JPH08506740A - 骨密度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 患者の硬質組織（骨）の分離片の完全性（密度）は、２つの方法のうちのいずれか１つの方法により測定される。第１方法では、衝撃エネルギが、患者の骨に打撃を加えるようにして骨に導入され、導入された振動は検出され且つ分析されて骨の減衰率を計算する。減衰率は骨密度と直接的な関係を有する。この方法では、骨（２４）に変換器（２６）が連結され、変換器の出力は、減衰率を測定するコンピュータ（３０）に入力される前に増幅器（２８）により増幅される。第２方法では、例えば電力増幅器（３８）に接続される周波数発生器（３６）を用いることにより、連続エネルギ入力が骨に加えられる。電力増幅器（３８）の出力が、骨に連続振動を誘起させるスピーカのような変換器（４０）を駆動する。この連続振動は、変換器（２６）、増幅器（２８）、及び第１方法のようにしてコンピュータ（３０）で計算される減衰率を用いて測定される。

Description

【発明の詳細な説明】 骨密度測定方法及び装置 発明の背景及び要約 生体外（試験管内）の骨強度の研究は、脊椎及び大腿骨の両者の骨強度の低下 がミネラル（鉱質）含有量に正比例することを証明している。このため、臨床的 診断及びモニタリングでは、骨損失の測定にボーンデンシトメトリーが広く用い られている。例えば、シングルフォトン吸光光度法及びデュアルフォトン吸光光 度法（それぞれ、single photon absorptiometry：ＳＰＡ及びdual photon abso rptiometry：ＤＰＡ）及び定量コンピュータ断層撮影（quantitative computor tomography：ＱＣＴ）のような種々の方法が使用されている。しかしながら、こ れらの方法は、精巧で高価な機器を入手できることに基づく時間のかかる方法で あり、従って広範囲での使用には費用が嵩み、不適当である。かくして、妊娠後 及び閉経後の女性によく見られる骨粗鬆症及び衰弱性の病気の発症に対する有効 な診断方法として、骨密度を測定するための簡単且つ効率的で低コストの方法が 従来技術において長い間要望されている。骨粗鬆症の治療は、この病気を早期に 発見し、その後ホルモン治療を開始するのが最も有効である。しかしながら、副 作用の危険性が大きいため、病気が発見されるまではホルモン治療を開始するこ とは望まれていない。また、長期間に亘る骨密度の連続測定によって、付随する 副作用の危険性に対しバランスのとれた治療プロトコルの調節をもたらす有効な 治療法が容易に明らかになる。 骨の完全性が重要視される更に別の医学的事情は、骨折の治癒プロセスである 。骨折箇所が適正に接合されず、このため骨をその骨折前の完全性に戻すことが できない偽関節治癒（non-union healing）として知られている現象がある。治 癒プロセスに伴ってＸ線を使用できることは明らかであるが、この方法は高価で あり且つ身体部分を反復してＸ線に曝す点で好ましくない。本発明者は、これま で、振動応答の関係、特に、骨折治癒の進歩に間接的に関係する固有振動数シフ ト及び位相角シフトの測定に注目した研究に関係してきた。この従来の経験的研 究 は死体の骨を使用するものであり、本発明者による以前に発行された論文（「骨 折治癒のバイラテラル及びアキシャル振動解析のモニタリング（”Monitoring o f Fracture Healing Bilateral and Axial Vibration Analysis”）」（Journal of Bomechanics、Vol.23、No.4、1990年参照）に記載されている理由から、生 体患者への適用は制限される。 従来技術のこれらの及び他の問題を解決するため、本発明者は、励振に対する 振動応答を測定し且つこれからその減衰率を測定することにより骨の完全性を測 定する方法及び装置の開発に成功している。 