定量的超音波法装置用ファントム
【課題】定量的超音波法装置（２２）用ファントム（２０）を提供すること。
【解決手段】ファントムは、中空ケーシング（５０）と、この中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメント（１００）と、中空ケーシング内に配設され、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変える第２の音響エレメント（１０２）とを含み、第２の音響エレメントが、第１の音響エレメントと同一線上に配設される。ファントムは中空ケーシング内に配設された第３の音響エレメント（１２０）も含み、第３の音響エレメントは第１の音響エレメントと第２の音響エレメントの間に音響結合剤を形成する。ファントムを製造する方法も本明細書において説明される。
【解決手段】ファントムは、中空ケーシング（５０）と、この中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメント（１００）と、中空ケーシング内に配設され、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変える第２の音響エレメント（１０２）とを含み、第２の音響エレメントが、第１の音響エレメントと同一線上に配設される。ファントムは中空ケーシング内に配設された第３の音響エレメント（１２０）も含み、第３の音響エレメントは第１の音響エレメントと第２の音響エレメントの間に音響結合剤を形成する。ファントムを製造する方法も本明細書において説明される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題は、一般に医療診断システムに関し、より詳細には定量的超音波法（ＱＵＳ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波密度計および超音波測定器(ultrasonometer)などのＱＵＳ装置は、超音波を使用して骨の健全性(bone integrity)を測定する。ＱＵＳ装置を検証することは、適切な診断を可能にする適切な測定を確実に継続するための重要な仕事である。ＱＵＳ装置は、骨粗鬆症の進行の評価または治療の監視を適切に行うために、長期にわたって安定した状態を保たなければならない。したがって、飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）とも呼ばれる超音波伝播速度（ＳＯＳ）および超音波減衰係数（ＢＵＡ）などの測定パラメータを長期間、適切に測定する必要がある。
【０００３】
ＱＵＳ装置の安定性を監視するためにＱＵＳファントムが使用される。従来のＱＵＳファントムは、信号を減衰させるために、水など、安定性があり特徴のはっきりした液体を使用する。他の従来のＱＵＳファントムは、既知の超音波特性を有するゴムなどの固体材料を使用する。これらのＱＵＳファントムのいずれでも、骨形態計測のシミュレーションは満足できるものではない。したがって、ＱＵＳ装置からの音波とファントムの相互作用は骨を模倣せず、その結果、シミュレーションがあまり正確でない場合がある。加えて、水などの液体はあまり減衰性のものではなく、その結果、ＱＵＳ装置は最小電力で動作する。固体のファントムはまた、経年変化作用も有する。たとえば、良好なＢＵＡ特性を有する材料は、典型的には弾性を有する。ＱＵＳファントムに使用される代表的材料の１つはネオプレンである。ネオプレン材料が経年変化するにつれて、材料内の分子間に形成される架橋が多くなる。この架橋により、材料が硬化し、音響学的性質が変化する。材料の硬度の変化によって、長期監視に関するＱＵＳファントムの有用性が低下する。さらに、水のＱＵＳファントムも固体のＱＵＳファントムも、温度誘起ドリフトすなわち値の変化を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６６３５４８６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によれば、定量的超音波法装置用ファントムが提供される。このファントムは、中空ケーシングと、この中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメントと、中空ケーシング内に配設され、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変える第２の音響エレメントとを含み、第２の音響エレメントが、第１の音響エレメントと同一線上に配設される。
【０００６】
別の実施形態によれば、定量的超音波法装置用ファントムが提供される。このファントムは、中空ケーシングと、この中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする複数の金属の音響エレメントと、中空ケーシング内に配設され、そのうちの少なくとも１つは１対の金属の音響エレメントの間に配設され、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変えるように構成された複数の非金属の音響エレメントと、中空ケーシング内に配設され、第１の音響エレメントと第２の音響エレメントの間に音響結合剤を形成し、グリコールおよび水からなる二成分混合液体を備える第３の音響エレメントとを含む。好ましい一実施形態では、第３の音響エレメントは、金属エレメントおよび非金属エレメントの温度依存性の変化を補償するように構成することができる。
【０００７】
他の実施形態によれば、定量的超音波法装置用ファントムを製造する方法が提供される。この方法は、模倣対象の骨の１つまたは複数の音響学的性質を決定する段階と、模倣対象の骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメントを中空ケーシング内に設置する段階と、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変える第２の音響エレメントを中空ケーシング内に設置する段階とを含み、第２の音響エレメントは第１の音響エレメントと同一線上に配設される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】種々の実施形態によって構築された、定量的超音波法（ＱＵＳ）装置と共に使用するためのファントムを示す簡略化したブロック図である。
【図２】種々の実施形態によって構築された、例示的なファントムの絵画図である。
【図３】図２に示すファントムの端面図である。
【図４】図２および図３に示すファントムの分解組立図である。
【図５】例示的なＱＵＳ装置に設置された、図２〜図４に示す例示的なファントムの絵画図である。
【図６】種々の実施形態によるファントムと共に使用可能なＱＵＳ装置の斜視図である。
【図７】種々の実施形態によるファントムと共に使用可能なＱＵＳ装置の別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
前述の概要、ならびにいくつかの実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面と併せ読めば、さらによく理解されるであろう。図面が種々の実施形態の機能ブロック図を示す限りにおいて、その機能ブロックは、必ずしもハードウェア回路間の区分を示すわけではない。機能ブロック（たとえば、プロセッサまたはメモリ）のうちの１つまたは複数は、１つのハードウェア（たとえば、汎用信号プロセッサまたはランダムアクセスメモリ、ハードディスクなど）で実施されてもよいし、複数のハードウェアで実施されてもよい。同様に、プログラムは、スタンドアロンプログラムであってもよいし、オペレーティングシステムにサブルーチンとして組み込まれていてもよいし、インストールされているソフトウェアパッケージの機能などであってもよい。種々の実施形態は、図面に示された構成および手段に限定されないことを理解されたい。
【００１０】
本明細書で使用される場合、単数形で列挙され単語「ａ」または「ａｎ」が前に付された要素またはステップは、除外が明記されない限り、前記要素またはステップの複数形を除外しないものとして理解されたい。さらに、「一実施形態」の言及は、列挙した特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図するものではない。さらに、別に明記されない場合は、特定の特徴を有する単一の要素または複数の要素を「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」実施形態は、その特徴を有しないそのような要素をさらに含むことができる。
