KR0149847B1 - 초음파 밀도계 장치 - Google Patents

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KR0149847B1
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제이. 로스만 필립
에이. 위너 스코트
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리차드 비. 마제스
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Abstract

내용 없음.

Description

초음파 밀도계 장치
제1도는 본 발명에 따라 구성된 초음파 밀도계 장치의 사시도.
제2도는 제1도에 2개가 도시되어 있는 음향 결합기의 사시도.
제3도는 음향 신호가 거울상이 있는 다른 트랜스듀서의 면에 송신되거나, 수신되는 트랜스듀서면의 정면도.
제4도는 본 발명에 따라 구성된 초음파 밀도계 장치의 회로를 개략적으로 도시한 블록도.
제5도는 제4도의 회로에 사용된 수신된 파형을 샘플링시키는 방법을 도시한 도면.
제6도는 본 발명에 따라 구성된 초음파 밀도계의 다른 실시예의 회로를 개략적으로 도시한 블록도.
제7도는 실제 초음파 펄스의 샘플 및 본 발명에 따라 초음파 밀도계로부터의 응답을 도시한 도면.
제8도는 주파수 범위에 대한 상대적 초음파 펄스 강도의 샘플도.
제9도는 기준 물체에 비해서 교호적인 쉬프트 상태 대 측정된 물체의 주파수 특성을 도시한 주파수 영역의 그래프도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 밀도계 11: 핸드
12: 작동기 버튼 13 : 접속로드
15 : 고정된 아암 16 : 조정가능한 아암
18 : 디스플레이 19 : 노브
21 : 트랜스듀서 23 : 음향결합기
26 : 패드 32 : 멤버
36, 37 : 소자 선택 신호 라인 38 : 마이크로프로세서
41 : 디지탈 신호 프로세서 42 : A/D 변환기
43 : 타이머 53 : 신호라인
55 : 여기 증폭기 회로 59 : 수신기/증폭기 회로
64, 66 : 스위치 68 : 스위치 제어 라인
본 발명은 뼈와 같은 멤버(member)의 밀도를 측정하는데 사용되는 장치에 관한 것으로, 특히 멤버의 물리적 특성 및 보전성(integrity)를 측정하는데 초음파 음향 신호를 사용하는 장치에 관한 것이다.
뼈와 같은 멤버의 물리적 성질 및 보전성을 측정하는데 사용될 수 있는 여러 가지 장치가 현재 존재한다. 비-침입적인(non-invasive) 밀도 측정 장치는 사람 또는 경마와 같은 동물들의 뼈에 발생하는 미세-분쇄(micro-crushing) 및 미세-골절에 의해 야기된 누적된 내부 손상을 결정하는데 사용될 수 있다. 부수적으로, 사람의 골다공증(osteopoprosis), 또는 뼈 광화작용(mineralization)의 상실 검출 및 이의 치료 또는 예방이 점차적으로 의학 및 생물학적으로 높은 관심 분야가 되고 있다. 사람의 평균 수명이 높아짐에 따라. 보다 많은 환자들이 빠른 트라베큘러(trabecular) 뼈 손실에 기인한 합병증이 발생하게 되었다.
후프(hoop)에게 허여된 미합중국 특허 제3,847,141호에는 뼈내의 칼슘 함유량을 모니터하기 위해, 손가락뼈 또는 발꿈칩뼈와 같은 뼈 구조(bone structure)의 밀도를 측정하기 위한 장치가 기술되어 있다. 이 장치는 분석될 뼈상에 결합되는 결합 장치 내에 수용된 한 쌍의 대향 이격된 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 펄스 발생기는 뼈를 통해 다른 트랜스듀서에 전해지는 초음파를 발생시키기 위해 트랜스듀서들 중 1개의 드랜스듀서에 결합된다. 전자 회로는 이 신호들에 응답하여 펄스 발생기를 제트리거링시키기 위해 수신 트랜스듀서로부터의 신호를 펄스 발생기에 다시 결합시킨다. 그러므로, 펄스는 초음파가 뼈 구조를 통해 진행하는데 걸린 전이시간(transit time)에 비례하는 주파수에서 발생되고, 뼈를 통과하는 음속에 정비례한다. 뼈를 통과하는 음속이 뼈의 밀도에 비례한다는 것이 발견되었다. 그러므로, 펄스 발생기가 재트리거되는 주파수는 뼈의 밀도에 비례한다.
생체내(in vivo)뼈의 강도를 설정하기 위한 다른 장치 및 이의 측정 방법이 프라트 쥬니어(Pratt, Jr)에게 허여된 미합중국 특허 출원 제4,361,154호 및 제 4,421,119호에 기술되어 있다. 이 장치는 눈금된 버니어(gaduated vernier)에 의해 접속되어, 뼈의 강도를 결정하기 위해 뼈를 통과하는 음속을 결정하는 발사 트랜스 듀서 및 수신 트랜스듀서를 포함한다. 버니어는 2개의 트랜스듀서의 표면들간의 전체 전이 거리를 측정하는데 사용된다.
리스(Lees, S. (1986) Sonic Properties of Mineralized Tissue, Tissue Characterization With Ultrasound, CRC publication 2, PP. 207-226)에는 피질성(cortical)과 해면상의 (망상 조직 또는 트라베큘러) 뼈내의 감쇠 및 음속 측정을 포함하는 여러 가지 연구자료가 기술되어 있다. 이 연구 자료들의 결과는 습식(wet) 음파 속도와 습식 피층 밀도사이, 및 건석(dry) 음파 속도와 건식 피층 밀도 사이의 선형 관계를 나타낸다. 그러므로, 뼈 맴버를 통과하는 음향 신호의 전이 시간은 뼈밀도에 비례한다. 랑톤등[Langton, C.M., Palmer, S.D., and Proter, S.W., (1984) The Measurement of Broad Band Ultrasonic Attenuation in Cancellous Bone, Eng. Med., 13, 89-91]은 송신 기술을 사용한 아스 칼시스(OSCALCIS)(발꿈치뼈)내의 초음파 감쇠 대 주파수감쇠의 연구 결과를 공개했다. 이 발명자들은 여러명의 피실험자(subject)들에서 관찰된 감쇠차가 아스 칼시스의 미네랄(mineral) 함유량의 변화에 기인한다고 제안하고 있다. 또한, 이들은 저주파수 초음파 감쇠가 골다공증의 진단에, 또는 골정 위험 가능성의 예보기(predicter)로서 유용한 파라미터일수 있다고 제한하고 있다.
본 발명은 생체내 멤버의 물리적 성질 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계가 ; 적어도 1개의 특정 주파수 성분을 갖는 음향 신호가 멤버 및 공지된 음향 특성을 갖는 물질을 통해 송신되는 송신 트랜스듀서 ; 음향 신호들이 멤버를 통해 송신된 후에 이 음향 신호들을 수신하는 수신 트랜스듀서 ; 멤버를 통과하는 음향 신호의 멤버 전이 시간을 결정하고, 멤버를 통과하는 음향 신호의 적어도 1개 의 개별 특정 주파수 성분의 절대 감쇠를 결정하며; 상기 물질을 통과하는 음향 신호의 물질 전이 시간을 결정하고, 상기 물질을 통과하는 음향 신호의 적어도 1개의 해당 개별 특정 주파수 성분의 절대 감쇠를 결정하기 위해 상기 트랜스듀서에 접속된 수단을 포함하는 것으로 요약된다.
