ES2314108T3

ES2314108T3 - Metodo para la evaluacion no invasiva de huesos.

Info

Publication number: ES2314108T3
Application number: ES02781353T
Authority: ES
Inventors: Petro Moilanen; Patrick Nicholson; Shu Lin Cheng; Jussi Timonen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2009-03-16
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: US7601120B2; JP2005510283A; JP4338026B2; DE60228310D1; WO2003045251A1; EP1448099B1; EP1448099A1; AU2002349065A1; ATE404120T1; CN100401986C; US20050004457A1; CN1596084A

Abstract

Método para la valoración no invasiva de huesos, en cuyo método hay los estadios siguientes. - una señal ultrasónica es dirigida desde un transductor de transmisión (12) sobre el hueso (20), se propaga dentro del hueso (20), y es emitida desde el hueso (20), - la señal ultrasónica emitida desde el hueso (20) es detectada por un transductor receptor (13) y registrada, donde se detecta el modo de Lamb asimétrico más bajo, es decir, el modo de Lamb A0, - al menos una propiedad del hueso es calculada a partir de la señal registrada, - la velocidad del modo de onda detectado es medida desde la señal registrada, y - una propiedad del hueso es calculada a partir de la velocidad medida, - caracterizado por el hecho de que - otro modo de Lamb que llega antes que la onda del modo de Lamb A0 es detectado y registrado, y su velocidad es también medida, - una imagen de la amplitud de las señales registradas como función de tiempo y separación del transductor es producida a partir de las señales registradas, - al menos dos ondas en propagación de dichos dos modos de Lamb son identificados a partir de la imagen escaneada, y - las velocidades de dichas ondas en propagación son determinadas a partir de las inclinaciones de las líneas ajustadas a las ondas en la imagen.

Description

Método para la evaluación no invasiva de huesos.

Campo de la invención

La invención se refiere a un método para la evaluación de huesos humanos in vivo usando ondas ultrasónicas, particularmente un método según el preámbulo de la reivindicación 1. La invención trata de la producción y detección de ondas ultrasónicas guiadas que se propagan dentro de un hueso, y con la determinación de propiedades del hueso a partir de parámetros medidos de la onda guiada.

Antecedentes de la invención

La llamada técnica de transmisión axial ha sido usada para evaluar huesos largos desde hace más de cuatro décadas (véase, por ejemplo, Gerlanc et al, Clin. Orthop. Rel. Res. 1975; 111: 175-180 ). Con este método, un impulso ultrasónico es transmitido a lo largo del eje largo de un hueso (normalmente la tibia) desde un transmisor a un receptor y la velocidad es estimada a partir del tiempo de tránsito de la primera señal entrante y la distancia de propagación. Para responder de los efectos de recubrir un tejido blando, bien una configuración de transmisor/receptor múltiple puede ser usada, o el tiempo de tránsito puede ser determinado como función de distancia cuando un transductor es movido con respecto al otro. Al menos dos dispositivos comerciales clínicos para la evaluación de huesos usando la transmisión de ultrasonidos axial han sido producidos: el Soundscan 2000/Compact (Myriad Ultrasound Systems Ltd., Rehovot, Israel)) que funciona a 250 kHz, y el Omnisense (Sunlight Medical Corp., Rehovot, Israel) que funciona a 1,25 MHz (véase la patente no. WO 99/45348). Una investigación reciente por Camus et al (J Acoust. Soc. Am. 2000.108:3058-3065) en la técnica de transmisión axial indicó que, bajo ciertas condiciones, la primera señal entrante puede corresponder a una onda lateral (u onda frontal) que se propaga a lo largo de la superficie del sólido en la velocidad longitudinal en masa. Las condiciones bajo las cuales las ondas laterales fueron observadas incluían una geometría de medición apropiada (en términos de la separación de los transductores y su distancia desde la superficie), un transmisor y receptor aproximadamente de tipo puntual (frentes de onda esféricos), y el uso de longitudes de onda inferiores al espesor de la capa sólida. Los valores de velocidad de los ultrasonidos tibiales medidos in vivo son comparables a, o ligeramente inferiores a, las mediciones in vitro de la velocidad de onda longitudinal axial en muestras de hueso cortical humano cortado. No obstante, hay una evidencia experimental que indica que la velocidad de la primera señal entrante es inferior a la velocidad longitudinal cuando la longitud de onda es mayor que el espesor del hueso. Estudios de simulación muestran tendencias similares, e indican que las ondas que contribuyen a la primera señal entrante cambian conforme la muestra se vuelve más delgada. La evidencia clínica de este tipo de efectos del espesor no es todavía concluyente, pero puede deberse a diferencias en las frecuencias ultrasónicas usadas por los diferentes sistemas comerciales, u otros factores metodológicos.

