JPH09140707A - 首振り型超音波トランスデューサ、これを用いる骨粗鬆症診断方法及び骨粗鬆症診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 骨密度の状態を正確に推定し、信頼性の高い
診断を簡易に行う。 【解決手段】 トランスデューサ１は、超音波インパル
スを測定部位である脛骨下部に発射すると共に、脛骨下
部からのエコーを受波するトランスデューサ本体１０１
と、所定の立体角の範囲内で、トランスデューサ本体１
０１に首振り運動をさせ、超音波インパルスの発射方向
を絶えず変化させる首振り機構１０２とを有している。
首振り機構１０２は、Ｘ軸回転モータ１０３と、Ｙ'軸
回転モータ１０４とからなり、Ｙ'軸回転モータ１０４
は、その回転軸が、Ｘ軸回転モータ１０３の駆動に従動
回転する。測定される脛骨下部の音響インピーダンス
は、皮質骨の［弾性率×密度］の平方根で表されるの
で、骨密度が減少して、弾性率が低下すると、敏感に応
答して顕著に減少する。それゆえ、皮質骨の音響インピ
ーダンスは、骨密度を判断する上で、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、首振り型超音波トラ
ンスデューサ、これを用いる骨粗鬆症診断方法及び骨粗
鬆症診断装置に係り、超音波インパルスを被験者の所定
の皮質骨に向けて発射し、該皮質骨表面からのエコーレ
ベルを測定することにより、骨粗鬆症を診断する超音波
反射式の骨粗鬆症診断に用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】近年、高齢化社会の到来に伴って、骨粗
鬆症と呼ばれる骨の疾患が問題となっている。これは、
骨からカルシウムが抜け出してスカスカになり、少しの
ショックで折れ易くなる病気で、高齢者をいわゆる寝た
きりにさせる原因の一つにもなっている。骨粗鬆症の物
理的診断は、主として、ＤＸＡ等に代表されるＸ線を使
用する診断装置により、骨の密度を精密に測定すること
によって行われるが、Ｘ線による物理的診断では、装置
が大がかりになる上、使用にあたっては、放射線被爆障
害防止の見地から、いろいろな制約を受ける、という煩
わしい問題を抱えている。

【０００３】そこで、このような不都合が全く起きない
簡易な装置として、超音波を利用する診断装置が普及し
始めてきている。超音波を利用する診断装置では、超音
波が骨組織中を伝搬するときの音速や減衰を計測して、
骨密度や骨の弾性率（弾性的強度）を推定し、低い推定
値が得られれば、それは、骨からカルシウムが抜け出し
たためであると考えることができるので、骨粗鬆症と診
断する。例えば、特開平２−１０４３３７号公報に記載
の診断装置では、一方の超音波トランスデューサから測
定部位である被験者の骨組織に向けて超音波インパルス
を発射し、骨組織を透過してきた超音波パルスを他方の
超音波トランスデューサで受波することにより、骨組織
中での音速を測定し、骨組織内での音速が遅い程、骨粗
鬆症が進行していると診断する。これは、同診断装置
が、経験上骨組織中では音速は骨密度に比例する、とい
う前提に立って動作するからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、骨密度
と音速等を結び付ける理論的根拠は不確かで、厳密に言
うと、骨組織中での音速は、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、骨の弾性率と骨密度とは、骨密度が増加すれば骨
の弾性率も上昇するという互いに相殺する形で音速に寄
与するために、骨組織中での音速は骨密度の増加に敏感
には応答できず、骨組織中での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、骨組織中での
音速や超音波の減衰についての計測結果から、骨密度や
骨の弾性率を推定するという従来の診断装置に信頼性の
高い診断を求めることには無理があった。

【０００５】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、放射線被爆の心配のない簡易型であるにもかか
わらず、操作者の負担を軽減すると共に、骨密度を従来
よりも一段と正確に推定でき、信頼性の高い診断を行う
ことのできる、首振り型超音波トランスデューサ、これ
を用いる骨粗鬆症診断方法及び骨粗鬆症診断装置を提供
することを目的としている。

【０００６】

【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記載の発明は、首振り型超音波トランスデ
ューサであって、超音波インパルスを所定の測定部位に
発射すると共に、該測定部位からのエコーを受波するト
ランスデューサ本体と、所定の基準軸を中心としてトラ
ンスデューサ本体に所定の首振り運動をさせ、超音波イ
ンパルスの発射方向を絶えず変化させる首振り機構とを
備えてなることを特徴としている。

【０００７】また、請求項２記載の発明も、首振り型超
音波トランスデューサであって、超音波インパルスを所
定の測定部位に発射すると共に、該測定部位からのエコ
ーを受波するトランスデューサ本体と、所定の基準軸を
中心として上記トランスデューサ本体に所定の首振り運
動をさせ、上記超音波インパルスの発射方向を絶えず変
化させる首振り機構と、該首振り機構に固定され、測定
時、操作者が手に握る部位である把持部とを備えてなる
ことを特徴としている。

【０００８】また、請求項３記載の発明は、請求項１又
は２記載の首振り型超音波トランスデューサであって、
上記首振り機構が、互いに回転軸を直交する状態に配設
された第１及び第２の回転アクチュエータを有して構成
され、上記第２の回転アクチュエータの回転軸が、上記
第１の回転アクチュエータの駆動に従動回転することを
特徴としている。

