JPH08332183A - 骨粗鬆症診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 骨密度や骨弾性率を推定し、骨粗鬆症の進行
状況を診断する。 【構成】 超音波振動子の送受波面に超音波遅延スペー
サを接合してなるトランスデューサ１を生体に当て、送
受波面を骨Ｍｂに向けて所定の角度範囲内で振り動かし
ながら、超音波インパルスＡｉを断続的に発射すると共
に、皮膚表面からの表面エコーＡｅ1、骨表面からの骨
エコーＡｅ2を逐次受波してエコー情報を獲得する。装
置本体２内のＣＰＵは、最大骨エコーレベル、これと対
をなす表面エコーレベル、このときのエコー到達時間
差、予め知られた軟組織及び超音波遅延スペーサの音響
インピーダンスに基づいて、超音波の減衰度を考慮した
骨Ｍｂの音響インピーダンスを算出する。骨Ｍｂの音響
インピーダンスは、骨Ｍｂの［弾性率×密度］の平方根
で表され、骨密度が増加（減少）すると、弾性率も（増
加）低下するので、骨密度や骨弾性率を判断する上で、
良い指標となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波インパルスを
人体の所定の部位の骨組織に当てて骨粗鬆症を診断する
骨粗鬆症診断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】骨粗鬆症とは、骨のカルシウムが抜け出
してスカスカになり、変形したり少しのショックで折れ
易くなる病気である。骨粗鬆症を診断する手段の一つと
して、従来、特開平２−１０４３３７号公報に記載され
ているような超音波により診断する方法が知られてい
る。この超音波による診断方法では、骨組織中での音速
が、骨密度に経験上比例するとみなせるとして、超音波
パルスを被験者の皮膚から測定部位の骨組織に向けて発
射し、当該骨組織を透過してきた超音波パルスを受波し
て、骨組織中での音速を測定する。そして、骨組織中で
の音速が遅い程、骨粗鬆症が進行していると診断する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、骨組織中で
の音速は、厳密に言うと、骨密度に比例するのではな
く、［骨の弾性率／骨密度］の平方根で与えられる。し
かも、骨密度が増加すれば弾性率も上昇する関係にある
ため、骨密度の増加に対して音速は敏感には応答でき
ず、音速と骨密度との相関係数は、けっして高くはな
い。したがって、音速情報に基づく上記従来の診断方法
では、骨粗鬆症の進行状況を確実に判断するには無理が
あった。一方、骨弾性率の状況から骨粗鬆症を診断でき
るという意見もある。

【０００４】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、骨密度や骨弾性率の状態を正確に推定し、骨
粗鬆症の進行状況を確実に診断できる骨粗鬆症診断方法
を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明に係る骨粗鬆診断方法は、超音
波振動子の超音波送受波面に送信残響が静まるまで必要
なエコーの戻りを遅延させるための超音波遅延スペーサ
を接合してなる超音波送受波器を生体に当て、上記超音
波送受波面の法線を骨に向け、かつ骨の法線に対して所
定の角度範囲内で振り動かしながら、超音波インパルス
を断続的に発射すると共に、上記生体表面からの第１の
エコー、上記骨表面からの第２のエコーを逐次受波し
て、エコー情報を獲得し、獲得されたエコー情報から第
２のエコーの最大レベル、これと対をなす第１のエコー
のレベルを抽出すると共に、このときの第１のエコーが
受波されてから第２のエコーが受波されるまでのエコー
到達時間差から上記生体表面と上記骨との間の軟組織を
往復することによる超音波の減衰度を算出した後、抽出
された第２のエコーの最大レベル、これと対をなす第１
のエコーのレベル、算出された上記超音波の減衰度、及
び予め知られた上記生体の軟組織の音響インピーダン
ス、同じく予め知られた上記超音波遅延スペーサの音響
インピーダンスに基づいて、上記生体の軟組織と骨との
界面での反射係数又は上記骨の音響インピーダンスを算
出し、算出された該反射係数又は骨の音響インピーダン
スから骨密度又は骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を
診断することを特徴としている。

【０００６】

【作用】この発明の構成において、超音波送受波器を生
体に当て、超音波送受波面の法線を上記骨に向け、かつ
骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
ら、超音波インパルスを断続的に発射する。発射の度に
送信残響が生じるが、送受波面に超音波遅延スペーサが
設けられているため、生体表面から戻ってくる第１のエ
コー及び骨から戻ってくる第２のエコーは、送信残響に
重なることなく、逐次受波され、エコー情報が獲得され
る。獲得されたエコー情報の中から第２のエコーの最大
レベル、これと対をなす第１のエコーのレベルを抽出す
ると共に、このときの第１，第２のエコー間の到達時間
差から上記生体表面と骨との間の軟組織を往復すること
による超音波の減衰度を算出する。次に、抽出された第
２のエコーの最大レベル、これと対をなす第１のエコー
のレベル、算出された超音波の減衰度、及び予め知られ
た上記生体の軟組織の音響インピーダンス、同じく予め
知られた上記超音波遅延スペーサの音響インピーダンス
に基づいて、上記生体の軟組織と骨との界面での反射係
数又は上記骨の音響インピーダンスを算出する。そし
て、算出された反射係数又は骨の音響インピーダンスか
ら骨密度や骨弾性率の状況を推定して骨粗鬆症を診断す
る。なお、最大レベルの第２のエコーが受波されるの
は、骨の法線と超音波送受波面の法線とが一致したと
き、したがって、垂直反射の第２のエコーが送受波面に
垂直に入射するときであり、この場合には、非常に簡素
な式を用いて、反射係数及び骨の音響インピーダンスを
算出できるので、処理の迅速化を図ることができる。

