JPH04501519A

JPH04501519A - 超音波骨分析方法及び装置

Info

Publication number: JPH04501519A
Application number: JP1509049A
Authority: JP
Inventors: ブランデンバーガー，ゲイリィ，エッチ．
Original assignee: オステオ　―　テクノロジー，インコーポレイテッド
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1992-03-19
Also published as: KR900701220A; US4926870A; CN1040739A; EP0431020A4; AU4180689A; EP0431020A1; WO1990001903A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】超音波骨分行方法及び装置発明の背景方法に関し、より詳細には超音波エネルギを使用して生体内の骨強度を決定する装置及び方法に関する。

解されていない病気である。ここで“骨粗化症”と０う用語は骨強度が劣化して終局的に骨折を生じるようなさまざまな状態に使用する。

骨強度を理解するには、骨の構造及び構成を理解する必要がある。全ての骨はコラーゲン、結晶化カルシウム及び間質流体の同じ構造要素で出来ているが、個々の骨は著しく異なる構造を有している。骨格系は一般的（こ２つのカテゴリーに分割することができ、それは皮層（緻密質）骨及び網状（海綿質）骨である。体内の大概の骨は両方のカテゴリーを有し、緻密質の皮層骨は海綿質の網状骨の核をとりまく外皮を形成する。網状骨（１板及び（トラベキュラと呼ばれる）円柱て出来た３次元格子の形状であり、間質流体は赤及び黄色の骨髄及びほんの僅かの他物質からなっている。

最近の研究により、骨の復械的強度の劣化は３つの異なる相関した機構により生じることが示唆されている。

第１の、最も広範に認識されているのは、３０代で始って全ての人に生じる骨量の減損である。文献は結論として骨強度は骨量の減損と共に低減するとしている。例えば、ジェー・バイオメカニクス、１９８７年、第２０巻、第１１／１２号、第１．０５５〜１．０６１頁のゴールドスタイン・ニス・ニーの論文“トラベキュラ骨の機械的性質：解剖学的位置及び機能への依存性”を参照されたい。

骨強度を劣化させる第２の潜在的に重要な機構は骨マトリクス自体の劣化である。近年発見された確証はトラベキュラ骨内のコラーゲンの生化学的安定度は年と共に降下することを示唆している。オクスランド、エッチ、モスキルド、エル、オルトフト、ジー、“人間のトラベキュラ骨からのコラーゲン安定度の年齢による変化“（アブストラクト＄９７）、骨粗髭症国際シンポジウム議事録、編集、ジエー・ジエンセン、ビー・リース、シー・クリスチャンセン、アールボーグ、デンマーク、１９８７年、９月２７日〜１０月２日を参照されたい。さらに、トラベキュラ骨のコラーゲン含有量が婦人の場合骨粗３症により低減するようにみえる。バーケンバーガー、ディー・エッチ、“骨粗國症骨のコラーゲンの著しい欠除”骨粗鮎症国際シンポジウム議事録、編集、ジエー・ジエンセン、ビー・リース、シー・クリスチャンセン、アールボーグ、デンマーク、１９８７年９月２７日〜１０月２日を参照されたい。これらの文献には、骨量とは無関係に、トラベキュラマトリクスを結合する蛋白の弱化が示唆されている。骨強度は外傷が無い場合に人間が骨粗眩症骨折に苦しむかどうかを決定するのに重要である。

骨強度を劣化させる第３の機構は骨量減損が僅かであったりほとんど無い場合でも、トラベキュラ構造の骨粗化症に関連した変化であることが判った。例えば、１９８５年のＣａ１ｃｉｆ、　Ｔｉ５ｓｕｅ　Ｉｎｔ、　、３７　：　５９４− ５９７のクリールコバー、エム、等の“背椎圧縮骨折の病因における３次元トラベキュラ微小構造の役割“を参照されたい。

これらの文献には骨構造の骨粗髭症変化の３つの局面が示されている。第１は非修復疲労ダメージであり、疲労は骨のストレスの繰り返しサイクリングにより生じる。

このような繰り返しサイクリングにより疲労ダメージが生じ、このような疲労ダメージが修復されないと骨強度か劣化する。疲労ダメージの修復か不完全であると、ダメージを受けた骨が再吸収されて新しい骨と入れ替っていない場合にさらに骨強度が低下することがある。第２は更年期の婦人に生じることがある網状骨内の層板間のトラベキュラ数の低減等の、トラベキュラ構造の劣化である。第３はＣａ１ｉｃｉｆｉｃａｔｉｏｎの欠除を示すコラーゲンの結果たる骨法蓄積である。骨強度を劣化させるこらの要因はいずれも必ずしも骨量減損を特徴としない。例えば、トラベキュラ層板間のトラベキュラ円柱の減損は骨量減損のみによる場合よりも余計に骨強度を低減させるようにみえる。

従来、骨の病気を検出及び評価するのにさまざまな方法が採用されてきた。それは地域及び医療上の特殊性によって異っている。産科、婦人科、内分泌科、栄養学、内科、整形外科、放射線科、核医学科、家庭及び一般診療科の専門医は骨の病気に関心を持っている。彼等の関心に応じて、これらの専門医は次のような骨の健康評価技術のいくつかもしくは全てを使用することができる。

一つの評価技術は背柱構造に特別な注意を払う身体検査である。背中の激痛及び／もしくは明瞭な曲り（後前症）は骨粗鬆症等の背痛の後の段階における徴候である。

第２の評価技術はリスク要因評価であり、ここでは患者の医療及び家族歴を調べ且っ／もしくは喫煙、アルコール消費及び食事等の個人的習慣を分析して骨粗３症骨折の相対的リスクを評価する。可能性として広く認識はされているか、背痛を予示する主要な特定リスク要因の結論的証拠は挙げられていない。ジエー・ティ・シトロン等の“重み付はクリニック変数のスケールを使用したｐｅａｋ　ｐｒｅｍｅｍｅｎｏｐａｕｓａｌ骨量の予測”、骨粗３症国際シンポジューム議事録、１９８７年９月／り０月、デンマーク、編集者ニジニー・ジエンセン、ビー・リース、シー・クリスチャンセン、アブストラクト＃１７を参照されたい。

第３の評価技術は血液及び尿化学に関し、血液と尿の化学分析を行って骨代謝に関するカルシウム及び他の要因の存在を決定する。骨代謝に明確に関連はしているが、このような化学は必ずしも骨強度を表示しない。

第４の方法は骨量測定技術に関し、骨格系の全体もしくは所望部を通過した放射を供試骨の前蓋密度に関する表示として測定する。このような骨量測定技術はベック等の論文“医者の骨粗鬆症リソースマニュアル：判定ガイド”国際骨粗３症協会、第１４〜１６頁、１９８７年に記載されており、Ｘ線、単ホトン吸収計、二重ホトン吸収計及び量子計算トモグラフィを含んでいる。

前記技術により生体内の骨に関する情報は得られるが、あらゆる場合に高信頼度で骨強度を決定するには不充分な情報である。例えば、骨量測定技術により骨量に関する情報は得られるがその構造は得られず、両要因共骨の強度評価にとって重要である。骨粗髭症骨折リスクをより有効に評価するには、骨強度をより直接的に評価する必要がある。これが骨強度を超音波で測定する動機となる。

音は移動する機械的振動である。伝播するにつれて、振動は媒体の機械的性質と相互作用して漸次変化する。

骨に伝達される機械的振動と超音波が骨中を公知の距離だけ伝播した後の機械的振動との差を観察すれば、骨の機械的性質のい（つかを決定することができる。

骨強度の測定に対する超音波の特定応用について検討する前に、根元的な医学的概念について調べることが重要である。（“Ｘ”として示す）特定方向の歪みは（Ｆ′として示す）特定方向の応力を加えた時に物体が示す変形である。例えば、歪みＸはＦの力により骨が圧縮される％として示すことができる。その特定方向に関する弾性係数Ｅは、特定量の応力（Ｆ）を加えた時に物体がどれだけ変形するかを示すにすぎない。大きな力Ｆを加えた時に僅かな歪みしか示さない強力な物体の弾性率Ｅは大きい。弱い物体は弾性係数Ｅが小さく、小さな応力でも大きな歪みを示す。３つの値は次のように関連している。

一定の弾性係数Ｅを有する骨に特定方向の応力Ｆを加えると、応力が骨の塑性変形や永久変化を生じる程大きくない限り、（１）式で決る量Ｘだけ同じ方向に変形する。骨折が始まるのは歪みを生じる応力を取り除いた時に骨が元の状態へ戻らなくなる歪レベルである。骨折ははっきりした骨折もしくは疲労骨折の微妙なダメージである。ＸＴは骨折が始まる応力の閾値である。Ｆアはこの歪みを生じる対応する応力である。次に、前記した歪／応力関係式から次式が得られる。

ＦＴ＝Ｅ　“Ｘア　（２）切迫した骨折を予測するには、ａ）、環境により骨が示す最大歪みがＸＴを超えるか、ｂ）、環境による最大歪みがＦＴを超えるか、を決定しなければならない。もちろん、ＦＴやＸＴを決定することができないため、これらいずれかの骨特性により切迫した骨折を予測するのは学術的なことである。同様に、物体の活動による最大歪みやその結果たる最大変形を測定することはできない。

もう一つの方法は、骨が弱くなると、所与の応力Ｆを加えた時に強い骨に同じ応力を加える場合よりも大きい歪みＸが生じることに目をつけている。従って、弾性係数Ｅは骨が弱くなるにつれ低下しなければならない。従って、弾性係数は骨折可能性の重要な要素として捕えることができる。

固体力学は超音波信号の速度を前記応力／歪式に関連ずける。骨等の固体中の所定方向における縦方向音速Ｖは、となり、ここにＥは考慮する方向における弾性係数、ｒは例えばｇｒａｍ／ｃｃ単位で示す骨の質量密度である。

