CA2184510C - Method and device for estimating and characterising bone properties - Google Patents
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Abstract
Description
2i~~510 ! .:~ : ..
Procédé et dispositif d'évaluation et de caractérisation des propriétés des - os ~o La présente invention est relative à un procédé d'évaluation et de caractérisation in vivo des propriétés mécaniques ou architecturales des os, mettant en oeuvre la technique des ultrasons, en vue de (obtention d'images paramétriques.
Au cours des dernières années sont apparus sur le marché des appareils ~s ultrasonores permettant la mesure de l'atténuation et de sa dépendance en fonction de la fréquence (coefficient d'atténuation), ou de la vitesse de propagation des ultrasons en transmission à-travers le calcanéum ou !a rotule.
Ces dispositifs sont essentiellement destinés au dépistage ou au suivi de l'ostéoporose.
.o On connaît déjà un certain nombre de dispositifs assurant l'évaluation de l'os in vivo par la mise en oeuvre de faisceaux d'ultrasons.
Les publications W0 90/01903 et WO 87/07494 décrivent des appareils ~s permettant d'efFectuer une mesure de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'os en utilisant deux transducteurs qui sont placés de part et d'autre de (os.
US-A-4 774 959 décrit un dïspositif assurant la mesure du coefficïent d'atténuation en transmission à (aide d'une première paire de transducteurs, ce ~o dispositif comportant une seconde paire de transducteurs assurant une mesure de l'épaisseur de l'os à fendroït où le faisceau ultrasonore a traversé l'os.
F~t!ll.l F ;aO~iFitE 2i ~~ 510 ! .: ~: ..
Method and device for evaluating and characterizing the properties of - bone The present invention relates to a method of evaluating and characterization in vivo mechanical or architectural properties of bones, implementing the ultrasonic technique, with a view to obtaining parametric images.
In recent years have appeared on the device market ultrasound for measuring attenuation and its dependence on function of the frequency (attenuation coefficient), or the speed of propagation of ultrasound in transmission through the calcaneus or patella.
These devices are mainly intended for the detection or monitoring of osteoporosis.
.o A number of devices are already known for evaluating the bone in vivo by the implementation of ultrasonic beams.
The publications WO 90/01903 and WO 87/07494 describe apparatus ~ s to make a measurement of the speed of propagation of ultrasonic in the bone using two transducers that are placed on either side of (bones.
US-A-4,774,959 discloses a device for measuring the coefficiency attenuation in transmission to (using a first pair of transducers, this ~ o device comprising a second pair of transducers providing a measured from the thickness of the bone to the fendroït where the ultrasound beam passed through the bone.
F ~ t! Ll.l F; aO ~ iFitE
2 EP-A-0341 969 et 0 480 554 décrivent des dispositifs permettant la mesure du coefficient d'atténuation en transmission et de la vitesse des ultrasons à
l'aide de transducteurs placés face à face.
Enfin US-A-4 941 474 décrit urt appareil permettant d'analyser à la fois des signaux transmis à travers, l'os et des signaux qui sont réfléchis ou diffusés par l'architecture interne de l'os. Cet appareil comporte au moins un transdûcteur.
émettant un faisceau ultrasonore au-travers de l'os, des moyens pour recevoir et mettre en mémoire les signaux transmis-au-travers de l'os ou réfléchis par les faces de celui-ci et des moyens pour traiter les signaux ainsi stockés en vue de la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, de l'épaisseur de ce dernier, du coefficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore et des paramètres de réflexion. Cet appareil ne permet pas de réaliser des images paramétriques.
L'expérience découlant de l'utilisation des appareils .connus mentionnés ci-dessus démontre que les mesures qu'ils permettent d'effectuer restent rudimentaires et que la précision, la sensibilité et la reproductibilité de ces mesures doivent être améliorées. En outre, aucun de ces appareils connus ne permet l'obtention d'images paramétriques.
Partant. de cet état de~ la technique, l'invention apporte un procédé du type défini dans US-4 941 474, mais permettant d'obtenir des images paramétriques, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un faisceau ultrasonore qui est obtenu à l'aide de transducteurs focalisés et en ce qu'on réalise un.
balayage de ce faisceau suivant une ou plusieurs directions différentes de la direction de propagation des ultrasons, notamment selon des axes orthogonaux.
Un premier aspect de la présente invention concerne un procédé d'évaluation et de caractérisation in vivo des propriétés mécaniques ou architecturales des os, par propagation d'une onde ultrasonore au-travers de l'os et l'étude de l'interaction de cette onde avec l'os, en vue de l'obtention d'images paramétriques selon lequel: two EP-A-0341 969 and 0 480 554 describe devices for measuring the attenuation coefficient in transmission and velocity of ultrasound to help from transducers placed face to face.
Finally US-A-4,941,474 describes a device for analyzing both signals transmitted through, bone and signals that are reflected or broadcast by the internal architecture of the bone. This device has at least one transducer.
emitting an ultrasound beam through the bone, means for receiving and memorize the signals transmitted-through the bone or reflected by the faces thereof and means for processing the signals thus stored for of the measuring the speed of propagation of the ultrasound beam in the bone, the thickness of the latter, the transmission attenuation coefficient of the beam ultrasound and reflection parameters. This device does not allow make parametric images.
The experience arising from the use of the known devices referred to above demonstrates that the measures they allow to perform are rudimentary and that the accuracy, sensitivity and reproducibility of these measures should to be improved. In addition, none of these known devices makes it possible to obtain parametric images.
Starting. of this state of the art, the invention provides a method of the type defined in US-4,941,474, but allowing to obtain parametric images, this method being characterized in that it implements an ultrasonic beam who is obtained by means of focused transducers and in that one carries out.
scanning of this beam in one or more directions different from the direction of propagation of ultrasound, especially along orthogonal axes.
A first aspect of the present invention relates to a method of evaluation and in vivo characterization of the mechanical or architectural properties of bone, by propagation of an ultrasonic wave through the bone and the study of the interaction of this wave with the bone, in order to obtain images parameters according to which:
3 - on utilise au moins un transducteur focalisé émettant un faisceau ultrasonore au travers de l'os;
- on réalise un balayage dudit faisceau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau ultrasonore;
- on recueille les signaux choisis d'un groupe comprenant des signaux transmis au-travers de l'os, des signaux réfléchis par les faces de l'os, des signaux diffusés par les structures internes de l'os et n'importe quelle combinaison de ces dits signaux;
- on met en mémoire les signaux obtenus et, on traite les signaux ainsi stockés pour des mesures choisies d'un groupe comprenant la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, la mesure de l'épaisseur de l'os, la mesure du coefficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore, la mesure des paramètres de réflexion pour l'estimation des coefficients de rétrodiffusion et d'atténuation et n'importe quelle combinaison de ces dites mesures.
Salon la présente invention, pQUr la réalisation, en mode transmission, d'images paramétriques d'atiénuation en fonction de la fréquence et de la vitéssë de propagation des ultrasons on met en oeuvre une paire de transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis, et pouvant fonctionner à basse fréquence, c'est-à-dire à
une fréquence contrôlée comprise entre 100 kHz et 3 MHz.
L'invention vise en second lieu uri àppareil permettant de mettre en oeuvre le procédé te! que spécifié ci-dessus.
Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comportant des moyens d'émission et de réception ultrasonores placés en vis-à-vis de part et d'autre de l'os à analyser, un module d'acquisition incluant les moyens d'émissions d'ultrasons et de réception des signaux ultrasonores après leur interaction dans l'os, un système de mise en mémoire des signaux ainsi obtenus et, un module de traitement desdits signaux pour l'estimation des paramètres acoustiques 3a connus pour leur relation avec les propriétés mécaniques ou viscoélactiques de l'os caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception ultra-sonores sont focalisés et en ce que le dispositif comprend des moyens permettant de réaliser un balayage du faisceau ultrasonore ainsi émis.
Selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invenüon, on utilise des transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis, ces transducteurs étant. du type monoélément.
~ia~~iï0 R'O 95/26160 PCTlFR95IQ0376 Selon un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, on utilise des transducteurs focalisés, placés en vis-à-vis, ces transducteurs étant du type monoélément.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, les mesures peuvent ëtre effectuées en immersion, le dispositif comportant alors une enceinte remplie d'un liquïde tel que de l'eau, ou bien ces mesures peuvent ëtre effectuées par contact à l'aide d'un milieu de couplage et en utilisant un réseau de transducteurs ultrasonores.
io Ce dispositif est en outre caractérisé en ce que le module de traitement de signal comporte un ordinateur, une mémoire de masse et un ensemble da logiciels de traitement de signaux conçus pour l'exploitation des données provenant du module d'acquisition, ce module de traitement comportan# un ensemble de fonctions t5 permettant notamment d'effectuer le calcul du coefficient d'atténuatïon en transmission, le calcul de l'épaisseur de fos traversé à l'endroit de la mesure, le calcul de la vitesse de propagation, le calcul du coefficient de rétrodiffusïon en réflexion et le calcul du coefficient d'atténuatïon en réflexion.
.o D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-aprés en référence aux dessins annexés qui en ïllustrent divers exemples de mise en oéuvre et de réalisation, dépourvus de tout caractère limitatif.
Sur les dessïns as - la figure 1 est uns vue schématique en élévatïon représentant un exemple de réalisation d'un appareil pour la mise en oeuvre du procëdé objet de (invention ;
- la figure 2 est un schéma par blocs ïllustrant, d'une façon gënérale, le module d'acquisition des données mis en oeuvre par !'invention ;
~o - la figure 3 est également un schéma illustrant d'une façon générale un module d'acquisition fonctionnant à la fois en transmissîon et en réflexion ;
21~~~10 - la figure 4 est un schéma illustrant le principe de l'acquisition en transmission ;
- la figure 5 est un schéma qui illustre le principe général de l'acquïsition en transmission et en réflexion ;
- la figure 6 est un schéma illustrant une variante du mode d'acquisition en ' transmission et réflexion ;
la figure 7 est un schéma par blocs illustrant le principe général du traitement des to signaux dans le procédë et le dispositif objet de l'invention ;
- la figure 8 est un schéma illustrant le traitement du signal transmis en vue de la mesure de la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans l'os ;
- la figure 9 est encore un schéma illustrant le traitement du signal, en mode échographique, en vue de la mesure de l'épaisseur de l'os et, - la figure 10 est un schéma par blocs illustrant le principe du traitement du signal transmis pour la mesure de l'atténuation.
ao En se référant à la figure 1, on voit que, dans cet exemple de réalisation non limitatif, le dispositif mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention comporte essentiellement une enceinte 10 remplie d'eau permettant de réaliser les mesures en immersion, la présence du milieu liquide assurant un bon couplage entre la 2s source de rayonnement et l'os dont an veut évaluer notamment les propriëtés mécaniques. Ce dispositif comporte une source d'émission d'ultrasons, constituée ici de paires de transducteurs ultrasonores piézoélectriques focalisés, placés en vis à
vis de part et d'autre de l'os à analyser, l'une des paires de transducteurs tels que 12 fonctionnant à haute fréquence, c'est-à-dire dans le domaine de fréquences de 1 so MHz à 10 MHz, spécifié ci-dessus, alors que l'autre paire de transducteurs tels que 14, fonctionnent à basse fréquence dans un domaine compris entre 100 kHz et 1 MHz. Ces paires de transducteurs sont montées sur un pont mobile qui sur la figure ~;~~l~:J.~' C. I
G
W095/2bt60 PCT/FA95l0037b 1 a été représenté respectivement en position relevée 1F~ et en position abaissëe 16' pour la mesura.
Ainsi qu'on l'a spécifié ci-dessus, le principe sur laque! repose le procédé
objet de s (invention réside dans la transmission d'une onde ultrasonore dans l'as et dans (étude de l'interaction ds cette onde avec l'os. Le dispositif selon l'invention illustré
par la figure 1 peut fonctionner à la fors en transmission et en réflexion.
Dans cet exemple de réalisation, ü est muni d'un système classique de balayage du faisceau ultrasonore, ce balayage étant obtenu par déplacement des transducteurs focalisés ~o sous l'action de deux moteurs assurant les déplacements dans un plan, selon les axes orthogonaux X et Y, permettant ainsi une exploration de la totalité du volume osseux.
Le dispositif comporte en outre un module d'acquisition chargé de l'émission des 15 signaux ultrasonores et de la rëception de ces signaux après leur interaction dans las. On prévoit également un système de mise en mémoire des signaux ainsi obtenus, et un module de traitement de ces signaux pour l'estimation de certains paramètres acoustiques connus pour leur relation avec les propriétés mëcaniques au visco-élastïques de l'os.
.o L'invention, grâce notamment à un balayage automatique du faisceau ultrasonore apporte une solution aux difficultés résultant de futilisatïon des appareils actuels, notamment en ce qui concerne un positïonnement précis de (os pour ta mesure et la localisation de la région où s'effectue la mesure. L'invention permet en outre zs d'effectuer des mesures ultrasonores en transmission à travers l'os et en réflexion.
Le recueil des signaux réfléchîs etlau diffusés par l'architecture interne de l'as apporte une information complémentaire à celle qui est dëjà contenue dans les signaux qui ont èté transmis à travers l'os. Ainsi le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une quantité d'informations bien supérieure à celle obtenus par les 3o dispositifs de types connus. En outre, l'invention apporte une bien meilleure précision.
21~~~~1~
wo 9sizsiso ' Comme on fa spécifié dans le préambule de la présente description, le procédé
objet de l'invention permet d'obtenir, en mode transmission, des images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore, en mettant en oeuvre une paire de transducteurs focalisés, placés en vis à vis et fonctionnant à basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kHz et 1 MHz.
L'invention permet également de rëaliser, en mode échographique, des images de rêflectivité et d'obtenir une estimation des coefficients d'atténuation et de rétro-to diffusion, en utilisant un seul transducteur focalisé ou une paire de transducteurs focalisés, placés en vis à vis, et fonctionnant à haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 1 MHz et 10 MHz.
Enfin, on peut également grâce au procédé de l'invention, réaliser des images de t5 réfiectivité en mode échographique et obtenir une estimation moyenne des coefficients d'atténuatïon etlou de rétrodifFusion en fonction de la frëquence du faisceau ultrasonore, et également réaliser en transmissïon des images paramétriques d'atténuation en fonction de la fréquence et de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore. Dans cette application, (invention met en .o oeuvre une paire de transducteurs placés en vis à vis et fonctionnant à
basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 100 kNz et 1 MHz, et une paire de transducteurs focalisés, placés en vis à vis et fonctionnant à
haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence centrale comprise entre 1 MHz e( 10 MHz.
a Ainsi qu'on fa déjà spécifié ci-dessus. le dispositif mettant en oeuvre le procédé
selon l'invention comporte essentiellement un module « Acquisition du signal ultrasonore » et un module « Traitement du signal ».
