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    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die am zentralen Skelett die Messung verschiedener Knocheneigenschaften, die mit der Bruchfestigkeit der Knochen in Zusammenhang stehen, insbesondere die Knochendichte, mittels Ultraschall erlaubt. Die Vorrichtung eignet sich ganz besonders zur Untersuchung des Femur und trägt dem ungünstigen Verhältnis von Weichgewebedicke zu Knochendurchmesser dort Rechnung. DOLLAR A Die Knochendichte wird unmittelbar aus der Laufzeit von Ultraschall im trabekulären Knochen bestimmt, wobei automatisch Korrekturen für Weichgewebe berücksichtigt werden.The invention relates to a device which allows on the central skeleton the measurement of different bone properties, which are related to the breaking strength of the bones, in particular the bone density, by means of ultrasound. The device is particularly suitable for examining the femur and takes into account the unfavorable ratio of soft tissue thickness to bone diameter there. DOLLAR A The bone density is determined directly from the transit time of ultrasound in the trabecular bone, automatically taking into account corrections for soft tissue.
    公开号:DE102004029902A1
    申请号:DE200410029902
    申请日:2004-06-19
    公开日:2006-01-12
    发明作者:Reinhard Dr. Barkmann；Claus-C. Glüer；Pascal Laugier；Urs Moser；Frédéric PADILLA
    申请人:Sulzer Markets and Technology AG；Schleswiger Tauwerkfabrik Oellerking GmbH and Co KG；Universitatsklinikum Schleswig Holstein UKSH；Centre National de la Recherche Scientifique CNRS；Universite Pierre et Marie Curie Paris 6；
    IPC主号:A61B5-00
    专利说明:
    [0001] Osteoporoseist eine systemische Skeletterkrankung, die durch eine niedrigeKnochenmasse und Störungder Mikroarchitektur des Knochengewebes charakterisiert ist. Sieist eine komplexe, multifaktorielle, chronische Erkrankung, die über Dekaden hinwegsymptomlos verlaufen kann, bis der Knochenverlust eine Grenze erreicht,die im Folgenden zu einer erhöhtenKnochenbrüchigkeitund Frakturanfälligkeitführt.Verschiedene Studien konnten zeigen, dass mit der Erniedrigung derKnochendichte das Risiko fürFrakturen steigt.osteoporosisis a systemic skeletal disease characterized by a lowBone mass and disorderMicroarchitecture of bone tissue is characterized. sheis a complex, multifactorial, chronic disease that persists for decadesasymptomatic until bone loss reaches a limit,the following to an increasedbone fragilityand fracture susceptibilityleads.Various studies have shown that with the humiliation ofBone density the risk forFractures is increasing.
    [0002] Dieklinische Osteoporosediagnostik umfasst mehrere Schritte und hatzum Ziel, ein individuelles Risikoprofil zu erstellen, woran sichdie Therapieentscheidung orientiert. Bei der nichtinvasiven Bestimmungder Knochendichte sind grundsätzlichzwei methodische Ansätzezu unterscheiden – dieMessung mit ionisierender Strahlung und die akustischen Messverfahrenmit Ultraschall. Bei den Messverfahren mit ionisierender Strahlungwird der Knochenmineralsalzgehalt mittels Single- oder Dual-Photonen-Absorptionsmetrie(SPA oder DPA), Dual-Röntgen-Absorptionsmetrie(DXA) oder Quantitativer Computertomographie (QCT) bestimmt. DieseVerfahren messen mittels ionisierender Strahlung den Mineralsalzgehaltim Knochen, erkennen aber nicht seine mechanischen Qualitäten.TheClinical osteoporosis diagnostics involves several steps and hasthe goal is to create an individual risk profile, which isthe therapeutic decision oriented. In non-invasive determinationthe bone density are basicallytwo methodological approachesto distinguish - theMeasurement with ionizing radiation and the acoustic measuring methodswith ultrasound. In the measurement methods with ionizing radiationthe bone mineral salt content is determined by single or dual photon absorption metry(SPA or DPA), dual X-ray absorption metric(DXA) or Quantitative Computed Tomography (QCT). TheseMethods measure by means of ionizing radiation the mineral salt contentin the bone, but do not recognize its mechanical qualities.
