RU2750976C1 - Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms - Google Patents

Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms Download PDF

Info

Publication number
RU2750976C1
RU2750976C1 RU2020134154A RU2020134154A RU2750976C1 RU 2750976 C1 RU2750976 C1 RU 2750976C1 RU 2020134154 A RU2020134154 A RU 2020134154A RU 2020134154 A RU2020134154 A RU 2020134154A RU 2750976 C1 RU2750976 C1 RU 2750976C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bone tissue
fragments
density
standing waves
noise
Prior art date
Application number
RU2020134154A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Владимирович Федин
Вадим Валерьевич Климонтов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2020134154A priority Critical patent/RU2750976C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2750976C1 publication Critical patent/RU2750976C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to the field of medical methods for determining density of bone tissue, particularly, diagnostics of osteoporosis in the peripheral parts of the skeleton. The method for determining density of bone tissue is based on isolation of standing waves from microseisms of the peripheral skeleton. Noise records are therein recorded on the surface of the body at observation points for at least 5 seconds at a sampling frequency of 1000 kHz. The records are divided into fragments with a duration of 8192 counts and the amplitude spectra thereof are calculated. For each observation point, the amplitude spectra of all fragments are averaged. The presence of standing waves is determined by the appearance of quasi-regular peaks in the averaged spectrum of fragments of noise records. The quality factor is calculated, and the density of bone tissue is estimated by the value thereof.
EFFECT: reduced harmful effects on humans are ensured due to the absence of X-ray emission in obtaining diagnostic characteristics of osteoporosis by using elastic standing waves for estimation of mineral density of bone tissue.
3 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области медицинских методов определения плотности костной ткани, в частности, диагностики остеопороза в периферийных частях скелета.The invention relates to the field of medical methods for determining the density of bone tissue, in particular, the diagnosis of osteoporosis in the peripheral parts of the skeleton.

Остеопороз является бессимптомным заболеванием, которое часто диагностируется только тогда, когда произойдет перелом. В мире страдают от остеопороза около 200 миллионов человек, ежегодно происходит 8,9 миллионов переломов. Распространенность перелома проксимальных отделов бедра составляет 18-23% [Kanis JA, Cooper С, Rizzoli R et al (2017) Identification and management of patients at increased risk of osteoporotic fracture: outcomes of an ESCEO expert consensus meeting. Osteoporoslnt 28: 2023-2034; W. D. Leslie, S. R. Majumdar et al (2018) Performance of FRAX in clinical practice according to sex and osteoporosis definitions: the Manitoba BMD registry..Osteoporosislnternational 29: 759-767.] позвоночника - 75,6% ото всех переломов [Marshall D, Johnell О, Wedel H (1996) Metaanalysis of how well measures of bone mineral density predict occurrence of osteoporotic fractures. BMJ 312:1254-1259; Stone KL, Seeley DG, Lui LY, Cauley JA, Ensrud K, Browner WS, Nevitt MC, Cummings SR, Osteoporotic Fractures Research Group (2003) BMD at multiple sites and risk of fracture of multiple types: long-term results from the Study of Osteoporotic Fractures. J BoneMinerRes 18(11):1947-1954. https://doi.org/10.1359/jbmr.2003. 18.11.1947]. Переломы проксимальных отделов бедра являются одной из основных причин снижения качества жизни и смертности [Leslie WD, Lix LM, Johansson H, Oden A, McCloskey E, Kanis JA, Manitoba Bone Density Program (2010) Independent clinical validation of a Canadian FRAX tool: fracture prediction and model calibration. J BoneMinerRes 25(11):2350-2358. https://doi.org/ 10.1002/jbmr.l23; Kanis JA, McCloskey EV, Johansson H, Oden A, Melton LJ III, Khaltaev N (2008) A reference standard for the description of osteoporosis. Bone 42(3):467-475. https://doi.org/10.1016/j.bone. 2007.11.001].Osteoporosis is an asymptomatic condition that is often only diagnosed when a fracture occurs. About 200 million people worldwide suffer from osteoporosis, and 8.9 million fractures occur annually. The prevalence of fracture of the proximal femur is 18-23% [Kanis JA, Cooper C, Rizzoli R et al (2017) Identification and management of patients at increased risk of osteoporotic fracture: outcomes of an ESCEO expert consensus meeting. Osteoporoslnt 28: 2023-2034; WD Leslie, SR Majumdar et al (2018) Performance of FRAX in clinical practice according to sex and osteoporosis definitions: the Manitoba BMD registry..Osteoporosislnternational 29: 759-767.] Spine - 75.6% of all fractures [Marshall D, Johnell O, Wedel H (1996) Metaanalysis of how well measures of bone mineral density predict occurrence of osteoporotic fractures. BMJ 312: 1254-1259; Stone KL, Seeley DG, Lui LY, Cauley JA, Ensrud K, Browner WS, Nevitt MC, Cummings SR, Osteoporotic Fractures Research Group (2003) BMD at multiple sites and risk of fracture of multiple types: long-term results from the Study of Osteoporotic Fractures. J BoneMiner Res 18 (11): 1947-1954. https://doi.org/10.1359/jbmr.2003. 11/18/1947]. Fractures of the proximal femur are one of the main causes of reduced quality of life and mortality [Leslie WD, Lix LM, Johansson H, Oden A, McCloskey E, Kanis JA, Manitoba Bone Density Program (2010) Independent clinical validation of a Canadian FRAX tool: fracture prediction and model calibration. J BoneMinerRes 25 (11): 2350-2358. https://doi.org/ 10.1002 / jbmr.l23; Kanis JA, McCloskey EV, Johansson H, Oden A, Melton LJ III, Khaltaev N (2008) A reference standard for the description of osteoporosis. Bone 42 (3): 467-475. https://doi.org/10.1016/j.bone. 2007.11.001].

