(57)【要約】【課題】送波される超音波の時間幅延長を抑制し且つ反射波の影響を少なくすることで高精度の測定結果を得る。【解決手段】一方の超音波送受波器に与えるインパルス信号ｉ（ｔ）と、このインパルス信号を与えたときに他方の超音波送受波器が出力する出力信号（インパルス応答）ｏ（ｔ）とに基づいて、測定系の伝達関数Ｈ（ω）を導出する。導出された伝達関数Ｈ（ω）と、所望出力信号ｙ（ｔ）とに基づいて、一方の超音波送受波器に与えるべき入力信号ｘ（ｔ）を導出する。【選択図】      図６
2004344181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を載せるための基台と、
少なくともいずれか一方が他方の方向に移動可能に対向した、超音波透過性固体材料からなる一対の測定体と、
前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波送波器と、
前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波受波器と、
前記超音波送波器から前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出するための伝達関数導出手段と、
出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出手段によって導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出するための入力波形導出手段と、
前記入力波形導出手段が導出した波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給するための入力波形供給手段とを備えていることを特徴とする超音波骨密度測定装置。
【請求項２】
各測定体の形状が、前記超音波送波器から送波された超音波の超音波送波器から超音波受波器までの反射波の影響を前記伝達関数に含めて所望波形の出力信号を得るように、被検体の測定に適した形状に決定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波骨密度測定装置。
【請求項３】
超音波送波器と、
超音波受波器と、
前記超音波送波器から前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出するための伝達関数導出手段と、
出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出手段によって導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出するための入力波形導出手段と、
前記入力波形導出手段が導出した波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給するための入力波形供給手段とを備えており、
前記伝達関数導出手段が、
超音波を受波した前記超音波受波器からの出力信号にインパルス信号を加えた信号に基づいて、測定系の周波数伝達関数を導出することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項４】
前記伝達関数導出手段が、
前記超音波送波器への入力信号をフーリエ変換するための第１の変換手段と、
前記超音波受波器が超音波を受波したときの出力信号にインパルス信号を付加するためのインパルス信号付加手段と、
前記インパルス信号付加手段によってインパルス信号が付加された出力信号をフーリエ変換するための第２の変換手段と、
前記第１の変換手段によって得られた変換入力信号と、前記第２の変換手段によって得られた変換出力信号との比を求めるための求比手段とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の超音波測定装置。
【請求項５】
超音波送波器と、
超音波受波器と、
前記超音波送波器から被検査物を経て前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出するための伝達関数導出手段と、
出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出手段によって導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出するための入力波形導出手段と、
前記入力波形導出手段が導出した波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給するための入力波形供給手段とを備えており、
前記伝達関数導出手段が、
超音波を受波した前記超音波受波器からの出力信号にインパルス信号を加えた信号に基づいて、測定系の周波数伝達関数を導出することを特徴とする超音波測定装置。
【請求項６】
少なくともいずれか一方が他方の方向に移動可能に対向した、超音波透過性固体材料からなる一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波送波器から、前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出する伝達関数導出ステップと、
出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出ステップで導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出する入力波形導出ステップとを備えていることを特徴とする超音波骨密度測定方法。
【請求項７】
少なくともいずれか一方が他方の方向に移動可能に対向しており且つ先端にスタンドオフが設けられた超音波透過性固体材料からなる一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波送波器から、前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を、２つの前記スタンドオフを接触させた状態において導出する伝達関数導出ステップと、
