DE69818522T2

DE69818522T2 - Bestimmung der akustischen geschwindigkeit im knochen

Info

Publication number: DE69818522T2
Application number: DE69818522T
Authority: DE
Inventors: Edward Kantorovich; Vladimir Pasternak; Shai Ashkenazi; Elena Ledenev; Andrey Mordvinov; Yehuda Niv
Original assignee: Sunlight Medical Ltd
Current assignee: BEAM-MED. LTD., PETACH-TIKRA, IT
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: AU7928898A; WO1999045348A1; KR20010041510A; EP1060367A1; CN1297527A; EP1060367B1; CN1180228C; JP2003517328A; KR100547960B1; CA2322628A1; DE69818522D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine nichtinvasive Messung der mechanischen Eigenschaften eines Knochens und insbesondere eine Messung unter beliebigen Winkeln in Bezug zum Knochen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem Material von den mechanischen Eigenschaften des Materials abhängt.
Eine Schallwelle, die einen Festkörper unter einem Winkel erreicht, pflanzt sich typischerweise durch den und entlang dem Festkörper als eine Kombination von drei Wellen fort, nämlich einer longitudinalen, transversalen und Oberflächenwelle, wobei jede Welle eine unterschiedliche Geschwindigkeit aufweist. Bei einer Knochengeschwindigkeitsbestimmung wird die longitudinale Welle, die die schnellste ist, gewöhnlich gemessen. Die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle ist:
wobei E, σ und ρ respektive der Youngsche Modul, das Poissonsche Verhältnis von Querkontraktion zu Längsdehnung und die Massendichte des Materials sind.
In einem Artikel mit dem Titel "Osteoporotic Bone Fragility: Detection by Ultrasound Transmission Velocity", R. P. Heany et al. JAMA, Band 261, No. 20, 26. Mai 1989, Seiten 2986–2990, wird der Youngsche Modul eines Knochens E empirisch gegeben als: E = Kρ2 (2)
Die Geschwindigkeit der longitudinalen Schallwelle im Knochen ist dann:
wobei K eine Konstante ist, die eine Anzahl von Faktoren in sich schließt, wie z. B. eine räumliche Orientierung der Knochenstrukturen, inhärente Eigenschaften des Knochenmaterials und Ermüdungsfehler. Folglich ist die Geschwindigkeit einer longitudinalen Welle eine Funktion der Massendichte und kann als ein Anzeiger der Beschaffenheit eines Knochens verwendet werden.
Um In-vivo-Ultraschallmessungen der mechanischen Eigenschaften eines Knochens auszuführen, ist es notwendig, eine Ultraschallwelle durch Weichteilgewebe zu senden, das den Knochen umgibt. Unglücklicherweise variiert die Dicke des Weichteilgewebes entlang der Länge des Knochens. Auch ist die Weichteilgeschwindigkeit kein konstanter Wert für alle Weichteile. Diese Variationen können die Genauigkeit der Ultraschalllaufzeitmessung durch den Knochen beeinträchtigen. Typischerweise werden die Variationen in der Dicke des Weichteilgewebes und seiner Geschwindigkeit entweder ignoriert, oder es wird ein Versuch unternommen, die Effekte des Weichteilgewebes aufzuheben.
Das US-Patent No. 5,143,072 beschreibt ein Verfahren zum Überwinden der Effekte der unbekannten Dicke des dazwischenliegenden Weichteilgewebes, indem sichergestellt wird, dass die Messungen vorgenommen werden, wenn der Teil des Pfads, der durch Weichteilgewebe hindurchtritt, für unterschiedliche Messungen von derselben Länge ist. Ein Sender und zwei Empfänger sind in einer kollinearen Konfiguration parallel zum Knochen platziert. Wenn eine Welle von dem Sender in Richtung auf den Knochen gesendet wird, tritt die Welle durch dazwischenliegendes Weichteilgewebe hindurch und breitet sich dann entlang dem Knochen aus. Die zwei Empfänger detektieren Ultraschallwellen, die aus dem Knochen austreten und sich zurück durch Weichteilgewebe zu den zwei Empfängern ausbreiten. Wenn man das Weichteilgewebe ignoriert, ist der Unterschied zwischen dem Pfad von dem Sender zum ersten Empfänger und zum zweiten Empfänger ein Segment eines Knochens, dessen Länge dieselbe ist wie der Abstand zwischen den zwei Empfängern. Im Allgemeinen kann das Weichteilgewebe nicht ignoriert werden. Jedoch, wenn die zwei Empfänger ziemlich nahe beieinander sind, ist die Länge der Pfade im Weichteilgewebe zwischen dem Knochen und den Empfängern annähernd dieselbe und sollte sich bis zu einem gewissen Grad an Genauigkeit aufheben. In einer Ausführungsform, die in dem obigen Patentschriftstück beschrieben ist, wird die Empfänger/Sender-Konfiguration hin- und herbewegt, und die Messungen werden nur vorgenommen, wenn die (kürzesten) Abstände zwischen dem Knochen und den zwei Empfängern dieselben sind. Diese Abstände können unter Verwendung der Empfänger als Sender/Empfänger gemessen werden, die eine Welle vom Knochen reflektieren lassen. Wenn die Laufzeiten gleich sind, wird angenommen, dass die Konfiguration mit dem Knochen kollinear ist.
Jedoch weist selbst dieses Verfahren mehrere Unzulänglichkeiten auf. Zuerst ist die Weichteilgeschwindigkeit keine Konstante, vielmehr variiert sie mit dem Typ von Weichteilgewebe. Außerdem sind die Fortpflanzungspfade zwischen dem Knochen und den Empfängern nicht dieselben für die reflektierte Welle und für die Welle vom Sender, so dass die berechnete Knochenschallgeschwindigkeit nicht richtig sein mag. Zweitens erfordert das oben beschriebene Verfahren einen verhältnismäßig langen Teil eines ebenen Knochens. Folglich kann nur eine kleine Anzahl von Knochen unter Verwendung dieses Verfahrens geprüft werden, wie z. B. das Schienbein. Da Hochfrequenzultraschallwellen sehr verlustbehaftet sind, ist es außerdem nicht praktisch, sie für dieses Verfahren zu verwenden.
Die PCT-Veröffentlichung WO 97/13145 beschreibt ein alternatives Verfahren einer Knochengeschwindigkeitsbestimmung, bei dem eine Geschwindigkeit in einem signifikant kürzeren Teil eines Knochens gemessen werden kann. In dieser Veröffentlichung werden mehrere Wellen zum Knochen gesendet und durch einen oder mehrere Empfänger empfangen. Eine der Wellen breitet sich durch sowohl Knochen als auch Weichteilgewebe aus und eine oder mehrere Wellen breiten sich nur durch Weichteilgewebe aus. Die Wellen, die sich nur durch Weichteilgewebe ausbreiten, werden verwendet, um die Weichteilgeschwindigkeit zu berechnen. Die berechnete Weichteilgeschwindigkeit wird angewandt, um die Knochengeschwindigkeit von der Laufzeit der Welle zu gewinnen, die sich durch sowohl Knochen als auch Weichteilgewebe ausbreitet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eines der Ziele von einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung mit einer hohen räumlichen Auflösung bereitzustellen. Außerdem kann in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ein kleiner Teil eines Knochens gemessen werden, so dass beinahe sämtliche Knochen des menschlichen Körpers gemessen werden können.
Ein anderes Ziel von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitzustellen, selbst wenn ein Messprüfkopf nicht parallel zum Knochen ist. Es sollte ersichtlich sein, dass in vielen ärztlichen Situationen, im Gegensatz zu zerstörungsfreien Prüfsituationen, die relative Anordnung des Knochens und der Haut nicht genau auf eine einfache Weise bestimmt werden kann. In einer zerstörungsfreien Prüfsituation ist andererseits jegliche dazwischenliegende Schicht gewöhnlich auf eine bekannte Dicke gefertigt.
Ein anderes Ziel von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitzustellen, bei dem der Knochen nicht glatt ist und/oder bei dem der Knochen einem Messkopf eine gekrümmte oder sonstige nichtplanare Oberfläche darbietet.
Ein anderes Ziel von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, einen Messkopf und/oder ein Messverfahren bereitzustellen, bei dem es einen minimalen Grad an Beeinträchtigung zwischen Sendeelementen und Empfangselementen gibt.
Ein Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft ein Erfassen von mehreren Messungen der Laufzeit einer Ultraschallwelle entlang zwei oder mehreren unterschiedlichen Pfaden zwischen einem oder mehreren Sendern und einem oder mehreren Empfängern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen mindestens drei und vorzugsweise sämtliche Pfade einen Abschnitt eines Knochens, dessen Schallgeschwindigkeit zu bestimmen ist.
Ein anderer Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft den Grad an Überlagerung zwischen Pfaden, entlang welchen sich Ultraschallwellen ausbreiten, als Teil einer Messung der Ultraschallgeschwindigkeit. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überlagern sich die Knochenabschnitte der unterschiedlichen Pfade nicht wesentlich. Zusätzlich oder alternativ überlagern sich die Pfade der Ultraschallwellen im Weichteilgewebe, das den Knochen umgibt, nicht wesentlich.
Ein anderer Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft die relativen Ausrichtungen von Sendern und Empfängern, die verwendet werden, um Laufzeiten für Ultraschallwellen zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind nicht sämtliche der Sender und/oder Empfänger kollinear. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sender und/oder Empfänger nicht alle koplanar. Alternativ oder zusätzlich können die Sender und Empfänger, die verwendet werden, in jeglicher Reihenfolge angeordnet sein, z. B. ist eine Reihenfolge ein Sender, ein Empfänger, ein Sender und ein Empfänger. Alternativ oder zusätzlich kann ein einziges Ultraschallelement sowohl als ein Sender als auch als ein Empfänger arbeiten.
Ein anderer Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lösen von Gleichungen, das gemessene Werte und unbekannte Variablen verknüpft. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Knochenschallgeschwindigkeit bestimmt, indem ein Satz von simultanen Gleichungen gelöst werden, in die Messzeiten eingesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ sind die simultanen Gleichungen analytisch vereinfacht, so dass nur eine Gleichung, die nur eine Variable enthält, z. B. die Knochengeschwindigkeit, übrigbleibt.
Ein anderer Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft, dass mehrere Niveaus von Veranschlagung einer bestimmten Variablen ausgeführt werden können, indem unterschiedliche Annahmen über andere Unbekannte gemacht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen mindestens vier Variablen zueinander in Beziehung: Knochengeschwindigkeit, Weichteilgeschwindigkeit, ein mittlerer Abstand eines Prüfkopfs vom Knochen und ein Winkel zwischen dem Prüfkopf und dem Knochen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann jegliche von diesen Variablen von den anderen Variablen veranschlagt oder berechnet werden, indem ein Satz von Gleichungen gelöst wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Weichteilgeschwindigkeit so veranschlagt, dass sie z. B. 1500 m/s ist, so dass nur drei Variablen berechnet werden müssen. Folglich sind nur drei Laufzeitmessungen notwendig. Zusätzlich oder alternativ können mehr als vier Variablen zueinander in Beziehung stehen, z. B., wenn man annimmt, dass das Weichteilgewebe zwei Schichten enthält, jede mit einer unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit. Zusätzlich oder alternativ kann eine bekannte oder angenommene "Knochen"-Schallge schwindigkeit verwendet werden, um während eines Kalibrierstadiums mit einem Phantom mit bekannten Eigenschaften einen Abstand zwischen einem Sender und einem Empfänger und/oder andere Abmessungen eines Prüfkopfs zu bestimmen.
Ein anderer Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Laufzeit einer Schallwelle entlang einem gewünschten Pfad. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird eine Laufzeit zwischen einem Sender und einem Empfänger bestimmt, indem eine an einem Empfänger ankommende erste Welle vom Sender detektiert wird. In einigen Fällen mag sich jedoch diese erste Welle nicht entlang einem gewünschten Pfad ausgebreitet haben. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf Grundlage von Eigenschaften der detektierten Welle bestimmt, dass sich eine Welle entlang einem gewünschten Pfad ausgebreitet hat. In einem Beispiel ist ein Spektrum einer Welle unterschiedlich, abhängig davon, ob sie sich durch einen Knochen ausbreitete oder nicht. Das Spektrum ist unterschiedlich aufgrund von Frequenzdämpfungsbeziehungen und/oder Frequenzdispersionsbeziehungen, die von dem Material abhängen, durch das sich die Welle ausbreitet. Zusätzlich oder alternativ kann, wenn zwei Wellen entlang von zwei unterschiedlichen Pfaden an einem Empfänger ankommen, mindestens für einige Frequenzkomponenten ein Wellenamplitudenanstieg erwartet werden, wenn die zwei Wellen zeitlich überlappend am Empfänger ankommen. Statt einer Vorherbestimmung solcher speziellen Eigenschaften einer Welle wird die Ankunftszeit einer gewünschten Welle an einem Empfänger bestimmt, indem eine Zeitkorrelation von Wellen an zwei Empfängern ausgeführt wird, die eine ähnlich gekennzeichnete Welle detektieren.
Ein anderes Beispiel betrifft ein Verringern von Interferenz, die durch Übersprechen zwischen Ultraschallelementen eines Empfänger/Senders-Prüfkopfs insbesondere zur Knochenschall- und/oder Weichteilgeschwindigkeitsbestimmung hervorgerufen wird. Die Prüfkopfkonstruktion bietet Wellen, die sich durch den Prüfkopf ausbreiten, ein Labyrinth zwischen Ultraschallelementen des Messprüfkopfs dar. Folglich kann eine solche Welle verzögert sein. Zusätzlich oder alternativ sind Räume zwischen solchen Ultraschallelementen mit akustisch langsamen Materialien und/oder schalldämpfenden Materialien gefüllt. Diese Geschwindigkeitsverringerung ermöglicht, die Wellen, die sich durch den Prüfkopf ausbreiten, durch Torzeitsteuerung zu sperren. Zusätzlich oder alternativ wird eine elektrische Abschirmung bereitgestellt, um Empfänger gegen Sender abzuschirmen. Dies verringert elektrisches Übersprechen.
Eine Schallkammer zwischen den Ultraschallelementen und dem zu messenden Körper wird von dämpfenden Materialien gebildet, um Übersprechen zwischen den Ultraschallelementen zu verringern. Alternativ oder zusätzlich ist die Kammer mit akustisch langsamen Materialien gefüllt.
Alternativ oder zusätzlich wird, wenn ein Ultraschallprüfkopf gegen ein menschliches Subjekt platziert wird, ein dämpfendes Kopplungsmaterial und/oder Kopplungsmaterial von niedriger Schallgeschwindigkeit verwendet, um unerwünschtes Übersprechen zu verzögern und/oder zu dämpfen.