【００１１】
超音波骨密度計または超音波測定器などの定量的超音波法（ＱＵＳ）装置と共に使用するためのファントムの例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。種々の実施形態は、ＱＵＳ装置の超音波送信機と超音波受信機の間の超音波パルスを変更できるファントムを提供する。このファントムは、骨を模倣する。ファントムは、種々の骨を模倣するように変更することができる。ファントムは、任意のＱＵＳ装置、たとえばＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅから入手可能なＬｕｎａｒ Ａｃｈｉｌｌｉｅｓ超音波測定器、または他の超音波骨密度計と共に使用することができる。
【００１２】
具体的には、図１に示すように、本発明の種々の実施形態は、骨の性質または特性、たとえば、人間の踵の骨（踵骨とも呼ばれる）の音響学的性質を模倣するように構成されたファントム２０を提供する。ファントム２０は、たとえばＱＵＳ装置２２の動作を検証または検査するために、ＱＵＳ装置２２と共に使用することができる。種々の実施形態では、ＱＵＳ装置２２は、送信トランスデューサアレイ２４と、受信トランスデューサアレイ２６とを含み、それらの間にファントム２０が設けられている。より具体的には、ファントム２０は、送信トランスデューサアレイ２４と受信トランスデューサアレイ２６の間の超音波経路に設けられる。送信トランスデューサアレイ２４および受信トランスデューサアレイ２６は、１つまたは複数のトランスデューサエレメントを含むことができることに留意されたい。
【００１３】
ＱＵＳ装置２２による超音波パルスの送信および受信は、対象物、たとえば、送信トランスデューサアレイ２４と受信トランスデューサアレイ２６の間に置かれた人間の踵の骨の物理的性質を測定するために使用される。たとえば、ＱＵＳ装置２２は、対象物の健全性および／または密度を測定するように構成される。具体的には、ＱＵＳ装置２２は、送信トランスデューサアレイ２４および受信トランスデューサアレイ２６を使用して、対象物を通る相対的な透過時間（飛行時間または超音波伝播速度とも呼ばれる）および／または相対的な超音波減衰係数（ＢＵＡ）を比較することにより、対象物の物理的性質および／または健全性を決定することができる。
【００１４】
したがって、種々の実施形態におけるファントム２０は、超音波信号を変えるまたは変更することによって、音響学的性質などの、骨のいくつかの特性または性質を模倣する。この超音波信号は、送信トランスデューサアレイ２４から送信された１つまたは複数のパルスとすることができる。信号を変更した結果、受信トランスデューサアレイ２６は、たとえば飛行時間またはＢＵＡに関して変更された信号を受信する。信号は既知の値を使用して変更されているので、既知の値と比較すると、ＱＵＳ装置２２を正確さに関して検査または検証することができる。したがって、ファントム２０は、ＱＵＳ装置２２によって使用される超音波パルスを変更するように動作して、特定の質、特性、または性質を有する骨、たとえば健康な骨または骨粗鬆症の骨を模倣する。一例として、（本明細書において、より詳細に説明するように）超音波パルスがファントム２０を通過して、変更された超音波を生じさせるので、飛行時間または超音波パルスの減衰は、超音波パルスを変えることによって変化することができる。変更された超音波により、ＱＵＳ装置２２で、ファントム２０が模倣している特定の骨密度または健全性の期待値が測定されたかどうかを決定することが可能になる。
【００１５】
図２は、図１に示す例示的なファントム２０の絵画図である。図３は、図２に示すファントム２０の端面図である。図２に示すファントム２０は、円筒状ケーシング５０を含む。この円筒状ケーシング５０は、超音波音に対する人間の所定の骨の反応をシミュレートする複数の音響エレメント５４を受け入れるように構成された中空内部５２を画定する。例示的な実施形態では、ファントム２０は、人体の踵骨を模倣するように構成される。ただし、音響エレメント５４は、本明細書において説明するＱＵＳ装置２２を使用して撮像される他の骨の反応を模倣するように再構成できることを理解されたい。
【００１６】
図２に示すように、ケーシング５０は、円筒形状を有する本体部分５６と、この本体部分５６の一部に結合されたかまたはこれを形成する２つの中空の端部部分５８および６０とを含む。端部部分５８および６０は、特に必要に応じておよび／または所与の適用例で求められる、任意の所望の形状（たとえば、代表として示された、外側にラッパ状に広がるものなど）とすることができる。例示的な実施形態では、端部部分５８および６０は、本体部分５６と一体的に形成される。具体的には、例示的な実施形態では、ケーシング５０は、本体部分５６と、２つの端部部分５８および６０とを両方含む一体成形構造である。例示的な実施形態では、ケーシング５０は、プラスチック材料を使用して製造される。任意選択で、ケーシング５０は他の材料から製造されることができる。
【００１７】
図３に示すように、本体部分５６の中空内部５２は直径６２を有する。直径６２は、約１．７５インチ〜約２．７５インチ、つまり約２．０インチである。例示的な実施形態では、中空内部５２の直径６２は、約２．０インチ〜約２．５インチである。再び図２を参照すると、本体部分５６は、第１の端部７０と、対向する端部７２とを含む。第１の端部７０は端部部分５８に結合されるか、またはこれと一体的に形成され、第２の端部７２は端部部分６０に結合されるか、またはこれと一体的に形成される。
【００１８】
より具体的には、端部部分５８および６０はそれぞれ、本体部分の第１の端部７０および／または第２の端部７２にそれぞれ結合されるか、またはこれと一体的に形成される第１の端部７４を含む。端部部分５８および６０はそれぞれ、第２の端部７６も含む。例示的な実施形態では、第１の端部７４は、本体部分５６の内径６２にほぼ等しい直径８０を有する。さらに、第２の端部７６はそれぞれ、以下により詳細に述べるように撮像中にＱＵＳ装置２２内でファントム２０を固定するために膨張可能な袋（ｂｌａｄｄｅｒ）を少なくとも一部分はその中に受け入れ可能なサイズに成形される直径８２を有する。
【００１９】
図４は、図２および図３に示すファントム２０の分解組立図である。上述したように、ファントム２０は、超音波音に対する人間の所定の骨の反応をシミュレートするように構成された複数の音響エレメント５４を含む。例示的な実施形態では、音響エレメント５４は、送信トランスデューサアレイ２４および受信トランスデューサアレイ２６を使用して、ファントム２０を通過する相対的な透過時間（飛行時間または超音波伝播速度とも呼ばれる）および／または相対的な超音波減衰係数（ＢＵＡ）を比較することにより、ＱＵＳ装置２２がファントム２０の物理的性質および／または健全性を正確に決定できるように選択され、ファントム本体５０内に配置される。より具体的には、ＱＵＳ装置２０は、ファントム２０の超音波減衰特性を測定し、この超音波減衰特性を骨密度の間接的な評価として使用する。したがって、ファントム２０内に配設された材料のサイズ、厚さ、およびタイプは、健康な踵骨もしくは骨粗鬆症の踵骨、または健康な骨と骨粗鬆症の骨の範囲の骨を模倣するように選択することができる。
【００２０】
複数の音響エレメント５４は、少なくとも１つの金属エレメント１００と、少なくとも１つの非金属エレメント１０２とを含む。例示的な実施形態では、本明細書において説明する音響エレメント５４は、踵骨を模倣するように配置され、複数の金属エレメント１００と、複数の非金属エレメント１０２とを含む。図４に示すように、それぞれの非金属エレメント１０２は、１対の金属エレメント１００の間に配設される。任意選択で、それぞれの金属エレメント１００は、１対の非金属エレメント１０２の間に配設される。例示的な実施形態では、非金属エレメント１０２は、直線的にまたは金属エレメント１００と同一線上に配設され、それにより、ファントム２０を通って送信された超音波が、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の両方を直線的に通過する。
【００２１】
金属エレメント１００は、略円盤形であり、例示的な実施形態では本体部分５６の内径６２と実質的に同等の外径１１０を有する。例示的な実施形態では、ファントム２０は、複数の金属エレメント１００を含む。この複数の金属エレメント１００は、同じ外径６２を有してもよいし、異なる外径を有してもよい。たとえば、図４に示すように、金属エレメント１１１は外径１１３を有することができ、金属エレメント１１５は外径１１７を有することができる。一実施形態では、金属エレメント１１１の外径１１３は、金属エレメント１１５の外径１１７と実質的に同じである。任意選択で、金属エレメント１１１の外径１１３は、金属エレメント１１５の外径１１７と異なる。例示的な実施形態では、金属エレメント１００の外径１１０は、金属エレメント１００を本体部分５６に挿入できるように、本体部分５６の内径６２よりわずかに小さい。
