(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
足踵骨の音響特性を検出するための一対の探触子と、これら探触子を上下前後方向に移動する手段と、前記探触子の移動によって得られる足踵骨の２次元骨情報を収集演算する演算手段と、前記足踵骨の２次元骨情報の２次元分布をその形状を含めて表示する手段とを備え、
前記２次元骨情報の表示は２次元マップまたは３次元マップにおけるグレースケールあるいはカラースケールであり、年齢や性別によりグレースケールあるいはカラースケールのゾーンを変えて表示し、前記演算手段の２次元情報分布より所定の位置の骨情報を求めることを特徴とする超音波骨診断装置。
【請求項２】
足踵骨の音響特性を検出するための一対の探触子と、これら探触子を上下前後方向に移動する手段と、前記探触子の移動によって得られる足踵骨の２次元骨情報を収集演算する演算手段と、前記足踵骨の２次元骨情報の２次元分布をその形状を含めて表示する手段とを備え、
２次元骨情報の表示は２次元マップまたは３次元マップにおけるグレースケールあるいはカラースケールであり、平均骨特性グラフに対応させてグレースケールあるいはカラースケールのゾーンを変えて表示し、前記演算手段の２次元情報分布より所定の位置の骨情報を求めることを特徴とする超音波骨診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は骨疾患に関して骨の質に関する有益な情報を得るための超音波骨診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
骨粗鬆症をはじめとする骨疾患に対し、骨中に超音波を透過させ、骨中での音速や減衰量を測定することにより、骨質を評価する超音波骨診断の方法はすでに知られている。なお、超音波による測定には通常、踵骨が用いられる。
【０００３】
以下従来の超音波骨診断装置について図面を参照しつつ説明する。図14は従来の超音波骨診断装置の構成を示すブロック図であり、超音波による踵骨の骨質を測定する装置である。図中、１，２は超音波パルスの送信,受信を行なうための単一の発音素子からなる探触子振動子、12は足根、３は骨質を測定される踵骨であり、踵骨３と探触子１および探触子２の間には皮下組織および超音波を容易に伝播させるための整合材(図示省略)が介在する。４および５は探触子１あるいは探触子２のいずれかを選択するスイッチ、６はスイッチ４により選択された探触子より超音波パルスを発生させるための送信パルス発生回路、７は本測定装置のタイミングを制御するタイミング回路、８はスイッチ５で選択された探触子のエコー信号を増幅するための受信アンプ、９はタイミング回路７で発生したタイミング信号と受信アンプ８で受信されたエコー信号から音速や減衰度を計算する演算回路でエコー信号を量子化するためのＡ／Ｄ変換器を含む。11は表示器である。
【０００４】
以下、測定手順を説明する。まず、初めに踵骨３の幅の測定がなされる。初めにスイッチ４，５がともにａ側に接続され、送信受信ともに探触子１により行なわれる。これにより探触子１から踵骨３表面までの往復に要する伝搬時間が求められ、距離に換算される。次にスイッチ４，５がともにｂ側に接続され、送信受信ともに探触子２により行なわれる。これにより探触子２から踵骨３表面までの往復に要する伝搬時間が求められ、距離に換算される。踵骨３の幅は探触子１−２間の距離から探触子１−踵骨３間の距離および探触子２−踵骨３間の距離を差し引いたものとして求められる。
【０００５】
ここでスイッチ４がａにスイッチ５がｂに接続され、探触子１により送信が行われ、探触子２により受信が行なわれる。このスイッチ設定はスイッチ４がｂでスイッチ５がａでもよく、この場合には探触子２が送信、探触子１が受信となる。これにより踵骨を通した探触子１−探触子２間の超音波の伝搬時間が求められる。探触子１および探触子２から踵骨３表面までの音速は既知であるから、踵骨３を透過するのに必要な時間が求められ、踵骨幅のデータとあわせて踵骨の音速が計算される。また、踵骨３を透過したエコーの周波数成分を解析し、踵骨なしの場合の特性と比較することにより、踵骨の減衰特性が求められる。
【０００６】