Ein weiteres Beispiel definiert ein Detektionsfenster mit einer späten Sperrzeit, zusätzlich oder alternativ einer frühen Sperrzeit. Solche späten und/oder frühen Sperrzeiten sind so definiert, dass Ultraschallwellen, die nicht durch den Knochen hindurchtreten, nicht im Zeitfenster am Empfänger ankommen können. Alternativ oder zusätzlich können solche Wellen ankommen, aber nur mit einer außerordentlich gedämpften Amplitude. Die Sperrzeit oder -zeiten für jeden Prüfkopf werden auf einem Speichermedium gespeichert, das mit dem Prüfkopf verbunden ist. Das Speichermedium ist mit dem Prüfkopf in einer Baugruppe montiert. Alternativ oder zusätzlich ist das Speichermedium körperlich an dem Prüfkopf angebracht oder auf ihm montiert. Zusätzlich oder alternativ zu Zeitfenstern sind andere Kalibrierinformationen und/oder Frequenzeigenschaftsinformationen insbesondere zum Diskriminieren von Wellen, die sich durch einen Knochen ausbreiten, und/oder Eigenschaften des Prüfkopfs und/oder Identifizierungsinformationen und/oder Gebrauchsinformationen für den Prüfkopf auf dem Speichermedium gespeichert. Das Speichermedium umfasst eine im Prüfkopf eingebettete elektronische Schaltung. Vorzugsweise umfasst die Schaltung ein EPROM. Die Schaltung wird abgefragt, wenn der Prüfkopf in einer übergeordneten Vorrichtung verbunden ist, welche übergeordnete Vorrichtung vorzugsweise eine Schaltungsanordnung zum Treiben des Prüfkopfs und/oder Bestimmen einer Schallgeschwindigkeit auf Grundlage von Wellen, die von dem Prüfkopf ankommen, umfasst.
Folglich wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Schallgeschwindigkeit in einem Segment eines Knochens bereitgestellt, wie in Anspruch 1 definiert.
Vorzugsweise werden mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle gleichzeitig durch einen einzigen Sender erzeugt.
Alternativ oder zusätzlich werden mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle gleichzeitig durch einen einzigen Empfänger detektiert. Alternativ oder zusätzlich weisen mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz auf, die im Wesentlichen bei Erzeugung dieselbe ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz auf, die im Wesentlichen bei Erzeugung unterschiedlich ist. Alternativ oder zusätzlich weisen mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz auf, die im Wesentlichen bei Detektion unterschiedlich ist.
Alternativ oder zusätzlich weisen mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz auf, die bei Detektion im Wesentlichen dieselbe ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst jeder des ersten, zweiten und dritten Pfads Weichteilgewebeteile, und wobei mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Pfads eine Überlagerung von mindestens 20% über die Länge ihrer Weichteilgewebeteile aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich umfasst jeder des ersten, zweiten und dritten Pfads Weichteilgewebeteile, und wobei mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Pfads eine Überlagerung von mindestens 30% über die Länge von ihren Weichteilgewebeteilen aufweisen.
Alternativ umfasst jeder des ersten, zweiten und dritten Pfads Weichteilgewebeteile, und wobei sich keine zwei des ersten, zweiten und dritten Pfad um mehr als 20% der Länge von ihren Weichteilgewebeteilen überlagern.
Alternativ oder zusätzlich umfasst jeder des ersten, zweiten und dritten Pfads Weichteilgewebeteile, und wobei sich keine zwei des ersten, zweiten und dritten Pfads um mehr als 30% der Länge von ihren Weichteilgewebeteilen überlagern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überlagern sich mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Knochenteils mindestens 20% über ihre Länge.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überlagern sich mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Knochenteils mindestens 40% über ihre Länge.
Alternativ oder zusätzlich überlagern sich mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Knochenteils mindestens 70% über ihre Länge. Alternativ überlagern sich nicht zwei des ersten, zweiten und dritten Knochenteils um 20% oder mehr ihrer Länge.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überlagern sich nicht zwei des ersten, zweiten und dritten Knochenteils um 40% oder mehr ihrer Länge. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überlagern sich nicht zwei des ersten, zweiten und dritten Knochenteils um 70% oder mehr ihrer Länge.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ein Veranschlagen einer Weichteilgeschwindigkeit, und wobei ein Herleiten der Schallgeschwindigkeit ein Herleiten der Knochengeschwindigkeit unter Verwendung der veranschlagten Weichteilgeschwindigkeit umfasst. Alternativ umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer vierten Laufzeit einer vierten Ultraschallwelle entlang einem vierten Pfad von der äußeren Oberfläche zurück zu der äußeren Oberfläche, welcher Pfad mindestens einen vierten Teil des Knochensegments einschließt, und wobei ein Herleiten der Schallgeschwindigkeit ein Herleiten einer Knochengeschwindigkeit auch unter Verwendung der vierten Laufzeit umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind geometrische Projektionen von mindestens zwei der Schallwellenpfade auf die äußere Oberfläche parallel. Alternativ sind keine geometrischen Projektionen der Schallwellenpfade auf die äußere Oberfläche zueinander parallel. Alternativ werden die Schallwellen durch Ultraschallelemente erzeugt und detektiert, und wobei die Ultraschallelemente nicht koplanar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die äußere Oberfläche nicht zu einer äußeren Oberfläche des Knochens parallel, während sich die Wellen durch den Knochen ausbreiten. Alternativ oder zusätzlich umfasst ein Herleiten ein Lösen eines Satzes von simultanen Gleichungen.
Das Verfahren umfasst ein Wiederholen des Bestimmens von Laufzeiten und des Herleitens einer Schallgeschwindigkeit für eine Mehrzahl von Knochensegmenten, um eine Knochenschallgeschwindigkeitskarte von mindestens einem Teil eines Knochens zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren ein Wiederholen des Bestimmens von Laufzeiten und des Herleitens einer Schallgeschwindigkeit für eine Mehrzahl von Orientierungen einer Ausbreitung der Wellen durch den Knochen, um eine Karte einer richtungsabhängigen Knochenschallgeschwindigkeit von mindestens einem Teil eines Knochens zu erzeugen.
Es wird auch ein Verfahren zum Bestimmen von mindestens einer von einem Satz von Unbekannten bereitgestellt, der eine Knochenschallgeschwindigkeit, Weichteilgeschwindigkeit, eine Dicke des Weichteilgewebes und einen Neigungswinkel einer äußeren Oberfläche des Weichteilgewebes in Bezug zu dem Knochen umfasst, wie in Anspruch 27 definiert.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Unbekannte die Weichteilgeschwindigkeit. Alternativ umfasst das Verfahren ein Annehmen eines Werts für mindestens eine der Unbekannten. Vorzugsweise umfasst die angenommene Unbekannte eine Weichteilgeschwindigkeit.
Es wird auch gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Prüfkopf zur Knochenschallgeschwindigkeitsmessung bereitgestellt, wie in Anspruch 29 definiert.
Vorzugsweise umfassen die mindestens vier Ultraschallelemente drei Sender und einen Empfänger. Alternativ umfassen die mindestens vier Ultraschallelemente drei Empfänger und einen Sender. Alternativ umfassen die mindestens vier Ultraschallelemente zwei Empfänger und zwei Sender.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ultraschallelemente nicht alle kollinear. Alternativ sind die Ultraschallelemente alle kollinear. Alternativ oder zusätzlich sind alle von den Ultraschallelementen koplanar. Alternativ oder zusätzlich sind nicht alle von den Ultraschallelementen koplanar.
Alternativ oder zusätzlich ist der Prüfkopf angepasst, um gegen die eine Hautschicht eines Weichteilgewebes gedrückt zu werden, und wobei die Ultraschallelemente in Bezug zu der Schicht unter einem Neigungswinkel geneigt sind. Vorzugsweise wird der Neigungswinkel ansprechend auf eine erwartete Knochenschallgeschwindigkeit bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die mindestens drei Ultraschallwellen durch einen einzigen Sender als eine einzige Welle erzeugt, welche Welle gestreut wird, um die mindestens drei Wellen zu bilden.
Ein weiteres Beispiel, das nicht von den Ansprüchen umfasst ist, stellt einen Prüfkopf zur Schallgeschwindigkeitsbestimmung bereit, umfassend:
mindestens zwei Ultraschallelemente, von denen mindestens eines einen Sender umfasst und von denen mindestens eines einen Empfänger umfasst; und
eine Mehrzahl von versetzt angeordneten Schallbarrieren, die Ultraschallwellen signifikant dämpfen, die sich entlang einer direkten Linie in dem Prüfkopf zwischen dem Sender und dem Empfänger ausbreiten.
Vorzugsweise umfassen Volumina in dem Prüfkopf zwischen dem mindestens einen Sender, dem mindestens einen Empfänger und den Barrieren ein Ultraschalldämpfungsfüllmittel. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Prüfkopf eine elektrische Abschirmung für den mindestens einen Empfänger und mindestens einen Sender. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Prüfkopf mindestens zwei zusätzliche Ultraschallelemente, welche Elemente auch durch die Barrieren akustisch separiert sind.
Der Prüfkopf ist zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung angepasst.
Eine Schallkammer ist so definiert, dass sie durch den mindestens einen Sender und den mindestens einen Empfänger und eine gegen einen Körper zu platzierende Ebene begrenzt wird, wobei die Schallkammer ein schalldämpfendes Material umfasst.
Es wird auch ein Ultraschallprüfkopf bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
mindestens zwei Ultraschallelemente, von denen mindestens eines einen Sender umfasst und von denen mindestens eines einen Empfänger umfasst; und
eine Schallkammer, die so definiert ist, dass sie durch den mindestens einen Sender und den mindestens einen Empfänger und eine gegen einen Körper zu platzierende Ebene begrenzt wird,
wobei die Schallkammer schalldämpfendes Material umfasst.
Ultraschallelemente in einem Ultraschallgeschwindigkeitsbestimmungsprüfkopf sind in einem Ultraschallelementgitter enthalten.
Vorzugsweise scannt der Prüfkopf einen Knochen, indem das Gitter elektrisch gescannt wird. Alternativ oder zusätzlich umfasst mindestens eines von den Ultraschallelementen ein phasengesteuertes Array. Vorzugsweise wird ein Neigungswinkel für die phasengesteuerten Arrayelemente erzielt, indem das phasengesteuerte Array elektrisch gesteuert wird.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Prüfkopf einen Speicherbaustein, der an dem Prüfkopf angebracht ist, wobei Kalibrierdaten für den Prüfkopf auf dem Speicherbaustein gespeichert sind. Vorzugsweise umfassen die Kalibrierdaten mindestens einen Abstand zwischen Ultraschallelementen. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kalibrierdaten mindestens eine vertikale Verlagerung eines Ultraschallelements. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kalibrierdaten mindestens eine vertikale Verlagerung eines Pfads zwischen zwei von den Ultraschallelementen. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kalibrierdaten eine späte Sperrzeit, nach welcher empfangene Wellen ignoriert werden. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kalibrierdaten eine Schallgeschwindigkeit eines Teils des Prüfkopfs zwischen mindestens einem der Ultraschallelemente und einer Oberfläche, gegen die der Prüfkopf beim Gebrauch gedrückt wird.
Es wird auch ein Verfahren zum Rückweisen von parasitären Signalen in einem Knochenschallgeschwindigkeitsprüfkopf bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Detektieren von an einem Empfänger ankommenden Signalen von einem Sender, scheinbar, nachdem sich das Signal durch einen Teil eines Knochens ausgebreitet hat; und
Rückweisen des Signals, wenn das Signal nach einer vorbestimmten Zeitgrenze ankommt, die mit Wellen verbunden ist, die sich nicht durch den Knochen ausbreiten.
Vorzugsweise, wird das Signal rückgewiesen, wenn es vor einer zweiten Zeitgrenze ankommt. Alternativ oder zusätzlich wird die vorbestimmte Zeitgrenze auf Grundlage einer Kalibrierung des Prüfkopfs bestimmt.
Es wird auch ein Verfahren zum Detektieren der Ankunft einer Ultraschallwelle von einem Knochen in der Anwesenheit von Wellen, die sich im Wesentlichen nur durch Weichteilgewebe ausbreiten, bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Erfassen eines Signals, das für die Knochenwelle und die Weichteilwellen repräsentativ ist; und
Analysieren der Signale, um Änderungen in der Amplitude in mindestens einer Frequenz in dem Signal zu detektieren, welche Änderungen mit der Welle von dem Knochen verbunden sind.
Vorzugsweise umfasst das Analysieren ein Bestimmen eines signifikanten Anstiegs in der Amplitude des Signals, wenn eine Welle von einem Knochen ankommt.
Es wird auch ein Verfahren zum Detektieren der Ankunft einer Ultraschallwelle von einem Knochen in der Anwesenheit von Wellen, die sich im Wesentlichen nur durch Weichteilgewebe ausbreiten, bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Erfassen eines Signals, das für die Knochenwelle und die Weichteilwellen repräsentativ ist, an einem ersten Empfänger;
Erfassen eines Signals, das für die Knochenwelle und die Weichteilwellen repräsentativ ist, an einem zweiten Empfänger; und
Korrelieren der zwei Signale, um eine Ankunft einer Welle von dem Knochen zu detektieren. Vorzugsweise wird die Korrelation ansprechend auf die Erzeugung der Welle durchgeführt. Vorzugsweise wird die Korrelation ansprechend auf ein Fenster erwarteter Ankunftszeit der Welle ausgeführt.
Es wird auch ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Drücken eines Knochenschallgeschwindigkeitsprüfkopfs auf die Oberfläche einer Weichteilschicht und nicht parallel zu einer darunterliegenden Knochenoberfläche;
Senden von mindestens einer Welle zu der Knochenoberfläche, und Empfangen von mindestens zwei Wellen von der Knochenoberfläche, wobei die empfangenen Wellen Wellen sind, die nicht von der Oberfläche reflektiert sind;
Messen einer Laufzeit für jede der empfangenen Wellen; und
Herleiten der Knochenschallgeschwindigkeit von den gemessenen Laufzeiten.
Es wird auch ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Drücken eines Knochenschallgeschwindigkeitsprüfkopfs auf die Oberfläche einer Weichteilschicht und nicht parallel zu einer darunterliegenden Knochenoberfläche;
Senden von mindestens einer Welle von dem Prüfkopf zu der Knochenoberfläche, und Empfangen von mindestens zwei Wellen von der Knochenoberfläche, wobei Wellen von Stellen in dem Prüfkopf gesendet und empfangen werden, welche Sende- und Empfangsstellen nicht koplanar sind;
Messen einer Laufzeit für jede von den empfangenen Wellen; und
Herleiten der Knochenschallgeschwindigkeit von den gemessenen Laufzeiten.
Es wird auch ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Drücken eines Knochenschallgeschwindigkeitsprüfkopfs auf die Oberfläche einer Weichteilschicht und nicht parallel zu einer darunterliegenden Knochenoberfläche;
Senden von mindestens einer Welle zu der Knochenoberfläche, und Empfangen von mindestens zwei Wellen von der Knochenoberfläche, wobei die Wellen mindestens drei Stellen in dem Prüfkopf verbinden, wobei jede besagte Stelle eine Sendestelle oder eine Empfangsstelle ist und wobei mindestens ein Paar von verbundenen Stellen mit irgendeinem anderen Paar von verbundenen Stellen nicht kollinear ist;
Messen einer Laufzeit für die empfangenen Wellen; und
Herleiten der Knochenschallgeschwindigkeit von den Messungen.
