JP2000504946A - 骨の特性を判定する超音波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の超音波を、第１の位置から介在する媒体を通じる伝送経路に沿い、表面に沿い、表面から介在する媒体を通じて第２の位置へ送ることと、伝送経路に沿った第１の音波の伝達時間を測定することと、介在する媒体の厚さを測定することと、介在する媒体の音響速度を測定することと、２つの位置間の距離と、介在する媒体の厚さと、介在する媒体内の音響速度とに基づいて個体内の音響速度を算出することとを含む、介在する媒体を通じて、表面を有する個体の機械的特性を判定する方法。

Description

【発明の詳細な説明】 骨の特性を判定する超音波装置 発明の分野 本発明は、全般的には材料の機械的特性の非破壊的測定を行う計器に関し、か つ骨の機械的特性および骨材質の非インベーシブ測定用の計器に関する。 発明の背景 当技術分野では、材料内の音波の速度が材料の機械的特性に依存することが知 られている。この現象はたとえば、「Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，Ｐｒｏｃｅｓｓｉ ｎｇ，ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍｅｔａ ｌ ｂｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍｅｔｈｏｄｓ」（Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏ ｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ、５２ｎｄ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅ ｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓ ｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１９４９年６月２８日、１６ページないし４７ ページ）と題するＣ．Ｈ．ＨａｓｔｉｎｇｓおよびＳ．Ｗ．Ｃａｒｔｅｒの論文 に記載されている。 米国特許第３７２００９８号、第３２２８２３２号、第３２８８２４１号、第 ３３７２１６３号、第３１２７９５０号、第３５１２４００号、第４６４０１３ ２号、第４５９７２９２号、第４７５２９１７号には、超音波を使用した非破壊 試験の最新技術が記載されている。 ある角度で半無限個体に達する音波は通常、それぞれ、異なる速度を有する、 ３つの波、すなわち縦波、横波、表面波として個体内を個体に沿って伝搬する。 ＨａｓｔｉｎｇｓおよびＣａｒｔｅｒに記載されたように、３つの波の速度は次 式のように表される。 上式で、Ｖ_L、Ｖ_T、Ｖ_Sはそれぞれ、縦波、横波、Ｒａｌｅｉｇｈ表面波の速 度であり、Ｅ、σ、ｒｈｏはそれぞれ、ヤング率、横方向の縮みと縦方向の伸び とのポアソン比、材料の質量密度である。数式（３ｂ）は、１９７５年に英国の オックスフォードでＣｌａｒｅｎｄｏｎ Ｐｒｅｓｓから発行されたＫａｒｌ Ｆ．Ｇｒａｆｆ著「Ｗａｖｅ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｓｏｌｉ ｄｓ」の３２６ページに定義された経験的関係である。 骨状態の超音波測定では通常、縦波の速度のみが使用される。「Ｏｓｔｅｏｐ ｏｒｏｔｉｃ Ｂｏｎｅ Ｆｒａｇｉｌｉｔｙ： Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」（Ｒ． Ｐ．Ｈｅａｎｅｙ等、ＪＡＭＡ第２６１巻第２０号、１９８９年５月２６日、２ ９８６ページないし２９９０ページ）と題する論文では、骨のヤング率Ｅが経験 的に次式のように与えられている。 骨内の縦音波の速度は次式のように与えられる。 上式で、Ｋは骨構造の空間配向、骨材料の固有の特性、疲労損傷など、いくつ かの因子を組み込んだ定数である。したがって、縦波の速度は質量密度の関数で あり、骨の材質の指針として使用することができる。 下記の論文でも、インビボとインビトロの両方での骨状態の超音波測定が論じ られている。 「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ Ｕｌｔ ｒａｓｏｕｎｄ ｉｎ Ｈｕｍａｎ Ｃｏｒｔｉｃａｌ Ｂｏｎｅ Ｉｎ Ｖｉ ｖｏ」Ｍ．Ａ．Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ等、Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ、第１３８号、１ ９８１年３月、７０１ページないし７１０ページ 「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ２．２５ ＭＨｚ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｖｅｌｏｃ ｉｔｙ ａｎｄ ｂｏｎｅ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅ ｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｑｕｉｎｅ ｍｅｔａｃａｒｐｕｓ ａｎｄ ｔ ｈｅｉｒ ｉｎ ｖｉｖｏ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｒ．Ｎ．ＭｃＣａｒｔ ｎｅｙおよびＬ．Ｂ．Ｊｅｆｆｃｏｔｔ、Ｍｅｄｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏ ｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ、第２ ５巻、１９８７年号、１８７７年１１月、６２０ページないし６２６ページ 骨の機械的特性のインビボ超音波測定を行うには、超音波を、骨を囲む軟組織 を透過させる必要がある。残念なことに、軟組織の厚さは骨の長さに沿って変動 する。この厚さ変動は、骨を通じた超音波伝搬時間測定の精度に影響を与える恐 れがある。前述の論文では、軟組織の厚さが無視され、あるいは軟組織の影響を 取り消そうとする試みがなされている。インビトロ実験について説明する論文で は、骨から軟組織が除去されている。 ロシア特許第１４２０３８３号、第１３０８３１９号、第１１７５４３５号、 第１３２４４７９号、第１１５９５５６号、第１１７２５３４号、米国特許第４ ９２６８７０号、第４３６１１５４号、第４７７４９５９号、第４４２１１１９ 号、第４９４１４７４号、第３８４７１４１号、第４９１３１５７号、第４９３ ０５１１号には、速度Ｖ_Lに基づいて骨の強度を測定する様々なシステムが記載 されている。これらのシステムは通常、１つの超音波信号送信機と少なくとも１ つの超音波信号受信機とを有する。 ロシア特許第１４２０３８３号、第１３０８３１９号、第１１７５４３５号は 、測定領域の軟組織の厚さの値を仮定し、あるいは２つの超音波信号受信機間の 距離にわたって厚さ変動が小さいと仮定することによって、軟組織の既知の厚さ の問題を解決しようとしている。 ロシア特許第１３４２２７９号は２つの受信機および単一の送信機を使用して 、２つの受信機間の既知の距離に基づいて骨内の平均群速度を算出する。 ロシア特許第１１５９５５６号は骨のゾーンを定義しており、骨の状態が、測 定された超音波信号の最大振幅と最小振幅との差によって判定され、それぞれの 異なるゾーンがそれぞれの異なる速度を有する。この測定は、切離された骨に対 して行われるようである。 ロシア特許第１１７２５３４号には、健康な骨の超音波信号と不健康な骨の超 音波信号を比較し、その比較から、不健康な骨の病気の範囲を診断するシステム が記載されている。 米国特許第４９２６８７０号、第４４２１１１９号、第３８４７１４１号には 、受信機および送信機を骨のそれぞれの対向側に配置するシステムが記載されて いる。米国特許第４９２６８７０号は、結果的に得られる信号と正準波形も比較 し、それによって骨の健康度を分類する。 米国特許第４９１３１５７号、第４７７４９５９号、第４９４１４７４号には 、周波数のスペクトルを有する超音波信号を送るシステムが記載されている。 米国特許第４９３０５１１号には、骨の周りに配置される前に既知の音響特性 の標準無生物均質材料の周りに配置されるシステムが記載されている。 開示が引用によって本明細書に組み込まれた米国特許第５１４３０７２号には 、介在する軟組織の未知の厚さの影響を解消する方法が記載されている。第１Ａ 図は、この特許の方法を示しており、超音波送信機２および２つの超音波受信機 ４および６を示している。送信機および受信機はすべて同一直線上にある。送信 機２は、軟組織２２を通じて骨１８の方へ超音波を送る。受信機４で受け取られ た第１の信号は最も高速な経路を通過する。この経路は、第１の軟組織経路部分 ８と、骨表面部分１０と、第２の軟組織経路部分１４とを含む。経路８と経路１ ０との間の角度２３は骨１８内の音響速度と軟組織２２内の音響速度との比によ って決定される。受信機６が受け取った第１の信号は第１の軟組織経路部分８、 骨表面部分１０、追加骨経路部分１２、第３の軟組織経路部分１６を通過する。 受信機４および６で受け取った第１の信号の伝搬時間が測定される。経路１４と 経路１６が同じ長さになるように受信機４と受信機６を位置合わせした場合、２ つの信号伝搬時間を減算すると骨部分１２内の信号伝番時間が得られる。骨部分 １２は受信機４と受信機６との間の距離と同じ長さを有するので、骨部分１２内 の音響速度を求めることができる。 第１Ｂ図は、経路１６と経路１４が同じ長さを有するようにする’０７２号特 許で開示された方法を示す。受信機４および受信機６は送信機でもあり、受信機 ４（および６）と骨１８との間の経路３０（および３２）に沿った波伝搬時間を 測定するために使用される。開示された他の実施形態では、送信機２ならびに受 信機４および６がロッカ上に取り付けられる。ロッカは、転動する際に軟組織２ ２を圧縮し、そのため、経路３０に沿った伝搬時間と経路３２に沿った伝搬時間 が等しいことが判明すると、音響骨速度が求められる。 