La velocidad de ultrasonidos tibiales medida usando los dispositivos comerciales actuales se correlaciona con la densidad mineral del hueso tibial (BMD), y, en una menor extensión con BMD en otros sitios del esqueleto (véase, por ejemplo, Foldes et al. Bone 1995. 17:363-367), y también refleja el módulo elástico del hueso cortical. No obstante, el ultrasonido tibial es un discriminante pobre de la fractura osteoporótica, y está sólo débilmente correlacionado con la resistencia femoral y BMD. Hay varias cuestiones acerca de porqué las mediciones de ultrasonidos tibiales actuales pueden ser subóptimas en cuanto a su sensibilidad a las propiedades pertinentes del hueso. Las ondas que se propagan en la superficie del hueso pueden preferiblemente reflejar las propiedades materiales del hueso en la región perióstica. En la osteoporosis, los cambios en el hueso cortical ocurren principalmente en la región endóstica. La porosidad del hueso endóstico aumenta conduciendo finalmente a la resorción endóstica, "trabecularización", y adelgazamiento del córtex. Además, estudios de nanoindentación recientes sugieren que puede haber cambios diferenciales con el envejecimiento en las propiedades elásticas del hueso perióstico y endóstico puramente a nivel material. Los métodos ultrasónicos que enfocan estos cambios conocidos patológicos son propensos a demostrar ser clínicamente más valiosos. Otra preocupación es que si la densidad y la elasticidad muestran ambas un cambio paralelo, por ejemplo como resultado de un cambio en la porosidad, la velocidad de los ultrasonidos no puede ser alterada porque los dos efectos tienden a neutralizarse (puesto que la velocidad longitudinal varía según la raíz cuadrada de la elasticidad dividida por la densidad). Estas consideraciones sugieren que cualquier método mejorado ultrasónico para la valoración del hueso cortical debería ser sensible a uno de más de los siguientes factores: a) espesor cortical reducido, b) cambios estructurales en la región endóstica, tal como porosidad aumentada, y c) cambios en la densidad del hueso y elasticidad en el nivel material, idealmente independientemente uno del otro.

En general, se ha tenido una pequeña consideración de la posibilidad del uso de diferentes tipos de ondas ultrasónicas en huesos largos. Una excepción ha sido el trabajo que reporta las mediciones ultrasónicas de baja frecuencia de la velocidad de la "onda superficial" en la tibia, el mapeo de la variación espacial en la velocidad (Jansons et al. Biomaterials 1984. 5:221-226). No obstante, puesto que las ondas superficiales puras sólo existen en estructuras que son mucho más espesas que la longitud de onda, es posible que estos investigadores estuvieran midiendo en realidad un modo de onda guiada que reflejara tanto el espesor del hueso como las propiedades materiales. Las ondas guiadas se propagan dentro de medios definidos o estratificados, y sus características son determinadas por las propiedades geométricas y materiales de la estructura y de los medios circundantes. Éstas surgen de la reflexión, conversión de modo e interferencia de ondas longitudinales y transversales dentro de la estructura (Victorov L.A. Rayleigh and Lamb Waves. Nueva York, Plenum, 1967). Las ondas ultrasónicas guiadas son bastante ampliamente usadas en la evaluación no destructiva por ingeniería para la valoración de placas, tubos y más estructuras complejas.

El artículo por Ahite et al.: "New ultrasonic technique of bone characterization: preliminary study in vitro", Innov. Biol. Med., Vol. 19, nº. 4, 1998, páginas 265-272, presenta una técnica ultrasónica de baja frecuencia para el uso para la caracterización del tejido óseo por la medición de la velocidad. Las ondas de Lamb (modo A0) fueron usadas para estudiar las propiedades del hueso. El método de este artículo comprende las fases definidas en el preámbulo de la reivindicación 1.

El documento US 5197475 presenta un aparato que tiene transductores por ultrasonidos en contacto en la superficie del material y estos transductores están en ángulo unos con respecto a otros. El ángulo es variado y la señal reflejada es registrada y analizada.

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Resumen de la invención

El objeto principal de la presente invención es proporcionar un método capaz de medir la velocidad de al menos dos ondas ultrasónicas que se propagan en un hueso al mismo tiempo, donde al menos una de dichas ondas es una onda guiada según la teoría de ondas de Lamb. Este objeto es conseguido a través del método tal y como se define en las reivindicaciones anexas. La invención hace uso de la bien conocida teoría de ondas de Lamb para ondas guiadas en placas elásticas sólidas, demostrando por primera vez cómo estas ondas guiadas pueden ser aplicadas para la evaluación no invasiva de huesos.

