(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送波方向に交差する面内で生体を相対的に回転させ、各回転角度で超音波の送波を行う送波手段と、
前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波し、受信信号を出力する受波手段と、
前記受信信号を周波数解析する周波数解析手段と、
前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果に基づいて、骨梁の方向を判定する骨梁方向判定手段と、
を含み、
前記骨梁方向判定手段は、一方軸を前記回転角度とし他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンを各検出散乱角度ごとに作成し、各周波数解析パターンを互いに比較することによって骨梁の方向を判定することを特徴とする超音波骨計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記骨梁方向判定手段は、前記各周波数解析パターンの比較において周波数ピークが規則性をもって推移する回転角度を骨梁の方向と判定することを特徴とする超音波骨計測装置。
【請求項３】
超音波の送波方向に交差する面内で生体を相対的に回転させ、各回転角度で超音波の送波を行う送波手段と、
前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波し、受信信号を出力する受波手段と、
前記受信信号を周波数解析する周波数解析手段と、
前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果に基づいて、骨梁の方向を判定する骨梁方向判定手段と、
を含み、
前記骨梁方向判定手段は、一方軸を前記検出散乱角度とし他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンが規則性をもつ回転角度を骨梁の方向と判定することを特徴とする超音波骨計測装置。
【請求項４】
請求項１又は３記載の装置において、
前記超音波の送波方向に直交する面内で生体を相対的に回転させる第１の回転機構と、
前記検出散乱角度を変えるために前記受波手段を生体を中心として回転させる第２の回転機構と、
を含むことを特徴とする超音波骨計測装置。
【請求項５】
請求項１又は３記載の装置において、
前記生体は足の踵であり、
前記踵を保持する足置きを有し、
前記送波手段は前記足置きの一方側に配置され、
前記受波手段は前記足置きの他方側に配置されたことを特徴とする超音波骨計測装置。
【請求項６】
超音波の送波方向に交差する面内で生体を相対的に回転させると共に、各回転角度で超音波の送波を行い且つ前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波して得られる受信信号を処理する方法であって、
前記受信信号を周波数解析する周波数解析工程と、
前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果から骨梁の方向を判定する骨梁方向判定工程と、
を含み、
前記骨梁方向判定工程では、一方軸を前記回転角度とし他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンが各検出散乱角度ごとに作成され、各周波数解析パターンを互いに比較することによって骨梁の方向が判定される、ことを特徴とする超音波骨計測方法。
【請求項７】
超音波の送波方向に交差する面内で生体を相対的に回転させると共に、各回転角度で超音波の送波を行い且つ前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波して得られる受信信号を処理する方法であって、
前記受信信号を周波数解析する周波数解析工程と、
前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果から骨梁の方向を判定する骨梁方向判定工程と、
を含み、
前記骨梁方向判定工程では、一方軸を前記検出散乱角度とし他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンが規則性をもつ回転角度が骨梁の方向と判定される、ことを特徴とする超音波骨計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波骨計測装置に関し、特に超音波の散乱特性により骨を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
骨は皮質骨とその内部の海綿骨とで構成される。海綿骨には骨の疾病が現れやすいため、その海綿骨を多く含む踵骨などが診断対象とされる場合が多い。ちなみに、海綿骨は骨梁とその間を満たす基質とで構成される。特開平９−８４７８８号公報では、そのような骨梁が二次元の円柱の配列体としてモデリングされ、そのモデルにおけるパラメータの値を超音波計測結果から推定することにより、骨の構造（骨梁の太さやその間隔）を解析する方法が提案されている。
【０００３】
