專利名稱：活體骨強(qiáng)度超聲分析的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定活體骨強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法和儀器，特別是應(yīng)用超聲能量來(lái)確定活體骨強(qiáng)度的方法和儀器。
骨質(zhì)疏松癥是一種復(fù)雜的、尚未完全搞清楚的疾病，這種疾病會(huì)影響整個(gè)骨骼系統(tǒng)。這里“骨質(zhì)疏松癥”一詞是指以骨強(qiáng)度退化并最終導(dǎo)致骨折為特征的一些狀況。
要想了解骨強(qiáng)度，必須首先搞清骨的結(jié)構(gòu)和成份。所有的骨骼是由同樣的結(jié)構(gòu)要素組成的，即骨膠原、結(jié)晶鈣和組織液，但每一個(gè)人的骨骼結(jié)構(gòu)都有顯著的差異。骨骼系統(tǒng)一般可分為兩大類皮質(zhì)骨(致密的)和松質(zhì)骨(海綿狀的)。身體中大多數(shù)骨頭都包含上述兩類。致密的皮質(zhì)骨形成外殼，海綿狀松質(zhì)骨作為內(nèi)核被圍在中間。松質(zhì)骨是由許多片和柱(稱作骨小梁)交織而成的三維網(wǎng)絡(luò)以及組織液構(gòu)成，而組織液是由紅色和黃色的骨髓及其它微量物質(zhì)組成。
近期研究表明，骨機(jī)械強(qiáng)度的退化源于三種各不相同而又彼此相關(guān)的機(jī)理。普遍認(rèn)為第一種機(jī)理是骨質(zhì)量的減少。對(duì)所有的人來(lái)講，這一過(guò)程從二十幾歲就開始了。文獻(xiàn)確證，骨強(qiáng)度隨著骨質(zhì)量減少而降低?？蓞⒖?，例如Goldstein，S.A.，“小梁骨的機(jī)械性質(zhì)與解剖學(xué)位置和功能的依賴關(guān)系”，生物力學(xué)雜志(J.Biomechanics)第20卷第十一、十二期，1055-1061頁(yè)，1987年。
第二種對(duì)骨強(qiáng)度退化具有潛在重要性的機(jī)理是骨基質(zhì)本身質(zhì)量的退化。最近發(fā)現(xiàn)的證據(jù)提出小梁骨中骨膠原的生化穩(wěn)定性隨著年齡的增長(zhǎng)而減退。參看Oxlund，H.，Mosekilde，L.，Ortoft，G.，“人類小梁骨骨膠原穩(wěn)定性相對(duì)于年齡的變化”(摘要＃97)，國(guó)際骨質(zhì)疏松癥討論會(huì)會(huì)議文集(ProceedingsoftheInternationalSymposiumonOsteoporosls)，編輯J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，Aalborg，丹麥，1987年9月27日-10月2日。此外，婦女發(fā)生骨質(zhì)疏松時(shí)，即出現(xiàn)骨小梁中骨膠原含量減少的現(xiàn)象。參考BBirkenhaager，D.H.，“在骨質(zhì)疏松的骨頭中明顯缺乏骨膠原”(摘要＃111)，國(guó)際骨質(zhì)疏松癥討論會(huì)會(huì)議文集(ProceedingsoftheInternationalSymposiumonOsteoporosis)編輯J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，丹麥，1987年9月27日-10月2日。這些文獻(xiàn)并沒(méi)有考慮骨量的變化，而提出了蛋白質(zhì)對(duì)小梁骨基質(zhì)束縛作用的減弱。骨強(qiáng)度對(duì)于決定一個(gè)人在沒(méi)有外傷情況下是否發(fā)生骨質(zhì)疏松骨折具有重要作用。
第三種有關(guān)骨強(qiáng)度退化的機(jī)理已被證明是與骨質(zhì)疏松有關(guān)的小梁骨結(jié)構(gòu)的變化，即使在骨質(zhì)量變化很小或測(cè)不出的情況下仍有這一變化發(fā)生。參考，例如，Kleerekoper，M.，等人“三維小梁骨微結(jié)構(gòu)在脊柱受壓骨折病理中的作用”，國(guó)際鈣化組織(Calcif.TissueInt.)37∶594-597，1985。
這些文獻(xiàn)確認(rèn)與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的骨結(jié)構(gòu)變化有三個(gè)方面。其一為未修復(fù)的疲勞損傷，這種疲勞是由于加在骨上周期性重復(fù)的應(yīng)力所致。周期性重復(fù)產(chǎn)生疲勞損傷，而當(dāng)這種疲勞損傷未能修復(fù)時(shí)，骨強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)退化。如果損傷的骨頭已被消溶，但尚未被新骨代替，未完全修復(fù)的疲勞損傷還會(huì)進(jìn)一步降低骨的強(qiáng)度。其二為骨小梁結(jié)構(gòu)的退化。例如某些婦女在絕經(jīng)期松質(zhì)骨中骨板間的骨小梁數(shù)目減少。其三為類骨質(zhì)的積累。這是由于骨膠原呈現(xiàn)為缺乏鈣化作用的結(jié)果。上述這些導(dǎo)致骨強(qiáng)度退化的因素并不一定非要以骨質(zhì)量減少為特征。例如，骨小梁中骨板間的小柱數(shù)目的減少使骨強(qiáng)度降低的程度，遠(yuǎn)大于單純考慮骨質(zhì)量減少所造成的骨強(qiáng)度的降低。
長(zhǎng)期以來(lái)，骨病的探索與鑒定已有各種各樣的手段，醫(yī)療模式隨著地區(qū)與醫(yī)學(xué)專家的不同而變化。婦科、產(chǎn)科、內(nèi)分泌學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、內(nèi)科學(xué)、矯形外科學(xué)、放射學(xué)、核醫(yī)學(xué)及家庭醫(yī)師等醫(yī)學(xué)專家們對(duì)骨病都極有興趣。根據(jù)各人的興趣，這些醫(yī)師們可能會(huì)部分或全部使用下述骨健康評(píng)估技術(shù)。
一種評(píng)估技術(shù)是體格檢查，其中特別注意脊柱結(jié)構(gòu)。當(dāng)病人主訴劇烈的背痛或看到病人明顯的脊柱彎曲(駝背)即是骨病的后期階段，例如骨質(zhì)疏松癥。
第二種評(píng)估技術(shù)是危險(xiǎn)因素評(píng)估。在評(píng)估中要對(duì)患者病史和其家庭病史進(jìn)行調(diào)查，并且(或者)對(duì)患者個(gè)人習(xí)慣，例如抽煙，飲酒和節(jié)食情況進(jìn)行分析以估計(jì)骨質(zhì)疏松骨折的相對(duì)危險(xiǎn)程度。盡管人們廣泛認(rèn)為這種技術(shù)是可能的，但是利用某些特殊危險(xiǎn)因素予言骨病尚嫌根據(jù)不足。參看，J.T.Citron等人“利用加權(quán)臨床變量標(biāo)度來(lái)予言絕經(jīng)前期(prememenopausal)骨質(zhì)量的峰值”，國(guó)際骨質(zhì)疏松癥討論會(huì)會(huì)議文集(ProceedingsoftheInternationalSymposiumonOsteoporosis)，1987年9-10月，丹麥，編輯J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，摘要＃17。
第三種評(píng)估技術(shù)包括血和尿的化學(xué)現(xiàn)象。對(duì)血和尿進(jìn)行化學(xué)分析以決定鈣和其它與骨代謝相關(guān)因素的存在。雖然這些化學(xué)現(xiàn)象與骨代謝明顯相關(guān)，但卻不一定能夠表示骨的強(qiáng)度。
第四種方法包括骨質(zhì)量測(cè)量技術(shù)。這種技術(shù)是測(cè)量穿過(guò)整個(gè)骨骼系統(tǒng)或者所希望部分的射線，以指出所測(cè)骨質(zhì)密度。這種骨質(zhì)量測(cè)量技術(shù)包括X光，單光子吸收譜儀，雙光子吸收譜儀及定量計(jì)算機(jī)斷層成象(CT)，在Peck等人所著“關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的醫(yī)師對(duì)策手冊(cè)診斷指南”一書中有所論述(國(guó)家骨質(zhì)疏松癥基金會(huì)，14-16頁(yè)，1987年)。
盡管前述各項(xiàng)技術(shù)確實(shí)提供了有關(guān)活體骨骼的信息，但它們提供的信息用來(lái)在各種情況下可靠地確定骨強(qiáng)度是不充分的。例如，骨質(zhì)量測(cè)量技術(shù)提供了有關(guān)骨質(zhì)量的信息，但卻沒(méi)有有關(guān)其結(jié)構(gòu)的信息，而這兩者對(duì)于評(píng)價(jià)骨強(qiáng)度均十分重要。對(duì)骨質(zhì)疏松骨折危險(xiǎn)因素的更加有效的估價(jià)需要對(duì)骨強(qiáng)度的更為直接的估價(jià)，這就是開展用超聲波測(cè)量骨強(qiáng)度的研究動(dòng)機(jī)。
聲是一種不斷移動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)。在傳播過(guò)程中振動(dòng)與介質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)互相作用并逐漸改變，通過(guò)觀察要傳入骨的機(jī)械振動(dòng)與超聲信號(hào)在骨中傳播了一已知距離后的機(jī)械振動(dòng)，兩者之間的差異常常可能決定骨的某些機(jī)械性質(zhì)。
在討論超聲在測(cè)量骨強(qiáng)度的具體應(yīng)用之前，有必要回顧一下某些基礎(chǔ)物理概念。物體在某一特定方向的應(yīng)變(記為X)是指該物體遭受到在這個(gè)特定方向上的應(yīng)力(記為F)時(shí)表現(xiàn)出的形變。例如，應(yīng)變X可以表示為當(dāng)一塊骨受到力F壓迫時(shí)縮短的百分?jǐn)?shù)，與這一特定方向有關(guān)的彈性模量E直接給出一個(gè)物體在遭受特定大小應(yīng)力(F)作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生多大形變。強(qiáng)硬物體的彈性模量E值大，當(dāng)其受到一個(gè)強(qiáng)大的外力作用時(shí)，幾乎沒(méi)有多少應(yīng)變出現(xiàn);而薄弱物體具有小的彈性模量E，即使加一小的應(yīng)力，也將出現(xiàn)大的應(yīng)變。這三個(gè)數(shù)值可用下式聯(lián)系起來(lái)，三數(shù)值的關(guān)系如下E＝F/X(1)當(dāng)一塊具有恒定彈性模量E的骨受到一個(gè)沿某一特定方向的應(yīng)力F作用時(shí)，只要應(yīng)力不過(guò)大以至骨出現(xiàn)塑性形變或永久性改變，則如公式(1)所確定的那樣，沿同一方向會(huì)出現(xiàn)大小為X的形變。骨折開始出現(xiàn)是相應(yīng)于這樣一種應(yīng)變水平，即當(dāng)除去造成應(yīng)變的應(yīng)力時(shí)，骨不再回到它的原始狀態(tài)。骨折可以或者是徹底的斷裂，或者是更加細(xì)微的應(yīng)力骨折損傷。設(shè)XT是骨折開始出現(xiàn)的應(yīng)變閾值，F(xiàn)T是導(dǎo)致出現(xiàn)這一應(yīng)變的相應(yīng)應(yīng)力，則由上述應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系得到FT＝E·XT(2)為了予言即將發(fā)生的骨折，人們必須確定a)作為周圍環(huán)境作用的結(jié)果，骨出現(xiàn)的最大應(yīng)變是否要超過(guò)XT;或者b)作為周圍環(huán)境作用的結(jié)果，骨所承受的最大應(yīng)力是否會(huì)超過(guò)FT。當(dāng)然，根據(jù)這些骨特征參量中的任何一個(gè)去予言即將發(fā)生的骨折不過(guò)是純學(xué)術(shù)討論，因?yàn)槿藗儾豢赡軟Q定FT或XT，同樣，人們也不可能測(cè)量出一個(gè)受實(shí)驗(yàn)者的活動(dòng)所導(dǎo)致的最大應(yīng)力及由此而產(chǎn)生的最大形變。
一個(gè)可供選擇的方法是注意到由于骨變松軟，當(dāng)受到一給定應(yīng)力F時(shí)，在較軟的骨頭中出現(xiàn)的應(yīng)變X將大于較硬的骨頭在同樣應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)變。因此當(dāng)骨變軟時(shí)，其彈性模量E應(yīng)下降，這樣彈性模量可以看作可能出現(xiàn)骨折跡象的一個(gè)重要參量。
固體力學(xué)把一個(gè)超聲信號(hào)的速度與上面討論的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系聯(lián)系起來(lái)?？紤]沿一給定方向通過(guò)一個(gè)諸如骨頭的固體的縱向聲波，其聲速V可表為V＝E/r]]>(3)這里E是所考慮方向上的彈性模量;r為骨質(zhì)密度，以一定單位(例如克/立方厘米)表示。參看Abendschein，W.，Hyatt，G.W.，“骨的超聲及某些物理性質(zhì)”臨床矯形學(xué)有關(guān)研究(Clin.Orthop.Rel.Res.)69;294-301頁(yè)，1970年。
