JPH1176230A - 骨粗鬆症診断装置及び骨粗鬆症診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射線被爆の心配がなく、簡易型で、診断精
度を上げる。 【解決手段】 開示される骨粗鬆症診断装置は、２次元
的に任意に配置され、超音波パルスを生体内部に放射す
ると共に、骨からのエコーを受信する超音波トランスデ
ューサ４₁〜４₄と、超音波トランスデューサ４₁〜４₄の
送受信面に固着される一端面に相対向する他端面が凹型
湾曲形状をなし、上記超音波パルスを集束させて焦点を
結ばせる超音波遅延スペーサと、第ｊ番目の超音波トラ
ンスデューサからの超音波パルス発射による骨からのエ
コーを第ｉ番目の超音波トランスデューサによって受信
して、４×４個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）を計測した
後、この４×４個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）の行列表
示であるＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ_ij(ｔ)］を時間でフーリ
エ変換し、得られた４×４の散乱行列［Ｓ_ij(ω)］に基
づいて、被験者の骨の反射波情報を算出するＣＰＵ１６
とを備えてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、骨粗鬆症診断装
置及び骨粗鬆症診断方法に関し、特に、超音波パルスを
被験者の所定の骨に向けて放射し、骨からのエコーを検
知して、骨粗鬆症を診断する超音波反射式の骨粗鬆症診
断装置及び骨粗鬆症診断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高齢化社会の到来に伴って、骨粗
鬆症（osteoporosis）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、少しのショックでも折れ易くなる病気であ
り、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、Ｘ線
を使用するＤＸＡやＱＣＴ等の診断装置により、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、被曝の虞
がある。

【０００３】そこで、無被爆下で取り扱える簡易な装置
として、超音波を利用する診断装置が普及してきてい
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（米国特許出願第１
９３２９５号）に記載の診断装置では、測定部位である
被験者の骨を挟んで２つの超音波トランスデューサを向
かい合わせ、一方の超音波トランスデューサから被験者
の骨組織に向けて超音波パルスを放射し、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
で受信することにより、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、同診断装置の処理アルゴリズムが、骨
組織中では音速は骨密度に比例する、という経験則に基
づいて成立しているからである。

【０００４】しかし、骨密度と音速とを結び付ける理論
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、決して高くはな
い。また、骨密度と超音波の減衰とを結び付ける理論的
根拠も不確かである。従って、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超音波透過式の診断装置に信頼
性の高い診断を求めることには無理があった。

【０００５】このような不都合を解消する手段として、
本出願人は、特願平８−３３９８３４号に開示されてい
るように、単一の超音波トランスデューサを用いて、表
面が平らな骨組織に向けて超音波パルスを繰り返し放射
し、骨組織から戻ってくるエコーを受信し、受信したエ
コーのうち（垂直反射のエコーであるとみなすことので
きる）最大エコーを抽出し、抽出した最大エコーに基づ
いて、反射係数や音響インピーダンス等を算出し、これ
らの算出値に基づいて骨粗鬆症を診断する超音波反射式
の診断装置を提案した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の特願平８−３３９８３４号に開示された骨粗鬆症診
断装置においては、超音波トランスデューサから放射さ
れた送信波が被験者の骨に垂直に入射するように、超音
波トランスデューサの向きを調整しなければならない
が、例えば、頸骨など平坦な骨であっても、皮膚下の骨
に送信波を垂直に入射させることは人間の感覚ではほと
んど不可能である。そこで、レベルメータの画面に表示
された波形を見ながら反射波のエコー強度が最大となる
ように超音波トランスデューサの向きを変更させるので
あるが、その操作は容易でなく、熟練を要するという問
題があった。

【０００７】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、無被爆下の簡単な操作で、高い信頼性を得るこ
とのできる骨粗鬆症診断装置及び骨粗鬆症診断方法を提
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】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症診断装置は、２
次元的に任意に配置され、超音波パルスを生体内部に放
射すると共に、測定部位である骨からのエコーを受信す
るためのＮ個（Ｎは２以上の自然数）の超音波トランス
デューサと、上記Ｎ個の超音波トランスデューサの送受
信面に相対向する一端面が上記Ｎ個の超音波トランスデ
ューサの全ての送受信面を覆う形状を有し、他端面が凹
型湾曲形状をなし、上記Ｎ個の超音波トランスデューサ
から放射された上記超音波パルスを集束させて焦点を結
ばせるための超音波遅延スペーサと、上記Ｎ個の超音波
トランスデューサのうち、第ｊ番目の超音波トランスデ
ューサからの超音波パルス発射による骨からのエコーを
第ｉ番目の超音波トランスデューサによって受信して、
Ｎ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）を計測するエコー
波形計測手段と、実測されたＮ×Ｎ個の受信エコー波形
Ｓ_ij（ｔ）の行列表示であるＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ
_ij(ｔ)］を時間でフーリエ変換するフーリエ変換手段
と、フーリエ変換されたＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ_ij(ω)］
に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波
情報算出手段とを備えてなることを特徴としている。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の骨
粗鬆症診断装置に係り、上記Ｎ個の超音波トランスデュ
ーサは、１／４円盤状の厚み振動型圧電素子の両面に電
極層を形成してなり、互いの矩形端面が張り合わされて
全体で円盤形状をなしていることを特徴としている。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１記載の骨
粗鬆症診断装置に係り、上記Ｎ個の超音波トランスデュ
ーサは、各々円盤状の厚み振動型圧電素子の両面に電極
層を形成してなり、１つの超音波トランスデューサを中
心に、他の超音波トランスデューサが互いの円周面が外
接するように配置されて構成されていることを特徴とし
ている。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
いずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記フー
リエ変換手段は、処理アルゴリズムに従って、骨からの
受信エコーと思われる波形にゲートをかけて、フーリエ
変換することを特徴としている。

【００１２】請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の
いずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記反射
波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、式
（５）の方程式を成立させる値λのうち、絶対値の大き
い方から数えて、単数又は複数の値λを求め、求められ
た値λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する
ことを特徴としている。

【００１３】

【数５】

【００１４】請求項６記載の発明は、請求項１乃至４の
いずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記反射
波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、式
（６）を成立させる固有値λのうち、絶対値の大きい方
から数えて、単数又は複数の固有値λを求め、求められ
た固有値λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出
することを特徴としている。

【００１５】

【数６】

【００１６】請求項７記載の発明は、請求項５又は６記
載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記反射波情報算出手段
は、処理アルゴリズムに従って、得られた上記固有値λ
から又は上記固有値λに所定の比例定数を乗じて、骨の
反射率を求めることを特徴としている。

【００１７】請求項８記載の発明は、請求項１乃至４の
いずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記反射
波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、上記受
信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）に基づいて、測定対象内のＮ個
（上記超音波トランスデューサと同数個）の骨要素の座
標を求め、かつ、それぞれの受信エコーの伝搬遅延を考
慮して、所定の形状からの反射波を平面波問題に帰着さ
せる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題に帰着され
たときの上記骨の反射波情報を算出することを特徴とし
ている。

【００１８】請求項９記載の発明は、請求項８記載の骨
粗鬆症診断装置に係り、上記反射波情報算出手段によっ
て算出される上記骨の反射波情報には、上記被験者の軟
組織に対する皮質骨の骨反射波情報と、該皮質骨に対す
る海綿骨の骨反射波情報とが含まれることを特徴として
いる。

【００１９】請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９
のいずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、上記反
射波情報算出手段によって算出された上記骨反射波情報
に基づいて、上記骨の音響インピーダンス、又は皮質骨
の音響インピーダンスと海綿骨の音響インピーダンスを
算出する音響インピーダンス算出手段が設けられている
ことを特徴としている。

【００２０】請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１
０のいずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置に係り、測定
部位となる上記骨は、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は大
腿骨頸部であることを特徴としている。