В Российской Федерации в группу потенциального риска остеопоротических переломов входит 34 миллиона человек (14 млн человек страдают остеопорозом, у 24 млн имеется остеопения). Подсчитано, что каждую минуту в стране у людей старше 50 лет происходит 7 переломов позвонков, каждые 5 минут - перелом шейки бедра. Летальность после перелома бедра в ряде городов России доходит до 45-52% [Goh, Maylyn; Nguyen, Harm H. Identifying and addressing osteoporosis knowledge gaps in women with premature ovarian insufficiency and early menopause: A mixed-methods study/ CLINICAL ENDOCRINOLOGY): 1-10 /DOI:10.1111/cen.14049]. Таким образом, большое значение имеет ранняя диагностика снижения минеральной плотности костной ткани, позволяющая проводить своевременное лечение и профилактику переломов.In the Russian Federation, 34 million people are at risk of osteoporotic fractures (14 million people suffer from osteoporosis, 24 million have osteopenia). It is estimated that every minute in the country, people over 50 have 7 vertebral fractures, every 5 minutes - a hip fracture. Mortality after a hip fracture in a number of Russian cities reaches 45-52% [Goh, Maylyn; Nguyen, Harm H. Identifying and addressing osteoporosis knowledge gaps in women with premature ovarian insufficiency and early menopause: A mixed-methods study / CLINICAL ENDOCRINOLOGY): 1-10 / DOI:10.1111/cen.14049]. Thus, early diagnosis of a decrease in bone mineral density is of great importance, allowing for timely treatment and prevention of fractures.

Основными методами диагностики остеопороза являются количественная компьютерная томография, количественная ультразвуковая денситометрия и «золотой стандарт» диагностики - двухэнергетическая рентгеновская денситометрия (DEXA), [Kim Т-Н, Lee Y-S, Byun DW, Jang S, Jeon D-S, Lee H-H. (2013) Evaluation of the Osteoporosis health belief scale in Korean women. J BoneMetab. 20(l):25-30; Horan ML, Kim KK, Gendler P, Froman RD, Patel MD. (1998) Development and evaluation of the osteoporosis self-efficacy scale. ResNursHealth. 21(5):395-403].The main diagnostic methods for osteoporosis are quantitative computed tomography, quantitative ultrasound densitometry and the "gold standard" diagnosis - dual energy X-ray densitometry (DEXA), [Kim T-H, Lee Y-S, Byun DW, Jang S, Jeon D-S, Lee H-H. (2013) Evaluation of the Osteoporosis health belief scale in Korean women. J BoneMetab. 20 (l): 25-30; Horan ML, Kim KK, Gendler P, Froman RD, Patel MD. (1998) Development and evaluation of the osteoporosis self-efficacy scale. ResNursHealth. 21 (5): 395-403].

Метод DEXA обладает хорошей воспроизводимостью, точностью, позволяет используя количественные показатели оценивать состояние костной ткани в динамике. В методе DEXA используют два различных рентгеновских луча, чтобы оценить плотность кости в позвоночнике и в бедре. Чем плотнее костная ткань, тем больше поглощение проходящего через нее рентгеновского излучения. Процедура занимает мало времени и дозы радиационного облучения очень низкие.The DEXA method has good reproducibility, accuracy, and allows using quantitative indicators to assess the state of bone tissue in dynamics. DEXA uses two different X-rays to assess bone density in the spine and hip. The denser the bone tissue, the greater the absorption of X-ray radiation passing through it. The procedure takes little time and the radiation doses are very low.

В современных денситометрах также имеется возможность с помощью специального программного обеспечения исследовать микроархитектонику кости. К недостаткам можно отнести рентгеновский принцип, отсутствие мобильности, высокую стоимость оборудования. Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия не является целесообразной для пациентов с протезами тазобедренных суставов и признаками дегенеративного изменения позвоночника, также этот метод противопоказан беременным женщинам.In modern densitometers, it is also possible with the help of special software to study the microarchitectonics of the bone. The disadvantages include the X-ray principle, lack of mobility, high cost of equipment. Dual-energy X-ray absorptiometry is not advisable for patients with hip prostheses and signs of degenerative changes in the spine, and this method is contraindicated in pregnant women.