しかし、この方法にもいくつかの重大な欠点がある。第１に、軟組織速度は一 定ではなく、軟組織の種類に応じて異なる。伝搬経路３０および３２は経路１４ および１６と同じではないので、経路３０に沿った伝搬時間と経路３２に沿った 伝搬時間が等しい場合でも、経路１４に沿った伝搬時間と経路１６に沿った伝搬 時間は等しくなく、算出される音響骨速度は正しくない。第２に、前述の方法に は、平坦な骨の比較的長い部分が必要である。したがって、この方法では、脛骨 などの限られた数の骨しか試験できない。また、高周波数超音波は非常に損失が 多いので、それをこの方法に使用するのは実際的でない。第３に、この方法の空 間解像度は比較的低く、約２ｃｍないし５ｃｍである。 発明の要約 本発明のいくつかの態様の目的は、高い解像度を有する音響骨速度を求める方 法を提供することである。また、骨の小さな部分を測定することができ、したが って、本発明の好ましい実施形態を使用して人体のほぼすべての骨を測定するこ とができる。 本発明の好ましい実施形態では、送信機および受信機が、骨に対向する患者の 皮膚上に配置される。骨の音響速度は、 （１）第１の超音波信号を、送信機から骨を囲む軟組織を通じて骨に至る伝送 経路に沿い、骨の表面に沿い、軟組織を通じて受信機に戻るように送り、 （２）送信機と受信機との間の最も高速の信号の走行時間を測定し、 （３）送信機と受信機との間の距離、軟組織の厚さ、軟組織内の音響速度に基 づいて骨の音響速度を算出することによって測定される。 軟組織の音響速度とその厚さの両方を算出する好ましい方法では反射波が使用 される。送信機および送受信機は、送信機から送受信機への最も高速の経路が骨 を通過しないように、皮膚上に既知の距離を置いて配置される。その代わり、最 も高速の信号は骨上のある点から送受信機に反射される。送信機と送受信機との 間の距離を非常に小さな距離にできることに留意されたい。送信機から送受信機 へ送られる信号の伝搬時間と、送受信機から送られ骨から同じ送受信機に反射さ れる信号の伝搬時間が測定される。 右側の三角形は下記の３つの線セグメントで形成される。 （ａ）第１の辺ｓ₁、すなわち送信機と骨を接続する最も短い線 （ｂ）第２の辺ｓ₂、すなわち送受信機から始まり送信機と送受信機との間の 距離の半分だけ延びる線 （ｃ）斜辺Ｈ、すなわち送信機と骨上の信号反射点との間の線 送信機の下方の軟組織の厚さが送受信機の下方の厚さに等しいと仮定すると 、ｓ₁は、送受信機と骨との間の距離と同じ長さを有する。経路は互いに非常に 近くに位置しているので、平均軟組織音響速度は、測定中のすべての経路に沿っ て同じであると仮定することもできる。したがって、第１の辺と斜辺との比は、 測定される伝搬時間間の比に等しい。第２の辺の長さは、既知の公式ｓ₁ ²＋ｓ₂ ² ＝Ｈ²を使用して容易に算出される。長さｓ₁、ｓ₂、Ｈは実際には時間として表 されるので、ｓ₂は実際には、経路が軟組織内にある場合に送信機と送受信機と の間の既知の距離の半分だけ信号を伝えるのにかかる時間である。したがって、 軟組織音響速度が求められる。次に、送受信機から骨への測定伝搬時間およびそ の逆の方向の測定伝搬時間を使用して軟組織の厚さが容易に求められる。 別法として、速度および厚さを求める他の方法が使用される。たとえば、Ｘ線 画像を使用して厚さが求められ、信号が測定経路を通じて、送受信機から骨に伝 わり、その逆の方向へ伝わるのにかかる時間を測定することによって、速度が求 められる。 好ましくは、厚さは、送信機から受信機への信号が骨に進入する点で測定され る。また、あるいは別法として、軟組織の厚さは、送信機から送受信機への信号 が骨から反射される点で測定される。 好ましくは、送信機から送受信機への信号の経路は送信機から受信機への信号 の経路と重なり合う。 当然のことながら、好ましい実施形態を使用して、人間または動物の肉を撮影 するのではなく、異なる材料の外側コーティングで覆われた木材、プラスチック 金属、複合材料を分析することができる。 当然のことながら、軟組織の速度および軟組織の厚さを求める前述の方法は、 従来技術の音響骨速度を求める方法の精度を高めるうえでも有用である。 前述の骨音響速度方法を使用して達成できる通常の解像度は１ｃｍを上回り、 より典型的には０．５ｃｍを上回り、好ましくは３ｍｍを上回る。 好ましくは、前述の送信機および受信機は、長軸と短軸とを有するセンサに取 り付けられる。このセンサは好ましくは、複数回の測定が行われる間に長軸に沿 って転動される。好ましい骨速度測定は、送信機の下方の軟組織の平均音響速度 と受信機の下方の軟組織の平均音響速度が等しくない場合でも、それらの厚さが 等しいときに行われる。 また、あるいは別法として、センサは、複数回の測定が行われる間に短軸に沿 って転動される。好ましくは、求められた骨音響速度の転動角度に対する依存性 が求められる。通常、最大判定速度は代表的な音響速度として使用される。 本発明の好ましい実施形態によれば、広帯域超音波を第１の位置から媒体を通 じる経路に沿い、かつ個体の表面に沿って送ることと、第２の位置で音波を受け 取ることと、受け取った音波を分析し、音波の高周波数成分の伝達時間と波の低 周波数成分の伝達時間との差を求めることとを含む、介在する媒体を通じて個体 の厚さを求める方法も提供される。 さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、第２の組織内の第１の組織の位 置を判定することと、第１の経路に沿った第２の組織の音響速度を求めることと 、第１の組織を含む第２の経路に沿った第２の組織の音響速度を求めることとを 含む、第２の軟組織に埋め込まれた第１の軟組織の音響速度を求める方法も提供 される。好ましくは、第１の経路はかなり第２の経路と重なり合う。 本発明の好ましい実施形態によれば、表面を有する個体の音響速度を求める装 置も提供される。この装置は、介在する媒体を通じて表面に伝わる第１の信号と 、 個体を通じて表面にほぼ平行に伝わる第２の信号とを生成する第１の超音波装置 と、表面から反射された第１の信号を受け取り、介在する媒体を通じて表面に伝 わる第３の信号を生成し、かつ表面から反射された第３の信号を受け取る第２の 超音波装置と、第２の信号を受け取る第３の超音波信号と、第１の信号、第２の 信号、第３の信号のうちの最も短い伝達時間を測定する制御装置とを備える。 さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、介在する媒体を通じて表面に伝 わり、個体を通じて表面にほぼ平行に伝わる音波を生成する第１の超音波装置と 、表面の方へ伝わる音波を生成し、表面から反射された音波を受け取るために少 なくとも１つの超音波装置を受容する第２の超音波装置と、すべての音波のうち で最も短い伝達時間を測定する制御装置とを備える、表面を有する個体の音響速 度を求める装置が提供される。 好ましくは、第２の超音波装置は１つ、２つ、３つ、または４つの超音波装置 を備える。 好ましくは、受信側装置は、音波を受け取る直前には音波を送らない。 本発明の他の好ましい実施形態によれば、超音波を生成し受け取る圧電セルの グリッドと、グリッドのドライバと、音波の伝達時間を測定する制御装置とを備 え、いくつかの音波が表面から反射され、いくつかの音波が個体を通じて表面に ほぼ平行に伝わる装置が提供される。 本発明の好ましい実施形態では、グリッドを構成するために２ステップ方法が 使用される。第１のステップでは、好ましくは、本明細書で説明する方法を使用 して、下方の組織の厚さが求められる。第２のステップでは、グリッドは、送信 側要素と受信側要素との間の距離が組織の厚さに関して最適化されるように構成 される。 本発明の他の好ましい実施形態では、グリッドがほぼ同時に２つのモードで操 作される。第１のモードは、当技術分野で知られている超音波走査を含む。第２ のモードは、好ましくは前述の軟組織速度の判定または骨速度の判定、あるいは その両方を含む。 好ましくは、制御装置は、個体の音響速度、または介在する媒体の音響速度、 あるいはその両方を算出するために使用される。 超音波装置を同一直線上に配置する必要がないことに留意されたい。 前述の超音波装置は好ましくは単一周波数波である。また、あるいは別法とし て、前述の測定は同時に行われる。 図面の簡単な説明 本発明は、本発明の好ましい実施形態の下記の詳細な説明を図面と共に検討す ればより完全に理解されよう。 第１Ａ図は、従来技術の音響骨速度測定方法を示す図である。 第１Ｂ図は、追加測定を含む、第１Ａ図に示した方法に対する従来技術の改良 を示す図である。 第２図は、本発明の好ましい実施形態による音響骨速度測定方法を示す図であ る。 第３図は、本発明の第２の好ましい実施形態による、軟組織音響速度を求める 方法を示す図である。 第４Ａ図は、第２図および第３図の方法の態様を組み合わせた好ましい音響骨 速度測定方法を示す図である。 第４Ｂ図は、第２図および第３図の方法の態様を組み合わせた本発明の他の好 ましい実施形態を示す図である。 第４Ｃ図は、下方の組織の厚さが等しいケースと下方の組織の厚さが等しくな いケースに適用された第４Ａ図の方法を示す図である。 第４Ｄ図は、第３図の方法の一部の簡略化された部分概略図である。 第４Ｅ図は、第２図の方法の一部の簡略化された部分概略図である。 第５Ａ図および第５Ｂ図は、本発明の他の好ましい実施形態による２ステップ 音響骨速度測定方法を示す図である。 第６Ａ図および第６Ｂ図は、本発明の他の好ましい実施形態による２ステップ 音響骨速度測定方法を示す図である。 第７Ａ図は、本発明の他の好ましい実施形態による他の音響骨速度判定方法を 示す図である。 第７Ｂ図は、第７Ａ図の理想的なバージョンを示す図である。 第８Ａ図および第８Ｂ図は、第７Ａ図および第７Ｂ図に示した方法の好ましい 代替バージョンを示す図である。 第９図は、切断されたヒトの骨の部分概略図である。 第１０図は、物体の厚さと物体の表面に沿った超音波の速度との関係を示すグ ラフである。 第１１図は、圧電トランスジューサのアレイを使用した本発明の代替実施形態 の概略図である。 第１２図は、制御すべきトランスジューサと信号処理要素との接続を示す、第 １１図のアレイの概略図である。 