これらの演算は演算回路９で行なわれ、その結果は表示器11に表示される。再現性のよい正確なデータを得るためには踵骨に当てる探触子の位置決めを正確に行なうことが重要である。この位置の決定についてはいくつかの文献に記載されており、例えば特開平２−104337号公報によれば、複数の発音素子が配列された探触子を用い、送信および受信を行なう発音素子を順次切り換えて測定を行なった後、最も減衰が大きい領域に隣接しつつ、骨の超音波減衰あるいは音速が局所的に最小である点を見つけ、この点を測定位置と定めている。なお、この音速は波形の到達時間により求められるが、雑誌「非破壊検査」第４４号第３巻ｐｐ１４９−１５５にあるように、波形の立ち上がりを検出する方法が一般的である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の装置における実際の骨特性の測定においては、皮下組織や骨の微小な凹凸などの影響によりデータにばらつきが発生し、また、伝播特性の問題や、ノイズの混入から波形の立ち上がりが明確に識別できない測定箇所も存在し、誤差の要因となっている。また、この装置は所定の１点についてのデータのみを提供するものであり、少ない情報しか提供できない等、種々の問題点があった。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、高い精度を実現でき、また多くの診断情報が得られる優れた超音波骨診断装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波骨診断装置は、足踵骨の音響特性を検出するための一対の探触子と、これら探触子を上下前後方向に移動する手段と、前記探触子の移動によって得られる足踵骨の２次元骨情報を収集演算する演算装置、前記足踵骨の２次元骨情報の２次元分布をその形状を含めて表示する手段とを備え、前記２次元骨情報の表示は２次元マップまたは３次元マップにおけるグレースケールあるいはカラースケールであり、年齢や性別により、または平均骨特性グラフに対応させて、グレースケールあるいはカラースケールのゾーンを変えて表示し、前記演算装置の２次元情報分布より所定の位置の骨情報を求めるようにしたものである。
【００１０】
この発明によれば、２次元の骨情報の分布より所定の位置における情報を算出するため、測定精度が大幅に向上させることができ、また、より多くの情報を検査者に提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、前記従来のものと同一の部分は同一の符号を用いるものとする。
【００１２】
(実施の形態１)
図１は本発明の超音波骨診断装置の実施の形態１における構成を示すブロック図であり、図中、13，14は超音波パルスの送信，受信を行うための探触子で前記従来の探触子が、単一の発音素子からなっているのに対し、２次元格子状になっているものを用いる。12は足根、３は骨質を測定される踵骨であり、踵骨３と探触子13および探触子14の間には皮下組織および超音波を容易に伝播させるための整合材(図示省略)が介在する。15，16は探触子13および探触子14の複数の発音素子のうち、それぞれ１つを選択するためのスイッチ、４および５はスイッチ15，16により選択された探触子13あるいは探触子14のいずれかを選択するスイッチ、６はスイッチ４により選択された探触子より超音波パルスを発生させるための送信パルス発生回路、７は本測定装置のタイミングを制御するタイミング回路、８はスイッチ５で選択された探触子のエコー信号を増幅するための受信アンプ、９はタイミング回路７で発生したタイミング信号と受信アンプ８で受信されたエコー信号から音速や減衰度を計算する演算手段となる演算回路でエコー信号を量子化するためのＡ／Ｄ変換器を含む。11は表示器である。
【００１３】
以下、測定手順を説明する。まず、初めに踵骨３の幅の測定がなされる。初めにスイッチ４，５がともにａ側に接続され、送信受信ともに探触子13により行なわれる。これにより探触子13から踵骨３表面までの往復に要する伝搬時間が求められ、距離に換算される。次にスイッチ４，５がともにｂ側に接続され、送信受信ともに探触子14により行なわれる。これにより探触子14から踵骨３表面までの往復に要する伝搬時間が求められ、距離に換算される。踵骨３の幅は探触子13−14間の距離から探触子13−踵骨３間の距離および探触子14−踵骨３間の距離を差し引いたものとして求められる。
【００１４】
この骨幅測定においては、探触子13と探触子14の各々に格子状に配列されている発音素子の内、相対向する発音素子を選ぶようにスイッチ15，16を制御回路(図示省略)により切り替えることにより、単一の発音素子が上下前後に動くことと同じ結果となり、２次元的骨幅が計測される。ここでスイッチ４がａにスイッチ５がｂに接続され、探触子13により送信が、探触子14により受信が行なわれる。このスイッチ設定はスイッチ４がｂでスイッチ５がａでもよく、この場合には探触子14が送信、探触子13が受信となる。これにより踵骨を通した探触子13−探触子14間の超音波の伝搬時間が求められる。この伝搬時間の計測においても、前記骨幅測定と同様に、探触子13と探触子14の対向する発音素子が順次選ばれ、２次元的な伝搬時間が求められる。図２は、本発明の超音波骨診断装置の実施の形態１における骨特性測定方法のアルゴリズムであり、以下、このアルゴリズムを参照しつつ本実施の形態における計算と表示の方法について説明する。