El córtex de los huesos largos humanos esencialmente comprende una placa curvada de hueso sólido, y debería ser capaz de soportar la propagación de ondas guiadas similares a las ondas de Lamb. Las ondas de Lamb son ondas elásticas bidimensionales que se propagan en una placa elástica sólida libre con espesor limitado en un vacío. Éstas surgen de la reflexión múltiple y la conversión del modo de ondas longitudinales y transversales de las superficies superiores e inferiores de la placa. Éstas existen en forma de modos resonantes donde la combinación de frecuencia y velocidad de fase corresponde con ondas estacionarias en la dirección del espesor. Para modos simétricos, identificados como S0, S1, S2, etc., el movimiento es simétrico sobre el plano mediano de la placa, mientras que en modos antisimétricos (A0, A1, A2, etc.) el movimiento es antisimétrico. El comportamiento de cada modo está descrito por una curva de dispersión que caracteriza la variación en la velocidad de fase con la frecuencia. Todos menos los dos modos fundamentales, S0 y A0, tienen un producto de frecuencia.espesor (F.d) de corte. Así para frecuencias muy bajas, o para placas muy finas, sólo los modos fundamentales (S0 y A0) pueden ser excitados. En estas condiciones, la velocidad de fase de los enfoques de onda S0 que están predichos por la teoría de "placa delgada", dada por una ecuación análoga a la ecuación de onda de barras (Graff K.F. Wave Motion in Elastic Solids. New York, Dover, 1991). Aumentando F.d, las velocidades de todos los modos de Lamb enfocan asintóticamente la velocidad de onda de Rayleigh. La terminología de onda de Lamb es frecuentemente usada también para describir la propagación de onda en placas cargadas por un medio externo tal como un fluido. Las condiciones límites son modificadas por la presencia de un medio circundante y las características de las ondas de Lamb en una placa sumergida en fluido son diferentes de aquellas de las ondas de Lamb en una placa libre. Por ejemplo, si la velocidad de fase del fluido es cercana a la velocidad de fase de un modo de Lamb, el modo irradia continuamente en el fluido y en consecuencia su atenuación es alta. En este documento, el término "onda de Lamb" se usa en su sentido general para aplicarse a ondas guiadas que se propagan en placas, tubos y otras geometrías donde existe una capa sólida, y también para casos donde la capa sólida está limitada por un medio fluido circundante.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para excitar ondas ultrasónicas en un hueso usando transductores de contacto de poco diámetro de baja frecuencia para preferentemente producir ondas guiadas en el hueso. Midiendo a frecuencias bajas, la velocidad de la primera onda entrante tiene dependencia de espesor mejorada, con una velocidad que tiende a aquella de la onda de Lamb simétrica fundamental. Efectivamente, la primera señal entrante puede ser considerada como una onda guiada en estas circunstancias. Los transductores de diámetro pequeño de baja frecuencia comportan aproximadamente transmisores y receptores tipo puntuales, que irradian energía en todas las direcciones, y que se acoplan en ondas adicionales guiadas que llegan después de la primera señal de
llegada.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para mantener una fuerza de contacto casi constante entre el transductor de ultrasonidos y el brazo. Durante las mediciones in vivo algún movimiento del paciente debe ser previsto y esto puede resultar en variaciones en fuerzas de contacto a menos que se corrija. Las variaciones en la fuerza de contacto pueden tener un efecto adverso en el acoplamiento de la energía acústica en el hueso y pueden llevar a errores en las mediciones.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para analizar los datos de una exploración de transmisión axial en forma de un diagrama (r,t) o (distancia, tiempo), a partir del cual diferentes ondas de propagación pueden ser identificadas y sus velocidades determinadas a partir de la inclinación de las líneas adaptadas a las ondas. Usando este enfoque, las ondas que llegan después de la primera señal (la más rápida) pueden ser detectadas y medidas.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para aumentar la discriminación y medición de ondas guiadas a través del uso de un análisis espectral aplicado a las señales recibidas. Esto incluye calcular el espectro de frecuencias de la señal recibida, calcular el espectrograma (análisis de tiempo-frecuencia), y realizar dos transformadas de Fourier dimensionales en el conjunto de datos (r,t) (análisis de frecuencia-número de ondas). Adicionalmente, o de forma alternativa, las señales recibidas pueden ser filtradas para aumentar o reducir componentes de frecuencia específica. Adicionalmente, o de forma alternativa, la señal de excitación enviada al transductor de transmisión puede ser una función especifica arbitraria elegida en el conocimiento de la respuesta de frecuencia del transductor para producir una señal de salida con características particulares.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para utilizar un conjunto de transductores de modo que la exploración del receptor puede ser realizada electrónicamente usando elementos del transductor diferentes, o combinaciones de las mismas, como receptores. De esta manera, la señal recibida puede ser medida como función de la distancia de transmisor-a-receptor, y un diagrama (r,t) formado como se ha descrito antes, pero con la ventaja de que ninguna parte en movimiento está implicada.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para utilizar un transductor de peine que consiste en un grupo de elementos del transductor con espaciamiento constante entre los elementos. Bien el transmisor, el receptor o ambos pueden ser un transductor en peine. El transductor en peine excita (o detecta) ondas guiadas con una longitud de onda constante determinada por el espaciamiento de los elementos. Al elegir las frecuencias apropiadas, las ondas seleccionadas guiadas pueden ser producidas y medidas en el hueso.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para acoplar la energía de transductores de ultrasonidos en ondas guiadas en el hueso usando transductores colocados en un ángulo al hueso y acoplados al brazo a través de un fluido o medio sólido. Al usar este método, las ondas guiadas con velocidad de fase conocida pueden ser preferentemente producidas, esta velocidad de fase siendo determinada por el ángulo y la velocidad en el medio de acoplamiento, mediante la ley de Snell. Los transductores pueden estar en contacto con el hueso con una pequeña cantidad de gel usada para mantener el acoplamiento acústico, o los transductores pueden estar a cierta distancia sobre el brazo con la señal acústica consecuentemente desplazándose con cierta distancia apreciable a través del medio de acoplamiento.

