JPH06109709A - Apparatus and method for judging dynamic property of solid material and apparatus and method for judging scanning and dynamic property of solid material - Google Patents
Apparatus and method for judging dynamic property of solid material and apparatus and method for judging scanning and dynamic property of solid materialInfo
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- JPH06109709A JPH06109709A JP4257315A JP25731592A JPH06109709A JP H06109709 A JPH06109709 A JP H06109709A JP 4257315 A JP4257315 A JP 4257315A JP 25731592 A JP25731592 A JP 25731592A JP H06109709 A JPH06109709 A JP H06109709A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に、物質の力学
的性質の非破壊測定のための計装(instrumentation )
に関し、骨及び骨質の力学的性質の無侵襲的(non-inva
sive)測定のための計装に関する。FIELD OF THE INVENTION This invention generally relates to instrumentation for nondestructive measurement of mechanical properties of materials.
In relation to the mechanical properties of bone and bone quality (non-inva
sive) Instrumentation for measurement.
【0002】[0002]
【従来の技術】ある物質中の音波の速度は、この物質の
力学的性質によって決まることは技術上周知である。こ
の概要は、C.H. HastingsとS.W. C
arterとによって、「超音波法による金属の検査、
処理、及び、製造管理(Inspection, Processing and M
anufacturing Control of Metal by Ultrasonic Method
s )」と題する論文(米国物質検査学会(American Soc
iety for Testing Materials)52周年大会の”超音波
検査に関するシンポジウム(Symposium on Ultrasonic
Testing )”、1949年6月28日、16〜47ペー
ジ)に述べられている。It is well known in the art that the velocity of sound waves in a substance depends on the mechanical properties of the substance. This summary is available from C.I. H. Hastings and S.H. W. C
by arter, "Inspection of metal by ultrasonic method,
Inspection, Processing and M
anufacturing Control of Metal by Ultrasonic Method
s) ”(American Society for Testing and Materials (American Soc
"Symposium on Ultrasonic" at the 52nd anniversary conference
Testing) ", June 28, 1949, pp. 16-47).
【0003】米国特許第3,720,098号、第3,
228,232号、第3,288,241号、第3,3
72,163号、第3,127,950号、第3,51
2,400号、第4,640,132号、第4,59
7,292号、及び、第4,752,917号では、非
破壊検査の技術状態が説明されている。US Pat. Nos. 3,720,098 and 3,
228,232, 3,288,241, 3,3
72,163, 3,127,950, 3,51
No. 2,400, No. 4,640,132, No. 4,59
No. 7,292, and No. 4,752,917 describe the state of the art of non-destructive testing.
【0004】一般に、ある角度をもって半無限中実物又
は固形物に到達する音波は、各波毎に速度が異なる3つ
の波、即ち、縦波、横波、及び、表面波として、この中
実物を通って伝播する。これら3種の波の速度は、Ha
stingsとCarterとによって説明されている
ように、次のように定義される。Generally, a sound wave that reaches a semi-infinite solid or solid at an angle passes through this solid as three waves having different velocities for each wave, namely, a longitudinal wave, a transverse wave, and a surface wave. Propagate. The speed of these three waves is Ha
As described by stings and Carter, it is defined as:
【0005】[0005]
【数1】 [Equation 1]
【0006】ここで、VL 、VT 、VS は、それぞれ、
縦波の速度、横波の速度、及び、レイリー表面波の速度
であり、E、σ、ρは、それぞれ、ヤング率、横方向の
収縮と縦方向の伸張とのポアソン比、及び、物質の質量
密度である。式(3b)は、1975年に英国オックス
フォード、Clarendon Pressによって発
行された、Karl F. Graff著、「弾性中実
物における波動(WaveMotion in Elastic Solids )」
の326ページに明記されているように、経験的な関係
である。Here, V L , V T , and V S are respectively
Velocity of longitudinal wave, velocity of transverse wave, and velocity of Rayleigh surface wave, E, σ, and ρ are Young's modulus, Poisson's ratio of lateral contraction and longitudinal extension, and mass of substance, respectively. Is the density. Formula (3b) is published by Karl F.L., published by Clarendon Press, Oxford, England in 1975. Graff, "WaveMotion in Elastic Solids"
Empirical relationship, as specified on page 326 of.
【0007】通常、骨の状態の超音波測定では、縦波の
速度だけが使用される。R.P.Heaney等による
論文「骨粗しょう症の骨の脆弱性:超音波伝送速度によ
る検出(Osteoporotic Bone Fragility: Detection by
Ultrasound TransmissionVelocity)」、JAMA、V
ol.261、No.20、1989年5月26日、2
986〜2990ページ、に定義されているように、骨
のヤング率Eは、経験に基づいて式(4a)で与えられ
る。また、式(4b)のように、骨を通過する音の速度
はEの関数である。ここで、音速は、通常、縦速度であ
る。Normally, only ultrasonic wave velocities are used in ultrasonic measurements of bone conditions. R. P. Heaney et al., “Osteoporotic Bone Fragility: Detection by Bone Vulnerability of Osteoporosis.
Ultrasound Transmission Velocity) ", JAMA, V
ol. 261, No. 261. 20, May 26, 1989, 2
The Young's modulus E of the bone, as defined in pages 986 to 2990, is empirically given by equation (4a). Further, the speed of the sound passing through the bone is a function of E as in Expression (4b). Here, the sound velocity is usually the longitudinal velocity.
【0008】[0008]
【数2】 [Equation 2]
【0009】ここで、Kは、骨構造体の空間配向、骨物
質の固有の性質、疲労損傷等の多数の因子を包含する定
数である。したがって、縦波の速度は、質量密度の関数
であり、骨質の指標として使用することができる。Here, K is a constant that includes many factors such as the spatial orientation of the bone structure, the inherent properties of the bone substance, and fatigue damage. Therefore, the longitudinal wave velocity is a function of mass density and can be used as an indicator of bone quality.
【0010】また、下記の論文では、生体内と生体外の
両方での骨の状態の超音波測定が論じられている。Further, the following paper discusses ultrasonic measurement of bone condition both in vivo and in vitro.
【0011】「生体内での人体皮質骨における超音波の
速度測定(Measurement of the Velocity of Ultrasoun
d in Human Cortical Bone In vivo)」、M.A. G
reenfield等著、Radiology(放射線
学)、Vol.138、1981年3月、701〜71
0ページ。[Measurement of the Velocity of Ultrasoun in Human Cortical Bone in vivo]
d in Human Cortical Bone In vivo) ", M.A. A. G
reenfield et al., Radiology (Radiology), Vol. 138, March 1981, 701-71.
0 pages.
【0012】「馬の掌骨における2.25MHz超音波
速度及び骨の無機質濃度の同時測定法とその生体内応用
(Combined 2.25 MHz ultrasound velocity and bone m
ineral density measurements in the equine metacarp
us and their in vivo application)」、R.N. M
cCartneyとL.B. Jeffcott著、メ
ディカル・アンド・バイオロジカル・エンジニアリング
・アンド・コンピュテーション(Medical and Biologic
al Engineering and compuitation )、Vol.25、
1987年11月、1877、620〜626ページ。[Combined 2.25 MHz ultrasound velocity and bone m method for simultaneous measurement of 2.25 MHz ultrasonic velocity and bone mineral concentration in horse's palmar bone]
ineral density measurements in the equine metacarp
us and their in vivo application), "R. N. M
cCartney and L.C. B. Jeffcott, Medical and Biologic Engineering and Computation (Medical and Biologic)
al Engineering and compuitation), Vol. 25,
1987, November 1877, 620-626.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】骨の力学的性質の生体
内超音波測定を行うためには、超音波を、骨の周りの軟
組織を通して伝送させる必要がある。都合の悪いこと
に、軟組織の厚さは、骨の長さ方向に沿って異なる。こ
れは、骨を通過する超音波伝播時間測定の精度に影響を
与える。上述した論文では、軟組織の厚さを無視する
か、あるいは、軟組織の影響を解消する試みがなされて
いる。生体外実験を述べた論文では、軟組織は、骨から
除去される。In order to make in vivo ultrasonic measurements of the mechanical properties of bone, it is necessary to transmit the ultrasonic waves through the soft tissue around the bone. Unfortunately, the thickness of soft tissue varies along the length of bone. This affects the accuracy of ultrasonic transit time measurements through bone. In the above-mentioned papers, attempts are made to ignore the thickness of soft tissue or eliminate the influence of soft tissue. In the paper describing in vitro experiments, soft tissue is removed from bone.
【0014】ソ連特許第1,420,383号、第1,
308,319号、第1,175,435号、第1,3
24,479号、第1,159,556号、及び第1,
172,534号、並びに、米国特許第4,926,8
70号、第4,361,154号、第4,774,95
9号、第4,421,119号、第4,941,474
号、第3,847,141号、第4,913,157
号、及び第4,930,511号では、速度VL に基づ
いて骨の強度を測定する各種システムが説明されてい
る。通常、当該これらのシステムは、1つの超音波信号
トランスミッタと、少なくとも1つの超音波信号レシー
バと、を有する。USSR Patent Nos. 1,420,383, 1,
No. 308,319, No.1,175,435, No.1,3
No. 24,479, No. 1,159,556, and No. 1,
172,534 and U.S. Pat. No. 4,926,8
70, 4,361,154, 4,774,95
No. 9, 4,421, 119, 4,941, 474
No. 3, No. 847, 141, No. 4, 913, 157
And No. 4,930,511 describe various systems for measuring bone strength based on velocity V L. Generally, these systems have one ultrasound signal transmitter and at least one ultrasound signal receiver.
【0015】ソ連特許第1,420,383号、第1,
308,319号、第1,175,435号では、測定
領域中の軟組織の厚さの値を推定するか、または、2つ
の超音波信号レシーバ間の距離に亘って厚さのばらつき
がわずかであると仮定することによって、軟組織の厚さ
が未知であるという問題を解決している。USSR Patent Nos. 1,420,383, 1,
No. 308,319, No. 1,175,435 estimates the value of the thickness of soft tissue in the measurement region, or there is little thickness variation over the distance between the two ultrasonic signal receivers. By assuming that, the problem of unknown thickness of soft tissue is solved.
【0016】ソ連特許第1,342,279号では、2
つのレシーバと単一のトランスミッタとが利用されると
ともに、この2つのレシーバ間の既知の距離に基づい
て、骨を通過する平均群速度が算出される。In USSR Patent No. 1,342,279, 2
One receiver and a single transmitter are utilized and an average group velocity through the bone is calculated based on the known distance between the two receivers.
【0017】ソ連特許第1,159,556号では、骨
の範囲が画定されるとともに、骨の状態が、測定された
超音波信号の最大振幅と最小振幅との間の差によって判
定される。この測定は、切除された骨で行われることは
明かであろう。In Soviet Patent No. 1,159,556, the extent of the bone is defined and the condition of the bone is determined by the difference between the maximum and minimum amplitude of the measured ultrasonic signal. It will be clear that this measurement is performed on excised bone.
【0018】ソ連特許第1,172,534号では、健
康な骨の超音波信号を、不健康な骨の超音波信号と比較
するとともに、この比較から不健康な骨における疾患の
程度の診断を出すシステムが説明されている。US Pat. No. 1,172,534 discloses a system in which the ultrasonic signal of healthy bone is compared with the ultrasonic signal of unhealthy bone and from this comparison the degree of disease in unhealthy bone is diagnosed. Is explained.
【0019】米国特許第4,926,870号、第4,
421,119号、及び、第3,847,141号で
は、1つのレシーバと1つのトランスミッタとを骨の両
側に配置するシステムが説明されている。また、米国特
許第4,926,870号では、結果として生じた信号
が標準波形と比較され、これによって、骨の健全さが識
別される。US Pat. Nos. 4,926,870 and 4,
421,119 and 3,847,141 describe systems for placing one receiver and one transmitter on either side of the bone. Also, in US Pat. No. 4,926,870, the resulting signal is compared to a standard waveform, which identifies bone health.
【0020】米国特許第4,913,157号、第4,
774,959号、及び、第4,941,474号で
は、周波数スペクトルで超音波信号を伝送するシステム
が説明されている。US Pat. Nos. 4,913,157, 4,
Nos. 774,959 and 4,941,474 describe systems for transmitting ultrasonic signals in the frequency spectrum.
【0021】米国特許第4,930,511号では、骨
の周囲に配置される前に、既知の音響特性を持つ標準的
な無生命の均質物質の周囲に配置されるシステムが説明
されている。US Pat. No. 4,930,511 describes a system that is placed around a standard, non-living, homogeneous material with known acoustic properties prior to being placed around the bone. .
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明は、硬質物質の力
学的性質を超音波的に測定するものであり、超音波信号
は、トランスミッタから、介在媒体の厚さを通って進行
するとともに、中実物等の検査される硬質物質を通って
進行する。超音波は、縦波、横波、及び、表面波の3つ
の波として硬質物質を通して伝播する。超音波は、中実
物から、第2の厚さを通って第1レシーバに進行すると
ともに、第3の厚さを通って、第1レシーバから所定の
距離に配置された第2レシーバに進行する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is an ultrasonic measurement of mechanical properties of a hard material, the ultrasonic signal traveling from the transmitter through the thickness of the intervening medium, Proceed through the hard material to be tested, such as solids. Ultrasound waves propagate through a hard material as three waves, a longitudinal wave, a transverse wave, and a surface wave. The ultrasonic wave travels from the solid material to the first receiver through the second thickness, and travels to the second receiver disposed at a predetermined distance from the first receiver through the third thickness. .
【0023】したがって、本発明の実施例によると、表
面を有する中実物の力学的性質を、介在媒体を介して判
定する装置が提供される。この装置は、a)超音波を、
前記介在媒体中を通して伝送するとともに、前記表面と
ほぼ平行に前記中実物中を通して伝送する、第1位置に
配置された超音波伝送装置と、b)第1位置と表面に沿
って同一線上にある第2位置と第3位置の各々に配置さ
れた、超音波を受信する少なくとも1つの超音波レシー
バユニットと、c)前記表面から第2位置の前記レシー
バユニットまでの超音波の第1受信時間が、前記表面か
ら第3位置の前記レシーバユニットまでの第2受信時間
とほぼ等しくなるように、前記レシーバユニットを位置
決めする装置と、d)一旦、前記第1受信時間と前記第
2受信時間とがほぼ等しくなると、前記超音波伝送装置
によって伝送される超音波から力学的性質を算出する装
置と、を含む。Therefore, according to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for determining the mechanical properties of a solid object having a surface via an intervening medium. This device:
An ultrasonic transmission device arranged at a first position for transmitting through the solid medium while transmitting through the intervening medium, and b) collinear along the first position and the surface; At least one ultrasonic receiver unit for receiving ultrasonic waves, arranged at each of the second position and the third position; and c) the first reception time of ultrasonic waves from the surface to the receiver unit at the second position. A device for positioning the receiver unit so as to be substantially equal to a second reception time from the surface to the receiver unit at a third position, and d) once the first reception time and the second reception time are And a device for calculating mechanical properties from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmission device.
【0024】さらに、本発明の実施例によると、前記位
置決め装置は、前記第1受信時間と前記第2受信時間と
がほぼ等しくなるように、前記少なくとも1つのレシー
バユニットの位置を調整する。また、前記位置決め装置
は、前記第1受信時間と前記第2受信時間とを判定する
装置を含む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the positioning device adjusts the position of the at least one receiver unit such that the first reception time and the second reception time are substantially equal. Further, the positioning device includes a device that determines the first reception time and the second reception time.
【0025】さらに、本発明の実施例によると、前記判
定装置は前記伝送装置を脈動させる装置を含み、これに
よって、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ
同一である場合に超音波が伝送される。Further, according to an embodiment of the present invention, the determination device includes a device for pulsating the transmission device, so that it is possible to prevent the first reception time and the second reception time from being substantially the same. Sound waves are transmitted.
【0026】またさらに、本発明の実施例によると、前
記中実物は、生体内の骨である。あるいは、前記中実物
は、金属、プラスチック、及び、木材の中から選択され
る。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the solid material is bone in a living body. Alternatively, the solid material is selected from metal, plastic, and wood.
【0027】さらに、本発明の実施例によると、前記介
在媒体を通過する超音波の速度は、前記中実物を通過す
る超音波の速度よりも低い。Further, according to an embodiment of the present invention, the velocity of the ultrasonic wave passing through the intervening medium is lower than the velocity of the ultrasonic wave passing through the solid object.
【0028】さらに、本発明の実施例によると、前記少
なくとも1つの超音波レシーバユニットは、全体的にカ
ップリング媒体無しで、前記介在媒体の表面上に載置さ
れる。Further, according to an embodiment of the present invention, the at least one ultrasonic receiver unit is mounted on the surface of the intervening medium without any coupling medium.
【0029】さらに、本発明の実施例によると、中実物
の力学的性質を、介在媒体を介して判定する装置が提供
される。この装置は、a)前記介在媒体と、表面を有す
る前記中実物と、を通して超音波を伝送する超音波伝送
装置と、b)この超音波を受信する、少なくとも第1及
び第2の超音波レシーバユニットと、c)前記表面から
前記第1超音波レシーバユニットまでの超音波の第1受
信時間が、前記表面から前記第2超音波レシーバユニッ
トまでの第2受信時間とほぼ等しくなるように、前記超
音波レシーバユニットを揺動させながら前記介在媒体中
に押圧する揺動ユニットを含む、前記超音波レシーバユ
ニットを位置決めする装置と、を含む。前記位置決め装
置は、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ等
しくなるように、前記第1及び第2レシーバユニットの
位置を調整する。通常、前記揺動ユニットは、音波遮断
ユニットを含む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, there is provided a device for determining the mechanical properties of a solid body via an intervening medium. This device comprises: a) an ultrasonic transmission device that transmits ultrasonic waves through the intervening medium and the solid object having a surface; and b) at least first and second ultrasonic receivers that receive the ultrasonic waves. A unit, and c) the first reception time of ultrasonic waves from the surface to the first ultrasonic receiver unit is substantially equal to the second reception time of the surface to the second ultrasonic receiver unit. A device for positioning the ultrasonic receiver unit, which includes a rocking unit that presses the ultrasonic receiver unit into the intervening medium while rocking the ultrasonic receiver unit. The positioning device adjusts the positions of the first and second receiver units so that the first reception time and the second reception time are substantially equal to each other. Usually, the rocking unit includes a sound wave blocking unit.
