DE68929055T2

DE68929055T2 - Ultraschall-Dichtemessgerät und Verfahren

Info

Publication number: DE68929055T2
Application number: DE68929055T
Authority: DE
Inventors: Phillip J. Rossman; Scott A. Weiner
Original assignee: Lunar Corp; GE Lunar Corp
Current assignee: GE Lunar Corp
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2009-05-10
Also published as: DE68929239T2; EP0728443B1; CA1323090C; FI892282A0; EP0920832A2; KR890017532A; DE68929239D1; AU3467289A; EP0728443A3; EP0721765A3; AU609686B2; US4930511A; IL90263A0; EP0341969A3; JPH02104337A; IL90263A; KR0149847B1; EP0728443A2; JP2885377B2; EP0341969A2

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, die zum Messen der Dichte von Körperteilen, wie Knochen, verwendet werden, und im spezielleren Vorrichtungen, bei denen akustische Ultraschall-Signale eingesetzt werden, um die physikalischen Eigenschaften und die Integrität der Körperteile zu messen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Zur Zeit gibt es verschiedene Vorrichtungen, die verwendet werden können, um die physikalischen Eigenschaften und die Integrität eines Körperteiles, wie eines Knochens, zu messen. Nicht-invasive Dichtemeßvorrichtungen können eingesetzt werden, um kumulative innere Verletzungen zu bestimmen, die durch Mikroquetschungen und Mikrobrüche verursacht werden, die in den Knochen von Menschen oder Tieren, wie Rennpferden, auftreten. Außerdem wird Osteoporose, der Verlust von Knochenmineralisierung, ihre Detektion bei Menschen und ihre Heilung oder Prevention in zunehmendem Maße zu einem Bereich intensiver medizinischer und biologischer Erforschung. Mit ansteigendem Durchschnittsalter der Bevölkerung kommt es bei einer immer größeren Anzahl von Patienten zu Komplikationen aufgrund von raschem trabekulärem Knochenverlust.
US-Patent Nr. 3.847.141 an Hoop offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Dichte einer Knochenstruktur, wie eines Fingerknochens oder Fersenknochens, um deren Kalziumgehalt zu überwachen. Die Vorrichtung umfaßt ein Paar einander gegenüberliegender Ultraschallwandler, die innerhalb einer Klemmvorrichtung gehalten werden, die an den zu analysierenden Knochen geklemmt ist. Ein Impulsgenerator ist an einen der Wandler gekoppelt, um eine Ultraschallwelle zu erzeugen, die durch den Knochen hindurch zum anderen Wandler gelenkt wird. Eine elektrische Schaltung koppelt die Signale vom Empfangswandler zurück zum Impulsgenerator, um den Impulsgenerator als Reaktion auf diese Signale erneut auszulösen. Die Impulse werden daher mit einer Frequenz erzeugt, die zur Durchgangszeit proportional ist, die die Ultraschallwelle benötigt, um durch die Knochenstruktur zu gelangen, und die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Schalls durch den Knochen ist. Es ist festgestellt worden, daß die Schallgeschwindigkeit proportional zur Dichte des Knochens ist. Daher ist die Frequenz, mit der der Impulsgenerator erneut ausgelöst wird, proportional zur Dichte des Knochens.
Eine weitere Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln der Festigkeit eines Knochens in vivo wird in den US-Patenten Nr. 4.361.154 und 4.421.119 an Pratt, Jr. geoffenbart. Die Vorrichtung umfaßt einen Sendewandler und einen Empfangswandler, die durch eine Feinmeßeinrichtung mit Skala verbunden sind und die die Schallgeschwindigkeit durch den Knochen ermitteln, um seine Festigkeit zu bestimmen. Die Feinmeßeinrichtung wird verwendet, um die Gesamtdurchgangsdistanz zwischen den Oberflächen der beiden Wandler zu messen.
Lees (S. Lees (1986) Sonic Properties of Mineralized Tissue, Tissue Characterization with Ultrasound, CRC Publication 2, S. 207-226) erörtert verschiedene Untersuchungen im Zusammenhang mit der Dämpfung und Geschwindigkeit von Schallmessungen sowohl der Knochenrinde als auch der Spongiosa (spongiöser oder trabekulärer Knochen). Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen eine lineare Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit im nassen Zustand und der Rindendichte im nassen Zustand sowie zwischen der Schallgeschwindigkeit im trockenen Zustand und der Rindendichte im trockenen Zustand. Die Durchgangszeiten eines akustischen Signals durch ein Knochenelement sind daher proportional zur Knochendichte. Langton et al. (C. M. Langton, S. D. Palmer und S. W. Porter (1984), The Measurement of Broad Band Ultrasonic Attenuation in Cancellous Bone, Eng. Med. 13, 89-91) veröffentlichten die Ergebnisse einer Untersuchung der Ultraschalldämpfung in bezug auf die Frequenz im Fersenknochen, bei der Durchgangsübertragungstechniken eingesetzt wurden. Diese Autoren behaupten, daß Dämpfungsunterschiede, die bei unterschiedlichen Patienten beobachtet wurden, auf Änderungen im Mineralgehalt des Fersenknochens zurückzuführen sind. Sie behaupten auch, daß Niederfrequenz-Ultraschalldämpfung ein Parameter sein kann, der für die Diagnose von Osteoporose oder zur Prognose eines möglichen Frakturrisikos nützlich ist.
Die US-4457311 betrifft ein System zur Durchführung einer Ultraschallabtastung eines menschlichen Rückens unter Verwendung einer Anordnung aus Ultraschall- Wandlerelementen. Insbesondere kann die Wirbelsäule abgebildet werden, indem die Laufzeit von Ultraschallimpulsen gemessen wird. Der Vorrichtung fehlt jedoch jegliches Mittel zum automatischen Auswählen eines Punktes der Anordnung, um einen geeigneten Bereich von Interesse zu identifizieren, wenn die Vorrichtung erneut auf dem Patienten angeordnet wird.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Ultraschall-Dichtemeßvorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Knochenintegrität eines Körperteils in vivo bereitzustellen, welche Vorrichtung eine Anordnung von Wandlerelementen aufweist. Die akustischen Signale können analysiert werden, um eine relative Position in bezug auf den Körperteil eines jeden der akustischen Signale zu bestimmen, die von den Empfangselementen empfangen werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Knochenintegrität eines Körperteils in vivo bereit, wie durch Anspruch 1 bzw. Anspruch 8 definiert.
Vorzugsweise ist ein Paar beabstandeter Wandler vorhanden, von denen jeder eine Anordnung von Wandlerelementen aufweist.
Es kann auch eine Anzeige zum Anzeigen von Anzeigenelementen in einem Muster vorhanden sein, das dem Muster der Anordnung von Wandlerelementen entspricht, wobei jedes Anzeigenelement ein Grauskalenbild aufweist, das proportional zum entsprechenden Parameter ist.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen im Detail erörtert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ultraschall-Densitometervorrichtung, die gemäß vorliegender Erfindung konstruiert ist.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Akustikkopplers, von dem in Fig. 1 zwei gezeigt werden.
Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer Wandlerfläche, von der akustische Signale ausgesandt werden oder durch die akustische Signale empfangen werden, wobei die Fläche des anderen Wandlers das Spiegelbild davon ist.
Fig. 4 ist eine schematische Blockdiagrammansicht der Schaltungsanordnung der gemäß vorliegender Erfindung konstruierten Ultraschall-Densitometervorrichtung.
Fig. 5 veranschaulicht das Verfahren zum Sampeln einer empfangenen Wellenform, wie es in der Schaltung von Fig. 4 eingesetzt wird.
Fig. 6 ist eine schematische Blockdiagrammansicht der Schaltungsanordnung einer alternativen Ausführungsform eines gemäß vorliegender Erfindung konstruierten Ultraschalldensitometers.
Fig. 7 ist eine Messung eines tatsächlichen Ultraschallimpulses und der Reaktion von einem Ultraschall-Densitometer gemäß vorliegender Erfindung.
Fig. 8 ist ein Messungsdiagramm der relativen Ultraschallimpulsintensität über einen Frequenzbereich.
Fig. 9 ist ein Graph in der Frequenzdomäne, der die Verschiebung in der Veränderung über den Frequenzgang eines gemessenen Objektes im Vergleich zu Bezugswerten zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Im spezielleren auf die Zeichnungen Bezug nehmend, worin gleiche Zahlen gleiche Teile bezeichnen, zeigt Fig. 1 ein tragbares Ultraschall-Densitometer 10 zum Messen der physikalischen Eigenschaften und der Integrität eines Körperteils, wie eines Knochens, in vivo. Das Densitometer 10, wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt einen Griff 11 mit Betätigungsknopf 12. Linear vom Griff 11 weg erstreckt sich eine Verbindungsstange 13. Das Densitometer 10 umfaßt auch einen feststehenden Arm 15 und einen einstellbaren Arm 16. Der feststehende Arm 15 ist vorzugsweise kontinuierlich mit der Verbindungsstange 13 ausgebildet und daher mit einem Ende 17 der Verbindungsstange 13 verbunden. Der einstellbare Arm 16 ist auf der Verbindungsstange 13 zwischen dem Griff 11 und einer digitalen Anzeige 18, die auf der Stange 13 montiert ist, gleitend montiert. Der Knauf 19 kann gedreht werden, um ihn zu arretieren oder zu lösen, um es zu ermöglichen, daß der einstellbare Arm 16 die Verbindungsstange 13 entlang verschoben wird, so daß der Abstand zwischen den Armen 15 und 16 eingestellt werden kann.
An das Ende des feststehenden Arms 15 ist ein erster (linker) Wandler 21 angeschlossen, und an das Ende des einstellbaren Arms 16 ist ein zweiter (rechter) Wandler 21 angeschlossen. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist auf jedem der Wandler 21 ein jeweiliger nachgiebiger Akustikkoppler 23 montiert, um den Wandler akustisch mit dem zu testenden Objekt zu koppeln. Der Akustikkoppler 23 umfaßt einen Kunststoffring 24 und ein daran befestigtes Kissen 26, das aus Urethan oder einem anderen nachgiebigen Material gebildet ist. Fig. 3 zeigt eine Fläche 28 des ersten (linken) Wandlers 21, die normalerweise hinter dem nachgiebigen Kissen 26 des Akustikkoppler 23 verdeckt ist. Die Wandlerfläche 28 liegt normalerweise gegen die in Fig. 2 gezeigte Innenfläche 29 des Kissens 26 an. Die in Fig. 3 gezeigte Wandlerfläche umfaßt eine Anordnung aus zwölf Wandlerelementen, die mit a-l bezeichnet sind. Der zweite (rechte) Wandler 21 umfaßt eine Fläche 28, die das Spiegelbild der in Fig. 3 gezeigten ist.
Fig. 4 zeigt allgemein schematisch die elektronische Schaltungsanordnung 31 des Densitometers 10, die physisch im Gehäuse der digitalen Anzeige 18 enthalten ist. Ein Objekt 32 wird so zwischen den beiden Wandlern 21 angeordnet, daß akustische Signale durch das Objekt übertragen werden können. Dieses Objekt 32 stellt einen Körperteil, wie einen Knochen, oder irgendein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften, wie destilliertes Wasser oder einen Neopren-Bezugsblock, dar. Wie in der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform gezeigt, ist der ganz links gelegene Wandler 21 ein Sendewandler, und der ganz rechts gelegene Wandler 21 ein Empfangswandler. In der Praxis können jedoch jeder oder beide Wandler 21 ein Übertragungs- und/oder Empfangswandler sein. Die Übertragungs- und Empfangswandler 21 der Schaltung von Fig. 4 sind durch Elementselektionssignale 36 und 37 mit einem Mikroprozessor 38 verbunden. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, daß er ermittelt, welches der jeweiligen Paare von Wandlerelementen a bis l zu einer bestimmten Zeit übertragen und empfangen soll. Diese Selektion wird durch Elementselektions-Signalleitungen 36 und 37 erreicht, wobei es sich entweder um Mehrfach-Signalleitungen oder eine serielle Datenleitung zum Übermitteln der erforderlichen Selektionsdaten an die Wandler 21 handeln kann. Der Mikroprozessor 38 ist durch einen Daten- und Adreßbus 40 an die Digitalanzeige 18, einen Digitalsignalprozessor 41, einen Messungs-Analog-Digital- Wandler 42 und einen Satz externer Timer 43 angeschlossen. Der Mikroprozessor 38 weist "an Bord" ein elektrisch programmierbares nichtflüchtiges Random Access Memory (NVRAM) und vielleicht außerdem ein herkömmliches RAM auf und steuert den Betrieb des Densitometers 10. Der Digitalsignalprozessor 41 weist "an Bord" ein Read Only Memory (ROM) und beherrscht viele der mathematischen Funktionen, die vom Densitometer 10 unter der Steuerung des Mikroprozessors 38 durchgeführt werden. Der Digitalsignalprozessor 41 umfaßt spezifisch die Fähigkeit, diskrete Fourier- Transformationen durchzuführen, da er heute in Form einer integrierten Schaltung im Handel erhältlich ist, so daß er erhaltene Wellenformsignale aus der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne umwandeln kann. Der Mikroprozessor 38 und der Digitalsignalprozessor 41 sind auch durch Kontrollsignale 45 und 46 miteinander verbunden, so daß der Mikroprozessor 38 die Kontrolle über die Operationen des Digitalsignalprozessors 41 beibehalten und Statusinformation zurückerhalten kann. Gemeinsam steuern der Mikroprozessor 38 und der Digitalsignalprozessor 41 die elektrische Schaltung 31, so daß das Densitometer 10 seine Operationen durchführen kann, wie nachstehend erörtert. Ein akustischer Rückkopplungsmechanismus 48, wie ein Lautsprecher, kann über ein Ausgangssignal 49 an den Mikroprozessor 38 angeschlossen sein.
Der externe Timer 43 liefert dem A/D-Wandler eine Serie von Taktsignalen 51 und 52, um ihn mit Zeitinformationen zu versorgen, so daß er in bestimmten Zeitintervallen elektrische Signale mißt, die er schlußendlich vom Sendewandler empfängt, gemäß dem Programm im Mikroprozessor 48 und dem Digitalsignalprozessor 41. Der externe Timer 43 erzeugt auch ein Taktsignal 53 für einen Anregungsverstärker 55. Vom Timer 43 werden zeitlich festgelegte Impulse erzeugt und durch die Signalleitung 53 zum Verstärker 55 geschickt, um sie zu verstärken und durch die Signalleitung 56 zum Sendewandler 21 zu lenken. Der Sendewandler 21 wandelt den verstärkten Impuls in ein akustisches Signal um, das durch das Objekt oder Material 32 gesendet wird, um vom Empfangswandler 21 empfangen zu werden, der das akustische Signal wieder in ein elektrisches Signal zurückverwandelt. Das elektrische Signal wird durch das Ausgangssignal 57 zu einem Empfängerverstärker 59 gelenkt, der das elektrische Signal verstärkt.