Dos transductores pueden ser usados en una configuración de reflexión a un ángulo específico de incidencia para el transmisor (y el mismo ángulo de reflexión para el receptor) para excitar y detectar ondas guiadas en un único punto en un hueso. Los mínimos en los espectros de frecuencia reflejados corresponden a la energía que es acoplada en ondas guiadas en el hueso. El ángulo de incidencia/reflexión puede ser variado para obtener datos sobre una gama de ángulos. El ángulo puede estar relacionado con la velocidad de fase a través de ley de Snell, y por lo tanto las curvas de dispersión pueden ser determinadas. El método puede ser implementado usando bien impulsos de ancho de banda, ráfagas de tono u ondas continuas. Girando el transmisor/receptor sobre un eje normal a la superficie del hueso, la anisotropía en el plano de la capa del hueso puede ser evaluada.

También un único transductor puede ser impulsado y usado tanto como transmisor y como receptor. Así, el transductor está alineado en ángulos rectos a la superficie del hueso y es accionado en un modo eco-impulsión. Las señales reflejadas del hueso son obtenidas en una incidencia normal. La diferencia de tiempo entre la reflexión de las superficies superiores e inferiores del hueso se utilizan para estimar el espesor del hueso. Esta diferencia de tiempo puede ser determinada en el dominio de tiempo. De forma alternativa la diferencia de tiempo puede ser determinada en el dominio de frecuencia, puesto que el espectro de frecuencias de la señal compuesta recibida será modulado con un periodo de dF = 1/t, donde t es el retraso de tiempo entre las dos señales reflejadas. El espesor estimado puede ser calculado como d = v(t/2) donde v es la velocidad de sonido en el hueso en la dirección radial, que puede ser tomada de la bibliografía (normalmente 3300 m/S).

En otra forma de realización de la invención, los parámetros acústicos medidos de ondas guiadas, tales como las velocidades de diferentes modos de ondas guiadas y/o la velocidad de modos específicos a frecuencias diferentes, son usados como datos de entrada a un algoritmo de inversión matemática. Los resultados de este algoritmo son estimaciones de las propiedades del hueso de interés, de forma potencial incluyendo el espesor del hueso, la densidad del hueso, las constantes elásticas del hueso (módulo elástico, la proporción de Poisson). El algoritmo de inversión matemática se basa en un proceso reiterativo que usa la teoría analítica de ondas guiadas. Las estimaciones iniciales de las propiedades del hueso se utilizan para calcular los parámetros acústicos de ondas guiadas a partir de la teoría de ondas guiadas. Estos son comparados con los parámetros acústicos medidos, y luego las estimaciones iniciales de las propiedades del hueso son ajustadas de tal manera que se reduce el error global, y el proceso es repetido hasta que el error se vuelve aceptablemente pequeño. Adicionalmente o de forma alternativa, una red neuronal artificial puede ser usada para obtener consideraciones sobre las propiedades del hueso a partir de los parámetros acústicos medidos. Adicionalmente, o de forma alternativa, una estimación del espesor del hueso obtenida usando dicha medición reflectante anteriormente mencionada puede ser usada como una entrada adicional al algoritmo de inversión matemática.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para detectar y localizar regiones con propiedades anormales del hueso. Para conseguir estas mediciones de ondas guiadas pueden hacerse en varios lugares en el hueso de modo que las regiones con propiedades anormales puedan ser detectadas. Una aplicación detectaría el presentimiento de las llamadas fracturas por tensión dentro del hueso. Las fracturas por tensión son frecuentemente muy difíciles de observar en imágenes por rayos X por su tamaño pequeño, pero éstas tendrán un gran efecto en la propagación de onda de Lamb a través del hueso. Además, se pueden hacer mediciones en una región de interés particular, por ejemplo, en el sitio de una fractura de curación, para controlar cambios en propiedades del hueso.

Breve descripción de los dibujos y tablas

Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de medición de transmisión axial para una forma de realización preferida de la invención.

Figura 2. Soporte para la pierna en la silla y transductores en contacto con la pierna del paciente.

Figura 3. Unidades de transductor vistas de frente.

Figura 4. Unidad de transductor preferida con un accionador.

Figura 5a. Velocidad de fase de modos guiados, curvas de dispersión de ondas de Lamb teóricas en placas acrílicas.

Figura 5b. Velocidad de grupo de modos guiados, curvas de dispersión de ondas de Lamb teóricas en placas acrílicas.

Figura 6. Diagrama (r,t) para una placa acrílica de 3 mm de espesor.

Figura 7. Datos experimentales y estimados para placas acrílicas.

Figura 8. Diagrama (r,t) para una tibia humana medida in vivo.

Figura 9. Tabla que muestra resultados de ultrasonidos y de densidad mineral del hueso en sujetos normales y osteoporóticos.

Figura 10a-c. Configuraciones de transductor alternativas para otras formas de realización del dispositivo.

Figura 11. Diagrama esquemático del sistema de medición de reflexión de onda guiada para una forma de realización preferida de la invención.

Figura 12. Mecanismo para el movimiento de transductor para fines de mediciones de reflexión.

Figura 13. Diagrama esquemático de la estimación de propiedades del hueso de parámetros acústicos medidos en una forma de realización preferida de la invención.

