CN1180228C - 骨中音速的确定 - Google Patents

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Abstract

一种确定覆盖有具有外表面的一层软组织的骨段中的音速的方法，包括：确定第一超声波沿从所述外表面回到所述外表面的第一路径的第一行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第一部分中的第一骨路径和在所述软组织的至少一部分中的第一软组织路径；确定第二超声波沿从所述外表面回到所述外表面的第二路径的第二行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第二部分中的第二骨路径和在所述软组织的至少一部分中的第二软组织路径；确定第三超声波沿从所述外表面回到所述外表面的第三路径的第三行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第三部分中的第三骨路径和在所述软组织的至少一部分中的第三软组织路径；及响应一组联立方程的解导出所述骨段中的所述音速。

Description

骨中音速的确定
相关申请
本申请要求1998年3月3日提交的美国临时专利申请号60/076,698的权益，通过引用将其结合在此。
技术领域
本发明涉及骨的机械性质的无损伤测定，尤其是在相对于骨的任意角度上的测定。
背景技术
已知声波在物质中的速度取决于该物质的机械性质。
在一定角度上到达固体的声波通常作为三种波的组合通过与沿该固体传播，即纵向、横向及表面波，其中各波具有不同速度。在骨速度确定中，通常测定最快的纵波。纵波的速度是
V L = E ( 1 - σ ) ρ ( 1 + σ ) ( 1 - 2 σ ) - - - ( 1 )
其中E、σ与ρ分别是杨氏模量、横向收缩对纵向伸长之泊松比及物质的质量密度。
在称作“骨质疏松的骨脆性：超声传输速度检测”的文章，(R.P.Heaney等人，JAMA，卷261第20期，1989年5月26日，2986-2990页中)，骨的杨氏模量E由经验给出为：
                     E＝Kρ2   (2)
此时骨中纵向声波的速度为：
V L = ( E / ρ ) = ( Kρ ) - - ( 3 )
其中K为包含诸如骨骼结构的空间朝向、骨物质的固有性质与疲劳损伤等多种因素。因此，纵波的速度为质量密度的函数并可用作骨的质量的指示器。
为了执行骨的机械性质的体内超声测定，必须通过骨周围的软组织传输超声波。不幸的是，软组织的厚度是沿骨的长度变化的。并且对于所有的软组织，软组织速度不是常数值。这些变化能影响通过骨的超声传播时间测定值的精度。通常，软组织厚度及其速度的变化或者加以忽略或者试图对消软组织的效应。
通过引用将其结合在此的美国专利号5,143,072描述了通过保证在通过软组织的路径部分对于不同测定具有相同的长度时取测定值来克服介入的软组织的未知厚度的效应的方法。一个发射机与两个接收机放置在平行于骨的共线配置中。当波从发射机向骨发射时，该波通过介入的软组织然后沿骨前进。这两个接收机检测从骨出口及行进通过软组织回到两个接收机的超声波。忽略软组织，从发射机到第一接收机与第二接收机的路径之差是一段其长度等于两个接收机之间的距离的骨。通常，软组织是不能忽略的。然而，如果两个接收机相当靠近在一起，在骨与接收机之间的软组织中的路径长度是近似相同的，并且在一定的精度级上应是对消的。在上面的专利文件中所描述的一个实施例中，接收机/发射机配置是摆动的，并且只在骨与两个接收机之间的(最短)距离相等时才取测定值。可用接收机作为从骨反射波的发射机/接收机测定这些距离。当传播时间相等时，假定配置是与骨共线的。
然而，即使这一方法也有若干缺点。首先，软组织速度不是常量，而是它随软组织的类型而变化。此外，骨与接收机之间的传播路径对于反射波与来自发射机的波是不同的，因此计算出的声音骨速度是不正确的。第二，上述方法需要相对长的平骨部分。从而，使用该方法只能测试诸如胫骨等少数骨骼。此外，由于高频超声波是非常耗散的，将它们用在这一方法中是不现实的。
通过引用将其公开结合在此的PCT公布WO97/13145描述了骨速度确定的另一方法，其中可以测定骨的很短部分中的速度。在这一公布中，将若干波发射到骨上并用一或多个接收机接收。一个波行进通过骨与软组织两者而一或多个波只行进通过软组织。用只行进通过软组织的波来计算软组织速度。应用计算出的软组织速度来从行进通过骨与软组织两者的波的行进时间中求出骨速度。
发明内容
本发明的一些实施例的目的之一为提供具有高空间分辨率的声音骨速度确定方法。此外，在本发明的一些较佳实施例中能测定一小部分骨骼，从而几乎人体的所有骨骼都能测定。
本发明的一些较佳实施例的另一目的为提供即使在测定探头不平行于骨骼时也能确定声音骨速度的方法。应理解在许多医学情况中，与非损伤性测试情况不同，不能用简单的方法精确地确定骨与皮肤的相对分布。反之，在非损伤性测试情况中，通常将任何介入层制造成已知厚度。
本发明的一些较佳实施例的另一目的为提供确定声音骨速度的方法，其中骨骼不是平滑的与/或其中骨对测量探头呈现弯曲的或非平面的表面。
本发明的一些较佳实施例的另一目的为提供测量探头与/或测量方法，其中在发射元件与接收元件之间存在最小的干扰量。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及沿一或多个发射机与一或多个接收机之间的两或多条不同路径获取超声波的行进时间的若干测定值。在本发明的较佳实施例，至少三条并且最好所有路径都包含要确定其音速的一段骨骼。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及作为测定超声速度的一部分，超声波沿其行进的路径之间的重叠的量。在本发明的较佳实施例中，不同路径的骨部分实质上并不重叠。作为附加或替代，超声波在骨周围的软组织中的路径实质上并不重叠。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及用来确定超声波的行进时间的发射机与接收机的相对对齐。在本发明的较佳实施例中，不是所有发射机与/或接收机都是共线的。在本发明的较佳实施例中，发射机与/或接收机不是都共面的。作为替代或附加，可按任何次序布置所使用的发射机与接收机，例如一种次序是发射机、接收机、发射机及接收机。作为替代或附加，单个超声元件可作为发射机与接收机两者工作。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及解连接测定值与未知变量的方程的方法。在本发明的较佳实施例中，声音的骨速度是通过解在其中插入测定时间的一组联立方程确定的。作为附加或替代，分析化简这些联立方程使之只剩下只包含一个变量的一个方程，例如骨速度。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及通过对其它未知数作出不同假设便能执行确定的变量的若干级估计。在本发明的较佳实施例中，至少4个变量互相相关：骨速度、软组织速度、探头距骨的平均距离及探头与骨的夹角。在本发明的较佳实施例中，通过解一组方程可从其它变量估算或计算出这些变量中的任何一个。在本发明的较佳实施例中，将软组织速度估算为例如1500m/s，因而只须计算三个变量。从而只需三个行进时间测定值。作为附加或替代，四个以上变量可以互相相关，例如，如果假定软组织包含两层，各具有不同的音速。作为附加或替代，在用具有已知特征的模型的标定阶段中，可用已知或假定的“骨”音速来确定发射机与接收机之间的距离与/或探头的其它尺度。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及确定声波沿要求的路径的行进时间的方法。在本发明的一些较佳实施例中，通过检测第一波从发射机到达接收机来确定发射机与接收机之间的行进时间。然而，在一些情况中，第一波可能不是沿要求的路径行进的。在本发明的较佳实施例中，根据检测到的波的特征来确定波已沿要求的路径行进。在一个实例中，取决于波是否通过骨骼，波的频谱是不同的。在本发明的较佳实施例中，由于频率—衰减关系与/或频率—扩散关系是取决于波行进通过的物质的，频谱是不同的。作为附加或替代，如果两个波沿两条不同路径到达接收机，当这两个波在时间上重叠到达接收机时，可以预期至少对于某些频率分量波幅是增加的。在本发明的较佳实施例中，不是预定波的这些特殊特征，通过在检测类似特征的波的两个接收机上执行波的时间相关来确定所要求的波到达接收机的时间。
本发明的一些较佳实施例中的另一方面涉及由接收机/发射机探头的超声元件，尤其是用于声音骨与/或软组织速度确定的元件，之间的串音导致的干扰的降低。在本发明的较佳实施例中，探头设计对在探头的超声元件之间行进通过探头的波提供迷宫式隔离。从而可以延迟这些波。作为附加或替代，在这些超声元件之间的空间中用减慢声音的物质与/或衰减声音的物质填充。这一速度降低允许在时间上关闭行进通过探头的波。作为附加或替代，设置电屏蔽来屏蔽开接收机与发射机。这减少电串音。
