JPH08280672A - 超音波骨評価装置 - Google Patents

超音波骨評価装置

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JPH08280672A
JPH08280672A JP8563395A JP8563395A JPH08280672A JP H08280672 A JPH08280672 A JP H08280672A JP 8563395 A JP8563395 A JP 8563395A JP 8563395 A JP8563395 A JP 8563395A JP H08280672 A JPH08280672 A JP H08280672A
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Naoki Otomo
直樹 大友
Sadayuki Ueha
貞行 上羽
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 骨の微視的構造に関する評価値を求めること
ができる超音波骨評価装置を提供する。 【構成】 第1フーリエ変換部20は、骨を透過した超
音波の受波信号をフーリエ変換することにより受波信号
スペクトルを求める。第2フーリエ変換部22は、受波
信号スペクトルに対して更にフーリエ変換を施す。受波
信号スペクトルに周期的なピークが存在する場合、第2
フーリエ変換部22によるフーリエ変換結果である二次
スペクトルに、その周期的なピークの繰り返し周波数に
対応するピークが現れる。そこで、評価値算出部24
は、二次スペクトルに現れるピークの位置に基づき骨の
評価値を算出する。この値が大きいことは、受波信号ス
ペクトルにおけるピーク繰り返しの周波数が大きいこ
と、すなわち受波信号スペクトルのピークの繰り返し周
期が小さいことを示し、これは骨梁間隔が粗であること
を示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いて骨の評
価・診断を行う超音波骨評価装置に関する。
【0002】
【従来の技術】老年人口の急激な増加とあいまって、骨
粗鬆症・骨軟化症などの骨の疾患をもつ人が増加してお
り、その診断や予防の手法が要望されている。
【0003】骨の評価・診断のための装置としては、従
来X線を利用した骨塩量測定装置があったが、近年これ
に加えて、生体に超音波を透過させて骨組織の評価・診
断を行う超音波骨評価装置が提案されている。このよう
な骨評価装置としては、例えば米国特許3,847,1
41号で提案されている装置がある。この装置は、人の
踵骨の評価を行う装置であり、踵に超音波を透過させて
踵骨を透過する超音波の音速を求め、この音速を踵骨の
評価値としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これら従来の手法によ
って求められる評価値は、骨中の音速や骨塩量など、い
わば巨視的な値であった。
【0005】一般に骨は、外側を覆う皮質骨と、その内
側にある海綿骨とから成っており、このうち海綿骨は、
図3に示すように、比較的弾性波を吸収する硬い骨梁1
10と、骨梁110の間に存在し、軟らかくて弾性波の
伝達性が比較的よい骨髄120とから構成されている。
加齢などにより骨の量が減少してくると、骨梁110が
細くなったり消滅したりしてくるため、骨梁110同士
の間隔が大きくなると考えられるが、このような骨梁間
隔などの骨の微視的な構造は、上記骨中の音速や骨塩量
からは直接的に知ることができない。
【0006】このような状況に対し、近年、骨の総合的
な評価を行うために、骨の微視的構造を直接的に評価す
ることができる装置が要望されている。
【0007】本発明は、このような課題に鑑みなされた
ものであり、骨の微視的構造に関する評価値を求めるこ
とができる新たなタイプの超音波骨評価装置を提供する
ことを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明に係る超音波骨評価装置は、被検体に対し
て超音波を送波する送波手段と、前記被検体を透過した
超音波を受波する受波手段と、受波信号を周波数分析し
て受波信号スペクトルを求める周波数分析手段と、求め
られた受波信号スペクトルにおけるピークの周期性に基
づいて被検体内の骨に関する評価値を演算する評価値演
算手段とを有することを特徴とする。
【0009】また、本発明に係る超音波骨評価装置は、
前記周波数分析手段が前記受波信号をフーリエ変換する
ことにより前記受波信号スペクトルを求め、前記評価値
演算手段が前記受波信号スペクトルに更にフーリエ変換
を施し、この結果得られる二次スペクトルに現れるピー
クの位置に基づいて前記評価値を求めることを特徴とす
る。
【0010】
【作用】まず、本発明の原理を説明する。
【0011】パルス波のような多くの周波数成分を含む
超音波を、図3に示すような海綿骨骨を含む被検体に照
射し、透過超音波を受波した場合、得られる受波信号の
スペクトルは図4に示すようになる。図4から分かるよ
うに、受波信号のスペクトルには図中Rに示す周期的な
ピークが観察される。
【0012】このようなスペクトルの周期性は、海綿骨
の微視的構造を反映したものと考えられる。すなわち、