    [0003] QuantitativerUltraschall (QUS) stellt eine Alternative zur Röntgenstrahldensitometrie dar.Mittels Ultraschall kann die frequenzabhängige Schallabschwächung (BUA)und die Ultraschalttransmissionsgeschwindigkeit (SOS) im Knochenermittelt werden. Da diese Parameter mit den mechanischen und strukturellenEigenschaften des Knochens korrelieren, eignen sich Ultraschalltechnikendazu, die Elastizität,Geometrie und Struktur des Knochens darzustellen und so das Risikofür osteoporotischeFrakturen einzuschätzen.quantitativeUltrasound (QUS) is an alternative to X-ray densitometry.Using ultrasound, the frequency-dependent sound attenuation (BUA)and the ultrasound transmission rate (SOS) in the bonebe determined. Because these parameters with the mechanical and structuralProperties of the bone correlate, are suitable ultrasound techniquesto that, the elasticity,To represent geometry and structure of the bone and so the riskfor osteoporoticAssess fractures.
    [0004] Essind verschiedene Ultraschall-Meßmethoden zur Messung von Knocheneigenschaftenbekannt. Diese Verfahren sind durch unterschiedliche Modi der Ultraschallausbreitungcharakterisiert und hängenim Wesentlichen von den strukturellen Eigenschaften des Knochensab.Itare different ultrasonic measuring methods for measuring bone characteristicsknown. These methods are characterized by different modes of ultrasonic propagationcharacterized and hangingessentially from the structural characteristics of the bonefrom.
    [0005] DieUltraschalltransmission beschreibt die Aussendung eines Schallsignalsund den Empfang, nachdem dieses den Knochen durchdrungen hat. Gemäß der komplexenNatur der Schallausbreitung sind auch die Änderungen im Schallsignal komplex, wasdie Möglichkeiteröffnet,mit verschiedenen Verfahren der Signalanalyse Variablen aus demSignal zu extrahieren, die potentiell verschiedene Knocheneigenschaftenwiedergeben. Signalveränderungen hängen vonder Masse und Struktur des trabekulären Knochens und der Dickeund Struktur des kortikalen Knochens ab.TheUltrasonic transmission describes the emission of a sound signaland the reception after it has penetrated the bone. According to the complexNature of sound propagation are also the changes in the sound signal complex whatthe possibilityopened,with different methods of signal analysis variables from theSignal to extract the potentially different bone characteristicsplay. Signal changes depend onthe mass and structure of the trabecular bone and the thicknessand structure of the cortical bone.
    [0006] DasCharakteristikum der Quertransmission der Spongiosa ist die Durchschallungeines überwiegendtrabekulärenKnochens mit Hilfe zweier sich gegenüberstehender Schallwandler.Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen in der Art der Schalleinkopplung(Wasserbad, Gel) und in der Verwendung feststehender oder scannenderSchallwandler. Die derzeit kommerziell erhältlichen Ultraschall-Systeme(z.B. Achilles Insight, Fa. GE-Lunar; DTU-one, Fa. OSI/Osteometer; Cuba Clinical,Fa. McCue; QUS-2, Fa. Metra) wurden für Messungen der Knochendichtean einigen peripheren Messorten, hauptsächlich am Kalkaneus entwickelt.TheCharacteristic of the transverse transmission of cancellous bone is the sound transmissionone predominantlytrabecularBone with the help of two opposing transducers.Differences between the methods exist in the type of sound coupling(Water bath, gel) and in use fixed or scanningSound transducers. The currently commercially available ultrasonic systems(e.g., Achilles Insight, GE-Lunar; DTU-one, OSI / Osteometer; Cuba Clinical,Fa. McCue; QUS-2, Metra) were used for bone mineral density measurementsdeveloped at some peripheral sites, mainly at the calcaneus.
    [0007] DieQuertransmission der Kortikalis arbeitet ebenfalls mit zwei gegenüberliegendenSchallwandlern und der Querdurchschallung des Knochens und kannausschließlichbei Knochen eingesetzt werden, die von zwei gegenüberliegendenSeiten zugänglich sind.Als einzige Knochen werden klinisch zurzeit die proximalen Phalangenan der distalen Metaphyse gemessen.TheTransverse transmission of the cortex also works with two oppositeSound transducers and the cross-sounding of the bone and canexclusivelyused in bones that are opposed by twoPages are accessible.The only bones currently being clinically proximal phalangesmeasured at the distal metaphysis.
