(57)【要約】【課題】軟骨の形状を正確に検出するとともに、精度よく検出された軟骨のエコーに基づいて該軟骨に関する情報を導出する。【解決手段】超音波診断装置は、超音波送信部４ｂ及び超音波受信部４ｂと、低周波成分抽出部１９と、導出部２０と、を備えている。超音波送信部４ｂは、超音波の送受信が行われる送受波面の軟骨５２に対する相対位置が固定された状態における、第１の骨部５１に対する第２の骨部５５の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、軟骨５２に超音波を送信する。超音波受信部４ｂは、複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、各フレームにおけるエコー信号を受信する。低周波成分抽出部１９は、エコー信号から、フレーム方向について所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する。導出部２０は、低周波エコーデータに基づいて、軟骨に関する情報を導出する。【選択図】図１８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信する超音波送信部と、該超音波送信部から送信された超音波のエコー信号を受信する超音波受信部と、を備え、該超音波受信部で受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断装置であって、
前記超音波送信部は、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波を送信し、
前記超音波受信部は、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨の深さ方向と該深さ方向に直交する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号を受信し、
前記超音波受信部で受信されたエコー信号から、複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する低周波成分抽出部と、
前記低周波成分抽出部で抽出された前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報を導出する導出部と、
を更に備えていることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記第２の骨部は、前記複数の屈曲状態のうち前記屈曲角度が最も大きい第１屈曲状態と、前記屈曲角度が最も小さい第２屈曲状態との間において、所定周期で屈曲動作を行い、
前記超音波送信部は、所定の時間間隔で超音波を送信することを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記所定周波数は、前記所定周期の逆数として表される周波数よりも低い周波数として設定されていることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記導出部は、前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報としてのエコー画像を生成するエコー画像生成部を有していることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記低周波成分抽出部は、
前記フレーム方向に整列した前記フレーム毎のエコーデータで構成され、前記フレーム方向、前記軟骨の深さ方向、及び、前記フレーム方向及び前記深さ方向の両方に直交する方向、で特定される３次元エコーデータ、に対して、少なくとも前記フレーム方向にフーリエ変換を行うフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部でフーリエ変換が行われた前記３次元エコーデータから前記低周波エコーデータを抽出するローパスフィルタ部と、
を有していることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波診断装置において、
前記フーリエ変換部は、前記３次元エコーデータに対して３次元フーリエ変換を行い、
前記導出部は、
前記フーリエ変換部でフーリエ変換された前記３次元エコーデータから、前記フレーム方向における低周波の２次元エコーデータである低周波２次元エコーデータを選択する選択部と、
前記選択部で選択された前記低周波２次元エコーデータにおける原点を通過する基準線に対して設定される複数の角度位置のそれぞれに対応する領域内のエコー強度を合計して合計値を算出し、各前記角度位置に対する各前記合計値をスペクトル角度特性として算出するスペクトル角度特性算出部と、
前記スペクトル角度特性算出部で算出された前記スペクトル角度特性において、前記合計値が、前記スペクトル角度特性のピーク値に対する所定の割合となる角度の幅を算出する角度幅算出部と、
を有していることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波診断装置において、
前記フレーム毎のエコーデータのいずれか１つにおいて、前記軟骨の深さ方向及び該深さ方向に直交する方向で特定され、前記軟骨を含み且つ該軟骨が付着する軟骨下骨を除く領域である解析領域、を設定する解析領域設定部を更に備え、
前記選択部は、前記解析領域設定部で設定された前記解析領域内に含まれる前記低周波２次元エコーデータを選択することを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記第１の骨部としての大腿骨、及び前記第２の骨部としての脛骨、に対して用いられることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波診断装置において、
前記送受波面は、法線方向が、前記軟骨に向かい且つ該大腿骨が延びる方向に沿って配置されることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記導出部で導出された前記軟骨に関する情報が表示される表示部、を更に備えていることを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項１１】