出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出ステップで導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出する入力波形導出ステップと、
２つの前記スタンドオフを離隔させるステップと、
離隔した２つの前記スタンドオフ間に配置された踵を２つの前記スタンドオフで挟み込むステップと、
２つの前記スタンドオフによって踵が挟み込まれた状態において、前記入力波形導出ステップで求められた波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給し、前記超音波受波器からの出力信号を検出するステップとを備えていることを特徴とする超音波骨密度測定方法。
【請求項８】
超音波送波器から前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出する伝達関数導出ステップと、
超音波を受波した前記超音波受波器からの出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出ステップで導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出する入力波形導出ステップとを備えており、
前記伝達関数導出ステップにおいて、
出力信号にインパルス信号を加えた信号に基づいて、測定系の周波数伝達関数を導出することを特徴とする超音波測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、骨粗鬆症の診断等に利用される超音波骨密度測定装置、超音波測定装置、超音波骨密度測定方法及び超音波測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
骨組織の密度が低下する症状である骨粗鬆症の診断のために、超音波骨密度測定装置が用いられている。超音波は、被検体に含有される骨塩量に応じた速度で被検体内を伝播する。したがって、被検体内における超音波の伝播速度（ＳＯＳ：Ｓｐｅｅｄ  Ｏｆ  Ｓｏｕｎｄ）を測定すれば、被検体である踵の骨塩量に相当する量を測定することができる。超音波骨密度測定装置は、この原理を利用したものであって、被検者の骨中における超音波の伝播速度を測定し、測定された超音波の伝播速度から骨塩密度などの骨特性を定量測定することができる装置である。超音波伝播速度の測定精度を向上させるために、超音波骨密度測定装置による超音波検査は、海綿骨が多い踵骨を被検体として行われることが多い。
【０００３】
特許文献１に記載された超音波骨密度測定装置は、被検体を載せるための基台と、両側から被検体を挟み込んで被検体に密着する一対の測定体とを有している。一方の測定体内には、超音波振動子を有する超音波送波器が配置され、他方の測定体内には、超音波振動子を有する超音波受波器（実質的に超音波送波器と同じもの）が配置されている。超音波送波器から送波された超音波は被検体を通過して超音波受波器によって受波される。また、測定体と被検体との境界面で反射する超音波を測定し、通過した超音波との時間差から被検体の超音波伝播速度を求める。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−４３１８０号公報
【０００５】
特許文献１に記載されたような超音波骨密度測定装置においては、超音波伝播速度の測定時に、超音波送波器に単パルス信号を与えている。このとき、超音波振動子の周波数帯域が狭いために、超音波送波器から出力される超音波は時間軸に沿って広がった（時間幅の広い）波形を有するものとなる。したがって、超音波骨密度測定装置の時間分解能が悪化してしまう。超音波振動子としてコンポジット振動子を用いれば超音波送波器から出力される超音波を時間幅の短いものとすることが可能であるが、その時間幅短縮効果は十分ではなく、しかもコンポジット振動子自体が高価であって商用の装置に用いることは実用的ではない。また、超音波送波器から出力される超音波は、一部が被検体を挟み込む測定体と被検体との境界面以外の表面で反射し、時間的に遅れて受波器に到達することがあり、その場合には測定精度が悪化してしまう。この反射波（以降反射波と記載）は測定体の形状に依存し、被検体を通過した超音波を受波する場合も、測定体と被検体との境界面で反射した超音波を受波する場合のどちらの場合でも発生し得る。
【０００６】
また、超音波骨密度測定装置を含む超音波測定装置において、ノイズの影響を可能な限り排除して高精度の測定結果を得られるようにすることが望まれている。
【０００７】
そこで、本発明の一つの目的は、送波される超音波の時間幅延長を抑制し且つ反射波の影響を少なくすることで高精度の測定結果を得ることが可能な超音波骨密度測定装置及び超音波骨密度測定方法を提供することである。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、ノイズの影響を受けにくい高精度の測定結果を得ることが可能な超音波測定装置及び超音波測定方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波骨密度測定装置は、被検体を載せるための基台と、少なくともいずれか一方が他方の方向に移動可能に対向した、超音波透過性固体材料からなる一対の測定体と、前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波送波器と、前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波受波器と、前記超音波送波器から前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出するための伝達関数導出手段と、出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出手段によって導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出するための入力波形導出手段と、前記入力波形導出手段が導出した波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給するための入力波形供給手段とを備えている（請求項１）。
