JPH06509736A

JPH06509736A - 超音波密度計測装置及び方法

Info

Publication number: JPH06509736A
Application number: JP6501658A
Authority: JP
Inventors: ウィーナー　スコット　エイ; デルヘリー　ジェイムズ　ジー
Original assignee: ルナー　コーポレイション
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1994-11-02
Also published as: EP0607377A1; WO1993025146A1; US5343863A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】超音波密度計測装置及び方法

【背景技術】

■、産業上の利用分野本発明は、例えば、骨などの要素の密度の測定に使用される装置に関し、特に、超音波音響信号を活用して要素の物理特性及びそのありのままを測定する装置に関する。２、従来技術の説明現在、骨などのような要素の物理特性及びありのままを測定する様々な装置がある。非破壊密度測定装置は人間あるいは競争馬のような動物の骨に生じる微小破砕及び微小骨折に原因する累積的内部損傷を測定するのに使用することができる。さらに、オステロボロシス（骨粗しよう症）あるいは骨鉱化の不在を人間について検出すること、治療すること、及び予防することが広く医学的及び生物学的に興味ある分野となりつつある。人の平均年齢が上がると、急速なトラベキュラ（ｔｒａｂｅｃｕｌａｒ）骨の消滅により多くの患者が合併症を引き起こす。米国特許第３，８４７．１４１号は、指の骨あるいは踵の骨等の骨の構造の密度を測定し、そのカルシウムの含有量をモニターする装置を開示している。この装置は、分析される骨の上にクランプされたクランプ装置内に保持された一対の対面隔置超音波トランスデユーサを備えている。パルスジェネレータが超音波を発生する一方のトランスデユーサに接続されており、この超音波は骨を介して他方のトランスデユーサに向けられている。電気回路が受信側トランスデユーサからの信号をパルスジェネレータに戻すように接続されており、パルスジェネレータはこの信号に応答して、再トリガされる。したがって、そのパルスは超音波が骨構造を通って伝播するのにかかる伝播時間に比例する周波数で発生する。上記伝播時間は、骨を通過する音の速さに直接比例する。骨を通過する音の速さは園骨の密度に比例することが分かっている。したがって、パルスジェネレータが再トリガされる周波数は骨の密度に比例する。生体内の骨の強度を測定する他の装置と方法が米国特許第４，３６１．１５４号及び４，４２１，１１９号に開示されている。この装置は、目盛り付のバーニアによって接続された発信トランスデユーサと受信トランスデユーサとを備え、こられが骨を通過する音の速さを測定し、その強度を測定するようになっている。バーニアは二つのトランスデユーサの表面間の全体の通過定数を測定するのに使用される。リーズの（Ｌｅｅｓ、　Ｓ（１，９８６）鉱物化したティシュ−の音響特性、超音波によにティンニー特性化、ＣＲＣ第２版、２０７頁から２２６頁は、皮質及び海綿体状（多孔質あるいはトラベキュラな）骨における音の減少及び速さの測定に関するさまざまな研究について論している。これらの研究の結果によれば、ウェット（ｗｅｔ）音速とウェット皮質密度との間及び、ドライ音速払　ドライ皮質密度との間には、線型の関係があることが判明している。それゆえ、骨を通過する音響信号の通過時間は骨の密度に比例する。ラングトン化ａｎｇｔｏｎ）等（Ｌａｎｇｔｏｎ、Ｃ，ｌｔ、　Ｐａｌｍｅｒ、Ｓ、　Ｄ、、及びＰｏｒｔｅｒ、　Ｓ、Ｗ。（１９８４）の多孔質骨における広域超音波減衰、Ｅｎｇ、　Ｍｅｄ、、１３、第８１頁乃至９１頁）には、送信技術に使用されるオスカルジス（ａｓ　ｃａｌｃｉｓ）（踵骨）における周波数と超音波減衰の研究結果を公表している。これらの著者は、異なる主題で見られる減衰の相違は、オスカルジスの鉱物含有量の変化によるものであるとしている。さらに、彼らは、低周波数超音波減衰はオステオポリシス（骨粗しよう症）の診断に有用なパラメータすなわち潜在的な骨折の危険性を予測できるものであるとしている。

【発明の概要】

本発明は、以下のように要約することができる。すなわち、本発明は、生体内の要素の物理的特性及びその状態を計測する超音波密度計であって、少なくとも１つの特定の周波数成分を有する音響信号が前記要素及び既知の音響特性を有する物質を介して伝送される発信トランスデユーサと、前記音響信号が前記要素を介して伝送された後膣音響信号を受信する受信トランスデユーサと、前記トランスデユーサに接続され、前記要素を介しての前記音響信号の要素通過時間を測定し、及び／又は前記要素を介しての音響信号の少なくとも１つの独特の特定周波数成分の絶対減衰を測定し、前記物質を介しての音響信号の物質通過時間を測定し、及び／又は前記物質を介しての音響信号の少なくとも１つの対応する独特の特定周波数成分の絶対減衰を測定する手段とを備えたものである。また、発信トランスデユーサは、前記要素を介して音響信号を発信し、受信トランスデユーサは、その音響信号が前記要素を介して伝送された後音響信号を受信する。密度計は通常の通過時間のデータベースを有するマイクロプロセッサと、前記通常通過時間の１つを選択する手段と、前記要素通過時間と前記選択された通常通過時間との数学的比較を行う手段と、前記数学的比較と前記要素の物理的特性及び状態とを関係つける手段とを備えている。データベースにおけるそれぞれの通常通過時間はテストされる人の年齢、身長、体重、人種、性別あるいはトランスデユーサの間隔あるいは要素の厚みあるいは大きさにに依存する。本発明の第１の目的は、迅速、効率的かつ容易に生体内要素を介しての超音波音響信号の通過時間を測定することによって該要素の物理的特性及び状態を測定する超音波密度計測装置及び方法を提供することである。本発明の第２の目的は、生体内の要素を介しての超音波音響信号の通過時間と既知の音響特性を有する物質を介しての音響信号の通過時間とを比較することによって該要素の物理的特性及び状態を測定する超音波密度計測装置と方法を提供することである。さらに本発明の目的は、生体内を介しての超音波音響信号の特定周波数成分の絶対減衰を測定することによって該要素の物理的特性及び状態を計測する超音波密度計測装置及び方法を提供することである。さらに本発明の目的は、生体内の要素を介しての超音波音響信号の特定周波数成分の絶対減衰と、既知の音響特性の物質を介しての対応する周波数成分の絶対減衰とを比較することによって、該要素の物理的特性及び状態を計測する超音波密度計測装置及び方法を提供することである。本発明の別の目的は、生体内要素を介しての超音波音響信号の通過時間とテスクを受ける者の年齢、身長、体重、人種あるいは性別及び、トランスデユーサ間の距離あるいは要素の大きさに依存する通常通過時間のデータベースから選択された通常通過時間とを比較することによって該要素の物理的特性及び状態を計測する超音波密度計測装置及び方法を提供することである。さらに本発明の別の目的は、デジタルディスプレー上において要素の密度及び受信された音響信号のデジタルコンポジソト要素波形とを表示することができる生体内骨要素の物理的特性及び状態を計測する超音波密度計測装置及び方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、それぞれが複数の要素の配列を含む送受信トランスデユーサを有し、これによって１つ以上の受信要素によって受信された音響信号を分析して前記受信要素によって受信されたそれぞれの音響信号の要素に関して相対的な位置を測定するようになった生体内要素の物理的特性及び状態を計測する超音波密度計測装置及び方法を提供することである。本発明の他の目的、特徴及び利点は、本発明の好ましい実施例が例示的に選択されている添付の図面を参照して後記の詳細な説明によって明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

図１は、本発明に従って構成された超音波密度計測装置の斜視図、図２は、図１に２つが示されている音響カブラの斜視図、図３は音響信号が発信され、あるいは受信されるトランスデユーサの端面の正面図であって、他方のトランスデユーサの端面はこれと鏡面対照となっている正面図、図４は、本発明に従って構成された超音波密度計測装置の回路の概略ブロックダイヤグラムの図、図５は、図４の回路で使用される受信波形をサンプリングする方法を図示したもの、図６は、本発明に従って構成された超音波密度計測装置の他の実施例の回路の概略ブロックダイヤグラムの図、図７は、本発明に従う超音波密度計測装置からの実際の超音波パルス音響信号その応答の例、図８は、周波数範囲に対して相対的な超音波パルスの大きさを例示的にプロ・ソトしたもの、図９は、基準と比較した測定対象物の周波数対減衰特性の変化を示す周波数範囲のグラフ、図１０は、本発明の他の実施例の斜視図、図１１は、図１Ｏの実施例において使用されるフットプレートとトウペッグの平面図、図１２は、フットプレートのスライドトウベングを取り付ける方法を示す図１１のフットプレートの断面詳細図、図１３は、図１０の実施例において使用される音響カップリング液体の給送システムのブロックダイヤグラム、図１４は、図１０の実施例の回路の概略ブロックダイヤグラムの図である。

