超音波の臨界角反射測定法を使用する、迅速で正確な骨質の検出
本発明は、伝送器（１２）及び２以上の受信器（１６ａ、１６ｂ）を含む超音波変換器（１０）を使用して標的からの超音波の２以上の臨界角反射値を同時に検出、決定し、そして標的（２４）の弾性係数を計算することにより、標的（２４）の弾力性の係数を決定するための装置、方法及びシステムである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概括的に骨質決定の分野に関し、そして更にとりわけ、皮質及び海綿質に対する、インビボにおける弾性係数の迅速で正確な測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨質の非侵襲的測定の必要性
骨粗鬆症は、非外傷性骨折（最少の外傷を受ける骨折）を受け易い高率の高齢者を伴ない、主要な医学的課題である。骨の強度は骨折の主要な予測因子（ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）である。骨の強度は骨密度及び実験室で測定可能な生体機械的アスペクトの骨質双方により、そして生体においては超音波により決定される。
【０００３】
近年、骨密度は二重（ｄｕａｌ）エネルギーｘ−線吸光光度分析法及びコンピューター補助断層撮影を含む幾つかの方法により測定することができる。疫学的研究から、骨密度は骨格の骨折率と逆相関する。従って、骨折が存在しない場合においても骨粗鬆症と呼ばれる−２．５未満のＴ−評価（又は下部脊柱における正常ピーク値の約７５％未満）により、骨粗鬆症を定義するために骨密度が使用されてきた。
【０００４】
しかし、近年の発見は、骨質の重篤な損傷が起り得る状況を提示した。１９９６年に紹介された「ビスホスホネート」と呼ばれる新規のクラスの薬剤が骨粗鬆症の処置に広範に使用されてきた（非特許文献１参照）。新規の研究により、これらの薬剤は長期間の使用によると、骨質を重篤に損傷し、適当に治癒しない再発性骨折をもたらすことが示唆されている（非特許文献２、３、４及び５参照）。更に、外科的技術及び拒絶を予防する医学的処置の改善により、腎臓移植後に、より多数の患者がより長生きしている。これらの患者は恐らく、ステロイドを摂取することからの欠陥性の骨をもち、そして骨に有害な他の因子を受けるために、骨折の受け易さを増加したことが知られている。これらの臨床的状態は、骨質の目立った減少が起る可能性がある状況を提示した。
【０００５】
骨質を測定する信頼できる方法の必要を強調するもう１つの近年の兆候は、骨密度以外の骨の質が骨粗鬆症における骨折の重要な決定因子であるという認識である。１９９４年に、世界保健機構は骨粗鬆症を骨密度のみに基づいて定義した。２０００年に、「骨粗鬆症に関するＮＩＨ合意会議」は、骨粗鬆症を「骨折の増加したリスクの傾向を有する、欠陥性骨強度を特徴として有する骨格障害」と定義した。
【０００６】
明らかに、インビボで骨の生体機械的性質を信頼性に、迅速にそして非侵襲的に測定することができる装置が必要である。その装置は弾力性及び強度のデータの迅速で、正確でそして恒常的な検出を許さなければならない。更に、自動化され、そして使用者に優しい、データ獲得のためのデザイン、工学技術及びソフトウエアを有するシステムの開発の必要が存在する。最後に、例えば、骨粗鬆症又は他の状態の処置期間中に患者の骨質の情報の状況をモニターするための信頼性で、安価な方法の必要が生じてきた。
【非特許文献１】Ｌｉｂｅｒｍａｎ等、Ｎ．Ｅｎｇｌ．Ｊ．Ｍｅｄ．３３３：１４３７−１４４３，１９９５
【非特許文献２】Ｏｔｔ，Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｅｎｄｏ．Ｍｅｔａｂ．８６：１８３５，２００１
【非特許文献３】Ｐｄｖｉｎａ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３
【非特許文献４】Ｒｉｃｈｅｒ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３
【非特許文献５】Ｌｉ等、Ｃａｌｃ．Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔｅｒｎ．６９：２８１−２８６，２００１
【発明の開示】
【０００７】
本発明の装置、方法及びシステムは患者の手当を改善するために超音波の臨界角反射測定（ＵＣＲ）を使用する。本発明はＵＣＲを使用して、骨の弾性係数を計算し、それにより先行装置におけるより実際的で、迅速な骨質の測定を可能にする。本発明はまた、当該方法を拡大して、六方向に対称的であると仮定される骨の異方性を明白に考慮に入れる。異方性は最大及び最少弾性係数を測定することにより計算することができる。装置は骨の多数の部位で測定値を収集するようになっており、それぞれの部位で、皮質（ｃｏｒｔｉｃａｌ ｂｏｎｅ）及び海綿質（ｔｒａｂｅｃｕｌａｒ ｂｏｎｅ）を弾性係数及び異方性につき別々に分析することができる。装置の不可欠部分は骨に対する「法線の」（骨の表面に垂直な測定装置の配置）迅速な決定を可能にし、そして異なる方向におけるスペクトルの測定を自動化するように構成された特有のデザインのロボットガントリーである。骨に対する法線は、それが角度システム中の最初の角度（度）を表わし、従って測定の精度を支配するので、かなりの精度を伴なって決定しなければならない。このガントリーを使用して、法線が一旦決定されると、回転軸として法線を使用してヘッドを回転して、異なる方向のスペクトルを得ることができる。この活動は今や迅速で、自動化されている。装置のサイズは同定の部位のために製造されると、同様な基礎的特徴物を包含しながらより小型にすることができる。
【０００８】
１態様において、本発明は、少なくとも１基の超音波伝送器並びに、そこで受信器アレーが標的からの反射超音波エネルギーを同時に検出する、伝送器と焦点を共有する同軸アークに沿ってアレーに配列された２以上の受信器要素を備える変換器である。変換器は少なくとも一次元で凹面である伝送器及び／又は少なくとも一次元で凹面のアレーを形成する２以上の受信器、並びに／あるいは１基の伝送器及び、凹面で、例えば、共通の焦点の周囲に同軸である２以上の受信器を備えることができる。変換器は奇数もしくは偶数の受信器要素又は、１を超える受信器、例えば、２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４、１２８もしくはそれを超える独立の受信器を備えることができる。１態様において、２以上の受信器はハウジング内に配置された少なくとも１基の伝送器及び４８−要素の受信器のアレーを備える受信アレーシステムを形成し、そこで受信器アレーが伝送器の焦点の又はその周囲の検査地点から１２０度にわたり超音波の速度を同時に測定する。伝送器及び少なくとも２基の受信器のためのハウジングは伝送器及び受信器の焦点又はその周囲に少なくとも１個の開口部をもつ。
【０００９】
１態様において、変換器は伝送器及び少なくとも２基の受信器のためのハウジングを備え、そこでハウジングが少なくとも１個の開口部、ハウジングの開口部の又はその周囲のラテックスの膜及びハウジング内の超音波伝導性物質を有する。１態様において、超音波伝導性物質は水、生理食塩水等を含むことができる。変換器は、変換器の運動が検査地点上の装置の正確な配置を可能にする、変換器に接続された、コンピューターにより制御される配置アームを更に含む超音波システムの部分であることができる。変換器はまた、超音波伝導性物質と連絡した圧力検出装置を備えることができ、次にこのシステムがラテックスの膜を破損する可能性があるハウジング内の圧力の上昇を検出することができる。コンピューターは変換器の伝送器及び受信器に接続することができ、ここで当該コンピューターは、各角度において各受信器から１以上の反射スペクトルを集めて、そのスペクトルから、検査されている骨の皮質成分及び海綿質成分に対する臨界角を計算する少なくとも１個のコードセグメントを含む。コンピューターは更に、獲得されたデータから、臨界角速度を決定し、そしてそれらを少なくとも２個の主要な弾性係数の決定のための一次−二次方程式に当てはめる少なくとも１コードセグメントを含むことができる。
【００１０】
本発明の更にもう１つの態様は、少なくとも１基の超音波伝送器及び、伝送器と同軸で、焦点を共有する受信器のアレーを備える変換器であり、ここで受信器のアレーは多数の角度で、標的からの反射超音波エネルギーを同時に検出する。変換器は、皮質及び海綿質の弾性係数を決定するために、例えば、骨粗鬆症のための骨の処置治療を受けている骨からの反射スペクトルを決定するために使用することができ、そして次に外側の硬い骨及び内側の海綿状の骨の、骨異方性を計算するために使用することができる圧力波を検出する。臨界角速度は例えば、ビスホスホネート、ステロイド及び他の治療薬による処置期間中の、骨の改善又は変性を追跡するために使用することができる骨の質及び強度のデータと相関する少なくとも２種の主要な弾力性の係数を決定するために使用することができる。
【００１１】
本発明はまた、骨の特性の期待される変動に対して十分な角度のスペクトルに対して作動する１基の伝送器及び２以上の受信器を備える超音波変換器を使用して、標的からの超音波の２以上の臨界角反射値を同時に検出し、そして標的の弾性係数を計算する段階を含んでなる、標的の弾性係数を決定する方法を含む。本明細書における臨界角度及び振幅の測定方法は先行特許（米国特許第５，０３８，７８７号明細書）に記載された。標的は例えば、骨粗鬆症をもつことが疑われ得るヒトからの骨であることができる。方法は更に、骨粗鬆症予防薬（例えば、ビスホスホネート、その塩又はそれらの混合物、エストローゲン、エストローゲン類似体又は選択的エストローゲン受容体変調剤、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ又はカルシトニン）又は骨喪失を誘起することが知られている薬剤（例えば、ステロイド及び抗痙攣剤）で処置されている、骨粗鬆症をもつことが知られている又はそれを疑われるヒトにおける疾患の進行の決定を含むことができる。本発明は非侵襲的である変換器の使用を含む。本発明は超音波変換器から、多数の方向で検出される値を使用して、固定位置における骨の固有の方向に対する臨界角度から決定される音速の二乗として計算される、弾性係数を決定するために使用することができる。最大弾性係数及び最小弾性係数を使用して、標的の異方性の度合い（例えば、骨異方性）を迅速で自動化された方法で予測することができる。より信頼できる結果を得るために、本明細書に開示される装置、方法及びシステムはまた、標的に対する変換器の法線を迅速に、恒常的に決定するための自動化アームの使用を含む。データ処理及び計算はまた、例えば、２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８個の受信器からの同時の（ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｏｒ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ）検出により更に効率的にすることができる。
【００１２】
伝送器と同軸の２個以上の受信器における超音波の臨界角反射値はまた、更なる分析のために検出し、保存し、表示しそして／又は印刷することができる。従って、本発明の方法はまた、異なる時点の超音波の検出された臨界角反射値を保存し、そして経時的に標的の弾性係数の変化を追跡するために測定値を比較することを含むことができる。
【００１３】
本発明はまた、１以上の伝送器及び２以上の受信器をもつ超音波変換器を使用して骨に向けた超音波の反射の２以上の臨界角を同時に検出し、２以上の各受信器で検出された値を使用して固定位置における骨の固有の方向に対する音速の二乗として骨の弾性係数を決定し、そして弾性係数から骨の異方性を計算する段階を含んでなる、骨粗鬆症の治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定するために使用することができる。本明細書に開示された装置、方法及びシステムはまた、ビスホスホネート又はその誘導体による処置の前に又はそれと同時に２以上の受信器における超音波の第１の検出臨界角反射値を保存し、一定の期間後に２以上の受信器における超音波の第２の検出臨界角反射値を保存し、そして、第１及び第２の測定値を比較して、ビスホスホネート又はその誘導体による処置期間中の骨の弾性係数の変化を追跡する段階を含むことができる。骨の皮質領域及び海綿質領域の最大弾性係数及び最小弾性係数の検出及び計算は、ビスホスホネートによる患者の処置前及びその期間中にインビボで骨の異方性を予測するために、そして処置に有効に反応しない又は処置に否定的に反応する患者に対してはこれらの患者を同定し
、そして更なる損傷の前に処置を変更するために使用することができる。本発明は非侵襲的な方法で、例えば、患者に踵で患者の骨の皮質、海綿質の弾力性及び異方性の決定を可能にする。獲得され、保存されそして／又は処理されたデータを使用して、使用者は骨の異方性（皮質領域及び海綿質領域の最大弾性係数及び最小弾性係数を決定することにより）を計算することができ、そこで測定値は体重担持骨及び体重非担持骨それぞれの軸に対応する。この装置により追跡される処置はまた、骨粗鬆症を処置するために使用される他の薬剤（例えば、エストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニン）又は骨喪失を誘起することができる薬剤（例えば、ステロイド及び抗痙攣剤）を含むことができる。この装置はまた、損傷した骨質を有することが疑われる疾患又は状態（例えば、パジェット病及び運動不足）を追跡するために使用することができる。
【００１４】
本発明はまた多数の角度で同時にそして自動的に超音波速度を検出するコンピューターにより制御される超音波臨界角反射測定変換器、超音波変換器を支持する三次元の運動を可能にする接合（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）アーム及び、超音波変換器からの臨界角反射測定データを計算するために超音波変換器からの信号を受信するように接続され、受信することができるコンピューターを含む、骨の異方性を測定するためのシステムを含む。コンピューターは三次元で変換器の位置を指示する接合アームの１以上の制御装置に接続されている。変換器は骨粗鬆症を罹患している又はそれをもつことが疑われるヒトからの骨の弾性係数、例えば、ビスホスホネート又はステロイドで処置された骨粗鬆症を罹患している又はそれをもつことが疑われるヒトの骨の弾性係数を測定するために使用することができる。コンピューターはＵＣＲにより決定されるような超音波の速度から弾性係数を決定し、そして／又は最大弾性係数及び最小弾性係数を計算して、標的の異方性度合いを予測することができる。本システムのコンピューターはデータを使用して、更に、最大弾性係数及び最小弾性係数を計算して、骨の異方性度合いを予測することができる。迅速で恒常的な結果を伴なって骨の異方性の決定を自動化するために、本発明のコンピューターは標的に対する変換器の法線の決定を自動化する。コンピューターは異なる時点における超音波の臨界角反射の値を保存し、比較すらし、そして、第１及び第２の時点における患者の異方性の第１及び第２の値を保存することにより処置の、骨異方性に対する効果のみならずまた、第１及び第２の時点における患者の弾性係数に対する第１及び第２の値を保存することにより、骨粗鬆症に対する治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する効果を示す、使用者に優しい出力を使用者に提供することができる。
【００１５】
更にもう１つの態様において、本発明のシステムは第１及び第２の時点の患者の弾性係数の第１及び第２の値を保存することにより、骨粗鬆症のビスホスホネート治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する効果を決定し、そして更に最大及び最小弾性係数から計算される骨異方性の値に対する処置の効果を追跡する。処置は骨粗鬆症を誘起する可能性があるもののみならずまた、骨粗鬆症のために使用される他の薬剤であることができる。
【００１６】
更にとりわけ、本発明は全反射角度にわたりほとんど瞬間的な測定を可能にする、注文設計される変換器ヘッドを含む。ヘッドは弾性の曲げ易い接合面（検査下の骨組織上に配置される）を伴なう防水囲い物内に封入された２個の超音波要素を備える。１態様において、単一要素の伝送器及び４８−要素の受信器のアレーは別個である。双方とも、１２０度の範囲にわたる、異なる半径をもつが共通軸をもつ直円柱の部分である。軸の部分の中点は変換器の名目上の中心である。水で充填され、変換器の共通の中心が窓を越えて約１．５ｃｍ突き出すような形態のラテックス膜により覆われた窓中で終結する防水の硬い容器内に固定された構造で固定されている。操作時には、液体は重力により制御される僅かな圧力下にあり（支持土台上の変換器ヘッドより僅かに高い高度に配置された水のレザボアを使用することにより）、そしてラテックス膜は窓枠を越えて少なくとも０．５ｃｍ膨
張する。膨らみが患者の皮膚（検査されている骨の上にある）と接すると、変換器の中心は深部の皮膚の下方に推定される仮想地点である。
【００１７】
配置アームは平行四辺形のような形状の２部分（１つは土台に固定され、１つは変換器ヘッドを支持する）を含むパンタグラフである。アームは土台に固定されたモーターにより垂直及び水平に（３自由度）動かすことができる。アームは変換器ヘッドが変換器の中心と同一の固定地点の周囲を回転するように関節をなす（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）。この幾何学的特性が回転角度Ψの２個の相互に直交する値における傾斜角Φ及びθを変えることにより法線を決定することを可能にする。このようにして、変換器ヘッドの軸は固定地点で骨に対する法線と一致するように２自由度をもって回転することができ、変換器ヘッドは骨の表面に沿った任意の方向を採るようにその軸の周囲を角度Ψだけ回転することができる。
【００１８】
検査中に、オペレーターは問題の部位（検査されている骨組織）上に変換器ヘッドを配置し、そして変換器ヘッドは変換器の中心が研究下の骨の表面にくるまで、コンピューター制御装置を使用して、アームの精細な、ミリメーター未満の段階を使用してオペレーターにより前進される。踵に対しては、この前進は０．５〜１．０ｃｍに限定され、患者の皮膚は柔軟な膜との接触を維持し、枠又は硬い表面のどんな他の要素とも接触しない。過剰な圧力（例えば、測定されている足の突然の運動から起る可能性がある）は前進を停止させ、ヘッドを引っ込めさせる。伝送器により単一の（集中する（ｉｍｐｌｏｄｉｎｇ）円筒状の）波が放射され、そして各受信要素が受信アレーの連続的要素として操作により決定される一組の反射角にわたり、反射される振幅を検出する。臨界角βｃはこの分布（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）中の最大値に対応する。次に速度ＶはＶ＝Ｖｃ／Ｓｉｎβｃにより与えられ、ここでＶｃは検定溶媒（水）中の音速である。各方向Ψに対してＶの異なる値Ｖ（Ψ）が得られる。骨は固有の六方向に対称性を有するので、分布は推測的にＶ（Ψ）＝ＡＣｏｓ４Ψ＋ＢＣｏｓ２Ψ＋Ｃであることが決定される。古典的な教科書の標記法においては、これらは剛性マトリックスのエレメント｛Ｃ｝に関してＡ＝Ｃ１１＋Ｃ３３−ｋ、Ｂ＝ｋ−２Ｃ１１、Ｃ＝Ｃ１１そしてｋ＝２（Ｃ１３＋２Ｃ４４）として表わされる。本発明は２個の主要な係数、Ｅｍｉｎ＝Ｃ（＝Ｃ１１）及びＥｍａｘ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ（＝Ｃ３３）の決定を可能にする。これらの係数はその機械的特性を映す骨の固有の特性である。
【００１９】
従って、このＵＣＲ変換器及びシステムの重要な発明物は：（ａ）散乱角度の全スペクトルにわたり臨界角速度の同時測定を可能にする、単一の伝送器及び複数の受信器要素、例えば、４８−受信器要素の「デュアルアレー」システム、（ｂ）検査されている骨組織の部位上の変換器ヘッドの、骨に対する法線に沿った正確は配置及び整列を可能にする運動を自然に取り入れるように製作されたロボットアーム、（ｃ）水浴中への骨組織の浸漬を回避する、変換器ヘッド中に水を含むラテックス膜の使用、（ｄ）膜（変換器内部に超音波伝導性物質を封入する）又は患者上に形成する過剰圧力を防止する特別な工学的特徴物、（ｅ）各角度における反射波トレインの測定値から反射スペクトルを得、そしてそのスペクトルから皮質及び海綿質に対する臨界角を引き出すためのデータ獲得ソフトウエア並びに（ｆ）各角度Ψの臨界角速度Ｖを決定し、次に２個の主要弾性係数を決定するために角度ΨのＣｏｓ２にＶ２を関連付ける一次−二次方程式にそのデータを当てはめるための特別の後処理ソフトウエアである。
【００２０】
本発明の装置、方法及びシステムは例えば、より正確なそして反復可能な測定のための、変換器に対する「法線の」ベクトルの簡単で迅速な決定を可能にする。本発明は変換器の方向に左右されることが少なく、音響信号の速度の同時の自動化された検出を可能にする。更に、本システムは弾性係数の迅速な、自動化されたそして早い決定を可能にし、従って初めて、異方性の計算を可能にする。本明細書に開示の変換器、方法及びシステムを
使用して、完全自動化を伴なう、より複雑な、従ってより正確な決定及び測定を、例えば、現在利用可能なものの１／３以下の測定時間の減少を伴なって６方向の３地点で実施することができる。当該方法は非侵襲的であり、超音波担持媒質を含む浸漬浴中に患者又は患者の身体の一部の浸漬を必要としない。更に、本発明は例えば、ビスホスホネート、その塩又はそれらの誘導体を使用する患者の治療効果を決定し、追跡するために使用することができる。他の患者、例えば、腎臓移植を有する及び骨粗鬆症を処置するために使用される他の薬剤又は骨喪失を誘起する可能性がある薬剤を摂取している患者もまた、本発明から利益を得るであろう。
【００２１】
本発明者は、骨密度のみでは骨折の危険性を予測することができないことを認識してきた。正常な骨密度をもつ何人かの患者は非外傷性骨折を発症し、そして低い骨密度をもつ何人かの患者は骨折を受けない。この所見の１つの説明は、骨の質は骨密度と「一致していない」かも知れないことである。従って、骨の質が優れている場合は、低い骨密度をもつ何人かの患者は骨折を受け易くないかも知れない。他方、高い骨密度をもつ何人かは骨質が劣る場合は、骨折を受け易いかも知れない。
【００２２】
骨質の測定は、骨の質の低下と関連した又はそれを誘起する可能性のあるいくつかの状態又は処置が存在するために重要である。骨質が損傷されると推定される例は：骨のパジェット病（繊維形成を伴なう異常な骨の過剰形成）、骨軟化症又は佝僂病（石化の低い骨を伴なう）、運動不足及びフッ素沈着症（異常モザイク風の骨を伴なう毒性のフッ化物露出）である。不幸にも、骨質を非侵襲的に（安全に）測定することができる商業的装置は存在しない。利用可能な超音波法は骨組織中の超音波の伝達に基づき、従って大部分骨密度の測定値をもたらすのみである。
【００２３】
本発明の臨床的適用は骨の弾力性、異方性及び強度データの測定を可能にする。骨の異なる部位において弾性係数を測定することができる装置は新規のＵＣＲ法により構成され、踵骨（踵）中で試験され、そしてその重要な臨床的応用が確認された。この新ＵＣＲ装置により、多数の測定を迅速にそして信頼性に実施することができ、そのためインビボで（生存しているヒトにおいて）非侵襲的に、皮質及び海綿質の弾性係数をもたらすことができる。本明細書に開示された変換器はピーク及び最小の弾性係数を決定することができ、ここで最大の弾性係数は体重担持において重要な骨の固有の特性であり、そして最小の弾性係数は体重担持においてはあまり重要ではないものである。最大及び最小弾性係数の比率から、骨の異方性（非対称性）を予測することができる。この装置はビスホスホネート（骨粗鬆症のために広範に使用される薬剤）による処置期間中及び腎臓移植（ステロイド処置にある）における低下した骨質を検出する際に臨床的に有用であることが示された。以下に説明されるように、これらの状態で示される骨質の減少は閉経後骨粗鬆症にこれまで開示されたものよりずっと大きかった。本装置はまた、同定の処置（例えば、低投与量の間欠的フッ化物）からの骨質の改善を検出する時にも有用であることができる。
【００２４】
本発明の特徴物及び利点をより完全に理解するために、今度は、異なる図における対応する数値は対応する部品を表わす、付記の図面と一緒に本発明の詳細な説明を参照する。
【００２５】
本発明の様々な態様の作製及び使用を以下に詳細に考察する間に、本発明が広範な同定の背景において具体化されることができる多数の適用可能な本発明の概念を提供することを認めなければならない。本明細書で考察される同定の態様は、本発明を作製し、使用する同定の方法を単に具体的に示し、本発明の範囲を限定はしない。
【００２６】
超音波臨界角反射測定（ＵＣＲ）
１９９０年代初期に、本発明者は約０．２ｍｍの骨の表面の小部分中の超音波の「反射」に基づいて骨質を測定するための、超音波臨界角反射測定又はＵＣＲと呼ばれる新規の
方法を紹介した（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１）。骨質は超音波速度から誘導又は推理することができる。当初のＵＣＲ装置は皮質（骨組織の外側部分の「硬い骨」）並びに海綿質（骨組織の内核の「海綿状の骨」）内の速度を決定した。
【００２７】
本発明はヒトにおいてインビボで非侵襲的に皮質（硬い）及び海綿質（海綿状）の骨の弾性係数（質）の迅速で信頼できる測定を可能にする、超音波の臨界角反射測定の方法の改善を説明する。改良点は、特別な「アレーシステム」及び新規の工学及びソフトウエアデザインを使用して、多数の入射角において反射された超音波振幅の同時検出及び一連の方向にわたる臨界角における超音波速度の測定を可能にする。これらのデータから、ソフトウエアが速度の二乗から主要な弾性係数の計算を実行する。最大弾性係数Ｃ３３（体重担持に重要な垂直軸にほぼ沿った）及び最小弾性係数Ｃ１１（体重担持にあまり重要ではない水平軸にほぼ沿った）双方が皮質及び海綿質において別々に計算される。この測定は、骨の固有の方向は姿勢（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）とともに変化し、従って与えられた解剖学的方向に沿った速度を測定誤差よりも大きく変化させ、他方、与えられた固有の方向に沿った速度は測定誤差によってのみ影響を受けるために、固定された解剖学的方向において得られるものより正確である。速度の二乗と固有の方向の間には決定要因的相関が存在するので、多数の方向における値に当てはめることは測定誤差を最小にする。更に、主軸に沿って伝播しない音波は混合した特性をもち（それらは疑似圧力波である）、従って弾力性及び強度のような機械的特性との相関を隠すので、測定がより正確である。最大及び最小の弾性係数の比率から、「異方性」（非対称性）の度合いを正確に予測することができる。本明細書に開示されたＵＣＲ装置及び方法は骨粗鬆症の骨折の原因となる損傷された骨の質を検出するために適用されてきた。
【００２８】
ステロイドを摂取している腎臓移植、損傷された骨質と関連することが知られている状態及び骨折し易さの増加を有する患者においては、皮質及び海綿質の弾性係数は、正常な閉経前状態から１５〜３０％だけ減少していた。骨粗鬆症を処置するために広範に使用される薬剤のビスホスホネートによる処置は長期使用後に、「無力骨疾患」（骨の代謝率の重篤な低下）を誘起し、従って治癒が遅い長骨の骨折をもたらす可能性がある。新規のＵＣＲ法により、皮質及び海綿質の弾性係数はまた、損傷された骨強度を示す、長期のビスホスホネート処置期間中に１５〜３０％だけ減少していた。従って本発明は低下した骨強度をもつ状態を検出し、そしてビスホスホネート又はステロイドを摂取している患者間の欠陥骨の発症に警告するために有用な、皮質及び海綿質の固有の（物質の）質を、ヒトにおいて非侵襲的に測定するための信頼できる、迅速な方法を請求している。
