超音波診断装置
【課題】硬組織のさらに高精度な診断を可能にする超音波診断装置を提供する。
【解決手段】複数の振動子が二次元的に配列されたプローブ１０ａは、骨片５２ａに対して超音波を送受波する。一方、複数の振動子が二次元的に配列されたプローブ１０ｂは、骨片５２ｂに対して超音波を送受波する。骨表面位置演算部２２は、プローブ１０ａから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ａの表面の位置データを生成し、さらに、プローブ１０ｂから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ｂの表面の位置データを生成する。骨表面方向演算部２４は、プローブ１０ａから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ａの表面の方向データを生成し、さらに、プローブ１０ｂから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ｂの表面の方向データを生成する。
【解決手段】複数の振動子が二次元的に配列されたプローブ１０ａは、骨片５２ａに対して超音波を送受波する。一方、複数の振動子が二次元的に配列されたプローブ１０ｂは、骨片５２ｂに対して超音波を送受波する。骨表面位置演算部２２は、プローブ１０ａから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ａの表面の位置データを生成し、さらに、プローブ１０ｂから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ｂの表面の位置データを生成する。骨表面方向演算部２４は、プローブ１０ａから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ａの表面の方向データを生成し、さらに、プローブ１０ｂから二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて骨片５２ｂの表面の方向データを生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、骨などの硬組織の診断に利用される超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨粗鬆症などの骨代謝疾患の診断や易骨折性の判定、また、骨折治療後の骨癒合を定量的に診断するために、骨強度などの力学的特性の簡便かつ定量的な測定が望まれている。
【０００３】
骨形成や骨癒合の評価はＸ線写真に大きく依存しているが、Ｘ線写真では骨強度を定量的に診断することは困難である。骨強度の従来の測定法として測定対象のサンプル骨の強度試験が知られているものの、サンプル骨の摘出手術が必要であり侵襲的である。また、骨量や骨密度の測定法として、汎用Ｘ線ＣＴの利用、ＤＸＡ（二重エネルギー吸収測定法）装置などが実用化にいたっている。しかし、これらはあくまで骨量を測定する手段であって、骨強度を評価することはできない。また、Ｘ線を照射する点では非侵襲的であるとは言えない。
【０００４】
このほかの骨強度を定量評価する試みとしては、創外固定器に歪みゲージを装着してその固定器の歪みを計測する歪みゲージ法、骨に外部から振動を加え固有振動数を評価する振動波法、降伏応力を生じた骨から発生する音波を検出するアコースティックエミッション法などが既存の方法として挙げられる。しかし、これらの方法は適応できる治療法に制限があること、骨に侵襲を加える必要があること、さらに評価精度などの点において問題が残されている。
【０００５】
こうした背景において、本願の発明者らは、骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に評価する超音波診断装置を提案している（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２９８２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された超音波診断装置は、骨に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得して各エコー信号ごとに骨表面に対応する表面ポイントを特定し、複数のエコー信号から得られる複数の表面ポイントに基づいて骨表面の形状データを生成するものである。そして、骨に対して外的作用を及ぼした場合における形状データの変化に基づいて骨の力学的特性が評価される。これにより、エコー信号に基づく骨表面の形状データから、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に評価することができるという画期的な技術である。
【０００８】
本願の発明者らは、上記特許文献１に記載された画期的な技術をさらに改良し、骨などの硬組織の力学的特性などをさらに適切に評価する手法について研究を重ねてきた。
【０００９】
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、骨などの硬組織のさらに高精度な診断を可能にする超音波診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、硬組織に対して超音波を送受波する二次元的に配列された複数の振動部と、前記複数の振動部から各振動部ごとにエコー信号を取得する送受信部と、前記各エコー信号ごとに硬組織の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、前記複数の振動部のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の形態情報を生成する形態情報生成部と、を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成において、各振動部は例えば単一の振動素子で構成され、複数の振動素子が二次元的に配列される。もちろん、各振動部が複数の振動素子で構成されてもよい。また、複数の振動部は、例えば格子状に配列される。このため、硬組織の表面に対応した表面ポイントが二次元的に得られ、硬組織表面の形態情報を二次元的に捕らえることが可能になる。なお、硬組織表面の形態情報とは、例えば、硬組織表面の形状、位置、方向などの情報である。上記構成によれば、硬組織表面の形態情報を二次元的に捕らえることができるため、例えば骨の癒合状態などの観察に適しており、骨などの硬組織のさらに高精度な診断を可能にする。
【００１２】
望ましくは、前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の総体的な位置を示す位置データを生成する、ことを特徴とする。望ましくは、前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の方向を示す方向データを生成する、ことを特徴とする。
【００１３】
望ましくは、前記硬組織に対して外的作用が加えられ、前記形態情報生成部は、前記形態情報として、外的作用に伴う硬組織表面の総体的な位置の変化を示す位置変位データと、外的作用に伴う硬組織表面の方向の変化を示す方向変位データと、を生成する、ことを特徴とする。
【００１４】
望ましくは、前記表面ポイント特定部は、前記各振動部ごとに形成される超音波ビームに対して設定されるトラッキングゲートを利用し、トラッキングゲート期間内におけるエコー信号の代表点を表面ポイントとして抽出し、抽出した表面ポイントをトラッキングする、ことを特徴とする。
【００１５】