在本发明的较佳实施例中，用衰减物质在超声元件与要测定的物体之间构成声室来减少超声元件之间的串音。作为替代或附加，声室中填充有减慢声速物质。
作为替代或附加，当将超声探头贴着人体放置时，使用衰减与/或减慢声速耦合物质来延迟与/或衰减有害的串音。
本发明的一些较佳实施例的另一方面涉及定义具有晚关闭时间与作为附加或替代的早关闭时间的检测窗。在本发明的较佳实施例中，定义这种晚与/或早关闭时间使得不通过骨骼的超声波不能在时窗内到达接收机上。作为替代或附加，这些波有可能到达，但只在极度衰减的幅度上。在本发明的较佳实施例中，各探头的关闭时间是存储在与该探头关联的存储介质上的。在本发明的较佳实施例中，存储介质是与探头一起封装的。作为替代或附加，存储介质是物理地连接或安装在探头上的。作为对时窗的替代或附加，其它标定信息与/或频率特征信息，尤其是用于区分行进通过骨的波的，与/或探头的特征与/或标识信息与/或探头的使用信息是存储在存储介质上的。在本发明的较佳实施例中，存储介质包括嵌入探头中的电子电路。该电路最好包括一个EPROM。在本发明的较佳实施例中，当将探头连接到母设备中时询问电路，该母设备最好包括用于驱动探头与/或根据从探头到达的波确定音速的电路。
从而按照本发明的较佳实施例提供了确定覆盖有具有外表面的一层软组织的一段骨骼中的音速的方法，包括：
确定沿从所述外表面回到所述外表面的第一路径的第一超声波的第一行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第一部分中的一第一骨路径以及在所述软组织的至少一部分中的一第一软组织路径；
确定沿从所述外表面回到所述外表面的第二路径的第二超声波的第二行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第二部分中的一第二骨路径以及在所述软组织的至少一部分中的一第二软组织路径；
确定沿从所述外表面回到所述外表面的第三路径的第三超声波的第三行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第三部分中的一第三骨路径以及在所述软组织的至少一部分中的一第三软组织路径；以及
响应一组联立方程的解导出所述骨段中的所述音速，
最好，所述第一、第二与第三波中的至少两个是用单个发射机同时生成的。
作为替代或附加，所述第一、第二与第三波中至少两个是用单个接收机同时检测的。作为替代或附加，所述第一、第二与第三波中至少两个在生成时各具有基本上的相同的平均频率。
在本发明的较佳实施例中，所述第一、第二与第三波中至少两个在生成时各具有基本上不同的平均频率。作为替代可附加，所述第一、第二与第三波中至少两个在检测时各具有基本上不同的平均频率。
作为替代或附加，所述第一、第二与第三波中至少两个在检测时各具有基本上相同的平均频率。
在本发明的较佳实施例中，其中所述第一、第二与第三软组织路径中至少两条具有至少20％的重叠。
作为替代或附加，其中所述第一、第二与第三软组织路径中至少两条具有至少30％的重叠。
作为替代，其中所述第一、第二与第三软组织路径中没有两条超过20％的重叠。
作为替代或附加，其中所述第一、第二或第三软组织路径没有两条超过30％的重叠。
在本发明的较佳实施例中，所述第一、第二与第三骨路径中至少两路径在它们的长度上重叠至少20％。
在本发明的较佳实施例中，所述第一、第二与第三骨路径中至少两路径在它们的长度上重叠至少40％。
作为替代或附加，所述第一、第二与第三骨部分中至少两路径在它们的长度上重叠至少70％。作为替代，所述第一、第二与第三骨路径中没有两路径重叠超过它们的长度20％或以上。
在本发明的较佳实施例中，所述第一、第二与第三骨路径中没有两路径重叠它们的长度40％或以上。在本发明的较佳实施例中，所述第一、第二与第三骨部分没有两路径重叠它们的长度70％或以上。
在本发明的较佳实施例中，该方法包括估算声音软组织速度及其中导出所述音速包括用所述估算的声音软组织速度导出所述骨段中的所述音速。作为替代，该方法包括确定第四超声波沿从所述外表面回到所述外表面的第四路径的第四行进时间，该路径包含所述骨段的至少第四部分及其中所述方程组包括至少一个限定骨中音速及第四行进时间之间关系的方程。
在本发明的较佳实施例中，至少两条所述声波路径在外表面上的几何投影是平行的。作为替代，所述声波路径在外表面上没有几何投影是相互平行的。作为替代，所述声波是由超声元件生成与检波的，及其中所述超声元件是非共面的。
在本发明的较佳实施例中，所述外表面不平行于所述骨的外表面，而所述波行进通过所述骨。作为替代或附加，导出包括解联立方程组。
在本发明的较佳实施例中，该方法包括为多个骨段重复所述确定行进时间及所述推导音速，以生成至少一部分骨的声音骨速度图。作为替代或附加，该方法包括为所述波通过所述骨的多种行进方向重复所述确定行进时间及所述导出音速，以生成至少一部分骨的方向性声音骨速度图。
按照本发明的较佳实施例还提供了确定包含声音骨速度、声音软组织速度、所述软组织的厚度及所述软组织的外表面相对于骨的倾角的一组未知数中至少一个的方法，包括：
确定至少三个超声波沿所述骨中的一区域从所述表面行进到所述骨及返回到所述表面的行进时间；以及
从所述三个确定的行进时间中导出至少所述未知数之一。
最好，所述至少一个未知数包括声音软组织速度。作为替代、该方法包括为至少一个所述未知数假设一个值。最好，所述假设未知数包括一个声音软组织速度。
按照本发明的较佳实施例还提供了用于声音骨速度测定的探头，包括：
至少四个超声元件，其中至少一个包括发射机及其中至少一个包括接收机；以及
控制所述至少一个发射机发射至少三个通过软组织层到骨的超声波的控制器，在所述三个波在所述骨中行进之后该控制器通过所述至少一个接收机检测所述至少三个波的至少相对行进时间，以及该控制器响应一组联立方程的解导出声音骨速度，其中所述的联立方程确定所述骨中的音速与所述相关的行进时间之间的关系。
最好，所述至少四个超声元件包括三个发射机及一个接收机。作为替代，所述至少四个超声元件包括三个接收机与一个发射机。作为替代，所述至少四个超声元件包括两个接收机与两个发射机。
在本发明的较佳实施例中，所述超声元件不是全体共线的。作为替代，所述超声元件是全体共线的。作为替代或附加，所有所述超声元件是共面的。作为替代或附加，不是所有所述超声元件是共面的。
作为替代或附加，所述探头适应于压紧在软组织的皮肤层上及其中所述超声元件相对于所述探头的所述层倾斜一个倾角。最好，所述倾角是根据预期的声音骨速度确定的。
在本发明的较佳实施例中，所述至少三个超声波是由单一发射机作为单一的波生成的，该波散射形成所述至少三个波。
按照本发明的较佳实施例还提供了用于音速测定的探头，包括：
至少两个超声元件，至少其中之一包括发射机及至少其中之一包括接收机；以及
多个错列的声音阻挡物，它们明显地衰减在所述探头中所述发射机与所述接收机之间沿直线行进的超声波。
最好，所述探头中所述至少一个发射机、所述至少一个接收机与所述阻挡物之间的容积中包括超声衰减填料。作为替代或附加，所述探头包括用于所述至少一个接收机与至少一个发射机的电屏蔽。作为替代或附加，所述探头包括至少两个附加的超声元件，这些零件也是用所述阻挡物隔音的。
在本发明的较佳实施例中，所述探头适应于声音骨速度测定的。
在本发明的较佳实施例中，将声室定义为用所述至少的发射机与所述至少的接收机及要靠身体放置的平面为边界的，其中所述声室包括声音衰减物质。
按照本发明的较佳实施例还提供了超声探头，包括：
至少两个超声元件，其中至少一个包括发射机及其中至少一个包括接收机；以及
定义为用所述至少一个发射机及所述至少一个接收机与要靠身体放置的平面为界限的声室，
其中所述声室包含声音衰减物质。
在本发明的较佳实施例中，超声速度测定探头中的超声元件是包括在超声元件格栅中的。
最好，所述探头通过电扫描所述格栅扫描骨骼。作为替代或附加，所述超声元件中至少一个包括相控阵列。最好，所述相控阵列的倾角是通过电控制所述相控阵列达到的。
作为替代或附加，所述探头包括连接在所述探头上的存储装置，其中所述探头的标定数据存储在所述存储装置中。最好，所述标定数据包括超声元件之间的至少一个距离。作为替代或附加，所述标定数据包括超声元件的至少一个垂直位移。作为替代或附加，所述标定数据包括两个所述超声元件之间的路径的至少一个垂直位移。作为替代或附加，所述标定数据包括晚关闭时间，在它以后忽略所接收的波。作为替代或附加，所述标定数据包括在至少一个所述超声元件与使用中所述探头压在上面的表面之间的探头部分的音速。
按照本发明的较佳实施例还提供了排斥声音骨速度探头中的寄生信号的方法，包括：
检测表面上在信号行进通过一部分骨之后从发射机到达接收机的信号；以及
如果所述信号在预定时限之后到达，排斥与并不行进通过骨骼的波关联的所述信号。
最好，如果所述信号在第二时限之前到达，便排斥所述信号。作为替代或附加，所述预定时限是根据该探头的标定确定的。
按照本发明的较佳实施例还提供了存在着基本上只通过软组织行进的波时，检测来自骨的超声波的到达的方法，包括：
获取表示所述骨波与所述软组织波的信号；以及
分析所述信号来检测所述信号中至少一个频率中的幅度改变，这些改变是与来自所述骨的所述波关联的。
最好，所述分析包括当来自骨的波到达时确定信号幅度中的明显增加。
