DE69919577T2

DE69919577T2 - Methode zur geschwindigkeitsmessung in knochen

Info

Publication number: DE69919577T2
Application number: DE69919577T
Authority: DE
Inventors: Edward Kantorovich; Yehuda Niv
Original assignee: Sunlight Medical Ltd
Current assignee: BEAM-MED. LTD., PETACH-TIKRA, IT
Priority date: 1998-11-08
Filing date: 1999-10-24
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2019-10-25
Also published as: DE69919577D1; EP1137934B1; KR20010090833A; CA2348467A1; EP1137934A1; CN100406884C; ATE274186T1; US7022076B1; CN1325489A; AU6365099A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine nichtinvasive Messung der mechanischen Eigenschaften eines Knochens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem Material von den mechanischen Eigenschaften des Materials abhängt.
Eine Knochengeschwindigkeitsmessung verwendet typischerweise eines von zwei Verfahren. In einem ersten Verfahren wird eine Ultraschallwelle über einen Knochen in einer zu seiner Achse querlaufenden Richtung, z.B. über die Phalanx oder über einen Fußknöchel, gesendet. In einem zweiten Verfahren wird eine Ultraschallwelle von der Hautoberfläche im Allgemeinen parallel zum Knochen zu dem Knochen gesendet, und es werden ihre Reflexionen oder Emissionen von dem Knochen in einem Abstand entlang der Achse des Knochens detektiert.
Um In-vivo-Ultraschallmessungen der mechanischen Eigenschaften eines Knochens auszuführen, ist es notwendig, eine Ultraschallwelle durch Weichteilgewebe zu senden, das den Knochen umgibt. Unglücklicherweise variiert die Dicke des Weichteilgewebes entlang der Länge des Knochens. Auch ist die Weichteilgeschwindigkeit kein konstanter Wert für alle Weichteilgewebe. Diese Variationen können die Genauigkeit der Ultraschalllaufzeitmessung durch den Knochen beeinflussen. Typischerweise werden die Variationen in der Dicke des Weichteilgewebes und seine Geschwindigkeit entweder ignoriert, oder es wird ein Versuch unternommen, die Wirkungen des Weichteilgewebes aufzuheben.
Z.B. beschreiben das US-Patent No. 5,143,072 und die PCT-Veröffentlichung WO 97/13145 Verfahren zum Überwinden der Wirkungen der unbekannten Dicke des dazwischenliegenden Weichteilgewebes, indem gewährleistet wird, dass die Messungen vorgenommen werden, wenn der Teil des Pfades, der durch Weichteilgewebe verläuft, von einer selben Länge für unterschiedliche Messungen ist, oder indem eine Weichteilgeschwindigkeit bestimmt wird.
Das US-Patent 4,819,753 beschreibt ein Verfahren zum Analysieren des Zustands eines Hüftimplantats, indem die Laufzeit von Schwingungen von einem Hammer detektiert werden, der auf den Knochen, an einem Knie und außerhalb einer Spina iliaca posterior superior eines Beckens auftrifft. Bei diesem Verfahren werden sehr niederfrequente Schallwellen erzeugt und detektiert, zwischen etwa 50 Hz und 2 kHz.
Das US-Patent 4,048,986 beschreibt ein Verfahren zum Diagnostizieren oder Identifizieren einer Person, indem die Wirkung auf eine Polarisation einer Ultraschallwelle gemessen wird, die sich zwischen einem Ellenbogen und einer Handwurzel oder zwischen einem Knie und einem Fußknöchel fortpflanzt. Audiofrequenzwellen scheinen vorgeschlagen worden zu sein.
Die WO 95/26160 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Schallgeschwindigkeit in einem Knochen, umfassend die folgenden Schritte:
Senden einer Schallwelle von einer zu einem ersten In-vivo-Knochen benachbarten Stelle, die eine Wellenlänge aufweist, die kleiner als der Querschnitt des Knochens ist, welcher Querschnitt senkrecht zu einer Hauptfortpflanzungsrichtung der Schallwelle in dem Knochen ist,
Empfangen der Schallwelle an einer zu dem ersten In-vivo-Knochen benachbarten Stelle,
Bestimmen von mindestens einer Schalleigenschaft von mindestens einem Teil des ersten Knochens aus der Laufzeit der Welle durch den ersten Knochen, wobei die Schalleigenschaft mindestens eine Schallgeschwindigkeit umfasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, Unsicherheiten bei einer Knochengeschwindigkeitsbestimmung zu verringern, die durch eine unbekannte Dicke von darüberliegendem Weichteilgewebe hervorgerufen werden.
Ein Ziel von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, Änderungen in mechanischen Eigenschaften von Knochen zu messen, insbesondere in trabekulärem Knochengewebe.
Ein Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, dass eine Ultraschallwelle zum Messen von Knochengeschwindigkeit durch ein Gelenk zwischen zwei Knochen gesendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Welle vom Becken zu einem Knie gesendet, wodurch sie durch sowohl einen Beckenknochen als auch einen Hüftknochen hindurchläuft. Vorzugsweise wird eine mäßig hohe Ultraschallfrequenz verwendet, so dass die Wellenlänge kleiner als ein Querschnittsdurchmesser eines Knochens oder höchstens zwei- oder dreimal seine Größe ist, z.B. etwa 160 kHz für einen Oberschenkelhals. Theoretisch ist, wenn der Querschnittsdurchmesser größer als etwa 0,7-mal die Wellenlänge ist, die Geschwindigkeit der Welle etwa dieselbe, als ob der Querschnitt unendlich wäre. Auch kann die Anwesenheit von kleinen Metallstiften eine vernachlässigbare Wirkung aufweisen, aus zwei möglichen Gründen. Zuerst, wenn der Durchmesser des Stifts klein ist, breiten sich die verhältnismäßig niedrigen Frequenzen, die verwendet werden, durch den Stift viel langsamer aus als hohe Frequenzen. Zusätzlich oder alternativ wird eine Reflexion von Wellen von dem Stift erwartet, was auf einen normalerweise großen Unterschied im Brechungsindex zwischen ihnen zurückzuführen ist, so dass es keine Wirkung auf eine kürzeste Laufzeit gibt.
Ein Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung be steht darin, dass eine Schallgeschwindigkeit des Knochens entlang einer Hauptachse eines Knochens gemessen wird, vorzugsweise entlang einem ganzen Knochen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Knochen ein Oberschenkelknochen. Vorzugsweise pflanzt sich die Welle durch das Hüftgelenk fort und misst die Schallgeschwindigkeit entlang dem Oberschenkelhals und/oder einem Trochanter.
Ein Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrifft eine Verwendung von beabstandeten Ultraschallquellen und -detektoren, um örtliche Schalleigenschaften eines Knochens oder Weichteilgewebes zu messen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mindestens zwei Pfade eingerichtet, z.B. zwischen einer Quelle, wie z.B. einem Sender, und zwei Detektoren. Der Abstand zwischen der Quelle und den Detektoren bewirkt, dass sich diese Pfade im Wesentlichen entlang dem größten Teil ihrer Länge überlappen. Vorzugsweise steht der nichtüberlappende Teil in Beziehung mit der geometrischen Anordnung der Detektoren (und/oder der Sender) und befindet sich in der Nähe der Detektoren (oder der Sender in einer vertauschten Konfiguration mit einem entfernten Detektor und örtlichen Sendern). Folglich können örtliche Schalleigenschaften des Knochens bestimmt werden, indem Signale an den zwei Detektoren verglichen werden. Einige nichtakustische Eigenschaften des Knochens, wie z.B. der Youngsche Modul, können aus diesen Messungen veranschlagt werden. In einem Beispiel wird eine Schallgeschwindigkeit in einem örtlichen Teil eines Knochens detektiert, indem die relativen oder absoluten Ankunftszeiten eines Signals an den zwei Detektoren subtrahiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei oder mehr Sätze von Pfaden verwendet, und die Ergebnisse für die zwei Sätze von Pfaden werden verglichen, um verschiedene Typen von Fehlern zu korrigieren und/oder eine genauere örtliche Messung zu ermöglichen. In einem Beispiel wird eine genauere Schallgeschwindigkeit beim Vorhandensein eines unbekannten Winkels zwischen dem Knochen und dem Detektor bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Quelle(n) und der Empfänger (die Empfänger) nicht miteinander gekoppelt, z.B. sind sie separate Sonden, so dass es faktisch keine parasitäre Kopplung zwischen ihnen gibt. In einigen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, ist es nicht notwendig, die relativen Positionen der Quelle(n) und des Empfängers (der Empfänger) genau zu kennen, so dass eine Verwendung von solchen separaten Sonden leichter gemacht wird. Mit Positionsbeziehung ist die relative Position der Sonden gemeint. Natürlich weiß in typischen Anwendungen ein Arzt ungefähr, wo jede Sonde mit dem Körper gekoppelt ist, aber eine genaue Kenntnis der relativen Platzierung ist in einigen Ausführungsformen der Erfindung nicht erforderlich.
