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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschalldiagnosegerät und insbesondere
ein Ultraschalldiagnosegerät
zum Auswerten von mechanischen Charakteristika von Knochen.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Leichte
und quantitative Messungen der Knochenfestigkeit sind zum Diagnostizieren
von Knochenstoffwechselkrankheiten wie Osteoporose, Auswerten des
Frakturrisikos und quantitativen Diagnostizieren der Knochenheilung
nach einer Knochenfrakturbehandlung erwünscht.
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Die
Auswertung der Knochenbildung und Knochenheilung hängt größtenteils
von einem Röntgenbild
ab, jedoch ist es schwierig, die Knochenfestigkeit mit einem Röntgenbild
quantitativ zu diagnostizieren. Als Verfahren zum herkömmlichen
Messen der Knochenfestigkeit ist ein Festigkeitstest eines Probenknochens
von einem Messziel bekannt. Jedoch ist es bei diesem Verfahren nötig, einen
Extraktionsvorgang von einer Knochenprobe durchzuführen, und
folglich ist das Verfahren invasiv. Als ein Verfahren zum Messen
einer Knochenmenge und einer Knochendichte wurde die Verwendung
von Vorrichtungen wie Röntgen-CT
und DXA (Doppelenergieröntgenabsorptionsmesstechnik) durchgeführt. Jedoch
messen diese Vorrichtungen nur die Knochenmenge und können keine
Auswertung der Knochenfestigkeit bereitstellen. Außerdem können diese
Verfahren nicht als nicht-invasiv betrachtet werden, da in diesen
Verfahren Röntgenstrahlen
ausgestrahlt werden.
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Andere
Versuche zum quantitativen Auswerten der Knochenfestigkeit umfassen
eine Biegedeformationsmessung, in der ein Dehnmessstreifen an einem
externen Fixtator befestigt und die Deformation des externen Fixtators
gemessen wird, ein Vibrationswellenverfahren, in welchem eine Vibration
auf einen Knochen von Außen
ausgeübt
und eine charakteristische Frequenz ausgewertet wird, und ein akustisches
Emissionsverfahren, in welchem durch einen Knochen, der die Streckgrenze
erreicht hat, generierte akustische Wellen ausgewertet werden. Diese
Verfahren weisen jedoch dahingehend verschiedene Probleme auf, dass
hier in dem Sinne eine Beschränkung
für die
Behandlung, bei welcher diese Verfahren angewandt werden, vorliegt,
dass ein Eingriff am Knochen vorgenommen werden muss, und dass die
Genauigkeit unzureichend ist.
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Es
erfolgten Versuche, um feine Strukturen des Knochens unter Verwendung
von Ultraschall zu analysieren, jedoch ist die Beziehung zwischen
dem Ergebnis dieser Analyse und der Knochenfestigkeit noch nicht
bekannt (siehe z. B. die
japanische
Patentveröffentlichung
Nr. Hei 9-84788 ).
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US-2002/0103432 A1 offenbart
ein nicht-invasives Gerät
zum Beurteilen von Störungen
des Muskel-Knochen-Systems. Dort wird eine Vielzahl an Ultraschallstrahlen
im Hinblick auf einen Knochen in einem Subjekt generiert und eine
Vielzahl an den Ultraschallstrahlen entsprechenden Echosignalen
erhalten. Des Weiteren werden Kantenerfassungsalgorithmen zum Identifizieren
der Oberfläche
des Knochens und des Teils der Knochenoberfläche, die in nächster Nähe zur Sender-Empfänger-Einheit
liegt, verwendet. Auch werden Oberflächenpunkte von einem nicht
belasteten Zustand, in welchem keine Belastung auf den Knochen ausgeübt wird,
zu einem belasteten Zustand, in welchem eine Belastung auf den Knochen
ausgeübt
wird, abgetastet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
gab auf dem Stand der Technik keine Vorrichtung zum nicht-invasiven
und quantitativen Auswerten von mechanischen Charakteristika des
Knochens, wie beispielsweise Knochenfestigkeit. Ein Vorteil der
vorliegenden Erfindung ist es, dass ein Ultraschalldiagnosegerät zur nicht-invasiven
und quantitativen Auswertung von mechanischen Charakteristika des
Knochens in einem lebenden Körper
bereitgestellt wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschalldiagnosegerät bereitgestellt,
mit einer Sender-Empfänger-Einheit,
die eine Vielzahl von Ultraschallstrahlen bezüglich eines Knochens in einem
Subjekt generiert und eine Vielzahl von den Ultraschallstrahlen
entsprechenden Echosignalen empfängt;
und einer Formmesseinheit, die einen einer Knochenoberfläche entsprechenden
Oberflächenpunkt
für jedes
der Echosignale identifiziert und Formdaten der Knochenoberfläche auf
der Basis der Viel zahl von durch die Vielzahl der Echosignale erhaltenen
Oberflächenpunkte
generiert. Gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Ultraschalldiagnosegerät des Weiteren
eine Charakteristikauswertungseinheit auf, die eine mechanische Charakteristik
des Knochens auf der Basis einer Veränderung in den Formdaten, wenn
eine externe Einwirkung auf den Knochen ausgeübt wird, auswertet.