    [0008] Beider Längstransmissionder Kortikalis wird die Schallausbreitung in einer dünnen Schichtunter der Knochenoberflächegemessen. Zurzeit gebräuchlicheMessorte sind Tibia, Palanx, Metatasale und Radius. Die Längstransmissionlässt sichprinzipiell an allen Stellen des Skeletts bestimmen, die von einerSeite ohne zu dicke Weichteilschichten erreichbar sind.atthe longitudinal transmissionthe cortical becomes the sound propagation in a thin layerunder the bone surfacemeasured. Currently in useLocations include Tibia, Palanx, Metatasal and Radius. The longitudinal transmissionlet yourselfin principle determine at all points of the skeleton, that of aPage can be reached without too thick soft tissue layers.
    [0009] Die US 6468215 beschreibt eineVorrichtung zur Messung der so genannten axialen Transmission ankompakten Knochen. Hier wird die Welle analysiert, die entlang derKnochenachse ein Stückdurch die Kompakta läuft.The US 6468215 describes a device for measuring the so-called axial transmission of compact bones. Here, the wave is analyzed, which runs along the bone axis a bit through the Kompakta.
    [0010] Für Ultraschalluntersuchungenan Knochen, die von dickem Weichgewebe umschlossen sind, ist esoft unerlässlich,die genaue Lage des Knochens zunächstzu ermitteln. Dies kann nahe liegend ebenfalls durch Ultraschallmessunggeschehen.For ultrasound examinationsit is on bones that are surrounded by thick soft tissueoften indispensable,the exact location of the bone firstto investigate. This can be obvious also by ultrasonic measurementhappen.
    [0011] Beispielsweisemit Hilfe der Oberflächendarstellung(surfacce rendering) wird die Lage der Knochenoberflächen ausgemessenund in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt (EP1059612).Bei diesem Verfahren wird ein Schallimpuls von einem Schallwandlerausgesandt und von der Knochenoberfläche reflektiert. Durch Abscannenin zwei linearen Richtungen kann die Knochenoberfläche in einemgrößeren Arealdargestellt werden.For examplewith the help of the surface representation(surfacce rendering) the position of the bone surfaces is measuredand in a three-dimensional coordinate system (EP1059612).In this method, a sound pulse from a sound transduceremitted and reflected from the bone surface. By scanningin two linear directions, the bone surface in onelarger areabeing represented.
    [0012] Diebeschriebenen Ultraschallverfahren finden bisher nur an einigenperipheren Messorten, hauptsächlichdem Kalkaneus, Anwendung. Sie gestatten zwar die Abschätzung einesosteoporotischen Frakturrisikos am Skelett (z.B. Femur, Wirbelkörper undUnterarm), das Frakturrisiko des Femurs lässt sich jedoch deutlich besserdurch eine Messung direkt an diesem Ort abschätzen. Insbesondere die Kortikalisdes Femurhalses besitzt eine nennenswerte Bedeutung für die Bruchfestigkeit.Anders als am Kalkaneus lässtsich die Position und Ausrichtung des Femurs jedoch nicht durch äußere Fixierungsmaßnahmenfestlegen.TheUltrasonic methods described so far only found someperipheral measuring sites, mainlythe calcaneus, application. Although they allow the estimation of aosteoporotic fracture risk on the skeleton (e.g., femur, vertebral body andForearm), but the fracture risk of the femur is much betterestimate by measuring directly at this location. Especially the cortexof the femoral neck has a significant importance for the breaking strength.Unlike at the calcaneus leavesHowever, the position and orientation of the femur are not affected by external fixationestablish.
    [0013] Insbesonderean zentralen Stellen des Skeletts (z.B. am proximalen Femur) beeinflussenden Knochen umgebende Weichteile die Schalllaufzeit bei der Durchschallungder Femurregion. Muskel- und Fettschichten stellen eine potentielleFehlerquelle dar und erschweren die Definition der interessierendenMessregion (region of interest, ROI).Especiallyat central sites of the skeleton (e.g., at the proximal femur)soft tissue surrounding the bone, the sound transit time during the sound transmissionthe femur region. Muscle and fat layers pose a potentialError source and complicate the definition of the interestedMeasurement region (region of interest, ROI).