Le module a Acquisition » a pour fonctions so - l'émission des ondes ultrasonores à l'aide des transducteurs définis ci-dessus ;
x ~~~j10 WO 95P26160 PCTlFR95IOa37G
1a réception d'ondes ultrasonores, dites de rëférence, fa réception d'ondes ultrasonores transmises à travers fos, la réception d'ondes réfléchies etlou diffusées par l'os et ses structures - le balayage de tout le volume osseux par le faisceau ultrasonore.
Ge module zc Acquisition ~> se compose comme dëfini ci-dessus des sources et ' récepteurs ultrasonores (paire de transducteur focalisés). L'impulsion ultrasonore ainsi rayonnée est transmise dans te milieu de propagatïon avec lequel elfe interagit.
to Ainsi qu'on fa spécifié cï-dessus, la mesure peut être faite en immersion pour obtenir un bon couplage entre la source de rayonnement et l'os. L'interaction encre le milieu de propagation et l'onde incidente donne naissance à une onde directement transmise fonde cohérente) et à une ou plusieurs ondes réflëchïes ou diffusées par l'os etlou ses structures internes.
Ce module a Acquisïtton » se compose en outre d'un étage de détection, amplification (par exemple contrôle automatique de gain) et de conversion analogique-digitale des signaux, d'un ordinateur, et d'un processeur avec son environnement classique. Gette partie du dispositif est de conception classique et en 2o conséquence elle ne s~~a pas décrite.
Ce module comporte en outre, dans cet exemple de réalisatîon, le dispositif mécanique assurant le balayage du faisceau ultrasonore dans un plan perpendiculaire à la dïrection de propagation des faisceaux ultrasonores. Lors du =s balayage, l'émetteur et te récepteur ultrasonores effectuent le méme mouvement, de façon synchrone, si bien que leur position relative reste identique. Ce balayage est assuré à (aide de deux orateurs programmables.
La figure 2 est un schéma général du disposïtif selon l'invention assurant un ~o fonctionnement uniquëment en mode transmission. Ce dispositif comporte un transducteur T1 pour l'émission, associé à un transducteur T'1 pour la réception, dïsposé en vis-à-vis. Les transducteurs sont focalisés, la distance quï !es sépare ëtant égale environ au double de la distance focale. Le transducteur T'1 détecte les h 21~~~~0 Wa 95126160 PCT/Flt95l00376 ondes émises par le transducteur Ti, et les transforme en signal électrique qui est amplifié, numérisé, et transféré sur l'ordinateur.
La figure 3 représente un schéma général d'un dispositif fonctionnant à la fois en ' S mode transmission et réflexion. Un transducteur ultrasonore T2 ou T3 est excité
périodiquement de manière à rayonner une onde ultrasonore dans le milieu de propagation. Cette onde interéagit avec le milieu de propagation et elle subit une réflexion partielle etJou une diffusion. Une partie de l'énergie incidente est réfléchie à (entrée de l'os, une partie de l'énergie transmise dans l'os est ensuite diffusée par ~o les structures internes de ce dernier et notamment rétrodifFusée vers le transducteur-émetteur T2 ou T3. C'est ce mëme transducteur T2 ou T3 qui sert de récepteur pour détecter les ondes réfléchies par l'os et rétrodiffusées par l'architecture interne de ce dernier et pour ies transformer en signal ëlectrique qui est ensuite ' amplifië, numérisë, et transférë sur l'ordinateur. Le transducteur T2 ou T3 est relié
i5 électriquement à l'étage de réception. L'utilisation combinée en réflexion de deux transducteurs T2 et T3, placës en vis à vis, permet de détecter simultanément les échos de deux faces opposées de l'os. On peut ainsi effectuer une mesure automatique ultrasonore de l'épaisseur de l'os. De plus, un traitement de signal peut étre effectué ultérieurement sur les signaux rétrodiffusés et enregistrés par les ~o transducteurs T2 ou T3 afin d'en extraire des paramétres acoustiques utiles pour caractériser l'os : attënuation en fonction de la fréquence, section efficace de rétrodiffusïon, paramètre de texture etc...
Pour fonctionner simultanément en transmission et en réflexion avec deux paires de ~5 transducteurs placées en vis à vis, on utilise de préférence la solutïon illustrée par la figure 3 selon laquelle on met en oeuvre trois étages de génërateurs d'impulsions pour commander les transducteurs T1, T2 et T3, les excitations étant séquentielles dans le temps : Ti émet le premier, lorsque T'1 a détecté l'onde émïse par Ti, émet ef il détecte les signaux réfléchis et rétrodiffusés. Enfin T3 est excité
à son ~o tour.
Une autre solution plus économique maïs moins rapide consiste à n'utiliser qu'un seul générateur d'impulsïons commun pour l'excitation des transducteurs Ti, T2 et ~î84~1~
WO 95126160 i 0 T3. Dans ce cas, il suffit de prévoir un commutateur pour diriger (impulsion excitatrice vers un transducteur différent à chaque tir. Ce commutateur est relié au microprocesseur qui contrôle la commutation. Cette variante n'a pas été
représentée.
s Sur la figure 4, on a représenté le diagramme de l'acquisition par transmission. Les différentes étapes de cette acquisition ressortent clairement de (examen de cette figure.
io pn peut utiliser deux solutions pour l'acquisition des données en transmission et en réflexion.
Dans la première solution illustrée par la figure 5 les données transmises et réfléchies sont enregistrées au cours d'un balayage unique. Pour chaque posïtion i5 X,Y, des transducteurs T1, T2, T3 sont excités successivement. Dans fa seconde solution illustrée par la figure 6, les données transmises et réfléchies sont enregistrées au cours de trois balayages différents : le premier balayage est destiné
à (acquisition des données par la paire des transducteurs T1 et T'1 et les deuxiéme et troisième balayages sont destinés à l'acquisition des données en réflexion par les .a transducteurs T2 et T3.
II est possible d'acquérir plusieurs signaux à la suite pour une position fixée des transducteurs. L'amélioration du rapport signailbruit est obtenue par l'intermédiaire de la moyenne de cés différentes acquisitions. Dans le cas où cette possibilité
25 existe, l'ëmission-réception est répétée autant de fois que cela est nëcessaire. Une fois cette séquence d'acquisïtion terminée, la position des moteurs est incrémentée et (opération peut êfid répétée.
Dès que la phase d'acquisition des signaux est terminée, tous les signaux ~o numërisés sont mis en mémoire et la phase de traitement de signal peut alors commencer, soit dë façon automatique, soit par I"intermëdiaïre d'un ordre de commande lancë par (opérateur.
WO 95126160 ~ r~ ~ ~ ~ PCTIFRJ5100376 Le dispositif mettant en oeuvre la présente invention comporte, ainsi qu'on fa précisé ci-dessus, un module de traitement de signal. Le principe général du traitement des signaux est illustré par le schéma de la figure 7.
> Ce module de traitement de signal comporte un ordinateur, une mémoire de masse et un ensemble de logiciels de traitement de signaux conçus pour (exploitation des données précédemment acquises en transmission etlou en réflexion. II comporte un ensemble de fonctions pré-programmées permettant notamment d'effectuer les calculs suivants to t5 - calcul de l'atténuation (en dB) en fonction de la fréquence en transmission - calcul du coefficient d'atténuation en fonction (en dBlMHz) de la fréquence en transmission - calcul des temps de vol des signaux transmis à travers l'os - calcul de l'épaisseur de l'os traversé à (endroit de la mesure ~o - calcuB du coefficient d'attënuation en fonction de la fréquence (dBlcm.MHz) en transmission - caicul de la vitesse de propagation des ultrasons en transmission as - calcul de l'atténuation (en d8) en fonction de la fréquence en réflexion calcul du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (dBlcm.MHz) en réflexion so - calcul de la section efficace de rétrodïffusion (en dB) en fonction de la fréquence en réflexion - calcul du coefficient de rétrodiffusion (dBlMHz) en rëflexion ~'~~'r~10 W0 95/26160 PCTlFR95/00376 - calcul du coefficient intêgral de rétrodiffusion (dB.MHz) en réfiexian.