Es wird auch ein Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
Senden von mindestens einer Ultraschallwelle zu einem Knochen, welche Welle sich entlang der Oberfläche des Knochens ausbreitet;
Empfangen der Welle; und
Analysieren einer Laufzeit einer speziellen Frequenz in der empfangenen Welle, wobei die spezielle Frequenz mit einer erwarteten Dicke eines Kortex des Knochens in Beziehung steht.
Vorzugsweise wird die Welle als eine Schmalbandwelle bei der speziellen Frequenz gesendet.
Es wird auch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Prüfkopfs bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, der eine Mehrzahl von Ultraschallelementen umfasst, die mindestens einen Sender und einen Empfänger umfassen, umfassend:
Koppeln des Prüfkopfs mit einer Platte mit einer ersten bekannten Schallgeschwindigkeit, und Messen einer ersten Mehrzahl von Laufzeiten zwischen mindestens zwei Paaren der Ultraschallelemente;
Koppeln des Prüfkopfs mit einer Platte mit einer zweiten bekannten Schallgeschwindigkeit, und Messen einer zweiten Mehrzahl von Laufzeiten zwischen mindestens zwei Paaren der Ultraschallelemente; und
Bestimmen von mindestens zwei Abständen zwischen Paaren der Ultraschallelemente aus den Laufzeiten.
Vorzugsweise umfasst ein Bestimmen ein Bestimmen von mindestens einer mittleren vertikalen Verlagerung von mindestens einem der Paare von Elementen.
Es wird auch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Prüfkopfs bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, der eine Mehrzahl von Ultraschallelementen umfasst, die mindestens einen Sender und einen Empfänger umfassen, wobei das Verfahren umfasst:
Koppeln des Prüfkopfs mit einer Platte mit einer ersten bekannten Schallgeschwindigkeit, und Messen einer ersten Mehrzahl von Laufzeiten zwischen mindestens zwei Paaren der Ultraschallelemente;
Koppeln des Prüfkopfs mit einer Platte mit einer zweiten bekannten Schallgeschwindigkeit, und Messen einer zweiten Mehrzahl von Laufzeiten zwischen mindestens zwei Paaren der Ultraschallelemente; und
Bestimmen von mindestens einer mittleren vertikalen Verlagerung des mindestens einen von den Paaren von Elementen aus den Laufzeiten.
Die Mehrzahl von Ultraschallelementen umfasst mindestens vier Ultraschallelemente.
Es wird auch ein Prüfkopf zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
mindestens zwei Ultraschallelemente, von denen mindestens eines einen Sender umfasst und von denen mindestens eines einen Empfänger umfasst; und
einen Speicherbaustein, der an dem Prüfkopf angebracht ist, wobei Kalibrierdaten für den Prüfkopf auf dem Speicherbaustein gespeichert sind,
wobei die Kalibrierdaten mindestens eine vertikale Verlagerung eines Pfads zwischen zwei von den Ultraschallelemente umfassen.
Es wird auch ein Prüfkopf zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung bereitgestellt, jedoch nicht von den Ansprüchen umfasst, umfassend:
mindestens zwei Ultraschallelemente, von denen mindestens eines einen Sender umfasst und von denen mindestens eines einen Empfänger umfasst; und
einen Speicherbaustein, der an dem Prüfkopf angebracht ist, wobei die Kalibrierdaten für den Prüfkopf auf dem Speicherbaustein gespeichert sind,
wobei die Kalibrierdaten eine späte Sperrzeit umfassen, nach welcher empfangene Wellen ignoriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Kalibrierdaten mindestens einen Abstand zwischen Ultraschallelementen. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kalibrierdaten mindestens eine vertikale Verlagerung eines Ultraschallelements. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Kalibrierdaten eine Schallgeschwindigkeit eines Teils des Prüfkopfs zwischen mindestens einem der Ultraschallelemente und einer Oberfläche, gegen die der Prüfkopf beim Gebrauch gedrückt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch Bezug auf die folgende Beschreibung von ihren bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren klarer verstanden, wobei identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, mit demselben oder ähnlichem Bezugszeichen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, bezeichnet sind.
1 veranschaulicht schematisch verschiedene Variablen einer Schallgeschwindigkeitsbestimmungsmessung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Array von piezoelektrischen Wandlern verwendet wird;
4 ist eine schematische Veranschaulichung des Array von 3, wobei die Verbindungen der Wandler mit Steuer- und Signalverarbeitungselementen veranschaulicht sind;
5 veranschaulicht eine Verwendung eines phasengesteuerten Arrayschallprüfkopfs, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
die 6 und 7 veranschaulichen einen Effekt eines Ultraschallelementteilungsabstands auf eine Betriebseigenschaft eines Prüfkopfs;
8 ist eine schematische Durchschnittansicht eines Prüfkopfs;
9 veranschaulicht ein Ultraschallelement des Prüfkopfs von 8;
10 veranschaulicht eine negative Wechselwirkung zwischen einer nichtparallelen Knochendarstellung und einem Verfahren zur Ultraschallmessung von Reflexionen von einem Knochen;
11 veranschaulicht einen Effekt einer nichtparallelen Knochendarstellung auf ein Messverfahren;
12 ist eine teilweise schematische Ansicht eines durchgeschnittenen menschlichen Knochens; und
13 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Dicke eines Gegenstands und der Geschwindigkeit einer Ultraschallwelle entlang seiner Oberfläche darstellt.
Es wird um keinen Schutz für die Ausführungsformen der 6–9, 11 nachgesucht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht eine vereinfachte Situation, in der eine Knochenschallgeschwindigkeit eines Knochens 18 durch eine dazwischenliegende Weichteilschicht 22 zu messen ist. Eine Ultraschallwelle wird durch ein Ultraschallelement 201 (einen Sender) erzeugt und durch ein Ultraschallelement 202 (einen Empfänger) detektiert. Es gibt viele Pfade, die die Ultraschallwelle zwischen den zwei Ultraschallelementen nehmen kann und nimmt. Jedoch weist jeder Pfad unterschiedliche Eigenschaften auf. Insbesondere ist ein Pfad der schnellste Pfad. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der schnellste Pfad ein Knochensegment.
φ ist als der Winkel zwischen der die zwei Ultraschallelemen te verbindenden Linie und einer zur Oberfläche des Knochens 18 parallelen Linie definiert. h ist als der mittlerer Abstand zwischen den Ultraschallelementen und dem Knochen 18 definiert. Eine Haut 20, die die Oberfläche des Weichteilgewebes 22 definiert, ist gewöhnlich mit einem Prüfkopf 250 bündig. Wenn man die Konfiguration erwägt, bei der φ ≠ 0 ist, sich die Elemente 201 und 202 an Positionen 205' bzw. 209' befinden, sind die drei Hauptpfade (für eine longitudinale Welle):

(a) ein direkter Pfad entlang der Oberfläche des Weichteilgewebes 22 vom Element 201 zum Element 202.
(b) ein Pfad, bei dem eine Welle an einer Position 210' vom Knochen 18 wegreflektiert wird.
(c) ein Pfad, der sich durch Weichteilgewebe von der Position 205' zu einer ersten Position 206' auf dem Knochen 18 ausbreitet, in den Knochen 18 an der Position 206' eintritt, sich entlang der oberen Schicht des Knochens 18 zu einer zweiten Position 207' ausbreitet und dann aus dem Knochen austritt und sich durch das Weichteilgewebe zur Position 209' ausbreitet.

A. Schallwellenfortpflanzung nur über die Oberfläche von Weichteilgewebe
Diese Welle breitet sich durch das Weichteilgewebe 22 von der Senderposition 205' zur Empfängerposition 209' entlang einer Oberflächenschicht des Weichteilgewebes 22 aus. In vielen Fällen breitet sich die Welle tatsächlich entlang der Haut 20 und/oder entlang von Schallfett aus, das verwendet werden kann, um die Ultraschallelemente mit dem Weichteilgewebe 22 zu koppeln. Die Schallwelle breitet sich durch das Weichteilgewebe 22 mit einer Weichteilschallgeschwindigkeit V_S aus, die etwa 1540 m/s beträgt.
Die Schalllaufzeit einer Welle, die sich vom Sender 201 zum Empfänger 202 ausbreitet, wird durch den folgenden Ausdruck bestimmt
Wobei A_205'–209' ein Abstand zwischen dem Sender 201 und dem Empfänger 202 ist.
B. Schallwellenfortpflanzung vom Sender zum Empfänger durch Reflexion vom Knochen
Diese Welle breitet sich von der Senderposition 205' durch das Weichteilgewebe 22 aus, wird von der Oberfläche des Knochens 18 an einer Reflektionsposition 210' reflektiert, um den Empfänger 202 an der Empfängerposition 209' zu erreichen.
Die Laufzeit für diese Welle wird unter Verwendung durch den folgenden Ausdrucks bestimmt:
wobei A_{205'–210'–209'} die Länge eines Pfads von der Position 205' zur reflektierten Position 210' und dann zur Empfängerposition 209' ist. Der Abstand A_{205'–210'–209'} hängt von der Dicke h des Weichteilgewebes 22 und dem Winkel φ ab. Da der Pfad länger ist als der in "A" beschriebene direkte Pfad, ist, wenn die Weichteilgeschwindigkeit dieselbe für beide Pfade ist, dann T_{205'–210'–209'} > T_205'–209'
C. Schallwellenfortpflanzung vom Sender, durch Weichteilgewebe, entlang der Oberfläche des Knochens und zum Empfänger
Ein kritischer Winkel γ ist durch ein Verhältnis zwischen der Weichteilschallgeschwindigkeit V_S und einer Knochenschallgeschwindigkeit V_B definiert:
wobei V_S > V_S.
Diese Welle breitet sich durch das Weichteilgewebe 22 von der Senderposition 205' aus, um die erste Position 206' an der Oberfläche des Knochens 18 zu erreichen; die Welle tritt dann in den Knochen 18 unter einem ersten Winkel in Bezug zu einer senkrechten Linie zur Oberfläche des Knochens 18 ein, pflanzt sich entlang der Oberfläche des Knochens 18 von der ersten Position 206' zur zweiten Position 207' fort, tritt aus dem Knochen 18 unter einem zweiten Winkel aus und breitet sich dann durch das Weichteilgewebe 22 aus, bis sie die Empfängerposition 209' erreicht.
Wie in der Optik wohlbekannt ist, bestimmt der schnellste Pfad zwischen den Positionen 205' und 209', und welcher den Knochen einschließt, den ersten und zweiten Winkel so, dass er der kritische Winkel ist. Wenn kein solcher Pfad existiert, ist ein Pfad vom Typ B schneller. Es sollte ersichtlich sein, dass, obwohl Pfade vom Typ A theoretisch schneller sein können als Pfade vom Typ C, wenn die Ultraschallwelle als ein fokussierter Strahl ausgesandt wird, im Wesentlichen sämtliche Energie des Strahls an den Knochen gelenkt wird.
Die Laufzeit für eine Welle vom Typ C kann unter Verwendung einer von zwei Verfahren bestimmt werden. Zuerst kann die Dauer der Ausbreitung unter Umständen, die unten beschrieben sind, gemessen werden, wobei es sichergestellt werden kann, dass die detektierte Welle eine Welle vom Typ C und nicht eine Welle vom Typ B oder Typ A ist. Alternativ kann die Laufzeit als eine Funktion von anderen definierten oder hergeleiteten Variablen berechnet werden. Es ist nützlich, die Laufzeit in Komponenten zu zerlegen:

A_205'–206' – die Zeit, die sich die Welle ausbreitet (im Weichteilgewebe 22) von der Senderposition 205' zur Position 206';
A_205'–207' – die Zeit, die sich die Welle entlang der Oberfläche des Knochens 18 von der Position 206' zur Position 207' ausbreitet; und
A_205'–209' – die Zeit, die sich die Welle (im Weichteilgewebe 22) von der Position 207' zur Empfänger position 209' ausbreitet.

Folglich beträgt die Gesamtlaufzeit: TGesamt – T205'–206' + T206'–207' + T207'–209'. (7)
Die Projektion des Pfads 205'–206'–207'–209' auf eine zum Knochen 18 parallele Linie wird durch einen Bezug A212'–213' angezeigt, wobei der Bezug nachstehend als die Länge der Projektion verwendet wird. Der vertikale Abstand von der Position 205' zum Knochen 18 (an einer Position 211') wird durch einen Bezug A_205'–211' angezeigt. Ein Abstand A_205'–212' ist die Hälfte des vertikalen Abstands zwischen den Positionen 205' und 209'. A_205'–212' und A_205'–211' können bestimmt werden durch:
Der Abstand zwischen der Senderposition 205' und der ersten Position 206' (d. h. A_205'–206') kann bestimmt werden durch:
Demgemäß kann T_205'–206' bestimmt werden durch:
T_207'–209' kann unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt werden:
und T_206'–207' durch
Deshalb kann T_Gesamt demgemäß bestimmt werden durch:
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden eine Mehrzahl von Messungen von T_Gesamt unter unterschiedlichen Bedingungen ausgeführt, um einen Satz von Gleichungen zu erzeugen, in denen V_S, V_B, φ und h von der Mehrzahl von Messungen von T_Gesamt abhängen (γ ist eine direkte Funktion von V_S und V_S, so dass sie nicht als eine separate Variable behandelt wird). In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann eine oder mehrere von den obigen abhängigen Variablen veranschlagt werden, wodurch die Gleichungen vereinfacht werden und weniger Messungen von V_Gesamt erfordert werden.
2 veranschaulicht ein Ultraschallmesssystem 260, das für solche Mehrfachmessungen geeignet ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das System 260 umfasst einen Prüfkopf 250, der vier Ultraschallelemente umfasst, vorzugsweise zwei Sender 251 und 252 und zwei Empfänger 253 und 254. Vorzugsweise umfassen die Ultraschallelemente piezoelektrische keramische Wandler. Wie ersichtlich ist, können vier unterschiedliche Wandlerpaare in diesem Prüfkopf definiert werden, von denen jeder eine unabhängige Messung von T_Gesamt für den oben erwähnten Satz von simultanen Gleichungen liefert. In anderen Konfigurationen kann die Anzahl von Sendern und/oder Empfängern unterschiedlich sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eines der Ultraschallelemente sowohl als ein Sender als auch als ein Empfänger verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Sender an drei Empfänger angepasst, wodurch nur drei Wellenpfade definiert werden. Das Erfordernis für einen vierten Pfad zur Lösung der vier Gleichungen in vier Unbekannten wird durch Veranschlagen eines Werts für eine der unbekannten Variablen beseitigt. Alternativ kann ein einziger Empfänger an drei Sender angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ können Extrapfade (eine Anzahl größer als die Anzahl von Variablen/Gleichungen) definiert werden, um eine unempfindlichere Veranschlagung der Knochenschallgeschwindigkeit zu liefern.