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Descripción detallada de formas de realización preferidas

Figura 1 ilustra el sistema de medición de la primera forma de realización de la invención. Un par de transductores de contacto no focalizados 12, 13 con una frecuencia central de aproximadamente 200 kHz y un diámetro de 6 mm son usados. Los transductores son orientados perpendicularmente a la superficie del objeto 20 para ser medidos y un medio de acoplamiento, que puede ser gel ultrasónico, un plástico blando, o algún otro fluido o medio o medios sólido(s)
es aplicado. El transmisor es mantenido en una posición fija axial durante la medición, pero el receptor es movido progresivamente bajo control por ordenador 34, 37, con la distancia transmisor-receptor aumentada normalmente de r_{0} = 20 mm a r = 50 mm por etapas de 0,5 mm. El eje de movimiento principal es automatizado por un motor paso a paso 30, 31 actuador lineal controlado con una exactitud lineal máxima de 0,015 mm (unidad trapezoidal lineal RK Rose+Krieger 303300 30 conducida por motor paso a paso bipolar Superior Electric, modelo KLM091F13 con módulo paso a paso 430-T). Las presiones de contacto del transductor son determinadas por las células de carga 14, 15 (Sensotec Inc, modelo 31). Las lecturas DC son amplificadas y convertidas A-D (National Instruments 7344) 38, 39. El transductor de transmisión es excitado por un generador de impulsos de ondas rectangulares 36 (Panametrics 5077PR) con una amplitud variable de 100 V a 400 V. Las señales del receptor son amplificadas con un amplificador de carga hecho a medida 32 con una ganancia de voltaje de 40 dB y son luego adquiridos por un osciloscopio digital 33 (National Instruments 5102) con tasa de muestreo de 10 MSPS. La adquisición de datos es activada por el generador de impulsos con una frecuencia de repetición de impulsos (PRF) de 200 Hz. El software para la adquisición de datos y análisis es implementado usando LabView (National Instruments) con Matlab usado también para algunos análisis.

La Figura 2 muestra el soporte para pierna en la silla. La primera forma de realización de la invención incluye una silla (no mostrada) con un soporte para pierna unido 2 y un dispositivo de escaneado de ultrasonido montado sobre el soporte para pierna 2. El dispositivo de escaneado tiene

- dos transductores 12, 13 (transmisor y receptor), donde un transductor es fijado durante la medición y uno se mueve a lo largo del eje del brazo que está siendo medido, y

- medios para ajustar la posición del transductor en movimiento automáticamente, y

- medios para ajustar la posición vertical de los transductores con respecto a la superficie del brazo usando accionadores para conseguir una fuerza de contacto especifica, y

- medios para detectar las fuerzas en la punta de cada transductor (presiones de contacto), y

- medios para adquirir las señales recibidas como función de la separación del transductor, que produce un diagrama (r,t) de datos de entrada y analizarlos para calcular las velocidades de onda, y, opcionalmente, otros parámetros acústicos tales como la atenuación. En la Fig. 2, los transductores 12, 13 están mostrados por separado sin un mecanismo deslizante de soporte, que es posteriormente soportado por la silla 1. El soporte para pierna comprende las almohadillas 2.1, 2.2 y 2.3 y el bastidor 3 que las soporta y un mecanismo deslizante de los transductores.

De forma alternativa ambos transductores pueden ser movidos, o un transmisor fijo puede ser usado con al menos dos receptores que pueden moverse, o un conjunto fijo de transductores pueden ser usados cada uno de los cuales puede funcionar como transmisores y como receptores.

O bien el transmisor fijo y al menos dos receptores, o bien el conjunto de transductor fijo, o el movimiento (exploración o conjunto) alrededor de la pierna para detectar una onda a baja velocidad (más baja que la velocidad de sonido de ondas longitudinales en el hueso).

La Figura 3 muestra las unidades de transductor vistas desde la parte frontal y en contacto con una tibia. Cada transductor 12, 13 es soportado por una corredera 10, 11. La unidad de transductor incluye un contenedor de transductor 18, 19 un sensor de fuerza 14, 15 y tuercas 23, 24, que aseguran los transductores a las correderas 10, 11. Ambas correderas tienen posicionadores manuales (no mostrados) para el ajuste vertical a lo largo de las guías verticales 10.1, 11.1. Cada uno es fijado a otra corredera que se mueve a lo largo de una guía horizontal por un motor paso a paso (no mostrado).

La Figura 4 muestra una unidad de transductor avanzado. La unidad incluye un contenedor de transductor 18, un sensor de fuerza 14 (unas células de carga en miniatura de precisión, Sensotec Inc, modelo 31), un manguito de conexión y un accionador 21 (accionadores lineales en miniatura H.S.I. modelo 20561-05 con un recorrido de 12,7 mm). El accionador permite alterar la posición del transductor para mantener una fuerza de contacto especifica con el brazo. La unidad es fijada a una corredera por las orejas 21.1.

Las Figuras 5a y 5b muestran las curvas de dispersión de onda de Lamb teóricas para los cuatro modos guiados simétricos (S0-S3) y antisimétricos (A0-A3), en placas acrílicas: Fig. 5a) velocidad de fase, Fig. 5b) velocidad de grupo. El eje horizontal es el producto Frecuencia.espesor (F.d). Estas curvas fueron calculadas usando la ecuación de Rayleigh-Lamb considerando una velocidad longitudinal de 2750 m/s y una velocidad transversal de 1375 m/s para acrílicas. Las ondas de Lamb son ondas elásticas bidimensionales que se propagan en una placa elástica sólida libre de espesor limitado en un vacío.