【００２９】
当初のＵＣＲ装置の方法及び適用に対して本発明者に対して３種の特許が許可された（米国特許第５，０３８，７８７号、第５，１９７，４７５号及び第５，２２８，４４５号明細書、ＵＣＲの関連する説は引用により本明細書に取り入れられている）。この方法において、骨中の超音波信号は入射角を変え、骨により反射される超音波の振幅を分析しながら測定された。臨界角で超音波速度を測定することができる装置は記載された（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１；Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３）。この装置を使用して、海綿質中の超音波速度は正常な閉経前の婦人に比較して、正常な閉経後の婦人において７％だけ、そして未処置の閉経後の骨粗鬆症をもつ患者においては１３％だけ減少することが示された。治療的毒性量以下のフッ化物を投与することにより骨密度を増加し、脊椎の骨折を妨げる（Ｐａｋ等、Ａｒｃｈ．Ｉｎｔｅｒｎ．Ｍｅｄ．１２３：４０１−４０８，１９９５）徐放性フッ化ナトリウムによる処置は、正常な閉経後婦人のレベルまで海綿質の超音波速度を増加することが認められた（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３；Ｚｅｒｗｅｋｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：２３９−２４４，１９９１）。
【００３０】
当初のＵＣＲ装置は直線運動及び回転を可能にする簡単な構台上に固定され、その変換器ヘッドは同時に運動する２個の変換器を含むことができる。それはデザインは簡単であったが、与えられた骨の位置で、異なる方向の臨界角速度を測定するためには、かなりの手動の調整及び複雑な動きを必要とする（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１）。従って、皮質及び海綿質においてインビボでは唯一の速度の測定値を得ることができた。最大及び最小速度は信頼性に決定することはできず、従って異方性の正確な予測は不可能であった。更に、最初の装置は使用するのに面倒で、時間がかかった。最後に、当初のＵＣＲ装置により示された疾患に伴なう超音波速度の変化の度合いは前記のように僅かであり、閉経後の骨粗鬆症における値は正常な閉経前の婦人の値より約１３％低かった（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３）。
【００３１】
使用される用語「放射（ｅｍｉｔｔｉｎｇ）」は超音波伝送器による超音波又はパルスの伝達を表わすために使用される。本明細書で使用される「受信（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ）」の用語は物質により反射される超音波圧力パルス又は波の超音波受信器による受信を表わすために使用される。伝送器及び受信器は一緒に、波が標的に直接当り、そして／又は、標的の点又は面であってもよい、標的に当る前に、波が超音波伝導性又は伝達性物質を横切るかどうかに拘わらず、標的物質から反射される超音波を放射し、そして受信することができる「変換器」を形成するものとして説明される。
【００３２】
本明細書で使用される用語「臨界角反射」は、そこで反射された超音波が超音波伝送器の方向に戻って進行し、受信器アレー又は単一の受信器により検出される、標的に当った後に、超音波伝送器から放射される超音波の反射を表わすために使用される。臨界角反射として標的から反射される超音波を受信又は検出するためには、超音波の受信器は、超音波伝送器に又はその周囲にある、例えば、その中央領域の要素が概括的に伝送器及び受信器の共通の中心である標的の方向にある。
【００３３】
受信器のアレーは受信された超音波の少なくとも１種の特徴、例えば、受信超音波の振幅及び相を決定するように作動する１以上の信号分析装置に接続されている。受信器はデータを分析装置、例えば、受信した超音波の振幅、最大、最小（集合的に「極値」と呼ばれる）のようなパラメーター及び様々な速度を決定するために使用されるエッジ（ｅｄｇｅｓ）及び／又は標的物質の機械的特性の予測値に対して２以上の受信器からのデータを獲得し、処理しそして／又は保存するコードセグメントを含むコンピューター、に伝達する。相に関しては、相が最初にゼロから著しく偏る入射角のようなパラメーターもまた獲得され、処理されそして／又は保存され、そして標的物質の機械的特性を計算しそして／又は予測するために使用されることができる。
【００３４】
受信アレーから獲得されるデータを使用して、本発明はまた、受信アレーにより獲得されるデータから例えばコンピューターを使用して「法線」の検出を決定し、獲得しそして自動化するためのシステム及び方法を含む。法線の自動化された決定は、標的、例えば、骨粗鬆症処置に対する薬剤又は骨喪失を誘起する可能性があるものを摂取している患者からの骨の表面に対する現在、過去及び未来の測定値の精度を増加し、それが現在及び未来の測定値において、検出装置と骨を関連づけるために、合理的な測定値の１組の使用を可能にする。法線はゼロ角度並びに、法線及び入射波（Ｉ）を含まなければならない放射面（又は散乱面）、を特定するために、法線の恒常的な、自動化された決定は重要である。面及びゼロが不正確に選択されると、角度が正確に測定されないために、得られる測定値はほとんど価値がないと思われる。本発明の方法及びシステムは法線の決定の精度及び速度双方を増加し、従って重要な標的のデータ、例えば、患者の待機時間の著しい減少を伴なう患者の骨の質の迅速で、正確でそして反復可能な測定及び計算を促進する。患者の処
理時間を短縮することにより、より多数の患者を処置することができ、１回の決定当りの経費を低減させる。更に、データをより正確に獲得し、処理することにより、患者のデータ、患者のコンプライアンスを改善し、そして患者の処置を改善するために減少した数の決定を必要とする。
【００３５】
新ＵＣＲ装置の全般的説明及び操作法
本明細書に開示された変換器は、測定を実際的にそして先行装置におけるよりより迅速にすることにより、超音波臨界角反射測定の方法を実施するようにさせ（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１；Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３）、六方向に対称性であると推定される骨の異方性を明白に考慮するように方法を拡大する。本明細書に開示される装置は骨の多数の部位で測定を実施するようになっている。同定の部位に対して作製される時は、同様な基礎的特徴物を包含するが、装置のサイズはずっと小型であるにちがいない。
【００３６】
図１及び２は本発明の反射装置及び方法の概括的臨界角を表わす。図１は伝送器１２及び２以上の受信器（１６ａ、１６ｂ）を含む受信器アレー１４として働く超音波変換器１０を表わす。角度θ１をもつ超音波（Ｉ）は硬い標的２２（例えば、骨組織）に当る。便宜上、伝達波の進行方向により特定される面は、伝送器１２及び受信器アレー１４に対する焦点３２を含む標的２４の表面に対する法線（Ｎ）から特定される。反射された（Ｒ）超音波は、前以て特定された角度θ３により分離される、前以て特定された標的の角度θ２を伴なって受信器１６ａ、１６ｂに到達する。
【００３７】
図２は、伝達された波（Ｉ）が軟い層２２（例えば、皮膚のような軟組織）を横断後、標的２４に接し、そして伝送器１２及び受信器アレー１４の焦点３２の周囲にある焦点３２に当った後に、奇数の受信器１６ａ〜１６ｉを含む代わりの受信器アレー１４を示す、本発明のもう１つの態様を示す。受信器アレー１４は圧力波が軟い層２２を横断後、標的２４からの反射波Ｒを同時に検出する。
【００３８】
図３は標的２４と密着している、ＵＣＲ測定の準備ができた変換器ヘッド１０の断面を示す、本発明のもう１つの態様の図による解釈である。変換器ヘッド１０の中心の要素は伝送器１２及び、受信器アレー１４中の２以上の受信器１６ａ、１６ｂを含む受信器アレー１４（超音波要素１２、１４を備える）である。変換器１２は、図２〜４に示されるように、ここでは患者の接合面２０が検査下の骨組織２４において、又はその周囲で軟組織２２（例えば、皮膚）と接して表わされている、ハウジング１８又は容器中に封入された２個の超音波要素（１２、１４）を備える。１例において、単一要素の伝送器１２及び４８−要素の受信器アレー１４は別個である。双方は１２０度にわたり、共通軸をもつ直円柱の部分である。軸部分の中点は変換器要素１２、１４の名目上の中心である。２個の超音波要素１２、１４は、超音波伝導性物質２６（例えば、水）で充填され、超音波要素１２、１４の共通の中心又は焦点３２が窓２８を越えて例えば、約１．５ｃｍ飛び出すような形態で、例えば、ラテックス膜３０により覆われた窓２８中で終結する、例えば、防水の硬いハウジング１８内に固定された幾何学構造を伴なって固定することができる。法線Ｎは焦点における骨の表面に対する垂線として図１及び３に示されている。
【００３９】
操作時には、超音波伝導性物質２６は重力により制御される僅かな圧力下にあり（例えば、支持土台（図３には示されていない）上の変換器ヘッド１０より僅かに高い高度に配置された水のレザボアにより）、そしてラテックス膜３０が窓２８の枠を越えて例えば、０．５ｃｍまで膨張する。ラテックス膜３０の膨らみが患者の軟組織２２（検査されている骨と重なっている）と接すると、変換器の共通の中心３２は軟組織２２下の深部に推定される仮想地点である。
【００４０】
１つは土台５２に固定されたもの及びもう１つは変換器ヘッド１０を支持する、平行四辺形の形状をした２個の部分を含むパンタグラフである、変換器ヘッド１０のための配置アーム５０は図５に示される。アーム５４は例えば、土台５２上に固定されたモーターにより垂直及び水平に（３自由度）動くことができる。アーム５４は、変換器ヘッド１０が超音波要素の中心と一致した固定点の周囲を旋回するように接合されている。このようにして、変換器ヘッド１０の軸は固定点の周囲の任意の方向を採るように２自由度を伴なって回転することができる。
【００４１】
検査中に、オペレーターは問題の部位（検査されている骨組織）上に変換器ヘッド１０を配置し、変換器ヘッド１０は変換器の中心が検査下の骨の表面にくるまで、コンピューター制御装置を使用してアーム５４の精細なミリメーター未満の段階を使用してオペレーターにより前進される。この前進は踵に対しては０．５〜１ｃｍに限定され、患者の皮膚は柔軟な膜に接触したままであり、枠又は硬い表面の他のどんな要素とも接触しない。例えば、測定されている足の突然の動きから起る過剰な圧力は前進を停止させ、ヘッドを退却させる。
【００４２】
変換器ヘッド
超音波変換器ヘッドは例えば、ＰＶＤＦ（ポリビニルジフルオレン）基材に基づいて構築された２個の要素を備える。伝送器として使用される要素は単一であり、中心から大きい範囲の角度にわたり、ラテックスでおおわれた窓中で終結する。単一の共軸ケーブルが低電流（ｘＡ）、低電圧（ｘＶ）の１．５−ＭＨｚ信号を発生器から伝送器に運搬し、１組の共軸ケーブルがその信号を受信器からデータ獲得システムに運ぶ。ヘッドの図は図３に示され、図の拡大詳細図は図４に示され、それは更に個々の受信器により獲得される信号を例えば、コンピューターに運ぶリード線又は接合体を含む。
【００４３】
音響エネルギーを電気的エネルギーに平行移動するため及びその逆のために、超音波は伝統的にＰＺＴ（鉛ジルコネートチタネート）及び石英のようなセラミックス及び結晶を使用してきたが、ＰＶＤＦは組織及び柔軟な皮に適するので、その特性において医学的超音波における使用に理想的に適する。更に、概括的に、伝統的なセラミックス及び結晶よりも取り入れることが安価で、容易である。当業者は例えば、データの精度、信号の強度を最大にし、そして／又は信号対ノイズ比率を最適化するために同定の標的に対して物質をいかにして適合させるかを知るであろうために、本発明は本明細書に記載の実際の物質に限定されない。ＰＺＴに比較して、ＰＶＤＦは受信要素として２つの重要な利点を有する。それは生体医学の超音波の標準範囲を容易に網羅する広範な振動数応答（０．００１〜１ＧＨｚ）を有する。更に、それは水及びヒトの組織のインピーダンスに近い、低い音響インピーダンスを有する。それに対し、ＰＺＴは概して液体及び軟組織に連結するためには多数の適合層を必要とする高いＱ物質である。
【００４４】
本明細書に開示されたＵＣＲ変換器ヘッドにおいては、ＰＶＤＦはまた、それを使用する作業及び受信器アレー中への取り入れの容易性のために、受信要素として使用することができる。フィルムとして、ＰＶＤＦは様々な厚さで、従って様々な感度で得ることができる。市販の接着剤（微小測定値のＡＥ−１０の薄い膠付けエポキシ）の使用を伴ない、ＰＶＤＦフィルムは本発明における非伝統的なデザイン及び形状の構造物を支持するために膠付けされた。更に、新規の検出要素を作製するためにＰＶＤＦフィルムを一緒に膠付けする独特な方法が開発された。更に、全波形受信及び優れたビーム形態のサンプリングの双方が可能な新規の超音波検出装置を作製するために、１Ｄ及び２Ｄ電気アレーにこれらの多層フィルムを結合するための方法が開発された。受信器アレーのパターンは例えば、０．００５”の厚さのガラス繊維の銅張り板上にエッチングされる。一体式ＰＶＤＦ受信器のアレーは、ヒトの軟組織に良好に適合する、ＰＶＤＦの固有の電気的特性に良好に適合する、特別にデザインされた、多チャンネル増幅器及びデジタル化システムと一体化
される。
【００４５】
ＵＣＲ測定値の精度を改善し、自動化するために、本発明のシステムが開発された。超音波ヘッドが各測定部位において、骨の表面に垂直に配置される時に患者のコンプライアンス及び再現可能な測定が最良に達成されることが発見された。本発明のシステムは伝送器の中心の周囲に２種の、１つは縦の、及び他方は横の、直交する回転（旋回）運動を使用することにより患者のコンプライアンス及び再現可能性の目標を達成する。これらの運動は通常の配列のために最少の条件を提供することが認められた。縦の回転は第１は土台の軸に結合し、第２は変換器ヘッドに結合された２種の平行四辺形を含むことができるパンタグラフ機構を使用して実行される。その機構は例えば、１以上のＡ−ｍａｘ １２Ｖ−ＤＣギアモーター（Ｍａｘｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｏｔｏｒｓ，Ｉｎｃ．，Ｂｕｒｌｉｎｇａｍｅ，ＣＡ）により駆動される。アームの実際の角度の位置は角度の０．９分の有効角分解能（ＭＯＡ）に対して２４，０００ステップ／周期（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）の光学的エンコーダー（モデル７５５Ａ−高精度、Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏ．，Ｓａｇｌｅ，ＩＤ）を使用して読み取られる。運動の範囲は垂直の中心位置から±４５°である。
【００４６】
横の回転は土台の軸により実施され、変換器ヘッド及びパンタグラフ機構双方を含む。駆動機構は精密回転テーブル（モデル２００ＲＴ、Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｄａｅｄａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ， Ｉｒｗｉｎ，ＰＡ）及びモーター／光学的エンコーダーアセンブリーを含むことができる。横の回転のための角度分解能は０．１２ＭＯＡであり、運動の範囲は±１８０°である。
【００４７】
これらの２種の旋回運動に加えて、異方性の測定には表面の法線の周囲の第３の回転が必要である。その運動は２．１６ＭＯＡの角度分解能及び±１８０°の運動範囲に対して同様なＭａｘｏｎ １２Ｖ ＤＣモーター及び１０，０００ステップ／周期の光学的エンコーダー（モデル２６０ ａｃｃｕｃｏｄｅｒ，Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏ．，Ｓａｇｌｅ，ＩＤ）を使用して実施することができる。
【００４８】
機構の機械的精度を確保するために、すべての回転部品に対して精密ボールベアリング（ＡＢＥＣ ３）を使用することができる。測定される表面上の走査は直交座標系の軸に沿って配向された３本の直線運動を必要とする。各運動はＭａｘｏｎ １２Ｖ ＤＣモーター及び精密ボールスクリュー及びナット機構により駆動される精密リニアボールベアリング及び軸を使用して実行される。各運動要素の位置は１．２５μｍのリニア分解能を提供する４，０００ステップ／周期の光学的エンコーダーにより読み取られる。
【００４９】
従って、合計６自由度（ＤＯＦ）、３平行移動及び３回転が超音波変換器ヘッドの正確な配置のために実行される。各６ＤＯＦの運動はＰＣＩ−Ｆｌｅｘｍｏｔｉｏｎ運動制御カード（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ）を使用して制御される。このカードは各軸に対しＰＩＤ閉鎖ループフィードバック制御アルゴリスムを使用し、複雑な３Ｄの軌道の実行を可能にする。
【００５０】
制御アルゴリスムは「誤差」（同定の時点の実際の位置と要求される軌道上の所望される位置間の相異）をモニターし、誤差が直線運動に対しては１ｍｍ、そして回転に対しては１°に設定される閾値より大きくなると、それが装置の運動を停止するであろう。従って、変換器ヘッドのプログラムされた軌道の正確な実行が恒久的にモニターされる。
【００５１】
更に、圧力センサーが患者と変換器ヘッドの弾力性の膜の間の接触力をモニターする。接触力が例えば、患者の突然の動き又は変換器ヘッドの軌道のプログラム作製のエラーから１０Ｎより大きくなると、測定される表面に対する法線の方向に沿って変換器ヘッドが
引っ込み、それにより検査されている被験者に対する可能な傷害を防止する。更に、運動制御カードは、機構により与えられる最大力が２０Ｎを超えることができないように、電気モーター７５５Ａ−により発生されるトルクを制限する。
【００５２】
ＵＣＲデータ収集システム及びモーター制御電子機器
ＵＣＲシステムを作動させるために要する電子機器はすべて、それを移動性にさせるための車輪をもつ、１個の３２インチ（８１．３ｃｍ）の高さ、１９インチ（４８．３ｃｍ）の幅のリレーラック中に含まれる。机上の高さはラック上にモニター及びコンピューターのキーボードを固定させ、そしてすべての機器は１２０−ボルトで、サージ保安された、ラックマウント式電源コードに接続される。以下の６基の装置を含むシステムには、ラックマウント式の５個のモジュールが存在する：
（１）コンピューター
コンピューターは４個のＰＣＩスロット及び１個のＩＳＡスロットをもつ１．３ＧＨｚ
ＡＭＤ Ａｔｈｌｏｎマザーボードを有する。それはＰＣ１００メモリーの５１２ＭＢ及び１０ＧＢのハードドライブを有する。それは遅延モジュール（後に説明される）及び、データ収集モジュールにそしてそれからデータを移動するためにアドレス及びデータラインを本質的にバッファーする、独自のＩＳＡバスインターフェースカードと連絡するために使用されるＰＣＩバス、４８−ビットのデジタルＩ／Ｏカードを含む。ＰＣＩのＧＰＩＢカードは伝送器をプログラムするために使用され、６個のＤＣモーターを制御し、ＵＣＲシステムにおいて運動を提供するために使用されるエンコーダーを読むＰＣＩカードが差し込まれる。コンピューターは７−インチ（１７．８ｃｍ）の高さの工業用ラックマウント式ケース内にある。本発明による使用のための１以上のコンピューターは概括的に、データ収集、通常の獲得及びアームの配置、データの保存、データの処理を可能にするコードセグメント並びに、使用者に測定サイクルを開始させ、データ収集及び捕捉を実行させ、データ及びグラフを解釈させ、そして／又は即時の分析、経時的分析、他のデータとの統合及び／又はデータのエクスポートのためのフォーマットでデータを出力させる使用者−インターフェース、を含むであろう。
【００５３】
（２）データ収集モジュール
データ収集モジュールは７インチ（１７．８ｃｍ）の高さのケース中に固定され（図６）、ＵＣＲ受信器からの信号をデジタル化させるために開発された１組の独占的カード上の信号と合致するように再特定されたコネクターピン数をもつ１２−スロットのＩＳＡ受動バックプレーンであることができる。図６には本発明による使用のためのアナログからデジタルへのカードの１例が示される。
【００５４】
Ａ／Ｄカードは１ボード当り合計８チャンネルに対する４種のデュアル８−ビットのアナログ−から−デジタル変換装置（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＡＤ９０５９）を含むことができる。１例において、システム当り６ボードが存在し、コンピューター中でＩＳＡバスインターフェースカードを介する分析のためにコンピューターに送られるデジタル化データの４８チャンネルを与える。すべての６Ａ／Ｄカードは、４０−ＭＨｚのクリスタル制御されたマスタークロックから作動させて、すべてのＡ／Ｄ変換装置がその信号の同一地点でデジタル化を開始することを確保する。これはポイント分解能当り２５ナノセカンドを与える。６４の８−ビットポイントが獲得サイクル当りにコレクトされる。すべてのＡ／Ｄ変換装置からのデジタル化データは２バイトに編成された１６ビットの幅であるデュアルポートスタチックラムチップ中に同時に読み取られる。デュアルＡ／Ｄ変換装置の半分は上部バイト中に書き込み、そして他の半分は下方のバイトに書き込む。この配列がより早い処理量のために一度に２チャンネルからデータを移送させるために、１６−ビットのＩＳＡの使用を可能にする。データはラムチップの一次ポートに保存され、１２−ＭＨｚのＩＳＡコンピューターバスにより二次ポートから読み出される。データはＩＢＭコンピューター・アーキテクチャー中の追加カードのために保存された空間であるロ
ケーションＣ０００ｈにおける外部メモリーとして単に読み取られる。コンピューター中のもう１つのボードと抵触する場合は、ＤＩＰ−スイッチがこのアドレスを変更することができる。
【００５５】
読み取り及び書き込みアドレス機能は受動バックプレーン上のアドレスデコーダーカードにより実施される。アドレスデコーダーカードはラムチップのためのマスタークロック及び書き込みアドレスを発生し、そして更に各ボードのためのメモリーアドレスをデコードする。獲得シャシ中のデコーダーカードは５０−ピンのリボンケーブルによりコンピューターシャシ中のＩＳＡバスインターフェースカードに接続される。より一般に使用される切り替え調節装置の電力供給体により発生されるノイズを排除するために、すべての６Ａ／Ｄカードにより要求される１アンペア、マイナス５ボルト及び１０アンペア、プラス５ボルトを供給するためにリニアタイプの電力供給装置が使用される。
【００５６】
（３）伝送器
ＵＣＲ変換器の送信部分を励起するために使用される伝送器は２個の構成部品、ラックマウント式の統合された（ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ）機能の発電機（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳｙｓｔｅｍｓモデルＤＳ３４５）及びその２４−ボルトの電力供給を伴なうラックの背部に固定された、Ｍｉｎｉ−ＣｉｒｃｕｉｔｓモデルＺＨＬ−３２Ａ
ＲＦ電力増幅装置、を含む。当該伝送器の構造は５０−オームのロードにバーストされる２４−ボルトのピークからピークの、３−サイクル、１ＭＨｚの正弦波を発生する。伝送器は１つのＰＣＩスロット中に固定されたＧＢＩＢインターフェースを介してコンピューターによりプログラムされる能力を有する。
【００５７】
（４）前置増幅アセンブリー
前置増幅器の機能はＡ／Ｄカードの１００−ミリボルトのピークからピークのインプット感度に適合するようにＵＣＲ変換器の受信部分からの低レベル（ミリボルト範囲）信号を増幅することである。Ａ／Ｄ変換装置は各Ａ／ＤインプットにおいてＸ１０増幅装置により例えば、１−ボルトの感度を有する。前置増幅装置は１００（４０ｄＢ）の増幅率をもち、それは合計１０００の増幅率を与える。総計４８チャンネルに対し、システム中には６ボードを伴ない、１ボード当り８チャンネルが存在することができる。各チャンネルはＡ／Ｄカードのインプットインピーダンスに適合させ、前置増幅アセンブリーを隔離することによりグラウンド・ループを防止するために５０−オームパルスの変換装置を含む。前置増幅装置（Ａｎａｌｏｇｕ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＡＤ８４４）のインプットインピーダンスは受信器構成物中に使用されるＰＶＤＦフィルムの高いインピーダンスに適合するために１０，０００オームに設定される。図示されるように、前置増幅カードは内蔵されたリニアの、プラス及びマイナス１５−ボルトの電力供給を伴なう、ＥＩＡ−標準サブ−ラック中に固定される。インプットコネクターはＡ／Ｄカードインプット上のコネクターと同様な標準ＤＢ３７Ｓである。
【００５８】
（５）モーター制御装置のシャシ
ＵＣＲシステム中にはプラットホーム、アーム及び変換器アセンブリーの運動を制御するために使用される、それぞれそれら自体の配置エンコーダーを伴なう６個の１２−ボルトのＤＣモーターが存在する。モーター制御装置のシャシはコンピューター中に、電力供給装置、モーターのための駆動装置及びモーター制御ボードへのインターフェースを含む。モーター駆動装置は直接結合形態に使用されるＮａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＬＭ１８７５電力増幅装置である。この配列は任意の速度の時計回り及び反時計回りの回転を可能にし、４−相の配置エンコーダーが正確な配置を提供する。
【００５９】
（６）プログラム可能な遅延ジェネレーター
それはコンピューター中のＰＩＯカード上の８−ビットポートのうちの３ポートにより
プログラムされ、伝送器を発射するソフトウエアの指示とデータ収集を開始する信号間の遅延を単に設定する。変換器ヘッド中に封入される水中の音速は、直接補正することができる温度により、毎秒約１．５Ｋｍである。データ収集は超音波の適切な伝達を可能にするために遅延される。前記の配列は伝達信号及び受信信号間のすべての不感時間のデジタル化を妨げる。カウンターは１００−ナノセカンドの分解能を伴なって４０９６マイクロセカンドまでプログラム可能である。それは３個の７４Ｆ１６３の前以て設定可能な２進カウンター及び１０−ＭＨｚクォーツ時計を含むことができる。それはラックの背部に電力供給体を伴なう小型シャシ中に収納される。
【００６０】
データ収集の操作の説明
拡張可能な多チャンネルデータ収集システム（ＳＭＤＡＳ）は標準の超音波振動数範囲（５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）におけるデータを収集するための高振動数デジタルシステムである。ＳＭＤＡＳハードウエア構成部品は概括的に２段階：前置増幅及びデジタル化をもつ多チャンネルを含む。システムは例えば、８チャンネルの粒度で拡張可能である。
【００６１】
ＳＭＤＡＳは低コストの８−ビット、６０−ＭＨｚのアナログからデジタル変換装置に基づくトリガーを伴なわないコンピューター制御システムである。伝統的なＵＣＲは３サイクルの４−ＭＨｚパルスを使用したので、これらの信号の１０倍の過剰サンプリングを可能にするように、４０−ＭＨｚのソリューションが選択された。６４サンプル（１．６μｓ）のサンプリングメモリーは各チャンネルに十分な記憶（ｓｔｏｒａｇｅ）を提供する。各チャンネルは同定の入射角に対して写像するので合計４８チャンネルが選択され、問題の固体（ｓｏｌｉｄｓ）中で４０度未満の角度に対してすべての圧力の臨界角度及び２−ガンマの剪断動力学が起る。
【００６２】
デジタル化サブシステム
