JPH11169352A - 骨強度の測定方法および測定装置 - Google Patents
骨強度の測定方法および測定装置Info
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- JPH11169352A JPH11169352A JP34235797A JP34235797A JPH11169352A JP H11169352 A JPH11169352 A JP H11169352A JP 34235797 A JP34235797 A JP 34235797A JP 34235797 A JP34235797 A JP 34235797A JP H11169352 A JPH11169352 A JP H11169352A
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- JP
- Japan
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- bone
- vibration
- femur
- frequency
- resonance frequency
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- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 大腿骨頸部は厚い筋肉や関節包に覆われた深
部にあるため、従来、その力学特性を測定する有効な方
法が知られていなかった。本発明は、特に大腿骨頸部の
強度を非侵襲的に測定できる有効な手段を提供するもの
である。 【解決手段】 骨の一端に衝撃を加え、その結果発生す
る振動の波形を検出し、検出した振動波形を周波数解析
してねじれ振動の共鳴振動数を求め、その共鳴振動数の
高さから、骨強度を測定する。骨インパルス衝撃印加用
のインパルスハンマーと、３軸の加速度センサを内蔵し
た骨振動検出器と、骨振動検出器内の３軸の加速度セン
サからそれぞれ出力される加速度検出信号を解析して骨
のねじれ振動の共鳴周波数を検出するＦＦＴ解析器とを
備えている。
部にあるため、従来、その力学特性を測定する有効な方
法が知られていなかった。本発明は、特に大腿骨頸部の
強度を非侵襲的に測定できる有効な手段を提供するもの
である。 【解決手段】 骨の一端に衝撃を加え、その結果発生す
る振動の波形を検出し、検出した振動波形を周波数解析
してねじれ振動の共鳴振動数を求め、その共鳴振動数の
高さから、骨強度を測定する。骨インパルス衝撃印加用
のインパルスハンマーと、３軸の加速度センサを内蔵し
た骨振動検出器と、骨振動検出器内の３軸の加速度セン
サからそれぞれ出力される加速度検出信号を解析して骨
のねじれ振動の共鳴周波数を検出するＦＦＴ解析器とを
備えている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体の大腿骨のよ
うな骨の強度を骨に衝撃を与えたときに生じるねじれ振
動の特性から定量化し、評価できるようにした骨の強度
の測定方法および測定装置に関する。
うな骨の強度を骨に衝撃を与えたときに生じるねじれ振
動の特性から定量化し、評価できるようにした骨の強度
の測定方法および測定装置に関する。
【０００２】四肢長管骨の骨折は交通災害、労働災害な
らびにスポーツ外傷などによって頻繁に生ずる疾患であ
る。一方で人口の高齢化社会を迎えて骨粗鬆症患者が増
加しており、栄養のアンバランスや運動量の減少による
若年者の骨の発育障害も報告されている。これらは軽微
な外力によって容易に骨折を起こしてくる。このため、
骨折の予防的観点から骨組織の質的変化を簡便に知り得
る測定方法の開発が望まれている。また四肢長管骨の骨
折の治療においては、確実に骨接合の得られる適切な治
療法が選択され、早期に機能回復が得られるようにしな
ければならない。それには骨の癒合程度を定量化し、そ
の癒合度に対応する後療法が過不足なく処方されること
が望ましい。本発明は、そのための有効な測定手段を提
供するものである。
らびにスポーツ外傷などによって頻繁に生ずる疾患であ
る。一方で人口の高齢化社会を迎えて骨粗鬆症患者が増
加しており、栄養のアンバランスや運動量の減少による
若年者の骨の発育障害も報告されている。これらは軽微
な外力によって容易に骨折を起こしてくる。このため、
骨折の予防的観点から骨組織の質的変化を簡便に知り得
る測定方法の開発が望まれている。また四肢長管骨の骨
折の治療においては、確実に骨接合の得られる適切な治
療法が選択され、早期に機能回復が得られるようにしな
ければならない。それには骨の癒合程度を定量化し、そ
の癒合度に対応する後療法が過不足なく処方されること
が望ましい。本発明は、そのための有効な測定手段を提
供するものである。
