(57)【要約】［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、保持体１１０に設置されている、近赤外光を発光する発光部１２０と、計測対象の骨を介して受光する受光部１３０とで構成されている。保持体１１０の間に、例えば、腕を挿入して、腕の骨による光の吸収度（吸光度）を計測することで、骨密度を計測する。発光部１２０、受光部１３０は、制御部１４０と接続されている。制御部１４０は、発光部１２０の発光を制御し、受光部１３０から計測値を入力し、骨密度として表示する。  バックグランドからの光や、骨の厚さの違いによる影響等を除くために、２つの波長の吸光度の比を用いることが望ましい。２つの波長の光を得るために、２つの発光素子（ＬＥＤ）を用いたときでも、２つの発光素子を交互に発光させることにより、受光素子は１つでよい。［選択図］図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの波長の光を発光する発光部と
前記発光部で発光した光を、骨を介して受光する受光部と、
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、複数の波長の光における吸収度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、２つの波長の光を発光し、
前記制御部は、２つの波長の光の吸収度の比又は差から骨密度として表示することを特徴とする骨密度計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の骨密度計測装置において、
前記発光部は、骨密度の変化に伴う吸光度の変化が大きく異なる２つの波長λ１，λ２の近赤外光を発光することを特徴とする骨密度計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載した骨密度計測装置において、
前記発光部は、吸光度比又は差と骨密度との相関係数（ｒ）が０．９９以上で、傾き（ｓ）が１００００以下となる二波長（λ１，λ２）の組み合わせであり、発光部として使用する近赤外のＬＥＤの波長領域で、皮膚，水，脂肪での吸収が最小限となる領域を発光することを特徴とする骨密度計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の骨密度計測装置において、
前記制御部は、前記発光部の２つの発光素子を交互に駆動して、２つの波長を発光し、
前記受光部では、１つの受光素子により時分割で２つの波長の光を受光するように制御することを特徴とする骨密度計測装置。
【請求項６】
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、複数の発光素子を順次駆動して、複数の波長を発光し、
前記受光部は、１つの受光素子で、複数の波長の光を受光することを特徴とする骨密度計測装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の骨密度計測装置において、
前記発光部と前記受光部とを、骨を介して、透過光及び反射散乱光を受光するように設置した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。
【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、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り、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、少なくとも２つの波長の光を発光する発光部と、前記発光部で発光した光を、骨を介して受光する受光部と、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、複数の波長の光における吸収度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、２つの波長の光を発光し、前記制御部は、２つの波長の光の吸収度の比又は差から骨密度として表示してもよい。
前記発光部は、骨密度の変化に伴う吸光度の変化が大きく異なる２つの波長λ１，λ２の近赤外光を発光することが望ましい。
前記発光部は、吸光度比又は差と骨密度との相関係数（ｒ）が０．９９以上で、傾き（ｓ）が１００００以下となる二波長（λ１，λ２）の組み合わせであり、発光部として使用する近赤外のＬＥＤの波長領域で、皮膚，水，脂肪での吸収が最小限となる領域を発光するとよい。
前記制御部は、前記発光部の２つの発光素子を交互に駆動して、２つの波長を発光し、
前記受光部では、１つの受光素子により時分割で２つの波長の光を受光するように制御するとよい。
前記発光部は、複数の発光素子を順次駆動して、複数の波長を発光し、前記受光部は、１つの受光素子で、複数の波長の光を受光するとよい。
前記発光部と前記受光部とを、骨を介して、透過光及び反射散乱光を受光するように設置してもよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、上述したように、骨による光の吸収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】