第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信するステップと、前記超音波を送信するステップで送信された超音波のエコー信号を受信するステップと、を含み、前記エコー信号を受信するステップで受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断方法であって、
前記超音波を送信するステップでは、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波が送信され、
前記エコー信号を受信するステップでは、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて前記軟骨の深さ方向と該深さ方向と交差する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号が受信され、
複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出するステップと、
前記低周波エコーデータに基づいて前記軟骨に関する情報を導出するステップと、
を更に含むことを特徴とする、超音波診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟骨の状態を診断するための超音波診断装置、及び超音波診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、軟骨の状態を解析するために、軟骨に向かって送信された超音波の反射エコーに基づいて、軟骨に関する情報を導出する超音波診断装置が知られている。例えば、特許文献１に開示される超音波診断装置では、膝軟骨に向かって送信される超音波ビームのエコー信号のエコーレベルのエッジ抽出を行うことにより、軟骨と、該軟骨に隣接する他の組織との境界を抽出している。そして、当該抽出された境界に基づき、軟骨の形状を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、軟骨と、該軟骨に隣接する他の組織との間のエコーレベルの差が小さい場合、上述のようなエッジ抽出が正確に行われず、両者の間の境界の推定精度が低くなるおそれがある。そうなると、軟骨の形状を正確に検出することができない。【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、軟骨の形状を正確に検出するとともに、精度よく検出された軟骨のエコーに基づいて該軟骨に関する情報を導出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る超音波診断装置は、第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信する超音波送信部と、該超音波送信部から送信された超音波のエコー信号を受信する超音波受信部と、を備え、該超音波受信部で受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断装置であって、前記超音波送信部は、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波を送信し、前記超音波受信部は、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨の深さ方向と該深さ方向に直交する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号を受信し、前記超音波診断装置は、前記超音波受信部で受信されたエコー信号から、複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する低周波成分抽出部と、前記低周波成分抽出部で抽出された前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報を導出する導出部と、を更に備えている。【０００７】
（２）好ましくは、前記第２の骨部は、前記複数の屈曲状態のうち前記屈曲角度が最も大きい第１屈曲状態と、前記屈曲角度が最も小さい第２屈曲状態との間において、所定周期で屈曲動作を行い、前記超音波送信部は、所定の時間間隔で超音波を送信する。【０００８】
（３）更に好ましくは、前記所定周波数は、前記所定周期の逆数として表される周波数
よりも低い周波数として設定されている。【０００９】
（４）好ましくは、前記導出部は、前記低周波エコーデータに基づいて、前記軟骨に関する情報としてのエコー画像を生成するエコー画像生成部を有している。【００１０】
（５）好ましくは、前記低周波成分抽出部は、前記フレーム方向に整列した前記フレーム毎のエコーデータで構成され、前記フレーム方向、前記軟骨の深さ方向、及び、前記フレーム方向及び前記深さ方向の両方に直交する方向、で特定される３次元エコーデータ、に対して、少なくとも前記フレーム方向にフーリエ変換を行うフーリエ変換部と、前記フーリエ変換部でフーリエ変換が行われた前記３次元エコーデータから前記低周波エコーデータを抽出するローパスフィルタ部と、を有している。【００１１】
（６）更に好ましくは、前記フーリエ変換部は、前記３次元エコーデータに対して３次元フーリエ変換を行い、前記導出部は、前記フーリエ変換部でフーリエ変換された前記３次元エコーデータから、前記フレーム方向における低周波の２次元エコーデータである低周波２次元エコーデータを選択する選択部と、前記選択部で選択された前記低周波２次元エコーデータにおける原点を通過する基準線に対して設定される複数の角度位置のそれぞれに対応する領域内のエコー強度を合計して合計値を算出し、各前記角度位置に対する各前記合計値をスペクトル角度特性として算出するスペクトル角度特性算出部と、前記スペクトル角度特性算出部で算出された前記スペクトル角度特性において、前記合計値が、前記スペクトル角度特性のピーク値に対する所定の割合となる角度の幅を算出する角度幅算出部と、を有している。【００１２】
（７）更に好ましくは、前記超音波診断装置は、前記フレーム毎のエコーデータのいずれか１つにおいて、前記軟骨の深さ方向及び該深さ方向に直交する方向で特定され、前記軟骨を含み且つ該軟骨が付着する軟骨下骨を除く領域である解析領域、を設定する解析領域設定部を更に備え、前記選択部は、前記解析領域設定部で設定された前記解析領域内に含まれる前記低周波２次元エコーデータを選択する。【００１３】
（８）好ましくは、前記超音波診断装置は、前記第１の骨部としての大腿骨、及び前記第２の骨部としての脛骨、に対して用いられる。【００１４】
