JPH09511163A - 骨の特性の評価・分析方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ・集束変換器からの超音波ビームを用いて骨を走査することと、・骨を透過した信号および／または骨の表面によって反射された信号および／または骨の内部構造によって散乱された信号を収集することと、・かくして得られた信号をメモリに記憶することと、・後方散乱定数と減衰定数の算出を目的として、骨内における超音波ビームの伝搬速度と、骨の厚さと、超音波ビームの透過減衰定数と、反射パラメータを計測するために、かくして記憶された信号を処理することと、を特徴とする、骨に超音波を伝搬させてこの超音波と骨との相互作用を調査することにより、骨の力学的または構造的特性を生体内で評価かつ分析するための方法。

Description

【発明の詳細な説明】 骨の特性の評価・分析方法と装置 本発明は、超音波技術を用いた骨の力学的または構造的特性について生体内評 価および分析を行う方法に関するものである。 ここ数年の間に、踵骨または膝蓋骨を透過する際の超音波の周波数（減衰定数 ）または伝搬速度の関数として減衰とその関連定数を計測できる超音波装置が市 場に登場してきた。この装置は基本的に、骨粗鬆症の検出と監視を目的としてい る。 超音波ビームを用いて骨の生体内評価を行う装置には、すでにいくつか周知の ものがある。 骨の両側に置かれた２台の変換器を用いて、骨内の超音波伝搬速度を計測でき る装置が、公開特許出願第ＷＯ９０／０１９０３号と第ＷＯ８７／０７４９４号 に開示されている。 米国特許第４，７７４，９５９号には、第一組の変換器を用いて透過減衰定数 を計測する装置が記載されている。この装置は、超音波ビームが通過した部分の 骨の厚さを計測する第二組の変換器を含んでいる。 欧州公開特許出願第０，３４１，９６９号と第０， ４８０，５５４号には、対向して配置された一組の変換器により透過減衰定数と 超音波の速度を計測することのできる装置が開示されている。 最後に、米国特許第４，９４１，４７４号に記載されているのは、骨を透過し た信号と骨の内部構造によって反射または散乱された信号の両方の分析が可能な 装置である。この装置は、骨に超音波ビームを放射する少なくとも一つの変換器 と、骨を透過した信号または骨の表面によって反射された信号を受信および記憶 する手段と、超音波ビームの骨内での伝搬速度と骨の厚さと超音波ビームの透過 減衰定数と散乱パラメータを計測するために記憶された信号を処理する手段から 成る。この装置ではパラメータの像は得られない。 上述の周知の装置を使用した結果得られた経験から、これらの装置で実施され る計測は未だ不十分で、このような計測の精度、感度、再現性を向上させる必要 のあることが分かる。 この先行技術に端を発した本発明は、米国特許第４，９４１，４７４号に開示 された方法に関するものであるが、パラメータ像を提供する点が同特許とは異な る。この方法は、集束変換器を使用して超音波ビームが得られること、超音波伝 搬方向と異なる一つまたは幾つかの方向、特にこの方向と直交する軸に沿ってこ のビームが走査されることを特徴とする。 本発明によれば、透過モードにおいて超音波の周波数と伝搬速度の関数として 減衰のパラメータ像を生成するために、低周波数つまり中心周波数が１００ｋＨ ｚと３ＭＨｚの間、好ましくは１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向配置 された一組の集束変換器を使用する。 超音波検査モード（反射モード）で反射像を生成する用途において、本発明の 方法では１台の集束変換器、または比較的広範囲の周波数つまり中心周波数が１ ００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の変換器を使用する 。 本発明によれば、超音波検査モードで反射像を生成するため、また超音波ビー ムの周波数の関数として減衰定数および／または後方散乱定数を算出するため、 また透過時に周波数と伝搬速度の関数として減衰のパラメータ像を生成すること を目的として、低周波数つまり中心周波数が１００ｋＨｚと３ＭＨｚの間、好ま しくは１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の変換器を使 用したり、１台の集束変換器または高周波数つまり中心周波数が１ＭＨｚと１０ ０ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の集束変換器を使用する。 