デジタル化の中心は毎秒４千万サンプルの割合でサンプリング可能なデュアルチャンネルＩＣパッケージのＡＤ９０５９（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ）である。外部参照電圧をこのチップに適用することができるが、ＡＤ９０５９はまたコンパレーターの内部パイプラインを作動するために必要なレベルを自己発電することができる。自己参照が可能なため、ＡＤ９０５９は１．５〜２．５ボルト間の電圧範囲をもつ２種のシングルエンド型インプットを受信する。ＴＴＬ互換性時計でサイクリング時に、ＡＤ９０５９上の１６デジタル出力ピンが２インプットチャンネルに対して８−ビットのデジタルサンプルを出力するであろう。デジタルクロストークは無視できるが、ＡＤ９０５９は１．５ビットのノイズをもつと見なされる。８チャンネルに対し、２層にプリントされた回路基板がデザインされ、ワイヤラップ試験され、２チャンネルの４種の独立したサブシステムを収容するように構成される（Ａｌｐｈ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｍｅｓｑｕｉｔｅ，ＴＸ）。各ＡＤ９０５９に対して、原則的に１２８バイトのみのメモリーで十分であるべきであるが、２チャンネルに対して６４サンプルを記録するために〜２５ｎｓのアクセス時間をもつ１６−ビットのデュアルポートのスタティックＲＡＭ（ＣＹ７Ｃ１３３，Ｃｙｐｒｅｓｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣＡ）が使用される。ＰＣＢはＤＢ３７Ｆコネクター（Ａｍｐｈｅｎｏｌ，Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ，ＣＴ）を備え、各チャンネルはＰＣＢ上のトレースと関連するノイズを回避するために共軸のワイヤによる前置増幅段階にルートされる。
【００６３】
デジタル化の前に、各チャンネルは１０の増幅率をもつ操作可能な増幅装置（ＣＬＣ４４０，ＣｏｍＬｉｎｅａｒ／Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ）を通過する。増幅段階はすべてのインプットが５０オームのインピーダンスであることを期待する。各ボードは別個のコンピューターシャシ中に固定された１４−スロットのＩＳＡ標準バックプレーン（ＪＤＲ Ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣＡ，部品番号ＢＰ１４１）中に嵌合するようになっている９８−ピン
のオンボードエッジコネクターを有する。各ボードに対し、更に、与えられるカードからの読み取りのために必要な、選択可能なボード認識ジャンパーが存在する。更にバス中の特別のデコーダーボードは１２８バイト（０×０８０ｈ）の段階で、幾つかの選択可能なベースアドレスに対するメモリーアドレスと各デジタル化ボードを結合する。デコーダーボードは順次、コンピューターシステムのＩＳＡバス上のバッファーボードに平行リボンケーブルで接続される。ベースアドレスが×８６アーキテクチャーの高メモリー領域（すなわち、０×Ｄ００００ｈ〜０×Ｅ００００ｈ）中にあるように設定される場合は、この形態は各個別のチャンネルに対してメモリー中に保存されるサンプルへの直接のメモリーアクセスを可能にする。２−バイトの読み取りが使用される時は、データは２チャンネルに対して同時に読み取られることができる。当初のデザインでは、サンプリングはベースアドレスへのメモリー書き込みにより開始された。メモリー読み取りは、最近のマザーボード上では１２．５ＭＨｚに最大化された、ＩＳＡバスのクロッキングにより時間が制限されることに注意しなければならない。
【００６４】
前置増幅サブシステム
デジタル化サブシステムはいくらかの増幅を含むが、しばしば、変換器からの信号を更なる増幅で調整することが必要である。同定の変換器により、特に高インピーダンスのポリマー基材の圧電システムに対してはインピーダンスマッチングを伴なう問題も存在するかも知れない。高インピーダンスのインプット増幅システムがデザインされ、４４−ピンのＥＩＡカードのサブラック（Ｖｅｃｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌｙｗｏｏｄ，ＣＡ）の周囲に構築された。各増幅カードはＰＶＤＦ変換器からの信号を理想的に増幅するために、高インピーダンス作動増幅装置（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＡＤ８４４）を使用する。１０，０００オームのインプットインピーダンスに対して１００の名目増幅率により、これらの増幅装置はまた、インピーダンスのミスマッチにより起る可能性がある振動に抵抗する。ＡＤ８４４は３００ＭＨｚを超える帯域幅−増幅率プロダクトを有するので、典型的な超音波振動数においては信号の歪は無視しなければならない。各チャンネルの出力は破局的グラウンド・ループを防止するために接続された変圧器（Ｍｉｎｉ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｂｒｏｏｋｌｙｎ，ＮＹ，部品番号Ｔ１−１）である。ＥＩＡラックは絶縁共軸ケーブルにより、デジタル化サブシステムを含むシャシに接続されている。
【００６５】
信号発生及びタイミング
パルス発生及びサンプリングの開始間の正確なタイミングをもつために、最初のＳＭＤＡＳのデザインはほとんど又は全くオーバーヘッドをもたないコンピューターシステムをもつことが必要であった。１．６μｓのデータ収集窓により、リアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）により正確なタイミングを保証することができると考えられる。Ｗｉｎｄｏｗｓ（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ，Ｒｅｄｍｏｎｄ，ＭＡ）又はＬｉｎｕｘブランドのオペレーティングシステムを使用して、システムタイミング粒度は１ミリセカンドの次元にある。高価な封入溶液を使用するよりむしろ、産業で標準のオペレーティングシステムの柔軟性を保持し、信号発生とサンプリングに対するタイミングを注文に応じた外部モジュールに移動させた。タイミングモジュールはラックマウント可能なケース中に包含される。それはＰＩＯカード（ＰＣＩ−ＤＩＯ４８Ｈ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｍｉｄｄｌｅｂｏｒｏ，ＭＡ）からのデジタル出力によりプログラム可能な、１０ＭＨｚで作動する３個の４−ビットの２進カウンターを含む。１０ＭＨｚで１２ビットのプログラム可能性は４０９．６μｓの遅延範囲に変換する（ｔｒａｎｓｌａｔｅ）。水及び軟組織中の典型的な超音波の速度に対して、この窓は６０ｃｍまでの伝播と見なす。パルス発生装置の放電（ｆｉｒｉｎｇ）が開始された後に、カウンターはそれらのプログラムされた遅延を完了し、次にＴＴＬレベルの信号がサンプリングを開始するためにＤＡＱシャシ中のデコーダーボードに外部共軸ケーブルを介して伝達される。
【００６６】
データ収集のためのソフトウエア
ＳＭＤＡＳソフトウエア構成部品は例えば、ＳＭＤＡＳハードウエア構成部品にアクセスするための数層のライブラリーを含む。ＳＭＤＡＳソフトウエアは数層のシステムのプログラム作製においてエントリーポイントを提供し、それにより適用の開発及び未来のシステム統合のための最大の柔軟性を提供する。
【００６７】
メモリーマッピング
サンプリングされたデータを含むデータ収集ボードのメモリーは、デザインされたように、Ｉｎｔｅｌの×８６アーキテクチャーの上部メモリー領域中の物理的メモリーアドレスにマッピングされる。このアドレスで読み取り、様々なアレー中に情報を保存することにより、サンプリングされたデータは複雑な通信又はシステム駆動装置の必要を伴なわずに、ボードメモリーからシステムメモリーに移動させることができる。サンプリングされたデータの読み取りは最終的にはＩＳＡバス上で多重化されるので、バスの帯域幅を最大にするために２−バイトのワードで読み取ることがもっとも効率的である。移動後に、８−ビットのサンプルを分離しなければならない。Ｐｅｎｔｉｕｍ（Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ）又はＡｔｈｌｏｎ（ＡＭＤ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）クラスのチップのような現代のマイクロプロセッサーにおいては、この分離は１クロックサイクルの命令で達成しなければならない。１６−ビットのワードからより高い又はより低い８ビットを引き出す（ｅｘｔｒａｃｔ）ためには任意のビットシフト（バレルシフトとしても知られる）又はビット様ＡＮＤオペレーションを使用することができる。
【００６８】
メモリーマッピングされた読み取りを容易にするために、Ｃプログラミング言語を使用するＶｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ６．０（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｒｅｄｍｏｎｄ，ＷＡ）を使用して、ダイナミックリンクトライブラリー（ＤＬＬ）が作製された。この低レベルのライブラリーは上部メモリー領域（無署名の短いｉｎｔ ｌｖ４８ｃｈｄａｑ（ｉｎｔ ａｄｄｒ））中の任意のアドレスにおける２−バイトのワードを読み取るための機能並びに上部及び下部サンプル（無署名ｃｈａｒ ｌｅｆｔ／ｒｉｇｈｔ（無署名の短いｉｎｔ ａ））を引き出すための２機能を提供する。このポータブルＤＬＬは例えば、様々なプログラム言語中で開発されたＷｉｎｄｏｗｓの適用に関連付けることができ、そしてメモリーアドレス中をサイクルすることにより、すべてのサンプリングされたデータは分析のため又は保存媒体に保存するためにシステムメモリーに移動させることができる。
【００６９】
ノイズの減少
その迅速な開発スキーム、その使用の容易性及び産業の基準としてのその認識のために、視覚的プログラム作製環境ＬａｂＶＩＥＷ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ）をデータ収集ソフトウエアの開発のために選択した。将来の適用のための柔軟性を最大にするために、特別のグローバルＶＩがすべての構成部品に共通のパラメーター（すなわち、チャンネル数、ベースメモリーアドレス）を含むボトムアップのアプローチを使用して「仮想装置」（ＶＩ）の中間ライブラリーを開発した。
【００７０】
最下レベルでは「２チャンネルをダウンロード」ＶＩが前記のＤＬＬに付けられ、そしてシステムのメモリーに１２８バイトを移動するための適当なメモリーアドレスをとおってサイクルされる。各チャンネルは無効な（ｄｉｓａｂｌｅｄ）前置増幅段階により測定可能な反復可能な誤差又は空のインプット（ｏｐｅｎ ｉｎｐｕｔｓ）を有する。この残余の平均のフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）分析は４０ＭＨｚ及びその低調波における寄与を示す。これはバッファーメモリーに対するアドレスライン上のシールドの欠乏による対照電圧ノイズと完全に一致する。６アドレスラインが必要であるため、基本波及び５種の低調波（２０、１０、５、２．５及び１．２５ＭＨｚ）でノイズを見出すことに驚くには当
らないであろう。
【００７１】
「２クリーナーチャンネルをダウンロード」ＶＩはサンプリングされたデータからこの反復可能な信号を差し引き、生成されるノイズは製造会社の規格と一致する。適用はこれらの平均背景波形自体を生成するか又は「平均背景波形を校正する」ＶＩにより作製されるデフォルト（ｄｅｆａｕｌｔ）を使用することができる。「ｎクリーナーチャンネルをダウンロードする」ＶＩは多チャンネルを６４マトリックスだけｎにパッケージする。
【００７２】
ＡＤ９０５９のパイプライン・アーキテクチャーは１−ＭＨｚの最少サンプリング速度を要する。より遅い速度においては、内部レジスターは劣化し、サンプリングは極めて不正確である。６４の２−チャンネルワードの１ブロックの移動はＩＳＡバスの速度（１０ＭＨｚの次元）で起るので、連続的収集のために有効な速度は２００ｋＨｚ未満である。従って、各チャンネルの各収集の最初の５サンプルは疑わしい可能性がある。タイム遅延サブシステムの粒度は０．１μｓであるので、最初の８サンプル（０．２μｓ）をドロップすることが好都合である。
【００７３】
多フレーム収集
この中間ライブラリーの真の価値は６４サンプルにより与えられる１．６μｓより大きい時間窓を構成するその能力である。定常状態の動力学を使用する１決定法において、それらが経時的に適当に整列するように連続的収集間の遅延時間を調整することができる。「収集」ＶＩは「遅延時間を設定」ＶＩを使用して、「ｎクリーナーチャンネルをダウンロードする」から連続フレームを形成する。その過程を何回か繰り返し、各連続的収集が前の組みのデータに追加される。Ｎチャンネル及びＭ１．４μｓのフレームの生成されるアウトプットはディメンションＮ×（５６×Ｍ）のマトリックスを与える。データ収集過程中の速度限定段階はＩＳＡバス中の情報の移動であることに注意しなければならない。フレーム及び時間窓数の増加は、概括的に直線速度で増加する走査時間を増加する。
【００７４】
確率論的フレーム収集
幾つかの撮像状況において、連続的時間フレームの整列は偽信号をもたらすであろう。この問題は特に、初期のパルスからの二次的反射又は残響が後のフレーム中に捕捉される場合のシナリオ中の大きいブロックの時間（１００μｓの次元）で明白である。これらの信号は平均を採ることにより除去することはできない。これらの望ましくないデータを最少にするために、確率論的方法で多数のフレームを収集することが時々必要である。与えられた時間窓に対して１．４μｓのフレームが枯渇するまでリストからアトランダムに選択され、窓を充填する。この方法を繰り返し、平均すると、別々のフレームパルスからの相互相関された信号を排除することができる。
【００７５】
操作においては、本発明のシステムは図７のフロー図７０中に要約される。段階７２において、超音波又はパルスが標的、例えば、骨の方向に伝達され、段階７４で、反射された信号が２以上の受信器により捕捉される。受容体から収集された信号に基づき、法線が発見されたかどうかの決定を段階７６で実施し、それは変換器を動かすように接合アームに指示するか又はデータ収集を開始するコンピューターにより実施される。法線が発見されると、次に最終データ収集段階７８において、標的からの最終データを同時に収集し、結果はアナログ信号又はデジタル同等物として保存される。最終収集段階７８から収集されたデータに基づき、段階８０で最大（Ｅｍａｘ）及び最小（Ｅｍｉｎ）弾性係数が計算されて、標的の反射測定データを決定し、段階８２で、それから異方性を計算することができる。最後に、生のデータ、処理データ及び／又は計算結果を保存し、処理し、表示し、印刷しそして／又は初期の又は後の標的データ及び計算値に比較して、使用者に有用な結果を提供することができる。
【００７６】
図８中のフロー図９０で、例えば、骨粗鬆症をもつ患者の処置のための決定を実施するための反射測定収集変換器、方法及びシステムが使用される。段階９２において、骨、本実施例では踵において法線が決定される。法線を収集すると、変換器が臨界ＵＣＲ測定値を採る。段階９６で起る、患者が同時に又はほぼ同時に処置計画を開始する場合は、段階９８でその後の測定値を時間を空けて（医師の指示及び処置の種類に応じて例えば、毎週、半年毎、又は毎年）採取される。患者の処置の前（段階９４）及びその後の処置（段階９８）からのデータを収集し、処理し、そして／又は患者のデータとして保存する（段階１００）。次に測定値、データ及び処理された患者の情報を段階１０２で正常な患者のデータと、そして同一及び／又は他の患者からの同一又は他の処置からのＵＣＲ測定値と比較し（段階１０４）、段階１０６で患者が改善しているかどうかを見るための決定が実施される。患者が改善している場合は、処置を維持することができ、そして必要な場合にはその後のＵＣＲ測定値を採取して患者の予後をモニターする。患者が改善していないか又は悪化している場合には、医師は処置の変更を指示することができ、患者はモニター計画に復帰される。骨の喪失の誘起又は骨質の損傷を疑われる同定の処置、例えば、ステロイド、大量投与フッ化物及び抗痙攣剤の効果を追跡するために同様なフロー図を使用することができる。
【００７７】
骨の表面に到達されると反射信号の収集が開始する。この時点は、すべての角度にわたり反射信号中の突然の増加により操作により特定される。次にオペレーターは法線を正確に同定するための一連の自動化段階を開始する。これらの段階は骨の表面上の少なくとも２種の直交方向からの反射される角スペクトルの収集を制御する。各方向に対し、法線の面は統合された信号が最大になるまで変換器ヘッドを傾けることにより発見され、すなわち２枚の直交面の交差部が法線を特定する。次に反射スペクトル（すべての受信器要素における信号）を、第１の臨界角が最小であり、最大が骨の２本の主軸を同定する、２方向で、１２０度にわたり、１５−度の間隔で法線の周囲にヘッドを回転することにより得る。
【００７８】
ＵＣＲからの骨質のキーインデックスの計算
一般的実施において、検査されている骨組織の３種の離れた領域で測定を実施する。各部位において、１２０度にわたり多数の臨界角速度（ｖ）を得る。ｖに対するデータは数学的に方程式：ｖ２＝ａ＋ｂｘ２＋ｃｘ４（ここでｘ＝ｃｏｓ（配向）であり、ｖ２は１ｇ／ｃｃの密度に対して正規化された（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）弾力性である）に当てはめられる。生成されるグラフから海綿質及び皮質の最小（Ｅｍｉｎ）及び最大（Ｅｍａｘ）弾力性が骨物質の質の指標として計算される。（これからは、「弾力性」の用語は「弾性係数」の用語と互換性に使用されるであろう）。ｖデータの曲線の下方面積から「集積（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）」又は「平均（ｍｅａｎ）」弾力性（Ｅｉｎｔ）が計算される。Ｅｉｎｔは本質的に平均速度の二乗と同一である。異方性（Ａ）は対応する最大及び最小弾力性の比率として計算される。
【００７９】
新ＵＣＲ装置の臨床応用
（１）骨粗鬆症のビスホスホネート処置期間中の無力骨疾患の発症
ビスホスホネート（例えば、Ｆｏｓａｍａｘ（Ｒ）及びＡｃｔｏｎｅｌ（Ｒ））は世界中で閉経後骨粗鬆症の処置に広範に使用される。この処置は骨密度を増加し、骨折を減少することが知られている（Ｌｉｂｅｒｍａｎ等、Ｎ．Ｅｎｇｌ．Ｊ．Ｍｅｄ．３３３：１４３７−１４４３，１９９５）。本剤の主要な作用は骨の吸収（破壊）を妨げることである。処置の最初の１〜３年間に骨吸収の低下に遅れる骨形成の二次的減少が起る。この期間中に、骨質量の増加率が増加した骨密度をもたらす。骨折の阻止は骨密度のこの上昇に起因されてきた。しかし、実験動物における研究から、ビスホスホネートが、微小な損傷を誘起し、骨質を危うくする可能性がある骨の代謝回転の著明な抑制をもたらす可能性があるという懸念が持ち上がった（Ｌｉ等、Ｃａｌｃ．Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔｅｒｎ．，６
９：２８１−２８６）。更に、ヒトにおいて、慢性のビスホスホネート処置は骨の代謝回転の著明な抑制から骨質を損傷し、そのため長期のビスホスホネート処置後に骨折率の増加をもたらす可能性があることが示唆された（Ｏｔｔ，Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｅｎｄｏ．Ｍｅｔａｂ．８６：１８３５，２００１）。
【００８０】
以下に要約される研究は、本明細書に開示された装置、方法及びシステムを使用して、ヒトにおいて、このような合併症が起り得るかどうかを決定するために実施された。本発明を使用して、長期のビスホスホネート処置が「無力骨疾患」、細胞活動の実質的な不在を伴なう骨の代謝回転の著明な抑制を示す骨の組織学的状況、を誘起することが発見された（Ｏｄｖｉｎａ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，２００３年９月刊行予定）。
【００８１】
３〜７年間、長期ビスホスホネート処置を受けてきた後に、骨折を発症した６人の閉経後骨粗鬆症の婦人（４９〜７６歳）で腸骨間稜骨生検を実施した。３人の患者はビスホスホネートの外に、ホルモン代用治療、２人はプレドニソン（一人は繊維筋肉痛のため、他方は喘息のために）、４人はビタミンＤそして６人全員がカルシウムサプリメントを採っていた。骨折は１人の患者で指に、３人に骨盤、１人に腰骨、１人に足、そして２人に大腿骨に起った。４人の患者において、ビスホスホネート処置下に維持された３カ月〜２年間に、骨折の治癒（座骨、大腿骨、骨盤の）の遅れを示したために、骨の生検を得た。２人の患者においては医師が無力骨疾患の疑いの兆候が高いと感じたために、骨折（仙骨、恥骨枝、肋骨）を発症した直後に生検を採取した。
【００８２】
海綿質の組織形態計測学的所見は表１に要約される。図９Ａ及び９Ｂに示すように、骨形成は低い骨芽細胞表面（Ｏｂ．Ｓ／ＢＳ）及び２倍のテトラサイクリン標識（ｄＬＳ）の不在及びすべての標本における不在もしくは減少した単一標識（ｓＬＳ）を伴なって著明に減少していた。生検を得る前に、テトラサイクリンを１０日間離して、２コースで投与した。テトラサイクリンは活性な骨形成領域で取り込まれ、紫外線照射下で黄色蛍光線を与える。図９Ａ及び９Ｂは長期ビスホスホネート処置にある患者におけるテトラサイクリン標識の不在（９Ａ）及び正常な患者における正常な標識（９Ｂ）を示す、紫外線照射下の単一の海綿質の顕微鏡写真である。テトラサイクリンの２コースは１０日間離して投与した。テトラサイクリンは活性な骨形成の領域で取り込まれて、偏光顕微鏡下で黄色の線を与える。２標識間の距離は１０日間に石灰化した新規の骨の量を表わす。テトラサイクリン標識の不在は著明に損傷された骨形成を示した。骨の再吸収（破壊）パラメーター（ＥＳ／ＢＳ及びＯｃ．Ｓ／ＢＳ）もまた、３人の患者で減少した。同様な傾向が皮質（図示されていない）でも認められた。
【００８３】
【表１】
【００８４】
結果は、ビスホスホネートが著明に減少した骨形成により無力骨疾患を誘起する可能性があることを示唆している。「骨代謝回転」、骨の「古い」又は損傷部分が除去され、新しい健康な骨により代わられる過程も同様に著明に抑制されている。骨の代謝回転の慢性的抑制後に、骨の微細な損傷が蓄積する可能性がある（Ｌｉ等、Ｃａｌｃ．Ｔｉｓｓｕｒｅ Ｉｎｔｅｒｎ．６９：２８１−２８６，２００１）。この説明は治癒の遅れを示す再発性骨折を説明することができる。
【００８５】
（２）無力骨疾患をもつ患者間のインビボのＵＣＲ反射測定
骨の弾力性を、ビスホスホネート処置の撤退の８カ月及び１２カ月後に、ビスホスホネート処置時に無力骨疾患をもつ以前の研究からの２人の患者において、新ＵＣＲにより踵骨内でインビボで骨の弾力性を測定した。本研究の開始時にはＵＣＲは利用可能でなかった。前者の患者においては平均（積算）皮質及び海綿質弾力性は正常な閉経前婦人の平均からそれぞれ１５．４％及び２７．１％だけ低下していた。後者の患者においては、平均（積算）皮質及び海綿質弾力性は、ビスホスホネート処置停止後の欠陥骨質の最終的な是正を示す、正常な閉経前婦人における値の範囲内にあった。
【００８６】
２人の患者において、いまだビスホスホネート処置下にある間に骨折を呈した時に、踵のＵＣＲ分析をインビボで実施した。平均皮質弾力性は正常な閉経前婦人の平均値に比較して２５％及び２６％だけ減少し、そして平均海綿質速度は１６％及び１５％だけ減少した。残りの２人の患者は他の場所で骨生検を受け、ＵＣＲ測定に対して利用可能ではなかった。
【００８７】
ビスホスホネート処置からの無力骨疾患をもつ患者における皮質及び海綿質の減少した弾力性の所見は、骨の異常な構造的混乱（組織形態測定学で示された）が損傷された骨質と相関することを強く示唆し、従って前記の仮説を確証している。
【００８８】
（３）長期ビスホスホネート処置下の患者間のインビボの新規ＵＣＲによる損傷骨質の検出
本明細書に開示された新ＵＣＲ装置を使用して、皮質及び海綿質の超音波弾力性をインビボの踵骨中で多方向で測定した。本発明を使用するＵＣＲ分析を１４人の正常な閉経後の婦人、通常の処置下の閉経後骨粗鬆症をもつ９人（未処置ＰＯ）、及びビスホスホネート処置下（平均期間３．５年）にある２５人で実施した。値は１４人の正常な閉経前婦人
における値の百分率として表わした（表２）。正常な閉経後婦人においては軽度の減少（＜５％）を認めたか又は全く減少を認めなかった。未処置閉経後婦人においては、弾力性の軽度〜中程度の減少（〜１０％）を示した。ビスホスホネート処置においては、海綿質の弾力性（最大及び最小の双方）は約１５％だけ有意に低下し、そして皮質の弾力性は約２５％だけ減少した。皮質及び海綿質の異方性は最大弾力性のより卓越した減少のおかげで、ビスホスホネート処置期間中に減少した。従って、骨物質はこの処置後に異方性が少なくなり、骨の異常な特性を示唆した。積算皮質弾力性は、ビスホスホネート処置後の正常な閉経前値から皮質中で２５．９％だけそして海綿質において１７．５％だけ、有意に減少した。
【００８９】
【表２】
【００９０】
弾力性の低下の大部分はビスホスホネート処置の最初の３年間に起った。ビスホスホネート処置期間中、骨弾力性は図１０に示したように、二重フォトンｘ−線吸収測定法により同時に得られた踵骨の鉱物密度とは独立であった。
【００９１】
図１０はまた、骨弾力性がビスホスホネートで処置された患者と同様に、ステロイドを摂取している腎臓移植をもつ患者においては骨弾力性と独立していることを示す。新ＵＣＲによる皮質の集積（平均）弾性係数及び二重フォトンｘ−線吸光光度分析法による骨密度はインビボの踵骨において同時に測定された。他よりずっと高い弾性係数をもつ２人の「異常者」が存在した。その１人はビスホスホネート処置が１年間停止されていた患者であった。他方においては、皮質の弾力性が広範な骨密度にわたりあまり変動しなかった。
【００９２】
この所見はＵＣＲが器官レベルで物質又は固有の骨質を測定するが、骨密度を測定しないという早期の結論を確証する（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，８：３０１−３１１，１９９３）。正常な閉経前及び閉経後の婦人並びに通常の処置下の閉経後の骨粗鬆症患者において、弾力性は骨密度と軽度に相関した。
【００９３】
（４）新ＵＣＲにより示される腎臓移植における低下した骨質
腎臓移植を受け、ステロイドを摂取している９人の患者において新ＵＣＲ装置を使用して超音波分析をインビボで実施した（表３）。腎臓移植、弱体化した骨と関連することが知られた状態及び骨折の傾向において、海綿質中の最大及び最小弾力性は正常な閉経前婦人に比較して１５〜１７％だけ有意に低かった。皮質の弾力性は２５〜２９％だけ減少した。最大弾力性の低下は最小弾力性の低下より著しく、そのため正常な閉経前状態に比較
して有意に低下した異方性をもたらした。所見はビスホスホネート処置の所見と明白に類似していた（表２対表３）。
【００９４】
【表３】
【００９５】
（５）徐放性フッ化ナトリウムによる処置後の改善された骨質
徐放性フッ化ナトリウムによる骨粗鬆症患者の処置は、当初のＵＣＲ装置により測定されると、海綿質速度を増加することが示された（Ｚｅｒｗｅｋｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：２３９−２４４，１９９１；Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３、更に引用により関連部分が本明細書に取り入れられている、米国特許第５，２２８，４４５号明細書を参照されたい）。踵の超音波分析を徐放性フッ化ナトリウムによる処置後の骨粗鬆症をもつ８人の患者に新ＵＣＲ装置を使用してインビボで実施した。この処置を受けている患者からの皮質及び海綿質の弾性係数は、正常な閉経後の婦人及び通常の処置下の閉経後の骨粗鬆症患者の値の中間にあった（表２対表３）。徐放性フッ化ナトリウム処置を受けている患者の異方性はそのままであることが認められた。従って、新ＵＣＲ装置は、徐放性フッ化ナトリウムによる改善された骨質及び不変の異方性を検出することができる。
