DE68929239T2

DE68929239T2 - Ultraschall-Dichtemessgerät und Verfahren

Info

Publication number: DE68929239T2
Application number: DE68929239T
Authority: DE
Inventors: Phillip J. Rossman; Scott A. Weiner
Original assignee: Lunar Corp; GE Lunar Corp
Current assignee: GE Lunar Corp
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2009-05-10
Also published as: EP0728443B1; IL90263A; AU3467289A; EP0728443A2; DE68929239D1; EP0920832A3; AU609686B2; DE68929055D1; KR890017532A; KR0149847B1; FI892282A0; EP0721765B1; JPH02104337A; EP0721765A2; EP0721765A3; IL90263A0; FI892282A; EP0341969A3; DE68929055T2; CA1323090C

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Geräte zur Messung der Dichte des Os calcis, insbesondere Geräte, die mit Hilfe akustischer Ultraschallsignale die physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis messen.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Es existieren verschiedene Geräte, die zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität eines Körperteils wie z. B. eines Knochens herangezogen werden können. Vorrichtungen zur nicht-invasiven Dichtemessung können dazu dienen, den kumulativen internen Schaden zu ermitteln, den Mikrozertrümmerungen und Mikrobrüche in den Knochen von Menschen oder Tieren wie etwa Rennpferden verursachen. Außerdem werden Osteoporose, d. h. der Verlust der Knochenmineralisierung, sowie die Detektion beim Menschen und ihre Heilung oder Prävention zu immer wichtigeren Aufgabenbereichen für die Medizin und Biologie. Je mehr das Durchschnittsalter der menschlichen Bevölkerung ansteigt, desto mehr Patienten entwickeln Komplikationen infolge des raschen Verlusts von Trabekulärknochen.
US-Patent 3.847.141 (Hoop) offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Dichte einer Knochenstruktur, z. B. eines Finger- oder Fersenknochens, zur Überwachung ihres Calciumgehalts. Die Vorrichtung enthält ein Paar gegenüber liegender beabstandeter Ultraschallwandler, die innerhalb einer Klemme gehalten werden, die an den zu analysierenden Knochen festgeklemmt ist. Ein Impulsgenerator ist an einen der Wandler gekoppelt, um eine Ultraschallwelle zu erzeugen, die durch den Knochen zum anderen Wandler gelenkt wird. Eine elektrische Schaltung koppelt die Signale aus dem Empfangswandler zurück an den Impulsgenerator, um diesen als Reaktion auf diese Signale neu zu triggern. Die Impulse werden daher mit einer Frequenz erzeugt, die proportional zur Durchgangszeit ist, welche die Ultraschallwelle benötigt, um sich durch die Knochenstruktur zu bewegen (ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des Schalls durch den Knochen). Die Geschwindigkeit des Schalls durch einen Knochen erwies sich als proportional zur Knochendichte. Somit ist die Frequenz, mit welcher der Impulsgenerator neu getriggert wird, proportional zur Knochendichte.
Ein weiteres Gerät und Verfahren zur Ermittlung der Stärke eines Knochens in vivo ist in den US-Patenten 4.361.154 und 4.421.119 (Pratt, Jr.) geoffenbart. Das Gerät enthält einen Sendewandler und einen Empfangswandler, die durch einen mit Gradeinteilung versehenen Nonius verbunden sind und die Geschwindigkeit des Schalls durch den Knochen ermitteln, um seine Stärke zu bestimmen. Der Nonius dient zur Messung des gesamten Durchgangsabstands zwischen den Oberflächen der zwei Wandler.
US-Patent 4.457.311 offenbart eine Vorrichtung für das Ultraschallabtasten des menschlichen Rückens, worin eine lineare Anordnung an Wandlern und ein Transportersystem zur Beförderung der Wandler entlang des Rückens vorliegen.
Während des Betriebs sendet jeder Wandler hintereinander einen Impuls aus und wird dann sofort in Empfangsmodus geschaltet. Der ausgesendete Impuls wird reflektiert und der reflektierte Impuls vom gleichen Wandler detektiert. Dies wird über die Länge der Anordnung wiederholt, wodurch eine Reihe reflektiver Messungen aufgebaut wird, die verarbeitet werden und anhand derer eine Ausgabe geliefert werden kann, die repräsentativ für die gescannte Körperstruktur ist.
Lees (Lees, S. (1986), Sonic Properties of Mineralized Tissue, Tissue Characterization With Ultrasound, CRC publication 2, 207-226) erörtert verschiedene Studien betreffend die Dämpfung und Geschwindigkeit von Schallmessungen in kortikalem und schwammigem Knochen (spongiös oder trabekulär). Die Ergebnisse dieser Studien weisen auf eine lineare Beziehung zwischen der nassen Schallgeschwindigkeit und der nassen kortikalen Dichte sowie zwischen der trockenen Schallgeschwindigkeit und der trockenen kortikalen Dichte hin. Die Durchgangszeiten eines akustischen Signals durch einen Knochenteil sind daher proportional zur Knochendichte. Langton et al. (Langton, C. M., Palmer, S. D. und Porter, S. W. (1984), The Measurement of Broad Band ultrasonic Attenuation in Cancellous Bone, Eng. Med., 13, 89-91) veröffentlichten die Ergebnisse einer Untersuchung über Ultraschalldämpfung in Bezug zur Frequenz im Os calcis (Fersenknochen), die Durchgangstechniken anwendete. Diese Autoren schlugen vor, dass Dämpfungsdifferenzen, die bei verschiedenen Probanden beobachtet werden, auf Veränderungen des Mineralgehalts des Os calcis zurückzuführen waren. Sie legten ferner nahe, dass die niederfrequente Ultraschalldämpfung möglicherweise ein Parameter ist, der sich für die Diagnose von Osteoporose oder als Prognosemöglichkeit möglicher Bruchrisken anbietet.
WO 87/07494 offenbart ein Gerät und ein Verfahren zur Beurteilung des Knochenzustands, bei dem ein Test mit einem einzelnen Wandlerpaar zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallimpulsen und Messen der Durchgangszeit durch den Knochen erfolgt. Die Messungen werden mit einer Datenbank an Geschwindigkeitswerten für verschiedene Patienten verglichen, die anhand einiger Faktoren wie z. B. Alter, Geschlecht, Rasse, bekannte Knochenerkrankungen kategorisiert werden können, um einen solchen bekannten Patienten mit bekannten Werten zu identifizieren und eine Diagnose stellen zu können. Da allerdings die Vorrichtung aus WO 87/07494 nur einen Wandler zum Senden eines Impulses und einen Wandler zum Empfangen eines Impulses besitzt, ist die Positionierung der Wandler entscheidend, wenn wiederholte Messungen eines einzelnen Patienten oder Messungen mehrerer Patienten miteinander verglichen werden.
Ein vorrangiges Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ultraschall-Dichtemessgeräts und Verfahrens zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo.
Ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ultraschall-Dichtemessgeräts und Verfahrens zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo durch Bestimmung der absoluten Dämpfung spezifischer Frequenzkomponenten akustischer Ultraschallsignale durch die Ferse.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ultraschall-Dichtemessgeräts und Verfahrens zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo durch Vergleichen der absoluten Dämpfung spezifischer Frequenzkomponenten akustischer Ultraschallsignale durch die Ferse mit der absoluten Dämpfung korrespondierender Frequenzkomponenten akustischer Signale durch ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ultraschall-Dichtemessgeräts und Verfahrens zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo durch Vergleichen der Durchgangszeit akustischer Ultraschallsignale durch die Ferse mit einer ausgewählten normalen Durchgangszeit, die aus einer Datenbank normaler Durchgangszeiten ausgewählt ist, die vom Alter, der Größe, dem Gewicht, der Rasse oder dem Geschlecht des untersuchten Individuums sowie auch vom Abstand zwischen den Wand lern oder der Größe der Ferse abhängen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschall-Dichtemesser zum Untersuchen des Os calcis in vivo bereitgestellt, umfassend:
eine Ultraschall-Übertragungswandleranordnung und eine Ultraschall-Empfangswandleranordnung, die von der Übertragungsanordnung beabstandet ist, um eine Ferse dazwischen aufzunehmen;
elektrische Mittel, die an die Übertragungs- und die Empfangswandleranordnung angeschlossen sind, um einen Ultraschallimpuls von der Übertragungsanordnung auszusenden, den Empfang des Impulses an der Empfangsanordnung abzufühlen und die Durchgangszeit des Impulses zu messen, der durch die Ferse hindurchgeht, wenn die Ferse im Weg des Ultraschallimpulses angeordnet ist;
ein elektronisches Mittel, das einen Mikroprozessor umfasst, der gemäß einem gespeicherten Programm arbeitet, um:
(i) eine einer Vielzahl normaler Durchgangszeiten aus einer elektronischen Datenbank normaler Durchgangszeiten auszuwählen;
(ii) einen mathematischen Vergleich der Durchgangszeit durch das Körperglied des durch die Ferse hindurchgehenden Impulses mit der gewählten normalen Durchgangszeit durchzuführen; und
(iii) den mathematischen Vergleich mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Os calcis der Ferse in Beziehung zu setzen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo bereitgestellt, umfassend folgende Schritte:
(a) das Übertragen eines akustischen Signals durch die Ferse hindurch unter Einsatz einer Ultraschall-Übertragungswandleranordnung und einer Ultraschall-Empfangswandleranordnung, die von der Übertragungsanordnung beabstandet ist, wobei die Übertragungsanordnung einen Ultraschallimpuls aussendet und die Empfangsanordnung den Impuls aufnimmt, nachdem er durch die Ferse hindurchgegangen ist;
(b) das Bestimmen der Fersendurchgangszeit des akustischen Signals durch die Ferse;
(c) das Auswählen einer aus einer Vielzahl normaler Durchgangszeiten aus einer Datenbank normaler Durchgangszeiten;
(d) das Durchführen eines mathematischen Vergleichs zwischen der Fersendurchgangszeit und der gewählten normalen Durchgangszeit; und
(d) das In-Beziehung-Setzen des mathematischen Vergleichs mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Os calcis.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Abbildungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß konstruierten Ultraschall- Dichtemessgeräts.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines akustischen Kopplers, von denen zwei in Fig. 1 dargestellt sind.
Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer Wandlerstirnseite, von der akustische Signale übertragen oder durch die akustische Signale empfangen werden, wobei die Stirnseite des anderen Wandlers das Spiegelbild der obigen Stirnseite ist.
Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm des Schaltkreises des erfindungsgemäß konstruierten Ultraschall-Dichtemessgeräts.
Fig. 5 veranschaulicht das Verfahren des Sampelns einer empfangenen Wellenform, das von der Schaltung von Fig. 4 angewendet wird.
Fig. 6 ist eine Probe eines tatsächlichen Ultraschallimpulses und einer Reaktion eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Dichtemessers.
Fig. 7 ist ein Probendiagramm relativer Ultraschall-Impulsintensität über den Frequenzbereich.
Fig. 8 ist ein Graph in der Frequenzdomäne, aus dem die Verschiebung des Wechsels über der Frequenzcharakteristik eines gemessenen Objekts im Vergleich zu einem Bezugswert ersichtlich ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Bezug nehmend auf die Abbildungen, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile stehen, zeigt Fig. 1 einen tragbaren Ultraschall-Dichtemesser 10 zur Messung der physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo. Der in Fig. 1 dargestellte Dichtemesser 10 enthält einen Griff 11 mit einem Betätigungsknopf 12. Ein Verbindungsstab 13 erstreckt sich linear vom Griff 11. Der Dichtemesser 10 besitzt auch einen fixierten Arm 15 und einen einstellbaren Arm 16. Der fixierte Arm 15 ist vorzugsweise kontinuierlich mit dem Verbindungsstab 13 ausgebildet und ist daher mit einem Ende 17 desselben verbunden. Der einstellbare Arm 16 ist am Verbindungsstab 13 zwischen dem Griff 11 und einer am Stab 13 montierten digitalen Anzeige 18 gleitend befestigt. Der Knauf 19 kann gedreht werden, um verriegelt oder entriegelt zu werden und es dem einstellbaren Arm 16 zu ermöglichen, entlang des Verbindungsstabs 13 solcherart zu gleiten, dass der Abstand zwischen den Armen 15 und 16 eingestellt werden kann.
Mit dem Ende des fixierten Arms 15 ist ein erster (linker) Wandler 21 verbunden, mit dem anderen Ende des einstellbaren Arms 16 ein zweiter (rechter) Wandler 21. Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist auf jedem der Wandler 21 ein jeweiliger nachgebender akustischer Koppler 23 montiert, um den Wandler akustisch an das untersuchte Objekt zu koppeln. Der akustische Koppler 23 enthält einen Kunststoffring 24 und einen befestigten Polster 26, der aus Urethan oder einem anderen nachgiebigen Material besteht. Fig. 3 zeigt eine Vorderfläche 28 des ersten (linken) Wandlers 21, die normalerweise hinter dem biegsamen Polster 26 des akustischen Kopplers 23 versteckt ist. Die Wandlerfläche 28 liegt normalerweise an der Innenfläche 29 des Polsters 26 an (siehe Fig. 2). Die Wandlerfläche 28 von Fig. 3 enthält eine Anordnung von zwölf Wandlerelementen, die mit a-l bezeichnet sind. Der zweite (rechte) Wandler 21 besitzt eine Vorderfläche 28, die das Spiegelbild der in Fig. 3 gezeigten ist.
