CN1040739A - 活体骨强度超声分析的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

将超声信号导入一个穿过被研究部位的期望路径，并用以确定被研究部位的强度的仪器和方法。发射器发送超声信号穿过被研究部位，为接收器接收，产生接收波形的调整后的信号波形。将调整后的波形的特定特征与标准波形的相应特征比较，此标准波形是在超声信号沿期望路径穿过被研究部位传播时得到的。当它们相应特征基本相同时，这超声信号至少有部分沿期望路径传播。计算沿期望路径传播的超声信号的表观速度，并与骨强度相关。

Description

本发明涉及确定活体骨强度的无损检测方法和仪器，特别是应用超声能量来确定活体骨强度的方法和仪器。

骨质疏松症是一种复杂的、尚未完全搞清楚的疾病，这种疾病会影响整个骨骼系统。这里“骨质疏松症”一词是指以骨强度退化并最终导致骨折为特征的一些状况。

要想了解骨强度，必须首先搞清骨的结构和成份。所有的骨骼是由同样的结构要素组成的，即：骨胶原、结晶钙和组织液，但每一个人的骨骼结构都有显著的差异。骨骼系统一般可分为两大类：皮质骨（致密的）和松质骨（海绵状的）。身体中大多数骨头都包含上述两类。致密的皮质骨形成外壳，海绵状松质骨作为内核被围在中间。松质骨是由许多片和柱（称作骨小梁）交织而成的三维网络以及组织液构成，而组织液是由红色和黄色的骨髓及其它微量物质组成。

近期研究表明，骨机械强度的退化源于三种各不相同而又彼此相关的机理。普遍认为第一种机理是骨质量的减少。对所有的人来讲，这一过程从二十几岁就开始了。文献确证，骨强度随着骨质量减少而降低。可参考，例如Goldstein，S.A.，“小梁骨的机械性质：与解剖学位置和功能的依赖关系”，生物力学杂志（J.Biomechanics）第20卷第十一、十二期，1055-1061页，1987年。

第二种对骨强度退化具有潜在重要性的机理是骨基质本身质量的退化。最近发现的证据提出小梁骨中骨胶原的生化稳定性随着年龄的增长而减退。参看：Oxlund，H.，Mosekilde，L.，Ortoft，G.，“人类小梁骨骨胶原稳定性相对于年龄的变化”（摘要＃97），国际骨质疏松症讨论会会议文集（Proceedings    of    the    International    Symposium    on    Osteoporosls），编辑J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，Aalborg，丹麦，1987年9月27日-10月2日。此外，妇女发生骨质疏松时，即出现骨小梁中骨胶原含量减少的现象。参考：B    Birkenhaager，D.H.，“在骨质疏松的骨头中明显缺乏骨胶原”（摘要＃111），国际骨质疏松症讨论会会议文集（Proceedings    of    the    International    Symposium    on    Osteoporosis）编辑J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，丹麦，1987年9月27日-10月2日。这些文献并没有考虑骨量的变化，而提出了蛋白质对小梁骨基质束缚作用的减弱。骨强度对于决定一个人在没有外伤情况下是否发生骨质疏松骨折具有重要作用。

第三种有关骨强度退化的机理已被证明是与骨质疏松有关的小梁骨结构的变化，即使在骨质量变化很小或测不出的情况下仍有这一变化发生。参考，例如，Kleerekoper，M.，等人“三维小梁骨微结构在脊柱受压骨折病理中的作用”，国际钙化组织（Calcif.Tissue    Int.）37∶594-597，1985。

这些文献确认与骨质疏松症相关的骨结构变化有三个方面。其一为未修复的疲劳损伤，这种疲劳是由于加在骨上周期性重复的应力所致。周期性重复产生疲劳损伤，而当这种疲劳损伤未能修复时，骨强度就会出现退化。如果损伤的骨头已被消溶，但尚未被新骨代替，未完全修复的疲劳损伤还会进一步降低骨的强度。其二为骨小梁结构的退化。例如某些妇女在绝经期松质骨中骨板间的骨小梁数目减少。其三为类骨质的积累。这是由于骨胶原呈现为缺乏钙化作用的结果。上述这些导致骨强度退化的因素并不一定非要以骨质量减少为特征。例如，骨小梁中骨板间的小柱数目的减少使骨强度降低的程度，远大于单纯考虑骨质量减少所造成的骨强度的降低。

长期以来，骨病的探索与鉴定已有各种各样的手段，医疗模式随着地区与医学专家的不同而变化。妇科、产科、内分泌学、营养学、内科学、矫形外科学、放射学、核医学及家庭医师等医学专家们对骨病都极有兴趣。根据各人的兴趣，这些医师们可能会部分或全部使用下述骨健康评估技术。

一种评估技术是体格检查，其中特别注意脊柱结构。当病人主诉剧烈的背痛或看到病人明显的脊柱弯曲（驼背）即是骨病的后期阶段，例如骨质疏松症。

第二种评估技术是危险因素评估。在评估中要对患者病史和其家庭病史进行调查，并且（或者）对患者个人习惯，例如抽烟，饮酒和节食情况进行分析以估计骨质疏松骨折的相对危险程度。尽管人们广泛认为这种技术是可能的，但是利用某些特殊危险因素予言骨病尚嫌根据不足。参看，J.T.Citron等人“利用加权临床变量标度来予言绝经前期（prememenopausal）骨质量的峰值”，国际骨质疏松症讨论会会议文集（Proceedings    of    the    International    Symposium    on    Osteoporosis），1987年9-10月，丹麦，编辑：J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，摘要＃17。

第三种评估技术包括血和尿的化学现象。对血和尿进行化学分析以决定钙和其它与骨代谢相关因素的存在。虽然这些化学现象与骨代谢明显相关，但却不一定能够表示骨的强度。

第四种方法包括骨质量测量技术。这种技术是测量穿过整个骨骼系统或者所希望部分的射线，以指出所测骨质密度。这种骨质量测量技术包括X光，单光子吸收谱仪，双光子吸收谱仪及定量计算机断层成象（CT），在Peck等人所著“关于骨质疏松症的医师对策手册：诊断指南”一书中有所论述（国家骨质疏松症基金会，14-16页，1987年）。

尽管前述各项技术确实提供了有关活体骨骼的信息，但它们提供的信息用来在各种情况下可靠地确定骨强度是不充分的。例如，骨质量测量技术提供了有关骨质量的信息，但却没有有关其结构的信息，而这两者对于评价骨强度均十分重要。对骨质疏松骨折危险因素的更加有效的估价需要对骨强度的更为直接的估价，这就是开展用超声波测量骨强度的研究动机。

声是一种不断移动的机械振动。在传播过程中振动与介质的机械性质互相作用并逐渐改变，通过观察要传入骨的机械振动与超声信号在骨中传播了一已知距离后的机械振动，两者之间的差异常常可能决定骨的某些机械性质。

在讨论超声在测量骨强度的具体应用之前，有必要回顾一下某些基础物理概念。物体在某一特定方向的应变（记为X）是指该物体遭受到在这个特定方向上的应力（记为F）时表现出的形变。例如，应变X可以表示为当一块骨受到力F压迫时缩短的百分数，与这一特定方向有关的弹性模量E直接给出一个物体在遭受特定大小应力（F）作用时会产生多大形变。强硬物体的弹性模量E值大，当其受到一个强大的外力作用时，几乎没有多少应变出现;而薄弱物体具有小的弹性模量E，即使加一小的应力，也将出现大的应变。这三个数值可用下式联系起来，三数值的关系如下：

E＝F/X    （1）

当一块具有恒定弹性模量E的骨受到一个沿某一特定方向的应力F作用时，只要应力不过大以至骨出现塑性形变或永久性改变，则如公式（1）所确定的那样，沿同一方向会出现大小为X的形变。骨折开始出现是相应于这样一种应变水平，即当除去造成应变的应力时，骨不再回到它的原始状态。骨折可以或者是彻底的断裂，或者是更加细微的应力骨折损伤。设X_T是骨折开始出现的应变阈值，F_T是导致出现这一应变的相应应力，则由上述应力/应变关系得到：

F_T＝E·X_T（2）

为了予言即将发生的骨折，人们必须确定：a）作为周围环境作用的结果，骨出现的最大应变是否要超过X_T;或者b）作为周围环境作用的结果，骨所承受的最大应力是否会超过F_T。当然，根据这些骨特征参量中的任何一个去予言即将发生的骨折不过是纯学术讨论，因为人们不可能决定F_T或X_T，同样，人们也不可能测量出一个受实验者的活动所导致的最大应力及由此而产生的最大形变。

一个可供选择的方法是注意到由于骨变松软，当受到一给定应力F时，在较软的骨头中出现的应变X将大于较硬的骨头在同样应力作用下所产生的应变。因此当骨变软时，其弹性模量E应下降，这样弹性模量可以看作可能出现骨折迹象的一个重要参量。

