DE69635587T2

DE69635587T2 - Ultraschallvorrichtung zum feststellen von knocheneigenschaften

Info

Publication number: DE69635587T2
Application number: DE69635587T
Authority: DE
Inventors: Edward P.O. Box 2513 KANTOROVICH
Original assignee: Sunlight Medical Ltd
Current assignee: Sunlight Medical Ltd
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: CA2233852A1; DE69635587D1; CN1222772C; AU6999596A; WO1997013145A1; JP2000504946A; EP0873516A1; CA2233852C; CN1203663A; EP0873516B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung von mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen sowie eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der mechanischen Eigenschaften von Knochen und der Knochengüte.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist in der Technik bekannt, dass die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem Werkstoff von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs abhängt. Dieses Phänomen wird z. B. beschrieben durch C. H. Hastings und S. W. Carter in einem Artikel mit dem Titel "Inspection, Processing and Manufacturing Control of Metal by Ultrasonic Methods", Symposium zur Ultraschallprüfung, 52. Jahrestagung der amerikanischen Gesellschaft für Werkstoffprüfung, 28. Juni 1949, S. 16–47.
Die US-Patente 3.720.098, 3.228.232, 3.288.241, 3.372.163, 3.127.950, 3.512.400, 4.640.132, 4.597.292 und 4.752.917 beschreiben den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall.
Eine Schallwelle, die unter einem Winkel auf einen unendlichen Halbfestkörper trifft, wird sich typischerweise durch den Festkörper und an diesem entlang in Form von drei Wellen ausbreiten, und zwar als longitudinale, transversale und Oberflächenwellen, wobei jede Welle eine andere Geschwindigkeit besitzt. Wie durch Hastings und Carter beschrieben wurde, besitzen die drei Wellen die folgenden Geschwindigkeiten:
VS = αVT (3a)
wobei V_L, V_T und V_S die Geschwindigkeiten der longitudinalen, der transversalen bzw. der Raleigh-Oberflächenwelle sind und E, σ und rho das Young-Modul, das Poisson-Verhältnis von lateraler Kontraktion und longitudinaler Ausdehnung bzw. die Massendichte des Werkstoffs sind. Die Gleichung (3b) ist eine empirische Beziehung, die auf Seite 326 des Dokuments "Wave Motion in Elastic Solids" von Karl F. Graff definiert ist, das durch Clarendon Press, Oxford, England, 1975 veröffentlicht wurde.
Bei der Ultraschallmessung des Zustands von Knochen wird typischerweise lediglich die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle verwendet. In einem Artikel mit dem Titel "Osteoporotic Bone Fragility: Detection by Ultrasound Transmission Velocity", R. P. Heaney u. a., JAMA, Bd. 261, Nr. 20, 26. Mai 1989, S. 2986–2990, ist das Young-Modul E von Knochen empirisch angegeben als: E = K(rho)2 (4a)
Die Geschwindigkeit der longitudinalen Schallwelle in dem Knochen ist angegeben als: VL = √(E/rho) = √(K·rho) (4b)wobei K eine Konstante ist, die mehrere Faktoren enthält, wie etwa die räumliche Ausrichtung der Knochenstrukturen, inhärente Eigenschaften des Knochenwerkstoffs und Ermüdungsschäden. Deswegen ist die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle eine Funktion der Massendichte und kann als eine Angabe der Knochengüte verwendet werden.
Die folgenden Artikel erläutern ebenfalls die Ultraschallmessung des Knochenzustands sowohl im lebenden Organismus (in-vivo) als auch im präparierten Organismus (in-vitro):
"Measurement of the Velocity of Ultrasound in Human Cortical Bone In Vivo", M. A. Greenfield u. a., Radiology, Bd. 138, März 1981, S. 701–710; und
"Combined 2,25 MHz ultrasound velocity and bone mineral density measurements in the equine metacarpus and their in vivo applications", R. N. McCartney and L. B. Jeffcott, Medical and Biological Engineering and Computation, Bd. 25, 1987, Nov. 1877, S. 620–626.
Um am lebenden Organismus Ultraschallmessungen der mechanischen Eigen schaften des Knochens auszuführen, muss eine Ultraschallwelle durch das den Knochen umgebende Weichgewebe übertragen werden. Die Dicke des Weichgewebes ändert sich leider über die Länge des Knochens. Diese Dickenänderung kann die Genauigkeit der Messung der Ultraschallausbreitungszeit beeinflussen. In den oben erwähnten Artikeln wird die Dicke des Weichgewebes entweder ignoriert oder es wird versucht, die Wirkungen des Weichgewebes aufzuheben. In den Artikeln, die In-vitro-Experimente (Experimente am präparierten Organismus) beschreiben, ist das Weichgewebe von Knochen entfernt.
Die russischen Patente 1.420.383, 1.308.319, 1.175.435, 1.324.479, 1.159.556 und 1.172.534 und die US-Patente 2.926.870, 4.361.154, 4.774.959, 4.421.119, 4.941.474, 3.847.141, 4.913.157 und 4.930.511 beschreiben verschiedene Systeme zum Messen der Festigkeit von Knochen anhand der Geschwindigkeit V_L. Dieses Systeme besitzen typischerweise einen Ultraschallsignal-Sender und wenigstens einen Ultraschallsignal-Empfänger.
In den russischen Patenten 1.420.383, 1.308.319 und 1.175.435 wird versucht, das Problem der unbekannten Dicke des Weichgewebes zu lösen, indem Werte der Dicke des Weichgewebes in dem Bereich der Messung angenommen werden oder indem angenommen wird, dass die Dickenänderung über den Abstand zwischen den beiden Ultraschallempfängern gering ist.
Im russischen Patent 1.342.279 werden zwei Empfänger und ein einzelner Sender verwendet und es wird eine durchschnittliche Gruppengeschwindigkeit durch den Knochen anhand des Abstands zwischen den beiden Empfängern berechnet.
Im russischen Patent 1.159.556 werden Zonen eines Knochens definiert und der Zustand eines Knochens wird durch die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Amplitude des gemessenen Ultraschallsignals bestimmt, wobei unterschiedliche Zonen unterschiedliche Geschwindigkeiten besitzen. Es scheint, dass diese Messung an einem operativ entfernten Knochen ausgeführt wird.
Im russischen Patent 1.172.534 wird ein System beschrieben, bei dem das Ultraschallsignal eines gesunden Knochens mit dem eines kranken Knochens verglichen wird und aus dem Vergleich eine Diagnose des Umfangs der Erkran kung in dem kranken Knochen abgeleitet wird.
In den US-Patenten 4.926.870, 4.421.119 und 3.847.141 werden Systeme beschrieben, bei denen ein Empfänger und ein Sender an gegenüberliegenden Seiten eines Knochens angeordnet werden. Im US-Patent 4.926.870 wird außerdem ein resultierendes Signal mit einer kanonischen Signalform verglichen, um den Gesundheitszustand des Knochens zu klassifizieren.
In den US-Patenten 4.913.157, 4.774.959 und 4.941.474 werden Systeme beschrieben, bei denen ein Ultraschallsignal mit einem Frequenzspektrum ausgesendet wird.
Im US-Patent 4.930.511 wird ein System beschrieben, das um einen genormten leblosen homogenen Werkstoff mit bekannten akustischen Eigenschaften angeordnet wird, bevor es um einen Knochen angeordnet wird.
Im US-Patent 5.143.072, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis eingeschlossen ist, wird ein Verfahren zum Überwinden der Einflüsse der unbekannten Dicke des dazwischenliegenden Weichgewebes beschrieben. 1A, die das Verfahren dieses Patents veranschaulicht, zeigt einen Ultraschallsender 2 und zwei Ultraschallempfänger 4 und 6, die alle kolinear sind. Der Sender 2 sendet eine Ultraschallwelle durch Weichgewebe 22 zu einem Knochen 18. Das erste Signal, das am Empfänger 4 empfangen wird, verläuft durch den schnellsten Weg. Dieser Weg enthält einen ersten Weichgewebe-Wegabschnitt 8, einen Knochenoberflächenabschnitt 10 und einen zweiten Weichgewebe-Wegabschnitt 14. Ein Winkel 23 zwischen dem Weg 8 und dem Weg 10 wird durch das Verhältnis zwischen der Schallgeschwindigkeit im Knochen 18 und der Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe 22 bestimmt. Das erste Signal, das vom Empfänger 6 empfangen wird, verläuft durch den ersten Weichgewebe-Wegabschnitt 8, den Knochenoberflächenabschnitt 10, einen zusätzlichen Knochenwegabschnitt 12 und einen dritten Weichgewebe-Wegabschnitt 16. Die Ausbreitungszeiten für das erste empfangene Signal an den Empfängern 4 und 6 werden gemessen. Wenn die Empfänger 4 und 6 so ausgerichtet sind, dass der Weg 14 und der Weg 16 die gleiche Länge haben, ergibt eine Subtraktion der beiden Signalausbreitungszeiten die Ausbreitungszeit im Knochenabschnitt 12. Da der Knochenabschnitt 12 die gleiche Länge besitzt wie der Abstand zwischen dem Empfänger 4 und dem Empfänger 6, kann die Schallgeschwindigkeit im Knochenabschnitt 12 bestimmt werden.
1B zeigt ein Verfahren, das durch das Patent '072 offenbart ist, wobei sichergestellt wird, dass der Weg 16 und der Weg 14 die gleiche Länge aufweisen. Die Empfänger 4 und 6 sind außerdem gleichzeitig Sender und sie werden verwendet, um die Wellenausbreitungszeiten längs den Wegen 30 (und 32) zwischen den Empfängern 4 (und 6) und dem Knochen 18 zu messen. In einer zusätzlichen offenbarten Ausführungsform sind der Sender 2 und die Empfänger 4 und 6 auf einer Kippeinrichtung angebracht, die das Weichgewebe 22 beim Kippen zusammendrückt, so dass dann, wenn die Ausbreitungszeiten längs den Wegen 30 und 32 gleich sind, die Schallgeschwindigkeit des Knochens bestimmt wird.
Selbst dieses Verfahren besitzt jedoch mehrere ernsthafte Nachteile. Erstens ist die Weichgewebe-Geschwindigkeit keine Konstante, sondern sie ändert sich mit dem Typ des Weichgewebes. Da die Ausbreitungswege 30 und 32 nicht gleich den Wegen 14 und 16 sind, können die Ausbreitungszeiten längs der Wege 14 und 16 unterschiedlich sein und die berechnete Schallgeschwindigkeit des Knochens ist nicht korrekt, selbst wenn die Ausbreitungszeiten längs der Wege 30 und 32 gleich sind. Zweitens erfordert das oben beschriebene Verfahren einen verhältnismäßig langen Abschnitt eines ebenen Knochens. Dadurch kann lediglich eine kleine Anzahl von Knochen, wie etwa das Schienenbein, durch dieses Verfahren geprüft werden. Da außerdem Hochfrequenz-Ultraschallwellen sehr verlustbehaftet sind, ist es unpraktisch, sie bei diesem Verfahren zu verwenden. Drittens ist die räumliche Auflösung dieses Verfahrens mit etwa 2–5 cm verhältnismäßig gering.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe von einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen, das eine hohe Auflösung besitzt, zu schaffen. Außerdem kann ein kleiner Abschnitt des Knochens gemessen werden, so dass nahezu alle Knochen des menschlichen Körpers unter Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein Sender und ein Empfänger einem Knochen zugewandt auf der Haut eines Pa tienten angeordnet. Die Schallgeschwindigkeit in einem Knochen wird gemessen durch:

(1) Senden eines ersten Ultraschallsignals längs eines Übertragungsweges von dem Sender durch das den Knochen umgebende Weichgewebe zu dem Knochen, längs der Oberfläche des Knochens und durch das Weichgewebe zurück zum Empfänger;
(2) Messen der Ausbreitungszeit des schnellsten Signals zwischen dem Sender und dem Empfänger; und
(3) Berechnen der Schallgeschwindigkeit des Knochens anhand des Abstands zwischen dem Sender und dem Empfänger, der Dicke des Weichgewebes und der Schallgeschwindigkeit in dem Weichgewebe.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Berechnen sowohl der Schallgeschwindigkeit in dem Weichgewebe als auch seiner Dicke verwendet reflektierte Wellen. Ein Sender und ein Sender/Empfänger werden in einem bekannten Abstand voneinander auf der Haut angeordnet, so dass der schnellste Weg vom Sender zum Sender/Empfänger nicht durch den Knochen verläuft. Das schnellste Signal wird statt dessen von einem Punkt auf dem Knochen zum Sender/Empfänger reflektiert. Es sollte angemerkt werden, dass der Abstand zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger sehr gering sein kann. Die Ausbreitungszeiten eines Signals, das von dem Sender zum Sender/Empfänger gesendet wird, und eines Signals, das von dem Sender/Empfänger gesendet wird und durch den Knochen wieder zum gleichen Sender/Empfänger reflektiert wird, werden gemessen.
Ein rechtwinkliges Dreieck wird aus den folgenden drei Linienabschnitten gebildet:

(a) eine erste Seite s₁, die die kürzeste Linie ist und den Sender und den Knochen verbindet;
(b) eine zweite Seite s₂, die eine Linie ist, die am Sender/Empfänger beginnt und sich über die Hälfte des Abstands zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger erstreckt; und
(c) eine Hypotenuse H, die die Linie zwischen dem Sender und dem Signalreflexionspunkt auf dem Knochen ist.

Unter der Annahme, dass die Dicke des Weichgewebes unter dem Sender gleich der Dicke unter dem Sender/Empfänger ist, besitzt s₁ die gleiche Länge wie der Abstand zwischen dem Sender/Empfänger und den Knochen. Es kann außerdem angenommen werden, dass die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes längs aller gemessenen Wege gleich ist, da sich sehr nahe beieinander liegen. Deswegen ist das Verhältnis zwischen der ersten Seite und der Hypotenuse gleich dem Verhältnis zwischen den gemessenen Ausbreitungszeiten. Die Länge der zweiten Seite wird leicht berechnet durch die bekannte Formel: s₁ ² + s₂ ² = H². Da die Längen s₁, s₂ und H tatsächlich als Zeiten ausgedrückt werden, ist s₂ tatsächlich die Zeit, die das Signal benötigen würde, sich über die Hälfte der bekannten Strecke zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger zu bewegen, wenn der Weg im Weichgewebe verlaufen würde. Dadurch wird die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes bestimmt. Die Dicke des Weichgewebes wird nun leicht bestimmt unter Verwendung der gemessenen Ausbreitungszeit von dem Sender/Empfänger zum Knochen und zurück.
Alternativ werden andere Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Dicke verwendet. Es wird z. B. ein Röntgenbild verwendet, um die Dicke zu bestimmen, und die Geschwindigkeit wird durch Messen der Zeit bestimmt, die ein Signal benötigt, um sich von einem Sender/Empfänger zum Knochen und zurück längs des Messweges auszubreiten.
Die Dicke wird vorzugsweise an dem Punkt gemessen, an dem das Signal vom Sender zum Empfänger in den Knochen eintritt. Zusätzlich oder alternativ wird die Dicke des Weichgewebes an dem Punkt gemessen, an dem das Signal vom Sender zum Sender/Empfänger von dem Knochen reflektiert wird.
Die Wege des Signals vom Sender zum Sender/Empfänger überlappen vorzugsweise den Weg des Signals vom Sender zum Empfänger.
Es sollte anerkannt werden, dass die bevorzugten Ausführungsformen an Stelle bei der Abbildung von menschlichem oder tierischem Fleisch zum Analysieren von Holz, Kunststoff, Metall und Verbundwerkstoffen, die mit einer äußeren. Beschichtung aus einem anderen Werkstoff überzogen sind, verwendet werden können.
Es sollte anerkannt werden, dass die oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Dicke von Weichgewebe außerdem nützlich sind bei der Verbesserung der Genauigkeit von Verfahren, die Stand der Technik sind, zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen.
Eine typische Auflösung, die unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen ist kleiner als 1 Zentimeter, typischerweise kleiner als 0,5 Zentimeter und vorzugsweise kleiner als 3 Millimeter.
Die oben erwähnten Sender und Empfänger sind vorzugsweise in einem Sensor angebracht, der eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt. Der Sensor wird typischerweise längs seiner langen Achse gekippt, während mehrere Messungen ausgeführt werden. Bevorzugte Messungen der Knochengeschwindigkeit werden ausgeführt, wenn die Dicken der Weichgewebeabschnitte, die unter dem Sender bzw. unter dem Empfänger liegen, gleich sind, selbst wenn die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit nicht gleich ist.
Zusätzlich oder alternativ wird der Sensor längs seiner kurzen Achse gekippt, während mehrere Messungen ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Abhängigkeit der bestimmten Schallgeschwindigkeit des Knochens von dem Kippwinkel bestimmt. Typischerweise wird die maximale bestimmte Geschwindigkeit als die repräsentative Schallgeschwindigkeit verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren geschaffen, um durch ein eingefügtes Medium die Dicke eines Festkörpers zu bestimmen, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer Breitband-Ultraschallwelle längs eines Weges von einem ersten Ort durch das Medium und längs der Oberfläche des Festkörpers, Empfangen der Welle an einem zweiten Ort und Analysieren der empfangenen Welle, um die Differenz zwischen der Ausbreitungszeit der hochfrequenten Komponente der Welle und der Ausbreitungszeit der niederfrequenten Komponente der Welle zu bestimmen.
Es werden Vorrichtungen und Verfahren in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1–52 geschaffen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird vollständiger verstanden aus der folgenden genauen Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit der Zeichnung erfolgt, in der:
1A ein Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen des Standes der Technik zeigt;
1B eine Verbesserung des Standes der Technik an dem in 1 gezeigten Verfahren zeigt, die zusätzliche Messungen umfasst;
2 ein Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Verfahren zu Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Weichgewebe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4A ein bevorzugtes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen zeigt, bei dem Aspekte der Verfahren der 2 und 3 kombiniert sind;
4B eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der Aspekte der Verfahren der 2 und 3 kombiniert sind;
4C das Verfahren von 4A zeigt, das in Fällen von gleichen und ungleichen Dicken des darunterliegenden Gewebes angewendet wird;
4D eine vereinfachte schematische Teildarstellung eines Abschnitts des Verfahrens von 3 ist;
4E eine vereinfachte schematische Teildarstellung eines Abschnitts des Verfahrens von 2 ist;
die 5A und 5B ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
die 6A und 6B ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer nochmals weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
7A ein weiteres Verfahren zum Messen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B eine idealisierte Version von 7A zeigt;
die 8A und 8B bevorzugte alternative Versionen der in den 7A und 7B gezeigten Verfahren zeigen;
9 eine schematische Teilansicht eines geschnittenen menschlichen Knochens ist;
10 eine Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der Dicke eines Objekts und der Geschwindigkeit einer Ultraschallwelle längs seiner Oberfläche zeigt;
11 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der eine Anordnung aus piezoelektrischen Wandlern verwendet wird;
12 eine schematische Darstellung der Anordnung von 11 ist, die die Verbindungen der Wandler zu Steuerungs- und Signalverarbeitungselementen veranschaulicht;
die 13A und 13B ein Verfahren zum Analysieren von Weichgewebe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und
14 ein Verfahren zur gleichzeitigen Knochengeschwindigkeitsbestimmung und Knochenbilddarstellung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Bestimmung der Geschwindigkeit im Weichgewebe. 2 zeigt einen Knochen 18, der von Weichgewebe 22 umgeben ist. Um die Schallgeschwindigkeit des Knochens zu bestimmen, sendet ein Sender 40 ein Signal zu einem Empfänger 44 und eine Ausbreitungszeit T_total wird gemessen. Es gibt offensichtlich viele Wege, die das Signal vom Sender 40 zum Empfänger 44 nehmen kann, wovon einige vom Knochen 18 reflektiert werden und einige längs der Oberfläche des Knochens 18 verlaufen.
Wenn ein Abstand D₄₀₄₄ zwischen Sender 40 und Empfänger 44 lang genug ist, umfasst der schnellste Weg, wie in 2 gezeigt ist, drei Segmente. Ein erstes Weichgewebewegsegment 60, ein Knochenoberflächenwegsegment 64 und ein zweites Weichgewebewegsegment 62. Der Winkel B_r zwischen dem Segment 60 und einer Senkrechten zum Segment 64 (Knochen 18) ist der Brewster-Winkel, der definiert ist als: Br = arcsin(V22/V18) (5)wobei V₂₂ die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle im Weichgewebe 22 ist und V₁₈ die Geschwindigkeit einer longitudinalen Oberflächenwelle im Knochen 18 ist. Wenn D₄₀₄₄ so kurz ist, dass kein Brewster-Winkel gebildet werden kann, ist der schnellste Weg der Weg der einfachen Reflexion vom Knochen 18.
Die Schallgeschwindigkeit im Knochen 18 wird berechnet durch die Division einer Länge D₆₄ des Knochensegments 64 durch eine Zeit T₆₄, die das Signal für eine Ausbreitung über das Knochensegment 64 benötigt. Es ist jedoch weder D₆₄ noch T₆₄ bekannt. Bei einigen Verfahren des Standes der Technik werden V₂₂, ein Abstand H₄₀ zwischen dem Sender 40 und dem Knochen 18 und ein Abstand H₄₄ zwischen dem Empfänger 44 und dem Knochen 18 geschätzt. Dadurch ergeben sich ein Abstand D₆₀, der die Länge des Segments 60 ist, ein Abstand D₆₂, der die Länge das Segments 62 ist, und ihre Ausbreitungszeiten T₆₀ und T₆₂ aus:
D₆₄ und T₆₄ ergeben sich aus: D64 = D4044 – (H40tg(Br) + H44tg(Br)) (10) T64 – Ttotal – (T60 + T62) (11)
Somit ist V₁₈:
Eine Lösung der simultanen Gleichungen (5)–(12) ergibt V₁₈.
Eine Schätzung von H₄₀, H₄₄ und V₂₂ ist jedoch nicht sehr genau, insbesondere da V₂₂ sich als eine Funktion des Abstands vom Knochen 18 ändert. Die Gewebe nahe am Knochen 18 sind typischerweise Muskeln und besitzen eine durchschnittliche Geschwindigkeit, die um 10% größer ist als die von Fett, das typischerweise näher zur Haut angeordnet ist.
3 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen von H₄₀, H₄₄ und V₂₂ gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Sender/Empfänger 42 ist kolinear zwischen dem Sender 40 und dem Empfänger 44 angeordnet, so dass der schnellste Weg zwischen Sender 40 und Empfänger 44 kein Wegsegment im Knochen 18 aufweist. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der schnellste Weg zwischen Sender 40 und Sender/Empfänger 42 ein erstes Weichgewebesegment 46 und ein zweites Weichgewebesegment 48. Ein Verfahren zum Anordnen des Sender/Empfängers 42 an einem derartigen Ort umfasst:

(a) Schätzen des Brewster-Winkels; und
(b) Anordnen des Sender/Empfängers 42 an einem Ort, an dem ein Reflexionswinkel R_f, der der Winkel zwischen dem Segment 46 und einer Senkrechten zum Knochen 18 ist, kleiner als der Brewster-Winkel ist. Es ist in der Technik bekannt, dass dort, wo der Einfallswinkel kleiner als der Brewster-Winkel oder gleich diesem ist, der schnellste Weg nicht durch den Knochen 18 verläuft, sondern lediglich von ihm reflektiert wird.