대안으로, 송신 트랜스듀서는 맴버를 통해 음향 신호를 송시한 수 있고, 수신 트랜스듀서는 음향 신호들이 맴버를 통하여 송신된 음양 신호를 수신하며, 밀도계는 정상 전이 시간의 데이터 베이스(database)를 갖는 마이크로프로세서; 상기 정산 전이 시간들중 하나의 정상 전이 시간을 선택하기 위한 수단; 상기 맴버 전이 시간의 수학적 비교를 선택된 정상 전이 시간으로 하기 위한 수단 ; 및 상기 수학적 비교를 상기 맴버의 물리적 특성 및 보전성에 관련시키기 위한 수단을 포함한다. 데이터 베이스의 각각의 정상 전이 시간은 검사할 개별적인 연령, 신장, 체중, 인종 또는 성별, 또는 트랜스듀서들 사이의 거리, 또는 맴버의 두께 또는 크기에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 주목적은 맴버를 통과하는 초음파 음향 신호의 전이 시간을 신속하고, 효과적이며 용이하게 결정함으로써 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 멤버를 통과하는 초음파 음향 신호의 전이 시간을 공지된 음향 특성을 갖고 있는 물질을 통과하는 음향 신호의 전이 시간과 비교함으로써 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 멤버를 통과하는 초음파 음향 신호의 특정 주파수 성분의 절대 감쇠를 결정함으로써 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 멤버를 통과하는 초음파 음향 신호의 특정 주파수 성분의 절대 감쇠를 공지된 음향 특성의 물질을 통과하는 음향 신호의 대응 주파수 성분의 절대 감쇠와 비교함으로써 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 멤버를 통과하는 초음파 음향 신호의 전이 시간을 검사할 개개의 연령, 신장, 체중, 인종 또는 성별 및 트랜스듀서들 사이의 거리, 또는 멤버의 크기에 따라 변하는 정상 전이 시간의 데이터베이스로부터 선택된 선택된 정상 전이 시간과 비교함으로써 생체내 멤버의 물리적 성질 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 맴버의 밀도 및 수신된 음향 신호의 디지탈 복한 멤버 파형을 디지탈 디스플레이부 상에 디스플레이 할 수 있는 생체내 뼈 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 초음파 밀도계 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생체내의 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 다수의 소자들의 어레이를 각각 포함할 수 있는 송신 및 수신 트랜스듀서를 갖는 장치 및 방법을 제공하는 것으로, 한 개 이상의 수신 소자(element)에 의해 수신된 음향 신호들은 수신 소자에 의해 수신된 각각의 음향 신호의 멤버에 대하여 관련 위치를 결정하도록 분석될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점에 대해서 상세하게 설명하겠다.
동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 붙여진 도면들을 참조하면, 제1도에는 생체내 뼈와 같은 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 휴대용 초음파 밀도계(!0)이 도시되어 있다. 제1도에 도시된 바와 같이 밀도계(10)은 작동기 버튼(12)를 구비한 핸들(11)를 포함한다. 핸들(11)로부터 선형으로 연장된 접속 로드(13)이 있다. 또한, 밀도계(10)은 고정된 아암(arm)(15) 및 조정 가능한 아암(16)을 포함한다. 고정된 아암(15)는 양호하게는 접속 로드(13)과 연결되어 있으므로, 접속 로드(13)의 단부(17)에 접속된다. 조정 가능한 아암(16)은 로드(13)상에 장착된 핸들(11)과 디지탈 디스플레이(18) 사이의 접속 로드(13)상에서 미끄러지게 장착된다.
노브(knob, 19)는 아암(15 및 16) 사이의 거리가조정될 수 있도록 조정 가능한 아암(16)이 접속 로드(13)을 따라 미끄러져 록크 또는 언록크되도록 회전될 수 있다.
고정된 아암(15)의 단부에는 제1 (좌측) 트랜스듀서(21)이 접속되고, 조정 가능한 아암(16)의 단부에는 제2 (우측) 트랜스듀서(21)이 접속된다. 제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이, 각각의 트랜스듀서(21)상에는 트랜스듀서를 검사될 물체에 음향적으로 결합하기 위한 컴프라이언트(compliant) 음향 결합기(23)이 각각 장착되어 있다. 음향 결합기(23)은 우레탄 또는 다른 컴플라이언트 물질로 형성된 플라스틱링(24) 및 부착 패드(26)을 포함한다. 제3도에는 음향 결합기(23)의 컴프라이언트 패드(26) 밑에 통상적으로 가려져 있는 제1 (좌측) 트랜스듀서(21)의 면(28)이 도시되어 있다. 통상적으로, 트랜스듀서면(28)은 통상적으로 제2도에 도시된 패드(26)의 내부면(29)에 접해있다. 제3도에 도시된 트랜스듀서면(28)은 a-1로 표기된 20개의 트랜스듀서 소자의 어레이를 포함한다. 제2 (우측)트랜스듀서(21)은 제3도에 도시된 제1(좌측)트랜스듀서면의 거울상(mirror image)인 면(28)을 포함한다.
일반적으로, 제4도에는 디지탈 디스플레이부(18)의 하우징내에 실제로 내장되는 밀도계(10)의 전자 회로가 개략적인 형태로 도시되어 있다. 물체(32)는 음향 신호들이 물체를 통해 송신될 수 있도록 2개의 트랜스듀서(21) 사이에 배치된다.
