DE102004029902B4 - Device for determining bone density by means of ultrasound - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen der Flächendichte BMD mit zwei mit bekanntem Abstand einander gegenüberliegenden Ultraschallwandlern, einer Auswerteinheit, die die Flächendichte BMD aus der Zeit berechnet, welche die Schallwelle zum Durchqueren der Strecke zwischen den Wandlern benötigt und einer Recheneinheit, die Korrekturgrößen berücksichtigt, welche aus Schalllaufzeiten im Weichgewebe und in einem Koppelmedium zwischen Körperoberfläche und Ultraschallwandlern bestimmt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Korrekturgrößen aus den Laufzeiten t1, t2 der nach Durchdringen des Weichgewebes und des Koppelmediums an der dem jeweiligen Wandler T1, T2 zugewandten Knochenoberfläche reflektierten Ultraschallimpulse und der Laufzeit t der durch den Knochen und das Weichgewebe und des Koppelmediums transmittierten Ultraschallimpulse berechnet werden,
die Dicke des Weichgewebes und des Koppelmediums aus den Laufzeiten t1, t2 der reflektierten Ultraschallimpulse unter Annahme einer bestimmten Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe berechnet, und die Knochendicke DB durch Subtraktion der Dicke des Weichgewebes und des Koppelmediums vom bekannten Abstand der Wandler T1, T2 voneinander...DB = EPODOC & ... PN = EP0995983 Device for determining the area density BMD with two ultrasound transducers, known to each other at a known distance, an evaluation unit which calculates the area density BMD from the time required by the sound wave for traversing the path between the transducers and a computation unit which takes into account correction magnitudes resulting from sound propagation times Soft tissues and are determined in a coupling medium between body surface and ultrasound transducers,
characterized in that
the correction quantities from the transit times t 1 , t 2 of the ultrasonic pulses reflected after passing through the soft tissue and the coupling medium at the bone surface facing the respective transducer T 1 , T 2 and the transit time t of the ultrasonic pulses transmitted through the bone and the soft tissue and the coupling medium .
the thickness of the soft tissue and the coupling medium from the transit times t 1 , t 2 of the reflected ultrasonic pulses calculated assuming a certain speed of sound in soft tissue, and the bone thickness D B by subtracting the thickness of the soft tissue and the coupling medium from the known distance of the transducers T 1 , T. 2 from each other ...

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Description

Osteoporose ist eine systemische Skeletterkrankung, die durch eine niedrige Knochenmasse und Störung der Mikroarchitektur des Knochengewebes charakterisiert ist. Sie ist eine komplexe, multifaktorielle, chronische Erkrankung, die über Dekaden hinweg symptomlos verlaufen kann, bis der Knochenverlust eine Grenze erreicht, die im Folgenden zu einer erhöhten Knochenbrüchigkeit und Frakturanfälligkeit führt. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass mit der Erniedrigung der Knochendichte das Risiko für Frakturen steigt.osteoporosis is a systemic skeletal disease characterized by a low Bone mass and disorder Microarchitecture of bone tissue is characterized. she is a complex, multifactorial, chronic disease that persists for decades asymptomatic until bone loss reaches a limit, the following to an increased bone fragility and fracture susceptibility leads. Various studies have shown that with the humiliation of Bone density the risk for Fractures is increasing.

Die klinische Osteoporosediagnostik umfasst mehrere Schritte und hat zum Ziel, ein individuelles Risikoprofil zu erstellen, woran sich die Therapieentscheidung orientiert. Bei der nichtinvasiven Bestimmung der Knochendichte sind grundsätzlich zwei methodische Ansätze zu unterscheiden – die Messung mit ionisierender Strahlung und die akustischen Messverfahren mit Ultraschall. Bei den Messverfahren mit ionisierender Strahlung wird der Knochenmineralsalzgehalt mittels Single- oder Dual-Photonen-Absorptionsmetrie (SPA oder DPA), Dual-Röntgen-Absorptionsmetrie (DXA) oder Quantitativer Computertomographie (QCT) bestimmt. Diese Verfahren messen mittels ionisierender Strahlung den Mineralsalzgehalt im Knochen, erkennen aber nicht seine mechanischen Qualitäten.The Clinical osteoporosis diagnostics involves several steps and has the goal is to create an individual risk profile, which is the therapeutic decision oriented. In non-invasive determination the bone density are basically two methodological approaches to distinguish - the Measurement with ionizing radiation and the acoustic measuring methods with ultrasound. In the measurement methods with ionizing radiation the bone mineral salt content is determined by single or dual photon absorption metry (SPA or DPA), dual X-ray absorption metric (DXA) or Quantitative Computed Tomography (QCT). These Methods measure by means of ionizing radiation the mineral salt content in the bone, but do not recognize its mechanical qualities.