    [0014] DieSchallgeschwindigkeit im trabekulären Knochen hängt vonder Anzahl und Dicke der Trabekel sowie ihrer Anordnung ab. Beigeringer Variabilitätin der Anordnung ist die Schallgeschwindigkeit in guter Näherung einMaß für die apparenteKnochendichte, das Verhältniszwischen der Mineralmasse und dem eingenommenen Volumen. Dabei stelltdie Schallgeschwindigkeit im Knochenmark die untere Grenze dar.Knochensubstanz erhöhtdiesen Wert. Die relative Änderungder Schallgeschwindigkeit ist also deutlich kleiner als die relative Änderungder Knochendichte.TheSpeed of sound in trabecular bone depends onthe number and thickness of the trabecula and their arrangement. atlow variabilityin the arrangement, the speed of sound is in good approximationMeasure of the apparentBone density, the ratiobetween the mineral mass and the occupied volume. It putsthe speed of sound in the bone marrow is the lower limit.Bone substance increasedthis value. The relative changeThe speed of sound is thus much smaller than the relative changethe bone density.
    [0015] Für die Bestimmungder mittleren Schallgeschwindigkeit im Knochen ist die Kenntnisder Laufzeit tB im Knochen und der DickeDB des Knochens nötig. Dann lässt sich die Schallgeschwindigkeitberechnen mit SOSB = DB/tB. Fehler in der Bestimmung von DB wirken sich direkt auf die Genauigkeitvon SOSB und stärker auf die Genauigkeit derKnochendichtebestimmung aus.To determine the average speed of sound in the bone, it is necessary to know the transit time t B in the bone and the thickness D B of the bone. Then the speed of sound can be calculated as SOS B = D B / t B. Errors in the determination of D B have a direct impact on the accuracy of SOS B and more on the accuracy of the bone density determination.
    [0016] DieKnochendicke lässtsich prinzipiell aus der Laufzeit der reflektierten Signale bestimmen. Dazumuss die Schallgeschwindigkeit in den Weichteilen allerdings alsbekannt vorausgesetzt werden. Variabilitäten in dieser Schallgeschwindigkeiterhöhenalso den Fehler in der Dickenbestimmung. Dieser Effekt und Unsicherheitenin der Laufzeitmessung des reflektierten Signals verhindern, dassdie Dicke und damit die Schallgeschwindigkeit im Knochen mit einerGenauigkeit gemessen werden kann, welche eine vernünftige Abschätzung derKnochendichte gestattet.TheBone thickness leavesin principle determine from the transit time of the reflected signals. ToHowever, the speed of sound in the soft tissues must be consideredbe assumed to be known. Variabilities in this speed of soundincreaseSo the error in the thickness determination. This effect and uncertaintiesin the transit time measurement of the reflected signal preventthe thickness and thus the speed of sound in the bone with aAccuracy can be measured, which is a reasonable estimate ofBone density allowed.
    [0017] Esist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, dieam zentralen Skelett die Messung der Knochendichte über dieLaufzeitmessung von Ultraschall im Knochengewebe mit hoher Genauigkeitund Reproduzierbarkeit erlaubt. Insbesondere soll die Vorrichtungdabei zur Untersuchung am Femur geeignet sein.ItThe object of the invention is to provide a device whichat the central skeleton the measurement of the bone density over theTransit time measurement of ultrasound in bone tissue with high accuracyand reproducibility allowed. In particular, the device shouldbe suitable for examination on the femur.
    [0018] DieAufgabe wird gelöstdurch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche gebenvorteilhafte Ausgestaltungen an.TheTask is solvedby a device having the features of the main claim. The subclaims giveadvantageous embodiments.
    [0019] ZurnäherenErläuterungder Erfindung werden folgende Figuren verwendet:tocloserexplanationThe invention uses the following figures:
    [0020] 1 zeigtein Ausführungsbeispielder erfindungsgemäßen Vorrichtungmit Angaben zu den vorgesehenen Bewegungsmöglichkeiten, 1 shows an embodiment of the device according to the invention with information on the intended movement possibilities,
    [0021] 2 stelltden in der Vorrichtung implementierten Messalgorithmus zur Bestimmungder Knochendichte als Ablaufdiagramm verkürzt dar, 2 Fig. 3 shows the bone-density determination algorithm implemented in the device shortened as a flowchart;
    [0022] 3 zeigteine Prinzipdarstellung zur Kapselung der Messvorrichtung für eine verbesserteAnkopplung der Schallwandler an dickes Weichgewebe. 3 shows a schematic diagram of the encapsulation of the measuring device for an improved coupling of the sound transducer to thick soft tissue.