【0030】またさらに、本発明の実施例によると、前
記超音波伝送装置は、超音波を広角度の範囲内で伝送す
る装置を含み、この超音波は、縦波、表面波、及び、横
波を前記中実物中に生成する。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the ultrasonic transmission device includes a device for transmitting ultrasonic waves within a wide angle range, the ultrasonic waves including longitudinal waves, surface waves, and transverse waves. Is generated in the solid material.
【0031】さらに、本発明の実施例によると、前記装
置は、前記レシーバユニットからの信号を処理するとと
もに、縦波の受信時間を識別する処理装置を含む。この
処理装置は、表面波の受信時間と横波の受信時間とを識
別する装置を含む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the device comprises a processing device for processing the signal from the receiver unit and for identifying the reception time of the longitudinal wave. The processing device includes a device for discriminating the reception time of the surface wave and the reception time of the shear wave.
【0032】さらに、本発明の実施例によると、前記処
理装置は、前記力学的性質を、少なくとも縦波の受信時
間から判定する装置を含む。この代わりに、叉は、これ
に加えて、前記処理装置は、前記力学的性質を、表面波
の受信時間と横波の受信時間とから判定する装置を含
む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the processing device comprises a device for determining the mechanical property at least from the reception time of the longitudinal wave. Alternatively or additionally, the processing device includes a device for determining the mechanical property from the surface wave reception time and the shear wave reception time.
【0033】さらに、本発明の実施例によると、前記伝
送装置は、超音波を、所定角度のほぼ僅かな範囲内で伝
送する。Further, according to an embodiment of the present invention, the transmission device transmits ultrasonic waves within a substantially small range of a predetermined angle.
【0034】またさらに、本発明の実施例によると、前
記伝送装置の伝送表面と、前記受信装置の有効受信位置
とは、同一平面上にある。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the transmission surface of the transmission device and the effective reception position of the reception device are on the same plane.
【0035】さらに、本発明の実施例によると、前記装
置は、前記介在媒体の特性の知識をほとんど必要としな
いことを特徴とする。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the device requires little knowledge of the characteristics of the intervening medium.
【0036】また、本発明の実施例によると、表面を有
する中実物の力学的性質を、介在媒体を介して判定する
方法が提供される。この方法は、超音波を、第1位置か
ら、前記介在媒体中を通して伝送するとともに、表面と
ほぼ平行に前記中実物中を通して伝送するステップと、
第1位置と表面に沿って同一線上にある第2位置と第3
位置の各々に配置された少なくとも1つの超音波レシー
バユニットで超音波を受信するステップと、前記表面か
ら前記第2位置の前記レシーバユニットまでの超音波の
第1受信時間が、前記表面から第3位置の前記レシーバ
ユニットまでの第2受信時間とほぼ等しくなるように、
前記レシーバユニットを位置決めするステップと、一
旦、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ等し
くなると、前記超音波伝送装置によって伝送される超音
波から力学的性質を算出するステップと、を含む。According to an embodiment of the present invention, there is also provided a method for determining the mechanical properties of a solid object having a surface via an intervening medium. The method transmits ultrasonic waves from a first location through the intervening medium and through the solid body substantially parallel to a surface,
A second position and a third position which are collinear with the first position along the surface
Receiving ultrasonic waves with at least one ultrasonic receiver unit arranged at each of the positions, and a first reception time of the ultrasonic waves from the surface to the receiver unit at the second position, To be approximately equal to the second reception time to the receiver unit at the position,
Positioning the receiver unit, and once the first reception time and the second reception time are approximately equal, calculating mechanical properties from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmission device. Including.
【0037】さらに、本発明の実施例によると、前記位
置決めステップは、前記第1受信時間と前記第2受信時
間とがほぼ等しくなるように、前記レシーバユニットの
位置を調整するステップを含む。Further, according to an embodiment of the present invention, the positioning step includes a step of adjusting the position of the receiver unit so that the first reception time and the second reception time are substantially equal to each other.
【0038】さらに、本発明の実施例によると、前記位
置決めステップは、前記第1受信時間と前記第2受信時
間とを判定するステップを含む。また、前記判定ステッ
プは前記伝送装置を脈動させるステップを含み、これに
よって、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ
同一である場合に超音波が伝送される。Further, according to an embodiment of the present invention, the positioning step includes a step of determining the first reception time and the second reception time. In addition, the determining step includes a step of pulsating the transmission device, whereby an ultrasonic wave is transmitted when the first reception time and the second reception time are substantially the same.
【0039】またさらに、本発明の実施例によると、前
記中実物は、生体内の骨である。あるいは、前記中実物
は、金属、プラスチック、及び、木材の中から選択され
る。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the solid material is bone in a living body. Alternatively, the solid material is selected from metal, plastic, and wood.
【0040】さらに、本発明の実施例によると、前記介
在媒体を通過する超音波の速度は、前記中実物を通過す
る超音波の速度よりも低い。Further, according to the embodiment of the present invention, the velocity of the ultrasonic wave passing through the intervening medium is lower than the velocity of the ultrasonic wave passing through the solid object.
【0041】さらに、本発明の実施例によると、前記超
音波レシーバユニットは、全体的にカップリング媒体無
しで、前記介在媒体の表面上に載置される。Further, according to an embodiment of the present invention, the ultrasonic receiver unit is mounted on the surface of the intervening medium without any coupling medium.
【0042】また、本発明の実施例によると、中実物の
力学的性質を、介在媒体を介して判定する方法が提供さ
れる。この方法は、a)超音波を、前記介在媒体中を通
して伝送するとともに、表面を有する前記中実物中を通
して伝送するステップと、b)少なくとも第1及び第2
の超音波レシーバユニットとで超音波を受信するステッ
プと、c)前記表面から第1レシーバユニットまでの超
音波の第1受信時間が、前記表面から第2レシーバユニ
ットまでの第2受信時間とほぼ等しくなるように、前記
レシーバユニットを位置決めするステップと、から成
る。前記位置決めステップは、揺動ユニットを使って前
記超音波レシーバユニットを揺動させながら前記介在媒
体中に押圧するステップを含み、これによって、前記第
1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ等しくなるよう
に、前記レシーバユニットの位置が調整される。Further, according to an embodiment of the present invention, there is provided a method of determining the mechanical properties of a solid material through an intervening medium. The method comprises the steps of a) transmitting ultrasonic waves through the intervening medium and through the solid body having a surface, and b) at least first and second.
Receiving an ultrasonic wave with the ultrasonic receiver unit, and c) the first receiving time of the ultrasonic wave from the surface to the first receiver unit is substantially equal to the second receiving time of the surface to the second receiver unit. Positioning the receiver units so that they are equal. The positioning step includes a step of pressing the ultrasonic receiver unit into the intervening medium while rocking the ultrasonic receiver unit by using a rocking unit, whereby the first reception time and the second reception time are substantially equal to each other. The position of the receiver unit is adjusted so that
【0043】さらに、本発明の実施例によると、前記方
法は超音波を広域パターンで伝送するステップを含み、
この超音波は、縦波、表面波、及び、横波を前記中実物
中に生成する。Further, according to an embodiment of the present invention, the method comprises the step of transmitting the ultrasonic waves in a wide area pattern,
This ultrasonic wave produces a longitudinal wave, a surface wave, and a transverse wave in the solid material.
【0044】さらに、本発明の実施例によると、前記方
法は、前記レシーバ装置からの信号を処理するステップ
と、前記縦波の受信時間を識別するステップと、を含
む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the method comprises the steps of processing the signal from the receiver device and identifying the time of reception of the longitudinal wave.
【0045】さらに、本発明の実施例によると、前記処
理ステップは、前記表面波の受信時間と前記横波の受信
時間とを識別するステップを含む。前記処理ステップ
は、前記力学的性質を、少なくとも前記縦波の受信時間
から判定するステップを含むことが望ましい。この代わ
りに、叉は、これに加えて、前記処理ステップは、前記
力学的性質を、前記表面波の受信時間と前記横波の受信
時間とから判定するステップを含む。Further, according to an embodiment of the present invention, the processing step includes a step of identifying a reception time of the surface wave and a reception time of the transverse wave. It is preferable that the processing step includes a step of determining the mechanical property from at least the reception time of the longitudinal wave. Alternatively or additionally, the processing step includes the step of determining the mechanical property from the reception time of the surface wave and the reception time of the transverse wave.
【0046】さらに、本発明の実施例によると、前記中
実物は、2つ以上の物質から成り、前記算出装置は、前
記少なくとも1つの超音波レシーバユニットの各々から
時間ベース出力信号を受信する装置と、前記出力信号の
内の少なくとも2つの出力信号を周波数ドメインに変換
するとともに、これによって周波数ドメイン信号を発生
させる装置と、前記周波数ドメイン信号から周波数値と
それに対応する伝播速度とを、前記中実物内の各物質毎
に判定する装置と、を含む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the solid body is composed of two or more substances, and the calculating device receives the time-based output signal from each of the at least one ultrasonic receiver unit. A device for converting at least two of the output signals into a frequency domain and thereby generating a frequency domain signal, a frequency value from the frequency domain signal and a corresponding velocity of propagation, And a device for judging each substance in the real thing.
【0047】またさらに、本発明の実施例によると、前
記装置は、さらに、前記各周波数ドメイン信号の差か
ら、前記中実物内の物質毎の減衰の程度を判定する装置
を含む。また、この代わりに、叉は、これに加えて、前
記装置は、前記少なくとも1つの超音波レシーバユニッ
トの各々から時間ベース出力信号を受信するとともに、
前記出力信号の各々の第1ピークを判定する装置と、前
記第1ピークから、前記中実物による超音波の減衰の程
度を算出する装置と、を含む。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, the device further includes a device for determining a degree of attenuation for each substance in the solid material from a difference between the frequency domain signals. Also alternatively or additionally, the apparatus receives a time-based output signal from each of the at least one ultrasound receiver unit, and
An apparatus for determining a first peak of each of the output signals and an apparatus for calculating a degree of attenuation of ultrasonic waves by the solid object from the first peak are included.
【0048】さらに、本発明の実施例によると、前記算
出装置は、前記中実物の厚さを概算する装置を含む。Further, according to an embodiment of the present invention, the calculating device includes a device for estimating the thickness of the solid object.
【0049】さらに、本発明の実施例によると、前記中
実物が2つ以上の物質から成る場合は、前記算出ステッ
プは、前記少なくとも1つの超音波レシーバユニットの
各々から時間ベース出力信号を受信するステップと、前
記出力信号の内の少なくとも2つの出力信号を周波数ド
メインに変換するとともに、これによって周波数ドメイ
ン信号を発生させるステップと、前記周波数ドメイン信
号から、周波数値とそれに対応する伝播速度とを前記中
実物内の各物質毎に求めるステップと、を含む。Further, according to an embodiment of the present invention, when the solid material is composed of two or more substances, the calculating step receives a time-based output signal from each of the at least one ultrasonic receiver unit. Transforming at least two output signals of the output signals into a frequency domain and thereby generating a frequency domain signal, the frequency value and the corresponding propagation velocity from the frequency domain signal Determining for each substance in the solid.
【0050】さらに、本発明の実施例によると、前記方
法は、さらに、前記各周波数ドメイン信号の差から、前
記中実物内の物質毎に減衰の程度を判定するステップを
含む。また、この代わりに、叉は、これに加えて、前記
方法は、前記少なくとも1つの超音波レシーバユニット
の各々から時間ベース出力信号を受信するステップと、
前記出力信号の各々の第1ピークを判定するステップ
と、前記第1ピークから、前記中実物による超音波の減
衰の程度を算出するステップと、を含む。Further, according to an embodiment of the present invention, the method further comprises the step of determining the degree of attenuation for each substance in the solid from the difference between the frequency domain signals. Also, alternatively or additionally, the method receives a time-based output signal from each of the at least one ultrasound receiver unit,
The method includes the steps of determining a first peak of each of the output signals, and calculating a degree of attenuation of ultrasonic waves by the solid object from the first peak.
【0051】さらに、本発明の実施例によると、前記算
出ステップは、前記中実物の厚さを概算するステップを
含む。Further, according to an embodiment of the present invention, the calculating step includes a step of estimating the thickness of the solid object.
【0052】さらに、本発明の実施例によると、あるい
は、本発明の装置は、ハウジングと音波バリヤとを含む
ことができ、前記超音波伝送装置は、前記音波バリヤの
第1側面上に載置されるとともに、前記少なくとも1つ
の超音波レシーバユニットは、前記音波バリヤの第2側
面上に載置される。Further, according to an embodiment of the present invention, or alternatively, the apparatus of the present invention may include a housing and a sonic barrier, wherein the ultrasonic transmission device is mounted on the first side of the sonic barrier. And at least one ultrasonic receiver unit is mounted on the second side of the acoustic barrier.
【0053】さらに、本発明の実施例によると、前記位
置決め装置は、前記少なくとも1つの超音波レシーバユ
ニットが内設されるハウジングと、一端が前記ハウジン
グに取り付けられるとともに密閉部と開放部とを形成す
る軟質膜と、を含む。前記密閉部は、カップリング材で
充填され、前記軟質膜の第2端部には真空孔がある。前
記装置が人の皮膚上に載置されて前記真空孔内の空気が
減圧排気されると、前記装置は、この人の皮膚に密着さ
れる。Further, according to an embodiment of the present invention, the positioning device forms a housing in which the at least one ultrasonic receiver unit is installed, one end of which is attached to the housing and a sealing portion and an opening portion. And a soft film that does. The sealing portion is filled with a coupling material, and a vacuum hole is provided at the second end of the soft film. When the device is placed on the human skin and the air in the vacuum holes is decompressed and exhausted, the device is brought into close contact with the human skin.
【0054】さらに、本発明の実施例によると、表面を
有する中実物の力学的性質を、介在媒体を介して判定す
る装置が提供される。この装置は、少なくとも1つの超
音波トランスミッタと少なくとも1つの超音波レシーバ
とに成形可能な、圧電セルの軟質アレイと、第1位置に
ある第1複数の前記圧電セルを、前記少なくとも1つの
超音波トランスミッタとして区画するとともに、第2位
置と第3位置に各々ある少なくとも第2複数と第3複数
との圧電セルを、前記少なくとも1つの超音波レシーバ
として区画する装置と、を含む。第1位置と第2位置と
第3位置とは、前記表面に沿って同一線上にあり、前記
超音波トランスミッタは、超音波を、前記介在媒体中を
通して伝送するとともに、前記表面とほぼ平行な方向に
前記中実物中を通して伝送する。また、前記装置は、前
記超音波トランスミッタによって伝送される超音波から
力学的性質を算出する装置を含む。また、前記装置は、
前記表面から第2位置の前記少なくとも1つの超音波レ
シーバユニットまでの超音波の第1受信時間が、前記表
面から第3位置の前記少なくとも1つの超音波レシーバ
ユニットまでの第2受信時間とほぼ等しくなるように、
前記少なくとも1つのレシーバユニットを区画する装置
を含むことが望ましい。Furthermore, according to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for determining the mechanical properties of a solid object having a surface via an intervening medium. The apparatus comprises a soft array of piezoelectric cells formable into at least one ultrasonic transmitter and at least one ultrasonic receiver and a first plurality of piezoelectric cells in a first position, the at least one ultrasonic cell. A device for partitioning as a transmitter and partitioning at least a second plurality and a third plurality of piezoelectric cells respectively at a second position and a third position as the at least one ultrasonic receiver. The first position, the second position, and the third position are collinear along the surface, and the ultrasonic transmitter transmits ultrasonic waves through the intervening medium and in a direction substantially parallel to the surface. To be transmitted through the solid material. The device also includes a device for calculating mechanical properties from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmitter. Also, the device is
A first reception time of ultrasonic waves from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at a second position is approximately equal to a second reception time of the ultrasonic waves from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at a third position. So that
It is desirable to include a device for partitioning the at least one receiver unit.
【0055】最後に、本発明の実施例によると、表面を
有する中実物を、介在媒体を介して走査するとともに、
この走査から前記中実物の力学的性質を判定する方法が
提供される。この方法は、a)第1位置にある第1複数
のトランスデューサ・セルを、少なくとも1つの超音波
トランスミッタとして区画するとともに、第2位置と第
3位置に各々ある少なくとも第2複数と第3複数とのト
ランスデューサ・セルを、少なくとも1つの超音波レシ
ーバとして区画するステップであって、第1位置と第2
位置と第3位置とが前記表面に沿って同一線上にあると
ともに、前記超音波トランスミッタが、超音波を、前記
介在媒体中を通して伝送するとともに、前記表面とほぼ
平行な方向に前記中実物中を通して伝送する、前記区画
ステップと、b)前記超音波トランスミッタによって伝
送される超音波から前記力学的性質を算出するステップ
と、c)前記区画ステップと前記算出ステップとを、前
記中実物上の異なる位置毎に反復するステップと、から
成る。Finally, according to an embodiment of the present invention, a solid object having a surface is scanned through an intervening medium, and
A method is provided for determining the mechanical properties of the solid from this scan. The method comprises: a) partitioning a first plurality of transducer cells in a first position as at least one ultrasonic transmitter and at least a second plurality and a third plurality in a second position and a third position, respectively. Partitioning the transducer cell of the at least one ultrasonic receiver into a first position and a second position.
A position and a third position are collinear along the surface and the ultrasonic transmitter transmits ultrasonic waves through the intervening medium and through the solid body in a direction substantially parallel to the surface. Transmitting the dividing step, b) calculating the mechanical property from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmitter, and c) the dividing step and the calculating step at different positions on the solid object. Repeating each step.
【0056】また、前記方法は、前記表面から第2位置
の前記少なくとも1つの超音波レシーバユニットまでの
超音波の第1受信時間が、前記表面から第3位置の前記
少なくとも1つの超音波レシーバユニットまでの超音波
の第2受信時間とほぼ等しくなるように、前記少なくと
も1つのレシーバユニットを区画するステップを含むこ
とが望ましく、前記反復ステップは、無作為に選択され
た位置で行われる。In the method, the first reception time of the ultrasonic wave from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at the second position is the same as the at least one ultrasonic receiver unit from the surface to the third position. It is desirable to include the step of partitioning the at least one receiver unit so as to be approximately equal to the second reception time of the ultrasonic waves up to, and the repeating step is performed at a randomly selected position.
