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CN100401986C - 用于骨骼非侵害性评价的方法和装置 - Google Patents

用于骨骼非侵害性评价的方法和装置 Download PDF

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CN100401986C
CN100401986C CNB028236653A CN02823665A CN100401986C CN 100401986 C CN100401986 C CN 100401986C CN B028236653 A CNB028236653 A CN B028236653A CN 02823665 A CN02823665 A CN 02823665A CN 100401986 C CN100401986 C CN 100401986C
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Abstract

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。本发明还包括一种有可移动换能器的超声设备。

Description

用于骨骼非侵害性评价的方法和装置
技术领域
本发明涉及用超声波评价活体内人骨的方法和装置。本发明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。
背景技术
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；111：175-180)。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；108：3058-3065)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；17：363-367)，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；5：221-226)。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。
发明内容
本发明的主要目的，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。本发明利用众所周知的，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 Motion in 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。
本发明的另一个目的，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。
本发明还有另一个目的，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。
本发明还有一个目的，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。
本发明还有一个目的，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)数据阵列(频率-波数分析)执行两维Fourier变换。此外，或另外，可以对接收的信号滤波，增强或降低特定的频率分量。此外，或另外，发送至发射换能器的激发信号，可以是指定的任意函数，该函数可按对该换能器频率响应的了解来选择，以便产生有特殊特征的输出信号。
本发明还有一个目的，是提供一种采用换能器阵列的方法，使接收机的扫描能够利用不同换能器单元或它们的组合，作为接收机，以电子学的方法进行。按此方法，接收的信号，可以作为发射机到接收机距离的函数而测量，并按更早说明的方法，形成(r，t)图，但其优点是不包含移动部件。
本发明还有一个目的，是提供一种采用梳状换能器的方法，该梳状换能器由一组换能器单元组成，各单元间的间隔恒定。发射机、接收机的任一种，或两种，可以是梳状换能器。梳状换能器以恒定波长激发(或检测)导波，该波长由单元间隔确定。通过选择适当的频率，选出的导波能够在骨中产生并测量。
本发明还有一个目的，是提供一种把能量从超声换能器耦合进骨中导波的方法，本方法使用的换能器，以一定角度相对于骨放置，并经过液体或固体媒质，耦合至肢体。使用这样的方法，可以最佳地产生具有已知相速度的导波，该相速度通过Snell定律，由该角度及耦合媒质中的速度确定。换能器可以用维持声耦合的少量凝胶与骨接触，或者，换能器可以在肢体之上某一距离，使声信号随后通过耦合媒质传播某一显著距离。