アベンドシェイン、ダブリュー・ハイアット、ジー・ダブり二の論文“骨の超音波及び選定物理特性”　Ｃｌ１ｎ。

計重ｏｐ、　Ｒｅ１．　Ｒｅｓ、、６９　：　２９４−３ＯＬ１９７０年を参照されたい。

老化及びある種の病気により骨密度ｒ及び骨強度が低下する。骨強度の劣化は弾性係数Ｅの低下の証拠である。

しかしながら、劣化した前状態の表面における音速の変化については、（３）式の情報は不充分である。

見過されているのは弾性係数Ｅと骨密度ｒとの関係である。弾性係数は経験的に密度ｒの二乗に比例することが判っている。

Ｅ＝Ｋ　”ｒ”　（４）例えば、Ｊ、　Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ（ｉｎ　ｐｒｅｓｓ）、　１９８８年のライス、ジェー・シー、コーライン、ニス・シーボーマン、ジエー・ニーの論文“網状骨の弾性及び強度の見掛は上の密度に対する依存性”を参照されたい。

比例係数Ｋには物理的解釈がある。骨の主要な構造要素はコラーゲン原線維、結晶化カルシウム（アパタイト）及び間質粘性流体（骨髄）である。各々の比率が異なれば密度に対する値も異ってくる。しかしながら、前記したように、特定密度ｒに対して異なる人間（もしくは同じ人間の人生の異なる段階）の同じ骨の同じ領域が異なる骨強度を有することがある、すなわち、骨は同じ密度ｒであるが弾性係数Ｅが異なることがある。これは骨品質係数にの違いにより説明される。

この相違の大部分は骨自体の顕微鏡構造にある。例えば、Ｃａ１ｃｉｆ、　Ｔｉ５ｓｕｅ　Ｉｎｔ、３７　：　５９４−５９７．１９８５年のエム・クリールコパー等の論文“を椎圧縮骨折の病因における３次元トラベキュラ微小構造の役割 ”を参照されたい。例えば、骨を粉砕し次にそれを円筒状に堅めて殆んど強度を持たない非常に高密度の物体を生成することができる。事実、骨粗３症骨折に苦しんだ後、粉砕されたを椎はＸ線、ＣＴもしくは二重ホトン装置で測定した場合に隣接する正常なを椎よりも高い質量密度を示すことが多い。Ｂｏｎｅ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅｒａｌ、２　：　１４１−１４６．１９８７年のヒユー、ニス・エル、スレメンダ、シー・ダブリニ・ジョンストン、シー・シー、アップルトーン、シー・アールの“を椎骨密度に対する年齢及び更年期の影響”及びチャールストン、ニスシー、１９８６年４月２３−２５．２２−２４、第７回医学研究　Ｒａｓｓ会議報告書骨品質係数にのもう一つの潜在的に重要な決定要素は骨マトリクス自体の品質である。前記したように、トラベキュラ骨内のコラーゲンの生化学的安定度は年齢と共に低下する。さらに、トラベキュラ骨のコラーゲン含有量は骨粗髭症婦人の場合には低くなるようである。両結果共トラベキュラマトリクスを結合させる蛋白の弱化を示唆している。さらに、非回復疲労ダメージや骨状蓄積により骨品質係数には劣化する。

次に、骨品質係数には骨構造及び骨マトリクスの品質を示す。構造品質の測定値のように見える。所与の密度ｒに対して、骨品質係数Ｋが高い程骨は強くなる。

これが超音波とどのように関連するかを理解するために、弾性係数Ｅの（４）式を（３）式の音速Ｖの式に代入する。すると、弾性係数Ｅが消えて、次式か残る。

こうして、骨品質係数にや密度ｒを低下させる骨の劣′化により速度Ｖが低下し、それは速度Ｖの前式のように、量密度ｒが分母に現われないためである。骨の密度ｒしか測定しない放射線装置は骨の機械的性質を特徴ずけるのに必要な情報の一部しか入手できない。骨の物理的構造に関する情報がない。これに対して、音速は密度ｒ及び骨品質係数にで表わされる構造品質の両方に関連する量が得られる。

次に、速度自体は骨品質の測定値として使用できるように見える。さらに、速度は骨折のかかり易さのおおよその指標として使用することができる。しかしながら、任意の指標の精度は量化するのが困難な他の制御不能要因と折れ合うことになる。サンフランシスコ、ＣＡ。

９５−１０１Ｓ１９８７年、エッチ・ケイ・ジエナント編集、放射線研究及び教育協会の骨粗髭症最新情報１９８７のオズニツチ、アール・ディ、の論文“骨質量測定による骨折予測“を参照されたい。これらの制御不能要因には、例えば、個人の物理的活動範囲、筋肉状態、協調喪失、環境（例えば、氷状階段上の頻繁な歩行）及び一般的健康が含まれる。従って、臨床医は一つの測定値に頼るのではな（全ての要因を同時に評価しなければならない。

音速伝播は工学材料の弾性係数及び破断強度の特性を表わすのにうまく使用されている。骨店への応用可能性を認識して、骨生体力学研究者達は音速を使用して、生体外で、骨の弾性係数及び破断強度を評価できるという結論に達した。Ｃｌ１ｎ、　０ｒｔｈｏｐ、　Ｒｅ１．　Ｒｅ５６９　：　２９４−３０１．１９７０年、のダブリニー・アベンドシエイン、ハイアット、ジー・ダブりニーの論文 “骨の超音波及び選定物理的性質”、ジェー・生体力学、１７　（５）：３４９ −３６１Ｓ１９８４年、のアシュマン、アール・ビー・コーライン、ニス・シー・パンバスカーク、ダブりニー・シー・ライス、ジエー・シーの論文“皮質骨の弾性特性を測定するための連続波技術”、ジエー・生体力学、１８（９）ニア１７−７２１．１９８５年のアシュマン、アール・ビー、ロシナ、ジー・コーライン、ニス・シー、フすンテノット・エム・ジーの論文“犬の下顎骨の骨組織は弾性等方性である”、及びジエー・生体力学、２０（１０）：９７９−９８６．１９８７年のアシュマン、アール・ビー、コリン、ジエー・ディー、ターナ、シー・エッチの論文“網状骨の弾性特性：超音波技術による測定“を参照されたい。

速度による骨の生体外特性表示が成功したにもかかわらず、生体内応用の成功は確認されていない。バルク共振周波数の測定値から長い骨の速度を推定する試みが前になされた。Ｐｈｙｓ、　Ｍｅｄ、　Ｂｉｏｌ、　１５　（３）　４１７− ４２６．１９７０年のシュリスト、ジエー・エム、の論文“骨の弾性応答の生体内決定　１０尺骨共振周波数決定法“、Ｐｈｙｓ。

Ｍｅｄ、　Ｂｉｏｌ、　１５　（３）　：　４２７−４３４．１９７０年のジュリスト、ジエー・エムの論文“骨の弾性応答の生体内決定　■、骨粗慰症、糖尿病及び正常な対象における尺骨共振周波数”　、　Ｃａ１ｃｉｆ、　Ｔｉ５ｓｕｅ　Ｉｎｔ、３５　：　１５３−１５８、１９８３年のフジタ・ティ等の論文“ 骨共振周波数測定の基本的及び臨床学的評価”を参照されたい。筋肉緊張、脂肪量及び筋肉組織１等の主エラー源の制御が困難で長い骨の形状が複雑なため成功例は少ない。また、骨サイズをＸ線で評価するには正確な速度測定値の必要条件として長い骨の長さを正確に決定する必要がある。

周辺骨内の速度を直接測定する方法の開発により成功率が高くなってきた。この作業は馬の拳骨及び中足骨の疲労骨折を検出して重大な骨折が生じる前に競馬馬の訓練に介入することで開始された。例えば、Ｐｒｏｃ、　Ａｍｅｒ。

Ａｓ５ｏｃ、　Ｅｑｕｉｎｅ　Ｐｒａｅｔ、　２６　：　２９５−３０６　、　１９８０年のブラット、ジー・ダブリュの論文“生体内超音波前強度評価法″　；　Ｐｒｏｃ、　Ａｍｅｒ、　Ａｓ５ｏｃ、　Ｅｑｕｉｎｅ　Ｐｒａｃｔ、　２９　：３４３−３５１．１９８３年のラビン、ディー・ニス等の論文“サラブレッド競走馬の管強度評価の臨床学的用途”；Ｖｅｔ、　Ｒｅｃｏｒｄ、１１６　：　３３７−３４２．１９８５年のシェフコツト、エル・ビー等の“馬の骨品質評価の道具としての超音波“を参照されたい。

人間の骨品質と超音波速度との関係か２６マイルのボストンマラソンの走者について証明された。ジェー・生体力学、２０　（７）７２３−７２７．１９８７年のルピン、シー・ティ等の“激しい肉体活動に続く骨の機械的性質の急変を決定する生体内超音波の使用”を参照されたい。

人間に対する臨床学的応用の可能性が早産新生児の前状態の研究で証明された。

Ｐｅｄｉａｔｒｉｃ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ、２２（５）：５４１−５４４．１９８７年のライト、エル・ダブりニー・グレード、エム・ジエー、ゴパル、ジエーの論文“新生児の前状態の評価に対する超音波伝送の使用”を参照されたい。研究は２つの要素を有している。第１に、本来の位置で測定される見掛は上の速度が死後の新生児の生体外で骨ミネラル含有量（ＢＭＣ）　、妊娠年齢及び破断強度と比較された。第２に、新生児にＢＭＣ及び超音波分析を行った。この研究により、超音波信号の速度は妊娠年齢と共に直線状に増大しＢＭＣ及び破断強度とよく相関することが判った。