按照本发明的较佳实施例还提供了在存在基本上只通过软组织行进的波时检测来自骨的超声波的到达的方法，包括：
在第一接收机上获取表示所述骨波与所述软组织波的信号；
在第二接收机上获取表示所述骨波与所述软组织波的信号；以及
将两个信号关联来检测来自所述骨的波的到达。最好，所述关联是根据所述波的生成执行的。最好，所述关联是根据所述波的预期的到达时间窗口执行的。
按照本发明的较佳实施例还提供了声音骨速度测定的方法，包括：
将声音骨速度探头压在软组织层的表面上并且不平行于下面的骨表面；
发射至少一个波到所述骨表面及从所述骨表面接收到至少两个波，其中所述接收的波不是从所述表面发射的；
测定各所述接收的波的行进时间；以及
从所述测定的行进时间导出所述声音骨速度。
按照本发明的较佳实施例还提供了声音骨速度测定方法，包括：
将声音骨速度探头压在软组织层的表面上并且不平行于下面的骨表面；
从所述探头发射至少一个波到所述骨表面及从所述骨表面接收至少两个波，其中波是从探头中的位置发射与接收的，该发射与接收位置是不共面的；
测定各所述接收的波的行进时间；以及
从所述测定的行进时间中导出所述声音骨速度。
按照本发明的较佳实施例提供了声音骨速度测定方法，包括：
将声音骨速度探头压在软组织层的表面上并且不平行下面的骨表面；
发射至少一个波到所述骨表面及从所述骨表面接收至少两个波，其中这些波连接在探头中至少三个位置上，各所述位置为发射位置或接收位置，及其中至少一对连接的位置不与任何其它连接的位置对共线；
测定各所述接收的波的行进时间；以及
从所述测定值中导出所述声音骨速度。
按照本发明的较佳实施例还提供了声音骨速度测定方法，包括：
发射至少一个超声波到骨，该波沿该骨的表面行进；
接收所述波；以及
分析所述接收的波中的特定频率的行进时间，其中所述特定频率是与骨的皮层的预期厚度相关的。
最好，所述波是作为所述特定频率上的窄带波发射的。
按照本发明的较佳实施例还提供了标定具有包含至少一个发射机与一个接收机的多个超声元件的探头的方法，包括：
将所述探头耦合到具有第一已知音速的板上并测定至少两对所述超声元件之间的第一多个行进时间；
将所述探头耦合到具有第二已知音速的板上并测定至少两对所述超声元件之间的第二多个行进时间；以及
从所述行进时间中确定所述超声元件对之间的至少两个距离。
最好，确定包括确定至少一个所述元件对的至少一个平均垂直位移。
按照本发明的较佳实施例还提供了标定具有包含至少一个发射机与一个接收机的多个超声元件的探头的方法，该方法包括：
将所述探头耦合在具有第一已知音速的板上并测定至少两对所述超声元件之间的第一多个行进时间；
将所述探头耦合在具有第二已知音速的板上并测定至少两对所述超声元件之间的第二多个行进时间；以及
从所述行进时间中确定至少一个所述元件对的至少一个平均垂直位移。
在本发明的较佳实施例中，所述多个超声元件包括至少四个超声元件。
按照本发明的较佳实施例还提供了用于声音骨速度测定的探头，包括：
至少两个超声元件，其中至少一个包括发射机及其中至少一个包括接收机；以及
连接在所述探头上的存储装置，其中所述探头的标定数据存储在所述存储装置上，
其中所述标定数据包括两个所述超声元件之间的路径的至少一个垂直位移。
按照本发明的较佳实施例还提供了用于声音骨速度测定的探头，包括：
至少两个超声元件，其中至少一个包括发射机及其中至少一个包括接收机；以及
连接在所述探头上的存储装置，其中所述探头的标定数据存储在所述存储装置上，
其中所述标定数据包括晚关闭时间，忽略在它之后接收的波。
在本发明的较佳实施例中，所述标定数据包括超声元件之间的至少一个距离。作为替代或附加，所述标定数据包括至少一个超声元件的垂直位移。作为替代或附加，所述标定数据包括在至少一个所述超声元件与所述探头在使用中压在上面的表面之间的探头的一部分的音速。
附图的简要描述
通过参照下面结合附图的其较佳实施例的描述，将更清楚地理解本发明，其中出现在一个以上的图中的相同结构、元件或部件、在它们所出现的所有图中都用相同或相似的数字标记，附图中：
图1示意性地示出按照本发明的较佳实施例，音速确定测定值的各种变量；
图2示出按照本发明的较佳实施例的用于声音骨速度测定的装置；
图3为利用压电换能器阵列的本发明的另一实施例的示意性图；
图4为图3的阵列的示意性图，示出换能器到控制与信号处理元件的连接；
图5示出按照本发明的较佳实施例使用相控阵列声音探头；
图6与图7示出超声元件倾斜在按照本发明的较佳实施例的探头的操作特征上的效应；
图8为按照本发明的较佳实施例的探头的示意性剖面图；
图9示出按照本发明的较佳实施例的图8的探头的超声元件；
图10示出不平行的骨表现之间的负面交互作用及超声测定来自骨的反射的一种方法；
图11示出按照本发明的较佳实施例不平行骨表现在测定方法上的效应；
图12为人骨的部分示意性剖面图；以及
图13为示出物体的厚度与沿其表面的超声波速度之间的关系的曲线。
优选实施例的详细描述
图1示出了简化的情况，其中要通过介入的软组织层22测定骨18的声音的骨速度。用超声元件201(发射机)生成超声波及用超声元件202(接收机)检波。在两个超声元件之间存在超声波能且真正采用的许多路径。然而，各路径具有不同属性。具体地，一条路径是最快的路径。在本发明的较佳实施例中，最快路径包含骨段。
将定义为连接两个超声元件的线与平行于骨18的表面的线之间的夹角。将h定义为超声元件与骨18之间的平均距离。定义软组织22的表面的皮肤20通常与探头250平接。考虑其中≠0的配置，元件201与202分别位于位置205’与209’上，(纵波的)三条主路径是：
(a)沿软组织的22表面从元件201到元件202的直接路径。
(b)在位置210’上从骨18反射出波的路径。
(c)通过软组织从位置205’行进到骨18上第一位置206’，在位置206’上进入骨18，沿骨18的上层行进到第二位置207’然后从骨中出来并通过软组织行进到位置209’的路径。
A.只通过软组织表面的声波传播
这一波行进通过软组织22沿软组织22的表面层从发射机位置205’到接收机位置209’。在许多情况中，该波将实际上沿皮肤20与/或沿用来耦合超声元件到软组织22上的声音油脂行进。声波以软组织音速VS上行进通过软组织22，VS大约为1540m/s。
用下列表达式确定波从发射机201行进到接收机202的声音传播时间：
T 20 5 ′ - 209 ′ = A 205 ′ - 209 ′ V S - - ( 4 )
其中A205’-209’为发射机201与接收机202之间的距离。
B.声波通过骨反射从发射机传播到接收机
这一波通过软组织22从发射机位置205’行进，在反射位置210’上从骨18的表面反射到达接收机位置209’上的接收机202。
这一波的传播时间在用下面的表达式确定的：
T 205 ′ - 210 ′ - 209 ′ = A 205 ′ - 210 ′ - 209 ′ V S - - - ( 5 )
其中A205’-210’-209’是从位置205’到反射位置210’然后到接收位置209’的路径长度。距离A205’-210’-209’取决于软组织22的厚度h与角。由于这一路径长于“A”中描述的直接路径，如果两条路径的软组织速度相等，则T205’-210’-209’＞T205’-209’。
C.声波从发射机通过软组织沿骨表面到接收机的传播
用软组织声音速度VS与骨声音速度VB之间的比定义临界角γ：
sin γ = V S V B - - ( 6 )
其中VB＞VS。
这一波行进通过软组织22从位置205’到达骨18的表面上的第一位置206’；然后该波在相对于骨18的表面的垂线的第一角度上进入骨18，沿骨18的表面从第一位置206’传播到第二位置207’，在第二角度上从骨18出来，然后行进通过软组织22直到它到达接收机位置209’。
如在光学中众所周知的，包含骨在内的位置205’与209’之间的最快路径确定第一角与第二角为临界角。如果不存在这一路径，类型B的路径更快。应理解，如果超声波是作为聚焦束发射的，基本上束的所有能量都导向在骨上，类型A的路径在理论上快于类型C的路径。
可使用两种方法之一确定类型C的波的行进时间。第一，在下面描述的能肯定检测到的波是类型C的波而不是类型B或A的波的情况下，可测定行进的持续时间。此外，行进时间可作为其它定义的或导出的变量的函数计算出。将行进时间分割成分量是有用的：
T205’-206’-波从发射机位置205’(在软组织22中)行进到位置206’的时间；
T206’-207’-波沿骨18的表面从位置206’行进到位置207’的时间；以及
T207’-209’-波(在软组织22中)从位置207’行进到接收机位置209’的时间。
从而，总行进时间是：
          Ttotal＝T205’-206’+T206’-207’+T207’-209’ (7)
用参照数字A212’-213’表示路径205’-206’-207’-209’在平行于骨18的线上的投影，此后用这一参照数字作为投影的长度。用参照数字A205’-211’表示从位置205’到骨18(在位置211’上)的垂直距离。距离A205’-212’是位置205’与209’之间的垂直距离的一半。A205’-212’与A205’-211’可确定如下：