【好ましい実施例の説明】

特に図面を参照（同様な部材については同じ番号で参照する）すると、図１は、例えば生体内の骨のような要素の物理的特性及び状態を計測するポータプル超音波密度計測装置１０を示している。図１に示す超音波密度計測装置１０は起動ボタン１２を有するハンドル１１を備えている。ハンドル１１から直線状に連結ロッド１３が延びている。超音波密度計測装置１０はまた固定アーム１５及び調整アーム１６を備える。固定アーム１５は、好ましくは連結ロッド１３に連続的に形成されており、したがって、連結ロッド１３の端部１７に接続されている。調整アーム１６は、ロッド１３に取り付けられたハンドル１１とデジタルディスプレー１８との間の連結ロッド１３上にスライド自在に取り付けられている。ノブ１９は回転自在であってロックされ、またはアンロックされることによって調整アーム１６を連結ロッド１３に沿ってスライド可能にしており、これによってアーム１５及び１６の間の間隔が調整できるようになっている。固定アーム１５の端部には第１　（左側）トランスデユーサ２１が、調整可能アームＩ６の端部には、第２（右側）トランスデユーサが連結されている。図１及び図２に示すように、各トランスデユーサ２１には、それぞれ適当な音響カブラ２３が取り付けられており、トランスデユーサをテストされる物体に音響的に連結するようになっている。音響カブラ２３は、プラスチックリング２４及びウレタンあるいはその他適当な材料からなる取り付はパッド２６を備えている。トランスデユーサ端面２８は通常は図２に示されたパッド２６の内部表面に当接しており、図３に示されたトランスデユーサ端面２８はａ−１のラベルのつけられた１２のトランスデユーサエレメントの配列を備えている。第２（右側）トランスデユーサ２１は、図３に示すものの鏡像の端面２８を備えている。図４は、概略的に密度計１０の電子回路３１を示しており、該回路はデジタルディスプレーのハウジングに収容されている。対象物３２は、二つのトランスデユーサ２１の間に配置されており、該対象物を介して音響信号が発信される。この対象物３２は、例えば骨のような要素あるいは蒸留水、あるいはネオブレンの基準ブロックといった既知の音響特性を有する何らかの物質を表す。図４に図示された実施例に示すように、最も左のトランスデユーサ２１は発信トランスデユーサ２１であり、最も右にあるトランスデユーサ２１は受信トランスデユーサ２１である。しかし、実際はトランスデユーサ２１のいずれかあるいは両方が発信及び／又は受信トランスデユーサとすることができる。図４にかかる送受信トランスデユーサ２１はエレメント選択信号３６及び３７によってマイクロプロセッサ３８に接続されている。マイクロプロセッサ３８はトランスデユーサエレメントａ−１のそれぞれのベアの１つがいずれかの時に発信及び受信しているかを測定するようにプログラムされている。この選択は、エレメント選択信号ライン３６及び３７によって行われる。このラインは必要な選択データをトランスデユーサ２１に発信できるものであれば、多重信号ラインあるいは単一の連続信号ラインのいずれても良い。マイクロプロセッサ３８はまた、データ及びアドレスバス４０によってデジタルディスプレー１８、デジタル信号プロセッサ４１に、サンプリングのアナログ−デジタルコンバータ４２及び１組の外部タイマー４３に接続されている。マイクロプロセッサ３８は、“オンボード（ｏｎ　ｂｏａｒｄ）″の電気的にプログラム可能な不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）及び同様に、通常のＲＡＭメモリを備えており、密度計ｌＯの動作を制御する。デジタル信号プロセッサ４１は、　“オンボード（０口ｂｏａｒｄ） ″リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を備え、マイクロプロセッサ３８の制御に基づいて密度計１０によって実行される多くの数学的な機能を実行する。デジタル信号プロセッサ４１は特に、現在集積回路の形態で入手可能な離散（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）フーリエ変換を行う能力を備えており、これによって、受信した波形信号を時間支配から周波数支配に変換することができるようになっている。マイクロプロセッサ３８とデジタル信号プロセッサ４１はまた制御信号４５及び４６によって相互に結合されており、これによって、マイクロプロセッサ３８はデジタル信号プロセッサ４１の動作に関する制御を維持することができかつ戻しのステータス情報を受信することができるものである。マイクロプロセッサ３８とデジタル信号プロセッサ４１はともに電気回路３１を制御し、これによって、密度計ＩＯは、後述するような動作を遂行することができるものである。たとえば、オーディオスピーカのような聴覚フィードバックメカニズム４８を出力信号４９を介してマイクロプロセッサ３８に接続することができる。外部タイマー４３は、一連のクロック信号５１及び５２をＡ／Ｄコンバータ４２に与え、時間情報をＡ／Ｄコンバータ４２に与える。これによって、Ａ／Ｄコンバータ４２は、マイクロプロセッサ３８とデジタル信号プロセッサ４１におけるプログラムにしたがって、発信トランスデユーサから最終的に受信した電気信号を時間間隔をおいてサンプリングする。また、外部タイマー４３はデジタル的に制御可能なゲインで励起増幅器５５に接続されたクロック信号５３を作る。定期的なパルスが外部タイマー４３によって発生され、信号ライン５３を介して増幅器５５に伝送されて、増幅され、信号ライン５６を介して発信トランスデユーサ２１に送られる。発信トランスデユーサ２１は増幅パルスを音響信号に変換しこの音響信号は対象物３２あるいは物質３２を介して伝送され、受信トランスデユーサ２１に受信される。この受信トランスデユーサ２１は音響信号を電気信号に戻す変換を行う。この電気信号は出力信号５７を介して該電気信号を増幅する受信増幅器５９に送られる。励起増幅器回路５５は好ましくはデジタル的に制御可能な回路であってパルス出力を作りだするように構成されている。パルスの増幅は１から２５５段階にデジタル的に制御可能である。このように、パルスは、適当な増幅の受信パルスが受信／増幅回路５９で受信されるまで、デジタル制御によって、反復的に増幅することができ、ここでもゲインをデジタル的に調整するすることができる。受信増幅器回路５９とこれと一体にデジタル的に制御可能な自動ゲイン制御回路が接続されており、このゲイン制御回路は受信音響信号に対する受信トランスデユーサ２１と増幅器回路５９の感度を最適化する。マイクロプロセッサ３８は信号ライン６０を介して増幅器回路及び自動ゲイン制御回路５９に接続されており、増幅器回路とゲイン制御回路５９の増幅量を調整する。増幅された電気信号はリード６１を介してＡ／Ｄコンバータ４２に指向さ姐このＡ／Ｄコンバータ４２は定期的にこれらの信号をサンプリングする。それゆえ、Ａ／Ｄコンバータ４２は、結果として、受信された音響信号をサンプリングすることとなる。一連の実質的に同一の音響信号が受信トランスデユーサ２１に受信されると、Ａ／Ｄコンバータはそれぞれの連続的な信号波形の増加分を連続的にサンプリングする。マイクロプロセッサ３８はこれらの部分が結合されて単一の波形とほぼ同一のデジタル複合波形を形成するようにプログラムされている。このデジタル化された波形はデジタルディスプレー１８上に表示され、あるいは、デジタル信号プロセッサ４１よって数値解析のために処理される。図１ないし４にしたがって構成された密度計は、要素の物理的特性たとえば、状態あるいは密度を計測するために複数の方法で動作することができる。さらに後述するように、方法はマイクロプロセッサ３８の動作のソフトウェアプログラミング及び密度計の使用方法についての臨床医に与えられた指示によっても異なる。ことなる方法はすべて単一のユニットにプログラムすることができ、そのユニットのケースにおいて、ユーザの選択スイッチが動作モードを選択するために与えられている。あるいは、所定の密度計を単一の使用モードに供するように構成することもてきる。いずれにしても、要素の物理的特性を計測するために密度計の使用方法は十分に理解するためには、第１に密度計自体の内部動作を理解することが必要となる。その使用方法のいずれにおいても、密度計は、特性が計測されるべき要素上にその過程において幾つかのポイントで配置されるように意図されている。これは要素の両側にトランスデユーサ２１を配置することによって行われる。これを行うために、ノブ１９をゆるめて調整アーム１６を可動にし、トランスデユーサ２１を要素、たとえば患者の踵の両側に配置することができるようにする。パッド２６の外側表面を超音波ゲル３５あるいはパッド２６と患者３２との間に配置された他の結合物質を用いて患者の踵に向けて配置し、要素３２とトランスデユーサ２１との間の音響信号の伝達を改善する。トランスデユーサ２１が要素に適正に配置されると、ノブ１９をしめて調整アーム１６を所定位置に固定する。この場合、トランスデユーサ２１はこれらの間に要素３２をはさんで互いに隔置した関係で配置される。その後、起動ボタン１２を押し、音響信号を要素３２を介して発信し、受信トランスデユーサ２１に受信させる。図４の電気回路は受信トランスデユーサ２１から電気信号を受信し、これらの信号をサンプリングして処理し、生体内の要素３２の物理的特性及び状態に関する情報を確保する。