（９）更に好ましくは、前記送受波面は、法線方向が、前記軟骨に向かい且つ該大腿骨が延びる方向に沿って配置される。【００１５】
（１０）好ましくは、前記超音波診断装置は、前記導出部で導出された前記軟骨に関する情報が表示される表示部、を更に備えている。【００１６】
（１１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る超音波診断方法は、第１の骨部の端部と第２の骨部の端部とを含む関節部を覆う軟部組織を介して、前記第１の骨部の端部の軟骨に向かって超音波を送信するステップと、前記超音波を送信するステップで送信された超音波のエコー信号を受信するステップと、を含み、前記エコー信号を受信するステップで受信された前記エコー信号に基づいて前記軟骨の変性度を診断するための超音波診断方法であって、前記超音波を送信するステップでは、前記超音波の送受信が行われる送受波面の前記軟骨に対する相対位置が固定された状態における、前記第１の骨部に対する前記第２の骨部の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、前記軟骨に超音波が送信され、前記エコー信号を受信するステップでは、前記複数の屈曲状態のそれぞれにおいて前記軟骨の深さ方向と該深さ方向と交差する方向とで特定される各フレームにおけるエコー信号が受信され、複数の前記フレームの整列方向であるフレーム方向について、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを
抽出するステップと、前記低周波エコーデータに基づいて前記軟骨に関する情報を導出するステップと、を更に含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、軟骨の形状を正確に検出できるとともに、精度よく検出された軟骨のエコーに基づいて該軟骨に関する情報を導出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図、及び、超音波診断装置のプローブがセットされた状態の患者の膝を模式的に示す断面図、である。
【図２】超音波送信時における膝関節の状態を示す模式図であって、（Ａ）は、装置使用時において大腿骨と脛骨との間の角度（屈曲角度）が最も大きい状態（第１屈曲状態）を示す図、（Ｂ）は、屈曲角度が最も小さい状態（第２屈曲状態）を示す図、である。
【図３】図１に示す超音波診断装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す解析領域設定部の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】ＡＤ変換部から出力されたエコーデータに基づくエコー画像であって、注目領域の設定について説明するための図である。
【図６】エコー画像生成部によって生成されたエコー画像の一例を示す図である。
【図７】図３に示す特徴量算出部の構成を示すブロック図である。
【図８】３次元ＤＦＴ処理部から出力された３次元エコーデータから得られるパワースペクトルＳ２から選択された低周波成分のパワースペクトルを示す図である。
【図９】図８で示すパワースペクトルからスペクトル角度特性を算出するための手法について説明するための図である。
【図１０】図９で示す手法によって得られたスペクトル角度特性の一例を示す波形である。
【図１１】軟骨のエコー画像であって、（Ａ）は正常な軟骨のエコー画像の一例、（Ｂ）は変性した軟骨のエコー画像の一例、である。
【図１２】図１１（Ｂ）に示す変性した軟骨のエコーデータを逆フーリエ変換して得られるエコーデータの画像である。
【図１３】正常な軟骨のスペクトル角度特性を示す波形と、変性した軟骨のスペクトル角度特性を示す波形とを重ねて表示する図であって、両者の違いを説明するための図である。
【図１４】超音波診断装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１５】特徴量を算出するステップで行われる各ステップを示すフローチャートである。
【図１６】変形例に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】変形例に係る超音波診断装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図１８】変形例に係る超音波診断装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係る超音波診断装置１について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る超音波診断装置１の構成を示す模式図である。超音波診断装置１は、患者の膝における、大腿骨（第１の骨部）の近位端の軟骨の状態（変性度）を診断するためのものである。具体的には、超音波診断装置１では、詳しくは後述するが、上述した膝軟骨の変性度を示す指標が算出され、ユーザ（例えば医師）は、当該指標から患者の膝軟骨を診断することができる。
【００２０】
［全体構成］
超音波診断装置１は、図１に示すように、操作部２と、制御部３と、プローブ４と、信号処理部１０と、表示部５と、を備えている。
【００２１】
操作部２は、例えば、キーボード又はタッチパネル等で構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。操作部２は、ユーザの操作入力に応じて、軟骨表面を検出する処理の実行開始を制御部３へ指示する。また、操作部２は、ユーザの操作入力に応じて、表示態様を設定もしくは切り替える指示を、表示部５に出力する。なお、この操作部２は、表示部５に組み込まれたものであってもよい。
【００２２】
制御部３は、パルス状の超音波信号を生成し、当該超音波信号がプローブ４から送信されるように、プローブ４を制御する。
【００２３】
プローブ４は、送受波面４ａに平行な方向へ配列された複数の振動子４ｂを備える（図１参照）。この振動子４ｂの配列方向が走査方向（図１におけるＸ方向、軟骨５２の深さ方向と直交する方向）となる。各振動子４ｂは、超音波信号を、所定の時間間隔で軟骨５２に向けて送信する超音波送信部として設けられている。また、各振動子４ｂは、送信された超音波信号のエコー信号を受信する超音波受信部として設けられている。
【００２４】
