CN1300202A - 利用声发射的骨质疏松症诊断 - Google Patents

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Abstract

体内诊断骨质疏松症情况的方法,它包括以与所述患者皮肤接触的方式设置一个声传感器,以例如提举重物的方式对患者施加应力,利用所述声传感器检测声发射情况以提供由被诊病人的骨所引发的骨质疏松损伤程度的指示。

Description

利用声发射的骨质疏松症诊断
本发明涉及诊断骨质疏松症的测试方法，具体而言本发明包括通过检测声发射来检测骨质疏松症的方法。
骨质疏松症是一种有着广泛社会经济学意义的疾病，它导致臀骨、椎骨骨折，给患者带来剧烈的疼痛感，使其不便移动，通常需要进行手术。(在本发明之前)确定骨质疏松症的诊断测试手段是利用双X射线束装置的骨测光密度术，当然也可以采用诸如计算X线断层摄影术和磁共振成象和/或超声测量。所有这些方法由于相关的测试成本过高而未得到广泛应用。
双能量X射线吸收(DXA)和定量计算X线断层摄影术(QCT)测量骨的几乎应完全归于其钙含量的电子密度。这些程序提供了对骨质量的一种量度，因此也提供了对患者是否正患有骨质疏松症的一种指示，因为骨质疏松症患者在基质和材料方面均存在一定比例的损失。
目前正在研究定量的超声声图描记法(QUS)在骨质疏松症诊断中的应用。这一技术是基于骨所传播的信号或声波的传播速度的。
在于1995年2月12日公开的德国专利442451 A1中描述了利用声发射来检测骨损伤，比如裂缝或检测关节处磨损程度的概念。有关描述包括向骨施加负载，然后测量来自骨的声发射，以评估被检各骨头的的强度。在该德国专利中描述的声发射技术用于评估在裂缝形成期间生成或在关节移动期间生成的声信号，从而确定人骨在机械负载下各自的断裂负荷情况。该专利表明，为了检测裂缝，对信号的分析应当建立在所产生的信号的基础上，而为了确定关节磨损，即在诸如发生在关节中的摩擦期间，所作的分析应当建立在所产生信号的均方根之上。
1991年12月17日授予Gray等人的美国专利4836218描述了通过测量关节的声发射并将之和关节的位置相关来确定关节异常的方法(也可参见1985年10月24日WO85/04564)。
美国专利4437473描述了通过检测由关节移动所产生的声音评估关节情况的技术，特别是对延伸到亚音速频段的声发射的分析据发现对这些诊断工作是很重要的。
1989年4月25日授予Russell等的美国专利4823807所披露的技术类似于专利4437473，其中它描述了检查关节损伤的方法，其办法是确定两个骨头之间的角度，有角度地移动骨头，同时测量在相对角度移动期间由骨头之间的关节发射的声信号，并于此同时对所述的角度移动施加预选的阻力由此对关节加压。
对骨头进行体外检查已经是公知知识，并利用声发射技术对正常骨和发生骨质疏松症(化学方式的消化)的骨之间的差别进行了确定。参见Hasegawa等人的文章“Failure Characteristics of OsteoporoticVertebral Bodies Monitored by Acoustic Emission”(声发射所监视到的骨质疏松症椎骨体的损坏特征)，Spine 1993,column 2314～2320,和/或Hasegawa等人的“Mechanical properties of OsteopenicVertebral Bodies Monitored by Acoustic emission”(声发射所检测到的骨质疏松症椎骨体的机械特性)，Bone 1993,37-743。采用声发射来确定骨质疏松症的做法或体外确定骨质疏松症的尝试对于诊断病人的骨质疏松情况明显缺乏价值。
现有的骨质疏松诊断测试法过于昂贵，因而未广泛应用为筛选工具。本发明提供了测量骨质疏松症的简易实用的评估系统。这样的测试如果按更为例程化的方式进行的话将导致利用有此类用途的药物诸如双磷酸酯来治疗该疾病，对病人和社会均有益处。
本发明的一个目的是提供测量骨质疏松症的廉价、使用简便的评估系统。
本发明的另一个目的是提供利用声发射检测骨的骨质疏松损伤情况的的方法。
广义地说，本发明涉及体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，它包括以与所述患者的和待测骨相邻的皮肤表面成声接收接触的方式设置一个声传感器，对所述骨施加预选的应力以产生来自所述骨的声发射事件，利用所述声传感器检测声发射以提供声信号，并且分析所述声信号以确定骨质疏松症对所述骨的损伤程度(如果存在的话)。
优选的是，由所述声传感器检测到的所述声发射事件具有在20到100kHz之间的频段。
优选的是，所述分析所述声信号以确定骨质疏松症对所述骨的损伤程度(如果存在的话)的步骤包括对所述声信号进行筛选以提供能量/计数比≤2的事件，并且对所述能量/计数比≤2的事件进行处理以确定它们的总能量并且提供骨质疏松症严重程度的量度。
优选的是对能量/计数比≤2的事件的所述总能量进行筛选，以审查在对信号放大40dB之后累积能量大于200的事件。
优选的是，所述应力是由所述患者从静止位置举起重物而施加的，其中所述重物被举起到一定高度。
本发明的其它特点、目的和优势在结合附图阅读下文对本发明优选实施例的详细描述之后将会一目了然，其中：
图1是声成象测试系统的基本原理。
图2是将声传感器安装到待测患者身体上的安装系统的横截面。
图3是从图2底部仰视的视图。
图4是本发明应用到患者的简图图示。
图5和图6是可测量出的典型信号和各种特征。
图7是累加能量和骨的矿物密度(BMD)的曲线图，它展示了从17位骨密度已知(即，骨质疏松症程度已知)的不同患者获得的结果。
在详细说明本发明方法之前，在图1阐明声发射声波分析法的基本原理。如该图所示，源10即被测的材料或个人(受标号12所示的施加应力的作用)，它产生由圆圈14所简要表示的声发射。声传感器16检测到该声波14，并产生代表由检测器16检测到的声波的电信号，该电信号通常由前置放大器20(靠近传感器16设置)放大，并作为信号18(声信号)送往由箭头22简要表示的检测和测量电子电路。
