CN1222772C - 确定骨特征的超声装置 - Google Patents

Abstract

通过中间介质确定具有一表面的固体的力学性能的方法，包括发射第一超声波，使之沿从第一地点经过中间介质、沿表面并且从表面经中间介质向第二地点的传播路径传播；测量第一超声波沿传播路径的传播时间；测量中间介质的厚度；测量中间介质的声速；根据各地点间的距离、中间介质的厚度和中间介质的声速计算固体的声速。

Description

确定骨特征的超声装置

发明领域

本发明总的来说涉及对材料的力学性能作无损测量的测量设备，具体而言涉及对骨的力学性能和骨质量的无损测量设备。

发明背景

材料中声波的速度与材料的力学性能有关，这在本领域是公知的。例如，这一现象在C.H.Hastings和S.W.Carter发表于美国材料测试协会第52届年度会议，超声测试文集，1949年6月28日第16-49页上的题为“用超声方法对金属进行观察、处理以及加工控制”中有所描述。

美国专利3720098，3228232，3288241，3372163，3127950，3512400，4640132，4597292，4752917描述了采用超声进行无损测试的现有技术状态。

以某一角度到达半无限固体的声波通常将以三种波的形式即纵波、横波和表面波，通过以及沿该固体传播，其中每种波的速度各不相同。据Hasting和Carter所描述，三种波的速度分别为：

$V_L=\sqrt{\frac{E(1-\mathrm{\σ})}{\mathrm{rho}(1+\mathrm{\σ})(1-2\mathrm{\σ})}}---\left(1\right)$

$V_T=\sqrt{\frac{E}{2(1+\mathrm{\σ})\mathrm{rho}}}---\left(2\right)$

V_S＝αV_T                                         (3a)

$\mathrm{\α}=\frac{0.87+1.12\mathrm{\σ}}{1+\mathrm{\σ}}---\left(3b\right)$

这里V_L、V_T和V_S分别是纵波、横波和瑞利表面波的波速、而E、σ和rho分别是杨氏模量、横向收缩与纵向伸展之帕松比以及材料的质量密度。方程(3b)是一个经验关系式，它在英国牛津Clarendon出版社于1975年出版的karl F.Graff的“弹性体中的波动问题”一书第326页上有定义。

在对骨的状况的超声测量中，通常只用纵波波速。在R.P.Heaney等人发表于1989年5月26日20期261卷第2986-2990的题为“骨质疏松骨易碎性：采用超声传播声速的检测”的文章中，给出骨的杨氏模量的经验公式：

                E＝K(rho)²                      (4a)

骨中纵向声波的速度由下式给出：

$V_L=\sqrt{(E/\mathrm{rho})}=\sqrt{(K\·\mathrm{rho})}---\left(4b\right)$

这里K是一常数，它包含了诸如骨结构的空间取向、骨材料的内在性能和疲劳损坏之类的一些因素。因此，纵波波速是质量密度的函数，可以用作为骨质量的指示。

下列文章也讨论了在体内以及体外条件下骨状况的超声测量：

“体内条件下人的皮层骨中超声速的测量”，M.A.Greenfield等人在Radiology，1981年三月第138卷第701-710页；以及

“马掌骨中2.25MHz超声速及骨的矿物质密度组合式测量及其在活体中的应用，”R.N.McCartney和L.B.Jeffcott，Medical andBiological Engineering and Computation，1987年25卷，Nov.1877第620-626页。

为便于在活体情况下对骨的力学性能作超声测量，有必要发射超声波，使之穿过骨周围的软组织。遗憾的是，沿骨的长度方向软组织的厚度是变化的。这一厚度变化可以影响对穿过骨的超声传播时间测量的准确性。在上述文章中，要么忽略软组织的厚度，要么试图消除软组织的影响。在上述描述体外实验的文章中，软组织与骨是分离的。

俄罗斯专利1420383，1308319，1175435，1324479，1159556和1172534和美国专利4926870，4361154，4774959，4421119，4941474，3847141，4913157与4930511描述了各种基于声速V_L测量骨的强度的系统。这些系统通常有一个超声信号发射器和至少一个超声信号接收机。

俄罗斯专利1420383，1308319和1175435试图通过假定测量区中软组织的厚度值或假设厚度变化比起在两个超声信号接收机之间的距离来是小的，来解决软组织的未知厚度问题。

俄罗斯专利1342279利用两个接收机和一个发射机，并且基于两个接收机之间的已知距离计算通过骨的平均群速度。

俄罗斯专利1159556定义了骨的不同区段，骨的状况由测得超声信号的最大和最小幅度之差确定，不同的区段有不同的速度。看起来该测量是在离体骨上进行的。

俄罗斯专利1172534描述了这样一个系统，它将健康骨的超声信号与不健康作比较，并且根据比较结果诊断不健康骨内的病况。

美国专利4926870，4421119和3847141描述了接收机和发射机分别置于骨的相对两侧的系统。美国专利4926870也将所得信号与标准波形进行比较，由此对骨的健康状况进行分类。

美国专利4913157，4774959和4941474描述了发射某一频谱超声信号的系统。

美国专利4930511描述了这样一种系统，该系统在被置于骨周围前被置于具有已知声学性能的标准无生命均匀材料周围。

美国专利5143072描述了一种克服中间软组织未知厚度影响的方法，该专利在此引以为参考。图1A示意说明了该专利的方法，图中给出一个超声发射机2和两个超声接收机4和6，它们均是共线的。发射机2发射超声波，使之穿过软组织22趋向骨18。在接收机4处接收到的第一信号通过最快路径传播。该路径包括第一软组织路径部分8、骨表面部分10和第二软组织路径部分14。路径14和垂直于骨表面部分10的垂直线之间的角23是一个布鲁斯特(Brewster)，该角由骨18中的声速和软组织22中的声速之比确定。接收机6所接收的第一信号穿过第一软组织路径部分8、骨表面部分10、另一骨路径部分12和第三软组织路径部分16。测量在接收机4和6处的第一接收信号的传播悍间。如果接收机4和6如此设置，使得路径14和路径16具有相同的长度，那么将这两个信号传播时间相减将得到骨部分12的信号传播时间。由于骨部分12的长度与接收机4和接收机6之间的距离相同，故此可以确定骨部分12中的声速。

图1B给出’072专利所报露的用于确保路径16和14有相同长度的方法。接收机4和6也是发射机，它们用于测量沿接收机4(和6)与骨18之间路径30(和32)的波传播时间。在所披露的额外实施例中，发射机2和接收机4和6安装于一个振动器上，该振动器在振动之时挤压软组织22，使得当沿路径30和32的传播悍间被认为是相等的时候，骨的声速即得以确定。

但是，即使是该方法也有数处严重不足。首先，软组织速度不是常数，相反，它随软组织的类型而变化。当传播路径30和32与路径14和16不同时，沿路径14和16的传播悍间可能是不等的，并且计算所得骨的声速不准确，即使沿路径30和32的传播时间相同时也是如此。其次，上述方法要求平坦的骨部分较长。这样，利用该方法，仅有少数骨可以测试，比如胫骨。另外，由于高频超声波的损耗非常大，在该方法中使用它们并非上策。第三，该方法的空间解析度较低，约2-5厘米。