Fig. 4 zeigt in allgemeiner schematischer Weise den elektronischen Schaltkreis 31 des Dichtemessers 10, der physisch im Gehäuse der digitalen Anzeige 18 untergebracht ist. Ein Objekt 32 ist zwischen den Wandlern 21 positioniert, so dass akustische Signale durch das Objekt hindurch übertragen werden können. Diese Objekt 32 stellt den Os calcis oder ein bestimmtes Material mit bekannten akustischen Eigenschaften dar, z. B. destilliertes Wasser oder einen Neopren-Referenzblock. Wie aus der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ersichtlich, ist der linkeste Wandler 21 ein Durchgangsübertragungswandler und der rechteste Wandler 21 ein Empfangswandler. Die Anordnung des Übertragungs- und Empfangswandlers kann jedoch auch umgekehrt sein. Der Durchgangs- und der Empfangswandler 21 der Schaltung von Fig. 4 sind durch Elementauswahlsignale 36 und 37 mit einem Mikroprozessor 38 verbunden. Der Mikroprozessor 38 ist programmiert, um zu ermitteln, welches der jeweiligen Paare an Wandlerelementen a bis I jeweils übertragen und empfangen soll. Diese Auswahl wird durch die Elementauswahl-Signalleitungen 36 und 37 durchgeführt, die entweder mehrere Signalleitungen oder eine serielle Datenleitung sein können, um die erforderlichen Auswahldaten an die Wandler 21 zu leiten. Der Mikroprozessor 38 ist auch durch einen Daten- und Adressenbus 40 mit der digitalen Anzeige 18, einem digitalen Signalprozessor 41, einem A/D-Sampling-Wandler 42 und einer Reihe externer Zeitgeber verbunden. Der Mikroprozessor 38 hat einen elektronisch programmierbaren nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher (NV-RAM) und möglicherweise auch einen herkömmlichen RAM-Speicher "an Bord" und steuert die Vorgänge des Dichtemessers 10. Der digitale Signalprozessor 41 hat einen Nur-Lese-Speicher (ROM) "an Bord" und erfüllt viele der mathematischen Funktionen, die vom Dichtemesser 10 unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 durchgeführt werden. Der digitale Signalprozessor 41 weist die spezifische Fähigkeit auf, diskrete Fourier-Transformationen durchzuführen, wie dies derzeit in Form handelsüblicher integrierter Schaltungen möglich ist, um empfangene Wellenformsignale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umwandeln zu können. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 sind auch durch die Steuersignale 45 und 46 miteinander verbunden, so dass der Mikroprozessor 38 die Kontrolle über die Vorgänge des digitalen Signalprozessors 41 aufrechterhalten und Statusinformation empfangen kann. Gemeinsam steuern der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 die elektrische Schaltung 31, so dass der Dichtemesser 10 seine nachstehend beschriebenen Funktionen erfüllen kann. Ein hörbarer Rückkopplungsmechanismus 48, z. B. ein Lautsprecher, kann durch ein Ausgangssignal 49 mit dem Mikroprozessor 38 verbunden sein.
Der externe Zeitgeber 43 übermittelt eine Reihe von Taktsignalen 51 und 52 an den A/D-Wandler 42, um an diesen Zeitinformation weiterzuleiten, damit er in zeitlich abgestimmten Intervallen elektrische Signale abtastet, die er schließlich vom Sendewandler empfängt (dies erfolgt im Einklang mit dem Programm im Mikroprozessor 38 und im digitalen Signalprozessor 41). Der externe Zeitgeber 43 erzeugt auch ein Taktsignal 53 und leitete es an einen Erregungsverstärker 55. Zeitlich gesteuerte Impulse werden durch den Zeitgeber 43 erzeugt und durch die Signalleitung 53 zum Verstärker 55 übertragen, um verstärkt und durch die Signalleitung 56 zum Sendewandler 21 gelenkt zu werden. Der Sendewandler 21 wandelt den verstärkten Impuls in ein akustisches Signal um, das durch die Ferse oder das Material 32 übertragen wird, um vom Empfangswandler 21 empfangen zu werden, der das akustische Signal wieder in ein elektrisches Signal wandelt. Das elektrische Signal wird durch das Ausgangssignal 57 zu einem Empfangsverstärker 59 geleitet, der es verstärkt.
Die Erregungsverstärkerschaltung 55 ist vorzugsweise eine digital steuerbare Schaltung, die einen gepulsten Ausgang liefern soll. Die Verstärkung des Impulses kann in Schritten von 1 bis 99 digital gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Impuls hinsichtlich der Amplitude unter digitaler Steuerung repetitiv erhöht werden, bis ein empfangener Impuls geeigneter Amplitude in der Empfangs/Verstärkungsschaltung 59 empfangen wird, wo der Verstärkungsfaktor ebenfalls digital einstellbar ist.
Mit der Empfangsverstärkerschaltung 59 ist eine digital steuerbare automatische Verstärkungssteuerschaltung verbunden und damit integriert, welche die Empfindlichkeit des Empfangswandlers 21 und der Verstärkerschaltung 59 gegenüber empfangenen akustischen Signalen optimiert. Der Mikroprozessor 38 ist mit der Verstärkerschaltung und der automatischen Verstärkungssteuerung 59 durch die Signalleitung 60 verbunden, um die Verstärkung der Verstärkerschaltung und der Verstärkungssteuerung 59 zu regulieren. Die verstärkten elektrischen Signale werden durch den Anschluss 61 zum A/D-Wandler 42 geleitet, der diese Signale in zeitlich abgestimmten Intervallen abtastet. Der A/D-Wandler 42 fühlt daher effektiv die empfangenen akustischen Signale ab. Während eine Reihe im Wesentlichen identischer akustischer Signale vom Empfangswandler 21 empfangen wird, fühlt der A/D-Wandler 42 nach und nach einen inkrementalen Abschnitt jeder aufeinanderfolgenden Signalwellenform ab. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, dass diese Abschnitte kombiniert werden, um eine digitale Verbundwellenform zu schaffen, die fast identisch mit einer einzelnen Wellenform ist. Diese digitalisierte Wellenform kann auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt oder zwecks numerischer Analyse durch den digitalen Signalprozessor 41 verarbeitet werden.
Der in Einklang mit Fig. 1-4 konstruierte Dichtemesser wird gemäß dem in Patentanspruch 6 definierten Verfahren der Erfindung betrieben. Um die praktische Verwendung des Dichtemessers zwecks Messung der physikalischen Eigenschaften des Os calcis vollkommen zu verstehen, ist es zunächst erforderlich, sich den internen Betrieb des Dichtemessers selbst im Detail anzusehen.