Quantitativer Ultraschall (QUS) stellt eine Alternative zur Röntgenstrahldensitometrie dar. Mittels Ultraschall kann die frequenzabhängige Schallabschwächung (BUA) und die Ultraschalttransmissionsgeschwindigkeit (SOS) im Knochen ermittelt werden. Da diese Parameter mit den mechanischen und strukturellen Eigenschaften des Knochens korrelieren, eignen sich Ultraschalltechniken dazu, die Elastizität, Geometrie und Struktur des Knochens darzustellen und so das Risiko für osteoporotische Frakturen einzuschätzen.quantitative Ultrasound (QUS) is an alternative to X-ray densitometry. Using ultrasound, the frequency-dependent sound attenuation (BUA) and the ultrasound transmission rate (SOS) in the bone be determined. Because these parameters with the mechanical and structural Properties of the bone correlate, are suitable ultrasound techniques to that, the elasticity, To represent geometry and structure of the bone and so the risk for osteoporotic Assess fractures.

Es sind verschiedene Ultraschall-Meßmethoden zur Messung von Knocheneigenschaften bekannt. Diese Verfahren sind durch unterschiedliche Modi der Ultraschallausbreitung charakterisiert und hängen im Wesentlichen von den strukturellen Eigenschaften des Knochens ab.It are different ultrasonic measuring methods for measuring bone characteristics known. These methods are characterized by different modes of ultrasonic propagation characterized and hanging essentially from the structural characteristics of the bone from.

Die Ultraschalltransmission beschreibt die Aussendung eines Schallsignals und den Empfang, nachdem dieses den Knochen durchdrungen hat. Gemäß der komplexen Natur der Schallausbreitung sind auch die Änderungen im Schallsignal komplex, was die Möglichkeit eröffnet, mit verschiedenen Verfahren der Signalanalyse Variablen aus dem Signal zu extrahieren, die potentiell verschiedene Knocheneigenschaften wiedergeben. Signalveränderungen hängen von der Masse und Struktur des trabekulären Knochens und der Dicke und Struktur des kortikalen Knochens ab.The Ultrasonic transmission describes the emission of a sound signal and the reception after it has penetrated the bone. According to the complex Nature of sound propagation are also the changes in the sound signal complex what the possibility opened, with different methods of signal analysis variables from the Signal to extract the potentially different bone characteristics play. Signal changes depend on the mass and structure of the trabecular bone and the thickness and structure of the cortical bone.

Das Charakteristikum der Quertransmission der Spongiosa ist die Durchschallung eines überwiegend trabekulären Knochens mit Hilfe zweier sich gegenüberstehender Schallwandler. Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen in der Art der Schalleinkopplung (Wasserbad, Gel) und in der Verwendung feststehender oder scannender Schallwandler. Die derzeit kommerziell erhältlichen Ultraschall-Systeme (z. B. Achilles Insight, Fa. GE-Lunar; DTU-one, Fa. OSI/Osteometer; Cuba Clinical, Fa. McCue; QUS-2, Fa. Metra) wurden für Messungen der Knochendichte an einigen peripheren Messorten, hauptsächlich am Kalkaneus entwickelt.The Characteristic of the transverse transmission of cancellous bone is the sound transmission one predominantly trabecular Bone with the help of two opposing transducers. Differences between the methods exist in the type of sound coupling (Water bath, gel) and in use fixed or scanning Sound transducers. The currently commercially available ultrasonic systems (eg Achilles Insight, GE-Lunar, DTU-one, OSI / Osteometer, Cuba Clinical, Fa. McCue; QUS-2, Metra) were used for bone mineral density measurements developed at some peripheral sites, mainly at the calcaneus.