マイクロプロセッサ３８は、この情報収集しプロセスが完全であるときデジタルディスプレー１８上に指示を出すようにプログラムされている。また、情報収集プロセスが完全であるときデジタルディスプレー１８上にその情報を表示するようにしてもよい。たとえば、要素３２を介しての音響信号の通過時間を単にデジタルディスプレー１８上に表示することもできる。図４の回路の動作を詳細に検討すると、この一般的な概念は、回路は患者３２を介して発信トランスデユーサ２１から発生し、その後受信トランスデユーサ２１に受信される超音波パルスを作りだすように構成されているということである。この回路は要素３２を介してのパルスの通過時間を測定し、要素３２を介してのパルスの減衰を確認し、かつそれが要素３２を介して通過した後、パルスの波形のデジタル表示を再構成することができるように構成されており、これによって、選択された周波数での減衰を測定するように解析することができるようになっている。これらのすべての目的を達成するために、図４の回路はマイクロプロセッサ３８の制御に基づいて動作する。マイクロプロセッサ３８はエレメント選択信号ライン３６を介して、各トランスデユーサ２１の表面上の要素ａ−１の対応する対すなわちグループを選択的する。各トランスデユーサ上の対応エレメントは各トランスデユーサの表面上の残りのエレメントが非活動状態にあるときに同時に選択される。所定のエレメントに関し、たとえば、エレメントａが選択されると、マイクロプロセッサ３８はそのつぎに外部タイマー４３に信号ライン５３上に励起増幅器回路５５へのパルスを発生するようにせしめる。励起増幅器５５の出力は信号ライン５６に沿って、発信トランスデユーサ２１にエレメントａに到達する。それを受けて、発信トランスデユーサ２１は超音波パルスを発生する。受信トランスデユーサ２１にある対応エレメントａはそのパルスを受信して信号ライン５７上にその出力を増幅器回路５９に対して発生する。Ａ／Ｄコンバータ４２の出力として必要なものは、選択された単一のトランスデユーサエレメントの出力であるアナログ波形のデジタル表示である。しかし、残念なことに、超音波周波数て波形をサンプリングするのに十分敏速に動作する“リアルタイム” サンプリングＡ／Ｄコンバータは比較的高価であるということである。したがって、Ａ／Ｄコンバータ４２は“イクイバレントタイム”サンプリングＡ／Ｄコンバータであることが好ましい。　“イクイバレントタイム”サンプリングでは、Ａ／Ｄコンバータ４２は、所定の超音波パルスの後、小さい時間間隔の間にトランスデユーサの出力をサンプリングすることを意味する。一般的な、概念は図５に示されている。受信トランスデユーサ２１て受信されかつ信号ライン５７に与えられた単一のパルスの代表的な波形は関数“ｆ”で示されている。励起パルスが反復して発生させられるとき、同じパルスが反復して受信される。受信パルスはｊｏ　ｔｌ＋としてラベルが付けられた一連の時間間隔でサンプリングされている。換言すると、信号“ｆ”のリアルタイムアナログ−デジタル変換を行うことを試みているのではなく、信号は、通過パルスが与えられた後、それぞれの固定時間間隔ｔｏ　ｊＩｏの間サンプリングされ、各時間間隔の間にアナログ値はデジタル関数に変換され、そのデータがストアされるのである。したがって、全体のアナログ波形応答は時間間隔ｔの間に生成された個々のデジタル値から、サンプリングされた時間間隔ｔの数に応した波形の再生成の全体忠実度を持って、再生成することができる。サンプリングは受信トランスデユーサ２１からの単一のリアルタイムパルスの間に行われるのではない。この代わりに、一連のパルスが発信トランスデユーサ２１から発生するのである。外部タイマーは信号ライン５１及び５２に沿ってサンプリングＡ／Ｄコンバータ４２に信号を与えるように構成されており、これによって、アナログ値は、第一パルスが所定のトランスデユーサエレメントに付加されたとき時間間隔ｔ０てサンプリングされ、つぎに、第２パルスのときに時間ｔ１で、第３パルスの間に時間ｔ２でのように全ての時間間隔でサンプリングされるまで、サンプリングされるようになっている。各エレメントについての完全な波形がサンプリング後はしめて、次のエレメントたとえばエレメントｂが選択される。Ａ／Ｄコンバータ４２からの出力がマイクロプロセッサ３８及びデジタル信号プロセッサ４１の両方に与えられる。したがって、図５の複合波形ｆを表すデジタル出力値はこれらが各トランスデユーサエレメントについてコンパイルされた後に、デジタル信号プロセッサ４１によって処理することができる。その波形はつぎに、送信された超音波パルスの特性に関し任意の周波数成分についての時間遅れあるいは減衰について解析される。このプロセスは、その後、全てのエレメントが受信トランスデユーサアレー２１に受信された波形を表示するデンタルを作るのに十分な一連のパルスを発信するのに活用されるまで反復される。その後要素の物理的特性を測定する様々な方法において活用されるのはこのデータである。密度計が活用され、そのデータがめられている方法に応じて、適当な出力がデジタルディスプレー１８を介して、マイクロプロセッサ３８またはデジタル信号プロセッサ４１から与えられる。超音波パルス発生及びサンプリングは極めて迅速であるので、少なくとも人間に関しては、サンプリングされた超音波受信パルスの作成プロセスはオプションとして数回反復することができ、信号を平均化することによってノイズを減少することができる。仮にこのオプションがおこわれると、図５に示したような反復的な超音波パルスの発生及び受信波形のサンプリングは、っぎのエレメントについての処理の前にそのアレーにおける各エレメントについて１回以上くりかえされる。そして、このように作成されるサンプリングされた波形はデジタル的に平均化され、任意の単一のサンプリング波形よりもランダムノイズ成分の少ない複合波形を発生する。十分にノイズを減少させるのに必要な反復の数は当業者に公知の手段によってテストすることによって測定することかできる。図１乃至４の密度計の内部動作を検討すると、要素の物理的特性を計測するための密度計を使用方法を理解することが可能となる。第１の使用方法は、患者を介しての超音波パルスの通過時間を計測すること及びこの時間と例えば水のような公知の音響特性の物質における同一の距離を通過するのに必要な超音波パルスに要する時間とを比較することに関係する。この手法において密度計を使用するために、調整アーム１６を、患者の要素たとえは、踵がトランスデユーサ２１の間に挟まれるまで調整する。つぎに、ノブ１９を締めつけ調整アーム１６を所定位置に固定する。つぎに、起動ボタン１２をおし、パルスの発生と計測を開始する。つぎに、ノブ１９を締めつけた状態にしてトランスデユーサ２１の間隔を同じに保った状態で密度計を患者から外す。装置１０をその後公知の音響特性を有する標準物質３２に配置し、たとえば、蒸留水の浴に浸漬することによって、物質の中に浸漬する。再び、起動ボタン１２を押して、音響信号が物質３２を介して発信トランスデユーサ２１から受信トランスデユーサ２１に伝送されるようにする。要素の計測のために全体アレーのエレメントａ−１を活用することは有効であるが、要素と異なり、標準物質が均一であるという仮定が成り立つ場合だけであるが、この場合には、計測のために単一のペアのエレメントの使用が必要となるだけである。２つの計測によって得られた信号形状は、その後マイクロプロセッサ３８及び信号プロセッサ４１んによって解析される。この解析は、標準物質に対する患者を介してのパルスの通過の比較時間、周波数応答における波形の特性及び標準物質に対する患者を介しての減衰について行われる。したがって、この方法では、密度計は双方のあるいはいずれかの解析によって物理的特性及び状態を測定する。密度計は要素を介しての音響信号の通過時間と既知の音響特性の物質を介しての音響信号の通過時間とを比較し、及び／又は、該装置ｌＯは要素３２を介しての広域バンド音響信号の周波数の関数としての減衰と既知の音響特性の物質を介しての音響信号の対応する特定の周波数成分の絶対減衰とを比較する。物質を介しての音響信号の“減衰”は患者あるいは標準物質のいずれかを介しての伝播から超音波波形の縮小である。これら両方の方法を用いる理論と実験は、Ｒｏｓｓｍａｎ（ｏスマン）、Ｐ、Ｊ、、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＶｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　Ｉｎ　Ｔｈｅ　Ｈｕｍｎ　Ｏｓ　Ｃａ１ｃｉｓ　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ｒｅ１ａｔｉ盾獅唐■奄垂■ ｔｏ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｍｅｔｒｙ　Ｂｏｎｅ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ（１９８７Ｘ人間のオスカルンスにおける超音波速度と減衰の測定及び光子吸収骨鉱物測定）（ウイスコンンンーマジソン大学における科学修士課程の１部の科目の取得のために提出された論文）に提出され、議論されている。テストによれば、特定の周波数における超音波減衰（測定されたデシベル（ｄｂ）　）とこれらの周波数との間には線型の関係がある。広域バンドの超音波減衰として参照される、線型関係の勾配（ｄＢ／ＭＢｚ）は、テストされる物質の物理的特性及び状態に依存する。骨に関しては線型関係の勾配は骨鉱物密度に依存する。