【００９６】
本発明は具体的な態様に関して説明されてきたが、この説明は限定的意味で解釈することができることを意図されていない。説明を参照すると、本発明の他の態様のみならずまた、具体的な態様の様々な修正物及び組み合わせ物が当業者に対して明白になるであろう。従って付記の請求の範囲は任意のこれらの修正物又は態様を包含することが意図される。
【００９７】
引用文献
米国特許文献
第５，０３８，７８７号 ８／３１／１９９１ Ａｎｔｉｃｈ等
第５，１９７，４７５号 ３／３０／１９９３ Ａｎｔｉｃｈ等
第５，２２８，４４５号 ７／２０／１９９３ Ｐａｋ及びＡｎｔｉｃｈ
他の刊行物
Ａｎｔｉｃｈ等、”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｏｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（超音波反射に
よるインビトロの骨物質の機械的特性の測定：超音波伝達による方法及び比較）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，６：４１７−４２６（１９９１）．
Ａｎｔｉｃｈ等、”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｂｏｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｖｉｖｏ ｂｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ：ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｉｒｅｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｓｌｏｗ−ｒｅｌｅａｓｅ ｓｏｄｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ａｎｄ ｃａｌｃｉｕｍ ｃｉｔｒａｔｅ（反射超音波によるインビボの固有の骨強度の測定：徐放性フッ化ナトリウム及びクエン酸カルシウムで損傷された質の是正）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ
ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，８：３０１−３１１（１９９３）．
Ｌｉ等、”Ｂｉｓｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｒｅｐａｉｒ ｏｆ ｍｉｃｒｏｄａｍａｇｅ（ビスホスホネート処置は確率論的レモデリングのみならず、微小損傷の標的の補修をも抑制する）”，Ｃａｌｃｉｆｉｅｄ Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，６９：２８１−２８６（２００１）．
Ｌｉｂｅｒｍａｎ等、”Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｒａｌ ａｌｅｎｄｒｏｎａｔｅ ｏｎ ｂｏｎｅ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ
ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｐｏｓｔｍｅｎｏｐａｕｓａｌ ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ（閉経後骨粗鬆症における骨鉱物密度及び骨折の発生率に対する経口アレンドロネートの効果）”，Ｎｅｗ Ｅｎｇｌａｎｄ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，３３３：１４３７−１４４７（１９９５）．
ＮＩＨ Ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，”Ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ，ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅｒａｐｙ（骨粗鬆症、診断及び治療）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２８５：７８５−７９５（２００１）．
Ｏｄｖｉｎａ等、”Ａｄｙｎａｍｉｃ ｂｏｎｅ ｄｉｓｅａｓｅ ｄｕｒｉｎｇ ｂｉｓｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ ｔｈｅｒａｐｙ：ｓｈｏｕｌｄ ｗｅ ｂｅ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ？（ビスホスホネート治療中の無力骨疾患：心配するべきか？）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３）．
Ｏｔｔ，”Ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ−ｔｅｒｍ ａｌｅｎｄｒｏｎａｔｅ ｔｈｅｒａｐｙ（長期のアレンドロネート治療後の骨折）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｄｏｃｒｉｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ，８６：１８３５（２００１）．
Ｐａｋ等、”Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｓｔｍｅｎｏｐａｕｓａｌ ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ ｗｉｔｈ ｓｌｏｗ−ｒｅｌｅａｓｅ ｓｏｄｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ：ｆｉｎａｌ ｕｐｄａｔｅ ｏｆ ｒａｎｄｏｍｉｚｅｄ ｔｒｉａｌ（徐放性フッ化ナトリウムによる閉経後骨粗鬆症の処置：ランダム試験の最終アップデート）”，Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｅｄｉｃｅｎｅ，１２３：４０１−４０８（１９９５）．
Ｒｉｃｈｅｒ等、”Ｉｍｐａｉｒｅｄ ｂｏｎｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｂｉｓｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ（ＢＩＳＰＨＯＳ） ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎ ｒｅｎａｌ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ（ビスホスホネート処置及び腎臓移植における損傷された骨質）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３）．
Ｚｅｒｗｅｋｈ等、”Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｂｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｓｌｏｗ−ｒｅｌｅａｓｅ ｓｏｄｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｃａｌｃｉｕｍ
ｃｉｔｒａｔｅ ｔｈｅｒａｐｙ ｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ
ｂｏｎｅ（骨の物質強度に対する間歇的徐放性フッ化ナトリウム−クエン酸カルシウム治療の効果の反射超音波法による評価）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，６：２３９−２４４（１９９１）．
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１−２】本発明の装置及びシステムの２種の代わりの態様を使用する、ＵＣＲの全般的原理を示す略図表示である。
【図３】水を充填されたラテックス膜により骨に重なっている軟組織と密着した、ＵＣＲ測定の準備ができた、骨組織上に配置された変換器ヘッドの断面を示す、本発明のもう１つの態様の略図表示である。
【図４】変換器ヘッドの等距離概観図を示し、ここで、主要本体は左側にあり、右側にカバーがある。水は変換器と窓の間の容積を充填する。単一の同軸ケーブルが低電流（ｘＡ）、低電圧（ｘＶ）の１．５ＭＨｚの信号を発信機から伝送器要素に輸送し、１組みの同軸のケーブルが多数要素コネクターを介して受信器からデータ収集システムに信号を運ぶ。
【図５】変換器支持アームの運動学的な動作図であり、土台及びエレエーター上に固定された３基のモーターが三次元の平行移動を支持し、他方アーム上に固定された３個のモーターが２種の傾斜回転（骨に対する「法線」を同定し、選択するために必要なθ及びΦ）及び法線（Ψ）の周囲のヘッドの回転を支持する。
【図６】本発明の変換器と接続し、それからデータを受信するようになっているアナログ−から−デジタル獲得ボードを示す。
【図７】本発明の基礎データ収集模型を要約する基本的流れ図である。
【図８】患者の評価及び処置における本発明の使用を示す基本的流れ図である。
【図９Ａ−９Ｂ】長期のビスホスホネート処置（９Ａ）における患者のテトラサイクリン標識の不在及び正常被験者（９Ｂ）における正常な標識を示す紫外線照明の顕微鏡写真である。
【図１０】ビスホスホネート処置期間中及び腎臓移植時の骨密度からの骨弾力性の独立性を示すグラフである。
【図１】
【図２】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概括的に骨質決定の分野に関し、そして更にとりわけ、皮質及び海綿質に対する、インビボにおける弾性係数の迅速で正確な測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨質の非侵襲的測定の必要性
骨粗鬆症は、非外傷性骨折（最少の外傷を受ける骨折）を受け易い高率の高齢者を伴ない、主要な医学的課題である。骨の強度は骨折の主要な予測因子（ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）である。骨の強度は骨密度及び実験室で測定可能な生体機械的アスペクトの骨質双方により、そして生体においては超音波により決定される。
【０００３】
近年、骨密度は二重（ｄｕａｌ）エネルギーｘ−線吸光光度分析法及びコンピューター補助断層撮影を含む幾つかの方法により測定することができる。疫学的研究から、骨密度は骨格の骨折率と逆相関する。従って、骨折が存在しない場合においても骨粗鬆症と呼ばれる−２．５未満のＴ−評価（又は下部脊柱における正常ピーク値の約７５％未満）により、骨粗鬆症を定義するために骨密度が使用されてきた。
【０００４】
しかし、近年の発見は、骨質の重篤な損傷が起り得る状況を提示した。１９９６年に紹介された「ビスホスホネート」と呼ばれる新規のクラスの薬剤が骨粗鬆症の処置に広範に使用されてきた（非特許文献１参照）。新規の研究により、これらの薬剤は長期間の使用によると、骨質を重篤に損傷し、適当に治癒しない再発性骨折をもたらすことが示唆されている（非特許文献２、３、４及び５参照）。更に、外科的技術及び拒絶を予防する医学的処置の改善により、腎臓移植後に、より多数の患者がより長生きしている。これらの患者は恐らく、ステロイドを摂取することからの欠陥性の骨をもち、そして骨に有害な他の因子を受けるために、骨折の受け易さを増加したことが知られている。これらの臨床的状態は、骨質の目立った減少が起る可能性がある状況を提示した。
【０００５】
骨質を測定する信頼できる方法の必要を強調するもう１つの近年の兆候は、骨密度以外の骨の質が骨粗鬆症における骨折の重要な決定因子であるという認識である。１９９４年に、世界保健機構は骨粗鬆症を骨密度のみに基づいて定義した。２０００年に、「骨粗鬆症に関するＮＩＨ合意会議」は、骨粗鬆症を「骨折の増加したリスクの傾向を有する、欠陥性骨強度を特徴として有する骨格障害」と定義した。
【０００６】
明らかに、インビボで骨の生体機械的性質を信頼性に、迅速にそして非侵襲的に測定することができる装置が必要である。その装置は弾力性及び強度のデータの迅速で、正確でそして恒常的な検出を許さなければならない。更に、自動化され、そして使用者に優しい、データ獲得のためのデザイン、工学技術及びソフトウエアを有するシステムの開発の必要が存在する。最後に、例えば、骨粗鬆症又は他の状態の処置期間中に患者の骨質の情報の状況をモニターするための信頼性で、安価な方法の必要が生じてきた。
【非特許文献１】Ｌｉｂｅｒｍａｎ等、Ｎ．Ｅｎｇｌ．Ｊ．Ｍｅｄ．３３３：１４３７−１４４３，１９９５
【非特許文献２】Ｏｔｔ，Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｅｎｄｏ．Ｍｅｔａｂ．８６：１８３５，２００１
【非特許文献３】Ｐｄｖｉｎａ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３
【非特許文献４】Ｒｉｃｈｅｒ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３
【非特許文献５】Ｌｉ等、Ｃａｌｃ．Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔｅｒｎ．６９：２８１−２８６，２００１
【発明の開示】
【０００７】
本発明の装置、方法及びシステムは患者の手当を改善するために超音波の臨界角反射測定（ＵＣＲ）を使用する。本発明はＵＣＲを使用して、骨の弾性係数を計算し、それにより先行装置におけるより実際的で、迅速な骨質の測定を可能にする。本発明はまた、当該方法を拡大して、六方向に対称的であると仮定される骨の異方性を明白に考慮に入れる。異方性は最大及び最少弾性係数を測定することにより計算することができる。装置は骨の多数の部位で測定値を収集するようになっており、それぞれの部位で、皮質（ｃｏｒｔｉｃａｌ ｂｏｎｅ）及び海綿質（ｔｒａｂｅｃｕｌａｒ ｂｏｎｅ）を弾性係数及び異方性につき別々に分析することができる。装置の不可欠部分は骨に対する「法線の」（骨の表面に垂直な測定装置の配置）迅速な決定を可能にし、そして異なる方向におけるスペクトルの測定を自動化するように構成された特有のデザインのロボットガントリーである。骨に対する法線は、それが角度システム中の最初の角度（度）を表わし、従って測定の精度を支配するので、かなりの精度を伴なって決定しなければならない。このガントリーを使用して、法線が一旦決定されると、回転軸として法線を使用してヘッドを回転して、異なる方向のスペクトルを得ることができる。この活動は今や迅速で、自動化されている。装置のサイズは同定の部位のために製造されると、同様な基礎的特徴物を包含しながらより小型にすることができる。
【０００８】
１態様において、本発明は、少なくとも１基の超音波伝送器並びに、そこで受信器アレーが標的からの反射超音波エネルギーを同時に検出する、伝送器と焦点を共有する同軸アークに沿ってアレーに配列された２以上の受信器要素を備える変換器である。変換器は少なくとも一次元で凹面である伝送器及び／又は少なくとも一次元で凹面のアレーを形成する２以上の受信器、並びに／あるいは１基の伝送器及び、凹面で、例えば、共通の焦点の周囲に同軸である２以上の受信器を備えることができる。変換器は奇数もしくは偶数の受信器要素又は、１を超える受信器、例えば、２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４、１２８もしくはそれを超える独立の受信器を備えることができる。１態様において、２以上の受信器はハウジング内に配置された少なくとも１基の伝送器及び４８−要素の受信器のアレーを備える受信アレーシステムを形成し、そこで受信器アレーが伝送器の焦点の又はその周囲の検査地点から１２０度にわたり超音波の速度を同時に測定する。伝送器及び少なくとも２基の受信器のためのハウジングは伝送器及び受信器の焦点又はその周囲に少なくとも１個の開口部をもつ。
【０００９】
１態様において、変換器は伝送器及び少なくとも２基の受信器のためのハウジングを備え、そこでハウジングが少なくとも１個の開口部、ハウジングの開口部の又はその周囲のラテックスの膜及びハウジング内の超音波伝導性物質を有する。１態様において、超音波伝導性物質は水、生理食塩水等を含むことができる。変換器は、変換器の運動が検査地点上の装置の正確な配置を可能にする、変換器に接続された、コンピューターにより制御される配置アームを更に含む超音波システムの部分であることができる。変換器はまた、超音波伝導性物質と連絡した圧力検出装置を備えることができ、次にこのシステムがラテックスの膜を破損する可能性があるハウジング内の圧力の上昇を検出することができる。コンピューターは変換器の伝送器及び受信器に接続することができ、ここで当該コンピューターは、各角度において各受信器から１以上の反射スペクトルを集めて、そのスペクトルから、検査されている骨の皮質成分及び海綿質成分に対する臨界角を計算する少なくとも１個のコードセグメントを含む。コンピューターは更に、獲得されたデータから、臨界角速度を決定し、そしてそれらを少なくとも２個の主要な弾性係数の決定のための一次−二次方程式に当てはめる少なくとも１コードセグメントを含むことができる。
【００１０】
本発明の更にもう１つの態様は、少なくとも１基の超音波伝送器及び、伝送器と同軸で、焦点を共有する受信器のアレーを備える変換器であり、ここで受信器のアレーは多数の角度で、標的からの反射超音波エネルギーを同時に検出する。変換器は、皮質及び海綿質の弾性係数を決定するために、例えば、骨粗鬆症のための骨の処置治療を受けている骨からの反射スペクトルを決定するために使用することができ、そして次に外側の硬い骨及び内側の海綿状の骨の、骨異方性を計算するために使用することができる圧力波を検出する。臨界角速度は例えば、ビスホスホネート、ステロイド及び他の治療薬による処置期間中の、骨の改善又は変性を追跡するために使用することができる骨の質及び強度のデータと相関する少なくとも２種の主要な弾力性の係数を決定するために使用することができる。
【００１１】
本発明はまた、骨の特性の期待される変動に対して十分な角度のスペクトルに対して作動する１基の伝送器及び２以上の受信器を備える超音波変換器を使用して、標的からの超音波の２以上の臨界角反射値を同時に検出し、そして標的の弾性係数を計算する段階を含んでなる、標的の弾性係数を決定する方法を含む。本明細書における臨界角度及び振幅の測定方法は先行特許（米国特許第５，０３８，７８７号明細書）に記載された。標的は例えば、骨粗鬆症をもつことが疑われ得るヒトからの骨であることができる。方法は更に、骨粗鬆症予防薬（例えば、ビスホスホネート、その塩又はそれらの混合物、エストローゲン、エストローゲン類似体又は選択的エストローゲン受容体変調剤、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ又はカルシトニン）又は骨喪失を誘起することが知られている薬剤（例えば、ステロイド及び抗痙攣剤）で処置されている、骨粗鬆症をもつことが知られている又はそれを疑われるヒトにおける疾患の進行の決定を含むことができる。本発明は非侵襲的である変換器の使用を含む。本発明は超音波変換器から、多数の方向で検出される値を使用して、固定位置における骨の固有の方向に対する臨界角度から決定される音速の二乗として計算される、弾性係数を決定するために使用することができる。最大弾性係数及び最小弾性係数を使用して、標的の異方性の度合い（例えば、骨異方性）を迅速で自動化された方法で予測することができる。より信頼できる結果を得るために、本明細書に開示される装置、方法及びシステムはまた、標的に対する変換器の法線を迅速に、恒常的に決定するための自動化アームの使用を含む。データ処理及び計算はまた、例えば、２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８個の受信器からの同時の（ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｏｒ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ）検出により更に効率的にすることができる。
【００１２】
伝送器と同軸の２個以上の受信器における超音波の臨界角反射値はまた、更なる分析のために検出し、保存し、表示しそして／又は印刷することができる。従って、本発明の方法はまた、異なる時点の超音波の検出された臨界角反射値を保存し、そして経時的に標的の弾性係数の変化を追跡するために測定値を比較することを含むことができる。
【００１３】
本発明はまた、１以上の伝送器及び２以上の受信器をもつ超音波変換器を使用して骨に向けた超音波の反射の２以上の臨界角を同時に検出し、２以上の各受信器で検出された値を使用して固定位置における骨の固有の方向に対する音速の二乗として骨の弾性係数を決定し、そして弾性係数から骨の異方性を計算する段階を含んでなる、骨粗鬆症の治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定するために使用することができる。本明細書に開示された装置、方法及びシステムはまた、ビスホスホネート又はその誘導体による処置の前に又はそれと同時に２以上の受信器における超音波の第１の検出臨界角反射値を保存し、一定の期間後に２以上の受信器における超音波の第２の検出臨界角反射値を保存し、そして、第１及び第２の測定値を比較して、ビスホスホネート又はその誘導体による処置期間中の骨の弾性係数の変化を追跡する段階を含むことができる。骨の皮質領域及び海綿質領域の最大弾性係数及び最小弾性係数の検出及び計算は、ビスホスホネートによる患者の処置前及びその期間中にインビボで骨の異方性を予測するために、そして処置に有効に反応しない又は処置に否定的に反応する患者に対してはこれらの患者を同定し
、そして更なる損傷の前に処置を変更するために使用することができる。本発明は非侵襲的な方法で、例えば、患者に踵で患者の骨の皮質、海綿質の弾力性及び異方性の決定を可能にする。獲得され、保存されそして／又は処理されたデータを使用して、使用者は骨の異方性（皮質領域及び海綿質領域の最大弾性係数及び最小弾性係数を決定することにより）を計算することができ、そこで測定値は体重担持骨及び体重非担持骨それぞれの軸に対応する。この装置により追跡される処置はまた、骨粗鬆症を処置するために使用される他の薬剤（例えば、エストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニン）又は骨喪失を誘起することができる薬剤（例えば、ステロイド及び抗痙攣剤）を含むことができる。この装置はまた、損傷した骨質を有することが疑われる疾患又は状態（例えば、パジェット病及び運動不足）を追跡するために使用することができる。
【００１４】
本発明はまた多数の角度で同時にそして自動的に超音波速度を検出するコンピューターにより制御される超音波臨界角反射測定変換器、超音波変換器を支持する三次元の運動を可能にする接合（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）アーム及び、超音波変換器からの臨界角反射測定データを計算するために超音波変換器からの信号を受信するように接続され、受信することができるコンピューターを含む、骨の異方性を測定するためのシステムを含む。コンピューターは三次元で変換器の位置を指示する接合アームの１以上の制御装置に接続されている。変換器は骨粗鬆症を罹患している又はそれをもつことが疑われるヒトからの骨の弾性係数、例えば、ビスホスホネート又はステロイドで処置された骨粗鬆症を罹患している又はそれをもつことが疑われるヒトの骨の弾性係数を測定するために使用することができる。コンピューターはＵＣＲにより決定されるような超音波の速度から弾性係数を決定し、そして／又は最大弾性係数及び最小弾性係数を計算して、標的の異方性度合いを予測することができる。本システムのコンピューターはデータを使用して、更に、最大弾性係数及び最小弾性係数を計算して、骨の異方性度合いを予測することができる。迅速で恒常的な結果を伴なって骨の異方性の決定を自動化するために、本発明のコンピューターは標的に対する変換器の法線の決定を自動化する。コンピューターは異なる時点における超音波の臨界角反射の値を保存し、比較すらし、そして、第１及び第２の時点における患者の異方性の第１及び第２の値を保存することにより処置の、骨異方性に対する効果のみならずまた、第１及び第２の時点における患者の弾性係数に対する第１及び第２の値を保存することにより、骨粗鬆症に対する治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する効果を示す、使用者に優しい出力を使用者に提供することができる。
【００１５】
更にもう１つの態様において、本発明のシステムは第１及び第２の時点の患者の弾性係数の第１及び第２の値を保存することにより、骨粗鬆症のビスホスホネート治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する効果を決定し、そして更に最大及び最小弾性係数から計算される骨異方性の値に対する処置の効果を追跡する。処置は骨粗鬆症を誘起する可能性があるもののみならずまた、骨粗鬆症のために使用される他の薬剤であることができる。
【００１６】
更にとりわけ、本発明は全反射角度にわたりほとんど瞬間的な測定を可能にする、注文設計される変換器ヘッドを含む。ヘッドは弾性の曲げ易い接合面（検査下の骨組織上に配置される）を伴なう防水囲い物内に封入された２個の超音波要素を備える。１態様において、単一要素の伝送器及び４８−要素の受信器のアレーは別個である。双方とも、１２０度の範囲にわたる、異なる半径をもつが共通軸をもつ直円柱の部分である。軸の部分の中点は変換器の名目上の中心である。水で充填され、変換器の共通の中心が窓を越えて約１．５ｃｍ突き出すような形態のラテックス膜により覆われた窓中で終結する防水の硬い容器内に固定された構造で固定されている。操作時には、液体は重力により制御される僅かな圧力下にあり（支持土台上の変換器ヘッドより僅かに高い高度に配置された水のレザボアを使用することにより）、そしてラテックス膜は窓枠を越えて少なくとも０．５ｃｍ膨
張する。膨らみが患者の皮膚（検査されている骨の上にある）と接すると、変換器の中心は深部の皮膚の下方に推定される仮想地点である。
【００１７】
配置アームは平行四辺形のような形状の２部分（１つは土台に固定され、１つは変換器ヘッドを支持する）を含むパンタグラフである。アームは土台に固定されたモーターにより垂直及び水平に（３自由度）動かすことができる。アームは変換器ヘッドが変換器の中心と同一の固定地点の周囲を回転するように関節をなす（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）。この幾何学的特性が回転角度Ψの２個の相互に直交する値における傾斜角Φ及びθを変えることにより法線を決定することを可能にする。このようにして、変換器ヘッドの軸は固定地点で骨に対する法線と一致するように２自由度をもって回転することができ、変換器ヘッドは骨の表面に沿った任意の方向を採るようにその軸の周囲を角度Ψだけ回転することができる。
【００１８】
