專利名稱：用于骨骼非侵害性評(píng)價(jià)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用超聲波評(píng)價(jià)活體內(nèi)人骨的方法和裝置。本發(fā)明與骨內(nèi)導(dǎo)波超聲波傳播的產(chǎn)生和檢測(cè)有關(guān)，也與從測(cè)量的導(dǎo)波參數(shù)確定骨的特性有關(guān)。
背景技術(shù)：
用所謂軸向傳輸技術(shù)評(píng)價(jià)長(zhǎng)的骨已經(jīng)有超過(guò)四十年的歷史(例如見(jiàn)Gerlane等人的Clin.Orthop.Rel.Res.1975；111175-180)。借助該方法，從發(fā)射機(jī)發(fā)送的超聲脈沖，沿骨的長(zhǎng)軸(通常是脛骨)到接收機(jī)，并從首先到達(dá)的信號(hào)的通過(guò)時(shí)間與傳播距離，估算速度。為計(jì)及上面覆蓋的軟組織的效應(yīng)，可以使用多個(gè)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)中任何一種配置，或令一個(gè)換能器相對(duì)于另一個(gè)移動(dòng)，把通過(guò)時(shí)間作為距離的函數(shù)而確定。至少已經(jīng)生產(chǎn)了兩種用于骨評(píng)價(jià)的商業(yè)臨床裝置，使用軸向超聲傳輸Soundscan 2000/compact(Myriad Ultrasound SystemLtd.，Rehovot，Israel)，工作在250kHz，及Omnisense(SunlightMedical Corp.，Rehovot，Israel)，工作在1.25MHz(見(jiàn)專利號(hào)WO99/45348)。Camus等人(J.Acoust.Soc.Am.2000；1083058-3065)近來(lái)對(duì)軸向傳輸技術(shù)的調(diào)研表明，在某些條件下，首先到達(dá)的信號(hào)相當(dāng)于以體波縱向速度沿固體表面?zhèn)鞑サ膫?cè)波(或頭波(head wave))。觀察到側(cè)波的條件包括合適的測(cè)量幾何安排(就換能器的分離與它們離該表面的距離方面)、近似于點(diǎn)狀發(fā)射機(jī)和接收機(jī)(球面波前)、及使用的波長(zhǎng)小于固體層的厚度。活體內(nèi)測(cè)量的脛骨超聲速度值，接近或略低于離體的人類骨密質(zhì)樣本中活體外測(cè)量的軸縱向波速度。但是，有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，當(dāng)波長(zhǎng)大于骨厚時(shí)，首先到達(dá)的信號(hào)速度，低于該縱向速度。模擬的研究證明類似的趨勢(shì)，還表明，隨著該樣本變得更薄時(shí)，對(duì)首先到達(dá)的信號(hào)有貢獻(xiàn)的波也變化。對(duì)該厚度效應(yīng)的臨床證據(jù)，尚無(wú)結(jié)論，但該效應(yīng)可能由于不同商品系統(tǒng)使用的超聲頻率不同，或由于其他方法上的因素。
使用目前的商業(yè)裝置測(cè)量的脛骨超聲速度，與脛骨無(wú)機(jī)質(zhì)密度(BMD)有關(guān)，而在其他骨骼部位，在較低程度上與BMD有關(guān)(例如見(jiàn)Folder等人的Bone，1995；17363-367)，而且還反映骨密質(zhì)的彈性模量。但是，脛骨的超聲對(duì)骨質(zhì)疏松骨折的辨別是粗劣的，并與股骨強(qiáng)度及BMD只有微弱相關(guān)。有許多理由表明，為什么目前脛骨超聲測(cè)量，就它們對(duì)有關(guān)骨特性的靈敏度方面，是最適度以下的。波在骨表面的傳播，可能更好地反映骨膜區(qū)中骨物質(zhì)特性。在骨質(zhì)疏松中，骨密質(zhì)的變化主要出現(xiàn)在骨內(nèi)膜區(qū)中。骨內(nèi)膜骨多孔性的增加，最終導(dǎo)致骨內(nèi)膜再吸收，即“小梁化”，并使皮質(zhì)變薄。此外，最近的納米切跡研究提出，在骨膜和骨內(nèi)膜骨彈性特性中，隨年齡有不同的變化，可能純粹在物質(zhì)層面。針對(duì)這些已知病理學(xué)變化的超聲方法，很可能證明更有臨床上的價(jià)值。進(jìn)一步關(guān)心的是，如果密度與彈性兩者呈現(xiàn)并行的變化，例如作為多孔性變化的結(jié)果，超聲速度可能不會(huì)改變，因?yàn)樵搩煞N效應(yīng)趨于抵消(因?yàn)榭v向速度隨彈性被密度除的平方根變化)。這些考慮建議，任何改進(jìn)骨密質(zhì)評(píng)價(jià)的超聲方法，應(yīng)當(dāng)對(duì)如下一個(gè)或多個(gè)因素靈敏的a)減小的皮質(zhì)厚度，b)骨內(nèi)膜區(qū)中結(jié)構(gòu)的變化，如多孔性增加，和c)骨密度和彈性在物質(zhì)層面的變化，理想的是上述因素各自獨(dú)立。
