DE69727972T2

DE69727972T2 - Auswertung von ultraschallsignalen zur knochen-analyse mittels der ein messfeld darstellenden werte

Info

Publication number: DE69727972T2
Application number: DE69727972T
Authority: DE
Inventors: H. Jeffrey GOLL; H. Hartwell WHITNEY
Original assignee: Quidel Corp
Current assignee: Quidel Corp
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: ATE260601T1; DE69727972D1; WO1998012966A2; CA2267353A1; JP2001501509A; EP0963177A2; US5921929A; ES2216171T3; WO1998012966A3; EP0963177B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die akustische Analyse eines Knochens und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Erreichen einer Knochenmessung unter Verwendung von Signalverarbeitungstechniken im zeitlichen, Frequenz- und räumlichen Bereich.
Hinter rund der Technik
Die bekannte Technik ist reich an Lösungsansätzen zur Messung von Knochencharakteristika unter Verwendung von akustischen und anderen Verfahren im Hinblick auf das Identifizieren von Patienten, die eine Behandlung für Knochenzustände und -krankheiten benötigen. Viele akustische Techniken verwenden einen ersten Wandler zum Liefern eines akustischen Signals, üblicherweise bei Ultraschallfrequenzen, zu dem Objekt von einer ersten externen Position, und einen zweiten Wandler an einer zweiten externen Position, der auf der gegenüberliegenden Seite des Knochens von Interesse angeordnet ist, um das Signal zu empfangen, das durch den ersten Wandler durch den Knochen und dazwischenliegendes Weichgewebe übertragen wird. (Die Wandler sind üblicherweise mit dem Objekt durch ein geeignetes Fluid gekoppelt, wie z. B. Wasser oder Wassergel.) Es ist üblich, eine Anordnung von Wandlern mit einer Schaltung zu verwenden, um die Geschwindigkeit einer akustischen Welle durch einen Knochen zu schätzen. Die geschätzte Geschwindigkeit wird mit dem Knochenzustand korreliert. Dies wird erörtert in der US 5,042,489 an Wiener u. a. Bei einem anderen Lösungsansatz wird die Breitband-Ultraschalldämpfung (BUA; BUA = broadband ultrasound attenuation) im Bereich von ungefähr 300 bis 700 kHz bestimmt. Die BUA ist als die Steigung einer linearen Logarithmusamplitude über der Frequenzkurve der Energie definiert, die durch die Ferse übertragen wird. Bestimmungen der Geschwindigkeit der akustischen Welle oder der BUA durch einen Knochen können ebenfalls an einer Mehrzahl von Positionen durchgeführt werden, um die Methode zu verbessern, aber diese Lösungsansätze haben nicht die gewünschte Ebene an Spezifität und Empfindlichkeit geliefert.
Die US 5,042,489 (Wiener) beschreibt einen bekannten Ultraschall-Densitometer, der eine Mehrzahl von Wandlern aufweist, die parallel angeordnet sind, um Ultraschall zu erfassen, der durch den Knochen läuft. Eine neue Herangehensweise. Ein einzelner numerischer Wert, der sich sowohl auf die Geschwindigkeit des Schalls in dem Bauglied als auch eine Breitbanddämpfung bezieht, wird beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel schafft die Erfindung eine Vorrichtung für eine externe Region zum Bestimmen eines Index von Porosität und Nichtleitfähigkeit des Knochens in einem Wirbel-Objekt, der innerhalb eines Körperteils angeordnet ist, wie ausgeführt in Anspruch 1. Die Vorrichtung umfaßt einen Akustik-Wandler, der einen Signalerzeuger zum Erzeugen eines akustischen Pulses aufweist, wenn er mit einem Wandler gekoppelt ist, der Energie verteilt über einen Frequenzbereich aufweist. Der Wandler weist ferner eine Wandleranordnung auf, die eine Mehrzahl von Wandlern umfaßt und ein Paar von Wandlern in beabstandeter Beziehung im Hinblick auf den Knochen bereitstellt. Ein erster aus dem Paar von Wandlern ist mit dem Signalerzeuger gekoppelt, um einen akustischen Puls zu liefern, und ein zweiter aus dem Paar empfängt ein akustisches Signal, das aus einer Ausbreitung des akustischen Pulses entlang eines Wegs resultiert, der den Knochen umfaßt. Die Anordnung ist so konfiguriert, daß der Weg in einer Mehrzahl von Positionen angeordnet sein kann, um durch eine Mehrzahl von Positionen innerhalb einer ausgewählten Region des Knochens zu verlaufen.
Ein Signalprozessor ist in Kommunikation mit dem zweiten von dem Paar von Wandlern. Der Signalprozessor liefert ein Maß, das jeder der Positionen zugeordnet ist, das zumindest entweder eine Spektral- oder Zeitkomponente eines Abschnitts anzeigt, bis zu der gesamten Menge des Signals, das durch den zweiten von dem Paar von Wandlern empfangen wird. Der Signalprozessor arbeitet in Kommunikation mit einem Wertespeicher zum Speichern von Werten, die sich auf das Maß beziehen, das den Positionen zugeordnet ist. Ein Positionsprozessor wählt eine Zielposition basierend zumindest teilweise auf den Werten aus, die in dem Wertespeicher gespeichert sind, und ein Ausgabeprozessor liefert eine Ausgabe einer Größe, die der Zielposition oder einer topologischen Signatur einer räumlichen Verteilung des Maßes in der ausgewählten Region des Knochens zugeordnet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist besser verständlich durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen in Verbindung mit der begleitenden detaillierten Beschreibung, in der:
1 ein Diagramm ist, das die Komponenten für ein System zur Verwendung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung allgemein zeigt;
2 ein Diagramm ist, das eine Implementierung des Systems aus 1 zeigt;
3 und 4 Oberflächenskizzen sind, von UBI-4b bzw. UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 46 Jahre alten gesunden Frau;
5 und 6 Oberflächenskizzen von UBI-4b bzw. UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 45 Jahre alten Frau mit Osteoporose sind;
7 und 8 Oberflächenskizzen von UBI-4b bzw. UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 76 Jahre alten Frau mit einer Knochenqualität sind, die besser ist als für ihr Alter üblich;
9 und 10 Oberflächenskizzen von UBI-4b bzw. UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 83 Jahre alten Frau mit Osteoporose sind;
11 bis 18 topographische Skizzen sind, die 3 – 10 entsprechen;
19 ein logisches Flußdiagramm des Prozesses gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Erzeugen einer UBI-Messung an einer Zielposition ist;
20 ein logisches Flußdiagramm des Prozesses gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 19 zum Identifizieren einer Referenzposition ist;
21 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Implementieren der Prozesse aus 19 und 20 ist;
22 ein schematisches Modell des Ultraschallanalysesystems zu Zwecken des Schätzens anderer Maße der Knochenintegrität aus einer oder mehreren UBI-Messungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
23A bis 23C einen Vergleich von typischen Signalverlaufsignaturen zeigen, die im Fall eines gesunden Knochens, eines osteoporotischen Knochens und einer Wasserkalibrierung erhalten werden;
24A eine Skizze liefert, die die gespeicherte Ausgabe des Wandlers T_R aus 1 zeigt, ansprechend auf einen Erregungssignalverlauf, erzeugt durch das System aus 1 und Übertragen durch einen Knochen, der eine wesentlichen Porosität aufweist, sowie Skizzen, die für eine Berechnung von UBIs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung geeignet sind;
24B eine Skizze der Burg-Spektralschätzungsfunktion zeigt, die den Skizzen aus 24A zugeordnet ist;
25A eine Skizze liefert, die die gespeicherte Ausgabe des Wandlers T_R aus 1 zeigt, ansprechend auf einen Erregungssignalverlauf, erzeugt durch das System aus 1 und Übertragen durch einen Knochen einer Niedrig-Normal-Qualität, sowie Skizzen, die für eine Berechnung von UBIs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung angemessen sind;
25B eine Skizze der Burg-Spektralschätzungsfunktion liefert, die den Skizzen aus 25A zugeordnet ist;
26A eine Skizze liefert, die die gespeicherte Ausgabe des Wandlers T_A aus 1 zeigt, ansprechend auf einen Erregungssignalverlauf, erzeugt durch das System aus 1 und Übertragen durch einen äußerst gesunden Knochen, sowie Skizzen, die für eine Berechnung von UBIs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung angemessen sind;
26B eine Skizze der Burg-Spektralschätzungsfunktion liefert, die den Skizzen aus 26A zugeordnet ist;
27 ein Querschnitt der Oberflächenskizze von UBI-5c aus 4 mit Blick um eine Achse parallel zu der Ferse-zu-Zehen-Achse ist;
28 ein Querschnitt der Oberflächenskizze von UBI-5c aus 6 ist mit Blick um eine Achse parallel zu der Ferse-zu-Zehen-Achse;
29 ein Querschnitt der Oberflächenskizze von UBI-5c aus 8 ist mit Blick um eine Achse parallel zu der Ferse-zu-Zehen-Achse; und
30 ein Querschnitt der Oberflächenskizze von UBI-5c aus 10 ist mit Blick um eine Achse parallel zu der Ferse-zu-Zehen-Achse.
Detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele
In der U.S.-Patentanmeldung (der „bekannten Anmeldung"), Seriennummer 08/615,643, eingereicht am 13. März 1996, erteilt am 26. August 1997 und veröffentlicht als US-A-5720290, für eine Erfindung mit dem Titel „Apparatus and Method for Acoustic Analysis of Bone Using Optimized Functions of Spectral and Temporal Signal Components" ist ein System offenbart, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
1. Allgemeine Anordnungen, Signalerzeugung und Signalverarbeitung
1 ist ein Diagramm, das die Komponenten für ein System allgemein zeigt, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Bei diesem System wird ein Signalverlauf erzeugt durch den Signalverlaufserzeuger 11 und wird zu dem Sende-Wandler T_T, Artikel 12, geliefert. Der Wandler T_T ist akustisch mit dem Körperteil 16 eines Objekts gekoppelt und erzeugt eine akustische Welle, die sich in das Körperteil 16 und insbesondere in einen Knochen innerhalb des Körperteils ausbreitet. Der Wandler T_R, Artikel 13, ist ebenfalls akustisch mit dem Körperteil 16 gekoppelt und empfängt ein Signal, das unter anderem aus der Wirkung der Ausbreitung der akustischen Welle durch den Knochen und das Körperteil resultiert. Jegliche Komponenten zum Senden und Empfangen eines akustischen Signals über ein Körperteil werden in dieser Beschreibung und in den beiliegenden Ansprüchen kollektiv als ein „Akustik-Wandler" bezeichnet. Das Ausgangssignal des Wandlers T_R wird durch den Verstärker 14 verstärkt und durch den Prozessor 15 verarbeitet. Der Prozessor 15 analysiert das Ausgangssignal des Wandlers T_R und kann eine Bestimmung durchführen, die den Zustand des Knochens reflektiert, und liefert ein Ausgangssignal.
2 ist ein Diagramm, das eine Implementierung des Systems aus 1 zeigt. Das Körperteil kann z. B. die Region in der Nähe des Fersenbeins sein. Während die Elemente aus 1 in analogen Komponenten implementiert sein können, auf eine Weise, die in der Technik bekannt ist, ist es bequem, eine digitale Implementierung zu verwenden. Dementsprechend können der Prozessor 15 und der Signalverlauferzeuger 11 in einer Einheit 27 realisiert sein, die einen Mikroprozessor 21 umfaßt, der sowohl das Verarbeiten des Ausgangssignals aus dem Wandler T_R als auch die Erzeugung des Signalverlaufs steuert, der zum Erregen des Wandlers T_T verwendet wird. Dieser Signalverlauf wird in digi talisierter Form in dem Speicher 1, Artikel 24, gespeichert und wird unter der Steuerung des Mikroprozessors 21 durch den Digital-zu-Analog-Wandler 25 geleitet, bevor er an den Verstärker 26 und den Wandler T_T geliefert wird. Auf ähnliche Weise wird das Ausgangssignal des Empfangs-Wandlers T_R von dem Verstärker 14 zu dem Analog-Digital-Wandler 22 zugeführt und dieses digitalisierte Ausgangssignal wird in dem Speicher 2, Artikel 23, gespeichert. Das gespeicherte Ausgangssignal wird dann durch den Mikroprozessor 21 verarbeitet, der eine Datenausgabe liefert, die den Zustand des Knochens anzeigt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Systems werden Ausführungsbeispiele aus 2 (oder eine vollständig oder teilweise analoge Implementierung aus 1) verwendet, um die gespeicherte Ausgabe von T_R gemäß einem oder mehreren einer Vielzahl von Verfahren zu verarbeiten, um eine Datenausgabe zu liefern, die den Zustand des Knochens anzeigt. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfaßt die Datenausgabe, die einen Knochenzustand anzeigt, eine Zahl, die der „Ultraschallknochenindex" (UBI) genannt wird. Jedes unterschiedliche verwendete Verfahren kann zu einem unterschiedlichen UBI führen, und die verschiedenen UBI-Typen werden durch einen numerischen Anhang identifiziert, z. B. UBI-2, UBI-3 etc. In Verbindung mit den allgemeinen Signalverarbeitungstechniken, die verwendet werden (aber nicht ihre spezifische Verwendung in dem Kontext des Ultraschallknochentestens), sind die nachfolgenden Referenzen einschlägig: Boualem Boashash, Ed., Time-Frequency Signal Analysis (Wiley, 1992) (besonders einschlägig für Momentfrequenzanalyse; siehe besonders Kapitel 2, Seiten 43 – 73) und Richard Shiavi, Introduction to Applied Statistical Signal Analysis (Irwin, 1991) (besonders einschlägig für Burg Spectral Estimation; siehe besonders Seiten 369 – 673).
Die Verfahren ziehen einen Vorteil aus der Tatsache, daß relativ unporöse und Bindeknochen einerseits und relativ poröse und Nichtbindeknochen andererseits unterschiedlich auf Ultraschalleingangssignale reagieren. Die verschiedenen UBIs, die für die vorliegende Erfindung relevant sind, werden nachfolgend beschrieben; sie werden detaillierter in der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
UBI-2. Gemäß UBI-2 wird die gespeicherte Ausgabe von T_R durch eine diskrete Fourier-Transformation geleitet. Eine gewichtete lineare Summe des Logarithmus der resultierenden Frequenzkomponenten wird dann berechnet; diese Summe ist UBI-2. Die Gewichte sind ausgewählt, um Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Messungen zu minimieren, die von derselben Person genommen werden, um Differenzen bei Messungen zu maximieren, die von unterschiedlichen Personen genommen werden, so daß die Funktion als eine Unterscheidung beim Bestimmen des Ausmaßes der Nichtkonnektivität und der Porosität des Knochens wirken kann.
UBI-3. Das UBI-3-Verfahren verwendet die Hilbert-Hüllkurve des gespeicherten Ausgangssignals von T_R; die Hilbert-Hüllkurve liefert ein Maß des Energiegehalts des empfangenen Signalverlaufs als eine Zeitfunktion. Das größere Übergewicht von Niedrigfrequenzsignalen in dem empfangenen Signalverlauf zugeordnet zu dem gesunden Knochen verursacht, daß es eine längere Dauer aufweist als bei dem empfangenen Signalverlauf, der dem relativ porösen Knochen zugeordnet ist. Entsprechend, gemäß UBI-3, wird die Hilbert-Hüllkurve für eine Energiedauer untersucht.