【００２２】
各金属エレメント１１０は、厚さ１１２も有する。例示的な実施形態では、ファントム２０は、踵骨を模倣するために、それぞれ約１／２インチの厚さ１１２を有する４つの金属エレメント１００を含む。任意選択で、金属エレメント１００の少なくとも１つは、異なる厚さを有することができる。たとえば、図４に示すように、金属エレメント１１１は厚さ１１２を有し、金属エレメント１１５は厚さ１１９を有する。一実施形態では、金属エレメント１１１の厚さ１１２は、金属エレメント１１５の厚さ１１９と実質的に同じである。任意選択で、金属エレメント１１１の厚さ１１２は、金属エレメント１１５の厚さ１１９と異なる。金属エレメント１００の直径および厚さは、ファントム２０によって模倣される骨と同じであってもよいし、異なってもよいことを理解されたい。
【００２３】
例示的な実施形態では、金属エレメント１００は、多孔性金属材料から製造される。たとえば、金属エレメント１００は、所定の多孔率を有するアルミニウムハニカム材料から製造されることができる。例示的な実施形態では、このハニカム材料は、高い容積分率の、気体が充填された孔を有するアルミニウム発泡金属材料である。この発泡材料は、模倣対象の骨に基づいて、独立気泡アルミニウム発泡体でもよいし、連続気泡アルミニウム発泡体でもよい。
【００２４】
金属エレメント１００が典型的な海綿状骨構造を模倣するように、所定の多孔率の金属エレメント１００が選択される。このような典型的な骨構造は、密な膠原組織から構成される海綿骨を含むことができる。典型的な海綿骨のこのような１つの例は骨梁骨である。動作中、金属エレメント１００は、臨床的に対象となる人間の範囲にわたってＢＵＡをシミュレートするように構成される。その範囲、したがって金属エレメント１００の量、サイズ、および厚さは、ファントム２０が模倣するように構成された人骨に基づいて決定される。さらに、金属エレメント１００の量、サイズ、および厚さはまた、状態、たとえば、ファントム２０が模倣するように構成された、健康な人骨または骨粗鬆症の人骨にも基づいて決定される。
【００２５】
複数の音響エレメント５４は、少なくとも１つの非金属エレメント１０２も含む。非金属エレメント１０２は、略円盤形であり、例示的な実施形態では本体部分５６の内径６２と実質的に同等で金属エレメント１００の外径１１０とほぼ同じ外径１１４を有する。例示的な実施形態では、非金属エレメント１０２の外径１１４は、非金属エレメント１０２を本体部分５６に挿入できるように、本体部分５６の内径６２よりわずかに小さいことを理解されたい。例示的な実施形態では、非金属エレメント１０２は、シリコンゴム材料から製造される。非金属エレメント１０２は、ファントム２０を通るＳＯＳが特定の骨の状態、たとえば骨粗鬆症、平均、および／または平均以上、のＢＵＡ値と実質的に一致するために、超音波ビームの超音波伝播速度（ＳＯＳ）を調整するように構成される。より具体的には、非金属エレメント１０２は、非金属エレメント１０２が皮質骨を模倣するようにファントム２０の密度を減少させることによって、超音波伝播速度を微調整するために使用される。したがって、非金属エレメント１０２の直径および厚さは、ファントム２０によって模倣される骨に基づいて、ファントム２０内で同じであってもよいし、異なってもよいことを理解されたい。
【００２６】
動作中、金属エレメント１００は、健康な骨または骨粗鬆症の骨のＢＵＡを模倣するために使用される。ただし、動作中、非金属エレメント１０２を含まないファントム２０を通る超音波伝播速度は余りにも速く、したがって臨床的に対象となる人骨の範囲を超えることがある。したがって、例示的なファントム２０は、音響波を減速させ、したがってファントム２０が臨床的に対象となる人骨の範囲で実施できるように音響ダンパとして機能する少なくとも１つの非金属エレメント１０２を含む。具体的には、音の伝播速度は、健康な骨より健康でない骨の方が速い。したがって、一実施形態では、非金属エレメント１０２の厚さまたは量は、健康な骨をより密接に模倣するように増加することができる。たとえば、非金属エレメントの厚さまたは量を増加させると、ファントム２０を通る超音波伝播速度が低減し、したがって健康な骨をより密接に模倣する。一方、非金属エレメント１０２の厚さまたは量を減少させると、ファントム２０を通る超音波伝播速度が増加し、したがって健康でない骨または骨粗鬆症の骨をより密接に模倣する。
【００２７】
複数の音響エレメント５４は、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の両方をカプセル化するように構成された第３の音響エレメント１２０も含む。より具体的には、組み立て中、シール１３０が本体部分の第１の端部７０に近接して設置される。次に、金属エレメント１００および非金属エレメント１０２がケーシング５０の本体部分５６に挿入される。次いで、本体部分５６の残りの部分が第３の音響エレメント１２０で充填され、第２のシール１３２が本体部分の第２の端部７２に近接して設置される。シール１３０および１３２は、金属エレメント１００および非金属エレメント１０２を本体部分５６内に固定し、種々の実施形態では、第３の音響エレメント１２０が本体部分５６から漏れるのも防ぐ。
【００２８】
例示的な実施形態では、第３の音響エレメント１２０は、ケーシング５０内の任意の空隙を充填することによって、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の両方をカプセル化する。第３の音響エレメント１２０はまた、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の間に音響結合剤を形成する。さらに、第３の音響エレメント１２０はまた、金属エレメント１００および非金属エレメント１０２のどんな温度依存性の変化をも補償するように構成される。例示的な実施形態では、第３の音響エレメント１２０は、グリコールと水の両方を含む二成分混合液体である。任意選択で、第３の音響エレメント１２０は、良好な長期音響安定性を示す任意の液体材料を含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、図２〜図４に示すファントム２０が提供される。ファントム２０は、ケーシング５０に収容された複数の音響エレメント５４を含む。図５などの種々の実施形態では、たとえば、ファントム２０は、ＱＵＳ装置２２内に配されたときに１対の袋１４０が送信トランスデューサアレイ２４と受信トランスデューサアレイ２６の間にファントム２０を固定するように置かれる。より具体的には、ファントム２０をＱＵＳ装置２２内に置くために、１対の袋１４０は、各袋１４０が少なくとも一部分はそれぞれ、好ましくは円錐形の、端部部分５８および６０の１つに延びるように膨張される。袋１４０は膨張可能であり、送信トランスデューサアレイ２４、ファントム２０、および受信トランスデューサアレイ２６の間の音響結合を改善するために、その中に配設された音響結合流体も有することができることに留意されたい。
【００３０】
ケーシング５０はそれぞれの袋１４０を受け入れるために、１つまたは複数の、ここでも少なくとも一実施形態では好ましくは円錐形の、端部部分５８および６０を含むが、ケーシング５０ならびに端部部分５８および６０はまた、必要に応じておよび／または所望に応じて他の形状およびサイズに成形することができることにも留意されたい。たとえば、ケーシング５０は、特定のＱＵＳ装置２２に嵌入するような形状およびサイズに成形することができる。加えて、ケーシング５０は、ファントム２０があるＱＵＳ装置２２に嵌入するが、他のＱＵＳ装置２２には嵌入しないような形状およびサイズに成形することができる。
【００３１】