Zuerst wird V₂₂ gemessen. Ein Signal wird vom Sender 40 zum Sender/Empfänger 42 gesendet und seine Ausbreitungszeit T₄₆ + T₄₈ wird gemessen. Ein zweites Signal wird vom Sender/Empfänger 42 zum Knochen 18 gesendet und längs eines Wegsegments 50 zurück reflektiert. Ein gleichschenkliges Dreieck wird gebildet aus:

(a) der Linie, die den Sender 40 und den Sender/Empfänger 42 verbindet und eine Länge D₄₀₄₂ besitzt;
(b) dem Segment 46, das eine Länge D₄₆ besitzt; und
(c) dem Segment 48, das eine Länge D₄₈ besitzt.

Unter der Annahme, dass die Dicke des Gewebes 22 in dem kleinen Bereich zwischen Sender 40 und Sender/Empfänger 42 konstant ist, besitzt das Segment 50 eine Länge D₅₀, die gleich der Höhe des gleichschenkligen Dreiecks ist.
Wird angenommen, dass der durchschnittliche Wert von V₂₂ längs der Segmente 46, 48 und 50 gleich ist, ergeben sich D₄₆, D₄₈ und D₅₀ zu: D46 = V22·T46 (13) D48 = V22·T48 (14) D50 = V22·T50/2 (15)
Durch Anwenden einer bekannten Beziehung zwischen den Seiten und der Höhe eines gleichschenkligen Dreiecks ergibt sich:
Durch Lösen der Gleichung 16 unter Verwendung der Gleichungen 14 und 15 und unter Verwendung der Gleichheit zwischen T₄₈ und T₄₆ ergibt sich:
Da jedoch T₅₀, T₄₈ und D₄₀₄₂ bekannt sind, ergibt sich:
Es sollte angemerkt werden, dass der oben berechnete Wert V₂₂ ein Durchschnittswert längs des tatsächlichen Weges des Signals ist, d. h. er enthält die gewichteten Werte sowohl der Geschwindigkeit im Fettgewebe als auch der Geschwindigkeit im Muskelgewebe.
Es wird angenommen, dass H₄₄ gleich H₄₀ (das gleich D₅₀ ist) ist. Dadurch gilt: H44 = H40 = V22·T50 (19)
Wenn eine größere Genauigkeit gefordert wird oder um Störungen zu verringern, wird V₂₂ ein zweites Mal berechnet unter Verwendung der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender/Empfänger 42 und dem Empfänger 44 an Stelle der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender 40 und dem Sender/Empfänger 42. Der Abstand zwischen dem Sender/Empfänger 42 und dem Empfänger 44 ist natürlich ebenfalls derart, dass der Reflexionswinkel kleiner als der Brewster-Winkel oder gleich diesem ist. V₂₂ wird unter Verwendung des Durchschnittswertes der ersten und der zweiten Berechung berechnet.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Verfahren zum Messen von V₂₂, H₄₀ und H₄₄ können andere Verfahren verwendet werden. H₄₀ und H₄₄ können z. B. auf einem Röntgenbild oder einer anderen medizinischen Darstellung gemessen werden. V₂₂ wird dann anhand der Signalausbreitungszeit der Reflexion vom Knochen 18 gemessen.
Die 4A und 4B zeigen einen Messsensor der Schallgeschwindigkeit des Knochens gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Sender 70, ein Sender/Empfänger 72 und ein Empfänger 74 werden kolinear auf Weichgewebe 22 angeordnet, das den Knochen 18 umgibt. Wie oben beschrieben wurde, ist der Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Sender/Empfänger 72 derart, dass ein Signal, das sich vom Sender 70 zum Sender/Empfänger 72 fortbewegt, nicht durch den Knochen 18 verläuft. Vorzugsweise verläuft außerdem der schnellste Weg vom Sender/Empfänger 72 zum Empfänger 74 nicht durch den Knochen 18.
V₂₂ und die Dicke des Weichgewebes 22 in dem Bereich nahe am Sender/Empfänger 72 werden dann in der oben beschriebenen Weise bestimmt. Die Schallgeschwindigkeit im Knochen 18 wird dann unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Senden eines Signals vom Sender 70 zum Empfänger 74 bestimmt. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Sender/Empfänger 72 derart, dass ein Signal, das sich zwischen ihnen fortbewegt, unter einem Winkel R_f1 reflektiert wird, der etwa gleich dem Brewster-Winkel ist, wie in 4B gezeigt ist. Dadurch wird V₂₂ längs des gleichen Weges gemessen wie der Weg des Signals zum Messen der Knochengeschwindigkeit. Da der Brewster-Winkel in menschlichem Fleisch zwischen 20° und 28° liegt, ist ein Winkel von 24° eine gute Schätzung, was zur Folge hat, dass die Wege nahezu überlappen.
Der Sender/Empfänger 72 befindet sich vorzugsweise in der Mitte zwischen Sender 70 und Empfänger 74. Wenn die Linie, der den Sender 70 und den Empfänger 74 verbindet, nicht genau parallel zum Knochen 18 verläuft, dient deswegen die Tatsache, dass die Dicke des Weichgewebes zwischen ihnen gemessen wird, dazu, dass sich eine enge Annäherung an die durchschnittlichen Geschwindigkeiten ergibt.
Der minimal erforderliche Abstand der Wellenausbreitung in dem Knochen bei Verwendung dieses Verfahrens beträgt etwa 2–3 Millimeter. Der Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Empfänger 74 hängt von der Dicke des Weichgewebes ab. Bei Verwendung dieses Verfahrens ist eine hochauflösende Abbildung von verhältnismäßig ungleichmäßigen Knochen möglich. Derartige Knochen enthalten z. B. Wirbelknochen, die kleinen Knochen im Handgelenk und Knochenabschnitte nahe an Gelenken. Es ist außerdem möglich, die Knochengeschwindigkeit sowohl in der longitudinalen Richtung als auch in der transversalen Richtung zu messen, da die Länge des gemessenen Knochensegments sehr gering sein kann.
Eine bevorzugte Betriebsfrequenz liegt zwischen 250 und 1500 kHz. Es sollte angemerkt werden, dass höhere Frequenzen als die im Stand der Technik verwendeten Frequenzen trotz der stärkeren Dämpfung von hochfrequenten Schallwellen im Knochen verwendet werden können, da die Strecken, die sich die Signale im Knochen fortbewegen, kurz sind. Höhere Frequenzen ergeben im Allgemeinen genauere Ergebnisse als niedrigere Frequenzen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Betriebsfrequenz vorzugsweise über 2 MHz, wobei ein Wert über 5 MHz stärker bevorzugt ist und in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die bevorzugte Betriebsfrequenz größer als 10 MHz ist. Die Welle ist vorzugsweise impulsförmig bei einer Dauer zwischen 2 und 250 Millisekunden.
Die verwendete Wellenform ist vorzugsweise eine impulsförmige Welle mit einer einzigen Frequenz, da der einzige Aspekt der analysierten Welle der Zeitpunkt des ersten Empfangs eines Signals ist. Alternativ werden andere komplexere Wellenformen verwendet und die empfangenen Signale werden analysiert.
Der Sender 70 und der Sender/Empfänger 72 sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie ihre Signale vorrangig unter einem Winkel aussenden, der der geschätzte Brewster-Winkel ist, wie in der Technik bekannt ist. Außerdem sind der Empfänger 74 und der Sender/Empfänger 72 vorzugsweise so beschaffen, dass sie eine hohe Empfangsverstärkung bei dem geschätzten Brewster-Winkel besitzen.
Wenn der Sender 70 und der Sender/Empfänger 72 bei dem Brewster-Winkel ausgerichtet sind, ist die Sensorfläche typischerweise konkav und nicht eben. Dieser konkaver Raum ist vorzugsweise mit einem gleichförmigen Werkstoff gefüllt, der eine bekannte Schallgeschwindigkeit besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Schallgeschwindigkeit des Füllwerkstoffs nahe an der des Weichgewebes, so dass der Einfluss des Füllwerkstoffs auf die hier beschriebenen Berechnungen ignoriert werden kann. Alternativ kann der Einfluss der Lage aus Füllwerkstoff auf die Berechnungen der Schallgeschwindigkeit geschätzt werden und entweder während der Kalibrierung oder bei einer mehrlagigen Struktur als Einfluss der oberen Lage wie oben beschrieben wurde, berücksichtigt werden.
Es sollte erkannt werden, dass die zwei Schritte des oben beschriebenen Prozesses in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig ausgeführt werden können. Für jedes Signal werden vorzugsweise unterschiedliche Frequenzen verwendet. Es sollte erkannt werden, dass der verwendete Ultraschallsender und der verwendete Ultraschallempfänger typischerweise eine sehr große Bandbreite besitzen. Dadurch werden mehrere Wellenlängen ausgesendet und jeder Empfänger verarbeitet seine ankommenden Signale, um spezielle Frequenzen auszufiltern und zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich werden die Impulse zeitlich gesteuert, so dass an einem einzelnen Empfänger nie zwei Impulse gemeinsam ankommen.
Der Sender 70, der Sender/Empfänger 72 und der Empfänger 74 werden vorzugsweise durch eine Steuereinheit 100 gesteuert. Die Auslösung der oben beschriebenen Signale, die Messung von Zeiten, die Signalverarbeitung und die Geschwindigkeitsberechnung werden deswegen von der Steuereinheit 100 ausgeführt.
Ein Drei-Element-Sensor, wie etwa der unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschriebene Sensor, ist vorzugsweise so konstruiert, dass er kürzer als 100 Millimeter ist, wobei ein kürzerer Wert als 50 Millimeter stärker bevorzugt ist und der Sensor in einigen bevorzugten Ausführungsformen kürzer als 3 Millimeter ist. In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform hat der Sensor eine Länge von 32 Millimetern. Der maximale Abstand, der zwischen einem derartigen Sensor und einem Knochen zulässig ist, beträgt etwa 2 Zentimeter. Wegen der sehr hohen Genauigkeitsanforderungen an einen derartigen Sensor ist er vorzugsweise aus einem Werkstoff konstruiert, der sich im Temperaturbereich von 15 bis 40°C im Wesentlichen nicht ausdehnt oder zusammenzieht. Derartige Werkstoffe umfassen typischerweise eine Mischung aus einem Werkstoff, der sich bei Erwärmung von 15 auf 40°C ausdehnt, und einem Werkstoff, der sich bei Erwärmung von 15 auf 40°C zusammenzieht.
Es sollte erkannt werden, dass der Abstand zwischen den Ultraschallelementen für eine bestimmte erwartete Tiefe des Weichgewebes optimiert werden kann. Deswegen umfasst ein typisches Betriebssystem mehrere Sensoren, die jeweils für einen unterschiedlichen Bereich der Tiefe geeignet sind. Alternativ wird ein einzelner Sensor des Gittertyps, der nachfolgend beschrieben wird, verwendet.
Der Sensor ist typischerweise nicht in der Weise konstruiert, dass er einen exakten Abstand zwischen den Ultraschallelementen besitzt. Der Sensor ist statt dessen mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Millimeter konstruiert und die exakten Abstände zwischen den Elementen werden unter Verwendung eines Hilfskörpers gemessen. Die Messergebnisse, die eine typische Genauigkeit von über 2 μm besitzen, werden in der Steuereinheit 100 für eine Geschwindigkeitsbestimmung, die später genauer beschrieben wird, gespeichert. Ein derartiger Hilfskörper umfasst einen Kunststoffzylinder, der einen in den Kunststoff eingebetteten zylindrischen Metallkern mit Stufen besitzt, die längs seiner Achse ausgebildet sind. Jede Stufe entspricht einer bekannten Tiefe des über dem Metallkern liegenden Kunststoffs.