Das System 260 umfasst vorzugsweise einen ersten Hochspannungskurzimpulstreiber 256A, der mit dem ersten Sender 251 gekoppelt ist, und einen zweiten Hochspannungskurzimpulstreiber 256B, der mit dem zweiten Sender 252 gekoppelt ist. Die Spannungstreiber übersetzen vorzugsweise ein Signal von einem Kontroller 258 in ein Hochspannungssignal mit einer Spitze-Spitze-Spannung von 300 V. Das System 260 umfasst vorzugsweise einen ersten und zweiten Signalprozessor 257A, 257B. Zusätzlich kann ein wenig Signalverarbeitung durch den Kontroller 258 ausgeführt werden. Jeder von den Signalprozessoren 257A, 257B umfasst vorzugsweise einen Verstärker und eine Transformationsvorrichtung. Der Signalprozessor 257A ist mit dem Empfänger 253 gekoppelt, und der Signalprozessor 257B ist mit dem Empfänger 254 gekoppelt. Der Kontroller 258 ist mit dem ersten und zweiten Hochspannungskurzimpulstreiber 256A, 256B und mit dem ersten und zweiten Signalprozessor 257A, 257B gekoppelt. Der Kontroller 258 regelt vorzugsweise das Aussenden, den Empfang und/oder ein Vorverarbeiten von Schallwellen. Ein Rechner 259 ist zur weiteren Verarbeitung von Information, die von dem Kontroller 258 empfangen wird, und/oder zur Steuerung des Kontrollers 258 vorzugsweise mit dem Kontroller 258 gekoppelt. Der Rechner 259 speichert vorzugsweise Messergebnisse und/oder Patienteninformation und/oder andere Information im Lokalspeicher, vorzugsweise einer Datenbank. Zusätzlich oder alternativ kann der Rechner 259 solche Information von einer entfernten Stelle unter Verwendung von drahtgebundenen, drahtlosen und/oder maschinenlesbaren Medien übertragen und/oder empfangen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden gespeicherte Ergebnisse verwendet, um eine spezielle Messung mit anderen Messungen desselben Patienten zu unterschiedlichen Zeiten und/oder an unterschiedlichen Körperstellen und/oder Prüfkopforientierungen zu vergleichen. Zusätzlich oder alternativ können die gespeicherten Ergebnisse als eine Basislinie für verschiedene Populationen verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das System 260 auf die folgende Weise verwendet. Als ein vorbereitender Schritt für einen Knochengeschwindigkeitsbestimmungsprozess wird ein Schallfett, vorzugsweise ein Schallkopplungsgel auf Wasserbasis, Silicongel und/oder Mineralöl auf die Oberfläche der Haut 20 aufgebracht. Der Prüfkopf 250 wird dann auf das Schallfett positioniert. Dem Messprozess geht vorzugsweise eine Prüfmessung voran, von der es bestimmt werden kann, dass sich ein Knochen tatsächlich im Blickfeld des Prüfkopfs befindet und/oder dass eine richtige Prüfkopfgröße ausgewählt worden ist.
Eine Mehrzahl von Messungen einer Wellenlaufzeit wird initiiert, indem Ultraschallwellen an einem oder beiden von den Sendern 251 und 252 erzeugt werden. Wenn die zwei Sender gleichzeitig erregt werden, verwenden sie vorzugsweise unterschiedliche Wellenlängen, so dass es möglich ist, an den Sendern 253 und 254 zu bestimmen, welcher Sender eine Ultraschallwelle initiierte. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Sendewellen eine sehr schnelle Anstiegszeit auf, z. B. 20 Nanosekunden. Zusätzlich oder alternativ weisen die Wellen eine mäßige Dauer auf, z. B. 0,5 μs. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anstiegszeit möglichst kurz gemacht, um die zeitliche Genauigkeit eines Detektierens einer ersten Ultraschallwelle, die von einem Knochen empfangen wird, zu erhöhen. Die Dauer der Welle ist vorzugsweise kurz genug, so dass der Prüfkopf und das gemessene Gewebe zwischen aufeinanderfolgenden Messungen relaxieren und/oder so dass jegliche Schallwellen, die durch die Sender erzeugt werden, vergehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung senden die Sender 251 und 252 einen Breitbandimpuls, der vorzugsweise um 1,25 MHz zentriert ist. Es sollte angemerkt werden, dass, da die Abstände, die sich die Wellen im Knochen ausbreiten, kurz sind, Frequenzen höher als diejenigen, die im Stand der Technik verwendet werden, praktisch sind, trotz der höheren Dämpfung von Hochfrequenzschallwellen im Knochen. Im Allgemeinen geben höhere Frequenzen genauere Ergebnisse, als dies niedrigere Frequenzen tun. Folglich können in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung höhere Frequenzen verwendet werden, z. B. 2, 5, 10 oder selbst 20 MHz. Typischerweise ist die erste durch die Empfänger detektierte Welle eine Schmalbandwelle, die hauptsächlich die Frequenzkomponente enthält, die sich in einer speziellen Konfiguration am schnellsten ausbreitet. Folglich kann eine einzige Breitbandsendewelle verwendet werden. Diese Welle umfasst eine Mehrzahl von Frequenzen, wobei die geeignetste Frequenz durch die Filterungseigenschaften des Weichteilgewebes und Knochens automatisch ausgewählt wird. Wie unten beschrieben, kann die Identifizierung der schnellsten Frequenz verwendet werden, um gewisse andere Eigenschaften des Knochens zu bestimmen, z. B. eine Dicke von seinem Kortex.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden vier Laufzeiten gemessen, nämlich: T_251–253, T_251–254, T_252–253 und T_252–254. Die Nomenklatur A_x__y wird verwendet, um den Abstand zwischen Punkt x und Punkt y anzuzeigen. Wenn x und y Ultraschallelemente sind, ist der Abstand der Abstand zwischen den Elementen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Laufzeiten gemessen, indem eine erste Ultraschallwelle detektiert wird, die an einem Ultraschallempfänger ankommt, nachdem einer oder beide Sender aktiviert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Rauschamplitudenschwelle definiert, die eine detektierte Welle passieren muss. Vorzugsweise ist die Rauschschwelle eine Eigenschaft eines speziellen Prüfkopfs und/oder eines speziellen Empfängers, Senders und/oder eines Empfänger/Sen der-Paars. Zusätzlich oder alternativ kann die Rauschschwelle bestimmt werden, indem Rauschpegel gemessen werden, bevor die Sender aktiviert werden. Vorzugsweise wird für jede Messung ein Zeitfenster definiert. Alternative Verfahren zum Bestimmen einer Laufzeit werden unten beschrieben. Zusätzlich oder alternativ können andere Laufzeitbestimmungsverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden. Es können die folgenden Gleichungen auf Grundlage der Methodologie, die oben in Bezug auf 1 erörtert ist, und unter Verwendung von verschiedenen bekannten Werten und Unbekannten des Systems 260 und unter Verwendung von gemessenen Laufzeiten aufgestellt werden:
Für eine erste Laufzeit, T_251–253:
Für eine zweite Laufzeit, T_252–254:
Für eine dritte Laufzeit, T_251–254:
Für eine vierte Laufzeit, T_252–253:
Folglich werden vier Gleichungen, die die vier Unbekannten (V_B, V_S, h und φ) verwenden, erzeugt. Wenn eine der Unbekannten veranschlagt wird, z. B. indem veranschlagt wird, dass eine Weichteilgeschwindigkeit 1540 m/s ist, werden nur drei Gleichungen benötigt, um nach den drei Unbekannten aufzulösen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Gleichungen für jede der Unbekannten gelöst. Wie ersichtlich ist, können einige Lösungsverfahren auf eine Offline-Weise ausgeführt werden, so dass eine geeignete Software generiert werden kann, wo die gemessenen Werte einfach in die Software gestopft werden, um die Werte von einer oder mehreren Unbekannten festzustellen. Alternativ oder zusätzlich können einige Lösungsverfahren ein besonderes Algorithmuskonstrukt nahelegen. Zusätzlich oder alternativ können andere Verfahren zum Lösen, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden, z. B. iterative Verfahren.
Auflösen der Gleichung (16) nach h:
Auflösen nach φ unter Verwendung der Gleichungen (15) und (16):
Anwenden der Gleichungen (17) und (18) auf die Gleichungen (14a) und (14b) ergibt:
Diese Gleichungen können z. B. gelöst werden, indem V_S als eine Funktion von V_B definiert wird, wobei eine Gleichung verwendet wird, um eine Variable in Bezug zu der anderen zu definieren, und dann das Ergebnis in der anderen Gleichung angewandt wird, was eine einzige Gleichung mit nur V_B als eine Variable ergibt. In einem Beispiel wird V_S als eine Funktion von V_B bestimmt, wobei die Gleichung (19) verwendet wird:
Dann kann V_B von Gleichung (20) bestimmt werden. Es sollte ersichtlich sein, dass der obige Satz von Gleichungen für sämtliche der vier Unbekannten gelöst wird. Jedoch ist es möglich, die obigen Gleichungen umzuschreiben, dass es nur eine Gleichung für eine Knochengeschwindigkeit gibt, die direkt von den gemessenen Laufzeiten abhängt. Zusätzlich sollte es ersichtlich sein, dass die Gleichung 21 durch eine Veranschlagung für die Weichteilgeschwindigkeit ersetzt werden kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann eine oder mehrere der obigen vier Variablen unter Verwendung eines unterschiedlichen Verfahrens als der Ultraschallmessungen, die hierin beschrieben sind, veranschlagt werden. Zusätzlich oder alternativ kann h unter Verwendung von Röntgenstrahlabbilden veranschlagt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann φ unter Verwendung von Röntgenstrahlabbilden veranschlagt werden. Zusätzlich oder alternativ kann φ durch Ausführen von zwei Messungen von h, eine an jeder Seite des Prüfkopfs 250, veranschlagt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Weichteilgeschwindigkeit unter Verwendung von Triangulierungsverfahren berechnet werden, wie z. B. in der WO 97/13145 beschrieben. In dem Verfahren dieser PCT-Anmeldung werden zwei Seiten eines Dreiecks von Pfaden durch Weichteilgewebe erzeugt, indem Wellen von einem Knochen reflektiert werden. Die dritte Seite wird durch den Abstand zwischen zwei Wandlern gebildet. Unter Verwendung der drei Seiten oder zwei Seiten und eines bekannten Winkels (normalerweise 90 Grad), unter der Annahme, dass die Weichteilgeschwindigkeit dieselbe für alle drei Seiten ist und bei Kenntnis der Laufzeiten entlang von zwei Seiten ist es möglich, die Weichteilgeschwindigkeit als eine Funktion der bekannten Laufzeiten und des Abstands zwischen zwei Sendern auszudrücken. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Weichteilgeschwindigkeit entlang Pfaden be stimmt, die die Pfade von Wellen zwischen Sendern und Empfängern überlagern, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Es sollte ersichtlich sein, dass die bestimmte Weichteilgeschwindigkeit ein Mittelwert der Geschwindigkeiten in Fett und Muskel ist. Typischerweise umfassen Schichten, die dem Knochen näher sind, mehr Muskeln, in denen die Geschwindigkeit 10% höher sein kann als in einem Fettgewebe.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die oben beschriebenen Messungen mehrere Male wiederholt und gemittelt, um die Wirkung von Rauschen zu verringern. Zusätzlich oder alternativ werden mehr als die erforderliche Anzahl von Pfaden gemessen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt dies zu einem Satz von überbestimmten Gleichungen, deren Lösung im Stand der Technik bekannt ist.
In der obigen Erörterung sollte es ersichtlich sein, dass jeder Messpfad unabhängig von den anderen Messpfaden ist. Folglich gibt es kein Erfordernis, dass es eine Überlagerung zwischen Pfaden gibt. Weiter gibt es kein Erfordernis, dass die Wandler kollinear oder selbst koplanar sind. Es sollte ersichtlich sein, dass, wenn die Ultraschallelemente nicht alle in einer selben Ebene liegen, das effektive "h" für einen Pfad, der durch ein Paar von Ultraschallelementen definiert ist, nicht dasselbe für alle Paare ist. Deshalb können, wie unten beschrieben, Korrekturen für das effektive "h" für jeden Pfad bestimmt werden. Folglich, wenn die obigen Gleichungen für einen speziellen Pfad gelöst werden, werden unterschiedliche "h"-Werte für jeden Pfad verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Höhenkorrekturkonstante verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Höhenkorrektur bestimmt werden, wenn genug Pfadlaufzeitmessungen erfasst sind.
Im Allgemeinen ist jedoch ein großer Grad an Überlagerung dazwischen wünschenswert, um Fehler zu verringern, die durch Variationen in akustischen Eigenschaften von unterschiedli chen Körperbereichen hervorgerufen sind. Eine Hauptquelle dieser Variabilität besteht darin, dass ein Knochen kein homogenes Material ist. Vielmehr umfasst ein Knochen mehrere Schichten, von denen jede eine unterschiedliche Härte (und Schallgeschwindigkeit) aufweist. Die Dicke und Zusammensetzung von Schichten können entlang der Länge eines Knochens variieren. Zusätzlich umfasst ein Knochen typischerweise sowohl longitudinale als auch radiale Sektoren, jeder mit unterschiedlichen Härte- und Schallgeschwindigkeits-Eigenschaften. In einigen Fällen ändern sich die Eigenschaften jäh, und in anderen Fällen ist eine allmähliche Änderung vorhanden. Zusätzlich umfasst ein Knochen gewöhnlich Anisotropiematerial, das unterschiedliche akustische Eigenschaften in unterschiedlichen Orientierungen darbietet. Der Grad und/oder die Richtung der Anisotropiebeschaffenheiten können sich auch als eine Funktion der Tiefe des Knochens ändern. Vorzugsweise wird ein System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet, um einen signifikanten Teil eines Knochens in unterschiedlichen Orientierungen und/oder entlang signifikanter radialer und/oder axialer Erstreckungen zu scannen.
Um zwei Knochenschallgeschwindigkeitsergebnisse richtig zu vergleichen, die von zwei unterschiedlichen Messsitzungen hergeleitet sind, müssen die zwei Messungen auf demselbem Teil des Knochens ausgeführt werden. Insbesondere sollte die Ortsgenauigkeit entlang der Längsachse des Knochens vorzugsweise in der Größenordnung von 5 Millimetern in langen Knochen sein, wie z. B. dem Schienbein. Diese Genauigkeit ist unter Verwendung von regulären Positinierverfahren, wie z. B. Kennzeichnen der Stelle mit einer permanenten Kennzeichnung, leicht zu erzielen. Jedoch sollte die Querpositioniergenauigkeit aufgrund der Struktur des Knochens vorzugsweise in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern sein. Da ein Erzielen dieser Genauigkeit schwierig ist, wird der Prüfkopf vorzugsweise verwendet, um den Knochen für mindestens einen gewissen Winkelbereich von Querorientierungen zu scannen.
Wenn die Knochenschallgeschwindigkeit gemessen wird, wird der Prüfkopf in einer Querrichtung bewegt, und eine Mehrzahl von Knochenschallgeschwindigkeiten werden bestimmt. Der maximale oder minimale bestimmte Wert wird als der Bezugswert zum Vergleich mit Knochenschallgeschwindigkeitsmessungen während anderer Sitzungen verwendet. Zusätzlich oder alternativ wird die Schallgeschwindigkeit des Knochens 18 von mehreren Richtungen in einer zur Knochenachse senkrechten Ebene gemessen, da der Kortex des Knochens 18 typischerweise eine Anzahl von unterschiedlichen Sektoren aufweist, von denen jeder eine unterschiedliche Härte und Schallgeschwindigkeit aufweist. In einer unten beschriebenen Gitterausführungsorm wird vorzugsweise eine Gittervorrichtung verwendet, um ein tangentiales Positionieren und/oder die Orientierung einer Messung in Bezug zur Achse des Knochens zu bestimmen. Vorzugsweise wird eine solche Gittervorrichtung verwendet, um gleichzeitig den Knochen abzubilden.