この研究はＰｒｏｃ、第３３回合合、Ｓｏｃ、　Ｎｕｃｌ、　Ｍｅｄ。

１９８６年６月のギルバート等の論文“閉経後骨粗鬆症における伝送超音波と骨量量化技術”て検討されており、その中てブラットの米国特許第４．４２１．１１９号の教示に従って膝蓋の超音波速度とを柱及び手首で測定した量密度の相関性が示されている。

前記方法は管強度の生体内超音波測定が有用である可能性を示してはいるが、臨床学的な有用性を有する装置を開示もしくは示唆しているものはない。現在利用できる超音波生体内骨強度測定法は正確でも繰返し可能でもない。若い非骨粗鬆症対象と老いた骨粗鬆症対象との間には、膝蓋等の、網状骨の速度に最大１５％の差があることをお判り願いたい。さらに、膝蓋等の、一つの骨で測定する速度は骨内の波の伝播径路の位置に応じて１５９６程度変動する。従って、本技術では所与の結果が骨粗鬆症によるものか測定装置の動作に関する変数によるものかを予測することができない。

さらに、現在利用可能な技術は骨の異方性や異質性及び超音波か往来する送受信トランスジューサ間の径路数を考慮していない。現在、装置は径路を区別しない。従って、骨等の身体の一部を通る生体内の所望径路を見つけて、所望径路に沿って超音波信号を指向する方法及び装置を提供することが本発明の一つの目的である。所望径路に沿って伝播する超音波信号成分を受信し、それを他の成分から識別して身体の一部の強度に関する情報を与える速度を決定することが本発明のもう一つの目的である。

発明の概要本発明の他の目的及び利点は一部以下の説明に記載され、一部は説明から明白であるかもしくは発明を実施すれば判る。本発明の目的及び利点は特許請求の範囲に指摘された手段及び組合せにより実現し達成することができる。

本発明の生体内の骨の所望径路に沿った超音波の速度を繰返し正確に決定することができる骨の生体内超音波分析方法及び装置を提供することにより従来技術の問題点及び欠点を克服するものである。本発明は骨の異方性と異質性及び超音波信号が骨の中のいくつかの径路を横切する結果を考慮するものである。

前記目的を達成し、ここで実施し広範に記載した、本発明の目的に従って、超音波信号を身体の一部の所望径路に沿って指向させ身体の一部の強度を決定する方法が提供される。超音波信号は身体の一部中の所望の超音波径路を含む、複数の超音波径路に沿って伝播することができる。身体の一部は複数の各径路に沿って超音波信号と異った相互作用をする。

本発明の方法は超音波送信機及び超音波受信機を身体の一部に近接配置し、前記所望径路に沿って前記送信機と前記受信機間に直接超音波径路を確立するステップを含んでいる。超音波信号は身体の一部中へ受信機に向って送出され身体の一部を伝播した後に受信される。次に、受信電子信号が発生され、それは受信機が受信する超音波信号を表わす。

次のステップにおいて、受信した電子信号の信号調整を行って調整された電子波形を発生する。次に、調整された電子波形の選定特性が標準波形の対応する選定特性と比較され、標準波形は送出される超音波信号が少くとも身体の一部中を所望径路に沿って伝播される時に身体の一部と送出超音波信号との相互作用により得られる。

送信機及び受信機は身体の一部に対して異なる方位に連続的に再位置決めされ、調整された電子波形の選定特性が標準波形の選定特性と実質的に同じとなるまで異なる超音波径路を確立し、送信機から送出される超音波信号が少くとも所望の径路に沿って前記受信機へ伝播したことを示す。

所望径路に沿って身体の一部中を伝播する超音波信号成分の伝播時間が次に超音波信号が送出されてから所望径路に沿って身体の一部中を伝播する受信超音波成分が受信されるまでの経過時間として計算される。

所望径路に沿って身体の一部中を伝播する受信された超音波信号成分の見掛は上の速度は受信機と送信機間の決定距離を測定された伝播時間で除して計算することができる。見掛は上の速度は身体の一部の強度に関連する。

本発明は超音波信号を身体の一部中の所望の超音波径路に沿って指向させ身体の一部の強度を確立する装置にも関連している。超音波信号は身体の一部が複数の各径路に沿って超音波信号と異なる相互作用をしながら、複数の超音波径路に沿って伝播することができる。

本発明の装置は身体の一部に近接配置されて送信機と受信機の間にほぼ所望径路に沿った直接超音波径路を確立する超音波送信機及び超音波受信機を含んでいる。送信機は身体の一部中を受信機に向って超音波信号を送出する手段を含み、受信機は送信された超音波信号を身体の一部中を伝播した後に受信して受信機が受信する超音波信号を表わす受信電子信号を発生する手段を含んでいる。

本装置はさらに受信機と通信して受信電子信号を調整された電子波形へ調整する信号調整手段を含んでいる。

調整された電子波形の選定特性を標準波形の公知の選定特性と比較する比較手段が信号調整手段に接続されている。標準波形は身体の一部と送出超音波信号が少くとも身体の一部中の所望径路に沿って伝播する時の送出超音波信号との相互作用により得られる。比較手段により調整された電子波形の選定特性と標準波形の公知の選定特性を比較することができる。

本発明に従った装置はさらに、比較手段に応答して、所望の超音波信号が身体の一部中を伝播する時間を超音波信号が送出されてから身体の一部中を所望径路に沿って伝播する超音波信号が受信されるまでに経過する時間として測定する計算手段を含んでいる。計算手段はまた受信機と送信機間の距離を測定された伝播時間で除して身体の一部中を所望径路に沿って伝播する超音波信号成分の見掛は上の速度に対する値を計算する。見掛は上の速度は身体の一部の強度に関連している。

図面の簡単な説明本明細書に組み入れられその一部を構成する添付図は本発明の一実施例を示し、明細書と共に本発明の詳細な説明するものである。

第１図は人間の膝に近接配置された超音波送信機及び超音波受信機を含む人間の膝の斜視図、第２図は人間の原著の横断面図、第３図は人間の原著の異なる部分を伝播する時の超音波信号の減衰グラフ、第４ａ図は人間の原著の前方皮質を伝播する超音波信号成分のグラフ表示、第４ｂ図は人間の原著内の所望径路を伝播する超音波成分のグラフ表示、第４ｃ図は人間の原著を取り巻く軟組織中を伝播する超音波信号成分のグラフ表示、第４ｄ図は人間の原著の前方皮質及び所望径路中を伝播する超音波信号のグラフ表示、第５図は本発明に従って使用する標準波形図、第６図は本発明に従って身体の一部の超音波分析を行う装置の斜視図、第７図は第１図の装置のブロック及び略図、第８Ａ図は本発明に従って所望径路に沿って超音波信号を指向させ身体の部位の強度を決定する方法のチャート図、第８Ｂ図は調整された電子波形を標準波形と比較する方法のフロー図、第９図は自動利得レンジャーを含む本発明に従った波形発生手段の実施例のブロック回路図、第１０図はログ圧縮器を含む本発明に従った波形発生手段の実施例のブロック回路図、第１１図〜第１３図は本発明に従って原著中の所望径路から異なる径路に沿って人間の原著中を通過した超音波波形表示である。

実施例の説明次に、本発明の実施例を詳細に参照し、その−例を添付図に示す。

Ａ、骨構造及び超音波伝播本発明を理解するには、過去の超音波測定技術において適切に考慮されなかった、骨構造の深い理解が重要である。全ての骨は結晶化カルシウム（ハイドロクシアパタイト）と、９０％はコラーゲンである。有機材で構成されている。個々のトラベキュラの方位は、骨の構造をその機能に関連ずける仮説である、ウォルフの法則に従うように見え、それは骨の形式もしくは形状が与えられると管要素は作用応力の方向に配置もしくは変位されるということである。大腿頚部や原著等の網状骨内のトラベキュラの方位は明らかにこれを示している。

複雑な構成及び構造要素により、骨は異方性、異質性の流体充填有孔材である。

“異方性”とは一方向における（音波速度を含む）機械的特性が骨の同じ領域内の他の方向の特性とは異なることである。“異質性”とは骨の一つの領域における（速度等の）機械的特性が他の領域における特性とは異なることである。

その結果、骨の構成はそれが耐えなければならない力と同様に複雑となる。これは２つの効果を有する。第１に、骨の密度と構成は空間全体にわたって変化し、個人によって異なる複雑なパターンであることが多い。はとんど全ての骨の異質性はこれによる。第２に、骨マトリクスの主要な方位は骨に加わる主要な力の線に沿ったものとされる。これにより、骨の機械的特性が異方性となる。主として垂直な圧縮力を経験するを椎動物等の骨は横方向の強度が遥かに低い。

音速は伝播する骨の異質性を反映する。これは、例えば、速度は超音波信号がとる径路の関数となる人間の原著内で証明することができる。同様に、骨中を通る超音波信号の速度は骨自体の異方性と釣り合った異方性を示す。これは、骨マトリクスの主要方位に対する伝播径路の角度に速度が大きく依存することを示している。

異質性及び異方性は組織内の速度測定に著しい衝撃を与え、測定プローブを測定される身体の一部に一致させるプロトコルを厳しく制御する必要がある。例えば、個人に対していくつかの測定を行う場合、超音波信号を送受信するプローブは毎回正確に再配置して音波がマトリクスの主要方位に対して同じ方向に同じ骨量だけ横切することを保証しなければならない。

異なる人間に対する測定値の有意比較を行うにはさらに厳しい制御を要する。− 人の人間から次の人間に対して測定される骨マトリクスの構成及び方位が比較てきなければならない。個人間の生物学的変異性かある場合には、超音波信号が同じ径路を横切するように被測定骨に対してプローブを配置する慎重に設計されたプローブ配置プロトコルが必要となる。