【0057】あるいは、本発明の実施例によると、前記
反復ステップは、順次選択された位置で行われるととも
に、前記算出ステップは、前記介在媒体を通過する超音
波の速度の知識から前記力学的性質を判定するステップ
を含む。Alternatively, according to an embodiment of the present invention, the iterative step is carried out at sequentially selected positions, and the calculating step comprises the mechanical property from knowledge of the velocity of the ultrasonic wave passing through the intervening medium. And determining.
【0058】[0058]
【実施例】本発明は、図面に基づいて次に行われる詳細
な説明で、さらに十分に理解されるとともに正しく認識
されるであろう。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be more fully understood and appreciated in the detailed description which follows with reference to the drawings.
【0059】ここで、図1を参照すると、中実物16等
の硬質物質の力学的性質を超音波を用いて測定する方法
と、本発明に基づいて構成された有効な方法を実行する
装置と、が概略的に図解されている。この装置は、通常
20KHzから10MHzまでの範囲の周波数で超音波
信号を伝送することができる、圧電セラミックで作られ
た超音波トランスデューサ等の超音波トランスミッタ1
0と、伝送された信号を受信するレシーバユニット5
と、を含む。通常、ユニット5は、圧電セラミックで作
られた超音波トランスデューサ等の、少なくとも2つの
超音波レシーバ12を含む。Referring now to FIG. 1, a method for measuring the mechanical properties of a solid material such as solid 16 using ultrasonic waves, and an apparatus for carrying out an effective method constructed in accordance with the present invention. , Are schematically illustrated. This device is an ultrasonic transmitter 1 such as an ultrasonic transducer made of piezoelectric ceramic, which is capable of transmitting ultrasonic signals at frequencies typically in the range of 20 KHz to 10 MHz.
0 and a receiver unit 5 for receiving the transmitted signal
And, including. Unit 5 typically includes at least two ultrasonic receivers 12, such as ultrasonic transducers made of piezoceramic.
【0060】ユニット5とトランスミッタ10は、大
体、中実物16の長軸14の方向に配置されるが、中実
物16の表面18と平行に配置されることが望ましい。
通常、中実物16は金属であり、この金属の、ヤング率
(E)、密度(ρ)、ポアソン比(σ)等の力学的性質
が測定される。また、中実物16は、骨格骨でもよい。The unit 5 and the transmitter 10 are generally arranged in the direction of the major axis 14 of the solid body 16, but are preferably arranged parallel to the surface 18 of the solid body 16.
Usually, the solid 16 is a metal, and the mechanical properties of this metal such as Young's modulus (E), density (ρ), Poisson's ratio (σ) are measured. Further, the solid body 16 may be skeletal bone.
【0061】通常、中実物16の表面18に沿って、金
属中実物16に対してゲル叉は水等の介在媒体20、あ
るいは、通常、骨格骨を取り巻く軟組織等の介在媒体2
0がある。通常、トランスミッタ10とレシーバ12
は、介在媒体20の上部表面22上に載置されるととも
に、各レシーバ12は、トランスミッタ10からの距離
S1 とS2 に配置されている。本発明によると、各レシ
ーバ12下の介在媒体20の厚さL1 とL2 は、ほぼ等
しいことが望ましい。Usually, along the surface 18 of the solid material 16, an intervening medium 20 such as gel or water is used for the metal solid material 16, or an intervening medium 2 such as soft tissue usually surrounding skeletal bone.
There is 0. Usually transmitter 10 and receiver 12
Are placed on the upper surface 22 of the intervening medium 20 and each receiver 12 is located a distance S 1 and S 2 from the transmitter 10. According to the present invention, the thicknesses L 1 and L 2 of the intervening medium 20 under each receiver 12 are preferably substantially equal.
【0062】本発明の別の実施例によると、介在媒体2
0は利用されず、トランスミッタ10とレシーバ12
は、中実物16の表面18上に直接載置される。According to another embodiment of the present invention, the intermediary medium 2
0 is not used, transmitter 10 and receiver 12
Are placed directly on the surface 18 of the solid 16.
【0063】通常、トランスミッタ10は、表面18に
到達するまで縦波として介在媒体20を通って伝播する
超音波29を伝送する。矢印30で示される波29の一
部分は、表面18に対してブルースター角たる角度θで
表面18に到達する。技術上周知のように、波29は、
中実物16中に、縦波、横波、及び、矢印32で概略的
に印された表面波の3種の波を生成する。硬質物質が中
実物16ではない場合は、技術上周知のように、縦波だ
けが伝播される。Generally, the transmitter 10 transmits an ultrasonic wave 29 that propagates through the intervening medium 20 as longitudinal waves until it reaches the surface 18. A portion of the wave 29, indicated by arrow 30, reaches surface 18 at an angle θ, which is a Brewster's angle with respect to surface 18. As known in the art, the wave 29
Three kinds of waves are generated in the solid material 16, namely, a longitudinal wave, a transverse wave, and a surface wave schematically marked by an arrow 32. If the hard material is not solid 16, only longitudinal waves will propagate, as is well known in the art.
【0064】この3種の波は、中実物16を通って伝播
するとともに、介在媒体20中に、レシーバ12によっ
て受信される縦波35を生成する。These three kinds of waves propagate through the solid material 16 and generate longitudinal waves 35 received by the receiver 12 in the intervening medium 20.
【0065】波35の一部分34と36は、表面18に
対して角度θで介在媒体20を通って伝播する。経路3
0、32、及び、34は、技術上周知のように、レシー
バ12の内の第1レシーバ12aに到達するための、超
音波が通ることのできる最短経路である。レシーバ12
の内の第2レシーバ12bに達する最短経路は、矢印3
0、32、33、及び、36で印されている。各経路3
0、32、34叉は30、32、33、及び、36に沿
って伝播する波が最初に受信され、この後に、他の経路
に沿って伝播する別の波が受信される。The portions 34 and 36 of the wave 35 propagate through the intervening medium 20 at an angle θ with respect to the surface 18. Route 3
As is known in the art, 0, 32, and 34 are the shortest paths through which ultrasonic waves can reach the first receiver 12a of the receivers 12. Receiver 12
The shortest path to reach the second receiver 12b is the arrow 3
Marked with 0, 32, 33, and 36. Each route 3
A wave propagating along 0, 32, 34 or 30, 32, 33, and 36 is received first, followed by another wave propagating along the other path.
【0066】ブルースター角θは、式(5)のように算
出される。Brewster's angle θ is calculated as in equation (5).
【0067】[0067]
【数3】 [Equation 3]
【0068】ここで、VL ’は、介在媒体20中の縦波
の速度であり、VL は、硬質物質16中の縦波の速度で
ある。軟組織の場合、VL ’は、平均して1540m/
sであり、骨の場合、VL は、平均して3500m/s
であり、約65°のブルースター角θを成す。Here, V L 'is the longitudinal wave velocity in the intervening medium 20, and V L is the longitudinal wave velocity in the hard material 16. In the case of soft tissue, V L 'is 1540 m / on average
s, and for bones, V L averages 3500 m / s
And forms a Brewster's angle θ of about 65 °.
【0069】レシーバ12aに到達する第1超音波は、
中実物16中を距離d1 通過した後に、ブルースター角
θで中実物16を出る縦波である。レシーバ12bに到
達する第1超音波は、中実物16中を距離d1 +d2 通
過する縦波である。The first ultrasonic wave reaching the receiver 12a is
A longitudinal wave exiting solid 16 at Brewster's angle θ after passing a distance d 1 through solid 16. The first ultrasonic wave that reaches the receiver 12b is a longitudinal wave that passes through the solid body 16 at a distance d 1 + d 2 .
【0070】3種の波は、その速度が異なるので、レシ
ーバ12に同時に到達しないことが認識されるであろ
う。これは、図2Aと図2Bに示されているが、ここ
で、これらの図を簡単に参照する。図2Aでは、トラン
スミッタ10によって伝送される超音波を表す信号40
と、レシーバ12aによって受信されるとともに、縦
波、横波、及び、表面波をそれぞれ表す信号42、4
4、46と、が図示されている。It will be appreciated that the three waves do not arrive at the receiver 12 at the same time because of their different velocities. This is shown in FIGS. 2A and 2B, with brief reference to these figures. In FIG. 2A, a signal 40 representative of the ultrasonic waves transmitted by transmitter 10
And signals 42 and 4 which are received by the receiver 12a and respectively represent longitudinal waves, transverse waves, and surface waves.
4, 46 are shown.
【0071】信号40は、縦波と横波と表面波との間を
分離できるように、一般に微小時間である時間τの間に
発生される。例えば、5サイクルの1MHz信号は、5
マイクロ秒のτを生じる。The signal 40 is generated during a time τ, which is typically a very small time, so that the longitudinal, transverse and surface waves can be separated. For example, 5 cycles of 1 MHz signal is 5
Produces a microsecond τ.
【0072】信号42、44、46の各々は、レシーバ
12に到達する第1波に相当する低エネルギー部41、
43、45を含み、通常、これらは、後続の信号と比べ
てはるかに小さなエネルギーを有する。本発明による
と、従来の技術と対照的に、伝播時間tL1、tT1、及
び、tS1は、信号40の開始(即ち、超音波29の伝送
開始)から第1波がレシーバ12に到達する瞬間まで測
定される。従来の技術では、信号40の開始から信号4
2が有効振幅に達する瞬間まで測定される伝播時間tP
が尺度となる。伝播時間tP は、中実物16を経て伝播
される信号よりもむしろ反射される信号の伝播時間を測
る。Each of the signals 42, 44, 46 corresponds to the low energy part 41, which corresponds to the first wave reaching the receiver 12.
43, 45, which typically have much less energy than the subsequent signal. According to the invention, in contrast to the prior art, the propagation times t L1 , t T1 and t S1 are the first wave reaching the receiver 12 from the start of the signal 40 (ie the start of transmission of the ultrasound 29). It is measured until the moment you do it. In the conventional technology, the signal 4 is started from the start of the signal 40.
Propagation time t P measured until the moment 2 reaches the effective amplitude
Is a measure. Propagation time t P measures the propagation time of the reflected signal rather than the signal propagated through solid 16.
【0073】技術上周知のように、トランスミッタ10
とレシーバ12との間の距離が広がるにつれて、時間t
L1、tT1、tS1は、さらに長くなり、信号42、44、
及び、46は、さらに分離される。信号42、44、4
6の間に分離を生じさせるために必要な距離d1 の寸法
は、中実物16の力学的性質によって決まるが、骨の場
合、通常、少なくとも5cmである。As is well known in the art, transmitter 10
As the distance between the receiver and the receiver 12 increases, the time t
L1 , t T1 , t S1 become longer and the signals 42, 44,
And 46 are further separated. Signals 42, 44, 4
The dimension of the distance d 1 required to cause separation between 6 depends on the mechanical properties of the solid body 16, but for bone it is usually at least 5 cm.
【0074】S1 の最小値は、厚さL1 とL2 によって
決まるので、L1 とL2 が増すにつれて、S1 は、d1
が確実にゼロを越えるように増大する必要があることが
正しく認識されるであろう。換言すれば、中実物16を
通過する伝播が、ある程度なければならない。また、d
2 は、正確な測定値が得られるに足りるほど大きくなけ
ればならないと同時に、このd2 は、信号52、54、
及び、56の出力が、中実物16による信号エネルギー
の吸収によって過度に低下することは絶対に有り得ない
ほど小さくなければならないことが正しく認識されるで
あろう。通常、d2 は、数センチメートルである。Since the minimum value of S 1 is determined by the thicknesses L 1 and L 2 , S 1 becomes d 1 as L 1 and L 2 increase.
It will be appreciated that it needs to be increased to ensure that is above zero. In other words, there must be some propagation through the solid 16. Also, d
2 must be large enough to give an accurate measurement, while this d 2 is equal to the signals 52, 54,
And it will be appreciated that the output of 56 must be so small that it is absolutely impossible for it to drop excessively due to the absorption of signal energy by the solid 16. Usually d 2 is a few centimeters.
【0075】図2Bは、図2Aと類似するとともに、レ
シーバ12bによって受信される信号52、54、及
び、56を示す。信号52、54、56の各々は、低エ
ネルギー部51、53、及び、55を含む。低エネルギ
ー部51、53、55の各々は、低エネルギー部41、
43、45の各々よりも、それぞれ、僅かに遅れて受信
されることが正しく認識されるであろう。伝播時間は、
tL2、tT2、及び、tS2で示されている。FIG. 2B is similar to FIG. 2A and shows signals 52, 54, and 56 received by receiver 12b. Each of the signals 52, 54, 56 includes a low energy portion 51, 53, 55. Each of the low energy parts 51, 53, 55 includes a low energy part 41,
It will be appreciated that each is received slightly later than each of 43 and 45. The propagation time is
Denoted by t L2 , t T2 , and t S2 .
【0076】縦波、横波、表面波の各々の伝播速度は、
レシーバ12aと12bからの距離等の既知の距離から
s3 =s2 −s1 を求め、この距離を通過する伝播時間
で割算することによって算出することができる。s3 を
通過する伝播時間は、縦波の場合、次のように算出され
る。The propagation velocities of longitudinal wave, transverse wave and surface wave are
It can be calculated by obtaining s 3 = s 2 −s 1 from known distances such as the distances from the receivers 12a and 12b, and dividing by s 3 = s 2 −s 1 . The propagation time through s 3 is calculated as follows for a longitudinal wave.
【0077】伝播時間tL1は、波30、32、34の各
々に対応する伝播時間t30、t32、t34の組み合わせで
あり、伝播時間tL2は、波30、32、33、36の各
々に対応する伝播時間t30、t32、t33、t36の組み合
わせである。これは、数学的に記述すると、式(6a)
と式(6b)になる。The propagation time t L1 is a combination of the propagation times t 30 , t 32 , t 34 corresponding to each of the waves 30 , 32 , 34 , and the propagation time t L2 is the combination of the waves 30 , 32 , 33 , 36. It is a combination of propagation times t 30 , t 32 , t 33 , and t 36 corresponding to each. This is mathematically described by formula (6a).
Equation (6b) is obtained.
【0078】[0078]
【数4】 [Equation 4]
【0079】レシーバ12下の介在媒体20の厚さL1
とL2 がほぼ等しい場合は、2つのレシーバ12に対す
る角度はθなので、介在媒体20を経てレシーバ12に
到達する伝播時間は等しくなる。即ち、式(7)で示さ
れる。The thickness L 1 of the intervening medium 20 below the receiver 12
And L 2 are substantially equal to each other, the angles with respect to the two receivers 12 are θ, so that the propagation times reaching the receiver 12 via the intervening medium 20 are equal. That is, it is shown by the equation (7).
【0080】[0080]
【数5】 [Equation 5]
【0081】式(6b)と式(6a)との差を取り、式
(7)を含めると、式(8)のようになる。When the difference between Expression (6b) and Expression (6a) is taken and Expression (7) is included, Expression (8) is obtained.
【0082】[0082]
【数6】 [Equation 6]
【0083】単純な幾何学から、厚さL1 とL2 がほぼ
等しい場合、波34と波36の伝播角度は等しいので、
距離d2 と距離s3 は、ほぼ等しくなると言える。した
がって、式(9)が得られる。また同様に、式(10)
及び式(11)が得られる。From a simple geometry, when the thicknesses L 1 and L 2 are approximately equal, the propagation angles of the waves 34 and 36 are equal, so
It can be said that the distance d 2 and the distance s 3 are almost equal. Therefore, the equation (9) is obtained. Similarly, the equation (10)
And equation (11) is obtained.
【0084】[0084]
【数7】 [Equation 7]
【0085】したがって、式(1)と式(2)は、ポア
ソン比σとE/ρの比率が次のようになるように解くこ
とができる。Therefore, equations (1) and (2) can be solved so that the ratio of Poisson's ratio σ and E / ρ is as follows.
【0086】[0086]
【数8】 [Equation 8]
【0087】次に、図3を参照すると、厚さが不明で一
定でない、軟組織等の介在媒体によって囲まれる、骨な
どの中実物の力学的性質の生体内測定用装置が図示され
ており、この装置は、本発明の好適な実施例に基づいて
構成されて機能する。Next, referring to FIG. 3, there is shown an apparatus for measuring the mechanical properties of a solid body such as a bone in vivo, which is surrounded by an intervening medium such as soft tissue and whose thickness is unknown and is not constant. This device is constructed and functions according to the preferred embodiment of the present invention.
【0088】通常、生体内測定の装置には、超音波71
を伝送するために通常20KHzから10MHzの範囲
で伝送する超音波トランスミッタ60と、中実物16を
取り巻く介在媒体20の厚さを概算するために通常20
KHzから10MHzの範囲で伝送する、少なくとも2
つの超音波送受信機62と、トランスミッタ60によっ
て伝送される超音波信号を受信する複数の超音波レシー
バ64と、プロセッシング・ユニット61と、が含まれ
る。トランスミッタ60とレシーバ64の好適な実施例
は、図9Aから図9Cに示されている。Normally, an ultrasonic wave 71 is used for the in-vivo measurement device.
In order to estimate the thickness of the ultrasonic transmitter 60, which normally transmits in the range of 20 KHz to 10 MHz, and the intervening medium 20 surrounding the solid material 16,
Transmit at least 2 from KHz to 10MHz
One ultrasonic transceiver 62, a plurality of ultrasonic receivers 64 for receiving the ultrasonic signals transmitted by the transmitter 60, and a processing unit 61 are included. A preferred embodiment of transmitter 60 and receiver 64 is shown in FIGS. 9A-9C.
【0089】通常、2つの送受信機62と複数のレシー
バ64は、トランスミッタ60と第1レシーバ64との
間の距離がs1 となるように配置された1つのユニット
内に一体化されている。通常、これらのレシーバ64
は、2つの送受信機62の間に介在される。したがっ
て、中実物16を取り巻く介在媒体20の厚さが、当該
送受信機62下でほぼ等しい場合は、この厚さは、複数
のレシーバ64下において等しい。Usually, the two transceivers 62 and the plurality of receivers 64 are integrated in one unit arranged such that the distance between the transmitter 60 and the first receiver 64 is s 1 . Usually these receivers 64
Is interposed between the two transceivers 62. Therefore, if the thickness of the intervening medium 20 surrounding the solid 16 is substantially equal under the transceiver 62, the thickness is equal under the plurality of receivers 64.
