ES2296204T3 - Dispositivo para posicionar transductores ultrasonicos para la determinacion de propiedades oseas. - Google Patents

Abstract

Aparato ultrasónico para la determinación de las propiedades de un hueso que se ha de analizar, con al menos dos transductores de ultrasonidos, una unidad de evaluación y una unidad de posicionamiento que conduce de manera desplazable y basculable como mínimo dos transductores de ultrasonidos orientados entre sí por pares en un plano, caracterizado por una unidad de cálculo que determina sobre la superficie del hueso como mínimo tres puntos a partir de las señales ultrasónicas reflejadas por el hueso, porque calcula un plano de referencia en el hueso y porque desplaza para una posterior medición los, como mínimo, dos transductores en posiciones definidas en relación al plano de referencia que se ha de calcular.

Description

Dispositivo para posicionar transductores ultrasónicos para la determinación de propiedades óseas.

La osteoporosis es una enfermedad esquelética sistémica, caracterizada por una baja masa ósea y la perturbación en la microarquitectura del tejido óseo. Es una enfermedad crónica, multifactorial y compleja que puede discurrir sin síntomas a lo largo de décadas, hasta que la pérdida de hueso llega a un límite que conduce a continuación a una mayor fragilidad ósea y propensión a las fracturas. Distintos estudios han podido demostrar que al disminuir la densidad ósea aumenta el riesgo de fracturas.

El diagnóstico clínico de la osteoporosis comprende varios pasos y tiene como objetivo elaborar un perfil individual de riesgo sobre el que se oriente la decisión terapéutica. En la determinación no invasiva de la densidad ósea hay que diferenciar básicamente dos planteamientos metodológicos: la medición con radiación ionizante y los procedimientos de medición acústica con ultrasonidos. En el procedimiento de medición con radiación ionizante se determina el contenido de sales minerales en el hueso mediante absorciometría simple de fotones o absorciometría doble de fotones (ASF o ADF), absorciometría doble de rayos X (ADX) o tomografía computarizada cuantitativa (TCC).Estos procedimientos miden por medio de la radiación ionizante el contenido de sales minerales en los huesos, pero no reconocen sus cualidades mecánicas.

El ultrasonido cuantitativo (USC) constituye una alternativa a la densitometría de rayos X. Mediante ultrasonidos pueden determinarse la amortiguación del sonido dependiente de la frecuencia (BUA) y la velocidad de emisión de ultrasonidos (SOS). Ya que estos parámetros guardan correlación con las propiedades mecánicas y estructurales del hueso, las técnicas de ultrasonidos resultan adecuadas para representar la elasticidad, la geometría y la estructura del hueso y de esta manera estimar el riesgo de fracturas osteoporósicas. Las ventajas de este procedimiento radican en la ausencia de carga de radiación, los menores costes, la sencillez y rapidez de la medición y la posibilidad de uso universal de los aparatos.

Los sistemas de ultrasonido que pueden adquirirse comercialmente en la actualidad (p. ej. Achilles Insight, firma GE-Lunar; DTU-one, firma OSI/Osteometer; QUS-2, firma Metra/Quidel) se desarrollaron para las mediciones de la densidad ósea en algunas zonas de medición periféricas, principalmente el calcáneo. Éste se validó bien en el marco de los procedimientos radiológicos de densidad ósea, es sencillo de acceder y es un hueso portador de peso, que posee un alto porcentaje de estructuras trabeculares.

Los aparatos conocidos ofrecen distintas modificaciones para el uso de transductores en el calcáneo o en las falanges y para enfoques de la valoración de las señales.

De US 4 361 154 se conoce un aparato de ultrasonidos con las características de la definición de la reivindicación 1. US 3 847 141 da a conocer un dispositivo para medir la densidad de una estructura ósea, como el hueso de un dedo o del talón, para controlar su contenido en calcio. Este dispositivo comprende un par de transductores sónicos opuestos entre sí, que son mantenidos dentro de un dispositivo de apriete que va fijo en el hueso que hay que analizar. US 4 457 311 se refiere a un sistema para realizar una exploración ultrasónica de una espalda humana utilizando una disposición de elementos de transductores ultrasónicos. Se puede representar en especial la columna vertebral, midiendo la duración de recorrido de los impulsos ultrasónicos. Sin embargo, el dispositivo carece de cualquier medio para seleccionar automáticamente un punto de la disposición con objeto de identificar una zona de interés adecuada cuando el dispositivo vuelve a colocarse sobre el paciente. En US 5 840 029 se describe un medidor ultrasónico de densidad, que presenta una disposición de elementos transductores. Aquí se produce la evaluación de las señales para localizar la "región de interés" durante el proceso de barrido. US 6 135 964 da a conocer un densitómetro ultrasónico con un mecanismo para garantizar la calidad de la señal. La invención describe un procedimiento para el posicionamiento repetible y el acoplamiento del transductor ultrasónico en el pie, que tiene aplicación exclusivamente en el talón. La señal ultrasónica retrodispersa se utiliza aquí como retroalimentación para el posicionamiento automático.