【００１０】
本発明の超音波測定方法は、少なくともいずれか一方が他方の方向に移動可能に対向した、超音波透過性固体材料からなる一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波送波器から、前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出する伝達関数導出ステップと、出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出ステップで導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出する入力波形導出ステップとを備えている（請求項６）。
【００１１】
本発明の超音波測定方法は、少なくともいずれか一方が他方の方向に移動可能に対向しており且つ先端にスタンドオフが設けられた超音波透過性固体材料からなる一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波送波器から、前記一対の測定体のいずれか一方に設けられた超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を、２つの前記スタンドオフを接触させた状態において導出する伝達関数導出ステップと、出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出ステップで導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出する入力波形導出ステップと、２つの前記スタンドオフを離隔させるステップと、離隔した２つの前記スタンドオフ間に配置された踵を２つの前記スタンドオフで挟み込むステップと、２つの前記スタンドオフによって踵が挟み込まれた状態において、前記入力波形導出ステップで求められた波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給し、前記超音波受波器からの出力信号を検出するステップとを備えている（請求項７）。本明細書において、「スタンドオフ」とは患者に接触する部分を言う。
【００１２】
この構成によると、周波数伝達関数を用いて超音波受波器から出力される出力信号が所望波形を有するような入力信号の波形を導出しているので、超音波受波器から出力される出力信号の波形を時間幅の狭いものとすることが可能である。また、導出された伝達関数が反射波の影響を組み込んだものとなるので、導出された波形を有する入力信号を超音波送波器に供給したときに超音波受波器から出力される出力信号が反射波成分をほとんど含まなくなる。したがって、高精度の測定結果を得ることが可能となる。
【００１３】
本発明において、各測定体の形状が、前記超音波送波器から送波された超音波の超音波送波器から超音波受波器までの反射波の影響を前記伝達関数に含めて所望波形の出力信号を得るように、被検体の測定に適した形状に決定されていることが好ましい（請求項２）。これによると、測定体がいかなる形状であっても測定体内部での反射波の影響を受けないため、自由に被検体の測定に最も適した形状に決定することができる。
【００１４】
本発明の超音波測定装置は、超音波送波器と、超音波受波器と、前記超音波送波器から前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出するための伝達関数導出手段と、出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出手段によって導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出するための入力波形導出手段と、前記入力波形導出手段が導出した波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給するための入力波形供給手段とを備えている。そして、前記伝達関数導出手段が、超音波を受波した前記超音波受波器からの出力信号にインパルス信号を加えた信号に基づいて、測定系の周波数伝達関数を導出する（請求項３）。
【００１５】
本発明の超音波骨密度測定装置は、別の観点において、超音波送波器と、超音波受波器と、前記超音波送波器から被検査物を経て前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出するための伝達関数導出手段と、出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出手段によって導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出するための入力波形導出手段と、前記入力波形導出手段が導出した波形を有する入力信号を前記超音波送波器に供給するための入力波形供給手段とを備えている。そして、前記伝達関数導出手段が、超音波を受波した前記超音波受波器からの出力信号にインパルス信号を加えた信号に基づいて、測定系の周波数伝達関数を導出する（請求項５）。
【００１６】
