DE69827181T2

DE69827181T2 - Dünnfilm akustische Wandleranordnung

Info

Publication number: DE69827181T2
Application number: DE69827181T
Authority: DE
Inventors: Richard B. Mazess; Richard F. Morris; Scott A. Wiener
Original assignee: Lunar Corp; GE Lunar Corp
Current assignee: GE Lunar Corp
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: DE69827181D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, die zur Messung der Dichte von Gliedern bzw. Gliedmaßen, wie beispielsweise Knochen, verwendet werden und im Besonderen Vorrichtungen, die akustische Ultraschallsignale zur Messung der physischen Eigenschaften und Integrität der Glieder einsetzen.
Derzeit gibt es verschiedene Vorrichtungen, die zum Messen der physischen Eigenschaften und der Integrität eines Glieds, wie beispielsweise eines Knochens verwendet werden können. Vorrichtungen zur nichtinvasiven Dichtemessung können zur Bestimmung von kumulativen inneren Schäden, die durch Mikroquetschungen und Mikrofrakturen in den Knochen von Menschen und Tieren, wie beispielsweise Rennpferden, auftreten, verwendet werden. Zudem werden der Nachweis von Osteoporose, oder die Abnahme des Mineralgehalts der Knochen, beim Menschen und deren Behandlung oder Vorbeugung immer mehr zu Gebieten von intensivem medizinischen und biologischen Interesse. Mit steigendem Durchschnittsalter der Bevölkerung leiden immer mehr Patienten an Komplikationen, die durch einen raschen trabekulären Knochenabbau bedingt sind.
Das U.S.-Patent Nr. 3.847.141 (Hoop), offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Dichte einer Knochenstruktur, wie eines Fingerknochens oder eines Fersenbeins, um den Calciumgehalt dieser zu überwachen. Die Vorrichtung umfasst ein Paar an einander gegenüberliegend beabstandet angeordneten Ultraschallwandlern, die in einer Klemmvorrichtung gehalten werden, die an den zu analysierenden Knochen geklammert ist. Ein Impulserzeuger ist mit einem der Wandler gekoppelt, um eine. Ultraschallwelle zu erzeugen, die durch den Knochen an den anderen Wandler übertragen wird. Ein elektrischer Schaltkreis koppelt die Signale vom Empfangswandler zum Impulserzeuger zurück, um den Impulserzeuger erneut als Antwort auf diese Signale auszulösen. Die Impulse werden deshalb mit einer Frequenz erzeugt, die proportional zur Laufzeit ist, die die Ultraschallwelle zum Durchtreten der Knochenstruktur benötigt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Schalls durch den Knochen hindurch ist. Es wurde herausgefunden, dass die Schallgeschwindigkeit durch einen Knochen hindurch proportional zur Knochendichte ist. Die Frequenz, mit der der Impulserzeuger erneut ausgelöst wird, ist somit proportional zur Dichte des Knochens.
Eine weitere Vorrichtung zur In-vivo-Bestimmung der Knochenfestigkeit ist in den U.S.-Patenten Nr. 4.361.154 und Nr. 4.421.119 (Pratt, Jr.), geoffenbart. Die Vorrichtung umfasst einen Sendewandler und einen Empfangswandler, die mit einer Noniusskala verbunden sind und die die Schallgeschwindigkeit durch den Knochen hindurch ermitteln, um die Festigkeit dessen zu bestimmen. Der Nonius wird zur Messung der gesamten Laufdistanz zwischen den Oberflächen der beiden Wandler eingesetzt.
Lees (Lees, S., Sonic Properties of Mineralized Tissue/Tissue Characterization with Ultrasound, S. 207–226, CRC Publication 2, 1986) erörtert verschiedene Studien, die die Schwächung und die Geschwindigkeit von Schallmessungen sowohl in der Cortex als auch in der Spongiosa (Trabekulärschicht) des Knochens beinhalten. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen eine lineare Beziehung zwischen der nassen Schallgeschwindigkeit und der nassen Cortexdichte sowie zwischen der trockenen Schallgeschwindigkeit und der trockenen Cortexdichte. Die Laufzeiten eines akustischen Signals durch ein Knochenglied sind demnach proportional zur Knochendichte. Langton et al. (Langton, C. M., Palmer, S. D. und Porter, S. W., The Measurement of Broad Band Ultrasonic Attenuation in Cancellous Bone, Eng. Med. 13, 89–91, 1984) veröffentlichten die Ergebnisse einer Studie der Ultraschallschwächung über Frequenz im Calcaneus (Fersenbein), die Durchschallungsverfahren einsetzte. Diese Autoren nahmen an, dass die Unterschiede in der Schwächung, die bei verschiedenen Versuchspersonen beobachtet wurden, auf Änderungen im Mineralgehalt des Calcaneus zurückzuführen waren. Sie nahmen weiters an, dass eine Niederfrequenz-Ultraschallschwächung als Parameter für die Diagnose von Osteoporose oder als Indikator eisnes möglichen Frakturrisikos nützlich sein kann.
Eine Wandleranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der U.S.-A Nr. 4.950.936 bekannt. Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
Die akustische Wandleranordnung der Erfindung kann kostengünstig hergestellt werden und ist zur Verwendung bei der Erzeugung von Knochendichtebildern der menschlichen Ferse oder in anderen Anwendungen geeignet.
Die piezoelektrische Folie wird gegebenenfalls nur an den Bereichen nahe den ersten Elektroden und nicht an Bereichen zwischen den ersten Elektroden polarisiert. Die leitenden Anschlüsse sind gegebenenfalls über einen akustisch durchlässigen Leiter, wie beispielsweise metallisiertes Mylar, an den ersten Elektroden angeschlossen.
Durch das Anordnen der leitenden Anschlüsse und der Auflagefläche entfernt von den empfindlichen Bereichen, durch Verwenden von akustisch durchlässigen Leitern und durch Senken des piezoelektrischen Effekts an den Berührungspunktenzwischen den Anschlüssen und der Folie werden Messartefakte minimiert.
Die vorangegangenen sowie zusätzliche Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor. In dieser Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen, die Teil hiervon sind und in denen zum Zweck der Veranschaulichung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform steht jedoch nicht notwendigerweise für den gesamten Schutzumfang der Erfindung, und zur Auslegung des Schutzumfangs der Erfindung muss auf die Ansprüche verwiesen werden.
Es wird angemerkt, dass in die folgende Beschreibung gegebenenfalls auf Beispiele Bezug genommen wird, die keine Ausführungsformen der Erfindung sind, auch wenn dies anders vermerkt ist.
In den Zeichnungen ist:
1 eine perspektivische Ansicht der Ultraschall-Densitometervorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines akustischen Kopplers, von dem zwei in 1 gezeigt sind;
3 eine Vorderansicht der Stirnseite eines Wandlers, von dem akustische Signale ausgesandt werden oder der akustische Signale empfängt, wobei die Stirnseite des anderen Wandlers das Spiegelbild dessen ist;
4 eine schematische Blockdiagrammansicht des Schaltsystems der Ultraschall-Densitometervorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
5 eine Veranschaulichung des Verfahrens der Abtastung einer empfangenen Wellenform, das der Schaltkreis aus 4 einsetzt;
6 eine schematische Blockdiagrammansicht des Schaltsystems einer alternativen Ausführungsform des Ultraschall-Densitometers, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
7 die Abtastung eines tatsächlichen Ultraschallimpulses und einer Antwort eines Ultraschall-Densitometers gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ein Abtastungsdiagramm einer relativen Ultraschallimpulsintensität über Frequenzbereich;
9 ein Graph im Frequenzbereich, der die Verschiebung der Schwächung in Abhängigkeit von der Frequenzcharakteristik eines gemessenen Objekts im Vergleich zu einer Referenz zeigt;
10 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Becken zur Aufnahme des Fußes eines Patienten mit eingebauten, einander gegenüberliegenden Ultraschallwandlern zeigt;
11 eine Draufsicht auf eine Fußplatte und einen Zehenstift, der in der Ausführungsform aus 10 verwendet werden;
12 eine Detailansicht im Querschnitt der Fußplatte aus 11, die das Verfahren des Befestigens des bewegbaren Zehenstifts der Fußplatte zeigt;
13 ein Blockdiagramm eines Systems zum Transport der akustischen Kopplungsflüssigkeit, das in der Ausführungsform aus 10 eingesetzt wird;
14 eine schematische Blockdiagrammansicht des Schaltsystems der Ausführungsform aus 10;
15 eine Explosionsansicht der Unterseite des Fußbeckens aus 10, die eine Schraubzwinge zum Halten der gegenüberliegenden Ultraschallwandler in präziser Ausrichtung und Abstand zeigt;
16 eine detaillierte perspektivische Ansicht des Schafts der Schraubzwinge aus 15, die einen Hebel zum Bewegen des Abstands der Wandler zwischen einem offenen und einem präzise beabstandeten geschlossenen Zustand zeigt;
17 ein Querschnitt einer menschlichen Ferse und der Ultraschallwandler des Beckens aus 10, der biegsame, mit Flüssigkeit gefüllte Blasen zeigt, die die Wandler umgeben und eine Kopplungsweg zwischen den Wandlern und der Ferse bereitstellen;
18 eine graphische Darstellung der Laufzeit (TOF) für zwei Knochenzustände und die Breitbandultraschallschwächung (BUA) als Funktion der Fersenbreite, die ihre umgekehrten funktionellen Abhängigkeiten zeigt;
19 eine graphische Darstellung der Knochenbeschaffenheit über die Knochenbreite, die durch die empirische Messung von mehreren Knochenmodellen erhalten werden und zur Ausschaltung der Auswirkungen der Knochenbreite in der Ultraschalluntersuchung der Knochenbeschaffenheit eingesetzt werden kann;
20 eine Explosionsansicht der Elemente einer Ultraschalldetektoranordnung, die einen Antriebsmechanismus zur Verbesserung der Auflösung der erfassten Daten und der Positionierung einer piezoelektrischen Foliendetektoranordnung oberhalb eines räumlich versetzten Verbindungsstücks zeigt;
21 eine detaillierte Teilansicht des piezoelektrischen Foliendetektors mit auf seiner Oberfläche angeordneten Elektroden, die mit den Verbindungsanschlüssen über die akustisch durchlässigen Leiter kommunizieren;
22 eine detaillierte Teilansicht der piezoelektrischen Folien aus 21, die ein Verfahren zum Zusammenfügen der akustisch durchlässigen Leiter zeigt;
23 eine detaillierte Ansicht der Stirnseite des Detektors, die dessen Verschiebung durch den Antriebsmechanismus aus 20 zeigt;
24 eine der 17 ähnliche Figur, die die Verwendung der Detektoranordnung zur Bereitstellung eines fokussierten Empfangs an einem Punkt im Inneren der Ferse zeigt;
25 eine perspektivische Ansicht der Ferse eines Patienten als Durchsicht, die ein Rasterabtastungsmuster eines Empfangspunkts im Inneren der Ferse zur Messung der volumetrischen Knochendichteveränderungen innerhalb eines inneren und eines äußeren Abschnitts des Calcaneus zeigt;
26 eine schematische Darstellung eines Datenwürfels, der beim Abtasten aus 25 erfasst wurde, mit Isodichte-Linien, die zum Lokalisieren einer interessierenden Messregion verwendet werden;
27 ein Flussdiagramm der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beim gleichmäßigen Lokalisieren einer interessierenden Region bei mehreren Arztbesuchen; und
28 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die eine Wandleranordnung mit feststehendem Fokus zeigt, die zur Bereitstellung einer Vielzahl von räumlich beabstandeten Messungen abgetastet wird.
Ausführungsform der Messvorrichtung
Mit besonderem Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen gleiche Teile kennzeichnen, zeigt 1 ein tragbares Ultraschall-Densitometer 10 zum In-vivo-Messen der physischen Eigenschaften und Integrität eines Glieds, wie beispielsweise eines Knochens. Das in 1 gezeigte Densitometer umfasst einen Griff 11 mit einem Aktuatorknopf 12. Ein Verbindungsstab 13 erstreckt sich linear vom Griff 11. Das Densitometer 10 umfasst zudem einen feststehenden Arm 15 und einen verstellbaren Arm 16. Der feststehende Arm 15 ist kontinuierlich mit dem Verbindungsstab 13 ausgebildet und ist deshalb mit einem Ende 17 des Verbindungsstabs 13 verbunden. Der verstellbare Arm 16 ist gleitbar am Verbindungsstab 13 zwischen dem Griff 11 und einer am Verbindungsstab 13 angebrachten digitalen Anzeige 18 befestigt. Der Knopf 19 kann gedreht werden, um blockiert oder nicht blockiert zu sein, um dem verstellbaren Arm 16 das Gleiten entlang dem Verbindungsstab 13 zu ermöglichen, sodass die Distanz zwischen den Armen 15 und 16 eingestellt werden kann.
An einem Ende des feststehenden Arms 15 ist ein erster (linker) Wandler 21 und am Ende des verstellbaren Arms 16 ist ein zweiter (rechter) Wandler 21 angeordnet. Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, ist auf jedem der Wandler 21 ein entsprechender akustischer Koppler 23 angebracht, um den Wandler mit dem zu untersuchenden Objekt akustisch zu koppeln. Der akustische Koppler 23 umfasst einen Kunststoffring 24 und ein befestigtes, aus Urethan oder einem anderen weichen Material hergestelltes Polster 26. 3 zeigt eine Stirnfläche 28 des ersten (linken) Wandlers 21, der normalerweise hinter dem entsprechenden Polster 26 des akustischen Kopplers 23 versteckt ist. Die Wandlerstirnfläche 28 stößt normalerweise an der inneren Oberfläche 29 des in 2 gezeigten Polsters 26 an. Die in 3 gezeigte Stirnfläche 28 des Wandlers umfasst eine Anordnung aus zwölf Wandlerelementen, die mit a–l gekennzeichnet sind. Der zweite (rechte) Wandler 21 umfasst eine Stirnfläche 28, die das Spiegelbild der in 3 gezeigten ist.
4 zeigt allgemein auf schematische Weise den elektrischen Schaltkreis 31 des Densitometers 10, das physisch im Gehäuse der digitalen Anzeige 18 angeordnet ist. Ein Objekt 32 ist zwischen den beiden Wandlern 21 angeordnet, sodass akustische Signale durch das Objekt hindurch übertragen werden können. Das Objekt 32 stellt ein Glied, wie beispielsweise einen Knochen, oder ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften, wie beispielsweise Wasser oder ein Referenzstück aus Neopren, dar. Wie der in 4 veranschaulichten Ausführungsform zu entnehmen ist, ist der am weitesten links angeordnete Wandler 21 ein Sendewandler und der am weitesten rechts angeordnete Wandler 21 ein Empfangswandler. Tatsächlich können jedoch beide Wandler 21 ein Sende- und/oder Empfangswandler sein. Die Sende- und Empfangswandler 21 des Schaltkreises aus 4 sind über Elementauswahlsignale 36 und 37 mit einem Mikroprozessor 38 verbunden. Der Mikroprozessor 38 ist zur Bestimmung, welcher der entsprechenden Paare von Wandlerelementen a bis l zu einem bestimmten Zeitpunkt senden und empfangen soll, programmiert. Diese Auswahl wird durch die Elementauswahlsignalleitungen 36 und 37 durchgeführt, die multiple Signalleitungen oder eine serielle Datenleitung zur Übertragung der benötigten Auswahldaten an die Wandler 21 sein können. Der Mikroprozessor 38 ist ebenfalls über einen Daten- und Adressbus 40 mit der digitalen Anzeige 18, einem digitalen Signalprozessor 41, einem abtastenden Analog-Digital-Wandler 42 und einem Satz externer Zeitgeber 43 verbunden. Der Mikroprozessor 38 verfügt über einen "eingebauten" elektrisch programmierbaren nichtflüchtigen Arbeitsspeicher (NVRAM) und gegebenenfalls auch über einen herkömmlichen RAM-Speicher und steuert den Betrieb des Densitometers 10. Der digitale Signalprozessor 41 verfügt über einen "eingebauten" Lesespeicher (ROM) und führt zahlreiche mathematische Funktionen, die vom Densitometer 10, gesteuert vom Mikroprozessor 38, durchgeführt werden, aus. Der digitale Signalprozessor 41 umfasst spezifisch die Fähigkeit zur Ausführung diskreter Fourier-Transformationen, so wie derzeit in Form integrierter Schaltkreise im Handel erhältlich, um so imstande zu sein, empfangene Signalformen vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umzuwandeln. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 sind ebenfalls durch die Steuersignale 45 und 46 miteinander verbunden, sodass der Mikroprozessor 38 die Steuerung der Arbeitsabläufe des digitalen Signalprozessors 41 aufrechterhalten kann und Statusinformationen zurückerhält. Gemeinsam steuern der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 den elektrischen Schaltkreis 31, sodass das Densitometer 10 seine Arbeit ausführen kann, wie nachstehend noch erörtert wird. Ein akustischer Rückkopplungsmechanismus 48, wie beispielsweise ein Audio-Lautsprecher, kann über ein Ausgabesignal 49 mit dem Mikroprozessor 38 verbunden sein.