しかし、実際の生体における海綿骨をモデリングするためには、その海綿骨の骨梁の方向（軸方向）を特定する必要がある。例えば踵骨の両側で超音波の送波及び受波を行う場合を想定すると、骨梁の軸は超音波ビームに垂直な面と平行に走っているものと推定されるが、その面内における骨梁の軸方向は各個人によってある程度ばらつくものである。また、骨梁の軸方向自体も疾病診断や研究に利用できる有益な情報である。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波を利用して骨梁の方向を計測できる装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）原理説明
図１には、骨梁方向を計測するための装置構成の概念が示されている。中央に示されるのは、骨梁（実験では金網を使用）を模擬したマトリクスである。骨梁は、金網とは異なり、一般に互いに隔てて平行配置された複数の円柱によってモデリングされ、その円柱の長手方向が骨梁の方向である。図１においては、マトリクス面を構成する一方方向が骨梁方向に相当する。このマトリクス面は、送信用振動子１０からの超音波の送波方向に対して直交しており、その面内で生体が相対的に回転される。その回転角度がξで表されている。受信用振動子１２は、各検出散乱角度で散乱波を検出可能である。その検出散乱角度がθで表されている。受信信号は、回転角度ξと散乱角度θの組み合わせごとに取得される。各受信信号はＦＦＴなどによって周波数解析される。
【０００６】
図２には、図１の実験系で金網を利用した場合における周波数解析パターンが示されている。このグラフにおいて、横軸は回転角度ξであり、縦軸は周波数である。各周波数のパワーが輝度で表現されている。なお、図２は検出散乱角度θが６０度のものであるが、もちろん各検出散乱角度θごとに図２のような周波数解析パターンが作成される。この周波数解析パターンにおいては、複数の周波数ピークが観測される（図２において円参照）。図２に示すように、この例では回転角度ξが０度、±１８度及び±４５度付近で鋭いスペクトルのピークが現れている。ただし、海綿骨の場合、微小構造の対称性が金網よりも乏しいことから、回転角度ξが±１８度及び±４５度付近での検出は困難であると思われる。
【０００７】
その一方、図３に示すように、回転角度ξが０度の場合、周波数ピークは検出散乱角度θに応じて良好な規則性を示す。なお、図３において、横軸は検出散乱角度θを表しており、縦軸は周波数を表している。
【０００８】
すなわち、海綿骨について、図２に示したパターンを各検出散乱角度θごとに作成し、各検出散乱角度θを変化させながら周波数ピークを観測すると、骨梁の方向を示すピークのみが規則的に周波数の高い方又は低い方へシフトすることになる。そのような挙動を示す周波数ピークが存在する回転角度ξとして骨梁の方向を決定できる。ちなみに、他のピークは消滅したり非連続的に移動したりする。
【０００９】
以上のことから理解されるように、回転角度ξ及び検出散乱角度θの組み合わせごとに周波数ピークを比較すれば、その規則性から骨梁の方向を回転角度ξとして読み取ることが可能である。
【００１０】
一般に、図２に示すようなパターンを利用して自動的に又は人為的に骨梁方向が判定されるが、場合によっては、図３に示したようなグラフを各回転角度ξごとに作成し、それらの中から最もピークの規則性のあるものを判定することにより、結果として、骨梁方向を判定してもよい。
【００１１】
図４は、実際に踵骨を観察した場合の測定結果であり、図２のグラフに対応するものである。回転角度ξが−１２度付近にあるピークは、検出散乱角度θに対して規則性を有するものであることが確認されており、その角度として骨梁の方向が判定される。
【００１２】
なお、周波数解析結果の利用法は上記のものには限られず、例えば、各回転角度ξごとにすべてのθについてスペクトルの総和を求め、その総和が最も大きい回転角度を骨梁方向として判定してもよい。いずれにしても周波数特性を利用して骨梁方向を判定可能である。
【００１３】
（２）解決手段
上記目的を達成するために、本発明は、超音波の送波方向に交差する面内で生体を相対的に回転させ、各回転角度で超音波の送波を行う送波手段と、前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波し、受信信号を出力する受波手段と、前記受信信号を周波数解析する周波数解析手段と、前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果に基づいて、骨梁の方向を判定する骨梁方向判定手段と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、生体、送波手段及び受波手段のいずれかを相対的に回転させることによって、回転角度及び検出散乱角度の組み合わせごとに周波数解析結果が得られる。そして、その周波数解析結果に基づいて骨梁の方向が判定される。なお、望ましくは、生体は送波方向に垂直な面内で相対的に回転される。
【００１５】
本発明の望ましい態様では、前記骨梁方向判定手段は、一方軸を前記回転角度とし他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンを各検出散乱角度ごとに作成し、各周波数解析パターンを互いに比較することによって骨梁の方向を判定する。
【００１６】
本発明の望ましい態様では、前記骨梁方向判定手段は、前記各周波数解析パターンの比較において周波数ピークが規則性をもって推移する回転角度を骨梁の方向と判定する。
【００１７】
本発明の望ましい態様では、前記骨梁方向判定手段は、一方軸を前記検出散乱角度とし他方軸を周波数軸とした周波数解析パターンが規則性をもつ回転角度を骨梁の方向と判定する。
【００１８】