概略的にいえば、本発明者は、あらゆる骨又は身体の他の硬質組織の減衰率を 測定する２つの技術を開発した。両技術は、骨に変換器を接続する基本的方法か らなり、変換器は、振動応答を測定して電気出力を発生させ、次に、この電気出 力からコンピュータのようなプログラムされた電子論理デバイスを介して減衰率 を測定できるものである。この方法の第１態様では、骨に打撃を与える衝撃エネ ルギを骨に加え、骨の固有振動数で骨に振動を発生させる。次に、この振動及び その減少する振幅を測定し、減衰率の計算に使用する。これと同じ方法の第２態 様では、周波数発生器でスピーカを駆動し且つスピーカを骨に連結することによ りエネルギの連続入力を骨に加え、ほぼ骨の固有振動数で連続振動入力を加える ことができる。周波数発生器は、骨の固有振動数に同調させるべく調節できるこ とが理想的である。次に、同じ変換器及びコンピュータを使用し、応答の半値電 力帯域幅及びその中心周波数に基づく種々の数学的分析を行なって減衰率を計算 する。 本願に開示し且つ特許請求する方法の効能を評価するのに、本発明者は骨に対 し幾つかの実験を行なった。これらの実験により、本発明者は、減衰率のような 機械的特性の変化が、骨密度の対応する変化より１桁大きい大きさを有すること を発見した。かくして、減衰率の測定は骨密度の測定に敏感且つ有効である。ま た、振動応答の測定された出力及び振幅を増大させ、これにより測定誤差を最小 にするには、ピックアップ変換器を骨に近接して配置するのが好ましいけれども 、骨は減衰効果を有するが肉は減衰効果がないため、骨を包囲する肉が測定に及 ぼす効果は最小であることが判明している。また、減衰は骨の応力支持部分の歪 みエネルギの損失の測定であるため、骨を支持する方法には比較的鈍感である。 一方、本発明者の以前に発行した論文に用いられている固有振動数のような他の 機械的特性は、敏感であるとはいえないが、骨の支持方法及び周囲の肉による影 響を強く受ける。従ってこのことは、骨密度のレベル測定及びモニタリングへの これらの機械的特性の使用を実用的でないものとしている。 また、骨密度の指標として減衰率を用いる本発明者のアプローチは、実験的に 測定した減衰率の変化に対する理論的根拠がある点で知的に満足できるものであ る。一般に理解され且つ信じられていることは、骨のマスの損失すなわち密度の 減少はミネラルの損失及びこの結果生じる空隙核形成（void nucleatlon）によ り引き起こされるものであり、これにより、応力集中及び早期破壊が生じる。こ の空隙核形成は、骨がより多孔質になって、骨に一層減衰振動が誘起され易くな るので、減衰率の変化により検出される。かくして、減衰率の測定はこの空隙核 形成の直接測定であり、従って骨の「完全性」の直接指標であると考えられる。 本発明の技術は、骨粗鬆症の診断及び治療に容易に適用できる。第１の例では 、患者の特定の骨の密度はその減衰率を測定することにより測定され、この特定 の骨の密度は患者が治療されるのと同じ方法で測定される。また、これらの骨密 度は、骨密度のあらゆる変化を検出すべく互いに比較される。医学的に顕著な量 の骨密度の減少は、骨粗鬆症の発症を示すものである。また、骨密度の増大又は 少なくとも骨密度の減少を予防する治療（多分運動を通しての治療）が望まれて いる。かくして、これらの技術は、患者が長期間に亘って治療されるときに治療 プロトコルを変えることができる治療の有効性の測定に有効である。この方法及 び減衰率の使用は、同じ患者の同じ骨についての長期間の減衰率測定の相対比較 に基づいている。特定の年齢、性別、適応度レベル、特定の骨等についての患者 の標準化された骨密度値を測定し、この骨密度値に対し特定患者の骨密度測定値 を比較して、骨粗鬆症の可能性を判断することは有効である。本発明者は本発明 を最近開発したので、これらの標準化された値を決定する機会はこれまでになか った。しかしながら、当業者にとっては、本発明を使用し且つ統計学的に重要な 個体グループを測定してこれらの標準化された値及びグループの個体を区別する のに重要な特定ファクタを測定することは簡単であると考えられる。 