ES2865731T3 - Procedimiento y disposición esquelética que utiliza ondas electromagnéticas - Google Patents

Abstract

Un procedimiento esquelético que utiliza ondas electromagnéticas que comprende el primer paso del procedimiento de excitación y el segundo paso del procedimiento de detección, en donde en el paso del procedimiento de excitación al menos una onda mecánica es generada por ondas electromagnéticas en al menos una ubicación de generación en el esqueleto (107) a través del tejido blando (105) que cubre el esqueleto (107) a través de medios fotoacústicos afinando al menos los valores de longitud de onda óptica, de la frecuencia del centro acústico de la frecuencia de excitación y del área y forma de la superficie iluminada para realizar la excitación apropiada a través del tejido blando para generar dicho al menos una onda mecánica en el esqueleto, y en donde en el paso del procedimiento de detección las vibraciones esqueléticas de al menos una onda mecánica del esqueleto a través del tejido blando se detectan por medio de ondas electromagnéticas, y el detectado al menos una onda mecánica al menos una localización de registro se registra para formar la información de onda mecánica y en donde la distancia de dicho al menos una localización de registro de dicho al menos una localización de generación es conocida y no-cero, además, en el paso del procedimiento de detección, las propiedades esqueléticas se determinan en función de al menos una señal registrada, y donde el procedimiento se realiza in vivo.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y disposición esquelética que utiliza ondas electromagnéticas

Campo de la invención

La invención se refiere a ultrasonido cuantitativo (QUS) esquelético, incluido con excitación foto-acústica (PA) y/o detección de señales ultrasónicas en hueso.

Estado de la técnica

Esencialmente, se propone que la excitación y/o la detección se realicen mediante un haz de onda electromagnética o forma de onda de impulso, producido por ejemplo por una fuente láser o láser pulsado, que está mediada por una guía de ondas electromagnéticas (por ejemplo, una fibra óptica, un colimador, lentes, máscaras y/o una disposición de espejos) y dirigida al tejido humano. Una entrada de la onda electromagnética en el tejido humano es seguida por conversión electromagnética-mecánica (por ejemplo, la conversión fotoacústica) que genera calor y vibración mecánica en el tejido. En consecuencia, a una salida de ondas electromagnéticas, se detectan vibraciones mecánicas del tejido (por ejemplo, mediante interferometría óptica, tomografía de coherencia óptica o vibrometría Doppler láser). El objetivo es así generar y/o detectar ondas mecánicas (por ejemplo, ondas ultrasónicas) en un hueso, huesos o el esqueleto. Las posibles aplicaciones se refieren a la evaluación y la terapia de un hueso, huesos o el esqueleto. La evaluación ósea puede incluir la detección o el diagnóstico de enfermedades óseas, como la osteoporosis, y la vigilancia de la curación de fracturas. La terapia puede incluir, por ejemplo, facilitar la curación de fracturas por vibración mecánica.

En particular, la invención se relaciona estrechamente con la patente anterior US 7601120 B2 (Petro Moilanen et al) sobre evaluación no invasiva de huesos, que propone simultáneamente mediciones QUS in vivo de dos o más modos de ondas de Lamb en huesos largos humanos como el radio y la tibia. Dicha medición se basa en la llamada técnica de transmisión axial, que se refiere a la excitación y detección a una distancia determinada del receptor de la fuente (o a varias distancias) a lo largo del eje largo de un hueso. En particular, uno de los modos ultrasónicos puede asociarse a la primera señal de llegada (FAS) y el otro al modo flexural fundamental (antisimétrico) Lamb (A0).

La velocidad del sonido de FAS puede interpretarse de acuerdo con la del modo simétrico fundamental Lamb (S0) y la onda de compresión lateral (Nicholson et al 2002; Bossy et al 2002). La onda de compresión lateral es una onda de compresión que se propaga a lo largo del límite externo (periostio) del hueso, a una velocidad muy consistente con la de una onda de compresión masiva. En particular, el FAS aparece como un modo transitorio del cual la velocidad aparente de propagación puede evaluarse por el tiempo de vuelo junto con la distancia conocida fuentereceptor. Se necesita una serie de distancias fuente-receptor y una medición de propagación en dos direcciones opuestas con disposición simétrica de fuentes y receptores para corregir los retardos en el tiempo de vuelo debido al paso a través del tejido de recubrimiento blando. Tal corrección es posible por medios ultrasónicos tradicionales, un conjunto de transductores de ultrasonidos piezocerámicos de contacto, que han demostrado en estudios in vivo proporcionar una buena evaluación de la densidad mineral ósea y el espesor cortical, en particular cuando la frecuencia central de excitación se ajusta suficientemente baja (preferiblemente 100-400 kHz) (Kilappa et al 2011). Además, este enfoque ha proporcionado una excelente predicción de fracturas óseas, comparables o mejores que la DXA (Moilanen et al, subm). Hasta hoy, ninguna de las informaciones anteriores puede considerarse nueva.

Varios modos de Lamb también pueden ser excitados y detectados individualmente en el hueso. Uno de los intereses más particulares es el modo A0 Lamb, cuya velocidad está fuertemente asociada al espesor del hueso cortical, y por lo tanto permite esencialmente estimar el espesor de la pared cortical inversamente a partir de la velocidad de ultrasonido medida (Moilanen et al UMB 2007). Sin embargo, ha demostrado ser un verdadero desafío con la técnica de ultrasonido tradicional basada en transductores de ultrasonido piezocerámicos de contacto excitar y detectar este modo A0 a través de la capa de tejido blando (Moilanen et al 2008). Esto se explica debido al hecho de que el tejido de recubrimiento blando proporciona una ruta de propagación a las interferencias, que a menudo son relativamente fuertes, mientras que al mismo tiempo se sabe que el modo A0 tiene una amplitud de desplazamiento débil fuera del hueso, dentro del tejido blando circundante. Además, como las velocidades de propagación de los modos de interferencia son cercanas a las del modo A0, es realmente difícil extraer el A0 de las señales de respuesta registradas en la parte superior del recubrimiento blando. Por lo tanto, se requiere una atención específica para ajustar la excitación y la detección para permitir potencialmente la medición in vivo del modo A0. Además del modo A0 Lamb, otros modos Lamb pueden resultar útiles para el diagnóstico.