Die Anregungsverstärkerschaltung 55 ist vorzugsweise eine digital steuerbare Schaltung, die dazu bestimmt ist, eine gepulste Ausgangsgröße zu erzeugen. Die Verstärkung des Impulses kann in Schritten von 1 bis 99 digital gesteuert werden. Auf diese Weise kann die Amplitude des Impulses wiederholt unter digitaler Steuerung erhöht werden, bis an der Empfänger/Verstärker-Schaltung 59 ein empfangener Impuls mit geeigneter Amplitude erhalten wird, wobei die Verstärkung ebenfalls digital einstellbar ist.
An die Empfänger-Verstärker-Schaltung 59 angeschlossen und damit integriert ausgebildet ist eine digital steuerbare automatische Verstärkungssteuerungsschaltung, die die Empfindlichkeit des Empfangswandlers 21 und der Verstärkerschaltung 59 für die empfangenen akustischen Signale optimiert. Der Mikroprozessor 38 ist durch Signalleitung 60 an die Verstärkerschaltung und die automatische Verstärkungssteuerung 59 angeschlossen, um die Verstärkung der Verstärkerschaltung und die Verstärkungssteuerung 59 zu regeln. Die verstärkten elektrischen Signale werden durch Leitung 61 zum A/D-Wandler 42 geleitet, der diese Signal in zeitlich festgelegten Intervallen mißt. Der A/D-Wandler 42 mißt daher tatsächlich die erhaltenen akustischen Signale. Da vom Empfangswandler 21 eine Serie im wesentlichen identischer akustischer Signale erhalten wird, mißt der A/D-Wandler 42 fortschreitend einen zunehmenden Abschnitt einer jeden aufeinanderfolgenden Signalwellenform. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, daß diese Abschnitte kombiniert werden, um eine digitale zusammengesetzte Wellenform zu bilden, die beinahe identisch mit einer einzelnen Wellenform ist. Diese digitalisierte Wellenform kann auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt oder zur numerischen Analyse durch den digitalen Signalprozessor 41 verarbeitet werden.
Das gemäß den Fig. 1 bis 4 konstruierte Densitometer kann mit einem oder mehreren der unterschiedlichen Verfahren zum Messen der physikalischen Eigenschaften des Körperteils, wie Integrität oder Dichte, betrieben werden. Die verschiedenen Verfahren, wie nachstehend detaillierter beschrieben, hängen sowohl von der Software- Programmierung des Betriebs des Mikroprozessors 34 als auch von den Anweisungen ab, die dem Kliniker bezüglich der Verwendung des Densitometers gegeben werden. Die verschiedenen Verfahren zur Verwendung können in eine einzige Einheit programmiert werden, und in diesem Fall kann ein Auswahl-Schalter für den Anwender vorgesehen sein, um den Betriebsmodus zu wählen, oder ein bestimmtes Densitometer könnte so konstruiert sein, daß es für einen einzigen Verwendungsmodus bestimmt ist. In jedem Fall ist es, damit das Verfahren zur Verwendung des Densitometers zum Messen der physikalischen Eigenschaften eines Körperteils vollständig verstanden wird, zunächst notwendig, die Vorgänge im Inneren des Densitometers selbst zu verstehen.
Bei jedem seiner Verwendungsverfahren soll das Densitometer an einem Punkt im Verfahren auf dem Körperteil angeordnet werden, dessen Eigenschaften gemessen werden sollen. Das erfolgt, indem die Wandler 21 an den gegenüberliegenden Seiten des Körperteils angeordnet werden. Um das zu erreichen, wird der Knauf 19 gelöst, damit der einstellbare Arm 16 so bewegt werden kann, daß die Wandler 21 an gegenüberliegenden Seiten des Körperteils, wie der Ferse eines Menschen, angeordnet werden können. Die Außenflächen der Kissen 26 können gegen die Ferse des Patienten angelegt werden, wobei ein Ultraschallgel 35 oder ein anderes Kopplungsmaterial zwischen die Kissen 26 und den Patienten 32 gebracht wird, um eine verbesserte Übertragung der akustischen Signale zwischen dem Körperteil 32 und den Wandlern 21 zu ermöglichen. Sobald die Wandler 21 richtig am Körperteil angeordnet sind, kann der Knauf 19 festgestellt werden, um den einstellbaren Arm 16 in Position zu halten, wobei sich die Wandler 21 in beabstandeter Beziehung zueinander mit dem Körperteil 32 dazwischen befinden. Der Betätigungsknopf 12 kann dann gedrückt werden, damit akustische Signale so durch den Körperteil 32 übertragen werden, daß sie vom Empfangswandler 21 empfangen werden. Die elektronische Schaltung von Fig. 4 empfängt die elektrischen Signale vom Empfangswandler 21 und mißt und verarbeitet diese Signale, um Informationen über die physikalischen Eigenschaften und die Integrität des Körperteils in vivo zu erhalten. Der Mikroprozessor 38 ist so programmiert, daß er auf der digitalen Anzeige 18 angibt, wann dieser Informationssammelvorgang abgeschlossen ist. Alternativ dazu kann die Information auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt werden, wenn der Informationssammelvorgang abgeschlossen ist. Beispielsweise könnte einfach die Durchgangszeit der akustischen Signale durch das Element 32 auf der digitalen Anzeige 18 angezeigt werden.
Was den Betrieb der Schaltung von Fig. 4 im Detail betrifft, besteht das allgemeine Konzept darin, daß die Schaltung so konstruiert ist, daß sie einen Ultraschallimpuls erzeugt, der vom Übertragungswandler 21 durch den Patienten 32 läuft und dann vom Empfangswandler 21 aufgenommen wird. Die Schaltung ist so konstruiert, daß sie sowohl die Durchgangszeit des Impulses durch den Körperteil 32 bestimmt, um die Dämpfung des Impulses durch den Körperteil 32 zu bestimmen, als auch fähig ist, eine digitale Darstellung der Wellenform des Impulses zu rekonstruieren, nachdem er durch das Element 32 hindurchgegangen ist, so daß sie analysiert werden kann, um die Dämpfung bei ausgewählten Frequenzen zu bestimmen. Um alle diese Ziele zu erreichen, arbeitet die Schaltung von Fig. 4 unter der Steuerung des Mikroprozessors 38. Der Mikroprozessor 38 wählt selektiv durch die Elementselektionssignalleitungen 36 ein entsprechendes Paar oder eine Gruppe der Elemente a bis l auf der Fläche eines jeden der Wandler 21 aus. Die entsprechenden Elemente auf jedem Wandler werden gleichzeitig ausgewählt, während die verbleibenden Elemente auf der Fläche eines jeden Wandlers inaktiv sind. Wenn ein bestimmtes Element, beispielsweise Element a, ausgewählt ist, bewirkt der Mikroprozessor dann, daß der externe Timer 43 einen Impuls an Signalleitung 56 zu Anregungsverstärkerschaltung 55 abgibt. Der Output des Anregungsverstärkers 