II est bien entendu possible d'ajouter d'autres fonctions de traitement de signal ou de traitement d'image susceptibles d'apporter une information quantitative utile à la caractérisation de fos {analyse de texture par exemple).
Les paramètres sont obtenus pour chaque position des transducteurs, ce qui permet d'obtenir une cartographie des paramétres. Un traitement d'images est compris dans u le logiciel permettant ainsi de sélectionner une ou plusieurs régïons de la mesure, de forme quelconque, pour une estimation d'une moyenne locale des paramëtres.
La méthode d'estimation des paramètres {attënuakion et vitesse de propagation) en transmission repose sur la comparaison d'un signai de référence avec un signal ts transmis à travers fos.
Le signal de référence est un signal qui s'est propagé dans un milieu dont les caractéristiques acoustiques (atténuation et vitesse) sont bien connues (l'eau dans cet exemple de réalisation). Le signal de référence et les signaux transmis dans l'os ~o sont enregistrés dans les mëmes conditions. Par exemple, le signal de référence peut ëtre acquis soit lors de (a mise en route de l'appareil, soit avant chaque examen. On peut également enregistrer une référence unique et la stocker dans la mémoire de l'ordinateur pour la rappeler ensuite à chaque examen.
~s On décrira maintenant à titre d'exempte dïvers modes de traitement de signaux pour certaines fonctions réalisées par le procédé de l'invention.
11 Estimation de la vitesse de propagation en transmission.
so Le principe de traitement du signal transmis pour la mesure de cette vitesse est illustré par le schéma de la figure 8. Ce mode de traitement comporte donc les étapes suivantes (~ r W 0 95126160 ~ _ ~ ~ "j ~ ~ I ~ pCT1FR95100376 - Les transducteurs sont à la position X, Y;
Le transducteur Ti ëmet et l'onde ainsi émise, transmise à travers fos, est détectée par le transducteur-récepteur T'1, puis amplifiée, numérisée, et transfërée sur ordinateur. Bien entendu, et comme spécifié ci-dessus, pour des mesures à
travers le calcanéum, les transducteurs et l'os sont placés dans un bain dont la température est contrôlée par thermostat (voir la figure 1). Cette première mesure est destinée à
l'estimation du temps de vol de l'onde transmise à travers l'os et au calcul de la diffërence entre ce temps de vol et celui du signal de référence;
io - Le transducteur T2 (ou T1) émet et le transducteur T2 (ou T1) reçoit le signal ainsi émis et rëfléchi par l'os. L'onde ultrasonore réfléchie est amplïfiée, numérisée, et transfërée sur ordinateur.
rs - On estime la durée du temps de vol de l'écho qui est réfléchi par la face d'entrée de l'os tournée vers le transducteur T2 (ou T1 ) ;
- Le transducteur T3 (ou T'1} émet et le transducteur T3 {ou T"1) assure la réception du signal réfléchi par l'os. L'onde réfléchie est amplifiés, numérisée, et transférée .o sur ordinateur.
- On estime la durée du temps de vol de l'écho réfléchi par la face d'entrée de l'os, qui est tournée vers T3 (ou T'1 ).
~s - Ces deux derniëres mesures sont destinées au calcul de l'épaisseur du calcaneum à l'endroit de la mesure. La vitesse de propagation en transmission de l'onde ultrasonore se déduit de manière connue du temps de vol de fonde entre les deux transducteurs. Pour estimer la vitesse de propagation, il faut connaître l'épaisseur de l'os et celle-ci, selon I"invention, est mesurée par ultrasons.
~a La figure 9 illustre le principe de traitement du signal échographique pour la mesure de cette épaisseur. En effet, par échographie, on peut déterminer la distance séparant un transducteur de la face de l'os (face d'intérét). II suffit d'identifier l'écho 21~~~;;
W0 95126160 ~; PCTlFRJ5J003~6 de cette face et de mesurer son temps de vol. Chaque transducteur T2 et T3 (ou et T'1) est interrogé à tour de rôle en mode échographique, et Ton mesure les temps de vol t1 et t2 des échos réfléchis par chacune des faces latérales opposées de fos.
On en déduit l'épaisseur de l'os.
2/ Estimation du coefficient d'atténuation en Transmission.
Le principe du traitement de signal selon ce mode particulier est illustré par la figure 1~0. 1l comporte les étapes suivantes 1a - Les transducteurs sont initialement dans !a position X,Y
- Le transducteur T1 émet et l'onde transmise à travers l'os est détectée par le transducteur-récepteur T'1, puis elle est amplifiée, numérisée et transférée sur ordinateur. Comme précëdemment, pour des mesures à travers le calcaneum, dans ~5 cet exemple de réalisation, les transducteurs et l'os sont placés dans un bain dont la température est contrôlée par thermostat (fig. 1 );
- On calcule les spectres en fréquence du signal transmis à travers l'os et du signal de rêférence. L'atténuation en fonction de ta fréquence est obtenue par comparaïson 2o du spectre d'un signal de référence enregistré dans l'eau et de celui du signal transmis à travers l'os. Le signal ultrasonore est du type impulsionnel et il comporte plusieurs fréquences dans l'intervalle compris entre Q,2 MHz et 1 MHz.
Afin de s'affranchir des variations liées à l'épaisseur du calcaneum, il faut comparer v les attënuations rapportées à !'épaisseur (dBIMHz.cm) exacte du calcaneum au point de mesure. On a exposé ci-dessus la manière selon laquelle on peut effectuer en mode échographique une mesure ultrasonore de l'épaisseur.
Comme pour tous Tes milieux hétérogènes, la valeur des paramètres acoustiques ~o dépend de l'endroit où la mesure est effectuée. Le dispositff de balayage de l'appareil selon (invention permet d'explorer kout le volume osseux et d'obtenir une cartographie des paramètres. A partir des images d'atténuation en fonction de la fréquence et de ia vitesse de l'onde ultrasonore, on peut sélectionner une région de R'O 95!26160 ~ 5 ~ y~~ ~ ~ ~ PCTlFR95100376 la mesure (région d'intérétj et estimer une moyenne des paramètres dans cette région. Le logiciel comprend quelques fonctions simples de traitement d'images, notamment pour la sélection des régions de mesure, de forme et de taule varïables.
Le support de l'image est utilisé pour sélectionner des régions de mesures s identiques chez des patients différents ou lors de mesures répétées chez un méme paüent.
Ainsi, l'invention permet d'obtenir notamment une imagerie ultrasonore du calcaneum (images d'attënuation et de vitesse) grâce à l'utilisation de transducteurs to focalisés, les images ainsi obtenues étant comparables à celles obtenues par scanner.
3/ Estimation du coefficient d'atténuation et de la section efficace de rétrodiffusion en réflexion, en fonction de la fréquence.
Les différentes étapes de ce mode de traitement des signaux transmis sont les suivantes - Les transducteurs sont à la position X et Y ;
.o - Le transducteur T2 (ou T3, ou T1, ou T'1 ) émet , - Le transducteur T2 (ou T3, ou T1, ou T'1) assure fa rëception du signal échographique rétrodiffusé par l'architecture interne de l'os, ce signal ë#ant ensuite ~5 amplifié, numérisé, et transféré sur ordinateur .
