JPH11503628A

JPH11503628A - 最適化関数を用いた骨の音響分析方法及び装置

Info

Publication number: JPH11503628A
Application number: JP8529781A
Authority: JP
Inventors: ブーラー、ジョー・ピー; ブット、デビッド; ゴール、ジェフリー・エイチ; ワグナー、ネルドン・シー; ホイットニー、ハーウェル・エイチ
Original assignee: メトラ・バイオシステムズ・インク
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1999-03-30
Also published as: EP0837651A1; WO1996033657A1; CA2213523A1; US5592943A; CA2213523C

Abstract

(57)【要約】脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の多孔性及び非接続性指標を外部的に測定する装置及び方法。望ましい実施形態は、第１及び第２変換器と、骨に関して隔置して変換器を取り付ける取付装置とを含む。第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器が、音響信号が該被検者内へ伝播されて骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号を発生させる。最後に同実施形態は、第２変換器と連通して第２変換器によって受け取られる信号の全量に至るまでの部分のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である測定値を提供する信号プロセッサを有する。変換器は点源及び点受波器のように作動する。

Description

【発明の詳細な説明】最適化関数を用いた骨の音響分析方法及び装置技術分野本発明は骨の音響分析装置及び方法に関し、特に信号処理技術を用いた骨測定装置及び方法に関する。背景技術骨粗鬆症治療の必要な患者を確認する目的で音響及びその他による方法で骨特性の測定を試みる先行技術は多い。多くの音響技術では、第１の外部位置から概して超音波周波数の音響信号を被検者に与える第１変換器と、第１変換器から送波されて骨を通して柔軟組織に入る信号を受け取るために、関心のある骨の反対側の第２の外部位置に設けられる第２変換器とが用いられる。概して変換器は、水のような適切な流体を通して被検者と結合される。一方法によると、約３００乃至７００ｋＨｚの範囲の広帯或超音波減衰（ＢＵＡ）率が決定される。ＢＡＵは、複数の周波数における減衰を測定し、測定値を適切な線形対数振幅対周波数目盛りに合わせることによって決定される。しかし、骨粗鬆症のある骨の指標としてＢＡＵは望ましい水準の特異性及び感度を与えない。発明の要約本発明の実施形態では、多くのめざましい発見を用いて骨の多孔性及び非結合性の指標を決定する改良された特異性及び感度が与えられる。即ち、１）骨で受け取られる超音波信号のスペクトル推定値は、有利な非線形でかつ時間変量である。２）ＢＡＵで失われる受波信号情報（位相のような）を利用することで骨の状態がより正確に評価できる。３）点源を近似する変換器及び点受波器を用いることで性能及び配置上の柔軟性が向上した。４）骨を通した直接伝達において失われる音響エネルギの大部分は、直接路とは別個の位置に第３変換器を適切に配置することにより測定できる。本発明の好ましい実施形態によると、脊椎被検者の骨の多孔性及び非結合性の指標を外部的に決定する装置が提供される。本実施形態は、第１及び第２変換器と、骨から離して変換器を取付ける取付装置とを有する。第１変換器と連通する信号発生器は、ある周波数範囲に亘って分布するエネルギを有する音響信号が生成されるように第１変換器を作動させ、同音響信号は被検者内に侵入し、骨を含む路に沿った第２変換器によって受け取られる。最後に同実施形態は、第２変換器によって受け取られる信号のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である測定値を提供する、第２変換器と連通する信号プロセッサを有する。関数は、同一個人から取られる連続的な測定値間の差が最小になりかつ異なった個人から取られる測定値の差が最大になるように選択され、測定値が骨の多孔性及び非結合性と関連するようにされる。別の実施形態では、関数は第２変換器によって受け取られる信号のスペクトル成分の加重和であり、加重は同一個人から取られる連続的な測定値間の差が最小になりかつ異なった個人から取られる測定値の差が最大になるように選択される。関連する実施形態では、信号プロセッサは第２変換器で受波される信号の一部（その全量に至るまで）のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である単一の測定値を与える。この様な測定値は、フーリエスペクトル情報に基づく対数・線形傾斜推定値とは異なる。好ましい実施形態では選択された１つ又は双方の変換器が、もし信号発生器によって駆動されるなら、選択された当該変喚器が本質的に点源の音響的出力のようなものを体内に生成させるのに十分な程小さい振動要素を用いる。同関数は以下の任意なもの又はその組合わせを含めてもよい。第２変換器で受波される信号の一部のスペクトル成分の加重和、第２変換器で受波される信号の一部のヒルベルト包絡線の形状測定値、第２変換器で受波される信号の一部の自動逆行移動平均スペクトル推定関数の形状測定値、第２変換器で受波される信号の一部のヒルベルト周波数関数の変動性測定値、第２変換器で受波される信号の初期部分の平均ヒルベルト周波数関数の測定値、第２変換器で受波される信号の、短時間フーリエ変換を用いて連続間隔において決定される、連続間隔と関連する連続加重和自体が加重和に形成されるスペクトル成分の加重和、第２変換器で受波される信号の一部のグループ遅延の測定値及び第２変換器で受波される信号の一部の狭帯域エネルギの広帯域エネルギに対する正規化された比の測定値。さらなる実施形態においては、第１路とは別個のそれを横切る第２路に沿って第１変換器によって供給される音響エネルギを受波するための、取付け装置に固定される第２変換器を備えてもよい。好ましい実施形態においては、本発明は圧電結晶素子を用いた１以上の変換器を含む。同素子の縦横比、即ち、アスペクト比は、ほぼ５乃至０.２及び２乃至０.５であり、約１.５が望ましい。さらなる実施形態では、脊椎被検者における体内の骨の音響波の特徴的作用を示す測定値を外部的に与えるシステム、即ち、装置を提供する。この実施形態は、第１及び第２変換器と、骨に関して変換器を隔して設ける取付け装置とを有し、それらのすべてが第１組立体に含まれる。同様に、被検者内へ伝播されて骨を含む路に沿った第２変換器によって受波される音響波を第１変換器によって生成するようにさせる信号励起装置と、同路に沿った波形の動作特性を決定する特性決定装置とが提供される。特性決定装置の出力を表示するディスプレは、使用者が片手で持って測定することができる第２組立体に含まれる。信号励起装置及び特性決定装置は第１及び第２組立体内にまとめて含まれる。さらなる実施形態において特性決定装置は、第２変換器で受波される信号の一部（その全量に至るまで）のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である単一の測定値を与える信号プロセッサを含む。第１組立体は、被検者の足部と係合する取外し可能な用具として実現してもよい。同用具は、長手軸を有する足部の足底を受ける表面を有する基底、即ち、ベースと、被検者の足部及び足首を受容する、基底に固定されかつ基底を横切る方向に設けられるクレードル、即ち、枠と、変換器を骨から離して支えるヨークと、踵骨を含むかかと領域に亘って変換器の２次元の複合運動を可能にするように基底に対して移動可能にヨークを取付ける部材とを有する。ヨーク及び部材は取付手段、即ち、取付装置を構成する。同部材は後板であって、概して長手軸を横切る第１ヒンジ軸に沿って蝶番式に一端部が基底に取付けられかつ概して第１ヒンジ軸に平行な第２ヒンジ軸に沿って蝶番式に他端部がヨークに取付けられる。本発明のさらなる実施形態は、物理的に基底、枠、ヨーク又は部材の少なくとも１つに取り付けられる制御モジュールを含む用具それ自体である。モジュールは、変換器に取り付けられる第１組のデータポートと、被検者内へ伝播されかつ骨を含む路に沿った変換器の第２のものによって受波される音響波を生成するように変換器の第１のものを作動させる１）信号励起装置と結合する第２組のデータポートと、２）路に沿った波形作用の特性を決定する決定装置とを有する。制御モジュールは、ヨークを移動させそれによって踵骨を通して変換器を移動させるようにモータを制御するマイクロプロセッサを含む。