【０００７】この発明の構成によれば、超音波の軟組織
往復による減衰度（エコー時間差の関数）も考慮される
ので、骨の音響インピーダンスを確実に測定できる。骨
の音響インピーダンスは、骨の［弾性率×密度］の平方
根で表されるので、骨密度の増加に伴って弾性率が上昇
すると、これらの相乗効果を受けるために、敏感に応答
して顕著に増加する。逆に、骨密度が減少して、弾性率
が低下すると、音響インピーダンスは、これらの相乗効
果を受けて、敏感に応答して顕著に減少する。それゆ
え、骨の音響インピーダンスは、骨密度や骨弾性率を判
断する上で、良い指標となる。したがって、操作者は、
出力手段によって出力される骨の音響インピーダンスの
値から、骨粗鬆症の進行状況を確実に推定することがで
きる。例えば、音響インピーダンスが、その年齢層の平
均値から著しく小さい場合には、骨粗鬆症が悪化してい
ることが判る。また、骨の音響インピーダンスを骨密度
や骨弾性率の指標とする代わりに、通常は、骨の音響イ
ンピーダンスの単調増加関数とみなして差し支えない生
体の軟組織と骨の界面での反射係数を骨密度や骨弾性率
の指標としても、上述したと同様の効果を得ることがで
きる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１は、この発明の一実施例である骨粗
鬆症診断方法の実施に用いる装置（骨粗鬆症診断装置）
の電気的構成を示すブロック図、図２は、同装置の外観
図、図３は、同装置の使用状態を示す図、図４は、同装
置による骨粗鬆症診断の様子を示す図、図５は、同装置
の動作処理手順（同骨粗鬆症診断方法）を示すフローチ
ャート、また、図６は、同装置の動作を説明するための
図である。図１乃至図４に示すように、この例の骨粗鬆
症診断装置は、被験者Ｍの測定部位である骨Ｍｂに向け
て、指向性の良い超音波インパルスＡｉを発射すると共
に、エコー（反射波）を受波して受波信号（電気信号）
に変換する超音波トランスデューサ（以下、単に、トラ
ンスデューサという）１と、このトランスデューサ１に
半波インパルスの電気信号を入力すると共に、トランス
デューサ１から供給される各種エコーの受波信号（電気
信号）を処理して、骨粗鬆症診断の指標となる骨Ｍｂの
音響インピーダンス情報を提供する装置本体２と、これ
らを接続するケーブル３とから概略なっている。

【０００９】上記トランスデューサ１は、図示しない
が、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円板状の厚
み振動型圧電素子の両面に図示せぬ電極層を積層して形
成される超音波振動子１ａの超音波送受波面Ｘ（以下、
単に、送受波面という）に、超音波遅延スペーサ１ｂを
接合してなっている。超音波遅延スペーサ１ｂは、送信
残響Ａｎの残存中に、皮膚、筋肉、脂肪等で構成される
軟組織Ｍａや骨Ｍｂの表面Ｙ，Ｚから、エコーＡｅ1，
Ａｅ2が送受波面Ｘに戻ってこないように、これらのエ
コーＡｅ1，Ａｅ2の到達を遅延させるための部材であ
り、例えばポリエチレンバルクが用いられる。ここで、
超音波振動子１ａとしては、平面波の状態でエコーＡｅ
1，Ａｅ2を受けるのが測定感度上好ましいことから、発
射された超音波インパルスＡｉが平面波に近い状態で骨
Ｍｂに向かって伝搬できるように、送受波面Ｘのなるべ
く大きなものを用いるのが好ましい。

【００１０】上記装置本体２は、パルス送出部４と、整
合回路５と、増幅器６と、波形整形器７と、Ａ／Ｄ変換
器８と、計時回路９と、ＣＰＵ（中央処理装置）１０
と、ＲＯＭ１１と、ＲＡＭ１２と、レベルメータ１３
と、表示器１４とから構成されている。パルス送出部４
は、整合回路５を介してトランスデューサ１に接続さ
れ、中心周波数略２．５ＭＨｚの半波インパルスの電気
信号を所定の周期で生成して、断続的にトランスデュー
サ１に送信する。整合回路５は、ケーブル３を介してト
ランスデューサ１に接続され、トランスデューサ１と装
置本体２との間で最大のエネルギ効率で信号の受け渡し
を行う。増幅器６は、整合回路５の出力信号を所定の増
幅度で増幅した後、波形整形器７に入力する。波形整形
器７は、図示せぬ検波回路とローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）とから構成され、増幅器６の出力信号（増幅された
受波信号）を検波処理・フィルタ処理を施して波形整形
した後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。

【００１１】Ａ／Ｄ変換器８は、図示せぬレベル検出回
路、サンプルホールド回路等を備え、波形整形器７の出
力信号（波形整形された各種受波信号）のレベルや到来
時刻等を検出して、軟組織Ｍａの表面（以下、皮膚表面
ともいう）Ｙから先に戻ってくるエコーＡｅ1（以下、
表面エコーという）と、骨表面Ｚから遅れて戻ってくる
エコーＡｅ2（以下、骨エコーという）とを順次抽出
し、対をなして抽出された表面エコーＡｅ1及び骨エコ
ーＡｅ2の受波信号をそれぞれデジタルの表面エコー信
号Ｅ1及び骨エコー信号Ｅ2に変換し、デジタルに変換さ
れた表面エコー信号Ｅ1及び骨エコー信号Ｅ2をＣＰＵ１
０に逐次入力すると共に、表面エコーＡｅ1を抽出した
ときは、表面エコー抽出信号ＥTを生成して、計時回路
９に与える。上述のことから明らかなように、ここで、
デジタルの表面エコー信号Ｅ1は、表面エコーＡｅ1が送
受波面Ｘにまで戻ってきたときの当該表面エコーＡｅ1
のレベル値（表面エコーレベル）を示し、一方、デジタ
ルの骨エコー信号Ｅ2は、骨エコーＡｅ2が送受波面Ｘに
まで戻ってきたときの当該骨エコーＡｅ2のレベル値
（骨エコーレベル）を示している。計時回路９は、図示
せぬクロック発生器と計数回路とから構成され、Ａ／Ｄ
変換器８から表面エコー抽出信号ＥTの供給を受ける度
に、計数回路をリセットして計時を開始し、経過時間
（計数値）はＣＰＵ１０に与えられる。