Die Schallgeschwindigkeit von Knochen ist typischerweise in unterschiedlichen Abschnitten des Knochens verschieden. Um zwei Ergebnisse der Schallgeschwindigkeit von Knochen aus zwei unterschiedlichen Messvorgängen in geeigneter Weise miteinander zu vergleichen, müssen deswegen die Messungen am gleichen Abschnitt des Knochens ausgeführt werden. Die Lagegenauigkeit längs der longitudinalen Achse des Knochens sollte im Einzelnen bei langen Knochen, wie etwa das Schienenbein, in der Größenordnung von 5 Millimetern liegen. Diese Genauigkeit kann bei Verwendung von normalen Positionierungsverfahren einfach erreicht werden, wie etwa die Markierung des Orts mit einem dauerhaften Markierungspunkt. Die Positionierungsverfahren in der Querrichtung muss jedoch in der Größenordnung von 100 Mikrometern liegen. Da diese Genauigkeit schwer zu erreichen ist, wird der Sensor vorzugsweise auf einer Kippeinrichtung angebracht, so dass der Sender 70, der Sender/Empfänger 72 und der Empfänger 74 sich längs einer Achse der Kippeinrichtung befinden, die parallel zu der Längsachse des Knochens 18 verläuft. Wenn die Schallgeschwindigkeit des Knochens gemessen wird, wird die Kippeinrichtung in einer Querrichtung gekippt und es werden mehrere Schallgeschwindigkeiten des Knochens gemessen. Der maximale oder der minimale bestimmte Wert wird als Referenzwert für den Vergleich mit Messungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens während anderer Messvorgänge verwendet. Außerdem oder zusätzlich wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 von verschiedenen Seiten des Knochens 18 gemessen, da der Kortex des Knochens 18 typischerweise mehrere unterschiedliche Abschnitte aufweist, wovon jeder eine unterschiedliche Härte und Schallgeschwindigkeit besitzt.
Es sollte erkannt werden, dass bei einigen Knochen, wie etwa der Wirbelknochen, das Messen der weicheren Abschnitte einfacher ist als das Messen der härteren Abschnitte und somit die Suche nach der minimalen Geschwindigkeit. Die minimale bestimmte Geschwindigkeit liegt typischerweise in dem weichsten Abschnitt. Eine minimale bestimmte Geschwindigkeit, die zu einem späteren Zeitpunkt gefunden wird, liegt ebenfalls in dem weichsten Abschnitt, deswegen wird die Geschwindigkeitsmessung an dem gleichen transversalen Ort (gleicher Abschnitt) wiederholt.
Außerdem und zusätzlich werden die erfassten Geschwindigkeitsmessungen verwendet, um ein transversales Geschwindigkeitsprofil des Knochens 18 zu bilden, das für eine Analyse der Knochenstruktur nützlich ist.
4C zeigt die oben unter Bezugnahme auf 4A beschriebene Ausführungsform in einer Weise, die die folgende mathematische Erläuterung erleichtert. Der Zweck dieser Erläuterung besteht darin, die Mathematik einer Schallgeschwindigkeitsbestimmung genauer zu analysieren. 4C zeigt zwei Möglichkeiten, eine Möglichkeit, bei der die Linie, die die Ultraschallelemente 70, 72 und 74 verbindet, parallel zum Knochen 18 verläuft, und eine zweite Möglichkeit, bei der die Linie, die die Ultraschallelemente 70, 72 und 74 verbindet, nicht parallel zum Knochen 18 verläuft. Bei jedem dieser Fälle ist die mathematische Ableitung der Schallgeschwindigkeit des Knochens unterschiedlich.
Die 4D und 4E zeigen die Zeiten, die in dem oben beschriebenen Verfahren tatsächlich gemessen werden. Die folgenden Gleichungen verknüpfen diese Zeiten mit 4C:
Außerdem ist γ der Brewster-Winkel. In den folgenden Gleichungen ist "a" der Abstand zwischen den Punkten A und B (AB), b = BC und c = CD. Außerdem bezeichnet der Buchstabe A, wenn er sich nicht auf den Punkt A bezieht, die Summe von a + b + c, d. h. den kürzesten Abstand zwischen dem Sender 70 und dem Empfänger 74.
In einem ersten, einfachsten Fall, der in praktischen Situationen selten auftritt, ist die Linie, die die Ultraschallelemente 70, 72 und 74 verbindet, parallel zum Knochen 18. Deswegen gilt: h1 = h2 = h3 = h4 (24) sinα = 0 (25) τ1 = τ3 (26)
Die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes V₂₂ oder V_t wird bestimmt als:
wobei die Schallgeschwindigkeit des Knochens V₁₈ oder V_b durch die folgende Gleichung bestimmt wird:
Die Lösung ergibt:
Es sollte angemerkt werden, dass zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen nicht nur h₁ = h₂ = h₃ = h₄ gilt, sondern außerdem τ₁ = τ₃. Infolge von Änderungen der Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe, die sich aus Ungleichförmigkeiten des Weichgewebes ergeben, ist das bei In-vivo-Messungen selten der Fall. Eine der oben erwähnten zwei Bedingungen kann jedoch gewöhnlich eingehalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor in einer Kippeinrichtung eingebettet. Eine derartige Kippeinrichtung ist in dem oben erwähnten US-Patent 5.143.072 beschrieben. Die Kippeinrichtung wird längs einer Achse, die den Sender 70 mit dem Sender/Empfänger 72 und dem Empfänger 74 verbindet, gekippt und es werden mehrere Messungen der Geschwindigkeit des Weichgewebes und der Dicke des Weichgewebes ausgeführt. Messungen der Knochengeschwindigkeit werden dann ausgeführt, wenn entweder h₁ = h₂ = h₃ = h₄ oder wenn τ₁ = τ₃.
Ein Spezialfall ist die Messung der Schallgeschwindigkeit des Oberschenkelknochens. Die Oberflächengeometrie des Oberschenkelknochens ist in seinen Abschnitten im Wesentlichen nicht eben. Außerdem ist die Dicke des über dem Oberschenkelknochen liegenden Weichgewebes groß und liegt in der Größenordnung von 6 cm. Die Messungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens werden vorzugsweise ausgeführt, wenn der Sender 70 und der Empfänger 74 sich in gleichem Abstand vom Oberschenkelknochen befinden, um fehlerhafte Reflexionen zu minimieren.
Wenn die Verbindungslinie der Ultraschallelemente 70, 72 und 74 nicht parallel zum Knochen 18 verläuft, müssen gewöhnlich die folgenden komplexeren Gleichungen gelöst werden, um die Schallgeschwindigkeit des Knochens zu bestimmen. Bei den folgenden Gleichungen wird angenommen, dass die Konfiguration ähnlich zu der in 4C gezeigten Konfiguration ist (nicht parallele Konfiguration). Wenn die Konfiguration ein Spiegelbild zu der in 4C gezeigten Konfiguration ist, sollte h₂ am Punkt C gemessen werden und die Gleichungen sollten dementsprechend modifiziert werden.
Die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes V₂₂ oder V_t wird unter Verwendung der folgenden Gleichungen bestimmt:
Die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird unter Verwendung einer Gleichung, die Gleichung (28) ähnlich ist, bestimmt: p1VB 4 + p2VB 3 + p3VB 2 + p4VB + p5 = 0 (31)wobei:
p2 = –2τ0Acosα (33)
p4 = 2τ0AVt 2cosα (35) p5 = – Vt 2 × [A2cos2α + (Vtτ2 + (b + c – a) × sinα)2] (36)
Die exakte Länge der unterschiedlichen Wegsegmente im Knochen 18 und im Weichgewebe 22 kann unter Verwendung der geometrischen Beziehungen, die in 4C gezeigt sind, und der oben bestimmten Geschwindigkeit von Weichgewebe und Knochen bestimmt werden. Der Weg der Welle vom Sender 70 zum Empfänger 74 beträgt im Einzelnen:
Die 5A und 5B zeigen eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Messen der Ausbreitungszeit eines Signals, das von einem Sender 80 ausgesendet wird, bis es erstmals von einem Empfänger 86 empfangen wird, gemessen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch von der Ausführungsform der 4A und 4B dahingehend, dass an Stelle des einzelnen Sender/Empfängers 72 ein Paar von Sender/Empfängern 82 und 84 verwendet wird. Erstens werden die Dicke des Gewebes 22 und die Schallgeschwindigkeit im Gewebe 22 an mehr als einer Stelle gemessen. Dadurch werden Körperbereiche, die unebene Oberflächen oder veränderliche Schallgeschwindigkeiten des Weichgewebes aufweisen, erkannt. Die Bedienperson wird vorzugsweise benachrichtigt und unternimmt eine geeignete Maßnahme, wie etwa die Änderung der Messstelle. Alternativ werden die Berechnungen der Schallgeschwindigkeit wegen dieser Unterschiede korrigiert.
Zweitens kann der Sender/Empfänger 82 unabhängig vom Sender/Empfänger 84 angeordnet sein. In den Ausführungsformen der 4A und 4B wurde eine bevorzugte Situation beschrieben, bei der der Weg der Signale, die für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes verwendet werden, mit dem Weg zusammenfällt, der für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Sender/Empfänger 82 relativ zu dem Sender 80 positioniert werden, so dass diese bevorzugte Situation eintritt (in Bezug auf 5B in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren). Der Sender/Empfänger 84 wird in ähnlicher Weise relativ zum Empfänger 86 positioniert. Es sollte angemerkt werden, dass der Abstand zwischen dem Sender 80 und dem Empfänger 86 die Messung nicht wesentlich nachteilig beeinflusst.
Die 5A und 5B beschreiben einen aus zwei Schritten bestehenden Prozess, bei dem in dem ersten Schritt einige Messungen erfolgen und in dem zweiten Schritt ebenfalls einige Messungen erfolgen. Die Reihenfolge dieser Schritte spielt jedoch keine Rolle und die beiden Schritte werden vorzugsweise unter Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen oder Wellenformen gleichzeitig ausgeführt. Wenn ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren verwendet wird, wird die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens vorzugsweise in beiden Schritten ausgeführt.
Das Ausführen von lediglich einem dieser beiden Schritte ist jedoch ausreichend für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens. Die Entscheidung, welcher Schritt ausgeführt wird, erfolgt vorzugsweise anhand der Konfiguration von Sender/Empfänger 82, Sender/Empfänger 84, Sender 80, Empfänger 96 und Knochen 18, die die relativen Orte der Messung der Weichgewebegeschwindigkeit und der Messung der Knochengeschwindigkeit beeinflusst.
In dem Schritt, der in 5A beschrieben ist, wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens gemessen, indem die Ausbreitungszeit eines Signals zwischen dem Sender 80 und dem Empfänger 86 gemessen wird. Außerdem werden die folgenden Messungen, die für die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit nützlich sind, ausgeführt:

(a) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 82;
(b) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 84; und
(c) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender/Empfänger 82 zum Sender/Empfänger 84.

Diese Messungen sind ausreichend für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes und für die Bestimmung von Änderungen der Dicke des Gewebes 22. Es sollte angemerkt werden, dass dann, wenn der Sender/Empfänger 82 und der Sender/Empfänger 84 ausreichend beabstandet sind, so dass ein Signal vom Sender/Empfänger 82 zum Sender/Empfänger 84 durch den Knochen 18 verläuft, die Messung (c) nicht ausgeführt wird. Die Messungen (c) und (d), die im Schritt von 5B ausgeführt werden, sind jedoch ein Ausgleich für die Nichtausführung der Messung (c).
In dem Schritt, der in 5B gezeigt ist, wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens gemessen, indem die Ausbreitungszeit eines Signals zwischen dem Sender 80 und dem Empfänger 86 gemessen wird. Außerdem werden die folgenden Messungen, die für die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit nützlich sind, ausgeführt:

(a) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 82;
(b) die Dicke des Gewebes 22 unter dem Sender/Empfänger 84;
(c) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender 80 zum Sender/Empfänger 82; und
(d) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender/Empfänger 84 zum Empfänger 86.

Diese Messungen sind ausreichend für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes und für die Bestimmung von Änderungen der Dicke des Gewebes 22. Wenn wiederum der schnellste Weg für ein Signal vom Sender 80 zum Sender/Empfänger 82 oder vom Sender/Empfänger 84 zum Empfänger 86 durch den Knochen 18 verläuft, werden die Messungen (c) und/oder (d) nicht ausgeführt. Die Messung (c), die im Schritt von 5A ausgeführt wird, ersetzt jedoch diese fehlenden Messungen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Messungen, die in dem in 5B gezeigten Schritt ausgeführt werden, die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes in lokalen Bereich bestimmen, die den Bereich umgeben, in dem sich ein Signal fortbewegt, das für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Knochen verwendet wird. Dadurch ist diese Ausführungsform dann für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Knochen geeignet, wenn von der Oberfläche be kannt ist, dass sie ungleichmäßig ist oder wenn bekannt ist, dass sich die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes ändert. Außerdem ist die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Knochen über gekrümmten Körperteilen, wie etwa längs der transversalen Achse von Knochen 18, infolge des kurzen Wegsegments, das längs eines Knochens 18 erforderlich ist, möglich.
Die geringen Abmessungen des minimal erforderlichen Knochenwegsegments ermöglicht eine Abtastung mit einer hohen räumlichen Auflösung unter Verwendung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Um z. B. die Schallgeschwindigkeit in einem Abschnitt des Kortex eines Zahns zu messen, kann ein 10 MHz-Ultraschallimpuls verwendet werden. Infolge der hohen Frequenz des Ultraschalls können die Sensorabmessungen in der Größenordnung von 3 mm liegen, wobei die Auflösung kleiner als 1 mm ist.
Die 6A und 6B zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform unter Verwendung von drei Sender/Empfängern, einem Sender und einem Empfänger. Wie zuvor wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens bestimmt, indem die Ausbreitungszeit eines vom Sender 90 ausgesendeten Signals zu einem Empfänger 98 gemessen wird. Ein aus zwei Schritten bestehender Prozess zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Weichgewebe ist bevorzugt.
6A zeigt einen ersten Schritt, bei dem die folgenden Messungen ausgeführt werden:

(a) Übertragungszeit vom Sender 90 zu einem Sender/Empfänger 92;
(b) Übertragungszeit vom Sender/Empfänger 92 zu einem Sender/Empfänger 96;
(c) Übertragungszeit vom Sender/Empfänger 96 zum Empfänger 98;
(d) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 94 liegenden Gewebes 22; und
(e) Übertragungszeit vom Sender 90 zum Empfänger 98.

6B zeigt einen zweiten Schritt, bei dem die folgenden Messungen ausgeführt werden:

(a) Übertragungszeit vom Sender/Empfänger 92 zu Sender/Empfänger 96;
(b) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 92 liegenden Gewebes 22;
(c) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 94 liegenden Gewebes 22;
(d) Dicke des unter einem Sender/Empfänger 96 liegenden Gewebes 22; und
(e) Übertragungszeit vom Sender 90 zum Empfänger 98.

Dadurch wird die Dicke des Gewebes 22 an drei Stellen gemessen, so dass Änderungen der Dicke des Gewebes 22 leichter in die Berechnung einbezogen werden können.
Die Sender/Empfänger 92 und 96 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie die Dicke des Gewebes 22 an genau dem Punkt messen, an dem geschätzt wird, dass das Signal zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit des Knochens in den Knochen eintritt und diesen verlässt. Der Sender/Empfänger 94 ist vorzugsweise so angeordnet, dass er die Dicke des Gewebes 22 an dem geschätzten Punkt der Reflexionen für Signale vom Sender/Empfänger 92 zum Sender/Empfänger 96 misst. Dadurch ist ein genauerer Schätzwert der Signalweglänge im Gewebe 22 möglich.
Die 7A und 7B zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens durch Messen der Ausbreitungszeit eines Signals von einem Sender 110 zu einem Empfänger 120 bestimmt. Es wird jedoch eine Anzahl von vier Sender/Empfängern 112, 114, 116 und 118 verwendet, um die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes zu messen. Diese Ausführungsform enthält mehrere Merkmale, die in vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden und insbesondere in 7B gezeigt sind:

(a) die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes wird separat für jeden Bereich bestimmt_; in dem sich das Signal durch das Gewebe 22 fortbewegt;
(b) die Dicke des Gewebes 22 wird an dem Punkt gemessen, an dem das Signal in den Knochen 18 eintritt; und
(c) der Weg des Signals fällt mit dem Weg zusammen, der für Signale zum Messen der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes verwendet wird.

Wie erkannt werden kann, werden die Sender/Empfänger vorzugsweise in der Weise angeordnet, die in 7B gezeigt ist, und nicht wie in 7A gezeigt ist, um alle oben erwähnten Merkmale zu erreichen.
Vorzugsweise werden zwei unabhängige Messvorgänge ausgeführt. Ein erster Vorgang, der in dem Bereich nahe am Sender 110 ausgeführt wird, umfasst:

(a) Messen der Ausbreitungszeit für ein Signal vom Sender 110 zum Sender/Empfänger 114 (wobei der Sender/Empfänger 114 lediglich ein Empfänger zu sein braucht);
(b) Messen der Dicke des unter dem Sender/Empfänger 112 liegenden Gewebes 22; und
(c) Berechnen der Dicke des Gewebes 22 und seiner Schallgeschwindigkeit in dem Bereich nahe am Sender 110 unter Verwendung von (a) und (b).

Der zweite Vorgang ist sehr ähnlich und wird im Bereich nahe am Empfänger 120 ausgeführt:

(a) Messen der Ausbreitungszeit für ein Signal vom Sender/Empfänger 116 zum Empfänger 120 (wobei der Sender/Empfänger 116 lediglich ein Sender zu sein braucht);
(b) Messen der Dicke des unter dem Sender/Empfänger 118 liegenden Gewebes 22; und
(c) Berechnen der Dicke des Gewebes 22 und seiner Schallgeschwindigkeit in dem Bereich nahe am Empfänger 120 unter Verwendung von (a) und (b).

In den Ausführungsformen, die in den 4A–7B gezeigt sind, sind alle Ultraschallelemente vorzugsweise kolinear. Die korrekten Schallgeschwindigkeiten können jedoch bestimmt werden, wenn die Ultraschallelemente nicht kolinear sind, jedoch die Abstände zwischen den Ultraschallelementen bekannt sind.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sendet und empfängt ein Sender/Empfänger, wie etwa der Sender/Empfänger 82 (5A), eine Ultraschallwelle. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Empfangsqualität eines Ultraschall-Sender/Empfängers für eine kurze Zeit nach dem Senden einer Ultraschallwelle verschlechtert ist. Das gemessene Empfangssignal ist die Summe des tatsächlich empfangenen Signals und eines Sendesignalrests. Diese Verschlechterung kann verhindert werden, indem die Sender/Empfänger jeweils in ein Paar aus Sender und Empfänger getrennt werden.
Die 8A und 8B zeigen eine derartige Trennung, die an den Ausführungsformen ausgeführt ist, die in den 7A und 7B gezeigt sind. In 8A entspricht ein Sender 130 dem Sender 110 (in 7A), ein Sender 132 und ein Empfänger 134 entsprechen dem Sender/Empfänger 112, ein Empfänger 136 entspricht dem Empfänger 114, ein Sender 138 entspricht dem Sender 116, ein Sender 140 und ein Empfänger 142 entsprechen dem Sender/Empfänger 118 und ein Empfänger 144 entspricht dem Empfänger 120. Das Verfahren des Betriebs ist wie das oben unter Bezugnahme auf 7A beschriebene Verfahren mit Ausnahme der Dicken unter dem Sender/Empfänger 112 und 118, die nicht mit einem Sender/Empfänger, sondern unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers gemessen werden. Das Messen der Dicke des Weichgewebes unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers ist so genau wie bei der Verwendung eines einzelnen Sender/Empfängers, da der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger (d. h. der Abstand zwischen dem Sender 132 und dem Empfänger 134) viel kürzer ist als die Dicke des Weichgewebes 22. Außerdem ist die Oberfläche des Knochens 18 gelegentlich unregelmäßig. Wenn der Reflexionspunkt der Welle vom Sender 112 von dem der Welle vom Sender 110 zum Empfänger 114 infolge dieser Unregelmäßigkeiten verschieden ist, ist die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit nicht korrekt. Die Welle vom Sender 132 zum Empfänger 134 bewegt sich unter einem Winkel, deswegen haben die Unregelmäßigkeiten einen geringeren Einfluss auf den Reflexionspunkt.
8B zeigt ein weiteres alternatives Messverfahren, bei dem Sender/Empfänger verwendet werden, es besteht jedoch eine große Zeitdifferenz zwischen dem Senden und dem Empfangen, so dass die Empfangsqualität nicht verschlechtert ist.
Bei der Konfiguration von 8B werden mehrere Messschritte ausgeführt, die umfassen:

(a) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender 150 zu einem Sender/Empfänger 156;
(b) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender/Empfänger 152 zu einem Empfänger 164;
(c) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender 154 zum Sender/Empfänger 152;
(d) Messen der Signalausbreitungszeit vom Sender/Empfänger 156 zum Empfänger 160; und
(e) Messen der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender 150 und dem Empfänger 164.

