超音波を用いた骨強度診断装置及び骨強度診断方法
【課題】長管状骨の骨強度を正確に診断することのできる骨強度診断装置及び骨強度診断方法を提供する。
【解決手段】縦方向用超音波送受波器３及び横方向用超音波送受波器２は、脛骨３０の骨表面３１に所定の角度から超音波を放射し、骨表面３１を脛骨の長軸方向及び長軸方向に直交する方向に伝搬する表面波をそれぞれ発生させると共に、表面波から軟組織４０側に漏洩する漏洩波をそれぞれ受波する。音速算出部２１は、超音波の経路長の差と伝搬時間の差に基づき、横方向及び縦方向の表面波音速Ｖａ、Ｖｂを算出する。第１指標算出部２２は、横方向の表面波音速Ｖａを用いて骨密度を評価する指標（第１指標）を算出する。第２指標算出部は、縦方向及び横方向の表面波音速Ｖｂ、Ｖａを用いて、骨の配向性を評価する指標（第２指標）を算出する。骨診断部２４は、第１指標と第２指標を用いて骨密度及び骨の配向性に基づき、骨強度を診断する。
【解決手段】縦方向用超音波送受波器３及び横方向用超音波送受波器２は、脛骨３０の骨表面３１に所定の角度から超音波を放射し、骨表面３１を脛骨の長軸方向及び長軸方向に直交する方向に伝搬する表面波をそれぞれ発生させると共に、表面波から軟組織４０側に漏洩する漏洩波をそれぞれ受波する。音速算出部２１は、超音波の経路長の差と伝搬時間の差に基づき、横方向及び縦方向の表面波音速Ｖａ、Ｖｂを算出する。第１指標算出部２２は、横方向の表面波音速Ｖａを用いて骨密度を評価する指標（第１指標）を算出する。第２指標算出部は、縦方向及び横方向の表面波音速Ｖｂ、Ｖａを用いて、骨の配向性を評価する指標（第２指標）を算出する。骨診断部２４は、第１指標と第２指標を用いて骨密度及び骨の配向性に基づき、骨強度を診断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて骨強度を診断する骨強度診断装置及び骨強度診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、骨強度を診断する装置として、Ｘ線を利用して骨密度を精密に測定する診断装置があるが、装置が大掛かりであり、放射線を被爆するという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題が生じない非侵襲的な骨強度診断装置として、超音波を利用する装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような診断装置では、超音波の送波機器から骨の表面に対し所定の角度傾いた方向から超音波を放射し、骨の表面に表面波を発生させる。そして、例えば、この超音波の送波機器に対して相対移動可能な超音波の受波機器により、表面波から漏洩する漏洩波を受波し、超音波を放射してから漏洩波が受波されるまでの伝搬時間や伝搬距離に基づき、表面波の音速を測定する。このような装置では、橈骨、脛骨及び指骨といった長管状骨を測定部位とし、且つ、これら長管状骨の長軸方向に沿って伝わる表面波の音速を測定している。また、一般的に、測定された表面波の音速が速い程、骨強度は高いと診断される。
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５１０２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、本願発明者らは、測定された表面波の音速が速い場合であっても、実際の骨密度が低い場合があり、逆に、測定された表面波の音速が遅い場合であっても、実際の骨密度が高い場合があり、長管状骨の長軸方向の表面波の音速は骨密度との相関性が乏しいことを知見した。よって、長管状骨の長軸方向の表面波の音速に基づいて、骨強度を正確に評価することは困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、長管状骨の骨強度をより正確に診断することのできる骨強度診断装置及び骨強度診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
請求項１の骨強度診断装置は、超音波を用いて骨強度を診断する骨強度診断装置であって、超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定する音速測定手段と、前記音速測定手段により測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出手段と、前記第１指標算出手段により算出された前記第１指標に基づいて、骨強度を診断する骨診断手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
一般的に、骨の表面を伝搬する超音波（表面波）の音速は、骨密度、骨の配向性等の骨の特性の影響を受けていると考えられる。骨は、ハイドロキシアパタイト結晶と、コラーゲン繊維が規則的に配列した構造を有する。長管状骨は、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）結晶のｃ軸が、長軸方向に沿って配向した１軸配向性と呼ばれるＨＡｐ結晶の配向性を有する。繊維状のコラーゲンの走行方向（配向性）は、このＨＡｐ結晶のｃ軸方向とほぼ同じである。長軸方向の表面波の音速は、長軸方向の骨の配向性（ＨＡｐ結晶の配向性とコラーゲン繊維の配向性）と骨密度の両方の影響を大きく受けており、そのため、長軸方向の音速から骨密度を正確に把握することはできないと考えられる。一方、長軸方向に交差する方向である第１方向の表面波の音速は、骨の配向性の影響が小さく、骨密度との相関性が大きいと考えられる。従って、第１指標算出手段は、第１方向の音速に基づいて、骨密度に関する第１指標を算出することができる。また、骨診断手段は、この第１指標に基づいて、骨強度を診断することにより、長軸方向の音速に基づいて骨強度を診断する場合に比べて、正確に骨強度を診断することができる。
【０００９】
請求項２の骨強度診断装置は、請求項１において、前記音速測定手段が、さらに、前記骨の長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定するものであり、前記音速測定手段により測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出手段をさらに備え、前記骨診断手段は、骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断することを特徴とする。
【００１０】
第２方向の音速は、骨の配向性と骨密度の影響を大きく受けており、第１方向の音速は、骨の配向性の影響が小さく、骨密度の影響が大きい。そのため、第２指標算出手段は、第２方向の音速と第１方向の音速とに基づいて、骨の配向性に関する第２指標を算出することができる。また、骨診断手段は、骨密度に関する第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方を用いて、骨強度を診断することにより、第１指標のみを用いて診断した場合に比べて、より正確に骨強度を診断することができる。
【００１１】
請求項３の骨強度診断装置は、請求項１又は２において、前記第１方向が、前記骨の長軸方向に直交する方向であることを特徴とする。
【００１２】
長軸方向に直交する方向の表面波音速は、骨の配向性の影響が小さい。そのため、長軸方向に直交する方向の表面波音速を用いることにより、正確に骨強度を診断することができる。
【００１３】
請求項４の骨強度診断方法は、超音波を用いて骨強度を診断する方法であって、超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速と、前記長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速とをそれぞれ測定する音速測定工程と、前記音速測定工程で測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出工程と、前記音速測定工程で測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出工程と、骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断する骨診断工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