【０００９】また、請求項４記載の発明は、超音波トラ
ンスデューサを被験者の所定の皮膚表面に当て、超音波
インパルスを測定部位である上記皮膚下の皮質骨に向け
て繰り返し発射し、該皮質骨表面から戻ってくるエコー
を受波してエコーレベルを測定し、さらに、測定された
上記エコーレベルの中から最大エコーレベルを抽出し、
抽出された最大エコーレベルに基づいて、所定の演算処
理を行って骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断方法であっ
て、上記超音波トランスデューサとして、請求項１，２
又は３記載の上記首振り型超音波トランスデューサを用
い、上記首振り機構を作動状態にして、上記トランスデ
ューサ本体に所定の首振り運動をさせ、上記超音波イン
パルスの発射方向を絶えず変化させることにより、最大
エコーを受波できるようにしたことを特徴としている。

【００１０】さらにまた、請求項５記載の発明は、超音
波トランスデューサを被験者の所定の皮膚表面に当て、
超音波インパルスを測定部位である上記皮膚下の皮質骨
に向けて繰り返し発射し、該皮質骨表面から戻ってくる
エコーを受波してエコーレベルを測定することにより、
骨粗鬆症を診断する超音波反射式の骨粗鬆症診断装置で
あって、上記超音波トランスデューサとして、請求項
１，２又は３記載の首振り型超音波トランスデューサを
備えてなることを特徴としている。

【００１１】

【作用】この発明の構成の首振り型超音波トランスデュ
ーサによれば、首振り機構が作動して、トランスデュー
サ本体に所定の首振り運動をさせるので、超音波インパ
ルスの発射方向が自動的に絶えず変化する。それゆえ、
上記首振り型超音波トランスデューサを用いる骨粗鬆症
診断装置又は方法では、操作者を煩わせることなく、あ
るいは、操作の巧拙に関係なく、自動的に最大エコーを
受波できる。

【００１２】また、皮質骨の音響インピーダンスは、皮
質骨の［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いう、相乗効果を
受けるために、音速以上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、音速
以上に敏感に応答して顕著に減少する。それゆえ、皮質
骨の音響インピーダンスは、骨密度を判断する上で、良
い指標となる。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、皮質骨の骨粗
鬆症が悪化していることが判る。また、皮質骨の音響イ
ンピーダンスを骨密度の指標とする代わりに、皮質骨の
音響インピーダンスの単調増加関数である軟組織と皮質
骨との界面での超音波反射係数を骨密度の指標として
も、上述したと同様の効果を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施の形
態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に
行う。 ◇第１実施例 図１は、この発明の第１実施例である骨粗鬆症診断装置
に用いられる首振り型超音波トランスデューサ（以下、
単に、トランスデューサともいう）の使用例を示す側面
図、図２は、同トランスデューサの側面図、図３は、同
トランスデューサの平面図、図４は、同トランスデュー
サの正面図、図５は、この発明の第１実施例である骨粗
鬆症診断装置の電気的構成を示すブロック図、図６は、
同骨粗鬆症診断装置の外観を模式的に示す模式的外観
図、図７、図８、図９及び図骨粗鬆症診断１０は、同骨
粗鬆症診断装置の動作の説明に用いられる説明図、図１
１は、同装置の動作の流れを示すフローチャート、ま
た、図１２は、皮質骨の密度ρの音響インピーダンスＺ
bに関する回帰直線を示すグラフであり、同骨粗鬆症診
断装置を構成する骨密度算出サブプログラムの説明に用
いられる図である。

【００１４】まず、図１乃至図４を参照して、この例の
骨粗鬆症診断装置に用いられるトランスデューサ１の機
械的構成から説明する。同トランスデューサ１は、超音
波インパルスを測定部位である脛骨下部の皮質骨（以
下、単に、脛骨下部ともいう）に発射すると共に、脛骨
下部からのエコーを受波するトランスデューサ本体１０
１と、所定の基準軸を中心として、かつ、所定の立体角
の範囲内で、トランスデューサ本体１０１に首振り運動
をさせ、超音波インパルスの発射方向を絶えず変化させ
る首振り機構１０２とを有してなっている。上記首振り
機構１０２は、互いに回転軸を直交する状態に配設され
たＸ軸回転モータ１０３と、Ｙ'軸回転モータ１０４と
からなっている。Ｘ軸回転モータ１０３は、Ｘ軸の回り
に回転するモータである。また、Ｙ'軸回転モータ１０
４は、Ｙ'軸の回りに回転するモータであり、その回転
軸は、Ｘ軸回転モータ１０３の駆動に従動回転するよう
に構成されている。トランスデューサ１は、脛骨下部の
ある足Ｆを載せるための載置台１０５の一端側に立設さ
れた支持部材１０６から水平に突出するブラケット１０
７にＵ字部材１０８を介して支持固定されている。この
Ｕ字部材１０８にＸ軸回転モータ１０３が取着されてい
る。Ｘ軸回転モータ１０３の回転軸にはＯ字部材１０９
が取着されていて、このＯ字部材１０９にはＹ'軸回転
モータ１０４が取着されている。さらに、Ｙ'軸回転モ
ータ１０４の回転軸には円筒形のトランスデューサ本体
１０１が、その軸心をＹ'軸回転モータ１０４の回転軸
に直交する状態で取着されている。首振り機構１０２
は、このように配置されたＸ軸回転モータ１０３とＹ'
軸回転モータ１０４とが、同時に駆動することにより、
所定の立体角の範囲内で、トランスデューサ本体１０１
に首振り運動をさせる構成となっている。