55 läuft Signalleitung 56 entlang zu Element a des Sendewandlers 21, der daraufhin den Ultraschallimpuls abgibt. Das entsprechende Element a auf dem Empfangswandler 21 empfängt den Impuls und gibt seinen Output an die Signalleitung 57 zur Verstärkerschaltung 59 ab. Als Output des A/D-Wandlers 42 ist eine digitale Darstellung der analogen Wellenform erwünscht, die der Output des einzelnen Wandlerelements ist, das ausgewählt worden ist. Unglücklicherweise sind "Echtzeit"- Meß-A/D-Wandler, die rasch genug arbeiten können, um eine Wellenform mit Ultraschallfrequenzen zu messen, relativ teuer. Daher ist der A/D-Wandler 42 vorzugsweise ein "Äquivalenzzeit"-Meß-A/D-Wandler. Mit "Äquivalenzzeit"-Messung ist gemeint, daß der A/D-Wandler 42 die Ausgangsgröße des Wandlers während eines engen Zeitraums nach jedem Ultraschallimpuls mißt. Das allgemeine Konzept ist in Fig. 5 dargestellt. Die typische Wellenform eines Einzelimpulses, der vom Empfangswandler 21 empfangen und auf die Signalleitung 57 angelegt wird, ist durch eine Funktion "f" angegeben. Der gleiche Impuls wird wiederholt empfangen, während ein Anregungsimpuls wiederholt ausgesandt wird. Der empfangene Impuls wird in einer Abfolge von Zeitperioden gemessen, die mit t&sub0;-t&sub1;&sub0; bezeichnet sind. Mit anderen Worten, anstatt zu versuchen, eine Echtzeit-Analog-Digital-Wandlung des Signals f durchzuführen, wird das Signal im Verlauf einzelner fixer Zeitperioden t&sub0;-t&sub1;&sub0; gemessen, nachdem der Übertragungsimpuls angelegt wurde, und dieser Wert wird gespeichert. So kann die gesamte Analogwellenform-Reaktion aus den einzelnen Digitalwerten wiederhergestellt werden, die während einer jeden Zeitperiode t erzeugt wurden, wobei die Gesamttreue der Wiederherstellung der Wellenform von der Anzahl an Zeitperioden t abhängt, die gemessen werden. Das Messen erfolgt nicht während eines einzelnen Echtzeitimpulses vom Empfangswandler 21. Statt dessen wird eine Reihe von Impulsen vom Sendewandler 21 ausgesandt. Der externe Timer ist so konstruiert, daß er den Meß-A/D-Wandler 42 entlang der Signalleitungen 51 und 52 mit Signalen versorgt, so daß der Analogwert in der Zeitperiode t&sub0; gemessen wird, wenn der erste Impuls an ein bestimmtes Wandlerelement angelegt wird, dann zur Zeit t&sub1; während des zweiten Impulses, Zeit t&sub2; während des dritten Impulses usw., bis alle Zeitperioden gemessen sind. Erst nachdem die vollständige Wellenform für jedes Element gemessen worden ist, wird das nächste Element, d. h. Element b, ausgewählt. Die Ausgangsgröße vom A/D- Wandler 42 wird sowohl dem Mikroprozessor 38 als auch dem Signalprozessor 41 zugeführt. So können die digitalen Ausgangswerte, die die komplexe Wellenform f von Fig. 5 darstellen, durch den Signalprozessor 41 verarbeitet werden, nachdem sie für jedes Wandlerelement zusammengetragen worden sind. Die Wellenform kann dann für jede bestimmte Frequenzkomponente bezüglich Zeitverzögerung oder Dämpfung in bezug auf die Eigenschaft des übertragenen Ultraschallimpulses analysiert werden. Das Verfahren wird dann für die anderen Elemente wiederholt, bis alle Elemente genutzt worden sind, um eine Reihe von Impulsen zu übertragen, die ausreichen, um Digitaldaten zu erzeugen, die die Wellenform darstellen, die an der Empfangswandleranordnung 21 empfangen wurde. Diese Daten können dann bei einer Vielzahl von Verfahren verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften des Körperteils zu bestimmen und die Art zu bestimmen, wie das Densitometer eingesetzt wird und die Daten ermittelt werden, und der entsprechende Output kann entweder vom Mikroprozessor 38 oder dem Signalprozessor 41 durch die digitale Anzeige 18 bereitgestellt werden.
Weil das Ultraschallpulsieren und -messen zumindest in bezug auf den Menschen so rasch durchgeführt werden kann, kann das Verfahren zum Erzeugen eines gemessenen gesampelten Ultraschallimpulses gegebenenfalls mehrmals wiederholt werden, um das Rauschen durch Signaldurchschnittsbildung zu verringern. Wenn diese Möglichkeit genutzt werden soll, wird das Verfahren zum repetitiven Aussenden von Ultraschallimpulsen und Messen der empfangenen Wellenform, wie in Fig. 5 dargestellt, einmal oder mehrmals für jedes Element in der Anordnung wiederholt, bevor zum nächsten Element übergegangen wird. Dann können die so erzeugten gemessenen Wellenformen digital gemittelt werden, um eine zusammengesetzte Wellenform zu erzeugen, die eine geringere Zufallsrauschen-Komponente aufweist als jede einzelne gemessene Wellenform. Die Anzahl an Wiederholungen, die notwendig ist, um das Rauschen ausreichend zu verringern, kann durch Tests, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, ermittelt werden.
Nachdem somit ein Überblick über den Vorgang im Inneren des Densitometers der Fig. 1 bis 4 gegeben worden ist, ist es nun möglich, zu verstehen, wie das Densitometer die Knochenintegrität des Körperteils mißt. Die erste Möglichkeit umfaßt das Messen der Durchgangszeit eines Ultraschallimpulses durch einen Patienten und das Vergleichen dieser Zeit mit der Zeit, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um eine gleiche Distanz in einer Substanz mit bekannten akustischen Eigenschaften, wie Wasser, zurückzulegen. Um das Densitometer bei diesem Verfahren zu verwenden, wird der einstellbare Arm 16 eingestellt, bis der Körperteil des Patienten, wie die Ferse, zwischen den Wandlern 21 festgeklemmt ist. Dann wird der Knauf 19 festgezogen, um den einstellbaren Arm in Position zu befestigen. Der Knopf 12 wird dann gedrückt, um einen Impuls und die Messung in Gang zu setzen. Als nächstes wird das Densitometer vom Patienten abgenommen, während der Knauf 19 festgestellt bleibt, so daß der Abstand zwischen den Wandlern 21 gleich bleibt. Die Vorrichtung 10 wird dann um ein Standardmaterial 32 mit bekannten akustischen Eigenschaften angeordnet oder darin eingetaucht, etwa durch Eintauchen in ein Bad aus destilliertem Wasser. Der Betätigungsknopf 12 wird wieder gedrückt, so daß akustische Signale vom Sendewandler 21 durch das Material 32 zum Empfangswandler 21 übertragen werden. Es ist zwar vorteilhaft, die gesamte Anordnung aus Elementen a bis l für die Messung des Körperteils zu verwenden, es kann jedoch nur notwendig sein, ein einzelnes Elementenpaar für die Messung durch den Standard einzusetzen, wenn nur angenommen wird, daß der Standard, im Gegensatz zum Körperteil homogen ist. Die von den beiden Messungen erhaltenen Signalprofile werden dann durch den Mikroprozessor 38 und den Signalprozessor 41 analysiert. Diese Analyse kann sich sowohl auf die Vergleichsdurchgangszeit des Impulses durch den Patienten im Vergleich zum Standard als auch auf die Eigenschaften der Wellenform bezüglich Frequenzantwort und Dämpfung durch den Patienten im Vergleich zum Standard beziehen.