Los procedimientos ultrasónicos se utilizan hasta la fecha sólo en algunos lugares de medición periféricos, principalmente el calcáneo. Aunque permiten una evaluación de un riesgo de fractura osteoporósica en el esqueleto (p. ej. fémur, cuerpo vertebral y antebrazo), el riesgo de fractura del fémur se puede evaluar claramente mejor mediante una medición directamente en este lugar. Sin embargo, a diferencia del calcáneo, la posición y la orientación del fémur no pueden determinarse mediante medidas de fijación exteriores. Sin embargo, la interpretación exacta de los resultados de medición para evaluar las características óseas a partir de la señal ultrasónica y la estandarización del procedimiento requieren reencontrar regiones consistentes en cada hueso. Las mediciones repetibles presuponen una elevada precisión (exactitud de repetición) para encontrar la región de medición y la orientación con relación a los transductores.

Un aumento de la exactitud presupone la fijación de un plano de referencia y el posicionamiento exacto de los transductores ultrasónicos con respecto a esta referencia. Esto puede lograrse si la región de interés se atraviesa ultrasónicamente desde un ángulo bien definido o si la señal retrodispersada desde el hueso se mide desde un ángulo lo más idéntico posible.

Es el objetivo de la invención crear un dispositivo que permita el posicionamiento preciso de transductores ultrasónicos para la transmisión de un haz ultrasónico a través del tejido óseo en vivo con relación a un plano de referencia definido por la posición del hueso, en especial del fémur, de tal manera que sean posibles las mediciones ultrasónicas con una elevada reproducibilidad y también con una comparabilidad interindividual lo mejor posible.

El objetivo se consigue mediante un dispositivo con las características de la reivindicación 1. Las otras reivindicaciones dan configuraciones ventajosas.

El dispositivo según la invención comprende un aparato de ultrasonidos para la determinación de características óseas con al menos dos transductores ultrasónicos, una unidad evaluadora y una unidad de posicionamiento, que conduce de manera desplazable y basculable en un plano los transductores ultrasónicos orientados por pares entre sí. Además, una unidad de cálculo permite determinar como mínimo tres puntos sobre la superficie ósea de las señales ultrasónicas reflejadas por los huesos y calcular a partir de ahí un plano de referencia. Para una posterior medición, los transductores pueden desplazarse en relación a las posiciones definidas en el plano de referencia calculado.

La invención se describirá a continuación basándose en un posible ejemplo de realización.

Para explicar este ejemplo sirven las siguientes ilustraciones:

La Fig. 1 muestra un ejemplo de realización del dispositivo según la invención con indicaciones sobre las posibilidades de movimiento previstas,

La Fig. 2 muestra una realización del principio del encapsulamiento con impresión flexible.

El dispositivo comprende como mínimo dos transductores ultrasónicos (T1, T2) opuestos, que están orientados entre sí y fijos a este respecto con una unión a través de una horquilla rígida. La invención prevé que la horquilla pueda desplazarse selectivamente a lo largo de su eje de simetría mediante un propulsor controlable electrónicamente.

En la Fig. 1 la horquilla consta de un tubo (R) rígido con brazos laterales (R1, R2) unidos firmemente. La horquilla puede girarse un ángulo alfa alrededor de su soporte fijador H1, con lo cual tiene lugar un movimiento del transductor sobre un arco circular en el plano de barrido (aquí: plano x'-z'). Este movimiento giratorio desplaza los transductores principalmente en sentido z'. Con el cojinete L1 ajustable se puede desplazar el soporte fijador H1 adicionalmente en sentido x'.

Naturalmente son imaginables otras configuraciones del propulsor de traslación de la horquilla. Lo esencial es que es posible un desplazamiento controlado con precisión, paralelo al plano de simetría de la horquilla y que mantiene la orientación de la horquilla.