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Mit
einer derartigen Struktur ist es möglich, mechanische Charakteristika
des Knochens in einem lebenden Körper
aus Formdaten einer Knochenoberfläche auf der Basis der Echosignale
nicht-invasiv und quantitativ auszuwerten.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass
im Ultraschalldiagnosegerät
die Sender-Empfänger-Einheit den
Ultraschall in einem gleichen Querschnitt des Knochens im Patient
generiert. Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass
im Ultraschalldiagnosegerät
die Formmesseinheit eine Abtasteinheit aufweist, welche die Oberflächenpunkte
von einem Zustand, in dem die externe Einwirkung nicht ausgeübt wird,
bis zu einem Zustand, in dem die externe Einwirkung ausgeübt wird,
abtastet. Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass
im Ultraschalldiagnosegerät
die Formmesseinheit eine Formdatengeneriereinheit aufweist, die
die Formdaten für
jede Zeitphase in dem Zustand, in dem die externe Einwirkung nicht
ausgeübt
wird, und in dem Zustand, in dem die externe Einwirkung ausgeübt wird, generiert.
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Mit
einer derartigen Struktur generiert die Sender-Empfänger-Einheit
Ultraschallstrahlen im selben Querschnitt bezüglich eines Knochens in dem Subjekt
und werden die Oberflächenpunkte
abgetastet. Aufgrund dessen wird eine Knochenoberfläche während der
gesamten Messdauer immer im selben Querschnitt erkannt. Deshalb
ist es möglich,
sehr genaue Formdaten zu erhalten. Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass im Ultraschalldiagnosegerät die Formdatengeneriereinheit
eine Interpolationslinie als die Formdaten generiert, die die Vielzahl
von Oberflächenpunkten
für jede
Zeitphase verbindet. Mit einer derartigen Struktur ist es möglich, einen
Knochen an einem beliebigen Punkt auf der generierten Interpolationslinie auszuwerten.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass
im Ultraschalldiagnosegerät
die Charakteristikauswertungseinheit die Interpolationslinie entsprechend
dem Zustand, in dem die externe Einwirkung nicht ausgeübt wird,
und die Interpolationslinie entsprechend dem Zustand, in dem die
externe Einwirkung ausgeübt wird, übereinander
legt durch Übereinanderlegen
einer der Interpolationslinien auf die andere, um eine Verschiebung
aufgrund einer Bewegung des Knochens zwischen den zwei Interpolationslinien
zu korrigieren und die mechanische Charakteristik des Kno chens auf
der Basis der beiden korrigierten Interpolationslinien auszuwerten.
Mit einer derartigen Struktur ist es möglich, selbst wenn sich der
Knochen während
der Messung mit Bezug auf die Sender-Empfänger-Einheit bewegt, auszuwerten,
während
die Verschiebung aufgrund der Bewegung des Knochens korrigiert wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschalldiagnosegerät bereitgestellt,
mit einer Sender-Empfänger-Einheit, die
eine Vielzahl von Ultraschallstrahlen bezüglich eines Knochens in einem
Subjekt generiert und eine Vielzahl von den Ultraschallstrahlen
entsprechenden Echosignalen empfängt;
und einer Abtasteinheit, die einen einer Knochenoberfläche entsprechenden Oberflächenpunkt
für jedes
der Echosignale identifiziert und die Oberflächenpunkte von einem Nichtbelastzugszustand,
in dem keine Belastung auf den Knochen ausgeübt wird, bis zu einem belasteten
Zustand, in dem eine Belastung auf den Knochen ausgeübt wird,
abtastet.
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Gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Ultraschalldiagnosegerät des Weiteren
eine Interpolationsliniengenerierungseinheit, die eine Interpolationslinie,
die eine Vielzahl von Oberflächenpunkten
für jede
Zeitphase in dem Nichtbelastzugszustand und in dem belasteten Zustand verbindet,
generiert. Gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Ultraschalldiagnosegerät des Weiteren
eine Längenverschiebungskorrektureinheit,
die die Interpolationslinie entsprechend dem Nichtbelastzugszustand
oder die Interpolationslinie entsprechend dem belasteten Zustand
in der Weise umsetzt, dass eine der Interpolationslinien über der
anderen ist, und eine Längsverschiebungskomponente
zwischen den beiden Interpolationslinien korrigiert.
