(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物の屈伸運動に伴う振動を検出し、振動信号を出力する２以上の振動センサと、
２以上の前記振動センサの少なくとも１つである第１の振動センサの前記検査対象物側の面に配置される、生体の音響インピーダンス以上の音響インピーダンスを持った第１物質層と、
２以上の前記振動センサのうち、前記第１の振動センサ以外の少なくとも１つである第２の振動センサの前記検査対象物側の面に配置され、前記屈伸運動に伴う振動が前記第２の振動センサに伝達されるのを抑制する振動伝達抑制層とを有することを特徴とする関節音測定システム。
【請求項２】
前記振動伝達抑制層は、生体の音響インピーダンス未満の音響インピーダンスを持った物質からなる層である請求項１に記載の関節音測定システム。
【請求項３】
前記振動伝達抑制層は、圧縮弾性率が２７０ｋＰａ以下の物質からなる層である請求項１に記載の関節音測定システム。
【請求項４】
前記第１の振動センサから出力される第１の振動信号と、前記第２の振動センサから出力される第２の振動信号との差分信号を算出する差分信号算出部を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【請求項５】
前記第１の振動センサの１つと、前記第２の振動センサの１つとが、前記検査対象物の、互いに近接する位置に取り付けられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【請求項６】
前記検査対象物に取り付けた際の、前記第１の振動センサと、前記第２の振動センサとの間の距離が２０ｍｍ以下である請求項５に記載の関節音測定システム。
【請求項７】
１つの前記第１の振動センサと、１つの前記第２の振動センサとの２つの前記振動センサを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【請求項８】
前記第１物質層の音響インピーダンスが、１．３５×１０６〜４７×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）である請求項１〜７のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【請求項９】
前記第２物質層の音響インピーダンスが、１.３５×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）未満である請求項１〜８のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【請求項１０】
前記差分信号に対して周波数解析を行い、解析信号を出力する周波数解析部を有する請求項４〜９のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【請求項１１】
前記周波数解析部が、高速フーリエ変換を行う請求項１０に記載の関節音測定システム。
【請求項１２】
前記振動センサが、圧電型加速度センサである請求項１〜１１のいずれか１項に記載の関節音測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節音測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変形性膝関節症（以下、ＯＡともいう）の診断は、主にＸ線画像を用いた診断が行われている。ＯＡとは、関節軟骨が、磨耗により磨り減ったり変形することによって炎症を起こすものである。
しかしながら、Ｘ線画像には軟骨が写らないため、骨間距離から軟骨の状態を推測して診断する必要があり診断精度に問題があった。
さらに、高精度に診断する方法として、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）診断や関節鏡を用いた診断があるが、大型の装置が必要であったり、患者への負担が大きいため、早期診断や生着診断等に利用するのは難しいという問題があった。
【０００３】
これに対して、ＯＡの診断技術として関節音による測定（ＶＡＧ（Vibroarthrography））が提案されている。
ＶＡＧとは、屈伸運動などを行うことで、自分の体重を負荷として軟骨細胞に付加し、膝器官中の大腿骨と脛骨および膝蓋骨との端部に存在する軟骨細胞同士が擦れることで発生する関節音を、体外に設置した加速度センサやマイクロフォンを用いて振動信号として検出し、ＯＡ疾患の有無によりある特定の周波数成分の信号強度が増減する点から関節軟骨の状態を評価する非侵襲的な診断方法である。尚、本発明において、振動センサは加速度センサや音響センサ、マイクロフォンなど振動を検出するセンサの総称とする。
【０００４】
例えば、特許文献１には、被検査者の関節近傍の皮膚上に取り付けられる生体用音響センサと、関節近傍の屈伸角度を検出する角度センサと、被検査者の関節の屈伸に伴う運動加速度を検出する加重計と、生体用音響センサと、角度センサと、加重計の検出結果に基づいて関節症の診断を行う診断装置と、を備える診断システムが記載されている。
また、この特許文献１には、生体音響センサの検出信号に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数解析等の信号処理を行って、周波数スペクトル特性の特徴に基づいて診断を行うことが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、関節を挟んで一方の側の部位に取付けられる加速度計と、他方の側の部位に取付けられる加速度計と、２つの加速度計が発生する振動のタイミング差を検知する手段とを備え、関節の両側部位が直線的関係にある状態で一方の側に力が加えられた際の２つの加速度計が発生する振動のタイミング差によって関節の衝撃緩衝組織劣化状態を評価することが記載されている。