Ein anderer Aspekt von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfin dung betrifft eine im Wesentlichen direkte Messung eines trabekulären Teils des Knochens, indem eine Laufzeit, die in einem kortikalen Teil benötigt wird, ignoriert und/oder subtrahiert wird. Bei Messung entlang einer axialen Abmessung des Knochens kann der Prozentanteil eines Fortpflanzungswegs durch den kortikalen Teil verglichen mit einem Fortpflanzungsweg durch den trabekulären Teil verhältnismäßig klein gemacht werden. Zusätzlich oder alternativ können in gewissen Konfigurationen zwei benachbarte Pfade im Wesentlichen dieselben kortikalen Fortpflanzungsteile und unterschiedliche trabekuläre Fortpflanzungsteile aufweisen, so dass erwartet wird, dass ein Unterschied zwischen einer Laufzeit entlang den zwei Pfaden hauptsächlich auf den trabekulären Knochen zurückzuführen ist. Eine trabekuläre Geschwindigkeit wird vorzugsweise bestimmt, indem man die Pfadlängen subtrahiert und durch den Unterschied in der Laufzeit dividiert.
Es wird folglich gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Schallgeschwindigkeit in einem Knochen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch Bezug auf die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben in Verbindung mit den Figuren deutlicher verstanden, wobei identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, mit demselben oder einem ähnlichen Bezugszeichen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, bezeichnet sind.
Die 1A, 1B und 1C veranschaulichen ein Verfahren zur Oberschenkelmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 veranschaulicht eine Wirbelsäulenmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 veranschaulicht verschiedene Punkte auf einem Körper, bei denen eine Knochengeschwindigkeit gemessen werden kann, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine schematische Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Schallgeschwindigkeit in einem Knochen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
5 veranschaulicht ein Verfahren zur Knocheneigenschaftsbestimmung, wobei signifikant verlagerte Empfänger und Sender verwendet werden;
6 ist eine schematische Veranschaulichung einer Ausführung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Konfiguration von 5 verwendet wird; und
7 ist eine Variation von 6, in der die Empfänger keine Linie parallel zu einer Oberfläche des Weichteilgewebes definieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1A und 1B veranschaulichen eine Oberschenkelmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Oberschenkelknochen 10 ist mit einem Becken 12 an einem Hüftgelenk 14 und mit einer Wade an einem Kniegelenk 18 verbunden. Die Hüfte 10 umfasst im Allgemeinen einen Oberschenkelhals 16, der nichtkollinear mit der übrigen Hüfte 10 ist und bei einem Trochanter 20 gewinkelt ist. 1B ist eine Seitenansicht von 1A, wobei eine gestrichelte Linie einen allgemeinen Umriss von Weichteilgewebe anzeigt, das die Knochen, die in 1A dargestellt sind, bedeckt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Ultraschallwandler an Orten lokalisiert, wo die Dicke von darunterliegendem Weichteilgewebe minimal ist und/oder eine kleine Variation zwischen Subjekten aufweist, z.B. an einem Knie 18 (Wandler 30), am Trochanter 20 (Wandler 32) in der Rückseite des Beckens 12 und/oder an einem Schambereich 22 (ein Wandler 34). In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können Ultraschallwandler an den zwei entgegengesetzten Trochantern, 20 und 20', platziert werden, um eine Geschwindigkeit zwischen den beiden Trochantern zu bestimmen. In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswahl davon, welcher von den Wandlern Sender sind, welche Empfänger sind und welche beides sind, eine Produktkonstruktionsüberlegung. Im Allgemeinen sind nur ein einziger Sender und ein einziger Empfänger erforderlich, um eine Laufzeit zwischen zwei Punkten zu messen. Obwohl nur eine Messung entlang einer Richtung im Allgemeinen notwendig ist, können in einigen Fällen Messungen in zwei Richtungen ebenfalls vorgenommen werden. Auch kann in einigen Fällen eine Messung in einer Richtung besser sein (z.B. weniger Rauschen) als eine Messung in der anderen Richtung.
1C ist eine Querschnittsveranschaulichung eines Beckenbereichs, wobei ein Pfad dargestellt ist, der durch einen Ultraschallstrahl genommen werden kann, der sich zwischen einer Stelle A und einer Stelle B fortpflanzt (Stellen sind auch in 3 dargestellt).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Laufzeit einer Ultraschallwelle zwischen zwei der obigen Wandler gemessen, wodurch ein Knochen von Interesse entlang einem Pfad liegt, der von der Ultraschallwelle genommen wird. Vorzugsweise umfasst der Pfad das Hüftgelenk 14. Alternativ oder zusätzlich wird nur ein Pfad im Becken gemessen, z.B. zwischen dem Schambereich 22 und der Stelle A oder zwischen der Stelle A und ihrer Spiegelstelle auf der anderen Seite des Beckens. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Pfad das gesamte Becken 12, z.B. indem der Wandler 32 an einer Stelle "B" auf der zur Stelle A entgegengesetzten Seite des Becken platziert wird. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Pfad beide Oberschenkelknochen, z.B. indem zwischen einem Knie 26 (1A) und dem Knie 18 gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich wird ein Sender (oder ein Empfänger) an einer zentralen Stelle 27 platziert, um Zeiten für beide Hüften zu messen (für Wellen zu oder von Wandlern am Knie 18 und Knie 26).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein zusätzlicher Empfänger und/oder Sender an einer oder mehreren Stellen entlang dem Oberschenkelknochen 10 platziert werden, um Laufzeiten zu einer Mitte des Oberschenkelknochens zu bestimmen.
Es sollte ersichtlich sein, dass der Pfad der Ultraschallwelle im Knochen nicht gerade ist, da der Knochen selbst nicht gerade ist (z.B. ein Oberschenkelknochen, eine Rippe oder ein Kieferknochen). Auch mag der schnellste Pfad entlang dem Knochen nicht der kürzeste euklidische sein.
Die Wellenlänge von Schallwellen ist gleich der Schallgeschwindigkeit dividiert durch ihre Frequenz. Für eine gegebene Schallgeschwindigkeit, die die Eigenschaft des Materials ist, durch das sich die Wellen fortpflanzen, gilt, je höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge. Jedoch werden Schallwellen entlang ihrem Fortpflanzungsweg gedämpft, und höhere Frequenzen werden normalerweise mehr gedämpft. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die verwendete Frequenz eine Ultraschallfrequenz, vorzugsweise über 20 kHz, über 40 kHz, über 60 kHz, zwischen 100 kHz und 400 kHz oder selbst über 400 kHz. Alternativ können niedrigere Frequenzen verwendet werden, z.B. unter 20 kHz, unter 16 kHz, unter 10 kHz oder unter 4 kHz. Einige von diesen Frequenzen können in hierin beschriebenen Ausführungsformen, die von dieser verschieden sind, nützlicher sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Frequenz ansprechend auf den Knochen, der gemessen wird, ausgewählt. Vorzugsweise wird die Frequenz so ausgewählt, dass sie niedrig genug ist, so dass die Dämpfung durch die Fortpflanzung durch den Knochen, das Weichteilgewebe und/oder durch das Gelenk in Bezug zu einem Rauschpegel des Messsystems nicht zu hoch ist. Alternativ oder zusätzlich wird die Frequenz so ausgewählt, dass sie hoch genug ist, so dass die Wellenlänge verglichen mit dem Querschnittsdurchmesser des Knochens oder der Knochen, durch die sich die Welle fortpflanzt, klein ist, so dass sich die Welle im Wesentlichen nur durch den Knochen und nicht durch das Weichteilgewebe, das ihn umgibt, fortpflanzt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Frequenz so, dass der Knochenquerschnittsdurchmesser (vorzugsweise in der Mitte des Knochens und/oder sein Durchschnitt) ungefähr derselbe wie die Wellenlänge oder höchstens kleiner als ein Viertel oder ein Drittel der Wellenlänge der Welle ist. Alternativ ist die Wellenlänge signifikant kleiner als der Knochenquerschnitt.