- On effectue une analyse spectrale glissante du signal échographique, et une estimation des spectres en fonction de la profondeur ;
~o - On calcule les centroïdes spectraux en fonction de la profondeur ;
- On calcule le coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (dBlcm.MNzj en réflexion ;
r1 ~ s:
~ 6 ' L. i t.F !~ ') W095I26160 PCTlBIt95100376 - On calcule fa différence spectrale entre le spectre du signai et un spectre de référence, puis ton calcule la section effïcace de rétrodiffusion (en dB) en fonction de la frëquence en réflexion ;
- On caicu(e le coefficient de rétrodiffusion (dBIMHz) en réflexion et - On calcule le coefficient intégral de rétrodiffusion (dB.MHz) en réflexion.
Le balayage du faisceau ultrasonore permet de réaliser une exploration de la totalité du m volume osseux Les coefificïents d'atténuation et de rétrodiffusïon sont calculés pour chaque position des transducteurs. On peut ensuite estimer une moyenne locale des paramètres à l'intérieur d'une région d'intérét sélectionnée par l'opérateur.
L'atténuation peut étre estimée à partir du signal échographique radiofréquence t~ échantilloné. Le principe du calcul de l'atténuation repose sur une analyse temps-frëquece du signal échographique.
L'invention permet ainsi de mesurer la section efficace de rétrodiffusion en fonction de la fréquence. On sait en effet que les propriétés physiques des tissus osseux ?o son# mîses en évidence par cette mesure.
II résulte de la lecture de la description qui précéde que l'invention apporte une solution aux diffîcultés posëes par la mise en oeuvre des appareils ultrasonores d'analyse des os actueliernent sur le marché
- le dispositïf de balayage automatique du faisceau ultrasonore permet de résoudre !e problème du positionnement précis de l'os et du positionnement de la région de mesure où d'intérét.
- L'utilisation de transducteurs focalisés permet d'obtenir des images de bonne qualitë ;
WO 95J26160 t ~ ~ ~ ~' ~ !~ ~ ~ pCTlFR95100376 - Elle permet d'obtenir des mesures ultrasonores en transmission à travers las et en réflexion ;
- Elle permet de recueillir et de traiter des signaux réfléchis etlou diffusés par s l'architecture interne de (os, ce qui apporte une information complémentaire à celles se trouvant déjà dans les signaux qui ont été transmis à travers l'os ; Ainsi, le procédé et le dispositif objets de l'invention apportent une quantité
d'informations bien supérieure à celle fournie par les dispositifs selon l'état antërieur de la technique, tout en offrant une précisïan, une reproductibilité et une sensibilité
to meilleures.
Parmï les domaines d'application de l'invention, on a spëcifié ci-dessus (ostéoporose. Dans cette application, l'invention apporte une méthode ph~sïque non traumatique d'évaluation in vivo de la qualité osseuse (masse, rigidité, architecture).
t5 On peut ainsi apprécier de façon quantitative le risque de fracture assocïé
à une diminutïon de la résistance des os, cette diminution étant comme on le sait, une conséquence des phénomènes de déminéralïsation et de modification de l'architecture osseuse rencontrés dans l'ostéoporose.
ao La description faite ci-dessus d'exemples de réalisation de l'invention ne se limite pas aux mesures de calcaneum et de la rotule : il existe bien entendu d'autres domaines d'application de l'invention particulièrement en vue de la surveillance du degré de minéralisation du squelette, notamment afin de suivre l'évolution de l'architecture osseuse ou de l'élasticité de la structure osseuse. Parmi ces _5 applications, on peut citer notamment - La maturation squelettique chez les nouveaux nés ;
Les ostéoporoses secondaires, ostéomalacie, etc...
~o - La surveillance des chevaux de course - La caractérisation de pièces osseuses in vitro.
21~4:~i~
a 'W0 95126160 PCT/FR95l0037G
If demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre ni aux exemples de réalisation décrits et/ou représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Ainsi (exemple de réalisation décrit ici se réfère â des mesures effectuées en immersion. Cependant, sans sortir du cadre de la présente invention, les mesures peuvent étre effectuées par contact, en utilisant un réseau de transducteurs et un milieu de couplage, le balayage du faisceau ultrasonore pouvant être assuré électroniquement. 3 at least one focused transducer emitting a beam ultrasonic through the bone;
a scan of said beam is made in a plane perpendicular to the direction of propagation of the ultrasonic beam;
the selected signals of a group comprising transmitted signals are collected through the bone, signals reflected by the faces of the bone, signals diffused by the internal structures of the bone and any combination of these so-called signals;
the signals obtained are stored in memory and the signals thus stored are processed for selected measurements of a group including measuring the propagation velocity of the ultrasonic beam in bone, measuring the thickness of the bone, measuring the coefficient mitigation in transmission of the ultrasonic beam, the measurement of the reflection parameters for estimating backscattering and attenuation coefficients and anything what combination of these said measures.
Salon the present invention, for the realization, in transmission mode, Image parametric attenuation as a function of the frequency and the duration of propagation of ultrasound is implemented a pair of transducers focused, placed opposite, and able to operate at low frequency, that is to say at a controlled frequency between 100 kHz and 3 MHz.
The second object of the invention is to provide a device for implementing the you! as specified above.
A device for implementing the method comprising means ultrasound transmission and reception placed opposite each other of the bone to analyze, an acquisition module including the emission means of ultrasound and reception of ultrasonic signals after their interaction in the bone, a system for storing the signals thus obtained and, a module for processing said signals for estimating acoustic parameters 3a known for their relation to the mechanical or viscoelactic properties of the bone characterized in that said ultra-light transmitting and receiving means sound are focused and in that the device comprises means allowing a scan of the ultrasound beam thus emitted.
According to an exemplary embodiment of the device object of the invention, it is used of the focused transducers, placed in vis-à-vis, these transducers being. like single element.
~ Ia ~~ II0 R'O 95/26160 PCTlFR95IQ0376 According to an exemplary embodiment of the device which is the subject of the invention, use is made of of the focussed transducers, placed opposite, these transducers being of the type single element.
According to another embodiment of the present invention, the measurements can to be carried out in immersion, the device then comprising a chamber filled liquids such as water, or these measurements can be made by contact using a coupling medium and using a network of transducers ultrasonic.
io This device is further characterized in that the processing module of signal includes a computer, a mass memory and a set of software processing of signals designed for the exploitation of data from the module of acquisition, this processing module has a set of functions t5 allowing in particular to calculate the attenuation coefficient in transmission, calculating the thickness of fos crossed at the location of the measure, the calculation of the propagation speed, the calculation of the backscatter reflection and the calculation of the attenuation coefficient in reflection.
Other features and advantages of the present invention will come out of the description made below with reference to the accompanying drawings which illustrate various examples of implementation and realization, devoid of any character limiting.
