JP2005510283A

JP2005510283A - 骨の非侵襲的検査のための方法および装置

Info

Publication number: JP2005510283A
Application number: JP2003546759A
Authority: JP
Inventors: モイラネン，ペトロ; ニコルソン，パトリック; リンチェン，シュ; チモネン，ジュシ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: ATE404120T1; US20050004457A1; US7601120B2; DE60228310D1; CN1596084A; AU2002349065A1; EP1448099B1; EP1448099A1; WO2003045251A1; JP4338026B2; CN100401986C; ES2314108T3

Abstract

【課題】骨の材料的および構造的特性をinvivoで非侵襲的に検査するための方法を提供する。
【解決手段】超音波を、骨内に1以上の誘導波モードを生じさせるように骨内荷導入する。この骨から放出される信号は記憶、分析され誘導波の伝播特性は判定される。これらの測定された誘導波伝播特性は処理され、皮質骨の厚み、骨密度および骨の弾性定数などの所望の骨の特性の評価が得られる。本発明は更に、可動トランスジューサーを備えた超音波装置を提供する。

Description

本発明は超音波を使用するヒトの骨を検査するための方法および装置に関する。特に、本発明は骨内に伝播する誘導超音波の生成および検出、並びに測定された誘導波動パラメータから骨の特性を判定することに関する。

いわゆる軸方向伝達技術は、過去４０年に亘って長骨を検査するために使用されてきた（例えば、Gerlancら、Clin. Orthop. Rel. Res. 1975;111:175-180）。この方法において、超音波パルスが骨(典型的には、脛骨)の長軸に沿ってトランスミッターからレシーバーへ伝達され、第1の到達信号の通過時間および伝播距離から速度が推定される。上層の軟組織の作用を説明するため、多重トランスミッター/レシーバー(送受信機)構造を使用することができ、或いは１つのトランスジューサーが他のトランスジューサーとの関連で移動したとき、通過時間を距離の関数として決定することができる。軸方向超音波伝達を使用する骨検査のための少なくとも２つの商業的臨床装置が製造されている：（250kHzで操作されるSoundscan 2000/Compact (Myriad Ultrasound System Ltd., Rehovot,イスラエル)および1.25MHzで操作されるOmnisense (Sunlight Medical Corp., Rohovot, イスラエル)(特許文献WO 99/45348参照)）。Camusらによる最近の軸方向伝達技術についての調査(J Acoust. Soc. Am. 2000;108:3058-3065)によれば、或る条件下において、第1の到達信号は、バルク長手方向速度（bulk longitudinal velocity）で固形体の表面に沿って伝搬する横波(又はヘッド波)に対応するものとすることができる。横波が観察される条件には、適当な測定ジオメトリー（トランスジューサーの分離およびそれらの表面からの距離に関する）、ほぼ点状トランスミッターおよびレシーバー（球状波面）、および中実層の厚みよりも小さい波長の使用が含まれる。in vivoで測定された脛骨の超音波速度の値は、切除されたヒトの皮質骨試料中の軸方向縦波速度のin vitroでのものと同等又はそれよりも若干小さい。しかし、波長が骨の厚みよりも大きい場合、第1の到達信号の速度が縦方向速度よりも小さいことを示す実験的証拠が存在する。模擬実験でも同様の傾向を示し、試料が薄くなると、第1の到達信号に寄与する動波が変化することを示している。このような厚みの作用についての臨床的証拠は、未だ決定的ではないが、これは異なる商業的システムにより使用された超音波周波数の相違又は他の方法論的因子によるものと思われる。

現在の商業的装置を使用して測定された脛骨の超音波速度は、脛骨のミネラルの密度（BMD）と相関し、より小さい程度で、他の骨格部位でのBMDとも相関し（例えば、Foldesら、Bone 1995; 17:363-367参照）、更に、皮質骨の弾性率を反映する。しかし、脛骨の超音波は骨粗しょう症的骨折の識別性に乏しく、大腿部強度およびBMDとも極めて僅かに関連するに過ぎない。現存の脛骨超音波測定が、関連する骨の特徴に対する感度の点において、なぜ最適とならないかについて、多くの理由が存在する。骨表面で伝搬する波動は、好ましくは骨膜領域における骨の材料的特性を反映するものと思われる。骨粗しょう症において、皮質骨の変化が骨内膜領域において主として発生する。骨内膜の骨の多孔率が増加し、終局的に骨内膜の再吸収（小柱形成）および皮質の薄弱につながることになる。更に、最近のナノインデンテーション（nanoindentation）の研究によれば、骨膜および骨内膜の骨の弾性的特性において純粋に材料的レベルで加齢に従って異って変化することが示唆されている。これらの公知の病理学的変化を標的にする超音波方法は、臨床的により貴重であるものと思われる。例えば多孔率の変化の結果、密度および弾性の双方が平行して変化するとすると、超音波速度が変化しないかもしれない。なぜならば、この２つの作用が相殺する傾向があるからである（長手方向速度は、弾性割る密度の平方根に正比例するからである）。これらを考慮すると、皮質骨の検査についての改善された超音波方法は以下のファクターの１又はそれ以上に対して敏感でなければならないことを示唆される。すなわち、a) 減少した皮質骨の厚み、b) 骨内膜領域の構造的変化、例えば気孔率の増大、c)材料的での骨密度および弾性の変化（理想的には、互いに独立して）である。