UBI-4. Das UBI-4-Verfahren verwendet eine Spektralschätzungsfunktion eines autoregressiven Bewegungsdurchschnitts (ARMA; ARMA = autoregressive moving average) der gespeicherten Ausgabe T_R. Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet UBI-4 die Burg-Spektralschätzungsfunktion der gespeicherten Ausgabe von T_R; die Burg-Funktion liefert eine Skizze, die Leistung über Frequenz von dem empfangenen Signalverlauf schätzt. Die Form der Skizze ist eine Unterscheidung zwischen einem gesunden und einem relativ porösen Knochen. UBI-4 ist eine Schätzung der Steigung (in dB/MHz) von log(sdf) über Vorwärtsfunktion. Allgemein, je steiler die negative Steigung, desto gesünder der Knochen. UBI-4b ist eine Schätzung der Steigung, erstellt durch Bezugnahme ausschließlich auf zwei Punkte auf der Skizze, wobei der erste an der ersten Spitze auftritt und der zweite 400 kHz höher in der Frequenz auftritt.
UBI-5. Das UBI-5-Verfahren verwendet ein Maß, das sich auf die Augenblicksfrequenz während des frühen Abschnitts des empfangenen Signalverlaufs bezieht. Ein Ausführungsbeispiel verwendet die Hilbert-Frequenzfunktion. Der frühe Abschnitt des empfangenen Signalverlaufs kann repräsentativer für das Körperteil und insbesondere für den Knochen sein, der analysiert wird, insofern, daß er nicht durch eine akustische Übertragung zwischen dem Sende- und Empfangswandler über mehrere Wege abgeändert ist. Eine Analyse basierend auf dem frühen Abschnitt des empfangenen Signalverlaufs wird Bezug nehmend auf 24A – B, 25A – B und 26A – B erörtert. 24 z. B., gelehrt durch Boashash, kann ein Signal allgemein in der Form dargestellt sein: f(t) = a(t)e1Φ(t) (1)
Es ist in der Technik bekannt, daß a(t) die Hüllkurve des Signals darstellt und daß Φ(t) die Frequenzfunktion des Signals ist. Genauer gesagt, wenn die Auflösung des Funktionsverhaltens des Signals in der Form von Gleichung (1) unter Verwendung der Hilbert-Transformation erfolgt (Boashash bei Seite 26), wie angemessen ist, wenn das Signal die Mittenfrequenz der Erregungsquelle vorwiegend verfolgt, dann kann die Hüllkurve, a(t), als die Hilbert-Hüllkurve bezeichnet werden und die Frequenzfunktion kann als die Hilbert-Frequenzfunktion bezeichnet werden. Sowohl die Hüllkurve als auch die Frequenzfunktion variieren als eine Zeitfunktion, sowohl aufgrund der vorübergehenden Eigenschaft der Erregung als auch der Eigenschaft des Knochenansprechverhaltens, und ihre Werte für die jeweiligen Fälle von krankem und gesundem Knochen, sind dargestellt durch Bezugszeichen 242 und 243 in 24A und Bezugszeichen 262 und 263 in 26A. Bei einem gesunden Knochen ist während des frühen Abschnitts (3 oder 4 Mikrosekunden) des empfangenen Signalverlaufs sehr wenig Variabilität vorhanden und die dominante Frequenz ist relativ niedrig. Bei einem relativ porösen Knochen liegt eine beträchtliche Variabilität vor und die dominante Frequenz ist relativ hoch. Die Variabilität kann gemäß einem einer Vielzahl von Verfahren quantifiziert werden, die in der Technik bekannt sind. Als eine Alternative zu oder zusätzlich zu dem Messen der Variabilität der Hilbert-Frequenzfunktion mit Zeit ist es möglich, die dominante Frequenz zu bestimmen, in einem vorgeschriebenen frühen Teilabschnitt des empfangenen Signalpakets; schlechter Knochen weist eine dramatisch höhere dominante Frequenz in dieser Region auf. Die dominante Frequenz und Periode während dieses Zeitintervalls wird als die „dominante frühe Frequenz" bzw. „dominante frühe Periode" bezeichnet. Eine Möglichkeit, die Bestimmung dieser Frequenz oder Periode durchzuführen, ist das Berechnen der Hilbert-Funktion in dieser Region und dann das Bestimmen der durchschnittlichen Steigung der Skizze von Hilbert-Phase über Zeit über das Intervall. Alternativ kann ein Maß der dominanten Frequenz in dieser Region direkt aus den Abtastsignalverlaufdaten bestimmt werden, mit gutem Erfolg. Der UBI-5c-Index ist eine Schätzung der Periode unter Verwendung von zwei Punkten, die auf jeder Seite der ersten Hauptspitze liegen. Die zwei Punkte bei diesem Ausführungsbeispiel werden als die Positionen (die „Wendepunkte") bestimmt, wo die zweite Ableitung im Hinblick auf Zeit Null ist. Die Halbperiode wird als die Dauer zwischen den Abschnitten der Tangenten zu der Kurve an diesen zwei Punkten geschätzt. Der UBI-5c-Wert ist die entsprechende Vollperiode in Mikrosekunden. Alternative Ausführungsbeispiele verwenden andere Maße der frühen dominanten Frequenz. Diese können folgende umfassen, sind jedoch nicht auf dieselben beschränkt: Messung des Spitze-zu-Tal-Intervalls oder der Spitze-zu-Null-Trennung des ersten Halbzyklus oder Bestimmung der Steigung des empfangenen Signals an der zweiten Nullkreuzung.
UBI-6. Das UBI-6-Verfahren verwendet die Kurzzeit-Fourier-Transformation der gespeicherten Ausgabe von T_R, um den variierenden Spektralgehalts des empfangenen Signalverlaufs über Zeit detaillierter zu untersuchen als mit der Hilbert-Transformation. Ein Frequenzindex kann auf eine analoge Weise zu UBI-2 berechnet werden. Die zeitliche Abweichung dieses Indexes kann verwendet werden, um einen unterschiedlichen Index auf eine Weise analog zu UBI-5 zu berechnen.
UBI-7. Das UBI-7-Verfahren verwendet die Fourier-Transformation der gespeicherten Ausgabe von T_R, um Daten zu erzeugen, die eine Skizze von Phase über Frequenz ermöglichen; die Steigung dieser Skizze ist ein Maß der Geschwindigkeit (als eine Funktion der Frequenz). Die Variation der Geschwindigkeit (oder ihres Zeitbereichgegenstücks, Gruppenverzögerung) mit Frequenz ist eine Dispersion, die gemäß einer einer Vielzahl von Verfahren quantifiziert werden kann. Bei einem relativ porösen Knochen liegt relativ wenig Dispersion vor; bei einem relativ unporösen Knochen liegt relativ gesehen mehr Dispersion vor.
UBI-8. Das UBI-8-Verfahren basiert auf der Erkennung, daß ein schlechter Knochen eine Breitbandsignatur erzeugt, wohingegen ein guter Knochen dazu neigt, relativ niedrigere Frequenzen selektiver weiterzuleiten. Dementsprechend umfaßt UBI-8 die Bestimmung von (i) „Schmalbandenergie", die zu Zwecken dieser Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche die Energie ist, die einem Spektrum von 100 kHz zugeordnet ist, die die Niedrigfrequenz-Spektralspitze umgibt; und (ii) „Breitbandenergie" umfaßt, die zu Zwecken dieser Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche die Energie ist, die dem vollen Spektrum von 0 – 1.000 kHz zugeordnet ist. UBI-8 ist das normierte Verhältnis von Schmalbandenergie zu Breitbandenergie.
Die vorangehenden UBIs sind ausschließlich darstellend; andere UBIs oder Kombinationen von UBIs können verwendet werden.
