JP5487008B2 - 超音波骨評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して骨の状態を評価する超音波骨評価装置に関する。

踵骨などの骨に超音波を放射し、骨組織中を伝播する超音波の音速や減衰の程度等を測定することにより、骨組織の状態を評価する超音波骨評価装置が実用に供されている。この形式の超音波骨評価装置は、互いに向き合って配置された対をなす超音波振動子を有する。これらの超音波振動子の間に評価対象となる骨を位置させて、対の一方の超音波振動子から超音波を送信し、骨組織を通過した超音波を他方の超音波振動子で受信し、この送受信信号に基づき対象の骨組織の状態の評価を行う。

下記特許文献１には、対向する二つの超音波振動子にそれぞれ変形自在の整合材収納部を装着した超音波骨評価装置が記載されている。整合材収納部には、水などの音響整合材が収納されている。二つの整合材収納部の互いに対向する面は変形自在であり、生体に当接したとき、生体表面の形状に倣って変形する。この状態で、超音波の送受を行う。

特開平７−２０４２０５号公報

生体に近接して位置する部材、例えば生体を載置する台などの部材が、当該部材を伝播する音速が速い部材であると、このような部材中を迂回する超音波が、生体内を伝播した超音波よりも先に受信される場合がある。音速を描画のパラメータとして用いる場合、生体内を迂回して前記の近接部材を伝播する超音波が、本来、骨等がない部位に、骨のように硬い（音速が速い）物体があるようなアーチファクトを画像上に生じさせる。

本発明は、生体に近接した部材によって生じるアーチファクトの発生を抑制することを目的とする。

本発明の超音波骨評価装置は、生体が接触状態で載置される載置面を有する載置台と、載置台に載置された生体を挟むように配置される一対の超音波振動子と、超音波振動子と生体の間に位置し、超音波振動子と生体の間の音響整合を図る変形可能な音響整合部と、を有する。載置台は、超音波振動子の走査範囲内に又は走査範囲に隣接して少なくともその一部が存在し、整合部がこれに接触する。載置台の、超音波振動子の走査範囲内に位置する部分または走査範囲に隣接する部分には、超音波の伝播を制限する構造が設けられている。

超音波の伝播を制限する構造は、例えば、超音波の伝播方向に直交する方向の溝とすることができる。また、この溝は、載置台の載置面に設けられているものとすることができる。

また、超音波の伝播を制限する構造は、例えば、載置台に埋め込まれた超音波の吸収材とすることができる。

載置台内を迂回しようとする超音波の伝播を制限することにより、アーチファクトの発生が抑制される。

本実施形態の超音波骨評価装置の外観を示す斜視図である。 本実施形態の超音波骨評価装置の外観を示す斜視図である。 足置き台および振動子ユニットの外観を示す拡大斜視図である。 足置き台、振動子ユニットおよび足の位置関係を示す拡大断面図である。 振動子ユニットの概略断面図である。 整合材袋の表側部材の形状を示す斜視図である。 整合材袋の表側部材の形状を示す斜視図である。 整合材袋の表側部材の形状を示す斜視図である。 超音波振動子を移動させるための機構の概略を示す斜視図である。 超音波ビームの走査範囲を示す図である。 踵およびその周囲の超音波の伝播経路を説明するための図である。 足置き台の一例を示す図である。 足置き台の他の例を示す図である。 足置き台の更に他の例を示す図である。 小児等の小さな足の測定を行う場合の説明図である。 小さな足の測定のためにスペーサを用いた場合の超音波の伝播経路を説明するための図である。 スペーサの一例を示す図である。 スペーサの他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。以下においては、踵骨を評価対象とする超音波骨評価装置について説明するが、評価対象の骨はこれに限られない。踵骨以外の骨についても、この骨およびその周囲の形状、特性等に合わせて、装置の構成を適宜変更して、本発明の趣旨を達成することは、当業者においては容易に想定可能である。