Es sollte ersichtlich sein, dass in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der größte Teil der Laufzeit im Knochen und nicht im Weichteilgewebe ist, so dass die Laufzeit im Weichteilgewebe eine kleine Wirkung auf die Gesamtlaufzeit aufweist. Vorzugsweise wird das Weichteilgewebe (Dicke) in der Messung ignoriert. Alternativ oder zusätzlich wird die Weichteildicke gemessen, z.B. durch akustisches Abbilden oder durch Messen einer Laufzeit für eine Reflexion vom Knochen, und die Laufzeit wird subtrahiert. Alternativ oder zusätzlich wird eine Weichteilgeschwindigkeit so veranschlagt, dass sie z.B. etwa 1500 m/s ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Laufzeit größtenteils abhängig von den langsamen Knochenteilen, d.h. denjenigen Knochenteilen mit der niedrigsten Festigkeit, welche Teile häufig die Knochenteile von Interesse sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Laufzeit gemessen, indem die zuerst ankommende Schallwelle bestimmt wird. Alternativ wird die Laufzeit bestimmt, indem eine empfangene Welle mit der gesendeten Welle korreliert wird, oder indem z.B. zwei empfangene Wellen korreliert werden, wenn sie an der Schambeinregion gesendet werden und am Knie 26 und 18 empfangen werden. Folglich wird in einigen Fällen nur ein Unterschied bestimmt.
Alternativ oder zusätzlich zum Messen einer Laufzeit können Änderungen in der Polarisation der gesendeten Welle auch gemessen werden, wobei möglicherweise ein spezialisierter Polarisationssensor oder Paare von Detektoren zum Messen von kleinen Phasenunterschieden zwischen den Detektorpaarelementen erforderlich sind. Alternativ oder zusätzlich kann ein Frequenzdispersionseffekt der Knochenfortpflanzung auf die Welle gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Frequenztransferfunktion (Leistungsspektrum) und/oder Dämpfungsfunktion gemessen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gesendete Welle eine gepulste Welle, z.B. mit einem Tastgrad von weniger als 30%, 20% oder 10%. Alternativ ist die Welle eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Welle. Vorzugsweise umfasst die Welle eine Schmalbandfrequenzwelle, z.B. mit einer Bandbreite von weniger als 60%, 40% oder 30% ihrer Mittenfrequenz. Alternativ oder zusätzlich wird eine Breitbandfrequenzwelle verwendet, z.B. mit einer Bandbreite von mehr als 80%, 100% oder 120% ihrer Mittenfrequenz. Alternativ oder zusätzlich wird eine zeitliche Hüllkurve mit Frequenz- und/oder Amplitudeneigenschaften mit einer zeitlichen Länge von mehr als einer Wellenlänge auf die Welle überlagert.
In einem Beispiel wird ein 2-Mikrosekundenimpuls mit einer Mittenfrequenz von 160 kHz verwendet, dies ergibt eine Bandbreite von etwa 500 kHz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Welle unter einem zur Knochenoberfläche im Wesentlichen senkrechten Winkel in den Knochen gesendet, um den Wirkungsgrad der Transmission der Welle zu erhöhen und/oder die Wirkungen von darüberliegendem Gewebe zu verringern. Alternativ oder zusätzlich wird die Welle in einer zur Längsachse des Knochens parallelen Richtung gesendet. Eine Kombination von den beiden bevorzugten Transmissions verfahren schreibt häufig vor, dass die Welle an einem Gelenk, normalerweise, wenn das Gelenk gebogen ist, zu senden ist.
Eine Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst vorzugsweise einen Sender und einen Empfänger, die auf einem "U"-förmigen Rahmen montiert sind. Alternativ kann mindestens eines von den Ultraschallelementen auf einem gekrümmten Segment montiert sein, das am Rahmen angebracht ist, um besser um einen Schenkel oder ein Becken zu passen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer von den Wandlern entlang der Basis des Rahmens bewegbar und an seinem Ort befestigbar. Beim Gebrauch werden die Sender vorzugsweise an den wünschenswerten Stellen lokalisiert und dann an ihrem Ort befestigt. Die Messungen werden vorzugsweise durch Probenentnahme direkt in einen Computer vorgenommen. Der Abstand zwischen den Sendern wird vorzugsweise weg vom Rahmen gemessen, vorzugsweise automatisch, z.B. unter Verwendung von Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind (z.B. optische oder lineare Codierer). Alternativ oder zusätzlich wird der Abstand bestimmt, indem eine Laufzeit zwischen dem Sender und dem Empfänger im Material des Rahmens (der eine bekannte Geschwindigkeit aufweist) oder in der Luft (die eine bekannte Geschwindigkeit aufweist) gemessen wird. Alternativ wird ein fester Rahmen verwendet, der einen bekannten Abstand zwischen den Wandlern aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer von den Wandlern an einem Bett montiert, auf dem ein Patient liegen kann und/oder an dem der Patient befestigt sein kann.
Es sollte ersichtlich sein, dass die Laufzeit im Rahmen im Allgemeinen viel kürzer ist als die Laufzeit im Knochen, so dass die Rahmenlaufzeit normalerweise ein Detektieren der Welle nicht beeinträchtigt, die sich durch den Knochen fortpflanzt. Alternativ oder zusätzlich werden die Ultraschallelemente unter Verwendung von Dämpfungsvorrichtungen, die Ultraschallwellen absorbieren, auf dem Rahmen montiert, so dass sich im Wesentlichen keine Wellen durch den Rahmen fortpflanzen.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorrichtung unabhängige Wandler umfassen, die darauf montierte Positionssensoren umfassen. Folglich können ihre Relativpositionen in Bezug zu einer Basisstation und/oder direkt in Bezug zueinander gemessen werden. Vorzugsweise wird eine RF-Positions- oder Abstandsmessung verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird eine in der Luft befindliche Ultraschallpositions- und/oder Abstandserfassung verwendet, möglicherweise unter Verwendung derselben Wandler.