发明概要

本发明诸多方面的一个目的是给出一种有着高分辨率的骨声速确定方法。另外，可以测量小块的骨，使得利用本发明的优选实施例可以测量几乎人体的全部骨头。

在本发明的优选实施例中，发射机和接收机被置于病人皮肤上面对骨放置。骨的声速按如下步骤测量：

(1)沿从发射机到骨的传输路径发射第一超声信号使之穿过骨周围的软组织，沿骨的表面并且经该软组织返回接收机；

(2)测量在发射机和接收机之间最快信号的传播时间；以及

(3)根据发射机和接收机之间的距离、软组织的厚度以及软组织的声速，计算骨的声速。

计算软组织的声速及其厚度的一个优选方法利用了反射波。一发射机和一发射机/接收机被置于皮肤上并隔一已知距离，使得从发射机到发射机/接收机的最快路径不穿过骨。相反，最快的信号从骨上的一点反射回发射机/接收机。应当注意到，发射机与发射机/接收机之间的距离可以非常小。测量从发射机发往发射机/接收机的信号以及从发射机/接收机发送且由骨反射回同一发射机/接收机的信号的传播时间。

下列三条线段形成一个直角三角形：

(a)第一边S1，它是连接发射机和骨的最短线；

(b)第二边S2，该线自发射机/接收机开始并且延伸达发射机与发射机/接收机之间的距离的一半；以及

(c)斜边H，它是发射机与骨上信号反射点之间的线。

假定发射机下软组织的厚度等于发射机/接收机下的厚度，则S1的长度与发射机/接收机与骨之间的距离相同。同样可以假定软组织平均声速沿所有被测路径是相同的，这是因为它们彼此非常靠近。这样，第一边和斜边的比值等于所测的传播时间之比。第二边的长度利用已知公式：S₁ ²+S₂ ²＝H²可以易于算出。因为长度S₁，S₂和H实际以时间来表示，S₂实际上是信号在路径处于软组织中的情况下行经发射机和发射机/接收机之间已知距离一半所用的时间。故而，软组织的声速得以确定。现在利用从发射机/接收机至骨以及返回的实测传播悍间易于确定软组织的厚度。

或者，也可以使用其它的方法确定速度和厚度。例如，利用X射线图象确定厚度，通过测量信号从发射机/接收机沿测量路径行至骨并且返回所花费的时间来确定速度。

优选地，测量从发射机到接收机的信号进入骨所在点处的厚度。另外或换句话说，在从发射机到发射机/接收机的信号从骨反射所在反射点处测量软组织的厚度。

优选地，从发射机至发射机/接收机的信号路径与从发射机到接收机的信号路径重叠。

应当理解，除对人或动物的肌肉进行成像以外，该优选实施例还可用于分析木、塑性合金以及外部涂层为不同材料的合成材料。

应当理解，上述软组织速度和软组织厚度的确定方法还有助于增加现有技术骨的声速确定方法的准确性。

利用上述骨声速方法可达到的典型分辨率好于1厘米，通常好于0.5厘米，优选好于3毫米。

优选地，上面提及的发射机和接收机安装于传感器中，使得它们基本上是共面的。该传感器优选地振动，以便使所述平面振动并且骨声速测量是在振动期间在位于发射机和接收机下方的软组织厚度相等的情况下进行的，即便平均声速并不相同。

根据本发明的一优选实施例，还提供了通过插入媒体确定固体厚度的方法，包括发射宽速超声波，使之从第一地点沿一路径，通过媒质并沿固体的表面传播，接收第二地点的波并且分析所接收的波以确定波的高频分量的传播时间和波的低频分量的传播时间之差。

根据本发明的一优选实施例，还提供了埋置于第二软组织中的第一软组织的声速确定方法，包括确定第一组织在第二组织中的地点，确定第二组织沿第一路径的声速并且确定第二组织沿包含有第一组织的第二路径的声速。优选地，第一路径与第二路径基本上重叠。

根据本发明的优选实施例，还提供肯有一表面的固体的声速测定设备。该设备包括：第一超声单元、第二超声单元和第三超声单元以及控制单元，第一超声单元用于产生第一信号和第二信号，使之通过中间媒质到达所述表面，其中所述第二信号穿过固体并且一般来说平行于所述表面；第二超声单元用于接收所述表面反射掉的所述第一信号，产生第三信号使之穿过所述中间媒质到达所述表面并且接收从所述表面反射的所述第三信号；第三超声单元接收所述第二信号；控制单元用于测量所述第一、第二和第三信号的最短传播时间。

根据本发明的优选实施例，还提供了含有一表面的固体的声速测量设备，包括：第一超声单元，第二超声单元，至少一个超声单元和控制单元，第一超声单元用于产生一种波，使之通过中间媒质到达表面，其中所述波穿过所述固体传播并且一般平行于所述表面，第二超声单元用于接收所述波，所述至少一个超声单元用于产生并向所述表面发射波并且接收从所述表面所反射的波，控制单元测量所有所述波的最短传播时间。

优选地，所述第二超声单元包括一、二、三或四个超声单元。

优选地，接收单元在接收波之前短时间内不发射波。

根据本发明的另一优选实施例，还提供一设备，它包括：用于产生和接收超声波的压电元件栅阵；所述栅阵的驱动器和测量所述波的传播时间的控制单元；其中所述波的一部分被所述表面反射掉并且所述波的一部分穿过所述固体并且一般平行于所述表面。

在本发明的优选实施例中，采用两步法配置该栅阵。第一步，确定打底组织的厚度，优选使用此处描述的方法。第二步，配置栅阵，使得发射元件和接收元件之间的距离对于组织厚度为最优。

在本发明的又另一优选实施例中，栅阵基本上同时以两种模式工作。第一模式包括现有技术中已知的超声扫描。第二模式优选包括上文所述的软组织速度确定和/或骨的速度测定。

优选地，控制单元用于计算固体的声速和/或中间媒质的声速。

应当注意，超声单元不必是共线的。

上面超声波优选是单频波。另外或另一方面，上述测量是同时进行的。

附图的简要说明

根据下文结合附图对本发明的详细描述，本发明能够被更全面地理解，附图中：

图1A给出骨的声速测量的现有技术方法；

图1B给出出对图1A所示方法所作的现有技术改进方案，它包含了额外的测量；

图2给出根据本发明优选实施例的骨声速测量方法；

图3给出根据本发明第二优选实施例的软组织声速测定方法；

图4A给出结合了图2和3所示方法各方面的骨声速测定的优选方法；

图4B给出结合了图2和3所示方法各方面的本发明的另一优选

实施例；

图4C给出图4A方法在打底组织厚度相等和不等情况下的应用情形；

图4D是图3方法一部分的简化局部图；

图4E是图2方法一部分的简化局部图；

图5A和5B给出根据本发明另一优选实施方案的骨声速测量的两步图6A和6B给出根据本发明又另一优选实施方案的骨声速测量的两步法；

图7A给出根据本发明另一实施方案的骨声速测定的又另一方法；

图7B给出图7A的一个理想化变型；

图8A和8B给出图7A和7B中所示方法的优选替代性变型；

图9是切开人骨的局部简图；

图10是物体厚度与沿其表面超声波速度的关系图；

图11是利用压电换能器阵列的本发明替代性实施例的简明示意图；

图12是图11阵列的简明示意图，示意了各换能器和控制及信号处理元件之间的连接关系；

图13A和13B给出根据本发明优选实施例的软组织分析方法；

图14给出根据本发明优选实施例的同时进行骨声速测定和骨成象的方法。

优选实施例详述

根据本发明的优选实施例的骨声速测定方法包括软组织的速度确定。图2给出了骨18被软组织22围绕的情况。为测量滑的声速，发射机40向接收机44发送一个信号，由此测得传播2时间T_total。很明显，从发射机40到接收机信号可以采用许多路径，其中一些被骨18反射，一些沿骨18表面传播。

如果发射机40和接收机44之间的距离D₄₀₄₄足够长，则最快路径包括三段，如图2所示，第一软组织路径段60、表面骨路径段64以及第二软组织径段62。段60和段64(骨18)的垂线之间的夹角B_r为布鲁斯特角，其定义如下：

               B_r＝arcsin(V₂₂/V₁₈)               (5)