La resistencia ósea (o fragilidad) está determinada por una serie de propiedades, como rigidez elástica, densidad mineral ósea, porosidad y espesor cortical. En particular, se ha demostrado que la porosidad microscópica del hueso cortical es el principal determinante que describe variaciones entre individuos en rigidez elástica o densidad mineral ósea (Granke al 2011). La porosidad, por otro lado, es conocida por ser un factor importante, además del espesor cortical, que describe la fragilidad del hueso cortical (Yeni et al 1997, Zebaze et al 2010). La fragilidad ósea está así determinada por múltiples factores, que podrían ser evaluados más completamente por ultrasonido. Sin embargo, con este fin, el ultrasonido multimodal es claramente necesario para poder caracterizar completamente la fragilidad ósea. También estos ejemplos anteriores de la técnica indican que la transmisión axial multimodal que combina, por ejemplo, la medición del FAS (primera señal de llegada) y A0 modos es claramente necesaria para proporcionar una caracterización más completa de la fragilidad ósea.

El documento XP055052934, "Lamb Waves Detection in A Bovine Cortical Tibia using Scanning Laser Vibrometry", describe una técnica de medición de onda de Lamb sin contacto para examinar una tibia cortical bovina in vitro. El documento US2004/0077949 revela medios de evaluar la estructura interna de los dientes basados en el uso de ultrasonidos de alta frecuencia y altamente localizados (ondas acústicas) generados por un pulso láser corto, que se detectan por medios interferométricos ópticos. La combinación de ultrasonido generado por láser y detección interferométrica óptica sin contacto permite el diagnóstico in vivo de la salud dental.

Breve descripción de la invención

El objeto de la invención es lograr una mejora de la tecnología de evaluación de osteoporosis mejorada que da esencialmente resultados de medición precisos 5 para las necesidades de análisis de osteoporosis. La invención se define en las reivindicaciones independientes 1 y 9. Realizaciones preferentes se definen en las reivindicaciones dependientes.

El beneficio de la invención es que la calidad de los resultados de medición de las propiedades óseas se mejora para ser utilizado por ejemplo en el análisis de osteoporosis. También se pueden utilizar sensores de medición con dimensiones esencialmente pequeñas, lo que permite el uso de baja frecuencia, por ejemplo, ultrasonidos con forma pequeña y controlable de interferencia mecánica para mejorar la excitación controlada de los modos de onda elástica, y permite la miniaturización de, por ejemplo, sensores multielemento, y ofrece tanto un beneficio ergonómico en el uso de los sensores como un beneficio económico en la producción de los sensores. La invención también permite la utilización de excitación electromagnética para fines terapéuticos para generar vibración mecánica en el hueso.

Breve descripción de las figuras

Figura 1 Representa una de excitación de onda electromagnética y detección de acuerdo con la invención presente. Figura 2 Representa una realización de excitación retardada y detección de acuerdo con la invención presente. Figuras 3A-3D Representa medios para realizar movimientos de posicionamiento de sensores de onda electromagnética.

Descripción detallada de la invención

En la figura 1 se presenta excitación de onda electromagnética y detección de acuerdo con la invención presente. El número de referencia 100 se refiere al primer medio 100 para generar por medio de ondas electromagnéticas al menos una onda mecánica en al menos una ubicación de generación en el esqueleto 107 a través del tejido blando 105. El signo de referencia 120 de la figura 1 se refiere a la función de entrada electromagnética realizada por el primer medio 100. El signo de referencia 122 de la figura 1 se refiere a la función de salida electromagnética. En la figura 2 se presenta como ejemplo una realización de excitación de fase retardada y detección de acuerdo con la invención presente. La disposición comprende el segundo medio 103 para detectar la salida electromagnética. En dicha detección se detecta por medio de ondas electromagnéticas vibraciones esqueléticas debido al menos a una onda mecánica. En una realización preferente de fase retardada, el haz de luz se guía a través de una fibra óptica donde después se absorbe al esqueleto y genera, por ejemplo, una onda de ultrasonido. La excitación retardada se obtiene empleando un espacio de tiempo (fo) entre las señales de disparo de, por ejemplo, diodos láser.

Refiriéndose a la figura 2, la disposición comprende los medios 104 para registrar la onda mecánica al menos detectada en al menos una ubicación de registro para formar la información de onda mecánica. La distancia de al menos dicha ubicación de registro a dicha al menos ubicación de generación es conocida. La disposición comprende los medios 108 para determinar las propiedades esqueléticas basadas en al menos una señal registrada. Dichos medios 104, 108 se organizan por ejemplo en un procesador informático utilizando programas de cálculo, cuando es necesario. El procesador informático 104, 108 se presenta esquemáticamente en la figura 2. La transmisión de datos por cable o inalámbrica se utiliza entre el procesador informático 104, 108 y los primeros 100 y segundos 103 medios para realizar transmisiones de datos entre ellos. Dichos medios 103, 104, 108 pueden ser utilizados también en otras realizaciones de la invención que la realización de excitación retardada y detección de la figura 2.

En un procedimiento de acuerdo con la invención se realiza al menos uno de los primeros y segundos pasos del procedimiento, donde en el primer paso del procedimiento se genera por medio de ondas electromagnéticas al menos una onda mecánica en al menos una ubicación de generación en el esqueleto 107 a través del tejido blando 105. En el segundo paso del procedimiento se detecta mediante ondas electromagnéticas vibraciones esqueléticas debidas al menos a una onda mecánica, se registra la al menos onda mecánica detectada en al menos una ubicación de registro para formar información de onda mecánica, y la distancia de dicha al menos ubicación de registro a dicha al menos ubicación de generación es conocida, y más adelante en el segundo paso del procedimiento se determinan las propiedades esqueléticas basadas en al menos una señal registrada. Cuando se realiza el primer o el segundo paso del procedimiento, por ejemplo, medios de efectos mecánicos y/o piezomecánicos pueden utilizarse junto con el primer o segundo paso del procedimiento y el primer 100 o segundo medios 103, 104, 108 utilizados en dicho primer o segundo paso del procedimiento. Una realización de la terapia se puede realizar utilizando el primer medio 100 de acuerdo con el primer paso del procedimiento.