固体力学把一个超声信号的速度与上面讨论的应力/应变关系联系起来。考虑沿一给定方向通过一个诸如骨头的固体的纵向声波，其声速V可表为：V＝ $\sqrt{\mathrm{E/r}}$ （3）

这里E是所考虑方向上的弹性模量;r为骨质密度，以一定单位（例如克/立方厘米）表示。参看：Abendschein，W.，Hyatt，G.W.，“骨的超声及某些物理性质”临床矫形学有关研究（Clin.Orthop.Rel.Res.）69;294-301页，1970年。

年龄和某些特定疾病造成骨密度r和骨强度的下降。骨强度的退化可表现为弹性模量的下降，而公式（3）所提供的信息仍不足以告诉我们在骨退化的状况下声速将如何改变。

这里所缺少的正是骨弹性模量E与其密度r之间的关系。经验表明，弹性模量与密度的平方成正比：

E＝Kr²（4）

参看：例如Rice，J.C.，Cowin，S.C.，Bowman，J.A.，“关于松质骨的弹性和强度对表现密度的依赖关系”，生物力学杂志（即将发表），1988年。

比例常数K具有一定的物理意义。骨的基本结构组成是骨胶原纤维，结晶钙（磷灰石）和组织间粘液（骨髓）。每一种成份所占相对比例的不同可导致不同的密度值。然而，如前所述，对于一定密度r来说，不同人同一骨头的同一区域（或同一人的不同生命阶段）可具有不同的强度。也就是说，骨可以有同样的密度r但不同的弹性模量E。这一点可由不同的骨质量因子K来说明。

这一差别很大程度上在于骨本身的微观结构。参看，例如：M.Kleerekoper等人“三维骨小梁微结构在脊柱压迫骨折机理中的作用”，Calcif、Tissue    Int，37∶594-597，1985年。例如：人们可将骨碾碎，然后紧压成圆柱形，制成一个具有极高密度而几乎没有一点强度的物体。实际上，用X光、CT和双光子仪器测量可以发现，在经受了与骨质疏松相关的骨折后，破碎的脊椎常会一度表现出比相邻的正常脊椎更高的密度。参看：Hui，S.L.，Slemenda，C.W.，Johnston，C.C.，Appledorn，C.R.，“年龄和绝经对脊椎骨密度的影响”，Bone    and    Mineral，2∶141-146页，1987年和Ott，S.M.，“骨密度的无损测量，骨质疏松：现代概念”，在第七届关于医学研究的罗斯会议上的报告（the    7th    Ross    Conference    on    Medical    Research），查尔斯顿（Charleston）南卡罗来纳（SC），1986年4月23-25日，22-24。

另一个决定骨质量因子K的潜在重要的因素是骨基质本身。如前所述，小梁骨中的骨胶原的生物化学稳定性随年龄而退化。此外，当妇女发生骨质疏松时，其小梁骨中的骨胶原的含量变低。上述两个结果都表明蛋白质对骨小梁基质的束缚作用在减弱。更进一步而言，骨质量因子K的退化是由于未修复的疲劳损伤或类骨质的积累所造成的。

看来，骨质量因子K是骨结构质量的量度，可指示骨结构及骨基质的质量。对一给定的密度r，骨质量因子K值越大，骨越硬。

要弄清这如何与超声相联系，只需将公式（4）弹性模量E表达式代入公式（3）声速V表达式中，弹性模量E则从表达式中消去，剩下：

V＝ $\sqrt{\mathrm{K\; \times r}}$ （5）

这时可清楚看出，骨退化导致骨质量因子K或密度r的降低都将造成声速度V的下降。因为与以前的声速V表达式不同，密度r已不再出现在分母上了。

放射学仪器仅仅测量骨的密度r，只能给出部分确定骨机械性质所必须的信息，而没有关于骨的物理结构的信息。与此情况不同，声速给出的值与骨密度r和代表骨结构质量的骨质量因子K均有联系。

看来，速度本身可用来作为骨质量的量度。此外，速度还可能用来作为骨要发生骨折的易发性的近似指示。然而，任何一个指示的精度都会由于一些无法控制、难于定量测量的因素而受影响。参看：Wasnich，R.D.，“利用骨质量测量予言骨折”，现代骨质疏松症（Osteoporosis    Update），1987，编辑H.K.Genant，放射学研究与教育基金会，旧金山，加州，95-101页，1987年。这些无法控制的因素包括：例如，每个人体力活动的范围;肌肉状况;协调的受损程度;环境（例如经常在光滑的台阶上走跑）以及一般的健康情况。因此，临床医师必须同时估价所有的因素而不是仅仅依赖单一的测量。

声传播速度的测量已被成功地用于工程材料弹性模量和破坏强度的特征化研究。骨生物力学研究者们已意识到超声在骨病中应用的潜力，并明确地指出声速可以用来估价在体外的骨的弹性模量和破坏强度。参看W.Abendschein，Hyatt，G.W.，“骨的超声和某些物理性质”，临床矫形学有关研究（Clin、Orthop、Rel.Res），69∶294-301，1970年;Ashman，R.B.，Cowin，S.C.，Vau    Buskirk，W.C.，Rice，J.C.，“一种测量皮质骨弹性的连续波技术”，生物力学杂志（J.Biomechanics），17（5）∶349-361页，1984年;Ashman，R.B.，Rosina，G.，Cowin，S.C.，Fontenot，M.G.，“犬下颌骨的骨组织为弹性各向同性”，生物力学杂志（J.Biomechanics），18（9）∶717-721，1985年;和Ashman，R.B.，Corin，J.D.，Turner，C.H.，“松质骨的弹性性质：用超声技术测量”，生物力学杂志（J.Biomechanics），20（12）：979-936，1987年。

尽管用声速表示体外的骨的特征已取得成功，但对活体应用的成功前景仍难以予料。早期的努力曾通过测量体共振频率来推断长骨中的声速。参看Jurist，J.M.，“骨弹性响应的活体测定I：尺骨共振频率测定方法”，物理医学生物学杂志（Phys.Med.Biol.），15（3）：417-426，1970;Jurist，J.M.，“骨弹性响应的活体测定Ⅱ：骨质疏松症患者，糖尿病患者及正常受试者的尺骨共振频率”物理医学生物学杂志（Phys.Med.Biol.），15（3）：427-434，1970年;Fujita，T.，等人，“骨共振频率测量的基础与临床评估“Calcif.Tissue    Int.，35∶153-158，1983年。由于主要误差来源，如肌肉张力，肌肪和肌肉组织的数量，以及长骨形状的复杂性等因素难于控制，因此只取得了有限的成果。另外，作为精确的声速测量的一个先决条件，对长骨长度的精确测定还要求用X-光对长骨的尺寸做出估价。

较多的成功是在发展直接测定外周骨骼中声速的方法时取得的。这工作开始于探查马的掌骨和跖骨应力骨折，从而可以在严重骨折发生之前调整赛马的训练。参看，例如，Pratt，G.W.，“活体骨强度的超声评估方法”，美国马训练协会会议录（Proc.Amer.Assoc.Equine    Pract.），26∶295-306，1980年;Rabin，D.S.，“良种赛马骨强度评估的临床运用”美国马训练协会会议录（Proc.Amer.Assoc.Equine    Pract.），29∶343-351，1983年;和Jeffcot，L.B.，等人，“超声作为评价马骨质量的工具”，兽医学记录（Vet.Record），116∶337-342，1985年。

骨质量与人体中超声速度的关系在波士顿的26英里马拉松比赛参加者身上得到了证实。Rubin，C.T.，等人，“用超声测定活体在紧张体力活动后骨机械性质的剧烈变化”生物力学杂志（J.Biomechanic），20（7）∶723-727，1987年。

对于早产新生婴儿骨状况的研究显示了超声方法在人体临床检查中的潜在应用。Weight，L.W.，Glade，M.J.，Gopal，J.，“应用透射超声波评估新生婴儿的骨状况”儿科学研究（Pediatrlc    Research），22（5）：541-544，1987年。这一研究分两个部分。第一部分，将原位测量的表观速度与骨的无机成份（BMC），妊娠年龄及死婴骨体外破坏强度等进行比较;第二部分，对新生婴儿进行骨的无机成份（BMC）和超声分析。研究表明，超声信号的速度随着妊娠年龄线性上升，并与骨无机成份分析和破坏强度密切相关。

Gilbert等人透露了这方面的工作，“透射超声波与骨质量定量测量技术在绝经期后妇女的骨质疏松研究中的关系”（摘要）核医学学会第33届会议文集（Proc.33rd    Meeting    Soc.Nucl.Med.），1986年6月，这一工作应用了美国Pratt的第4，421，119号专利中的某些技术，并显示了髌骨的超声速度与测量的脊骨和腕关节的质量密度之间的关联。