本発明は第二に、上に記載された方法の実施を可能にする装置に関するもので ある。 上記の方法を実施する装置には、分析対象の骨の両側に対向配置される集束超 音波を放射および受信する手段が含まれ、超音波ビームの走査を可能にする手段 と、超音波を放射するとともに骨内で相互作用した後の超音波信号を受信する手 段を含む獲得モジュールと、こうして得られた信号をメモリに記憶するシステム と、骨の力学的特性つまり粘弾性と関連のあることが知られている音響パラメー タを算出するためこの信号を処理するモジュールとから成ることを特徴とする。 本発明の主題を構成する装置の一実施例によれば、対向配置された集束変換器 が使用され、これらの変換器は一元形である。 本発明の別の実施例によれば、水等の液体が充填された容器を含む装置で浸漬 状態で計測を実施でき、また介在媒体と接触させたり超音波変換器を配列したり して計測を行うことができる。 さらに本発明の装置は、コンピュータと、大量メモリと、獲得モジュールで得 られたデータを分析するための信号処理ソフトウェアパッケージが信号処理モジ ュールに含まれることを特徴とする。この信号処理モジュールには、特に、透過 減衰定数の計算と、計測箇所における骨の厚さの計算と、伝搬速度の計算と、反 射後方散乱定数の計算と、反射減衰定数の計算を可能にするひとまとまりの機能 が含まれる。 本発明のこの他の性質および長所は、添付図面に関連する以下の説明から明ら かになるだろう。添付図面は、様々な実施例を図示したもので、発明の範囲を限 定する性質のものではない。 図面において、 図１は、本発明の主題を構成する方法を実施する装置の一実施例を示す側面概 略図である。 図２は、本発明で用いられるデータ獲得モジュール全体を示すブロック線図で ある。 図３も、透過と反射で同時に作動するデータ獲得モジュール全体を示す図であ る。 図４は、透過データ獲得の原理を示す図である。 図５は、透過と反射のデータ獲得の一般的原理を示す図である。 図６は、透過と反射のデータ獲得モードの変形例を示す図である。 図７は、信号処理の一般的原理と、本発明の主題を構成する方法および装置を 示すブロック線図である。 図８は、骨内の超音波の伝搬速度を計測することを目的とした透過信号処理方 法を示す図である。 図９は、骨の厚さを計測することを目的とした超音波検査モードの信号処理方 法を示す別の図であ。 図１０は、減衰を計測するための透過信号処理の原理を示すブロック線図であ る。 図１には、本発明の主題を構成する方法を実施する装置の実施例が図示されて いるが、これには発明を限定する意図はない。浸漬時に計測できるように水が充 填された容器１０をこの装置は基本的に含むことがこの図から分かる。液体の媒 体が存在することで、特に力学的特性を評価しようとする骨と放射源の間に好適 な結合が生ずる。この装置には、分析対象の骨の両側に対向して配置された一組 の集束圧電超音波変換器から成る超音波放射源が含まれる。変換器の組のうちの 一つ、例えば１２は、高周波数つまり上述のように１ＭＨｚから１０ＭＨｚの範 囲で作動し、別の組、例えば１４は、１００ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲の低周波 数で作動する。これらの変換器の組は、上昇位置１６と計測のための下降位置１ ６’の両方が図１に図示された移動ブリッジに取り付けられている。 上述のように、本発明の主題を構成する方法の基礎を成す原理は、超音波を骨 に透過させることと、この超音波と骨との相互作用を調査することである。図１ に示した本発明による装置は、透過時でも反射時でも作動可能である。この実施 例では、超音波ビームを走査するための従来システムが装置に設けられている。 この走査は、直交するＸ軸とＹ軸に沿って平面上で集束変換器を変位させる２台 のモータの作用により変換器を変位させることにより実施でき、こうして骨の全 体容積を調査できる。 装置はさらに、超音波信号を放射して、骨内で相互作用した後にこの信号を受 信する役割を持つ獲得モジュールを含む。骨の力学的特性つまり粘弾性との関係 が知られている所定の音響パラメータを算出するため、こうして得られた信号を 処理するモジュールとしての、信号をメモリに記憶するシステムも設けられてい る。 本発明は、特に超音波ビームの自動走査により、とりわけ計測を目的とした骨 の正確な位置調整や、計測領域の位置決めなどに関して現在の装置を使用した結 果生じる問題点に解決策を与えることができる。さらに本発明では、骨を透過し た超音波と反射された超音波の計測を実施できる。