    [0023] Dieerfindungsgemäße Vorrichtungumfasst notwendig zwei aufeinander zu gerichtete Ultraschallwandler,die – ineiner möglichenAusführungsformgemäß 1 – an einerGabel angeordnet und hinsichtlich ihrer relativen Orientierung undihres Abstandes zueinander fixiert sind. Die Vorrichtung umfasstferner Mittel zur präzisenAusrichtung der Gabel relativ zu einer Referenzebene, die durchcharakteristische Punkte des zu untersuchenden Knochens definiertwird. Einzelheiten der Positioniervorrichtung sind Gegenstand einesparallelen Patentbegehrens und werden hier nicht wiedergegeben.The device according to the invention necessarily comprises two ultrasound transducers facing each other, which - in one possible embodiment according to FIG 1 - Are arranged on a fork and fixed with respect to their relative orientation and their distance from each other. The apparatus further comprises means for precisely aligning the fork relative to a reference plane defined by characteristic points of the bone to be examined. Details of the positioning device are the subject of a parallel patent application and are not reproduced here.
    [0024] DieVorrichtung ist fürden scannenden Betrieb entlang einer beliebigen planaren oder sogar gekrümmten Fläche vorgesehen.Entsprechende Stellantriebe sind vorgesehen und werden ebenfalls anderswobeschrieben.TheDevice is forprovided the scanning operation along any planar or even curved surface.Corresponding actuators are provided and are also elsewheredescribed.
    [0025] Beider erfindungsgemäßen Vorrichtungwerden die Ultraschallwandler zugleich als Sender und Empfänger eingesetzt,d.h. es werden transmittierte und reflektierte Schallsignale – üblicherweisesimultan – aufgezeichnet.Die Laufzeiten dieser Signale werden gemessen als Zeitspanne zwischendem vorgegebenen Zeitpunkt des Aussendens eines Signals und demEintreffen des ersten Schallanteils am gleichen (gegenüberliegenden)Schallwandler fürdie reflektierte (transmittierte) Strahlung. Die Vorrichtung umfasstdafür eineelektronische Einrichtung zur hochgenauen Zeitmessung.atthe device according to the inventionthe ultrasonic transducers are used at the same time as transmitter and receiver,i.e. it will be transmitted and reflected sound signals - usuallysimultaneously - recorded.The transit times of these signals are measured as a time span betweenthe predetermined time of sending a signal and theArrival of the first sound portion at the same (opposite)Sound transducer forthe reflected (transmitted) radiation. The device comprisesfor oneelectronic device for high-precision time measurement.
    [0026] Diefolgenden Ausführungensind konkret auf den Femur gerichtet, was ihre Übertragung auf andere Skelettbereicheallerdings nicht grundsätzlich einschränken soll.Das nachfolgend beschriebene Prinzip ist in einer Auswerteeinheitder erfindungsgemäßen Vorrichtung,z.B. als Programm oder als elektronische Schaltung, implementiertund kann auf beliebige Knochen angewandt werden. Über dieAussagekraft – Interpretation – der vonder Vorrichtung ermittelten Knochendichtewerte kann und soll hierkeine allgemeingültigeAussage fürdas gesamte Skelett gemacht werden.The following statements are specific directed to the femur, which should not limit their transmission to other skeletal areas, however, in principle. The principle described below is implemented in an evaluation unit of the device according to the invention, for example as a program or as an electronic circuit, and can be applied to any bone. The meaningfulness - interpretation - of the bone density values determined by the device can not and should not be made a generally valid statement for the entire skeleton here.
    [0027] Diezurzeit beste quantitative Größe zur Bestimmungder Bruchfestigkeit des Femurs ist nicht die volumetrische Knochendichtesondern eine radiologisch gemessene Flächendichte, genannt Bone MineralDensity (BMD). BMD ist das Produkt aus Volumendichte und Dicke desKnochens.Thecurrently best quantitative size for determinationThe fracture strength of the femur is not the volumetric bone densitybut a radiologically measured surface density, called bone mineralDensity (BMD). BMD is the product of volume density and thickness of theBone.
    [0028] Erfindungsgemäß werdendrei Schalllaufzeiten von der Vorrichtung ermittelt: – diegesamte Schalllaufzeit zwischen den Wandlern t – dieLaufzeiten zwischen den Wandlern und den jeweils gegenüberliegenden Knochenoberflächen (=Hälfteder Zeit zwischen dem Zeitpunkt der Abstrahlung und dem Zeitpunkt desEmpfangs der Welle an einem Wandler) t1,t2.According to the invention, three sound transit times are determined by the device: - the total sound propagation time between the transducers t - The transit times between the transducers and the opposite ones Bone surfaces (= half the time between the time of emission and the time of receipt of the wave on a transducer) t 1 , t 2 .
