RU2071274C1

RU2071274C1 - Method for diagnosing bone tissue state by using ultrasound

Info

Publication number: RU2071274C1
Application number: RU93051840A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Жаров; Аркадий Михайлович Шошенский
Original assignee: Владимир Павлович Жаров; Аркадий Михайлович Шошенский
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1997-01-10

Abstract

FIELD: medicine. SUBSTANCE: method involves setting emitter and converter-receiver at some known distance one from another on the surface of the area to be subjected to diagnostic examination, emitting, receiving and recording ultrasonic pulses and evaluating bone tissue state from some diagnostic parameter value. Half-wave duration of the pulse passed through is selected as the parameter. The emitter and receiver are placed on the same side with respect to the bone tissue area to be diagnosed and pressed with a force corresponding to the comparing unit operation threshold. EFFECT: enhanced accuracy of diagnosis. 2 cl, 1 dwg

Description

Актуальной проблемой в медицине является диагностика костных тканей, в частности, в посттравматический период. Одним из возможных методов диагностики является ультразвуковая диагностика. Однако развитие этого метода сдерживается по причине высокой погрешности измерений, свойственных диагностике in vivo. Цель настоящего изобретения снижение погрешности диагностических измерений и повышение надежности выявления костных патологий. An urgent problem in medicine is the diagnosis of bone tissue, in particular, in the post-traumatic period. One of the possible diagnostic methods is ultrasound diagnostics. However, the development of this method is constrained by the high measurement error inherent in in vivo diagnostics. The purpose of the present invention is to reduce the error of diagnostic measurements and increase the reliability of detection of bone pathologies.

Поскольку костные ткани ограничены в пространстве и имеют небольшие размеры, распространение ультразвука в них носит волноводный характер. При этом скорость распространения ультразвуковой волны зависит от возбуждаемой моды, толщины компактного слоя кости и частоты возбуждаемых колебаний [1] Поэтому у различных людей, имеющих примерно равные упругие постоянные компактной кости, в зависимости от индивидуальных особенностей строения костей (в частности, лицевых), наблюдается значительное расхождение в значениях измеренной "скорости звука", которая определяется обычно [1] по временному интервалу между излученным и принятым сигналом. Диагностические измерения в подобном режиме могут производиться только на одном субъекте в предположении отсутствия асимметрии строения скелета по сравнительным данным для патологически измененной кости и кости в норме. Since bone tissue is limited in space and small in size, the propagation of ultrasound in them is of a waveguide nature. In this case, the propagation velocity of the ultrasonic wave depends on the excited mode, the thickness of the compact layer of the bone and the frequency of the excited vibrations [1] Therefore, in different people who have approximately equal elastic constants of the compact bone, depending on the individual structural features of the bones (in particular facial), a significant discrepancy in the values of the measured "speed of sound", which is usually determined [1] by the time interval between the emitted and received signal. Diagnostic measurements in this mode can only be performed on one subject under the assumption that there is no asymmetry in the structure of the skeleton according to comparative data for pathologically altered bones and bones.

Диагностически значимый результат при диагностике посттравматических патологий средней зоны лица не удается получить по ряду причин, в частности:
значительная толщина мягких тканей лица,
малые размеры лицевых костей,
посттравматическая деформация травмированной стороны лица.Diagnostically significant result in the diagnosis of post-traumatic pathologies of the middle zone of the face cannot be obtained for a number of reasons, in particular:
significant thickness of the soft tissues of the face,
small facial bones
post-traumatic deformation of the injured side of the face.