Alternativ wird der Abstand zwischen den Wandlern nicht apriori bestimmt. Eine alternative Vorrichtung verwendet einen Tisch und Klemm-Empfänger- und -Senderelemente. Ein Patient wird auf einen Tisch gelegt, und die Sender und/oder Empfänger werden um den Patienten und in Kontakt damit in einer ge wünschten Konfiguration angeordnet und dann an ihrem Ort arretiert. In einer Ausführungsform weisen die Empfänger und Sender eine magnetische Arretierklammer auf, die bei Aktivierung an einem Metalltisch anhaftet. Alternativ oder zusätzlich ist mindestens einer von den Empfängern und/oder Sendern handgehalten oder direkt am Patientenkörper angebracht, z.B. unter Verwendung von Klebstoff, Vakuum oder einem Band. Es sollte angemerkt werden, dass ein Paar von Empfängern emuliert werden kann, indem ein einziger Empfänger zwischen Messungen bewegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Patient nicht direkt auf den Tisch gelegt, vielmehr werden der Patient oder mindestens ein Glied von Interesse auf einen erhöhten schmalen Träger gelegt. Das Fettgewebe des Glieds hängt dann über die Seiten des Trägers herab, wobei ein näherer und reproduzierbarerer Zugriff auf den Knochen ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Laufzeitmessungen für Vergleichsuntersuchungen verwendet, z.B. zwischen Patienten, wobei vorzugsweise eine Tafel von Erwartungswerten verwendet wird; zwischen mehreren Messungen eines einzelnen Patienten mit der Zeit, vorzugsweise unter Verwendung von Tätowierungsmarkierungen auf dem Patienten, um die Stellen zu markieren, bei denen Wandler platziert werden; und/oder zwischen entgegengesetzten Gliedern eines selben Patienten. Wie ersichtlich ist, ist es in einigen von diesen Fällen nicht notwendig, eine genaue Schallgeschwindigkeit zu kennen. Vielmehr ist es ausreichend, eine Änderung (absolut und/oder relativ) in einer Laufzeit zu detektieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Laufzeitmessungen in einem Gruppenvergleichsverfahren verwendet. Z.B. werden für jede Altersgruppe/Krankheitszustand einer oder mehrere typische Geschwindigkeitsbereiche bestimmt. Wenn ein Patient untersucht wird, wird die bestimmte Geschwindigkeit mit dem Bereich verglichen, der in der Altersgruppe/Krankheitszustand erwartet wird. Ein "T"-Punktwert kann definiert werden, um die Beziehung zu beschreiben, mit z.B. T = (gemessene Geschwindigkeit – Durchschnittsgeschwindigkeit in "schnellster" Altersgruppe)/(Standardabweichung der Geschwindigkeit in der "schnellsten" Altersgruppe). Typischerweise befindet sich die schnellste Altersgruppe zwischen 30 und 45. Die Einheiten des "T"-Punktwerts sind Standardabweichungseinheiten und sind normalerweise negativ, insbesondere für einen kranken Knochen.
2 veranschaulicht eine Wirbelsäulenmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Patient 40 weist im Allgemeinen eine Wirbelsäule 42 auf, wobei normalerweise zwei spezielle Bereiche von Interesse definiert werden, eine Lendengegend 46 und eine Halsregion 44. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Laufzeit zwischen zwei Wirbeln gemessen, z.B. einem Wirbel 48 und einem Wirbel 52 in der Lendengegend 46.
Alternativ oder zusätzlich kann die Laufzeit in einem einzelnen Wirbel gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Laufzeit entlang einem signifikanten Teil der Wirbelsäule 42, z.B. der Hälfte der Wirbelsäule, gemessen werden.
Es sollte angemerkt werden, dass abhängig von der verwendeten Frequenz mehrere Pfade zwischen zwei benachbarten Wirbeln möglich sind. In einem ersten Pfad pflanzt sich die Ultraschallwelle zwischen den Wirbelsäulenfortsätzen des Wirbels fort, wobei eine beträchtliche Menge des Weichteilgewebes überbrückt wird. In einem zweiten Pfad pflanzt sich die Welle durch den Hauptteil des Rückrats, durch die Wirbelsäulenscheiben, fort. Ein dritter möglicher Pfad ist entlang von Weichteilgeweben, die die Wirbelsäule umgeben. Der erste und zweite Pfad sind durch zwei Merkmale der Pfade unterschieden. Ein Merkmal besteht darin, dass die Menge von Weichteilgewebe in dem zweiten Pfad kleiner als in dem ersten Pfad ist. Ein anderes Merkmal besteht darin, dass die Abmessungen der Wirbel in dem zweiten Pfad größer als in dem ersten sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Wahl zwischen den beiden Pfaden getroffen werden, indem eine Ultraschallfrequenz geeignet ausgewählt wird. Eine niedrige Frequenz kann sich nicht so schnell im Knochenteil des ersten Pfads wie im Knochenteil des zweiten Pfads fortpflanzen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine ausreichend hohe Frequenz verwendet, z.B. 40 kHz, so dass der dritte Weichteilpfad langsamer als mindestens einer von den anderen zwei Pfaden ist. Vorzugsweise wird ein Ankunftszeitfenstermechanismus verwendet, um zwischen der Fortpflanzung entlang den beiden Pfades zu unterscheiden. Eine solche verhältnismäßig niedrige Frequenz kann auch erforderlich sein, um die hohe Dämpfung zu überwinden, die durch das Vorhandensein eines Extragelenks für jeden zusätzlichen Wirbel, der gemessen wird, hervorgerufen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Laufzeiten zwischen Gruppen von Wirbeln verglichen werden, z.B. zwischen (L1–L5) und (T1–T12). Vorzugsweise umfassen die Gruppen dieselben Typen von Wirbeln. Alternativ oder zusätzlich sind die Gruppen von Längen von ungefähr ganzzahligen Vielfachen, so dass eine Geschwindigkeit pro Wirbel berechnet und/oder zwischen den Gruppen verglichen werden kann (z.B. durch Dividieren der Laufzeit von einer Gruppe durch diejenige der anderen Gruppe). Alternativ oder zusätzlich umfassen die Gruppen dieselben Anzahlen von Wirbeln. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Gruppen einen oder mehrere gewöhnliche Wirbel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Messungen verwendet werden, um Wirbelsäulenbrüche zu detektieren, z.B. Kompressionsbrüche und/oder Halswirbelsäulenverletzungen, indem Änderungen in Geschwindigkeit, Wellenformpolarisation, Leistungsspektrum und/oder anderen Parametern der Schallwelle detektiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Bestimmung von Wirbelsäulenbrüchen, insbesondere von Halswirbelsäulenverletzungen an einem Ort eines Autounfalls ausgeführt werden, um sich für Bewegungsoptionen zu entscheiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die obigen Verfahren einer Laufzeitbestimmung und/oder Schallgeschwindigkeitsbestimmung (durch Dividieren von Abstand durch Laufzeit) auf andere Knochen des Körpers angewandt werden, z.B. die Arme, Handwurzeln, Finger, Schultern, das Schlüsselbein, Schienbein und/oder Kieferknochen. Mechanische Eigenschaften des Knochens können auch von den Laufzeitmessungen unter Verwendung von Verfahren bewertet werden, die im Stand der Technik bekannt sind, z.B. wie in den Patenten und Veröffentlichungen, auf die oben Bezug genommen wurde, beschrieben.
Vorzugsweise wird die Messung zwischen Punkten vorgenommen, wo das darunterliegende Weichteilgewebe am dünnsten ist. Vorzugsweise liegen die Messpunkte an oder in der Nähe von Enden des Knochens. Alternativ oder zusätzlich befindet sich mindestens einer von den Messpunkten an einer Mitte eines Knochens. Vorzugsweise werden nur zwei Knochen (und ein Gelenk) gemessen. Alternativ können zwei, drei oder mehr Gelenke gemessen werden, z.B. ganze Finger oder die oben erwähnte Wirbelsäule. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind nicht sämtliche Gelenke gelenkig angebrachte Gelenke, z.B. Knorpelfugen, wie z.B. Rippenfugen oder Handgelenke und/oder zusammengefügte Fugen, wie z.B. in einem Schädel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden solche Messungen verwendet, um einen Beginn, einen Verlauf und/oder eine Rückbildung einer Osteoporose zu detektieren. Alternativ oder zusätzlich werden solche Messungen verwendet, um Brüche oder andere beanspruchungsbezogene Knochendefekte zu diagnostizieren. Alternativ oder zusätzlich können die Messungen verwendet werden, um einen Bruchheilungsprozesses zu überwachen. Man erwartet, dass unterschiedliche Brüche und Heilungszustände unterschiedliche Häufigkeits-, Geschwindigkeits- und/oder Dämpfungsprofile zeigen. Ein solches Überwachen kann bewerkstelligt werden, indem die Schalleigenschaften von zwei entsprechenden Knochen verglichen werden, indem Änderungen mit der Zeit überwacht werden, indem die Messungen mit einer Tabelle von Erwartungswerten verglichen werden und/oder indem unterschiedliche Abschnitte desselben Knochens verglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können solche Messungen für Identifizierungszwecke verwendet werden, z.B. indem relative Laufzeiten entlang von jedem von fünf Fingern einer rechten Hand gespeichert werden. Selbst wenn ein Knochenverlust auftritt, kann erwartet werden, dass er für sämtliche Finger ähnlich ist.
3 veranschaulicht verschiedene Punkte auf einem Körper, an denen eine Knochengeschwindigkeit gemessen werden kann, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Punkte sind mit einem Buchstaben, wie z.B. die Stellen A und B, die oben mit Bezug auf 1C beschrieben sind, angezeigt.