一般に、長骨において、異なるタイプの複数の超音波を使用する可能性について考慮することは全くなかった。１つの例外は、脛骨における“表面波”速度の低周波数超音波測定および速度の空間的変化の作図を報告した著述である（Jansonsら、Biomaterials 1984;5:221226）。しかし、純粋な表面波は波長よりも可なり厚い構造にのみ存在するから、これらの研究者は、実際には、厚みおよび材料の特性の双方を反映する誘導波動モードを測定しているものと思われる。誘導波は、区切られた又は層をなす媒体内で伝播し、その特性はその構造および周囲の媒体の幾何学的および材料的特性により決定される。それらは、構造内の縦波およびねじれ波の反射、モード変換および干渉から生じるものである（Victorov L.A. Rayleigh and Lamb Waves. ニューヨーク、Plenum,1967）。超音波誘導波は、プレート、チューブおよびより複雑な構造の検査のための非破壊検査の実行に広く使用されている。
WO 99/45348 Gerlancら、Clin. Orthop. Rel. Res. 1975;111:175-180 J Acoust. Soc. Am. 2000;108:3058-3065 Foldesら、Bone 1995; 17:363-367 Jansonsら、Biomaterials 1984;5:221226 Victorov L.A. Rayleigh and Lamb Waves. ニューヨーク、Plenum,1967 Graff K.F. Wave Motion in Elastic Solids, ニューヨーク、Dover,1991

本発明の主たる目的は、骨内を同時に伝播する少なくとも２種類の超音波であって、その内の少なくとも１種がラム波理論に従う誘導波であるものの速度を測定することができる方法を提供することである。この目的は添付した請求の範囲に定義されている方法および装置を介して達成することができる。本発明は固体弾性プレートにおける誘導波についての公知のラム波理論を利用するものであり、骨の非侵襲的検査に対しこれらの誘導波がどのように適用できるかを初めて実証するものである。

ヒトの長骨の皮質骨は基本的に固形骨の湾曲したプレートを具備してなり、ラム波に似た誘導波の伝播を支持し得るものでなければならない。ラム波は２次元弾性波であって、真空中で所定の厚みの自由固形弾性プレート(free solid elastic plate)中を伝播する。これらはこのプレートの上下面からの縦波およびねじれ波の多重反射およびモード変換から生じるものである。これらは、周波数および相速度の組合せが厚み方向において定常波に相当する共鳴モードの形で存在する。S0, S1, S2などとして識別される対称モードにおいて、動作はプレートの中間面を中心として対称となる。これに対し、非対称モード（A0, A1, A2など）においては、この動作は反対称となる。各々のモードの動作は分散曲線で記述することができ、これは周波数と共に相速度の変化を特徴づけるものである。２つの基本的モード（S0およびA0）を除く全てのモードはカットオフ周波数・厚み積（F.d）を有する。従って、非常に低い周波数、又は非常に薄いプレートについて、唯一、基本的（S0およびA0）モードのみが存在し得る。これらの条件において、S0波の相速度は、棒状波動方程式（bar wave equation）に類似する式によって与えられる“肉薄プレート（thin plate）”理論により予測されるものに近づく（Graff K.F. Wave Motion in Elastic Solids, ニューヨーク、Dover,1991）。F.dが増大すると、ラムモードの全ての速度は漸近的にレイリー波（Rayleigh wave）速度に近づく。ラム波の術語は、流体のような外部媒体により負荷が加えられたプレート中の波の伝播を記述するのにも使用される。境界条件は周りの媒体の存在により変更され、流体中に浸漬されたプレート中のラム波の特徴は、自由プレート中のラム波のものと異なる。例えば、流体の相速度がラムモードの相速度に近い場合は、モードが流体中に放射され、従って、その減衰は大きい。この文献において、“ラム波”の用語は、一般的感覚において、プレート中、チューブ中並びに固形層が存在する他のジオメトリー中に伝播する誘導波に適用されるものであり、更に、固形層が周りの流体媒体により区切られている場合にも適用される。