물(32)는 뼈와 같은 멤버, 또는 증류수 또는 네오프렌 기준 블록과 같은 공지된 음향 특성을 갖고 있는 소정의 물질을 나타낸다. 제 4 도에 도시된 실시예와, 같이 좌측 끝에 있는 트랜스듀서(21)은 송신 트랜스듀서이고, 우측 끝에 있는 트랜스듀서(21)은 수신 트랜스듀서이다. 실제로, 양쪽의 트랜스듀서(21)은 송신 및 /또는 수신 트랜스듀서이다. 제4도의 회로의 송신 및 수신 트랜스듀서(21)은 소자 선택 신호(36 및 37)에 의해 마이크로프로세서(38)에 접속된다. 마이크로프로세서(38)의 각 쌍의 트랜스듀서 소자(a 내지 1)들 중 어떤 소자가 어느 순간에 송신 및 수신될 것인지를 결정하도록 프로그램된다. 이 선택은 필요한 선택 데이트를 트랜스듀서(21)로 송신 하는 다중 신호 라인 또는 직렬 데이터 라인일 수 있는 소자 선택 신호 라인(36 및 37)에 의해 달성된다. 마이크로프로세서(38)은 또한 데이터 및 어드레사 버스(40)에 의해, 디지탈 디스플레이(18), 디지탈 신호 프로세서(41), 샘플링 아날로그-디지탈 변환기(42) 및 외부 타이머 세트(43)에 접속된다. 마이크로프로세서(38)은 종래의 RAM 메모리 뿐만 아니라 온 보드(on boad) 전기적으로 프로그램 가능한 비휘발성 랜덤 억세스 메모리(nvram)를 갖고 있고, 밀도계(10)의 동작을 제어한다. 디지탈 신호 프로세서(41)은 온 보드 판독-전용 메모리(ROM)를 갖고 있고, 미이크로프로세서(38)의 제어하에서 밀도계(10)에 의해 수행되는 다수의 수학적 기능을 수행한다. 특히, 통상적으로 현재 집적 회로 형태로 입수 가능한 디지탈 신호 프로페서(41)은 수신된 파형 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환할 수 있도록, 이산(discrete) 퓨리어 (Fourier) 변환을 수행할 수 있는 능력을 포함한다. 또한, 마이크로프로세서(38) 및 디지탈 신호 프로레서(41)은 마이크로 프로세서(38)이 디지탈 신호 프로세서(41)의 동작에 대한 제어를 유지하고, 상태 정보를 다시 수신할 수 있도록 제어 신호(45 및 46)에 의해 상호 연결될 수 있다. 마이크로프로세서(38) 및 디지탈 신호 프로세서(41)은 후술한 바와 같이 밀도계(10)이 동작을 실행할 수 있도록 전자 회로(31)을 제어한다. 가청 스피커와 같은 청각 피드백 메카니즘(48)은 출력신호(49)를 통하여 마이크로프로세서(38)에 접속될 수 있다.
외부 타이머(43)은 마이크로프로세서(38) 및 디지탈 신호 프로세서(41) 내의 프로그램에 따라서, 송신 트랜스듀서로부터 궁극적으로 수신하는 전기적 신호를 시간 간격을 두고 샘플링하도록 시간 정보를 A/D 변환기 (42)에 제공하기 위해 일련의 클럭 신호(51 및 52)를 A/D 변환기 (42)에 제공한다. 또한 외부 타이머(43)은 클럭신호(53)을 여기 증폭기(55)로 발생시킨다. 시간 펄스는 타이머(43)에 의해 발생되고 신호 라인(53)을 통해 증폭기(55)로 전송되어 증폭되고 신호 라인(56)을 통해 송신 트랜스듀서(21)로 보내진다. 송신 트랜스듀서(21)은 증폭된 펄스를 물체 또는 물질(32)을 통해 송신되는 음향 신호로 변환시키고, 이 음향 신호는 음향 신호를 다시 전기적 신호로 변환시키는 수신 트랜스듀서(21)에 의해 수신된다. 전기 신호는 출력 신호(57)을 통하여 전기 신호를 증폭시키는 수신기 증폭기(59)에 제공된다.
여기 증폭기 회로(55)는 펄스형 출력을 발생시키도록 설계된 디지탈식으로 제어 가능한 회로인 것이 양호하다. 펄스의 증폭은 1에서 99까지의 스텝으로 다지탈 식으로 제어될 수 있다. 이 방식으로, 펄스는 이득도 디지탈식으로 조정할 수 있는 수신기/증폭기 회로(59)에 적합한 진폭의 수신 펄스가 수신될 때까지 디지탈 제어하에서 진폭이 반복적으로 증가될 수 있다.
수신된 음향 신호에 대해 수신 트랜스듀서(21) 및 증폭기 회로(59)의 감도를 최적화시키는 디지탈식으로 제어 가능한 자동 이득 제어 회로가 수신기 증폭기 회로(59)에 접속 및 통합된다. 마이크로프로세서(38)은 증폭기 회로 및 이득제어 회로(59)의 증폭 상태를 조절하기 위해 신호 라인(60)을 통해 증폭기 회로 및 자동 이득 제어 회로(59)에 접속된다. 증폭된 전기 신호는 리드(61)을 통해 이 신호들을 시간 간격을 두고 샘플링하는 A/D 변환기 (42)에 제공된다. 그 결과, A/D 변환기 (42)는 수신된 음향 신호를 효과적으로 샘플링한다. 거의 동일한 일련의 음향 신호들을 수신 트랜스듀서(21)이 수신할 때, A/D 변환기 (42)는 각 연속 신호 파형의 증가부를 점진적으로 샘플링한다. 마이크로프로세서(38)은 이 부분들이 단일 파형과 거의 동일한 디지탈 복한 파형을 형성하기 위해 조합되도록 프로그램된다. 이 디지탈화된 파형은 디지탈 디스플레이부(18)상에 디스플레이될 수 있거나, 디지탈 신호 프로세서(41)에 의한 수치 분석을 위해 프로세스 될 수 있다.
제1도 내지 제4도에 따라서 구성된 밀도계는 보전성 또는 밀도와 같은 멤버의 물리적 특성을 측정하기 위해 1가지 이상의 몇가지 다른 방법으로 동작될 수 있다. 더욱 상세하게 후술되는 다른 방법은 임상의학자에게 제공된 밀도계 사용 방식 설명 뿐만 아니라, 마이크로프로세서의 동작을 프로그램한 소프트웨어 둘다에 좌우된다. 다른 사용 방법은 단일 유니트로 모두 드로프램될 수 있고, 이러한 경우 사용자-선택 가능 스위치가 동작 모드를 선택하도록 제공되거나, 제공된 밀도계가 단일 모드 사용에 제공되도록 구성될 수 있다. 그리므로, 멤버의 물리적 특성을 측정하기 위한 밀도계를 사용하는 방법을 완전히 이해하기 위해서는, 밀도계 자체의 내부 동작을 이해해하는 것이 우선적으로 필요하다.
밀도계의 사용 방법에 있어서, 밀도계는 프로세스시에 특성이 측정되고 있는 멤버상의 소정 지점에 배치되게 된다. 이것은 멤버의 대향측 상에 트랜스듀서(21)을 배치함으로써 실행된다. 이것을 달성하기 위해, 트랜스듀스(21)이 환자의 발꿈치와 같은 멤버의 대향측상에 배치되도록 조정 가능 아암(16)을 이동시키기 위해 노브(19)를 풀어준다. 패드(26)의 외부면들은 초음파 겔(gel)(35)를 갖는 피실험자의 발꿈치, 또는 멤버(32)와 트랜스듀서(21)간의 음향 신호의 송신을 향상시키기 위해 패드(26)과 피실험자(32) 사이에 배치된 다른 결합 물질에 대비하여 배치될 수 있다.