骨の内部構造によって反射お よび／または散乱された信号を集めることにより、骨を透過した信号にすでに含 まれていた情報を補足する別の情報が得られる。本発明による装置は、周知の装 置で得られるよりもかなり多くの情報の獲得を可能にする。また本発明では精度 も向上している。 説明の前文に記したように、本発明の主題を構成する方法では、透過モードで 、低周波数つまり中心周波数が１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向配置 された一組の集束変換器を使用して、超音波ビームの周波数と伝搬速度の関数と して減衰のパラメータ像を 得ることができる。 また本発明では、単一の集束変換器、または高周波数つまり中心周波数が１Ｍ Ｈｚと１０ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の集束変換器を使用して、 超音波検査モードで反射像を生成するとともに、減衰定数および後方散乱定数を 計算することができる。 最後に、本発明の方法により、超音波検査モードで反射像を生成して、超音波 ビームの周波数の関数として減衰定数および／または後方散乱定数の平均を算出 するとともに、透過モードでは超音波ビームの周波数と伝搬速度の関数として減 衰のパラメータ像を生成することができる。本発明は、この用途の場合、低周波 数つまり中心周波数が１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向配置された一 組の変換器と、高周波数つまり中心周波数が１ＭＨｚと１０ＭＨｚの間で作動す る対向配置された一組の集束変換器を使用する。 すでに述べたように、本発明による方法を実施する装置は、基本的に「超音波 信号獲得」モジュールと「信号処理」モジュールを含んでいる。 「獲得」モジュールは次の機能を備えている。 ・上述の変換器による超音波放射機能。 ・いわゆる基準超音波を受信する機能、骨を透過した超音波を受信する機能、 骨とその構造物によって反射および／または散乱された超音波を受信する機能。 ・超音波ビームで骨の容積全体を走査する機能。 この「獲得」モジュールは上述のように、超音波源と受信装置（集束変換器の 組）から成る。こうして放射された超音波パルスは伝搬媒体内を透過して、これ との相互作用を行う。すでに述べたように、放射源と骨の間を良好な状態で結合 するため、計測は浸漬状態で行う。伝搬媒体と入射波の間の相互作用により、直 接透過した波（可干渉波）と、骨および／またはその構造物によって反射または 散乱された一つまたはそれ以上の波とが発生する。 この「獲得」モジュールはさらに、検出の過程と、増幅（例えば自動利得制御 ）の過程と、信号とコンピュータと通常環境のプロセッサをアナログ・ディジタ ル変換する過程から成る。装置のこの部分は従来設計のため、説明しない。 本実施例ではこのモジュールはさらに、超音波ビームの伝搬方向と直交する平 面上で超音波ビームを走査する機械装置を含む。走査の間、超音波放射装置と受 信装置は同時に同じ動きをするため、その相対位置は同じままである。この走査 は２台のプログラム可能モータを用いて実施される。 図２は透過モードでのみ作動する本発明の装置の全体的ブロック線図である。 この装置には、放射用変換器Ｔ１と、これに関連するとともにこれと対向して配 置された受信用変換器Ｔ’１とが含まれる。これらは集束変換器で、その間の距 離は焦点距離の２倍にほぼ等しい。変換器Ｔ’１は変換器Ｔ１から放射された波 を検出するとともに、これを電気信号に変換する。信号は増幅およびディジタル 化された後、コンピュータに転送される。 図３は、透過・反射モードの両方で作動する装置の全体的ブロック線図を示し ている。超音波変換器Ｔ２，Ｔ３は、伝搬媒体に超音波を放射するように周期的 に励起される。この超音波は伝搬媒体との相互作用を行い、部分的反射および／ または散乱を受ける。入射エネルギーの一部は骨に入る際に反射され、骨内を透 過する一部のエネルギーは続いて骨の内部構造により散乱され、特に放射変換器 Ｔ２，Ｔ３へと後方散乱される。この同じ変換器（Ｔ２またはＴ３）は、骨によ って反射された超音波と骨の内部構造のよって後方散乱された超音波を検出する ため、そして続いて増幅およびディジタル化の後にコンピュータに転送される電 気信号へとこれらの超音波を変換するための受信装置として使用される。変換器 Ｔ２，Ｔ３は受信ステージと電気的に接続されている。対向して配置された２台 の変換器Ｔ２，Ｔ３がともに反射に用いられるため、骨の両面からのエコーを同 時に検出するのが可能となる。こうして骨の厚さを超音波により自動的に計測で きるのである。