活体骨强度超声分析的方法和仪器技术

将超声信号导入一个穿过被研究部位的期望路径，并用以确定被研究部位的强度的仪器和方法。发射器发送超声信号穿过被研究部位，为接收器接收，产生接收波形的调整后的信号波形。将调整后的波形的特定特征与标准波形的相应特征比较，此标准波形是在超声信号沿期望路径穿过被研究部位传播时得到的。当它们相应特征基本相同时，这超声信号至少有部分沿期望路径传播。计算沿期望路径传播的超声信号的表观速度，并与骨强度相关。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及确定活体骨强度的无损检测方法和仪器，特别是应用超声能量来确定活体骨强度的方法和仪器。骨质疏松症是一种复杂的、尚未完全搞清楚的疾病，这种疾病会影响整个骨骼系统。这里“骨质疏松症”一词是指以骨强度退化并最终导致骨折为特征的一些状况。要想了解骨强度，必须首先搞清骨的结构和成份。所有的骨骼是由同样的结构要素组成的，即骨胶原、结晶钙和组织液，但每一个人的骨骼结构都有显著的差异。骨骼系统一般可分为两大类皮质骨(致密的)和松质骨(海绵状的)。身体中大多数骨头都包含上述两类。致密的皮质骨形成外壳，海绵状松质骨作为内核被围在中间。松质骨是由许多片和柱(称作骨小梁)交织而成的三维网络以及组织液构成，而组织液是由红色和黄色的骨髓及其它微量物质组成。近期研究表明，骨机械强度的退化源于三种各不相同而又彼此相关的机理。普遍认为第一种机理是骨质量的减少。对所有的人来讲，这一过程从二十几岁就开始了。文献确证，骨强度随着骨质量减少而降低。可参考，例如Goldstein，S.A.，“小梁骨的机械性质与解剖学位置和功能的依赖关系”，生物力学杂志(J.Biomechanics)第20卷第十一、十二期，1055-1061页，1987年。第二种对骨强度退化具有潜在重要性的机理是骨基质本身质量的退化。最近发现的证据提出小梁骨中骨胶原的生化稳定性随着年龄的增长而减退。参看Oxlund，H.，Mosekilde，L.，Ortoft，G.，“人类小梁骨骨胶原稳定性相对于年龄的变化”(摘要＃97)，国际骨质疏松症讨论会会议文集(ProceedingsoftheInternationalSymposiumonOsteoporosls)，编辑J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，Aalborg，丹麦，1987年9月27日-10月2日。此外，妇女发生骨质疏松时，即出现骨小梁中骨胶原含量减少的现象。参考BBirkenhaager，D.H.，“在骨质疏松的骨头中明显缺乏骨胶原”(摘要＃111)，国际骨质疏松症讨论会会议文集(ProceedingsoftheInternationalSymposiumonOsteoporosis)编辑J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，丹麦，1987年9月27日-10月2日。这些文献并没有考虑骨量的变化，而提出了蛋白质对小梁骨基质束缚作用的减弱。骨强度对于决定一个人在没有外伤情况下是否发生骨质疏松骨折具有重要作用。第三种有关骨强度退化的机理已被证明是与骨质疏松有关的小梁骨结构的变化，即使在骨质量变化很小或测不出的情况下仍有这一变化发生。参考，例如，Kleerekoper，M.，等人“三维小梁骨微结构在脊柱受压骨折病理中的作用”，国际钙化组织(Calcif.TissueInt.)37∶594-597，1985。这些文献确认与骨质疏松症相关的骨结构变化有三个方面。其一为未修复的疲劳损伤，这种疲劳是由于加在骨上周期性重复的应力所致。周期性重复产生疲劳损伤，而当这种疲劳损伤未能修复时，骨强度就会出现退化。如果损伤的骨头已被消溶，但尚未被新骨代替，未完全修复的疲劳损伤还会进一步降低骨的强度。其二为骨小梁结构的退化。例如某些妇女在绝经期松质骨中骨板间的骨小梁数目减少。其三为类骨质的积累。这是由于骨胶原呈现为缺乏钙化作用的结果。上述这些导致骨强度退化的因素并不一定非要以骨质量减少为特征。例如，骨小梁中骨板间的小柱数目的减少使骨强度降低的程度，远大于单纯考虑骨质量减少所造成的骨强度的降低。长期以来，骨病的探索与鉴定已有各种各样的手段，医疗模式随着地区与医学专家的不同而变化。妇科、产科、内分泌学、营养学、内科学、矫形外科学、放射学、核医学及家庭医师等医学专家们对骨病都极有兴趣。根据各人的兴趣，这些医师们可能会部分或全部使用下述骨健康评估技术。一种评估技术是体格检查，其中特别注意脊柱结构。当病人主诉剧烈的背痛或看到病人明显的脊柱弯曲(驼背)即是骨病的后期阶段，例如骨质疏松症。