    [0029] DieLaufzeit des Schalls im Knochen tB ergibt sichunmittelbar als Differenz tB = t – t1/2 – t2/2 (1) The duration of the sound in the bone t B results directly as a difference t B = t - t 1 / 2 - t 2 / 2 (1)
    [0030] DieKnochendicke DB wird aus den Laufzeitent1 und t2 der reflektiertenSignale berechnet, wobei man eine Schallgeschwindigkeit im Weichgewebezwischen 1460 und 1540 m/s anzunehmen hat. Die Dicken der Weichteilschichtenbeiderseits des Femur werden berechnet und vom bekannten, konstantenWandlerabstand abgezogen. Wie oben erwähnt, ist die Unsicherheit beider Vorgabe der Schallgeschwindigkeit ein Grund für die Ungenauigkeitvon DB.The bone thickness D B is calculated from the transit times t 1 and t 2 of the reflected signals, assuming a velocity of sound in the soft tissue between 1460 and 1540 m / s. The thicknesses of the soft tissue layers on both sides of the femur are calculated and subtracted from the known, constant transducer distance. As mentioned above, the uncertainty in the specification of the speed of sound is one reason for the inaccuracy of D B.
    [0031] DieSchallgeschwindigkeit im Knochen SOSB hängt im klinischrelevanten Bereich näherungsweise linearvon der volumetrischen Knochendichte ab. 1/SOSB = C – K·Dichte (2) The speed of sound in bone SOS B depends approximately linearly on the volumetric bone density in the clinically relevant area. 1 / SOS B = C - K · Density (2)
    [0032] SOSm ist die Geschwindigkeit des gelben Knochenmarksim Femur und annäherndkonstant. K und C sind empirisch zu bestimmende Proportionalitätsfaktoren(s. u.).SOS m is the speed of the yellow bone marrow in the femur and approximately constant. K and C are proportionality factors to be determined empirically (see below).
    [0033] Multiplikationvon (2) mit der Knochendicke DB liefert tB =DB·C – K·BMD (3),denn, wieoben schon dargelegt, ist die radiologisch messbare FlächendichteBMD gerade das Produkt aus Knochendicke und Volumendichte. Löst man (3) nachBMD auf, so gilt BMD= (tB – DB·C)/K (4). Multiplication of (2) with the bone thickness D B yields t B = D B · C - K · BMD (3), because, as already explained above, the radiologically measurable area density BMD is precisely the product of bone thickness and volume density. If you solve (3) for BMD, then BMD = (t B - D B · C) / K (4).
    [0034] Essind auch andere, empirisch zu ermittelnde Formeln denkbar, gemeinsamist allen, dass tB als hauptsächlicheBestimmungsgröße für BMD eingeht, während DB als Korrekturterm mit geringerem Einflusseingeht.Other formulas to be determined empirically are also conceivable; it is common to all that t B enters as the main determinant of BMD, while D B enters as a correction term with less influence.
    [0035] Dadie ungenaue Knochendicke DB in dieser Formelnur als Korrekturterm eingeht, ist der resultierende Fehler in BMDdeutlich geringer als bei der Bestimmung der Volumendichte. Es istder wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass sie BMDunmittelbar aus dem genau zu messenden tB ohneden Umweg überunsichere Schallgeschwindigkeiten ermittelt.Since the inaccurate bone thickness D B in this formula only enters as a correction term, the resulting error in BMD is significantly lower than in the determination of the volume density. It is the essential advantage of the device according to the invention that it determines BMD directly from the exactly to be measured t B without the detour via unsafe sound velocities.
    [0036] DieProportionalitätsfaktorenK und C sind am besten empirisch zu bestimmen. Hierfür vergleichtman z.B. an ex vivo Knochenproben Ultraschallmessungen gemäß (4) mitradiologischen Vergleichsmessungen, wobei DB natürlich genaumessbar ist.The proportionality factors K and C are best determined empirically. For this purpose, ultrasound measurements according to (4) are compared with ex vivo bone samples using comparative radiological measurements, whereby D B can of course be accurately measured.