【０００３】
【従来の技術】従来、生体の骨の損傷状態や骨粗鬆症な
どの変化の診断については、レントゲン写真が主な手段
となっている。しかしレントゲン写真による診断は、損
傷の形態を把握するには適しているが損傷の程度あるい
は治癒経過の定量的な診断には適していない。
どの変化の診断については、レントゲン写真が主な手段
となっている。しかしレントゲン写真による診断は、損
傷の形態を把握するには適しているが損傷の程度あるい
は治癒経過の定量的な診断には適していない。
【０００４】また従来、音響や振動を利用して骨の特性
を調べる方法もあった。その一つの方法は超音波伝導を
利用する診断方法であるが、この方法では、骨折部位か
らの信号と骨を取り巻く筋肉等の軟部組織からの信号と
の区別が難しく、生体の骨の状態を定量的に評価するこ
とはできないとの報告がなされている。
を調べる方法もあった。その一つの方法は超音波伝導を
利用する診断方法であるが、この方法では、骨折部位か
らの信号と骨を取り巻く筋肉等の軟部組織からの信号と
の区別が難しく、生体の骨の状態を定量的に評価するこ
とはできないとの報告がなされている。
【０００５】振動を利用する骨の診断方法としては、骨
の曲げ振動からの定量的な評価方法の研究がなされてき
た。この方法は、外部からの骨の長軸方向に直角の強制
振動あるいはインパルス衝撃を与え、骨の曲げ振動の固
有振動数の変化から骨の状況、特に骨折した骨の回復過
程を定量的に評価することを狙ったものである。しかし
この診断方法には、大きな問題点として、皮下軟部組織
に取り囲まれた生体内の骨のそのものの振動を非侵襲的
に検出することが難しいことがある。
の曲げ振動からの定量的な評価方法の研究がなされてき
た。この方法は、外部からの骨の長軸方向に直角の強制
振動あるいはインパルス衝撃を与え、骨の曲げ振動の固
有振動数の変化から骨の状況、特に骨折した骨の回復過
程を定量的に評価することを狙ったものである。しかし
この診断方法には、大きな問題点として、皮下軟部組織
に取り囲まれた生体内の骨のそのものの振動を非侵襲的
に検出することが難しいことがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】骨粗鬆症では、骨が疎
となり骨皮質も薄くなって、転倒などの軽微な負荷によ
り容易に大腿骨の頚部が骨折を起こす。他の骨折に比べ
大腿骨頚部骨折では、歩行能力が著しく低下したり、寝
たきりとなるおそれがあるなど高齢化社会においては、
憂慮すべき点が多い。大腿骨頚部は厚い筋肉や関節包に
覆われた深部にあるため、従来、その力学特性を測定す
る有効な方法が知られていなかった。
となり骨皮質も薄くなって、転倒などの軽微な負荷によ
り容易に大腿骨の頚部が骨折を起こす。他の骨折に比べ
大腿骨頚部骨折では、歩行能力が著しく低下したり、寝
たきりとなるおそれがあるなど高齢化社会においては、
憂慮すべき点が多い。大腿骨頚部は厚い筋肉や関節包に
覆われた深部にあるため、従来、その力学特性を測定す
る有効な方法が知られていなかった。
【０００７】本発明は、特に大腿骨頚部の強度を非侵襲
的に測定できる手段を提供することを目的としている。
的に測定できる手段を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、大腿骨に振
動を与えた際に特有のねじれ振動が発生し、そのねじれ
振動の共鳴振動数が、大腿骨頚部の強度に相関するこ
と、およびこのねじれの共鳴振動が皮下軟部組織の薄い
大転子や大腿骨下端部にもあらわれることを見出した。
本発明は、これを利用して、大腿骨遠位の外側上顆を加
振し、大転子部に設置した振動センサによりねじれの共
鳴振動を検出し、その振動数の低下の程度から大腿骨頚
部の骨の強度低下を測定するものである。
動を与えた際に特有のねじれ振動が発生し、そのねじれ
振動の共鳴振動数が、大腿骨頚部の強度に相関するこ
と、およびこのねじれの共鳴振動が皮下軟部組織の薄い
大転子や大腿骨下端部にもあらわれることを見出した。
本発明は、これを利用して、大腿骨遠位の外側上顆を加
振し、大転子部に設置した振動センサによりねじれの共
鳴振動を検出し、その振動数の低下の程度から大腿骨頚
部の骨の強度低下を測定するものである。
【０００９】図１は、本発明の原理説明図である。図１
において、１は測定対象の大腿骨、２は骨頭、３は頚
部、４は大転子、５は骨幹、６は内顆、７は内側上顆、
８は外顆、９は外側上顆、１０は加速度センサを内蔵し
たインパルスハンマー、１１はＸ，Ｙ，Ｚ３軸の加速度
センサを内蔵した骨振動検出器、１２は４チャネルの高
入力インピーダンスの電荷増幅器、１３はＦＦＴ解析
器、１４は処理装置である。
において、１は測定対象の大腿骨、２は骨頭、３は頚
部、４は大転子、５は骨幹、６は内顆、７は内側上顆、
８は外顆、９は外側上顆、１０は加速度センサを内蔵し