Die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 wird in der oben beschriebenen Weise bestimmt. Es sollte erkannt werden, dass die Messschritte gleichzeitig ausgeführt werden können, Sender/Empfänger senden jedoch vorzugsweise keine Wellen aus, kurz bevor sie Wellen empfangen sollen.
Die Messung der Schallgeschwindigkeit von Knochen hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Eine erste Anwendungsmöglichkeit ist das Finden von Frakturen und Verformungen in Knochen. Wenn ein Knochen überbelastet oder gebrochen ist (auch eine Haarlinienfraktur, die auf Röntgenbildern kaum erkennbar ist), ändert sich seine Schallgeschwindigkeit merklich an den Stellen, die die Fraktur umgeben. Wegen der hohen Auflösung von einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ebenfalls Frakturen in den Handgelenkknochen identifiziert werden, wobei Vorrichtungen des Standes der Technik zu einer derartigen Unterscheidung nicht in der Lage sind.
Eine zweite Anwendungsmöglichkeit ist die Abschätzung des Knochens und von Teilen davon, um das Fehlen von Mineralen in dem Knochen auf Grund von Knochenerkrankungen, Osteoporose und einer Umgebung mit geringer Schwerkraft zu bestimmen. Es sollte angemerkt werden, dass die Geschwindigkeit hauptsächlich vom Young-Modul abhängt, d. h. je geringer die Geschwindigkeit ist, desto schwächer ist der Knochen.
Eine dritte Anwendungsmöglichkeit ist die graphische Darstellung des Heilungsprozesses eines gebrochenen Knochens. Die gewöhnliche Praxis besteht darin, den beschädigten Knochen im Gips zu halten, bis eine vorgegebene Zeitperiode abgelaufen ist. Einige Patienten benötigen jedoch eine längere bzw. eine kürzere Heilungsperiode. Röntgenstrahlaufnahmen zeigen gewöhnlich nicht genügend Einzelheiten, um die Festigkeit des Knochens zu bewerten. Durch Messen und Darstellen von Änderungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens kann ein Arzt den Zustand einer Knochenwiederherstellung genauer einschätzen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein kleines Loch in den Gips gebohrt und die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird gemessen, ohne den Gips zu entfernen. Bei einigen Patienten ist es vorteilhaft, Änderungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens an gegenüberliegenden Gliedmaßen zu vergleichen.
Eine vierte Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist das Messen der Dicke des Kortex des Knochens. 9 zeigt einen Knochen 18 mit einem inneren Kern 316 und einem Kortex 314. Der allgemeine Durchmesser des Knochens 18 ist D und der Durchmesser des inneren Kerns 316 ist d. Somit ist die Dicke des Kortex 314 (D – d)/2.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schätzt eine Steuereinheit 100 die Dicke des Kortex 314 unter Verwendung einer theoretisch abgeleiteten und empirisch bestätigten dimensionslosen Kurve der normierten Geschwindigkeit als Funktion der normierten Dicke, die in 10 gezeigt ist, auf die nun eine Bezugnahme erfolgt. Eine Erläuterung der Erzeugung der Kurve von 10 ist in dem Buch "Stress Waves in Solids" von H. Kolsky, Oxford and Clarendon Press, 1953 angegeben.
Die genaue Form der Kurve ändert sich mit dem Werkstoff, der gemessen wird. Es ist jedoch durch die gegenwärtigen Erfinder festgestellt worden, dass die Form der Kurve für menschliche Knochen näherungsweise konstant ist.
Die Geschwindigkeit V_t in der Kurve von 10 ist durch die Geschwindigkeit V₀ normiert, die in einem unendlichen Festkörper erreicht werden würde, und die Dicke ist normiert durch die Wellenlänge λ des Signals vom Sender 70. λ ist natürlich durch V₁₈ festgelegt: λ = V18/f (41)wobei f die Frequenz des Ultraschallsignals ist. Es ist durch die Erfinder festgestellt worden, dass die Kurve etwa gleich ist, unabhängig davon, ob es sich bei der Dicke um die Dicke D (9) des Knochens oder um die Dicke (D – d)/2 (9) des Kortex 314 handelt. Die vorgeschlagene Erklärung besteht darin, dass dann, wenn der Kortex in Bezug auf λ dick ist, die inneren Abschnitte des Knochens keinen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit haben. Wenn jedoch der Kortex in Bezug auf λ dünn ist, haben die inneren Abschnitte des Knochens Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Die inneren Abschnitte von Knochen sind gewöhnlich viel weicher als der Kortex, so dass ihre Schallgeschwindigkeit viel kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit des Kortex. Dadurch kann dann, wenn eine höhere Frequenz verwendet wird, ein dünnerer Knochen gemessen werden.
Es wird angemerkt, dass die Kurve einen Bereich 330 für verhältnismäßig kleine Geschwindigkeitsverhältnisse und kleine Durchmesser/Wellenlängen-Verhältnisse und einen Bereich 332 für Durchmesser/Wellenlängen-Verhältnisse, die größer als etwa 1,5 sind, was eine Asymptote zu 1,0 darstellt, aufweist.
Um die Dicke (D – d)/2 für einen Knochen 18 abzuschätzen, wird ein Sender 70 zweimal betrieben, einmal mit einem hochfrequenten Eingangssignal und einmal mit einem niederfrequenten Eingangssignal. Bei jeder Messung wird die Steuereinheit 100 betrieben, wie oben unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben wurde, um die empfangene Geschwindigkeit zu messen. Alternativ ist der Sender 70 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Breitbandsender und wird lediglich einmal betrieben. Außerdem enthält die Steuereinheit 100 Frequenzfilter zum Trennen der empfangenen hochfrequenten Signale von den niederfrequenten Signalen. Dadurch werden Geschwindigkeit bei hohen Frequenzen und die Geschwindigkeit bei niedrigen Frequenzen gleichzeitig gemessen.
Die Reaktion auf das hochfrequente Eingangssignal, das eine niedrige Wellenlänge λ besitzt, ergibt einen Geschwindigkeits-Datenpunkt 334 irgendwo im Bereich 332, aus dem die Geschwindigkeit V₀ bestimmt werden kann. Die genaue Lage des Datenpunkts 334 ist unbekannt, da die Dicke noch nicht bestimmt wurde. Sie ist jedoch unwichtig.
Die Reaktion auf das niederfrequente Eingangssignal ergibt einen Geschwindigkeits-Datenpunkt 336 irgendwo im Bereich 330. Da die Geschwindigkeit V_t aus der Messung bekannt ist und die Geschwindigkeit V₀ aus der vorherigen Messung bekannt ist, ist die Lage des Datenpunkts auf der Kurve 336 bekannt. Deswegen kann das Verhältnis (D – d)/2·λ) bestimmt werden. Da λ aus der Frequenz des Senders 70 bekannt ist und die Geschwindigkeiten bekannt sind, kann die Dicke des Kortex 314 (D – d) bestimmt werden.
Es sollte anerkannt werden, dass die oben beschriebene vierte Verwendung zweckmäßiger ist, wenn statt der Verwendung von Verfahren des Standes der Technik das Verfahren der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Knochen verwendet wird. Hochfrequenzsignale werden sehr schnell gedämpft, wenn sie sich durch Knochenmaterial bewegen. Daher sind nur dann, wenn der Weg im Knochen 18 kurz ist, wie dies bei Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich ist, hochfrequente Ultraschallwellen zweckmäßig. Somit ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das verwendete hochfrequente Eingangssignal höher als im Stand der Technik, weshalb es für dünnere Knochen geeignet ist.
Es sollte erkannt werden, dass das oben beschriebene Verfahren zum Aussenden eines einzelnen Breitbandsignals an Stelle von zwei Signalen mit spezifischer Frequenz bei Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Knochendicke angewendet werden kann, wie etwa die Verfahren, die im US-Patent 5.143.072 gezeigt sind.
Es erfolgt nun eine Bezugnahme auf die 11 und 12, die Aspekte einer weiteren Ausführungsform veranschaulichen, die beim Abtasten über einen Abschnitt 448 eines menschlichen Körpers, wie etwa ein Arm, nützlich ist.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Sensor, das aus einer Anordnung von Ultraschallsender-/Empfängerzellen 450 gebildet ist, auf einem Abschnitt 448 angeordnet oder um diesen gewickelt wird oder er ist als ein strumpfähnliches Element 460 ausgebildet. Die Anordnung 450 ist typischerweise mit dem Abschnitt 448 in üblicher Weise akustisch gekoppelt.
Wie in 12 gezeigt ist, sind die Eingangs- und Ausgangsleitungen von jeder Zelle der Anordnung 450 typischerweise mit einem analogen Matrix-Multiplexer 451 verbunden, der wiederum mit einer Ansteuereinrichtung 452 und mit einer Signalverarbeitungseinheit 454 gekoppelt ist. Die Ansteuereinrichtung 452 und die Einheit 454 werden typischerweise über einen Mikroprozessor 455 gesteuert.
Der Multiplexer 451 ermöglicht einen einzelnen Zugriff auf jede Zelle der Anordnung 450 und wird betrieben, um jede Zelle als einen Empfänger, einen Sender, einen Sender/Empfänger oder als nicht aktiv zu definieren.
Die einzelnen Zellen der Anordnung 450 können infolge der Dämpfung, die durch lange Wege durch den Knochen 18 bewirkt wird, zu klein sein, um Ultraschallwandler bei Verfahren des Standes der Technik zu bilden. Deswegen werden mehrere Gruppen aus Zellen der Anordnung 450 an gewünschten Orten elektronisch und wählbar als Ultraschallelemente definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede Zelle der Anordnung 450 ein separates Ultraschallelement, wie oben beschrieben wurde. Alter nativ werden Gruppen von Zellen als Wandler definiert, wie im Stand der Technik gezeigt ist. Eine der nachfolgend beschriebenen Betriebsarten wird jedoch vorzugsweise verwendet.
Ein erstes bevorzugtes Betriebsverfahren besteht darin, Zellen und Gruppen aus Zellen auszuwählen, die die Funktionalität der oben beschriebenen Ausführungsformen näherungsweise ausführen. Dadurch kann eine optimale Platzierung von Sender/Empfängern erreicht werden, ohne Ultraschallelemente zu bewegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren verwendet, um die Konfiguration der Anordnung 450 als Sender und Empfänger zu bestimmen. Wie oben beschrieben wurde, verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Sensoren, die für eine spezifische Dicke des Weichgewebes zwischen dem Sensor und den Knochen 18 optimiert sind. Unter Verwendung der Anordnung 450 zum Abbilden des Knochens 18 ist es möglich, die Dicke des darunter liegenden Weichgewebes 22 zu bestimmen, bevor die Knochengeschwindigkeit bestimmt wird:

(a) Bestimmen der Dicke des darunter liegenden Weichgewebes 22; und
(b) Konfigurieren der Anordnung 450 als Sender, Empfänger und Sender/Empfänger, zwischen denen sich optimale Abstände befinden, die anhand der bestimmten Dicke des Weichgewebes 22 berechnet werden.