第１方向の表面波の音速は、配向性の影響が小さく、骨密度の影響が大きいため、骨密度との相関性が高い。一方、第２方向の表面波の音速は、骨の配向性と骨密度の両方の影響が大きい。従って、第１指標算出工程により、第１方向の音速に基づいて、骨密度に関する第１指標を算出することができる。また、第２指標算出工程により、第２方向の音速と第１方向の音速とに基づいて、骨の配向性に関する第２指標を算出することができる。さらに、骨診断工程によって、骨密度に関する第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方を用いて骨強度を診断することにより、どちらか一方の指標だけを用いる場合に比べて、より正確に骨強度を診断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の骨強度診断装置１は、超音波を測定部位の骨に放射し、骨の表面に表面波を発生させ、その表面波から漏れる漏洩波を受波することにより、表面波の音速を測定し、さらに、得られた音速から骨強度を診断する装置である。
【００１６】
骨強度診断装置１は、脛骨内側面３１を測定部位とする。脛骨は、長管状骨の一種であり、図２に示すように、脛骨の皮質骨３０は、長軸方向に直交する方向の断面形状が略三角形状である。測定部位である脛骨内側面３１とは、この断面略三角形状を構成する３つの面のうち、体の内側（図２中の右側）に位置する面のことである。脛骨内側面３１は一定の長さにおいて平坦性を有している。また、この脛骨内側面３１を覆う筋肉などの軟組織４０の厚みは比較的薄い。そのため、脛骨内側面３１と皮膚表面４１はほぼ平行である。これにより、後述する表面波を発生させることができると共に、表面波の伝搬距離を確保することができる。
【００１７】
尚、以下の骨強度診断装置１の説明において、脛骨の長軸方向を縦方向、脛骨の長軸方向に直交する方向であって図２に示す脛骨内側面３１の方向を横方向と定義する。また、脛骨内側面３１及び脛骨の皮質骨３０を、単に骨表面３１及び骨３０と表現する。また、本発明の第１方向及び第２方向は、それぞれ横方向及び縦方向に相当する。
【００１８】
図１に示すように、骨強度診断装置１は、横方向用超音波送受波器２と、縦方向用超音波送受波器３と、装置本体４とを備える。横方向用超音波送受波器２と縦方向用超音波送受波器３は、それぞれ装置本体４にケーブルを介して接続されている。
【００１９】
横方向用超音波送受波器２は、骨表面３１に超音波を放射し、骨表面３１に沿って横方向に伝搬する超音波（表面波）を発生させると共に、この表面波から軟組織４０側に漏洩する超音波（漏洩波）を受波する。また、縦方向用超音波送受波器３は、骨表面３１に超音波を放射し、骨表面３１に沿って縦方向に伝搬する超音波（表面波）を発生させるとともに、この表面波から軟組織４０側に漏洩する超音波（漏洩波）を受波する。横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３としては、それぞれ超音波の送波及び受波を１台で行う超音波トランデューサと呼ばれる機器が用いられる。尚、図２は、横方向用超音波送受波器２を使用している状態を示した図であり、図１及び図３は、縦方向用超音波送受波器３を使用している状態を示した図である。
【００２０】
図２及び図３に示すように、横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３は、皮膚表面４１に当接する当接面８ａ、８ｂをそれぞれ備える。尚、横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３を使用する際、皮膚表面４１には超音波ゼリーが塗られる。
【００２１】
図２に示すように、横方向用超音波送受波器２は、超音波を送波する送波部５ａと、超音波を受波する２つの受波部６ａ、７ａとを備える。当接面８ａが皮膚表面４１の所定の位置に当接した状態において、送波部５ａ、受波部６ａ、受波部７ａは、それぞれ所定の間隔を空け、この順で横方向に並んでいる。
【００２２】
送波部５ａは、装置本体４から送信される電気パルス信号を受信することにより、所定の周波数の超音波パルスＡａを放射する。送波部５ａとしては、指向性の広い超音波を放射するものが用いられる。送波部５ａは、当接面８ａが皮膚表面４１の所定の位置に接触した状態において、送波部５ａから放射される超音波Ａａが骨表面３１に臨界角付近で入射するように設定される。指向性が広い送波部５ａを用いることにより、厳密に入射角を設定しなくても、超音波を臨界角で骨表面３１に入射させることが可能となる。また、臨界角は、軟組織４０中の音速と後述する表面波の音速とによって求められる。そのため、指向性の広い送波部５ａを用いることにより、表面波の音速が被験者によって異なる場合であっても超音波を臨界角で骨表面３１に入射させることが可能となる。
【００２３】
送波部５ａから超音波パルスＡａが放射され、骨表面３１に対して臨界角で入射すると、骨表面３１に表面波Ｂａが発生する。表面波Ｂａは、軟組織４０側の所定の方向（例えば、Ｃ１ａ、Ｃ２ａの方向）に漏洩波を放射しつつ、骨表面３１に沿って横方向に伝搬する。
【００２４】
２つの受波部６ａ、７ａは、それぞれ所定の距離Ｌ１ａ、Ｌ２ａ伝搬した表面波Ｂａからそれぞれ放射される漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａを受波する。また、受波部６ａ、７ａは漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａをそれぞれ受波すると同時に、装置本体４に到達信号をそれぞれ送信する。
【００２５】
図３に示すように、縦方向用超音波送受波器３は、横方向用超音波送受波器２と同様に、超音波を送波する送波部５ｂと、超音波を受波する２つの受波部６ｂ、７ｂとを備える。当接面８ｂが皮膚表面４１の所定の位置に当接した状態において、送波部５ｂ、受波部６ｂ、受波部７ｂは、それぞれ所定の間隔を空け、この順で縦方向に並んでいる。
【００２６】
送波部５ｂは、装置本体４から送信される電気パルス信号を受信することにより、所定の周波数の超音波パルスＡｂを放射する。送波部５ａとしては、指向性の広い超音波を放射するものが用いられる。送波部５ｂは、当接面８ｂが皮膚表面４１の所定の位置に接触した状態において、送波部５ｂから放射される超音波Ａｂが骨表面３１に臨界角付近で入射するように設定される。
【００２７】
送波部５ｂから超音波パルスＡｂが放射され、骨３０に対して臨界角で入射すると、骨表面３１に表面波Ｂｂが発生する。表面波Ｂｂは、軟組織４０側の所定の方向（例えば、Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂの方向）に漏洩波を放射しつつ、骨表面３１に沿って縦方向に伝搬する。
【００２８】
２つの受波部６ｂ、７ｂは、それぞれ所定の距離Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ伝搬した表面波Ｂｂからそれぞれ放射される漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂを受波する。受波部６ｂ、７ｂは漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂをそれぞれ受波すると同時に、装置本体４に到達信号をそれぞれ送信する。
【００２９】
図１に示すように、装置本体４は、超音波制御部２０と、音速算出部２１と、第１指標算出部２２と、第２指標算出部２３と、骨診断部２４と、表示部２５等から構成される。尚、超音波制御部２０、音速算出部２１、骨特性評価部２２、及び、骨診断部２４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等から構成される。尚、本発明の音速測定手段は、縦方向用超音波送受波器３と、縦方向用超音波送受波器３と、超音波制御部２０と、音速算出部２１とから構成される。