【０００６】
このようなＶＡＧによるＯＡの診断において、誤診の可能性を低減し、より正確な診断を行うためには、種々のノイズに起因するアーティファクトの少ない信号を取得する必要がある。
一般に、音響信号からノイズ成分を除去する場合には、フィルターを用いる等のソフトウェア的な信号処理を行うことが考えられる。
また、非特許文献１では、ノイズの影響を抑制するために、音響センサからのデータの２５°〜７５°の範囲に該当するデータについてＦＦＴを行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２０１１／０９６４１９公報
【特許文献２】特開２０１２−１８３２９４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】6th Int'l Conf. Generic Evolutionary Computing, 2012（T.F.Lee et al.）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ＶＡＧによる診断の場合には、振動センサである加速度センサを被検体の表面（皮膚上）に取り付けて屈伸運動を行いつつ振動信号を測定するので、屈伸運動に伴う加速度センサ自体の変動、センサーケーブルの変動、皮膚とセンサ間の摩擦による振動、および、加速度センサを固定するための固着バンドとセンサ間の摩擦による振動等に起因してノイズが発生する。
これらに起因して生じるノイズは、フィルターを用いる等のソフトウェア的な信号処理や、利用する信号の範囲を屈伸角度で区切ることでは、取り除くことが難しいことがわかった。そのため、これらのノイズに起因して生じるアーティファクトの影響により、関節音の正確な数値を計測することが困難であり、より高精度な診断が難しいという問題があることがわかった。
【００１０】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、非侵襲的に変形性膝関節症の診断を行うことができ、かつ、高精度な振動信号を測定することができ、より正確な診断が可能な関節音測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、検査対象物の屈伸運動に伴う振動を検出し、振動信号を出力する２以上の振動センサと、２以上の振動センサの少なくとも１つである第１の振動センサの検査対象物側の面に配置される、生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを持った第１物質層と、２以上の振動センサのうち、第１の振動センサ以外の少なくとも１つである第２の振動センサの検査対象物側の面に配置され、前記屈伸運動に伴う振動が前記第２の振動センサに伝達されるのを抑制する振動伝達抑制層とを有することで上記課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（１２）を提供する。
【００１２】
（１）  検査対象物の屈伸運動に伴う振動を検出し、振動信号を出力する２以上の振動センサと、
２以上の振動センサの少なくとも１つである第１の振動センサの検査対象物側の面に配置される、生体の音響インピーダンス以上の音響インピーダンスを持った第１物質層と、
２以上の振動センサのうち、第１の振動センサ以外の少なくとも１つである第２の振動センサの検査対象物側の面に配置され、屈伸運動に伴う振動が第２の振動センサに伝達されるのを抑制する振動伝達抑制層とを有する関節音測定システム。
（２）  振動伝達抑制層は、生体の音響インピーダンス未満の音響インピーダンスを持った物質からなる層である（１）に記載の関節音測定システム。
（３）  振動伝達抑制層は、圧縮弾性率が２７０ｋＰａ以下の物質からなる層である（１）に記載の関節音測定システム。
（４）  第１の振動センサから出力される第１の振動信号と、第２の振動センサから出力される第２の振動信号との差分信号を算出する差分信号算出部を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（５）  第１の振動センサの１つと、第２の振動センサの１つとが、検査対象物の、互いに近接する位置に取り付けられる（１）〜（４）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（６）  検査対象物に取り付けた際の、第１の振動センサと、第２の振動センサとの間の距離が２０ｍｍ以下である（５）に記載の関節音測定システム。
（７）  １つの第１の振動センサと、１つの第２の振動センサとの２つの振動センサを有する（１）〜（６）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（８）  第１物質層の音響インピーダンスが、１．３５×１０６〜４７×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）である（１）〜（７）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（９）  第２物質層の音響インピーダンスが、１.３５×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）未満である（１）〜（８）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（１０）  差分信号に対して周波数解析を行い、解析信号を出力する周波数解析部を有する（４）〜（９）のいずれかに記載の関節音測定システム。
