DE102010053449B4

DE102010053449B4 - Device for determining bone conditions and method for operating the device

Info

Publication number: DE102010053449B4
Application number: DE201010053449
Authority: DE
Inventors: Miroslaw Wrobel
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wrobel Miroslaw De
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: WO2012075988A1; DE102010053449A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Knochenzuständen, insbesondere von Knochendichte und/oder Knochenelastizität,
aufweisend
zumindest einen Ultraschallsender (2) und zumindest einen Ultraschallempfänger (3), welche am zu untersuchenden Knochen (7) angeordnet werden,
eine Belastungseinrichtung (6) zur Aufnahme des Knochens (7) und/oder eines den Knochen (7) enthaltenden Körpers, wobei die Belastungseinrichtung (6) den zu untersuchenden Knochen (7) alternierend belasten und entlasten kann,
gekennzeichnet durch
eine gemeinsame synchronisierende Steuereinrichtung (5), wobei die Belastungseinrichtung (6), der Ultraschallsender (2) und/oder der Ultraschallempfänger (3) mittelbar oder unmittelbar mit der gemeinsamen Steuereinrichtung (5) verbunden sind, und wobei die Steuereinrichtung (5), dafür sorgt, dass der Ultraschallsender (2) und/oder der Ultraschallempfänger (3) synchronisiert mit dem Belastungszustand der Belastungseinrichtung (6) Schallwellen aussendet bzw. empfängt und Ultraschallmessdaten nur bei vorbestimmten Belastungszuständen aufgezeichnet werden.Device (1) for determining bone conditions, in particular bone density and / or bone elasticity,
including
at least one ultrasound transmitter (2) and at least one ultrasound receiver (3), which are arranged on the bone (7) to be examined,
a loading device (6) for receiving the bone (7) and / or a body containing the bone (7), wherein the loading device (6) can stress and relieve the bone to be examined (7) alternately,
marked by
a common synchronizing control device (5), wherein the loading device (6), the ultrasonic transmitter (2) and / or the ultrasonic receiver (3) are directly or indirectly connected to the common control device (5), and wherein the control device (5), therefor ensures that the ultrasonic transmitter (2) and / or the ultrasonic receiver (3) synchronized with the load state of the loading device (6) emits or receives sound waves and ultrasound measurement data are recorded only at predetermined load conditions.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Knochenzuständen und ein Verfahren zu deren Betrieb nach den Oberbegriffen des Vorrichtungshauptanspruchs und des Verfahrenshauptanspruchs.The invention relates to a device for determining bone conditions and a method for their operation according to the preambles of the device main claim and the method main claim.

Die Bestimmung von Knochenzuständen, insbesondere von Knochendichte und/oder Knochenelastizität, ist für verschiedene Anwendungsgebiete von Relevanz. So kann beispielsweise durch regelmäßige Bestimmung des Knochenzustands von Sportlern deren Knochenzustand auf eine Veränderung hin überwacht werden. Des Weiteren kann die Bestimmung von Knochenzuständen auch bei der regelmäßigen Überwachung nach einer Osteoporose-Therapie zum Einsatz kommen.The determination of bone conditions, in particular bone density and / or bone elasticity, is of relevance for various fields of application. For example, by periodically determining the bone condition of athletes, their bone condition can be monitored for change. Furthermore, the determination of bone conditions can also be used in regular monitoring after osteoporosis therapy.

Bekanntermaßen wird häufig ein Knochenzustand vermittels der Dual-Röntgen-Absorptiometrie bestimmt. Eine weitere bekannte Methode stellt die quantitative Computertomographie dar.As is known, a bone condition is often determined by means of dual X-ray absorptiometry. Another known method is quantitative computed tomography.

Der Knochen besteht nun aber im Wesentlichen aus der Compacta-Schicht und dem inneren trabekulären Kern.However, the bone essentially consists of the compacta layer and the inner trabecular core.

Bei bekannten Methoden zur Bestimmung von Knochenzuständen über Absorptionsverfahren oder Knochendichtemessung wird hingegen der Zustand des trabekulären Kerns stärker betrachtet als der Zustand der Compacta-Schicht. Umgekehrt hängt die Bruchfestigkeit eines Knochens jedoch eher von der Compacta-Schicht ab. Diese jedoch findet bei bekannten Methoden zur Bestimmung von Knochenzuständen nur geringe Berücksichtigung.In contrast, in known methods for the determination of bone conditions via absorption methods or bone densitometry, the condition of the trabecular core is considered to be stronger than the condition of the compacta layer. Conversely, the breaking strength of a bone depends more on the compacta layer. However, this is little taken into account in known methods for the determination of bone conditions.