ファントム２０の種々の構成要素は、本明細書において説明するいくつかの音響学的性質などの、あるタイプの骨またはいくつかの性質の骨を模倣するように変更または構成されることができる。いくつかの実施形態では、ファントム２０は、３つの異なる音響エレメント５４を含む。この３つの異なる音響エレメント５４は、金属エレメント１００と、非金属エレメント１０２と、流体エレメント１２０とを含む。３つのタイプの音響エレメント５４を組み合わせることによって、ファントム２０は人体の特定の骨の音波伝播速度、ＢＵＡ、および音響波の減衰を模倣することができる。音響エレメント５４の組合せは、所定の温度範囲にわたってファントム２０を安定させるように調整または微調整することができる。本明細書において説明するファントム２０は、いくつかのタイプの固体材料と、液体材料とを含み、これらを組み合わせると、より長期間、より大きな温度の変動にわたってファントム２０を安定させる。固体の音響材料の直径、量、および／または厚さは、ファントム２０が特定の人骨をより正確に模倣できるように変更することができる。たとえば、単一のファントム２０に設置された固体の音響材料１００および１０２のそれぞれの直径、量、および／または厚さは、考えられうる人間の測定値範囲を包含し人間の音響学的性質を模倣するように選択される。金属エレメントおよび／または非金属エレメント１０２の性質を変更することによって、ファントム２０は、ファントム２０を通る超音波伝播速度を増加または減少させ、それにより骨および骨を取り巻く組織を含めて、特に足の特定の音響的性質を模倣するように調整されることができる。
【００３２】
種々の実施形態は、任意のタイプのＱＵＳ装置と共に使用するためのファントムを提供し、異なる骨または身体の一部分をシミュレートするために使用されることができる。たとえば、図６および図７に示すように、ＱＵＳ装置は、その中に踵を受け入れるように構成された受け入れ部分２０２と脚の背面を支持するための支持部材２０４とを有する超音波測定器２００とすることができる。ディスプレイ２０６も提供することができる。超音波測定器２００は、たとえば、本明細書において説明するファントムの種々の実施形態が受け入れ部分２０２内に挿入され、その中に透過された超音波パルスを、踵を模倣するように変更するように動作するＡｃｈｉｌｌｅｓ超音波測定器とすることができる。
【００３３】
したがって、本発明の種々の実施形態は、たとえば、飛行時間およびＢＵＡの１つまたは複数の値を変化させて、たとえば人間の踵の骨に近づけることによって、骨の音響学的性質をシミュレートするファントムを提供する。シミュレートされた性質によって、骨と類似した音響特性が得られる。いくつかの実施形態では、シミュレートされた性質は、金属エレメント１００および／または非金属エレメント１０２のサイズおよび／または形状を変更することによって調整されることができることに留意されたい。他の実施形態では、ファントム２０内の金属エレメント１００および／または非金属エレメント１０２の量を増加または減少させることによって、種々のタイプの骨質をシミュレートすることができる。
【００３４】
上記の説明は例示的なものであり、限定的なものではないことを理解されたい。たとえば、上記実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。さらに、実施形態の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の種々の実施形態の教示に適合させるように、多くの修正を加えることができる。本明細書で説明する材料の寸法およびタイプは本発明の種々の実施形態のパラメータを定義するものであり、実施形態は決して限定的なものではなく、例示的な実施形態である。上記の説明を検討する際に当業者には多くの他の実施形態が明らかになるであろう。したがって、特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の全範囲と共に添付の特許請求の範囲を参照して、本発明の種々の実施形態の範囲を決定すべきである。添付の特許請求の範囲では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」は、各用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」と等価の平易な英語として用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲では、用語「ｆｉｒｓｔ（第１の）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２の）」、および「ｔｈｉｒｄ（第３の）」などは、単にラベルとして用いられ、対象物に数の要件を課すことを意図したものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、このような特許請求の範囲の限定が、フレーズ「のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」の後にさらなる構造のない機能の表現を続けて明確に使用しない限り、米国特許法第１１２条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２）第６段落に基づいて解釈すべきものではない。
【００３５】
この書面による説明は、いくつかの例を用いて、最良の形態を含む本発明の種々の実施形態を開示し、また任意の装置またはシステムを作製および使用するステップと、組み込まれた任意の方法を実施するステップとを含む本発明の種々の実施形態を、当業者が実施できるようにしてある。本発明の種々の実施形態の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言葉と相違ない構造上の要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言葉とは事実上差がない等価の構造上の要素を含む場合は、特許請求の範囲内に包含されることが意図される。
【符号の説明】
【００３６】
２０ ファントム
２２ ＱＵＳ装置
２４ 送信トランスデューサアレイ
２６ 受信トランスデューサアレイ
５０ ケーシング
５２ 中空内部
５４ 音響エレメント
５６ 本体部分
５８ 端部部分
６０ 端部部分
６２ 内径
７０ 本体部分の第１の端部
７２ 本体部分の第２の端部
７４ 第１の端部
７６ 第２の端部
８０ 直径
８２ 直径
１００ 金属エレメント
１０２ 非金属エレメント
１１０ 外径
１１１ 金属エレメント
１１２ 厚さ
１１３ 外径
１１４ 外径
１１５ 金属エレメント
１１７ 外径
１１９ 厚さ
１２０ 混合液体
１３０ シール
１３２ シール
１４０ １対の袋
２００ 超音波測定器
２０２ 受け入れ部分
２０４ 支持部材
２０６ ディスプレイ
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題は、一般に医療診断システムに関し、より詳細には定量的超音波法（ＱＵＳ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波密度計および超音波測定器(ultrasonometer)などのＱＵＳ装置は、超音波を使用して骨の健全性(bone integrity)を測定する。ＱＵＳ装置を検証することは、適切な診断を可能にする適切な測定を確実に継続するための重要な仕事である。ＱＵＳ装置は、骨粗鬆症の進行の評価または治療の監視を適切に行うために、長期にわたって安定した状態を保たなければならない。したがって、飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）とも呼ばれる超音波伝播速度（ＳＯＳ）および超音波減衰係数（ＢＵＡ）などの測定パラメータを長期間、適切に測定する必要がある。
【０００３】
ＱＵＳ装置の安定性を監視するためにＱＵＳファントムが使用される。従来のＱＵＳファントムは、信号を減衰させるために、水など、安定性があり特徴のはっきりした液体を使用する。他の従来のＱＵＳファントムは、既知の超音波特性を有するゴムなどの固体材料を使用する。これらのＱＵＳファントムのいずれでも、骨形態計測のシミュレーションは満足できるものではない。したがって、ＱＵＳ装置からの音波とファントムの相互作用は骨を模倣せず、その結果、シミュレーションがあまり正確でない場合がある。加えて、水などの液体はあまり減衰性のものではなく、その結果、ＱＵＳ装置は最小電力で動作する。固体のファントムはまた、経年変化作用も有する。たとえば、良好なＢＵＡ特性を有する材料は、典型的には弾性を有する。ＱＵＳファントムに使用される代表的材料の１つはネオプレンである。ネオプレン材料が経年変化するにつれて、材料内の分子間に形成される架橋が多くなる。この架橋により、材料が硬化し、音響学的性質が変化する。材料の硬度の変化によって、長期監視に関するＱＵＳファントムの有用性が低下する。さらに、水のＱＵＳファントムも固体のＱＵＳファントムも、温度誘起ドリフトすなわち値の変化を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６６３５４８６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によれば、定量的超音波法装置用ファントムが提供される。このファントムは、中空ケーシングと、この中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメントと、中空ケーシング内に配設され、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変える第２の音響エレメントとを含み、第２の音響エレメントが、第１の音響エレメントと同一線上に配設される。