这种非破坏性的测试方法如上所述已被许多不同的应用场合采用。
为了确定声发射是否可用于检测骨质疏松症，有必要提供将声传感器安装在皮肤上并将声传感器和皮肤有效耦合的系统，使得由于骨质疏松症而产生的信号可以被检测到。为此用途而采用的装置如图2和3所示，根据图示它由柱形保持器30构成，该保持器具有基本上为径向的法兰32，该法兰位于一个环形的自粘衬垫34之下并将柱形保持器30连接到衬垫34，衬垫34经在其表面上的粘合层36粘结到皮肤上。柱形声传感器38以滑动配合的形式设置在柱形袖套30内，在图2和3中保持器30的内表面和传感器38的相邻面之间的间隙40作了一定程度的夸大。通常在传感器38的末端上施加一个粘结带(未表示)，并用于更好地将传感器保持在患者身上适当位置。
一种适当的声凝胶(acoustic gel)42施加在传感器38和待测患者皮肤表面之间的表面上。这种声凝胶有助于声波从身体，即受测体的皮肤传输到传感器38，使得所得到的信号仍然足以达到其要求。
实施本发明所适用的一种传感器是压电换能器，其工作频段为20-100kHz，其共振点在约60kHz。所选择的频段允许和骨质疏松症有关的信号能够在未受到不适当衰减的情况下传输到传感器，同时使来自不相关源的噪声减至最小。例如，由Physical Acoustics公司(New Jersey)所提供的直径为17.5mm的RG传感器即可以满足这些要求。
如图4所示，在实施本发明的时候，患者100身上设置一个传感器102，即优选利用图2和3所示的安装系统(上述传感器38和标号102所指明的传感器是等效的)。传感器102将传感器102所检测并且由前置放大器(未图示但等效于上文所述的前置放大器20)放大的信号送往计算机104(等效于图1中由箭头22简要表示的测量电子电路)，该计算机104具有输入键盘106和显示所获得结果的显示器108。很显然，计算机104也可以连接到如标号110所指的适当打印机或其它任何适当的输出装置。
为了实施本发明，受检体100持有一只或一对杠铃112或相似物体，并受指示按箭头114所指方向从静止的支撑面111提起杠铃。重物112平放在表面111上时所检测到的声发射提供了对背景的一个指示，而杠铃或重物的提起意味着对骨施加了应力，导致由患者100的骨产生一次声发射，这些声发射由检测器或传感器102检测。传感器优选设置在腰锥骨1或2(L1或L2)处，因为这是进行DXA测量的骨头。但是传感器可以设置在检测任何适当的骨在应力下的声发射的部位。
所获得的脉冲式声发射信号经前置放大器20放大，该前置放大器20紧靠传感器102(38)设置。前置放大器20的设定放大倍数是约30dB到60dB，数据采集所采用的信号阈值如标号50(图5和6)所示，设定为在放大程度(degree of amplification)之下大约10dB。可以对图5所示的信号进行分析，以确定过阈值脉冲(也称之为过阈值次数或计数52)。图6表示了由脉冲式声发射获得的其它常用参数。它们是上升时间54，持续时间56，幅度57和MARSE或能量58。在调整后的信号包络下的测量区(MARSE或能量)和幅度57和持续时间56有关，而较少依赖于阈值设定值50和工作频率。
体外声发射测试所获得的累积能量和X射线骨矿物密度(BMD-L1)作比较，后者也是利用常规的双能量X射线分析法(DXA)体外测量得到的。BMD-L1是在结合累积能量的情况下在从声发射测试开始起3秒到30秒的时间段内得到检查的。据发现累积能量和BMD L1之间的相关性在负载保持的早期，即从声发射测试开始起小于约5秒钟的阶段内是最佳的。
图7是声发射测试的前3秒期间累积能量对X射线矿物密度(两者均为体外测量值)的关系图，它清楚地表明其声发射测试的前3秒期间获得的累积能量随X射线骨矿物密度的减少而增加。
对从无先知骨质疏松症史的人获得的声发射事件和从那些利用双能量X射线吸收法(DXA)诊断患有骨质疏松症的患者获得的声发射事件进行比较。据发现，能量/计数比大于2(＞2)的许多声发射事件对两者是共同的。因此这样的信号(能量/计数＞2)被认为和骨质疏松症无关。
能量/计数比低于或等于2(≤2)的事件也存在于这两类受检体中，但是，没有已知骨质疏松症史的对象要么产生少量能量/计数比≤2的事件，要么就根本不产生此类事件。具有骨质疏松症史(经DXA诊断)的对象产生了许多能量/计数比□2的事件，因此具有能量/计数≤2的事件被认为和骨质疏松症相关。采用一个过滤准则来除去能量/计数＞2的事件，而能量/计数≤2的过滤后的事件用于表征骨质疏松症。
MARSE或能量(图6中的58)用于表征骨质疏松症的严重程度。和所有能量/计数□2的事件相关的MARSE或能量被相加，以获得“累积能量”(绘制在图7的Y轴或垂直轴上)。由声发射测试获得的这一参数(累积能量)产生的结果和那些按常规DXA测试方法获得的相似(图7)。
实例
为了确定本发明在检测骨质疏松症方面的有效性，一系列骨质疏松症程度不同的对象进行了如下的测试：
患者坐在无靠背的凳子上，并在一个腰椎骨(该椎骨通常标记为L1)的背面贴上一个压电检测器(直径为17.5毫米)，在该传感器和患者之间设置声学凝胶。在传感器如此设置之后，患者被要求通过约90度的肘运动从静止位置提举两个1.5kg的重物，即在支承物111上的重物，保持手臂基本水平。
所获得的信号利用前置放大器20放大，该放大器20紧靠处于L1位置的传感器102(38)设置。前置放大器设置在40dB，而为便于数据采集信号阈值设置在30dB。分析该信号以测量上升时间，计数(过阈值数)，能量，持续时间和幅度，而能量和计数以能量/计数比的形式定义图7所表示的累积能量。
基于能量/计数比等于或小于2(即≤2)的原则分析这些由骨质疏松症程度不同的患者所产生的信号。
如图7所示，当测量得到的累积能量超出约200单位(基于前置放大器20对信号所作的40dB放大)时，骨矿物密度明显低于一般被接受作为所有病人的临床骨质疏松标准的0.8g/cm2。
在上文对本发明的描述之后，各种修改对本领域的技术人员来说将是一目了然的，而不偏离后附的权利要求书中定义的本发明的范围。