たインパルスハンマー、１１はＸ，Ｙ，Ｚ３軸の加速度
センサを内蔵した骨振動検出器、１２は４チャネルの高
入力インピーダンスの電荷増幅器、１３はＦＦＴ解析
器、１４は処理装置である。
【００１０】骨振動検出器１１は、大腿骨１の大転子４
の部分を皮膚表面から押し付けるように設置されてお
り、インパルスハンマー１０が外側上顆９を叩いたとき
の衝撃により発生する骨のねじれ振動や曲げ振動をＸ，
Ｙ，Ｚの３軸方向における加速度波形として検出する。
検出された３軸方向の各加速度波形の信号は、それぞれ
４チャネルの電荷増幅器１２の３つのチャネルに入力さ
れる。またインパルスハンマー１０に内蔵されている加
速度センサー（図示省略）から衝撃時に出力される加速
度波形の信号は、電荷増幅器１２の残りの１つのチャネ
ルに入力される。
の部分を皮膚表面から押し付けるように設置されてお
り、インパルスハンマー１０が外側上顆９を叩いたとき
の衝撃により発生する骨のねじれ振動や曲げ振動をＸ，
Ｙ，Ｚの３軸方向における加速度波形として検出する。
検出された３軸方向の各加速度波形の信号は、それぞれ
４チャネルの電荷増幅器１２の３つのチャネルに入力さ
れる。またインパルスハンマー１０に内蔵されている加
速度センサー（図示省略）から衝撃時に出力される加速
度波形の信号は、電荷増幅器１２の残りの１つのチャネ
ルに入力される。
【００１１】各加速度波形信号は、４チャネルの電荷増
幅器で増幅されて、それぞれＦＦＴ解析器１３に入力さ
れる。ＦＦＴ解析器１３は、インパルスハンマー１０の
作動による衝撃発生を内蔵加速度センサからの加速度波
形信号により検出し、その衝撃発生タイミングで、大転
子４の部分に設置した骨振動検出器１１からの各加速度
波形信号を高速フーリエ変換し、周波数解析を行う。こ
の周波数解析により検出されたねじれ振動の共鳴振動数
は、処理装置１４へ入力され大腿骨の頚部３の強度を求
める処理が行われる。
幅器で増幅されて、それぞれＦＦＴ解析器１３に入力さ
れる。ＦＦＴ解析器１３は、インパルスハンマー１０の
作動による衝撃発生を内蔵加速度センサからの加速度波
形信号により検出し、その衝撃発生タイミングで、大転
子４の部分に設置した骨振動検出器１１からの各加速度
波形信号を高速フーリエ変換し、周波数解析を行う。こ
の周波数解析により検出されたねじれ振動の共鳴振動数
は、処理装置１４へ入力され大腿骨の頚部３の強度を求
める処理が行われる。
【００１２】次に、本発明によるねじれ振動を利用した
大腿骨頚部の強度測定方法の原理について詳述する。 摘出ヒト湿潤大腿骨の振動特性の観察 本発明者は、大腿骨頚部の力学的特性をその振動特性か
ら評価することを目的として、摘出されたヒト大腿骨の
モーダル解析を行った。
大腿骨頚部の強度測定方法の原理について詳述する。 摘出ヒト湿潤大腿骨の振動特性の観察 本発明者は、大腿骨頚部の力学的特性をその振動特性か
ら評価することを目的として、摘出されたヒト大腿骨の
モーダル解析を行った。
【００１３】図２はその実験システムの概要図である。
図２において、２０は支持部、２１は支持部２０に吊る
された測定対象の大腿骨、２２は加速度センサ内蔵のイ
ンパルスハンマー、２３は３軸の加速度センサ、２４は
４チャネルの電荷増幅器、２５はモーダル解析器であ
る。
図２において、２０は支持部、２１は支持部２０に吊る
された測定対象の大腿骨、２２は加速度センサ内蔵のイ
ンパルスハンマー、２３は３軸の加速度センサ、２４は
４チャネルの電荷増幅器、２５はモーダル解析器であ
る。
【００１４】モーダル解析には解剖実習用死体標本から
摘出した５本のヒト大腿骨を用いた。大腿骨の骨幹部の
前面、後外側面、後内側面をそれぞれ５等分して１８点
の記録点とし、さらに大腿骨の頚部で１２点の記録点を
定めた。そして大腿骨下端の外顆を原点とする３次元座
標上の点としてモーダル解析器２５に入力した。３０の
記録点上に順次３軸の加速度センサ２３を貼り付け、各
点を移動させながらそのつど原点を加速度センサ内蔵型
インパルスハンマー２２で加振し、３０点すべての応答
を得た。各加速度センサからの信号は４チャネル電荷増
幅器２４を通してモーダル解析器２５に送り、波形解析
を行った。得られる周波数応答関数をもとに振動モード
を動画処理し、モーダル解析器２５のディスプレイ上で
観察した。
摘出した５本のヒト大腿骨を用いた。大腿骨の骨幹部の
前面、後外側面、後内側面をそれぞれ５等分して１８点
の記録点とし、さらに大腿骨の頚部で１２点の記録点を
定めた。そして大腿骨下端の外顆を原点とする３次元座
標上の点としてモーダル解析器２５に入力した。３０の
記録点上に順次３軸の加速度センサ２３を貼り付け、各
点を移動させながらそのつど原点を加速度センサ内蔵型
インパルスハンマー２２で加振し、３０点すべての応答
を得た。各加速度センサからの信号は４チャネル電荷増