【００１２】ＣＰＵ１０は、ＲＯＭ１１に記憶された処
理プログラムをＲＡＭ１２を用いて実行することによ
り、装置各部を制御して、骨粗鬆症診断の指標となる骨
Ｍｂの音響インピーダンスＺｚの算出処理を行う。すな
わち、ＣＰＵ１０は、 Ａ／Ｄ変換器８の出力信号
（表面エコー信号Ｅ1及び骨エコー信号Ｅ2）を逐次取り
込むと共に、骨エコー信号Ｅ2の取り込み時点に、計時
回路９から経過時間を読み込んで、エコー到達時間差Ｔ
ｎを計測する。ここで、エコー到達時間差Ｔｎとは、表
面エコーＡｅ1の到達時間を基準時間に設定した場合に
おける、骨エコーＡｅ2の到達の遅れを意味し、エコー
到達時間差Ｔｎに軟組織Ｍａ中での音速を乗じて得られ
る値が、軟組織Ｍａの厚みの２倍、すなわち超音波が軟
組織Ｍａを往復する道のりに相当する。次に、 取り
込んだ骨エコー信号Ｅ2の中から最大骨エコーレベルＥ2
maxを抽出し、抽出された最大骨エコーレベルＥ2max、
これと対をなす表面エコーレベルＥ1max、及びこのとき
のエコー到達時間差Ｔｎ、並びに既知の軟組織Ｍａの音
響インピーダンスＺｙ、同じく既知の超音波遅延スペー
サ１ｂの音響インピーダンスＺｘ等に基づいて、骨Ｍｂ
の音響インピーダンスＺｚを算出する。

【００１３】ＲＯＭ１１は、ＣＰＵ１０の各種処理プロ
グラム及び骨Ｍｂの音響インピーダンスＺｚを算出する
ための演算サブプログラムを格納する。ＲＡＭ１２は、
ＣＰＵ１０の作業領域が設定されるワーキングエリア
と、各種データを一時記憶するデータエリアとを有し、
このデータエリアには、今回取り込んだ表面エコーレベ
ルＥ1、骨エコーレベルＥ2、このときのエコー到達時間
差Ｔｎを記憶する今回抽出データメモリエリアや、これ
まで取り込んだ骨エコーレベルＥ2の中から抽出された
最大骨エコーレベルＥ2max、これと対をなす表面エコー
レベルＥ1max、及びこのときのエコー到達時間差Ｔｎ等
を一時記憶する最大値抽出データメモリエリアや、測定
続行か否かの情報を示す測定続行フラグ等が設定されて
いる。レベルメータ１３は、ＣＰＵ１０によって制御さ
れ、ＲＡＭ１２の今回抽出データメモリエリアに記憶さ
れている今回抽出の骨エコーレベルＥ2（骨エコーＡｅ2
の現在レベル１３ａ）と、ＲＡＭ１２の最大値抽出デー
タメモリエリアに記憶されている最大骨エコーレベルＥ
2max（骨エコーＡｅ2の最大レベル１３ｂ）とを液晶指
針パターンにより同時表示する。表示器１４は、ＣＲＴ
ディスプレイ又は液晶ディスプレイからなり、ＣＰＵ１
０によって算出された骨Ｍｂの音響インピーダンスＺｚ
や算出途中の結果を表示する。

【００１４】次に、図３乃至図６を参照して、この例の
動作処理手順（骨粗鬆症診断方法）について説明する。
上記構成の装置を用いて、骨粗鬆症を診断するには、測
定対象として、なるべく平面波の骨エコーＡｅ2が得易
い形状・部位の骨Ｍｂを選択する。例えば、踵や膝蓋骨
上等は、湾曲が少なく、皮膚の近くにあり、平面波の骨
エコーＡｅ2が得易いので、測定対象として好適であ
る。測定対象の骨Ｍｂを選択した後、装置に電源を投入
すると、ＣＰＵ１０は、まず、ステップＳＰ１０（図
５）において、装置各部のイニシャライズを行う。この
イニシャライズは、ＲＡＭ１２内に設定された各種デー
タメモリエリアのクリア及び測定続行フラグのリセット
並びに周辺回路の初期設定となる各種変数の初期設定等
である。これにより、ＲＡＭ１２に設定された今回抽出
データメモリエリア、最大値抽出データメモリエリア、
測定続行フラグ等の内容は、いずれも、「０」の状態に
初期設定される。ＣＰＵ１０は、装置各部のイニシャラ
イズを終えると、ステップＳＰ１１において、プレ測定
の開始を待つ。

【００１５】ここで、操作者は、図３に示すように、測
定対象の骨Ｍｂを覆っている軟組織Ｍａの表面（皮膚表
面）Ｙに、例えば水やゼリー等の超音波カップリング材
１５を塗って、超音波が被験者Ｍの体内に注入され易い
状態にした後、超音波カップリング材１５の上からトラ
ンスデューサ１を皮膚表面Ｙに密着させ、かつ送受波面
Ｘを測定対象の骨Ｍｂに向けた状態で、測定開始スイッ
チをオンとする。