In einem Experiment wurde eine Frequenz von 150 kHz verwendet, um scheinbare Geschwindigkeiten zwischen den Punkten A und B in gesunden Patienten zu messen. Der Begriff scheinbare Geschwindigkeit wird für eine Geschwindigkeit entsprechend einem geraden Linienabstand zwischen den Punkten, dividiert durch die Laufzeit, verwendet. In tatsächlichem Knochengewebe ist der Pfad des Schalls selten gerade. Die scheinbare Geschwindigkeit, die gemessen wurde, lag zwischen 1800 und 1900 m/s. Die Dicke von Weichteilgewebe, das unter den Stellen A und B liegt, ist etwa 1 bzw. 1,5 cm. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Weichteilgeschwindigkeit, -dicke und/oder -laufzeit veranschlagt, so dass sich eine genauere Knochengeschwindigkeit ergibt. Die Weichteilgeschwindigkeit kann veranschlagt werden, so dass sie z.B. zwischen 1400 und 1500 m/s ist. Die Weichteildicke kann bestimmt werden, z.B. indem man eine Reflexion von einem darunterliegenden Knochen misst oder indem man Verfahren verwendet, die in der PCT-Veröffentlichung WO 97/13145 beschrieben sind.
Ein anderer Satz von Stellen umfasst eine Stelle F an einem Ellenbogen und eine Stelle E an einer Hand. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stelle E ein Fingerknöchel, so dass, wenn eine Faust geballt wird, die Ultraschallwelle unter einem senkrechten Winkel in den Knochen eintritt. Der Fingerknöchel wird vorzugsweise anstelle der Fingerspitze verwendet, um jegliche Wechselwirkung mit einem – und/oder Reflexionen hervorgerufen durch einen – Fingernagel zu vermeiden. In einem Experiment bei gesunden Subjekten unter Verwendung einer Frequenz von 150 kHz wurden scheinbare Geschwindigkeiten zwischen 2600 und 2900 m/s gemessen. Der Weichteileffekt wird vorzugsweise ignoriert, da das Weichteilgewebe an den Punkten E und F sehr dünn ist (in Bezug zur Pfadlänge in dem Pfad im Knochen).
Ein anderer Satz von Stellen umfasst eine Stelle I und eine Stelle J an zwei entgegengesetzten Schultern. Alternativ oder zusätzlich kann eine der Stellen an der Rückseite eines Halses sein. Ein anderer Satz von Stellen umfasst eine Stelle G an einem großen Zeh und eine Stelle H an der Basis eines Fußknöchels. In einem Experiment in gesunden Subjekten erzielte eine Frequenz von 150 kHz scheinbare Geschwindigkeiten von etwa 1900–2000 m/s.
4 ist eine schematische Veranschaulichung eines Verfahrens zur Bestimmung einer Schallgeschwindigkeit in einem trabekulären Teil 144 eines Knochens 140 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Wandler 146 ist an einer Seite des Knochens 140 dargestellt, und ein Paar von Wandlern 148 und 150 sind an im Abstand angeordneten Stellen dargestellt. Es wird an gemerkt, dass der Wandler 146 im Wesentlichen senkrecht zu den Wandlern 148 und 150 ist. Indem man dazwischenliegendes Weichteilgewebe ignoriert, umfasst ein Pfad vom Wandler 146 zum Wandler 148 (oder Wandler 150) ein kurzes Segment "a" in einem kortikalen Knochenteil 142 und ein langes Segment "b" (oder "c") im trabekulärem Knochenteil 144. Ein drittes kurzes Segment "d" ("e") im kortikalen Knochen vervollständigt den Pfad. Die Frequenz der Welle wird vorzugsweise ausgewählt, so dass eine Fortpflanzung der Welle nur durch den kortikalen Knochen wesentlich gedämpft wird, was auf den kleinen Querschnitt des kortikalen Knochens zurückzuführen ist. Wenn ein Abstand zwischen dem Wandler 146 und dem Wandler 148 verglichen mit dem Abstand zwischen dem Wandler 148 und dem Wandler 150 verhältnismäßig lang ist, überlappen sich die Pfade "b" und "c" im Wesentlichen und weisen nur einen kleinen Winkel α zwischen sich auf. Der Pfadabschnitt "a" ist im Allgemeinen dasselbe Segment für beide Pfade. Zusätzlich verlaufen, wenn die Wandler 148 und 150 dicht beieinander sind, die Pfade "d" und "e" durch im Wesentlichen dieselbe Dicke und/oder Typ von kortikalem Knochen. Wenn der Winkel α klein ist, ist der Unterschied in Pfadlängen im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Wandlern 148 und 150. Die Laufzeit im trabekulären Knochen 144 kann bestimmt werden, indem die Laufzeiten für die beiden Pfade subtrahiert werden. Die Geschwindigkeit kann bestimmt werden, indem der Abstand zwischen den beiden Wandlern durch die subtrahierte Laufzeit dividiert wird. Alternativ oder zusätzlich zum Verwenden von zwei Wandlern kann ein einziger Wandler zwischen den Stellen 148 und 150 und/oder weiteren Stellen entlang der Knochenachse bewegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein horizontaler Abstand "h" zwischen dem Wandler 146 und dem Wandler 148 groß genug gemacht, so dass sich die schnellste Welle nicht nur entlang dem kortikalen Teil des Knochens fortpflanzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Beitrag von Weichteillaufzeit zur Gesamtlaufzeit aus denselben Gründen ignoriert werden, wie die Wirkung von kortikalem Knochen, weil eine ähnliche Dicke und Geschwindigkeiten vom Weichteilgewebe für die beiden Pfade einbegriffen sind. Auch kann die Gesamtdicke des Weichteilgewebes (und kortikalen Knochens) so ausgewählt werden, dass sie klein in Bezug zum trabekulären Knochenpfad ist. Alternativ kann die Berechnung von 4 in einer Situation angewandt werden, wo der Bezug 144 einen Knochen (einschließlich sowohl kortikale als auch trabekuläre Sektoren) darstellt, und der Bezug 142 Weichteilgewebe darstellt. Dieselben Überlegungen von Überlappung treffen zu, außer dass die Liniensegmente "d" und "e" unter einem spitzeren Winkel aus dem Knochen austreten, um die Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit und den Unterschied beim Ändern der Schallgeschwindigkeiten zwischen 4 und der im Augenblick beschriebenen Konfiguration zu erklären.
Die Messung von 4 kann an einem Fußknöchel angewandt werden, wobei die Wandler 146 an einer Basis des Fußknöchels sind, und die Wandler 148 und 150 entlang der Seite des Sprungbeins sind. Alternativ oder zusätzlich können sich die Wandler 148 und 150 den Fuß weiter herunter befinden, so dass sich die Wellen durch mehrere Knochen fortpflanzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Messung zwischen einem Ellenbogen, der als ein Punkt 146 wirkt, und Punkten den Arm weiter herunter in der Nähe der Handwurzel, die als ein Punkt 148 und ein Punkt 150 wirkt, ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich können diese Messungen an anderen Punkten im Körper ausgeführt werden, wo es einen signifikanten Abstand zwischen den Wandlern 146 und 148 gibt.
5 veranschaulicht ein Verfahren zur Knocheneigenschaftsbestimmung unter Verwendung von signifikant verlagerten Empfängern und Sendern. Vorzugsweise werden zwei oder mehr Sätze von Sendern und Empfängern verwendet, um Fehler beim Bestimmen der Eigenschaften zu korrigieren, z.B. Fehler, die darauf zurückzuführen sind, dass die Empfänger keine zum Knochen parallele Linie definieren. 5 stellt eine Konfiguration 200 dar, bei der zwei signifikant verlagerte Sender 206 und 208 verwendet werden. Durch diese Sender erzeugte Wellen pflanzen sich durch Weichteilgewebe 204 und einen Knochen 202 fort, wie z.B. einen Oberschenkelknochen, und wieder durch einen unterschiedlichen Teil eines Weichteilgewebes 204 zu Empfängern 210 und 212. Wie aus der Figur ersichtlich ist, überlappen sich die Wellen vom Sender 206 für nahezu ihren gesamten Fortpflanzungsweg, außer für den letzten Teil. Aufgrund des Abstandes zwischen dem Sender 206 und den Empfängern überlappen sich der kürzeste Pfad für die zwei Wellen normalerweise. Dasselbe gilt für den Sender 208. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sender und/oder Empfänger in Richtung auf den erwarteten Pfad der Schallwellen geneigt, um ihre Verstärkung zu erhöhen. Alternativ können eine Linse oder andere akustische Elemente verwendet werden, um Verstärkungseigenschaften zu verbessern.
