KR100755041B1 - 대상물의 물리적 특성 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

물리적인 특성을 측정하기 위한 장치는 검사할 대상물(14)이 본체(10)의 요부(12) 내에 정확하게 위치하게 되는 때를 결정하기 위한 수단(20)을 포함한다. 유리한 실시예에 있어서, 상기 대상물은 발이며, 상기 장치는 골 다공증의 발현을 결정하는데 유용하다. 초음파 송신 장치(34)는 본체(10) 내에 미끄럼 가능하게 수용된 제 1 중공 컨테이너(30) 내에 탄성적으로 장착되어 있다. 송신 장치(34)는 대상물(14)을 향해서 가압되지만 이 이동은 제한되어 있다. 송신 장치(34)로부터 이격된 압전식 초음파 수신 장치(48)는 또한 본체(14)를 향해서 돌출되어 있다. 초음파 수신 장치(48)는 본체(10) 내에 미끄럼 가능하게 수용된 제 2 중공 컨테이너(52) 내에 탄성적으로 장착되어 있다. 대상물(14)은 두께 모드에 있어서 송신 장치(34)를 공진시켜서 획득되는 제 1 주파수 및 반경 방향 모드에 있어서 공진에 의해 획득되는 제 2 저주파수에 노출된다.

물리적인 특성, 측정, 대상물, 요부, 발, 골 다공증, 초음파 송신 장치, 압전식 초음파 수신 장치, 탄성, 공진, 주파수.

Description

대상물의 물리적 특성 측정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE PHYSICAL CHARACTERISTICS OF AN OBJECT}

본 발명은 대상물의 물리적 특성을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치 및 방법은 뼈의 물리적인 특성을 측정하는 데 특정하게 응용할 수 있으며, 따라서 골 다공증 및 골 연화증을 진단할 수 있다는 의의가 있다. 그러나 본 발명은 재료의 구조적인 특질을 평가하고, 상기 구조에서의 미세한 변화를 검출하는 일반적인 응용도 가능하다. 뼈와 같은 비균질 재료의 완전도(integrity)를 결정하는 데 특정한 의의가 있으나, 본 발명은 상기 두 가지 측면에 있어서, 보다 응용 범위가 넓다.

골 다공증은 뼈의 열화에 의한 것을 특징으로 하는, 남성 보다는 여성에게 더욱 일반적인 신체적인 이상이다. 뼈는 점점 더 다공성이 되어가며 또한 부서지기 쉽게 된다. 골 다공증은 현재로서는 뼈의 밀도와 탄성도를 측정하는 것에 의해서 진단된다. 고밀도만으로는 뼈의 내골절성을 결정할 수 없다. 뼈의 밀도가 상당히 높다고 하더라도, 여전히 부서지기 쉬울 수 있으며, 따라서 파손될 가능성이 있다. 뼈의 밀도를 측정하기 위한 종래 기술의 방법은, 최적의 치료 및 진단 절차를 확립하는 데 필요한 뼈 밀도의 작은 변화를 결정하는 데 필요한 정도의 정밀도가 없었다.

골 연화증은 뼈의 연화가 발생하는 신체적인 이상이다. 연화는 뼈로부터 칼슘을 흡수한 결과이다. 이는 특히 임신한 여성에게서 발생하며, 비타민 D의 식이 요법 상의 결핍과 관련된 것으로 추정되고 있다.

공동 출원 중인 발명자의 1993 년 2 월 17 일자 미국 특허 출원 번호 제 018,709 호는 대상물의 물리적인 특성을 측정하기 위한 장치를 개시하고 이를 청구하였다. 상기 장치는 대상물을 수용하기 위한 욕조를 가지고 있으며, 대상물은 욕조 내에 고정될 수 있다. 욕조로 액체가 공급된다. 대상물의 온도 이상으로 되도록 액체의 온도를 제어할 수도 있다. 초음파 송신 장치는 대상물을 관통하여 신호를 전송하며, 초음파 수신 장치는 이 신호를 수신한다. 대상물의 신호의 속도를 계산할 수 있다. 이 장치는 골 다공증을 진단하는 데 유용하다.

발뒤꿈치 뼈는 측면이 상대적으로 평행하기 때문에 초음파 측정에 적합하다. 발뒤꿈치 뼈는 주로 지주골(trabecular bone)로 구성되어 있다. 이러한 뼈의 탄성도와 강도는 그 판상 구조에 의해서 결정된다. 지주골이 어떻게 결합되었는지가 뼈의 체적 또는 다른 어떠한 특성보다도 더 중요하다. 강성과 강도는 질량보다는 기하학적인 형상의 문제이다. 지주골의 배치와, 이것이 제공하는 연속성은 지주골의 경도를 결정하는 데 있어서 단단한 조직의 작용에 필요한 체적 또는 중량보다 더 중요한 파라미터이다. 이와 같은 사실 때문에, 뼈 내부에서의 소리의 속도와 감쇠 측정법을 사용하는 공지된 방식은, 일견 괜찮은 이론적인 방법으로 보여지기는 하지만, 골 연화증을 진단하는 데에는 만족스럽지 못하며, 따라서 그러한 방법으로는 어떠한 치료 과정의 효율성을 평가할 수 없었다.

기존의 방법과 관련된 또 다른 문제점은 기준 또는 표준에 대한 의존성이다. 표준을 사용하는 것은 임의의 측정에 대해서 추가적인 에러를 생성하게 된다. 이 에러에 추가하여, 균질 조성을 가진 표준의 사용은 그러한 조성이 인체의 뼈와 관련성이 별로 없기 때문에 바람직하지 못하다. 즉, 인체의 뼈는 비균질 재료이다.

골 다공증을 진단하는 데에는 X선법이 사용되었지만, 역시 불만족스러운 것으로 밝혀졌다. 이러한 방법들은 밀도만을 측정하며, 따라서 구조에 대한 어떠한 양적인 평가를 제공하지는 못하였다. 이러한 방법들이 이온화 방사선을 생성하기 때문에 X선은 이상과 같은 목적으로는 적절하지 않다.

어떠한 공지 기술도 뼈의 구조, 밀도 및 뼈 내부에서의 소리의 속도를 단일 장치를 사용하여 측정하는 능력을 제시하지는 못하였다. 단일 장치의 사용은 골다공증의 조기 발견 뿐만 아니라 골 다공증의 정도에 대한 보다 정확한 평가를 가능하게 한다.

모든 기존의 방법은 기구의 전자적인 안정성에 매우 의존한다. 이는 매우 바람직하지 못한 것이다. 또한, 제조 과정으로 인하여 변환 장치의 특성이 균일하지 못하게 될 수도 있다.