速度測定に影響を及ぼす他の要因として、超音波信号を送信トランスジューサから散開させる回折、骨内の屈折、及び骨の界面を横切する時の超音波信号の内部反射が含まれる。さらに、骨表面の不規則性により超音波信号は一つよりも多くのモードで骨内に結合される。骨は横切及び縦方向モード等の多数の超音波伝播モードを支持し、各モードが異なる特性速度を有するため、これは重要である。

一人の個人において再生可能で異なる個人間で比較可能な測定を行うには、異質性及び異方性を制御できる骨測定位置を選定することが重要である。人間のこのような測定位置は、例えば、ａｓ−ｃａｌｃｉｓ　、原着及び末梢撓骨である。

３つのうち、原着はを稚内の骨粗３症の存在を示す最も好ましい特性を有することか判った。以下の説明では、本発明の方法及び装置を、生体内で、人間の原着に応用するが、本発明は人間の原着以外にも動物の骨や人間の骨を含む、生体内のさまざまな部位に応用できることをお判り願いたい。

原着はい（つかの理由により骨測定位置として好ましく、それは第１図及び第２図を参照すればお判りいただける。第１図は膝に近接配置された超音波送信機２６及び超音波受信機２８を含む人間の膝の斜視図であり、第２図は第１図の■− ■線に沿った、生体内の、人間の原着の横断面図である。原着の第１の好ましい特性はその前面付近の原着の中間横方向面がその側面上にほぼ平行な面２００及び２０１を有し、それらがそれぞれ超音波トランスジューサ２６．２８の位置を定めて原着中の超音波径路を確立する面を与えることである。第２に、大概の個人の原着を覆う軟組織層、例えば、トランスジューサ２６．２８を、それぞれ骨から分離する軟組織層２０９．２１０は骨の幅に対して許容できる程薄い。第３に、生体内で、原着中を超音波信号がとる所望径路はほぼ直線状とされ、骨等の異質、異方性固体の場合のように弯曲することがない。

原着中の所望の超音波伝播径路は、例えば、中央上部の原着の濃密な前方皮質の下に位置している。この所望の超音波伝播径路をここでは”所望径路”と呼び第２図に番号２５て示す。所望径路２５は、例えば、主として垂直方向トラベキュラからなる領域を通る。所望径路に沿ったトラベキュラはウォルフの法則に従ってこの領域内の主圧縮力に応答してこの垂直方位に恐らく発達する。

所望径路が位置する原着の中央上部は好ましい診断位置となり、それはその構造がを椎動物の中央部の構造に類似していると思われるためである。従って、原着中の所望径路に沿った骨の状態を決定することにより、を椎動物の中央部における骨の状態を推断することができる。

原着中の、前記所望径路以外の、別の所望径路も識別することかできる。このような原着中の別の所望径路及び原着以外の部位を通る所望径路も本発明の範囲内とみなす。

前記したように、生体内で、超音波信号は人間の原著内へさまざまなモードで結合され、身体の一部中で送信機２６から受信機２８までさまざまな径路をとる。

例えば、送信機２６において原着中へ結合する超音波信号は前方皮質３８中を（点線で示す）径路２０２に沿い、原着の後部４０中を（破線で示す）径路２０４に沿い、原着の後方に位置する後方軟組織４１中を（鎖線で示す）径路２０６に沿い、原著前方の前方軟組織３９中を径路２０８に沿って伝播することができる。いずれの場合にも、軟組織が骨を取り巻いているため各超音波径路は少くともいくつかの軟組織を横切する。

送信機２６により送信され、生体内の、原着等の身体の一部３２中を伝播し受信機２８により受信される超音波信号は、各々が軟組織もしくは軟組織と骨中の− っ以上の径路の両方を通る超音波信号の異なる径路に対応する、複数の成分を含んでいる。一つの成分は所望径路２５に対応し“所望信号”もしくは“診断信号 ”と呼ばれる。受信機２８が受信する超音波信号内に所望の信号が存在することを保証するのが本発明の目的である。所望信号が存在する場合、その到来時間を確認し、その伝播時間及び速度を決定し、その速度を身体の一部の所望径路に沿った部分の強度に関連ずけることができる。

原着中の異なる各径路は原着の異なる部分に沿っている。これら各部分が異なる密度及び構造を存している。

原着のこれらの異なる部分は送信される超音波信号スペクトルの異なる周波数を異なる程度だけ減衰させる。言いかえれば、送信される超音波信号は広帯域信号であり、骨中の各径路は一部の超音波スペクトルだけを通過させる低域フィルタとして作用する。この現象を第３図にグラフで示す。

前方皮質３８を通る超音波信号は高周波数において（３５ｄ　ｂ／ａｍ−ＭＨｚよりも大きい）高減衰を示す。所望径路に沿って伝播する超音波信号成分は中程度（４〜３５　ｄｂ／　ｃｍ　−ＭＨｚ　）の減衰量である。後方軟組織３９や前方軟組織４１内で見つかる、軟組織中を伝播する超音波信号成分は原着中を送信される任意の周波数において（およそ１　ｄｂ／　ａｎ　−ＭＨｚ　）比較的低い減衰を示す。

前方皮質で見つかるような、濃密な骨を通る超音波信号の速度は、所望径路を横切した骨のような、低濃密度の骨を通る超音波信号の速度よりも高いことが判っている。軟組織を通る超音波信号の速度はさらに低い。従って、濃密な骨中の伝播に寄与する受信信号成分か最初に到来し、それに所望径路に沿って低濃密度の骨中を伝播する成分が続き、さらに軟組織中を伝播する成分が続く。

送信される超音波信号が複数の径路をとる間、超音波信号の強度は送信機２６と受信機２８との間に確立された直接径路から半径方向外向きに位置する径路で減衰する。

例えば、後方軟組織３９もしくは前方軟組織４１中の径路に沿って伝播する超音波信号の強度な送信機２６と受信機２８間の所望径路２５に沿って伝播する超音波信号の強度よりも低い。

第４ａ図〜第４ｃ図は異なる径路に沿って伝播する受信波形の成分を示す。第４ａ図は前方皮質３８中を径路２０２に沿って伝播した受信波成分の波形を示し、その到来時間はｔｃである。第４ｂ図は所望径路２５に沿って伝播した受信波成分の波形を示し、その到来時間はｔ４であり、“所望信号”の波形を表わす。第４ｃ図は、それぞれ、径路２０８．２０６に沿って重畳する軟組織３９．４１中を伝播した受信波成分の波形を示し、その到来時間はｔｃである。

第４ｄ図は第４ａ図及び第４ｂ図の成分を含む複合波形を示す。簡単にするために、軟組織中を伝播する受信波成分は第４ｄ図から省いである。第４ｄ図に示すように、中断点６６は超音波エネルギが最初に受信機２８により受信される点である。中断点６６は前方皮質３８を横切する超音波信号成分が受信される時間ｔｅにおいて生じる。この成分は周波数及び振幅が低く速度が高く、他の成分よりも前に到来する。従って、所望信号の到来時間、ｔ、を正確に計るには、その到来時間を前方皮質中を伝播する成分の到来時間、ｔｃ、から区別しなければならない。本発明に従ってこの区別を行う方法及び装置を次に詳細に説明する。

Ｂ、標準波形第５図は“標準波形”と呼ぶ調整された電子波形を示し、一般的に番号６０で示す。“標準“という用語は少（とも所望径路２５に沿って伝播する超音波信号が受信機２８により送信される時に常々発生する一般的波形を示し、受信機２８は受信電子信号を発生しそれは次に信号調整電子装置により調整される。

第５図に示す標準波形６０は単なる説明用であり、外観、振幅もしくは骨と軟組織間の相対エネルギ分布は著しく変動することがあるため、本発明を制限するものと解釈してはならない。さらに、動物の骨や原着以外の人間の骨等の人間の原着以外の部位に対して発生する場合、標準波形６０は変動することがある。

標準波形６０の複雑性の大部分は異なる径路に沿って伝播し異なる時間に受信機に到来する多くの異なる超音波成分による。標準波形６０の重要な特徴はその最初に到来する成分が所望径路２５に沿って伝播する超音波信号成分に関連し、その成分の到来時間を容易に決定できることである。

標準波形６０は初期インパルス６２のリーダー６１、ベースライン６４、ベースライン中断６６、第１のふれ６８、第１のゼロ振幅点７０、青信号７２及び軟組織信号７４等のいくつかの特性を含んでいる。標準波形６０はまた、絶対値及び相対値の両方で、青信号７２及び軟組織信号７４に含まれるエネルギ量に特徴がある。すなわち、青信号７２にはある量のエネルギが付随しており、組織信号７４にはある量のエネルギが付随している。

リーダー６１は超音波励起が送信される前に集められる短いサンプルである。初期インパルス６２は電磁干渉、すなわち“クロストーク”のバーストであり、超音波信号の送信時に、後記するように、信号処理電子装置により検出される。初期インパルス６２は受信機２８に存在するいかなる超音波信号をも表わすものではないが、超音波励起が送信される時間を確認するのに有用である。

標準波形６０をビデオディスプレイ装置上に表示する場合には、水平尺度及び波形ディスプレイのオフセットを調整して初期インパルス６２の表示を無くする。

ベースライン６４は初期インパルスが消えた後音響信号が受信機２８に到来する前に生じる。ベースライン６４は到来する音響エネルギの検出に使用するノイズ閾値を確立するのに使用する波形のゼロ振幅成分である。

ベースライン中断６６は超音波信号が最初に受信機２８により受信される点である。

第１のふれ６８は標準波形６０のベースライン６４からの最初の逸脱である。第５図は最初のふれ６８を負の半サイクルとして示している。好ましくは、送信機２６により送信される超音波信号は第１の極性の第１の半サイクルを有し、標準波形６０は第１の極性の第１の半サイクルを有する。標準波形及び送信超音波信号の最初の半サイクルに対して極性を保証することにより、標準波形６０で示す送信超音波信号は所望径路に沿って伝播し受信トランスジューサにおいて屈折弯曲したり過剰な位相相殺を受けることがないことを大いに確信することができる。“位相相殺″という用語は超音波信号が２つ以上の異なる径路に沿って伝播し互いに相殺されるように位相がずれて受信機に到来する状態のことである。最初のゼロ振幅点７０は第１のふれ６８の終りをマークし、受信波形がゼロの振幅を有するベースライン中断６６の後の最初の点である。