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Gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Ultraschalldiagnosegerät des Weiteren
eine Deformationsberechnungseinheit, die eine Größe der Deformation des Knochens
in dem belasteten Zustand auf der Basis der zwei Interpolationslinien,
bei denen die Längsverschiebungskomponente
korrigiert ist, berechnet. Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass
das Ultraschalldiagnosegerät
des Weiteren eine Charakteristikkurvengeneriereinheit umfasst, die
eine Charakteristikkurve generiert, die eine Beziehung zwischen
dem Belastungswert und der Größe der Deformation
der Knochens in dem belasteten Zustand anzeigt. Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass
das Ultraschalldiagnosegerät
des Weiteren eine Anzeigeeinheit umfasst, die ein Querschnittsbild
des Knochens auf der Basis der Vielzahl von Echosignalen anzeigt,
wobei die Anzeigeeinheit die Interpolationslinie an einer geeigneten
Position auf dem Querschnittsbild des Knochens anzeigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird auf der Basis der folgenden Figuren
detailliert beschrieben, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm ist, das eine Gesamtstruktur eines Ultraschalldiagnosegeräts gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Diagramm ist, das jedes Echosignal schematisch darstellt;
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3 ein
Diagramm zum Erklären
des Abtastens eines Knochenoberflächenabschnitts durch die Echosignale
ist;
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4 ein
Diagramm zum Erklären
des Vorgangs zum Löschen
einer Längsverschiebungskomponente
ist:
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5 ein
Diagramm ist, das ein Verfahren zur Diagnose des Schienbeins unter
Verwendung eines Ultraschalldiagnosegeräts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 ein
Diagramm ist, das ein Verfahren zur Fixierung einer Sonde darstellt;
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7 ein
Diagramm ist, das ein anderes Verfahren zur Fixierung einer Sonde
darstellt;
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8 ein
Diagramm ist, das ein anderes Verfahren zur Fixierung einer Sonde
darstellt;
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9 ein
Diagramm ist, das ein Beispiel für eine
durch eine Charakteristikkurvengeneratoreinheit generierte Charakteristikkurve
einer Änderung
in Bezug auf die Zeit der Belastung und Deformation darstellt;
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10 ein
Diagramm ist, das das ein Beispiel für eine durch eine Charakteristikkurvengeneratoreinheit
generierte Charakteristikkurve darstellt, die eine Beziehung zwischen
einer Belastung und Deformation darstellt;
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11 ein
Diagramm ist, das ein anderes Beispiel für eine durch eine Charakteristikkurvengeneratoreinheit
generierte Charakteristikkurve ei ner Änderung in Bezug auf die Zeit
der Belastung und Deformation darstellt; und
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12 ein
Diagramm ist, das eine von einer durch eine Charakteristikkurvengeneratoreinheit
generierten Hysteresecharakteristikkurve einer Belastung und Deformation
darstellt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosegeräts. 1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur des Ultraschalldiagnosegeräts darstellt. Eine
Sonde 10 ist eine Ultraschallsonde, die in Kontakt mit
einer Oberfläche
des Körpers
eines Subjekts 50 verwendet wird. Alternativ dazu kann
eine Ultraschallsonde verwendet werden, die in das Subjekt eingesetzt
wird. Die Sonde 10 überträgt und empfängt Ultraschallstrahlen 40 zu
und von einem Knochen 52 im Körper des Subjekts 50.
Abtastpunkte 42, die auf den Knochen 52 gesetzt
sind, werden später beschrieben.
Als die Sonde 10, ist es erwünscht, eine lineare elektronische
Abtastsonde (lineare Feldsonde) zu verwenden, die den Ultraschallstrahl 40 elektronisch
abtastet.
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Eine
Sender-Empfänger-Einheit 12 steuert die
Sonde 10 und tastet elektronisch den Ultraschallstrahl 40 an
einer Querschnittsfläche
(eine Schnittfläche
eines Subjekts in 1) ab. Ist die Sonde 10 z. B.
eine lineare Sonde, wird sequentielles elektronisches Abtasten von 120 Ultraschallstrahlen 40 (1 zeigt
nur 4 Ultraschallstrahlen zur Echoabtastung, die später beschrieben
wird) angewendet und ein Echosignal für jeden Ultraschallstrahl 40 erhalten. Die
Vielzahl an erhaltenen Echosignalen wird an eine Querschnittsbildbildungseinheit 18 ausgegeben,
und die Querschnittsbildbildungseinheit 18 bildet ein Querschnittsbild
(B-Modusbild) des Knochens auf der Basis der Vielzahl an Echosignalen.