또한, 반복 측정을 위해 발뒤꿈치를 재배치시키는 정밀도가 종래 기술에서는 그다지 만족스럽지 못하였다. 또한, 후속하는 측정에 적합하게 동일한 조건, 특히 동일한 접촉 압력으로 발뒤꿈치에 변환 장치를 다시 가하는 것도 종래 기술에 있어서 양호하게 행해지지 못했다.

본 발명은 종래 기술에서의 단점을 해소하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 측정에 있어서 에러를 도입시키지 않고도 기구의 베이스 라인 동요(base line drift)를 감안할 수 있다. 본 발명은 또한 매우 정밀하게 발뒤꿈치의 위치 설정이 가능하며, 후속하는 측정에 적합하게 발뒤꿈치의 위치 설정을 용이하게 반복할 수 있다.

본 발명의 특별한 장점은 본 발명이 자체 조정형(self-calibrating)이라는 것이다.

따라서, 그 장치적인 측면에 있어서, 본 발명은 대상물의 초음파 측정을 수행하기 위한 초음파 장치로서,

초음파 에너지 펄스를 생성하기 위한 초음파 송신용 변환 장치와,

송신용 변환 장치로부터의 에너지 펄스를 수신하기 위한 초음파 수신용 변환 장치를 포함하되,

송신용 변환 장치와 수신용 변환 장치는 이들 사이에 대상물을 수용하도록 이격되어 있으며, 동시에 각각의 송신 및 수신용 변환 장치는, 반경 방향 축과 길이 방향 축(종축)을 가지고 있고, 또한 변환 장치들이 에너지 펄스에 반응하여 반경 방향 및 종축 방향으로 자유롭게 진동하고 최소한 두 개의 공진 주파수를 가지도록 탄성적으로 장착되어 있고,

또한, 대상물의 초음파 측정을 수행하기 위해 대상물을 관통하여 송신된 이후에 수신용 변환 장치에 의해서 수신된 에너지 펄스를 분석하기 위한 수단을 포함하는 대상물의 초음파 측정을 수행하기 위한 초음파 장치가 제공된다.

일 실시예에 있어서, 본체는 대상물을 수용하는 요부(recess)를 구비하고 있다. 대상물을 향해서 송신 장치를 가압하는 수단은 이후에 본체 내의 요부 내로 송신 장치를 가압하도록 작용한다.

유리하게는 상기 대상물은 발이다.

본 발명은 도면에서 도시된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 평면도.

도 1a는 도 1의 상세도.

도 2는 도 1의 장치의 측면도.

도 3a 및 도 3b는 도 1 및 도 2의 추가적인 상세도.

도 4a는 본 발명의 장치와 함께 사용되는 초음파 송신 장치의 상세도.

도 4b는 본 발명의 장치와 함께 사용되는 초음파 수신 장치의 상세도.

도 5는 본 발명에 적합한 장치의 개략도.

도 6은 신호 송신부 및 처리부를 구비한 컴퓨터 및 제어 회로를 도시한 도면.

도 7a, 도 7b 및 도 7c는 개괄도.

도면들은 대상물의 물리적인 특성을 측정하기 위한 장치를 도시한다. 특히 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 장치는 도 1a에서 도시한 바와 같이 통상적으로는 발인 대상물(14)을 수용하기 위한 요부(12)를 구비하는 본체(10)를 가지고 있다. 장치는 대상물이 요부 내에 정확하게 위치되는 때를 결정하기 위한 수단을 구비하고 있다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 수단은 다수의 압력 센서로 구성된다. 도 1a에서 도시한 바와 같이 발뒤꿈치와 접촉하기 위한 압력 센서(16)가 있으며, 도 1a에 다시 도시한 바와 같이 발뒤꿈치 아래와 접촉하는 한 쌍의 압력 센서(18)가 있다. 이들 센서의 동작은 이하에서, 특히 도 5를 참조로 하여 설명되어진다.

게다가 또한, 도 1의 장치는 대상물이 발(14)인 경우에 요부 내에서의 대상물의 정확한 위치 설정을 결정하는 데에도 유용한 발가락 안정 장치(20)를 구비하고 있다. 발가락 안정 장치(20)는 단차가 형성되어 있으며, 발의 발뒤꿈치에 대해서 압력 센서(16 및 18)로부터 멀리 떨어진 요부(12)의 일부에 수용된다. 특히 도 1a에서 도시한 바와 같이, 사용자의 엄지 발가락이 발가락 안정 장치에 위치하게 되며, 따라서 위치 설정이 이루어진다. 안정 장치는 요부 내에 제거 가능하게 부착되는데, 이는 왼쪽 또는 오른쪽 발의 어느 쪽에라도 사용할 수 있음을 의미하는 것이다. 안정 장치(20)를 제거를 용이하게 하기 위해서 도 1에서 도시된 스프링 부하식 장착 장치(22)를 구비하고 있다.

측정 중에 요부(12) 내에서 사용되어지는 액체를 유지하기 위한 충전 캡(26)을 가지는 저장조(24)가 제공된다. 그러나, 이 점에 있어서, 유체를 사용한다는 점이 강조되어야 하지만, 실제로는 유체를 수용하기 위한 요부(12)의 사용은 본 발명의 장치에 필수적인 것은 아니다. 본 장치의 장점은, 최소한 본 출원인 자신의 종래 기술과 비교하였을 때, 유체 저장조(24), 요부(12), 및 유체의 가열 등은 본 발명의 장치에 있어서 필수적인 것이 아니라는 점이다. 점성 유체 또는 겔이 발뒤꿈치와 변환 장치 사이에 삽입될 수도 있다. 다른 응용에 있어서, 대상물이 불규칙한 표면을 가지는 경우에 측정될 대상물을 완전히 잠기게 할 수도 있다.

도면에 도시된 것과 같은 본 발명의 장치는 저장조(24) 내에 포함된 액체, 따라서 요부(12) 내의 액체를 측정 중에 평가될 대상물의 온도 보다 약간 높은 온도로 유지할 수 있도록 하는 가열 수단(25)(도 5 참조)을 구비한다. 이는 물과 같은 액체에 있어서의, 초음파의 반사를 간섭하는 거품의 형성을 방지한다.