На современном этапе возникла необходимость создания принципиально нового метода, отличающегося хорошей воспроизводимостью, возможностью получения количественных характеристик, подлежащих оценке в динамике, не имеющего противопоказаний, имеющего низкую стоимость исследования.At the present stage, it became necessary to create a fundamentally new method, characterized by good reproducibility, the ability to obtain quantitative characteristics to be assessed in dynamics, which has no contraindications, and has a low research cost.

Задача изобретения - создание нового способа использования упругих стоячих волн для оценки минеральной плотности костной ткани, не имеющего противопоказаний.The objective of the invention is to create a new method of using elastic standing waves for assessing bone mineral density, which has no contraindications.

Ниже описан новый безызлучательный подход для получения количественных характеристик костной структуры на основе выделения стоячих волн из микросейсм. В этом исследовании мы стремились сравнить результаты нового заявляемого метода с методом DEXA в оценке минеральной плотности костей (в дальнейшем МПК), а также показать положительные моменты в новом методе.A new nonradiative approach for quantifying bone structure based on the isolation of standing waves from microseisms is described below. In this study, we tried to compare the results of the new proposed method with the DEXA method in assessing bone mineral density (hereinafter BMD), as well as to show the positive aspects of the new method.

Технический результат изобретения заключается в снижении вредного воздействия на человека, а именно в отсутствии воздействия рентгеновского излучения, получении диагностических характеристик остеопороза.The technical result of the invention is to reduce the harmful effects on humans, namely in the absence of exposure to X-ray radiation, to obtain the diagnostic characteristics of osteoporosis.

Технический результат достигается в способе определения плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм периферического скелета, в котором регистрируют на поверхности тела в точках наблюдения шумовые записи с высокой частотой дискретизации, разбивают записи на фрагменты, вычисляют их амплитудные спектры, затем для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, и, по появлению в усредненном спектре коротких фрагментов шумовых записей квазирегулярных пиков, устанавливают наличие стоячих волн, рассчитывают добротность и по ее величине оценивают плотность костной ткани.The technical result is achieved in a method for determining the density of bone tissue based on the separation of standing waves from microseisms of the peripheral skeleton, in which noise records with a high sampling rate are recorded on the body surface at observation points, the records are divided into fragments, their amplitude spectra are calculated, then for each observation point the amplitude spectra of all fragments are averaged, and, according to the appearance of short fragments of noise recordings of quasi-regular peaks in the averaged spectrum, the presence of standing waves is established, the figure of merit is calculated, and the density of bone tissue is estimated from its value.

В способе непрерывные шумовые записи в точках наблюдения производят в течение не менее 5 секунд при частоте дискретизации 1000 кГц, после чего шумовые записи разбивают на фрагменты по 8192 отсчетов, фрагменты длительностью ~ 0.0082 с.In the method, continuous noise records at observation points are made for at least 5 seconds at a sampling rate of 1000 kHz, after which the noise records are divided into fragments of 8192 samples each, fragments with a duration of ~ 0.0082 s.

В способе добротность рассчитывают по формуле Q=W/kA, где W -значение частоты когерентного пика, кА -ширина пика.In the method, the figure of merit is calculated by the formula Q = W / kA, where W is the value of the frequency of the coherent peak, kA is the width of the peak.

В основе предлагаемого метода лежит подход к выделению стоячих волн в периферическом скелете (кости грудной и тазовой конечности), основанный на том, что исследуемый объект может колебаться на собственных частотах при воздействии на них упругих колебаний от шумовых источников искусственного или естественного происхождения. Известно, что стоячая волна образуется в результате наложения двух бегущих волн с одинаковой амплитудой, частотой и фазой (когда волны движутся навстречу друг другу). Любой замкнутый и ограниченный объект (в нашем случае это кость) имеет бесконечное количество мод стоячих волн.The proposed method is based on an approach to isolating standing waves in the peripheral skeleton (bones of the thoracic and pelvic limbs), based on the fact that the object under study can vibrate at natural frequencies when exposed to elastic vibrations from noise sources of artificial or natural origin. It is known that a standing wave is formed as a result of the superposition of two traveling waves with the same amplitude, frequency and phase (when the waves move towards each other). Any closed and limited object (in our case it is a bone) has an infinite number of standing wave modes.

Как было показано в результатах (на физическом моделировании и натурных экспериментах) [Kolesnikov Y.I., Fedin K.V., Luckymore N. (2019) Direct determination of resonant properties of near-surface sediments using microtremor // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2019. T. 125. - C. 105739-105739 (8 pages)], накопление большого числа амплитудных спектров относительно коротких фрагментов шумовых записей приводит к появлению на усредненном спектре регулярных пиков, соответствующих стоячим волнам. Критерием того, что это именно стоячие волны, является регулярный характер этих пиков.As shown in the results (on physical modeling and field experiments) [Kolesnikov Y.I., Fedin K.V., Luckymore N. (2019) Direct determination of resonant properties of near-surface sediments using microtremor // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2019. T. 125. - C. 105739-105739 (8 pages)], the accumulation of a large number of amplitude spectra of relatively short fragments of noise records leads to the appearance of regular peaks in the averaged spectrum corresponding to standing waves. The criterion that these are standing waves is the regular nature of these peaks.