Figure C9881393300231
发射机位置205’与第一位置206’之间的距离(即A205’-206’)可确定如下：
相应的，T205’-206’可确定如下：
Figure C9881393300241
T207’-209’可用下式确定
Figure C9881393300242
而T206’-207’用下式确定
因此，Ttotal可按照下式计算
在本发明的较佳实施列中，在不同条件下进行多个Ttotal的测定，以便生成一组方程，其中VS、VB、与h是依赖于Ttotal的多个测定值的(γ是VS与VB的直接函数，因此不将它作为单独变量对待)。在本发明的一些较佳实施例中，一或多个上述应变数可以估算，从而简化方程并需要较少的Ttotal测定值。
图2示出按照本发明的较佳实施例的适用于这种多次测定的超声测定系统260。系统260包含具有4个超声元件(最好两个发射机251与252及两个接收机253与254)的探头250。最好，超声元件包括压电陶瓷换能器。如能理解的，在这一探头中可定义4个不同换能器对，各为上述联立方程组提供一个独立的Ttotal测定值。在其它配置中，发射机与/或接收机的数目可以不同。作为附加或替代，至少一个超声元件既可用作发射机又可用作接收机。在一个示范性实施例中，一个发射机与三个接收机配合，从而只定义三条波路径。解四个未知数的四个方程所要求的第四条路径是通过为未知变量之一估算一个值来消除的。作为替代，单个接收机可与三个发射机配合。作为附加或替代，可定义额外路径(数目大于变量/方程数)来提供声音骨速度的更可靠的估算。
系统260最好包含耦合在第一发射机251上的第一高压短脉冲驱动器256A及耦合在第二发射机252上的第二高压短脉冲驱动器256B。电压驱动器最好将来自控制器258的信号转换成具有300V峰值电压的高压信号。系统260最好包含第一与第二信号处理器257A、257B。此外，有些信号处理可由控制器258执行。各信号处理器257A、257B最好包含放大器及变压装置。信号处理器257A耦合在接收机253上而信号处理器257B耦合在接收机254上。控制器258耦合在第一与第二高压短脉冲驱动器256A、256B及第一与第二信号处理器257A、257B上。控制器258最好调节声波的发射、接收与/或初步处理。计算机259最好耦合在控制器258上用于进一步处理从控制器258接收的信息与/或控制控制器258。计算机259最好将测定结果与/或患者信息与/或其它信息存储在本机存储器中，最好是数据库中。作为附加或替代，计算机259可利用有线、无线与/或计算机可读介质发送与/或接收来自远程位置的信息。在本发明的较佳实施例中，利用存储的结果将同一患者的特定测定值与不同时间与/或不同体位与/或探头朝向上的其它测定值比较。作为附加与替代，存储的结果可用作不同人群的基线。
在本发明的较佳实施例中，以下述方式使用系统260。作为骨速度测定过程的第一步，在皮肤表面20上施加声音油脂，最好是水基声耦合凝胶、硅酮凝胶与/或矿物油。然后将探头250放在声音油脂上。测定过程之前最好用测试测定确定骨骼实际上在探头的视野中与/或已选择了适当的探头尺寸。
通过在发射机251与252之一或两者上生成超声波来启动波的传播时间的多次测定。如果同时激励两个发射机，它们最好利用不同波长，以便有可能在接收机253与254上确定是哪一个发射机激发的超声波。在本发明的较佳实施例中，发射的波具有非常快的上升时间，例如20ns。作为附加或替代，波具有适度的持续时间，例如0.5μs。在本发明的较佳实施例中，使上升时间尽可能短，以便提高检测从骨接收的第一超声波的时间精度。最好波的持续时间充分地短使得在连续的测定之间探头与测定的组织松驰与/或使发射机产生的任何声波消失。
在本发明的较佳实施例中，发射机251与252发射最好集中在1.25MHz附近的宽带脉冲。应指明由于波在骨中行进的距离是短的，尽管高频声波在骨中衰减较高，高于在先有技术中使用的频率的频率是实用的。通常，较高的频率比较低的频率给出更精确的结果。从而，在本发明的一些较佳实施例中使用较高频率，例如2.5、10或甚至20MHz。通常接收机检测到的第一个波是主要包含在特定配置中行进最快的频率分量的窄带波。从而可使用单一宽带发射的波。这一波包括多个频率，软组织与骨的滤波性质自动选择最适当的频率。如下所述，可用最快频率的识别来确定骨的某些其它特征，例如皮质的厚度。
在本发明的较佳实施例中，测定四个行进时间即：T251-253、T251-254、T252-253及T252-254。术语Ax-y用来表示点x与点y之间的距离。当x与y是超声元件时，该距离便是元件之间的距离。在本发明的较佳实施例中，行进时间是通过检测激励了一或两个发射机之后到达超声接收机的第一超声波测定的。
在本发明的较佳实施例中，定义检测到的波必须通过的噪声幅度阈值。最好该噪声阈值是特定探头与/或特定接收机、发射机与/或接收机/发射机对的特征。作为附加或替代，噪声阈值可在激励发射机之前通过测定噪声级来确定。最好，为每一次测定定义时窗。下面描述测定行进时间的其它方法。作为附加或替代，可以使用本技术中已知的其它行进时间测定法。根据上面讨论的方法学，相对于图1及利用系统260的各种已知值与未知数及利用测定的行进时间，可以建立下列方程：
对于第一行进时间T251-253：
Figure C9881393300271
Figure C9881393300272
对于第二行进时间T252-254：
Figure C9881393300273
Figure C9881393300274
对于第三行进时间T251-254：
对于第四行进时间T252-253：
Figure C9881393300276
从而产生利用四个未知数(VB、VS、h与)的四个方程。如果估算这些未知数之一，例如通过估算软组织速度为1540m/s，只需要为三个未知数解三个方程。
在本发明的较佳实施例中，为各未知数解这些方程。如能理解的，可以以脱机方式执行某些解法，从而可以生成适当的软件，其中将测定值简单地插入软件中来发现一或多个未知数的值。作为替代或附加，一些解法可提出特定的算法构造。作为附加或替代，也可使用本技术中已知的其它解法，例如，迭代法。
为h解方程(16)：
Figure C9881393300281
利用方程(15)与(16)解出：
Figure C9881393300282
将方程(17)与(18)作为在方程(14a)与(14b)上，得出：
例如，通过将VS定义为VB的函数，利用一个方程相对于其它变量定义一个变量，然后将结果应用在其它方程中产生只有VB作为变量的单一方程等，可以解这些方程。在一个实例中，利用方程(19)将VS确定为VB的函数。
V 2 S = ( A 251 - 254 - A 251 - 253 ) 2 ( A 251 - 254 - A 251 - 253 ) 2 V 2 B + M -
V 2 B ( A 251 - 254 - A 251 - 253 ) 2 V 2 B + M · ( A 251 - 254 - A 251 - 253 ) 2 · ( T 252 - 253 - T 251 - 254 ) 2 ( 2 A 251 - 254 - A 251 - 253 - A 252 - 254 ) 2 - - ( 21 )
M = [ ( T 251 - 254 - T 251 - 253 ) + ( A 251 - 254 - A 251 - 253 ) ( T 252 - 253 - T 251 - 254 ) 2 · A 251 - 254 - A 251 - 253 - A 252 - 254 ] 2 - - - ( 22 )
( A 251 - 254 - A 251 - 253 ) 2 · ( T 252 - 253 - T 251 - 254 ) 2 ( 2 · A 251 - 254 - A 251 - 253 - A 252 - 254 ) 2
然后可以从方程(20)确定VB。应理解上述方程组是用于解出所有四个未知数的。然而，有可能改写上述方程，只有用于直接依赖于测定的行进时间的骨速度的一个方程。此外，应理解方程21可用软组织速度的估算来替代。
在本发明的一些较佳实施例中，可以用这里所描述的超声测定以外的不同方法估算上述四个变量中的一个或多个。在本发明的较佳实施例中，是用从皮肤到骨的距离的超声范围测定估算h的。作为附加或替代，可使用X射线成象估算h。
作为附加或替代，可用X射线成象估算。作为附加或替代，可通过执行两次测定h(在探头250每一侧上一次)来估算。作为附加或替代，可通过摆动探头250将设定为零，并在将确定为零时的执行测定。在本发明的较佳实施例中，如果从探头上的隔开的点到下面的骨上的两次距离测定确定相同的传播时间，便可将确定为零。
作为附加或替代，可用三角测量法计算软组织速度，例如在WO97/13145中所描述的，通过引用将其公开结合在此。在这一PCT申请的方法中，通过软组织的路径的三角形的两边是从骨反射的波产生的。第三边是由两个换能器之间的距离形成的。利用三边或两边与一个已知角(通常是90度)，假定软组织速度对所有三边都相同并且已知沿两边的行进时间，便可以将软组织速度表示为已知的行进时间与两发射机之间的距离的函数。在本发明的较佳实施例中，软组织速度是沿与按照本发明的较佳实施例的发射机与接收机之间的波的路径重叠的路径测定的。应理解测定的软组织速度是脂肪与肌肉中的速度的平均值。接近骨骼的层通常包含更多肌肉，其中的速度可比脂肪组织中高10％。