本発明の他の目的は、低周波数小径コンタクト・トランスジューサーを使用して骨中の超音波を励起し、それにより骨中に誘導波を優先的に生じさせる方法を提供することである。低周波数で測定することにより、第1の到達波の速度は厚み依存性が向上し、速度が基本的対称ラム波のものに近くなる。事実、第1の到達信号はこれらの状況において誘導波と考えることができる。低周波数小径トランスジューサーはほぼ点状送受信機として作動し、あらゆる方向にエネルギーを放射し、第1の到達信号の後に到達する追加の誘導波に結合することになる。

本発明の更に他の目的は、超音波トランスジューサーと、手足との間にほぼ一定の接触力を維持させるための方法を提供することである。In vivo測定において、患者の或る程度の動きが予測され、これは修正されない限り、接触力に変化を生じさせることになる。接触力の変化は、骨への音波エネルギーの結合に悪影響を与え、測定値に誤差を生じさせる。

本発明の更に他の目的は、軸方向伝送走査からデータを(r,t)又は(距離、時間)図表の形で分析する方法であって、そこから異なる伝播波(複数)を識別することができ、その速度を波動に当て嵌めたラインの傾斜から判定するようにした方法を提供することである。このようなアプローチを用いることにより、第1の(最も早い)信号の後に到達する波動を検出し、測定することができる。

本発明の更に他の目的は、受理信号に適用された分光分析の使用を介して誘導波の識別および測定を向上させる方法を提供するものである。これには、受理信号の周波数スペクトルを計算すること、スペクトログラム(時間−周波数分析)を計算すること、(r,t)データ列(周波数−波数分析)について２次元フーリエ変換を行うことなどが含まれる。更に、又は別法として、受理信号をフィルターにかけて比周波数成分を高めたり、減少させたりしてもよい。更に、又は別法として、伝送トランスジューサーに送られた励起信号は、トランスジューサー周波数応答の認識のもとで選択された特定の任意関数であって特別の特徴を有する出力信号を生成させるものであってもよい。

本発明の更に他の目的は、トランスジューサーの配列を使用する方法であって、レシーバーの走査を、異なるトランスジューサー素子又はその組合せをレシーバーとして用いることにより電子的に行うことができる方法を提供するものである。このようにして、受理信号を、トランスミッター対レシーバー距離の関数として測定することができ、(r,t)図表が前述のようにして形成され、しかも作動部材が含まれていないという利点を有する。

本発明の更に他の目的は、トランスジューサー素子間に一定間隔を設けたトランスジューサーのセットからなる櫛型トランスジューサーを使用する方法を提供するものである。トランスミッター又はレシーバーのいずれか、又は双方が櫛型トランスジューサーであってもよい。櫛型トランスジューサーはトランスジューサー素子の間隙により決定される一定波長を有する誘導波を励起(又は検出)する。適当な周波数を選択することにより、選択された誘導波を骨中に生成させ、測定することができる。

本発明の更に他の目的は、骨に対し傾斜して配置され、流体又は固体媒体を介して手足に結合された超音波トランスジューサーを使用して超音波トランスジューサーからのエネルギーを骨中にて誘導波に結合させるための方法を提供することである。このような方法を使用することにより、公知の相速度を有する誘導波が優先的に生成される。なお、この相速度はスネルの法則を介して結合媒体中の角度および速度により決定される。このトランスジューサーは音響結合を維持するのに使用される少量のゲルを用いて骨と接触させる。あるいはこのトランスジューサーを手足から或る距離離して配置させ、それにより音響信号は結合媒体を介して或る適当な距離を走行させるようにする。

本発明の１態様において、２つのトランスジューサーを、トランスミッターに対し特定の入射角度(レシーバーに対しても同じ反射角度)にて反射構造で使用し、骨の１点で誘導波を励起させ、検出する。反射された周波数スペクトル中の最小値は、骨中の誘導波に結合されるエネルギーに相当する。入射/反射の角度を変化させ、或る角度範囲に亘ってデータを得てもよい。この角度はスネルの法則を介して相速度に関係させることができ、それにより分散曲線を決定することができる。この方法は、ブロードバンドパルス、トーンバースト（tonebursts）又は連続波を使用して履行することができる。トランスミッター/レシーバーを骨表面に垂直な軸の周りに回転させることにより、骨層の面における異方性を検査することができる。

本発明の他の態様において、単一のトランスジューサーにパルスが適用され、トランスミッターおよびレシーバーの双方として使用される。すなわち、トランスジューサーが骨表面に対し直角で整合され、パルス・エコーモードで操作される。骨から反射された信号は垂直入射角で得られる。上部骨上面からの反射と、骨下面からの反射との間の時間差は骨の厚みを予測するのに使用される。この時間差は時間領域で判定される。その他、この時間差を周波数領域で判定してもよい。なぜならば、合成受理信号の周波数スペクトルがdF=1/t（ここで、tは２つの反射信号間の遅延時間）の周期で変調されるからである。予測厚みはd=v(t/2)（ここで、vは骨中の径方向の音の速度であり、これは文献から知ることができる（典型的に、3300m/s））として計算することができる。

