DE69509882T2

DE69509882T2 - Verfahren und gerät zur auswertung und charakterisierung von knocheneigenschaften

Info

Publication number: DE69509882T2
Application number: DE69509882T
Authority: DE
Inventors: Genevieve Berger; Pascal Laugier
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2015-03-25
Also published as: US5806520A; JPH09511163A; WO1995026160A1; DE69509882D1; FR2717671A1; AU2142695A; FR2717671B1; AU689570B2; EP0751743B1; NZ283395A; KR100366472B1; DK0751743T3; ES2132654T3; EP0751743A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung und Charakterisierung mechanischer oder struktureller Eigenschaften von Knochen unter Anwendung von Ultraschall in vivo, um Parameterbilder zu erhalten.
In den letzten Jahren sind auf dem Markt Ultraschallgeräte erschienen, welche die Messung der Schwächung und ihrer Abhängigkeit als Funktion der Frequenz (Schwächungskoeffizient) oder der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls bei Transmission durch das Fersenbein oder die Kniescheibe erlauben. Diese Geräte sind im wesentlichen für die Fehlersuche oder das Verfolgen der Osteoporose gedacht.
Es ist bereits eine gewisse Anzahl von Vorrichtungen bekannt, welche für die Bewertung von Knochen in vivo sorgen, wobei Ultraschallwellenbündel angewendet werden.
In den Veröffentlichungen WO 90/01903 und WO 87/07494 sind Geräte beschrieben, welche die Durchführung einer Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen im Knochen erlauben, indem zwei Ultraschallköpfe eingesetzt werden, die auf beiden Seiten des Knochens angeordnet sind.
In US-A-4 774 959 ist eine Vorrichtung beschrieben, welche die Messung des Schwächungskoeffizienten in Transmission mittels eines ersten Paars Ultraschallköpfe sicherstellt, wobei diese Vorrichtung ein zweites Paar Ultraschallköpfe enthält, welches für die Messung der Knochendicke an der Stelle sorgt, wo das Ultraschallwellenbündel durch den Knochen läuft.
In EP-A-0 341 969 und 0 480 554 sind Vorrichtungen beschrieben, welche die Messung des Schwächungskoeffizienten in Transmission und der Ultraschallgeschwindigkeit mittels einander gegenüber angeordneter Ultraschallköpfe erlauben.
Schließlich ist in US-A-4 941 474 ein Gerät beschrieben, das die gleichzeitige Analyse der vom Knochen durchgelassenen Signale und der Signale ermöglicht, die von der inneren Knochenstruktur reflektiert oder gestreut werden. Das Gerät enthält mindestens einen Ultraschallkopf, der ein Ultraschallwellenbündel durch den Knochen schickt, Mittel, um die Signale, welche vom Knochen durchgelassen oder von dessen Flächen reflektiert worden sind, zu empfangen und zu speichern, und Mittel für die Verarbeitung der gespeicherten Signale, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallwellenbündels im Knochen, dessen Dicke, den Schwächungskoeffizienten bei Transmission des Ultraschallwellenbündels und Reflexionsparameter zu messen. Dieses Gerät erlaubt nicht die Gewinnung von Parameterbildern.
Die Erfahrungen bei der Verwendung obengenannter bekannter Geräte zeigen, daß die Messungen, welche sie durchzuführen erlauben, unvollständig bleiben und Genauigkeit, Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit dieser Messungen zu verbessern sind. Außerdem ermöglicht keines dieser bekannten Geräte die Gewinnung von Parameterbildern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt die Erfindung ein Verfahren des in US-4 941 474 definierten Typs bereit, das aber die Gewinnung von Parameterbildern erlaubt.