在本发明的一个实施例中，按某种反射配置使用两个换能器，该配置指定发射机的入射角(对接收机也是相同的反射角)，以便在骨的单一点上激发和检测导波。反射频谱中的极大，对应于能量被耦合进骨中的导波。可以改变入射/反射角，以便在某一角度范围上获得数据。该角度能够通过Snell定律与相速度关联，从而可以确定色散曲线。本方法可以用宽带脉冲、音频脉冲串、或连续波任何一种实现。通过围绕垂直于骨表面的轴转动发射机/接收机，可以评价骨层平面中的各向异性。
在本发明的另一个实施例中，用单个换能器发出脉冲，且用作发射机和接收机。因此，该换能器以直角对准骨表面，并以脉冲回波模式工作。按正入射获得从骨反射的信号。利用从骨表面的上部和下部之间反射的时间差，估算骨的厚度。该时间差可以在时域中确定。另外，该时间差也可以在频域中确定，因为复合的接收信号的频谱被周期dF＝1/t调制，这里t是两个反射信号之间的时间延迟。估算的厚度可以按d＝v(t/2)计算，这里v是骨中沿径向的声速，可以从文献中查到(通常是3300m/s)。
在本发明的另一个实施例中，测量的导波声学参数，诸如不同导波模的速度，和/或指定模在不同频率时的速度，被用作数学逆算法的输入数据。该算法的输出是要研究的骨特性的估算，可能包含骨厚度、骨密度、骨弹性常数(弹性模量、Poisson比)。该数学逆算法以使用解析的导波理论迭代过程为基础。骨特性的初始估算，被用于从导波理论计算导波的声学参数。把这些计算结果与测量的声学参数比较，然后调整骨特性的初始参数，以便降低整个误差，并且重复该该过程，直至误差小得可以接受。此外或另外，可以使用人工神经网络，从测量的声学参数中获得骨特性的估算。此外，或另外，使用前面所述反射测量获得的骨厚度估算，可以用作数学逆算法的附加输入。
本发明还有一个目的是提供一种检测并对具有异常骨特性的区域定位的方法。要实现本方法，导波的测量可以在骨中许多位置上进行，以便检测具有异常骨特性的区域。一种应用是检测所谓骨内应力性骨折的存在。应力性骨折因为它们的尺寸小，常常难以在x射线照片中观察，但它们对Lamb波通过骨的传播，却有显著的效应。此外，测量可以在特别感兴趣的区域上进行，例如，在骨折正在愈合的地方，以便监测骨特性的改变。
根据本发明的一个方面，这里提供一种用于骨的非侵害性评价的方法，包括以下步骤：用发射换能器将超声信号直接引导到骨上，使之在骨内传播并从骨发射；用接收换能器检测并记录从骨发射的该超声信号；根据所记录的信号，计算出至少一种骨特性；其中：至少两个波模被检测，这些模与所述一种或多种骨特性有关系，而且是根据Lamb理论和首先到达所述接收换能器的波模从由导模组成的组中选择的；测量被检测的波模的速度；和根据测量的速度，计算出所述骨的一种特性或多种特性；其特征在于，所述的测量被检测波模的速度是按照以下步骤进行的：根据所记录的信号，产生被检测信号的振幅的图形，用以作为时间与换能器距离的函数；从所述图形中，识别至少两种传播的波；和根据与所述图形中的波拟合的直线斜率或利用频谱分析，确定所识别的传播波模的速度。
根据本发明的另一方面，这里提供一种用于骨的非侵害性评价的方法，包括以下步骤：用发射换能器将超声信号直接引导到骨上，使之在骨内传播，再从骨发射；用接收换能器检测并记录从骨发射的该超声信号；从记录信号中计算出至少一种骨特性；其中：将所述发射换能器与接收换能器配置成为用于反射测量，使波束的发射角总等于检测角，使两个换能器都指向骨表面上一公共轴，并围绕该公共轴移动；在选择的范围内，改变该角度；其特征在于：记录所述被检测的信号的振幅，用以作为角度和频率的函数；识别反射信号中与骨中存在的Lamb波模相对应的极小者；通过Snell定律，将角度与相速度相关并且用相速度和频率表征一个或多个Lamb波模；和根据相速度，计算出至少一种骨特性。
根据本发明的再一方面，这里提供一种用于根据如上所述的骨非侵害性评价方法的骨非侵害性评价装置，包括：两个换能器，其中的一个是适于向骨内发送超声信号的发射机，另一个是适于检测在骨内正在传播并从骨发射的超声波的接收机，其中一个换能器是固定的，而另一个安装在沿导轨滑移的滑动单元上；和用于移动带有所述换能器的滑动单元以使该换能器在骨或肢体表面上移动的装置；用于记录由所述接收机所检测的信号的装置；根据已记录的信号计算出至少一种骨特性的装置；其特征在于，该装置还包括：用于在肢体或骨上用一种选择的力调节每个换能器的装置；和用于检测在每个换能器端部的力的装置。
