(57)【要約】【課題】  小型・低価格の非侵襲的骨密度計測装置の提供【解決手段】骨密度計測装置の計測部は、近赤外光を発光する発光部（ＬＥＤ）１１０と、計測対象の骨を介して受光する受光部（フォトダイオード・アレイ）１２０とで構成されている。発光部１１０、受光部１２０は、制御部１４０と接続されている。制御部１４０は、発光部１１０の発光を制御し、受光部１２０から計測値を入力し、骨密度として表示する。  皮膚１３２及び骨１３４で反射・散乱した光は、１列に並べられたフォトダイオード１２０により検出される。遠いフォトダイオードでは、皮膚からの反射・散乱光の影響を受けず、より深部にある骨の密度特性を反映した反射・散乱光が検出される。発光ダイオードから遠いフォトダイオードから得られた反射・散乱光強度の空間分布を解析することで骨密度情報のみを抽出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部と
該発光部からの光の反射・散乱光を受ける、複数の受光素子を並べた受光部と、
前記発光部と前記受光部とに接続して、前記発光部を制御し、前記受光部からの信号を入力して、複数の受光素子で受けた反射・散乱光の強度分布の傾きから骨密度として表示する制御部と
を備えることを特徴とする骨密度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の骨密度計測装置において、
前記発光部は、近赤外光を発生する発光ダイオードであり、
前記受光部は、複数のフォトダイオードを並べたフォトダイオード・アレイである
ことを特徴とする骨密度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用して、骨密度を計測する骨密度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、わが国の骨粗鬆症患者数は、約１０００万人と言われており、将来の高齢化社会にとって、骨粗鬆症は深刻な問題の一つと言える。骨粗鬆症は、生活習慣が大きな原因となりえるため、日頃から骨密度を計測して骨の状態を知る必要がある。現在使用されている主な骨密度計測器は、Ｘ線や超音波を利用するため、大型で高価である。そのため、これらの機器を用いて、個人が日常的に骨密度をセルフチェックすることは難しい。
一方、光センシング法による生体情報計測は、主に、血中酸素飽和度測定などの非侵襲的計測に応用され、既に実用化されている。これらの例では、酸化ヘモグロビンや糖の特定吸収波長を利用することで、これらを定量化することに成功している。現在では、小型で安価な高性能の発光ダイオードやフォトダイオードが利用できるようになったために、光センシング法による生体情報計測法は飛躍的に応用範囲が広がるものと期待されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、上述した、光センシング法を骨密度の非侵襲的計測に適用して、小型・低価格の非侵襲的骨密度計測装置を提供することである。そして、これにより、個人が日常的に骨密度の計測を行えるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明は、発光部と、該発光部からの光の反射・散乱光を受ける、複数の受光素子を並べた受光部と、前記発光部と前記受光部とに接続して、前記発光部を制御し、前記受光部からの信号を入力して、複数の受光素子で受けた反射・散乱光の強度分布の傾きから骨密度として表示する制御部とを備えることを特徴とする骨密度計測装置である。
前記発光部は、近赤外光を発生する発光ダイオードとし、前記受光部は、複数のフォトダイオードを並べたフォトダイオード・アレイとするとよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、上述したように、骨における光の散乱を計測することにより、小型・低価格の非侵襲的骨密度計測装置が実現できる。これにより、個人が日常的に骨密度の計測を行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明では、光を利用した空間分解分光法を用いた骨密度計測装置を構成した。図面を用いて、本発明の骨密度計測装置を説明する。本発明は、骨組織の光の反射・散乱特定を利用することで、骨密度を非侵襲的に計測できる装置である。ここで「骨組織」は、骨とそれを取り囲む骨髄から構成されたものである。また「骨」とはハイドキシアパタイトとコラーゲン線維を主成分とする骨基質（Bone matrix）を意味している。さらに「骨密度」とはこの「骨」の空間占有率または多孔率を単位空間当りの重量で示したものを意味し、それを計測するのが、以下に説明する骨密度計測装置である。