2. Positionsanalyse
Räumliche Skizzen der verschiedenen Maße von Knochenintegrität, wie z. B. die vorangehenden UBIs oder andere, können erhalten und, wie in den Oberflächenskizzen aus 3 – 10 gezeigt ist, oder in den topographischen Skizzen aus 11 – 18, oder in jeglicher anderen Darstellung angezeigt werden, die eine Grauskala oder eine oder mehrere Farben verwendet, wobei ein Maß oder eine Kombination von Maßen der Knochenintegrität als eine Funktion der Position im Hinblick auf den Knochen des Objekts gezeichnet ist.
Eine räumliche Abbildung kann erreicht werden durch Ableiten von Ultraschalldiagnoseinformationen an einer Mehrzahl von Positionen im Hinblick auf den Knochen des Objekts. Diese können ohne Einschränkung das Abtasten des akustischen Wandlers entweder mechanisch oder elektronisch im Hinblick auf den Knochen umfassen. Ein räumliches Abbilden gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, die ohne Einschränkung folgende umfassen:

(a) Definieren von einer oder mehreren „Regionen von Interesse" im Hinblick auf definierbare Merkmale des Knochens des Objekts, wie z. B. die Kante oder Kanten des Knochens, wobei die Regionen von besonderer Nützlichkeit für die Diagnose sind;
(b) Definieren von einer oder mehreren „Regionen von Interesse" im Hinblick auf definierbare Merkmale der Topologie des Diagnosemaßes selbst, somit z. B. einer spezifizierten Region, die ein Minimum im Hinblick auf einen bestimmten UBI-Parameter umgibt, wobei eine sol che Region bekanntlich von besonderer Nützlichkeit für die Diagnose ist;
(c) Bestimmen des Auf-dem-Knochen/Neben-dem-Knochen-Übergangs, d. h. der Kante des Knochens, zur Verwendung beim Definieren von Regionen einer bestimmten Nützlichkeit für die Diagnose; und
(d) Verwenden von topologischen Signaturen oder geometrischen Merkmalen der räumlichen Abbildung selbst als eines oder mehrere Diagnosemaße. Somit kann z. B. die Krümmung eines bestimmten UBI-Feldes als eine räumliche Funktion verwendet werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, für Diagnosezwecke.

3 und 4 sind dreidimensionale Oberflächenskizzen von UBI-4b bzw. UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 46 Jahre alten gesunden Frau. Bei diesen Skizzen und bei den nachfolgenden Skizzen durch 8 nähert sich die Achse, die rechts mit „Spalte" markiert ist, der Ferse-zu-Zehen-Achse, wobei die Position am nächsten bei der Ferse (d. h. zu der Rückseite der Ferse) an dem Ursprung liegt. (Auf dieser und nachfolgenden Skizzen muß die präsentierte Region nicht notwendigerweise die nahe Kante des Fersenbeins umfassen.) Die Achse, markiert mit „Zeile", liegt in einer Richtung senkrecht zu der „Spalte"-Achse, wiederum mit der Position am nächsten zu der Ferse (d. h. hin zu der unteren Oberfläche der Ferse) am Ursprung. Diese zwei Achsen werden verwendet, um Koordinaten zu identifizieren, die dem Wandlerpaar T_T und T_R aus 1 und 2 zugeordnet sind. Das Wandlerpaar kann in einer festen Anordnung relativ zueinander vorliegen, so daß ein Ultraschallpuls von dem Wandler T_T entlang eines Wegs durch das Fersenbein zu dem Wandler T_R übermittelt und verarbeitet wird. Der passende UBI wird mit den zwei Wandlern in einer gegebenen Position bestimmt. Die Wandler werden dann relativ zu dem Knochen zu einer Reihe von unterschiedlichen Positionen bewegt, um die Bestimmung einer Sammlung von UBI-Werten über eine gesamte Region von Interesse zu ermöglichen. (Die bestimmte Weise jedoch, auf die die Wandler befestigt und bewegt werden, ist kein Teil der vorliegenden Erfindung.) Die zwei Achsen (Spalte und Zeile) identifizieren daher die Position des Wandlerpaars relativ zu dem Fuß des Objekts. Schließlich zeigt die vertikale Achse den entsprechenden UBI-Wert, der für jede Position bestimmt ist.
Obwohl einige Differenzen zwischen diesen zwei Skizzen vorliegen, haben sie bedeutende Ähnlichkeiten. Jede Skizze weist ein relativ breites Plateau auf. Die rechte Kante des Plateaus – die allgemein entlang der Ferse-zu-Zehen-(„Spalten"-) Achse verläuft – weist einen klippenähnlichen Abfall auf, der der Kante des Fersenbeins zugewiesen werden kann. Anders ausgedrückt ermöglichen die Skizzen, daß eine Identifikation der Kante des Knochens bewertet wird.
Ferner weist das Plateau selbst sowohl in 3 als auch 4 eine gewisse Regelmäßigkeit auf; insbesondere im Bereich der Spaltenwerte von z. B. 1 bis 6 ändert sich der UBI-Wert relativ wenig für Zeilenwerte im Bereich von 3 bis B. Diese Region, die in dieser Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen die „Kandidatenregion" genannt wird, weist die Charakteristika auf, daß (i) sie von der Kante des Knochens zurückversetzt ist und (ii) die UBI-Werte über die Region relativ unempfindlich gegenüber der Höhe über der Ferse-zu-Zehen-Achse sind, d. h. gegenüber Änderungen bei dem Zeilenwert. In der Kandidatenregion kann jedoch ein lokales Tal angetroffen werden, in dem die UBI-Werte auf einem lokalen Minimum vorliegen. In 3 ist das lokale Tal in der Kandidatenregion identifiziert als Position 31, und in 4 ist das lokale Tal in der Kandidatenregion identifiziert als Position 41.
Eine Position mit einer Steigungsgröße des lokalen Minimums, die dem lokalen Tal zugeordnet ist (wenn ein Tal existiert), in der Kandidatenregion, wird in dieser Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen als die „Referenzposition" bezeichnet. Die Referenzposition resultiert angeblich aus anatomischen Eigenschaften des Fersenbeins und, wie nachfolgend erörtert, ist sie angeblich nützlich beim Identifizieren einer Position, die besonders bedeutend für eine UBI-Messung ist. Die Referenzposition kann ferner unter Verwendung von etwas unterschiedlichen Kriterien identifiziert werden. Zum Beispiel hat es sich als wünschenswert herausgestellt, ein Tal zu bevorzugen, das relativ nahe an dem Ursprung liegt, d. h. in der Nähe der Rückseite und der Unterseite des Fersenbeins, aber trotzdem von der Kante desselben zurückversetzt ist. Dieser allgemeine Bereich kann als die Kandidatenregion betrachtet werden, und die Referenzposition als die Wanne (falls vorhanden – anderweitig die Position des lokalen Minimums der Steigungsgröße) in dieser Region identifiziert sein.
Im Gegensatz zu 3 und 4 sind 5 und 6 Oberflächenskizzen von UBI-4b bzw. UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 45 Jahre alten Frau mit Osteoporose. In diesen Figuren wurden das hohe und breite Plateau in 3 und 4 durch ein Plateau ersetzt, das relativ gesehen niedriger ist: das Plateau aus 5 ist niedriger als das aus 3, das aus 6 ist relativ gesehen niedriger als das aus 4. Es ist sehr deutlich sichtbar, wenn die Kandidatenregion betrachtet wird, die Spaltenwerte zwischen 1 und 6 und Zeilenwerte zwischen 3 und 8 aufweist. Ferner können in der Kandidatenregion die Referenzpositionen 51 und 61 identifiziert werden, in denen lokale Täler in den UBI-Werten vorhanden sind. Der UBI-Wert an der Referenzposition 51 ist offensichtlich niedriger als der bei der Referenzposition 31; er ist ferner niedriger bei Referenzposition 61 als er es bei Referenzposition 41 ist.