プローブ４は、図１に示すように、当該プローブ４の送受波面４ａの法線方向が、大腿骨５１の軟骨５２に向かい且つ大腿骨５１の近位から遠位側へ向かう方向となるように（すなわち、大腿骨５１が延びる方向に沿うように）、膝の軟部組織６０の表面に当てられる。これにより、超音波が軟骨５２の深さ方向に沿って送信される。ここで、図１に示すように、軟部組織６０は、大腿骨５１の軟骨５２よりも膝の表面側に存在する部位であって、皮膚及び筋肉等で構成されている。軟骨５２は、軟骨下骨５３に付着しており、軟骨下骨５３は、海綿骨５４に結合した組織である。
【００２５】
図２は、超音波送信時における膝関節５０の状態を示す模式図である。図２に示すように、超音波診断装置１では、大腿骨５１に対する脛骨５５（第２の骨部）の屈曲角度が異なる複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、各振動子４ｂから超音波が送信されるとともに、送信された超音波の反射波が各振動子４ｂによって受信される。各屈曲状態で得られたエコー信号は、それぞれ、信号処理部１０へ出力される。
【００２６】
本実施形態では、例えば一例として、医師が、患者の脚における膝から下の部分（以下、膝下部と称する場合もある）を所定周期で曲げ伸ばしする間、各振動子４ｂが、所定の時間間隔で超音波を送信する。具体的には、医師は、患者の膝の状態が、図２（Ａ）に示す第１屈曲状態と図２（Ｂ）に示す第２屈曲状態との間で繰り返されるように、患者の膝下部の曲げ伸ばしを所定周期（一例として、１０秒）で行う。この間、各振動子４ｂは、一定の時間間隔で超音波を送信するとともに、第１屈曲状態と第２屈曲状態との間の各屈曲状態において送信された前記超音波のエコー信号を受信する。
【００２７】
上述のように患者の膝下部が曲げ伸ばしされる際、プローブ４は、大腿骨５１に対する相対位置が固定される。これにより、膝の曲げ伸ばしの際、プローブ４に対する軟骨５２の位置が概ね同じとなるのに対し、プローブ４に対する軟部組織６０の位置は、所定の周期性で（上記所定の周期で）変化する。
【００２８】
信号処理部１０は、上述のように各振動子４ｂが受信したエコー信号に基づいて軟骨５２の状態を解析し、その解析結果を表示部５へ出力する。信号処理部１０の詳細な構成及び動作については、詳しくは後述する。
【００２９】
表示部５は、信号処理部１０で解析された軟骨５２の解析結果を表示する。具体的には、表示部５には、軟骨５２の形状を示すエコー画像が表示される。また、表示部５には、信号処理部１０で算出された、軟骨の状態を示す指標としての特徴量が表示される。ユー
ザは、これらのエコー画像及び特徴量から、患者の膝の軟骨５２の状態を診断する。
【００３０】
［信号処理部の構成］
図３は、本実施形態に係る超音波診断装置１の信号処理部１０の構成を示すブロック図である。信号処理部１０は、図３に示すように、エコー信号受信部１１と、ＡＤ変換部１２と、解析領域設定部１３と、３次元ＤＦＴ処理部１４と、ＬＰＦ処理部１５と、３次元ＩＤＦＴ処理部１６と、エコー画像生成部１７と、特徴量算出部１８と、を備えている。信号処理部１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ（図示せず）等を含むハードウェアを用いて構成されている。また、信号処理部１０は、ＲＯＭに記憶された信号処理プログラムを含むソフトウェアを用いて構成されている。
【００３１】
上記信号処理プログラムは、本発明の一実施形態における信号処理方法を、信号処理部１０に実行させるためのプログラムである。このプログラムは、外部からインストールできる。このインストールされるプログラムは、例えば、記録媒体に格納された状態で流通する。上記ハードウェアとソフトウェアとは、協働して動作するように構成されている。これにより、信号処理部１０を、上述したエコー信号受信部１１、ＡＤ変換部１２、解析領域設定部１３、等として機能させることができる。
【００３２】
エコー信号受信部１１は、図２を参照して説明した複数の屈曲状態のそれぞれで得られたエコー信号に対して所定の増幅処理を行い、ＡＤ変換部１２へ出力する。
【００３３】
ＡＤ変換部１２は、エコー信号を所定の時間間隔でサンプリングすることで、離散データ化する。この離散データ化されたエコー信号がエコーデータとなる。これにより、走査方向ｘと深度方向ｚとで特定される２次元のエコーデータを、複数枚（複数フレーム枚）、得ることができる。すなわち、ＡＤ変換部１２によって、３次元エコーデータを得ることができる。ＡＤ変換部１２は、当該エコーデータを解析領域設定部１３へ出力する。
【００３４】
図４は、解析領域設定部１３の構成の一例を示すブロック図である。解析領域設定部１３は、軟骨５２の状態を診断するために不要な軟骨下骨５３からのエコー信号を除く領域を、解析領域として設定する。解析領域設定部１３は、図４に示すように、注目領域設定部１３ａと、エコーレベル差算出部１３ｂと、判定部１３ｃと、設定部１３ｄと、を有している。
【００３５】
図５は、ＡＤ変換部１２から出力されたエコーデータに基づくエコー画像であって、注目領域の設定について説明するための図である。図５は、プローブ４の走査方向（図５におけるｘ方向）と軟骨の深さ方向（図５におけるｚ方向）とで特定される領域のエコー画像として図示されている。
【００３６】
注目領域設定部１３ａは、図５に示すように、走査方向（Ｘ方向）に細長い矩形状のエリアを注目領域Ｒｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）として設定する。注目領域Ｒｎは、第１領域ＲＡと第２領域ＲＢとで構成される。第１領域ＲＡは、注目領域Ｒにおける膝表面側の領域である。第２領域ＲＢは、注目領域Ｒにおける第１領域ＲＡよりも深度方向（Ｚ方向）が深い側の領域であって、該第１領域ＲＡよりも深度方向の幅が短い領域である。注目領域設定部１３ａは、注目領域Ｒｎを、深度方向における深い側へ所定間隔ずつずらしながら、複数回、設定する。
【００３７】
エコーレベル差算出部１３ｂは、第１領域内の全サンプルのエコー強度の平均値（第１平均値）と、第２領域内の全サンプルのエコー強度の平均値（第２平均値）とを算出し、第１平均値から第２平均値を減算して減算値を算出する。エコーレベル差算出部１３ｂは、当該減算値を、複数回に亘って設定される上記注目領域Ｒｎのそれぞれに対して、算出
する。
【００３８】
判定部１３ｃは、複数回に亘って設定される注目領域Ｒｎのそれぞれに対して算出される複数の上記減算値の中から、最も値が小さい減算値を選択し、当該減算値が算出された注目領域ＲＮを、軟骨下骨が含まれる領域である軟骨下骨領域であると判定する。
