DE19635957A1

DE19635957A1 - Measurement arrangement for evaluation of quality of human bone web

Info

Publication number: DE19635957A1
Application number: DE1996135957
Authority: DE
Inventors: Peter Herbert Dr Med Kann; Hermann Sauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 1998-03-12

Abstract

The arrangement comprises an electro-dynamic oscillator (1) which is equipped with pressure sensors (1.2) at its oscillation head (1.1), and which comprises a fixation arrangement (1.3) for a forearm. The arrangement also includes a frequency control unit (2), a signal- and data processing unit (3), a frequency measuring device (4), as well as a display (15) to indicate the pressure of the oscillation head on the forearm, held constant by device of the control unit.

Description

Die Beurteilung der Materialqualität von humanem Knochengewebe in situ sind bei vielen Er krankungen, insbesondere im Alter - Osteoporose - aber auch z. B. bei Niereninsuffizienz sowie zur Beurteilung der Entwicklung der Knochenqualität bei bestimmten Medikamenteneinnahmen von großer Bedeutung.The assessment of the material quality of human bone tissue in situ is common for many Er diseases, especially in old age - osteoporosis - but also z. B. in renal failure and to assess the development of bone quality in certain Drug intake of great importance.

Bekannt sind hierzu die Röntgendiagnostik und seit etwa 2 Jahrzehnten die Bestimmung der Knochenmineralsalzdichte. Kernpunkt dieser Methode ist die Tatsache, daß sich die Abschwächung energiereicher Strahlen im Knochen proportional zum Gehalt an calciumhaltigen Kristallen im Strahlengang verhält. Bekannt ist, daß mit dieser Methode das Risiko für Knochenbrüche in gewissen Grenzen vorausgesagt werden kann. Es muß aber noch andere Faktoren geben, die die Stabilität der Knochen beeinflußt. Das leitet sich beispielsweise aus der Tatsache ab, daß die Knochenmineralsalzdichtewerte einer 17jährigen jungen Frau gleich der einer 70jährigen Dame ist. Es ist aber offensichtlich, daß das Risiko für Knochenbrüche, insbesondere durch Osteoporose bei den älteren Damen erheblich größer ist als bei jungen Frauen.X-ray diagnostics are known for this and the determination of Bone mineral salt density. The crux of this method is the fact that the Attenuation of high-energy rays in the bone proportional to the content of calcium-containing crystals in the beam path. It is known that with this method the Risk of broken bones can be predicted within certain limits. But it still has to there are other factors that affect bone stability. That leads, for example from the fact that the bone mineral salt density values of a 17 year old young woman is like that of a 70 year old lady. But it is obvious that the risk for Broken bones, particularly due to osteoporosis in older women, is significantly larger than young women.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Meßprinzip zur in situ nichtinvasiven Bestimmung der Qualität von humanem Knochengewebe. Ansatzpunkt hierzu ist die Tatsache, daß neben der Mineralsalzdichte vor allem die mechanische Qualität des Knochens von Bedeutung ist. Es ist aus der Materialwissenschaft bekannt, daß die mechanische Qualität von Materialien mit der Zeit bestimmten Ermüdungserscheinungen unterliegt. Aus der Physik ist bekannt, daß sich die mechanische Qualität von Materialien durch den Elastizitätsmodul beschreiben läßt. Dieser Elastizitätsmodul korreliert mit dem Quadrat der Schalleitungsgeschwindigkeit.The object of the invention consists in a measuring principle for in situ non-invasive determination the quality of human bone tissue. The starting point for this is the fact that in addition to The mineral salt density is particularly important for the mechanical quality of the bone. It is known from materials science that the mechanical quality of materials with the Time is subject to certain signs of fatigue. It is known from physics that the mechanical quality of materials can be described by the modulus of elasticity. This Modulus of elasticity correlates with the square of the speed of the conductor line.