Это приводит к высокой систематической погрешности измерений 40 45%
Поэтому значение измеренного временного интервала между излученным и принятым импульсами целесообразно использовать в качестве вспомогательного для снижения погрешности измерений. Вначале измерения проводят на травмированной стороне, причем преобразователи устанавливают таким образом, чтобы область патологии оказалась между ними и измеряют временной интервал. Затем преобразователи устанавливают на здоровую сторону симметрично "на глаз", а более точную установку осуществляют исходя из измеренного значения временного интервала, достигая равенства с предварительно измеренным значением на здоровой стороне. Поскольку область посттравматической патологии кости невелика (ширина диастаза обычно менее 0,5 мм), это равенство выполняется при симметричной установке. Дальнейшее снижение систематической погрешности измерений происходит за счет предустановки порога срабатывания генератора электрического импульса по уровню контактного давления между излучателем и (или) приемником и биотканью. Известно, что добротность колебаний и соответственно длительность и амплитуда возбуждаемого импульса колебаний зависят от демпфирования преобразователя с тыльной стороны и со стороны нагрузки. При использовании жесткого корпуса тыльная нагрузка постоянна. Значение акустического сопротивления биообъекта определяется степенью сжатия мягких тканей, поскольку при этом изменяется как их плотность, так и модуль упругости. По результатам экспериментального исследования, в диапазоне контактных давлений от минимального до болевого порога амплитуда сигнала примерно пропорциональна значению давления. В качестве датчиков давления могут быть использованные любые электромеханические преобразователи, а также известные оптоволоконные преобразователи.This leads to a high systematic measurement error 40 45%
Therefore, the value of the measured time interval between the emitted and received pulses is advisable to use as an auxiliary to reduce the measurement error. First, the measurements are carried out on the injured side, and the transducers are installed so that the pathology area is between them and the time interval is measured. Then, the transducers are installed symmetrically on the healthy side “by eye”, and a more accurate installation is carried out based on the measured value of the time interval, achieving equality with the previously measured value on the healthy side. Since the area of post-traumatic bone pathology is small (the width of the diastasis is usually less than 0.5 mm), this equality is fulfilled with a symmetrical setting. A further decrease in the systematic error of measurements occurs due to the preset of the threshold of operation of the electric pulse generator according to the level of contact pressure between the emitter and (or) the receiver and biological tissue. It is known that the quality factor of oscillations and, accordingly, the duration and amplitude of the excited oscillation pulse depend on the damping of the converter on the back side and on the load side. When using a rigid case, the back load is constant. The value of the acoustic impedance of a biological object is determined by the degree of compression of the soft tissues, since both their density and the modulus of elasticity change. According to the results of an experimental study, in the range of contact pressures from the minimum to the pain threshold, the signal amplitude is approximately proportional to the pressure value. As pressure sensors can be used any electromechanical transducers, as well as well-known fiber optic transducers.

Диагностическим критерием патологического состояния кости на примере посттравматической деформации является несоответствие формы импульсного сигнала на травмированной стороне форме импульса на здоровой стороне. Как видно из схемы, ультразвуковая волна от излучателя к приемнику проходит по внешнему слою мягких тканей и по слою компактной кости. При наличии диастаза, заполненного мягкой тканью (фиброзного типа) волна, прошедшая по костным тканям, отражается от области перелома и на приемник поступает практически только волна, прошедшая по слою мягких тканей. Поскольку кость имеет резкие границы, ультразвуковой импульс, отражаясь от всех границ, возбуждает собственные колебания кости. Поэтому в норме сигнал на приемнике, расположенном над костью на расстоянии от излучателя, представляет суперпозицию как минимум двух сигналов: первого прошедшего по слою костных тканей, второго прошедшего по слою мягких тканей. Собственные колебания кости имеют частоту гораздо ниже, чем центральная частота в спектре ультразвукового импульса, поэтому при нормальном состоянии костных тканей длительность полуволны результирующего импульса гораздо больше аналогичного параметра в случае диастаза, когда длительность полуволны принятого импульса равна длительности полуволны излученного импульса. A diagnostic criterion for the pathological condition of the bone using the example of post-traumatic deformation is the mismatch of the shape of the pulse signal on the injured side of the shape of the pulse on the healthy side. As can be seen from the diagram, the ultrasonic wave from the emitter to the receiver passes through the outer layer of soft tissues and along the layer of compact bone. In the presence of diastasis filled with soft tissue (fibrous type), the wave that has passed through the bone tissue is reflected from the fracture area and almost only the wave that has passed through the soft tissue layer is transmitted to the receiver. Since the bone has sharp boundaries, the ultrasound pulse, reflected from all boundaries, excites the bone's own vibrations. Therefore, normally, a signal at a receiver located above the bone at a distance from the emitter represents a superposition of at least two signals: the first one passing through a layer of bone tissue, the second one passing through a layer of soft tissue. The natural vibrations of the bone have a frequency much lower than the central frequency in the spectrum of the ultrasonic pulse, therefore, in the normal state of the bone tissue, the half-wave of the resulting pulse is much longer than the same parameter in the case of diastasis, when the half-wave of the received pulse is equal to the half-wave of the emitted pulse.

