DE4422451B4

DE4422451B4 - Orthopädisches Untersuchungsverfahren

Info

Publication number: DE4422451B4
Application number: DE4422451A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Schwalbe; Ralf-Peter Franke; Peter Doerner
Original assignee: Dorner Peter Dr; Franke Ralf-Peter PD Dr Dr
Current assignee: Dorner Peter Dr; Franke Ralf-Peter PD Dr Dr
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE4422451A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen, bei welchem mittels eines Schallaufnehmers die bei einer Belastung des Knochens auftretenden Geräusche aufgenommen und einer Auswertelektronik zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallaufnehmer zum Aufsetzen auf die Haut des Menschen im Bereich des zu untersuchenden Körperteils ausgebildet ist und die Auswertelektronik zur Ermittlung der individuellen Bruchlast des Menschen durch Auswertung der Geräusche ausgebildet ist, welche bei der Belastung des Knochens durch den untersuchten Menschen infolge einer Rißbildung auftreten, wobei die auf den Knochen aufgebrachte Prüflast unter der Rißbildungsgrenze der Corticalis liegt, da als Belastungsgrenze die Rißbildung im Übergangsbereich Compacta/Spongiosa herangezogen wird, und wobei durch die Auswertelektronik diskrete Schallereignisse mit Hilfe der Funktion I = Io·D–n charakterisiert werden, in der I die Anzahl der die Schwelle D überschreitenden Signalamplituden ist und n ein Maß für das Abklingverhalten eines Primärsignals ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen, bei welchem mittels eines Schallaufnehmers die bei einer Rissbildung des Knochens auftretenden Geräusche aufgenommen und einer Auswertelektronik zugeführt werden.
Eine solche Vorrichtung wird in dem Artikel "Die submikroskopischen Schädigungsmuster der Knochenkortikalis bei mechanischer Belastung" in "Unfallchirurg (1987) 90: S. 233–240", beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Untersuchung menschlicher Knochen nach Art einer üblichen Werkstoffprüfung. Mit der Vorrichtung wird der untersuchte Knochen zerstört. Sie kann deshalb nur zur Untersuchung von einer Leiche entnommenen Knochen eingesetzt werden.
Durch die DE 36 39 263 A1 ist es auch schon bekannt, mittels Schallaufnehmern die Funktionsfähigkeit von in lebende Körper eingesetzten Endoprothesen zu überprüfen. Hierzu werden Geräusche ausgewertet, welche bei Bewegung des Hüftgelenkes entstehen. Durch Vergleich der Geräusche, die ein ordnungsgemäß eingewachsenes, künstliches Hüftgelenk macht, mit denen, welche von einem künstlichen, abgesunkenen, gelockerten Hüftgelenk ausgehen, kann man auf solche Mängel schließen. Die Schrift befasst sich nicht mit der Bestimmung der Bruchfestigkeit menschlicher Knochen.
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 Röntgenverfahren führt jedoch zu Aufnahmen, die zum Beispiel für die Beurteilung der Belastbarkeit von nach einem Bruch verheilten Knochen keine ausreichend hohe Auflösung besitzen. 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 Bruchfestigkeit nur sehr ungenau aus dem Knochendurchmesser, dem Alter und dem Gewicht des betreffenden Menschen abschätzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen zu entwickeln, die möglichst genau und mit möglichst geringer Belastung für den zu untersuchenden Menschen arbeitet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 2 genannten Merkmale gelöst.
Mit einer solchen Vorrichtung kann ohne Eingriff in den zu untersuchenden Menschen mit verhältnismäßig geringem Aufwand die individuelle Bruchfestigkeit seiner Knochen ermittelt werden. Da bei Anwendung der Vorrichtung der untersuchte Mensch nicht betäubt ist, kann er die zu untersuchenden Körperteile bewegen und belasten. Dadurch lassen sich besonders zuverlässige Informationen über die Beschaffenheit solcher Körperteile gewinnen, beispielsweise den Heilungsfortschritt nach einer Operation. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit speziell zur Diagnostik des Langzeitverhaltens während einer Knochenbehandlung nach operativen Eingriffen oder aber zur Beurteilung der Knochenveränderungen bei gezielten Belastungen aufgrund hochleistungsorientierter sportlicher Betätigung. Desweiteren ist ihr Einsatz überall dort gegeben, wo Sicherheitssysteme die Belastung des Knochens begrenzen, beispielsweise Sicherheitsbindungen bei Skiern oder Schlagbegrenzungen 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 erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelt eine beginnende Rissbildung und erlaubt Rückschlüsse auf die Bruchlast. Der Bruch ist aufgrund des spröden Rissverhaltens bei vorhandenem 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 möglich, die Bruchkriterien des Knochens eines jeden Patienten individuell zu bewerten. Das heißt zudem, dass bei bekannter, vorhandener Rissgröße nach Aussage von Röntgenbildern 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 Körperteil und der Haut vorhandene Gewebeschichten stark gedämpft. Es kann verlustarm vom Schallaufnehmer aufgenommen werden, wenn der Schallaufnehmer zum Ankoppeln an die Haut unter Zwischenschaltung einer hautverträglichen, niederviskosen Fettpaste ausgebildet ist.
Zur Demonstration möglicher Anordnungen des Schallaufnehmers sind in 1 drei Positionen am Oberschenkel eines menschlichen Beines gekennzeichnet, an denen der Schall zur Überwachung des Oberschenkelknochens aufgenommen werden kann. Ähnliche Anordnungen sind am gesamten Körper möglich.
Die 2 verdeutlicht in Form eines Blockschaltbildes die Messwerterfassung und -verarbeitung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dieses Blockschaltbild demonstriert den Signalfluss vom Schallaufnehmer zur Registriereinheit. Der Schallaufnehmer ist ein ungedämpfter piezoelektrischer Wandler, d.h. er ist aufgrund 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 Resonanz des Schallaufnehmers bzw. einem Hochpassfilter unterhalb der Resonanz des Schallaufnehmers gefiltert, um niederfrequente Störgeräusche zu eliminieren. Je nach Signalintensität wird das Zeitsignal weiter verstärkt. Die durch diese Einheiten modifizierten elektrischen Signale des Wandlers werden je nach Prüfaufgabe weiter verstärkt und verarbeitet.
Die 3.3 – im Zeitbereich von 4.235 bis 4.2445 Sekunden – 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 Schallemissionen von Rissuferreibung und vergleichbar mit der von Bandscheibenschäden – Schwankungen der Signalamplitude um die Nullspannung ohne ausgeprägten Signalanstieg, 3.3 – im Zeitbereich von 4.225 bis 4.235 Sekunden – und 3.4 – im Zeitbereich von 4.0475 bis 4.085 Sekunden. Bei Bandscheibenschäden werden innerhalb der Abklingzeit eines 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 zugeführt. 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 kontinuierlichen Aufsummierung auch für vorgegebene Zeitintervalle 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 Funktion I = Io·D–n charakterisiert werden. Hierbei ist n ein Maß für das Abklingverhalten des Primärsignals, unabhängig von Laufweg, Dispersion, die I_o beeinflussen, und der Diskriminatorschwelle D. Bei geringen Laufwegen sind als relevanter Messparamter die Überschwingdauer und die Maximalamplitu den hinlänglich genau. Die Messwertverarbeitung kann online 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 Bewertungsgrößen und der Bewertung selbst. Exemplarisch ist in 3.1 die Schallemission in einem zeitlichen Fenster von 0,5 Sekunden aus dem Bruchbereich eines Knochens unter reiner Torsion in Korrelation mit der Energiesumme dieser Schallemission, 3.2, dargestellt. Jedes diskrete 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 energiereichen Vorgang erzeugt wurden. Dies wird in größerer Zeitauflösung, 3.3 – im Zeitbereich von 4,225 bis 4.235 Sekunden – und 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 Rissuferreibung deutlich zu. Nach dem Bruch ist nur das elektronische Grundrauschen zu erkennen.