Der externe Zeitgeber 43 stellt eine Reihe an Taktsignalen 51 und 52 für den A/D-Wandler 42 bereit, um den A/D-Wandler 42 mit Zeitinformationen zu versorgen, sodass dieser in zeitgesteuerten Intervallen elektrische Signale, die er letztendlich vom Empfangswandler erhält, in Übereinstimmung mit dem Programm im Mikroprozessor 38 und im digitalen Signalprozessor 41 abtastet. Der externe Zeitgeber 43 erzeugt ebenfalls ein Taktsignal 53, das mit einem Erregungsverstärker 55 mit digital steuerbarem Verstärkungsfaktor verbunden ist. Zeitgesteuerte Impulse werden vom Zeitgeber 43 erzeugt und durch die Signalleitung 53 an den Verstärker 55 übermittelt, damit diese verstärkt und über die Signalleitung 56 an den Sendewandler 21 weitergeleitet werden. Der Sendewandler 21 wandelt den verstärkten Impuls in ein akustisches Signal um, das durch das Objekt oder das Material 32 übertragen und vom Empfangswandler 21 empfangen wird, der das akustische Signal wieder in ein elektrisches Signal rückwandelt. Das elektrische Signal wird durch das Ausgabesignal 57 an einen Empfangsverstärker 59 übertragen, der das elektrische Signal verstärkt.
Der Erregungsverstärkerschaltkreis 55 ist vorzugsweise ein digital steuerbarer Kreis, der zur Erzeugung einer Impulsausgabe konzipiert ist. Die Verstärkung des Impulses kann in Stufen von eins bis neunundneunzig digital gesteuert werden. Auf diese Weise kann die Impulsamplitude unter digitaler Steuerung wiederholt verstärkt werden, bis ein Empfangsimpuls mit angemessener Amplitude am Empfangs-/Verstärkungskreis 59 empfangen wird, an der der Verstärkungsfaktor ebenfalls digital einstellbar ist.
Ein digital steuerbarer automatischer Verstärkungsfaktor-Steuerkreis, der die Sensibilität des Empfangswandlers 21 und des Verstärkerschaltkreises 59 für akustische Signale optimiert, ist mit dem Empfangsverstärkerkreis 59 verbunden und integral mit diesem ausgebildet. Der Mikroprozessor 38 ist mit dem Verstärkerschaltkreis und der automatischen Verstärkungssteuerung 59 über die Signalleitung 60 verbunden, um die Verstärkung des Verstärkerschaltkreises und der Verstärkungssteuerung 59 zu regeln. Die verstärkten elektrischen Signale werden durch die Leitung 61 an den A/D-Wandler 42 übertragen, der diese Signale in zeitgesteuerten Intervallen abtastet. Der A/D-Wandler 42 tastet also eigentlich die erhaltenen akustischen Signale ab. Wird eine Reihe von im Wesentlichen identischen akustischen Signalen vom Empfangswandler 21 empfangen, so tastet der A/D-Wandler 42 schrittweise einen inkrementellen Abschnitt einer jeden aufeinanderfolgenden Signalform ab. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, dass diese Abschnitte zur Bildung einer digitalen zusammengesetzten Signalform kombiniert werden, die mit einer einzelnen Signalform fast identisch ist. Diese digitalisierte Signalform kann an der digitalen Anzeige 18 angezeigt oder vom digitalen Signalprozessor 42 zur numerischen Analyse weiterverarbeitet werden.
Das gemäß den 1 bis 4 hergestellte Densitometer kann auf mehrere charakteristische Betriebsarten arbeiten, um die physischen Eigenschaften des Elements, wie beispielsweise Integrität oder Dichte, zu messen. Die verschiedenen Betriebsarten hängen, wie nachstehend detaillierter beschrieben, sowohl von der Softwareprogrammierung des Betriebs des Mikroprozessors 34 als auch von den dem Kliniker erteilten Anweisungen, wie das Densitometer zu verwenden ist, ab. Die verschiedenen Verwendungsarten können alle in einer einzigen Einheit programmiert sein, in welchem Falle gegebenenfalls ein Auswahlschalter für den Benutzer bereitgestellt ist, um den Betriebsmodus zu wählen, oder es kann ein bestimmtes Densitometer konstruiert werden, das nur eine Betriebsart ausführt. In jedem Fall aber muss zum vollständigen Verständnis der Verwendungsart des Densitometers zum Messen der physischen Eigenschaften eines Elements zuerst die interne Arbeitsweise des Densitometers selbst verstanden werden.
Bei allen Verwendungsarten ist das Densitometer zur Platzierung am Element, dessen Eigenschaften es zu messen gilt, zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens gedacht. Dies wird durch Anordnen der Wandler 21 an gegenüberliegenden Seiten des Elements durchgeführt. Um dies auszuführen wird der Knopf 19 gelöst, um eine Bewegung des verstellbaren Arms 16 zu ermöglichen, sodass die Wandler 21 an gegenüberliegenden Seiten des Elements, wie beispielsweise der Ferse eines menschlichen Patienten, angeordnet werden können. Die Außenseiten der Polster 26 können an der Ferse des Patienten mit einem Ultraschallgel 35 oder einem anderen Kopplungsmaterial, das zwischen den Polstern 26 und dem Patienten 32 angeordnet ist, angelegt werden, um eine verbesserte Übertragung der akustischen Signale zwischen dem Glied 32 und den Wandlern 21 zu ermöglichen. Sind die Wandler 21 korrekt am Glied 32 platziert, so kann der Knopf wieder festgestellt werden, um den verstellbaren Arm 16 an Ort und Stelle zu halten, wobei sich nun die Wandler 21 in einer zueinander beabstandeten Beziehung mit dem Glied 32 dazwischen befinden. Der Aktuatorknopf 12 kann dann gedrückt werden, sodass akustische Signale durch das Glied 32 übertragen werden, die dann vom Empfangswandler empfangen werden sollen. Der elektronische Schaltkreis aus 4 empfängt die Signale vom Empfangswandler 21, tastet diese ab und verarbeitet die Signale weiter, um Informationen über die physischen Eigenschaften und die Integrität des Glieds 32 in vivo zu erhalten. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, dass er an der digitalen Anzeige 18 anzeigt, wann dieser Informationserfassungsprozess abgeschlossen ist. Alternativ dazu kann die Information an der digitalen Anzeige 18 angezeigt werden, sobald der Informationserfassungsprozess abgeschlossen ist. Z. B. kann die Transferzeit des akustischen Signals durch das Glied 32 einfach an der digitalen Anzeige 18 angezeigt werden.
Werden die Einzelheiten des Betriebs des Schaltkreises aus 4 beleuchtet, so besteht das allgemeine Konzept darin, dass der Schaltkreis so konzipiert ist, dass er einen Ultraschallimpuls erzeugt, der sich vom Sendewandler 21 aus durch das Subjekt 32 hindurch fortpflanzt und dann vom Empfangswandler 21 empfangen wird. Der Schaltkreis ist konstruiert, um sowohl die Laufzeit des Impulses durch das Glied 32 zu bestimmen, um die Schwächung des Impulses durch das Glied 32 festzustellen, als auch um fähig zu sein, eine digitale Darstellung der Wellenform des Impulses, nachdem dieser durch das Glied 32 hindurchgetreten ist, zu rekonstruieren, sodass diese zur Bestimmung der Schwächung an ausgewählten Frequenzen analysiert werden kann. Um all diese Ziele zu erreichen arbeitet der Schaltkreis aus 4 unter der Steuerung des Mikroprozessors 38. Der Mikroprozessor 38 wählt durch die Elementauswahlsignalleitungen 36 selektiv ein entsprechendes Paar oder Gruppe der Elemente a bis l an der Stirnfläche eines jeden der Wandler 21 aus. Die entsprechenden Elemente an jedem Wandler werden gleichzeitig ausgewählt, während die restlichen Elemente an der Stirnfläche eines jeden Wandlers inaktiv sind. Ist ein bestimmtes Element, beispielsweise a, ausgewählt, so veranlasst der Mikroprozessor den externen Zeitgeber 43 zur Aussendung eines Impulses entlang der Signalleitung 53 hin zum Erregungsverstärkerkreis 55. Das Ausgabesignal des Erregungsverstärkers 55 setzt sich entlang der Signalleitung 56 zum Element a des Sendewandlers 21 fort, welcher daraufhin den Ultraschallimpuls aussendet. Das entsprechende Element a am Empfangswandler 21 empfängt den Impuls und leitet sein Ausgabesignal an die Signalleitung 57 hin zum Verstärkerkreis 59 weiter. Als eine Ausgabe des A/D-Wandlers 42 ist eine digitale Darstellung der analogen Wellenform erwünscht, die die Ausgabe des einzelnen Wandlerelements, das ausgewählt wurde, ist. Leider sind jedoch "Echtzeit"-Abtastungs-A/D-Wandler, die schnell genug zum Abtasten einer Wellenform mit Ultraschallfrequenzen arbeiten, relativ kostspielig. Deshalb wird bevorzugt, dass es sich beim A/D-Wandler um einen "Äquivalenzzeit"-Abtastungs-A/D-Wandler handelt. Unter "Äquivalenzzeit"-Abtastung ist zu verstehen, dass der A/D-Wandler 42 das Ausgabesignal des Wandlers während eines knappen Zeitraums nach jedem gegebenen Ultraschallimpuls abtastet. Das allgemeine Konzept ist in 5 dargestellt. Die typische Wellenform eines einzelnen Impulses, der vom Empfangswandler 21 erhalten und der Signal leitung 57 übertragen wird, wird durch eine Funktion "f" dargestellt. Derselbe Impuls wird wiederholt als Erregungsimpuls empfangen und wiederholt ausgesendet. Der empfangene Impuls wird in einer Abfolge von Zeiträumen, die mit t₀–t₁₀ gekennzeichnet sind, abgetastet. Mit anderen Worten wird anstelle des Versuchs, eine Analog-Digital-Umwandlung des Signals f in Echtzeit auszuführen, das Signal in einer Abfolge einzelner festgelegter Zeiträume t₀–t₁₀ nachdem der Sendeimpuls ausgesandt wurde, abgetastet, wobei in jedem der Zeiträume der analoge Wert zu einer digitalen Funktion umgewandelt wird und diese Daten gespeichert werden. Die gesamte analoge Wellenform kann somit ausgehend von den einzelnen digitalen Werten, die während jedes Zeitraums t erzeugt wurden, rekonstruiert werden, wobei die Gesamtwiedergabetreue der rekonstruierten Wellenform von der Anzahl der Zeiträume t des Abtastens abhängt. Die Abtastung erfolgt nicht durch einen einzigen Echtzeitimpuls vom Empfangswandler 21. Statt dessen wird eine Reihe von Impulsen vom Sendewandler 21 ausgegeben. Der externe Zeitgeber ist so konstruiert, dass er dem Abtastungs-A/D-Wandler 42 entlang den Signalleitungen 51 und 52 Signale bereitstellt, sodass der analoge Wert zu einem Zeitraum t₀, wenn der erste Impuls an einem bestimmten Wandlerelement angelegt wird, dann zu einem Zeitraum t₁ während des zweiten Impulses usw. abgetastet wird, bis alle Zeiträume abgetastet wurden. Erst nachdem die vollständige Wellenform für jedes Element abgetastet wurde, wird das nächste Element, d. h. Element b, ausgewählt. Das Ausgabesignal des A/D-Wandlers 42 wird sowohl dem Mikroprozessor 38 als auch dem Signalprozessor 41 übermittelt. So können die digitalen Ausgabewerte, die die komplexe Wellenform f aus 5 darstellen, vom Signalprozessor 41 verarbeitet werden, nachdem sie für jedes Wandlerelement zusammengesetzt wurden. Die Wellenform kann dann für jede gegebene Frequenzkomponente auf Zeitverzögerungen oder Schwächungen hin mit Bezug auf die Charakteristik des übertragenen Ultraschallimpulses analysiert werden. Dieser Vorgang wird dann für die weiteren Elemente wiederholt, bis alle Elemente zur Übertragung einer Reihe von Impulsen, die zur Erzeugung digitaler Daten ausreichen, um die an der Empfangswandleranordnung 21 empfangene Wellenform darzustellen, verwendet wurden. Diese Daten werden dann auf verschiedenste Weisen zur Bestimmung der physischen Eigenschaften des Elements herangezogen. Je nach Verwendungsart des Densitometers und je nach gewünschten Daten kann entweder vom Mikroprozessor 38 oder vom Signalprozessor 41 die angemessene Ausgabe über die digitale Anzeige 18 bereitgestellt werden.
Da das Ultraschallpulsen und -abtasten so schnell durchgeführt werden kann, zumindest in menschlichen Maßstäben gemessen, kann der Vorgang des Erzeugens von abgetasteten Ultraschallempfangsimpulsen wahlweise mehrere Male wiederholt werden, um das Rauschen durch Signalmittelung zu reduzieren. Wird diese Möglichkeit umgesetzt, so wird der Vorgang des wiederholten Aussendens von Ultraschallimpulsen und des Abtastens einer empfangenen Wellenform, so wie in 5 dargestellt, für jedes Element in der Anordnung ein oder mehrere Male wiederholt, bevor zum nächsten Element übergegangen wird. Danach können die so erzeugten, abgetasteten Wellenformen digital gemittelt werden, um eine zusammengesetzte Wellenform zu erzeugen, die eine kleinere Rauschkomponente als jede einzelne abgetastete Wellenform aufweist. Die Anzahl an Wiederholungen, die zu einer ausreichenden Reduktion des Rauschens notwendig ist, kann durch Testverfahren, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, ermittelt werden.
Nachdem nun die interne Arbeitsweise des Densitometers aus den 1 bis 4 erörtert wurde, ist es nun möglich, die Verfahren zur Verwendung des Densitometers zur Messung der physischen Eigenschaften des Elements zu verstehen. Das erste Verwendungsverfahren beinhaltet die Messung der Laufzeit eines Ultraschallimpulses durch einen Patienten und das Vergleichen der Zeit mit der Zeit, die eine Ultraschallwelle zum Durchlaufen einer gleichen Distanz in einer Substanz mit bekannten Eigenschaften, wie beispielsweise Wasser, benötigt. Um das Densitometer in diesem Verfahren zu verwenden, wird der verstellbare Arm 16 eingestellt, bis das Element des Patienten, beispielsweise die Ferse, vom den Wandlern 21 umklammert ist. Danach wird der Knopf 19 festgestellt, um den verstellbaren Arm 16 festzuhalten. Daraufhin wird der Aktuatorknopf 12 gedrückt, um einen Impuls und die Messung auszulösen. Danach wird das Densitometer vom Patienten entfernt, während der Knopf 19 festgestellt bleibt, sodass die Distanz zwischen den Wandlern 21 gleich bleibt. Die Vorrichtung 10 wird dann auf ein Standardmaterial 32 gelegt oder in dieses, beispielsweise einem Bad aus destilliertem Wasser, eingetaucht. Der Aktuatorknopf 12 wird erneut betätigt, sodass akustische Signale vom Sendewandler 21 durch das Material 32 zum Empfangswandler 21 übertragen werden. Obwohl es von Vorteil ist, die gesamte Anordnung der Elemente a bis l zur Messung des Patientenelements heranzuziehen, kann es ausreichend sein, nur ein einziges Elementepaar zur Messung des Standardmaterials zu verwenden, unter der Annahme, dass das Standardmaterial im Gegensatz zum Patientenelement homogen ist. Die durch die zwei Messungen erhaltenen Signalprofile werden danach vom Mikroprozessor 38 und dem Signalprozessor 41 analysiert. Diese Analyse kann sowohl auf den Vergleich der Laufzeit des Impulses durch den Patienten mit dem durch das Standardmaterial als auch auf die Charakteristiken der Wellenform in Bezug auf Frequenzverhalten und Schwächung durch den Patienten im Vergleich zum Standardmaterial abzielen.