这里V₂₂是软组织22中纵波速度，V₁₈是骨18中纵向表面波的速度。如果D₄₀₄₄如此之短以致于不能形成布鲁斯特角，那么最快路径是指被骨18简单反射的一条路径。

骨18的声速的计算方法是骨段64的长度D₆₄除以信号在骨段64上传播所花时间T₆₄。但是D₆₄和T₆₄均为未知。一些现有技术方法估计V₂₂、发射机40和骨18之间的距离H₄₀以及接收机44和骨18之间的距离H₄₄。这样，距离D₆₀即段60的长度，距离D₆₂即段62的长度D₆₂以及其传播时间T₆₀和T₆₂为：

$D_{60}=\frac{H_{40}}{\cos \left(B_r\right)}---\left(6\right)$

D₆₂＝H₄₄/cos(B_r)                          (7)

T₆₀＝D₆₀/V₂₂                              (8)

T₆₂＝D₆₂/V₂₂                              (9)

D₆₄和T₆₄为：

D₆₄＝D₄₀₄₄-(H₄₀tg(B_r)+H₄₄tg(B_r))          (10)

T₆₄＝T_total-(T₆₀+T₆₂)                     (11)

故此V₁₈为：

V₁₈＝D₆₄/T₆₄                              (12)

求解联立方程(5)～(12)得到V₁₈。

但是，H₄₀、H₄₄和V₂₂的估算值并不十分准确，特别是由于V₂₂以距骨18的距离的函数形式变化。典型地，靠近骨18的组织是肌肉，其平均速度比脂肪高10％，而脂肪通常更为靠近皮肤。

图3给出根据本发明优选实施例的确定H₄₀、H₄₄和V₂₂的确定方法。发射机/接收机42被置于发射机40和接收机44之间且与之共线，使得发射机40和发射机/接收机42之间的最快路径不包括骨18中的路径分段。如图3所示，发射机40和发射机/接收机42之间的最快路径包括第一软组织段46和第二软组织段48。将发射机/接收机42放置于这样一个地点的方法是：

(a)估计布鲁斯特角；以及

(b)将发射机/接收机42置于反射角R_f小于布鲁斯特角的地点处，反射角R_f是骨48的垂线和段46之间的夹角。正如本领域公知的那样，当入射角小于等于布鲁斯特角时，最快路径并不穿过骨18，而是仅被之反射。

首先，测量V₂₂。从发射机40向发射机/接收机42发射信号，测量其传播时间T₄₆+T₄₈。从发射机/接收机42向骨18发射第二信号，并将它沿路径段50反射回。由下列线段形成等腰三角形：

(a)发射机40和发射机/接收机的连线，其长度为D₄₀₄₂；

(b)段46，其长度为D₄₆；以及

(c)段48，其长度为D₄₈。

假定组织22的厚度在发射机40和发射机/接收机42之间的小区间内是恒量，段50的长度D₅₀等于等腰三角形的高度。

如果假设平均速度V₂₂沿段46、段48和段50是相等的，那么D₄₆、D₄₈和D₅₀为：

D₄₆＝V₂₂*T₄₆                                   (13)

D₄₈＝V₂₂*T₄₈                                   (14)

D₅₀＝V₂₂*T₅₀/2                                 (15)

应用等腰三角形边和高之间的已知关系：

$D_{4042}\÷2=\sqrt{{D_{48}}^2-{D_{50}}^2}---\left(16\right)$

利用方程14和15并且利用T₄₈和T₄₆之间的相等关系求解方程16：

$D_{4042}={2V}_{22}*\sqrt{{(T_{48}+T_{46})}^2-{\left(T_{50}\right)}^2}/2---\left(17\right)$

但是，T₅₀、T₄₈和D₄₀₄₂是已知的，这样：

$V_{22}=D_{4042}+\sqrt{{(T_{48}+T_{46})}^2-{T_{50}}^2}---\left(18\right)$

应当注意，上面算得的V₂₂是沿信号的实际路径的平均值，即包括脂肪中的速度和肌肉组织中的速度的加权后的数值。

H₄₄被假定与H₄₀(它等于D₅₀)相等。这样：

              H₄₄＝H₄₀＝V₂₂*T₅₀                 (19)

如果要求较高的精度，或者为了降低噪声，利用发射机/接收机42和接收机44之间的信号传播时间而不是发射机40和发射机/接收机42之间的信号传播时间再一次计算V₂₂。当然，发射机/接收机42和接收机44之间的距离也可以使得反射角小于或等于布鲁斯特角。利用第一次和第二次计算值的平均值计算V₂₂。

除上述测量V₂₂、H₄₀和H₄₄的方法外，还可以使用其它方法。例如，可以在X射线图像或另一医学图像上测量H₄₀和H₄₄。然后基于从骨18的反射信号的信号传播时间测量V₂₂。

图4A和4B给出根据本发明另一优选实施例的骨声速测量传感器。发射机70、发射机/接收机72和接收机74共线地置于包围骨18的软组织22上。如上所述，发射机70和发射机/接收机72之间的距离使得从发射机70向发射机/接收机72传播的信号并不通过骨18。优选地，从发射机/接收机72到接收机74的最快路径并不通过骨18。

然后V₂₂和发射机/接收机72邻近区域内的软组织22的厚度如上述确定。然后利用上述从发射机70向接收机74发送信号的方法确定骨18内的声速。发射机70和发射机/接收机72之间的距离优选值应使得在它们之间传播的信号以大约等于布鲁斯特角的角R_f1反射，如图4B所示。那样，沿与测量骨声速所用信号相同的路径测量V₂₂。由于人的肌肉中的布鲁斯特角在20°和28°之间，24°角是一个很好的估值，它导致各路径差不多重叠。

发射机/接收机72优选处于发射机70和接收机74的中间。这样，如果发射机70和接收机74的连线并不严格地平行于骨18，那么软组织的厚度是在它们之间测量的事实将给出平均声速的近似值。

利用该方法，骨中波传播的距离的最低限度值为约2至3毫米。发射机70和接收机74之间的距离与软组织厚度有关。利用该方法，可以作较为不均匀的骨的高分辨率绘图。例如，这类骨包括脊椎，手腕中的小骨，以及关节附近各骨的部分。另外，可以测量纵向和横向的骨速度，这是由于所测骨段的长度可以非常短的缘故。

工作频率优选在250和1500KHz之间。应当注意，由于信号在骨中行经的距离短，所以尽管高频声波在骨中的衰减较大，但采用比现有技术所用频率更高的频率是可行的。一般来说，高频测量的结果比低频更为准确。在本发明的某些优选实施例中，工作频率优选高于2MHz，更为优选的频率高于5MHz，而在某些本发明的优选实施例中优选工作频率大于10MHz。优选地，波被加以持续时间在2和150微秒之间的脉冲。

所用波形优选为单频脉冲波，这是因为所分析波的唯一特征是第一次信号接收的时间。另外，可以使用其它的、更为复杂的波形或脉冲，并对接收信号予以分析。

发射机70和发射机/接收机72的优选定位应优选以估计的布鲁斯特角发射信号，这在现有技术中是公知的，另外，接收机74和发射机/接收机应优选地加以调整，使以估计布鲁斯特角的接收有高增益。

当发射机70和发射机/接收机72以布鲁斯特角定位时，传感器面通常是凹面而不是平的。优选地，该凹形空间填充有声速已知的均匀材料。在本发明的优选实施例中，填充材料的声速接近于软组织的声速，这样便可以忽略填充材料对此处描述的计算结果的影响。或者，可以估计填充材料层对声速计算结果的影响并且在校准时或如下文所讨论的那样作为顶层在多层结构中的影响加以考虑。