    [0037] Dieerfindungsgemäße Vorrichtungmisst die Laufzeiten aus (1) mit hoher Genauigkeit und nimmt automatischdie Berechnungen von DB und BMD vor. Wertefür C undK und die Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe werden ihr externvorgegeben, vorzugsweise übereine Rechnerschnittstelle oder ein Eingabedisplay.The device according to the invention measures the transit times from (1) with high accuracy and automatically performs the calculations of D B and BMD. Values for C and K and the speed of sound in the soft tissue are specified externally, preferably via a computer interface or an input display.
    [0038] BeiVerlaufsmessungen kann vorzugsweise auch eine bereits einmal bestimmteKnochendicke DB für zukünftige Berechnungen als Eingabeparameterbenutzt werden, da sich Knochendicken nicht oder nur sehr wenig ändern. Damiterhältman eine höherePräzisionals wenn die Dicke jedes Mal neu bestimmt werden würde.For progress measurements, an already determined bone thickness D B can preferably also be used as an input parameter for future calculations, since bone thicknesses do not change or only very slightly. This gives a higher precision than if the thickness were redetermined each time.
    [0039] Alsalternative oder ergänzendeMöglichkeit kannauch die Laufzeit t3 von Signalen herangezogen werden,welche zwischen T1 und T2 nurWeichgewebe und das Koppelmedium seitlich vom Knochen durchlaufen.BMD hängtdann direkt von der Differenz der Zeiten t3 undt ab und kann bestimmt werden nach der Formel BMD= A(t3 – t)+ B. A und B sind empirisch zu ermittelnde Konstanten.As an alternative or additional possibility, the transit time t 3 of signals can also be used, which only pass through soft tissue and the coupling medium laterally from the bone between T 1 and T 2 . BMD then depends directly on the difference of the times t 3 and t and can be determined according to the formula BMD = A (t 3 - t) + B. A and B are constants to be determined empirically.
    [0040] Für eine guteEinkopplung der Ultraschallstrahlung in das Weichteilgewebe wirdbevorzugt durch Verwendung von Kopplungsmedien wie Wasser, Gel oder Öl, die möglichstgeringen Impedanzkontrast zum Weichteilgewebe aufweisen, gesorgt. Bekanntist hierfürdie Verwendung von Gefäßen, die dieFlüssigkeiteinschließen,und unmittelbar mit den Wandlern verbunden sind. Bevorzugt werdenflexible Gefäße zwischenWandlern und Hautoberflächevorgesehen, welche sich an verschiedene Körperrundungen und Körperdickenanpassen können.For a good coupling of the ultrasound radiation into the soft tissue is preferably provided by using coupling media such as water, gel or oil, which have the lowest possible impedance contrast to the soft tissue. Known for this purpose is the use of vessels which enclose the liquid and are connected directly to the transducers. Preferably, flexible vessels between transducers and skin surface are provided, which can adapt to different body curves and body thicknesses.
    [0041] Umeine genaue und präziseMessung der Schallgeschwindigkeit zu ermöglichen, ist die Konstanz desWandlerabstandes entscheidend. Es ist deshalb besonders bevorzugtvorgesehen, dass die Gefäße mit derKoppelflüssigkeitnicht rückseitigvon den Wandlern oder dem Wandlerbügel abgestützt werden, da dann Änderungendes Wandlerabstandes auftreten.Aroundan accurate and accurateMeasuring the speed of sound is the constancy of theTransducer distance crucial. It is therefore particularly preferredprovided that the vessels with thecoupling fluidnot backbe supported by the transducers or the transducer bracket, because then changesthe transducer distance occur.