Según la invención, este plano de simetría se hace coincidir con un plano de referencia definido por el hueso que hay que analizar, antes de que se produzca el barrido propiamente dicho mediante traslación de la horquilla con emisión de ultrasonido. Naturalmente también es posible orientar la horquilla primero hacia el plano de referencia, girar después alrededor de un ángulo definido y llevar a cabo el barrido a lo largo de un plano inclinado aleatoriamente. Un control informático continuo permitiría incluso conducir el barrido a la largo de una superficie curva, si el propulsor de traslación de la horquilla se controla simultáneamente con los propulsores de ajuste de la articulación giratoria de la horquilla. Sin embargo, todos los modos de proceder presuponen para la reproducibilidad una orientación inicial precisa de la horquilla en el plano de referencia del hueso. El modo como esto se consigue es el objeto central de la presente invención.

En el dispositivo según la invención, la horquilla está configurada giratoria alrededor de al menos dos eje en el espacio, produciéndose el giro a través de propulsores de ajuste controlables, preferentemente motores paso a paso.

En el Fig. 1 el ajuste se produce en los dos ángulos, por ejemplo mediante el giro del cojinete L1 alrededor del ángulo delta y mediante un desplazamiento del soporte fijador H2 a lo largo del carril L2. El carril L2 está configurado en forma de arco circular, de tal manera que el movimiento del soporte fijador H2 provoca un giro simultáneo alrededor del ángulo beta (guía goniométrica). También son imaginables aquí, naturalmente, otras variantes de la configuración para girar la horquilla alrededor de dos ángulos independientes. Resulta, además, ventajoso utilizar sensores de aproximación para encontrar una posición inicial definida de la horquilla, lo cual se cuenta dentro del estado actual de la técnica.

El plano de referencia óptimo se define según la invención mediante un plano medio a través de la diáfisis del hueso. En el caso del fémur proximal éste se tiende de manera especialmente preferente mediante el eje medio a través de la diáfisis y el eje medio a través del cuello.

La invención prevé determinar este plano de referencia mediante reflexión de ultrasonidos y orientar primero la horquilla con los transductores automáticamente perpendiculares a este plano. El procedimiento comprende tres fases.

1.

Mediante un barrido bilateral del hueso por medio de reflexión de ultrasonidos en puntos libremente elegibles se miden primero los tiempos de recorrido entre los transductores (T_{1}, T_{2}) y la superficie del hueso. Los transductores pueden actuar cada uno de ellos como emisor y receptor de un haz ultrasónico. Los transductores pueden en especial emitir señales ultrasónicas y recibir señales reflejadas de la superficie del hueso. A partir de los tiempos de recorrido medibles de las señales se pueden calcular las distancias de cada uno de los transductores a los puntos elegidos sobre la superficie del hueso dirigida hacia ellos. Las distancias de los transductores a_{1},...,a_{n} para T_{1} y b_{1},...,b_{n} para T_{2} a la superficie del hueso forman los componentes de los vectores n-dimensionales,

1

2.

La elección favorable del plano de referencia depende de la forma y el espesor del hueso, de su estructura y de la región de medición que interese (conocimiento a priori). Es necesario en especial poder evaluar las distancias del plano de referencia deseado por ambos lados a la superficie del hueso (k1, k2). Con ayuda de estos valores y la distancia total conocida (W) de los transductores (T1, T2) se pueden establecer dos matrices de coeficientes n x n (K^{A} K^{B}), preferentemente matrices diagonales, cuyos componentes de matriz permiten la orientación precisa de los transductores hacia el plano de referencia. Las distancias del plano de referencia a la superficie del hueso (k1, k2) se presuponen como un conocimiento a priori. Además, la distancia (W) entre ambos transductores viene condicionada técnicamente y por lo tanto es igualmente conocida. La distancia de los transductores a la superficie del hueso (a1, a2) se calcula por medio de mediciones de reflexión. Según la invención, el objetivo del posicionamiento es hacer coincidir el plano de referencia con el plano medio de los transductores.

3.

El giro de la horquilla con los transductores en los ángulos beta y delta permite orientar los transductores con respecto a la superficie del hueso de tal manera que los planos de simetría sean paralelos al plano de referencia definido, preferentemente dentro del hueso, y que preferentemente coincidan. Un posible algoritmo para la determinación del ángulo de ajuste para la horquilla consiste en calcular el vector diferencial

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y minimizar en el espacio n-dimensional con respecto a una norma, preferentemente la norma euclidiana. La minimización se realiza automáticamente mediante la variación de los ángulos de ajuste que determinan las distancias de los transductores al hueso. Las matrices de coeficientes constantes K^{A} y K^{B} debe darlas el usuario conforme a sus conocimientos a priori.

