用于骨骼非侵害性评价的方法和装置制造方法及图纸

一种用于评价骨物质及骨结构特性的活体内非侵入特征的方法，其中，把超声波引进骨中的方式，要能使骨内产生一个或多个导波模，并存储和分析从骨中出射的信号，确定导波模的传播特征。然后，处理这些测量的导波传播特征，获得需要的骨特性估计，如皮质厚度、骨密度、和骨弹性常数。本发明专利技术还包括一种有可移动换能器的超声设备。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用超声波评价活体内人骨的方法和装置。本专利技术与骨内导波超声波传播的产生和检测有关，也与从测量的导波参数确定骨的特性有关。
技术介绍
用所谓轴向传输技术评价长的骨已经有超过四十年的历史(例如见Gerlane等人的Clin.Orthop.Rel.Res.1975；111175-180)。借助该方法，从发射机发送的超声脉冲，沿骨的长轴(通常是胫骨)到接收机，并从首先到达的信号的通过时间与传播距离，估算速度。为计及上面覆盖的软组织的效应，可以使用多个发射机/接收机中任何一种配置，或令一个换能器相对于另一个移动，把通过时间作为距离的函数而确定。至少已经生产了两种用于骨评价的商业临床装置，使用轴向超声传输Soundscan 2000/compact(Myriad Ultrasound SystemLtd.，Rehovot，Israel)，工作在250kHz，及Omnisense(SunlightMedical Corp.，Rehovot，Israel)，工作在1.25MHz(见专利号WO99/45348)。Camus等人(J.Acoust.Soc.Am.2000；1083058-3065)近来对轴向传输技术的调研表明，在某些条件下，首先到达的信号相当于以体波纵向速度沿固体表面传播的侧波(或头波(head wave))。观察到侧波的条件包括合适的测量几何安排(就换能器的分离与它们离该表面的距离方面)、近似于点状发射机和接收机(球面波前)、及使用的波长小于固体层的厚度。活体内测量的胫骨超声速度值，接近或略低于离体的人类骨密质样本中活体外测量的轴纵向波速度。但是，有实验证据表明，当波长大于骨厚时，首先到达的信号速度，低于该纵向速度。模拟的研究证明类似的趋势，还表明，随着该样本变得更薄时，对首先到达的信号有贡献的波也变化。对该厚度效应的临床证据，尚无结论，但该效应可能由于不同商品系统使用的超声频率不同，或由于其他方法上的因素。使用目前的商业装置测量的胫骨超声速度，与胫骨无机质密度(BMD)有关，而在其他骨骼部位，在较低程度上与BMD有关(例如见Folder等人的Bone，1995；17363-367)，而且还反映骨密质的弹性模量。但是，胫骨的超声对骨质疏松骨折的辨别是粗劣的，并与股骨强度及BMD只有微弱相关。有许多理由表明，为什么目前胫骨超声测量，就它们对有关骨特性的灵敏度方面，是最适度以下的。波在骨表面的传播，可能更好地反映骨膜区中骨物质特性。在骨质疏松中，骨密质的变化主要出现在骨内膜区中。骨内膜骨多孔性的增加，最终导致骨内膜再吸收，即“小梁化”，并使皮质变薄。此外，最近的纳米切迹研究提出，在骨膜和骨内膜骨弹性特性中，随年龄有不同的变化，可能纯粹在物质层面。针对这些已知病理学变化的超声方法，很可能证明更有临床上的价值。进一步关心的是，如果密度与弹性两者呈现并行的变化，例如作为多孔性变化的结果，超声速度可能不会改变，因为该两种效应趋于抵消(因为纵向速度随弹性被密度除的平方根变化)。这些考虑建议，任何改进骨密质评价的超声方法，应当对如下一个或多个因素灵敏的a)减小的皮质厚度，b)骨内膜区中结构的变化，如多孔性增加，和c)骨密度和弹性在物质层面的变化，理想的是上述因素各自独立。一般说来，很少考虑对长骨使用不同类型超声波的可能性。一个例外的工作是，已经报告在胫骨中测量低频超声的“表面波”速度，绘制速度的空间变化图(Jansons等人，Biomaterials 1984；5221-226)。但是，因为纯表面波只存在于比波长厚得多的结构中，所以这些研究者很可能实际测量的是反映骨厚和物质特性两者的导波模。在有界的或成层的媒质中传播的导波，以及它们的特征，是由结构和周围媒质的几何形状及物质特性确定的。它们是因结构内纵向和剪切波的反射、模转换、和干涉产生的(Victorov L.A.Rayleigh and Lamb Waves.NewYork，Plenum，1967)。超声导波十分广泛地在工程的无损探测中使用，以评价板、管、和更复杂的结构。