Die Quertransmission der Kortikalis arbeitet ebenfalls mit zwei gegenüberliegenden Schallwandlern und der Querdurchschallung des Knochens und kann ausschließlich bei Knochen eingesetzt werden, die von zwei gegenüberliegenden Seiten zugänglich sind. Als einzige Knochen werden klinisch zurzeit die proximalen Phalangen an der distalen Metaphyse gemessen.The Transverse transmission of the cortex also works with two opposite Sound transducers and the cross-sounding of the bone and can exclusively used in bones that are opposed by two Pages are accessible. The only bones currently being clinically proximal phalanges measured at the distal metaphysis.

Bei der Längstransmission der Kortikalis wird die Schallausbreitung in einer dünnen Schicht unter der Knochenoberfläche gemessen. Zurzeit gebräuchliche Messorte sind Tibia, Palanx, Metatasale und Radius. Die Längstransmission lässt sich prinzipiell an allen Stellen des Skeletts bestimmen, die von einer Seite ohne zu dicke Weichteilschichten erreichbar sind.at the longitudinal transmission the cortical becomes the sound propagation in a thin layer under the bone surface measured. Currently in use Locations include Tibia, Palanx, Metatasal and Radius. The longitudinal transmission let yourself in principle determine at all points of the skeleton, that of a Page can be reached without too thick soft tissue layers.

Die US 6468215 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der so genannten axialen Transmission an kompakten Knochen. Hier wird die Welle analysiert, die entlang der Knochenachse ein Stück durch die Kompakta läuft.The US 6468215 describes a device for measuring the so-called axial transmission of compact bones. Here, the wave is analyzed, which runs along the bone axis a bit through the Kompakta.

Für Ultraschalluntersuchungen an Knochen, die von dickem Weichgewebe umschlossen sind, ist es oft unerlässlich, die genaue Lage des Knochens zunächst zu ermitteln. Dies kann nahe liegend ebenfalls durch Ultraschallmessung geschehen.For ultrasound examinations it is on bones that are surrounded by thick soft tissue often indispensable, the exact location of the bone first to investigate. This can be obvious also by ultrasonic measurement happen.

Beispielsweise mit Hilfe der Oberflächendarstellung (surfacce rendering) wird die Lage der Knochenoberflächen ausgemessen und in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt ( EP1059612 ). Bei diesem Verfahren wird ein Schallimpuls von einem Schallwandler ausgesandt und von der Knochenoberfläche reflektiert. Durch Abscannen in zwei linearen Richtungen kann die Knochenoberfläche in einem größeren Areal dargestellt werden.For example, with the help of surface rendering (surfacce rendering), the position of the bone surfaces is measured and displayed in a three-dimensional coordinate system ( EP1059612 ). In this method, a sound pulse is emitted by a transducer and reflected from the bone surface. By scanning in two linear directions, the bone surface can be displayed in a larger area.

Die beschriebenen Ultraschallverfahren finden bisher nur an einigen peripheren Messorten, hauptsächlich dem Kalkaneus, Anwendung. Sie gestatten zwar die Abschätzung eines osteoporotischen Frakturrisikos am Skelett (z. B. Femur, Wirbelkörper und Unterarm), das Frakturrisiko des Femurs lässt sich jedoch deutlich besser durch eine Messung direkt an diesem Ort abschätzen. Insbesondere die Kortikalis des Femurhalses besitzt eine nennenswerte Bedeutung für die Bruchfestigkeit. Anders als am Kalkaneus lässt sich die Position und Ausrichtung des Femurs jedoch nicht durch äußere Fixierungsmaßnahmen festlegen.The ultrasound methods described hitherto only found at some peripheral measuring locations, mainly the calcaneus, application. Although they permit the estimation of an osteoporotic fracture risk on the skeleton (eg femur, vertebral body and forearm), the fracture risk of the femur can be assessed much better by measuring directly at this location. In particular, the cortical bone of the femoral neck has a significant importance for the breaking strength. Unlike the calcaneus, however, the position and orientation of the femur can not be determined by external fixation measures.