以上、本発明の原理の長所及び特徴を説明したが、本発明の好ましい実施例に ついての図面及び説明を参照することにより、本発明のより完全な理解が得られ るであろう。 図面の簡単な説明 第１図は、骨に振動を誘起させる衝撃エネルギ入力を用いて骨密度を測定する 本発明の第１技術を示す概略図である。 第２図は、第１図の技術を介して骨に誘起された振動の調和応答を示すグラフ である。 第３図は、骨に連続エネルギ源を連結して骨密度を測定する本発明の第２技術 を示す概略図である。 第４図は、第３図の技術を用いて骨に誘起される振動応答を示すグラフである 。 好ましい実施例の詳細な説明 第１図及び第２図に示すように、骨密度を測定する本発明の第１技術は、ロッ ド２２のような鈍器で患者の腕２０に打撃を加え、これにより腕２０内の骨２４ に振動を誘起させることにより、測定したい骨に振動を誘起させるステップを有 する。便利のため、患者の腕２０の両端は１対の支持体３２、３４により支持す ることができる。変換器２６が、誘起された振動を測定し且つ電気出力を発生す る。この電気出力は増幅器２８により増幅され、次に減衰率の計算を行なうため コンピュータ３０に入力される。第２図に示すように、腕２０への衝撃エネルギ の入力により誘起される振動は、振幅すなわち力レベルが変化する。良く知られ ているように、減衰率は、これらの初期力レベルのいずれか１つにより誘起され る連続振動サイクルの振幅を比較することにより容易に計算できる。第２図に示 すように、腕に加えられる打撃の強さは減衰率の測定に影響を与えない。なぜな らば、減衰率は、振幅の大きさとは無関係に、２つの連続ピーク振幅を比較する ことにより決定されるからである。初期振幅がａ、ｂ又はｃの強さを有していて も、測定される減衰率に変化はない。それどころか、減衰率は、患者の腕２０の 骨２４の特性によってのみ決定されるのである。 第３図及び第４図に示すように、骨の減衰率を測定する別の技術を使用できる 。前述のように、患者の腕２０には骨２４があり、腕２０には検出された振動信 号を電気信号に変換する変換器２６が取り付けられる。電気信号は、次に増幅酉 ２８により増幅されてコンピュータ３０に入力される。しかしながら、患者の腕 ２０への初期エネルギ入力は、特定周波数の電気出力を発生する周波数発生器３ ６により達成される。電気出力は、次に電力増幅器３８により増幅されて、第２ 変換器４０に供給される。第２変換器４０は、患者の腕２０に連結できるスピー カ、シェーカ又は他の同類の装置で構成できる。次に、周波数発生器３６を、患 者の骨２４の最低固有振動数の範囲で掃引する周波数に同調させ、これにより第 ４図に示すような連続振動応答を発生させる。減衰率の測定には、患者の骨２４ に誘起される幾つかの固有調和振動（natural harmonics）のうちの１つのピー ク増幅Ｆ_cが選択される。当該技術分野で良く知られているように、減衰率は半 値電力帯域幅ΔＦ（すなわち、（Ｆ₂−Ｆ₁）を中心周波数Ｆ_cで除したもの）に 等しい。Ｆ₁、Ｆ₂及び半値電力帯域幅は、振幅が最大振幅のO.707倍になる箇所 におけるこれらの周波数である。 本発明者は２つの別々の実験を行ない、これらの実験は、骨密度の測定に減衰 率を用いることの有効性を証明している。第１の実験では、鶏の大腿骨を異なる 時間で塩酸処理し、これらのマスを測定し、次に本願に開示の技術と同じ技術を 用いてこれらの減衰率を測定した。次に、これらの減衰率を、鶏の非処理大腿骨 の減衰率と比較した。鶏の大腿骨の減衰率の変化は、酸処理時間と直接相関関係 があることが判明した。これは、骨の酸中への浸漬時間が長いほど、骨のマスの 減少が大きく、従って骨密度の減少が大きくなると考えられる。また、減衰率の 変化は、骨の測定された密度変化よりほぼ１桁大きいことが測定された。