（１１）  周波数解析部が、高速フーリエ変換を行う（１０）に記載の関節音測定システム。
（１２）  振動センサが、圧電型加速度センサである（１）〜（１１）のいずれかに記載の関節音測定システム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、非侵襲的に変形性膝関節症の診断を行うことができ、かつ、高精度な振動信号を測定することができ、より正確な診断が可能な関節音測定システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の関節音測定システムの構成の一例を概念的に示すブロック図である。
【図２】図２（Ａ）は、加速度センサを取り付けた状態を模式的に示す側面図であり、図２（Ｂ）は、加速度センサを取り付けた状態を模式的に示す断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、第１の加速度センサにより検出された信号を概念的に表すグラフであり、図３（Ｂ）は、第２の加速度センサにより検出された信号を概念的に表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の関節音測定システムについて、添付の図面に示される好適な第１実施形態を基に、詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【００１６】
図１に、本発明の関節音測定システムの一例を、ブロック図によって概念的に示し、図２（Ａ）に、関節音測定システムの加速度センサを検査対象物に取り付けた状態の模式図を示す。
図１および図２に示す関節音測定システム１０は、第１の加速度センサ１２ａと、第１の加速度センサ１２ａの検査対象物側の面に設けられる第１物質層１４と、第２の加速度センサ１２ｂと、第２の加速度センサ１２ｂの検査対象物側の面に設けられる振動伝達抑制層１５と、第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂに接続される差分信号算出部１６と、周波数解析部１８と、判定部２０と、表示部２２と、制御部２４と、操作部２６とを有する。
図示例においては、差分信号算出部１６、周波数解析部１８、判定部２０、表示部２２、制御部２４、および、操作部２６が、測定装置本体１３を構成する。
また、加速度センサ１２ａ〜１２ｄは、本発明における振動センサの一種である。
【００１７】
図２（Ａ）に示すように、関節音測定システム１０において、第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂは、検査対象物（被検体）の膝関節近傍の皮膚に取り付けられるものであり、ケーブルＣｂあるいは無線によって測定装置本体１３と接続される。図示例においては、第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂはそれぞれ、固着バンドＢｄにより被検体Ｔｏに固定される。
ここで、本発明の関節音測定システム１０においては、第１の加速度センサ１２ａの被検体Ｔｏ側の表面に第１物質層１４を有し、第２の加速度センサ１２ｂの被検体Ｔｏ側の表面に振動伝達抑制層１５を有するので、第１の加速度センサ１２ａと被検体Ｔｏとの間に第１物質層１４が設置され、第２の加速度センサ１２ｂと被検体Ｔｏとの間に振動伝達抑制層１５が設置される。
なお、第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂは、被検体との間に設置される層の種類が異なる以外は、基本的に同じ構成を有するので、以下の説明において、第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂを区別する必要がない場合には、まとめて加速度センサ１２として説明を行う。
【００１８】
加速度センサ１２は、被検体の屈伸運動に伴う関節音を振動として検出し、振動信号を出力するセンサである。
加速度センサ１２としては、圧電式、静電容量式、サーボ式、気泡式、熱検知方式、機械的変位測定方式等の種々の公知の加速度センサが利用可能である。なかでも、圧電型加速度センサは、検出できる加速度成分の範囲と検出できる周波数範囲の点で好適である。
【００１９】
第１の加速度センサ１２ａの取り付け位置には特に限定はなく、加速度センサの数、被検体の屈伸運動の方法等に応じて適宜決定すればよい。
一例として、第１の加速度センサ１２ａは、脛骨の外側顆の位置、脛骨の内側顆の位置、膝蓋骨の位置、および、脛骨の位置等に取り付けるのが好ましい。
【００２０】
第２の加速度センサ１２ｂの取り付け位置にも特に限定はないが、第１の加速度センサ１２ａにより検出されるノイズ成分と第２の加速度センサ１２ｂにより検出されるノイズ成分とをより近似させることができる等の観点から、第１の加速度センサ１２ａに近接して取り付けるのが好ましい。
具体的には、第２の加速度センサ１２ｂは、第１の加速度センサ１２ａとの間の距離が２０ｍｍ以内の位置に取り付けられるのが好ましく、５ｍｍ以内であるのがより好ましい。
【００２１】
なお、図示例においては、加速度センサを２つ有する構成としたが、これに限定はされず、３つ以上であっても良い。
加速度センサを３つ以上有する場合には、少なくとも１つが第１の加速度センサ１２ａであり、第１の加速度センサ１２ａ以外のうち少なくとも１つのが第２の加速度センサ１２ｂであればよい。その際、第１の加速度センサ１２ａの数と第２の加速度センサ１２ｂの数が同じであるのが好ましい。
例えば、４つの第１の加速度センサ１２ａを有する場合には、４つの第１の加速度センサ１２ａにそれぞれ対応する４つの第２の加速度センサ１２ｂを有するのが好ましい。