대상물(14)을 관통하여 신호를 전송하는 압전식 초음파 송신 장치(28)가 구비된다. 특히 도 3a, 도 3b 및 도 4a에서 도시한 바와 같이, 초음파 송신 장치(28)는 본체(10) 내의 요부(32) 내에 미끄럼 가능하게 수용되는 제 1 중공 컨테이너(30)를 포함한다. 도 4a에서 도시하고 있듯이, 세라믹 송신 장치(34)는 제 1 중공 컨테이너(30)의 면판(36: face plate)에 부착되어 있다. 컨테이너(32)는 이하에서 설명하는 펄스 증폭 장치까지 연장되는 연결부(38)를 구비하고 있다.

게다가, 컨테이너(32)는 컨테이너(32)를 밀봉하고 또한 본체(10) 내부에서의 컨테이너(32)의 이동을 용이하게 하기 위한 그 외부에 위치하는 O 링(40)을 구비하고 있다. 그 후단 단부에는, 도 4a에 도시한 바와 같이 스프링 챔버(44)에 컨테이너(32)를 부착시킬 수 있게 하는 스터드(42)가 제공된다.

장치는 또한, 특히 도 3a 및 도 4b에서 도시한 바와 같이, 요부(12)의 맞은 편에서 초음파 송신 장치(28)로부터 이격된 압전식 초음파 수신 장치(46)를 구비한다. 초음파 송신 장치(28)의 제 1 중공 컨테이너(30)와 마찬가지로, 수신 장치(46) 또한 그 외측 표면 상에서의 O 링(49)을 가지고 있다. 수신 장치(48)를 포함하고 있는 초음파 수신 장치(46)는 실린더(52)의 단부판(50) 상에 장착된다. O 링(49)이 실린더(52)의 외측 주위에 구비되며, 연결부(56)를 관통하여 마이크로 프로세서에 부착되는 예비 증폭 장치(54)가 제공된다. 또한, 실린더(52) 내부에는 절연 스페이서(58)가 구비된다.

제 1 중공 컨테이너(30)는 컨테이너로부터 연장되는 볼트(31)를 가지고 있다. 퀼(quill)(33)이 볼트(31)에 접착되어 있고, 광학적 자(optical ruler)(35)를 따라서 이동한다. 이는 제 1 중공 컨테이너(30)의 위치를 결정하고 그에 따라 초음파 송신 장치(28)의 위치를 결정하는 데에 사용된다.

송신 장치와 수신 장치 둘 모두에 있어서, 면판(36 및 50)은 바람직하게는 탄성적이며, 압전식 초음파 송신 장치 및 수신 장치(34 및 48)는 세라믹 변환 장치이며, 탄성적으로 장착된다. 유리한 실시예에 있어서, 면판(36 및 50)은 실린더(32 및 52)에 대한 탄성 밀봉부로서 기능하고 압전식 세라믹에 대한 지지 구조로서 작용하는 접착성 밀봉제로 만들어진다. 유리한 실시예에 있어서, 면판(36 및 50)은 장치에 대해서 집중시키는 장치로서도 작용한다.

초음파 송신 장치(28)는, 도 3b에 도시되어 있고 내부 스프링(60)을 포함하고 있는 스프링 챔버(44)의 제공에 의해서 본체(10) 내의 요부(10) 내로 가압된다. 스프링 챔버(44)는 도 4a에 도시된 스터드(42)를 수용하는 나사 형성된 개구(62)를 가지고 있다. 스프링(60)은 스피링 챔버(44)의 단부(62) 및 스프링 챔버(44)의 외부로 연장되는 로드(66) 상에 장착되는 피스톤(64)과 접촉한다. 피스톤은 스프링(60)을 가압하도록 작용한다. 구멍(69) 내에 수용되는 스크류(67) 형태로서의 수단으로서 피스톤(64)의 위치와 그에 따라 스프링(60)의 장력을 정하기 위한 수단이 제공되며, 이는 도 3a에 가장 잘 도시되어 있다. 도 3b에 도시된 다른 장치에 있어서, 칼라(65)는 본체(10)에 장착되어 있고, 전형적으로 요부(68) 형태로서의 결합 수단을 구비하고 있다. 로드(66) 상의 돌출부 또는 결합 기어(70)는 칼라(65) 내의 요부(68)와 결합 가능하다. 로드(66)는 또한 회전 가능한 핸들(72)을 가진다.

이상의 장치를 이용하면, 로드(66)는 적절한 장력이 스프링(60)에서 달성될 때까지 내부로 가압되며, 이후에 회전되어 칼라(65) 또는 요부(68) 형태의 결합 수단이 서로 결합하여 피스톤(64)의 위치를 고정하게 되고 그에 따라서 스프링(60)의 장력을 정하게 된다.

스프링(60)의 장력은 통로(76)를 관통하여 위치하여 스프링 챔버(44) 내에 제공되는 채널(80) 내로 나일론 베어링(78)이 내부로 압축되어지는 스크류(74)의 사용에 의해서 미리 설정될 수도 있다.

도 5는 장치의 제어를 도시한 것이다. 마이크로 프로세서(82)는 압력 센서(16 및 18)로부터의 신호를 수신하며, 포트(84)를 관통하여 요부(12)의 충전과 비움, 및 요부 내의 유체의 온도를 제어하는 작용을 한다. 교류 전원 공급 장치(86) 및 장치를 제어하는 온오프식(on/off) 릴레이(88)가 제공된다.

마이크로 프로세서(82)는, 관련 소프트웨어에 따라서 도 5에 도시되어 있는 펌프(90) 및 모터 작동식 밸브(94)를 사용하여 요부(12)의 충전 및 비움을 확인하게 된다. 마이크로 프로세서(82)는, 요부(12)가 바람직하지 못한 온도에서는 액체, 통상적으로 물이 충전되지 않도록 하고, 또한 적절한 상태로 요부(12)가 충전되고 비워지게 한다. 또한, 발뒤꿈치가 적절하게 위치되지 않고서는 판독을 하지 못하도록 보장한다. 이는 압력 센서(16 및 18)로부터의 신호를 스캐닝(scanning)하여 수행된다.

퀼(33)로부터의 정보 또한 마이크로 프로세서(82)에 저장된다.