Gemäß diesem Verfahren
- wird mindestens ein fokussierter Ultraschallkopf verwendet, der ein Ultraschallwellenbündel durch den Knochen sendet,
- wird das Ultraschallwellenbündel in einer Ebene, die senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung steht, einen Scanvorgang ausführen gelassen,
- werden die Signale empfangen, welche durch den Knochen hindurchgehen und/oder von den Knochenflächen reflektiert und/oder von den inneren Knochenstrukturen gestreut werden,
- werden die erhaltenen Signale gespeichert und
- werden die so gespeicherten Signale für die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallwellenbündels im Knochen, der Knochendicke, des Schwächungskoeffizienten bei Transmission des Ultraschallwellenbündels und/oder der Reflexionsparameter für die Ermittlung des Rückstreu- und des Schwächungskoeffizienten verarbeitet.
Erfindungsgemäß wird für die Gewinnung von Parameterbildern der Schwächung als Funktion von Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in Transmission ein Paar einander gegenüberliegender fokussierter Ultraschallköpfe verwendet, die bei Niedrigfrequenz, d. h. bei einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 3 MHz und vorzugsweise von 100 kHz bis 1 MHz, arbeiten.
Bei seiner Anwendung zur Gewinnung von Bildern aus dem Reflexionsgrad im Echographiemodus (Reflexionsmodus) wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein fokussierter Ultraschallkopf oder ein Paar einander gegenüberliegender fokussierter Ultraschallköpfe eingesetzt, die in einem breiteren Frequenzbereich, d. h. bei einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 10 MHz, arbeiten können.
Erfindungsgemäß wird zur Gewinnung von Bildern aus dem Reflexionsgrad im Echographiemodus und zur Bestimmung des Schwächungs- und/oder des Rückstreukoeffizienten als Funktion der Frequenz des Ultraschallwellenbündels und auch zur Gewinnung von Parameterbildern der Schwächung als Funktion der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Transmission ein Paar einander gegenüber angeordneter Ultraschallköpfe, die bei Niederfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 3 MHz und vorzugsweise 100 kHz bis 1 MHz arbeiten, und ein fokussierter Ultraschallkopf oder ein Paar einander gegenüberliegender fokussierter Ultraschallköpfe, die bei Hochfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 1 bis 10 MHz, arbeiten, eingesetzt.
Die Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung wie in Anspruch 7 definiert gerichtet.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden einander gegenüberliegende fokussierte Ultraschallköpfe verwendet, die Ein-Element-Ultraschallköpfe sind.
Entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Messungen im eingetauchten Zustand durchgeführt werden, die Vorrichtung enthält dann einen mit einer Flüssigkeit wie Wasser gefüllten Behälter, wobei diese Messungen aber auch durch Kontakt mittels eines Kopplungsmediums und unter Verwendung eines Ultraschallkopfnetzes durchgeführt werden können.
Diese Vorrichtung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsmodul einen Computer, einen Massenspeicher und eine Gruppe von Rechenprogrammen zur Signalverarbeitung, welche für die Auswertung der Daten entwickelt worden sind, die vom Erfassungsmodul kommen, umfaßt, wobei dieses Verarbeitungsmodul eine Gruppe von Funktionen enthält, welche insbesondere die Berechnung des Schwächungskoeffizienten bei Transmission, der Dicke des durchstrahlten Knochens an der Meßstelle, der Ausbreitungsgeschwindigkeit, des Rückstreukoeffizienten bei Reflexion und des Schwächungskoeffizienten bei Reflexion erlauben.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile werden an Hand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen, die verschiedene Durchführungs- und Ausführungsbeispiele veranschaulichen, erläutert, wobei
- Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- Fig. 2 ein Blockschaltbild, welches auf allgemeine Weise das erfindungsgemäß verwendete Datenerfassungsmodul darstellt,
- Fig. 3 ebenfalls ein Schema, welches auf allgemeine Weise ein Erfassungsmodul veranschaulicht, das gleichzeitig bei Transmission und Reflexion arbeitet,
- Fig. 4 ein Blockschaltbild, welches das Erfassungsprinzip bei Transmission veranschaulicht,
- Fig. 5 ein Schema, welches das allgemeine Erfassungsprinzip bei Transmission und Reflexion veranschaulicht,
- Fig. 6 ein Schema, welches eine Abwandlung des Erfassungsmodus bei Transmission und Reflexion veranschaulicht,
- Fig. 7 ein Blockschaltbild, welches das allgemeine Prinzip der Signalverarbeitung in dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht,
- Fig. 8 ein Schema, das die Verarbeitung des transmittierten Signals für die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle im Knochen veranschaulicht,
- Fig. 9 ein weiteres Schema, das die Signalverarbeitung im Echographiemodus für die Messung der Knochendicke veranschaulicht, und
- Fig. 10 ein Blockschaltbild, welches das Verarbeitungsprinzip des transmittierten Signals für die Messung der Schwächung veranschaulicht,
zeigt.