図１は本発明の骨密度計測装置の概略構成を示す模式図である。図１において、骨密度計測装置の計測部は、光を発光する発光部１１０と、計測対象の骨を介して受光する受光部１２０とで構成されている。発光部１１０、受光部１２０は、制御部１４０と接続されている。制御部１４０は、発光部１１０の発光を制御し、受光部１２０から計測値を入力し、骨密度として表示する。
発光部１１０は例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いている。受光部１２０は、図示のものでは受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）を１６個一列に並べたアレイである。発光ダイオードから発光される光は、生体透過性にすぐれているため、近赤外光が望ましい。
発光ダイオード（ＬＥＤ）１１０より発せられた近赤外光は、皮膚１３２の上から骨１３４へ向けて照射される。照射された近赤外光は、骨１３４に達し、そこで拡散反射した光が皮膚上に並べられたフォトダイオード１２０により検出される。フォトダイオード１２０で検出される拡散反射光強度は、骨密度を反映しているために、この値から骨密度を評価することができる。  
【０００７】
骨１３４を覆う皮膚の厚さの違いが測定データへ与える影響を除くために、本発明では、皮膚と骨の吸収・散乱特性の違いから生じる拡散反射強度分布の違いに着目して、骨からだけの光情報を抽出する。
骨からだけの光情報を抽出するために、本発明では、図１に示すように、１６個のフォトダイオードを１列に並べたフォトダイオード・アレイを用い、発光ダイオード１１０に近いフォトダイオードでは、表層の皮膚からの反射・散乱光が検出されるのに対し、遠いフォトダイオードでは、皮膚からの反射・散乱光よりも、より深部にある骨の密度特性を反映した反射・散乱光が検出されることを利用している。
これにより、発光ダイオードから遠いフォトダイオードから得られた反射・散乱光強度の空間分布を解析することで骨密度情報のみを抽出することができる。
【０００８】
実際に、牛大腿骨から採取した海綿骨チップをゼラチンに混ぜた模擬骨組織を計測した結果を以下に示す。用意した模擬骨組織の空間密度が、０．０２，０．０９，０．２４，および０．３４ｇ／ｃｍ３となるように、ゼラチンと海綿骨チップを混ぜた。作製した模擬骨サンプルの上は厚さ６ｍｍのゼラチンで覆い、模擬皮膚層とした。使用した近赤外発光ダイオードはピーク波長７５０ｎｍであり、フォトダイオード・アレイは１６素子シリコン・フォトダイオード・アレイを使用した。発光ダイオードとフォトダイオード・アレイとは約３．５ｍｍの間隔で近接させ、サンプル上に配置した。
【０００９】
図２（ａ）は、各模擬骨組織サンプルに対する反射・散乱光強度の空間分布を示している。反射・散乱光強度は、海綿骨チップ密度が増加すると全体的に増加する傾向を示した。特に、その傾向は、発光ダイオードに近いフォトダイオード（ＰＤ）での強度分布で強く現れた。海綿骨チップ密度の違いをより反映している遠い位置のフォトダイオードにおける反射・散乱光強度分布の傾き（近似直線から算出）と海綿骨チップ密度との関係を調べた。
【００１０】
図２（ｂ）は、９番から１６番までのフォトダイオードにおける反射・散乱光強度の空間分布の傾きと海綿骨チップ密度との相関関係を調べた結果である。両者は、強い正の相関（ｒ２＝０．９５０）を示し、この結果から、反射・散乱光強度の空間分布の傾きを用いて、骨密度を非侵襲的に計測可能であるといえる。
【００１１】
図３は、同一海綿骨チップ密度（０．２４ｇ／ｃｍ３）で、ゼラチン層（模擬皮膚層）の厚さを変えた場合の、反射・散乱光強度分布の傾きの違いを調べた結果である。なお、強度分布の傾きは９番から１６番のフォトダイオードにおいて、調べたものである。ゼラチン層（模擬皮膚層）の厚さが増加すると、傾きが減少する傾向があるものの、３つのサンプルにおいて、統計的な有意差は確認できなかった。このため、皮膚層の厚さが測定結果へ与える影響は、より小さいと考えられる。