【０００６】
別の実施形態によれば、定量的超音波法装置用ファントムが提供される。このファントムは、中空ケーシングと、この中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする複数の金属の音響エレメントと、中空ケーシング内に配設され、そのうちの少なくとも１つは１対の金属の音響エレメントの間に配設され、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変えるように構成された複数の非金属の音響エレメントと、中空ケーシング内に配設され、第１の音響エレメントと第２の音響エレメントの間に音響結合剤を形成し、グリコールおよび水からなる二成分混合液体を備える第３の音響エレメントとを含む。好ましい一実施形態では、第３の音響エレメントは、金属エレメントおよび非金属エレメントの温度依存性の変化を補償するように構成することができる。
【０００７】
他の実施形態によれば、定量的超音波法装置用ファントムを製造する方法が提供される。この方法は、模倣対象の骨の１つまたは複数の音響学的性質を決定する段階と、模倣対象の骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメントを中空ケーシング内に設置する段階と、ファントムを通って送信された超音波信号の速度を変える第２の音響エレメントを中空ケーシング内に設置する段階とを含み、第２の音響エレメントは第１の音響エレメントと同一線上に配設される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】種々の実施形態によって構築された、定量的超音波法（ＱＵＳ）装置と共に使用するためのファントムを示す簡略化したブロック図である。
【図２】種々の実施形態によって構築された、例示的なファントムの絵画図である。
【図３】図２に示すファントムの端面図である。
【図４】図２および図３に示すファントムの分解組立図である。
【図５】例示的なＱＵＳ装置に設置された、図２〜図４に示す例示的なファントムの絵画図である。
【図６】種々の実施形態によるファントムと共に使用可能なＱＵＳ装置の斜視図である。
【図７】種々の実施形態によるファントムと共に使用可能なＱＵＳ装置の別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
前述の概要、ならびにいくつかの実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面と併せ読めば、さらによく理解されるであろう。図面が種々の実施形態の機能ブロック図を示す限りにおいて、その機能ブロックは、必ずしもハードウェア回路間の区分を示すわけではない。機能ブロック（たとえば、プロセッサまたはメモリ）のうちの１つまたは複数は、１つのハードウェア（たとえば、汎用信号プロセッサまたはランダムアクセスメモリ、ハードディスクなど）で実施されてもよいし、複数のハードウェアで実施されてもよい。同様に、プログラムは、スタンドアロンプログラムであってもよいし、オペレーティングシステムにサブルーチンとして組み込まれていてもよいし、インストールされているソフトウェアパッケージの機能などであってもよい。種々の実施形態は、図面に示された構成および手段に限定されないことを理解されたい。
【００１０】
本明細書で使用される場合、単数形で列挙され単語「ａ」または「ａｎ」が前に付された要素またはステップは、除外が明記されない限り、前記要素またはステップの複数形を除外しないものとして理解されたい。さらに、「一実施形態」の言及は、列挙した特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図するものではない。さらに、別に明記されない場合は、特定の特徴を有する単一の要素または複数の要素を「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」実施形態は、その特徴を有しないそのような要素をさらに含むことができる。
【００１１】
超音波骨密度計または超音波測定器などの定量的超音波法（ＱＵＳ）装置と共に使用するためのファントムの例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。種々の実施形態は、ＱＵＳ装置の超音波送信機と超音波受信機の間の超音波パルスを変更できるファントムを提供する。このファントムは、骨を模倣する。ファントムは、種々の骨を模倣するように変更することができる。ファントムは、任意のＱＵＳ装置、たとえばＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅから入手可能なＬｕｎａｒ Ａｃｈｉｌｌｉｅｓ超音波測定器、または他の超音波骨密度計と共に使用することができる。
【００１２】
具体的には、図１に示すように、本発明の種々の実施形態は、骨の性質または特性、たとえば、人間の踵の骨（踵骨とも呼ばれる）の音響学的性質を模倣するように構成されたファントム２０を提供する。ファントム２０は、たとえばＱＵＳ装置２２の動作を検証または検査するために、ＱＵＳ装置２２と共に使用することができる。種々の実施形態では、ＱＵＳ装置２２は、送信トランスデューサアレイ２４と、受信トランスデューサアレイ２６とを含み、それらの間にファントム２０が設けられている。より具体的には、ファントム２０は、送信トランスデューサアレイ２４と受信トランスデューサアレイ２６の間の超音波経路に設けられる。送信トランスデューサアレイ２４および受信トランスデューサアレイ２６は、１つまたは複数のトランスデューサエレメントを含むことができることに留意されたい。
【００１３】
ＱＵＳ装置２２による超音波パルスの送信および受信は、対象物、たとえば、送信トランスデューサアレイ２４と受信トランスデューサアレイ２６の間に置かれた人間の踵の骨の物理的性質を測定するために使用される。たとえば、ＱＵＳ装置２２は、対象物の健全性および／または密度を測定するように構成される。具体的には、ＱＵＳ装置２２は、送信トランスデューサアレイ２４および受信トランスデューサアレイ２６を使用して、対象物を通る相対的な透過時間（飛行時間または超音波伝播速度とも呼ばれる）および／または相対的な超音波減衰係数（ＢＵＡ）を比較することにより、対象物の物理的性質および／または健全性を決定することができる。
【００１４】
したがって、種々の実施形態におけるファントム２０は、超音波信号を変えるまたは変更することによって、音響学的性質などの、骨のいくつかの特性または性質を模倣する。この超音波信号は、送信トランスデューサアレイ２４から送信された１つまたは複数のパルスとすることができる。信号を変更した結果、受信トランスデューサアレイ２６は、たとえば飛行時間またはＢＵＡに関して変更された信号を受信する。信号は既知の値を使用して変更されているので、既知の値と比較すると、ＱＵＳ装置２２を正確さに関して検査または検証することができる。したがって、ファントム２０は、ＱＵＳ装置２２によって使用される超音波パルスを変更するように動作して、特定の質、特性、または性質を有する骨、たとえば健康な骨または骨粗鬆症の骨を模倣する。一例として、（本明細書において、より詳細に説明するように）超音波パルスがファントム２０を通過して、変更された超音波を生じさせるので、飛行時間または超音波パルスの減衰は、超音波パルスを変えることによって変化することができる。変更された超音波により、ＱＵＳ装置２２で、ファントム２０が模倣している特定の骨密度または健全性の期待値が測定されたかどうかを決定することが可能になる。
【００１５】
図２は、図１に示す例示的なファントム２０の絵画図である。図３は、図２に示すファントム２０の端面図である。図２に示すファントム２０は、円筒状ケーシング５０を含む。この円筒状ケーシング５０は、超音波音に対する人間の所定の骨の反応をシミュレートする複数の音響エレメント５４を受け入れるように構成された中空内部５２を画定する。例示的な実施形態では、ファントム２０は、人体の踵骨を模倣するように構成される。ただし、音響エレメント５４は、本明細書において説明するＱＵＳ装置２２を使用して撮像される他の骨の反応を模倣するように再構成できることを理解されたい。