本発明の他の態様において、測定された誘導波音響パラメータ（例えば、異なる誘導波モードの速度および/又は異なる周波数での特定モードの速度）が数学的反転アルゴリズムに対する入力データとして使用される。このアルゴリズムからの出力は、関係する骨の特性の予測であり、潜在的に骨の厚み、骨密度、骨の弾性定数(弾性率、ポアソン比)が含まれる。この数学的反転アルゴリズムは分析誘導波理論を使用する反復法に基づくものである。骨の特性の最初の予測を使用して誘導波理論から誘導波音響パラメータが計算される。これらは測定された音響パラメータと比較され、ついで、骨の特性の最初の予測が全体的誤差を減少するようにして調整される。このプロセスは誤差が許容できる程度に小さくなるまで繰り返される。加えて、又は別法として、人工の神経網状組織を使用して測定された音響パラメータから骨の特性の予測を得てもよい。加えて、又は別法として、上記反射測定を使用して得られた厚みの予測を、数学的反転アルゴリズムに対する追加の入力として使用してもよい。

本発明の更なる他の目的は、異常な骨の特性を有する部位を検出、局在化するための方法を提供することである。この誘導波測定は、骨中の多くの部位で達成することができ、それにより異常な骨の特性を有する部位を検出することができる。１つの適用は骨内のいわゆる緊張（stress）骨折の存在を検出することである。緊張骨折は、X線画像で観察することは、その小さいサイズのため、しばしば非常に困難である。しかし、この緊張骨折は骨を介してのラム波伝播に対し大きい影響を有する。更に、測定は特別に関心のある部位、例えば、回復させる骨折の部位で行われ、骨の特性の変化をモニターすることが行われる。

図１は、本発明の第1の態様における測定システムを説明する図である。約200kHzの中心周波数および直径6mmの一対の非焦点コンタクト・トランスジューサー12，13が使用されている。これらトランスジューサーは、測定すべき目的物20の表面に対し垂直に配向させ、結合媒体(例えば、超音波用ゲル、軟質プラスチック、その他の流体又は固体媒体)を適用させる。トランスミッターは測定の間、固定軸心位置に保持させる。しかし、レシーバーはコンピュータ制御34，35の下で漸進的に移動させ、この場合、トランスミッター/レシーバー間の距離は典型的には0.5mm刻みにr₀=20mmからr=50mmに増大させる。0.015mmの最大ライン正確度を有するステッパーモーター30,31制御リニア・アクチュエータにより主移動軸を自動化させる（バイポーラSuperior Electricステッピングモータ、ステッピングモジュール430−Tを備えたモデルKLM09F13により駆動されるRK Rose+Krieger台形リニアユニット303300 30）。トランスジューサー接触圧はロードセル14，15(Sensotic社、モデル31)により判定する。DC読取りを増幅させ、A-D変換させる(National Instruments 7344)38，39．伝送トランスジューサーを、振幅が100Vないし400Vの可変の矩形波パルサー36（Panametrics 5077PR）により励起させる。レシーバーからの信号を40dBボルト利得を有する特別注文の電荷増幅器32を用いて増幅させ、次いでサンプリング速度10MSPSのデジタルオシロスコープ33（National Instruments 5102）により捕捉する。このデータ捕捉はパルサーにより200Hzのパルス反復周波数（PRF）で固定する（trigged）。データ捕捉および分析のためのソフトウエアは、或る分析にも使用されるMatlabを備えたLabView(National Instruments)を用いて履行される。

図２は椅子に取着された脚支持装置を示している。本発明の第1の態様には、固定された脚支持装置２、およびこの脚支持装置２に装着された超音波走査装置を備えた椅子(図示しない)が含まれる。この走査装置は以下の構成部材を有する。すなわち、
−２つのトランスジューサー12，13（トランスミッターおよびレシーバー）であって、一方のトランスジューサーは測定の間において固定され、他方のトランスジューサーは測定される脚の軸に沿って移動する；
−移動するトランスジューサーの位置を自動的に調整する手段；
−アクチュエータを用いて脚表面との関連においてトランスジューサーの垂直位置を調整し、特定の接触力を達成するための手段；
−各トランスジューサーの先端における応力(接触圧)を検出するための手段；
−受理した信号をトランスジューサーの分離の関数として捕捉し、入力データから（r,t）図表を生成させ、波動速度並びに任意なものとして減衰などの音響パラメータを計算するために上記図表を分析するための手段；
とを有する。図２において、トランスジューサー12，13は椅子１により支持された支持スライド機構なしで別々に示されている。この脚支持装置はピロー2.1,2.2および2.3、並びにこれらピローを支持するフレーム3、更にトランスジューサーのスライド機構を具備してなる。