So kann das Densitometer die physikalischen Eigenschaften und die Integrität des Elements 32 durch beide oder eine aus zwei Analyseformen ermitteln. Das Densitometer kann die Durchgangszeit der akustischen Signale durch das Element mit der Durchgangszeit der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschatten vergleichen, und/oder die Vorrichtung 10 kann die Dämpfung als Funktion der Frequenz der akustischen Breitband-Signale durch das Element 32 mit der absoluten Dämpfung entsprechender spezifischer Frequenzkomponenten der akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften vergleichen. Die "Dämpfung" eines akustischen Signals durch eine Substanz ist die Verkleinerung der Ultraschall-Wellenform aufgrund der Ausbreitung entweder durch den Patienten oder durch den Standard hindurch. Die Theorie und die Versuche, bei denen diese beiden Verfahren eingesetzt werden, werden in P. J. Rossman, Measurements of Ultrasonic Velocity and Attenuation in the Human Os Calcis and Their Relationships to Photon Absorptiometry Bone Mineral Measurements (1987) dargelegt und erörtert (einer Arbeit zur Erlangung des Titels Master of Science an der University of Wisconsin-Madison). Tests weisen darauf hin, daß es eine lineare Beziehung zwischen Ultraschall-Dämpfung (in Dezibel (db) gemessen) bei spezifischen Frequenzen und diesen Frequenzen gibt. Die Steigung (dB/MHz) der linearen Beziehung, die als Breitband-Ultraschalldämpfung bezeichnet wird, hängt von den physikalischen Eigenschaften und der Integrität der getesteten Substanz ab. Bei einem Knochen würde die Steigung der linearen Beziehung von der Knochenmineraldichte abhängen. Somit ist die Breitband-Ultraschall-Dämpfung durch einen Knochen ein Parameter, der in direktem Zusammenhang mit der Qualität der spongiösen Knochenmatrix steht.
Der Mikroprozessor 38 kann daher so programmiert werden, daß die Vorrichtung die physikalischen Eigenschaften und die Integrität des Elements bestimmt, indem entweder die relativen Durchgangszeiten und/oder die relative Breitband-Ultraschall-Dämpfung durch den Körperteil und ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften bestimmt wird. Wenn die Durchgangszeiten verglichen werden, kann der Mikroprozessor 38 am einfachsten so programmiert werden, daß die Elektronik, nachdem sie die akustischen Signale empfangen hat, nachdem diese durch den Körperteil gesendet worden sind, die "Körperteil"-Durchgangszeit dieser akustischen Signale durch den Körperteil bestimmt, und, nachdem die akustischen Signale durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften gesendet worden sind, die "Material"- Durchgangszeit der akustischen Signale durch das Material bestimmt. Diese Zeitperioden können am einfachsten gemessen werden, indem die Anzahl an Taktimpulsen bekannter Frequenz gezählt wird, die vom Timer 43 zwischen der Zeit des Aussendens des Impulses und dem Abfühlen des empfangenen Impulses am A/D- Wandler 42 abgegeben werden. Der Mikroprozessor 38 stellt dann einen mathematischen "Zeit"-Vergleich zwischen der Körperteil-Durchgangszeit und der Material-Durchgangszeit an und setzt dann den mathematischen Zeitvergleich mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Körperteils in Beziehung. Der mathematische Zeitvergleich kann durchgeführt werden, indem entweder eine Differenz zwischen der Körperteil-Durchgangszeit und der Material-Durchgangszeit angestellt wird, oder indem ein Verhältnis zwischen der Körperteil-Durchgangszeit und der Material-Durchgangszeit ermittelt wird.
Das Densitometer kann die physikalischen Eigenschaften und die Integrität des Körperteils 32 auch ermitteln, indem die absolute Dämpfung der Breitband- Frequenzkomponenten der akustischen Signale durch den Körperteil ermittelt wird, ohne daß auf ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften Bezug genommen wird. Bei Einsatz dieses Verfahrens ist der Vergleich der Geschwindigkeit mit einem Standard nicht notwendig, und die absolute Durchgangszeit des Impulses muß nicht berechnet werden, da die gemessene Größe seine Dämpfung ist. Bei einem solchen Modus ist es vorzuziehen, daß der Sendewandler 21 ein akustisches Signal übermittelt, das einen breiten Bereich von Frequenzkomponenten aufweist, wie ein einfacher Ultraschallimpuls. In jedem Fall sollte das akustische Signal zumindest eine spezifische Frequenzkomponente aufweisen.
Bei diesem Dämpfungsvergleichsmodus ist der Mikroprozessor 38 so programmiert, daß er, nachdem der Empfangswandler 21 die akustischen Signale empfangen hat, die durch das Knochenelement 32 hindurch übertragen wurden, die absolute Dämpfung durch den Körperteil 32 des Frequenzkomponentenspektrums der akustischen Signale bestimmt. Es soll die Messung der Dämpfung erleichtern, daß die Anregungsverstärkerschaltung 55 und der Empfängerverstärker 59 Verstärkungen aufweisen, die digital gesteuert werden können. Durch aufeinanderfolgendes Variieren der Verstärkung durch die Verstärker 55 und 59 bei aufeinanderfolgenden Impulsen kann die Schaltung von Fig. 4 ermittelt, welche Verstärkung notwendig ist, um den Peak der empfangenen Wellenform auf ein angemessenes Spannungsniveau zu bringen. Diese Verstärkung ist natürlich vom Ausmaß an Dämpfung des akustischen Impulses während des Durchgangs durch den Körperteil 32 abhängig. Nachdem der Empfangswandler 21 akustische Signale erhalten hat, bestimmt Mikroprozessor 38 in Verbindung mir dem Signalprozessor 41 die absolute Dämpfung einzelner spezifischer Frequenzkomponenten des empfangenen akustischen Signals, das durch das Material übertragen worden ist. Der digitale Signalprozessor 41 stellt dann mathematische "Dämpfungs"-Vergleiche der entsprechenden einzelnen spezifischen Frequenzkomponenten durch den Körperteil an. Dadurch kann ein Satz mathematischer Dämpfungsvergleiche zwischen entsprechenden Frequenzkomponenten erhalten werden, ein Vergleich für jede verglichene Frequenzkomponente. Die Art, wie die Dämpfung in bezug auf die Frequenz funktioniert, kann so abgeleitet werden. Der Mikroprozessor 38 und der Digitalsignalprozessor 41 setzen diese Funktion dann mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität des Körperteils in Bezug.