Insbesondere an zentralen Stellen des Skeletts (z. B. am proximalen Femur) beeinflussen den Knochen umgebende Weichteile die Schalllaufzeit bei der Durchschallung der Femurregion. Muskel- und Fettschichten stellen eine potentielle Fehlerquelle dar und erschweren die Definition der interessierenden Messregion (region of interest, ROI).Especially at central sites of the skeleton (eg at the proximal femur) soft tissue surrounding the bone, the sound transit time during the sound transmission the femur region. Muscle and fat layers pose a potential Error source and complicate the definition of the interested Measurement region (region of interest, ROI).

Die Schallgeschwindigkeit im trabekulären Knochen hängt von der Anzahl und Dicke der Trabekel sowie ihrer Anordnung ab. Bei geringer Variabilität in der Anordnung ist die Schallgeschwindigkeit in guter Näherung ein Maß für die apparente Knochendichte, das Verhältnis zwischen der Mineralmasse und dem eingenommenen Volumen. Dabei stellt die Schallgeschwindigkeit im Knochenmark die untere Grenze dar. Knochensubstanz erhöht. diesen Wert. Die relative Änderung der Schallgeschwindigkeit ist also deutlich kleiner als die relative Änderung der Knochendichte.The Speed of sound in trabecular bone depends on the number and thickness of the trabecula and their arrangement. at low variability in the arrangement, the speed of sound is in good approximation Measure of the apparent Bone density, the ratio between the mineral mass and the occupied volume. It puts the speed of sound in the bone marrow is the lower limit. Bone substance increased. this value. The relative change The speed of sound is thus much smaller than the relative change the bone density.

Für die Bestimmung der mittleren Schallgeschwindigkeit im Knochen ist die Kenntnis der Laufzeit tB im Knochen und der Dicke DB des Knochens nötig. Dann lässt sich die Schallgeschwindigkeit berechnen mit SOSB= DB/tB. Fehler in der Bestimmung von DB wirken sich direkt auf die Genauigkeit von SOSB und stärker auf die Genauigkeit der Knochendichtebestimmung aus.To determine the average speed of sound in the bone, it is necessary to know the transit time t B in the bone and the thickness D B of the bone. Then the speed of sound can be calculated as SOS B = D B / t B. Errors in the determination of D B have a direct impact on the accuracy of SOS B and more on the accuracy of the bone density determination.

Die Knochendicke lässt sich prinzipiell aus der Laufzeit der reflektierten Signale bestimmen. Dazu muss die Schallgeschwindigkeit in den Weichteilen allerdings als bekannt vorausgesetzt werden. Variabilitäten in dieser Schallgeschwindigkeit erhöhen also den Fehler in der Dickenbestimmung. Dieser Effekt und Unsicherheiten in der Laufzeitmessung des reflektierten Signals verhindern, dass die Dicke und damit die Schallgeschwindigkeit im Knochen mit einer Genauigkeit gemessen werden kann, welche eine vernünftige Abschätzung der Knochendichte gestattet.The Bone thickness leaves in principle determine from the transit time of the reflected signals. To However, the speed of sound in the soft tissues must be considered be assumed to be known. Variabilities in this speed of sound increase So the error in the thickness determination. This effect and uncertainties in the transit time measurement of the reflected signal prevent the thickness and thus the speed of sound in the bone with a Accuracy can be measured, which is a reasonable estimate of Bone density allowed.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die am zentralen Skelett die Messung der Knochendichte über die Laufzeitmessung von Ultraschall im Knochengewebe mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erlaubt. Insbesondere soll die Vorrichtung dabei zur Untersuchung am Femur geeignet sein.It The object of the invention is to provide a device which at the central skeleton the measurement of the bone density over the Transit time measurement of ultrasound in bone tissue with high accuracy and reproducibility allowed. In particular, the device should be suitable for examination on the femur.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Der Unteranspruch gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung an.The Task is solved by a device having the features of the main claim. The dependent claim indicates an advantageous embodiment.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden folgende Figuren verwendet:to closer explanation The invention uses the following figures:

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Angaben zu den vorgesehenen Bewegungsmöglichkeiten, 1 shows an embodiment of the device according to the invention with information on the intended movement possibilities,

