ES2216171T3 - Examen de la forma de onda ultrasonica para la evaluacion del estado de un hueso usando valores cartografiados de una region dada. - Google Patents
Examen de la forma de onda ultrasonica para la evaluacion del estado de un hueso usando valores cartografiados de una region dada.Info
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Abstract
SE PRESENTA UN APARATO Y PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR EN UN SUJETO VERTEBRADO LA POROSIDAD Y LA NO CONEXION DE UN HUESO. UNA REALIZACION PREFERIDA TIENE UN TRANSCEPTOR ACUSTICO (211) CON UN PAR DE TRANSDUCTORES ACUSTICOS (12, 13) DISPUESTOS EN UNA RELACION ESPACIAL DADA UNO CON RESPECTO AL OTRO, DE MANERA QUE SE TRANSMITA UNA SEÑAL ACUSTICA DE UNO A OTRO POR MEDIO DEL HUESO. LA TRAYECTORIA DE TRANSMISION A TRAVES DEL HUESO QUE SE CORRESPONDE CON LA SEÑAL ACUSTICA ANALIZADA POR EL SISTEMA PUEDE VARIARSE, ESTANDO LOS VALORES DERIVADOS DE LAS MEDICIONES DE LA TRANSMISION ACUSTICA A TRAVES DE DIFERENTES POSICIONES EN EL HUESO EN DIFERENTES POSICIONES DE UNA MEMORIA (23, 213). SE SUMINISTRA UN PROCESADOR DE POSICION (24) PARA SELECCIONAR UNA POSICION DE OBJETIVO EN BASE AL MENOS EN PARTE A LOS VALORES ALMACENADOS EN LA MEMORIA (213) PARA DEFINIR UNA REGION DE INTERES CON RESPECTO A LA CUAL SE DETERMINA UNA MEDICION DE LA POROSIDAD DEL HUESO.
Description
Examen de la forma de onda ultrasónica para la
evaluación del estado de un hueso usando valores cartografiados de
una región dada.
La presente invención se refiere a un aparato
para el análisis acústico de los huesos, y de manera más particular
a un aparato para llevar a cabo la medida del hueso usando técnicas
de procesado de la señal en el dominio del tiempo, de la frecuencia
y del espacio.
En la técnica anterior existe una pluralidad de
enfoques para la medida de las características del hueso usando
procedimientos acústicos y otros procedimientos con vistas a
identificar a los pacientes necesitados de tratamiento para el
estado de sus huesos y enfermedades óseas. Muchas técnicas acústicas
utilizan un primer transductor para proporcionar una señal acústica,
típicamente a frecuencias de ultrasonidos, al sujeto desde una
primera localización externa y un segundo transductor en una segunda
localización externa colocado en el lado opuesto del hueso de
interés para recibir la señal transmitida por el primer transductor
a través del hueso y del tejido blando intermedio. (Los
transductores típicamente son acoplados al sujeto a través de un
fluido adecuado, tal como el agua o gel en agua). Es común usar una
disposición de transductores con un circuito para estimar la
velocidad de la onda acústica a través del hueso. La velocidad
estimada se correlaciona con el estado del hueso. Esto se trata en
el documento de Patente de los Estados Unidos US 5.042.489 concedida
a Wiener y otros. Bajo otro enfoque, se determina la atenuación de
sonidos de banda ancha (BUA) en el intervalo de 300 a 700 kHz
aproximadamente. La BUA se define como la pendiente de una amplitud
logarítmica lineal frente a la representación de frecuencias de la
energía transmitida a través del talón. También se hacen
determinaciones de la velocidad de la onda acústica o BUA a través
del hueso en varias localizaciones para mejorar la metodología, pero
estos enfoques no han proporcionado el nivel deseado de sensibilidad
y especificidad.
El documento de los Estados Unidos US 5.042.489
(Wiener) describe un densitómetro de ultrasonidos de la técnica
primera que tiene una pluralidad de transductores dispuestos en
paralelo para detectar los ultrasonidos que pasan a través del
hueso. Se describe un valor numérico simple relacionado tanto con la
velocidad del sonido en el miembro como con la atenuación de banda
ancha.
En una realización preferida, la invención
proporciona un aparato para determinar de manera externa en un
sujeto vertebrado un índice de porosidad y de no conectividad de los
huesos dispuestos dentro de una parte del cuerpo, como se expone en
la reivindicación 1. El aparato incluye un transceptor acústico que
tiene un generador de señal para producir, cuando está acoplado a un
transductor, un pulso acústico, teniendo la energía distribuida
sobre un intervalo de frecuencias. El transceptor también tiene un
conjunto de transductor que incluye una pluralidad de transductores
y que proporciona un par de transductores en relación espaciada con
respecto al hueso. Un primer transductor del par de transductores
está acoplado al generador de señal para proporcionar un pulso
acústico, y un segundo transductor del par de transductores recibe
una señal acústica resultante de la propagación del pulso acústico a
lo largo de un camino que incluye el hueso. El conjunto está
configurado de manera que el camino puede estar dispuesto en una
pluralidad de posiciones para pasar a través de la pluralidad de
localizaciones dentro de una región seleccionada del hueso.
Un procesador de señal se encuentra en
comunicación con el segundo transductor del par de transductores. El
procesador de señal proporciona una medida asociada con cada una de
las localizaciones que es indicativa de al menos una componente
espectral o temporal de una parte, hasta la cantidad total de la
misma de la señal recibida por el segundo transductor del par de
transductores. El procesador de señal funciona en comunicación con
una memoria de valores para almacenar los valores relacionados con
la medida asociada con las localizaciones. Un procesador de
localización selecciona una localización objetivo en base al menos
en parte a los valores almacenados en la memoria de valores, y un
procesador de salida proporciona una cantidad de salida asociada con
la localización objetivo o con la firma topológica de la
distribución espacial de la medida en la región seleccionada del
hueso.