モジュールは制御ポートを有し、それを通してマイクロプロセッサはマスターマイクロプロセッサからモータのための制御信号を受け取る。変換器の選択された１つ又は双方が、もし信号発生器によって駆動されるなら、体内へほぼ点源の出力のような音響出力が生成するように変換器を作動させるのに十分なほど小さい振動素子を用いかつ変換器の各々が直径０．５ｃｍ未満の共鳴素子を用いることが望ましい。関連する実施形態において本発明は、脊椎被検者の体内の骨の多孔性及び非連結性指標を外部的に決定する装置を提供する。同装置は第１及び第２変換器と、骨に関して変換器を離して取付ける取付装置と、被検者内に伝播されて骨を含む第１路の沿った第２変換器によって受波される、ある周波数範囲に亘って分布するエネルギを有する音響信号が生成されるように第１変換器を作動させる、第１変換器と連通する信号発生器と、第２変換器によって受波される信号の一部（全量に至るまで）の少なくとも１つのスペクトル又は一時的成分の関数である単一測定値を与える、第２変換器と連通する信号プロセッサとを有する。変換器の選択された１つ又は双方が、もし信号発生器によって駆動されるなら、体内へほぼ点源の出力のような音響出力が生成するように変換器を作動させるのに十分なほど小さい振動素子を用いかつ変換器の各々が直径１ｃｍ未満の共鳴素子を用いることが望ましい。さらなる実施形態では、脊椎被検者の体内の骨の一端に対する近似超音波信号路を外部的に測定する装置が提供される。この実施形態の装置は、第１及び第２変換器と、骨に関して変換器を離して取付ける取付装置と、被検者内に伝播されて骨を含む第１路の沿った第２変換器によって受波される、ある周波数範囲に亘って分布するエネルギを有する音響信号が生成されるように第１変換器を作動させる、第１変換器と連通する信号発生器と、第２変換器によって受波される信号の低周波数エネルギに関して高周波数エネルギの相対的割合の測定値を決定する、第２変換器と連通する信号プロセッサとを有する。決定される割合は骨の一端に対する第１路の近似指標である。変換器の各々は、もし信号発生器によって駆動されるなら、体内へほぼ点源の出力のような音響出力が生成するように変換器を作動させるのに十分なほど小さい振動素子を用いるのが望ましい。関連する実施形態では、脊椎被検者の体内の骨の一端に対する近似超音波信号路を外部的に決定する方法が提供される。同方法は、第１及び第２変換器を与え、骨に関して変換器を離して取付け、被検者内に伝播されて骨を含む第１路に沿った第２変換器によって受波される、ある周波数範囲に亘って分布するエネルギを有する音響信号を生成するように第１変換器を作動させるために第１変換器と連通する信号発生器を用い、第２変換器によって受波される信号の低周波数エネルギに関して高周波数エネルギの相対的割合の測定値を決定するように第２変換器によって受波される信号を処理することを含む。再び、決定される割合は骨の一端に対する第１路の近似指標である。変換器の取付段階では、変換器の各々は、もし信号発生器によって駆動されるなら、体内へほぼ点源の出力のような音響出力が生成するように変換器を作動させるのに十分なほど小さい振動素子を用いるのが望ましい。本発明の他の実施形態は、脊椎被検者の体内の骨の多孔性及び非連結性指標を外部的に決定する方法を提供する。同方法は第１及び第２変換器を与え、変換器の選択された１つ又は双方が、もし信号発生器によって駆動されるなら、体内へほぼ点源の出力のような音響出力が生成するように変換器を作動させるのに十分なほど小さい振動素子を用い、骨に関して変換器を離して取付け、被検者内に伝播されて骨を含む第１路に沿った第２変換器によって受波される、ある周波数範囲に亘って分布するエネルギを有する音響信号を生成するように第１変換器を作動させるために第１変換器と連通する信号発生器を用い、第２変換器によって受波される信号の一部（全量に至るまで）の少なくとも１つのスペクトル又は一時的成分の関数である単一測定値を与えるように第２変換器によって受波される信号を処理することを含む。図面の簡単な説明図１は、本発明の望ましい実施形態による装置の構成成分を示す概略図である。図２は、図１の装置の実施上の概略図である。図３Ａは、図１の装置によって発生されかつ水のみを通して変換器１２から伝達される励起波形に応答して図１の変換器１３の記憶された出力を示すプロット及びここでは制御手段として示す本発明の望ましい実施形態によるＵＢＩの計算と関連するプロットを与える。図３Ｂは、図３Ａのプロットと関連するバーグスペクトル推定関数のプロットを与える。図４Ａは、図１の装置によって発生されかつ実質的な多孔性を有する骨を通して変換器１２から伝達される励起波形に応答して図１の変換器１３の記憶された出力を示すプロット及び本発明の望ましい実施形態によるＵＢＩの計算と関連するプロットを与える。図４Ｂは、図４Ａのプロットと関連するバーグスペクトル推定関数のプロットを与える。図５Ａは、図１の装置によって発生されかつ標準以下の品質の骨を通して変換器１２から伝達される励起波形に応答して図１の変換器１３の記憶された出力を示すプロット及び本発明の望ましい実施形態によるＵＢＩの計算と関連するプロットを与える。図５Ｂは、図５Ａのプロットと関連するバーグスペクトル推定関数のプロットを与える。図６Ａは、図１の装置によって発生されかつ例外的に健康な骨を通して変換器１２から伝達される励起波形に応答して図１の変換器１３の記憶された出力を示すプロット及び本発明の望ましい実施形態によるＵＢＩの計算と関連するプロットを与える。図６Ｂは、図６Ａのプロットと関連するバーグスペクトル推定関数のプロットを与える。図７は、図２に示す手で持って実施する望ましい形態の一覧図である。図８Ａは、図７の実施形態と共に用いる用具回路モジュールの第１実施形態の一覧図である。図８Ｂは、図７の実施形態と共に用いる用具回路モジュールの第２実施形態の一覧図である。図９は、図７の実施形態による手持ち装置の正面図である。図１０は、本発明の実施形態による用具の側部透視図である。図１１は、変換器の位置を監視するために磁石及びホール効果装置を設けた図１０の用具の実施形態を示す。図１２、１３及び１４は、本発明の望ましい実施形態とともに変換器の方位を例示するために変換器対ＴT 及びＴR に関して被検者の足部の頂部、後部、側部をそれぞれ示す図である。図１５は、試験すべき被検者１５３が概して水平位置をとることができる、本発明のさらなる実施形態を示す。図１６は、平伏の被検者を試験するのに適した用具の底部から見た透視図を例示する。図１７は、図１０及び１１の用具で用いるのに適した変換器の断面図である。図１８は、図１７の変換器の代わりの実施形態の区域１７８の詳細を示す。図１９は、スリーブ１９１によって囲まれた図１７の変換器を示す。図２０は、ＵＢＩ−５の手順により受波する信号の初期部分の瞬間的周波数を推定する技術を例示する。図２１及び２２は、ＵＢＩ−８の手順とともに比較的多孔性の骨及び健康な骨を通してそれぞれ伝播する信号の狭帯域エネルギ及び広帯域エネルギ内容を示す。図２３及び２４は、それぞれ健康な踵骨の中央部（図２３）及び周辺部（図２４）を通る路で受波される典型的な波形の時間及び周波数領域内容を示す。特定実施形態の詳細な説明内容１一般的構成及び信号発生２ＵＢＩ−２及び係数の一般的最適加重３ＵＢＩ−３４ＵＢＩ−４５ＵＢＩ−５６ＵＢＩ−６７ＵＢＩ−７８ＵＢＩ−８９複合ＵＢＩ 10 電子装置 11 用具１一般的構成及び信号発生図１は、本発明の実施形態による装置の一般的構成成分を示す一覧図である。同装置においては、波形発生装置１１によって発生され、送波変換器ＴT １２に伝えられる。変換器ＴT は、被検者の体部分１６と音響的に結合されて音響波を発生させる。音響波は、体部分１６、特に体内の骨の中へ伝播される。変換器Ｔ R １３も同様に体部分１６と音響的に結合され、とりわけ、骨及び体部分を通した音響波の伝播の効果に起因する信号を受波する。変換器ＴR １３の出力はアンプ１４によって増幅されかつプロセッサ１５によって処理される。プロセッサは、変換器ＴR の出力を分析し、骨の状態を反映する決定を行って出力を与える。図２は、図１の装置の実施形態を示す一覧図である。体部分は、例えば、踵骨に近似する領域でもよい。図１の要素は、周知の方法でアナログ成分により実施できるが、同時にデジタルの実施形態を用いるのも便利であることが分かっている。従って、プロセッサ１５及び波形発生装置１１は片手で持てる装置２７の形で実現可能で、変換器ＴR からの出力処理及び変換器ＴT で用いる波形の双方を制御するマイクロプロセッサ２１を含むようにすることができる。この波形はデジタルの形でメモリ１２４に記憶され、アンプ２６及び変換器ＴT に与えられる前に、マイクロプロセッサ制御の下にデジタル・アナログ変換器２５を通して送られる。同様に、受波変換器ＴR の出力は、アンプ１４からデジタル・アナログ変換器２２へ供給され、このデジタル化された出力はメモリII２３に記憶される。その後記憶された出力は、マイクロプロセッサ２１によって処理され、骨の状態を示すデータ出力を与える。