도 6은 제어 회로를 도시한 것이다. 마이크로 프로세서(82)는 송신용 FiFo(first in first out) 메모리(96)로 송신용 파형의 디지털 방식의 표시를 생성한다. 마이크로 프로세서(82)는 송신용 디지털/아날로그(D/A: digital/analog) 게인 및 수신용 예비 증폭 장치(98)에서의 게인을 설정한다. 마이크로 프로세서는 비디오 D/A 파워 증폭 장치(100) 및 초음파 송신 장치(28)를 통해서 송신용 FiFo(96)으로부터 파형 송신을 시작하게 된다. 발(14)의 발뒤꿈치를 관통하여 통과하게 되는 초음파 송신 장치(28)로부터의 음향 에너지는 수신용 변환 장치(46)에 의해서 탐지되며, 신호는 비디오 A/D 컨버터(102)에 의해서 디지털화되는 프로그램 가능한 게인 예비 증폭 장치(98)에 의해서 증폭되며, 수신 장치용 FiFo 메모리(104)에 저장된다. 마이크로 프로세서(82)는 이후에 수신용 FiFo 메모리(104)로부터 수신된 파형을 추출하고, 분석을 수행한다. 마이크로 프로세서(82)는 이후에 저장 및 디스플레이를 위하여 분석용 수신 파형을 개인용 컴퓨터(106)로 전송한다.

도면에서 도시된 것과 같은 본 발명의 장치를 작동시키기 위해서는, 마이크로 프로세서는 온도를 자동적으로 제어하고, 비워진 욕조를 충전하고, 환자의 이름 및 다른 데이터를 기록하도록 프로그램된다. 이 모든 정보는 도 6에 도시된 것과 같이 제어된다. 이러한 소프트웨어는 매우 잘 공지되어 있기 때문에 개략적으로 도시하였다.

저장조(24)가 충전되고, 저장조 내의 온도는 대상물, 전형적으로는 발의 온도보다는 요부 내에서 몇도 정도 높아지도록 충분히 상승된다. 환자의 발은 세제로 세척하고 헹구고 완전하게 건조시킨다. 작은 양의 습윤제를 저장조에 첨가한다. 발뒤꿈치는 이후에 발뒤꿈치의 배면 및 발바닥 부위에 대해서 특정한 압력이 가해지도록 욕조(12)에 위치되어지며, 이 정보는 압력 센서(16 및 18)에 의해서 마이크로 프로세서로 전달된다. 도 5에 도시된 발바닥 센서(18)에 의해서 측정되어지는 발바닥 압력이 동등하지 않는 경우에는, 무릎을 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동시켜서 동일한 압력을 달성하도록 한다. 이는 발뒤꿈치 뼈를 변환 장치에 대해서 수직으로 정렬시키게 된다. 무릎은 검사 도중에 동일한 위치에 유지된다.

수직으로 도시된 오프(off) 위치의 손잡이(72)는 발뒤꿈치에 대한 사전에 정하여진 접촉 압력이 달성될 때까지 가압된다. 손잡이(72)는 이후에 온(on) 위치가 수직으로 될 때까지 회전하여, 다시 말하자면 로드(66)가 칼라 내에 고정되게 된다. 이에 의하여 리테이너 스크류가 스프링(60)을 압축 위치로 유지할 수 있다. 수신 장치용 압전식 소자 및 관련된 기계적인 장착부는 수신 장치가 자유롭게 진동하게 하고 케이싱에 대한 에너지 손실이 최소화되게 한다. 이 구조에 있어서, 변환 장치는 두 개의 강력한 공진 주파수, 즉 171,400 Hz 및 668,400 Hz를 가진다. 주된 수신 장치용 주파수는 전자인 171,400 Hz이다. 이들 자유롭게 공진하는 주파수의 효과는, 수신 장치가 작은 양의 초음파 에너지와 충돌하였을 때 또는 다량의 초음파 에너지를 수신하는 끝 무렵에 수신 장치가 171,400 Hz로 진동하려는 강력한 경향을 나타낸다는 것이다. 이러한 경향의 강도는 세라믹 재료의 탄성 계수인 상수에 직접적으로 의존한다. 따라서 이 재료는 조정(calibration)이나 참고 기준을 필요로 하지 않는다. 이들 수신 장치의 특성 및 공진 주파수는 후술하는 방식대로 뼈의 완전도(integrity)를 결정하는 데에 유용하게 사용된다.

송신 장치가, 말하자면, 668,400 Hz에서 두 개의 사이클의(사인 곡선인) 초음파를 생성하는 경우에, 수신 장치는 668,400 Hz로 진동하게 되며, 이후에 진동이 끝나기 전까지 171,400 Hz에서의 진동으로 이행하게 된다. 668,400 Hz에서 진동하는 수신 장치에 의한 에너지 소모와 171,400 Hz에서의 진동에 의한 에너지 소모는 수신된 초음파의 진폭에 의존하며, 이는 다시 발뒤꿈치에 의해서 흡수되는 에너지에 의존한다. 신호가 수신 장치에 도달하게 되면, 마이크로 프로세서는 도 6의 설계에 따라서 프로그램 가능한 게인 예비 증폭 장치 상에서의 사전에 정하여진 게인 조절을 수행한다. 이는 정확한 분석에 필요한 충분한 크기의 트레이스를 생성한다. 따라서 분석에 필요한 트레이스의 진폭이 미리 정하여진 진폭으로 증가하거나 감소하기 때문에, 이는 발뒤꿈치 뼈의 밀도 또는 두께와는 무관하다고 할 수 있다. 따라서 사람이 나이가 들어가면서 뼈의 밀도가 손실되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 구조의 손실은 골절을 초래할 수 있는 심각한 사태가 된다. 따라서 이 방법에 있어서, 양호한 뼈 품질은 나이가 들어감에 따라서 감소하게 되는 뼈의 밀도와는 달리 65세의 나이에서 25세의 나이와 동일한 값을 가질 수 있다.

뼈의 완전도를 측정하는 유용한 방법은 저주파수는 80 KHz 내지 245 KHz, 그리고 고주파수 성분에 대해서는 245 KHz 내지 860 KHz 에서의 상술한 수신된 파형의 스펙트럼 분석에 의해서 달성될 수 있으며, 다음의 공식에 따라서 % 비율을 형성한다.

T-지수 =

이 수식은 새로운 형태의 지수를 산출하고, 골 다공증의 T-지수 또는 지주골 지수로 명명되며 이러한 명칭은 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 일반적으로, 80 % 내지 90 %의 T-지수값은 건강한 뼈를 나타낸다. 80 % 이하의 값으로의 감소는 구조적인 문제의 증대와 상호 관계가 있다. 골절을 초래하는 구조적인 문제를 가진 뼈에서는 30 % 정도의 낮은 값이 나타난다. 구조적인 완전도가 측정되기 때문에, 이 검사는 골 연화증 및 골 다공증을 구별할 수 있는데, 구조의 완전도가 후자에서는 영향을 받지만 전자에서는 그렇지 않기 때문이다.