したがって、骨を介しての広域バンド超音波減衰は多孔質骨マトリックスの質に直接関係するパラメータである。マイクロプロセッサ３８は、したがって、装置が、要素及び既知の音響特性の物質を介しての相対的通過時間及び／又は相対的広域超音波減衰とを比較することによって要素の物理的特性及び状態を測定するようにプログラムされている。通過時間を比較するにあたり、マイクロプロセッサ３８は、音響信号が要素を介して伝送された後、該音響信号を受け取り、該電子装置が要素を介してのこれらの音響信号の“要素”通過時間を測定し、かつその音響信号が既知の音響特性の物質を介して伝送された後、該物質を介しての音響信号の“物質”通過時間を測定する。これらの期間はパルスの発信時間とＡ／Ｄコンバータ４２で受信されたパルスの検出との間のタイマー４３によって発生された既知の周波数のクロックパルスの数を数えることよって最も簡単に測定することができる。マイクロプロセッサ３８は、つぎに、物質通過時間に対する要素通過時間の数学的“時間”比較を行い、そして、要素の物理的特性及び状態に対する該数学的時間比較を関係づける。この数学的時間比較は要素通過時間と物質通過時間との差の測定あるいは要素通過時間と物質通過時間との比を測定することのいずれかによって行なうことができる。密度計を使用する第２に方法として、既知の音響特性を有する物質を参照することなく要素を介しての音響信号の広域バンド周波数成分の絶対減衰を測定、比較することによって要素３２の物理的特性及び状態を測定することができる。この方法を使用すると、測定されるのは減衰であるため、標準物質に対する速度の比較は必要とならず、パルスの絶対通過時間を計算する必要はない。そのようなモードでは、発信トランスデユーサ２１は、たとえば、単一の超音波パルスのような広い範囲の周波数成分を持つ音響信号を発信するのが好ましい。いずれの場合においても、音響信号は少なくとも１つの特定周波数成分を有する必要がある。この減衰比較モードでは、マイクロプロセッサ３８は、受信トランスデユーサ２１が骨要素３２を介して伝送された音響信号を受信した後、音響信号の周波数成分スペクトルの要素３２を介しての絶対減衰を測定するようにプログラムされている。励起増幅器回路５５及び受信機増幅器５９はデジタル的に制御可能な増幅レベルを有するのは減衰の測定を容易にするためである。連続的なパルスについて増幅器５５及び５９のゲインを連続的に変化することによって、図４の回路は適正な電圧レベルに受信波形のピークを位置させるのに必要なゲインのレベルを決定することができる。このゲインは、もちろん、要素３２を介しての通過の間の音響パルスの減衰のレベルの関数である。受信トランスデユーサ２１が音響信号を受信したのち、信号プロセッサ４１に結合されたマイクロプロセッサ３８は要素を介して送信されて受信された音響信号の個々の特定周波数成分の絶対減衰を測定する。デジタル信号プロセッサ４１は、つぎに、要素を介しての対応する個々の特定周波数成分の数学的“減衰”比較を行なう。これによって、対応する周波数成分との間の一組の数学的減衰比較を行なうことができる。すなわち、比較される各周波数成分の数学的比較を行なうことができる。これによって、減衰が周波数の関数とする方法が得られる。マイクロプロセッサ３８とデジタル信号プロセッサ４１は、つぎに、その関数を要素の物理的特性及び状態に関係づける。図７には、サンプル広域バンド超音波パルスと代表的な受信波形が示されている。周波数範囲の極めて広い超音波信号すわなち広域バンドと発信信号を達成するために、参照番号７０で示される電子パルスが広域バンド周波数発信と共振する発信アレー２１における選択された超音波トランスデユーサに付加される。時間支配信号プロットにおいて図７の参照番号７２で示される受信信号は、つぎに離散（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）フーリエ変換解析によって処理され、周波数支配に変換される。図８には、周波数支配プロットにおける一対のサンプリング受信信号のプロットが示されており、これによれば、装置内に配置された基準物体とネオブレンのプラグとの間の周波数関数として受信信号強さの推移が示されている。図９には同様な比較か示されており、図８は垂直軸に相対減衰を用い、図９は同様の基準物質を用いて受信信号の絶対強さを用いている。双方の表示は物体によって広域超音波減衰がどのように変化するかを示す周波数の関数として相対的な強さの差を示している。実際の計算による広域超音波減衰の値は、まず、基準信号に対して受信信号を比較し、つぎに、離散フーリエ変換解を行い、周波数支配に変換し、つぎに、減衰勾配における差の線型回帰を行ない、広域超音波減衰を算出する。離散フーリエ変換解の数学では、骨要素密度に関係する他のパラメータが広域減衰（場合によって以下“減衰”と参照する）に加え、あるいは、これに代えて計算されるようになっている。離散フーリエ変換が時間支配信号に関して行われると、各ポイントについての解は実数項成分、虚数項成分を含む。超音波パルスが要素を介して通過するとき超音波パルスの位相の変化における位相角は実数成分に対する虚数成分の比率のアークタンジェントをとることによって計算することができる。この位相角値はまた、骨要素密度に対して計算される。マイクロプロセッサ３８は、密度計が、両方の機能を同時に遂行するように、すなわち、第１に要素を介しての、つぎに既知の音響特性を持つ物質を介しての、発信音響信号の通過時間及び絶対減衰の両方を測定するようにプログラムされている。密度計は、つぎに、広域超音波減衰関数をめ、要素通過時間と物質通過時間との数学的比較を行なう。マイクロプロセッサ３８とデジタル信号プロセッサ４１は、つぎに、減衰関数にともなう時間比較を物理的特性及び状態あるいは要素３２の密度に関連づける。さらに、他の可能性のある動作モードにおいては、マイクロプロセッサ３８は密度計１０が相対的通過時間または既知の音響特性の物質を介しての音響信号の減衰のいずれかを計算する必要がなくなるモードで動作するようにプログラムされている。そのようなモードで動作させるために、マイクロプロセッサ３８は、トランスデユーサ間の距離あるいは要素の厚さ、大きさと同様にテストされる人間の年齢、身長、体重、人種あるいは性別といったファクターに基づく通常の絶対通過時間のデータベースを備えることができる。この通常の通過時間のデータベースは不揮発性メモリあるいは、他の媒体ににストアすることができる。このモードで人間をテストする場合、その人についての関連ファクターがマイクロプロセッサ３８に容易され、これらにファクターに基づいて関連ある通常の通過時間を選択する。トランスデユーサ２１は上記のようにテストされる骨要素上に配置される。起動ボタン１２が押されると、音響信号が要素３２を介して送信される。受信トランスデユーサ２１は、これらの信号が要素を介して送信され後、これらの信号を受信する。そして、電子装置３１が要素を介しての音響信号の“要素 ”通過時間を測定する。マイクロプロセッサ３８とデジタル信号プロセッサ４１はつぎに、測定された要素通過時間と選択されたデータペース通常通過時間との数学的な比較を行ない、該数学的比較を要素の物理的特性及び状態あるいは密度との関連づけを行ない、これを表示する。本発明の密度計の他の出力として、デジタルディスプレー１８は図３に示すようにトランスデユーサ２１の表面のエレメントのアレーにパターンに対応するディスプレーを備えている。このディスプレーは、したがって、各エレメントａ−１に対して、パラメータに比例するグレースケールイメージ、たとえば、測定される通過時間あるいは減衰を表示する。このイメージは患者にある要素の物理的特性に関する経験のある臨床医に対する視覚的な支持を与えるものとすることができる。図６には、本発明にしたがって構成された超音波密度計の他の実施例の回路の概略が示されている。図６の回路においては、図４において対応する部分と同様の構造及び機能を有する部分については同一の参照番号を付しである。図６の実施例は単一のトランスデユーサアレー２１のみを有して機能するように意図されている。この単一のトランスデユーサアレー２１は、発信及び受信トランスデユーサアレーの双方として機能する。デジタル的に制御可能な多極スイッチ６６は、好ましくは物理的なものではなく電子スイッチで構成され、その入力を、及びトランスデユーサアレー２１のエレメントからの出力を、励起増幅器５５またはコントロールゲイン受信機／増幅器回路５９のいずれかに接続する。該スイッチ６６はスイッチ制御ライン６８を介してマイクロプロセッサ３８の出力に接続されている。図６の回路の動作において、この回路は図４の回路と大体において同様に機能する。したがって、相違点のみが説明の必要あるものである。超音波パルスの発生中、マイクロプロセッサ３８は信号をスイッチ制御ライン６８上に発生せしめ、これによって、スイッチ６６により、励起増幅器５５の出力をトランスデユーサアレー２１の選択されたエレメントに接続する。パルスの発生が完了した後、マイクロプロセッサ３８はスイッチ制御ライン６８上の信号を変更し、スイッチ６６を動作させて、入力として選択されたひとつまたは複数のエレメントを増幅器５９に接続する。ところで、パルスは要素３２を介して伝播する。パルスが要素を通過する場合において、要素にある異なる物質の界面を横切る際、特に、要素の反対側にある空気中にパルスが出ていくときに、反射パルスが発生する。