Для оценки возможностей такого резонансного метода денситометрии на основе выделения стоячих волн проведена серия лабораторных измерений.To assess the capabilities of such a resonance densitometry method based on the separation of standing waves, a series of laboratory measurements was carried out.

Регистрация микросейсмического поля осуществляется с помощью ультразвукового приемника, выполненного на основе дисков из пьезокерамики ЦСТ-19 диаметром 2 мм и толщиной 1 мм. К одной из сторон пьезокерамики прикрепляют длинный медный провод от 50 см, за счет которого нивелируется виляние собственных частот самой пьезокерамики. Если же такой приемник использовать для измерения упругой скорости в материале, то сигнал будет коротким, то есть “хвостовая” часть сигнала будет отсутствовать. Другая же сторона пьезокерамики (датчика) устанавливается неподвижно на одну из указанных на фигуре 1 точек (ключица, лучезапястный сустав, тазобедренный сустав, коленные суставы, голеностопные суставы и поясничные отделы позвоночника L1-L4). Места установки датчиков выбирались согласно рекомендации врачей из Клиники НИИКЭЛ-филиал ИЦиГ СО РАН.The registration of the microseismic field is carried out using an ultrasonic receiver made on the basis of TsST-19 piezoceramic disks with a diameter of 2 mm and a thickness of 1 mm. A long copper wire from 50 cm is attached to one of the sides of the piezoceramic, due to which the wobble of the natural frequencies of the piezoceramics itself is leveled. If such a receiver is used to measure the elastic velocity in the material, then the signal will be short, that is, the “tail” part of the signal will be absent. The other side of the piezoceramic (sensor) is fixed motionlessly on one of the points indicated in figure 1 (clavicle, wrist joint, hip joint, knee joints, ankle joints and lumbar spine L1-L4). The locations for installing the sensors were selected according to the recommendations of doctors from the NIIKEL Clinic, a branch of the ICG SB RAS.

Известно, что плотность костей может сильно отличаться, как будет показано ниже. Ось максимальной чувствительности датчика должна быть направлена перпендикулярно к поверхности, на которой он устанавливается. Для регистрации сигналов шума используется цифровой осциллограф Bordo - 423, а также предварительный усилитель. В результате такой схемы эксперимента было выделены когерентные колебания, связанные со стоячими волнами, на фоне некогерентного шума.It is known that bone density can vary greatly, as will be shown below. The axis of maximum sensitivity of the sensor should be directed perpendicular to the surface on which it is installed. To register noise signals, a Bordo-423 digital oscilloscope is used, as well as a preamplifier. As a result of this experimental setup, coherent oscillations associated with standing waves were identified against the background of incoherent noise.

Сама методика измерений и аппаратура не раз применялась в ходе других исследований, описание аппаратуры и методики измерений можно прочитать в работе [Колесников Ю.И., Федин К.В., Нгомайезве Л. Диагностика твердого дорожного покрытия по упругим стоячим волнам // Инженерные изыскания. - 2018. - Т. 12. - № 7-8. - С. 84-91].The measurement technique itself and the equipment have been used more than once in the course of other studies, the description of the equipment and the measurement technique can be found in the work [Kolesnikov Yu.I., Fedin K.V., Ngomayezve L. Diagnostics of solid road surface by elastic standing waves // Engineering survey ... - 2018. - T. 12. - No. 7-8. - S. 84-91].

Регистрируемый шум в периферическом отделе скелета образуется за счет микроколебаний, источниками которых служат как внутренние органы самого человека, так и внешние шумовые воздействия на организм. Для накопления когерентных амплитудных пиков этого шума в ходе измерений было достаточно.The recorded noise in the peripheral part of the skeleton is formed due to micro-oscillations, the sources of which are both the internal organs of the person himself and external noise effects on the body. This noise was sufficient for the accumulation of coherent amplitude peaks during measurements.

Перед проведением измерений необходима калибровка прибора. Для этого используется второй пьезокерамический датчик поршневого типа. Один из датчиков работает как излучатель сигнала, подключаясь к генератору импульсов, в данном случае используется генератор импульсов Г5-54, а второй датчик используется как приемник. Производится регистрация скоростей продольных волн в эталонных образцах. Если скорость в исследуемом образце совпадает с эталонной, то прибор работает исправно. Также стоит обратить внимание на сигнал, он должен совпадать с подаваемой формой от генератора импульсов.The instrument must be calibrated before taking measurements. For this, a second piston-type piezoceramic sensor is used. One of the sensors works as a signal emitter, connecting to a pulse generator, in this case, a G5-54 pulse generator is used, and the second sensor is used as a receiver. The registration of the velocities of longitudinal waves in the reference samples is carried out. If the speed in the test sample coincides with the reference, then the device is working properly. It is also worth paying attention to the signal, it must match the supplied form from the pulse generator.