【００１６】
図２に示すように、ケーシング５０は、円筒形状を有する本体部分５６と、この本体部分５６の一部に結合されたかまたはこれを形成する２つの中空の端部部分５８および６０とを含む。端部部分５８および６０は、特に必要に応じておよび／または所与の適用例で求められる、任意の所望の形状（たとえば、代表として示された、外側にラッパ状に広がるものなど）とすることができる。例示的な実施形態では、端部部分５８および６０は、本体部分５６と一体的に形成される。具体的には、例示的な実施形態では、ケーシング５０は、本体部分５６と、２つの端部部分５８および６０とを両方含む一体成形構造である。例示的な実施形態では、ケーシング５０は、プラスチック材料を使用して製造される。任意選択で、ケーシング５０は他の材料から製造されることができる。
【００１７】
図３に示すように、本体部分５６の中空内部５２は直径６２を有する。直径６２は、約１．７５インチ〜約２．７５インチ、つまり約２．０インチである。例示的な実施形態では、中空内部５２の直径６２は、約２．０インチ〜約２．５インチである。再び図２を参照すると、本体部分５６は、第１の端部７０と、対向する端部７２とを含む。第１の端部７０は端部部分５８に結合されるか、またはこれと一体的に形成され、第２の端部７２は端部部分６０に結合されるか、またはこれと一体的に形成される。
【００１８】
より具体的には、端部部分５８および６０はそれぞれ、本体部分の第１の端部７０および／または第２の端部７２にそれぞれ結合されるか、またはこれと一体的に形成される第１の端部７４を含む。端部部分５８および６０はそれぞれ、第２の端部７６も含む。例示的な実施形態では、第１の端部７４は、本体部分５６の内径６２にほぼ等しい直径８０を有する。さらに、第２の端部７６はそれぞれ、以下により詳細に述べるように撮像中にＱＵＳ装置２２内でファントム２０を固定するために膨張可能な袋（ｂｌａｄｄｅｒ）を少なくとも一部分はその中に受け入れ可能なサイズに成形される直径８２を有する。
【００１９】
図４は、図２および図３に示すファントム２０の分解組立図である。上述したように、ファントム２０は、超音波音に対する人間の所定の骨の反応をシミュレートするように構成された複数の音響エレメント５４を含む。例示的な実施形態では、音響エレメント５４は、送信トランスデューサアレイ２４および受信トランスデューサアレイ２６を使用して、ファントム２０を通過する相対的な透過時間（飛行時間または超音波伝播速度とも呼ばれる）および／または相対的な超音波減衰係数（ＢＵＡ）を比較することにより、ＱＵＳ装置２２がファントム２０の物理的性質および／または健全性を正確に決定できるように選択され、ファントム本体５０内に配置される。より具体的には、ＱＵＳ装置２０は、ファントム２０の超音波減衰特性を測定し、この超音波減衰特性を骨密度の間接的な評価として使用する。したがって、ファントム２０内に配設された材料のサイズ、厚さ、およびタイプは、健康な踵骨もしくは骨粗鬆症の踵骨、または健康な骨と骨粗鬆症の骨の範囲の骨を模倣するように選択することができる。
【００２０】
複数の音響エレメント５４は、少なくとも１つの金属エレメント１００と、少なくとも１つの非金属エレメント１０２とを含む。例示的な実施形態では、本明細書において説明する音響エレメント５４は、踵骨を模倣するように配置され、複数の金属エレメント１００と、複数の非金属エレメント１０２とを含む。図４に示すように、それぞれの非金属エレメント１０２は、１対の金属エレメント１００の間に配設される。任意選択で、それぞれの金属エレメント１００は、１対の非金属エレメント１０２の間に配設される。例示的な実施形態では、非金属エレメント１０２は、直線的にまたは金属エレメント１００と同一線上に配設され、それにより、ファントム２０を通って送信された超音波が、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の両方を直線的に通過する。
【００２１】
金属エレメント１００は、略円盤形であり、例示的な実施形態では本体部分５６の内径６２と実質的に同等の外径１１０を有する。例示的な実施形態では、ファントム２０は、複数の金属エレメント１００を含む。この複数の金属エレメント１００は、同じ外径６２を有してもよいし、異なる外径を有してもよい。たとえば、図４に示すように、金属エレメント１１１は外径１１３を有することができ、金属エレメント１１５は外径１１７を有することができる。一実施形態では、金属エレメント１１１の外径１１３は、金属エレメント１１５の外径１１７と実質的に同じである。任意選択で、金属エレメント１１１の外径１１３は、金属エレメント１１５の外径１１７と異なる。例示的な実施形態では、金属エレメント１００の外径１１０は、金属エレメント１００を本体部分５６に挿入できるように、本体部分５６の内径６２よりわずかに小さい。
【００２２】
各金属エレメント１１０は、厚さ１１２も有する。例示的な実施形態では、ファントム２０は、踵骨を模倣するために、それぞれ約１／２インチの厚さ１１２を有する４つの金属エレメント１００を含む。任意選択で、金属エレメント１００の少なくとも１つは、異なる厚さを有することができる。たとえば、図４に示すように、金属エレメント１１１は厚さ１１２を有し、金属エレメント１１５は厚さ１１９を有する。一実施形態では、金属エレメント１１１の厚さ１１２は、金属エレメント１１５の厚さ１１９と実質的に同じである。任意選択で、金属エレメント１１１の厚さ１１２は、金属エレメント１１５の厚さ１１９と異なる。金属エレメント１００の直径および厚さは、ファントム２０によって模倣される骨と同じであってもよいし、異なってもよいことを理解されたい。
【００２３】
例示的な実施形態では、金属エレメント１００は、多孔性金属材料から製造される。たとえば、金属エレメント１００は、所定の多孔率を有するアルミニウムハニカム材料から製造されることができる。例示的な実施形態では、このハニカム材料は、高い容積分率の、気体が充填された孔を有するアルミニウム発泡金属材料である。この発泡材料は、模倣対象の骨に基づいて、独立気泡アルミニウム発泡体でもよいし、連続気泡アルミニウム発泡体でもよい。
【００２４】
金属エレメント１００が典型的な海綿状骨構造を模倣するように、所定の多孔率の金属エレメント１００が選択される。このような典型的な骨構造は、密な膠原組織から構成される海綿骨を含むことができる。典型的な海綿骨のこのような１つの例は骨梁骨である。動作中、金属エレメント１００は、臨床的に対象となる人間の範囲にわたってＢＵＡをシミュレートするように構成される。その範囲、したがって金属エレメント１００の量、サイズ、および厚さは、ファントム２０が模倣するように構成された人骨に基づいて決定される。さらに、金属エレメント１００の量、サイズ、および厚さはまた、状態、たとえば、ファントム２０が模倣するように構成された、健康な人骨または骨粗鬆症の人骨にも基づいて決定される。
【００２５】
複数の音響エレメント５４は、少なくとも１つの非金属エレメント１０２も含む。非金属エレメント１０２は、略円盤形であり、例示的な実施形態では本体部分５６の内径６２と実質的に同等で金属エレメント１００の外径１１０とほぼ同じ外径１１４を有する。例示的な実施形態では、非金属エレメント１０２の外径１１４は、非金属エレメント１０２を本体部分５６に挿入できるように、本体部分５６の内径６２よりわずかに小さいことを理解されたい。例示的な実施形態では、非金属エレメント１０２は、シリコンゴム材料から製造される。非金属エレメント１０２は、ファントム２０を通るＳＯＳが特定の骨の状態、たとえば骨粗鬆症、平均、および／または平均以上、のＢＵＡ値と実質的に一致するために、超音波ビームの超音波伝播速度（ＳＯＳ）を調整するように構成される。より具体的には、非金属エレメント１０２は、非金属エレメント１０２が皮質骨を模倣するようにファントム２０の密度を減少させることによって、超音波伝播速度を微調整するために使用される。したがって、非金属エレメント１０２の直径および厚さは、ファントム２０によって模倣される骨に基づいて、ファントム２０内で同じであってもよいし、異なってもよいことを理解されたい。
【００２６】