図１および図２は、踵骨を評価対象とする超音波骨評価装置１０の外観を示す斜視図である。装置本体１２の上部には、足置き台１４が配置されている。足置き台１４は、略Ｌ字形の載置面を有する台であり、図２の鎖線で示すように足Ｆを載せ、位置決めを行うものである。踵を足置き台１４のＬ字形の角に合わせることにより、足の位置決めが行われる。足置き台１４の左右には、踵部分を挟むように、超音波振動子を含む二つの振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂが配置されている。左右の振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂは、対称の構造を有しており、特に左右を区別する必要がないときには、単に振動子ユニット１６と記して、以下説明する。また、左右の各振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂを構成する要素についても、左右の区別が必要な場合はその符号にＡ，Ｂを付し、また区別の必要がない場合には数字の符号のみを用いて説明する。振動子ユニット１６は、踵部分と超音波振動子の間の音響整合を図るために音響整合部を有している。音響整合部は変形可能であり、変形して踵部分に密着し、間の空気層を排除する。音響整合部は、この超音波骨評価装置１０においては、水等の音響整合材と、この水等を収容した整合材袋１８を有する。足を足置き台１４上に置いたときに、整合材袋１８が足の踵部分に当接して、超音波振動子とこの踵部分の間の音響インピーダンスの整合を図っている。

図３および図４は、足置き台１４と振動子ユニット１６の拡大図である。図３，４において、足置き台１４の正中面で破断して、一方の側、つまり被検者が足置き台１４に足を置いたときに被検者にとって右側となる部分が示されている。足置き台１４は、略Ｌ字形状であり、Ｌ字の２辺を構成する底面２０と当接面２２のなす角度は、ほぼ直角となっている。被検者は足の踵の後端面を当接面２２に当接させて足裏を底面２０に置く。このときの足の踵、特に踵骨の位置およびその周囲の位置に当接するよう整合材袋１８が配置されている。整合材袋１８の踵部分およびその周囲に当接する面は、概略球面の、一つの直径に直交する面と、この直径に平行で互いに直交する二つの面とで囲まれた部分の形状となっている。足置き台１４に足を置くと、踵部分およびその周囲の左右両側に整合材袋１８が当接し、整合材袋１８が踵部分の表面に倣うように変形し、空気層の介在を排除する。

図５は、振動子ユニット１６の断面図である。整合材袋１８は、対象の生体である足側の表側部材２４と反対側の裏側部材２６を、環状のリングフレーム２８に固定して形成される。表側部材２４は、その周縁部をリングフレーム２８とリングフレーム２８の内側に位置する第１固定リング３０に挟持され、リングフレーム２８に固定されている。また、裏側部材２６は、その周縁部を第１固定リング３０と第２固定リング３２に挟持され、間接的にリングフレーム２８に固定されている。裏側部材２６は、蛇腹状に屈曲しており、中心部分は、超音波振動子３４の外周部分に結合されている。裏側部材２６の更に背面側には、裏側部材２６が背面側に膨出しないように規制し、これを支持する支持盤３６が配置されている。支持盤３６は複数の円環板状の支持プレート３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄから構成され、最外周の支持プレート３８ａは、外周縁部分に円筒形状の部分を更に有し、これが、リングフレーム２８に固定されている。最内周の支持プレート３８ｄは、超音波振動子３４の外周部分に固定されている。裏側部材２６は、超音波振動子３４の外周部分に設けられれたフランジ４０と、最内周の支持プレート３６ｄに挟持されて超音波振動子３４に固定される。支持プレート３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄは、相互にスライド可能であり、後述する超音波探触子３４の探触子軸線に直交する方向の動きを許容する。