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Das
in der Sender-Empfänger-Einheit
12 erhaltene
Echosignal wird auch an eine Echoabtastverarbeitungseinheit
20 ausgegeben.
Die Echoabtastverarbeitungseinheit
20 übt ein Echoabtastverfahren aus,
in welchem der Knochenoberflächenabschnitt von
jedem Echosignal extrahiert und abgetastet ist. Für das Echoabtastverfahren
wird z. B. eine in der
japanischen
Patentoffenlegung Nr. 2001-309918 detailliert beschriebene
Technik verwendet. Für
das Echoabtastverfahren werden z. B. 4 Abtastechosignale verwendet.
Die Abtastechosignale können
unter den zum Bilden eines Querschnittsbilds (z. B. 120 Echosignale)
verwendeten Echosignalen ausgewählt sein
oder alternativ dazu durch Unterbrechen der Bildung des Querschnittsbilds
und Erhalten der 4 Abtastechosignale erhalten werden.
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Die
in 1 dargestellten 4 Ultraschallstrahlen 40 entsprechen
den 4 Abtastechosignalen. Ein Prüfer
gibt eine Anweisung in Bezug auf Senden/Empfangen des Ultraschalls
durch eine Bedientafel 16 in eine Sende-/Empfangs-Steuereinheit 14 ein,
und die Sende-/Empfangs-Steuereinheit 14 steuert die Sender-Empfänger-Einheit 12 auf
der Basis der Anweisungen vom Prüfer.
Mit dieser Struktur werden Ultraschallstrahlen 40 zum Erhalt
von Abtastechosignalen zu einer Diagnosestelle an der Knochenoberfläche gemäß den Anweisungen
des Prüfers
gesandt. Beim Senden/Empfangen von Ultraschall wird eine starke
reflektierte Welle von der Knochenoberfläche erhalten. Deshalb werden
die von innerhalb des Körpers
des Diagnoseziels (Subjekt) erhaltenen Echosignale so erhalten,
dass sie eine große
Amplitude in einem der Knochenoberfläche entsprechenden Teil aufweisen.
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2 ist
ein Diagramm, das schematisch einen Knochenoberflächenabschnitt
der Echosignale darstellt. Wie in 2 dargestellt,
umfasst jedes Echosignal einen Bereich 60, in dem das Echosignal eine
große
Amplitude aufweist, die der Knochenoberfläche entspricht. Wird der Knochenoberflächenabschnitt
einfach als ein Teil mit einer großen Amplitude betrachtet, ist
es unklar, welcher Teil im Bereich 60 dem Oberflächenabschnitt
entspricht, und infolgedessen gibt es hier einen Fehler von etwa
dem Bereich 60. Im Echoabtastverfahren wird ein Nulldurchgangspunkt 62 als
Bezug von jedem Echosignal erkannt, und der erkannte Nulldurchgangspunkt 62 wird
abgetastet, um die Genauigkeit der Knochenoberflächenposition zu erhöhen.
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Der
Nulldurchgangspunkt 62 wird als Zeit innerhalb einer Abtastgatedauer 64 erkannt,
bei der die Polarität
des Echosignals von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv
umgekehrt wird. In 2 ist die Zeit, bei der die
Polarität
des Echosignals von positiv zu negativ umgekehrt wird, der Nulldurchgangspunkt 62.
Wird der Nulldurchgangspunkt 62 erkannt, wird ein neues
Abtastgate mit dem erkannten Nulldurchgangspunkt 62 als
sein Zentrum eingestellt. In dem in der nächsten Zeit erhaltenen Echosignal
wird ein Nulldurchgangspunkt 62 innerhalb der kürzlich eingestellten
Abtastgatedauer 64 erkannt. Auf diese Weise wird ein Nulldurchgangspunkt 62 als
der Knochenoberflächenpunkt
für jedes
Echosignal abgetastet.
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3 ist
ein Diagramm zum Erklären
des Abtastens eines Knochenoberflächenabschnitts durch 4 Echosignale.
In einer Auswertung der mechanischen Charakteristika von Knochen
unter Verwendung des Ultraschalldiagnosegeräts der vorliegenden Erfindung
wird eine Gestalt des Knochens zwischen einem Zustand, in dem keine
Belastung auf den Knochen ausgeübt
wird (nicht belasteter Zustand), und einem Zustand, in dem eine
Belastung ausgeübt
wird (belasteter Zustand), verglichen. 3 zeigt
das Abtasten in jedem vom nicht belasteten Zustand und dem belasteten
Zustand.