図２に示す本発明のさらなる実施形態（又は図１の完全又は部分的アナログ実施形態）は、骨の状態を示すデータ出力を与えるために各種の手順により記憶されたＴR の出力を処理するのに用いられる。ある実施形態による骨の状態を示すデータ出力は、『超音波骨指標』（ＵＢＩ）と呼ばれる数字を含む。我々が用いる各異なった手順は異なったＵＢＩに帰着し、各種のＵＢＩは、例えば、ＵＢＩ −２，ＵＢＩ−３等の添数によって識別される。ＵＢＩ−２乃至ＵＢＩ−８の手順は以下に述べる。用いられる一般的な信号処理技術（しかし超音波骨試験の関係における特殊な利用ではない）に関しては以下の文献が関連する。Boualem Bo ashash，ed．の『時間・周波数信号分析』(Wiley，1992)（特に瞬間周波数分析；ch2,page 43-73）及びRichard Shiavin の『応用統計的信号分析入門』(Irwin ,1992)(特にバーグスペクトル推定；page 369-373)これらの文献は参照により本明細書に組み入れる。我々が開発した手順は、一方において比較的非多孔性かつ連結性の骨及び他方において比較的多孔性かつ非連結性の骨が超音波に対して異なった反応を示すことを利用している。例えば、骨における超音波信号が周波数と共に減衰することで骨の状態を示し得ることが知られているが、従来技術によるこの様な減衰の測定、即ち、広帯域超音波減衰（ＢＵＡ）は、減衰が対数・線形であり、対数・線形減衰率と関連する数字を与えるとの前提に基づいている。実際、図２の実施形態は、ＢＵＡを計算するのに用いることができる。図２の実施形態と関連して以下の第２節で述べる信号発生器を用いて、例えば、２５０ｋＨｚ乃至５８０ｋＨｚの５つの周波数において、受波した信号の離散フーリエ変換を計算することができる。これらの計算は、ＢＵＡを決定するための基礎になり得る。その代わりに、大幅に縮小された自己相関（ホワイトノイズを加えて）の高速フーリエ変換を計算することが可能で、また結果として生じる広帯域（例えば３００ｋＨｚ乃至６００ｋＨｚ）に亘るスペクトルに対しては、傾斜がＢＵＡである直線が適合する。しかし、我々の研究により次のことが発見された。即ち、一方において比較的結合的かつ非多孔性の骨及び他方において比較的非結合的かつ多孔性の骨は、ＢＵＡに達するのに用いられるより骨を通して伝播される超音波信号情報を多く用いることによってよりよく区別できる。この様にして我々は、実際上強い骨と多孔性の骨との相違は先行技術のＢＵＡを用いることによって完全に測定できるものでないことを発見した。以下に概略を示す手順は、これら及び他の観察を利用している。以下の例において、ＴT には持続時間約５００ナノ秒の短パルスが供給される。この場合にはパルスは鋸歯状で、ピークまでの立上り時間は約２００ナノ秒で、減衰時間は約３００ナノ秒である。ＴT の音響出力は約１ＭＨｚの基本周波数を有するショートバースト（若干の響き、即ち、鳴る音を有する）である。しかし、ＴT が過渡信号を出力するので、約２００ｋＨｚ乃至１.５ＭＨｚの範囲内の周波数で有用な成分も存在する。バーストの特性を例示するために図３Ａは、図１のシステムによって発生されて水のみを通して変換器１２（ＴT）から送信される励起波形に応答する、図１の変換器１３(ＴR)の記憶された出力を示すプロット３１を与える。（また図３Ａは波形３１のヒルベルト包絡線３２も示し、一方図３Ｂは波形３１と関連するバーグスペクトル推定関数を示す。これらの概念は以下で論じる。）また、以下にさらに詳説するように、本実施形態の変換器は、小規模励起領域（０.３ｃｍ程度）を発生させかつほぼ無指向性特性を持つように計画され、送信変換器１２が点源のように作動するようにされる。受波変換器もまたほぼ点受波器のように作動する。勿論、受波される信号は、送信変換器１２の励起領域及び受波器の大きさによって影響されるのみならず信号路によっても影響を受ける。踵骨の物理的大きさ及び骨内の超音波の速度を前提とすると、任意の出力に対するバーストの開始後受波変換器１３によって受波されるまでに約３０μｓｅｃを要する。例えば、この３０μｓｅｃ遅延後の１０μｓｅｃ持続時間窓（ウインド）では、１５００ｍ／ｓｅｃの速度を仮定すると、長さが４.５ｃｍ乃至６.０ｃｍのすべての信号路に帰すべき信号を分析することができる。本発明の望ましい実施形態によればほぼこの窓以内で起こる受波された信号の動作分析を用いるのが有利であるが、他の窓も本発明の範囲内にある。２ＵＢＩ−２及び係数の最適化加重ＵＢＩ−２によれば、ＴR の記憶された出力は離散フーリエ変換を通して進む。結果的に生じる周波数成分の対数の加重線形和、すなわち、ＵＢＩ−２が計算される。加重は、同一個人からの連続的測定値間の差が最小になりかつ異なった個人からの測定値の差が最大になるように選ばれ、関数が骨の非結合性及び多孔性の範囲決定上判別式として役立つようにされる。加重はマニュアル技法を用いて経験的に選んでもよい。同様に加重は業界で周知の神経網技法を用いて選んでもよい（Kaufman の米国特許第5,259,384 参照）。これは次の２節に記載した方法により分析的に決定してもよい。本節では、線形係数法を最適化するための分析的方法につき述べる。ある母集団における個人につき繰返し観察がなされると仮定する。従って、各実験ではベクトルｖ＝（ｖ₁，...，ｖ_n）を測定する。（例えば、このベクトルｖは受波された信号のｎ周波数成分の量を構成するが、以下に詳説するようにそれは個人と関連する他の任意の測定値の組でよい。）我々はこれらのベクトル成分ｖ_kの線形組合せの係数ａ_kを以下により求める。即ち、『評価値（スコア）』が同一個人からの繰返し測定値に起因する分散を最小化し、同時にスコアの範囲を最大化すると共に個人スコアのあるべき姿の先行技術の概念とほぼ一致するようにさせる。従って、ａ_kはベクトルｖのｋ番目の変数ｖ_kへ割り当てられた『加重』であり、我々は変数の最適加重化線形組合せを求めている。これを行う方法を特定するために我々は、個人ｉに対するｊ番目の測定値の結果であるベクトルｖ（ｉ，ｊ）に至る繰返し測定がなされたものと仮定する。加重ベクトルａ＝（ａ_k）（ｋ＝１，...，ｎ）は次の形のスコアになる。個人ｉに対する平均スコアはＳ_a（ｖ(ｉ)）であり、ここでｖ(ｉ)は個人ｉに対する観測値の平均であり、個人ｉに対しＮ_iの観測がなされる。平均『個人内』分散はＮ個人に対してそこで、を全個人の観測値の平均とする。『個人間』母集団分散は以下の通りである。我々は商が最小になるような以下の評価ベクトルを求める。この『一般化されたレイリ−商』は、２次形式の商であり、最小の一般化された固有値λを選ぶことによって最適化される。Ａａ＝λＢａここでマトリックスＡ及びＢは通常の手段で以下の通り２次形式に対応する。Ｉ（ａ）＝ａ^trＡａ，Ｐ（ａ）＝ａ^trＢａこれらの一般化された固有値の計算は、幾つかの当業界周知の方法で行うことができる。例えば、一般かされた固有値問題は、J．Stoer、R．Bulirsch の『数値分析入門』（Springer-Verlag，New York，Second Edition，1991，page 405 ）で論じられている。その要旨は、データｖについて構成された最適線形モデルの係数は上記線形モデルに観測データを組み込むことによって得られる点である。先立つ被検者スコアをこの手順に組入れることが可能である。さらに正確には、個人ｉはスコアｓ_iを持つべきであると確信することを仮定する。次いで我々は下式でＩ（ａ）を置き換えることによって上記問題を修正する。ここでｔはパラメータであり、これはわれわれがいかに強く計算さたスコアと我々の先立つ確信とを強制的に適合させようとしているかを決定する。結果的に生じる問題は、２つの新しい変数ａ_n+1及びａ_n+2があることを除けば、先のものと形式上同一である。もしパラメータｔが小さいなら、上記の通り平均変数（母集団変数の分数として）を最小化させることに興味がある。同方法では、スコアは測定される値に直線的にのみ依存すべきであると仮定する。我々は、どの観測値を考慮するかを選択しかつパラメータｔを選択するための双方の実験法が有益であることを発見した。上記任意の手順を用いて決定される加重は、用いられるシステムの正確な特性（変換器の特性、ＴT への入力波形、ＴR からの信号と関連する回路及び処理並びに加重が最適化されることに関するデータ等）に依存することが評価されるであろう。ＵＢＩ−２に対する一組の加重見本は下記表１に示す。表１のデータは、２１の被検者について集められたものから得られた。ＵＢＩ −２で用いられる各周波数成分の加重は第２乃至４欄に現れる。第２欄の加重は、上記の分析的手法を用いて計算された。第３欄では、５つだけの最大加重を用いた後１つの有効数字に丸められたものである。この欄では第２欄の加重を用いたものから僅かだけ下げられたものが生成される。第４欄は、３つだけの最大加重を用いた後和が０になるように僅かに修正された結果得られる加重である。同欄ではまた第３欄の加重を用いたものから僅かだけ下げられたものが生成される。