Una disposición preferente de acuerdo con la invención comprende medios 100 para realizar transmisión axial multimodal en la generación de al menos una onda mecánica por medio de ondas electromagnéticas. La disposición también puede comprender medios 100 para ajustar al menos una frecuencia central y el patrón de la onda mecánica para facilitar una excitación in vivo de al menos un modo Lamb en el hueso. El medio 100 comprende preferentemente fuentes electromagnéticas, es decir, sensores de onda electromagnética 100, y al menos un procesador, que en la realización preferente de la figura 2 puede ser dispuesto para ajustar al menos una frecuencia central y el patrón de la onda mecánica realizando la excitación de retardo de fase de un conjunto de las fuentes electromagnéticas 100 para facilitar la excitación in vivo de al menos un modo Lamb en el hueso. Medios 100 pueden disponerse además para optimizar la magnitud del retardo de fase utilizando una retroalimentación basada en al menos una maximización de una amplitud de señal detectada y minimización del ancho de banda de señal detectada, y medios108 para determinar la velocidad de fase del modo Lamb excitada sobre la base de la magnitud del retardo de fase junto con una distancia media entre las fuentes en el conjunto de fuentes electromagnéticas 100. El segundo medio 103 para detectar (figura 2) mediante ondas electromagnéticas las vibraciones esqueléticas comprende al menos uno de un interferómetro óptico 103, un dispositivo de tomografía de coherencia óptica 103 y un vibrómetro Doppler láser 103, y, en consecuencia, la detección de vibraciones esqueléticas se basa en al menos una interferometría óptica, tomografía de coherencia óptica y vibrometría Doppler láser. El interferómetro óptico 103, el dispositivo de tomografía de coherencia óptica 103 y el vibrómetro Doppler láser 103 también pueden ser nombrados como sensores de onda electromagnética 103. La detección preferente de las vibraciones esqueléticas en un hueso por segundo medio 103 se basa en la detección de al menos uno de los modos de ultrasonido de la primera señal de llegada (FAS) y Lamb. Una disposición preferente comprende los medios 108 para identificar al menos un modo de Lamb en la información de onda mecánica, y para determinar la velocidad de al menos una onda mecánica sobre la base del al menos modo de Lamb identificado para evaluar al menos una propiedad del esqueleto. También una disposición preferente de la invención puede comprender medios 108 para el mapeo de las propiedades del material óseo del esqueleto sobre la base de la información de onda mecánica formada.

En las figuras 3A-3D se presenta medios 106 para realizar movimientos de posicionamiento de los sensores de onda electromagnética 100, 103 realizando al menos uno de los siguientes movimientos: Movimiento de ajuste de posicionamiento perpendicular de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento axial adaptativo de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento tangencial de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento azimutal de los sensores de onda electromagnética y movimiento de exploración axial de los sensores de onda electromagnética. Las figuras 3A-3D se explican en detalle más adelante en esta descripción.

En la siguiente descripción se describe en detalles uno de los modos preferentes de la presente invención. Medios foto-acústicos (=PA, en adelante en esta descripción), es decir, sensores de onda electromagnética, esencialmente permiten un ajuste flexible de la excitación y detección que, de varias maneras, puede facilitar la excitación in vivo y la detección de ondas de Lamb en los huesos humanos. La idea es generar un modo que sea fuerte y fácil de reconocer en el receptor. Este modo también debe ser sensible a al menos una propiedad clínicamente relevante del hueso (por ejemplo, espesor cortical del hueso, rigidez elástica o densidad mineral ósea).

El ajuste de la excitación y/o la detección por PA puede estar compuesto por los siguientes aspectos: A. ajuste de la longitud de onda óptica (longitud de onda del haz electromagnético) para proporcionar la máxima absorción de luz en el hueso condicionado a minimizar la absorción en el tejido blando que cubre. La fuente ultrasónica (es decir, la fuente de ondas mecánicas) se genera en el hueso o lo más cerca posible del hueso. B. Ajuste del área de superficie iluminada para proporcionar la máxima intensidad de luz permitida en la piel. C. Ajuste de la forma de una superficie iluminada para producir el modo objetivo más fuerte posible en el receptor. La forma óptima puede ser, por ejemplo, una esfera, una línea o una cresta. D. Ajuste de la frecuencia central de excitación mecánica (por ejemplo, ultrasónica), para proporcionar a) excitabilidad óptima y (2) sensibilidad suficiente (o óptima) a al menos una propiedad clínicamente útil del hueso. E. Ajuste de la magnitud del retardo de fase en caso de excitación de fase retardada, para facilitar la excitación selectiva de un modo particular.

Mientras que un conjunto de transductores de ultrasonidos de contacto ya permiten una evaluación precisa de la velocidad de la primera señal de llegada (FAS), los siguientes puntos, relacionados con la excitación, podrían mejorar la medición del FAS. Considerando una serie de fuentes de ultrasonido de contacto y dos receptores de ultrasonido de contacto, uno en cada extremo de la matriz de fuente.

1. La sustitución de las fuentes de contacto US por medios PA (fibra óptica o diodos láser) permite aumentar el número de fuentes debido a un diámetro de elemento más pequeño. La precisión de la evaluación de la velocidad por ultrasonido puede así ser aumentada.

2. La posición de la fuente fotoacústica o una serie de fuentes fotoacústicas se pueden explorar fácilmente, para aumentar aún más la precisión de la determinación de velocidad.