尽管上述这些方法确实显示出对活体内骨的超声测量具有潜在应用，但并没有任何有关能在临床应用的装置的披露或建议。当前可用的超声活体内骨强度测量方法既不甚精确，其结果又不能重复。十分重要的是，必须看到年轻的非骨质疏松试验者与年老的骨质疏松试验者的松质骨（例如髌骨）的声速差别顶多只有15%。而从同一块骨（如髌骨）测量的声速由于声波在骨中传播路径的不同会有15%量级的差异。因此，用目前的技术无法予先判断所得到的结果是由骨质疏松引起的还是由与测量仪器操作相关的某些变化引起的。

另外，当前能用的技术并未考虑骨的各向异性和非均匀性以及在发送和接收换能器之间超声波传播路径的数目。目前，在技术上还不能区分不同的路径。所以，本项发明的一个目标就是提供一种方法和仪器，在活体的有关部位（例如骨）中确定一条所期望的路径并将超声信号导入这一路径。本项发明的进一步的目标是接收超声信号的沿着这一所期望的路径的分量，将它与其它分量区别开来，并确定其速度，以提供与被研究部位强度有关的信息。

本项发明的另外的目的和优点一部分将在随后的叙述中阐明，另一部分在描述中显而易见，或可在发明的实施中去体会。由在附后的权利要求中具体指出的哪些装置及其组合可实现和完成本项发明的目标和优点。

本项发明通过提供活体内骨的超声分析方法和仪器，克服了先有技术中的问题和缺点，这一方法和仪器能够精确地确定活体内骨中沿某一期望路径传播的超声波速度，并且所得结果可以重复。本项发明考虑了骨的各向异性和非均匀性以及一个超声信号在骨中通过许多条路径而传播的结果。

为了完成在此已广泛描述并已实施的本发明的目标，依照本发明的目的，我们提供了一个将超声信号导入被研究部位中所期望的路径并确定该部位强度的方法。超声信号能够沿众多超声路径传播，其中也包括穿过被研究部位的所期望的路径。沿着每一特定的路径，被研究部位与超声信号的相互作用各不相同。

本发明的方法包括在贴近被研究部位对超声发射器和超声接收器定位的步骤，从而在该发射器和该接收器之间建立一条大致沿所期望路径的直通超声路径。朝着接受器方向发射一个超声信号进入研究部位，并在其通过该部位后接收，然后接收器产生一个电信号，它代表接收器收到的超声信号。

下一步骤，接收到的电子信号经过信号调整产生调整过的波形，然后，将调整过的电子信号波形的某些选定的特征与标准波形的某些相应选定的特征相比较。标准波形是在发射的超声波至少有一部分沿着被研究部位中所期望的那条路径传播时，与被研究部位相互作用而得到的。

连续不断地将发射器和接收器再安放在与被研究部位相对取向不同的位置上，以建立不同的超声传播路径，直到调整后的电子信号波形中所选择的那些特征与标准波形中所选择的特征基本相同，从而表明从发射器发射的超声信号至少有一部分是沿着所期望的路径到达了指定的接收器。

沿着所期望的路径穿过研究部位而传播的超声信号分量的传播时间可以用发射出超声信号和接收到经由所研究部位中所期望的路径传播的超声信号两者间的时间间隔来计算。

沿着所期望的路径穿过被研究部位而被接收到的超声信号分量的表观速度可以这样计算：将发射器与接收器之间的距离除以测量的传播时间。表观速度与被研究部位的强度有关。

本发明还包括一个将超声信号导入穿过被研究部位的一条所期望的超声路径的仪器，用它来测得研究部位的强度。超声信号可以沿着众多的超声路径传播。沿着每一个不同的路径被研究部位与超声信号的相互作用各不相同。

本项发明的仪器包括一个超声发射器，一个超声接收器。两者安放在贴近研究对象的位置上，以在两者之间建立一个大致沿着所期望路径的直通超声路径。发射器包括了朝着接收器方向将超声波射入研究部位的装置。接收器包括了接收由发射器发射出来并穿过被研究部位的超声波的装置以及产生一个接收到的电子信号的装置，这个电子信号代表了接受器接收到的超声信号。

此仪器还包括了信号调整装置，可以和接收器相联以调整接收到的电子信号，使之成为调整过的电子信号波形。仪器还提供了比较装置，它与信号调整装置相结合，以便比较经调整的电子信号波形的特定特征与标准波形的已知特定特征。当发射的超声信号至少部分沿着所期望的路径穿过被研究部位时，被研究部位与发射的超声信号相互作用，由此得到标准波形。比较装置允许将调整后的电子信号波形的特定特征与标准波形的特定的已知特征进行比较。

与比较装置相应，根据本项发明制造的仪器还进一步包括了计算装置，可用来测量所期望的超声信号穿过被研究部位的传播时间，即从超声信号发射之时，到超声信号的分量沿着所期望的路径穿过被研究部位而被接收时止所经历的时间。计算装置还可以计算接收到的沿所期望的路径穿过被研究部位的超声信号的表观速度值，即将所确定的发射器与接收器之间的距离除以所测量的传播时间。表观速度值与被研究部位的强度有关。

附图是本说明书的一个组成部份，解释了本项发明的一个实施例，并与文字叙述一起，解释本项发明的主要原理。

图1是人膝部的透视图，其中包括在接近人膝部安放的一个超声发射器和一个超声接收器。

图2是人髌骨的侧视截面图。

图3是超声信号在人髌骨不同部位传播时的超声信号衰减图。

图4a是穿过人髌骨前皮质的超声信号的分量的示意图。

图4b是穿过人髌骨中所期望的路径的超声信号分量的示意图。

图4c是穿过人髌骨周围的软组织的超声信号分量的示意图。

图4d是同时穿过人髌骨中所期望的路径和人髌骨前皮质的超声波超声信号的示意图。

图5描绘了根据本项发明而使用的标准波形。

图6是根据本项发明用于人体部位超声分析仪器的透视图。

图7是图6所示仪器的方框示意图。

图8a是根据本项发明将超声信号导入所期望的路径，并决定被研究部位强度的方法的流程图。

图8b是将调整的电信号波形与标准波形进行比较的方法的流程图。

图9是根据本项发明的波形发生装置（包括自动增益装置）的一个实施例的方框线路图。

图10是根据本项发明，波形发生装置（包括对数压缩器）一个实施例的方框线路图。

图11-13是根据本项发明，接收到的沿着不同于所期望的路径穿过人髌骨的超声波波形示意图。

现在将要详细参照本发明的本优选实施例，实施例的一个例子已在附图中给出。

为了正确评价本项发明，对骨结构的深入了解是必不可少的。而在此以前的超声测量技术中并未加以充分考虑。所有的骨都是由同样的成份组成，即结晶钙（羟磷灰石）和有机物质，有机物的90%是骨胶原。每一个骨小梁的取向遵从沃尔夫定律（Wolff′s    law）。这个假说将骨的结构与其功能联系起来。它指出对于给定的骨的形状或形式，骨的组元自动转移到作用应力的方向上。在松质骨（例如股骨颈或者髌骨）中骨小梁的取向清楚地表明了这一点。

由于其复杂的结构和组成要素，骨是一种各向异性、非均匀的、内充流体的多孔物质。“各向异性”是指在骨的同一区域内，沿一个方向的力学性质（包括声波速度）不同于沿其他方向的力学性质。“不均匀性”是指在骨的一个区域其力学性质（例如声速）不同于其他区域。

必然地，骨的结构如同它所必须承受的外力一样复杂。这就有两个效应。其一，骨的密度和结构随空间位置而变化，常常形成一个复杂的格局，因人不同而变化万千。这就是几乎所有骨都呈非均匀性的原因。其二，骨基质的主要取向是沿着加在骨上主要的力的方向，这样就导致了机械性质的各向异性。一块骨头，例如脊椎骨，由于承受的主要是垂直压力，在横向将表现出低得多的强度。

声速反映出它在传播过程中穿过的骨的不均匀性。例如，这可以在人的髌骨中表现出来。在髌骨中超声信号的速度是其传播路径的函数。类似的，穿过骨的超声信号的速度将表现出与骨本身的各向异性一致的各向异性。十分明显，骨中的声速极大地依赖于其传播路径相对于骨基质主要取向的角度。

非均匀性和各向异性对于在组织中传播的声速测量具有重大影响，要求严密地控制操作规程（Protocol）以使测量探头与被测部位密切配合。例如，要在一个人身上进行几次声速测量时，每一次都必须精确地把用于发射和接收超声信号的探头重新放好，以保证超声束在传播中穿过骨头的同一部位，且沿着相对于骨基质主要取向的同一方向。

对不同人之间的测量作有意义的比较则要求更严格的控制。每个人之间要测量的骨基质的取向和成份必须是可比较的。考虑到人与人之间的生物多样性，需要仔细制订探头安放规程以保证探头安放在相对于待测骨的同样位置，使超声信号沿着同样的路径传播。