Диагностические измерения осуществляются следующим образом. Ультразвуковой импульс возбуждается в биоткани излучателем 4 по электрическому сигналу с генератора 9 (см.чертеж). Этот импульс проходит по слоям биотканей, причем его частотный спектр и временная форма изменяются из-за наложения упругих волн, прошедших по различным слоям, прежде всего по внешнему слою мягких тканей 2 и по слою компактных костей 1. Волна, прошедшая по кости, отражается от ее естественных границ. Таким образом форма сигнала изменяется за счет появления периодической затухающей составляющей. Период этой составляющей сигнала равен периоду собственных колебаний кости, по которой проходит волна. При нарушении целостности кости, в частности, при посттравматической патологии 3, волна, проходящая через компактную кость, дополнительно отражается от области перелома и таким образом амплитуда низкочастотной составляющей сигнала снижается по отношению к амплитуде составляющей сигнала, соответствующей частоте заполнения излученного импульса. Diagnostic measurements are carried out as follows. An ultrasonic pulse is excited in the biological tissue by the emitter 4 by an electric signal from the generator 9 (see drawing). This impulse passes through the layers of biological tissues, and its frequency spectrum and temporal shape change due to the superposition of elastic waves transmitted through different layers, primarily along the outer layer of soft tissues 2 and along the layer of compact bones 1. The wave transmitted through the bone is reflected from its natural boundaries. Thus, the waveform changes due to the appearance of a periodic decaying component. The period of this signal component is equal to the period of the natural oscillations of the bone along which the wave passes. In case of violation of the integrity of the bone, in particular, in post-traumatic pathology 3, the wave passing through the compact bone is additionally reflected from the fracture area and thus the amplitude of the low-frequency component of the signal decreases with respect to the amplitude of the signal component corresponding to the filling frequency of the emitted pulse.

Результирующий сигнал регистрируется приемником 5, расположенным на некотором расстоянии от излучателя 4. Затем сигнал поступает на элемент сравнения 7, на котором производится сравнение его с почти постоянным уровнем сигнала с датчика давления 6. Измеритель периода 8 измеряет среднее значение периода ультразвукового сигнала на уровне, определяемом сигналом с датчика давления. The resulting signal is recorded by the receiver 5, located at some distance from the emitter 4. Then the signal is sent to the comparison element 7, which compares it with an almost constant signal level from the pressure sensor 6. The period meter 8 measures the average period of the ultrasonic signal at a level determined by signal from the pressure sensor.

Большинство травм односторонние, поэтому возможна сравнительная симметричная диагностика, заключающаяся в измерениях на травмированной и неповрежденной сторонах. Критерием диагностики несращения перелома является, как показывают результаты экспериментов in vitro и клинических исследований, значение эффективного периода сигнала равное периоду колебаний в излучаемом импульсе. Most injuries are one-sided, therefore, a comparative symmetric diagnosis is possible, consisting in measurements on the injured and intact sides. The criterion for diagnosing fracture nonunion is, as shown by the results of in vitro experiments and clinical studies, the value of the effective signal period is equal to the period of oscillations in the emitted pulse.