【００３９】
設定部１３ｄは、上記判定部１３ｃで判定された軟骨下骨領域の除く領域、具体的には、軟骨下骨領域よりも浅い側の矩形領域を、解析領域として設定する。
【００４０】
３次元ＤＦＴ処理部１４（フーリエ変換部）は、解析領域設定部１３で設定された解析領域内のエコーデータに、３次元ＤＦＴ（Discrete  Fourier  Transformation、離散フーリエ変換）処理を行う。これにより、実空間領域及び時間領域のデータを含む３次元エコーデータを、波数空間領域及び周波数領域のデータを含む３次元エコーデータに変換することができる。当該３次元エコーデータは、ＬＰＦ処理部１５及び特徴量算出部１８に出力される。
【００４１】
ＬＰＦ処理部１５（ローパスフィルタ部）は、３次元ＤＦＴ処理部１４から出力された３次元エコーデータについて、フレーム方向にＬＰＦ処理（ローパスフィルタ処理）を行う。これにより、周波数が低いエコーデータ（膝を屈曲させても位置が概ね変化しない軟骨５２のエコー）から、周波数が高いデータ（膝を屈曲させると位置が変化する軟部組織６０のエコー）を取り除くことができる。本実施形態では、膝の曲げ伸ばしが行われる所定周期の逆数として表される周波数（例えば０．１Ｈｚ）よりも低い周波数がカットオフ周波数として設定されており、当該カットオフ周波数よりも高い周波数成分がカットされる。これにより、上記所定周期よりも十分に周期が小さい軟骨５２のエコー信号から、上記所定周期とほぼ同じ周期を有する軟部組織６０のエコー信号を除去できる。ＬＰＦ処理部１５で得られたデータは、低周波数エコーデータとして、３次元ＩＤＦＴ処理部１６に出力される。この低周波エコーデータは、ｘ方向の波数ｋｘと、ｚ方向の波数ｋｚとで特定される座標上において、パワースペクトルとして表示することができる。
【００４２】
３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、ＬＰＦ処理部１５から出力された低周波数エコーデータを逆フーリエ変換する。これにより、３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、波数空間領域及び周波数領域のデータである低周波数エコーデータを、実空間のエコーデータに変換する。
【００４３】
なお、上述した３次元ＤＦＴ処理部１４、ＬＰＦ処理部１５、及び３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、ＡＤ変換部１２から出力された３次元エコーデータから、所定周波数より低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する低周波成分抽出部として機能する。
【００４４】
図６は、エコー画像生成部１７によって生成されたエコー画像の一例を示す図である。エコー画像生成部１７は、３次元ＩＤＦＴ処理部１６で生成された、軟部組織６０のエコーデータが低減されたエコーデータからエコー画像を生成する。本実施形態のエコー画像生成部１７は、解析領域設定部１３で設定された解析領域の各位置からのエコーデータに基づくエコーレベル画像を生成する。エコーレベル画像は、格子状に配列された複数の画素によって構成される。各画素は、解析領域の各位置に対応した位置に配置され、解析領域の各位置におけるエコー強度に対応する輝度レベルを有している。本実施形態では、例えば一例として、輝度レベルが高い方から低い方へいくにつれて、赤、橙、黄、緑、青、濃青、の順に徐々に変化する色調を対応させて表示している。なお、図６では、便宜上、輝度レベルが高い領域を濃いハッチングで示し、輝度レベルが低い領域を薄いハッチングで示している。当該エコー画像は、表示部５に表示される。
【００４５】
図７は、特徴量算出部の構成を示すブロック図である。特徴量算出部１８は、ＬＰＦ処理部１５から出力された低周波数エコーデータ、すなわち、主に軟骨５２からのエコーデータで構成されるエコーデータから、該エコーデータの特徴を示す指標である特徴量を算出する。本実施形態では、特徴量算出部１８は、特徴量として、詳しくは後述する半値幅を算出する。
【００４６】
特徴量算出部１８は、図７に示すように、パワースペクトル選択部１８ａと、スペクトル角度特性算出部１８ｂと、半値幅算出部１８ｃ（角度幅算出部）と、を有している。
【００４７】
図８は、低周波成分のパワースペクトルを示す図である。パワースペクトル選択部１８ａは、３次元ＤＦＴ処理部１４から出力された３次元エコーデータから得られるパワースペクトルのうち、低周波成分のパワースペクトルを選択する。すなわち、パワースペクトル選択部１８ａは、主に軟骨５２のエコーデータで構成されるパワースペクトルを選択する。
【００４８】
図９は、図８で示すパワースペクトルからスペクトル角度特性を算出するための手法について説明するための図であり、図１０は、図９で示す手法によって得られたスペクトル角度特性の一例を示す波形である。スペクトル角度特性算出部１８ｂは、図９に示すように、パワースペクトルの中心部Ｃ（原点）を中心とする扇形の微小領域である対象領域ＲΔθを設定する。
【００４９】
スペクトル角度特性算出部１８ｂは、対象領域ＲΔθの回転位置θを０度〜１８０度の範囲でずらしていく。スペクトル角度特性算出部１８ｂは、回転位置θが徐々にずれていく対象領域ＲΔθにおいて、各対象領域ＲΔθ内の全地点のエコー強度を足し合わせる。このようにして、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、各回転位置θに対応するエコー強度の合計値を算出することにより、図１０に示すスペクトル角度特性を算出する。なお、図１０においては、各回転位置θに対するエコー強度の合計値が規格化されているが、これに限らず、上述した合計値をそのまま用いてもよい。
【００５０】
半値幅算出部１８ｃは、スペクトル角度特性算出部１８ｂによって算出されたスペクトル角度特性のピークの半値幅を算出する。具体的には、半値幅算出部１８ｃは、９０度付近の所定角度範囲（例えば一例として、８０度〜１００度）においてピーク値を検出し、当該ピーク値を有するピーク波形の半値幅（図１０に示す例では、１６度）を算出する。この半値幅は、軟骨５２の変性度合を示す指標である特徴量として、表示部５に出力されて表示される。なお、本実施形態では、スペクトル角度特性から半値幅を求めているが、これに限らない。具体的には、スペクトル角度特性において、上記合計値が、スペクトル角度特性のピーク値に対する所定の割合となる角度の幅、を算出してもよい。