第１の加速度センサ１２ａそれぞれに対応して第２の加速度センサ１２ｂを有することで、後述する差分信号算出部１６により、第１の加速度センサ１２ａから出力される振動信号と第２の加速度センサ１２ｂから出力される振動信号との差分信号を算出することができ、高精度な振動信号を得ることができる点で好ましい。
【００２２】
加速度センサ１２はそれぞれ、検出した振動信号を測定装置本体１３の信号受信部（図示せず）を介して、測定装置本体１３に供給し、差分信号算出部１６に供給する。なお、信号受信部は、加速度センサ１２から出力された振動信号を、ＡＤ変換するＡＤ変換部や、信号を増幅する増幅部を有していてもよい。また、信号受信部と差分信号算出部１６との間には、各種の公知の信号処理を行う信号処理部を有していてもよい。
【００２３】
第１物質層１４は、第１の加速度センサ１２ａの被検体Ｔｏ側の表面に設けられる層である。
すなわち、図２（Ａ）に示すように、第１物質層１４は、第１の加速度センサ１２ａを被検体Ｔｏに取り付けた際に、第１の加速度センサ１２ａと被検体Ｔｏとの間に設置される。
【００２４】
この第１物質層１４は、被検体Ｔｏ内の振動を第１の加速度センサ１２ａに好適に伝播するための層である。したがって、第１物質層１４は、音響インピーダンスの値が生体の音響インピーダンス以上である材料からなる層であり、好ましくは、生体の音響インピーダンス以上かつ金属の音響インピーダンス以下である材料からなる。
具体的には、第１物質層１４の音響インピーダンスは、１．３５×１０６〜４７×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）の範囲が好ましく、１．３６×１０６〜４７×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）の範囲がより好ましく、１．３７×１０６〜１５×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）の範囲が特に好ましい。
このような音響インピーダンスを有する第１物質層１４の材料としては、例えば、ウレタンゲル等の、高分子材料が架橋されることで三次元的な網目構造を形成し、その内部に水等の溶媒を吸収し膨潤したゲルを用いることができる。具体的には、このようなゲルとしては、ソナゲル（タキロン社製）等のウレタンゲル、ジェルファイン（オオサキメディカル株式会社）、キャビジェル（株式会社メイク）などの超音波検査で用いられる超音波ジェルを用いることができる。あるいは、第１物質層１４の材料としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等を用いることができる。
【００２５】
また、第１物質層１４の厚さは、被検体Ｔｏ内からの振動を第１の加速度センサ１２ａに好適に伝播する等の観点から、１ｍｍ〜２０ｍｍが好ましく、１ｍｍ〜１０ｍｍがより好ましい。
【００２６】
第１の加速度センサ１２ａを被検体Ｔｏの皮膚に直接接触させて固定した場合には、第１の加速度センサ１２ａと皮膚との間に空気の層ができてしまい、この空気との界面で振動が反射して体内に戻ってしまうため、被検体Ｔｏ内からの振動が第１の加速度センサ１２ａに十分に伝わらないおそれがある。これに対して、第１の加速度センサ１２ａと被検体Ｔｏとの間に、音響インピーダンスの値が生体の音響インピーダンス以上かつ金属の音響インピーダンス以下の物質からなる第１物質層１４を設けることで、第１の加速度センサ１２ａと皮膚との間に空気の層ができることを抑制でき、これにより、被検体Ｔｏ内の振動を第１の加速度センサ１２ａに十分に伝えることができる。
【００２７】
振動伝達抑制層１５は、第２の加速度センサ１２ｂの被検体Ｔｏ側の表面に設けられる層である。
すなわち、図２（Ａ）に示すように、振動伝達抑制層１５は、第２の加速度センサ１２ｂを被検体Ｔｏに取り付けた際に、第２の加速度センサ１２ｂと被検体Ｔｏとの間に設置される。
【００２８】
この振動伝達抑制層１５は、被検体Ｔｏ内からの振動が第２の加速度センサ１２ｂに伝播するのを抑制するための層である。
振動伝達抑制層１５としては、生体の音響インピーダンスと第２の加速度センサ１２ｂの音響インピーダンスの両方から遠い値、すなわち、生体の音響インピーダンス未満の値の音響インピーダンスをもった物質からなる層を用いることができる。振動伝達抑制層１５として、生体の音響インピーダンス未満の音響インピーダンスを持った物質からなる層を用いることで、被検体Ｔｏ内から伝達してきた振動を、振動伝達抑制層１５と被検体Ｔｏとの界面、あるいは、振動伝達抑制層１５と第２の加速度センサ１２ｂとの界面で反射させて、被検体Ｔｏ内からの振動が第２の加速度センサ１２ｂに伝達するのを抑制して、第２の加速度センサ１２ｂが被検体Ｔｏ内からの振動を検出しないようにする。
【００２９】
このような生体の音響インピーダンス未満の音響インピーダンスを持った物質からなる振動伝達抑制層１５の音響インピーダンスは、１．３５×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）未満が好ましく、１．２×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）以下が好ましく、１.１××１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）以下が特に好ましい。
【００３０】
このような音響インピーダンスを有する振動伝達抑制層１５の材料としては特に限定はないが、シリコーンゲル、空気層等を用いることができる。