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3(A) zeigt das Abtasten im Hinblick auf den
Knochen 52 im nicht belasteten Zustand. Echosignale 68,
die in Richtung des Knochens 52 angewandten 4 Ultraschallstrahlen 40 entsprechen,
zeigen eine große
Amplitude (ein Amplitudenmaximalteil 69) an einem Abschnitt
an, der der Knochenoberfläche
entspricht. Es ist möglich,
die Gestalt der Knochenoberfläche
auf der Basis des Amplitudenmaximalteils 69 in jedem Echosignal 68 (erhaltene Zeit
der Wellenform) zu kennen. Da der Nulldurchgangspunkt (Bezugsnummer 62 in 2)
als ein Oberflächenpunkt
im Amplitudenmaximalteil 69 erkannt wird, wird die Position
der Knochenoberfläche sehr
genau identifiziert.
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3(B) zeigt das Abtasten im Hinblick auf den
Knochen 52 im belasteten Zustand. Ähnlich wie 3(A) kann
die Gestalt der Knochenoberfläche auf
der Basis der Echosignale 68, die den 4 Ultraschallstrahlen 40 entsprechen,
bekannt sein. Da eine Belastung ausgeübt wird, ist die Deformation
(Biegen des Knochens) des Knochens 52 in 3(B) größer als
diejenige in 3(A). Obwohl eine Beispielskonfiguration
mit 4 Abtastechosignalen in 3 dargestellt
ist, ist es auch möglich,
mit einer Vielzahl von Abtastechosignalen, deren Anzahl sich von
4 unterscheidet, zu messen.
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Erneut
mit Bezug auf 1, ist ein Oberflächenpunkt,
der für
jedes Echosignal abgetastet wird, d. h. für jeden Ultraschallstrahl 40 in
der Echoabtastverarbeitungseinheit 20 der Abtastpunkt 42.
Eine Interpolationsliniengeneriereinheit 22 generiert eine Interpolationslinie,
welche diese Abtastpunkte 42 verbindet. Das heißt, durch
Interpolation mit einer Kurve unter einer Vielzahl an Abtastpunkten 42 unter Verwendung
einer Spline-Interpolation
oder einer kleinsten Quadratinterpolation wird eine Interpolationslinie
berechnet. Durch Erhöhen
der Anzahl an Echosignalen für
das Echoabtastverfahren ist es möglich,
die Oberflächenform
des Knochens durch die Interpolationslinie genauer anzunähern.
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Liegt
ein mechanisch spezifischer Abschnitt in einem Knochen vor, wird
eine Interpolationslinie berechnet, die den spezifischen Abschnitt
betrachtet. Wenn zum Beispiel eine Fraktur im Knochen vorliegt, ist
es möglich,
Interpolationslinien für
die Teile des Knochens zu bilden, die durch die Knochenfraktion getrennt
sind, und diese zwei Interpolationslinien zum Bilden einer Interpolationslinie
für den
Knochen als Ganzes zu kombinieren. Die Interpolationslinie wird
für jede
Zeitphase berechnet und an einen Speicher 24, eine Längsverschiebungskorrektureinheit 26 und
eine Anzeigebildbildungseinheit 32 ausgegeben. Die Längsverschiebungskorrektureinheit 26 löscht eine
Längsverschiebungskomponente
zwischen einer Interpolationslinie, die einer im Speicher 24 gespeicherten
Zeitphase im Nichtbelastungszustand entspricht, und einer Interpolationslinie, die
einer von der Interpolationsliniengeneriereinheit 22 ausgegebenen
Zeitphase im belasteten Zustand entspricht.
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4 ist
ein Diagramm zum Erklären
eines Löschvorgangs
der Längsverschiebungskomponente
in der Längsverschiebungskorrektureinheit 26.
Die Längsverschiebungskorrektureinheit 26 legt
die Interpolationslinie, die dem Nichtbelastungszustand entspricht
(Interpolationslinie 70 des Nichtbelastungszustands), und
die Interpolationslinie, die dem belasteten Zustand (Interpolationslinie 72 des
belasteten Zustands) entspricht, übereinander, um die Längsverschiebungskomponente
zu löschen.
Das Übereinanderlegen
der Interpolationslinien wird z. B. durch Abgleichung der Enden
der Interpolationslinie 70 des Nichtbelastungszustands
und der Interpolationslinie 72 des belasteten Zustands
durchgeführt. Durch
die Durchführung
des Übereinanderlegungsvorgangs
ist es möglich,
die Längsverschiebung
zwischen den Interpolationslinien aufgrund einer Bewegung des Knochens
während
der Messung herauszulöschen.