La invención será entendida más fácilmente
haciendo referencia a los siguientes dibujos, tomados conjuntamente
con la descripción detallada adjunta, en los que:
La figura 1 es un diagrama que muestra en general
los componentes para un sistema para su uso de acuerdo con una
realización preferida de la invención;
la figura 2 es un diagrama que muestra una
implementación del sistema de la figura 1;
la figura 3 y la figura 4 son representaciones
gráficas de superficie de UBI-4b y
UBI-5c respectivamente sobre una región
bidimensional del calcáneo de una mujer sana de 46 años de edad;
la figura 5 y la figura 6 son representaciones
gráficas de superficie de UBI-4b y
UBI-5c respectivamente sobre una región
bidimensional del calcáneo de una mujer de 45 años de edad que sufre
osteoporosis;
la figura 7 y la figura 8 son representaciones
gráficas de superficie de UBI-4b y
UBI-5c respectivamente sobre una región
bidimensional del calcáneo de una mujer mayor de 76 años de edad con
una calidad de hueso superior a la que es normal para su edad;
la figura 9 y la figura 10 son representaciones
gráficas de superficie de UBI-4b y
UBI-5c respectivamente sobre una región
bidimensional del calcáneo de una mujer de 83 años de edad que sufre
osteoporosis;
las figuras 11 a la 18 son representaciones
gráficas topográficas correspondientes a las figuras 3 a la 10
respectivamente;
la figura 19 es un diagrama de flujo lógico del
proceso de acuerdo con la realización preferida de la invención para
producir una medida UBI en una localización objetivo;
la figura 20 es un diagrama de flujo lógico del
proceso de acuerdo con la realización de la figura 19 para
identificar una localización de referencia;
la figura 21 es un diagrama de bloques de un
aparato de acuerdo con una realización preferida de la presente
invención para implementar los procesos de las figuras 19 y 20;
la figura 22 es un modelo esquemático de un
sistema de análisis ultrasónico para propósitos de estimar otras
medidas de la integridad del hueso a partir de una o más medidas UBI
de acuerdo con una realización de la presente invención;
las figuras 23A-C muestran una
comparación de firmas con forma de onda típicas recibidas en casos
de hueso sano, hueso osteoporoso y calibración de agua;
La figura 24A proporciona una traza que muestra
la salida almacenada del transductor T_{R} de la figura 1 en
respuesta a una forma de onda de excitación, generada por el sistema
de la figura 1 y transmitida a través de un hueso que tiene una
porosidad sustancial, así como la traza pertinente para el cálculo
de las UBI de acuerdo con una realización preferida de la presente
invención;
la figura 24B proporciona una traza de la función
de estimación espectral de Burg asociada con las representaciones
gráficas de la figura 24A;
la figura 25A proporciona una traza que muestra
la salida almacenada del transductor T_{R} de la figura 1 en
respuesta a una forma de onda de excitación, generada por el sistema
de la figura 1 y transmitida a través de un hueso de calidad
baja-normal, así como las representaciones gráficas
pertinentes para el cálculo de las UBI de acuerdo con una
realización preferida de la invención;
la figura 25B proporciona una traza de la función
de estimación espectral de Burg asociada con las representaciones
gráficas de la figura 25A;
la figura 26A proporciona una traza que muestra
la salida almacenada del transductor T_{R} de la figura 1 en
respuesta a una forma de onda de excitación, generada por el sistema
de la figura 1 y transmitida a través de un hueso excepcionalmente
sano, así como las representaciones gráficas pertinentes para el
cálculo de las UBI de acuerdo con una realización preferida de la
invención;
la figura 26B proporciona una traza de la función
de estimación espectral de Burg asociada con las representaciones
gráficas de la figura 26A;
la figura 27 es un corte transversal de la traza
de superficie de UBI-5c de la figura 4 mirando a lo
largo de un eje paralelo al eje que va del talón al dedo pulgar del
pie.
la figura 28 es un corte transversal de la traza
de superficie de UBI-5c de la figura 6 mirando a lo
largo de un eje paralelo al eje que va del talón al dedo pulgar del
pie.
la figura 29 es un corte transversal de la traza
de superficie de UBI-5c de la figura 8 mirando a lo
largo de un eje paralelo al eje que va del talón al dedo pulgar del
pie.
la figura 30 es un corte transversal de la traza
de superficie de UBI-5c de la figura 10 mirando a lo
largo de un eje paralelo al eje que va del talón al dedo pulgar del
pie.
En la solicitud de patente de los Estados Unidos
(la "Solicitud Anterior") con número de serie 08/615.643, de
fecha 13 de marzo de 1996, admitida el 26 de agosto de 1997 y
publicada como el documento
US-A-5720290, para una invención
titulada "Aparato y procedimiento para el análisis acústico del
hueso usando funciones optimizadas de componentes espectrales y
temporales de señal", se describe un sistema con el que se puede
emplear la siguiente invención.
La figura 1 es un diagrama que muestra en
general, los componentes para un sistema que puede usarse de acuerdo
con una realización preferida de la presente invención. En este
sistema, se genera una forma de onda por medio del generador de
forma de onda 11, y se entrega a un transductor transmisor T_{T},
elemento 12. El transductor T_{T} está acoplado acústicamente a
una parte del cuerpo 16 de un sujeto y produce una onda acústica que
se propaga dentro de la parte del cuerpo 16 y en particular dentro
de un hueso dentro de la parte del cuerpo. El transductor T_{R},
elemento 13, está también acoplado acústicamente a la parte del
cuerpo 16 y recibe una señal resultante de los efectos de, entre
otras cosas, la propagación de la onda acústica a través del hueso y
de la parte del cuerpo. Se hace referencia en esta descripción y en
las reivindicaciones anejas a cualquier componente para transmitir y
para recibir una señal acústica a través de una parte del cuerpo
colectivamente como un "transceptor acústico". La salida del
transductor T_{R} es amplificada por medio del amplificador 14 y
es procesada por medio del procesador 15. El procesador 15 analiza
la salida del transductor T_{R} y toma una determinación que
refleja la condición del hueso y proporciona una salida.
La figura 2 es un diagrama que muestra una
implementación del sistema de la figura 1. La parte del cuerpo puede
ser, por ejemplo, la región próxima al calcáneo. Mientras que los
elementos de la figura 1 pueden ser implementados con componentes
analógicos, de una manera conocida en la técnica, es conveniente
usar una implementación digital. De acuerdo con esto, el procesador
15 y el generador de forma de onda 11 pueden ser realizados en una
unidad 27 incluyendo un microprocesador 21 que controle tanto el
procesado de la salida del transductor T_{R} como la generación de
la forma de onda usada para excitar al transductor T_{T}. Esta
forma de onda se almacena en formato digitalizado en memoria 1,
elemento 24, y bajo el control del microprocesador 21 es pasada a
través de un conversor analógico a digital 25 antes de ser entregada
al amplificador 26 y al transductor T_{T}. De manera similar, la
salida del transductor de recepción T_{R} es alimentada desde el
amplificador 14 al conversor analógico a digital 22 y esta salida
digitalizada se almacena en memoria 2, elemento 23. La salida
almacenada es entonces procesada por medio del microprocesador 21,
que entrega una salida de datos que indican el estado del hueso.
En realizaciones adicionales del sistema, las
realizaciones de la figura 2 (o una implementación completa o
parcial de la figura 1) se usan para procesar la salida almacenada
de T_{R} de acuerdo con una o más de entre una variedad de
procedimientos para proporcionar una salida de datos que indique una
condición del hueso. De acuerdo con algunas realizaciones, la salida
de datos que indican el estado del hueso incluye un número, al que
podemos denominar "Índice ultrasónico de hueso" (UBI). Cada
procedimiento diferente que empleemos puede conducir a un UBI
diferente, y los distintos tipos de UBI son identificados por medio
de un sufijo numérico, por ejemplo, UBI-2,
UBI-3, etc. En conexión con las técnicas de
procesado de señal generales utilizadas (pero no su utilización
específica en el contexto de la prueba ultrasónica del hueso), son
de relevancia las siguientes referencias: Boualem Boashash, ed.,
Time-Frequency Signal Analysis (Wiley, 1992)
(especialmente relevante para el análisis de frecuencia instantánea;
véase el capítulo 2, páginas 43 a la 73), y Richard Shiavi,
Introduction to Applied Statistical Signal Analysis (Irwin,
1991) (especialmente relevante para la Estimación espectral de Burg;
véanse especialmente las páginas 369 a la 373).
Los procedimientos aprovechan la ventaja del
hecho de que el hueso relativamente no poroso y conectivo, por una
parte, y el hueso relativamente poroso y no conectivo por otra
parte, responden de manera diferente a las entradas de ultrasonidos.