【００２１】請求項１２記載の発明に係る骨粗鬆症診断
方法は、２次元的に任意に配置され、超音波パルスを生
体内部に放射すると共に、測定部位である骨からのエコ
ーを受信するためのＮ個（Ｎは２以上の自然数）の超音
波トランスデューサと、上記Ｎ個の超音波トランスデュ
ーサの送受信面に相対向する一端面が上記Ｎ個の超音波
トランスデューサの全ての送受信面を覆う形状を有し、
他端面が凹型湾曲形状をなし、上記Ｎ個の超音波トラン
スデューサから放射された上記超音波パルスを集束させ
て焦点を結ばせるための超音波遅延スペーサとを設け、
上記Ｎ個の超音波トランスデューサのうち、第ｊ番目の
超音波トランスデューサからの超音波パルス発射による
骨からのエコーを第ｉ番目の超音波トランスデューサに
よって受信して、Ｎ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）
を計測し、実測されたＮ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ
_ij（ｔ）の行列表示であるＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ
_ij(ｔ)］を時間でフーリエ変換し、フーリエ変換された
Ｎ×Ｎの散乱行列［Ｓ_ij(ω)］に基づいて、被験者の骨
の反射波情報を算出することを特徴としている。

【００２２】請求項１３記載の発明は、請求項１２記載
の骨粗鬆症診断方法に係り、上記反射波情報の算出に
は、式（７）を成立させる値λのうち、絶対値の大きい
方から数えて、単数又は複数の値λを求め、求められた
値λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出するこ
とを特徴としている。

【００２３】

【数７】

【００２４】請求項１４記載の発明は、請求項１２記載
の骨粗鬆症診断方法に係り、上記反射波情報の算出は、
式（８）を成立させる固有値λのうち、絶対値の大きい
方から数えて、単数又は複数の固有値λを求め、求めら
れた固有値λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算
出することを特徴としている。

【００２５】

【数８】

【００２６】請求項１５記載の発明は、請求項１２記載
の骨粗鬆症診断方法に係り、上記反射波情報の算出に
は、上記受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）に基づいて、測定対
象内のＮ個（上記超音波トランスデューサと同数個）の
骨要素の座標を求め、かつ、それぞれの受信エコーの伝
搬遅延を考慮して、所定の形状からの反射波を平面波問
題に帰着させる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題
に帰着されたときの上記骨の反射波情報を算出すること
を特徴としている。

【００２７】

【作用】この発明の構成の骨粗鬆症診断装置によれば、
Ｎ個の超音波トランスデューサのいずれかから骨に向け
て放射された超音波パルスは、超音波遅延スペーサを経
て骨に達するが、この際、超音波遅延スペーサによって
集束されるので、超音波パルスの上記骨への入射方向と
骨の表面の法線方向とのずれの影響は、平面波を用いる
方法に比べて低くなる。それ故、この例の骨粗鬆症診断
装置では、操作者の熟練度や操作の巧拙に係わらず、正
確な測定を行うことができる。また、超音波パルスのビ
ームは絞られているので、測定部位の曲率半径が小さく
ても、確実かつ正確な測定を行うことができる。

【００２８】この発明の構成では、骨の音響インピーダ
ンスに基づいて、骨粗鬆症の進行状況が判断される。骨
の音響インピーダンスは、［骨弾性率×骨密度］の平方
根で与えられ、パラメータである「骨弾性率」と「骨密
度」とは、一方が増加（減少）すると、他方も増加（減
少）すると、いう関係にある。それ故、骨密度が増加
（減少）すると、骨弾性も増加（減少）するので、音響
インピーダンスは、この相乗効果により、敏感に応答し
て顕著に増加（減少）する。従って、骨の音響インピー
ダンスは、骨密度を判断する上で、大変良い指標とな
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、骨の骨粗鬆症が悪化して
いることが判る。

【００２９】また、骨の音響インピーダンスに代えて、
軟組織の骨に対する超音波反射係数を骨密度の指標とし
ても、上述したと略同様の効果を得ることができる。

【００３０】また、この発明の構成では、骨からの反射
波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理が行わ
れ、また、固有値問題として取り扱われるので、平面性
の悪い骨も測定部位となり得、また、超音波トランスデ
ューサの向きも問題とならない。つまり、骨表面の平坦
性や形状によらずに、骨の音響インピーダンスを測定で
きるので、大変使い勝手が良く、測定信頼性も向上す
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】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。 Ａ．第１の実施例 図１は、この発明の第１の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２は、同装置の外
観図、図３は、同装置で用いられるプローブの構成を示
す断面図、図４は、同装置の使用状態を示す模式図であ
る。この例の骨粗鬆症診断装置は、図１〜図４に示すよ
うに、電気パルス信号を超音波パルスに変換し、その超
音波パルスを被験者の所定の測定部位に放射すると共
に、測定部位からのエコーを受信して電気信号である受
信信号に変換するためのプローブ１と、このプローブ１
に上記電気パルス信号を供給すると共に、プローブ１か
らの上記受信信号を取り込んで、後述するデジタル解析
処理を行って骨粗鬆症の診断を行う装置本体２と、プロ
ーブ１と装置本体２とを接続するケーブル３とから概略
構成されている。

【００３２】プローブ１は、電気パルス信号が所定の周
期で入力される度に、これに応答して、図４に示すよう
に、測定部位である被験者の、例えば、踵骨等の骨Ｍｂ
（皮質骨Ｍｂ₁、海綿骨Ｍｂ₂）に向けて超音波パルスＡ
ｉを放射すると共に、骨から戻ってくるエコー（以下、
骨エコーという）Ａｅを受信して受信信号に変換する超
音波トランスデューサユニット４と、超音波トランスデ
ューサユニット４の送受信面４ａに固着された超音波遅
延スペーサ５と、ゴム製の袋状容器６ａの中に水６ｂが
充填されてなる変形自在のウォータバッグ６と、ウォー
タバッグ６が被験者の皮膚表面Ｘに載置された状態（図
４参照）で、超音波トランスデューサユニット４及び超
音波遅延スペーサ５を直線運動させることによって、ウ
ォータバッグ６を伸縮させるための焦点位置調節機構７
と、内部の側壁に焦点位置調節機構７が取り付けられ、
操作者によって把持されるカバー８とから概略構成され
ている。

【００３３】超音波トランスデューサユニット４は、図
５に示すように、４個の超音波トランスデューサ４₁〜
４₄から構成されている。各超音波トランスデューサ４₁
〜４₄は、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる１
／４円盤状の厚み振動型圧電素子の両面に電極層を形成
してなり、互いの矩形端面が張り合わされて全体で円盤
形状をなしている。超音波遅延スペーサ５は、ポリエチ
レンバルク等からなり、送信残響等の影響を除去をする
と共に、超音波トランスデューサユニット４の送受信面
４ａから放射された超音波パルスＡｉを集束させるため
に、所定の焦点距離ｆ（この例では、４０ｍｍ）を有す
る。超音波遅延スペーサ５において、各超音波トランス
デューサ４₁〜４₄が固着される面に相対向する端面は、
図６に示すように、凹型湾曲形状をなしている。ウォー
タバッグ６は、図３に示すように、袋状容器６ａ内に水
６ｂが充填され、かつ、袋状容器６ａの開口部端縁と超
音波遅延スペーサ５の下端面５ａの端縁とが接合された
状態で、超音波遅延スペーサ５に取り付けられている。
焦点位置調節機構７は、カバー８の内部の側壁に固定さ
れ、回転運動を行うＤＣサーボモータ７ａと、ＤＣサー
ボモータ７ａの回転運動を直線運動に変換するミニチュ
アボールねじ７ｂと、ミニチュアボールねじ７ｂのボー
ルナットを、超音波遅延スペーサ５の側壁側に取り付け
るためのスペーサ７ｃとを有してなっている。なお、Ｄ
Ｃサーボモータ７ａが配設されている側に超音波遅延ス
ペーサ５を挟んで相対向する側には、超音波遅延スペー
サ５を案内するための案内棒７ｄが、上部において、カ
バー８の内部の側壁に固定されたスペーサ７ｅによって
支持され、下部において、超音波遅延スペーサ５の側壁
に固定されたスペーサ７ｆの挿通孔に挿通された状態で
配設されている。