なお、振動伝達抑制層１５として空気層を用いる場合には、第２の加速度センサ１２ｂと被検体Ｔｏの皮膚との間に、スペーサ等を配置して、第２の加速度センサ１２ｂと皮膚とが直接接触しないようにして固定する構成とすればよい。
【００３１】
また、振動伝達抑制層１５としては、圧縮弾性率が２７０ｋＰａ以下の物質からなる層を用いることができる。振動伝達抑制層１５として、圧縮弾性率が低い物質からなる層を用いることで、被検体Ｔｏ内から伝達してきた振動を吸収して、振動が第２の加速度センサ１２ｂに伝達するのを抑制して、第２の加速度センサ１２ｂが振動を検出しないようにする。
【００３２】
振動をより好適に吸収できる点から、振動伝達抑制層１５の圧縮弾性率は２７０ｋＰａが好ましく、１６０ｋＰａがより好ましい。
このような圧縮弾性率を持つ振動伝達抑制層１５の材料としては、シリコーンゲル、フィラー含有シリコーンゲル等が挙げられる。
【００３３】
なお、振動伝達抑制層１５の材料として、生体の音響インピーダンス未満の値の音響インピーダンスを持ち、かつ、圧縮弾性率が２７０ｋＰａ以下の物質を用いてもよい。
【００３４】
また、振動伝達抑制層１５の厚さは、被検体Ｔｏ内からの振動が第２の加速度センサ１２ｂに伝播するのを好適に抑制する、余計なノイズを発生させない等の観点から、１ｍｍ〜４０ｍｍが好ましく、１ｍｍ〜１０ｍｍがより好ましい。
【００３５】
ここで、被検体Ｔｏとの間に第１物質層１４を有する第１の加速度センサ１２ａ、および、被検体Ｔｏとの間に振動伝達抑制層１５を有する第２の加速度センサ１２ｂによって検出される振動信号について、図２（Ｂ）を用いて説明する。
図２（Ｂ）は、加速度センサを被検体に取り付けた状態を模式的に示す断面図である。
まず、被検体Ｔｏとの間に、生体に近い音響インピーダンスを有する第１物質層１４が設けられた第１の加速度センサ１２ａの場合について説明する。被検体Ｔｏ内で、屈伸運動に伴って膝の軟骨同士が擦れて発生する関節音は、被検体Ｔｏ内を伝播して第１物質層１４に到達する。その際、第１物質層１４の音響インピーダンスの値は、被検体Ｔｏの音響インピーダンスと第１の加速度センサ１２ａの音響インピーダンスの間にあるため、被検体Ｔｏ内で生じた関節音は、被検体Ｔｏと第１物質層１４との界面で反射されたり、被検体Ｔｏと第１の加速度センサ１２aとの界面で反射されることなく、且つ、振動が第１物質層１４で吸収されることが無いため、第１物質層１４を伝播して、第１の加速度センサ１２ａに到達する。
したがって、第１の加速度センサ１２ａは、被検体Ｔｏ内で発生する関節音を検出することができる。
ここで、前述のとおり、加速度センサを被検体の表面に取り付けて屈伸運動を行いつつ振動信号を測定するので、屈伸運動に伴う加速度センサ自体の変動、センサーケーブルの変動、皮膚とセンサ間の摩擦による振動、および、加速度センサを固定するための固着バンドとセンサ間の摩擦による振動等に起因するノイズが発生する。したがって、第１の加速度センサ１２ａはこれらのノイズを含んだ関節音を検出し、図３（Ａ）に表すグラフのような振動信号Ｖ１として出力する。
【００３６】
一方、被検体Ｔｏとの間に、振動伝達抑制層１５が設けられた第２の加速度センサ１２ｂの場合について説明する。
被検体Ｔｏ内で、膝の軟骨同士が擦れて発生する関節音は、被検体Ｔｏ内を伝播して振動伝達抑制層１５に到達する。しかしながら、振動伝達抑制層１５の音響インピーダンスが被検体Ｔｏの音響インピーダンス未満の場合には、関節音は、被検体Ｔｏと振動伝達抑制層１５との界面、あるいは、振動伝達抑制層１５と第２の加速度センサ１２ｂとの界面で反射される。あるいは、振動伝達抑制層１５が低い圧縮弾性率の材料の場合には、振動伝達抑制層１５中で吸収される。したがって、関節音は、第２の加速度センサ１２ｂに到達しないので、第２の加速度センサ１２ｂは、被検体Ｔｏ内で発生する関節音を検出しない。
ここで、前述のとおり、加速度センサを被検体の表面に取り付けて屈伸運動を行いつつ振動信号を測定するので、屈伸運動に伴う加速度センサ自体の変動、センサーケーブルの変動、皮膚とセンサ間の摩擦による振動、および、加速度センサを固定するための固着バンドとセンサ間の摩擦による振動等に起因するノイズが発生する。これらのノイズは、いずれも被検体Ｔｏ内から振動伝達抑制層１５を介して第２の加速度センサ１２ｂに伝播するものではないので、第２の加速度センサ１２ｂはこれらのノイズを検出して、図３（Ｂ）に概念的に表すグラフのような、ノイズ成分のみに起因する振動信号Ｖ２を出力する。
【００３７】
測定装置本体１３の差分信号算出部１６は、第１の加速度センサ１２ａから供給される振動信号Ｖ１と第２の加速度センサ１２ｂから供給される振動信号Ｖ２との差分を算出する部位である。差分信号算出部１６は、振動信号Ｖ１と振動信号Ｖ２との差分である、差分信号Ｖ３を算出する。
【００３８】
上述のとおり、第１の加速度センサ１２ａから出力される振動信号Ｖ１は、屈伸運動に伴って膝の軟骨同士が擦れて発生する関節音に起因する成分のみならず、屈伸運動に伴う加速度センサ自体の変動、センサーケーブルの変動、皮膚とセンサ間の摩擦による振動、および、加速度センサを固定するための固着バンドとセンサ間の摩擦による振動等に起因するノイズ成分を含んだ信号である。
一方、第２の加速度センサ１２ｂから出力される振動信号Ｖ２は、関節音は検出せずに、ノイズ成分のみを含んだ信号である。
したがって、差分信号算出部１６において、関節音に起因する成分とノイズ成分を含む振動信号Ｖ１とノイズ成分のみを含む振動信号Ｖ２との差分をとることで、ノイズ成分を除去した、関節音に起因する成分のみを含む差分信号Ｖ３を得ることができる。
【００３９】