望ましくは、前記複数の振動部には、同一直線上に配列されない三つの振動部が含まれ、前記形態情報生成部は、前記三つの振動部から得られる三点の表面ポイントに基づいて、前記位置データとして当該三点の表面ポイントの重心位置の座標を求め、さらに、前記方向データとして当該三点の表面ポイントを含む平面の法線ベクトルを求める、ことを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、骨折部位を間に挟んだ二つの骨片のうちの第一骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第一プローブと、前記二つの骨片のうちの第二骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第二プローブと、前記第一プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得する送受信部と、前記第一骨片および第二骨片の各々について、前記各エコー信号ごとに骨の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、前記第一プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第一骨片の表面の形態データを生成し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第二骨片の表面の形態データを生成する形態情報生成部と、を有し、前記第一プローブおよび第二プローブは互いに固定され、前記形態情報生成部は、前記第一骨片の形態データと前記第二骨片の形態データとの比較データを生成する、ことを特徴とする。
【００１７】
望ましくは、前記二つの骨片に対して外的作用が加えられ、前記形態情報生成部は、外的作用に伴う前記第一骨片の形態データの変化を示す第一変位データと、外的作用に伴う前記第二骨片の形態データの変化を示す第二変位データと、を求めることを特徴とする。望ましくは、前記形態情報生成部は、前記第一変位データと前記第二変位データとを比較することによって変位比較データを生成することを特徴とする。
【００１８】
上記構成において、形態データとは、例えば、骨表面の位置データや方向データである。この場合、第一変位データとは、例えば、外的作用の前後における第一骨片の位置データの変化量を示す位置変位データや方向データの変化量を示す方向変位データである。さらに、上記構成では、第一骨片の第一変位データと第二骨片の第二変位データとを比較することによって変位比較データが生成される。この変位比較データは、第一骨片と第二骨片の二つの骨片の情報から得られるものであり、従って、骨折部位とそれを間に挟んだ二つの骨片とを含む骨全体の総合的な高精度な診断に有効なデータとなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、骨などの硬組織のさらに高精度な診断を可能にする超音波診断装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。
【００２２】
本実施形態において、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、被検者５０の体表に当接して用いられる超音波探触子である。ただし、被検体内に挿入して用いられる超音波探触子が利用されてもよい。プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、各々、被検者５０の体内の骨（符号５２ａ，５２ｂ，５４）に向けて複数の超音波ビーム４０を形成する。骨は、骨折部位５４を間に挟んだ二つの骨片５２ａ，５２ｂで構成されている。本実施形態において観察対象となる骨は、例えば脛骨である。もちろん、脛骨以外の骨あるいは骨以外の硬組織を観察対象としてもよい。また、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、プローブ連結具１１によって、互いに固定される。つまり、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの間の相対的な位置や向きは不変である。
【００２３】
本実施形態においては、プローブ１０ａによって骨片５２ａに対して超音波が送受波され、プローブ１０ｂによって骨片５２ｂに対して超音波が送受波される。プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、各々、二次元的に配列された複数の振動子を備えている。本実施形態においては、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの各々が、縦と横にそれぞれ３個ずつ合計９個の振動子を格子状に配列した振動子群を備えている。なお、９個の振動子の配列状態については、後に図４を利用して説明する。
【００２４】
送受信部１２は、送受制御部１４による制御に基づいて、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂによって複数の超音波ビーム４０を形成し、各超音波ビーム４０に対応した複数のエコー信号を取得する。超音波ビーム４０は各振動子ごとに形成される。本実施形態においては、プローブ１０ａについての超音波ビーム４０が３本形成され、プローブ１０ｂについての超音波ビーム４０も３本形成される。この際、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、各々、合計９個の振動子のうちの３個の振動子を利用し、３個の振動子の各々に対応した３本の超音波ビーム４０を形成する。
【００２５】
なお、図１においては、後に骨表面の形態データを演算するために必要な超音波ビーム４０のみを示しているが、例えば、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの少なくとも一方に、Ｂモード画像や三次元画像などの超音波画像を形成するための送受波機能を設けて、送受信部１２によって超音波画像に必要なエコーデータが取得され、取得されたエコーデータに基づいて超音波画像形成部１８において画像データが形成されてもよい。この場合、形成された画像データが表示画像形成部２８に送られて、画像データに対応した超音波画像（Ｂモード画像や三次元画像など）がディスプレイ３０に表示される。
【００２６】
送受信部１２で取得された形態データを演算するためエコー信号、つまり、図１に示す超音波ビーム４０から得られるエコー信号は、エコートラッキング処理部２０へ出力される。エコートラッキング処理部２０は、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの各々に対応するエコー信号から骨表面部を抽出してトラッキングする、いわゆるエコートラッキング処理を行うものである。エコートラッキング処理には、例えば、特開２００１−３０９９１８号公報に詳述される技術が利用される。
【００２７】
エコートラッキング処理を行うにあたっては、例えば、検査者が操作パネル１６を介して送受制御部１４に対して超音波の送受波に関する指示を入力し、送受制御部１４は検査者の指示に基づいて送受信部１２を制御する。そして、トラッキング用エコー信号を取得するための超音波ビーム４０が検査者の指示に基づいて、骨表面の診断部位に送波される。超音波の送受波において骨表面からは強い反射波が取得される。従って、被検者体内から取得される各エコー信号は、骨表面部に対応する部分において大きな振幅となって取得される。
【００２８】
図２は、各エコー信号の骨表面部を示す模式図である。図２に示すように、各エコー信号は骨表面に対応する部分で大きな振幅となる範囲６０を含んでいる。単に振幅の大きな部分として骨表面部を捉えた場合、範囲６０の中のどの部分が表面部に対応するのかが不明であり、結果として範囲６０程度の抽出誤差が生じてしまう。エコートラッキング処理では、各エコー信号の代表点としてゼロクロス点６２が検知され、検知されたゼロクロス点６２をトラッキングすることで抽出精度を飛躍的に高めている。
【００２９】
ゼロクロス点６２は、トラッキングゲート期間６４内においてエコー信号の振幅が正から負へ、または、負から正へと極性が反転するタイミングとして検知される。図２ではエコー信号の振幅が正から負へと極性反転するタイミングがゼロクロス点６２である。ゼロクロス点６２が検知されるとその点を中心として、新たにトラッキングゲートが設定される。そして、次回取得されるエコー信号においては、新たに設定されたトラッキングゲート期間６４内でゼロクロス点６２が検知される。このようにして、各エコー信号ごとにゼロクロス点６２が表面ポイントとしてトラッキングされる。なお、表面ポイントは、荷重を加える前の計測時点から、荷重を加えている途中を経て、荷重を加えた後の計測時点まで継続的にトラッキングされる。
【００３０】
図１に戻り、エコートラッキング処理部２０において、各エコー信号ごとに、つまり、プローブ１０ａに対応した３本の超音波ビーム４０のエコー信号、プローブ１０ｂに対応した３本の超音波ビーム４０のエコー信号ごとに表面ポイントがトラッキングされ、その結果、骨片５２ａに関する３点の骨表面ポイントと骨片５２ｂに関する３点の骨表面ポイントが抽出される。
【００３１】
そして、骨表面位置演算部２２は、抽出された骨表面ポイントに基づいて、骨片５２ａおよび骨片５２ｂの各々に関する位置データを算出する。一方、骨表面方向演算部２４は、抽出された骨表面ポイントに基づいて、骨片５２ａおよび骨片５２ｂの各々に関する方向データを算出する。
【００３２】
そこで、以下、図３から図５を利用して、骨表面位置演算部２２および骨表面方向演算部２４において算出される形態データ（位置データや方向データ）の算出原理を説明する。なお、以下において図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。
【００３３】
図３は、本実施形態において形態データを算出する際の骨折モデルを説明するための図である。本実施形態においては、骨折モデルとして、剛体と粘弾性体の複合モデルを利用する。骨折部位５４（癒合中の「仮骨」）を間に挟んだ二つの骨片５２ａ，５２ｂ（既存骨）は、荷重などの負荷を受けると、例えば、図３の実線で示す状態から破線で示す状態へと変化する。この際、二つの骨片５２ａ，５２ｂは荷重による変形が非常に小さいのに対して、骨折部位５４は荷重による変形が比較的大きい。そこで、二つの骨片５２ａ，５２ｂを剛体、骨折部位５４を粘弾性体とする複合モデルを利用する。
【００３４】
骨片５２ａ，５２ｂを剛体とみなすと、各骨片の変位は、骨片全体の総体的な基準位置（例えば、骨片の重心点の変位）の並進成分と、その基準位置の周りの回転成分とに分けて考えることができる。並進成分と回転成分を共に三次元空間内で考えた場合、並進成分と回転成分の自由度は合わせて６自由度となる。つまり、図３に示す骨折モデルは、各骨片ごとの自由度（ＤＯＦ）が６となる。
【００３５】
また、図３に示す骨折モデルにおいては、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの各プローブを基準として、超音波ビーム４０のビーム方向をｙ軸とし、格子状に配列された振動子の並び方向のうち骨の長軸軸方向に対しておよそ垂直な並び方向をｘ軸とする。そして、格子状に配列された振動子の並び方向のうちｘ軸に垂直な並び方向をｚ軸とする。これらｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する（３軸の配置関係は図１にも示されている）。そして、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、ｚ軸がおよそ骨の長軸方向と一致するように被検体の表面に当接される。このような、骨折モデルおよび座標系を利用して、形態データの算出原理を説明する。
【００３６】
図４は、二つのプローブのうちの一方とそれに対応する骨片の表面を示す図である。つまり、図１におけるプローブ１０ａと骨片５２ａの表面、または、プローブ１０ｂと骨片５２ｂの表面に相当する。図４においては、プローブ１０、骨片の表面５２´として説明する。
【００３７】
プローブ１０は、９個の振動子７０を格子状に配列した振動子群を備えている。つまり、ｘ軸方向とｚ軸方向にそれぞれ３個ずつ合計９個の振動子７０が格子状に配列されている。各振動子７０は、ｙ軸方向に向かって超音波ビームを形成する。
【００３８】
ｉ番目の振動子７０の空間座標をＰi（ｘi，ｙi，ｚi）とする。また、複数の振動子７０が同一ｘｚ平面内に配置されているものとし、さらに、複数の振動子７０の重心点をｘｚ平面の原点と定義する。つまり、複数の振動子７０の重心点のｘｚ平面内の座標値ｘGおよびｚGが次式のように定義される。
【数１】
ここで、Ｍは振動子７０の個数であり、本実施形態では９個（Ｍ＝９）である。
【００３９】
ｉ番目の振動子７０で計測した骨片の表面５２´の位置Ｂi（Ｘi，Ｙi，Ｚi）までの距離をｄiとすると次式の関係が成立する。
【数２】
そして、Ｍ個の振動子７０による骨表面位置の計測値の重心点が次式により算出され、これを骨表面の重心点とする。
【数３】
次に、骨表面の重心点の移動（並進変位）が超音波ビーム方向のみ、つまりｙ軸方向のみと仮定すると、骨片の自由度は、並進方向の１自由度と回転方向の３自由度の合計４自由度となる。また、観測対象の範囲内において骨片の表面５２´は平面であると仮定する。この平面の法線ベクトルをベクトルｎとし、この方向余弦を（cosα，cosβ，cosγ）で表すと、骨片の表面５２´の位置Ｂi（Ｘi，Ｙi，Ｚi）との間に次式の関係が成立する。
【数４】
ここで、ＸiとＺiは振動子７０の幾何学的配置でプローブ１０の設計段階において決定されるものであり計測の時点で既知である。また、Ｙiは本実施形態においてエコートラッキング処理で高精度に測定でき、さらに、重心点ＹGは数３の式から求められる。つまり、角度α，β，γの３値が未知数となる。このため、骨片の表面５２´の位置Ｂi（Ｘi，Ｙi，Ｚi）の測定データ数を３点（Ｍ＝３）とすることで、原理的には角度α，β，γの３値が求められる。なお、３点の測定データを得るための３個の振動子７０は、同一直線上に配列されない３個の振動子７０が望ましい。また、測定データ数を３より多く取り、角度α，β，γの３値を最小二乗法などで求めてもよい。
【００４０】
上記手法により、骨表面位置位置演算部２２は、骨表面の重心点のｙ座標値ＹGを算出し、骨表面方向演算部２４は、骨表面の方向（角度α，β，γ）を算出する。
【００４１】
さらに、本実施形態では、骨に対して足踏みなどによる外的作用（荷重）を加え、その前後における骨表面の重心点の変化や骨表面の方向の変化が測定される。つまり、荷重を加える前の骨表面の重心点をＹG、骨表面の方向を角度α，β，γとし、荷重を加えた後の骨表面の重心点をＹ´G、骨表面の方向を角度α´，β´，γ´とし、これらの値から、並進変位成分（位置変位データ）および回転変位成分（方向変位データ）を次式のように算出する。
【数５】
なお、並進変位成分や回転変位成分に換えて、荷重を加える前の骨表面の法線ベクトル（ベクトルｎ）と荷重を加えた後の骨表面の法線ベクトル（ベクトルｎ´）から、次式で定義される法線ベクトルの変化を求めてもよい。
【数６】
さらに、本実施形態では、二つのプローブの各々から得られるデータを比較することができる。
【００４２】
図５は、二つのプローブとそれらの各々対応する骨片の表面を示す図である。つまり、近位側の骨片の表面５２ａ´とそれに対応するプローブ１０ａ（近位側プローブ）、遠位側の骨片の表面５２ｂ´とそれに対応するプローブ１０ｂ（遠位側プローブ）が示されている。そして、骨折部位５４を間に挟んだ二つの骨片の各々について計測が実施される。
【００４３】
図５においても、図３に示した骨折モデルおよび座標系が利用される。つまり、骨折モデルとして、剛体と粘弾性体の複合モデルが利用され、また、プローブを基準としたｘｙｚ直交座標系が利用される。なお、二つのプローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、互いのｚ軸が一致するように剛体などで固定され、患者の体表にテープなどによって貼り付けられる。
【００４４】
そして、骨片の表面５２ａ´および骨片の表面５２ｂ´の各々について、図４を利用して説明した計算手法によって、骨表面の重心点のｙ座標値ＹGや骨表面の方向（角度α，β，γ）が算出され、また、これらの荷重前後における差として並進変位成分や回転変位成分が算出される。これらに加えて、図５においては、骨片の表面５２ａ´および骨片の表面５２ｂ´の二つの骨片の比較データ（近位側と遠位側の差分）が求められる。
【００４５】
図６は、図５に示す二つのプローブから得られる形態データを説明するための図であり、形態データを纏めた表が示されている。図５に示した部分には図５の符号を付して図６の表を説明する。
【００４６】
プローブ１０ａから得られる近位側の骨（骨片５２ａ）に関するデータのうち、荷重前の並進成分Ｙpは、骨片５２ａについて数３の式で得られる重心点ＹGに相当する。また、荷重前の回転成分αp，βp，γpは、骨片５２ａについて数４の式で得られる角度α，β，γに相当する。並進成分および回転成分は、荷重後においても求められ、それらが荷重後の並進成分Ｙ´p、荷重後の回転成分α´p，β´p，γ´pである。さらに、荷重前後における並進成分の差として並進変位成分ΔＹp、および、荷重前後における回転成分の差として回転変位成分Δαp，Δβp，Δγpが算出される。なお、並進変位成分や回転変位成分に換えて、荷重を加える前後の骨表面の法線ベクトル（ベクトルｎp）から法線ベクトルの変化を求めてもよい。
【００４７】
プローブ１０ｂから得られる遠位側の骨（骨片５２ｂ）についても、近位側の骨（骨片５２ａ）に関するデータと同じデータが得られる。つまり、荷重前の並進成分と回転成分、荷重後の並進成分と回転成分、並進変位成分、回転変位成分が各々求められる。なお、これら遠位側のデータについては添え字ｄが付されている。
【００４８】
図６においては、さらに、二つの骨片の比較データとして近位側と遠位側の差分が求められている。つまり、荷重前の並進成分についての近位側と遠位側の差分δＹ、荷重前の回転成分についての近位側と遠位側の差分δα，δβ，δγ、荷重後の並進成分についての近位側と遠位側の差分δＹ´、荷重後の回転成分についての近位側と遠位側の差分δα´，δβ´，δγ´、並進変位成分の近位側と遠位側の差分δΔＹ、回転変位成分の近位側と遠位側の差分δΔα，δΔβ，δΔγが求められる。
【００４９】
このように、骨折部位５４を挟んだ二つの骨片の表面（表面５２ａ´および表面５２ｂ´）の比較データが得られ、骨折部位５４とそれを間に挟んだ二つの骨片とを含む骨全体の総合的な高精度な診断に有効なデータとして利用される。
【００５０】
例えば、脛骨を測定対象とする場合、骨に加えられる荷重として歩行運動（足踏み運動）を挙げることができる。そして、歩行前に図６における荷重前の各種データを求め、さらに、歩行後に所定時間（例えば１分程度）が経過してから荷重後の各種データを求める。この場合、荷重前後の変化である並進変位成分や回転変位成分が、例えば、骨の塑性変形の定量的データとして利用される。
【００５１】
このように、本実施形態では、二つのプローブの各々から得られるデータを比較することができる。
【００５２】
図１に戻り、骨表面位置演算部２２および骨表面方向演算部２４において、骨に関する形態データ（図６に示されるデータ）が求められると、これら形態データは力学特性指標演算部２６へ出力される。
【００５３】
力学特性指標演算部２６は、骨表面位置演算部２２および骨表面方向演算部２４から得られる骨に関する形態データと、荷重計測器３２から得られる骨に加えられた荷重の計測値とに基づいて、骨の力学的特性の指標値を算出する。例えば、荷重計測器３２から得られる荷重の計測値と、荷重の計測値ごとに求められる並進変位成分や回転変位成分から、骨のヒステリシス特性などを求める。さらに、求められたヒステリシス特性などから骨の粘弾性等の評価値を算出してもよい。なお、荷重計測器３２は、歩行運動の場合にはフォースプレートなどが好適である。
【００５４】
表示画像形成部２８は、超音波画像形成部１８で形成された超音波画像や、力学特性指標演算部２６で求められた指標値に基づいて表示画像を形成してディスプレイ３０に表示する。超音波画像と指標値は、例えば、検査者の指示に基づいて切り替えて表示される。超音波画像と指標値は同時に表示されてよい。また、指標値として、図６に示す形態データ（一部または全て）をディスプレイ３０に表示させてもよい。
【００５５】
上述のように、形態データに基づいて得られた骨の力学的特性の指標値は、骨癒合の定量評価などにおいて重要な指標となることが期待される。例えば、指標値から塑性変形が非常に大きいと判断される場合には、骨が治癒過程の初期段階であると考えられ、このため、骨の癒合を促進させるための荷重を制限する。一方、指標値から塑性変形が小さいと判断される場合には、積極的に荷重を奨励して骨の癒合を促進させるなどの診断が可能になる。つまり、患者に荷重量の程度の指示などを行う際に形態データが極めて有効なデータとなる。なお、塑性変形が小さい場合に、さらに大きな荷重を加えて塑性変形を判断してもよい。
【００５６】
また、本実施形態の超音波診断装置によって得られる形態データや指標値は、薬剤による骨強度増加への効果の判定や固定器・インプラントの除去の判断などにおいても、客観的で信頼できる診断の基礎データとして大いに寄与するものである。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】各エコー信号の骨表面部を示す模式図である。
【図３】形態データを算出する際の骨折モデルを説明するための図である。
【図４】二つのプローブのうちの一方とそれに対応する骨片の表面を示す図である。
【図５】二つのプローブとそれらの各々対応する骨片の表面を示す図である。
【図６】二つのプローブから得られる形態データを説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ａ，１０ｂ プローブ、２０ エコートラッキング処理部、２２ 骨表面位置演算部、２４ 骨表面方向演算部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、骨などの硬組織の診断に利用される超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨粗鬆症などの骨代謝疾患の診断や易骨折性の判定、また、骨折治療後の骨癒合を定量的に診断するために、骨強度などの力学的特性の簡便かつ定量的な測定が望まれている。
【０００３】
骨形成や骨癒合の評価はＸ線写真に大きく依存しているが、Ｘ線写真では骨強度を定量的に診断することは困難である。骨強度の従来の測定法として測定対象のサンプル骨の強度試験が知られているものの、サンプル骨の摘出手術が必要であり侵襲的である。また、骨量や骨密度の測定法として、汎用Ｘ線ＣＴの利用、ＤＸＡ（二重エネルギー吸収測定法）装置などが実用化にいたっている。しかし、これらはあくまで骨量を測定する手段であって、骨強度を評価することはできない。また、Ｘ線を照射する点では非侵襲的であるとは言えない。
【０００４】
このほかの骨強度を定量評価する試みとしては、創外固定器に歪みゲージを装着してその固定器の歪みを計測する歪みゲージ法、骨に外部から振動を加え固有振動数を評価する振動波法、降伏応力を生じた骨から発生する音波を検出するアコースティックエミッション法などが既存の方法として挙げられる。しかし、これらの方法は適応できる治療法に制限があること、骨に侵襲を加える必要があること、さらに評価精度などの点において問題が残されている。
【０００５】
こうした背景において、本願の発明者らは、骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に評価する超音波診断装置を提案している（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２９８２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された超音波診断装置は、骨に対して複数の超音波ビームを形成し、各超音波ビームに対応した複数のエコー信号を取得して各エコー信号ごとに骨表面に対応する表面ポイントを特定し、複数のエコー信号から得られる複数の表面ポイントに基づいて骨表面の形状データを生成するものである。そして、骨に対して外的作用を及ぼした場合における形状データの変化に基づいて骨の力学的特性が評価される。これにより、エコー信号に基づく骨表面の形状データから、生体内の骨の力学的特性を非侵襲的かつ定量的に評価することができるという画期的な技術である。
【０００８】
本願の発明者らは、上記特許文献１に記載された画期的な技術をさらに改良し、骨などの硬組織の力学的特性などをさらに適切に評価する手法について研究を重ねてきた。
【０００９】
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、骨などの硬組織のさらに高精度な診断を可能にする超音波診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、硬組織に対して超音波を送受波する二次元的に配列された複数の振動部と、前記複数の振動部から各振動部ごとにエコー信号を取得する送受信部と、前記各エコー信号ごとに硬組織の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、前記複数の振動部のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の形態情報を生成する形態情報生成部と、を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成において、各振動部は例えば単一の振動素子で構成され、複数の振動素子が二次元的に配列される。もちろん、各振動部が複数の振動素子で構成されてもよい。また、複数の振動部は、例えば格子状に配列される。このため、硬組織の表面に対応した表面ポイントが二次元的に得られ、硬組織表面の形態情報を二次元的に捕らえることが可能になる。なお、硬組織表面の形態情報とは、例えば、硬組織表面の形状、位置、方向などの情報である。上記構成によれば、硬組織表面の形態情報を二次元的に捕らえることができるため、例えば骨の癒合状態などの観察に適しており、骨などの硬組織のさらに高精度な診断を可能にする。
【００１２】
望ましくは、前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の総体的な位置を示す位置データを生成する、ことを特徴とする。望ましくは、前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の方向を示す方向データを生成する、ことを特徴とする。
【００１３】
望ましくは、前記硬組織に対して外的作用が加えられ、前記形態情報生成部は、前記形態情報として、外的作用に伴う硬組織表面の総体的な位置の変化を示す位置変位データと、外的作用に伴う硬組織表面の方向の変化を示す方向変位データと、を生成する、ことを特徴とする。
【００１４】
望ましくは、前記表面ポイント特定部は、前記各振動部ごとに形成される超音波ビームに対して設定されるトラッキングゲートを利用し、トラッキングゲート期間内におけるエコー信号の代表点を表面ポイントとして抽出し、抽出した表面ポイントをトラッキングする、ことを特徴とする。
【００１５】
望ましくは、前記複数の振動部には、同一直線上に配列されない三つの振動部が含まれ、前記形態情報生成部は、前記三つの振動部から得られる三点の表面ポイントに基づいて、前記位置データとして当該三点の表面ポイントの重心位置の座標を求め、さらに、前記方向データとして当該三点の表面ポイントを含む平面の法線ベクトルを求める、ことを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、骨折部位を間に挟んだ二つの骨片のうちの第一骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第一プローブと、前記二つの骨片のうちの第二骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第二プローブと、前記第一プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得する送受信部と、前記第一骨片および第二骨片の各々について、前記各エコー信号ごとに骨の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、前記第一プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第一骨片の表面の形態データを生成し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第二骨片の表面の形態データを生成する形態情報生成部と、を有し、前記第一プローブおよび第二プローブは互いに固定され、前記形態情報生成部は、前記第一骨片の形態データと前記第二骨片の形態データとの比較データを生成する、ことを特徴とする。
【００１７】
望ましくは、前記二つの骨片に対して外的作用が加えられ、前記形態情報生成部は、外的作用に伴う前記第一骨片の形態データの変化を示す第一変位データと、外的作用に伴う前記第二骨片の形態データの変化を示す第二変位データと、を求めることを特徴とする。望ましくは、前記形態情報生成部は、前記第一変位データと前記第二変位データとを比較することによって変位比較データを生成することを特徴とする。
【００１８】
上記構成において、形態データとは、例えば、骨表面の位置データや方向データである。この場合、第一変位データとは、例えば、外的作用の前後における第一骨片の位置データの変化量を示す位置変位データや方向データの変化量を示す方向変位データである。さらに、上記構成では、第一骨片の第一変位データと第二骨片の第二変位データとを比較することによって変位比較データが生成される。この変位比較データは、第一骨片と第二骨片の二つの骨片の情報から得られるものであり、従って、骨折部位とそれを間に挟んだ二つの骨片とを含む骨全体の総合的な高精度な診断に有効なデータとなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、骨などの硬組織のさらに高精度な診断を可能にする超音波診断装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。
【００２２】
本実施形態において、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、被検者５０の体表に当接して用いられる超音波探触子である。ただし、被検体内に挿入して用いられる超音波探触子が利用されてもよい。プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、各々、被検者５０の体内の骨（符号５２ａ，５２ｂ，５４）に向けて複数の超音波ビーム４０を形成する。骨は、骨折部位５４を間に挟んだ二つの骨片５２ａ，５２ｂで構成されている。本実施形態において観察対象となる骨は、例えば脛骨である。もちろん、脛骨以外の骨あるいは骨以外の硬組織を観察対象としてもよい。また、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、プローブ連結具１１によって、互いに固定される。つまり、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの間の相対的な位置や向きは不変である。
【００２３】
本実施形態においては、プローブ１０ａによって骨片５２ａに対して超音波が送受波され、プローブ１０ｂによって骨片５２ｂに対して超音波が送受波される。プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、各々、二次元的に配列された複数の振動子を備えている。本実施形態においては、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの各々が、縦と横にそれぞれ３個ずつ合計９個の振動子を格子状に配列した振動子群を備えている。なお、９個の振動子の配列状態については、後に図４を利用して説明する。
【００２４】
送受信部１２は、送受制御部１４による制御に基づいて、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂによって複数の超音波ビーム４０を形成し、各超音波ビーム４０に対応した複数のエコー信号を取得する。超音波ビーム４０は各振動子ごとに形成される。本実施形態においては、プローブ１０ａについての超音波ビーム４０が３本形成され、プローブ１０ｂについての超音波ビーム４０も３本形成される。この際、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、各々、合計９個の振動子のうちの３個の振動子を利用し、３個の振動子の各々に対応した３本の超音波ビーム４０を形成する。
【００２５】
なお、図１においては、後に骨表面の形態データを演算するために必要な超音波ビーム４０のみを示しているが、例えば、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの少なくとも一方に、Ｂモード画像や三次元画像などの超音波画像を形成するための送受波機能を設けて、送受信部１２によって超音波画像に必要なエコーデータが取得され、取得されたエコーデータに基づいて超音波画像形成部１８において画像データが形成されてもよい。この場合、形成された画像データが表示画像形成部２８に送られて、画像データに対応した超音波画像（Ｂモード画像や三次元画像など）がディスプレイ３０に表示される。
【００２６】
送受信部１２で取得された形態データを演算するためエコー信号、つまり、図１に示す超音波ビーム４０から得られるエコー信号は、エコートラッキング処理部２０へ出力される。エコートラッキング処理部２０は、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの各々に対応するエコー信号から骨表面部を抽出してトラッキングする、いわゆるエコートラッキング処理を行うものである。エコートラッキング処理には、例えば、特開２００１−３０９９１８号公報に詳述される技術が利用される。
【００２７】
エコートラッキング処理を行うにあたっては、例えば、検査者が操作パネル１６を介して送受制御部１４に対して超音波の送受波に関する指示を入力し、送受制御部１４は検査者の指示に基づいて送受信部１２を制御する。そして、トラッキング用エコー信号を取得するための超音波ビーム４０が検査者の指示に基づいて、骨表面の診断部位に送波される。超音波の送受波において骨表面からは強い反射波が取得される。従って、被検者体内から取得される各エコー信号は、骨表面部に対応する部分において大きな振幅となって取得される。
【００２８】
図２は、各エコー信号の骨表面部を示す模式図である。図２に示すように、各エコー信号は骨表面に対応する部分で大きな振幅となる範囲６０を含んでいる。単に振幅の大きな部分として骨表面部を捉えた場合、範囲６０の中のどの部分が表面部に対応するのかが不明であり、結果として範囲６０程度の抽出誤差が生じてしまう。エコートラッキング処理では、各エコー信号の代表点としてゼロクロス点６２が検知され、検知されたゼロクロス点６２をトラッキングすることで抽出精度を飛躍的に高めている。
【００２９】
ゼロクロス点６２は、トラッキングゲート期間６４内においてエコー信号の振幅が正から負へ、または、負から正へと極性が反転するタイミングとして検知される。図２ではエコー信号の振幅が正から負へと極性反転するタイミングがゼロクロス点６２である。ゼロクロス点６２が検知されるとその点を中心として、新たにトラッキングゲートが設定される。そして、次回取得されるエコー信号においては、新たに設定されたトラッキングゲート期間６４内でゼロクロス点６２が検知される。このようにして、各エコー信号ごとにゼロクロス点６２が表面ポイントとしてトラッキングされる。なお、表面ポイントは、荷重を加える前の計測時点から、荷重を加えている途中を経て、荷重を加えた後の計測時点まで継続的にトラッキングされる。
【００３０】
図１に戻り、エコートラッキング処理部２０において、各エコー信号ごとに、つまり、プローブ１０ａに対応した３本の超音波ビーム４０のエコー信号、プローブ１０ｂに対応した３本の超音波ビーム４０のエコー信号ごとに表面ポイントがトラッキングされ、その結果、骨片５２ａに関する３点の骨表面ポイントと骨片５２ｂに関する３点の骨表面ポイントが抽出される。
【００３１】
そして、骨表面位置演算部２２は、抽出された骨表面ポイントに基づいて、骨片５２ａおよび骨片５２ｂの各々に関する位置データを算出する。一方、骨表面方向演算部２４は、抽出された骨表面ポイントに基づいて、骨片５２ａおよび骨片５２ｂの各々に関する方向データを算出する。
【００３２】
そこで、以下、図３から図５を利用して、骨表面位置演算部２２および骨表面方向演算部２４において算出される形態データ（位置データや方向データ）の算出原理を説明する。なお、以下において図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。
【００３３】
図３は、本実施形態において形態データを算出する際の骨折モデルを説明するための図である。本実施形態においては、骨折モデルとして、剛体と粘弾性体の複合モデルを利用する。骨折部位５４（癒合中の「仮骨」）を間に挟んだ二つの骨片５２ａ，５２ｂ（既存骨）は、荷重などの負荷を受けると、例えば、図３の実線で示す状態から破線で示す状態へと変化する。この際、二つの骨片５２ａ，５２ｂは荷重による変形が非常に小さいのに対して、骨折部位５４は荷重による変形が比較的大きい。そこで、二つの骨片５２ａ，５２ｂを剛体、骨折部位５４を粘弾性体とする複合モデルを利用する。
【００３４】
骨片５２ａ，５２ｂを剛体とみなすと、各骨片の変位は、骨片全体の総体的な基準位置（例えば、骨片の重心点の変位）の並進成分と、その基準位置の周りの回転成分とに分けて考えることができる。並進成分と回転成分を共に三次元空間内で考えた場合、並進成分と回転成分の自由度は合わせて６自由度となる。つまり、図３に示す骨折モデルは、各骨片ごとの自由度（ＤＯＦ）が６となる。
【００３５】
また、図３に示す骨折モデルにおいては、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂの各プローブを基準として、超音波ビーム４０のビーム方向をｙ軸とし、格子状に配列された振動子の並び方向のうち骨の長軸軸方向に対しておよそ垂直な並び方向をｘ軸とする。そして、格子状に配列された振動子の並び方向のうちｘ軸に垂直な並び方向をｚ軸とする。これらｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する（３軸の配置関係は図１にも示されている）。そして、プローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、ｚ軸がおよそ骨の長軸方向と一致するように被検体の表面に当接される。このような、骨折モデルおよび座標系を利用して、形態データの算出原理を説明する。
【００３６】
図４は、二つのプローブのうちの一方とそれに対応する骨片の表面を示す図である。つまり、図１におけるプローブ１０ａと骨片５２ａの表面、または、プローブ１０ｂと骨片５２ｂの表面に相当する。図４においては、プローブ１０、骨片の表面５２´として説明する。
【００３７】
プローブ１０は、９個の振動子７０を格子状に配列した振動子群を備えている。つまり、ｘ軸方向とｚ軸方向にそれぞれ３個ずつ合計９個の振動子７０が格子状に配列されている。各振動子７０は、ｙ軸方向に向かって超音波ビームを形成する。
【００３８】
ｉ番目の振動子７０の空間座標をＰi（ｘi，ｙi，ｚi）とする。また、複数の振動子７０が同一ｘｚ平面内に配置されているものとし、さらに、複数の振動子７０の重心点をｘｚ平面の原点と定義する。つまり、複数の振動子７０の重心点のｘｚ平面内の座標値ｘGおよびｚGが次式のように定義される。
【数１】
ここで、Ｍは振動子７０の個数であり、本実施形態では９個（Ｍ＝９）である。
【００３９】
ｉ番目の振動子７０で計測した骨片の表面５２´の位置Ｂi（Ｘi，Ｙi，Ｚi）までの距離をｄiとすると次式の関係が成立する。
【数２】
そして、Ｍ個の振動子７０による骨表面位置の計測値の重心点が次式により算出され、これを骨表面の重心点とする。
【数３】
次に、骨表面の重心点の移動（並進変位）が超音波ビーム方向のみ、つまりｙ軸方向のみと仮定すると、骨片の自由度は、並進方向の１自由度と回転方向の３自由度の合計４自由度となる。また、観測対象の範囲内において骨片の表面５２´は平面であると仮定する。この平面の法線ベクトルをベクトルｎとし、この方向余弦を（cosα，cosβ，cosγ）で表すと、骨片の表面５２´の位置Ｂi（Ｘi，Ｙi，Ｚi）との間に次式の関係が成立する。
【数４】
ここで、ＸiとＺiは振動子７０の幾何学的配置でプローブ１０の設計段階において決定されるものであり計測の時点で既知である。また、Ｙiは本実施形態においてエコートラッキング処理で高精度に測定でき、さらに、重心点ＹGは数３の式から求められる。つまり、角度α，β，γの３値が未知数となる。このため、骨片の表面５２´の位置Ｂi（Ｘi，Ｙi，Ｚi）の測定データ数を３点（Ｍ＝３）とすることで、原理的には角度α，β，γの３値が求められる。なお、３点の測定データを得るための３個の振動子７０は、同一直線上に配列されない３個の振動子７０が望ましい。また、測定データ数を３より多く取り、角度α，β，γの３値を最小二乗法などで求めてもよい。
【００４０】
上記手法により、骨表面位置位置演算部２２は、骨表面の重心点のｙ座標値ＹGを算出し、骨表面方向演算部２４は、骨表面の方向（角度α，β，γ）を算出する。
【００４１】
さらに、本実施形態では、骨に対して足踏みなどによる外的作用（荷重）を加え、その前後における骨表面の重心点の変化や骨表面の方向の変化が測定される。つまり、荷重を加える前の骨表面の重心点をＹG、骨表面の方向を角度α，β，γとし、荷重を加えた後の骨表面の重心点をＹ´G、骨表面の方向を角度α´，β´，γ´とし、これらの値から、並進変位成分（位置変位データ）および回転変位成分（方向変位データ）を次式のように算出する。
【数５】
なお、並進変位成分や回転変位成分に換えて、荷重を加える前の骨表面の法線ベクトル（ベクトルｎ）と荷重を加えた後の骨表面の法線ベクトル（ベクトルｎ´）から、次式で定義される法線ベクトルの変化を求めてもよい。
【数６】
さらに、本実施形態では、二つのプローブの各々から得られるデータを比較することができる。
【００４２】
図５は、二つのプローブとそれらの各々対応する骨片の表面を示す図である。つまり、近位側の骨片の表面５２ａ´とそれに対応するプローブ１０ａ（近位側プローブ）、遠位側の骨片の表面５２ｂ´とそれに対応するプローブ１０ｂ（遠位側プローブ）が示されている。そして、骨折部位５４を間に挟んだ二つの骨片の各々について計測が実施される。
【００４３】
図５においても、図３に示した骨折モデルおよび座標系が利用される。つまり、骨折モデルとして、剛体と粘弾性体の複合モデルが利用され、また、プローブを基準としたｘｙｚ直交座標系が利用される。なお、二つのプローブ１０ａおよびプローブ１０ｂは、互いのｚ軸が一致するように剛体などで固定され、患者の体表にテープなどによって貼り付けられる。
【００４４】
そして、骨片の表面５２ａ´および骨片の表面５２ｂ´の各々について、図４を利用して説明した計算手法によって、骨表面の重心点のｙ座標値ＹGや骨表面の方向（角度α，β，γ）が算出され、また、これらの荷重前後における差として並進変位成分や回転変位成分が算出される。これらに加えて、図５においては、骨片の表面５２ａ´および骨片の表面５２ｂ´の二つの骨片の比較データ（近位側と遠位側の差分）が求められる。
【００４５】
図６は、図５に示す二つのプローブから得られる形態データを説明するための図であり、形態データを纏めた表が示されている。図５に示した部分には図５の符号を付して図６の表を説明する。
【００４６】
プローブ１０ａから得られる近位側の骨（骨片５２ａ）に関するデータのうち、荷重前の並進成分Ｙpは、骨片５２ａについて数３の式で得られる重心点ＹGに相当する。また、荷重前の回転成分αp，βp，γpは、骨片５２ａについて数４の式で得られる角度α，β，γに相当する。並進成分および回転成分は、荷重後においても求められ、それらが荷重後の並進成分Ｙ´p、荷重後の回転成分α´p，β´p，γ´pである。さらに、荷重前後における並進成分の差として並進変位成分ΔＹp、および、荷重前後における回転成分の差として回転変位成分Δαp，Δβp，Δγpが算出される。なお、並進変位成分や回転変位成分に換えて、荷重を加える前後の骨表面の法線ベクトル（ベクトルｎp）から法線ベクトルの変化を求めてもよい。
【００４７】
プローブ１０ｂから得られる遠位側の骨（骨片５２ｂ）についても、近位側の骨（骨片５２ａ）に関するデータと同じデータが得られる。つまり、荷重前の並進成分と回転成分、荷重後の並進成分と回転成分、並進変位成分、回転変位成分が各々求められる。なお、これら遠位側のデータについては添え字ｄが付されている。
【００４８】
図６においては、さらに、二つの骨片の比較データとして近位側と遠位側の差分が求められている。つまり、荷重前の並進成分についての近位側と遠位側の差分δＹ、荷重前の回転成分についての近位側と遠位側の差分δα，δβ，δγ、荷重後の並進成分についての近位側と遠位側の差分δＹ´、荷重後の回転成分についての近位側と遠位側の差分δα´，δβ´，δγ´、並進変位成分の近位側と遠位側の差分δΔＹ、回転変位成分の近位側と遠位側の差分δΔα，δΔβ，δΔγが求められる。
【００４９】
このように、骨折部位５４を挟んだ二つの骨片の表面（表面５２ａ´および表面５２ｂ´）の比較データが得られ、骨折部位５４とそれを間に挟んだ二つの骨片とを含む骨全体の総合的な高精度な診断に有効なデータとして利用される。
【００５０】
例えば、脛骨を測定対象とする場合、骨に加えられる荷重として歩行運動（足踏み運動）を挙げることができる。そして、歩行前に図６における荷重前の各種データを求め、さらに、歩行後に所定時間（例えば１分程度）が経過してから荷重後の各種データを求める。この場合、荷重前後の変化である並進変位成分や回転変位成分が、例えば、骨の塑性変形の定量的データとして利用される。
【００５１】
このように、本実施形態では、二つのプローブの各々から得られるデータを比較することができる。
【００５２】
図１に戻り、骨表面位置演算部２２および骨表面方向演算部２４において、骨に関する形態データ（図６に示されるデータ）が求められると、これら形態データは力学特性指標演算部２６へ出力される。
【００５３】
力学特性指標演算部２６は、骨表面位置演算部２２および骨表面方向演算部２４から得られる骨に関する形態データと、荷重計測器３２から得られる骨に加えられた荷重の計測値とに基づいて、骨の力学的特性の指標値を算出する。例えば、荷重計測器３２から得られる荷重の計測値と、荷重の計測値ごとに求められる並進変位成分や回転変位成分から、骨のヒステリシス特性などを求める。さらに、求められたヒステリシス特性などから骨の粘弾性等の評価値を算出してもよい。なお、荷重計測器３２は、歩行運動の場合にはフォースプレートなどが好適である。
【００５４】
表示画像形成部２８は、超音波画像形成部１８で形成された超音波画像や、力学特性指標演算部２６で求められた指標値に基づいて表示画像を形成してディスプレイ３０に表示する。超音波画像と指標値は、例えば、検査者の指示に基づいて切り替えて表示される。超音波画像と指標値は同時に表示されてよい。また、指標値として、図６に示す形態データ（一部または全て）をディスプレイ３０に表示させてもよい。
【００５５】
上述のように、形態データに基づいて得られた骨の力学的特性の指標値は、骨癒合の定量評価などにおいて重要な指標となることが期待される。例えば、指標値から塑性変形が非常に大きいと判断される場合には、骨が治癒過程の初期段階であると考えられ、このため、骨の癒合を促進させるための荷重を制限する。一方、指標値から塑性変形が小さいと判断される場合には、積極的に荷重を奨励して骨の癒合を促進させるなどの診断が可能になる。つまり、患者に荷重量の程度の指示などを行う際に形態データが極めて有効なデータとなる。なお、塑性変形が小さい場合に、さらに大きな荷重を加えて塑性変形を判断してもよい。
【００５６】
また、本実施形態の超音波診断装置によって得られる形態データや指標値は、薬剤による骨強度増加への効果の判定や固定器・インプラントの除去の判断などにおいても、客観的で信頼できる診断の基礎データとして大いに寄与するものである。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】各エコー信号の骨表面部を示す模式図である。
【図３】形態データを算出する際の骨折モデルを説明するための図である。
【図４】二つのプローブのうちの一方とそれに対応する骨片の表面を示す図である。
【図５】二つのプローブとそれらの各々対応する骨片の表面を示す図である。
【図６】二つのプローブから得られる形態データを説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ａ，１０ｂ プローブ、２０ エコートラッキング処理部、２２ 骨表面位置演算部、２４ 骨表面方向演算部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬組織に対して超音波を送受波する二次元的に配列された複数の振動部と、
前記複数の振動部から各振動部ごとにエコー信号を取得する送受信部と、
前記各エコー信号ごとに硬組織の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、
前記複数の振動部のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の形態情報を生成する形態情報生成部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の総体的な位置を示す位置データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の方向を示す方向データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波診断装置において、
前記硬組織に対して外的作用が加えられ、
前記形態情報生成部は、前記形態情報として、外的作用に伴う硬組織表面の総体的な位置の変化を示す位置変位データと、外的作用に伴う硬組織表面の方向の変化を示す方向変位データと、を生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波診断装置において、
前記表面ポイント特定部は、前記各振動部ごとに形成される超音波ビームに対して設定されるトラッキングゲートを利用し、トラッキングゲート期間内におけるエコー信号の代表点を表面ポイントとして抽出し、抽出した表面ポイントをトラッキングする、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波診断装置において、
前記複数の振動部には、同一直線上に配列されない三つの振動部が含まれ、
前記形態情報生成部は、前記三つの振動部から得られる三点の表面ポイントに基づいて、前記位置データとして当該三点の表面ポイントの重心位置の座標を求め、さらに、前記方向データとして当該三点の表面ポイントを含む平面の法線ベクトルを求める、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
骨折部位を間に挟んだ二つの骨片のうちの第一骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第一プローブと、
前記二つの骨片のうちの第二骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第二プローブと、
前記第一プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得する送受信部と、
前記第一骨片および第二骨片の各々について、前記各エコー信号ごとに骨の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、
前記第一プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第一骨片の表面の形態データを生成し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第二骨片の表面の形態データを生成する形態情報生成部と、
を有し、
前記第一プローブおよび第二プローブは互いに固定され、
前記形態情報生成部は、前記第一骨片の形態データと前記第二骨片の形態データとの比較データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
請求項７に記載の超音波診断装置において、
前記二つの骨片に対して外的作用が加えられ、
前記形態情報生成部は、外的作用に伴う前記第一骨片の形態データの変化を示す第一変位データと、外的作用に伴う前記第二骨片の形態データの変化を示す第二変位データと、を求める、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波診断装置において、
前記形態情報生成部は、前記第一変位データと前記第二変位データとを比較することによって変位比較データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
硬組織に対して超音波を送受波する二次元的に配列された複数の振動部と、
前記複数の振動部から各振動部ごとにエコー信号を取得する送受信部と、
前記各エコー信号ごとに硬組織の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、
前記複数の振動部のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の形態情報を生成する形態情報生成部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の総体的な位置を示す位置データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記形態情報生成部は、前記形態情報として、二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて硬組織表面の方向を示す方向データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波診断装置において、
前記硬組織に対して外的作用が加えられ、
前記形態情報生成部は、前記形態情報として、外的作用に伴う硬組織表面の総体的な位置の変化を示す位置変位データと、外的作用に伴う硬組織表面の方向の変化を示す方向変位データと、を生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波診断装置において、
前記表面ポイント特定部は、前記各振動部ごとに形成される超音波ビームに対して設定されるトラッキングゲートを利用し、トラッキングゲート期間内におけるエコー信号の代表点を表面ポイントとして抽出し、抽出した表面ポイントをトラッキングする、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波診断装置において、
前記複数の振動部には、同一直線上に配列されない三つの振動部が含まれ、
前記形態情報生成部は、前記三つの振動部から得られる三点の表面ポイントに基づいて、前記位置データとして当該三点の表面ポイントの重心位置の座標を求め、さらに、前記方向データとして当該三点の表面ポイントを含む平面の法線ベクトルを求める、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
骨折部位を間に挟んだ二つの骨片のうちの第一骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第一プローブと、
前記二つの骨片のうちの第二骨片に対して超音波を送受波する複数の振動子を備え、これら複数の振動子が二次元的に配列された第二プローブと、
前記第一プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子から各振動子ごとにエコー信号を取得する送受信部と、
前記第一骨片および第二骨片の各々について、前記各エコー信号ごとに骨の表面に対応した表面ポイントを特定する表面ポイント特定部と、
前記第一プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第一骨片の表面の形態データを生成し、さらに、前記第二プローブの複数の振動子のエコー信号から二次元的に得られる複数の表面ポイントに基づいて前記第二骨片の表面の形態データを生成する形態情報生成部と、
を有し、
前記第一プローブおよび第二プローブは互いに固定され、
前記形態情報生成部は、前記第一骨片の形態データと前記第二骨片の形態データとの比較データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
請求項７に記載の超音波診断装置において、
前記二つの骨片に対して外的作用が加えられ、
前記形態情報生成部は、外的作用に伴う前記第一骨片の形態データの変化を示す第一変位データと、外的作用に伴う前記第二骨片の形態データの変化を示す第二変位データと、を求める、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波診断装置において、
前記形態情報生成部は、前記第一変位データと前記第二変位データとを比較することによって変位比較データを生成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２８０５３２（Ｐ２００６−２８０５３２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０３０３１（Ｐ２００５−１０３０３１）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（３９００２９７９１）アロカ株式会社 (899)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（３９００２９７９１）アロカ株式会社 (899)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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