本発明は、生体透過性に優れた近赤外光を利用して、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。
さて、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。ここでの「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。また、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、保持体１１０に設置されている、近赤外光を発光する発光部１２０と、計測対象の骨を介して受光する受光部１３０とで構成されている。保持体１１０の間に、例えば、腕を挿入して、腕の骨による光の吸収度（吸光度）を計測することで、骨密度を計測する。発光部１２０、受光部１３０は、制御部１４０と接続されている。制御部１４０は、発光部１２０の発光を制御し、受光部１３０から計測値を入力し、骨密度として表示する。
発光部１２０としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用でき、そこからの近赤外光を受光する受光素子としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。
保持体１１０は、発光部１２０と受光部１３０の間隔を調整できるようにするとよい。また、保持体１１０は、例えば、時計のバンド状のものでもよい。
バックグランドからの光や、骨の厚さの違いによる影響等を除くために、２つの波長の吸光度の比を用いることが望ましい。また、吸光度の差をもちいることもできる。
この場合、受光部は２つの波長を区別して受光する必要がある。このため、通常はそれぞれの波長フィルタなどによりを選択的に検出できる受光素子が２つ必要である。しかしながら、２つの異なる波長の発光素子（ＬＥＤ）を用いて、２つの発光素子を交互に発光させる構成とすることにより、受光素子は１つとしてもよい。【０００７】
さて、以下に、牛大腿骨遠位端（膝関節部）から切り出した骨髄を含む海綿骨試料を用いて計測した例を示す。図２は骨試料の近赤外域吸光スペクトルを示す。スペクトル上には、１２００ｎｍ付近と水の吸収波長である１４６０ｎｍ付近にピークが見られた。
【実施例１】
【０００８】
計測に用いる２つ近赤外光の波長は、最適なものを選ぶ必要がある。以下に示す計測例で選択した波長は、１２００ｎｍ（λ１）と１５４０ｎｍ（λ２）である。水の吸収が大きい波長付近は避けている。
吸光度Ａは、Ａ＝（ｌｏｇ（Ｉ０／Ｉ））／Ｌと定義する。Ｉ０は入射光強度，Ｉは透過光強度，Ｌは試料厚さである。
２つの波長の吸光度比（Ａλ１／Ａλ２）の計測例を図３−１に示す。なお、骨密度０に対する吸光度比は、骨髄の吸収スペクトルから求めている。図３−１は、正の相関関係（相関係数ｒ＝０．８５１）を示しており、２つの波長の吸光度比で骨密度が計測できる。【０００９】
＜他の計測例＞
図３−２，図３−３には、図３−１のデータ解析において用いたサンプルの内、人工的に骨密度を調整したものを除いて、２つの波長の吸光度の比（図３−２）と差（図３−３）の計測例を示している。ウシの海綿骨は、ヒトのものと比べ高い骨密度を有しているため、ウシからヒトでの密度（特に骨粗鬆症レベルの密度）の海綿骨を得ることは非常に困難である。そこで、図３−１では、海綿骨の骨梁をナイフ等で削ることにより骨密度の小さなサンプルを用意し、計測を行った。しかし、このように人の手が加わったものは本来の骨梁構造が持つ光散乱特性が損なわれるため、加工しないものと比べ異なる傾向を示すことがわかったので、これらのサンプルのデータを省くことで、より良好な相関性を得ている。図３−２や図３−３で示されているグラフは、正の相関関係（吸光度比：ｒ＝０．９１８、吸光度差：ｒ＝０．９１９）を示している。これは、吸光度比や吸光度差で骨密度が計測できることを示している。【００１０】
＜二波長の選択＞
上述の例では、水の吸収が大きい波長付近を避けた２つの波長を使用したが、牛大腿骨より採取した骨サンプルに対する近赤外分光分析を行うことにより、計測に使用するための最適な２つの波長の選択を行った。図４〜図９−２を用いて以下に説明する。
図４（ａ）は、いろいろな骨密度（骨髄のみ：０ｍｇ／ｃｍ３，海綿骨：２５７ｍｇ／ｃｍ３，３０８ｍｇ／ｃｍ３，３７１ｍｇ／ｃｍ３，３９５ｍｇ／ｃｍ３，皮質骨：１９０５ｍｇ／ｃｍ３）に対する骨の近赤外域吸光度スペクトルを示す。図４（ｂ）には、各密度（１７２１ｍｇ／ｃｍ３，３４４ｍｇ／ｃｍ３，２２０ｍｇ／ｃｍ３）の骨の断面図の写真を示している。図４（ａ）に示すように、吸光度スペクトルは、１２００ｎｍ付近、１４５０ｎｍ付近，１７５０ｎｍ付近でピークを示している。【００１１】
さて、近赤外光の二波長において、骨密度の変化に伴う吸光度の変化が大きく異なることを利用して骨密度の計測を行うとよい。これは、骨組織における光の透過を考えた場合、波長λ１では骨密度の増加による吸光度の増加は小さく、一方、波長λ２では吸光度が大きく増加するため、下の式で定義する吸光度比と吸光度差は、骨密度に対し正の相関関係を持つからである。このような骨密度の変化による吸光度変化が２つの波長において大きく異なるような二波長を選択することで、より感度のよい骨密度計測装置を構成することができる。