Durch dieses Verfahren kann das Densitometer somit die physischen Eigenschaften und die Integrität des Elements 32 durch eine oder beide Formen der Analyse ermitteln. Das Densitometer kann die Laufzeit der akustischen Signale durch das Element mit der Laufzeit der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften vergleichen, und/oder die Vorrichtung 10 kann die Schwächung als Funktion der Frequenz der akustischen Breitbandsignale durch das Element 32 mit der Schwächung der entsprechenden spezifischen Frequenzkomponenten der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften vergleichen. Die "Schwächung" eines akustischen Signals durch eine Substanz ist die Abnahme der Ultraschallwellenform durch die Fortpflanzung durch den Patienten oder durch das Standardmaterial. Die Theorie und Experimente, die beide Verfahren einsetzen, sind in Rossmann, P. J., "Measurements of Ultrasonic Velocity and Attenuation in the Human Os Calcis and their Relationship to Photon Absorptiometry Bone Mineral Measurements" (eine Diplomarbeit, die zur teilweisen Erfüllung der Voraussetzungen zur Erlangung des Titels des Masters of Science an der University of Wisconsin-Madison eingereicht wurde), 1987, dargelegt und erörtert. Test haben darauf hingewiesen, dass eine lineare Beziehung zwischen der Ultraschallschwächung (gemessen in Dezibel) (dB)) bei spezifischen Frequenzen und diesen Frequenzen besteht. Die Steigung (dB/MHz) der linearen Beziehung, der als Breitbandultraschallschwächung bezeichnet wird, hängt von den physischen Eigenschaften und der Integrität der getesteten Substanz ab. Bei einem Knochen würde die Steigung der linearen Beziehung von der Mineraldichte des Knochens abhängen. Breitbandultraschallschwächung durch den Knoten ist somit ein Parameter, der in direktem Bezug zur Beschaffenheit der Spongiosa-Knochenmatrix steht.
Der Mikroprozessor 38 kann deshalb so programmiert sein, dass die Vorrichtung die physischen Eigenschaften und die Integrität des Elements bestimmt, indem die relativen Laufzeiten und/oder relativen Breitbandultraschallschwächung durch das Element und einem Material mit bekannten akustischen Eigenschaften verglichen werden. Beim Vergleichen der Laufzeiten kann der Mikroprozessor 38 auf einfachste Weise programmiert sein, sodass die Elektronik, die die akustischen Signale nach der Übertragung durch das Element empfangen hat, die "Glied"-Laufzeit dieser akustischen Signale durch das Glied ermittelt und nach der Übertragung der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften die "Material"-Laufzeit ermittelt. Diese Zeiträume können einfach durch Zählen der Anzahl der Taktimpulse von bekannter Frequenz, die vom Zeitgeber 43 zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens des Impulses und dem Abfühlen des empfangenen Impulses am A/D-Wandler 42 erzeugt werden, gemessen werden. Der Mikroprozessor 38 vollzieht dann den mathematischen "Zeit"-Vergleich zwischen der Gliedlaufzeit und der Materiallaufzeit und setzt diesen mathematischen Zeitvergleich in Beziehung zu den physikalischen Eigenschaften und der Vollständigkeit des Elements. Der mathematischen Zeitvergleich kann entweder durch Ermitteln der Differenz zwischen der Gliedlaufzeit und der Materiallaufzeit oder durch Ermitteln eines Verhältnisses zwischen der Gliedlaufzeit und der Materiallaufzeit durchgeführt werden.
Bei einem zweiten Verfahren zur Verwendung des Densitometers kann dieses die physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Glieds 32 auch durch Bestimmen und Vergleichen der Schwächung der Breitbandfrequenzkomponenten der durch das Element laufenden akustischen Signale ohne Bezug auf ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften bestimmen. Wird dieses Verfahren eingesetzt, so ist der Vergleich der Geschwindigkeit mit einem Standard nicht notwendig, und die absolute Laufzeit des Impulses muss nicht berechnet werden, da dessen Schwächung gemessen wird. Bei einem derartigen Modus ist es vorzuziehen, dass der Sendewandler 21 ein akustisches Signal mit einen breitem Bereich an Frequenzkomponenten, wie beispielsweise ein einfacher Ultraschallimpuls, aussendet. Auf jeden Fall sollte das akustische Signal zumindest eine spezifische Frequenzkomponente aufweisen.
Bei diesem Schwächungsvergleichsmodus ist der Mikroprozessor 38 so programmiert, dass er, nachdem der Empfangswandler 21 die durch das Knochenglied 32 übertragenen Signale empfangen hat, die absolute Schwächung des Frequenzkomponentenspektrums der akustischen Signale durch das Glied 32 bestimmt. Zur der Vereinfachung der Messung der Schwächung weisen der Erregungsverstärkerschaltkreis 55 und der Empfangsverstärker 59 Verstärkungsstufen auf, die digital gesteuert werden können. Durch sukzessives Variieren des Verstärkungsfaktors der Verstärker 55 und 59 bei aufeinander folgenden Impulsen kann der Schaltkreis aus 4 bestimmen, welcher Verstärkungsfaktor notwendig ist, damit das Maximum der empfangenen Wellenform bei einem angemessenen Spannungspegel liegt. Dieser Verstärkungsfaktor ist klarerweise eine Funktion des Schwächungsgrads des akustischen Impulses während der Durchquerung des Glieds 32. Nachdem der Empfangswandler 21 akustische Signale empfangen hat, ermittelt der Mikroprozessor 38 in Zusammenarbeit mit dem Signalprozessor 41 die absolute Schwächung der einzelnen spezifischen Frequenzkomponenten des durch das Material übertragenen und empfangenen akustischen Signals. Der digitale Signalprozessor 41 führt dann mathematische "Schwächungs"-Vergleiche der entsprechenden einzelnen spezifischen Frequenzkomponenten durch das Element durch. So kann ein Satz an mathematischen Schwächungsvergleichen zwischen entsprechenden Frequenzkomponenten erhalten werden, und zwar ein Vergleichswert für jede verglichene Frequenzkomponente. Somit kann abgeleitet werden, auf welche Weise die Schwächung in Bezug auf die Frequenz funktioniert. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signal prozessor 41 setzen diese Funktion dann in Bezug zu den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Glieds.
In 7 sind ein Breitbandultraschall-Abtastimpuls und eine typische empfangene Wellenform gezeigt. Um ein im Frequenzbereich sehr breites Ultraschallsignal, d. h. ein Breitband-Übertragungssignal, zu erhalten wird ein elektronischer Impuls, wie beispielsweise der mit 70 gekennzeichnete, an den gewählten Ultraschallwandler in der Sendeanordnung 21 angelegt, der mit einer Breitbandultraschallemission mitschwingt. Das empfangene Signal, so wie das in 7 mit 72 in einer graphischen Signaldarstellung im Zeitbereich gekennzeichnete, wird dann durch die diskrete Fourier-Transformationsanalyse verarbeitet, sodass es in den Frequenzbereich umgewandelt wird. In 8 ist ein Paar an Graphen der empfangenen Abtastsignale in Frequenzbereichsdarstellungen gezeigt, die die Verschiebung der empfangenen Signalintensität als Funktion der Frequenz zwischen einem Referenzobjekt und einem Neoprenstöpsel, der im Instrument angeordnet ist, zeigt. 9 veranschaulicht einen ähnlichen Vergleich, wobei 8 die relative Schwächung in der vertikalen Dimension verwendet, während 9 die Stärke des empfangenen Signals unter Verwendung eines ähnlichen Referenzmaterials einsetzt. Beide Darstellungen veranschaulichen die Differenz zwischen den relativen Intensitäten als Funktion der Frequenz und zeigen, wie die Breitbandultraschallschwächung von Objekt zu Objekt variiert. Der tatsächliche berechnete Wert, die Breitbandultraschallschwächung, wird berechnet, indem das empfangene Signal mit dem Referenzsignal verglichen, anschließend die diskrete Fourier-Transformation zur Umwandlung zum Frequenzbereich durchgeführt und in Folge eine lineare Regression der Differenz in der Schwächungsneigung ausgeführt wird, um die Breitbandultraschallschwächung abzuleiten.
Die mathematischen Berechnungen der Fourier-Transformation sind so, dass gegebenenfalls ein weiterer, zur Knochendichte in Bezug stehender Parameter zusätzlich zur oder anstelle der Breitbandschwächung (manchmal nachstehend als "Schwächung" oder "BUA" bezeichnet) berechnet wird. Wird die Fourier-Transformation auf das Zeitbereichsignal angewendet, so umfasst die Lösung für jeden Punkt eine reale Gliedkomponente und eine imaginäre Gliedkomponente. Die durch die Graphen in den 8 und 9 dargestellten Werte sind die Amplitude der empfangenen Impulse, wie sie durch die Fourier-Transformation bestimmt wurden, indem die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der realen Komponente und der imaginären Komponente gezogen wurde. Der Phasenwinkel der Änderung der Phase des Ultrschallimpulses, so wie er durch das Element geschickt wird, kann dann durch Berechnen des Arkustangens des Verhältnisses der imaginären zur realen Komponente berechnet werden. Dieser Phasenwinkel wird auch für die Knochenelementdichte berechnet.
Der Mikroprozessor 38 kann auch so programmiert sein, dass das Densitometer 10 beide Funktionen, d. h. die Berechnung der Laufzeit als auch der absoluten Schwächung der übertragenen akustischen Signale, erst durch das Element und dann durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften, gleichzeitig ausführt. Das Densitometer kann dann die Breitbandultraschallschwächungs-Funktion ableiten und einen mathematischen Zeitvergleich der Gliedlaufzeit zur Materiallaufzeit durchführen. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 setzen dann den Zeitvergleich gemeinsam mit der Schwächungsfunktion in Bezug zu den physikalischen Eigenschaften und der Vollständigkeit oder Dichte des Elements 32.
In einem weiteren möglichen Betriebsmodus kann der Mikroprozessor 38 so programmiert sein, dass das Densitometer 10 in einem Modus arbeitet, bei dem keine Notwendigkeit der Berechnung der relativen Laufzeit oder der Schwächung der akustischen Signale durch ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften mehr besteht. Um in einem solchen Modus zu arbeiten umfasst der Mikroprozessor 38 eine Datenbank aus normalen absoluten Laufzeiten, die auf Faktoren, wie beispielsweise Alter, Größe, Rasse oder Geschlecht der zu untersuchenden Person sowie der Distanz zwischen den Wandlern oder der Dicke oder Größe des Glieds basieren. Diese Datenbank aus normalen Laufzeiten kann im nichtflüchtigen Speicher oder in einem anderen Medium gespeichert sein. Wird ein Patient mit diesem Betriebsmodus untersucht, so werden die für den Patienten relevanten Faktoren in den Mikroprozessor 38 eingegeben, um die passende normale Laufzeit auf der Grundlage dieser Faktoren zu wählen. Die Wandler 21 werden an das zu untersuchende Knochenglied wie oben beschrieben angelegt. Wird der Aktuatorknopf 12 gedrückt, werden die akustischen Signale durch das Glied 32 hindurch übertragen. Der Empfangswandler 21 empfängt diese Signale, nachdem sie durch das Glied übertragen wurden, und die Elektronik 31 bestimmt daraufhin die "Glied"-Laufzeit des akustischen Signals durch das Glied. Der Mikroprozessor 38 und der digitale Signalprozessor 41 führen dann einen mathematischen Vergleich der gemessenen Elementlaufzeit mit der ausgewählten normalen Laufzeit der Datenbank durch und setzen den mathematischen Zeitvergleich in Bezug zu den physikalischen Eigenschaften und der Vollständigkeit oder Dichte des Elements, was dann angezeigt wird.
Als alternative Ausgabe des Densitometers der vorliegenden Erfindung könnte die digitale Anzeige 18 zudem eine dem Muster der Anordnung der Elemente auf den Stirnflächen der Wandler 21 umfassen, wie in 3 zu sehen ist. Diese Anzeige könnte dann für jedes Element a bis l ein zum gemessenen Parameter, d. h. der Laufzeit oder Schwächung, proportionales Grauskalabild anzeigen. Dieses Bild könnte für einen erfahrenen Kliniker einen visuellen Hinweis auf die physischen Eigenschaften des Elements des Patienten bereitstellen.
In 6 ist ein Schaltbild für eine alternative Ausführungsform eines Ultraschall-Densitometers gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Schaltkreis aus 6 sind Bestandteile mit ähnlicher Struktur und Funktion wie die entsprechenden Bestandteile aus 4 mit denselben Referenzzahlen gekennzeichnet.
Die Ausführungsform aus 6 ist darauf ausgerichtet, mit nur einer einzigen Wandleranordnung 21 zu arbeiten, die sowohl als Sende- als auch als Empfangswandleranordnung fungiert. Wahlweise kann eine Reflexionsoberfläche 64 an der der Wandleranordnung 21 gegenüberliegenden Seite des Patientenglieds 32 angeordnet sein. Ein digital gesteuerter mehrpoliger Schalter 66, vorzugsweise ein elektronischer und kein mechanischer Schalter, verbindet den Eingang in die und den Ausgang aus den Elementen der Wandleranordnung 21 selektiv entweder mit dem Erregungsverstärker 55 oder mit dem regelbaren Verstärkungsfaktor-Empfangs-/Verstärkerkreis 59. Der Schalter 66 ist über eine Schaltersteuerleitung 68 mit einem Ausgang des Mikroprozessors 38 verbunden.
Beim Betrieb des Schaltkreises aus 6 funktioniert dieser in den meisten Gesichtspunkten wie der Schaltkreis aus 4, sodass nur die Unterschiede erörtert werden müssen. Während des Aussendens eines Ultraschallimpulses veranlasst der Mikroprozessor 38 das Auftreten eines Signals an der Schaltersteuerleitung 68 um den Schalter 66 zu veranlassen, dass der Ausgang des Erregungsverstärkers 55 mit dem ausgewählten Element in der Wandleranordnung 21 verbunden wird. Nach Beendigung der Aussendung des Impulses verändert der Mikroprozessor 38 das Signal an der Schaltersteuerleitung 68, um den Schalter 66 zu betätigen, sodass dieser das ausgewählte Element oder die Elemente als eine Eingabe für den Verstärker 59 mit diesem zu verbinden. In der Zwischenzeit pflanzt sich der Impuls durch das Glied 32 fort. Während der Impuls das Glied 32 durchläuft werden Reflexionsimpulse erzeugt, wenn der Impuls Übergangsstellen unterschiedlicher Materialien im Glied durchquert, und insbesondere dann, wenn der Impuls an der gegenüberliegenden Seite des Glieds aus dem Element aus- und in die Luft eintritt. Sollte der Übergang vom Glied zur Luft keinen ausreichenden Reflexionsimpuls erzeugen, so kann die Reflexionsoberfläche an der gegenüberliegenden Seite des Glieds zur Bereitstellung eines verstärkten Reflexionsimpulses angeordnet werden.