Los varios UBI pertinentes para la presente invención se describen a
continuación; se describen con más detalle en la solicitud
primera.
UBI-2. De acuerdo con el
UBI-2, la salida almacenada de T_{R} es pasada a
través de una transformada discreta de Fourier. Se calcula entonces
una suma lineal ponderada del logaritmo de las componentes
resultantes de frecuencia; esta suma es UBI-2. Los
pesos se eligen para minimizar las diferencias entre las sucesivas
medidas tomadas del mismo individuo y para maximizar las diferencias
en las medidas tomadas de diferentes individuos, de forma que la
función actúa como un discriminante en la determinación de la
extensión de la no conectividad y de la porosidad del hueso.
UBI-3. El procedimiento
UBI-3 utiliza la envolvente de Hilbert de la salida
almacenada de T_{R}; la envolvente de Hilbert proporciona una
medida del contenido de energía de la forma de onda recibida como
una función del tiempo. La preponderancia mayor de las señales de
baja frecuencia en la forma de onda recibida asociadas con el hueso
sano, provoca el que tenga una duración más larga que en la forma de
onda recibida asociada con el hueso relativamente poroso. De acuerdo
con esto, de acuerdo con el UBI-3, la envolvente de
Hilbert es examinada para determinar la duración de la energía.
UBI-4. El procedimiento
UBI-4 utiliza una función de estimación espectral de
promediado de movimiento autorregresiva de la salida almacenada
T_{R}. En una realización, UBI-4 usa la función de
estimación espectral de Burg de la salida almacenada de T_{R}; la
función de Burg proporciona una gráfica que estima la potencia
frente a la frecuencia de la forma de onda recibida. La forma de la
gráfica es un discriminante entre el hueso sano y relativamente
poroso. El UBI-4 es una estimación de la pendiente
(en dB/MHz) del logaritmo (sdf) frente a la función f. Generalmente,
cuanto más gradualmente negativa es la pendiente, más sano es el
hueso. El UBI-4b es una estimación de la pendiente
hecha por medio de referencia a solamente dos puntos de la gráfica,
el primero de ellos ocurre en el primer pico y el segundo ocurre a
400 kHz más arriba en frecuencia.
UBI-5. El procedimiento
UBI-5 utiliza una medida relacionada con la
frecuencia instantánea durante la parte primera de la forma de onda
recibida. Una realización utiliza la función de frecuencia de
Hilbert. La parte primera de la forma de onda recibida puede ser más
representativa de la parte del cuerpo, en particular, del hueso,
bajo análisis en el sentido en que no está contaminada por la
transmisión acústica entre los transductores de transmisión y de
recepción a través de múltiples caminos. El análisis basado en la
parte primera de la forma de onda recibida se trata con referencia a
las figuras 24A-B, las figuras 25A-B
y las figuras 26A-B. La figura 24A explicada, por
ejemplo por Boashash, una señal puede ser representada generalmente
en la forma:
(1)f(t) = a(t)
e^{j\phi
(t)}
Es bien conocido en la técnica que a(t)
representa la envolvente de la señal, y que \phi(t) es la
función de frecuencia de la señal. En particular, cuando la
descomposición del comportamiento funcional de la señal se haga en
la forma de la ecuación (1), usando la transformación de Hilbert
(Broashash en la página 26), tal como sea apropiado donde la señal
de manera predominante siga a la frecuencia central de la fuente de
excitación, entonces se puede hacer referencia a la envolvente
a(t) como la envolvente de Hilbert y se puede hacer
referencia a la función de frecuencia como una función de frecuencia
de Hilbert. Tanto la función de envolvente como la de frecuencia
varían como una función del tiempo, debido tanto a la naturaleza
transitoria de la excitación como a la naturaleza de la respuesta
del hueso, y sus valores para los respectivos casos de hueso enfermo
y hueso sano, están representados por los valores numéricos 242 y
243 en la figura 24A y por los valores numéricos 262 y 263 de la
figura 26A. Para el hueso sano, durante la primera parte (3 ó 4
microsegundos) de la forma de onda recibida, existe muy poca
variabilidad y la frecuencia dominante es relativamente baja. Para
el hueso relativamente poroso, existe una variabilidad considerable
y la frecuencia dominante es relativamente alta. La variabilidad se
puede cuantificar de acuerdo con cualquiera de una variedad de
procedimientos bien conocidos en la técnica. Como una alternativa, o
además de medir la variabilidad de la función de frecuencia de
Hilbert con el tiempo, es posible determinar la frecuencia dominante
en una subsección primera prescrita de la ráfaga recibida; el hueso
malo tiene una frecuencia dominante dramáticamente alta en esta
región. Nos referimos a la frecuencia dominante y al periodo durante
este intervalo de tiempo como la "Frecuencia primera dominante"
y el "Periodo primero dominante", respectivamente. Una manera
de hacer esta determinación de la frecuencia o del periodo, es
calcular la función de Hilbert en esta región y determinar entonces
la pendiente promedio de la fase de Hilbert frente a la traza del
tiempo sobre el intervalo. De manera alternativa, se puede estimar
con un buen éxito una medida de la frecuencia dominante en esta
región directamente a partir de los datos de forma de onda de
muestra. El índice UBI-5c es una estimación del
periodo utilizando dos puntos que caen a cada lado del primer pico
sustancial. Los dos puntos de esta realización son determinados como
las localizaciones (los "puntos de inflexión") en los que la
segunda derivada con respecto al tiempo es cero. El semiperiodo se
estima como la duración entre los cortes de las tangentes a la curva
en estos dos puntos. El valor UBI-5 es el
correspondiente periodo completo en microsegundos. Las realizaciones
alternativas emplean otras medidas de la frecuencia primera
dominante. Éstas pueden incluir, pero no se limitan a, la medida de
la separación del intervalo de pico a seno o de pico a cero del
primer semiciclo, o la determinación de la pendiente de la señal
recibida en el segundo cruce por cero.
UBI-6. El procedimiento
UBI-6 utiliza una transformada de Fourier de tiempo
corto de la salida almacenada de T_{R} para examinar con más
detalle que con la transformada de Hilbert, el contenido espectral
variable de la forma de onda recibida en el tiempo. Se puede
calcular un índice de frecuencia de una forma análoga a con el
UBI-2. La variación temporal de este índice se puede
usar para calcular un índice diferente de una forma análoga a con el
UBI-5.
UBI-7. El procedimiento
UBI-7 utiliza la transformada de Fourier de la
salida almacenada de T_{R} para producir datos que permiten hacer
una traza de la fase frente a la frecuencia; la pendiente de esta
traza es una medida de la velocidad (como una función de la
frecuencia). La variación de la velocidad (o de su homólogo en el
dominio del tiempo, el retardo de grupo) con la frecuencia es la
dispersión, que se puede cuantificar de acuerdo con cualquiera de
entre una variedad de procedimientos. En el hueso relativamente
poroso, existe muy poca dispersión; en el hueso relativamente no
poroso, hay relativamente más dispersión.