6 ist eine schematische Veranschaulichung einer Sonde unter Verwendung der Konfiguration 200, die eine nichtparallele Anordnung der Empfänger zum Knochen darstellt und veranschaulicht, dass durch Verwenden von zwei entgegengesetzten Sendern und fakultativ mehr als einem Empfängerpaar verschiedene Fehler korrigiert werden können, so dass eine genauere Messung erzielt wird.
Zwecks Klarheit sind die Sender nicht dargestellt, aber vorzugsweise befindet sich einer rechts von der Figur und einer links. Vier Wellen sind vom Knochen 202 zu vier Empfängern 220, 222, 224 bzw. 226 dargestellt. Wie veranschaulicht, sind diese Empfänger in zwei Paaren (220, 222) angeordnet, die einen Zwischenempfängerabstand von D1 aufweisen, und (224, 226), die einen Zwischenempfängerabstand von D2 aufweisen. Es wird angemerkt, dass sich die Wellen an dem Punkt krümmen, wo sie zwischen dem Weichteilgewebe 204 und den Empfängern verlaufen, um Änderungen in der Geschwindigkeit darzustellen, die dadurch hervorgerufen sind, dass die Empfänger in einem Material mit einer vom Gewebe unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit eingetaucht sind. Ein Winkel y ist ein Winkel zwischen der Knochenoberfläche und der Weichteilaußenoberfläche um ein Segment 228 des Knochens, für den die Messungen gemacht werden. Ein Winkel a ist der kritische Winkel, entlang dem sich die schnellste Welle von den Sendern zu den Empfängern fortpflanzt, und er ist bestimmt durch: sinα = V_t/V_b, wobei V_t die Weichteilgeschwindigkeit ist, und V_b die Knochengeschwindigkeit ist.
In 6 detektieren die Empfänger 220 und 222 beide Signale von einer selben Quelle, z.B. der Quelle 208 (5). Wie in 6 dargestellt, liegt der einzige Unterschied zwischen den Pfaden entlang dem Segment 228 und in der Fortpflanzungslänge im Weichteilgewebe. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird angenommen, dass die Weichteilgeschwindigkeit dieselbe für beide Empfänger ist. Alternativ können mehrere Empfängerpaare verwendet werden, so dass es eine wesentliche Überlappung zwischen Weichteilpfaden für unterschiedliche Empfängerpaare gibt. In 6 detektieren beide Empfängerpaare Wellen, die verwendet werden können, um die Eigenschaften in einem selben Knochensegment 228 zu analysieren, während es nur eine teilweise Überlappung in Weichteilgewebe im Volumen von Weichteilgewebe gibt, das durch die Schallwellen für jedes Empfängerpaar durchquert wird. Alternativ können andere Konfigurationen verwendet werden, in denen ein unterschiedlicher Kompromiss zwischen einer Knochenpfadüberlappung und Weichteilüberlappung verwendet wird. Ein solcher Kompromiss kann z.B. erzielt werden, indem die relativen axialen (entlang dem Pfad von Schall von den Quellen) und/oder transaxialen (senkrecht zum Pfad) Positionen der Empfänger und Empfängerpaare variiert werden. Alternativ oder zusätzlich können solche Kompromisse erzielt werden, indem die Funktionen von Sendern und Empfängern gewechselt werden. Obwohl ein gemeinsames Segment 228 dargestellt ist, kann in einer typischen Anwendung das durch jedes Detektorpaar analysierte Knochensegment nur ungefähr überlappen. Es wird jedoch im Allgemeinen angenommen, dass die örtlichen Eigenschaften des Knochens nicht sehr variieren. Die Zwischendetektorabstände D1 und D2 sind vorzugsweise dieselben, jedoch ist dies nicht wesentlich. In beispielhaften Ausführungsformen ist der Abstand zwischen dem Sender und den Empfängern größer als 5-, 10-, 20- oder 30-mal der Abstand zwischen den Empfängern. Auch können Empfänger und Sender auf unterschiedlichen Knochen, auf gebogenen Teilen des Knochens oder nicht alle in Bezug zur Achse des Knochens ausgerichtet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist, was verwendet wird, ein Unterschied in Ankunftszeiten eines selben Signals an jedem Empfänger eines Paars von Empfängern und nicht die Ankunftzeit eines Signals von einer Schallquelle an einem Empfänger. Alternativ können zwei aufeinanderfolgende Signale mit einer bekannten relativen Verzögerung verglichen werden. Solche Signale können z.B. eine getaktete Quelle oder eine Impulsquelle verwenden, um die Verzögerung einzustellen. Der Unterschied in Ankunftszeiten kann direkt gemessen werden, z.B. indem die detektierten Signale korreliert werden, wobei das gesendete Signal kontinuierlich (und konstant), gepulst ist oder einen unterschiedlichen Typ von Hüllkurve aufweist. In einigen Dauerstrichsystemen ist die Wellenlänge vorzugsweise länger als der Zwischenempfängerabstand, um eine Verwendung von auf Phasen beruhenden Unterschiedsmessungen zu ermöglichen. Alternativ wird eine TOF(Laufzeit)-Messung für jeden Empfänger durchgeführt, z.B. auf Grundlage eines Detektierens einer ersten ankommenden Welle am Empfänger, und unter Verwendung einer bekannten Zeit, zu der der Impuls erzeugt wurde, werden die Messungen subtrahiert, um einen Zeitunterschied zu bestimmen. Für das Paar (220, 222) wird ein Zeitunterschied Δt1 gemessen, und für das Paar (224, 226) wird ein Zeitunterschied Δt2 gemessen.
Die folgenden Gleichungen bringen die oben definierten Variablen und Unbekannten in gegenseitige Beziehung:
In diesen Gleichungen sind Δτ und D bekannt oder gemessen, und α (kritischer Winkel), γ (Neigungswinkel), V_b (Knochengeschwindigkeit) und V_t (Weichteilgeschwindigkeit) sind Unbekannte.
Effektive Geschwindigkeiten V₁ und V₂ können definiert werden, um eine Auflösung nach V_b zu unterstützen. Folglich können durch Definieren von:
die folgenden Gleichungen aus den Ankunftszeitunterschied-Gleichungen hergeleitet werden:
Als Nebenbemerkung sollte angemerkt werden, dass wenn γ = 0, V_b unabhängig von V_t ist. Diese zwei Gleichungen können neugeschrieben werden und gelöst werden, so dass man
erhält.
Ein Verfahren zur Lösung dieses Gleichungssatzes besteht darin, anzunehmen, dass V_t beispielsweise 1540 m/s ist, und die zweite Gleichung von Satz (5) zu verwenden, um γ zu berechnen. Wie unten dargestellt, weist für kleine Winkel γ ein Auswählen dieser Geschwindigkeit als repräsentativ für eine wahre Geschwindigkeit zwischen 1480 und 1580 eine sehr kleine Wirkung auf die Genauigkeit auf. Andere Verfahren zur Lösung solcher Gleichungen sind im Stand der Technik auch bekannt.
7 veranschaulicht eine Variation von 6, in der die Empfänger keine Linie definieren, die parallel zu einer Oberfläche des Weichteilgewebes ist ("verlagerter Empfänger"), und stellt Einzelheiten eines verlagerten Empfängerpaars 240 dar, das Empfänger 242 und 244 umfasst. Anders als 6 sind der Empfänger 244 und der Empfänger 242 nicht parallel zur Oberfläche des Weichteilgewebes 204. Ein Abstand ΔH beschreibt die relative Erhöhung von einem Empfänger in Bezug zum anderen. Es können Winkel α' und β definiert werden, um das Beispiel von 6 in das Beispiel von 7 zu transformieren: α' = α – γ und sinβ = V_p·sinα'/V_t, wobei V_p die Schallgeschwindigkeit im Material ist, in dem die Empfänger eingebettet sind.