幅器２４を通してモーダル解析器２５に送り、波形解析
を行った。得られる周波数応答関数をもとに振動モード
を動画処理し、モーダル解析器２５のディスプレイ上で
観察した。
【００１５】モーダル解析の結果、振幅の形と振動面か
ら大腿骨には３つの振動モードがあることが確認され
た。振動のアニメーションを分析し、低周波側から順
に、前額面（体に平行な面）上で振動する左右振動、矢
状面（体に垂直な面）で前後に振動する前後振動、およ
びねじれ振動であることがわかった。
ら大腿骨には３つの振動モードがあることが確認され
た。振動のアニメーションを分析し、低周波側から順
に、前額面（体に平行な面）上で振動する左右振動、矢
状面（体に垂直な面）で前後に振動する前後振動、およ
びねじれ振動であることがわかった。
【００１６】図３は、この摘出ヒト大腿骨についてのモ
ーダル解析結果の振動モードを示す。図中、（ａ）は大
腿骨上に配置した記録点１〜３０の位置を示し、（ｂ）
は左右振動（２７０Ｈｚ）の振動モード、（ｃ）は前後
振動（３０7.５Ｈｚ）の振動モード、（ｄ）はねじれ振
動（４８０Ｈｚ）の振動モードを表している。図の
（ｂ），（ｃ）に示すように、左右振動と前後振動で
は、骨幹部に２つの節をもつ両端自由の一次の曲げ振動
モードを呈している。この２つの振動モードは振動数に
大きな差はなく、ともに（ｄ）のねじれ振動数よりも低
かった。ねじれ振動には大転子部と大腿骨下端に振幅の
腹がみられた。また大転子部と大腿骨下端の回転方向は
互いに逆方向になってねじれていた。
ーダル解析結果の振動モードを示す。図中、（ａ）は大
腿骨上に配置した記録点１〜３０の位置を示し、（ｂ）
は左右振動（２７０Ｈｚ）の振動モード、（ｃ）は前後
振動（３０7.５Ｈｚ）の振動モード、（ｄ）はねじれ振
動（４８０Ｈｚ）の振動モードを表している。図の
（ｂ），（ｃ）に示すように、左右振動と前後振動で
は、骨幹部に２つの節をもつ両端自由の一次の曲げ振動
モードを呈している。この２つの振動モードは振動数に
大きな差はなく、ともに（ｄ）のねじれ振動数よりも低
かった。ねじれ振動には大転子部と大腿骨下端に振幅の
腹がみられた。また大転子部と大腿骨下端の回転方向は
互いに逆方向になってねじれていた。
【００１７】ほぼ円筒形をした脛骨でのモーダル解析で
はほとんどねじれ振動がみられないことから、大腿骨に
おいてねじれ振動が励起される原因としては、大腿骨頚
部の頚体角（図１において骨幹軸と頚部軸のなす角度、
約１２５度）と前捻角（大腿骨を上方からみたとき、大
腿骨頚部軸は前額面に対して約１０度前方にねじれてい
る）を有する大腿骨頚部の形状が考えられる。
はほとんどねじれ振動がみられないことから、大腿骨に
おいてねじれ振動が励起される原因としては、大腿骨頚
部の頚体角（図１において骨幹軸と頚部軸のなす角度、
約１２５度）と前捻角（大腿骨を上方からみたとき、大
腿骨頚部軸は前額面に対して約１０度前方にねじれてい
る）を有する大腿骨頚部の形状が考えられる。
【００１８】Ｇ：横弾性係数、Ｌ：長さ、ρ：密度、
ｎ：モードとすると、ねじれの周波数ｆ0 は
ｎ：モードとすると、ねじれの周波数ｆ0 は
【００１９】
【数１】
【００２０】で表される。したがって、横弾性係数が低
下するとねじれ振動数も低下することがわかる。 大腿骨のねじれ振動と大腿骨頚部の強度（ねじりこわ
さ）との関係の解析 ねじれ振動は、頚体角および前捻角を有する大腿骨頚部
の特徴的な形状と、大腿骨両端部の質量が大きいことに
よって生じていると推察された。そこで、大腿骨頚部の
強度（ねじりこわさ）を低下させた場合にどのようにね
じれ振動が変化するかを実験した。解剖実習用死体標本
から摘出した合計８本のヒト大腿骨を用いて、大腿骨頚
部に漸次割を入れ（４本は大腿骨頚部、４本は転子間部
に割を入れた）、割の深さとねじれの共鳴振動数の関係
について調べた。図４はその実験システムの概要図であ
る。
下するとねじれ振動数も低下することがわかる。 大腿骨のねじれ振動と大腿骨頚部の強度（ねじりこわ
さ）との関係の解析 ねじれ振動は、頚体角および前捻角を有する大腿骨頚部
の特徴的な形状と、大腿骨両端部の質量が大きいことに
よって生じていると推察された。そこで、大腿骨頚部の
強度（ねじりこわさ）を低下させた場合にどのようにね
じれ振動が変化するかを実験した。解剖実習用死体標本
から摘出した合計８本のヒト大腿骨を用いて、大腿骨頚
部に漸次割を入れ（４本は大腿骨頚部、４本は転子間部
に割を入れた）、割の深さとねじれの共鳴振動数の関係
について調べた。図４はその実験システムの概要図であ
る。
【００２１】図４において、２６は振動吸収用のスポン
ジシート、２７はスポンジシート２６上に載置された大
腿骨、２８は大腿骨頚部、２９は転子間部、３０は加速
度センサ内蔵のインパルスハンマー、３１は１軸の加速