【００１５】
まず、踵骨を左右にはさむ位置に一対の探触子を配置し、上下方向、前後方向にスイッチ15，16の切換えにより順次移動させ、透過エコーを取得する(Ｓ１)。次にエコーの伝達時間から音速を、また、到達エコー波形から周波数依存減衰など骨特性を計算する(Ｓ２)。このようにして得られた骨特性データを２次元配置したとき、最低音速を含む範囲を選択する(Ｓ３)。この過程は計算量を少なくするためのもので、もともとのデータ数が少ない場合には必要ない。選択された範囲の２次元近似曲面を最小２乗法などで計算し(Ｓ４)、最低音速あるいは周波数依存減衰が最低になる位置とそのときの値を求めて終了する(Ｓ５)。
【００１６】
以上のように本実施の形態によれば骨特性を２次元曲面として近似計算することによって、従来の測定方法に比べ、データのばらつきが少なくなり、良好な測定結果が得られる。なお、上記の説明では探触子を２次元配列の発音素子として説明したが、単一の発音素子を機械的に前後上下の２方向に移動させてもよく、また、１次元配列の発音素子を配列のない方向に機械的に移動させても２次元的な分布を求めることができるのは言うまでもない。
【００１７】
また、本実施の形態１における装置の基本構成に骨特性の計算時にデータを補正する手段を加えたものである。図３は本発明の超音波骨診断装置におけるデータ補正の説明図であり、実際に音速を測定したデータから、横軸に位置、縦軸に音速をとってプロットしたものである。この例においてはＡ点におけるデータに大きな誤差が含まれており、この位置における測定データは破棄し、周囲のデータより、推定データＡ’をつくる。エラーデータの検出方法としては、例えば、周囲データとの差分をとり、差分がある値を超えた場合にエラーとするなどの方法があげられる。また、エラー部分におけるデータの推定としては、周囲のデータから最小二乗法などで求めることができる。
【００１８】
以上のように本実施の形態によれば、隣接データから大きく外れた値についてはエラーとみなしてこれを破棄することにより全体の誤差を少なくすることができ、測定精度が向上する。なお、上記の説明では一次元における補正例を示したが、同様に２次元に関しても適用が可能である。
【００１９】
また、本実施の形態１における装置の基本構成に音速の微妙な変化の検出手段を加えたものである。図４は、本発明の超音波骨診断装置における波形から音速を求める際の説明図であり、図４(a)が波形の開始点を良好に識別できるデータ、図４(b)が波形の開始点を良好に識別できないデータで、図４(b)は図４(a)の近傍での測定データとする。まず、図４(a)のデータに関し、波形と振幅ゼロの線が交わる点(以下ゼロクロス点という)の１つａ１と、波形の開始点ａ０からａ１までの時間(Δｔ２)を測定する。図４(b)は図４(a)の近傍に位置するので、図４(b)の波形の開始点b０は図４(a)での開始点に近いと考えられ、図４(b)の波形上で図４(a)のゼロクロス点ａ１にもっとも時間的に近いゼロクロス点ｂ１を探し、この点より、前にΔｔ２のところを波形の開始点ｂ０とする。
【００２０】
しかし、図４(a)と図４(b)のそれぞれの位置において、周波数依存減衰量が等しくない場合には波形の開始点からゼロクロス点までの時間Δｔ２が一定でなく、このことが誤差の原因になる。図５はこの場合の解決方法を示したものであり、図５(a)の波形において、ゼロクロス点ａ１から波形の開始点ａ０までの時間Δｔ２を計測するとともに、ゼロクロス点ａ１の一周期あとのゼロクロス点ａ２までの時間Ｔを計測する。図５(b)の波形においてもゼロクロス点ｂ１とその一周期あとのゼロクロス点ｂ２までの時間Ｔ’を計測する。この波形の開始点ｂ０とゼロクロス点ｂ１の時間Δｔ２’は(数１)で求める。
【００２１】
【数１】
Δｔ２’＝Ｔ’／Ｔ×Δｔ２
このような測定法により、波形の到達時間の特に周囲の測定点に対する相対的な値を周波数依存減衰が異なる場合でも精度良く計測することが可能になる。
【００２２】
以上のように本実施の形態によれば、近接した位置間の受信波形同士のゼロクロス時間を比較することで、音速の微妙な変化を少ない誤差で検出することができ、精度の良い良好な測定結果が得られる。
【００２３】