Durch Entwicklung kann gezeigt werden, dass der Winkel β die folgende Gleichung erfüllt:
Ein effektiver Abstand D_eff und eine effektive Zeit delta Δτ_eff, die unten definiert sind, können in den Gleichungen von 6 verwendet werden, die für ein Beispiel von nichtverlagertem Empfänger definiert wurden. Typischerweise gibt es einen Satz von D_eff und Δτ_eff für jedes Empfängerpaar.
7 stellt nur ein Paar von Empfängern dar, typischerweise werden zwei Paare verwendet, wobei eines oder beide verlagerte Empfängerpaare sind.
Der resultierende Satz von Gleichungen kann auf viele Weisen gelöst werden. Ein vorgeschlagenes iteratives Verfahren umfasst:

(a) man nehme ΔH = 0 an.
(b) man berechne V_b und γ auf Grundlage der Gleichungen von 6 (die Gleichungen (3) und (5)), wobei D_eff = D und Δ = Δτ für beide Paare von Empfängern gesetzt wird.
(c) unter Verwendung von γ und V_b berechne man β, D_eff und Δτ_eff, wobei die Gleichungen (6–8) von 7 für beide Paare von Empfängern verwendet werden. Und
(d) man reiteriere eine Berechnung von Vb unter Verwendung der genaueren D_eff und Δτ_eff

Typischerweise werden zwei oder drei Iterationen benötigt, um eine Berechnungsgenauigkeit von besser als 0,1% oder selbst 0,01 für γ < 5° und ΔH < 0,1D zu erreichen. Die Iterationen können auf Grundlage von ihrer Anzahl oder auf Grundlage eines Erzielens einer gewünschten Genauigkeit angehalten werden. Alternativ können andere Lösungsverfahren verwendet werden.
In einer für eine Ausführungsform gemäß 6 ausgeführten Simulation wurde eine Genauigkeit von besser als 0,1% für γ < 5° erzielt, wenn ein wahres V_t zwischen 1480 und 1580 m/s liegt. Für größere Neigungen kann eine Sonde mit einer entgegengesetzten Neigung verwendet werden, so dass das effektive γ näher bei Null liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen unterschiedliche Knochen unterschiedliche zugelassene Neigungswinkel auf, die z.B. auf Grundlage eines erwarteten Rauschpegels und/oder Fehlerniveaus bestimmt sind. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erzeugt das Messsystem ein Signal (z.B. einen Piepton oder ein rotes Licht auf der Sonde), wenn der annähernd bestimmte Neigungswinkel größer als der Wert ist, der für den speziellen Knochen, der gemessen wird, zugelassen ist. In einigen Ausführungsformen wird die Geschwindigkeit in einem solchen Fall nicht bestimmt. Das Signal kann bewirken, dass der Benutzer die Sonde neuorientiert, z.B. dass er sie tiefer in das Fleisch drückt. Zusätzlich oder alternativ können andere Bedingungen, die einen großen Fehler hervorrufen, wie z.B. Bedingungen hohen Rauschens der Bedienperson signalisiert werden, so dass sie das Messverfahren dementsprechend ändern kann.
In der obigen Beschreibung befinden sich die Empfänger und Sender im Wesentlichen in einer selben Ebene mit den Knochen. Jedoch ist dies nicht wesentlich. Was am häufigsten wünschenswert ist, ist, dass das Empfängerpaar so angeordnet ist, dass es koplanar mit dem nahegelegenen Pfad der Welle im Knochen ist, so dass es eine maximale Überlappung zwischen den Pfaden der zwei Empfänger gibt. Jedoch ist selbst dieses nicht wesentlich. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die das Empfängerpaar verbindende Linie so angeordnet, dass sie senkrecht zu einer die Quelle und das Empfängerpaar verbindenden Linie ist, oder unter einem anderen Winkel. Eine solche Anordnung weist einen Empfänger koplanar mit dem nahegelegenen Pfad und einen Empfänger senkrecht zu der Ebene des koplanaren Empfängers und dem nahegelegenen Pfad auf. Wie hierin verwendet, ist der nahegelegene Pfad der Teil eines Pfades von Schallwellen in der Nähe der Empfänger und in dem Variationen zwischen den Pfaden zu den beiden Empfängern gefunden werden. In den entferntgelegenen Teilen überlappen sich die Wellen im Allgemeinen oder pflanzen sich auf vollständig separaten Pfaden fort.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bestimmung, dass die Empfänger in einer gewünschten Konfiguration sind, erzielt, indem die Empfängerorientierung bestimmt wird, bei der eine örtliche oder globale minimale oder maximale Geschwindigkeit bestimmt wird, und/oder auf Grundlage von anderen Analysen der für unterschiedliche Winkel bestimmten Geschwindigkeiten. Folglich ist in einigen Ausführungen die bestimmte Knochengeschwindigkeit tatsächlich eine effektive Geschwindigkeit statt eine wirkliche Geschwindigkeit. Jedoch, da die effektive Geschwindigkeit reproduzierbar ist, kann sie verwendet werden, um unterschiedliche Patienten oder einen selben Patienten mit der Zeit zu vergleichen. In einigen Fällen kann eine norminierte Geschwindigkeit oder eine anders verarbeitete Laufzeit statt der effektiven Geschwindigkeit verwendet werden und normalerweise auf eine Weise, die dazu äquivalent ist. Unter Verwendung von nichtkoplanaren Konfigurationen können einige transaxiale Eigenschaften des Knochens auch bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich sind die beiden Quellen nicht entgegengesetzt zueinander, sondern definieren einen Winkel mit den Empfängern, der nicht 180° ist. Jedoch kann, wie oben angemerkt, der Parameter von Interesse sein, dass die zwei nahegelegenen Pfade von den zwei Quellen nicht koplanar sind, sondern einen Winkel, wie z.B. 120°, 150° oder 170°, zwischen sich definieren. Solche Winkel können z.B. im Schädel erzielt werden und nützlich sein.
Auch können, wie oben angemerkt, die Sender und Empfänger ausgetauscht werden, oder ein einziges Paar von Empfängern kann verwendet werden. Möglicherweise wird eine Mehrzahl von Empfängern, die z.B. in einem Ring ange ordnet sind, verwendet, um Signale von einer selben Quelle oder Quellen zu detektieren. Ein solcher Ring kann verwendet werden, um eine wünschenswerte Orientierung des Empfängerpaars zum nahegelegenen Pfad auswählen, ohne dass eine Bewegung des Empfängerpaars erforderlich ist. Folglich können die verschiedensten transaxialen Eigenschaften bestimmt werden, und es kann ein gewisser Grad an Winkelunabhängigkeit erzielt werden. Es wird angemerkt, dass im Allgemeinen die Quellen von den Empfängern weit genug weg sind, so dass die Unterschiede zwischen dem, was die Empfänger detektieren, hauptsächlich durch örtliche Variationen hervorgerufen wird. Folglich mag die genaue Stelle der Schallquellen nicht von Interesse sein. In einer Ausführungsform wird eine Abbildungssonde mit geeigneten Software/Hardware-Verarbeitungsschaltungen zum Analysieren von empfangenen Signalen verwendet, während die Schallquelle ein separater "Klopfer" oder schallerzeugende Sonde sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Schallquelle, fakultativ batteriebetrieben und ohne jegliche Verbindungsdrähte, an den Patienten angebracht, z.B. unter Verwendung eines Bands oder Klebstoffs. Es sollte angemerkt werden, dass ein weiter Bereich von Schallquellen verwendet werden kann, einschließlich Schmalbandfrequenz- und Breitbandfrequenzquellen. Einige beispielhafte Quellen umfassen piezoelektrische Elemente, elektromagnetische Schwingungserreger und mechanisches Klopfen (z.B. mit einem Hammer). Es sollte angemerkt werden, dass ein Hammer (oder ein anderes hartes Objekt) gegen den Körper geschlagen werden kann und auch gegen ein Objekt in Kontakt mit einem begrenzten Teil des Körpers schlagen kann, z.B. einen Tisch, auf dem der Patient steht.