Mit dieser Struktur wird eine Größe der Deformation
des Knochens sehr genau aus der Differenz zwischen der Interpolationslinie 70 des
Nichtbelastungszustands und der Interpolationslinie 72 des belasteten
Zustands, die übereinander
gelegt sind, extrahiert. Eine Größe ε einer Deformation
des Knochens ist auf der Basis einer maximalen Verschiebung Δd zwischen
der übereinander
gelegten Interpolationslinie 70 des Nichtbelastungszustands
und der Interpolationslinie 72 des belasteten Zustands und
einem Messbereich (Länge
der Interpolationslinie 70 des Nichtbelastungszustands)
L, als ε = Δd/L definiert.
Ist eine Verschiebung zwischen einem beliebigen Punkt zwischen der
Interpolationslinie 70 des Nichtbelastungszustands und
der Interpolationslinie 72 des belasteten Zustands Δd, ist es
möglich, ε' = Δd'/L als die Größe der Deformation
des Knochens zu berechnen.
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Erneut
mit Bezug auf 1, berechnet eine Deformationsberechnungseinheit 28 eine
Größe ε einer Deformation
des Knochens und gibt sie an eine Charakteristikkurvengeneriereinheit 30 aus.
Die Charakteristikkurvengeneriereinheit 30 generiert eine
Charakteristikkurve im Hinblick auf die Deformation des Knochens
auf der Basis eines durch eine Belastungsmessvorrichtung 36 ausgegebenen
Belastungswerts und einer durch die Deformationsberechnungseinheit 28 ausgegebenen
Größe der Deformation
des Knochens.
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Ein
Verfahren zur Diagnose mechanischer Charakteristika eines Knochens
unter Verwendung des Ultraschalldiagnosegeräts gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. 5 ist
ein Diagramm, das ein Verfahren zur Diagnose des Schienbeins unter Verwendung
des Ultraschalldiagnosegeräts
von 1 darstellt. Ein Gewicht 92 wird auf
dem Schoß eines
auf einem Stuhl sitzenden Subjekts 90 derart platziert,
dass eine Belastung aufgrund des Gewichts 92 auf das Schienbein
ausgeübt
wird. Der Belastungswert aufgrund des Gewichts 92 wird
durch die Belastungsmessvorrichtung 36 gemessen und an
ein Hauptsystem 100 des Ultraschalldiagnosegeräts ausgegeben.
Die Sonde 10 ist durch eine nicht dargestellte Sondenfixierung
fixiert und sendet und empfängt
Ultraschall zu und vom Unterschenkel (eine Stelle des Schienbeins).
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Eine
Positionsbeziehung zwischen der Sonde 10, dem Unterschenkel
und der Sondenfixierung ist in 6 dargestellt.
Die Sonde wird durch eine Positionseinstellungsvorrichtung 102 gestützt, die
als eine Sondenfixierung wirkt und in einer vorbestimmten Position
platziert ist. Eine Belastung aufgrund des Gewichts 92 wird
auf den Unterschenkel 94 des Subjekts ausgeübt und der
Belastungswert durch die Belastungsmessvorrichtung 36 gemessen.
Ein Abstandhalter 106 ist mit einem Gurt 104 am
Unterschenkel 94 befestigt. Der Abstandhalter 106 ist
ein gel-ähnliches
Medium, welches Ultraschall hindurch senden lässt, und weist eine akustische
Impedanz auf, die in der Nähe
derjenigen eines lebenden Körpers
liegt. Die Sonde 10 ist in Kontakt mit dem Abstandhalter 106 platziert
und sendet und empfängt Ultraschall
zu und von dem Unterschenkel 94 des Subjekts über den
Abstandhalter 106, um die mechanischen Charakteristika
des Schienbeins oder Wadenbeins auszuwerten.
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7 und 8 stellen
andere Beispiele und Verfahren zur Fixierung der Sonde 10 dar.
In der Beispielkonfiguration von 7 ist die
Sonde 10 unter Verwendung des Gurts 104 in Kontakt
mit dem Unterschenkel 94 platziert. In der Beispielkonfiguration
von 8 platziert der Patient den Unterschenkel 94 in
einen Wasserbehälter 112 und
ist die Sonde 10 durch eine am Wasserbehälter 112 befestigte
Winkeleinstellvorrichtung 108 fixiert. Die Sonde 10 ist
durch ein Dünnschichtgummilagenfenster 110 abgedeckt und
sendet und empfängt
Ultraschall zu und vom Unterschenkel 94 über das
Wasser. In einer praktischen Einstellung ist es erwünscht, dass
eine nicht dargestellte Fixierungsvorrichtung bereitgestellt ist,
sodass sich die Position des Unterschenkels 94 in Bezug
auf die Sonde 10 nicht ändert.
In den Beispielskonfigurationen von 7 und 8 wird
auch der Belastungswert aufgrund des Gewichts 92 durch
eine Belastungsmessvorrichtung 36 gemessen.
