(57)【要約】【課題】本発明は、人体の骨質が低下し骨密度が低下した場合に簡便に適用して骨質を改善し骨密度の向上に寄与する装置であることを特徴とした骨質改善のための超音波音響システム及び超音波音響機器の作動方法を提供する。【解決手段】  本発明の骨質改善のための超音波音響システムは、使用方法が極めて簡便な構造で、ケース盤面や便座等に乗ることにより体重による圧力を検知して電源スイッチが作動し、トーンバースト信号を作成・増幅して超音波振動子を励振・駆動し、盤面や便座に乗った素足の踵部分、大腿部、臀部等から超音波エネルギー・信号を体内に放射・導入して骨伝導作用により踵〜踝〜膝〜腰骨まで骨内伝搬し、骨密度の低下した骨質を改善することを容易に実現できる使用方法が極めて簡便な骨質改善のための超音波音響システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨に対して超音波刺激を与えるシステムであって、
対応する位置に超音波振動子を配設したケースと、
前記超音波振動子に所定の周波数の信号を所定の繰り返し周期で印加するトーンバースト信号を発生するトーンバースト発信器と、
前記トーンバースト信号を増幅して前記超音波振動子を駆動する増幅器とを少なくとも備え、
前記超音波振動子から発生する超音波エネルギーを対象に印加して骨まで伝搬させることを特徴とする超音波音響システム。
【請求項２】
重量を感知するセンサーを有し、加重することで自動的に作動する請求項１の超音波音響システム。
【請求項３】
大腿部又は臀部から印加する超音波音響システムがトイレ装置に設置されたものである請求項１又は２の超音波音響システム。
【請求項４】
さらに超音波受信装置を有し、反射波の形状により使用者を識別する手段を有する請求項３の超音波音響システム。
【請求項５】
使用者を識別する手段により使用者の１日の累計超音波刺激時間を記録し、刺激時間を調整する手段を備えた請求項１乃至４のいずれか１に記載の超音波音響システム。
【請求項６】
５ｋｇ以上の加重を検知した場合に、パルス幅１μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ、パルス間隔１０μｓｅｃ〜１０００ｍｓｅｃ、周波数２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのトーンバースト波超音波を照射開始し、２分〜１０分間照射する超音波音響機器の作動方法。
【請求項７】
超音波の反射波により個人を特定し、トーンバースト波超音波を照射する時間を１日累計１０分以内に制御することを特徴とする請求項６の超音波音響機器の作動方法。
【請求項８】
超音波音響機器が請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の超音波音響システムに含まれるものである請求項６又は請求項７の超音波音響機器の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を骨に伝搬させて骨質を改善するための超音波音響システム及び超音波音響機器の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、日本では高齢化が進み、高齢者の日常生活の中において、転倒骨折は要介護の原因として非常に大きな割合を占め、今後も運動のみならず、薬物療法以外の予防に向けた方法論が必要になろうかと言われている。
薬物療法以外の手段では、「運動」、「栄養」などの重要性が指摘されているが、単独での介入では、ある程度の転倒予防効果や骨密度増大効果は認められているものの、その効果が大きくなく、また骨折予防に充分な効果を発揮しているとは言い難い面もある。
この様な高齢化社会においては、快適な日常生活を満喫して、人間本来の自力で行動できる基礎体力維持が重要な要因である。
また、非特許文献１，２にも見られる様な基礎的な研究成果は存在するが、実用性については未知数であった。そこで、日常生活の中に導入して「運動」、「栄養」の効果を高めるための側面支援装置として簡易に使用できる骨質改善のための方法や装置が求められていた。
【０００３】
従来、超音波を用いた骨折治療器は、特許文献１（特開平８−３３２２０９号公報）および特許文献２（米国特許第５００３９６５）、特許文献３（米国特許第５１８６１６３）に開示されているように、それぞれ対象とする患部に対して適合するプローブを装着して、その部位の治療がなされていた。