年齡和某些特定疾病造成骨密度r和骨強(qiáng)度的下降。骨強(qiáng)度的退化可表現(xiàn)為彈性模量的下降，而公式(3)所提供的信息仍不足以告訴我們?cè)诠峭嘶臓顩r下聲速將如何改變。
這里所缺少的正是骨彈性模量E與其密度r之間的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)表明，彈性模量與密度的平方成正比E＝Kr2(4)參看例如Rice，J.C.，Cowin，S.C.，Bowman，J.A.，“關(guān)于松質(zhì)骨的彈性和強(qiáng)度對(duì)表現(xiàn)密度的依賴關(guān)系”，生物力學(xué)雜志(即將發(fā)表)，1988年。
比例常數(shù)K具有一定的物理意義。骨的基本結(jié)構(gòu)組成是骨膠原纖維，結(jié)晶鈣(磷灰石)和組織間粘液(骨髓)。每一種成份所占相對(duì)比例的不同可導(dǎo)致不同的密度值。然而，如前所述，對(duì)于一定密度r來(lái)說(shuō)，不同人同一骨頭的同一區(qū)域(或同一人的不同生命階段)可具有不同的強(qiáng)度。也就是說(shuō)，骨可以有同樣的密度r但不同的彈性模量E。這一點(diǎn)可由不同的骨質(zhì)量因子K來(lái)說(shuō)明。
這一差別很大程度上在于骨本身的微觀結(jié)構(gòu)。參看，例如M.Kleerekoper等人“三維骨小梁微結(jié)構(gòu)在脊柱壓迫骨折機(jī)理中的作用”，Calcif、TissueInt，37∶594-597，1985年。例如人們可將骨碾碎，然后緊壓成圓柱形，制成一個(gè)具有極高密度而幾乎沒(méi)有一點(diǎn)強(qiáng)度的物體。實(shí)際上，用X光、CT和雙光子儀器測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)受了與骨質(zhì)疏松相關(guān)的骨折后，破碎的脊椎常會(huì)一度表現(xiàn)出比相鄰的正常脊椎更高的密度。參看Hui，S.L.，Slemenda，C.W.，Johnston，C.C.，Appledorn，C.R.，“年齡和絕經(jīng)對(duì)脊椎骨密度的影響”，BoneandMineral，2∶141-146頁(yè)，1987年和Ott，S.M.，“骨密度的無(wú)損測(cè)量，骨質(zhì)疏松現(xiàn)代概念”，在第七屆關(guān)于醫(yī)學(xué)研究的羅斯會(huì)議上的報(bào)告(the7thRossConferenceonMedicalResearch)，查爾斯頓(Charleston)南卡羅來(lái)納(SC)，1986年4月23-25日，22-24。
另一個(gè)決定骨質(zhì)量因子K的潛在重要的因素是骨基質(zhì)本身。如前所述，小梁骨中的骨膠原的生物化學(xué)穩(wěn)定性隨年齡而退化。此外，當(dāng)婦女發(fā)生骨質(zhì)疏松時(shí)，其小梁骨中的骨膠原的含量變低。上述兩個(gè)結(jié)果都表明蛋白質(zhì)對(duì)骨小梁基質(zhì)的束縛作用在減弱。更進(jìn)一步而言，骨質(zhì)量因子K的退化是由于未修復(fù)的疲勞損傷或類骨質(zhì)的積累所造成的。
看來(lái)，骨質(zhì)量因子K是骨結(jié)構(gòu)質(zhì)量的量度，可指示骨結(jié)構(gòu)及骨基質(zhì)的質(zhì)量。對(duì)一給定的密度r，骨質(zhì)量因子K值越大，骨越硬。
要弄清這如何與超聲相聯(lián)系，只需將公式(4)彈性模量E表達(dá)式代入公式(3)聲速V表達(dá)式中，彈性模量E則從表達(dá)式中消去，剩下V＝K ×r]]>(5)這時(shí)可清楚看出，骨退化導(dǎo)致骨質(zhì)量因子K或密度r的降低都將造成聲速度V的下降。因?yàn)榕c以前的聲速V表達(dá)式不同，密度r已不再出現(xiàn)在分母上了。
放射學(xué)儀器僅僅測(cè)量骨的密度r，只能給出部分確定骨機(jī)械性質(zhì)所必須的信息，而沒(méi)有關(guān)于骨的物理結(jié)構(gòu)的信息。與此情況不同，聲速給出的值與骨密度r和代表骨結(jié)構(gòu)質(zhì)量的骨質(zhì)量因子K均有聯(lián)系。
看來(lái)，速度本身可用來(lái)作為骨質(zhì)量的量度。此外，速度還可能用來(lái)作為骨要發(fā)生骨折的易發(fā)性的近似指示。然而，任何一個(gè)指示的精度都會(huì)由于一些無(wú)法控制、難于定量測(cè)量的因素而受影響。參看Wasnich，R.D.，“利用骨質(zhì)量測(cè)量予言骨折”，現(xiàn)代骨質(zhì)疏松癥(OsteoporosisUpdate)，1987，編輯H.K.Genant，放射學(xué)研究與教育基金會(huì)，舊金山，加州，95-101頁(yè)，1987年。這些無(wú)法控制的因素包括例如，每個(gè)人體力活動(dòng)的范圍;肌肉狀況;協(xié)調(diào)的受損程度;環(huán)境(例如經(jīng)常在光滑的臺(tái)階上走跑)以及一般的健康情況。因此，臨床醫(yī)師必須同時(shí)估價(jià)所有的因素而不是僅僅依賴單一的測(cè)量。
聲傳播速度的測(cè)量已被成功地用于工程材料彈性模量和破壞強(qiáng)度的特征化研究。骨生物力學(xué)研究者們已意識(shí)到超聲在骨病中應(yīng)用的潛力，并明確地指出聲速可以用來(lái)估價(jià)在體外的骨的彈性模量和破壞強(qiáng)度。參看W.Abendschein，Hyatt，G.W.，“骨的超聲和某些物理性質(zhì)”，臨床矯形學(xué)有關(guān)研究(Clin、Orthop、Rel.Res)，69∶294-301，1970年;Ashman，R.B.，Cowin，S.C.，VauBuskirk，W.C.，Rice，J.C.，“一種測(cè)量皮質(zhì)骨彈性的連續(xù)波技術(shù)”，生物力學(xué)雜志(J.Biomechanics)，17(5)∶349-361頁(yè)，1984年;Ashman，R.B.，Rosina，G.，Cowin，S.C.，F(xiàn)ontenot，M.G.，“犬下頜骨的骨組織為彈性各向同性”，生物力學(xué)雜志(J.Biomechanics)，18(9)∶717-721，1985年;和Ashman，R.B.，Corin，J.D.，Turner，C.H.，“松質(zhì)骨的彈性性質(zhì)用超聲技術(shù)測(cè)量”，生物力學(xué)雜志(J.Biomechanics)，20(12)979-936，1987年。
盡管用聲速表示體外的骨的特征已取得成功，但對(duì)活體應(yīng)用的成功前景仍難以予料。早期的努力曾通過(guò)測(cè)量體共振頻率來(lái)推斷長(zhǎng)骨中的聲速。參看Jurist，J.M.，“骨彈性響應(yīng)的活體測(cè)定I尺骨共振頻率測(cè)定方法”，物理醫(yī)學(xué)生物學(xué)雜志(Phys.Med.Biol.)，15(3)417-426，1970;Jurist，J.M.，“骨彈性響應(yīng)的活體測(cè)定Ⅱ骨質(zhì)疏松癥患者，糖尿病患者及正常受試者的尺骨共振頻率”物理醫(yī)學(xué)生物學(xué)雜志(Phys.Med.Biol.)，15(3)427-434，1970年;Fujita，T.，等人，“骨共振頻率測(cè)量的基礎(chǔ)與臨床評(píng)估“Calcif.TissueInt.，35∶153-158，1983年。由于主要誤差來(lái)源，如肌肉張力，肌肪和肌肉組織的數(shù)量，以及長(zhǎng)骨形狀的復(fù)雜性等因素難于控制，因此只取得了有限的成果。另外，作為精確的聲速測(cè)量的一個(gè)先決條件，對(duì)長(zhǎng)骨長(zhǎng)度的精確測(cè)定還要求用X-光對(duì)長(zhǎng)骨的尺寸做出估價(jià)。
較多的成功是在發(fā)展直接測(cè)定外周骨骼中聲速的方法時(shí)取得的。這工作開始于探查馬的掌骨和跖骨應(yīng)力骨折，從而可以在嚴(yán)重骨折發(fā)生之前調(diào)整賽馬的訓(xùn)練。參看，例如，Pratt，G.W.，“活體骨強(qiáng)度的超聲評(píng)估方法”，美國(guó)馬訓(xùn)練協(xié)會(huì)會(huì)議錄(Proc.Amer.Assoc.EquinePract.)，26∶295-306，1980年;Rabin，D.S.，“良種賽馬骨強(qiáng)度評(píng)估的臨床運(yùn)用”美國(guó)馬訓(xùn)練協(xié)會(huì)會(huì)議錄(Proc.Amer.Assoc.EquinePract.)，29∶343-351，1983年;和Jeffcot，L.B.，等人，“超聲作為評(píng)價(jià)馬骨質(zhì)量的工具”，獸醫(yī)學(xué)記錄(Vet.Record)，116∶337-342，1985年。
骨質(zhì)量與人體中超聲速度的關(guān)系在波士頓的26英里馬拉松比賽參加者身上得到了證實(shí)。Rubin，C.T.，等人，“用超聲測(cè)定活體在緊張?bào)w力活動(dòng)后骨機(jī)械性質(zhì)的劇烈變化”生物力學(xué)雜志(J.Biomechanic)，20(7)∶723-727，1987年。
對(duì)于早產(chǎn)新生嬰兒骨狀況的研究顯示了超聲方法在人體臨床檢查中的潛在應(yīng)用。Weight，L.W.，Glade，M.J.，Gopal，J.，“應(yīng)用透射超聲波評(píng)估新生嬰兒的骨狀況”兒科學(xué)研究(PediatrlcResearch)，22(5)541-544，1987年。這一研究分兩個(gè)部分。第一部分，將原位測(cè)量的表觀速度與骨的無(wú)機(jī)成份(BMC)，妊娠年齡及死嬰骨體外破壞強(qiáng)度等進(jìn)行比較;第二部分，對(duì)新生嬰兒進(jìn)行骨的無(wú)機(jī)成份(BMC)和超聲分析。研究表明，超聲信號(hào)的速度隨著妊娠年齡線性上升，并與骨無(wú)機(jī)成份分析和破壞強(qiáng)度密切相關(guān)。
Gilbert等人透露了這方面的工作，“透射超聲波與骨質(zhì)量定量測(cè)量技術(shù)在絕經(jīng)期后婦女的骨質(zhì)疏松研究中的關(guān)系”(摘要)核醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)第33屆會(huì)議文集(Proc.33rdMeetingSoc.Nucl.Med.)，1986年6月，這一工作應(yīng)用了美國(guó)Pratt的第4，421，119號(hào)專利中的某些技術(shù)，并顯示了髕骨的超聲速度與測(cè)量的脊骨和腕關(guān)節(jié)的質(zhì)量密度之間的關(guān)聯(lián)。
盡管上述這些方法確實(shí)顯示出對(duì)活體內(nèi)骨的超聲測(cè)量具有潛在應(yīng)用，但并沒(méi)有任何有關(guān)能在臨床應(yīng)用的裝置的披露或建議。當(dāng)前可用的超聲活體內(nèi)骨強(qiáng)度測(cè)量方法既不甚精確，其結(jié)果又不能重復(fù)。十分重要的是，必須看到年輕的非骨質(zhì)疏松試驗(yàn)者與年老的骨質(zhì)疏松試驗(yàn)者的松質(zhì)骨(例如髕骨)的聲速差別頂多只有15%。而從同一塊骨(如髕骨)測(cè)量的聲速由于聲波在骨中傳播路徑的不同會(huì)有15%量級(jí)的差異。因此，用目前的技術(shù)無(wú)法予先判斷所得到的結(jié)果是由骨質(zhì)疏松引起的還是由與測(cè)量?jī)x器操作相關(guān)的某些變化引起的。
另外，當(dāng)前能用的技術(shù)并未考慮骨的各向異性和非均勻性以及在發(fā)送和接收換能器之間超聲波傳播路徑的數(shù)目。目前，在技術(shù)上還不能區(qū)分不同的路徑。所以，本項(xiàng)發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)就是提供一種方法和儀器，在活體的有關(guān)部位(例如骨)中確定一條所期望的路徑并將超聲信號(hào)導(dǎo)入這一路徑。本項(xiàng)發(fā)明的進(jìn)一步的目標(biāo)是接收超聲信號(hào)的沿著這一所期望的路徑的分量，將它與其它分量區(qū)別開來(lái)，并確定其速度，以提供與被研究部位強(qiáng)度有關(guān)的信息。
本項(xiàng)發(fā)明的另外的目的和優(yōu)點(diǎn)一部分將在隨后的敘述中闡明，另一部分在描述中顯而易見，或可在發(fā)明的實(shí)施中去體會(huì)。由在附后的權(quán)利要求中具體指出的哪些裝置及其組合可實(shí)現(xiàn)和完成本項(xiàng)發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。
本項(xiàng)發(fā)明通過(guò)提供活體內(nèi)骨的超聲分析方法和儀器，克服了先有技術(shù)中的問(wèn)題和缺點(diǎn)，這一方法和儀器能夠精確地確定活體內(nèi)骨中沿某一期望路徑傳播的超聲波速度，并且所得結(jié)果可以重復(fù)。本項(xiàng)發(fā)明考慮了骨的各向異性和非均勻性以及一個(gè)超聲信號(hào)在骨中通過(guò)許多條路徑而傳播的結(jié)果。
