DE4422451A1 - Orthopädisches Untersuchungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein orthopädisches Untersuchungs­ verfahren, bei dem ein Schallaufnehmer auf die Hautober­ fläche in dem zu überwachenden Körpersegment aufgesetzt und mittels einer Auswertelektronik die Schallsignale des Schallaufnehmers analysiert werden, welche während der Belastung des Körpersegments durch den zu untersuchenden Menschen auftreten.

Ein Untersuchungsverfahren der vorstehenden Art ist Ge­ genstand der EP-A-0 062 459. Dieses Verfahren dient dazu, in menschlichen Gelenken krankhafte Veränderungen festzu­ stellen, indem man während der Belastung des Gelenkes den dabei auftretenden Schall analysiert. Auf ähnliche Weise, jedoch ohne entsprechenden elektronischen Aufwand werden schon seit alters her bei technischen Einrichtungen Lager überprüft, indem man auf die durch Lagerreibung entste­ henden Geräusche achtet und bei ungewöhnlichen Geräuschen oder besonders starken Geräuschen auf einen Lagerdefekt schließt.

Wie sich aus der Zeitschrift "Unfallchirurg" (1987)90: 233- 240 ergibt, ist auch schon vorgeschlagen worden, mit Hilfe der Schallemissionsanalyse die optimalen Anzugsmo­ mente für Knochenschrauben zu bestimmen. Solche Knochen­ schrauben werden bei der Operation eingesetzt, um bei ei­ nem gebrochenen Knochen die Knochenteile durch Zuglaschen zu fixieren und mit optimaler Druckkraft aufeinander zu halten.

Die individuelle Bestimmung der Festigkeit menschlicher Knochen ohne Eingriff in den Körper des Menschen ist für viele Zwecke vorteilhaft. Hierfür steht bisher in erster Linie das Röntgenverfahren zur Verfügung. Das Röntgenver­ fahren führt jedoch zu Aufnahmen, die zum Beispiel für die Beurteilung der Belastbarkeit von nach einem Bruch verheilten Knochen keine ausreichend hohe Auflösung be­ sitzen. Bei Sportlern besteht sehr oft das Erfordernis, die Bruchfestigkeit von Knochen möglichst zuverlässig zu ermitteln, beispielsweise dann, wenn man eine Skibindung optimal einstellen will. Bisher kann man diese Bruchfe­ stigkeit nur sehr ungenau aus dem Knochendurchmesser, dem Alter und dem Gewicht des betreffenden Menschen abschät­ zen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Bruchfe­ stigkeit menschlicher Knochen möglichst genau und mit möglichst geringer Belastung für den zu untersuchenden Menschen zu ermitteln.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das orthopädische Untersuchungsverfahren der eingangs ge­ nannten Art zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen durch Auswer­ tung der bei einer Rißbildung des Knochens auftretenden Rißbildungsgeräusche und Rißuferreibungsgeräusche benutzt wird.

Ein solches Verfahren kann ohne Eingriff in den zu unter­ suchenden Menschen mit verhältnismäßig geringem Aufwand durchgeführt werden. Da im Gegensatz zu der eingangs er­ wähnten Schallemissionsanalyse beim Befestigen gebroche­ ner Knochen während einer Operation der Patient bei der erfindungsgemäßen Schallemissionsüberwachung nicht be­ täubt ist, kann er die zu untersuchenden Körperteile be­ wegen und belasten. Dadurch lassen sich besonders zuver­ lässige Informationen über die Beschaffenheit solcher Körperteile gewinnen, beispielsweise den Heilungsfort­ schritt nach einer Operation. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren eignet sich somit speziell zur Diagnostik des Langzeitverhaltens während einer Knochenbehandlung nach operativen Eingriffen oder aber zur Beurteilung der Kno­ chenveränderungen bei gezielten Belastungen aufgrund hochleistungsorientierter sportlicher Betätigung. Deswei­ teren ist der Einsatz überall dort gegeben, wo Sicher­ heitssysteme die Belastung des Kochens begrenzen, bei­ spielsweise Sicherheitsbindungen bei Skiern oder Schlag­ begrenzungen bei Tennisschlägern. Die auf den Knochen aufgebrachte Prüflast liegt unter der Rißbildungsgrenze der Corticalis, da als Belastungsgrenze die Rißbildung im Übergangsbereich Compacta/Spongiosa herangezogen wird.