Ｃ１超音波信号を所望径路に沿って指向させ身体の一部の強度を決定する方法及び装置本発明に従って、身体の一部を通る所望超音波径路に沿って超音波信号を指向させ身体の一部の強度を確立する方法が提供される。超音波信号は複数の超音波径路に沿って伝播することができ、身体の一部は複数の各径路に沿って超音波信号と異なる相互作用を行う。本発明の方法を実施するのに有用な装置を第６図に斜視図として且つ第７図にブロック図として示し、一般的に番号１０で示す。装置はコンピュータ１８と連絡され且つプローブケーブル１４を介して超音波フロントエンド２３を付随している。コンピュータ１８は中央処理装置（以後、ＣＰＵと呼ぶ）１９、ビデオディスプレイ２４、検査される身体の一部に関する情報の記憶及び読み取りを行うディスクドライブ２１　（第６図）等の記憶装置２０（第７図）、及びＣＰＵ１９と超音波装置の残部との間のインターフェイスを提供する超音波フロントエンド２３（第７図）を含んでいる。コンピュータ１８に情報を入力するキーボード２２が設けられている。このような情報として患者に関する情報、変化される測定パラメータに関する情報、もしくはビデオディスプレイ２４上への波形の表示方法に関する情報が含まれる。これらの要素の構造及び機能については後記する。

第８Ａ図及び第８Ｂ図は本発明の方法を実施する好ましい手順を示す。本発明に従って、本方法は超音波送信機及び超音波受信機を身体の一部の近辺に位置決めして送信機及び受信機間でほぼ所望径路に沿って直接超音波径路を確立するステップ（ステップ８２）を含んでいる。

本発明の方法を実施するのに有用な装置はプローブ１２を含んでいる。プローブ１２は超音波トランスジューサ２６及び２８を含んでいる。第１図、第２図及び第７図に示すように、送信機２６及び受信機２８は、生体内で、原着等の身体の一部に近接配置して両者間に所望径路２５を確立するようにすることができる。

好ましくは、送信機及び受信機は身体の一部の両側に配置される。

また、送信機及び受信機は身体の一部の同じ側に配置することもできる。いずれの場合にも、送信機２６及び受信機２８は身体の一部３２に近接配置して所望径路、例えば、径路２５に沿った直接超音波径路を確立しなければならない。

送信機２６及び受信機２８は好ましくは身体の一部３２と音響的に結合されている。これは、図示せぬ音響結合ゲル等の音響結合媒体を、送信機２６と身体の一部３２間及び受信機２８と身体の一部３２巻に施して達成することができる。

本発明に従って、本方法は受信機に向って身体の一部中へ超音波信号を送出するステップ（ステップ８４）を含んでいる。第９図及び第１０図は装置１０のある電子装置の別の実施例を示す。第９図及び第１０図に示すように、ＣＰＵ１９は数サイクルの周期的電子信号バーストを発生する励起発生器１０４を制御する。

励起発生器１０４からの信号はドライバ１０６により増幅され送信機２６より超音波信号へ変換される。送信機２６は超音波信号を身体の一部３２中へ送出することができ、そこで受信機により受信される。好ましくは、送信機２６及び受信機２８は、例えば、米国、マサチューセラ州、つすルサムのバナメトリック社製、モデルＮｎＶ５３３、等と同じ超音波トランスジューサである。好ましくは、このような超音波トランスジューサは２．２５ＭＨｚの公称中心周波数、８０％のおよそ６ｄｂ帯域幅、及び１００〜６００　ｋ）ｔ：帯域内に有意の信号エネルギを有する超音波信号を送受信することができる。前記したように、骨は高周波を減衰させる。従って、送信された超音波信号が１００〜６００　ｋＨｚ範囲内に有意エネルギを含むことを保証すれば、骨中の径路に沿って充分な超音波エネルギが伝播して受信機２８により検出できることが確実になる。好ましくは、送信された超音波信号は、例えば、５μｓ程度の短い持続時間である。

本発明に従って、本方法は（１）、送出された超音波信号を身体の一部中を伝播した後に受信して受信機が受信する超音波信号を表わす受信電子信号を発生する（ステップ８６）及び（２）、受信した電子信号を信号調整して調整された電子波形を発生するステップ（ステップ８８）を含んでいる。

本発明の方法を実施するために、受信機２８が発生する電子信号を受信機２８が受信する超音波信号を表わす調整された波形へ調整する信号調整手段が設けられている。実施例において、信号調整手段は第９図及び第１０図に示す破線ボックス１２４．１２４’に囲まれた要素を含んでいる。

これらのそれぞれの図において、受信機２８からの受信された電子信号は線１１３に沿って通過し前置増幅器１１２により増幅される。実施例に示すように、前置増幅器１００は１００ｄｂ（およそ１００．０００倍）の利得Ｇを与える。次に、増幅された信号は後記するいくつかの要素中を通過してデジタイザｔｔＳの入力となり、それは増幅された信号を２０メガサンプル／秒でサンプルし８ビツトアナログ／デジタル変換器を使用してそれをデジタル化する。このようにして、１０２４サンプルが集められ、各サンプルは“ポイント“と呼ばれるポイントを集めたものは“レコード”と呼ばれる。

装置の信号／ノイズ比を向上させるために、３２のレコードを連続的に得て波形アベリジャ１２０によりポイント毎に平均化する。こうして得られる平均化された１０２４ポイントの集りは“調整された電子波形”と呼ばれる。調整された電子波形は受信された超音波信号の電子的表示でありビデオディスプレイ２４上に表示したり、記憶手段２０に記憶したりＣＰＵ１９によりさらに処理することができる。

受信超音波信号の処理が適切なシーケンスで生じることを保証するためのクロック及びコントロール１２２が設けられている。信号調整手段１２４はさらに２０ｋＨｚ〜３ＭＨｚの帯域を通過させるバンドパスフィルタを含んでいる。

好ましくは、信号調整手段１２４は受信超音波信号の振幅が好ましい範囲内の値となることを保証する自動利得範囲手段を含んでいる。自動利得範囲手段は信号調整手段１２４の線型動作を行う。実施例に示すように、自動利得範囲手段は超音波フロントエンド２３内に配置することができ、第９図に示すように、動作上ＣＰＵ１９に接続される利得制御器１１４を含むことができる。利得制御器１１４は０〜６０ｄｂの減衰が可能である。

自動利得範囲手段の替りに、信号調整手段１２４は受信超音波信号をログ圧縮して受信超音波信号の振幅が好ましい範囲の値となることを保証するログ圧縮手段を含むことができる。このようにして、ログ圧縮手段により波形発生手段の線型動作が行われる。第１０図に示すように、ログ圧縮手段はログ圧縮器１２５及びエクスボネンシエータ１２６を含むことができる。ログ圧縮器１２５はバンドパスフィルタ１１６を通過する信号をその信号の対数に変換する。

受信機１２８が発生する受信電子信号は交互に正負であり頻繁にＯを通過する正弦波を含んでいる。従って、信号処理の同業者にはお判りのように、単純に受信電子信号の対数をとることはできない。従って、Ｓが受信電子信号である場合に、ｌｏｇ（ｓ）を計算する替りに、ログ圧縮器１２５はｃｌｏｇ（ｓ）を計算し、ここに、Ｌは小振幅のＳ、すなわち、ＩｓＩ≦Ｌに対して、ｃｌｏｇ（ｓ）が線型動作へ戻るように選定される。これにより、Ｓが１より小さい値からＯもしくは負の値となる時に対数が負、負の無限大、もしくは定義されない数となることが避けられる。Ｉ７の値はｌよりも太き（且つＱ＝ｌｏｇ　（Ｌ）となるように選定され、ｃｌｏｇ演算がＳの連続関数となって対数から線型演算への、ｌ　Ｓ　ｌ　＝Ｌ遷移の周りに不連続性がないようにされる。

エクスボネンシエータ１２６は信号のデジタル化された対数を元の形式へ拡張する。次に信号調整手段１２４に関して説明した方法で信号を処理して調整された電子波形を発生する。

本発明に従って、本方法は調整された電子波形の選定特性を標準波形の対応する選定特性と比較するステップ（ステップ９０）を含んでいる。標準波形は送出超音波信号が少くとも身体の一部中の所望径路に沿って伝播する時に身体の一部と送出超音波信号との相互作用により得られる。

本発明の方法を実施するために、比較手段はＣＰＵ１９を含んでいる。前記したように、調整された電子波形は波形アベリジャー１２０からの出力であり、電気信号のデジタル表示形式である。このデジタル表示をサンプルして調整された電子波形に関する選定特性を得ることができる。同様に、標準波形６０の選定特性がデジタル表示されてＣＰＵ１９に記憶される。従って、標準波形６０の選定特性はＣＰＵ１９内で調整された電子波形の選定特性と電子的に比較される。

また、調整された電子波形をビデオディスプレイ２４上に表示し、そこでオペレータは調整された電子波形を標準波形６０の可視表示と比較したリオベレータの知っている標準波形６０と比較することができる。従って、コンピュータ１８はビデオディスプレ１′２４等の調整された電子波形を表示するディスプレイ手段を含むことができる。調整された電子波形は単に図解の目的でビデオディスプレイ２４上に表示するものとして示してあり、本発明に従った波形を表わしたり本発明を何らかの形で制限するものと解釈してはならない。