Darüber hinaus ist die Bestimmung der Dichte der Knochen allein wenig aussagekräftig bezüglich seiner Bruchfestigkeit. Beispielsweise sind Glasknochen (osteogenesis imperfecta) extrem dicht aber nicht elastisch, was unweigerlich zu einer hohen Bruchgefahr führt.In addition, the determination of the density of the bone alone is not very meaningful with regard to its breaking strength. For example, osteoblasts (osteogenesis imperfecta) are extremely dense but not elastic, which inevitably leads to a high risk of breakage.

Es reicht also mit anderen Worten nicht aus, zur Beurteilung der Knochenfestigkeit nur dessen Dichte zu betrachten, sondern darüber hinaus ist auch die Knochenelastizität zu betrachten. Für die Knochenelastizität sind wiederum Kollagenfasern zuständig.In other words, it is not sufficient to consider only the density of bone to assess bone strength, but in addition, the bone elasticity is also to be considered. In turn, collagen fibers are responsible for bone elasticity.

Aus der DE 60 2004 010 122 T2 ist ein gattungsgemäßes Ultraschall-Diagnosegerät zum Auswerten von mechanischen Eigenschaften von Knochen bekannt. Zur Untersuchung der Knocheneigenschaften wird die Belastung durch Auflegen und Wegnehmen eines Gewichts variiert, was einen erheblichen Betreuungsaufwand während der Untersuchung darstellt und außerdem erhebliche Fehlerquellen hinsichtlich des Untersuchungsergebnisses eröffnet.From the DE 60 2004 010 122 T2 is a generic ultrasonic diagnostic device for evaluating mechanical properties of bone known. To examine the bone properties, the load is varied by applying and removing a weight, which represents a considerable care effort during the investigation and also opens up considerable sources of error with regard to the examination result.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue Vorrichtung zur Bestimmung von Knochenzuständen und ein neues Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung vorzuschlagen, wobei eine verlässlichere Bestimmung des Knochenzustands bezüglich seiner Bruchfestigkeit und Elastizität ermöglicht wird und zugleich Fehlerquellen ausgeschlossen und der Betreuungsaufwand verringert wird.The object of the present invention is therefore to propose a new device for the determination of bone conditions and a new method for operating this device, wherein a more reliable determination of the bone state with respect to its breaking strength and elasticity is made possible and at the same time eliminates sources of error and reduces the care required.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung nach der Lehre des Vorrichtungshauptanspruchs und nach der Lehre des Verfahrenshauptanspruchs gelöst.This object is achieved by the present invention according to the teaching of the device main claim and according to the teaching of the method main claim.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Gattungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Bestimmung von Knochenzuständen, insbesondere von Knochendichte und/oder Knochenelastizität, zumindest einen Ultraschallsender und zumindest einen Ultraschallempfänger aufweist, welche am zu untersuchenden Knochen angeordnet sind, sowie eine Belastungseinrichtung zur Aufnahme des Knochens und/oder eines den Knochen enthaltenden Körpers aufweist, wobei die Belastungseinrichtung den zu untersuchenden Knochen alternierend belasten und entlasten kann, wobei die Belastungseinrichtung, der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger mittelbar oder unmittelbar mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung verbunden sind.Generically, it is provided that the device for determining bone conditions, in particular bone density and / or bone elasticity, has at least one ultrasound transmitter and at least one ultrasound receiver, which are arranged on the bone to be examined, as well as a loading device for receiving the bone and / or a bone body, wherein the loading device can load and relieve the bone to be examined alternately, wherein the loading device, the ultrasonic transmitter and / or the ultrasonic receiver are directly or indirectly connected to a common control device.

Vermittels des Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers können Ultraschallmessdaten gewonnen werden, welche die Laufzeit von Schallwellen bezüglich verschiedener Frequenzen durch den Knochen wiedergeben.By means of the ultrasound transmitter and ultrasound receiver ultrasound measurement data can be obtained, which reproduce the transit time of sound waves with respect to different frequencies through the bone.

Zur zeitlichen Synchronisierung von Belastung und Messung bzw. Auswertung der Ultraschallmessdaten mit dem jeweiligen Belastungszustand, welcher während der jeweiligen Ultraschallmesswerte vorgeherrscht hat, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass sowohl die Belastungseinrichtung, der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger mittelbar oder unmittelbar mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung verbunden sind.For temporal synchronization of load and measurement or evaluation of the ultrasound measurement data with the respective load state, which has prevailed during the respective ultrasound measurement values, the invention achieves that both the loading device, the ultrasound transmitter and / or the ultrasound receiver are connected directly or indirectly to a common control device are.

Somit kann die Ansteuerung der Belastungseinrichtung sowie von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger von einer gemeinsamen Steuereinrichtung kontrolliert und gesteuert werden, wodurch die Synchronisation von Belastungseinrichtung und Messung erfindungsgemäß ermöglicht wird.Thus, the control of the loading device and of the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver can be controlled and controlled by a common control device, whereby the synchronization of loading device and measurement is made possible according to the invention.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine dynamische Erzeugung dieser Messdaten während einer dynamischen Messung möglich. With the device according to the invention a dynamic generation of these measurement data during a dynamic measurement is possible.