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Durch Ändern des
Gewichts 92 ist es möglich,
die Deformation für
jeden Belastungswert zu messen. Auf der Basis von durch dieses Verfahren erhaltenen
Daten generiert die Charakteristikkurvengeneriereinheit 30 eine
Charakteristikkurve. 9 und 10 zeigen
Beispiele von durch die Charakteristikkurvengeneriereinheit 30 generierten
Charakteristikkurven. 9 ist ein Diagramm, das alle
Belastungswerte und eine Größe der Deformation
von einem Knochen darstellt, wobei die horizontale Achse als ein
Vorgang (vier Stufen von A, B, C und D) genommen ist. Es ist ersichtlich,
dass, wenn der Belas tungswert schrittweise in der Reihenfolge der
Vorgänge
A, B, C und D erhöht
wird, die Größe der Deformation
von einem Knochen in einer schrittweisen Weise entsprechend zunimmt.
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10 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Größe der Deformation von einem
Knochen und des in 9 dargestellten Belastungswerts
darstellt, wobei die horizontale Achse die Größe der Deformation von einem
Knochen und die vertikale Achse den Belastungswert darstellt. 10 zeigt
auch eine Näherungslinie,
die mit in den vier Stufen von A, B, C und D gesondert erhaltenen
Daten berechnet ist. Die in 9 und 10 dargestellten Charakteristikkurven
werden auf einer Anzeige (Bezugsnummer 34 von 1)
durch eine Anzeigebildbildungseinheit (Bezugsnummer 32 von 1)
angezeigt.
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Als
eine mechanische Charakteristik von einem Knochen ist es z. B. möglich, (Belastung)/(Deformation)
zu quantifizieren, welche eine Neigung der Näherungslinie in 10 ist,
als eine Messung der Steifigkeit des Knochens. Wenn z. B. ein Mittelwert für gesunde
Subjekte A ist und der Wert für
den Patienten B ist, wird bestimmt, dass die Steifigkeit des Knochens
des Diagnoseziels (Subjekt) normal ist, wenn der Wert B innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs vom Wert A liegt, und dass die Steifigkeit
des Knochens des Diagnoseziels abnormal ist, wenn der Wert B außerhalb
des Bereichs liegt. Es ist auch möglich, die Steifigkeit des
Knochens aus einer Differenz (B–A)
auszuwerten.
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Es
ist auch möglich,
eine Festigkeit von einem Knochen durch Ausüben einer Gewichtsbelastung,
bei der es sich um eine externe Wirkung auf den Knochen handelt,
auszuwerten und die plastische Verformung des Knochens nach dem
Entfernen des Gewichts zu quantifizieren. Als ein konkretes Beispiel
ist es möglich,
die Position einer Oberfläche des
Knochens, bevor eine Belastung ausgeübt wird, und die Position der
Oberfläche,
nachdem eine Belastung ausgeübt
und entfernt wurde, zu vergleichen. Es ist möglich, zu bestimmen, dass die
Festigkeit des Knochens normal ist, wenn die Differenz innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs liegt, und dass die Festigkeit des
Knochens abnormal ist, wenn die Differenz außerhalb des Bereichs liegt.
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Andere
Verfahren zum Ausüben
einer Belastung auf das Schienbein umfassen das Stehen auf einem
Fuß, das
Stehen auf beiden Füßen und
zyklische Belastung durch Gehen. In jedem dieser Verfahren kann
der Belastungswert durch die der vorstehend beschriebene Konfiguration ähnliche
Belastungsmessvorrichtung (Bezugsnummer 36 in 1) gemessen
werden.
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11 und 12 zeigen
Beispiele für
Charakteristikkurven, die durch die Charakteristikkurvengeneriereinheit 30 im
Falle einer zyklischen Belastung generiert wurden. 11 ist
eine Charakteristikkurve, die jeden der Belastungswerte und der
Größe der Deformation
des Knochens darstellt, wobei die horizontale Achse die Zeit darstellt. 11 zeigt, dass,
wenn der Belastungswert von der Zeit 0 zur Zeit t stufenweise erhöht wird,
die Größe der Deformation
entsprechend stufenweise von der Zeit 0 zur Zeit t zunimmt. Es kann
auch erkannt werden, dass, wenn der Belastungswert nach der Zeit
t stufenweise reduziert wird, die Größe der Deformation ebenfalls stufenweise
reduziert wird. Die Charakteristikkurve von 11 wird
auf einer Anzeige (Bezugsnummer 34 in 1)
durch eine Anzeigebildbildungseinheit (Bezugsnummer 32 in 1)
angezeigt. Der Prüfer kann
die Größe an Deformation
des Knochens je nach Belastungswert aus der auf der Anzeige 34 angezeigten
charakteristischen Kurve ablesen.