影响声速测量的其它因素包括导致超声信号从发射换能器发散的衍射，在骨中的折射，以及当超声信号在骨中横切界面时的反射，此外，骨表面的不规则性导致与骨耦合的超声信号不再是单一模式。这一点十分重要，因为骨中可有多种超声模式传播，如横波模式，纵波模式，而每一种模式具有不同的特征速度。

为了得到一个对每个个体可以重复而对不同个体可以比较的测量结果，有必要选择能够控制非均匀性和各向异性的骨测量点。在人体中的这种测量点有跟骨、髌骨和桡骨末端。这三者之中，髌骨被证明具有脊柱存在骨质疏松的最理想的指示特征。虽然下面的描述集中在应用本项发明的方法和仪器活体研究人体的髌骨，但应当知道本项发明将会应用到各种各样的活体部位上，除了人的髌骨外，还包括人的其它骨骼和动物骨骼。

把髌骨说成是理想的骨测量点是有几个原因的，这可以参照图1和图2去了解。图1是一个人体内膝部的透视图，包括安放在接近膝部的一个超声波发射器26和一个超声波接收器28。图2是人体内髌骨的横向截面图，此图是沿图1中截面线Ⅱ-Ⅱ剖开而画的。髌骨第一个合乎需要的特点是在接近髌骨前表面的地方，其中心位置附近的两侧，表面近似互相平行（图2中髌骨两侧的200和201），这两个表面提供了分别放置换能器26和28的地方，从而建立了一条穿过髌骨的超声路径。第二，图2中209和210所指示部位的软组织层分别将换能器26和28与骨隔开。对大多数人来说，这一部位上包围髌骨的软组织层的厚度相对于骨的宽度来说是相当的薄，是合乎要求的。第三，由此决定下来的穿过活体内髌骨的所期望的超声信号路径近似为一直线，而不象某些穿过非均匀的各向异性的固体（如骨）的路径可能是弯曲的。

人们所期望的穿过髌骨的超声传播路径是这样的，它的位置在髌骨上中部，处于较密实的前皮质的下面。这条所期望的超声传播路径在此处用“所期望的路径”一词表述，并在图2中用数字25表示。举例来说，所期望的路径25穿过的区域主要是由垂直取向的骨小梁组成。这个区域主要受到的是压力，根据沃尔夫定律（Wolff′s    Law），很可能因此造成沿着所期望的路径的骨小梁取垂直方向。所期望的路径通过的髌骨的上中部是一个理想的诊断区域，因为人们认为它的结构和脊椎骨的中心部分的结构相似。因此，通过测定穿过髌骨的所期望路径处骨的状况，即可推断脊椎骨中心部分骨的状况。应当明白，除去上述所期望的路径之外，还可能确定其它一些可供选择的穿过髌骨的所期望路径。这些可选择的穿过髌骨的所期望路径以及穿过除了髌骨外的其它部位的所期望路径都在本项发明所考虑的范围之中。

如前面所讨论的，一个超声信号以多种振动模式与人体内的髌骨相耦合，并通过多种路径从发射器26穿过被研究部位到达接收器28。例如，一个超声信号与髌骨在发射器26处相耦合，其可能的传播路径有：路径202（如图中点线所示）穿过前皮质38，路径204（如图中虚线所示）穿过髌骨的后部40，路径206（如图中点画线所示）穿过位于髌骨后面的后部软组织41，或者路径208穿过髌骨前面的前部软组织39。在任何情况下，每一条超声通路至少要穿过一些软组织，因为软组织包围着骨。

一个由发射器26发射的超声信号穿过被研究部位32（例如人体内的髌骨）而被接收器28所接收。该超声信号包括了众多分量，每一个分量相应于不同的超声信号路径，而这些路径或者穿过软组织，或者穿过软组织及骨。其中相应于所期望路径25的那个分量叫做“所期望的信号”或“诊断信号”。本项发明的一个目的就是要保证在接收器28中接收到的超声信号中有所期望的信号。一旦所期望的信号被接收到，人们就可以验明其到达接收器的时间，确定其传播时间和速度，并由其速度联系到被研究部位中所期望路径穿过的那部分的强度。

每条不同的路径穿过髌骨的不同部位，髌骨中的这些每个不同的部份又有不同的密度和结构，这些髌骨的不同部位对于透射的超声波谱中不同频率的声波的衰减程度各不相同。尽管提法不同，实际上透射的超声信号是一个宽频带信号，穿过骨的每一条路径起的作用相当于一个只允许超声频谱中部分信号通过的低通滤波器，这一现象如图3所示。

穿过前皮质38的超声信号其高频部分衰减很大（大于35db/cm-MHz）。穿过所期望的路径的超声信号分量的衰减中等（4-35db/cm-MHz）。穿过软组织的超声信号分量，例如在后部软组织41或前部软组织39中的信号，其衰减较低（近似为1db/cm-MHz），这对射入髌骨中的任何频率的信号均如此。

研究表明，穿过较致密的骨的超声信号的速度高于在致密程度较低的骨中的速度，前者有如前皮质，后者有如所期望的路径所穿过的那部分骨。而穿过软组织的超声信号的速度则更低。因此，接收的信号中，在致密骨中传播的分量首先到达，然后是沿所期望路径在致密度较低的骨中传播的分量，最后才是在软组织中传播的分量。尽管超声信号沿众多路径传播，但以发射器26到接收器28之间的直接路径为中心，沿径向向外，各条路径的信号强度逐渐减小。例如，沿穿过后部软组织41或前部软组织39的路径传播的超声信号的强度要小于沿位于发射器26和接收器28之间的所期望的路径传播的超声信号。图4a-4c给出了接收到的沿不同路径传播的超声波分量的波形。图4a显示了接收到的、穿过前皮质38的沿路径202传播的超声波分量的波形，其到达接收器的时间为tc。图4b显示了接收到的沿所期望路径25传播的超声波分量的波形，其到达接收器的时间为td，这是“所期望的信号”的波形表示。图4c显示了接收到的分别沿路径208或206传播的分别穿过外层软组织39或41的超声波分量的波形，其到达接收器的时间是ts。

图4d显示了包括了图4a和图4b代表的超声波分量的复合波形。为了简明起见，已在图4d中略去接收到的穿过软组织而传播的超声波分量。图4d中所示的断点66是指接收器28第一次接收到超声能量的那一点（时刻），断点66出现在时间tc，即接收到穿过前皮质38的超声信号分量的时刻。这个分量具有较低的频率和振幅以及较高的速度，因此先于其它分量到达。这样，为了精确测定所期望的信号的到达时间td，必须把它和穿过前皮质的分量的到达时间tc区分开来。根据本项发明，为完成这一区分任务而所用的方法和仪器将在下面给出更详尽的描述。

图5显示了一个调整过的电子信号波形，称为“标准波形”，笼统地数字60标示。“标准”一词指的是一个模式波形，每个发射出超声波不管怎样沿所期望的路径25传播时，就会有标准波形产生。它被接收器28接收，则接收器中产生一个接收到的电子信号，该信号又被信号调整电子装置所调整。

图5所示的标准波形60仅仅是为了演示的目的。它可能在外形、振幅或者在骨与软组织分量的相对能量分布上变化很大，这决不应解释为对本项发明的限制。此外，人体髌骨的被研究部位（例如动物骨骼和人体除去髌骨之外的骨骼）所产生的标准波形60也会改变。

标准波形60的复杂性主要来源于沿不同路径传播而又于不同时间抵达接收器的许多不同的超声波分量。标准波形60的一个重要特性是：调整后的波形中第一个出现的分量与沿所期望的路径25传播的超声信号分量相联系，其抵达时间可以很容易地确定。

标准波形60有几个特征，如引导61、初始脉冲62、基线64、基线断点66，第一偏离68，第一零幅值点70，骨信号72和软组织信号74。标准波形60还可以用包含在骨信号72和软组织信号74中的能量多少来表示其特征。可以用绝对能量，也可以用相对能量，这就是说，骨信号72有一定量的能量与之相关，软组织信号74也有一定量的能量与之相关。

引导61是在超声振荡发射之前收集到的取样的暂短延伸。初始脉冲62是一个电磁干涉的爆发，或“干扰”，是当发射超声信号时由信号处理电子装置探测到的，下面还将更详细地讨论。初始脉冲62并不代表在接收器28存在任何超声信号，但它对查证超声振荡的发射时间是有用的。如果在视频显示器上将标准波形60显示出来，通过调节水平标度和波形显示的偏移，即可消除初始脉冲62。

基线64出现在初始脉冲消失而发射出的声学信号未到达接收器28这段间隙。基线64是波形的零振幅分量，用来确定噪声阈值以探测到达接收器的声学能量。基线断点66是接收器26第一次接收到超声能量的那一点。