Die Schallemissionsanalyse weist beginnende Rißbildung nach und erlaubt Rückschlüsse auf die Bruchlast. Der Bruch ist aufgrund des spröden Rißverhaltens bei vorhan­ denem Anriß über die Rißzähigkeit K_C zu beschreiben. Es besteht zwischen diesem Kennwert für die Rißzähigkeit des Knochens und der Belastung bei beginnender Rißbildung nach Aussage der Schallemission eine direkte Korrelation. Über diese materialspezifische Eigenschaft ist es mög­ lich, die Bruchkriterien des Knochens eines jeden Patien­ ten individuell zu bewerten. Das heißt zudem, daß bei be­ kannter, vorhandener Rißgröße nach Aussage von Rönt­ genbildern und bekannter lokaler Compliance die Bruchlast eines Knochens ermittelt werden kann. Hierbei kann die Compliance anhand ähnlicher Modelle mit Riß ermittelt werden und über einen lastabhängigen Elastizitätskennwert umgerechnet werden.

Das vom menschlichen Knochen emittierte Schallsignal wird durch die Haut und zwischen dem zu untersuchenden Körper­ teil und der Haut vorhandenen Gewebeschichten stark ge­ dämpft. Es kann verlustarm vom Schallaufnehmer aufgenom­ men werden, wenn zum Ankoppeln des Schallaufnehmers eine hautverträgliche, niederviskose Fettpaste zwischen dem Schallaufnehmer und der Haut aufgebracht wird.

Zu Beurteilung der Bruchlast menschlicher Knochen ist es vorteilhaft, wenn in der Auswertelektronik die Frequenz der registrierten Schallsignale analysiert wird.

Zur Demonstration möglicher Anordnungen des Schallaufneh­ mers sind in Fig. 1 drei Positionen am Oberschenkel ei­ nes menschlichen Beines gekennzeichnet, an denen der Schall zur Überwachung des Oberschenkelknochens aufgenom­ men werden kann. Ähnliche Anordnungen sind am gesamten Körper möglich.

Die Fig. 2 verdeutlicht in Form eines Blockschaltbildes die Meßwerterfassung und -verarbeitung für die erfin­ dungsgemäße Schallemissionsüberwachung. Dieses Block­ schaltbild demonstriert den Signalfluß vom Schallaufneh­ mer zur Registriereinheit. Der Schallaufnehmer ist ein ungedämpfter piezoelektrischer Wandler, d. h. er ist auf­ grund seiner Geometrie resonant. Dem Schallaufnehmer ist ein Verstärker nachgeschaltet, der in seiner Impedanz dem Schallaufnehmer angepaßt ist. Das verstärkte elektrische Signal wird mit einem Bandpaßfilter im Bereich der Reso­ nanz des Schallaufnehmers bzw. einem Hochpaßfilter unter­ halb der Resonanz des Schallaufnehmers gefiltert, um nie­ derfrequente Störgeräusche zu eliminieren. Je nach Si­ gnalintensität wird das Zeitsignal weiter verstärkt. Die durch diese Einheiten modifizierten elektrischen Signale des Wandlers werden je nach Prüfaufgabe weiter verstärkt und verarbeitet.

Die Fig. 3.3 - im Zeitbereich von 4.235 bis 4.2445 Se­ kunden - und 3.4 - im Zeitbereich von 4.04675 bis 4.0475 Sekunden - zeigen typische Verläufe der Signalamplituden bei Rißbildung in einem Knochen - Anstieg und Abfall der Signalamplitude - und bei kontinuierlichen Schallemissio­ nen von Rißuferreibung und vergleichbar mit der von Band­ scheibenschäden - Schwankungen der Signalamplitude um die Nullspannung ohne ausgeprägten Signalanstieg, Fig. 3.3 - im Zeitbereich von 4,225 bis 4.235 Sekunden - und Fig. 3.4 - im Zeitbereich von 4.0475 bis 4.085 Sekunden. Bei Bandscheibenschäden werden innerhalb der Abklingzeit ei­ nes Ereignisses weiter Emissionen angeregt, so daß eine diskrete Zuordnung zum signalauslösenden Mechanismus nicht möglich ist. Dies sind typische kontinuierliche Schallsignale.