前述のとおり、ＶＡＧ（Vibroarthrography）による診断では、加速度センサを被検体の表面（皮膚上）に取り付けて屈伸運動を行いつつ振動信号を測定するので、屈伸運動に伴う加速度センサ自体の変動、センサーケーブルの変動、皮膚とセンサ間の摩擦による振動、および、加速度センサを固定するための固着バンドとセンサ間の摩擦による振動等に起因してノイズが発生するという問題があった。
これらに起因して生じるノイズは、フィルターを用いる等のソフトウェア的な信号処理や、利用する信号の範囲を屈伸角度で区切ることでは、取り除くことが難しいことがわかった。そのため、これらのノイズに起因して生じるアーティファクトの影響により、関節音の正確な数値を計測することが困難であり、より高精度な診断が難しいという問題があることがわかった。
【００４０】
これに対して、本発明の関節音測定システムにおいては、２つの加速度センサを用いて、一方の加速度センサには、被検体との間に、生体の音響インピーダンス以上の音響インピーダンスを有する第１物質層１４を設置し、他方の加速度センサには、関節音に起因する振動が伝達されるのを抑制する振動伝達抑制層１５を設置して、これらの加速度センサから出力される振動信号の差分を求めることにより、ノイズ成分を除去した、関節音に起因する成分のみを含む、アーティファクトの少ない差分信号を得ることができる。この差分信号を用いて診断を行うことで、より正確な診断が可能となる。
【００４１】
また、ＶＡＧによるＯＡの診断においては、膝の軟骨細胞同士を擦り合わせるために、屈伸運動や、脚をスウィングさせるなどの運動が必要である。そこで予めこれらの運動に伴うノイズ成分を推定しておき、一定のノイズ成分を減算する方法で、ノイズ成分を除去する方法も考えられるが、毎回同じ運動を行うことは非常に困難であったため、精度を高くすることはできない。これに対して、本発明では、毎回同じ運動が行えなくても、関節音の測定と同時にノイズ成分を検出するので、高精度な信号を得ることができる。
【００４２】
なお、加速度センサを３つ以上有し、複数の第１の加速度センサ１２ａ、および、複数の第２の加速度センサ１２ｂを有する場合には、差分信号算出部１６は、各第１の加速度センサ１２ａと、各第１の加速度センサ１２ａに最も近接する第２の加速度センサ１２ｂとを組として、各組において振動信号Ｖ１と振動信号Ｖ２との差分を求めればよい。
【００４３】
また、差分信号算出部１６は、振動信号Ｖ１と振動信号Ｖ２との差分を求める際に、各振動信号に重み付けを行って差分を求めてもよい。
例えば、第１の加速度センサ１２ａと第２の加速度センサ１２ｂとの取り付け位置の関係や、第１の加速度センサ１２ａと第２の加速度センサ１２ｂとの間の距離等に応じて重み付けを行って差分を求めるようにしてもよい。
【００４４】
差分信号算出部１６は、得られた差分信号Ｖ３を周波数解析部１８に供給する。
【００４５】
周波数解析部１８は、差分信号算出部１６から供給される差分信号Ｖ３に対して、周波数解析を行って、解析信号Ａを出力する部位である。
【００４６】
周波数解析部１８が行う周波数解析としては、分割信号の周波数特性を求める数学処理であれば特に限定はない。具体的には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、ウェーブレット変換、time-frequency法、統計的解析手法等が利用可能である。
なかでも、処理負荷が低い、計算コストが安価等の観点からＦＦＴによる周波数解析が好ましい。
【００４７】
変形性膝関節症（ＯＡ）の診断では、ＯＡ患者の関節音は、健常者の関節音に比べて、所定の周波数帯（例えば、５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯）で高いパワーを示すことを利用して診断を行う。
すなわち、膝の関節音の振動信号に対して、ＦＦＴ等の周波数解析を行い、パワー値と周波数との関係を表す解析信号Ａを求め、この解析信号Ａの５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯でのパワー値を健常者のものと比較することで、診断を行うことができる。
【００４８】
ここで、本発明においては、振動信号Ｖ１と振動信号Ｖ２との差分をとることで、ノイズ成分を除去した差分信号Ｖ３に対して周波数解析を行う。そのため、関節音の正確な数値を用いて解析を行うことができ、より精度の高い診断が可能となる。
【００４９】
なお、複数組の第１の加速度センサ１２ａ、および、第２の加速度センサ１２ｂを有し、差分信号算出部が複数の差分信号を算出する場合には、周波数解析部１８は、各差分信号に対して、周波数解析を行って解析信号を求めればよい。
【００５０】
周波数解析部１８は、得られた解析信号Ａを判定部２０に供給する。
【００５１】
判定部２０は、周波数解析部１８から供給される解析信号ＡからＯＡであるか否かを判定する部位である。
具体的には、例えば、判定部２０は、解析信号Ａでの所定の周波数帯のパワー値を基準となるパワー値と比較して、基準のパワー値を上回った場合には、ＯＡであると判定し、解析信号Ａが基準のパワー値以下であった場合には、正常であると判定する。
【００５２】
なお、複数組の第１の加速度センサ１２ａ、および、第２の加速度センサ１２ｂを有し、差分信号算出部１６が複数の差分信号を算出し、周波数解析部１８が複数の解析信号を算出する場合には、判定部２０は、解析信号の平均値を求めて、この解析信号の平均値について、基準のパワー値を上回るか否かの比較を行い、上述の判定をすればよい。あるいは、解析信号ごとに上述の判定を行い、最も判定結果が多い判定結果を採用してもよい。
【００５３】