根据本发明的又一方面，这里提供一种用于根据如上所述的用于骨的非侵害性评价方法的骨非侵害性评价的装置，包括：两个换能器，其中的一个是适于向进骨内发送超声信号的发射机，另一个是适于检测从骨反射的超声信号的接收机，这两个换能器都是围绕并对准所述骨的表面上的公共轴可移动地设置的；用于围绕所述公共轴移动所述换能器以使由所述发射机所发射的信号的角度总等于由所述接收机所检测的角度的装置；用于将由所述发射机发射的超声信号耦合至所述骨再返回到所述接收机的装置；和用于记录由所述接收机检测的信号的装置；其特征在于，所述的骨非侵害性评价装置还包括：用于记录所述检测的信号的幅度作为角度和频率函数的装置；用于从所述检测信号中识别出与骨中存在的Lamp波模相对应的极小者的装置；用于通过Snell定律将角度与相速度相关并且用相速度和频率表征Lamp波模的装置；和根据相速度计算至少一种骨特性的装置。
附图说明
图1是本发明一个优选实施例的轴向传输测量系统的示意图。
图2示出支承在椅子上的腿及与病人的腿接触的换能器。
图3是从前面看见的换能器单元。
图4是带致动器的优选换能器单元。
图5a示出丙烯酸板中导模的相速度、理论的Lamb波色散曲线。
图5b画出丙烯酸板中导模的群速度、理论的Lamb波色散曲线。
图6是3mm厚丙烯酸板的(r，t)图。
图7是对丙烯酸板的实验数据和预测的数据。
图8是对人类活体内的胫骨测量的(r，t)图。
图9是表，列出在正常和骨质疏松中的超声和骨无机质密度结果。
图10a-c画出本装置其他实施例的不同换能器配置。
图11是用于本发明一个优选实施例的导波反射测量系统的示意图。
图12画出用于反射测量的换能器移动机构。
图13是在本发明一个优选实施例中从测量的声学参数对骨特性进行估算的示意图。
具体实施方式
图1画出本发明第一实施例的测量系统。使用一对非聚焦的接触式换能器12、13，中心频率约200kHz，直径为6mm。这些换能器的取向，垂直于要测量物体20的表面，并加上耦合媒质，如超声凝胶、软塑料、或其他的液体或固体媒质。测量时，发射机保持在固定的位置上，但接收机在计算机的控制34、37下，持续地运动，发射机与接收机的距离，通常以每步0.5mm，从r0＝20mm增加到r＝50mm。主运动轴由步进电机30、31控制的线性致动器自动驱动，该致动器的最大线精度是0.015mm(RK Rose+Krieger梯形线性单元303300 30，由双极性的Superior Electric，型号KLM091F13的步进电机驱动，带有步进模块430-T)。换能器的接触压力由负载测压器14、15(Sensotec Inc，型号31)确定。DC读数被38、39放大并进行A-D转换(National Instruments 7433)。发射换能器被方波脉冲36(Panametrics 5077PR)激发，其振幅从100V变化至400V。来自接收机的信号用定制的电荷放大器32以40dB电压增益放大，然后被数字示波器33(National Instruments 5012)以10MSPS的抽样速率采集。数据采集由脉冲发生器触发，脉冲的重复频率(PRF)是200Hz。数据的采集和分析软件，用LabView(National Instruments)以Matlab实施，该软件也用于某些分析。
图2画出支承在椅子上的腿。本发明的第一实施例包括：附有腿支承2的椅子(未画出)和安装在腿支承2上的超声扫描装置。该扫描装置有：
-两个换能器12、13(发射机和接收机)，其中，在测量时，一个换能器固定，而另一个沿正在测量的肢体轴运动，和
-用于自动调整运动换能器位置的装置，和
-用致动器调整换能器相对于肢体表面的竖直位置的装置，以便获得指定的接触力，和
-用于检测每一换能器端部力(接触压力)的装置，和
-用于采集接收的信号、作为换能器分离的函数的装置，该装置从输入数据产生(r，t)图，并分析该图，以便计算波速，以及任选地还有其他的声学参数，诸如衰减。图2中，换能器12、13被分开地画出，没有画出支承的滑动机构，该机构也由椅子1支承。腿支承包括枕2.1、2.2、和2.3及支承这些枕和换能器滑动机构的框架3。
另外，也可以令两个换能器都能移动，或者可以用一个固定的发射机与至少两个可以移动的接收机，或者可以用固定的换能器阵列，其中每一个既可用作发射机也可用作接收机。
或者用固定的发射机和至少两个接收机，或者用固定的发射机阵列，或者能围绕腿运动(扫描或阵列)，以便检测具有低速度(比骨中声的纵向波速度低)的一个波。
图3画出从前面看并与胫骨接触的换能器单元。每一换能器12、13由滑块10、11载运。换能器单元包括：换能器夹持器18、19；力传感器14、15；和把换能器紧固在滑块10、11上的螺帽23、24。两个滑块都有手动的，沿竖直导轨10.1、11.1作竖直调整的定位器(未画出)。每一滑块又紧固在由步进电机(未画出)沿水平导轨移动的另一个滑块上。
图4画出一种先进的换能器单元。该单元包括：换能器夹持器18、力传感器14(精确的微型负载测压器，Sensotec Inc，型号31)、连接套管、和致动器21(H.S.I.微型线性致动器，型号20561-05，行程12.7mm)。该致动器能改变换能器位置，以维持指定的与肢体的接触力。该单元通过连接环21.1紧固在滑块上。