3. Medios PA pueden permitir un ajuste rápido de la frecuencia central de excitación acústica, para permitir la evaluación de la dispersión de la velocidad FAS, sucesivamente a partir de mediciones iteradas rápidamente mediante la exploración de la frecuencia central. Se supone que dicha evaluación de dispersión proporciona una manera de estimar el espesor cortical basado en FAS, como una alternativa al modo A0 Lamb.

La excitación y la detección del modo A0 pueden verse afectadas en gran medida por el ajuste adecuado de la fuente 100 y del receptor 103. Por lo tanto, se pueden considerar los siguientes enfoques de ajuste de la excitación.

1. La excitación de los modos de interferencia en el recubrimiento de tejido blando debe minimizarse y la excitación de un modo Lamb A0 en el hueso debe maximizarse. Formas de minimizar la energía excitada en el recubrimiento de tejido blando y maximizar la excitada en el modo A0 en el hueso.

2. Elección adecuada de la longitud de onda óptica para minimizar la absorción óptica en el tejido blando.

Cuanto más baja sea la absorción óptica, más débil será la fuente PA. Cuando la fuente PA es débil en el tejido blando, la energía excitada en los modos de interferencia en el tejido blando también es débil.

3. Elección adecuada de la longitud de onda óptica para minimizar la dispersión óptica, de modo que permita un haz intenso hacia el hueso.

4. Elección adecuada de la longitud de onda óptica para maximizar la absorción óptica en el hueso, de modo que produzca una fuente de PA fuerte en el hueso.

5. Ajuste adecuado de la frecuencia de excitación acústica, para facilitar la excitación de A0 a través del recubrimientode tejido blando. El A0 se excita más eficientemente a frecuencias ultrasónicas muy bajas, preferiblemente a 20-120 kHz, sin embargo, los elementos piezoeléctricos de tales frecuencias tienen un diámetro inapropiadamente grande para el propósito. Modos PA permiten fuentes puntuales en tales frecuencias.

6. Ajuste adecuado de la forma y el tamaño del área irradiada por el láser (preferiblemente una línea estrecha), para maximizar la cantidad de energía PA dentro de los límites de seguridad para el tejido humano, pero minimizar el área de superficie para facilitar la excitación del modo A0 Lamb. La potencia de excitación depende de la intensidad del haz y del área de superficie irradiada.

7. La excitación de fase retardada por un conjunto de fuentes puede usarse para facilitar aún más la excitación de A0.

8. El bloqueo de la perturbación de la trayectoria de propagación directa a través del recubrimiento de tejidos blandos ha demostrado mediante el modelado inicial y experimentos in vitro reducir las intensidades de los modos de interferencia directa en el recubrimiento blando, para facilitar en gran medida la detección del modo A0 en el detector sobre el recubrimiento blando. Para ello, el detector también puede ser un transductor de ultrasonidos de contacto tradicional.

Formas de facilitar la detección del modo A0

1. Ajuste de la sensibilidad óptima del detector a frecuencias ultrasónicas bajas (<120 kHz). Esto se hace de manera óptima por medios PA, como un interferómetro láser.

2. Implementación de un detector de punto o de línea estrecha, también habilitado por medios PA.

3. Utilizando técnicas de limpieza óptica del recubrimiento de tejidos blandos para permitir que el haz del detector penetre cerca de la superficie ósea. (Esta técnica ha demostrado ser desafiante y potencialmente imposible de implementar).

Las mediciones PA (fotoacústica) requieren la sujeción del antebrazo o la parte inferior de la pierna y la guía de la fuente(s) y el receptor(es) en una posición apropiada con respecto al hueso que se va a medir. El cometido es diseñar un aparato adecuado para mediciones clínicas.

1. Las características importantes son los cómodos ajustes de posición y la retroalimentación adecuada en función de la señal de ultrasonido que se mide durante los ajustes precisos de la posición. Los principales requisitos son una colocación razonablemente rápida y reproducible.

Como alternativa, la fuente PA podría agruparse junto con receptores US de contacto dentro de una sonda de mano. Tal diseño podría ser implementado por un diodo láser o un conjunto de diodos láser, combinados potencialmente con posicionador en miniatura para proporcionar medios para el escaneo de la posición de la fuente. Tal disposición podría proporcionar una potencial realización para el dispositivo híbrido.

2. De acuerdo con la experiencia de los actuales dispositivos US., una sonda de mano junto con la respuesta instantánea de la señal medida permiten una colocación intuitiva.

Como alternativa, la fuente PA podría agruparse junto con uno o dos receptores PA dentro de una sonda manual, en donde la fuente es implementada por un diodo láser o una matriz de diodos láser y el receptor por, por ejemplo, un par de detectores interferométricos. Tal diseño podría proporcionar una potencial realización para el dispositivo PA completo, adecuado para uso clínico.

Las nuevas e inventivas condiciones de la invención puede considerarse que surgen al menos de los siguientes hechos:

1. Combinación de procedimientos fotoacústicos (PA) conocidos con procedimientos conocidos de ultrasonido cuantitativo esquelético (QUS), de una manera que no es obvia. Es necesario realizar simultáneamente una selección cuidadosa de varios parámetros (como la longitud de onda óptica, la intensidad del haz y las dimensiones del área iluminada en la piel, el ajuste de la fuente PA para obtener una longitud de onda acústica óptima y obstaculizar en lo posible la propagación de los modos de interferencia).

2. Los medios PA permiten el ajuste flexible de la excitación (y la detección).

A. las fuentes de punto o puntuales (incluida la línea fina) también se habilitan en frecuencias de centro ultrasónico muy bajas (f = 20-120 kHz), que no son posibles por elementos piezocerámicos de los cuales el diámetro físico es grande cuando se sintonizan a tales frecuencias. Además, medios PA también permiten la implementación de detectores puntuales. Se sabe que la fuente puntual y los receptores son óptimos para facilitar la excitación y detección del modo A0 Lamb en particular (útil también para otros modos), incluyendo que la excitabilidad del modo A0 normalmente aumenta con la frecuencia decreciente.