Bei der Verwendung soll der Dichtemesser auf der Ferse positioniert werden, deren Eigenschaften gemessen werden. Dies erfolgt, indem die Wandler 21 auf gegenüber liegenden Seiten der Ferse angeordnet werden. Dafür wird der Knauf 19 gelockert, damit der einstellbare Arm 16 solcherart bewegt wird, dass die Wandler 21 auf gegenüberliegenden Seiten der Ferse eines menschlichen Patienten plaziert werden können. Die Außenflächen der Pölster 26 können gegen die Ferse des Probanden angelegt werden, wobei ein Ultraschallgel 35 oder ein anderes Kopplungsmaterial zwischen den Pölstern 26 und dem Probanden 32 aufgetragen wird, um für verbesserte Übertragung der akustischen Signale zwischen der Ferse 32 und den Wandlern 21 zu sorgen. Sobald die Wandler 21 richtig auf der Ferse positioniert sind, kann der Knauf 19 angezogen werden, um den einstellbaren Arm 16 festzuhalten, wobei die Wandler 21 in beabstandeter Beziehung zueinander und mit der Ferse 32 dazwischen positioniert sind. Der Betätigungsknopf 12 kann dann gedrückt werden, so dass akustische Signale durch die Ferse 32 hindurch übertragen und vom Empfangswandler 21 empfangen werden. Die elektronische Schaltung von Fig. 4 empfängt die elektrischen Signale vom Empfangswandler 21, tastet diese Signale ab und verarbeitet sie, um Informationen über die physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis in vivo zu erhalten. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, dass auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt wird, wann dieser Informationserfassungsprozess abgeschlossen ist. Alternativ dazu kann die Information auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt werden, wenn der Informationserfassungsprozess abgeschlossen ist. Beispielsweise könnte die Durchgangszeit der akustischen Signale durch die Ferse 32 auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt werden.
Im Detail betrachtet, besteht das Grundprinzip des Betriebs des Schaltkreises von Fig. 4 darin, dass der Schaltkreis ausgelegt ist, einen Ultraschallimpuls zu erzeugen, der sich vom Sendewandler 21 durch die Ferse 32 des Probanden fortbewegt und dann vom Empfangswandler 21 empfangen wird. Der Schaltkreis ist ausgebildet, die Durchgangszeit des Impulses durch die Ferse 32 zu bestimmen, die Dämpfung des Impulses durch die Ferse 32 zu ermitteln und eine digitale Darstellung der Wellenform des Impulses nach seinem Durchgang durch die Ferse 32 rekonstruieren zu können, so dass er analysiert werden kann, um die Dämpfung bei ausgewählten Frequenzen bestimmen zu können. Um alle diese Ziele zu erreichen, wird der Schaltkreis von Fig. 4 unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 betrieben. Der Mikroprozessor 38 wählt durch die Elementauswahl-Signalleitungen 36 ein korrespondierendes Paar oder eine Gruppe der Elemente a bis l auf der Vorderfläche jedes Wandlers 21 aus. Die korrespondierenden Elemente auf jedem Wandler werden gleichzeitig ausgewählt, während die verbleibenden Elemente auf der Vorderfläche jedes Wandlers inaktiv sind. Wenn ein bestimmtes Element, z. B. das Element a, ausgewählt ist, bewirkt der Mikroprozessor, dass der externe Zeitgeber 43 einen Impuls auf der Signalleitung 53 an die Erregungsverstärkerschaltung 55 aussendet. Das Ausgangssignal des Erregungsverstärkers 55 bewegt sich entlang der Signalleitung 56 zum Element a des Sendewandlers 21, der daraufhin den Ultraschallimpuls aussendet. Das korrespondierende Element a auf dem Empfangswandler 21 empfängt den Impuls und leitet sein Ausgangssignal über die Signalleitung 57 zur Verstärkerschaltung 59. Als Ausgangssignal des A/D-Wandlers 42 ist eine digitale Darstellung der analogen Wellenform wünschenswert, d. h. das Ausgangssignal des ausgewählten einzelnen Wandlerelements. Leider sind A/D- Wandler mit "Echtzeit"-Abtastung, die rasch genug betrieben werden können, um eine Wellenform bei Ultraschallfrequenzen abzutasten, relativ teuer. Daher ist es vorzuziehen, dass der A/D-Wandler 42 ein A/D-Wandler mit "Äquivalenzzeit"-Abtastung ist. Unter "Äquivalenzzeit"-Abtastung ist zu verstehen, dass der A/D-Wandler 42 den Ausgang des Wandlers während eines schmalen Zeitbands nach einem bestimmten Ultraschallimpuls abtastet. Das Grundprinzip ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die typische Wellenform eines vom Empfangswandler 21 empfangenen und der Signalleitung 57 angelegten einzelnen Impulses ist durch die Funktion "f" angezeigt. Der gleiche Impuls wird wiederholt als Erregungsimpuls empfangen und wiederholt ausgesendet. Der empfangene Impuls wird in einer Abfolge von Zeiträumen, die als t&sub0;-t&sub1;&sub0; bezeichnet werden, abgetastet. Anders ausgedrückt wird - statt des Versuchs einer Echtzeit-A/D- Wandlung des Signals f - das Signal während individuell festgelegter Zeiträume t&sub0;-t&sub1;&sub0; nach dem Anlegen des Sendeimpulses abgetastet, der analoge Wert während jedes Zeitraums wird in eine digitale Funktion umgewandelt, und diese Daten werden gespeichert. Somit kann die gesamte analoge Wellenformantwort aus den einzelnen digitalen Werten neu gebildet werden, die während jedes Zeitraums t geschaffen werden, wobei die gesamte Wiedergabetreue dieser Neubildung der Wellenform von der Anzahl der abgetasteten Zeiträume t abhängt. Die Abtastung erfolgt nicht während des einzelnen Echtzeitimpulses aus dem Empfangswandler 21. Statt dessen wird eine Reihe von Impulsen vom Sendewandler 21 ausgesendet. Der externe Zeitgeber ist konstruiert, Signale an den Abtastungs-A/D-Wandler 42 entlang der Signalleitungen 51 und 52 zu senden, so dass der analoge Wert im Zeitraum 10, wenn der erste Impuls an ein bestimmtes Wandlerelement angelegt wird, dann im Zeitraum t&sub1; während des zweiten Impulses, im Zeitraum t&sub2; während des dritten Impulses usw. abgetastet wird, bis alle Zeiträume abgetastet sind. Erst wenn die gesamte Wellenform für jedes Element abgetastet wurde, wird das nächste Element, d. h. das Element b, ausgewählt. Das Ausgangssignal aus dem A/D-Wandler 42 wird sowohl an den Mikroprozessor 38 als auch an den Signalprozessor 41 geliefert. Somit können die digitalen Ausgangswerte, welche die komplexe Wellenform f von Fig. 5 darstellen, durch den Signalprozessor verarbeitet werden, nachdem sie für jedes Wandlerelement erfasst wurden. Die Wellenform kann dann auf Zeitverzögerung oder Dämpfung für jede bestimmte Frequenzkomponente in Bezug auf die Eigenschaft des übertragenen Ultraschallimpulses analysiert werden. Der Prozess wird für die anderen Elemente wiederholt, bis alle Elemente dazu verwendet wurden, eine Reihe von Impulsen zu senden, die zur Erzeugung digitaler Daten ausreichen, welche die in der Empfangswandleranordnung 21 empfangene Wellenform darstellen. Diese Daten können dann für eine Vielzahl an Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Os calcis verwendet werden; durch Festlegung der Verwendungsart des Dichtemessers und der Art der Datenerfassung kann das geeignete Ausgangssignal aus dem Mikroprozessor 38 oder dem Signalprozessor 41 durch die digitale Anzeige 18 geleitet werden.