【0090】本発明の好適な実施例によると、2つの送
受信機62は、介在媒体20の表面22に対し略直交方
向に超音波を伝送する働きをするとともに、表面18か
らの伝送波の反射を受信する働きをする。各受信信号が
介在媒体20中を同一時間長で伝播するまで、送受信機
62とレシーバ64は、中実物16に対する各々の位置
を変更するために、介在媒体20中に押圧される。According to the preferred embodiment of the present invention, the two transceivers 62 serve to transmit ultrasonic waves in a direction substantially orthogonal to the surface 22 of the intervening medium 20 and to reflect the transmitted waves from the surface 18. To receive the. Transceiver 62 and receiver 64 are pressed into intervening medium 20 to change their respective positions with respect to solid 16 until each received signal propagates through intervening medium 20 for the same length of time.
【0091】さらに、送受信機62は、厚さL1 を概算
する働きをする。L1 の概算値は、距離s1 を概算する
のに有用であり、トランスミッタ60の位置を定めるの
に有用である。s1 は、幾何学的考慮により、式(1
6)のように概算される。Furthermore, the transceiver 62 serves to estimate the thickness L 1 . The estimated value of L 1 is useful in estimating the distance s 1 and in determining the position of transmitter 60. s 1 is given by the equation (1
It is estimated as in 6).
【0092】[0092]
【数9】 [Equation 9]
【0093】距離d1 は、上述したように、ゼロより大
きくなる必要があるので、s1 は、2L1 /tanθよ
りも通常30%から40%分だけ大きくなるように計算
される。あるいは、s1 は、レシーバ64から一定の距
離でもよい。Since the distance d 1 needs to be larger than zero as described above, s 1 is calculated to be larger than 2L 1 / tan θ by 30% to 40%. Alternatively, s 1 may be a fixed distance from receiver 64.
【0094】送受信機62とレシーバ64の位置を変更
するために、要素62と要素64は、図4に示されるよ
うに、単一の揺動可能(rockable)ユニット68に連結
されている。ここで、図4を簡単に参照する。各要素6
2と64は、ユニット70に連結されており、このユニ
ット70には、各要素62と64を介在媒体20中へ揺
動的に押圧するために、取っ手等の揺動(rocking )ユ
ニット72が取り付けられている。「揺動的に押圧す
る」とは、揺動ユニット72が、介在媒体20中に押圧
されながら、ゆっくりと左右に揺れ動かされることを指
す。この揺動可能ユニット68には、この揺動可能ユニ
ット68をプロセッシング・ユニット61に接続するケ
ーブル69が取り付けられている。In order to change the position of the transceiver 62 and the receiver 64, the elements 62 and 64 are connected to a single rockable unit 68, as shown in FIG. Now briefly refer to FIG. Each element 6
2 and 64 are connected to a unit 70 which includes a rocking unit 72 such as a handle for rockingly pressing each element 62 and 64 into the intermediary medium 20. It is installed. “Pivotally pressing” means that the rocking unit 72 is gently rocked right and left while being pressed into the intervening medium 20. A cable 69 that connects the swingable unit 68 to the processing unit 61 is attached to the swingable unit 68.
【0095】揺動可能ユニット68は、手動か自動かに
関係なく、適切な任意のユニットでよいことが正しく認
識されるであろう。It will be appreciated that the swingable unit 68 may be any suitable unit, whether manual or automatic.
【0096】また、後述するように、揺動可能ユニット
68は、測定が行われている間、表面22に沿って滑動
できることが正しく認識されるであろう。したがって、
中実物16の材質の変化叉は不連続の位置をオペレータ
に指摘しながら、中実物16に沿って測定値を取ること
ができる。It will also be appreciated that the swingable unit 68 can slide along the surface 22 while a measurement is being taken, as will be described below. Therefore,
It is possible to take a measurement value along the solid material 16 while pointing out the change or discontinuous position of the material of the solid material 16 to the operator.
【0097】揺動可能ユニット68が揺動されている
間、送受信機62は、超音波を連続的に送受信する。受
信信号はプロセッシング・ユニット61に送信され、こ
のユニットによって、2つの受信信号の受信時間が連続
的に測定される。ここで、受信時間は、厚さL1 とL2
を測る時間である。この2つの受信信号の各受信時間の
間の差がほぼゼロである場合は、2つの送受信機60と
中実物16との間の介在媒体20の厚さがほぼ等しいこ
とを示しているので、プロセッシング・ユニット61に
よって、トランスミッタ60は、超音波71を伝送させ
る。While the swingable unit 68 is swinging, the transceiver 62 continuously transmits and receives ultrasonic waves. The received signals are sent to a processing unit 61, by which the reception times of the two received signals are measured continuously. Here, the reception time is the thickness L 1 and L 2
Is the time to measure. If the difference between the reception times of the two received signals is almost zero, it indicates that the thickness of the intervening medium 20 between the two transceivers 60 and the solid 16 is substantially equal. The processing unit 61 causes the transmitter 60 to transmit an ultrasonic wave 71.
【0098】超音波が、矢印73、75、77、及び、
79によって示されるように、介在媒体20と中実物1
6とを通過した後に、レシーバ64がこの超音波を受信
する。プロセッシング・ユニット61は、受信信号を受
信し、少なくともtL1とtL2を算出し、これらtL1とt
L2から、式(4b)に定義されるように、骨の力学的性
質と相互に関係づけられるVL を算出する。さらに、プ
ロセッシング・ユニット61は、式(12)〜式(1
5)から、比率E/ρとσを算出することができる。The ultrasonic waves generate arrows 73, 75, 77, and
As shown by 79, the intermediary medium 20 and the solid 1
After passing through 6 and 6, the receiver 64 receives this ultrasonic wave. The processing unit 61 receives the received signal, calculates at least t L1 and t L2, and calculates these t L1 and t L2.
From L2 , V L, which is correlated with the mechanical properties of the bone, is calculated as defined in equation (4b). Further, the processing unit 61 has the following formulas (12) to (1).
The ratio E / ρ and σ can be calculated from 5).
【0099】超音波信号の伝送と受信は、通常200マ
イクロ秒の範囲内で行われるので、揺動可能ユニット6
8の揺動によるいかなる変化も、測定中、レシーバ64
下の介在媒体20の厚さにほとんど影響を与えないこと
が正しく認識されるであろう。Since the transmission and reception of ultrasonic signals are normally performed within the range of 200 microseconds, the swingable unit 6
Any changes due to the rocking of 8
It will be appreciated that it has little effect on the thickness of the underlying media 20.
【0100】再び、図3を参照する。プロセッシング・
ユニット61は、超音波送受信機62とトランスミッタ
60の各々を駆動させる駆動装置80と82と、送受信
機62とレシーバ64の各々からの受信信号を処理する
シグナル・プロセッサ・ユニット84と86と、を含
む。Referring again to FIG. processing·
The unit 61 includes driving devices 80 and 82 that drive the ultrasonic transceiver 62 and the transmitter 60, respectively, and signal processor units 84 and 86 that process received signals from the transceiver 62 and the receiver 64, respectively. Including.
【0101】さらに、プロセッシング・ユニット61に
は、駆動信号を駆動装置80と82に送信することによ
って当該装置を制御するとともに、シグナル・プロセッ
サ・ユニット84と86からの信号を受信し処理する、
マイクロコントローラ等のメイン・プロセッシング・ユ
ニット(MPU)92が含まれる。さらに、MPU92
は、キーボード94とディスプレイ95を介して、本発
明の装置のオペレータとインタフェースする。In addition, the processing unit 61 controls the device by sending drive signals to the drive devices 80 and 82 and receives and processes signals from the signal processor units 84 and 86.
A main processing unit (MPU) 92 such as a microcontroller is included. Furthermore, MPU92
Interface with the operator of the apparatus of the present invention via keyboard 94 and display 95.
【0102】s1 が不定である場合は、測定の開始時
に、s1 は次のように概算される。揺動可能ユニット6
8は介在媒体20中へ揺動的に押圧され、同時に、MP
U92は、送受信機62を脈動させるとともに、比較的
高いしきい値レベルT2 を使って当該送受信幾62から
の信号をシグナル・プロセッサ・ユニット84を介して
受信する。各受信信号の受信時間の間の時間差Δtがほ
ぼゼロの場合は、MPU92は、各送受信機62によっ
て送信されるとともに各送受信機62へ反射される信号
の各々の伝送と受信との間の時間ttrを算出する。MP
U92は、軟組織中の既知の平均音速をttrに掛け算す
ることによって、L1 を算出し、次に、このL1 は、式
(16)で使用されて距離s1 が定められる。If s 1 is indefinite, at the start of the measurement, s 1 is estimated as Swingable unit 6
8 is swingably pressed into the intervening medium 20, and at the same time, MP
The U 92 pulsates the transceiver 62 and receives the signal from the transceiver 62 via the signal processor unit 84 using a relatively high threshold level T 2 . If the time difference Δt between the reception times of each received signal is approximately zero, the MPU 92 determines the time between the transmission and reception of each of the signals transmitted by and reflected by each transceiver 62. Calculate t tr . MP
U92, by multiplying the known average speed of sound in soft tissue t tr, calculates the L 1, then the L 1 is the distance s 1 is used in Equation (16) is determined.
【0103】揺動可能ユニット68は、測定値を取るた
めに、再度、介在媒体20中に揺動的に押圧され、同時
に、MPU92は、一方の送受信機62aと他方の送受
信機62bとを高周波数で交互に脈動させる。MPU9
2は、シグナル・プロセッサ・ユニット84から処理信
号を受信するとともに、送受信機62からの各受信信号
の受信時間の間の時間差Δtを算出する。Δtがほぼゼ
ロの場合、MPU92は、駆動装置82を脈動させて超
音波71を発生させるとともに、駆動装置80を脈動さ
せることを中止する。The swingable unit 68 is again swingably pressed into the intervening medium 20 to take a measurement value, and at the same time, the MPU 92 raises one transceiver 62a and the other transceiver 62b. Pulsate alternately with frequency. MPU9
2 receives the processed signal from the signal processor unit 84 and calculates the time difference Δt between the reception times of each received signal from the transceiver 62. When Δt is substantially zero, the MPU 92 causes the drive device 82 to pulsate to generate the ultrasonic wave 71 and stops pulsating the drive device 80.
【0104】この超音波は超音波75と79を発生さ
せ、これらの超音波は、レシーバ64によって受信され
る。この受信信号はシグナル・プロセッサ86によって
処理され、出力がMPU92に送信されて、少なくとも
時間差tL2−tL1を求めるとともに、少なくとも速度V
L ’を式(9)に従って算出するようになっている。This ultrasonic wave generates ultrasonic waves 75 and 79, which are received by the receiver 64. This received signal is processed by the signal processor 86 and the output is sent to the MPU 92 to determine at least the time difference t L2- t L1 and at least the speed V
L' is calculated according to the equation (9).
【0105】また、本発明の装置は、図1と図2に基づ
いて上記で概説された方法を利用して、VS とVT を算
出する働きをすることが正しく認識されるであろう。比
率E/ρとσは、VL ’、VS 、及び、VT の算出値か
ら算出することができる。ただし、本発明の装置の成果
を、従来の技術による他の装置の成果と比較するには、
VL の算出値が必要であることが分かるであろう。It will also be appreciated that the apparatus of the present invention serves to calculate V S and V T using the method outlined above with reference to FIGS. 1 and 2. . The ratio E / ρ and σ can be calculated from the calculated values of V L ′, V S , and V T. However, to compare the performance of the device of the present invention with the performance of other devices of the prior art,
It will be appreciated that a calculated value for V L is needed.
【0106】ここで、図7及び図8Aから図8Dを参照
すると、各々の図には、シグナル・プロセッサ・ユニッ
ト84叉は86の各要素と、当該要素の作用とが、図示
されている。Referring now to FIGS. 7 and 8A-8D, each figure illustrates each element of the signal processor unit 84 or 86 and the operation of that element.
【0107】第1波がレシーバ64に到達する瞬間を測
定するために、シグナル・プロセッサ・ユニット84叉
は86には、信号42と52を指数的に増幅させるため
の高感度で低ノイズ/信号比の自動ゲイン制御増幅器2
10が含まれ、低エネルギー部41と51の開始を測定
するとともに、超音波信号の特有な指数減衰を補償する
ようになっている。図8Bには、低エネルギー部41を
含む図8Aの入力信号42に対応して、増幅器210の
出力が示されている。In order to measure the instant when the first wave arrives at the receiver 64, the signal processor unit 84 or 86 includes a sensitive and low noise / signal for exponentially amplifying the signals 42 and 52. Ratio automatic gain control amplifier 2
10 is included to measure the onset of low energy portions 41 and 51 and to compensate for the characteristic exponential decay of the ultrasonic signal. FIG. 8B shows the output of the amplifier 210 corresponding to the input signal 42 of FIG. 8A including the low energy portion 41.
【0108】さらに、シグナル・プロセッサ・ユニット
84叉は86は、トランスミッタ60によって伝送され
る周波数の範囲外の全信号を完全にフィルタリングする
帯域フィルタ212を含み、このフィルタリングによっ
て、増幅か何かによって生じる受信信号のノイズが減少
する。図8Cには、この帯域フィルタ212の出力が、
図8Bの入力信号に対応して示されている。In addition, the signal processor unit 84 or 86 includes a bandpass filter 212 which completely filters all signals outside the range of frequencies transmitted by the transmitter 60, which filtering results in amplification or something else. The noise of the received signal is reduced. In FIG. 8C, the output of this bandpass filter 212 is
It is shown corresponding to the input signal of FIG. 8B.
【0109】さらに、シグナル・プロセッサ・ユニット
84と86の各々は、信号42と52の各々、叉は、低
エネルギー部41と51の各々の開始を識別するしきい
値検出器214を含む。こうして、図8Cに示されるし
きい値レベルT1 とT2 が設定される。T1 は、低エネ
ルギー部41と51を識別し、T2 は、信号42と52
を識別する。図8Dでは、しきい値検出器214の出力
が、図8Cの入力信号に対応して示されている。In addition, each of the signal processor units 84 and 86 includes a threshold detector 214 that identifies the start of each of the signals 42 and 52, or each of the low energy portions 41 and 51. Thus, the threshold levels T 1 and T 2 shown in FIG. 8C are set. T 1 identifies the low energy parts 41 and 51, and T 2 the signals 42 and 52.
Identify. In FIG. 8D, the output of threshold detector 214 is shown corresponding to the input signal of FIG. 8C.
【0110】ここで、図5を参照すると、図3の装置の
別の実施例が図示されている。この実施例では、2つの
送受信機62の代わりに、図9Aから図9Cに基づいて
下記にてさらに詳細に説明される単一のトランスミッタ
100が使用されており、偶数の複数のレシーバ64の
間に正確に等距離で配置されている。トランスミッタ1
00と少なくとも2つのレシーバ64は、音波遮断ユニ
ット101を介して連結されている。ユニット101
は、図6Aから図6Cに詳細に示されている。Referring now to FIG. 5, there is shown another embodiment of the apparatus of FIG. In this example, instead of two transceivers 62, a single transmitter 100, which is described in more detail below with reference to FIGS. 9A-9C, is used, and there is an even number of receivers 64. Are placed exactly equidistant to each other. Transmitter 1
00 and at least two receivers 64 are connected via a sound wave blocking unit 101. Unit 101
Are shown in detail in FIGS. 6A-6C.
【0111】トランスミッタ100は、表面22の直交
軸(図示せず)に対してゼロでない角度ガンマ(γ)
(図9Aから図9C)を有する一般的方向に、少なくと
も2つの超音波を伝送する。図5に示されるように角度
βを有する、これらの2つの波の一部分102と104
は、波106及び波108として中実物16からレシー
バ64へ反射される。角度βは不明であり、厚さL1 と
L2 によって決まる。The transmitter 100 has a non-zero angle gamma (γ) with respect to the orthogonal axis (not shown) of the surface 22.
At least two ultrasonic waves are transmitted in a general direction having (FIGS. 9A to 9C). Portions 102 and 104 of these two waves having an angle β as shown in FIG.
Are reflected from solid 16 to receiver 64 as waves 106 and 108. The angle β is unknown and depends on the thicknesses L 1 and L 2 .
【0112】レシーバ64は、表面18から反射波10
6と108を受信するとともに、受信信号を、図3の実
施例のシグナル・プロセッサ84と86と類似するシグ
ナル・プロセッサ110に送信し、2つのしきい値レベ
ルT1 とT2 で処理されるようになっている。次に、処
理信号は、図3の実施例のMPU92と類似するMPU
112に送信される。The receiver 64 receives the reflected wave 10 from the surface 18.
6 and 108 are received and the received signal is sent to a signal processor 110 similar to the signal processors 84 and 86 of the embodiment of FIG. 3 and processed at two threshold levels T 1 and T 2. It is like this. The processed signal is then an MPU similar to the MPU 92 of the embodiment of FIG.
Sent to 112.
【0113】s1 が不定である場合は、測定の開始時
に、s1 は次のように概算される。ユニット101は、
介在媒体20中へ揺動的に押圧され、同時に、MPU1
12は、トランスミッタ100を脈動させるとともに、
比較的高いしきい値T2 を使って、レシーバ64からの
信号をシグナル・プロセッサ・ユニット110を介して
受信する。各受信信号の受信時間の間の時間差Δtが、
ほぼゼロの場合は、MPU112は、トランスミッタ1
00によって送信されるとともにレシーバ64によって
受信される各々の信号の伝送と受信との間の時間t
tr(図2Aの時間tPと類似する)を算出する。If s 1 is indeterminate, then at the start of the measurement s 1 is estimated as follows: Unit 101 is
It is swingably pressed into the intervening medium 20, and at the same time, the MPU 1
12 pulsates the transmitter 100,
The signal from receiver 64 is received via signal processor unit 110 using a relatively high threshold T 2 . The time difference Δt between the reception times of the respective reception signals is
If near zero, MPU 112
00 between the transmission and reception of each signal transmitted by 00 and received by receiver 64
Calculate tr (similar to time t P in FIG. 2A).