さらに続いて、骨の特性、つまり周波数と後方散乱断面と組織パ ラメータなどの関数としての減衰を表すのに有益な音響パラメータを抽出するた め、変換器Ｔ２，Ｔ３によって記録された後方散乱信号について、信号処理が実 施される。 対向配置された２組の変換器を用いて透過と反射を同時に行うためには、図３ に示した解決法を用いるのが望ましい。これによれば、変換器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ を制御するのに３つのパルス発生器ステージを使用し、時間順に励振が行われる 。つまり、Ｔ１が最初に放射を行い、Ｔ１が放射した超音波をＴ’１が検出する とＴ２が放射を行い、反射および後方散乱された信号をＴ２が検出する。最後に Ｔ３が励振される番となる。 これよりも経済的だが時間のかかる解決法は、変換器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を励振 するのに単一の共通パル又発生器だけを用いるというものである。この場合、励 振パルスを各ショットで別の変換器に送るためスイッチを一つ設けるだけで十分 である。このスイッチは切替を制御するマイクロプロセッサに接続されている。 この変形例は図示されていない。 図４は、透過データの獲得を表すブロック線図である。この獲得の様々な過程 は、図を見れば明らかである。 透過と反射の両方のデータを獲得するのに使用できる解決法には二つある。 図５に示された第一の解決法では、１回の走査で透過と反射のデータが記録さ れる。各位置Ｘ，Ｙについて、変換器Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が連続的に励振される。 図６に図示された第二の解決法では、３回の別々の走査の間に透過および反射の データが記録される。第一の走査は変換器Ｔ１，Ｔ’１の組によってデータを獲 得するためのもので、第二と第三の走査は変換器Ｔ２，Ｔ３によって反射のデー タを獲得することを目的としている。 変換器を固定位置として、複数の信号を順番に獲得することも可能である。こ のような様々な獲得方法により信号雑音比を向上できる。これが可能な場合には 、必要な回数だけ放射と受信が繰り返される。この獲得手順が完了すると、モー タの位置が増分して操作を繰り返すことができる。 信号獲得段階が完了するとすぐに、すべてのディジタル信号がメモリに記憶さ れた後、自動的に、またはオペレータによる開始コマンドによって信号処理段階 が開始できる。 上述のように、本発明を実施する装置には信号処理モジュールも含まれる。信 号処理の一般的原理は図７のブロック線図で示されている。 この信号処理モジュールには、コンピュータと、大量メモリと、前に透過およ び／または反射について獲得されたデータを分析するための信号処理ソフトウェ アパッケージが含まれる。これは、特に以下の計算の実施を可能にする予めプロ グラムされたひとまとまりの機能を備えている。 ・透過周波数の関数としての減衰（ｄＢにおける）の計算。 ・透過周波数の関数（ｄＢまたはＭＨｚにおける）としての減衰定数の計算。 ・骨を透過した信号の進行時間の計算。 ・計測箇所における骨の厚さの計算。 ・透過周波数（ｄＢ／ｃｍ・ＭＨｚ）の関数としての減衰定数の計算。 ・透過超音波の伝搬速度の計算。 ・反射の周波数の関数としての減衰（ｄＢにおける）の計算。 ・反射の周波数（ｄＢ／ｃｍ・ＭＨｚ）の関数としての減衰定数の計算。 ・反射の周波数の関数としての後方散乱断面（ｄＢにおける）の計算。 ・反射の後方散乱定数（ｄＢ／ＭＨｚ）の計算。 ・反射の集中後方散乱定数（ｄＢ／ＭＨｚ）の計算。 骨の特性（組成分析等）を明らかにするのに有益な量的情報が得られる他の信 号処理機能または像処理機能を追加することも、もちろん可能である。 変換器の各位置についてパラメータを得て、これによりパラメータマップを作 成できる。ソフトウェアには像処理が含まれるので、これらのパラメータの局所 平均を算出するために任意の形状を持つ一つまたはそれ以上の計測領域を選択す ることも可能である。 透過のパラメータ（減衰および伝搬速度）の算出方法は、基準信号と骨を透過 した信号との比較に基づいている。 基準信号とは媒体を伝搬した信号で、その音響特性（減衰と速度）は周知であ る（この実施例では水）。基準信号と骨を透過した信号は、同じ条件で記録され る。例えば、装置の作動時と各検査前のいずれかに基準信号を獲得できる。続い て各検査時に再現させるため、単一の基準信号を記録してこれをコンピュータの メモリに記憶することもできる。 