もし、要素から空気への通過が十分な反射パルスを発生しない場合には、反射表面６４を、要素の反対側に位置せしめて増大した反射パルスを与える。図６の実施例はしたがって、唯一のトランスデユーサ２１を用いて要素の物理的特性及び状態を解析するのに用いることができる。そのような測定についての上記の全ての方法は装置のこの部分に有効に等価に用いることができる。要素を介してのパルスの通過時間は反射パルスの受信まで時間間隔を測定し、単純に２で割ることによって測定することができる。この時間間隔は、同様な距離における、たとえば水のような標準媒体を介しての通過時間と比較することができる。反射パルスの受信までの時間間隔は年齢、憤す等の標準値と簡単に比較することができる。異なる周波数測定を検出するための減衰測定は反射パルスについて直接行なうことができる。もし反射表面６４を用いない場合には、そして、絶対通過時間を測定することが望ましい場合には、要素すなわちサンプルの厚さを測定することができる。トランスデユーサ２１に対するマルチ−エレメント超音波トランスデユーサアレーを使用することによって、図３に示すように、図１乃至９の装置の他の有利な特徴が可能になる。従来の密度計を用いると、有用な結果を得るためには、測定される患者の体の要素に対して装置を正確に位置決めする必要がしばしば生じる。この困難性は、現実の体の要素の骨の大きさ及び構造が異質であるために生じる。一つの場所の密度をおいて行われた測定はその近くで行われる測定と大きく異なる可能性がある。したがって、従来の装置では、その測定が正確な位置における、その都度正確に行えるように、体の要素に正確に固定されていたものである。超音波トランスデユーサアレーを使用することによってこのように正確な位置決めの必要性が軽減される。図１乃至９の装置を使用すれば、該装置はパルス応答を行い、離散フーリエ変換を行い、トランスデユーサエレメントａ−１の各ペアについての骨超音波減衰についての値を発生する。そして、マイクロプロセッサ３８は骨超音波密度測定の結果としてのアレーを解析し、その都度同じ対象の領域を再生的に特定する。換言すると、トランスデユーサの物理的アレーは少なくとも１つの共通の対象範囲をその都度確実にカバーするのに十分な大きさを有するので、測定はその都度アレーによって測定される場所のなかから測定の適正な場所を電気的に選択することによって同じ位置で位置決めされる。図１−９の装置は簡易的に患者の踵を介して測定される踵骨の密度を測定することによって使用される。この位置で使用されるとき、踵骨の対象の範囲は体の要素における最も高い減衰値のりょうくに極めて隣接する骨超音波減衰及び／又は速度における位置あるいは相対的最小値とて特定される。このように、密度計装置１０をそれぞれの連続測定に対して同一の場所に概略的に位置決めするだけであっても、同し対象の範囲における骨超音波減衰値の反復的測定は再生的に行うことができる。位置決めによる重大な影響を回避するためにこのマルチプルエレメントアレーを使用する技術は、本書で記載するように広域超音波減衰の測定以外に他の技術に適用することができる。アレーを用い、アレーの結果を比較して測定位置を決定するという概念は音の通過時間の速さに基づく要素の密度からなる測定にも同様に適用することができ、減衰の他の測定あるいは上記した位相角の計算に基づく要素密度の測定にも同様に適用することができる。対象となる１つのエレメントを自動的に選択しながら、このようなマルチブルーエレメントアレーの使用を、米国特許第４，３６１，１５４号に提案されるように送信されたパルスにおける速度変化を測定すること、あるいは米国特許第３，８４７，１４１号に記載されるように“ｓｉｎｇ−ａｒｏｕｎｄ”自己トリがパルスの周波数を測定することなどによって、骨要素密度に関連するパルスを発生するのに有用な他の測定技術に応用することできる。位置決独立の特徴を可能にする概念は対象範囲が再生可能な基準あるいは幾つかの基準によって選択されたデータポイントのアレーを発生する測定のアレーの概念である。アレーのエレメントの数も同じ範囲の対象を特定する場合において精度が向上するエレメントの数を増大するように変更することができる。この方法において、本発明の超音波密度計は放射線を使用することなく、生体内の要素の物理的特性を迅速かつ有効に測定できる装置を提供することができるものである。密度計はマイクロプロセッサ３８の制御によって動作するように構成されているので、密度計は上記した幾つかのモードの１つで動作するようにプログラムすることができる。これによって、装置を有効に使用できるとともに、臨床医学の目的に対する柔軟性を可能にする。図１Ｏには、本発明に従って構成される超音波密度計に関する他の変形例が示されている。図１０の密度計１００では、２つの超音波トランスデユーサアレー１２１があり、これらは、図１の実施例の超音波トランスデユーサアレー２１とほぼ同等である。ただし、トランスデユーサアレー２１は、可動ではなく所定位置に固定されている点は異なる。密度計１００は、ベイメン１０３が形成される傾斜上部端面１０２を有するほぼボックス状の装着ケース１０１を備えている。ベイメン１０３は人間の足を収容できる大きさを有しており、足の長さと整合する垂直平面に沿ってほぼ３角錐形状を成している。これによって、足がベイメン１０３の内部に入れられたとき、足の先端は足の踵に関して僅かに上がっている。トランスデユーサアレー１２１はケース１０１の内部に位置決めされており、これらは、ベイメン１０３の内部に延出し、ベイメン１０３に位置する足の踵の両側にあるとき、足の踵がベイメン１０３の後壁を形成する湾曲ポケット１０６の内部に収容された状態で、足の底が直接ベイメン１０３の底１０４に乗った状態になる。このように配置したとき、トランスデユーサアレー１２１は踵骨のいずれかの側にある。トランスデユーサを足の底から４センチメートル上方にかつ踵の後端から前方に３．５センチメートルに配置することによって、トランスデユーサを所望の範囲にかつ踵骨に合焦させることができるということが示されている。足はまた、底１０４に整合する外形を有するほぼ平面状の足板１０８の上にのせるようにしてもよく、足と底１０４との間の底１０４に対して配置される。足板１０８は、測定プロセス中において、足の動きを少なくするために使用する上方に延びるトウベツグ１１０を保持している。図１１を参照すると、トウペッグ１１０は人間の普通の足の親指と、つぎの指との間に合うような大きさををしており、スロット１１２に装着されて、足の長さに沿って概略調整できるようになっているとともに、足の特定の長さの部分を収容するようになっている。スロット１１２は足の中間軸１１４に向けて内方に傾斜しており、足の長さに沿って設けられ、足が踵の近傍において、足板１０８の部分に向けてスロット１１２に沿って動くようになっている。この傾斜は、足の長さと幅との間の一般的な関係を反映しているものであって、即座に両方の大きさに対して簡単な調整が行えるようになっている。トウベツグ１１０は、不快感なしに足の指の間に柔らかく当たるような大きさを有しており、足の自発的な動きを完全に拘束するものではない。にも関わらずトウペッグ１１０によって与えられる患者への感触によるフィードバックによって密度計１００の動作中の足の動きを大幅に減少させる。２つの異なる足板１０８は、互いに鏡像関係になっており、左右の足に対して使用される。図１２を参照すると、トウペッグ１１０はトウペッグ１１０における対応するねじで係合するねじつき部を有するファスナ１１１によってスロット１１２に保持されている。ねじつきファスナ１１１のヘッドはスロット１１２に係合しており、回転に抵抗するようになっている。したがって、トウペッグ１１０は、足板１０８に対してねじつきファスナ１１１を締めつけるためにその軸のまわりに僅かにトウベツグ１１０を回すことによって簡単に、スロット１１２の長さに沿って任意の位置で固定することができる。図１０を再び参照すると、密度計１１０のベイメン１０３の両側には、ケース１０１の上端面１０２において、右側及び左側においてそれぞれ２つの足乗せ領域１１６及び１１８が存在する。患者の右足の検査のために、患者の左足を足乗せ領域１１８に乗せ、患者の右足をベイメン１０３の中に入れる。反対に、左足の検査においては、患者の左足をベイメン１０３の中にいれ、患者の右足を足乗せ領域１１６に乗せる。足乗せ領域は上部端面１０２及びほぼ底面１０４に整合する傾斜を有する。側方に位置する足乗せ領域１１６及び１１８によって、密度計１００は着席した患者に合わせて使用することができる。密度計１００が使用状態にないとき、ベイメン１０３はベイメン１０３の下端に沿ってヒンジが設けられたほぼ平面状のカバー１２０で覆われており、はぼ上端面１０２の平面内で閉位置とヒンジストップ１２２で保持されるベイメン１０３の底面１０４と角度αを成すようにカバー１２０の平面を有する開位置との間を動くことができるようになっている。角度αはほぼ９０°となるように選択されており、患者の足がベイメン１０３の内部の位置しているときに、患者のふくらはぎを心地よく支持するようになっている。この目的のために、カバー１２０の上部表面は、カバー１２０が開位置にあるとき、通常のふくらはぎを受け止めるように湾曲した細長いくぼみを形成している。カバー１２０によって与えられる患者のふくらはぎの支持によって密度計ｌＯＯの動作中足の動きを少なくしかつ患者の心地よさを増大することが分がっている。図１０及び１２を参照すると、密度計１００が固定のトランスデユーサ１．