In Fig. 7 werden ein gemessener Breitband-Ultraschallimpuls und eine typische empfangene Wellenform gezeigt. Um ein Ultraschallsignal zu erzielen, das in der Frequenzdomäne sehr breit ist, d. h. ein Breitband-Übertragungssignal, wird ein elektronischer Impuls, wie bei 70 angegeben, an den gewählten Ultraschall-Wandler in der Sendeanordnung 21 angelegt, der dann mit einer Breitband-Ultraschallaussendung mitschwingt. Das empfangene Signal, wie bei 72 in Fig. 7 in einer Zeitdomänen- Signalkurve angegeben, wird dann durch Analyse durch diskrete Fourier-Transformation verarbeitet, so daß es in die Frequenzdomäne umgewandelt wird. In Fig. 8 werden ein paar Kurven von gemessenen empfangenen Signalen in Frequenzdomänenkurven gezeigt, was die Verschiebung der Intensität des empfangenen Signals als Funktion der Frequenz zwischen einem Bezugsobjekt und einem im Instrument angeordneten Neoprenpfropfen zeigt. Fig. 9 veranschaulicht einen ähnlichen Vergleich, wobei Fig. 8 die relative Dämpfung in der vertikalen Abmessung verwendet und Fig. 9 die absolute Leistung des empfangenen Signals verwendet. Beide Darstellungen veranschaulichen die Differenz der relativen Intensitäten als Funktion der Frequenz, was veranschaulicht, wie die Breitband-Ultraschall-Dämpfung von Objekt zu Objekt variiert. Der tatsächliche berechnete Wert, die Breitband-Ultraschall-Dämpfung, wird berechnet, indem zunächst das empfangene Signal mit dem Bezugssignal verglichen wird, dann die diskrete Fourier-Transformation durchgeführt wird, um in die Frequenzdomäne umzuwandeln, und dann eine lineare Regression der Differenz im Dämpfungsanstieg durchgeführt wird, um die Breitband-Ultraschall-Dämpfung abzuleiten. Die Mathematik der diskreten Fourier-Transformation ist eine solche, daß zusätzlich zur Dämpfung, oder an ihrer Stelle, ein anderer Parameter berechnet werden kann, der sich auf die Knochenelementdichte bezieht. Wenn die diskrete Fourier-Transformation am Zeitdomänensignal durchgeführt wird, umfaßt die Lösung für jeden Punkt eine reelle Körperteilkomponente und eine imaginäre Körperteilkomponente. Die in den Fig. 8 und 9 graphisch dargestellten Werte sind die Amplitude des empfangenen Impulses, wie durch diese diskrete Fourier-Transformation erhalten, indem die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der reellen Komponente und der imaginären Komponente gezogen wird. Der Phasenwinkel der Phasenänderung des Ultraschallimpulses, wie er durch das Element geschickt wird, kann berechnet werden, indem der Arcustangens des Verhältnisses zwischen der imaginären und der reellen Komponente ermittelt wird. Dieser Phasenwinkelwert wird ebenfalls zur Knochenelementdichte berechnet.
Der Mikroprozessor 38 kann auch so programmiert sein, daß das Densitometer beide Funktionen gleichzeitig erfüllt, d. h. sowohl die Durchgangszeit als auch die absolute Dämpfung der übertragenen akustischen Signale, zunächst durch den Körperteil und dann durch das Material mit bekannten akustischen Eigenschaften, bestimmt. Das Densitometer kann dann sowohl die Breitband-Ultraschalldämpfungsfunktion ableiten als auch einen mathematischen Zeitvergleich der Durchgangszeit durch den Körperteil mit der Durchgangszeit durch das Material durchführen. Der Mikroprozessor 38 und der Digitalsignalprozessor 41 setzen dann den Zeitvergleich gemeinsam mit der Dämpfungsfunktion mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität oder Dichte des Körperteils 32 in Beziehung.
Bei wieder einer anderen möglichen Betriebsart kann der Mikroprozessor 38 so programmiert werden, daß das Densitometer 10 in einem Modus arbeitet, durch den die Notwendigkeit für das Berechnen entweder der relativen Durchgangszeit oder der Dämpfung der akustischen Signale durch ein Material mit bekannten akustischen Eigenschaften beseitigt wird. Um in einem solchen Modus zu arbeiten, umfaßt der Mikroprozessor 38 eine Datenbank mit normalen absoluten Durchgangszeiten, die auf Faktoren wie Alter, Größe, Gewicht, Rasse oder Geschlecht des getesteten Patienten sowie dem Abstand zwischen den Wandlern oder der Dicke oder Größe des Körperteils basieren. Diese Datenbank normaler Durchgangszeiten kann im nichtflüchtigen Speicher oder in einem anderen Medium gespeichert sein. Beim Testen eines Individuums in diesem Modus werden die relevanten Faktoren für das Individuum in den Mikroprozessor 38 eingebracht, um die relevante normale Durchgangszeit auf Basis dieser Faktoren auszuwählen. Die Wandler 21 werden wie oben beschrieben auf dem getesteten Knochenelement angeordnet. Wenn der Betätigungsknopf 12 gedrückt wird, werden die akustischen Signale durch den Körperteil 32 gesendet. Der Empfangswandler 21 empfängt diese Signale, nachdem sie durch das Element übertragen worden sind, und die Elektronik 31 bestimmt dann die "Körperteil"- Durchgangszeit der akustischen Signale durch den Körperteil. Der Mikroprozessor 38 und der Digitalsignalprozessor 41 stellen dann einen mathematischen Vergleich zwischen der gemessenen Körperteil-Durchgangszeit und der aus der Datenbank gewählten normalen Durchgangszeit an und setzt den mathematischen Zeitvergleich mit den physikalischen Eigenschaften und der Integrität oder Dichte des Körperteils in Beziehung, die angezeigt wird.
Als alternative Ausgangsgröße des Densitometers gemäß vorliegender Erfindung könnte die Digitalanzeige 18 auch eine Anzeige umfassen, die dem Muster der Anordnung aus Elementen an der Fläche des Wandlers 21 entspricht, wie in Fig. 3 zu sehen. Diese Anzeige könnte dann für jedes Element a bis l ein Grauskalenbild anzeigen, das zum gemessenen Parameter, d. h. der Durchgangszeit oder Dämpfung, proportional ist. Dieses Bild kann dem erfahrenen Kliniker einen visuellen Hinweis auf die physikalischen Eigenschaften des beim Patienten vorhandenen Körperteils liefern.
In Fig. 6 wird ein Schaltungsschema für eine alternative Ausführungsform eines Ultraschall-Densitometers gezeigt, das gemäß vorliegender Erfindung konstruiert ist. Bei der Schaltung von Fig. 6 sind Teile mit ähnlicher Struktur und Funktion wie ihre entsprechenden Teile in Fig. 4 mit ähnlichen Bezugszahlen versehen.
Die Ausführungsform von Fig. 6 soll mit nur einer einzigen Wandleranordnung 21 funktionieren, die sowohl als Sende- als auch als Empfangswandleranordnung dient. Eine fakultative Reflexionsoberfläche 64 kann an der gegenüberliegenden Seite des Elements 32 von der Wandleranordnung 21 angeordnet sein. Ein digital gesteuerter mehrpoliger Schalter 66, vorzugsweise eine elektronischer Schalter und nicht ein mechanischer, verbinden den Eingang zu und den Ausgang aus den Elementen der Wandleranordnung 21 selektiv entweder mit dem Anregungsverstärker 55 oder der steuerbaren Verstärkungsempfänger/verstärker-Schaltung 59. Der Schalter 66 ist durch eine Schaltersteuerungsleitung 68 mit einem Ausgang des Mikroprozessors 38 verbunden.