Диапазон измеряемых частот в измерительном приборе должен составлять от 1 до 20 кГц, поскольку стоячие волны образуются в костях именно в таком частотном диапазоне. Время записи для каждого положения датчика составляет примерно 5 секунд при частоте дискретизации 1 МГц. Для усреднения по времени исходные шумовые записи разбивались на фрагменты по 8192 отсчетов, для них вычислялись амплитудные спектры, которые затем усреднялись. Дальнейшее усреднение по всей записи наблюдений позволяло нивелировать эффект исчезновения пиков отдельных мод стоячих волн в спектрах записей, зарегистрированных в точках вблизи узлов этих мод. Количество фрагментов составляло от 8 до 32, то есть до тех пор, пока не появлялись регулярные когерентные пики. Длительность фрагментов ~ 0.0082 с.The range of measured frequencies in the measuring device should be from 1 to 20 kHz, since standing waves are formed in bones in this frequency range. The recording time for each sensor position is approximately 5 seconds at a sampling rate of 1 MHz. For averaging over time, the original noise records were divided into fragments of 8192 counts, amplitude spectra were calculated for them, which were then averaged. Further averaging over the entire record of observations made it possible to neutralize the effect of the disappearance of peaks of individual standing wave modes in the spectra of records recorded at points near the nodes of these modes. The number of fragments ranged from 8 to 32, that is, until regular coherent peaks appeared. Fragment duration ~ 0.0082 s.

С помощью способа получены диагностические критерии определения параметра плотности костей (добротности) с использованием метода выделения стоячих волн по накопленным амплитудным спектрам, полученным при наблюдениях на группе из 15 добровольцев мужского пола в возрасте от 50 до 70 лет. У испытуемых параметр плотности костной ткани в поясничном отделе позвоночника, генерируемый резонансным методом, сравнивали с «Золотым стандартом» диагностики, которым в настоящее время является двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия (DEXA). У самого же метода DEXA точность позволяет измерять от 2% потери костной массы в год. Как показали наши результаты точность у резонансного метода не хуже.Using the method, diagnostic criteria for determining the parameter of bone density (quality factor) were obtained using the method of isolating standing waves from the accumulated amplitude spectra obtained during observations on a group of 15 male volunteers aged 50 to 70 years. In subjects, the parameter of bone density in the lumbar spine, generated by the resonance method, was compared with the "gold standard" of diagnosis, which is now dual-energy X-ray absorptiometry (DEXA). In the case of the DEXA method itself, the accuracy makes it possible to measure from 2% of bone loss per year. As our results have shown, the accuracy of the resonance method is not worse.

На фигуре 1 указаны точки установки датчиков (помимо указанных точек датчики устанавливаются на участках позвоночника от L1 до L4), где: 1.1 и 1.2 - ключица, 2.1 и 2.2 -лучезапястный сустав, 3.1 и 3.2 - тазобедренный сустав, 4.1 и 4.2 - коленный сустав, 5.1 и 5.2 - голеностопный сустав.Figure 1 shows the installation points of the sensors (in addition to the indicated points, the sensors are installed on the spine sections from L1 to L4), where: 1.1 and 1.2 - the clavicle, 2.1 and 2.2 - the wrist joint, 3.1 and 3.2 - the hip joint, 4.1 and 4.2 - the knee joint , 5.1 and 5.2 - ankle joint.

На фигуре 2 представлены фрагменты шумовых записей, полученных с записями естественного акустического шума (треки 1 -3).Figure 2 shows fragments of noise recordings obtained with recordings of natural acoustic noise (tracks 1 -3).

На фигуре 3 показан пример амплитудного спектра накопленной записи. Уровня естественного акустического шума (до 1000 кГц) достаточно, чтобы выделить когерентные пики.Figure 3 shows an example of an accumulated recording amplitude spectrum. The level of natural acoustic noise (up to 1000 kHz) is sufficient to distinguish coherent peaks.

Чтобы проверить применимость нового метода для оценки плотности костной ткани методика была протестирована на группе из 15 добровольцев мужского пола в возрасте от 50 до 70 лет. У этих испытуемых параметр плотности костной ткани (добротность) в поясничном отделе позвоночника, полученный резонансным методом, сравнивали со значениями МПК, оцененными с помощью DEXA (денситометр «Lunar Prodigy», GE, США).To test the applicability of the new method for assessing bone density, the method was tested on a group of 15 male volunteers aged 50 to 70 years. In these subjects, the parameter of bone density (quality factor) in the lumbar spine obtained by the resonance method was compared with the BMD values estimated using DEXA (densitometer "Lunar Prodigy", GE, USA).