本発明の超音波測定方法は、超音波送波器から前記超音波受波器に至る測定系の周波数伝達関数を導出する伝達関数導出ステップと、超音波を受波した前記超音波受波器からの出力信号の所望波形と、前記伝達関数導出ステップで導出された周波数伝達関数とに基づいて、前記超音波受波器が前記所望波形を有する出力信号を出力するときに前記超音波送波器に供給される入力信号の波形を導出する入力波形導出ステップとを備えている。そして、前記伝達関数導出ステップにおいて、出力信号にインパルス信号を加えた信号に基づいて、測定系の周波数伝達関数を導出する（請求項８）。
【００１７】
この構成によると、周波数伝達関数を用いて超音波受波器から出力される出力信号が所望波形を有するような入力信号の波形を導出しているので、超音波受波器から出力される出力信号の波形を時間幅の狭いものとすることが可能である。また、導出された伝達関数が反射波の影響を組み込んだものとなるので、導出された波形を有する入力信号を超音波送波器に供給したときに超音波受波器から出力される出力信号が反射波成分をほとんど含まなくなる。したがって、高精度の測定結果を得ることが可能となる。
【００１８】
また、出力信号とインパルス信号とから成る信号に基づいて測定系の周波数伝達関数を導出するため、ノイズの影響をできる限り排除することができる。これにより、さらに高精度の測定結果を得ることができる。
【００１９】
本発明の超音波測定装置において、前記伝達関数導出手段が、前記超音波送波器への入力信号をフーリエ変換するための第１の変換手段と、前記超音波受波器が超音波を受波したときの出力信号にインパルス信号を付加するためのインパルス信号付加手段と、前記インパルス信号付加手段によってインパルス信号が付加された出力信号をフーリエ変換するための第２の変換手段と、前記第１の変換手段によって得られた変換入力信号と、前記第２の変換手段によって得られた変換出力信号との比を求めるための求比手段とを備えていてよい（請求項４）。これにより、伝達関数を迅速に求めることが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態による超音波骨密度測定装置を示す一部断面正面図である。図２は、図１に示す超音波骨密度測定装置のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、図１に示す超音波骨密度測定装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００２２】
図１〜図３に示す超音波骨密度測定装置１において、測定体２は、これと対向配置された測定体３との間隔を可変するために移動自在にされた円筒状の可動タンク７を有している。測定体２、３内には、超音波送受波器４、５がそれぞれ配置されている。超音波送受波器４、５は、超音波の送波及び受波を共に行うことができる機器である。
【００２３】
可動タンク７は、測定体３側に被検体（超音波骨密度測定装置１は被検体として踵を用いるので、以下において、被検体のことを単に踵ということがある）を押し付けるスタンドオフ８が先端に圧入されることで、内部が密閉状態にされている。密閉された測定体３の内部空間には、超音波送受波器４、５から発生される超音波信号を透過し易い超音波透過物質となる超音波透過性流体（例えば、水）が注入されている。
【００２４】
スタンドオフ８は、測定体３に向かって段々に縮径突出する断面台形を呈しており、可動タンク７の軸方向に直交する２つの反射平面８ａ、８ｂを有している。また、スタンドオフ８は、超音波信号を透過させ易く且つ超音波透過性流体と異なる音響インピーダンスを有するアクリル、エポキシ、ウレタンおよびシリコン等の各種樹脂を成形してなるものである。特に、被検体への押し付けに際して反射平面８ａ、８ｂの変形が少ない硬質材料であるアクリル樹脂は、スタンドオフ８の材料として好ましい。なお、後述するスタンドオフ２５もスタンドオフ８と同じ材料からなる。
【００２５】
測定体２の可動タンク７は、対となる２つのタンク支え１１ａ、１１ｂの間に形成されたＶ溝に支持されていると共に、踵が載せられる基台である診断台９に対して駆動機構１０によって移動させることが可能である。駆動機構１０は、可動タンク７に固設されてその軸方向に延びたラック１０ａに噛み合うピニオン１０ｂを有している。ピニオン１０ｂは、診断台９に立設された支持部材１３のオイルレスブッシュによって回転自在に支持されたダイヤルシャフト１２ａに挿入されることによって固定されている。ダイヤルシャフト１２ａのピニオン１０ｂよりも先端側には、取っ手１２ａが取り付けられたダイアル１２が取り付けられている。そのため、ダイアル１２を正逆回転させると、ピニオン１０ｂの回転がラック１０ａに伝達されて、可動タンク７がスタンドオフ８と共に測定体３に近接又は離隔する方向に直線移動する。このようにして、測定体２と測定体３との間隔を変えることができる。また、駆動機構１０には、ピニオン１０ｂの回転を規制する固定ピン（図示せず）が含まれている。この固定ピンによるピニオン１０ｂの回転規制で、２つの測定体２、３の間隔を一定範囲内に保持できるようになっている。
【００２６】
可動タンク７は、図２及び図３に示すように、その軸方向に並行して延びるタンクガイド１５を有している。タンクガイド１５は、診察台９に沿って配置されたガイドシャフト１６と、ガイドシャフト１６に沿ってＵ字型に曲げられたガイド蓋１８とを主要部品としている。ガイドシャフト１６は、その両端側において診断台９に立設された一対の固定台２２ａ、２２ｂに軸支されている。また、ガイド蓋１８は、可動タンク７の外周に固設されたガイド板１７と一体化されることによって、ガイド板１７と共にガイド筒体を構成している。このガイド筒体は、ガイド板１７とガイド蓋１８とで区画されたガイド孔２３を有している。ガイド孔２３には、ガイドシャフト１６が貫通している。そして、ガイド筒体は、ガイド蓋１８の両端の軸受部でガイドシャフト１６に対して軸方向摺動自在に支持されている。
【００２７】