2 stellt den in der Vorrichtung implementierten Messalgorithmus zur Bestimmung der Knochendichte als Ablaufdiagramm verkürzt dar, 2 Fig. 3 shows the bone-density determination algorithm implemented in the device shortened as a flowchart;

3 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Kapselung der Messvorrichtung für eine verbesserte Ankopplung der Schallwandler an dickes Weichgewebe. 3 shows a schematic diagram of the encapsulation of the measuring device for an improved coupling of the sound transducer to thick soft tissue.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst notwendig zwei aufeinander zu gerichtete Ultraschallwandler, die – in einer möglichen Ausführungsform gemäß 1 – an einer Gabel angeordnet und hinsichtlich ihrer relativen Orientierung und ihres Abstandes zueinander fixiert sind. Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zur präzisen Ausrichtung der Gabel relativ zu einer Referenzebene, die durch charakteristische Punkte des zu untersuchenden Knochens definiert wird. Einzelheiten der Positioniervorrichtung sind Gegenstand eines parallelen Patentbegehrens und werden hier nicht wiedergegeben.The device according to the invention necessarily comprises two ultrasound transducers facing each other, which - in one possible embodiment according to FIG 1 - Are arranged on a fork and fixed with respect to their relative orientation and their distance from each other. The apparatus further comprises means for precisely aligning the fork relative to a reference plane defined by characteristic points of the bone to be examined. Details of the positioning device are the subject of a parallel patent application and are not reproduced here.

Die Vorrichtung ist für den scannenden Betrieb entlang einer beliebigen planaren oder sogar gekrümmten Fläche vorgesehen. Entsprechende Stellantriebe sind vorgesehen und werden ebenfalls anderswo beschrieben.The Device is for provided the scanning operation along any planar or even curved surface. Corresponding actuators are provided and are also elsewhere described.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Ultraschallwandler zugleich als Sender und Empfänger eingesetzt, d. h. es werden transmittierte und reflektierte Schallsignale – üblicherweise simultan – aufgezeichnet. Die Laufzeiten dieser Signale werden gemessen als Zeitspanne zwischen dem vorgegebenen Zeitpunkt des Aussendens eines Signals und dem Eintreffen des ersten Schallanteils am gleichen (gegenüberliegenden) Schallwandler für die reflektierte (transmittierte) Strahlung. Die Vorrichtung umfasst dafür eine elektronische Einrichtung zur hochgenauen Zeitmessung.at the device according to the invention the ultrasonic transducers are used at the same time as transmitter and receiver, d. H. it will be transmitted and reflected sound signals - usually simultaneously - recorded. The transit times of these signals are measured as a time span between the predetermined time of sending a signal and the Arrival of the first sound portion at the same (opposite) Sound transducer for the reflected (transmitted) radiation. The device comprises for one electronic device for high-precision time measurement.

Die folgenden Ausführungen sind konkret auf den Femur gerichtet, was ihre Übertragung auf andere Skelettbereiche allerdings nicht grundsätzlich einschränken soll. Das nachfolgend beschriebene Prinzip ist in einer Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, z. B. als Programm oder als elektronische Schaltung, implementiert und kann auf beliebige Knochen angewandt werden. Über die Aussagekraft – Interpretation – der von der Vorrichtung ermittelten Knochendichtewerte kann und soll hier keine allgemeingültige Aussage für das gesamte Skelett gemacht werden.The following statements are specifically directed to the femur, which should not restrict their transmission to other skeletal areas, however, in principle. The principle described below is in an evaluation of erfindungsge MAESSEN device, z. As a program or electronic circuit, implemented and can be applied to any bone. The meaningfulness - interpretation - of the bone density values determined by the device can not and should not be made a generally valid statement for the entire skeleton here.

Die zurzeit beste quantitative Größe zur Bestimmung der Bruchfestigkeit des Femurs ist nicht die volumetrische Knochendichte sondern eine radiologisch gemessene Flächendichte, genannt Bone Mineral Density (BMD). BMD ist das Produkt aus Volumendichte und Dicke des Knochens.The currently best quantitative size for determination The fracture strength of the femur is not the volumetric bone density but a radiologically measured surface density, called bone mineral Density (BMD). BMD is the product of volume density and thickness of the Bone.