Die Belastungseinrichtung ermöglicht einerseits die Aufnahme des Knochens und/oder eines den Knochen enthaltenden Körpers, beispielsweise eines Menschen, und andererseits auch eine gesteuerte Belastung des zu untersuchenden Knochens.The loading device allows on the one hand the inclusion of the bone and / or a bone-containing body, such as a human, and on the other hand also a controlled load of the bone to be examined.

Mittels der Vorrichtung ist es also möglich, während der Aufnahme der Ultraschallmessdaten den Knochen alternierend zu belasten und entlasten, wodurch die Knochenelastizität – die tatsächliche Knochenfestigkeit – implizit in die Messung einfließt.By means of the device, it is thus possible during the recording of the ultrasound measurement data to stress and relieve the bone alternately, whereby the bone elasticity - the actual bone strength - implicitly flows into the measurement.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also mit anderen Worten eine Ultraschallmessung eines Knochens unter Belastung und unter Entlastung.In other words, the device according to the invention makes possible an ultrasound measurement of a bone under load and under discharge.

Die Ultraschallmessung vermittels Ultraschallsender und Ultraschallempfänger kann beispielsweise in Transmission oder Reflexion erfolgen. In Transmission werden Ultraschallsender und Ultraschallempfänger jeweils an gegenüberliegenden Seiten des zu untersuchenden Knochens angeordnet. Bei Reflexion werden Ultraschallsender und Ultraschallempfänger beide an einer Seite des zu untersuchenden Knochens angeordnet.The ultrasound measurement by means of ultrasound transmitters and ultrasound receivers can take place, for example, in transmission or reflection. In transmission, ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers are each arranged on opposite sides of the bone to be examined. Upon reflection, the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are both arranged on one side of the bone to be examined.

Der Ultraschallsender kann lediglich eine Schallwelle mit einer Frequenz aussenden, kann aber auch ein multifrequentes Schallwellenspektrum aussenden zur gleichzeitigen Laufzeitmessung verschiedener Schallwellenfrequenzen.The ultrasonic transmitter can only emit a sound wave with a frequency, but can also emit a multifrequency sound wave spectrum for the simultaneous transit time measurement of different sound wave frequencies.

Wie weiter unten ausgeführt werden wird, ist Knochenmaterial nämlich bezüglich verschiedener Schallwellenfrequenzen unterschiedlich dispersiv.As will be explained below, bone material is in fact differently dispersive with respect to different sound wave frequencies.

Bevorzugte Messpunkte können beispielsweise die Bereiche des Ober-Unterschenkelhalses sowie Handgelenk oder Ellbogen sein.Preferred measurement points may be, for example, the areas of the upper shank of the neck as well as the wrist or elbow.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Belastungseinrichtung durch eine Betätigungseinrichtung bewegt werden. Diese Bewegung kann besonders bevorzugt in vertikaler Richtung parallel zur Erdanziehungskraft auf und ab – oder mit anderen Worten hin und her – erfolgen.According to a preferred embodiment, the loading device can be moved by an actuating device. This movement may be particularly preferably in the vertical direction parallel to the gravitational force up and down - or in other words back and forth - done.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Betätigungseinrichtung einen Motor und ein Getriebe.According to a further preferred embodiment, the actuating device comprises a motor and a transmission.

Wenn die Belastungseinrichtung eine Standplatte aufweist, kann die Standplatte mit einer Betätigungseinrichtung verbunden sein, welche diese, wie beschrieben, auf und ab bewegen kann. Die Betätigungseinrichtung kann beispielsweise als Direktantrieb, als pneumatischer oder hydraulischer Aktuator oder als Motor und Getriebe, welches mit einem Pleuel und einem Beabstandungselement oder einer Kurvenscheibe mit einer Antriebswelle verbunden ist, ausgeführt sein.If the loading device has a base plate, the base plate may be connected to an actuating device which can move them up and down as described. The actuating device can be designed, for example, as a direct drive, as a pneumatic or hydraulic actuator or as a motor and a gear, which is connected to a connecting rod and a spacing element or a cam with a drive shaft.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Belastungseinrichtung eine Standplatte auf, wobei die Standplatte über einen Pleuel und ein Beabstandungselement mit einer Antriebswelle verbunden ist.According to a further preferred embodiment, the loading device has a base plate, wherein the base plate is connected via a connecting rod and a spacer element with a drive shaft.

Der Mensch, dessen Knochenfestigkeit bestimmt werden soll, stellt sich beispielsweise senkrecht auf diese Standplatte, so dass die normale Erdanziehung (1 g) sein normales Gewicht auf die Standplatte ausübt.The person whose bone strength is to be determined, for example, is perpendicular to this base plate, so that the normal gravity (1 g) exerts its normal weight on the base plate.