なお、２組以上の加速度センサを用いて複数の差分信号を求める場合には、理想的には全て差分信号から同じ判定結果が得られるが、加速度センサ１２の取り付け位置や、ノイズ等の影響で判定結果にばらつきが生じることがある。これに対して、２組以上の加速度センサを用いて複数の差分信号を求めることで、加速度センサ１２の取り付け位置や、ノイズ等の影響を低減でき、より正確に判定することができる。
【００５４】
また、判定部２０は、複数の異なる基準のパワー値に基づいて、判定を行い、ＯＡの症状の度合を判定してもよい。
例えば、３つの基準のパワー値に基づいて、解析信号Ａの所定の周波数帯のパワー値が、最も高い基準のパワー値よりも高い場合には、重度と判定し、最も高い基準のパワー値以下で２番目に高い基準のパワー値よりも高い場合には、中度と判定し、２番目に高い基準のパワー値以下で３番目に高い基準のパワー値よりも高い場合には、軽度と判定し、３番目に高い基準のパワー値以下の場合には、正常と判定するようにしてもよい。
判定部２０は、判定結果を表示部２２に供給する。
【００５５】
表示部２２は、例えば、ＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、判定部２０から供給された判定結果を制御部２４の制御の下で表示する。
【００５６】
制御部２４は、操作者により操作部２６から入力された指令に基づいて関節音測定システム１０の各部の制御を行う部位である。
また、制御部２４は、操作部２６を用いて操作者によって入力された各種の情報を、必要な部位に供給する。例えば、操作部２６に、測定の開始および終了の情報、差分信号算出部１６で用いられる重み付けの情報、判定部２０で用いられる基準のパワー値の情報等の入力が行われた場合には、これらの情報を、必要に応じて、関節音測定システムの各部に供給する。
【００５７】
操作部２６は、操作者が入力操作を行うためのものであり、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパネル等から形成することができる。
また、操作部２６は、操作者が、必要に応じて各種の情報を入力するための、入力機能を備えている。例えば、操作部２６は、測定の開始および終了の情報、差分信号算出部１６で用いられる重み付けの情報、判定部２０で用いられる基準のパワー値の情報等を入力するための、入力機能を備えている。
【００５８】
なお、関節音測定システムにおいて、差分信号算出部１６、周波数解析部１８、判定部２０および制御部２４等は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵに各種の処理を行わせるための動作プログラムから構成され、例えば、ＰＣ（personal computer）を用いてもよい。しかしながら、本発明においては、これらの部位をデジタル回路で構成してもよい。
【００５９】
ここで、複数組の第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂを有する場合には、全ての組において、加速度センサが出力する振動信号から差分信号を求める構成であってもよく、少なくとも１組において、加速度センサが出力する振動信号から差分信号を求める構成であってもよい。
また、複数組の第１の加速度センサ１２ａおよび第２の加速度センサ１２ｂを有する場合には、各組の加速度センサから得られる差分信号すべてに対して、周波数解析を行う構成であってもよく、少なくとも１組の加速度センサから得られる差分信号に対して周波数解析を行う構成であってもよい。
【００６０】
また、図１に示す例では、判定部２０の判定結果を表示部２２に表示する構成としたが、これに限定はされず、判定部２０の判定結果を音声等により通知するものであってもよい。
また、図１に示す例では、周波数解析部１８による解析信号に基づいて、判定部２０がＯＡであるか否かを判定して、判定結果を表示部２２に表示する構成としたが、これに限定はされず、周波数解析部１８による解析信号のグラフを表示部２２に表示する構成としてもよい。すなわち、解析信号のグラフを表示部２２に表示するのみで、医師等が、解析信号のグラフを見て診断を行うようにしてもよい。
【００６１】
また、本発明の関節音測定システム１０は、被検体の屈伸運動に伴う膝の曲げ伸ばしの角度（屈伸角度）を検出する角度センサを有していてもよい。
角度センサとしては、特に限定はなく、水平方向に対する傾斜角度を検出する傾斜計、ロータリーエンコーダ等の回転角センサ、ポテンショメータ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）静電容量方式角度センサ方式等の種々の公知の角度センサが利用可能である。なかでも、ＭＥＭＳ静電容量方式角度センサは、角度分解能と応答速度の点で好適である。
【００６２】
なお、角度センサによる屈伸角度の検出は、膝を伸ばした状態を０°とし、膝を９０°曲げた状態を９０°として検出してもよく、あるいは、膝を伸ばした状態を９０°とし、膝を９０°曲げた状態を０°として検出してもよい。
【００６３】
また、図１に示す例では、振動センサとして、加速度センサを用いたがこれに限定はされず、電子聴診器や、マイクロフォン等の音を検出するデバイスを用いてもよい。
【００６４】
以上、本発明の関節音測定システムに関して詳細に説明したが、本発明は、上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
【実施例】
【００６５】
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。
【００６６】
［実施例１］
被検体の膝の大腿骨外側顆側に、固着バンドＢｄを用いて、第１の加速度センサ１２ａ（ワコーテック社製  MA3-04AD）を固定した。