트랜스듀서(21)이 멤버상에 올바르게 배치되면, 노브(19)는 그 사이에 멤버(32)와 서로 격설된 트랜스듀서(21)을 갖고 있는 조정 가능한 아암(16)을 제자리에 유지시키기 위해 조여진다. 그 다음에, 작동기 버튼(12)는 수신 트랜스듀서(21)에 의해 수신되는 음향 신호가 멤버를 통해 송신되도록 압압될 수 있다. 제4도의 전자 회로는 수신 트랜스듀서(21)로부터 전기 신호를 수신하고, 생체내 멤버(32)의 물리적 특성 및 보전성에 관한 정보를 얻기 위해 이 신호들을 샘플링 및 프로세스한다. 마이크로프로세서(38)은 이러한 정보수집(gatehering) 프로세스가 완료되는 때를 디지탈 디스플레이부(18) 상에 나타내도록 프로그램 된다. 대안으로, 정보 수집 프로세스가 왼료될 때 디지탈 디스플레이부(18)상에 그 정보가 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 멥버 (32)를 통과하는 음향 신호의 전이 시간이 디지탈 디스플레이부(18)상에 간단히 디스플레이될 수 있다.
제4도의 회로동작을 상세하게 고찰하면, 일반적인 개념은 회로가 피실험자(32)를 통해 송신 트랜스듀서(21)로부터 전해진 다음, 수신 트랜스듀서(21)에 의해 수신되는 초음파 펄스를 발생시키도록 설계되어 있다는 것이다. 이 회로는 멤버(32)를 통하는 펄스의 감쇠 상태를 확인하기 위해 멤버(32)를 통과하는 펄스의 전이시간을 결정하고, 펄스가 멤버(32)를 통과한 후에 펄스 파형의 디지탈 표시 상태를 재구성할 수 있도록 설계되어 있으므로, 펄스는 선택된 주파수에서의 감쇠를 결정하도록 분석될 수 있다. 이 목적들을 모두 달성하기 위해, 제4도의 회로는 마이크로 프로세서(38)의 제어하에 동작한다. 마이크로프로세서(38)은 소자 선택 신호 라인(36)을 통해, 각각의트랜스듀스(21)면 상의 대응쌍 또는 일단의 소자(a 내지 1)을 선택적으로 선택한다. 각 트랜스듀서 상의 대응 소자들은 각 트랜스듀서면상의 나머지 소자들이 비활성 상태인 동안 동시에 선택된다. 소정의 소자, 즉 선택된 예의 소자에 있어서, 마이크로프로세서는 외부 타이머(43)이 신호 라인(53)상의 펄스를 여기 증폭기 회로(55)로 방출하게 된다. 여기 증폭기(55)의 출력은 신호 라인(56)을 따라 송신 트랜스듀서(21)의 소자(a)로 전해지고, 그에 따라 펄스가 방출된다. 수신 트랜스듀서(21)상의 대응 소자(a)는 펄스를 수신하고, 그 출력을 신호 라인(57)을 통해 증폭기 회로(59)에 제공한다. A/D 변환기 (42)의 출력으로서 요구되는 것은 선택된 단일 트랜스듀서 소자의 출력인 아날로그 그 파형의 디지탈 표시이다. 불행하게 초음파 주파수에서 파형을 샘플링하기에 충분히 신속하게 동작할 수 있는 실시간 샘플링 A/D 변환기는 비교적 고가이다. 그로므로, A/D 변환기 (42)는 등가 시간 샘플링 A/D 변환기인 것이 양호하다. 등가 시간 샘플링이라는 것은, A/D 변환기 (42)가 소정의 초음파 펄스후에 단기간 동안 트랜스듀서의 출력을 샘플링한다는 것을 의미한다. 일반적인 개념이 제5도에 도시되어 있다. 수신 트랜스듀서(21)에 의해 수신되고, 신호 라인(57)상에 부과된 단일 펄스의 전형적인 파형이 함수 f로 나타내진다. 동일한 펄스가 여기 펄스가 반복적으로 발생되기 때문에 반복적으로 수신된다. 수신된 펄스 t0-t10으로 표기된 순차적인 시주기에서 샘플링된다. 다시 말해서, 신호(f)의 실시간 아날로그-디지탈 변환을 실행하려 하지 않고, 신호는 송신펄스가 부과되고, 각 시주기동안 아날로그값이 디지탈 함수로 변환되며, 데이터가 격납된 후에 각각 고정된 시주기(t0-t0)동안에 샘플링된다. 이렇게 하여, 전체 아날로그 그 파형 응답이 각 시주기(t)동안에 발생된 각 디지탈 값으로부터 재발생될 수 있고, 재발생 파형의 전체 충실도는 샘플링 되는 시주기의 수에 따라 변한다. 샘플링은 수신 트랜스듀서(21)로부터의 단일 실시간 펄스동안에는 달성되지 않는다. 그 대신에, 일련의 펄스들이 송신 트랜스듀서(21)로부터 방출된다. 외부 타이머는 신호를 신호 라인(51 및 52)를 따라 샘플링 A/D 변환기 (42)에 제공하도록 구성되므로, 아날로그값은 제1 펄스가 소정의 트랜스듀스 소자에 인가될 때인 시주기 t0에서 샘플링되고, 그 다음 제 2 펄스 동안의 시주기 t1, 제3펄스 동안의 시주기 t2등에서 등 모든 시주기가 샘플링 될 때까지 샘플링된다. 완전한 파형이 각 소자에 대해 샘플링된 후에만 다음 소자, 즉 소자(b)가 선택된다. A/D 변환기 (42)로부터의 출력은 마이크로 프로세서(38)과 신호 프로세서(41)에 제공된다. 그러므로, 제5도의 복한 파형 f를 나타내는 디지탈 출력값은 각 트랜스듀서 소자에 대해 컴파일된 후에 신호 프로세서(41)에 의해 프로세스될 수 있다. 그 다음에, 파형은 송신된 초음파 펄스의 특성에 관련된 소정의 주파수 성분에 대한 시간 지연 또는 감쇠에 대해 분석될 수 있다.
그 다음으로, 이 프로세스는 모든 소자들이 수신 틀랜스듀서 어레이(21)에 수신된 파형을 나타내는 디지탈 데이터를 발생시키기에 충분한 일련의 펄스를 송신하는데 사용되어질 때까지 다른 소자들에 대해서도 반복된다. 이러한 데이터는 멤버의 물리적 특성을 결정하고, 밀도계가 이용되는 방식 및 탐색될 데이터를 결정하기 위한 여려가지 방법에 사용될 수 있고, 적합한 출력이 디지탈 디스플레이(18)을 통해 마이크로프로세서(38) 또는 신호 프로세서(41) 둘 중의 하나로부터 제공될 수 있다.
초음파 펄싱 및 샘플링이 최소한 생체내에서 매우 신속하게 수행될 수 있기 때문에, 샘플링된 초음파 수신 펄스를 발생시키는 프로세스는 신호 평균으로 잡음을 감소시키기 위해 몇번 선택적으로 반복될 수 있다. 이러한 선택이 실행될 경우, 제5도에 도시된 바와 같은, 초음파 펄스를 반복적으로 발사(launch)하고 수신된 파형을 샘플링하는 프로세스는 다음 소자로 진행하기 전에 어레이내의 각 소자에 대해 1회이상 반복된다. 그 다음에, 이렇게 발생되어 샘플링된 파형은 소정의단일 샘플링된 파형보다 적은 불규칙 잡음 성분을 가질 복합 파형을 발생시키기 위해 디지탈식으로 평균화 될 수 있다. 잡음을 충분히 감소시키는데 필요한 횟수는 본 분야에 숙력된 기술자에게 공지된 형태로 검사함으로써 결정될 수 있다.