また、本実施の形態１における装置の基本構成に踵骨の音速表示手段を加えたものである。図６は本発明の超音波骨診断装置における踵骨の音速表示の説明図であり、横方向を足の前後方向、縦方向を足の上下方向として、白黒画像の濃淡で音速の２次元分布を表示している。従来例では測定したデータのうちの一点を表示するのみであったが、このように２次元で表示することで、骨特性についての新たな情報を提供することが可能になる。図６においては白黒画像の濃淡で音速の速い遅いを表現しているが、カラースケールを用いても同様な効果が得られる。また音速以外のパラメータ、例えば周波数依存減衰などについても同様な表示を行なうことが可能である。
【００２４】
以上のように本実施の形態によれば、収集した２次元分布データを２次元画像、例えば２次元グレースケール画像や２次元カラースケール画像として表示することにより、従来より多くの診断に有用な情報を検査者に提供することができる。
また、本実施の形態１における装置の基本構成に踵骨の他の音速表示手段を加えたものである。図７は本発明の超音波骨診断装置における踵骨の音速表示の説明図であり、水平軸の１つを足の前後方向、もう１つを上下方向とし、垂直軸を音速表示に用いている。ここでは２次元画像のように単なる画像の濃淡ではなく、形状として３次元画像のように捕らえることができるため、骨特性についての２次元情報をより判りやすく伝えることができる。この表示方式は、さらに図８のように、形状表示だけでなく、濃淡情報の付加を行なうことも可能である。また、濃淡のかわりにカラースケールを用いてもよい。また、図８では音速表示に形状と濃淡の両方を用いたが、形状に音速、濃淡に周波数依存減衰というようにパラメータを振り分けることも可能である。
【００２５】
以上のように本実施の形態によれば、収集した２次元分布データを３次元画像、例えば３次元グレースケール画像や３次元カラースケール画像として表示することにより、より多くの診断に有用な情報を検査者にわかりやすく提供することができる。
【００２６】
また、図９は本発明の超音波骨診断装置における別構成を示すブロック図であり、前記図１に示したものと基本的には同一であるので、同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。この装置は入力装置101が付加されている点が前記図１に示したものと異なっており、この入力装置101としてはマウスやジョイスティックなどが用いられる。102は演算手段となる演算装置、103は演算装置102で構成した画像を表示するディスプレイである。
【００２７】
次にその動作について説明する。本実施の形態では２次元骨情報を得て、音速や減衰などの骨情報を計算するところまでは同一であり、その後、３次元に表示された踵骨の２次元分布を様々な視点から観察できるようにしたものであり、操作者が入力装置101を操作することで、視点設定データが演算装置102に入力され、その視点から見た場合の画像がこの演算装置102により構成されてディスプレイ103により表示される。
【００２８】
以上のように本実施の形態によれば、表示した３次元画像を見る角度を変える機能を有することで、診断に有用な情報を検査者によりわかりやすく提供することができる。
【００２９】
また、本実施の形態１における装置の基本構成に表示される２次元あるいは３次元のグレースケールやカラースケールを性別，年齢により調整する手段を加えたものである。図10は本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図である。図10(a)，(b)ともに同じ測定データの表示であるが、図10(a)は被検査者が比較的若年である場合の表示、図10(b)は被検査者が比較的年齢が高い場合であって同一の音速範囲に対する濃淡の付け方を変化させたものである。骨粗鬆症の程度は年齢や性別と照らし合わせて行なうのが通例であり、本実施の形態においてはこの点を考慮した表示とすることにより、検査者は骨状態を年齢や性別を加味した状態で知ることができる。
【００３０】
以上のように本実施の形態によれば、診断に有用な骨状態に関する情報を検査者にわかりやすく提供することができる。
【００３１】
また、本実施の形態１における装置の基本構成に表示される２次元あるいは３次元のグレースケールやカラースケールを性別の年齢平均と照らし合わせたグラフと対応させる手段を加えたものである。
【００３２】