検査中に、オペレーターは問題の部位（検査されている骨組織）上に変換器ヘッドを配置し、そして変換器ヘッドは変換器の中心が研究下の骨の表面にくるまで、コンピューター制御装置を使用して、アームの精細な、ミリメーター未満の段階を使用してオペレーターにより前進される。踵に対しては、この前進は０．５〜１．０ｃｍに限定され、患者の皮膚は柔軟な膜との接触を維持し、枠又は硬い表面のどんな他の要素とも接触しない。過剰な圧力（例えば、測定されている足の突然の運動から起る可能性がある）は前進を停止させ、ヘッドを引っ込めさせる。伝送器により単一の（集中する（ｉｍｐｌｏｄｉｎｇ）円筒状の）波が放射され、そして各受信要素が受信アレーの連続的要素として操作により決定される一組の反射角にわたり、反射される振幅を検出する。臨界角βｃはこの分布（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）中の最大値に対応する。次に速度ＶはＶ＝Ｖｃ／Ｓｉｎβｃにより与えられ、ここでＶｃは検定溶媒（水）中の音速である。各方向Ψに対してＶの異なる値Ｖ（Ψ）が得られる。骨は固有の六方向に対称性を有するので、分布は推測的にＶ（Ψ）＝ＡＣｏｓ４Ψ＋ＢＣｏｓ２Ψ＋Ｃであることが決定される。古典的な教科書の標記法においては、これらは剛性マトリックスのエレメント｛Ｃ｝に関してＡ＝Ｃ１１＋Ｃ３３−ｋ、Ｂ＝ｋ−２Ｃ１１、Ｃ＝Ｃ１１そしてｋ＝２（Ｃ１３＋２Ｃ４４）として表わされる。本発明は２個の主要な係数、Ｅｍｉｎ＝Ｃ（＝Ｃ１１）及びＥｍａｘ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ（＝Ｃ３３）の決定を可能にする。これらの係数はその機械的特性を映す骨の固有の特性である。
【００１９】
従って、このＵＣＲ変換器及びシステムの重要な発明物は：（ａ）散乱角度の全スペクトルにわたり臨界角速度の同時測定を可能にする、単一の伝送器及び複数の受信器要素、例えば、４８−受信器要素の「デュアルアレー」システム、（ｂ）検査されている骨組織の部位上の変換器ヘッドの、骨に対する法線に沿った正確は配置及び整列を可能にする運動を自然に取り入れるように製作されたロボットアーム、（ｃ）水浴中への骨組織の浸漬を回避する、変換器ヘッド中に水を含むラテックス膜の使用、（ｄ）膜（変換器内部に超音波伝導性物質を封入する）又は患者上に形成する過剰圧力を防止する特別な工学的特徴物、（ｅ）各角度における反射波トレインの測定値から反射スペクトルを得、そしてそのスペクトルから皮質及び海綿質に対する臨界角を引き出すためのデータ獲得ソフトウエア並びに（ｆ）各角度Ψの臨界角速度Ｖを決定し、次に２個の主要弾性係数を決定するために角度ΨのＣｏｓ２にＶ２を関連付ける一次−二次方程式にそのデータを当てはめるための特別の後処理ソフトウエアである。
【００２０】
本発明の装置、方法及びシステムは例えば、より正確なそして反復可能な測定のための、変換器に対する「法線の」ベクトルの簡単で迅速な決定を可能にする。本発明は変換器の方向に左右されることが少なく、音響信号の速度の同時の自動化された検出を可能にする。更に、本システムは弾性係数の迅速な、自動化されたそして早い決定を可能にし、従って初めて、異方性の計算を可能にする。本明細書に開示の変換器、方法及びシステムを
使用して、完全自動化を伴なう、より複雑な、従ってより正確な決定及び測定を、例えば、現在利用可能なものの１／３以下の測定時間の減少を伴なって６方向の３地点で実施することができる。当該方法は非侵襲的であり、超音波担持媒質を含む浸漬浴中に患者又は患者の身体の一部の浸漬を必要としない。更に、本発明は例えば、ビスホスホネート、その塩又はそれらの誘導体を使用する患者の治療効果を決定し、追跡するために使用することができる。他の患者、例えば、腎臓移植を有する及び骨粗鬆症を処置するために使用される他の薬剤又は骨喪失を誘起する可能性がある薬剤を摂取している患者もまた、本発明から利益を得るであろう。
【００２１】
本発明者は、骨密度のみでは骨折の危険性を予測することができないことを認識してきた。正常な骨密度をもつ何人かの患者は非外傷性骨折を発症し、そして低い骨密度をもつ何人かの患者は骨折を受けない。この所見の１つの説明は、骨の質は骨密度と「一致していない」かも知れないことである。従って、骨の質が優れている場合は、低い骨密度をもつ何人かの患者は骨折を受け易くないかも知れない。他方、高い骨密度をもつ何人かは骨質が劣る場合は、骨折を受け易いかも知れない。
【００２２】
骨質の測定は、骨の質の低下と関連した又はそれを誘起する可能性のあるいくつかの状態又は処置が存在するために重要である。骨質が損傷されると推定される例は：骨のパジェット病（繊維形成を伴なう異常な骨の過剰形成）、骨軟化症又は佝僂病（石化の低い骨を伴なう）、運動不足及びフッ素沈着症（異常モザイク風の骨を伴なう毒性のフッ化物露出）である。不幸にも、骨質を非侵襲的に（安全に）測定することができる商業的装置は存在しない。利用可能な超音波法は骨組織中の超音波の伝達に基づき、従って大部分骨密度の測定値をもたらすのみである。
【００２３】
本発明の臨床的適用は骨の弾力性、異方性及び強度データの測定を可能にする。骨の異なる部位において弾性係数を測定することができる装置は新規のＵＣＲ法により構成され、踵骨（踵）中で試験され、そしてその重要な臨床的応用が確認された。この新ＵＣＲ装置により、多数の測定を迅速にそして信頼性に実施することができ、そのためインビボで（生存しているヒトにおいて）非侵襲的に、皮質及び海綿質の弾性係数をもたらすことができる。本明細書に開示された変換器はピーク及び最小の弾性係数を決定することができ、ここで最大の弾性係数は体重担持において重要な骨の固有の特性であり、そして最小の弾性係数は体重担持においてはあまり重要ではないものである。最大及び最小弾性係数の比率から、骨の異方性（非対称性）を予測することができる。この装置はビスホスホネート（骨粗鬆症のために広範に使用される薬剤）による処置期間中及び腎臓移植（ステロイド処置にある）における低下した骨質を検出する際に臨床的に有用であることが示された。以下に説明されるように、これらの状態で示される骨質の減少は閉経後骨粗鬆症にこれまで開示されたものよりずっと大きかった。本装置はまた、同定の処置（例えば、低投与量の間欠的フッ化物）からの骨質の改善を検出する時にも有用であることができる。
【００２４】
本発明の特徴物及び利点をより完全に理解するために、今度は、異なる図における対応する数値は対応する部品を表わす、付記の図面と一緒に本発明の詳細な説明を参照する。
【００２５】
本発明の様々な態様の作製及び使用を以下に詳細に考察する間に、本発明が広範な同定の背景において具体化されることができる多数の適用可能な本発明の概念を提供することを認めなければならない。本明細書で考察される同定の態様は、本発明を作製し、使用する同定の方法を単に具体的に示し、本発明の範囲を限定はしない。
【００２６】
超音波臨界角反射測定（ＵＣＲ）
１９９０年代初期に、本発明者は約０．２ｍｍの骨の表面の小部分中の超音波の「反射」に基づいて骨質を測定するための、超音波臨界角反射測定又はＵＣＲと呼ばれる新規の
方法を紹介した（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１）。骨質は超音波速度から誘導又は推理することができる。当初のＵＣＲ装置は皮質（骨組織の外側部分の「硬い骨」）並びに海綿質（骨組織の内核の「海綿状の骨」）内の速度を決定した。
【００２７】
本発明はヒトにおいてインビボで非侵襲的に皮質（硬い）及び海綿質（海綿状）の骨の弾性係数（質）の迅速で信頼できる測定を可能にする、超音波の臨界角反射測定の方法の改善を説明する。改良点は、特別な「アレーシステム」及び新規の工学及びソフトウエアデザインを使用して、多数の入射角において反射された超音波振幅の同時検出及び一連の方向にわたる臨界角における超音波速度の測定を可能にする。これらのデータから、ソフトウエアが速度の二乗から主要な弾性係数の計算を実行する。最大弾性係数Ｃ３３（体重担持に重要な垂直軸にほぼ沿った）及び最小弾性係数Ｃ１１（体重担持にあまり重要ではない水平軸にほぼ沿った）双方が皮質及び海綿質において別々に計算される。この測定は、骨の固有の方向は姿勢（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）とともに変化し、従って与えられた解剖学的方向に沿った速度を測定誤差よりも大きく変化させ、他方、与えられた固有の方向に沿った速度は測定誤差によってのみ影響を受けるために、固定された解剖学的方向において得られるものより正確である。速度の二乗と固有の方向の間には決定要因的相関が存在するので、多数の方向における値に当てはめることは測定誤差を最小にする。更に、主軸に沿って伝播しない音波は混合した特性をもち（それらは疑似圧力波である）、従って弾力性及び強度のような機械的特性との相関を隠すので、測定がより正確である。最大及び最小の弾性係数の比率から、「異方性」（非対称性）の度合いを正確に予測することができる。本明細書に開示されたＵＣＲ装置及び方法は骨粗鬆症の骨折の原因となる損傷された骨の質を検出するために適用されてきた。
【００２８】
ステロイドを摂取している腎臓移植、損傷された骨質と関連することが知られている状態及び骨折し易さの増加を有する患者においては、皮質及び海綿質の弾性係数は、正常な閉経前状態から１５〜３０％だけ減少していた。骨粗鬆症を処置するために広範に使用される薬剤のビスホスホネートによる処置は長期使用後に、「無力骨疾患」（骨の代謝率の重篤な低下）を誘起し、従って治癒が遅い長骨の骨折をもたらす可能性がある。新規のＵＣＲ法により、皮質及び海綿質の弾性係数はまた、損傷された骨強度を示す、長期のビスホスホネート処置期間中に１５〜３０％だけ減少していた。従って本発明は低下した骨強度をもつ状態を検出し、そしてビスホスホネート又はステロイドを摂取している患者間の欠陥骨の発症に警告するために有用な、皮質及び海綿質の固有の（物質の）質を、ヒトにおいて非侵襲的に測定するための信頼できる、迅速な方法を請求している。
【００２９】
当初のＵＣＲ装置の方法及び適用に対して本発明者に対して３種の特許が許可された（米国特許第５，０３８，７８７号、第５，１９７，４７５号及び第５，２２８，４４５号明細書、ＵＣＲの関連する説は引用により本明細書に取り入れられている）。この方法において、骨中の超音波信号は入射角を変え、骨により反射される超音波の振幅を分析しながら測定された。臨界角で超音波速度を測定することができる装置は記載された（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１；Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３）。この装置を使用して、海綿質中の超音波速度は正常な閉経前の婦人に比較して、正常な閉経後の婦人において７％だけ、そして未処置の閉経後の骨粗鬆症をもつ患者においては１３％だけ減少することが示された。治療的毒性量以下のフッ化物を投与することにより骨密度を増加し、脊椎の骨折を妨げる（Ｐａｋ等、Ａｒｃｈ．Ｉｎｔｅｒｎ．Ｍｅｄ．１２３：４０１−４０８，１９９５）徐放性フッ化ナトリウムによる処置は、正常な閉経後婦人のレベルまで海綿質の超音波速度を増加することが認められた（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３；Ｚｅｒｗｅｋｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：２３９−２４４，１９９１）。
【００３０】
当初のＵＣＲ装置は直線運動及び回転を可能にする簡単な構台上に固定され、その変換器ヘッドは同時に運動する２個の変換器を含むことができる。それはデザインは簡単であったが、与えられた骨の位置で、異なる方向の臨界角速度を測定するためには、かなりの手動の調整及び複雑な動きを必要とする（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１）。従って、皮質及び海綿質においてインビボでは唯一の速度の測定値を得ることができた。最大及び最小速度は信頼性に決定することはできず、従って異方性の正確な予測は不可能であった。更に、最初の装置は使用するのに面倒で、時間がかかった。最後に、当初のＵＣＲ装置により示された疾患に伴なう超音波速度の変化の度合いは前記のように僅かであり、閉経後の骨粗鬆症における値は正常な閉経前の婦人の値より約１３％低かった（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３）。
【００３１】
使用される用語「放射（ｅｍｉｔｔｉｎｇ）」は超音波伝送器による超音波又はパルスの伝達を表わすために使用される。本明細書で使用される「受信（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ）」の用語は物質により反射される超音波圧力パルス又は波の超音波受信器による受信を表わすために使用される。伝送器及び受信器は一緒に、波が標的に直接当り、そして／又は、標的の点又は面であってもよい、標的に当る前に、波が超音波伝導性又は伝達性物質を横切るかどうかに拘わらず、標的物質から反射される超音波を放射し、そして受信することができる「変換器」を形成するものとして説明される。
【００３２】
本明細書で使用される用語「臨界角反射」は、そこで反射された超音波が超音波伝送器の方向に戻って進行し、受信器アレー又は単一の受信器により検出される、標的に当った後に、超音波伝送器から放射される超音波の反射を表わすために使用される。臨界角反射として標的から反射される超音波を受信又は検出するためには、超音波の受信器は、超音波伝送器に又はその周囲にある、例えば、その中央領域の要素が概括的に伝送器及び受信器の共通の中心である標的の方向にある。
【００３３】
受信器のアレーは受信された超音波の少なくとも１種の特徴、例えば、受信超音波の振幅及び相を決定するように作動する１以上の信号分析装置に接続されている。受信器はデータを分析装置、例えば、受信した超音波の振幅、最大、最小（集合的に「極値」と呼ばれる）のようなパラメーター及び様々な速度を決定するために使用されるエッジ（ｅｄｇｅｓ）及び／又は標的物質の機械的特性の予測値に対して２以上の受信器からのデータを獲得し、処理しそして／又は保存するコードセグメントを含むコンピューター、に伝達する。相に関しては、相が最初にゼロから著しく偏る入射角のようなパラメーターもまた獲得され、処理されそして／又は保存され、そして標的物質の機械的特性を計算しそして／又は予測するために使用されることができる。
【００３４】
受信アレーから獲得されるデータを使用して、本発明はまた、受信アレーにより獲得されるデータから例えばコンピューターを使用して「法線」の検出を決定し、獲得しそして自動化するためのシステム及び方法を含む。法線の自動化された決定は、標的、例えば、骨粗鬆症処置に対する薬剤又は骨喪失を誘起する可能性があるものを摂取している患者からの骨の表面に対する現在、過去及び未来の測定値の精度を増加し、それが現在及び未来の測定値において、検出装置と骨を関連づけるために、合理的な測定値の１組の使用を可能にする。法線はゼロ角度並びに、法線及び入射波（Ｉ）を含まなければならない放射面（又は散乱面）、を特定するために、法線の恒常的な、自動化された決定は重要である。面及びゼロが不正確に選択されると、角度が正確に測定されないために、得られる測定値はほとんど価値がないと思われる。本発明の方法及びシステムは法線の決定の精度及び速度双方を増加し、従って重要な標的のデータ、例えば、患者の待機時間の著しい減少を伴なう患者の骨の質の迅速で、正確でそして反復可能な測定及び計算を促進する。患者の処
理時間を短縮することにより、より多数の患者を処置することができ、１回の決定当りの経費を低減させる。更に、データをより正確に獲得し、処理することにより、患者のデータ、患者のコンプライアンスを改善し、そして患者の処置を改善するために減少した数の決定を必要とする。
【００３５】
新ＵＣＲ装置の全般的説明及び操作法
本明細書に開示された変換器は、測定を実際的にそして先行装置におけるよりより迅速にすることにより、超音波臨界角反射測定の方法を実施するようにさせ（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎ．Ｒｅｓ．６：４１７−４２６，１９９１；Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３）、六方向に対称性であると推定される骨の異方性を明白に考慮するように方法を拡大する。本明細書に開示される装置は骨の多数の部位で測定を実施するようになっている。同定の部位に対して作製される時は、同様な基礎的特徴物を包含するが、装置のサイズはずっと小型であるにちがいない。
【００３６】
図１及び２は本発明の反射装置及び方法の概括的臨界角を表わす。図１は伝送器１２及び２以上の受信器（１６ａ、１６ｂ）を含む受信器アレー１４として働く超音波変換器１０を表わす。角度θ１をもつ超音波（Ｉ）は硬い標的２２（例えば、骨組織）に当る。便宜上、伝達波の進行方向により特定される面は、伝送器１２及び受信器アレー１４に対する焦点３２を含む標的２４の表面に対する法線（Ｎ）から特定される。反射された（Ｒ）超音波は、前以て特定された角度θ３により分離される、前以て特定された標的の角度θ２を伴なって受信器１６ａ、１６ｂに到達する。
【００３７】
図２は、伝達された波（Ｉ）が軟い層２２（例えば、皮膚のような軟組織）を横断後、標的２４に接し、そして伝送器１２及び受信器アレー１４の焦点３２の周囲にある焦点３２に当った後に、奇数の受信器１６ａ〜１６ｉを含む代わりの受信器アレー１４を示す、本発明のもう１つの態様を示す。受信器アレー１４は圧力波が軟い層２２を横断後、標的２４からの反射波Ｒを同時に検出する。
【００３８】
図３は標的２４と密着している、ＵＣＲ測定の準備ができた変換器ヘッド１０の断面を示す、本発明のもう１つの態様の図による解釈である。変換器ヘッド１０の中心の要素は伝送器１２及び、受信器アレー１４中の２以上の受信器１６ａ、１６ｂを含む受信器アレー１４（超音波要素１２、１４を備える）である。変換器１２は、図２〜４に示されるように、ここでは患者の接合面２０が検査下の骨組織２４において、又はその周囲で軟組織２２（例えば、皮膚）と接して表わされている、ハウジング１８又は容器中に封入された２個の超音波要素（１２、１４）を備える。１例において、単一要素の伝送器１２及び４８−要素の受信器アレー１４は別個である。双方は１２０度にわたり、共通軸をもつ直円柱の部分である。軸部分の中点は変換器要素１２、１４の名目上の中心である。２個の超音波要素１２、１４は、超音波伝導性物質２６（例えば、水）で充填され、超音波要素１２、１４の共通の中心又は焦点３２が窓２８を越えて例えば、約１．５ｃｍ飛び出すような形態で、例えば、ラテックス膜３０により覆われた窓２８中で終結する、例えば、防水の硬いハウジング１８内に固定された幾何学構造を伴なって固定することができる。法線Ｎは焦点における骨の表面に対する垂線として図１及び３に示されている。
【００３９】
操作時には、超音波伝導性物質２６は重力により制御される僅かな圧力下にあり（例えば、支持土台（図３には示されていない）上の変換器ヘッド１０より僅かに高い高度に配置された水のレザボアにより）、そしてラテックス膜３０が窓２８の枠を越えて例えば、０．５ｃｍまで膨張する。ラテックス膜３０の膨らみが患者の軟組織２２（検査されている骨と重なっている）と接すると、変換器の共通の中心３２は軟組織２２下の深部に推定される仮想地点である。
【００４０】
１つは土台５２に固定されたもの及びもう１つは変換器ヘッド１０を支持する、平行四辺形の形状をした２個の部分を含むパンタグラフである、変換器ヘッド１０のための配置アーム５０は図５に示される。アーム５４は例えば、土台５２上に固定されたモーターにより垂直及び水平に（３自由度）動くことができる。アーム５４は、変換器ヘッド１０が超音波要素の中心と一致した固定点の周囲を旋回するように接合されている。このようにして、変換器ヘッド１０の軸は固定点の周囲の任意の方向を採るように２自由度を伴なって回転することができる。
【００４１】
検査中に、オペレーターは問題の部位（検査されている骨組織）上に変換器ヘッド１０を配置し、変換器ヘッド１０は変換器の中心が検査下の骨の表面にくるまで、コンピューター制御装置を使用してアーム５４の精細なミリメーター未満の段階を使用してオペレーターにより前進される。この前進は踵に対しては０．５〜１ｃｍに限定され、患者の皮膚は柔軟な膜に接触したままであり、枠又は硬い表面の他のどんな要素とも接触しない。例えば、測定されている足の突然の動きから起る過剰な圧力は前進を停止させ、ヘッドを退却させる。
【００４２】
変換器ヘッド
超音波変換器ヘッドは例えば、ＰＶＤＦ（ポリビニルジフルオレン）基材に基づいて構築された２個の要素を備える。伝送器として使用される要素は単一であり、中心から大きい範囲の角度にわたり、ラテックスでおおわれた窓中で終結する。単一の共軸ケーブルが低電流（ｘＡ）、低電圧（ｘＶ）の１．５−ＭＨｚ信号を発生器から伝送器に運搬し、１組の共軸ケーブルがその信号を受信器からデータ獲得システムに運ぶ。ヘッドの図は図３に示され、図の拡大詳細図は図４に示され、それは更に個々の受信器により獲得される信号を例えば、コンピューターに運ぶリード線又は接合体を含む。
【００４３】
音響エネルギーを電気的エネルギーに平行移動するため及びその逆のために、超音波は伝統的にＰＺＴ（鉛ジルコネートチタネート）及び石英のようなセラミックス及び結晶を使用してきたが、ＰＶＤＦは組織及び柔軟な皮に適するので、その特性において医学的超音波における使用に理想的に適する。更に、概括的に、伝統的なセラミックス及び結晶よりも取り入れることが安価で、容易である。当業者は例えば、データの精度、信号の強度を最大にし、そして／又は信号対ノイズ比率を最適化するために同定の標的に対して物質をいかにして適合させるかを知るであろうために、本発明は本明細書に記載の実際の物質に限定されない。ＰＺＴに比較して、ＰＶＤＦは受信要素として２つの重要な利点を有する。それは生体医学の超音波の標準範囲を容易に網羅する広範な振動数応答（０．００１〜１ＧＨｚ）を有する。更に、それは水及びヒトの組織のインピーダンスに近い、低い音響インピーダンスを有する。それに対し、ＰＺＴは概して液体及び軟組織に連結するためには多数の適合層を必要とする高いＱ物質である。
【００４４】
本明細書に開示されたＵＣＲ変換器ヘッドにおいては、ＰＶＤＦはまた、それを使用する作業及び受信器アレー中への取り入れの容易性のために、受信要素として使用することができる。フィルムとして、ＰＶＤＦは様々な厚さで、従って様々な感度で得ることができる。市販の接着剤（微小測定値のＡＥ−１０の薄い膠付けエポキシ）の使用を伴ない、ＰＶＤＦフィルムは本発明における非伝統的なデザイン及び形状の構造物を支持するために膠付けされた。更に、新規の検出要素を作製するためにＰＶＤＦフィルムを一緒に膠付けする独特な方法が開発された。更に、全波形受信及び優れたビーム形態のサンプリングの双方が可能な新規の超音波検出装置を作製するために、１Ｄ及び２Ｄ電気アレーにこれらの多層フィルムを結合するための方法が開発された。受信器アレーのパターンは例えば、０．００５”の厚さのガラス繊維の銅張り板上にエッチングされる。一体式ＰＶＤＦ受信器のアレーは、ヒトの軟組織に良好に適合する、ＰＶＤＦの固有の電気的特性に良好に適合する、特別にデザインされた、多チャンネル増幅器及びデジタル化システムと一体化
される。
【００４５】
ＵＣＲ測定値の精度を改善し、自動化するために、本発明のシステムが開発された。超音波ヘッドが各測定部位において、骨の表面に垂直に配置される時に患者のコンプライアンス及び再現可能な測定が最良に達成されることが発見された。本発明のシステムは伝送器の中心の周囲に２種の、１つは縦の、及び他方は横の、直交する回転（旋回）運動を使用することにより患者のコンプライアンス及び再現可能性の目標を達成する。これらの運動は通常の配列のために最少の条件を提供することが認められた。縦の回転は第１は土台の軸に結合し、第２は変換器ヘッドに結合された２種の平行四辺形を含むことができるパンタグラフ機構を使用して実行される。その機構は例えば、１以上のＡ−ｍａｘ １２Ｖ−ＤＣギアモーター（Ｍａｘｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｏｔｏｒｓ，Ｉｎｃ．，Ｂｕｒｌｉｎｇａｍｅ，ＣＡ）により駆動される。アームの実際の角度の位置は角度の０．９分の有効角分解能（ＭＯＡ）に対して２４，０００ステップ／周期（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）の光学的エンコーダー（モデル７５５Ａ−高精度、Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏ．，Ｓａｇｌｅ，ＩＤ）を使用して読み取られる。運動の範囲は垂直の中心位置から±４５°である。
【００４６】
横の回転は土台の軸により実施され、変換器ヘッド及びパンタグラフ機構双方を含む。駆動機構は精密回転テーブル（モデル２００ＲＴ、Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｄａｅｄａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ， Ｉｒｗｉｎ，ＰＡ）及びモーター／光学的エンコーダーアセンブリーを含むことができる。横の回転のための角度分解能は０．１２ＭＯＡであり、運動の範囲は±１８０°である。
【００４７】
これらの２種の旋回運動に加えて、異方性の測定には表面の法線の周囲の第３の回転が必要である。その運動は２．１６ＭＯＡの角度分解能及び±１８０°の運動範囲に対して同様なＭａｘｏｎ １２Ｖ ＤＣモーター及び１０，０００ステップ／周期の光学的エンコーダー（モデル２６０ ａｃｃｕｃｏｄｅｒ，Ｅｎｃｏｄｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏ．，Ｓａｇｌｅ，ＩＤ）を使用して実施することができる。
【００４８】
機構の機械的精度を確保するために、すべての回転部品に対して精密ボールベアリング（ＡＢＥＣ ３）を使用することができる。測定される表面上の走査は直交座標系の軸に沿って配向された３本の直線運動を必要とする。各運動はＭａｘｏｎ １２Ｖ ＤＣモーター及び精密ボールスクリュー及びナット機構により駆動される精密リニアボールベアリング及び軸を使用して実行される。各運動要素の位置は１．２５μｍのリニア分解能を提供する４，０００ステップ／周期の光学的エンコーダーにより読み取られる。
【００４９】
従って、合計６自由度（ＤＯＦ）、３平行移動及び３回転が超音波変換器ヘッドの正確な配置のために実行される。各６ＤＯＦの運動はＰＣＩ−Ｆｌｅｘｍｏｔｉｏｎ運動制御カード（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ）を使用して制御される。このカードは各軸に対しＰＩＤ閉鎖ループフィードバック制御アルゴリスムを使用し、複雑な３Ｄの軌道の実行を可能にする。
【００５０】
制御アルゴリスムは「誤差」（同定の時点の実際の位置と要求される軌道上の所望される位置間の相異）をモニターし、誤差が直線運動に対しては１ｍｍ、そして回転に対しては１°に設定される閾値より大きくなると、それが装置の運動を停止するであろう。従って、変換器ヘッドのプログラムされた軌道の正確な実行が恒久的にモニターされる。
【００５１】
更に、圧力センサーが患者と変換器ヘッドの弾力性の膜の間の接触力をモニターする。接触力が例えば、患者の突然の動き又は変換器ヘッドの軌道のプログラム作製のエラーから１０Ｎより大きくなると、測定される表面に対する法線の方向に沿って変換器ヘッドが
引っ込み、それにより検査されている被験者に対する可能な傷害を防止する。更に、運動制御カードは、機構により与えられる最大力が２０Ｎを超えることができないように、電気モーター７５５Ａ−により発生されるトルクを制限する。
【００５２】
ＵＣＲデータ収集システム及びモーター制御電子機器
ＵＣＲシステムを作動させるために要する電子機器はすべて、それを移動性にさせるための車輪をもつ、１個の３２インチ（８１．３ｃｍ）の高さ、１９インチ（４８．３ｃｍ）の幅のリレーラック中に含まれる。机上の高さはラック上にモニター及びコンピューターのキーボードを固定させ、そしてすべての機器は１２０−ボルトで、サージ保安された、ラックマウント式電源コードに接続される。以下の６基の装置を含むシステムには、ラックマウント式の５個のモジュールが存在する：