在本发明的较佳实施例中，重复数次上述测定并取平均值，以便减少噪声效应。作为附加或替代，测定比要求的数目更多的路径。在本发明的较佳实施例中，这导致一组超定方程，其解法是本技术中已知的。
在上面的讨论中应理解各测定路径是与其它测定路径无关的。从而，不要求存在路径之间的重叠。此外，不要求换能器是共线或者甚至是共面的。应理解如果超声元件并不全都在同一平面上，对于所有的对，由一对超声元件定义的路径的有效“h”将不相同。因此，如下所述，可确定每一条路径的有效“h”的校正值。从而，在为特定路径解上述方程时，各路径使用不同的“h”值。作为替代或附加，可使用高度校正常数。作为替代或附加，如果获取了足够的路径行进时间测定值，便可确定高度校正值。
然而通常希望路径之间的大程度重叠，以便减小由不同身体部件的声音性质变化引起的误差。这一可变性的一个主要成因在于骨骼不是构造相同的物质。反之，骨包括多层，各具有不同的硬度(和声音速度)。这些层的厚度与组分可沿骨的长度变化。此外，骨通常包括纵向与径向区段，各有不同的硬度与音速特征。在一些情况中这些特征剧烈变化而在其它情况中存在渐变。此外，骨通常包括在不同的方向上呈现不同声学性质的各向异性物质。各向异性质量的程度与/或方向可作为骨的深度的函数变化。最好，用按照本发明的较佳实施例的系统在不同方向与/或沿主要径向与/或轴向范围扫描骨的主要部分。
为了正确比较两个不同测定时期导出的两种骨声音速度结果，必须在骨的同一部分上执行两次测定。具体地，沿骨的纵轴的位置精度在诸如胫骨等长骨中最好应在5毫米的数量级上。使用诸如用永久性标记标记位置等常规定位方法容易达到这一精度。然而，由于骨的结构，横向定位精度最好应在数百微米的数量级上。由于达到这一精度是困难的，最好至少在横向朝向的一定角范围内用探头并测定多个骨声音速度。将最大或最小测定值用作参考值，供在其它时间中与骨声音速度测定值进行比较。作为附加或替代，骨18的声音速度是从垂直于骨轴线的平面上的若干方向上测定的，由于骨18的皮质通常具有若干不同区段，各区段具有不同硬度与声音速度。在下面描述的格栅实施例中，最好利用格栅装置来确定测定相对于骨的轴的切向定位与/或朝向。最好用这一格栅装置同时成象该骨。
应理解对于诸如脊椎骨等一些骨，测定较软的区段可能比测定较硬的区段更实际，从而搜索最小的速度。测定的最小速度通常表示在最软区段中的行进。在以后日期上找到的测定的最小速度也是在最软区段中，从而在同一横向位置(同一区段)上重复速度测定。
作为附加或替代，利用所获取的速度测定值来构筑骨18的横向与/或轴向速度轮廓图，它对于骨结构分析是有用的。
在本发明的较佳实施例中，将探头250定向成避免跨在诸如大血管等主要身体结构上。在本发明的较佳实施列中，大血管是通过确定血液反射的超声波的频谱中的多普勒频移检测到的。作为附加或替代，使超声束明显宽于这些结构，从而减少与/或平均掉它们的效应。
使用上述方法波在骨中传播的最小要求距离可短到5、3、2或甚至1毫米。应区别若干分辨率参数：测定的骨段的轴向与径向放置精度；测定的骨段的长度；以及在单次测定中将测定区移动小量的精度。另一重要分辨率参数是速度测定值本身的精确性。应理解采用下面描述的格栅类型探头，能增进这些分辨率中一或多个。
发射机与接收机之间的较佳距离取决于软组织厚度。使用这里描述的方法，相对地不均匀的骨骼的高分辨率映象是可能的。例如，诸如脊椎骨内的骨、腕中的小骨及靠近关节的骨部分。此外，有可能在纵与横两个方向上测定骨速度，由于测定的骨段的长度可以非常短，即使相对于骨的半径也一样。在本发明的较佳实施例中，将探头制成弯曲的。最好将曲线的半径选择成与下面的骨的预期半径符合。
最小的要求的骨路径段的小尺寸使之有可能利用本发明实施例以高空间分辨率扫描。例如，为了测定牙冠的一部分中的音速，可使用10MHz超声脉冲。由于超声的高频，探头尺寸可在3毫米的数量级上而分辨率要好于1毫米。
在本发明的一些较佳实施例中骨速度的单次测定是在只有1.5毫秒长的时段上进行的，这比大多数身体节奏要快得多。沿着身体节奏过程的几个测量可以用于测量身体节奏对测量的反应。在一些情况中，身体节奏在确定路径与/或软组织速度改变中增加不确定性。作为替代或附加，希望测定的是身体节奏在VS、VB。或h上的效应。在本发明的较佳实施例中，执行40次单一测定并在大约100ms的时段上平均。作为估算的骨速度提出平均值。在本发明的较佳实施例中，分析这些测定值来确定它们的分布与/或检验内部一致性。平均映象时间通常包含在骨周边周围大约100-200点上测定音速。
作为替代采用宽带发射波，可使用单一频率脉冲波，由于在本发明的一些较佳实施例中，所分析的波的唯一方面是波的第一次接收的时间。作为替代，采用更复杂的波形或脉冲及分析所接收的波。应理解可以按任何次序也可同时执行上述过程的发射与接收步骤。最好，将不同频率用于各波。作为替代或附加，定时这些脉冲以便使两个脉冲一起到达单一接收机。
最好将上面参照图2描述的四元件探头构成为小于100毫米长，小于50毫米长更好并且在一些较佳实施例中小于3毫米长。在本发明的特定较佳实施例中，探头是22毫米长。由于对这种探头的非常高的精确度要求，最好用在15-40℃的温度范围中基本上不膨胀或收缩的材料构成探头体与/或结构元件与/或填充物质与/或隔离元件。这些材料通常包括从15℃加热到40℃时膨胀的材料与从15℃加热到40℃时收缩的材料的混合物。
在本发明的较佳实施例中，超声元件之间的距离是为一定的预期软组织深度优化的。从而，典型的工作系统包括若干探头，各适用于不同的深度范围。如下所述，探头连接器可包含其类型的电指示。作为替代，采用下面描述的单个格栅型探头。
通常，不将探头构成到各超声元件之间的距离的绝对精度。反之，用近似0.1毫米的精度构成探头，而元件之间的精确距离是用人体模型测定的。将具有好于2μm的典型精度的测定结果存储在计算机259中供在下面更详细地描述的速度测定中使用。这一人体模型最好包含塑料圆柱体，该圆柱体具有带嵌入在塑料内的沿其轴形成的台阶的圆柱形金属核心。各台阶对应于覆盖金属核心的塑料的不同已知深度。当用探头测定人体模型时，最好将音速测定方程倒过来，使得探头的超声元件之间的距离成为已知深度与音速及测定的行进时间的函数。作为对使用这一人体模型的替代或附加，可使用具有已知音速的硬板直接测定发射机与接收机之间的传播时间。在本发明的较佳实施例中，物质中的音速温度相关性也是已知的。板的厚度最好至少20mm，以便长于波长及延迟从板—空气边界的反射。
在本发明的较佳实施例中，利用两块具有不同已知音速的板用于标定。在各板中，至少测定发射机与接收机的对之间的三个波的行进时间。在本发明的较佳实施例中，不测定发射机与接收机的内部对之间的行进时间。在超声骨速度测定期间，最好也不测定这一内部对。两块板与各板中的三个测定值产生6个独立方程。从这些方程中可标定6个变量。这些变量最好是超声元件之间的三个距离及超声元件从测定板的三个平均高度，即分隔超声元件与板的声室的有效厚度(下面描述)。各平均高度表示可用在表示在特定发射机/接收机对之间的波的行进的方程中的平均高度。作为对两块板中的三个测定值的替代，可以在其它数目的板中执行其它数目的测定来产生一组用于标定的要求的方程。
在本发明的较佳实施例中，可以机械地配置探头以便匹配特定的测定情况。这些配置可包含改变超声元件之间的距离与/或它们的倾斜角。最好在超声元件被正确地定位与固定在位之后，最好通过如上所述测定板中的行进时间确定它们的精确位置。
现在参见图3、图4与图5，其中示出对于扫描跨越诸如臂等人体的部分448有用的进一步实施例的特性。
在这一实施例中，将由超声发射机/接收机单元450的阵列构成的探头装置放置在或包卷在分区448周围或构成软保护套样元件460。阵列450的单元最好用压电材料构成，诸如压电塑料或陶瓷。阵列450通常以诸如用声音耦合油脂等标准方式声学耦合在分区448上。
通常如图4中所示，将阵列450的各单元的输入与输出引线连接在模拟矩阵多路复用器451上，后者又依次连接在驱动器452及信号处理单元454上。通常通过微处理器455控制驱动器452与单元454。
多路复用器451使阵列450的各单元能单独访问并可进行操作以便将各单元定义为接收机、发射机/接收机或不活跃的。
由于通过骨18的长路径导致的衰减，在先有技术方法中单个地使用阵列450的单元可能对于构成超声换能器太小。因此，将要求的位置中的阵列450的多个单元或组电气地或可选择地定义为超声元件。在本发明的较佳实施例中，如这里所描述的，阵列450的各单元是独立的超声元件。作为替代，将单元组定义为换能器，如先有技术中所示。然而，当这样定义组时，最好使用下面描述的较佳操作模式之一。
操作的第一较佳方法为选择近似于上述实施例的功能性的单元与单元组。从而能达到发射机/接收机的最佳布置而无须移动超声元件与/或探头。