Erfindungsgemäß werden drei Schalllaufzeiten von der Vorrichtung ermittelt:

  • – die gesamte Schalllaufzeit zwischen den Wandlern t
  • – die Laufzeiten zwischen den Wandlern und den jeweils gegenüberliegenden Knochenoberflächen (= Hälfte der Zeit zwischen dem Zeitpunkt der Abstrahlung und dem Zeitpunkt des Empfangs der Welle an einem Wandler) t1, t2.
According to the invention, three sound transit times are determined by the device:
  • - the total sound propagation time between the transducers t
  • - The transit times between the transducers and the opposite bone surfaces (= half the time between the time of radiation and the time of receipt of the wave to a transducer) t 1 , t 2 .

Die Laufzeit des Schalls im Knochen tB ergibt sich unmittelbar als Differenz tB = t – t1/2 – t2/2 (1) The duration of the sound in the bone t B results directly as a difference t B = t - t 1 / 2 - t 2 / 2 (1)

Die Knochendicke DB wird aus den Laufzeiten t1 und t2 der reflektierten Signale berechnet, wobei man eine Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe zwischen 1460 und 1540 m/s anzunehmen hat. Die Dicken der Weichteilschichten beiderseits des Femur werden berechnet und vom bekannten, konstanten Wandlerabstand abgezogen. Wie oben erwähnt, ist die Unsicherheit bei der Vorgabe der Schallgeschwindigkeit ein Grund für die Ungenauigkeit von DB.The bone thickness D B is calculated from the transit times t 1 and t 2 of the reflected signals, assuming a velocity of sound in the soft tissue between 1460 and 1540 m / s. The thicknesses of the soft tissue layers on both sides of the femur are calculated and subtracted from the known, constant transducer distance. As mentioned above, the uncertainty in the specification of the speed of sound is one reason for the inaccuracy of D B.

Die Schallgeschwindigkeit im Knochen SOSB hängt im klinisch relevanten Bereich näherungsweise linear von der volumetrischen Knochendichte ab. 1/SOSB = C – K·Dichte (2) The speed of sound in bone SOS B depends approximately linearly on the volumetric bone density in the clinically relevant area. 1 / SOS B = C - K · Density (2)

SOSm ist die Geschwindigkeit des gelben Knochenmarks im Femur und annähernd konstant. K und C sind empirisch zu bestimmende Proportionalitätsfaktoren (s. u.).SOS m is the speed of the yellow bone marrow in the femur and approximately constant. K and C are proportionality factors to be determined empirically (see below).

Multiplikation von (2) mit der Knochendicke DB liefert: tB = DB·C – K·BMD (3)denn wie oben schon dargelegt, ist die radiologisch messbare Flächendichte BMD gerade das Produkt aus Knochendicke und Volumendichte. Löst man (3) nach BMD auf, so gilt: BMD = (DB·C – tB)/K(4)Multiplication of (2) with the bone thickness D B provides: t B = D B · C - K · BMD (3) As already explained above, the radiologically measurable area density BMD is precisely the product of bone thickness and volume density. If one solves (3) for BMD, then: BMD = (D B * C -t B ) / K (4)

Es sind auch andere, empirisch zu ermittelnde Formeln denkbar, gemeinsam ist allen, dass tB als hauptsächliche Bestimmungsgröße für BMD eingeht, während DB als Korrekturterm mit geringerem Einfluss eingeht.Other formulas to be determined empirically are also conceivable; it is common to all that t B enters as the main determinant of BMD, while D B enters as a correction term with less influence.

Da die ungenaue Knochendicke DB in dieser Formel nur als Korrekturterm eingeht, ist der resultierende Fehler in BMD deutlich geringer als bei der Bestimmung der Volumendichte. Es ist der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass sie BMD unmittelbar aus dem genau zu messenden tB ohne den Umweg über unsichere Schallgeschwindigkeiten ermittelt.Since the inaccurate bone thickness D B in this formula only enters as a correction term, the resulting error in BMD is significantly lower than in the determination of the volume density. It is the essential advantage of the device according to the invention that it determines BMD directly from the exactly to be measured t B without the detour via unsafe sound velocities.