一般說(shuō)來(lái)，很少考慮對(duì)長(zhǎng)骨使用不同類型超聲波的可能性。一個(gè)例外的工作是，已經(jīng)報(bào)告在脛骨中測(cè)量低頻超聲的“表面波”速度，繪制速度的空間變化圖(Jansons等人，Biomaterials 1984；5221-226)。但是，因?yàn)榧儽砻娌ㄖ淮嬖谟诒炔ㄩL(zhǎng)厚得多的結(jié)構(gòu)中，所以這些研究者很可能實(shí)際測(cè)量的是反映骨厚和物質(zhì)特性兩者的導(dǎo)波模。在有界的或成層的媒質(zhì)中傳播的導(dǎo)波，以及它們的特征，是由結(jié)構(gòu)和周圍媒質(zhì)的幾何形狀及物質(zhì)特性確定的。它們是因結(jié)構(gòu)內(nèi)縱向和剪切波的反射、模轉(zhuǎn)換、和干涉產(chǎn)生的(Victorov L.A.Rayleigh and Lamb Waves.NewYork，Plenum，1967)。超聲導(dǎo)波十分廣泛地在工程的無(wú)損探測(cè)中使用，以評(píng)價(jià)板、管、和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的，是提供一種能測(cè)量至少兩種同時(shí)在骨中傳播的超聲波速度的方法，其中所述兩種超聲波中至少一種，是按照Lamb的波理論的導(dǎo)波。本目的是通過(guò)權(quán)利要求書(shū)規(guī)定的一種方法和裝置達(dá)到的。本發(fā)明利用眾所周知的，在固體彈性板中導(dǎo)波的Lamb的波理論，首次證明這些導(dǎo)波如何能用于骨的非侵入評(píng)價(jià)。
人類長(zhǎng)骨的皮質(zhì)，基本上包括固體骨的彎曲板，并能支持類似于Lamb波的導(dǎo)波的傳播。Lamb波是在真空中有限厚度的固體彈性板中傳播的兩維彈性波。它們是由縱向和剪切波在該板的上表面和下表面多次反射及模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。它們以共振模的形式存在，其中頻率及相速度的組合，與沿厚度方向的駐波對(duì)應(yīng)。對(duì)以S0、S1、S2等等標(biāo)記的對(duì)稱模，運(yùn)動(dòng)是與板的中間平面對(duì)稱的，而在反對(duì)稱模中(A0、A1、A2等等)，運(yùn)動(dòng)是反對(duì)稱的。每一種模的行為，由色散曲線描述，該色散曲線表征相速度隨頻率的變化。除兩個(gè)基本模S0和A0外，所有模都有一截止頻率厚度積(F.d)。因此，對(duì)非常低的頻率，或?qū)Ψ浅１〉陌?，只有基?S0和A0)能被激發(fā)。在這些條件中，S0波的相速度接近“薄板”理論預(yù)測(cè)的相速度，由類似于條波方程式(barwave equation)(Graff K.F.Wave Motionin Elastic Solid.New York，Dover，1991)的方程式給出。隨著F.d的增加，所有Lamb模的速度，逐漸逼近Rayleigh波的速度。Lamb波的命名法也常用于描述被外部媒質(zhì)如液體加載的板中波的傳播。邊界條件因周圍媒質(zhì)的存在而修改，而在液體淹沒(méi)的板中，Lamb波的特征與自由板的Lamb波特征不同。例如，如果液體的相速度接近Lamb波的相速度，則該模繼續(xù)輻射進(jìn)液體，因而它的衰減高。在本文中，是在一般的意義下把“Lamb波”一詞用于板、管、或存在固體層的其他幾何形狀中導(dǎo)波的傳播，同時(shí)也用于被周圍液體媒質(zhì)限定的固體層情形。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提供一種在骨中激發(fā)超聲波的方法，它使用低頻小直徑接觸式換能器，以便最佳地在骨中產(chǎn)生導(dǎo)波。通過(guò)在低頻率上的測(cè)量，首先到達(dá)的波的速度，已經(jīng)借助速度趨向于基本對(duì)稱的Lamb波，加強(qiáng)了厚度依賴性。事實(shí)上，首先到達(dá)的信號(hào)，可以看作在這些環(huán)境下的導(dǎo)波。低頻小直徑換能器的性能，近似于點(diǎn)狀發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，向所有方向輻射能量，并耦合進(jìn)在首先到達(dá)信號(hào)之后到達(dá)的另外導(dǎo)波。
本發(fā)明還有另一個(gè)目的，是提供一種在超聲換能器與肢體之間保持近似恒定接觸力的方法。在進(jìn)行活體內(nèi)測(cè)量時(shí)，可以預(yù)料病人有某些運(yùn)動(dòng)，但這樣會(huì)導(dǎo)致接觸力的變化，除非加以校正。接觸力的變化可能對(duì)聲能耦合進(jìn)骨中有不利效應(yīng)，并可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種分析軸向傳輸掃描數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)以(r，t)即(距離，時(shí)間)圖的形式表示，從該方法可以識(shí)別不同傳播的波，并且可以從波的擬合直線的斜率，確定它們的速度。利用本方法，可以檢測(cè)并測(cè)量在首先到達(dá)(最快的)信號(hào)之后到達(dá)的波。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種通過(guò)對(duì)接收的信號(hào)使用頻譜分析，增強(qiáng)對(duì)導(dǎo)波的鑒別和測(cè)量的方法。本方法包括計(jì)算接收信號(hào)的頻譜，計(jì)算頻譜圖(時(shí)間-頻譜分析)，和對(duì)(r，t)數(shù)據(jù)陣列(頻率-波數(shù)分析)執(zhí)行兩維Fourier變換。