【００１５】上記トランスデューサ１は、チタンジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）等の円板状の厚み振動型圧電素子の両
面に電極層を有する超音波振動子１ａを主要部とし、こ
の超音波振動子１ａの一方の電極面（超音波インパルス
の送受波面）に、送信残響の効果を除去をするために、
ポリエチレンバルク等の超音波遅延スペーサ１ｂが固着
されてなっている。ここで、精度の高い測定を行うに
は、トランスデューサ１の送受波面から平面波に近い超
音波インパルスを皮質骨に放射でき、皮質骨から平面波
に近いエコーが送受波面に戻ってくるのが望ましいこと
から、トランスデューサ１としては、円板半径の比較的
大きな圧電素子で構成することにより、送受波面をでき
るだけ広くしたものが好適である。同様の観点から、曲
率半径が大きく平面とみなすことができ、皮膚の表面に
近い皮質骨、例えば踵、膝蓋骨上部、脛骨等の皮質骨を
測定部位とするのが好ましい。この例では、図７に示す
ように、脛骨下部Ｍｂを測定部位とする。

【００１６】次に、図５及び図６を参照して、この例の
骨粗鬆症診断装置の電気的構成について説明する。この
例の骨粗鬆症診断装置は、図５及び図６に示すように、
首振り可能なトランスデューサ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供給し、トランス
デューサ１から出力される上記受波信号を処理して脛骨
下部表面からのエコーレベル（反射波の振幅）を抽出す
ることにより、骨粗鬆症の診断を行う装置本体２と、ト
ランスデューサ１と装置本体２とを接続するケーブル３
とから概略なっている。

【００１７】上記装置本体２は、パルス発生器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、ＲＯＭ９と、ＲＡＭ１０と、ＣＰＵ（中央処理
装置）１１と、レベルメータ１２と、表示器１３、Ｘ軸
回転モータ１０３と、Ｙ'軸回転モータ１０４とから構
成されている。パルス発生器４は、ケーブル３を介して
トランスデューサ１に接続され、中心周波数略２．５Ｍ
Ｈｚの半波インパルスの電気信号を所定の周期（例え
ば、１００msec）で繰り返し生成して、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を介して接
続されるトランスデューサ１と装置本体２との間で、最
大のエネルギ効率で信号の授受ができるように、インピ
ーダンスの整合を行う。それゆえ、受波信号は、トラン
スデューサ１の超音波振動子１ａが脛骨下部からのエコ
ーを受波する度に、トランスデューサ１から出力され、
整合回路５を介して、エネルギの損失なしに、増幅器６
に入力される。増幅器６は、整合回路５を経由して入力
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、ＬＣ構成のバンドパ
スフィルタからなり、増幅器６によって増幅された受波
信号にフィルタ処理を施して、ノイズ成分を除去すべく
線形に波形整形した後、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ
／Ｄ変換器８は、図示せぬサンプルホールド回路、サン
プリングメモリ（ＳＲＡＭ）等を備え、ＣＰＵ１１のサ
ンプリング開始要求に従って、入力される波形整形器７
の出力信号（波形整形されたアナログの受波信号）を所
定の周波数（例えば１２ＭＨｚ）でサンプリングしてデ
ジタル信号に順次変換し、得られたデジタル信号を一旦
自身のサンプリングメモリに格納した後、ＣＰＵ１１に
送出する。

【００１８】ＲＯＭ９は、オペレーティングシステム
（ＯＳ）の他に、ＣＰＵ１１の各種処理プログラム、具
体的には、最大エコーレベル抽出サブプログラム、反射
係数算出サブプログラム、音響インピーダンス算出サブ
プログラム、骨密度算出サブプログラム等を格納する。
上記最大エコーレベル抽出サブプログラムには、１パル
ス１エコー毎にＡ／Ｄ変換器８のサンプリングメモリか
らデジタル信号を取り込んで、１エコー毎のエコーレベ
ルを検出する手順と、１エコー毎に検出されたエコーレ
ベルの中から最大エコーレベルを抽出するための処理手
順が書き込まれている。反射係数算出サブプログラムに
は、最大エコーレベル抽出サブプログラムによって与え
られる最大エコーレベルの値に基づいて、被験者の軟組
織と脛骨下部（測定部位）との界面での略垂直反射のと
きの超音波反射係数Ｒを算出するための処理手順が書き
込まれている。

【００１９】音響インピーダンス算出サブプログラムに
は、反射係数算出サブプログラムによって与えられる超
音波反射係数Ｒの算出値に基づいて、式（１）を内容と
する音響インピーダンスＺbの算出手順が書き込まれて
いる。

【数１】 Ｚb＝Ｚa（Ｒ＋１）／（１−Ｒ） …（１） Ｚa： 軟組織の音響インピーダンス 式（１）は、式（２）から導かれる。脛骨下部Ｍｂの表
面を平面とみなすことができ、トランスデューサ１から
発せられる超音波インパルスも平面波とみなすことがで
き、かつ、波面が脛骨下部Ｍｂの表面と平行であるとき
（略垂直入射のとき）、エコーレベルは、式（２）で表
される。後述するように、エコーレベルは、平面波の波
面と脛骨下部Ｍｂの表面が平行であるときに極大とな
る。したがって、式（２）で与えられるエコーレベル
は、最大エコーレベルである。

【数２】 Ｒ＝（Ｚb−Ｚa）／（Ｚb＋Ｚa） …（２）

【００２０】また、骨密度算出サブプログラムには、音
響インピーダンス算出サブプログラムによって与えられ
る音響インピーダンスＺbの算出値に基づいて、式
（３）を内容とする被験者の骨密度（皮質骨一般の密
度）ρの算出手順が記述されている。ここで、式（３）
は、骨密度ρの音響インピーダンスＺbに関する回帰式
であり、図１２に示すように、予め標本調査を実施して
得られたものである。