B. Ajuste instantáneo de la frecuencia central de excitación ultrasónica por determinadas fuentes PA (diodos láser), para permitir la evaluación de dispersión de los modos de ultrasonido transitorios (como el FAS). Tal ajuste de la frecuencia central no es posible por elementos piezoeléctricos (para transitorios cortos). La dispersión del FAS es sensible al espesor cortical, mientras que una medición del FAS a una frecuencia fija es principalmente sensible a la rigidez elástica y a la densidad mineral ósea.

C. Excitación de fase retardada para facilitar aún más la excitación de los modos ultrasónicos. Las ventajas de PA surgen de la posibilidad de elementos sensores puntuales, que permiten la inclusión de varios elementos sensores dentro de una sonda de matriz clínica corta.

3. Diseño de dispositivos que pueden ser de importancia crítica para el éxito con las aplicaciones clínicas del procedimiento propuesto.

El desarrollo de la disposición de acuerdo con la realización preferente tendrá como objetivo específico permitir mediciones in vivo clínicamente relevantes del modo SGW sensible al espesor (= consistente con Lamb A0). Con este fin, los objetivos específicos del proyecto son:

- Introducir una técnica PA para la generación de señal de banda ancha (baja frecuencia) y flexible en el hueso.

- Utilizar PA para excitar selectivamente el modo A0 como un medio para reducir la distorsión del modo causada por el tejido blando superpuesto.

- Utilizar PA para obtener imágenes de forma remota de las vibraciones de la superficie ósea desde arriba del tejido blando superpuesto.

- Optimizar la técnica para una exploración precisa y rápida de la distancia medida durante el tiempo suficiente para uso clínico.

- Optimizar modelando la configuración de medición para mediciones in vivo en hueso.

- Optimizar el procesamiento de señales para permitir mediciones clínicas in vivo.

- Diseñar y construir un instrumento portátil.

Estos objetivos permitirán la caracterización in vivo multimodo (FAS SGW) clínicamente relevante de la osteoporosis, que será relativamente barata y que proporcionará una evaluación más completa del hueso de lo que ha sido posible hasta ahora.

Se investigarán diferentes opciones de implementación de los dispositivos PAQUS (ultrasonido cuantitativo esquelético fotoacústico).

1. Sustitución de la fuente y el receptor del escáner de transmisión axial ultrasónica (Fig. 1) por medios sin contacto (foto-acústica; PA).

A. Fase 1: Dispositivo híbrido: Fuente PA combinada con detección de ultrasonidos de contacto.B. B. Fase 2: Implementación PA completa - excitación y detección por medios PA.

Mejora de la excitación mediante el uso de una sonda de matriz de fase retardada (PA). Evaluación directa del espesor cortical a partir de la reflexión especular (medición pulso-eco), tal como se implementa por medios PA. Las dos propiedades clínicamente útiles de las ondas guiadas elásticas (ondas Lamb) son la sensibilidad al espesor y la sensibilidad a las propiedades del material. Este último depende de la profundidad de penetración y del perfil de vibración característico de cada modo específico.

La onda guiada lenta (SGW o Wave2) es consistente con las propiedades del modo A0 Lamb. La primera señal de llegada rápida (FAS o Wave1) es un modo aparente observable en la señal medida y su velocidad puede ser interpretada. Los rangos de sensibilidad óptima del espesor del FAS y del SGW pueden interpretarse de acuerdo con los modelos apropiados.

La influencia del tejido blando superpuesto es particularmente desafiante para la excitación y detección del SGW (asociado a A0) en particular, debido a la rápida filtración de la energía acústica en el tejido circundante (que causa una atenuación rápida con la distancia) y el perfil de desplazamiento característico según el cual este modo tiene una amplitud de desplazamiento detectable en el hueso, pero la amplitud cae rápidamente en el recubrimiento blando, fuera del hueso, y por lo tanto es apenas detectable en la parte superior del recubrimiento (Viktorov 1967; Yapura y Kinra, 1995). Además, las interferencias debidas a otros modos más fuertes en el recubrimiento dificultan la identificación del modo débil A0 (Moilanen et al., 2008).

La elección de longitud de onda larga (baja frecuencia) puede, en cierta medida, reducir este impacto en los tejidos blandos. Para una longitud de onda particularmente larga, el modo A0 puede tener un desplazamiento medible incluso sobre el recubrimiento blando (delgado). Para ello, las frecuencias tan bajas como, por ejemplo, 50 kHz pueden considerarse óptimas. La fotoacústica permite la excitación y detección de tales frecuencias bajas, mientras que lo mismo sería un desafío con los elementos piezoeléctricos debido a las grandes dimensiones físicas de tales transductores. Para la excitación del modo A0, impulso agudo (es decir, mediado en una pequeña superficie) y fuerte, perpendicular a la guía de ondas elástica, es de hecho sabido que es óptima.

La energía de una señal óptica está mediada en la energía de una señal acústica (es decir, ultrasonido) a través de la transformación fotoacústica. Aunque este proceso se produce debido a la absorción óptica, la eficacia de la transformación fotoacústica se determina principalmente por el coeficiente de absorción, característico de cada material y la longitud de onda óptica. Además, la profundidad de penetración del haz óptico juega un papel importante.

Para el hueso cortical estos parámetros ópticos dependen de la longitud de onda. El hueso cortical tiene mayor absorción óptica en longitudes de onda de excitación mayores de 1400 nm, donde la profundidad efectiva de penetración en el hueso cortical es de aproximadamente 1 mm. La excitación láser en estas longitudes de onda es por lo tanto óptima para generar las ondas fotoacústicas más fuertes posibles en el hueso.

Se necesitan más consideraciones para mediar la señal a través del recubrimiento de tejido blando. En general, el tejido blando afecta la absorción óptica y la dispersión, y limita así eficazmente la cantidad de energía de luz que llega al hueso. Por ejemplo, según los espectros de absorción relacionados, la absorción es mínima (y por lo tanto óptima) a 600-1100 nm (resultado para la piel). Por lo tanto, no hay una coincidencia directa entre los valores óptimos para el hueso y el tejido blando y la excitación fotoacústica eficaz es siempre un equilibrio entre la absorción en el recubrimiento blando y el hueso. Por lo tanto, es necesario tener cuidado en la elección de la longitud de onda de excitación óptima.