Die Ausführungsform aus 6 kann somit zur Analyse der physikalischen Eigenschaften und der Integrität eines Glieds unter Verwendung nur eines Wandlers 21 eingesetzt werden. All die oben beschriebenen Verfahren für derartige Messungen können auf gleich wirksame Weise auch mit dieser Variante der Vorrichtung durchgeführt werden. Die Laufzeit des Impulses durch das Element kann durch einfaches Messen des Zeitraums bis zum Empfang des Reflexionsimpulses und folgendes Dividieren durch zwei gemessen werden. Dieser Zeitraum kann mit der Laufzeit bei ähnlicher Distanz durch ein Standardmedium, wie beispielsweise Wasser, verglichen werden. Der Zeitraum bis zum Erhalt des Reflexionsimpulses könnte auch einfach mit den Standardwerten für Alter, Geschlecht usw. verglichen werden. Schwächungsmessungen zur Detektion unterschiedlicher Frequenzmessungen können direkt am Reflexionsimpuls vorgenommen werden. Wird keine Reflexionsoberfläche 64 eingesetzt und ist die Ermittlung der absoluten Laufzeit wünschenswert, so kann die Dicke des Glieds oder der Probe gemessen werden.
Die Verwendung der Vielfachelemente-Ultraschallwandleranordnung für die Wandler 21, so wie in 3 veranschaulicht, ermöglicht, dass ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des Instruments aus den 1–9 zu Tage tritt. Bei der Verwendung von Densitometern nach dem Stand der Technik war es oft notwendig, das Instrument relativ zum zu messenden Körperglieds des Patienten sehr präzise auszurichten, um nützliche Resultate zu erzielen. Die Schwierigkeiten treten hier aufgrund der Heterogenitäten der Knochenmasse und der Struktur der jeweiligen Körperglieder auf. Eine Messung der Dichte, die an einer Stelle vorgenommen wird, kann sich sehr deutlich von der Messung an einer nahe gelegenen Stelle unterscheiden. Deshalb hielten Instrumente nach dem Stand der Technik das Körperglied präzise fest, sodass jedesmal die Messung an einer präzisen Stelle vorgenommen werden konnte.
Bei der Verwendung von Ultraschallwandleranordnungen erübrigt sich diese präzise Positionierung. Unter Verwendung des Instruments aus den 1–9 sendet das Instrument einen Impuls aus und erhält Antwort, führt die diskrete Fourier-Transformation aus und erzeugt einen Wert für die Breitbandultraschallschwächung für jedes Paar der Wandlerelemente a bis l. Dann analysiert der Mikroprozessor 38 die erhaltene Anordnung aus Ultraschallmessungen der Knochendichte, um so reproduzierbar dieselbe interessierende Region jedes Mal zu identifizieren. Mit anderen Worten wird, da die physische Anordnung der Wandler groß genug ist, um auf verlässliche Weise jedes Mal zumindest die eine gemeinsame interessierende Region abzudecken, die Messung jedes Mal am selben Ort örtlich festgelegt, indem jedes Mal die korrekte Stelle für die Messung elektrisch aus den von der Anordnung gemessenen Stellen ausgewählt wird. Das Instrument aus den 1–9 wird auf praktische Weis zur Messung der Dichte des Calcaneus eingesetzt werden, die durch die Ferse eines menschlichen Patienten hindurch gemessen wird. Wird es an dieser Stelle eingesetzt, so wurde festgestellt, dass eine interessierende Region im Calcaneus auf Grundlage der Vergleiche der Breitbandultraschallschwächung an den Punkten in der Anordnung auf verlässliche Weise wiederholt lokalisiert werden kann. Die interessierende Region im Calcaneus wird als ein lokaler oder relativer Mindestwert der Breitbandultraschallschwächung und/oder Geschwindigkeit sehr nahe der Region mit den höchsten Schwächungswerten im Körperglied definiert. Somit können wiederholte Messungen der Breitbandultraschallschwächung an derselben interessierenden Region reproduzierbar durchgeführt werden, obwohl das Densitometer 10 bei der aufeinanderfolgenden Messungen nur allgemein an derselben Stelle angeordnet wird.
Dieses Verfahren der Verwendung einer Vielfachelementanordnung zur Vermeidung der Positionierungsgenauigkeit kann auch auf andere Verfahren, bei denen es nicht um die hier beschriebene Breitbandultraschallschwächung geht, angewendet werden. Das Konzept des Verwendens einer Anordnung und des Vergleichens der Ergebnisse zur Bestimmung der Messstelle wäre genauso auf Messungen der Glieddichte auf der Grundlage der Schallgeschwindigkeits-Laufzeit, auf andere Messungen der Schwächung oder auf die oben erörterte Berechnung des Phasenwinkels anwendbar. Die Verwendung einer solchen Vielfachelementanordnung mit automatisierter Auswahl eines Wandlerelements in der interessierenden Region kann auch auf andere Messverfahren angewendet werden, die zur Erzeugung von mit der Knochendichte in Zusammenhang stehenden Parametern nützlich sind, wie beispielsweise die Messung von Geschwindigkeitsänderungen des übertragenen Impulses, wie dies im U.S.-Patent Nr. 4.361.154 (Pratt), vorschlagen wird, oder die Messung der Frequenz eines selbstauslösenden "Sing-Around"-Impulses, wie dies im U.S.-Patent Nr. 3.847.141 (Hoop), vorgeschlagen wird. Das Konzept, welches die Eigenschaft der Positionsunabhängigkeit ermöglicht, ist das einer Anordnung aus Messungen, die eine Anordnung aus Datenpunkten erzeugen, aus denen eine interessierende Region durch ein oder mehrere reproduzierbare Kriterien ausgewählt wird. Die Anzahl der Elemente in der Anordnung kann natürlich variiert werden, wobei eine größere Anzahl der Wandlerelemente zu größerer Präzision bei der Identifikation derselben interessierenden Region führt.
Auf diese Weise stellt das Ultraschalldensitometer der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereit, die zur schnellen und effizienten In-vivo-Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eines Glieds ohne Einsatz von Strahlung fähig ist. Da das Densitometer zum Betrieb unter Steuerung des Mikroprozessors 38 konstruiert ist, kann es zum Betrieb in einem oder mehreren Modi programmiert werden, wie oben bereits erörtert wurde. Dies ermöglicht sowohl Flexibilität bei der Erreichung klinischer Ziele als auch eine effiziente Verwendung der Vorrichtung.
Ausführungsform des Beckens
In 10 ist eine weitere Variante eines Ultraschalldensitometers gezeigt, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Im Densitometer 100 aus 10 liegen zwei Ultraschallwandleranordnungen 121 vor, die im Allgemeinen den Ultraschallwandleranordnungen 21 der Ausführungsform aus 1 ähnlich sind, mit der Ausnahme, dass die Wandleranordnungen 21 festgestellt und nicht bewegbar sind.
Das Densitometer 100 umfasst ein im Allgemeinen schachtelförmiges Montagegehäuse 101, mit einer geneigten Oberseite 102, in der ein Becken 103 ausgebildet ist. Das Becken 103 ist von solcher Größe, dass ein menschlicher Fuß aufgenommen werden kann und ist im Allgemeinen entlang einer vertikalen Ebene, die mit der Länge des Fußes ausgerichtet ist, trigonal, sodass die Zehen des Fußes im Verhältnis zur Ferse des Fußes leicht höher liegen, wenn der Fuß im Becken 103 platziert ist.
Die Wandleranordnungen 121 sind im Gehäuse 101 angeordnet, sodass sie sich ins Innere des Beckens 103 erstrecken, um an gegenüberliegenden Seiten der Ferse des im Becken 103 platzierten Fußes angeordnet sind. Ist der Fuß im Becken 103 korrekt angeordnet, so kann die Fußsohle direkt auf dem Boden 104 des Beckens 103 aufliegen, wobei die Ferse des Fußes in einer gebogenen Tasche 106, die die Rückwand des Beckens 103 bildet, aufgenommen ist. So positioniert befinden sich die Wandleranordnungen 121 an beiden Seiten des Calcaneus. Es wurde bewiesen, dass durch die Anordnung der Wandler in einem Abstand von etwa 4 cm oberhalb der Sohle und 3,5 cm vor dem hinteren Rand der Ferse die Wandler in der gewünschten Region positioniert und auf den Calcaneus fokussiert sind.
Der Fuß kann alternativ dazu auf einer im Allgemeinen planaren Fußplatte 108 mit einer Umrisslinie, die dem Boden 104 entspricht und die am Boden 104 zwischen dem Fuß und dem Boden 104 angeordnet ist, aufliegen. Die Fußplatte 108 trägt einen sich nach oben erstreckenden Zehenstift 110, der dazu dient, die Bewegung des Fußes während des Messvorgangs einzuschränken. Mit Bezug auf 11 ist der Zehenstift 110 von einer solchen Größe, dass er zwischen den großen Zeh und dem nächstgelegenen Zeh eines typischen menschlichen Fußes passt, und ist in einem Schlitz 112 befestigt, so dass er im Allgemeinen entlang der Länge des Fußes verstellbar ist, um an die jeweilige Länge des Fußes angepasst zu sein.
Der Schlitz 112 verläuft schräg hin zur Mittelachse 114 des Fußes, die entlang der Länge des Fußes definiert ist, wenn der Schlitz 112 hin zum Abschnitt der Fußplatte 108 in der Nähe der Ferse des Fußes verfolgt wird. Dieser schräge Verlauf widerspiegelt das allgemeine Verhältnis zwischen Länge und Breite des Fußes und ermöglicht auf einfache Weise das gleichzeitige Anpassen an beide Maße.
Der Zehenstift 110 ist von solcher Größe, dass er locker zwischen den Zehen des Fußes passt, ohne unbequem zu sein oder eine gewollte Bewegung des Fußes völlig zu verhindern. Trotzdem, so wurde herausgefunden, reduziert die Berührungswirkung auf den Patienten, die vom Zehenstift 110 bereitgestellt ist, deutlich die Fußbewegung während des Betriebs des Densitometers 100. Zwei verschiedene Fußplatten 108, eine Spiegelbild der anderen, werden für den rechten und den linken Fuß eingesetzt.
Mit Bezug auf 12 ist der Zehenstift 110 im Schlitz 112 durch ein Befestigungsmittel 111 mit einem Gewindeabschnitt befestigt, das mit den entsprechenden Gewinde im Zehenstift 110 in Eingriff ist. Der Kopf des Gewindebefestigungsmittels 111 greift in den Schlitz 112 ein, um eine Drehung zu verhindern. So kann der Zehenstift 110 an jeder beliebigen Position entlang der Länge des Schlitzes 112 durch einfaches leichtes Drehen des Zehenstifts 110 um die eigene Achse zum Festziehen des Gewindebefestigungsmittels 111 an der Fußplatte 108 fixiert werden.
Erneut mit Bezug auf 10 liegen an der Oberseite 102 des Gehäuses 101 an der linken bzw. an der rechten Seite zwei Fußauflagebereiche 116 bzw. 118. Bei der Untersuchung des rechten Fußes des Patienten kann der linke Fuße des Patienten auf dem Fußauflagebereich 118 aufliegen, während der rechte Fuß des Patienten im Becken 103 angeordnet ist. Umgekehrt kann bei der Untersuchung des linken Fußes des Patienten der linke Fuß des Patienten im Becken 103 angeordnet sein, während der rechte Fuß des Patienten auf dem Fußauflagebereich 116 aufliegt. Die Fußauflagebereiche weisen eine Neigung auf, die der der Oberseite 102 und in etwa der des Bodens 104 entspricht. Die an den Seiten angeordneten Fußauflagenbereiche 116 und 118 ermöglichen die für einen sitzenden Patienten bequeme Verwendung des Densitometers 100.
Ist das Densitometer 100 nicht in Verwendung, so ist der Beckenbereich 103 mit einer im Allgemeinen planaren Abdeckung 120 abgedeckt, die entlang der unteren Kante des Beckens 103 aufklappbar ist, um eine Bewegung zwischen einer geschlossenen Position im Wesentlichen innerhalb der Ebene der Oberseite 102, bei der das Becken 103 abgedeckt ist, und einer geöffneten Position, bei der die Ebene der Abdeckung 120 einen Winkel α mit dem Boden 104 des Beckens 103 bildet, in dem sie durch Scharnieranschläge 122 gehalten wird. Der Winkel α beträgt in etwa 90° und ist so gewählt, um den Unterschenkel des Patienten auf angenehme Weise zu stützen, wenn der Fuß des Patienten im Becken 103 platziert ist. Zu diesem Zweck weist die Oberseite der Abdeckung 120, wenn sich die Abdeckung 120 in der geöffneten Position befindet, eine konkave Mulde, um einen typischen Unterschenkel aufzunehmen.
Das Stützen des Unterschenkels des Patienten durch die Abdeckung 120, führt, wie herausgefunden wurde, zu einer verringerten Bewegung des Fußes während des Betriebs des Densitometers 100.
Da das Densitometer 100 feststehende Wandler 121 anwendet, ist, mit Bezug auf die 10 und 12, eine Kopplungsflüssigkeit im Becken 103 bereitgestellt, um einen Weg des geringen Verlustes für akustische Energie zwischen den Wandlern 121 und dem Fuß des Patienten, unabhängig von dessen Maßen, bereitzustellen. Die Kopplungsflüssigkeit ist vorzugsweise Wasser plus ein Tensid, wobei herausgefunden wurde, dass Letzteres die Signalqualität und die Reproduzierbarkeit des ausgelesenen Signals des Densitometers verbessert. Das Tensid kann beispielsweise ein handelsüblich erhältliches Reinigungsmittel sein. Es versteht sich jedoch, dass auch andere fließfähige, akustisch leitfähige Medien eingesetzt werden können, um eine akustische Kopplung bereitzustellen, weshalb die Bezeichnung "Kopplungsflüssigkeit" als Materialien mit einer höheren Viskosität als Wasser, wie beispielsweise Aufschlämmungen auf Wasserbasis und thixotrope Gele, umfassend verstanden werden soll.
Aus Gründen der Hygiene, des Aufbrauchens des Tensids und der möglichen Verschlechterung der Signalqualität durch die Ansammlung von Verunreinigungen in der Kopplungsflüssigkeit wurde festgelegt, dass die Flüssigkeit im Becken 103 nach jeder Verwendung des Densitometers 103 gewechselt werden soll. Der Flüssigkeitswechsel ist zeitaufwendig und würde gewöhnlicherweise den einfachen Zugang zu einem Waschbecken oder dergleichen erfordern, ein Zugang, der nicht immer bereitgestellt ist. Wird die Flüssigkeit nicht ausgetauscht, so kann das gegebenenfalls keine unmittelbare sichtbare Wirkung haben, weshalb der Flüssigkeitswechsel leicht vergessen oder hinausgeschoben werden kann. Aus diesem Grund setzt die vorliegende Erfindung ein automatisiertes Flüssigkeitsfördersystem ein, das mit dem Ultraschallmessbetrieb über die vom Mikroprozessor 38 gesteuerte Schaltung verbunden ist, wie nachstehen beschrieben wird.
Mit Bezug auf 13 sind in der vorliegenden Ausführungsform Wasser und ein Tensid, die bereits vorgemischt sind, zum Füllen des Beckens 103 in einem abnehmbaren Versorgungstank 124 aus Polypropylen enthalten, während das gebrauchte Wasser und das Tensid aus dem Becken 103 von einem ähnlichen Entsorgungstank 126 aufgenommen werden. Jeder Tank 124 und 126 umfasst ein händisch zu bedienendes Ventil 128, das geöffnet wird, wenn die Tanks im Densitometer 100 installiert werden, und zum Transport der Tanks zu einer entfernt gelegenen Wasserzufuhr- oder Wasserentsorgungsmöglichkeit geschlossen wird. Der Versorgungstank 124 und der Entsorgungstank 126 verfügen über Luftlöcher 150, die normalerweise an deren oberen Rändern angeordnet sind, um das Einsaugen oder das Ablassen von Luft aus dem Inneren der Tanks 124 und 126 zuzulassen, wenn die sie sich in ihrer normalen Position innerhalb des Densitometers 100 befinden und die Ventile 128 offen sind. Die Tanks 124 und 126 halten ausreichend Wasser, um das Densitometer in etwa einen Tag lang zu verwenden, wodurch kein direkter Zugang zu Wasserinstallationen mehr notwendig ist.