好ましくは、ＣＰＵ１９は標準波形６０を調整された電子波形と比較して調整された電子波形が標準波形６０と実質的に同じ特性を有するかどうかを決定する。

このような自動比較の好ましい手順を第８Ｂ図に示す。標準波形は身体の一部中の所望径路に沿って伝播した超音波信号を示す特性を有するため、調整された電子波形が標準波形と実質的に同じ特性を有する場合、受信超音波信号は所望径路に沿って伝播したと結論することができる。

好ましくは、これは調整された電子波形及び標準波形が第１及び第２の部分を含む場合に生じ、標準波形及び調整された電子波形の第１の部分は骨中の径路に沿って伝播する送信超音波信号に対応し、標準波形及び調整された電子波形の第２の部分は少くとも骨中及び軟組織中の径路を含む径路に沿って伝播する送信超音波信号に対応する。

第５図に示すように、標準波形６０は青信号７２である第１の部分及び軟組織信号７４である第２の部分を含んでいる。青信号７２は所望径路２５等の原着及び恐らくは前方皮質３８中をも伝播した送信超音波波形を表わす成分を含んでいる。軟組織信号７４は原着及びその周りの軟組織中を伝播した送信超音波信号を表わす成分を含む合成波形である。

好ましくは、ＣＰＵ１９は標準波形の第１及び第２の部分と同様な調整された電子波形の第１及び第２の部分を見つけ出すことにより波形比較を行う（ステップ２１ｏ）。

次に、ＣＰＵ１９は“調整された電子前波形“と呼ばれる調整された電子波形の第１の部分を“標準管波形“と呼ばれる標準波形６０の青信号と比較する（ステップ２１２）。ＣＰＵ１９は“調整された軟組織波形”と呼ばれる調整された電子波形の第２の部分を“標準軟組織波形′と呼ばれる標準波形６ｏの組織信号と比較する（ステップ２１４）。第８Ａ図の比較ステップ９ｏのこれらのサブステップを第８Ｂ図にフロー図形式で示す。

好ましくは、標準波形の主周波数は第１の部分中に第１の周波数範囲に降下し、標準波形の主周波数は第２の部分中に第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲に降下する。第５図に示すように、第１の部分に対応する青信号７２は第２の部分に対応する軟組織信号７４とは遥かに異なる周波数を有する。第３図に関して説明したように、これは軟組織は送信機２６により送信されるスペクトル内の周波数範囲を単に減衰させるだけであるが、所望径路に沿って配置された骨は高周波数信号を一層厳しく減衰させるためである。従って、青信号と軟組織信号は主周波数の違いにより識別することができる。

実施例及び第８図に示すように、本方法は調整された電子波形が標準波形と実質的に同じであるかどうかを決定するステップ（ステップ９０）を含んでいる。好ましくは、調整された電子波形の第１の部分の第１の周波数範囲の所定部分は第１の所望量のエネルギを含み、調整された電子波形の第２の部分の第２の周波数範囲の所定部分は第２の所定量のエネルギを含んでいる。送信機２６及び受信機２８が原著に対して前方方向に同時に移動すると、比例的に多くの送信超音波信号が原著の前方部を覆う軟組織中を伝播する。同様に、送信機２６及び受信機２８が原著に対して後方方向に移動すると、比例的に多くの信号が膝蓋骨自体中を伝播する。従って、骨及び組織信号により表わされる相対エネルギ量は原著に対する送信機２６及び受信機２８の位置のインジケータとなる。この相対エネルギは次の方法で計算することができる。

１０２３の調整された電子波形を介してデジタル化されたポイント５１２から５１２ポイント波形が生成され“チェック波”と呼ばれる。チェック波はチェック波の最初の２５ポイントにわたって０から１へ線型に立ち上る台形ウィンドにより増幅される波形を測定して“ウィンド”され、次の４６２ポイントに対しては一定にとどまり、次にチェック波の最終２５ポイントにわたって１から０へ降下する。

ウィンドした後、ＣＰＵ１９はチェック波のフーリエ変換を計算して周波数範囲の関数として“ウィンドされた”チェック波の大きさを得る。次に大きさの関数の３つの積分がＣＰＵ１９により次のように計算される。

Ｌ　Ｆ　Ｅ　＝　１９．５ｋＨｚから０．５ＭＨｚまでの積分、ＨＦ　Ｅ　＝０．５　ＭＨｚから３．５ＭＨｚまでの積分、Ｔ　ＯＴ　＝１９．５ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの積分。

ＬＦＥはチェック波の低周波成分の積分であり青信号７２内のエネルギに関連しており、ＨＦＥはチェック波の高周波成分の積分であり軟組織信号７４のエネルギに関連している。ＴＯＴはチェック波の総エネルギに関連している。超音波信号が所望径路２５に沿って伝播する時に生じる調整された電子波形に対しては、次の２つの条件が満される１、ＬＦＥ／ＴＯＴ＞０．１５；　且っ２、ＨＦＥ／ＴＯＴ＞０．４０第１の条件が満されない場合には、調整された電子波形は低過ぎる青信号を有し標準波形６０と等価でないとして拒絶される。この条件により送信機２６及び受信機２８が所望径路２５よりも後方過ぎるかもしくは前方過ぎるかが判る。第２の条件が満されない場合には、調整された電子波形は低過ぎる組織信号を有し、標準波形６０と等価でないとして拒絶される。この条件により送信機２６及び受信機が所望径路の後方に配置されているが、低い青信号を発生する程後方ではないことが判る。

送信機及び受信機を身体の一部の近辺に位置決めする間、標準波形と実質的に同じ特性を持たないいくつかの波形を発生することができる。このように調整された電子波形の例を第１１図〜第１３図に示す。

第１１図は調整された電子骨信号の初期部分７８の振幅が小さ過ぎ且つ青信号７２′の最初のふれ６８′が標準波形ではない調整された電子波形の特徴を示す調整された電子波形を示す。この種の調整された電子波形は所望経路に沿って伝播する超音波信号もしくはその一部の屈折弯曲等のい（つかの理由により生じる。

第１１図の波形はまた受信トランスジューサの位相相殺により生じる。ＩＥＥＥ　Ｔｒａｍｓ、バイオメディカルエンジニアリング、第ＢＭＥ−２８巻、第２号、１９８１年２月のフレバー等の論文“位相無感応検出及び周波数依存測定の計算された超音波減衰トモグラフィへの応用“を参照されたい。

第１２図はまた調整された電子骨信号の第１の部分の振幅が小さ過ぎ且つ青信号７２′の最初のふれ６８′が標準波形ではない調整された電子波形の特徴を表わす調整された電子波形を示す。第１２図の調整された電子波形に対する理由は第１１図の波形に対するものと同じである。

第１３図は調整された電子骨信号の最初のふれが全く消失し初期青信号の振幅が小さ過ぎる調整された電子波形を示す。これは、第１１図に関して引用した理由により生じる。これらの理由により、信頼できない最初のふれ６８′が完全に減衰され送信波の後のエネルギだけが受信機で検出できる状態が生じる。

本発明に従って、本方法は送信機及び受信機を身体の一部に対して異なる方位に再位置決めして調整された電子波形の選定特性が標準波形の選定特性と実質的に同じになるまで異なる超音波径路を確立するステップを含んでいる。これが確立されると、送信機から送出される超音波信号は少（とも所望径路に沿って受信機へ伝播している。第８Ａ図に線９２内の判断がＮＯの場合のステップ８２〜９０のループとしてこの再位置決めを示している。

送信機２６及び受信機２８の配置が後方過ぎる場合には、標準波形と類似した調整された電子波形が得られるが、無効な測定となる。簡単なテストを行ってプローブ１２が適切な前方位置にあるかどうかを決定できることが判っている。超音波信号径路の上、すなわち前方皮質３９の上の皮膚が穏やかに押圧される。プローブ１２が適切な前方位置にある場合には、軟組織に対応する調整された電子波形の成分が消えるかもしくは多少低減する。

プローブ１２の配置が後方過ぎると、調整された電子波形の軟組織成分は皮膚を押下しても変化しない。

これらの位置変化を行うことにより、一つもしくはいくつかの超音波径路を確立することができる。その理由は最初の試みで所望径路が見つかることはめったにないためである。ここで、送信機及び受信機を両者間の直接径路が身体の一部中の所望径路に沿うようになるまで身体の一部に対して移動させなければならない。送信機と受信機間の径路か所望径路に沿うようになると、調整された電子波形は第５図に示す標準波形と実質的に同じ特性を有するようになる。

本発明に従って、本方法は身体の一部中を所望径路に沿って伝播する超音波信号成分の伝播時間を超音波信号を送出してから身体の一部中を所望径路に沿って伝播する超音波信号成分を受信するまでに経過する時間として測定するステップを含んでいる。実施例及び第８図に示すように、本方法の超音波信号の送信と時間ｔｃとの間の伝播時間を決定するステップ（ステップ９４）を含んでいる。

本発明の方法を実施する装置は比較プログラムとは異なるプログラムを使用してこのような計算を行うＣＰＵ１９を含むことができる計算手段を含んでいる。計算プログラムにおいて、ＣＰＵ１９は励起発生器１０４にコマンドが与えられる時間（“コマンド時間”）を最初に決定して送信機２６に身体の一部３２へ超音波信号を送信させる。次に、ＣＰＵ１９は身体の一部中を所望径路２５に沿って伝播する受信超音波信号成分が受信機２８に到来する時間（“受信時間”）を決定する。受信時間の決定において、受信機２８により中断点６６が検出される時間は身体の一部中を所望径路２５に沿って伝播した受信超音波信号成分が受信機２８により受信される時間でないこともある。第４ａ図〜第４ｄ図に関して説明したように、中断点６６は前方皮質中を伝播した超音波成分が到来する時間とすることができる。従って、所望径路に沿って伝播した成分の実際の到来時間は間接的に決定するかもしくは推定しなければならない。