為了完成在此已廣泛描述并已實(shí)施的本發(fā)明的目標(biāo)，依照本發(fā)明的目的，我們提供了一個(gè)將超聲信號(hào)導(dǎo)入被研究部位中所期望的路徑并確定該部位強(qiáng)度的方法。超聲信號(hào)能夠沿眾多超聲路徑傳播，其中也包括穿過(guò)被研究部位的所期望的路徑。沿著每一特定的路徑，被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用各不相同。
本發(fā)明的方法包括在貼近被研究部位對(duì)超聲發(fā)射器和超聲接收器定位的步驟，從而在該發(fā)射器和該接收器之間建立一條大致沿所期望路徑的直通超聲路徑。朝著接受器方向發(fā)射一個(gè)超聲信號(hào)進(jìn)入研究部位，并在其通過(guò)該部位后接收，然后接收器產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，它代表接收器收到的超聲信號(hào)。
下一步驟，接收到的電子信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)整產(chǎn)生調(diào)整過(guò)的波形，然后，將調(diào)整過(guò)的電子信號(hào)波形的某些選定的特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的某些相應(yīng)選定的特征相比較。標(biāo)準(zhǔn)波形是在發(fā)射的超聲波至少有一部分沿著被研究部位中所期望的那條路徑傳播時(shí)，與被研究部位相互作用而得到的。
連續(xù)不斷地將發(fā)射器和接收器再安放在與被研究部位相對(duì)取向不同的位置上，以建立不同的超聲傳播路徑，直到調(diào)整后的電子信號(hào)波形中所選擇的那些特征與標(biāo)準(zhǔn)波形中所選擇的特征基本相同，從而表明從發(fā)射器發(fā)射的超聲信號(hào)至少有一部分是沿著所期望的路徑到達(dá)了指定的接收器。
沿著所期望的路徑穿過(guò)研究部位而傳播的超聲信號(hào)分量的傳播時(shí)間可以用發(fā)射出超聲信號(hào)和接收到經(jīng)由所研究部位中所期望的路徑傳播的超聲信號(hào)兩者間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算。
沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位而被接收到的超聲信號(hào)分量的表觀速度可以這樣計(jì)算將發(fā)射器與接收器之間的距離除以測(cè)量的傳播時(shí)間。表觀速度與被研究部位的強(qiáng)度有關(guān)。
本發(fā)明還包括一個(gè)將超聲信號(hào)導(dǎo)入穿過(guò)被研究部位的一條所期望的超聲路徑的儀器，用它來(lái)測(cè)得研究部位的強(qiáng)度。超聲信號(hào)可以沿著眾多的超聲路徑傳播。沿著每一個(gè)不同的路徑被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用各不相同。
本項(xiàng)發(fā)明的儀器包括一個(gè)超聲發(fā)射器，一個(gè)超聲接收器。兩者安放在貼近研究對(duì)象的位置上，以在兩者之間建立一個(gè)大致沿著所期望路徑的直通超聲路徑。發(fā)射器包括了朝著接收器方向?qū)⒊暡ㄉ淙胙芯坎课坏难b置。接收器包括了接收由發(fā)射器發(fā)射出來(lái)并穿過(guò)被研究部位的超聲波的裝置以及產(chǎn)生一個(gè)接收到的電子信號(hào)的裝置，這個(gè)電子信號(hào)代表了接受器接收到的超聲信號(hào)。
此儀器還包括了信號(hào)調(diào)整裝置，可以和接收器相聯(lián)以調(diào)整接收到的電子信號(hào)，使之成為調(diào)整過(guò)的電子信號(hào)波形。儀器還提供了比較裝置，它與信號(hào)調(diào)整裝置相結(jié)合，以便比較經(jīng)調(diào)整的電子信號(hào)波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的已知特定特征。當(dāng)發(fā)射的超聲信號(hào)至少部分沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位時(shí)，被研究部位與發(fā)射的超聲信號(hào)相互作用，由此得到標(biāo)準(zhǔn)波形。比較裝置允許將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的特定的已知特征進(jìn)行比較。
與比較裝置相應(yīng)，根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明制造的儀器還進(jìn)一步包括了計(jì)算裝置，可用來(lái)測(cè)量所期望的超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位的傳播時(shí)間，即從超聲信號(hào)發(fā)射之時(shí)，到超聲信號(hào)的分量沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位而被接收時(shí)止所經(jīng)歷的時(shí)間。計(jì)算裝置還可以計(jì)算接收到的沿所期望的路徑穿過(guò)被研究部位的超聲信號(hào)的表觀速度值，即將所確定的發(fā)射器與接收器之間的距離除以所測(cè)量的傳播時(shí)間。表觀速度值與被研究部位的強(qiáng)度有關(guān)。
附圖是本說(shuō)明書的一個(gè)組成部份，解釋了本項(xiàng)發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，并與文字?jǐn)⑹鲆黄?，解釋本?xiàng)發(fā)明的主要原理。


圖1是人膝部的透視圖，其中包括在接近人膝部安放的一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器。
圖2是人髕骨的側(cè)視截面圖。
圖3是超聲信號(hào)在人髕骨不同部位傳播時(shí)的超聲信號(hào)衰減圖。
圖4a是穿過(guò)人髕骨前皮質(zhì)的超聲信號(hào)的分量的示意圖。
圖4b是穿過(guò)人髕骨中所期望的路徑的超聲信號(hào)分量的示意圖。
圖4c是穿過(guò)人髕骨周圍的軟組織的超聲信號(hào)分量的示意圖。
圖4d是同時(shí)穿過(guò)人髕骨中所期望的路徑和人髕骨前皮質(zhì)的超聲波超聲信號(hào)的示意圖。
圖5描繪了根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明而使用的標(biāo)準(zhǔn)波形。
圖6是根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明用于人體部位超聲分析儀器的透視圖。
圖7是圖6所示儀器的方框示意圖。
圖8a是根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明將超聲信號(hào)導(dǎo)入所期望的路徑，并決定被研究部位強(qiáng)度的方法的流程圖。
圖8b是將調(diào)整的電信號(hào)波形與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較的方法的流程圖。
圖9是根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明的波形發(fā)生裝置(包括自動(dòng)增益裝置)的一個(gè)實(shí)施例的方框線路圖。
圖10是根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明，波形發(fā)生裝置(包括對(duì)數(shù)壓縮器)一個(gè)實(shí)施例的方框線路圖。
圖11-13是根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明，接收到的沿著不同于所期望的路徑穿過(guò)人髕骨的超聲波波形示意圖。
現(xiàn)在將要詳細(xì)參照本發(fā)明的本優(yōu)選實(shí)施例，實(shí)施例的一個(gè)例子已在附圖中給出。
為了正確評(píng)價(jià)本項(xiàng)發(fā)明，對(duì)骨結(jié)構(gòu)的深入了解是必不可少的。而在此以前的超聲測(cè)量技術(shù)中并未加以充分考慮。所有的骨都是由同樣的成份組成，即結(jié)晶鈣(羥磷灰石)和有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)物的90%是骨膠原。每一個(gè)骨小梁的取向遵從沃爾夫定律(Wolff′slaw)。這個(gè)假說(shuō)將骨的結(jié)構(gòu)與其功能聯(lián)系起來(lái)。它指出對(duì)于給定的骨的形狀或形式，骨的組元自動(dòng)轉(zhuǎn)移到作用應(yīng)力的方向上。在松質(zhì)骨(例如股骨頸或者髕骨)中骨小梁的取向清楚地表明了這一點(diǎn)。
由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組成要素，骨是一種各向異性、非均勻的、內(nèi)充流體的多孔物質(zhì)?！案飨虍愋浴笔侵冈诠堑耐粎^(qū)域內(nèi)，沿一個(gè)方向的力學(xué)性質(zhì)(包括聲波速度)不同于沿其他方向的力學(xué)性質(zhì)?！安痪鶆蛐浴笔侵冈诠堑囊粋€(gè)區(qū)域其力學(xué)性質(zhì)(例如聲速)不同于其他區(qū)域。
必然地，骨的結(jié)構(gòu)如同它所必須承受的外力一樣復(fù)雜。這就有兩個(gè)效應(yīng)。其一，骨的密度和結(jié)構(gòu)隨空間位置而變化，常常形成一個(gè)復(fù)雜的格局，因人不同而變化萬(wàn)千。這就是幾乎所有骨都呈非均勻性的原因。其二，骨基質(zhì)的主要取向是沿著加在骨上主要的力的方向，這樣就導(dǎo)致了機(jī)械性質(zhì)的各向異性。一塊骨頭，例如脊椎骨，由于承受的主要是垂直壓力，在橫向?qū)⒈憩F(xiàn)出低得多的強(qiáng)度。
聲速反映出它在傳播過(guò)程中穿過(guò)的骨的不均勻性。例如，這可以在人的髕骨中表現(xiàn)出來(lái)。在髕骨中超聲信號(hào)的速度是其傳播路徑的函數(shù)。類似的，穿過(guò)骨的超聲信號(hào)的速度將表現(xiàn)出與骨本身的各向異性一致的各向異性。十分明顯，骨中的聲速極大地依賴于其傳播路徑相對(duì)于骨基質(zhì)主要取向的角度。
非均勻性和各向異性對(duì)于在組織中傳播的聲速測(cè)量具有重大影響，要求嚴(yán)密地控制操作規(guī)程(Protocol)以使測(cè)量探頭與被測(cè)部位密切配合。例如，要在一個(gè)人身上進(jìn)行幾次聲速測(cè)量時(shí)，每一次都必須精確地把用于發(fā)射和接收超聲信號(hào)的探頭重新放好，以保證超聲束在傳播中穿過(guò)骨頭的同一部位，且沿著相對(duì)于骨基質(zhì)主要取向的同一方向。
對(duì)不同人之間的測(cè)量作有意義的比較則要求更嚴(yán)格的控制。每個(gè)人之間要測(cè)量的骨基質(zhì)的取向和成份必須是可比較的?？紤]到人與人之間的生物多樣性，需要仔細(xì)制訂探頭安放規(guī)程以保證探頭安放在相對(duì)于待測(cè)骨的同樣位置，使超聲信號(hào)沿著同樣的路徑傳播。
影響聲速測(cè)量的其它因素包括導(dǎo)致超聲信號(hào)從發(fā)射換能器發(fā)散的衍射，在骨中的折射，以及當(dāng)超聲信號(hào)在骨中橫切界面時(shí)的反射，此外，骨表面的不規(guī)則性導(dǎo)致與骨耦合的超聲信號(hào)不再是單一模式。這一點(diǎn)十分重要，因?yàn)楣侵锌捎卸喾N超聲模式傳播，如橫波模式，縱波模式，而每一種模式具有不同的特征速度。
為了得到一個(gè)對(duì)每個(gè)個(gè)體可以重復(fù)而對(duì)不同個(gè)體可以比較的測(cè)量結(jié)果，有必要選擇能夠控制非均勻性和各向異性的骨測(cè)量點(diǎn)。在人體中的這種測(cè)量點(diǎn)有跟骨、髕骨和橈骨末端。這三者之中，髕骨被證明具有脊柱存在骨質(zhì)疏松的最理想的指示特征。雖然下面的描述集中在應(yīng)用本項(xiàng)發(fā)明的方法和儀器活體研究人體的髕骨，但應(yīng)當(dāng)知道本項(xiàng)發(fā)明將會(huì)應(yīng)用到各種各樣的活體部位上，除了人的髕骨外，還包括人的其它骨骼和動(dòng)物骨骼。
把髕骨說(shuō)成是理想的骨測(cè)量點(diǎn)是有幾個(gè)原因的，這可以參照?qǐng)D1和圖2去了解。圖1是一個(gè)人體內(nèi)膝部的透視圖，包括安放在接近膝部的一個(gè)超聲波發(fā)射器26和一個(gè)超聲波接收器28。圖2是人體內(nèi)髕骨的橫向截面圖，此圖是沿圖1中截面線Ⅱ-Ⅱ剖開而畫的。髕骨第一個(gè)合乎需要的特點(diǎn)是在接近髕骨前表面的地方，其中心位置附近的兩側(cè)，表面近似互相平行(圖2中髕骨兩側(cè)的200和201)，這兩個(gè)表面提供了分別放置換能器26和28的地方，從而建立了一條穿過(guò)髕骨的超聲路徑。第二，圖2中209和210所指示部位的軟組織層分別將換能器26和28與骨隔開。對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，這一部位上包圍髕骨的軟組織層的厚度相對(duì)于骨的寬度來(lái)說(shuō)是相當(dāng)?shù)谋?，是合乎要求的。第三，由此決定下來(lái)的穿過(guò)活體內(nèi)髕骨的所期望的超聲信號(hào)路徑近似為一直線，而不象某些穿過(guò)非均勻的各向異性的固體(如骨)的路徑可能是彎曲的。