제1도 내지 제4도의 밀도계의 내부 동작을 참조하면, 멤버의 물리적 성질을 측정하기 위한 밀도계의 사용 방법을 이해할 수 있다. 제 1사용 방법은 피실험자를 통과하는 초음파 펄스의 전이 시간을 측정하여, 이 시간을 물과 같은 공지된 음향성질의 물질내의 동일 거리를 전이하는데 필요한 초음파 펄스의 전이 시간과 비교하는 것을 포함한다. 이러한 절차에 밀도계를 사용하기 위해, 조정가능한 아암(16)은 발꿈치와 같은 피실험자의 멤버가 트랜스듀서(21)들 사이에 고정될 때까지 조정된다. 그 다음으로 노브(19)가 조정가능한 아암을 제자지에 고정하기 위해 조여진다. 그 다음, 작동기버튼(12)는 펄스 및 측정을 개시하도록 압압된다. 그 다음, 밀도계는 트랜스듀서(21)들 사이의 거리가 동일하게 노브(19)가 조여진 동안 피실험자로부터 제거된다. 그 다음, 장치(10)은 증류수 욕조내로의 침수에 의해서와 같이 공지된 음향 성질을 갖는 표준 물질(32) 부근에 배치되거나 침수된다. 작동기 버튼(12)는 음향 신호가 물질(32)를 통해 송신 트랜스듀서(21)로부터 수신 트랜스듀서(21)로 송신되도록 다시 압압된다. 이것은 멤버의 측정용의 소자(a 내지 1)의 전체 어레이를 사용한다는 장점이 있지만 이것은 표준 물질이 멤버와는 다른지만 동종이라는 가정에서만 표준 물질을 통해 측정용의 소자의단일 쌍을 사용하는 것이 요구된다. 그 다음, 2가지 측정에 의해 수신된 신호 프로필(profile)은 마이크로프로세서(38) 및 신호 프로세서(41)에 의해 분석된다. 이 분석은 표준 물질에 비교하여 피실험자를 통과하는 펄스의 비교 전이 시간과 표준 물직에 비교하여 피실험자를 통과하는 주파수의 응답 및 감쇠 특성 모두에 제공될 수 있다.
그러므로, 이 방법으로, 밀도계는 2가지 형태의 분석들 둘 모두 또는 둘 중 하나에 의해 멤버(32)의 물리적 성질 및 보전성을 결정할 수 있다. 밀도계는 멤버를 통과하는 음향 신호의 전이 시간을 공지된 음향 성질의 물질을 통과하는 음향 신호의 송신 시간과 비교하고, 장치(10)은 멤버(32)를 통과하는 광대역 음향 신호의 주파수 함수로서 감쇠를 공지된 음향 성질의 물질을 통과하는 음향 신호 대응 특정 주파수성분의 절대 감쇠와 비교할 수 있다. 물질을 통과하는 음향 신호의 감쇠는 피실험자 또는 표준 물질을 통과하는 전파(propagatin)로부터의 초음파 파형의 하강이다. 이 방법들 둘 다를 사용하는 이론 및 실험은 로스만 피.제.이(Rossman P.J.), Measurements of Ultrasonic Velocity and Attenuation In The Human Os Calecis and Their Relationships to Photon Absorptiometry Bone Mineral Measurements (1989) (a thesis submitted in partical fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science at the University of Wisconson-Madison)내에 제공 및 기술되어 있다. 테스트를 통해 특정 주파수에서 초음파 감쇠[데시벨(dB)로 측정] 및 이들 주파수들 사이에 선형 관계가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 광대역 초음파 감쇠로 참조된 선형 관계의 기울기(dB/MHz)는 검사될 물질의 물리적 성질 및 보전성에 따라 변한다. 뼈에 있어서, 선형 관계의 기울기는 뼈 미네랄 밀도에 따라 변한다. 그러므로, 뼈를 통과하는 광대역 초음파 감쇠는 망상조직(cancellous)의 뼈 매트릭스의 질에 직접 관련된 파라메터이다.
그러므로, 마이크로프로세서(38)은 장치가 멤버 및 공지된 음향 성질의 물질을 통과하는 관련 전이 시간 및/또는 광대역 초음파 감쇠를 비교함으로써 멤버의 물리적 성질 및 보전성을 결정하도록 프로그램될 수 있다. 전이 시간 비교시, 마이크로프로세서(38)은 음향 신호들이 멤버를 통해 송신된 후에음향 신호가 수신되는 전자 회로가 멤버를 통과하는 음향 신호들의 멤버 전이 시간을 결정하고, 음향 신호가 공지된 음향 성질의 물질을 통해 송신된 후에, 물질을 통과하는 음향 신호의 물질 전이 시간을 결정하도록 가장 간단하게 프로그램 될 수 있다. 이 시주기들은 펄스의 발사 시간과 A/D 변환기 (42)에 수신된 펄스의 감지 시간 사이에 타이머(43)에 의해 방사된 공지된 주파수의 클럭 펄스수를 계산함으로써 가장 간단하게 측정될 수 있다. 그 다음, 마이크로프로세서(38)은 멤버 전이 시간을 물질 전이 시간과 수학적 시간 비교를 행한 다음, 수학적 시간 비교를 멤버의 물리적 성질 및 보전성에 관련 시킨다. 수학적 시간 비교는 멤버 전이 시간과 물질 전이 시간 사이의 차를 결정하거나, 멤버 전이 시간과 물질 전이 시간 사이의 비를 결정함으로써 실행될 수 있다.
밀도계를 사용하는 제2 방법으로서, 공지된 음향 성질을 갖고 있는 물질에 기준을 두지 않고 멤버를 통과하는 음향 신호의 광대역 주파수 성분의 절대 감쇠를 결정 및 비교함으로써 멤버(32)의 물리적 성질 및 보전성을 결정할 수 있다. 이 방법을 사용하면, 표준 상태와의 속도 비교가 불필요하고, 펄스의 절대 전이 시간은 측정되는 감쇠값이기 때문에 계산할 필요가 없다. 이러한 모드에서, 송신 트랜스듀서(21)은 간단한 초음파 펄스와 같은 광대역 주파수 성분을 갖고 있는 초음파 신호를 송신하는 것이 양호하다. 어느 경우에서든, 음향 신호는 적어도 1개의 특정 주파수 성분을 갖고 있다.