（１）コンピューター
コンピューターは４個のＰＣＩスロット及び１個のＩＳＡスロットをもつ１．３ＧＨｚ
ＡＭＤ Ａｔｈｌｏｎマザーボードを有する。それはＰＣ１００メモリーの５１２ＭＢ及び１０ＧＢのハードドライブを有する。それは遅延モジュール（後に説明される）及び、データ収集モジュールにそしてそれからデータを移動するためにアドレス及びデータラインを本質的にバッファーする、独自のＩＳＡバスインターフェースカードと連絡するために使用されるＰＣＩバス、４８−ビットのデジタルＩ／Ｏカードを含む。ＰＣＩのＧＰＩＢカードは伝送器をプログラムするために使用され、６個のＤＣモーターを制御し、ＵＣＲシステムにおいて運動を提供するために使用されるエンコーダーを読むＰＣＩカードが差し込まれる。コンピューターは７−インチ（１７．８ｃｍ）の高さの工業用ラックマウント式ケース内にある。本発明による使用のための１以上のコンピューターは概括的に、データ収集、通常の獲得及びアームの配置、データの保存、データの処理を可能にするコードセグメント並びに、使用者に測定サイクルを開始させ、データ収集及び捕捉を実行させ、データ及びグラフを解釈させ、そして／又は即時の分析、経時的分析、他のデータとの統合及び／又はデータのエクスポートのためのフォーマットでデータを出力させる使用者−インターフェース、を含むであろう。
【００５３】
（２）データ収集モジュール
データ収集モジュールは７インチ（１７．８ｃｍ）の高さのケース中に固定され（図６）、ＵＣＲ受信器からの信号をデジタル化させるために開発された１組の独占的カード上の信号と合致するように再特定されたコネクターピン数をもつ１２−スロットのＩＳＡ受動バックプレーンであることができる。図６には本発明による使用のためのアナログからデジタルへのカードの１例が示される。
【００５４】
Ａ／Ｄカードは１ボード当り合計８チャンネルに対する４種のデュアル８−ビットのアナログ−から−デジタル変換装置（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＡＤ９０５９）を含むことができる。１例において、システム当り６ボードが存在し、コンピューター中でＩＳＡバスインターフェースカードを介する分析のためにコンピューターに送られるデジタル化データの４８チャンネルを与える。すべての６Ａ／Ｄカードは、４０−ＭＨｚのクリスタル制御されたマスタークロックから作動させて、すべてのＡ／Ｄ変換装置がその信号の同一地点でデジタル化を開始することを確保する。これはポイント分解能当り２５ナノセカンドを与える。６４の８−ビットポイントが獲得サイクル当りにコレクトされる。すべてのＡ／Ｄ変換装置からのデジタル化データは２バイトに編成された１６ビットの幅であるデュアルポートスタチックラムチップ中に同時に読み取られる。デュアルＡ／Ｄ変換装置の半分は上部バイト中に書き込み、そして他の半分は下方のバイトに書き込む。この配列がより早い処理量のために一度に２チャンネルからデータを移送させるために、１６−ビットのＩＳＡの使用を可能にする。データはラムチップの一次ポートに保存され、１２−ＭＨｚのＩＳＡコンピューターバスにより二次ポートから読み出される。データはＩＢＭコンピューター・アーキテクチャー中の追加カードのために保存された空間であるロ
ケーションＣ０００ｈにおける外部メモリーとして単に読み取られる。コンピューター中のもう１つのボードと抵触する場合は、ＤＩＰ−スイッチがこのアドレスを変更することができる。
【００５５】
読み取り及び書き込みアドレス機能は受動バックプレーン上のアドレスデコーダーカードにより実施される。アドレスデコーダーカードはラムチップのためのマスタークロック及び書き込みアドレスを発生し、そして更に各ボードのためのメモリーアドレスをデコードする。獲得シャシ中のデコーダーカードは５０−ピンのリボンケーブルによりコンピューターシャシ中のＩＳＡバスインターフェースカードに接続される。より一般に使用される切り替え調節装置の電力供給体により発生されるノイズを排除するために、すべての６Ａ／Ｄカードにより要求される１アンペア、マイナス５ボルト及び１０アンペア、プラス５ボルトを供給するためにリニアタイプの電力供給装置が使用される。
【００５６】
（３）伝送器
ＵＣＲ変換器の送信部分を励起するために使用される伝送器は２個の構成部品、ラックマウント式の統合された（ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ）機能の発電機（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳｙｓｔｅｍｓモデルＤＳ３４５）及びその２４−ボルトの電力供給を伴なうラックの背部に固定された、Ｍｉｎｉ−ＣｉｒｃｕｉｔｓモデルＺＨＬ−３２Ａ
ＲＦ電力増幅装置、を含む。当該伝送器の構造は５０−オームのロードにバーストされる２４−ボルトのピークからピークの、３−サイクル、１ＭＨｚの正弦波を発生する。伝送器は１つのＰＣＩスロット中に固定されたＧＢＩＢインターフェースを介してコンピューターによりプログラムされる能力を有する。
【００５７】
（４）前置増幅アセンブリー
前置増幅器の機能はＡ／Ｄカードの１００−ミリボルトのピークからピークのインプット感度に適合するようにＵＣＲ変換器の受信部分からの低レベル（ミリボルト範囲）信号を増幅することである。Ａ／Ｄ変換装置は各Ａ／ＤインプットにおいてＸ１０増幅装置により例えば、１−ボルトの感度を有する。前置増幅装置は１００（４０ｄＢ）の増幅率をもち、それは合計１０００の増幅率を与える。総計４８チャンネルに対し、システム中には６ボードを伴ない、１ボード当り８チャンネルが存在することができる。各チャンネルはＡ／Ｄカードのインプットインピーダンスに適合させ、前置増幅アセンブリーを隔離することによりグラウンド・ループを防止するために５０−オームパルスの変換装置を含む。前置増幅装置（Ａｎａｌｏｇｕ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＡＤ８４４）のインプットインピーダンスは受信器構成物中に使用されるＰＶＤＦフィルムの高いインピーダンスに適合するために１０，０００オームに設定される。図示されるように、前置増幅カードは内蔵されたリニアの、プラス及びマイナス１５−ボルトの電力供給を伴なう、ＥＩＡ−標準サブ−ラック中に固定される。インプットコネクターはＡ／Ｄカードインプット上のコネクターと同様な標準ＤＢ３７Ｓである。
【００５８】
（５）モーター制御装置のシャシ
ＵＣＲシステム中にはプラットホーム、アーム及び変換器アセンブリーの運動を制御するために使用される、それぞれそれら自体の配置エンコーダーを伴なう６個の１２−ボルトのＤＣモーターが存在する。モーター制御装置のシャシはコンピューター中に、電力供給装置、モーターのための駆動装置及びモーター制御ボードへのインターフェースを含む。モーター駆動装置は直接結合形態に使用されるＮａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＬＭ１８７５電力増幅装置である。この配列は任意の速度の時計回り及び反時計回りの回転を可能にし、４−相の配置エンコーダーが正確な配置を提供する。
【００５９】
（６）プログラム可能な遅延ジェネレーター
それはコンピューター中のＰＩＯカード上の８−ビットポートのうちの３ポートにより
プログラムされ、伝送器を発射するソフトウエアの指示とデータ収集を開始する信号間の遅延を単に設定する。変換器ヘッド中に封入される水中の音速は、直接補正することができる温度により、毎秒約１．５Ｋｍである。データ収集は超音波の適切な伝達を可能にするために遅延される。前記の配列は伝達信号及び受信信号間のすべての不感時間のデジタル化を妨げる。カウンターは１００−ナノセカンドの分解能を伴なって４０９６マイクロセカンドまでプログラム可能である。それは３個の７４Ｆ１６３の前以て設定可能な２進カウンター及び１０−ＭＨｚクォーツ時計を含むことができる。それはラックの背部に電力供給体を伴なう小型シャシ中に収納される。
【００６０】
データ収集の操作の説明
拡張可能な多チャンネルデータ収集システム（ＳＭＤＡＳ）は標準の超音波振動数範囲（５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）におけるデータを収集するための高振動数デジタルシステムである。ＳＭＤＡＳハードウエア構成部品は概括的に２段階：前置増幅及びデジタル化をもつ多チャンネルを含む。システムは例えば、８チャンネルの粒度で拡張可能である。
【００６１】
ＳＭＤＡＳは低コストの８−ビット、６０−ＭＨｚのアナログからデジタル変換装置に基づくトリガーを伴なわないコンピューター制御システムである。伝統的なＵＣＲは３サイクルの４−ＭＨｚパルスを使用したので、これらの信号の１０倍の過剰サンプリングを可能にするように、４０−ＭＨｚのソリューションが選択された。６４サンプル（１．６μｓ）のサンプリングメモリーは各チャンネルに十分な記憶（ｓｔｏｒａｇｅ）を提供する。各チャンネルは同定の入射角に対して写像するので合計４８チャンネルが選択され、問題の固体（ｓｏｌｉｄｓ）中で４０度未満の角度に対してすべての圧力の臨界角度及び２−ガンマの剪断動力学が起る。
【００６２】
デジタル化サブシステム
デジタル化の中心は毎秒４千万サンプルの割合でサンプリング可能なデュアルチャンネルＩＣパッケージのＡＤ９０５９（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ）である。外部参照電圧をこのチップに適用することができるが、ＡＤ９０５９はまたコンパレーターの内部パイプラインを作動するために必要なレベルを自己発電することができる。自己参照が可能なため、ＡＤ９０５９は１．５〜２．５ボルト間の電圧範囲をもつ２種のシングルエンド型インプットを受信する。ＴＴＬ互換性時計でサイクリング時に、ＡＤ９０５９上の１６デジタル出力ピンが２インプットチャンネルに対して８−ビットのデジタルサンプルを出力するであろう。デジタルクロストークは無視できるが、ＡＤ９０５９は１．５ビットのノイズをもつと見なされる。８チャンネルに対し、２層にプリントされた回路基板がデザインされ、ワイヤラップ試験され、２チャンネルの４種の独立したサブシステムを収容するように構成される（Ａｌｐｈ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｍｅｓｑｕｉｔｅ，ＴＸ）。各ＡＤ９０５９に対して、原則的に１２８バイトのみのメモリーで十分であるべきであるが、２チャンネルに対して６４サンプルを記録するために〜２５ｎｓのアクセス時間をもつ１６−ビットのデュアルポートのスタティックＲＡＭ（ＣＹ７Ｃ１３３，Ｃｙｐｒｅｓｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣＡ）が使用される。ＰＣＢはＤＢ３７Ｆコネクター（Ａｍｐｈｅｎｏｌ，Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ，ＣＴ）を備え、各チャンネルはＰＣＢ上のトレースと関連するノイズを回避するために共軸のワイヤによる前置増幅段階にルートされる。
【００６３】
デジタル化の前に、各チャンネルは１０の増幅率をもつ操作可能な増幅装置（ＣＬＣ４４０，ＣｏｍＬｉｎｅａｒ／Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ）を通過する。増幅段階はすべてのインプットが５０オームのインピーダンスであることを期待する。各ボードは別個のコンピューターシャシ中に固定された１４−スロットのＩＳＡ標準バックプレーン（ＪＤＲ Ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣＡ，部品番号ＢＰ１４１）中に嵌合するようになっている９８−ピン
のオンボードエッジコネクターを有する。各ボードに対し、更に、与えられるカードからの読み取りのために必要な、選択可能なボード認識ジャンパーが存在する。更にバス中の特別のデコーダーボードは１２８バイト（０×０８０ｈ）の段階で、幾つかの選択可能なベースアドレスに対するメモリーアドレスと各デジタル化ボードを結合する。デコーダーボードは順次、コンピューターシステムのＩＳＡバス上のバッファーボードに平行リボンケーブルで接続される。ベースアドレスが×８６アーキテクチャーの高メモリー領域（すなわち、０×Ｄ００００ｈ〜０×Ｅ００００ｈ）中にあるように設定される場合は、この形態は各個別のチャンネルに対してメモリー中に保存されるサンプルへの直接のメモリーアクセスを可能にする。２−バイトの読み取りが使用される時は、データは２チャンネルに対して同時に読み取られることができる。当初のデザインでは、サンプリングはベースアドレスへのメモリー書き込みにより開始された。メモリー読み取りは、最近のマザーボード上では１２．５ＭＨｚに最大化された、ＩＳＡバスのクロッキングにより時間が制限されることに注意しなければならない。
【００６４】
前置増幅サブシステム
デジタル化サブシステムはいくらかの増幅を含むが、しばしば、変換器からの信号を更なる増幅で調整することが必要である。同定の変換器により、特に高インピーダンスのポリマー基材の圧電システムに対してはインピーダンスマッチングを伴なう問題も存在するかも知れない。高インピーダンスのインプット増幅システムがデザインされ、４４−ピンのＥＩＡカードのサブラック（Ｖｅｃｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌｙｗｏｏｄ，ＣＡ）の周囲に構築された。各増幅カードはＰＶＤＦ変換器からの信号を理想的に増幅するために、高インピーダンス作動増幅装置（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＡＤ８４４）を使用する。１０，０００オームのインプットインピーダンスに対して１００の名目増幅率により、これらの増幅装置はまた、インピーダンスのミスマッチにより起る可能性がある振動に抵抗する。ＡＤ８４４は３００ＭＨｚを超える帯域幅−増幅率プロダクトを有するので、典型的な超音波振動数においては信号の歪は無視しなければならない。各チャンネルの出力は破局的グラウンド・ループを防止するために接続された変圧器（Ｍｉｎｉ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｂｒｏｏｋｌｙｎ，ＮＹ，部品番号Ｔ１−１）である。ＥＩＡラックは絶縁共軸ケーブルにより、デジタル化サブシステムを含むシャシに接続されている。
【００６５】
信号発生及びタイミング
パルス発生及びサンプリングの開始間の正確なタイミングをもつために、最初のＳＭＤＡＳのデザインはほとんど又は全くオーバーヘッドをもたないコンピューターシステムをもつことが必要であった。１．６μｓのデータ収集窓により、リアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）により正確なタイミングを保証することができると考えられる。Ｗｉｎｄｏｗｓ（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ，Ｒｅｄｍｏｎｄ，ＭＡ）又はＬｉｎｕｘブランドのオペレーティングシステムを使用して、システムタイミング粒度は１ミリセカンドの次元にある。高価な封入溶液を使用するよりむしろ、産業で標準のオペレーティングシステムの柔軟性を保持し、信号発生とサンプリングに対するタイミングを注文に応じた外部モジュールに移動させた。タイミングモジュールはラックマウント可能なケース中に包含される。それはＰＩＯカード（ＰＣＩ−ＤＩＯ４８Ｈ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｍｉｄｄｌｅｂｏｒｏ，ＭＡ）からのデジタル出力によりプログラム可能な、１０ＭＨｚで作動する３個の４−ビットの２進カウンターを含む。１０ＭＨｚで１２ビットのプログラム可能性は４０９．６μｓの遅延範囲に変換する（ｔｒａｎｓｌａｔｅ）。水及び軟組織中の典型的な超音波の速度に対して、この窓は６０ｃｍまでの伝播と見なす。パルス発生装置の放電（ｆｉｒｉｎｇ）が開始された後に、カウンターはそれらのプログラムされた遅延を完了し、次にＴＴＬレベルの信号がサンプリングを開始するためにＤＡＱシャシ中のデコーダーボードに外部共軸ケーブルを介して伝達される。
【００６６】
データ収集のためのソフトウエア
ＳＭＤＡＳソフトウエア構成部品は例えば、ＳＭＤＡＳハードウエア構成部品にアクセスするための数層のライブラリーを含む。ＳＭＤＡＳソフトウエアは数層のシステムのプログラム作製においてエントリーポイントを提供し、それにより適用の開発及び未来のシステム統合のための最大の柔軟性を提供する。
【００６７】
メモリーマッピング
サンプリングされたデータを含むデータ収集ボードのメモリーは、デザインされたように、Ｉｎｔｅｌの×８６アーキテクチャーの上部メモリー領域中の物理的メモリーアドレスにマッピングされる。このアドレスで読み取り、様々なアレー中に情報を保存することにより、サンプリングされたデータは複雑な通信又はシステム駆動装置の必要を伴なわずに、ボードメモリーからシステムメモリーに移動させることができる。サンプリングされたデータの読み取りは最終的にはＩＳＡバス上で多重化されるので、バスの帯域幅を最大にするために２−バイトのワードで読み取ることがもっとも効率的である。移動後に、８−ビットのサンプルを分離しなければならない。Ｐｅｎｔｉｕｍ（Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ）又はＡｔｈｌｏｎ（ＡＭＤ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）クラスのチップのような現代のマイクロプロセッサーにおいては、この分離は１クロックサイクルの命令で達成しなければならない。１６−ビットのワードからより高い又はより低い８ビットを引き出す（ｅｘｔｒａｃｔ）ためには任意のビットシフト（バレルシフトとしても知られる）又はビット様ＡＮＤオペレーションを使用することができる。
【００６８】
メモリーマッピングされた読み取りを容易にするために、Ｃプログラミング言語を使用するＶｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ６．０（Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｒｅｄｍｏｎｄ，ＷＡ）を使用して、ダイナミックリンクトライブラリー（ＤＬＬ）が作製された。この低レベルのライブラリーは上部メモリー領域（無署名の短いｉｎｔ ｌｖ４８ｃｈｄａｑ（ｉｎｔ ａｄｄｒ））中の任意のアドレスにおける２−バイトのワードを読み取るための機能並びに上部及び下部サンプル（無署名ｃｈａｒ ｌｅｆｔ／ｒｉｇｈｔ（無署名の短いｉｎｔ ａ））を引き出すための２機能を提供する。このポータブルＤＬＬは例えば、様々なプログラム言語中で開発されたＷｉｎｄｏｗｓの適用に関連付けることができ、そしてメモリーアドレス中をサイクルすることにより、すべてのサンプリングされたデータは分析のため又は保存媒体に保存するためにシステムメモリーに移動させることができる。
【００６９】
ノイズの減少
その迅速な開発スキーム、その使用の容易性及び産業の基準としてのその認識のために、視覚的プログラム作製環境ＬａｂＶＩＥＷ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ）をデータ収集ソフトウエアの開発のために選択した。将来の適用のための柔軟性を最大にするために、特別のグローバルＶＩがすべての構成部品に共通のパラメーター（すなわち、チャンネル数、ベースメモリーアドレス）を含むボトムアップのアプローチを使用して「仮想装置」（ＶＩ）の中間ライブラリーを開発した。
【００７０】
最下レベルでは「２チャンネルをダウンロード」ＶＩが前記のＤＬＬに付けられ、そしてシステムのメモリーに１２８バイトを移動するための適当なメモリーアドレスをとおってサイクルされる。各チャンネルは無効な（ｄｉｓａｂｌｅｄ）前置増幅段階により測定可能な反復可能な誤差又は空のインプット（ｏｐｅｎ ｉｎｐｕｔｓ）を有する。この残余の平均のフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）分析は４０ＭＨｚ及びその低調波における寄与を示す。これはバッファーメモリーに対するアドレスライン上のシールドの欠乏による対照電圧ノイズと完全に一致する。６アドレスラインが必要であるため、基本波及び５種の低調波（２０、１０、５、２．５及び１．２５ＭＨｚ）でノイズを見出すことに驚くには当
らないであろう。
【００７１】
「２クリーナーチャンネルをダウンロード」ＶＩはサンプリングされたデータからこの反復可能な信号を差し引き、生成されるノイズは製造会社の規格と一致する。適用はこれらの平均背景波形自体を生成するか又は「平均背景波形を校正する」ＶＩにより作製されるデフォルト（ｄｅｆａｕｌｔ）を使用することができる。「ｎクリーナーチャンネルをダウンロードする」ＶＩは多チャンネルを６４マトリックスだけｎにパッケージする。
【００７２】
ＡＤ９０５９のパイプライン・アーキテクチャーは１−ＭＨｚの最少サンプリング速度を要する。より遅い速度においては、内部レジスターは劣化し、サンプリングは極めて不正確である。６４の２−チャンネルワードの１ブロックの移動はＩＳＡバスの速度（１０ＭＨｚの次元）で起るので、連続的収集のために有効な速度は２００ｋＨｚ未満である。従って、各チャンネルの各収集の最初の５サンプルは疑わしい可能性がある。タイム遅延サブシステムの粒度は０．１μｓであるので、最初の８サンプル（０．２μｓ）をドロップすることが好都合である。
【００７３】
多フレーム収集
この中間ライブラリーの真の価値は６４サンプルにより与えられる１．６μｓより大きい時間窓を構成するその能力である。定常状態の動力学を使用する１決定法において、それらが経時的に適当に整列するように連続的収集間の遅延時間を調整することができる。「収集」ＶＩは「遅延時間を設定」ＶＩを使用して、「ｎクリーナーチャンネルをダウンロードする」から連続フレームを形成する。その過程を何回か繰り返し、各連続的収集が前の組みのデータに追加される。Ｎチャンネル及びＭ１．４μｓのフレームの生成されるアウトプットはディメンションＮ×（５６×Ｍ）のマトリックスを与える。データ収集過程中の速度限定段階はＩＳＡバス中の情報の移動であることに注意しなければならない。フレーム及び時間窓数の増加は、概括的に直線速度で増加する走査時間を増加する。
【００７４】
確率論的フレーム収集
幾つかの撮像状況において、連続的時間フレームの整列は偽信号をもたらすであろう。この問題は特に、初期のパルスからの二次的反射又は残響が後のフレーム中に捕捉される場合のシナリオ中の大きいブロックの時間（１００μｓの次元）で明白である。これらの信号は平均を採ることにより除去することはできない。これらの望ましくないデータを最少にするために、確率論的方法で多数のフレームを収集することが時々必要である。与えられた時間窓に対して１．４μｓのフレームが枯渇するまでリストからアトランダムに選択され、窓を充填する。この方法を繰り返し、平均すると、別々のフレームパルスからの相互相関された信号を排除することができる。
【００７５】
操作においては、本発明のシステムは図７のフロー図７０中に要約される。段階７２において、超音波又はパルスが標的、例えば、骨の方向に伝達され、段階７４で、反射された信号が２以上の受信器により捕捉される。受容体から収集された信号に基づき、法線が発見されたかどうかの決定を段階７６で実施し、それは変換器を動かすように接合アームに指示するか又はデータ収集を開始するコンピューターにより実施される。法線が発見されると、次に最終データ収集段階７８において、標的からの最終データを同時に収集し、結果はアナログ信号又はデジタル同等物として保存される。最終収集段階７８から収集されたデータに基づき、段階８０で最大（Ｅｍａｘ）及び最小（Ｅｍｉｎ）弾性係数が計算されて、標的の反射測定データを決定し、段階８２で、それから異方性を計算することができる。最後に、生のデータ、処理データ及び／又は計算結果を保存し、処理し、表示し、印刷しそして／又は初期の又は後の標的データ及び計算値に比較して、使用者に有用な結果を提供することができる。
【００７６】
図８中のフロー図９０で、例えば、骨粗鬆症をもつ患者の処置のための決定を実施するための反射測定収集変換器、方法及びシステムが使用される。段階９２において、骨、本実施例では踵において法線が決定される。法線を収集すると、変換器が臨界ＵＣＲ測定値を採る。段階９６で起る、患者が同時に又はほぼ同時に処置計画を開始する場合は、段階９８でその後の測定値を時間を空けて（医師の指示及び処置の種類に応じて例えば、毎週、半年毎、又は毎年）採取される。患者の処置の前（段階９４）及びその後の処置（段階９８）からのデータを収集し、処理し、そして／又は患者のデータとして保存する（段階１００）。次に測定値、データ及び処理された患者の情報を段階１０２で正常な患者のデータと、そして同一及び／又は他の患者からの同一又は他の処置からのＵＣＲ測定値と比較し（段階１０４）、段階１０６で患者が改善しているかどうかを見るための決定が実施される。患者が改善している場合は、処置を維持することができ、そして必要な場合にはその後のＵＣＲ測定値を採取して患者の予後をモニターする。患者が改善していないか又は悪化している場合には、医師は処置の変更を指示することができ、患者はモニター計画に復帰される。骨の喪失の誘起又は骨質の損傷を疑われる同定の処置、例えば、ステロイド、大量投与フッ化物及び抗痙攣剤の効果を追跡するために同様なフロー図を使用することができる。
【００７７】
骨の表面に到達されると反射信号の収集が開始する。この時点は、すべての角度にわたり反射信号中の突然の増加により操作により特定される。次にオペレーターは法線を正確に同定するための一連の自動化段階を開始する。これらの段階は骨の表面上の少なくとも２種の直交方向からの反射される角スペクトルの収集を制御する。各方向に対し、法線の面は統合された信号が最大になるまで変換器ヘッドを傾けることにより発見され、すなわち２枚の直交面の交差部が法線を特定する。次に反射スペクトル（すべての受信器要素における信号）を、第１の臨界角が最小であり、最大が骨の２本の主軸を同定する、２方向で、１２０度にわたり、１５−度の間隔で法線の周囲にヘッドを回転することにより得る。
【００７８】
ＵＣＲからの骨質のキーインデックスの計算
一般的実施において、検査されている骨組織の３種の離れた領域で測定を実施する。各部位において、１２０度にわたり多数の臨界角速度（ｖ）を得る。ｖに対するデータは数学的に方程式：ｖ２＝ａ＋ｂｘ２＋ｃｘ４（ここでｘ＝ｃｏｓ（配向）であり、ｖ２は１ｇ／ｃｃの密度に対して正規化された（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）弾力性である）に当てはめられる。生成されるグラフから海綿質及び皮質の最小（Ｅｍｉｎ）及び最大（Ｅｍａｘ）弾力性が骨物質の質の指標として計算される。（これからは、「弾力性」の用語は「弾性係数」の用語と互換性に使用されるであろう）。ｖデータの曲線の下方面積から「集積（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）」又は「平均（ｍｅａｎ）」弾力性（Ｅｉｎｔ）が計算される。Ｅｉｎｔは本質的に平均速度の二乗と同一である。異方性（Ａ）は対応する最大及び最小弾力性の比率として計算される。
【００７９】
新ＵＣＲ装置の臨床応用
（１）骨粗鬆症のビスホスホネート処置期間中の無力骨疾患の発症
ビスホスホネート（例えば、Ｆｏｓａｍａｘ（Ｒ）及びＡｃｔｏｎｅｌ（Ｒ））は世界中で閉経後骨粗鬆症の処置に広範に使用される。この処置は骨密度を増加し、骨折を減少することが知られている（Ｌｉｂｅｒｍａｎ等、Ｎ．Ｅｎｇｌ．Ｊ．Ｍｅｄ．３３３：１４３７−１４４３，１９９５）。本剤の主要な作用は骨の吸収（破壊）を妨げることである。処置の最初の１〜３年間に骨吸収の低下に遅れる骨形成の二次的減少が起る。この期間中に、骨質量の増加率が増加した骨密度をもたらす。骨折の阻止は骨密度のこの上昇に起因されてきた。しかし、実験動物における研究から、ビスホスホネートが、微小な損傷を誘起し、骨質を危うくする可能性がある骨の代謝回転の著明な抑制をもたらす可能性があるという懸念が持ち上がった（Ｌｉ等、Ｃａｌｃ．Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔｅｒｎ．，６