ガイド孔２３は、ガイドシャフト１６の軸方向に延びると共に、部材１８、１７の側面に開口を有している。ガイド孔２３の軸方向両端部は、シール部材１９ａ、１９ｂ及び密閉板２０ａ、２０ｂがそれぞれこの順にガイドシャフト１６に摺動自在に外嵌されることによって密閉されている。可動タンク７が駆動機構１０によって移動させられる際、シール部材１９ａ、１９ｂと密閉板２０ａ、２０ｂとがガイドシャフト１６に対して摺動するので、可動タンク７は安定して案内される。
【００２８】
ガイド孔２３は、ガイドシャフト１６の軸方向に延びるようにガイド板１７に形成された連絡長孔２１を通して可動タンク７内に連通している。したがって、可動タンク７内の超音波透過性液体は、ガイド孔２３内にも充満する。シール部材１９ａ、１９ｂと密閉板２０ａ、２０ｂとでガイド孔２３が軸方向両端部において密閉されているために、ガイド孔２３内に充満した超音波透過性液体が外部に漏れることがない。
【００２９】
測定体３は、可動タンク７のスタンドオフ８に対向して配されたスタンドオフ２５を有している。スタンドオフ２５は、超音波送受波器４、５で発生した超音波信号を透過し易い超音波透過性固体からなる。スタンドオフ２５は、可動タンク７のスタンドオフ８に向かって徐々に縮径した断面台形の突出形状を呈しており、スタンドオフ８の反射面８ａに平行な反射面２５ａを有している。
【００３０】
測定体３は、スタンドオフ２５の軸心が可動タンク７のスタンドオフ８の軸心と一致し且つ反射面２５ａが反射面８ａと平行となるように、診断台９に立設された固定台２８に固設されている。したがって、駆動機構１０によりスタンドオフ８をスタンドオフ２５に近づく方向に直線移動させることにより、２つのスタンドオフ８、２５で踵を挟み込むことができるので、踵を診断台９上に固定することができる。踵を固定するために必要なスタンドオフ８の移動量は、踵の幅寸法に依存する。
【００３１】
上記のように２つのスタンドオフ８、２５が先端側に向かって縮径した断面台形形状となっているので、反射面８ａ、２５ａの面積は比較的小さい。そのため、表面に凹凸がありその凹凸形状が一定でない踵等が被検体であっても、スタンドオフ８、２５の反射面８ａ、２５ａの全面を被検体に密着させ易くなっている。
【００３２】
超音波送受波器４、５としては、通常、超音波信号の発生および検出を１台で行うことができる超音波トランスデューサと呼ばれる装置が用いられる。超音波送受波器４、５は、相互間の距離Ｌ０が固定された状態で測定体２、３内に配置されている。
【００３３】
超音波送受波器４は、スタンドオフ８の反射平面８ａに向かって超音波信号を送信及び受信可能に透過流体が充満した可動タンク７中に配置されると共に、連結部材２７の先端に取り付けられている。連結部材２７は、その基端がガイドシャフト１６に固定されており、連絡長孔２１から可動タンク７内に突出するように延びている。連絡長孔２１がガイドシャフト１６の軸方向に延びるようにガイド板１７に形成されているために、超音波送受波器４をガイドシャフト１６に固定した状態でスタンドオフ８及び可動タンク７を直線移動させることができるようになっている。
【００３４】
超音波送受波器５は、スタンドオフ２５の反射平面２５ａに向かって超音波信号を送信及び受信可能に、気密状態のスタンドオフ２５内に固定されている。上記のように超音波送受波器４、５を配置することにより、一方の超音波送受波器４、５から発せられ、超音波透過性流体およびスタンドオフ８、２５を透過した超音波信号を他方の超音波送受波器４、５で検出することができる。また、一方の超音波送受波器４、５から発せられ、いずれかの反射面８ａ、８ｂ、２５ａで反射した超音波信号を当該一方の超音波送受波器４、５で受信することも可能となる。
【００３５】
次に、超音波骨密度測定装置１のシステム構成について説明する。超音波骨密度測定装置１のシステム構成を示すブロック図である図４に示すように、超音波骨密度測定装置１において、２つの超音波送受波器４、５には、増幅器３１、Ａ／Ｄコンバータ３２、演算器３３、入力波形発生器３４、及び、増幅器３５が接続されている。
【００３６】
なお、以下の説明では、超音波送受波器５が超音波を送波し、超音波送受波器４が超音波を受波するとして説明するが、これとは逆に、超音波送受波器４が超音波を送波し、超音波送受波器５が超音波を受波するようにしてもよい。また、２つの超音波送受波器４、５のいずれか一方だけが超音波の送波及び受波を両方行うようにしてもよい。
【００３７】
増幅器３１は、超音波送受波器４に接続されている。増幅器３１は、超音波を受波した超音波送受波器４の出力信号の電圧を増幅する。増幅器３１には、Ａ／Ｄコンバータ３２が接続されている。Ａ／Ｄコンバータ３２は、増幅器３１の出力信号を、演算器３３で演算処理を実行できるようにデジタル化する。
【００３８】
演算器３３は、以下に説明するような各種の演算処理を実行する。演算器３３は、伝達関数導出部３３１と、入力波形導出部３３６とを含んでいる。伝達関数導出部３３１は、所望出力波形記憶部３３２と、インパルス信号記憶部３３３と、変換部３３４と、求比部３３５とを含んでいる。入力波形導出部３３６は、変換部３３７と、求比部３３８とを含んでいる。
【００３９】
所望出力波形記憶部３３２は、超音波送受波器４で受信されるのに望ましい波形を有する出力信号ｙ（ｔ）（ｔ：時間）に関する波形情報を記憶している。本実施の形態において、所望出力波形記憶部３３２で記憶されている所望出力信号ｙ（ｔ）の波形情報は、周波数が後述する伝達関数の中心周波数の２倍内である１周期分の正弦波（以下、「ｓｉｎ１波」と称する）である。
【００４０】
インパルス信号記憶部３３３は、超音波送受波器５に供給されるインパルス信号ｉ（ｔ）に関する波形情報を記憶している。
【００４１】
変換部３３４は、インパルス信号記憶部３３３に記憶されているインパルス信号ｉ（ｔ）、及び、超音波送受波器４から出力されるインパルス応答信号ｏ（ｔ）をそれぞれフーリエ変換する。以下の説明において、インパルス信号ｉ（ｔ）及びインパルス応答信号ｏ（ｔ）を変換部３３４によってフーリエ変換した信号を、それぞれ、Ｉ（ω）及びＯ（ω）（ω：角周波数）と記載する。