7 und 9 sind Oberflächenskizzen von UBI-4b über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins einer 76 Jahre alten Frau mit einer Knochenqualität über dem Altersdurchschnitt bzw. einer 83 Jahre alten Frau mit Osteoporose. In 7 ist ersichtlich, daß der niedrigste Abschnitt der Knochenkante ungefähr drei Zeilen über der Ferse-zu-Zehen-Achse angeordnet ist; die Kandidatenregion weist Spaltenwerte zwischen 1 und 3 und Zeilenwerte zwischen 4 und 8 auf. Das lokale Tal 71 identifiziert die Referenzposition in der Kandidatenregion. In 9 weist die Kandidatenregion Spaltenwerte zwischen 1 und 3 und Zeilenwerte zwischen 3 und 8 auf. Das lokale Tal 91 identifiziert die Referenzposition in der Kandidatenregion. Es ist wiederum ersichtlich, daß der UBI-Wert an der Referenzposition 91 bedeutend niedriger ist als der bei Referenzposition 71. 8 und 10 sind Oberflächenskizzen von UBI-5c über eine zweidimensionale Region des Fersenbeins von denselben zwei Objekten wie in dem Fall von 7 und 9, wobei die Referenzpositionen als Art. 81 bzw. 101 identifiziert sind; ähnliche Ergebnisse sind in diesen Skizzen im Vergleich zu jenen im Fall von 7 und 9 gezeigt.
Die Verwendung der Oberflächenskizzen aus 3 – 10 hat den Nachteil, daß die präzisen Positionskoordinaten der Referenzposition in manchen Fällen schwierig zu visualisieren sein können, dank der Verwendung des 3D-Formats. Diese Schwierigkeit kann durch Rückgriff auf topographische Skizzen gelöst werden, wie in 11 – 18 gezeigt ist, die 3 – 10 entsprechen. In 11 – 18 ist die Größe des UBI durch Schraffieren gezeigt und nicht durch einen dritten Koordinatenwert, so daß Positionen durch Zeilen und Spalten unzweideutig sind. Die Referenzpositionen, die vorangehend in Verbindung mit 3 – 10 erörtert wurden, sind in 11 – 18 markiert.
Aus den vorangehenden Beispielen ist ersichtlich, daß gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Kandidatenregion allgemein und die Referenzposition insbesondere verwendet werden können, um einen UBI-Wert zu Zwecken eines Vergleichs zwischen Objekten als ein Maß von Knochenporosi tät und Nichtkonnektivität zu liefern. Ferner muß der bestimmte UBI, der verwendet wird, um die Referenzposition oder die Kandidatenregion zu identifizieren, nicht notwendigerweise derselbe UBI sein wie er verwendet wird, um das Endmaß der Knochenporosität und Nichtkonnektivität zu liefern. Zum Beispiel könnte der UBI-5c verwendet werden, um die Referenzposition zu identifizieren, und dann könnte der UBI-4b als das Maß der Knochenporosität und Nichtkonnektivität bei der Referenzposition verwendet werden. Statt dessen, wie oben erörtert wurde, kann der UBI ein anderer sein als jene, die spezifisch numeriert und beschrieben wurden. Zum Beispiel schlagen die offensichtlichen Differenzen bei den Graphen des obigen Typs zwischen relativ porösen nichtkonnektiven Knochen einerseits und dem gesunden Knochen andererseits einen anderen UBI vor, der ein Maß des Volumens unter der Kandidatenregion oder des Volumens unter einem definierten Bereich ist, der die Referenzposition umgibt. Wie nachfolgend beschrieben wird, ist es in bestimmten Fällen möglich, eine Schätzung von BUA aus einem UBI abzuleiten.
Bis zu diesem Punkt in der Beschreibung wurde die UBI-Oberfläche selbst – die Sammlung von UBI-Werten, die über eine Region erhalten wurden – geschätzt und verwendet, um eine Position zu identifizieren, wo ein UBI-Wert als das Maß der Knochenporosität und der Nichtkonnektivität verwendet wird. (Die Position im Hinblick auf welche ein UBI-Wert als das Maß von Knochenporosität und Nichtkonnektivität verwendet wird, wird die „Zielposition" zu Zwecken dieser Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche genannt.) Anders ausgedrückt kann die Zielposition, muß aber nicht notwendigerweise, die Referenzposition sein.
Die Zielposition ist im Hinblick auf die Kanten des Knochens definiert, wie durch die Vorrichtung selbst bestimmt wird. (Die Position, die auf diese Weise ausgewählt wird, wird die „Voreinstellungsposition" zu Zwecken dieser Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche genannt.) Somit kann z. B. die Voreinstellungsposition Bezug nehmend auf die Unterseite und Rückseite des Fersenknochens bestimmt werden und kann das Skalieren von Standardabmessungen basierend auf anderen Parametern umfassen, die die Größe des Fußes des Objekts umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Dies ermöglicht, daß die Vorrichtung die Zielregion in einer anatomisch analogen Position an dem Knochen jedes Objekts plaziert, unabhängig von dem Versatz dieses Knochens, verursacht durch variierende Beträge von Weichgewebe. Nachdem die Voreinstellungsposition festgelegt wurde, können die Wandler des Paars T_T und T_R in einer festen relativen Anordnung zu der Standardposition bewegt werden und dann kann der geeignete UBI bei der Standardposition bestimmt werden. Anders ausgedrückt kann die Standardposition z. B. als absolute Distanzen in dem Koordinatensystem beschrieben werden (x-Position und y-Position), die oben für die Graphen aus 2 – 8 beschrieben wurden; z. B. 1 cm vorwärts (entlang der x-Achse) und 2 cm nach oben (entlang der y-Achse) – falls dies die Koordinaten wären, die für die Klasse von Objekten in Beziehung zu einem festen Knochenkoordinatensystem festgelegt wurden.
Die Standardposition kann für eine Klasse von Objekten festgelegt werden, durch eine experimentelle Bestimmung der Referenzposition für jedes Objekt in der Klasse; die mittlere Position kann als die Standardposition verwendet werden. Während es möglich ist, eine einzelne Standardposition für alle menschlichen Objekte zu verwenden, kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, die Standardposition als eine Funktion von z. B. Geschlecht und Altersbereich des Objekts und/oder Schuhgröße, externe Fußgeometrie etc. zu spezifizieren.
Sobald die Standardposition festgelegt wurde, ist es bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, die Standardposition als die Zielposition für die UBI-Messung zu verwenden. Alternativ kann eine spezifizierte Region, die im Hinblick auf die Zielposition definiert ist, verarbeitet werden, um eine andere Messung abzuleiten. Zum Beispiel, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, kann ein Fenster 8 mm hoch mal 4 mm breit, das der Kontur der Unterseite des Fußes folgt und 4 mm für eine Linie positioniert ist, die im Hinblick auf die Kante des Knochens definiert ist, gemittelt werden, um ein Maß der Knochenporosität zu liefern.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jedoch die Zielposition als eine Funktion von sowohl der Standardposition als auch der Referenzposition bestimmt. Die Funktion kann z. B. ein gewichteter Mittelwert der zwei Positionen sein. Als ein weiteres Beispiel können die Gewichte eingestellt werden, zugunsten der Referenzposition, wenn die UBI-Oberfläche ein ausreichend betontes lokales Tal in der Kandidatenregion aufweist, und zugunsten der Standardposition, wenn die UBI-Oberfläche keine Referenzposition mit einer gewünschten Vertrauensebene aufweist.
19 ist ein logisches Flußdiagramm des Prozesses gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Erzeugen eines UBI-Maßes bei einer Zielposition. Der hierin beschriebene Prozeß verwendet Verfahren und Charakteristika, die oben in Verbindung mit 3 – 18 beschrieben wurden. Gemäß Schritt 191 werden die Wandler von dem Paar T_T und T_R in einer festen relativen Anordnung so verwendet, daß ein Ultraschallpuls von dem Wandler T_T durch das Fersenbein zu dem Wandler T_R übertragen und verarbeitet wird. Die Signalverläufe, die durch den Wandler T_R empfangen werden, werden somit erfaßt und analysiert, um ein UBI-Maß in einer gegebenen Position zu erzeugen. Die Wandler werden relativ zu den Knochen zu einer Reihe von unterschiedlichen Positionen bewegt, um die Bestimmung einer Sammlung von UBI-Werten über eine gesamte Region von Interesse zu ermöglichen.