度センサ、３２は２チャネルの電荷増幅器、３３はＦＦ
Ｔ解析器である。
ジシート、２７はスポンジシート２６上に載置された大
腿骨、２８は大腿骨頚部、２９は転子間部、３０は加速
度センサ内蔵のインパルスハンマー、３１は１軸の加速
度センサ、３２は２チャネルの電荷増幅器、３３はＦＦ
Ｔ解析器である。
【００２２】実験の結果、図５のグラフに示すように、
大腿骨頚部（femoral neck）２８に割を入れた場合、割
の深さが大きくなるにしたがって骨幹部の左右振動およ
びねじれ振動ともその共鳴振動数は減少していった。し
かし、ねじれ振動の共鳴振動数は左右振動のそれよりも
割の深さが小さい時点から急激な減少を示した。すなわ
ち、左右振動は頚部に入れた割の深さが約６０％までは
変化せず、それを超えると大きく減少し始めるのに対
し、ねじれの振動数は割の深さが約２０％の時点からす
でに減少を始め、深さが５０％を超える時点から急激に
減少した。頚部を完全に切り落としたあとの左右振動の
振動数は、割を入れる前の値よりも大きな値を示した。
この傾向は頚部切断実験を行った４本の大腿骨すべてで
見られた。一方、転子間部（intertrochanter)２９に割
を入れた場合は図６のグラフに示されるが、ここでも、
両振動の減少のパターンは、頚部切割実験と同様であ
り、実験を行った４本の大腿骨は同じ結果であった。
大腿骨頚部（femoral neck）２８に割を入れた場合、割
の深さが大きくなるにしたがって骨幹部の左右振動およ
びねじれ振動ともその共鳴振動数は減少していった。し
かし、ねじれ振動の共鳴振動数は左右振動のそれよりも
割の深さが小さい時点から急激な減少を示した。すなわ
ち、左右振動は頚部に入れた割の深さが約６０％までは
変化せず、それを超えると大きく減少し始めるのに対
し、ねじれの振動数は割の深さが約２０％の時点からす
でに減少を始め、深さが５０％を超える時点から急激に
減少した。頚部を完全に切り落としたあとの左右振動の
振動数は、割を入れる前の値よりも大きな値を示した。
この傾向は頚部切断実験を行った４本の大腿骨すべてで
見られた。一方、転子間部（intertrochanter)２９に割
を入れた場合は図６のグラフに示されるが、ここでも、
両振動の減少のパターンは、頚部切割実験と同様であ
り、実験を行った４本の大腿骨は同じ結果であった。
【００２３】以上、摘出ヒト湿潤大腿骨の振動特性の観
察と大腿骨のねじれ振動と大腿骨頚部の強度との関係の
解析の結果から、以下の結論が導かれる。すなわち、
（ａ）摘出ヒト大腿骨では加振により３個の振動モード
が励起される。（ｂ）そのうち、ねじれ振動は他の２個
の曲げ振動モードより高い周波数側にあり、大腿骨頚部
の力学的強度に最も鋭敏に変動する。（ｃ）ねじれ振動
の共鳴振動数は大腿骨頚部のうち狭義の頚部および転子
間のいずれにおいても、それらの部位での力学的強度が
低下するとともに鋭敏に低下する。
察と大腿骨のねじれ振動と大腿骨頚部の強度との関係の
解析の結果から、以下の結論が導かれる。すなわち、
（ａ）摘出ヒト大腿骨では加振により３個の振動モード
が励起される。（ｂ）そのうち、ねじれ振動は他の２個
の曲げ振動モードより高い周波数側にあり、大腿骨頚部
の力学的強度に最も鋭敏に変動する。（ｃ）ねじれ振動
の共鳴振動数は大腿骨頚部のうち狭義の頚部および転子
間のいずれにおいても、それらの部位での力学的強度が
低下するとともに鋭敏に低下する。
【００２４】
【発明の実施の形態】前述した摘出大腿骨のモーダル解
析結果は、ねじれ振動の振幅の腹が大転子部と大腿骨下
端にあり、そこで最大振幅が得られることを示してい
る。これらの部位は、生体においては皮下組織が薄く、
振動測定での加振および信号検出には適している。ま
た、ねじれ振動数は２つの骨幹部の曲げ振動数よりは常
に高周波数側にあり、両者は生体においても分離可能で
ある。
析結果は、ねじれ振動の振幅の腹が大転子部と大腿骨下
端にあり、そこで最大振幅が得られることを示してい
る。これらの部位は、生体においては皮下組織が薄く、
振動測定での加振および信号検出には適している。ま
た、ねじれ振動数は２つの骨幹部の曲げ振動数よりは常
に高周波数側にあり、両者は生体においても分離可能で
ある。
【００２５】以下に、生体での大腿骨ねじれ振動を測定
した実施例について説明する。対象は、信州大学病院、
厚生連新町病院、上条記念病院の各整形外科を受診し、
本検査についてのインフォームドコンセントが得られた
健常人および大腿骨頚部骨折患者とした。測定肢位は、
被験者をベッド上に仰臥位とし上体および足底はベッド
上もしくはスポンジ上に載せて、股関節約７０度、膝関
節約１２０度の屈曲位とした。大腿骨下端外顆を加速度
センサ内蔵型インパルスハンマーで加振し、大転子部も
しくは大腿骨下端外顆に予荷重約1.５kgf をかけて用手
的に設置した加速度センサにより応答波形を検出した。