Das Ventil 128 des Versorgungstanks 124 verbindet den Tank über eine biegsame Rohrleitung mit einer Pumpe 130, die Flüssigkeit vom Versorgungstank 124 in die Heizkammer 132 pumpen kann.
Mit Bezug auf 14 umfasst die Heizkammer 132 ein widerstandsbehaftetes Heizelement 164, das durch ein Wärmeschutzmodul, welches in Wärmekontakt zur Kopplungsflüssigkeit in der Heizkammer 132 steht, mit elektrischem Strom gespeist wird. Das Wärmeschutzmodul 166 umfasst einen Thermostat und eine thermische Sicherung, wie später noch beschrieben wird. Ein Thermistor 168, der ebenfalls in Wärmekommunikation mit der Flüssigkeit in der Heizkammer steht, stellt die Messung der Flüssigkeitstemperatur während des Betriebes des Densitometers 100 bereit. Die Heizkammer 132 umfasst zudem einen optischen Füllstandsfühler 172 bereit. Der Füllstandsfühler 172 detektiert den Pegelstand der Flüssigkeit in der Heizkammer 132 durch Überwachen der Veränderungen der optischen Eigenschaften eines Prismasystems, wenn das Prisma in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, im Unterschied zur dazu, wenn es von Luft umgeben ist. Der Betrieb des Thermistors 168 und des Füllstandsfühler 172 werden nachstehend näher beschrieben.
Erneut mit Bezug auf 13 kommuniziert die Heizkammer 132 über eine Überlauf-Öffnung 134 und eine biegsame Rohrleitung mit einem Überlauf-Entsorgungsauslass 136. Der Überlauf-Auslass 136 ist am Boden des Densitometers 100 und von dessen eingebauter Elektronik beabstandet angeordnet. Die Überlauf-Öffnung 134 ist oberhalb der normalen Füllhöhe der Heizkammer 132 angeordnet, wie nachstehend detailliert beschrieben wird.
Die Heizkammer 132 kommuniziert weiters über ihren tieftsgelegenen Punkt mit einem elektrisch betätigten Füllventil 138, das über eine biegsame Rohrleitung einen Weg zu einer in der Wand des Beckens 103 angeordneten Füllöffnung 140 bereitstellt.
An der gegenüberliegenden Wand des Beckens 103 befindet sich eine Überlauf-Öffnung 142, die sich in das Becken 103 an einem Punkt oberhalb der normalen Füllhöhe des Beckens 103 hinein öffnet und weiters über ein T-Verbindungsstück 144 mit dem Entsorgungstank 126 kommuniziert.
Ein Abflusskanal 146 stellt im Boden 104 des Beckens 103 einen Weg zu einem elektronisch betätigten Abflussventil 148 bereit. Das Abflussventil 148 wird in Betrieb genommen, um einer Flüssigkeit im Becken 103 das Fließen durch den Abflusskanal 146 zum T-Verbindungsstück 144 und in den Entsorgungstank 126 zu ermöglichen. Die Überlauf-Öffnung 142 und der Abflusskanal 146 umfassen Schutzschirme 152, um ein Verstopfen der Rohrleitung oder des Abflussventils 148, die mit dem Entsorgungstank 126 kommunizieren, zu verhindern.
Mit Bezug auf die 10 und 13 sind der Versorgungstank 124 und der Entsorgungstank 126 innerhalb des Gehäuses 101 des Densitometers 100 positioniert und in Bezug auf das Becken 103 an einer solchen Höhe angeordnet, dass die Flüssigkeit vom Becken 103 aus ausschließlich durch die Wirkung der Schwerkraft in den Entsorgungstank 126 abfließt und dass die Schwerkraft allein nicht ausreicht, um das Becken 103 vom Versorgungstank 124 aus zu füllen, wenn das Füllventil 138 offen ist. Weiters ist die Heizkammer 132 oberhalb des Beckens 103 angeordnet, sodass, wenn die Heizkammer 132 durch die Pumpe 130 mit Flüssigkeit gefüllt worden ist, das Füllen des Beckens 103 von der Heizkammer 132 aus durch die ausschließliche Einwirkung der Schwerkraft vollzogen werden kann. Demgemäß ist der Vorgang des Füllens und Entleerens des Beckens 103 des Densitometers einfach und äußerst leise.
In den Situationen, in denen ein rascher Zugang zu Wasserinstallationen bereitgestellt ist, können der Versorgungstank 124 oder der Entsorgungstank 126 oder beide umgangen werden und direkte Verbindungen zu den bestehenden Abfluss- oder Versorgungsleitungen hergestellt werden. Spezifisch kann die Pumpe 130 durch ein Ventil (nicht dargestellt), das die Heizkammer 132 mit der Wasserversorgungsleitung verbindet, ersetzt werden. Umgekehrt kann die Verbindung zwischen dem T-Verbindungsstück 144 und dem Entsorgungstank 126 umgeleitet werden, um das T-Verbindungsstück 144 direkt mit einem Abfluss zu verbinden.
Auch wenn die Kopplungsflüssigkeit im Becken 103 durch das Flüssigkeitsfördersystem der vorliegenden Erfindung kontinuierlich erneuert wird, sind die in Kontakt zur Flüssigkeit stehenden Oberflächen des Beckens 103, der Heizkammer 132, der Ventile 138 und 148 sowie die Verbindungsrohrleitungen für die Bildung von Bakterienkolonien und Mineralverkrustungen anfällig. Solche Bakterien- und Krustenüberzüge sind potentiell unhygienisch und unattraktativ. Bei einem ausreichenden Wachstum von Bakterien und Mineralablagerungen kann auch der Betrieb des Densitometers 100 entweder durch eine Einschränkung des Flüssigkeitsflusses durch die Rohrleitungen oder durch eine Störung des Betriebs der Ventile 138 und 148 oder durch negative Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften der Wandleranordnung 121 beeinträchtigt werden.
Aus diesem Grund wird das Densitometer vorzugsweise regelmäßig mit einer antibakteriellen Lösung und einer schwachen Säure gespült, wobei Letztere zur Entfernung der Mineralablagerungen dient. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht immer wirksam und können vergessen werden, weshalb in der vorliegenden Erfindung die gefährdeten, in Kontakt mit Wasser stehenden Oberflächen mit einer antibakteriellen Oberflächenmaterial behandelt werden, das auch gegenüber Mineralverkrustungen widerstandsfähig ist. Die bevorzugte Behandlung ist eine SPI-ARGENT^TM-Oberflächenbehandlung, die bei Spire Corporation in Badford, Massachusetts erhältlich ist und eine ionenstrahlgestützen Silberbedampfung in die behandelten Oberflächen beinhaltet. Der erhaltene dünne Film ist bakterizid, fungistatisch, biokompatibel und mineralienbeständig. Bakterizide und fungistatische Eigenschaften werden gemeinhin als Infektionsresistenz bezeichnet.
Diese Oberflächenbehandlung wird auf die mit Wasser in Kontakt stehenden Oberflächen des Beckens 103, der Heizkammer 132 und der gefährdeten beweglichen Komponenten der Ventile 138 und 148 angewendet.
Mit Bezug auf 14 ist die allgemeine Anordnung der elektrischen Komponenten aus 4 im Ultraschalldensitometer 100 aus 10 mit Ausnahme des zusätzlichen Eingabe/Ausgabe-Schaltkreises und des Schaltkreises zur Steuerung der Pumpe 130, der Ventile 138 und 148 und der Heizkammer 132 des Flüssigkeitsfördersystems unverändert. Im Besonderen kommuniziert nun der Mikroprozessor 38 über den Bus 40 mit einem Eingabe/Ausgabemodul 174, einem Pump/Ventilsteuerkreis 160 und einem Heizsteuerkreis 162.
Das Eingabe/Ausgabemodul 174 stellt die Funktion bereit, ein Standard-Bildschirmgerät oder einen Personalcomputer an das Densitometer 100 anzuschließen, um Informationen für den Benutzer anzuzeigen und in Folge um die vom Densitometer erfassten Daten nachzubearbeiten, wodurch eine Alternative zum Mikroprozessor 38 und der Anzeige 18 zur Verarbeitung und Anzeige der erfassten Daten der Ultraschallfortpflanzung ermöglicht wird.
Der Pump/Ventilsteuerkreis 160 stellt elektrische Signale für das Füllventil 138 und das Abflussventil 148 zum Öffnen und Schließen eines jeden Ventils unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 bereit. Der Pump/Ventilsteuerkreis 160 stellt ebenfalls ein elektrisches Signal für die Pumpe 130 bereit, damit die Pumpe damit beginnt, das Wasser und das Tensid aus dem Versorgungstank 124 unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 zu pumpen, und empfängt das Signal des Füllstandsfühlers 172 in der Heizkammer 132 zur Unterstützung der Steuerung der Pumpe 130 und des Ventils 138.
Der Heizsteuerkreis 162 steuert den vom widerstandsbehafteten Heizelement 164 erhaltenen Strom und empfängt das Signal vom Thermistor 168, der in Wärmekontakt mit der Heizkammer 132 steht. Ein zweiter Thermistor 170, der im Becken 103 angeordnet ist, um mit der Flüssigkeit im Becken 103 in thermischem Kontakt zu stehen, ist ebenfalls im Heizsteuerkreis 162 aufgenommen.
Mit Bezug auf die 13 und 14 ist das Becken 103 während des Betriebs des Densitometers 100 und vor dem ersten Patienten leer, der Versorgungstank 124 ist gefüllt und enthält ein bekanntes Volumen an Wasser und Tensid, und der Entsorgungstank 126 ist leer. Beide händisch zu betätigenden Ventile 128 sind offen, sodass ein Fluss in oder aus dem jeweiligen Tank 124 oder 126 hinein bzw. hinaus ermöglicht wird, während das elektrisch betätigte Füllventil 138 und Abflussventil 148 geschlossen sind.
Unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 stellt der Pump/Ventilsteuerkreis 160 Strom für die Pumpe 130 bereit, die das Wasser und das Tensid nach oben in die Heizkammer 132 pumpt, bis ein Signal vom Füllstandsfühler 172 empfangen wird. Wenn die Heizkammer 132 bis zur vorgeschriebenen Höhe, die durch den Füllstandsfühler 172 angezeigt wird, gefüllt ist, veranlasst das Signal von Füllstandsfühler 172 den Pump/Ventilsteuerkreis 160 die Pumpe 130 abzuschalten. Zu diesem Zeitpunkt ist eine vorbestimmte Menge an Flüssigkeit in der Heizkammer 132 enthalten, die dem korrekten Volumen, das zum Füllen des Beckens 103 zur Messung benötigt wird, entspricht.
Unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 stellt der Heizsteuerkreis 162 über das Wärmeschutzmodul 166 Strom für das widerstandsbehaftete Heizelement 164 bereit. Die Temperatur der Flüssigkeit in der Heizkammer 132 wird vom Thermistor 168 überwacht, und der Heizvorgang geht so lange vor sich, bis die Flüssigkeit in etwa eine Temperatur von 39°C erreicht hat. Der Thermistor und eine Thermosicherung (nicht dargestellt) des Wärmeschutzmoduls 166 sorgen für einen zusätzlichen Schutz vor Überhitzung der Flüssigkeit. Der Thermistor öffnet bei 50°C und kehrt automatisch beim Abkühlen wieder in den Ausgangszustand zurück, während sich die Thermosicherung bei 66°C öffnet, sich jedoch nicht in den Ausgangszustand zurücksetzt und ausgetauscht werden muss. Das Öffnen des Thermistors oder der Thermosicherung unterbricht die Stromzufuhr zum widerstandsbehafteten Heizelement 164.
Ist die Flüssigkeit in der Heizkammer 132 auf die korrekte Temperatur gebracht worden, so wird das Füllventil 138 vom Mikroprozessor 38 über den Pump/Ventilsteuerkreis 160 geöffnet und die Flüssigkeit fließt unter der Wirkung der Schwerkraft mit der richtigen Temperatur in das Becken 103. Die Regelung der Temperatur der Flüssigkeit dient dazu, dem Patienten, dessen Fuß gegebenenfalls im Becken 103 ist, eine angenehme Temperatur zu gewährleisten und dazu, jedwede temperaturbedingte Auswirkungen auf die Schallübertragung des Wassers und des Tensids zu verringern.
Wurde die erwärmte Flüssigkeit von der Heizkammer 132 in das Becken 103 überführt, schließt sich das Füllventil 138 und die Pumpe 130 wird reaktiviert, um die Heizkammer 132 erneut zu füllen. Somit kann frische Flüssigkeit für die nächste Messung während der aktuellen Messung erwärmt werden, sodass Wartezeiten zwischen aufeinanderfolgenden Messungen vermieden werden.
Ist die Flüssigkeit nun im Becken 103, so kann mit der Messung des Calcaneus mithilfe des Densitometers 100 begonnen werden. In diesem Punkt ist der Betrieb des Ultraschalldensitometers aus 10 ähnlich zu dem der Ausführungsform aus 1, mit der Ausnahme, dass die Reihenfolge der Impulsgebung und der Messung variiert werden kann. Beim Gerät aus 1 wurde der Messimpuls durch das Element im Allgemeinen vor dem Referenzimpuls durch den homogenen Standard, d. h. Wasser, ausgesendet. Beim Densitometer 100 aus 10 kann, da die Distanz zwischen den Wandlern 121 festgelegt ist, der Referenzimpuls durch das homogene Standardmaterial, bei dem es sich einfach um die Flüssigkeit im Becken 103 handelt, vor oder nach einem Messimpuls durch eine menschliche Gliedmaße ausgeführt werden. Da die Temperatur der Flüssigkeit im Becken 103 durch den Temperaturregelungsmechanismus so wie beschrieben konstant gehalten wird, kann in der Tat die Messung der Standardlaufzeit für das Instrument einmal vorgenommen werden, woraufhin nur noch Messimpulse übertragen werden müssen.
Vorzugsweise wird die Messung der Standardlaufzeit während der anfänglichen Kalibrierung der Einheit in der Produktionsstätte oder während folgender Nachkalibrierungen als Zahl im Speicher des Mikroprozessors 38 gespeichert. Während der Kalibrierung des Densitometers 100 wird das Signal des Thermistors 170 zur Erzeugung einer Laufzeit, die hinsichtlich der Temperatur der Flüssigkeit gemäß wohl bekannter Beziehungen zwischen Schallgeschwindigkeit in Wasser und Wassertemperatur korrigiert wird, verwendet. Diese korrigierte Laufzeit wird im Speicher des Mikroprozessors 38 als eingespeicherte Standardreferenz gespeichert.
Die Laufzeit der Messimpulse wird mit den eingespeicherten Standardreferenz-Laufzeiten durch die Kopplungsflüssigkeit verglichen, um die auf die Vollständigkeit des soeben gemessenen Glieds hinzuweisen. Somit kann auf den Referenzimpuls zur Gänze verzichtet werden. Empirische Versuche haben gezeigt, dass durch die korrekte Auswahl eines Standardreferenzwerts, der im Speicher des Mikroprozessors 38 gespeichert ist, und durch Halten der Flüssigkeit im Becken 103 in einem Temperaturbereich, wie er von der Heizkammer 132 bereitgestellt ist, kein Referenzimpuls ausgesendet oder gemessen werden muss.