On the drawings FIG. 1 is a schematic elevation view showing an example of realization of an apparatus for the implementation of the process object of (invention;
FIG. 2 is a block diagram illustrating, in a general manner, the module data acquisition implemented by the invention;
~ o FIG. 3 is also a diagram illustrating in a general manner a module acquisition that functions both in transmission and in reflection;
21 ~~~ 10 FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of acquisition in transmission;
FIG. 5 is a diagram illustrating the general principle of acquisition in transmission and reflection;
FIG. 6 is a diagram illustrating a variant of the acquisition mode in transmission and reflection;
FIG. 7 is a block diagram illustrating the general principle of treatment of to signals in the process and the device object of the invention;
FIG. 8 is a diagram illustrating the processing of the signal transmitted in view of of the measuring the speed of propagation of the ultrasonic wave in the bone;
FIG. 9 is another diagram illustrating the signal processing, in the ultrasound, in order to measure the thickness of the bone and, FIG. 10 is a block diagram illustrating the principle of the treatment of signal transmitted for the measurement of attenuation.
ao Referring to FIG. 1, it can be seen that in this embodiment limited the device implementing the method which is the subject of the invention comprises essentially a chamber 10 filled with water to achieve the measures in immersion, the presence of the liquid medium ensuring a good coupling between the 2s source of radiation and the bone of which an wants to evaluate in particular the properties mechanical. This device comprises a source of ultrasound emission, here pairs of focused piezoelectric ultrasound transducers placed in screw to screw on either side of the bone to be analyzed, one of the pairs of transducers such as 12 operating at high frequency, that is, in the frequency domain from 1 MHz at 10 MHz, specified above, while the other pair of transducers such as 14, operate at a low frequency in a range between 100 kHz and 1 MHz. These pairs of transducers are mounted on a movable bridge which on the figure ~; ~~ l ~ J. ~ ' THIS
BOY WUT
W095 / 2bt60 PCT / FA95l0037b 1 has been shown respectively in raised position 1F ~ and in position lowered 16 ' for the mesura.
As mentioned above, the principle on lacquer! rest the process object of s (invention lies in the transmission of an ultrasonic wave in the ace and in (Study of the interaction of this wave with the bone.
the illustrated invention in Figure 1 can operate in the forests in transmission and reflection.
In this embodiment, it is provided with a conventional system for scanning the beam ultrasound, this scanning being obtained by displacement of the transducers focused ~ o under the action of two motors ensuring the movements in a plane, according to the orthogonal axes X and Y, thus allowing an exploration of the entire volume bony.
The device further comprises an acquisition module responsible for transmitting of the 15 signals and the reception of these signals after their interaction in Las. There is also a system for storing signals and obtained, and a processing module of these signals for the estimation of some known acoustic parameters for their relationship with properties mechanical visco-elastate bone.
.o The invention, in particular thanks to an automatic scanning of the ultrasonic beam provides a solution to the difficulties resulting from the futility of the devices current, particular with regard to precise positioning of (bone for your measurement and the location of the region where the measurement is made. The invention furthermore zs to carry out ultrasonic measurements in transmission through the bone and in reflection.
The collection of the signals reflected and disseminated by the internal architecture of Las provides additional information to that which is already contained in the signals that have been transmitted through the bone. So the device according the invention allows to obtain a much greater amount of information than that obtained by the 3o devices of known types. In addition, the invention brings a good best precision.
21 ~~~~ 1 ~
wo 9sizsiso ' As specified in the preamble of the present description, the method object of the invention makes it possible to obtain, in transmission mode, images parametric attenuation as a function of frequency and speed of propagation of the ultrasound beam, using a pair of focused transducers, placed opposite and operating at low frequency, ie at a center frequency between 100 kHz and 1 MHz.
The invention also makes it possible, in ultrasound mode, to produce images of reflectivity and to obtain an estimate of the attenuation and retro-to diffusion, using a single focused transducer or a pair of transducers focused, placed opposite, and operating at high frequency, that is to say tell a center frequency between 1 MHz and 10 MHz.
Finally, it is also possible, thanks to the method of the invention, to produce images of t5 refiectivity in ultrasound mode and obtain an average estimate of attenuation and / or backscattering coefficients as a function of frequency of ultrasonic beam, and also realize in transmission of images parametric attenuation as a function of frequency and speed of propagation of the ultrasonic beam. In this application, (invention .o works a pair of transducers placed in opposite and functioning with low frequency, that is to say at a center frequency between 100 kNz and 1 MHz, and a pair of focused transducers, placed opposite and operating at high frequency, that is to say at a center frequency between 1 MHz e (10 MHz.
a As already specified above. the device implementing the process according to the invention essentially comprises a module "Acquisition of the signal ultrasound "and a" Signal Processing "module.
The module has Acquisition »has for functions n the emission of the ultrasonic waves using the transducers defined below above ;
x ~~~ j10 WO 95 P26160 PCT1FR95IOa37G
The reception of ultrasonic waves, referred to as waves, for receiving waves ultrasound transmitted through fos, the reception of reflected waves and / or broadcast by the bone and its structures the scanning of the entire bone volume by the ultrasound beam.
Ge module zc Acquisition ~> is composed as defined above sources and ' ultrasonic receivers (focused transducer pair). The impetus ultrasonic thus radiated is transmitted in the medium of propagation with which elf interacts.
to As specified above, the measurement may be made in immersion for get a good coupling between the radiation source and the bone. The interaction ink the propagation medium and the incident wave give rise to a wave directly transmitted coherent ground) and to one or more reflective waves or disseminated by the bone and / or its internal structures.
This Acquisitton module also consists of a detection stage, amplification (eg automatic gain control) and conversion analog-digital signals, a computer, and a processor with sound classic environment. This part of the device is design classic and in Consequently, she did not describe herself.
This module further comprises, in this embodiment, the device mechanics ensuring the scanning of the ultrasound beam in a plane perpendicular to the propagation detection of ultrasonic beams. then of = s scan, the transmitter and the ultrasonic receiver perform the same movement, of synchronously, so that their relative position remains the same. This sweep is assured to (using two programmable speakers.
FIG. 2 is a general diagram of the device according to the invention assuring a ~ o operation only in transmission mode. This device has a transducer T1 for the emission, associated with a transducer T'1 for the reception, facing each other. The transducers are focused, the distance they are separate being equal to about twice the focal length. The transducer T'1 detects h 21 ~~~~ 0 Wa 95126160 PCT / Flt95l00376 waves emitted by the transducer Ti, and transforms them into an electrical signal who is amplified, scanned, and transferred to the computer.
FIG. 3 represents a general diagram of a device operating at the times in 'S transmission and reflection mode. An ultrasound transducer T2 or T3 is excited periodically so as to radiate an ultrasonic wave in the medium of spread. This wave interacts with the propagation medium and it undergoes a partial reflection and / or diffusion. Part of the incident energy is reflected at (entry of the bone, part of the energy transmitted in the bone is then broadcast by ~ o the internal structures of the latter and in particular retrodifFusée towards the transducer-T2 or T3 transmitter. It is this same transducer T2 or T3 which serves as receiver for detect the waves reflected by the bone and backscattered by the architecture internal of this last and to transform them into an electrical signal which is then amplified, digitized, and transferred to the computer. Transducer T2 or T3 is connected i5 electrically to the receiving stage. Combined use in reflection of two T2 and T3 transducers, placed opposite, can detect simultaneously the echoes of two opposite sides of the bone. We can thus perform a measurement automatic ultrasound of the thickness of the bone. In addition, a treatment of signal can be carried out later on backscattered and recorded signals by the ~ o T2 or T3 transducers to extract useful acoustic parameters for characterize the bone: attenuation as a function of frequency, cross-section of backscatter, texture parameter etc ...
To operate simultaneously in transmission and reflection with two pairs of ~ 5 transducers placed in opposite, it is preferably used solutïon illustrated by the FIG. 3 according to which three stages of generators are used pulse to control the transducers T1, T2 and T3, the excitations being sequential in time: Ti emits first, when T'1 has detected the emitted wave by Ti, transmits and detects reflected and backscattered signals. Finally T3 is excited to his ~ o turn.