В технике, чтобы понять, что резонатор ослаблен, применяют безразмерную величину добротности материала. Это произведение максимальной энергии в резонаторе во время колебания на энергию, потерянную радианным циклом [Harlow, James Н. (2004) Electric power transformer engineering. CRC Press, pp.2-216. ISBN 978-0-8493-1704-0. Archived from the original on 2016-12-02]. В нашем случае при измерении амплитудно-частотного распределения это отношение частоты когерентного пика к его ширине, которая определяется как 0,707 его максимальной амплитуды [Tooley, Michael Н. Electronic circuits: fundamentals and applications. Newnes. pp.77-78. ISBN 978-0-7506-6923-8. Archived from the original on 2016-12-01]. Фактор качества резонатора называется добротностью. Если материал (в нашем случае это кость) имеет более высокую плотность, то визуально когерентный пик будет узким.In technology, in order to understand that the resonator is weakened, a dimensionless value of the quality factor of the material is used. It is the product of the maximum energy in the resonator during oscillation by the energy lost in the radian cycle [Harlow, James H. (2004) Electric power transformer engineering. CRC Press, pp. 2-216. ISBN 978-0-8493-1704-0. Archived from the original on 2016-12-02]. In our case, when measuring the amplitude-frequency distribution, this is the ratio of the frequency of the coherent peak to its width, which is defined as 0.707 of its maximum amplitude [Tooley, Michael H. Electronic circuits: fundamentals and applications. Newnes. pp. 77-78. ISBN 978-0-7506-6923-8. Archived from the original on 2016-12-01]. The quality factor of the resonator is called Q-factor. If the material (in our case, it is bone) has a higher density, then the visually coherent peak will be narrow.

На фигуре 4 показана величина резонансного фильтра с коэффициентом усиления по напряжению 0,707 (ширина половинной мощности) [Dennis Bohn. (2008) "Bandwidth in Octaves Versus Q in Bandpass Filters", www.rane.com. Retrieved 2019-11-20].Figure 4 shows the magnitude of a resonant filter with a voltage gain of 0.707 (half power width) [Dennis Bohn. (2008) "Bandwidth in Octaves Versus Q in Bandpass Filters", www.rane.com. Retrieved 2019-11-20].

На фигуре 5 показан пример фрагмент накопленного амплитудного спектра полученного на отделе позвоночника L4 у мужчины 34 летнего возраста. Значение частоты когерентного пика равно 2,34, его амплитуда равна 0,283. Ширина пика определяется как 0,283*0,707=0,2. Значение добротности Q вычислялось следующим образом:Figure 5 shows an example of a fragment of the accumulated amplitude spectrum obtained on the L4 spine in a 34-year-old man. The frequency of the coherent peak is 2.34, its amplitude is 0.283. The peak width is defined as 0.283 * 0.707 = 0.2. The figure of merit Q was calculated as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где W - значение частоты когерентного пика, а kA - ширина пика.where W is the frequency of the coherent peak, and kA is the width of the peak.

Если рассматриваемый объект (кость) является материалом с хорошей (высокой) добротностью (т.е. плотным, при Q больше 6.9 в случае поясничного отдела позвоночника -см. результаты ниже), то на конечном результате (частотно-амплитудном распределении) когерентные пики будут как правило визуально узкими (соотношение амплитуды пика к его ширине), если же кость не плотная (с низкой добротностью, при Q меньше 6.9 в случае поясничного отдела позвоночника - см. результаты ниже), то и результат будет противоположным (широкие пики).If the object (bone) in question is a material with a good (high) quality factor (i.e., dense, with Q greater than 6.9 in the case of the lumbar spine - see the results below), then on the final result (frequency-amplitude distribution), coherent peaks will be as a rule, visually narrow (the ratio of the amplitude of the peak to its width), if the bone is not dense (with a low quality factor, with Q less than 6.9 in the case of the lumbar spine - see the results below), then the result will be the opposite (wide peaks).

Для диагностики остеопатии пограничное значение Q для мужчин от 50 до 70 лет для ключицы, лучезапястного сустава, тазобедренного сустава, коленных суставов и голеностопных суставов должно быть менее 6.4, 6,8, 7,2, 7,1 и 7 соответственно.For the diagnosis of osteopathy, the cutoff Q value for men aged 50 to 70 for the clavicle, wrist, hip, knee and ankle joints should be less than 6.4, 6.8, 7.2, 7.1, and 7, respectively.

В таблице 1 для сравнения показаны значения плотности костей (добротности) в поясничном отделе позвоночника (L1-L4), полученные резонансным методом, и значения МПК, полученные с помощью DEXA в выбранной группе мужчин. У четырех из 15 пациентов была обнаружена остеопатия.For comparison, Table 1 shows the bone density (Q-factor) values in the lumbar spine (L1-L4) obtained by the resonance method, and the BMD values obtained using DEXA in a selected group of men. Four out of 15 patients were diagnosed with osteopathy.

ТАБЛИЦА I. Результаты оценки МПК в поясничном отделе позвоночника (L1-L4) и добротность в резонансном методе на мужчинах в возрасте от 50 до 70 лет.TABLE I. Results of BMD assessment in the lumbar spine (L1-L4) and Q-factor in the resonance method in men aged 50 to 70 years.