【００１６】測定開始スイッチがオンとされると（ステ
ップＳＰ１１）、ＣＰＵ１０は、測定続行フラグの内容
を「１」に書き改めた後（測定続行フラグを立てた
後）、これより、図５に示す処理手順に従って診断動作
を開始する。ＣＰＵ１０は、ステップＳＰ１２におい
て、パルス送出部４を制御して、半波インパルスの電気
信号をトランスデューサ１に送出させる。トランスデュ
ーサ１は、パルス送出部４から半波インパルスの電気信
号を受けると、超音波振動子１ａの送受波面Ｘから被験
者Ｍの骨Ｍｂに向けて指向性の良い超音波インパルスＡ
ｉを発射する。発射された超音波インパルスＡｉは、超
音波遅延スペーサ１ｂの中を送受波面Ｘの法線方向に進
み、図４に示すように、超音波遅延スペーサ１ｂと軟組
織Ｍａとの界面Ｙ（厳密には、図３に示すように、超音
波遅延スペーサ１ｂと超音波カップリング材１５との界
面）において、一部は反射して表面エコーＡｅ1とな
り、残りは軟組織Ｍａ内に進入する。このうち、表面エ
コーＡｅ1は、超音波遅延スペーサ１ｂ内を逆向きに進
んで、超音波振動子１ａの送受波面Ｘで受波される（な
お、表面エコーＡｅ1が受波される時点では、送信残響
Ａｎは静まっている）。一方、軟組織Ｍａ内に進入した
超音波インパルスＡｉは、軟組織Ｍａを構成する分子と
の相互作用により減衰しながらも測定対象の骨Ｍｂに向
かって伝搬する。そして、骨表面Ｚにおいて、一部は反
射して骨エコーＡｅ2となり、残りは骨Ｍｂ内に進入し
て一部は吸収され一部は透過する。このうち、骨エコー
Ａｅ2は、逆の経路を辿って、再び超音波遅延スペーサ
１ｂ内に入り、超音波振動子１ａの送受波面Ｘで受波さ
れる。

【００１７】トランスデューサ１は、各種のエコーＡ
ｎ，Ａｅ1，Ａｅ2を逐次受波すると、受波信号（電気信
号）に変換し、変換により生成された受波信号をケーブ
ル３を介して装置本体２（整合回路５）に送出する。増
幅器６は、整合回路５から出力される受波信号を所定の
増幅度で増幅した後、波形整形器７に入力する。波形整
形器７は、増幅器６の出力信号を検波・フィルタ処理を
施して波形整形した後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。

【００１８】ここで、ＣＰＵ１０は、Ａ／Ｄ変換器８を
制御して、波形整形器７の出力信号のレベル等を検出さ
せ、先に戻ってくる表面エコーＡｅ1と、遅れて戻って
くる骨エコーＡｅ2とを順次抽出させ、対をなして抽出
された表面エコーＡｅ1、骨エコーＡｅ2の受波信号をデ
ジタルの表面エコー信号Ｅ1、骨エコー信号Ｅ2に変換さ
せる（ステップＳＰ１３）。なお、Ａ／Ｄ変換器８は、
表面エコーＡｅ1を抽出したときは、表面エコー抽出信
号ＥTを生成して計時回路９に与える。ＣＰＵ１０は、
Ａ／Ｄ変換器８から互いに対をなす表面エコー信号Ｅ1
及び骨エコー信号Ｅ2を取り込むと共に、骨エコー信号
Ｅ2の取り込み時点に、計時回路９から経過時間を読み
込んで、このときのエコー到達時間差Ｔｎを計測した
後、今回抽出の表面エコーレベルＥ1、骨エコーレベル
Ｅ2、エコー到達時間差Ｔｎとして、ＲＡＭ１２の今回
抽出データメモリエリアに記憶した後（ステップＳＰ１
４）、レベルメータ１３を制御して、今回抽出の骨エコ
ーレベルＥ2（骨エコーＡｅ2の現在レベル１３ａ）と、
ＲＡＭ１２の最大値抽出データメモリエリアに記憶され
ている最大骨エコーレベルＥ2max（骨エコーＡｅ2の最
大レベル１３ｂ）とを液晶指針パターンにより同時表示
させる（ステップＳＰ１５）。

【００１９】次に、ＣＰＵ１０は、ステップＳＰ１６に
移り、ＲＡＭ１２内の今回抽出データメモリエリアから
今回抽出の骨エコーレベルＥ1を読み出すと共に、最大
値抽出データメモリエリアから最大骨エコーレベルＥ2m
axを読み出して、今回抽出の骨エコーレベルが、最大骨
エコーレベルＥ2maxよりも大きいか否かを判断する。こ
の判断の結果が、「ＹＥＳ」のとき、すなわち、今回抽
出の骨エコーレベルＥ2が最大骨エコーレベルＥ2maxよ
りも大きいときは、ステップＳＰ１７へ進み、最大値抽
出データメモリエリアの記憶内容（最大骨エコーレベル
Ｅ2max等）を今回抽出骨データメモリエリアの記憶内容
（今回抽出の骨エコーレベルＥ2等）で書き換えた後、
ステップＳＰ１８へ進む。一方、ステップＳＰ１６にお
ける判断の結果が、「ＮＯ」のとき、すなわち、今回抽
出の骨エコーレベルＥ2が最大骨エコーレベルＥ2maxよ
りも小さいときは、ステップＳＰ１８へ直接飛ぶ。ステ
ップＳＰ１８では、ＣＰＵ１０は、ＲＡＭ１２内の測定
続行フラグを見る。測定続行フラグが立っていれば（測
定フラグの内容が「１」のときは）、測定続行の意味な
ので、ＣＰＵ１０は、ステップＳＰ１２へ戻り、上述の
処理（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１８）を繰り返す。な
お、操作者が、測定終了スイッチを押すまで、測定続行
フラグの内容は「１」に保たれる。