第二种评估技术是危险因素评估。在评估中要对患者病史和其家庭病史进行调查，并且(或者)对患者个人习惯，例如抽烟，饮酒和节食情况进行分析以估计骨质疏松骨折的相对危险程度。尽管人们广泛认为这种技术是可能的，但是利用某些特殊危险因素予言骨病尚嫌根据不足。参看，J.T.Citron等人“利用加权临床变量标度来予言绝经前期(prememenopausal)骨质量的峰值”，国际骨质疏松症讨论会会议文集(ProceedingsoftheInternationalSymposiumonOsteoporosis)，1987年9-10月，丹麦，编辑J.Jensen，B.Riis，C.Christiansen，摘要＃17。第三种评估技术包括血和尿的化学现象。对血和尿进行化学分析以决定钙和其它与骨代谢相关因素的存在。虽然这些化学现象与骨代谢明显相关，但却不一定能够表示骨的强度。第四种方法包括骨质量测量技术。这种技术是测量穿过整个骨骼系统或者所希望部分的射线，以指出所测骨质密度。这种骨质量测量技术包括X光，单光子吸收谱仪，双光子吸收谱仪及定量计算机断层成象(CT)，在Peck等人所著“关于骨质疏松症的医师对策手册诊断指南”一书中有所论述(国家骨质疏松症基金会，14-16页，1987年)。尽管前述各项技术确实提供了有关活体骨骼的信息，但它们提供的信息用来在各种情况下可靠地确定骨强度是不充分的。例如，骨质量测量技术提供了有关骨质量的信息，但却没有有关其结构的信息，而这两者对于评价骨强度均十分重要。对骨质疏松骨折危险因素的更加有效的估价需要对骨强度的更为直接的估价，这就是开展用超声波测量骨强度的研究动机。声是一种不断移动的机械振动。在传播过程中振动与介质的机械性质互相作用并逐渐改变，通过观察要传入骨的机械振动与超声信号在骨中传播了一已知距离后的机械振动，两者之间的差异常常可能决定骨的某些机械性质。在讨论超声在测量骨强度的具体应用之前，有必要回顾一下某些基础物理概念。物体在某一特定方向的应变(记为X)是指该物体遭受到在这个特定方向上的应力(记为F)时表现出的形变。例如，应变X可以表示为当一块骨受到力F压迫时缩短的百分数，与这一特定方向有关的弹性模量E直接给出一个物体在遭受特定大小应力(F)作用时会产生多大形变。强硬物体的弹性模量E值大，当其受到一个强大的外力作用时，几乎没有多少应变出现;而薄弱物体具有小的弹性模量E，即使加一小的应力，也将出现大的应变。这三个数值可用下式联系起来，三数值的关系如下E＝F/X(1)当一块具有恒定弹性模量E的骨受到一个沿某一特定方向的应力F作用时，只要应力不过大以至骨出现塑性形变或永久性改变，则如公式(1)所确定的那样，沿同一方向会出现大小为X的形变。骨折开始出现是相应于这样一种应变水平，即当除去造成应变的应力时，骨不再回到它的原始状态。骨折可以或者是彻底的断裂，或者是更加细微的应力骨折损伤。设XT是骨折开始出现的应变阈值，FT是导致出现这一应变的相应应力，则由上述应力/应变关系得到FT＝E·XT(2)为了予言即将发生的骨折，人们必须确定a)作为周围环境作用的结果，骨出现的最大应变是否要超过XT;或者b)作本文档来自技高网...

【技术保护点】
将一个超声信号导入一条穿过一个被研究部位的所期望的超声路径的方法，超声信号能够沿众多超声路径传播，而在众多路径中的各条中被研究部位与超声信号的相互作用互不相同，此方法包括下述步骤：（ａ）靠近被研究部位安装一个超声发射器和一个超声接收器， 以便在所述发射器和所述接收器之间，大致沿着所期望的路径，建立一个直通超声路径；（ｂ）朝着接收器方向发射一个超声信号使其进入被研究部位中；（ｃ）在被发射的超声信号穿过被研究部位后接收此超声信号，并产生一个代表所述接收器接收的超声信号的 接收电子信号；（ｄ）将所述接收电子信号进行信号调整，以产生一个调整后的电子信号波形；（ｅ）将调整后的电子信号波形的特定特征与一个标准波形的相应特定特征进行比较，当上述所发射的超声信号至少有一部分沿所期望的路径穿过所研究部位传播时，被 研究部位与所发射的超声信号相互作用就得到所述标准波形；（ｆ）在相对于被研究部位的不同方向上，改变所述发射器和所述接收器的位置，以建立起不同的超声通路，直至所述调整后的电子信号波形的所述特定特征与所述标准波形的所述相应的特定特征基本相同， 从而表明从所述发射器发射的所述超声信号至少有部分沿所述所期望的路径传播并到达了所述接收器。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：加里H布兰登堡格，
申请(专利权)人：骨科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]