UBI-8. El procedimiento
UBI-8 se basa en el reconocimiento de que un hueso
malo produce una firma de banda ancha, mientras que un hueso bueno
tiende a pasar relativamente las bajas frecuencias de manera más
selectiva. De acuerdo con esto, el UBI-8 implica la
determinación de (i) "energía de banda estrecha", que para los
propósitos de esta descripción y las reivindicaciones siguientes, es
la energía asociada con los 100 kHz del espectro que rodean al pico
espectral de baja frecuencia, y (ii) "energía de banda ancha",
que para los propósitos de esta descripción y las reivindicaciones
siguientes, es la energía asociada con todo el espectro desde 0 a
1000 kHz. UBI-8 es la relación normalizada de la
energía de banda estrecha respecto a la energía de banda ancha.
Los anteriores UBI son meramente ilustrativos; se
pueden utilizar otros UBI o combinaciones de UBI.
Las representaciones gráficas espaciales de las
distintas medidas de la integridad del hueso, tales como los
anteriores UBI, u otras, se pueden obtener y visualizar como se
muestra en las representaciones gráficas de superficie de las
figuras 3 a la 10, o en las representaciones gráficas topográficas
de las figuras 11 a la 18, o en cualquier otra representación que
emplee una escala de grises o uno o más colores, en la que una
medida o una combinación de medidas de la integridad del hueso es
trazada como una función de la posición con respecto al hueso del
sujeto.
La asignación espacial se puede conseguir por
cualquier medio de derivación de información de diagnóstico de
ultrasonidos en una pluralidad de posiciones con respecto al hueso
del sujeto. Éstas pueden incluir, sin limitarse, la exploración del
transceptor acústico o mecánicamente o de manera electrónica con
respecto al hueso. La asignación espacial, de acuerdo con las
distintas realizaciones de la presente invención, se puede emplear
de manera ventajosa para una variedad de propósitos, incluyendo,
pero sin limitarse a:
(a) definir una o más "regiones de interés"
con respecto a características definibles del hueso del sujeto, tal
como el borde o los bordes del hueso, cuyas regiones son de utilidad
particular de diagnóstico;
(b) definir una o más "regiones de interés"
con respecto a características definibles de la topología de la
propia medida de diagnóstico, así, por ejemplo, una región
especificada que rodee a un mínimo con respecto a un parámetro UBI
particular, en el que dicha región es conocida por ser de utilidad
particular de diagnóstico;
(c) determinación de la transición sobre el
hueso/fuera del hueso, es decir, el borde del hueso, para su uso en
la definición de regiones de particular utilidad de diagnóstico;
y
(d) empleo de las firmas topológicas o de las
características geométricas del propio mapa espacial como una o más
medidas de diagnóstico. Así, por ejemplo, la curvatura de un campo
UBI particular, como una función espacial, se puede emplear de
acuerdo con una realización de la presente invención, para
propósitos de diagnóstico.
Las figuras 3 y 4 son representaciones gráficas
de superficie en tres dimensiones de UBI-4b y
UBI-5c respectivamente sobre una región
bidimensional del calcáneo de una mujer sana de 46 años de edad. En
estas representaciones gráficas y en las representaciones gráficas
siguientes a través de la figura 8, el eje marcado como
"Columna" a la derecha, al que también se hace referencia en
este documento de aquí en adelante como el eje x, se aproxima al eje
que va del talón al dedo pulgar del pie, con la posición más del
talón (es decir, hacia la parte trasera del talón) cayendo en el
origen. (En ésta y en las representaciones gráficas posteriores, la
región presentada puede no incluir necesariamente el casi borde del
calcáneo). El eje marcado como "Fila" está en una dirección
perpendicular al eje "Columna", al que se hace referencia en
este documento de aquí en adelante como el eje y, de nuevo con la
posición más del talón (es decir, hacia la superficie del fondo del
talón) en el origen. Estos dos ejes se usan para identificar
coordenadas asociadas con el par de transductores T_{T} y T_{R}
de las figuras 1 y 2. El par de transductores puede estar en una
disposición fija uno con relación al otro, de forma que se transmita
un pulso ultrasónico desde el transductor T_{T} a lo largo de un
camino a través del calcáneo al transductor T_{R} y sea procesado.
El UBI pertinente se determina con los dos transductores en una
localización dada. Los transductores son movidos entonces con
relación al hueso a una serie de localizaciones diferentes para
permitir la determinación de una colección de valores de UBI sobre
una región completa de interés. (Sin embargo, la manera particular
en la que se montan y se mueven los transductores no es una parte de
la presente invención). Los dos ejes (Columna y Fila) por lo tanto,
identifican la posición del par de transductores con respecto al pie
del sujeto. Finalmente, el eje vertical muestra el valor UBI
pertinente determinado para cada localización.
Aunque hay algunas diferencias entre estas dos
representaciones gráficas, ambas comparten similitudes destacables.
Cada traza muestra una zona llana relativamente ancha. El borde
derecho de la llanura - corriendo generalmente a lo largo del eje
que va del talón al dedo pulgar del pie ("Columna") - muestra
una caída en forma de acantilado que es atribuible al borde del
calcáneo. En otras palabras, las representaciones gráficas permiten
la identificación del borde del hueso que esté siendo valorado.
Además, en cada una de las figuras 3 y 4, la zona
llana de por sí muestra algunas irregularidades, particularmente en
el dominio de los valores Columna de digamos, 1 al 6, el valor de
UBI cambia relativamente poco para los valores de Fila que oscilan
de 3 a 8. Esta región, que en esta descripción y en las
reivindicaciones siguientes es denominada como la "región
candidata", tiene las características que (i) está declarada
desde el borde del hueso y (ii) los valores UBI sobre la región son
relativamente insensibles a la altura por encima del eje del talón
al dedo pulgar del pie, es decir, a cambios en el valor de la fila.
En la región candidata, sin embargo, se puede encontrar un seno
local, en el que los valores de UBI están en un mínimo local. En la
figura 3, el seno local en la región candidata está identificado
como la localización 31, y en la figura 4, el seno local en la
región candidata está identificado como la localización 41.
Se hace referencia en esta descripción y en las
siguientes reivindicaciones a una posición que tenga una magnitud de
pendiente mínima local asociada con un seno local (en caso de que
exista un seno), en la región candidata, como la "localización de
referencia". La localización de referencia se cree que es el
resultado de las propiedades anatómicas del calcáneo, y como se
trata más adelante, también se cree que es útil en la identificación
de una localización que sea particularmente significativa para la
medida de UBI. La localización de referencia se puede identificar
también usando algún tipo de criterio de diferencia. Por ejemplo,
hemos encontrado que es deseable favorecer un seno que esté
localizado relativamente cerca del origen, es decir, cerca de la
parte de atrás y de la parte inferior del calcáneo, pero sin
embargo, separado del borde del mismo. Esta área general puede verse
como la región candidata, y la localización de referencia como el
seno (en caso de estar presente; en caso contrario, la posición de
la magnitud de pendiente mínima local) en esa región.
En contraste con las figuras 3 y 4, las figuras 5
y 6 son representaciones gráficas de superficie de
UBI-4b y UBI-5c respectivamente
sobre una región bidimensional del calcáneo de una mujer de 45 años
de edad que sufre de osteoporosis. En estas figuras, la parte llana
alta y ancha de las figuras 3 y 4 ha sido sustituida por una llanura
que es relativamente inferior: la llanura de la figura 5 es más baja
que la de la figura 3, la de la figura 6 es relativamente inferior a
la de la figura 4. Esto es más claramente evidente si uno mira en la
región candidata: teniendo valores de columna entre 1 y 6 y valores
de fila entre 3 y 8. Más aún, en la región candidata, uno puede
identificar las localizaciones de referencia 51 y 61, donde están
presentes los senos locales en los valores de UBI. El valor de UBI
en la localización de referencia 51 es manifiestamente inferior que
en la localización de referencia 31; también es inferior en la
localización de referencia 61 que lo que lo está en la localización
de referencia 41.