此外，或另外，可以對(duì)接收的信號(hào)濾波，增強(qiáng)或降低特定的頻率分量。此外，或另外，發(fā)送至發(fā)射換能器的激發(fā)信號(hào)，可以是指定的任意函數(shù)，該函數(shù)可按對(duì)該換能器頻率響應(yīng)的了解來(lái)選擇，以便產(chǎn)生有特殊特征的輸出信號(hào)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種采用換能器陣列的方法，使接收機(jī)的掃描能夠利用不同換能器單元或它們的組合，作為接收機(jī)，以電子學(xué)的方法進(jìn)行。按此方法，接收的信號(hào)，可以作為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)距離的函數(shù)而測(cè)量，并按更早說(shuō)明的方法，形成(r，t)圖，但其優(yōu)點(diǎn)是不包含移動(dòng)部件。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種采用梳狀換能器的方法，該梳狀換能器由一組換能器單元組成，各單元間的間隔恒定。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的任一種，或兩種，可以是梳狀換能器。梳狀換能器以恒定波長(zhǎng)激發(fā)(或檢測(cè))導(dǎo)波，該波長(zhǎng)由單元間隔確定。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)念l率，選出的導(dǎo)波能夠在骨中產(chǎn)生并測(cè)量。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種把能量從超聲換能器耦合進(jìn)骨中導(dǎo)波的方法，本方法使用的換能器，以一定角度相對(duì)于骨放置，并經(jīng)過(guò)液體或固體媒質(zhì)，耦合至肢體。使用這樣的方法，可以最佳地產(chǎn)生具有已知相速度的導(dǎo)波，該相速度通過(guò)Snell定律，由該角度及耦合媒質(zhì)中的速度確定。換能器可以用維持聲耦合的少量凝膠與骨接觸，或者，換能器可以在肢體之上某一距離，使聲信號(hào)隨后通過(guò)耦合媒質(zhì)傳播某一顯著距離。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，按某種反射配置使用兩個(gè)換能器，該配置指定發(fā)射機(jī)的入射角(對(duì)接收機(jī)也是相同的反射角)，以便在骨的單一點(diǎn)上激發(fā)和檢測(cè)導(dǎo)波。反射頻譜中的極大，對(duì)應(yīng)于能量被耦合進(jìn)骨中的導(dǎo)波?？梢愿淖?nèi)肷?反射角，以便在某一角度范圍上獲得數(shù)據(jù)。該角度能夠通過(guò)Snell定律與相速度關(guān)聯(lián)，從而可以確定色散曲線。本方法可以用寬帶脈沖、音頻脈沖串、或連續(xù)波任何一種實(shí)現(xiàn)。通過(guò)圍繞垂直于骨表面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)，可以評(píng)價(jià)骨層平面中的各向異性。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，用單個(gè)換能器發(fā)出脈沖，且用作發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。因此，該換能器以直角對(duì)準(zhǔn)骨表面，并以脈沖回波模式工作。按正入射獲得從骨反射的信號(hào)。利用從骨表面的上部和下部之間反射的時(shí)間差，估算骨的厚度。該時(shí)間差可以在時(shí)域中確定。另外，該時(shí)間差也可以在頻域中確定，因?yàn)閺?fù)合的接收信號(hào)的頻譜被周期dF＝1/t調(diào)制，這里t是兩個(gè)反射信號(hào)之間的時(shí)間延遲。估算的厚度可以按d＝v(t/2)計(jì)算，這里v是骨中沿徑向的聲速，可以從文獻(xiàn)中查到(通常是3300m/s)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量的導(dǎo)波聲學(xué)參數(shù)，諸如不同導(dǎo)波模的速度，和/或指定模在不同頻率時(shí)的速度，被用作數(shù)學(xué)逆算法的輸入數(shù)據(jù)。該算法的輸出是要研究的骨特性的估算，可能包含骨厚度、骨密度、骨彈性常數(shù)(彈性模量、Poisson比)。該數(shù)學(xué)逆算法以使用解析的導(dǎo)波理論迭代過(guò)程為基礎(chǔ)。骨特性的初始估算，被用于從導(dǎo)波理論計(jì)算導(dǎo)波的聲學(xué)參數(shù)。把這些計(jì)算結(jié)果與測(cè)量的聲學(xué)參數(shù)比較，然后調(diào)整骨特性的初始參數(shù)，以便降低整個(gè)誤差，并且重復(fù)該該過(guò)程，直至誤差小得可以接受。此外或另外，可以使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從測(cè)量的聲學(xué)參數(shù)中獲得骨特性的估算。此外，或另外，使用前面所述反射測(cè)量獲得的骨厚度估算，可以用作數(shù)學(xué)逆算法的附加輸入。