技术实现思路
本专利技术的主要目的，是提供一种能测量至少两种同时在骨中传播的超声波速度的方法，其中所述两种超声波中至少一种，是按照Lamb的波理论的导波。本目的是通过权利要求书规定的一种方法和装置达到的。本专利技术利用众所周知的，在固体弹性板中导波的Lamb的波理论，首次证明这些导波如何能用于骨的非侵入评价。人类长骨的皮质，基本上包括固体骨的弯曲板，并能支持类似于Lamb波的导波的传播。Lamb波是在真空中有限厚度的固体弹性板中传播的两维弹性波。它们是由纵向和剪切波在该板的上表面和下表面多次反射及模转换产生的。它们以共振模的形式存在，其中频率及相速度的组合，与沿厚度方向的驻波对应。对以S0、S1、S2等等标记的对称模，运动是与板的中间平面对称的，而在反对称模中(A0、A1、A2等等)，运动是反对称的。每一种模的行为，由色散曲线描述，该色散曲线表征相速度随频率的变化。除两个基本模S0和A0外，所有模都有一截止频率厚度积(F.d)。因此，对非常低的频率，或对非常薄的板，只有基模(S0和A0)能被激发。在这些条件中，S0波的相速度接近“薄板”理论预测的相速度，由类似于条波方程式(barwave equation)(Graff K.F.Wave Motionin Elastic Solid.New York，Dover，1991)的方程式给出。随着F.d的增加，所有Lamb模的速度，逐渐逼近Rayleigh波的速度。Lamb波的命名法也常用于描述被外部媒质如液体加载的板中波的传播。边界条件因周围媒质的存在而修改，而在液体淹没的板中，Lamb波的特征与自由板的Lamb波特征不同。例如，如果液体的相速度接近Lamb波的相速度，则该模继续辐射进液体，因而它的衰减高。在本文中，是在一般的意义下把“Lamb波”一词用于板、管、或存在固体层的其他几何形状中导波的传播，同时也用于被周围液体媒质限定的固体层情形。本专利技术的另一个目的，是提供一种在骨中激发超声波的方法，它使用低频小直径接触式换能器，以便最佳地在骨中产生导波。通过在低频率上的测量，首先到达的波的速度，已经借助速度趋向于基本对称的Lamb波，加强了厚度依赖性。事实上，首先到达的信号，可以看作在这些环境下的导波。低频小直径换能器的性能，近似于点状发射机和接收机，向所有方向辐射能量，并耦合进在首先到达信号之后到达的另外导波。本专利技术还有另一个目的，是提供一种在超声换能器与肢体之间保持近似恒定接触力的方法。在进行活体内测量时，可以预料病人有某些运动，但这样会导致接触力的变化，除非加以校正。接触力的变化可能对声能耦合进骨中有不利效应，并可能导致测量误差。本专利技术还有一个目的，是提供一种分析轴向传输扫描数据的方法，该数据以(r，t)即(距离，时间)图的形式表示，从该方法可以识别不同传播的波，并且可以从波的拟合直线的斜率，确定它们的速度。利用本方法，可以检测并测量在首先到达(最快的)信号之后到达的波。本专利技术还有一个目的，是提供一种通过对接收的信号使用频谱分析，增强对导波的鉴别和测量的方法。本方法包括计算接收信号的频谱，计算频谱图(时间-频谱分析)，和对(r，t)数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于骨的非侵害性评价的方法，其中该方法包括如下步骤：　　　　－超声信号被引导至骨上，在骨内传播，又从骨发射，　　　　－检测并记录从骨发射的该超声信号，　　　　－用选择的一种方法从记录信号中计算至少一种骨特性，　　　　特征在于　　　　－检测一个或多个Ｌａｍｂ波模，这些模与所述一种或多种骨特性有关系，　　　　－测量被检测的一个或多个波模的速度，和　　　　－从测量的一种速度或多种速度，计算骨的一种特性或多种特性。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：彼得罗莫伊拉宁，帕特里克尼科尔松，程蜀琳，龙西蒂莫伦，
申请(专利权)人：彼得罗莫伊拉宁，帕特里克尼科尔松，程蜀琳，龙西蒂莫伦，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]