Bei Drehung der Antriebswelle und des mit der Antriebswelle verbundenen Beabstandungselements wird über den Pleuel diese Drehbewegung in eine translatorische Bewegung der Standplatte umgesetzt. Vorzugsweise erfolgt die translatorische Bewegung der Standplatte in paralleler Richtung zur Erdanziehungskraft.Upon rotation of the drive shaft and connected to the drive shaft spacing element, this rotational movement is converted via the connecting rod in a translational movement of the base plate. Preferably, the translational movement of the base plate takes place in a direction parallel to the gravitational force.

Die Auslenkung der Standplatte über diesen Mechanismus kann beispielsweise ungefähr bis zu 2 cm betragen. Besonders bevorzugt liegt die Auslenkung im Bereich von 1 bis 8 mm.The deflection of the base plate via this mechanism can be, for example, approximately up to 2 cm. Particularly preferably, the deflection is in the range of 1 to 8 mm.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen wird die Antriebswelle von einem Getriebe angesteuert sowie die Antriebswelle und/oder das Getriebe an die Steuereinrichtung angeschlossen.According to further advantageous embodiments, the drive shaft is driven by a transmission and the drive shaft and / or the transmission are connected to the control device.

Die Antriebswelle bzw. das Getriebe wiederum kann von einem Motor angetrieben werden. Dieser Motor kann beispielsweise gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform als AC-Motor oder als Schrittmotor ausgeführt sein.The drive shaft or the transmission in turn can be driven by a motor. This motor can be designed, for example, according to a further advantageous embodiment as an AC motor or as a stepper motor.

Über die Steuerung der Belastungseinrichtung bzw. vermittels des beschriebenen Mechanismus der Standplatte können verschiedene dynamische Zustände auf den zu untersuchenden Knochen ausgeübt werden. Durch Anordnung der Belastungsvorrichtung derart, dass die Bewegung der Standplatte in paralleler Richtung zur Erdanziehungskraft erfolgt, kann durch die resultierende Beschleunigung eine Kraft auf den zu untersuchenden Knochen ausgeübt werden.Through the control of the loading device or by means of the described mechanism of the base plate different dynamic states can be exerted on the bone to be examined. By arranging the loading device such that the movement of the base plate takes place in a direction parallel to the gravitational force, a force can be exerted on the bone to be examined by the resulting acceleration.

Bei Bewegung – somit also Beschleunigung – der Standplatte nach oben – also entgegen der Erdanziehungskraft – könnte für einen Zeitraum mehr als die normale Erdbeschleunigung 1 g auf den zu untersuchenden Knochen wirken.During movement - thus acceleration - of the base plate upwards - thus contrary to the force of gravity - for a period more than the normal gravitational acceleration 1 g could act on the bone to be examined.

Eine derartige Beschleunigung größer als 1 g führt somit zur dynamischen Komprimierung des zu untersuchenden Knochens während der Messung und verursacht dort unter anderem eine Wirkung auf die Kollagenfasern und Änderung der Dichte sowie Komprimierungseigenschaften. Such an acceleration greater than 1 g thus leads to the dynamic compression of the bone to be examined during the measurement and causes, inter alia, an effect on the collagen fibers and change in density and compression properties.

Entsprechend führt eine Bewegung der Standplatte nach unten zu einer resultierenden Beschleunigung auf den zu untersuchenden Knochen zwischen 0 g und 1 g. Im Ergebnis wird also der Knochen für einen Zeitraum entlastet bzw. entspannt und es kommt ebenso – in umgekehrter Richtung – zu den zuvor beschriebenen Veränderungen und Wirkungen.Accordingly, a movement of the base plate down to a resulting acceleration on the bone to be examined between 0 g and 1 g. As a result, so the bone is relieved or relaxed for a period and it comes also - in the opposite direction - to the changes and effects described above.

Die Bewegungssteuerung der Standplatte kann beispielsweise einer vorgegebenen Funktion folgen. Eine derartige Funktion könnte wiederum harmonisch in Form eines Sinus-Signals verlaufen.The motion control of the base plate, for example, follow a predetermined function. Such a function could again be harmonic in the form of a sine wave signal.

Durch die zuvor beschriebene Verbindung von Ultraschallsender, Ultraschallempfänger und Belastungseinrichtung mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung kann nun beispielsweise die Ultraschallmessung synchronisiert werden, um dadurch eine Ultraschallmessung, beispielsweise bei verschiedenen Phasenwinkeln der Standplattenbewegung, auszulösen.By the above-described connection of ultrasonic transmitter, ultrasonic receiver and loading device with a common control device, for example, the ultrasonic measurement can now be synchronized, thereby triggering an ultrasonic measurement, for example, at different phase angles of the stationary plate movement.