【００３４】図１において、装置本体２は、パルス発生
器９₁〜９₄と、整合回路１０₁〜１０₄と、増幅器１１₁
〜１１₄と、波形整形器１２₁〜１２₄と、Ａ／Ｄ変換器
１３₁〜１３₄と、ＲＯＭ１４と、ＲＡＭ１５と、ＣＰＵ
（中央処理装置）１６と、表示器１７と、計時回路１８
と、駆動回路１９とから構成されている。パルス発生器
９₁〜９₄は、それぞれ周波数範囲０．５４〜１．６２Ｍ
Ｈｚ（中心周波数１ＭＨｚ）の電気パルス信号を所定の
周期で繰り返し生成する。また、パルス発生器９₁は、
ＣＰＵ１６が後述する焦点位置調節サブプログラムを実
行するときには、電気パルス信号の出力タイミングと同
一タイミングで計時開始信号Ｔｐを計時回路１８へ供給
する。整合回路１０₁〜１０₄は、対応する超音波トラン
スデューサ４₁〜４₄とケーブル３を介して１対１に接続
され、パルス発生器９₁〜９₄からの電気パルス信号をケ
ーブル３を介して超音波トランスデューサ４₁〜４₄に供
給すると共に、超音波トランスデューサ４₁〜４₄からの
受信信号を増幅器１１₁〜１１₄に供給する。整合回路１
０₁〜１０₄は、超音波トランスデューサ４₁〜４₄と装置
本体２との間で、エネルギの損失なしに信号の授受がな
されるように、インピーダンスの整合を行う。増幅器１
１₁〜１１₄は、整合回路１０₁〜１０₄を介して供給され
る受信信号を所定の増幅度で増幅した後、波形整形器１
２₁〜１２₄に供給する。波形整形器１２₁〜１２₄は、Ｌ
Ｃ構成のバンドパスフィルタからなり、増幅器１１₁〜
１１₄によって増幅された受信信号を線形に波形整形し
た後、Ａ／Ｄ変換器１３₁〜１３₄に供給する。Ａ／Ｄ変
換器１３₁〜１３₄は、図示せぬサンプルホールド回路、
高速サンプリングメモリ等を備え、ＣＰＵ１６のサンプ
リング開始要求に従って、供給される波形整形器１２₁
〜１２₄の出力信号（波形整形されたアナログの受信信
号）を所定の周波数（例えば１２ＭＨｚ）でサンプリン
グしてデジタルのエコー信号に変換し、これにより、デ
ジタル化されたエコー信号を一旦高速サンプリングメモ
リに格納した後、ＣＰＵ１６に供給する。

【００３５】ＲＯＭ１４は、ＣＰＵ１６に骨粗鬆症の診
断を実行させるための処理プログラムを格納する。この
処理プログラムは、焦点位置調節サブプログラムと、エ
コー波形検出処理サブプログラムと、骨要素の座標算出
サブプログラムと、平面波問題帰着処理サブプログラム
と、反射波情報算出サブプログラムと、骨Ｍｂの音響イ
ンピーダンス算出サブプログラムと、画像表示制御サブ
プログラムとを有して構成されている。ＲＡＭ１５は、
ＣＰＵ１６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、
例えば、エコーデータ、散乱行列の各要素、骨要素の座
標値等もデータエリア内に一時記憶される。ＣＰＵ１６
は、ＲＯＭ１４に格納されている上述の処理プログラム
をＲＡＭ１５を用いて実行することにより、パルス発生
器９₁〜９₄、Ａ／Ｄ変換器１３₁〜１３₄等の装置各部の
制御、４×４個の骨エコー波形の検出処理（散乱行列の
作成）、散乱行列のフーリエ変換、骨要素の座標算出、
グリーン関数を要素とする行列の算出、平面波問題帰着
処理（散乱行列逆フーリエ変換処理）、反射波情報の算
出、骨Ｍｂの音響インピーダンスの算出（骨粗鬆症の診
断）、骨形状の３次元画像処理等を行う。表示器１７
は、ＣＲＴディスプレイ又は液晶ディスプレイ等からな
り、ＣＰＵ１６の制御により、最大骨エコーレベル（測
定値）、超音波反射係数Ｒ（算出値）、音響インピーダ
ンスＺｂ（算出値）、今回骨エコー波形や最大骨エコー
波形等が画面表示される。また、計時回路１８は、超音
波トランスデューサユニット４の送受信面４ａから超音
波パルスＡｉが発射された後、骨エコーＡｅが送受信面
４ａに戻ってくるまでの骨エコー到達時間Ｔを計測す
る。この計時回路１８は、図示せぬクロック発生器と計
数回路とから構成され、パルス発生器９₁から計時開始
信号Ｔｐの供給を受ける度に計時を開始し、Ａ／Ｄ変換
器１３₁から終了信号を受けると、計時を終了する。こ
こで、Ａ／Ｄ変換器１３₁から送られる終了信号は、Ａ
／Ｄ変換器１３₁が受信された骨エコーＡｅに対応する
信号の立上りを検出したタイミングである。そして、計
時値は、リセットされるまで保持され、保持された計時
値は、骨エコー到達時間Ｔとして要求に応じてＣＰＵ１
６に与えられる。駆動回路１９は、ＤＣサーボモータ７
ａを駆動するための回路であって、ＣＰＵ１６から与え
られる制御信号に従って、所定の極性及び大きさの印加
電圧をＤＣサーボモータ７ａに供給する。

【００３６】次に、図６を参照して、この例の動作（処
理の流れ）について説明する。まず、平面性は良くない
が、超音波パルスＡｉの波長と較べるなら曲率半径が充
分に大きい骨Ｍｂを測定部位として選ぶ。好適な測定部
位としては、例えば、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は大
腿骨頸部を挙げることができる。測定部位が決定して、
装置に電源が投入されると、ＣＰＵ１６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。ここで、操作者は、図４に示すように、被験者の
測定部位である骨Ｍｂを覆う軟組織Ｍａの表面（皮膚の
表面Ｘ）に、超音波ゲルＧを塗り、超音波ゲルＧを介し
てプローブ１のウォータバッグ６の先端を皮膚の表面Ｘ
に当て、かつ、超音波トランスデューサユニット４の送
受信面４ａを骨Ｍｂに向けた状態でカバー８を手で支持
し、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、ＣＰＵ１６は、これより、図７に示
す処理手順に従って各種処理を実行する。