動作中、金属エレメント１００は、健康な骨または骨粗鬆症の骨のＢＵＡを模倣するために使用される。ただし、動作中、非金属エレメント１０２を含まないファントム２０を通る超音波伝播速度は余りにも速く、したがって臨床的に対象となる人骨の範囲を超えることがある。したがって、例示的なファントム２０は、音響波を減速させ、したがってファントム２０が臨床的に対象となる人骨の範囲で実施できるように音響ダンパとして機能する少なくとも１つの非金属エレメント１０２を含む。具体的には、音の伝播速度は、健康な骨より健康でない骨の方が速い。したがって、一実施形態では、非金属エレメント１０２の厚さまたは量は、健康な骨をより密接に模倣するように増加することができる。たとえば、非金属エレメントの厚さまたは量を増加させると、ファントム２０を通る超音波伝播速度が低減し、したがって健康な骨をより密接に模倣する。一方、非金属エレメント１０２の厚さまたは量を減少させると、ファントム２０を通る超音波伝播速度が増加し、したがって健康でない骨または骨粗鬆症の骨をより密接に模倣する。
【００２７】
複数の音響エレメント５４は、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の両方をカプセル化するように構成された第３の音響エレメント１２０も含む。より具体的には、組み立て中、シール１３０が本体部分の第１の端部７０に近接して設置される。次に、金属エレメント１００および非金属エレメント１０２がケーシング５０の本体部分５６に挿入される。次いで、本体部分５６の残りの部分が第３の音響エレメント１２０で充填され、第２のシール１３２が本体部分の第２の端部７２に近接して設置される。シール１３０および１３２は、金属エレメント１００および非金属エレメント１０２を本体部分５６内に固定し、種々の実施形態では、第３の音響エレメント１２０が本体部分５６から漏れるのも防ぐ。
【００２８】
例示的な実施形態では、第３の音響エレメント１２０は、ケーシング５０内の任意の空隙を充填することによって、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の両方をカプセル化する。第３の音響エレメント１２０はまた、金属エレメント１００と非金属エレメント１０２の間に音響結合剤を形成する。さらに、第３の音響エレメント１２０はまた、金属エレメント１００および非金属エレメント１０２のどんな温度依存性の変化をも補償するように構成される。例示的な実施形態では、第３の音響エレメント１２０は、グリコールと水の両方を含む二成分混合液体である。任意選択で、第３の音響エレメント１２０は、良好な長期音響安定性を示す任意の液体材料を含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、図２〜図４に示すファントム２０が提供される。ファントム２０は、ケーシング５０に収容された複数の音響エレメント５４を含む。図５などの種々の実施形態では、たとえば、ファントム２０は、ＱＵＳ装置２２内に配されたときに１対の袋１４０が送信トランスデューサアレイ２４と受信トランスデューサアレイ２６の間にファントム２０を固定するように置かれる。より具体的には、ファントム２０をＱＵＳ装置２２内に置くために、１対の袋１４０は、各袋１４０が少なくとも一部分はそれぞれ、好ましくは円錐形の、端部部分５８および６０の１つに延びるように膨張される。袋１４０は膨張可能であり、送信トランスデューサアレイ２４、ファントム２０、および受信トランスデューサアレイ２６の間の音響結合を改善するために、その中に配設された音響結合流体も有することができることに留意されたい。
【００３０】
ケーシング５０はそれぞれの袋１４０を受け入れるために、１つまたは複数の、ここでも少なくとも一実施形態では好ましくは円錐形の、端部部分５８および６０を含むが、ケーシング５０ならびに端部部分５８および６０はまた、必要に応じておよび／または所望に応じて他の形状およびサイズに成形することができることにも留意されたい。たとえば、ケーシング５０は、特定のＱＵＳ装置２２に嵌入するような形状およびサイズに成形することができる。加えて、ケーシング５０は、ファントム２０があるＱＵＳ装置２２に嵌入するが、他のＱＵＳ装置２２には嵌入しないような形状およびサイズに成形することができる。
【００３１】
ファントム２０の種々の構成要素は、本明細書において説明するいくつかの音響学的性質などの、あるタイプの骨またはいくつかの性質の骨を模倣するように変更または構成されることができる。いくつかの実施形態では、ファントム２０は、３つの異なる音響エレメント５４を含む。この３つの異なる音響エレメント５４は、金属エレメント１００と、非金属エレメント１０２と、流体エレメント１２０とを含む。３つのタイプの音響エレメント５４を組み合わせることによって、ファントム２０は人体の特定の骨の音波伝播速度、ＢＵＡ、および音響波の減衰を模倣することができる。音響エレメント５４の組合せは、所定の温度範囲にわたってファントム２０を安定させるように調整または微調整することができる。本明細書において説明するファントム２０は、いくつかのタイプの固体材料と、液体材料とを含み、これらを組み合わせると、より長期間、より大きな温度の変動にわたってファントム２０を安定させる。固体の音響材料の直径、量、および／または厚さは、ファントム２０が特定の人骨をより正確に模倣できるように変更することができる。たとえば、単一のファントム２０に設置された固体の音響材料１００および１０２のそれぞれの直径、量、および／または厚さは、考えられうる人間の測定値範囲を包含し人間の音響学的性質を模倣するように選択される。金属エレメントおよび／または非金属エレメント１０２の性質を変更することによって、ファントム２０は、ファントム２０を通る超音波伝播速度を増加または減少させ、それにより骨および骨を取り巻く組織を含めて、特に足の特定の音響的性質を模倣するように調整されることができる。
【００３２】
種々の実施形態は、任意のタイプのＱＵＳ装置と共に使用するためのファントムを提供し、異なる骨または身体の一部分をシミュレートするために使用されることができる。たとえば、図６および図７に示すように、ＱＵＳ装置は、その中に踵を受け入れるように構成された受け入れ部分２０２と脚の背面を支持するための支持部材２０４とを有する超音波測定器２００とすることができる。ディスプレイ２０６も提供することができる。超音波測定器２００は、たとえば、本明細書において説明するファントムの種々の実施形態が受け入れ部分２０２内に挿入され、その中に透過された超音波パルスを、踵を模倣するように変更するように動作するＡｃｈｉｌｌｅｓ超音波測定器とすることができる。
【００３３】
したがって、本発明の種々の実施形態は、たとえば、飛行時間およびＢＵＡの１つまたは複数の値を変化させて、たとえば人間の踵の骨に近づけることによって、骨の音響学的性質をシミュレートするファントムを提供する。シミュレートされた性質によって、骨と類似した音響特性が得られる。いくつかの実施形態では、シミュレートされた性質は、金属エレメント１００および／または非金属エレメント１０２のサイズおよび／または形状を変更することによって調整されることができることに留意されたい。他の実施形態では、ファントム２０内の金属エレメント１００および／または非金属エレメント１０２の量を増加または減少させることによって、種々のタイプの骨質をシミュレートすることができる。
【００３４】
上記の説明は例示的なものであり、限定的なものではないことを理解されたい。たとえば、上記実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。さらに、実施形態の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の種々の実施形態の教示に適合させるように、多くの修正を加えることができる。本明細書で説明する材料の寸法およびタイプは本発明の種々の実施形態のパラメータを定義するものであり、実施形態は決して限定的なものではなく、例示的な実施形態である。上記の説明を検討する際に当業者には多くの他の実施形態が明らかになるであろう。したがって、特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の全範囲と共に添付の特許請求の範囲を参照して、本発明の種々の実施形態の範囲を決定すべきである。添付の特許請求の範囲では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」は、各用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」と等価の平易な英語として用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲では、用語「ｆｉｒｓｔ（第１の）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２の）」、および「ｔｈｉｒｄ（第３の）」などは、単にラベルとして用いられ、対象物に数の要件を課すことを意図したものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、このような特許請求の範囲の限定が、フレーズ「のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」の後にさらなる構造のない機能の表現を続けて明確に使用しない限り、米国特許法第１１２条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２）第６段落に基づいて解釈すべきものではない。