Obwohl hauptsächlich Geschwindigkeit als die gewünschte Messung beschrieben worden ist, kann eine andere Knocheneigenschaft bestimmt werden. In einem Beispiel können die Frequenzprofile der Signale, die an zwei Empfängern detektiert werden, verglichen werden, um ein Frequenzdämpfungsprofil des Knochens zu bestimmen.
Das obige Verfahren zur Schallgeschwindigkeitsbestimmung ist besonders nützlich für lange Knochen, wie z.B. dem Oberschenkelknochen, oder für die Messungen entlang langer Teile des Körpers, wie z.B. einem ganzen Arm. Andere Situationen, wo solche Messungen nützlich sind, sind

(a) wenn der Knochenteil, der zu messen ist, und/oder der umgreifende Knochen kurz sind, wie z.B. die Finger;
(b) wenn der Knochen gerundet ist (wie z.B. ein Fußknöchel), so dass einer von dem Sender und dem Empfänger an der Seite auf dem Knochen und der andere an der Rückseite ist;
(c) wenn der Knochen in Bezug zur Schallgeschwindigkeit im Knochen klein ist, wie z.B. im Fußknöchel (oder in Geweben, die keine Knochengewebe sind, wie z.B. in Zähnen oder zwischen Zähnen); und/oder
(d) wenn es erwünscht ist, ein parasitäres Signal durch die Sonde oder die Haut zu vermeiden (da der Sender sehr weit von den Empfängern entfernt sein kann, werden solche parasitären Signale unter den Hintergrundrauschpegel gedämpft).

Jedoch können diese Verfahren auch vorteilhafterweise in anderen Konfigurationen angewandt werden, z.B., wo der Empfänger (und Wellenlänge) in Bezug zur Weichteildicke klein ist, z.B. für dünnbedeckte Knochen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Ultraschall-Knochengeschwindigkeitsmessung auf im Wesentlichen einen Gelenkbereich beschränkt werden, z.B. von direkt über einem Ellenbogen, bis zu direkt unter einem Ellenbogen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung eine "V"-förmige Vorrichtung mit einem Wandler an einem Ende von jedem Arm des "V" und mit einem variablen Basiswinkel (wobei einer ein Empfänger und einer ein Sender ist). Alternativ kann eine "U"-förmige Vorrichtung, wie oben beschrieben, verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich wird eine Sonde vom Gittertyp für Geschwindigkeitsmessungen in einem Knochen und/oder Gelenken verwendet, wobei einzeln anregbare (und/oder empfangende) Teile auf einem flexiblen oder einem starren Substrat verfügbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden solche Knochen- und/oder Gelenkgeschwindigkeitsmessungen an mehreren Gelenkpositionen ausgeführt. Vorzugsweise werden diese mehreren Messungen verwendet, da erwartet werden kann, dass der Pfad unterschiedliche Teile des Knochens umfasst, abhängig vom Gelenkwinkel. Alternativ oder zusätzlich nehmen die mehreren Messungen unterschiedliche Dicken von Gelenkgewebe zwischen den Knochen auf.
Die vorliegende Erfindung ist in Begriffen von bevorzugten nichtbeschränkenden Ausführungsformen derselben beschrieben worden. Es versteht sich, dass Merkmale, die in Bezug zu einer Ausführungsform beschrieben sind, mit anderen Ausführungen verwendet werden können, und dass nicht alle Ausführungsformen der Erfindung alle die Merkmale, die in einer speziellen Figur dargestellt sind, aufweisen. Insbesondere ist der Bereich der Erfindung nicht durch die bevorzugten Ausführungsformen sondern durch die folgenden Ansprüche definiert. Abschnittstitel, wo sie erscheinen, sollen nicht als eine Beschränkung des hierin beschriebenen Gegenstandes betrachtet werden, vielmehr sind Abschnittstitel nur als eine Unterstützung beim Durchsehen dieser Beschreibung gedacht. Bei Verwendung in den folgenden Ansprüchen bedeuten die Begriffe "umfasst", "umfassend", "schließt ein", "einschließend" oder dergleichen "einschließend, aber nicht beschränkt auf".

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Schallgeschwindigkeit in einem Knochen, umfassend: Senden einer Schallwelle von einer zu einem ersten In-vivo-Knochen benachbarten Stelle (A), die eine Wellenlänge aufweist, die etwa dieselbe wie oder kleiner als ein Querschnitt des Knochens ist, welcher Querschnitt senkrecht zu einer Hauptfortpflanzungsrichtung der Schallwelle in dem Knochen ist; Empfangen der Schallwelle an einer zu einem zweiten In-vivo-Knochen benachbarten Stelle (B); und Bestimmen von mindestens einer Schalleigenschaft von mindestens einem Teil von mindestens einem von dem ersten und zweiten Knochen aus einer Laufzeit der Welle durch den ersten und zweiten Knochen und mindestens ein Gelenk (14) zwischen den Knochen, wobei die Schalleigenschaft mindestens eine Schallgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stellen eine unbekannte Positionsbeziehung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stellen eine bekannte Positionsbeziehung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Empfangen und das Senden Empfangen und Senden unter Verwendung von mechanisch gekoppelten akustischen Elementen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Empfangen und das Senden Empfangen und Senden unter Verwendung von mechanisch nicht gekoppelten akustischen Elementen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schallwelle eine Frequenz von mindestens 20 kHz aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem die Schalleigenschaft Schalldämpfung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem die Schalleigenschaft Polarisationseigenschaften umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem die mindestens eine Schalleigenschaft für eine Mehrzahl von Wellenlängen bestimmt wird, um eine frequenzabhängige Variation davon zu veranschlagen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem das Gelenk gelenkig angebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem der erste und zweite Knochen durch mindestens einen dritten Knochen miteinander verbunden sind und wobei das mindestens eine Gelenk umfasst: mindestens ein Gelenk, das den ersten Knochen und den mindestens dritten Knochen miteinander verbindet, und mindestens ein zweites Gelenk, das den mindestens dritten und den zweiten Knochen miteinander verbindet.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der mindestens eine dritte Knochen mindestens zwei Knochen umfasst, die durch ein Gelenk miteinander verbunden sind, durch das sich die Welle fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle zwischen einem Ellenbogen und einem Finger fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle zwischen einem Ellenbogen und einem Fingerknöchel fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle zwischen einem Knie und einem Fußknöchel fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle zwischen einem Trochanter und einem Becken fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle zwischen zwei Hüften fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle entlang einer Rippe fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem sich die Welle entlang einem Teil eines Schädels fortpflanzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, bei dem die Knochen einen Rückenwirbel umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–20, bei dem ein Empfangen der Schallwelle ein Empfangen von mindestens einer zweiten Schallwelle umfasst, welche zweite Welle einen Pfad aufweist, der mindestens einen gemeinsamen Pfadteil in einem Knochen mit der ersten Welle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die zwei Wellen unter Verwendung eines einzigen Empfängers empfangen werden und an zwei unterschiedlichen Stellen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die zwei Wellen unter Verwendung von zwei Empfängern empfangen werden und an einer einzigen Stelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem eine Linie, die die zwei Empfänger miteinander verbindet, nicht parallel zu einer Oberfläche eines Knochens ist, der unter den zwei Empfängern liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21–24, bei dem die Laufzeit eine relative Laufzeit der zwei Wellen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21–25, bei dem die zwei Wellen gleichzeitig erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21–25, bei dem die zwei Wellen als eine Einquellenwelle erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21–25, bei dem die zwei Wellen relativ zueinander verzögert auf einmal erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28, umfassend ein Wiederholen des Sendens und des Empfangens für mindestens eine zweite Schallwelle, die sich in einer zu einer Fortpflanzungsrichtung der Welle entgegengesetzten Richtung fortpflanzt, um lokale akustische Knocheneigenschaften an einem Bereich zu bestimmen, der durch beide von den Wellen durchquert wird.