図11は本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図である。図11(a)は一般に骨粗鬆症で用いられるグラフであり、年齢別の骨特性の平均値、および±１ＳＤ、±２ＳＤで色分けがされている。被検査者の年齢における−２ＳＤ、−１ＳＤ、平均値、＋１ＳＤ、＋２ＳＤの値をＶ０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４とすると、音速と色分けの関係は同図(b)のようになる。この色分けを同図(c)に示す２次元分布に用いることで、年齢を加味した骨特性の評価を行なうことが可能である。この図(c)は２次元表示になっているが、３次元表示でも全く同様に表示できる。
【００３３】
以上のように本実施の形態によれば、診断に有用な骨状態に関する情報を検査者にわかりやすく提供することができる。
【００３４】
また、本実施の形態１における装置の基本構成に表示される２次元画像において年齢，性別に照らし合わせた平均値を下回る部分を図示する手段を加えたものである。図12は本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図である。図は骨特性の２次元表示を示しているが、年齢、性別に照らし合わせた平均値を下回る部分を太線で囲み表示している。このような表示を用いることで、性別、年齢を加味した骨特性を即座に把握することが可能であり、また、太線で囲んだ部分の面積を数値で表示することでも同様な効果を上げることができる。
【００３５】
以上のように本実施の形態によれば、診断に有用な骨粗鬆症程度に関する情報を検査者にわかりやすく提供することができる。
【００３６】
(実施の形態２)
本実施の形態における装置の基本構成は前記実施の形態１と同様であるが、特に表示される２次元画像において骨特性をいくつかの範囲に分け、各範囲に当てはまる面積をグラフ表示する手段を加えたものである。図13は本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図である。図13は骨特性の２次元表示であるが、図13(b)に示したような速度範囲により色分けがなされ、図13(a)のように表示されている。これらの色分けした各速度範囲について面積を求めたのが図13(c)に示すグラフであり、このグラフの形から、骨特性についての付加情報を求めることができる。なお、速度範囲の設定は、実施の形態１に述べたように、年齢や性別を加味することもできる。
【００３７】
以上のように本実施の形態によれば、診断に有用な骨粗鬆症程度に関する情報を検査者にわかりやすく提供することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、骨に関する２次元配列データよりその分布傾向をつかみ、所定の位置の骨特性を求めることによって、精度の良い測定ができ、これを検査者に判り易く提供することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の超音波骨診断装置の各実施の形態での基本構成を示すブロック図。
【図２】  本発明の超音波骨診断装置の実施の形態１におけるアルゴリズムの説明図。
【図３】  本発明の超音波骨診断装置におけるデータ補正の説明図。
【図４】  本発明の超音波骨診断装置における音速計算法の説明図。
【図５】  本発明の超音波骨診断装置における音速計算法の別の例の説明図。
【図６】  本発明の超音波骨診断装置における踵骨の音速表示の説明図。
【図７】  本発明の超音波骨診断装置における踵骨の音速表示の説明図。
【図８】  本発明の超音波骨診断装置における踵骨の音速表示の別の例の説明図。
【図９】  本発明の超音波骨診断装置における別構成を示すブロック図。
【図１０】  本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図。
【図１１】  本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図。
【図１２】  本発明の超音波骨診断装置における表示の説明図。
【図１３】  本発明の超音波骨診断装置の実施の形態２における表示の説明図。
【図１４】  従来の超音波骨診断装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１，２，13，14…探触子、  ３…踵骨、  ４，５…スイッチ、  ６…送信パルス発生回路、  ７…タイミング回路、  ８…受信アンプ、  ９…演算回路、  11…表示器、  12…足根、  15，16…スイッチ、  101…入力装置、  102…演算装置、  103…ディスプレイ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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