Die Schalleitung im Knochen läßt sich zum einen durch die Anwendung von Ultraschall be stimmen und zum anderen mit der Resonanzfrequenz elektromechanischer Wellen im Knochen bestimmen. Die zweite Methode wurde in der Erfindung realisiert. Der um die geometrische Form korrigierte Wert dient zur Beurteilung der mechanischen Qualität des Knochengewebes, die sich bei verschiedenen Knochenerkrankungen charakteristisch verändern kann. The formwork in the bone can be done by using ultrasound agree and on the other hand with the resonance frequency of electromechanical waves in the bone determine. The second method was implemented in the invention. The geometrical one Shape corrected value is used to assess the mechanical quality of the bone tissue, which can change characteristically in different bone diseases.

Zur Bestimmung der korrigierten Resonanzfrequenz wurde die nachfolgend beschriebene Meßeinrichtung entwickelt. Die Meßeinrichtung wurde insbesondere zur Messung der Reso nanzfrequenz am Ellenknochen (Ulna) vorgesehen.The following was used to determine the corrected resonance frequency Measuring device developed. The measuring device was used in particular to measure the reso frequency at the ulna.

Die Meßeinrichtung besteht aus vier Komponenten - einem elektrodynamischen Schwin gungsgenerator (20-1600 Hz), einer Steuerungseinheit zur Frequenzmodulation, einer Signal- und Datenverarbeitungseinheit sowie einer Frequenzanzeige.The measuring device consists of four components - an electrodynamic oscillator tion generator (20-1600 Hz), a control unit for frequency modulation, a signal and Data processing unit and a frequency display.

Mit dem elektrodynamischem Schwingungsgenerator können Schwingungen mit variabler Beschleunigung in longitudinaler Richtung beispielsweise über das Olecranon auf die Ulna übertragen werden. In den Kopf des Schwingungsgenerators - auf dem der Olecranon positioniert ist - sind Drucksensoren (z. B. Piezoelemente) eingebaut, die in der Lage sind Kraft- und Beschleunigungssignale zu messen. Zur Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse ist die Anlage mit einer selbstregulierenden Gegensteuerung versehen, die eine konstante Ankopplung der Ulna an den Schwingungsgenerator garantiert. Außerdem wird die Haltung des Unterarmes mit einer entsprechenden Haltevorrichtung vorgegeben. Der Anpreßdruck der Ulna auf dem Kopf des Schwingungsgenerators wird sowohl digital als auch analog - z. B. durch Leuchtdioden - sichtbar gemacht.With the electrodynamic vibration generator, vibrations with variable Acceleration in the longitudinal direction, for example, via the olecranon to the ulna be transmitted. In the head of the vibration generator - on which the olecranon is positioned - pressure sensors (e.g. piezo elements) are installed that are able to Measure force and acceleration signals. Reproducibility of the measurement results is provide the system with a self-regulating countermeasure, which is constant Coupling of the ulna to the vibration generator guaranteed. In addition, the attitude of the forearm with a corresponding holding device. The contact pressure of the Ulna on the head of the vibration generator is both digital and analog - e.g. B. with LEDs - made visible.