【数３】 ρ＝αＺb＋β ＝１．８０×１０^-4Ｚb＋７６６ …（３） ρ： 皮質骨一般の密度［kg/m³］ Ｚb：脛骨下部の音響インピーダンス［kg/m²sec］ α： 骨密度の音響インピーダンスに対する回帰係数［s
ec/m］ β： 切片［kg/m³］

【００２１】なお、上記標本調査では、音響インピーダ
ンスＺbは、超音波反射法を適用して脛骨下部の皮質骨
について計測され、皮質骨Ｍｂの密度ρは、橈骨（腕の
骨）についてＸ線（ＱＣＴ）によって測定された。この
標本調査の結果、音響インピーダンスＺbとＸ線（ＱＣ
Ｔ）で計った骨密度ρは、高い相関（ｒ＝０．６７）の
あることが判明した。統計的仮説検定を行った結果、任
意の被験者の脛骨下部の音響インピーダンスＺbの値が
Ｚbのとき、その被験者の骨密度ρが、ρmin〜ρmaxの
範囲に入る確率（信頼度）は９５％である。したがっ
て、危険率は５％である。ここで、ρminは、式（４）
により、ρmaxは、式（５）により、それぞれ与えられ
る。

【数４】 ρmin＝（１．８０×１０^-4−３０％）Ｚb＋（７６６−１６％） …（４）

【数５】 ρmax＝（１．８０×１０^-4＋３０％）Ｚb＋（７６６＋１６％） …（５）

【００２２】ＲＡＭ１０は、ＣＰＵ１１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、データエリアには、最も新し
く検出されたエコーレベル（以下、今回エコーレベルと
いう）や最大エコーレベルを記憶するエコーレベルメモ
リエリア、最も新しく検出されたエコー波形（今回エコ
ー波形）や最大エコー波形を記憶するエコー波形メモリ
エリア、測定続行か否かの情報を記憶する測定続行フラ
グ等が設定されている。

【００２３】ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ９に格納されている
上述の各種処理プログラムをＲＡＭ１０を用いて実行す
ることにより、パルス発生器４やＡ／Ｄ変換器８や首振
り機構１０２を始め装置各部を制御して、１パルス１エ
コー毎にエコーレベルを検出し、さらに、その中から最
大エコーレベルを抽出し、抽出された最大エコーレベル
の値に基づいて、被験者の骨密度ρを算出して骨粗鬆症
の診断を行う。

【００２４】レベルメータ１２は、ＣＰＵ１１によって
制御され、ＲＡＭ１０に記憶されている今回エコーレベ
ルを図６に破線で示す液晶指針パターン１２ａの振れと
して、また、これまでに検出された中で最も大きなエコ
ーレベルである最大エコーレベルを同図に実線で示す液
晶指針パターン１２ｂの振れとして同時に表示する。ま
た、表示器１３は、ＣＲＴディスプレイ又は液晶ディス
プレイからなり、ＣＰＵ１１の制御により、エコーレベ
ル等の測定値、超音波反射係数Ｒ、音響インピーダンス
Ｚb、骨密度ρの算出値、エコー波形等が画面表示され
る。

【００２５】次に、図８乃至図１１を参照して、この例
の動作（骨粗鬆症診断時におけるＣＰＵ１１の処理の流
れ）について説明する。診断の際には、被験者は、図１
に示すように、載置台１０５の上に片方の足Ｆを載せ
る。装置に電源が投入されると、ＣＰＵ１１は、装置各
部のプリセット、カウンタや各種レジスタ、各種フラグ
の初期設定を行った後、測定開始スイッチが押下される
のを待つ（ステップＳＰ１０（図１１））。ここで、操
作者は、図８に示すように、被験者の脛骨下部Ｍｂを覆
う軟組織Ｍａの表面（皮膚の表面Ｘ）に、超音波ゲル１
４を塗り、超音波ゲル１４を介してトランスデューサ１
を皮膚の表面Ｘに圧接し、送受波面を脛骨下部Ｍｂに向
けた状態で、測定開始スイッチをオンとする。測定開始
スイッチがオンとされると（ステップＳＰ１１）、ＣＰ
Ｕ１１は、測定続行フラグに「１」を書き込んで測定続
行フラグを立てた後、これより、図１１に示す処理手順
（主として、最大エコーレベル抽出サブプログラムに記
載された手順）に従って診断動作を開始する。

【００２６】ＣＰＵ１１は、まず、首振り機構１０２
（Ｘ軸回転モータ１０３、Ｙ'軸回転モータ１０４）に
駆動電力を供給すると共に、パルス発生器４に１パルス
発生命令を発行する（ステップＳＰ１１ａ、ステップＳ
Ｐ１２）。これにより、首振り機構１０２（Ｘ軸回転モ
ータ１０３、Ｙ'軸回転モータ１０４）は、所定の基準
軸を中心として、かつ、所定の立体角の範囲内で、トラ
ンスデューサ本体１０１に首振り運動をさせる。一方、
パルス発生器４は、ＣＰＵ１１から１パルス発生命令を
受けると、半波インパルスの電気信号をトランスデュー
サ１に送信する。 トランスデューサ１は、パルス発生
器４から半波インパルスの電気信号の供給を受けると、
被験者の脛骨下部Ｍｂに向けて平面波に近い超音波イン
パルスＡｉを発射する。発射された超音波インパルスＡ
ｉは、図９に示すように、皮膚の表面Ｘから軟組織Ｍａ
内に注入され、脛骨下部Ｍｂに向かって伝搬する。そし
て、脛骨下部Ｍｂの表面Ｙで一部が反射してエコーＡｅ
となり、一部は脛骨下部Ｍｂに吸収され、残りは脛骨下
部Ｍｂを透過する。エコーＡｅは、入射超音波Ａｉとは
逆の経路を辿って、再びトランスデューサ１の超音波振
動子１ａによって受波される。トランスデューサ１で
は、脛骨下部Ｍｂに向けて超音波インパルスＡｉを発射
すると、同図に示すように、まず、送信残響Ａｎ₁が、
続いて、皮膚の表面ＸからのエコーＡｎ₂が、少し遅れ
て、脛骨下部ＭｂからのエコーＡｅが超音波振動子１ａ
によって受波されて、超音波の波形と振幅に対応する受
波信号（電気信号）にそれぞれ変換される。生成された
受波信号は、ケーブル３を介して装置本体２（整合回路
５）に入力され、増幅器６において所定の増幅度で増幅
され、波形整形器７において線形に波形整形された後、
Ａ／Ｄ変換器８に入力される。