Fig. 1 ist zu entnehmen, daß in diesem Ausführungsbeispiel die Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, im wesentlichen einen wassergefüllten Behälter 10 umfaßt, was die Durchführung der Messungen im eingetauchten Zustand ermöglicht, wobei durch das Vorhandensein des flüssigen Mediums eine gute Kopplung zwischen Strahlungsquelle und Knochen sichergestellt wird, dessen insbesondere mechanische Eigenschaften beurteilt werden sollen. Diese Vorrichtung enthält eine Quelle zur Aussendung von Ultraschallwellen, welche hier aus Paaren von fokussierten piezoelektrischen Ultraschallköpfen besteht, die einander gegenüber auf beiden Seiten des zu untersuchenden Knochens angeordnet sind, wobei eines der Ultraschallkopfpaare wie 12 bei Hochfrequenz, d. h. im obengenannten Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz, arbeitet, während das andere Ultraschallkopfpaar wie 14 bei Niederfrequenz in einem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz arbeitet. Diese Ultraschallkopfpaare sind an einer beweglichen Brücke angebracht, die in Fig. 1 in angehobener Position 16 bzw. in abgesenkter Position 16' für die Messung dargestellt ist.
Wie weiter oben beschrieben worden ist, besteht das Prinzip, auf welchem das erfindungsgemäße Verfahren beruht, in der Transmission einer Ultraschallwelle durch den Knochen und in der Untersuchung der Wechselwirkung dieser Welle mit ihm. Die von Fig. 1 veranschaulichte erfindungsgemäße Vorrichtung kann gleichzeitig bei Transmission und Reflexion arbeiten. In diesem Ausführungsbeispiel ist sie mit einem herkömmlichen Scansystem für das Ultraschallwellenbündel versehen, wobei dieser Scanvorgang durch Bewegung der fokussierten Ultraschallköpfe durch die Tätigkeit zweier Motoren erhalten wird, welche die Bewegungen in einer Ebene in den zueinander senkrecht stehenden Achsen X und Y sicherstellen, was die Untersuchung des gesamten Knochenvolumens ermöglicht.
Die Vorrichtung enthält außerdem ein Erfassungsmodul für das Aussenden der Ultraschallsignale und den Empfang dieser Signale nach ihrer Wechselwirkung im Knochen. Weiterhin ist ein Speichersystem für die so erhaltenen Signale und ein Verarbeitungsmodul für diese Signale zur Ermittlung bestimmter Schallparameter vorgesehen, die für ihre Relation mit den mechanischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Knochens bekannt sind.