人們所期望的穿過(guò)髕骨的超聲傳播路徑是這樣的，它的位置在髕骨上中部，處于較密實(shí)的前皮質(zhì)的下面。這條所期望的超聲傳播路徑在此處用“所期望的路徑”一詞表述，并在圖2中用數(shù)字25表示。舉例來(lái)說(shuō)，所期望的路徑25穿過(guò)的區(qū)域主要是由垂直取向的骨小梁組成。這個(gè)區(qū)域主要受到的是壓力，根據(jù)沃爾夫定律(Wolff′sLaw)，很可能因此造成沿著所期望的路徑的骨小梁取垂直方向。所期望的路徑通過(guò)的髕骨的上中部是一個(gè)理想的診斷區(qū)域，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為它的結(jié)構(gòu)和脊椎骨的中心部分的結(jié)構(gòu)相似。因此，通過(guò)測(cè)定穿過(guò)髕骨的所期望路徑處骨的狀況，即可推斷脊椎骨中心部分骨的狀況。應(yīng)當(dāng)明白，除去上述所期望的路徑之外，還可能確定其它一些可供選擇的穿過(guò)髕骨的所期望路徑。這些可選擇的穿過(guò)髕骨的所期望路徑以及穿過(guò)除了髕骨外的其它部位的所期望路徑都在本項(xiàng)發(fā)明所考慮的范圍之中。
如前面所討論的，一個(gè)超聲信號(hào)以多種振動(dòng)模式與人體內(nèi)的髕骨相耦合，并通過(guò)多種路徑從發(fā)射器26穿過(guò)被研究部位到達(dá)接收器28。例如，一個(gè)超聲信號(hào)與髕骨在發(fā)射器26處相耦合，其可能的傳播路徑有路徑202(如圖中點(diǎn)線所示)穿過(guò)前皮質(zhì)38，路徑204(如圖中虛線所示)穿過(guò)髕骨的后部40，路徑206(如圖中點(diǎn)畫線所示)穿過(guò)位于髕骨后面的后部軟組織41，或者路徑208穿過(guò)髕骨前面的前部軟組織39。在任何情況下，每一條超聲通路至少要穿過(guò)一些軟組織，因?yàn)檐浗M織包圍著骨。
一個(gè)由發(fā)射器26發(fā)射的超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位32(例如人體內(nèi)的髕骨)而被接收器28所接收。該超聲信號(hào)包括了眾多分量，每一個(gè)分量相應(yīng)于不同的超聲信號(hào)路徑，而這些路徑或者穿過(guò)軟組織，或者穿過(guò)軟組織及骨。其中相應(yīng)于所期望路徑25的那個(gè)分量叫做“所期望的信號(hào)”或“診斷信號(hào)”。本項(xiàng)發(fā)明的一個(gè)目的就是要保證在接收器28中接收到的超聲信號(hào)中有所期望的信號(hào)。一旦所期望的信號(hào)被接收到，人們就可以驗(yàn)明其到達(dá)接收器的時(shí)間，確定其傳播時(shí)間和速度，并由其速度聯(lián)系到被研究部位中所期望路徑穿過(guò)的那部分的強(qiáng)度。
每條不同的路徑穿過(guò)髕骨的不同部位，髕骨中的這些每個(gè)不同的部份又有不同的密度和結(jié)構(gòu)，這些髕骨的不同部位對(duì)于透射的超聲波譜中不同頻率的聲波的衰減程度各不相同。盡管提法不同，實(shí)際上透射的超聲信號(hào)是一個(gè)寬頻帶信號(hào)，穿過(guò)骨的每一條路徑起的作用相當(dāng)于一個(gè)只允許超聲頻譜中部分信號(hào)通過(guò)的低通濾波器，這一現(xiàn)象如圖3所示。
穿過(guò)前皮質(zhì)38的超聲信號(hào)其高頻部分衰減很大(大于35db/cm-MHz)。穿過(guò)所期望的路徑的超聲信號(hào)分量的衰減中等(4-35db/cm-MHz)。穿過(guò)軟組織的超聲信號(hào)分量，例如在后部軟組織41或前部軟組織39中的信號(hào)，其衰減較低(近似為1db/cm-MHz)，這對(duì)射入髕骨中的任何頻率的信號(hào)均如此。
研究表明，穿過(guò)較致密的骨的超聲信號(hào)的速度高于在致密程度較低的骨中的速度，前者有如前皮質(zhì)，后者有如所期望的路徑所穿過(guò)的那部分骨。而穿過(guò)軟組織的超聲信號(hào)的速度則更低。因此，接收的信號(hào)中，在致密骨中傳播的分量首先到達(dá)，然后是沿所期望路徑在致密度較低的骨中傳播的分量，最后才是在軟組織中傳播的分量。盡管超聲信號(hào)沿眾多路徑傳播，但以發(fā)射器26到接收器28之間的直接路徑為中心，沿徑向向外，各條路徑的信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小。例如，沿穿過(guò)后部軟組織41或前部軟組織39的路徑傳播的超聲信號(hào)的強(qiáng)度要小于沿位于發(fā)射器26和接收器28之間的所期望的路徑傳播的超聲信號(hào)。圖4a-4c給出了接收到的沿不同路徑傳播的超聲波分量的波形。圖4a顯示了接收到的、穿過(guò)前皮質(zhì)38的沿路徑202傳播的超聲波分量的波形，其到達(dá)接收器的時(shí)間為tc。圖4b顯示了接收到的沿所期望路徑25傳播的超聲波分量的波形，其到達(dá)接收器的時(shí)間為td，這是“所期望的信號(hào)”的波形表示。圖4c顯示了接收到的分別沿路徑208或206傳播的分別穿過(guò)外層軟組織39或41的超聲波分量的波形，其到達(dá)接收器的時(shí)間是ts。
圖4d顯示了包括了圖4a和圖4b代表的超聲波分量的復(fù)合波形。為了簡(jiǎn)明起見，已在圖4d中略去接收到的穿過(guò)軟組織而傳播的超聲波分量。圖4d中所示的斷點(diǎn)66是指接收器28第一次接收到超聲能量的那一點(diǎn)(時(shí)刻)，斷點(diǎn)66出現(xiàn)在時(shí)間tc，即接收到穿過(guò)前皮質(zhì)38的超聲信號(hào)分量的時(shí)刻。這個(gè)分量具有較低的頻率和振幅以及較高的速度，因此先于其它分量到達(dá)。這樣，為了精確測(cè)定所期望的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間td，必須把它和穿過(guò)前皮質(zhì)的分量的到達(dá)時(shí)間tc區(qū)分開來(lái)。根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明，為完成這一區(qū)分任務(wù)而所用的方法和儀器將在下面給出更詳盡的描述。
圖5顯示了一個(gè)調(diào)整過(guò)的電子信號(hào)波形，稱為“標(biāo)準(zhǔn)波形”，籠統(tǒng)地?cái)?shù)字60標(biāo)示?！皹?biāo)準(zhǔn)”一詞指的是一個(gè)模式波形，每個(gè)發(fā)射出超聲波不管怎樣沿所期望的路徑25傳播時(shí)，就會(huì)有標(biāo)準(zhǔn)波形產(chǎn)生。它被接收器28接收，則接收器中產(chǎn)生一個(gè)接收到的電子信號(hào)，該信號(hào)又被信號(hào)調(diào)整電子裝置所調(diào)整。
圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)波形60僅僅是為了演示的目的。它可能在外形、振幅或者在骨與軟組織分量的相對(duì)能量分布上變化很大，這決不應(yīng)解釋為對(duì)本項(xiàng)發(fā)明的限制。此外，人體髕骨的被研究部位(例如動(dòng)物骨骼和人體除去髕骨之外的骨骼)所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)波形60也會(huì)改變。
標(biāo)準(zhǔn)波形60的復(fù)雜性主要來(lái)源于沿不同路徑傳播而又于不同時(shí)間抵達(dá)接收器的許多不同的超聲波分量。標(biāo)準(zhǔn)波形60的一個(gè)重要特性是調(diào)整后的波形中第一個(gè)出現(xiàn)的分量與沿所期望的路徑25傳播的超聲信號(hào)分量相聯(lián)系，其抵達(dá)時(shí)間可以很容易地確定。
標(biāo)準(zhǔn)波形60有幾個(gè)特征，如引導(dǎo)61、初始脈沖62、基線64、基線斷點(diǎn)66，第一偏離68，第一零幅值點(diǎn)70，骨信號(hào)72和軟組織信號(hào)74。標(biāo)準(zhǔn)波形60還可以用包含在骨信號(hào)72和軟組織信號(hào)74中的能量多少來(lái)表示其特征?？梢杂媒^對(duì)能量，也可以用相對(duì)能量，這就是說(shuō)，骨信號(hào)72有一定量的能量與之相關(guān)，軟組織信號(hào)74也有一定量的能量與之相關(guān)。
引導(dǎo)61是在超聲振蕩發(fā)射之前收集到的取樣的暫短延伸。初始脈沖62是一個(gè)電磁干涉的爆發(fā)，或“干擾”，是當(dāng)發(fā)射超聲信號(hào)時(shí)由信號(hào)處理電子裝置探測(cè)到的，下面還將更詳細(xì)地討論。初始脈沖62并不代表在接收器28存在任何超聲信號(hào)，但它對(duì)查證超聲振蕩的發(fā)射時(shí)間是有用的。如果在視頻顯示器上將標(biāo)準(zhǔn)波形60顯示出來(lái)，通過(guò)調(diào)節(jié)水平標(biāo)度和波形顯示的偏移，即可消除初始脈沖62。
基線64出現(xiàn)在初始脈沖消失而發(fā)射出的聲學(xué)信號(hào)未到達(dá)接收器28這段間隙?；€64是波形的零振幅分量，用來(lái)確定噪聲閾值以探測(cè)到達(dá)接收器的聲學(xué)能量?；€斷點(diǎn)66是接收器26第一次接收到超聲能量的那一點(diǎn)。
第一偏離68是標(biāo)準(zhǔn)波形60相對(duì)基線64的第一次偏離。圖5顯示的第一偏離68是負(fù)的半個(gè)周期的波形。發(fā)射器26發(fā)射的超聲信號(hào)第一個(gè)半周的極性最好與標(biāo)準(zhǔn)波形60的第一個(gè)半周周期的極性一致。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)保證標(biāo)準(zhǔn)波形的第一個(gè)半周期與發(fā)射的超聲信號(hào)的第一個(gè)半周期具有同樣的極性，我們可以確信標(biāo)準(zhǔn)波形60代表的發(fā)射超聲信號(hào)沿所期望的路徑傳播，且這一超聲信號(hào)既沒(méi)有因折射而彎折，也沒(méi)有在接收換能器產(chǎn)生額外的位相相消。“位相相消”一詞指的是這樣一種情況當(dāng)一個(gè)超聲信號(hào)沿著兩個(gè)以上不同的路徑傳播而到達(dá)接收器時(shí)，由于位相不同而彼此消除。第一零振幅點(diǎn)70標(biāo)志著第一偏離68的結(jié)束，而且是繼基線斷點(diǎn)66之后，接收到的波形振幅為零的第一個(gè)點(diǎn)。
本發(fā)明提供了一個(gè)將超聲信號(hào)導(dǎo)入并沿一條所期望的路徑穿過(guò)被研究部位，以確定所研究部位強(qiáng)度的方法。超聲信號(hào)能夠沿眾多超聲路徑傳播，沿著各條路徑被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用各不相同。圖6透視圖顯示的儀器對(duì)實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)發(fā)明的方法很有用，圖7是其方框圖。籠統(tǒng)地用數(shù)字10標(biāo)示此儀器。儀器包括探頭12，探頭與計(jì)算機(jī)18相聯(lián)接，并通過(guò)探頭電纜14與超聲調(diào)諧器23相聯(lián)。計(jì)算機(jī)18包括一個(gè)中央處理單元19(后面簡(jiǎn)稱為“CPU”);一個(gè)視頻顯示器24;存貯單元20(圖7)，例如磁盤驅(qū)動(dòng)器21(圖6)，用來(lái)存入和讀出被測(cè)試的研究部位的有關(guān)信息;和一個(gè)超聲調(diào)諧器23(圖7)，以使CPU19和超聲系統(tǒng)的其他部份匹配。利用提供的鍵盤可以將有關(guān)信息輸入計(jì)算機(jī)18，這些信息可能包括患者情況，要改變的測(cè)量參數(shù)，或者即將在視頻顯示器24上面顯示波形的方法。關(guān)于這些單元的結(jié)構(gòu)與功能，下面將給出更詳盡的描述。
圖8A和8B給出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)發(fā)明的方法的優(yōu)選程序。根據(jù)本發(fā)明，此方法的步驟包括在緊靠被研究部位的地方安放一個(gè)超聲波發(fā)射器和一個(gè)超聲波接收器，以便在發(fā)送器和接收器之間大致沿著所期望的路徑(步驟92)，建立一個(gè)直通超聲路徑。