２１を用いているために、結合液体はベイメン１０３に与えられており、患者の足の大きさにかかわらず、トランスデユーサ１２１と患者の足との間の音響エネルギーについての低い損失の経路を与えるものである。結合液体は、好ましくは、水に界面活性剤加えたものであり、界面活性剤によって、密度計の読みの信号の精度及び一貫性を向上することが判明している。界面活性剤はたとえば、市販の洗剤でもよい。しかし、他の流動性のある、音響的に導体である媒体を音響結合を与えるとして使用することができ、したがって、　′結合液体（ｃｏｕｐｌｉｎｇ　１ｉｑｕｉｄ）”の語は、たとえば、水をベースとしたスラリー及びチキソトロピックゲルのように水のよりも粘土の高い物質を包含するように考えるべきであることを理解されたい。衛生学、界面活性剤の消耗、及び結合液体における不純物の収集に関する信号の品質の低下の可能性の問題について、ベイメン１０３の液体は密度計１０３のそれぞれの使用の間に取り替えられるべきであるということが判明している。この液体を取り替えるのは、時間の浪費であり、通常は、シンク等に対して簡単にアクセスすることが必要であるが、アクセスは必ずしも可能なものではない。液体の取り替えを怠っても、即座に視覚的には、判明しないかもしれないので、液体の交換は忘れがちあるいは遅れがちとなる。このため、本実施例では、後述するような、マイクロプロセッサ３８で制御される回路を介しての超音波計測動作に連結された自動液体取扱システムを導入している。図１３を参照すると、本例は、ベイメン１０３に充填するために予混合された水と界面活性剤が着脱可能のポリプロピレン供給タンク１２４に収容されている。一方、ベイメン１０３からの消耗した水及び界面活性剤は同様のドレインタンク１２６に収容されるようになっている。各タンク１２４及び１２６は、タンクが密度計１００に設置されたとき開かれ、タンクを離れた水供給またはドレインにタンクを移送するとき閉しられるマニュアルバルブ１２８を備えている。供給タンク１２４と、ドレインタンク１２６は、それらが通常配置されるとき、その上端部にベント１５０を有しており、これによって、タンクが密度計１００内において通常の位置にあり、かつバルブ１２８が開いているとき、空気をタンク１２４及び１２６の内部に引き込みあるいは内部から追い出すことができるようになっている。タンク１２４及び１２６は、密度計１００のほぼ１日の使用に十分な水を保有しており、したがって、垂直にするために容易にアクセスできるようにする等の必要性はなくなる。供給タンク１２４のバルブ１２８は可撓性のチューブを介してタンクをポンプ１３０に接続し、このポンプは供給タンク１２４から加熱チャンバ１３２に液体を給送する。図１４を参照すると、加熱チャンバ１３２にある結合液体と温度接触する熱保護モジュールを介して電流が供給される抵抗体加熱エレメント１６４を組み込んでいる。熱保護モジュール１６６は、後述するサーミスタと、熱的ヒユーズを備えている。サーミスタ１６８は、また、加熱チャンバにある液体と熱的に接触し、密度計１００の動作中液体の温度を計測する。加熱チャンバ１３２はさらに、光レベルセンサ１７２を備えている。レベルセンサ１７２は、プリズムが空気に囲まれるのと反対に液体に浸漬されたときプリズムシステムの光学的特性の変化をモニターすることによって、加熱チャンバ１３２における液体のレベルを検出する。サーミスタ１６８及びレベルセンサ１７２の動作はさらに後述する。図１３を参照すると、加熱チャンバ１３２はオーバーフローポート１３４及び可撓性チューブを介してオーバーフロードレイン出口１３６に連通している。オーバーフロー出口１３６は、その内部の電子機器から除去された密度計１００の底部に配置されている。オーバーフローポートＩ３４は、後述するように加熱チャンバ１３２の通常の充填高さの上方に位置する。加熱チャンバ１３２はまた、最下点を介して、電気的の起動される充填バルブ１３８と連通しており、該バルブ１３８は、可撓性チューブを介してベイメン１０３の壁にもうられた充填ポート１４０に通じる経路を与えている。ベイメン１０３の反対側の壁には、オーバーフローポート１４２があり、このポート１４２は、ベイメン１０３の通常の充填高さの上方の点においてベイメン１０３に開口し、さらに、Ｔ状のコネクタ１４４を介して、ドレインタンク１２６に連通している。ドレイン１４６は、ベイメン１０３の底部１０４において、電気的に起動されるドレインバルブ１４８への経路を与える。ドレインバルブ１４８はベイメン１０３の液体をドレイン１４６を介してＴ状コネクタ１４４に流入させ、さらにドレインタンク１２６に流入させるようになっている。オーバーフローポート１４２及びドレイン１４６はスクリーン１５２を備えており、これによって、破片にチューブ及びドレインタンク１２６に連通ずるドレインバルブ１４８の詰まりを防止している。図１０及び１３を参照すると、供給タンク１２４及びドレインタンク１２６は密度計１００のケース１０１の中に配置されており、ペイメン１０３に関し、液体は重力の影響だけによって、ベイメン１０３からドレインされてドレインタンク１２６に入り込むように、また、充填バルブ１３８が開いているときには、重力だけでは充填タンク１２４からベイメン１０３への充填が不十分であるような高さに位置になっている。さらに、加熱チャンバ１３２はベイメン１０３の上方に配置されており、これによって、いったん、加熱チャンバ１３２がポンプによって液体で充填された後は、加熱チャンバ１３２からのベイメン１０３への充填は重力の影響のみによって行われる。したがって、ベイメン１０３を充填及び開放する場合における密度計の動作は、簡単であり、かつ極めて穏やかである。配管が容易に行えるような状態では、供給タンク及びドレインタンク１２４及び１２６の一方あるいは両方は、バイパスすることができ、かつ既存のドレイン及び供給ラインに直接連結を行なうことができる。とくに、ポンプ１３０は加熱チャンバ１３２を水供給ラインに連結する図示しないバルブで置き換えることができる。逆に、Ｔ状コネクタ１４４とドレインタンク１２６との間の連結は、Ｔ状コネクタ１４４を直接ドレインに連結するように再配列することができる。ベイメン１０３の結合液体の定常的な交換に関して、本発明の液体処理システムにより、ベイメン１０３の液体接触表面、加熱チャンバ１３２、バルブ１３８及び１４８、及び連結チューブはバクテリアのコロニゼーション及び鉱物の表皮化を可能にするものである。コロニゼーションあるいは表皮化は潜在的には非衛生的であり、興味あるものではない。十分なミネラルあるいはバクテリアの生長は、チューブを介しての液体の流通を制限し、あるいはバルブ１３８あるいは１４８の動作を干渉すること、あるいは、トランスデユーサアレー１２１の音響特性に悪影響を与えることなどによって、密度計１ｏｏの動作に、悪影響を及ぼすこととなる。このため、密度計は、このましくは、対バクテリア溶液あるいは弱酸、にょって定期的にフラッシュすることが望ましく、後者によって、ミネラルの付着を除去することができる。これらの手段は、つねに有効とは限らず、忘れる可能性がある。したがって、本発明では、臨界の水接触表面がミネラルの表皮化に抵抗のある表面的での対バクテリア物質で処理している。好ましい、処理は、マサチューセッツ州のベッドフォードのスパイヤコーポレーション（ＳＰＩＲＥ　Ｃ０ＲＰＯＲＡＴＩＯＮ）から提供されている表面処理であるＳＰＩ−ＡＲＧＥＮＴＴＭによって行われる。この処理は、銀が処理表面に堆積するのを補助するイオンビームからなる。結果として、薄フィルムが、バクテリア、殺菌性、静翼菌性、生物融和性かつ耐ミネラル性を有する。この殺菌性及び静翼菌性の両方の特性を有することによって、一般には、耐感染性を有することを表す。この表面処理をベイメン１０３、加熱チャンバ１３２、及びバルブ１３８及び１４８の重要可動構成要素の水接触表面に行なう。図１４を参照すると、Ｉ１０回路及びポンプ１３０を制御するための回路、バルブ１３８及び１４８、及び液体処理システムの加熱チャンバ１３２を追加しであるのを除き、図４の電気構成部品の一般的な配置は、超音波密度計１００では、不変である。特に、本例ではマイクロプロセッサ３８はバス４０を介してＩ１０モジュール１７４、ポンプ／バルブ制御回路１６０及びヒータ制御回路１６２に連絡している。Ｉ１０モジュール１７４は、標準ビデオディスプレー端末あるいはパーソナルコンピュータをユーザあるいは密度計によって得られたデータの後処理のための情報の表示のために密度計１００に接続できるようにし、これによって、マイクロプロセッサ３８及びディスプレー１８を得られた超音波伝播データを処理し表示するために変更することを可能にする。ポンプ／バルブ制御回路１６０は、充填バルブ１３８及びドレインバルブ１４８に電気信号を与え、マイクロプロセッサ３８の制御にしたがって各バルブを開閉するようになっている。ポンプ／バルブ制御回路１６０は、また、ポンプ１３０に電気信号を付与し、ポンプにマイクロプロセッサ３８に制御によって供給タンク１２４から水および界面活性剤を給送を開始するようにせしめるとともに、加熱チャンバ１３２にあるレベルセンサ１７２がら信号を受信し、ポンプ１３０及びバルブ１３８の制御を補助する。加熱制御回路１８２は抵抗加熱エレメント１６４への電流を制御するとともに加熱チャンバ１３２と熱的に接触してサーミスタ１６８からの信号を受け取る。第２サーミスタ１７０は、ベイメン１０３の液体と熱的に接触するようにベイメン１０３内に設けられており、に受け取られる。