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種檢測(cè)并對(duì)具有異常骨特性的區(qū)域定位的方法。要實(shí)現(xiàn)本方法，導(dǎo)波的測(cè)量可以在骨中許多位置上進(jìn)行，以便檢測(cè)具有異常骨特性的區(qū)域。一種應(yīng)用是檢測(cè)所謂骨內(nèi)應(yīng)力性骨折的存在。應(yīng)力性骨折因?yàn)樗鼈兊某叽缧?，常常難以在x射線照片中觀察，但它們對(duì)Lamb波通過(guò)骨的傳播，卻有顯著的效應(yīng)。此外，測(cè)量可以在特別感興趣的區(qū)域上進(jìn)行，例如，在骨折正在愈合的地方，以便監(jiān)測(cè)骨特性的改變。


圖1是用于本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的軸向傳輸測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
圖2畫(huà)出支承在椅子上的腿及與病人的腿接觸的換能器。
圖3是從前面看見(jiàn)的換能器單元。
圖4是帶致動(dòng)器的優(yōu)選換能器單元。
圖5a畫(huà)出丙烯酸板中導(dǎo)模的相速度、理論上的Lamb波色散曲線。
圖5b畫(huà)出丙烯酸板中導(dǎo)模的群速度、理論上的Lamb波色散曲線。
圖6是3mm厚丙烯酸板的(r，t)圖。
圖7是對(duì)丙烯酸板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)。
圖8是對(duì)人類活體內(nèi)的脛骨測(cè)量的(r，t)圖。
圖9是表，列出在正常和骨質(zhì)疏松中的超聲和骨無(wú)機(jī)質(zhì)密度結(jié)果。
圖10a-c畫(huà)出本裝置其他實(shí)施例的不同換能器配置。
圖11是用于本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的導(dǎo)波反射測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
圖12畫(huà)出用于反射測(cè)量的換能器移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
圖13是在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中從測(cè)量的聲學(xué)參數(shù)對(duì)骨特性進(jìn)行估算的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1畫(huà)出本發(fā)明第一實(shí)施例的測(cè)量系統(tǒng)。使用一對(duì)非聚焦的接觸式換能器12、13，中心頻率約200kHz，直徑為6mm。這些換能器的取向，垂直于要測(cè)量物體20的表面，并加上耦合媒質(zhì)，如超聲凝膠、軟塑料、或其他的液體或固體媒質(zhì)。測(cè)量時(shí)，發(fā)射機(jī)保持在固定的位置上，但接收機(jī)在計(jì)算機(jī)的控制34、37下，持續(xù)地運(yùn)動(dòng)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離，通常以每步0.5mm，從r0＝20mm增加到r＝50mm。主運(yùn)動(dòng)軸由步進(jìn)電機(jī)30、31控制的線性致動(dòng)器自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，該致動(dòng)器的最大線精度是0.015mm(RK Rose+Krieger梯形線性單元303300 30，由雙極性的Superior Electric，型號(hào)KLM091F13的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶有步進(jìn)模塊430-T)。換能器的接觸壓力由負(fù)載測(cè)壓器14、15(Sensotec Inc，型號(hào)31)確定。DC讀數(shù)被38、39放大并進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換(National Instruments 7433)。發(fā)射換能器被方波脈沖36(Panametrics 5077PR)激發(fā)，其振幅從100V變化至400V。來(lái)自接收機(jī)的信號(hào)用定制的電荷放大器32以40dB電壓增益放大，然后被數(shù)字示波器33(National Instruments 5012)以10 MSPS的抽樣速率采集。數(shù)據(jù)采集由脈沖發(fā)生器觸發(fā)，脈沖的重復(fù)頻率(PRF)是200Hz。數(shù)據(jù)的采集和分析軟件，用LabView(National Instruments)以Matlab實(shí)施，該軟件也用于某些分析。
圖2畫(huà)出支承在椅子上的腿。本發(fā)明的第一實(shí)施例包括附有腿支承2的椅子(未畫(huà)出)和安裝在腿支承2上的超聲掃描裝置。該掃描裝置有-兩個(gè)換能器12、13(發(fā)射機(jī)和接收機(jī))，其中，在測(cè)量時(shí)，一個(gè)換能器固定，而另一個(gè)沿正在測(cè)量的肢體軸運(yùn)動(dòng)，和-用于自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)換能器位置的裝置，和