第１３Ａ図および第１３Ｂ図は、本発明の好ましい実施形態による軟組織分析 方法を示す図である。 第１４図は、本発明の好ましい実施形態による同時骨速度判定・骨撮影方法を 示す図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 本発明の好ましい実施形態による音響骨速度を求める方法は、軟組織の速度を 求めることを含む。第２図は、軟組織２２に囲まれた骨１８を示す。音響骨速度 を測定するために、送信機４０が受信機４４へ信号を送り、伝達時間Ｔ_totalが 測定される。信号が送信機４０から受信機４４に至るうえで使用することのでき る多数の経路があり、そのいくつかが骨１８から反射され、いくつかが骨１８の 表面に沿って進むことは自明である。 送信機４０と受信機４４との間の距離Ｄ₄₀₄₄が十分に長いものである場合、第 ２図に示した最も高速の経路は、第１の軟組織経路セグメント６０、表面骨経路 セグメント６４、第２の軟組織経路セグメント６２の３つのセグメントを備える 。セグメント６０とセグメント６４（骨１８）の垂線との間の角度Ｂ_rはブルー スター角であり、次式のように定義される。 Ｂ_r=arcsin(Ｖ₂₂/Ｖ₁₈) (5) 上式で、Ｖ₂₂は軟組織２２内の縦波の速度であり、Ｖ₁₈は骨１８内の縦表面波 の速度である。Ｄ₄₀₄₄が非常に短く、ブルースター角を形成することができない 場合、最も高速の経路は、単に骨１８から反射される経路である。 骨１８内の音響速度は、骨セグメント６４の長さＤ₆₄を、信号が骨セグメント ６４を横切って伝搬するのにかかった時間Ｔ₆₄で除すことによって算出される。 しかし、Ｄ₆₄もＴ₆₄も未知である。いくつかの従来技術の方法はＶ₂₂と、送信機 ４０と骨１８との間の距離Ｈ₄₀と、受信機４４と骨１８との間の距離Ｈ₄₄を推定 する。したがって、距離Ｄ₆₀、すなわちセグメント６０の長さと、距離Ｄ₆₂、す なわちセグメント６２の長さと、それらの伝搬時間Ｔ₆₀およびＴ₆₂は次式のよう に表される。 Ｄ₆₄およびＴ₆₄は Ｖ₁₈は 連立方程式（５）ないし（１２）を解くとＶ₁₈が得られる。 しかし、特にＶ₂₂が骨１８からの距離の関数として変化するので、Ｈ₄₀、Ｈ₄₄ 、Ｖ₂₂の推定はそれほど厳密なものではない。通常、骨１８の近くの組織は筋肉 であり、平均速度が、通常、皮膚の近くに蓄積する、脂肪よりも１０％高い。 第３図は、本発明の好ましい実施形態によるＨ₄₀、Ｈ₄₄、Ｖ₂₂を求める方法を 示す。送受信機４２は、送信機４０と送受信機４２との間の最も高速の経路が骨 １８内に経路セグメントを有さないように、送信機４０と受信機４４との間の同 一直線上に配置される。第３図に示した送信機４０と送受信機４２との間の最も 高速の経路は、第１の軟組織セグメント４６と第２の軟組織セグメント４９とを 備える。送受信機４２をそのような位置に配置する方法は、 （ａ）ブルースター角を推定し、 （ｂ）反射角Ｒ_f、すなわちセグメント４６と骨１８の垂線との間の角度がブ ルースター角よりも小さい位置に送受信機４２を配置することである。当技術分 野で知られているように、入射角がブルースター角以下である場合、最も高速の 経路は骨１８を通過せず、単に骨から反射される。 まず、Ｖ₂₂が測定される。送信機４０から送受信機４２へ信号が送られ、その 伝搬時間Ｔ₄₆＋Ｔ₄₈が測定される。第２の信号が送受信機４２から骨１８へ送ら れ、経路セグメント５０に沿って反射される。 （ａ）長さＤ₄₀₄₂を有する、送信機４０と送受信機４２を接続する線と、 （ｂ）長さＤ₄₆を有するセグメント４６と、 （ｃ）長さＤ₄₈を有するセグメント４８で２等辺３角形が形成される。 組織２２の厚さが送信機４０と送受信機４２との間の小さな領域で一定であると 仮定すると、セグメント５０は、２等辺３角形の高さに等しい長さＤ₅₀を有する 。 平均Ｖ₂₂がセグメント４６、セグメント４８、セグメント５０に沿って等しい と仮定した場合、Ｄ₄₆、Ｄ₄₈、Ｄ₅₀は次式のように表される。 ２等辺３角形の辺と高さとの間に既知の関係を適用すると、次式が成立する。 数式１４および１５と、Ｔ₄₈とＴ₄₆との間の等式を使用して数式１６を解くと、 次式のようになる。 しかし、Ｔ₅₀、Ｔ₄₈、Ｄ₄₀₄₂は既知であり、したがって、次式が成立する。 上記で算出したＶ₂₂が信号の実際の経路に沿った平均であり、すなわち脂肪内の 速度と筋肉組織内の速度の両方の加重値を含むことに留意されたい。 Ｈ₄₄はＨ₄₀（Ｄ₅₀に等しい）に等しいと仮定される。したがって、次式が成立 する。 より高い精度が必要であり、あるいは雑音を低減する場合は、送信機４０と送 受信機４２との間の信号伝搬時間ではなく送受信機４２と受信機４４との間の信 号伝搬時間を使用してＶ₂₂がもう一度算出される。もちろん、送受信機４２と受 信機４４との間の距離は、反射角がブルースター角以下になるような距離でもあ る。Ｖ₂₂は、第１の計算と第２の計算の平均を使用することによって算出される 。 Ｖ₂₂、Ｈ₄₀、Ｈ₄₄を測定する前述の方法の別法として、他の方法を使用するこ とができる。たとえば、Ｘ線画像または他の医学画像上でＨ₄₀およびＨ₄₄を測定 することができる。次いで、骨１８からの反射の信号伝搬時間に基づいてＶ₂₂が 測定される。 第４Ａ図および第４Ｂ図は、本発明の他の好ましい実施形態による音響骨速度 測定センサを示す。送信機７０、送受信機７２、受信機７４は、骨１８を囲む軟 組織２２上の同一直線上に配置される。前述のように、送信機７０と送受信機７ ２との間の距離は、送信機７０から送受信機７２に伝搬する信号が骨１８を通過 しないような距離である。好ましくは、送受信機７２から受信機７４への最も高 速の経路も骨１８を通過しない。 次いで、Ｖ₂₂および送受信機７２の近くの領域内の軟組織２２の厚さが前述の ように求められる。次いで、信号を送信機７０から受信機７４へ送る前述の方法 を使用して骨１８内の音響速度が求められる。好ましくは、送信機７０と送受信 機７２との間の距離は、それらの間で伝搬する信号が、第４Ｂ図に示したように ほぼブルースター角に等しい角度Ｒ_f1で反射されるような距離である。したがっ て、Ｖ₂₂は、骨速度を測定する信号の経路と同じ経路に沿って測定される。ヒト の肉内のブルースター角は２０度ないし２８度であるので、２４度の角度は適切 な推定値であり、その場合、経路どうしがほぼ重なり合う。 好ましくは、送受信機７２は送信機７０と受信機７４との間の中間に配置され る。したがって、送信機７０と受信機７４を接続する線が骨１８に対して厳密に 平行ではない場合、送信機と受信機との間で軟組織の厚さが測定されるので、平 均速度に密に近似される傾向がある。 この方法を使用した骨内の波伝搬の必要最小限の距離は約２ｍｍないし３ｍｍ である。送信機７０と受信機７４との間の距離は軟組織の厚さに依存する。この 方法を使用すると、比較的でこぼこのある骨の高解像度マッピングが可能である 。たとえば、そのような骨には椎骨、手首の小骨、間接の近くの骨の部分が含ま れる。また、測定する骨セグメントの長さを非常に短くすることができるので、 縦方向と横方向の両方の骨速度を測定することが可能である。 好ましい動作周波数は２５０ｋＨｚないし１５００ｋＨｚである。骨内で信号 が伝わる距離が短いので、骨内の高周波数音波の減衰が大きいにもかかわらず、 従来技術で使用される周波数よりも高い周波数が実際的であることに留意された い。一般に、周波数が高いほど、低周波数の場合よりも正確な結果が得られる。 本発明の好ましい実施形態では、動作周波数は好ましくは２ＭＨｚを超え、より 好ましくは５ＭＨｚを超え、本発明のいくつかの好ましい実施形態では、好まし い動作周波数は１０ＭＨｚを超える。音波は２マイクロ秒ないし１５０マイクロ 秒の継続時間でパルスすることが好ましい。 分析される音波の唯一の態様が、信号を最初に受け取る時間であるので、使用 する波形は単一周波数パルス波であることが好ましい。別法として、他のより複 雑な波形またはパルスが使用され、受け取った信号が分析される。 好ましくは、送信機７０および送受信機７２は、当技術分野で知られているよ うに、推定されたブルースター角である角度で信号を選択的に放出するように配 向される。また、受信機７４および送受信機７２は好ましくは、推定されたブル ースター角で音波が受け取られるように高い利得を有するようになされる。 通常、送信機７０および送受信機７２をブルースター角で配向させるとき、セ ンサ面は平坦でなく凹状である。好ましくは、この凹状空間に、既知の音響速度 を有する一様な材料が充填される。本発明の好ましい実施形態では、充填材料の 音響速度が軟組織の音響速度に近く、したがって、本明細書で説明する計算に対 する充填材料の影響は無視することができる。別法として、充填材料層の音響速 度計算に対する影響は、較正時に、あるいは後述のように、多層構造内の上層の 影響として、推定し考慮することができる。 当然のことながら、前述のプロセスの２つのステップをどちらかの順序で実行 することができ、同時に実行することもできる。好ましくは、各信号にそれぞれ の異なる周波数が使用される。当然のことながら、使用する超音波送信機および 受信機は通常、非常に広い帯域幅を有する。したがって、複数の波長が放出され 、各受信機はその着信信号を処理し特定の周波数をフィルタし検出する。別法と して、あるいはまた、パルスのタイミングがとられ、そのため２つのパルスが一 緒に単一の受信機に到着することはない。 好ましくは、送信機７０、送受信機７２、受信機７４は制御装置１００によっ て制御される。したがって、前述の信号の開始、時間の測定、信号処理、速度の 計算は制御装置１００によって行われる。 第４Ａ図および第４Ｂ図を参照して説明したような３素子センサの長さは好ま しくは、１００ｍｍ未満であり、より好ましくは５０ｍｍ未満であり、いくつか の好ましい実施形態では３ｍｍ未満である。特定の好ましい実施形態では、セン サの長さは３２ｍｍである。そのようなセンサと骨との間で許容される最大距離 は約２ｃｍである。そのようなセンサは、精度要件が非常に高いので、１５℃な いし４０℃の温度範囲ではほとんど伸縮しない材料で構成することが好ましい。 そのような材料は通常、１５℃から４０℃に加熱されたときに膨張する材料と１ ５℃から４０℃に加熱されたときに収縮する材料の混合物を含む。 