Im Ergebnis ermöglicht also die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vollständige, nicht invasive Untersuchung im kompletten dynamischen Bereich von 0 g über 1 g bis zu mehreren g, was zu einer wesentlich zuverlässigeren Bestimmung von Knochenzuständen führt, welche zudem noch auf die Knochenelastizität zurückgeht.As a result, the device according to the invention thus makes possible a complete, non-invasive examination in the complete dynamic range from 0 g to 1 g up to several g, which leads to a much more reliable determination of bone conditions, which also goes back to the bone elasticity.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Belastungseinrichtung einen Sensor, welcher ein Gewicht und/oder eine Kraft detektieren kann. Dieser Gewichtssensor kann beispielsweise das Gewicht des auf der Standplatte befindlichen Menschen bestimmen. Dadurch wird es möglich, die Bewegung der Standplatte und somit die Belastungssteuerung der Belastungseinrichtung abhängig vom Gewicht zu steuern und somit einen Einfluss auf die resultierende, auf den zu untersuchenden Knochen wirkende Kraft bzw. Beschleunigung zu haben. Kraft und Beschleunigung sind gemäß F = a × M in einander umrechenbar, wobei: F = Kraft, a = Beschleunigung, M = Masse des Körpers.According to a further advantageous embodiment, the loading device comprises a sensor which can detect a weight and / or a force. This weight sensor can for example determine the weight of the person located on the base plate. This makes it possible to control the movement of the base plate and thus the load control of the loading device depending on the weight and thus to have an influence on the resulting, acting on the bone to be examined force or acceleration. Force and acceleration can be converted into each other according to F = a × M, where: F = force, a = acceleration, M = mass of the body.

Diese resultierende, auf den zu untersuchenden Knochen wirkende Kraft umfasst auch die Erdanziehungskraft, wobei Erdbeschleunigung g = 9,81 [m/s²].This resulting force acting on the bone to be examined also includes the gravitational force, with gravitational acceleration g = 9.81 [m / s ² ].

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ebenfalls durch ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gelöst, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:

– Durchführung einer Schallwellenlaufzeitmessung bezüglich zumindest einer Schallwellenfrequenz vermittels des Ultraschallsenders und des Ultraschallempfängers,
– Simultane alternierende Belastung und Entlastung des Knochens während der Durchführung der Schallwellenlaufzeitmessung, wobei der Ultraschallsender (2) und/oder der Ultraschallempfänger (3) synchronisiert mit dem Belastungszustand der Belastungseinrichtung (6) Schallwellen aussendet bzw. empfängt und Ultraschallmessdaten nur bei vorbestimmten Belastungszuständen aufgezeichnet werden.

According to the invention, the object is likewise achieved by a method for operating the device, comprising at least the following steps:

Performing a sound wave transit time measurement with respect to at least one sound wave frequency by means of the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver,
Simultaneous alternating loading and unloading of the bone during the execution of the sound wave transit time measurement, wherein the ultrasonic transmitter ( 2 ) and / or the ultrasound receiver ( 3 ) synchronized with the load state of the load device ( 6 ) Transmits or receives sound waves and ultrasonic measurement data are recorded only at predetermined load conditions.

Erfindungsgemäß sendet bzw. empfängt der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger synchronisiert mit dem Belastungszustand der Belastungseinrichtung. Schallwellen und Ultraschallmessdaten werden nur bei vorbestimmten Belastungszuständen aufgezeichnet. Mit anderen Worten wird also die Zuordnung der Ultraschallmessdaten zu den jeweiligen Belastungszuständen bereits während der Messung getätigt.According to the invention, the ultrasound transmitter and / or the ultrasound receiver transmits or receives synchronized with the load condition of the loading device. Sound waves and ultrasound measurement data are recorded only at predetermined load conditions. In other words, therefore, the assignment of the ultrasound measurement data to the respective load states is already made during the measurement.

Die Ultraschall-Schallwellenlaufzeitmessung kann, wie oben beschrieben, beispielsweise in Transmission oder Reflexion erfolgen und eine oder mehrere Schallwellenfrequenzen umfassen.The ultrasonic sound wave transit time measurement, as described above, for example, in transmission or reflection and include one or more sound wave frequencies.

Bezüglich jeder ausgesendeten Schallwellenfrequenz wird eine Laufzeitmessung durch den zu untersuchenden Knochen durchgeführt. Weil der zu untersuchende Knochen auf die unterschiedlichen Schallwellenfrequenzen unterschiedlich dispersiv wirkt, werden aus der Messung unterschiedliche Schallwellenlaufzeiten für die unterschiedlichen Schallwellenfrequenzen erhalten.With respect to each transmitted sound wave frequency, a transit time measurement is performed by the bone to be examined. Because the bone to be examined has a different dispersive effect on the different sound wave frequencies, different sound wave propagation times for the different sound wave frequencies are obtained from the measurement.