Es sollte ersichtlich sein, dass bei einigen Knochen, wie z. B. Wirbeln, ein Messen von weicheren Sektoren praktischer sein kann, als ein Messen von härteren Sektoren, deshalb die Suche nach der minimalen Geschwindigkeit. Die minimale bestimmte Geschwindigkeit repräsentiert typischerweise eine Ausbreitung im weichsten Sektor. Eine minimale bestimmte Geschwindigkeit, die zu einer späteren Zeit gefunden wird, ist auch im weichsten Sektor, folglich wird die Geschwindigkeitsmessung an derselben transversalen Stelle (demselben Sektor) wiederholt.
Zusätzlich oder alternativ werden die erfassten Geschwindigkeitsmessungen verwendet, um eine Quer- und/oder Axialgeschwindigkeitsprofilkarte des Knochens 18 zu bilden, die für eine Knochenstrukturanalyse nützlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Prüfkopf 250 so orientiert, dass ein Überspannen von signifikanten Körperstrukturen, wie z. B. großen Blutgefäßen, ver mieden wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden große Blutgefäße detektiert, indem Dopplerverschiebungen in den Spektren der Ultraschallwellen bestimmt werden, die durch das Blut reflektiert werden. Zusätzlich oder alternativ werden solche Strukturen visuell detektiert. Zusätzlich oder alternativ werden die Ultraschallstrahlen signifikant breiter gemacht als solche Strukturen, so dass ihr Effekt verringert wird und/oder herausgemittelt wird.
Der minimale erforderliche Abstand einer Wellenfortpflanzung im Knochen unter Verwendung der obigen beschriebenen Verfahren kann so kurz wie 5, 3, 2 oder selbst 1 Millimeter sein. Mehrere Auflösungsparameter sollten unterschieden werden: die Genauigkeit einer axialen und radialen Platzierung des Segments eines Knochens, der gemessen wird; die Länge des Segments eines Knochens, der gemessen wird; und die Genauigkeit beim Bewegen des gemessenen Bereichs um einen kleinen Betrag während einer einzigen Sitzung. Ein anderer wichtiger Auflösungsparameter ist die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung selbst. Es sollte ersichtlich sein, dass eine Verwendung eines Prüfkopfs vom Gittertyp, wie unten beschrieben, ermöglicht, dass eine oder mehrere von diesen Auflösungen verbessert werden.
Der bevorzugte Abstand zwischen den Sendern und den Empfängern hängt von der Weichteildicke ab. Unter Verwendung von hierin beschriebenen Verfahren ist ein Hochauflösungskartieren von verhältnismäßig ungleichförmigen Knochen möglich. Z. B. umfassen solche Knochen Wirbel, die kleinen Knochen im Handwurzelgelenk und Knochenteile in der Nähe von Verbindungen. Zusätzlich ist es möglich, die Knochengeschwindigkeit in sowohl Längsrichtung als auch Querrichtung zu messen, da die Länge des gemessenen Knochensegments sehr kurz sein kann, selbst in Bezug zu einem Radius eines Knochens. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Prüfkopf gekrümmt hergestellt sein. Vorzugsweise ist der Radius der Krümmung so gewählt, dass er mit einem erwarteten Radius eines darunterliegenden Knochens übereinstimmt.
Die kleinen Abmessungen des minimal erforderlichen Knochenpfadsegments machen es möglich, mit einer hohen räumlichen Auflösung unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu scannen. Z. B. kann zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Teil des Kortex eines Zahns ein 10 MHz-Ultraschallimpuls verwendet werden. Aufgrund der hohen Frequenz des Ultraschalls können Prüfkopfabmessungen in der Größenordnung von 3 Millimetern und die Auflösung besser als 1 Millimeter sein.
Eine einzige Messung einer Knochengeschwindigkeit in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird über ein Zeitintervall, das nur 1,5 Millisekunden lang ist, gemacht, das schneller ist als die meisten Körperrythmen. Mehrere entlang dem Verlauf eines Körperrhythmus vorgenommenen Messungen können verwendet werden, um den Effekt des Körperrhythmus auf die Messung zu messen. In einigen Fällen fügt der Körperrhythmus eine Ungewissheit bei einer Bestimmung von Pfaden hinzu und/oder Änderungen bei der Weichteilgeschwindigkeit. Alternativ oder zusätzlich ist es der Effekt eines Körperrhythmus auf V_S, V_B, φ oder h, was es wünschenswert ist, zu messen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden 40 einzelne Messungen ausgeführt und über ein Zeitintervall von etwa 100 ms Bemittelt. Der Mittelwert wird als eine veranschlagte Knochengeschwindigkeit dargeboten. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Messungen analysiert, um ihre Verteilung zu bestimmen, und/oder auf eine innere Konsistenz überprüft. Eine mittlere Kartierungssitzung umfasst typischerweise ein Messen einer Schallgeschwindigkeit bei etwa 100–200 Punkten um den Umfang des Knochens.
Alternativ zur Verwendung einer Breitbandsendewelle kann eine gepulste Einfrequenzwelle verwendet werden, da in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der einzige Aspekt der analysierten Welle die Zeit eines ersten Empfangs einer Welle ist. Alternativ werden andere komplexere Wellenformen oder Impulse verwendet, und die empfangenen Wellen werden analysiert. Es sollte ersichtlich sein, dass die Sende- und Empfangsschritte des oben beschriebenen Prozesses in jeder Reihenfolge ausgeführt werden können und auch gleichzeitig ausgeführt werden können. Vorzugsweise werden unterschiedliche Frequenzen für jede Welle verwendet. Alternativ oder zusätzlich sind die Impulse zeitlich abgestimmt, so dass keine zwei Impulse zusammen an einem einzigen Empfänger ankommen.
Ein Vierelementprüfkopf, wie z. B. derjenige, der oben mit Bezug auf 2 beschrieben ist, ist vorzugsweise so konstruiert, dass er weniger als 100 Millimeter lang, bevorzugter weniger als 50 Millimeter lang und in einigen bevorzugten Ausführungsformen weniger als 3 Millimeter lang ist. In einer speziellen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Prüfkopf 32 Millimeter lang. Aufgrund der sehr hohen Genauigkeitserfordernisse von einem solchen Prüfkopf sind der Prüfkopfkörper und/oder Strukturelemente und/oder Füllstoffmaterialien und/oder Distanzelemente vorzugsweise aus einem Material konstruiert, das sich im Temperaturbereich von 15–40°C nicht wesentlich ausdehnt oder zusammenzieht. Solche Materialien umfassen typischerweise eine Mischung eines Materials, das sich ausdehnt, wenn es von 15 auf 40°C erwärmt wird, und eines Materials, das sich zusammenzieht, wenn es von 15 auf 40°C erwärmt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen den Ultraschallelementen für eine gewisse erwartete Weichteiltiefe optimiert. Folglich umfasst ein typisches Betriebssystem mehrere Prüfköpfe, von denen jeder für einen unterschiedlichen Bereich von Tiefen geeignet ist. Wie unten beschrieben, kann ein Prüfkopfverbinder eine elektrische Anzeige von diesem Typ einschließen. Alternativ wird ein einziger Prüfkopf vom Gittertyp, wie nachstehend be schrieben, verwendet.
Typischerweise ist der Prüfkopf nicht auf eine absolute Genauigkeit eines Abstands zwischen jedem Ultraschallelement konstruiert. Stattdessen ist ein Prüfkopf mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Millimetern konstruiert, und die genauen Abstände zwischen den Elementen werden unter Verwendung eines Phantoms gemessen. Die Ergebnisse der Messung mit einer typischen Genauigkeit von besser als 2 μm werden im Rechner 259 zur Verwendung in der Geschwindigkeitsbestimmung gespeichert, wie in größerer Einzelheit unten beschrieben. Ein solches Phantom umfasst vorzugsweise einen Kunststoffzylinder, der einen zylindrischen Metallkern mit entlang seiner Achse ausgebildeten Stufen aufweist, der in dem Kunststoff eingebettet ist. Jeder Stufe entspricht einer unterschiedlichen bekannten Tiefe des Kunststoffs, der über dem Metallkern liegt. Wenn ein Phantom mit dem Prüfkopf gemessen wird, werden die Schallgeschwindigkeitsbestimmungsgleichungen vorzugsweise invertiert, so dass der Abstand zwischen den Ultraschallelementen des Prüfkopf nun eine Funktion von bekannten Tiefen und Schallgeschwindigkeiten und gemessenen Laufzeiten ist. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines solchen Phantoms kann eine harte Platte mit einer bekannten Ultraschallgeschwindigkeit verwendet werden, um direkt eine Laufzeit zwischen Sendern und Empfängern zu messen. Die Temperaturabhängigkeit einer Schallgeschwindigkeit im Material ist auch bekannt. Die Dicke der Platte sollte vorzugsweise mindestens 20 mm sein, um länger als die Wellenlänge zu sein und um Reflexionen von Platte-Luft-Grenzen zu verzögern.
Zwei Platten mit unterschiedlichen bekannten Ultraschallgeschwindigkeiten werden zur Kalibrierung verwendet. In jeder Platte werden mindestens drei Wellenlaufzeiten zwischen Paaren von Sendern und Empfängern gemessen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Laufzeit zwischen dem inneren Paar von Sender und Empfänger nicht gemes sen. Auch wird während einer Knochenultraschallgeschwindigkeitsmessung dieses innere Paar vorzugsweise nicht gemessen. Zwei Platten und drei Messungen in jeder Platte ergeben sechs unabhängige Gleichungen. Sechs Variablen können von diesen Gleichungen kalibriert werden. Die Variablen sind vorzugsweise die drei Abstände zwischen den Ultraschallelementen und drei mittlere Höhen von Ultraschallelementen von der Messplatte, d. h. die effektive Dicke einer Schallkammer, die die Ultraschallelemente von der Platte separiert (unten beschrieben). Jede mittlere Höhe repräsentiert eine mittlere Höhe, die in einer Gleichung verwendet werden kann, die ein Ausbreiten von Wellen zwischen diesem speziellen Sender/Empfänger-Paar repräsentiert. Alternativ zu drei Messungen in zwei Platten können andere Anzahlen von Messungen in anderen Anzahlen von Platten ausgeführt werden, um einen Satz von gewünschten Gleichungen zur Kalibrierung zu erhalten.
Ein Prüfkopf kann mechanisch konfigurierbar sein, um einer speziellen Messsituation zu entsprechen. Eine solche Konfiguration kann ein Ändern des Abstands zwischen Ultraschallelementen und/oder ihres Schrägungswinkels umfassen. Vorzugsweise sind, nachdem die Ultraschallelemente zweckmäßig positioniert und an ihrem Ort fixiert sind, ihre genauen Stellen vorzugsweise durch Messen der Laufzeit in einer Platte bestimmt, wie oben beschrieben.
Es wird nun auf 3, 4 und 5 Bezug genommen, die Aspekte einer weiteren Ausführungsform veranschaulichen, die zum Scannen über einen Abschnitt 448 eines menschlichen Körpers, wie z. B. einen Arm, nützlich ist.
In dieser Ausführungsform ist eine Prüfkopfvorrichtung, die aus einem Array von Ultraschall-Sender/Empfänger-Zellen 450 gebildet ist, auf einen Abschnitt 448 platziert oder um ihn herumgewickelt oder ist in ein strumpfähnliches Element 460 gebildet. Die Zellen des Array 450 sind vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material gebildet, wie z. B. ein piezoelektrischer Kunststoff oder Keramik. Das Array 450 ist typischerweise auf eine Standardweise mit dem Abschnitt 448 akustisch gekoppelt, z. B. unter Verwendung von Schallkopplungsfett.
Typischerweise, wie in 4 dargestellt, sind die Eingangs- und Ausgangs-Leitungen von jeder Zelle des Array 450 mit einem analogen Matrixmultiplexer 451 verbunden, der wiederum mit einem Treiber 452 und mit einer Signalverarbeitungseinheit 454 verbunden ist. Der Treiber 452 und die Einheit 454 werden typischerweise über einen Mikroprozessor 455 gesteuert.
Der Multiplexer 451 ermöglicht, dass auf jede Zelle des Array 450 einzeln zugegriffen wird und ist betriebsfähig, um jede Zelle als ein Empfänger, ein Sender, ein Sender/Empfänger oder als nichtaktiv zu definieren.
Die Zellen des Array 450 mögen aufgrund der Dämpfung, die durch lange Pfade durch den Knochen 18 verursacht wird, einzeln zu klein sein, um Ultraschallwandler zur Verwendung in Stand-der-Technik-Verfahren zu bilden. Deshalb wurde eine Mehrzahl von Gruppen von Zellen des Array 450 in gewünschten Stellen elektronisch und auswählbar so definiert, dass sie die Ultraschallelemente sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede Zelle des Array 450 ein separates Ultraschallelement, wie hierin beschrieben. Alternativ sind Gruppen von Zellen als Wandler definiert, wie im Stand der Technik dargestellt. Jedoch wird, wenn Gruppen so definiert sind, einer der unten beschriebenen bevorzugten Betriebsmodi vorzugsweise verwendet.
Eine Betriebsweise besteht darin, Zellen und Gruppen von Zellen auszuwählen, die die Funktionalität der Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind, annähern. Folglich kann eine optimale Platzierung von Sendern/Empfängern erzielt werden, ohne dass Ultraschallelemente und/oder der Prüfkopf bewegt werden.
Ein Zweischrittverfahren wird verwendet, um die Konfiguration des Array 450 als Sender und Empfänger zu bestimmen. Wie vorstehend beschrieben, verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Prüfköpfe, die für eine spezielle Weichteildicke zwischen dem Prüfkopf und dem Knochen 18 optimiert sind. Unter Verwendung des Array 450 zur Abbildung des Knochens 18 ist es möglich, vor einer Knochengeschwindigkeitsbestimmung die Dicke des darunterliegenden Weichteilgewebes 22 zu bestimmen. A, ein Verfahren zum optimalen Konfigurieren eines Array von Elementen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst:

(a) Bestimmen der Dicke des darunterliegenden Weichteilgewebes 22; und
(b) Konfigurieren des Array 450 in Sender, Empfänger und Sender/Empfänger mit optimalen Abständen dazwischen, die auf Grundlage der bestimmten Dicke des Weichteilgewebes 22 berechnet sind.

Die Dicke kann unter Verwendung eines Laufzeitverfahrens veranschlagt werden, das eine Weichteilgeschwindigkeit von 1540 m/s annimmt. Alternativ oder zusätzlich werden mehrere Vormessungen ausgeführt, um eine gewünschte Knochenpfadlänge und/oder andere Parameter der Messung zu bestimmen.