应当理解，上述处理过程的两个步骤可以按任一顺序进行，也可以同时执行。对于每个信号优选使用不同的频率。应当理解通常所使用超声发射机和接收机的带宽非常宽。这样，发射多个波长，每个接收机对输入信号进行处理，滤除并且检测特定频率。另一方面或另外，脉冲被定时，以便在一个接收机处不会有两个脉冲一起到达。

优选地，发射机70、发射机/接收机72以及接收机74由控制单元100控制。这样，上述信号的初始化、时间的测量、信号处理以及速度计算均由控制单元100执行。

三元件的传感器，比如参考图4A和4B所描述的传感器，其配制后的长度优选小于100毫米，更为优选地小于50毫米，某些优选实施例中长度小于3毫米。在一特定优选实施例中，该传感器32毫米长。这样的一个传感器和骨之间所允许的最大距离为大约2厘米。由于这类传感器的精确度要求非常高，故此它优选由在15～40℃的温度范围内基本上不伸展或收缩的材料构成。这样的材料通常包括在从15至40℃加热时伸展的材料以及在从15至40℃加热时收缩的材料的混合体。

应当理解，可以针对某个期望的软组织深度对超声元件之间的距离进行优化。这样，典型的工作系统包括数个传感器，每个传感器适用于不同的深度范围。或者，使用下文讨论的单个栅阵型传感器。

通常，对于传感器并不要求每个超声元件之间有严格的距离。相反，构制传感器时允许有约0.1毫米的精度，并且各元件之间的严格距离利用模型加以测量。测量结果其精度通常优于2μ，这些测量结果存于下文将予以详细讨论的速度测定法所用的控制器100。这样的一个模型优选包括一个塑料柱体，该柱体有一个被埋置在其中的圆柱形金属芯。金属芯具有多个沿其轴上形成的台阶，每个台阶位于塑料下方不同的已知深度。

在骨的不同部分骨声速通常不同。为便于正确地比较来自两次不同测量时段的两个骨声速结果，这两次测量必须是针对骨头的同一部分。特别是，沿骨的纵轴的位置精度在长骨，比如胫骨上数量级应为5毫米。该精度利用常规的定位方法是很容易达到的，比如用永久标记标明该位置。但是，横向定位精度的数量级应为数百微米。由于达到这一精度较为困难，故此传感器优选安装于振动器上，使得发射机70、发射机/接收机72以及接收机74均是在振动器的与骨18的纵轴平行的轴上。当测量骨的声速时，振动器沿横向振动，并且确定多个骨声速。最大或最小确定值被用作与其它阶段期间所作的骨声速测量结果比较的参考值。另外或另一方面，骨18的声速是从骨18的数个侧面测得的，这是因为骨18的外层通常有数个不同的区段，每个区段有不同的硬度和声速。

应当理解，对于某些骨比如脊椎，测量较软的区段比测量硬的区段更为可行，对最小速度的检索是如此。所确定的最小速度通常在最软的区域。稍后发现的最小确定速度也位于最软区段，这样，速度测量是在同一横向地点(同一区段)重复进行的。

另外或另一方面，用所得的速度测量结果来构成骨18的一个横向速度分布图，这有助于骨结构分析。

图4C给出上文根据图4A描述的实施例，其方式便利于下文的数学讨论。该讨论的目的是更为详细地分析声速测定的数学原理。图4C给出两种可能的方案，其一是超声元件70、72和74的连线平行于骨18，其二是超声元件70、72和74的连线不平行于骨18。在这些情况的每一个中骨声速的数学偏离是不同的。

图4D和4E表示了以上述方法测得的时间。将这些时间与图4C相关联的方程式如下：

$\mathrm{\τ}1=\frac{\mathrm{AO}+\mathrm{OB}}{V_t}---\left(20\right)$

$\mathrm{\τ}2=\frac{{2h}_2}{V_t}---\left(21\right)$

$\mathrm{\τ}3=\frac{\mathrm{Cg}+\mathrm{gD}}{V_t}---\left(22\right)$

$\mathrm{\τ}0=\frac{\mathrm{Az}}{V_t}+\frac{\mathrm{zq}}{V_B}+\frac{\mathrm{qD}}{V_t}---\left(23\right)$

另外，γ是布鲁斯特角。正如下列方程中的那样，“a”等于A和B点之间的距离(AB)，b＝BC，C＝CD。另外，字母A在不指代A点时，代指a+b+c之和，即发射机70和接收机74之间的最短距离。

在第一个简化例子中，超声元件70、72和74的连线平行于骨18，该简化例在实际应用很少发生。这样：

            h₁＝h₂＝h₃＝h₄                     (24)

            Sina＝0                            (25)

           τ₁＝τ₃                            (26)

软组织声速V₂₂或V_t被确定为：

$V_t=\frac{a}{\sqrt{{\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2}}---\left(27\right)$

骨声速V₁₈或V_b由下列方程确定：

${V^2}_B\×(\frac{{\mathrm{\τ}}_0^2}{{\mathrm{\τ}}_2^2}-1)-V_B\left(2\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_2^2}A\right)+(\frac{A^2}{{\mathrm{\τ}}_2^2}+V_t^2)=0---\left(28\right)$

求解如下：

$V_B=\frac{A}{{\mathrm{\τ}}_0}\×\frac{1\±\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_0}\sqrt{1-\frac{a^2}{A^2}\×\frac{{\mathrm{\τ}}_0^2-{\mathrm{\τ}}_1^2}{{\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2}}}{1-\frac{{\mathrm{\τ}}_2^2}{{\mathrm{\τ}}_0^2}}---\left(29\right)$

应当理解，利用上述方程为了确定骨的声速，不仅h₁＝h₂＝h₃＝h₄而且τ₁＝τ₃。由于软组织的不均匀性而引起软组织的声速变化，这在体内测量过程中很少出现。但是，上述两个条件中的一个总是可以满足。在本发明的优选实施例中，传感器被埋置于振动器装置中。这样的一个振动装置在上面提及的美国专利5143072中有所描述。振动器沿连接发射机70和发射机/接收机72以及接收机74的一个轴振动，并对软组织块速和软组织厚度作多次测量。当h₁＝h₂＝h₃＝h₄或者τ₁＝τ₃时进行骨声速的测量。

当前的一个特定例子是股骨的声速测量。股骨的表面几何形状在其任何部位都并非基本平整。另外，重叠于股骨上的软组织厚度较高，约为6厘米量级。骨声速测量优选在发射机70和接收机74与股骨距离相同时进行，以使误反射最小。

当超声元件70、72和74的连线并不平行于骨18时，要确定骨声速通常必须求解下列更为复杂的方程。在下列方程中，假定构形与图4C所示的(非平行)构形相似。如果该构形是图4C所示构形的镜像，那么h₂应在点C测量，并对方程作相应修改。

利用下列方程确定软组织声速V₂₂或V_t：

$V_t^4\×[({\mathrm{\τ}}_3^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)+\frac{({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)\×(2b+c)}{a}+\frac{c^2\×{({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)}^2}{{4\mathrm{\τ}}_2^{2}a}-{(2b+c)}^2\×\frac{{({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)}^2}{{4\mathrm{\τ}}_2^2{a}^2}]+$

$+V_t^2\×[\frac{{(2b+c)}^2\×({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)}{{2\mathrm{\τ}}_2^2}-a\×(2b+c)-\frac{c^2\×({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2)}{{2\mathrm{\τ}}_2^2}-c^2]+---\left(30\right)$

$+\frac{a^2{c}^2}{{4\mathrm{\τ}}_2^2}-{(2b+c)}^2\×\frac{a^2}{{4\mathrm{\τ}}_2^2}=0$

利用与方程(28)相似的议程求解骨声速：

p₁V⁴B+p₂V³B+p₃V²B+p₄V_B+p₅＝0                 (31)