在本发明的较佳实施例中，使用两步方法来确定作为发射机与接收机的阵列450的配置。如上所述，本发明的较佳实施例采用为探头与骨18之间的特定软组织厚度优化的探头。使用阵列450成象骨18便有可能在骨速度测定之前确定下面的软组织22的厚度。A，按照本发明的较佳实施例的最佳配置元件阵列的方法包括：
(a)确定下面的软组织22的厚度；以及
(b)将阵列450配置成在它们之间具有最佳距离的发射机、接收机与发射机/接收机，它们是根据确定的软组织22的厚度计算的。
厚度可用飞行时间法估算，它假设软组织速度1540m/s。作为替代或附加，执行若干预测来确定所要求的骨骼径长度与/或测定的其它参数。
操作的较佳方法通过操作阵列450的不同单元而不是物理地移动包含多个超声单元的单元来映象骨与软组织。从而，能够测定不同位置上与不同方向上的骨速度而无须物理地移动该装置。
图5示出多元件探头250’，包含至少一个细分的元件287，它是细分成“n”个子元件的。探头250’最好包括“M”个元件，各个都可以细分。在本发明的较佳实施例中，用波的预定相移驱动这“n”个子元件，以便生成具有要求的诸如方向与聚焦的特征的束。使用上述格栅元件，便有可能在方向A上在骨表面上重新定位测定区而无须移动探头250’。
在本发明的较佳实施例中，使用单个格栅型成象探头用于成象、软组织速度测定与/或骨速度映象。在某些情况中，对于各种类型的测定可使用不同的测定方案。作为替代可附加，两种不同的测定方法可以测定单一性质，诸如骨速度或软组织速度。
最好，将发射机与/或接收机定向成优先发射与/或接收在估算的临界角上的它们的波。在本发明的较佳实施例中，超声波是作为锥束发射的。作为替代或附加，这些波是聚焦在到达骨的估算的或测定的距离上的，最好是沿预期这些波所行进的(要求的)路径。
已知超声在纯皮层的骨中的速度为近似3000m/s-4700m/s(对应于大约19°-31°的临界角)，而在带有皮层骨的薄的表面层的分隔带骨中的速度为近似1650m/s-3000m/s(对应于大约31°-69°的临界角)。
图6与图7示出超声元件倾斜角在按照本发明的较佳实施例的探头的工作特征上的效应。最好根据超声元件的所要求的波长特征选择第一与第二发射机251、252的宽度及第一与第二接收机253、254的宽度，并相对于水平面确定发射机251、252与/或接收机253、254的倾斜角。作为发射机251、252与/或接收机253、254的倾斜的后果，在倾斜的发射机251、252与/或接收机253、254下方定义了区276。区276也称作声室。区276可用液体或诸如硅橡胶等弹性物质填充，例如美国通用电气公司生产的RTV630硅橡胶或英国Robner生产的EL-110H聚氨基甲酸酯橡胶或诸如Polymer Gvulot生产的U146A硬聚氨基甲酸酯及链状膨胀剂等相对硬的物质。最好选择包含声音速度、声阻挡与声吸收中一或多个的区276的声学参数，以便优化探头250的不同特征。
在本发明的较佳实施例中，探头250包含至少一个阻挡元件265(示出在图6与7中)，它最好是声衰减器。在本发明的较佳实施例中，阻挡元件用来延迟与/或衰减行进通过探头本身的超声波。通常将波沿其行进快于沿包含骨的路径行进的路径称作“寄生路径”。
如图6与7中所示，超声元件与骨之间的实际角度取决于生成波的发射机的边。该角可以是物理角或相控阵列生成的角。通常，使用锥束，以便使特定的倾角定义在它们之间测定条件是最佳的角γ1与γ2的范围。如上所述，这些角要求的范围取决于软组织速度、相对于骨的平行线的角度及骨速度。用户可以在一定程度上控制这些参数，然而许多参数取决于由患者的年龄或性别决定的生理特征与/或作为测定的主题的特定身体部件。在本发明的较佳实施例中，用在上列方程中的超声元件之间的距离是由元件的倾角决定的。通常，当使用低倾角时，超声元件的上(内)端是有效的，而当倾角高时，超声元件的下(外)端是有效的。通常，当要测定较低的骨速度时选择较高的倾角。例如，在图6元件的上端及在图7中元件的下端。在本发明的较佳实施例中，可以根据上述变量的估算确定使用哪一端。作为替代或附加，最好用迭代估算法，其中一个阶段的结果用来估算下一阶段中的常数的值。在本发明的较佳实施列中，当使用格栅型探头时，压电元件本身是平直，所以没有上下端问题，即使光束是倾斜的也一样。
如上所述，本发明的一些较佳实施例的一个方面为减少寄生波。在本发明的较佳实施例中，寄生波是通过在探头250中放置多个声阻挡物减少的。从而任何寄生波必须在发射机与接收机元件之间行进通过曲折迂回的路径。在本发明的较佳实施例中，将阻挡物放置成构成迷宫。除了行进在探头体中的寄生波，一些寄生波能行进通过声室。在本发明的较佳实施例中，阻挡物265延伸通过声室到达皮肤。在本发明的一些较佳实施例中，阻挡物265从探头250伸出，当将探头250压在皮肤上时导致软组织中的凹入。
在本发明的较佳实施例中，探头250与/或声室是用声衰减物质构成的。从而，寄生波不能带任何明显的强度行进通过探头。通过使声室衰减，行进通过它能极度衰减任何不立即从声室出来的超声波。这样衰减的寄生波的一个实例是行进通过声室并进入软组织来“绕过”阻挡物265的波。在本发明的较佳实施列中，声室包括声窗，从而比其它波较小地衰减沿要求的路径(在期望的临界角附近)行进的超声波。这些窗口可通过改变声室的材料的组分与/或用材料的各种后处理方法形成。
作为替代或附加，用具有低音束的物质填充探头250与/或声室，使寄生超声波慢下来。
在本发明的较佳实施例中，声室是用U-146聚氨基甲酸酯(1920m/s，5.5dB/cm)填充的，在聚合时经过精细的气相分离。作为替代或附加，可将英国Robner的聚氨基甲酸酯EL-110H(1620m/s，3dB/cm)用作填充物质。作为替代或附加，可以使用美国CIRS的PWO-02(1835m/s，15dB/cm)或PWN-01(2010m/s，20dB/cm)。在本发明的较佳实施例中，当发射机与接收机之间的距离较短时使用较高衰减物质。最好不测定内部发射机与接收机之间的路径，因此只须考虑次最短路径。
图8示出按照本发明的较佳实施例构造的探头。探头250最好包含上述声音阻挡物与/或电屏蔽，用于互相隔离压电元件。图8中，各超声元件是在其两面用参照数字301A-301H指示的电屏幕物电屏蔽的。用屏幕电缆302A-302B将元件驱动器与其它电子元件连接在超声元件上。电缆的屏幕最好连接在各元件周围的电屏蔽上，然后再到压电元件的底面(正面)上。作为替代或附加，声音阻挡物(300A，C，E)位于每两个超声元件之间。作为替代或附加，在其它声音阻挡物之间最好有声音阻挡物(300B，D)将探头内部变成声音迷宫。在一些情况中，可降低阻挡物300C与300E与/或将其向探头表面延迟，尤其是如果超声元件之间的距离较短时。在本发明的较佳实施例中，在探头在全体声学元件周围也构成声音阻挡物，并将它们与探头的外壳隔离开。最好，电屏蔽从所有方面包围各声学元件。阻挡物300A-300E最好包括延伸在探头的对边之间的平板。图8中的空白空间最好用衰减物质填充，如上所述。
图9示出在发明的较佳实施例中用作发射机与/或接收机的示范性压电元件的放大视图。
在图8的实施例中，发射机251与/或252生成的行进在皮肤20上方及绕过声音阻挡物300A-300B的波的传播时间受到延迟，因为探头250中的元件是设计成迷宫型式的。下面表1中示出声音阻挡物300A-300E及电屏蔽物301A-301H的尺寸，这是对于两个探头实施例的。如表1中所示，发射机251、252与接收机253、254的尺小与特征及它们之间的距离根据发射机与/或接收机是否(用于近端指骨III分析还是桡骨(手)/胫骨(腿)分析)：
表1
探头类型 A1mm A2mm 角β FMHz Lmm B1mm B2mm
指骨 8 2 23 1.25 23.5 3 11.5
桡骨/胫骨 10.5 4 23 1.25 40.5 4 20.3
探头类型 B3mm B4mm D1mm D2mm H1mm H2mm H3Mm H4mm H5mm H6mm
指骨 15 18.5 0.5 1.3 15 0.5 12 17 18.5 26.5
桡骨/胫骨 26.1 31.9 0.5 1.75 15 0.5 12 17 19.5 28.5
在按照本发明的另一实施例中，用基本上与阻挡物265、300A-300E相似组分的进一步的阻挡物将探头250本体与包围探头250的把手(如探头把手)分隔开。从而，发射机251、252生成的波不能行进通过探头把手到接收机253、254及在行进通过骨的波与/或降低其幅度之前到达。这一进一步的阻挡物最好具有高声音衰减。这样，充气(如充空气的)的间隙可用作该进一步的阻挡物。此外，这一进一步阻挡物也可用海绵材料、多孔材料等构成。在本发明的较佳实施例中，探头250是空的，由于空气在这些高频与/或低音速上具有非常高的衰减率。在本发明的较佳实施例中，可以定期机械调节充空气的探头，以便符合特定测定情况，诸如软组织深度与预期的超声骨速度。
表2示出探头250的本体、声室276、声音阻挡物265、300A-300E及电屏蔽物301A-301F的较佳组分材料，及这些材料的制造商(与相应部件号)的示范性表：
表2
      元件     组分        制造号        销售商