【0114】一旦ttrが算出されると、厚さL1 は、式
(17)のように概算される。Once t tr is calculated, the thickness L 1 is roughly calculated by the equation (17).
【0115】[0115]
【数10】 [Equation 10]
【0116】ここで、s4 は、トランスミッタ100と
レシーバ64との間の距離である。距離d1 は、上述し
たように、ゼロより大きくなる必要があるので、s
1 は、式(16)に従って、2L1 /tanθよりも通
常30%から40%分だけ大きくなるように算出され
る。Here, s 4 is the distance between the transmitter 100 and the receiver 64. Since the distance d 1 needs to be larger than zero as described above, s
According to the equation (16), 1 is calculated to be larger than 2L 1 / tan θ by usually 30% to 40%.
【0117】ユニット101は、測定中、再度、介在媒
体20中に揺動的に押圧され、同時に、MPU112
は、トランスミッタ100を脈動させるとともに、比較
的高いしきい値レベルT2 を使って、レシーバ64から
の信号をシグナル・プロセッサ・ユニット110を介し
て受信する。Δtがほぼゼロの場合、MPU112は、
駆動装置82を脈動させて超音波71を発生させるとと
もに、駆動装置83を脈動させることを中止する。The unit 101 is oscillated again into the intervening medium 20 during measurement, and at the same time, the MPU 112 is pressed.
Pulsates the transmitter 100 and uses a relatively high threshold level T 2 to receive the signal from the receiver 64 via the signal processor unit 110. When Δt is almost zero, the MPU 112
The drive device 82 is pulsated to generate the ultrasonic wave 71, and the pulsation of the drive device 83 is stopped.
【0118】この超音波は超音波75と79を発生さ
せ、これらの超音波は、レシーバ64によって受信され
る。この受信信号は、しきい値レベルT1 を使って、シ
グナル・プロセッサ110によって処理され、出力は、
MPU112に送信されて、少なくとも時間差tL2−t
L1を求めるとともに、式(9)に従って少なくとも速度
VL ’を算出するようになっている。This ultrasonic wave generates ultrasonic waves 75 and 79, which are received by the receiver 64. This received signal is processed by the signal processor 110 using a threshold level T 1 and the output is
At least the time difference t L2 −t is transmitted to the MPU 112.
In addition to obtaining L1 , at least the velocity V L 'is calculated according to the equation (9).
【0119】ここで、図6Aから図6Cを参照すると、
音波遮断ユニット101の側面図、平面図、及び、端面
図が示されている。図5のトランスデューサ64と10
0は、通常金属製の堅固な2つのフレーム120と12
2中に画設され、当該フレームの間には、弾性ゴム等の
音波吸収材124がある。レシーバ64はフレーム12
0に取り付けられるとともに、トランスミッタ100は
フレーム122に取り付けられる。このフレーム120
はトランスミッタ100が挿着される穴126を有する
とともに、フレーム122はレシーバ64が挿着される
穴128と130を有する。Referring now to FIGS. 6A-6C,
A side view, a plan view, and an end view of the sound wave blocking unit 101 are shown. Transducers 64 and 10 of FIG.
0 is two rigid frames 120 and 12 usually made of metal
2, a sound wave absorbing material 124 such as elastic rubber is provided between the frames. The receiver 64 is the frame 12
The transmitter 100 is mounted on the frame 122 while being mounted on the frame 122. This frame 120
Has a hole 126 into which the transmitter 100 is inserted, and the frame 122 has holes 128 and 130 into which the receiver 64 is inserted.
【0120】音波吸収材124は、トランスミッタ10
0によって伝送される超音波を吸収する働きがあり、レ
シーバ64は、中実物16を通して伝播される超音波の
受信前に、トランスミッタ100から伝送される上記超
音波を受信しないようになっている。フレーム120と
122は、音波吸収材124を安定した形状にする働き
をする。各フレームは、1種類の超音波トランスデュー
サだけを保持し、例えば、フレーム120は、レシーバ
64だけを保持する。The sound wave absorbing material 124 is used for the transmitter 10
0 serves to absorb the ultrasonic waves transmitted by the receiver 0, and the receiver 64 does not receive the ultrasonic waves transmitted from the transmitter 100 before receiving the ultrasonic waves propagated through the solid body 16. The frames 120 and 122 serve to shape the sound wave absorbing material 124 into a stable shape. Each frame holds only one type of ultrasonic transducer, for example frame 120 holds only receiver 64.
【0121】トランスミッタ100によって伝送される
超音波が、必ず、中実物16を通って伝播した後にだけ
レシーバ64によって受信されるようにするには、ユニ
ット101が必要である。ユニット101によって提供
される音波遮断物が無い場合は、レシーバ64によって
受信される第1信号は、フレーム120と122を通し
て伝播された波からのものであることが起こりうる。The unit 101 is required to ensure that the ultrasonic waves transmitted by the transmitter 100 are received by the receiver 64 only after propagating through the solid 16. In the absence of the acoustic block provided by unit 101, it may happen that the first signal received by receiver 64 is from a wave propagated through frames 120 and 122.
【0122】ここで、図9Aから図9Cを参照すると、
トランスミッタ60と100及びレシーバ64として機
能する超音波トランシーバ216の好適な実施例が示さ
れている。トランシーバ216は、超音波71を角度γ
で伝送する働きをするとともに、ほぼ当該方向に到達す
るエネルギーを受信する働きをし、これによって、低エ
ネルギー部41と51に利用できるエネルギー量が増加
する。Referring now to FIGS. 9A-9C,
A preferred embodiment of an ultrasound transceiver 216 that functions as transmitters 60 and 100 and receiver 64 is shown. The transceiver 216 transmits the ultrasonic wave 71 to the angle γ.
In addition to the function of transmitting energy in the low energy portions 41 and 51, the amount of energy available to the low energy portions 41 and 51 is increased.
【0123】超音波トランシーバ216は、角度γで示
された2つの方向に超音波を発生させるとともに、トラ
ンシーバ216が載置される表面22と直交する方向に
はほとんど波を発生させないように、構成されている。
通常、γ=90−θである。The ultrasonic transceiver 216 is constructed so as to generate ultrasonic waves in two directions indicated by the angle γ and to generate almost no waves in a direction orthogonal to the surface 22 on which the transceiver 216 is mounted. Has been done.
Usually, γ = 90−θ.
【0124】図9Aでは、トランシーバ216は、各々
+と−の符号によって示される正端子と負端子とを有す
る2つの標準的な超音波トランスデューサ220を含
む。正端子は互いに接続されている。トランスデューサ
220は、2つの湾曲部224を含むハウジング222
に内蔵されるとともに、当該湾曲部上に、トランスデュ
ーサ220が載置されている。通常、湾曲部224は、
ゲル等の音波透過材で構成される。この実施例では、負
端子は接地され、正端子は駆動装置に接続されている。In FIG. 9A, transceiver 216 includes two standard ultrasonic transducers 220 having positive and negative terminals, respectively indicated by + and-signs. The positive terminals are connected to each other. The transducer 220 includes a housing 222 that includes two bends 224.
And the transducer 220 is mounted on the curved portion. Generally, the curved portion 224 is
It is composed of a sound wave transmitting material such as gel. In this embodiment, the negative terminal is grounded and the positive terminal is connected to the drive.
【0125】図9Bでは、トランシーバ216の第2実
施例が示されている。トランシーバ216は、前の実施
例のように、ハウジング226中に画設された2つの標
準トランスデューサ220を含む。この実施例では、一
方のトランスデューサ220の正端子は、他方のトラン
スデューサ220の負端子に接続され、逆に、一方のト
ランスデューサ220の負端子は、他方のトランスデュ
ーサ220の正端子に接続されている。技術上周知のよ
うに、これによって、逆の位相を有する波が発生するの
で、従って、全体的に角度γの波だけが発生される。1
組の正負端子は、通常表面22に沿って配置される1つ
の電極228上に載置される。駆動装置に接続される別
の1組の正負端子は、ハウジング226内に設置されて
いる。このハウジング226は接地されている。In FIG. 9B, a second embodiment of transceiver 216 is shown. Transceiver 216 includes two standard transducers 220 defined in housing 226, as in the previous embodiment. In this example, the positive terminal of one transducer 220 is connected to the negative terminal of the other transducer 220, and conversely, the negative terminal of one transducer 220 is connected to the positive terminal of the other transducer 220. As is well known in the art, this produces waves with opposite phases, and therefore only waves of angle γ overall. 1
The set of positive and negative terminals are mounted on one electrode 228, which is typically located along surface 22. Another set of positive and negative terminals connected to the driving device is installed in the housing 226. This housing 226 is grounded.
【0126】図9Cでは、ハウジング229に内蔵され
るとともに、単一の超音波トランスデューサ230から
成る、トランシーバ216の第3実施例が図示されてお
り、このトランスデューサ230は、少なくとも部分的
に2つのセクション232と233に分割されている。
通常、セクション232と233の各負端子は、1つの
電極236に取り付けられるとともに、セクション23
2と233の各正端子は、逆極性駆動装置241と24
2に接続されており、セクション233が負信号を受信
すると同時に、セクション232が正信号を受信し、逆
に、セクション233が正信号を受信すると同時に、セ
クション232が負信号を受信するようになっている。In FIG. 9C is shown a third embodiment of a transceiver 216 contained within a housing 229 and consisting of a single ultrasonic transducer 230, which transducer 230 is at least partially in two sections. It is divided into 232 and 233.
Typically, each negative terminal of sections 232 and 233 is attached to one electrode 236 and
The positive terminals of 2 and 233 are connected to the reverse polarity driving devices 241 and 24, respectively.
2 is connected to section 2, so that section 233 receives a negative signal and section 232 receives a positive signal, and conversely, section 233 receives a positive signal and section 232 receives a negative signal. ing.
【0127】ここで説明したことは、本発明の方法と装
置の単なる例示にすぎないことが正しく認識されるであ
ろう。本発明には、同じ目標を達成する他の方法が含ま
れる。例えば、s1 を定める別の方法は、次の通りであ
る。It will be appreciated that what has been described is merely exemplary of the method and apparatus of the present invention. The present invention includes other ways of achieving the same goal. For example, another method of defining s 1 is as follows.
【0128】図2Aでは、信号42は、通常、中実物1
6の表面18から反射する超音波によって発生し、低エ
ネルギー部41は、中実物16を通って距離d1 だけ伝
播する波によって発生する。したがって、低エネルギー
部41の受信時間tL1と、信号42の受信時間tP と、
の間に差があれば、d1 は、要件通り、ゼロより大き
い。tL1とtP の測定が必要とするのは、単に、シグナ
ル・プロセッサ86と110が2つのしきい値レベルT
1 とT2 を有することだけである。In FIG. 2A, signal 42 is typically solid 1
The low energy part 41 is generated by the ultrasonic waves reflected from the surface 18 of 6, and the low energy part 41 is generated by the wave propagating through the solid body 16 by the distance d 1 . Therefore, the reception time t L1 of the low energy portion 41, the reception time t P of the signal 42,
If there is a difference between, then d 1 is greater than zero, as required. The measurement of t L1 and t P simply requires that signal processors 86 and 110 have two threshold levels T
It only has 1 and T 2 .
【0129】本発明の装置は、結果の精度は劣るが、介
在媒体20の厚さが等しくない場合に有効であることが
正しく認識されるであろう。もう一度、図1を参照する
と、受信時間tL1とtL2が、測定値Δtの分だけ異なる
場合は、式(6)から式(8)は、次のように、式(1
8)から式(20)に書き換えられる。It will be appreciated that the device of the present invention, although less accurate in results, is effective when the thickness of the intervening medium 20 is not equal. Referring again to FIG. 1, if the reception times t L1 and t L2 differ by the measured value Δt, equations (6) to (8) are given by
8) can be rewritten as equation (20).
【0130】[0130]
【数11】 [Equation 11]
【0131】また、Δtは、正叉は負で有り得る。した
がって、Further, Δt can be positive or negative. Therefore,
【0132】[0132]
【数12】 [Equation 12]
【0133】幾何学的考慮により、L1 がL2 と等しく
ない場合は、d2 は、必ずしも、s3 と等しくはない。
ただし、Due to geometric considerations, d 2 is not necessarily equal to s 3 if L 1 is not equal to L 2 .
However,
【0134】[0134]
【数13】 [Equation 13]
【0135】さらに、本発明の装置は、介在媒体20が
なくても機能することが正しく認識されるであろう。か
かる状態の場合は、ユニット5(図1)には、1つのレ
シーバ12aだけが含まれ、式(9)から式(11)
は、次のようになる。Furthermore, it will be appreciated that the apparatus of the present invention will function without the intervening medium 20. In such a case, the unit 5 (FIG. 1) includes only one receiver 12a, and equations (9) to (11)
Is as follows:
【0136】[0136]
【数14】 [Equation 14]
【0137】以下、本発明を実施するための、さらに別
の方法と装置を説明する。Hereinafter, still another method and apparatus for carrying out the present invention will be described.
【0138】ここで、MPU92と112のいずれか一
方によって行われる信号処理の別の方法をフローチャー
ト形式で示す図10と、この方法を理解するのに有用な
図11から図13と、を参照する。当該方法は、図3に
基づいて説明されるが、また図5の各要素も、この方法
を実行できることが分かるであろう。Reference is now made to FIG. 10, which shows in flow chart form another method of signal processing performed by either MPU 92 or 112, and FIGS. 11 to 13 useful for understanding this method. . The method is described on the basis of FIG. 3, but it will be appreciated that the elements of FIG. 5 can also carry out the method.
【0139】2つのシグナル・プロセッサ86は、それ
ぞれ、レシーバ64から信号を受信する。図11Aに示
される、第1受信信号300は、トランスミッタ60が
その入力信号を提供する後の時間τ1 に受信され、一
方、図11Bに示される、第2受信信号302は、時間
τ2 で到達する。The two signal processors 86 each receive a signal from the receiver 64. The first received signal 300, shown in FIG. 11A, is received at time τ 1 after the transmitter 60 provides its input signal, while the second received signal 302, shown in FIG. 11B, is at time τ 2 . To reach.
【0140】この方法では、さらに、シグナル・プロセ
ッサ86によって、MPU92に、信号300と302
の部分304と306がそれぞれ提供される。部分30
4と306の各々の長さは、通常τ0 秒である。通常、
当該部分304と306は、各レシーバ64に到達する
初期波に相当する。In this method, the signal processor 86 further informs the MPU 92 of the signals 300 and 302.
Portions 304 and 306 are provided respectively. Part 30
The length of each of 4 and 306 is typically τ 0 seconds. Normal,
The portions 304 and 306 correspond to the initial wave reaching each receiver 64.
【0141】MPU92叉は112は、当該部分304
と306(それぞれ、図10に示されるF1とF2)を
記憶し、このシステムを駆動させる以外に行うことがな
い場合、MPU92叉は112は、F1とF2の各々で
高速フーリエ変換(FFT)を行い、信号SF1とSF
2を発生させる。したがって、τ0 は、サンプリング速
度と、FFTでの使用に必要なサンプル数とによって決
まる。The MPU 92 or 112 is the portion 304
And 306 (F1 and F2, respectively, shown in FIG. 10) are stored and the MPU 92 or 112 does a Fast Fourier Transform (FFT) on each of F1 and F2 if nothing else is done to drive the system. Perform the signals SF1 and SF
2 is generated. Therefore, τ 0 depends on the sampling rate and the number of samples required for use in the FFT.
【0142】信号SF1とSF2は、図12に示されて
いる。当該信号の各々は、複数のピーク310と312
を含むこと、また、信号SF2は、信号SF1と相対的
に減衰されることが分かる。当該ピークは、中実物を構
成する物質の各々の固有フィルタリング周波数を示すと
ともに、この周波数は、トランスミッタ60によって伝
送される超音波が中実物を通過する速度である伝播速度
に相当する。The signals SF1 and SF2 are shown in FIG. Each of the signals has a plurality of peaks 310 and 312.
It can be seen that the signal SF2 is attenuated relative to the signal SF1. The peak indicates the natural filtering frequency of each of the materials that make up the solid, and this frequency corresponds to the velocity of propagation of the ultrasonic waves transmitted by the transmitter 60 through the solid.
【0143】図13に示されるように、2つ以上の物質
314と316から成る中実物16の場合、信号SF1
とSF2の各々は、2つ以上のピークを含む。最大周波
数ピーク312は、「最高速」物質(即ち、伝送波が最
高速度で通過する物質)に該当するとともに、これに相
当する速度は、上記式(9)に基づきMPU92によっ
て算出される速度VL である。As shown in FIG. 13, in the case of the solid 16 composed of two or more substances 314 and 316, the signal SF1
And SF2 each contain more than one peak. The maximum frequency peak 312 corresponds to the “fastest” substance (that is, the substance through which the transmitted wave passes at the maximum velocity), and the velocity corresponding to this is the velocity V calculated by the MPU 92 based on the above equation (9). It is L.
【0144】周波数と速度との間の関係により、図12
の水平軸は、速度を表すようにスケールを変えることが
できる。速度目盛りは参照番号313によって表され、
周波数目盛りは参照番号315によって表される。得ら
れる値は、次の物質、即ち、エポキシとパースペックス
とから成る中実物16に妥当である。Due to the relationship between frequency and speed, FIG.
The horizontal axis of can be scaled to represent velocity. The speed scale is represented by reference numeral 313,
The frequency scale is represented by reference numeral 315. The values obtained are valid for a solid 16 consisting of the following materials: epoxy and perspex.
【0145】信号302が中実物16を通過する部分
は、信号300の場合よりも長いので、信号SF1と信
号SF2との間に減衰が発生する。したがって、この減
衰は、中実物16のd2 部分中に生じる減衰に相当す
る。Since the portion where the signal 302 passes through the solid 16 is longer than that in the case of the signal 300, attenuation occurs between the signal SF1 and the signal SF2. Therefore, this damping corresponds to the damping that occurs during the d 2 portion of solid 16.
【0146】図10に示される方法によって、各ピーク
の速度と、d2 部分の通過による減衰と、が識別され
る。The method shown in FIG. 10 identifies the velocity of each peak and the attenuation due to the passage of the d 2 portion.