이 감쇠 비교모드에서, 마이크로프로세서(38)은 수신 트랜스듀서(21)이 뼈멤버(32)를 통해 송신된 음향 신호를 수시한 후에, 스펙트럼 멤버(32)를 통과하는 음향 신호의 주파수 성분 스펙트럼 멤버(32)를 통과하는 절대 감쇠를 결정하도록 프로그램된다. 이것은 여기 증폭기 회로(55) 및 수신기 증폭기(59)가 디지탈식으로 제어될 수 있는 증폭 레벨를 갖고 있는 감쇠 상태의 특성 측정에 용이하다. 연속 펄스상에서 증폭기(55 및 59)의 이득을 연속적으로 변화시킴으로써, 제 4도의 회로는 적합한 전압 레벨에 수신된 파형의 피크를 위치시키기 위해 어느 레벨의 이득이 필요한지를 결정할 수 있다. 이 이득은, 물론, 멤버(32)를 통과하는 전이중에 있는 음향펄스의 감쇠 레벨의 함수이다. 수신 트랜스듀서(21)이 음향 신호를 수신한 후, 신호프로세서(41)에 관련된마이크로프로세서(38)은 믈질을 통해 송신된 수신 음향 신호의 개별 특정 주파수 성분의절대 감쇠를 결정한다. 그 다음, 디지탈 신호 프로세서(41)은 멤버를 통과하는 대응 개별 특정 주파수 성분의 수학적 감쇠 비교를 행한다. 이에 의해 대응 주파수 성분들 사이의 한 셋트의 수학적 감쇠 비교가 얻어질 수 있고, 각 주파수 성분에 대한 수학적 감쇠 비교가 한 번의 비교로서 얻어질 수 있다. 그러므로, 이 방식으로, 주파수에 관련된 감쇠-함수가 도출될 수 있다. 그 다음, 마이크로프로세서(38) 및 디지탈 신호 프로세서(41)은 이 함수를 멤버의 물리적 성질 및 보전성이 관련된다.
제7도에는 샘플 광대역(broadband) 초음파 펄스 및 전형적인 수신 파형이 도시되어 있다. 매우광범위한 주파수 영역인 초음파 신호 즉, 광대역으로 송신된 신호를 활성화시키기 위해, 전자 펄스(70)가 송신 어레이(21) 내의 선택된 초음파 트랜스듀서에 인가되어 광대역 초음파 방사 상태로 공진한다. 그 다음, 제7도에서 시간 영역 신호도로 도시된 수신 신호(72)가 이산 퓨리어 변환 분석에 의해 프로세스되어 주파수 영역으로 변환된다. 제8도에는 장치 내에 배치된 기준 물체와 네오프렌의 플러그 사이의 수신 신호 강도의 이동이 주파수 함수로서 도시된 한쌍의 샘플 수신된 신호도가 주파수 영역도에 도시되어 있다. 제9도에는 수직 디멘젼에서의 상대적 감쇠를 사용하는 제8도와 유사한 수신된 신호의 절대 전력을 사용하는 비교가 도시되어 있다. 2개의 도면은 광대역 초음파 감쇠가 여러 가지 물체에서 어떻게 변화되는지를 도시한 상대적 강도의 차가 주파수 함수로서 도시되어 있다. 광대역 초음파 감쇠로 계산된 실제값은 기준 신호에 대해 수신 신호를 먼저 비교한 다음, 주파수 영역으로 변화시키기 위한 이산 퓨리어 변환을 수행한 다음, 광대역 초음파 감쇠를 도출하기 위해 감쇠 기울기의 차의 선형 회귀(regression)을 수행함으로써 계산된다.
수학적인 이산 퓨리어 변환은 뼈 멤버 밀도에 관련된 다른 파라메터가 감쇠되거나, 감쇠 대체시에 계산될 수 있도록 한 것이다. 이산 퓨리어 변환이 시간-영역 신호로 수행될 때, 각 지검에 대한 해는 실멤버 성분 및 허멤버 성분을포함한다. 제8도 및 제9도에 그래프로 도시된 값은 실성분 및 허성분의 제곱의 합의 제곱근을 취함으로써 이 이산 퓨리어 변환으로부터 결정된 바와 같은 수신된 펄스의 진폭값이다. 멤버를 통과하는 것과 같은 초음파 펄스의 위상면에서의 위상 변화각은 허성분 대 실성분비의 아크탄제트(arctangent)를 취함으로써 계산될 수 있다. 이 위상각값은 뼈 멤버 밀도로도 계산될 수 있다.
또한, 마이크로프로세서(38)은 밀도계가 함수 둘다를 동시에 수행되도록, 즉 멤버를 먼저 통과한 다음, 공지된 음향 성질을 갖고 있는 물질을 통과하는 송신된 음향 신호의 전이 시간과 절대 감쇠를 결정하도록 프로그램될 수 있다. 그 다음, 밀도계는 광대역 초음파 감쇠 함수를 유도하고, 멤버 전이 시간을 물질 전이 시간과의 수학적 시간 비교를 실시할 수 있다. 그 다음, 마이크로프로세서(38) 및 디지탈 신호 프로세서(41)은 감쇠 함수에 따르는 멤버의 물리적 성질 및 보전성, 또는 밀도의 비교에 관련한다.
가능한 또 다른 동작 모드에서, 마이크로프로세서(38)은 공지된 음향 성질의 물질을 통과하는 음향 신호의 상대적 전이 시간 또는 감쇠를 계산할 필요성이 제거되는 모드로 밀도계(10)이 동작하도록 프로그램될 수 있다. 이러한 모드로 동작하기 위해, 마이크로프로세서(38)은 트랜스듀서들 사이의 거리 또는 멤버의 두께 또는 크기 뿐만 아니라 검사될 각각의 연령, 신장, 체중, 인종 또는 성별과 같은 인자에 기초를 두고 있는 정상 절대 전이 시간의 데이터베이스를 포함한다. 이 정상 전이시간의 데이터베이스는 비휘발성 메모리 내에 격납되거나 다른 매체 내에 격납될 수 있다. 이 모드로 각각의 피검사자를 검사할 때, 각각의 피검사자에 대한 관련된 인자들이 이 인자들에 기초를 둔 적절한 정상 전이 시간을 선택하도록 마이크로프로세서(38)내에 배치된다. 트랜스듀서(21)은 상술한 바와 같이 검사될 뼈 멤버 상에 배치된다. 작동기 버튼(12)가 압압될 때, 음향 신호는 멤버(32)를 통해 송신된다.
수신 트랜스듀서(21)은 신호들이 멤버를 통해 송신된 후에 이 신호들을 수신한 다음, 전자 회로(31)은 멤버를 통과하는 음향 신호의 멤버 전이시간을 결정한다.
이 때, 마이크로프로세서(38) 및 디지탈 신호 프로세서(41)은 측정된 멤버 전이 시간을 선택된 데이터베이스 정상 전이 시간과 수학적으로 비교하고, 디스플레이되는 멤버의 물리적 성질 및 보전성, 또는 밀도와 수학적 시간 비교를 관련 시킨다.
본 발명의 밀도계의 교호적인 출력으로서, 디지탈 디스플레이(18)은 제3도에 도시된 바와 같은 트랜스듀서(21)의 면상에 소자의 어레이 패턴에 대응하는 디스플레이도 포함된다. 이 디스플레이는 측정될 파라메터에 비례하는 그레이(gray) 스케일 영상 즉, 전이 시간 또는 감쇠 상태를 각 소자(a 내지 1)에 대해 디스플레이 할 수 있다. 이 영상은 가시 지시를, 환자의 멤버의 현재의 물리적 성질에 대해 실험적 임상의학자에 제공한다.