図６〜８は、整合材袋の表側部材２４の形状を示す斜視図である。表側部材２４は、円形状の基礎部分４１を有し、基礎部分４１に、足置き台１４上の踵部分に向けて膨出する膨出部４２、対をなす振動子ユニット１６Ａ，１６Ｂの各々の整合材袋１８Ａ，１８Ｂの内部空間を連通する連通管４４Ａ，４４Ｂ、および校正用のブロックを配置するための校正ブロックポケット４６が設けられている。左右の連通管４４Ａ，４４Ｂは中央部分で連結され、左右の整合材袋の内部空間が連通されてる。この連通管４４Ａ，４４Ｂの位置に二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂを移動させ、これらを対向させることにより、整合材内の音速を計測することができる。

膨出部４２の形状は、球面を一つの直径に直交する第１の平面と、前記の直径に平行で、互いに直交する第２および第３の平面で切った形状となっている。前記の直径は基礎部分４１に直交し、基礎部分４１が形成する平面が前記第１の平面に相当する。第２、第３の平面は、足置き台１４の底面２０と当接面２２が形成する面である。第２、第３の平面による切り口が第１の側面４８、第２の側面５０となる。また、これら第１から第３の平面により切り出された球面の一部が対象部位である足に当接する生体当接面５１となる。したがって、膨出部４２の第１の側面４８は足置き台の底面２０に沿い、第２の側面５０は当接面２２に沿う。そして、第１および第２の側面４８，５０から形成される膨出部４２の側面は、全体としてＬ字形の足置き台の足を置く面に沿ってＬ字形に形成される。また、見方を変えれば、膨出部は、高さの低いドームを、交差する二つの平面により切り取った部分的なドーム形状と見ることもできる。

図９は、超音波振動子３４を移動させる移動機構５２を示す図である。振動子ユニット１６は、支持盤３６を省略した状態で示されており、整合材袋１８の裏側部材２６の蛇腹形状の部分が現れている。二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂは、コの字形またはＵ字形の支持フレーム５４の先端に固定されている。支持フレーム５４は駆動機構５６により、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂが対向する方向（つまり超音波振動子の軸線方向）に直交する平面内で移動される。したがって、二つの超音波振動子３４Ａ，３４Ｂは、これらが対向する方向においては移動せず、互いの距離も変化しないが、この対向方向に直交する方向には、いずれの方向にも移動可能となっている。この超音波振動子３４の移動を許容するために、整合材袋の裏側部材２６は、蛇腹構造を有し、また、支持盤３６は、多重の支持プレート３８ａ〜３８ｄを有する構成を有する。それぞれの支持プレート３８ａ〜３８ｄが相互にスライドして、超音波振動子３４の移動を許容する。

図１０は、足置き台１４とこれに置かれた足Ｆを示す図である。蛇行する矢印Ｙは、超音波振動子３４の走査の経路を示している。この矢印Ｙの軌跡を囲む範囲Ｒが超音波ビームの走査範囲である。超音波振動子３４を、踵骨Ｃを含む範囲Ｒにおいて走査し、透過超音波のデータを得る。この受信データに基づき、骨、特に踵骨の評価を行う。

図１０に示されるように足置き台１４の一部が走査範囲Ｒに含まれる。また、踵の足裏部分および後方部分は、足置き台１４に接触しており、足置き台１４に近接して位置している。このため、足置き台１４を伝播した超音波が、踵部分を伝播した超音波より先に受信されることが起こる。