【００３７】まず、ステップＳＰ１において、ＣＰＵ１
６は、焦点位置調節サブプログラムの制御により、超音
波遅延スペーサ５の凹面状の下端面５ａから被験者の軟
組織Ｍａと皮質骨Ｍｂ₁との境界面Ｙまでの距離Ｌ（図
４参照）を超音波遅延スペーサ５の焦点距離ｆに一致さ
せる処理を実行する。即ち、ＣＰＵ１６は、パルス発生
器９₁に１パルス発生命令を発行する。これにより、パ
ルス発生器９₁は、電気パルス信号を整合回路１０₁及び
ケーブル３を介して超音波トランスデューサ４₁に送信
すると共に、この電気パルス信号の送信と同一のタイミ
ングで計時開始信号Ｔｐを計時回路１８へ供給する。超
音波トランスデューサ４₁は、パルス発生器９₁から電気
パルス信号の供給を受けると、被験者の骨Ｍｂに向けて
超音波パルスＡｉを発射する。発射された超音波パルス
Ａｉは、図４に示すように、超音波遅延スペーサ５内を
伝播することによって超音波遅延スペーサ５の焦点位置
へ向かって集束していく。この時、図４に示すように、
距離Ｌが焦点距離ｆにほぼ一致していると、超音波遅延
スペーサ５を通過した超音波パルスＡｉは、ウォータバ
ッグ６の水６ｂ中を集束しながら伝播し、皮膚の表面Ｘ
で一部が反射され、残りが皮膚の表面Ｘから、なおも集
束しながら軟組織Ｍａ内に注入され、境界面Ｙにおいて
ほぼ焦点位置に達してビームの大きさは最小となる。そ
して、境界面Ｙで一部が反射して骨エコーＡｅとなり、
一部は、発散しながら骨Ｍｂ内を伝播していき、一部は
骨Ｍｂに吸収され、残りは骨Ｍｂを透過する。骨エコー
Ａｅは、発散しながら入射超音波パルスＡｉとは逆の経
路を辿り、超音波トランスデューサユニット４の各超音
波トランスデューサ４₁〜４₄によって受信される。従っ
て、ＣＰＵ１６は、距離Ｌが焦点距離ｆに一致していな
い場合には、計時回路１８によって計時された骨エコー
到達時間Ｔに基づいて距離Ｌを算出し、算出された距離
Ｌが超音波遅延スペーサ５の焦点距離ｆに一致するよう
に、駆動回路１８を介して焦点位置調節機構７を制御し
て、ウォータバッグ６を伸縮させて焦点位置を調節す
る。なお、上記した焦点位置調節処理の詳細について
は、上記特願平８−３３９８３４号の明細書及び図面を
参照されたい。

【００３８】次に、ＣＰＵ１６は、ステップＳＰ２へ移
って、エコー波形検出処理サブプログラム及び骨要素の
座標算出サブプログラムの制御により、骨Ｍｂからのエ
コー波形Ｓ_n'n（ｔ）を計測して、骨Ｍｂの３次元形状
を求める処理を実行する。まず、ＣＰＵ１６は、超音波
パルスＡｉの送出及び骨エコーＡｅの受信を４回繰り返
す制御を行う。即ち、第ｋ番目の超音波トランスデュー
サ４_kから周波数範囲０．５４〜１．６２ＭＨｚ（中心
周波数１ＭＨｚ）の超音波パルスＡｉが送出されること
により、全ての超音波トランスデューサ４₁〜４₄によっ
て、その骨エコーＡｅが受信され、各増幅器１１₁〜１
１₄、波形整形器１２₁〜１２₄及びＡ／Ｄ変換器１３₁〜
１３₄に入力され、ＣＰＵ１６に取り込まれる。このよ
うにして、第ｎ番目の超音波トランスデューサ４_nから
超音波パルスＡｉを放射し、このときの骨Ｍｂからの骨
エコーＡｅを第ｎ'番目の超音波トランスデューサ４_n'
が受信するときの時間ｔの関数たるエコー波形Ｓ
_n'n（ｔ）を計測することが４回行われる。

【００３９】そして、計測された骨Ｍｂからのエコー波
形Ｓ_n'n（ｔ）に基づいて、Ｃモード超音波エコー法に
略類似する処理アルゴリズムにより、骨Ｍｂの３次元形
状を求める。この結果、超音波トランスデューサ４₁〜
４₄の個数と同数の４箇所の骨要素からなる骨Ｍｂ表面
の形状が、各骨要素の３次元座標の集合という形で求め
られる。それ故、ＣＰＵ１６は、画像表示制御サブプロ
グラムの制御により、表示器１７の画面に、骨Ｍｂの形
状を３次元画像（図４参照）として表示できる。

【００４０】次に、ＣＰＵ１６は、ステップＳＰ３へ移
って、平面波問題帰着処理サブプログラムの制御によ
り、ステップＳＰ２において実測された４×４個のエコ
ー波形Ｓ_n'n（ｔ）の行列表示である４×４の散乱行列
［Ｓ_n'n(ｔ)］を、時間ｔでフーリエ変換する（式
（９）参照）。

【００４１】

【数９】

【００４２】次に、ＣＰＵ１６は、平面波問題帰着処理
サブプログラムの制御により、ステップＳＰ４及びＳＰ
５の処理を行う。ＣＰＵ１６は、ステップＳＰ４におい
て、第ｍ番目の骨要素から第ｎ番目の超音波トランスデ
ューサ４_nまでの距離ｒ_nmを、ステップＳＰ２において
算出した骨要素の座標から計算し、式（１０）で与えら
れるグリーン関数を要素とする４×４の行列Ｔ(ω)を求
めた後、ステップＳＰ５において、式（１１）で与えら
れる４×４の骨Ｍｂの散乱行列σ（ω）を計算する。な
お、σ（ω）は、骨Ｍｂ₁と海綿骨Ｍｂ₂との界面におけ
る骨Ｍｂの散乱行列であり、これに対して、［Ｓ
_{n 'n}(ｔ)］は、軟組織Ｍａ中を戻る骨エコーＡｅの伝搬
遅延をも考慮に入れた骨Ｍｂの散乱行列であり、上記し
たように、実測されるものである。

【００４３】

【数１０】

【００４４】ここで、Ｐ_nは、第ｎ番目の超音波トラン
スデューサ４_nの面積であり、Ｐ_mは、第ｍ番目の骨要素
の面積である。

【００４５】

【数１１】

【００４６】ここで、Ｔ(ω)^-1は、グリーン関数（式
（１０））を要素とする行列Ｔ(ω)の逆行列である。

【００４７】骨の散乱行列σ（ω）を与える式（１１）
は、次のように導かれる。任意の組み合わせの超音波ト
ランスデューサ４₁〜４₄から放射された超音波パルスＡ
ｉは、骨Ｍｂ₁の位置では、式（１２）のように表され
る。

【００４８】

【数１２】

【００４９】ここで、ａ₁〜ａ₄は、各超音波トランスデ
ューサ４₁〜４₄からの放射波であり、また、ｂ₁〜ｂ
₄は、骨Ｍｂ₁の各骨要素（ｍ＝１，２，…，４）への入
射波を表している。

【００５０】次に、骨Ｍｂ₁に入射した超音波パルスＡ
ｉが、骨Ｍｂ内部（特に、皮質骨Ｍｂ₁と海綿骨Ｍｂ₂と
の界面）で散乱されて、再び軟組織へ放出されたときの
各骨要素（ｍ＝１，２，…，４）の表面での散乱波の振
幅ｃ₁〜ｃ₄は、式（１３）で与えられる。

【数１３】

【００５１】骨Ｍｂからの散乱波が、超音波トランスデ
ューサ４₁〜４₄に戻ってきたときの骨エコーＡｅの波形
（受信波形）は、式（１４）で与えられる。

【００５２】

【数１４】

【００５３】ここで、ｄ₁〜ｄ₄は、各超音波トランスデ
ューサ４₁〜４₄での受信振幅を表している。

【００５４】従って、式（１２）、式（１３）、式（１
４）を掛け合わせると、式（１５）が得られ、式（１
５）より、骨の散乱行列σ（ω）を与える式（１１）が
得られる。

【００５５】

【数１５】

【００５６】次に、ＣＰＵ１６は、ステップＳＰ６で
は、平面波問題帰着処理サブプログラム及び反射波情報
算出サブプログラムの制御により、式（１６）を求め
て、これを逆フーリエ変換して、反射波情報σ（ｔ）の
時間波形を求める。このようにして、図８に示すよう
な、軟組織Ｍａに対する皮質骨Ｍｂ₁の反射波情報（反
射係数）σ₁と、皮質骨Ｍｂ₁に対する海綿骨Ｍｂ₂の反
射波情報σ₂とが求められる。

【００５７】

【数１６】

【００５８】式（１６）は、次のように導かれる。皮質
骨Ｍｂ₁への入射超音波Ａｉの波面が、皮質骨Ｍｂ₁の表
面に平行なときの骨Ｍｂからの散乱波の振幅は、式（１
２），式（１３）より導かれる式（１７）で与えられ
る。