Результаты клинической апробации свидетельствуют о хорошей выявляемости неправильного фибрознотканого сращения переломов средней зоны лица в области скуло-лобного, скуло-височного отростков и скуло-челюстного отведения. Больной К. 45 лет, обратился по поводу застарелой посттравматической деформации средней зоны лица слева в результате травмы, полученной в автокатастрофе 3 года назад. Предварительно проведенная рентгеновское исследование области патологии выявило взаимное положение отломков, однако состояние биоткани между отломками не было установлено. Больному провели ультразвуковую диагностику с использованием разработанного способа. Частота заполнения ультразвукового импульса 200 кГц. Было установлено, что средний период колебаний в результирующем ультразвуковом сигнале составляет справа 24+3 мкс, а слева 5+1 мкс. Диагноз "неправильное фибрознотканое сращение перелома" подтвердился в ходе гистологического операционного исследования. Больной С. 21 год, обратился с жалобой на "скрип в области верхней челюсти слева" после травмы 2,5 месяца назад. Клиническое и рентгенологическое обследование, проведенное в травмопункте по месту жительства, не выявило нарушения целостности кости, однако ультразвуковое диагностическое обследование выявило наличие диастаза, поскольку средний (эффективный) период колебаний в результирующем сигнале составил справа 30+4 мкс, а слева в области травмы 6+1 мкс. Факт неправильного фибрознотканого сращения перелома был подтвержден при исследовании в ходе операции. Больная П. 32 лет обратилась в ЦНИИ Стоматологии по поводу посттравматической деформации средней зоны лица справа в результате автокатастрофы 7 месяцев назад. Ультразвуковую диагностику проводили в области разрыва скуло-лобного и скуло-височного швов. Значение среднего периода колебаний в первом отведении слева составило 22+3 мкс, а справа 18+3 мкс, что позволило диагностировать новообразование костной ткани в области перелома. Во втором диагностическом отведении значение периода слева составило 25+3 мкс, а справа 5+1 мкс, что позволило диагностировать неправильное фибрознотканое сращение перелома. Правильность постановки диагноза была подтверждена в ходе операции. Погрешность измерений среднего периода результирующего сигнала составила 15% при установке порогового уровня элемента сравнения пропорционально сигналу с датчика давления, регистрирующего значение контактного давления сжатия между поверхностями излучателя и биоткани, в то время как погрешность измерения среднего периода сигнала без установки порогового уровня составляет 25% The results of clinical testing testify to a good detectability of irregular fibro-tissue adhesion of mid-face fractures in the region of the cheek-frontal, cheek-temporal processes and cheek-maxillary leads. Patient K., 45 years old, applied for a long-standing post-traumatic deformation of the middle zone of the face on the left as a result of an injury received in a car accident 3 years ago. A preliminary X-ray study of the pathology area revealed the relative position of the fragments, but the state of the biological tissue between the fragments was not established. The patient underwent ultrasound diagnosis using the developed method. The filling frequency of the ultrasonic pulse is 200 kHz. It was found that the average oscillation period in the resulting ultrasonic signal is 24 + 3 μs on the right and 5 + 1 μs on the left. The diagnosis of abnormal fibro-tissue fracture fusion was confirmed by histological surgery. Patient S., 21 years old, complained of a "creak in the upper jaw on the left" after an injury 2.5 months ago. Clinical and X-ray examination conducted in the emergency room at the place of residence did not reveal a violation of the integrity of the bone, however, an ultrasound diagnostic examination revealed the presence of diastasis, since the average (effective) oscillation period in the resulting signal was 30 + 4 μs on the right and 6+ on the left in the area of injury 1 μs The fact of irregular fibro-tissue fusion of the fracture was confirmed during the study during the operation. A 32-year-old patient P. turned to the Central Research Institute of Dentistry for post-traumatic deformation of the middle zone of the face on the right as a result of a car accident 7 months ago. Ultrasound diagnostics was performed in the area of rupture of the cheek-frontal and cheek-temporal sutures. The value of the average period of oscillations in the first lead on the left was 22 + 3 μs, and on the right 18 + 3 μs, which made it possible to diagnose a bone tumor in the fracture area. In the second diagnostic lead, the period value on the left was 25 + 3 μs, and on the right 5 + 1 μs, which made it possible to diagnose an incorrect fibro-tissue fracture fusion. The correct diagnosis was confirmed during the operation. The measurement error of the average period of the resulting signal was 15% when setting the threshold level of the comparison element in proportion to the signal from the pressure sensor that records the contact pressure of compression between the surfaces of the emitter and the biological tissue, while the measurement error of the average signal period without setting the threshold level is 25%

Claims

A method for diagnosing the state of bone tissue using ultrasound, which consists in installing ultrasonic pulses on the surface of the diagnosed area of the emitter and receiver-transducer, at a distance determined by the time interval between the emitted and received pulses, radiation, reception and recording of ultrasonic pulses and assessing the condition of bone tissue using diagnostic parameter, characterized in that the emitter and the receiver-transducer are installed on one side of the diagnosed area of the braid hydrochloric cloth with pressing force corresponding to the operation threshold comparison element, and a diagnostic parameter as a half-wave length take transmitted pulse.