第一偏离68是标准波形60相对基线64的第一次偏离。图5显示的第一偏离68是负的半个周期的波形。发射器26发射的超声信号第一个半周的极性最好与标准波形60的第一个半周周期的极性一致。研究发现，通过保证标准波形的第一个半周期与发射的超声信号的第一个半周期具有同样的极性，我们可以确信标准波形60代表的发射超声信号沿所期望的路径传播，且这一超声信号既没有因折射而弯折，也没有在接收换能器产生额外的位相相消。“位相相消”一词指的是这样一种情况：当一个超声信号沿着两个以上不同的路径传播而到达接收器时，由于位相不同而彼此消除。第一零振幅点70标志着第一偏离68的结束，而且是继基线断点66之后，接收到的波形振幅为零的第一个点。

本发明提供了一个将超声信号导入并沿一条所期望的路径穿过被研究部位，以确定所研究部位强度的方法。超声信号能够沿众多超声路径传播，沿着各条路径被研究部位与超声信号的相互作用各不相同。图6透视图显示的仪器对实现本项发明的方法很有用，图7是其方框图。笼统地用数字10标示此仪器。仪器包括探头12，探头与计算机18相联接，并通过探头电缆14与超声调谐器23相联。计算机18包括一个中央处理单元19（后面简称为“CPU”）;一个视频显示器24;存贮单元20（图7），例如磁盘驱动器21（图6），用来存入和读出被测试的研究部位的有关信息;和一个超声调谐器23（图7），以使CPU19和超声系统的其他部份匹配。利用提供的键盘可以将有关信息输入计算机18，这些信息可能包括患者情况，要改变的测量参数，或者即将在视频显示器24上面显示波形的方法。关于这些单元的结构与功能，下面将给出更详尽的描述。

图8A和8B给出了一个实现本项发明的方法的优选程序。根据本发明，此方法的步骤包括在紧靠被研究部位的地方安放一个超声波发射器和一个超声波接收器，以便在发送器和接收器之间大致沿着所期望的路径（步骤92），建立一个直通超声路径。

对实施本发明方法很有用处的这一仪器包括一个探头12。探头12包括一个超声波发射换能器26和超声波接收换能器28。如图1、2、7所示，发送器26和接收器28能够安放在靠近被研究部位32（如人体内的髌骨）的地方，从而在这两者之间建立起一个所期望的路径25。发射器和接收器最好能放在被研究部位的两侧。发射器和接收器也可以选择放在被研究部位的同侧。不论那种情况，发射器26和接收器28必须配置在靠近被研究部位32的地方，以便沿所期望的路径建立一个直接超声通路，例如，所期望的路径25。

发射器26和接收器28最好是能与被研究部位32实现声学耦合，这可以通过在发射器26与被研究部位32之间及在接收器28与被研究部位32之间使用声学耦合介质（例如声学耦合胶）来实现。

根据本发明，本方法包括了朝着接收器发射超声信号使之进入被研究部位的步骤（步骤84）。图9和图10给出了仪器10的特定电子线路的两个可供选择实施方案。如图9、图10所示，CPU19控制一个振荡发生器104，它产生一串周期性电子脉冲信号。这个振荡发生器104产生的信号由驱动器106放大，并由发射器26转换成超声信号。发射器26能够发送超声信号使之穿过被研究部位32而被接收器28所接收。发送器26和接收器28最好是同样的超声换能器，例如，美国麻省Waltham的Panametrics公司制造的No.V533型换能器。这种能够发送和接收超声信号的超声换能器最好是标定中心频率为2.25MHz，带宽80%的频率响应接近6db，并在100-600KHz波段具有有效的信号能量。前面已讨论过，骨对较高频率声波衰减较大。因此，只要保证发射的超声信始中包含有在100-600KHz范围内的有效能量，就可以确信有足够的超声能量沿着一条穿骨而过的路径传播并被接收器28探测到。发射的超声信号最好是短暂的脉冲，例如5微秒量级。

根据本发明，本方法包括下述步骤：（1）在发射出的超声信号穿过被研究部位之后加以接收并产生一个接收到的电子信号，它代表了接收器接收到的超声信号（步骤86）;（2）对接收到的电子信号进行信号调整，并产生一个调整过的电子信号波形（步骤88）。

为实施本发明的方法，本发明提供了信号调整装置，将一个由接收器28产生的接收电子信号调整为一个整过的波形，这波形代表了接收器28收到的超声信号。在优选实施例中，信号调整装置包括了图9和图10中包括在虚线方框124和124′中的那些部分。

在这些图中，来自接收器28的被接收到的电子信号沿引线113到达前置放大器112，并被放大。此处实施的前置放大器112提供的增益G为100db（相当于大约100，000倍）。被放大信号接着通过将在下面描述的一些部分，然后输入数字化转换器118。数字化转换器以每秒20兆的取样速率从被放大的信号中取样并使用8位（毕特）模拟-数字转换器使信号数字化。在这种情况下，共收集1024个信号样本，每一个样本称为一个“点”，这些点的集合称为一个“记录”。

为了改善系统的信噪比，连续取得32个记录，并用波形平均器120逐点进行平均。得到的1024个平均后的点的集合称为一个“调整后的电子信号波形”。调整后的电子信号波形是接收到的超声信号的电子学表示，可以在视频显示器24中显示，并在存储器20中储存，或由中央处理单元（CPU）.19进一步处理。

时钟和控制单元122用以保证按适当的顺序处理接收到的超声信号。信号调整装置124还包括了一个带通滤波器，它允许20KHz到3MHz的频段的信号通过。

信号调整装置124最好还应包括一个自动增益调节装置，以保证接收到的超声信号振幅值在一个较合适的范围。自动增益调节装置提供了信号调整装置124的线性控制，自动增益调节装置可以如此处实施，放在超声调谐器23中，也可如图9所示，包括一个增益控制114，它与CPU19连接并能切实运行。增益控制114具有0-60db的衰减能力。

作为取代自动增益调节装置的一个可选择的方案，信号调整装置124可以包括对数压缩装置，它可对接收到的超声信号进行对数压缩，从而保证接收到的超声信号振幅值是在较合适的范围内。这样，对数压缩装置提供了波形发生装置的线性操作。如图10所示，对数压缩装置可以包括一个对数压缩器125和一个指数器126。对数压缩器125将通过带通滤波器116的信号转换成该信号的对数。

由接收器128产生的接收电子信号包括正负交替并不断经过零值点的正弦波。正如那些信号处理技术领域技术人员所知，人们并不能简单地对接收到的电子信号取对数，因此对数压缩器125计算clog（s），而不是计算log（s），其中s是接收到的电子信号，而

此处L是这样选取的，当S振幅较小，即当｜S｜≤L时，clog（S）复原为线性运算，这就避免了log变为负值（从而避免出现无穷大），或当S从小于1变到零或负值时，出现未定义的数字。L可取大于1的数值，且令Q＝log（L），以便于clog运算是S的一个连续函数，在｜S｜＝L处从log到线性运算的转换附近没有断点。

指数器126将信号的数字化的对数变成原来形式，这样信号就可参照有关信号调整装置124的描述中介绍的方法去处理，以产生一个调整后的电子信号波形。

根据本发明，这个方法包括了将调整后的电子信号波形的某些特定的特征与标准波形的相应特征进行比较的步骤（步骤90）。标准波形是在发射的超声波至少有一部分沿着所期望的路径穿过所研究的部位传播时，所研究部位与发射的超声信号相互作用而得到的。

为实现本发明的方法，比较装置包括了CPU19。如上面所讨论的，调整后的电子波形是来自波形平均器120的输出并以电子信号的数字表示的形式出现。对这个信号的数字表示可进行抽样检查以提供关于调整后的电子信号波形的特定的特征。类似地，标准波形60的特定的特征也用数字式表示并存储于CPU19中。这样在CPU19中就可以用电子学的方法将标准波形60的特定的特征与调整后电子信号波形的特定的特征进行比较。

另一可供选择的方案是，可将调整后的电子信号波形在视频显示器24中显示出来。操作者可在显示器中将调整后的电子信号波形与一标准波形60的直观表示进行直观比较，或者将调整后的电子信号波形与操作者所知的标准波形60进行比较。因此，计算机18可以包括显示装置以显示调整后的电子信号波形，如视频显示器24。附图中视频显示器24显示了一个调整后的电子信号波形，这仅仅是为了便于说明，不应当解释为代表了根据本发明得出的波形或者在任何方面限制了本发明。

CPU19最好将标准波形60与调整后的电子信号波形加以比较，以决定调整后的电子信号波形是否基本上具有与标准波形60同样的特征。图8B显示了一个进行自动比较的优选程序。既然标准波形具有的特征表示了一个超声信号已经沿所期望的路径传播通过了被研究部位，当调整后的电子信号波形基本上具有了标准波形的同样特征时，可以认为接收到的超声信号是沿所期望的路径传播过来的。