この図４（ａ）に示した、近赤外光の波長と各骨密度に対する吸光度のデータを用い、骨密度の変化に伴う吸光度の変化が大きく異なる２つの近赤外光の波長を選択する。選択方法としては、例えば、総当りで、図５（ａ）に示すような骨密度と二波長の近赤外光の吸光度比又は差との関係を調べる方法を用いた。２つの近赤外光の吸光度比及び吸光度差は、以下のように計算した。【００１２】
【数１】
2006115207.tif 000002
上述の式で、μλ１，μλ２は、波長λ１，λ２における減衰係数で骨密度に依存するパラメータである。また、Ｌは光路長，Ｉ０は入射光強度，Ｉは出射光強度である。なお、減衰係数は、光の吸収による減衰と光の散乱による減衰の両方を含んでいるものとする。上述の式は、光路長が二波長で同じとした場合の吸光度比又は差を求めた。【００１３】
骨密度と吸光度比や吸光度差との関係で求めた数値は、図５（ａ）に示すように、関係を直線近似した場合の傾きｓと相関係数ｒである。その結果の傾きｓと相関係数ｒの分布例を図５（ｂ），（ｃ）に示す。図５（ａ）に示すように、横軸に吸光度比又は差、縦軸に骨密度とした場合、傾きｓが小さい方が、骨密度に対する分解能が大きくなる。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の分布図で、傾き３００００以下、相関係数０．９以上の部分を拡大したものである。
ここで、吸光度比の場合で、傾きが小さく、相関が強い二波長を、例えば、傾きは１００００以下、相関係数が０．９９以上に分布する二波長の近赤外光の組の分布を、λ１を横軸，λ２を縦軸とした場合、図６−１のようになる。図６−１に示すように二波長は、３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃに分布している。なお、以下の領域の範囲は、各領域の波長の最大値，最小値である。
領域Ａ：λ１：１１６８ｎｍ〜１２４３ｎｍ，λ２：２０００ｎｍ〜２１９３ｎｍ
領域Ｂ：λ１：１６８６ｎｍ〜１８０６ｎｍ，λ２：２０３０ｎｍ〜２２２０ｎｍ
領域Ｃ：λ１：  ７７５ｎｍ〜１３７３ｎｍ，λ２：１４１６ｎｍ〜１６７６ｎｍ
市販されている近赤外用のＬＥＤが多い波長領域（８５０ｎｍ〜１５５０ｎｍ）を考慮すると、領域Ｃに属する二波長を用いるとよい。【００１４】
図６−２は、図６−１のデータ解析において用いたサンプルの内、人工的に骨密度を調整したものを除いて、２つの吸光度の比（図６−２（ａ））と差（図６−２（ｂ））の計測例を示している。
図６−２（ａ）に示すように吸光度比の場合、二波長は、主に３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃに分布している。また、図６−２（ｂ）に示すように吸光度差の場合、二波長は、主に４つの領域Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇに分布している。なお、以下の領域の範囲は、各領域の波長の最大値，最小値である。
領域Ａ：λ１：  ７５５ｎｍ〜１４１０ｎｍ，λ２：２００１ｎｍ〜２１８５ｎｍ
領域Ｂ：λ１：１６６６ｎｍ〜１８０９ｎｍ，λ２：２０３８ｎｍ〜２２３２ｎｍ
領域Ｃ：λ１：  ７５５ｎｍ〜１３８３ｎｍ，λ２：１４０３ｎｍ〜１６７５ｎｍ
領域Ｄ：λ１：  ７５１ｎｍ〜１４４０ｎｍ，λ２：１９８８ｎｍ〜２２１９ｎｍ
領域Ｅ：λ１：１６１８ｎｍ〜１８３７ｎｍ，λ２：２０１６ｎｍ〜２２３９ｎｍ
領域Ｆ：λ１：  ７５１ｎｍ〜１４２７ｎｍ，λ２：１３６８ｎｍ〜１６８２ｎｍ
領域Ｇ：λ１：１４５３ｎｍ〜１５３９ｎｍ，λ２：１６０５ｎｍ〜１６８５ｎｍ
市販されている近赤外用のＬＥＤが多い波長領域（８５０ｎｍ〜１５５０ｎｍ）を考慮すると、領域Ｃ，Ｆ，Ｇに属する二波長を用いるとよい。【００１５】
＜皮膚と脂肪・水の吸収＞
近赤外光は、皮膚や水，脂肪などで吸収されるので、その影響が最小限となるような近赤外光を選択するべきである。図７は皮膚の吸光度スペクトルを示している。この図で、波長１８５０ｎｍ〜２２００ｎｍ付近と波長１３５０ｎｍ〜１６００ｎｍ付近にピークがある。また、１１００ｎｍ付近から増加が見られる。従って、皮膚の影響を最小限とするためには、約１１００ｎｍ以下や約１６００ｎｍ〜約１８５０ｎｍの波長を選ぶことが望ましい。
図８は、水や脂肪の吸光度スペクトルを示す図である。この図８のグラフは、下記の論文から引用した。
Conway JM, Norris KH, Bodwell CE.: "A new approach for the estimation of body composition: infrared interactance"  The American Journal of Clinical Nutrition,Vol. 40, No. 6, pp.1123-1130, 1984
このグラフから、近赤外光の吸光度は、水に対しては９７０ｎｍ付近に、脂肪に対しては９３０ｎｍ付近と１０３０ｎｍ付近にピークを示している。この図から、波長約８６０ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲は避けることが望ましい。【００１６】