当然のことながら、超音波要素間の距離は、予期されるある軟組織深さが得ら れるように最適化することができる。したがって、通常の稼働システムは、それ ぞれ、異なる深さ範囲に適した、いくつかのセンサを備える。別法として、後述 の単一のグリッド型センサが使用される。 通常、センサは各超音波要素間に厳密な距離を有するようには構成されない。 その代わり、センサは約０．１ｍｍの精度で構成され、ファントムを使用して要 素間の厳密な距離が測定される。測定結果は、典型的な精度が２μを超え、下記 で詳しく説明するように速度判定時に使用できるようにコントローラ１００に記 憶される。そのようなファントムは好ましくは、プラスチック内に埋め込まれた 軸に沿って形成されたステップを含む円筒形金属コアを有するプラスチック・シ リンダを備える。各ステップは、金属コアの上方のそれぞれの異なる既知の深さ のプラスチックに対応する。 骨音響速度は通常、骨のそれぞれの異なる部分で異なる。したがって、２回の 異なる測定セッションの２つの骨音響速度結果を適切に比較するには、骨の同じ 部分に２回の測定を実行しなければならない。特に、骨の縦軸に沿った位置精度 は、けい骨など長い骨では５ｍｍ程度であるべきである。この精度は、永久マー カを用いた位置のマーク付けなど通常の位置決め方法を使用して容易に達成され る。しかし、横位置決め精度は数百ミクロン程度でなければならない。この精度 を達成するのは困難であるので、送信機７０、送受信機７２、受信機７４が、骨 １８の縦軸に平行なロッカの軸に沿って配置されるようにセンサをロッカ上に取 り付けることが好ましい。骨音響速度を測定する際、ロッカが横方向に転動され 、複数の骨音響速度が求められる。最大判定値または最小判定値は、他のセッシ ョン時の骨音響速度測定値と比較できるように基準値として使用される。また、 あるいは別法として、骨１８の皮質は通常、それぞれ、異なる硬度および音響速 度を有する、いくつかの異なるセクタを有するので、骨１８の音響速度は骨１８ のいくつかの側から測定される。 当然のことながら、椎骨などいくつかの骨では、硬いセクタを測定するよりも 柔らかなセクタを測定し、したがって最小速度を求めた方法が実際的である。最 小判定速度は通常、最も柔らかなセクタに存在する。後の日付に見つけられる最 小判定速度も、最も柔らかなセクタに存在し、したがって、速度測定は同じ横位 置（同じセクタ）で繰り返される。 また、あるいは別法として、得られた速度測定値を使用して、骨１８の横速度 プロファイルが構築される。このプロファイルは骨構造分析に有用である。 第４Ｃ図は、下記の数学的な議論を容易にするように上記で第４Ａ図に関して 説明した実施形態を示す。この議論の目的は、音響速度判定に関する計算を詳し く分析することである。第４Ｃ図は、超音波要素７０、７２、７４を接続する線 が骨１８に平行である１つのケースと、超音波要素７０、７２、７４を接続する 線が骨１８に平行でない第２のケースの２つの可能性を示す。これらのケースの それぞれで、超音波骨速度の数学的導出は異なる。 第４Ｄ図および第４Ｅ図は、前述の方法で実際に測定された時間を示す。この 時間を第４Ｃ図にリンクする数式を下記に示す。 また、ｒはブルースター角である。下記の数式では、「ａ」は点Ａと点Ｂ（Ａ Ｂ）との間の距離であり、ｂ＝ＢＣであり、ｃ＝ＣＤである。また、文字Ａは、 点Ａを指していないときはａ＋ｂ＋ｃの和を表し、すなわち送信機７０と受信機 ７４との間の最も短い距離である。 実際の状況ではめったに起こらない第１の簡略化ケースでは、超音波要素７０ 、７２、７４を接続する線は骨１８に平行である。したがって、次式が成立する 。 軟組織音響速度Ｖ₂₂またはＶ_tは次式のように求められる。 骨音響速度Ｖ₁₈またはＶ_bを次式によって求めることにより、 次式の解が得られる。 前述の数式を使用して骨音響速度を求めるには、ｈ₁＝ｈ₂＝ｈ₃＝ｈ₄だけでな くτ₁＝τ₃であることに留意されたい。軟組織が非一様であるために起こる軟組 織の音響速度の変動のため、これはインビボ測定にはめったに当てはまらない。 しかし、前述の２つの条件のうちの一方を通常は満たすことができる。本発明の 好ましい実施形態では、センサはロッカ装置に埋め込まれる。そのようなロッカ 装置は、上記で引用した米国特許第５１４３０７２号に記載されている。ロッカ は、送信機７０を送受信機７２および受信機７４に接続する軸に沿って転動され 、軟組織速度および軟組織厚さの複数回の測定が行われる。骨速度測定は、ｈ₁ ＝ｈ₂＝ｈ₃＝ｈ₄あるいはτ₁＝τ₃であるときに行われる。 適切な特定のケースは、大腿骨の音響速度測定である。大腿骨の骨の表面形状 はどの部分でもそれほど平坦ではない。また、大腿骨の上方の軟組織の厚さは厚 く、６ｃｍ程度である。擬反射を最小限に抑えるために、骨音響速度測定は好ま しくは、送信機７０と受信機７４が共に大腿骨から同じ距離であるときに行われ る。 超音波素子７０、７２、７４を接続する線が骨１８に平行でないとき、通常、 下記のより複雑な数式を解いて、骨音響速度を求めなければならない。下記の数 式では、構成が第４Ｃ図に示した（非平行）構成に類似していると仮定されてい る。構成が、第４Ｃ図に示した構成の鏡像である場合、点Ｃでｈ₂を測定し、そ れに応じて数式を修正すべきである。 軟組織音響速度Ｖ₂₂またはＶ_tは次式を使用して求められる。 骨音響速度は、数式（２８）と同様な数式を使用して求められる。 この場合、次式が成立する。 骨１８および軟組織２２内の異なる経路セグメントの厳密な長さは、第４Ｃ図 に示した形状関係と、上記で求めた軟組織および骨速度を使用して求めることが できる。特に、送信機７０から受信機７４への音波の経路は次式で与えられる。 第５Ａ図および第５Ｂ図は、本発明の追加実施形態を示す。音響骨速度は、受 信機８６が初めて信号を受け取るまで、送信機８０が放出したその信号の伝達時 間を測定する前述の方法を使用して測定される。しかし、この実施形態は、送受 信機７２ではなく送受信機８２および８４の対を使用するという点で第４Ａ図お よび第４Ｂ図の実施形態とは異なる。この変更は２つの主要な利益を有する。第 １に、組織２２の厚さおよび組織内の音響速度が複数の位置で測定される。した がって、でこぼこのある表面を有し、あるいは音響軟組織速度を変動させる身体 領域が認識される。好ましくは、医師にそのことが知らされ、医師が測定位置の 変更など適切な処置をとる。別法として、音響速度計算はこのような差に関して 補正される。 第２に、送受信機８２は送受信機８４とは独立に配置することができる。第４ Ａ図および第４Ｂ図の実施形態では、音響軟組織速度を求めるために使用される 信号の経路が音響骨速度を求めるために使用される経路に合致する。この実施形 態では、（下記で第５Ｂ図に関して説明する方法で）この好ましい状況が生じる ように送受信機８２を送信機８０に対して位置決めすることができる。送受信機 ８４は受信機８６に対して同様に位置決めされる。送信機８０と受信機８６との 間の距離が測定にそれほど悪影響されないことに留意されたい。 第５Ａ図および第５Ｂ図は、いくつかの測定が第１のステップで行われ、いく つかの測定が第２のステップで行われる２ステップ・プロセスについて説明する ものである。しかし、これらのステップの順序は問題ではなく、好ましくはいく つかの異なる周波数または波形を使用して２つのステップが同時に実行される。 ２ステップ方法を使用する場合、両方のステップで音響骨速度方法を実行するこ とが好ましい。 しかし、骨音響速度を求める際にはこの２つのステップのうちの一方を実行す るだけで十分である。軟組織測定および骨速度測定の相対位置に影響を及ぼす送 受信機８２、送受信機８４、送信機８０、受信機８６、骨１８の構成に基づいて 、どちらのステップを実行するかの決定を下すことが好ましい。 第５Ａ図で説明するステップでは、送信機８０と受信機８６との間の信号の伝 達時間を測定することによって音響骨速度が測定される。また、軟組織速度を求 めるのに有用な下記の測定が行われる。 （ａ）送受信機８２の下方の組織２２の厚さ （ｂ）送受信機８４の下方の組織２２の厚さ （ｃ）送受信機８２から送受信機８４への信号の伝達時間 これらの測定は、音響軟組織速度を求め、組織２２の厚さの変化を求めるのに 十分なものである。送受信機８２と送受信機８４が、送受信機８２から送受信機 ８４への信号が骨１８を通過するように十分に離れている場合は測定（ｃ）が実 行されないことに留意されたい。しかし、第５Ｂ図のステップで実行される測定 （ｃ）および（ｄ）が、測定（ｃ）を行わないことを補償する。 第５Ｂ図に示したステップでは、送信機８０および受信機８６との間の信号の 伝達時間を測定することによって音響骨速度が測定される。また、軟組織速度を 求めるのに有用な下記の測定が実行される。 （ａ）送受信機８２の下方の組織２２の厚さ （ｂ）送受信機８４の下方の組織２２の厚さ （ｃ）送信機８０から送受信機８２への信号の伝達時間 （ｄ）送受信機８４から受信機８６への信号の伝達時間 これらの測定は音響軟組織速度を求め、組織２２の厚さの変化を求めるのに十 分なものである。この場合も、送信機８０から送受信機８２への信号または送受 信機８４から受信機８６への信号の最も高速の経路が骨１８を通過する場合、測 定（ｃ）または測定（ｄ）、あるいはその両方は実行されない。しかし、第５Ａ 図のステップで実行される測定（ｃ）が、これらの測定を行わないことを補償す る。 第５Ｂ図に示したステップで実行される測定によって、音響骨速度を求めるた めに使用される信号が伝わる領域を囲む局部領域内の音響軟組織速度が求められ ることに留意されたい。したがって、この実施形態は、表面にでこぼこがあるこ とが判明しており、あるいは音響軟組織速度が変動することが判明しているケー スで音響骨速度を求めるのに適している。また、骨１８に沿って必要な経路セグ メントが短いので、音響骨速度の判定は、骨１８の横軸に沿った部分など、人体 の湾曲部分の上方で行うことができる。 本発明の実施形態を使用すると、骨経路セグメントの必要最小限の寸法が小さ いので、高空間解像度で走査することができる。たとえば、歯の皮質の部分の音 響速度を測定するには、１０ＭＨｚ超音波パルスを使用することができる。超音 波は周波数が高いので、センサ寸法は３ｍｍでよく、解像度は１ｍｍを超える。 