Wird diese Variante eingesetzt, so muss ein mathematischer Vergleich der gemessenen Laufzeit oder der Laufgeschwindigkeit mit dem Standard durchgeführt werden. Da es zum Zwecke der Präzision bevorzugt ist, sowohl die Änderung der Laufzeit (Geschwindigkeit) als auch die Änderung der Schwächung heranzuziehen, um ein Glied in vivo zu bewerten, wurde folgende Gleichung entwickelt, um eine numerischen Wert als Indikator für die Integrität und die Mineraldichte eines Knochens bereitzustellen: Knochenintegritätswert = A(SOS – B) + C(BUA – D) (1)
In dieser Formel steht „SOS" für die Schallgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit der Ultraschallmessimpulse durch das Element und wird in Meter pro Sekunde angegeben. Der Schallgeschwindigkeits- (SOS-) Wert wird von der gemessenen Laufzeit ausgehend durch Dividieren eines Standardwerts für die Gliedbreite durch die tatsächliche gemessene Laufzeit berechnet. Für die Ferse eines erwachsenen Menschen wurde herausgefunden, dass die Annahme einer Standardbreite einer menschlichen Ferse von 40 mm am Messpunkt zu ausreichender und reproduzierbarer Präzision führt, sodass eine tatsächliche Messung der tatsächlichen Ferse des Individuums nicht notwendig ist.
BUA steht für Breitbandultraschallschwächung, die oben bereits detaillierter beschrieben wurde. Die Konstanten A, B, C und D verschieben und skalieren die den Einfluss der BUA-Messung relativ zur SOS-Messung, um eine effektivere Vorhersage der Knochendichte bereitzustellen. Die Konstanten können empirisch bestimmt werden und können für das jeweilige Gerät ausgewählt werden, um Zahlenbereitzustellen, die mit Zweiphotonen-Asorptiometrievorrichtungen kompatibel sind, und um die Auswirkungen der Knochenbreite zu reduzieren. Da dieses Verfahren unter Verwendung von Ultraschallmessungen der Ferse schnell und strahlungsfrei ist, bietet es eine vielversprechende Alternative für die Bewertung der Knochenintegrität bereit.
Das Densitometer 100 kann mit oder ohne eine Anordnung von Ultraschallwandlern in den Wandlern 121 eingesetzt werden. In der einfachsten Form kann die mechanische Ausrichtung der Ferse in der Vorrichtung durch Form und Größe des Beckens 103 bereitgestellt werden. Während die Verwendung einer Anordnung und das Abtasten der interessierenden Region, so wie oben beschrieben, zur Gewährleistung einer reproduzierbaren und präzisen Messung äußerst hilfreich ist, kann für klinische Zwecke die mechanische Platzierung akzeptabel sein, in welchem Fall nur einzelne Wandlerelemente notwendig sind.
Nach Abschluss der Messung wird das Abflussventil 148 vom Mikroprozessor 38 über den Pump/Ventilsteuerkreis 160 geöffnet, und die Flüssigkeit im Becken 103 fließt durch das T-Verbindungsstück 144 in den Entsorgungstank 126 ab. Beim Beginn der nächsten Messung wird das Abflussventil 148 geschlossen, und Flüssigkeit wird erneut von der Heizkammer 132 nachgefüllt, so wie bereits beschrieben wurde.
Beim wiederholten Füllen und Entleeren des Beckens 103 nimmt der Flüssigkeitsstand im Nachfülltank 124 mit einer entsprechenden Zunahme des Flüssigkeitsstands im Entsorgungstank 126 ab. Der Pegel der Flüssigkeit in jedem der Tanks 124 und 126 kann durch einen herkömmlichen Füllstandsfühler, wie beispielsweise einem mechanischen Schwimmer oder einem kapazitiven Füllstandsfühler, nachvollzogen werden.
Vorzugsweise wird kein zusätzlicher Füllstandsfühler eingesetzt. Das Flüssigkeitsvolumen für jede Verwendung des Densitometers 100 ist bekannt und vom Füllstand der Heizkammer 132 bestimmt. Der Mikroprozessor 38 kann demnach den Pegelstand der im Versorgungstank 124 verbleibenden Flüssigkeit durch Zählen der Male, die das Becken 103 gefüllt wird, verfolgen, um dem Benutzer über die Anzeige 18 oder über ein externes Bildschirmgerät (nicht dargestellt) ein Signal bereitzustellen, das darauf hinweist, dass die Tanks 124 und 125 gefüllt bzw. entleert werden müssen. Dieses Signal für den Benutzer basiert auf der Anzahl der Male, die das Becken 103 gefüllt wurde, und auf einer Berechnung der jeweiligen Volumen der Heizkammer 132 und des Versorgungstanks 124.
Nach einem gewissen Zeitraum nach Abschluss der Benutzung des Densitometers 100 kann dieses gelagert werden. Beim Lagerungsmodus wird, nachdem der Versorgungstank 124 und der Entsorgungstank 126 händisch geleert wurden, veranlasst der Mikroprozessor 38 den Pump/Ventilsteuerkreis 160, das Füllventil 138 und das Abflussventil 148 zu öffnen und die Pumpe 130 zu betätigen. Vor der Aktivierung der Pumpe 130 wird das Abflussventil 138 leicht geöffnet, um zu verhindern, dass der Luftstrom ein Abfließen der Flüssigkeit über die Überlauf-Öffnung 134 verursacht.
Mit Bezug auf die 10 und 15 werden die Wandler 121 in das Becken durch röhrenförmige Hüllsen 180 eingeführt, die sich von den Wänden des Beckens 103 aus an der gebogenen Tasche 106 entlang einer Achse 212 der gegenüberliegenden Wandler 121 nach außen erstrecken. Die röhrenförmigen Hüllsen 180 definieren ein rundes Loch, in welchem die Wandler 121 angeordnet werden können. Jeder Wandler 121 dichtet die Hülle 180 durch den Druck eines O-Rings 182 ab, der an der inneren Oberfläche der Hüllse 180 angeordnet ist.
Obwohl die Wandler 121 eng in die Hüllsen 180 eingepasst sind, wird ihr Abstand und ihre Ausrichtung nicht von den Hüllsen 180, sondern von einer unabhängigen Schraubzwinge 184 bestimmt, die einen ersten und einen zweiten, einander gegenüberliegenden Arm 186 umfasst, die durch einen Schaft 188 getrennt sind. Ein Wandler 121 ist an einem Ende eines jeden Arms 186 befestigt, während das jeweils andere Ende der Arme 186 an den Schaft 188 angepasst ist.
Die Arme 186 sind im Allgemeinen rechteckige Blöcke mit transversalen Löchern, um die zylindrisch geformten Wandler 121 an einem Ende aufzunehmen und diese entlang der Achse 212 zu halten. Die anderen Enden der Arme 186 stellen planare Stirnflächen zum Anstoßen an die gegenüberliegenden Enden des blockförmigen Schafts 188 bereit, wobei das Anstoßen dem Halten der Arme 186 in gegenüberliegender und paralleler Beziehung zueinander dient.
Obwohl die Winkel der Arme 186 in Bezug auf den Schaft 188 durch das Anstoßen der planaren Stirnflächen der Arme 186 und der Enden des Schafts 188 bestimmt sind, ist durch Passstifte 190, die sich von jedem Ende des Schafts 188 aus zum engen Einpassen in die entsprechenden Löcher im ersten und im zweiten Arm 186 erstrecken, die Ausrichtung der Arme 186 in Bezug auf den Schaft 188 bereitgestellt.
Kopfschrauben 194, die in Gegenbohrungen in den Armen 186 aufgenommen sind, verlaufen durch die Arme 186 hindurch, während die Passstifte 190 von Gewindelöchern im Schaft 188 aufgenommen werden, um den Arm 186 fest am Schaft 188 befestigt zu halten. Die Passstifte 190 und die Oberflächen zwischen den Armen 186 und dem Schaft 188 dienen zur Bereitstellung einer äußerst präzisen Ausrichtung und Winkelbeziehung der Wandler 121 und gleichzeitig eines Verbindungsstücks, das getrennt werden kann, um die Abnahme der Wandler 121 vom Densitometer 10 zu ermöglichen, damit diese repariert oder ersetzt werden können.
Die Wandler 121 werden in einer geregelten Werksumgebung an die Arme 186 angepasst und an diesen befestigt, um die notwendige akustische Signalstärke und Empfang bereitzustellen. Beim praktischen Einsatz kann der Schaft 188 von einem oder beiden Armen 186 abgenommen werden, indem die Kopfschrauben 194 gelockert werden, sodass die sich von den Armen aus nach innen erstreckenden Wandler 121 in die Hüllsen eingepasst werden können. Die korrekte Ausrichtung und Winkelbeziehung der Wandler wird dann durch erneutes Befestigen des Arms oder der Arme 186, die vom Schaft 188 entfernt wurden, am Schaft 188 gewährleistet, um dann daran durch Festziehen der Kopfschrauben 194 festgemacht zu werden. Somit hängt die Ausrichtung der Wandler nicht von der Ausrichtung der Hüllsen 180 ab, die aus Kunststoff geformt und dadurch von geringer Präzision sein können. Auch muss die Ausrichtung nicht überprüft werden, während die Wandler in den am Becken 103 befestigten Hüllsen 180 angeordnet sind, sondern können in einer zentralen, geregelten Umgebung kontrolliert werden.
Ausführungsform der flexiblen Blasen
Mit Bezug auf die 16 und 17 sind in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die gegenüberliegenden Wandler 121 in ringförmigen Kragen 200 eingepasst, die wiederum an flexiblen Blasen 202, die sich in das Becken 103 hinein erstrecken, angebracht sind, wobei jede Blase 202 eine Flüssigkeit oder ein halbflüssiges Kopplungs-"Gel" 204 enthält.
Die Blasen 202 dienen dazu, Gel an der Fläche der Wandler 121 zu enthalten und sich der rechten bzw. der linken Seite der Ferse 207 eines Patienten anzupassen, um so einen Weg zwischen den Wandlern 121 sowie dem Weichgewebe und dem Knochen der Ferse 207 ohne Lufteinschlüsse dazwischen bereitzustellen. Die Blase 202 verhindert weiters den direkten Kontakt des Kopplungsmaterials mit Ferse, wodurch das Kopplungsgel 204 aus einer breiteren Palette an Materialien ausgewählt werden kann.
Der Druck der Blasen 202 gegen die Ferse 207 zur Bereitstellung der notwendigen Kopplung wird durch einen Teleskopschaft 181, der in 16 gezeigt ist, bereitgestellt. In dieser alternativen Ausführungsform der Schraubzwinge 184 aus 15 wurde der Schaft 188' in zwei Abschnitte 206 und 208 geteilt, die gleitbar durch Passstifte 210 miteinander verbunden sind, um die notwendige Bewegung der Wandler 121 nach innen entlang ihrer Achse zum Drücken der Blasen 202 gegen die Ferse 207 bereitzustellen. Ein Ende eines jeden Passstifts 210 ist in Löcher im Schaft 188' parallel zur Achse 212 der gegenüberliegenden Wandler im Abschnitt 206 pressgepasst. Die anderen Enden der Passstifte 210 gleiten innerhalb größerer Löcher im Abschnitt 208, sodass die Anschnitte 206 und 208 parallel zur Achse 212 zueinander hin- und voneinander weggleiten können. Bei einer solchen Bewegung bewegen sich die befestigten Arme 186 zueinander hin und voneinander weg und passen so den Abstand der Wandlern 121 zwischen einer offenen Position zur Einführung der Ferse 207 und einer geschlossenen Position mit bekanntem Abstand und Ausrichtung, bei der die Abschnitte 208 und 206 aneinanderstoßen, an.
Die Regelung des Abstands wird mithilfe von Nockenstiften 214 bereitgestellt, die von den Abschnitten 206 und 208 an der Seite, die entfernt von den sich erstreckenden Armen 186 liegt, im Allgemeinen senkrecht zur Achse 212 vorstehen. Diese Stifte 214 werden von spiralförmigen Schlitzen in einer Nockenscheibe 217, die an die Nockenstifte 214 angepasst sind, aufgenommen. Die Scheibe umfasst einen sich radial erstreckenden Hebel 218, dessen Bewegung die Scheibe in Drehung versetzt, was die Nockenstifte 214 in den Schlitzen 215 je nach Bewegung des Hebels 218 zur Bewegung zueinander oder weg voneinander veranlasst.
Die Wandler 121 können somit gemeinsam mit den Blasen 202 zur Einführung der Ferse 207 in das Becken voneinander weg bewegt werden. Ist die Ferse korrekt eingeführt, so schließt die Bewegung des Hebels 218 die Wandler 121 bis zu einem vorbestimmten Abstand, wodurch die Blasen 202 bündig an die Seiten der Ferse 207 gedrückt werden. Die Elastizität der mit Kopplungsgel 204 gefüllten Blase stellt eine expandierende Kraft gegen die Ferse 207 bereit, um die Oberfläche der Blase 202 an die Ferse 207 anzupassen.
Aufhebung der Variationen der Fersenbreite
Mit Bezug auf die 17 und 18 gilt allgemein, dass je breiter der Calcaneus 216 der Ferse 207 ist, desto größer ist die Schwächung des akustischen Signals, das zwischen den Wandlern 121 durch die Ferse 207 hindurchtritt. Dementsprechend nimmt auch mit größerer Schwächung die Steigung der Schwächung als Funktion der Frequenz, im Allgemeinen als Breitbandultraschallschwächung (BUA) bezeichnet, zu, wie in 18 durch den Graphen 209 dargestellt ist. Hier wird allgemein angenommen, dass das Kopplungsmedium 204 von geringer oder im Wesentlichen konstanter Schwächung als Funktion der Frequenz ist. Eine größere BUA ist im Allgemeinen mit besserer Knochenbeschaffenheit korreliert.
Bei konstanter Fersendicke entspricht eine niedrigere TOF (schnellere Schallgeschwindigkeit) einer besseren Knochenbeschaffenheit. Die Laufzeit (TOF) eines akustischen Impulses zwischen den Wandlern 121 ist proportional zur Laufzeit des akustischen Impulses durch die Regionen A aus 17, die die Weglänge durch das Kopplungsgel 204 umfassen, die Regionen B, die die Weglänge durch das Weichgewebe der Ferse 207 rund um den Calcaneus 216 umfassen, und die Region C, die die Weglänge durch das Fersenbein oder den Calcaneus 216 umfassen. Somit gilt:
worin V_A, V_B und V_C die mittlere Geschwindigkeit des Schalls durch das Kopplungsgel, das Weichgewebe bzw. den Knochen sind und A, B und C die Weglängen durch diese Materialien sind. Unter der Voraussetzung, dass der Abstand zwischen den Wandlern 121 ein konstanter Wert K ist, entspricht die Laufzeit:
Somit ist die Änderung der Laufzeit als Funktion der Dicke des Knochens C (die Ableitung von TOF in Bezug auf C) im Allgemeinen gleich 1/V_C – 1/V_A.
Ist die Schallgeschwindigkeit durch das Kopplungsmedium 204 größer als die durch den gemessenen Knochen (V_A > V_C oder 1/V_C > 1/V_A), so gilt, mit Bezug auf 18, dass die funktionelle Beziehung von TOF zu Fersenbreite ansteigend ist, wenn die Ferse breiter wird (dargestellt durch Graph 213, der die Werte von 1/TOF zeigt), Andererseits ist, wenn die Schallgeschwindigkeit durch das Kopplungsmedium 204 kleiner als die durch den gemessenen Knochen (V_C > V_A oder 1/V_A > 1/V_C) ist, die funktionelle Beziehung von TOF zu Fersenbreite abnehmend, wenn die Ferse breiter wird (dargestellt durch Graph 211, der die Werte von 1/TOF zeigt).
Eine kombinierte Zahl der Knochengesundheit wird durch die Kombination der BUA- und 1/TOF-Messungen (1/TOF, weil BUA zunimmt, aber TOF abnimmt, je gesünder Knochen ist) erhalten. Außerdem ergibt, wenn (1) die Bedingungen der Ultraschallfortpflanzung angepasst sind, sodass die Steigung von 1/TOF mit der Fersenbreite das gegensätzliche Vorzeichen wie die Steigung von BUA mit der Fersenbreite aufweist (d. h. V_A > V_C), und (2) die BUA- und 1/TOF-Messungen zueinander gewichtet sind, sodass die gegensätzlich verlaufenden Steigungen der BUA und 1/TOF gleich sind, die algebraische Kombination von BUA und TOF, beispielsweise durch Addition, eine Messung der Knochenbeschaffenheit, die für eine Palette an Knochenbeschaffenheiten im Wesentlichen unabhängig von der Fersenbreite ist.