Ein Ultraschallsensor umfasst alternativ einen oder mehrere Sender und/oder Empfänger sowie eine Zellenanordnung. Die Zellenanordnung ist so konfiguriert, dass sie an Stelle einiger, jedoch nicht aller Ultraschallelemente, die in den oben genannten Ausführungsformen beschrieben wurden, verwendet wird. In der Ausführungsform von 5A können z. B. die Sender/Empfänger 82 und 84 durch eine Zellenanordnung emuliert werden.
Ein zweites bevorzugtes Betriebsverfahren bildet Knochen und Weichgewebe durch das Betreiben von unterschiedlichen Zellen der Anordnung 450 an Stelle der Bewegung einer Einheit ab, die mehrere Ultraschalleinheiten umfasst. Dadurch kann die Knochengeschwindigkeit an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Richtungen gemessen werden, ohne die Vorrichtung physisch zu bewegen.
Es sollte angemerkt werden, dass viele Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen einen ungenauen Schätzwert für die Werte von Weichgewebedicke und Weichgewebegeschwindigkeit verwenden. Wenn eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um genauere Werte für Dicke und Geschwindigkeit des Weichgewebes zu bestimmen, liefern diese Verfahren des Standes der Technik genauere Ergebnisse.
Außerdem ist die Weichgewebegeschwindigkeit nützlich für die Bestimmung des Wasser-, Fett- und Muskelanteils des Gewebes. Dadurch kann die Dehydrierung und die Rehydrierung eines Patienten analysiert werden, indem die Weichgewebegeschwindigkeit in einem ausgewählten Teil des Körpers des Patienten über eine Zeitperiode gemessen wird. Das Muskel/Fett-Verhältnis des Gewebes kann bestimmt werden, wenn der Wassergehalt des Gewebes bekannt ist, oder durch Mittelwertbildung mehrerer Ergebnisse, die aufgenommen werden, bevor und nachdem ein Patient Wasser trinkt.
Wenn die menschliche weibliche Brust abgetastet wird, kann die Luft/Gewebe-Grenzfläche als eine Reflexionsebene verwendet werden. Die Brust wird vorzugsweise gegen eine elastische Form gedrückt, so dass sie sich während der Bilderzeugung nicht bewegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Abtasten unter Verwendung einer Zellenanordnung ausgeführt, wie oben beschrieben wurde. Die Abtastungen umfassen vorzugsweise Abtastungen des gleichen Weichgewebes aus mehreren Richtungen, so dass ein Geschwindigkeitsbild des Gewebes vorzugsweise unter Verwendung von tomographischen Verfahren rekonstruiert werden kann.
Die 13A und 13B zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, das die Weichgewebeabbildung betrifft. 13A zeigt einen allgemeinen Weichgewebeabschnitt 508, der einen Weichgewebeabschnitt 506 enthält, der eine wesentlich andere Schallgeschwindigkeit besitzt. Ein Beispiel von derartigen Geweben ist eine menschliche Brust und eine pathologische Geschwulst, wie etwa ein bösartiger Tumor. Der vorzugsweise verwendete Sensor umfasst eine Anordnung, wobei mehrere der Zellen 502 einen Scanner umfassen, der in der Technik der Ultraschall-Bilderzeugung bekannt ist. Wenigstens eine Zelle um fasst einen Sender 500 und wenigstens eine Zelle umfasst einen Empfänger 504. Der Scanner 502 tastet Gewebe 508 ab, bis der Ort des Gewebes 506 gefunden wird (wobei ein Abtaststrahl durch zwei parallele Linien angegeben ist). Das Gewebe 506 ist andernfalls unter Verwendung einer normalen Ultraschallbilderzeugung nicht sichtbar. In diesem Fall wird die Position des Gewebes 506 vorzugsweise vor der Verwendung eines anderen Bilderzeugungsverfahrens, das ebenfalls kennzeichnende Merkmale bestimmt, festgestellt. Diese kennzeichnenden Merkmale werden durch den Scanner 502 gefunden und die Position des Gewebes 506 wird bestimmt. Die Weichgewebegeschwindigkeit des Gewebes 508 in Bereichen, die das Gewebe 506 umgeben, wird bestimmt, wobei der Sender 500, der Empfänger 504 und die mehreren Zellen, die der Scanner 502 umfasst, unter Verwendung der oben beschriebenen Bestimmungsverfahren verwendet werden. Anschließend wird die Weichgewebegeschwindigkeit in einer Weise bestimmt, die den Verlauf der Messwelle durch das Gewebe 506 erzwingt. Wenn z. B. ein Zellengitter verwendet wird, werden mehrere Weichgewebemessungen erfasst und bei Messungen, die sich wesentlich unterscheiden, wird angenommen, dass sie durch das Gewebe 506 verlaufen sind.
13B zeigt in Verbindung mit 13A ein Verfahren zum Vergrößern des Unterschieds zwischen der Messung der Geschwindigkeit im Gewebe 508 und der Messung der Geschwindigkeit im Gewebe 506. Die Ausbreitungszeit in den Segmenten Aa, bB, Bd, Bb', Dd' und a'A' sind konstant und werden durch das Vorhandensein des Gewebes 506 nicht beeinflusst. Diese Ausbreitungszeiten können zuvor in Bereichen bestimmt werden, die das Gewebe 506 nicht enthalten. Folglich kann die Gewebegeschwindigkeit im Gewebe 506 besser bestimmt werden, indem lediglich die Segmente dd' und b'a' verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Wissen über die ungefähre Tiefe des Gewebes 506 verwendet werden, um den Unterschied in ähnlicher Weise zu verbessern.
Eine Vorrichtung zur Weichgewebe-Bilderzeugung kann nur zwei Sender/Empfänger enthalten, wie oben unter Bezugnahme auf Verfahren zur Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit beschrieben wurde. Eine derartige Vorrichtung umfasst jedoch vorzugsweise mehrere Ultraschallelemente und vorzugsweise eine Anordnung, wie etwa die Anordnung 450 (die in 11 gezeigt ist). Alternativ kann eine Vorrichtung, die oben unter Bezugnahme auf die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Knochen beschrieben wurde, außer dem für die Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit verwendet werden. In diesen Fällen wird typischerweise die sich im Knochen ausbreitende Welle entweder nicht erzeugt, nicht empfangen oder nicht analysiert.
Eine einzelne Messung ist in einigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lediglich 2,5 ms lang, was schneller ist als die meisten Körperrhythmen. Mehrere Messungen, im Verlauf eines Körperrhythmus aufgenommen werden, können verwendet werden, um den Einfluss des Körperrhythmus auf die Messung zu messen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen wurden in Bezug auf einen Knochen, der von Weichgewebe umgeben ist, beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass diese Ausführungsformen ebenfalls nützlich sind für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften einer allgemeinen Struktur, die von einem schichtförmigen Werkstoff umgeben ist, der eine geringere Schallgeschwindigkeit besitzt. Das betrifft z. B. Metallklammern, die in Gummi eingeschlossen sind.
Wie oben beschrieben wurde, werden die Schallgeschwindigkeiten in einer zweilagigen Struktur bestimmt. Es sollte erkannt werden, dass die Schallgeschwindigkeiten in einer mehrlagigen Struktur unter der Voraussetzung bestimmt werden können, dass die Lagen sich in einer ansteigenden Reihenfolge der Schallgeschwindigkeiten befinden. Wenn z. B. eine schnelle Lage mit einer langsamen Lage bedeckt ist und diese weiter mit einer sehr langsamen Lage bedeckt ist, wird zuerst die Schallgeschwindigkeit der sehr langsamen Lage bestimmt, dann die der langsamen Lage und anschließend die der schnellen Lage bestimmt. Jede ermittelte Geschwindigkeit wird für die Bestimmung der Geschwindigkeiten in der nächsten Lage verwendet. Wenn jedoch die langsame Lage und die schnelle Lage vertauscht sind, ist die langsame Lage durch die schnelle Lage überdeckt und die Schallgeschwindigkeit der langsamen Lage kann nicht bestimmt werden.
14 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit einem Ultraschallsensor des Abtasttyps verwendet wird. Ein typischer Abtastultraschallsensor verwendet eine Anordnung aus Zellen, wie etwa die oben beschriebene Anordnung 450, um einen Abtaststrahl zu bilden, der einen Körperabschnitt, wie etwa den Knochen 18 und das darüber liegende Weichgewebe 22, abtastet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 gleichzeitig mit dem Abtasten des Knochens 18 bestimmt. Dadurch wird ein Bild des Knochens 18 gemeinsam mit einer Darstellung der Schallgeschwindigkeit des Knochens oder der Knochenfestigkeit in dem gleichen Bereich erfasst. Mehrere Zellen 456 bilden einen Abtastsender und mehrere Zellen 458 bilden einen Empfänger für eine Bilderzeugung des Knochens 18. Die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird vorzugsweise zwischen Abtastimpulsen bestimmt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen mechanischer Eigenschaften eines Festkörpers, der eine Oberfläche und eine zweite Schallgeschwindigkeit besitzt, über ein eingefügtes Medium, das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Ultraschallwelle längs eines Übertragungsweges von einem ersten Ort durch das eingefügte Medium, längs der Oberfläche und von der Oberfläche durch das eingefügte Medium zu einem zweiten Ort, wobei das eingefügte Medium ein biologisches Gewebe enthält; Messen einer ersten Ausbreitungszeit der ersten Welle längs des Übertragungsweges; Bestimmen der Dicke des eingefügten Mediums; Bestimmen der ersten Schallgeschwindigkeit; und Berechnen der zweiten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der ersten Ausbreitungszeit, der Strecke zwischen den Orten, der bestimmten Dicke des eingefügten Mediums und der bestimmten Schallgeschwindigkeit in dem eingefügten Medium.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst: Senden einer zweiten Ultraschallwelle von einem dritten Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; Messen einer zweiten Ausbreitungszeit eines Teils der zweiten Welle, der von der Oberfläche zu einem vierten Ort reflektiert wird; Senden einer dritten Ultraschallwelle von einem fünften Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; und Messen einer dritten Ausbreitungszeit eines Teils der dritten Ultraschallwelle, der von der Oberfläche zu dem fünften Ort reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Teil der zweiten Welle und der Teil der dritten Welle im Wesentlichen am selben Ort auf der Oberfläche reflektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, das umfasst: Bestimmen der ersten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Abstandes zwischen dem dritten und dem vierten Ort und der gemessenen zweiten und dritten Ausbreitungszeit der zweiten bzw. der dritten Ultraschallwelle.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die erste Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt wird:
wobei V die erste Schallgeschwindigkeit ist, D der Abstand zwischen dem dritten und dem vierten Ort ist, T₁ + T₂ die zweite Ausbreitungszeit der zweiten Welle ist und T₃ die dritte Ausbreitungszeit der dritten Ultraschallwelle ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, bei dem die Bestimmung der Dicke umfasst: Bestimmen der Dicke des Mediums anhand des Abstandes zwischen dem dritten und dem vierten Ort und der gemessenen zweiten und dritten Ausbreitungszeit für die zweite bzw. die dritte Ultraschallwelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–4, bei dem die Bestimmung der Dicke umfasst: Bestimmen der Dicke anhand der bestimmten ersten Schallgeschwindigkeit und der dritten Ausbreitungszeit für die dritte Ultraschallwelle.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 7, bei dem die Dicke unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt wird: H = V·Twobei V die erste Schallgeschwindigkeit ist, T die gemessene dritte Ausbreitungszeit der dritten Ultraschallwelle ist und H die Dicke des eingefügten Mediums ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–8, bei dem ein Weg der zweiten Ultraschallwelle wenigstens teilweise mit dem Übertragungsweg der ersten Ultraschallwelle überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–9, bei dem die Dicke an einem Schnittpunkt zwischen dem Festkörper und der zweiten Ultraschallwelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Festkörper ein biologisches Gewebe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Festkörper einen im lebenden Organismus befindlichen Knochen (In-vivo-Knochen) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem die Dicke an einem Schnittpunkt zwischen der ersten Ultraschallwelle und dem Festkörper bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das eingefügte Medium ein lebendes Gewebe umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–14, bei dem die erste und die zweite Ultraschallwelle Wellen mit einer einzigen Frequenz sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–15, bei dem sich der erste, der zweite und der dritte Ort in einer Ebene befinden, wobei das Verfahren umfasst: Kippen der Ebene relativ zu dem Oberflächenrand über einen Winkelbereich; und Wiederholen der Messung der ersten Ausbreitungszeit bei verschiedenen Kippwinkeln.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Messung ausgeführt wird, wenn der Abstand zwischen dem ersten Ort und der Oberfläche gleich einem Abstand zwischen dem zweiten Ort und der Oberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, bei dem die Schallgeschwindigkeit des eingefügten Mediums, das unter dem ersten Ort bzw. unter dem zweiten Ort liegt, unterschiedlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–18, das die Bestimmung einer Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Festkörper vom Kippwinkel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, das die Bestimmung einer maximalen bestimmten Schallgeschwindigkeit für den Festkörper umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, das die Bestimmung einer minimalen bestimmten Schallgeschwindigkeit für den Festkörper umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, bei dem der erste, der zweite und der dritte Ort im Wesentlichen kolinear sind und bei dem das Kippen das Kippen der Ebene senkrecht zu einer Achse, die zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Ort kolinear ist, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–22, bei dem die erste und die zweite Ausbreitungszeit gleichzeitig gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Frequenz wenigstens der ersten Ultraschallwelle wenigstens 2 MHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Frequenz wenigstens der ersten Ultraschallwelle wenigstens 5 MHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Frequenz wenigstens der ersten Ultraschallwelle wenigstens 10 MHz beträgt.
Verfahren zum Bestimmen mechanischer Eigenschaften eines Festkörpers über ein eingefügtes Medium, das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, wobei der Festkörper unter dem Medium liegt und eine Oberfläche und eine zweite Schallgeschwindigkeit besitzt, wobei das Verfahren umfasst: Messen der ersten Schallgeschwindigkeit, wobei das eingefügte Medium ein biologisches Gewebe ist; Messen einer Ausbreitungszeit der Schallwellen längs einer Weglänge, die durch das eingefügte Medium und den Festkörper verläuft; Berechnen der zweiten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung der ersten Schallgeschwindigkeit und der Ausbreitungszeit durch das eingefügte Medium und den Festkörper; und Bestimmen der mechanischen Eigenschaften anhand der zweiten Schallgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Messung der ersten Schallgeschwindigkeit umfasst: Senden einer ersten Schallwelle von einem ersten Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; Messen einer ersten Ausbreitungszeit eines Teils der ersten Ultraschallwelle, der von der Oberfläche zu einem zweiten Ort reflektiert wird; Senden einer zweiten Ultraschallwelle von einem dritten Ort durch das eingefügte Medium zu der Oberfläche; Messen einer zweiten Ausbreitungszeit eines Teils der zweiten Ultraschallwelle, der von der Oberfläche zu dem dritten Ort reflektiert wird; und Bestimmen der ersten Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Ort und der gemessenen ersten und der gemessenen zweiten Ausbreitungszeit für die erste bzw. die zweite Ultraschallwelle.
Vorrichtung zum Bestimmen einer zweiten Schallgeschwindigkeit eines Festkörpers (18), der eine Oberfläche besitzt, über ein eingefügtes Medium (22), das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, mit: einem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150), der erste Wellen und zweite Wellen in das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche erzeugt, wobei das eingefügte Medium (22) ein biologisches Gewebe umfasst; einem Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156), der die zweiten Wellen empfängt, nachdem sie von der Oberfläche reflektiert worden sind, und dritte Wellen in das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche erzeugt und sie empfängt, nachdem sie von der Oberfläche reflektiert worden sind; einem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der die ersten Wellen empfängt, wobei sich die ersten Wellen durch das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche, längs der Oberfläche und von der Oberfläche zu dem eingefügten Medium (22) und zum Ultraschallempfänger ausgebreitet haben; und einer Steuereinheit (100), die den Ultraschallsender und den Sender/Empfänger steuert, um die ersten, zweiten und dritten Wellen zu erzeugen, in Reaktion auf Ultraschallwellen, die von dem Sender/Empfänger und von dem Empfänger empfangen werden, Signale empfängt und die kürzesten Ausbreitungszeit für jede der ersten, zweiten und dritten Wellen bestimmt und den Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger, den Abstand zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger und die Ausbreitungszeit verwendet, um die Dicke des eingefügten Mediums und die erste Geschwindigkeit zu bestimmen und um die zweite Schallgeschwindigkeit in Reaktion auf die bestimmte Dicke und die bestimmte erste Geschwindigkeit zu berechnen.
Vorrichtung zum Bestimmen einer zweiten Schallgeschwindigkeit eines eine Oberfläche besitzenden Festkörpers (18) über ein eingefügtes Medium (22), das eine erste Schallgeschwindigkeit besitzt, mit: einem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150), der eine erste Welle in ein eingefügtes Medium (22) zu der Oberfläche erzeugt, wobei das eingefügte Medium (22) ein biologisches Gewebe umfasst; einem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der die Welle empfängt, wobei sich die erste Welle durch das eingefügte Medium (22) zu der Oberfläche, längs der Oberfläche und von der Oberfläche zu dem eingefügten Medium (22) und zu dem Ultraschallempfänger fortbewegt hat; einer Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84), die eine zweite Welle von dem Sender empfängt oder diese zu dem Empfänger sendet, wobei die zweite Welle unter einem nicht rechten Winkel zu der Oberfläche reflektiert wird, und dritte Wellen erzeugt, wobei die Ultraschalleinheit die dritten Wellen, die von der Oberfläche reflektiert werden, empfängt; und einer Steuereinheit (100), die den Ultraschallsender so steuert, dass er die erste Welle erzeugt, die Ultraschalleinheit steuert, damit sie die dritte Welle erzeugt und die zweite Welle zu dem Empfänger sendet, wobei die Steuereinheit in Reaktion auf die Wellen, die von dem Empfänger und von der Ultraschalleinheit empfangen werden, Signale empfängt und die kürzesten Ausbreitungszeiten jeder der ersten, zweiten und reflektierten Wellen bestimmt und den Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger, den Abstand zwischen der Ultraschalleinheit und dem Sender oder Empfänger und die Ausbreitungszeiten verwendet, um die Dicke des eingefügten Mediums und die erste Geschwindigkeit zu bestimmen und um die zweite Schallgeschwindigkeit anhand der bestimmten Dicke und der bestimmten ersten Geschwindigkeit zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens einen Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens zwei Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens drei Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) wenigstens vier Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 31–34, bei der der wenigstens eine Sender/Empfänger einen Sender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und einen Empfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–34, bei der die Ultraschalleinheit etwa in der Mitte zwischen dem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) und dem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–35, bei der die Ultraschalleinheit wesentlich näher entweder bei dem Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) oder bei dem Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) als bei dem jeweils anderen des Ultraschallempfängers bzw. des Ultraschallsenders angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und die Ultraschalleinheit nicht kolinear sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) im Wesentlichen kolinear sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–39, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) und/oder der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und/oder die Ultraschalleinheit (42, 72, 82, 84) zu der Oberfläche unter einem Winkel orientiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28–40, bei der ein Abschnitt der Vorrichtung mit dem eingefügten Medium (22) im Wesentlichen in Kontakt ist und sich über eine Länge erstreckt, die kleiner oder gleich 100 Millimeter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, bei der die Länge kleiner oder gleich 50 Millimeter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 43, bei der die Länge kleiner oder gleich 3 Millimeter ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28, bei dem der Festkörper (18) einen Zahn umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder Anspruch 44, bei dem der Festkörper einen gekrümmten Knochen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–45, bei dem der Festkörper einen Wirbel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–46, bei dem der Festkörper (18) einen Abschnitt eines Knochens, der sich im Wesentlichen in der Nähe eines Gelenks befindet, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–47, bei dem der Festkörper einen Handgelenkknochen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44-48, das ferner umfasst: Bestimmen einer späteren Schallgeschwindigkeit, nachdem die zweite Schallgeschwindigkeit bestimmt worden ist, am selben Ort des Festkörpers; und Vergleichen der zweiten Geschwindigkeit mit der späteren Schallgeschwindigkeit, um Änderungen in einer Struktur des Festkörpers zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28 oder nach den Ansprüchen 44–49, bei dem die Messung in einer vorgegebenen Richtung an dem Körpergewebe ausgeführt wird und das ferner umfasst: Bestimmen einer senkrechten Schallgeschwindigkeit am selben Ort des Festkörpers in einer zweiten Richtung, wobei die senkrechte Schallgeschwindigkeit zu der vorgegebenen Richtung im Wesentlichen senkrecht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der die nicht senkrechte reflektierte Welle von der Ultraschalleinheit gesendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30–37, bei der die nicht senkrechte reflektierte Welle durch den Sender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) gesendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und der Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) nicht kolinear sind.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164), der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und der Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) im Wesentlichen kolinear sind.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Ultraschallempfänger (44, 74, 86, 98, 120, 134, 136, 142, 144, 156, 164) und/oder der Ultraschallsender (40, 70, 80, 90, 110, 130, 132, 138, 140, 150) und/oder der Ultraschall-Sender/Empfänger (42, 72, 82, 84, 92, 94, 96, 112, 114, 116, 118, 152, 156) zu der Oberfläche unter einem Winkel orientiert sind.