【００５９】

【数１７】 即ち、式（１７）において、皮質骨Ｍｂ₁の厚さが一様
で、皮質骨Ｍｂ₁の曲率半径が入射超音波の波長に較べ
て充分に大きければ、式（１８）が成り立つので、その
平均をσ(ω)とすると、式（１６）が成立する。

【００６０】

【数１８】ｃ₁≒ｃ₂≒ｃ₃≒ｃ₄ …（１８） ここで、σ(ω)は、正方行列（この例では、４×４の正
方行列）の各要素σ(ω)_m'mの和であり、要素σ(ω)_m'm
の物理的意味は、軟組織Ｍａから第ｍ番目の骨要素にだ
け超音波パルスＡｉが入射したときに、この入射音波
と、骨Ｍｂの内部で超音波が散乱されて、再び第ｍ’番
目の要素から軟組織Ｍａに放射される音波との比であ
る。次に、σ(ω)の物理的意味、即ち、正方行列の各要
素σ(ω)_m'mの和をとることの物理的意味は、次の通り
である。式（１６）において、右辺の縦行列の要素が全
て"１"であるので、各骨要素に入射する超音波Ａｉは、
振幅が、位相も含めて全て同じということになるが、こ
れは骨Ｍｂの表面に平行な波面が入射したことと音響学
的に等価である。また、皮質骨Ｍｂ₁の厚さが一様であ
れば、骨Ｍｂ表面に平行な波面の波は皮質骨Ｍｂ₁と海
綿骨Ｍｂ₂の界面で同じように反射され、皮質骨Ｍｂ₁の
表面に平行な波面を持って皮質骨Ｍｂ₁内を伝搬し、平
行な波面で軟組織Ｍａへ放射される。これは、各要素で
振幅と位相が揃った波であるが、ここでは、分母に骨要
素の総数４があることで、平均化されていることを表
す。このように考えると、反射面と波面とが平行なた
め、この問題は、簡単な平面波の問題に帰着されること
になる。

【００６１】この後、ＣＰＵ１６は、ステップＳＰ７に
進み、骨Ｍｂの音響インピーダンス算出サブプログラム
の制御により、式（１９）及び式（２０）に基づいて、
皮質骨Ｍｂ₁の音響インピーダンスＺｂ₁と海綿骨Ｍｂ₂
の音響インピーダンスＺｂ₂とを求める。

【００６２】

【数１９】

【００６３】ここで、Ｚａは、軟組織Ｍａの既知の音響
インピーダンスを表す。

【００６４】

【数２０】

【００６５】式（１９）及び式（２０）は、式（２１）
及び式（２２）から与えられる。

【００６６】

【数２１】

【００６７】

【数２２】

【００６８】なお、図８に示すように、軟組織Ｍａ−皮
質骨Ｍｂ₁界面からの反射波受信時刻と、皮質骨Ｍｂ₁−
海綿骨Ｍｂ₂界面からの反射波受信時刻との差τと、皮
質骨Ｍｂ₁の音響インピーダンスＺｂ₁との積から皮質骨
Ｍｂ₁の面積密度（τ・Ｚｂ₁）を求めることもできる。

【００６９】超音波トランスデューサユニット４及び超
音波遅延スペーサ５の直径φを変えたプローブ１を用い
て、入射角θ及び超音波遅延スペーサ５の下端面５ａか
ら境界面Ｙまでの距離Ｌ（ｍｍ）を変化させて、所定の
レベルを基準としたときのエコーレベルＥ（ｄＢ）を測
定する模擬実験を行ったところ、図９に示すような結果
が得られた。同図よりかわるように、特に直径φが２４
ｍｍ以上では、入射角θに対する依存性が低いため、入
射角θが０゜、即ち、垂直入射となるように厳密に調整
する必要性は従来に比べて少ない。

【００７０】上記構成によれば、超音波トランスデュー
サユニット４から骨Ｍｂに向けて放射された超音波パル
スＡｉは、超音波遅延スペーサ５とウォータバッグ６と
を経て骨Ｍｂに達するが、この際、超音波遅延スペーサ
５によって集束され、かつ、焦点位置調節機構７が作動
して、超音波トランスデューサユニット４を骨Ｍｂに向
けて、又は骨Ｍｂから遠ざけるように、直線運動させ
て、ウォータバッグ６を伸縮させることによって、超音
波遅延スペーサ５の下端面５ａから境界面Ｙまでの距離
Ｌが自動的に調節されて、超音波遅延スペーサ５の焦点
位置は境界面Ｙに合わせられるので、平面波を用いる方
法に比べて入射角θに対する依存性が低くなる。それ
故、この例の骨粗鬆症診断装置では、操作者の熟練度や
操作の巧拙に係わらず、正確な測定を行うことができ
る。また、超音波パルスＡｉのビームは絞られているの
で、測定部位の曲率半径が小さくても、確実かつ正確な
測定を行うことができる。

【００７１】また、この例の構成では、算出された骨Ｍ
ｂの音響インピーダンスに基づいて、骨粗鬆症の進行状
況を判断する。骨の音響インピーダンスは、［骨弾性率
×骨密度］の平方根で与えられ、パラメータである「骨
弾性率」と「骨密度」とは、一方が増加（減少）する
と、他方も増加（減少）すると、いう関係にある。それ
故、骨密度が増加（減少）すると、骨弾性も増加（減
少）するので、音響インピーダンスは、この相乗効果に
より、敏感に応答して顕著に増加（減少）する。従っ
て、骨の音響インピーダンスは、骨密度を判断する上
で、大変良い指標となる。例えば、操作者は、被験者の
骨の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。

【００７２】また、この例の構成では、骨からの反射波
を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理が行われ
るので、平面性の悪い骨も測定部位となり得、また、超
音波トランスデューサの向きも問題とならない。つま
り、骨表面の平坦性や形状によらずに、骨の音響インピ
ーダンスを測定できるので、大変使い勝手が良く、測定
信頼性も向上する。また、皮質骨及び界面骨の両方の音
響インピーダンスを求めることができるので、信頼性が
著しく向上する。また、表示器１７には、骨の３次元画
像が表示されるので、診断情報が著しく増加する。

【００７３】Ｂ．第２の実施例次に、第２の実施例につ
いて説明する。この第２の実施例である骨粗鬆症診断装
置においては、上述の第１の実施例における超音波トラ
ンスデューサユニット４及び超音波遅延スペーサ５（図
５及び図６参照）に代えて、図１０及び図１１に示すよ
うに、７個の超音波トランスデューサ２０₁〜２０₇から
なる超音波トランスデューサユニット２０と、超音波ト
ランスデューサユニット２０の送受信面２０ａに固着さ
れた超音波遅延スペーサ２１とが新たに設けられてお
り、これに対応して、図１に示すパルス発生器９₁〜
９₄、整合回路１０₁〜１０₄、増幅器１１₁〜１１₄、波
形整形器１２₁〜１２₄、Ａ／Ｄ変換器１３₁〜１３₄に加
えてさらに、図示しないが、パルス発生器９₅〜９₇、整
合回路１０₅〜１０₇、増幅器１１ ₅〜１１₇、波形整形器
１２₅〜１２₇、Ａ／Ｄ変換器１３₅〜１３₇が新たに設け
られている。各超音波トランスデューサ２０₁〜２０
₇は、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり、直径
約９ｍｍの円盤状の厚み振動型圧電素子の両面に電極層
を形成して構成されている。超音波トランスデューサユ
ニット２０は、図１０に示すように、超音波トランスデ
ューサ２０₁を中心に、残り６個の超音波トランスデュ
ーサ２０₂〜２０₇が互いの円周面が外接するように配置
されて構成されている。超音波遅延スペーサ２１は、ポ
リエチレンバルク等からなり、送信残響等の影響を除去
をすると共に、超音波トランスデューサユニット２０の
送受信面２０ａから放射された超音波パルスＡｉを集束
させるために、所定の焦点距離ｆ（この例では、４０ｍ
ｍ）を有する。超音波遅延スペーサ２１は、図１０に示
すように、その胴部は６個の超音波トランスデューサ２
０₂〜２０₇に外接する円と同一直径の円筒状であり、ま
た、各超音波トランスデューサ２０₁〜２０₇が固着され
る面に相対向する端面２１ａは、図１１に示すように、
凹型湾曲形状をなしている。なお、上記構成を有する骨
粗鬆症診断装置の動作については、超音波トランスデュ
ーサの数が４個から７個に増えた分に対応した処理が必
要となるが、それ以外は上述の第１の実施例と同様であ
るので、その説明を省略する。