Zusätzlich zu diesem Einflussfaktor beeinflusst die zum jeweiligen Messzeitpunkt auf den zu untersuchenden Knochen wirkende resultierende Beschleunigung die Schallwellenlaufzeit der jeweiligen Frequenzen.In addition to this influencing factor, the resulting acceleration acting on the bone to be examined at the respective measuring time influences the sound wave propagation time of the respective frequencies.

Die Durchführung des Verfahrens kann ohne Weiteres ohne Mitwirkung eines Arztes erfolgen, beispielsweise durch medizinisches Hilfspersonal oder auch technisch versierte Personen. Insbesondere im Sportbereich werden derartige Untersuchungen häufig lediglich von Hilfspersonal vorgenommen.The implementation of the method can be carried out readily without the involvement of a doctor, for example by medical assistants or technically skilled persons. Especially in the field of sports such investigations are often made only by auxiliary staff.

Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren lediglich die Bestimmung des Knochenzustands in physikalischer Hinsicht. Eine schlussfolgernde Wertung eines Arztes anhand dieser Ergebnisse ist nicht Gegenstand des Verfahrens. Derartige Vergleiche und Einordnungen in krankhafte Zustände werden hier nicht beschrieben.Furthermore, the method according to the invention only comprises the determination of the bone condition in physical terms. A conclusion of a doctor on the basis of these results is not the subject of the procedure. such Comparisons and classifications into pathological conditions are not described here.

Das Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1 dient lediglich der Feststellung eines physikalischen Zustands zur Messwerterhebung und nicht zu Heilzwecken.The method for operating the device according to claim 1 is only for the determination of a physical state for data collection and not for medical purposes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sendet der Ultraschallsender kontinuierlich Schallwellen aus, der Ultraschallempfänger empfängt kontinuierlich Schallwellen und Ultraschallmessdaten sowie der jeweilige Belastungszustand der Belastungseinrichtung wird kontinuierlich synchron aufgezeichnet.According to a preferred embodiment, the ultrasound transmitter continuously emits sound waves, the ultrasound receiver continuously receives sound waves and ultrasound measurement data and the respective load condition of the load device is recorded continuously synchronously.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Ultraschallmessdaten und die Belastungszustände voneinander abhängig ausgewertet.According to a further advantageous embodiment, the ultrasound measurement data and the load conditions are evaluated as a function of one another.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden in die Bestimmung des Knochenzustands Ultraschallmessdaten zeitabhängig vom jeweiligen Belastungszustand der Belastungseinrichtung einbezogen. Mit anderen Worten findet also eine zeitliche Zuordnung zwischen den jeweiligen Ultraschallmessdaten zu den jeweiligen Belastungszuständen nach der eigentlichen Messung während der Auswertung statt. Dazu ist es erforderlich, während der Aufzeichnung der Ultraschallmessdaten jeweils zeitgleich den zugehörigen Belastungszustand der Belastungseinrichtung mit aufzuzeichnen.According to a further advantageous embodiment, ultrasound measurement data are included in the determination of the bone condition in a time-dependent manner from the respective load condition of the load device. In other words, there is thus a temporal association between the respective ultrasound measurement data for the respective load states after the actual measurement during the evaluation. For this purpose, it is necessary to simultaneously record the associated load state of the load device during the recording of the ultrasound measurement data.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Belastung und Entlastung abhängig vom vermittels des Gewichtssensors detektierten Gewichts.According to a further advantageous embodiment, the control of the load and discharge takes place as a function of the weight detected by means of the weight sensor.

Wie oben beschrieben, kann über ein bekanntes Gewicht Einfluss auf die resultierende, auf den zu untersuchenden Knochen wirkende Gesamtkraft bzw. Gesamtbeschleunigung erzielt werden.As described above, over a known weight influence on the resulting, acting on the bone to be examined total force or total acceleration can be achieved.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beispielhaft erläutert.An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be exemplified below.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematisierte Ansicht der Vorrichtung zur Bestimmung von Knochenzuständen gemäß der Erfindung; 1 a schematic view of the apparatus for determining bone conditions according to the invention;