この関係から和が０になる加重を用いて、利得の変化が結果的に生じるＵＢＩ− ２の変化を生じないようにするのが望ましい。表１の加重は１００−２００ｋＨｚ（正）及び５００−７００ｋＨｚ（負）の領域で最大であることに注目されたい。３ＵＢＩ−３ＵＢＩ−３手順は、ＴR の記憶された出力のヒルベルト包絡線（時間の関数として受波された波形のエネルギ内容の測定値を与える）を用いる。健康な骨と関連する受波された波形の低周波信号がより優勢なことは、それが比較的多孔性な骨と関連する受波された波形のものより長い持続時間を持つようにさせる。従って、ＵＢＩ−３によりエネルギ持続時間に対してヒルベルト包絡線が検査される。記憶された出力の適切な時間周期が検討される。即ち、この時間期間に対してプロットの上方（包絡線の頂部半分）及びプロットの第１ピークにより定められる一定値より下方にある領域の小部分が決定される。１実施形態において適切な期間はヒルベルト包絡線の第１ピーク後１マイクロセカンドで始まり、合計８マイクロセカンド間続く。さらなる実施形態においてＵＢＩ−３は、むしろ第１ピークに続く最初の数マイクロセカンドに亘る包絡線の曲率である。図３Ａ、４Ａ、５Ａ及び６Ａは、それぞれ水、比較的多孔性な骨、標準以下の骨及び例外的に健康な骨を通した送波の場合を例示する。プロット３１、４１、５１及び６１は、その様な各状況に対する変換器ＴR の記憶された出力を示し、プロット３２、４２、５２及び６２は、対応するヒルベルト包絡線を示す。比較的多孔性な骨に対するＵＢＩ−３と対応する斜線部分４５は、標準以下の骨に対するＵＢＩ−３と対応する斜線部分５５より遥かに大きいことが分かる。４ＵＢＩ−４ＵＢＩ−４手順は、ＴR の記憶された出力の自動逆行移動平均（ＡＲＭＡ）スペクトル推定関数を用いる。一実施形態においてＵＢＩ−４は、ＴR の記憶された出力のバーグスペクトル推定関数を用いる。即ち、バーグ関数は受波された波形の電力対周波数を推定するプロットを与える。プロットの形状は、健康な骨と比較的多孔性な骨との間の判別式である。ＵＢＩ−４は傾斜の推定値であり、傾斜が負の方向に急激なほど骨はより健康である。この点については、それぞれ水、比較的多孔性な骨、標準以下の骨及び例外的に健康な骨を通した送波に対するそれぞれ図３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ及び６Ｂに示すプロット３４、４４、５４及び６４を参照のこと。一実施形態におけるプロットのＵＢＩ−４傾斜は、二乗平均誤差を用いて当該プロットと最も良く適合することによって決定される。他の実施形態においては、幅がそれぞれ２００ｋＨｚの２つ以上の隣接周波数領域（第１周波数領域はプロットの第１ピークで始まり、第２周波数領域はそれより２００ｋＨｚ高い所から始まる）の平均値を参考にして傾斜が決定される。一例としては、それぞれ第１及び第２領域と対応する図５Ｂの５６及び５７がある。図５Ｂのライン５８で示すようにこれらの平均値の相対的差が傾斜を示す。さらなる実施形態においては、プロット上の２点（第１ピークにおける第１点及びそれより４００ｋＨｚ高い周波数における第２点）のみを参照することによって傾斜が決定される。一例として、図５Ｂのライン５９参照のこと。５ＵＢＩ−５ＵＢＩ−５手順では、受信された波形の初期部分間の瞬間的周波数が推定される。一実施形態ではヒルベルト周波数関数が用いられる。この関数は、それぞれ多孔性骨及び例外的に健康な骨に対して図４Ａ及び６Ａにおいてそれぞれ４３及び６３としてプロットされている。受信された波形の初期部分間（３又は４マイクロセカンド）で健康な骨に対してはほとんど可変性がないが、比較的多孔性の骨に対しては健康な骨に比べて高周波数を含むかなりの可変性があることが分かる。可変性は、業界で公知の任意な各種の方法により定量化可能である。ヒルベルト周波数関数の時間につれた可変性を測定する代替的又は付加的な方法として、受信した第１バーストの第１半周期の平均周波数を決定することができる。（信号処理業界では周知の通り、通常のフーリエ分析はこの様な短いサンプルには用いるられずかつ適用不能である。）受信された信号の第１半周期間に図４Ａのカーブ４３によって示される平均周波数と、受信された信号の第１半周期間に図６Ａのカーブ６３によって示される平均周波数との比較では、この半周期間で悪い骨が極めて高い平均周波数を持つことが示される。この周波数を決定する一方法は、この半周期の過程を通してヒルベルト関数の計算をやり抜いて全間隔に亘ってその平均を決定することである。その代わりに、我々は第１半周期周波数が首尾よく決定できることを発見した。図２０は、ＵＢＩ−５により受信した信号の初期部分の瞬間的周波数を推定する技法を例示する。図２０に示す通り、単に零交差２０２及び２０３を用いることで第１半周期と最も密接に関連する周波数と調和するには長すぎる（また結果として生じる短すぎる周波数）半周期Ｔ0 を生成する。言い換えると、半周期Ｔ 0 を有する正弦波は、受信された信号の第１ピークと一致するには広すぎるであろう。我々は、先ずピークのいずれかの側においてカーブの傾斜が増加から減少へ変わる（時間に関する第２微分係数が零になる）点２０４及び２０５を確認することによって平均周波数のより正確な推定が得られることを発見した。次いで、点２０４及び２０５における信号カーブへの接線の切片２０６及び２０７が決定される。これらの切片２０６及び２０７間の持続時間が半周期Ｔ1 であり、これが第１半周期の平均周波数を決定するために用いられる。平均第１半周期周波数を推定する代わりの方法は、初期ピーク２０８を囲む小さな区域に対する正弦波に適合する最小平均二乗誤差を生じる周波数を発見することである。６ＵＢＩ−６ＵＢＩ−６手順では、時間に亘って受信された波形の変化するスペクトル内容をヒルベルト変換より詳細に検査するためにＴR の記憶された出力の短時間フーリエ変換が用いられる。周波数指標は、ＵＢＩ−２又はＵＢＩ−４と類似の方法で計算してもよい。この指標の一時的変動は、ＵＢＩ−５と類似の方法で異なった指標を計算するために用いてもよい。７ＵＢＩ−７ＵＢＩ−７手順では、位相対周波数のプロットを可能にするデータを生成するために、ＴR の記憶された出力の短時間フーリエ変換が用いられる。このプロットの傾斜は、速度（周波数の関数としての）の測定値である。周波数（即ちグループ遅延）につれた速度の変動は、各種の方法の内の任意なものにより量子化可能な分散である。即ち、比較的多孔性の骨においては比較的僅かな分散しかなく、比較的非多孔性の骨においては比較的多くの分散がある。８ＵＢＩ−８ＵＢＩ−８手順は、悪い骨は広帯域特徴を生成するのに反して、良い骨は比較的低い周波数をより選択的に通す傾向があるとの認識を前提とする。従って、ＵＢＩ−８は、１）本発明の目的及び以下の請求項のために低周波スペクトルピークを囲む１００ｋＨｚのスペクトルと関連するエネルギである『狭帯域エネルギ』及び２）本発明の目的及び以下の請求項のために０乃至１０００ｋＨｚの全スペクトルと関連する『広帯域エネルギ』を必要とする。ＵＢＩ−８は、正規化された狭帯域エネルギの広帯域エネルギに対する比である。図２１及び２２は、ＵＢＩ−８手順に関してそれぞれ比較的多孔性な骨及び健康な骨を通して伝播する信号の狭帯域エネルギ及び広帯域エネルギ内容を示す。比較的多孔性な骨及び健康な骨に対する狭帯域平均はそれぞれライン区域２１１及び２２１で示し、各場合において関連する狭帯域エネルギ内容はこれらの区域のそれぞれの下方の領域である。同様に比較的多孔性な骨及び健康な骨に対する広帯域平均はそれぞれライン区域２１２及び２２２で示し、各場合において関連する広帯域エネルギ内容はこれらの区域のそれぞれの下方の領域である。従って、図２１の比較的多孔性な骨の場合狭帯域エネルギ内容は広帯域エネルギ内容の約１０％である。対照的に図２２の健康な骨の場合狭帯域エネルギ内容は広帯域エネルギ内容の１０％より遥かに大きい。９合成ＵＢＩ上記ＵＢＩのいずれも単独で用い得るが、比較的多孔性の骨を確認する上で感度及び特殊性を向上させるために任意の数のＵＢＩを組み合わせて用いることもできる。実際、上記ＵＢＩの関数（線形である必要はない）として単一合成ＵＢＩが得られる。関数は加重平均であり、加重はＵＢＩ−２に関して既に述べた方法で決定してもよい。即ち、経験的に又は神経網、即ち、脊椎網を用いて若しくは上記の閉形式分析手順を用いてもよい。一実施形態おいて我々は、上記種類のＵＢＩを採用し、それをヒール幅の推定値によって割るのが有効であることを発見した。推定値は、変換器ＴT におけるバーストの開始と、ＴR によって受信される信号におけるバーストの到着との間の遅延の測定量から得ることができる。従ってこの商は、ヒール幅を考慮するために大まかに正規化される。１０電子回路上記手順は、図２の実施例の望ましい実施形態の概略を示す図７のような装置で用いてもよい。同装置は、モトローラ６８ＨＣ３４１として実施されるマイクロプロセッサ７２の制御下で作動する。