図１３及び図１４を参照すると、密度計ｌｏｏの動作中、第１患者の前に、ベイメン１０３はあき状態であり、供給タンク１２４はいっばいの状態であり、既知の容量の水及び界面活性剤を蓄えており、ドレインタンク１２６は空状態である。マニュアルバルブ１２８が開かれて各タンク１２４及び１２６がらあるいはこれにむけて液が流通するようになるとともに、電気起動充填バルブ１３８及びドレインバルブ１４８が閉にされる。マイクロプロセッサ３８の制御より、ポンプ／バルブ制御回路１６０は電流をポンプ１３０に流し、これによって、このポンプ１３０は、レベルセンサ１７２からの信号を受信するまで水及び界面活性剤を上方の加熱チャンバ１３２に供給する。加熱チャンバ１３２がレベルセンサ１７２で指示された適正レベルに充填されると、レベルセンサ１７２からポンプ／バルブ制御回路１６０への信号によって、ポンプ１３０が停止される。このとき、所定量の液体が、加熱チャンバ１３２に蓄えられ、測定のためにベイメン１０３を充填するのに必要な量に変換する。マイクロプロセッサ３８に指令に基づいて、加熱制御回路１６２は熱保護モジュール１６６を介して電流を抵抗加熱ニレメン［６４に付与する。加熱チャンバ１３２の液体温度はサーミスタ１６８によってモニタされており、加熱はほぼ３９ ℃の温度になるまで継続される。サーミスタ１６８及び熱保護モジュール１６６のヒユーズ（図示せず）が液体の過熱に対する付加的な保護手段を与えている。サーミスタ１６８は５０℃で開き、冷却すると自動的にリセツトされるとともに、ヒユーズは６６℃で開くがリセットはされない。したがって、交換しなければならない。サーミスタあるいはヒユーズのいずれがが開くと、抵抗過熱エレメント１６４への電流が遮断される。加熱チャンバ１３２における液体が適正な温度になると、充填１３８がマイクロプロセッサ３８によって開かれると、ポンプ／バルブ制御回路１６０を介して液体が重力によって適正な温度でベイメン１０３のなかに流れ込む。液体の温度制御によって、足がベイメン１０３のなかにある患者の快適性を保証し、水及び界面活性剤の音の伝達におけるあらゆる温度的な効果を減少せしめることができる。いったん加熱流体が加熱チャンバ１３２からベイメン１０３に移動すると、充填バルブ１３８が閉じ、ポンプ１３０が再起動して加熱チャンバ１３２を再充填する。したがって、次回の測定のための新鮮な液体が現在の計測の最中に加熱され、後の測定の間の待ちを解消する。ベイメン１０３のなかに所定の液体が入れられると、密度計１００による踵骨の測定が開始する。これに関し、図１Ｏの超音波密度計の動作は、パルスの発生及び測定の順序が可変であることとを除き、図１の実施例と同じである。図１の装置では、要素を介してのパルス測定は均一な標準物質、たとえば水を介しての通常基準パルス測定の前に行われる。図１０の密度計１００では、トランスデユーサアレー１２１の距離が固定であるので、均一な標準物質を介しての基準パルスの測定は、これは単にベイメン１０３にある液体であるが、生きた要素を介してのパルス測定を行う前あるいは後に行うことができる。実際、ベイメン１０３の液体の温度は上記のような温度制御機構で安定的に維持されるので、標準通過時間の測定は、装置のために１度おこなえばよく、その後は測定パルスの発信が必要となるのみである。好ましくは、標準通過時間測定は製造場所での装置のイニシャルキャリブレーションの間あるいはその後の再キャリブレーションの間にマイクロプロセッサ３８のメモリに１つの数として記憶されている。密度計Ｉｏｏのキャリブレーションの間、サーミスタ１７０からの信号は、水中の音速と水の温度との公知の関数関係にしたがって液体の温度で補正された通過時間を発生するのに使用される。ストアされた標準の値としてマイクロプロセッサ３８のメモリにストアされるのはこの補正された通過時間である。測定パルスの通過時間は、丁度測定された要素の状態を示すために、ストアされた、結合液体を介しての、標準値と比較される。これによって、装置は完全な基準パルスを発生することができる。テストの経験から、マイクロプロセッサ３８のメモリにストアされた標準値を適正に選択することにより、及び加熱チャンバ１３２によって与えられるような温度範囲内にベイメン１０３の液体を維持することにより、基準パルスを発生しあるいは測定する必要はな（なることが、判明している。このことを活用して、測定された通過時間の数学的比較、あるいは通過速度は該標準値と比較されなければならない。正確度を追求する場合において、生体内の要素を評価するために通過時間（速度）の変化及び減衰の変化の両方を使用することが望ましいので、下記の式が骨の状態及びミネラル密度計を示す数値を与えるものとして開発された。前状態指示値＝　（ＳＯ３）２Ｘ　（ＢＵＡ／１０００）この式において、“ＳＯＳ”は、要素を介しての測定超音波パルスの音速を示しておりｍ／ｓｅｅで表される。音速（ＳＯ８）値は要素の幅の標準値を実際に測定された通過時間で割ることによって測定された通過時間から計算することができる。測定点において４０ｍｍの踵の幅を有する標準の人間を仮定すると、実際の個々の踵の実際の測定が不要となるような十分でカリ反復可能な正確性があることが分かっている。上記の式において、“Ｔ”は標準最小値を表す。２つの別の値が可能である。１つの値は、水に対する音速すなわち基準パルス速度に対してＴを設定することである。この値は２８℃の水において１５００　ｍ／ｓｅｃである。この方法に対する原理的な欠点は、驚くべきことに、ある人々は実際には水の密度より低い踵の密度の値を有していることである。そのような人に対しては、標準の水の速度を使用することによって、骨の状態指示値は負の値となるであろう。したがって、他のやり方は、Ｔとして人間の測定値の最低値を使用することであり、本発明者らの経験では、１４７５　ｍ／ｓｅｃである。最後に、上記の式において、ＢＯＡは上記で詳述した広域超音波減衰である。ＳＯ３測定と相対的にＢＯＡ測定の影響は１０００分の１程度であり、これは骨の密度をより効果的な予想値にするために測定される。測定されたＳＯ３の範囲は１４７５から１６５０　ｍ／ｓｅｅであった。測定されたＢＯＡの範囲は３０からｌ　ＯＯｄＢ／ＭＨｚであった。Ｔ＝１４７５を用いると、これらの値は極めて小さい、たとえば、１８から比較的大きいたとえば約３０００までの値となる。したがって、得られた骨状態指示値は、比較的広い範囲を示しかつ容易に理解できるものである。２００よりも低い骨状態指示値を有する人は低いを椎骨ミネラル密度を有することが、２００から４００の範囲の人は、余分なを椎骨ミネラル密度を有し、４００を越える骨状態指示値を持つ人は受け入れることができ、かつ、高いレベルのを椎骨ミネラル密度を有することがまた臨床試験から判明している。を椎骨密度を予測するこのやり方の正確性を証明するために、図１Ｏの装置を用いかつ一般の標準仕様の２元光子吸収密度計を用いて患者をテストした。図１０の超音波密度計を用いた結果によれば、この装置を用いて行われた音速測定はを椎骨密度の測定値と０．９５を越える相関関係を有することを示しており、したがって、一般の技術と極めて良好に整合することを示している。しかし、ときときテストされた患者によっては通常の範囲のＳＯ８値を示すが、極めて低い骨状態を示すＢＯＡ値が現れている。したがって、骨状態指示値はこのような偏差の大きい結果をカバーするように開発されたものである。ＳＯ３が基本的に信頼性のある予想値であるので、この値に重きをおいており、ＢＯＡを含む第２のファクターを含めてそのような人をカバーするようになっている。事実、ＳＯＳファクターの乗数を、単に２乗でなく３あるいは４乗にすると、ＳＯ３の項の重要性を増加することかできる。踵の超音波測定を活用するこの方法は迅速であり、放射線を使わないので、骨の状態の評価の有望な新たな方法を提供するものである。密度計１００はトランスデユーサアレー１２１における超音波トランスデユーサアレーのアレーを有しであるいはアレーを有しない状態で、使用することができる。このもっとも簡単な形態では、装置における踵の機械的な整合性はベイメン１０３の形状と大きさによって与えることができる。アレーの使用及び上記の対象範囲のスキャンは反復可能で正確な測定を確保するのに有用であるが、機械的な配置が臨床用途には受け入れられるかも知れない。この場合には、単に単一のトランスデユーサエレメントが必要とされる。測定が完了すると、ドレインバルブ１４８はポンプ／バルブ制御回路１６０を介して、マイクロプロセッサ３８によって開かれ、ベイメン１０３の液体はＴ状コネクタ１４４を介してドレインタンク１２６にドレインされる。つぎに測定を開始するにあたり、ドレインバルブ１４８が閉じられ、上記したように液体は再び加熱チャンバ１３２から移される。ベイメン１０３への充填とドレインとを繰り返して、充填タンク１２４の液体レベルがドレインタンク１２６の液体のレベルの増大に対応して、減少する。各タンク１２４及び１２６における液の高さは、たとえば機械式フロートあるいはキャパシタタイプのレベルセンサで監視され、あるいは相対レベルが検出されている。好ましくは、これ以上のレベルセンサは使用されない。密度計１００のそれぞれの使用のための液体の体積は、既知であり、加熱チャンバ１３２の充填レベルによって規定される。それゆえ、マイクロプロセッサ３８は、タンク１２４及び１２５がそれぞれ再充填及びドレインする必要があることを示す、ディスプレー１８あるいは遠隔ビデオディスプレー端末（図示せず）を介して、ベイメン１０３がユーザへの信号を発生するために充填される回数をカウントすることによって、供給タンク１２４に残っている液体のレベルを、監視することができる。上記ユーザへの信号はベイメン１０３が充填された回数、加熱チャンバ１３２及び供給タンク１２４の相対的体積の計算に基づく。一定の期間の密度計１００の使用が完了すると、密度計は格納される。格納モードては、供給タンク１２４及びドレインタンク１２６の双方が手動によって空状態にされた後、マイクロプロセッサ３８はポンプ／バルブ制御回路！６０に充填バルブ１３８及びドレインバルブ１４Ｂを開状態にするように指示するとともにポンプ１３０を駆動する。ドレインバルブ１４８が開かれると、その直後にポンプ１３０が起動されて空気が入り込んで、液体をオーバーフローポート１３４から流しだすのを防止する。本発明は本書に含まれる実施例及び説明に特に限定されるものではなく、後述の請求の範囲の記載に含まれるようなすべての変更を含むのであることを意図している。ニレメノトベアからのデータ　＃８周；皮数（ＭＨｚ）　４−＃８基準ｉ＃８ネオブレン１．０　２．０　Ｂ、０　４．０　５，０　６．０　７．０周波数（１００ＫＨｚ）ＩＧ　９国際調査報告　ＰＣＴ／ＵＳ　９３１０５４３７