Las figuras 7 y 9 son representaciones gráficas
de superficie de UBI-4b sobre una región
bidimensional del calcáneo respectivamente de una mujer de 76 años
de edad con una calidad ósea por encima de la media de su edad y de
una mujer de 83 años de edad con osteoporosis. En la figura 7, se
puede ver que la parte más inferior del borde del hueso está situada
aproximadamente 3 filas por encima del eje que va del talón al dedo
pulgar del pie; la región candidata tiene valores de columna que van
entre 1 y 3 y valores de fila entre 4 y 8. El seno local 71
identifica la localización de referencia en la región candidata. En
la figura 9, la región candidata tiene valores de columna entre 1 y
3 y valores de fila entre 3 y 8. El seno local 91 identifica la
localización de referencia en la región candidata. De nuevo, se
puede ver que el valor UBI en la localización de referencia 91 es
manifiestamente inferior que el de la localización 71. Las figuras 8
y 10 son representaciones gráficas de superficie de
UBI-5c sobre una región de dos dimensiones del
calcáneo respectivamente de los mismos dos sujetos que en el caso de
las figuras 7 y 9, con las localizaciones de referencia
identificadas como los elementos 81 y 101 respectivamente; en estas
representaciones gráficas se muestra un resultado similar a las del
caso de las figuras 7 y 9.
El uso de representaciones gráficas de superficie
de las figuras 3 a la 10 tiene la desventaja que puede ser difícil
visualizar en algunos casos las coordenadas de la posición precisa
de la localización de referencia, debido al uso del formato en 3D.
Esta dificultad se puede solventar recurriendo a representaciones
gráficas topográficas tales como las que se muestran en las figuras
11 a la 18, que corresponden a las figuras 3 a la 10
respectivamente. En las figuras 11 a la 18, la magnitud del UBI se
muestra por medio de sombreado más que por medio de un tercer valor
de coordenada, de forma que las localizaciones por fila y columna no
son ambiguas. Las localizaciones de referencia anteriormente
tratadas junto con las figuras 3 a la 10 están marcadas en las
figuras 11 a la 18.
A partir de los anteriores ejemplos, se puede ver
que de acuerdo con una realización de la invención, la región
candidata en general y la localización de referencia en particular
se pueden usar para proporcionar un valor UBI para propósitos de
comparación entre sujetos como una medida de la porosidad del hueso
y de la no conectividad del mismo. Además, el UBI particular que se
use para identificar la localización de referencia o la región
candidata no necesitan ser necesariamente el mismo UBI como se usa
para proporcionar la medida final de la porosidad y la no
conectividad del hueso. Por ejemplo, uno podría usar el
UBI-5c para identificar la localización de
referencia y después usar UBI-4b como la medida de
la porosidad y la no conectividad del hueso en la localización de
referencia. De hecho, como se ha tratado anteriormente, el UBI puede
ser uno distinto de cualquiera de aquéllos específicamente numerados
y descritos. Por ejemplo, la diferencias manifiestas en los gráficos
del tipo anterior entre el hueso relativamente poroso y no conectivo
por un lado, y el hueso sano por otro lado sugieren otro UBI que es
una medida del volumen bajo la región candidata o el volumen bajo un
área definida que rodea una localización de referencia. También,
como se describe a continuación, es posible en ciertos casos derivar
una estimación de BUA a partir del UBI.
Hasta este punto en la descripción, la propia
superficie UBI - la colección de valores UBI que hayan sido
obtenidos sobre una región - se han examinado y usado para
identificar una localización en la que un valor UBI será utilizado
como la medida de la porosidad y de la no conectividad del hueso.
(La localización con respecto a qué valor UBI será utilizado como la
medida de la porosidad y la no conectividad del hueso es denominada
"localización objetivo", para propósitos de esta descripción y
las reivindicaciones siguientes). En otras palabras, la localización
objetivo puede ser, pero no necesariamente tiene que serlo, la
localización de referencia.
La localización objetivo se define en términos de
los bordes del hueso, como se determina por el propio dispositivo.
(La localización que se selecciona de esta manera se denomina
"localización por defecto" para propósitos de esta descripción
y de las reivindicaciones siguientes). Así, por ejemplo, la
localización por defecto se puede determinar en referencia al fondo
y a la parte trasera del hueso del talón y puede involucrar el
dimensionamiento de las dimensiones por defecto en base a otros
parámetros incluyendo, pero no limitándose a, el tamaño del pie del
sujeto. Esto hace posible que el dispositivo coloque la región
objetivo en una localización anatómicamente análoga sobre cada hueso
del sujeto con independencia del desplazamiento de ese hueso causado
por las cantidades variables de tejido blando. Tras haber averiguado
la localización por defecto, el par de transductores T_{T} y
T_{R} en una disposición fija relativa, pueden ser movidos a la
localización por defecto, y después se puede determinar el UBI
apropiado en la posición por defecto. En otras palabras, la
localización por defecto se puede describir, por ejemplo, como las
distancias absolutas en el sistema de coordenadas (localización x,
localización y) descrito anteriormente para los gráficos de las
figuras 2 a la 8: por ejemplo, 1 cm hacia adelante (a lo largo del
eje x, etiquetado como "columna" en las figuras 3 a la 18),
y
2 cm hacia arriba (a lo largo del eje y, etiquetado como "fila" en las figuras 3 a la 18) - si éstas fuesen las coordenadas averiguadas para la clase de sujetos en relación a un sistema de coordenadas fijado en el hueso.
2 cm hacia arriba (a lo largo del eje y, etiquetado como "fila" en las figuras 3 a la 18) - si éstas fuesen las coordenadas averiguadas para la clase de sujetos en relación a un sistema de coordenadas fijado en el hueso.
La localización por defecto se puede averiguar
para una clase de sujetos por medio de la determinación experimental
de la localización de referencia para cada sujeto de la clase; la
localización mediana se puede usar como la localización por defecto.
Mientras que sea posible usar una localización por defecto simple
para todos los sujetos humanos, puede ser deseable en muchos casos
especificar la localización por defecto como una función, por
ejemplo, del género y del intervalo de edades del sujeto, y/o del
tamaño del zapato, de la geometría externa del pie, etc.
Una vez que se haya averiguado la localización
por defecto, es posible, en una realización de la invención, usar la
localización por defecto como la localización objetivo para la
medida de UBI. De manera alternativa, se puede procesar una región
especificada definida con respecto a la localización objetivo, para
derivar otra medida. Por ejemplo, de acuerdo con una realización
preferida de la invención, para proporcionar una medida de la
porosidad del hueso, se puede promediar una ventana de 8 mm de alto
por 4 mm de ancho, siguiendo el contorno de la parte baja del pie y
situada a 4 mm por delante desde la línea definida con respecto al
borde trasero del hueso.