マイクロプロセッサは、データバス７２９及びアドレスバス７２０と連通する。これらのバスと連通するのは、ＳＲＡＭ７２４（ここでは１６ビットワードを収容するために３２ｋＸ１６として実施）、フラッシュＲＡＭ７２５（ここでは２０４８Ｘ１６として実施）及びモデムを介した通信及びその他の潜在的目的で用いられるＰＣＭＣＩＡスロット７２６である。また装置は、データ入出力用の二重ＲＳ２３２トランシーバ７３を介してそれぞれマイクロプロセッサ７２と結合される第１及び第２逐次ポート７３１及び７３２を備え、外部モデムの設置及びＰＣとの直接通信を可能にしている。装置への使用者入力は、データバス７２９上のレジスタ７２７と結合されるキーパッド７５を介して局部的に行われる。装置は、レジスタ７２８及びデータバス７２０と連通するディスプレ７６（ここでは６４Ｘ１２８ピクセルの分解能を有するＬＣＤビットマップ式）によるビデオ出力を有する。図２の変換器ＴT を駆動する励起波形は、フラッシュＲＡＭ７２５に記憶され、データバス７２９を通してＳＲＡＭ７２４へ加えられる。ＳＲＡＭは、直接メモリアクセス（ＤＭＡ）によって同波形をデジタル・アナログ変換器７２３内へ移動させる。変換器７２３は、変換器ＴT を駆動するためにライン９１２を通して装置コネクタへ出力を与える。変換器ＴR からの波形出力はコネクタ７１のライン７１１へ伝えられ、次いで可変利得アンプ７２１を通してアナログ・デジタル変換器７２２へ伝えられ。アンプ７２１の利得は、利得選択ラインを通してマイクロプロセッサ７２によって調節される。変換器７２２の出力は、バス７２９を通してＳＲＡＭ７２４へ伝えられ、そこで受信された波形データは捕獲される。その後データはマイクロプロセッサ７２によって処理（上記の手順により）され、ＵＢＩ及びその他のデータがディスプレ７６を介してかつポート７３１、７３２及びＰＣＭＣＩＡスロット７２６を通して使用者に提供することができる。ここでは、図８Ａ及び８Ｂに関して以下に述べるように、変換器は別個の装置モジュール（それに対する接続は装置コネクタ７１を通して行われる）によって駆動される。モジュールは、制御ライン７１３を通して連通される専用マイクロプロセッサによって制御される。電力は、電池７７１及び電池充電器と接続される電源装置７７によって与えられ、それがまた電力ジャック７７３と接続される。さらに我々は、変換器ＴR から受信されて記憶された波形を聴取できるようにするために、オーディオアンプ７４を介してデジタル・アナログ変換器７２３と接続されるスピーカ７４１（オーディオジャック７４２を備えた）を設けることが有用であることを発見した。波形聴取は、原周波数の１／１０００でかつ拡張された持続時間に亘って記憶された信号を再生することによって行い得る。訓練された耳では、この方法で波形の多くの特性を区別ですることができる。さらにスピーカは、他の点で処理された（例えば、上記ＵＢＩ手順のいずれかにより処理された）波形を聴取するためにも同様に用いることが可能である。それは使用者に聴取可能なきっかけを与え、例えば、装置を配置するに当たり位置を示す連続的アナログ信号により使用者を導いて、使用者が装置を配置しながらディスプレ７６を注視する必要がなくなるようにをすることができる。図８Ａは、図７の実施形態と共に用いる装置回路モジュールの第１実施形態の概略図である。図８Ａの装置コネクタ８１は図７のコネクタ７１と噛み合う。図７の制御ライン７１３は、コネクタを通して図８の制御ライン８１３と接続され、制御信号がスレーブマイクロプロセッサ８４（ここではモトローラ６８ＨＣ７１１Ｅ９として実施される）と図７の主マイクロプロセッサ７２との間を流れるようにされる。図７の励起ライン７１２は、コネクタを通して図８の制御ライン８１２と接続され、３００ボルト電源と接続されたアンプ８２２を駆動する。図７の受信された波形ライン７１１はコネクタを通して、可変利得アンプ８２１からの出力を受信する図８Ａの制御ライン８１１と接続される。アンプ８２２の出力及びアンプ８２１の入力は、マイクロプロセッサ８４の制御下でリレードラアイバ８４２によって駆動されるリレーマトリックス８３と接続される。リレーマトリックス８３は、アンプ８２１の入力を一連の変換器の任意のものと接続しかつアンプ８２２の入力を一連の変換器の他の任意のものと接続できるようにさせる。この配置では、変換器ＴT 及びＴR のために用いられる特殊な変換器が所望により切り替えられ、いずれかの相対的配置でシステムの対称性を確保しかつ／又は対称性の欠如を補償するようにされる利点がある。それはまた各種の目的（速度測定に３つの変換器が用いられる米国特許第５,３９６,８９１号参照）で第３変換器を用いることを可能にしている。また我々は、散乱された又は後方散乱された音響放射エネルギを受信するためにヒールの外周辺にある第２変換器とは別個の位置に第３変換器を配置することによって、超音波信号を送波するために２つの変換器（この場合柱状ビームを生成するのが望ましい）が用いられる場合踵骨を通して直接伝えられない波形エネルギの本質的部分が検波できることを発見した。この第３変換器からの信号は、直接送波と関連する初めの２つの変換器で得られたものを補足するか若しくはこれと重複する情報を与えることができる。またマイクロプロセッサ８４は、モータ１、２及び３用のドライバ８５１、８５２及び８５３とそれぞれ接続されるモータデコーダ８５とも選択的に連通する。これらのモータは、測定中の骨を含む体部分に関する変換器の位置を制御する。モータは、測定中の変換器を正しい配置を確保するために有効に用いてもよい。実際、相対的多孔性は被検者の一定の骨のみならず、踵骨のような骨の１以上の領域で優先的に現れると思われる。本発明の実施形態によると、変換器ＴT 及びＴR の１以上（別の実施形態では両変換器）が、使用者又はマイクロプロセッサ制御によって、最適な示度（１以上の上記又は他の手順により測定される）が得られまで、骨の関連する領域に亘って移動され、その後上記手順による最適示度と関連する位置における測定が完了し記憶される。図８Ｂは、図７の実施形態と共に用いる装置回路モジュールの第２実施形態の概略図である。この実施形態ではモータ駆動回路が除去されて２つの変換器のみが用いられ、これらの変換器ＴT 及びＴR は、例えば、図１０と共に以下に述べる装置を用いて人手で移動される。さらに変換器の位置を感知するために（図１１と共に述べるような）一対のホール効果センサ８０１及び８０２並びに温度補償を可能にする温度センサが設けられる。これらの変換器の出力はそれぞれアンプ８０６、８０５及び８０７によって増幅され、マイクロプロセッサ８４と関連するアナログ・デジタル変換器によってデジタルフォーマットに変換され、次いで処理入力として用いられる。変換器ＴR によって受信される信号を増幅するための利得は、マイクロプロセッサ・制御スイッチ８２５によって調節される。同スイッチは、第１位置で第１アンプ８２３の出力と接続され、第２位置で第２アンプ８２４（第１アンプ８２３の出力同アンプへの入力として接続される）の出力と接続される。図９は、図７の実施形態による手持ち装置９０の正面図である。図７の装置のすべての回路要素が単一装置に含まれ、装置送波変換器の励起及び装置受信変換器からの波形データの処理並びに結果の記憶及び表示を可能にする。同装置は、ディスプレ９２（図７の参照番号７６）及びキーパッド９３（図７の参照番号７５）を備えたハウジング９１を有する。また同装置は、図７と関連して既に述べたポート及びその他の特徴を有する。１１用具図１０は、本発明の実施形態による用具の側部透視図である。用具は、被検者の足部及び足首のための枠（クレードル）１０２が固定される基底１０１を含む。被検者の踵（及びもし所望なら隣接領域）は裸か若しくは衛生のためにグローブ状被覆内に置いてもよい。良好な超音波伝導を確保するために被覆は薄く、ぴったり適合し、弾性的なものが望ましい。その代わりに又は付加的に、超音波伝導を支援するために被覆の内側は水を基礎とするゲルのような適切な物質で覆ってもよい。（これらの物質の効果は、受信された波形の信号処理で補償してもよい。）踵骨に相当する枠１０２の区域は一方側に受信変換器を、他方側に送波変換器を収容するために各側に切抜き１０６を含む。変換器は、基底１０１及び枠１０２に関して移動可能に取付けられたヨーク１０３内に概して互いに対向関係（横方向変換器に対して位置１０４に）に取り付けられる。本発明においてヨーク１０３は、軸Ｙ−Ｙにおいてヒンジを介してヨークを後板１０５に取り付けかつ軸Ｘ−Ｘにおいてヒンジを介して後板１０５を基低に取付けることによって、２度の自由度を有する。図８Ｂの用具モジュールは、ここでは後板１０５の内側に物理的に取付けられる。コネクタ１０８及び１０９を有するケーブル１０７は、それぞれ用具モジュールと図９に関連して記載した手持ち装置９０との間の連通を可能にしかつ装置９０から用具モジュールへの電力を与える。変換器の位置は、電位差計、軸エンコーダ又はＸ−Ｘ軸及びＹ−Ｙ軸に関して配置されるその他の適切なセンサを用いることによって監視してもよい。