Another cheaper, less expensive corn alternative is to use one single common impulse generator for the excitation of Ti, T2 transducers and ~ I84 ~ 1 ~
WO 95126160 i 0 T3. In this case, it is sufficient to provide a switch to direct (pulse exciter to a different transducer with each shot. This switch is connected to microprocessor that controls the switching. This variant was not represented.
s FIG. 4 shows the diagram of the acquisition by transmission. The The different stages of this acquisition are clearly apparent from this Fig.
io pn can use two solutions for the acquisition of data in transmission and reflection.
In the first solution illustrated in Figure 5 the data transmitted and reflected are recorded during a single scan. For each position X, Y, transducers T1, T2, T3 are excited successively. In fa second solution shown in Figure 6, the transmitted and reflected data are recorded during three different scans: the first scan is destined to (acquisition of data by the pair of transducers T1 and T'1 and the second and third scans are intended for the acquisition of data in reflection by the .a T2 and T3 transducers.
It is possible to acquire several signals in succession for a position fixed transducers. The improvement of the signailbruit ratio is obtained by intermediate of the average of these different acquisitions. In case this possibility 25 exists, the broadcast-reception is repeated as many times as necessary. A
Once this acquisition sequence has been completed, the position of the engines is incremented and (operation may be repeated.
As soon as the signal acquisition phase is over, all signals ~ o digitized are stored and the signal processing phase can so begin, either automatically or through an order of command initiated by (operator.
WO 95126160 ~ r ~ ~ ~ ~ PCTIFRJ5100376 The device embodying the present invention comprises, as well as specified above, a signal processing module. The general principle of Signal processing is illustrated by the scheme of Figure 7.
> This signal processing module includes a computer, a memory of mass and a set of signal processing software designed for (operating of the previously acquired data in transmission and / or in reflection. II comprises a a set of pre-programmed functions which make it possible following calculations to t5 - calculation of the attenuation (in dB) according to the transmission frequency - Calculation of the attenuation coefficient in function (in dBlMHz) of the frequency in transmission - calculation of the flight times of the signals transmitted through the bone - calculation of the thickness of the bone crossed at (location of the measurement ~ o - calcuB of the attenuation coefficient as a function of frequency (dBlcm.MHz) in transmission - caicul of the speed of propagation of ultrasound in transmission as - calculation of the attenuation (in d8) according to the frequency in reflection calculation of the attenuation coefficient as a function of frequency (dBlcm.MHz) in reflection so - calculation of the backscattering cross section (in dB) according to the frequency in reflection - calculation of the backscattering coefficient (dBlMHz) in reflection ~ '~~' r ~ 10 W0 95/26160 PCTlFR95 / 00376 - calculation of the integral backscattering coefficient (dB.MHz) in refiexian.
It is of course possible to add other processing functions of signal or image processing that can provide quantitative information useful to the characterization of fos {texture analysis for example).
The parameters are obtained for each position of the transducers, which allows to obtain a mapping of the parameters. Image processing is included in u the software thus allowing to select one or more rules of the measured, of any shape, for an estimation of a local average of the parameters.
The method of estimating parameters {attenuation and speed of propagation) in transmission is based on the comparison of a reference signal with a signal ts transmitted through fos.
The reference signal is a signal that has propagated in a medium whose acoustic characteristics (attenuation and velocity) are well known (water in this embodiment). The reference signal and the transmitted signals in the bone ~ o are registered under the same conditions. For example, the signal of reference can be acquired either at the start of the device or before each exam. You can also save a unique reference and store it in the computer memory to recall it after each exam.
We will now describe as an alternative form of treatment signals for certain functions performed by the method of the invention.
11 Estimation of the speed of propagation in transmission.
n / a The signal processing principle transmitted for the measurement of this speed is shown in the diagram in Figure 8. This treatment method therefore includes the following steps (~ r W 0 95126160 ~ _ ~ ~ "j ~ ~ I ~ pCT1FR95100376 - The transducers are in the X, Y position;
The transducer Ti emits and the wave thus emitted, transmitted through fos, is detected by the transducer-receiver T'1, then amplified, digitized, and transferred sure computer. Of course, and as specified above, for measurements to through the calcaneus, the transducers and the bone are placed in a bath whose temperature is thermostatically controlled (see Figure 1). This first measure is destined to the estimation of the flight time of the wave transmitted through the bone and the calculation of the difference between this flight time and that of the reference signal;
io The transducer T2 (or T1) emits and the transducer T2 (or T1) receives the signal as well emitted and reflected by the bone. The reflected ultrasonic wave is ampli fi ed, digitized, and transferred to computer.
rs - It is estimated the duration of the flight time of the echo which is reflected by the face input the bone facing the T2 (or T1) transducer;
- The transducer T3 (or T'1) emits and the transducer T3 (or T "1) ensures the reception of the signal reflected by the bone. The reflected wave is amplified, digitized, and transferred .o on computer.
- It is estimated the duration of the flight time of the echo reflected by the input face bone, which is turned towards T3 (or T'1).
These last two measurements are intended to calculate the thickness of the calcaneus at the place of the measure. The speed of propagation in transmission of the wave ultrasound is deduced in a known manner from the time of flight of merge between the two transducers. To estimate the speed of propagation, one must know thickness of the bone and this, according to the invention, is measured by ultrasound.
~ a FIG. 9 illustrates the principle of treatment of the ultrasound signal for the measured of this thickness. Indeed, by ultrasound, we can determine the distance separating a transducer from the face of the bone (face of interest). It is enough to identify the echo 21 ~~~ ;;
W0 95126160 ~; PCTlFRJ5J003 -6 from this face and measure his flight time. Each transducer T2 and T3 (or and T'1) is interrogated in turn in ultrasound mode, and is measured time of flight t1 and t2 echoes reflected by each of the opposite lateral faces of fos.
We deduce the thickness of the bone.
2 / Estimation of the attenuation coefficient in Transmission.
The principle of signal processing according to this particular mode is illustrated by the figure 1 ~ 0. It includes the following steps 1a - The transducers are initially in the X, Y position - The transducer T1 emits and the wave transmitted through the bone is detected by the transducer-receiver T'1, then it is amplified, digitized and transferred sure computer. As previously, for measurements through the calcaneum, in ~ 5 this embodiment, the transducers and the bone are placed in a bath whose temperature is controlled by thermostat (Fig. 1);
- Frequency spectra of the signal transmitted through the bone and the signal reference. The attenuation as a function of your frequency is obtained by comparison 2o of the spectrum of a reference signal recorded in water and that of the signal transmitted through the bone. The ultrasonic signal is of the impulse type and it includes several frequencies in the range between Q, 2 MHz and 1 MHz.
In order to overcome the variations related to the thickness of the calcaneum, it is necessary to compare v the attenuations related to the exact thickness (dBIMHz.cm) of the calcaneum at measuring point. It has been explained above how one can carry out in ultrasound mode an ultrasonic measurement of the thickness.
As with all heterogeneous media, the value of acoustic parameters ~ o depends on where the measurement is made. The scanning device of the device according to (invention makes it possible to explore the bone volume and to get a mapping of parameters. From the attenuation images according to the frequency and velocity of the ultrasonic wave, one can select a region of R'O 95! 26160 ~ 5 ~ y ~ ~ ~ ~ ~ PCTlFR95100376 measure (region of interest) and estimate an average of the parameters in this region. The software includes some simple processing functions image, in particular for the selection of measurement, shape and trench regions variables.
Image support is used to select measurement regions s identical in different patients or during repeated measurements in a patient even paüent.