本発明の望ましい態様では、前記超音波の送波方向に直交する面内で生体を相対的に回転させる第１の回転機構と、前記検出散乱角度を変えるために前記受波手段を生体を中心として回転させる第２の回転機構と、を含む。
【００１９】
本発明の望ましい態様では、前記生体は足の踵であり、前記踵を保持する足置きを有し、前記送波手段は前記足置きの一方側に配置され、前記受波手段は前記足置きの他方側に配置される。
【００２０】
上記目的を達成するために、超音波の送波方向に交差する面内で生体を相対的に回転させ、各回転角度で超音波の送波を行う送波手段と、前記生体内の骨により散乱された超音波を複数の検出散乱角度で受波し、受信信号を出力する受波手段と、前記受信信号を周波数解析する周波数解析手段と、前記回転角度及び前記検出散乱角度の組み合わせごとに得られる周波数解析結果を表示する表示手段と、を含むことを特徴とする。この構成によれば、ピーク判定及び骨梁方向の判定に当たって必要な情報を画像表示できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図５には、本発明に係る超音波骨計測装置の好適な実施形態が示されており、図５はその全体構成を示すブロック図である。
【００２３】
この超音波骨計測装置は、例えば踵骨に含まれる海綿骨の骨梁の方向を計測する機能を有する。生体１４は例えば踵であり、その生体は図示されていない載置台上に載置される。この載置台は例えば足置きである。その載置台の両側に振動子１０及び振動子１２が配置されており、振動子１０は送信用振動子として機能し、振動子１２は受信用振動子として機能する。振動子１０は踵骨表面に対してほぼ垂直に超音波を送波するように位置決めされている。
【００２４】
本実施形態において、装置は、生体１４の回転角度ξを可変するための回転角可変機構２０と、受信用振動子１２の受信角度すなわち検出散乱角度θを可変するための検出散乱角可変機構２２と、を有する。もちろん、回転角度ξ及び検出散乱角度θは、振動子１０、生体１４及び振動子１２のうちのいずれか１つ又は複数を固定しておいて他のものを移動させることによって可変できるように構成してもよい。
【００２５】
送信器１６は、振動子１０に対して送信信号を供給するものである。受信器１８は振動子１２から出力される受信信号を受け入れて、周波数解析器２４に受信信号を出力する。超音波の送受波は、回転角度ξ及び検出散乱角度θの組み合わせごとに行われる。但し、例えば複数の振動子１２を利用して同時に複数の検出散乱角度で散乱波の検出を行うような場合、送受信回数は削減される。
【００２６】
周波数解析器２４は、回転角度ξ及び検出散乱角度θの組み合わせごとに得られる受信信号に対して周波数解析を実行する回路であり、例えばＦＦＴ演算器等で構成される。補正回路２６は周波数解析結果に対して振動子１０及び振動子１２の周波数特性に基づく補正を行う回路である。もちろん、このような補正は受信器１８において行ってもよい。
【００２７】
メモリ２８には、回転角度ξ及び検出散乱角度θの組み合わせごとに周波数解析結果が格納される。方向判定部３０は、メモリ２８に格納された複数の周波数解析結果に基づいて骨梁の方向を判定する。その判定結果は表示器３２に表示される。もちろん、方向判定部３０にて判定された骨梁の方向に基づいて他の計測を行ったり、あるいは他の演算を行うようにしてもよい。
【００２８】
図６には、図５に示した方向判定部３０の処理内容が示されている。Ｓ１０１では、各検出散乱角度θごとに、回転角度ξに対する周波数特性を表したパターンが作成される。すなわち図２に示したようなパターンが各回転角度ξごとに作成されることになる。
【００２９】
Ｓ１０２では、そのパターン上において周波数ピークが特定される。そして、Ｓ１０３では、検出散乱角度θを可変させた場合において規則性をもって運動するピークが特定され、そのピークがある回転角度として骨梁の方向が決定される。もちろん、例えば図３に示したような特性を各回転角度ξごとに作成し、その中において最も規則性をもったグラフに対応した回転角度ξを骨梁の方向として決定してもよい。あるいは、そのようなグラフを全く作成することなく数値演算によってピークの挙動に規則性のある回転角度を抽出するようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超音波を利用して骨梁の方向を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  骨梁の方向を計測するための実験系の概念を示す概念図である。
【図２】  各回転角度ごとの周波数特性を中間階調として示す説明図である。
【図３】  各検出散乱角度ごとの周波数特性を中間階調として示す説明図である。
【図４】  踵骨についての各回転角度に対する周波数特性を中間階調として示す説明図である。
【図５】  本発明の実施形態に係る装置のブロック図である。
【図６】  方向判定部の具体的な処理内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０，１２  振動子、１４  生体、１６  送信器、１８  受信器、２０  回転角可変機構、２２  検出散乱角可変機構、２４  周波数解析器、２６  補正回路、２８  メモリ、３０  方向判定部、３２  表示器。
【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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