図１１は、踵の後方部分と足置き台１４の接触点付近の、超音波の伝播の様子を示す図である。図には、足置き台１４が示されており、当接面２２に沿って上方から視た状態で足Ｆの断面が示されている。一方の超音波振動子３４Ｂから送信された超音波は、整合材袋１８Ｂから足Ｆに、更に反対側の整合材袋１８に伝わり、超音波振動子３４Ａに受信される。この超音波の伝播経路Ｄ1が破線で示されている。この超音波は、踵骨Ｃと体表面の間の生体の軟部組織を伝播している。また、超音波の一部が、当接面２２に接触する整合材袋１８Ｂから足置き台１４に進入し、さらに反対側の整合材袋１８Ａに進入して、超音波振動子３４Ａに達する。この伝播経路Ｄ2が図に破線で示されている。足置き台１４内の音速は、生体の軟部組織の音速より速く、このため、伝播経路Ｄ2 方が、伝播経路Ｄ1 より経路が長くても、伝播経路Ｄ2 を伝わる超音波の方が早期に超音波振動子３４Ａに達する場合がある。この場合、上記の軟部組織内にあたかも硬い、骨のような物体が存在するように認識される（いわゆる、アーチファクトの発生）。また、足置き台１４が超音波の走査範囲Ｒ内に存在しなくても、範囲Ｒに隣接するように配置されていれば、同様の問題が生じる。

本実施形態の超音波骨評価装置１０の足置き台１４は、上述の足置き台１４を伝播する超音波を遮断または制限するための構造を有している。

図１２には、足置き台１４の一例が示されている。足置き台１４の足Ｆに接触する面である底面２０と当接面２２には、溝５８が設けられている。溝５８は、足置き台１４の、足が接する面に設けられており、また超音波の伝播する方向を横切る方向に延びて設けられている。また、図示する溝は、足置き台１４の全長に亘って設けられているが、踵が接触する部分およびその周囲を通過する超音波の伝播経路のみ遮断するように設けるようにしてもよい。溝５８の深さは、溝を迂回して伝播する超音波の経路が生体内を通過する経路より十分長く、つまり溝を迂回した場合、生体内を伝播する超音波より早く超音波振動子に到達しないような深さとする。溝５８は、超音波の伝播を制限し、また超音波を遮断して、アーチファクトの発生を抑制する。

図１３には、足置き台の他の例が示されている。足置き台６０には、踵が接触する部分およびその周囲を通過する超音波の伝播経路を横断するように、超音波吸収材６２が埋め込まれている。超音波吸収材６２は、足置き台の全長にわたって配置してもよく、図示するように足置き台の全長の一部のみに配置してもよい。超音波吸収材６２は、例えば、ゴムやスポンジ状の軟らかい物質である。超音波の吸収量を調整するために、超音波吸収材６２の超音波の伝播経路方向の寸法、個数を調整することができる。超音波吸収材６２により、超音波振動子に早く到達する超音波が少なくなり、アーチファクトの発生が抑制される。

図１４には、足置き台の他の例が示されている。足置き台６４は、踵が接触する部分及びその周囲を通過する超音波の伝播経路上に、複数の穴６６が配置されている。穴６６は、足置き台６４の全体に均一の密度で配置されてもよく、場所によって密度を変えてもよい。また、踵が接触する部分およびその周囲のみに配置してもよい。個々の穴６６は、板状の足置き台の板厚を貫通するように設けてよく、また、足を載置する面から所定の深さまで掘り下げられた底を有するものとしてもよい。また、対をなす超音波振動子３４Ａ，３４Ｂを結ぶ直線上に少なくとも一つの穴６６が位置するように配置されている。この配置により、足置き台６４内の超音波の経路が直線となることを防止し、生体内を伝播する超音波より早期に、受信されることを防止する。また、穴６６の重なりの程度は、超音波の伝播経路が十分に長くなるように設定される。また、穴６６の周面により超音波が拡散して減衰し、受信側の超音波振動子の受信強度が低下する。これもアーチファクト発生を抑制する効果がある。

図１５には、小児等の、通常の成人より小さな足Ｅについて測定を行う場合の足の支持方法を説明するための図である。超音波振動子の走査範囲Ｒの中程に、踵骨Ｃを入れるために、足置き台１４の上にスペーサ６８を置き、更にその上に足Ｅを載せる。したがって、この場合、スペーサ６８が、生体が接触状態で載置される載置面を有する載置台として機能する。図１６は、図１５に示されたＨ−Ｈによる断面図である。左右の整合材袋１８Ａ，１８Ｂの膨出部４２Ａ，４２Ｂは、足Ｅと共に、スペーサ６８の側面にも当接する。足Ｅを通過する超音波の伝播経路Ｄ3より、足Ｅを迂回してスペーサ６８内を伝播する経路Ｄ4 の方が超音波の伝播時間が短くなる場合があり、アーチファクトが発生する。