図９−１は領域Ｃの領域内において、皮膚や体内の水や脂肪の影響を軽減するために選ばれた二波長（λ１，λ２）の組み合わせを示す領域（図６−１の領域Ｃにおいて、四角い枠で囲まれた領域）を拡大した図である。
皮膚や体内の水や脂肪の影響を避けるためには、領域Ｃに属する二波長の近赤外光から、図９−１により示される例えば次のような二波長の範囲を選択することが望ましい。
（ａ）四点の座標が、（λ１＝約７７５ｎｍ、λ２＝約１６４０ｎｍ）、（λ１＝約７８０ｎｍ、λ２＝約１６４０ｎｍ）、（λ１＝約７８０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約７７５ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される長方形領域（図９−１（ａ））
（ｂ）四点の座標が、（λ１＝約７７５ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約７７５ｎｍ、λ２＝約１６００ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６００ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される長方形領域（図９−１（ｂ））
（ｃ）三点の座標が、（λ１＝約７９０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約８４５ｎｍ、λ２＝約１６５０ｎｍ）、（λ１＝約８４５ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される直角三角形領域（図９−１（ｃ））
（ｄ）四点の座標が、（λ１＝約８４５ｎｍ、λ２＝約１６５０ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６５０ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約８４５ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される長方形領域（図９−１（ｄ））【００１７】
同様に、図６−２において、λ１として、約７５５ｎｍ〜約８６０ｎｍ（吸光度比の領域Ｃ）または約７５１ｎｍ〜約８６０ｎｍ（吸光度差の領域Ｆ），λ２として、約１６００ｎｍ〜１６７６ｎｍの範囲を選択することが望ましい。それを例えば図９−２に示す。
図９−２は、図６−２の領域Ｃの領域内において、皮膚や体内の水や脂肪の影響を軽減するために選ばれた二波長（λ１，λ２）の組み合わせを示す領域（図６−２の領域ＣおよびＦにおいて、四角い枠で囲まれた領域）を拡大した図である。
二波長の吸光度比を用いる場合、皮膚や体内の水や脂肪の影響を避けるためには、領域Ｃに属する二波長の近赤外光から、図９−２（ａ）の（ａ）〜（ｄ）により示される次のような二波長の範囲を選択することが望ましい。
（ａ）四点の座標が、（λ１＝約７６０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約７６０ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）で示される長方形領域
（ｂ）四点の座標が、（λ１＝約７６０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約７６０ｎｍ、λ２＝約１６００ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６００ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される長方形領域
（ｃ）三点の座標が、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約８５５ｎｍ、λ２＝約１６４５ｎｍ）、（λ１＝約８５５ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される直角三角形領域
（ｄ）四点の座標が、（λ１＝約８５５ｎｍ、λ２＝約１６４５ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６４５ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）、（λ１＝約８５５ｎｍ、λ２＝約１６３０ｎｍ）で示される長方形領域【００１８】
二波長の吸光度差を用いる場合、皮膚や体内の水や脂肪の影響を避けるためには、領域Ｆに属する二波長の近赤外光から、図９−２（ｂ）の（ｅ）〜（ｈ）により示される次のような二波長の範囲を選択することが望ましい。
（e）四点の座標が、（λ１＝約７５３ｎｍ、λ２＝約１６６５ｎｍ）、（λ１＝約７７３ｎｍ、λ２＝約１６６５ｎｍ）、（λ１＝約７７３ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約７５５ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）で示される長方形領域