    [0042] Einin diesem Sinne sehr vorteilhaftes Design ist in 3 dargestellt.Die komplette Scanmechanik befindet sich hierbei im Flüssigkeitsbad.Das betrifft auch die Antriebsmotoren, die entweder gekapselt seinmüssen,oder in denen die beweglichen Teile ebenfalls im Ölbad laufen.Letzteres ist z.B. bei kontaktlosen Motoren wie Schrittmotoren möglich. 3 zeigtdie prinzipielle Anordnung dieser Kapselung. Gestrichelt gezeichnetsind flexible Membranen (Latex, Polyurethan o. ä.). Durch Druckerhöhung in derFlüssigkeitwerden diese gegen die Haut gedrückt.Diese Druckerhöhungkann z.B. durch eine kleine Membranpumpe bewerkstelligt werden,welche Flüssigkeitzwischen dem inneren Behälterund einem Ausgleichsbehälterhin- und herpumpen kann.A very advantageous design in this sense is in 3 shown. The complete scan mechanics is located in the liquid bath. This also applies to the drive motors, which must either be encapsulated or in which the moving parts also run in an oil bath. The latter is possible, for example, in contactless motors such as stepper motors. 3 shows the basic arrangement of this encapsulation. Dashed lines are flexible membranes (latex, polyurethane o. Ä.). By increasing the pressure in the liquid they are pressed against the skin. This pressure increase can be accomplished, for example, by a small diaphragm pump, which can pump liquid back and forth between the inner container and a surge tank.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1]
    Vorrichtung zum Bestimmen der Knochendichte,insbesondere der FlächendichteBMD mit zwei mit bekanntem Abstand einander gegenüberliegenden Ultraschallwandlern,und einer Auswerteeinheit, die die BMD aus der Zeit berechnet, welchedie Schallwelle zum Durchqueren der Strecke zwischen den Wandlernbenötigt,gekennzeichnet durch eine Recheneinheit, die Korrekturgrößen berücksichtigt,welche aus Schalllaufzeiten im Weichgewebe und in einem Koppelmediumzwischen Körperoberfläche und Ultraschallwandlernbestimmt werden.Device for determining bone density,in particular the area densityBMD with two known distance ultrasonic transducers,and an evaluation unit which calculates the BMD from the time whichthe sound wave for traversing the distance between the transducersneededcharacterized by an arithmetic unit which takes into account correction quantities,which from sound propagation times in the soft tissue and in a coupling mediumbetween body surface and ultrasonic transducersbe determined.
    [2]
    Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch,dass die Korrekturgrößen ausden Laufzeiten t1, t2 dernach Durchdringen des Weichgewebes und des Koppelmediums an derdem jeweiligen Wandler T1, T2 zugewandtenKnochenoberflächereflektierten Ultraschallimpulse und der Laufzeit t der durch denKnochen und das Weichgewebe und des Koppelmediums transmittiertenUltraschallimpulse berechnet werden.Apparatus according to claim 1, characterized in that the correction quantities of the transit times t 1 , t 2 of the after the penetration of the soft tissue and the coupling medium at the respective transducer T 1 , T 2 facing bone surface reflected ultrasonic pulses and the transit time t of the bone and the soft tissue and the coupling medium transmitted ultrasonic pulses are calculated.
    [3]
    Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnetdadurch, dass die Dicke des Weichgewebes und des Koppelmediums ausden Laufzeiten t1, t2 derreflektierten Ultraschallimpulse unter Annahme einer bestimmtenSchallgeschwindigkeit im Weichgewebe berechnet, und die KnochendickeDB durch Subtraktion der Dicke des Weichgewebesund des Koppelmediums vom bekannten Abstand der Wandler T1, T2 voneinanderberechnet werden.Device according to the preceding claims, characterized in that the thickness of the soft tissue and of the coupling medium is calculated from the transit times t 1 , t 2 of the reflected ultrasound pulses assuming a certain speed of sound in the soft tissue, and the bone thickness D B by subtracting the thickness of the soft tissue and the coupling medium from the known distance of the transducers T 1 , T 2 are calculated from each other.
    [4]
    Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnetdadurch, dass die BMD nach der Formel BMD = (tB – DB·C)/Kberechnet wird, wobei C und K Proportionalitätsfaktoren sind.Device according to the preceding claims, characterized in that the BMD is calculated according to the formula BMD = (t B - D B × C) / K, where C and K are proportionality factors.
    [5]
    Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch,dass fürdie Bestimmung von Korrekturgrößen auchSchallsignale herangezogen werden, die nur Weichgewebe und nichtden Knochen durchlaufen.Device according to claim 1, characterized in thatthat forthe determination of correction quantities, tooSound signals are used, only soft tissue and notgo through the bone.
    [6]
    Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Wandler in einem mit einem Koppelmedium gefüllten Gefäß gelagertsind, wobei der Wandlerabstand unabhängig von der Dicke des Knochenssamt Weichgewebe konstant gehalten bleibt.Device according to claim 1, characterized in thatin that the transducers are stored in a vessel filled with a coupling mediumare, the transducer distance regardless of the thickness of the bonetogether with soft tissue remains constant.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    Ophir et al.1991|Elastography: a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004029902B4|2010-01-21|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-01-12| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-07-15| 8364| No opposition during term of opposition|
    2016-01-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410029902|DE102004029902B4|2004-06-19|2004-06-19|Device for determining bone density by means of ultrasound|DE200410029902| DE102004029902B4|2004-06-19|2004-06-19|Device for determining bone density by means of ultrasound|
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