その他、これら双方のトランスジューサーを可動なものとしたり、固定したトランスミッターを可動なすくなくとも2つのレシーバーと共に使用したり、トランスジューサーの固定列を使用し、そのそれぞれをトランスミッターおよびレシーバーの双方として機能させてもよい。

若しくは、固定されたトランスミッターと、少なくとも２つのレシーバーとからなるもの、又は固定されたトランスジューサー列からなるものを使用したり、低速度(骨中の縦波の音速よりも小さい)を有する波動を検出するため脚の周りに移動（走査又はアレイ）させてもよい。

図３は脛骨と接触させたトランスジューサーユニットを前面から見た図である。各トランスジューサー12，13はスライド10，11により運ばれる。このトランスジューサーユニットは、トランスジューサーホルダー18，19、応力センサー14，15、およびこれらトランスジューサーをスライド10，11に固定するためのナット23，24を含む。この双方のスライドは垂直ガイド10.1,11.1に沿って垂直調整を行うための手動位置決め部材(図示しない)を有する。一方のスライドは、ステッピングモータ（図示しない）により水平ガイドに沿って移動する他方のスライドに固定されている。

図４は進んだトランスジューサーユニットを示している。このユニットは、トランスジューサーホルダー18と、応力センサー14（プレシション・ミニャチャー・ロードセル、Sensotec社、モデル31）と、コネクションスリーブおよびアクチュエータ21(H.S.I. ミニャチャー・リニアー・アクチュエータモデル20561-05(12.7mmのストローク))を含む。このアクチュエータはトランスジューサーの位置を変更させ、脚との特定の接触圧を維持させる。このユニットはラグ21.1によりスライドに固定される。

図５ａ、５bはアクリルプレートにおける最初の４つの対称的(S0-S3)および反対称的(A0-A3)誘導モードについての理論的ラム波分散曲線を示している。即ち、図５ａは相速度、図５bは群速度を示している。横軸は周波数・厚み（F.d）積を示す。これらの曲線は、アクリルについて縦速度が2750m/s、剪断速度が1375m/sであると仮定して、レイリー-ラム式を用いて計算された。ラム波は2次元弾性波であり、真空中において測定可能な厚みの自由固体弾性プレート中を伝播する。これらはこのプレートの上下面からの縦波および剪断波の多重反射およびモード変換から生じるものである。これらは、周波数および相速度の組合せが、厚み方向の定常波に相当する場合に共鳴モードの形で存在する。図５ａ、５b中の各連続曲線は誘導波モードを表している。これらの分散曲線から、2つの基本モード(S0およびA0)を除く全てのモードはカットオフ周波数・厚み積を有する。すなわち、非常に低い周波数、又は非常に薄いプレートについては、基本モード(S0およびA0)のみが存在し得る。これらの条件において、S0波の相速度は、バー波動方程式に類似する方程式により与えられる“薄肉プレート”理論により予測されるものに近い。高いF.d値において、速度は漸近的にレイリー速度に向けて近づく。ラム波の術語は、流体のような外部媒体により負荷が加えられたプレート中の波の伝播を記述するのにしばしば使用される。境界条件は周りの媒体の存在により変更され、流体中に浸漬されたプレート中のラム波の特徴は、自由プレート中のラム波のものと異なる。例えば、流体の相速度がラムモードの相速度に近い場合は、モードが流体中に連続的に放射され、従って、その減衰は大きい。

図6は、3mmの厚みのアクリルプレートに対しなされた測定から生じたいわゆる（r,t）図表を示している。この（r,t）図表は受理されたラジオ周波数(RF)信号を距離rの関数としてプロットすることにより作られる。各受理RF波形を水平ラインとしてプロットされ、この場合、絶対振幅がグレースケール値に図面化され、ここで最大振幅が白に相当する。これら水平ラインが垂直に重ねられ、それによりいわゆる（r,t）図が形成され、ここで、横軸は時間(t)を表し、縦軸は距離（r）を表す。この（r,t）図から伝播する波動が可視化され、波束内のピークにラインを当て嵌めることにより速度が測定される。2つの波動がこの（r,t）図に一貫として観察され、それらの異なる特徴のため、異なる方法を採用してそれぞれの速度が決定される。最初に到達する信号(波動１)は一般に低い振幅のもので、比較的非分散性のものであり、第1のピークの最大値の25％に設定された閾値アプローチを用いることにより追跡される。この値は実験的に選択され、ノイズを原因とする追跡不良を防止するようにする。より遅い波束（波動２）の追跡は、受理信号中の他の成分からの干渉のためより困難となる。半自動的アプローチを採用することができ、この場合、ユーザーは追跡が開始されるところのより遅い波束内の第1のRFライン内のピークを選択する。ソフトウエアはついで比較的小さい時間ウインドウを使用して次のRFラインに対しサーチが行うようにし、他の正しくないピークへ飛んでしまう可能性を少なくする。このプロセスはRFラインの全てを介して継続され、ついで直線が点に当て嵌められる。誤差はユーザーにより手動で修正され、新たな嵌合（fit）が作成される。第1並びに第2の波動の相速度がついで、それぞれ第1並びに第2の波束中の点に対する直線状嵌合の傾斜として計算される。