【００３０】
超音波制御部２０は、横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３の送波部５ａ、５ｂから所定の周波数の超音波パルスＡａ、Ａｂを放射するための電気パルス信号を生成し、この電気信号を横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３に送信する。
【００３１】
音速算出部２１は、横方向用超音波送受波器２の受波部６ａ、７ａから送信された到達信号の時間差等に基づいて、骨表面３１を横方向に伝わる表面波Ｂａの音速Ｖａを算出する。また、音速算出部２１は、縦方向用超音波送受波器３の受波部６ｂ、７ｂから送信された到達信号の時間差等に基づいて、骨表面３１を縦方向に伝わる表面波音速Ｖｂを算出する。
【００３２】
横方向の表面波Ｂａの音速Ｖａを算出する場合について具体的に説明する。先ず、受波部６ａ、７ａからそれぞれ送信された到達信号の時間差ΔＴａを算出する。送波部５ａから受波部６ａまでの超音波の経路と、送波部５ａから受波部７ａまでの超音波の経路との差は、横方向の表面波Ｂａの伝搬距離の差ΔＬａ（Ｌ２ａ−Ｌ１ａ）だけである。即ち、表面波Ｂａは時間ΔＴａの間に、距離ΔＬａだけ進んでいる。また、上述したように骨表面３１と皮膚表面４１とは、ほぼ平行であるため、表面波Ｂａの伝搬距離の差ΔＬａは、受波部６ａと受波部７ａとの離隔距離ΔＤａにほぼ等しい。従って、横方向の表面波Ｂａの音速Ｖａは、Ｖａ＝ΔＤａ／ΔＴａにより算出される。
【００３３】
また、縦方向の表面波Ｂｂの音速Ｖｂを算出する場合、受波部６ｂ、７ｂからそれぞれ送信された到達信号の時間差をΔＴｂ、受波部６ｂと受波部７ｂとの離隔距離をΔＤｂとすると、縦方向の表面波Ｂｂの音速Ｖｂは、Ｖｂ＝ΔＤｂ／ΔＴｂにより算出される。
【００３４】
第１指標算出部２２は、音速算出部２１で算出された横方向の表面波音速Ｖａを骨密度に関する第１指標とする。第２指標算出部２３は、音速算出部２１で算出された縦方向及び横方向の表面波音速Ｖｂ、Ｖａを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する。骨診断部２４は、第１指標算出部２２及び第２指標算出部２３で算出された第１指標及び第２指標の両方に基づいて、骨強度を診断する。尚、第１指標算出部２２、第２指標算出部２３、及び、骨診断部２４については、後に詳しく説明する。
【００３５】
表示部２５は、骨診断部２４による診断結果を、骨特性評価部２２によって算出された第１指標及び第２指標とともに表示する。
【００３６】
ここで、表面波音速と、骨密度及び骨の配向性と、骨強度との関係について説明する。
【００３７】
骨強度は、骨の配向性と骨密度とによってほぼ決定されると考えられる。骨密度は、骨量の評価指標であり、骨の詰まり具合を示す。骨密度が高いほど高強度である。一方、骨の配向性は、骨質を評価する重要な指標の１つである。骨は、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）結晶と、繊維状のコラーゲンとが規則的に配列された構造を有しており。ＨＡｐ結晶の配向性とは、ＨＡｐ結晶の配列方向や配列度合い（結晶の揃い具合）を表す。また、繊維状コラーゲンもＨＡｐ結晶の配列方向とほぼ同じ方向に走行している。脛骨を含む長管状骨は、ＨＡｐ結晶のｃ軸が長軸方向に沿って配列する１軸配向性と呼ばれる特徴を有している。一般的に、ある配列方向においてＨＡｐ結晶の配列度合いが高いほど、その配列方向において骨強度は高いと判断することができる。しかし、例えば、骨粗鬆症により骨密度が低下すると、荷重が作用する方向に関して配向性が高くなる場合がある。これは、低下した骨強度を補う作用が働くためと考えられる。このように特定の方向の配向性のみが極端に高くなる場合には、他の方向の配向性が低くなり、その方向に関して骨強度が弱くなる場合がある。
【００３８】
また、骨の表面波音速は、骨密度と骨の配向性（ＨＡｐ結晶の配向性とコラーゲンの配向性）の両方の影響を受けていると考えられる。同じ配向性の場合、骨密度が高いほど表面波音速は速くなり、同じ骨密度の場合、配向性が高いほど表面波音速は速くなると考えられる。
【００３９】
図４は、脛骨の横方向及び縦方向の表面波音速と、骨密度との関連性を示すグラフである。図４は、縦軸を縦方向の表面波音速、横軸を横方向の表面波音速としている。先ず、複数の被験者の脛骨の横方向及び縦方向の表面波音速を測定した。また、同じ被験者達の踵骨について、超音波骨密度測定装置（古野電気株式会社製ＣＭ−２００）を用いて骨密度をそれぞれ測定した。そして、図４において、骨密度の上位４名について、横方向及び縦方向の表面波音速の測定結果を記号「○」で表示し、骨密度の下位５名について、横方向及び縦方向の表面波音速の測定結果を記号「×」で表示した。尚、踵骨の骨密度の測定に用いた超音波骨密度測定装置は、超音波送波器と超音波受波器で踵骨を挟み込み、踵骨内を通過する超音波の音速を測定することにより、骨密度を算出している。通常、ある部位の骨密度が高い場合、他の部位の骨密度も高くなると推定できる。従って、踵骨の骨密度が高い場合、脛骨の骨密度も高いものとする。
【００４０】
図４に示すように、骨密度の高い４名の横方向の表面波音速は、比較的速い。また、骨密度の低い５名の横方向の表面波音速は、比較的遅い。従って、横方向の表面波音速は、骨密度と相関性を有しており、横方向の表面波音速が速い場合、骨密度は高いと判断することができる。これは、横方向の表面波が、前述した脛骨の１軸配向性による配列方向を横断して伝搬しており、そのため、横方向の表面波音速は、配向性の影響をあまり受けず、骨密度の影響を大きく受けていることに起因すると考えられる。
【００４１】
一方、図４に示すように、骨密度の高い４名は、縦方向の表面波音速が比較的速い者もいれば、比較的遅い者もいる。従って、縦方向の表面波音速が速い（又は遅い）からといって、骨密度が高いとは言えない。これは、縦方向の表面波が、前述した脛骨の１軸配向性による配列方向に沿って伝搬しており、そのため、縦方向の表面波音速は、配向性と骨密度の両方の影響を大きく受けていることに起因すると考えられる。
【００４２】
以上のことから、第１指標算出部は、横方向の表面波音速Ｖａ自体を、骨密度を評価する指標（第１指標）として用いる。
【００４３】
また、縦方向の表面波音速は、骨密度と配向性の両方の影響を受けており、一方、横方向の表面波音速は、配向性の影響が小さく、骨密度の影響が大きいと考えられる。そのため、縦方向の表面波音速を横方向の表面波音速で割った値は、骨密度の影響が相殺されて、配向性と相関性を有すると考えられる。従って、例えば、図４に示す骨密度の小さい５名のうち、縦方向の表面波音速の最も速いＷは、縦方向の表面波音速を横方向の表面波音で割った値が比較的高いため、配向性は高いと判断することができる。
【００４４】
以上のことから、第２指標算出部２３は、縦方向の表面波音速Ｖｂを横方向の表面波音速Ｖａで割った値Ｖｂ／Ｖａを算出し、この値Ｖｂ／Ｖａを、配向性を評価する第２指標とする。
【００４５】
また、上述したように、骨強度は、骨密度と骨の配向性とによってほとんど決定され、骨密度と骨の配向性は、互いに独立した骨強度の指標である。そのため、骨診断部２４は、第１指標と第２指標に基づいて、骨強度を診断する。第１指標が所定の値よりも大きければ、骨密度の観点からは骨強度は十分であると診断できる。また、第２指標は、第１指標と照らし合わせて用いられる。例えば、第１指標が所定の値より小さく、第２指標が所定の範囲よりも大きい値である場合には、骨密度は小さいが配向性が高い。この場合は、例えば、骨粗鬆症により骨密度が低下したため、負荷荷重により長軸方向の配向性が高くなったと考えられる。この場合には、特に長軸方向以外の方向に関して骨強度が低いと診断する。骨密度と骨の配向性の両方に基づいて骨強度を診断することにより、どちらか一方の指標に基づいて診断する場合に比べて、より正確に骨強度を診断することができる。特に、骨粗鬆症や、小児等の骨成長により骨密度及び骨の配向性が変化している場合には、両方の指標を用いることにより、一方の指標を用いる場合に比べて、より正確に骨の状態を把握して診断することができる。