본 발명에 따른 다른 대안적인 방법에서는, 스펙트럼 분석의 필요성이 없어진다. 이러한 대안적인 방법에 따르면, 송신 장치는, 말하자면, 668,400 Hz에서의 초음파의 2 사이클 사인파 버스트(Sinewave burst)를 생성하며, 트레이스가 기록된다. 단일 사이클의 제 2 트레이스는 171,400 Hz에서 발생되며, 수신된 파형이 원래의 파형과 마찬가지로 동일한 진폭이 되도록 진폭이 조절된다. 이제 두 개의 파형은 최소 차이 파형이 얻어지도록 맞추어질 수 있다. 파형에서 차이가 나는 영역은 상술한 비율에서의 고주파수 성분이며, 제 2 파형의 영역은 동일한 비율의 전체 영역이다. 이 방법은 복잡한 스펙트럼 분석이 불필요하며, 보다 높은 수준의 정밀도를 달성하게 된다.

구조적인 완전도를 제공하는 것에 추가하여, 본 발명의 장치는 뼈의 밀도 및 뼈 내부에서의 소리의 속도를 측정할 수 있다. 밀도와 속도가 골 다공증의 초기 단계를 탐지해 내지는 못하지만, 이들은 이 질병이 얼마나 진행되었는지의 징후를 제공한다. 지주골 (구조) 지수 측정법과는 달리, 밀도와 속도 측정법은 발뒤꿈치 폭을 측정할 필요가 있다. 도면에서 도시된 퀼(33)은 초음파 송신 장치(28)의 수평 방향으로의 이동을 기록한다. 퀼(33)은 변환 장치(28 및 46) 사이에 공지된 폭의 게이지를 삽입하는 것에 의해서 0으로 된다. 이 폭은 프로그램 내로 삽입되며, 퀼(33)에 의해서 후속하는 측정에 추가된다.

뼈의 밀도를 측정하기 위한 이론적인 원리는 다음과 같다.

저주파수파(즉, 171,400 Hz)가 사람들 간의 차이가 매우 작게 감쇠되면서 발뒤꿈치 뼈를 통과하는 것을 알 수 있었다. 반면에, 훨씬 높은 주파수파(즉, 668,400 Hz)는 사람에 따라서 상당한 감쇠에서의 차이를 나타내었다. 이들 관찰 결과에 의해서 이하와 같이 뼈의 밀도를 측정하기 위한 자체 조정형의 방법이 가능하였다. 단일한 개인, 유리하게는 건강한 남성에 대해서 다수의 측정을 수행하였다. 이러한 측정은, 저주파수(171,400 Hz)에서 송신하고 기록 장치에서 전압 기록의 편의를 위한 진폭 크기인 진폭 180 유닛(180 units of amplitude)을 얻기 위하여 필요한 전압을 기록하는 것으로 이루어진다. 획득된 가장 낮은 값은 변환 장치와 발뒤꿈치 사이에서의 최적의 결합을 나타내는 것이다. 이 전압값은 프로그램에 삽입되고, 저주파수 표준화 인자(L.F.N.F.: Low Frequency Normalization Factor)로 부르며 모든 환자에 대한 밀도 측정에서 사용된다.

작동 시에는, 발뒤꿈치를 제 위치에 유지시키고, 저주파수 및 고주파수 펄스(171,400 Hz)에 적합하게 기록 장치에서 180 유닛을 달성하는 데에 필요한 전압이 마이크로 프로세서에 의해서 증가되거나 감소되며, 밀도의 계산은 다음과 같이 행한다.

본 발명은 팬텀(phantom: 참고 표준)을 필요로 하지 않기 때문에 종래의 장치에 비해서 뼈의 밀도를 보다 정확하게 측정한다. 또한, 검사 대상물과 변환 장치 사이에서의 결합의 형태는 에러의 원인이 되지 않는데, L.F.N.F.가 이에 대해서 보정하기 때문이다.

발의 위치는 속도 측정을 위해서 계속 유지된다. 발뒤꿈치를 관통하여 이동하는 펄스에 대해서 시간 간격을 기록하는 것에 의해서, 또한 발뒤꿈치의 폭을 이 시간으로 나누는 것에 의해서 속도는 미터/초로 결정된다. 고주파수 트레이스(668,400 Hz)는 펄스의 도착 시간을 표시하는 데에 사용된다. 이것은 트레이스의 시작이 잘못 한정되는 경우에 컴퓨터가 검출하기에는 어려운 것이다. 트레이스는 사람 눈으로 트레이스의 시작을 검출 할 수 있도록 예비 증폭기에 의해서 증폭된다. 컴퓨터는 모니터 상에 표시된 대로 용이하게 파형과 베이스 라인의 제 2 교차 시점을 측정하게 된다. 이 시간 간격이 측정되었고, 모든 환자에 대해서 2.026 마이크로초로 비교적 일정한 것으로 나타났다. 컴퓨터가 분석에 사용되는 트레이스의 베이스 라인의 제 2 교차를 용이하게 탐지하기 때문에, 펄스의 정확한 도착 시간을 제공하기 위해서 제 2 교차 시점으로부터 상술한 상수값인 2.026을 뺀다. 시간이 매우 정확하게 측정된다는 독특한 특성 이외에도, 속도 측정에 의한 탐지법과 그것을 뼈의 측정에 사용하는 것은 문헌에 잘 나타나 있으며, 추가적으로 부연 설명을 하지는 않는다.

다른 장치들과는 달리, 상기 방법은 뼈의 품질에 관한 세 가지의 파라미터, 즉 구조적인 완전도, 뼈의 밀도 및 뼈 내부에서의 소리의 속도 등을 측정할 수 있다. 이는 골 다공증을 조기 탐지할 수 있게 하며, 신체 상태를 교정하는 데에 필요한 치료상의 절차를 평가해준다.

본 발명이 특히 골 다공증에 관한 방법 및 장치의 사용에 대해서 설명되어 있지만, 이 장치 및 방법은 식품류, 펄프 및 제지류, 석유 화학 제품, 제약류, 도료, 낙농품 등과 같은 가공 산업에서의 가공 제어에도 직접적으로 응용할 수 있다.

펄프 및 제지류 산업을 예를 들면, 상기 "T-지수(t-index)"를 사용하여 유동하고 있거나 고정된 샘플(도 7a 참조) 내에 있는 펄프 내의 물의 양을 표시하는 데에 사용할 수도 있다. 물에 대한 펄프의 비율이 더 높을수록 "T-지수"는 더 높아진다.

식품류 산업에서의 고형분을 예로 들면, 액체 내의 미립자가 많으면 "T-지수"가 높아진다.