【００４２】
求比部３３５は、変換部３３４で得られた信号Ｏ（ω）とＩ（ω）との比を求める。この比が、超音波骨密度測定装置１の測定系における伝達関数Ｈ（ω）である。
【００４３】
一方、入力波形導出部３３６の変換部３３７は、所望出力波形記憶部３３２に記憶されているｓｉｎ１波の波形を有する出力信号ｙ（ｔ）をフーリエ変換する。以下の説明において、出力信号ｙ（ｔ）を変換部３３７によってフーリエ変換した信号を、Ｙ（ω）と記載する。
【００４４】
求比部３３８は、変換部３３７で得られた信号Ｙ（ω）と、求比部３３５で得られた伝達関数Ｈ（ω）との比を求める。以下の説明において、この比をＸ（ω）と記載する。求比部３３８で求められたＸ（ω）は変換部３３７に与えられて逆フーリエ変換される。これによって、超音波送受波器５に入力すべき入力信号ｘ（ｔ）に関する波形情報が得られる。得られた波形情報は、演算部３３内に記憶される。
【００４５】
入力波形発生器３４は、入力波形導出部３３６で導出された波形を有する入力信号ｘ（ｔ）を発生させる。発生した入力信号ｘ（ｔ）は、増幅器３５により電圧が増幅されて、超音波送受波器５に供給される。
【００４６】
次に、超音波骨密度測定装置１の全体の処理手順について図５及び図６を参照しつつ説明する。図５は、超音波骨密度測定装置１の全体の処理手順を表したフローチャートである。図６は、入力すべき入力信号ｘ（ｔ）を導出する一連の処理を図示したものである。なお、図６内に描かれた信号の形状はいずれも一例として示すものに過ぎない。
【００４７】
まず、ステップＳ２０１において、スタンドオフ８、２５の反射面８ａ、２５ａを接触させる。スタンドオフ８及び２５の接触時には超音波の透過のため、超音波ゼリーを塗布する。その後、ステップＳ２０３に移行する。ステップＳ２０３では、インパルス信号記憶部３３３に記憶されているインパルス信号ｉ（ｔ）（図６のブロックＢ１１内の（ａ）参照）を超音波送受波器５に与え、超音波送受波器５を励振させる。次にステップＳ２０５に移行して、超音波送受波器５が発生した超音波を超音波送受波器４が受信する。すると、超音波送受波器４は、インパルス応答信号ｏ（ｔ）（図６のブロックＢ１２内の（ａ）参照）を出力する。インパルス応答信号ｏ（ｔ）は、増幅器３１、Ａ／Ｄコンバータ３２を経て演算器３３に与えられる。その後、ステップＳ２０７に移行する。
【００４８】
ステップＳ２０７では、変換部３３４により、インパルス信号ｉ（ｔ）をフーリエ変換する。これにより、信号Ｉ（ω）（図６のブロックＢ１１内の（ｂ）参照）が求められる。その後、ステップＳ２０９に移行する。ステップＳ２０９では、変換部３３４により、ステップＳ２０５で超音波送受波器４が発生したインパルス応答信号ｏ（ｔ）をフーリエ変換する。これにより、信号Ｏ（ω）（図６のブロックＢ１２内の（ｂ）参照）が求められる。その後、ステップＳ２１１に移行する。
【００４９】
ステップＳ２１１では、求比部３３５により、ステップＳ２０７及びステップＳ２０９において求められた信号Ｉ（ω）及び信号Ｏ（ω）から、超音波骨密度測定装置１の測定系の周波数伝達関数Ｈ（ω）が計算される（図６のブロックＢ１３参照）。ここで伝達関数Ｈ（ω）は次式で計算できる。計算後、ステップＳ２１３に移行する。
【００５０】
【数１】
2004344181.tif 000003
【００５１】
ステップＳ２１３では、入力波形導出部３３６により、超音波送受波器５に励振すべき入力信号ｘ（ｔ）が計算される。具体的には、まず、変換部３３７により、所望出力波形記憶部３３２に記憶されているｓｉｎ１波の波形を有する所望出力信号ｙ（ｔ）（図６のブロックＢ１４内の（ａ）参照）をフーリエ変換し、信号Ｙ（ω）（図６のブロックＢ１４内の（ｂ）参照）を得る。さらに、求比部３３８により、信号Ｙ（ω）とステップＳ２１１において導出された伝達関数Ｈ（ω）との比である信号Ｘ（ω）（図６のＢ１５参照）が求められる。信号Ｘ（ω）は次式のように表される。
【００５２】
【数２】
2004344181.tif 000004
【００５３】
そして、変換部３３７が信号Ｘ（ω）を逆フーリエ変換する。これによって、超音波送受波器５に入力すべき入力信号ｘ（ｔ）に関する波形情報（図６のブロックＢ１６参照）が得られ、ステップＳ２１５に移行する。
【００５４】
ステップＳ２１５では、ステップＳ２０１において接触させた２つのスタンドオフ８、２５の反射面８ａ、２５ａを再び分離させる。分離させたスタンドオフ８、２５の間に被検体である踵を挿入して、スタンドオフ８、２５の反射面８ａ、２５ａを踵に密着させる。スタンドオフ８及び２５と踵との密着時には超音波の透過のため、超音波ゼリーを塗布する。その後、ステップＳ２１７において、ステップＳ２１３において求められた入力信号ｘ（ｔ）を入力波形発生器３４により発生させる。さらに、増幅器３５により入力信号ｘ（ｔ）の電圧を増幅させて、超音波送受波器５に供給する。
【００５５】
その後、ステップＳ２１９に移行して、超音波送受波器４により、踵を透過した超音波を受信する。その後、ステップＳ２２１で、超音波送受波器４から出力された出力信号に基づいて踵の骨密度を算出する。算出された踵の骨密度は、図示しないディスプレイに表示される。
【００５６】
図７は、超音波骨密度測定装置１での各処理段階で表れる各信号の一例を描いた図である。図７に示すように、インパルス信号（図７のブロックＢ２１内の（ａ）参照）及びインパルス応答信号（図７のブロックＢ２１内の（ｂ）参照）を用いて導出された伝達関数は、測定体２、３及びスタンドオフ８、２５で発生する反射波の影響を組み込んだものとなっているので、この伝達関数を利用して求められた入力すべき入力信号（図７のブロックＢ２２参照）を超音波送受波器５に供給したときに超音波送受波器４から出力された出力信号（図７のブロックＢ２３参照）は、反射波の影響をほとんど受けず、ｓｉｎ１波に近いものとなる。また、超音波送受波器４からの出力信号の時間幅は、高価なコンポジット振動子を用いなくても十分に狭いものとなる。したがって、安価な装置構成によって時間分解能に優れた高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００５７】