９：２８１−２８６）。更に、ヒトにおいて、慢性のビスホスホネート処置は骨の代謝回転の著明な抑制から骨質を損傷し、そのため長期のビスホスホネート処置後に骨折率の増加をもたらす可能性があることが示唆された（Ｏｔｔ，Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｅｎｄｏ．Ｍｅｔａｂ．８６：１８３５，２００１）。
【００８０】
以下に要約される研究は、本明細書に開示された装置、方法及びシステムを使用して、ヒトにおいて、このような合併症が起り得るかどうかを決定するために実施された。本発明を使用して、長期のビスホスホネート処置が「無力骨疾患」、細胞活動の実質的な不在を伴なう骨の代謝回転の著明な抑制を示す骨の組織学的状況、を誘起することが発見された（Ｏｄｖｉｎａ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，２００３年９月刊行予定）。
【００８１】
３〜７年間、長期ビスホスホネート処置を受けてきた後に、骨折を発症した６人の閉経後骨粗鬆症の婦人（４９〜７６歳）で腸骨間稜骨生検を実施した。３人の患者はビスホスホネートの外に、ホルモン代用治療、２人はプレドニソン（一人は繊維筋肉痛のため、他方は喘息のために）、４人はビタミンＤそして６人全員がカルシウムサプリメントを採っていた。骨折は１人の患者で指に、３人に骨盤、１人に腰骨、１人に足、そして２人に大腿骨に起った。４人の患者において、ビスホスホネート処置下に維持された３カ月〜２年間に、骨折の治癒（座骨、大腿骨、骨盤の）の遅れを示したために、骨の生検を得た。２人の患者においては医師が無力骨疾患の疑いの兆候が高いと感じたために、骨折（仙骨、恥骨枝、肋骨）を発症した直後に生検を採取した。
【００８２】
海綿質の組織形態計測学的所見は表１に要約される。図９Ａ及び９Ｂに示すように、骨形成は低い骨芽細胞表面（Ｏｂ．Ｓ／ＢＳ）及び２倍のテトラサイクリン標識（ｄＬＳ）の不在及びすべての標本における不在もしくは減少した単一標識（ｓＬＳ）を伴なって著明に減少していた。生検を得る前に、テトラサイクリンを１０日間離して、２コースで投与した。テトラサイクリンは活性な骨形成領域で取り込まれ、紫外線照射下で黄色蛍光線を与える。図９Ａ及び９Ｂは長期ビスホスホネート処置にある患者におけるテトラサイクリン標識の不在（９Ａ）及び正常な患者における正常な標識（９Ｂ）を示す、紫外線照射下の単一の海綿質の顕微鏡写真である。テトラサイクリンの２コースは１０日間離して投与した。テトラサイクリンは活性な骨形成の領域で取り込まれて、偏光顕微鏡下で黄色の線を与える。２標識間の距離は１０日間に石灰化した新規の骨の量を表わす。テトラサイクリン標識の不在は著明に損傷された骨形成を示した。骨の再吸収（破壊）パラメーター（ＥＳ／ＢＳ及びＯｃ．Ｓ／ＢＳ）もまた、３人の患者で減少した。同様な傾向が皮質（図示されていない）でも認められた。
【００８３】
【表１】
【００８４】
結果は、ビスホスホネートが著明に減少した骨形成により無力骨疾患を誘起する可能性があることを示唆している。「骨代謝回転」、骨の「古い」又は損傷部分が除去され、新しい健康な骨により代わられる過程も同様に著明に抑制されている。骨の代謝回転の慢性的抑制後に、骨の微細な損傷が蓄積する可能性がある（Ｌｉ等、Ｃａｌｃ．Ｔｉｓｓｕｒｅ Ｉｎｔｅｒｎ．６９：２８１−２８６，２００１）。この説明は治癒の遅れを示す再発性骨折を説明することができる。
【００８５】
（２）無力骨疾患をもつ患者間のインビボのＵＣＲ反射測定
骨の弾力性を、ビスホスホネート処置の撤退の８カ月及び１２カ月後に、ビスホスホネート処置時に無力骨疾患をもつ以前の研究からの２人の患者において、新ＵＣＲにより踵骨内でインビボで骨の弾力性を測定した。本研究の開始時にはＵＣＲは利用可能でなかった。前者の患者においては平均（積算）皮質及び海綿質弾力性は正常な閉経前婦人の平均からそれぞれ１５．４％及び２７．１％だけ低下していた。後者の患者においては、平均（積算）皮質及び海綿質弾力性は、ビスホスホネート処置停止後の欠陥骨質の最終的な是正を示す、正常な閉経前婦人における値の範囲内にあった。
【００８６】
２人の患者において、いまだビスホスホネート処置下にある間に骨折を呈した時に、踵のＵＣＲ分析をインビボで実施した。平均皮質弾力性は正常な閉経前婦人の平均値に比較して２５％及び２６％だけ減少し、そして平均海綿質速度は１６％及び１５％だけ減少した。残りの２人の患者は他の場所で骨生検を受け、ＵＣＲ測定に対して利用可能ではなかった。
【００８７】
ビスホスホネート処置からの無力骨疾患をもつ患者における皮質及び海綿質の減少した弾力性の所見は、骨の異常な構造的混乱（組織形態測定学で示された）が損傷された骨質と相関することを強く示唆し、従って前記の仮説を確証している。
【００８８】
（３）長期ビスホスホネート処置下の患者間のインビボの新規ＵＣＲによる損傷骨質の検出
本明細書に開示された新ＵＣＲ装置を使用して、皮質及び海綿質の超音波弾力性をインビボの踵骨中で多方向で測定した。本発明を使用するＵＣＲ分析を１４人の正常な閉経後の婦人、通常の処置下の閉経後骨粗鬆症をもつ９人（未処置ＰＯ）、及びビスホスホネート処置下（平均期間３．５年）にある２５人で実施した。値は１４人の正常な閉経前婦人
における値の百分率として表わした（表２）。正常な閉経後婦人においては軽度の減少（＜５％）を認めたか又は全く減少を認めなかった。未処置閉経後婦人においては、弾力性の軽度〜中程度の減少（〜１０％）を示した。ビスホスホネート処置においては、海綿質の弾力性（最大及び最小の双方）は約１５％だけ有意に低下し、そして皮質の弾力性は約２５％だけ減少した。皮質及び海綿質の異方性は最大弾力性のより卓越した減少のおかげで、ビスホスホネート処置期間中に減少した。従って、骨物質はこの処置後に異方性が少なくなり、骨の異常な特性を示唆した。積算皮質弾力性は、ビスホスホネート処置後の正常な閉経前値から皮質中で２５．９％だけそして海綿質において１７．５％だけ、有意に減少した。
【００８９】
【表２】
【００９０】
弾力性の低下の大部分はビスホスホネート処置の最初の３年間に起った。ビスホスホネート処置期間中、骨弾力性は図１０に示したように、二重フォトンｘ−線吸収測定法により同時に得られた踵骨の鉱物密度とは独立であった。
【００９１】
図１０はまた、骨弾力性がビスホスホネートで処置された患者と同様に、ステロイドを摂取している腎臓移植をもつ患者においては骨弾力性と独立していることを示す。新ＵＣＲによる皮質の集積（平均）弾性係数及び二重フォトンｘ−線吸光光度分析法による骨密度はインビボの踵骨において同時に測定された。他よりずっと高い弾性係数をもつ２人の「異常者」が存在した。その１人はビスホスホネート処置が１年間停止されていた患者であった。他方においては、皮質の弾力性が広範な骨密度にわたりあまり変動しなかった。
【００９２】
この所見はＵＣＲが器官レベルで物質又は固有の骨質を測定するが、骨密度を測定しないという早期の結論を確証する（Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．，８：３０１−３１１，１９９３）。正常な閉経前及び閉経後の婦人並びに通常の処置下の閉経後の骨粗鬆症患者において、弾力性は骨密度と軽度に相関した。
【００９３】
（４）新ＵＣＲにより示される腎臓移植における低下した骨質
腎臓移植を受け、ステロイドを摂取している９人の患者において新ＵＣＲ装置を使用して超音波分析をインビボで実施した（表３）。腎臓移植、弱体化した骨と関連することが知られた状態及び骨折の傾向において、海綿質中の最大及び最小弾力性は正常な閉経前婦人に比較して１５〜１７％だけ有意に低かった。皮質の弾力性は２５〜２９％だけ減少した。最大弾力性の低下は最小弾力性の低下より著しく、そのため正常な閉経前状態に比較
して有意に低下した異方性をもたらした。所見はビスホスホネート処置の所見と明白に類似していた（表２対表３）。
【００９４】
【表３】
【００９５】
（５）徐放性フッ化ナトリウムによる処置後の改善された骨質
徐放性フッ化ナトリウムによる骨粗鬆症患者の処置は、当初のＵＣＲ装置により測定されると、海綿質速度を増加することが示された（Ｚｅｒｗｅｋｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．６：２３９−２４４，１９９１；Ａｎｔｉｃｈ等、Ｊ．Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ．Ｒｅｓ．８：３０１−３１１，１９９３、更に引用により関連部分が本明細書に取り入れられている、米国特許第５，２２８，４４５号明細書を参照されたい）。踵の超音波分析を徐放性フッ化ナトリウムによる処置後の骨粗鬆症をもつ８人の患者に新ＵＣＲ装置を使用してインビボで実施した。この処置を受けている患者からの皮質及び海綿質の弾性係数は、正常な閉経後の婦人及び通常の処置下の閉経後の骨粗鬆症患者の値の中間にあった（表２対表３）。徐放性フッ化ナトリウム処置を受けている患者の異方性はそのままであることが認められた。従って、新ＵＣＲ装置は、徐放性フッ化ナトリウムによる改善された骨質及び不変の異方性を検出することができる。
【００９６】
本発明は具体的な態様に関して説明されてきたが、この説明は限定的意味で解釈することができることを意図されていない。説明を参照すると、本発明の他の態様のみならずまた、具体的な態様の様々な修正物及び組み合わせ物が当業者に対して明白になるであろう。従って付記の請求の範囲は任意のこれらの修正物又は態様を包含することが意図される。
【００９７】
引用文献
米国特許文献
第５，０３８，７８７号 ８／３１／１９９１ Ａｎｔｉｃｈ等
第５，１９７，４７５号 ３／３０／１９９３ Ａｎｔｉｃｈ等
第５，２２８，４４５号 ７／２０／１９９３ Ｐａｋ及びＡｎｔｉｃｈ
他の刊行物
Ａｎｔｉｃｈ等、”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｏｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（超音波反射に
よるインビトロの骨物質の機械的特性の測定：超音波伝達による方法及び比較）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，６：４１７−４２６（１９９１）．
Ａｎｔｉｃｈ等、”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｂｏｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｖｉｖｏ ｂｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ：ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｉｒｅｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｓｌｏｗ−ｒｅｌｅａｓｅ ｓｏｄｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ａｎｄ ｃａｌｃｉｕｍ ｃｉｔｒａｔｅ（反射超音波によるインビボの固有の骨強度の測定：徐放性フッ化ナトリウム及びクエン酸カルシウムで損傷された質の是正）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ
ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，８：３０１−３１１（１９９３）．
Ｌｉ等、”Ｂｉｓｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｒｅｐａｉｒ ｏｆ ｍｉｃｒｏｄａｍａｇｅ（ビスホスホネート処置は確率論的レモデリングのみならず、微小損傷の標的の補修をも抑制する）”，Ｃａｌｃｉｆｉｅｄ Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，６９：２８１−２８６（２００１）．
Ｌｉｂｅｒｍａｎ等、”Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｒａｌ ａｌｅｎｄｒｏｎａｔｅ ｏｎ ｂｏｎｅ ｍｉｎｅｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ
ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｐｏｓｔｍｅｎｏｐａｕｓａｌ ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ（閉経後骨粗鬆症における骨鉱物密度及び骨折の発生率に対する経口アレンドロネートの効果）”，Ｎｅｗ Ｅｎｇｌａｎｄ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，３３３：１４３７−１４４７（１９９５）．
ＮＩＨ Ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，”Ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ，ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅｒａｐｙ（骨粗鬆症、診断及び治療）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２８５：７８５−７９５（２００１）．
Ｏｄｖｉｎａ等、”Ａｄｙｎａｍｉｃ ｂｏｎｅ ｄｉｓｅａｓｅ ｄｕｒｉｎｇ ｂｉｓｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ ｔｈｅｒａｐｙ：ｓｈｏｕｌｄ ｗｅ ｂｅ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ？（ビスホスホネート治療中の無力骨疾患：心配するべきか？）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３）．
Ｏｔｔ，”Ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ−ｔｅｒｍ ａｌｅｎｄｒｏｎａｔｅ ｔｈｅｒａｐｙ（長期のアレンドロネート治療後の骨折）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｄｏｃｒｉｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ，８６：１８３５（２００１）．
Ｐａｋ等、”Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｓｔｍｅｎｏｐａｕｓａｌ ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ ｗｉｔｈ ｓｌｏｗ−ｒｅｌｅａｓｅ ｓｏｄｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ：ｆｉｎａｌ ｕｐｄａｔｅ ｏｆ ｒａｎｄｏｍｉｚｅｄ ｔｒｉａｌ（徐放性フッ化ナトリウムによる閉経後骨粗鬆症の処置：ランダム試験の最終アップデート）”，Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｅｄｉｃｅｎｅ，１２３：４０１−４０８（１９９５）．
Ｒｉｃｈｅｒ等、”Ｉｍｐａｉｒｅｄ ｂｏｎｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｂｉｓｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ（ＢＩＳＰＨＯＳ） ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎ ｒｅｎａｌ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ（ビスホスホネート処置及び腎臓移植における損傷された骨質）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３）．
Ｚｅｒｗｅｋｈ等、”Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｂｙ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｓｌｏｗ−ｒｅｌｅａｓｅ ｓｏｄｉｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｃａｌｃｉｕｍ
ｃｉｔｒａｔｅ ｔｈｅｒａｐｙ ｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ
ｂｏｎｅ（骨の物質強度に対する間歇的徐放性フッ化ナトリウム−クエン酸カルシウム治療の効果の反射超音波法による評価）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｏｎｅ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，６：２３９−２４４（１９９１）．
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１−２】本発明の装置及びシステムの２種の代わりの態様を使用する、ＵＣＲの全般的原理を示す略図表示である。
【図３】水を充填されたラテックス膜により骨に重なっている軟組織と密着した、ＵＣＲ測定の準備ができた、骨組織上に配置された変換器ヘッドの断面を示す、本発明のもう１つの態様の略図表示である。
【図４】変換器ヘッドの等距離概観図を示し、ここで、主要本体は左側にあり、右側にカバーがある。水は変換器と窓の間の容積を充填する。単一の同軸ケーブルが低電流（ｘＡ）、低電圧（ｘＶ）の１．５ＭＨｚの信号を発信機から伝送器要素に輸送し、１組みの同軸のケーブルが多数要素コネクターを介して受信器からデータ収集システムに信号を運ぶ。
【図５】変換器支持アームの運動学的な動作図であり、土台及びエレエーター上に固定された３基のモーターが三次元の平行移動を支持し、他方アーム上に固定された３個のモーターが２種の傾斜回転（骨に対する「法線」を同定し、選択するために必要なθ及びΦ）及び法線（Ψ）の周囲のヘッドの回転を支持する。
【図６】本発明の変換器と接続し、それからデータを受信するようになっているアナログ−から−デジタル獲得ボードを示す。
【図７】本発明の基礎データ収集模型を要約する基本的流れ図である。
【図８】患者の評価及び処置における本発明の使用を示す基本的流れ図である。
【図９Ａ−９Ｂ】長期のビスホスホネート処置（９Ａ）における患者のテトラサイクリン標識の不在及び正常被験者（９Ｂ）における正常な標識を示す紫外線照明の顕微鏡写真である。
【図１０】ビスホスホネート処置期間中及び腎臓移植時の骨密度からの骨弾力性の独立性を示すグラフである。
【図１】
【図２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送器及び２以上の受信器を備える超音波変換器を使用して、標的からの超音波の２以上の臨界角反射値を同時に決定し、そして
標的の弾性係数を計算する、
段階を含んでなる、標的の弾性係数を決定する方法。
【請求項２】
標的が骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項３】
標的がヒトの骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項４】
標的が骨粗鬆症を罹患している又は骨粗鬆症を有することが疑われるヒトからのヒトの骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項５】
標的がビスホスホネート処置下にある、骨粗鬆症を罹患している又は骨粗鬆症を有することが疑われるヒトからの骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項６】
検出段階が非侵襲的である、請求項１の方法。
【請求項７】
１又は複数の弾性係数が同定された臨界角から決定される超音波の速度の二乗から決定される、請求項１の方法。
【請求項８】
最大弾性係数及び最小弾性係数を決定して、標的の異方性度合いを予測し、そして
骨の表面に対する法線の位置に固定された超音波変換器から多数の回転方向で検出される臨界角反射値を使用する、
段階を更に含んでなる、請求項１の方法。
【請求項９】
最大弾性係数及び最小弾性係数を決定して骨の異方性度合いを予測する段階を更に含んでなる、請求項２の方法。
【請求項１０】
標的に対する変換器の法線の決定を自動化する段階を更に含んでなる、請求項１の方法。
【請求項１１】
同時に検出する段階が２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８個の受信器からの同時受信を含んでなるように更に特定される、請求項１の方法。
【請求項１２】
伝送器に同軸の２個以上の受信器における超音波の反射において検出される臨界角値を保存する段階を更に含んでなる、請求項１の方法。
【請求項１３】
異なる時点における超音波の検出された臨界−角反射値を保存し、そして
標的の弾性係数の変化を追跡するために測定値を比較する、
段階を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項１４】
２種以上の角度で検出する段階が、標的から反射される超音波エネルギーを同時に検出する少なくとも１基の伝送器及び２以上の受信器を備えており、かつ、伝送器及び２以上の変換器が共通の焦点を有するものである、変換器ヘッドを使用する、請求項１の方法。
【請求項１５】
伝送器が凹面である、請求項１の方法。
【請求項１６】
凹面の部分に対して２基以上の受信器が少なくとも二次元に配列する、請求項１の方法
。
【請求項１７】
伝送器及び２基以上の受信器が凹面であり、そして同軸である、請求項１の方法。
【請求項１８】
伝送器が凹面であり、２以上の受信器が凹面であり、そして伝送器及び２以上の受信器が共通の焦点の周囲で同軸である、請求項１の方法。
【請求項１９】
受信器が受信アレーとして更に特定されており、そしてアレーが、同軸であり、凹面であり、そして伝送器と焦点を共有する４８の独立した受信変換器を備える、請求項１の方法。
【請求項２０】
ヒトが骨の疾患、骨粗鬆症以外の骨を喪失する状態又は低下した骨強度をもたらすことが疑われる状態を有する、請求項４の方法。
【請求項２１】
骨粗鬆症の処置が、ビスホスホネート以外の薬剤、例えば、エストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニンを含んでなる、請求項５の方法。
【請求項２２】
処置が骨喪失を引き起こすことが疑われる、請求項５の方法。
【請求項２３】
処置がステロイド又は抗痙攣剤により誘起される骨喪失を引き起こすことが疑われる、請求項５の方法。
【請求項２４】
ビスホスホネートを注意して使用しなければならない低下した骨質をもつ患者を同定するために、ビスホスホネート処置開始の前に、標的から超音波の２種以上の臨界角反射値を同時に検出する段階が採られる、請求項５の方法。
【請求項２５】
１以上の伝送器及び２以上の受信器を備える超音波変換器を使用して骨に向けられる超音波の臨界角反射値を２種以上の角度で同時に検出し、そして
最大弾性係数及び最小弾性係数の比率から骨の異方性を計算し、かつ、弾性係数が臨界角から決定される超音波の速度の二乗として誘導される、
段階を含んでなる、骨粗鬆症の処置を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定する方法。
【請求項２６】
ビスホスホネート又はその誘導体による処置の前又はそれと同時に、２以上の受信器における超音波の第１の検出される臨界角反射値を保存し、
一定の時間後に２以上の受信器に対する超音波の第２の検出される臨界角反射値を保存し、そして
ビスホスホネート又はその誘導体による処置期間中の骨の弾性係数の変化を追跡するために第１及び第２の測定値を比較する、
段階を含んでなる、請求項２５の方法。
【請求項２７】
超音波変換器を使用して骨に向けられる超音波の臨界角反射値を２種以上の角度で同時に検出する段階が更に、骨の皮質領域及び海綿質領域の最大及び最小弾力性を測定し、そして
インビボで骨の異方性を予測する、
ことを含んでなる、請求項２５の方法。
【請求項２８】
患者の骨の皮質、海綿質の弾力性及び異方性を決定することが非侵襲的である、請求項２７の方法。
【請求項２９】
弾力性の測定が踵において実施される、請求項２８の方法。
【請求項３０】
骨の異方性を計算する段階が更に、皮質領域及び海綿質領域の最大及び最小弾性係数を決定することを含んでなり、かつ、測定値が体重担持骨及び体重非担持骨それぞれの軸に対応するものである、請求項２８の方法。
【請求項３１】
患者が骨の疾患、骨粗鬆症以外の骨喪失状態又は低下した骨強度を誘起することが疑われる状態を有する、請求項２５の方法。
【請求項３２】
骨粗鬆症の処置がエストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニンを含んでなる、請求項２６の方法。
【請求項３３】
処置がステロイド又は抗痙攣剤により誘起される骨喪失を誘起することが疑われる、請求項２６の方法。
【請求項３４】
ビスホスホネートを注意して使用しなければならない低下した骨質をもつ患者を同定するために、標的から超音波の２種以上の臨界角反射値を同時に検出する段階がビスホスホネート処置開始の前である、請求項２６の方法。
【請求項３５】
少なくとも１基の超音波伝送器及び
受信器アレーを形成するある角度により分離され、伝送器と同軸であり、そして焦点を共有する２以上の受信器（ここで、受信器アレーは標的から反射される超音波エネルギーを同時に検出する）、
を含んでなる、変換器。
【請求項３６】
伝送器が少なくとも二次元で凹面である、請求項３６の変換器。
【請求項３７】
凹面の部分を形成する２以上の受信器が少なくとも二次元で配列する、請求項３６の変換器。
【請求項３８】
伝送器及び２以上の受信器が凹面で、同軸である、請求項３６の変換器。
【請求項３９】
伝送器が凹面であり、２以上の受信器が凹面であり、そして伝送器及び２以上の受信器が共通の焦点の周囲に同軸である、請求項３６の変換器。
【請求項４０】
受信器が更に受信アレーとして特定され、そしてアレーが２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８個の独立した受信器を備える、請求項３６の変換器。
【請求項４１】
アレーシステムがハウジング内に配置された単一の伝送器及び４８−要素の受信器アレーから構成されており、そこで受信器アレーが伝送器の焦点又は焦点の周囲にある検査地点から１２０度にわたる超音波速度を同時に測定する、請求項３６の変換器。
【請求項４２】
伝送器及び少なくとも２個の受信器のためのハウジングを更に備えており、かつ、当該ハウジングが伝送器及び受信器の焦点又は焦点の周囲に少なくとも１個の開口部をもつものである、請求項３６の変換器。
【請求項４３】
伝送器及び少なくとも２個の受信器のためのハウジングであって、少なくとも１個の開口部を備えるハウジング、
ハウジングの開口部又はその周辺のラテックスの膜、及び
ハウジング内の超音波伝導性物質、
を更に備える請求項３６の変換器。
【請求項４４】
超音波伝導性物質が水を含んでなる、請求項４４の変換器。
【請求項４５】
変換器の運動が検査地点上へ装置の正確な配置を可能にする、変換器に接続されたコンピューターにより制御される配置アームを更に備える、請求項３６の変換器。