Da die Ultraschall-Impulsaussendung und Abtastung so rasch erfolgen können (zumindest in menschlichen Dimensionen), kann das Verfahren zur Erzeugung eines abgetasteten empfangenen Ultraschallimpulses auf Wunsch mehrmals wiederholt werden, um Rauschen durch Signalmittelwertbildung zu reduzieren. Wenn diese Option umzusetzen ist, wird der Prozess des repetitiven Aussendens von Ultraschallimpulsen und des Abtastens der empfangenen Wellenform (siehe Fig. 5) ein- oder mehrmals für jedes Element in der Anordnung wiederholt, bevor mit dem nächsten Element fortgesetzt wird. Dann können die somit erzeugten abgetasteten Wellenformen digital gemittelt werden, um eine zusammengesetzte Wellenform zu erzeugen, die eine geringere statistische Rauschkomponente besitzt als jede einzelne abgetastete Wellenform. Die Anzahl der Wiederholungen, die zur ausreichenden Rauschminderung erforderlich sind, kann durch für Fachleute auf dem Gebiet bekannte Tests ermittelt werden.
Nach der Besprechung des internen Betriebs des Dichtemessers der Fig. 1-4 wird nun die Verwendungsweise des Dichtemessers zur Messung der physikalischen Eigenschaften des Os calcis beschrieben. Ein erstes nicht der Erfindung entsprechendes Verwendungsverfahren umfasst die Messung der Durchgangszeit eines Ultraschallimpulses durch die Ferse eines Probanden und das Vergleichen dieser Zeit mit der Zeit, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um die gleiche Entfernung in einer Substanz mit bekannten akustischen Eigenschaften wie z. B. Wasser zurückzulegen. Der einstellbare Arm 16 wird zu diesem Zweck adjustiert, bis die Ferse 32 des Probanden zwischen den Wandlern 21 eingeklemmt ist. Dann wird der Knauf 19 angezogen, um den einstellbaren Arm zu fixieren. Der Betätigungsknopf 12 wird dann gedrückt, um einen Impuls und die Messung einzuleiten. Als nächstes wird der Dichtemesser von der Ferse entfernt, während der Knauf 19 angezogen bleibt, so dass der Abstand zwischen den Wandlern 21 nicht verändert wird. Das Gerät 10 wird dann um ein Standardmaterial mit bekannten akustischen Eigenschaften angeordnet oder in dieses eingetaucht, z. B. durch Eintauchen in ein Bad mit destilliertem Wasser. Der Betätigungsknopf 12 wird wieder gedrückt, so dass akustische Signale vom Sendewandler 21 durch das Standardmaterial hindurch zum Empfangswandler 21 übertragen werden. Während es vorteilhaft ist, die gesamte Anordnung an Elementen a bis 1 für die Messung der Ferse einzusetzen, ist es möglicherweise ausreichend, nur ein einzelnes Elementenpaar für die Messung durch das Standardmaterial zu verwenden - wenn man nämlich davon ausgehen kann, dass der Standard homogen ist, was auf die Ferse nicht zutrifft. Die von den zwei Messungen empfangenen Signalprofile werden dann durch den Mikroprozessor 38 und den Signalprozessor 41 analysiert. Diese Analyse kann sowohl die Durchgangszeit des Impulses durch den Probanden gegenüber dem Standard als auch die Eigenschaften der Wellenform (Frequenzantwort und Dämpfung durch die Ferse) gegenüber dem Standard vergleichen.
Bei diesem nicht der Erfindung entsprechenden Verfahren kann der Dichtemesser demnach die physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis durch beide oder eine von zwei Analyseformen bestimmen. Der Dichtemesser kann die Durchgangszeit der akustischen Signale durch die Ferse mit der Durchgangszeit der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften vergleichen; das Gerät 10 kann auch die Dämpfung als Funktion der Frequenz breitbandiger akustischer Signale durch die Ferse 32 mit der absoluten Dämpfung korrespondierender spezifischer Frequenzkomponenten der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften vergleichen. Die "Dämpfung" eines akustischen Signals durch eine Substanz ist die Verminderung der Ultraschallwellenform von der Ausbreitung durch den Probanden oder den Standard. Die Theorie und Experimente auf der Basis dieser Methoden sind in folgender Publikation erörtert: Rossman, P.I., Measurements of Ultrasonic Velocity and Attenuation In The Human Os Calcis and Their Relationships to Photon Absorptiometry Bone Mineral Measurements (1987) (Diplomarbeit, die als eine der Voraussetzungen zur Erlangung des akademischen Grads des "Master of Science" an der University of Wisconsin-Madison eingereicht wurde). Tests zeigten, dass eine lineare Beziehung zwischen Ultraschalldämpfung (gemessen in Dezibel - dB) bei spezifischen Frequenzen und diesen Frequenzen besteht. Die Steigung (dB/MHz) der linearen Beziehung, die als Breitband-Ultraschalldämpfung bezeichnet wird, hängt von den physikalischen Eigenschaften und der Integrität der untersuchten Substanz ab. Bei einem Knochen würde die Neigung der linearen Beziehung von seiner Mineraldichte abhängen. Somit ist die Breitband-Ultraschalldämpfung durch einen Knochen ein Parameter, der in direkter Beziehung zur Qualität der spongiösen Knochenmatrix steht.
Bei diesem nicht der Erfindung entsprechenden Verfahren kann der Mikroprozessor 38 daher so programmiert sein, dass das Gerät die physikalischen Eigenschaften und die Integrität des Os calcis bestimmt, indem entweder die relativen Durchgangszeiten und/oder die relative Breitband-Ultraschalldämpfung durch die Ferse und ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften verglichen werden. Beim Vergleich der Durchgangszeiten kann der Mikroprozessor 38 am einfachsten so programmiert sein, dass die Elektronik, welche die akustischen Signale empfangen hat, nachdem diese durch die Ferse übertragen wurden, die Fersen-Durchgangszeit dieser akustischen Signale durch die Ferse bestimmt und - nachdem die akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften übertragen wurden - die "Material"- Durchgangszeit der akustischen Signale durch das Material ermittelt. Diese Zeiträume können am einfachsten gemessen werden, indem die Anzahl an Taktimpulsen bekannter Frequenz gezählt werden, die durch den Zeitgeber 43 zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens des Impulses und dem Zeitpunkt des Abfühlens des empfangenen Impulses im A/D-Wandler 42 ausgesendet werden. Der Mikroprozessor 38 zieht dann einen mathematischen "Zeit"vergleich der Fersen-Durchgangszeit und der Material-Durchgangszeit und setzt anschließend diesen mathematischen Zeitvergleich in Beziehung zu den physikalischen Eigenschaften und zur Integrität des Os calcis. Der mathematische Zeitvergleich kann erfolgen, indem entweder die Differenz zwischen der Fersen-Durchgangszeit und der Material-Durchgangszeit oder das Verhältnis zwischen der Fersen-Durchgangszeit und der Material-Durchgangszeit bestimmt wird.