Figure 00000002
Figure 00000002

Добротность в резонансе продемонстрировала тесную положительную корреляцию с МПК, полученной с помощью DEXA (r=0,92, р<0,00001, r - коэффициент корреляции Пирсона при классическом методе статистики, р - вероятность).The Q-factor in resonance showed a close positive correlation with the BMD obtained using DEXA (r = 0.92, p <0.00001, r is Pearson's correlation coefficient under the classical method of statistics, p is the probability).

Пациенты с остеопатией из таблицы 1 - 3,5,8 и 10 пациенты, по возрасту 55, 56, 53 и 51 соответственно. В случае представленной категории испытуемых (от 50 до 70 лет мужчины) можно заметить, что если значение добротности (Q) в среднем выше чем 6.9, то плотность костей хорошая, если ниже 6.9, то стоит обратить внимание и назначить комплекс лечения.Patients with osteopathy from Table 1 - 3,5,8 and 10 patients, by age 55, 56, 53 and 51, respectively. In the case of the presented category of subjects (from 50 to 70 years old men), it can be noted that if the value of the quality factor (Q) is on average higher than 6.9, then the bone density is good, if it is below 6.9, then it is worth paying attention and prescribing a complex of treatment.

Остальные же пациенты, у которых значение Q получилось ниже 6.9, например 7 пациент (68 лет) из таблицы 1 на верхней грани данной рассматриваемой возрастной категории и для него считается нормой значение добротности.The rest of the patients in whom the Q value turned out to be below 6.9, for example, 7 patient (68 years old) from Table 1 is on the upper edge of this considered age category and for him the value of the quality factor is considered the norm.

В результате этого исследования был разработан новый метод оценки плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм, а также его аппаратная реализация. Данные показывают, что результаты оценки плотности костей (добротности) в поясничном отделе позвоночника, полученные резонансным методом, сопоставимы с результатами DEXA. Преимуществом предлагаемого способа являются низкая стоимость и отсутствие радиационного воздействия на пациента.As a result of this study, a new method for assessing bone density based on the separation of standing waves from microseisms was developed, as well as its hardware implementation. The data show that the results of the bone density (Q-factor) assessment in the lumbar spine, obtained by the resonance method, are comparable to the results of DEXA. The advantages of the proposed method are low cost and no radiation exposure to the patient.

Claims (3)

1. Способ определения плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм периферического скелета, состоящий в том, что регистрируют на поверхности тела в точках наблюдения шумовые записи, разбивают записи на фрагменты, вычисляют их амплитудные спектры, затем для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов и по появлению в усредненном спектре фрагментов шумовых записей квазирегулярных пиков устанавливают наличие стоячих волн, рассчитывают добротность и по ее величине оценивают плотность костной ткани.1. A method for determining the density of bone tissue based on the isolation of standing waves from microseisms of the peripheral skeleton, consisting in the fact that noise records are recorded on the body surface at observation points, the recordings are divided into fragments, their amplitude spectra are calculated, then for each observation point, amplitude spectra of all fragments and the appearance of quasi-regular peaks in the averaged spectrum of fragments of noise records, the presence of standing waves is established, the figure of merit is calculated, and the density of bone tissue is estimated from its value. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что непрерывные шумовые записи в точках наблюдения производят в течение не менее 5 секунд при частоте дискретизации 1000 кГц, после чего шумовые записи разбивают на фрагменты длительностью по 8192 отсчета.2. The method according to claim 1, characterized in that continuous noise recordings at the observation points are made for at least 5 seconds at a sampling rate of 1000 kHz, after which the noise recordings are divided into fragments with a duration of 8192 samples. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что добротность рассчитывают по формуле Q=W/kA, где W - значение частоты когерентного пика, kA - ширина пика.3. The method according to claim 1, characterized in that the figure of merit is calculated by the formula Q = W / kA, where W is the value of the frequency of the coherent peak, kA is the width of the peak.
RU2020134154A 2020-10-16 2020-10-16 Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms RU2750976C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134154A RU2750976C1 (en) 2020-10-16 2020-10-16 Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134154A RU2750976C1 (en) 2020-10-16 2020-10-16 Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2750976C1 true RU2750976C1 (en) 2021-07-07