これらの信号を２チャンネルＦＦＴ解析器に送り、周波
数応答関数より共鳴振動数を求めた。その結果、健常人
では信号検出部を大転子部にしても下端内顆にしても、
いずれの部位でもねじれ振動が検出された。
した実施例について説明する。対象は、信州大学病院、
厚生連新町病院、上条記念病院の各整形外科を受診し、
本検査についてのインフォームドコンセントが得られた
健常人および大腿骨頚部骨折患者とした。測定肢位は、
被験者をベッド上に仰臥位とし上体および足底はベッド
上もしくはスポンジ上に載せて、股関節約７０度、膝関
節約１２０度の屈曲位とした。大腿骨下端外顆を加速度
センサ内蔵型インパルスハンマーで加振し、大転子部も
しくは大腿骨下端外顆に予荷重約1.５kgf をかけて用手
的に設置した加速度センサにより応答波形を検出した。
これらの信号を２チャンネルＦＦＴ解析器に送り、周波
数応答関数より共鳴振動数を求めた。その結果、健常人
では信号検出部を大転子部にしても下端内顆にしても、
いずれの部位でもねじれ振動が検出された。
【００２６】図７は、７０歳の女性についての健常大腿
骨の共鳴振動測定データであり、大腿骨下端外顆を加振
し下端内顆で検出した。仰臥位で膝および股関節屈曲位
をとり、足底はベッド上に置いた肢位で測定した。２１
０Ｈｚの大きいピークは大腿骨のねじれ振動の共鳴振動
数を表し、１００Ｈｚの小ピークは大腿骨骨幹部の共鳴
振動数を表している。
骨の共鳴振動測定データであり、大腿骨下端外顆を加振
し下端内顆で検出した。仰臥位で膝および股関節屈曲位
をとり、足底はベッド上に置いた肢位で測定した。２１
０Ｈｚの大きいピークは大腿骨のねじれ振動の共鳴振動
数を表し、１００Ｈｚの小ピークは大腿骨骨幹部の共鳴
振動数を表している。
【００２７】図８は、２８歳の男性についての健常大腿
骨の共鳴振動測定データであり、大腿骨下端外顆を加振
し大転子部で検出した。仰臥位で膝および股関節屈曲位
をとり、足底はベッドより浮かしスポンジ上に置いて測
定した。３８０Ｈｚのピークは大腿骨のねじれ振動の共
鳴振動数、１８０Ｈｚのピークは大腿骨骨幹部の共鳴振
動数、４８０Ｈｚのピークはその二次モードを表してい
る。
骨の共鳴振動測定データであり、大腿骨下端外顆を加振
し大転子部で検出した。仰臥位で膝および股関節屈曲位
をとり、足底はベッドより浮かしスポンジ上に置いて測
定した。３８０Ｈｚのピークは大腿骨のねじれ振動の共
鳴振動数、１８０Ｈｚのピークは大腿骨骨幹部の共鳴振
動数、４８０Ｈｚのピークはその二次モードを表してい
る。
【００２８】図９は、６７歳の女性についての大腿骨頚
部骨折例の共鳴振動測定データであり、受傷後２０日目
にcannulated hip screws で内固定されたケースであ
る。術後２カ月での正常側（上段）および骨折側（下
段）の大腿骨のねじれ振動を測定した。測定は大腿骨下
端外顆を加振し、下端内顆で信号を検出した。
部骨折例の共鳴振動測定データであり、受傷後２０日目
にcannulated hip screws で内固定されたケースであ
る。術後２カ月での正常側（上段）および骨折側（下
段）の大腿骨のねじれ振動を測定した。測定は大腿骨下
端外顆を加振し、下端内顆で信号を検出した。
【００２９】以上の生体での大腿骨ねじれ振動の測定結
果より、１）生体ではできるだけ大腿骨の両端の拘束条
件を軽減して自由な肢位をとることで、大腿骨のねじれ
振動の測定が可能であること。２）加振を大腿骨下端で
行った場合、ねじれ振動の検出部位は、大腿骨下端内顆
および大転子部で信号の検出ができること。これは摘出
大腿骨のモーダル解析の結果とも一致した。３）生体に
おいても、ねじれ振動数は大腿骨頚部の強度を反映して
いると考えられること。これは頚部骨折例での骨癒合の
進行とともに、ねじれ振動数が上昇すること、高齢女性
は２０歳代男性より明らかに振動数が低いことなどがこ
れを示唆している。しかし、ねじれ振動数は（１）式で
示されるごとく、大腿骨の形状や質量の影響を受けるこ
とから、ねじれ振動数にこれらのパラメータを加味し
た、大腿骨頚部の強度と高い相関をもつ、新たな指標を
みいだす必要がある。
果より、１）生体ではできるだけ大腿骨の両端の拘束条
件を軽減して自由な肢位をとることで、大腿骨のねじれ
振動の測定が可能であること。２）加振を大腿骨下端で
行った場合、ねじれ振動の検出部位は、大腿骨下端内顆
および大転子部で信号の検出ができること。これは摘出
大腿骨のモーダル解析の結果とも一致した。３）生体に
おいても、ねじれ振動数は大腿骨頚部の強度を反映して
いると考えられること。これは頚部骨折例での骨癒合の
進行とともに、ねじれ振動数が上昇すること、高齢女性
は２０歳代男性より明らかに振動数が低いことなどがこ
れを示唆している。しかし、ねじれ振動数は（１）式で
示されるごとく、大腿骨の形状や質量の影響を受けるこ