En los tres casos ejemplares anteriores, la excitación a 532 nm producirá la fuente PA más fuerte pero más pequeña que solo se encuentra en la subsuperficie del tejido blando. Las características de un transductor de ultrasonidos de contacto tradicional en la superficie de tejido blando se imitan, con la ventaja de un área de superficie ajustable independiente de la frecuencia de excitación que no es posible con elementos piezoeléctricos. Para un elemento piezoeléctrico sus dimensiones son siempre funciones de la frecuencia central. En particular, a frecuencias ultrasónicas bajas, el tamaño físico de un elemento piezoeléctrico tradicional limita su idoneidad para la aplicación actual. La longitud de onda de 532 nm es óptima para la excitación FAS en particular, mientras que la medición de este modo de onda se ha diseñado y optimizado para los transductores de contacto anteriormente (Kilappa et al 2011). En segundo lugar, esta longitud de onda podría también permitit debido a su pequeño tamaño de superficie la excitación de la SGW (asociada a A0) a través de un recubrimiento blando y delgado. La excitación a una longitud de onda de 1064 nm generará las fuentes PA más débiles y más grandes tanto en el tejido blando como en el hueso. La penetración en el hueso podría permitir la excitación del SGW (asociado a A0), mientras que el gran tamaño de la fuente no es óptimo para el propósito.

La excitación a una longitud de onda de 1680 nm causará una fuente PA fuerte y aguda en el tejido blando y el hueso, óptima para la excitación del SGW asociado a A0. Por otro lado, una fuerte absorción en el tejido blando (más fuerte que en el hueso) puede causar interferencias adversas entre las fuentes PA en el tejido blando y el hueso.

La excitación a 1250 nm puede considerarse la longitud de onda más óptima para producir un SGW fuerte asociado a A0. En esta longitud de onda hay un pico de absorción en el hueso y la absorción en el tejido blando ha disminuido al nivel comparable con el del hueso. Un resultado experimental preliminar apoya la suposición de que en un rango de frecuencia ultrasónica bajo los espectros de amplitud excitados a 1250 nm de longitud de onda son más fuertes que los excitados a 1680 nm.

El haz óptico se puede centrar en la superficie de la piel o el área de exposición óptica se puede ajustar enmascarando un haz no enfocado. El enfoque directo del haz genera una fuente de punto (o línea) fuerte y aguda, que es óptima para la excitación del SGW (asociado a A0) en particular. Sin embargo, la intensidad de dicho haz enfocado es difícil de controlar con precisión y localmente la intensidad puede superar fácilmente los límites de seguridad. El enmascaramiento del haz no enfocado se centra, por lo tanto, en una opción más controlada y segura, aunque el enmascaramiento no puede generar una fuente puntual tan óptima como el enfoque. Las fuentes generadas por el enmascaramiento eran fuentes de línea con la dimensión corta (anchura) a lo largo de la dirección de propagación. Se consideraron valores de 1-5 mm para la anchura y 5-15 mm para la longitud de la fuente de línea. La ventaja de un área de haz más grande es la mediación de una mayor cantidad de energía de forma segura en el tejido, lo que resulta en una respuesta más fuerte.

En la versión híbrida del escáner de transmisión axial fotoacústica, la fuente se implementa por medios sin contacto, mientras que los receptores son transductores de ultrasonido de contacto tradicionales. Se utiliza un par de receptores para permitir la medición bidireccional para la corrección precisa de los efectos de los tejidos blandos. Cuando se excitan y detectan señales ultrasónicas en el hueso in vivo mediante la configuración híbrida PAQUS, por ejemplo, el modo ^fA^s puede identificarse claramente en las señales grabadas.

Excitación de los modos de Lamb individual (por ejemplo Modo A0 o S0) se puede facilitar mediante la excitación de fase retardada. Por lo tanto, se ha empleado una excitación similar a IDT (transductor interdigital) potencialmente sin contacto para permitir la generación eficiente de un modo Lamb (por ejemplo, el modo S0 o S0). La idea es generar un modo que sea fuerte y fácil de reconocer en el receptor. También debe ser sensible a al menos una propiedad clínicamente relevante del hueso (por ejemplo, espesor cortical del hueso, rigidez elástica o densidad mineral ósea). Para ello iluminamos cuatro puntos (por ejemplo, esferas, líneas o crestas) en la piel que se encuentran en la línea de visión más corta entre la zona de transmisión y recepción. El tamaño de estos puntos se elige para proporcionar la máxima intensidad de luz permitida en la piel. Su forma es elegida para producir el modo objetivo más fuerte posible en el receptor. La distancia entre puntos se selecciona para que coincida con el tiempo de vuelo necesario (coincidencia de fases espaciales) para un modo de onda objetivo (p. ej. A0 a lo largo del radio del hueso a 50 kHz). La frecuencia central del modo objetivo se selecciona de tal manera que maximiza la amplitud, minimizando el ancho de banda absoluto utilizando la retroalimentación, de la señal recibida. El espectro óptico del láser de iluminación se elige de manera que proporcione un perfil de absorción de luz óptimo en el hueso condicionado a minimizar la absorción en el recubrimiento de tejido blando. Se elige el perfil temporal de cada pulso de iluminación y el patrón pulsante sobre cada punto iluminado para producir un patrón sónico que genera un modo fuerte en el hueso. La iluminación de los puntos láser (temporal y espacialmente) debe cumplir el requisito de coincidencia de fase como en un transductor iDt (que depende de la velocidad del sonido en el hueso y de la distancia entre los puntos).

La onda PA se acoplará en el miembro humano mediante un líquido de acoplamiento ultrasónico, que se reflejará en diferentes límites de tejido. Los ecos se propagan de nuevo en el sensor PA y se reciben por medio de un detector piezoeléctrico. Como el hueso cortical tiene una impedancia acústica mucho mayor que otros tejidos blandos, los ecos en los límites del tejido blando y del hueso son mucho más fuertes que los reflejados en los límites del tejido blando - tejido blando, que son fáciles de distinguir. Si se mide la diferencia de tiempo de dos ecos de los límites de tejido blando-hueso, se puede estimar el espesor del hueso si se conoce la velocidad acústica en el hueso.