图5a和5b画出丙烯酸板中，第一组四个对称的(S0-S3)和反对称的(A0-A3)导模的理论Lamb波色散曲线：图5a)相速度，图5b)群速度。水平轴是频率厚度积(F.d)。这些曲线是用Rayleigh-Lamb方程式计算的，对丙烯酸，假设纵向速度为2750m/s，和剪切速度为1375m/s。Lamb波是真空中有限厚的自由固体弹性板中传播的两维弹性波。它们由纵向和剪切波在该板上下表面的多次反射和模转换产生。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。图5a和5b中每一连续曲线，代表一种导波模。从这些色散曲线可见，除两个基本模S0和A0外，所有模都有截止频率厚度积。因此，对非常低的频率，或对非常薄的板，只有基本模(S0和A0)能被激发。在这些条件下，S0波的相速度，接近‘薄板’理论的预测，由与条波方程式类似的方程式给出。在高F.d值，速度值逐渐逼近Rayleigh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模的相速度，则该模继续辐射进液体，因而它的衰减高。
图6展示所谓的(r，t)图，是在3mm厚的丙烯酸板上测量得到的。该(r，t)图通过把接收的射频(RF)信号，作为距离r的函数描绘而产生，给出一个(r，t)图。每一接收的RF波形，被描绘成一水平线，其中的绝对振幅被映射为某一灰度值，而最大振幅与白色对应。这些水平线沿竖直方向堆叠，给出所谓的(r，t)图，其中的水平轴是时间(t)，而竖直轴是距离(r)。从该(r，t)图可以看到传播的波，而且，通过把一直线与一波包内各峰拟合，可以测量速度。在展示的(r，t)图中，可以始终看到两个波。并且因为它们不同的特性，可以采用不同的方法来确定每一个的速度。首先到达的信号，一般是低振幅且相对地不色散的，并用设定阈值方法设为第一个峰极值的25％，对首先到达的信号跟踪。该值是靠经验选择的，以避免因噪声导致跟踪失败。较慢波包(Wave 2)由于受接收信号中其他分量的干扰，跟踪更为困难。采用一种半自动的方法，其中用户在较慢波包内的第一条RF线中，选择某一峰，从该峰开始跟踪。之后，软件在下一条RF线中，用相对小的时间窗向前搜索，以使跳到另一个错误的峰的机会最小。该过程继续通过所有RF线，然后用一直线与这些点拟合。用户可用手工校正误差，并进行新的拟合。然后，按照第一和第二波包中与这些点线性拟合的斜率，分别计算第一波和第二波的相速度。
图7画出对丙烯酸板一系列测量的结果。还画出对基本对称(S0)和反对称(A0)Lamb波速度的理论预测。首先到达的波(Wave 1)以纵向速度在厚板中传播，但在薄板中，速度向着预测的S0 Lamb波速度下降。因此，在薄层中以低频测量时，首先到达的波也可以认为是一导波。较慢的波(Wave 2)与预测的Lamb A0波非常一致，得到的结论是，第二波确实是Lamb A0导波。
图8表示对人类活体内的胫骨测量的(r，t)图，是从一健康志愿者获得的。如同在丙烯酸板一样，再次观察到两个不同传播的波。
图9是表，列出试点研究的结果，其中对正常的和骨质疏松的对象进行超声测量。比较健康的和骨质疏松的对象的值，可以发现，只有较慢的导波有显著的差别。在骨质疏松者中，较慢导波(Wave 2)的速度比正常的要慢15％。这些结果指出，A0导波(即第二导波)是骨质疏松的最好鉴别。
图10a、10b、和10c画出各种换能器配置。换能器16、17可以按正入射与皮肤直接耦合，使用凝胶40、42(或在图10b中的液体41)帮助耦合。或者可以与皮肤成指定角度放置，但仍然是直接耦合，用凝胶保持声学路径。或者换能器可以放在皮肤某一距离之上，以固体或液体作耦合媒质，置于换能器与皮肤之间。换能器可以成一角度或保持正入射。通过以一定角度相对于骨表面放置换能器(利用夹持器)，可以最佳地激发和测量特定的导波模。该角度在测量时可以改变。或者，可以采用换能器阵列，其中每一换能器单元既可用作发射机，也可用作接收机。借助这一阵列，可以把接收的信号作为发射机到接收机距离的函数，无需任何机械扫描。此外，在用电子学方法控制下，这样的阵列可以用于声束形成和声束方向控制，能使“发射机”和“接收机”的角度相对于骨表面改变。
图11示意画出本发明另一个实施例，其中的导波用两个换能器16、17按反射方案测量。容器46包含液体作为耦合媒质45。发射机与接收机的配置，要能使入射角等于反射角。发射机发射超声信号，该信号可以是脉冲、音频脉冲串、或连续波，同时用接收机检测从骨表面反射的信号。在给定角度上，该接收的信号是频率的函数，在与即时能量被耦合进骨层中的导波模对应的频率上，该函数有极小。利用Snell定律，可以把该入射角(θ)与骨中导波的相速度(c)作如下关联，
c＝c1/sinθ