【００５１】
［半値幅について］
ここで、上述のように算出される半値幅と、軟骨５２との変性度合との関係性について説明する。
【００５２】
図１１は、軟骨のエコー画像であって、（Ａ）は正常な軟骨のエコー画像の一例、（Ｂ）は変性した軟骨のエコー画像の一例、である。また、図１２は、図１１（Ｂ）に示す変性した軟骨のエコーデータを逆フーリエ変換して得られるエコーデータの画像である。なお、図１１（Ａ）に示す軟骨のエコー画像は、図８に示すエコーデータを逆フーリエ変換したものである。
【００５３】
図１１（Ａ）に示すように、正常な軟骨のエコー画像は、プローブ４の走査方向ｘに沿って連続的となっている。よって、これを逆フーリエ変換すると、方向性を持ったパワー
スペクトルが生成される（図８参照）。よって、当該パワースペクトルから算出されるスペクトル角度特性の半値幅は、図１０に示すように、比較的小さくなる。
【００５４】
これに対して、変性した軟骨のエコー画像は、図１１（Ａ）に示す正常な軟骨のエコー画像と異なり、図１１（Ｂ）に示すように、プローブ４の走査方向ｘに沿って連続的とならず、離散的になる。よって、これを逆フーリエ変換すると、比較的方向性が小さいパワースペクトルが生成される（図１２参照）。よって当該パワースペクトルから算出されるスペクトル角度特性の半値幅は、図１３に示すように、正常な軟骨から得られるスペクトル角度特性の半値幅よりも大きくなる。なお、図１３において破線で示される波形が、正常な軟骨から得られるスペクトル角度特性であり、実線で示される波形が、変性した軟骨から得られるスペクトル角度特性である。
【００５５】
［信号処理部の動作］
図１４は、信号処理部１０の動作を説明するためのフローチャートである。図１４を参照して、信号処理部１０の動作について説明する。
【００５６】
まず、ステップＳ１で、患者の膝に対してプローブ４がセットされる。このとき、プローブ４は、送受波面４ａの法線方向が大腿骨５１の延びる方向に沿うように、患者の膝に対してセットされる。
【００５７】
次に、ステップＳ２で、図２を参照して、患者の膝が、第１屈曲状態と第２屈曲状態との間において所定周期で曲げ伸ばしされる。この曲げ伸ばしは、例えば一例として、医師が、患者の膝下部を揺動することにより行われる。
【００５８】
一方、上記ステップＳ２と並行して、ステップＳ３で、プローブ４の振動子４ｂによって超音波の送信及び受信が行われる。振動子４ｂによって受信されたエコー信号は、エコー信号受信部１１によって所定の増幅処理が行われた後、ＡＤ変換部１２によってデジタル信号に変換される。
【００５９】
次に、ステップＳ４で、以後行う３次元ＤＦＴ処理に必要なデータが取得されたか否かが判断される。具体的には、必要数（例えば一例として、３２）の屈曲状態におけるエコーデータが得られているか否かが判断される。必要数の屈曲状態におけるエコーデータが得られている場合（ステップＳ４のＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。一方、必要数の屈曲状態におけるエコーエータが得られていない場合（ステップＳ４のＮｏ）、ステップＳ２及びステップＳ３に戻り、再度ステップＳ２及びステップＳ３の工程が行われる。
【００６０】
次に、ステップＳ５で、解析領域の設定が行われる。具体的には、図５を参照して、注目領域設定部１３ａが、第１領域ＲＡと第２領域ＲＢとで構成される注目領域Ｒ１を設定し、エコーレベル差算出部１３ｂが、各領域ＲＡ，ＲＢ内の全サンプルのエコー強度の平均値（第１平均値及び第２平均値）を算出した後、第１平均値から第２平均値が減算された減算値を算出する。ステップＳ５では、深い方向へ所定間隔ずつすらされる各注目領域Ｒｎについて上記減算値が算出される。そして、判定部１３ｃが、最も減算値が大きい注目領域を、軟骨下骨が含まれる領域である軟骨下骨領域であると判定し、設定部１３ｄが、当該軟骨下骨領域よりも浅い側の矩形領域を解析領域として設定する。
【００６１】
次に、ステップＳ６で、複数の屈曲状態のそれぞれに対応する膝関節のエコーデータのうち、ステップＳ５で設定された解析領域内のエコーデータ、に対して、３次元ＤＦＴ処理が行われる。これにより、波数空間領域及び周波数領域のデータを含む３次元エコーデータを得ることができる。
【００６２】
次に、ステップＳ７で、ＬＰＦ処理部１５は、３次元エコーデータに対してフレーム方向にＬＰＦ処理を行うことにより、低周波エコーデータを生成する。これにより、軟部組織６０からのエコー信号を低減することができる。
【００６３】
次に、ステップＳ８で、３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、低周波エコーデータを逆フーリエ変換する。これにより、３次元ＩＤＦＴ処理部１６は、波数空間領域及び周波数領域のデータである低周波数エコーデータを、実空間のエコーデータに変換する。
【００６４】
次に、ステップＳ９で、エコー画像生成部１７は、３次元ＩＤＦＴ処理部１６で生成された低周波数エコーデータ（すなわち、軟部組織６０のエコー信号が低減されたエコーデータ）から、エコー画像を生成する（図６参照）。当該エコー画像は、軟骨に関する情報として、表示部５に表示される。
【００６５】
一方、ステップＳ１０では、特徴量算出部１８が、特徴量としての半値幅を算出する処理を行う。図１５は、ステップＳ１０で行われる各ステップを示すフローチャートである。図１５を参照して、特徴量を算出するステップについて説明する。
【００６６】
まず、ステップＳ１１で、パワースペクトル選択部１１ａは、３次元ＤＦＴ処理部１４から出力された３次元エコーデータから得られるパワースペクトルのうち、低周波成分のパワースペクトルを選択する。なお、パワースペクトル選択部１１ａは、ＬＰＦ処理部１５で生成された低周波エコーデータから得られるパワースペクトルのうち、低周波成分のパワースペクトルを選択してもよい。
【００６７】
次に、ステップＳ１２で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、パワースペクトルの中心部Ｃ（原点）を中心とする扇形の微小領域である対象領域ＲΔθを設定する（図９参照）。ステップＳ１２では、例えば一例として、回転角度が０度となる対象領域ＲΔθを設定する。
【００６８】