第１の加速度センサ１２ａと被検体との間には、ウレタンゲル（タキロン社製  ソナゲル  Ｎ０５１１）からなる第１物質層１４を設置した。ソナゲルの音響インピーダンスは、１．４×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）である。
【００６７】
また、第１の加速度センサ１２ａから１０ｍｍの位置に、固着バンドＢｄを用いて、第２の加速度センサ１２ｂ（ワコーテック社製  MA3-04AD）を固定した。
第２の加速度センサ１２ｂと被検体との間には、シリコーンゲルからなるゲルテープ（タイカ社製  ゲルチップＧＣ−7）を振動伝達抑制層１５として設置した。このシリコーンゲルの音響インピーダンスは、１.１×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）である。また、圧縮弾性率は、４０ｋＰａである。
【００６８】
加速度センサを取り付けた状態で、被検体に椅子に静置した状態から、１秒間で立ち上がり、３秒間静止した後、１秒間で座る運動を行わせ、その際、２つの加速度計から２つの出力信号を検出した。
各加速度センサからの出力信号をＡ／Ｄ変換ボードを経由して、ＰＣに信号を取り込んで、加速度センサを通して得られた時間領域の加速度データのＲＭＳ（root mean square）平均値（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）、すなわち、振動信号Ｖ１およびＶ２を算出した。
【００６９】
次に、差分信号算出部１６において、振動信号Ｖ１と振動信号Ｖ２との差分を算出し、差分信号Ｖ３を求めた。
次に、周波数解析部において、得られた差分信号Ｖ３をＦＦＴ処理し、パワー値と周波数との関係を表す解析信号Ａを求めた。この解析信号Ａの５０Ｈｚ〜１００Ｈｚにおけるパワー値の平均値を平均信号Ｐとして求めた。
上記の測定を１０回行い、１０個の平均信号Ｐを求めて、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
なお、変動率は、標準偏差σを平均値で割った値（％）である。
【００７０】
［実施例２］
第１物質層１４の材料をＰＶＤＦシート（ニチアス社製  ＴＯＭＢＯ  Ｎｏ．９０００−ＰＶＤＦ）に変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
なお、ＰＶＤＦシートの音響インピーダンスは、４×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）である。
【００７１】
［実施例３］
第１の加速度センサ１２ａと第２の加速度センサ１２ｂとの間の距離を７ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
【００７２】
［実施例４］
第１の加速度センサ１２ａと第２の加速度センサ１２ｂとの間の距離を５ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
【００７３】
［実施例５］
第１の加速度センサ１２ａと第２の加速度センサ１２ｂとの間の距離を１ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
【００７４】
［実施例６］
第１の加速度センサ１２ａと第２の加速度センサ１２ｂとの間の距離を１１ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
【００７５】
［実施例７］
振動伝達抑制層１５の材料をタイカ製シリコーン  ゲルチップ  ＧＣ−１に変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
なお、ゲルチップＧＣ−１の音響インピーダンスは、１．０×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）であり、圧縮弾性率は、３０ｋＰａである。
【００７６】
［実施例８］
振動伝達抑制層１５の材料をタイカ製シリコーン  ゲルチップ  ＧＣ−２に変更した以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
なお、ゲルチップＧＣ−２の音響インピーダンスは、１．２×１０６ｋｇ／（ｍ2・ｓｅｃ）であり、圧縮弾性率は、１５１ｋＰａである。
【００７７】
［参考例１］
第２の加速度センサ１２ｂによる振動信号の検出を行わずに、第１の加速度センサのみで振動信号の検出を行い、差分信号を算出せずに周波数解析を行った以外は実施例１と同様にして、平均信号Ｐを求め、１０個の平均信号Ｐの平均値、標準偏差σ、および、変動率を求めた。
結果を表１に示す。
【００７８】
【表１】
0006261536.tif 000002
【００７９】
上記表１に示されるように、本発明の実施例である実施例１〜７はいずれも、参考例１と比較して、平均信号Ｐの標準偏差および変動率が小さく、毎回同じ様な信号が検出できていることがわかる。すなわち、適正にノイズ成分を除去できていることがわかる。したがって、このような適正にノイズ成分を除去した信号を用いて診断を行うことで、より正確な診断が可能となる。
以上から本発明の効果は明らかである。
【符号の説明】
【００８０】
１０  関節音測定システム
１２ａ  第１の加速度センサ
１２ｂ  第２の加速度センサ
１３  測定装置本体
１４  第１物質層
１５  振動伝達抑制層
１６  差分信号算出部
１８  周波数解析部
２０  判定部
２２  表示部
２４  制御部
２６  操作部
【図１】
0006261536.tif 000003
【図２】
0006261536.tif 000004
【図３】
0006261536.tif 000005