Finalmente, las figuras 3A-3D se explican con más detalle. La correcta colocación de una sonda ultrasónica en el hueso es fundamental para que la medición de ultrasonidos sea satisfactoria. En particular, las direcciones transversales y circunferenciales con respecto al eje largo del hueso son importantes. Con una sonda de matriz de mano, la colocación adecuada se puede encontrar intuitivamente mediante movimientos manuales de la sonda, utilizando las propiedades de una señal de respuesta medida como retroalimentación. La posición anatómica adecuada se encuentra normalmente dentro del rango de 30 grados.

En una configuración PAQUS, cuando se utiliza una unidad (o unidades) láser externa 210, es decir, una fuente de radiación electromagnética 210 a través de una fibra óptica 216, los grados de libertad de movimiento del haz láser se minimizan preferentemente. Especialmente, es difícil disponer la rotación del haz láser. Por lo tanto, es preferible que los grados de libertad requeridos para una colocación adecuada se disponen moviendo la extremidad humana a una posición adecuada, mientras que la(s) fuente(s) ultrasónica(s) y el(los) detector(es) 103 permanecen fijos.

Para disponer la rotación de un miembro humano, una posible realización incluye dos círculos 212, 214 de los cuales el externo 212 es fijo y el interno 214 tiene libertad de rotación. Los transductores ultrasónicos (PA y convencionales) se fijan en (o con respecto a) el círculo exterior. En la configuración híbrida, los transductores incluyen una fuente PA mediada, por ejemplo, desde una unidad de láser de pulso externa, y dos receptores de contacto de US convencionales. Los sensores de fuerza se incluyen con los receptores US para controlar la presión de contacto. Los receptores permanecen fijos, mientras que los medios están dispuestos para explorar la posición axial de la fuente PA.

El propósito es colocar el centro de masa de la sección transversal de un hueso (por ejemplo, radio) en el punto central del círculo, y luego girar el hueso en un ángulo apropiado. El brazo se fija mediante abrazaderas específicas 218 que se han montado a través de unidades lineales en el círculo interior 214. El signo de referencia 200 se refiere a la pieza de soporte 200 a una estructura de base, y el signo de referencia 226 se refiere a una manivela 226 para mover el círculo interior 214 en relación con el círculo exterior. El signo de referencia 204 se refiere a un colimador de ondas electromagnéticas 204.

En los siguientes, el antebrazo humano se utiliza como ejemplo del miembro humano, y el radio como ejemplo de un hueso que se va a medir.

Medios 224 para mover los sensores ultrasónicos

1. Se pueden proporcionar medios para desplazar los sensores ultrasónicos 103 mientras se sujeta el antebrazo, y para devolver los sensores a la posición de medición.

2. Se pueden proporcionar medios para ajustar con precisión la posición perpendicular (x) de los sensores ultrasónicos 103.

Colocación axial adaptativa (dirección z)

1. El antebrazo está fijado en el codo y en las abrazaderas de muñeca.

2. Se proporcionan medios para medir las posiciones de estas dos abrazaderas.

3. La distancia de las dos abrazaderas representa la longitud ósea y se determina a partir de las posiciones medidas.

4. La posición de medición axial se determina en relación con la longitud ósea.

5. Se proporcionan medios 124 para mover (por un motor) o para guiar el movimiento (por signos que indican "adelante", "atrás" y "mantener") del antebrazo a la posición axial correcta.

6. Las posiciones axiales de las dos abrazaderas son fijas. Posición tangencial (x e y) y azimutal

7. El círculo interior se gira para ajustar el ángulo azimutal.

8. Las posiciones tangenciales de las dos abrazaderas se ajustarán mediante cuatro unidades lineales independientes.

9. El posicionamiento se ajusta sucesivamente mediante mediciones de posición y utilizando las señales medidas como retroalimentación. El posicionamiento puede ser manual o automatizado.

Exploración axial

10. Se proporcionan medios 224 para mover sucesivamente el haz de la fuente dentro de un rango limitado (p. ej. 30 mm) entre los dos receptores, el rango de referencia es simétrico con respecto a los dos sensores 103.

11. Las señales de respuesta se registran en los sensores 103 en cada posición de la fuente.

Configuraciones alternativas

12. En la configuración híbrida, la fuente 210 puede ser reemplazada por un diodo láser o una matriz de diodos láser. En este caso, es posible incluir una configuración alternativa en que el sistema de abrazadera de antebrazo 218 esté fijado en la mesa y las fuentes y receptores en el anillo giratorio interior. El segundo diseño alternativo incluye una sonda de matriz de mano en cuyo caso la abrazadera del antebrazo y el mecanismo de posicionamiento no son necesarios.

13. Los receptores, es decir, los sensores 103 pueden ser sustituidos por receptores PA (por ejemplo, interferómetros) y la fuente por un transductor ultrasónico convencional o una serie de transductores de ultrasonidos convencionales.

14. Los receptores pueden ser reemplazados por receptores PA (por ejemplo, interferómetros), para habilitar un dispositivo PA completo.

15. Las fuentes y receptores también pueden actuar en un modo de obtención de imágenes, o se pueden incluir sensores de obtención de imágenes específicos, de modo que se pueda habilitar la obtención de imágenes (geométricas) de la extremidad en función del procedimiento ultrasónico o de eco de pulso de PA. La obtención de imágenes puede proporcionar información diagnóstica adicional, como el perfil o el mapa del espesor cortical. Además, la obtención de imágenes puede usarse para determinar la orientación del hueso y la posición del centro de masa de la sección transversal del hueso, según la cual se puede automatizar la colocación del hueso en el mecanismo descrito.