-用致動(dòng)器調(diào)整換能器相對(duì)于肢體表面的豎直位置的裝置，以便獲得指定的接觸力，和-用于檢測(cè)每一換能器端部力(接觸壓力)的裝置，和-用于采集接收的信號(hào)、作為換能器分離的函數(shù)的裝置，該裝置從輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生(r，t)圖，并分析該圖，以便計(jì)算波速，以及任選地還有其他的聲學(xué)參數(shù)，諸如衰減。圖2中，換能器12、13被分開(kāi)地畫(huà)出，沒(méi)有畫(huà)出支承的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)也由椅子1支承。腿支承包括枕2.1、2.2、和2.3及支承這些枕和換能器滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的框架3。
另外，也可以令兩個(gè)換能器都能移動(dòng)，或者可以用一個(gè)固定的發(fā)射機(jī)與至少兩個(gè)可以移動(dòng)的接收機(jī)，或者可以用固定的換能器陣列，其中每一個(gè)既可用作發(fā)射機(jī)也可用作接收機(jī)。
或者用固定的發(fā)射機(jī)和至少兩個(gè)接收機(jī)，或者用固定的發(fā)射機(jī)陣列，或者能圍繞腿運(yùn)動(dòng)(掃描或陣列)，以便檢測(cè)具有低速度(比骨中聲的縱向波速度低)的一個(gè)波。
圖3畫(huà)出從前面看并與脛骨接觸的換能器單元。每一換能器12、13由滑塊10、11載運(yùn)。換能器單元包括換能器夾持器18、19；力傳感器14、15；和把換能器緊固在滑塊10、11上的螺帽23、24。兩個(gè)滑塊都有手動(dòng)的，沿豎直導(dǎo)軌10.1、11.1作豎直調(diào)整的定位器(未畫(huà)出)。每一滑塊又緊固在由步進(jìn)電機(jī)(未畫(huà)出)沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)的另一個(gè)滑塊上。
圖4畫(huà)出一種先進(jìn)的換能器單元。該單元包括換能器夾持器18、力傳感器14(精確的微型負(fù)載測(cè)壓器，Sensotec Inc，型號(hào)31)、連接套管、和致動(dòng)器21(H.S.I.微型線性致動(dòng)器，型號(hào)20561-05，行程12.7mm)。該致動(dòng)器能改變換能器位置，以維持指定的與肢體的接觸力。該單元通過(guò)連接環(huán)21.1緊固在滑塊上。
圖5a和5b畫(huà)出丙烯酸板中，第一組四個(gè)對(duì)稱的(S0-S3)和反對(duì)稱的(A0-A3)導(dǎo)模的理論Lamb波色散曲線圖5a)相速度，圖5b)群速度。水平軸是頻率厚度積(F.d)。這些曲線是用Rayleigh-Lamb方程式計(jì)算的，對(duì)丙烯酸，假設(shè)縱向速度為2750m/s，和剪切速度為1375m/s。Lamb波是真空中有限厚的自由固體彈性板中傳播的兩維彈性波。它們由縱向和剪切波在該板上下表面的多次反射和模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。它們以共振模的形式存在，其中頻率及相速度的組合，與沿厚度方向的駐波對(duì)應(yīng)。圖5a和5b中每一連續(xù)曲線，代表一種導(dǎo)波模。從這些色散曲線可見(jiàn)，除兩個(gè)基本模S0和A0外，所有模都有截止頻率厚度積。因此，對(duì)非常低的頻率，或?qū)Ψ浅１〉陌?，只有基本?S0和A0)能被激發(fā)。在這些條件下，S0波的相速度，接近‘薄板’理論的預(yù)測(cè)，由與條波方程式類似的方程式給出。在高F.d值，速度值逐漸逼近Rayleigh速度。Lamb波的命名法也常用于描述被外部媒質(zhì)如液體加載的板中波的傳播。邊界條件因周圍媒質(zhì)的存在而修改，而在液體淹沒(méi)的板中，Lamb波的特征與自由板的Lamb波特征不同。例如，如果液體的相速度接近Lamb模的相速度，則該模繼續(xù)輻射進(jìn)液體，因而它的衰減高。
圖6展示所謂的(r，t)圖，是在3mm厚的丙烯酸板上測(cè)量得到的。該(r，t)圖通過(guò)把接收的射頻(RF)信號(hào)，作為距離r的函數(shù)描繪而產(chǎn)生，給出一個(gè)(r，t)圖。每一接收的RF波形，被描繪成一水平線，其中的絕對(duì)振幅被映射為某一灰度值，而最大振幅與白色對(duì)應(yīng)。這些水平線沿豎直方向堆疊，給出所謂的(r，t)圖，其中的水平軸是時(shí)間(t)，而豎直軸是距離(r)。從該(r，t)圖可以看到傳播的波，而且，通過(guò)把一直線與一波包內(nèi)各峰擬合，可以測(cè)量速度。在展示的(r，t)圖中，可以始終看到兩個(gè)波。并且因?yàn)樗鼈儾煌奶匦?，可以采用不同的方法?lái)確定每一個(gè)的速度。首先到達(dá)的信號(hào)，一般是低振幅且相對(duì)地不色散的，并用設(shè)定閾值方法設(shè)為第一個(gè)峰極值的25％，對(duì)首先到達(dá)的信號(hào)跟蹤。該值是靠經(jīng)驗(yàn)選擇的，以避免因噪聲導(dǎo)致跟蹤失敗。較慢波包(Wave 2)由于受接收信號(hào)中其他分量的干擾，跟蹤更為困難。采用一種半自動(dòng)的方法，其中用戶在較慢波包內(nèi)的第一條RF線中，選擇某一峰，從該峰開(kāi)始跟蹤。之后，軟件在下一條RF線中，用相對(duì)小的時(shí)間窗向前搜索，以使跳到另一個(gè)錯(cuò)誤的峰的機(jī)會(huì)最小。該過(guò)程繼續(xù)通過(guò)所有RF線，然后用一直線與這些點(diǎn)擬合。用戶可用手工校正誤差，并進(jìn)行新的擬合。然后，按照第一和第二波包中與這些點(diǎn)線性擬合的斜率，分別計(jì)算第一波和第二波的相速度。