最好在当调整后的电子信号波形和标准波形都包括第一部分和第二部分的时候进行上述比较。标准波形和调整后的电子信号的波形的第一部分相应于沿一个穿过骨的路径传播的发射超声信号，标准波形和调整后的电子信号波形的第二部分相应于沿着至少有一部分穿过骨头和软组织的路径传播的发射超声信号。

如图5所示，标准波形60包括两个部分，第一部分是骨信号72，第二部分是软组织信号74。骨信号72包括的分量代表了穿过髌骨（如穿过所期望的路径25）和很可能也穿过了前皮质38而传播的发射超声信号波形。软组织信号74是一个复合波形，它包括的分量代表了穿过髌骨和髌骨周围的软组织而传播的发射超声信号。

CPU19最好是通过以下步骤实施波形比较：首先设置与标准波形第一部分和第二部分相似的调整后的电子波形的第一部分和第二部分（步骤210）。然后，CPU19将调整后的电子信号波形的第一部分，称为“调整后电子信号骨波形”，与标准波形60的骨信号，称作“标准骨波形”，进行比较（步骤212）。CPU19将调整后的电子信号波形的第二部分，称作“调整后电子信号软组织波形”，与标准波形60的软组织信号，称作“标准软组织波形”，进行比较（步骤214）。这些步骤是图8A所示的比较步骤90的子步骤，表示在图8B的流程图中。

在第一部分中，标准波形的主频率最好是落在第一频率范围内，而在第二部分中，标准波形的主频率最好是落在第二频率范围内。这两个频率范围是不相同的。如图5所示，相应于第一部分的骨信号72与相应于第二部份的软组织信号74的频率有很大差别。这反映了下述事实：如在图3中所说明的，软组织对发射器26发射的超声信号频谱范围的声波几乎很少衰减，而处于所期望路径的骨对较高频率声波的衰减相当严重。这样骨信号和软组织信号就可以根据它们不同的主要频率而区分。

如同此处所实施的（如图8所示），本发明的方法包括了确定调整后的电子信号波形是否与标准波形基本相同的步骤（步骤90）。最好是调整后的电子信号波形的第一部份中所含有的第一频率范围内的予定部份包含第一期望值的能量，而调整后的电子信号波形的第二部份所有的第二频率范围内的予定部份包含第二期望值的能量。当发射器26和接收器28同时相对于髌骨朝前移动时，通过覆盖在髌骨前部的软组织而传播的发射超声信号就会成比例地增加。类似地，当发射器26和接收器28相对于髌骨朝后移动，则通过髌骨本身而传播的信号就会成比例增加。因此，由骨信号和软组织信号代表的能量的相对大小，可以成为发射器26和接收器28相对于髌骨的位置的指示器。这种相对能量可用下述方法计算。

由数字化的调整后电子信号波形中第512到1023点产生的一个512点波形被称为“检验波”，用梯形时窗对放大的检验波进行调节，使之被“加上时窗”。梯形时窗是这样的，相应于检验波前25个点，其值由0到1线性增大，后面的462个点保持常值，然后相应于检验波的最后25个点，其值又由1降到零。

加时窗之后，CPU19对检验波进行傅里叶变换以得到作为频率范围的函数的加时窗的检验波的振幅值。然后利用CPU19进行三个振幅函数的积分，如下：

LFE＝从19.5KHz到0.5MHz的积分

HFE＝从0.5MHz到3.5MHz的积分

TOT＝从19.5KHz到10MHz的积分

LFE是检验波低频分量的积分，它与骨信号72的能量相关。HFE是检验波高频分量的积分，它与软组织信号74中的能量相关。TOT与检验波的总能量相关。对一个由超声信号沿所期望的路径25传播而得到的调整后的电子信号波形来说，它满足下面两个条件：

1.LFE/TOT＞0.15;及

2.HFE/TOT＞0.40

如果第一个条件不满足，则调整后的电子信号波形中的骨信号太小了，这样的调整后的电子信号波形与标准波形60不等，应予拒绝。这种情况在发射器26和接收器28相对所期望的路径25太靠前或太靠后时都会出现。如果第二个条件不满足，则调整后的电子信号波形中的软组织信号太小了，这样的调整后的电子信号波形由于与标准波形60不等，也应拒绝。这种情况出现在发射器26和接收器28被放在所期望的路径后面，但又不是太远时，否则将使骨信号降低。

当在靠近被研究部位的地方安放发射器和接收器时，会产生一些与标准波形基本上没有相同特征的波形。这种调整后的电子信号波形的例子在图11-13中给出。

图11显示了一个调整后的电子信号波形，其中，调整后的骨电子信号中的初始部分78的振幅太小，并且，其中骨信号72′的第一偏离68′是调整后电子信号波形的特征，但却不是标准波形。这类调整后的电子信号波形可能由几种原因产生，例如，超声信号折射性弯曲或沿所期望路径传播的超号信号成分太少。图11的波形还可以由于接收换能器的位相相消而产生。参看Klepper等人“位相不敏感探测及对频率依赖关系的测量在超声衰减计算机成像中的应用”，美国电气电子工程师协会汇刊（IEEE    Trans.），生物医学工程（Biomedicel    Engineering），BME-28卷，第2期，1981年2月。

图12显示的也是一调整后的电子信号波形。其中，调整后的骨电子信号的振幅太小，并且其中骨信号72′的第一偏离68′是调整后电子信号波形的特征，但却不是标准波形。出现图12这种调整后电子信号波形的原因可能与上面给出的图11波形的相同。

图13显示了一个调整后的电子信号波形，其中调整后的骨电子信号的第一偏离完成消失而且初始骨信号的振幅太小，这可能也是由于上面引用的图11相关的原因产生的。这些原因导致了这样一种状况：不可靠的第一偏离68′完全被衰减掉了，只有发射的声波的较后面的能量可以在接收器被探测到。

根据本发明，本方法包括在相对于被研究部位的不同方向上重新安放发射器和接收器的步骤，以建立不同的超声路径，直至调整后的电子信号波形的特定特征与标准波形的特定特征基本相同。当这一步骤完成后，从发射器发出的超声信号至少有一部分可沿所期待的路径直至接收器。图8A显示了这一重新安放步骤，如第92行的判断是“否”，步骤82-90成为一个循环。

必须注意，如果发射器26和接收器28被安放的太靠后了，得到的一个调整后的电子信号波形看起来与标准波形相似，但结果将是无效测量。可以发现，一个简单测试就能断定探头12是否在合适的靠前的位置。轻压超声信号路径上方（即前皮质39上面）的表皮，如果探头12处在合适的靠前的位置，调整后的电子信号波形中相应于软组织的分量将会消失或明显减小。如果探头12放得太靠后，当表皮受压时，调整后的电子信号波形中的软组织分量并不会变化。

通过改变位置，可以建立起一个或多个超声路径，这样做的原因在于很难在第一次尝试中就找到所期望的路径。此处，发射器和接收器必须相对于被研究部位移动，直到处于它们二者之间的直接通路落在穿过被研究部位的所期望的路径上。当发射器和接收器之间的直接通路落在所期望的路径上，调整后的电子信号波形将基本上具有与图5所示的标准波形相同的特征。

根据本发明，本方法包括沿所期望的路径穿过被研究部位传播的超声信号的分量的传播时间的测量步骤。这时间间隔是从发射超声信号起至接收到沿所期望路径穿过被研究部位传播的被接收的超声分量为止。如此处实施的（如图8所示），此方法包括确定超声信号发射与时刻tc之间的传播时间的步骤（步骤94）。

实现本发明的这一方法的仪器包括了计算装置（进一步还可包括CPU19），以便用一个与比较程序不同的程序进行计算。

在计算程序中，CPU19首先确定发给振荡发生器104命令的时间（称“命令时间”），这一命令使发射器26发射超声信号进入被研究部位。CPU19其次确定沿所期望路径25穿过被研究部位而被接收的超声信号分量到达接收器28的时间（称“接收时间”）。在确定接收时间时，接收器28所探测的断点66所在的时刻很可能不是沿所期望的路径25穿过被研究部位传播的超声信号分量被接收器28接收到的时刻。如图4a-4d中所表明的，断点66可能是穿过前皮质而传播的超声信号分量到达时刻，因此，沿所期望路径传播的分量的实际到达时刻必须间接确定或进行估计。

CPU19对沿着所期望的路径穿过被研究部位而传播的超声信号的分量的接收时间的估计最好用下述方法：从基线中鉴别接收到的信号的第一偏离并找出在第一偏离之后接收到的超声信号中第一次振幅为零的时刻，这个零振幅点即为所估计的沿着所期望的路径穿过被研究部位传播的超声信号分量被接收到的时刻，并且相对说来不受穿过前皮质传播的分量存在与否的影响。CPU19通过探测接收到第一半周68末端的时间来估计沿着所期望的路径穿过被研究部位传播的被接收超声信号分量的到达时间。第一半周68的末端即为第一零振幅点70，并且出现在to时刻，如图4b和图4c所示。