제6도에는 본 발명에 따라 구성된 초음파 밀도계의 다른 실시예의 개략적인 회로도가 도시되어있다. 제6도의 회로내에서, 제4도와 구조적으로나 기능적으로 유사한 부분에는 유사한 참조 번호를 붙였다.
제6도의 실시예는 송신 및 수신 트랜스듀서 어레이로서 작용하는 단일 트랜스듀서 어레이(21)만으로 작용하도록 되어 있다. 임의의 반사면(64)는 트랜스듀서 어레이(21)로부터 멤버(32)의 대향측상에 배치될 수 있다. 물리적 스위치보다는 전기적 스위치가 양호한 디지탈식으로 양호하게 제어되는 다중폴(pole) 스위치(66)은 입력을 여기 증폭기(55) 또는 제어가능한 이득 수신기/증폭기 회로(59)에 접속하고, 트랜스듀서 어레이(21)의 소자로부터의 출력을 여기 증폭기(55) 또는 제어 가능한 이득 수신기/증폭기 회로(59)에 접속한다. 스위치(66)은 스위치 제어 라인(68)에 의해 마이크로프로세서(38)의 출력에 접속된다.
제6도의 회로 동작에 있어서, 이것은 제4도의 회로와 대부분 유사하게 작용 하므로, 차이점만을 기술한다. 초음파 펄스가 제공되는 동안, 마이크로프로세서(38)은 스위치 제어라인(68) 상에 신호를 발생시켜 스위치(66)이 여기 증폭기(55)의 출력을 트랜스듀서 어레이(21)내의 선택된 소자에 접속시키도록 한다. 펄스의 제공이 완료된 다음에, 마이크로프로세서(38)은 입력으로서 선택된 소자 또는 소자들을 증폭기(59)에 접속시키도록 스위치(66)이 동작하도록 스위치 제어 라인(68)상의 신호를 변화시킨다. 한편, 펄스는 멤버(32)를 통해 전파된다. 펄스가 멤버를 통과하여 전이하기 때문에, 펄스가 멤버내의 상이한 물질의 경계면을 넘어갈 때, 특히 멤버의 대향측에서 멤버를 대기 상태로 배출할 때 반사 펄스가 발생될 수 있다. 멤버에서 대기 상태로의 송신이 충분한 반사 펄스를 발생시키지 않는 경우, 반사면(64)가 증강된 반사 펄스를 제공하기 위해 멤버의 대향측에 배치될 수 있다.
그러므로, 제6도의 실시예는 한 트랜스듀서(21)만을 사용하여 멤버의 물리적 성질 및 보전성을 분석하는데 사용될 수 있다. 이러한 측정에 대해 상술한 모든 방법은 이같은 범주의 장치에 동일하면서 효과적으로 사용될 수 있다.
멤버를 통과하는 펄스의 전이 시간은 반사된 펄스가 수신될 때가지의 시주기를 측정한 다음, 2로 간단히 제산함으로써 간단하게 측정될 수 있다. 이 시주기는 물과 같은 표준 매체를 통과하는 유사한 거리에 걸쳐 전이 시간과 비교될 수 있다.
또한, 반사 펄스의 수신을 위한 시기는 연령, 성별 등에 대한 표준값과 간단히 비교될 수 있다. 상이한 주파수 측정을 검출하기 위한 감쇠 측정은 반사된 펄스에 관해서 직접 실행될 수 있다. 반사면(64)를 사용하지 않고 절대 전이 시간을 결정하는 것이 요구되는 경우, 멤버 또는 샘플의 두께가 측정될 수 있다.
제3도에 도시된 바와 같은 트랜스듀서(21)용 다수-소자 초음파 트랜스듀서 어레이를 사용하면 제1도 내지 제9도의 장치의 다른 유리한 장점을 가능케 한다.
종래의 밀도계를 사용하면, 유용한 결과를 얻기 위해서는 측정될 환자의 신체 멤버에 관련된 장치를 정확하게 위치시키는 것을 필요로 한다. 이것은 실제 멤버의 뼈질량 및 구조적 이형(heterogenity)으로 인해 매우 어렵다. 한위치에서 취해진 밀도의 측정은 바로 곁에서 취해진 측정과는 상당히 다를 수 있다. 그러므로, 종래 기술의 장치는 측정이 정확한 위치에서 매번 취해질 수 있도록 멤버에 정확이 고정된다.
초음파 트랜스튜서 어레이를 사용하면 이러한 정확한 위치에 대한 필요가 없어진다. 제1도 내지 제9도의 장치를 사용하면, 이 장치는 펄스 및 응답을 수행하고, 이산 퓨리어 변형을 수행하며, 트랜스듀서 소자(a 내지 1)의 각 쌍에 대한 뼈 초음파 감쇠 값을 발생시킨다. 그 다음, 마이크로프로세서(38)이 동일한 관심 부위에 대해 반복 실시한 뼈 초음파 밀도 측정의 어레이를 분석한다. 다시 말해서, 트랜스듀서의 물리적 어레이가 매번 한 공통 관심 부위를 최소한 확실하게 커버할 수 있을 만큼 충분히 크기 때문에, 측정은 어레이에 의해 측정되는 위치들 중에서 측정용으로 적합한 위치를 전기적으로 선택함으로써 매 회 동일한 장소에 위치될 수 있다. 제1도 내지 제9도의 장치는 환자의 발꿈치를 통해 측정된 바와 같은 아스 칼시스의 밀도 측정에 적합하게 사용된다. 이러한 위치에서 사용될 때, 아스 칼시스 내의 관심 부위는 어레이 내의 지점에서 뼈 초음파 감쇠의 비교에 기초하여 확실하고 반복적으로 위치 될 수 있음이 밝혀졌다. 아스 칼시스 내의 괌신 부위는 신체 멤버 내의 더높은 감쇠값의 영역을 국부적으로조정하는 뼈 초음파 감쇠 및/또는 속도에서 국부적이거나 상대적으로 최소인 것으로 확인된다. 그러므로, 동일한 관심 부위에서의 뼈 초음파 감쇠값의 반복적 측정은 비록 밀도계 장치(10)이 각 연속 측정에 대해 동일 위치에만 일반적으로 배치될지라도 재생될 수 있다.
위치 제한성을 피하기 위해 다중 소자 어레이를 사용하는 이 기술은 본 명세서에 기술된 바와 같은 광대역 초음파 감쇠 결정 이외에도 다른 기술에 적용할 수 있다. 측정 장소를 결정하기 위해 어레이를 사용하고, 어레이 결과를 비교하는 개념은 음성 전이 시간의 속도, 감쇠의 다른 측정 또는 상술한 위상각의 계산에 기초하여 멤버-밀도를 취하는 측정에 동일하게 적용할 수 있다. 관심 부위의 한 소자의 자동 선책을 갖는 이러한 다중-소자 어레이를 사용하면, 패트(Patt)에게 허여된 미합중국 특허 제4,361,154호에 제안된 바와 같이 송신된 펄스의 속도 변화를 측정하거나, 후프(Hoop)에게 허여된 미합중국 특허 제3,847,141호에 제안된 바와 같이 싱-어라운드(sing-arround) 자체-트리거링 펄스의 주파수를 측정하는 것과 같은 뼈 멤버밀도에 관련된 파라메터를 발생시키기에 유용한 다른 측정 기술에도 적용된다. 위치 독립 특성을 허용하는 이 개념은 재생 기준 또는 몇몇 기준에 의해 선택되는 관심 부위로부터 데이타 지점의 어레이를 발생시는 측정 어레이의 개념이다. 또한, 어레이내의 소자수는 동일한 관심 부위를 식별할 때 보다 높은 정확도를 발생시키는 보다 많은 수의 소자로 변환될 수 있다.