En otra realización de la invención, sin embargo,
la localización objetivo es determinada como una función tanto de la
localización por defecto como de la localización de referencia. La
función puede, por ejemplo, ser un promedio ponderado de las dos
localizaciones. Como un ejemplo adicional, los pesos pueden ser
ajustados para favorecer la localización de referencia cuando la
superficie UBI muestre un seno local suficientemente pronunciado en
la región candidata y para favorecer la localización por defecto
cuando la superficie UBI falle en indicar una localización de
referencia con un nivel deseado de confianza.
La figura 19 es un diagrama de flujo lógico del
proceso de acuerdo con una realización preferida de la invención
para producir una medida de UBI en una localización objetivo. El
proceso descrito en este documento utiliza procedimientos y
características descritas anteriormente en conexión con las figuras
3 a la 18. De acuerdo con el paso 191, el par de transductores
T_{T} y T_{R} en una disposición relativa fija, son utilizados
de manera que un pulso de ultrasonidos sea transmitido desde el
transductor T_{T} a través del calcáneo al transductor T_{R} y
procesado. Las formas de onda recibidas por el transductor T_{R}
son capturadas de esta forma y analizadas para producir una medida
de UBI en una localización dada. Los transductores son movidos con
relación al hueso a una serie de localizaciones diferentes para
permitir la determinación de una colección de valores de UBI sobre
una región completa de interés.
De acuerdo con el paso 192, la topología de la
superficie UBI resultante es examinada para identificar una
localización de referencia. En este paso, se selecciona una
localización objetivo en base a la localización de referencia. La
localización objetivo puede de hecho ser la misma que la
localización de referencia o, como una realización adicional, los
datos geométricos se pueden aplicar en el paso 193, de forma que la
localización objetivo sea una función tanto de los datos geométricos
como de la localización de referencia. Finalmente, en el paso 194,
se ha producido una medida UBI apropiada en la localización
objetivo.
La figura 20 es un diagrama de flujo lógico más
detallado del proceso de acuerdo con los pasos 192 y 193 en la
realización de la figura 9 para identificar una localización
objetivo. En el paso 201, los valores de medida almacenados son
analizados para identificar el borde del hueso. En el paso 202, tras
haber identificado el borde del hueso, se examinan los valores de
medida de UBI en la región del hueso que está apartada del borde.
Como resultado del examen del paso 203, se identifica una región
candidata que tiene valores de medida que muestran una
insensibilidad relativa a la posición. A continuación, en el paso
204, se identifica una localización de referencia (en caso de
existir) en la región candidata, que tiene un seno local en los
valores de medida; si no se encuentra presente ningún seno local,
entonces la localización que vaya a ser identificada tiene una
magnitud de pendiente mínima local. En el paso 205, se selecciona
una localización objetivo como una función tanto de la localización
por defecto en base a los datos geométricos de entrada como de la
localización de referencia. Finalmente, en el paso 206, la
localización objetivo es proporcionada como una salida.
Estos procesos se pueden realizar en un aparato
configurado como se muestra en la figura 21, que es un diagrama de
bloques de un aparato de acuerdo con una realización preferida de la
presente invención para implementar los procesos de las figuras 19 y
20. Un transceptor acústico 211 tiene un generador de señal para
producir, cuando está acoplado a un transductor, un pulso acústico,
que tiene una energía distribuida sobre un intervalo de frecuencias.
El transceptor 211 también tiene un conjunto de transductor, cuyo
conjunto de transductor incluye una pluralidad de transductores y
proporciona un par de transductores en una relación espaciada con
respecto al hueso. Un primer transductor del par de transductores
está acoplado al generador de señal para proporcionar un pulso
acústico, y un segundo transductor del par, recibe una señal
acústica resultante de la propagación del pulso acústico a lo largo
de un trayecto que incluye al hueso. El conjunto de transductor está
configurado de forma que el camino puede ser dispuesto en una
pluralidad de posiciones para pasar a través de una pluralidad de
localizaciones dentro de la región seleccionada del hueso.
Un procesador de señal 212 está en comunicación
con el segundo transductor del par de transductores. El procesador
de señal 212 proporciona un valor de UBI asociado con cada una de
las localizaciones, que es indicativo de al menos una de las
componentes espectrales o temporales de una parte, hasta la cantidad
total de la misma de la señal recibida por el segundo transductor
del par de transductores. El procesador de señal 212 funciona en
comunicación con una memoria de valores 213 para almacenar los
valores de UBI asociados con las localizaciones.
Se hace notar que se describe en este documento
para propósitos heurísticos el funcionamiento del procesador de
señal sobre los datos referentes a las distintas localizaciones, en
términos de una memoria de valores para almacenar los valores para
su posterior manipulación. Como saben aquellas personas expertas en
la técnica del procesado de datos, se pueden aplicar de igual manera
estrategias en tiempo real para manipular los datos espaciales,
tales como por ejemplo, y sin limitaciones, la búsqueda de
gradientes adaptables. "Memoria de valores" de la manera en que
se usa en esta descripción y en las reivindicaciones anejas, se usa
en el sentido de una matriz de valores, no necesariamente existentes
de manera concurrente en el tiempo. Adicionalmente se hace notar que
la correspondencia entre los valores almacenados o manipulados y las
posiciones físicas puede no ser una correspondencia uno a uno o
unívoca, y que el promediado de los datos de las localizaciones
discretas antes de su procesado adicional es abarcado por las
reivindicaciones de la presente invención.
Un procesador de localización 214 selecciona una
localización objetivo en base a, al menos en parte, los valores
almacenados en la memoria de valores, y un procesador de salida 215
proporciona como salida una cantidad asociada con la localización
objetivo. En la práctica, el procesador de señal 212, el procesador
de localización 214 y el procesador de salida 215 pueden, pero no
necesariamente, estar realizados como un único procesador (tal como
el microprocesador 21 de la figura 2) implementando los procesos que
hayan sido programados en software para proporcionar las funciones
independientes de cada procesador.
Además o de manera alternativa, el uso de la
asignación para la selección de regiones de utilidad de diagnóstico,
figuras de mérito derivadas de la forma intrínseca o de la topología
de los mapas espaciales, se puede usar también para propósitos de
diagnóstico. Por ejemplo, la pendiente media en la vecindad de los
senos locales puede proporcionar una información adicional
importante. El uso de medidas topológicas se aprecia mejor con
referencia a las figuras 27 a la 30, que presentan vistas en corte
transversal de las representaciones gráficas de superficie de las
figuras 4, 6, 8 y 10. De manera más particular, las figuras 27 a la
30 presentan los datos UBI-5c para los mismos cuatro
sujetos que los mostrados en las figuras 4, 6, 8 y 10, como vistas
en corte transversal mirando dentro de las representaciones gráficas
de superficie de las figuras 4, 6, 8 y 10 en una dirección paralela
al eje que va del talón al dedo pulgar del pie. Los números de
referencia idénticos de las figuras 4, 6, 8 y 10 y 27 a la 30 se
refieren a características idénticas.
La comparación de las figuras 28 y 29, trazando
los valores UBI-5c respectivamente, para una mujer
de 45 años de edad que sufre osteoporosis y una mujer de 76 años de
edad con valores de UBI por encima del promedio para su edad,
muestra valores mínimos similares para UBI-5c
situados en los senos 61 y 81. Sin embargo, las pendientes medias
sobre las regiones seleccionadas designadas 62 y 82, comenzando en
los senos 61 y 81 y siguiendo hacia arriba durante tres filas (cerca
de un centímetro) son tremendamente diferentes. Como se sabe que el
sujeto de la figura 28 sufre osteoporosis y el sujeto de la figura
29 se sabe que está sano, la pendiente más abrupta puede estar
asociada con la condición más pobre del hueso. Este resultado es el
opuesto al que se obtendría por medio del simple promediado del
valor de UBI-5c sobre las regiones más grandes 62 y
82.