對(duì)實(shí)施本發(fā)明方法很有用處的這一儀器包括一個(gè)探頭12。探頭12包括一個(gè)超聲波發(fā)射換能器26和超聲波接收換能器28。如圖1、2、7所示，發(fā)送器26和接收器28能夠安放在靠近被研究部位32(如人體內(nèi)的髕骨)的地方，從而在這兩者之間建立起一個(gè)所期望的路徑25。發(fā)射器和接收器最好能放在被研究部位的兩側(cè)。發(fā)射器和接收器也可以選擇放在被研究部位的同側(cè)。不論那種情況，發(fā)射器26和接收器28必須配置在靠近被研究部位32的地方，以便沿所期望的路徑建立一個(gè)直接超聲通路，例如，所期望的路徑25。
發(fā)射器26和接收器28最好是能與被研究部位32實(shí)現(xiàn)聲學(xué)耦合，這可以通過(guò)在發(fā)射器26與被研究部位32之間及在接收器28與被研究部位32之間使用聲學(xué)耦合介質(zhì)(例如聲學(xué)耦合膠)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，本方法包括了朝著接收器發(fā)射超聲信號(hào)使之進(jìn)入被研究部位的步驟(步驟84)。圖9和圖10給出了儀器10的特定電子線路的兩個(gè)可供選擇實(shí)施方案。如圖9、圖10所示，CPU19控制一個(gè)振蕩發(fā)生器104，它產(chǎn)生一串周期性電子脈沖信號(hào)。這個(gè)振蕩發(fā)生器104產(chǎn)生的信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器106放大，并由發(fā)射器26轉(zhuǎn)換成超聲信號(hào)。發(fā)射器26能夠發(fā)送超聲信號(hào)使之穿過(guò)被研究部位32而被接收器28所接收。發(fā)送器26和接收器28最好是同樣的超聲換能器，例如，美國(guó)麻省Waltham的Panametrics公司制造的No.V533型換能器。這種能夠發(fā)送和接收超聲信號(hào)的超聲換能器最好是標(biāo)定中心頻率為2.25MHz，帶寬80%的頻率響應(yīng)接近6db，并在100-600KHz波段具有有效的信號(hào)能量。前面已討論過(guò)，骨對(duì)較高頻率聲波衰減較大。因此，只要保證發(fā)射的超聲信始中包含有在100-600KHz范圍內(nèi)的有效能量，就可以確信有足夠的超聲能量沿著一條穿骨而過(guò)的路徑傳播并被接收器28探測(cè)到。發(fā)射的超聲信號(hào)最好是短暫的脈沖，例如5微秒量級(jí)。
根據(jù)本發(fā)明，本方法包括下述步驟(1)在發(fā)射出的超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位之后加以接收并產(chǎn)生一個(gè)接收到的電子信號(hào)，它代表了接收器接收到的超聲信號(hào)(步驟86);(2)對(duì)接收到的電子信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，并產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整過(guò)的電子信號(hào)波形(步驟88)。
為實(shí)施本發(fā)明的方法，本發(fā)明提供了信號(hào)調(diào)整裝置，將一個(gè)由接收器28產(chǎn)生的接收電子信號(hào)調(diào)整為一個(gè)整過(guò)的波形，這波形代表了接收器28收到的超聲信號(hào)。在優(yōu)選實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)整裝置包括了圖9和圖10中包括在虛線方框124和124′中的那些部分。
在這些圖中，來(lái)自接收器28的被接收到的電子信號(hào)沿引線113到達(dá)前置放大器112，并被放大。此處實(shí)施的前置放大器112提供的增益G為100db(相當(dāng)于大約100，000倍)。被放大信號(hào)接著通過(guò)將在下面描述的一些部分，然后輸入數(shù)字化轉(zhuǎn)換器118。數(shù)字化轉(zhuǎn)換器以每秒20兆的取樣速率從被放大的信號(hào)中取樣并使用8位(畢特)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器使信號(hào)數(shù)字化。在這種情況下，共收集1024個(gè)信號(hào)樣本，每一個(gè)樣本稱為一個(gè)“點(diǎn)”，這些點(diǎn)的集合稱為一個(gè)“記錄”。
為了改善系統(tǒng)的信噪比，連續(xù)取得32個(gè)記錄，并用波形平均器120逐點(diǎn)進(jìn)行平均。得到的1024個(gè)平均后的點(diǎn)的集合稱為一個(gè)“調(diào)整后的電子信號(hào)波形”。調(diào)整后的電子信號(hào)波形是接收到的超聲信號(hào)的電子學(xué)表示，可以在視頻顯示器24中顯示，并在存儲(chǔ)器20中儲(chǔ)存，或由中央處理單元(CPU).19進(jìn)一步處理。
時(shí)鐘和控制單元122用以保證按適當(dāng)?shù)捻樞蛱幚斫邮盏降某曅盘?hào)。信號(hào)調(diào)整裝置124還包括了一個(gè)帶通濾波器，它允許20KHz到3MHz的頻段的信號(hào)通過(guò)。
信號(hào)調(diào)整裝置124最好還應(yīng)包括一個(gè)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)裝置，以保證接收到的超聲信號(hào)振幅值在一個(gè)較合適的范圍。自動(dòng)增益調(diào)節(jié)裝置提供了信號(hào)調(diào)整裝置124的線性控制，自動(dòng)增益調(diào)節(jié)裝置可以如此處實(shí)施，放在超聲調(diào)諧器23中，也可如圖9所示，包括一個(gè)增益控制114，它與CPU19連接并能切實(shí)運(yùn)行。增益控制114具有0-60db的衰減能力。
作為取代自動(dòng)增益調(diào)節(jié)裝置的一個(gè)可選擇的方案，信號(hào)調(diào)整裝置124可以包括對(duì)數(shù)壓縮裝置，它可對(duì)接收到的超聲信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，從而保證接收到的超聲信號(hào)振幅值是在較合適的范圍內(nèi)。這樣，對(duì)數(shù)壓縮裝置提供了波形發(fā)生裝置的線性操作。如圖10所示，對(duì)數(shù)壓縮裝置可以包括一個(gè)對(duì)數(shù)壓縮器125和一個(gè)指數(shù)器126。對(duì)數(shù)壓縮器125將通過(guò)帶通濾波器116的信號(hào)轉(zhuǎn)換成該信號(hào)的對(duì)數(shù)。
由接收器128產(chǎn)生的接收電子信號(hào)包括正負(fù)交替并不斷經(jīng)過(guò)零值點(diǎn)的正弦波。正如那些信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員所知，人們并不能簡(jiǎn)單地對(duì)接收到的電子信號(hào)取對(duì)數(shù)，因此對(duì)數(shù)壓縮器125計(jì)算clog(s)，而不是計(jì)算log(s)，其中s是接收到的電子信號(hào)，而
此處L是這樣選取的，當(dāng)S振幅較小，即當(dāng)｜S｜≤L時(shí)，clog(S)復(fù)原為線性運(yùn)算，這就避免了log變?yōu)樨?fù)值(從而避免出現(xiàn)無(wú)窮大)，或當(dāng)S從小于1變到零或負(fù)值時(shí)，出現(xiàn)未定義的數(shù)字。L可取大于1的數(shù)值，且令Q＝log(L)，以便于clog運(yùn)算是S的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，在｜S｜＝L處從log到線性運(yùn)算的轉(zhuǎn)換附近沒(méi)有斷點(diǎn)。
指數(shù)器126將信號(hào)的數(shù)字化的對(duì)數(shù)變成原來(lái)形式，這樣信號(hào)就可參照有關(guān)信號(hào)調(diào)整裝置124的描述中介紹的方法去處理，以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)方法包括了將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的某些特定的特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的相應(yīng)特征進(jìn)行比較的步驟(步驟90)。標(biāo)準(zhǔn)波形是在發(fā)射的超聲波至少有一部分沿著所期望的路徑穿過(guò)所研究的部位傳播時(shí)，所研究部位與發(fā)射的超聲信號(hào)相互作用而得到的。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，比較裝置包括了CPU19。如上面所討論的，調(diào)整后的電子波形是來(lái)自波形平均器120的輸出并以電子信號(hào)的數(shù)字表示的形式出現(xiàn)。對(duì)這個(gè)信號(hào)的數(shù)字表示可進(jìn)行抽樣檢查以提供關(guān)于調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定的特征。類似地，標(biāo)準(zhǔn)波形60的特定的特征也用數(shù)字式表示并存儲(chǔ)于CPU19中。這樣在CPU19中就可以用電子學(xué)的方法將標(biāo)準(zhǔn)波形60的特定的特征與調(diào)整后電子信號(hào)波形的特定的特征進(jìn)行比較。
另一可供選擇的方案是，可將調(diào)整后的電子信號(hào)波形在視頻顯示器24中顯示出來(lái)。操作者可在顯示器中將調(diào)整后的電子信號(hào)波形與一標(biāo)準(zhǔn)波形60的直觀表示進(jìn)行直觀比較，或者將調(diào)整后的電子信號(hào)波形與操作者所知的標(biāo)準(zhǔn)波形60進(jìn)行比較。因此，計(jì)算機(jī)18可以包括顯示裝置以顯示調(diào)整后的電子信號(hào)波形，如視頻顯示器24。附圖中視頻顯示器24顯示了一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形，這僅僅是為了便于說(shuō)明，不應(yīng)當(dāng)解釋為代表了根據(jù)本發(fā)明得出的波形或者在任何方面限制了本發(fā)明。
CPU19最好將標(biāo)準(zhǔn)波形60與調(diào)整后的電子信號(hào)波形加以比較，以決定調(diào)整后的電子信號(hào)波形是否基本上具有與標(biāo)準(zhǔn)波形60同樣的特征。圖8B顯示了一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)比較的優(yōu)選程序。既然標(biāo)準(zhǔn)波形具有的特征表示了一個(gè)超聲信號(hào)已經(jīng)沿所期望的路徑傳播通過(guò)了被研究部位，當(dāng)調(diào)整后的電子信號(hào)波形基本上具有了標(biāo)準(zhǔn)波形的同樣特征時(shí)，可以認(rèn)為接收到的超聲信號(hào)是沿所期望的路徑傳播過(guò)來(lái)的。
最好在當(dāng)調(diào)整后的電子信號(hào)波形和標(biāo)準(zhǔn)波形都包括第一部分和第二部分的時(shí)候進(jìn)行上述比較。標(biāo)準(zhǔn)波形和調(diào)整后的電子信號(hào)的波形的第一部分相應(yīng)于沿一個(gè)穿過(guò)骨的路徑傳播的發(fā)射超聲信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)波形和調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第二部分相應(yīng)于沿著至少有一部分穿過(guò)骨頭和軟組織的路徑傳播的發(fā)射超聲信號(hào)。
如圖5所示，標(biāo)準(zhǔn)波形60包括兩個(gè)部分，第一部分是骨信號(hào)72，第二部分是軟組織信號(hào)74。骨信號(hào)72包括的分量代表了穿過(guò)髕骨(如穿過(guò)所期望的路徑25)和很可能也穿過(guò)了前皮質(zhì)38而傳播的發(fā)射超聲信號(hào)波形。軟組織信號(hào)74是一個(gè)復(fù)合波形，它包括的分量代表了穿過(guò)髕骨和髕骨周圍的軟組織而傳播的發(fā)射超聲信號(hào)。
CPU19最好是通過(guò)以下步驟實(shí)施波形比較首先設(shè)置與標(biāo)準(zhǔn)波形第一部分和第二部分相似的調(diào)整后的電子波形的第一部分和第二部分(步驟210)。然后，CPU19將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第一部分，稱為“調(diào)整后電子信號(hào)骨波形”，與標(biāo)準(zhǔn)波形60的骨信號(hào)，稱作“標(biāo)準(zhǔn)骨波形”，進(jìn)行比較(步驟212)。CPU19將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第二部分，稱作“調(diào)整后電子信號(hào)軟組織波形”，與標(biāo)準(zhǔn)波形60的軟組織信號(hào)，稱作“標(biāo)準(zhǔn)軟組織波形”，進(jìn)行比較(步驟214)。這些步驟是圖8A所示的比較步驟90的子步驟，表示在圖8B的流程圖中。