这里c1是耦合媒质中的声速。因此，通过在某一角度范围内采集数据，可能检测导波，并以相速度及频率表征它们。能够产生类似于图5的色散曲线。
图12画出用于改变一对换能器16、17的角度及取向的一种机构，在保证入射角在所有时间都等于反射角的同时，还保证换能器声束轴在一点上重合。该点应与骨表面位置对应。可以改变换能器的竖直位置，以找出骨表面。平行四边形的四边连在一起，最上面的点沿竖直导轨48移动。换能器紧固在下面的两边。
图13示意画出如何用声学的测量作为数学算法的输入数据，以便估算要研究的指定的骨特性。

Claims (26)

1.一种用于骨的非侵害性评价的方法，包括以下步骤：
用发射换能器将超声信号直接引导到骨上，使之在骨内传播并从骨发射；
用接收换能器检测并记录从骨发射的该超声信号；
根据所记录的信号，计算出至少一种骨特性；
其中：
至少两个波模被检测，这些模与所述一种或多种骨特性有关系，而且是根据Lamb理论和首先到达所述接收换能器的波模从由导模组成的组中选择的；
测量被检测的波模的速度；和
根据测量的速度，计算出所述骨的一种特性或多种特性；
其特征在于，所述的测量被检测波模的速度是按照以下步骤进行的：
根据所记录的信号，产生被检测信号的振幅的图形，用以作为时间与换能器距离的函数；
从所述图形中，识别至少两种传播的波；和
根据与所述图形中的波拟合的直线斜率或利用频谱分析，确定所识别的传播波模的速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被检测的波模其中之一是最低的反对称模，即A0模。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，两个波模被检测和被识别，其中的一个是所述的最低的反对称模，另一个是首先到达的波模；和
根据与所述图形中的波拟合的直线斜率，确定被识别的传播的波模的速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
在至少两个不同的换能器距离上，检测已发射的超声信号，
通过在一点发送信号和在另一点检测信号，使骨在选择的长度上被扫描，
在测量期间，所述的发射点或检测点或这两个点是连续地或步进地移动的，
在扫描期间，在许多不同的换能器距离上，记录被检测的信号。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，分别通过检测轴向力和移动所述的换能器，控制所述换能器的接触压力。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的发射和/或接收换能器以相对于骨表面一定角度放置，并且超声波束是通过居间耦合媒质向骨传播并且再从骨传播出来的。
7.根据权利要求3到5之中任一项所述的方法，其特征在于，在测量期间，所述的换能器相对于骨的角度可以改变，以识别有助于产生和检测指定类型波的特定角度。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的发射和/或接收换能器是分立的换能器阵列，这些换能器可以用电子学方法控制，即通过电子学方法形成声学束和控制声学束的方向，以实现无机械移动的扫描和/或增强指定波的产生与检测。
9.根据权利要求1到3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述的发射和/或接收换能器是梳状换能器，由恒定距离间隔的几个换能器单元构成，使它们激发并检测具有恒定波长的导波，该波长是由各单元的间隔确定的。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述的被检测信号进行傅里叶变换，以利于鉴别和测量一种或多种波。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述的被检测信号进行时间-频率分析，以利于鉴别和测量一种或多种波。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述的被检测信号进行两维傅里叶变换，以作为时间与换能器距离的函数，以利于鉴别和测量一种或多种波。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述的被检测信号进行滤波，以利于鉴别和测量一种或多种波。
14.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，把被指定的激发信号发送给所述的发射换能器，以便修改发射信号的频谱，从而有利于鉴别和测量一种或多种波。
15.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，波的相速度是通过把一直线与波包内恒定相位点即峰或过零点拟合而确定的。