【００２７】ＣＰＵ１１は、パルス発生器４に１パルス
発生命令を送出した後（ステップＳＰ１２）、トランス
デューサ１の超音波振動子１ａによって送信残響Ａｎ₁
が受波され、続いて、皮膚の表面ＸからのエコーＡｎ₂
が受波された後、脛骨下部ＭｂからのエコーＡｅがトラ
ンスデューサ１の超音波振動子１ａの送受波面に戻って
くる時刻を見計らって、Ａ／Ｄ変換器８に、サンプリン
グ開始命令を発行する（ステップＳＰ１３）。Ａ／Ｄ変
換器８は、ＣＰＵ１１からサンプリング開始命令を受け
ると、波形整形器７から波形整形された後、入力される
脛骨下部Ｍｂからの１エコー分の受波信号を所定の周波
数（例えば１２ＭＨｚ）でサンプリングしてデジタル信
号に変換し、得られたＮ個のサンプル値（１エコー分の
デジタル信号）を一旦自身のサンプリングメモリに格納
する。この後、ＣＰＵ１１から転送要求があると、サン
プリングメモリに格納されたＮ個のサンプル値をＣＰＵ
１１に順次送出する。ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換器８か
らＮ個のサンプル値を順次取り込んで、今回エコー波形
として、ＲＡＭ１０のエコー波形メモリエリアに記憶す
ると共に、Ｎ個のサンプル値の中から最も大きな値を抽
出することにより、今回エコーレベルを検出し、検出結
果をＲＡＭ１０のエコーレベルメモリエリアに格納する
（ステップＳＰ１４）。ＲＡＭ１０のエコーレベルメモ
リエリアに格納された今回エコーレベルは、図８に破線
で示すように、レベルメータ１２に液晶指針パターン１
２ａの振れとして表示される（ステップＳＰ１５）。

【００２８】次に、ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１０内のエコ
ーレベルメモリエリアから今回エコーレベルと最大エコ
ーレベルを読み出して、今回エコーレベルの値が、最大
エコーレベルの値よりも大きいか否かを判断する（ステ
ップＳＰ１６）。今は、初回目の判断であり、最大エコ
ーレベルの値は、初期設定値「０」のままなので、ＣＰ
Ｕ１１は、今回エコーレベルの値が、最大エコーレベル
の値よりも大きいと判断し、ＲＡＭ１０のエコーレベル
メモリエリアに記憶されている最大エコーレベルの値を
今回エコーレベルの値に書き換え、さらに、ＲＡＭ１０
のエコー波形メモリエリアに記憶されている最大エコー
波形を今回エコー波形に書き換える（ステップＳＰ１
７）。そして、更新された最大エコー波形を、表示器１
３に画面表示すると共に、更新された最大エコーレベル
を、図８に実線で示すように、レベルメータ１２に液晶
指針パターン１２ｂの振れとして表示する（ステップＳ
Ｐ１８）。

【００２９】次に、ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１０内の測定
続行フラグを見て（ステップＳＰ１９）、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）、ＣＰＵ１１は測定継続と判断して、上述の１パル
ス発射１エコー受波（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１５）を
繰り返した後、ステップＳＰ１６において、再び、ＲＡ
Ｍ１０内のエコーレベルメモリエリアから今回エコーレ
ベルと最大エコーレベルを読み出して、今回エコーレベ
ルの値が、最大エコーレベルの値よりも大きいか否かを
判断する。この判断の結果、今回エコーレベルが最大エ
コーレベルよりも大きくないときは、更新処理を行わず
に、ステップＳＰ１９へ直接飛んで、測定続行フラグを
見る。測定続行フラグの内容は、操作者が測定終了スイ
ッチを押さない限り、「１」に保たれ、ＣＰＵ１１は、
上述の１パルス発射１エコー受波（ステップＳＰ１２〜
ＳＰ１５）、最大エコーレベルの抽出作業（ステップＳ
Ｐ１６〜ステップＳＰ１９）を繰り返す。