好ましくは、ＣＰＵ１９は受信超音波信号の最初のふれをベースラインから識別し且つ受信超音波信号が最初のふれの後て最初に０の振幅を有する時点を識別することにより、身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の受信時間を推定する。０振幅点は身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の推定受信時間であり、前方皮質中を伝播する成分の有無に比較的影響されない。ＣＰＵ１９は最初の半サイクル６８の終りの受信時間を検出することにより、身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の到来時間を推定する。最初の半サイクル６８の終りは最初の０振幅点７０であり、第４ｂ図及び第４Ｃ図の符号ｔ０に示すように生じる。

好ましくは、ＣＰＵ１９は正の閾値よりも小さく且つ負の閾値よりも小さい場合に最初のふれを識別する。前記し且つ実施例に示すように、最初のふれ６８は調整さた電子波形のベースライン６４からの最初の逸脱である。

これは最初のエネルギが受信機２８により受信される点である。人間の原着で小さな正のふれを最初に示すものもあることが判っている。この最初の正のふれが充分小さければ、安全に無視することができる。しかしながら最初の正のふれが正の閾値よりも大きければ、調整された電子波形はＣＰＵ１９により拒絶される。さらに、標準波形は所定の負の閾値よりもさらに負の最初のふれを有する。最初のふれが負の閾値よりも負でなければ、調整された電子波形はＣＰＵ１９により拒絶される。従って、第１１図〜第１３図について検討したように、受信超音波信号は受信トランスジューサにおいて回折弯曲されたり位相相殺されることがな（、所望径路を横切することが保証される。

本発明に従って、本方法は身体の一部中を所望径路に沿って伝播した受信超音波信号成分の見掛は上の速度に対する値を測定された伝播時間及び受信機と前記送信機間の所定距離から計算するステップを含み、見掛は上の速度は身体の一部の強度に関連している（ステップ９６）。

骨中の見掛は上の音速を引き出すためには移動距離の知識や測定を必要とする。

ステップ９４で決定される伝播時間で距離を除すとここで見掛は上の音速と呼ぶものが得られる。“見掛は上”という用語は音速が全媒体、すなわち軟組織、脂肪質及び接続組織及び骨の合成を表わすことを意味する請求められるのは骨中の真の音速であり、それは超音波信号か骨中を移動した距離を移動時間で除したものである。“見掛上の速度”という表現は測定値が骨の“真の速度”の近似であるという事実を反映している。例えば、骨を取り巻（軟組織の厚さが充分小さいような状況の元では、真の速度は見掛は上の音速にほぼ等しい。このような状態は人間の原着に対して得られる。

プローブ１２は送信機２６と受信機２８間の距離を判定する測距手段を含んでいる。実施例に示すように、測距手段は送信機２６と受信機２８間の距離を示すデジタル距離信号を与えるデジタルキャリパ−３０を含んでいる。線１００に沿ってＣＰＵ１９へ送られる距離信号は次のようにして発生される。送信機２６が第１のバー３１を介してスケール２９に接続される。受信機２８が第２のバー３３を介してスライド２７に接続される。受信機２８が（第７図に点線で示す）原点から身体の一部２６の送信機２６と反対側に移動すると、スライド２７に沿って滑動してスライドに沿って移動する距離“ｄ′に比例する距離信号を発生する。

この距離信号は線１００に沿ってＣＰＵ１９へ送られる。

実施例及び第８図示すように、本発明に従った方法は速度を比較できる正常もしくは病気の人間のものと比較することにより骨強度を減損する危険性や病気の危険性を決定するステップ（ステップ９８）を含んでいる。

“比較できる対象”とは、例えば、骨強度を決定しようとする人と比較できる年齢、人種及び地理学的位置の対象である。前記したように、身体の一部３２中の所望径路２５に沿った超音波信号の速度は身体の一部の強度に関連している。詳細には５式を参照されたい。

診断のためには、ｒもＫも直接計算する必要はない。

速度Ｖは骨品質係数Ｋ及び密度ｒに関連しており、いずれが劣化しても病気による強度の減損を生じるため、速度の低下は病気及び強度の減損を示す。さらに、骨の密度ｒを決定すると、骨品質係数Ｋを直接計算することができる。身体の一部中の所望径路に沿った速度を所与の患者の集団の速度に関連ずけることにより骨強度減損の危険性を決定することができる。実施例に示すようにこの比較はＣＰＵ１９によって行われる。

また、所望径路に沿った骨の密度は、例えば、Ｘ線技術及びＫの計算値により決定することができる。次に、所望径路に沿った骨の強度はＫの計算値を所与の患者集団のＫの値に関連ずけることにより決定することができる。実施例に示すように、所望径路に沿った密度ｒをキーボード２２を介してＣＰＵ１９へ入力することができ、Ｋの値はＣＰＵ１９により計算して公知のＫの値とＣＰＵ１９で比較することができる。

原着の中央上部等の所望径路に沿って測定した超音波信号の速度はその場所における骨の弾性係数、破断強度及び量に関する情報を与える。このような情報は原着やを椎等の他の場所における骨の品質や健康に対して有意の関係を有している。

同業者であれば発明の範囲及び精神を逸脱することなく本発明の生体中の骨強度の超音波分析装置及び方法をさまざまに修正及び変更できることと思われる。従って、本発明は特許請求の範囲及び同等範囲に入る修正や変更も含むものとする。

ＦＩＧ、／。

ＦＩＧ、　２゜浄書（内容に変更なし）周波数ＦＩＧ、　４ｂ。

ＦＩＧ、　４ｃ。

ＦＩＧ、　４ｄ。

浄書（内容に変更なし）ＦＩＧ、　５゜浄書（内容に変更なし）ＦＩＧ、８Ａ。

浄書（内容に変更なし）ＦＩＧ、８Ｂ。

手続補正書（自発）１．事件の表示ＰＣＴ　／　ＵＳ８９　／　０３４１２２、発明の名称超音波前分析方法及び装置３、補正をする者事件との関係　特許出願人名　称　オステオ−テクノロジーインコーホレイテッド４、代理人居　所　〒１００東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビルヂング３３１手続補正書防式）１−事件の表示超音波前分析方法及び装置オステオ　−　テクノロジー、インコーポレイテッド４−代理人６、ネｍ正により土岐カロする言青求項の数７−補正の対象代理権を証明する書面国際膿審報牛