【0147】この方法は、SF1とSF2の各々におけ
るピーク310と312とを識別するとともに、式
(9)から得られる速度VL ’の値を最終ピーク312
と一致させる。さらに、水平軸のスケールを変えること
ができるので、速度目盛り313から、他のピーク31
0に対応する速度を算出することができる。ピーク31
2は、最高速物質、例えば、物質314に対応する。This method discriminates the peaks 310 and 312 in SF1 and SF2, respectively, and determines the value of the velocity V L 'obtained from equation (9) to the final peak 312.
To match. Furthermore, since the scale of the horizontal axis can be changed, other peaks 31 from the speed scale 313 can be changed.
The velocity corresponding to 0 can be calculated. Peak 31
2 corresponds to the fastest substance, eg substance 314.
【0148】さらに、この方法は、信号SF1とSF2
の各々の振幅の対数関数(10を低とする)を算出する
とともに、log(SF1)からlog(SF2)を減
算して、図14に示される示差信号320を発生させ
る。通常、示差信号320は、信号SF1とSF2のピ
ーク310と312に相当する、1つ以上のピーク32
2と324を含む。Furthermore, this method uses the signals SF1 and SF2.
The logarithmic function of each of the amplitudes (low is 10) is calculated, and log (SF1) is subtracted from log (SF2) to generate the differential signal 320 shown in FIG. Typically, the differential signal 320 includes one or more peaks 32 that correspond to peaks 310 and 312 of signals SF1 and SF2.
2 and 324 are included.
【0149】ピーク322と324の振幅は、それぞ
れ、物質316と314の各々のd2部分によって生じ
る減衰である。The amplitudes of peaks 322 and 324 are the attenuation caused by the d 2 portion of each of materials 316 and 314, respectively.
【0150】本発明の別の実施例によると、MPU92
は、図15に示されるように、正規化速度対正規化厚さ
の、経験上得られた無次元曲線の利用によって、中実物
16の厚さを概算する。ここで、この図を参照する。図
15の曲線の作成については、書物「中実物における応
力波(Stress Waves in Solids)」、H.Kolsky
著、Oxford and Clarendon Pr
ess、1953年、に論じられている。According to another embodiment of the present invention, the MPU 92
Approximates the thickness of solid 16 by utilizing the empirically obtained dimensionless curve of normalized velocity vs. normalized thickness, as shown in FIG. Now refer to this figure. For the creation of the curve in FIG. 15, see “Stress Waves in Solids” in the book “H. Kolsky
Written by Oxford and Clarendon Pr
ess, 1953.
【0151】この曲線の精密な形状は、測定される物質
の種類によって異なる。ただし、本発明の発明者等によ
って、曲線形状は、人骨に関してはほぼ一定であること
が判定された。The precise shape of this curve depends on the type of substance being measured. However, the inventors of the present invention determined that the curved shape is substantially constant with respect to the human bone.
【0152】図15の曲線の速度VL は、無限中実物中
で得られる速度V0 によって正規化されるとともに、厚
さは、トランスミッタ60からの信号の入力波長λによ
って正規化されている。本発明の発明者等によって、曲
線は、厚さが中実物16の厚さD(図13)であるか、
叉は、外側の円筒形の物質の厚さD−d(図13)であ
るかに関係なく、ほぼ同一であることが判定された。The velocity V L of the curve of FIG. 15 is normalized by the velocity V 0 obtained in the infinite solid, and the thickness is normalized by the input wavelength λ of the signal from the transmitter 60. According to the inventors of the present invention, the curve shows that the thickness is the thickness D (FIG. 13) of the solid body 16,
Alternatively, it was determined to be approximately the same regardless of the outer cylindrical material thickness D-d (FIG. 13).
【0153】この曲線は、僅かな速度比と僅かな直径/
波長比の領域330と、1.0に漸近する、約1.5よ
り大きな直径/波長比の領域332と、を有することが
分かる。This curve shows a slight velocity ratio and a small diameter /
It can be seen that it has a wavelength ratio region 330 and a diameter / wavelength ratio region 332 that is asymptotic to 1.0 and greater than about 1.5.
【0154】中実物16の厚さ(D−d)を概算するに
は、トランスミッタ60は、1回目を高周波数入力信号
で、2回目を低周波数入力信号で、2回作動される。シ
グナル・プロセッサ84とMPU92は、図3に基づい
て上述したように、測定毎に作動して、受信される速度
を判定する。To estimate the thickness (D-d) of the solid 16 the transmitter 60 is operated twice, the first time with the high frequency input signal and the second time with the low frequency input signal. Signal processor 84 and MPU 92 operate on each measurement to determine the received speed, as described above with reference to FIG.
【0155】低波長λを有する高周波数入力信号に対す
る応答によって、速度データポイント334は、速度V
0 を判定することができる領域332に沿ってどこかに
得られる。ただし、データポイント334の正確な位置
は、厚さが不明のため、分からない。Due to the response to the high frequency input signal having the low wavelength λ, the velocity data point 334 will have a velocity V
Somewhere along the region 332 where 0 can be determined. However, the exact location of the data point 334 is unknown because the thickness is unknown.
【0156】低周波数入力信号に対する応答によって、
速度データポイント336は、領域330内のどこかに
得られる。速度VL は、この測定から分かるとともに、
速度V0 は、前の測定から分かるので、データポイント
336の曲線上の位置が分かる。したがって、(D−
d)/λの比率を求めることができる。λは、トランス
ミッタ60の周波数から分かるので、中実物16の厚さ
D叉は(D−d)を求めることができる。The response to a low frequency input signal is
Velocity data points 336 are obtained somewhere within region 330. The velocity V L is known from this measurement and
Since the velocity V 0 is known from the previous measurement, the position of the data point 336 on the curve is known. Therefore, (D-
The ratio d) / λ can be determined. Since λ can be known from the frequency of the transmitter 60, the thickness D or (D−d) of the solid 16 can be obtained.
【0157】また、比較的高速の物質だけの場合の減衰
は、信号300と302(図11Aと図11B)の第1
ピークのタイミングを推定することによって、信号30
0と302から直接判定することができる。ここで参照
する図16には、減衰を判定するユニット350が、ブ
ロック図形式で示されている。以下、信号300の特徴
を論じるが、信号300と信号302のいずれも当該特
徴を有することが分かる。Also, the attenuation in the case of only relatively high-velocity material is the first of the signals 300 and 302 (FIGS. 11A and 11B).
By estimating the timing of the peaks, the signal 30
It can be determined directly from 0 and 302. Referring now to FIG. 16, a unit 350 for determining damping is shown in block diagram form. The features of the signal 300 are discussed below, but it can be seen that both the signal 300 and the signal 302 have the feature.
【0158】ユニット350は、期待ノイズレベルを越
える電圧と定義される第1しきい値U0 を、図7に示さ
れる装置と同様な方法で検出する。したがって、通常、
ユニット350は、増幅器210等の増幅器、フィルタ
212、及び、しきい値検出器214と類似するU0 検
出器352、を含む。Unit 350 detects a first threshold U 0 , defined as the voltage above the expected noise level, in a manner similar to the device shown in FIG. Therefore, usually
Unit 350 includes an amplifier, such as amplifier 210, a filter 212, and a U 0 detector 352 similar to threshold detector 214.
【0159】第1ピーク354は、電圧がしきい値レベ
ルU0 に達した後に続くことがわかっているので、U0
検出器352は、U0 を越える電圧を検出すると直ちに
タイマ356に信号を送り、第1ピーク354が現れる
ことが期待される所定長さのの時間τ4 の間、アナログ
スイッチ358を入れさせる。The first peak 354 is known to continue after the voltage reaches the threshold level U 0 , so U 0
The detector 352 sends a signal to the timer 356 as soon as it detects a voltage above U 0 , causing the analog switch 358 to be turned on for a predetermined length of time τ 4 at which the first peak 354 is expected to appear.
【0160】アナログスイッチ358は増幅器210の
出力を受信し、このスイッチ358が入っている間、増
幅器210の出力は、アナログ・ピーク検出器360に
提供され、次に、この検出器360がピーク354の振
幅u1 を検出する。The analog switch 358 receives the output of the amplifier 210, and while the switch 358 is on, the output of the amplifier 210 is provided to the analog peak detector 360, which then detects the peak 354. The amplitude u 1 of is detected.
【0161】振幅u1 は、ディジタル値に変換するため
に、アナログ・ディジタル変換器(ADC)362に提
供される。The amplitude u 1 is provided to an analog-to-digital converter (ADC) 362 for conversion into a digital value.
【0162】ユニット350は、各レシーバ64の出力
のために設けられており、第1レシーバ64のu1 の値
(Aと示される)は、第2レシーバ64のu1 の値(B
と示される)と比較される。デシベル単位の2つの値A
とBの比が、中実物16の距離d2 (図1)の部分の減
衰になる。換言すると、減衰は、次の通りである。A unit 350 is provided for the output of each receiver 64 such that the value of u 1 of the first receiver 64 (denoted A) is the value of u 1 of the second receiver 64 (B
Indicated)). Two values A in decibels
The ratio between B and B is the attenuation of the solid 16 at the distance d 2 (FIG. 1). In other words, the attenuation is as follows.
【0163】[0163]
【数15】 [Equation 15]
【0164】ここで、図17を参照すると、単一のユニ
ット400に一体化された、図3の装置が図示されてい
る。前の実施例の要素と類似する要素には、同様の参照
数字が付けられている。Referring now to FIG. 17, the apparatus of FIG. 3 integrated into a single unit 400 is illustrated. Elements that are similar to elements of the previous embodiment have been given similar reference numerals.
【0165】ユニット400には、トランスミッタ6
0、送受信機62、及び、レシーバ64を所望の角度で
支持するように成形された保持フレーム402が含まれ
る。この角度は、通常、被測定物質に見合ったブルース
ター角の平均である。人骨の場合は、ブルースター角
は、22°から30°まで、まちまちであるので、例え
ば、レシーバ64の角度は、約26°である。The unit 400 includes a transmitter 6
0, a transceiver 62, and a holding frame 402 shaped to support the receiver 64 at a desired angle. This angle is usually the average of Brewster's angles commensurate with the substance to be measured. In the case of a human bone, the Brewster's angle varies from 22 ° to 30 °, so that the angle of the receiver 64 is, for example, about 26 °.
【0166】超音波要素60から64は、水やオイル叉
は音波ゲル等のカップリング材406を介して、介在媒
体20の表面22に連結されるとともに、このカップリ
ング材406は、ゴム等のフレッキシブル・カバー40
8を介して所定の位置に保持されている。通常、フレッ
キシブル・カバー408は、保持フレーム402に密着
される。The ultrasonic elements 60 to 64 are connected to the surface 22 of the intervening medium 20 via a coupling material 406 such as water, oil or sonic gel, and the coupling material 406 is made of rubber or the like. Flexible cover 40
It is held at a predetermined position via 8. Generally, the flexible cover 408 is in close contact with the holding frame 402.
【0167】また、ユニット400には、トランスミッ
タ60と送受信機62との間にクロス・カップリングが
ほとんど発生しないことを保証するために、トランスミ
ッタ60と要素62及び64との間に介在される音波バ
リヤ404が含まれている。音波バリヤ404は、ゴム
等の任意の適切な物質で構成することができ、また、図
17に示されるように、カップリング材406を経てフ
レッキシブル・カバー408まで達する。一般に、トラ
ンスミッタ60の超音波は、音波バリヤ404のため、
介在媒体20を通過した後にレシーバ64に到達するし
かない。The unit 400 also includes acoustic waves interposed between the transmitter 60 and the elements 62 and 64 to ensure that little cross-coupling occurs between the transmitter 60 and the transceiver 62. A barrier 404 is included. The acoustic barrier 404 can be constructed of any suitable material, such as rubber, and also extends through the coupling material 406 to the flexible cover 408, as shown in FIG. In general, the ultrasound of transmitter 60 is due to acoustic barrier 404,
There is no choice but to reach the receiver 64 after passing through the intervening medium 20.
【0168】保持フレーム402は、トランスミッタ6
0を、その最も近いレシーバ64から、図1に示される
距離s1 に配置するようにできている。s1 は、上述し
たように、d1 が絶対に負に成り得ないほど大きく、且
つ、受信信号が必ず測定に十分な大きさとなるくらい小
さいことが必要である。The holding frame 402 is used for the transmitter 6
The 0 is arranged to be located at a distance s 1 shown in FIG. 1 from its nearest receiver 64. As described above, s 1 needs to be large enough so that d 1 can never be negative, and small enough that the received signal is always large enough for measurement.
【0169】ユニット400は、一定の厚さ範囲の介在
媒体20に対して作動可能であることが分かる。この範
囲の最大値は、レシーバ64から中実物16の表面18
までの距離Hである。ここで、H=(s1 /2)ctg
θである。It will be appreciated that the unit 400 is operable with a range of thickness media 20. The maximum value of this range is from the receiver 64 to the surface 18 of the solid 16.
To H. Here, H = (s 1/2 ) ctg
θ.
【0170】通常、ユニット400は、先ず、介在媒体
20の表面22上に載置され、この表面22上には、別
のカップリング材(図示せず)もまた載置される。次
に、このユニットは、前の実施例のように、揺動によっ
て作動される。この揺動によって、カップリング材40
6と介在媒体20の内の一方叉は両方が押圧される。当
該カップリング材によって、超音波要素60から64の
全体は、揺動の間、介在媒体20と音波的に連結された
状態が確実に維持される。Normally, the unit 400 is first placed on the surface 22 of the intervening medium 20, on which another coupling material (not shown) is also placed. The unit is then actuated by rocking, as in the previous embodiment. By this swing, the coupling material 40
6 and one or both of the intervening media 20 are pressed. The coupling material ensures that the entire ultrasonic element 60-64 remains acoustically coupled to the intervening medium 20 during rocking.
【0171】ここで、図18Aと図18Bを参照する
と、図4の揺動可能ユニット68の別の実施例の側面図
と正面図とが、それぞれ、示されている。18A and 18B, there are shown a side view and a front view, respectively, of another embodiment of the swingable unit 68 of FIG.
【0172】この別の実施例では、レシーバ64と送受
信機62は、「ハーフバス(half-bath )」420を介
して介在媒体20に連結されるとともに、この「ハーフ
バス」420は、密閉部424と開放部426の2つの
セクションから成るラバーフレーム422で構成され
る。In this alternative embodiment, the receiver 64 and the transceiver 62 are coupled to the intervening medium 20 via a "half-bath" 420, which "half-bus" 420 is sealed. It is composed of a rubber frame 422 which is composed of two sections 424 and an opening 426.
【0173】密閉部424は、この中に永久的に画設さ
れた音波ゲル等のカップリング材を含む。The sealing portion 424 includes a coupling material such as sonic gel, which is permanently defined therein.
【0174】ラバーフレーム422の開放部426を形
成する部分は、円形の真空孔428に達する。この孔4
28中の空気を抜くと、ハーフバス420を介在媒体2
0の表面22に付着させる吸引力が発生し、これによっ
て、水などのカップリング材を注入することができる密
閉槽が形成される。The portion of the rubber frame 422 forming the opening 426 reaches the circular vacuum hole 428. This hole 4
When the air in 28 is removed, the half bath 420 is inserted into the intermediary medium 2
A suction force that adheres to the surface 22 of 0 is generated, thereby forming a closed tank into which a coupling material such as water can be injected.
【0175】この吸引力は、吸排気チューブ432を有
する第1ポンプ430を介して発生し、第2ポンプ43
4は、水を、パイプ436を介して開放部426中に注
入する。パイプ436は、ラバーフレーム422内の真
空孔428上に配置された円穴438に取り付けられて
いる。This suction force is generated through the first pump 430 having the intake / exhaust tube 432, and the second pump 43
4 injects water through the pipe 436 into the opening 426. The pipe 436 is attached to a circular hole 438 arranged on the vacuum hole 428 in the rubber frame 422.
【0176】第2ポンプ434は、容器440中に貯蔵
された水を供給するとともに、この水の温度は、ヒータ
442とサーモスタット444とから成る温度レギュレ
ータによって調節することができる。通常、温度調節が
取り入れられるのは、本実施例が、人の皮膚上に載置さ
れて、水が必ず人に心地よい温度であるように作動され
る場合である。The second pump 434 supplies the water stored in the container 440, and the temperature of this water can be adjusted by the temperature regulator composed of the heater 442 and the thermostat 444. Generally, temperature regulation is incorporated when the present embodiment is placed on the skin of a person and operated such that the water is always at a comfortable temperature for the person.
【0177】図18Aと図18Bに示される装置は、前
の実施例のように、平衡点を見出すために揺動される。The device shown in FIGS. 18A and 18B is swung to find the equilibrium point, as in the previous embodiment.
【0178】ここで、図19と図20を参照すると、腕
などの人体のセクション448を横切るように走査する
のに有用な、別の実施例の態様が図示されている。Referring now to FIGS. 19 and 20, another embodiment aspect useful for scanning across a section 448 of a human body, such as an arm, is illustrated.
【0179】この実施例では、Atochem Sen
sors Inc. of Valley Forg
e、ペンシルベニア、米国、によって製造されたKyn
arPiezo Filmなどの、圧電セル450のア
レイ(配列)で構成される物質が、セクション448上
に載置叉はその周りに巻きつけられるか、または、ソッ
クス状の要素に成形される。通常、このアレイ450
は、標準的な方法で、セクション448に音波的に連結
される。In this embodiment, Atochem Sen
sors Inc. of Valley Forg
E., Kyn manufactured by Pennsylvania, USA
A material composed of an array of piezoelectric cells 450, such as an arPiezo Film, is placed on or wrapped around section 448 or molded into a sock-like element. Usually this array 450
Are acoustically coupled to section 448 in a standard manner.
【0180】通常、圧電セル450の各々の入出力ワイ
ヤは、図20に示されるように、アナログ・マトリック
ス・マルチプレクサ451に接続され、次に、このマル
チプレクサ451が、駆動装置452と、シグナル・プ
ロセッシング・ユニット454と、に接続されている。
通常、駆動装置452とユニット454は、マイクロプ
ロセッサ455を介して制御される。Normally, each input / output wire of each piezoelectric cell 450 is connected to an analog matrix multiplexer 451 as shown in FIG. 20, which in turn drives the driver 452 and the signal processing. -It is connected to the unit 454 and.