Eine Betriebsart bildet Knochen und Weichteile durch Betreiben von unterschiedlichen Zellen des Array 450 anstelle eines körperlichen Bewegens einer Einheit, die eine Mehrzahl von Unterschallelementen umfasst, ab. Folglich kann die Knochengeschwindigkeit an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Richtungen gemessen werden, ohne dass die Vorrichtung körperlich bewegt wird.
5 stellt einen Mehrelementprüfkopf 250' dar, der mindestens ein unterteiltes Element 287 umfasst, das in "n" Subelemente unterteilt ist. Der Prüfkopf 250' umfasst vorzugs weise "M" Elemente, von denen jedes unterteilt sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die "n" Subelemente mit einer vorbestimmten Phasenverschiebung einer Welle betätigt, um einen Strahl mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen, wie z. B. Richtung und Fokussierung. Unter Verwendung der oben beschriebenen Gitterelemente ist es möglich, um eine Messzone auf einer Oberfläche des Knochens in einer Richtung A neu anzuordnen, ohne dass der Prüfkopf 250' bewegt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Abbildungsprüfkopf vom Eingittertyp zum Abbilden, zur Weichteilgeschwindigkeitsbestimmung und/oder zur Knochengeschwindigkeitskartierung verwendet. In einigen Fällen können unterschiedliche Messschemata für jeden Typ von Messung verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können zwei unterschiedliche Verfahren zur Messung darin bestehen, eine einzige Eigenschaft zu messen, wie z. B. eine Knochengeschwindigkeit oder eine Weichteilgeschwindigkeit.
Vorzugsweise sind die Sender und/oder Empfänger orientiert, um vorzugsweise ihre Wellen unter einem Winkel auszusenden und/oder zu empfangen, der der veranschlagte kritische Winkel ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Ultraschallwellen als scharfgebündelte Strahlen ausgesandt. Alternativ oder zusätzlich werden die Wellen an dem veranschlagten oder gemessen Abstand zum Knochen fokussiert, vorzugsweise entlang eines (gewünschten) Pfads, von dem erwartet wird, dass ihm die Wellen folgen.
Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit von Ultraschall in einem rein kortikalen Knochen etwa 3000 m/s – 4700 m/s beträgt (was einem kritischen Winkel von etwa 19°–31° entspricht), und die Geschwindigkeit in trabekulären Knochen mit einer dünnen Oberflächenschicht von kortikalem Knochen beträgt etwa 1650 m/s – 3000 m/s (was dem kritischen Winkel von etwa 31°–69° entspricht).
6 und 7 veranschaulichen einen Effekt eines Ultraschallelementteilungsabstands auf eine Betriebseigenschaft eines Prüfkopfs. Eine Breite des ersten und zweiten Senders 251, 252 und eine Breite des ersten und zweiten Empfängers 253, 254 werden vorzugsweise auf Grundlage von gewünschten Wellenlängeneigenschaften der Ultraschallelemente ausgewählt, und ein Winkel eines Teilungsabstands der Sender 251, 252 und/oder Empfänger 253, 254 wird in Bezug zur horizontalen Ebene bestimmt. Infolge des Teilungsabstands der Sender 251, 252 und/oder Empfänger 253, 254 wird ein Gebiet 276 unter den beabstandeten Sendern 251, 252 und/oder den beabstandeten Empfängern 253, 254 definiert. Das Gebiet 276 wird auch eine Schallkammer genannt. Das Gebiet 276 kann durch eine Flüssigkeit, durch ein elastisches Material, z. B. Siliconkautschuke, z. B. RTV630, das von General Electric Inc., US, hergestellt ist, oder Polyurethankautschuke, z. B. EL-110H, das von Robner, UK, hergestellt wird, oder durch ein verhältnismäßig hartes Material, z. B. hartes Polyurethan, wie z. B. U146A, und einen Kettenverlängerer UL143, der von Polymer Gvulot hergestellt wird, gefüllt sein. Die akustischen Parameter des Gebiets 276, einschließlich eine oder mehrere einer Schallgeschwindigkeit, akustischen Impedanz und Schallabsorption, sind vorzugsweise so ausgewählt, dass unterschiedliche Eigenschaften des Prüfkopfs 250 optimiert werden.
Der Prüfkopf 250 umfasst mindestens ein Barrierenelement 265 (dargestellt in den 6 und 7), das vorzugsweise ein Schallschwächer ist. Das Barrierenelement wird verwendet, um Ultraschallwellen zu verzögern und/oder zu dämpfen, die sich durch den Prüfkopf selbst ausbreiten. Im Allgemeinen werden Pfade, entlang denen sich die Welle schneller ausbreitet als entlang den Knochen-einschließenden Pfaden als "parasitäre Pfade" bezeichnet.
Wie in den 6 und 7 dargestellt, ist der tatsächliche Winkel zwischen den Ultraschallelementen und dem Knochen von dem Rand des Senders abhängig, von dem die Welle erzeugt wird. Der Winkel kann ein körperlicher Winkel sein oder ein Winkel, der unter Verwendung eines phasengesteuerten Array erzeugt wird. Typischerweise wird ein scharfgebündelter Strahl verwendet, so dass ein spezieller Neigungswinkel ein Gebiet von Winkeln γ₁ und γ₂ definiert, zwischen denen Messbedingungen optimal sind. Wie oben beschrieben, hängt der erforderliche Bereich von Winkeln von der Weichteilgeschwindigkeit, dem Winkel in Bezug zur Parallelen des Knochens und Knochengeschwindigkeit ab. Diese Parameter können bis zu einem gewissen Maße durch einen Benutzer gesteuert werden, jedoch hängen viele Parameter von physiologischen Eigenschaften ab, die durch das Alter oder das Geschlecht des Patienten und/oder den speziellen Körperteil bestimmt sind, der der Gegenstand der Messung ist. Die Abstände zwischen den Ultraschallelementen, wie in den obigen Gleichungen verwendet, werden durch den Neigungswinkel der Elemente bestimmt. Im Allgemeinen ist, wenn ein geringer Neigungswinkel verwendet wird, das obere (innen befindliche) Ende des Ultraschallelements effektiv, und wenn der Neigungswinkel hoch ist, ist das untere (außen befindliche) Ende des Ultraschallelements effektiv. Im Allgemeinen wird der Neigungswinkel zum höheren ausgewählt, wenn eine niedrigere Knochengeschwindigkeit zu messen ist. Z. B. in 6 das obere Ende eines Elements und in 7 das untere Ende eines Elements. Die Bestimmung davon, welches Ende verwendet wird, kann auf einer Veranschlagung der oben beschriebenen Variablen beruhen. Alternativ oder zusätzlich kann ein iteratives Veranschlagungsverfahren bevorzugt werden, bei dem die Ergebnisse von einem Schritt verwendet werden, um die Werte für Konstanten in einem nächsten Schritt zu veranschlagen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wo ein Prüfkopf vom Gittertyp verwendet wird, ist das piezoelektrische Element selbst flach, so dass es kein Problem von oberen oder unteren Enden gibt, selbst wenn der Strahl geneigt ist.
Parasitäre Wellen werden verringert, indem eine Mehrzahl von Schallbarrieren im Prüfkopf 250 platziert werden. Folglich muss sich jegliche parasitäre Welle in einem gewundenen Pfad zwischen den Sender- und Empfängerelementen ausbreiten. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Barrieren platziert, um ein Labyrinth zu erzeugen. Zusätzlich zu parasitären Wellen, die sich im Prüfkopfkörper ausbreiten, können sich einige parasitäre Wellen durch die Schallkammer ausbreiten. Die Barriere 265 erstreckt sich durch die Schallkammer zur Haut. Die Barriere 265 steht vom Prüfkopf 250 vor, um eine Einkerbung im Weichteilgewebe hervorzurufen, wenn der Prüfkopf 250 gegen die Haut gepresst wird.
Der Prüfkopf 250 und/oder die Schallkammer sind aus einem schalldämpfenden Material gebildet. Folglich können sich parasitäre Wellen nicht durch den Prüfkopf hindurch mit irgendeiner signifikanten Intensität ausbreiten. Indem man die Schallkammer dämpfend macht, wird jegliche Ultraschallwelle, die die Kammer nicht sofort verlässt, äußerst gedämpft, indem sie sich durch sie hindurch ausbreitet. Ein Beispiel für eine parasitäre Welle, die derart gedämpft wird, ist eine Welle, die sich durch die Schallkammer ausbreitet und in das Weichteilgewebe eintritt, um die Barriere 265 zu "umgehen". Die Schallkammer umfasst akustische Fenster, so dass Ultraschallwellen, die sich entlang von gewünschten Pfaden (unter etwa dem erwarteten kritischen Winkel) ausbreiten, weniger gedämpft werden als andere Wellen. Solche Fenster können gebildet werden, indem die Zusammensetzung des Materials der Schallkammer variiert wird, und/oder durch verschiedene Verfahren von Nachbehandlung des Materials.
Alternativ oder zusätzlich werden der Prüfkopf 250 und/oder die Schallkammer mit einem Material mit einer niedrigen Schallgeschwindigkeit gefüllt, so dass parasitäre Ultraschallwellen verlangsamt werden.
Die Schallkammer wird mit U-146 Polyurethan (1920 m/s, 5,5 dB/cm) gefüllt, das eine feinblasige Phasenentmischung erfährt, wenn es polymerisiert. Alternativ oder zusätzlich kann Polyurethan EL-110H (1620 m/s, 3 dB/cm) von Robner, UK, als Füllstoffmaterial verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann PWO-02 (1835 m/s, 15 dB/cm) oder PWN-01 (2010 m/s, 20 dB/cm) von CIRS, USA, verwendet werden. Materialien von höherer Dämpfung werden verwendet, wenn der Abstand zwischen einem Sender und einem Empfänger kürzer ist. Vorzugsweise wird der Pfad zwischen dem inneren Sender und Empfänger nicht gemessen, so dass nur der nächstkürzeste Pfad in Betracht gezogen werden muss.
8 veranschaulicht eine Prüfkopfkonstruktion. Der Prüfkopf 250 umfasst vorzugsweise Schallbarrieren, wie oben beschrieben, und/oder eine elektrische Abschirmung zur Isolation der piezoelektrischen Elemente voneinander. In 8 ist jedes Ultraschallelement durch elektrische Schutzschilde auf seinen beiden Seiten elektrisch abgeschirmt, angezeigt durch Bezugszeichen 301A–301H. Abgeschirmte Kabel 302A–302D werden verwendet, um Elementtreiber und andere Elektronik mit den Ultraschallelementen zu verbinden. Die Abschirmung des Kabels wird vorzugsweise mit einem oder beiden von den elektrischen Schutzschilden, die jedes Element umgeben, und dann mit der Unterseite (Vorderseite) des piezoelektrischen Elements verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist eine Schallbarriere (300A, C, E) zwischen jedem von beiden Ultraschallelementen lokalisiert. Alternativ oder zusätzlich sind Schallbarrieren (300B, D) vorzugsweise zwischen den anderen Schallbarrieren lokalisiert, um das Prüfkopfninnere in ein akustisches Labyrinth umzuwandeln. In einigen Fällen können Barrieren 300C und 300E niedriger gemacht werden und/oder in Richtung auf die Prüfkopfoberfläche ausgedehnt werden, insbesondere, wenn der Abstand zwischen Ultraschallelementen kürzer ist. Eine Schallbarriere ist auch gebildet, die sämtliche Schallelemente des Prüfkopfs umgibt und sie von einem Außengehäuse des Prüfkopfs separiert. Vorzugsweise umgibt die elektrische Abschirmung jedes Ultraschallelement von allen Seiten. Vorzugsweise umfassen die Barrieren 300A–300E flache Platten, die sich zwischen entgegengesetzten Seiten des Prüfkopfs erstrecken. Die leeren Räume in 8 sind vorzugsweise mit einem dämpfenden Material gefüllt, wie oben beschrieben.
9 stellt eine vergrößerte Ansicht eines beispielhaften piezoelektrischen Elements dar, das als ein Sender und/oder ein Empfänger verwendet wird.
Im Beispiel von 8 ist die Laufzeit einer durch die Sender 251 und/oder 252 erzeugten Welle, die sich über der Haut 20 und um die Schallbarrieren 300A–300E ausbreitet, verzögert, weil die Elemente im Prüfkopf 250 auf eine Weise eines Labyrinthtyps konstruiert sind. Die Abmessungen der Schallbarrieren 300A–300E und der elektrischen Schutzschilde 301A–301H sind unten in Tabelle 1 veranschaulicht. Wie in Tabelle 1 dargestellt, variieren die Abmessungen und Eigenschaften der Sender 251, 252 und Empfänger 253, 254 und die Abstände dazwischen abhängig davon, wenn der Sender und/oder der Empfänger (für eine proximale Phalanx III-Analyse oder für eine Radius(Hand)/Schienbein(Bein)-Analyse) sind:
Tabelle 1
Ein Körper des Prüfkopfs 250 ist von einem Halter (z. B. einem Prüfkopfhalter) separiert, der den Prüfkopf 250 mit einer weiteren Barriere von im Wesentlichen ähnlicher Zusammenset zung wie derjenigen der Barriere 265, 300A–300E umschließt. Folglich kann sich eine durch die Sender 251, 252 erzeugte Welle nicht durch den Prüfkopfhalter zu den Empfängern 253, 254 ausbreiten und vor einer Welle, die sich durch einen Knochen ausbreitet, ankommen, und/oder ihre Amplitude ist verringert. Diese weitere Barriere weist vorzugsweise eine hohe Schalldämpfung auf. Als solcher kann ein gasgefüllter (z. B. luftgefüllter) Spalt als die weitere Barriere dienen. Zusätzlich kann die weitere Barriere auch aus Schwammmaterialien, porösen Materialien usw. bestehen. Der Prüfkopf 250 wird hohl gelassen, da Luft bei diesen hohen Frequenzen eine sehr hohe Dämpfung und/oder eine niedrige Ultraschallgeschwindigkeit aufweist. Ein luftgefüllter Prüfkopf kann periodisch mechanisch eingestellt werden, um speziellen Messsituationen zu entsprechen, wie z. B. Weichteiltiefe und erwartete Knochenultraschallgeschwindigkeit.
Tabelle 2 stellt bevorzugte Zusammensetzungsmaterialien für den Körper des Prüfkopfs 250, Schallkammer 276, Schallbarrieren 265, 300A–300E und elektrische Schutzschilde 301A–301F und eine beispielhafte Liste von Herstellern (und die respektiven Teilenummern) für diese Elemente dar:
Tabelle 2
Die in den 1–9 dargestellten Vorrichtungen (und das damit verbundene Verfahren) sind besonders nützlich, wenn die Ebene des Knochens 18 nicht parallel zur Ebene der Haut 20 ist. 10 veranschaulicht eine negative Wechselwirkung zwischen einer nichtparallelen Knochendarstellung und einem Verfahren zur Ultraschallmessung unter Verwendung von Reflexionen von einem Knochen. Wenn eine Reflexion von dem Knochen bestimmt ist, wird der größte Teil der Energie unter dem Einfallwinkel reflektiert. Folglich, wird, wenn der Einfallswinkel Null ist (wenn die Darstellung parallel ist), wie für das Element 251 dargestellt, der größte Teil der Energie zurück zum Element 251 reflektiert. Jedoch wird, wenn die Darstellung nichtparallel ist, wie für das Element 253 dargestellt, der größte Teil der Energie nicht zurück zum Ultraschallelement reflektiert. Infolgedessen gibt es eine erhöhte Anfälligkeit für Rauschen und mehr Schwierigkeit beim Konstruieren eines Empfängers, der über mehrere Größenordnungen empfindlich ist. Ein mögliches Endergebnis dieses Problems ist eine Schwierigkeit beim Bestimmen, ob es bei einem gewissen Abstand von dem Sender eine Knochenoberfläche gibt.