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Es una configuración preferente de la invención seleccionar los puntos que hay que analizar basándose en una imagen de transmisión del hueso. Para conseguir una reproducibilidad más sencilla es lógico escoger puntos anatómicamente característicos que puedan encontrarse con facilidad en todos los pacientes. Las coordenadas de los puntos en el plano de la imagen pueden calcularse automáticamente con un software de tratamiento de imágenes según el estado actual de la técnica. Estos puntos definen tres líneas perpendiculares al plano de la imagen. Cada una de estas líneas atraviesa la superficie del hueso por dos puntos, cada uno en el lado del hueso dirigido a uno de los transductores.

La búsqueda de los ángulos más favorables beta y delta es posible de manera totalmente automática en un ordenador con los procedimientos de optimización actuales (p. ej. descenso de gradiente, etc.). Es conocido que hay otros ejercicios de minimización, en lugar del mínimo de la norma del vector diferencial, adecuados para conseguir la deseada minimización de las diferencias de distancia.

Controlando el propulsor de ajuste y sin participación del usuario, el ordenador ajusta los ángulos calculados como óptimos. Durante el posterior proceso de barrido ya no se modificarán en absoluto o lo serán siguiendo un programa prefijado. En una repetición de la medición en el mismo paciente en un momento posterior, el dispositivo garantiza que la medición volverá a realizarse exactamente sobre la misma superficie de barrido.

Una configuración preferida de la invención es tomar medidas especiales para el acoplamiento del haz sónico en el cuerpo. Para reducir el contraste de la impedancia entre los tejidos blandos y el emisor sónico se propone la utilización de un líquido, p. ej. aceite. Para incluir el líquido hay previstos preferentemente recipientes flexibles entre los transductores y la superficie de la piel, que pueden adaptarse a las distintas curvaturas y espesores del cuerpo.

Para permitir una medición exacta y precisa de la velocidad del sonido es decisiva la constancia de la separación de los transductores. Para ello, los recipientes con el líquido de acoplamiento no deben colocarse en el lado posterior de los transductores o de la abrazadera de los transductores, ya que aparecen entonces modificaciones en la separación de los transductores.

En la Fig. 2 se representa un diseño ventajoso en el que toda la mecánica del barrido se encuentra en el baño de líquido. Esto afecta también a los motores de propulsión, que o bien deben estar encapsulados o en los que las piezas móviles funcionan igualmente en el baño de aceite. Esto último es posible, p. ej., en los motores sin contacto tales como los motores paso a paso. La Fig. 2 muestra la disposición en principio de este encapsulamiento. Se dibujan delgadas las membranas flexibles (látex, poliuretano, etc.). Mediante el aumento de la presión en el líquido son apretadas contra la piel. Este aumento de la presión puede llevarse a cabo, p. ej. mediante una bomba de membrana pequeña que puede bombear el líquido entre el recipiente interior y un recipiente compensador. Para mantener constantes las propiedades acústicas se mantiene el líquido acoplador a una temperatura constante, preferentemente a la temperatura corporal.

Claims (4)

1. Aparato ultrasónico para la determinación de las propiedades de un hueso que se ha de analizar, con al menos dos transductores de ultrasonidos, una unidad de evaluación y una unidad de posicionamiento que conduce de manera desplazable y basculable como mínimo dos transductores de ultrasonidos orientados entre sí por pares en un plano, caracterizado por una unidad de cálculo que determina sobre la superficie del hueso como mínimo tres puntos a partir de las señales ultrasónicas reflejadas por el hueso, porque calcula un plano de referencia en el hueso y porque desplaza para una posterior medición los, como mínimo, dos transductores en posiciones definidas en relación al plano de referencia que se ha de calcular.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de cálculo determina un valor numérico positivo, minimizado basculando los transductores, que es la norma de un vector n-dimensional, siendo n el número de posiciones prefijadas a las que se mueve el soporte fijador mediante el primer propulsor de ajuste.

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque el vector se calcula según, \vec{D} = K^{A}\vec{A} - K^{B}\vec{B} siendo K^{A} y K^{B} matrices nxn con coeficientes constantes y los componentes i de \vec{A} y \vec{B} las distancias medidas de cada transductor a la superficie del hueso en la posición i del soporte fijador.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque los componentes de las matrices nxn se determinan a partir de conocimientos a priori de la morfología y la anatomía del hueso.