Claims

【特許請求の範囲】

１．生体内の要素を介しての音響エネルギーの伝播を測定して該要素の物理的特性を誘導する形式の超音波密度計であって、（ａ）電子コントローラと、（ｂ）該電子コントローラによって制御され、音響パルスを発信しこれを受信する音響発信／受信組立体と、（ｃ）内部に前記要素と結合液体とを収容する大きさを有するベイスンであって、ベイスンの充填ラインの下方において前記音響発信／受信組立体を支持するベイスンと、（ｄ）前記要素を介しての音響エネルギーの伝播の測定に先立ち、前記電子コントローラからの信号に応答して、前記ベイスンに所定量の前記結合液体を導入する計量手段であって、該所定量は前記ベイスンを前記充填ラインまで充填する量であって、前記計量手段は、前記音響発信／受信組立体と前記要素との間に音響経路を与えるようになっており、前記密度計はさらに、（ｅ）前記電子コントローラに応答し、前記音響エネルギーの前記要素を介しての伝播の測定の後ベイスンから前記所定量の結合液体をドレインするドレイン手段とを有することを特徴とする超音波密度計。
２．前記計量手段が、前記液体が前記ベイスンに導入されるまえに所定量の結合液体を計量する前充填チャンバと、前記前充填チャンバにある結合液体に温度的に結合され、結合液体が前記前充填チャンバにある間に、該結合液体を所定温度まで加熱するヒータと、前記電子コントローラの制御により前記前充填チャンバから前記ベイスンヘの経路を与える電子起動充填バルブとを備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
３．前記計量手段が、さらに、重力に逆らって前記前充填チャンバを充填するポンプを備え、前記前充填チャンバはベイスンの上方に配置され、前記充填バルブが起動されたとき重力によって前記前充填チャンバからベイスンヘの結合液体の流れが生じようになったことを特徴とする請求項２記載の超音波密度計。
４．前記電子コントローラが、前記要素を介しての音響エネルギーの伝播の測定の間に前充填チャンバの再充填を行なうことを特徴とする請求項２記載の超音波密度計。
５．さらに、前記密度計に収容され、前記計量手段に連通して前記結合液体を前記計量手段に供給する第１液体供給タンクと、前記密度計に収容され、前記ドレイン手段に連通して結合液体をドレイン手段から受け入れる第２液体ドレインタンクとを備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
６．前記ドレイン手段が、電子コントローラの制御によってベイスンからの通路を与える電子起動ドレインバルブを備え、該通路により重力によってベイスンからのドレインか可能になったことを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
７．前記計量手段が貯蔵容積を有する供給タンクから前記所定量の結合液体をベイスンに導入するようになった超音波密度計であって、さらに、前記供給タンクから排出された結合液体の容積を監視し、該供給タンクが再充填の必要があることを指示する信号を出力するインジケータを備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
８．前記インジケータが、前記計量手段が所定量の結合液体を供給タンクからベイスンに導入した回数と同じ使用回数をカウントし、前記使用回数かける前記所定量が供給タンクの貯蔵容積を越えたとき供給タンクの再充填が必要であることを示す信号を出力することを特徴とする請求項７記載の超音波密度計。
９．前記ドレイン手段が、ドレイン容積を有するドレインタンクに所定量の結合液体をドレインせしめるようになった超音波密度計であって、さらに、前記ドレインタンクに導入される結合液体の容積を監視し、ドレインを空状態にすることが必要であることを示す信号を出力するインジケータを備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
１０．前記インジケータが、前記ドレイン手段が所定量の結合液体をドレインタンクにドレインした回数と同じ使用回数をカウントし、前記使用回数かける前記量が前記ドレイン容積を越えたときドレインタンクを空状態にする必要があることを示す信号を出力することを特徴とする請求項９記載の超音波密度計。
１１．少なくともベイスン、計量手段及びドレイン手段のいずれか１つの液体接触部分に形成される耐感染性表面被覆を有することを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
１２．少なくともベイスン、計量手段及びドレイン手段のいずれか１つの液体接触部分に形成される耐ミネラル表面被覆を有することを特徴とする請求項１記載の超音波密度計。
１３．生体内の人間の踵の物理的特性及び状態を計測する装置であって、該踵が、該踵の足の底を指示するほぼ平面状の底面を有する容器に配置され、該容器が液体結合媒体を含んでおり、該踵を介しての超音波の伝播が超音波発信／受信組立体によって測定されるようになった装置において、足ガイドが、前記平面状底面に関して上方に延び、前記超音波発信／受信組立体に関して設けられ、少なくとも２つの足の指と係合するペッグを備えたことを特徴とする装置。
１４．前記容器内に足の底の下方に隣接して配置されるような大きさを有し、前記平面状底面に関して固定されたほぼ平面状のサポートを有し、前記ペッグが前記平面状サポートに取付られたことを特徴とする請求項１３記載の足ガイド。
１５．前記ペッグが前記平面状サポートに対して滑動自在に取付られ、踵に近接して平面状サポートの部分に向けてあるいはこれから遠ざかるように移動して異なる長さの足を収容するようになったことを特徴とする請求項１４記載の足ガイド。
１６．前記第１の指が親指であることを特徴とする請求項１４記載の足板。
１７．前記ペッグが足の長さに沿った軸に関して斜めになった経路に沿って滑動し、これによって、前記ペッグが踵に近接した前記平面状部材に部分に最も近づいたときにこれと同時に、足の幅に沿ってさらに真ん中よりに指向されることを特徴とする請求項１４記載の足板。
１８．生体内の人間の第１の足の踵の物理的特性及び状態を計測する装置において、前記踵が第１の足の底を収容する底面を有し、液体結合媒体を収容する容器内に配置され、踵を介しての超音波の伝播が超音波発信／受信組立体によって測定されるようになった装置において、ハウジングが、水平方向に切り取られた容器の底面を有する容器を支持し、これによって、そのなかに置かれた第１の足の指がその第１の足の踵に関して上方に位置させられるようになったフレームと、該踵に近接した容器の端部でフレームに取付られたふくらはぎサポートとであって、該ふくらはぎサポートは前記容器の底面に対してほぼ垂直に延びており、前記第１の足のふくらはぎを支持するようにななつたふくらはぎサポートを備えていることを特徴とする装置。
１９．前記ふくらはぎサポートがフレームに取付られたときにヒンジ支持され、ヒンジのまわりに揺動して前記容器を覆うような大きさを有することを特徴とする請求項１８記載の装置。
２０．さらに、前記容器のいずれかの側に前記フレームによって支持され、前記第１の足の指とほぼ同じ角度で持ち上げられた第２の足の指と一緒に、第１及び第２の足乗せ表面のうち、上方の表面に容器に入れられていない第２の足の底をのせるための第１及び第２の足乗せ表面を備えたことを特徴とする請求項１８記載の装置。
２１．人間の生体内の踵の物理的特性と状態を測定する装置であって、（ａ）液体結合物質を収容し、その内部に人間の踵を収容するのに好適の大きさと形状を有する容器と、（ｂ）前記液体結合物質の中に音響パルスを該踵を介して発信し、これを受信する超音波発信／受信組立体と、（ｃ）前記人間の踵と液体結合物質とを介しての前記信号の測定された通過時間を計測する手段と、（ｄ）容器における基準物質を介しての前記信号の標準通過時間を測定する手段と、（ｅ）前記容器にある基準物質と熱的に接触し、前記基準物質の温度についての標準通過時間を補正し、補正通過時間を発生する温度プローブと、（ｆ）測定された通過時間と補正された標準通過時間とを比較する比較手段と、（ｇ）前記比較と前記踵の骨の状態とを関連づける手段と、（ｈ）前記比較の結果に基づいて骨状態値を視覚的に表示する手段とを備えたことを特徴とする装置。