11 veranschaulicht einen Effekt einer nichtparallelen Knochendarstellung auf ein Messverfahren. Statt eine Reflexion zu messen, wird nur die Amplitude einer Welle gemessen, die in einen Knochen eintritt und die durch den Knochen ausgesandt wird. Der Eintritt der Welle in den Knochen und die Aussendung der Welle von dem Knochen, wie in 11 dargestellt, sind viel weniger empfindlich für kleine Änderungen im Winkel, wie erwartet werden könnte, wenn die Knochenoberfläche ungleichförmig ist. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Eintritts- und Austrittswinkel nicht senkrecht zum Knochen sind, um dies zuvor anzumerken.
Sobald ein Prüfkopf kalibriert ist, werden die kalibrierten Parameter dann durch den Rechner 259 in einem Festwertspeicherbauelement gespeichert, z. B. einem FLASH-ROM. Dieses Festwertspeicherbauelement ist vorzugsweise mit dem Prüfkopf 250 gekoppelt und/oder in dem Prüfkopf 250 eingebaut, so dass die Kalibrierung eines speziellen Prüfkopfs 250 auf seinem eigenen Festspeicherbauelement vorgesehen ist. Wenn der Prüfkopf 250 mit einem Messsystem unter Verwendung eines Verbindungssteckers gekoppelt ist, werden die Kalibrierparameter des Prüfkopfs 250 vorzugsweise durch das Messsystem über Steckanschlüsse wiedergewonnen und werden verwendet, um die Geschwindigkeit V_B zu messen. Alternativ oder zusätzlich ist mindestens ein wenig Signalverarbeitungsschaltungsanordnung im Prüfkopf 250 selbst eingebaut, welche Schaltungsanordnung die Kalibrierinformation verwenden kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Festwertspeicher eine Prüfkopfidentifizierungsnummer und/oder Gebrauchsinformation einschließen, was besonders nützlich ist, wenn ein Messsystem gleichzeitig mit mehr als einem Prüfkopf verwendet wird, der daran angeschlossen ist.
Einer oder mehrere der folgenden Parameter werden vorzugsweise kalibriert und/oder auf dem Festwertspeicher gespeichert:

(a) Abstände zwischen Elementen;
(b) Amplituden von verschiedenen parasitären Wellen;
(c) Zeitgrenzen, minimale und/oder maximale, außerhalb von denen parasitäre Wellen an einem Empfänger ankommen können;
(d) Dämpfungspegel von Ultraschallwellen;
(e) Sende- und/oder Empfangsfrequenz und/oder räumliches Ansprechverhalten der Sender und/oder Empfänger;
(f) Bandbreitenresonanzeigenschaften der Sender und/oder Empfänger
(g) relative Dicke der Schallkammer, die unter einzelnen Ultraschallelementen liegt; und
(h) Kammermaterialschallgeschwindigkeit, die mehrere Geschwindigkeiten einschließen kann, eine für jede Betriebsfrequenz.

Eine Knochenschallgeschwindigkeitsmessung weist viele Verwendungen auf. Eine erste Verwendung ist ein Auffinden von Brüchen und Beanspruchungen in Knochen. Wenn ein Knochen überbeansprucht oder gebrochen ist (selbst ein Haarriss, der in Röntgenbildern kaum zu sehen ist), ändert sich seine Schallgeschwindigkeit an den Stellen, die den Bruch umgeben, merklich. Wegen der hohen Auflösung können Brüche in den Handwurzelgelenkknochen identifiziert werden.
Eine zweite Verwendung besteht in einer Veranschlagung der Dichte des Knochens und Teilen davon, um den Verlust an Mineralien im Knochen aufgrund von Krankheiten des Knochens, Osteoporose oder Umgebungen von geringer Schwerkraft zu bestimmen. Es sollte angemerkt werden, dass die Geschwindigkeit hauptsächlich vom Youngschen Modul abhängt, d. h. je niedriger die Geschwindigkeit, desto schwächer der Knochen.
Eine dritte Verwendung besteht darin, den Heilungsprozess eines gebrochenen Knochens grafisch darzustellen. Es ist eine gewöhnliche Praxis heutzutage, den beschädigten Knochen in einem Gipsverband zu halten, bis eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Jedoch erfordern einige Patienten eine längere oder kürzere Heilperiode. Röntgenbilder zeigen normalerweise nicht genug Einzelheit, um die Unversehrtheit des Knochens auszuwerten. Durch Messen und grafisches Darstellen von Änderungen in der Knochenschallgeschwindigkeit kann ein Arzt den Zustand der Knocheninstandsetzung genauer veranschlagen. Ein kleines Loch wird in den Gipsverband gebohrt, und die Knochenschallgeschwindigkeit wird gemessen, ohne dass der Gipsverband entfernt wird. Bei einigen Patienten ist es vorteilhaft, Änderungen in Knochenschallgeschwindigkeiten von Gegengliedern zu vergleichen.
Eine andere Verwendung ist zum Messen der Dicke des Kortex des Knochens. 12 stellt den Knochen 18 mit einem inneren Kern 316 und einem Kortex 314 dar. Der allgemeine Durchmesser des Knochens 18 ist D, und der Durchmesser des inneren Kerns 316 ist d. Folglich beträgt die Dicke des Kortex 314 (D – d)/2.
Der Rechner 259 veranschlagt die Dicke des Kortex 314 durch Verwendung einer theoretisch hergeleiteten und empirisch bestätigten, dimensionlosen Kurve von normierte Geschwindigkeit gegen normierte Dicke, wie in 13 dargestellt, auf die nun Bezug genommen wird. Eine Erörterung der Erzeugung der Kurve in 13 wird in dem Buch Stress Waves in Solids, Verfasser H. Kolsky, Oxford und Clarendon Press, 1953, erörtert. Weiter kann der in den 1–9 dargestellte Prüfkopf 250 vorteilhafterweise für diese Bestimmungen verwendet werden.
Die genaue Form der Kurve variiert mit dem Typ von Material, das gemessen wird. Jedoch ist es von den gegenwärtigen Erfindern bestimmt worden, dass die Form der Kurve für menschliche Knochen etwa konstant ist.
Die Geschwindigkeit V_L in der Kurve von 13 ist durch die Geschwindigkeit V_o normiert, die in einem unendlichen Festkörper erreicht werden würde, und die Dicke ist durch die Wellenlänge λ der Welle vom Sender normiert. λ ist natürlich durch V_B bestimmt λ = VB/f (23)wobei f die Frequenz der Ultraschallwelle ist. Es ist durch die Erfinder bestimmt worden, dass die Kurve etwa dieselbe ist, ob die Dicke die Dicke D (12) des Knochens 18 ist, oder die Dicke (D – d)/2 (12) des Kortex 314 ist. Die nahegelegte Erklärung ist, dass, wenn der Kortex in Bezug zu λ dick ist, die inneren Teile des Knochens keine Wirkung auf die Schallgeschwindigkeit aufweisen. Jedoch, wenn der Kortex in Bezug zu λ dünn ist, die inneren Teile des Knochens die Schallgeschwindigkeit beeinträchtigen. Die inneren Teile der Knochen sind normalerweise viel weicher als der Kortex, so dass ihre Schallgeschwindigkeit viel niedriger als die Schallgeschwindigkeit des Kortex ist. Folglich, wenn eine höhere Frequenz verwendet wird, kann eine Geschwindigkeit in einer dünneren Kortexknochenschicht gemessen werden. Die verwendete Frequenz wird so gewählt, dass sie einer erwarteten Knochenschichtdicke entspricht. Alternativ oder zusätzlich ist ein Filter auf dem Empfänger platziert. Alternativ oder zusätzlich wird die empfangene Welle frequenzanalysiert. Alternativ oder zusätzlich werden mehrere Frequenzen geprüft, um zu bestimmen, welche Frequenz am geeignetsten ist. Alternativ oder zusätzlich wird ein Breitbandimpuls verwendet und die höchstgeeignete (die sich durch einen dünnen Kortex ausbreiten kann) Frequenz kommt im Allgemeinen zuerst an, wobei die niedrigeren Frequenzen signifikant nacheilen.
Es wird angemerkt, dass die Kurve ein Gebiet 330 für verhältnismäßig kleine Geschwindigkeitsverhältnisse und kleine Durchmesser/Wellenlänge-Verhältnisse und ein Gebiet 332 für Durchmesser/Wellenlänge-Verhältnisse, die größer sind als etwa 1,5, in dem die Ordinate assymptotisch an 1,0 verläuft, aufweist.
Um die Dicke (D – d)/2 für einen Knochen 18 zu veranschlagen, macht der Prüfkopf zwei Messungen, einmal mit einer Hochfrequenzwelle und einmal mit einer Niederfrequenzwelle. Für jede Messung bestimmt der Rechner 259 die Wellengeschwindigkeit im Knochen. Alternativ ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Prüfkopf 250 ein Breitbandprüfkopf und wird nur einmal betrieben. Zusätzlich umfasst der Prüfkopf 250 vorzugsweise Frequenzfilter, um empfangene Hochfrequenzsignale von Niederfrequenzsignalen zu separieren. Folglich werden die Hochfrequenzgeschwindigkeit und die Niederfrequenzgeschwindigkeit gleichzeitig unter Verwendung derselben Breitbandaussendung gemessen.
Das Ansprechen auf die Hochfrequenzeingangswelle, die eine niedrige Wellenlänge λ aufweist, liefert irgendwo entlang dem Gebiet 332 einen Geschwindigkeitsdatenpunkt 334, von dem die Geschwindigkeit V_o bestimmt werden kann. Die genaue Stelle des Datenpunkts 334 ist unbekannt, da die Dicke noch nicht bestimmt ist. Jedoch ist seine genaue Stelle im Allgemeinen unwichtig.
Das Ansprechen auf die Niederfrequenzmessung liefert irgendwo im Gebiet 330 einen Geschwindigkeitsdatenpunkt 336. Weil die Geschwindigkeit V_L aus der Messung bekannt ist und die Geschwindigkeit V_o von der vorherigen Messung bekannt sein mag, ist die Stelle des Datenpunkts 336 auf der Kurve bekannt. Deshalb kann das Verhältnis (D – d)/(2*λ) bestimmt werden. Da λ aus der Frequenz des Senders und den bekannten Geschwindigkeiten bekannt ist, kann die Dicke des Kortex 314 (D – d)/2 bestimmt werden.
Es sollte ersichtlich sein, dass die Kortexdickenmessung praktischer ist, wenn man das vorliegende Verfahren zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung verwendet, als wenn man herkömmliche Verfahren verwendet. Hochfrequenzwellen dämpfen schnell, wenn sie sich durch Knochenmaterial ausbreiten. Folglich sind, nur wenn der Pfad im Knochen 18 kurz ist, wie es unter Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich ist, Messungen unter Verwendung von Hochfrequenzultraschallwellen praktisch. Folglich ist die verwendete Hochfrequenzwelle höher als in den herkömmlichen Vorrichtungen und deshalb für die dünneren Knochen geeignet.
Der Prüfkopf 250 wird verwendet, um eine unterschiedliche der obigen vier Variablen (V_B, V_S, φ und h), dann V_B zu bestimmen. Insbesondere ist es möglich, die Geschwindigkeit im Weichteilgewebe 22 unter Verwendung der Verfahren und Vorrichtungen, die vorstehend beschrieben sind, zu bestimmen.
Eine Weichteilgeschwindigkeitsmessung kann von einem Gewebe gemacht werden, das im Innern eines zweiten Gewebes eingebettet ist. Ein Beispiel für eine solche Messung besteht in einer Bestimmung der Schallgeschwindigkeit einer verdächtigen krebsartigen Verdickung. Die Weichteilgeschwindigkeit wird entlang zwei Pfaden bestimmt, einem, der die Verdickung einschließt, und einem, der sie nicht einschließt. Wenn die Größe der Verdickung von einem Bildreproduktionsgerät bekannt ist, kann die Schallgeschwindigkeit in der Verdickung bestimmt werden, indem ihr Effekt auf die mittlere Weichteilge schwindigkeit bestimmt wird, die durch die hierin beschriebenen Verfahren gemessen ist. Weichteilgewebescannen wird bewerkstelligt, indem eine Vorrichtung vom Gittertyp verwendet wird, wie oben beschrieben, so dass es leicht ist, auszuwählen, welchen Pfad sich ein Ultraschallimpuls entlang des Weichteilgewebes ausbreitet, indem eine Elektrifizierung von Elementen variiert wird, statt dass ein Prüfkopf oder seine Elemente bewegt werden.
Eine Schicht von Weichteilgewebe kann diagnostiziert werden, indem die Schallgeschwindigkeit, Dämpfung, frequenzabhängige Dämpfung und/oder Dispersion in der Schicht von Weichteilgewebe gemessen werden. Vorzugsweise ist das Schallfett, das verwendet wird, um den Prüfkopf an den Körper zu koppeln Siliconöl mit einer Schallgeschwindigkeit von etwa 1020 m/s. Alternativ oder zusätzlich wird ein Fett ausgewählt, das Hautporen nicht füllt. Alternativ oder zusätzlich wird der Prüfkopf 250 nicht zu hart gegen das Weichteilgewebe auf eine Weise gepresst, die es zusammendrücken könnte. Indem die Frequenz der Welle geändert wird, und/oder indem ein Breitbandimpuls gesendet wird und frequenzabhängige Antworten bestimmt werden, ist es möglich, das Weichteilgewebe 22 mit der Welle bis zu einer vorbestimmten Tiefe zu durchdringen. Als solche kann die Geschwindigkeit des Impulses in einer speziellen Schicht im Weichteilgewebe 22 (z. B. Haut 20, hypodermatische Schicht usw.) bestimmt werden. Im Allgemeinen weist jede aufeinanderfolgende Schicht von Haut im Allgemeinen eine größere Dicke und eine höhere Ultraschallgeschwindigkeit auf als die Schicht darüber. Eine Hautanalyse wird zur Dermatologie, Diabetesdiagnose und/oder anderen Endokrinologieverwendungen verwendet. Der Abstand zwischen Sendern und Empfängern im Prüfkopf 250 wird verringert, so dass sich keine Welle durch den Knochen 18 schneller als durch die Haut ausbreitet. Alternativ oder zusätzlich können andere Eigenschaften des Prüfkopfs 250 modifiziert werden, einschließlich Teilungsabstand von Ultraschallelementen und Kalibriereinstellungen, insbesondere Zeitfenster für para sitäre Wellen. Diese Modifikationen werden vorzugsweise so gemacht, dass Wellen, die sich entlang oberen Schichten des Weichteilgewebes ausbreiten, detektiert werden, während Wellen, die sich entlang anderer Pfade im Weichteilgewebe und/oder selbst im Knochen ausbreiten, nicht detektiert werden oder außerhalb eines Zeitfensters ankommen, in dem Weichteilwellen erwartet werden.
