか
ら周波数応答関数を演算する。これらの解析処理結果は
、フロッピィディスク装置２８に保存されるとともに。

表示装置２６に表示させ、あるいはプリンタ装置２７か
ら印刷出力させることができる。

表示装置２６では、インパルスおよび曲げ振動の時間応
答波形と、パワースペクトルおよび周波数応答関数の２
つの画面のうちいずれか一方を選択して観察することが
できる。

実際の診断においては、インパルス衝撃を与えてから解
析結果が表示されるまでにかかる時間は１秒程度なので
、はぼリアルタイムでの評価が可能となる。診断で最も
利用する画面情報は、インパルス衝撃の時間応答波形と
周波数応答関数の２画面である。前者により、インパル
ス衝撃が適切に行われたかを判断し、後者から曲げ振動
の固有振動数を求める。このようにして骨折した骨の固
有振動数の経時変化を求め１さらに健常例の固有′　　
振動数も参考にして治癒経過の定量的な評価を行う。

次に本診断装置を用いて検査を実施した臨床例から具体
的な評価方法について説明を行う。第３図（ａ）、（ｂ
）に右脛骨を骨折した患者の治癒途中の周波数応答関数
を健常な左脛骨のデータと比較して示す。ピークを与え
ている振動数がそれぞれの固有振動数となる。両者のデ
ータを比較すると骨折した脛骨の振動数は３１２．５　
Ｈｚ　、健常側の振動数は３８７．５　Ｈｚとなり２回
復の程度は固有振動数の比の２乗より求められるので、
この場合約４７％回復していることとなる。

第４図に前述の患者の骨折した側の脛骨の固有振動数の
経時変化を示す、この患者は２３歳の男性で、他の病院
で外科的手術により骨折部位をプレート固定した。しか
し術後の回復が思わしくなく５か刃稜に本大学病院に移
ってきた。その折。

本装置で検査を行った結果５全く振動波形を検出するこ
とができず、骨はまだ完全に折れた状態であった。その
後１５か月間（術後２０か月）に渡り検査を実施した。

術後５か月以降はｆｉｌな回復をみせ、１３か月以降は
健常側の固有振動数を上回った値で一定となり、１９か
刃稜にプレートの除去手術を実施し、２０か刃稜に完治
と判定した。

第５図に、もう一つの臨床例として、右脛骨の骨折に対
して外科的手術により制外固定器による処置を施した患
者（２０歳、男性）の固有振動数の経時変化を示す、術
後１か月半で１３３Ｈｚの振動が得られ、５か刃稜には
３２５Ｈｚ　（８０％回復）に達したので固定器を除去
、その後、少しの増加が見られた後、一定の値に達した
ので、９か刃稜に完治と判定した。

〔発明の効果〕゛ 以上述べたように１本発明によれば骨折等の損傷を受け
た骨の回復過程を患者に苦痛を与えず非侵襲的な方法に
より定量的な検査をリアルタイムで行うことができる。

更に、レントゲンと異なり。

全く患者に無害な診断方法でもあるので検査回数に制限
がなく、緻密な診断が可能となる。この診断方法により
従来レントゲン写真からの判定が困難であった初期回復
過程の定量的な評価が可能となり、初期治療の「適正さ
」の判断が早期に行うことができる。更に骨折部位に荷
重をかける時期及びその荷重量、外固定装具を除去する
時期及び完治等の判定にとって有益なデータを取得する
ことができる。また経時変化のデータからそれまでの回
復状況が明らかになるだけでなく５回復予測も可能とな
る。

更に本装置による定量的な診断は、治療期間の短縮とリ
ハビリテーションへの迅速な移行が可能となり、患者の
早期社会復帰が可能となると予測される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は本発明の実施例
装置の構成図、第３図は周波数応答関数の実Ｆ２例の説
明図、第４図および第５図はそれぞれ骨折治療にともな
う固有振動数の経時変化例の説明図である。 第１図中 １：生体 １ａ：骨 １ｂ：皮下軟部組織 ２：インパルスハンマー ３．６：加速度センサー ４：骨振動検出器 ５：圧力センサー ７：生体用骨弾性検査装置本体 ８−圧力表示装置 ９：振動解析処理装置 １０：入力振動波形解析部 １１：出力振動波形解析部 】２：周波数応答関数演算部 １３：固有振動数抽出部 １４：データ記憶装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 加速度センサーを内蔵した骨インパルス衝撃印加用のイ
   ンパルスハンマーと、 圧力センサー及び加速度センサーを内蔵した骨振動検出
   器と、 骨振動検出器内の圧力センサーから出力される圧力検出
   信号に基づいて骨振動検出器に加わる圧力のレベルを表
   示する圧力表示装置と、 インパルスハンマー内の加速度センサーから出力される
   加速度検出信号を解析してインパルスハンマーにより骨
   に印加されたインパルス衝撃の時間応答波形及びパワー
   スペクトルを作成する手段と、また同時に骨振動検出器
   内の加速度センサーから出力される加速度検出信号を解
   析して検出した骨の曲げ振動の時間応答波形及びパワー
   スペクトルとを作成する手段と、骨に印加されたインパ
   ルス衝撃のパワースペクトル及び骨から検出された骨の
   曲げ振動のパワースペクトルから、骨の周波数応答関数
   を作成する手段と、各作成されたデータを記憶する手段
   と、記憶されたデータを出力する手段とをそれぞれ有す
   る振動解析処理装置と、を備えていることを特徴とする
   生体用骨弾性検査装置。