また、本実施の形態において、測定体２、３の形状は、前記方法により測定体がいかなる形状であっても測定体内部での反射波の影響を受けないため、自由に被検体である踵の測定に最も適した形状に決定することができる。
【００５８】
また、上述したように伝達関数導出部３３１がフーリエ変換及び求比を行うことで伝達関数を導出しているので、伝達関数を迅速に求めることが可能となっている。
【００５９】
次に、本発明に係る第２の実施の形態による超音波骨密度測定装置について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態の超音波骨密度測定装置は、伝達関数の導出手順において第１の実施の形態の超音波骨密度測定装置と相違している。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
図８は、本実施の形態による超音波骨密度測定装置のシステム構成を示すブロック図である。演算器３６は、伝達関数導出部３６１、及び、入力波形導出部３３６を含んでいる。伝達関数導出部３６１は、所望出力波形記憶部３３２、インパルス信号記憶部３６３、インパルス信号付加部３６４、変換部３６５、及び、求比部３６６を含んでいる。
【００６１】
インパルス信号記憶部３６３は、超音波送受波器５に供給されるインパルス信号ｉ（ｔ）に関する波形情報、及び、インパルス信号ｉ（ｔ）を超音波送受波器５に供給したときの超音波送受波器４からの出力信号ｏ（ｔ）に付加するためのインパルス信号δ（ｔ）に関する波形情報を記憶している。
【００６２】
インパルス信号付加部３６４は、超音波送受波器４から出力されるインパルス応答信号ｏ（ｔ）にインパルス信号記憶部３６３に記憶されているインパルス信号δ（ｔ）を付加する。インパルス信号付加部３６４によってインパルス信号δ（ｔ）が付加されたインパルス応答信号ｏ（ｔ）を、以下の説明において信号ｋ（ｔ）と記載する。
【００６３】
変換部３６５は、インパルス信号記憶部３３３に記憶されているインパルス信号ｉ（ｔ）、及び、インパルス信号付加部３６４でのインパルス信号δ（ｔ）の付加によって得られた信号ｋ（ｔ）をそれぞれフーリエ変換する。以下の説明において、インパルス信号ｉ（ｔ）及び信号ｋ（ｔ）を変換部３６５によってフーリエ変換した信号を、それぞれ、Ｉ（ω）及びＫ（ω）と記載する。
【００６４】
求比部３６６は、変換部３６５で得られた信号Ｋ（ω）とＩ（ω）との比を求める。この比が、本実施の形態による超音波骨密度測定装置の測定系における伝達関数Ｇ（ω）である。
【００６５】
入力波形導出部３３６での処理は、伝達関数Ｈ（ω）がＧ（ω）と表記される以外は同じであるので、説明を省略する。
【００６６】
次に、本実施の形態に係る超音波骨密度測定装置の全体の処理手順について図９のフローチャートを参照しつつ説明する。図９において、ステップＳ３０７までの各処理手順は、第１の実施の形態のステップＳ２０７までの各処理手順と同じであるため、その説明を省略する。
【００６７】
ステップＳ３０９では、インパルス信号付加部３６４により、ステップＳ３０５で超音波送受波器４が発生したインパルス応答信号ｏ（ｔ）に、インパルス信号記憶部３６３に記憶されているインパルス信号δ（ｔ）を付加する。このとき、インパルス信号δ（ｔ）は、インパルス応答信号ｏ（ｔ）の平坦部分に重ねられる。これにより、信号ｋ（ｔ）が得られる。さらにステップＳ３０９では、変換部３６５により、信号ｋ（ｔ）をフーリエ変換する。これにより、信号Ｋ（ω）が求められる。その後、ステップＳ３１１に移行する。
【００６８】
ステップＳ３１１では、求比部３６５により、ステップＳ３０７及びステップＳ３０９において求められた信号Ｉ（ω）及び信号Ｋ（ω）から、超音波骨密度測定装置の測定系の周波数伝達関数Ｇ（ω）が計算される。ここで伝達関数Ｇ（ω）は次式で計算できる。計算後、ステップＳ３１３に移行する。
【００６９】
【数３】
2004344181.tif 000005
【００７０】
ステップＳ３１３以降の各処理手順は、第１の実施の形態のステップＳ２１３〜Ｓ２２１の各処理手順と同様である。
【００７１】
ここで、本実施の形態による超音波骨密度測定装置で導出される伝達関数Ｇ（ω）について、第１の実施の形態における伝達関数Ｈ（ω）と比較しつつ説明する。図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第１の実施の形態におけるインパルス応答信号ｏ（ｔ）及び伝達関数Ｈ（ω）の信号波形図である。図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本実施の形態における信号ｋ（ｔ）（インパルス応答信号ｏ（ｔ）にインパルス信号δ（ｔ）を付加した信号）及び伝達関数Ｇ（ω）の信号波形図である。
【００７２】
図１０（ｂ）に示されているように、伝達関数Ｈ（ω）の高周波域及び低周波域には、不要成分であるノイズが重畳している。このようにノイズが重畳した伝達関数Ｈ（ω）に基づいて入力すべき入力信号ｘ（ｔ）を計算すると、求められた入力信号ｘ（ｔ）の全体に、伝達関数Ｈ（ω）の高周波域成分及び低周波域成分が重畳されてしまう。その結果、この入力信号ｘ（ｔ）を超音波送受波器５に与えたときに得られる出力信号がｓｉｎ１波のような波形から大きくずれて、高精度な測定結果が得られなくなる。
【００７３】