【００１２】
＜他の実施形態＞
受光部であるフォトダイオード・アレイの配置は、図１のように、一列に並べて１方向の分布を計測する構成でなくともよい。例えば、図４（ａ），（ｂ）のように放射状または同心円状にフォトダイオード・アレイ１２０を配置してもよい。このような配置は、複数の方向の分布を計測することにより、装置の測定領域への当て方の違いで生じる誤差を低減させる効果がある。
発光ダイオードから近いフォトダイオードで検出される反射・散乱光強度は、表層の皮膚の状態をより強く反映しているため、この情報を利用することで遠いフォトダイオードで得られる骨密度情報の精度をさらに向上させることも可能である。また上述では、１つの波長を用いて、骨密度との相関を得ているが、用いる波長は１つとは限らない。２つの波長の光を順次発光し、２つの波長を順次受光して、両波長での反射・散乱光強度の比を利用することで、皮膚の厚さの違いなどに起因する光路長変化が及ぼす測定値誤差をキャンセルするとともにこの比から骨密度を算出することも可能である。また、皮膚以外の組織（骨髄や筋肉）などの影響を取り除くために、２つ以上の波長での計測も考えられる。この場合、各波長での反射・散乱光強度と使用波長、骨密度、妨害組織存在率などの関係を表したデータベースを構築し、それを利用して骨密度を予測する方法が考えられる。このようなデータベースを基にした真値予測アルゴリズムとしてはルックアップ・テーブル法、ニューラルネットワーク、または多変量解析法などを含む。
【００１３】
以上のように、発明した装置では、拡散反射モードでの空間分布分解分光法により、骨密度の定量評価を行っている。反射・散乱光のみを利用するこの方式では、従来の骨密度の計測法であるＸ線方式（ＤＥＸＡ）や超音波方式のように、透過信号を反対側で検出する必要がないため、図５に示すように、装置全体を小型化して簡便に使用することが可能である。なお、図５では、計測対象である腕の骨２００に当てている光（近赤外光）を示すために、受光部１２０は図示していない。
さらに、発明した装置では、汎用のＬＥＤとフォトダイオードが利用可能であるため、Ｘ線や超音波を用いた従来機に比べて、大幅な低コスト化となる。
【００１４】
本格的な高齢化社会を迎えようとしているわが国にとって、高齢者の生活の質を高く維持することができるかが社会的重要課題となっている。骨粗鬆症の防止のためには、骨密度減少を普段から把握する必要がある。本発明の装置を利用することにより、骨密度計測を、体温測定のような日常的な自己検査レベルへ引き下げることが可能となる。
また、宇宙開発では、無重力が原因で生じる乗務員の筋肉組織及び骨密度の減少が問題となっている。これが原因で、地上へ帰還後、乗務員は満足に歩行すらできなくなっており、特に骨密度回復には、長期リハビリが必要となっている。現在のところ、宇宙飛行中の骨密度を維持するために、無重力中でのエクササイズが推奨されているものの、骨密度の減少は急激に進行することから、常に骨密度の状態をチェックすることが肝心である。
本発明の装置は、小型軽量であるため、限られた船内空間と限られた重量が要求される宇宙飛行中の骨密度計測に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の骨密度計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）模擬骨組織サンプルに対する反射・散乱光の空間分布を示すグラフである。（ｂ）反射・散乱光強度分布の傾きと海綿骨チップ密度との相関関係を調べた結果である。
【図３】ゼラチン層の厚さを変えた場合の、反射・散乱光強度分布の傾きの違いを示すグラフである。
【図４】複数方向で、反射・散乱光強度分布を計測するために、（ａ）放射方向や（ｂ）同心円方向にフォトダイオード・アレイを配置した構成例である。
【図５】本発明の骨密度計測装置を小型化して、骨密度を計測している様子を示す図である。
【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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