【請求項４６】
ラテックス膜を破損する可能性があるハウジング内の圧力増加を検出する、超音波伝導性物質と連絡する圧力検出装置を更に備える、請求項４４の変換器。
【請求項４７】
変換器の伝送器及び受信器に接続された少なくとも１基のコンピューターであって、各角度において各受信器から１種以上の反射スペクトルを集め、そしてそのスペクトルから皮質及び海綿質に対する臨界角を計算する少なくとも１種のコードセグメントを含んでなるコンピューターを更に備える、請求項３６の変換器。
【請求項４８】
コンピューターが更に、臨界角速度を決定し、そして少なくとも２種の主要な弾性係数の決定のために一次−二次方程式にそれらを当てはめる少なくとも１種のコードセグメントを含んでなる、請求項４８の変換器。
【請求項４９】
少なくとも１基の超音波伝送器及び
伝送器と同軸で、焦点を共有し、複数の角度で、標的からの反射超音波エネルギーを同時に検出する受信器アレー、
を備える変換器。
【請求項５０】
伝送器が少なくとも二次元で凹面である、請求項４９の変換器。
【請求項５１】
受信器アレーが少なくとも二次元の凹面アレーを含んでなる、請求項４９の変換器。
【請求項５２】
受信器アレーが２、４、６、１２、２４、３６又は４８の独立した受信変換器を備える、請求項４９の変換器。
【請求項５３】
変換器が単一の伝送器及び受信器アレーを備えており、ここで受信器アレーが伝送器の焦点又はその周囲にある検査地点から１２０度にわたり、超音波の速度を同時に測定する、請求項５２の変換器。
【請求項５４】
伝送器及び受信器アレーのための、伝送器及び受信器アレーの焦点、その周囲又は近位に少なくとも１個の開口部を有するハウジングを更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５５】
伝送器及び少なくとも２個の受信器のための、少なくとも１個の開口部を有するハウジング、
ハウジングの開口部における又はその周囲の膜並びに
ハウジング内の超音波伝導性物質、
を更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５６】
超音波伝導性物質が水を含んでなり、そして膜がラテックスを含んでなる、請求項５５の変換器。
【請求項５７】
変換器（ここで変換器の運動が検査地点上への装置の正確な配置を可能にする）に接続されたコンピューターに制御される配置アームを更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５８】
ハウジング内で超音波伝導性物質を囲むラテックス膜に過剰な圧力が適用される時に検出する、超音波伝導性物質に接触するように配置された圧力検出装置を更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５９】
伝送器及び受信器アレーに接続された少なくとも１基のコンピューターを更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項６０】
コンピューターが、受信器アレーから１以上の反射スペクトルを集め、そのスペクトルから皮質及び海綿質に対する１種以上の臨界角を計算する少なくとも１種のコードセグメントを備える、請求項５９の変換器。
【請求項６１】
コンピューターが、臨界角速度を決定し、その臨界角速度を少なくとも２種の主要な弾性係数の決定のために一次−二次方程式に当てはめる少なくとも１種のコードセグメントを備える、請求項５９の変換器。
【請求項６２】
多数の角度における超音波速度を同時にそして自動的に検出する、コンピューターに制御される超音波の臨界角反射測定変換器、
超音波変換器を支持する三次元の運動を可能にする接合アーム、及び
超音波変換器からの臨界角反射測定データを計算するために超音波変換器からの信号を受信するように接続され、そして受信することができるコンピューター、
を備える骨の異方性を測定するためのシステム。
【請求項６３】
コンピューターが三次元で変換器の位置を誘導する接合アームの１以上の制御装置に接続されている、請求項６２のシステム。
【請求項６４】
変換器が骨粗鬆症を罹患している又はそれを有する疑いのある患者からの骨の弾性係数を測定する、請求項６２のシステム。
【請求項６５】
変換器が、ビスホスホネートで処置された、骨粗鬆症を罹患している又はそれを有することが疑われる患者からの骨の弾性係数を測定する、請求項６２のシステム。
【請求項６６】
コンピューターが、超音波変換器を使用して多数の方向で検出される値を使用して、固定された位置の骨の固有の方向と、超音波の速度の二乗を比較することにより弾性係数を決定する、請求項６２のシステム。
【請求項６７】
コンピューターが標的の異方性の度合いを予測するために、最大弾性係数及び最小弾性係数を計算する、請求項６２のシステム。
【請求項６８】
コンピューターが標的に対する変換器の法線の決定を自動化する、請求項６２のシステム。
【請求項６９】
コンピューターが２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８の異なる受信器からの受信データを同時に受信する、請求項６２のシステム。
【請求項７０】
コンピューターが伝送器と同軸の２以上の受信器における超音波の、検出された臨界角反射値を保存する、請求項６２のシステム。
【請求項７１】
コンピューターが異なる時点における超音波の臨界角反射値を保存する、請求項６２のシステム。
【請求項７２】
コンピューターが弾性係数を決定するために異なる時点で超音波の臨界角反射値を保存し、そして標的の弾性係数の変化を追跡する、請求項６２のシステム。
【請求項７３】
受信器数が１を超える奇数である、請求項６２のシステム。
【請求項７４】
コンピューターが骨粗鬆症のための治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定する、請求項６２のシステム。
【請求項７５】
コンピューターが、第１及び第２の時点において患者の弾性係数に対する第１及び第２の値を保存することにより骨粗鬆症に対する治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定し、そして最大弾性係数及び最小弾性係数の比率から骨の異方性値を計算し、そして経時的に骨の異方性を追跡する、請求項６２のシステム。
【請求項７６】
コンピューターが、骨の質に対するビスホスホネート処置の影響を誘導するために、第１及び第２の時点において患者の弾性係数に対する第１及び第２の値を保存することにより骨粗鬆症に対する治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定し、そして最大弾性係数及び最小弾性係数の比率から骨の異方性値を計算し、そして経時的に骨の異方性を追跡する、請求項６２のシステム。
【請求項７７】
変換器が踵における超音波の臨界角反射測定値を検出するために使用される、請求項６２のシステム。
【請求項７８】
コンピューターが更に、皮質領域及び海綿質領域の最大弾性係数及び最小弾性係数を決定することにより、骨の異方性を計算し、そこで当該測定値が体重担持骨及び体重非担持骨それぞれの軸に対応する、請求項６２のシステム。
【請求項７９】
ヒトが骨の疾患、骨粗鬆症以外の骨を喪失する状態又は低下した骨強度をもたらすことが疑われる状態を有する、請求項６２のシステム。
【請求項８０】
骨粗鬆症の処置が、エストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニンを含んでなる、請求項６２のシステム。
【請求項８１】
処置が骨喪失を誘起することが疑われる、請求項６２のシステム。
【請求項８２】
処置がステロイド又は抗痙攣剤により誘起される骨喪失を誘起することが疑われる、請求項６２のシステム。
【請求項８３】
ビスホスホネートを注意して使用しなければならない低下した骨質をもつ患者を同定するために、ビスホスホネート処置開始の前に、臨界角反射測定を実施される、請求項６２のシステム。
【請求項８４】
請求項１の方法に従ってインビボで非侵襲的に骨の最大及び最小弾性係数及び異方性の同時測定方法。
【請求項８５】
請求項２５の方法に従ってインビボで非侵襲的に皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時の測定値の収集方法。
【請求項８６】
請求項３６の変換器を使用してインビボで非侵襲的に、皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時測定値の収集方法。
【請求項８７】
請求項４９の変換器を使用してインビボで非侵襲的に、皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時測定値の収集方法。
【請求項８８】
請求項６２のシステムを使用してインビボで非侵襲的に、皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時測定値の収集方法。
【請求項１】
伝送器及び２以上の受信器を備える超音波変換器を使用して、標的からの超音波の２以上の臨界角反射値を同時に決定し、そして
標的の弾性係数を計算する、
段階を含んでなる、標的の弾性係数を決定する方法。
【請求項２】
標的が骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項３】
標的がヒトの骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項４】
標的が骨粗鬆症を罹患している又は骨粗鬆症を有することが疑われるヒトからのヒトの骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項５】
標的がビスホスホネート処置下にある、骨粗鬆症を罹患している又は骨粗鬆症を有することが疑われるヒトからの骨を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項６】
検出段階が非侵襲的である、請求項１の方法。
【請求項７】
１又は複数の弾性係数が同定された臨界角から決定される超音波の速度の二乗から決定される、請求項１の方法。
【請求項８】
最大弾性係数及び最小弾性係数を決定して、標的の異方性度合いを予測し、そして
骨の表面に対する法線の位置に固定された超音波変換器から多数の回転方向で検出される臨界角反射値を使用する、
段階を更に含んでなる、請求項１の方法。
【請求項９】
最大弾性係数及び最小弾性係数を決定して骨の異方性度合いを予測する段階を更に含んでなる、請求項２の方法。
【請求項１０】
標的に対する変換器の法線の決定を自動化する段階を更に含んでなる、請求項１の方法。
【請求項１１】
同時に検出する段階が２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８個の受信器からの同時受信を含んでなるように更に特定される、請求項１の方法。
【請求項１２】
伝送器に同軸の２個以上の受信器における超音波の反射において検出される臨界角値を保存する段階を更に含んでなる、請求項１の方法。
【請求項１３】
異なる時点における超音波の検出された臨界−角反射値を保存し、そして
標的の弾性係数の変化を追跡するために測定値を比較する、
段階を含んでなる、請求項１の方法。
【請求項１４】
２種以上の角度で検出する段階が、標的から反射される超音波エネルギーを同時に検出する少なくとも１基の伝送器及び２以上の受信器を備えており、かつ、伝送器及び２以上の変換器が共通の焦点を有するものである、変換器ヘッドを使用する、請求項１の方法。
【請求項１５】
伝送器が凹面である、請求項１の方法。
【請求項１６】
凹面の部分に対して２基以上の受信器が少なくとも二次元に配列する、請求項１の方法
。
【請求項１７】
伝送器及び２基以上の受信器が凹面であり、そして同軸である、請求項１の方法。
【請求項１８】
伝送器が凹面であり、２以上の受信器が凹面であり、そして伝送器及び２以上の受信器が共通の焦点の周囲で同軸である、請求項１の方法。
【請求項１９】
受信器が受信アレーとして更に特定されており、そしてアレーが、同軸であり、凹面であり、そして伝送器と焦点を共有する４８の独立した受信変換器を備える、請求項１の方法。
【請求項２０】
ヒトが骨の疾患、骨粗鬆症以外の骨を喪失する状態又は低下した骨強度をもたらすことが疑われる状態を有する、請求項４の方法。
【請求項２１】
骨粗鬆症の処置が、ビスホスホネート以外の薬剤、例えば、エストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニンを含んでなる、請求項５の方法。
【請求項２２】
処置が骨喪失を引き起こすことが疑われる、請求項５の方法。
【請求項２３】
処置がステロイド又は抗痙攣剤により誘起される骨喪失を引き起こすことが疑われる、請求項５の方法。
【請求項２４】
ビスホスホネートを注意して使用しなければならない低下した骨質をもつ患者を同定するために、ビスホスホネート処置開始の前に、標的から超音波の２種以上の臨界角反射値を同時に検出する段階が採られる、請求項５の方法。
【請求項２５】
１以上の伝送器及び２以上の受信器を備える超音波変換器を使用して骨に向けられる超音波の臨界角反射値を２種以上の角度で同時に検出し、そして
最大弾性係数及び最小弾性係数の比率から骨の異方性を計算し、かつ、弾性係数が臨界角から決定される超音波の速度の二乗として誘導される、
段階を含んでなる、骨粗鬆症の処置を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定する方法。
【請求項２６】
ビスホスホネート又はその誘導体による処置の前又はそれと同時に、２以上の受信器における超音波の第１の検出される臨界角反射値を保存し、
一定の時間後に２以上の受信器に対する超音波の第２の検出される臨界角反射値を保存し、そして
ビスホスホネート又はその誘導体による処置期間中の骨の弾性係数の変化を追跡するために第１及び第２の測定値を比較する、
段階を含んでなる、請求項２５の方法。
【請求項２７】
超音波変換器を使用して骨に向けられる超音波の臨界角反射値を２種以上の角度で同時に検出する段階が更に、骨の皮質領域及び海綿質領域の最大及び最小弾力性を測定し、そして
インビボで骨の異方性を予測する、
ことを含んでなる、請求項２５の方法。
【請求項２８】
患者の骨の皮質、海綿質の弾力性及び異方性を決定することが非侵襲的である、請求項２７の方法。
【請求項２９】
弾力性の測定が踵において実施される、請求項２８の方法。
【請求項３０】
骨の異方性を計算する段階が更に、皮質領域及び海綿質領域の最大及び最小弾性係数を決定することを含んでなり、かつ、測定値が体重担持骨及び体重非担持骨それぞれの軸に対応するものである、請求項２８の方法。
【請求項３１】
患者が骨の疾患、骨粗鬆症以外の骨喪失状態又は低下した骨強度を誘起することが疑われる状態を有する、請求項２５の方法。
【請求項３２】
骨粗鬆症の処置がエストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニンを含んでなる、請求項２６の方法。
【請求項３３】
処置がステロイド又は抗痙攣剤により誘起される骨喪失を誘起することが疑われる、請求項２６の方法。
【請求項３４】
ビスホスホネートを注意して使用しなければならない低下した骨質をもつ患者を同定するために、標的から超音波の２種以上の臨界角反射値を同時に検出する段階がビスホスホネート処置開始の前である、請求項２６の方法。
【請求項３５】
少なくとも１基の超音波伝送器及び
受信器アレーを形成するある角度により分離され、伝送器と同軸であり、そして焦点を共有する２以上の受信器（ここで、受信器アレーは標的から反射される超音波エネルギーを同時に検出する）、
を含んでなる、変換器。
【請求項３６】
伝送器が少なくとも二次元で凹面である、請求項３６の変換器。
【請求項３７】
凹面の部分を形成する２以上の受信器が少なくとも二次元で配列する、請求項３６の変換器。
【請求項３８】
伝送器及び２以上の受信器が凹面で、同軸である、請求項３６の変換器。
【請求項３９】
伝送器が凹面であり、２以上の受信器が凹面であり、そして伝送器及び２以上の受信器が共通の焦点の周囲に同軸である、請求項３６の変換器。
【請求項４０】
受信器が更に受信アレーとして特定され、そしてアレーが２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８個の独立した受信器を備える、請求項３６の変換器。
【請求項４１】
アレーシステムがハウジング内に配置された単一の伝送器及び４８−要素の受信器アレーから構成されており、そこで受信器アレーが伝送器の焦点又は焦点の周囲にある検査地点から１２０度にわたる超音波速度を同時に測定する、請求項３６の変換器。
【請求項４２】
伝送器及び少なくとも２個の受信器のためのハウジングを更に備えており、かつ、当該ハウジングが伝送器及び受信器の焦点又は焦点の周囲に少なくとも１個の開口部をもつものである、請求項３６の変換器。
【請求項４３】
伝送器及び少なくとも２個の受信器のためのハウジングであって、少なくとも１個の開口部を備えるハウジング、
ハウジングの開口部又はその周辺のラテックスの膜、及び
ハウジング内の超音波伝導性物質、
を更に備える請求項３６の変換器。
【請求項４４】
超音波伝導性物質が水を含んでなる、請求項４４の変換器。
【請求項４５】
変換器の運動が検査地点上へ装置の正確な配置を可能にする、変換器に接続されたコンピューターにより制御される配置アームを更に備える、請求項３６の変換器。
【請求項４６】
ラテックス膜を破損する可能性があるハウジング内の圧力増加を検出する、超音波伝導性物質と連絡する圧力検出装置を更に備える、請求項４４の変換器。
【請求項４７】
変換器の伝送器及び受信器に接続された少なくとも１基のコンピューターであって、各角度において各受信器から１種以上の反射スペクトルを集め、そしてそのスペクトルから皮質及び海綿質に対する臨界角を計算する少なくとも１種のコードセグメントを含んでなるコンピューターを更に備える、請求項３６の変換器。
【請求項４８】
コンピューターが更に、臨界角速度を決定し、そして少なくとも２種の主要な弾性係数の決定のために一次−二次方程式にそれらを当てはめる少なくとも１種のコードセグメントを含んでなる、請求項４８の変換器。
【請求項４９】
少なくとも１基の超音波伝送器及び
伝送器と同軸で、焦点を共有し、複数の角度で、標的からの反射超音波エネルギーを同時に検出する受信器アレー、
を備える変換器。
【請求項５０】
伝送器が少なくとも二次元で凹面である、請求項４９の変換器。
【請求項５１】
受信器アレーが少なくとも二次元の凹面アレーを含んでなる、請求項４９の変換器。
【請求項５２】
受信器アレーが２、４、６、１２、２４、３６又は４８の独立した受信変換器を備える、請求項４９の変換器。
【請求項５３】
変換器が単一の伝送器及び受信器アレーを備えており、ここで受信器アレーが伝送器の焦点又はその周囲にある検査地点から１２０度にわたり、超音波の速度を同時に測定する、請求項５２の変換器。
【請求項５４】
伝送器及び受信器アレーのための、伝送器及び受信器アレーの焦点、その周囲又は近位に少なくとも１個の開口部を有するハウジングを更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５５】
伝送器及び少なくとも２個の受信器のための、少なくとも１個の開口部を有するハウジング、
ハウジングの開口部における又はその周囲の膜並びに
ハウジング内の超音波伝導性物質、
を更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５６】
超音波伝導性物質が水を含んでなり、そして膜がラテックスを含んでなる、請求項５５の変換器。
【請求項５７】
変換器（ここで変換器の運動が検査地点上への装置の正確な配置を可能にする）に接続されたコンピューターに制御される配置アームを更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５８】
ハウジング内で超音波伝導性物質を囲むラテックス膜に過剰な圧力が適用される時に検出する、超音波伝導性物質に接触するように配置された圧力検出装置を更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項５９】
伝送器及び受信器アレーに接続された少なくとも１基のコンピューターを更に備える、請求項４９の変換器。
【請求項６０】
コンピューターが、受信器アレーから１以上の反射スペクトルを集め、そのスペクトルから皮質及び海綿質に対する１種以上の臨界角を計算する少なくとも１種のコードセグメントを備える、請求項５９の変換器。
【請求項６１】
コンピューターが、臨界角速度を決定し、その臨界角速度を少なくとも２種の主要な弾性係数の決定のために一次−二次方程式に当てはめる少なくとも１種のコードセグメントを備える、請求項５９の変換器。
【請求項６２】
多数の角度における超音波速度を同時にそして自動的に検出する、コンピューターに制御される超音波の臨界角反射測定変換器、
超音波変換器を支持する三次元の運動を可能にする接合アーム、及び
超音波変換器からの臨界角反射測定データを計算するために超音波変換器からの信号を受信するように接続され、そして受信することができるコンピューター、
を備える骨の異方性を測定するためのシステム。
【請求項６３】
コンピューターが三次元で変換器の位置を誘導する接合アームの１以上の制御装置に接続されている、請求項６２のシステム。
【請求項６４】
変換器が骨粗鬆症を罹患している又はそれを有する疑いのある患者からの骨の弾性係数を測定する、請求項６２のシステム。
【請求項６５】
変換器が、ビスホスホネートで処置された、骨粗鬆症を罹患している又はそれを有することが疑われる患者からの骨の弾性係数を測定する、請求項６２のシステム。
【請求項６６】
コンピューターが、超音波変換器を使用して多数の方向で検出される値を使用して、固定された位置の骨の固有の方向と、超音波の速度の二乗を比較することにより弾性係数を決定する、請求項６２のシステム。
【請求項６７】
コンピューターが標的の異方性の度合いを予測するために、最大弾性係数及び最小弾性係数を計算する、請求項６２のシステム。
【請求項６８】
コンピューターが標的に対する変換器の法線の決定を自動化する、請求項６２のシステム。
【請求項６９】
コンピューターが２、４、８、１６、２４、３６、４８、６４又は１２８の異なる受信器からの受信データを同時に受信する、請求項６２のシステム。
【請求項７０】
コンピューターが伝送器と同軸の２以上の受信器における超音波の、検出された臨界角反射値を保存する、請求項６２のシステム。
【請求項７１】
コンピューターが異なる時点における超音波の臨界角反射値を保存する、請求項６２のシステム。
【請求項７２】
コンピューターが弾性係数を決定するために異なる時点で超音波の臨界角反射値を保存し、そして標的の弾性係数の変化を追跡する、請求項６２のシステム。
【請求項７３】
受信器数が１を超える奇数である、請求項６２のシステム。
【請求項７４】
コンピューターが骨粗鬆症のための治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定する、請求項６２のシステム。
【請求項７５】
コンピューターが、第１及び第２の時点において患者の弾性係数に対する第１及び第２の値を保存することにより骨粗鬆症に対する治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定し、そして最大弾性係数及び最小弾性係数の比率から骨の異方性値を計算し、そして経時的に骨の異方性を追跡する、請求項６２のシステム。
【請求項７６】
コンピューターが、骨の質に対するビスホスホネート処置の影響を誘導するために、第１及び第２の時点において患者の弾性係数に対する第１及び第２の値を保存することにより骨粗鬆症に対する治療を受けている患者からの骨の弾性係数に対する影響を決定し、そして最大弾性係数及び最小弾性係数の比率から骨の異方性値を計算し、そして経時的に骨の異方性を追跡する、請求項６２のシステム。
【請求項７７】
変換器が踵における超音波の臨界角反射測定値を検出するために使用される、請求項６２のシステム。
【請求項７８】
コンピューターが更に、皮質領域及び海綿質領域の最大弾性係数及び最小弾性係数を決定することにより、骨の異方性を計算し、そこで当該測定値が体重担持骨及び体重非担持骨それぞれの軸に対応する、請求項６２のシステム。
【請求項７９】
ヒトが骨の疾患、骨粗鬆症以外の骨を喪失する状態又は低下した骨強度をもたらすことが疑われる状態を有する、請求項６２のシステム。
【請求項８０】
骨粗鬆症の処置が、エストローゲン、エストローゲン類似体、副甲状腺ホルモンペプチド、フッ化物、ビタミンＤ及びカルシトニンを含んでなる、請求項６２のシステム。
【請求項８１】
処置が骨喪失を誘起することが疑われる、請求項６２のシステム。
【請求項８２】
処置がステロイド又は抗痙攣剤により誘起される骨喪失を誘起することが疑われる、請求項６２のシステム。
【請求項８３】
ビスホスホネートを注意して使用しなければならない低下した骨質をもつ患者を同定するために、ビスホスホネート処置開始の前に、臨界角反射測定を実施される、請求項６２のシステム。
【請求項８４】
請求項１の方法に従ってインビボで非侵襲的に骨の最大及び最小弾性係数及び異方性の同時測定方法。
【請求項８５】
請求項２５の方法に従ってインビボで非侵襲的に皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時の測定値の収集方法。
【請求項８６】
請求項３６の変換器を使用してインビボで非侵襲的に、皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時測定値の収集方法。
【請求項８７】
請求項４９の変換器を使用してインビボで非侵襲的に、皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時測定値の収集方法。
【請求項８８】
請求項６２のシステムを使用してインビボで非侵襲的に、皮質及び海綿質の最大及び最小弾性係数並びに異方性の同時測定値の収集方法。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【公表番号】特表２００７−５３１５４９（Ｐ２００７−５３１５４９Ａ）
【公表日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２０３６０（Ｐ２００６−５２０３６０）
【出願日】平成１６年７月１５日（２００４．７．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２２８６９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００９２４５
【国際公開日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｌｉｎｕｘ
【出願人】（３０１０７０４５０）ザ・ボード・オブ・リージエンツ，ザ・ユニバーシテイ・オブ・テキサス・システム (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１５日（２００４．７．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２２８６９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００９２４５
【国際公開日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｌｉｎｕｘ
【出願人】（３０１０７０４５０）ザ・ボード・オブ・リージエンツ，ザ・ユニバーシテイ・オブ・テキサス・システム (4)
【Ｆターム（参考）】
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