当第一偏离比正、负阈值都要小时，最好用CPU19来识别第一偏离。如以上所讨论的，并如此处所实施的，第一偏离68是一调整后的电子信号波形第一次偏离基线64，在这点接收器28第一次接收到能量。已经发现对有些人的髌骨可能会出现小的初始正偏离。如果这个初始正偏离足够小，可予忽略而不致有任何问题。然而，如果初始正偏离大于正阈值，则这个调整后的电子信号波形将被CPU19所拒绝。此外，标准波形有负的第一偏离，其绝对值比予先确定的负阈值的绝对值要大。如果发现负第一偏离的绝对值小于负阈值的绝对值，则这个调整后的电子信号波形也将被CPU19拒绝。这样，如参考图11-13讨论的那样，可以确信接收到的超声信号既没有因折射而弯曲，也没有在接收换能器处受到位相相消，而是穿过了所期望的路径。

根据本发明，本方法包括了计算沿着所期望的路径穿过所研究部位传播而被接收的超声信号分量的表观速度值的步骤。该速度可由测量的传播时间和确定的接收器和发射器之间的距离算出。表观速度与被研究部位的强度有关（步骤96）。

要得到穿过骨的声波的表观速度，要求测量或知晓声波传播的距离，这个距离除以由步骤94确定的传播时间，产生了这里所指的声波的表观速度。“表观”一词意味着这个声速体现了声波传播经过所有介质，即软组织、脂肪、连接组织和骨的复合体。而我们所要的是声在骨中的真实速度，这个速度是在骨中传播的超声信号所经过的距离除以其传播时间。“表观速度”这一名称反映了测量是对骨中“真实声速”的近似这一事实。在一定条件下，例如当围绕骨的软组织的厚度足够小时，真实速度与声的表观速度接近相等。对人体髌骨，这些条件是满足的。

探头12包括了距离测量装置以测量发射器26和接收器28之间的距离。如同此处所实施的，距离测量装置包括一个数字测径器30，它可提供一个数字距离信号，指示发射器26和接收器28之间的距离。距离信号沿线100被送入CPU19，它是由下述方法产生的：发射器26通过第一连杆31与标尺29相连，接收器28通过第二连杆33与滑动块27相连，当接收器28和滑动块27一并从原点（如图7中虚轮廓线所示）移动到被研究部位32上与发射器26相对的一边时，产生一个距离信号，这个信号与它与滑块一并移动的距离‘d’成正比。距离信号被沿着线100送往CPU19。

如同此处实施的（如图8所示），根据本发明提出的方法包括了确定骨强度降低或发生疾病的危险性的步骤，这是通过将测量的速度与相应的正常人或病人的速度相比较而得出的（步骤98）。“相应的受试者”指的是这样一些人，例如他们相对于要确定骨强度的人具有相应的年龄、种族和地理位置。如上讨论过的，沿所期望的路径25穿过被研究部位32传播的超声信号速度与所研究部位的强度相关，特别是由公式5：

$\mathrm{V=}\sqrt{\mathrm{K*r}}$

就诊断应用而言，r和k两者都不需直接计算，速度V与骨质量因子K和密度r两者均相关。既然因疾病造成不论那一个量下降，都会导致强度降低，速度的下降就成为疾病和强度降低的指示。进一步，如果人们确定了骨密度r，则骨质量因子K就可以直接计算出来。人们可以通过将沿着所期望路径穿过被研究部位传播的声速与特定病人所在群体的相应速度比较，从而确定骨强度降低的危险。如同此处所实施的，这一比较是由CPU19完成的。

可供选择的另一做法是：可以用，例如，X-光技术来确定沿着所期望的路径处的骨密度，并计算出K值。通过将计算的K值与特定病人所在群体的K值联系起来，就可以确定沿着所期望的路径处骨强度。如同此处所实施的，沿着所期望路径处的骨密度r可利用键盘22输入CPU19，K值可由CPU19计算并通过CPU19与已知K值进行比较。

沿着所期望的路径（例如髌骨的上中部）的超声信号速度的测量给出了关于在这一位置骨的弹性模量、断裂强度和质量的信息。这些信息与髌骨或其它部位的骨（例如脊椎骨）的特性或健康有着极有意义的关联。

十分明显，本领域技术人员可以对本项发明，即活体骨强度超声分析的仪器和方法做出各种各样的修改和变化，而不偏离本发明的范围或精神。因此，在此说明下述意向：本发明包括了对本项发明的在所附权利要求及其等效要求的范围之内的修改和变化。

Claims (27)

1、将一个超声信号导入一条穿过一个被研究部位的所期望的超声路径的方法，超声信号能够沿众多超声路径传播，而在众多路径中的各条中被研究部位与超声信号的相互作用互不相同，此方法包括下述步骤：

(a)靠近被研究部位安装一个超声发射器和一个超声接收器，以便在所述发射器和所述接收器之间，大致沿着所期望的路径，建立一个直通超声路径；

(b)朝着接收器方向发射一个超声信号使其进入被研究部位中；

(c)在被发射的超声信号穿过被研究部位后接收此超声信号，并产生一个代表所述接收器接收的超声信号的接收电子信号；

(d)将所述接收电子信号进行信号调整，以产生一个调整后的电子信号波形；

(e)将调整后的电子信号波形的特定特征与一个标准波形的相应特定特征进行比较，当上述所发射的超声信号至少有一部分沿所期望的路径穿过所研究部位传播时，被研究部位与所发射的超声信号相互作用就得到所述标准波形；

(f)在相对于被研究部位的不同方向上，改变所述发射器和所述接收器的位置，以建立起不同的超声通路，直至所述调整后的电子信号波形的所述特定特征与所述标准波形的所述相应的特定特征基本相同，从而表明从所述发射器发射的所述超声信号至少有部分沿所述所期望的路径传播并到达了所述接收器。

2、确定一被研究部位的强度的方法，包括下述步骤：

（a）从发射器发射-超声信号穿过被研究部位;

（b）在超声信号传播穿过被研究部位后，接收器接收此此超声信号，接收到的超声信号包括沿所期望路径穿过被研究部位传播的分量和沿一条或多条其它路径穿过被研究部位传播的一个或多个分量;

（c）测量沿所期望路径穿过被研究部位传播的超声信号分量的传播时间，这一时间是指从发射出超声信号到接收到沿所期望路径穿过被研究部位传播而被接收到的超声信号分量之间所经历的时间;以及

（d）计算沿所期望路径穿过被研究部位传播的被接收超声信号分量的表观速度值，这可由所测的所述接收器和所述发射器之间的距离除以所测的传播时间得出，表观速度与被研究部位的强度有关。

3、将超声信号导入一个穿过被研究部位的所期望路径以确定被研究部位强度的方法，超声信号能够沿众多超声路径传播，这众多路径包括穿过被研究部位的所期望路径，沿众多路径中的每一条路径被研究部位与超声信号的相互作用均不相同，本方法包括下述步骤：

（a）安放一个超声发射器和一个超声接收器、发射器和接收器之间相隔一个探头间距，两者应靠近被研究部位以在所述发射器与所述接收器之间建立一条很接近所述所期望路径的超声直通路径;

（b）朝着接收器方向发射一个超声信号使其进入被研究部位;

（c）在发射的超声信号传播穿过被研究部位后，接收此超声信号，并产生一个代表所述接收器接收到的超声信号的接收电子信号;

（d）对所述接收电子信号进行信号调整，以产生一个调整后的电子信号波形;

（e）将调整后的电子信号波形的特定特征与标准波形的相应特定特征进行比较，当所述发射超声信号至少有一部分沿所述所期望的路径穿过被研究部位传播时，被研究部位与所述发射超声信号相互作用就得到所述标准波形;

（f）在相对于被研究部位的不同方向上改变所述发射器和所述接收器的位置，以建立起不同的超声通路，直至所述调整后的电子信号波形的所述特定特征与所述标准波形的所述特定特征基本相同，从而表明从所述发射器发射的所述超声信号至少有一部分沿所述所期望的路径传播并到达了所述接收器;

（g）测量沿所期望路径穿过被研究部位传播的超声信号分量的传播时间，这一时间是指从发射出超声信号到接收到被接收的超声信号分量之间所经历的时间，这一被接收的超声信号分量是沿所期望的路径穿过被研究部位传播的;以及