Die Proportionalitätsfaktoren K und C sind am besten empirisch zu bestimmen. Hierfür vergleicht man z. B. an ex vivo Knochenproben Ultraschallmessungen gemäß (4) mit radiologischen Vergleichsmessungen, wobei DB natürlich genau messbar ist.The proportionality factors K and C are best determined empirically. For this one compares z. B. on ex vivo bone samples ultrasound measurements according to (4) with radiological comparative measurements, where D B is of course accurately measurable.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung misst die Laufzeiten aus (1) mit hoher Genauigkeit und nimmt automatisch die Berechnungen von DB und BMD vor. Werte für C und K und die Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe werden ihr extern vorgegeben, vorzugsweise über eine Rechnerschnittstelle oder ein Eingabedisplay.The device according to the invention measures the transit times from (1) with high accuracy and automatically performs the calculations of D B and BMD. Values for C and K and the speed of sound in the soft tissue are specified externally, preferably via a computer interface or an input display.

Bei Verlaufsmessungen kann vorzugsweise auch eine bereits einmal bestimmte Knochendicke DB für zukünftige Berechnungen als Eingabeparameter benutzt werden, da sich Knochendicken nicht oder nur sehr wenig ändern. Damit erhält man eine höhere Präzision als wenn die Dicke jedes Mal neu bestimmt werden würde.For progress measurements, an already determined bone thickness D B can preferably also be used as an input parameter for future calculations, since bone thicknesses do not change or only very slightly. This gives a higher precision than if the thickness were redetermined each time.

Als alternative oder ergänzende Möglichkeit kann auch die Laufzeit t3 von Signalen herangezogen werden, welche zwischen T1 und T2 nur Weichgewebe und das Koppelmedium seitlich vom Knochen durchlaufen. BMD hängt dann direkt von der Differenz der Zeiten t3 und t ab und kann bestimmt werden nach der Formel BMD = A(t3 – t) + B. As an alternative or additional possibility, the transit time t 3 of signals can also be used, which only pass through soft tissue and the coupling medium laterally from the bone between T 1 and T 2 . BMD then depends directly on the difference of the times t 3 and t and can be determined according to the formula BMD = A (t 3 - t) + B.

A und B sind empirisch zu ermittelnde Konstanten.A and B are constants to be determined empirically.

Für eine gute Einkopplung der Ultraschallstrahlung in das Weichteilgewebe wird bevorzugt durch Verwendung von Kopplungsmedien wie Wasser, Gel oder Öl, die möglichst geringen Impedanzkontrast zum Weichteilgewebe aufweisen, gesorgt. Bekannt ist hierfür die Verwendung von Gefäßen, die die Flüssigkeit einschließen, und unmittelbar mit den Wandlern verbunden sind. Bevorzugt werden flexible Gefäße zwischen Wandlern und Hautoberfläche vorgesehen, welche sich an verschiedene Körperrundungen und Körperdicken anpassen können.For a good coupling of the ultrasonic radiation into the soft tissue is preferably by using coupling media such as water, gel or oil, which have the lowest possible impedance contrast to the soft tissue, provided. Known for this purpose is the use of vessels which enclose the liquid, and directly with the Converters are connected. Preferably, flexible vessels between transducers and skin surface are provided, which can adapt to different body curves and body thicknesses.

Um eine genaue und präzise Messung der Schallgeschwindigkeit zu ermöglichen, ist die Konstanz des Wandlerabstandes entscheidend. Es ist deshalb besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Gefäße mit der Koppelflüssigkeit nicht rückseitig von den Wandlern oder dem Wandlerbügel abgestützt werden, da dann Änderungen des Wandlerabstandes auftreten.Around an accurate and accurate Measuring the speed of sound is the constancy of the Transducer distance crucial. It is therefore particularly preferred provided that the vessels with the coupling fluid not back be supported by the transducers or the transducer bracket, because then changes the transducer distance occur.