【００２０】操作者は、ＣＰＵ１０が上述の処理（ステ
ップＳＰ１２〜ＳＰ１８）を繰り返す間、図３の矢印Ｒ
で示すように、トランスデューサ１を、皮膚表面Ｙに当
てがい、かつ測定対象である骨Ｍｂに向けた状態で、時
にコマの歳差運動のように円を描いて、時にシーソのよ
うに前後に左右に斜め方向に振りながら、レベルメータ
１３の液晶指針パターンが最大に振れる状態を目指す。
レベルメータ１３の液晶指針パターンが最大に振れると
きは、図６（ａ）に示すように、測定部位である骨Ｍｂ
の法線とトランスデューサ１の送受波面Ｘの法線とが一
致するとき、すなわち、平面波の超音波インパルスＡｉ
が骨表面Ｚに垂直入射するとき（超音波インパルスＡｉ
の波面が骨表面Ｚに対して略平行に揃っているとき）で
ある。

【００２１】何故なら、両法線が一致するときには、同
図（ａ）に示すように、骨表面Ｚで垂直反射した骨エコ
ーＡｅ2は、送受波面Ｘに垂直入射して戻ってくるた
め、骨エコーＡｅ2の波面も送受波面Ｘに対して略平行
に揃い、それゆえ、受波位置の違いによる骨エコーＡｅ
2の位相のずれが最小となるので、受波信号は、山と谷
との打ち消し合いが少なく、したがって、最大レベルの
骨エコーＡｅ2が受波されることとなるからである。こ
れに対して、両法線が不一致のとき、同図（ｂ）に示す
ように、送受波面Ｘで骨エコーＡｅ2の波面が不揃いの
ため、受波信号は、山と谷とが打ち消し合って、小さく
なる。ここで、大事なことは、骨エコーＡｅ2のうち、
抽出したいのは、垂直反射で戻ってくる骨エコーＡｅ2
である、ということである。何故なら、後述のアルゴリ
ズムに適用される数式は、計算の正確性・簡素化のた
め、骨エコーＡｅ2が略垂直反射の場合に成立する式だ
からである。ただ、骨表面Ｚで垂直反射した骨エコーＡ
ｅ2は、上述したように、受波信号が最大レベルとなる
ので、垂直反射の骨エコーＡｅ2を抽出するために、レ
ベルメータ１３を参照しながら、最大レベルの骨エコー
Ａｅ2を抽出するのである。なお、レベルメータ１３の
液晶指針パターンは、骨Ｍｂの法線と送受波面Ｘの法線
との不一致が、はなはだしいときは、敏感に変化する
が、両法線が略一致するときは、変化が鈍くなるため、
垂直反射の骨エコーＡｅ2は、容易にかつ再現性良く抽
出できる。一方、表面エコーＡｅ1は、超音波振動子１
ａの送受波面Ｘと超音波遅延スペーサ１ｂの先端面と
が、互いに平行関係を有するように設定されているの
で、同図（ａ）,（ｂ）に示すように、常に垂直反射で
ある。

【００２２】操作者は、レベルメータ１３の液晶指針パ
ターンの振れ具合を見て、最大レベルの骨エコーＡｅ2
を抽出できたと判断すると、測定終了スイッチを押下す
る。測定終了スイッチが押下されると、ＣＰＵ１０は、
割り込み処理により、測定続行フラグの内容を「０」に
書き換えて、測定続行フラグを下ろす。測定続行フラグ
が下ろされると、ＣＰＵ１０は、測定終了と判断し（ス
テップＳＰ１８）、パルス送出部４を制御して、トラン
スデューサ１への半波インパルス（電気信号）の送信を
停止させる。そして、最大値抽出データメモリエリアか
ら、記憶内容（最大骨エコーレベルＥ2max等）を読み出
して、表示器１４に表示する（ステップＳＰ１９）。

【００２３】この後、ＣＰＵ１０は、最大値抽出データ
メモリエリアに記憶されているデータ（最大骨エコーレ
ベルＥ2max、これと対をなす表面エコーレベルＥ1max、
及びこのときのエコー到達時間差Ｔｎ）を用いて、骨Ｍ
ｂの音響インピーダンスＺｚの算出処理を実行する。こ
の算出処理は、まず、軟組織Ｍａ中での超音波の減衰度
Ａ(Ｔｎ)を算出し（ステップＳＰ２０）、次いで、得ら
れた減衰度Ａ(Ｔｎ)等から軟組織Ｍａと骨Ｍｂとの界面
での反射係数Ｒを算出した後（ステップＳＰ２１）、得
られた反射係数Ｒ等から骨Ｍｂの音響インピーダンス
（音響インピーダンス密度：Ｎ・ｓ／ｍ³）Ｚｚを算出す
る（ステップＳＰ２３）という手順で行われる。

【００２４】［１］超音波の軟組織往復による減衰度Ａ
(Ｔｎ)の算出 ＣＰＵ１０は、まず、最大値抽出データメモリエリアの
中からエコー到達時間差Ｔｎを読み出し、読み出された
エコー到達時間差Ｔｎ［sec］の値を式（１）に代入し
て、軟組織Ｍａ内での超音波の減衰度Ａ(Ｔｎ)を算出す
る（ステップＳＰ２０）。