海綿骨は、超音波に対して一種のフィルタとして作用
し、このフィルタとしての効果は、海綿骨の微視的な構
造、特に骨梁同士の間隔を反映する。骨梁と骨髄の超音
波伝搬特性からいって、骨梁間隔に合った波長の超音波
ほど透過しやすいので、受波信号のスペクトルにおい
て、海綿骨を透過しやすい波長に対応する周波数成分の
強度が高くなるからである。従って、海綿骨内の骨梁の
間隔が狭い場合は、比較的波長の短い、すなわち比較的
高周波の成分がよく透過されるため、受波信号のスペク
トルには高い周波数を基本周波数とする高調波成分が強
く現れ、これらが周期的なピークを形成する。このた
め、骨梁が密な場合は、受波信号のスペクトルのピーク
の周期が大きくなる。これに対し、海綿骨の骨梁間隔が
大きくなると、よく透過される超音波の波長が大きく
(すなわち、周波数が小さく)なるため、受波信号スペ
クトルに現れるピークの周期が小さくなる。
【0013】従って、本発明は、この受波信号スペクト
ルの周期性と骨の微視的構造との関係に注目し、受波信
号スペクトルにおけるピークの繰り返しの周期性を求
め、これに基づいて骨の微視的構造に関する評価値を算
出する。
【0014】すなわち、本発明の構成によれば、送波手
段から放射された超音波は、骨を透過して受波手段によ
って検出される。その際の受波信号が、周波数分析手段
によって分析され、受波信号のスペクトルが求められ
る。評価値算出手段は、その受波信号スペクトルのピー
クの周期性を検出し、この周期性に基づいて骨の評価値
を算出する。
【0015】より具体的には、評価値演算手段は、受波
信号をフーリエ変換することにより得られた受波信号ス
ペクトルに対し更にフーリエ変換を施し、二次スペクト
ルを求める。受波信号スペクトルに周期性が存在する
と、その周期性に対応したピークが二次スペクトルに現
れるので、この二次スペクトルにおいてピークが現れる
位置に基づいて骨の評価値を定める。
【0016】
【実施例】以下、本発明に係る超音波骨評価装置の一実
施例を図面に基づいて説明する。
【0017】図1は、本発明に係る超音波骨評価装置の
概略構成を示すブロック図である。図において、互いに
対向する一対の振動子10a,10bは、図示しない走
査ユニットに固定されている。被検体を検査する際に
は、振動子10a,10bの間に被検体(例えば、踵)
100を配置して、超音波の送受波を行う。このとき、
図示しない走査制御部を通じて走査ユニット全体を駆動
することにより、一対の振動子10a,10bを、被検
体100に対して順次走査することができる。
【0018】振動子10a,10bは、それぞれ送受信
ユニット12a,12bに接続されている。送受信ユニ
ット12a,12bは、それぞれ振動子10a,10b
に対して送信パルスを供給すると共に、振動子10a,
10bからの受波信号を取り込む。本実施例では、振動
子10a,10bはどちらも送受両用であり、適宜使い
分けることができる。なお、本実施例においては、送波
側の振動子からは、多くの周波数成分を含んだインパル
ス状の超音波パルスが送波される。
【0019】送受信ユニット12a,12bは、計測制
御部14からの制御に従い、送信パルスの発生や受波信
号の取り込みを行う。また、送受信ユニット12a,1
2bは、A/D変換器16に接続されており、送受信ユ
ニット12a又は12bによって振動子10a又は10
bから取り込まれた受波信号は、A/D変換器16でデ
ジタル化された後、計測制御部14を介して演算処理部
18に入力される。
【0020】図2は、演算処理部18の機能ブロック図
であり、図に示すように、演算処理部18は、第1フー
リエ変換部20、第2フーリエ変換部22及び評価値算
出部24を有している。
【0021】A/D変換器16によってデジタル化され
た受波信号は、まず第1フーリエ変換部20に入力され
る。第1フーリエ変換部20は、受波信号をフーリエ変
換することにより、受波信号のスペクトルを求める。求
められた受波信号スペクトルのデータは、第2フーリエ
変換部22に入力される。第2フーリエ変換部22は、
受波信号スペクトルのデータに対して更にフーリエ変換
を施す。すなわち、第2フーリエ変換部22は、受波信
号スペクトルを周波数の関数と見て、その受波信号のス
ペクトル自体を更に周波数分析する。受波信号スペクト
ルに周期的なピークが存在する場合は、この受波信号ス
ペクトル自体の周波数分析により、その周期性が検出さ
れる。
【0022】図5は、図4に示すような周期的なピーク
を有する受波信号スペクトルをフーリエ変換したときに
得られるスペクトルの例である。図5において、縦軸は
強度であり、横軸は受波信号スペクトルに現れる繰り返
し成分の周波数である。以下、この受波信号スペクトル
のフーリエ変換結果のことを二次スペクトルと呼ぶ。
【0023】図5に示すように、受波信号の二次スペク
トルには特徴的なピークAが現れる。このピークAは、
受波信号スペクトルにおけるピークの繰り返しによるも
のであると考えられる。従って、二次スペクトルのピー
クから受波信号スペクトルの周期性を検出することがで
きる。
【0024】そこで、本実施例では、評価値算出部24
は、第2フーリエ変換部22で得られた二次スペクトル
のデータを受け取り、この二次スペクトルにおけるピー
クの位置Tを検出し、これを骨に関する評価値として出