【００４６】
次に、骨強度診断装置１を用いて骨強度を診断する際の処理手順について説明する。先ず、横方向用超音波送受波器２の当接面８ａを、超音波ゼリーが塗られた測定部位の骨３０を覆う皮膚表面４１に当接させる。この状態で、操作者が装置本体４に設けられたスイッチを投入する。これにより装置本体４の超音波制御部２０から横方向用超音波送受波器２に電気信号が送信される。横方向用超音波送受波器２は、電気信号を受信すると、送波部５ａから骨表面３１に対し所定の斜め方向に超音波パルスＡａを放射する。放射された超音波パルスＡａは、軟組織４０を伝搬して臨界角で骨３０に入射し、骨表面３１に表面波Ｂａを発生させる。この表面波Ｂａは、軟組織４０側に漏洩しながら骨表面３１を横方向に伝搬する。表面波Ｂａが所定の距離Ｌ１ａ、Ｌ２ａを伝搬した後に漏洩した漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａが、それぞれ受波部６ａ、７ａによって受波される。受波部６ａ、７ａは、それぞれ漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａを受波すると同時に、装置本体４に対して到達信号を送信する。
【００４７】
次に、縦方向用超音波送受波器３の当接面８ｂを、超音波ゼリーが塗られた測定部位の骨３０を覆う皮膚表面４１に当接させ、装置本体４のスイッチを投入する。これにより装置本体４の超音波制御部２０から縦方向用超音波送受波器３に電気信号が送信される。縦方向用超音波送受波器は３、電気信号を受けると、送波部５ｂから骨表面３１に対し所定の斜め方向に超音波パルスＡｂを放射する。放射された超音波パルスＡｂは、軟組織４０を伝搬して臨界角で骨３０に入射し、骨表面３１に表面波Ｂｂを発生させる。この表面波Ｂｂは、軟組織４０側に漏洩しながら骨表面３１を縦方向に伝搬する。表面波Ｂｂが所定の距離Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂを伝搬した後に漏洩した漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂが、それぞれ受波部６ｂ、７ｂによって受波される。受波部６ｂ、７ｂは、それぞれ漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂを受波すると同時に、装置本体４に対して到達信号を送信する
【００４８】
装置本体４の音速算出部２１は、横方向用超音波送受波器２から送信された２つの到達信号の時間差ΔＴａと、受波部６ａ、７ａの離隔距離ΔＤａを基にして、横方向の表面波Ｂａの音速Ｖａを算出する。同様に、縦方向用超音波送受波器３から送信された２つの到達信号の時間差ΔＴｂと、受波部６ｂ、７ｂの離隔距離ΔＤｂを基にして、縦方向の表面波Ｂｂの音速Ｖｂを算出する。
【００４９】
次に、第１指標算出部２２によって、横方向の表面波音速Ｖａを用いた第１指標が得られる。また、第２指標算出部２３によって、縦方向の表面波音速Ｖｂを横方向の表面波音速Ｖａで割った値が算出され、第２指標が得られる。
【００５０】
次に、骨診断部２４が、第１指標と第２指標に基づいて骨強度を診断する。そして、骨診断部２４の診断結果を、第１指標及び第２指標とともに、表示部２５が表示する。
【００５１】
尚、本実施形態の骨強度診断装置１は、以下のように変更して実施することができる。
１］測定部位は、脛骨に限定されるものではない。脛骨以外の長管状骨を用いてもよい。
【００５２】
２］横方向用超音波送受波器２又は縦方向用超音波送受波器３は、それぞれ１つの送波部と２つの受波部とを有する構成でなくてもよい。例えば、２つの送波部と１つの受波部とを有する構成であってもよい。また、１つの送波部と１つの受波部とを有し、送波部と受波部の何れか一方が他方に対して相対移動可能な構成であってもよい。また、１つの送波部と３つ以上の受波部を有する構成であってもよい。
【００５３】
３］横方向用超音波送受波器２と縦方向用超音波送受波器３は、別々のものでなくてもよい。即ち、横方向と縦方向の両方で兼用できる１つの超音波送受波器を用いてもよい。
【００５４】
４］測定される表面波の方向は、横方向（長軸方向に直交する方向）と縦方向（長軸方向）に限定されず、横方向以外の長軸方向に交差する方向と縦方向であってもよい。
【００５５】
５］本発明の音速測定手段は、横方向用超音波送受波器２と、縦方向用超音波送受波器３と、超音波制御部２０と、音速算出部２１とから構成されるものに限定されない。例えば、音速算出手段は、反射波などのノイズを除去する公知の手段を備える構成であってもよい。
【００５６】
６］第１指標算出部２２によって得られる第１指標は、横方向の表面波音速Ｖａ自体に限定されず、音速Ｖａに基づいて算出された値を用いることができる。例えば、横方向の表面波音速Ｖａと軟組織の厚み等とに基づいて算出された値を第１指標としてもよい。
【００５７】
７］第２指標算出部２３によって得られる第２指標は、縦方向の表面波音速Ｖｂを横方向の表面波音速Ｖａで割った値に限定されず、音速Ｖａと音速Ｖｂに基づいて別の方法で算出された値を用いることができる。
【００５８】
８］骨強度診断装置１は、縦方向用超音波送受波器３、及び、第２指標算出部２３を備えていなくてもよい。この場合、骨診断部２４は、横方向の表面波音速Ｖａから得られる第１指標が所定の値よりも大きければ、骨密度が高く、骨強度が高いと診断する。これにより、縦方向の表面波の音速のみに基づいて骨強度を診断している従来の装置よりも正確に骨強度を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態の骨強度診断装置を示す図である。
【図２】横方向用超音波送受波器を用いた場合の断面図である。
【図３】縦方向用超音波送受波器を用いた場合の断面図である。
【図４】脛骨の縦方向及び横方向の表面波音速と、踵骨の骨密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１ 骨強度診断装置
２ 横方向用超音波送受波器
３ 縦方向用超音波送受波器
４ 装置本体
５ａ、５ｂ 送波部
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ 受波部
８ａ、８ｂ 当接面
２０ 超音波制御部
２１ 音速算出部
２２ 第１指標算出部
２３ 第２指標算出部
２４ 骨診断部
３０ 骨
３１ 骨表面
４０ 軟組織
４１ 皮膚表面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて骨強度を診断する骨強度診断装置及び骨強度診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、骨強度を診断する装置として、Ｘ線を利用して骨密度を精密に測定する診断装置があるが、装置が大掛かりであり、放射線を被爆するという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題が生じない非侵襲的な骨強度診断装置として、超音波を利用する装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような診断装置では、超音波の送波機器から骨の表面に対し所定の角度傾いた方向から超音波を放射し、骨の表面に表面波を発生させる。そして、例えば、この超音波の送波機器に対して相対移動可能な超音波の受波機器により、表面波から漏洩する漏洩波を受波し、超音波を放射してから漏洩波が受波されるまでの伝搬時間や伝搬距離に基づき、表面波の音速を測定する。このような装置では、橈骨、脛骨及び指骨といった長管状骨を測定部位とし、且つ、これら長管状骨の長軸方向に沿って伝わる表面波の音速を測定している。また、一般的に、測定された表面波の音速が速い程、骨強度は高いと診断される。