（f）四点の座標が、（λ１＝約７７３ｎｍ、λ２＝約１６６２ｎｍ）、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６６２ｎｍ）、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約７７３ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）で示される長方形領域
（g）三点の座標が、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６６０ｎｍ）、（λ１＝約８５０ｎｍ、λ２＝約１６６７ｎｍ）、（λ１＝約８５０ｎｍ、λ２＝約１６６０ｎｍ）で示される直角三角形領域
（h）四点の座標が、（λ１＝約８５０ｎｍ、λ２＝約１６６７ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６６７ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約８５０ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）で示される長方形領域
（i）四点の座標が、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６６０ｎｍ）、（λ１＝約８５０ｎｍ、λ２＝約１６６０ｎｍ）、（λ１＝約８５０ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約７９７ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）で示される長方形領域
(j) 四点の座標が、（λ１＝約７５３ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６３７ｎｍ）、（λ１＝約８６０ｎｍ、λ２＝約１６００ｎｍ）、（λ１＝約７５３ｎｍ、λ２＝約１６００ｎｍ）で示される長方形領域
【実施例２】
【００１９】
上述した範囲に属する波長を発光する市販のＬＥＤを選択して、非侵襲の骨密度計測装置を作成し、密度が既知の擬似の骨を用いて計測した結果を説明する。
図１０（ａ）に、対象とする手首の尺骨の凸部を計測する模式図、図１０（ｂ）に計測対象である目的部分を示すレントゲン写真を示す。図１０（ａ）に示すように、発光部（２つのＬＥＤ）と受光部（ＰＤ）は、手首の骨を介して斜め方向で向かい合っている。発光部では、構成する２つのＬＥＤから２つの異なる波長の近赤外光を発光する。骨を透過および反射散乱してくる光を受光部（ＰＤ）で受光している。なお、計測対象は同様の骨形状を持つことから足首の踝部でもよい。【００２０】
図１１に実際に製作した計測部の写真を示す。図１１（ａ）は側面を示す写真であり、図１１（ｂ）は計測部の正面を示す写真である。図１１の写真において、計測対象である手首の骨に当てたときに、外部からの光をさえぎるように黒色のスポンジを、ＬＥＤやＰＤを設置した円形の支持体１１０の周囲に貼っている。図１１（ｂ）に示すように、支持体１１０の凹部には、斜めに向かい合うように、２つのＬＥＤ１２１，１２２と、ＰＤ１３０を設けている。計測するときは、グリップ１１５を握って、計測対象の手首の骨に押し当てて計測する。【００２１】
図１２（ａ）は、発光部（２つのＬＥＤ）の発光タイミングを示すタイムチャートである。図１２（ｂ）は、受光部（ＰＤ）の計測タイミングを示す図である。
図１２（ａ）のタイムチャートで示すように、発光部では２つのＬＥＤを交互に発光させ、受光部を構成する１つのフォトダイオード（ＰＤ）で受光している。図１２（ｂ）に示すように、受光するフォトダイオードの受光期間を発光のタイミングとあわせることで、どの波長を受光しているか識別する。図示しない制御部では、予め計測した直接受光したときとの強度Ｉ０との比を計算し、骨密度を推測する。その結果を図１３−１，図１３−２に示す。
なお、図１２においては、４５０ｍｓのパルス幅で発光・受光が一回のみ行われている場合を示しているが、より短いパルス幅で複数回発光・受光を繰り返し、平均値を取ることでより安定した測定値を得ることもできる。また、これにより、計測時間もより短くすることができる。【００２２】
図１３−１（吸光度比），図１３−２（吸光度比，吸光度差）に示した計測は、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。用意した模擬骨組織の空間密度が、２０，９０，２４０，および３４０ｍｇ／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。形状も、手首の尺骨の突起部と同じようにした。
計測に使用した二波長は、図１３−１（ａ），図１３−２（ａ）はλ１：８５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ，図１３−１（ｂ），図１３−２（ｂ）はλ１：１０５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ，図１３−１（ｃ），図１３−２（ｃ）はλ１：１２００ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍである。