Éstas surgen de la reflexión múltiple y de la conversión del modo de las ondas transversales y longitudinales de las superficies superiores e inferiores de la placa. Estas existen en forma de modos resonantes cuando la combinación de frecuencia y la velocidad de fase corresponde a las ondas estacionarias en la dirección del espesor. Cada curva continua en las Figs. 5a y 5b representa un modo de onda guiada. A partir de estas curvas de dispersión se puede observar que todos menos dos modos fundamentales, S0 y A0, tienen un producto frecuencia.espesor de corte. Así para muy frecuencias bajas, o para placas muy finas, sólo los modos fundamentales (S0 y A0) pueden ser excitados. En estas condiciones, la velocidad de fase de los enfoques de onda S0 se aproxima a aquella pronosticada por la teoría de "placa fina", dada por una ecuación análoga a la ecuación de ondas de barras. A altos valores de F.d las velocidades tienden asintóticamente hacia la velocidad de Raileigh. La terminología de ondas de Lamb es frecuentemente usada para describir la propagación de ondas en placas cargadas por un medio externo tal como un fluido. Las condiciones límites son modificadas por la presencia de un medio circundante y las características de las ondas de Lamb en una placa sumergida en fluido son diferentes de aquellas de las ondas de Lamb en una placa libre. Por ejemplo, si la velocidad de fase del fluido está próxima a la velocidad de fase de un modo de Lamb, el modo continuamente irradia en el fluido y en consecuencia su atenuación es alta.

La Figura 6 muestra un denominado diagrama (r,t) que surge de una medición hecha en una placa acrílica de 3mm de espesor. El diagrama (r,t) es producido poniendo en un gráfico las señales de radiofrecuencia recibidas (RF) como función de la distancia r, dando un diagrama (r,t). Cada forma de onda de RF recibida fue fijada como una línea horizontal donde la amplitud absoluta es aplicada a un valor de escala de grises, con la amplitud máxima correspondiente al blanco. Estas líneas horizontales son apiladas verticalmente para dar un denominado diagrama (r,t) donde el eje horizontal fue el tiempo (t) y el eje vertical fue la distancia (r). A partir de los diagramas (r,t) la(s) onda(s) que se propagan son visualizadas, y, ajustando una línea a los valores máximos dentro de un paquete de ondas, se miden las velocidades. Dos ondas son observadas consistentemente en los diagramas (r,t) mostrados y, por sus características diferentes, métodos diferentes son adoptados para determinar la velocidad de cada una. La primera señal de llegada (onda 1) es generalmente de una amplitud baja y relativamente no dispersiva, y es rastreada usando un enfoque umbral establecido al 25% del primer valor máximo. Este valor es seleccionado empíricamente para prevenir que el rastreo falle debido al ruido. El rastreo del paquete de onda más lento (onda 2) es más difícil debido a la interferencia de otros componentes en las señales recibidas. Un enfoque semiautomático es adoptado en el que el usuario selecciona un valor máximo en la primera línea de RF dentro del paquete de ondas más lento a partir del cual se inicia el rastreo. El software luego busca más adelante en la siguiente línea de RF usando un margen de tiempo relativamente pequeño para minimizar la posibilidad de saltar a otro valor máximo incorrecto. Este proceso continúa a través de todas las líneas de RF, y luego una línea recta es ajustada a los puntos. Los errores pueden ser corregidos manualmente por el usuario y se puede hacer un nuevo ajuste. Las velocidades de fase de las primeras y segundas ondas son luego calculadas a la vez que las inclinaciones de los ajustes lineales se ajustan a los puntos en el primer y el segundo paquetes de ondas respectivamente.

La Figura 7 muestra los resultados de una serie de mediciones en placas acrílicas. Las predicciones teóricas para la velocidad de las ondas de Lamb fundamentales simétricas (S0) y antisimétricas (A0) están también mostradas. La primera onda entrante (onda 1) propagada en la velocidad longitudinal en placas gruesas, pero en placas finas la velocidad disminuyó hacia aquella pronosticada para la onda de Lamb S0. Por lo tanto, en capas finas medidas a frecuencias bajas, la primera onda de llegada puede también ser considerada como una onda guiada. La onda más lenta (onda 2) concordaba cercanamente con las predicciones para la onda de Lamb A0, conduciendo a la conclusión de que la segunda onda es de hecho una onda guiada de Lamb A0.

La Figura 8 muestra un diagrama (r,t) obtenido de mediciones en una tibia humana in vivo en un voluntario saludable normal. Dos ondas diferentes en propagación son observadas otra vez como en las placas acrílicas.

La Figura 9 es una tabla de resultados de un estudio piloto donde las mediciones por ultrasonidos fueron hechas en sujetos normales y osteoporóticos. Comparando los valores en los sujetos saludables y osteoporóticos, se encontraron diferencias significantes sólo para la onda guiada más lenta. En osteopróticos la velocidad de la onda guiada más lenta (onda 2) fue un 15% inferior a aquella en sujetos normales. Estos resultados sugieren que la velocidad de la onda guiada A0 (es decir, la segunda onda) es la más discriminante de la osteoporosis.