一方、図１１（ｂ）に示されている伝達関数Ｇ（ω）は、インパルス信号δ（ｔ）を付加することで、伝達関数Ｇ（ω）の最大値Ｇ１（周波数ｆｃに対応する）よりも小さい値Ｇ２以下の部分が埋め込まれて（カットされて）一定値となった、高周波域及び低周波域にノイズを有さない波形となっている。したがって、伝達関数Ｇ（ω）に基づいて算出された入力信号ｚ（ｔ）には、伝達関数Ｇ（ω）の高周波域及び低周波域のノイズ成分が重畳されることがない。そのため、ｚ（ｔ）の波形形状が安定し、実回路による送信が簡易になる。
【００７４】
なお、図１１（ｂ）に示すような一定値以下の領域が埋め込まれた伝達関数Ｇ（ω）は、フーリエ変換後の複素演算によっても得ることができる。しかしながら、この複素演算は注意深く行う必要がある上に、複素演算をする必要上計算量も多く長時間を要する。本実施の形態では、インパルス信号を付加するという簡単な処理によって、複雑なアルゴリズムを必要とせず、上記のような伝達関数Ｇ（ω）を簡易に得ることができる点で利益が大きい。
【００７５】
また、本実施の形態によると、上述した第１の実施の形態と同様の利益、すなわち、反射波の影響をほとんど受けず且つ超音波送受波器４からの出力信号の時間幅が十分に狭いものとなるために安価な装置構成によって時間分解能に優れた高精度な測定結果を得ることが可能であること、及び、伝達関数を迅速に求めることが可能であることが得られる。
【００７６】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、伝達関数を導出する際に、スタンドオフ８、２５の反射面８ａ、２５ａを接触させて導出しているが、スタンドオフ８、２５の反射面８ａ、２５ａを接触させずに超音波を被検体に透過させた状態で伝達関数を導出してもよい。
【００７７】
また、上述の実施の形態では、２つの超音波送受波器を用いているが、どちらか一方を超音波送波器とし、他方を超音波受波器としてもよい。
【００７８】
上述の実施の形態では、所望出力信号ｙ（ｔ）の波形をｓｉｎ１波としているが、それ以外の波形としてもよい。例えば、矩形波などでもよい。上述の実施の形態では、演算を実行する演算器を備えているが、演算器を備えず、演算をパーソナルコンピュータ上で実行してもよい。
【００７９】
上述の実施の形態では、インパルス信号のフーリエ変換Ｉ（ω）で除しているが、十分細いインパルスであればＩ（ω）＝１と見なすこと可能である。この場合、Ｈ（ω）＝Ｏ（ω）となる。
【００８０】
上述の実施の形態では、２つの超音波送受波器を用いて超音波を送受しているが、１つの超音波送受波器のみで超音波を送受してもよい。具体的には、超音波送受波器が送信した超音波の反射波を、同じ超音波送受波器で受信して、伝達関数を導出してもよい。
【００８１】
また、第２の実施の形態による超音波骨密度測定装置は、被検体が骨に限定されるものではなく、超音波測定装置として用いることも可能である。その場合、超音波測定装置は基台や測定体といった部材を備えていなくてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波骨密度測定装置によると、送波される超音波の時間幅延長を抑制し且つ反射波の影響を少なくすることで高精度の測定結果を得ることが可能である。また、本発明の超音波測定装置によると、ノイズの影響を受けにくい高精度の測定結果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による超音波骨密度測定装置の全体の構成を示す側面図である。
【図２】図１に示す超音波骨密度測定装置のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示す超音波骨密度測定装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図１に示す超音波骨密度測定装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図５】図１に示す超音波骨密度測定装置による骨密度測定時の処理手順を表したフローチャートである。
【図６】図１に示す超音波骨密度測定装置に入力すべき波形ｘ（ｔ）を導出する一連の処理図である。
【図７】図１に示す超音波骨密度測定装置の出力波形を得るまでの概略図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態による超音波骨密度測定装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示す超音波骨密度測定装置による骨密度測定時の処理手順を表したフローチャートである。
【図１０】図８に示す超音波骨密度測定装置の出力信号にインパルス信号を付加せず伝達関数を導出する場合の信号波形図である
【図１１】図８に示す超音波骨密度測定装置の出力信号にインパルス信号を付加して伝達関数を導出する場合の信号波形図である。
【符号の説明】
１  超音波骨密度測定装置
２、３  測定体
４、５  超音波送受波器
８、２５  スタンドオフ
９  診断台（基台）
３３、３６  演算器
３３１、３６１  伝達関数導出部（伝達関数導出手段）
３３２  所望出力波形記憶部
３３３、３６３  インパルス信号記憶部
３３４、３６５  変換部（第１の変換手段、第２の変換手段）
３３５、３６６  求比部（求比手段）
３３６  入力波形導出部（入力波形導出手段）
３６４  インパルス信号付加部（インパルス信号付加手段）
【図１】
2004344181.tif 000006
【図２】
2004344181.tif 000007
【図３】
2004344181.tif 000008
【図４】
2004344181.tif 000009
【図５】
2004344181.tif 000010
【図６】
2004344181.tif 000011
【図７】
2004344181.tif 000012
【図８】
2004344181.tif 000013
【図９】
2004344181.tif 000014
【図１０】
2004344181.tif 000015
【図１１】
2004344181.tif 000016