次に、ステップＳ１３で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、対象領域ＲΔθ内の全地点のエコー強度を合計して合計値を算出する。
【００６９】
次に、ステップＳ１４で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、選択したパワースペクトルにおいて合計値を算出すべき領域の全範囲に亘って合計値を算出したか否かを判定する。具体的には、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、対象領域ＲΔθの回転角度が１８０度に到達したか否かを判定する。１８０度に到達していない場合（ステップＳ１４のＮｏ）、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、ステップＳ１５で、対象領域ＲΔθを所定角度だけ回転させることにより対象領域ＲΔθの位置をずらし、新たに設定された対象領域ＲΔθについて再びステップＳ１３の処理を行う。一方、１８０度に到達した場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）、ステップＳ１６に進む。
【００７０】
次に、ステップＳ１６で、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、上述のように算出した合計値を正規化する。具体的には、スペクトル角度特性算出部１８ｂは、回転角度毎に算出された各合計値の最大値を検出し、正規化後の当該最大値が１となるような係数を算出するとともに、当該係数を他の合計値の全てに乗算する。これにより、スペクトル角度特性を得ることができる。なお、ステップＳ１６を省略し、ステップＳ１４の次にステップＳ１７を行ってもよい。
【００７１】
最後に、ステップＳ１７で、半値幅算出部１８ｃは、スペクトル角度特性の半値幅を求める。当該半値幅は、特徴量として、表示部５に表示される。
【００７２】
［効果］
以上のように、本実施形態に係る超音波診断装置１では、軟骨５２に対するプローブ４の相対位置が固定された状態で大腿骨５１に対する脛骨５５の屈曲角度を変化させつつ、超音波を複数のタイミングで送信することにより、複数の屈曲状態のそれぞれにおいて、軟骨５２のエコー信号が得られる。そして、当該複数の屈曲状態のそれぞれにおいて得られた各エコー信号のうち低周波成分を抽出することにより、高周波成分である軟部組織６０に起因するエコーを低減できる。すなわち、所望のエコー（本実施形態の場合、軟骨５２からのエコー）から、不要なエコー（本実施形態の場合、軟部組織６０からのエコー）を除去できる。こうすると、所望のエコーと不要なエコーとの間のエコーレベルの差が小さい場合であっても、不要なエコーを所望のエコーから確実に分離することができる。
【００７３】
従って、超音波診断装置１では、軟骨５２の形状を正確に検出できる。
【００７４】
また、超音波診断装置１では、正確に検出された軟骨５２の形状に基づいて、当該軟骨５２に関する情報（本実施形態の場合、軟骨５２のエコー画像、及び軟骨５２の特徴量としての半値幅）を導出できる。よって、より高い確度で軟骨の変性度を診断できる。
【００７５】
また、超音波診断装置１では、所定周期で曲げ伸ばしが行われる膝関節に対して、所定の時間間隔で超音波が送信されるため、比較的短時間でスムーズにエコー信号を取得することができる。
【００７６】
また、超音波診断装置１では、カットオフ周波数が、膝の曲げ伸ばしの周期の逆数として表される周期（本実施形態の場合、０．１Ｈｚ）よりも低い周波数として設定されている。これにより、カットオフ周波数を適切に設定することができる。
【００７７】
また、超音波診断装置１では、軟骨に関する情報としてエコー画像が生成されるため、ユーザ（医師等）は、当該エコー画像から軟骨の状態を診断することができる。
【００７８】
また、超音波診断装置１では、フレーム方向、軟骨の深さ方向（ｚ方向）、及び該深さ方向に直交する方向（ｘ方向）、で特定される３次元エコーデータをフレーム方向にフーリエ変換し、当該フーリエ変換が行われた３次元エコーデータからローパスフィルタ部によって高周波成分が除去されている。これにより、３次元エコーデータから、軟部組織６０に起因するエコー信号を適切に除去できる。
【００７９】
また、超音波診断装置１では、３次元エコーデータを全方向についてフーリエ変換するとともに、フーリエ変換された当該３次元エコーデータからフレーム方向における低周波成分（低周波２次元エコーデータ）を抽出し、当該データに基づいて特徴量（半値幅）を算出している。これにより、不要なエコー（軟部組織６０からのエコー）の除去と、所望のエコー（軟骨５２からのエコー）に関する解析結果の導出とを、一連の処理によって行うことができる。
【００８０】
また、超音波診断装置１では、軟骨５２を含み且つ軟骨下骨５３を除く領域を解析領域として設定し、当該解析領域内のエコー信号を対象として３次元フーリエ変換を行っている。これにより、特徴量の算出に不要な領域（軟骨下骨５３を含む領域）を除去できるため、信号処理部１０の計算負荷を軽減できる。
【００８１】
また、超音波診断装置１では、大腿骨５１の近位端と脛骨５５の遠位端とを含む膝関節について、大腿骨５１の軟骨５２の変性度を診断することができる。
【００８２】
また、超音波診断装置１では、プローブ４の送受波面４ａの法線方向が、軟骨５２に向
かい且つ大腿骨５１が延びる方向に沿って配置されるため、軟骨５２の深さ方向に沿って適切に超音波を送信することができる。
【００８３】
また、超音波診断装置１では、信号処理部１０によって算出された特徴量（半値幅）が表示部５に表示される。これにより、ユーザは、軟骨５２の変性度を示す指標としての特徴量を視覚的に認識できる。
【００８４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００８５】
［変形例］
（１）図１６は、変形例に係る超音波診断装置１ａの構成を示すブロック図である。上記実施形態では、医師等によって、患者の膝の屈曲状態が変更させられた。しかし、本変形例に係る超音波診断装置１ａは、上述した実施形態と異なり、患者の膝の屈曲状態を自動で変更可能な自動膝屈曲機構３０を備えている。なお、以下で説明する自動膝屈曲機構３０の構成は、一例であって、患者の膝を自動で屈曲可能な機構であれば、どのような構成であってもよい。また、以下では、上記実施形態と大きく異なる部分、具体的には、自動膝屈曲機構３０の構成及び動作について主に説明し、それ以外の部分については説明を省略する。