さらにセンサは、超音波送波のため被検者の踵領域との良好な接触を確保するために互いに（１以上のスプリング又は他の手段で）内側方向に偏らせるのが望ましい。もし所望なら、ヨークの一端において軸着される別個のアーム上に各変換器を取付けることによって変換器間の間隔を非直接的に決めかつアームがピボットにおいて成す角度は適切なセンサによって監視することが可能である。即ち、アーム角度は、ヨーク組立体の幾何学的配置の知識と組み合わせて変換器間の距離を計算するために用いることができる。この様な距離情報は、超音波速度測定及びＵＢＩ値の正規化にとって有効である。軸Ｘ−Ｘ及びＹ−Ｙに関して変換器を配置することは、変換器が踵骨の縁から離れて配置されることを確保するために重要である。われわれは、変換器が踵骨の縁近くに配置されることで受信される波形に強い影響を与えることを発見している。我々はさらに、受信される波形の適切な信号処理で踵骨の縁近くを検波することが可能になり、変換器が縁から離れた位置に配置できるようになり、その結果踵骨の中央領域を通る信号伝達及び受信が行われることを発見している。踵骨の縁の検波のためには上記の方法で決定した１以上のＵＢＩ値を用いることができる。例えば、超音波路が骨の縁に近いか若しくは軟組織中で優勢な場合各種のＵＢＩ値は比較的多孔性かつ非結合性の骨を確認する指標に帰着するであろう。その代わりに、我々は低周波数で受信された波形のエネルギ量に関して高周波数で受信されたものの相対量を定量化することで骨の縁に特に敏感な検査が行われることを発見した。この現象は、図２３及び２４に例示される。同図では、それぞれ健康な踵骨の中央領域（図２３）及び縁近辺（図２４）の路で受信される典型的な波形（上記実施形態と共に述べた通り）の時間及び周波数領域内容を示す。図２３では、中央路で受信されるエネルギは約８００ｋＨｚより下方に集中するのに対して、縁路（図２４）で受信されるエネルギは高周波数において多い。縁から遠く位置づけられる信号路と関連する高周波数の相対的欠如は、各種の方法で定量化できる。１つの有用な試験法は、受信される信号において低周波数エネルギ（本明細書及び請求項では約３００乃至６００ｋＨｚの周波数におけるエネルギと定義される）に関して高周波数エネルギ（本明細書及び請求項では約９００乃至１.２ＭＨｚの周波数におけるエネルギと定義される）部分を計算することである。図２３の場合では、同部分は１％未満であるが図２４では同部分は１００％を越える。この試験方法は信号路（図１０のヨーｋ１０３の移動によって）を適切に決定するために用いることができる。試験は適切な配置を決めるために実時間で行ってもよい。その代わりに、受信される信号はサンプリングして記憶できるので、各種の変換器位置につき波形を記憶し、その後適切な配置を示す記録波形を選択し、次いで選択された波形は上記のようにＵＢＩ決定の基礎として提供することができる。図１１は、図１０の用具の実施形態を示し、ヨーク１０３に取り付けられたホールダ１１１内の変換器の位置を監視するために磁石およびホール効果装置を備えている。この実施形態では第１セラミック磁石１１２が基底１０１に取り付けられ、第２セラミック磁石１１３がヨーク１０３に取り付けられる。磁石１１２及び１１３の磁場をそれぞれ検出するためにホール効果磁気センサ１１４及び１１５が後板１０５上の支えに取り付けられている。従って、ホール効果センサ１１４及び１１５からの出力の信号強度は、それぞれ軸Ｘ−Ｘの周りの後板１０５及び軸Ｙ−Ｙの周りのヨーク１０３の回転度合を示す。これらの出力は、各磁石及びセンサ対を幾何学的に整列させることによって角度と共に線形化され、磁石・センサ距離の１／ｒ効果と磁場内のセンサ角度のｓｉｎｅθ効果とを組み合わすようにさせる。従って、ホール効果センサの出力は、被検者の踵に関して変換器の位置を確認するために、マイクロプロセッサ制御下で適切な直角座標内に描くことができる。図８Ａ及び８Ｂと共に既に述べた通り、ヨークは手で移動可能か若しくは各自由度と関連する適切に設けられるモータの制御下で移動してもよい。図１２乃至１４は、本発明の望ましい実施形態に関して変換器の方位を例示するために、変換器対ＴT 及びＴR に関してそれぞれ被検者の足部の頂部、後部及び側部図を与える。ここでは別個の変換器ＴT 及びＴR は、機能にかかわらず総称的にＴa として識別される。変換器は、先行技術で用いられる変換器とは異なり、近似的に点源及び点受波器として作動するので、同軸に整列して配置する必要はない。実際、踵との接点において踵の面とほぼ直角になるように方位づけることが望ましい。この方位における配置の効果は、変換器の軸が同心でないことである。即ち、軸は水平及び垂直の別個の２つの面において互いに斜めに向けられている。図１２では変換器と踵との２つの接点を通るラインはＡ−Ａで示される。各変換器の中央長手軸はＰとして示される。各変換器軸Ｐが接点軸Ａ−Ａに関して角度θ（実際には約２０度）だけ後向きの方向に配置されていることが理解できる。同様に図１３は、中央くるぶし１３１及び外側くるぶし１３２を含む被検者の足部の後部図である。この図では各変換器軸Ｐが接点軸Ａ−Ａに関して角度φ（実際には約１０度）だけ上向きの方向に配置されていることが理解できる。図１４の側面図と共に示すこの配置の効果は、接点において踵に対してほぼ直角になるようにするために各変換器が下方及び前方の双方に向けられていることである。この方位は、ヨーク１０３及び図１０及び１１に示す関連した成分の適切な構成によって達成できる。図１０及び１１に示す用具の利点は、被検者が足部を床上に置いて立つか又は座っているときに試験できることであるが、この様な位置においては被検者の足部を移動させることが困難であるという不利益を伴う。図１５に示す通り、本発明のさらなる実施形態において被検者は、従来の医師の試験テーブル１５１又はその他の水平面上で概して水平な位置をとってもよい。被検者１５３が仰向けに横たわる時用具１５２はこのように被検者に適合する。用具１５２が被検者に係合された後被検者の足部が延ばされる場合には、足部は用具１５２及び試験テーブル１５１の双方によって支持されるので用具１５２内での移動に対して傾斜は緩くなる。図１６は、平伏した被検者を試験するのに用いられる用具を底部から見た透視図である。同用具は、図１０及び１１の用具の総体的方法で構成されかつ用いられる。同用具は基底１６２有し、そこには被検者の足部及び足首のための枠１６６が固定して取り付けられる。しかし、この実施形態では基底１６２それ自体が水平な土台１６３に固定して取り付けられ、その土台は概して図１５の検査テーブル１５１上に載せられる。被検者の足部を枠１６６内に取外し自在に締め付けるために帯１６７を用いてもよい。枠１６６は、変換器ＴT 及びＴR を収容するために踵骨に相当する区域内の両側に切抜きを含み、変換器は踵骨の両対向側にあるヨーク１６１に取り付けられ、ヨークは基底１６２及び土台１６３に関して移動可能に取り付けられる。用具１０及び１１の場合と同様に、変換器は手で移動するか若しくはマイクロプロセッサの制御下でモータによって移動してもよい。図８Ａ又は８Ｂの用具モジュールを保持するためにケース１６８を用いてもよい。その代わりに、ケース１６８は用具モジュール及び図７の装置の双方の同等物を収容してもよい。後者の場合ケース１６８は、ディスプレ１６９、キーボード等と適合させてもよい。基準装置との無線通信（ラジオ周波数又は赤外線を用いて）で用具を作動させることも本発明の範囲内である。基準装置は、手持ち又は手持ち可能なものでもよいがその必要はなく、その様な場合ディスプレ１６９は、用具及び変換器が満足すべき方位にあることを示すために若しくはその他の関連情報をオペレータに提供するために用いることができる。図１７は、図１０の用具で用いるのに適した変換器の断面図である。同変換器は圧電結晶素子１７３を用いているが、そのアスペクト比が１.５対１程度である点で通常とは異なる。（本明細書及び請求項で用いられる通り、『アスペクト比』は直径の厚さに対する比である。）このような比は通常望ましくないと考えられ、超音波が伝播する横方向平面以外の方向における望ましくない共鳴を避けるようにするためにより一般的な比は少なくとも５又は１０対１である。しかし、本発明の場合我々の設計では多重共鳴を十分に制御しかつ望ましい点源に近い作用及び広帯域幅が得られることを発見した。我々の設計による圧電素子の標準寸法は、直径が０.１２５ｉｎ（０.３２ｃｍ）で厚さが０.０８０ｉｎ（０.２０ｃｍ）である。同要素は、金属ベース１７２と前面要素１７４との間に置かれ、適切な同軸ケーブル１７１の中央及び外側導体とそれぞれ接続される。前面要素１７４は、変換器の周波数応答における役割を果たし、その厚さは周波数応答を最適化するために経験的に選ばれる。実際、前面要素１７４は厚さ０.０２５ｉｎ（０.６ｍｍ）のエポキシ樹脂で作るのが望ましいことが分かっている。変換器はハウジング１７６内に配置される。ハウジングは変換器のための機械的アンカ及び電気的シールドとして役立ち、例えば真鍮のような金属製が望ましい。