Als zweites nicht der Erfindung entsprechendes Verfahren zur Verwendung des Dichtemessers kann das Gerät auch die physikalischen Eigenschaften und Integrität des Os calcis 32 bestimmen, indem die absolute Dämpfung der Breitband-Frequenzkomponenten der akustischen Signale durch die Ferse ohne Bezugnahme auf ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften ermittelt und verglichen wird. Unter Anwendung dieses Verfahrens ist der Vergleich der Geschwindigkeit mit einem Standard nicht notwendig, und die absolute Durchgangszeit des Impulses muss nicht berechnet werden, da die Dämpfung gemessen wird. In einem solchen Modus ist es vorzuziehen, dass der Sendewandler 21 ein akustisches Signal überträgt, das einen breiten Bereich an Frequenzkomponenten aufweist, z. B. einen einfachen Ultraschallimpuls. In jedem Fall sollte das akustische Signal zumindest eine spezifische Frequenzkomponente besitzen.
In diesem Dämpfungsvergleichs-Modus ist der Mikroprozessor 38 so programmiert, dass er - nachdem der Empfangswandler 21 die durch den Fersenknochen 32 übertragenen akustischen Signale empfangen hat - die absolute Dämpfung durch die Ferse 32 des Frequenzkomponenten-Spektrums der akustischen Signale ermittelt. Um die Messung der Dämpfung zu vereinfachen, weisen die Erregungsverstärkerschaltung 55 und der Empfangsverstärker 59 Verstärkungswerte auf, die digital steuerbar sind. Durch hintereinander erfolgendes Variieren des Verstärkungsfaktors der Verstärker 55 und 59 auf nachfolgenden Impulsen kann die Schaltung von Fig. 4 bestimmen, welcher Verstärkungswert notwendig ist, um die Spitze der empfangenen Wellenform auf einen geeigneten Spannungswert zu setzen. Dieser Verstärkungsfaktor ist natürlich eine Funktion des Dämpfungsausmaßes des akustischen Impulses während des Durchgangs durch die Ferse 32. Nachdem der Empfangswandler 21 akustische Signale empfangen hat, bestimmt der Mikroprozessor 38 gemeinsam mit dem Signalprozessor 41 die absolute Dämpfung der einzelnen spezifischen Frequenzkomponenten der empfangenen akustischen Signale, die durch das Material übertragen werden. Der digitale Signalprozessor 41 zieht dann mathematische "Dämpfungs"vergleiche der korrespondierenden individuellen spezifischen Frequenzkomponenten durch die Ferse. Ein Satz mathematischer Dämpfungsvergleiche zwischen korrespondierenden Frequenzkomponenten kann auf diese Weise erhalten werden, wobei ein Vergleich für jede Frequenzkomponente angestellt wird. Die Funktionsweise der Dämpfung in Bezug auf die Frequenz kann demnach abgeleitet werden. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 setzen dann diese Funktion mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Os calcis in Beziehung.
In Fig. 6 werden ein Sample-Breitbandultraschallimpuls und eine typische empfangene Wellenform gezeigt. Um ein Ultraschallsignal zu erzielen, das im Frequenzbereich sehr breit ist, d. h. ein Breitbandübertragungssignal, wird ein elektronischer Impuls, wie bei 70 angegeben, an den ausgewählten Ultraschall-Wandler in der Übertragungsanordnung 21 angelegt, die dann mit einer Breitband-Ultraschallemission mitschwingt. Das empfangene Signal, wie in Fig. 6 in einer Zeitbereichs-Signalkurve angegeben, wird dann durch diskrete Fourier-Transformationsanalyse verarbeitet, so dass es in den Frequenzbereich umgewandelt wird. In Fig. 7 wird ein Kurvenpaar der empfangenen Proben-Signale in Frequenzbereichskurven gezeigt, die die Verschiebung der Empfangssignalsintensität als Funktion der Frequenz zwischen einem Bezugsobjekt und einem im Instrument angeordneten Neoprenblock zeigt. Fig. 8 veranschaulicht einen ähnlichen Vergleich, wobei in Fig. 7 die relative Dämpfung in der vertikalen Dimension und in Fig. 8 die absolute Leistung des empfangenen Signals verwendet wird. Beide Darstellungen veranschaulichen die Differenz in den relativen Intensitäten als Funktion der Frequenz, wodurch veranschaulicht wird, wie die Breitband-Ultraschalldämpfung von Objekt zu Objekt variiert. Der tatsächlich berechnete Wert, die Breitband-Ultraschalldämpfung, wird berechnet, indem zunächst das empfangene Signal mit dem Bezugssignal verglichen wird, dann die diskrete Fourier-Transformation durchgeführt, um in den Frequenzbereich umzuwandeln, dann eine lineare Regressionsanalyse der Differenz in der Dämpfungsrampe durchgeführt wird, um die Breitband- Ultraschalldämpfung abzuleiten.
Die Mathematik der diskreten Fourier-Transformation ist eine solche, dass zusätzlich zur oder anstelle der Dämpfung oder ein anderer Parameter berechnet werden kann, der mit der Knochenteildichte in Beziehung steht. Wenn die diskrete Fourier-Transformation des Zeitbereichssignals durchgeführt wird, umfasst die Lösung für jeden Punkt eine reale Teilkomponente und eine imaginäre Teilkomponente. Die in den Fig. 7 und 8 aufgetragenen Werte sind die Amplitude des empfangenen Impulses, wie durch die diskrete Fourier-Transformation ermittelt, indem die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der realen Komponente und der imaginären Komponente genommen wird. Der Phasenwinkel der Phasen-Änderung des Ultraschallimpulses, wie er durch den Teil geschickt wurde, kann berechnet werden, indem der Arcustangens des Verhältnisses zwischen der imaginären und der realen Komponente genommen wird. Aus diesem Phasenwinkelwert wird ebenfalls die Knochenteildichte berechnet.
Der Mikroprozessor 38 kann so programmiert werden, dass der Dichtemesser gleichzeitig die Funktionen erfüllt, d. h. sowohl die Durchgangszeit als auch die absolute Dämpfung der übertragenen akustischen Signale ermittelt, zunächst durch den Teil und dann durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften. Der Dichtemesser kann dann sowohl die Breitband-Ultraschalldämpfungsfunktion ableiten als auch einen mathematischen Zeitvergleich zwischen der Teil-Durchgangszeit und der Material- Durchgangszeit durchführen. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 setzen dann den Zeitvergleich gemeinsam mit der Dämpfungsfunktion mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität oder Dichte des Os calcis in Beziehung.