Las Figuras 10a, 10b y 10c muestran configuraciones de transductor alternativas. Los transductores 16, 17 pueden ser acoplados directamente a la piel con una incidencia normal usando gel 40, 42 (o líquido 41 en la Fig 10b) para ayudar al acoplamiento. De forma alternativa estos pueden ser colocados a un ángulo especifico a la piel pero siguiendo en contacto directo, con el gel usado para mantener una trayectoria acústica. De forma alternativa los transductores pueden ser colocados a cierta distancia sobre la piel con un medio o medios de acoplamiento, que pueden ser sólidos o fluidos, colocados entre el transductor y la piel. Los transductores pueden ser angulosos o mantenidos a una incidencia normal. Colocando los transductores a un ángulo con respecto a la superficie del hueso (con sostenedores 43), los modos de ondas guiadas particulares pueden ser preferentemente excitados y medidos. El ángulo puede ser variado durante una medición. De forma alternativa, se puede emplear un conjunto de transductores, donde cada elemento transductor puede funcionar bien como un transmisor o como un receptor. Con tal conjunto, la señal recibida puede ser obtenida como una función de la distancia receptor-transmisor sin ninguna exploración mecánica. Además, bajo el control electrónico tal conjunto puede ser usado para formar haces y dirigir los haces, permitiendo variar el ángulo del "transmisor" y "receptor" con respecto a la superficie del hueso.

La Figura 11 muestra esquemáticamente otra forma de realización de la invención donde las ondas guiadas son medidas con dos transductores 16, 17 usando un enfoque reflectante. Un contenedor 46 contiene líquido como medio de acoplamiento 45. El transmisor y receptor son configurados de modo que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. El transmisor emite una señal ultrasónica, que puede ser un impulso, ráfaga de tonos u ondas continuas, y la señal reflejada de la superficie del hueso es detectada por el receptor. A un ángulo dado, la señal recibida es una función de frecuencia con mínimos a frecuencias correspondientes a casos en los que la energía es acoplada en un modo de onda guiada en la capa del hueso. El ángulo de incidencia (\theta) puede ser relacionado con la velocidad de fase (c) de ondas guiadas en el hueso usando la ley de Snell, como sigue,

c = c_{1}/sin \theta

donde c_{1} es la velocidad de sonido en el medio de acoplamiento. Por lo tanto adquiriendo datos en una gama de ángulos, es posible detectar ondas guiadas y caracterizarlas en cuanto a la velocidad de fase y frecuencia. Las curvas de dispersión similares a aquellas de la Figura 5 pueden ser producidas.

Figura 12 muestra una forma de realización para un mecanismo para variar el ángulo y la orientación de un par de transductores 16,17 mientras que se asegura que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión en todos los tiempos y que los ejes de los haces del transductor coinciden en un punto. Este punto debería corresponder con la posición de la superficie del hueso. La posición vertical de los transductores puede ser variada para encontrar la superficie del hueso. Un paralelogramo 47 tiene cuatro piezas articuladas juntas y la junta superior se mueve a lo largo de una guía vertical 48. Los transductores 16: 17 son fijados en las piezas inferiores.

La Figura 13 muestra esquemáticamente cómo las mediciones acústicas pueden ser usadas como datos de entrada a un algoritmo matemático para estimar las propiedades del hueso específicas de interés.

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Referencias citadas en la descripción Esta lista de referencias citada por el solicitante ha sido recopilada exclusivamente para la información del lector. No forma parte del documento de patente europea. La misma ha sido confeccionada con la mayor diligencia; la OEP sin embargo no asume responsabilidad alguna por eventuales errores u omisiones. Documentos de patentes citadas en la descripción

\bullet WO 9945348 A [0002]

\bullet US 5197475 A [0006]

Bibliografía distinta de patentes citada en la descripción

\bulletGERLANC et al. Clin. Orthop. Rel. Res., 1975, vol. 111, 175-180 [0002]

\bulletCAMUS et al. J Acoust. Soc. Am., 2000, vol. 108, 3058-3065 [0002]

\bulletFOLDES et al. Bone, 1995, vol. 17, 363-367 [0003]

\bulletJANSONS et al. Biomaterials, 1984, vol. 5, 221-226 [0004]

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\bulletGRAFF K.F. WAVE MOTION Elastic Solids., 1991, [0008]

Claims

1. Método para la valoración no invasiva de huesos, en cuyo método hay los estadios siguientes.

- una señal ultrasónica es dirigida desde un transductor de transmisión (12) sobre el hueso (20), se propaga dentro del hueso (20), y es emitida desde el hueso (20),

- la señal ultrasónica emitida desde el hueso (20) es detectada por un transductor receptor (13) y registrada, donde se detecta el modo de Lamb asimétrico más bajo, es decir, el modo de Lamb A0,

- al menos una propiedad del hueso es calculada a partir de la señal registrada,

- la velocidad del modo de onda detectado es medida desde la señal registrada, y

- una propiedad del hueso es calculada a partir de la velocidad medida,

- caracterizado por el hecho de que

- otro modo de Lamb que llega antes que la onda del modo de Lamb A0 es detectado y registrado, y su velocidad es también medida,

- una imagen de la amplitud de las señales registradas como función de tiempo y separación del transductor es producida a partir de las señales registradas,

- al menos dos ondas en propagación de dichos dos modos de Lamb son identificados a partir de la imagen escaneada, y

- las velocidades de dichas ondas en propagación son determinadas a partir de las inclinaciones de las líneas ajustadas a las ondas en la imagen.