第６Ａ図および第６Ｂ図は、３つの送受信機、送信機、受信機を使用した他の 好ましい実施形態を示す。前述のように、音響骨速度は、送信機９０から受信機 ９８に放出された信号の伝達時間を測定することによって求められる。２ステッ プ音響軟組織速度判定プロセスが好ましい。 第６Ａ図は、下記の測定が行われる第１のステップを示す。 （ａ）送信機９０から送受信機９２への伝達時間 （ｂ）送受信機９２から送受信機９６への伝達時間 （ｃ）送受信機９６から受信機９８へ伝達時間 （ｄ）送受信機９４の下方の組織２２の厚さ （ｅ）送信機９０から受信機９８への伝達時間 第６Ｂ図は、下記の測定が行われる第２のステップを示す。 （ａ）送受信機９２から送受信機９６への伝達時間 （ｂ）送受信機９２の下方の組織２２の厚さ （ｃ）送受信機９４の下方の組織２２の厚さ （ｄ）送受信機９６の下方の組織２２の厚さ （ｅ）送信機９０から送信機９８への伝達時間 したがって、組織２２の厚さが３つの位置で測定され、そのため組織２２の厚さ の変化が計算に組み込まれる。 好ましくは、送受信機９２および９６は、音響骨速度判定信号が骨に入り離れ ると推定される厳密な点で組織２２の厚さを測定するように構成される。送受信 機９４は好ましくは、送受信機９２から送受信機９６への信号の推定される反射 点で組織２２の厚さを測定するように構成される。したがって、組織２２の信号 経路長のより厳密な推定が可能である。 第７Ａ図および第７Ｂ図は、本発明の他の好ましい実施形態を示す。前述のよ うに、骨音響速度は送信機１１０から受信機１２０への信号の伝達時間を測定す ることによって求められる。しかし、複数の４つの送受信機１１２、１１４、１ １６、１１８を使用して軟組織音響速度が測定される。この実施形態には、前述 の実施形態で説明し特に第７Ｂ図に示すいくつかの特徴が組み込まれている。 （ａ）軟組織音響速度は、信号が組織２２内を伝わる各領域ごとに別々に求め られる。 （ｂ）組織２２の厚さは、信号が骨１８に入る点で測定される。 （ｃ）信号の経路は、軟組織音響速度を測定する信号が使用する経路に合致す る。 当然のことながら、すべての前述の特徴を達成するには、第７Ａ図ではなく第 ７Ｂ図に示したように送受信機を配置することが好ましい。 好ましくは、２つの独立の測定プロセスが実行される。第１のプロセスは、送 信機１１０の近くの領域で実行され、 （ａ）送信機１１０から送受信機１１４（送受信機１１４は受信機であるだけ でよい）への信号の伝達時間を測定し、 （ｂ）送受信機１１２の下方の組織２２の厚さを測定し、 （ｃ）（ａ）および（ｂ）を使用して組織２２の厚さと送信機１１０の近くの 領域内の組織２２の音響速度を算出する。 第２のプロセスは非常に類似しており、受信機１２０の近くの領域で下記のよ うに実行される。 （ａ）送受信機１１６から受信機１２０（送受信機１１６は送信機であるだけ でよい）への信号の伝達時間を測定し、 （ｂ）送受信機１１８の下方の組織２２の厚さを測定し、 （ｃ）（ａ）および（ｂ）を使用して組織２２の厚さと受信機１２０の近くの 領域内の組織２２の音響速度を算出する。 第４Ａ図ないし第７Ｂ図に示した実施形態では、すべての超音波素子を同一直 線上に配置することが好ましい。しかし、超音波素子が同一直線上になくても、 音響素子間の距離が判明している場合には正しい音響速度を求めることができる 。 前述の実施形態では、送受信機８２（第５Ａ図）などの送受信機は超音波を送 ると共に受け取る。本発明者は、超音波送信機受信機の受信品質が、超音波を送 った後にわずかな時間だけ低下することを知った。測定される受信信号は、実際 の受信信号と伝送信号剰余の和である。この低下は、送受信機を一対の送信機お よび受信機に分離することによって防止することができる。 第８Ａ図および第８Ｂ図は、第７Ａ図および第７Ｂ図に示した実施形態に対し て実行されるそのような分離を示す。第８Ａ図で、送信機１３０は（第７Ａ図の ）送信機１１０に対応し、送信機１３２および受信機１３４は送受信機１１２に 対応し、受信機１３６は受信機１１４に対応し、送信機１３８は送信機１１６に 対応し、送信機１４０および受信機１４２は送受信機１１８に対応し、受信機１ ４４は受信機１２０に対応する。この操作方法は、送受信機１１２および１１８ の下方の厚さが送受信機ではなく送信機および受信機を使用して測定されること を除いて、上記で第７Ａ図を参照して説明したとおりである。送信機と受信機と の間の距離（すなわち、送信機１３２と受信機１３４との間の距離）が軟組織２ ２の厚さよりもずっと短いので、送信機および受信機を使用した軟組織２２の厚 さの測定は、単一の送受信機を使用したときと同程度に正確である。また、骨１ ８の表面が不規則であることがある。このような不規則さのために、送信機１１ ２からの音波の反射点が送信機１１０から受信機１１４への音波の反射点と異な るとき、軟組織速度の判定は誤ったものになる。送信機１３２から受信機への音 波はある角度で伝わり、したがって、この不規則さは反射点に小さな影響しか及 ぼさない。 第８Ｂ図は、送受信機が使用される他の測定方法を示すが、送信と受信との間 の大きな時間差があり、したがって受信品質は低下しない。 第８Ｂ図の構成では、 （ａ）送信機１５０から送受信機１５６までの信号伝搬時間を測定するステッ プと、 （ｂ）送受信機１５２から受信機１６４までの信号伝搬時間を測定するステッ プと、 （ｃ）送信機１５４から送受信機１５２までの信号伝搬時間を測定するステッ プと、 （ｄ）送受信機１５６から受信機１６０までの信号伝搬時間を測定するステッ プと、 （ｅ）送信機１５０と受信機１６４との間の音波伝搬時間を測定するステップ とを含む、複数のステップが実行される。 骨１８の音響骨速度は前述のように求められる。当然のことながら、測定ステ ップを同時に実行することができるが、好ましくは、送受信機は、音波を受け取 ると仮定されている時間の直前には音波を送らない。 音響骨速度測定には多数の用途がある。第１の用途は、骨内の骨折および負荷 を見つけることである。骨が過度の負荷を受け、あるいは骨折している場合（Ｘ 線画像では見つけることが難しい細い骨折でも）、骨の音響速度は骨折の周りの 位置で著しく変化する。本発明のいくつかの実施形態は解像度が高いので、手首 の骨の骨折を識別することもできる。従来技術の装置はそのような区別を行うこ とができなかった。 第２の用途は、骨とその各部の密度を推定し、骨の病気、骨孔症、または低重 力環境による骨内のミネラル不足を判定することである。速度が主としてヤング 率に依存し、すなわち速度が低ければ低いほど骨が弱いことに留意されたい。 第３の用途は、骨折した骨の治療プロセスを図表化することである。現在の一 般的な慣習として、所定の時間が経過するまで、損傷した骨にはギプスが装着さ れる。しかし、治療期間が長い患者と短い患者がある。Ｘ線画像は通常、骨の完 全性を評価するのに十分な詳細は示さない。医師は、音響骨速度の変化を測定し 図表化することによって、骨の治癒状態をより正確に推定することができる。好 ましい実施形態では、ギプスに小さな穴がせん孔され、ギプスを取り外さずに音 響骨速度が測定される。患者によっては、それぞれの対向する肢の音響骨速度の 変化を比較すると有利である。 本発明の第４の用途は、骨の皮質の厚さを測定することである。第９図は、内 核３１６と皮質３１４とを有する骨１８を示す。骨１８の全体的な直径はＤであ り、内核３１６の直径はｄである。したがって、皮質３１４の厚さは（Ｄ−ｄ） ／２である。 本発明の他の実施形態によれば、制御装置１００が、次に参照する第１０図に 示したように、正規化速度対正規化厚さの理論的に導出され経験的に確認された 無次元曲線を使用することによって皮質３１４の厚さを推定する。第１０図の曲 線の作成に関する議論は、「Ｓｔｒｅｓｓ Ｗａｖｅｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄｓ」 （Ｈ．Ｋｏｌｓｋｙ著、Ｏｘｆｏｒｄ ａｎｄ Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ Ｐｒｅｓ ｓ、１９５３年）に記載されている。 曲線の厳密な形状は測定中の材料の種類に応じて異なる。しかし、本発明者に よって、ヒトの骨では曲線の形状がほぼ一定であることが判明している。 第１０図の曲線の速度Ｖ_Lは、無限個体で達成される速度Ｖ_Oによって正規化さ れ、厚さは送信機７０からの信号の波長λによって正規化される。λはもちろん 、Ｖ₁₈によって求められる。 λ=Ｖ₁₈/f (41) 上式で、ｆは超音波信号の周波数である。本発明者によって、厚さが骨１８の厚 さＤ（第９図）であるか、それとも皮質３１４の厚さ（Ｄ−ｄ）／２（第９図） であるかにかかわらず曲線がほぼ同じであることが判明している。これに関して 提案する説明は、皮質がλと比べて厚いとき、骨の内側部分は音響速度に影響を 与えないということである。しかし、皮質がλと比べて薄いとき、骨の内側部分 は音響速度に影響を及ぼす。骨の内側部分は通常、皮質よりもずっと柔らかく、 したがって、その音響速度は皮質の音響速度よりもずっと低い。したがって、よ り高い周波数を使用すれば、より薄い骨を測定することができる。 曲線が、速度比が比較的小さな場合には領域３３０を有し、直径／波長比が、 １．０に漸近する約１．５よりも大きい場合には領域３３２を有することに留意 されたい。 骨１８の厚さ（Ｄ−ｄ）／２を推定するには、高周波数入力信号で１度および 低周波数入力信号で１度の２度にわたって送信機７０を操作する。各測定ごとに 、制御装置１００が、上記で第４Ａ図および第４Ｂ図に関して説明したように動 作し、受信速度を求める。別法として、本発明の好ましい実施形態では、送信機 ７０が広帯域送信機であり、１度しか操作されない。また、制御装置１００は、 受け取った高周波数信号を低周波数信号から分離する周波数フィルタを備える。 したがって、高周波数速度と低周波数速度が同時に測定される。 低波長λを有する高周波数入力信号に対する応答によって、領域３３２に沿っ たある点で速度データ点３３４が与えられ、その点から速度Ｖ_Oを求めることが できる。まだ厚さが求められていないので、データ点３３４の厳密な位置は不明 である。しかし、これは重要ではない。 