従って 、減衰率は密度変化に対し非常に敏感であり且つ密度の小さな変化を容易に検出 できるので密度測定にとって良いパラメータであると考えられる。 第２の実験ではラットの骨を使用した。より詳しくは、２つの群のラットの脛 骨を比較した。一方の群は大きなトレーニングプログラムを受けたものであり、 トレーニングによって骨密度が増大し、これにより小さい減衰率で示されること が理解されよう。両群共、比較的若年の個体及び比較的老年の個体を有している 。若い方のラットの骨を比較すると、トレーニングによって骨密度は僅かに小さ くなり且つ減衰率は僅かに大きくなったが、これらの変化は統計学的に意味のあ るものとは考えられない。しかしながら、古い方のラットでは、トレーニングに よる減衰率の平均的変化は約４０％、一方骨密度の変化は約２３％であると測定 された。これらの実験結果は、ミネラル含有量、従って個体の骨密度を維持する 点で古い方の個体において肉体的運動（トレーニング）から有益な結果が得られ ることを証明している。ここでも、減衰率測定は、骨密度と不快相関関係を有し ていることが判明した。 本発明には、当業者に明らかな種々の変更を施すことができる。しかしながら 、これらの変更は開示の教示に含まれるものであり、本発明は請求の範囲の記載 によってのみ制限を受けるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．主体をなす硬質組織の分離片の完全性を測定する方法において、 硬質組織の前記分離片に振動を誘起させるステップと、 前記振動に対するその測定された応答から硬質組織の前記分離片の減衰率を 測定するステップとからなり、前記減衰率が硬質組織の前記分離片の完全性を表 すものであることを特徴とする方法。 ２．前記減衰率を測定するステップが、前記誘起された振動に対する硬質組織の 前記分離片の応答を測定するステップを有する、請求の範囲第１項に記載の方法 。 ３．前記ステップを同じ主体に時間間隔をおいて反復して複数の減衰率を測定し 、該複数の減衰率を比較して前記主体の硬質組織の完全性の変化を長期間に亘っ て測定するステップを更に有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．前記硬質組織が骨であり、前記完全性が骨密度であり、長期間に亘る骨密度 の変化に基づいて骨粗鬆症の発症を診断するステップを更に有する、請求の範囲 第３項に記載の方法。 ５．前記硬質組織が骨であり、前記完全性が骨密度であり、骨の偽関節治癒を診 断するステップを更に有する、請求の範囲第３項に記載の方法。 ６．前記減衰率と標準減衰率とを比較して硬質組織の相対完全性を測定するステ ップを更に有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 ７．前記硬質組織が骨であり、前記完全性が骨密度であり、相対骨密度に基づい て骨粗鬆症の発症を診断するステップを更に有する、請求の範囲第６項に記載の 方法。 ８．前記硬質組織が骨であり、前記完全性が骨の連続性であり、骨の偽関節治癒 を診断するステップを更に有する、請求の範囲第７項に記載の方法。 ９．前記減衰率を測定するステップが、前記応答の固有振動数を測定するステッ プと、該固有振動数の連続サイクルの振幅を比較して減衰率を測定するステップ とを有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 10．前記減衰率を測定するステップが、前記応答の固有振動数を測定するステッ プと、前記固有振動数での前記応答の半値電力帯域幅を測定するステップと、半 値電力帯域幅と固有振動数とを比較して減衰率を測定するステップとを有する、 請求の範囲第２項に記載の方法。 11．前記振動を誘起させるステップが、衝撃エネルギを硬質組織の前記分離片に 導入するステップを有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 12．