【００３０】首振り機構１０２は、ＣＰＵ１１が上述の
処理（ステップＳＰ１２〜ＳＰ１９）を繰り返す間、図
８に矢印Ｒで示すように、所定の基準軸を中心として、
かつ、所定の立体角の範囲内で、トランスデューサ本体
１０１に首振り運動をさせ、超音波インパルスの発射方
向を絶えず変化させる。操作者は、レベルメータ１２を
見ながら、液晶指針パターン１２ａ，１２ｂが最大に振
れるのを監視する。レベルメータ１２の液晶指針パター
ン１２ａ，１２ｂの振れが最大になるのは、図１０
（ａ）に示すように、脛骨下部Ｍｂの法線とトランスデ
ューサ１の送受波面の法線が一致するときであり、した
がって、平面波の超音波インパルスＡｉの波面と脛骨下
部Ｍｂの表面Ｙが略平行のとき（平面波の超音波インパ
ルスＡｉが脛骨下部Ｍｂの表面Ｙに略垂直入射すると
き）である。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、脛骨下部Ｍｂの表面Ｙで垂直反
射したエコーＡｅは、トランスデューサ１の送受波面に
垂直に戻ってくるため、エコーＡｅの波面も送受波面に
対して略平行に揃い、それゆえ、送受波面での受波位置
の違いによるエコーＡｅ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、最大エコーレベルのエコーＡｅ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、送受波面でエコーＡ
ｅ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。

【００３１】ところで、この例の診断装置にとって、診
断精度を上げるには、垂直反射で戻ってくるエコーＡｅ
を抽出することが前提となる。何故なら、上述の音響イ
ンピーダンス算出サブプログラムにおいて略垂直反射の
ときの超音波反射係数Ｒから音響インピーダンスＺbを
導く式（１）は、上述したように、脛骨下部Ｍｂから略
垂直反射でエコーＡｅが戻ってくる場合に成立する式だ
からである。それゆえ、首振り機構１０２が、トランス
デューサ１の角度を脛骨下部Ｍｂの法線付近で変化させ
たとき、エコーレベルが極大になれば、トランスデュー
サ１の送受波面に脛骨下部Ｍｂの表面Ｙで略垂直に反射
したエコーＡｅが戻ってきたと考えることができる。な
お、レベルメータ１２の液晶指針パターン１２ａ，１２
ｂは、脛骨下部Ｍｂの法線と送受波面の法線との不一致
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、垂直反射のエ
コーＡｅを見つけ出すのは、比較的容易である。

【００３２】操作者は、レベルメータ１２の液晶指針パ
ターン１２ａ，１２ｂの振れ具合を監視して、最大エコ
ーレベル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、ＣＰＵ
１１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、ＣＰＵ１１は、次回以降の１
パルス発射を中止させ（ステップＳＰ１９、）、首振り
機構１０２の駆動を止める（ステップＳＰ１９ａ）。そ
して、ＲＡＭ１０のエコーレベルメモリエリアに記憶さ
れ最大エコーレベルを読み出して、表示器１３に画面表
示する（ステップＳＰ２０）。

【００３３】この後、ＣＰＵ１１は、反射係数算出サブ
プログラムを実行することにより、ＲＡＭ１０のエコー
レベルメモリエリアに記憶された最大エコーレベルＶ1
と、予め反射係数算出サブプログラムに書き込まれてい
る完全エコーレベルＶ0 とから、被験者の軟組織Ｍａと
脛骨下部Ｍｂとの界面での超音波反射係数Ｒを算出し
（ステップＳＰ２１）、算出された値を表示器１３に画
面表示する（ステップＳＰ２２）。ここで、超音波反射
係数Ｒは、完全垂直反射したときの完全エコーレベルＶ
0 と、最大エコーレベルＶ1 との比［Ｒ＝Ｖ1 ／Ｖ0 ］
から導かれる。完全エコーレベルＶ0は、理論的に算出
することもできるが、プラスチック等のダミーブロック
を用意し、そのエコーレベルを計測することによって求
めることもできる。

【００３４】次に、ＣＰＵ１１は、音響インピーダンス
算出サブプログラムに従って、反射係数算出サブプログ
ラムによって与えられた超音波反射係数Ｒの値を式
（１）に代入して脛骨下部Ｍｂの音響インピーダンスＺ
b［kg/m²sec］を算出し（ステップＳＰ２３）、算出結
果を表示器１３に画面表示する（ステップＳＰ２４）。

【００３５】次に、ＣＰＵ１１は、骨密度算出サブプロ
グラムに従って、音響インピーダンス算出サブプログラ
ムによって与えられた脛骨下部Ｍｂの音響インピーダン
スＺbをの値を式（３）に代入して骨密度を算出し（ス
テップＳＰ２５）、算出結果を表示器１３に画面表示す
る（ステップＳＰ２６）。

【００３６】上記構成によれば、首振り機構１０２が作
動して、トランスデューサ本体１０１に所定の首振り運
動をさせるので、超音波インパルスの発射方向が自動的
に絶えず変化する。それゆえ、上記構成の首振り型のト
ランスデューサを用いる骨粗鬆症診断装置又は方法で
は、操作者を煩わせることなく、あるいは、操作の巧拙
に関係なく、自動的に最大エコーを受波できる。また、
レベルメータ１２には、液晶指針パターン１２ａによっ
て今回エコーレベルが刻々と表示されると共に、液晶指
針パターン１２ｂによって最大エコーレベルも固定的に
表示されるので、最大エコーレベルの監視が容易とな
る。したがって、脛骨下部Ｍｂの音響インピーダンスＺ
bを精度良く求めることができる。

【００３７】脛骨下部Ｍｂの音響インピーダンスＺb
は、脛骨下部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い
う、相乗効果を受けるために、音速以上に敏感に応答し
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Ｚbは、これらの相乗
効果を受けて、音速以上に敏感に応答して顕著に減少す
る。それゆえ、脛骨下部Ｍｂの音響インピーダンスＺb
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１３に表示されている脛骨下部Ｍ
ｂの音響インピーダンスＺbの値から、骨粗鬆症の進行
状況を正確に推定できる。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
粗鬆症が悪化していることが判る。