Typically, drive 452 and unit 454 are controlled via microprocessor 455.
【0181】マルチプレクサ451によって、セル45
0の各々は、個別にアクセスされることができるととも
に、このマルチプレクサ451は、各セルを、レシー
バ、トランスミッタ、送受信機、叉はノン・アクティブ
と定義する働きをする。The multiplexer 451, the cell 45
Each of the 0's can be individually accessed and the multiplexer 451 serves to define each cell as a receiver, transmitter, transceiver, or non-active.
【0182】通常、個々の圧電セル450は、小さすぎ
て超音波トランスデューサを構成することができない。
したがって、所要位置における複数のセル群450が、
超音波要素60から64になるように電子的に、且つ、
選択自在に区画される。Generally, the individual piezoelectric cells 450 are too small to form an ultrasonic transducer.
Therefore, the plurality of cell groups 450 at the required positions are
Electronically to become ultrasonic elements 60-64, and
Divided freely.
【0183】この実施例で示される装置は、数多くの方
法で作動させることができる。例えば、ローラ460叉
はその他適切な器具を、当該アレイを横切るように回転
させることができ、揺動させながら人の皮膚に押圧す
る。The device shown in this example can be operated in numerous ways. For example, a roller 460 or other suitable device can be rotated across the array and rocked against the human skin.
【0184】ローラ460が回転されている間、複数の
単一セル叉はセル群450は、送受信機62として作動
される。複数の送受信機62の受信時間出力は、連続的
に相互比較されるので、2つの受信時間が一致する場合
は、他のセル群450が、一時的にトランスミッタ60
とレシーバ64として作動されるとともに、新しく区画
されたトランスミッタ60は、超音波を、新しく区画さ
れたレシーバ64に伝送する。この新しく区画されたト
ランスミッタ60とレシーバ64は、受信時間が一致す
るセル450と同一線上にあるセル群で構成される。While the rollers 460 are being rotated, a plurality of single cells or groups of cells 450 are operated as the transceiver 62. Since the reception time outputs of the plurality of transceivers 62 are continuously compared with each other, when the two reception times coincide with each other, another cell group 450 temporarily receives the transmitter 60.
And the newly partitioned transmitter 60 transmits ultrasonic waves to the newly partitioned receiver 64. The newly partitioned transmitter 60 and receiver 64 are composed of a group of cells collinear with the cell 450 whose reception time is the same.
【0185】ここで説明された作動は、通常、マイクロ
秒以内で起こるとともに、この作動は、作動されるロー
ラ460が被検査領域を横切るように回転する間、連続
的に繰り返される。この検査は、連番で行われないこと
が正しく認識されるであろう。測定は、2つの平衡点が
分かるといつでも行われるとともに、これは、被検査領
域を「走査する」多少無作為な方法である。The operation described herein typically occurs within microseconds, and the operation is continuously repeated while the activated roller 460 rotates across the area under test. It will be appreciated that this check is not done serially. Measurements are made whenever two equilibrium points are known, which is a somewhat random method of "scanning" the area under examination.
【0186】あるいは、セクション448は、ローラ4
60を使用せずに検査することができる。この実施例で
は、セル群450は、セクション448を横切るように
連番でトランスミッタ60及びレシーバ64として区画
されるとともに、このように区画された中実物16のセ
クションを通過する速度は、以下説明されるように、図
21に基づいて求められる。Alternatively, section 448 includes roller 4
It can be tested without using 60. In this example, the cells 450 are partitioned serially across the section 448 as the transmitter 60 and the receiver 64, and the speed of passage through the section of the solid 16 so partitioned is described below. Is calculated based on FIG.
【0187】高さh1 とh0 は、送受信機62として区
画された当該セル450によって測定される、表面18
上のそれぞれ異なる高さであり、Lは、これらの中心間
の距離である。軟組織を通過する縦方向の超音波の平均
速度VL ’が1540m/sである事実を考慮に入れる
と、中実物16を通過する縦波の速度VL の値は、次の
ように記述することができる。The heights h 1 and h 0 are measured by the cell 450 defined as the transceiver 62, the surface 18
At different heights above, L is the distance between these centers. Considering the fact that the average velocity V L 'of the longitudinal ultrasonic waves passing through the soft tissue is 1540 m / s, the value of the velocity V L of the longitudinal waves passing through the solid body 16 is described as follows. be able to.
【0188】[0188]
【数16】 [Equation 16]
【0189】式(28)は、式(29)と式(30)の
関係を前提に、ブルースター角θに応じて解くことがで
きるので、式(5)から、VL の値を得ることができ
る。上記計算の結果は、前述したように、2つの送受信
機62の受信時間が必ず等しくなるようにすることによ
って得られる結果よりも、精度が劣る。Since the equation (28) can be solved according to the Brewster angle θ on the premise of the relationship between the equations (29) and (30), the value of V L can be obtained from the equation (5). You can As described above, the result of the above calculation is less accurate than the result obtained by ensuring that the reception times of the two transceivers 62 are equal.
【0190】当業者には、本発明が、特に上記にて図示
説明されたものに限らないことが正しく認識されるであ
ろう。むしろ、本発明の範囲は、特許請求の範囲によっ
てのみ規定される。Those skilled in the art will appreciate that the present invention is not limited to what has been particularly shown and described above. Rather, the scope of the present invention is defined only by the claims.
【図1】本発明に基づいて有効である、物質の力学的性
質を超音波を用いて測定する方法の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a method for measuring the mechanical properties of a substance using ultrasonic waves, which is effective according to the present invention.
【図2】A及びBは、図1の方法を用いて、超音波トラ
ンスデューサによって送受信される超音波信号のグラフ
図である。2A and 2B are graphical illustrations of ultrasonic signals transmitted and received by an ultrasonic transducer using the method of FIG.
【図3】図1の方法を利用する、力学的性質測定用の生
体内超音波装置の部分ブロック図であり、部分概略図で
ある。FIG. 3 is a partial block diagram and partial schematic diagram of an in-vivo ultrasound apparatus for measuring mechanical properties utilizing the method of FIG. 1.
【図4】図3の装置に有用である、超音波トランスデュ
ーサを確実に被測定物質の表面と平行にする装置の絵図
面である。4 is a pictorial view of an apparatus useful in the apparatus of FIG. 3 to ensure that the ultrasonic transducer is parallel to the surface of the substance to be measured.
【図5】図3の装置の別の実施例の部分ブロック図であ
り、部分概略図である。5 is a partial block diagram and partial schematic view of another embodiment of the apparatus of FIG.
【図6】図5の装置に有効な音波遮断要素の概略図であ
る。FIG. 6 is a schematic view of a sound blocking element useful in the device of FIG.
【図7】図3と図5の各実施例に有効なシグナル・プロ
セッサのブロック図である。FIG. 7 is a block diagram of a signal processor useful in the embodiments of FIGS. 3 and 5;
【図8】A〜Dは、図7のシグナル・プロセッサの各要
素からの出力信号を示すグラフ図である。8A-8D are graphs showing output signals from each element of the signal processor of FIG.
【図9】A〜Cは、図3と図5の各実施例に有効なトラ
ンスミッタの概略図である。9A-9C are schematic diagrams of transmitters useful in the embodiments of FIGS. 3 and 5. FIG.
【図10】物質中を通過することによる超音波信号の減
衰を判定する方法のフローチャート図である。FIG. 10 is a flow chart diagram of a method of determining attenuation of an ultrasonic signal due to passage through a substance.
【図11】A及びBは、図3の装置の一部を構成する2
つの超音波レシーバからの出力信号を示すグラフ図であ
る。11A and 11B are a part of the device of FIG.
It is a graph figure which shows the output signal from two ultrasonic receivers.
【図12】図11Aと図11Bの各出力信号のフーリエ
変換のグラフ図である。FIG. 12 is a graph of Fourier transform of each output signal of FIGS. 11A and 11B.
【図13】2つの物質から成る部分の概略図である。FIG. 13 is a schematic view of a portion made of two substances.
【図14】図12の各フーリエ変換間の差のグラフ図で
ある。FIG. 14 is a graph showing a difference between the Fourier transforms shown in FIG.
【図15】部分の厚さと、この部分を通過する超音波の
速度と、の間の関係のグラフ図である。FIG. 15 is a graphical representation of the relationship between the thickness of a section and the velocity of ultrasonic waves passing through this section.
【図16】図11Aと図11Bに示された信号から減衰
を判定するユニットのブロック図である。FIG. 16 is a block diagram of a unit for determining attenuation from the signals shown in FIGS. 11A and 11B.
【図17】単一のユニットに一体化された1つのトラン
スミッタと複数のレシーバの概略側面図である。FIG. 17 is a schematic side view of one transmitter and multiple receivers integrated in a single unit.
【図18】Aは、図3の装置の一部分の別の実施例の概
略側面図である。Bは、図3の装置の一部分の別の実施
例の概略正面図である。18A is a schematic side view of another embodiment of a portion of the apparatus of FIG. B is a schematic front view of another embodiment of a portion of the apparatus of FIG.
【図19】圧電トランスデューサのアレイを利用する、
本発明の別の実施例の概略図である。FIG. 19 utilizes an array of piezoelectric transducers,
FIG. 7 is a schematic view of another embodiment of the present invention.
【図20】各制御要素へのトランスデューサの接続を示
す、図19のアレイの概略図である。20 is a schematic diagram of the array of FIG. 19, showing the connection of transducers to each control element.
【図21】図19と図20に基づいて行われる計算を理
解するのに有用な、2つのレシーバの非平行位置の概略
図である。FIG. 21 is a schematic diagram of the non-parallel positions of two receivers useful in understanding the calculations made based on FIGS. 19 and 20.
5 超音波レシーバユニット 10 超音波トランスミッタ 12 超音波レシーバ 16 中実物 20 介在媒体 60 超音波トランスミッタ 61 プロセッシング・ユニット 62 送受信機 64 超音波レシーバ 68 揺動可能ユニット 72 揺動ユニット 100 トランスミッタ 101 音波遮断ユニット 124 音波吸収材 212 帯域フィルタ 214 しきい値検出器 216 超音波トランシーバ 5 Ultrasonic Receiver Unit 10 Ultrasonic Transmitter 12 Ultrasonic Receiver 16 Solid Object 20 Intermediary Medium 60 Ultrasonic Transmitter 61 Processing Unit 62 Transceiver 64 Ultrasonic Receiver 68 Swingable Unit 72 Swinging Unit 100 Transmitter 101 Sound Wave Blocking Unit 124 Sound wave absorber 212 Band filter 214 Threshold detector 216 Ultrasonic transceiver
Claims (50)
媒体を介して判定する装置であって、 超音波を、前記介在媒体中を通して伝送するとともに、
前記表面とほぼ平行に前記中実物中を通して伝送する、
第1位置に配置された超音波伝送手段と、 前記表面に沿って前記第1位置と同一線上にある第2位
置及び第3位置の各々に配置された、前記超音波を受信
する少なくとも1つの超音波レシーバユニットと、 前記表面から前記第2位置の前記少なくとも1つの超音
波レシーバユニットまでの超音波の第1受信時間が、前
記表面から前記第3位置の前記少なくとも1つの超音波
レシーバユニットまでの第2受信時間とほぼ等しくなる
ように、前記少なくとも1つのレシーバユニットを位置
決めする手段と、 一旦、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ等
しくなると、前記超音波伝送手段によって伝送される超
音波から前記力学的性質を算出する手段と、 を含む中実物の力学的性質判定装置。1. An apparatus for determining the mechanical properties of a solid object having a surface through an intervening medium, wherein ultrasonic waves are transmitted through the intervening medium,
Transmitting through the solid substantially parallel to the surface,
An ultrasonic transmission means arranged at a first position, and at least one ultrasonic wave receiving means arranged at each of a second position and a third position which are collinear with the first position along the surface. An ultrasonic receiver unit, and a first reception time of ultrasonic waves from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at the second position is from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at the third position. Means for positioning the at least one receiver unit so as to be substantially equal to the second reception time of, and once the first reception time and the second reception time are substantially equal, the ultrasonic transmission means transmits And a means for calculating the mechanical properties from the generated ultrasonic waves.
と前記第2受信時間とがほぼ等しくなるように、前記少
なくとも1つのレシーバユニットの位置を調整する、請
求項1に記載の中実物の力学的性質判定装置。2. The solid object according to claim 1, wherein the positioning unit adjusts the position of the at least one receiver unit such that the first reception time and the second reception time are substantially equal to each other. Mechanical property determination device.
と前記第2受信時間とを判定する手段を具備する、請求
項2に記載の中実物の力学的性質判定装置。3. The mechanical property determination device according to claim 2, wherein the positioning means includes means for determining the first reception time and the second reception time.
る手段を含み、これによって、前記第1受信時間と前記
第2受信時間とがほぼ同一である場合に超音波が伝送さ
れる、請求項3に記載の中実物の力学的性質判定装置。4. The determination means includes means for pulsating the transmission means, whereby ultrasonic waves are transmitted when the first reception time and the second reception time are substantially the same. 3. A device for determining mechanical properties of a solid according to item 3.
1に記載の中実物の力学的性質判定装置。5. The mechanical property determination device according to claim 1, wherein the solid object is bone in a living body.
び木材の中から選択される、請求項1に記載の中実物の
力学的性質判定装置。6. The mechanical property determination device according to claim 1, wherein the solid material is selected from metal, plastic, and wood.
度は、前記中実物を通過する前記超音波の速度よりも低
い、請求項1に記載の中実物の力学的性質判定装置。7. The mechanical property determination device according to claim 1, wherein the velocity of the ultrasonic wave passing through the intervening medium is lower than the velocity of the ultrasonic wave passing through the solid substance.
ニットは、全体的にカップリング媒体無しで、前記介在
媒体の表面上に載置される、請求項1に記載の中実物の
力学的性質判定装置。8. The solid mechanical property characterization device of claim 1, wherein the at least one ultrasonic receiver unit is mounted entirely on the surface of the intervening medium without a coupling medium. .
て判定する装置であって、 超音波を、前記介在媒体と、表面を有する前記中実物
と、を通して伝送する超音波伝送手段と、 前記超音波を受信する、少なくとも第1及び第2の超音
波レシーバユニットと、 前記表面から前記第1超音波レシーバユニットまでの前
記超音波の第1受信時間が、前記表面から前記第2超音
波レシーバユニットまでの第2受信時間とほぼ等しくな
るように、前記超音波レシーバユニットを揺動させなが
ら前記介在媒体中に押圧する揺動ユニットを具備する、
前記第1及び第2超音波レシーバユニットを位置決めす
る手段であって、前記第1受信時間と前記第2受信時間
とがほぼ等しくなるように、前記レシーバユニットの位
置を調整する前記位置決め手段と、 を含む中実物の力学的性質判定装置。9. An apparatus for determining the mechanical properties of a solid through an intervening medium, the ultrasonic transmitting means transmitting ultrasonic waves through the intervening medium and the solid having a surface. At least first and second ultrasonic receiver units for receiving the ultrasonic waves, and a first reception time of the ultrasonic waves from the surface to the first ultrasonic receiver unit, A oscillating unit that urges the ultrasonic receiver unit into the intervening medium while oscillating the ultrasonic receiver unit so as to be substantially equal to the second reception time up to the acoustic wave receiver unit,
Positioning means for positioning the first and second ultrasonic receiver units, wherein the positioning means adjusts the position of the receiver unit so that the first reception time and the second reception time are substantially equal to each other. An apparatus for determining the mechanical properties of solid objects including.
を具備する、請求項9に記載の中実物の力学的性質判定
装置。10. The mechanical property determination device according to claim 9, wherein the swing unit includes a sound wave blocking unit.
広角度の範囲内で伝送する手段を具備するとともに、前
記超音波は、縦波、表面波、及び、横波を前記中実物中
に生成する、請求項1に記載の中実物の力学的性質判定
装置。11. The ultrasonic wave transmission means comprises means for transmitting the ultrasonic wave within a wide angle range, and the ultrasonic wave transmits longitudinal waves, surface waves, and transverse waves into the solid object. The mechanical property determination device according to claim 1, which is generated.
ユニットからの信号を処理するとともに、前記縦波の受
信時間を識別する処理手段を具備する、請求項11に記
載の中実物の力学的性質判定装置。12. The mechanical property determination device according to claim 11, further comprising processing means for processing a signal from the at least one ultrasonic receiver unit and for identifying a reception time of the longitudinal wave. .
間と前記横波の受信時間とを識別する手段を具備する、
請求項12に記載の中実物の力学的性質判定装置。13. The processing means comprises means for identifying a reception time of the surface wave and a reception time of the transverse wave.
The mechanical property determination device according to claim 12,
少なくとも前記縦波の前記受信時間から判定する手段を
具備する、請求項12に記載の中実物の力学的性質判定
装置。14. The processing means includes:
13. The mechanical property determination device according to claim 12, further comprising means for determining at least the reception time of the longitudinal wave.
前記表面波の前記受信時間と前記横波の前記受信時間と
から判定する手段を具備する、請求項13に記載の中実
物の力学的性質判定装置。15. The processing means includes:
14. The mechanical property determination device according to claim 13, further comprising means for determining from the reception time of the surface wave and the reception time of the transverse wave.
角度のほぼ僅かな範囲内で伝送する、請求項1に記載の
中実物の力学的性質判定装置。16. The mechanical property determining apparatus according to claim 1, wherein the transmitting means transmits the ultrasonic waves within a range of a slight predetermined angle.
手段の有効受信位置とが、同一平面上にある、請求項1
に記載の中実物の力学的性質判定装置。17. The transmission surface of the transmission means and the effective reception position of the reception means are on the same plane.
An apparatus for determining mechanical properties of a solid object described in.
必要としないことを特徴とする、請求項1に記載の中実
物の力学的性質判定装置。18. The mechanical property determining apparatus according to claim 1, wherein knowledge of characteristics of the intervening medium is hardly required.