力する。この評価値が大きいということは、受波信号ス
ペクトルにおけるピーク繰り返しの周波数が大きいこ
と、すなわち受波信号スペクトルのピークの繰り返し周
期が小さいことを示し、これは骨梁間隔が粗であること
を示す。逆に、この評価値が小さいことは、骨梁間隔が
密であることを示す。
【0025】このように、本実施例によれば、受波信号
スペクトルを更に周波数分析することにより、受波信号
スペクトルに含まれる繰り返し成分の周期性(すなわ
ち、ピークの間隔)に関する評価値を得ることができ
る。受波信号スペクトルのピーク間隔は骨梁間隔を反映
しているので、その評価値は、骨の微視的構造における
一つの特徴量である骨梁間隔を評価するための指標値と
なる。
【0026】なお、本実施例は、受波信号スペクトルの
ピークの繰り返しに注目したものであったが、このピー
クの繰り返しは、1MHzを超えるかなり高い周波数帯
域にならないと現れない。ところが、骨を含む生体自体
は高い周波数成分に対する透過性が小さいので、この繰
り返し部分のレベルは、透過性の大きい比較的周波数の
低い成分の受波信号レベル(図4のスペクトルのメイン
ローブM)に比べてかなり低くなってしまう。このた
め、ピークの繰り返し部分は、回路自体のノイズの影響
を受けやすい。そこで、本実施例では、被検体に対して
何回も超音波パルスを透過させて受波信号データを採取
し、それらを加算処理(あるいは加算平均処理)するこ
とにより、ランダムに発生するノイズの影響を低減す
る。
【0027】また、受波信号スペクトルのピークの繰り
返しは、メインローブより遥かに高い周波数帯に現れる
ので、ピークの周期性の検出にはメインローブ付近のデ
ータは基本的に必要ない。そこで、ノイズの影響を低減
する方法としては、メインローブ付近の受波信号レベル
が飽和してもよいものとして超音波パルスの送信パワー
を大きくし、ピークの繰り返しが現れる高周波数の領域
の受波レベルを大きくする方法もある。
【0028】また、以上に説明した実施例では、受波信
号スペクトルのピークの周期性を検出するために、受波
信号スペクトルをフーリエ変換して二次スペクトルを求
めたが、これに限らず、受波信号スペクトル自体からピ
ークを検出してピーク同士の間隔を求め、そのピーク間
隔を評価値として採用することもできる。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受波信号スペクトルに現れるピークの繰り返しの周期性
を検出することにより、骨の微視的構造を示す特徴量の
一つである骨梁間隔に関する評価値を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る超音波骨評価装置の概略構成を
示すブロック図である。
【図2】 本発明に係る超音波骨評価装置の演算処理部
の機能ブロック図である。
【図3】 海綿骨の構造を説明するための図である。
【図4】 骨を透過した超音波を受波したときの受波信
号のスペクトルを示す図である。
【図5】 受波信号スペクトルに更にフーリエ変換を施
して得られる二次スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
10a,10b 振動子、12a,12b 送受信ユニ
ット、14 計測制御部、16 A/D変換器、18
演算処理部、20 第1フーリエ変換部、22第2フー
リエ変換部、24 評価値算出部。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検体に対して超音波を送波する送波手
    段と、 前記被検体を透過した超音波を受波する受波手段と、 受波信号を周波数分析して受波信号スペクトルを求める
    周波数分析手段と、 求められた受波信号スペクトルにおけるピークの周期性
    に基づいて被検体内の骨に関する評価値を演算する評価
    値演算手段と、 を有することを特徴とする超音波骨評価装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の超音波骨評価装置にお
    いて、 前記周波数分析手段は、前記受波信号をフーリエ変換す
    ることにより前記受波信号スペクトルを求め、 前記評価値演算手段は、前記受波信号スペクトルに更に
    フーリエ変換を施し、この結果得られる二次スペクトル
    に現れるピークの位置に基づいて前記評価値を求めるこ
    とを特徴とする超音波骨評価装置。
JP08563395A 1995-04-11 1995-04-11 超音波骨評価装置 Expired - Lifetime JP3472376B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019505285A (ja) * 2016-01-15 2019-02-28 バタフライ ネットワーク,インコーポレイテッド 超音波信号処理回路並びに関連する装置及び方法
JP2020508461A (ja) * 2017-02-23 2020-03-19 サザン リサーチ インスティチュート スペクトル領域及び時間領域を使用する超音波検査システム

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