Die Erfindung liefert, insbesondere durch ein automatisches Scannen mit dem Ultraschallwellenbündel, eine Lösung für die Schwierigkeiten, die aus dem Einsatz bisheriger Geräte resultieren, speziell was die genaue Positionierung des Knochens für die Messung und die Lokalisierung des vermessenen Bereichs angeht. Darüber hinaus erlaubt die Erfindung die Durchführung von Ultraschallmessungen bei Transmission durch den Knochen und bei Reflexion. Der Empfang der von der inneren Knochenstruktur reflektierten und/oder gestreuten Signale liefert eine Information, die komplementär zu der schon in den durch den Knochen hindurchgegangenen Signalen enthaltenen ist. Damit erlaubt es die erfindungsgemäße Vorrichtung, eine Informationsmenge zu gewinnen, die deutlich größer als diejenige ist, welche mit Vorrichtungen bekannten Typs erhalten wird. Außerdem erbringt die Erfindung eine merklich höhere Genauigkeit.
Wie in der Einleitung dieser Beschreibung festgestellt, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, Parameterbilder der Schwächung als Funktion von Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallwellenbündels im Transmissionsmodus zu gewinnen, indem ein Paar einander gegenüber angeordneter fokussierter Ultraschallköpfe eingesetzt wird, die bei Niederfrequenz, d. h. bei einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 1 MHz, arbeiten.
Die Erfindung ermöglicht es auch, Bilder aus dem Reflexionsgrad zu realisieren und eine Bestimmung von Schwächungs- und Rückstreukoeffizient im Echographiemodus zu erhalten, indem ein einziger fokussierter Ultraschallkopf oder ein Paar einander gegenüber angeordneter fokussierter Ultraschallköpfe verwendet wird, die bei Hochfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 1 bis 10 MHz, arbeiten.
Schließlich können auch durch das erfindungsgemäße Verfahren Bilder aus dem Reflexionsgrad im Echographiemodus realisiert, kann eine mittlere Bestimmung des Schwächungs- und/oder des Rückstreukoeffizienten als Funktion der Frequenz des Ultraschallwellenbündels erhalten und können bei Transmission Parameterbilder der Schwächung als Funktion von Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallwellenbündels realisiert werden. In dieser Anwendung wird erfindungsgemäß ein Paar einander gegenüber angeordneter Ultraschallköpfe, die bei Niederfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 1 MHz, arbeiten, und ein Paar einander gegenüber angeordneter fokussierter Ultraschallköpfe, die bei Hochfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 1 bis 10 MHz, arbeiten, eingesetzt.
Wie weiter oben festgestellt, umfaßt die Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, im wesentlichen ein Modul "Erfassung des Ultraschallsignals" und ein Modul "Verarbeitung des Signals".
Das Erfassungsmodul hat als Aufgaben:
- Aussendung von Ultraschallwellen durch die oben definierten Ultraschallköpfe,
- Empfang von Referenzultraschallwellen, von durch den Knochen hindurchgegangen Ultraschallwellen und von vom Knochen und seinen Strukturen reflektierten und/oder gestreuten Wellen,
- Scannen des gesamten Knochenvolumens durch das Ultraschallwellenbündel.
Das Erfassungsmodul besteht, wie weiter oben definiert, aus Ultraschallquellen und -empfängern (Paar fokussierter Ultraschallköpfe). Der so ausgesendete Ultraschallimpuls wird in das Ausbreitungsmedium, mit welchem er wechselwirkt, übertragen. Wie weiter oben festgestellt, kann die Messung im eingetauchten Zustand durchgeführt werden, um eine gute Kopplung zwischen Strahlungsquelle und Knochen zu erhalten. Durch die Wechselwirkung zwischen Ausbreitungsmedium und einfallender Welle entsteht eine direkt transmittierte Welle (kohärente Welle) und eine oder mehrere vom Knochen und/oder seinen inneren Strukturen reflektierte bzw. gestreute Wellen.
Das Erfassungsmodul besteht außerdem aus einer Stufe zur Detektion, Verstärkung (beispielsweise automatische Gewinnregelung) und analog-digitalen Signalumwandlung, einem Computer und einem Prozessor mit seiner herkömmlichen Umgebung. Die Gestaltung dieses Teils der Vorrichtung ist eine herkömmliche und wird folglich nicht weiter beschrieben.