探头(250)本体 聚氨基甲酸酯 U146-0A+添加剂链UL143 PolymerGvulot，以色列
声室(276) 聚氨基甲酸酯 U146-0A+添加剂链UL143 PolymerGvulot，以色列
声音阻挡物(265，300A-300E) 人造橡胶(即膨胀橡胶)或聚氨基甲酸酯 CIG-32529/14A+异氰酸盐44V20 Regumi 1978 Ltd.，以色列PolyurethaneLtd.，以色列，海法
电屏蔽物(301A-301F) 铜箔带 8271-0050-39 InstrumentSpecialties，美国
图1-9中所示装置(及与之关联的方法)在骨18的平面不平行于皮肤20的平面时特别有用。图10示出不平行骨形式之间的负面交互作用及利用从骨的反射的超声测定方法。当测定来自骨的反射时，大部分能量是在入射角上反射的。从而，如果入射角为零(当形式为平行时)，如元件251所示，大部分能量反射回到元件251。然而，如果形式是不平行的，如元件253所示，则大部分能量不反射回到超声元件。结果，对噪声具有增加的易感性及更难于设计在若干数量级上灵敏的接收机。这一问题的可能最终结果便是难于确定在离开发射机一定距离上是否存在骨表面。
图11示出不平行骨形式在按照本发明的较佳实施例的测定方法上的影响。代替测定反射，本发明的一些较佳实施例只测定进入骨及由骨发射的波的幅度。如图11中所示，波的进入骨中及波从骨的发射对于角度的小改变敏感性小得多，如可以预期的，如果骨表面是不平整的。如果一开始进入角与出口角就不垂直于骨，这尤其真实。
在本发明的较佳实施例中，一旦标定了探头，便用计算机259将标定的参数存储在诸如FLASH ROM等只读存储装置中。最好将这一只读存储装置耦合在探头250上与/或包含在探头250中，以便特定探头250的标定是在其本身的只读存储装置上提供的。当利用连接插头将探头250耦合在测定系统上时，最好通过插头终端用测定系统检索探头250的标定参数并将其用在测定速度VB中。作为替代或附加，在探头250本身中至少包含某些信号处理电路，该电路可利用标定信息。作为替代或附加，这一只读存储器可包含探头标识号与/或使用信息，这在测定系统与一个以上连接在其上面的探头同时使用时尤其有用。
最好标定下面的参数中一或多个与/或将其存储在只读存储器上：
(a)元件间距离；
(b)各种寄生波的幅度；
(c)最小与/或最大时间限制，在它们外面寄生波可到达接收机上；
(d)超声波的衰减级；
(e)发射机与/或接收机的发射与/或接收频率与/或空间反应；
(f)发射机与/或接收机的带宽共振特征；
(g)单个超声元件下面的声室的相对厚度；
(h)声音的声室材料速度，它可包含若干速度，每一个工作频率一种。
声音骨速度测定具有许多用途。第一种用途为找出骨折与变形。当骨受力过度或骨折时(即使是X射线图象中难于看见的细缝骨折)，在骨折周围位置上其音速也明显地改变。借助本发明的一些实施例的高分辨率，能利用本发明的较佳实施例识别腕骨骨折。
第二种用途在于估计骨及其部分的密度，以便确定由于骨疾病、骨质疏松或低重力环境引发的骨中矿物质损失。应指出速度主要与杨氏模量相关，即速度越低骨骼越弱。
第三种用途为制订骨折的治疗过程计划。当前通用的实践是将损伤的骨保持在模中直到经过预定的时段为止。然而，一些患者需要较长或较短的治疗时段。X射线图象通常并不显示足够的细节来估计骨的完整性。通过测定声音骨速度的变化并画出图表，医师能更准确地估计骨的修复状态。在较佳实施例中，在模上钉一小孔而不需要卸掉模子便能测定声音骨速度。对于某些患者，比较相对测肢体的声音骨速度中的变化是有利的。
本发明的另一种用途是用于测定骨的皮质的厚度。图12示出骨18具有内核318与皮质314。骨18的总直径为D而内核316的直径为d。从而皮质314的厚度为(D-d)/2。
按照本发明的又一实施例，计算259通过利用参照图13中所示的理论上推导与经验上验证的正规化的速度对正规化的厚度的无量纲曲线估算皮质314的厚度。在H.Kolsky，1953年(Oxford与Clarendon出版社)所写的书“固体中的应力波”中讨论了图13中的曲线的建立。此外图1-9中所示的探头250能有利地用在这些测定上。
曲线的精确形状随测定的物质的类型变化。然而，本发明已确定，对于人骨曲线的形状近似地不变。
图13的曲线中的速度VL是利用在无穷大固体中达到的速度V0正规化的，而厚度是用来自发射机的波的波长λ正规化的。λ当然是由VB确定的：
                   λ＝VB/f   (23)
其中f为超声波的频率。本发明人已确定不论厚度是骨18的厚度D(图12)还是皮质314的厚度(D-d)/2(图12)，曲线近似相同。提出的解释是当皮质相对于λ厚时，骨的内部在音速上没有影响。然而，当皮质相对于λ薄时，骨的内部影响音速。骨的内部通常比皮质软得多，因而它们的音速比皮质的音速低得多。从而，如果采用较高的频率，便能测定较薄的皮质骨层中的速度。在本发明的较佳实施例中，将所用的频率选择成与期望的骨层厚度匹配。作为替代或附加，频率分析所接收的波。作为替代或附加，测试若干频率来确定哪一种频率最合适。作为替代或附加，采用宽带脉冲且最高的适用(它能行进通过薄皮质)频率通常是先到达，而较低的频率明显滞后。
应注意曲线具有用于相对地小的速度比与小直径/波长比的区330及用于直径/波长比大于大约1.5的区332，其中纵坐标渐近到1.0。
为了估计骨18的厚度(D-d)/2，探头进行两次测定，一次用高频波及一次用低频波。对于每一次测定，计算机259确定骨中的波速。作为替代，在本发明的较佳实施例中，探头250为宽带探头并且只工作一次。此外，探头250最好包括用于分开接收的高频信号与低频信号的频率滤波器。从而，利用同一宽带发射同时测定高频速度与低频速度。
对具有低波长λ的高频输入波的响应提供沿区332某处的速度数据点334，可以中确定速度V0。数据点334的精确位置是未知的，由于厚度尚未测定。然而，其精确位置通常并不重要。
对低频测定的响应在区330内某处提供速度数据点336。因为速度VL是从测定已知的且速度V0可从前面的测定中知道，数据点336在曲线上的位置是已知的。因此，比值(D-d)/(2*λ)可以确定。由于λ可从发射机的频率及已知的速度得知的，能够确定皮质314厚度(D-d)/2。
应理解当采用本声音骨速度测定方法时比使用传统方法，皮质厚度测定更实际。当行进通过骨质时高频波衰减很快。因此，只有在利用本发明时才有可能的。在骨18中的路径是短的时，使用高频超声波的测定才是实际的。从而，在本发明的较佳实施例中，采用的高频波高于传统装置中的，并因而适用于较薄的骨。
在本发明的较佳实施例中，利用探头250确定四个变量(VB、VS、与h)中除VB外的一个。实际上，利用上面描述的方法与装置，有可能测定软组织22中的速度。
在本发明的较佳实施例中，可对嵌入第二组织内部的组织进行软组织速度测定。这一测定的一个实例是测定可疑的癌瘤的音速。在本发明的较佳实施例中，沿两条路径确定软组织速度，其中之一包含肿瘤而另一条不包含。如果肿瘤的大小是从成象器已知的，肿瘤中的音速可通过估计其在用这里所描述的方法测定的平均软组织速度上的影响来确定。在本发明的较佳实施例中，使用上述格栅型装置进行软组织扫描，以便容易选择超声脉冲将沿软组织行进的路径，通过改变元件的带电，而不是通过移动探头或其元件。
在本发明的较佳实施例中，可通过测定音速、衰减、与频率相关的衰减与/或在软组织层中的扩散诊断一层软组织。用于将探头连接在身体上的声学油脂最好是具有大约1020m/s的音速的硅酮油。作为替代或附加，选择并不填充皮肤毛孔的油脂。作为替代或附加，不要用可能压缩软组织的方式将探头太强地压在软组织上。通过改变波的频率与/或通过发射宽带脉冲并确定与频率相关的响应，按照本发明的较佳实施例便有可能用波穿透软组织22到达预定深度。这样，便能测定软组织22中的特定层(如皮肤20、皮下层等)中的脉冲速度。通常皮肤的每一个下面的层具有比它上面的层更大的厚度及最高的超声速度。在本发明的较佳实施例中，皮肤分析用于皮肤科、糖尿病诊断与/或其它内分泌学用途。在本发明的较佳实施例中，减小了探头20中发射机与接收机之间的距离，从而没有波行进通过骨18时会快于通过皮肤。作为替代或附加，可以修正探头250的其它特征，包含超声元件的倾角及标定设定值，尤其是寄生波的时窗。最好作出这些修正以便检测到沿软组织上层行进的波，而不检测到沿软组织与/或甚至骨中的其它路径行进的波，或在其中预期软组织波的时间窗口外面到达的波。
作为最快的波将要通过它行进的软组织层厚度的估计，可预期大约波长λ＝c/f的厚度，其中c为软组织中的超声速度(用m/s表示)及f为频率(用Hz表示)。在本发明的一些较佳实施例中这一最快的波确定在其中进行软组织测定的有效厚度。例如，当频率为大约1Mhz而软组织22中的速度为大约1500m/s时，在其中进行测定的软组织层的厚度大约在1.5与2.0mm之间。
也有可能设置额外的发射机与/或对应的接收机来确定软组织的不同层中的速度。如上所述，可通过测定第四脉冲的时间及解上述软组织22中的速度的方程来确定软组织22中的速度。通过进行两次附加的行进时间测定便可测定第二软组织层的速度与厚度。从而，有可能测定诸如脂肪组织层与肌肉组织层中的脉冲的速度。