【００２５】

【数１】

【００２６】ここで、減衰度Ａ(Ｔｎ)とは、超音波が軟
組織Ｍａ内を往復する際に受ける減衰の程度、すなわ
ち、超音波が皮膚表面Ｙから骨表面Ｚにまで伝搬し、骨
表面Ｚで反射して再び皮膚表面Ｙに戻ってくるまでに受
ける減衰の程度を意味する（Ａ(Ｔｎ)が小さい程、減衰
大を意味する）。また、減衰度Ａ(Ｔｎ)は、エコー到達
時間差Ｔｎの関数であり、関係式は、実験もしくはシミ
ュレーションによって求めることができる。超音波が、
軟組織Ｍａ内で減衰を受けるのは、第１に、この例で使
用する超音波は、完全な平面波ではなく、球面波成分も
多分に含み、この球面波成分により音響エネルギが拡散
（超音波拡散）するからであり、第２に、軟組織Ｍａと
の摩擦で、音響エネルギが熱エネルギに変換（超音波吸
収）されるためである。超音波拡散に起因する減衰の程
度は、トランスデューサ１の開口、超音波の周波数、軟
組織Ｍａの音速等から、計算や実験により求めることが
できる。また、超音波吸収に起因する減衰の程度は、超
音波の周波数を低くすれば小さくなり、周波数が充分に
低くなくとも、軟組織Ｍａの代表的な吸収定数（単位長
当たりの超音波の減衰率）を用いることができる。な
お、超音波の減衰度Ａ(Ｔｎ)を与える式（１）は、超音
波の使用中心周波数を２．５ＭＨｚに設定し、トランス
デューサ１の開口を１５ｍｍに設定した場合に成立する
実験式である。

【００２７】［２］軟組織Ｍａ・骨Ｍｂの界面での反射
係数Ｒの算出 次いで、ＣＰＵ１０は、最大値抽出データメモリエリア
の中から最大骨エコーレベルＥ2max、これと対をなす表
面エコーレベルＥ1maxを読み出し、式（１）を用いて算
出された減衰度Ａ(Ｔｎ)と共に、式（２）に代入して、
超音波が軟組織Ｍａの媒質側から骨Ｍｂに垂直入射する
場合の軟組織Ｍａと骨Ｍｂとの界面での反射係数Ｒを算
出する（ステップＳＰ２１）。

【００２８】

【数２】

【００２９】ここで、 Ｚｘ：超音波遅延スペーサ１ｂの音響インピーダンス
（既知） Ｚｙ：軟組織Ｍａの音響インピーダンス（既知） なお、Ｚｘ，Ｚｙには、実測値や計算値が使用される。

【００３０】式（２）は、次のようにして導かれる。ま
ず、パルス送出部４から、半波インパルスの電気信号
（振幅Ｖｉ）をトランスデューサ１に送出すると、トラ
ンスデューサ１は、超音波振動子１ａの送受波面Ｘから
被験者Ｍの骨Ｍｂに向けて超音波インパルスＡｉを発射
する。トランスデューサ１に単位電気信号（電圧、電
流、散乱パラメータ等）を印加したときに、トランスデ
ューサ１から出力される超音波インパルスの超音波遅延
スペーサ１ｂの先端面における音圧をＰとすると、超音
波インパルスＡｉは、音圧ＰＶｉで超音波遅延スペーサ
１ｂの先端面に達し、ここで、大半は、皮膚表面Ｙから
軟組織Ｍａ内に注入されるが、一部は表面エコーＡｅ1
となって、再び逆の経路を辿りトランスデューサ１に受
波される。表面エコーＡｅ1の音圧Ｐ(ｅ1)は、式（３）
で与えられる。

【００３１】

【数３】 Ｐ(ｅ1)＝Ｄ・Ｐ・Ｖｉ ……（３） ただし、 Ｄ＝（Ｚｙ−Ｚｘ）／（Ｚｙ＋Ｚｘ） ここで、 Ｄ：超音波が、超音波遅延スペーサ１ｂの媒質側から軟
組織Ｍａに垂直に入射する場合の超音波遅延スペーサ１
ｂと軟組織Ｍａとの界面での反射係数

【００３２】いま、超音波遅延スペーサ１ｂの先端面に
単位入射音圧のエコーが垂直に入射したときにトランス
デューサ１から出力される受波信号（電気信号）の振幅
をＱとすると、音圧Ｐ(ｅ1)の表面エコーＡｅ1が、トラ
ンスデューサ１の超音波振動子１ａに受波されると、ト
ランスデューサ１は、振幅Ｑ・Ｐ(ｅ1)の受波信号を出力
する。この受波信号は、増幅器６及び波形整形器７で増
幅されて、表面エコー信号Ｅ1として、Ａ／Ｄ変換器８
にてデジタル変換される。それゆえ、増幅器６の振幅増
幅度と波形整形器７の振幅増幅度との積をＢすると、表
面エコーレベルＥ1は、式（４）で与えられる。

【００３３】

【数４】

【００３４】一方、音圧ＰＶｉの超音波インパルスＡｉ
は、超音波遅延スペーサ１ｂの先端面（皮膚表面Ｙ）か
らＰＶｉ・Ｔ12の音圧で軟組織Ｍａ内に注入される。こ
こで、Ｔ12は、超音波遅延スペーサ１ｂの媒質から軟組
織Ｍａの媒質へ垂直に入射する超音波の音圧の透過率で
ある。軟組織Ｍａ内に注入された音圧ＰＶｉ・Ｔ12の超
音波インパルスＡｉは、骨表面Ｚに対して垂直に入射す
る場合、骨表面Ｚで垂直に反射して骨エコーＡｅ2とな
って、トランスデューサ１に戻ってくる。超音波振動子
１ａの送受波面Ｘに垂直に戻ってきた骨エコーＡｅ2の
音圧Ｐ(ｅ21)は、式（１）より求めた超音波の軟組織Ｍ
ａ往復による減衰度Ａ(Ｔｎ)を考慮すれば、式（５）で
与えられる。なお、超音波が軟組織Ｍａの媒質側から超
音波遅延スペーサ１ｂに入射する際の反射成分及び超音
波遅延スペーサ１ｂ内での減衰成分は無視して考える。