Dies wird sofort verständlich, wenn darauf hingewiesen wird, dass eine breitere Ferse einen Teil des Kopplungsgels 204 zwischen der Ferse 207 und den beiden Wandlern 121 verdrängt, wobei die Verdrängung des den Schall langsamer als der zu messende Knochen leitenden Materials die Gesamt-Geschwindigkeit, mit der der Schall geleitet wird, erhöht wird.
Ein ähnlicher Effekt kann auch durch angemessenes Skalieren und Kombinieren von BUA und TOF durch Multiplizieren erzielt werden, und es können auch andere Funktionen der Schwächung und von TOF verwendet werden, in dem der Vorteil ihrer funktionellen Unabhängigkeit und ihrer teilweisen funktionellen Abhängigkeit von der Fersenbreite genutzt wird.
Mit Bezug auf 19 stehen BUA und TOF im Allgemeinen in funktioneller Beziehung sowohl zur Knochenbeschaffenheit als auch zur Fersenbreite. Es sollte deshalb möglich sein, die Gleichungen, die diese Beziehungen bestimmen, für die Knochenbeschaffenheit allein zu lösen und somit die Wirkung der gemeinsamen Variablen der Fersenbreite zu eliminieren. Mit einem derartigen Ansatz wird die Variable der Fersenbreite nicht nur für einen Abschnitt, sondern für die gesamte Bandbreite der Knochenmessung eliminiert, vorausgesetzt, dass sich das Kopplungsmedium vom zu messenden Knochen unterscheidet, sodass eine Auswirkung der Breite sowohl in der Messung der BUA als auch der TOF besteht.
Approximationen der algebraischen Beziehungen, die die funktionelle Abhängigkeit der BUA und TOF von der Knochenbeschaffenheit beschreiben, können durch die Konstruktion eines Satzes an Knochenmodellen mit verschiedenen Breiten und Knochenbeschaffenheiten erhalten werden, wenn ein bestimmtes Kopplungsgel verwendet wird. Im Allgemeinen beschreiben die Daten für jeden Wert der BUA und TOF eine Kurve 222, die diesen Wert in Verbindung zu verschiedenen Kombinationen von Knochenbeschaffenheit und Knochenbreite setzt. Diese Daten können in einer Verweistabelle im Speicher des Mikroprozessors des Densitometers wie zuvor beschrieben gespeichert werden.
Nachdem die BUA- und TOF-Werte ermittelt wurden, werden die Daten der Verweistabelle (welche zahlreiche Paare aus Knochenbeschaffenheit und Knochenbreite für jeden der ermittelten BUA- und TOF-Werte umfasst) durchsucht, um ein Paar aus Knochenbeschaffenheit und -breite für den BUA-Wert zu finden, das zu einem Paar aus Knochenbeschaffenheit und -breite für den TOF-Wert passt. Dies entspricht dem Finden der Schnittstelle der beiden Kurven 222, die mit den gemessenen BUA- und TOF-Werten assoziiert sind. Die zueinander passenden Knochenbeschaffenheitswerte der Datenbank ergeben eine Knochenbeschaffenheit, die kaum oder gar nicht von der Knochenbreite beeinflusst ist. Dieser Wert kann dann dem Kliniker angezeigt werden. Es wir festgehalten, dass das zuvor beschriebene Verfahren des Addierens der gewichteten BUA- und 1/TOF-Werte nur eine spezielle Form dieses Verfahrens der algebraischen Auflösung ist.
Alternativ dazu kann ein passender Knochenbreitewert identifiziert werden, der die Breite der gemessenen Ferse ist, und zur Korrektur von einem der BUA- oder TOF-Werte zur Anzeige für den Kliniker eingesetzt werden, falls BUA- oder TOF-Werte für die Diagnose bevorzugt sind.
Diese Möglichkeit der Beseitigung der Effekte der Fersenbreite funktioniert nur bei einer Knochenbeschaffenheit, bei der die Beziehung zwischen dem Kopplungsgel 204 und dem Calcaneus 216 so ist, dass eine funktionelle Abhängigkeit von der Fersenbreite bereitgestellt ist. Eine derartige Beseitigung ist nicht möglich, wenn beispielsweise die Dichte des zu messenden Calcaneus 216 im Wesentlichen der Schallgeschwindigkeit des Kopplungsgels 204 entspricht, wodurch die Verdrängung des Kopplungsgels durch einen ähnlichen Knochen keine Auswirkungen auf die Laufzeit hat. Deshalb muss das Kopplungsgel angemessen ausgewählt werden. In diesem Fall werden gegebenenfalls Materialien mit höherer Schallgeschwindigkeit als Kopplungsmaterial gewählt. Die Differenz zwischen dem Kopplungsgel und dem zu messenden Knochen beeinflusst die Präzision der Aufhebung der Effekte der Fersenbreite.
Was das Streben nach einer Verbesserung der Effekte der Fersenbreite abschwächt ist die Wichtigkeit, dass das Kopplungsgel 204 nahe den akustischen Eigenschaften des Weichgewebes der Ferse 207 gehalten wird, um sowohl die Reflexion durch Impedanzfehlanpassung zu verhindern als auch um zu vermeiden, dass Verände rungen der Dicke des Weichgewebes in der Region B für zusätzliche Ungenauigkeit der Messung sorgt. Wasser stellt als Kopplungsmedium eine gute Anpassung an das Weichgewebe der Ferse 207 bereit und weist eine Schallgeschwindigkeit auf, die sehr nahe der des Knochens und einiger Osteoporosezustände ist. Die Gewichtung der Schwächung der Fortpflanzungszeit kann für Wasser vorgenommen werden.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung das Anzeigen eines Knochenbeschaffenheitswerts oder korrigierter TOF- oder BUA-Werte in Betracht zieht, so versteht es sich gleichzeitig, dass dieselbe Wirkung durch Anzeigen von unkorrigierten BUA- oder TOF-Werten in einer Tabelle und Festlegens eines Schwellenwerts für gesunde oder schwache Knochen auf der Grundlage der wie oben beschrieben ermittelten Korrekturen erzielt werden kann.
Ultraschalldensitometer mit abtastbarem Fokus
Mit Bezug auf. 20 kann eine Empfangswandleranordnung 300, ähnlich der in Bezug auf 1 beschriebenen Anordnung 21, anliegend an die Ferse eines Patienten (nicht dargestellt) angeordnet werden, um eine Ultraschallwelle 410 entlang seiner Achse 304 zu empfangen. Die Empfangswandleranordnung 300 umfasst eine piezoelektrische Schicht 302 mit im Wesentlichen quadratischem Umfang, die senkrecht zur Übertragungsachse 304 angeordnet und in Wandlerelemente 400 wie nachstehend beschrieben unterteilt ist, von denen jedes einen anderen Abschnitt der Ultraschallwelle 410 nach deren Durchtritt durch die Ferse empfängt.
Die piezoelektrische Schicht 302 kann aus einem Polyvinylidenfluorid hergestellt sein und weist eine Vorderfläche 306 auf, die mit einem Gitter aus gegenseitig verbunden quadratischen Elektroden 308 bedeckt ist, die durch Metallbedampfung auf die Vorderfläche 306 aufgebracht wurden. Diese quadratischen Elektroden 308 sind an den Verbindungspunkten eines rechteckigen Gitters angeordnet, um geradlinige Zeilen und Spalten zu ergeben. Auch mit Bezug auf 23 ist jede quadratische Elektrode 308 von den benachbarten Elektroden 308 um in etwa die eigene Breite beabstandet. Diese quadratischen Elektroden 308 sind durch metallisierte Leiterbahnen (nicht dargestellt) miteinander verbunden und mithilfe einer Leitung 310 an eine gemeinsame Spannungsreferenz angeschlossen.
Bei der Herstellung der piezoelektrischen Schicht 302 wird die Polyvinylidenschicht polarisiert, um durch Erwärmen und Abkühlen der Schicht in Gegenwart eines polarisierenden elektrischen Felds gemäß allgemein auf diesem Gebiet bekannter Verfahren die piezoelektrischen Eigenschaften zu verleihen. In der vorliegenden Erfindung wird das polarisierende Feld ausschließlich an den Bereich unterhalb der quadratischen Elektroden 308 angelegt, sodass nur dieses Material piezoelektrisch wird, während das Material zwischen den quadratischen Elektroden 308 reduzierte oder keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Wie in Folge klar verständlich wird, stellt diese selektive Polarisierung der piezoelektrischen Schicht 302 eine verbesserte räumliche Selektivität beim Unterscheiden von akustischen Signalen, die an verschiedenen Bereichen der piezoelektrischen Schicht empfangen werden, bereit.
Mit Bezug auf 22 befindet sich gegenüber einer jeden Elektrode 308 an der Rückseite der piezoelektrischen Schicht 302, am weitesten vom Ursprung der Ultraschallwelle 410 entfernt, eine zweite Elektrode 312 mit im Wesentlichen denselben Maßen wie die quadratischen Elektroden 308, die mit den entsprechenden quadratischen Elektroden 308 entlang einer Übertragungsachse 304 ausgerichtet sind.
Mit Bezug auf die 20 und 21 weist eine Kontaktplatte 318 mit einer Flächenausdehnung, die in etwa der der piezoelektrischen Schicht 302 entspricht, eine Vielzahl von leitenden Stiften 320 auf, die sich von ihrer Vorderseite aus erstrecken und die bezüglich der Anzahl und Position den Druckfeldern 316 entsprechen. Die Stifte 320 sind stabartige Anschlüsse, die auf einer gedruckten Leiterplatte 322 aus Epoxidglas, die von einem für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Typ ist, befestigt sind. Jeder leitende Stift 320 ist direkt an einen Vorverstärker ange schlossen und dann mithiffe von gedruckten Leiterbahnen über einen Multiplexer 325 an eine reduzierte Anzahl von Steuer- und Datenleitungen 324 angeschlossen, die mit dem Mikroprozessor 38 des Densitometers über einen A/D-Wandler 42, der zuvor in Bezug auf 1 beschrieben und auf dem Gebiet der Erfindung wohl bekannt ist, verbunden sein kann. Alle Vorverstärker ermöglichen die Erdung jener Elektroden 312, die während des Abtastens nicht aktiv sind, um das Übersprechen zwischen den Elektroden 312 einzuschränken.
Wie in 21 gezeigt ist, sind die Stifte 320 der Kontaktplatte 318 elektrisch mit den Elektroden 312 an der Rückseite der piezoelektrischen Schicht 302 mittels eines Streifens aus dünnem (0,0005 Zoll) Mylar 316, der leitende Finger 314 auf seinen Oberflächen aufweist, verbunden. Die leitenden Finger 314 auf der Vorder- und Rückseite des Mylarstreifens 316 stehen durch eine durchmetallisiertes Loch 313 im Mylar 316, das die Finger 314 verbindet, in elektrischer Kommunikation.
Jeder leitende Stift 320 ist an einem leitenden Finger 314 an einer Kante des Mylarstreifens 316 (der Richtung der akustischen Welle entsprechend) an dessen Rückseite mittels eines anisotrop leitenden Klebefilms 315 verbunden, der die elektrische Leitung nur entlang seiner dünnsten Bereiche zulässt, also vom Stift 320 zum Finger 314, aber nicht zwischen den Fingern 314 oder den Stiften 320. Ein anisotrop leitender Film, der für diesen Zweck geeignet ist, ist bei der 3M Corporation in Minnesota unter dem Handelsnamen 3M Z-Axis Adhesive Film erhältlich.
Mit dem anderen Ende eines jeden der plattierten Finger 314 an der Vorderseite des Mylarstreifens 316 ist eine Elektrode 312 über eine zweite Schicht eines anisotrop leitenden Klebefilms 317 verbunden. Der Mylarstreifen 316 biegt sich, sodass die Stifte 320 von der Elektrode 312 beabstandet sein können, um so Reflexionen von den Stiften 320 zu verhindern, die Störsignale an der piezoelektrischen Schicht 302 auslösen können. Der Mylarstreifen 316 und die leitenden Finger 314 sind im Wesentlichen für die akustische Welle durchlässig.
Mit Bezug auf 22 erlauben die Mylarstreifen 316 und die Klebefilme 315 und 317 den schnellen Zusammenbau des Wandlers 300. Eine einzelne Schicht des leitenden Films 317 (in 22 nicht dargestellt) kann auf die gesamte Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 302 und den Elektroden 312 aufgebracht werden. In Folge kann eine Vielzahl an überlappenden Mylarstreifen 316 auf diese Oberfläche gelegt werden, wobei sich jeder Mylarstreifen 316 seitlich entlang der piezoelektrischen Schicht 302 mit sich transversal erstreckenden leitenden Fingern 314 für jede Elektrode 312 einer Reihe aus leitenden Elektroden 312 erstreckt. Die Überlappung der Mylarstreifen 316 gewährleistet, dass nur eine Vorderkante eines jeden Streifens 316 an der piezoelektrischen Schicht 302 anhaftet. Führungslöcher 319 in den äußersten Seitenkanten der Mylarstreifen 316 passen in die Stifte in einer Befestigungsvorrichtung (nicht dargestellt), um die Ausrichtung der Finger 314 mit den Elektroden 312 zu sichern.
Nun wird eine zweite Schicht des anisotrop leitenden Klebefilms 315 auf die Rückseiten der überlappenden Mylarstreifen 316 gelegt, und die leitenden Stifte 320 werden auf diesen Film 315 in Ausrichtung mit den anderen Enden der leitenden Finger 314 gedrückt, um sie am jeweils entsprechenden Finger 314 anzubringen. Daraufhin werden die leitenden Stifte 320 angehoben und in einer beabstandeten Beziehung zur piezoelektrischen Schicht 302 fixiert, wobei sich die Mylarstreifen 316 biegen, um für diese Versetzung Raum zu schaffen.
Die Ultraschallwelle 410, die durch die Abschnitte zwischen den Elektroden 308 und 312 der piezoelektrischen Schicht 302 tritt, kann dadurch an mehreren Punkten an der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 302 durch die von den Elektroden 308 und 312 erzeugten und gesammelten Signale gemäß auf diesem Gebiet bekannten Multiplexverfahren gemessen werden. Jedes Elektrodenpaar 308 und 312 stellt ein unabhängiges Signal der akustischen Energie bereit, die durch den vom Elektrodenpaar umklammerten Bereich der piezoelektrischen Schicht hindurchtritt.
Ein Schutzrahmen 325 umgibt die piezoelektrische Schicht 302 und die Kontaktplatte 318 und schützt diese vor einem direkten Kontakt mit dem Wasser im Becken 103, das in den 10 und 15 gezeigt ist, in welchem die Wandleranordnung 300 angeordnet werden kann. Der Rahmen 325 trägt auf seiner Stirnfläche ein akustisch durchlässiges und biegsames Material 326, wie beispielsweise einen Teflonfilm, sodass die Ultraschallwelle 410 in den Rahmen eindringen und die piezoelektrische Schicht 302 erreichen kann.
Die oben beschriebene Anordnung kann zum Empfang oder zur Aussendung akustischer Wellen eingesetzt werden und ist nicht auf die Verwendung im medizinischen Bereich eingeschränkt, sondern kann auch eine kostengünstige und unempfindliche akustische Anordnung für industrielle Zwecke sein, die für verschiedenste Anwendungen, einschließlich der industriellen Ultraschallbildgebung und der Konstruktion von Hochfrequenzmikrophonen mit künstlicher Apertur, nützlich ist.