2. Método según la reivindicación 1, donde

- el hueso (20) es explorado para una longitud elegida enviando una señal en un punto y recibiendo las respuestas en otro punto,

- bien el punto de transmisión o de recepción, o ambos, son movidos, continuamente o en fases, durante la medición,

- la señal recibida es registrada desde varias de las diferentes separaciones del transductor durante la exploración.

3. Método según la reivindicación 1 o 2 donde la presión de contacto de los transductores (12, 13) es controlada detectando la fuerza axial y moviendo los transductores (12, 13) respectivamente.

4. Método según la reivindicación 1 o 2 donde el transductor de transmisión y/o de recepción (12, 13) son colocados a un ángulo en la superficie del hueso y el haz ultrasónico se desplaza hacia y desde el hueso (20) a través de un medio de acoplamiento interviniente (40, 42).

5. Método según una de las reivindicaciones 1-3 donde el ángulo de los transductores (12, 13) al hueso (20) es cambiado durante la medición para identificar ángulos particulares favorables para la producción y detección de tipos específicos de ondas.

6. Método según la reivindicación 1 donde los transductores de transmisión y/o de recepción (12, 13) son series de transductores individuales que son controlados electrónicamente para conseguir la exploración sin movimiento mecánico y/o para aumentar la producción y detección de ondas específicas, por ejemplo formando y direccionando electrónicamente el haz acústico.

7. Método según la reivindicación 1 donde los transductores de transmisión y/o de recepción (12, 13) son transductores de peine compuestos por diferentes elementos de transductor distanciados por una distancia constante, de modo que excitan y detectan ondas guiadas con una longitud de onda constante determinada por el espaciamiento de los elementos.

8. Método según la reivindicación 1 donde una transformada de Fourier es realizada en la señal recibida para facilitar la discriminación y medición de una o más ondas.

9. Método según la reivindicación 1 donde el análisis tiempo-frecuencia es realizado en la señal recibida para facilitar la discriminación y medición de una o más ondas.

10. Método según la reivindicación 1 donde una transformada de Fourier bidimensional es realizada en las señales recibidas como función de tiempo y separación del transductor para facilitar la discriminación y medición de una o más ondas.

11. Método según la reivindicación 1 donde la filtración de la señal recibida es realizada para facilitar la discriminación y medición de una o más ondas.

12. Método según la reivindicación 1 donde una señal de excitación especifica es enviada al transductor de transmisión (12) para modificar el espectro de frecuencias de la señal emitida y por lo tanto facilitar la discriminación y medición de una o más ondas.

13. Método según la reivindicación 3 donde la velocidad de fase de una onda es determinada ajustando una línea a los puntos de fase constante (p. ej. valores máximos o cruces de cero) dentro de un paquete de ondas.

14. Método según la reivindicación 3 donde la velocidad de grupo de una onda es determinada ajustando una línea a la envoltura de la amplitud de un paquete de ondas.

15. Método según la reivindicación 1 donde la atenuación de una onda es determinada a partir de la reducción en amplitud de esta onda con aumento de la separación del transductor.

16. Método según la reivindicación 1 donde una baja frecuencia de ultrasonido se usa de manera que la primera señal de llegada detectada corresponde con la onda de Lamb fundamental simétrica (onda S0) en el hueso.

17. Método según la reivindicación 1 donde las propiedades de hueso son estimadas a partir de mediciones de ondas de Lamb usando un algoritmo matemático, y comprende

- el cálculo de parámetros de ondas de Lamb de un grupo de propiedades del hueso asumidas usando la teoría de onda de Lamb analítica,

- comparación de los parámetros de ondas de Lamb calculados con los parámetros de ondas de Lamb medidos, y derivación de un parámetro de error que representa la diferencia entre los dos,

- ajuste de las estimaciones iniciales de las propiedades del hueso de tal manera que se reduzca el parámetro de error,

- iteración repetida de este proceso hasta que el parámetro de error se vuelve aceptablemente pequeño, los valores de las propiedades del hueso luego estando tomadas como las mejores estimaciones de las propiedades del hueso real.

18. Método según la reivindicación 1 donde las propiedades del hueso son estimadas a partir de las mediciones de ondas de Lamb usando una red neuronal artificial, y comprende

- uso de los parámetros de ondas de Lamb medidos como datos de entrada para una red neuronal artificial cuyas emisiones corresponden a las propiedades del hueso seleccionadas

- entrenamiento de dicha red neuronal artificial con datos experimentales de una gama de huesos fantasmas y muestras de huesos reales de propiedades físicas variables.

19. Método según la reivindicación 1 donde las mediciones han sido hechas en varios lugares dentro de un hueso para identificar y caracterizar las regiones con propiedades del hueso anormales.