図７はアクリルプレートに対する一連の測定の結果を示している。これには基本的対称的(S0)および反対称的(A0)ラム波の速度の理論的予測も示されている。第1の到達波（波動１）は厚いプレート中を長手方向速度で伝播するが、薄いプレートでは、S0ラム波について予測されたものに向って速度が減少する。従って、低い周波数で測定された薄い層では、第1の到達波は誘導波であると考えることができる。より遅い波動（波動２）はA0ラム波について予測されたもの良く合致し、この第2の波動が事実、ラムA0誘導波であるという結論に到達する。

図８は、正常な健康的ボランテアに対しin vivoで脛骨について行った測定から得た(r,t)図を示している。２つの別々の伝播波が、アクリルプレートと同様にして観察される。

図９は、正常な患者および骨粗しょう症の患者について超音波測定を行ったパイロット研究の結果を示す表である。健康な患者と骨粗しょう症の患者途を比較した場合、より遅い誘導波についてのみ、有意な差が見出された。骨粗しょう症の場合、より遅い誘導波（波動２）の速度は正常の者よりも15％低かった。これらの結果はA0誘導波(即ち、第2の波動)の速度が骨粗しょう症の最も良好な弁別手段であることを示唆している。

図10a,10bおよび10cは、代替のトランスジューサーの構造を示している。トランスジューサー16.17は、結合を補助するためのゲル40，42(又は図10bの液体41)を用いて垂直の入射角で皮膚に直接的に結合させることができる。その他、これらを音響通路を維持するためゲルを使用し、直接接触させた状態で皮膚に対し特定の角度で配置させても良い。その他、トランスジューサーを皮膚から或る程度、離して配置させ、このトランスジューサーと皮膚との間に固体又は液体からなる結合媒体を介在させてもよい。この場合、トランスジューサーは傾斜させ、又は垂直に配置させることができる。トランスジューサーを骨表面に傾斜させて配置させることにより(ホルダー43を用い)、特別の誘導波モードを優先的に励起、測定することができる。その角度は測定の間に変化させてもよい。その他、トランスジューサー列を使用することができ、その場合、各トランスジューサー素子はトランスミッターとして、又はレシーバーとして機能させることができる。このような列を用いることにより、受理信号を、機械的走査を行うことなく、トランスミッター/レシーバー距離の関数として得ることができる。更に、電子的制御の下で、このような列をビーム形成およびビーム操作のために使用することができ、それにより“トランスミッター”および“レシーバー”の骨表面に対する角度を変化させることができる。

図11は本発明の他の態様を模式的に示すもので、この場合、２つのトランスジューサー16、17を用い、反射アプローチを使用して誘導波を測定する。容器46には結合媒体45として液体を含有する。トランスミッターおよびレシーバーは入射角が反射角と等しくなるように構成されている。トランスミッターは超音波信号(これはパルス、トーンバースト（tonebursts）又は連続波であってもよい)を発生し、骨表面から反射された信号はレシーバーにより検出される。或る角度において、受理信号は周波数の関数であり、その最小値は、エネルギーが骨層内にて誘導波モードに結合される例に相当する周波数である。この入射角（θ）はスネルの法則に従って、以下のように骨中の誘導波の相速度（ｃ）に関連させることができる。
ｃ＝ｃ_１/sinθ
ここで、ｃ_１は結合媒体中での音速である。従って、或る範囲の角度に亘ってデータを得ることにより、誘導波を検出し、それを相速度および周波数に関し特徴づけることができる。図５のものに類似する分散曲線を得ることもできる。

図12は、一対のトランスジューサー16，17の角度および配向を変化させるための機構についての具体例を示している。この場合、入射角が反射角と常時、等しくなるように確保され、更にトランスジューサーのビーム軸が1点で合致することが確保される。この点は骨表面の位置に対応するものである。トランスジューサーの垂直位置は骨表面が見出せるように変化させることができる。平行四辺形47は4個の片からなり、それらが相互に接合され、上部接合部が垂直ガイド48に沿って移動し得るようになっている。トランスジューサー16，17は下方の片に固定される。

