DE4405454A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Knochenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Knochenstruktur, insbeson­ dere für den Einsatz in der Humanmedizin.

Die Vorrichtung ermöglicht eine nicht-invasive, strahlungs­ freie Bestimmung der Festigkeit eines Knochens. Zum Beispiel kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren die Festigkeit einer im Bruchspalt eines Röhrenknochens gebildeten Knochenmasse (Kallus) be­ stimmt werden.

Die Erfindung eignet sich zum Untersuchen von Knochenbrü­ chen, Osteoporose oder rheumatischen Erkrankungen.

Ein bisher übliches Untersuchungsverfahren von z. B. Knochen­ brüchen ist das Röntgenverfahren. Dieses Verfahren ist je­ doch mit dem bekannten Risiko einer hohen Strahlenbelastung sowohl für den Patienten als auch für das medizinische Per­ sonal verbunden. Außerdem sind Röntgeneinrichtungen sehr ko­ stenaufwendig und benötigen entsprechend präparierte Räume.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der mechani­ schen Knochenstruktur zur Verfügung zu stellen, die geringe Kosten beanspruchen, schnell einsetzbar sind und eine Strah­ lenbelastung von Patienten und medizinischem Personal ver­ meiden.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von folgenden Grundgedan­ ken aus.

Durch eine ein- oder mehrmalige mechanische Erregung (Stoß, Schlag, Schwingungserregung durch Piezokristalle) wird eine niederfrequente Schwingung des Knochens erzeugt. Diese setzt sich über die gesamte Länge des Knochens bis zum nächsten Gelenk fort. Die z. B. im Bruchspalt eines Knochens sich bil­ dende Masse wirkt dabei in Abhängigkeit von ihrer Festigkeit als dämpfendes Element. Die Intensität (Amplitude) der Schwingung des Knochen wird mit mindestens einem Sensor auf­ genommen, mit einem gesunden Knochen bzw. Knochenbereich verglichen und ausgewertet. Aus der Schwächung der Schwin­ gung in einem erkrankten bzw. mechanisch defekten Bereich des Knochens kann durch Vergleich mit der Schwingung im ge­ sunden Knochen oder mit gespeicherten Daten auf die knö­ chernde Durchbauung geschlossen werden.

Der Vorteil der Erfindung liegt in der problemlosen frühzei­ tigen Mobilisierung z. B. eines Patienten mit Knochenbruch, wobei der Zeitpunkt und der Grad einer möglichen Belastung des Knochens bestimmt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform auf einem menschlichen Unterschenkel mit gebrochener Tibia,

Fig. 2 erfindungsgemäße Meßkurven bei einem gesunden Kno­ chen, und

Fig. 3 erfindungsgemäße Meßkurven an einem gebrochenen Kno­ chen.

Fig. 1 zeigt einen menschlichen Unterschenkel mit gebroche­ ner Tibia 4 (Schienbein) mit der an dem Unterschenkel befe­ stigten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Am fußnahen Ende der Tibia ist auf der Haut des Unterschenkels ein mechanischer Erreger 1 angeordnet. Vor dem Bruch 4a befindet sich ein erster Sensor 2 und nach dem Bruch ein zweiter Sensor 3. Der mechanische Erreger 1 erzeugt z. B. durch Stoß eine mechani­ sche Schwingung der Tibia 4. Diese Schwingung wird sowohl mit dem Sensor 2 als auch mit dem Sensor 3 aufgenommen. Da­ bei registriert der Sensor 2 die Ausbreitung der Schwingung im gesunden Knochen und der Sensor 3 die Ausbreitung der Schwingung über den Bruch 4a hinweg.

Die von dem Sensor 2 über den ungebrochenen Knochenbereich aufgenommene Schwingung ist ungedämpft und hat den in Fig. 2a dargestellten Verlauf. Dabei ist die Intensität der Schwingung über die Zeit in Millisekunden aufgetragen. An einem gesunden Bein hat auch die am Sensor 3 aufgenommene Schwingung einen ähnlichen Verlauf, wie die am Sensor 2. Das entsprechende Intensitäts/Zeit-Diagramm ist in Fig. 2b dar­ gestellt.

Ein verheilender Bruch dämpft durch seine im Bruchspalt ge­ bildete Knochenmasse die erregte Schwingung. Als Folge wird vom Sensor 3 eine in der Amplitude stark gedämpfte Schwin­ gung aufgenommen.