밀도 측정을 예로 들면, 산업계 전반에 걸쳐서 밀도 측정에 대해서는 문헌이 잘 구비되어 있다. 그러나, 사용되어 온 초음파 방법은 본 발명에서의 방법 정도로 정밀하지는 않다.

다른 응용에 있어서, 더 높은 강도의 소리가 필요할 수도 있다. 이 경우에 있어서, 접착식 밀봉제의 변환 장치 면판(face plate)은 도 7b 및 도 7c에 도시되어 있는 것처럼 소리 빔(beam)을 집중시킬 수 있도록 형성되어 있다. 이러한 더 높은 강도도 불충분한 경우에는, 수신용 및 송신용 변환 장치는, 변환 장치의 몸체가 오른 나사를 가진다고 가정했을 때 시계 방향으로 이들을 회전시켜서 함께 더욱 근접시킨다. 모든 응용에 있어서, 두 개의 공진 주파수를 사용하며, 더 높은 주파수와 더 낮은 주파수는 두께 및 반경 방향 모드로 동작하고 진동의 감쇠를 최소화하기 위해서 장착되는 압전식 세라믹에 의해 달성된다.

상술한 방법 및 장치가 특히 골 다공증의 진단과 관련하여 설명되었지만, 골 연화증과 골 다공증을 구별하는 데에도 사용이 가능하며, 또한 산업계에서, 예를 들어 식품류, 펄프 및 제지류, 석유 화학 제품, 제약류, 도료, 낙농 산업과 같은 산업에서의 가공 제어에도 직접적으로 응용할 수 있다. 응용 분야가 펄프 및 제지류라고 가정한다면, 이 산업에서의 한 가지 응용 분야는 펄프의 슬러리 내의 물의 양을 측정하는 것이다. 물에 대한 펄프의 비율이 더 높을수록 상술한 바와 같은 지수는 더 높아진다. 스펙트럼 분석 및 차이 곡선의 양자로부터 정보가 제공될 것이다.

이를 결정하는 것을 가능하게 하는 장치는 도 7a, 도 7b 및 도 7c에 도시되어 있으며, 여기에서 단순한 컨테이너(110)는, 내부에서 송신 장치(114) 및 수신 장치(116)가 나사가 형성되고 밀봉된 부재 상에 장착되는 파이프 라인(112) 내에 설치되어 있다. 도 6에서 도시된 것과 같이, 필요한 신호가 얻어지고 해석된다. 관련된 장치는 도 7a, 도 7b 및 도 7c에서는 도시하지 않았다. 도 7b 및 도 7c에는 집중시키는 부재로서 작용하는 면판의 특정한 예가 제공되며, 그러한 이유로 오목한 요부(122)가 구비되어 있다.

다른 응용에 있어서, 높은 강도의 소리가 필요할 수도 있다. 이 경우에 있어서, 변환 장치 면판은 도 7b에서 도시하고 있듯이 소리를 집중시킬 수 있도록 형성되어 있다. 높은 강도가 달성되지 않은 경우에는, 수신용 및 송신용 변환 장치는 나사부 상에서 이들을 시계 방향으로 회전시킴으로써 함께 더욱 근접될 수 있다. 공진 주파수가 항상 사용되며, 세라믹 부분을 구비함으로써 더 높은 주파수 및 더 낮은 주파수는 각각 두께 및 반경 방향 모드로 작동한다.

본 발명의 이 측면은 매우 중요하다. 발생 장치로부터 매체로의 출력을 효율적으로 전달하기 위해서는 음향학적으로 두 가지가 반드시 정합(matching)되어야 한다. 세라믹의 비 음향 임피던스(specific acoustic impedance)는 대략 30 mRayls이고, 물의 비임피던스는 1.5 mRayls이다. 변환 장치로부터 매체로의 에너지의 전달이 최대가 되도록 불연속성을 평탄화해야 할 필요가 있다. 세라믹과 물 사이의 중간 정도의 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가지는 재료의 층을 두 가지 사이에 삽입하는 것에 의해서, 약 3.5 mRayls의 임피던스를 가진 폴리머를 사용하여, 양호한 정합이 제공된다. 이들은 쉽게 입수가 가능하다. 이들 내부에서의 소리의 속도는 약 초당 2400 미터이며, 필요한 두께는 사용되는 주파수에 따라서 변경될 수도 있다.

두 개의 변환 장치는 모두 공기 배킹(air-backed)되어 있다. 송신 장치는 씨5400-네이비 타입 I(C5400-Navy Type I) 재료로 형성되며, 반면에 수신 장치는 씨5500-네이비 타입 II(C5500-Navy Type II) 재료로 형성된다. 양자의 직경은 0.5 인치이며, 양자의 두께는 0.1 인치이다. 변환 장치 본체의 외경은 약 1 인치여야 하며, 내경은 약 0.6 인치라야 한다. 세라믹이 단지 0.5 인치이기 때문에 몸체와 측정될 대상물 사이에서의 세라믹의 압축이 방지된다. 단지 면판(face plate)만이 대상물과 본체 사이에서 압축된다. 밀봉제의 특성은 밀봉제가 강력한 접착성을 지니고 있으며, 유연하게 유지되고, 또한 전류에 대해서 비전도성이라는 것이다. 이런 용도로 바람직한 재료는 일렉트릭 프라덕츠(Electric Products)로부터의 상표 이 6000(E 6000)으로 입수 가능한 것이 있으며, 이것은 스티렌 기반의 접착 밀봉제이다. 밀봉제와 변환 장치 세라믹의 기하학적 형상, 즉 직경 대 두께가 5대 1의 비율인 디스크 형태가 결합된 효과와 세라믹 장착 기법은 두 개의 변환 장치가 반경 방향 모드 및 두께 방향 모드의 둘 모두에 있어서 공진하도록 허용한다. 이는 반경 방향 모드에 있어서 저 공진 주파수를 제공하고, 진동의 두께 방향 모드에 있어서 고 공진 주파수를 제공한다. 이 세라믹 장착 방법 및 유연하거나 탄성적인 면판의 사용은 고효율의 변환 장치를 제공할 뿐만 아니라 실질적으로 동일한 특성을 가지는 압전식 변환 장치들의 제조를 가능하게 한다. 변환 장치의 기하학적인 형상은 반경 방향 모드가 선호되는 것이다. 즉, 더 높은 공진 주파수의 단일 에너지 버스트가 수신 장치에 수신되는 경우에, 두께 모드에 있어서 이러한 더 높은 주파수에서 진동을 시작하게 되며, 수신된 버스트의 에너지에 비례해서 반경 방향 모드로 변하게 된다. 다시 말하자면, 두께 모드에서 소모된 시간의 길이는 수신된 버스트의 에너지에 비례한다. 진동에 있어서 반경 방향 모드 및 두께 방향 모드 사이에서의 이와 같은 경합은 세라믹의 탄성 계수에 기초하는 것이며, 탄성 계수가 일정하고 따라서 조정(calibration)의 필요성을 피할 수 있게 됨에 따라서, 자체 기준을 제공하게 된다.