しかし、これら従来の方法では、該当患部に施術者が適格に装着して治療にあたる専門的な技術が必要であるという問題があった。
また、一般に超音波エネルギー信号の照射・検出の際には超音波振動子プローブの放射面と体表の間にゼリーを塗布して超音波振動子と体表皮膚との中間にできる空隙による音響インピーダンスの整合をとり有効に超音波エネルギー・信号のスムーズな伝搬をもたらすようにして利用している。
しかしながら、日常の使用に際してゼリーの塗布、事後の拭取り等が大変面倒であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平8−３３２２０９号公報
【特許文献２】米国特許第５００３９６５
【特許文献３】米国特許第５１８６１６３
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】幸光  典子、竹内  良平、福井  準子、白石  俊彦、森下  信、高垣  裕子、斎藤  知行；「培養軟骨細胞に対する低出力超音波刺戟の効果」，第10回超音波骨折治療研究会プログラム・抄録集，平成19年1月２０日，P16，
【非特許文献２】成瀬  康治、高垣  裕子、卜部  憲、峰原  宏昌、糸満  盛憲：「低出力超音波パルスの内軟骨性骨化への効果」，第10回超音波骨折治療研究会プログラム抄録集，平成19年1月２０日，P30，
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、非侵襲性低出力超音波エネルギーを体内当該骨部に導入・伝搬し、骨質を改善することができる非侵襲性超音波による骨質改善のための超音波音響システム及び超音波音響機器の作動方法を提供する。
【０００７】
さらに本発明が解決しようとする課題は、施術者本人が極めて容易に超音波音響エネルギーを導入できるよう簡便に取込むことができる骨質改善のための超音波音響システム及び超音波音響機器の作動方法を提供する。
【０００８】
また、簡易に使用できる超音波刺激による骨質改善のための超音波音響システム及び超音波音響機器の作動方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書によれば、以下の発明が提供される。
（１）骨に対して超音波刺激を与えるシステムであって、対応する位置に超音波振動子を配設したケースと、前記超音波振動子に所定の周波数の信号を所定の繰り返し周期で印加するトーンバースト信号を発生するトーンバースト発信器と、前記トーンバースト信号を増幅して前記超音波振動子を駆動する増幅器とを少なくとも備え、前記超音波振動子から発生する超音波エネルギーを足の踵の骨、大腿部又は臀部から印加して腰骨まで骨伝搬させることを特徴とする超音波音響システム。ここで、「対応する位置」とは、超音波を照射する対象に接する位置を意味する。例えば、踵、大腿部、臀部等に対応する位置という意味である。踵に照射する場合は踵の接する位置、大腿部であれば、例えば、便座の大腿部が接する位置、臀部であれば、臀部が接する位置である。実際にはケースがあるので、ケースの壁面を介して踵、大腿部、臀部等に接する位置に超音波振動子を配設する。「所定の周波数」及び「所定の繰り返し周期」は、（６）に記載の周波数及びパルス間隔と同様である。
【００１０】
（２）重量を感知するセンサーを有し、加重することで自動的に作動する（１）の超音波音響システム。
（３）大腿部又は臀部から印加する超音波音響システムがトイレ装置に設置されたものである（１）又は（２）の超音波音響システム。
（４）さらに超音波受信装置を有し、反射波の形状により使用者を識別する手段を有する（３）の超音波音響システム
【００１１】
（５）使用者を識別する手段により使用者の１日の累計超音波刺激時間を記録し、刺激時間を調整する手段を備えた（１）乃至（４）のいずれか１に記載の超音波音響システム。