低周波数入力信号に対する応答によって、領域３３０内のある点で速度データ 点３３６が与えられる。この測定から速度Ｖ_Lが求められ、前の測定から速度Ｖ_O が求められているので、データ点３３６の曲線上の位置は未知である。したがっ て、比（Ｄ−ｄ）／（２^*λ）を求めることができる。λは送信機７０の周波数 および既知の速度から求められるので、皮質３１４の厚さ（Ｄ−ｄ）／２を求め ることができる。 当然のことながら、前述の用途は、従来技術の方法を使用するときよりも、音 響骨速度を求める本発明の方法を使用するときの方がより実際的である。高周波 数信号は、骨材料内を伝わるときに急速に減衰する。したがって、高周波数超音 波が実際的であるのは、骨１８内の経路が短いときだけであり、これは本発明を 使用した場合に可能になる。したがって、本発明の好ましい実施形態では、使用 する高周波数入力信号が従来技術の場合よりも高く、したがって、より細い骨に 適している。 周波数特有の２つの信号の代わりに単一の広帯域信号を放出する前述の方法が 、米国特許第５１４３０７２号に示された方法など骨の厚さを求める従来技術の 方法に適用できることに留意されたい。 次に、腕など人体の一部４４８を横切って走査するのに有用な他の実施形態の 態様を示す第１１図および第１２図を参照する。 この実施形態では、超音波送受信機セル４５０のアレイで形成されたセンサ装 置がセクション４４８上に置かれ、あるいはセクション４４８の周りに巻かれ、 あるいは靴下状の素子４６０として形成される。アレイ４５０のセルは好ましく は、圧電セラミックなどの圧電材料で形成される。アレイ４５０は通常、標準的 な方式でセクション４４８に音響的に結合される。 通常、第１２図に示したように、アレイ４５０の各セルの入力線および出力線 はアナログ・マトリックス・マルチプレクサ４５１に接続され、マルチプレクサ ４５１はドライバ４５２および信号処理装置４５４に接続される。ドライバ４５ ２および装置４５４は通常、マイクロプロセッサ４５５を介して制御される。 マルチプレクサ４５１によって、アレイ４５０の各セルは個別にアクセスされ 、各セルを受信機、送信機、送受信機、または非アクティブ装置として画定する ように動作する。 アレイ４５０のセルは個別には小さすぎて、骨１８内の長い経路のために生じ る減衰のために、従来技術の方法で使用できる超音波トランスジューサを形成す ることができない。したがって、必要な位置にあるアレイ４５０の複数のセル群 が、超音波素子となるように電子的にかつ選択的に画定されていた。本発明の好 ましい実施形態では、本明細書で説明するように、アレイ４５０の各セルは別々 の超音波素子である。別法として、セル群は、従来技術で示されたようにトラン スジューサとして画定される。しかし、後述の操作モードのうちの１つを使用す ることが好ましい。 第１の好ましい操作方法は、前述の実施形態の機能を近似するセルおよびセル 群を選択することである。したがって、送受信機の最適な配置は、超音波素子を 移動することなしに行われる。 本発明の好ましい実施形態では、２ステップ方法を使用して、アレイ４５０の 構成を送信機および受信機として決定する。前述のように、本発明の好ましい実 施形態は、センサと骨１８との間の特定の軟組織厚さに対して最適化されたセン サを使用する。アレイ４５０を使用して骨１８を撮影することによって、骨速度 を求める前に、下記のように下方の軟組織２２の厚さを求めることができる。 （ａ）下方の軟組織２２の厚さを求め、 （ｂ）軟組織２２の求められた厚さに基づいて算出された最適な距離だけ離れ た送信機、受信機、送受信機としてアレイ４５０を構成する。 別法として、超音波センサは１つまたは複数の送信機または受信機、あるいは その両方と、セル・アレイとを備える。セル・アレイは、前述の実施形態で説明 した超音波素子のすべてではなくいくつかの代わりに使用されるように構成され る。たとえば、第５Ａ図の実施形態では、送受信機８２および８４をセル・アレ イによってエミュレートすることができる。 第２の好ましい操作方法では、複数の超音波装置を備える装置を移動するので はなくアレイ４５０のそれぞれの異なるセルを操作することによって骨および軟 組織がマップされる。したがって、装置を物理的に移動せずに、それぞれの異な る位置およびそれぞれの異なる方向での骨速度を測定することができる。 多くの従来技術の骨音響速度判定方法では、軟組織の厚さおよび速度の不正確 な推定値が使用されることに留意されたい。本発明の実施形態を使用して軟組織 の厚さおよび速度のより正確な値を求めた場合、これらの従来技術の方法はより 厳密な結果を与える。 また、軟組織速度の判定は、組織の水分、脂肪、筋肉の含有量を求める場合に 有用である。したがって、患者の体の選択された部分の軟組織速度をある期間に わたって測定することによって、患者の脱水条件および水分補給条件を分析する ことができる。組織の水分含有量が分かっている場合、あるいは患者が水を飲む 前と水を飲んだ後に得たいくつかの結果を平均することによって、組織の筋肉／ 脂肪比を求めることができる。 ヒトの女性の胸部を走査する際、空気・組織境界を反射平面として使用するこ とができる。胸部を、撮影中に動かないように弾性形態に押し付けることが好ま しい。 本発明の好ましい実施形態では、前述のようにセル・アレイを使用して走査が 行われる。好ましくは、この走査には、好ましくは断層撮影方法を使用して、組 織の速度画像を再構築できるように、複数の方向からの同じ軟組織の走査が含ま れる。 第１３Ａ図および第１３Ｂ図は、軟組織撮影に関係する本発明の好ましい実施 形態を示す。第１３Ａ図は、かなり異なる音響速度を有する軟組織部分５０６を 含む一般的な軟組織部分５０８を示す。そのような組織の一例はヒトの胸部や、 悪性腫瘍などの新生細胞である。使用するセンサは好ましくはアレイを備え、超 音波撮影分野で知られているように、アレイ中の複数のセル５０２がスキャナを 備える。少なくとも１つのセルが送信機５００を備え、少なくとも１つのセルが 受信機５０４を備える。スキャナ５０２は、組織５０６の位置が見つかるまで組 織５０８を走査する（走査ビームは２本の平行な線で示されている）。これに対 して、標準超音波撮影では組織５０６は見えない。この場合、ランドマークも判 定する他の撮影方法を使用して組織５０６の位置を事前に判定しておくことが好 ましい。このようなランドマークはスキャナ５０２によって検出され、組織５０ ６の位置が確認される。組織５０６の周りの領域内の組織５０８の軟組織速度は 、送信機５００と、受信機５０４と、スキャナ５０２を備える複数のセルとを使 用し、前述の判定方法を使用して求められる。次いで、測定波の経路を組織５０ ６内の経路に一致させるように軟組織速度が求められる。たとえば、セル・グリ ッドを使用する場合、複数の軟組織測定値が得られ、かなり異なる測定値は組織 ５０６内を伝わったものと仮定される。 第１３Ｂ図は第１３Ａ図と共に、組織５０８内の速度の測定値と組織５０６内 の速度の測定値との間のコントラストを増大させる方法を示す。セグメントＡａ 、ｂＢ、Ｂｄ、Ｂｂ’、Ｄｄ’、ａ’Ａ’内の伝達時間は一定であり、組織５０ ６の存在の影響を受けない。これらの伝達時間は、組織５０６を含まない領域内 で事前に求めることができる。そのため、セグメントａｂ、ｄｄ’、ｂ’ａ’の みを使用して組織５０６内の組織速度をよりうまく求めることができる。別法と して、あるいはまた、組織５０６の近似深さの知識を使用して同様にコントラス トを増大することができる。 軟組織撮影装置は、上記で軟組織速度判定方法に関して説明したように２つの 送受信機を備えるだけでよい。しかし、そのような装置は、複数の超音波素子、 好ましくはアレイ４５０（第１１図に示されている）などのアレイを備えること が好ましい。別法として、装置は、上記で骨音響速度判定に関して説明したよう に、軟組織の速度を求めるために使用することもできる。通常、そのようなケー スでは、骨伝達波が送られることも、あるいは受け取られることも、あるいは分 析されることもない。 本発明のいくつかの実施形態における単一の測定の長さは２．５ミリ秒に過ぎ ず、大部分のボディ・リズムよりも高速である。ボディ・リズムの経路に沿って 取ったいくつかの測定値を使用して、測定に対するボディ・リズムの効果を測定 できる。 前述の実施形態は、周囲の軟組織を含む骨に関して説明したものである。しか し、当業者には、これらの同じ実施形態が、より低い音響速度を有する層化材料 で囲まれた一般的な構造の機械的特性を判定する場合にも有用であることが理解 されよう。一例として、ゴム内に密閉された金属ブレースが挙げられる。 前述のように、２層構造内の音響速度が求められる。当然のことながら、層が 音響速度の昇順であるかぎり多層構造内の音響速度を求めることができる。たと えば、高速層が低速層で覆われ、さらに非常に低速の層で覆われている場合、非 常に低速の層の音響速度がまず求められ、次いで低速層の音響速度が求められ、 次いで高速層の音響速度が求められる。求められた各速度は、次の層内の速度を 求めるために使用される。しかし、低速層と高速層を転置した場合、低速層が高 速層でマスクされ、低速層の音響速度を求めることができなくなる。 第１４図は、走査型超音波センサと共に使用される本発明の実施形態を示す。 典型的な走査超音波センサは、前述のアレイ４５０などセルのアレイを使用して 、骨１８や上方の軟組織２２など人体の一部を走査する走査ビームを形成する。 本発明の好ましい実施形態では、骨１８の音響骨速度が骨１８の走査と並行して 求められる。したがって、骨１８の画像は、同じ領域内の骨音響速度または骨強 度のマップと共に得られる。複数のセル４５６は走査送信機を形成し、複数のセ ル４５８は、骨１８を撮影するための受信機を形成する。走査パルス間の音響骨 速度を求めることが好ましい。 当業者には、本発明が、本明細書で特に図示し説明したものによって制限され ないことが理解されよう。