De una manera similar, las figuras 27 y 30, que
trazan los valores de UBI-5c respectivamente, para
una mujer de 46 años de edad sana y una mujer de 83 años de edad que
sufre de osteoporosis, muestran una pendiente relativamente poco
profunda en las regiones seleccionadas 42 y 102 cerca de los
respectivos senos locales 41 y 101 de las representaciones gráficas
de superficie UBI-5c. Como la pendiente promedio es
baja tanto para el sujeto de 46 años sano como para el sujeto de 83
años con osteoporosis, está claro que la pendiente tomada sola no es
efectiva como un indicador de la calidad del hueso como la pendiente
promedio tomada junto con el valor promedio de
UBI-5c cerca del seno local. La combinación de
pendiente y de valor de UBI-5c en el seno puede
mejorar la utilidad de diagnóstico de los mapas espaciales. Se
entenderá que se pueden usar otras medidas de topología UBI, tales
como, por ejemplo, el gradiente máximo, y además que se encuentran
dentro del ámbito de la presente invención técnicas similares
aplicadas a otras medidas UBI solas o en combinación.
Otra aplicación de los procedimientos y aparatos
descritos en este documento son para proporcionar una indicación
anterior del deterioro de la calidad del hueso que sería provista
por el valor en solitario de una medida de la calidad del hueso en
la localización especificada. Todas las técnicas anteriores solas o
en combinación, se pueden usar para determinar una propensión para
un sujeto en relación al cambio de la porosidad de los huesos
aplicando procedimientos de estudio clínico longitudinal conocidos
por las personas que de ordinario son expertas en la técnica.
Aunque el conjunto de transductor, como se ha
descrito anteriormente, puede llevarse a la práctica usando un
caballete como se trata en la Solicitud Primera, está dentro del
ámbito de la presente invención el utilizar un conjunto de
transductor en el que una pluralidad de transductores están
dispuestos sobre uno o más lados del hueso y el camino a través del
hueso es variado por medio de la conmutación eléctrica para
determinar el par de transductores que realmente se están empleando
en cada caso.
A continuación, tratamos una aproximación que
permite la determinación de una estimación de BUA a partir de una
medida de UBI, tal como el UBI-5c. Mientras que el
procedimiento descrito en este documento a continuación proporciona
una estimación de BUA, esta estimación está destinada a ser de
utilidad clínica a un usuario y no hay implicación de que las
medidas de UBI estén sometidas a las mismas limitaciones y
deficiencias inherentes de la BUA con respecto a la especificidad y
la sensibilidad. Podemos, en general, modelar nuestro sistemas como
se muestra en la figura 22. En esta figura, Tx (elemento 222)
representa al transmisor (electrónica más transductor); Rx (elemento
224) representa al receptor (electrónica más transductor). Medio
(elemento 223) es el material de prueba o el sujeto entre los
transductores. Estímulo (elemento 221) es la función de excitación,
a menudo semejante a un impulso. La respuesta h(t) de este
sistema se puede escribir como:
(2)h (t) = h_{St}(t) \
\text{*} \ h_{Tx}(t) \ \text{*} \ h_{medio}(t) \ \text{*} \
h_{Rx}(t),
donde el asterisco [*] representa la convolución,
y h_{St}(t), h_{Tx}(t), h_{medio}(t), y
h_{Rx}(t) son las respuestas al impulso independientes
asociadas respectivamente con el estímulo, el transmisor, el medio y
el receptor. Tratamos generalmente con dos tipos de
medios:
- (1)
- un medio de calibración, tal como el agua; y
- (2)
- un medio de prueba, tal como el talón de un sujeto humano.
Tenemos entonces señales de calibración h_{cal}
y señales de prueba h_{prueba} que, en vista de la ecuación (1),
nos da:
(3)h_{cal}(t) = h_{St}(t) \
\text{*} \ h_{Tx}(t) \ \text{*} \ h_{\text{medio de
calibración}}(t) \ \text{*} \
h_{Rx}(t)
(4).h_{prueba}(t) =
h_{St}(t) \ \text{*} \ h_{Tx}(t) \ \text{*} \ h_{\text{medio de
prueba}}(t) \ \text{*} \
h_{Rx}(t)
Cuando el medio de calibración sea el agua,
h_{cal}(t) \approx \delta (t-t_{0});
esto es,la señal sufre un simple retardo en el tiempo sin
distorsión. De esta forma, para propósitos de corriente, podemos
tratar con
(5).h_{agua}(t) = h_{St}(t)
\ \text{*} \ h_{Tx}(t) \ \text{*} \ h_{Rx}(t)
Nótese que cualquier variación en el contacto
entre el transductor y el medio de prueba está implícitamente
incluida en h_{prueba}.
Definimos un procedimiento para intentar derivar
un valor estimado para la BUA a partir de una medida de
UBI-5c. En esta conexión, considérense las formas de
onda A, B y C de las figuras 23A-C. La forma de onda
A ilustra una señal que podría ser obtenida desde el receptor Rx
usando un hueso sano como parte del medio. El periodo aproximado del
primer ciclo o dos es de \sim3 - 4 microsegundos (y \sim2 - 2,5
microsegundos para el hueso no sano). La forma de onda B ilustra una
señal correspondiente usando un hueso con osteoporosis, mostrando un
primer ciclo más corto que en la forma de onda A. La forma de onda C
ilustra una señal de calibración de agua típica. El periodo de los
primeros pocos ciclos es de 1 a 2 microsegundos. La medida
UBI-5c se deriva por medio de la estimación de la
frecuencia (y del periodo) cercanos al primer pico positivo (P en la
figura 23 A).
Derivamos un valor de BUA estimado
correspondiente a la señal A y su UBI-5c de la
siguiente manera. Primeramente, suponemos una familia de filtros que
proporcionan respuestas h_{filtro} (t) que están definidas por
medio de una función de transferencia F_{m} que tiene la
forma;
(6)F_{m}(f) = A e^{mf} \
e^{j\phi(f)} \cdot W(f)
Donde: m representa la pendiente (negativa) de
una función de amplitud logaritmo -
lineal;
A es una constante;
\phi (f) es una función de transferencia de
fase; y
W (f) es una función de ventana que se puede
sumar en caso necesario para el ajuste para los artefactos de
procesado de señal (tales como en anillo).
La función h_{filtro} (t) se puede determinar a
partir de F_{m} (f) a través de una transformada inversa de
Fourier.
La idea es encontrar el valor de m tal que:
h_{ \text{sistema de filtro}} (t) = h_{St}
(t) * h_{Tx} (t) * h_{filtro} (t) * h_{Rx}(t) dé el
mejor ajuste a los datos del sujeto observados en la vecindad del
primer pico positivo (punto P de la forma de onda A de la figura
23). Este valor para m, la pendiente, corresponde a un valor de BUA.
De esta manera, podemos definir un valor estimado de BUA que
corresponda con UBI-5(c), que es también
determinado de manera exclusiva por los datos cerca de P.