此处：

$p_1={\mathrm{\τ}}_0^2-{(\mathrm{\τ}2+\frac{b+c-a}{V_t}\×\mathrm{Sin\α})}^2---\left(32\right)$

p₂＝-2τ₀ACosa                             (33)

$p_3=A^2{\mathrm{Cos}}^2\mathrm{\α}-V_t^2\×[{\mathrm{\τ}}_0^2-2{({\mathrm{\τ}}_2+\frac{b+c-a}{V_t}\×\mathrm{Sin\α})}^2]---\left(34\right)$

$p_4={2\mathrm{\τ}}_0{\mathrm{AV}}_t^2\mathrm{Cos\α}---\left(35\right)$

$p_5=-V_t^2\×[A^2{\mathrm{Cos}}^2\mathrm{\α}+{(V_t{\mathrm{\τ}}_2+(b+c-a)\×\mathrm{Sin\α})}^2]---\left(36\right)$

$\mathrm{Sin\α}=\frac{a^2-V_t^2({\mathrm{\τ}}_1^2-{\mathrm{\τ}}_2^2))}{{2V}_t{\mathrm{\τ}}_{2}a}---\left(37\right)$

骨18中以及软组织22中不同路径段的严格长度可以利用图4C所示的几何关系以及上面确定的软组织和骨声速加以确定。特别是，波从发射机70至接收机74的路径是：

$z^{\′}{q}^{\′}=(a+b+c)\mathrm{Cos\α}-{\mathrm{\τ}}_2{V}_t\frac{\mathrm{Sin\γ}}{\mathrm{Cos\γ}}-(b+c-a)\mathrm{Sin\α}\frac{\mathrm{Sin\γ}}{\mathrm{Cos\γ}}---\left(38\right)$

$A^{\′}{z}^{\′}=\frac{{\mathrm{\τ}}_2{V}_t-2\mathrm{aSin\α}}{2\mathrm{Cos\γ}}---\left(39\right)$

$D^{\′}{q}^{\′}=\frac{\frac{{\mathrm{\τ}}_2{V}_t}{2}+(b+c)\×\mathrm{Sin\α}}{\mathrm{Cos\γ}}---\left(40\right)$

图5A和5B示意了本发明的一个附加实施例。利用上述测量信号由发射机80发射直至它第一次被接收机86接收的传播时间的测量方法，测量骨的声速。但是，该实施例与图4A和4B的实施例的区别在于一对发射机/接收机82和84取代了单个的发射机/接收机72。这一变化主要有两个好处。首先，组织22的厚度及其声速可以在多于一个的地点处测量。这样，可以识别出有着不均匀表面或软组织声速有变化的体区域。优选地提醒操作者并使之采取适当的行动，比如改变测量地点。另一方面，针对这些差异校正声速计算值。

其次，发射机/接收机82的地点可以与发射机/接收机84无关。在图4A和4B的实施例中，描述了一个优选场合，其中软组织声速确定所用的信号路径与骨声速确定所用的路径一致。在当前实施例中，发射机/接收机82可以相对于发射机80放置，使得该优选场合得以发生(在下文参考图5B描述的方法中)。发射机/接收机84以类似方式相对于接收机86放置。应当注意，发射机80和接收机86之间的距离不会对测量结果有明显的负面影响。

图5A和5B示意了一个两步过程，其中一些测量是在第一步进行的，而另一些则在第二步进行。但是，这些步骤的次序无关紧要，并且优选这两步利用不同频率或波形同时进行。如果利用两步法，骨的声速确定优选在两步中均进行。

但是，仅执行这两步中的一步即足以确定骨的声速。究竟采用哪一步，优选依据发射机/接收机82、发射机/接收机84、发射机80、接收机86以及骨18的构形来确定，该构形对软组织速度测量以及骨声速测量的相对位置有影响。

在图5A所描述步骤中，通过测量信号在发射机80和接收机86之间的经历时间来测量骨的声速。另外，进行下列有助于软组织声速确定的测量：

(a)组织22在发射机/接收机82下方的厚度；

(b)组织22在发射机/接收机84下方的厚度；

(c)信号从发射机/接收机82到发射机/接收机84的经历时间。

对于软组织声速测量以及组织22厚度的变化确定来说这些测量已经足够。应当注意，如果发射机/接收机82和发射机/接收机84的距离足够远使得从发射机/接收机82到发射机/接收机84的信号通过骨18，那么不作测量(c)。但是，在图5B步骤中进行的测量(c)和(d)对不作测量(c)进行补偿。

在图5B所示的步骤中，通过测量信号在发射机80和接收机86之间的经历时间来测量骨的声速。另外，执行下列有助于软组织速度确定的测量：

(a)组织22在发射机/接收机82下方的厚度；

(b)组织22在发射机/接收机84下方的厚度；

(c)信号从发射机80到发射机/接收机82的经历时间；以及

(d)信号从发射机/接收机84到接收机86的经历时间。

对于软组织声速确定以及对于组织22厚度变化的确定，这些测量是足够的了。再一次，如果信号从发射机80到发射机/接收机82或从发射机/接收机84到接收机86的最快路径通过骨18，那么不作测量(c)和/或(d)。但是，在图5A的步骤中执行的测量(c)补偿了这些省掉的测量。

应当注意，在图5B所示步骤中进行的测量确定的是在用于骨声速确定的信号的行经区域周围的局部区域中的软组织声速。这样，该实施例适于表面被认为是不均匀或软组织声速被认为是变化的情况下的骨声速确定。另外，在过于弯曲的身体部分，比如沿骨18的一横向轴线，由于沿骨18的必要路径段短，骨的声速确定也是可行的。

最低限度要求的骨路径段尺寸小，使得可以利用本发明的实施例进行高空间分辨率的扫描。例如，为了测量牙齿皮层某部分中的声速，可以使用10MHz的超声脉冲。由于该超声脉冲的频率高，传感器尺寸的量级可以为3毫米，并且分辨率好于1毫米。

图6A和6B给出利用三个发射机/接收机、一个发射机和一个接收机的另一优选实施例。与前面相同，骨声速的测定是通过测量由发射机90向接收机98发射的信号的传播时间进行的。软组织声速的确定优选以两步过程完成。

图6A示意了第一步，该步做了如下测量：

(a)从发射机90至发射机/接收机92的传输时间；

(b)从发射机/接收机92至发射机/接收机96的传输时间；

(c)从发射机/接收机96至接收机98的传输时间；

(d)在发射机/接收机94下方的组织22的厚度；以及

(e)从发射机90至接收机98的传输时间。

图6B给出第二步，其中作了如下测量：

(a)从发射机/接收机92至发射机/接收机96的传输时间；

(b)发射机/接收机92下方的组织22的厚度；

(c)发射机/接收机94下方的组织22的厚度；

(d)发射机/接收机96下方的组织22的厚度；以及

(e)从发射机90到接收机98的传输时间；

这样，组织22的厚度是在三个地点进行测量的，使得组织22的厚度变化易于结合到计算中去。

发射机/接收机92和96优选如此排列，使得它们恰好在据估计是骨声速确定信号进入和离开骨的点处测量组织22的厚度。发射机/接收机94优选如此安排，使得它在信号从发射机/接收机92向发射机/接收机96的估计反射点处测量组织22的厚度。这样，可以更为精确地估计组织22中的信号路径长度。

图7A和7B示意了本发明的又另一个优选实施例。如前所述，骨声速是借助于测量信号从发射机110到接收机120的传播时间而确定的。但是，采用了多达4个的发射机/接收机112、114、116和118来测量软组织声速。该实施例采纳了前面实施例中所描述的数个特征，并特别表示于图7B中：