本発明の範囲は、下記の請求の範囲によってのみ定義 される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の音響速度を有する介在する媒体を通じて、表面を有し第２の音響速 度を有する個体の機械的特性を判定する方法であって、 第１の超音波を、第１の位置から介在する媒体を通じる伝送経路に沿い、かつ 表面に沿って送り、表面から介在する媒体を通じて第２の位置へ送ることと、 伝送経路に沿った第１の音波の伝達時間を測定することと、 介在する媒体の厚さを測定することと、 第１の音響速度を測定することと、 第１の位置と第２の位置との間の距離と、介在する媒体の厚さと、介在する媒 体内の音響速度とに基づいて第２の音響速度を算出することとを含むことを特徴 とする方法。 ２．第２の超音波を第３の位置から介在する媒体を通じて表面へ送ることと、 表面から第４の位置に反射された第２の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第３の超音波を第５の位置から介在する媒体を通じて表面へ送ることと、 表面から第５の位置に反射された第３の音波の部分の伝達時間を測定すること とを含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．第３の位置と第４の位置との間の距離と、第２の音波および第３の音波の 測定された伝達時間とに基づいて第１の音響速度を求めることを含むことを特徴 とする請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．第２の音響速度が次式から求められ、 上式で、Ｖが第１の音響速度であり、Ｄが第３の位置と第４の位置との間の距離 であり、Ｔ₁＋Ｔ₂が第２の音波の伝達時間であり、Ｔ₃が第３の音波の伝達時間 であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の方法。 ５．第３の位置と第４の位置との間の距離と、第２の音波および第３の音波の 測定された伝達時間とに基づいて媒体の厚さを求めることを含むことを特徴とす る請求の範囲第２項ないし第４項のいずれか一項に記載の方法。 ６．さらに、求められた第１の音響速度および第３の音波の測定された伝達時 間に基づいて厚さを求めることを含むことを特徴とする請求の範囲第２項または 第３項に記載の方法。 ７．厚さが次式から求められ、 Ｈ＝Ｖ^*Ｔ 上式で、Ｖが第１の音響速度であり、Ｔが第３の音波の伝達時間であり、Ｈが、 介在する媒体の厚さであることを特徴とする請求の範囲第１項または第６項に記 載の方法。 ８．厚さが、第１の音波と個体との交差点で測定されることを特徴とする請求 の範囲第２項ないし第７項のいずれか一項に記載の方法。 ９．第２の音波の経路が少なくとも部分的に第１の音波の経路と重なり合うこ とを特徴とする請求の範囲第２項ないし第８項に記載の方法。 １０．厚さが、個体と第２の音波との交差点で測定されることを特徴とする請 求の範囲第２項ないし第９項のいずれか一項に記載の方法。 １１．個体がインビボ骨を備えることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか 一項に記載の方法。 １２．前記個体が一群の木材、金属、プラスチック、複合材料を含むことを特 徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項に記載の方法。 １３．個体が歯を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項の いずれか一項に記載の方法。 １４．第１の位置と第２の材料を含む表面境界との間に介在する材料の第１の 音響速度を測定する方法であって、 第１の超音波を第１の位置から介在する媒体を通じて境界へ送ることと、 境界から第２の位置に反射された第１の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第２の超音波を第３の位置から介在する媒体を通じて境界へ送ることと、 境界から第３の位置に反射された第２の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第１の位置と第２の位置との間の距離と、第１の音波および第２の音波の測定 された伝達時間とに基づいて第１の音響速度を求めることとを含むことを特徴と する方法。 １５．第１の音響速度を求めることが次式を解くことを含み、 上式で、Ｖが第１の音響速度であり、Ｄが第１の位置と第２の位置との間の距離 であり、Ｔ₁＋Ｔ₂が第１の音波の伝達時間であり、Ｔ₃が第２の音波の伝達時間 であることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の方法。 １６．第１の音響速度を有し、かつ第１の位置と、第２の音響速度を有する第 ２の材料を含む表面境界との間に介在する材料の厚さを測定する方法であって、 第１の超音波を第１の位置から介在する媒体を通じて境界へ送ることと、 境界から第２の位置に反射された第１の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第２の超音波を第３の位置から介在する媒体を通じて境界へ送ることと、 境界から第３の位置に反射された第２の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第１の位置と第２の位置との間の距離と、第１の音波および第２の音波の測定 された伝達時間とに基づいて媒体の厚さを求めることとを含むことを特徴とする 方法。 １７．介在する媒体が生組織を含むことを特徴とする前記請求の範囲のいずれ か一項に記載の方法。 １８．音波が単一周波数波であることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか 一項に記載の方法。 １９．第１の位置、第２の位置、第３の位置が平面上に配置され、 表面に対する平面をある角度範囲にわたって転動することと、 いくつかの異なる転動角度で測定を繰り返すこととを含むことを特徴とする前 記請求の範囲のいずれか一項に記載の方法。 ２０．伝達時間の測定が、第１の位置と表面との間の距離が第２の位置と表面 との間の距離に等しいときに行われることを特徴とする請求の範囲第１９項に記 載の方法。 ２１．媒体の音響速度が第１の位置の下方と第２の位置の下方では異なること を特徴とする請求の範囲第１９項または第２０項に記載の方法。 ２２．個体内の音響速度の転動角度に対する依存性を判定することを含むこと を特徴とする請求の範囲第１９項ないし第２１項のいずれか一項に記載の方法。 ２３．個体の最大判定音響速度を求めることを含むことを特徴とする請求の範 囲第１９項ないし第２２項のいずれか一項に記載の方法。 ２４．個体の最小判定音響速度を求めることを含むことを特徴とする請求の範 囲第１９項ないし第２２項のいずれか一項に記載の方法。 ２５．第１の位置、第２の位置、第３の位置がほぼ同一直線上にあり、転動が 、第１の位置、第２の位置、第３の位置と同一直線上の軸に垂直な方向に転動す ることを含むことを特徴とする請求の範囲第２２項ないし第２４項のいずれか一 項に記載の方法。 ２６．伝達時間の各測定が同時に行われることを特徴とする前記請求の範囲の いずれか一項に記載の方法。 ２７．音波の周波数が少なくとも２ＭＨｚであることを特徴とする前記請求の 範囲のいずれか一項に記載の方法。 ２８．音波の周波数が少なくとも５ＭＨｚであることを特徴とする前記請求の 範囲のいずれか一項に記載の方法。 ２９．音波の周波数が少なくとも１０ＭＨｚであることを特徴とする前記請求 の範囲のいずれか一項に記載の方法。 ３０．第２の軟組織に埋め込まれた第１軟組織の音響速度を求める方法であっ て、 （ａ）第２の組織内の第１の組織の位置を判定することと、 （ｂ）第１の組織を含まない第１の経路に沿った第２の組織の音響速度を求め ることと、 （ｃ）第１の組織を含む第２の経路に沿った第２の組織の音響速度を求めるこ ととを含むことを特徴とする方法。 ３１．第１の経路がほぼ第２の経路と重なり合うことを特徴とする請求の範囲 第３０項に記載の方法。 ３２．介在する媒体を通じて個体の厚さを求める方法であって、 広帯域超音波を、第１の位置から媒体を通じる経路に沿い、かつ個体の表面に 沿って送ることと、 第２の位置で音波を受け取ることと、 受け取った音波を分析し、音波の高周波数成分の伝達時間と音波の低周波数成 分の伝達時間との差を求めることとを含むことを特徴とする方法。 ３３．介在する媒体を通じて個体の機械的特性を判定する超音波アレイの構成 を最適化する方法であって、 介在する媒体の厚さを求めることと、 求めた厚さに基づいてアレイの最適な構成を算出することとを含むことを特徴 とする方法。 ３４．第１の音響速度を有する介在する媒体を通じて、表面を有し第２の音響 速度を有する個体の機械的特性を判定する方法であって、 第１の音響速度を測定することと、 第１の音響速度に基づいて第２の音響速度を求めることとを含むことを特徴と する方法。 ３５．測定が、 第１の超音波を第１の位置から介在する媒体を通じて表面へ送ることと、 表面から第２の位置に反射された第１の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第２の超音波を第３の位置から介在する媒体を通じて表面へ送ることと、 表面から第３の位置に反射された第２の音波の部分の伝達時間を測定すること と、 第１の位置と第２の位置との間の距離と、第１の音波および第２の音波の測定 された伝達時間とに基づいて第１の音響速度を求めることとを含むことを特徴と する請求の範囲第３４項に記載の方法。 ３６．硬組織の上方に軟組織を有する人体の部分の超音波撮影を行う方法で あって、 （ａ）硬組織を含む人体の部分のうちの小さな部分を超音波走査することと、 （ｂ）含まれる硬組織の音響速度を求めることと、 （ｃ）この人体の部分の第２の部分に対して（ａ）および（ｂ）を繰り返すこ ととを含むことを特徴とする方法。 ３７．軟組織を有する人体の部分の超音波撮影を行う方法であって、 （ａ）この人体の部分のうちの小さな部分を超音波走査することと、 （ｂ）この人体の部分の音響速度を求めることと、 （ｃ）この人体の部分の第２の部分に対して（ａ）および（ｂ）を繰り返すこ ととを含むことを特徴とする方法。 ３８．