圖7畫(huà)出對(duì)丙烯酸板一系列測(cè)量的結(jié)果。還畫(huà)出對(duì)基本對(duì)稱(S0)和反對(duì)稱(A0)Lamb波速度的理論預(yù)測(cè)。首先到達(dá)的波(Wave 1)以縱向速度在厚板中傳播，但在薄板中，速度向著預(yù)測(cè)的S0 Lamb波速度下降。因此，在薄層中以低頻測(cè)量時(shí)，首先到達(dá)的波也可以認(rèn)為是一導(dǎo)波。較慢的波(Wave 2)與預(yù)測(cè)的Lamb A0波非常一致，得到的結(jié)論是，第二波確實(shí)是Lamb A0導(dǎo)波。
圖8表示對(duì)人類活體內(nèi)的脛骨測(cè)量的(r，t)圖，是從一健康志愿者獲得的。如同在丙烯酸板一樣，再次觀察到兩個(gè)不同傳播的波。
圖9是表，列出試點(diǎn)研究的結(jié)果，其中對(duì)正常的和骨質(zhì)疏松的對(duì)象進(jìn)行超聲測(cè)量。比較健康的和骨質(zhì)疏松的對(duì)象的值，可以發(fā)現(xiàn)，只有較慢的導(dǎo)波有顯著的差別。在骨質(zhì)疏松者中，較慢導(dǎo)波(Wave 2)的速度比正常的要慢15％。這些結(jié)果指出，A0導(dǎo)波(即第二導(dǎo)波)是骨質(zhì)疏松的最好鑒別。
圖10a、10b、和10c畫(huà)出各種換能器配置。換能器16、17可以按正入射與皮膚直接耦合，使用凝膠40、42(或在圖10b中的液體41)幫助耦合?；蛘呖梢耘c皮膚成指定角度放置，但仍然是直接耦合，用凝膠保持聲學(xué)路徑?；蛘邠Q能器可以放在皮膚某一距離之上，以固體或液體作耦合媒質(zhì)，置于換能器與皮膚之間。換能器可以成一角度或保持正入射。通過(guò)以一定角度相對(duì)于骨表面放置換能器(利用夾持器)，可以最佳地激發(fā)和測(cè)量特定的導(dǎo)波模。該角度在測(cè)量時(shí)可以改變?；蛘?，可以采用換能器陣列，其中每一換能器單元既可用作發(fā)射機(jī)，也可用作接收機(jī)。借助這一陣列，可以把接收的信號(hào)作為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)距離的函數(shù)，無(wú)需任何機(jī)械掃描。此外，在用電子學(xué)方法控制下，這樣的陣列可以用于聲束形成和聲束方向控制，能使“發(fā)射機(jī)”和“接收機(jī)”的角度相對(duì)于骨表面改變。
圖11示意畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，其中的導(dǎo)波用兩個(gè)換能器16、17按反射方案測(cè)量。容器46包含液體作為耦合媒質(zhì)45。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的配置，要能使入射角等于反射角。發(fā)射機(jī)發(fā)射超聲信號(hào)，該信號(hào)可以是脈沖、音頻脈沖串、或連續(xù)波，同時(shí)用接收機(jī)檢測(cè)從骨表面反射的信號(hào)。在給定角度上，該接收的信號(hào)是頻率的函數(shù)，在與即時(shí)能量被耦合進(jìn)骨層中的導(dǎo)波模對(duì)應(yīng)的頻率上，該函數(shù)有極小。利用Snell定律，可以把該入射角(θ)與骨中導(dǎo)波的相速度(c)作如下關(guān)聯(lián)，c＝c1/sinθ這里c1是耦合媒質(zhì)中的聲速。因此，通過(guò)在某一角度范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)，可能檢測(cè)導(dǎo)波，并以相速度及頻率表征它們。能夠產(chǎn)生類似于圖5的色散曲線。
圖12畫(huà)出用于改變一對(duì)換能器16、17的角度及取向的一種機(jī)構(gòu)，在保證入射角在所有時(shí)間都等于反射角的同時(shí)，還保證換能器聲束軸在一點(diǎn)上重合。該點(diǎn)應(yīng)與骨表面位置對(duì)應(yīng)?？梢愿淖儞Q能器的豎直位置，以找出骨表面。平行四邊形的四邊連在一起，最上面的點(diǎn)沿豎直導(dǎo)軌48移動(dòng)。換能器緊固在下面的兩邊。
圖13示意畫(huà)出如何用聲學(xué)的測(cè)量作為數(shù)學(xué)算法的輸入數(shù)據(jù)，以便估算要研究的指定的骨特性。
權(quán)利要求