Los restantes parámetros se pueden elegir de la
siguiente manera. A y m se les puede permitir variar para dar el
mejor ajuste. Esto se puede llevar a cabo por ejemplo, usando un
ajuste por mínimos cuadrados no lineal de dos parámetros. De manera
alternativa, el valor de A es fijado, y entonces uno puede
determinar el valor de m(A), entonces se continúa hasta que
se hayan probado suficientes valores de A para conseguir una buena
estimación del óptimo.
Inicialmente, \phi (f) será tomada como una
constante. Esto es equivalente a suponer que no hay dispersión y que
el cero de tiempo es redefinido para eliminar la función de fase
lineal restante asociada con un retardo fijo desde Tx a Rx. De
manera similar, uno puede fijar inicialmente W (f) = 1. En el caso
de interferencia desde artefactos perniciosos, uno puede después
establecer una ventana adecuada W (f) para reducir los efectos de
tales artefactos.
Nótese que como h_{\text{medio de calibración}}
= \delta (t - t_{0}) como una excelente aproximación para la
calibración del agua,
h_{sistema \ filtrado} (t)
= h_{cal} (t) \ \text{*} \ h_{filtro}
(t).
De acuerdo con esto, hemos mostrado un
procedimiento de derivación de una estimación de BUA correspondiente
a un valor de UBI, utilizando un sistema general del tipo descrito
anteriormente, y tomando los siguientes pasos:
(a) determinación de las formas de onda
h_{sujeto} (t) y h_{cal} (t) resultantes respectivamente del uso
del sistema con un sujeto y con un medio de calibración;
(b) determinación del valor de UBI a partir de
h_{sujeto} (t);
(c) encontrar el valor de m tal que
h_{sistema \ de \ filtro} (t) = h_{filtro}
(t) * h_{cal} (t) dé el mejor ajuste a h_{sujeto} (t) en una
vecindad de interés, en donde la respuesta h_{filtro} (t) esté
definida por una función de transferencia F_{m} que tenga la
forma:
F_{m} (f) = A \ e^{mf} \
e^{j\phi(f)} \cdot W (f)
donde: m representa la pendiente (negativa) de
una función de amplitud logaritmo -
lineal;
A es una constante;
\phi (f) es una función de transferencia de
fase; y
W (f) es una función de ventana opcional;
y
(d) comparar el valor m con el valor UBI asociado
con la forma de onda h_{sujeto} (t). La BUA se puede determinar a
partir del valor m por medio del dimensionamiento apropiado.
Este procedimiento supone que el medio de
calibración, como el agua, tiene una atenuación sustancialmente
independiente con la frecuencia en un intervalo de frecuencias de
interés. Sin embargo, el procedimiento se puede modificar
rápidamente utilizando las relaciones esbozadas anteriormente para
tratar con otros medios de calibración.
De manera alternativa, se puede calcular
UBI-5c para la forma de onda h_{sistema \ de \
filtro} (t) y se puede asociar un valor de UBI-5c
con el valor de BUA correspondiente a m con suposiciones fijas
acerca de \phi (f) y W (f). Así, la correspondencia
UBI-5c/BUA se puede incorporar dentro de una tabla
de consulta.
Claims (13)
1. Un aparato para determinar externamente en un
sujeto vertebrado un índice de porosidad y de no conectividad de un
hueso situado dentro de una parte del cuerpo, comprendiendo el
aparato:
(a) un transceptor acústico (211) que tiene:
- (i)
- un generador de señal (11, 21, 221) para producir, cuando está acoplado a un transductor, un pulso acústico, que tiene una energía distribuida en un rango de frecuencias y
- (ii)
- un conjunto transductor que incluye una pluralidad de transductores y que proporciona un par de transductores en relación separada con respecto al hueso, en el que un primer transductor del par (12, 222) está acoplado al generador de señal para proporcionar un pulso acústico y un segundo transductor del par (13, 224) recibe una señal acústica resultante de la propagación del pulso acústico a lo largo de un camino que incluye al hueso, y en el que el conjunto está configurado de manera que el camino puede estar dispuesto en una pluralidad de posiciones para pasar a través de una pluralidad de localizaciones dentro de una región seleccionada del hueso;
(b) un procesador de señal (15, 21, 212) en
comunicación con el segundo transductor del par de transductores,
dispuesto para proporcionar una medida, asociada con cada una de las
localizaciones, que es indicativa de al menos una de las componentes
espectrales transitorias o temporales transitorias de una parte,
hasta la cantidad total de la misma, de la señal recibida por el
segundo transductor del par de transductores;
(c) una memoria de valores (23, 213) para
almacenar los valores relacionados con la medida asociada con las
localizaciones;
(d) un procesador de localizaciones
(201-206, 214) dispuesto para seleccionar una
localización objetivo en base a una relación especificada respecto a
un borde del hueso en base a los valores que se encuentran en la
memoria de valores;
y
(e) un procesador de salida (15, 21, 215) para
proporcionar como una salida, una cantidad asociada con la
localización objetivo.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la cantidad es la medida asociada con la localización
objetivo.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la cantidad es distinta de la medida asociada con la
localización objetivo.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el procesador de localizaciones (15, 21,
201-206, 214) incluye un medio para identificar una
localización de referencia en base al menos en parte a los valores
en la memoria de valores y para seleccionar una localización
objetivo en base al menos en parte a la localización de
referencia.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el procesador de localizaciones (15, 21,
201-206, 214) tiene una entrada de datos geométricos
(193) para definir una localización por defecto en base a la
geometría de la parte del cuerpo y la localización objetivo es
seleccionada por medio del procesador de localización en base tanto
a los datos geométricos de entrada como a los valores almacenados en
la memoria de valores.
6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 5,
en el que el procesador de localizaciones (15, 21,
201-206, 214) incluye un medio para identificar una
localización del hueso que está apartada del borde del hueso (202)
según una distancia especificada en una dirección especificada
relativa al borde del hueso.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que el hueso es el calcáneo y el procesador de localizaciones
(15, 21, 201-206, 214) incluye un medio para
identificar una región candidata, no alineada con el borde con
respecto a la cual los valores en la memoria de valores son
relativamente insensibles respecto a la posición (203).
8. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el procesador de localización
(15, 21, 201-206, 214) incluye un medio para
identificar una localización del hueso (202) que no está alineada
con el borde una distancia especificada.
9. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el hueso es el calcáneo y el
procesador de localización (15, 21, 201-206, 214)
incluye un medio para identificar una región candidata, no alineada
con el borde con respecto a la cual los valores de la memoria de
valores son relativamente insensibles respecto a la posición (203) y
un medio para seleccionar la localización de referencia como una
función de la localización por defecto y una localización
especificada en la región candidata.
10. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el procesador de localización
(15, 21, 201-206, 214) incluye un medio para
identificar una localización de referencia que está en la región
candidata y, si un seno local en los valores de medida se encuentra
presente en la región candidata, en dicho seno (204).
11. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el procesador de
localizaciones (15, 21, 201-206, 214) incluye un
medio para identificar una localización de referencia que se
encuentra en la región candidata y, si un seno local en los valores
de medida se encuentra presente en la región candidata, en dicho
seno (204), y en el que la localización especificada es la
localización de referencia.
12. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la cantidad es una
característica de la porosidad del hueso.
13. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la cantidad es una
característica de la propensión de un sujeto a cambios en la
porosidad del hueso.
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