Gemäß Schritt 192 wird die Topologie der resultierenden UBI-Oberfläche untersucht, um eine Referenzposition zu identifizieren. Bei diesem Schritt wird eine Zielposition basierend auf der Referenzposition ausgewählt. Die Zielposition kann tatsächlich dieselbe sein wie die Referenzposition oder wie bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können geometrische Daten bei Schritt 193 angewendet werden, so daß die Zielposition eine Funktion von sowohl geometrischen Daten als auch der Referenzposition ist. Schließlich, bei Schritt 194, wird ein geeignetes UBI-Maß an der Zielposition erzeugt.
20 ist ein detaillierteres logisches Flußdiagramm des Prozesses gemäß den Schritten 192 und 193 bei dem Ausführungsbeispiel von 9 zum Identifizieren einer Zielposition. Bei Schritt 201 werden die gespeicherten Maßwerte analysiert, um die Kante des Knochens zu identifizieren. Bei Schritt 202, nachdem die Knochenkante identifiziert wurde, werden die UBI-Maßwerte in der Region des Knochens, die von der Kante zurückgesetzt ist, untersucht. Als ein Ergebnis der Untersuchung bei Schritt 203 wird eine Kandidatenregion identifiziert, die Maßwerte aufweist, die eine relative Unempfindlichkeit gegenüber der Position aufweisen. Als nächstes wird bei Schritt 204 eine Referenzposition (falls vorhanden) in der Kandidatenregion identifiziert, die ein lokales Tal in den Maßwerten aufweist; wenn kein lokales Tal vorhanden ist, dann weist die Position, die identifiziert werden soll, eine Steigungsgröße mit lokalem Minimum auf. Bei Schritt 205 wird eine Zielposition als eine Funktion von sowohl einer Standardposition basierend auf geometrischen Eingangsdaten als auch auf der Referenzposition ausgewählt. Schließlich wird bei Schritt 206 die Zielposition als eine Ausgabe geliefert.
Diese Prozesse können in einer Vorrichtung durchgeführt werden, die wie in 21 gezeigt konfiguriert ist, was ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Implementieren der Prozesse aus 19 und 20 ist. Ein Akustik-Wandler 211 weist einen Signalerzeuger auf, zum Erzeugen, wenn er mit einem Wandler gekoppelt ist, eines akustischen Pulses, der eine Energie verteilt über einen Frequenzbereich aufweist. Der Wandler 211 weist ferner eine Wandleranordnung auf, wobei die Wandleranordnung eine Mehrzahl von Wandlern umfaßt, und stellt ein Wandlerpaar bereit, in beabstandeter Beziehung im Hinblick auf den Knochen. Ein erster des Paares von Wandlern ist mit dem Signalerzeuger gekoppelt, um einen akustischen Puls zu liefern, und ein zweiter des Paars empfängt ein akustischen Signal, das aus einer Ausbreitung des akustischen Pulses entlang eines Wegs resultiert, der den Knochen umfaßt. Die Wandleranordnung ist so konfiguriert, daß der Weg in einer Mehrzahl von Positionen angeordnet sein kann, um durch eine Mehrzahl von Positionen innerhalb einer ausgewählten Region des Knochens zu verlaufen.
Ein Signalprozessor 212 ist in Kommunikation mit dem zweiten des Paars von Wandlern. Der Signalprozessor 212 liefert einen UBI-Wert, der jeder der Positionen zugeordnet ist, der zumindest eine der Spektral- oder Zeitkomponenten eines Abschnitts des Signals anzeigt, bis zu dem Gesamtbetrag desselben, das durch den zweiten des Paars von Wandlern empfangen wird. Der Signalprozessor 212 arbeitet in Kommunikation mit einem Wertespeicher 213 zum Speichern der UBI-Werte, die den Positionen zugeordnet sind.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Operation des Signalprozessors an Daten im Hinblick auf einzelne Positionen hierin beschrieben wird, für heuristische Zwecke, im Hinblick auf einen Wertespeicher zum Speichern von Werten für eine nachfolgende Manipulation. Wie Fachleuten auf dem Gebiet der Datenverarbeitung bekannt ist, können Echtzeitstrategien gleichermaßen zum Manipulieren von räumlichen Daten angewendet werden, wie z. B. mit und ohne Einschränkung, adaptiven Gradientensuchen. Ein „Wertespeicher", wie in dieser Beschreibung und in den beiliegenden Ansprüchen verwendet, wird somit im Sinn eines Arrays von Werten verwendet, die nicht notwendigerweise gleichzeitig beste hen. Zusätzlich dazu wird darauf hingewiesen, daß die Entsprechung zwischen gespeicherten oder manipulierten Werten und physischen Positionen vielleicht nicht Eins zu Eins oder eindeutig ist, und daß ein Mitteln von Daten aus unterschiedlichen Positionen vor einem weiteren Verarbeiten durch die Ansprüche der vorliegenden Erfindung umfaßt ist.
Ein Positionsprozessor 214 wählt eine Zielposition basierend zumindest teilweise auf Werten aus, die in dem Wertespeicher gespeichert sind, und ein Ausgabeprozessor 215 liefert eine Ausgabe einer Quantität, die der Zielposition zugeordnet ist. In der Praxis können der Signalprozessor 212, der Positionsprozessor 214 und der Ausgabeprozessor 215, müssen aber nicht notwendigerweise, als ein einzelner Mikroprozessor realisiert sein (wie z. B. der Mikroprozessor 21 aus 2), der Prozesse implementiert, die in Software programmiert wurden, um die separaten Funktionen jedes Prozessors zu liefern.
Zusätzlich oder alternativ zu der Verwendung des Abbildens für die Auswahl von Regionen von diagnostischem Nutzen können Gütezahlen, die aus der intrinsischen Form oder Topologie der räumlichen Abbildungen hergeleitet werden, ebenfalls für diagnostische Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel kann die durchschnittliche Steigung in der Nähe der lokalen Täler wichtige zusätzliche Informationen liefern. Die Verwendung von topologischen Maßen wird am besten erkannt Bezug nehmend auf 27 – 30, die Querschnittansichten der Oberflächenskizzen aus 4, 6, 8 und 10 liefern. Genauer gesagt stellen 27 – 30 die UBI-5c-Daten für dieselben vier Objekte dar, die in 4, 6, 8 und 10 gezeigt sind, als Querschnittansichten, mit Blick in die Oberflächenskizzen aus 4, 6, 8 und 10 in einer Richtung parallel zu der Ferse-zu-Zehen-Achse. Identische Bezugszeichen in 4, 6, 8 und 10 und 27 – 30 beziehen sich auf identische Merkmale.
Ein Vergleich von 28 und 29, die UBI-5c-Ergebnisse jeweils für eine 45 Jahre alte Frau mit Osteoporose und eine 76 Jahre alte Frau mit UBI-Ergebnissen über dem Altersmittel zeigen, zeigt ähnliche Minimalwerte für UBI-5c, die an den Tellern 61 und 81 angeordnet sind. Die durchschnittlichen Steigungen an den ausgewählten Regionen, bezeichnet als 62 und 82, die an den Tälern 61 und 81 starten und nach oben für ungefähr drei Zeilen (ungefähr 1 cm) fortschreiten, unterscheiden sich jedoch dramatisch. Da bekannt ist, daß das Objekt für 28 Osteoporose hat, und bekannt ist, daß das Objekt für 29 gesund ist, kann die steilere Steigung dem schlechteren Zustand des Knochens zugeordnet werden. Dieses Ergebnis liegt dem gegenüber, was durch einfaches Mitteln der UBI-5c-Ergebnisse über die größeren Regionen 62 und 82 erhalten werden würde.