（６）５ｋｇ以上の加重を検知した場合に、パルス幅１μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ、パルス間隔１０μｓｅｃ〜１０００ｍｓｅｃ、周波数２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのトーンバースト波超音波を照射開始し、２分〜１０分間照射する超音波音響機器の作動方法。ここで、パルス幅は、より好ましくは、３μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ、さらに好ましくは１０μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ、特に好ましくは、１００μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃである。パルス間隔については、より好ましくは、５０μｓｅｃ〜１０００ｍｓｅｃ、さらに好ましくは、１００μｓｅｃ〜３００ｍｓｅｃ、特に好ましくは１ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃである。周波数については、照射部位が超音波発信器から遠い場合には、２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ，より好ましくは５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、照射部位が超音波発信器に近い場合にはより高周波を用いることが好ましく、好ましい範囲は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。
なお、（１）の超音波音響システムも上述のそれぞれの範囲のトーンバースト信号（トーンバースト波超音波）を発生させることができるものであることが好ましい。
（７）超音波の反射波により個人を特定し、トーンバースト波超音波を照射する時間を記録することにより、トーンバースト波超音波を照射する時間を１日累計１０分以内に制御することを特徴とする（６）の超音波音響機器の作動方法。
（８）超音波音響機器が（１）乃至（５）のいずれか１に記載の超音波音響システムに含まれるものである請求項６又は請求項７の超音波音響機器の作動方法。ここで超音波音響機器は（１）乃至（５）のいずれか１に記載の超音波音響システムの一部に含まれるが、完全に一致してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上のような構成により、主に人体の下肢から腰骨に至る骨質を改善し骨密度の低下を予防する効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例の電気信号系統図である。
【図２】本発明の実施例のケースの斜視図である。
【図３】本発明の実施例の使用時の模式図である。
【図４】本発明をトイレ装置への適用を示す図である。
【図５】本発明の装置により超音波を照射し受波器により受信する様子を示す図である（実施例１）。
【図６】図５の受波器１８により超音波の到達度を測定した図である（実施例１）。
【図７】超音波により個人を特定してトーンバースト波を照射する装置のブロック図である。
【図８】本発明の発信機による効果を測定する部位を表した図である（実施例２）。
【図９】図７の各部位への超音波の到達度を測定した図である（実施例２）。
【図１０】超音波照射無しの女性の年齢とＳＯＳ値の関係を示す図である（実施例２）。
【図１１】超音波照射有りの女性の年齢とＳＯＳ値の関係を示す図である（実施例２）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の１つの側面によれば、骨質改善のための超音波音響システムは、床上に設置する平面状薄箱のケ−スを用いて、内部上面に超音波振動子を設置したものである（図１、図２）。その台の上に素足で乗ると、上面に指標された踵の位置から超音波信号が体内に導入伝搬し、踝、膝、股関節を経て腰骨まで伝搬させる（図３）。
この時、素足で本装置の盤面上の指定位置に乗ることにより踵と盤面が体重によりほぼ密着状態となり空隙による音響インピーダンスの不整合をなくし、容易かつ簡便に所望の超音波エネルギー・信号を体内に取り入れられる。
【００１５】
本発明の「骨質改善のための超音波音響システム」は、例えば、電池を電源とし、盤面上の足形の位置に乗り、踵を盤面に接触させ体重を掛けることにより電源スイッチが作動し、盤面より踵を通して超音波エネルギー・信号を導入するもので、立位の状態で所望時間静止しているだけで踵〜踝〜膝〜腰骨まで骨伝搬して、その伝搬過程において各部の骨質細胞に超音波刺戟を供与して骨細胞の活性化を促し、骨質の改善に寄与するものである。この刺戟は本装置単独でも効果は奏するが、「栄養」の摂取、日常の「運動」等と組み合わせることで相乗効果として骨質改善に寄与するものである。