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５１０２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、本願発明者らは、測定された表面波の音速が速い場合であっても、実際の骨密度が低い場合があり、逆に、測定された表面波の音速が遅い場合であっても、実際の骨密度が高い場合があり、長管状骨の長軸方向の表面波の音速は骨密度との相関性が乏しいことを知見した。よって、長管状骨の長軸方向の表面波の音速に基づいて、骨強度を正確に評価することは困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、長管状骨の骨強度をより正確に診断することのできる骨強度診断装置及び骨強度診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
請求項１の骨強度診断装置は、超音波を用いて骨強度を診断する骨強度診断装置であって、超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定する音速測定手段と、前記音速測定手段により測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出手段と、前記第１指標算出手段により算出された前記第１指標に基づいて、骨強度を診断する骨診断手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
一般的に、骨の表面を伝搬する超音波（表面波）の音速は、骨密度、骨の配向性等の骨の特性の影響を受けていると考えられる。骨は、ハイドロキシアパタイト結晶と、コラーゲン繊維が規則的に配列した構造を有する。長管状骨は、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）結晶のｃ軸が、長軸方向に沿って配向した１軸配向性と呼ばれるＨＡｐ結晶の配向性を有する。繊維状のコラーゲンの走行方向（配向性）は、このＨＡｐ結晶のｃ軸方向とほぼ同じである。長軸方向の表面波の音速は、長軸方向の骨の配向性（ＨＡｐ結晶の配向性とコラーゲン繊維の配向性）と骨密度の両方の影響を大きく受けており、そのため、長軸方向の音速から骨密度を正確に把握することはできないと考えられる。一方、長軸方向に交差する方向である第１方向の表面波の音速は、骨の配向性の影響が小さく、骨密度との相関性が大きいと考えられる。従って、第１指標算出手段は、第１方向の音速に基づいて、骨密度に関する第１指標を算出することができる。また、骨診断手段は、この第１指標に基づいて、骨強度を診断することにより、長軸方向の音速に基づいて骨強度を診断する場合に比べて、正確に骨強度を診断することができる。
【０００９】
請求項２の骨強度診断装置は、請求項１において、前記音速測定手段が、さらに、前記骨の長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定するものであり、前記音速測定手段により測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出手段をさらに備え、前記骨診断手段は、骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断することを特徴とする。
【００１０】
第２方向の音速は、骨の配向性と骨密度の影響を大きく受けており、第１方向の音速は、骨の配向性の影響が小さく、骨密度の影響が大きい。そのため、第２指標算出手段は、第２方向の音速と第１方向の音速とに基づいて、骨の配向性に関する第２指標を算出することができる。また、骨診断手段は、骨密度に関する第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方を用いて、骨強度を診断することにより、第１指標のみを用いて診断した場合に比べて、より正確に骨強度を診断することができる。
【００１１】
請求項３の骨強度診断装置は、請求項１又は２において、前記第１方向が、前記骨の長軸方向に直交する方向であることを特徴とする。
【００１２】
長軸方向に直交する方向の表面波音速は、骨の配向性の影響が小さい。そのため、長軸方向に直交する方向の表面波音速を用いることにより、正確に骨強度を診断することができる。
【００１３】
請求項４の骨強度診断方法は、超音波を用いて骨強度を診断する方法であって、超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速と、前記長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速とをそれぞれ測定する音速測定工程と、前記音速測定工程で測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出工程と、前記音速測定工程で測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出工程と、骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断する骨診断工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
第１方向の表面波の音速は、配向性の影響が小さく、骨密度の影響が大きいため、骨密度との相関性が高い。一方、第２方向の表面波の音速は、骨の配向性と骨密度の両方の影響が大きい。従って、第１指標算出工程により、第１方向の音速に基づいて、骨密度に関する第１指標を算出することができる。また、第２指標算出工程により、第２方向の音速と第１方向の音速とに基づいて、骨の配向性に関する第２指標を算出することができる。さらに、骨診断工程によって、骨密度に関する第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方を用いて骨強度を診断することにより、どちらか一方の指標だけを用いる場合に比べて、より正確に骨強度を診断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の骨強度診断装置１は、超音波を測定部位の骨に放射し、骨の表面に表面波を発生させ、その表面波から漏れる漏洩波を受波することにより、表面波の音速を測定し、さらに、得られた音速から骨強度を診断する装置である。
【００１６】
骨強度診断装置１は、脛骨内側面３１を測定部位とする。脛骨は、長管状骨の一種であり、図２に示すように、脛骨の皮質骨３０は、長軸方向に直交する方向の断面形状が略三角形状である。測定部位である脛骨内側面３１とは、この断面略三角形状を構成する３つの面のうち、体の内側（図２中の右側）に位置する面のことである。脛骨内側面３１は一定の長さにおいて平坦性を有している。また、この脛骨内側面３１を覆う筋肉などの軟組織４０の厚みは比較的薄い。そのため、脛骨内側面３１と皮膚表面４１はほぼ平行である。これにより、後述する表面波を発生させることができると共に、表面波の伝搬距離を確保することができる。
【００１７】
尚、以下の骨強度診断装置１の説明において、脛骨の長軸方向を縦方向、脛骨の長軸方向に直交する方向であって図２に示す脛骨内側面３１の方向を横方向と定義する。また、脛骨内側面３１及び脛骨の皮質骨３０を、単に骨表面３１及び骨３０と表現する。また、本発明の第１方向及び第２方向は、それぞれ横方向及び縦方向に相当する。
【００１８】
図１に示すように、骨強度診断装置１は、横方向用超音波送受波器２と、縦方向用超音波送受波器３と、装置本体４とを備える。横方向用超音波送受波器２と縦方向用超音波送受波器３は、それぞれ装置本体４にケーブルを介して接続されている。
【００１９】
横方向用超音波送受波器２は、骨表面３１に超音波を放射し、骨表面３１に沿って横方向に伝搬する超音波（表面波）を発生させると共に、この表面波から軟組織４０側に漏洩する超音波（漏洩波）を受波する。また、縦方向用超音波送受波器３は、骨表面３１に超音波を放射し、骨表面３１に沿って縦方向に伝搬する超音波（表面波）を発生させるとともに、この表面波から軟組織４０側に漏洩する超音波（漏洩波）を受波する。横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３としては、それぞれ超音波の送波及び受波を１台で行う超音波トランデューサと呼ばれる機器が用いられる。尚、図２は、横方向用超音波送受波器２を使用している状態を示した図であり、図１及び図３は、縦方向用超音波送受波器３を使用している状態を示した図である。