【００３８】◇第２実施例 次に、この発明の第２実施例について説明する。この第
２実施例では、上述の第１実施例とは異なる反射係数算
出サブプログラム（アルゴリズム）が採用される。これ
以外の点では、第１実施例の構成と略同一である。すな
わち、この第２実施例の反射係数算出サブプログラムで
は、軟組織Ｍａと脛骨下部Ｍｂの界面での略垂直反射の
ときの超音波反射係数Ｒは、超音波インパルスＡｉ及び
エコーＡｅが充分平面波とみなせ、かつ軟組織Ｍａでの
超音波の減衰が無視できると仮定して、式（６）により
求められる。

【００３９】

【数６】 Ｒ＝Ｖｅ／Ｐ・Ｑ・Ｂ・Ｖｉ …（６） ここで、Ｐ：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から略垂直方向に出力される超音波イン
パルスＡｉの音圧 Ｑ：トランスデューサ１の送受波面に単位音圧のエコー
Ａｅが略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 Ｂ：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 Ｖｉ：パルス発生器４からトランスデューサ１に加えら
れる電気信号の振幅 Ｖｅ：最大エコーレベル なお、Ｐ，Ｑ，Ｂ，Ｖｉは、いずれも周波数の関数であ
るが、ここでは、中心周波数（例えば２．５ＭＨｚ）で
の成分を用いる。Ｐ，Ｑ，Ｂ，Ｖｉについては、予め、
これらの測定値、設定値をＲＯＭ９（この例の反射係数
算出サブプログラム）に書き込んで置く。

【００４０】式（６）は、次のようにして導かれる。ま
ず、パルス発生器４からトランスデューサ１に振幅Ｖｉ
の電気信号が加えられると、トランスデューサ１の送受
波面から音圧ＰＶｉの超音波インパルスＡｉが脛骨下部
Ｍｂに向かって出力される。それゆえ、音圧ＲＰＶｉの
エコーＡｅが、トランスデューサ１の送受波面に垂直に
戻ってくる。したがって、最大エコーレベルＶｅは、式
（７）で与えられる。

【数７】 Ｖｅ＝Ｑ・Ｒ・Ｐ・Ｂ・Ｖｉ …（７） 式（７）から、式（６）が導かれる。

【００４１】このように、この第２実施例の構成によっ
ても、ＣＰＵ１１によって、軟組織Ｍａと脛骨下部Ｍｂ
との界面での超音波反射係数Ｒから脛骨下部Ｍｂの音響
インピーダンスＺbが算出されるので、上述した第１実
施例と略同様の効果を得ることができる。

【００４２】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、測定部位
は、平面とみなせる限り、脛骨下部に限定されない。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、首振り機
構１０２に組み込まれるモータは、２個に限らず、１個
でも良い。モータが、１個の場合の例としては、図１３
及び図１４に示すように、渦巻状の溝２０１ａを有する
ガイド板２０１（図１４）の溝２０１ａに、トランスデ
ューサ本体２０２の軸２０２ａを嵌め込み、この状態
で、ガイド板２０１を回転モータ２０３で回転するよう
にしても良い。また、トランスデューサ本体の軸の軌跡
としては、上述の渦巻軌跡に限らず、図１５に示すよう
に、九十九折り軌跡２０４も考えられる。また、軟組織
Ｍａの音響インピーダンスは、水の音響インピーダンス
１．５×１０⁶［kg/m²sec］に近いので、式（１）の適
用による超音波反射係数の算出に当たっては、軟組織Ｍ
ａ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、ＣＰＵ１１の各種処理プロ
グラムは、ＲＯＭ９に格納する代わりに、必要に応じ
て、ハードディスク等の外部記憶装置に記憶するように
しても良い。

【００４３】また、超音波反射係数Ｒの算出方法は、上
述の実施例で述べた方法に限定されず、例えば、トラン
スデューサ１の一端面を自由端にして、一端面からのエ
コーを観測した場合、超音波は一端面で完全に反射する
ので、このときの反射レベルは、入射波のレベルに等し
くなる。したがって、超音波反射係数Ｒを、この入射波
のレベルと皮質骨Ｍｂからのエコーレベルの比として求
めることもできる。

【００４４】また、脛骨下部Ｍｂの音響インピーダンス
Ｚbを骨密度ρの指標とする代わりに、脛骨下部Ｍｂの
音響インピーダンスＺbの単調増加関数である軟組織Ｍ
ａと脛骨下部Ｍｂの界面での超音波反射係数Ｒを骨密度
ρの指標としても、第１実施例と略同様の効果を得るこ
とができる。また、上述の実施例では、トランスデュー
サ１を支持部材１０６やブラケット１０７等で載置台１
０５に固定したが、例えば、首振り機構に、操作者が手
に握る把持部を設けるようにすれば、手に持ってトラン
スデューサ１を取扱うことができるので、使い勝手が良
くなる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の首振り
型超音波トランスデューサによれば、首振り機構が作動
して、トランスデューサ本体に所定の首振り運動をさせ
るので、超音波インパルスの発射方向が自動的に絶えず
変化する。それゆえ、上記首振り型超音波トランスデュ
ーサを用いる骨粗鬆症診断装置又は方法では、操作者を
煩わせることなく、あるいは、操作の巧拙に関係なく、
自動的に最大エコーを受波できる。