应指出骨声音速度测定的许多先有技术方法采用软组织厚度与软组织速度的不精确估计值。如果采用本发明的实施例来确定软组织厚度与速度的更精确的值，这些先有技术方法将给出更精确的结果。
此外，对于确定组织的水、脂肪与肌肉成分，软组织速度测定是有用的。从而，可通过在一段时间上在患者身体的选择部件上测定软组织速度来分析患者的脱水与再充水。如果组织的水份是已知的，或者通过平均患者饮水前后所取的若干次结果，便能确定组织的肌肉/脂肪比。
当扫描女性胸部时，可将空气组织边界用作反射平面。最好将胸部压在弹性模壳上以便在成象过程中不移动。
在本发明的另一实施例中，扫描是用上述单元阵列进行的。最好，扫描包含从多个方向扫描相同的软组织，以便能重构组织的速度图象，最好使用断层方法。
如上所述，通常用作为到达特定接收机的第一个波的波来确定来自骨的波的到达。在本发明的较佳实施例中，即使不是接收机上的第一个波，也检测来自骨的第一个波。在本发明的一个较佳实施例中，利用行进通过骨的波与只通过软组织行进的波与/或行进通过探头250的波具有不同特征这一事实。不同特征的一个实例为与频率相关的衰减。另一实例为与频率相关的扩散。从而，当在接收机上检测到波时，可以分析该波来确定何时该波从“软组织”型波改变成“骨”型波。作为替代或附加，当来自骨的波开始到达时，可以检测到至少某些频率分量的幅度的提高。由于新到达的波是加在软组织行进波上的。
在本发明的较佳实施例中，从忽略与/或补充上述考虑的方法检测所要求的波。本实施例基于下述观察：如果从发射机发射单一的波并被两个不同的接收机接收，所接收的波将具有类似特征。具体地，当从骨到达的波出现时波中的改变对于两个接收机将是类似的，即使由行进通过软组织的波导致的背景信号不同也如此。在本发明的较佳实施例中，来自两个接收机的信号径迹是互相相关的。当骨行进的波到达接收机时，预期检测到强相关性。在一些情况中用相关性确定的时间延迟比第一个到达的波更精确并且也对抗噪声更坚固。在本发明的较佳实施例中，这一相关性是限制在预期来自骨的波的时窗中的。作为替代或附加，采用周期性脉冲波，从而增加了正确相关性的效应并能对比脉冲方式的匹配来测试。
熟悉本技术的人员应理解，本发明不限于这里已具体展示与描述的，而是，本发明的范围只受下面的权利要求限定。

Claims (36)

1.一种确定覆盖有具有外表面的一层软组织的一段骨中的音速的方法，包括：
确定沿从所述外表面回到所述外表面的第一路径的第一超声波的第一行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第一部分中的一第一骨路径以及在所述软组织的至少一部分中的一第一软组织路径；
确定沿从所述外表面回到所述外表面的第二路径的第二超声波的第二行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第二部分中的一第二骨路径以及在所述软组织的至少一部分中的一第二软组织路径；
确定沿从所述外表面回到所述外表面的第三路径的第三超声波的第三行进时间，该路径包含在所述骨段的至少第三部分中的一第三骨路径以及在所述软组织的至少一部分中的一第三软组织路径；以及
响应一组联立方程的解导出所述骨段中的所述音速。
2.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三波中至少两个是由单个发射机同时生成的。
3.按照权利要求1或2的方法，其中所述第一、第二与第三波中至少两个是由单个接收机同时检测到的。
4.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三波中至少两个在生成时各具有相同的平均频率。
5.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三波中至少两个在生成时各具有不同的平均频率。
6.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三波中至少两个在检测到时各具有不同的平均频率。
7.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三波中至少两个在检测到时各具有相同的平均频率。
8.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三软组织路径中至少两条具有至少20％的重叠。
9.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三软组织路径中至少两条具有至少30％的重叠。
10.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三软组织路径中没有两条重叠20％以上。
11.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三软组织路径中没有两条重叠30％以上。
12.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三骨路径中至少两个在它们的长度上重叠至少20％。
13.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三骨路径中至少两个在它们的长度上重叠至少40％。
14.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三骨路径中至少两个在它们的长度上重叠至少70％。
15.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三骨路径中没有两个重叠20％或以上它们的长度。
16.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三骨路径中没有两个重叠40％或以上它们的长度。
17.按照权利要求1的方法，其中所述第一、第二与第三骨路径中没有两个重叠70％或以上它们的长度。
18.按照权利要求1的方法，包括估算声音软组织速度及其中导出所述音速包括用所述估算的声音软组织速度导出所述骨段中的所述音速。
19.按照权利要求1的方法，包括确定沿从所述外表面回到所述外表面的第四路径的第四超声波的第四行进时间，该路径包含所述骨段的至少第四部分及其中所述方程组包括至少一个限定骨中音速及第四行进时间之间关系的方程。
20.按照权利要求1的方法，其中所述声波路径中至少两条在外表面上的几何投影是平行的。
21.按照权利要求1的方法，其中所述声波路径在外表面上没有几何投影是互相平行的。
22.按照权利要求1的方法，其中由一些超声元件在它们的端面上生成并检测所述声波，其中所述这些端面是不共面的。
23.按照权利要求1的方法，其中所述外表面不平行于所述骨的外表面，而所述波行进通过所述骨。
24.按照权利要求1的方法，包括为多个骨段重复所述确定行进时间及所述导出音速，以便生成至少一部分骨的声音骨速度图。
25.按照权利要求1的方法，包括为多个通过所述骨的所述波的行进方向重复所述确定行进时间及所述导出音速，以便生成至少一部分骨的方向性声音骨速度图。
26.一种确定包含声音骨速度、声音软组织速度、所述软组织的厚度及所述软组织的外表面相对于骨的倾角的一组未知数中至少一个的方法，包括
确定从所述表面，到所述骨，沿所述骨中的一区域及回到所述表面行进的至少三个超声波的行进时间；
为所述未知数中至少一个假设一个值；以及
通过解一组联立方程，从所述三个确定的行进时间与所述假设的值导出至少一个所述未知数。
27.按照权利要求26的方法，其中所述假设的未知数包括一个声音软组织速度。
28.一种用于声音骨速度测定的探头，包括：
至少四个超声元件，其中至少一个包括发射机及其中至少一个包括接收机；以及
控制器，控制所述至少一个发射机发射至少三个超声波通过软组织层到达骨，在所述至少三个波在所述骨中行进之后，该控制器通过所述至少一个接收机检测所述至少三个波的至少相对行进时间，以及该控制器响应一组联立方程的解导出声音骨速度，其中所述的联立方程确定所述骨中的音速与所述相关的行进时间之间的关系。
29.按照权利要求28的探头，其中所述至少四个超声元件包括三个发射机及一个接收机。
30.按照权利要求28的探头，其中所述至少四个超声元件包括三个接收机及一个发射机。
31.按照权利要求28的探头，其中所述至少四个超声元件包括两个接收机及两个发射机。
32.按照权利要求28-31中任何一项的探头，其中所有所述超声元件是共面的。
33.按照权利要求28-31中任何一项的探头，其中不是所有所述超声元件是共面的。
34.按照权利要求28-31中任何一项的探头，其中所述探头包括适应于压在软组织的皮肤层上的表面，及其中所述超声元件是相对于所述探头的所述表面倾斜一个倾角的。
35.按照权利要求34的探头，其中所述倾角是根据预期的声音骨速度确定的。
36.按照权利要求28-31中任何一项的探头，其中所述至少三个超声波是作为单个波由单个发射机生成的，该波扩散以形成所述至少三个波。
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