Ein in diesem Sinne sehr vorteilhaftes Design ist in 3 dargestellt. Die komplette Scanmechanik befindet sich hierbei im Flüssigkeitsbad. Das betrifft auch die Antriebsmotoren, die entweder gekapselt sein müssen, oder in denen die beweglichen Teile ebenfalls im Ölbad laufen. Letzteres ist z. B. bei kontaktlosen Motoren wie Schrittmotoren möglich. 3 zeigt die prinzipielle Anordnung dieser Kapselung. Gestrichelt gezeichnet sind flexible Membranen (Latex, Polyurethan o. ä.). Durch Druckerhöhung in der Flüssigkeit werden diese gegen die Haut gedrückt. Diese Druckerhöhung kann z. B. durch eine kleine Membranpumpe bewerkstelligt werden, welche Flüssigkeit zwischen dem inneren Behälter und einem Ausgleichsbehälter hin- und herpumpen kann.A very advantageous design in this sense is in 3 shown. The complete scan mechanics is located in the liquid bath. This also applies to the drive motors, which must either be encapsulated or in which the moving parts also run in an oil bath. The latter is z. B. in contactless motors such as stepper motors possible. 3 shows the basic arrangement of this encapsulation. Dashed lines are flexible membranes (latex, polyurethane o. Ä.). By increasing the pressure in the liquid they are pressed against the skin. This pressure increase can z. B. be accomplished by a small diaphragm pump, which liquid can pump back and forth between the inner container and a surge tank.

Claims (2)

Vorrichtung zum Bestimmen der Flächendichte BMD mit zwei mit bekanntem Abstand einander gegenüberliegenden Ultraschallwandlern, einer Auswerteinheit, die die Flächendichte BMD aus der Zeit berechnet, welche die Schallwelle zum Durchqueren der Strecke zwischen den Wandlern benötigt und einer Recheneinheit, die Korrekturgrößen berücksichtigt, welche aus Schalllaufzeiten im Weichgewebe und in einem Koppelmedium zwischen Körperoberfläche und Ultraschallwandlern bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgrößen aus den Laufzeiten t1, t2 der nach Durchdringen des Weichgewebes und des Koppelmediums an der dem jeweiligen Wandler T1, T2 zugewandten Knochenoberfläche reflektierten Ultraschallimpulse und der Laufzeit t der durch den Knochen und das Weichgewebe und des Koppelmediums transmittierten Ultraschallimpulse berechnet werden, die Dicke des Weichgewebes und des Koppelmediums aus den Laufzeiten t1, t2 der reflektierten Ultraschallimpulse unter Annahme einer bestimmten Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe berechnet, und die Knochendicke DB durch Subtraktion der Dicke des Weichgewebes und des Koppelmediums vom bekannten Abstand der Wandler T1, T2 voneinander berechnet wird, und die Flächendichte BMD nach der Formel BMD = (DB·C – tB)/Kberechnet wird, wobei C und K Proportionalitätsfaktoren sind.DB = EPODOC & ... PN = EP0995983 Device for determining the area density BMD with two ultrasound transducers, known to each other at a known distance, an evaluation unit which calculates the area density BMD from the time required by the sound wave for traversing the path between the transducers and a computation unit which takes into account correction magnitudes resulting from sound propagation times Soft tissue and are determined in a coupling medium between the body surface and ultrasound transducers, characterized in that the correction values from the transit times t 1 , t 2 of the after the penetration of the soft tissue and the coupling medium to the respective transducer T 1 , T 2 facing bone surface reflected ultrasonic pulses and the Term T of the transmitted through the bone and the soft tissue and the coupling medium ultrasonic pulses are calculated, the thickness of the soft tissue and the coupling medium from the maturities t 1 , t 2 of the reflected ultrasonic pulses, assuming e calculated in particular certain speed of sound in the soft tissue, and the bone thickness D B is calculated by subtracting the thickness of the soft tissue and the coupling medium from the known distance of the transducers T 1 , T 2 from each other, and the area density BMD according to the formula BMD = (D B · C - t B ) / K is calculated, where C and K are proportionality factors. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung von Korrekturgrößen auch Schallsignale herangezogen werden, die nur Weichgewebe und nicht den Knochen durchlaufen.Device according to claim 1, characterized in that that for the determination of correction quantities, too Sound signals are used, only soft tissue and not go through the bone.
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