Claims (11)

1．体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，它包括以与所述患者的和待测骨相邻的皮肤表面成声接收接触的方式设置一个声传感器，对所述骨施加预选的应力以产生来自所述骨的声发射事件，利用所述声传感器检测声发射情况以提供声信号，并且分析所述声信号以确定骨质疏松症，如果存在的话，对所述骨的损伤程度。
2．根据权利要求1所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于由所述声传感器检测到的所述声发射事件具有在20到100kHz之间的频段。
3．根据权利要求1所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述分析所述声信号以确定骨质疏松症，如果存在的话，对所述骨的损伤程度的步骤包括对所述声信号进行筛选以提供能量/计数比≤2的事件。
4．根据权利要求1所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述分析所述声信号以确定骨质疏松症，如果存在的话，对所述骨的损伤程度的步骤还包括对所述能量/计数比≤2的事件进行处理以确定它们的总能量并且提供骨质疏松症严重程度的量度。
5．根据权利要求4所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述总能量是基于从检测所述声发射开始的3秒期间的能量的。
6．根据权利要求4所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于对能量/计数比≤2的事件的所述总能量进行筛选，以审查在对信号放大40dB之后累积能量大于200的事件。
7．根据权利要求2所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述分析所述信号以确定骨质疏松症对所述骨的损伤程度的步骤包括对所述声信号进行筛选以提供能量/计数比≤2的事件。
8．根据权利要求6所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述分析所述声信号以确定骨质疏松症，如果存在的话，对所述骨的损伤程度的步骤还包括对所述能量/计数比≤2的事件进行处理以确定它们的总能量并且提供骨质疏松症严重程度的量度。
9．根据权利要求8所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述总能量是基于从检测所述声发射开始的3秒期间的能量的。
10．根据权利要求8所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于对能量/计数比≤2的事件的所述总能量进行筛选，以审查在对信号放大40dB之后累积能量大于200的事件。
11．根据权利要求1-10之一所述的体内诊断骨质疏松症对患者骨的损伤情况的方法，其特征在于所述施加应力的步骤包括由所述患者从静止位置举起重物，其中所述重物被举起到一定高度。
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