Dieser Sachverhalt wird durch Vergleich der Intensi­ täts/Zeit-Diagramme von Fig. 3a und Fig. 3b deutlich. Fig. 3a zeigt die am Sensor 2 aufgenommene Schwingung über den gesunden Knochenbereich. Um am Sensor 3 noch eine deutlich wahrnehmbar Schwingung zu registrieren, war es dabei erfor­ derlich, die Verstärkung gegenüber den Diagrammen von Fig. 2 zu verdoppeln. Der Sensor 2 wurde somit übersteuert, so daß in Fig. 3a die Amplituden abgeschnitten sind. Die Dämpfung der Amplituden in Fig. 3b, dessen Diagramm am Sensor 3 hin­ ter dem Knochenspalt aufgenommen wurde, ist deutlich zu er­ kennen. Der Grad der Annäherung der Amplituden am Sensor 3 (Fig. 3b) an die am Sensor 2 (Fig. 3a) aufgenommenen ist ein Maß für den Heilungsprozeß des Knochenbruches.

Vorteilhafterweise wird die gleiche Messung auch an dem ge­ sunden Knochen, d. h. dem anderen Unterschenkel durchgeführt, um eine durch die Längsausdehnung des Knochens bewirkte Schwingungsdämpfung zu kompensieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gestatten das Ansammeln von Meßdaten bei Osteopo­ rose oder rheumatischen Erkrankungen, die dann in einer Da­ tenbank gesammelt werden können. Aus Messungen an erkrankten Knochen und dem Vergleich mit den in der Datenbank gesammel­ ten Daten kann auf diese Weise eine Aussage über den Krank­ heitsverlauf getroffen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kommen vorzugsweise in der Humanmedizin zum Ein­ satz. Es ist aber auch eine Verwendung in der Tiermedizin möglich.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der mechanischen Knochen­ struktur, mit:

• a) einem mechanischen Erreger (1), und
• b) mindestens einem Sensor (2, 3), wobei
• c) der mechanische Erreger (1) in einem Knochen (4) eine mechanische Schwingung erzeugt und der Sensor (2, 3) diese Schwingung an einer anderen Stelle des Knochens (4) aufnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Sensor (2) in Ausbreitungsrichtung der mecha­ nischen Schwingung vor einem erkrankten bzw. mechanisch defektem Bereich (4a) und ein zweiter Sensor (3) in Aus­ breitungsrichtung der mechanischen Schwingung hinter dem erkrankten bzw. mechanisch defekten Bereich (4a) des Knochens (4) angeordnet ist.

3. Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Knochenstruk­ tur unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit den Schritten:

• a) Erzeugen einer mechanischen Schwingung in dem Kno­ chen (4) mittels des mechanischen Erregers (1), ins­ besondere durch einmaligen oder sich periodisch wie­ derholenden Stoß oder Schlag oder durch eine peri­ odische Schwingungserregung,
• b) Aufnahme eines Intensitäts/Zeit-Diagramms der mecha­ nischen Schwingung durch den mindestens einen Sensor (2 und/oder 3) und
• c) Vergleichen des Intensitäts/Zeit-Diagramms mit Daten eines gesunden oder erkrankten bzw. mechanisch de­ fekten Knochen bzw. Knochenbereichs, wobei festge­ stellt wird, ob der Knochen bzw. -bereich eine ge­ sunde oder erkrankte bzw. defekte mechanische Struk­ tur aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Sensor (2) das Intensitäts/Zeit-Diagramm über einen gesunden und ein zweiter Sensor (3) das Intensi­ täts/Zeit-Diagramm über einen erkrankten bzw. mechanisch defekten Bereich eines Knochens aufnimmt, wobei aus den Unterschieden der beiden Diagramme die mechanische Struktur des erkrankten bzw. mechanischen defekten Kno­ chenbereichs festgestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Kontrollmessungen an einem gleichartigen an­ deren Knochen durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Schwingungserregung ein Piezokri­ stall eingesetzt wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6 in der Humanmedizin.

8. Verwendung nach Anspruch 6, insbesondere bei der Unter­ suchung von Knochenbrüchen, Osteoporose und rheumati­ schen Erkrankungen.