在第一部分中，標(biāo)準(zhǔn)波形的主頻率最好是落在第一頻率范圍內(nèi)，而在第二部分中，標(biāo)準(zhǔn)波形的主頻率最好是落在第二頻率范圍內(nèi)。這兩個(gè)頻率范圍是不相同的。如圖5所示，相應(yīng)于第一部分的骨信號(hào)72與相應(yīng)于第二部份的軟組織信號(hào)74的頻率有很大差別。這反映了下述事實(shí)如在圖3中所說(shuō)明的，軟組織對(duì)發(fā)射器26發(fā)射的超聲信號(hào)頻譜范圍的聲波幾乎很少衰減，而處于所期望路徑的骨對(duì)較高頻率聲波的衰減相當(dāng)嚴(yán)重。這樣骨信號(hào)和軟組織信號(hào)就可以根據(jù)它們不同的主要頻率而區(qū)分。
如同此處所實(shí)施的(如圖8所示)，本發(fā)明的方法包括了確定調(diào)整后的電子信號(hào)波形是否與標(biāo)準(zhǔn)波形基本相同的步驟(步驟90)。最好是調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第一部份中所含有的第一頻率范圍內(nèi)的予定部份包含第一期望值的能量，而調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第二部份所有的第二頻率范圍內(nèi)的予定部份包含第二期望值的能量。當(dāng)發(fā)射器26和接收器28同時(shí)相對(duì)于髕骨朝前移動(dòng)時(shí)，通過(guò)覆蓋在髕骨前部的軟組織而傳播的發(fā)射超聲信號(hào)就會(huì)成比例地增加。類似地，當(dāng)發(fā)射器26和接收器28相對(duì)于髕骨朝后移動(dòng)，則通過(guò)髕骨本身而傳播的信號(hào)就會(huì)成比例增加。因此，由骨信號(hào)和軟組織信號(hào)代表的能量的相對(duì)大小，可以成為發(fā)射器26和接收器28相對(duì)于髕骨的位置的指示器。這種相對(duì)能量可用下述方法計(jì)算。
由數(shù)字化的調(diào)整后電子信號(hào)波形中第512到1023點(diǎn)產(chǎn)生的一個(gè)512點(diǎn)波形被稱為“檢驗(yàn)波”，用梯形時(shí)窗對(duì)放大的檢驗(yàn)波進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之被“加上時(shí)窗”。梯形時(shí)窗是這樣的，相應(yīng)于檢驗(yàn)波前25個(gè)點(diǎn)，其值由0到1線性增大，后面的462個(gè)點(diǎn)保持常值，然后相應(yīng)于檢驗(yàn)波的最后25個(gè)點(diǎn)，其值又由1降到零。
加時(shí)窗之后，CPU19對(duì)檢驗(yàn)波進(jìn)行傅里葉變換以得到作為頻率范圍的函數(shù)的加時(shí)窗的檢驗(yàn)波的振幅值。然后利用CPU19進(jìn)行三個(gè)振幅函數(shù)的積分，如下
LFE＝從19.5KHz到0.5MHz的積分HFE＝從0.5MHz到3.5MHz的積分TOT＝從19.5KHz到10MHz的積分LFE是檢驗(yàn)波低頻分量的積分，它與骨信號(hào)72的能量相關(guān)。HFE是檢驗(yàn)波高頻分量的積分，它與軟組織信號(hào)74中的能量相關(guān)。TOT與檢驗(yàn)波的總能量相關(guān)。對(duì)一個(gè)由超聲信號(hào)沿所期望的路徑25傳播而得到的調(diào)整后的電子信號(hào)波形來(lái)說(shuō)，它滿足下面兩個(gè)條件1.LFE/TOT＞0.15;及2.HFE/TOT＞0.40如果第一個(gè)條件不滿足，則調(diào)整后的電子信號(hào)波形中的骨信號(hào)太小了，這樣的調(diào)整后的電子信號(hào)波形與標(biāo)準(zhǔn)波形60不等，應(yīng)予拒絕。這種情況在發(fā)射器26和接收器28相對(duì)所期望的路徑25太靠前或太靠后時(shí)都會(huì)出現(xiàn)。如果第二個(gè)條件不滿足，則調(diào)整后的電子信號(hào)波形中的軟組織信號(hào)太小了，這樣的調(diào)整后的電子信號(hào)波形由于與標(biāo)準(zhǔn)波形60不等，也應(yīng)拒絕。這種情況出現(xiàn)在發(fā)射器26和接收器28被放在所期望的路徑后面，但又不是太遠(yuǎn)時(shí)，否則將使骨信號(hào)降低。
當(dāng)在靠近被研究部位的地方安放發(fā)射器和接收器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些與標(biāo)準(zhǔn)波形基本上沒(méi)有相同特征的波形。這種調(diào)整后的電子信號(hào)波形的例子在圖11-13中給出。
圖11顯示了一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形，其中，調(diào)整后的骨電子信號(hào)中的初始部分78的振幅太小，并且，其中骨信號(hào)72′的第一偏離68′是調(diào)整后電子信號(hào)波形的特征，但卻不是標(biāo)準(zhǔn)波形。這類調(diào)整后的電子信號(hào)波形可能由幾種原因產(chǎn)生，例如，超聲信號(hào)折射性彎曲或沿所期望路徑傳播的超號(hào)信號(hào)成分太少。圖11的波形還可以由于接收換能器的位相相消而產(chǎn)生。參看Klepper等人“位相不敏感探測(cè)及對(duì)頻率依賴關(guān)系的測(cè)量在超聲衰減計(jì)算機(jī)成像中的應(yīng)用”，美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)匯刊(IEEETrans.)，生物醫(yī)學(xué)工程(BiomedicelEngineering)，BME-28卷，第2期，1981年2月。
圖12顯示的也是一調(diào)整后的電子信號(hào)波形。其中，調(diào)整后的骨電子信號(hào)的振幅太小，并且其中骨信號(hào)72′的第一偏離68′是調(diào)整后電子信號(hào)波形的特征，但卻不是標(biāo)準(zhǔn)波形。出現(xiàn)圖12這種調(diào)整后電子信號(hào)波形的原因可能與上面給出的圖11波形的相同。
圖13顯示了一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形，其中調(diào)整后的骨電子信號(hào)的第一偏離完成消失而且初始骨信號(hào)的振幅太小，這可能也是由于上面引用的圖11相關(guān)的原因產(chǎn)生的。這些原因?qū)е铝诉@樣一種狀況不可靠的第一偏離68′完全被衰減掉了，只有發(fā)射的聲波的較后面的能量可以在接收器被探測(cè)到。
根據(jù)本發(fā)明，本方法包括在相對(duì)于被研究部位的不同方向上重新安放發(fā)射器和接收器的步驟，以建立不同的超聲路徑，直至調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的特定特征基本相同。當(dāng)這一步驟完成后，從發(fā)射器發(fā)出的超聲信號(hào)至少有一部分可沿所期待的路徑直至接收器。圖8A顯示了這一重新安放步驟，如第92行的判斷是“否”，步驟82-90成為一個(gè)循環(huán)。
必須注意，如果發(fā)射器26和接收器28被安放的太靠后了，得到的一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形看起來(lái)與標(biāo)準(zhǔn)波形相似，但結(jié)果將是無(wú)效測(cè)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試就能斷定探頭12是否在合適的靠前的位置。輕壓超聲信號(hào)路徑上方(即前皮質(zhì)39上面)的表皮，如果探頭12處在合適的靠前的位置，調(diào)整后的電子信號(hào)波形中相應(yīng)于軟組織的分量將會(huì)消失或明顯減小。如果探頭12放得太靠后，當(dāng)表皮受壓時(shí)，調(diào)整后的電子信號(hào)波形中的軟組織分量并不會(huì)變化。
通過(guò)改變位置，可以建立起一個(gè)或多個(gè)超聲路徑，這樣做的原因在于很難在第一次嘗試中就找到所期望的路徑。此處，發(fā)射器和接收器必須相對(duì)于被研究部位移動(dòng)，直到處于它們二者之間的直接通路落在穿過(guò)被研究部位的所期望的路徑上。當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的直接通路落在所期望的路徑上，調(diào)整后的電子信號(hào)波形將基本上具有與圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)波形相同的特征。
根據(jù)本發(fā)明，本方法包括沿所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播的超聲信號(hào)的分量的傳播時(shí)間的測(cè)量步驟。這時(shí)間間隔是從發(fā)射超聲信號(hào)起至接收到沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的被接收的超聲分量為止。如此處實(shí)施的(如圖8所示)，此方法包括確定超聲信號(hào)發(fā)射與時(shí)刻tc之間的傳播時(shí)間的步驟(步驟94)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這一方法的儀器包括了計(jì)算裝置(進(jìn)一步還可包括CPU19)，以便用一個(gè)與比較程序不同的程序進(jìn)行計(jì)算。
在計(jì)算程序中，CPU19首先確定發(fā)給振蕩發(fā)生器104命令的時(shí)間(稱“命令時(shí)間”)，這一命令使發(fā)射器26發(fā)射超聲信號(hào)進(jìn)入被研究部位。CPU19其次確定沿所期望路徑25穿過(guò)被研究部位而被接收的超聲信號(hào)分量到達(dá)接收器28的時(shí)間(稱“接收時(shí)間”)。在確定接收時(shí)間時(shí)，接收器28所探測(cè)的斷點(diǎn)66所在的時(shí)刻很可能不是沿所期望的路徑25穿過(guò)被研究部位傳播的超聲信號(hào)分量被接收器28接收到的時(shí)刻。如圖4a-4d中所表明的，斷點(diǎn)66可能是穿過(guò)前皮質(zhì)而傳播的超聲信號(hào)分量到達(dá)時(shí)刻，因此，沿所期望路徑傳播的分量的實(shí)際到達(dá)時(shí)刻必須間接確定或進(jìn)行估計(jì)。
CPU19對(duì)沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位而傳播的超聲信號(hào)的分量的接收時(shí)間的估計(jì)最好用下述方法從基線中鑒別接收到的信號(hào)的第一偏離并找出在第一偏離之后接收到的超聲信號(hào)中第一次振幅為零的時(shí)刻，這個(gè)零振幅點(diǎn)即為所估計(jì)的沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播的超聲信號(hào)分量被接收到的時(shí)刻，并且相對(duì)說(shuō)來(lái)不受穿過(guò)前皮質(zhì)傳播的分量存在與否的影響。CPU19通過(guò)探測(cè)接收到第一半周68末端的時(shí)間來(lái)估計(jì)沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播的被接收超聲信號(hào)分量的到達(dá)時(shí)間。第一半周68的末端即為第一零振幅點(diǎn)70，并且出現(xiàn)在to時(shí)刻，如圖4b和圖4c所示。
當(dāng)?shù)谝黄x比正、負(fù)閾值都要小時(shí)，最好用CPU19來(lái)識(shí)別第一偏離。如以上所討論的，并如此處所實(shí)施的，第一偏離68是一調(diào)整后的電子信號(hào)波形第一次偏離基線64，在這點(diǎn)接收器28第一次接收到能量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)有些人的髕骨可能會(huì)出現(xiàn)小的初始正偏離。如果這個(gè)初始正偏離足夠小，可予忽略而不致有任何問(wèn)題。然而，如果初始正偏離大于正閾值，則這個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形將被CPU19所拒絕。此外，標(biāo)準(zhǔn)波形有負(fù)的第一偏離，其絕對(duì)值比予先確定的負(fù)閾值的絕對(duì)值要大。如果發(fā)現(xiàn)負(fù)第一偏離的絕對(duì)值小于負(fù)閾值的絕對(duì)值，則這個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形也將被CPU19拒絕。這樣，如參考圖11-13討論的那樣，可以確信接收到的超聲信號(hào)既沒(méi)有因折射而彎曲，也沒(méi)有在接收換能器處受到位相相消，而是穿過(guò)了所期望的路徑。