スペーサ６８にも、スペーサ６８内を伝播する超音波を遮断または制限するための構造が設けられている。

図１７にスペーサ６８を示す。スペーサ６８全体を超音波を吸収する素材で構成することができる。具体的な材料としては、ゴムや、硬度５０程度の独立気泡スポンジなどがある。また、図１８，１９に示すスペーサ７０，７２は、踵が当接する部分の周囲を通過する超音波の伝播経路上に、超音波を吸収する素材でできた部分（超音波吸収材）７６，７８を有する。図１８は、スペーサ７０の端面に超音波吸収材７６を配置した例、図１９はスペーサ内部に超音波吸収材７８を配置した例である。超音波吸収材７８の超音波が通過する方向の寸法は、超音波の必要な吸収量から定める。超音波吸収材により、スペーサ６８，７０，７２内の超音波の伝播が制限され、アーチファクトの発生が抑制される。

図２０にスペーサの他の例を示す。スペーサ８０は、足Ｅを載置する面に溝８２を有する。溝８２は、超音波の伝播する方向を横切る方向に延びて設けられている。また、図示する溝は、スペーサ８０の全長に亘って設けられているが、踵が接触する部分およびその周囲を通過する超音波の伝播経路のみを横切るように設けるようにしてもよい。溝８２の深さは、溝を迂回して伝播する超音波の経路が生体内を通過する経路より十分長く、つまり溝を迂回した場合、生体内を伝播する超音波より早期に超音波振動子に到達しないような深さとする。溝８２は、図１２に示した足置き台１４の溝５８と同様に、超音波の伝播を制限し、また超音波を遮断して、アーチファクトの発生を抑制する。

図２１にスペーサの更に他の例を示す。スペーサ８４は、足Ｅを載置する面に溝８６を有する。スペーサ８４は、一定の厚さを有する板を屈曲させたような形状を有する。ただし、実際の製作において、板を屈曲させて製作する必要はない。コの字形状に屈曲した部分により溝８６が形成される。この溝８６も、超音波の伝播する方向を横切る方向に延びて設けられている。溝８６、つまりコの字形状に屈曲した部分は、２箇所有り、これにより足置き台１４上に安定してスペーサ８４を置くことができる。溝の数は、２本より多くしてもよい。溝８６は、超音波の伝播を制限し、また超音波を遮断して、アーチファクトの発生を抑制する。

図２２には、スペーサの他の例が示されている。スペーサ８８は、踵が接触する部分およびその周囲を通過する超音波の伝播経路上に、複数の穴９０が配置されている。穴６６は、足置き台６４の全体に均一の密度で配置されてもよく、場所によって密度を変えてもよい。また、踵が接触する部分およびその周囲のみに配置してもよい。個々の穴９０は、板状のスペーサ８８の板厚を貫通するように設けてよく、また、足を載置する面から所定の深さまで掘り下げられた底を有するものとしてもよい。また、対をなす超音波振動子３４Ａ，３４Ｂを結ぶ直線上に少なくとも一つの穴９０が位置するように配置されている。この配置により、足置き台６４内の超音波の経路が直線となることを防止し、スペーサ８８内を伝播する超音波が、足Ｅを伝播する超音波より早く受信されることを防止する。また、穴９０の重なりの程度は、超音波の伝播経路が十分に長くなるように設定される。