本発明の方法で実施される所定の機能のための様々な信号処理モードの例を、 以下に説明する。 １．透過伝搬速度の算出 この速度を計測するための透過信号処理の原理は、図８のブロック線図に示さ れている。図のようにこの処理モードには以下の過程が含まれる。 ・変換器はＸ，Ｙ位置にある。変換器Ｔ１は放射を行いこうして放射された超 音波は骨を透過して受信変換器Ｔ’１に検出された後に増幅、ディジタル化が行 われ、コンピュータに転送される。上述のように、踵骨を通過する計測のため、 変換器と骨を槽に入れ、層の温度はサーモスタットで調節する（図１参照）する のは、言うまでもない。この第一の計測の目的は、骨を通過する超音波の進行時 間の概算と、この進行時間と基準信号の進行時間の相違を計算することである。 ・変換器Ｔ２（Ｔ１）が信号を放射し、こうして放射されて骨で反射された信 号を変換器Ｔ２（Ｔ１）が受信する。反射された超音波は増幅、ディジタル化の 後にコンピュータに転送される。 ・変換器Ｔ２（Ｔ１）と対向する骨の入射面によって反射されたエコーの進行 時間を算出する。 ・変換器Ｔ３（Ｔ’１）が信号を放出して、骨によって反射されたこの信号を 変換器Ｔ３（Ｔ’１）が受信する。反射された信号は増幅、ディジタル化の後に コンピュータに転送される。 ・骨の入射面で反射されてＴ３（Ｔ１’）に戻るエコーの進行時間を算出する 。 ・最後の二つの計測は、計測箇所における踵骨の厚さを計算することを目的と している。超音波の透過伝搬速度は、二つの変換器の間の超音波の進行時間から 周知の方法で導き出される。伝搬速度を算出するために骨の厚さを知る必要があ り、本発明によれば、これは超音波で計測できる。 図９にはこの骨の厚さを計測するための超音波検査信号処理の原理が図示され ている。実際、超音波検査法を用いれば変換器と骨の表面（対象面）の距離を判 断することができる。この面からのエコーを識別して進行時間を計測するだけで 十分である。各変換器Ｔ２，Ｔ３（Ｔ１，Ｔ’１）が今度は超音波検査モードで 応答指令信号を送り、骨の対向する水平面のそれぞれで反射されたＴ１とＴ２の エコーについて進行時間が計測される。骨の厚さはそこから導き出される。 ２．透過減衰定数の算出 この特定のモードによる信号処理の原理は図１０に図示されている。これには 以下の過程が含まれる。 ・変換器の初期位置はＸ，Ｙ。 ・変換器Ｔ１が放射を行い、骨を透過した超音波は受信変換器Ｔ’１で検出さ れた後に増幅、ディジタル 化されてコンピュータに転送される。前と同様、踵骨を通過する計測のため、こ の実施例では変換器と骨を槽に入れるが、その温度はサーモスタットで調節され る（図１）。 ・骨を透過した信号と基準信号の周波数域が計算される。周波数の関数として の減衰は、水中で記録された基準信号の域と骨を透過した信号の域を比較すれば 得られる。超音波信号はパルスタイプで、０．２ＭＨｚから１ＭＨｚの範囲に複 数の周波数を含んでいる。 踵骨の様々な厚さに対応するため、減衰の平均値を計測ポイントでの踵骨の正 確な厚さ（ｄＢ／ＭＨｚ・ｃｍ）と比較する必要がある。超音波検査モードで超 音波による厚さの計測が実施可能な方法は、上に説明した。 すべての不均質な媒体の場合のように、音響パラメータの数値は計測が行われ る箇所に左右される。本発明による装置の走査手段により、骨の全体容積を調査 してパラメータマップを作成することが可能となる。超音波の周波数と速度の関 数としての減衰の像に基づいて、計測領域（対象領域）を選択してこの領域のパ ラメータの中間値を概算することができる。ソフトウェアは、特に、種々の形状 と寸法の計測領域を選択するためのいくつかの簡単な像処理機能から成る。別々 の患者について同じ計測領域を選択したり一人の患者 に対して計測を繰り返す場合に、像サポートが用いられる。 本発明は、集束変換器を用いることにより、特に踵骨の超音波像（減衰と速度 の像）を得ることができ、こうして得られた映像は走査器で得られた像と比較さ れる。 ３．周波数の関数としての反射減衰定数と後方散乱断面の概算 この透過信号処理モードの様々な過程は次の通りである。 ・変換器の位置はＸ，Ｙ。 ・変換器Ｔ２（またはＴ３，Ｔ１，Ｔ’１）が放射を行う。 ・変換器Ｔ２（またはＴ３，Ｔ１，Ｔ’１）が骨の内部構造によって後方散乱 された超音波信号を受信して、次にこの信号が増幅、ディジタル化された後、コ ンピュータに転送される。 ・超音波信号のスライド式域分析を実施し、深さの関数として域を算出する。 ・深さの関数として域の重心を計算する。 ・反射周波数（ｄＢ／ｃｍ・ＭＨｚ）の関数として減衰定数を計算する。 ・信号の域と基準域の域差を計算して、反射周波数の関数として後方散乱断面 （ｄＢにおける）を計算す る。 ・反射の後方散乱定数（ｄＢ／ＭＨｚ）を計算する。 ・反射の集中後方散乱定数（ｄＢ・ＭＨｚ）を計算する。超音波ビームの走査 により、骨の全体容積の調査が可能となる。減衰および後方散乱定数を変換器の 各位置について計算する。すると、オペレータが選択した対象領域内でのパラメ ータの局所平均を算出することが可能となる。 サンプルの無線周波数超音波信号に基づいて減衰を算出できる。減衰を計算す る原理は、超音波信号の時間／周波数分析に基づいている。 このように本発明では、周波数の関数として後方散乱断面を計測することがで きる。骨組織の物理的特性はこの計測で表されることが実際に判明している。 上記の説明を読めば、本発明は現在市販されている骨分析超音波装置を使用し た場合の問題点に解決法を与えられることが分かるだろう。 ・超音波ビーム自動走査装置は、骨の正確な位置調整および計測領域つまり対 象領域の位置調整という問題を解決できる。 ・集束変換器を使用すると高品質の像が得られる。 ・骨を透過した超音波と反射した超音波の計測を行うことができる。 ・反射された信号および／または骨の内部構造で散乱された信号の収集および 処理が可能となり、これにより骨を透過した信号に発見されたもの以外の情報が 得られる。本発明の主題を成す方法と装置はこのように、先行技術の装置よりも 多くの情報を提供でき、精度、再現性、感度も向上させている。 本発明の利用分野のうち、骨粗鬆症についてこれまで説明してきた。この用途 では、骨の特性（質量、剛性、構造）の生体内での評価を外傷をつけないで行う 物理的方法を本発明は提供する。骨の強度の低下に関連した骨折の危険を、この ようにして量的に評価することができる。骨の強度の低下は、周知のようにミネ ラル消失の現象や、骨粗鬆症の場合のように骨構造の変形の結果として生じる。 本発明の実施例についての上記の説明は、踵骨や膝蓋骨の計測に限定されるも のではない。他の利用分野、特に骨格のミネラル含有度の監視を目的としたり、 骨の構成や骨構造の弾性の評価を目的とした用途もあることは言うまでもない。 これらの用途のうち特に以下のものについて言及する。 ・新生児の骨格成熟度。 ・第二の骨粗鬆症である骨軟化症等。 ・競走馬の監視。 ・骨の一部についての生体内での特性。 本発明はここに説明および／または提示された実施態様や実施例には限定され ず、これらの変形をすべて包含することは、明らかである。上述の実施例は浸漬 状態で実施される計測についてのものであるが、本発明の範囲を逸脱しなければ 、変換器の列と介在媒体を用いて接触状態でも実施でき、超音波ビームを電気的 に走査することもできる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年３月２９日 【補正内容】 明細書 骨の特性の評価・分析方法と装置 本発明は、パラメータ像を得るために超音波技術を利用する、骨の力学的また は構造学的特性を生体内で評価かつ分析する方法に関するものである。 ここ数年の間に、伝搬減衰と周波数との関数的依存性（減衰係数）、あるいは 、踵骨や膝蓋骨の超音波伝搬速度の計測を可能にする超音波機器が市場に登場し た。これらの装置は基本的に骨粗鬆症の検診または検査を目的としたものである 。 超音波ビームを利用することにより生体内において骨を評価することを可能に するような装置が幾つか、既に公知となっている。 WO 90/01903 号ならびに 87/07494 号には、骨の両側に配置された 2つの変換 器を利用することにより、骨内における超音波の伝搬速度の計測実施を可能にす る機器が開示されている。 米国特許 A-4 774 959号には、第一組の変換器を利用して伝搬減衰係数を計測 する装置が開示されている。この装置には、超音波ビームが通過した箇所におけ る骨の厚さを計測する第二組の変換器が含まれてい る。 欧州特許A-0341 969号および 0 480 554号には、対向するように配置された複 数の変換器を用いて超音波の伝搬減衰係数と速度の計測を可能にする装置が開示 されている。 最後に、米国特許 A-4 941 474号には、骨を通って伝達される信号と、骨の内 部構造によって反射または散乱された信号とを同時に分析することを可能にする ような機器が開示されている。この装置は、骨を通過する超音波ビームを送信す る少なくとも 1つの変換器と、骨を通過したり骨の表面で反射された信号を受信 かつ記憶する手段と、骨内における超音波ビームの伝搬速度、骨の厚さ、超音波 ビームの伝搬減衰係数、ならびに反射パラメータを計測すべく記憶された信号を 処理する手段とを含んでいる。