Als eine Veranschlagung einer Weichteilschichtdicke, durch die sich die schnellste Welle ausbreitet, kann eine Dicke von etwa der Wellenlänge λ = c/f erwartet werden, wobei c die Ultraschallgeschwindigkeit im Weichteilgewebe 22 (in m/s) ist und f die Frequenz (in Hz) ist. Die schnellste Welle bestimmt die effektive Dicke, in der eine Weichteilmessung gemacht wird. Z. B., wenn die Frequenz etwa 1 MHz ist und die Geschwindigkeit im Weichteilgewebe 22 etwa 1500 m/s ist, ist die Dicke der Schicht (des Weichteilgewebes 22), in dem die Messung gemacht wird, etwa zwischen 1,5 und 2,0 mm.
Es ist auch möglich, zusätzliche Sender und/oder entsprechende Empfänger bereitzustellen, um Geschwindigkeiten in verschiedenen Schichten des Weichteilgewebes zu bestimmen. Wie oben beschrieben, kann die Geschwindigkeit im Weichteilgewebe 22 bestimmt werden, indem die Zeit eines vierten Impulses gemessen wird und die Gleichungen oben nach der Geschwindigkeit im Weichteilgewebe 22 aufgelöst werden. Eine Geschwindigkeit und Dicke einer zweiten Weichteilschicht kann bestimmt werden, wenn zwei zusätzliche Messungen einer Laufzeit gemacht werden. Folglich ist es möglich, die Geschwindigkeit eines Impulses in z. B. einer Schicht von Fettgewebe und in einer Schicht von Muskelgewebe zu bestimmen.
Es sollte angemerkt werden, dass viele Verfahren nach dem Stand der Technik zur Knochenschallgeschwindigkeitsbestimmung eine ungenaue Veranschlagung für die Werte von Weichteildicke und Weichteilgeschwindigkeit verwenden. Wenn eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um ge nauere Werte für die Weichteildicke und -geschwindigkeit zu bestimmen, ergeben diese Stand-der-Technik-Verfahren genauere Ergebnisse.
Zusätzlich ist eine Messung der Weichteilgeschwindigkeit zur Bestimmung eines Wasser-, Fett- und Muskelgehalts des Gewebes nützlich. Folglich kann eine Dehydrierung und Rehydrierung eines Patienten analysiert werden, indem über ein Zeitintervall die Weichteilgeschwindigkeit in einem ausgewählten Teil des Körpers des Patienten gemessen wird. Das Muskel/Fett-Verhältnis des Gewebes kann bestimmt werden, wenn der Wassergehalt des Gewebes bekannt ist, oder durch Mittelwertbilden von mehreren Ergebnissen, die gewonnen werden, bevor und nachdem der Patient Wasser trinkt.
Wenn eine menschliche weibliche Brust gescannt wird, kann die Luft-Gewebe-Grenze als eine Reflexionsebene verwendet werden. Vorzugsweise wird die Brust gegen eine elastische Form gedrückt, so dass sie sich während eines Abbildens nicht bewegt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Scannen unter Verwendung eines Zellenarrays erreicht, wie vorstehend beschrieben. Vorzugsweise umfassen die Scans Scans desselben Weichteilgewebes von mehreren Richtungen, so dass ein Geschwindigkeitsbild des Gewebes vorzugsweise unter Verwendung von tomografischen Verfahren rekonstruiert werden kann.
Wie oben beschrieben, wird die Ankunft einer Welle von dem Knochen normalerweise durch diejenige Welle bestimmt, die eine erste Welle ist, die an einem speziellen Empfänger ankommt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine erste Welle von einem Knochen detektiert, selbst wenn sie nicht eine erste Welle an dem Empfänger ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Verwendung von der Tatsache gemacht, dass die Welle, die sich durch den Knochen ausbreitet, andere Eigenschaften aufweist als eine Welle, die sich nur durch Weichteilgewebe ausbreitet und/oder eine Welle, die sich durch den Prüfkopf 250 ausbreitet. Ein Beispiel für eine andere Eigenschaft ist frequenzabhängige Dämpfung. Ein anderes Beispiel ist frequenzabhängige Dispersion. Folglich, wenn eine Welle an einem Empfänger detektiert wird, kann diese Welle analysiert werden, um zu bestimmen, wenn die Welle von einer Welle vom "Weichteilgewebe"-Typ zu einer Welle von einem "Knochen"-Typ wechselt. Alternativ oder zusätzlich, wenn eine Welle damit beginnt, von dem Knochen anzukommen, kann ein Anstieg in der Amplitude von mindestens gewissen Frequenzkomponenten detektiert werden. Da diese neuankommende Welle zusätzlich zu der Weichteilausbreitungswelle ist.
Eine gewünschte Welle wird in einem Verfahren detektiert, das die obigen Erwägungen umgeht und/oder ergänzt. Diese Ausführungsform beruht auf der folgenden Beobachtung: Wenn eine einzelne Welle von einem Sender ausgesendet wird und durch zwei unterschiedliche Empfänger empfangen wird, weisen die empfangenen Wellen ähnliche Eigenschaften auf. Insbesondere ist die Änderung in der Welle, die auftritt, wenn eine Welle von dem Knochen ankommt, ähnlich für die zwei Empfänger, obwohl das Hintergrundsignal, das durch Wellen hervorgerufen wird, die sich durch Weichteilgewebe ausbreiten, unterschiedlich ist. Die Signalkurvenspuren von zwei Empfängern sind miteinander korreliert. Es wird erwartet, dass eine starke Korrelation detektiert wird, wo die Knochenausbreitungswellen an den Empfängern ankommen. Ein Bestimmen einer Zeitverzögerung durch Korrelation kann in einigen Fällen genauer sein als durch eine erstangekommene Welle und kann auch gegen Rauschen widerstandsfähiger sein. Die Korrelation ist auf ein Zeitfenster beschränkt, in welchem Wellen von dem Knochen erwartet werden. Alternativ oder zusätzlich wird eine periodisch gepulste Welle verwendet, so dass der Effekt einer richtigen Korrelation vervielfacht wird und gegen eine Entsprechung zu dem Impulsfolgeschema geprüft werden kann.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Schallgeschwindigkeit in einem Segment eines Knochens, der mit einer Schicht von Weichteilgewebe mit einer äußeren Oberfläche bedeckt ist, umfassend: Bestimmen einer ersten Laufzeit einer ersten Ultraschallwelle entlang einem ersten Pfad von der äußeren Oberfläche zurück zu der äußeren Oberfläche, welcher Pfad einen ersten Knochenpfad in mindestens einem Teil des Knochensegments und einen ersten Weichteilpfad in mindestens einem Teil des Weichteilgewebes umfasst; Bestimmen einer zweiten Laufzeit einer zweiten Ultraschallwelle entlang einem zweiten Pfad von der äußeren Oberfläche zurück zu der äußeren Oberfläche, welcher Pfad einen zweiten Knochenpfad in mindestens einem Teil des Knochensegments und einen zweiten Weichteilpfad in mindestens einem Teil des Weichteilgewebes umfasst; Bestimmen einer dritten Laufzeit einer dritten Ultraschallwelle entlang einem dritten Pfad von der äußeren Oberfläche zurück zu der äußeren Oberfläche, welcher Pfad einen dritten Knochenpfad in mindestens einem Teil des Knochensegments und einen dritten Weichteilpfad in mindestens einem Teil des Weichteilgewebes umfasst; und Definieren von Beziehungen zwischen der Schallgeschwindigkeit im Knochen und den Laufzeiten durch einen Satz von simultanen Gleichungen; und Herleiten eines Werts für die Schallgeschwindigkeit im Knochen als Antwort auf eine Lösung des Satzes von simultanen Gleichungen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle simultan durch einen einzigen Sender erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle simultan durch einen einzigen Empfänger detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz aufweisen, die bei Erzeugung im Wesentlichen dieselbe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz aufweisen, die bei Erzeugung im Wesentlichen verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz aufweisen, die bei Detektion im Wesentlichen verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem mindestens zwei von der ersten, zweiten und dritten Welle jeweils eine mittlere Frequenz aufweisen, die bei Detektion im Wesentlichen dieselbe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem mindestens zwei von dem ersten, zweiten und dritten Weichteilpfad eine Überlagerung von mindestens 20% ihrer Länge aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem mindestens zwei von dem ersten, zweiten und dritten Weichteilpfad eine Überlagerung von mindestens 30% ihrer Länge aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem sich keine zwei von dem ersten, zweiten und dritten Weichteilpfad um mehr als 20% ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem sich keine zwei von dem ersten, zweiten und dritten Weichteilpfad um mehr als 30% ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem sich mindestens zwei von dem ersten, zweiten und dritten Knochenpfad um mindestens 20% ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem sich mindestens zwei von dem ersten, zweiten und dritten Knochenpfad um mindestens 40% ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem sich mindestens zwei von dem ersten, zweiten und dritten Knochenpfad um mindestens 70% ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem sich keine zwei von dem ersten, zweiten und dritten Knochenpfad um 20% oder mehr ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem sich keine zwei von dem ersten, zweiten und dritten Knochenpfad um 40% oder mehr ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem sich keine zwei von dem ersten, zweiten und dritten Knochenpfad um 70% oder mehr ihrer Länge überlagern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, umfassend ein Veranschlagen einer Weichteilgeschwindigkeit und bei dem ein Herleiten der Schallgeschwindigkeit ein Herleiten der Knochengeschwindigkeit unter Verwendung der veranschlagten Weichteilgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, umfassend ein Bestimmen einer vierten Laufzeit einer vierten Ultraschallwelle entlang einem vierten Pfad von einem Startpunkt auf der äußeren Oberfläche zurück zu einem Endpunkt auf der äußeren Oberfläche, welcher Pfad mindestens einen vierten Teil des Knochensegments umfasst, und wobei der Satz von Gleichungen mindestens eine Gleichung umfasst, die eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit im Knochen und der vierten Laufzeit definiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, bei dem geometrische Projektionen von mindestens zwei von den Schallwellenpfaden auf die äußere Oberfläche parallel sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, bei dem keine geometrischen Projektionen der Schallwellenpfade auf die äußere Oberfläche parallel zueinander sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, bei dem die Schallwellen durch Ultraschallelemente an deren Stirnflächen erzeugt und detektiert werden und bei dem die Stirnflächen nicht koplanar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–22, bei dem die äußere Oberfläche zu einer äußeren Oberfläche des Knochens nicht parallel ist, während sich die Wellen durch den Knochen ausbreiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–23, bei dem ein Herleiten ein Lösen eines Satzes von simultanen Gleichungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–24, umfassend ein Wiederholen des Bestimmens von Laufzeiten und des Herleitens einer Schallgeschwindigkeit für eine Mehrzahl von Knochensegmenten, um eine Knochenschallgeschwindigkeitskarte von mindestens einem Teil eines Knochens zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–25, umfassend ein Wiederholen des Bestimmens von Laufzeiten und des Herleitens einer Schallgeschwindigkeit für eine Mehrzahl von Ausbrei tungsorientierungen der Wellen durch den Knochen, um eine Karte einer richtungsabhängigen Knochenschallgeschwindigkeit von mindestens einem Teil eines Knochens zu erzeugen.
Verfahren zum Bestimmen von mindestens einer von einem Satz von Unbekannten, wobei jeder Satz eine Knochenschallgeschwindigkeit, Weichteilgeschwindigkeit, eine Dicke des Weichteilgewebes und einen Neigungswinkel einer äußeren Oberfläche des Weichteilgewebes in Bezug zu dem Knochen umfasst, umfassend: Bestimmen der Laufzeit von mindestens drei Ultraschallwellen, die sich von der Oberfläche zu dem Knochen, entlang einem Gebiet in dem Knochen und zurück zu der Oberfläche ausbreiten; Annehmen eines Werts für mindestens eine von den Unbekannten; Definieren von Beziehungen zwischen den übrigen Unbekannten durch einen Satz von simultanen Gleichungen, die von den Laufzeiten und dem angenommenen Wert abhängen; und Herleiten von mindestens einer von den Unbekannten von den drei bestimmten Laufzeiten und von dem angenommenen Wert durch Lösen des Satzes von simultanen Gleichungen.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die angenommene Unbekannte eine Weichteilgeschwindigkeit umfasst.
Prüfkopf zur Knochenschallgeschwindigkeitsmessung, umfassend: mindestens vier Ultraschallelemente, von denen mindestens eines einen Sender umfasst und von denen mindestens eines einen Empfänger umfasst, und einen Kontroller, der an den mindestens einen Sender angepasst ist, um mindestens drei Ultraschallwellen durch eine Schicht von Weichteilgewebe zu einem Knochen zu senden, welcher Kontroller angepasst ist, um über den mindestens einen Empfänger mindestens Laufzeiten der mindestens drei Wellen nach Ausbreitung in dem Knochen zu detektieren, und welcher Kontroller angepasst ist, um eine Knochenschallge schwindigkeit oder eine Weichteilgeschwindigkeit oder Dicke von Weichteilgewebe oder eine Neigung einer äußeren Oberfläche des Weichteilgewebes in Bezug zu dem Knochen herzuleiten, wie in einem der vorangehenden Ansprüche definiert.
Prüfkopf nach Anspruch 29, bei dem die mindestens vier Ultraschallelemente drei Sender und einen Empfänger umfassen.
Prüfkopf nach Anspruch 29, bei dem die mindestens vier Ultraschallelemente drei Empfänger und einen Sender umfassen.
Prüfkopf nach Anspruch 29, bei dem die mindestens vier Ultraschallelemente zwei Empfänger und zwei Sender umfassen.
Prüfkopf nach einem der Ansprüche 29–32, bei dem alle Ultraschallelemente koplanar sind.
Prüfkopf nach einem der Ansprüche 29–32, bei dem nicht alle Ultraschallelemente koplanar sind.
Prüfkopf nach einem der Ansprüche 29–34, wobei der Prüfkopf eine Oberfläche aufweist, die angepasst ist, um gegen eine Hautschicht eines Weichteilgewebes gedrückt zu werden und wobei die Ultraschallelemente gegenüber der Oberfläche unter einem Neigungswinkel geneigt sind.
Prüfkopf nach Anspruch 35, wobei die Ultraschallelemente unter einem Winkel geneigt sind, der an eine erwartete Knochenschallgeschwindigkeit in einem Knochen angepasst ist, für den der Prüfkopf ausgebildet ist.
Prüfkopf nach einem der Ansprüche 29–36, bei dem der Kontroller den Sender zur Aussendung einer einzigen Welle steuert und wenigstens drei Ultraschallelemente zum Empfang von drei Wellen steuert, die von der einzigen Welle aus als diese drei Wellen gestreut werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–27, wobei die Endpunkte nicht kollinear sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–27 oder 38, wobei die Endpunkte in einer festen räumlichen Beziehung stehen.
Prüfkopf nach einem der Ansprüche 29–37, wobei die Ultraschallelemente in einer festen räumlichen Beziehung stehen.