【００２０】
図２及び図３に示すように、横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３は、皮膚表面４１に当接する当接面８ａ、８ｂをそれぞれ備える。尚、横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３を使用する際、皮膚表面４１には超音波ゼリーが塗られる。
【００２１】
図２に示すように、横方向用超音波送受波器２は、超音波を送波する送波部５ａと、超音波を受波する２つの受波部６ａ、７ａとを備える。当接面８ａが皮膚表面４１の所定の位置に当接した状態において、送波部５ａ、受波部６ａ、受波部７ａは、それぞれ所定の間隔を空け、この順で横方向に並んでいる。
【００２２】
送波部５ａは、装置本体４から送信される電気パルス信号を受信することにより、所定の周波数の超音波パルスＡａを放射する。送波部５ａとしては、指向性の広い超音波を放射するものが用いられる。送波部５ａは、当接面８ａが皮膚表面４１の所定の位置に接触した状態において、送波部５ａから放射される超音波Ａａが骨表面３１に臨界角付近で入射するように設定される。指向性が広い送波部５ａを用いることにより、厳密に入射角を設定しなくても、超音波を臨界角で骨表面３１に入射させることが可能となる。また、臨界角は、軟組織４０中の音速と後述する表面波の音速とによって求められる。そのため、指向性の広い送波部５ａを用いることにより、表面波の音速が被験者によって異なる場合であっても超音波を臨界角で骨表面３１に入射させることが可能となる。
【００２３】
送波部５ａから超音波パルスＡａが放射され、骨表面３１に対して臨界角で入射すると、骨表面３１に表面波Ｂａが発生する。表面波Ｂａは、軟組織４０側の所定の方向（例えば、Ｃ１ａ、Ｃ２ａの方向）に漏洩波を放射しつつ、骨表面３１に沿って横方向に伝搬する。
【００２４】
２つの受波部６ａ、７ａは、それぞれ所定の距離Ｌ１ａ、Ｌ２ａ伝搬した表面波Ｂａからそれぞれ放射される漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａを受波する。また、受波部６ａ、７ａは漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａをそれぞれ受波すると同時に、装置本体４に到達信号をそれぞれ送信する。
【００２５】
図３に示すように、縦方向用超音波送受波器３は、横方向用超音波送受波器２と同様に、超音波を送波する送波部５ｂと、超音波を受波する２つの受波部６ｂ、７ｂとを備える。当接面８ｂが皮膚表面４１の所定の位置に当接した状態において、送波部５ｂ、受波部６ｂ、受波部７ｂは、それぞれ所定の間隔を空け、この順で縦方向に並んでいる。
【００２６】
送波部５ｂは、装置本体４から送信される電気パルス信号を受信することにより、所定の周波数の超音波パルスＡｂを放射する。送波部５ａとしては、指向性の広い超音波を放射するものが用いられる。送波部５ｂは、当接面８ｂが皮膚表面４１の所定の位置に接触した状態において、送波部５ｂから放射される超音波Ａｂが骨表面３１に臨界角付近で入射するように設定される。
【００２７】
送波部５ｂから超音波パルスＡｂが放射され、骨３０に対して臨界角で入射すると、骨表面３１に表面波Ｂｂが発生する。表面波Ｂｂは、軟組織４０側の所定の方向（例えば、Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂの方向）に漏洩波を放射しつつ、骨表面３１に沿って縦方向に伝搬する。
【００２８】
２つの受波部６ｂ、７ｂは、それぞれ所定の距離Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ伝搬した表面波Ｂｂからそれぞれ放射される漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂを受波する。受波部６ｂ、７ｂは漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂをそれぞれ受波すると同時に、装置本体４に到達信号をそれぞれ送信する。
【００２９】
図１に示すように、装置本体４は、超音波制御部２０と、音速算出部２１と、第１指標算出部２２と、第２指標算出部２３と、骨診断部２４と、表示部２５等から構成される。尚、超音波制御部２０、音速算出部２１、骨特性評価部２２、及び、骨診断部２４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等から構成される。尚、本発明の音速測定手段は、縦方向用超音波送受波器３と、縦方向用超音波送受波器３と、超音波制御部２０と、音速算出部２１とから構成される。
【００３０】
超音波制御部２０は、横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３の送波部５ａ、５ｂから所定の周波数の超音波パルスＡａ、Ａｂを放射するための電気パルス信号を生成し、この電気信号を横方向用超音波送受波器２及び縦方向用超音波送受波器３に送信する。
【００３１】
音速算出部２１は、横方向用超音波送受波器２の受波部６ａ、７ａから送信された到達信号の時間差等に基づいて、骨表面３１を横方向に伝わる表面波Ｂａの音速Ｖａを算出する。また、音速算出部２１は、縦方向用超音波送受波器３の受波部６ｂ、７ｂから送信された到達信号の時間差等に基づいて、骨表面３１を縦方向に伝わる表面波音速Ｖｂを算出する。
【００３２】
横方向の表面波Ｂａの音速Ｖａを算出する場合について具体的に説明する。先ず、受波部６ａ、７ａからそれぞれ送信された到達信号の時間差ΔＴａを算出する。送波部５ａから受波部６ａまでの超音波の経路と、送波部５ａから受波部７ａまでの超音波の経路との差は、横方向の表面波Ｂａの伝搬距離の差ΔＬａ（Ｌ２ａ−Ｌ１ａ）だけである。即ち、表面波Ｂａは時間ΔＴａの間に、距離ΔＬａだけ進んでいる。また、上述したように骨表面３１と皮膚表面４１とは、ほぼ平行であるため、表面波Ｂａの伝搬距離の差ΔＬａは、受波部６ａと受波部７ａとの離隔距離ΔＤａにほぼ等しい。従って、横方向の表面波Ｂａの音速Ｖａは、Ｖａ＝ΔＤａ／ΔＴａにより算出される。
【００３３】
また、縦方向の表面波Ｂｂの音速Ｖｂを算出する場合、受波部６ｂ、７ｂからそれぞれ送信された到達信号の時間差をΔＴｂ、受波部６ｂと受波部７ｂとの離隔距離をΔＤｂとすると、縦方向の表面波Ｂｂの音速Ｖｂは、Ｖｂ＝ΔＤｂ／ΔＴｂにより算出される。
【００３４】
第１指標算出部２２は、音速算出部２１で算出された横方向の表面波音速Ｖａを骨密度に関する第１指標とする。第２指標算出部２３は、音速算出部２１で算出された縦方向及び横方向の表面波音速Ｖｂ、Ｖａを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する。骨診断部２４は、第１指標算出部２２及び第２指標算出部２３で算出された第１指標及び第２指標の両方に基づいて、骨強度を診断する。尚、第１指標算出部２２、第２指標算出部２３、及び、骨診断部２４については、後に詳しく説明する。
【００３５】
表示部２５は、骨診断部２４による診断結果を、骨特性評価部２２によって算出された第１指標及び第２指標とともに表示する。
【００３６】
ここで、表面波音速と、骨密度及び骨の配向性と、骨強度との関係について説明する。
【００３７】
骨強度は、骨の配向性と骨密度とによってほぼ決定されると考えられる。骨密度は、骨量の評価指標であり、骨の詰まり具合を示す。骨密度が高いほど高強度である。一方、骨の配向性は、骨質を評価する重要な指標の１つである。骨は、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）結晶と、繊維状のコラーゲンとが規則的に配列された構造を有しており。ＨＡｐ結晶の配向性とは、ＨＡｐ結晶の配列方向や配列度合い（結晶の揃い具合）を表す。また、繊維状コラーゲンもＨＡｐ結晶の配列方向とほぼ同じ方向に走行している。脛骨を含む長管状骨は、ＨＡｐ結晶のｃ軸が長軸方向に沿って配列する１軸配向性と呼ばれる特徴を有している。一般的に、ある配列方向においてＨＡｐ結晶の配列度合いが高いほど、その配列方向において骨強度は高いと判断することができる。しかし、例えば、骨粗鬆症により骨密度が低下すると、荷重が作用する方向に関して配向性が高くなる場合がある。これは、低下した骨強度を補う作用が働くためと考えられる。このように特定の方向の配向性のみが極端に高くなる場合には、他の方向の配向性が低くなり、その方向に関して骨強度が弱くなる場合がある。