図13は、関心の特定の骨の特性の予測のため、音響測定を数学的アルゴリズムに対する入力データとしてどのように利用できるかを模式的に示している。

本発明の好ましい態様についての軸方向伝達測定システムの模式図。椅子に取着された脚支持装置および患者の脚と接触させたトランスジューサーを示す斜視図。トランスジューサーユニットの前面を示す斜視図。アクチュエータを備えた好ましいトランスジューサーユニットを示す図。アクリルプレートにおける誘導モードの相速度および理論的ラム波分散曲線を示す線図。アクリルプレートにおける誘導モードの群速度および理論的ラム波分散曲線を示す線図。３mmの厚みのアクリルプレートの(r,t)図表。アクリルプレートについての実験および予測データを示す線図。ヒト脛骨についてin vivoで測定した(r,t)を示す図表。正常の骨および骨粗しょう症における超音波および骨ミネラル濃度を示す表図。他の態様におけるトランスジューサーの構造を示す模式図。他の態様におけるトランスジューサーの構造を示す模式図。他の態様におけるトランスジューサーの構造を示す模式図。本発明の好ましい態様における誘導波反射測定システムを示す模式図。反射を測定するためのトランスジューサーの動作のメカニズムを示す模式図。本発明の好ましい態様において、測定された音響パラメータから骨の特性を予測するための模式図。