Beim Betrieb der Schaltung von Fig. 6 arbeitet diese größtenteils wie die Schaltung von Fig. 4, daher müssen nur die Unterschiede erörtert werden. Während des Aussendens eines Ultraschallimpulses bewirkt der Mikroprozessor 38, daß ein Signal in der Schaltersteuerungsleitung 68 auftritt, wodurch bewirkt wird, daß der Schalter 66 den Ausgang des Anregungsverstärkers 55 mit dem ausgewählten Element in der Wandleranordnung 21 verbindet. Nach dem Abschluß des Aussendens des Impulses ändert der Mikroprozessor 38 das Signal in der Schaltersteuerungsleitung 68 so, daß der Schalter 66 betätigt wird, um das oder die gewählte(n) Element(e) als Eingang an den Verstärker 59 anzuschließen. Unterdessen wandert der Impuls durch den Körperteil 32. Während der Impuls durch den Körperteil geht, werden Reflexionsimpulse erzeugt, während der Impuls die Grenzflächen unterschiedlicher Materialien im Körperteil durchquert, und insbesondere während der Impuls den Körperteil an seiner gegenüberliegende Seite in die Luft verläßt. Wenn der Übergang vom Körperteil zur Luft keinen ausreichenden Reflexionsimpuls erzeugt, kann die Reflexionsoberfläche 64 gegen die gegenüberliegende Seite des Körperteils angelegt werden, um für einen verstärkten reflektierten Impuls zu sorgen.
Die Ausführungsform von Fig. 6 kann somit verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften und die Integrität eines Körperteils unter Verwendung nur eines Wandlers 21 zu analysieren. Alle der oben für solche Messungen beschriebenen Verfahren können bei dieser Version der Vorrichtung mit gleicher Wirksamkeit verwendet werden. Die Durchgangszeit des Impulses durch das Element kann gemessen werden, indem einfach die Zeitperiode bis zum Empfang des reflektierten Impulses gemessen und dann einfach durch 2 dividiert wird. Diese Zeitperiode kann mit der Durchgangszeit über eine ähnliche Distanz durch ein Standardmedium wie Wasser verglichen werden. Die Zeitperiode für den Empfang des reflektierten Impulses könnte auch einfach mit Standardwerten für Alter, Geschlecht usw. verglichen werden. Dämpfungsmessungen zum Detektieren der Differenzfrequenzmessung können direkt am reflektierten Impuls erfolgen. Wenn keine reflektierende Oberfläche 64 verwendet wird und es wünschenswert ist, die absolute Durchgangszeit zu bestimmen, kann die Dicke des Körperteils oder der Probe gemessen werden.
Die Verwendung der Mehrelement-Ultraschallwandleranordnung für die Wandler 21, wie in Fig. 3 dargestellt, ermöglicht es, die vorliegende Erfindung im Instrument der Fig. 1-9 praktisch zu nutzen. Bei Verwendung von Densitometern nach dem Stand der Technik war es oft notwendig, das Instrument in bezug auf den Körperteil des Patienten, der gemessen wird, präzise anzuordnen, um nützliche Ergebnisse zu erzielen. Die Schwierigkeit entsteht aufgrund der Heterogenität in der Knochenmasse und Struktur der tatsächlichen Körperteile. Eine an einer Position durchgeführte Dichtemessung kann sich von einer nicht weit davon entfernt durchgeführten beträchtlich unterscheiden. Daher wurde bei Instrumenten nach dem Stand der Technik der Körperteil präzise fixiert, so daß die Messung jederzeit an der präzisen Stelle durchgeführt werden konnte.
Die Verwendung der Ultraschallwandleranordnung macht diese präzise Positionierung überflüssig. Bei Verwendung des Instruments der Fig. 1 bis 9 gemäß vorliegender Erfindung erfolgt durch das Instrument ein Impuls und eine Antwort, es führt die diskrete Fourier-Transformation durch und erzeugt einen Wert für die Knochen- Ultraschalldämpfung für jedes Paar Wandlerelemente a bis l. Dann analysiert der Mikroprozessor 38 die resultierende Abfolge von Ultraschall-Knochendichtemessungen, so daß jedesmal reproduzierbar der gleiche Bereich von Interesse identifiziert wird. Mit anderen Worten, da die Anordnung von Wandlern in ihrer räumlichen Ausdehnung groß genug ist, um jedesmal zumindest den einen gemeinsamen Bereich von Interesse abzudecken, wird die Messung jedesmal am gleichen Ort lokalisiert, indem aus den durch die Anordnung gemessenen Stellen elektrisch die richtige Stelle für die Messung ausgewählt wird. Das Instrument der Fig. 1 bis 9 wird zweckmäßig verwendet, indem die Dichte des Fersenknochens gemessen wird, wie durch die Ferse eines menschlichen Patienten gemessen. Wenn es an dieser Stelle eingesetzt wird, ist festgestellt worden, daß ein Bereich von Interesse im Fersenbein zuverlässig und wiederholbar auf Basis der Vergleiche der Knochen-Ultraschalldämpfung und/oder der Geschwindigkeit nahe am Bereich der höchsten Dämpfungswerte im Körperelement lokalisiert werden kann. So können reproduzierbar repetitive Messungen des Knochen-Ultraschalldämpfungswerts in ebendiesem Bereich von Interesse durchgeführt werden, obwohl das Densitometerinstrument 10 für jede aufeinanderfolgende Messung nur allgemein an der gleichen Stelle angeordnet ist.
Diese Technik der Verwendung einer Mehrfachelementanordnung, um zu vermeiden, daß die Positionierung kritisch ist, läßt sich auch auf andere Techniken als die Bestimmung der Breitband-Ultraschalldämpfung, wie hier beschrieben, anwenden. Das Konzept der Verwendung einer Anordnung und des Vergleichens der Anordnung aus Ergebnissen, um den Meßort zu bestimmen, wäre ebenso auf Messungen der Körperteil- Dichte auf Basis der Geschwindigkeit der Schalldurchgangszeit, andere Messungen der Dämpfung oder die oben erörterte Berechnung des Phasenwinkels anwendbar. Die Verwendung einer solchen Mehrfachelementanordnung mit automatisierter Wahl eines Elements im Bereich von Interesse kann auch auf andere Meßtechniken angewandt werden, die nützlich sind, um Parameter zu erzeugen, die mit der Knochenelementdichte in Beziehung stehen, wie das Messen von Geschwindigkeitsänderungen im übertragenen Impuls, wie im US-Patent Nr. 4.362.154 an Pratt vorgeschlagen, oder das Messen der Frequenz eines selbstauslösenden "Singaround"-Impulses, wie in US-Patent Nr. 3.847.141 an Hoop vorgeschlagen. Das Konzept, das das Merkmal der Positionsunabhängigkeit zuläßt, ist jenes einer Abfolge von Messungen, die eine Abfolge von Datenpunkten erzeugen, aus denen ein Bereich von Interesse durch ein reproduzierbares Kriterium oder mehrere Kriterien ausgewählt wird. Die Anzahl von Elementen in der Anordnung kann klarerweise auch variiert werden, wobei eine größere Anzahl von Elementen zu einer größeren Genauigkeit beim Identifizieren des gleichen Bereichs von Interesse führt.
Auf diese Weise stellt das Ultraschall-Densitometer gemäß vorliegender Erfindung eine Vorrichtung bereit, die zur raschen und effizienten Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eines Elements in vivo ohne den Einsatz von Strahlung fähig ist. Weil das Densitometer so konstruiert ist, daß es von Mikroprozessor 38 gesteuert arbeitet, kann es so programmiert werden, daß es in einem von mehreren Modi arbeitet, wie oben erörtert. Das ermöglicht sowohl Flexibilität der klinischen Ziele als auch die effiziente Verwendung der Vorrichtung.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Knochenintegrität eines Körperteils in vivo in einem bestimmten Bereich von Interesse, folgende Schritte umfassend:

(a) das Bereitstellen eines Ultraschall-Testgeräts mit einer Anordnung (21) von Ultraschall-Wandlerelementen (a-c);

(b) das Anordnen des Testgeräts allgemein auf der Fläche des Bereichs von Interesse auf dem Körperteil;

(c) das Absenden der Ultraschallsignale nacheinander von den Elementen (a-c) in der Anordnung (21); und

(d) das Abfühlen der von den Elementen ausgesandten, empfangenen Ultraschallsignale;

(e) das Ableiten zumindest eines Parameters aus den empfangenen Ultraschallsignalen, der mit der Knochenintegrität des Körperteils in Zusammenhang steht, an jedem Punkt in der Anordnung (21); und

(f) für den zumindest einen abgeleiteten Parameter, das automatische Auswählen eines Punkts in der Anordnung auf der Basis vorbestimmter Kriterien, um einen geeigneten Bereich von Interesse zu identifizieren, um so zuverlässige wiederholte Lokalisierung des Knochenelements zuzulassen; und

die Verwendung des zumindest einen Parameters am ausgewählten Punkt als Indikator für die Knochenintegrität des Körperteils im Bereich von Interesse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiters umfassend das Anzeigen von Anzeigeelementen in einem Muster, das dem Muster der Anordnung aus Ultraschall-Wandlerelementen entspricht, wobei jedes Anzeigeelement ein Grauskalenbild aufweist, das zum entsprechenden Parameter proportional ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Ultraschall-Testgerät zwei korrespondierende Wandleranordnungen umfaßt, wobei eine Wandleranordnung zum Absenden in Schritt (c) verwendet wird und die andere Wandleranordnung zum Abfühlen in Schritt (d) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Ultraschall-Testgerät eine einzelne Wandleranordnung aufweist, die sowohl zum Absenden von Impulsen in Schritt (c) als auch zu deren Abfühlen in Schritt (d) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Gerät in Schritt (b) an der Ferse des Benutzers angeordnet ist und worin der Bereich von Interesse der os calcis ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der abgeleitete Parameter in Schritt (e) einer aus folgenden ist: Breitband-Ultraschall-Abschwächung, die Durchgangszeit des Ultraschallimpulses, die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses, der Phasenwinkel des empfangenen Ultraschallimpulses oder die "Sing-around" Frequenz, die erhalten wird, wenn empfangene Ultraschallsignale die Übertragung neuer Ultraschallsignale auslösen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das vorbestimmte Kriterium das lokale Minimum der Parameter im Bereich von Interesse ist.

8. Ultraschall-Dichtemeßgerät zum Messen der Knochenintegrität eines Körperteils in vivo in einem bestimmten Bereich von Interesse, umfassend:

(a) einen Ultraschall-Wandler (21) mit einer Anordnung aus Ultraschall- Wandlerelementen (a-c);

(b) Mittel (36), um nacheinander Wandlerelemente (a-c) auszuwählen und zu bewirken, daß die Wandlerelemente (a-c) nacheinander Ultraschallsignale an den Bereich von Interesse des Körperteils absenden; und

(c) Mittel (42) zum Abfühlen der von den Elementen abgesandten empfangenen Ultraschallsignale;

(d) einen Mikroprozessor, der angeordnet ist, um:

(i) aus den empfangenen Ultraschallsignalen zumindest einen Parameter abzuleiten, der mit der Knochenintegrität des Körperteils in Zusammenhang steht, an jedem Punkt in der Anordnung;

(ii) für den zumindest einen abgeleiteten Parameter auf der Basis vorbestimmter Kriterien automatisch einen Punkt in der Anordnung auszuwählen, um einen geeigneten Bereich von Interesse zu identifizieren, um zuverlässige wiederholte Lokalisierung des Knochenelements zuzulassen; und

(iii) den zumindest einen Parameter am ausgewählten Punkt als Indikator für die Knochenintegrität des Körperteils im Bereich von Interesse zu verwenden.

9. Ultraschall-Dichtemeßgerät nach Anspruch 8, weiter umfassend Anzeigemittel zum Anzeigen von Anzeigeelementen in einem Muster, das dem Muster der Anordnung aus Ultraschall-Wandlerelementen entspricht, wobei jedes Anzeigeelement ein Grauskalenbild proportional zum entsprechenden Parameter aufweist.