（h）计算沿所期望路径穿过被研究部位传播的被接收到的超声信号分量的表观速度值，这可由所述探头间距离除以所测量的传播时间得出，表观速度与被研究部位的强度有关。

4、如权利要求1或3中所叙述的方法，其中，所述发射一个穿过被研究部位的超声信号的步骤包括发射一个第一半周是第一极性的超声信号的步骤，以及

其中，改变所述发射器和所述接收器的位置的步骤被多次重复，直到上述被调整的电子信号波形具有上述第一极性的第一半周。

5、如权利要求1或3中所叙述的方法，其中，在靠近被研究部位安放所述发射器和所述接收器的所述步骤中包括在被研究部位的相对两侧安放所述发射器和所述接收器的步骤。

6、如同权利要求1或3中所叙述的方法，其中，对被接收的电子信号波形进行信号调整的所述步骤包括自动调整所接收到的超声信号振幅的步骤，以保证所述接收到的超声信号的振幅是在一个更合适的数值范围内。

7、如权利要求1或3中所叙述的方法，其中，对接收到的超声波形进行信号调整的所述步骤包括对接收到的超声信号进行对数压缩的步骤，以保证所述接收到的超声信号的振幅是在一个更合适的数值范围内。

8、如权利要求1或3中所叙述的方法，其中，将调整后的波形和标准波形的特定特征进行比较的所述步骤包括在视频显示器上显示调整后的波形的步骤。

9、如权利要求2或3中所叙述的方法，其中，测定传播时间的所述步骤包括，估计接收到被接收的超声信号分量的时间的步骤，这个被接收的超声信号分量是沿着所期望的路径传播穿过被研究部位的，通过：

识别第一时间点，在这一时刻所述调整后的电子信号波形偏离基线值，并且

识别第二时间点，在这一时刻，所述调整后的电子信号波形继所述第一时间点之后第一次到达基线值，所述第二时间点用来估计接收到被接收的超声信号分量的时刻，这一分量是指沿所期望路径穿过被研究部位传播的被接收的超声信号分量。

10、如权利要求9中所描述的方法，其中，识别第一时间点的所述步骤包括确定所述调整后的电子信号波形的第一偏离小于正阈值和负阈值的步骤。

11、如权利要求1，2或3中所叙述的方法，其中，发射一个穿过被研究部位的超声信号的所述步骤包括发射一个穿过人体内被软组织包围的骨的超声信号的步骤。

12、如权利要求11中描述的方法，其中，所述信号接收步骤包括接收这样一个超声信号的步骤，这个超声信号包括第一部分和第二部分，所述接收的超声信号中的所述第一部分相应于沿一个穿过骨的路径传播的超声信号，接收的超声信号的第二部分相应于至少沿着一个穿过骨的路径和一个穿过软组织的路径传播的超声信号的分量。

13、如权利要求12中所描述的方法，其中，发射一个穿过被研究部位的超声信号的所述步骤包括发射一个具有至少一个高频分量和一个低频分量的超声信号，所述高频分量沿一穿过软组织的路径传播，而所述低频分量沿一穿过骨的路径传播。

14、如权利要求13中所描述的方法，其中，所述接收步骤包括接收一个超声信号的步骤，此信号中所述第一部分的特征由第一频率范围所表示，而所述第二部分的特征由与所述第一频率范围不同的第二频率范围表示。

15、如权利要求12中所描述的方法，其中，所述比较步骤包括试图在所述电子信号波形中确定第一和第二部份的步骤，所述第一和第二部份分别具有可区分的测定的第一特征和第二特征，它们与所述标准波形中的所述特定的特征相似。

16、如权利要求15中所描述的方法，其中，所述第一和第二可区分的特征分别包括第一和第二频率范围，并且其中所述试图定位的步骤包括下述子步骤：

在所述电子信号波形的所述第一部分的第一频率范围中的能量的第一予确定量的测量;以及

在所述电子信号波形的所述第二部分的第二频率范围中的能量的第二予确定量的测量。

17、一个将超声信号导入所期望的超声路径，穿过被研究部位的仪器，此超声信号能沿众多超声路径传播，沿众多路径中的每一条路径被研究部位与超声信号的相互作用各不相同。此仪器包括：

（a）在靠近被研究部位安放一个超声发射器和一个超声接收器，用以在所述发射器和所述接收器之间建立一条大致沿着所期望路径的直通路径，所述发射器包括将被发射的超声信号朝着接收器方向射入被研究部位的装置，而所述接收器包括在发射信号穿过被研究部位之后接收发射信号并且产生一个接收电子信号的装置，这个接收电子信号代表了被所述接收器接收的超声信号;

（b）信号调整装置与所述接收器相通，以调节所述接收电子信号，从而形成一调整过的电子信号波形;以及

（c）比较装置与所述信号调整装置相耦合，以允许将调整后的电子信号波形的特定特征与标准波形的相应的特定特征进行比较，所述标准波形是当所述发射超声信号至少有一部分沿着所期望的路径穿过被研究部位传播时，由被研究部位与所述发射的超声信号相互作用而得到的，所述比较装置允许将所述调整后的电子信号波形的所述特定的特征与所述标准波形的所述相应特定的特性进行比较。借助这一比较，能够相对于所研究部位沿不同方向改变所述发射器和所述接收器的位置，以建立不同的超声路径直至所述调整后的电子信号波形的所述特定的特征与所述标准波形的所述特定的特征基本相同，从而表明从所述发射器发射的所述超声信号至少有一部分已沿所述期望的路径传播至所述接收器。

18、将一超声信号导入穿过被研究部位的所期望的超声路径的仪器，以确定被研究部位的强度，这个超声信号能够沿众多超声路径传播，且沿众多路径中的每一条路径，被研究部位与超声信号的相互作用各不相同，本仪器包括：

（a）一个超声发射器和一个超声接收器安放在靠近被研究部位的位置，以在所述发射器和所述接收器之间大致沿着所期望的路径建立起一条直通超声路径，所述发射器包括一个朝着接收器的方向发射超声信号进入被研究部位的装置，所述接收器包括一个在所发射的超声信号穿过被研究部位后接收它并产生一个接收电子信号的装置。这个电子信号代表被所述接收器接收的超声信号;

（b）信号调整装置与所述接收器相通，以调整所述接收电子信号，从而形成一个调整后的电子信号波形;

（c）比较装置与所述信号调整装置相耦合，以允许将调整后的电子信号波形的特定特征与标准波形的已知特定特征进行比较，所述标准波形是当所述发射的超声信号至少有一部分沿着所期望的路径穿过被研究部位传播时，由被研究部位与所述发射的超声信号相互作用而得到的，以及

（d）与所述比较装置相应，计算装置用于测定所期望的超声信号穿过被研究部位的传播时间;这一时间是从发射所述超声信号到接收到被接收的超声信号分量之间所经历的时间，这个被接收的超声信号分量是沿所期望的路径穿过被研究部位而传播的;计算装置还用于计算被接收的沿所期望路径穿过所研究部位传播的超声分量的表观速度值，将所确定的所述接收器和所述发射器之间的距离除以所测量的传播时间即得该表观速度。所述表观速度是与所研究部位的强度相联系的。

19、如权利要求17或18中所描述的仪器，进一步包括了与所述发射器和所述接收器相配合的装架结构，以允许将所述发射器和所述接收器安放在被研究部位的两侧。

20、如权利要求17或18中所描述的仪器，其中所述信号调整装置包括范围自动控制装置，以保证所述接收到的超声信号振幅是在信号调整装置的线性操作范围内。

21、如权利要求17或18中所描述的仪器，其中所述信号调整装置包括了对数压缩装置，以保证所述接收到的超声信号振幅是在信号调整装置的线性操作范围内。

22、如权利要求17或18中所描述的仪器，进一步包括了显示所述调整后的电子信号波形的装置。

23、如权利要求22中所描述的仪器，其中所述显示装置包括一个视频显示器。

24、如权利要求18中所描述的仪器，其中所述计算装置包括估算接收到被接收的超声信号分量的时间的装置，被接收的超声信号分量是沿所期望路径穿过被研究部位传播的，这一估算是通过：

识别第一时间点，在这一时刻所述调整后的电子信号波形偏离基线值，并且

识别第二时间点，在这一时刻，所述调整后的电子信号波形继所述第一时间点之后第一次到达基线值，所述第二时间点用来估计接收到被接收的超声信号分量的时间，这一分量是指沿所期望路径穿过被研究部位传播的被接收的超声信号分量。

25、如权利要求24中所描述的仪器，其中所述计算方法进一步包括用于确定下述时间的装置，即确定在什么时间所述调整后的电子信号波形的所述第一偏离小于一个正阈值及一个负阈值。

26、如权利要求17或18中所描述的仪器，其中所述发射器包括发射超声信号的装置，当靠近活体内被软组织包围的骨安放所述超声发射器和超声接收器时，这个超声信号至少包括一个沿穿过软组织的路径传播的高频分量和一个沿穿过骨的路径传播的低频分量。

27、如权利要求26中所描述的仪器，其中所述比较装置包括确定所述调整后的电子信号波形的第一和第二部份的装置，调整后的电子信号波形的第一和第二部分与所述标准波形的相应第一和第二部分相似。

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