Family

ID=76755922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020134154A RU2750976C1 (en) 2020-10-16 2020-10-16 Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2750976C1 (en)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10295693A (en) * 1997-04-23 1998-11-10 Sensor:Kk Evaluation method for osteoporosis by ultrasonic wave and its device
US7112173B1 (en) * 1998-03-03 2006-09-26 Sunlight Medical Ltd. Determination of acoustic velocity in bone
RU2289317C2 (en) * 2004-12-14 2006-12-20 Тимур Булатович Минасов Method for registering biomechanical properties of long tubular bones
WO2008067328A2 (en) * 2006-11-27 2008-06-05 Board Of Regents, The University Of Texas System Density and porosity measurements by ultrasound
EP2950711A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-09 Ramot at Tel-Aviv University Ltd. Detection, diagnosis and monitoring of osteoporosis by a photo-acoustic method
RU2598642C2 (en) * 2010-09-09 2016-09-27 Боун Индекс Финлэнд Ой Method and device for estimating mineral density of a bone
WO2017123506A1 (en) * 2016-01-11 2017-07-20 Behzadi Kambiz Orthopedic systems and methods
KR101840349B1 (en) * 2016-11-15 2018-03-21 강원대학교산학협력단 Apparatus and method for estimating bone mineral density using ultrasonic sum frequency component
CN108514430A (en) * 2018-05-07 2018-09-11 南京大学 A kind of array multifrequency point ultrasonic bone density measuring technique
US20200008774A1 (en) * 2016-01-11 2020-01-09 Kambiz Behzadi Invasive sense measurement in prosthesis installation

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10295693A (en) * 1997-04-23 1998-11-10 Sensor:Kk Evaluation method for osteoporosis by ultrasonic wave and its device
US7112173B1 (en) * 1998-03-03 2006-09-26 Sunlight Medical Ltd. Determination of acoustic velocity in bone
RU2289317C2 (en) * 2004-12-14 2006-12-20 Тимур Булатович Минасов Method for registering biomechanical properties of long tubular bones
WO2008067328A2 (en) * 2006-11-27 2008-06-05 Board Of Regents, The University Of Texas System Density and porosity measurements by ultrasound
RU2598642C2 (en) * 2010-09-09 2016-09-27 Боун Индекс Финлэнд Ой Method and device for estimating mineral density of a bone
EP2950711A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-09 Ramot at Tel-Aviv University Ltd. Detection, diagnosis and monitoring of osteoporosis by a photo-acoustic method
WO2017123506A1 (en) * 2016-01-11 2017-07-20 Behzadi Kambiz Orthopedic systems and methods
US20200008774A1 (en) * 2016-01-11 2020-01-09 Kambiz Behzadi Invasive sense measurement in prosthesis installation
KR101840349B1 (en) * 2016-11-15 2018-03-21 강원대학교산학협력단 Apparatus and method for estimating bone mineral density using ultrasonic sum frequency component
CN108514430A (en) * 2018-05-07 2018-09-11 南京大学 A kind of array multifrequency point ultrasonic bone density measuring technique

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2965153B2 (en) Ultrasonic evaluation method and apparatus for evaluating the state of bone in a living body
Sakata et al. Assessing bone status beyond BMD: evaluation of bone geometry and porosity by quantitative ultrasound of human finger phalanges
MARKEL et al. Noninvasive monitoring techniques for quantitative description of callus mineral content and mechanical properties.
JPH04501519A (en) Ultrasonic bone analysis method and device
Bediz et al. Vibration measurements predict the mechanical properties of human tibia
Trebacz et al. Ultrasound velocity and attenuation in cancellous bone samples from lumbar vertebra and calcaneus
Wong et al. Review of techniques for monitoring the healing fracture of bones for implementation in an internally fixated pelvis
Moreschi et al. Monitoring trabecular bone microdamage using a dynamic acousto-elastic testing method
Rohde et al. Influence of porosity, pore size, and cortical thickness on the propagation of ultrasonic waves guided through the femoral neck cortex: a simulation study
Tsuda-Futami et al. An evaluation of a new gel-coupled ultrasound device for the quantitative assessment of bone.
Gonnelli et al. The use of ultrasound in the assessment of bone status
Benirschke et al. The use of resonant frequency measurements for the noninvasive assessment of mechanical stiffness of the healing tibia
RU2750976C1 (en) Method for determining density of bone tissue based on standing wave emission from peripheral skeleton microseisms
Shrivastava et al. Assessment of bone condition by acoustic emission technique: A review
Glüer et al. Quantitative ultrasound: use in the detection of fractures and in the assessment of bone composition
Wüster et al. Usefulness of quantitative ultrasound in evaluating structural and mechanical properties of bone: comparison of ultrasound, dual-energy X-ray absorptiometry, micro-computed tomography, and mechanical testing of human phalanges in vitro
Rinaldo et al. Quantitative ultrasonometry for the diagnosis of osteoporosis in human skeletal remains: New methods and standards
Cunningham Vibration analysis
Fedin et al. A new method for the diagnosis of osteoporosis based on standing waves
KR102303922B1 (en) Method for estimating bone mineral density and bone structure using ultrasonic attenuation coefficient and phase velocity
Samir et al. A prototype of ultrasound forearm bone densitometer in validation with pDXA bone densitometer
Karaduman et al. Assessment of crack initiation and propagation in bone using acoustic emission (AE) techniques
Chiu et al. Healing assessment of an internally fixated femur using vibration analysis
Singh Bone fracture imaging study with an acoustic technique
RU2289317C2 (en) Method for registering biomechanical properties of long tubular bones