Gemäß vorliegender Erfindung ist der Mikroprozessor 38 so programmiert, dass der Dichtemesser 10 in einem Modus arbeitet, durch den die Notwendigkeit zur Berechnung entweder der relativen Durchgangszeit oder der Dämpfung der akustischen Signale durch ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften ausgeschaltet wird. Um in einem solchen Modus zu arbeiten, umfasst der Mikroprozessor 38 eine Datenbank normaler absoluter Durchgangszeiten, die auf Faktoren wie Alter, Größe, Gewicht, Rasse oder Geschlecht des getesteten Individuums sowie der Distanz zwischen den Wandlern oder der Dicke oder Größe der Ferse basieren. Diese Datenbank normaler Durchgangszeiten kann im nichtflüchtigen Speicher oder in anderen Medien gespeichert werden. Wenn ein Individuum in diesem Modus getestet wird, werden die relevanten Faktoren für das Individuum in den Mikroprozessor 38 eingegeben, um die relevanten normalen Durchgangszeiten auf Basis dieser Faktoren zu wählen. Die Wandler 21 werden wie oben beschrieben an den getesteten Fersenknochenteil angelegt. Wenn der Betätigungsknopf 12 gedrückt wird, werden die akustischen Signale durch den Teil 32 übertragen. Der Empfangswandler 21 empfängt diese Signale, nachdem sie durch den Teil übertragen worden sind, und die Elektronik 31 ermittelt dann die Fersen-Durchgangszeit der akustischen Signale durch die Ferse. Der Mikroprozessor 38 und der Digitalsignalprozessor 41 stellen dann einen mathematischen Vergleich der gemessenen Fersen-Durchgangszeit mit der gewählten normalen Durchgangszeit aus der Datenbank an und setzen den mathematischen Zeitvergleich mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität oder der Dichte des Os calcis in Beziehung, die angezeigt wird.
Als alternative Ausgangsgröße des Dichtemessers gemäß vorliegender Erfindung könnte die Digitalanzeige 18 auch eine Anzeige umfassen, die dem Muster der Anordnung von Elementen auf der Stirnseite von Wandler 21 entspricht, wie in Fig. 3 zu sehen. Diese Anzeige kann dann für jedes Element a bis l ein Grauskalenbild anzeigen, das proportional zum gemessenen Parameter, d. h. der Durchgangszeit oder Dämpfung, ist. Dieses Bild kann einem erfahrenen Kliniker einen visuellen Hinweis auf die physikalischen Eigenschaften des Teils im Patienten liefern.
Die Verwendung der Mehrelement-Ultraschallwandleranordnung für die Wandler 21, wie in Fig. 3 dargestellt, ermöglicht ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des Instruments der Fig. 1 bis 8. Bei Verwendung von Dichtemessern nach dem Stand der Technik war es oft notwendig, das Instrument in Bezug auf den zu messenden Körperteil des Patienten präzise zu positionieren, um nützliche Ergebnisse zu erhalten. Die Schwierigkeit ergibt sich aufgrund der Heterogenitäten in der Knochenmasse und Struktur der tatsächlichen Knochenteile. Eine Messung, die an einer Dichte-Position vorgenommen wird, kann sich von einer in der Nähe vorgenommenen Messung beträchtlich unterscheiden. Daher wurde bei Instrumenten nach dem Stand der Technik der Körperteil präzise fixiert, damit die Messung jedesmal an der präzisen Stelle vorgenommen werden konnte.
Die Verwendung der Ultraschallwandleranordnung macht diese präzise Positionierung überflüssig. Unter Verwendung des Instruments der Fig. 1 bis 8 erzeugt das Instrument einen Impuls und eine Reaktion, führt eine diskrete Fourier-Transformation durch und erzeugt einen Wert für die Knochen-Ultraschalldämpfung für jedes Paar Wandlerelemente a bis l. Dann analysiert der Mikroprozessor 38 die resultierende Anordnung von Knochen-Ultraschalldichtemessungen, um jedesmal den selben Bereich von Interesse zu identifizieren. Mit anderen Worten, da die physikalische Anordnung von Wandlern groß genug ist, um jedesmal zuverlässig zumindest einen gemeinsamen Bereich von Interesse abzudecken, wird die Messung jedesmal am selben Ort lokalisiert, indem die richtige Stelle für die Messung elektrisch aus den durch die Anordnung gemessenen Stellen ausgewählt wird. Da das Instrument der Fig. 1 bis 8 dazu bestimmt ist, die Dichte des Os calcis zu messen, wie durch die Ferse eines menschlichen Patienten gemessen, ist festgestellt worden, das ein Bereich von Interesse im Os calcis zuverlässig und wiederholt auf Basis der Vergleiche der Knochen-Ultraschalldämfpung an den Punkten in der Anordnung lokalisiert werden kann. Der Bereich von Interesse im Os calcis wird als lokales oder relatives Minimum in der Knochen- Ultraschalldämfpung und/oder -geschwindigkeit in großer Nähe zum Bereich der höchsten Dämpfungswerte im Körperteil identifiziert. Daher können wiederholte Messungen des Knochen-Ultraschalldämpfungswerts in ebendiesem Bereich von Interesse reproduzierbar vorgenommen werden, obwohl das Dichtemessinstrument 10 für jede aufeinanderfolgende Messung nur ungefähr an der gleichen Stelle angeordnet wird.
Diese Technik der Verwendung einer Mehrfachelement-Anordnung, um zu vereiden, dass die Positionierung kritisch ist, ist auch auf andere Techniken als die Ermittlung der Breitband-Ultraschalldämpfung, wie oben beschrieben, anwendbar. Das Konzept der Verwendung einer Anordnung und Verwendung der Ergebnisse aus der Anordnung, um den Messort zu bestimmen, wäre gleichermaßen auf Messungen anwendbar, die von der Teil-Dichte auf Basis der Geschwindigkeit oder Schalldurchgangszeit, anderer Messungen der Dämpfung oder der Berechnung des Phasenwinkels, wie oben erörtert, vorgenommen werden. Die Verwendung einer solchen Mehrfachelement-Anordnung, mit automatischer Selektion eines Elements im Bereich von Interesse, kann auch auf andere Messtechniken angewandt werden, die nützlich sind, um Parameter zu erzeugen, die mit der Knochenteildichte in Beziehung stehen, wie das Messen der Geschwindigkeitsänderungen im übertragenen Impuls, wie in US-Patent Nr. 4.361.154 an Pratt vorgeschlagen, oder das Messen der Frequenz eines selbstauslösenden "Singaround"-Impulses, wie in US-Patent Nr. 3.847.141 an Hoop vorgeschlagen. Das Konzept, das das Positionsunabhängigkeitsmerkmal zulässt, ist das einer Abfolge von Messungen, die eine Abfolge von Datenpunkten erzeugt, von der ein Bereich von Interesse durch ein reproduzierbares Kriterium oder mehrere solcher Kriterien ausgewählt wird. Die Anzahl von Elementen in der Abfolge kann klarerweise ebenfalls variiert werden, wobei eine größere Anzahl von Elementen zu einer größeren Genauigkeit bei der Identifizierung desselben Bereichs von Interesse führt.
Auf diese Weise stellt der Ultraschall-Dichtemesser gemäß vorliegender Erfindung eine Vorrichtung dar, die rasche und effiziente Ermittlung der physikalischen Eigenschaften des Os calcis in vivo ohne den Einsatz von Strahlung ermöglicht. Da der Dichtemesser so konstruiert ist, dass er vom Mikroprozessor 38 gesteuert arbeitet, kann er so programmiert werden, dass er in einem von mehreren Modi arbeitet, wie oben erörtert. Das ermöglicht sowohl Flexibilität bezüglich klinischer Ziele als auch die effiziente Verwendung der Vorrichtung.