なお、図１３−２は、吸光度差，吸光度比を測定する際に、バックグラウンド（発光部から光を発光していないときに受光部に入力される値）を考慮している。
図１３−１に示した吸光度比の中では、図１３−１（ａ）の波長の組み合わせ（λ１：８５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ）の傾きが最も低く、より感度良く骨密度を予測できると考えられる。また、図１３−１（ｂ）の波長の組み合わせ（λ１：１０５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ）では、最も相関係数が良好であった。
一方、吸光度差を用いた場合、図１３−２（ｃ）の波長の組み合わせ（λ１：１２００ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ）の傾きが最も低く、より感度良く骨密度を予測できると考えられる。また、図１３−２（ａ）の波長の組み合わせ（λ１：８５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ）では、最も相関係数が良好であった。【００２３】
前述の骨の近赤外域吸光度スペクトルの解析において、二波長の吸光度比又は差と骨密度が高い相関性を持つ場合、両者の関係を示す直線の傾きは約４５００〜１００００であった。一方、模擬骨を使った実験では、直線の傾きは図１３−１，図１３−２で示されるように数百と非常に低いものであり、このことは、この計測系ではより高感度に吸光度比又は差から骨密度を予測できることを示している。
図１４は、８５０ｎｍと１５５０ｎｍの二波長を用いた場合の吸光度と模擬骨組織の密度の関係を示したものである。図１４より、１５５０ｎｍの吸光度は、密度の増加に伴い増加する傾向にあるのに対し、８５０ｎｍの吸光度は逆に減少する傾向を示すことがわかる。このことが吸光度比，吸光度差と密度の関係を示す直線の傾きをより低いものにした要因であると言える。【００２４】
模擬骨組織での実施例の結果は、次のようなメカニズムで説明することができる。この実施例では、図１０（ａ）の模式図で示すように、ＬＥＤの光を骨に対し斜めに照射しているため、フォトダイオードでは模擬骨からの反射・散乱光も検出することができる。
図１５は、実施例の計測における光の透過、反射、散乱を説明する模式図である。図１５（ａ）は低骨密度の場合を示す図である。図１５（ｂ）は高骨密度の場合を示す図である。図１５（ａ），（ｂ）に示すように、骨による吸収の大きい１５５０ｎｍの光は、密度の増加に伴い減少した光がフォトダイオードで検出される。それに対し、８５０ｎｍの光は、骨による吸収が少ないため、密度が増加した場合、より多くの反射散乱光がフォトダイオードに到達し、計算される吸光度が見かけ上減少する。これにより、骨密度の変化に伴う二波長の吸光度比又は差の変化がより大きくなり、密度との関係を示す直線の傾きが低くなったと考えられる。
以上のことから、骨密度を光により評価する場合、骨密度の変化に伴う吸光度の変化が大きく異なる二波長の近赤外光を選択し、発光部と受光部との位置を、透過光及び反射散乱光を受光できるように配置して、透過光のみを利用するよりも光の反射散乱をも考慮した方がより高感度に骨密度を予測することができると言える。【００２５】
＜他の実施形態＞
上述では、２つの波長を用いて、骨密度との相関を得ているが、用いる波長の数は２つとは限らない。骨以外の皮膚や骨髄など複数の組織の影響を避けるためにも、他の波長を利用して、その影響を取り除くことが考えられる。
例えば、測定対象物が骨組織と皮膚で構成されており、さらに骨組織は骨と骨髄で構成されているとする。一波長（λ１）で測定された吸光度（散乱による減衰を含むとする）は次式のような関係で表すことができる。
［数２］
［μａ＝αμａｂｔ＋（１−α）μａＳ］λ＝λ１・・・・・・・・・（１）
［μａｂｔ＝βμａｂ＋（１−β）μａｍ］λ＝λ１・・・・・・・・（２）
（１）式において、μａは測定値として得られる対象物全体での吸光度、μａｂｔは骨組織での吸光度、μａＳは皮膚での吸光度で、αは骨組織の存在割合である。同様に（２）式では、μａｂは骨の吸光度、μａｍは骨髄の吸光度、そしてβは骨の存在割合、すなわち求めようとする骨密度である。（２）式と（１）式より、
［数３］
［μａ＝α（βμａｂ＋（１−β）μａｍ）＋（１−α）μａＳ］λ＝λ１・・（３）
となる。（３）式より測定値μａは骨密度（β）だけではなく皮膚の存在割合（１-α）により決定されることがわかる。そのため、二波長での吸光度比や吸光度差を取った場合、その比と骨密度（β）とは、上述のように線形関係に近似できるが、皮膚の存在によりその関係に影響が生じる。その皮膚の影響を取り除き測定の高精度化を図るには、二波長より多い波長での測定が望ましい。
このことから、例えば、複数の波長を用いて各波長での測定値μａと使用波長、骨密度、皮膚割合などの関係を表したデータベースを構築し、それをより高精度な骨密度評価に利用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。