【００３５】

【数５】 Ｐ(ｅ2)＝Ｐ・Ｖｉ・Ｔ12・Ｔ21・Ｒ・Ａ(Ｔｎ) ……（５） ここで、 Ｔ21：軟組織Ｍａの媒質から超音波遅延スペーサ１ｂの
媒質へ垂直に入射する超音波の音圧の透過率 Ｒ：超音波が軟組織Ｍａの媒質側から骨Ｍｂに垂直に入
射する場合の軟組織Ｍａと骨Ｍｂとの界面での反射係数

【００３６】音圧Ｐ(ｅ2 )の骨エコーＡｅ2が、トラン
スデューサ１の超音波振動子１ａに垂直に受波される
と、トランスデューサ１は、振幅Ｑ・Ｐ(ｅ2)の受波信号
を出力する。この受波信号は、増幅器６（及び波形整形
器７）で増幅度Ｂで増幅されて、最大骨エコー信号Ｅ2m
axとして、Ａ／Ｄ変換器８にてデジタル変換される。そ
れゆえ、最大骨エコーレベルＥ2maxは、式（６）で与え
られる。

【数６】 Ｅ2max＝Ｐ・Ｖｉ・Ｔ12・Ｔ21・Ｒ・Ａ(Ｔｎ)・Ｂ・Ｑ ……（６） ここで、超音波遅延スペーサ１ｂから軟組織Ｍａへの音
圧の透過率Ｔ12は、式（７）で与えられる。

【００３７】

【数７】

【００３８】また、軟組織Ｍａから超音波遅延スペーサ
１ｂへの音圧の透過率Ｔ21は、式（８）で与えられる。

【００３９】

【数８】

【００４０】式（７）,（８）を用いて、式（６）を整
理すれば、最大骨エコーレベルＥ2maxは、式（９）で与
えられる。

【００４１】

【数９】

【００４２】式（９）に式（４）を代入すると、式（１
０）が得られる。なお、このときの表面エコーＡｅ1と
骨エコーＡｅ2とは、互いに対をなすものであるから、
式（４）において、Ｅ1をＥ1maxと書き換えた。

【００４３】

【数１０】

【００４４】再び、図５のフローチャートの説明に戻れ
ば、ＣＰＵ１０は、式（２）を用いて、軟組織Ｍａと骨
Ｍｂとの界面での反射係数Ｒを算出した後（ステップＳ
Ｐ２１）、算出結果を表示器１４に表示する（ステップ
ＳＰ２２）。

【００４５】［３］骨Ｍｂの音響インピーダンスＺｚの
算出 この後、ＣＰＵ１０は、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺ
ｚ（Ｎ・ｓ／ｍ³）を式（１１）を用いて算出し（ステッ
プＳＰ２３）、算出結果を表示器１４に表示する（ステ
ップＳＰ２４）。

【００４６】

【数１１】

【００４７】上記構成によれば、超音波遅延スペーサ１
ｂによって、送信残響Ａｎの影響が排除される上、超音
波の軟組織往復による減衰度Ａ(Ｔｎ)も考慮されるの
で、骨Ｍｂの音響インピーダンスＺｚを確実に測定でき
る。骨Ｍｂの音響インピーダンスＺｚは、骨Ｍｂの［弾
性率×密度］の平方根で表されるので、骨密度の増加に
伴って弾性率が上昇すると、これらの相乗効果を受ける
ために、敏感に応答して顕著に増加する。逆に、骨Ｍｂ
の密度が減少して、弾性率が低下すると、音響インピー
ダンスＺｚは、これらの相乗効果を受けて、敏感に応答
して顕著に減少する。それゆえ、骨Ｍｂの音響インピー
ダンスＺｚは、骨密度を判断する上で、良い指標とな
る。したがって、操作者は、表示器１４に表示されてい
る骨Ｍｂの音響インピーダンスＺｚの値から、骨粗鬆症
の進行状況を確実に推定できる。例えば、音響インピー
ダンスが、その年齢層の平均値から著しく小さい場合に
は、骨Ｍｂの骨粗鬆症が悪化していることが判る。ま
た、上記構成によれば、レベルメータ１３には、骨エコ
ーＡｅ2の現在レベル１３ａを表示すると共に、骨エコ
ーＡｅ2の最大レベル１３ｂも表示されるので、最大レ
ベルを容易に探索できる。また、変位（トランスデュー
サ１の振れ）に対して変化の鈍る垂直反射の骨エコーＡ
ｅ2を利用するので、測定データの抽出が容易であり、
かつ再現性良く抽出できる。また、ＲＡＭ１２には、今
回抽出されたデータのみを記憶する今回抽出データメモ
リエリア、最大骨エコーレベル及び関係データのみを記
憶する最大値抽出データメモリエリアが設定されている
ので、記憶容量の小さい安価なＲＡＭを使用することが
できる。

【００４８】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、骨は人間
のものに限定されない。同様に、測定部位は、踵や膝蓋
骨上等に限定されない。また、トランスデューサを構成
する超音波振動子は、厚み振動型に限らず、撓み振動型
でも良い。また、圧電素子は、ＰＺＴに限らずチタン酸
バリウム等を用いても良い。また、超音波振動子の送受
波面は、大きなものに限定されない。また、使用中心周
波数は、２．５ＭＨｚに限らない。また、減衰度Ａ(Ｔ
ｎ)を与える式（１）は、一例であり、超音波の使用中
心周波数や、トランスデューサの開口が変われば、変化
し得る。また、軟組織Ｍａの音響インピーダンスＺｙ
は、水の音響インピーダンスに近いので、式（１）の適
用に当たっては、軟組織Ｍａの音響インピーダンスに代
えて、水の音響インピーダンスを用いても良い。また、
骨粗鬆症診断の指標（音響インピーダンス）を出力する
出力装置としては、表示器に限らず、プリンタを用いて
も良い。また、エコー波形を観察するために、時間波形
表示装置（例えば、デジタルオシロスコープ）を備えて
も良い。また、骨Ｍａの音響インピーダンスＺｚの算出
の際に用いる超音波トランスデューサ１ｂの音響インピ
ーダンスＺｘ及び何組織Ｍａの音響インピーダンスＺｙ
は、温度により多少変化するので、一段と高精度の計測
を必要とする場合には、温度センサを設けると共に、超
音波トランスデューサ１ｂの音響インピーダンスＺｘ及
び何組織Ｍａの音響インピーダンスＺｙを温度の関数と
して、取り扱うようにしても良い。