Claims

1. Ultraschall-Dichtemesser zum Untersuchen des Os calcis in vivo, umfassend:

eine Ultraschall-Übertragungswandleranordnung und eine Ultraschall-Empfangswandleranordnung, die von der Übertragungsanordnung beabstandet ist, um eine Ferse (32) dazwischen aufzunehmen;

elektrische Mittel, die an die Übertragungs- und die Empfangswandleranordnung (21) angeschlossen sind, um einen Ultraschallimpuls von der Übertragungsanordnung auszusenden, den Empfang des Impulses an der Empfangsanordnung abzufühlen und die Durchgangszeit des Impulses zu messen, der durch die Ferse (32) hindurchgeht, wenn die Ferse im Weg des Ultraschallimpulses angeordnet ist;

ein elektronisches Mittel (38), das einen Mikroprozessor umfasst, der gemäß einem gespeicherten Programm arbeitet, um:

(i) eine einer Vielzahl normaler Durchgangszeiten aus einer elektronischen Datenbank normaler Durchgangszeiten auszuwählen;

(ii) einen mathematischen Vergleich der Durchgangszeit durch das Körperglied des durch die Ferse (32) hindurchgehenden Impulses mit der gewählten normalen Durchgangszeit durchzuführen; und

(iii) den mathematischen Vergleich mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Os calcis der Ferse in Beziehung zu setzen.

2. Ultraschall-Dichtemesser nach Anspruch 1, worin die elektronische Datenbank Durchgangszeiten beinhaltet, die nach den Kategorien Alter, Größe, Gewicht, Rasse oder Geschlecht kategorisiert sind.

3. Ultraschall-Dichtemesser nach Anspruch 1 oder 2, worin die elektronische Datenbank Durchgangszeiten beinhaltet, die nach der Dicke der Ferse (32) kategorisiert sind.

4. Ultraschall-Dichtemesser nach Anspruch 1, der Mittel (38, 41, 42, 43) umfasst, die betrieben werden können, um die absolute Dämpfung zumindest einer individuellen spezifischen Frequenzkomponente des akustischen Signals durch die Ferse (32) zu bestimmen, wenn die Ferse (32) im Weg des Impulses von seiner Aussendung bis zu seinem Empfang angeordnet ist, und auch, um die absolute Dämpfung durch ein Standardmaterial mit bekannten akustischen Eigenschatten zu bestimmen, wenn das Standardmaterial im Weg angeordnet ist, wobei der Mikroprozessor (38) so angeordnet ist, dass er einen mathematischen Vergleich der absoluten Dämpfung einer individuellen spezifischen Frequenzkomponente durch die Ferse (32) mit der absoluten Dämpfung der entsprechenden spezifischen Frequenzkomponente durch das Standardmaterial durchgeführt, und um eine vom mathematischen Vergleich abgeleitete Ausgangsgröße zu erzeugen, die für die physikalischen Eigenschaften und die Integrität des Os calcis relevant ist.

5. Ultraschall-Dichtemesser nach Anspruch 4, worin die Ultraschall-Übertragungswandleranordnung so angeordnet ist, dass sie Impulse überträgt, die ein akustisches Signal bilden, das einen Bereich von Frequenzen entlang des Wegs umfasst;

wobei der Dichtemesser weiters Mittel (38, 41, 42, 43) umfasst, die betreibbar sind, um die absolute Dämpfung einer Vielzahl einzelner spezifischer Frequenzkomponenten des akustischen Signals durch die Ferse (32) hindurch zu bestimmen, wenn die Ferse (32) im Weg des Signals von seiner Aussendung zu seinem Empfang angeordnet ist; und

der Mikroprozessor (38) so angeordnet ist, dass ein mathematischer Dämpfungsvergleich der absoluten Dämpfung einer einzelnen spezifischen Komponente durch die Ferse (32) mit der absoluten Dämpfung einer anderen spezifischen Frequenz komponente durch das Standardmaterial durchgeführt wird, um mathematische Dämpfungsvergleiche zwischen Frequenzkomponenten zu erhalten und eine vom mathematischen Vergleich abgeleitete Ausgangsgröße zu erhalten, die für die physikalischen Eigenschaften des Os calcis relevant ist.

6. Verfahren zum Messen der physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Os calcis in vivo, folgende Schritte umfassend:

(a) das Übertragen eines akustischen Signals durch die Ferse hindurch unter Einsatz einer Ultraschall-Übertragungswandleranordnung und einer Ultraschall-Empfangswandleranordnung, die von der Übertragungsanordnung beabstandet ist, wobei die Übertragungsanordnung einen Ultraschallimpuls aussendet und die Empfangsanordnung den Impuls aufnimmt, nachdem er durch die Ferse hindurchgegangen ist;

(b) das Bestimmen der Fersendurchgangszeit des akustischen Signals durch die Ferse;

(c) das Auswählen einer aus einer Vielzahl normaler Durchgangszeiten aus einer Datenbank normaler Durchgangszeiten;

(d) das Durchführen eines mathematischen Vergleichs zwischen der Fersendurchgangszeit und der gewählten normalen Durchgangszeit; und

(d) das In-Beziehung-Setzen des mathematischen Vergleichs mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Os calcis.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Datenbank nach den Kategorien Alter, Größe, Gewicht, Rasse oder Geschlecht auswählbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Datenbank nach der Dicke der Ferse auswählbar ist und worin das Auswählen von Schritt (c) durch Identifizieren der Breite der Ferse erfolgt.