【００７４】ここで、図１２及び図１３に、１個の超音
波トランスデューサ（図１２（ａ）及び図１３（ａ）参
照）と、本実施例における７個の超音波トランスデュー
サ２０₁〜２０₇からなる超音波トランスデューサユニッ
ト２０（図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）参照）とに関し
て、各送受信面に固着される超音波遅延スペーサの一端
面に相対向する他端面を凹型湾曲形状にせず、超音波パ
ルスＡｉのビームを絞らない場合（フォーカスなし）
（図１２参照）と、超音波遅延スペーサの他端面を凹型
湾曲形状にして超音波パルスＡｉのビームを絞った場合
（フォーカスあり；共に焦点距離４０ｍｍ）（図１３参
照）とについて、入射角θ及び超音波遅延スペーサの下
端面から被験者の軟組織Ｍａと皮質骨Ｍｂ₁との境界面
Ｙまでの距離Ｌ（ｍｍ）を変化させて、最大固有値を測
定する模擬実験を行った結果の一例を示す。図１２及び
図１３において、最大固有値は、境界面における垂直反
射率に対応するものである。図１２及び図１３から分か
るように、第２の実施例であるフォーカスがある７個の
超音波トランスデューサ２０₁〜２０₇の場合、入射角θ
に対する依存性が最も低い。なお、この第２の実施例の
場合、フォーカスのない１個の超音波トランスデューサ
に比べて距離Ｌの影響を受けるが、距離Ｌが３０〜４０
ｍｍである実用的な範囲においては、距離Ｌの影響をさ
ほど受けない。従って、この第２の実施例は、距離Ｌが
３０〜４０ｍｍである範囲においては、入射角θに対す
る依存性も距離Ｌに対する依存性も共に低いことがわか
る。

【００７５】Ｃ．第３の実施例 次に、第３の実施例について説明する。この第３の実施
例の構成が、上述の第１及び第２の実施例の構成と大き
く異なるところは、骨形状の測定を前提とせずに、軟組
織Ｍａ−骨Ｍｂの界面反射率λａを精密に測定できるよ
うにした点である。なお、装置のハードウェア構成で
は、図１と略同一構成である。この例では、軟組織Ｍａ
−骨Ｍｂの界面反射率λａは、Ｎ×Ｎの実対称行列（式
（２３））の固有値問題として取り扱われる。

【００７６】

【数２３】

【００７７】以下、軟組織Ｍａ−骨Ｍｂの界面反射率λ
ａが、Ｎ×Ｎの実対称行列（式（２３））の固有値問題
として取り扱われることを説明する。いま、図１４に示
すように、反射体Πを囲む閉曲面上に観測面Γ₀を設け
る。この観測面Γ₀には無数の超音波トランスデューサ
が配置されており、反射体Πへ向かって任意の波動φ_in
を送信できるようになっている。いま、ｔ＜０で、観測
面Γ₀から波動φ_inが送信され、ｔ＝−０で、反射体Π
の表面Γ_rに沿った波面を形成したとする。反射体Πの
垂直反射率λは、周波数ωによらず一定（実数）である
とし、さらに、反射体Πと観測面Γ₀との間の媒質Ω内
では波動の減衰がないものとすると、媒質Ω内では、式
（２４）に示すような関係式が成立する。

【００７８】

【数２４】

【００７９】ここで、φ_inは反射体Πに向かう入射波の
波動関数、φ_SCは反射体Πから戻ってくる散乱波の波動
関数、ｘは位置座標である。

【００８０】式（２４）の両辺に、ｅｘｐ（−ｊωｔ）
を掛けて時間積分すると、

【００８１】

【数２５】

【００８２】

【数２６】

【００８３】式（２５），式（２６）から式（２７）を
得る。

【００８４】

【数２７】

【００８５】また、一般的に散乱波と入射波との間に
は、式（２８）に示すような関係式も成立する。

【００８６】

【数２８】

【００８７】ここで、σ（ω,ｘ,ｘ’）は、ｘ’上の波
元から出た波動が、反射体Πの表面Γ_rで散乱されて、
ｘ上に作る場であり、散乱パラメータと称される。式
（２７）と式（２８）とから、式（２９）が導かれる。

【数２９】

【００８８】次に、式（２９）を離散化処理するため、
観測面Γ₀を小さなメッシュΔj＝０，１，…，Ｎ−１に
分ける。ここで、メッシュΔj＝０，１，…，Ｎ−１
は、微小超音波トランスデューサのそれぞれの広がり
（面積）に相当する。メッシュ内では、波動関数φ_in，
φ_scの変化は無視できるので、式（２９）は、式（３
０）の形で表される。

【００８９】

【数３０】

【００９０】式（３０）の両辺にΔi^1/2を掛けて変形す
ると、式（３１）が得られる。

【００９１】

【数３１】

【００９２】ここで、（ ）の中をΨ_in（ω,j）、σ
（ω,ｘi,ｘj）Δi^1/2Δj^1/2＝Ｓ（ω,ｉ,ｊ）とする
と、式（３２）が得られる。なお、Ｓ（ω,ｉ,ｊ）は、
離散化された散乱パラメータであり、ｊ番面のメッシュ
（超音波トランスデューサ）から出た出力（送信）信号
が、反射体Πの表面Γ_rで散乱されて、ｉ番目のメッシ
ュ（超音波トランスデューサ）に戻ってきたときの入力
（受信）信号を意味する。

【００９３】

【数３２】

【００９４】ここで、Ψ_SC（ω,i）は、Ｎ個の全てのメ
ッシュ（超音波トランスデューサ）から出て行く単位出
力信号が、反射体で散乱されて、ｉ番面のメッシュ（超
音波トランスデューサ）に戻ってきたときの入力（受
信）信号を意味する。

【００９５】式（３２）を行列形式で書くと、式（３
３）、式（３４）、式（３５）で表される。

【００９６】

【数３３】

【００９７】

【数３４】

【００９８】

【数３５】

【００９９】この散乱パラメータＳ(ω)は、Ｎ×Ｎの複
素対称行列で、測定により得られるものである。式（３
５）を実部と虚部とに分けて書くと、式（３６）、式
（３７）が得られる。

【０１００】

【数３６】

【０１０１】

【数３７】

【０１０２】式（３７）の両辺に−１を掛けて、式（３
６）、式（３７）を行列形式で書くと、式（３８）が得
られる。

【０１０３】

【数３８】

【０１０４】ここで、散乱パラメータＳ（ω）はＮ×Ｎ
の対称行列であるから、式（３８）の形は、反射体Πの
垂直反射率λが、２Ｎ×２Ｎの実対称行列の固有値問題
となることを示している。従って、λは、常に実数であ
る。

【０１０５】

【数３９】

【０１０６】

【数４０】

【０１０７】

【数４１】

【０１０８】

【数４２】

【０１０９】それ故、、式（３８）の固有値λは、Ｎ個
の正の固有値λ₀，λ₁，…，λ_N-1と、Ｎ個の負の固有
値−λ₀，−λ₁，…，λ_N-1が存在する。最も大きな固
有値（絶対値）λ₀は、最も大きな反射率に相当する。
しかしながら、実際には、超音波トランスデューサの周
波数特性等のため、固有値（絶対値）λ₀は、その物体
の反射率に比例したものとして得られる。そこで、この
例では、反射率λｂが既知の物体について、散乱パラメ
ータＳ(ω)を計測し、最も大きな固有値（絶対値）λ₀
を算出して、比例定数を得た。