【００１６】
本発明の「骨質改善のための超音波音響システム」では、内部に超音波領域の周波数発信器とトーンバースト波を形成して信号の持続・休止期間を設け、その電気的信号を増幅して盤面内に組み込まれた超音波振動子を励振・駆動して、盤面を介して盤面上に接した立位状態の踵へ超音波エネルギー・信号として入射・伝搬させるものである。
【００１７】
この装置の電気的系統図を図1に示す。図１において、トーンバースト信号発振器１および増幅器２、電源回路３、電池４、体重検知をして稼動開始終止をするスイッチ５、超音波振動子６、ケース７から構成されている。
【００１８】
本発明の実施例は、図１に示す電気的系統図のように、トーンバースト発信器１から、周波数20kHz〜10MHzの電気信号を、１波〜1000波のトーンバースト信号を作り、繰り返し周期は10波〜10000波の間で任意に設定して、増幅器２で電力増幅し、超音波振動子６を励振、駆動する。この時、電源は電池４から電源回路５で所望の電圧を作成して、盤面上に足を乗せて立位状態になった時に体重による圧力を検知してスイッチ５が作動することにより装置全体が稼動状態になり、超音波振動子６から超音波信号が盤面上に放射される。
【００１９】
図２に例示した斜視図に示すように、ケース７の内部に組み込まれた超音波振動子からケース１の盤面上へ超音波エネルギー・信号が放射される。
【００２０】
図３に例示したように超音波振動子６とケース７の盤面上に乗った際の足８の踵から超音波エネルギー・信号が体内へ放射され、骨伝導により踵〜踝〜膝〜腰骨へと超音波エネルギー・信号が伝搬する。この様にして、非特許文献１および２に例示されている骨細胞の形成促進に寄与するものである。
【００２１】
なお、この装置は、踵からの超音波照射のみでなく、仰向け、横向き、又はうつぶせ状態に寝た状態で体の任意の部分の下側に敷くことで任意の部位に超音波を照射することができる。そのため寝たきりのお年寄りにでも使用できる。典型的には、臀部の下に敷いて腰骨に向けて超音波を照射することで骨密度を改善できるが、それ以外の部位、腕部、脚部、胴部、胸部等に対しても超音波照射することができ、骨密度を改善することができる。この場合自動検出、自動作動ではなく、手動で介護者等が装置のＯＮ／ＯＦＦをすることもできる。手動スイッチとしては、本体に付属していてもよく、有線又は無線のリモコンスイッチでもよい。
【００２２】
本発明の別の側面によれば、超音波音響システムをトイレ装置に組み込んだものが提供される。すなわち、トイレの便座に超音波音響システムを組み込むことにより、大腿部の下（図４の１７）から超音波を照射し、骨密度を改善することができる。その場合は、便座の例えば、図４の１７の位置に超音波発生装置を組み込めばよい。超音波発生装置の位置は、大腿部又は臀部が確実に密着する位置であればどこでもよい。
使用者が便座に座り、体重がかかると自動的に超音波が照射されるようにしてもよく、使用者がスイッチを入れるか、音声で指示した際に超音波が照射されるようにしてもよい。
図５のように、９の位置に超音波発信器を設置し、１８の位置で受波したところ、図６の下段の波形が得られ、効率よく超音波が伝搬していることがわかる。
【００２３】
また、この場合、便座等に超音波受信装置も設置して超音波の反射波を受信して記録し、反射波の時間等を解析できるようにすると、超音波により、使用者を識別することもできる。大腿部から骨盤等への距離が各人によって異なるため、反射波も個人毎に異なるためである。超音波による使用者識別装置のブロック図を図７に示す。使用者が便座に座ると体重検知装置２１により装置が作動し、超音波発信装置２２から超音波が発信される。この場合の超音波はパルス波が好ましい。その反射波を超音波受信装置２４で受信し、個人識別装置２６により解析して個人を識別する。その後、記憶装置２９のデータからトーンバースト波の最適な照射時間を算出し、照射を開始する。
【００２４】