(a)针对信号历经组织22的每个区域单独确定软组织声速；

(b)在信号进入骨18的点处测量组织22的厚度；以及

(c)信号路径与测量软组织声速的信号所使用的路径一致。

可以理解的是，为了取得上文提及的所有特征，这些发射机/接收机优选按图7B而不是图7A所示来确定位置。

优选执行两个独立的测量过程。第一个过程是在发射机10附近区域执行的，即：

(a)测量信号从发射机110到发射机/接收机114的传播时间(发射机/接收机114只需起接收机的作用即可)；

(b)测量在发射机/接收机112下方的组织22的厚度；以及

(c)利用(a)和(b)计算组织22的厚度及其在发射机110附近区域的声速。

第二个过程非常相似，它是在接收机120附近区域进行的；

(a)测量信号从发射机/接收机116到接收机120的传播时间(发射机/接收机116只需起发射机的作用)；

(b)测量在发射机/接收机118下方的组织22的厚度；以及

(c)利用(a)和(b)计算组织22的厚度及其在接收机120附近区域的声速。

在图4A-7B所示实施例中，所有的超声元件优选是共线的。但是，如果各超声元件不共线但是超声元件间的距离是已知的，则可以确定正确的声速。

在上述实施例中，一个发射机/接收机既发射又接收超声波，比如发射机/接收机82(图5A)。本发明人发现在发射超声波之后超声发射接收机的接收质量有短时间的下降。测得的接收信号是实际接收信号和一个传输信号余量之和。这种质量下降可以通过将发射机/接收机分离成一对发射机和接收机而加以避免。

图8A和8B表示了针对图7A和7B所示实施例所作的这种分离。在图8A，发射机130对应于发射机110(在图7A中)，发射机132和接收机134对应于发射机/接收机112，接收机136对应于接收机114，发射机138对应于发射机116，发射机140和接收机142对庆于发射机/接收机118，接收机144对应于接收机120。操作方法与上文参考图7A描述的操作方法相似，其区别只在于发射机/接收机112和118下方的厚度是利用一个发射机和一个接收机而不是一个发射机/接收机测得的。由于所述发射机和接收机之间的距离(即发射机132和接收机134的距离)比起软组织22的厚度要短得多，因此利用发射机和接收机测量软组织22的厚度与利用单独的发射机/接收机同样准确。另外，骨18的表面有时不规则。当来自发射机112的波的反射点因这些不规则的缘故而不同于自发射机110到接收机114的反射点时，软组织的速度确定不正确。自发射机132到接收机134的波以一定角度传播，故此，所述不规则对反射点的影响较小。

图8B示意了利用发射机/接收机的另一替代性测量方法，但是在该方法中发射和接收之间有着大的时间差，使得接收质量没有下降。

对于图8B的结构，进行若干测量步骤，包括：

(a)测量从发射机150到发射机/接收机156的信号传播时间；

(b)测量从发射机/接收机152到接收机164的信号传播时间；

(c)测量从发射机154到发射机/接收机152的信号传播时间；

(d)测量从发射机/接收机156到接收机160的信号传播时间；以及

(e)测量在发射机150和接收机164之间的波传播时间。

骨18的骨声速按此处上文描述方法确定。应当理解，这些测量步骤可以同时进行，但是，优选在拟接收波之前短时间内不发射波。

骨的声速测量有许多用途。第一种用途是找出骨的变形和骨折。当骨受力过大或骨折(甚至是X射线图像中难以看到的发丝般的裂缝)，在骨折处附近其声速发生明显变化。由于本发明某些实施例的高分辨率，腕骨中的裂缝也可以被分辨出，现有技术的装置是无法如此甄别的。

第二个用途是估计骨及其一部分的密度以确定由于有关骨的疾病、骨质疏松或低重力环境的缘故致使骨中矿物质损失的情况。应当注意，速度主要与杨氏模量有关，即速度越低，骨质越弱。

第三个用途是制订骨折的逾合计划。当今通常的做法是将受损骨置于模子中直至经过预定时间周期为止。但是，有些病人需要或长或短的逾合期。X射线图象并不总能给出足够的细节信息来估计骨的完整性。通过测量骨声速的变化并将之制成表格，医生可以更为准确地估计骨的恢复状况。在优选实施例中，在模子上钻个小孔并且测量骨的声速，而不必移去模子。对某些病人来说，对相对肋骨的骨声速变化进行比较可能是便利的措施。

本发明的第四个用途是测量骨的皮层厚度。图9示意了有着内核316和皮层314的骨18的情况。骨18的总的直径是D，而内核316的直径为d。这样，皮层314的厚度是(D-d)/2。

根据本发明的第四实施例，控制单元100通过利用理论推导且经实验证实的归一化速度-归一化厚度的元量钢曲线，估计皮层314的厚度，所述无量纲曲线示意于图10中，在此处引以为参考用。图10曲线的生成的有关讨论在H.Kolsky所著的“Stress Waves in Solids”一书中，该书由Oxford and Clarendon出版社于1953年出版。

曲线的精确形状因被测材料的类型而异。但是，对于人类骨头来说，该曲线的形状大致是恒定的，这一点已为本发明确定。

图10曲线中的速度V_L由在无限固体中取得的速度V₀归一化，厚度由来自发射机70的信号的波长λ归一化。当然λ由V₁₈确定：

              λ＝V₁₈/f                          (41)

此处f是超声信号的频率。本发明人确认，无论该厚度是指骨18的厚度D(图9)还是皮层314的厚度(D-d)/2(图9)，曲线都几乎相同。推荐的解释是当皮层相对λ较厚时，骨的中间部分对声速没有影响。但是，当皮层相对于λ较薄时，骨的中间部分对声速有影响。骨的中间部分通常比皮层软得多，故此它们的声速比皮层的声速曼得多。这样，如果使用较高的频率，那么可以测量较细的骨头。

应当注意，曲线有区域330和区域332，区域330对应于较小的速度比和小的直径/波长比，区域332对应于大于约1.5的直径/波长比值，该区域332较近于1.0。

为了估计骨18的厚度(D-2)/2，发射机70工作两次，一次发射高频输入信号，一次发射低频输入信号。对于每次测量，控制单元100确定所接收的速度，其工作如上文参照图4A和4B描述。或者，在本发明的一优选实施例中，发射机70是宽带发射机，仅工作一次。另外，控制单元100包括使所接收的高频信号与低频信号分离的频率滤波器。这样，同时测量高频速度和低频速度。

有着低波长λ的高频输入信号的响应曲线提供了沿区域332某个地点处的速度数据点334，根据它可以确定速度V₀。由于厚度还未确定，故此数据点334的精确地点未知。但是，这并不重要。

低频输入信号的响应曲线提供了区域330内某处的速度数据点336。因为速度V_L根据测量是已知的而速度V₀根据先前的测量是已知的，因此数据点336在曲线上的位置是已知的。所以，可以确定比率(D-d)/(2*λ)。由于λ可从发射机70的频率和已知速度得知，故此，皮层314的厚度(D-d)/2可以确定。

应当理解，上述第四个用途在使用骨声速确定的瞬时方法时比使用现有技术方法时更为可行。高频信号在经骨材料传播时衰减得很快。这样，仅当骨18中的路径较短时，高频声波才属可行，而这在本发明中是可以保证的。故此，在本发明的一优选实施例中，所使用的高频输入信号的频率高于现有技术，因而适于较细的骨头。

应当注意，上述发射单个宽带信号而不是两个频率特定信号的方法可用于骨厚度确定的现有技术方法，比如美国专利5143072所示的方法。

现在参看图11和12，这些图示意了可用于扫描人体某一段448比如手臂的又一实施例的各个方面。

在该实施例中，由超声发射机/接收机阵元阵列450组成的传感器装置被放置于段448上或缠绕其周围或做成插头状元件460。阵列450的各阵元优选由压电材料，比如压电陶瓷，制成。阵列450通常以标准方式声耦合于段448上。