1.一種用于骨的非侵害性評(píng)價(jià)的方法，其中該方法包括如下步驟-超聲信號(hào)被引導(dǎo)至骨上，在骨內(nèi)傳播，又從骨發(fā)射，-檢測(cè)并記錄從骨發(fā)射的該超聲信號(hào)，-用選擇的一種方法從記錄信號(hào)中計(jì)算至少一種骨特性，特征在于-檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)Lamb波模，這些模與所述一種或多種骨特性有關(guān)系，-測(cè)量被檢測(cè)的一個(gè)或多個(gè)波模的速度，和-從測(cè)量的一種速度或多種速度，計(jì)算骨的一種特性或多種特性。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中被檢測(cè)的波模是最低反對(duì)稱的模，即A0模。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中-檢測(cè)兩個(gè)波模并測(cè)量它們的速度，且記錄的一個(gè)模是所述A0模，而另一個(gè)是首先到達(dá)的波，-從記錄的信號(hào)中，產(chǎn)生作為時(shí)間與換能器距離函數(shù)的接收信號(hào)振幅的圖形，-從掃描的圖形，識(shí)別至少兩種傳播的波，-從與圖形中的波擬合的直線斜率，確定傳播的波的速度。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中-至少在兩個(gè)不同的發(fā)射機(jī)-接收機(jī)距離上，測(cè)量到達(dá)的信號(hào)，-通過(guò)在一點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，又在另一點(diǎn)接收響應(yīng)，在選擇的長(zhǎng)度上對(duì)骨掃描，-發(fā)射點(diǎn)或接收點(diǎn)的任何一點(diǎn)，或該兩點(diǎn)，在測(cè)量時(shí)，是連續(xù)地或步進(jìn)地移動(dòng)的，-在掃描時(shí)，在許多不同的換能器距離上，記錄接收的信號(hào)。
5.按照權(quán)利要求3或4的方法，其中，分別通過(guò)檢測(cè)軸向力和移動(dòng)換能器，控制換能器的接觸壓力。
6.按照權(quán)利要求3或4的方法，其中的發(fā)射和/或接收換能器，以相對(duì)于骨表面一定角度放置，并且超聲束是通過(guò)居間耦合媒質(zhì)，向骨傳播又從骨傳播出來(lái)。
7.按照權(quán)利要求3到5的方法，其中換能器相對(duì)于骨的角度，在測(cè)量時(shí)變化，以識(shí)別有助于產(chǎn)生及檢測(cè)指定類型波的特定角度。
8.按照權(quán)利要求3的方法，其中的發(fā)射和/或接收換能器，是分立的換能器陣列，這些換能器可以用電子學(xué)方法控制，例如，通過(guò)電子學(xué)方法形成聲學(xué)束和控制聲學(xué)束的方向，以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械移動(dòng)的掃描和/或增強(qiáng)指定波的產(chǎn)生與檢測(cè)。
9.按照權(quán)利要求1到3的方法，其中的發(fā)射和/或接收換能器，是梳狀換能器，由恒定距離間隔的若干換能器單元構(gòu)成，使它們激發(fā)并檢測(cè)有恒定波長(zhǎng)的導(dǎo)波，該波長(zhǎng)由各單元的間隔確定。
10.按照權(quán)利要求3的方法，其中對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行Fourier變換，以利于鑒別和測(cè)量一種或多種波。
11.按照權(quán)利要求3的方法，其中對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)間-頻率分析，以利于鑒別和測(cè)量一種或多種波。
12.按照權(quán)利要求3的方法，其中把接收信號(hào)作為時(shí)間與換能器距離的函數(shù)，進(jìn)行兩維Fourier變換，以利于鑒別和測(cè)量一種或多種波。
13.按照權(quán)利要求3的方法，其中對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波，以利于鑒別和測(cè)量一種或多種波。
14.按照權(quán)利要求3的方法，其中把指定激發(fā)信號(hào)發(fā)送至發(fā)射換能器，以便修改發(fā)射信號(hào)的頻譜，從而有利于鑒別和測(cè)量一種或多種波。
15.按照權(quán)利要求3的方法，其中，通過(guò)把一直線與波包內(nèi)恒定相位點(diǎn)(如峰或變號(hào)點(diǎn))擬合，確定波的相速度。
16.按照權(quán)利要求3的方法，其中，通過(guò)把一直線與波包的振幅包絡(luò)擬合，確定波的群速度。
17.按照權(quán)利要求1的方法，其中，通過(guò)增加換能器距離，從波振幅的下降來(lái)確定該波的衰減。
18.按照權(quán)利要求1的方法，其中，在單一位置上，骨中超聲Lamb波的產(chǎn)生、檢測(cè)、和測(cè)量，包括-適當(dāng)配置反射測(cè)量的發(fā)射換能器與接收換能器，使聲束的入射角總等于反射角，且兩個(gè)換能器都指向骨表面上一公共軸，并圍繞該公共軸移動(dòng)，-用于在選擇范圍上改變?cè)摻嵌鹊难b置，-測(cè)量作為角度和頻率函數(shù)的接收信號(hào)振幅的裝置，-識(shí)別反射信號(hào)中的極小的裝置，該極小與骨中存在Lamb波模對(duì)應(yīng)，從而，通過(guò)Snell定律，把角度與相速度關(guān)聯(lián)，以相速度和頻率表征一個(gè)或多個(gè)Lamb波模。