이 방식으로, 본 발명의 초음파 밀도계는 방사선을 사용하지 않고 생체내 멤버의 물리적 성질을 신속하고 효과적으로 결정할 수 있는 장치를 제공한다. 이 밀도계가 마이크로프로세서(38)의 제어하에서 동작하도록 구성되기 때문에, 상술한 바와 같은 몇가지 모드들중 한 모드로 동작하도록 프로그램될 수 있다. 이것은 장치를 효과적인 장치의 사용뿐만 아니라 다양한 임상 목적들에 사용될 수 있도록 한다.
본 발명은 본 명세서에 기술된 실시예 및 설명에 특히 제한적이지만, 본 발명의 청구 범위를 벗어나지 않고 변형시킬수 있다.

Claims (10)

  1. 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치에 있어서, 경로를 따라 음향 신호를 송신하고, 상기 음향 신호의 경로를 따라 전이한 후에 상기 음향 신호를 수신하기 위한 적어도 1개의 초음파 트랜스듀서, 멤버가 경로를 따라 위치될 때 상기 멤버를 통과하는 상기 음향 신호의 멤버전이 시간을 결정하고, 표준 재료가 상기 경로를 따라 위치될 때 표준 물질을 통과하는 상기 음향 신호의 표준 재료전이 시간도 또한 결정하도록 동작가능한 수단, 상기 표준 재료 전이 시간에 대한 상기 멤버 전이 시간의 수학적 시간 비교를 실시하기 위한 수단, 및 상기 수학적 시간 비교로부터 도출되고, 멤버의 물리적인 특성들에 관계가 있는 출력을 발생시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 수학적 시간 비교를 실시하기 위한 수단이 상기 멤버 전이 시간과 상기 재료 전이 시간 사이의 차를 취하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 수학적 시간 비교를 실시하기 위한 수단이 상기 멤버 전이 시간과 상기 재료 전이 시간 사이의 비율을 취하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 피검사자의 연령, 신장, 몸무게, 인종 및 성별과 같은 적어도 1개의 인자에 따라 색인된 복수의 재료 전이 시간을 저장한 데이터베이스 수단을 포함하고, 수학적 시간 비교를 실시하는 상기 수단이 데이터베이스로부터 재료 전송 시간을 얻는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  5. 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치에 있어서, 경로를 따라 음향 신호를 송신하고, 상기 음향 신호의 경로를 따라 전이한 후에 상기 음향 신호를 수신하기 위한 적어도 1개의 초음파 트랜스듀서, 멤버가 경로를 따라 위치될 때 상기 멤버를 통과하는 음향 신호의 멤버 전이 시간을 결정하고, 표준 재료가 경로를 따라 위치될 때 표준 재료를 통과하는 음향신호의 표준 재료 전이 시간도 또한 결정하도록 동작가능한 수단, 멤버가 경로를 따라 위치될 때 상기 멤버를 통과하는 음향 신호의 적도오 1개의 주파수 성분의 멤버 감쇠를 결정하고, 표준 재료가 경로를 따라 위치될 때 표준 재료를 통과하는 음향 신호의 적어도 1개의 대응하는 주파수 성분의 재료 감쇠도 또한 결정하도록 동작가능한 수단, 재료 전이 시간에 대한 멤버 전이 시간의 수학적 시간 비교 및 재료 감쇠에 대한 멤버 감쇠의 수학적 감쇠 비교를 실시하기 위한 수단, 및 수학적 시간 비교 및 수학적 감쇠 비교로부터 도출되고 멤버의 물리적인 특성들에 관계가 있는 출력을 발생시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서, 멤버 감쇠를 결정하도록 동작가능한 상기 수단이 넓은 범위의 주파수들을 동시에 병합한 1개의 음향 신호를 송신하고, 상기 1개의 음향신호로부터 멤버를 통과하는 음향 신호의 적오도 2개의 주파수 성분들의 감쇠를 결정하기 위해 채택된 것을 특징으로하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전상을 측정하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서, 수학적 감쇠 비교를 실시하는 수단이 멤버 감쇠와 재료 감쇠 사이의 차에서 선형적인 역행을 수행하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  8. 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치에 있어서, (a) 액정 재료를 포함하기에 적합하고, 그안에 사람의 발꿈치 멤버를 수용할 수 있는 크기 및 형상으로 된 용기, (b) 선정된 고정 간격으로 용기내에 배치되고, 사람의 발꿈치 멤버가 용기내에 있을 때 음향 신호가 1개의 초음파 트랜스듀서로부터 발사되며, 상기 음향 신호가 상기 멤버를 통과한 후 다른 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되도록 배치된 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서, (c) 상기 멤버와 관련한 복수의 주사 위치들 사이에서 발사된 음향 신호를 경추를 따라 이동시키기 위해 2개의 초음파 트랜스듀서와 통신하는 주사 수단, (d) 각각의 주사 위치에서 상기 멤버를 통과하는 상기 음향 신호의 전파와 관련된 해당 멤버 파라미터들을 결정하기 위해 복수의 주사 위치에서 상기 멤버를 통과하는 음향 신호의 전파와 관련된 멤버 파라미터를 결정하도록 상기 음향 신호를 측정하기 위한 수단, (e) 각각의 상기 주사 위치에서 상기 멤버의 파라미터를 멤버의 뼈 보전성과 관련 시키기 위한 수단, 및 (f) 적어도 1개의 상기 주사 위치들의 뼈 보전성 값의 가시 표현을 디스플레이하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치
  9. 제8항에 있어서, 각각의 트랜스듀서들이 활성 영역들의 어레이를 포함하고, 발사된 음향 신호를 경추를 따라 이동시키기 위해 주사 수단이 2개의 트랜스듀서들 사이의 활성 영역들 중 해당 영역을 전기적으로 활성화시키는 것을 특징을 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
  10. 제8항에 있어서, 멤버 파라미터들이 광대역 초음파 감쇠이고, 뼈 보전성 값의 가시 표현을 디스플레이하기 위한 수단이 높은 초음파 광대역 감쇠 영역내에서 국부적인 최소 광대역 초음파 감쇠인 뼈 보전성 값들의 디스플레이를 위해 주사 위치를 선택하는 것을 특징으로 하는 생체내 멤버의 물리적 특성 및 보전성을 측정하기 위한 장치.
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