【００４９】また、骨弾性率の状況から骨粗鬆症を診断
できるという意見があるが、骨の音響インピーダンス
は、骨の［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨
弾性率の指標ともなり得る。 また、骨の音響インピー
ダンスを骨密度や骨弾性率の指標とする代わりに、通常
は、骨の音響インピーダンスの単調増加関数とみなすこ
とのできる、軟組織Ｍａと骨Ｍｂとの界面での反射係数
を骨密度や骨弾性率の指標としても、上述したと同様の
効果を得ることができる。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明の構成によれば、超音波遅延スペーサによって、送信
残響の影響が排除される上、生体の軟組織を往復するこ
とによる超音波の減衰度（エコー到達時間差の関数）も
考慮されるので、骨の音響インピーダンスを確実に測定
できる。また、変位（超音波送受波器の振れ）に対して
変化の鈍る垂直反射の骨エコー（第２のエコー）を利用
するので、測定データの抽出が容易であり、かつ再現性
良く抽出できる。加えて、環境の変化による変動が小さ
いとみられる、生体の軟組織の音響インピーダンス及び
超音波遅延スペーサの音響インピーダンスをパラメータ
として用いているので、生体の軟組織と骨の界面での反
射係数や骨の音響インピーダンスを算出する際の誤差も
小さく抑えることができる。骨の音響インピーダンス
は、骨の［弾性率×密度］の平方根で表されるので、骨
密度の増加に伴って弾性率が上昇すると、これらの相乗
効果を受けるために、敏感に応答して顕著に増加する。
逆に、骨の密度が減少して、弾性率が低下すると、音響
インピーダンスは、これらの相乗効果を受けて、敏感に
応答して顕著に減少する。それゆえ、骨の音響インピー
ダンスは、骨密度や骨弾性率を判断する上で、良い指標
となる。したがって、操作者は、表示器に表示されてい
る骨の音響インピーダンスの値から、骨粗鬆症の進行状
況を確実に推定できる。例えば、音響インピーダンス
が、その年齢層の平均値から著しく小さい場合には、骨
の骨粗鬆症が悪化していることが判る。また、骨の音響
インピーダンスを骨密度や骨弾性率の指標とする代わり
に、通常は、骨の音響インピーダンスの単調増加関数と
みなすことのできる、生体の軟組織と骨の界面での反射
係数を骨密度や骨弾性率の指標としても、上述したと同
様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である骨粗鬆症診断方法の
実施に用いる装置（骨粗鬆症診断装置）の電気的構成を
示すブロック図である。

【図２】同装置の外観を示す図である。

【図３】同装置の使用状態を示す図である。

【図４】同装置による骨粗鬆症診断の様子を示す図であ
る。

【図５】同装置の動作処理手順（同実施例の骨粗鬆症診
断方法）を示すフローチャートである。

【図６】同装置の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

１ トランスデューサ（超音波送受波器） １ａ 超音波振動子 １ｂ 超音波遅延スペーサ ８ Ａ／Ｄ変換器 ９ 計時回路 １０ ＣＰＵ １１ ＲＯＭ １２ ＲＡＭ １４ 表示器 Ａｉ 超音波インパルス Ｍａ 軟組織 Ｍｂ 骨 Ｘ 送受波面（超音波送受波面） Ｙ 軟組織の表面（皮膚表面、生体表面） Ｚ 骨表面 Ａｎ 送信残響 Ａｅ1 表面エコー（第１のエコー） Ａｅ2 骨エコー（第２のエコー）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動子の超音波送受波面に送信残
   響が静まるまで必要なエコーの戻りを遅延させるための
   超音波遅延スペーサを接合してなる超音波送受波器を生
   体に当て、前記超音波送受波面の法線を骨に向け、かつ
   骨の法線に対して所定の角度範囲内で振り動かしなが
   ら、超音波インパルスを断続的に発射すると共に、前記
   生体表面からの第１のエコー、前記骨表面からの第２の
   エコーを逐次受波して、エコー情報を獲得し、獲得され
   たエコー情報から第２のエコーの最大レベル、これと対
   をなす第１のエコーのレベルを抽出すると共に、このと
   きの第１のエコーが受波されてから第２のエコーが受波
   されるまでのエコー到達時間差から前記生体表面と前記
   骨との間の軟組織を往復することによる超音波の減衰度
   を算出した後、抽出された第２のエコーの最大レベル、
   これと対をなす第１のエコーのレベル、算出された前記
   超音波の減衰度、及び予め知られた前記生体の軟組織の
   音響インピーダンス、同じく予め知られた前記超音波遅
   延スペーサの音響インピーダンスに基づいて、前記生体
   の軟組織と骨との界面での反射係数又は前記骨の音響イ
   ンピーダンスを算出し、算出された該反射係数又は骨の
   音響インピーダンスから少なくとも骨密度又は骨弾性率
   の状況を推定して骨粗鬆症を診断することを特徴とする
   骨粗鬆症診断方法。