【００３８】
また、骨の表面波音速は、骨密度と骨の配向性（ＨＡｐ結晶の配向性とコラーゲンの配向性）の両方の影響を受けていると考えられる。同じ配向性の場合、骨密度が高いほど表面波音速は速くなり、同じ骨密度の場合、配向性が高いほど表面波音速は速くなると考えられる。
【００３９】
図４は、脛骨の横方向及び縦方向の表面波音速と、骨密度との関連性を示すグラフである。図４は、縦軸を縦方向の表面波音速、横軸を横方向の表面波音速としている。先ず、複数の被験者の脛骨の横方向及び縦方向の表面波音速を測定した。また、同じ被験者達の踵骨について、超音波骨密度測定装置（古野電気株式会社製ＣＭ−２００）を用いて骨密度をそれぞれ測定した。そして、図４において、骨密度の上位４名について、横方向及び縦方向の表面波音速の測定結果を記号「○」で表示し、骨密度の下位５名について、横方向及び縦方向の表面波音速の測定結果を記号「×」で表示した。尚、踵骨の骨密度の測定に用いた超音波骨密度測定装置は、超音波送波器と超音波受波器で踵骨を挟み込み、踵骨内を通過する超音波の音速を測定することにより、骨密度を算出している。通常、ある部位の骨密度が高い場合、他の部位の骨密度も高くなると推定できる。従って、踵骨の骨密度が高い場合、脛骨の骨密度も高いものとする。
【００４０】
図４に示すように、骨密度の高い４名の横方向の表面波音速は、比較的速い。また、骨密度の低い５名の横方向の表面波音速は、比較的遅い。従って、横方向の表面波音速は、骨密度と相関性を有しており、横方向の表面波音速が速い場合、骨密度は高いと判断することができる。これは、横方向の表面波が、前述した脛骨の１軸配向性による配列方向を横断して伝搬しており、そのため、横方向の表面波音速は、配向性の影響をあまり受けず、骨密度の影響を大きく受けていることに起因すると考えられる。
【００４１】
一方、図４に示すように、骨密度の高い４名は、縦方向の表面波音速が比較的速い者もいれば、比較的遅い者もいる。従って、縦方向の表面波音速が速い（又は遅い）からといって、骨密度が高いとは言えない。これは、縦方向の表面波が、前述した脛骨の１軸配向性による配列方向に沿って伝搬しており、そのため、縦方向の表面波音速は、配向性と骨密度の両方の影響を大きく受けていることに起因すると考えられる。
【００４２】
以上のことから、第１指標算出部は、横方向の表面波音速Ｖａ自体を、骨密度を評価する指標（第１指標）として用いる。
【００４３】
また、縦方向の表面波音速は、骨密度と配向性の両方の影響を受けており、一方、横方向の表面波音速は、配向性の影響が小さく、骨密度の影響が大きいと考えられる。そのため、縦方向の表面波音速を横方向の表面波音速で割った値は、骨密度の影響が相殺されて、配向性と相関性を有すると考えられる。従って、例えば、図４に示す骨密度の小さい５名のうち、縦方向の表面波音速の最も速いＷは、縦方向の表面波音速を横方向の表面波音で割った値が比較的高いため、配向性は高いと判断することができる。
【００４４】
以上のことから、第２指標算出部２３は、縦方向の表面波音速Ｖｂを横方向の表面波音速Ｖａで割った値Ｖｂ／Ｖａを算出し、この値Ｖｂ／Ｖａを、配向性を評価する第２指標とする。
【００４５】
また、上述したように、骨強度は、骨密度と骨の配向性とによってほとんど決定され、骨密度と骨の配向性は、互いに独立した骨強度の指標である。そのため、骨診断部２４は、第１指標と第２指標に基づいて、骨強度を診断する。第１指標が所定の値よりも大きければ、骨密度の観点からは骨強度は十分であると診断できる。また、第２指標は、第１指標と照らし合わせて用いられる。例えば、第１指標が所定の値より小さく、第２指標が所定の範囲よりも大きい値である場合には、骨密度は小さいが配向性が高い。この場合は、例えば、骨粗鬆症により骨密度が低下したため、負荷荷重により長軸方向の配向性が高くなったと考えられる。この場合には、特に長軸方向以外の方向に関して骨強度が低いと診断する。骨密度と骨の配向性の両方に基づいて骨強度を診断することにより、どちらか一方の指標に基づいて診断する場合に比べて、より正確に骨強度を診断することができる。特に、骨粗鬆症や、小児等の骨成長により骨密度及び骨の配向性が変化している場合には、両方の指標を用いることにより、一方の指標を用いる場合に比べて、より正確に骨の状態を把握して診断することができる。
【００４６】
次に、骨強度診断装置１を用いて骨強度を診断する際の処理手順について説明する。先ず、横方向用超音波送受波器２の当接面８ａを、超音波ゼリーが塗られた測定部位の骨３０を覆う皮膚表面４１に当接させる。この状態で、操作者が装置本体４に設けられたスイッチを投入する。これにより装置本体４の超音波制御部２０から横方向用超音波送受波器２に電気信号が送信される。横方向用超音波送受波器２は、電気信号を受信すると、送波部５ａから骨表面３１に対し所定の斜め方向に超音波パルスＡａを放射する。放射された超音波パルスＡａは、軟組織４０を伝搬して臨界角で骨３０に入射し、骨表面３１に表面波Ｂａを発生させる。この表面波Ｂａは、軟組織４０側に漏洩しながら骨表面３１を横方向に伝搬する。表面波Ｂａが所定の距離Ｌ１ａ、Ｌ２ａを伝搬した後に漏洩した漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａが、それぞれ受波部６ａ、７ａによって受波される。受波部６ａ、７ａは、それぞれ漏洩波Ｃ１ａ、Ｃ２ａを受波すると同時に、装置本体４に対して到達信号を送信する。
【００４７】
次に、縦方向用超音波送受波器３の当接面８ｂを、超音波ゼリーが塗られた測定部位の骨３０を覆う皮膚表面４１に当接させ、装置本体４のスイッチを投入する。これにより装置本体４の超音波制御部２０から縦方向用超音波送受波器３に電気信号が送信される。縦方向用超音波送受波器は３、電気信号を受けると、送波部５ｂから骨表面３１に対し所定の斜め方向に超音波パルスＡｂを放射する。放射された超音波パルスＡｂは、軟組織４０を伝搬して臨界角で骨３０に入射し、骨表面３１に表面波Ｂｂを発生させる。この表面波Ｂｂは、軟組織４０側に漏洩しながら骨表面３１を縦方向に伝搬する。表面波Ｂｂが所定の距離Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂを伝搬した後に漏洩した漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂが、それぞれ受波部６ｂ、７ｂによって受波される。受波部６ｂ、７ｂは、それぞれ漏洩波Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂを受波すると同時に、装置本体４に対して到達信号を送信する
【００４８】
装置本体４の音速算出部２１は、横方向用超音波送受波器２から送信された２つの到達信号の時間差ΔＴａと、受波部６ａ、７ａの離隔距離ΔＤａを基にして、横方向の表面波Ｂａの音速Ｖａを算出する。同様に、縦方向用超音波送受波器３から送信された２つの到達信号の時間差ΔＴｂと、受波部６ｂ、７ｂの離隔距離ΔＤｂを基にして、縦方向の表面波Ｂｂの音速Ｖｂを算出する。
【００４９】
次に、第１指標算出部２２によって、横方向の表面波音速Ｖａを用いた第１指標が得られる。また、第２指標算出部２３によって、縦方向の表面波音速Ｖｂを横方向の表面波音速Ｖａで割った値が算出され、第２指標が得られる。
【００５０】
次に、骨診断部２４が、第１指標と第２指標に基づいて骨強度を診断する。そして、骨診断部２４の診断結果を、第１指標及び第２指標とともに、表示部２５が表示する。
【００５１】
尚、本実施形態の骨強度診断装置１は、以下のように変更して実施することができる。