2 eine Erläuterung einer Auswertung von Ultraschallmessdaten, die vermittels der Vorrichtung gemäß 1 erhalten wurden. 2 an explanation of an evaluation of ultrasonic measurement data, by means of the device according to 1 were obtained.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Knochenzuständen gemäß der Erfindung. Ein Ultraschallsender 2 ist am unteren Oberschenkelhals eines menschlichen Beins angelegt und sendet Ultraschallwellen in Transmission durch den Knochen auf die andere Seite zu einem Ultraschallempfänger 3. Sowohl Ultraschallsender 2 als auch Ultraschallempfänger 3 sind an eine Ultraschallsteuereinrichtung 4 angeschlossen. Die Ultraschallsteuereinrichtung 4 wiederum ist mit einer Steuereinrichtung 5 verbunden. Die Steuereinrichtung 5 ist hier in Form eines Computers ausgebildet. Die Steuereinrichtung 5 übernimmt mittelbar über die Ultraschallsteuereinrichtung 4 die Steuerung von Ultraschallsender 2 und Ultraschallempfänger 3 sowie die Aufzeichnung der Ultraschallmessdaten. 1 shows a device 1 for the determination of bone conditions according to the invention. An ultrasound transmitter 2 is applied to the lower femoral neck of a human leg and sends ultrasonic waves in transmission through the bone to the other side to an ultrasound receiver 3 , Both ultrasound transmitters 2 as well as ultrasonic receivers 3 are to an ultrasonic control device 4 connected. The ultrasound control device 4 in turn is with a control device 5 connected. The control device 5 is here in the form of a computer. The control device 5 indirectly takes over the ultrasound control device 4 the control of ultrasonic transmitter 2 and ultrasound receivers 3 as well as the recording of the ultrasonic measurement data.

Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Belastungseinrichtung 6 auf, welche den Knochen 7 enthaltende Körper aufnimmt.Furthermore, the device 1 a loading device 6 on which the bone 7 contains containing body.

Die Belastungseinrichtung 6 weist eine Standplatte 8 auf, welche eine Bewegung in Richtung parallel zur Erdanziehungskraft ausführen kann. Der mögliche Hub liegt hier bei circa bis zu 2 cm. Die Standplatte 8 weist einen nicht gezeigten Gewichts-/Kraftsensor auf.The loading device 6 has a base plate 8th which can perform a movement in the direction parallel to the gravitational force. The possible stroke is approximately up to 2 cm. The base plate 8th has a weight / force sensor, not shown.

Die Standplatte 8 ist über den Pleuel 9 über ein Beabstandungselement 10 mit der Antriebswelle 11 verbunden. Die Antriebswelle 11 wiederum wird von einem Getriebe 12 angesteuert, welches wiederum beispielsweise durch einen nicht gezeigten Motor angetrieben werden kann.The base plate 8th is over the connecting rod 9 via a spacer element 10 with the drive shaft 11 connected. The drive shaft 11 in turn will be from a gearbox 12 controlled, which in turn can be driven for example by a motor, not shown.

Das Getriebe 12 ist an die Steuereinrichtung 5 angeschlossen.The gear 12 is to the controller 5 connected.

Somit hat die Steuereinrichtung 5 einerseits Einfluss auf den angeschlossenen Ultraschallsender 2 und den angeschlossenen Ultraschallempfänger 3 sowie auf die angeschlossene Belastungseinrichtung 6, insbesondere die Standplatte 8.Thus, the controller has 5 on the one hand influence on the connected ultrasonic transmitter 2 and the connected ultrasound receiver 3 as well as the connected load device 6 , especially the base plate 8th ,

Durch Drehung der Antriebswelle 11 wird das Beabstandungselement 10 hier als runde Platte ausgeführt, in Drehung versetzt und setzt diese Drehbewegung über den Pleuel 9 in eine parallel zur Erdanziehung stattfindende translatorische Bewegung der Standplatte 8 um. Die Standplatte 8 wiederum wirkt durch ihre Auf- und Abbewegung be- bzw. entlastend auf den Knochen 7. Wie oben beschrieben, setzt sich die auf den Knochen 7 wirkende Beschleunigung einerseits aus der Beschleunigung der Standplatte 8 und andererseits aus der Erdbeschleunigung zusammen.By rotation of the drive shaft 11 becomes the spacer element 10 executed here as a round plate, set in rotation and sets this rotary motion on the connecting rod 9 in a parallel to Erdanziehung held translational movement of the base plate 8th around. The base plate 8th In turn, it works by relieving and relieving the bone 7 , As described above, it sits on the bone 7 acting acceleration on the one hand from the acceleration of the base plate 8th and on the other hand from the gravitational acceleration together.

2 zeigt eine Auswertung von Ultraschallmessdaten, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommen wurden. 2 shows an evaluation of ultrasound measurement data, which were recorded with the device according to the invention and the method according to the invention.

Über die X-Achse sind vier verschiedene Frequenzen aufgetragen, über die Y-Achse sind (normalisierte) Belastungen aufgetragen und über die Z-Achse die jeweils bestimmte Laufzeit.Four different frequencies are plotted along the X-axis, normalized stresses are plotted over the Y-axis and the defined transit time over the Z-axis.