如图12所示，阵列450每一阵元的输入和输出线连接至模拟矩阵多路复用器451，该多路复用器451继而与驱动器452以及信号处理单元454相连。驱动器452和单元454通常由微处理器455控制。

多路复用器451使阵列450的每个阵元被单独存取，并且可以将每个阵元定义为接收机、发射机、发射机-接收机或者定义不激活状态。

由于经骨18的路径长而导致的衰减的缘故，阵列450的各阵元各别地可能过分小而不能形成供现有技术所用的超声换能器。所以，在期望地点处的由阵列450各阵列元组成的若干组在电学上并且可选地被定义为超声元件。在本发明的优选实施例中，阵列450的每个阵元是此处描述的单独的超声元件。或者，如在现有技术中那样将阵元组定义为换能器。但是，优选使用下面说明的一个工作模式。

操作的第一优选方法是选择与上文说明的实施例的功能相接近的阵元和阵元组。这样，可以使发射机/接收机作最佳放置，而不移动超声元件。

在本发明的优选实施例中，利用两步法确定阵列450的构表为发射机和接收机。如上文所说，本发明的优选实施例使用了一些传感器，针对在传感器和骨18之间的特定软组织厚度对传感器进行优化。利用阵列450来为骨18成像，便可以在确定骨声速前确定位于下方的组织22的厚度：

(a)确定打底软组织22的厚度；以及

(b)将阵列450配置成其间有最佳距离的发射机、接收机和发射机/接收机，最佳距离是根据软组织22的确定厚度算出的。

另外，超声传感器包括一或多个发射机和/或接收机与一个阵元阵列。该阵元阵列被设计用于代替上文的实施例中所说明的一些超声元件而不是其全部。比如，在图5A的实施例中，发射机/接收机82和84可由阵元阵列模拟。

操作的第二优选方法借助于操作阵列50的不同阵元而不是使包括多个超声单元在内的某单元移动，来测绘骨和软组织。于是，不同位置和不同方向上的骨声速可以测出，而不必实际移动该设备。

应当注意，骨声速确定的许多现有方法使用了对软组织厚度和软组织速度数值的不精确估值。如果本发明的实施例用于确定软组织厚度和速度的更为准确的数值，那么这些现有技术方法给出的结果将更为精确。

另外，有关软组织速度的测量也可用于确定组织内水、脂肪和肌肉的含量。这样，通过测量病人身体某一选定部位内一段时间中软组织的速度，可以分析病人的脱水和再水化情况。如果组织的水含量已知，或者通过对病人饮水前后所测的数次结果进行平均，可以确定组织的肌肉/脂肪比例。

当扫描妇女的胸部时，空气组织的边界可以用作为反射面。最好是挤压乳房使其保持弹性形状，从而不会在成像时发生运动。

在本发明的优选实施例中，扫描工作是利用上文说明的阵元阵列完成的。所述扫描优选包括从多个方向对同一软组织的扫描，使得组织的速度图像可以通过优选利用层析X摄影法加以重构。

图13A和13B示意了与软组织成像有关的本发明的优选实施例。图13A表示了一个普通的软组织部分508，它包含了声速明显不同的软组织部分506。这种组织的例子有人的乳房和病瘤，比如恶性瘤。所用传感器优选包括一个阵列，该阵列的若干阵元502包括扫描器，这在超声成像领域是公知的。至少一个阵元包括一个发射机500，而至少一个阵元包括一个接收机504。扫描器502扫描组织508，直至发现组织506的地点为止(扫描束由两条并行线表示)。另外，利用标准的超声成像技术，组织506是不可见的。在此情况下，组织506优选事先采用另一同样确定界标的成像方法加以确定。这些界标由扫描器502发现，故而组织506的位置便可定出。在组织506周围区域的组织508的软组织速度，是利用发射机500、接收机504以及包括扫描器502的若干阵元，并利用上文说明的确定方法而确定的。然后，软组织速速被确定，其确定方式将使测量波的路径经过组织506。例如，如果使用阵元栅格，那么可以获得若干软组织测量结果，并且这些测量结果因与通过组织506的情况有关系而明显不同。

图13B结合图13A共同示意了一种增加组织508中速度的测量结果和组织506中速度的测量结果之间对比度的方法。在段Aa、bB、Bd、Bd’、Dd和a’A’中的传播时间是恒定的，不受组织506的存在情况的影响。这些传播时间可以事先在并不包含组织506的区域中确定。结果是，组织506中的组织速度可以仅利用段ab、dd’中和b’a’得到较好的确定。另一方面或另外，有关组织506的近似深度的知识可以用于以相似方式增加对比度。

软组织成像的设备可以包括少至2个发射机/接收机，这在上文参考软组织速度确定方法已作了说明。但是，这类设备优选包括多个超声元件，最好是一个阵列，比如阵列450(如图11所示)。另一方面，也可以将上文结合骨声速确定说明的设备用于软组织速度的确定。通常在这类情况下在骨中传播的波要么不被发射，不被接收，要么不加以分析。

在本发明的某些优选实施例中一次简单的测量仅2.5毫秒长，比绝大多数身体节奏要快得多。在身体运动过程中所做的测量可用于测量身体节奏对测量的影响。

上述实施例是在结合骨周围包有软组织的情况下作出说明的。但是，本领域的技术人员将会理解，这些完全相同的实施例刚好适用于确定被声速较低的层状材料包围的一般结构的力学性能。比如，嵌入橡胶中的金属支撑物。

上文说明的是双层结构中声速的确定情况。应当理解，只要各层按声速的升序排列，那么多层结构中的声速便可以确定。比如，如果快速层上覆盖有慢速层，并进而覆盖以极慢速度，那么首先确定极慢速层的声速，其次是慢速层，最后是快速层。每个被确定的速度用于确定下一层的速度。但是如果慢速层和快速层调换，那么曼速层被快速层遮住，慢速层的声速不能被确定。

图14示意了结合扫描型超声传感器使用的本发明的实施例。通常的扫描超声传感器利用一个阵元阵列，比如上文的阵列450，以便形成一个扫描束，对身体的某部位，比如骨18和其上覆盖的软组织22扫描。在本发明的优选实施例中，骨18的声速是在对骨18扫描的同时确定的。这样，获得骨18的图像，以及同一区域中骨声速图或骨的强度图。若干阵元456形成扫描发射机，若干阵元458形成对骨18成像的接收机。骨声速优选在扫描脉冲之间加以确定。

应当被本领域的技术人员所理解的是，本发明不限于本文中特别示意和说明书的内容。相反，本发明仅由下面的权利要求书限定。

Claims (58)

1.通过一个有着第一声速的中间介质，确定表征固体的第二声速的方法，所述固体具有与所述中间介质邻接的表面，所述方法包括：

发射第一超声波，使之沿一传播路径从第一地点经过中间介质、沿表面并从该表面经中间介质向第二地点传播，其中中间介质包括一生物组织；

测量第一超声波沿传播路径的第一传播时间；

确定中间介质的厚度；

确定第一声速；以及

利用所述地点间的距离、经确定的中间介质厚度以及经确定中间介质声速，计算第二声速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：

从第三地点发射第二超声波，使之经中间介质向所述表面传播；

测量被所述表面反射而向第四地点传播的部分第二超声波的第二传播时间；

从第五地点发射第三超声波，使之经中间介质向所述表面传播；

测量被表面反射向第五地点传播的部分第三超声波的第三传播时间；以及

利用第三和第四地点间的距离、第二和第三超声波的测得第二和第三传播时间确定第一声速。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第一声速由下列方程确定：

$V=D\÷\sqrt{{T_2}^2-{T_3}^2}$

这里V是第一声速，D是第三和第四地点间的距离，T₂是第二超声波的第二传播时间，T₃是第三超声波的第三传播时间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于确定厚度的步骤包括：