Auf eine ähnliche Weise zeigen 27 und 30, die die UBI-5c-Ergebnisse jeweils für eine 46 Jahre alte gesunde Frau und eine 83 Jahre alte Frau mit Osteoporose zeigen, eine relativ geringe Neigung in den ausgewählten Regionen 42 und 102 in der Nähe der jeweiligen lokalen Täler 41 und 101 der UBI-5c-Oberflächenskizzen. Da die durchschnittliche Steigung für sowohl das 46 Jahre alte gesunde Objekt als auch das 83 Jahre alte Objekt mit Osteoporose niedrig ist, ist es deutlich, daß die Steigung alleine genommen nicht so ein effektiver Indikator für die Knochenqualität ist wie die durchschnittliche Steigung in Kombination mit dem durchschnittlichen UBI-5c-Wert in der Nähe des lokalen Tals. Die Kombination von Steigung und UBI-5c-Wert an dem Tal kann die diagnostische Eignung der räumlichen Abbildungen verbessern. Es wird darauf hingewiesen, daß andere Maße von UBI-Topologie, wie z. B. der maximale Gradient, verwendet werden können, und daß ferner ähnliche Techniken, die an andere UBI-Maße alleine oder in Kombination angewendet werden, innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.
Eine andere Anwendung der Verfahren und Vorrichtungen, die hierin beschrieben sind, ist zum Liefern einer früheren Anzeige der Verschlechterung der Knochenqualität, als durch den Wert einer Knochenqualitätsmessung alleine bei einer spezifizierten Position geliefert werden würde. Alle vorangehenden Techniken alleine oder in Kombination können verwendet werden, um eine Neigung für ein Objekt zu bestimmen, die Porosität des Knochens zu ändern, unter Anwendung von Verfahren von klinischen Langzeitstudien, die Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet bekannt sind.
Obwohl die Wandleranordnung, wie vorangehend beschrieben wurde, unter Verwendung eines Gestells implementiert sein kann, wie in der bekannten Anmeldung erörtert wurde, liegt es innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, eine Wandleranordnung zu verwenden, bei der eine Mehrzahl von Wandlern an einer oder mehreren Seiten des Knochens angeordnet ist und der Weg durch den Knochen durch elektrisches Schalten variiert wird, um das Paar von Wandlern zu bestimmen, as tatsächlich in jedem Fall verwendet wird.
Als nächstes wird ein Lösungsansatz erörtert, der die Bestimmung einer Schätzung einer BUA aus einem UBI-Maß, wie z. B. UBI-5c, ermöglicht. Während das Verfahren, das hierin nachfolgend beschrieben wird, eine Schätzung einer BUA liefert, soll diese Schätzung von klinischer Nützlichkeit für einen Benutzer sein und es liegt kein Hinweis vor, daß die UBI-Maße denselben Einschränkungen und inhärenten Nachteilen der BUA im Hinblick auf Spezifität und Empfindlichkeit unterliegen. Allgemein kann dieses System modelliert werden, wie in 22 gezeigt ist. In dieser Figur stellt Tx (Art. 222) den Sender dar (Elektronikpulswandler); Rx (Art. 224) stellt den Empfänger dar (Elektronikpulswandler). Das Medium (Art. 223) ist das Testmaterial oder das Objekt zwischen den Wandlern. Der Stimulus (Art. 221) ist die Erregungsfunktion, häufig impulsähnlich. Das Ansprechverhalten h(t) dieses Systems kann wie folgt geschrieben werden: h(t) = hSt(t)*hTx(t)*hMedium(t)*hRx(t) (2)wobei der Stern [*] eine Faltung darstellt, und h_St(t), h_Tx (t), h_Medium(t) und h_Rx(t) die separaten Impulsansprechverhalten sind, die jeweils dem Stimulus, Sender, Medium und Empfänger zugeordnet sind. Es handelt sich allgemein um zwei Typen von Medien:

(1) ein Kalibrierungsmedium, wie z. B. Wasser; und
(2) ein Testmedium, wie z. B. die Ferse eines menschlichen Objekts.

Es liegen dann Kalibrierungssignale h_cal und Testsignale h_test vor, die im Hinblick auf die Gleichung (1) folgendes ergeben: hcal(t)=hSt(t)*hTx(t)*hcal medium(t)*hRx(t) (3) htest(t)=hSt(t)*hTx(t)*htest medium(t)*hRx(t) (4)
Wenn das Kalibrierungsmedium Wasser h_cal(t) ≈ δ(t-to) ist; das heißt, das Signal wird einer einfachen Zeitverzögerung ohne Verzerrung unterzogen. Somit, für aktuelle Zwecke, gilt folgendes Hwater(t)=hSt(t)*hTx(t)*hcal medium(t)*hRx(t) (5)
Es wird darauf hingewiesen, daß Abweichungen im Kontakt zwischen Wandler und dem Testmedium implizit in h_test umfaßt sind.
Es wird ein Verfahren definiert, das Ableiten eines geschätzten Werts für BUA aus einer UBI-5c-Messung zu versuchen. In dieser Verbindung werden Signalverläufe A, B und C in 23A – C betrachtet. Signalverlauf A stellt ein Signal dar, das von dem Empfänger Rx erhalten werden könnte, unter Verwendung eines gesunden Knochens als Teil des Mediums. Die ungefähre Periode der ersten ein oder zwei Zyklen beträgt ungefähr 3 – 4 Mikrosekunden (und ungefähr 2 – 2,5 Mikrosekunden für einen nicht gesunden Knochen). Der Signalverlauf B stellt ein entsprechendes Signal unter Verwendung eines osteoporotischen Knochens dar, der einen kürzeren ersten Zyklus zeigt als in dem ersten Signalverlauf A. Der Signalverlauf C zeigt ein typisches Wasserkalibrierungssignal. Die Periode der ersten paar Zyklen beträgt 1 – 2 Mikrosekunden. Das Maß UBI-5c wird durch Schätzen der Frequenz (und Periode) in der Nähe der ersten positiven Spitze (P in A) abgeleitet.
Es wird ein geschätzter BUA-Wert, der dem Signal A entspricht, und sein UBI-5c-Wert hergeleitet, wie folgt. Zuerst wird von einer Familie von Filtern ausgegangen, die Ansprechverhalten h_Filter(t) liefern, die durch eine Übertragungsfunktion F_m definiert sind, die folgende Form aufweist: Fm(f) = AemfejΘ(f) · W(f) (6)wobei:

m die (negative) Steigung einer linearen Loga rithmusamplitudenfunktion darstellt;
A eine Konstante ist;
Φ(f) eine Phasenübertragungsfunktion ist; und
W(f) eine Fensterfunktion ist, die, wenn nötig, hinzugefügt werden kann, um Signalverarbeitungs artefakte (wie z. B. Klingeln) einzustellen.

Die Funktion h_Filter(t) kann aus F_m (f) bestimmt werden, durch eine standardmäßige inverse Fourier-Transformation.
Die Idee ist das Finden des Werts von m derart, daß h_{filter
system}(t) = h_St(t)*h_Tx(t)*h_filter(t)*h_Rx(t) die beste Einpassung für die beobachteten Objektdaten in der Nachbarschaft der ersten positiven Spitze ergibt (Punkt P des Signalverlaufs A aus Medium 23). Dieser Wert für m, die Steigung, entspricht einem BUA-Wert. Es kann somit ein geschätzter Wert von BUA definiert werden, der UBI-5(c) entspricht, was ebenfalls ausschließlich durch die Daten in der Nähe von P bestimmt wird.