第１の音響速度を有する介在する媒体を通じて、表面を有し第２の音響 速度を有する個体の機械的特性を判定する方法であって、 第１の超音波を、第１の位置から介在する媒体を通じる伝送経路に沿い、かつ 表面の短いセグメントのみに沿って送り、表面から介在する媒体を通じて第２の 位置へ送ることと、 第１の超音波の伝達時間を測定することと、 測定値に基づいて個体内の音響速度を算出することとを含み、 短いセグメントの長さが１ｃｍよりも短いことを特徴とする方法。 ３９．短いセグメントが０．５ｃｍよりも短いことを特徴とする請求の範囲第 ３８項に記載の方法。 ４０．短いセグメントが０．３ｃｍよりも短いことを特徴とする請求の範囲第 ３９項に記載の方法。 ４１．短いセグメントが０．１５ｃｍよりも短いことを特徴とする請求の範囲 第３９項に記載の方法。 ４２．生組織の音響速度を求める方法であって、 超音波を第１の位置から組織を通じて第２の位置へ送ることと、 第１の位置から第２の位置への音波の伝達時間を測定することと、 伝達時間に基づいて組織の音響速度を求めることとを含み、 音波の周波数が少なくとも２ＭＨｚであることを特徴とする方法。 ４３．周波数が少なくとも５ＭＨｚであることを特徴とする請求の範囲第４２ 項に記載の方法。 ４４．周波数が少なくとも１０ＭＨｚであることを特徴とする請求の範囲第４ ２項に記載の方法。 ４５．介在する媒体を通じて、表面を有する個体の音響速度を求める装置であ って、 介在する媒体を通じて表面の方へ向かう第１の音波および第２の音波を生成す る超音波送信機と、 第１の波を、表面から反射した後に受け取り、介在する媒体を通じて表面の方 へ向かう第３の音波を生成し、第３の波を、表面から反射した後に受け取る超音 波送受信機と、 介在する媒体を通じて表面に至り、表面に沿い、表面から介在する媒体を通じ て超音波受信機自体に至る第２の音波を受け取る超音波受信機と、 超音波送信機および送受信機を第１の音波、第２の音波、第３の音波を生成す るように誘導し、送受信機および受信機が超音波を受け取ったことに応答して信 号を受け取り、第１の音波、第２の音波、第３の音波のうちの最も短い伝達時間 を判定する制御装置とを備えることを特徴とする装置。 ４６．表面を有する個体の音響速度を求める装置であって、 介在する媒体を通じて表面に至る音波を生成する超音波送信機と、 介在する媒体を通じて表面に至り、表面に沿って伝わり、表面から介在する媒 体を通じて超音波受信機自体に至る音波を受け取る超音波受信機と、 音波を生成し、表面から反射された音波を受け取る超音波装置と、 超音波送信機および超音波装置を音波を生成するように誘導し、受信機および 超音波装置が超音波を受け取ったことに応答して信号を受け取り、音波の最も短 い伝達時間を判定する制御装置とを備えることを特徴とする装置。 ４７．超音波装置が少なくとも１つの超音波送受信機を備えることを特徴とす る請求の範囲第４６項に記載の装置。 ４８．超音波装置が少なくとも２つの超音波送受信機を備えることを特徴とす る請求の範囲第４６項に記載の装置。 ４９．超音波装置が少なくとも３つの超音波送受信機を備えることを特徴とす る請求の範囲第４６項に記載の装置。 ５０．超音波装置が少なくとも４つの超音波送受信機を備えることを特徴とす る請求の範囲第４６項に記載の装置。 ５１．少なくとも１つの送受信機が送信機と受信機とを備えることを特徴とす る請求の範囲第４５項、請求の範囲第４７項ないし第５０項のいずれか一項に記 載の装置。 ５２．超音波装置が超音波受信機と超音波送信機との間に配置されることを特 徴とする請求の範囲第４６項ないし第５０項のいずれか一項に記載の装置。 ５３．超音波装置が超音波受信機と超音波送信機のほぼ中間に配置されること を特徴とする請求の範囲第５２項に記載の装置。 ５４．超音波装置が、超音波受信機および超音波送信機の一方よりも超音波受 信機および超音波送信機の他方のずっと近くに配置されることを特徴とする請求 の範囲第４６項ないし第５２項のいずれか一項に記載の装置。 ５５．制御装置が個体の音響速度を算出することを特徴とする請求の範囲第４ ５項ないし第５４項のいずれか一項に記載の記載の装置。 ５６．制御装置が介在する媒体の音響速度を算出することを特徴とする請求の 範囲第４５項ないし第５５項のいずれか一項に記載の記載の装置。 ５７．超音波受信機と超音波送信機と超音波装置が同一直線上に配置されない ことを特徴とする請求の範囲第４５項ないし第５６項のいずれか一項に記載の装 置。 ５８．超音波受信機と超音波送信機と超音波装置がほぼ同一直線上に配置され ることを特徴とする請求の範囲第４５項ないし第５６項のいずれか一項に記載の 装置。 ５９．超音波受信機と超音波送信機と超音波装置のうちの少なくとも１つが表 面の方へある角度で配向されることを特徴とする請求の範囲第４５項ないし第５ ６項のいずれか一項に記載の装置。 ６０．第１の位置と表面を有する個体との間に介在する媒体の音響速度を求め る装置であって、 介在する媒体を通じて表面に至る第１の音波を生成する超音波送信機と、 第１の音波を、表面から反射した後に受け取り、介在する媒体を通じて表面の 方へ進む第２の音波を生成し、第２の音波を、表面から反射された後に受け取る 超音波送受信機と、 超音波送信機および超音波送受信機を第１の音波および第２の音波を生成する ように誘導し、送受信機が超音波を受け取ったことに応答して信号を受け取り、 第１の音波および第２の音波の短い方の伝達時間を判定する制御装置とを備える ことを特徴とする装置。 ６１．送受信機が、第２の音波を送る送信機と、第１の音波および第２の音波 を受け取る受信機とを備えることを特徴とする請求の範囲第６０項に記載の装置 。 ６２．介在する媒体を通じて、表面を有する個体の音響速度を測定する装置で あって、 超音波を生成し受け取る圧電セルのグリッドと、 少なくとも１つのセルを選択的に作動させ音波の伝達時間を測定する制御装置 とを備え、いくつかの音波が表面から反射されることを特徴とする装置。 ６３．制御装置がグリッドを選択的に作動させて走査超音波ビームを生成する ことを特徴とする請求の範囲第６２項に記載の装置。 ６４．いくつかの音波が表面に沿って伝わり、制御装置が個体の音響速度を算 出することを特徴とする請求の範囲第６２項ないし第６３項のいずれか一項に記 載の装置。 ６５．制御装置が、介在する媒体の音響速度を算出することを特徴とする請求 の範囲第６２項ないし第６４項のいずれか一項に記載の装置。 ６６．装置の一部が、介在する媒体にほぼ接触し、その部分の大きさが１００ ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第４５項ないし第６５項のいずれか 一項に記載の装置。 ６７．大きさが５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第６６項に記 載の装置。 ６８．大きさが３ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第６７項に記載 の装置。 ６９．生組織内の音響速度を測定する装置であって、 超音波送信機と、 超音波受信機と、 送信機を、超音波を生組織を通じて受信機へ送るように励起し、音波の伝達時 間を測定する制御装置とを備え、 装置の一部が生組織に接触し、その部分の大きさが１００ｍｍ以下であること を特徴とする装置。 ７０．大きさが５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第６９項に記 載の装置。 ７１．大きさが３ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第７０項に記載 の装置。 ７２．硬いインビボ体組織の音響速度を求める方法であって、 硬いインビボ体組織を与えることと、 約５ｍｍよりも小さな体組織の一部内の音響速度を求めることとを含むことを 特徴とする方法。 ７３．この部分が約３ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求の範囲第７２項 に記載の方法。 ７４．この部分が約１．５ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求の範囲第７ ２項に記載の方法。 ７５．音響速度が、介在する柔らかな組織が存在する状態で求められることを 特徴とする請求の範囲第７２項ないし第７４項のいずれか一項に記載の方法。 ７６．体組織が歯であることを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第７５項 のいずれか一項に記載の方法。 ７７．体組織が、湾曲した骨であることを特徴とする請求の範囲第７２項ない し第７６項のいずれか一項に記載の方法。 ７８．体組織が椎骨であることを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第７７ 項のいずれか一項に記載の方法。 ７９．体組織が間接の近くの骨の部分であることを特徴とする請求の範囲第７ ２項ないし第７８項のいずれか一項に記載の方法。 ８０．体組織が手首の骨であることを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第 ７９項に記載の方法。 ８１．体組織が骨であることを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第８０項 のいずれか一項に記載の方法。 ８２．さらに、この部分の音響速度を求めた後にこの部分のその後の音響速度 を求めることと、 第１の速度とその後の速度とを比較し体組織の構造の変化を判定することとを さらに含むことを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第８１項のいずれか一項 に記載の方法。 ８３．判定が体組織上のある方向で行われ、 さらに、ある方向に対してほぼ垂直な第２の方向でこの部分の垂直音響速度を 求めることをさらに含むことを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第８２項の いずれか一項に記載の方法。 ８４．この部分が基本的にその表面構造からなることを特徴とする請求の範囲 第７２項ないし第８３項のいずれか一項に記載の方法。 ８５．体組織が大腿骨であることを特徴とする請求の範囲第７２項ないし第７ ４項のいずれか一項に記載の方法。