Zur Rißbildungsüberwachung an Knochen wird das Zeitsignal zum einen digitalisiert und einem Impulssummenzähler zu­ geführt. Der Impulssummenzähler spricht bei Überschreiten einer vorher festlegbaren Signalamplitude an und gibt über die Impulssumme I - d. h. die Anzahl der die Schwelle überschreitenden Signalamplituden - des Schallereignisses eine qualitative Information über die belastungsabhängige Schallemission. Die Impulssumme kann neben der kontinu­ ierlichen Aufsummierung auch für vorgegebene Zeitinter­ valle oder pro Ereignis angegeben werden. Eine genauere Information über das Primärereignis erhält man jedoch über die Energieanalyse des Schallsignals.

Die diskreten Schallereignisse können mit Hilfe der Funk­ tion

I = I₀·D^-n

charakterisiert werden. Hierbei ist n ein Maß für das Ab­ klingverhalten des Primärsignals, unabhängig von Laufweg, Dispersion, die I₀ beeinflussen, und der Diskriminator­ schwelle D. Bei geringen Laufwegen sind als relevanter Meßparameter die Überschwingdauer und die Maximalamplitu­ den hinlänglich genau. Die Meßwertverarbeitung kann on­ line während der Belastung vorgenommen werden, so daß eine Bewertung der Schallsignale jederzeit möglich ist. Die rechnergestützte Meßwertverarbeitung erlaubt zudem eine direkte Protokollierung der Meßgrößen, der Bewer­ tungsgrößen und der Bewertung selbst. Exemplarisch ist in Fig. 3.1 die Schallemission in einem zeitlichen Fenster von 0,5 Sekunden aus dem Bruchbereich eines Knochens un­ ter reiner Torsion in Korrelation mit der Energiesumme dieser Schallemission, Fig. 3.2, dargestellt. Jedes dis­ krete Ereignis führt zu einem sprunghaften Anstieg der Energiesumme. Das bedeutet, daß diese Signale nicht durch häufiges Anregen niedriger Amplitude, z. B. erhöhte lokale Reibung, sondern durch eine Anregung von einem ener­ giereichen Vorgang erzeugt wurden. Dies wird in größerer Zeitauflösung, Fig. 3.3 - im Zeitbereich von 4,225 bis 4.235 Sekunden - und Fig. 3.4 - im Zeitbereich von 4.0475 bis 4.085 Sekunden -, deutlich. Die Signalhäufigkeit nimmt zum Bruch hin zu. Gleichzeitig nimmt die Höhe der begleitenden kontinuierlichen Schallemission aufgrund größer werdender Rißoberflächen und damit erhöhter Rißu­ ferreibung deutlich zu. Nach dem Bruch ist nur das elek­ tronische Grundrauschen zu erkennen.

Claims (3)

1. Orthopädisches Untersuchungsverfahren, bei dem ein Schallaufnehmer auf die Hautoberfläche in dem zu überwa­ chenden Körpersegment aufgesetzt und mittels einer Aus­ wertelektronik die Schallsignale des Schallaufnehmers analysiert werden, welche während der Belastung des Kör­ persegments durch den zu untersuchenden Menschen auftre­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungsverfah­ ren zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen durch Auswertung der bei einer Rißbildung des Knochens auftretenden Rißbildungsge­ räusche und Rißuferreibungsgeräusche benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ankoppeln des Schallaufnehmers eine hautverträgliche, niederviskose Fettpaste zwischen dem Schallaufnehmer und der Haut aufgebracht wird.

3. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallaufnehmer ein ungedämpfter piezoelektrischer Wandler verwendet wird, welcher aufgrund seiner Geometrie resonant ist.