【００８６】
自動膝屈曲機構３０は、患者が椅子に座って大腿骨の位置が固定された状態において、患者の膝から下の部分（膝下部）を揺動可能に構成されている。このとき、プローブ４は、固定具（図示省略）等によって、大腿骨に対する相対的な位置が固定されている。これにより、当該自動膝屈曲機構３０によって患者の膝が複数の状態に屈曲させられる。
【００８７】
自動膝屈曲機構３０は、基台部３１と、支柱部３２と、揺動機構３３と、を備えている。
【００８８】
基台部３１は、床に対して載せ置かれる略板状の部分であり、例えば比較的重量が重い金属材料等で形成される。支柱部３２は、床に対して設置された状態の基台部３１から上方へ延びるように設けられている。支柱部３２は、基台部３１に対して固定されている。
【００８９】
揺動機構３３は、患者の膝下部を前後方向に揺動させるように構成されている。揺動機構３３は、電動モータ３４と、足置き部３５と、連結部３６とを有している。電動モータ３４は、支柱部３２における上側の部分に取り付けられている。足置き部３５は、患者の足を載置可能な略板状に形成され、基台部３１の上面に支持されている。患者の足は、固定ベルト３７によって足置き部３５に固定される。連結部３６は、支柱部に沿って上下方向に延びるように設けられるとともに下端部が足置き部３５に固定されており、電動モータ３４の回転力を足置き部３５に伝達する。
【００９０】
揺動機構３３では、電動モータ３４が回転すると、その回転力がギア（図示省略）等によって連結部３６に伝達される。これにより、足置き部３５が図１６の両側矢印方向に沿って揺動するため、患者の膝を自動で屈曲することができる。
【００９１】
また、本変形例に係る超音波診断装置１ａでは、電動モータ３４は、図２に示す第１屈曲状態と第２屈曲状態との間において、患者の膝が上述した所定周期で曲げ伸ばしされるように、正回転又は逆回転する。その間、上記実施形態の場合と同様、各振動子４ｂから、所定の時間間隔で超音波が送信される。これにより、超音波診断装置１ａでは、複数の屈曲状態のそれぞれにおける軟骨のエコー信号を、自動で取得することができる。なお、このように取得されたエコー信号は、上記実施形態の場合と同様にして処理される。
【００９２】
（２）図１７は、変形例に係る超音波診断装置の信号処理部１０ａの構成を示すブロック図である。上記実施形態では、フレーム方向、軟骨の深さ方向、及び、前記フレーム方向及び前記深さ方向の両方に直交する方向、で特定される３次元エコーデータに対して、全ての方向についてフーリエ変換（３次元フーリエ変換）を行ったが、これに限らず、フレーム方向のみにフーリエ変換を行ってもよい。これにより、上記実施形態の場合と比べて、フーリエ変換を行う際に信号処理部１０ａにかかる計算負荷を低減することができる。本変形例については、例えば一例として、軟骨に関する情報としてエコー画像が生成される。
【００９３】
（３）図１８は、変形例に係る超音波診断装置の信号処理部１０ｂの構成を示すブロック図である。本変形例に係る信号処理部１０ｂは、エコー信号受信部１１、ＡＤ変換部１２、低周波成分抽出部１９、導出部２０、を備えている。
【００９４】
低周波成分抽出部１９は、３次元エコーデータから、所定の周波数よりも低い周波数成分のエコーデータである低周波エコーデータを抽出する。例えば、低周波成分抽出部１９は、ＬＰＦ処理（ローパスフィルタ処理）、ウェーブレット変換、畳み込み、等の手法を用いることにより、低周波エコーデータを抽出する。なお、ウェーブレット変換とは、周波数解析の手法の一つであって、基底関数としてウェーブレット関数が用いられる手法である。また、畳み込みでは、上記実施形態におけるローパスフィルタ処理で用いられる伝達関数を逆フーリエ変換した関数が、３次元エコーデータに対して畳み込まれる。
【００９５】
導出部２０は、低周波成分抽出部１９で抽出された低周波エコーデータに基づいて、軟骨に関する情報を導出する。当該軟骨に関する情報には、上記実施形態で例示したエコー画像及び半値幅に限らず、その他の情報も含まれる。
【００９６】
（４）上記実施形態では、大腿骨の軟骨に超音波診断装置を適用する例を挙げて説明したが、これに限らず、本発明に係る超音波診断装置は、その他の軟骨に対しても適用することができる。
【００９７】
（５）上記実施形態では、軟骨に関する情報として、エコー画像及び半値幅を表示部５に表示しているが、これに限らず、パワースペクトル選択部１８ａで選択されたパワースペクトルを表示部５に表示してもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１，１ａ      超音波診断装置
４            プローブ
４ａ          送受波面
４ｂ          振動子（超音波送信部、超音波受信部）
１７          エコー画像生成部（導出部）
１８          特徴量算出部（導出部）
１９          低周波成分抽出部
２０          導出部
５０          膝関節（関節部）
５１          大腿骨（第１の骨部）
５２          （第１の骨部の）軟骨
５５          脛骨（第２の骨部）
６０          軟部組織
【図１】
2015137131.tif 000003
【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】
2015137131.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015137131.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2015137131.tif 000014
【図１３】
2015137131.tif 000015
【図１４】
2015137131.tif 000016
【図１５】
2015137131.tif 000017
【図１６】
2015137131.tif 000018
【図１７】
2015137131.tif 000019
【図１８】
2015137131.tif 000020
【国際調査報告】
2015137131.tif 000021
2015137131.tif 000022
2015137131.tif 000023
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