Wie eingangs beschrieben ist Knochenmaterial für verschiedene Ultraschallfrequenzen unterschiedlich dispersiv. Bildlich gesprochen entsteht bei Komprimierung oder Verdichtung des Knochenmaterials über die physikalische Dichteformel c = sqrt (k/ρ) eine Veränderung der Schallgeschwindigkeit c und somit der Durchlaufzeit.As described above, bone material is different dispersive for different ultrasonic frequencies. Figuratively speaking, compression or compression of the bone material via the physical density formula c = sqrt (k / ρ) results in a change in the speed of sound c and thus in the throughput time.

k enthält unter anderem das Elastizitätsmodul E, was letztlich mittelbar über die Schallgeschwindigkeit c einen Rückschluss auf die Bruchfestigkeit des Knochens ermöglicht.k contains, inter alia, the modulus of elasticity E, which ultimately indirectly via the speed of sound c allows a conclusion on the breaking strength of the bone.

Im Diagramm ist nun erkennbar, dass bei verschiedenen Frequenzen r1, r2, r3 und r4 gleiche Belastungen unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten/Durchlaufzeiten hervorrufen. So steigt die Durchlaufzeit bei zunehmender Belastung für die Frequenz r1, die Durchlaufzeit fällt mit zunehmender Belastung für die Frequenz r2, bei der Frequenz r3 steigt die Durchlaufzeit weniger stark an bei zunehmender Belastung als bei der Frequenz r1. Bei der Frequenz r4 schließlich erfolgt mit zunehmender Belastung zunächst eine Abnahme der Durchlaufzeit sowie dann ein zunächst steileres später flacheres Ansteigen der Durchlaufzeit.It can now be seen in the diagram that at different frequencies r1, r2, r3 and r4 same loads produce different speeds of sound / throughput times. Thus the cycle time increases with increasing load for the frequency r1, the cycle time decreases with increasing load for the frequency r2, at the frequency r3 the cycle time increases less strongly with increasing load than with the frequency r1. Finally, at the frequency r4, as the load increases, first a decrease in the cycle time and then an initially steeper later flatter increase in the cycle time.

Abhängig vom Verlauf der Durchlaufzeiten bei verschiedenen Belastungen und verschiedenen Frequenzen kann somit ein charakteristischer Rückschluss auf die Festigkeit des Knochens gezogen werden.Depending on the course of the throughput times at different loads and different frequencies, a characteristic inference can be drawn on the strength of the bone.

Claims

Contraption ( 1 ) for the determination of bone conditions, in particular of bone density and / or bone elasticity, comprising at least one ultrasound transmitter ( 2 ) and at least one ultrasonic receiver ( 3 ), which on the bone to be examined ( 7 ), a loading device ( 6 ) for receiving the bone ( 7 ) and / or a bone ( 7 ), wherein the loading device ( 6 ) the bone to be examined ( 7 ) can load and unload alternately, characterized by a common synchronizing control device ( 5 ), the loading device ( 6 ), the ultrasonic transmitter ( 2 ) and / or the ultrasound receiver ( 3 ) directly or indirectly with the common control device ( 5 ), and wherein the control device ( 5 ), ensures that the ultrasonic transmitter ( 2 ) and / or the ultrasound receiver ( 3 ) synchronized with the load state of the load device ( 6 ) Transmits or receives sound waves and ultrasonic measurement data are recorded only at predetermined load conditions.

Device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transmitter ( 2 ) and ultrasonic receiver ( 3 ) on opposite sides of the bone to be examined ( 7 ) are arranged.

Device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transmitter ( 2 ) and ultrasonic receiver ( 3 ) both on one side of the bone to be examined ( 7 ) are arranged.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the loading device ( 6 ) can be moved by an actuator.

Apparatus according to claim 4, characterized in that the actuating device comprises a motor and a transmission ( 12 ).

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the loading device ( 6 ) comprises a sensor which can detect a weight and / or a force.

Method for operating the device ( 1 ) according to claim 1, comprising at least the following steps: performing a sound wave transit time measurement with respect to at least one sound wave frequency by means of the ultrasonic transmitter ( 2 ) and the ultrasound receiver ( 3 ), simultaneous alternating loading and relief of the bone ( 7 ) during the execution of the sound wave transit time measurement, wherein the ultrasonic transmitter ( 2 ) and / or the ultrasound receiver ( 3 ) synchronized with the load state of the load device ( 6 ) Transmits or receives sound waves and ultrasonic measurement data are recorded only at predetermined load conditions.

Method according to claim 7, wherein the ultrasonic transmitter ( 2 ) continuously emits sound waves, the ultrasonic receiver ( 3 ) continuously receives sound waves and ultrasound measurement data and the respective load condition of the load device are recorded continuously synchronously.

The method of claim 8, wherein the ultrasonic measurement data and the load conditions are evaluated depending on each other.

Method according to claim 8, wherein in the determination of the bone condition ultrasound measurement data is time-dependent on the respective load condition of the loading device ( 6 ) be included.

Method according to one of claims 7 to 10, wherein the control of the load and discharge depending on the weight detected by means of the weight sensor.