Hinter dem Rahmen 325 ist ein elektrischer Motor 328 angeordnet, der ein zentrales Getrieberad 330 um eine Achse, die mit der Übertragungsachse 304 ausgerichtet und in etwa mittig im Rahmen 325 angeordnet ist, antreibt. Das zentrale Getrieberad 330 greift seinerseits in zwei diagonal gegenüberliegende Planetenräder 332 ein, die sich ebenfalls um mit der Übertragungsachse ausgerichtete Achsen drehen. Jedes Planetenrad 332 verfügt über einen Stab 334, der sich von der Vorderseite des Planetenrads 332 aus nach vorne, jedoch zur Achse des Planetenrads versetzt erstreckt, um sich um diese in einer Umlaufbahn 336 zu drehen. Die Umlaufbahn 336 weist einen Durchmesser auf, der in etwa dem Abstand zwischen den Elektroden 308 entspricht.
Die Stäbe 334 greifen in entsprechende Buchsen 338 an der Rückseite des Rahmens 325 an dessen gegenüberliegenden Ecken ein. Somit veranlasst der Betrieb des Motors 328, dass die piezoelektrische Schicht 304 der Umlaufbahn 336 folgt, während die Reihen und Kolonnen der Detektorelemente 400 in horizontaler bzw. vertikaler Ausrichtung bleiben.
Mit Bezug auf 23 können die Signale der Detektorelemente 400 an vier Punkten 342 in der Umlaufbahn 336 gemessen werden, an denen jede Elektrode 308 zuerst in einer Ausgangsposition und um die Hälfte des Abstands zwischen den Elektroden nach oben, nach links oder nach links oben bewegt wird. Die Wirkung dieser Bewegung der Detektorelemente 400 besteht in der Verdoppelung der räumlichen Auflösung der empfangenen akustischen Signale, ohne dafür die Anzahl der Kabeln oder die Anzahl der Detektorelemente 400 anheben zu müssen. Die Abtastung der akustischen Energie an jedem der Punkte 342 wird im Speicher des Mikroprozessors gespeichert und kann unabhängig zur Ableitung der Schwächung, der BUA- oder der Laufzeitmessung oder einer Kombination dieser Messungen verarbeitet werden. Diese Messungen werden dann in einen Intensitätswert eines Bildes umgewandelt, sodass jedes Pixel des Bildes einen Intensitätswert aufweist, der proportional zum gemessenen Parameter ist. Einem Kliniker wird somit beim Betrachten dieses Bilds nicht nur ein Bild des Knochens, sondern ein Bild, das die Knochenbeschaffenheit an den verschiedenen Punkten des Knochens bereitgestellt.
Ein Ultraschallsendewandler 408 ist an der der Empfangswandleranordnung 300 gegenüberliegenden Seite der Ferse 207 angeordnet und erzeugt eine im Allgemeinen ebene Ultraschallwelle 410, die in die Ferse läuft. Im Allgemeinen sind die von jedem Wandlerelement 400 empfangenen akustischen Signale von vielen Punkten in der Ferse ausgegangen.
Sind, mit Bezug auf 24, die Wandlerelemente 400, so wie durch die abgebildeten Wandlerelemente 400' angedeutet, so fokussiert, dass sie einer Halbkugel 402 mit einem Radius und somit einem Brennpunkt an einem bestimmten Volumenelement oder Voxel 404 in der Ferse 207 folgen, so könnten akustische Signale von anderen Voxeln aufgehoben werden, wodurch die Messung selektiver wird. Bei dieser Fokussierung der Wandlerelemente 400' werden die Signale von jedem Wandlerelement 400' zusammengezählt. Konstruktive und destruktive Interferenzen der Ultraschallwellen 410 von der Ferse 207 dienen der Eliminierung von akustischen Signalen, die nicht direkt vom Volumenelement 404 im Brennpunkt stammen.
Beispielsweise erreichen, wie abgebildet, zwei akustische Signale 405 und 406 die Stelle eines Wandlerelements 400' in ihrem Wellenkamm, da jedes Wandlerelement 400' vom Fokusvoxel 404 gleich beabstandet ist. Werden die Signale von den Wandlerelementen 400' zusammengezählt, so erhöht sich das Signal vom Fokusvoxel 404. Im Gegensatz dazu heben sich Signale von anderen Voxeln, die nicht denselben Abstand zu den Wandlerelementen 400' aufweisen, gegenseitig auf, wenn sie zusammengezählt werden, und nehmen somit ab.
In der vorliegenden Erfindung sind die Wandlerelemente 400 nicht in einer Halbkugel angeordnet, doch wird derselbe Effekt erzielt, während die Wandlerelemente 400 in einer planaren Anordnung gehalten werden, indem die von den Wandlerelementen 400 empfangenen Signale verzögert werden, wenn man sich in die Richtung des am mittigsten angeordneten Wandlerelements 400'' bewegt, um so eine effektive Halbkugelanordnung zu erzeugen. Wie bei einer Halbkugelanordnung scheint es, als würden die am mittigsten angeordneten Wandlerelemente 400 die akustische Welle etwas später als die Wandlerelemente 400 am Rand der Empfangswandleranordnung 300 empfangen. Durch den Einsatz einer Phasenverzögerung der Signale anstelle einer gekrümmten Anordnung 300 kann die Position des Fokusvoxels 404, auf das die Empfangsanordnung fokussiert ist, elektrisch abgetastet werden, wie in Folge beschrieben wird. Die Signale eines jeden der Wandlerelemente 400 werden vom A/D-Wandler 42 empfangen und im Speicher gespeichert. Die beschriebene Phasenverschiebung umfasst lediglich das Verschieben des Punkts, an dem mit dem Lesen der gespeicherten Signale begonnen wird.
Die Anpassung der Phase der akustischen Signale, die von jedem der Wandlerelemente 400 empfangen werden, ermöglicht die Abtastung der Stelle des Fokusvoxels 404, von dem Daten erhalten werden, durch die Ferse hindurch. Die Phase wird einfach angepasst, sodass die tatsächliche Ankunftszeit eines akustischen Signals, das von der gewünschten Stelle stammt, dieselbe für alle Wandlerelemente 400 ist.
Mit Bezug auf 25 kann die Stelle des Fokusvoxels 404 in einem ersten und einem zweiten Rasterabtastungsmuster 412 und 414 (wenn viele Ultraschallimpulse gelesen werden) bewegt werden, um getrennte Ebenen von Daten zu erhalten, die senkrecht zur Übertragungsebene 304 stehen. Die erste Datenebene 412 kann beispielsweise in der Nähe des äußeren Rands des Calcaneus 216 positioniert sein, um die Beschaffenheit der Knochencortex zu messen, während die zweite Ebene 414 an einer Stelle in der Mitte im Trabekulärknochen angeordnet sein kann, um andere Ergebnisse abzulesen, wobei beide Ablesungen unterschiedliche Daten über den Knochen liefern.
Es versteht sich, dass dieser Ansatz des Abtastens an verschiedenen Stellen verwendet werden kann, um ein Volumen von Daten innerhalb der Ferse 207 zu erhalten, wobei in diesem Fall das Fokusvoxel 404 zu Punkten eines dreidimensionalen Gitters hin bewegt wird.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der Ultraschallsendewandler eine Anordnung und die von jedem der Elemente der Anordnung ausgesendeten Signale in Phase sein, sodass ein bestimmtes Voxel im Inneren der Ferse im Fokus liegt. In diesem Fall kann die Empfangsanordnung ein einzelner breitflächiger Detektor oder auch eine Anordnung sein, die zur Erhöhung der Selektivität auf dasselbe Voxel fokussiert ist. Die Brennpunkte der Sende- und Empfangsanordnungen können in Bezug zueinander auch verschoben werden, um das lokale Schallübertragungsphänomen zu untersuchen. Wie bereits zuvor können auch hier die Brennpunkte der Anordnungen elektrisch durch Verschieben der Phasen der ausgesandten und empfangenen Signale vom Mikroprozessor gelenkt werden. Um Daten zu erfassen kann jedes Element der Sendeanordnung einzeln mit Energie beaufschlagt werden, während alle Empfangselement der Empfangsanordnung gelesen werden. Dies kann so lange fortgeführt werden, bis jedes der Elemente der Sendeanordnung mit Energie beaufschlagt wurde.
Alternativ dazu kann, mit Bezug auf 28, die Empfangsanordnung 300 so geformt sein, dass die Elemente entlang der Halbkugel 402 angeordnet sind, sodass sie fix auf das Fokusvoxel 404 fokussiert sind. Zusätzliche Schaltkreise zur Durchführung der Phasenanpassung zur Fokussierung der Anordnung sind hier nicht notwendig. Die Empfangsanordnung 300 ist an eine XYZ-Tabelle 600 angeschlossen, sodass unter der Steuerung des Mikroprozessors über die Schrittmotoren 610 eine Bewegung entlang der drei kartesischen Achsen bereitgestellt ist. An jeder unterschiedlichen Stelle der Tabelle 600 können Daten vom Fokusvoxel 404 gesammelt werden, um die Datenpunkte auf dem dreidimensionalen Gitter festzulegen. Die Sendeanordnung 408 kann unbeweglich gehalten oder mit der Abtastung der Empfangsanordnung 300 bewegt und ebenfalls fokussiert werden.
Mit Bezug auf 26 kann ein solches Datenvolumen 415 eine Vielzahl an Datenvoxel 416 umfassen, von denen jedes einen gemessenen Parameter für den Knochen oder das Gewebe an diesem Punkt in der Ferse bereitstellt. Ein Punkt der geringsten Dichte 418 kann innerhalb dieses Datenvolumens 415 ausgemacht und zur Identifizierung einer interessierenden Region 420 verwendet werden, die als Standardregion für die Messung der Knochendichte der Ferse dient. Diese Region kann nach dem Sammeln des Datenvolumens 415 automatisch ausgemacht werden, und gegebenenfalls werden nur die Voxel 416 innerhalb der interessierenden Region 420 für eine angezeigte Messung verwendet. Diese automatische Ortung einer interessierenden Region 420 stellt eine sehr viel präzisere Knochencharakterisierung bereit.
Das Erfassen eines Datenvolumens 415 sorgt ebenfalls für die Möglichkeit, zusätzliche Daten außerhalb der interessierenden Region 420 verwenden, um zu gewährleisten, dass bei einer Reihe Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten dieselbe interessierende Region 420 in der Ferse des Patienten gemessen wird. Das Datenvolumen 415 kann im Speicher als Matrize gespeichert werden, die mit später erfassten Datenvolumen abgeglichen werden kann. Die interessierende Region 420, die mit Bezug auf die erste Matrize örtlich festgelegt wird, kann dann als die interessierende Region für die späteren Datenvolumen, die auf dieser Matrize ausgerichtet sind, verwendet werden, um für mehr Wiederholpräzision bei der Messung zu sorgen.
Mit Bezug auf 27 wird in einem derartigen Matrizensystem in einem ersten Schritt 500 die Erfassung eines Datenvolumens 415 innerhalb der Ferse erhalten. Im Entscheidungsblock 502 wird, wenn es sich um die erste Messung eines bestimmten Patienten handelt, aus diesen Daten eine interessierende Region 420 im Verfahrensblock 504 als ein vorbestimmtes Volumen, das, wie in Bezug auf 26 beschrieben, um einen Punkt der geringsten Knochendichte 418 herum angeordnet ist, identifiziert. Im Verfahrensblock 506 wird das Datenvolumen als Matrize gemeinsam mit der in Bezug auf die Daten der Matrize definierten interessierenden Region gespeichert.
Mit erneutem Bezug auf den Verfahrensblock 502 kann das Programm bei einer Folgemessung eines Patienten zum Verfahrensblock 508 übergehen, und die zuvor ermittelte Matrize kann mit dem neuen Datenvolumen 415, das im Verfahrensblock 500 erfasst wurde, korreliert werden. Der Korrelierungsvorgang umfasst das Verschieben der jeweiligen Stellen der zwei Datenvolumen, um die Differenz der Werte eines jeden Datenvoxels 416 der Datenvolumen zu minimieren. In den meisten Situationen werden die beiden Datenvolumen auf diese präzise ausgerichtet, sodass die entsprechenden Voxel 416 der beiden Datenvolumen 415 identische Punkte innerhalb der Ferse des Patienten messen. Die interessierende Region 420, die mit der Matrize assoziiert ist, wird dann auf das neue Datenvolumen übertragen, sobald diese zur Ausrichtung mit der Matrize verschoben wurde, sodass die identische interessierende Region eines Patienten gemessen wird, auch wenn der Fuß des Patienten in Bezug auf die Wandleranordnung 300 und 408 eine Ausrichtung einnimmt. Diese Verwendung der interessierenden Region 420 der Matrize ist durch den Verfahrensblock 510 angedeutet.
Im Verfahrensblock 512 wird ein Index der interessierenden Region 420 für das neue Datenvolumen 415 berechnet, der typischerweise ein Mittelwert eines Knochenparameters, wie beispielsweise die BUA oder die Laufzeit, für die Voxel 416 innerhalb der interessierenden Region 420 ist. Diese Daten werden dann im Verfahrenskästchen 520 dem Kliniker auf die zuvor beschriebene Weise angezeigt.
Es wird ausdrücklich festgehalten, dass die vorliegende Erfindung nicht spezifisch auf die hierin enthaltenen Ausführungsformen und Veranschaulichungen eingeschränkt ist, sondern alle modifizierten Formen dieser, die innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche liegen, umschließt.

Claims

Akustische Wandleranordnung, die eine einfallende akustische Welle detektiert, umfassend: eine im Wesentlichen kontinuierliche piezoelektrische Folie (302), bei der eine Vielzahl elektrisch unabhängiger erster Elektroden (312) auf einer ersten Oberfläche der Folie angeordnet ist, wobei jeder ersten Elektrode (312) eine zweite Elektrode (308) auf einer der ersten Oberfläche der Folie gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Folie gegenüber liegt, wodurch ein akustisches Signal, das durch eine bestimmte Stelle der Folie hindurchgeht, ein entsprechendes Spannungssignal an einer ersten Elektrode (312) und einer zweiten Elektrode (308) erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kontaktplatte mit einer Auflagefläche umfasst, die in Bezug auf eine Empfangsrichtung der einfallenden akustischen Welle hinter der piezoelektrischen Folie (302) von der piezoelektrischen Folie beabstandet ist, um einen Luftspalt bereitzustellen, der sich hinter der piezoelektrischen Folie (342) im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche der piezoelektrischen Folie (302) erstreckt, worin die Kontaktplatte (318) eine Vielzahl leitender Anschlüsse (320) aufweist, die an der Auflagefläche befestigt und angrenzend an die erste Oberfläche der piezoelektrischen Folie (302) angeordnet sind, wobei verschiedene Anschlüsse elektrisch an unterschiedliche erste Elektroden (312) angeschlossen sind.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 1, worin die zweiten Elektroden (308) elektrisch verbunden sind, um eine einzige Elektrode zu bilden.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 1, worin die piezoelektrische Folie (302) eine Polymerfolie ist.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 3, worin die Polymerfolie ein Polyvinylidenfluorid ist.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 1, worin die Anschlüsse (320) über einen akustisch transparenten Leiter (314) elektrisch an verschiedene erste Elektroden (312) angeschlossen sind.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 5, worin der akustisch transparente Leiter (314) eine metallisierte Kunststofffolie ist.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 1, worin die Vielzahl erster Elektroden (312) in einer Beabstandungsdistanz regelmäßig auf der piezoelektrischen Folie beabstandet sind und worin die Wandleranordnung weiters einen Hin- und Herbewegungsmechanismus (328, 300) umfasst, um die piezoelektrische Folie (302) einen Bruchteil der Beabstandungsdistanz um eine Achse im Wesentlichen normal zur ersten und zweiten Oberfläche hin- und herzubewegen, um eine räumliche Abtastung von akustischen Signalen mit höherer Auflösung bereitzustellen.
Akustische Wandleranordnung nach Anspruch 6, worin die metallisierte Kunststofffolie im Wesentlichen 5 Zehntausendstel Zoll dickes Mylar ist.