とから、ねじれ振動数にこれらのパラメータを加味し
た、大腿骨頚部の強度と高い相関をもつ、新たな指標を
みいだす必要がある。
【００３０】現在、臨床において大腿骨頚部骨折の危険
予知に最も用いられている指標は、Dual X-ray Absorpt
iometry(ＤＸＡ）法による大腿骨頚部骨塩密度（bone m
ineral density, ＢＭＤ）である。これまでの研究者の
報告では、骨強度における骨密度の関与は約８０％程度
とされている。骨強度には骨密度に加え、大腿骨の形
状、特に骨皮質の厚さ、および骨塩を結合している基質
の性質などが関与している
予知に最も用いられている指標は、Dual X-ray Absorpt
iometry(ＤＸＡ）法による大腿骨頚部骨塩密度（bone m
ineral density, ＢＭＤ）である。これまでの研究者の
報告では、骨強度における骨密度の関与は約８０％程度
とされている。骨強度には骨密度に加え、大腿骨の形
状、特に骨皮質の厚さ、および骨塩を結合している基質
の性質などが関与している
【００３１】
【発明の効果】従来骨強度の診断において最も信頼度が
高いとされているレントゲン学的方法は、骨折という力
学的な破綻を推定する上では限界がある上、侵襲的検査
であり、また高価な装置を要する欠点があった。それに
比して、本発明は非破壊的な力学的検査であり、安価な
装置で測定可能である利点がある。
高いとされているレントゲン学的方法は、骨折という力
学的な破綻を推定する上では限界がある上、侵襲的検査
であり、また高価な装置を要する欠点があった。それに
比して、本発明は非破壊的な力学的検査であり、安価な
装置で測定可能である利点がある。
【図１】本発明による装置の原理説明図である。
【図２】摘出大腿骨モーダル解析システムの概要図であ
る。
る。
【図３】摘出大腿骨の振動モードの解析例を示す説明図
である。
である。
【図４】大腿骨踝部切割実施システムの概要図である。
【図５】大腿骨踝部の切割によるねじれ振動数および左
右振動数の変化を示すグラフである。
右振動数の変化を示すグラフである。
【図６】大腿骨転子間部の切割によるねじれ振動数およ
び左右振動数の変化を示すグラフである。
び左右振動数の変化を示すグラフである。
【図７】７０歳女性の健常大腿骨の共鳴振動測定例を示
すグラフである。
すグラフである。
【図８】２８歳男性の健常大腿骨の共鳴振動測定例を示
すグラフである。
すグラフである。
【図９】大腿骨頸部骨折した６７歳女性の共鳴振動測定
例を示すグラフである。
例を示すグラフである。
１：大腿骨 ２：骨顆 ３：頸部 ４：大転子 ５：骨幹 ６：内顆 ７：内側上顆 ８：外顆 ９：外側上顆 １０：インパルスハンマー １１：骨振動検出器 １２：電荷増幅器 １３：ＦＦＴ解析器 １４：処理装置
Claims (3)
- 【請求項１】 骨の一端に衝撃を加え、その結果発生す
る振動の波形を検出し、検出した振動波形を周波数解析
してねじれ振動の共鳴振動数を求め、その共鳴振動数の
高さから、骨強度を測定することを特徴とする骨強度の
測定方法。 - 【請求項２】 大腿骨の下端外顆に衝撃を加え、その結
果大腿骨に発生する振動の波形を大転子部または下端内
顆で検出し、検出した振動波形を周波数解析してねじれ
振動の共鳴振動数を求め、その共鳴振動数の高さから大
腿骨頚部の強度を測定することを特徴とする骨強度の測
定方法。 - 【請求項３】 骨インパルス衝撃印加用のインパルスハ
ンマーと、 ３軸の加速度センサを内蔵した骨振動検出器と、 骨振動検出器内の３軸の加速度センサからそれぞれ出力
される加速度検出信号を解析して骨のねじれ振動の共鳴
周波数を検出するＦＦＴ解析器とを備えていることを特
徴とする骨強度の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34235797A JPH11169352A (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 骨強度の測定方法および測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34235797A JPH11169352A (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 骨強度の測定方法および測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11169352A true JPH11169352A (ja) | 1999-06-29 |
Family