これらのデータは記憶装置２９に記憶され、必要に応じて呼び出して個人の識別と累積照射時間の算出等に使用される。使用者を識別することで、各人に最適な超音波照射量（強度、時間等）を年齢や骨密度データ等から設定できる。１日の累積照射時間等を記録できることから照射しすぎるということが無くなる。施設等でトイレが複数ある場合は、全てのデータをネットワーク回線等で１か所に集め、集中管理することで、どのトイレを使ってもその日の累積超音波照射時間を測定でき、最適な時間超音波を照射できる。
【００２５】
また、超音波を２か所以上から照射することで、骨の状態をより正確に測定することもでき、骨の状態に応じて必要な超音波の強度、照射時間を決定することができる。
使用者認識手段として、超音波の反射によるパターン認識以外に、音声認識手段により使用者を特定してもよい。つまり、トイレの内部に音声認識手段を備え、使用者が発した声を分析して使用者を認識することもできる。これにより、使用者に最適な強度、時間で超音波を照射できる。
【００２６】
トイレの場合は電源は電池でもよいが、通常のコンセントから電気を供給してもよい。電源が入ると、トイレ装置は待機状態となる。使用者が入って便座に座ると体重を感知してトーンバースト信号による超音波照射が始まる。この超音波の照射時間は通常は１〜３分間程度、より好ましくは、１分３０秒〜２分３０秒間、特に好ましくは２分間である。しかしながら、便座に座っている時間は人によって異なるため、長時間座る人の場合には、最長でも１０分間で超音波照射が停止するように設定する。また、手動で停止する手段を設けてもよい。
使用が終わり、便座から体重による圧力が無くなると、待機状態に戻る。
【実施例１】
【００２７】
超音波を踵から入射させ、骨伝搬波の計測を行った。超音波の入射方式として、踏台を作り台座内に設けた超音波振動子を乾電池駆動による電子回路から励振し、台座上に素足の状態で踵から入射した。
【００２８】
踵部分に直接超音波振動子を接触させ（ゼリーを塗布せず）、各部位においてゼリーを塗った受波器で受信し、直接オッシロスコープにて（増幅器使用せず）波形観測を行った。図８に送・受波器設定位置を示す。受波位置は、図８に示す、３１踵、３２膝上、３３膝下、３４股関節上の４か所で測定した。図９に各部位における受波レベルの波形写真を示す。測定値は、踵１０６Ｐａ、膝上５６Ｐａ，股関節上３２Ｐａ、膝下２４Ｐａであり、股関節上にも超音波が到達していることが確認された。ここでＰａは音圧を示し、Ｎ／ｍ２である。
【実施例２】
【００２９】
照射実験
被験者30名を対象とした照射方式は台座を設け、台座の上に素足で乗り両足の踵の部分に、台座内に設置した超音波振動子より超音波を照射する方式とした。
被験者30名を任意にA:15名、B:15名の２グループに分けて、２分間／回とした。原則として１回／日を毎日続けたのち、骨密度を計測した。
【００３０】
骨密度計測は超音波法（古野電気製CM-100）により行い、15〜20日間隔で計測した。超音波照射前後の年齢別効果を図１０、図１１に示す。超音波照射無しのAグル−プ（図１０）では差が認められないが、超音波を照射したBグループ（図１１）ではＳＯＳ（超音波伝搬速度）の値が１１名中１０名で増加しており、改善の効果が認められた。図１０及び図１１から高年齢層の女性により高い効果があると考えられた。
【符号の説明】
【００３１】
１    トーンバースト発信器
２    増幅器
３    電源回路
４    電池
５    体重の圧力を検知して作動するスイッチ
６    超音波振動子
７    ケース
８    人体の立位状態の足
９    超音波発信器
１０    トイレ機器
１１    蓋
１２    便座装置
１３    センサ
１４    便器内部
１５    ノズル
１６    便座
１７    超音波発生部位
１８    検出受波器
２１    圧力検知装置
２２    超音波発信装置
２３    超音波増幅器
２４    超音波受信器
２５    超音波増幅器
２６    個人識別装置
２７    本体制御装置
２８    表示装置
２９    記憶装置
３０    制御装置
３１    受波位置踵
３２    受波位置膝上
３３    受波位置膝下
３４    受波位置股関節上
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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