根據(jù)本發(fā)明，本方法包括了計(jì)算沿著所期望的路徑穿過(guò)所研究部位傳播而被接收的超聲信號(hào)分量的表觀速度值的步驟。該速度可由測(cè)量的傳播時(shí)間和確定的接收器和發(fā)射器之間的距離算出。表觀速度與被研究部位的強(qiáng)度有關(guān)(步驟96)。
要得到穿過(guò)骨的聲波的表觀速度，要求測(cè)量或知曉聲波傳播的距離，這個(gè)距離除以由步驟94確定的傳播時(shí)間，產(chǎn)生了這里所指的聲波的表觀速度?！氨碛^”一詞意味著這個(gè)聲速體現(xiàn)了聲波傳播經(jīng)過(guò)所有介質(zhì)，即軟組織、脂肪、連接組織和骨的復(fù)合體。而我們所要的是聲在骨中的真實(shí)速度，這個(gè)速度是在骨中傳播的超聲信號(hào)所經(jīng)過(guò)的距離除以其傳播時(shí)間。“表觀速度”這一名稱反映了測(cè)量是對(duì)骨中“真實(shí)聲速”的近似這一事實(shí)。在一定條件下，例如當(dāng)圍繞骨的軟組織的厚度足夠小時(shí)，真實(shí)速度與聲的表觀速度接近相等。對(duì)人體髕骨，這些條件是滿足的。
探頭12包括了距離測(cè)量裝置以測(cè)量發(fā)射器26和接收器28之間的距離。如同此處所實(shí)施的，距離測(cè)量裝置包括一個(gè)數(shù)字測(cè)徑器30，它可提供一個(gè)數(shù)字距離信號(hào)，指示發(fā)射器26和接收器28之間的距離。距離信號(hào)沿線100被送入CPU19，它是由下述方法產(chǎn)生的發(fā)射器26通過(guò)第一連桿31與標(biāo)尺29相連，接收器28通過(guò)第二連桿33與滑動(dòng)塊27相連，當(dāng)接收器28和滑動(dòng)塊27一并從原點(diǎn)(如圖7中虛輪廓線所示)移動(dòng)到被研究部位32上與發(fā)射器26相對(duì)的一邊時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)距離信號(hào)，這個(gè)信號(hào)與它與滑塊一并移動(dòng)的距離‘d’成正比。距離信號(hào)被沿著線100送往CPU19。
如同此處實(shí)施的(如圖8所示)，根據(jù)本發(fā)明提出的方法包括了確定骨強(qiáng)度降低或發(fā)生疾病的危險(xiǎn)性的步驟，這是通過(guò)將測(cè)量的速度與相應(yīng)的正常人或病人的速度相比較而得出的(步驟98)?！跋鄳?yīng)的受試者”指的是這樣一些人，例如他們相對(duì)于要確定骨強(qiáng)度的人具有相應(yīng)的年齡、種族和地理位置。如上討論過(guò)的，沿所期望的路徑25穿過(guò)被研究部位32傳播的超聲信號(hào)速度與所研究部位的強(qiáng)度相關(guān)，特別是由公式5V=K*r]]>就診斷應(yīng)用而言，r和k兩者都不需直接計(jì)算，速度V與骨質(zhì)量因子K和密度r兩者均相關(guān)。既然因疾病造成不論那一個(gè)量下降，都會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，速度的下降就成為疾病和強(qiáng)度降低的指示。進(jìn)一步，如果人們確定了骨密度r，則骨質(zhì)量因子K就可以直接計(jì)算出來(lái)。人們可以通過(guò)將沿著所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的聲速與特定病人所在群體的相應(yīng)速度比較，從而確定骨強(qiáng)度降低的危險(xiǎn)。如同此處所實(shí)施的，這一比較是由CPU19完成的。
可供選擇的另一做法是可以用，例如，X-光技術(shù)來(lái)確定沿著所期望的路徑處的骨密度，并計(jì)算出K值。通過(guò)將計(jì)算的K值與特定病人所在群體的K值聯(lián)系起來(lái)，就可以確定沿著所期望的路徑處骨強(qiáng)度。如同此處所實(shí)施的，沿著所期望路徑處的骨密度r可利用鍵盤22輸入CPU19，K值可由CPU19計(jì)算并通過(guò)CPU19與已知K值進(jìn)行比較。
沿著所期望的路徑(例如髕骨的上中部)的超聲信號(hào)速度的測(cè)量給出了關(guān)于在這一位置骨的彈性模量、斷裂強(qiáng)度和質(zhì)量的信息。這些信息與髕骨或其它部位的骨(例如脊椎骨)的特性或健康有著極有意義的關(guān)聯(lián)。
十分明顯，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本項(xiàng)發(fā)明，即活體骨強(qiáng)度超聲分析的儀器和方法做出各種各樣的修改和變化，而不偏離本發(fā)明的范圍或精神。因此，在此說(shuō)明下述意向本發(fā)明包括了對(duì)本項(xiàng)發(fā)明的在所附權(quán)利要求及其等效要求的范圍之內(nèi)的修改和變化。
權(quán)利要求
1.將一個(gè)超聲信號(hào)導(dǎo)入一條穿過(guò)一個(gè)被研究部位的所期望的超聲路徑的方法，超聲信號(hào)能夠沿眾多超聲路徑傳播，而在眾多路徑中的各條中被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用互不相同，此方法包括下述步驟(a)靠近被研究部位安裝一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器，以便在所述發(fā)射器和所述接收器之間，大致沿著所期望的路徑，建立一個(gè)直通超聲路徑；(b)朝著接收器方向發(fā)射一個(gè)超聲信號(hào)使其進(jìn)入被研究部位中；(c)在被發(fā)射的超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位后接收此超聲信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)代表所述接收器接收的超聲信號(hào)的接收電子信號(hào)；(d)將所述接收電子信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形；(e)將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定特征與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形的相應(yīng)特定特征進(jìn)行比較，當(dāng)上述所發(fā)射的超聲信號(hào)至少有一部分沿所期望的路徑穿過(guò)所研究部位傳播時(shí)，被研究部位與所發(fā)射的超聲信號(hào)相互作用就得到所述標(biāo)準(zhǔn)波形；(f)在相對(duì)于被研究部位的不同方向上，改變所述發(fā)射器和所述接收器的位置，以建立起不同的超聲通路，直至所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的所述特定特征與所述標(biāo)準(zhǔn)波形的所述相應(yīng)的特定特征基本相同，從而表明從所述發(fā)射器發(fā)射的所述超聲信號(hào)至少有部分沿所述所期望的路徑傳播并到達(dá)了所述接收器。
2.確定一被研究部位的強(qiáng)度的方法，包括下述步驟(a)從發(fā)射器發(fā)射-超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位;(b)在超聲信號(hào)傳播穿過(guò)被研究部位后，接收器接收此此超聲信號(hào)，接收到的超聲信號(hào)包括沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的分量和沿一條或多條其它路徑穿過(guò)被研究部位傳播的一個(gè)或多個(gè)分量;(c)測(cè)量沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的超聲信號(hào)分量的傳播時(shí)間，這一時(shí)間是指從發(fā)射出超聲信號(hào)到接收到沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播而被接收到的超聲信號(hào)分量之間所經(jīng)歷的時(shí)間;以及(d)計(jì)算沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的被接收超聲信號(hào)分量的表觀速度值，這可由所測(cè)的所述接收器和所述發(fā)射器之間的距離除以所測(cè)的傳播時(shí)間得出，表觀速度與被研究部位的強(qiáng)度有關(guān)。
3.將超聲信號(hào)導(dǎo)入一個(gè)穿過(guò)被研究部位的所期望路徑以確定被研究部位強(qiáng)度的方法，超聲信號(hào)能夠沿眾多超聲路徑傳播，這眾多路徑包括穿過(guò)被研究部位的所期望路徑，沿眾多路徑中的每一條路徑被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用均不相同，本方法包括下述步驟(a)安放一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器、發(fā)射器和接收器之間相隔一個(gè)探頭間距，兩者應(yīng)靠近被研究部位以在所述發(fā)射器與所述接收器之間建立一條很接近所述所期望路徑的超聲直通路徑;(b)朝著接收器方向發(fā)射一個(gè)超聲信號(hào)使其進(jìn)入被研究部位;(c)在發(fā)射的超聲信號(hào)傳播穿過(guò)被研究部位后，接收此超聲信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)代表所述接收器接收到的超聲信號(hào)的接收電子信號(hào);(d)對(duì)所述接收電子信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形;(e)將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的相應(yīng)特定特征進(jìn)行比較，當(dāng)所述發(fā)射超聲信號(hào)至少有一部分沿所述所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播時(shí)，被研究部位與所述發(fā)射超聲信號(hào)相互作用就得到所述標(biāo)準(zhǔn)波形;(f)在相對(duì)于被研究部位的不同方向上改變所述發(fā)射器和所述接收器的位置，以建立起不同的超聲通路，直至所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的所述特定特征與所述標(biāo)準(zhǔn)波形的所述特定特征基本相同，從而表明從所述發(fā)射器發(fā)射的所述超聲信號(hào)至少有一部分沿所述所期望的路徑傳播并到達(dá)了所述接收器;(g)測(cè)量沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的超聲信號(hào)分量的傳播時(shí)間，這一時(shí)間是指從發(fā)射出超聲信號(hào)到接收到被接收的超聲信號(hào)分量之間所經(jīng)歷的時(shí)間，這一被接收的超聲信號(hào)分量是沿所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播的;以及(h)計(jì)算沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的被接收到的超聲信號(hào)分量的表觀速度值，這可由所述探頭間距離除以所測(cè)量的傳播時(shí)間得出，表觀速度與被研究部位的強(qiáng)度有關(guān)。
4.如權(quán)利要求1或3中所敘述的方法，其中，所述發(fā)射一個(gè)穿過(guò)被研究部位的超聲信號(hào)的步驟包括發(fā)射一個(gè)第一半周是第一極性的超聲信號(hào)的步驟，以及其中，改變所述發(fā)射器和所述接收器的位置的步驟被多次重復(fù)，直到上述被調(diào)整的電子信號(hào)波形具有上述第一極性的第一半周。
5.如權(quán)利要求1或3中所敘述的方法，其中，在靠近被研究部位安放所述發(fā)射器和所述接收器的所述步驟中包括在被研究部位的相對(duì)兩側(cè)安放所述發(fā)射器和所述接收器的步驟。
6.如同權(quán)利要求1或3中所敘述的方法，其中，對(duì)被接收的電子信號(hào)波形進(jìn)行信號(hào)調(diào)整的所述步驟包括自動(dòng)調(diào)整所接收到的超聲信號(hào)振幅的步驟，以保證所述接收到的超聲信號(hào)的振幅是在一個(gè)更合適的數(shù)值范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1或3中所敘述的方法，其中，對(duì)接收到的超聲波形進(jìn)行信號(hào)調(diào)整的所述步驟包括對(duì)接收到的超聲信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮的步驟，以保證所述接收到的超聲信號(hào)的振幅是在一個(gè)更合適的數(shù)值范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1或3中所敘述的方法，其中，將調(diào)整后的波形和標(biāo)準(zhǔn)波形的特定特征進(jìn)行比較的所述步驟包括在視頻顯示器上顯示調(diào)整后的波形的步驟。