【０１１０】次に、図１５を参照して、この例の動作
（処理の流れ）について説明する。まず、平面性は良く
ないが、超音波パルスＡｉの波長と較べるなら曲率半径
が充分に大きい骨Ｍｂを測定部位として選ぶ。好適な測
定部位としては、例えば、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又
は大腿骨頸部を挙げることができる。装置に電源が投入
されると、ＣＰＵは、装置各部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。ここで、操作
者は、図４に示すように、被験者の測定部位、例えば、
腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は大腿骨頸部等の骨Ｍｂを
覆う軟組織Ｍａの表面（皮膚の表面Ｘ）に、超音波ゲル
Ｇを塗り、超音波ゲルＧを介してプローブ１のウォータ
バッグ６の先端を皮膚の表面Ｘに当て、かつ、超音波ト
ランスデューサユニット４の送受信面４ａを骨Ｍｂに向
けた状態でカバー８を手で支持し、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、ＣＰ
Ｕは、これより、図１５に示す処理手順に従って、各種
処理を実行する。

【０１１１】まず、ステップＳＱ１において、ＣＰＵ
は、送受信時制御サブプログラムの制御により、受信波
形Ｓ（ｔ）を計測する。そして、４×４（４；超音波ト
ランスデューサ個数）の実対称行列［Ｓ（ｔ）］を作成
する。このとき、ＣＰＵは、超音波パルスＡｉ送出とエ
コーＡｅ受信とを各４×４＝１６回交互に繰り返す制御
を行う。

【０１１２】次に、ＣＰＵは、ステップＳＱ２，ＳＱ３
において、４×４の実対称行列である受信波形Ｓ（ｔ）
について、超音波トランスデューサの最初の残響やエコ
ーの骨と超音波トランスデューサとの間の多重反射等の
ノイズを除去するために、骨Ｍｂからの受信エコーと思
われる波形Ｓ_n'n（ｔ）にゲートをかけてフーリエ変換
て、４×４の複素対称行列である散乱行列［Ｓ
_n'n（ω）］を作成する。ステップＳＱ４では、ＳＱ３
において作成された散乱行列［Ｓ_n'n（ω）］を処理し
て、式（２３）に示すＮ×Ｎの実対称行列式を得る。ス
テップＳＱ５で、式（２６）から一番大きな固有値（絶
対値）λ₀を算出し、算出された固有値λ₀に比例定数を
かけて骨Ｍｂの反射率を求める。この後、ＣＰＵは、ス
テップＳＱ６に進み、骨Ｍｂの音響インピーダンス算出
サブプログラムの制御により、骨Ｍｂの音響インピーダ
ンスＺｂを求める。

【０１１３】このように、この例の構成によれば、第１
及び第２の実施例では必要となる骨形状の測定が不要と
なるので、信号処理が著しく迅速となる。

【０１１４】以上、この発明の実施例を図面を参照して
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、上述
した実施例においては、焦点位置を境界面Ｙに合わせる
際に、計時回路１８が骨エコー到達時間Ｔを計時し、こ
の骨エコー到達時間Ｔに基づいて、ＣＰＵ１６が、超音
波遅延スペーサ５の下端面５ａから境界面Ｙまでの距離
Ｌを算出して、この距離Ｌと予め知られた焦点距離ｆと
を比較し、両者の差分に基づいて焦点位置調節機構７に
よって超音波トランスデューサユニット４及び超音波遅
延スペーサ５を移動させたが、計時回路１８を省略し、
超音波トランスデューサユニット４の送受信面４ａの皮
膚表面Ｘに対する角度を固定した上で、焦点位置調節機
構７によって超音波トランスデューサユニット４及び超
音波遅延スペーサ５を微少移動させながら、この状態で
の最大の骨エコーレベルが抽出された位置で焦点位置調
節機構７を停止させ、超音波トランスデューサユニット
４及び超音波遅延スペーサ５を固定させる構成としても
良い。また、超音波トランスデューサは、厚み振動型に
限らず、撓み振動型でも良い。同様に、使用中心周波数
も限定されない。超音波トランスデューサの個数も４個
や７個に限定されるものではなく、必要に応じて、増減
できる。また、焦点位置調節機構７で用いたミニチュア
ボールに代えて、送りねじとして、例えば、すべりねじ
を用いる構成としても良い。また、ＤＣサーボモータに
代えて、ＡＣサーボモータ、又はステッピングモータを
用いるようにしても良い。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に近いので、式
（１９）〜式（２２）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（既知）を用いても良い。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、Ｎ個の超音波トランスデューサから測定部位である
骨に向けて放射された超音波パルスは、超音波遅延スペ
ーサを経て骨に達するが、この際、超音波遅延スペーサ
によって集束され、骨の表面に焦点が結ばれるので、平
面波を用いる方法に比べて、超音波パルスの上記骨への
入射方向と骨の表面の法線方向とのずれに対する依存性
が低くなる。それ故、操作者の熟練度や操作の巧拙に拘
らず、正確な測定を行うことができる。また、超音波パ
ルスのビームは絞られているので、骨の曲率半径が小さ
くても、確実かつ正確な測定を行うことができる。

【０１１６】また、この発明の構成によれば、骨の音響
インピーダンスに基づいて、骨粗鬆症の進行状況が判断
される。骨の音響インピーダンスは、［骨弾性率×骨密
度］の平方根で与えられ、パラメータである「骨弾性
率」と「骨密度」とは、一方が増加（減少）すると、他
方も増加（減少）すると、いう関係にある。それ故、骨
密度が増加（減少）すると、骨弾性も増加（減少）する
ので、音響インピーダンスは、この相乗効果により、敏
感に応答して顕著に増加（減少）する。従って、骨の音
響インピーダンスは、骨密度を判断する上で、大変良い
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、骨の骨粗鬆症が
悪化していることが判る。

【０１１７】また、骨の音響インピーダンスに代えて、
軟組織の骨に対する超音波反射係数を骨密度の指標とし
ても、上述したと略同様の効果を得ることができる。

【０１１８】また、この発明の構成では、骨からの反射
波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理が行わ
れ、また、固有値問題として取り扱われるので、平面性
の悪い骨も測定部位となり得、また、超音波トランスデ
ューサの向きも問題とならない。つまり、骨表面の平坦
性や形状によらずに、骨の音響インピーダンスを測定で
きるので、大変使い勝手が良く、測定信頼性も向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の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である。

【図２】同診断装置の外観図である。

【図３】同装置に用いられるプローブの構成を示す断面
図である。

【図４】同診断装置の使用状態を示す模式図である。

【図５】同診断装置で使用される超音波トランスデュー
サユニット及び超音波遅延スペーサの構成を示す裏面図
である。

【図６】図５のＡ−Ａ'断面図である。

【図７】同診断装置の動作処理手順を示すフローチャー
トである。

【図８】同実施例の動作を説明するための図である。

【図９】同実施例において、超音波トランスデューサユ
ニット及び超音波遅延スペーサの直径を変えたプローブ
を用いた骨粗鬆症診断装置によって得られる超音波パル
スの入射角及び超音波遅延スペーサの下端面から皮質骨
表面までの距離と、超音波トランスデューサによって受
信されるエコーレベルとの関係を示す特性図である。

【図１０】この発明の第２の実施例である骨粗鬆症診断
装置で使用される超音波トランスデューサユニット及び
超音波遅延スペーサの構成を示す裏面図である。

【図１１】図１０のＢ−Ｂ'断面図である。

【図１２】１個の超音波トランスデューサと、同実施例
における７個の超音波トランスデューサとに関して、超
音波遅延スペーサによるフォーカスがない場合とフォー
カスがある場合とについて、超音波パルスの入射角及び
超音波遅延スペーサの下端面から皮質骨表面までの距離
と軟組織−骨の界面垂直反射率に対応した最大固有値と
の関係を示す特性図である。