본 발명을 명확하게 하고 이해하도록 하기 위해서 예시적인 방식에 의해서 일부 상세하게 설명하였지만, 첨부된 특허 청구 범위의 범위 내에서 어느 정도의 변경 및 변형을 실시할 수 있음은 명백하다.

Claims (35)

1. 대상물의 물리적 특성을 측정하기 위한 장치로서,

   송신용 제1 변환 장치와, 수신용 제2 변환 장치를 포함하고,

   송신용 제1 변환 장치와 수신용 제2 변환 장치는 이들 사이에 대상물을 수용하도록 이격되어 있고, 각각의 송신용 제1 변환 장치 및 수신용 제2 변환 장치는 반경 방향 축과 종축을 가지며 에너지 펄스에 응답하여 반경 방향 및 종축 방향으로 진동할 수 있도록 탄성적으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 밀봉되고 탄성적인 단부판을 가지는 이격된 동축(同軸)의 중공(中空) 몸체들을 구비하고, 상기 중공 몸체들의 단부판에 상기 송신용 제1 변환 장치 및 수신용 제2 변환 장치가 장착되는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 송신용 제1 변환 장치 및 수신용 제2 변환 장치는 두 개의 면을 가진 디스크 형태의 세라믹 변환 장치이며, 직경은 그 두께보다 5 배 크며, 동시에 디스크의 면 중 하나는 중공 몸체의 단부판에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 중공 몸체들의 단부판은 초음파 에너지 펄스를 집중시키기 위한 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 단부판은,

   (1) 변환 장치 및 중공 몸체에 강력하게 접착되며,

   (2) 부식제, 산, 및 오일에 대해서 불활성이며,

   (3) 주조 가능하며,

   (4) 전기적으로 비전도성인 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 단부판은 스티렌 기반의 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 대상물은 인체의 일부이며, 단부판은 변환 장치의 단부 표면과 인체 조직 사이에서 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가지는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
8. 제 2 항에 있어서,

   중공 몸체들 내에 장착된 송신용 제1 변환 장치 및 수신용 제2 변환 장치를 미끄럼 가능하게 수용하고, 대상물을 수용하기 위한 하우징(housing)과,

   대상물이 하우징 상에 정확하게 위치되는 때를 결정하기 위한 수단과,

   대상물을 향해서 송신용 제1 변환 장치를 가압하는 수단과,

   송신용 제1 변환 장치의 이동을 제한하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 대상물을 수용하기 위한 하우징 내부의 요부(recess)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 대상물이 정확하게 위치되는 때를 결정하기 위한 수단은,

    대상물의 아래쪽와 접촉하게 되는 요부 내의 제 1 압력 센서와,

    대상물의 후방과 접촉하게 되는 요부 내의 제 2 압력 센서와,

    압력이 정확하게 제 1 압력 센서 및 제 2 압력 센서에 가해질 때 신호를 생성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 두 개의 제 1 압력 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 대상물이 발인 경우에, 대상물이 정확하게 위치되는 때를 결정하기 위한 수단은 발이 정확한 위치에 있는지를 확실하게 하기 위해 발가락의 측면과 접촉하도록 요부 내에 장착된 발가락 안정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 발가락 안정 장치는 다양한 크기의 발에 적합하도록 단(段)이 형성된 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
14. 제 12 항에 있어서, 발가락 안정 장치는 왼쪽 발 및 오른쪽 발 양자와 함께 사용하도록 가역성이 있는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
15. 제 9 항에 있어서, 대상물을 향해서 송신용 제1 변환 장치를 가압하는 수단은 송신용 제1 변환 장치를 포함하고 있는 중공 몸체에 부착된 스프링 챔버 내에 장착된 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 스프링은 스프링 챔버의 한쪽 단부와 접촉하며, 스프링 챔버는 스프링을 압축하기 위해서 스프링과 접촉하는 피스톤과, 피스톤의 위치를 고정시키고 따라서 스프링의 장력을 고정시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 피스톤은, 스프링 챔버의 외부로 연장되고 하우징의 외부로 연장되는 로드(rod) 상에 장착되며,

    하우징 상의 칼라는 제 1 결합 수단을 구비하고,

    로드 상에는 제 2 결합 수단이 구비되어 제 2 결합 수단은 제 1 결합 수단과 결합 가능하며, 여기에서 로드의 회전은 제 1 및 제 2 결합 수단의 결합을 해제하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
18. 대상물의 물리적인 특성을 측정하기 위한 방법에 있어서,

    대상물을 동일한 압전식 초음파 송신 장치로부터의 공진 주파수에 노출시키는 단계를 포함하고,

    두께 모드에서의 공진에 의해서 제 1 공진 주파수가 획득되고, 그보다 낮은 제 2 공진 주파수는 반경 방향 모드에서의 공진에 의해서 획득되는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적인 특성의 측정 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 대상물을 관통하는 통로 상에서 감쇠가 적은 저주파수 성분을 찾아내는 것과 대상물을 관통하는 통로 상에서 감쇠가 큰 고주파수 성분을 찾아내는 것에 의해서 최적의 고주파수와 저주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적인 특성의 측정 방법.
20. 뼈의 스펙트럼 분석 방법에 있어서,

    방형파의 방사에 의한 고주파수에 기인하는 에러를 제거하기 위해서 뼈를 관통하여 사인파 버스트(sine wave burst)를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뼈의 스펙트럼 분석 방법.
21. 압전식 변환 송신 장치의 반경 방향 공진 및 두께 모드 공진을 사용하고 수신된 전체 에너지의 백분율로서 에너지를 표시하여, 고주파수 버스트에 의해 대상물을 관통하여 송신되는 에너지를 측정하기 위한 방법에 있어서,

    (1) 수신 장치에 의해서 출력되어지는 전압 트레이스를 기록하는 단계와,

    (2) 스펙트럼 분석 또는 트레이스의 차이에 의해서 트레이스를 분석하는 단계와,

    (3) 식

    