符号の説明

11 摺動部材
12,13 トランスジューサー
16 トランスミッター
17 レシーバー
20 骨
30，31 移動手段
32，33 記録手段
34 計算手段

Claims

骨の非侵襲的検査のための方法であって、
超音波信号を骨に向けて適用し、骨内に伝播させ、該骨から放出させる工程と；
該骨から放出された超音波信号を検出、記録する工程と；
この記録された信号から少なくとも１つの骨の特性を、選択された方法により計算する工程と；
を具備してなり、
ラム波の1又はそれ以上のモードを検出するもので、そのモードが該骨の特性と関係を有し；
検出された波動モードの速度を測定し；
該測定された速度から骨の特性を計算する；
ことを特徴とする方法。
検出されたラム波のモードが最も低い非対称モード、即ち、A0モードである請求項１記載の方法。
2つの波動モードを検出し、その速度を測定、記録し、ここで一方のモードが上記A0モードであり、他方のモードが最初に到達する波動であり、
時間およびトランスジューサー分離の関数として受理信号の振幅の画像を記録信号から生成させ、
少なくとも２つの伝播波を、走査された画像から識別し、
伝播波の速度を、上記画像中の波動に当て嵌めたラインの傾斜から判定する請求項２記載の方法。
上記到達信号を少なくとも２つの異なるトランスミッター・レシーバー距離で測定し、
信号を骨の或る1点で伝送し、応答を他の点で受理することにより骨を選択した長さで走査し、
測定の間、連続的又は段階的に、伝送又は受理点のいずれか、又は双方を移動させ、
走査の間、多くの異なるトランスジューサー分離から受理信号を記録する請求項３記載の方法。
軸方向の応力を検出し、トランスジューサーをそれぞれ移動させることによりトランスジューサーの接触圧を制御する請求項３又は４記載の方法。
伝達および/又は受理トランスジューサーを、骨表面に対し傾斜させて配置させ、超音波ビームを、介在させた結合媒体を介して骨に向けておよび骨から走行させる請求項３又は４記載の方法。
骨に対するトランスジューサーの角度を測定の間に変化させ、特定のタイプの波動の生成および検出に有利な特定の角度を認識する請求項３ないし５のいずれかに記載の方法。
伝達および/又は受理トランスジューサーが個々のトランスジューサーのアレイであり、機械的移動を行うことなく走査を行うため、および/又は特定の波動の生成、検出を向上させるため、これらトランスジューサーを電子的に制御し、例えば音響ビームの電子的形成、操作を介して制御する請求項３載の方法。
伝達および/又は受理トランスジューサーが、数個のトランスジューサー素子を互いに一定間隔で離間させてなる櫛型トランスジューサーであり、これら素子の間隙により決定される一定波長を有する誘導波を励起、検出するようにした請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
1又はそれ以上の波動の分別および測定を容易にするため、受理信号に対しフーリエ変換を行う請求項３記載の方法。
1又はそれ以上の波動の分別および測定を容易にするため、受理信号に対して、時間‐周波数分析を行う請求項３記載の方法。
1又はそれ以上の波動の分別および測定を容易にするため、受理信号に対し2次元フーリエ変換を、時間およびトランスジューサー分離の関数として行う請求項３記載の方法。
1又はそれ以上の波動の分別および測定を容易にするため、受理信号のろ過を行う請求項３記載の方法。
発信された信号の周波数スペクトルを変更するため、特定された励起信号が伝送トランスジューサーに送られ、それにより1又はそれ以上の波動の分別および測定を容易にする請求項３記載の方法。
波束内の一定相(例えば、ピーク又はゼロ交差)の点にラインを当て嵌めることにより波動の相速度を決定する請求項３記載の方法。
波束の振幅包絡線にラインを当て嵌めることにより波動の群速度を決定する請求項３記載の方法。
トランスジューサー分離の増大に伴う波動の振幅の減少から波動の減衰を判定する請求項１記載の方法。
骨の単一部位における超音波ラム波の生成、検出および測定が、
光の入射角が常に反射角と等しくなるように、伝送トランスジューサーおよび受理トランスジューサーが反射測定のために構成され、この双方のトランスジューサーが骨表面の共通軸に向けられ、かつ、その周りに動くようにされたもの、
選択された範囲で角度を変更するための手段、
角度および周波数の関数として受理信号の振幅を測定する手段、
骨中のラム波モードの存在に相当する反射信号の最小値を識別する手段であって、それによりスネルの法則を介して角度を相速度に関連させ、ラム波モードを相速度および周波数について特徴づけるもの、
を介して行われる請求項１記載の方法。
超音波の低周波数を、検出された第1の到達信号が骨中の基本的対称ラム波(S0波)に相当するように、使用する請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
単一のトランスジューサーを骨表面に対し直角に整合させ、パルス‐エコーモードで操作し、超音波信号を骨に伝達させ、骨からの反射信号を検出し、上部骨表面からの反射と下部骨表面からの反射との間の時間差を判定し、骨の厚みを予測するのに使用する請求項１又は２記載の方法。
数学的アルゴリズムを使用して、ラム波測定から骨の特性を予測するものであって、
分析ラム波理論を使用して推定された骨の特性のセットからラム波パラメータを計算すること、
計算されたラム波パラメータを測定されたラム波パラメータと比較し、これら２つのパラメータ間の差を表す誤差パラメータを導出すること、
骨の特性の最初の予測を、誤差パラメータを減少するように調整すること、
誤差パラメータが許容し得る程度に小さくなるまで上記プロセスの反復を繰り返し、骨の特性値を真の骨の特性の最良の予測と見做すこと、
からなる請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
人工の神経網状組織を使用してラム波測定から骨の特性を予測するものであって、
測定されたラム波パラメータを、出力が選択された骨の特性に相当する人工の神経網状組織のための入力データとして使用すること、
骨の仮想および種々の身体特性の真の骨サンプルの範囲から実験データを用いて上記人工の神経網状組織を調整すること、
からなる請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
測定を骨内の多数の部位にて行い、異常な骨の特性の部位を識別し、特徴づける請求項１又は２記載の方法。
骨の非侵襲的検査のための装置であって、
２つのトランスジューサー（12,13）であって、一方がトランスミッター(16)で、他方がレシーバー(17)であり、一方のトランスジューサー(12)が固定され、他方のトランスジューサー(13)がガイド内を摺動する摺動部材(11)上に組み立てられたものと；
上記摺動部材をトランスジューサーと共に移動させるための手段（30，31）であって、トランスジューサーを骨(20)又は脚の表面上に移動させるものと、
を具備してなり、
上記トランスミッター(16)が超音波信号を骨(20)内に伝送し、
上記レシーバー(17)が骨(20)内に伝播され、骨(20)から放出される波動を検出し、更に、
受理した信号を測定し、記録するための手段(32，33)と、
記録された信号から選択された方法を用いて少なくとも１つの骨の特性を計算するための手段(34)と、
を具備してなり、
更に、該装置が、
トランスジューサー（12,13）を、脚又は骨(20)に対し選択された応力（好ましくは50−300g）で押圧、調整するための手段(21)と、
この押圧力（すなわち、接触圧）を各トランスジューサー（12,13）の先端で検出するための手段(14，15)と、
を具備してなることを特徴とする装置。
骨の非侵襲的検査のための装置であって、
２つのトランスジューサー（12,13）であって、一方がトランスミッター(16)で、他方がレシーバー(17)であり、双方のトランスジューサーが骨の表面上の共通軸の周りを移動、又はそれに向けて整合することができるものと、
上記トランスジューサーを上記共通軸の周りに移動させ、入射角が常に反射角と等しくなるようにするための手段（47，48）と、
上記トランスミッターからの超音波信号を骨に対し結合させ、上記レシーバーに戻すための手段と、
を具備してなり、ここで、
上記トランスミッター(16)が超音波信号を骨内に伝送するようになっており、
上記レシーバー(17)が骨から反射された超音波信号を検出伝送するようになっており、
更に、
受理した信号を検出、記録するための手段と、
記録された信号から少なくとも１つの骨の特性を計算するための手段(34)と、
を具備してなることを特徴とする装置。