このときに、２つの波長を上述の骨密度の計測と同じとすれば、少なくとも三波長で計測することにより、皮膚や筋肉等の影響を少なくして計測することができる。
このときも、複数の波長を発光する複数の発光素子を順次発光させることで、受光素子は１つでよい。なお、発光素子としてＬＥＤを用いれば、その複数の各波長の光を発光する素子の集合体は十分に小さく、１つの発光素子として扱える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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】骨による光の吸収スペクトルを示す図である。
【図３−１】二波長の吸収度の比と骨密度との相関を示す図である。
【図３−２】二波長の吸収度の比と骨密度との相関を示す他の図である。
【図３−３】二波長の吸収度の差と骨密度との相関を示す図である。
【図４】（ａ）骨の近赤外域吸光度スペクトルを示すグラフである。（ｂ）骨密度を示すための骨の断面写真である。
【図５】（ａ）二波長の吸光度比，吸光度差と骨密度の関係を示すグラフである。（ｂ）傾き（ｓ）と相関係数（ｒ）の分布を示す図である。（ｃ）傾き（ｓ）と相関係数（ｒ）の分布図の部分拡大図である。
【図６−１】吸光度比の相関係数（ｒ）が０．９９以上で、傾き（ｓ）が１００００以下となる二波長（λ１，λ２）の組み合わせを示す図である。
【図６−２】吸光度比（ａ），吸光度差（ｂ）の相関係数（ｒ）が０．９９以上で、傾き（ｓ）が１００００以下となる二波長（λ１，λ２）の組み合わせを示す他の図である。
【図７】皮膚の吸光度スペクトルを示す図である。
【図８】水と脂肪の吸光度スペクトルを示す図である。
【図９−１】図６−１に示した領域Ｃにおいて、皮膚，体内の水，脂肪の影響を軽減するために選ばれた二波長（λ１，λ２）の組み合わせを示す領域（枠で囲まれた領域）を拡大した図である。
【図９−２】図６−２に示した領域Ｃ，Ｆにおいて、皮膚，体内の水，脂肪の影響を軽減するために選ばれた二波長（λ１，λ２）の組み合わせを示す領域（枠で囲まれた領域）を拡大した図である。
【図１０】（ａ）遠位尺骨突起部を想定した計測を示す模式図である。（ｂ）遠位尺骨突起部を示すレントゲン写真である。
【図１１】骨密度を計測する計測部を示す図である。（ａ）側面を示す写真を示す。（ｂ）計測部の正面を示す写真である。
【図１２】（ａ）発光部（２つのＬＥＤ）の発光タイミングを示すタイミングチャートである。（ｂ）受光部（ＰＤ）の計測タイミングを示す図である。
【図１３−１】模擬骨に対する、吸光度比と密度の関係を示す図である。（ａ）λ１：８５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ  （ｂ）λ１：１０５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ  （ｃ）λ１：１２００ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ
【図１３−２】模擬骨に対する、吸光度比，吸光度差と密度の関係（バックグランドを取り除いた場合）を示す図である。（ａ）λ１：８５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ  （ｂ）λ１：１０５０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ  （ｃ）λ１：１２００ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ
【図１４】模擬骨に対する、吸光度と密度の関係を示す図である。
【図１５】模擬骨での計測における光の透過、反射、散乱を示す模式図である。（ａ）低骨密度の場合を示す図である。（ｂ）高骨密度の場合を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図６−１】
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【図７】
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【図８】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１２】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１４】
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【図４】
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【図５】
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【図６−２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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