Mit der Steuerungseinheit kann die Frequenz sowohl manuell als auch automatisch reguliert werden. Der Frequenzmesser dient zur Anzeige der Frequenz bei manueller Regelung. Die Si gnal- und Datenverarbeitungseinheit dient zur Signalverarbeitung. Es können insgesamt die Signale von drei Kanälen verarbeitet werden, das Quellsignal sowie das Kraft- und Beschleunigungssignal, wobei zwei Beschleunigungssignale gemessen werden können - eins aus dem Kopf des Schwingungsgenerators und eins von einem Sensor, den der Patient in die Hand nehmen kann. Die Signale können als Sinuskurve gegen die Zeit dargestellt werden, ferner mit variabler Anwählbarkeit der Signale zwei Signale gegeneinander als Lissajous′sche Figur auf einem Display aufgetragen werden, welches der Rechner auf dem Bildschirm darstellt. Durch manuelle Regulierung von beispielsweise Kraft und Beschleunigung kann so aus der Lissajous′schen Figur die Resonanzfrequenz bestimmt werden. Weiterhin können bei automatischem Durchlaufen eines bestimmten Frequenzbereiches Kraft- und Beschleunigungssignal in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt werden und so die Resonanzfrequenz bestimmt werden. Die Datenverarbeitungseinheit enthält ferner die Möglichkeit der geometrischen Korrektur sowie der grafischen Darstellung der Signale, der Speicherung und weiteren Verarbeitung.With the control unit, the frequency can be regulated both manually and automatically will. The frequency meter is used to display the frequency with manual control. The Si Signal and data processing unit is used for signal processing. In total, the Signals from three channels are processed, the source signal and the power and Acceleration signal, where two acceleration signals can be measured - one from the head of the vibration generator and one from a sensor that the patient into the Can take a hand. The signals can be represented as a sine curve against time, furthermore with variable selectability of the signals two signals against each other as Lissajous'sche Figure on a display, which the calculator on the screen represents. By manual regulation of, for example, force and acceleration, this can be done the resonance frequency can be determined from the Lissajous figure. Furthermore, at automatic running through a certain frequency range force and Acceleration signal as a function of time and so the Resonance frequency can be determined. The data processing unit also contains the Possibility of geometric correction and graphical representation of the signals Storage and further processing.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen nachfolgend einige Beispiele beschrieben werden:To better understand the invention, a few examples are described below will:

example 1

Die Meßeinrichtung soll anhand von Fig. 1 demonstriert werden. Sie besteht aus einem Schwingungsgenerator (1), in dessen Kopf (1.1) Druckaufnehmersensoren (1.2) eingelassen sind und der gleichzeitig als Auflage für den Unterarm in senkrechter Haltung dient. Weiterhin ist am Schwingungsgenerator (1) eine Fixierung (1.3) für den Unterarm angebracht. Die Sensoren des Schwingungsgenerators (1) sind mit einer Steuerungseinheit zur Frequenzmodulation (2) und einer Signal- und Datenverarbeitungseinheit (3) verbunden. Ein Meßgerät (4) dient zur Anzeige der vom Schwingungsgenerator erzeugten Frequenzen. Der Anpreßdruck des Unterarmes (1.4) auf den Kopf (1.1) des Schwingungsgenerators (1) wird analog über Leuchtdioden (1.5) angezeigt.The measuring device will be demonstrated with reference to FIG. 1. It consists of a vibration generator ( 1 ), in the head ( 1.1 ) of which pressure sensor sensors ( 1.2 ) are embedded and which also serves as a support for the forearm in a vertical position. Furthermore, a fixation ( 1.3 ) for the forearm is attached to the vibration generator ( 1 ). The sensors of the vibration generator ( 1 ) are connected to a control unit for frequency modulation ( 2 ) and a signal and data processing unit ( 3 ). A measuring device ( 4 ) is used to display the frequencies generated by the vibration generator. The contact pressure of the forearm ( 1.4 ) on the head ( 1.1 ) of the vibration generator ( 1 ) is displayed in the same way via LEDs ( 1.5 ).

BezugszeichenlisteReference list

1 Schwingungsgenerator
1.1 Schwingungskopf
1.2 Druckaufnehmersensoren
1.3 Fixierungseinrichtung
1.4 Unterarm
1.5 Anzeigegerät des Anpreßdruckes auf den Schwingungskopf
2 Frequenzsteuereinheit
3 Signal- und Datenverarbeitungseinheit
4 Frequenzmeßgerät 1 vibration generator
1.1 vibration head
1.2 Pressure sensor
1.3 Fixation device
1.4 forearm
1.5 Display device of the contact pressure on the vibration head
2 frequency control unit
3 signal and data processing unit
4 frequency meter

Claims

Measuring device for assessing the quality of human bone tissue, characterized in that it consists of an electrodynamic vibration generator ( 1 ), which is equipped with pressure transducer sensors ( 1.2 ) on its vibration head ( 1.1 ) and a fixation device ( 1.3 ) for the forearm, and one Frequency control unit ( 2 ), and of a signal and data processing unit ( 3 ) and a frequency measuring device ( 4 ), as well as a display ( 1.5 ) for the constant contact pressure of the forearm ( 1.4 ) on the vibration head ( 1.1 ).