19.按照權(quán)利要求1到3的方法，其中，使用低頻超聲，使被檢測(cè)的首先到達(dá)的信號(hào)，與骨中基本的對(duì)稱Lamb波(S0波)對(duì)應(yīng)。
20.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中把單個(gè)換能器以直角對(duì)準(zhǔn)骨表面，并以脈沖回波模式工作，向骨發(fā)射超聲信號(hào)并檢測(cè)從骨反射的信號(hào)，從而確定從骨表面的上部和下部之間反射的時(shí)間差，最后用該時(shí)間差估算骨的厚度。
21.按照權(quán)利要求1到3之一的方法，其中用一種數(shù)學(xué)算法，從Lamb波的測(cè)量中估算骨特性，包括-周解析的Lamb波理論，從一組假設(shè)的骨特性中計(jì)算Lamb波參數(shù)，-把計(jì)算的Lamb波參數(shù)與測(cè)量的Lamb波參數(shù)比較，并導(dǎo)出代表該兩者之差的誤差參數(shù)，-調(diào)整骨特性的初始估算，以便降低該誤差參數(shù)，-重復(fù)迭代該過(guò)程，直至誤差參數(shù)小得可以接受，然后，取該骨特性值作為真實(shí)骨特性值的最佳估算。
22.按照權(quán)利要求1到3之一的方法，其中用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從Lamb波測(cè)量中估算骨特性，包括-把測(cè)量的Lamb波參數(shù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與選擇的骨特性對(duì)應(yīng)，-以來(lái)自某一范圍的骨仿真，及改變物理特性的真實(shí)骨樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
23.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中的測(cè)量，是在骨內(nèi)許多位置上進(jìn)行的，以便識(shí)別并表征異常骨特性的區(qū)域。
24.一種用于骨非侵害性評(píng)價(jià)的裝置，該裝置包括-兩個(gè)換能器(12、13)，一個(gè)是發(fā)射機(jī)(16)而另一個(gè)是接收機(jī)(17)，其中一個(gè)換能器(12)是固定的而另一個(gè)(13)安裝在沿導(dǎo)軌滑移的滑動(dòng)單元(11)上，和-用于移動(dòng)帶有換能器的滑動(dòng)單元(11)的裝置(30、31)，從而在骨(20)或肢體表面上移動(dòng)換能器，-發(fā)射機(jī)(16)適合把超聲信號(hào)向骨(20)內(nèi)發(fā)送，-接收機(jī)(17)適合檢測(cè)在骨(20)內(nèi)傳播并從骨(20)發(fā)射的波，-用于測(cè)量并記錄接收信號(hào)的裝置(32、33)，-用選擇的一種方法，從記錄的信號(hào)中計(jì)算至少一種骨特性的裝置，特征在于，該裝置還包括-調(diào)整換能器(12、13)的裝置(21)，使在肢體上或骨(20)上具有選擇的力(最好是50-300g)，和-用于檢測(cè)每一換能器(12、13)端部的力，即接觸壓力的裝置(14、15)。
25.一種用于骨非侵害性評(píng)價(jià)的裝置，該裝置包括-兩個(gè)換能器，一個(gè)是發(fā)射機(jī)(16)而另一個(gè)是接收機(jī)(17)，其中兩個(gè)換能器都能夠圍繞并對(duì)準(zhǔn)骨表面上的公共軸移動(dòng)，和-用于圍繞所述公共軸移動(dòng)換能器的裝置(47、48)，使入射角總等于反射角，和-用于把超聲信號(hào)從發(fā)射機(jī)耦合至骨并返回接收機(jī)的裝置(45)，-該發(fā)射機(jī)(16)適合把超聲信號(hào)發(fā)送進(jìn)骨內(nèi)，和-該接收機(jī)(17)適合檢測(cè)從骨反射的超聲信號(hào)，和-用于檢測(cè)并記錄接收信號(hào)的裝置，-從記錄的信號(hào)中計(jì)算至少一種骨特性的裝置。
全文摘要
一種用于評(píng)價(jià)骨物質(zhì)及骨結(jié)構(gòu)特性的活體內(nèi)非侵入特征的方法，其中，把超聲波引進(jìn)骨中的方式，要能使骨內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)波模，并存儲(chǔ)和分析從骨中出射的信號(hào)，確定導(dǎo)波模的傳播特征。然后，處理這些測(cè)量的導(dǎo)波傳播特征，獲得需要的骨特性估計(jì)，如皮質(zhì)厚度、骨密度、和骨彈性常數(shù)。本發(fā)明還包括一種有可移動(dòng)換能器的超聲設(shè)備。
文檔編號(hào)A61B8/08GK1596084SQ02823665
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2002年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者彼得羅·莫伊拉寧, 帕特里克·尼科爾松, 程蜀琳, 龍西·蒂莫倫 申請(qǐng)人:彼得羅·莫伊拉寧, 帕特里克·尼科爾松, 程蜀琳, 龍西·蒂莫倫