Thus, the invention makes it possible to obtain, in particular, ultrasound imaging of the calcaneum (attenuation and velocity images) through the use of transducers focused, the images thus obtained being comparable to those obtained by to scan.
3 / Estimation of the attenuation coefficient and cross section of backscatter in reflection, according to the frequency.
The different stages of this method of processing the transmitted signals are the following - The transducers are at position X and Y;
.o The transducer T2 (or T3, or T1, or T'1) emits, - The transducer T2 (or T3, or T1, or T'1) ensures reception of the signal ultrasound backscattered by the internal architecture of the bone, this signal ë # ant then ~ 5 amplified, digitized, and transferred to computer.
- A sliding spectral analysis of the ultrasound signal is carried out, and a estimation of spectra as a function of depth;
~ o - The spectral centroids are calculated as a function of depth;
- The attenuation coefficient is calculated according to the frequency (dBlcm.MNzj in reflection ;
r1 ~ s:
~ 6 'L. i tF! ~') W095I26160 PCTlBIt95100376 - The spectral difference between the spectrum of the signal and a spectrum is calculated of reference, then calculate your effective backscattering section (in dB) function Frequency in reflection - The backscattering coefficient (dBIMHz) in reflection and - The integral backscattering coefficient (dB.MHz) is calculated in reflection.
The ultrasonic beam scanning makes it possible to perform an exploration of the totality of m bone volume Mitigation and backscatter coef fi cients are calculated for each position of the transducers. We can then estimate a local average of the parameters within a region of interest selected by the operator.
The attenuation can be estimated from the ultrasound signal radio frequency t ~ sampled. The principle of the calculation of the attenuation is based on an analysis time-frequency of the ultrasound signal.
The invention thus makes it possible to measure the backscattering cross-section in function of the frequency. It is known that the physical properties of the tissues bony This is highlighted by this measure.
It follows from reading the description which precedes that the invention brings a solution to the difficulties posed by the implementation of ultrasonic of bone analysis currently on the market the automatic scanning device of the ultrasonic beam makes it possible to solve The problem of precise positioning of the bone and the positioning of the region of extent of interest.
- The use of focused transducers allows to obtain images of good quality;
WO 95J26160 t ~ ~ ~ ~ '~ ~! ~ ~ ~ PCTlFR95100376 - It makes it possible to obtain ultrasonic measurements in transmission through las and in reflection ;
- It collects and processes reflected and / or broadcast signals by s the internal architecture of (os, which provides additional information those already in the signals that have been transmitted through the bone; So, the method and device objects of the invention provide a quantity information much higher than that provided by the devices according to the previous state of the while providing precision, reproducibility and sensitivity to better.
By the fields of application of the invention, it is specified above In this application, the invention provides a ph ~ sic method no traumatic evaluation of bone quality in vivo (mass, rigidity, architecture).
t5 We can thus appreciate quantitatively the risk of fracture associated to one decrease of the resistance of the bones, this diminution being as we know, a consequence of the phenomena of demineralization and modification of the bone architecture encountered in osteoporosis.
ao The description given above of embodiments of the invention does not is limited not to measurements of calcaneum and patella: there are of course other fields of application of the invention particularly with a view to monitoring degree of mineralization of the skeleton, in particular in order to follow the evolution of bone architecture or elasticity of the bone structure. Among these _5 applications, we can mention in particular Skeletal maturation in newborns;
Secondary osteoporosis, osteomalacia, etc ...
~ o - The monitoring of racehorses - The characterization of bone parts in vitro.
21 ~ 4: ~ i ~
at 'W0 95126160 PCT / FR95l0037G
It remains to be understood that the present invention is not limited to the modes of implementation and the embodiments described and / or represented here, But that it encompasses all variants. Thus (exemplary embodiment described here refers to measurements made in immersion. However, without leaving the frame of In the present invention, the measurements can be made by contact, in using a network of transducers and a coupling medium, beam scanning ultrasound can be provided electronically.
Claims (13)
- on utilise au moins un transducteur focalisé émettant un faisceau ultrasonore au travers de l'os;
- on réalise un balayage dudit faisceau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau ultrasonore;
- on recueille les signaux choisis d'un groupe comprenant des signaux transmis au-travers de l'os, des signaux réfléchis par les faces de l'os, des signaux diffusés par les structures internes de l'os et n'importe quelle combinaison de ces dits signaux;
- on met en mémoire les signaux obtenus et, - on traite les signaux ainsi stockés pour des mesures choisies d'un groupe comprenant la mesure de la vitesse de propagation du faisceau ultrasonore dans l'os, la mesure de l'épaisseur de l'os, la mesure du coefficient d'atténuation en transmission du faisceau ultrasonore, la mesure des paramètres de réflexion pour l'estimation des coefficients de rétrodiffusion et d'atténuation et n'importe quelle combinaison de ces dites mesures. 1. Method for in vivo evaluation and characterization of properties mechanical or architectural bones, by propagation of an ultrasonic wave through the bone and the study of the interaction of this wave with the bone, with a view of obtaining parametric images according to which:
- at least one focused transducer emitting a beam is used ultrasound through the bone;
- Said beam is scanned in a plane perpendicular to the direction of propagation of the ultrasonic beam;
- the selected signals are collected from a group comprising transmitted signals through the bone, signals reflected from the faces of the bone, signals diffused by the internal structures of the bone and any combination of these said signals;
- the signals obtained are stored and, - the signals thus stored are processed for selected measurements of a group comprising the measurement of the speed of propagation of the ultrasonic beam in the bone, the measurement of the thickness of the bone, the measurement of the coefficient attenuation in transmission of the ultrasonic beam, the measurement of the reflection parameters for estimating backscatter and attenuation coefficients and anything what combination of these said measures.
analyser, un module d'acquisition incluant les moyens d'émissions d'ultrasons et de réception des signaux ultrasonores après leur interaction dans l'os, un système de mise en mémoire des signaux ainsi obtenus et, un module de traitement desdits signaux pour l'estimation des paramètres acoustiques connus pour leur relation avec les propriétés mécaniques ou viscoélactiques de l'os caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception ultrasonores sont focalisés et en ce que le dispositif comprend des moyens permettant de réaliser un balayage du faisceau ultrasonore ainsi émis. 10. Device for implementing the method according to any one of claims 1 to 9 including transmitting and receiving means ultrasonics (12, 14) placed facing each other on either side of the bone analyze, a acquisition module including the means of ultrasound emissions and reception ultrasound signals after their interaction in the bone, a system for in memory of the signals thus obtained and, a module for processing said signals for the estimation of acoustic parameters known for their relationship with the mechanical or viscoelastic properties of bone characterized in that that said ultrasonic emission and reception means are focused and in this that the device comprises means making it possible to carry out a scanning of the ultrasonic beam thus emitted.
en ce qu'il comporte une enceinte (10) remplie d'un liquide, tel que l'eau, afin de réaliser les mesures en immersion. 13. Device according to any one of claims 10 to 12, characterized in that it comprises an enclosure (10) filled with a liquid, such as water, in order to carry out the measurements in immersion.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR94/03555 | 1994-03-25 | ||
| FR9403555A FR2717671B1 (en) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | Method and device for evaluating and characterizing the properties of bones. |
| PCT/FR1995/000376 WO1995026160A1 (en) | 1994-03-25 | 1995-03-24 | Method and device for estimating and characterising bone properties |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA2184510A1 CA2184510A1 (en) | 1995-10-05 |
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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-
1995
- 1995-03-24 CA CA002184510A patent/CA2184510C/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2184510A1 (en) | 1995-10-05 |
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