根据第三和第四地点之间的距离和第二以及第三超声波的测得第二和第三传播时间，确定介质的厚度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于确定厚度的步骤包括步骤：根据所确定的第一声速和第三超声波的第三传播时间确定所述厚度。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述厚度利用下列方程确定：H＝V*T

这里V是第一声速，T是第三超声波的实测第三传播时间；H是中间介质的厚度。

7.根据权利要求2的方法，其特征在于所述厚度是针对第二超声波入射在固体上的入射点相交的和表面基本垂直的方向确定的。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第二超声波的一路径至少部分地重叠于第一超声波的传播路径上。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第二超声波的所述部分和第三超声波的所述部分基本上是被所述表面的同一地点反射。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括一个活体骨。

11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述固体包括一生物组织。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述固体包括牙齿。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于厚度是在第一超声波与所述固体的相交点处确定的。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于中间介质包括一活的组织。

15.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述第一和第二超声波是单频波。

16.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第一、第二和第三地点位于一个平面内，并且包括：

相对于表面边界使该平面摆动一定的角度范围；以及

重复在不同摆动角对所述第一传播时间的测量。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于测量步骤是当第一地点和表面间的距离等于第二地点和表面间的某一距离时进行的。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于在第一地点下方和第二地点下方中间介质的声速是不同的。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括确定固体中的声速基于摆动角的关系的步骤。

20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括确定固体中最大确定的声速的步骤。

21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括确定固体中最小确定的声速的步骤。

22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于第一、第二和第三地点基本上共线，并且所述摆动包括垂直于第一、第二以及第三地点共线的轴使所述平面作摆动的步骤。

23.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第一和第二传播时间的测量是同时进行的。

24.根据权利要求1-23之一所述的方法，其特征在于至少所述第一超声波的频率至少为2MHz。

25.根据权利要求1-23之一所述的方法，其特征在于至少所述第一超声波的频率至少是5MHz。

26.根据权利要求1-23之一所述的方法，其特征在于至少所述第一超声波的频率至少是10MHz。

27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括牙齿。

28.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括一个弯骨。

29.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括脊椎。

30.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括与关节邻近的骨的一部分。

31.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括腕骨。

32.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固体包括一股骨。

33.根据权利要求1所述的方法，共特征在于还包括：

在确定第二声速之后还确定在该固体的同一地点处的第二声速的后续值；以及

将第二声速与第二声速的后续值作比较，以确定固体内的结构变化。

34.根据权利要求1所述的方法，其特征在于传播路径沿体组织上的某预定方向延伸，并且还包括：

在确定了第二声速的所述固体的位置确定该固体的垂直声速，所述垂直声速是沿基本上垂直于所述预定方向的传播路径的声速。

35.通过具有第一声速的中间介质确定位于所述介质下方、具有第二声速的固体的力学性能的方法，所述固体具有和所述中间介质邻接的表面，该方法包括：

测量第一声速，其中中间介质是生物组织；

测量沿着经过中间介质和该固体的一段路径的声波的传播时间；

利用第一声速和所述传播时间，计算第二声速；

根据所述第二声速确定所述力学性能。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于所述测量第一声速步骤包括：

从第一地点发射第一超声波，使之经中间介质向表面传播；

测量被所述表面反射而向第二地点传播的部分第一超声波的第一传播时间；

从第三地点发射第二超声波，使之经中间介质向表面传播；

测量被该表面反射向第三地点传播的部分第二超声波的第二传播时间；以及

利用第一和第二地点间的距离以及第一和第二超声波的测得第一和第二传播时间，确定第一声速。

37.确定具有与中间介质邻接的一表面的固体的声速的装置，包括：

超声发射器，它产生第一和第二超声波，使之进入中间介质并向所述表面传播，其中中间介质包括生物组织；

超声发射器/接收器，它在第一超声波被该表面反射之后接收第一超声波，产生第三超声波使之进入中间介质并向表面传播，并且在第三超声波被该表面反射后接收第三超声波；

超声接收器，它接收第二超声波，在此之前第二超声波已经过中间介质、到达表面，沿表面并且从表面向中间介质直至所述超声接收器传播；以及

控制单元，它控制超声发射器和发射器/接收器使它们产生第一、第二和第三超声波，接收与发射器/接收器和接收器所接收的超声波相应的信号，并且确定第一、第二和第三超声波各自的最短传播时间。

38.根据权利要求37所述的装置，其特征在于所述至少一个所述发射器/接收器包括一个发射器和一个接收器。

39.根据权利要求37所述的装置，其特征在于控制单元计算固体的声速。

40.根据权利要求37所述的装置，其特征在于控制单元计算中间介质的声速。

41.根据权利要求37所述的装置，其特征在于超声接收器、超声发射器和超声单元中至少一个以某角度面向表面定位。

42.根据权利要求37所述的装置，其特征在于所述装置的一部分基本上与中间介质接触，其延伸长度不大于100毫米。

43.根据权利要求42所述的装置，其特征在于所述长度不大于35毫米。

44.根据权利要求43所述的装置，其特征在于所述长度不大于3毫米。

45.确定具有与中间介质邻接的一表面的固体的声速的装置，包括：

超声发射器，它产生第一超声波，使之进入中间介质向表面传播，其中中间介质包括生物组织；

超声接收器，它接收超声波，该第一超声波在此之前已经中间介质向表面传播，并沿表面继而从表面向中间介质直至超声接收器传播；

超声单元，它位于所述发射机和所述接收机之间，产生超声波并且接收来自表面的反射波；以及

控制单元，它控制超声发射器产生所述第一超声波，以及超声单元产生第二超声波，对接收器和超声单元所接收的第一和第二超声波发生反应，接收由此而产生的信号并且确定第一和第二超声波各自的最短传播时间。

46.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声单元包括至少一个超声发射器/接收器。

47.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声单元包括至少两个超声发射器/接收器。

48.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声单元包括至少三个超声发射器/接收器。

49.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声单元包括至少四个超声发射器/接收器。

50.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声单元设置于所述超声接收器和所述超声发射器之间。

51.根据权利要求50所述的装置，其特征在超声单元近乎位于超声接收器和超声发射器的中间位置。

52.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声单元明显地靠近超声接收器和超声发射器之一而远离超声接收器和超声发射器的另一个。

53.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声接收器、超声发射器和超声单元并不共线。

54.根据权利要求45所述的装置，其特征在于超声接收器、超声发射器和超声单元基本上共线。

55.通过一个有着第一声速的中间介质，确定具有与中间介质邻接的一表面和表征固体的第二声速的固体的力学性能的方法，所述方法包括：

发射第一超声波，使之沿第一传播路径从第一地点经过中间介质、沿表面并从该表面经中间介质向第二地点传播，其中中间介质包括一生物组织；

测量第一超声波沿第一传播路径的第一传播时间；以及

根据第一测量时间计算第二声速；

其中所述第一和第二地点沿并不平行于沿所述表面延伸的第一传播路径的一部分的一条线延伸；

其中中间介质包括生物组织。

56.通过一个有着第一声速的中间介质，确定具有与中间介质邻接的一表面和表征固体的第二声速的固体的力学性能的方法，所述方法包括：

从多个换能器中至少一个向所述表面发射至少三个超声波，并使之从所述表面返回至少所述多个换能器中的第二个，其中至少一个所述超声波沿所述表面传播，其中每个所述超声波沿不同路径传播并且其中所述换能器和所述固体在发射单个的超声波之间保持单一的空间结构；

测量所述超声波各自的传播时间；以及

根据测量时间计算第二声速；

其中中间介质包括生物组织。

57.根据权利要求56所述的方法，其特征在于计算步骤包括将所述测得时间代入方程，并且求解这些方程。

58.根据权利要求57所述的方法，其特征在于所述方程包括一组联立方程。

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