【００３５】
この書面による説明は、いくつかの例を用いて、最良の形態を含む本発明の種々の実施形態を開示し、また任意の装置またはシステムを作製および使用するステップと、組み込まれた任意の方法を実施するステップとを含む本発明の種々の実施形態を、当業者が実施できるようにしてある。本発明の種々の実施形態の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言葉と相違ない構造上の要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言葉とは事実上差がない等価の構造上の要素を含む場合は、特許請求の範囲内に包含されることが意図される。
【符号の説明】
【００３６】
２０ ファントム
２２ ＱＵＳ装置
２４ 送信トランスデューサアレイ
２６ 受信トランスデューサアレイ
５０ ケーシング
５２ 中空内部
５４ 音響エレメント
５６ 本体部分
５８ 端部部分
６０ 端部部分
６２ 内径
７０ 本体部分の第１の端部
７２ 本体部分の第２の端部
７４ 第１の端部
７６ 第２の端部
８０ 直径
８２ 直径
１００ 金属エレメント
１０２ 非金属エレメント
１１０ 外径
１１１ 金属エレメント
１１２ 厚さ
１１３ 外径
１１４ 外径
１１５ 金属エレメント
１１７ 外径
１１９ 厚さ
１２０ 混合液体
１３０ シール
１３２ シール
１４０ １対の袋
２００ 超音波測定器
２０２ 受け入れ部分
２０４ 支持部材
２０６ ディスプレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定量的超音波法装置（２２）用のファントム（２０）であって、
中空ケーシング（５０）と、
前記中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメント（１００）と、
前記中空ケーシング内に配設され、前記ファントムを通って送信された超音波信号速度を変えるように構成され、前記第１の音響エレメントと同一線上に配設された第２の音響エレメント（１０２）とを備える定量的超音波法装置（２２）用ファントム（２０）。
【請求項２】
前記中空ケーシング（５０）内に配設され、前記第１の音響エレメント（１００）と前記第２の音響エレメント（１０２）の間に音響結合剤を形成する第３の音響エレメント（１２０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項３】
複数の第１の音響エレメント（１００）と、複数の第２の音響エレメント（１０２）とをさらに備え、前記第１の音響エレメントに前記第２の音響エレメントを交互に挟んだことを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項４】
前記第１の音響エレメント（１００）がアルミニウム円盤を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項５】
前記第１の音響エレメント（１００）が、人骨を模倣するように選択された所定の多孔率を有するアルミニウムハニカム材料を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項６】
前記第２の音響エレメント（１０２）が、シリコンゴム円盤を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項７】
複数の第２の音響エレメント（１０２）をさらに備え、前記第２の音響エレメントの量が前記第１の音響エレメントのＢＵＡと実質的に一致するように選択されることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項８】
前記中空ケーシング（５０）内に配設され、グリコールと水とを含む二成分混合液体を含む第３の音響エレメント（１２０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項９】
前記第１の音響エレメントおよび第２の音響エレメント（１００、１０２）が、踵骨を模倣するように構成されることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項１０】
前記中空ケーシング（５０）が、それぞれ膨張可能な袋（１４０）を少なくとも一部分はその中に受け入れるように構成された１対の円錐形の端部部分（５８、６０）を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項１】
定量的超音波法装置（２２）用のファントム（２０）であって、
中空ケーシング（５０）と、
前記中空ケーシング内に配設され、典型的な骨の超音波減衰係数（ＢＵＡ）をシミュレートする第１の音響エレメント（１００）と、
前記中空ケーシング内に配設され、前記ファントムを通って送信された超音波信号速度を変えるように構成され、前記第１の音響エレメントと同一線上に配設された第２の音響エレメント（１０２）とを備える定量的超音波法装置（２２）用ファントム（２０）。
【請求項２】
前記中空ケーシング（５０）内に配設され、前記第１の音響エレメント（１００）と前記第２の音響エレメント（１０２）の間に音響結合剤を形成する第３の音響エレメント（１２０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項３】
複数の第１の音響エレメント（１００）と、複数の第２の音響エレメント（１０２）とをさらに備え、前記第１の音響エレメントに前記第２の音響エレメントを交互に挟んだことを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項４】
前記第１の音響エレメント（１００）がアルミニウム円盤を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項５】
前記第１の音響エレメント（１００）が、人骨を模倣するように選択された所定の多孔率を有するアルミニウムハニカム材料を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項６】
前記第２の音響エレメント（１０２）が、シリコンゴム円盤を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項７】
複数の第２の音響エレメント（１０２）をさらに備え、前記第２の音響エレメントの量が前記第１の音響エレメントのＢＵＡと実質的に一致するように選択されることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項８】
前記中空ケーシング（５０）内に配設され、グリコールと水とを含む二成分混合液体を含む第３の音響エレメント（１２０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項９】
前記第１の音響エレメントおよび第２の音響エレメント（１００、１０２）が、踵骨を模倣するように構成されることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【請求項１０】
前記中空ケーシング（５０）が、それぞれ膨張可能な袋（１４０）を少なくとも一部分はその中に受け入れるように構成された１対の円錐形の端部部分（５８、６０）を備えることを特徴とする請求項１記載のファントム（２０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−７２７７９（Ｐ２０１１−７２７７９Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１４６５３（Ｐ２０１０−２１４６５３）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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