Die verbleibenden Parameter können auf folgende Weise ausgewählt werden. Es kann ermöglicht werden, daß A und m anfänglich variieren, um die beste Einpassung zu ergeben. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung einer nichtlinearen Einpassung nach der Fehlerquadratmethode mit zwei Parametern erreicht werden. Alternativ kann der Wert für A fest sein und dann kann der Wert m(A) bestimmt werden, dann fortgefahren werden, bis genug Werte von A versucht wurden, um eine gute Schätzung des Optimums zu erhalten.
Anfänglich wird Φ(f) als eine Konstante genommen. Dies entspricht der Annahme, daß keine Dispersion vorliegt und daß die Nullzeit neu definiert ist, um die verbleibende Linearphasenfunktion zu entfernen, die einer festen Verzögerung von Tx zu Rx zugeordnet ist. Auf ähnliche Weise kann anfänglich W(f) = 1 gesetzt werden. In dem Fall einer Interferenz aus störenden Artefakten kann nachfolgend ein geeignetes Fenster W(f) eingerichtet werden, um die Wirkung solcher Artefakte zu reduzieren.
Es wird darauf hingewiesen, daß, weil h_{cal medium} = δ(t-t0) als eine ausgezeichnete Näherung für Wasserkalibrierung gilt, hfiltered system(t) = hcal(t)*hfilter(t).
Entsprechend wurde ein Verfahren zum Ableiten einer Schätzung von BUA gezeigt, die einem UBI-Wert entspricht, unter Verwendung eines allgemeinen Systems des oben beschriebenen Typs und unter Verwendung der nachfolgenden Schritte:

(a) Bestimmen der Signalverläufe h_subject(t) und h_cal(t), was jeweils aus der Verwendung des Systems mit einem Objekt und einem Kalibrierungsmedium resultiert;
(b) Bestimmen des UBI-Werts aus h_subject(t)
(c) Finden des Werts von m derart, daß h_{filter
system}(t) = h_filter(t)*h_cal(t) die beste Einpassung für h_subject(t) in einer Nachbarschaft von Interesse ergibt, wo das Ansprechverhalten h_filter(t) durch eine Übertragungsfunktion F_m definiert ist, die folgende Form aufweist Fm(f) = AemfejΘ(f) · W(f) wobei:
m die Steigung einer linearen Logarithmusamplitudenfunktion darstellt;
A eine Konstante ist;
Φ(f) eine Phasenübertragungsfunktion ist; und
W(f) eine optionale Fensterfunktion ist; und
(d) Anpassen des Werts m an den UBI-Wert, der dem Signalverlauf h_subject(t) zugeordnet ist. Die BUA kann aus dem Wert m bestimmt werden, durch geeignete Skalierung.

Dieses Verfahren geht davon aus, daß das Kalibrierungsmedium, wie Wasser, eine im wesentlichen frequenzunabhängige Dämpfung in einem Frequenzbereich von Interesse aufweist. Das Verfahren kann jedoch ohne weiteres modifiziert werden, unter Verwendung der Beziehungen, die oben ausgeführt sind, um mit anderen Kalibrierungsmedien umzugehen.
Alternativ kann der UBI-5c für den Signalverlauf h_{filtered system}(t) berechnet werden, und ein UBI-5c-Wert kann dem BUA-Wert zugeordnet werden, der m mit festen Annahmen um Φ(f) und W(f) entspricht. Somit kann die UBI-5c/BUA-Entsprechung in eine Nachschlagtabelle eingelagert werden.

Claims

Eine Vorrichtung zum externen Bestimmen eines Porositätsindex und einer Nichtanschlußfähigkeit eines Knochens, der innerhalb eines Körperteils angeordnet ist, in einem Wirbel-Objekt, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: (a) ein Akustik-Wandler (211), der folgende Merkmale aufweist: (i) einen Signalerzeuger (11, 21, 221) zum Erzeugen eines akustischen Pulses, wenn derselbe mit einem Wandler gekoppelt ist, der Energie verteilt über einen Frequenzbereich aufweist, und (ii) eine Wandleranordnung, die eine Mehrzahl von Wandlern umfaßt und ein Paar von Wandlern in beabstandeter Beziehung im Hinblick auf den Knochen bereitstellt, wobei ein erster aus dem Paar (12, 222) mit dem Signalerzeuger gekoppelt ist, um einen akustischen Puls zu liefern, und ein zweiter aus dem Paar (13, 224) ein akustisches Signal empfängt, das aus einer Ausbreitung des akustischen Pulses entlang eines Wegs resultiert, der den Knochen umfaßt, und wobei die Anordnung so konfiguriert ist, daß der Weg in einer Mehrzahl von Positionen angeordnet sein kann, um durch eine Mehrzahl von Positionen innerhalb einer ausgewählten Region des Knochens zu verlaufen; (b) einen Signalprozessor (15, 21, 212) in Kommunikation mit dem zweiten aus dem Paar von Wandlern, angeordnet, um ein Maß zu liefern, das jeder der Positionen zugeordnet ist, das zumindest entweder eine transiente Spektral- oder transiente Zeit-Komponente eines Abschnitts des Signals, bis zu der gesamten Menge des Signals, das durch den zweiten aus dem Paar von Wandlern empfangen wird, anzeigt; (c) einen Wertespeicher (23, 213) zum Speichern von Werten, die sich auf das Maß beziehen, das den Positionen zugeordnet ist; (d) einen Positionsprozessor (201 – 206, 214), der angeordnet ist, um eine Zielposition basierend auf einer spezifizierten Beziehung zu einem Rand des Knochens auszuwählen, basierend auf den Werten in dem Wertespeicher; und (e) einen Ausgabeprozessor (15, 21, 215) zum Liefern einer Größe, die der Zielposition zugeordnet ist, als eine Ausgabe.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Größe das Maß ist, das der Zielposition zugeordnet ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Größe sich von dem Maß unterscheidet, das der Zielposition zugeordnet ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Referenzposition, zumindest teilweise basierend auf den Werten in dem Wertespeicher und zum Auswählen der Zielposition zumindest teilweise basierend auf der Referenzposition aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine geometrische Dateneingabe (193) zum Definieren einer voreingestellten Position aufweist, basierend auf der Geometrie des Körperteils, wobei die Zielposition durch den Positionsprozessor basierend auf sowohl der geometrischen Dateneingabe als auch auf Werten ausgewählt wird, die in dem Wertespeicher gespeichert sind.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Position des Knochens umfaßt, die von dem Rand des Knochens (202) um eine spezifizierte Distanz in einer spezifizierten Richtung relativ zu dem Rand des Knochens zurückversetzt ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Knochen kalkartig ist und der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Kandidatenregion, die von dem Rand zurückversetzt ist, umfaßt, wobei im Hinblick auf dieselbe die Werte in dem Wertespeicher relativ unempfindlich gegenüber der Position (203) sind.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Position des Knochens (202) umfaßt, die von dem Rand des Kochens um eine spezifizierte Distanz zurückversetzt ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Knochen kalkartig ist und der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Kandidatenregion, die von dem Rand zurückversetzt ist, wobei im Hinblick auf dieselbe die Werte in dem Wertespeicher relativ unempfindlich gegenüber der Position (203) sind, und eine Ein richtung zum Auswählen der Referenzposition als eine Funktion der voreingestellten Position und einer spezifizierten Position in der Kandidatenregion umfaßt.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Referenzposition umfaßt, die in der Kandidatenregion vorliegt, und wenn ein lokaler Tiefpunkt bei den Meßwerten in der Kandidatenregion vorliegt, in einem solchen Tiefpunkt (204).
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Positionsprozessor (15, 21, 201 – 206, 214) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Referenzposition umfaßt, die in der Kandidatenregion vorliegt, und wenn ein lokaler Tiefpunkt bei den Meßwerten in der Kandidatenregion vorliegt, in einem solchen Tiefpunkt (204), und wobei die spezifizierte Position die Referenzposition ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Größe eine Charakteristik der Porosität des Knochens ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Größe eine Charakteristik der Neigung eines Objekts ist, um die Porosität des Knochens zu ändern.