しかしながら、この装置によりパラメータ像を実 現することはできない。 以上述べてきた公知の機器の利用経験から分かったのは、これらの機器によっ て実行可能な計測はごく原始的なものであり、これらの計測の精度、応答性、再 現性にはかなり改善の余地がある。更に、これら公知の機器のいずれによっても パラメータ像を得ることはできない。 このような技術水準を前提として、本発明は、米国特許 4 941 474号に定義さ れているような方法であっ て、しかも、パラメータ像を得ることを可能にするような方法に関するものであ る。この方法は、集束式変換器を用いることによって得られる超音波ビームを利 用するとともに、超音波の伝搬速度と異なる 1つまたは異なる複数の方向、特に 互いに直交する軸に沿った方向で、ビームの走査が行われることを特徴とする。 本発明によれば、伝搬時に、超音波の伝搬周波数と速度の関数として減衰パラ メータ像を実現するため、一対の集束式変換器が用いられる。 請求の範囲 １．骨を通過する超音波動の伝搬と前記波動と骨との相互作用とによって、パ ラメータ像を得るべく、骨の力学的または構造学的特性を生体内で評価かつ分析 する方法であって： −骨を通過する超音波ビームを送信する少なくとも１つの変換器が用いられ、 −骨を通過して伝送される信号および／または骨の表面によって反射される信 号および／または骨の内部構造によって散乱される信号が集められ、 −得られた信号が記憶され、 −骨内における超音波ビームの伝搬速度、骨の厚さ、超音波ビームの伝搬減衰 係数、ならびに、後方散乱係数および減衰係数を評価するための反射パラメータ を計測すべく、記憶された信号が処理されるような、方法において、 集束変換器を用いて超音波ビームが得られるとともに、超音波の伝搬速度と異 なる１つまたは異なる複数の方向、特に互いに直交する軸に沿った方向で、ビー ムの走査が行われることを特徴とする骨の特性の評価・分析方法。 ２．伝搬時に、超音波の伝搬周波数と速度の関数と して減衰パラメータ像を実現するために、対向するように配置されるとともに、 低周波数、すなわち、100kHzと 3MHz との間の、好ましくは100kHzと 1MHz との 間における中央周波数で機能する一組の集束変換器が利用されることを特徴とす る請求項１に記載の方法。 ３．一つの集束変換器、または広範囲の周波数つまり中心周波数が１００ｋＨ ｚと１０ＭＨｚの間で作動可能な対向配置された一組の集束変換器を用いること を特徴とする、超音波検査モードで反射像を生成するための請求項１に記載の方 法。 ４．低周波数つまり中心周波数が１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向 配置された一組の変換器と、一つの集束変換器または高周波数つまり中心周波数 が１ＭＨｚと１０ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の集束変換器を使用 することを特徴とする、 超音波検査モードでの反射像の生成と、超音波ビーム周波数の関数としての減 衰および／または後方散乱定数の算出とに用いられるとともに、透過モードで周 波数および伝搬速度の関数として減衰定数のパラメータ像を生成することを目的 とする請求項１に記載の方法。 ５．分析対象の骨の両側に対向配置された超音波送受信手段(12,14)と、超音 波を送信し骨内における相互作用の後に超音波信号を受信する手段を含む獲得ユ ニットと、かくして得られた信号を記憶するシステムと、骨の力学的または粘弾 性的特性と関連付けるための既知の音響パラメータを評価すべく前記信号を処理 するユニットとを含み、前記超音波送受信手段が集束式であるとともに、かくし て送信された超音波ビームの走査の実現を可能にするような手段が備えられてい ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法を利用するための装置 。 ６．信号処理ユニットがコンピュータと、大量メモリと、獲得ユニットから送 られるデータを利用すべく考案された一連の信号処理ソフトウェアとを含むとと もに、前記処理ユニットが、特に伝搬減衰係数の算出、通過計測箇所における骨 の厚さの算出、伝搬速度の算出、反射時の後方散乱係数の算出、ならびに反射時 の減衰係数の算出の実行を可能にするような一連の機能を有していることを特徴 とする請求項５に記載の装置。 ７．該装置が対向するように配置された単一エレメント型の集束式変換器を含 むことを特徴とする請求項５または６に記載の装置。 ８．浸漬時に計測を実施できるように水等の液体が充填された容器（１０）を 含むことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の装置。 ９．介在媒体と接触した状態で計測が実施されるこ とを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の装置。 １０．超音波ビームの集束および走査を電子的に実現可能とするような超音波 変換器のネットワークが利用されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに 記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．骨を通過する超音波ビームを放射する少なくとも一つの変換器を用いる段 階と、 骨を透過した信号および／または骨の表面によって反射された信号および／ま たは骨の内部構造によって散乱された信号を収集する段階と、 かくして得られた信号をメモリに記憶する段階と、 骨内の超音波ビームの伝搬速度と、骨の厚さと、超音波ビームの透過減衰定数 と、後方散乱定数および減衰定数の算出のための反射パラメータを計測する目的 で、前記得られた信号を処理する段階と、 から成り、 前記超音波ビームは集束変換器を用いて得られるとともに、前記ビームが、超 音波の伝搬方向とは異なる一つまたは幾つかの方向、特に直交軸に沿って走査さ れることを特徴とする、 パラメータ像を得るため、骨に超音波を伝搬させて超音波と骨との相互作用を 調査することにより、骨の力学的、構造的特性を生体内で評価・分析する方法。 ２．低周波数、つまり中心周波数が１００ｋＨｚと３ＭＨｚの間、好ましくは １００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の集束変換器を使用 することを特徴とする、超音波ビームの周波数および伝搬速度の関数として減衰 のパラメータ映像を透過モードで生成するための請求項１に記載の方法。 ３．一つの集束変換器、または広範囲の周波数つまり中心周波数が１００ｋＨ ｚと１０ＭＨｚの間で作動可能な対向配置された一組の集束変換器を用いること を特徴とする、超音波検査モードで反射像を生成するための請求項１に記載の方 法。 ４．低周波数つまり中心周波数が１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間で作動する対向 配置された一組の変換器と、一つの集束変換器または高周波数つまり中心周波数 が１ＭＨｚと１０ＭＨｚの間で作動する対向配置された一組の集束変換器を使用 することを特徴とする、 超音波検査モードでの反射像の生成と、超音波ビーム周波数の関数としての減 衰および／または後方散乱定数の算出とに用いられるとともに、透過モードで周 波数および伝搬速度の関数として減衰定数のパラメータ像を生成することを目的 とする請求項１に記載の方法。 ５．分析対象の骨の両側に対向配置された集束超音波を放射および受信する手 段（１２，１４）と、超音波を放射するとともに骨との相互作用の後で超音波信 号を受信する手段を含む獲得モジュールと、かくして得られた信号をメモリに記 憶するシステムと、骨の力 学的特性つまり粘弾性と関連することが知られている音響パラメータを算出する ため上記信号を処理するモジュールとを含み、 超音波信号を放射および受信する前記手段が集束タイプであるとともに、かく して得られた超音波ビームを走査する手段を含むことを特徴とする請求項１〜４ のいずれかに記載の方法を実施する装置。 ６．前記信号処理モジュールが、コンピュータと、大量メモリと、前記獲得モ ジュールで得られたデータを分析するための信号処理ソフトウェアパッケージと を含み、 この処理モジュールが特に、透過減衰定数の計算と、計測箇所の骨の厚さの計 算と、伝搬速度の計算と、反射後方散乱定数の計算と、反射減衰定数の計算を可 能にするひとまとまりの機能を備えていることを特徴とする請求項５に記載の装 置。 ７．対向配置された一元形の集束変換器（１２，１４）を含むことを特徴とす る請求項５と６のいずれかに記載の装置。 ８．浸漬時に計測を実施できるように水等の液体が充填された容器（１０）を 含むことを特徴とする請求頂５から７のいずれかに記載の装置。 ９．介在媒体と接触した状態で計測が実施されることを特徴とする請求項５か ら７のいずれかに記載の装 置。 １０．電気的に走査が実施される超音波変換器の列を用いることを特徴とする 請求項５から９のいずれかに記載の装置。