ベース１７２は、鳴る音を減衰させるために音響的に吸収性の裏当て１７５内に配置され、組立体の後端はエポキシ樹脂１７７で処与の位置に置かれる。図１９は、スリーブ１９１で囲まれた図１７の変換器を示す。図１０のヨーク１０３内に図１７の変換器を取り付けるに当たり、我々はデルリンプラスチックのような適切な物質製のスリーブ１９１でケース１７６を囲むのが有益であることを発見した。スリーブカラーは、スプリング装填の体に対するスプリング圧力を受けるのみならず、超音波を所望の方向に偏向させるのに役立つ。スリーブ１９１は、シリコンゴムのような物質で変換器のケースに対してシールしてもよい。その代わりに、スリーブは金属製としてケース１７６と一体化して形成してもよい。スリーブ壁の一般的な厚さは約１／４ｉｎ（６ｍｍ）である。図１９に示す通り、変換器への開口を有するスリーブ端は丸い外周を有するのが望ましい。図１８は、図１７の変換器の代替実施形態における部分１７８の詳細を示す。図１８では吸収性裏当て１７５は、それと隣接してその前方にある圧電素子１７３′の周辺を囲む区域内へ伸ばされている。この追加の裏当て材料の効果は、超音波エネルギをよりよく被検者の方に向けるために当該面の周辺を囲むエポキシ樹脂の範囲を減らすことである。図１７の変換器は、骨の健全性を測定する先行技術の装置で用いられる典型的な変換器よって生成される３ｃｍ台のビームより小さい程度の励起区域を生成する。さらに、本発明の望ましい実施形態における変換器は踵骨にきわめて接近して設けられるが、多くの先行技術の装置では変換器は踵の表面から５ｃｍ以上離れて置かれる。直径約５ｃｍの目標踵骨の比較的小さい区域を前提とすれば、先行技術の変換器の特徴である大きなビームは骨境界の影響によってより大きな汚染を受けやすくなる。図１７の変換器を送波器として用いることは点源の作用を近似するものでありかつ類似の変換器を受波器として用いることは点受波器の作用を近似するものであり、結果的に骨境界の影響は最小化され得る。さらにこの設計の変換器は、広角範囲に亘る有効な送波及び受波が行えるので、先行技術の場合のような同軸方位を維持する必要性に基づくよりはむしろ解剖上の特性に基づいた本体部分への直接結合の最適化を可能にする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ブット、デビッドアメリカ合衆国、オレゴン州 97006、ビーバートン、エヌダブリュー・ワンハンドレッドシックスティアンドセブンス・アベニュー 410 (72)発明者ゴール、ジェフリー・エイチアメリカ合衆国、オレゴン州 97034、レイク・オズウェゴ、パリセイズ・クレスト・ドライブ 2552 (72)発明者ワグナー、ネルドン・シーアメリカ合衆国、オレゴン州 97007、アロハ、エスダブリュー・カスケイディア 19615 (72)発明者ホイットニー、ハーウェル・エイチアメリカ合衆国、オレゴン州 97212、ポートランド、エヌイー・ナインティーンス・ストリート 2405

Claims

【特許請求の範囲】１脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の多孔性及び非接続性指標を外部的に測定する装置であって、第１及び第２変換器と、該骨に関して隔置して該変換器を取り付ける取付装置と、第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器であって、該音響信号が該被検者内へ伝播されて該骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号発生器と、第２変換器と連通して第２変換器によって受け取られる信号の全量に至るまでの部分のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である測定値を提供する信号プロセッサであって、該関数は、同一個人から取られる連続的な測定値間の差が最小になりかつ異なった個人から取られる測定値の差が最大になるように選択され、該測定値が骨の多孔性及び非結合性と関連するようにされる信号プロセッサとから成る測定装置。２該関数が加重和であって、同一個人から取られる連続的な測定値間の差が最小になりかつ異なった個人から取られる測定値の差が最大になるように該加重がその能力によって選択される、請求項１の装置。３該加重和が、第２変換器によって受波される信号のスペクトル成分から成る、請求項２の装置。４脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の多孔性及び非接続性指標を外部的に測定する装置であって、第１及び第２変換器と、該骨に関して隔置して該変換器を取り付ける取付装置と、第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器であって、該音響信号が該被検者内へ伝播されて該骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号発生器と、第２変換器と連通して第２変換器によって受け取られる信号の全量に至るまでの部分のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である単一測定値を提供する信号プロセッサであって、該測定値がフーリエスペクトル情報に基づく対数・線形傾斜以外のものである信号プロセッサとから成る測定装置。５もし選択された変換器の１つが該信号発生器によって駆動されるなら、該選択された変換器が点源からのような音響出力を発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いる、請求項４の装置。６該関数が第２変換器によって受波される信号の一部のスペクトル成分の加重和を含む、請求項４の装置。７該関数が第２変換器によって受波される信号の一部のスペクトル成分の加重和を含む、請求項５の装置。８該関数が第２変換器によって受波される信号のヒルベルト包絡線の形状の測定値を含む、請求項４の装置。９該関数が第２変換器によって受波される信号のヒルベルト包絡線の形状の測定値を含む、請求項５の装置。 10 該関数が第２変換器によって受波される信号の自動逆行平均スペクトル推定関数の形状の測定値を含む、請求項４の装置。 11 該関数が第２変換器によって受波される信号の自動逆行平均スペクトル推定関数の形状の測定値を含む、請求項５の装置。 12 該関数が第２変換器によって受波される信号の一部のヒルベルト周波数の可変性の測定値を含む、請求項４の装置。 13 該関数が第２変換器によって受波される信号の一部のヒルベルト周波数の可変性の測定値を含む、請求項５の装置。 14 該関数が第２変換器によって受波される信号の初期部分の平均ヒルベルト周波数関数の測定値を含む、請求項４の装置。 15 該関数が第２変換器によって受波される信号の初期部分の平均ヒルベルト周波数関数の測定値を含む、請求項５の装置。 16 該関数が、短時間フーリエ変換を用いかつ連続的間隔で測定される、第２変換器によって受波される信号のスペクトル成分の加重和を含み、連続的間隔と関連する連続的加重和それ自体が加重和に形成される、請求項４の装置。 17 該関数が、短時間フーリエ変換を用いかつ連続的間隔で測定される、第２変換器によって受波される信号のスペクトル成分の加重和を含み、連続的間隔と関連する連続的加重和それ自体が加重和に形成される、請求項５の装置。 18 該関数が第２変換器によって受波される信号の部分のグループ遅延の測定値を含む、請求項４の装置。 19 該関数が第２変換器によって受波される信号の部分のグループ遅延の測定値を含む、請求項５の装置。 20 該関数が第２変換器によって受波される信号部分の広帯域エネルギに対する狭帯域エネルギの正規化された比の測定値を含む、請求項４の装置。 21 該関数が第２変換器によって受波される信号部分の広帯域エネルギに対する狭帯域エネルギの正規化された比の測定値を含む、請求項５の装置。 22 該取付装置に取付けられる、第１路とは異なる第２路に沿って第１変換器によって供給される音響エネルギを受波する第３変換器をさら含む、請求項４の装置。 23 第２路が第１路を横切る、請求項４の装置。 24 選択される変換器の１つが、５対１より小さく１対５より大きいアスペクト比を有する圧電結晶素子を含む、請求項４の装置。 25 選択される変換器の１つが、２対１より小さく１対２より大きいアスペクト比を有する圧電結晶素子を含む、請求項４の装置。 26 該アスペクト比が１.５対１である、請求項２４の装置。 27 脊椎被検者において体部分以内に配置された骨における音響波の特徴的作用の測定値を外部的に与える装置であって、第１及び第２変換器と、該骨に関して隔置して該変換器を取り付ける取付装置と、該被検者内へ伝播されて該骨を含む路に沿って第２変換器によって受波される音響波が第１変換器から発生するようにさせる信号励起装置と、該路に沿って該波形の作用特性を測定する特性測定装置と、該特性測定装置の出力を表示するディスプレと、該変換器及び該取付装置を含む第１組立体と、使用者の一方の手に保持しつつ測定ができる、該ディスプレを含む第２組立体とから成り、該信号励起装置及び特性測定装置が第１及び第２組立体内に共に含まれる測定装置。 