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12 zeigt
eine Charakteristikkurve, in welcher die horizontale Achse eine
Größe der Deformation
des Knochens darstellt und die vertikale Achse einen Belastungswert
darstellt. Es gibt eine Hysteresecharakteristik zwischen der Größe der Belastung auf
den Knochen und der Größe der Deformation
des Knochens. Mit anderen Worten, es wäre eine Zunahmecharakteristik
der Größe der Deformation
des Knochens, wenn der Belastungswert stufenweise auf den maximalen
Belastungswert erhöht
wird, und eine Abnahmecharakteristik der Größe der Deformation des Knochens,
wenn die Belastung stufenweise vom maximalen Belastungswert reduziert
wird, nicht die gleiche Kurve. 12 zeigt
eine Charakteristik, wenn der Belastungswert auf einen maximalen
Belastungswert erhöht
und dann vom maximalen Belastungswert reduziert wird. Der Bereich 80 gibt
die Hysteresecharakteristik zwischen dem Belastungswert und der
Größe der Deformation
wieder. Die in 12 dargestellte Charakteristikkurve
wird auf der Anzeige (Bezugsnummer 34 in 1)
durch eine Anzeigebildbildungseinheit (Bezugsnummer 32 in 1)
angezeigt.
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Erneut
mit Bezug auf 1, bildet die Anzeigebildbildungseinheit 32 ein
Anzeigebild auf der Basis des in der Querschnittsbildbildungseinheit 18 gebildeten
Querschnittbilds des Knochens und die durch die Charakteristikkurvengeneriereinheit 30 generierte
Charakteristikkurve und zeigt das gebildete Bild auf der Anzeige 34 an.
Das Querschnittsbild und die Charakteristikkurve werden z. B. auf
der Basis einer Anweisung durch den Prüfer geschalten und angezeigt.
Alternativ dazu können
das Querschnittsbild und die Charakteristikkurve gleichzeitig angezeigt werden.
Außerdem
ist es auch möglich,
die durch die Interpolationsliniengeneriereinheit 22 berechnete
Interpolationslinie übereinander
gelegt über
dem Querschnittsbild des Knochens anzuzeigen.
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Die
folglich erhaltene mechanische Charakteristik, wie die Größe der Deformation
oder Festigkeit von einem Knochen, ist ein wichtiges Maß einer quantitativen
Auswertung von Knochenverheilung und trägt bedeutsam als Gegenstand
und zuverlässige
Basis daten zur Diagnose bei der Beurteilung von Wirkungen durch
ein Mittel zu einer Zunahme der Knochenfestigkeit, Entfernung einer/eines
Fixierung/Implantats und Anweisung des Belastungsgrads für einen
Patienten bei.
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Der
Diagnosezielknochen des erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosegeräts ist nicht
auf das Schienbein und das Wadenbein beschränkt und kann alternativ dazu
z. B. auf Oberschenkelknochens und Armknochen angewandt werden.
Wird der Oberschenkelknochen als Ziel gesetzt, ist es möglich, an eine
Belastungsmessvorrichtung ein Diagnoseziel zu platzieren, das um
ein Gewicht gewickelt ist und Diagnose mit der Sonde, die den Oberschenkel
kontaktiert den auf den Oberschenkelknochen ausgeübten Belastungswert
und die Gestalt des Oberschenkelknochens zu messen. Werden die Armknochen
als Ziel gesetzt, ist es möglich
die Sonde am Arm eines Subjekts zu kontaktieren und zu Diagnostizieren, während der
Arm durch das Subjekt, der mit dem Arm eine an einer Wand befestigten
Belastungsmessvorrichtung drückt,
belastet ist. Alternativ dazu ist es dem Subjekt auch möglich, seinen
Arm an die auf dem Boden platzierte Belastungsmessvorrichtung zu
platzieren und den Belastungszustand in einer Position des „Hochdrückens" zu diagnostizieren. Auf
diese Weise kann das erfindungsgemäße Ultraschalldiagnosegerät auf Knochen
von verschiedenen Bereichen im Subjekt angewandt werden.
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Eine
Diagnose unter Verwendung des Ultraschalldiagnosegeräts der vorliegenden
Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass die Diagnose unabhängig von
Verfahren der Knochenfrakturbehandlung angewandt werden kann.
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Wie
beschrieben, ist es mit dem Ultraschalldiagnosegerät der vorliegenden
Erfindung möglich, eine
mechanische Charakteristik des Knochens in einem lebenden Körper nicht-invasiv
und quantitativ auszuwerten.