図２３には、スペーサの他の例が示されている。スペーサ９２の側面には、整合材袋１８がスペーサ９２の本体に直接接触しないよう、整合材袋１８の接近を阻止するガード９４が設けられている。ガード９４は、例えば丸棒の両端を曲げ、この両端をスペーサ９２の側面に接触させて固定される。また、ガード９４は、踵の周辺部分に設けてよく、対象となる踵周辺以外の部分、例えば、つま先に対応する部分等では、整合材袋１８がスペーサ６８と接触することは許容される。ガード９４の、スペーサ９２の側面に沿って延びる部分は、スペーサ６８と間隔があり、整合材袋１８からガード９４に伝播した超音波が直接スペーサ側面に伝わることを阻止している。ガード９４に伝わった超音波は、ガード９４の両端からスペーサ６８に伝わる可能性はあるが、この場合、経路長が長くなるので、アーチファクトを生じさせない。

図２４には、スペーサの他の例が示されている。スペーサ９６は、その側面に前述のスペーサ９２と同様のガード９８を有する。前述のスペーサ９２と異なる点は、スペーサ９６の側面の、ガードが設けられた部分がスペーサ９６の本体に対して進退する側面進退部１００である点である。ガード９８が整合材袋１８に押されると、ガード９８と側面進退部１００が一体となって退避し、スペーサ９６の側面が整合材袋１８と接触しないようにする。このスペーサ９６においても、前述のスペーサ９２と同様、アーチファクトの発生を抑制できる。

本実施形態の超音波骨評価装置１０は、整合材袋１８は、その側面４８，５０において足置き台の足に接触する面（底面２０、当接面２２）と接触する。しかしながら、整合材袋１８の生体に当接する面が、足と共に足置き台の側面に当接する装置構成も想定される。この装置構成においては、上述した各スペーサの例を足置き台に適用することができる。

１０ 超音波骨評価装置、１４ 足置き台、１６ 振動子ユニット、１８ 整合材袋、２０ 底面、２２ 当接面、３４ 超音波振動子、４２ 膨出部、４８，５０ 膨出部の側面、５１ 生体当接面、５８ 溝、６０，６４ 足置き台、６２ 超音波吸収材、６４ 足置き台、６８，７０，７２，８０，８４，８８，９２，９６ スペーサ、７６，７８ 超音波吸収材、８２，８６ 溝。

Claims (5)

1. 生体に対して超音波を送受して生体内の骨の評価を行う超音波骨評価装置であって、
   生体が接触状態で載置される載置面を有する載置台と、
   載置台に載置された生体を挟むように配置される一対の超音波振動子と、
   超音波振動子と生体の間に位置し、超音波振動子と生体の間の音響整合を図る変形可能な音響整合部と、
   を有し、
   載置台は、超音波振動子の走査範囲内に又は走査範囲に隣接して少なくともその一部が存在し、載置台に音響整合部が接触し、載置台の前記走査範囲内に位置する部分または前記走査範囲に隣接する部分には、超音波の伝播を制限する構造が設けられている、
   超音波骨評価装置。
2. 請求項１の超音波骨評価装置であって、超音波の伝播を制限する構造が、超音波の伝播方向に直交する方向の溝であり、この溝は、載置台の載置面に設けられている、超音波骨評価装置。
3. 請求項１の超音波骨評価装置であって、超音波の伝播を制限する構造が、載置台に埋め込まれた超音波の吸収材である、超音波骨評価装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波骨評価装置であって、
   整合部は、生体に対向する側に生体に向けて膨出している膨出部を含み、膨出部は、生体に当接する生体当接面と、載置台の載置面に沿い、かつ接触する側面と、を有する、
   超音波骨評価装置。
5. 請求項４に記載の超音波骨評価装置であって、
   載置台の載置面は、二つの平面がＬ字形に配置されて構成され、
   前記生体当接面は球面の一部であり、前記側面は載置面に沿ってＬ字形に配置された二つの平面から構成され、膨出部はこれらの生体当接面および側面により形成される、
   超音波骨評価装置。