１］測定部位は、脛骨に限定されるものではない。脛骨以外の長管状骨を用いてもよい。
【００５２】
２］横方向用超音波送受波器２又は縦方向用超音波送受波器３は、それぞれ１つの送波部と２つの受波部とを有する構成でなくてもよい。例えば、２つの送波部と１つの受波部とを有する構成であってもよい。また、１つの送波部と１つの受波部とを有し、送波部と受波部の何れか一方が他方に対して相対移動可能な構成であってもよい。また、１つの送波部と３つ以上の受波部を有する構成であってもよい。
【００５３】
３］横方向用超音波送受波器２と縦方向用超音波送受波器３は、別々のものでなくてもよい。即ち、横方向と縦方向の両方で兼用できる１つの超音波送受波器を用いてもよい。
【００５４】
４］測定される表面波の方向は、横方向（長軸方向に直交する方向）と縦方向（長軸方向）に限定されず、横方向以外の長軸方向に交差する方向と縦方向であってもよい。
【００５５】
５］本発明の音速測定手段は、横方向用超音波送受波器２と、縦方向用超音波送受波器３と、超音波制御部２０と、音速算出部２１とから構成されるものに限定されない。例えば、音速算出手段は、反射波などのノイズを除去する公知の手段を備える構成であってもよい。
【００５６】
６］第１指標算出部２２によって得られる第１指標は、横方向の表面波音速Ｖａ自体に限定されず、音速Ｖａに基づいて算出された値を用いることができる。例えば、横方向の表面波音速Ｖａと軟組織の厚み等とに基づいて算出された値を第１指標としてもよい。
【００５７】
７］第２指標算出部２３によって得られる第２指標は、縦方向の表面波音速Ｖｂを横方向の表面波音速Ｖａで割った値に限定されず、音速Ｖａと音速Ｖｂに基づいて別の方法で算出された値を用いることができる。
【００５８】
８］骨強度診断装置１は、縦方向用超音波送受波器３、及び、第２指標算出部２３を備えていなくてもよい。この場合、骨診断部２４は、横方向の表面波音速Ｖａから得られる第１指標が所定の値よりも大きければ、骨密度が高く、骨強度が高いと診断する。これにより、縦方向の表面波の音速のみに基づいて骨強度を診断している従来の装置よりも正確に骨強度を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態の骨強度診断装置を示す図である。
【図２】横方向用超音波送受波器を用いた場合の断面図である。
【図３】縦方向用超音波送受波器を用いた場合の断面図である。
【図４】脛骨の縦方向及び横方向の表面波音速と、踵骨の骨密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１ 骨強度診断装置
２ 横方向用超音波送受波器
３ 縦方向用超音波送受波器
４ 装置本体
５ａ、５ｂ 送波部
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ 受波部
８ａ、８ｂ 当接面
２０ 超音波制御部
２１ 音速算出部
２２ 第１指標算出部
２３ 第２指標算出部
２４ 骨診断部
３０ 骨
３１ 骨表面
４０ 軟組織
４１ 皮膚表面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いて骨強度を診断する骨強度診断装置であって、
超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定する音速測定手段と、
前記音速測定手段により測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出手段と、
前記第１指標算出手段により算出された前記第１指標に基づいて、骨強度を診断する骨診断手段と、
を備えていることを特徴とする骨強度診断装置。
【請求項２】
前記音速測定手段が、さらに、前記骨の長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定するものであり、
前記音速測定手段により測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出手段をさらに備え、
前記骨診断手段は、骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断することを特徴とする請求項１に記載の骨強度診断装置。
【請求項３】
前記第１方向が、前記骨の長軸方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨強度診断装置。
【請求項４】
超音波を用いて骨強度を診断する方法であって、
超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速と、前記長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速とをそれぞれ測定する音速測定工程と、
前記音速測定工程で測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出工程と、
前記音速測定工程で測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出工程と、
骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断する骨診断工程と、
を備えることを特徴とする骨強度診断方法。
【請求項１】
超音波を用いて骨強度を診断する骨強度診断装置であって、
超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定する音速測定手段と、
前記音速測定手段により測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出手段と、
前記第１指標算出手段により算出された前記第１指標に基づいて、骨強度を診断する骨診断手段と、
を備えていることを特徴とする骨強度診断装置。
【請求項２】
前記音速測定手段が、さらに、前記骨の長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速を測定するものであり、
前記音速測定手段により測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出手段をさらに備え、
前記骨診断手段は、骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断することを特徴とする請求項１に記載の骨強度診断装置。
【請求項３】
前記第１方向が、前記骨の長軸方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨強度診断装置。
【請求項４】
超音波を用いて骨強度を診断する方法であって、
超音波を長管状の骨の表面に放射し、前記骨の表面において、その長軸方向に交差する第１方向に沿って伝搬する超音波の音速と、前記長軸方向に平行な第２方向に沿って伝搬する超音波の音速とをそれぞれ測定する音速測定工程と、
前記音速測定工程で測定された前記第１方向の音速を用いて、骨密度に関する第１指標を算出する第１指標算出工程と、
前記音速測定工程で測定された前記第２方向の音速と、前記第１方向の音速とを用いて、骨の配向性に関する第２指標を算出する第２指標算出工程と、
骨密度に関する前記第１指標と、骨の配向性に関する前記第２指標の両方から、骨強度を診断する骨診断工程と、
を備えることを特徴とする骨強度診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−５７５２０（Ｐ２０１０−５７５２０Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４１５５５（Ｐ２００７−１４１５５５）
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２９日（２００７．５．２９）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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