    의 값을 계산함으로써, 기준을 사용할 필요없이 고주파수 성분에 대한 신호 통과의 백분율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 측정 방법.
22. 수신 및 발신 변환 장치를 가지는 장치 내부의 변환 장치의 감도를 증가시키기 위한 방법으로서, 동일한 주파수에서 공진하는 압전식 변환 장치를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 삭제
24. 결합 매체(coupling medium) 내에서의 가변성에 기인하는 에러를 제거함으로써 기준을 사용하지 않고도 압전 변환 송신 장치의 공진의 반경 방향 모드 및 두께 모드를 사용하는 뼈의 밀도 측정 방법에 있어서,

    (1) 일반적인 피검사체에서의 복수의 측정값을 사용하여 최소 전압을 찾아서 장래의 측정에 사용될 수 있는 진폭을 얻기 위해서, 피검사체들 사이의 감쇠의 차이가 고려되지 않을 정도로 뼈를 관통하는 통로 상에서의 감쇠가 작게 되는 저주파수 버스트의 최소 전압을 결정하되, 여기에서 최소 전압은,

    

    에 의해서 모든 피검사체의 모든 후속 측정에서 사용되는 저주파수 표준화 인자(L.F.N.F.: low frequency normalizing factor)가 되도록 하는 단계와,

    (2) 볼트/mm로 표시되는 밀도는,

    

    의 수식에 따라서 복수의 10 대 후반의 청소년에 대한 측정으로부터 결정되어지는 것을 특징으로 하는 뼈의 밀도 측정 방법.
25. 결합 매체(coupling medium)에 의한 에러를 제거하기 위해 압전식 변환 장치의 공진의 반경 방향 모드 및 두께 모드를 사용하는 방법에 있어서,

    수신 장치에서 미리 정하여진 고정된 전압을 획득하기 위해서 대상물들 사이의 감쇠의 차이가 고려되지 않을 정도로 대상물을 관통하는 감쇠가 작은 저주파수의 펄스를 송신하는 단계와,

    전체적으로 동일한 결합 매체를 사용하여 장시간에 걸쳐서 상기 대상물 상에서 상기 측정을 반복하고, 고정된 전압을 달성하기 위해서 송신 장치/변환 장치에서 필요로 하는 가장 낮은 전압을 기록하는 단계와,

    상기 주파수 전압을 저주파수 표준화 인자(L.F.N.F.: low frequency normalizing factor)로서 사용하는 단계와,

    저주파수 버스트를 전송하고 후속해서 고주파수 버스트를 전송하는 단계와,

    고주파수 성분을 표준화(normalizing)하기 위해서 L.F.N.F.를 분자로서, 저주파수를 분모로서 표현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 대상물을 관통하여 송신되는 고주파수 버스트의 에너지를 측정하기 위한 방법에 있어서,

    두 개의 작동 모드, 즉 두께 작동 모드와 반경 방향 작동 모드를 가지는 압전식 세라믹 변환 장치를 사용하여 수신된 에너지를 기록하는 단계와,

    수신된 에너지의 트레이스의 스펙트럼 분석을 수행하는 단계와,

    고주파수 성분의 영역을 결정하는 단계와,

    대상물과 표준과의 조성 또는 구조의 차이를 표시하기 위해서, 상기 고주파수 성분의 영역과 이미 알고 있는 특징을 가지는 표준 대상물을 통과한 고주파수 성분의 영역을 비교하는 단계를 포함하는 에너지 측정 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 수신된 에너지를 측정하기 위한 외부 기준의 필요성을 제거하기 위해 세라믹 변환 장치의 탄성 계수를 사용하는 것을 특징으로 하는 에너지 측정 방법.
28. 불감쇠성이 큰(highly undamped) 압전식 세라믹 초음파 변환 장치를 사용하고 반경 방향 및 두께 모드로 작동하는, 대상물을 관통하는 음파(音波)의 이동 시간을 측정하기 위한 방법에 있어서,

    음파의 트레이스를 증폭하는 단계와,

    수신된 음파의 트레이스와 베이스 라인의 제 1 교차 시점을 측정하는 단계와,

    복수의 유사한 대상물을 측정하여 교차 시점 차이의 평균값과 그에 따라서 일정한 시간 간격을 얻는 단계와,

    마이크로 프로세서에 의해서 결정되는 상기 트레이스와 베이스 라인의 제 2 교차 시간으로부터 상기 평균값을 빼기 위해서, 상기 평균값을 마이크로 프로세서에 삽입하는 단계를 포함하며,

    이에 따라서 대상물을 관통하는 음파의 이동 시간을 정확하고 신뢰성 있게 획득할 수 있는 것을 특징으로 하는 음파의 이동시간 측정 방법.
29. 제 28 항에 있어서, 시간 상수는 668,400 Hz에서 사람의 발뒤꿈치 뼈에 대해서 2.026 마이크로초로 결정되는 것을 특징으로 하는 음파의 이동시간 측정 방법.
30. 제21항에 있어서, 제24항에서 정의된 수식을 이용함으로써 뼈의 구조적인 완전도(integrity)의 지수를 얻기 위한 방법으로서, 높은 백분율은 양호한 구조를 나타내고, 80% 이하의 값은 점진적으로 더 불량한 뼈임을 나타내는 것을 특징으로 하는 에너지 측정 방법.
31. 제1항에 있어서, 상기 장치는 대상물의 초음파 측정을 수행하기 위한 초음파 장치이고,

    상기 송신용 제1 변환 장치는 초음파 에너지 펄스를 생성하기 위한 초음파 변환 장치이고,

    상기 수신용 제2 변환 장치는 송신용 제1 변환 장치로부터의 에너지 펄스를 수신하기 위한 초음파 변환 장치인 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
32. 제1항에 있어서, 상기 송신용 제1 변환 장치와 수신용 제2 변환 장치는 압전 변환 장치인 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
33. 제1항에 있어서, 상기 송신용 제1 변환 장치와 수신용 제2 변환 장치는, 에너지 펄스에 응답하여 반경 방향 및 축 방향으로 자유롭게 진동하고 최소한 두 개의 공진 주파수를 가지도록, 각각 탄성적으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
34. 제1항에 있어서, 상기 송신용 제1 변환 장치와 수신용 제2 변환 장치는 하나의 면(face)에 의하여 하나의 탄성 면판(face plate) 상에 각각 장착되는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.
35. 제1항에 있어서, 대상물의 초음파 측정을 수행하기 위해 대상물을 관통하여 송신된 이후에 수신용 변환 장치에 의해서 수신된 에너지 펄스를 분석하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 물리적 특성 측정 장치.

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