【００４６】また、皮質骨の音響インピーダンスは、皮
質骨の［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いう、相乗効果を
受けるために、音速以上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、音速
以上に敏感に応答して顕著に減少する。それゆえ、皮質
骨の音響インピーダンスは、骨密度を判断する上で、良
い指標となる。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、皮質骨の骨粗
鬆症が悪化していることが判る。

【００４７】また、皮質骨の音響インピーダンスを骨密
度の指標とする代わりに、皮質骨の音響インピーダンス
の単調増加関数である軟組織と皮質骨との界面での超音
波反射係数を骨密度の指標としても、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】この発明の第１実施例である骨粗鬆症診断装置
に用いられるトランスデューサの使用状態を示す側面図
である。

【図２】同トランスデューサの側面図である。

【図３】同トランスデューサの平面図である。

【図４】同トランスデューサの正面図である。

【図５】同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６】同骨粗鬆症診断装置の外観を模式的に示す模式
的外観図である。

【図７】同骨粗鬆症診断装置の動作の説明に用いられる
説明図である。

【図８】同骨粗鬆症診断装置の動作の説明に用いられる
説明図である。

【図９】同骨粗鬆症診断装置の動作の説明に用いられる
説明図である。

【図１０】同骨粗鬆症診断装置の動作の説明に用いられ
る説明図である。

【図１１】同骨粗鬆症診断装置の動作の流れを示すフロ
ーチャートである。

【図１２】皮質骨の密度の音響インピーダンスに関する
回帰直線を示すグラフであり、同骨粗鬆症診断装置を構
成する骨密度算出サブプログラムの説明に用いられる図
である。

【図１３】この発明の第１実施例の変形例に係るトラン
スデューサの構成を示す側面図である。

【図１４】同トランスデューサの一部を示す平面図であ
る。

【図１５】この発明の第１実施例の別の変形例に係るト
ランスデューサの首振り軌跡を示す図である。

【符号の説明】

１ トランスデューサ（首振り型超音波トランスデ
ューサ） ４ パルス発生器 ８ Ａ／Ｄ変換器 ９ ＲＯＭ（メモリ） １０ ＲＡＭ（メモリ） １１ ＣＰＵ Ａｉ 超音波インパルス Ａｅ 脛骨下部からのエコー Ｍａ 軟組織 Ｍｂ 脛骨下部（皮質骨） Ｘ 皮膚表面 Ｙ 脛骨下部表面（皮質骨表面） １０１ トランスデューサ本体 １０２ 首振り機構 １０３ Ｘ軸回転モータ（第１の回転アクチュエー
タ） １０４ Ｙ'軸回転モータ（第２の回転アクチュエ
ータ）

フロントページの続き (72)発明者 後藤 文禮 兵庫県宝塚市逆瀬台４丁目12番地11号 (72)発明者 藤井 芳夫 兵庫県神戸市北区藤原台４丁目16番地12号 (72)発明者 藤田 拓男 兵庫県神戸市東灘区森北町５丁目１番地８ 号の202

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波インパルスを所定の測定部位に発
   射すると共に、該測定部位からのエコーを受波するトラ
   ンスデューサ本体と、 所定の基準軸を中心として前記トランスデューサ本体に
   所定の首振り運動をさせ、前記超音波インパルスの発射
   方向を絶えず変化させる首振り機構とを備えてなること
   を特徴とする首振り型超音波トランスデューサ。
2. 【請求項２】 超音波インパルスを所定の測定部位に発
   射すると共に、該測定部位からのエコーを受波するトラ
   ンスデューサ本体と、 所定の基準軸を中心として前記トランスデューサ本体に
   所定の首振り運動をさせ、前記超音波インパルスの発射
   方向を絶えず変化させる首振り機構と、 該首振り機構に固定され、測定時、操作者が手に握る部
   位である把持部とを備えてなることを特徴とする首振り
   型超音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】 前記首振り機構は、互いに回転軸を直交
   する状態に配設された第１及び第２の回転アクチュエー
   タを有して構成され、前記第２の回転アクチュエータの
   回転軸は、前記第１の回転アクチュエータの駆動に従動
   回転することを特徴とする請求項１又は２記載の首振り
   型超音波トランスデューサ。
4. 【請求項４】 超音波トランスデューサを被験者の所定
   の皮膚表面に当て、超音波インパルスを測定部位である
   前記皮膚下の皮質骨に向けて繰り返し発射し、該皮質骨
   表面から戻ってくるエコーを受波してエコーレベルを測
   定し、さらに、測定された前記エコーレベルの中から最
   大エコーレベルを抽出し、抽出された最大エコーレベル
   に基づいて、所定の演算処理を行って骨粗鬆症を診断す
   る骨粗鬆症診断方法であって、 前記超音波トランスデューサとして、請求項１，２又は
   ３記載の首振り型超音波トランスデューサを用い、前記
   首振り機構を作動状態にして、前記トランスデューサ本
   体に所定の首振り運動をさせ、前記超音波インパルスの
   発射方向を絶えず変化させることにより、最大エコーを
   受波できるようにしたことを特徴とする骨粗鬆症診断方
   法。
5. 【請求項５】 超音波トランスデューサを被験者の所定
   の皮膚表面に当て、超音波インパルスを測定部位である
   前記皮膚下の皮質骨に向けて繰り返し発射し、該皮質骨
   表面から戻ってくるエコーを受波してエコーレベルを測
   定することにより、骨粗鬆症を診断する超音波反射式の
   骨粗鬆症診断装置であって、 前記超音波トランスデューサとして、請求項１，２又は
   ３記載の首振り型超音波トランスデューサを備えてなる
   ことを特徴とする骨粗鬆症診断装置。