Claims

【特許請求の範囲】

１．身体の一部中を所望の超音波径路に沿って超音波信号を指向させる方法において、超音波信号は複数の超音波径路に沿って伝播することができ身体の一部は複数の各径路に沿って超音波信号と異なる相互作用を行い、該方法は、（ａ）．超音波送信機及び超音波受信機を身体の一部に近接配置し、ほぼ前記所望径路に沿って前記送信機と前記受信機間に直接超音波径路を確立し、（ｂ）．受信機に向って身体の一部中へ超音波信号を送出し、（ｃ）．身体の一部中を伝播した後の送出超音波信号を受信して前記受信機が受信する超音波信号を表わす受信電子信号を発生し、（ｄ）．前記受信した電子信号の信号調整を行って調整された電子波形を発生し、（ｅ）．調整された電子波形の選定特性を標準波形の対応する選定特性と比較し、前記標準波形は前記送出超音波信号が身体の一部中を少くとも前記所望径路に沿って伝播する時の身体の一部と前記送出超音波信号との相互作用によって得られ、（ｆ）．前記送信機及び前記受信機を身体の一部に対して異なる方位に再配置して前記調整された電子波形の前記選定特性が前記標準波形の前記対応する選定特性と実質的に同じとなるまで異なる超音波径路を確立して、前記送信機から送出される前記超音波信号が少くとも前記所望径路に沿って前記受信機へ伝播したことを示す、ステップからなる超音波信号指向方法。
２．身体の一部の強度を確立する方法において、該方法は、（ａ）．送信機から身体の一部を通って超音波信号を送出し、（ｂ）．身体の一部中を伝播した後の超音波信号を受信機で受信し、受信超音波信号は身体の一部中を所望径路に沿って伝播する成分及び身体の一部中を一つもしくはいくつかの他の径路に沿って伝播する成分を含み、（ｃ）．身体の一部中を所望径路に沿って伝播する超音波信号成分の伝播時間を超音波信号が送信されてから身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分を受信するまでに経過する時間として測定し、（ｄ）．前記受信機と前記送信機間の所定距離を測定された伝播時間で除すことにより身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の見掛け上の速度に対する値を決定し、見掛け上の速度は身体の一部の強度と関連している、ステップからなる身体の一部の強度確立方法。
３．身体の一部中へ所望径路に沿って超音波信号を指向させて身体の一部の強度を決定する方法において、超音波信号は身体の一部中の所望超音波径路を含む複数の超音波径路に沿って伝播することができ、身体の一部は複数の各径路に沿って超音波信号と異なる相互作用をし、該方法は、（ａ）．プローブ間距離だけ離された超音波送信機及び超音波受信機を身体の一部に近接配置してほぼ前記所望径路に沿って前記送信機と前記受信機との間に直接超音波径路を確立し、（ｂ）．受信機に向って身体の一部中へ超音波信号を送出し、（ｃ）．身体の一部中を伝播した後で送出超音波信号を受信して前記受信機が受信する超音波信号を表わす受信電子信号を発生し、（ｄ）．前記受信電子信号を信号調整して調整された電子波形を発生し、（ｅ）．調整された電子波形の選定特性を標準波形の対応する選定特性と比較し、前記標準波形は前記送出超音波信号が身体の一部中を少くとも前記所望径路に沿って伝播する時に身体の一部と前記送出超音波信号との相互作用により得られ、（ｆ）．前記送信機及び前記受信機を身体の一部に対して異なる方位に再配置して前記調整された電子波形の前記選定特性が前記標準波形の前記選定特性と実質的に同じとなるまで異なる超音波径路を確立し、前記送信機から送出される前記超音波信号が少くとも前記所望径路に沿って前記受信機へ伝播したことを示し、（ｇ）．身体の一部中を所望径路に沿って伝播した超音波信号成分の伝播時間を超音波信号が送出されてから身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分が受信されるまでに経過する時間として測定し、（ｈ）．前記プローブ間距離を測定された伝播時間で除すことにより身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の見掛け上の速度に対する値を計算し、見掛け上の速度は身体の一部の強度と関連ずけられている、ステップからなる超音波信号指向方法。
４．請求項１もしくは３記載の方法において、身体の一部中へ超音波信号を送出する前記ステップは第１の極性の第１の半サイクルを有する超音波信号を送出するステップを含み、前記送信機及び前記受信機を再配置する前記ステップは前記調整された電子波形が前記第１の極性の第１の半サイクルを有するまで繰り返される、超音波信号指向方法。
５．請求項１もしくは３記載の方法において、前記送信機及び前記受信機を身体の一部へ近接配置する前記ステップは前記送信機及び前記受信機を身体の一部の両側に配置するステップを含む、超音波信号指向方法。
６．請求項１もしくは３記載の方法において、受信電子波形を信号調整する前記ステップは受信超音波信号の振幅の自動レンジングを行って前記受信超音波信号の振幅が好ましい範囲内の値であることを保証するステップを含む、超音波信号指向方法。
７．請求項１もしくは３記載の方法において、受信超音波波形の信号調整を行う前記ステップは受信超音波信号をログ圧縮して前記超音波信号の振幅が好ましい範囲内の値となることを保証するステップを含む、超音波信号指向方法。
８．請求項１もしくは３記載の方法において、調整された波形と標準波形の選定特性を比較する前記ステップは調整された波形をビデオディスプレイ上に表示するステップを含む、超音波信号指向方法。
９．請求項２もしくは３記載の方法において、伝播時間を測定する前記ステップは身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分を受信する時間を、前記調整された電子波形がベースライン値から逸脱する最初の時点を識別し、且つ前記調整された電子波形が前記第１の時点に続くベースライン値に最初に達成する第２の時点を識別し、前記第２の時点は身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の推定受信時点として作用する、ことにより推定するステップを含む、超音波信号指向方法。
１０．請求項９記載の方法において、第１の時点を識別する前記ステップは前記調整された電子波形の最初のふれを正の閾値及び負の閾値以下に決定するステップを含む、超音波信号指向方法。
１１．請求項１，２もしくは３記載の方法において、身体の一部中へ超音波信号を送出する前記ステップは、生体中で、軟組織に取り巻かれた骨中に超音波信号を送出するステップを含む、超音波信号指向方法。
１２．請求項１１記載の方法において、前記受信ステップは第１の部分と第２の部分を含む超音波信号を受信するステップを含み、前記受信超音波信号の前記第１の部分は骨中径路に沿って伝播する超音波信号成分に対応し受信超音波信号の第２の部分は少くとも前記骨中径路及び前記軟組織中径路に沿って伝播する超音波信号成分に対応する、超音波信号指向方法。
１３．請求項１２記載の方法において、身体の一部中に超音波信号を送出する前記ステップは少くとも高周波数成分及び低周波数成分を有する超音波信号を送出するステップを含み、前記高周波成分は軟組織中径路に沿って伝播し前記低周波成分は骨中径路に沿って伝播する、超音波信号指向方法。
１４．請求項１３記載の方法において、前記受信ステップは超音波信号の受信を含み、前記第１の部分は第１の周波数範囲を特徴とし前記第２の部分は前記第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲を特徴とする、超音波信号指向方法。
１５．請求項１２記載の方法において、前記比較ステップは前記電子波形の第１及び第２の部分を捜そうと試みるステップを含み、前記第１及び第２の部分は、それぞれ、第１及び第２の識別可能な測定された特徴を有し、それらは前記標準波形の前記選定特性に類似している、超音波信号指向方法。
１６．請求項１５記載の方法において、前記第１及び第２の識別可能な特徴は、それぞれ、第１及び第２の周波数範囲を含み、前記捜し出しを試みるステップは、前記電子波形の前記第１の部分の第１の周波数範囲内の所定量のエネルギを測定し、前記電子波形の前記第２の部分の第２の周波数範囲内の所定量のエネルギを測定するステップを含む、超音波信号指向方法。
１７．身体の一部中の所望の超音波径路に沿って超音波信号を指向させる装置において超音波信号は複数の超音波径路に沿って伝播することができ身体の一部は複数の各径路に沿って超音波信号と異なる相互作用を行い、該装置は、（ａ）．身体の一部に近接配置されほぼ前記所望径路に沿って送信機と受信機との間に直接超音波径路を確立する前記超音波送信機及び前記超音波受信機であって、前記送信機は受信機に向って身体の一部中へ超音波信号を送出する手段を含み、前記受信機は身体の一部中を伝播した後の送出超音波信号を受信して前記受信機が受信する超音波信号を表わす受信電子信号を発生する手段を含む前記超音波送信機及び超音波受信機と、（ｂ）．前記受信機と通信して前記受信電子信号を調整し調整された電子波形を形成する信号調整手段と、（ｃ）．前記信号調整手段に接続され、調整された電子波形の選定特性を標準波形の対応する選定特性と比較する比較手段であって、前記標準波形は前記送出超音波信号が少くとも身体の一部中を所望径路に沿って伝播する時に身体の一部と前記送出超音波信号との相互作用により得られ、前記比較手段は前記調整された電子波形の前記選定特性を前記標準波形の前記対応する選定特性と比較して、前記送信機及び前記受信機が身体の一部に対して異なる方位に再配置されて前記調整された電子波形の前記選定特性が前記標準波形の前記選定特性と実質的に同じとなるまで異なる超音波径路を確立し、前記送信機から送出される前記超音波信号が少くとも前記所望径路に沿って前記受信機へ伝播したことを示す前記比較手段、を具備する超音波信号指向装置。
１８．身体の一部中を所望の超音波径路に沿って超音波信号を指向させて身体の一部の強度を確立する装置において、超音波信号は複数の超音波径路に沿って伝播することができ身体の一部は複数の各径路に沿って超音波信号と異なる相互作用を行い、該装置は、（ａ）．身体の一部に近接配置されほぼ前記所望径路に沿って送信機と受信機との間に直接超音波径路を確立する超音波送信機及び超音波受信機であって、前記送信機は受信機に向って身体の一部中へ送出超音波信号を送出する手段を含み、前記受信機は身体の一部中を伝播した後の送出超音波信号を受信して前記受信機が受信する超音波信号を表わす受信電子信号を発生する手段を含む、前記超音波送信機及び超音波受信機と、（ｂ）．前記受信機と通信して前記受信電子信号を調整し調整された電子波形を形成する信号調整手段と、（ｃ）．前記信号調整手段に接続され調整された電子波形の選定特性を標準波形の公知の選定特性と比較する比較手段であって、前記標準波形は前記送出超音波信号が身体の一部中を少くとも所望径路に沿って伝播する時に身体の一部と前記送出超音波信号との相互作用により得られる、前記比較手段と、（ｄ）．前記比較手段に応答して身体の一部中の所望の超音波信号の伝播時間を前記超音波信号が送出されてから所望径路に沿って身体の一部中を伝播する受信超音波信号成分が受信されるまでの経過時間として測定し、前記受信機と前記送信機間の所定距離を測定された伝播時間で除すことにより身体の一部中を所望径路に沿って伝播する受信超音波信号成分の見掛上の速度に対する値を計算し、前記見掛上の速度は身体の一部の強度に関連している計算手段、を具備する超音波信号指向装置。
１９．請求項１７もしくは１８に記載の装置において、さらに前記送信機及び前記受信機に接続され前記送信機及び前記受信機が身体の一部の両側に配置されるようにする搭載構造を含む、超音波信号指向装置。
２０．請求項１７もしくは１８記載の装置において、前記信号調整手段は前記受信超音波信号の振幅が信号調整手段の線型動作を行うような範囲となることを保証する自動レンジ手段を含む、超音波信号指向装置。
２１．請求項１７もしくは１８記載の装置において、前記信号調整手段は前記受信超音波信号の振幅が前記信号調整手段の線型動作を行うような範囲となることを保証するログ圧縮手段を含む、超音波信号指向装置。
２２．請求項１７もしくは１８記載の装置において、さらに前記調整された電子波形を表示する手段を含む、超音波信号指向装置。
２３．請求項２２記載の装置において、前記表示手段はビデオディスプレイを含む、超音波信号指向装置。
２４．請求項１８記載の装置において、前記計算手段は身体の一部中を所望径路に沿って伝播した受信超音波信号成分の受信時を、前記調整された電子波形がベースライン値から逸脱する第１の時点を識別し、前記調整された電子波形が前記第１の時点の後で最初にベースライン値に達する第２の時点を識別し、前記第２の時点は身体の一部中を所望径路に沿って伝播した受信超音波信号成分の推定受信時として役立つようにすることにより、推定する手段を含む超音波信号指向装置。
２５．請求項２４記載の装置において、前記計算手段はさらに前記調整された電子波形の最初のふれが正の閾値及び負の閾値よりも小さい時を決定する手段を含む、超音波信号指向装置。
２６．請求項１７もしくは１８記載の装置において、前記送信機は前機超音波送信機及び前記超音波受信機を、生体内で、軟組織に取り巻かれた骨に近接配置した時に少くとも軟組織中の径路に沿って伝播する高周波成分と骨中の径路に沿って伝播する低周波成分を含む超音波信号を送信する手段を含む、超音波信号指向装置。
２７．請求項２６記載の装置において、前記比較手段は前記標準波形の対応する第１及び第２の部分と同様な前記調整された電子波形の第１及び第２の部分を捜し出す手段を含む、超音波信号指向装置。