介在媒体を介して判定する方法であって、 超音波を、第1位置から、前記介在媒体中を通して伝送
するとともに、前記表面とほぼ平行に前記中実物中を通
して伝送するステップと、 前記第1位置と前記表面に沿って同一線上にある第2位
置と第3位置の各々に配置された少なくとも1つの超音
波レシーバユニットで前記超音波を受信するステップ
と、 前記表面から前記第2位置の前記少なくとも1つの超音
波レシーバユニットまでの超音波の第1受信時間が、前
記表面から前記第3位置の前記少なくとも1つのレシー
バユニットまでの第2受信時間とほぼ等しくなるよう
に、前記少なくとも1つのレシーバユニットを位置決め
するステップと、 一旦、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほぼ等
しくなると、前記超音波伝送手段によって伝送される超
音波から前記力学的性質を算出するステップと、を含む
中実物の力学的性質の判定方法。19. The mechanical properties of a solid object having a surface,
A method of determining through an intervening medium, the method comprising: transmitting an ultrasonic wave from a first position through the intervening medium and through the solid object substantially parallel to the surface; and the first position. And receiving the ultrasonic waves with at least one ultrasonic receiver unit arranged at each of a second position and a third position which are collinear along the surface, and the at least the second position from the surface. The at least one receiver unit such that a first reception time of ultrasonic waves to one ultrasonic receiver unit is approximately equal to a second reception time of the surface to the at least one receiver unit at the third position. Locating, and once the first reception time and the second reception time become substantially equal, the ultrasonic transmission means And a step of calculating the mechanical properties from the transmitted ultrasonic waves, the method for determining the mechanical properties of a solid object.
信時間と前記第2受信時間とがほぼ等しくなるように、
前記少なくとも1つのレシーバユニットの位置を調整す
るステップを含む、請求項19に記載の中実物の力学的
性質の判定方法。20. In the positioning step, the first reception time and the second reception time are substantially equal to each other,
20. The method of determining the mechanical properties of a solid object of claim 19, including adjusting the position of the at least one receiver unit.
信時間と前記第2受信時間とを判定するステップを含
む、請求項20に記載の中実物の力学的性質の判定方
法。21. The method for determining mechanical properties of a solid object according to claim 20, wherein the positioning step includes a step of determining the first reception time and the second reception time.
脈動させるステップを含み、これによって、前記第1受
信時間と前記第2受信時間とがほぼ同一の場合に超音波
が伝送される、請求項19に記載の中実物の力学的性質
の判定方法。22. The determining step includes the step of pulsating the transmitting means, whereby ultrasonic waves are transmitted when the first reception time and the second reception time are substantially the same. 19. The method for determining the mechanical properties of the solid object according to 19.
求項19に記載の中実物の力学的性質の判定方法。23. The method for determining mechanical properties of a solid body according to claim 19, wherein the solid body is bone in a living body.
及び木材の中から選択される、請求項19に記載の中実
物の力学的性質の判定方法。24. The solid material is metal, plastic,
The method for determining the mechanical properties of a solid material according to claim 19, which is selected from the group consisting of wood and wood.
速度は、前記中実物を通過する前記超音波の速度よりも
低い、請求項19に記載の中実物の力学的性質の判定方
法。25. The method for determining mechanical properties of a solid object according to claim 19, wherein the velocity of the ultrasonic wave passing through the intervening medium is lower than the velocity of the ultrasonic wave passing through the solid object.
ユニットは、全体的にカップリング媒体無しで、前記介
在媒体の表面上に載置される、請求項19に記載の中実
物の力学的性質の判定方法。26. The determination of mechanical properties of a solid according to claim 19, wherein the at least one ultrasonic receiver unit is mounted on the surface of the intervening medium, entirely without a coupling medium. Method.
して判定する方法であって、 超音波を、前記介在媒体と、表面を有する前記中実物
と、を通して伝送するステップと、 前記超音波を、少なくとも第1及び第2の超音波レシー
バユニットで受信するステップと、 前記表面から前記第1レシーバユニットまでの前記超音
波の第1受信時間が、前記表面から前記第2レシーバユ
ニットまでの第2受信時間とほぼ等しくなるように、前
記レシーバユニットを位置決めするステップであって、 揺動ユニットを使って前記超音波レシーバユニットを揺
動させながら前記介在媒体中に押圧するとともに、これ
によって、前記第1受信時間と前記第2受信時間とがほ
ぼ等しくなるように前記レシーバユニットの位置が調整
されるステップを含む、前記位置決めステップと、 を含む中実物の力学的性質の判定方法。27. A method of determining mechanical properties of a solid through an intervening medium, the method comprising: transmitting ultrasonic waves through the intervening medium and the solid having a surface; Receiving sound waves at least in first and second ultrasonic receiver units; a first reception time of the ultrasonic waves from the surface to the first receiver unit is from the surface to the second receiver unit; Positioning the receiver unit so as to be approximately equal to the second reception time, the oscillating unit is used to press the ultrasonic receiver unit into the intervening medium while oscillating, and thereby, The step of adjusting the position of the receiver unit such that the first reception time and the second reception time are substantially equal. Method of determining mechanical properties of the real in including a-decided Me step.
物中に生成する前記超音波を広域パターンで伝送するス
テップを含む、請求項19に記載の中実物の力学的性質
の判定方法。28. The method for determining the mechanical properties of a solid object according to claim 19, including the step of transmitting the ultrasonic waves that generate longitudinal waves, surface waves, and transverse waves in the solid object in a wide-area pattern. .
ユニットからの信号を処理するステップと、前記縦波の
受信時間を識別するステップと、を含む、請求項28に
記載の中実物の力学的性質の判定方法。29. The solid mechanical properties of claim 28, comprising: processing a signal from the at least one ultrasonic receiver unit; and identifying a reception time of the longitudinal wave. Judgment method.
信時間と前記横波の受信時間とを識別するステップを含
む、請求項29に記載の中実物の力学的性質の判定方
法。30. The method for determining the mechanical properties of a solid object according to claim 29, wherein the processing step includes a step of identifying a reception time of the surface wave and a reception time of the transverse wave.
を、少なくとも前記縦波の前記受信時間から判定するス
テップを含む、請求項29に記載の中実物の力学的性質
の判定方法。31. The method for determining the mechanical properties of a solid object according to claim 29, wherein the processing step includes a step of determining the mechanical properties from at least the reception time of the longitudinal wave.
を、前記表面波の前記受信時間と前記横波の前記受信時
間とから判定するステップを含む、請求項30に記載の
中実物の力学的性質の判定方法。32. The mechanical property of the solid object according to claim 30, wherein the processing step includes a step of determining the mechanical property from the reception time of the surface wave and the reception time of the transverse wave. Judgment method.
ニットを揺動しながら前記介在媒体中に押圧する揺動ユ
ニットを具備する、請求項2に記載の中実物の力学的性
質判定装置。33. The mechanical property determination device according to claim 2, wherein the positioning means includes a swing unit that pushes the receiver unit into the intervening medium while swinging the receiver unit.
トを具備する、請求項33に記載の中実物の力学的性質
判定装置。34. The mechanical property determination device according to claim 33, wherein the swing unit includes a sound wave blocking unit.
トを使って、前記少なくとも1つの超音波レシーバユニ
ットを揺動しながら前記介在媒体中に押圧するステップ
を含む、請求項20に記載の中実物の力学的性質の判定
方法。35. The solid object of claim 20, wherein the positioning step includes the step of rocking the at least one ultrasonic receiver unit into the intervening medium using a rocking unit. Method for determining mechanical properties.
ともに、前記算出手段は、 前記少なくとも1つの超音波レシーバユニットの各々か
ら時間ベース出力信号を受信する手段と、 前記出力信号の内の少なくとも2つの出力信号を周波数
ドメインに変換するとともに、これによって周波数ドメ
イン信号を発生させる手段と、 前記周波数ドメイン信号から周波数値とそれに対応する
伝播速度とを、前記中実物内の前記物質毎に判定する手
段と、 を具備する、請求項1に記載の中実物の力学的性質判定
装置。36. The solid material is composed of two or more substances, and the calculating means includes means for receiving a time-based output signal from each of the at least one ultrasonic receiver unit; A means for converting at least two output signals into a frequency domain and generating a frequency domain signal thereby, a frequency value and a corresponding propagation velocity from the frequency domain signal are determined for each substance in the solid object. The means for determining the mechanical properties of the solid object according to claim 1, further comprising:
差から、前記中実物内の前記物質毎の減衰の程度を判定
する手段を具備する、請求項36に記載の中実物の力学
的性質判定装置。37. The mechanical property determining apparatus according to claim 36, further comprising means for determining a degree of attenuation of each substance in the solid object from a difference between the frequency domain signals. .
ユニットの各々から時間ベース出力信号を受信するとと
もに、前記出力信号の各々の第1ピークを判定する手段
と、前記第1ピークから、前記中実物による前記超音波
の減衰の程度を算出する手段と、を具備する、請求項1
に記載の中実物の力学的性質判定装置。38. Means for receiving a time-based output signal from each of the at least one ultrasonic receiver unit and determining a first peak of each of the output signals; and from the first peak, the solid object. Means for calculating the degree of attenuation of the ultrasonic waves.
An apparatus for determining mechanical properties of a solid object described in.
概算する手段を具備する、請求項1に記載の中実物の力
学的性質判定装置。39. The mechanical property determining apparatus according to claim 1, wherein the calculating means comprises means for roughly estimating the thickness of the solid material.
し、前記超音波伝送手段が、前記音波バリヤの第1側面
上に載置されるとともに、前記少なくとも1つの超音波
レシーバユニットが、前記音波バリヤの第2側面上に載
置される、請求項1と請求項9の内の一方に記載の中実
物の力学的性質判定装置。40. A housing and a sound wave barrier are further provided, wherein the ultrasonic wave transmission means is mounted on the first side surface of the sound wave barrier, and the at least one ultrasonic wave receiver unit is the sound wave barrier. The mechanical property determination device according to claim 1, which is mounted on the second side face of the solid object.
れるハウジングと、 一端が前記ハウジングに取り付けられるとともに、カッ
プリング材で充填された密閉部と、開放部と、を形成
し、第2端部に真空孔を有する軟質膜と、を含み、 前記装置が人の皮膚上に載置されて前記真空孔内の空気
が減圧排気されると、前記装置は前記人の皮膚に密着さ
れる、請求項1に記載の中実物の力学的性質判定装置。41. The positioning means includes a housing in which the at least one ultrasonic receiver unit is provided, one end of which is attached to the housing, a sealing portion filled with a coupling material, and an opening portion. And a soft membrane having a vacuum hole at a second end thereof, the device being placed on the skin of a person and the air in the vacuum hole being decompressed and exhausted by the apparatus. The mechanical property determination device according to claim 1, which is in close contact with the skin.
して走査するとともに、この走査から前記中実物の力学
的性質を判定する装置であって、 少なくとも1つの超音波トランスミッタと、少なくとも
1つの超音波レシーバと、に成形可能な圧電セルの軟質
アレイと、 第1位置にある第1複数の前記圧電セルを、前記少なく
とも1つの超音波トランスミッタとして区画するととも
に、第2位置と第3位置に各々ある少なくとも第2複数
と第3複数との圧電セルを、前記少なくとも1つの超音
波レシーバとして区画する手段であって、 前記第1位置と前記第2位置と前記第3位置とが前記表
面に沿って同一線上にあるとともに、前記超音波トラン
スミッタは、超音波を、前記介在媒体中を通して伝送す
るとともに、前記表面とほぼ平行な方向に前記中実物中
を通して伝送する前記区画手段と、 前記力学的性質を、前記超音波トランスミッタによって
伝送される超音波から算出する手段と、 を含む中実物の走査及び力学的性質判定装置。42. A device for scanning a solid object having a surface through an intervening medium and determining the mechanical properties of the solid object from the scan, the device comprising at least one ultrasonic transmitter and at least one ultrasonic wave transmitter. An ultrasonic receiver, a soft array of piezoelectric cells formable into the ultrasonic cell, and a first plurality of the piezoelectric cells in a first position are partitioned as the at least one ultrasonic transmitter, and in a second position and a third position. Means for partitioning at least a second plurality of piezoelectric cells and a third plurality of piezoelectric cells as the at least one ultrasonic receiver, wherein the first position, the second position, and the third position are on the surface. Collinear along the same, the ultrasonic transmitter transmits ultrasonic waves through the intervening medium and in a direction substantially parallel to the surface. A solid object scanning and mechanical property determination device comprising: the partitioning means for transmitting through the solid object; and means for calculating the mechanical property from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmitter.
前記少なくとも1つの超音波レシーバユニットまでの超
音波の第1受信時間が、前記表面から前記第3位置の前
記少なくとも1つの超音波レシーバユニットまでの第2
受信時間とほぼ等しくなるように、前記少なくとも1つ
のレシーバユニットを区画する手段を具備する、請求項
42に記載の中実物の走査及び力学的性質判定装置。43. Further, the first reception time of ultrasonic waves from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at the second position is equal to the at least one ultrasonic receiver unit at the third position from the surface. Up to the second
43. The solid scanning and mechanical characterization device of claim 42, comprising means for partitioning the at least one receiver unit so as to be approximately equal to the reception time.
して走査するとともに、この走査から前記中実物の力学
的性質を判定する方法であって、 第1位置にある第1複数のトランスデューサ・セルを、
少なくとも1つの超音波トランスミッタとして区画する
とともに、第2位置と第3位置に各々ある少なくとも第
2複数と第3複数とのトランスデューサ・セルを、少な
くとも1つの超音波レシーバとして区画するステップで
あって、 前記第1位置と前記第2位置と前記第3位置とが前記表
面に沿って同一線上にあるとともに、前記超音波トラン
スミッタは、超音波を、前記介在媒体中を通して伝送す
るとともに、前記表面とほぼ平行な方向に前記中実物中
を通して伝送する前記区画ステップと、 前記超音波トランスミッタによって伝送される超音波か
ら前記力学的性質を算出するステップと、 前記区画ステップと前記算出ステップとを、前記中実物
上の異なる位置毎に反復するステップと、 を含む中実物の走査及び力学的性質判定方法。44. A method of scanning a solid object having a surface through an intervening medium and determining the mechanical properties of the solid object from the scan, the first plurality of transducers in a first position. Cell
Partitioning as at least one ultrasound transmitter and partitioning at least a second plurality and a third plurality of transducer cells at a second position and a third position, respectively, as at least one ultrasound receiver, The first position, the second position, and the third position are collinear along the surface, and the ultrasonic transmitter transmits ultrasonic waves through the intervening medium and is substantially in contact with the surface. The partition step of transmitting through the solid object in a parallel direction, the step of calculating the mechanical properties from the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic transmitter, the partition step and the calculating step, the solid object A method of scanning and mechanical characterization of a solid object, comprising: repeating each of the above different positions.
前記少なくとも1つの超音波レシーバユニットまでの超
音波の第1受信時間が、前記表面から前記3位置の前記
少なくとも1つの超音波レシーバユニットまでの第2受
信時間とほぼ等しくなるように、前記少なくとも1つの
レシーバユニットを区画するステップを含み、前記反復
ステップは、ランダムに選択された位置で実行される、
請求項44に記載の中実物の走査及び力学的性質判定方
法。45. The first reception time of ultrasonic waves from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at the second position is from the surface to the at least one ultrasonic receiver unit at the three positions. Partitioning the at least one receiver unit so as to be approximately equal to the second reception time of, the repeating step being performed at a randomly selected position,
The method for scanning and determining the mechanical properties of the solid object according to claim 44.
位置で行われるとともに、前記算出ステップは、前記介
在媒体を通過する前記超音波の速度の知識から前記力学
的性質を判定するステップを含む、請求項44に記載の
中実物の走査及び力学的性質判定方法。46. The repeating step is performed at sequentially selected positions, and the calculating step includes a step of determining the mechanical property from knowledge of a velocity of the ultrasonic wave passing through the intervening medium. The method for scanning and determining the mechanical properties of the solid object according to claim 44.
とともに、前記算出ステップが、 前記少なくとも1つの超音波レシーバユニットの各々か
らの時間ベース出力信号を受信するステップと、 前記出力信号の内の少なくとも2つの出力信号を周波数
ドメインに変換するとともに、これによって、周波数ド
メイン信号を発生させるステップと、 前記周波数ドメイン信号から、周波数値とそれに対応す
る伝播速度とを、前記中実物内の前記物質毎に判定する
ステップと、を含む、請求項19に記載の中実物の力学
的性質の判定方法。47. The solid object comprises two or more substances, the calculating step receiving a time-based output signal from each of the at least one ultrasonic receiver unit; Transforming at least two output signals of the material into a frequency domain, thereby generating a frequency domain signal, the frequency value and the corresponding velocity of propagation from the frequency domain signal, the substance in the solid material. The method for determining mechanical properties of a solid object according to claim 19, further comprising:
差から、前記中実物内の前記物質毎の減衰の程度を判定
するステップを含む、請求項47記載の中実物の力学的
性質の判定方法。48. The method for determining the mechanical properties of a solid object according to claim 47, further comprising the step of determining the degree of attenuation for each substance in the solid object from the difference between the frequency domain signals.
ユニットの各々から時間ベース出力信号を受信するステ
ップと、前記出力信号の各々の第1ピークを判定するス
テップと、前記第1ピークから、前記中実物による前記
超音波の減衰の程度を算出するステップと、を含む、請
求項19に記載の中実物の力学的性質の判定方法。49. Receiving a time-based output signal from each of said at least one ultrasonic receiver unit, determining a first peak of each of said output signals, and from said first peak to said solid object. 20. The method of determining the mechanical properties of a solid object according to claim 19, further comprising:
さを概算するステップを含む、請求項19に記載の中実
物の力学的性質の判定方法。50. The method for determining the mechanical properties of a solid object according to claim 19, wherein the calculating step includes a step of estimating the thickness of the solid object.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4257315A JPH06109709A (en) | 1992-08-31 | 1992-08-31 | Apparatus and method for judging dynamic property of solid material and apparatus and method for judging scanning and dynamic property of solid material |
Applications Claiming Priority (1)
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JP4257315A JPH06109709A (en) | 1992-08-31 | 1992-08-31 | Apparatus and method for judging dynamic property of solid material and apparatus and method for judging scanning and dynamic property of solid material |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH06109709A true JPH06109709A (en) | 1994-04-22 |
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ID=17304656
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JP4257315A Pending JPH06109709A (en) | 1992-08-31 | 1992-08-31 | Apparatus and method for judging dynamic property of solid material and apparatus and method for judging scanning and dynamic property of solid material |
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