16.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，波的群速度是通过把一直线与波包的振幅包络拟合而确定的。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，波的衰减是通过增加换能器距离而后从波振幅的下降来确定的。
18.根据权利要求1到3之中任一项所述的方法，其特征在于，使用低频超声，使被检测的首先到达的信号与骨中基本对称的Lamb波即S0波相对应。
19.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，把单个换能器以直角对准骨表面，并以脉冲回波模式工作，向骨发射超声信号并检测从骨反射的信号，以确定从骨表面的上部与下部之间反射的时间差，并且用该时间差来估算骨的厚度。
20.根据权利要求1到3之中任一项所述的方法，其特征在于，骨特性是用一种数学算法从Lamb波的测量中估算的，该方法还包括以下步骤：
利用解析的Lamb波理论，从一组假设的骨特性中计算Lamb波参数，
将计算的Lamb波参数与测量的Lamb波参数相比较，并导出代表这两者之差的误差参数，
调整骨特性的初始估算，以便减小该误差参数，
重复迭代这个过程，直至误差参数小得可以接受时为止，然后，将该骨特性值作为真实的骨特性的最佳估算值。
21.根据权利要求1到3之中任一项所述的方法，其特征在于，骨特性是用人工神经网络从Lamb波测量中估算的，所述的方法还包括以下步骤：
将测量的Lamb波参数用以作为人工神经网络的输入数据，所述的人工神经网络的输出与选择的骨特性对应；
用来自某一范围的骨仿真和改变物理特性的真实骨样品的实验数据来训练所述人工神经网络。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的测量是在骨内许多位置上进行的，以便识别并表征异常骨特性的区域。
23.一种用于骨的非侵害性评价的方法，包括以下步骤：
用发射换能器将超声信号直接引导到骨上，使之在骨内传播，再从骨发射；
用接收换能器检测并记录从骨发射的该超声信号；
从记录信号中计算出至少一种骨特性；
其中：
将所述发射换能器与接收换能器配置成为用于反射测量，使波束的发射角总等于检测角，使两个换能器都指向骨表面上一公共轴，并围绕该公共轴移动；
在选择的范围内，改变该角度；
其特征在于：
记录所述被检测的信号的振幅，用以作为角度和频率的函数；
识别反射信号中与骨中存在的Lamb波模相对应的极小者；
通过Snell定律，将角度与相速度相关并且用相速度和频率表征一个或多个Lamb波模；和
根据相速度，计算出至少一种骨特性。
24.一种用于根据权利要求1所述的骨非侵害性评价方法的骨非侵害性评价装置，包括：
两个换能器，其中的一个是适于向骨(20)内发送超声信号的发射机(16)，另一个是适于检测在骨(20)内正在传播并从骨(20)发射的超声波的接收机(17)，其中一个换能器是固定的，而另一个安装在沿导轨滑移的滑动单元(11)上；和
用于移动带有所述换能器的滑动单元(11)以使该换能器在骨(20)或肢体表面上移动的装置(30、31)；
用于记录由所述接收机(17)所检测的信号的装置(32、33)；
根据已记录的信号计算出至少一种骨特性的装置(34)；
其特征在于，该装置还包括：
用于在肢体或骨(20)上用一种选择的力调节每个换能器的装置(21)；和
用于检测在每个换能器端部的力的装置(14、15)。
25.根据权利要求24所述的骨非侵害性评价的装置，其特征在于，所述的用于在肢体或骨(20)上调节所述换能器的装置(21)适于在肢体或骨(20)上产生50-300克的力。
26.一种用于根据权利要求23所述的用于骨的非侵害性评价方法的骨非侵害性评价的装置，包括：
两个换能器，其中的一个是适于向进骨内发送超声信号的发射机(16)，另一个是适于检测从骨反射的超声信号的接收机(17)，这两个换能器都是围绕并对准所述骨的表面上的公共轴可移动地设置的；
用于围绕所述公共轴移动所述换能器以使由所述发射机(16)所发射的信号的角度总等于由所述接收机(17)所检测的角度的装置(47、48)；
用于将由所述发射机发射的超声信号耦合至所述骨再返回到所述接收机的装置(45)；和
用于记录由所述接收机(17)检测的信号的装置；
其特征在于，所述的骨非侵害性评价装置还包括：
用于记录所述检测的信号的幅度作为角度和频率函数的装置；
用于从所述检测信号中识别出与骨中存在的Lamp波模相对应的极小者的装置；
用于通过Snell定律将角度与相速度相关并且用相速度和频率表征Lamp波模的装置；和
根据相速度计算至少一种骨特性的装置。
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