9.如權(quán)利要求2或3中所敘述的方法，其中，測(cè)定傳播時(shí)間的所述步驟包括，估計(jì)接收到被接收的超聲信號(hào)分量的時(shí)間的步驟，這個(gè)被接收的超聲信號(hào)分量是沿著所期望的路徑傳播穿過(guò)被研究部位的，通過(guò)識(shí)別第一時(shí)間點(diǎn)，在這一時(shí)刻所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形偏離基線值，并且識(shí)別第二時(shí)間點(diǎn)，在這一時(shí)刻，所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形繼所述第一時(shí)間點(diǎn)之后第一次到達(dá)基線值，所述第二時(shí)間點(diǎn)用來(lái)估計(jì)接收到被接收的超聲信號(hào)分量的時(shí)刻，這一分量是指沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的被接收的超聲信號(hào)分量。
10.如權(quán)利要求9中所描述的方法，其中，識(shí)別第一時(shí)間點(diǎn)的所述步驟包括確定所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第一偏離小于正閾值和負(fù)閾值的步驟。
11.如權(quán)利要求1，2或3中所敘述的方法，其中，發(fā)射一個(gè)穿過(guò)被研究部位的超聲信號(hào)的所述步驟包括發(fā)射一個(gè)穿過(guò)人體內(nèi)被軟組織包圍的骨的超聲信號(hào)的步驟。
12.如權(quán)利要求11中描述的方法，其中，所述信號(hào)接收步驟包括接收這樣一個(gè)超聲信號(hào)的步驟，這個(gè)超聲信號(hào)包括第一部分和第二部分，所述接收的超聲信號(hào)中的所述第一部分相應(yīng)于沿一個(gè)穿過(guò)骨的路徑傳播的超聲信號(hào)，接收的超聲信號(hào)的第二部分相應(yīng)于至少沿著一個(gè)穿過(guò)骨的路徑和一個(gè)穿過(guò)軟組織的路徑傳播的超聲信號(hào)的分量。
13.如權(quán)利要求12中所描述的方法，其中，發(fā)射一個(gè)穿過(guò)被研究部位的超聲信號(hào)的所述步驟包括發(fā)射一個(gè)具有至少一個(gè)高頻分量和一個(gè)低頻分量的超聲信號(hào)，所述高頻分量沿一穿過(guò)軟組織的路徑傳播，而所述低頻分量沿一穿過(guò)骨的路徑傳播。
14.如權(quán)利要求13中所描述的方法，其中，所述接收步驟包括接收一個(gè)超聲信號(hào)的步驟，此信號(hào)中所述第一部分的特征由第一頻率范圍所表示，而所述第二部分的特征由與所述第一頻率范圍不同的第二頻率范圍表示。
15.如權(quán)利要求12中所描述的方法，其中，所述比較步驟包括試圖在所述電子信號(hào)波形中確定第一和第二部份的步驟，所述第一和第二部份分別具有可區(qū)分的測(cè)定的第一特征和第二特征，它們與所述標(biāo)準(zhǔn)波形中的所述特定的特征相似。
16.如權(quán)利要求15中所描述的方法，其中，所述第一和第二可區(qū)分的特征分別包括第一和第二頻率范圍，并且其中所述試圖定位的步驟包括下述子步驟在所述電子信號(hào)波形的所述第一部分的第一頻率范圍中的能量的第一予確定量的測(cè)量;以及在所述電子信號(hào)波形的所述第二部分的第二頻率范圍中的能量的第二予確定量的測(cè)量。
17.一個(gè)將超聲信號(hào)導(dǎo)入所期望的超聲路徑，穿過(guò)被研究部位的儀器，此超聲信號(hào)能沿眾多超聲路徑傳播，沿眾多路徑中的每一條路徑被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用各不相同。此儀器包括(a)在靠近被研究部位安放一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器，用以在所述發(fā)射器和所述接收器之間建立一條大致沿著所期望路徑的直通路徑，所述發(fā)射器包括將被發(fā)射的超聲信號(hào)朝著接收器方向射入被研究部位的裝置，而所述接收器包括在發(fā)射信號(hào)穿過(guò)被研究部位之后接收發(fā)射信號(hào)并且產(chǎn)生一個(gè)接收電子信號(hào)的裝置，這個(gè)接收電子信號(hào)代表了被所述接收器接收的超聲信號(hào);(b)信號(hào)調(diào)整裝置與所述接收器相通，以調(diào)節(jié)所述接收電子信號(hào)，從而形成一調(diào)整過(guò)的電子信號(hào)波形;以及(c)比較裝置與所述信號(hào)調(diào)整裝置相耦合，以允許將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的相應(yīng)的特定特征進(jìn)行比較，所述標(biāo)準(zhǔn)波形是當(dāng)所述發(fā)射超聲信號(hào)至少有一部分沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播時(shí)，由被研究部位與所述發(fā)射的超聲信號(hào)相互作用而得到的，所述比較裝置允許將所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的所述特定的特征與所述標(biāo)準(zhǔn)波形的所述相應(yīng)特定的特性進(jìn)行比較。借助這一比較，能夠相對(duì)于所研究部位沿不同方向改變所述發(fā)射器和所述接收器的位置，以建立不同的超聲路徑直至所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的所述特定的特征與所述標(biāo)準(zhǔn)波形的所述特定的特征基本相同，從而表明從所述發(fā)射器發(fā)射的所述超聲信號(hào)至少有一部分已沿所述期望的路徑傳播至所述接收器。
18.將一超聲信號(hào)導(dǎo)入穿過(guò)被研究部位的所期望的超聲路徑的儀器，以確定被研究部位的強(qiáng)度，這個(gè)超聲信號(hào)能夠沿眾多超聲路徑傳播，且沿眾多路徑中的每一條路徑，被研究部位與超聲信號(hào)的相互作用各不相同，本儀器包括(a)一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器安放在靠近被研究部位的位置，以在所述發(fā)射器和所述接收器之間大致沿著所期望的路徑建立起一條直通超聲路徑，所述發(fā)射器包括一個(gè)朝著接收器的方向發(fā)射超聲信號(hào)進(jìn)入被研究部位的裝置，所述接收器包括一個(gè)在所發(fā)射的超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位后接收它并產(chǎn)生一個(gè)接收電子信號(hào)的裝置。這個(gè)電子信號(hào)代表被所述接收器接收的超聲信號(hào);(b)信號(hào)調(diào)整裝置與所述接收器相通，以調(diào)整所述接收電子信號(hào)，從而形成一個(gè)調(diào)整后的電子信號(hào)波形;(c)比較裝置與所述信號(hào)調(diào)整裝置相耦合，以允許將調(diào)整后的電子信號(hào)波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的已知特定特征進(jìn)行比較，所述標(biāo)準(zhǔn)波形是當(dāng)所述發(fā)射的超聲信號(hào)至少有一部分沿著所期望的路徑穿過(guò)被研究部位傳播時(shí)，由被研究部位與所述發(fā)射的超聲信號(hào)相互作用而得到的，以及(d)與所述比較裝置相應(yīng)，計(jì)算裝置用于測(cè)定所期望的超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位的傳播時(shí)間;這一時(shí)間是從發(fā)射所述超聲信號(hào)到接收到被接收的超聲信號(hào)分量之間所經(jīng)歷的時(shí)間，這個(gè)被接收的超聲信號(hào)分量是沿所期望的路徑穿過(guò)被研究部位而傳播的;計(jì)算裝置還用于計(jì)算被接收的沿所期望路徑穿過(guò)所研究部位傳播的超聲分量的表觀速度值，將所確定的所述接收器和所述發(fā)射器之間的距離除以所測(cè)量的傳播時(shí)間即得該表觀速度。所述表觀速度是與所研究部位的強(qiáng)度相聯(lián)系的。
19.如權(quán)利要求17或18中所描述的儀器，進(jìn)一步包括了與所述發(fā)射器和所述接收器相配合的裝架結(jié)構(gòu)，以允許將所述發(fā)射器和所述接收器安放在被研究部位的兩側(cè)。
20.如權(quán)利要求17或18中所描述的儀器，其中所述信號(hào)調(diào)整裝置包括范圍自動(dòng)控制裝置，以保證所述接收到的超聲信號(hào)振幅是在信號(hào)調(diào)整裝置的線性操作范圍內(nèi)。
21.如權(quán)利要求17或18中所描述的儀器，其中所述信號(hào)調(diào)整裝置包括了對(duì)數(shù)壓縮裝置，以保證所述接收到的超聲信號(hào)振幅是在信號(hào)調(diào)整裝置的線性操作范圍內(nèi)。
22.如權(quán)利要求17或18中所描述的儀器，進(jìn)一步包括了顯示所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的裝置。
23.如權(quán)利要求22中所描述的儀器，其中所述顯示裝置包括一個(gè)視頻顯示器。
24.如權(quán)利要求18中所描述的儀器，其中所述計(jì)算裝置包括估算接收到被接收的超聲信號(hào)分量的時(shí)間的裝置，被接收的超聲信號(hào)分量是沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的，這一估算是通過(guò)識(shí)別第一時(shí)間點(diǎn)，在這一時(shí)刻所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形偏離基線值，并且識(shí)別第二時(shí)間點(diǎn)，在這一時(shí)刻，所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形繼所述第一時(shí)間點(diǎn)之后第一次到達(dá)基線值，所述第二時(shí)間點(diǎn)用來(lái)估計(jì)接收到被接收的超聲信號(hào)分量的時(shí)間，這一分量是指沿所期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播的被接收的超聲信號(hào)分量。
25.如權(quán)利要求24中所描述的儀器，其中所述計(jì)算方法進(jìn)一步包括用于確定下述時(shí)間的裝置，即確定在什么時(shí)間所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的所述第一偏離小于一個(gè)正閾值及一個(gè)負(fù)閾值。
26.如權(quán)利要求17或18中所描述的儀器，其中所述發(fā)射器包括發(fā)射超聲信號(hào)的裝置，當(dāng)靠近活體內(nèi)被軟組織包圍的骨安放所述超聲發(fā)射器和超聲接收器時(shí)，這個(gè)超聲信號(hào)至少包括一個(gè)沿穿過(guò)軟組織的路徑傳播的高頻分量和一個(gè)沿穿過(guò)骨的路徑傳播的低頻分量。
27.如權(quán)利要求26中所描述的儀器，其中所述比較裝置包括確定所述調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第一和第二部份的裝置，調(diào)整后的電子信號(hào)波形的第一和第二部分與所述標(biāo)準(zhǔn)波形的相應(yīng)第一和第二部分相似。
全文摘要
將超聲信號(hào)導(dǎo)入一個(gè)穿過(guò)被研究部位的期望路徑，并用以確定被研究部位的強(qiáng)度的儀器和方法。發(fā)射器發(fā)送超聲信號(hào)穿過(guò)被研究部位，為接收器接收，產(chǎn)生接收波形的調(diào)整后的信號(hào)波形。將調(diào)整后的波形的特定特征與標(biāo)準(zhǔn)波形的相應(yīng)特征比較，此標(biāo)準(zhǔn)波形是在超聲信號(hào)沿期望路徑穿過(guò)被研究部位傳播時(shí)得到的。當(dāng)它們相應(yīng)特征基本相同時(shí)，這超聲信號(hào)至少有部分沿期望路徑傳播。計(jì)算沿期望路徑傳播的超聲信號(hào)的表觀速度，并與骨強(qiáng)度相關(guān)。
文檔編號(hào)A61B8/08GK1040739SQ89106669
公開日1990年3月28日 申請(qǐng)日期1989年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月30日
發(fā)明者加里·H·布蘭登堡格 申請(qǐng)人:骨科技有限公司