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen, bei welchem mittels eines Schallaufnehmers die bei einer Belastung des Knochens auftretenden Geräusche aufgenommen und einer Auswertelektronik zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallaufnehmer zum Aufsetzen auf die Haut des Menschen im Bereich des zu untersuchenden Körperteils ausgebildet ist und die Auswertelektronik zur Ermittlung der individuellen Bruchlast des Menschen durch Auswertung der Geräusche ausgebildet ist, welche bei der Belastung des Knochens durch den untersuchten Menschen infolge einer Rißbildung auftreten, wobei die auf den Knochen aufgebrachte Prüflast unter der Rißbildungsgrenze der Corticalis liegt, da als Belastungsgrenze die Rißbildung im Übergangsbereich Compacta/Spongiosa herangezogen wird, und wobei durch die Auswertelektronik diskrete Schallereignisse mit Hilfe der Funktion I = Io·D–n charakterisiert werden, in der I die Anzahl der die Schwelle D überschreitenden Signalamplituden ist und n ein Maß für das Abklingverhalten eines Primärsignals ist.
Untersuchungsverfahren, bei dem ein Schallaufnehmer auf die Hautoberfläche 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungsverfahren zur Ermittlung der individuellen Bruchlast mechanisch belasteter menschlicher Knochen durch Auswertung der bei einer Rißbildung des Knochens auftretenden Rißbildungsgeräusche und Rißuferreibungsgeräusche benutzt wird, wobei die auf den Knochen aufgebrachte Prüflast unter der Rißbildungsgrenze der Corticalis liegt, da als Belastungsgrenze die Rißbildung im Übergangsbereich Compacta/Spongiosa herangezogen wird, und wobei diskrete Schallereignisse mit Hilfe der Funktion I = Io·D–n charakterisiert werden, in der I die Anzahl der die Schwelle D überschreitenden Signalamplituden ist und n ein Maß für das Abklingverhalten eines Primärsignals ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ankoppeln des Schallaufnehmers eine hautverträgliche, niederviskose Fettpaste zwischen dem Schallaufnehmer und der Haut aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallaufnehmer ein ungedämpfter piezoelektrischer Wandler verwendet wird, welcher aufgrund seiner Geometrie resonant ist.