ID=18353106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34235797A Pending JPH11169352A (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 骨強度の測定方法および測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11169352A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008539884A (ja) * | 2005-05-05 | 2008-11-20 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 骨折リスクを査定するための方法および器具 |
| JP2010029241A (ja) * | 2008-07-25 | 2010-02-12 | Furuno Electric Co Ltd | 形状検出装置、形状検出方法、及び形状検出装置を用いた骨強度診断装置 |
| US7879043B2 (en) | 2006-11-28 | 2011-02-01 | Robert Michael Meneghini | System and method for preventing intraoperative fracture in cementless hip arthroplasty |
| CN105147494A (zh) * | 2015-08-14 | 2015-12-16 | 西北工业大学 | 一种啮齿类动物四肢长骨力学加载实验装置 |
| CN110022759A (zh) * | 2016-09-29 | 2019-07-16 | 奥斯特尔公司 | 探针 |
-
1997
- 1997-12-12 JP JP34235797A patent/JPH11169352A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008539884A (ja) * | 2005-05-05 | 2008-11-20 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 骨折リスクを査定するための方法および器具 |
| JP4918086B2 (ja) * | 2005-05-05 | 2012-04-18 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 骨を査定するための診断器具 |
| US7879043B2 (en) | 2006-11-28 | 2011-02-01 | Robert Michael Meneghini | System and method for preventing intraoperative fracture in cementless hip arthroplasty |
| US8236005B2 (en) | 2006-11-28 | 2012-08-07 | Robert Michael Meneghini | System and method for preventing intraoperative fracture in cementless hip arthroplasty |
| JP2010029241A (ja) * | 2008-07-25 | 2010-02-12 | Furuno Electric Co Ltd | 形状検出装置、形状検出方法、及び形状検出装置を用いた骨強度診断装置 |
| CN105147494A (zh) * | 2015-08-14 | 2015-12-16 | 西北工业大学 | 一种啮齿类动物四肢长骨力学加载实验装置 |
| CN110022759A (zh) * | 2016-09-29 | 2019-07-16 | 奥斯特尔公司 | 探针 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20040210 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040622 |
|
| A977 | Report on retrieval |
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|
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Effective date: 20060912 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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Effective date: 20070130 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |