WO1997030635A1

WO1997030635A1 - Procede et dispositif de diagnostic de l'osteoporose

Info

Publication number: WO1997030635A1
Application number: PCT/JP1997/000501
Authority: WO
Inventors: Tetsuya Ishii; Masashi Kuriwaki; Yasuyuki Kubota; Yuichi Nakamori
Original assignee: Sekisui Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisya
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1997-08-28
Also published as: EP0821913A1; EP0821913A4; US5902240A; KR19990007913A; CA2218682A1

Description

明糸田書

骨粗鬆症診断装置及び方法技術分野

この発明は、超音波パルスを被験者の所定の骨に向けて放射し、骨からのエコーを検知して、骨粗鬆症を診断する超音波反射式の骨粗鬆症装置及び骨粗鬆症診断方法に関する。背景技術

近年、高齢化社会の到来に伴って、骨粗鬆症（osteoporosis) と呼ばれる骨の疾患が問題となっている。これは、骨からカルシウムが抜け出してスカスカになり、少しのショックで折れ易くなる病気で、高齢者をいわゆる寝たきりにさせる原因の一つにもなつている。骨粗鬆症の物理的診断は、主として、 X線を使用する D X Aや Q C T等の診断装置により、骨の密度を精密に測定することによって行われるが、 X線による物理的診断では、装置が大がかりになる上、被曝の虞がある。

そこで、無被爆下で取り扱える簡易な装置として、超音波を利用する診断装置が普及してきている。超音波を利用する診断装置では、超音波が骨組織中を伝搬するときの音速や減衰を計測して、骨密度や骨の弾性率（弾性的強度）を推定し、低い推定値が得られれば、それは、骨からカルシウムが抜け出したためであると考えることができるので、骨粗鬆症と診断する。

例えば、特開平 2— 1 0 4 3 3 7号公報（米国特許出願第 1 9 3 2 9 5号）に記載の診断装置では、測定部位である被験者の骨を挟んで 2つ PC

2

の超音波トランスデューサを向かい合わせ、一方の超音波トランスデュ一ザから被験者の骨組織に向けて超音波パルスを発射し、骨組織を透過してきた超音波パルスを他方の超音波卜ランスデューサで受信することにより、骨組織中での音速を測定し、骨組織内での音速が遅い程、骨粗鬆症が進行していると診断する。これは、同診断装置の処理アルゴリズムが、骨組織中では音速は骨密度に比例する、という経験則に基づいて成立しているからである。

しかしながら、骨密度と音速とを結び付ける理論的根拠は不確かで、厳密に言うと、骨組織中での音速は、骨密度に比例するのではなく、

[骨の弾性率 Z骨密度] の平方根で与えられる。しかも、骨の弾性率と骨密度とは、骨密度が増加すれば骨の弾性率も上昇するという互いに相殺する形で音速に寄与するために、骨組織中での音速は骨密度の増加に敏感には応答できず、骨組織中での音速と骨密度との相関係数は、けつして高くはない。また、骨密度と超音波の減衰とを結び付ける理論的根拠も不確かである。

したがって、骨組織中での音速や超音波の'减衰についての計測結果から、骨密度や骨の弾性率を推定するという従来の超音波透過式の診断装置に信頼性の高い診断を求めることには無理があつた。

このような不都合を解消する手段として、この出願人の出願に係る特願平 6 - 3 1 0 4 4 5号公報、特願平 7 - 1 4 0 7 3 0号公報及び特願平 7— 1 4 0 7 3 4号公報等に記載されているように、単一の超音波トランスデューサを用いて、表面が平らな骨組織に向けて超音波パルスを繰り返し放射し、骨組織から戻ってくるエコーを受信し、受信したェコ一のうち（垂直反射のエコーであるとみなすことのできる）最大エコーを抽出し、抽出した最大エコーに基づいて、反射係数や音響インビーダンス等を算出し、これらの算出値に基づいて骨粗鬆症を診断する超音波反射式の診断装置が提案されている。

しかしながら、上記公報記載の超音波反射式診断装置においては、超音波トランスデューサを被験者の皮膚に当てた伏態で、表面が平らな骨組織に向けて十分平面波とみなせる超音波パルスを放射し、垂直反射のエコーを受信するようにしているものの、このためには、超音波トランスデューザの向きをあれこれ変えて、最大エコーを探し当てる、という操作者の作業協力も要求されるので、操作が煩わしいという、問題があつた

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、無被爆下の簡単な操作で、高い信頼性を得ることのできる骨粗鬆症診断装置及び骨粗鬆症診断方法を提供することを目的としている。発明の開示

この発明の骨粗鬆症診断装置（及び方法）は、超音波パルスを被験者の骨に向けて繰り返し発射し、その都度、該骨から反射して戻ってくるエコーを受波し、得られたエコーデータに基づいて骨粗鬆症を診断する。

したがって、この発明の第 1の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元伏配列からなる超音波卜ランスデューサァレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する AZD変換器と、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からのエコーを第 i 番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 ( t ) を計測するエコー波形計測手段と、この計測を必要な組み合わせについて行い、 N X Nの散乱行列 [S _{S j} ( t )〕を求める散乱行列作成手段と、求められた上記散乱行列 [ S i^ t )] を時間でフーリエ変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換された NXNの散乱行列 [S u iw)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波情報算出手段とを備えた骨粗鬆症診断装置が提供される。

上記散乱行列作成手段の好ましい態様としては、計測の際、第〖番目の超音波変換要素と第 j番目の超音波変換要素との必要な組み合わせは、 N (N+ 1 ) 2通り〜 N XN通りの範囲内である。

また、上記フーリエ変換手段では、処理アルゴリズムに従って、骨からの受信エコーと思われる波形にゲー卜をかけてフ一リェ変換するのが好ましい。また、この発明の第 2の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元状配列からなる超音波卜ランスデューサアレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する A Z D 変換器と、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からのエコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 ( t ) を計測するェコ —波形計測手段と、この計測を必要な組み合わせについて行い、 N XN の散乱行列 [Sij (t )] を求める散乱行列作成手段と、求められた上記散乱行列 [S ij (t )] を時間でフーリエ変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換された N XNの散乱行列 [Si w)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波情報算出手段とを備え

該反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、式（7) の方程式を成立させる値 λのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の値 λを求め、求められた値; Iに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出することに特徴を有する骨粗鬆症診断装置が提供される。 ∑5ϋ(_ω)Ψ】·（_ω) = λΨ*(ω) (7) また、この発明の第 3の観点によれば、 Ν個（Νは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元伏配列からなる超音波卜ランスデューサアレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する A / D 変換器と、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からのエコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 ( t ) を計測するェコ —波形計測手段と、この計測を必要な組み合わせについて行い、 N X N の散乱行列 [S u ( t )] を求める散乱行列作成手段と、求められた上記散乱行列 [S ij ( t )] を時間でフーリエ変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換された N X Nの散乱行列 [ S i w)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波情報算出手段とを備え

該反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、式（8 ) を成立させる固有値； Iのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の固有値 λを求め、求められた固有値； Iに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する骨粗鬆症診断装置が提供される。なお、この場合の好ましい態様としては、固有値 λに所定の比例定数を乗じて、骨の反射率を求めるようにするのが好ましい。

Re(S(w)) 一 Im(S(w)) Κβ(Ψίη(ω))

一 Im(S(o )一 Re(S(ω)) Ιηι(Ψΐη(ω))

Re (Ψ^ω))

= λ

ΙΐΉ(ψ_ιη(_ω)) (8)

スは NX Nの実行列の固有値である,

ImS(oi) — ReS(w)

また、この発明の第 4の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元状配列からなる超音波トランスデューサアレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する AZD 変換器と、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からのエコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 ( t ) を計測するェコ —波形計測手段と、この計測を必要な組み合わせについて行い、 NXN の散乱行列 [S i^ t )] を求める散乱行列作成手段と、求められた上記散乱行列 [S i t )] を時間でフーリエ変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換された N XNの散乱行列 [S

に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波情報算出手段とを備え

該反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、上記受信ェコ一波形 ( t ) に基づいて、測定対象内の N個（上記超音波変換要素と同数個）の骨要素の座標を求め、かつ、それぞれの受信エコーの伝搬遅延を考慮して、所定の形状からの反射波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題に帰着されたときの上記骨の反射波情報を算出することに特徴を有する骨粗鬆症診断装置が提供される。上記反射波情報算出手段の好ましい態様としては、算出される上記骨の反射波情報には、上記被験者の軟組織に対する皮質骨の骨反射波情報と、該皮質骨に対する海綿骨の骨反射波情報とが含まれる。

また、上記骨反射波情報に基づいて、上記骨の音響インビ一ダンス、又は皮質骨の音響インビーダンスと海綿と骨の音響ィンビーダンスを算出するのが好ましい。

また、この発明の第 5の観点によれば、超音波変換要素が 2次元状又は 1次元状に複数配列されてなる超音波トランスデューサァレイを被験者の所定の骨を覆う皮膚表面に当てた状態で、上記超音波変換要素の一つずつから順次超音波パルスを上記骨の所定の領域に向けて所定の回数発射させ、上記超音波パルスの発射の度に発生する上記骨からのエコーを上記各超音波変換要素によつて受信し、所定の受信信号をアナ口ザ/ デジタル変換器によってデジタルのエコー信号に変換した後、所定の解析処理を行うことにより骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であって、上記複数の超音波変換要素から測定部位たる上記骨の所定の領域に対して、式（9 ) で表される超音波の波形を出力する機能を有して骨粗鬆症診断装置が提供される。

で、 a a a _Nは、第 1番目、第 2番目…、第 N番目の超 W 7/3

8

音波変換要素からの放射波であり、

F は、逆フーリエ変換を表し、

Τ (ω ) - ¹は、任意の骨要素から任意の超音波変換要素までの距離を関数として含むグリ一ン関数を要素とする行列 Τ ( ω )の逆行列である。

また、この発明の第 1〜第 5の観点の好ましい態様は、この骨粗鬆症診断装置は、電気パルスを所定の周期で繰り返し発生するパルス発生手段と、任意の 1の上記超音波変換要素を選択して、上記パルス発生手段と 1対 1で接続させ Ζ接続先を切り替えるための出力切替手段と、任意の 1の上記超音波変換要素を選択して、上記アナログノデジタル変換器と 1対 1で接続させ Ζ接続先を切り替えるための入力切替手段と、上記出力切替手段を制御して、上記パルス発生手段において生成される上記電気パルスを上記各超音波変換要素に順次供給すると共に、上記入力切替手段を制御して、上記各超音波変換要素から出力される上記受信信号を上記ァナ口グノデジタル変換器に順次導く制御手段とを備えた骨粗鬆症診断装置が提供される。また、この発明の第 1〜第 5の観点の別の好ましい態様としては、この骨粗鬆症診断装置は、上記制御手段は、上記出力切替手段を制御して、各超音波変換要素に電気パルスを少なくとも Ν個ずつ振り分けて行くと共に、同一の上記超音波変換要素から順次発射される Ν個の超音波パルスに対応して発生する上記骨からの Ν個のエコーについて、上記入力切替手段を制御して、互いに異なる上記超音波変換要素から上記各エコーの受信信号を順次抽出して上記アナ口グ Ζデジ夕ル変換器に導くようにする。また、この発明の第 1〜第 5の観点のさらに別の好ましい態様としては、 Bブロックに分けられ、各ブロックに A個（B , Aは 2以上の自然数）ずつ、全体として A X B個の超音波変換要素を持つ超音波卜ランスデューサアレイと、電気パルスを所定の周期で繰り返し発生するパルス発生手段と、各ブロックに対応して設けられた B個の上記アナログ Zデジタル変換器と、任意の 1の上記超音波変換要素を選択して、上記パルス発生手段と 1対 1で接続させ接続先を切り替えるための出力切替手段と、各ブロックにおいて、任意の 1の上記超音波変換要素を選択して、対応する上記アナ口グデジタル変換器と 1対 1で接続させノ接続先を切り替えるための入力切替手段と、上記出力切替手段を制御して、上記各超音波変換要素に電気パルスを少なくとも A個ずつ振り分けて行くと共に、同一の上記超音波変換要素から順次発射される A個の超音波パルスに対応して発生する骨からの A個のエコーについて、上記入力切替手段を制御して、各ブロックにおいて、互いに異なる上記超音波変換要素から上記各ェコ―の受信信号を順次抽出して対応する上記ァナ口グデジタル変換器に導く制御手段とを備えた骨粗鬆症診断装置が提供される。また、この発明の第 1〜第 5の観点のさらに別の好ましい態様は、この骨粗鬆症診断装置は、上記各超音波変換要素に 1対 1で接続される複数の上記アナ口グ Zデジタル変換器と、電気パルスを所定の周期で繰り返し発生するパルス発生手段と、該パルス発生手段に 1対 1で接続される上記超音波変換要素を任意に選択し又は切り替えるための出力切替手段と、該出力切替手段を制御して、上記パルス発生手段において生成される電気パルスを上記各超音波変換要素に順次供給する制御手段とを備えた骨粗鬆症診断装置が提供される。また、この発明の第 1〜第 5の観点のさらに別の好ましい態様は、この骨粗鬆症診断装置は、上記各超音波変換要素に 1対 1で接続される複数の上記アナログデジタル変換器と、上記各超音波変換要素に 1対 1 で接続される複数のパルス発生手段と、上記各パルス発生手段を順次制御して、電気パルスを各超音波変換要素に順次供給する制御手段とを備えた骨粗鬆症診断装置が提供される。また、この発明の第 6の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元状配列からなる超音波トランスデューサァレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する Aノ D 変換器とを用い、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からの受信エコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 S _{i 3} ( t ) を計測し、この計測を必要な組み合わせについて行い、 N X Nの散乱行列 [S ^ C t )] を求め、求められた上記散乱行列 [S i t )] を時間でフ一リエ変換し、フーリエ変換された NXNの散乱行列 [S ij (w)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する骨粗鬆症診断方法が提供される。また、この発明の第 7の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元伏配列からなる超音波卜ランスデューサアレイと、上記各) 音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する A Z D 変換器とを用い、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からの受信エコーを第 i番 ^ ^ 目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 S_{S j} ( t ) を計測し、この計測を必要な組み合わせについて行い、 N X Nの散乱行列 [S i」（ t〕] を求め、求められた上記散乱行列 [S i t )] を時間でフ —リエ変換し、フーリエ変換された NXNの散乱行列 [3υ (ω)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出し、

この際、式（1 0) を成立させる値 λのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の値 λを求め、求められた値； Iに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する骨粗鬆症診断方法が提供される。 ∑5ϋ(ω)Ψί(_ω) = ΛΨί*(ω) … (10) また、この発明の第 8の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元状配列からなる超音波トランスデューサアレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する AZD 変換器とを用い、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からの受信エコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 S _{; j} ( t ) を計測し、この計測を必要な組み合わせについて行い、 N XNの散乱行列 [S ^ ( t )] を求め、求められた上記散乱行列 [S u ( t )] を時間でフ一リエ変換し、フーリエ変換された NXNの散乱行列 [Siパ ω)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出し、

この際、式（1 1) を成立させる固有値； Iのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の固有値 λを求め、求められた固有値； Iに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する骨粗鬆症診断方法が提供される。 Re(S(oj)) - Im(S(o)) Ι¾(Ψϊη(ω))

Im(S(o)))— Re(S(co)) ΙπιίΨίηίω))

=

λは NxNの実·行列の固有値である ₍

ImS(co) -ReS( )

また、この発明の第 9の観点によれば、 N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元伏配列からなる超音波トランスデューサアレイと、上記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、上記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する A/D 変換器とを用い、 N個ある上記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からの受信エコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 Si」（ t ) を計測し、計測した受信エコー波形 ( t ) に基づいて、測定対象内の N 個（上記超音波変換要素と同数個）の骨要素の座標を求め、かつ、それぞれの：信エコーの伝搬遅延を考慮して、所定の形状からの反射波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題に帰着されたときの上記骨の反射波情報を算出する骨粗鬆症診断方法が提供される。また、この発明の第 1 0の観点によれば、超音波変換要素が 2次元状又は 1次元状に複数配列されてなる超音波トランスデューサアレイを被験者の所定の骨を覆う皮腐表面に当てた状態で、上記超音波変換要素の一つずつから順次超音波パルスを上記骨の所定の領域に向けて所定の回数発射させ、上記超音波パルスの発射の度に発生する上記骨からのェコ ―を上記各超音波変換要素によつて受信し、所定の受信信号をアナ口グ /デジタル変換器によってデジタルのエコー信号に変換した後、所定の解析処理を行うことにより骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断方法であつて、上記複数の超音波変換要素から測定部位たる上記骨の所定の領域に対して、式（ 1 2) で表される超音波の波形を出力する骨粗鬆症診断方法が提供される。

ここで、 a _lt a₂, …， a_Nは、第 1番目、第 2番目…、第 N番目の超音波変換要素からの放射波であり、

F は、逆フーリエ変換を表し、

Τ(ω)-¹は、任意の骨要素から任意の超音波変換要素までの距離を関数として含むグリーン関数を要素とする行列 Τ(ω)の逆行列である。図面の簡単な説明

図 1は、この発明の第 1実施例である反射超音波式の骨粗鬆症診断装置の電気的構成を示すブロック図、図 2は、同診断装置の外観図、図 3 は、同診断装置の使用状態を示す模式図、図 4は、同診断装置で使用される超音波トランスデューサァレイの主要部の構成を示す斜視図、図 5 は、同診断装置の動作処理手順を示すフローチャート、図 6は、同実施例の動作を説明するための図、図 7は、同実施例の動作を説明するための図、図 8は、この発明の第 3実施例である骨粗鬆症診断装置の電気的構成を示すブロック図、図 9は、この発明の第 4実施例の成立過程を説明するための図、図 1 0は、同実施例の動作処理手順を示すフローチヤート、図 1 1は、同第 1実施例の別の変形例である反射超音波式の骨粗鬆症診断装置の電気的構成を示すプロック図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。

◊第 1実施例

図 1は、この発明の第 1実施例である反射超音波式の骨粗鬆症診断装置の電気的構成を示すブロック図、図 2は、同診断装置の外観図、図 3 は、同診断装置の使用伏態を示す模式図、図 4は、同診断装置で使用される超音波トランスデューサァレイの主要部の構成を示す斜視図、また、図 5は、同診断装置の動作処理手順を示すフローチヤ一トである。

まず、装置の全体構成から概説すると、この例の骨粗鬆症診断装置は、図 1乃至図 4に示すように、超音波変換要素（エレメント）であるトランスデューサセル（以下、単にセルともいう） 1 1 ₂ , ···, 1 _Mを支持円板 2上に縦に 1 6個、横に 1 6個、合計 2 5 6個配列してなる超音波トランスデューサアレイ 3を装備したもので、操作者が、この超音波トランスデューサアレイ 3を被験者の測定部位である骨 M b (皮質骨 M b I 海綿骨 M b ₂、図 3参照）に向けて、動作を開始させると、各セル 1 ₁₍ 1₂, ···, 1_Mから順次、周波数範囲 0. 54〜； L. 62MH z (中心周波数 1 MH z) の超音波パルス A iが後述する回数発射し、発射の度に骨 Mbから戻ってくるエコー A e力《、各セル 1 1₂, ···, ： L_wによつて受信され、装置本体 4が、ケーブル 5を介して、各セル I,, 1₂, ···, 1 _Nから順次受信信号を取り込んで、後述するデジ夕ル解析処理を行つて骨粗鬆症を診断する構成となっている。

次に、装置各部について説明する。各セル l , 12, ···, は、チタンジルコン酸鉛 (P Z T) 等の略 3 mm角の厚み振動型圧電素子の両面に電極層を有して構成され、超音波パルス A iの送受信面となる一方の電極面には、送信残響等の影響を除去をするために、必要に応じて、ポリェチレンバルク等の共通の超音波遅延スぺ一サ 6が固着される。なお、超音波遅延スベーサ 6もセル 1 1 ， ···， 1 _Nの共通の支持体として機食 ¾し得る。

装置本体 4は、パルス発生器 7と、出力切替器 8と、整合回路 9 9 2 , ···, 9_Nと、入力切替器 10と、増幅器 1 1と、波形整形器 12と、 AZD変換器 13と、 ROM14と、 RAM15と、 C PU (中央処理装置） 16と、ディスプレイ 1 7とから構成されている。

パルス発生器 7は、電気パルスを所定の周期（例えば、 1 msec) で繰り返し生成し、出力切替器 8、整合回路 9ぃ 9_2> …， 9_N及びケーブル 5を経由して超音波トランスデューサアレイ 3に送信する。出力切替器 8は、各セル 1ぃ 1₂, ··', 1_Nとパルス発生器 7との間に介揷された多数のアナログスィツチ又はリレーから構成され、 C P U 16から供給される指示信号に従い、任意の 1のセル 1 12. ·■·. 1_Mに電気パルスを選択切替式に供給する。整合回路 9 , 9₂， ···， 9_Mは、セル I , 1 2 , ···, 1 _Nと 1対 1に接続され、超音波トランスデューサアレイ 3と装置本体 4との間で、エネルギの損失なしに信号の授受がなされるように、ィンビ一ダンスの整合を行う。

また、入力切替器 10は、各セル 1 12. ···, 1_Nと増幅器 1 1との間に介挿きれた多数のァチログスィツチ又はリレーから構成され、 C P U 16から供給される指示指示に従い、任意の 1のセル 1 1₂, ■■； 1_Nから出力される受信信号を選択切替式に順次取り込む。増幅器 1 1 は、整合回路 9 ^ 9₂， ···， 9_Nを経由して入力される受信信号を所定の増幅度で増幅した後、波形整形器 12に入力する。波形整形器 1 2は、 L C構成のバンドパスフィル夕からなり、増幅器 1 1によって增幅された受信信号を線形に波形整形した後、 AZD変換器 13に入力する。

AZD変換器 1 3は、図示せぬサンプルホールド回路、高速サンプリングメモリ等を備え、 C PU16のサンブリング開始要求に従って、入力される波形整形器 12の出力信号（波形整形されたアナログの受信信号）を所定の周波数（例えば 1 2MH z) でサンプリングしてデジタルのエコー信号に変換し、これにより、デジタル化されたエコー信号を一旦高速サンブリングメモリに格納した後、 C P U 16に送出する。

ROM14は、 CPU 16に骨粗鬆症の診断を実行させるための処理プログラムを格納する。この処理プログラムは、送受信時制御サブプログラムと、エコー波形検出処理サブプログラムと、骨要素の座標算出サブプログラムと、平面波問題帰着処理サブプログラムと、反射波情報算出サブプログラムと、骨 M bの音響ィンビーダンス算出サブプログラ厶と、画像表示制御サブプログラムとを有して構成されている。

RAMI 5は、 CPU 16の作業領域が設定されるヮ一キングエリアと、各種データを一時記憶するデータエリアとを有し、例えば、エコーデータ、散乱行列の各要素、骨要素の座標値等もデータエリア内に一時記憶される。

C PU 16は、 R0M14に格納されている上述の処理プログラムを R AM 15を用いて実行することにより、パルス発生器 7、出力切替器 8、入力切替器 10、 A/D変換器 13等の装置各部の制御、 256 X 256通りのエコー波形の検出処理（散乱行列の作成）、散乱行列のフ —リエ変換、骨要素の座標算出、グリーン関数を要素とする行列の算出、平面波問題帰着処理（散乱行列逆フーリエ変換処理）、反射波情報の算出、骨 Mbの音響インビーダンスの算出（骨粗鬆症の診断）、骨形状の 3次元画像処理等を行う。

また、ディスプレイ 17には、 C RTディスプレイ又は液晶ディスブレイ等が用いられ、算出された骨 M bの音響ィンビ一ダンスの表示や骨 M b形状の 3次元画像表示等が行われる。次に、図 5を参照して、この例の動作（処理の流れ）について説明する o

まず、平面性は良くないが、超音波パルス A i 波長と較べるなら曲率半径が充分に大きい骨 M bを測定部位として igぶ。好適な測定部位としては、例えば、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は人腿骨頸部を挙げることができる。

測定部位が決定して、装置に電源が投入されると、 C PU 16は、装置各邬のプリセット、カウンクゃ^種レジス夕、各種フラグの初期設定を行った後、測定開始スィッチが押下されるのを 1寺つ。ここで、操作者は、図 3に示すように、被験者の測定部位である骨 Mbを覆う钦組織] VI aの表面（皮膚の表面 X) に、超音波ゲル 18を塗り、超音波ゲル 1 8 を介して超音波トランスデューサアレイ 3を皮膚の表面 Xに当て、測定開始スィッチをオンとする。測定開始スィッチがオンとされると、 C P U 16は、これより、図 5に示す処理手順に従って各種処理を実行する。まず、ステップ SP 10において、 C PU 16:は、送受信時制御サブプログラム、ェコ一波形検出処理サブブ口グラム及び骨要素の座標算出サブプログラムの制御により、骨 M bからのエコー波形 S_{n :;} ( t ) を計測して、骨 Mbの 3次元形状を求める処理を実行する。

すなわち、 C P U 16は、超音波パルス A i送出とエコー A e受信とを各 256 X 256回交互に繰り返す制御を行う。このとき、超音波パルス A iを送出する際には、出力切替器 8を制御して、第 1番目のセル 1 から順に第 256番目のセル 1_Nまで、電気パルスを 256個ずつ振り分けて行く。すなわち、まず、 1 ~256個目の超音波パルス A iを第 1番目のセル 1 ,から発射し、 257 ~51 2個目の超音波パルス A i を第 2番目のセル 1₂から発射するという具合に、（256 η— 255) 〜256 η個目の超音波パルス A iを第 n番目のセル 1 _πから発射する。一方、エコー A eを受信する際には、入力切替器 10を制御して、 1 回の受信毎に、受信信号を抽出するセル 1 12 , ···, 1,,を順次切り替えて行く。つまり、最初のエコー A eがあったときは、第 1番目のセル 1 ,から出力される受信信号のみを AZD変換器 1 3に導き、 2回目のェコー A eがあったときは、第 2番目のセル 1₂から出力される受信信号のみを A/D変換器 13に導き、 n回目のエコー A eがあったときは、第 n番目のセル 1 _nから出力される受信信号のみを A ZD変換器 1 3に導く。このようにして、第 n番目のセル 1 _πから超音波パルス A i を発射し、このときの骨 M bからのエコー A eを第 n '番目のセル l_n が受信するときの時間 tの関数たるエコー波形 S_n. _n ( t ) を計測すること力 \ 256 X 256通りの全ての組み合わせについて行われる。

そして、計測された骨 M bからのエコー波形 S_{n r}, ( t ) に基づいて、 Cモ一ド超音波エコー法に略類似する処理アルゴリズムにより、骨 M b の 3次元形状を求める。この結果、セル 1い 12 , 1 の個数と同数の 256箇所の骨要素（図 6参照）からなる骨 Mb表面の形状が、各骨要素の 3次元座標の集合という形で求められる。それゆえ、 C P U 1 6 は、画像表示制御サブプログラムの制御により、ディスプレイ 1 7の画面に、骨 Mbの形状を 3次元画像（図 3参照）として表示できる。次に、 C P U 1 6は、ステップ S P 20へ移って、平面波問題帰着処理サブプログラムの制御により、ステップ S P 1 0において実測された 2 5 6 x 25 6個のエコー波形 S_n. _n ( t ) の行列表示である 2 5 6 x 2 5 6の散乱行列 [S_n. _n( t )] を、時間 tでフ一リェ変換する（式（ 1 3) 参照）。フーリェ変換

S (t) = [Sn'n(t)] S(w) ( 1 3 )

次に、 C P U 1 6は、平面波問題帰着処理サブプログラムの制御により、ステップ S P 20 ~ S P 40の処理を行 ό。

C P U 1 6は、ステップ S P 30において、第 m番目の骨要素から第 n番目のセル 1 _nまでの距離 r _nm (図 6参照）を、ステップ S P 1 0において算出した骨要素の座標から計算し、式（ 1 4 ) で与えられるグリ一ン関数を要素とする 2 56 X 2 56の行列 Τ (ω)を求めた後、ステップ S P 40において、式（1 5) で与えられる 25 6 x 2 56の骨 M bの散乱行列 σ (ω) を計算する。なお、 σ (ω) は、皮質骨 M b iと海綿骨 M b ₂との界面における骨 M bの散乱行列であり、これに対して、 [ S„ ■ _n( t )] は、钦組織 M a中を戻るエコー A eの伝搬遅延をも考慮に入れた骨 Mbの散乱行列であり、上記したように、実測されるものである。 ΐ ω , _Λ expt- jkrnm] _f . _Λ

2 _π Fn Pm COS θη COS 6m - ηιη ここで、 P_nは、第 η番目のセル 1 _Πの面積であり、 P_mは、第 m番目の骨要素の面積である。び（ω) = Τ^_1(ω) SOw)

… (1 5)

(ω);骨の散乱行列ここで、 Τ (ω)- ¹は、グリーン関数（式（ 1 4 ) ) を要素とする行列 Τ (ω)の逆行列である。

骨の散乱行列ひ (ω) を与える式（1 5) は、次のように導かれる。任意の組み合わせのセル 1 _{l t} 1₂, ·■·, 1 _Nから発射された超音波パルス A i は、皮質骨 M b ,の位置では、式（1 6 ) のように表される。

ュ—サ

出力

ここで、 a _{l t} a ₂, ···, a_Nは、各セル 1 1 ₂, …， l _rJからの放射波であり、 b . b ,. -■·, b_Nは、皮質骨 M b ,の各骨要素（m= l. 2, ···, N ； N= 2 5 6) への入射波を表している。

次に、皮質骨 M biに入射した超音波パルス A i力骨 M b内部（特 {: 皮質骨 M b ,と海綿骨 M b ₂との界面）で散乱されて、再び钦組織へ放出されたときの各骨要素（m= 1, 2, ···, N ； N = 2 5 6) の表面での散乱波の振幅 cい c ₂, ···, c _Nは、式（1 7 ) で与えられる。 W

21 骨からの散乱波

の散乱行列骨 Mbからの散乱波が、セル 1い 1₂, 1_Nに戻ってきたときのェコー A eの波形（受信波形）は、式（1 8) で与えられる。トランデュ—サアレイの

受波波形

.こで、 d J , d 2, ·， d_Nは、各セル _Nでの受信振幅を表している。

したがって、式（16) 、式（17) 、式（1 8) を掛け合わせると- 式（19) が得られ、式（19) より、骨の散乱行列び (ω) を与える式（15) が得られる。

S(o>) = Τ(ω) σ(ω) Τ(ω) (19) 次に、 CPU 16は、ステップ S P 50では、平面波問題帰着処理サブプログラム及び反射波情報算出サブプログラムの制御により、式（2 0) を求めて、これを逆フーリエ変換して、反射波情報ひ（t)の時間波形を求める。このようにして、図 7に示すような、钦組織 Maに対する皮質骨 Mb!の反射波情報（反射係数）と、皮質骨 Mbiに対する海綿骨 M b ₂の反射波情報び ₂とが求められる。

σ(ω) = [11… 1〗 σ(ω)

一∑ σ(ω)πι*πι (20)

ι\Ι mm'

式（20) は、次のように導かれる。

皮質骨 Mb への入射超音波 A iの波面が、皮質骨 Mb ,の表面に平行なときの骨 Mbからの散乱波の振幅は、式（16) , 式（1 7) より導かれる式（21) で与えられる。

すなわち、式（21) において、皮質骨 M の厚さが一様で、皮質骨 Mb,の曲率半径が入射超音波の波長に較べて充分に大きければ、式（2 22) が成り立つので、その平均をひ（ω)とすると、式（20) が成立する。

ここで、。 (ω)は、正方行列（この例では、 256 X 256の正方行列）の各要素び（ω)„' _mの和であり、要素ひ（ω)„. _mの物理的意味は、軟組織 Maから第 m番目の骨要素にだけ超音波パルス A iが入射したときに、この入射音波と、骨 Mbの内部で超音波が散乱きれて、再び第 m' 番目の要素から敉組織 M aに放射される音波との比である。

次に、び（ω )の物理的意味、すなわち、正方行列の各要素ひ（w )_m. _m の和をとることの物理的意味は、次の通りである。式（2 0 ) において、右辺の縦行列の要素が全て" 1 "であるので、各骨要素に入射する超音波 A iは、振幅が、位相も含めて全て同じということになるが、これは骨 M bの表面に平行な波面が入射したことと音響学的に等価である。また、皮質骨 M b 3の厚さが一様であれば、骨 M b表面に平行な波面の波は皮質骨 M b iと海綿骨 M b ₂の界面で同じように反射され、皮質骨 M b ,の表面に平行な波面を持って皮質骨 M 内を伝搬し、平行な波面で钦組織 M aへ放射される。これは、各要素で振幅と位相が揃った波であるが、ここでは、分母に骨要素の総数 N ( = 2 5 6 ) があることで、平均化されていることを表す。このように考えると、反射面と波面とが平行なため、この問題は、簡単な平面波の問題に帰着されることになる。この後、 C P U 1 6は、ステップ S P 6 0に進み、骨 M bの音響ィンビーダンス算出サブプログラムの制御により、式（2 3 ) 及び式（2 4 ) に基づいて、皮質骨 M b ,の音饗ィンビーダンス Z b _¾と海綿骨 M b 2の音響ィンビ一ダンス Z b ₂とを求める。

Z_a； »] /30635

24

ここで、 Z aは、钦組織 M aの音響インピーダンスを表す。

ひ 2

1一ひ i 式（2 3) 及び式（24) は、式（2 5) 及び式（26) から与えられる。

„ o 一 = —一 Za十 Zbi― (25)

Z_a + Zbi

n _ -Zbl+Zb2 「、 ~ 2 Γ ~~ 2 _{( R},

°²一 Zb₁₊Zb₂ -び¹ び¹ … （2⁶⁾

なお、図 7に示すように、钦組織 Ma—皮質骨 M 界面からの反射波受信時刻と、皮質骨 Mb ,—海綿骨 M b₂界面からの反射波受信時刻との差てと、皮質骨 M b ,の音響ィンビーダンス Z b との積から皮質骨 M b の面積密度（て · Z を求めることもできる。この例の構成では、算出された骨 Mbの音響ィンビーダンスに基づいて、骨粗鬆症の進行状況を判断する。

骨の音響インビーダンスは、 [骨弾性率 X骨密度] の平方根で与えられ、パラメ一夕である「骨弾性率」と「骨密度」とは、一方が増加（減少）すると、他方も増加（減少）すると、いう関係にある。それゆえ、骨密度が増加（減少）すると、骨弾性も增加（減少）するので、音響ィンビーダンスは、この相乗効果により、敏感に応答して顕著に増加（减少）する。したがって、骨の音響インビ一ダンスは、骨密度を判断する上で、大変良い指標となる。例えば、操作者は、被験者の骨の音響インビ一ダンスが、その年齢層の平均値から著しく小さい場合には、骨の骨粗鬆症が悪化していることが判る。また、この例の構成では、骨からの反射波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理が行われるので、平面性の悪い骨も測定部位となり得、また、超音波トランスデューザの向きも問題とならない。つまり、骨表面の平坦性や形伏によらずに、骨の音響ィンビーダンスを測定できるので、大変使い勝手が良く、測定信頼性も向上する。また、皮質骨及び界面骨の両方の音響ィンビーダンスを求めることができるので、信頼性が著しく向上する。また、ディスプレイ 1 7には、骨の 3次元画像が表示されるので、診断情報が著しく增加する。

◊第 2実施例

次に、この発明の第 2実施例について説明する。

この第 2実施例では、測定部位たる骨からの反射波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理の手法が、上述の第 1実施例のそれと異なる点を除けば、第 1実施例と略同様の構成である。

すなわち、この第 2実施例では、複数のセル 1 1 2 , ，' ·， 1 _Nから測定部位たる骨 M bに対して、式（2 7 ) で表される超音波の波形を略同時に出力する構成となっている。この出力波面は、

訂正された用紙（規則 91) 一 ai (t)一一 ^aN ω一

しこゝ a】，？ L 2 a_Nは、各セル 1 Nからの放射波であり、

F - ¹は、逆フーリエ変換を表し、

Τ(ω)-¹は、任意の骨要素から任意のセルまでの距離を関数として含むグリ一ン関数を要素とする行列 Τ (ω)の逆行列である。

このとき、各セル 1 12, ···, 1_Νにて受信されるエコー A e (式 ( 28) ) をフ一リェ変換して式（29) を求め、さらに、式（ 30 ) を求める（この式（30) は、第 1実施例における式（ 20) に対応している）。次に、式（ 30) を逆フ一リェ変換して、反射波情報 σ (t)の時間波形を求める。このようにして、钦組織 Maに対する皮質骨 M b の反射波情報（反射係数）ひ，と、皮質骨 M b に対する海綿骨 M b ₂の反射波情報 σ ₂とが求められる（図 7) 。

c で、 e！ , e 2. e_Nは、各セル 1 12 , ···, 1_Nでの受信波形を表している。

(29)

このように、この第 2実施例によっても、第 1実施例において上述したと略同様の効果を得ることができる。

◊第 3実施例

図 8は、この発明の第 3実施例である骨粗鬆症診断装置の電気的構成を示すブロック図である。

この第 3実施例の構成が、上述の第 1実施例のそれと大きく異なるところは、同図に示すように、装置本体 4 aにおいて、出力切替器 8と入力切替器 1 0とを廃し、セル 1 9い 1 9₂, ···, 1 9"の 1つ 1つに、専用のパルス発生器 7 7₂, ·■', 7。₄、増幅器 1 1 ,， 1 1 :, ···, 1 1 ₄、波形整形器 1 2 1 2 ···, 1 2₆₄及び AZD変換器 1 3い 1 3₂ , …， 1 3₆₄を設けた点である。この例の超音波卜ランスデュ一サァレイ 3 aは、大きさが略 1 mm X 1 mmの正方形のセル 1 9 1 9 , …， 1 9₆₄を、 4 mmピッチで、縱に 8個、横に 8個、合計 6 4個を配列してなる。この第 2実施例の構成では、第 k番目のセル 1 9 _kから周波数範囲 0. 5 4〜： L. 6 2 MH z (中心周波数 1 M H z ) の超音波パルス A iが送出されると、全てのセル 1 9,, 1 92 , ···, 1 9₆₄によって、そのェコ — A eが受信され、それぞれの増幅器 1 1い 1 1 ₂ , ···, 1 1 "、波形整形器 1 2 1 2₂， ···， 1 2_ό4及び A/D変換器 1 3い 1 3」， …， 1 3 "に入力され、 C P U 1 6 aに取り込まれる。それゆえ、超音波パルス A iの送出は、第 1実施例では、 N X N (K はセル数）回必要であるのに対し、この例では、 N回で済む。したがつて、この例の構成によれば、第 1実施例の構成よりも、 N倍処理速度が向上する。

◊第 4実施例

この第 4実施例の構成が、上述の第 1〜第 3実施例の構成と大きく異なるところは、骨形状の測定を前提とせずに、钦組織 M a—骨 M bの界面反射率； I aを精密に測定できるようにした点である。なお、装置のハ — ドウエア構成では、図 8 (第 2実施例）と略同一構成である。

この例では、钦組織 M a一骨 M bの界面反射率 λ aは、 N X Nの実対称行列（式（ 3 1 ) ) の固有値問題として取り扱われる。

Re(S( )) - Im(S( o))

(31)

Im(S(w)) - Re(S(o))

以下、軟組織 M a—骨 M bの界面反射率 λ a力^ N XNの実対称行列 (式（3 1 ) ) の固有値問題として取り扱われることを説明する。

いま、図 9に示すように、反射体 Πを囲む閉曲面上に観測面 Γ。を設ける。この観測面 Γ。には無数のトランスデューサセルが配置されてあつて、反射体 Πへ向かって任意の波動 ø _{i n}を送波できるようになつている。いま、 t く 0で、観測面 Γ。から波動 0 ,が送波され、 t =— 0で、反射体 Πの表面 Γ\に沿った波面を形成したとする。反射体 Πの垂直反射率 λは、周波数 ωによらず一定（実数）であるとし、さらに、反射体 Πと観測面 Γ。との間の媒質 Ω内では波動の減衰がないものとすると、媒質 Ω内では、式（32) に示すような関係式が成立する。 s_c(x,t) = A0_in(x,-t) (t>0) - (32) ここで、 ø _inは反射体 Πに向かう入射波の波動関数、 0s は反射体 Π から戻ってくる散乱波の波動関数、 Xは位置座標である。式（32) の両辺に、 e X p ( - j ω t ) を掛けて時間積分すると、左辺ョ —: _sc(_X,_t)e- _{dt = c (x)} . _{(3 3)} 右辺ョ —： λ0ι„(_Χ.- t)e— ^jwtdt

= /__e0in (X,t)e dt = λ ^_ωίη (X) ·■· (34)

式（33) ，式（3 4) から式（35) を得る。

また、一般的に散乱波と入射波との間には、式（ 36) に示すような関係式も成立する。

^(ω, )| = J_r。ひ（ω,χ'χ') ¾η(ω,χ')άχ' - (36)

Χ€Γο ここで、 σ (ω , χ , χ' ) は、 χ' 上の波元から出た波動が、反射体 Πの表面で散乱されて、 X上に作る場であり、散乱パラメ一夕と称される。

式（35) と式（36) とから、式（37) が導かれる。

J_ro σ(ω,χ,χ')¾_η(ω,χ')άχ' = λ Φ_ίη(ω,χ) '·· (37) 次に、式（ 3 7) を離散化処理するため、観測面 Γ。を小さなメッシュ Δ j = 0, 1, ···, N— 1に分ける。ここで、メッシュ Δ j= 0, 1, ···, N— 1は、微小セルのそれぞれの広がり（面積）に相当する。メッシ内では、波動関数 0 _{i n}， 0 ^の変化は無視できるので、式（ 3 7 ) は- 式（ 3 8 ) の形で表される。

式（3 8 ) の両辺に Δ "を掛けて変形すると、式（3 9 ) が得られる

∑ (ω, i, xj) ·Γ Ϊ ¾" (¾η ( ω. xj) ¾)

= λ ( 0in (ω. xi )· ΔΤ) ... (39) ここで、（）の中を W _{i n} (ω ,j) 、

σ (ω , x i, x j) 厶丄レ厶』' ¹ - S (ω ,i, j) とすると、式（ 4 0 ) が得られる。なお、 S (w .i.j) は、離散化された散乱パラメータであり、 j番面のメッシュ（セル）から出た出力（送波）信号が、反射体 Π の表面 Γ\で散乱されて、 i番目のメッシュ（セル）に戻ってきたときの入力（受信）信号を意味する。 ψ^ (ω, i ) = ∑ S(cu,i,j )Ψίη(ω,】'） = λΨ^ (_ω, i ) ··· (4 0) ここで、 ¥_sc (ω , i) は、 N個の全てのメッシュ（セル）から出て行く単位出力信号が、反射体で散乱されて、 i番面のメッシュ（セル）に戻ってきたときの入力（受信）信号を意味する。

式（4 0) を行列形式で書くと、式（4 1 ) 、式（4 2) 、式（4 3 ) で表される。

S(co,o,o) S(w,o,i) S(OJ,0, N-l)

(4 1)

Ξί,ω, -ι, o) S(cO. N-l ,N-l)

この散乱パラメ一夕 S (ω)は、 Ν ΧΝの複素対称行列で、则定により得られるものである。式（4 3 ) を実部と虚部とに分けて書くと、式 ( 4 4 ) 、式（4 5 ) が得られる。

Re(S(cj))Re(¾n(co))— Im(S(co))Im( _n(oj))

Im (S (ω))Κβ (Ψίη(ω)) + Re (S(OJ)) Im (Ψ_ίη (ω) )

= -ス ΐΗ1(¾η(_ω)) (4 5) 式（4 5 ) の両辺に一 1を掛けて、式（4 4 ) 、式（ 4 5 ) を行列形式で書くと、式（4 6 ) が得られる。

Re(S(o>)) - Im(S(o)) Re(¾r_in( )) 一 Im(S(o))) ― Re(S(oj)) Ιπ (Ψίη(ω))

Re (Ψί„(ω))

(4 6)

ここで、散乱パラメータ S (ω) は Ν X Νの対称行列であるから、式 ( 4 6 ) の形は、反射体 Πの垂直反射率； Iが、 2 N x 2 Νの実対称行列 λは、常に実数での固有値問題となることを示している。したがって、

ある。

が式（34)の； (に対する固有べクトルであるとき.

Re(S( ))一 Im(S(cj)) ΙπιζΨίηίω))

を

-Im(S(w)) - Re(S(oj)) -! Ψ_ίη(ω)) に左からかけると、

Re(S(w))一 Im(S(w)) Ιπι(Ψίη(ω))

•Im(S(c ))— Re(S(oj)) - β(Ψίηίω))

Re(S(o>))Im(Vin( )) + Im(S ) ) Re (¾π(ω)) •Im(S(c ))Im(¾n(w)) + Re (S(OJ) ) Re ( u) )

となる ₍

(49)

ReS(co) — ImS(cu)

したがって、一λはの固有値であり

固有べクトルはであり、これは ίΨίη(ω)に対応する ₍

それゆえ、式（46) の固有値 λは、 Ν個の正の固有値 Λ ₀, λ _; , ···, と、 N個の負の固有値一； I ₀， - λ ,, …，スが存在する。最も大きな固有値（絶対値）ス。は、最も大きな反射率に相当する。しかしながら、実際には、セルの周波数特性等のため、固有値（絶対値）は、その物体の反射率に比例したものとして得られる。そこで、この例では、反射率 λ bが既知の物体について、散乱パラメ一夕 S (ω)を計測し、最も大きな固有値（絶対値） λ。を算出して、比例定数を得た。次に、図 1 0を参照して、この例の動作（処理の流れ）について説明する。

まず、平面性は良くないが、超音波パルス A i の波長と較べるなら曲率半径が充分に大きい骨 M bを測定部位として選ぶ。好適な測定部位としては、例えば、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は大腿骨頸部を挙げることができる。

装置に電源が投入されると、 C P Uは、装置各部の初期設定を行った後、測定開始スィッチが押下されるのを待つ。ここで、操作者は、図 3 に示すように、被験者の測定部位、例えば、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は大腿骨頸部等の骨 M bを覆う钦組織 M aの表面（皮膚の表面 X) に、超音波ゲル 1 8を塗り、超音波ゲル 1 8を介して超音波トランスデューサアレイ 3を皮膚の表面 Xに当て、測定開始スィッチをオンとする。測定開始スィッチがオンとされると、 C P Uは、これより、図 1 0に示す処理手順に従って、各種処理を実行する。まず、ステップ S Q 1 0において、 C P Uは、送受信時制御サブプログラムの制御により、受信波形 S ( t ) を計測する。そして、 8 X 8 ( 8 ；セル個数）の実対称行列 [S ( t ) ] を作成する。

このとき、 C P Uは、超音波パルス A i送出とエコー A e受信とを各 8 X 8 = 64回交互に繰り返す制御を行う。この第 4実施例では、第番目のセルから超音波パルス A iが送出されると、全てのセルによって、そのエコー A eが受信され、それぞれの増幅器、波形整形器及び AZD 変換器に入力され、 C P Uに取り込まれる。次に、 C P Uは、ステップ S Q 20, S Q 30において、 8 x 8の実対称行列である受信波形 S ( t ) について、骨 M bからの受信エコーと思われる波形 S_{n n} ( t ) にゲートをかけてフーリエ変換する。そして、 8 X 8の複素対称行列である散乱行列 [S_{n n} (ω) ] を作成する。ステッブ S Q 40では、 S Q 30において作成された散乱行列 [S_n. _η (ω) ] を処理して、式（3 1 ) に示す NX Νの実対称行列式を得る。ステップ S Q 50で、式（34) から一番大きな固有値（絶対値）を算出し、算出された固有値；に比例定数をかけて骨 M bの反射率を求める。

この後、 C P Uは、ステップ S Q 60に進み、骨 M bの音響インビーダンス算出サブプログラムの制御により、骨 M bの音響ィンピ一ダンス Z bを求める。このように、この例の構成によれば、第 1〜第 3実施例では必要となる骨形状の測定が不要となるので、信号処理が著しく迅速となる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、トランスデユーザを構成する超音波振動子は、厚み振動型に限らず、撓み振動型でも良い。

同様に、使用中心周波数も限定されない。セルの個数も 6 4個や 25 6個に限定されるものではなく、必要に応じて、增減できる。また、超音波卜ランスデューサは、 2次元構造のものに限らず、トランスデューサが線状に並んだ 1次元構造のものでも良い。

また、軟組織 M aの音響インピーダンスは、水の音響インビーダンスに近いので、式（ 1 2) 〜式（ 1 5) ) の適用に当たっては、軟組織 M aの音響インビ一ダンスに代えて、水の音響インビーダンス（既知）を用いても良い。

なお、図 1 1に示すように、セル 1ぃ 1₂, ···, 1_Nを複数のブロックに分け、各プロック毎に A ZD変換器 1 3， 1 3を用意するようにしても良い。

また、上述の第 1実施例では、 N XN回（Nはセル個数）パルスを発生させたが、相反定理より、最低限、 N (N + 1 ) Z2回発生させれば良い。

なお、 1番大きな 1つの固有値を用いる場合に限らず、絶対値の大きい方から数えて、複数の固有値を用いても良い。産業上の利用可能性

この発明の超音波反射式の骨粗鬆症診断装置及び方法は、病院ゃスポ —ッ施設や健康福祉施設等に設置するのに適しているが、装置が小型軽量である上、操作が簡易で、しかも、放射線被爆の虞もないので、高齢者家庭の健康管理機器として用いても大変好ましい。

Claims

請求の範囲

1. N個（Nは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1 次元状配列からなる超音波トランスデューサアレイと、

前記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、

前記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する A ZD変換

¾δと、

Ν個ある前記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からのエコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 S _{S j} ( t ) を計測するエコー波形 1 測手段と、

この計測を必要な組み合わせについて行い、 N X Nの散乱行列 [S i ( t )] を求める散乱行列作成手段と、

求められた前記散乱行列 [S _{S j}( t )] を時間でフーリエ変換するフーリェ変換手段と、

フーリエ変換された N X Nの散乱行列 [S i w)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出する反射波情報算出手段と

を備えてなることを特徴とする骨粗鬆症診断装置。

2. 前記散乱行列作成手段において、必要な組み合わせは、 N (N + 1 ) ノ 2通り〜 N X N通りの範囲内であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の骨粗鬆症診断装置。

3. 前記フーリエ変換手段は、処理アルゴリズムに従って、骨からの受信エコーと思われる波形にゲートをかけてフーリェ変換することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の骨粗鬆症診断装置。

4. 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、式（ 1 ) の方程式を成立させる値 λのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の値 λを求め、求められた値 λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出することを特徴とする請求の範囲第 1，第 2又は第 3項記載の骨粗鬆症診断装置。 "(ω)Ψ】（_ω) = λΨ*( ) - (1 )

Sii(oj) ；前記散乱行列 [ Sij(c )]の要素 ί(ω) ：第 j番目の超音波変換要素から骨に向かって発信する信号 ΨΓ(ω)； Ψ ω)の複衆共役 )(ω)は規格化されている。

5. 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、式（2 ) を成立させる固有値 λのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の固有値 λを求め、求められた固有値 λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出することを特徴とする請求の範囲第 1, 第 2又は第 3 項記載の骨粗鬆症診断装置。

Re(S(oj)) - Im(S(oj)) Κβ(Ψίη(ω))

一 Im(S(i ))一 Re(S(w)) ΙΐΏ(Ψίη(ω))

(2)

式（1)を行列形式で書くと、

S(_w) Ψΐη(ω) = λΨι*(ω) となる <

S (ω)は複素対称行列で、これを実部と虚部とに分けて行列形式

で書いたものが式（2)である，

したがって、式（2)の； Iは NX Nの実対称行列

の固有値である。

6. 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、得られた前記値 λ又は固有値 λに所定の比例定数を乗じて、骨の反射率を求めることを特徴とする請求の範囲第 3 , 4又は第 5項記載の骨粗鬆症診断装置。

7. 前記反射波情報算出手段は、処理アルゴリズムに従って、前記受信エコー波形 S _{S j} ( t ) に基づいて、測定対象内の N個（前記超音波変換要素と同数個）の骨要素の座標を求め、かつ、それぞれの受信エコーの伝搬遅延を考慮して、所定の形状からの反射波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題に帰着されたときの前記骨の反射波情報を算出することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の骨粗鬆症診断装置。

8 . 前記反射波情報算出手段によって算出される前記骨の反射波情報には、前記被験者の钦組織に対する皮質骨の骨反射波情報と、該皮質骨に対する海綿骨の骨反射波情報とが含まれることを特徴とする請求の範囲第 7項記載の骨粗鬆症診断装置。

9. 前記反射波情報算出手段によって算出された前記骨反射波情報に基づいて、前記骨の音響インピーダンス、又は皮質骨の音響インビーダンスと海綿と骨の音響ィンビ一ダンスを算出する音響ィンピ一ダンス算出手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 8の何れか 1に項記載の骨粗鬆症診断装置。

1 0. 電気パルスを所定の周期で繰り返し発生するパルス発生手段と、任意の 1の前記超音波変換要素を選択して、前記パルス発生手段と 1対 1で接続させノ接続先を切り替えるための出力切替手段と、

任意の 1の前記超音波変換要素を選択して、前記アナ口グ Zデジ夕ル変換器と 1対 1で接続させ Z接統先を切り替えるための入力切替手段と、前記出力切替手段を制御して、前記パルス発生手段において生成される前記電気パルスを前記各超音波変換要素に順次供給すると共に、前記入力切替手段を制御して、前記各超音波変換要素から出力される前記受信信号を前記アナログ Zデジタル変換器に順次導く制御手段とを備えてなることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 8の何れか 1に項記載の骨粗鬆症診断装置。

1 1 . 超音波変換要素が 2次元状又は 1次元状に N個（Nは 2以上の自然数）配列されてなる超音波トランスデューサアレイを備え、かつ、前記制御手段は、前記出力切替手段を制御して、前記各超音波変換要素に電気パルスを少なくとも N個ずつ振り分けて行くと共に、

同一の前記超音波変換要素から順次発射される N個の超音波パルスに対応して発生する前記骨からの N個のエコーについて、前記入力切替手段を制御して、互いに異なる前記超音波変換要素から前記各エコーの受信信号を順次抽出して前記アナログデジタル変換器に導くことを特徴とする請求の範囲第 1 0項記載の骨粗鬆症診断装置。

1 2. Bブロックに分けられ、各ブロックに A個（B , Aは 2以上の自然数）ずつ、全体として A X B個の超音波変換要素を持つ超音波トランスデューサァレイと、

電気パルスを所定の周期で繰り返し発生するパルス発生手段と、各ブ口ックに対応して設けられた B個の前記アナログ/デジタル変換器と、任意の 1の前記超音波変換要素を選択して、前記パルス発生手段と 1 対 1で接続させ/接続先を切り替えるための出力切替手段と、

各ブロックにおいて、任意の 1の前記超音波変換要素を選択して、対応する前記ァナ口グデジタル変換器と 1対 1で接続させ Z接続先を切り替えるための入力切替手段と、

前記出力切替手段を制御して、前記各超音波変換要素に電気パルスを少なくとも A個ずつ振り分けて行くと共に、

同一の前記超音波変換要素から順次発射される A個の超音波パルスに対応して発生する骨からの A個のエコーについて、前記入力切替手段を制御して、各ブロックにおいて、互いに異なる前記超音波変換要素から前記各エコーの受信信号を順次抽出して対応する前記アナログデジ夕ル変換器に導く制御手段とを備えてなることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 8の何れか 1に項記載の骨粗鬆症診断装置。

1 3. 前記各超音波変換要素に 1対 1で接続される複数の前記アナ口グノデジタル変換器と、電気パルスを所定の周期で繰り返し発生するパルス発生手段と、該パルス発生手段に 1対 1で接続される前記超音波変換要素を任意に選択し又は切り替えるための出力切替手段と、

該出力切替手段を制御して、前記パルス発生手段において生成される電気パルスを前記各超音波変換要素に順次供給する制御手段とを備えてなることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 8の何れか 1に項記載の骨粗鬆症診断装置。

1 4. 前記各超音波変換要素に 1対 1で接続される複数の前記アナ口グ /デジタル変換器と、

前記各超音波変換要素に 1対 1で接続される複数のパルス発生手段と、前記各パルス発生手段を順次制御して、電気パルスを各超音波変換要素に順次供給する制御手段とを備えてなることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 8の何れか 1に項記載の骨粗鬆症診断装置。

1 5. 超音波変換要素が 2次元状又は 1次元状に複数配列されてなる超音波トランスデューサァレイを被験者の所定の骨を覆う皮膚表面に当てた状態で、前記超音波変換要素の一つずつから順次超音波パルスを前記骨の所定の領域に向けて所定の回数発射させ、前記超音波パルスの発射の度に発生する前記骨からのエコーを前記各超音波変換要素によって受信し、所定の受信信号をアナ口グデジタル変換器によってデジタルのエコー信号に変換した後、所定の解析処理を行 όことにより骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断装置であつて、

前記複数の超音波変換要素から測定部位たる前記骨の所定の領域に対して、式（3) で表される超音波の波形を出力する機能を有してなることを特徴とする骨粗鬆症診断装置。

ここで、 _{a i}, a ₂, ···, a_Nは、第 1番目、第 2番目…、第 N番目の超音波変換要素からの放射波であり、

F-¹は、逆フ一リエ変換を表し、

Τ (ω)- 'は、任意の骨要素から任意の超音波変換要素までの距離を関数として含むグリーン関数を要素とする行列 Τ(ω)の逆行列である。

1 6. 測定部位となる前記骨は、腰椎、上腕骨、脛骨、踵骨又は大腿骨頸部であることを特徴とする請求の範囲第 1乃至 1 5の何れか 1に項記載の骨粗鬆症診断装置。

7 Ν個（Νは 2以上の自然数）の超音波変換要素の 2次元状又は 1次元状配列からなる超音波卜ランスデューサァレイと、前記各超音波変換要素に接続される超音波送受信手段と、前記各超音波変換要素からの受信信号をデジタル変換する A/D変換器とを用い、

N個ある前記超音波変換要素のうち、第 j番目の超音波変換要素からの超音波パルス発射による骨からの受信エコーを第 i番目の超音波変換要素によって受信して、受信エコー波形 Si」 ( t ) を計測し、この計測を必要な組み合わせについて行い、 NXNの散乱行列 [S u i t )] を求め、

求められた前記散乱行列 [S i t )] を時間でフーリエ変換し、フーリエ変換された N X Nの散乱行列 [S i w)] に基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出することを特徴とする骨粗鬆症診断方法。

1 8. 前記反射波情報の算出には、式（4) を成立させる値； Iのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の値 λを求め、求められた値； Iに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出することを特徴とする請求の範囲第 1 7項記載の骨粗鬆症診断方法。

∑8υ(ω)Ψ](ω) = λΨ*(ω) … (4)

Sii(c ) ：前記散乱行列 [Sij(co)]の要素

Ψί(ω) ；第 j番目の超音波変換要紫から骨に向かって発信する信号 Ψί*(ω)； Ψί(ω)の複素共役 Ψ)(ω)は規格化されている。

1 9. 前記反射波情報の算出には、式（5) を成立させる固有値； Iのうち、絶対値の大きい方から数えて、単数又は複数の固有値 λを求め、求められた固有値 λに基づいて、被験者の骨の反射波情報を算出するこ O 97/30635

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とを特徴とする請求の範囲第 7項記載の骨粗鬆症診断方法 c

【数 5】

Re(S(w))一 Im(S(c )) Κβ(Ψίη(ω))

Im(S(oj))一 Re(S(oj)) Ιπι(Ψίη(ω))

Re (Ψίηίω))

= λ

(5) 式（4)を行列形式で害くと、

^ (ω) Ψη (ω) = λ Ψ* (_ω) となる (

20. 前記受信エコー波形 ( t ) に基づいて、測定対象内の N個 (前記超音波変換要素と同数個）の骨要素の座標を求め、かつ、それぞれの受信エコーの伝搬遅延を考慮して、所定の形状からの反射波を平面波問題に帰着させる平面波問題帰着処理を行い、平面波問題に帰着されたときの前記骨の反射波情報を算出することを特徴とする請求の範囲第 1 7項記載の骨粗鬆症診断方法。

2 1. 超音波変換要素が 2次元状又は 1次元状に複数配列されてなる超音波トランスデューサァレイを被験者の所定の骨を覆う皮膚表面に当てた状態で、前記超音波変換要素の一つずつから順次超音波パルスを前記骨の所定の領域に向けて所定の回数発射させ、

前記超音波パルスの発射の度に発生する前記骨からのエコーを前記各超音波変換要素によって受信し、

所定の受信信号をァナログノデジタル変換器によってデジタルのェコ —信号に変換した後、所定の解析処理を行うことにより骨粗鬆症を診断する骨粗鬆症診断方法であって、

前記複数の超音波変換要素から測定部位たる前記骨の所定の領域に対して、式（6 ) で表される超音波の波形を出力することとしたことを特徴とする骨粗鬆症診断方法。

ここで、 a ,, a₂₍ …， a_Nは、第 1番目、第 2番目…、第 N番目の超音波変換要素からの放射波であり、

F- ま、逆フ一リエ変換を表し、

Τ (ω)-¹は、任意の骨要素から任意の超音波変換要素までの距離を関数として含むグリーン関数を要素とする行列 Τ(ω)の逆行列である。