El procesador informático 104, 108 se presenta esquemáticamente en las figuras A-3D. La transmisión de datos por cable o inalámbrica se utiliza entre el procesador informático 104, 108 y los medios de posicionamiento 106 descritos en las figuras 3A-3D para realizar las transmisiones de datos necesarias entre ellos.

Aunque la invención ha sido presentada en referencia a las figuras y especificaciones adjuntas, la invención no está de ninguna manera limitada a esas, ya que la invención está sujeta a variaciones dentro del alcance permitido por las reivindicaciones.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento esquelético que utiliza ondas electromagnéticas que comprende el primer paso del procedimiento de excitación y el segundo paso del procedimiento de detección, en donde en el paso del procedimiento de excitación al menos una onda mecánica es generada por ondas electromagnéticas en al menos una ubicación de generación en el esqueleto (107) a través del tejido blando (105) que cubre el esqueleto (107) a través de medios fotoacústicos afinando al menos los valores de longitud de onda óptica, de la frecuencia del centro acústico de la frecuencia de excitación y del área y forma de la superficie iluminada para realizar la excitación apropiada a través del tejido blando para generar dicho al menos una onda mecánica en el esqueleto, y en donde en el paso del procedimiento de detección las vibraciones esqueléticas de al menos una onda mecánica del esqueleto a través del tejido blando se detectan por medio de ondas electromagnéticas, y el detectado al menos una onda mecánica al menos una localización de registro se registra para formar la información de onda mecánica y en donde la distancia de dicho al menos una localización de registro de dicho al menos una localización de generación es conocida y no-cero, además, en el paso del procedimiento de detección, las propiedades esqueléticas se determinan en función de al menos una señal registrada, y donde el procedimiento se realiza in vivo.

2. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, en el primer paso del procedimiento se utiliza la transmisión axial multimodal en la generación de al menos una onda mecánica por medio de ondas electromagnéticas para excitar al menos una onda mecánica.

3. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, en la detección de vibraciones esqueléticas se utiliza al menos uno de interferometría óptica, tomografía de coherencia óptica y vibrometría Doppler láser.

4. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, la detección de vibraciones esqueléticas en un hueso se basa en la detección de al menos uno de los modos de ultrasonido de primera señal de llegada (FAS) y Lamb.

5. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, en el primer paso del procedimiento se ajusta al menos una de la frecuencia central y el patrón de la onda mecánica para facilitar una excitación in vivo de al menos un modo Lamb en el hueso.

6. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque, en el ajuste de al menos una de la frecuencia central y el patrón de la onda mecánica se realiza la excitación por retardo de fase de un conjunto de fuentes electromagnéticas (100) para facilitar la excitación in vivo de al menos un modo Lamb en el hueso.

7. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, en el procedimiento se utilizan medios (106) para mover sensores de onda electromagnética (100, 103) realizando al menos uno de los siguientes movimientos: movimiento de ajuste de posicionamiento perpendicular de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento axial adaptativo de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento tangencial de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento azimutal de los sensores de onda electromagnética y movimiento de exploración axial de los sensores de onda electromagnética.

8. Un procedimiento esquelético de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque, la información de onda mecánica formada se utiliza para mapear las propiedades del material óseo del esqueleto.

9. Una disposición esquelética que utiliza ondas electromagnéticas para ser utilizada al menos en una de accionamiento esquelético, detección esquelética y terapia esquelética, que comprende los medios de excitación in vivo (100) para generar por ondas electromagnéticas al menos una onda mecánica en al menos una ubicación de generación en el esqueleto (107) a través del tejido blando (105) que cubre el esqueleto a través de medios fotoacústicos ajustando al menos los valores de longitud de onda óptica, de frecuencia de excitación del centro acústico y de área y forma de una superficie iluminada para realizar una excitación adecuada a través de tejido blando para generar al menos dicha onda mecánica en el esqueleto y además comprende medios de detección in vivo (103), en forma de sensores de onda electromagnética, para detectar mediante ondas electromagnéticas vibraciones esqueléticas de al menos una onda mecánica desde el esqueleto a través del tejido blando, medios (104) para registrar al menos una onda mecánica en al menos una ubicación de registro para formar información de onda mecánica, en la que la distancia de al menos dicha ubicación de grabación de al menos dicha ubicación de generación es conocida y no-cero, y la disposición comprende medios (108) para determinar las propiedades esqueléticas basadas en al menos una señal registrada.

10. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque, la disposición comprende los medios (100) para realizar la transmisión axial multimodal en la generación de al menos una onda mecánica por medio de ondas electromagnéticas con el fin de excitar al menos una onda mecánica.

11. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque, los medios (103) para detectar mediante ondas electromagnéticas las vibraciones esqueléticas comprenden al menos uno de un interferómetro óptico (103), dispositivo de tomografía de coherencia óptica (103) y vibrómetro Doppler láser (103).

12. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque, la disposición comprende medios (103) para detectar vibraciones esqueléticas en un hueso basados en la detección de al menos uno de los modos de ultrasonido de primera señal de llegada (FAS) y Lamb.

13. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque, la disposición comprende medios (100) para ajustar al menos una de la frecuencia central y el patrón de la onda mecánica para facilitar una excitación in vivo de al menos un modo Lamb en el hueso.

14. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque, la disposición comprende medios (100) para ajustar al menos una de la frecuencia central y el patrón de la onda mecánica mediante la excitación por retardo de fase de un conjunto de fuentes electromagnéticas (100) para facilitar la excitación in vivo de al menos un modo Lamb en el hueso.

15. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque, la disposición comprende medios (106) para posicionar al menos uno de dichos medios (100, 103) realizando al menos uno de los siguientes movimientos: Movimiento de ajuste de posicionamiento perpendicular de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento axial adaptativo de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento tangencial de los sensores de onda electromagnética, movimiento de posicionamiento azimutal de los sensores de onda electromagnética y movimiento de exploración axial de los sensores de onda electromagnética.

16. Una disposición esquelética de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizada porque, la disposición comprende medios (108) para la cartografía de las propiedades del material óseo del esqueleto sobre la base de la información de onda mecánica formada.