前記衝撃エネルギを導入するステップが、硬質組織の前記分離片を物理的に 打撃するステップを有する、請求の範囲第１１項に記載の方法。 13．前記減衰率を測定するステップが、前記応答の固有振動数を測定するステッ プと、該固有振動数の連続サイクルの振幅を比較して減衰率を測定するステップ とを有する、請求の範囲第１２項に記載の方法。 14．測定ステップが、変換器手段を硬質組織の前記分離片に連結するステップと 、前記変換器手段の出力をコンピュータに入力するステップとを有し、振幅を比 較するステップがコンピュータを用いて前記比較を計算するステップを有する、 請求の範囲第１３項に記載の方法。 15．振動を誘起させるステップが、硬質組織の前記分離片の固有振動数とほぼ同 じ振動数で振動するエネルギで分離片を連続的に励振させるステップを有する、 請求の範囲第２項に記載の方法。 16．硬質組織の前記分離片を連続的に励振させるステップが、前記エネルギの振 動数を変えて固有振動数に一致させるステップを有する、請求の範囲第１５項に 記載の方法。 17．前記減衰率を測定するステップが、前記応答の固有振動数を測定するステッ プと、前記固有振動数での前記応答の半値電力帯域幅を測定するステップと、半 値電力帯域幅と固有振動数とを比較して減衰率を測定するステップとを有する、 請求の範囲第１６項に記載の方法。 18．測定ステップが、変換器手段を硬質組織の前記分離片に連結するステップと 、前記変換器手段の出力をコンピュータに入力するステップとを有し、振幅を比 較するステップがコンピュータを用いて前記比較を計算するステップを有する、 請求の範囲第１７項に記載の方法。 19．人間の硬質組織の分離片の完全性を測定する装置において、硬質組織の前記 分離片に連結される変換器を有し、該変換器が前記分離片の振動応答を測定する 手段を備え、前記変換器に接続され且つ前記分離片の振動応答から分離片の減衰 率を計算する手段を備えたプログラムされた電子機械を更に有することを特徴と する装置。 20．前記変換器とプログラムされた電子機械との間に接続され、プログラムされ た電子機械に入力する前に前記変換器の出力を増幅する増幅器を更に有する、請 求の範囲第１９項に記載の装置。 21．前記プログラムされた電子機械がコンピュータからなる、請求の範囲第２０ 項に記載の装置。 22．硬質組織の前記分離片に振動を誘起させる手段を更に有する、請求の範囲第 １９項に記載の装置。 23．前記振動誘起手段が、衝撃エネルギを硬質組織の前記分離片に導入する手段 を備えている、請求の範囲第２２項に記載の装置。 24．前記振動誘起手段が硬質物体を備えている、請求の範囲第２３項に記載の装 置。 25．前記振動誘起手段が、エネルギの連続流を、硬質組織の前記分離片の固有振 動数にほぼ等しい振動数で分離片に導入する手段からなる、請求の範囲第２２項 に記載の装置。 26．前記振動誘起手段が周波数発生器を備え、該周波数発生器の出力はスピーカ に接続され、該スピーカは硬質組織の前記分離片に連結される、請求の範囲第２ ５項に記載の装置。 27．前記振動誘起手段が、前記周波数発生器と前記スピーカとの間に接続される 増幅器を更に備えている、請求の範囲第２６項に記載の装置。 28．骨粗鬆症の発症を診断する方法において、 主体の特定骨の減衰率を測定することにより、前記主体の骨の密度を測定す るステップと、 主体の骨の密度の測定を長期間に亘って反復し、複数の骨密度を測定するス テップと、 該複数の骨密度を比較し、長期間に亘る骨密度の医学的に大きい減少を検出 するステップとを有し、前記減少は、医学的に重要な他の病気ファクタがない場 合に、骨粗鬆症を示すことを特徴とする診断方法。 29．骨粗鬆症の発症を診断する方法において、 主体の特定骨の減衰率を測定することにより、前記主体の骨の密度を測定す るステップと、 該密度と正常な主体の標準化された骨密度とを比較して全ての差異を測定す るステップと、 該差異が医学的に重要な差異であるか否かに基づいて骨粗鬆症の発症を診断 するステップとを有することを特徴とする診断方法。