28 該特性測定装置が、第２変換器によって受け取られる信号の全量に至るまでの部分のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である単一測定値を提供する信号プロセッサを含む、請求項２７の装置。 29 第１組立体が、被検者の足部と取り外し可能に係合する用具であって、該用具が、長手軸を有する足部の足底を受ける面を有するベースと、該ベースを横切る方向で該ベースに固定される、被検者の足部及び足首を受ける枠と、該骨に関して該変換器を離れた位置で支持するヨークと、踵骨を含む踵区域に亘って変換器の合同２次元運動を可能にするために、該ベースに関して移動自在に該ヨークを取付ける部材とから成り、該ヨーク及び取付部材が該取付装置を構成する、請求項２７の装置。 30 該部材は、一端において概して該長手軸を横切る第１ヒンジ軸に沿って該ベースに蝶番いで取付けられる後板であり、該後板の他端は、第１ヒンジ軸に平行な第２ヒンジ軸に沿って該ヨークに蝶番いで取付けられる、請求項２９の装置。 31 被検者の足部と取り外し可能に係合する用具であって、長手軸を有する足部の足底を受ける面を有するベースと、該ベースを横切る方向で該ベースに固定される、被検者の足部及び足首を受ける枠と、該足部の踵に関して変換器対を離れた位置で支持するヨークと、踵骨を含む踵区域に亘って該変換器の合同２次元運動を可能にするために、該ベースに関して移動自在に該ヨークを取付ける部材とから成る用具。 32 該部材は、一端において概して該長手軸を横切る第１ヒンジ軸に沿って該ベースに蝶番いで取付けられる後板であり、該後板の他端は、第１ヒンジ軸に平行な第２ヒンジ軸に沿って該ヨークに蝶番いで取付けられる、請求項３１の用具。 33 該ベース、枠、ヨーク又は部材の少なくとも１つに物理的に取付けられる制御モジュールであって、該変換器と接続される第１組のデータポートと、該被検者内へ伝播されて該骨を含む路に沿って第２変換器によって受波される音響波を第１変換器から発生するようにさせる信号励起装置と、該路に沿って該波形の作用特性を測定する特性測定装置に結合する第２組のデータポートと、該ヨークを移動させかつそれによって踵骨を越えて変換器を移動させるモータを制御するマイクロプロセッサと、該マイクロプロセッサがマスタマイクロプロセッサからモータのための制御信号を受取る制御ポートとを有する、請求項３１の用具。 34 もし選択された変換器の１つが該信号発生器によって駆動されるなら、該選択された変換器が点源からのような音響出力を発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いる、請求項３１の用具。 35 該選択された変換器が、直径が２ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３４の用具。 36 該選択された変換器が、直径が１ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３４の用具。 37 該選択された変換器の各々が、直径が０.５ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３４の用具。 38 該選択された変換器の各々が、直径が１ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３４の用具。 39 脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の多孔性及び非接続性指標を外部的に測定する装置であって、第１及び第２変換器と、該骨に関して隔置して該変換器を取り付ける取付装置と、第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器であって、該音響信号が該被検者内へ伝播されて該骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号発生器と、第２変換器と連通して第２変換器によって受け取られる信号の全量に至るまでの部分のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である測定値を提供する信号プロセッサとから成り、もし選択された変換器の１つが該信号発生器によって駆動されるなら、該選択された変換器が点源からのような音響出力を発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いる測定装置。 40 該選択された変換器が、直径が２ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３９の装置。 41 該選択された変換器の各々が、直径が１ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３９の装置。 42 該選択された変換器の各々が、直径が１ｃｍ未満の共鳴素子を用いる、請求項３９の装置。 43 ５対１より小さく１対５より大きいアスペクト比及び１ｃｍ未満の直径を有する圧電結晶素子から成る超音波変換器。 44 ２対１より小さく１対２より大きいアスペクト比及び１ｃｍ未満の直径を有する圧電結晶素子から成る超音波変換器。 45 脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の縁に近接する超音波信号路を外部的に測定する装置であって、第１及び第２変換器と、該骨に関して隔置して該変換器を取り付ける取付装置と、第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器であって、該音響信号が該被検者内へ伝播されて該骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号発生器と、第２変換器と連通して第２変換器によって受け取られる信号の低周波エネルギに対する高周波エネルギの該第１路の該骨の縁に対する近接度合いを示す総体的比率の測定値を決定する信号プロセッサとから成る測定装置。 46 該変換器の各々が、もし該信号発生器によって駆動されるなら、各変換器が点源からのような音響出力を該体部分内へ発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いる、請求項４５の測定装置。 47 脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の縁に近接する超音波信号路を外部的に測定する方法であって、第１及び第２変換器を与え、該骨に関して該変換器を離して取り付け、第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器であって、該音響信号が該被検者内へ伝播されて該骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号発生器を用い、第２変換器によって受け取られる信号の低周波エネルギに対する高周波エネルギの該骨の縁に対する第１路の近接度合いを示す総体的比率の測定値を決定するために第２変換器によって受波される信号を処理することから成る測定方法。 48 該変換器の各々が、もし該信号発生器によって駆動されるなら、各変換器が点源からのような音響出力を該体部分内へ発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いる、請求項４７の方法。 49 脊椎被検者において体部分以内に配置された骨の多孔性及び非接続性指標を外部的に測定する方法であって、第１及び第２変換器を与え、該変換器の各々が、もし該信号発生器によって駆動されるなら、各変換器が点源からのような音響出力を該体部分内へ発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いるようにさせ、該骨に関して該変換器を離して取り付け、第１変換器と連通して第１変換器から音響信号が発生するようにさせる、ある周波数範囲に亘って分配されるエネルギを有する信号発生器であって、該音響信号が該被検者内へ伝播されて該骨を含む第１路に沿って第２変換器によって受波される信号発生器を用い、第２変換器によって受け取られる信号の全量に至るまでの部分のスペクトル又は一時的成分の少なくとも１つの関数である測定値を提供するために第２変換器によって受波される信号を処理することからなる測定方法。 50 該変換器の各々が、もし該信号発生器によって駆動されるなら、各変換器が点源からのような音響出力を該体部分内へ発生するようにさせる程十分小さな振動素子を用いる、請求項４９の方法。