【図１３】１個の超音波トランスデューサと、同実施例
における７個の超音波トランスデューサとに関して、超
音波遅延スペーサによるフォーカスがない場合とフォー
カスがある場合とについて、超音波パルスの入射角及び
超音波遅延スペーサの下端面から皮質骨表面までの距離
と軟組織−骨の界面垂直反射率に対応した最大固有値と
の関係を示す特性図である。

【図１４】この発明の第３の実施例の成立過程を説明す
るための図である。

【図１５】同実施例の動作処理手順を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

Ａｉ 超音波パルス Ａｅ 骨エコー Ｍａ 軟組織 Ｍｂ 骨 Ｍｂ₁ 皮質骨 Ｍｂ₂ 界面骨 ４ 超音波トランスデューサユニット ４₁〜４₄ 超音波トランスデューサ ５ 超音波遅延スペーサ ７ 焦点位置調節機構 ９₁〜９₄ パルス発生器 １４ ＲＯＭ １５ ＲＡＭ １６ ＣＰＵ １７ 表示器 １８ 計時回路 １９ 駆動回路

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元的に任意に配置され、超音波パル
   スを生体内部に放射すると共に、測定部位である骨から
   のエコーを受信するためのＮ個（Ｎは２以上の自然数）
   の超音波トランスデューサと、 前記Ｎ個の超音波トランスデューサの送受信面に相対向
   する一端面が前記Ｎ個の超音波トランスデューサの全て
   の送受信面を覆う形状を有し、他端面が凹型湾曲形状を
   なし、前記Ｎ個の超音波トランスデューサから放射され
   た前記超音波パルスを集束させて焦点を結ばせるための
   超音波遅延スペーサと、 前記Ｎ個の超音波トランスデューサのうち、第ｊ番目の
   超音波トランスデューサからの超音波パルス発射による
   骨からのエコーを第ｉ番目の超音波トランスデューサに
   よって受信して、Ｎ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）
   を計測するエコー波形計測手段と、 実測されたＮ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）の行列
   表示であるＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ_ij(ｔ)］を時間でフー
   リエ変換するフーリエ変換手段と、 フーリエ変換されたＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ_ij(ω)］に基
   づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波情報
   算出手段とを備えてなることを特徴とする骨粗鬆症診断
   装置。
2. 【請求項２】 前記Ｎ個の超音波トランスデューサは、
   １／４円盤状の厚み振動型圧電素子の両面に電極層を形
   成してなり、互いの矩形端面が張り合わされて全体で円
   盤形状をなしていることを特徴とする請求項１記載の骨
   粗鬆症診断装置。
3. 【請求項３】 前記Ｎ個の超音波トランスデューサは、
   各々円盤状の厚み振動型圧電素子の両面に電極層を形成
   してなり、１つの超音波トランスデューサを中心に、他
   の超音波トランスデューサが互いの円周面が外接するよ
   うに配置されて構成されていることを特徴とする請求項
   １記載の骨粗鬆症診断装置。
4. 【請求項４】 前記フーリエ変換手段は、処理アルゴリ
   ズムに従って、骨からの受信エコーと思われる波形にゲ
   ートをかけてフーリエ変換することを特徴とする請求項
   １乃至３のいずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置。
5. 【請求項５】 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴ
   リズムに従って、式（１）の方程式を成立させる値λの
   うち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の値
   λを求め、求められた値λに基づいて、被験者の骨の反
   射波情報を算出することを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置。 【数１】
6. 【請求項６】 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴ
   リズムに従って、式（２）を成立させる固有値λのう
   ち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の固有
   値λを求め、求められた固有値λに基づいて、被験者の
   骨の反射波情報を算出することを特徴とする請求項１乃
   至４のいずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置。 【数２】
7. 【請求項７】 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴ
   リズムに従って、得られた前記固有値λから又は前記固
   有値λに所定の比例定数を乗じて、骨の反射率を求める
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の骨粗鬆症診断装
   置。
8. 【請求項８】 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴ
   リズムに従って、前記受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）に基づ
   いて、測定対象内のＮ個（前記超音波トランスデューサ
   と同数個）の骨要素の座標を求め、かつ、それぞれの受
   信エコーの伝搬遅延を考慮して、所定の形状からの反射
   波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理を行
   い、平面波問題に帰着されたときの前記骨の反射波情報
   を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
   １に記載の骨粗鬆症診断装置。
9. 【請求項９】 前記反射波情報算出手段によって算出さ
   れる前記骨の反射波情報には、前記被験者の軟組織に対
   する皮質骨の骨反射波情報と、該皮質骨に対する海綿骨
   の骨反射波情報とが含まれることを特徴とする請求項８
   記載の骨粗鬆症診断装置。
10. 【請求項１０】 前記反射波情報算出手段によって算出
    された前記骨反射波情報に基づいて、前記骨の音響イン
    ピーダンス、又は皮質骨の音響インピーダンスと海綿骨
    の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス算
    出手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至
    ９のいずれか１に記載の骨粗鬆症診断装置。
11. 【請求項１１】 測定部位となる前記骨は、腰椎、上腕
    骨、脛骨、踵骨又は大腿骨頸部であることを特徴とする
    請求項１乃至１０の何れか１に記載の骨粗鬆症診断装
    置。
12. 【請求項１２】 ２次元的に任意に配置され、超音波パ
    ルスを生体内部に放射すると共に、測定部位である骨か
    らのエコーを受信するためのＮ個（Ｎは２以上の自然
    数）の超音波トランスデューサと、前記Ｎ個の超音波ト
    ランスデューサの送受信面に相対向する一端面が前記Ｎ
    個の超音波トランスデューサの全ての送受信面を覆う形
    状を有し、他端面が凹型湾曲形状をなし、前記Ｎ個の超
    音波トランスデューサから放射された前記超音波パルス
    を集束させて焦点を結ばせるための超音波遅延スペーサ
    とを設け、 前記Ｎ個の超音波トランスデューサのうち、第ｊ番目の
    超音波トランスデューサからの超音波パルス発射による
    骨からのエコーを第ｉ番目の超音波トランスデューサに
    よって受信して、Ｎ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ_ij（ｔ）
    を計測し、実測されたＮ×Ｎ個の受信エコー波形Ｓ
    _ij（ｔ）の行列表示であるＮ×Ｎの散乱行列［Ｓ
    _ij(ｔ)］を時間でフーリエ変換し、フーリエ変換された
    Ｎ×Ｎの散乱行列［Ｓ_ij(ω)］に基づいて、被験者の骨
    の反射波情報を算出することを特徴とする骨粗鬆症診断
    方法。
13. 【請求項１３】 前記反射波情報の算出には、式（３）
    を成立させる値λのうち、絶対値の大きい方から数え
    て、単数又は複数の値λを求め、求められた値λに基づ
    いて、被験者の骨の反射波情報を算出することを特徴と
    する請求項１２記載の骨粗鬆症診断方法。 【数３】
14. 【請求項１４】 前記反射波情報の算出は、式（４）を
    成立させる固有値λのうち、絶対値の大きい方から数え
    て、単数又は複数の固有値λを求め、求められた固有値
    λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出すること
    を特徴とする請求項１２記載の骨粗鬆症診断方法。 【数４】
15. 【請求項１５】 前記反射波情報の算出には、前記受信
    エコー波形Ｓ_ij（ｔ）に基づいて、測定対象内のＮ個
    （前記超音波トランスデューサと同数個）の骨要素の座
    標を求め、かつ、それぞれの受信エコーの伝搬遅延を考
    慮して、所定の形状からの反射波を平面波問題に帰着さ
    せる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題に帰着され
    たときの前記骨の反射波情報を算出することを特徴とす
    る請求項１２記載の骨粗鬆症診断方法。