Dieses Modul enthält weiterhin in diesem Ausführungsbeispiel eine mechanische Einrichtung, die den Scanvorgang durch das Ultraschallwellenbündel in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellenbündel sicherstellt. Während des Scannens führen Ultraschallsender und -empfänger synchron dieselbe Bewegung aus, wobei ihre relative Position gleich bleibt. Dieser Scanvorgang wird mittels zweier programmierbarer Motoren durchgeführt.
Fig. 2 ist ein allgemeines Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche nur eine Arbeitsweise im Transmissionsmodus sicherstellt. Diese Vorrichtung umfaßt einen Ultraschallkopf T&sub1; für das Aussenden, der mit einem gegenüber angeordneten Ultraschallkopf T'&sub1; für den Empfang verbunden ist. Die Ultraschallköpfe sind fokussiert, wobei der sie trennende Abstand etwa gleich dem Doppelten der Brennweite ist. Dabei detektiert der Ultraschallkopf T'&sub1; die vom Ultraschallkopf T&sub1; ausgesendeten Wellen und wandelt sie in ein elektrisches Signal um, das verstärkt, digitalisiert und zum Computer übertragen wird.
Fig. 3 zeigt ein allgemeines Schema einer Vorrichtung, die gleichzeitig im Transmissions- und im Reflexionsmodus arbeitet. Ein Ultraschallkopf T&sub2; oder T&sub3; wird derart periodisch angeregt, daß in das Ausbreitungsmedium eine Ultraschallwelle ausgesendet wird. Diese wechselwirkt mit dem Ausbreitungsmedium und unterliegt einer partiellen Reflexion und/oder einer Streuung. Dabei wird ein Teil der einfallenden Energie beim Eintritt in den Knochen reflektiert und ein Teil der in den Knochen übertragenen Energie anschließend von dessen inneren Strukturen gestreut und insbesondere zum Ultraschallkopf T&sub2; oder T&sub3; rückgestreut. Derselbe Ultraschallkopf T&sub2; oder T&sub3; dient als Empfänger, um die Wellen, welche vom Knochen reflektiert und von dessen innerer Struktur rückgestreut werden, zu detektieren und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das anschließend verstärkt, digitalisiert und zum Computer übertragen wird. Dabei ist der Ultraschallkopf T&sub2; oder T&sub3; mit der Empfängerstufe elektrisch verbunden. Durch die kombinierte Verwendung von zwei einander gegenüber angeordneten Ultraschallköpfen T&sub2; und T&sub3; bei Reflexion ist es möglich, gleichzeitig die Echos von den beiden gegenüberliegenden Knochenflächen zu detektieren. Damit kann eine automatische Ultraschallmessung der Knochendicke durchgeführt werden. Außerdem kann anschließend mit den rückgestreuten und vom Ultraschallkopf T&sub2; oder T&sub3; registrierten Signalen eine Signalverarbeitung durchgeführt werden, um aus ihnen für die Charakterisierung des Knochens nützliche Schallparameter zu gewinnen: beispielsweise Schwächung als Funktion der Frequenz, Wirkquerschnitt der Rückstreuung und Texturparameter.
Um mit zwei Paaren von einander gegenüber angeordneten Ultraschallköpfen gleichzeitig bei Transmission und Reflexion arbeiten zu können, wird vorzugsweise die von Fig. 3 veranschaulichte Lösung angewendet, gemäß welcher drei Stufen von Impulsgeneratoren eingesetzt werden, um die Ultraschallköpfe T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; zu steuern, wobei die Anregungen in der Zeit sequentiell sind: T&sub1; sendet als erster, wenn T'&sub1; die von T&sub1; ausgesendete Welle detektiert hat, sendet T&sub2;, und es werden die reflektierten und rückgestreuten Signale detektiert. Schließlich wird T&sub3; seinerseits angeregt.
Eine andere, wirtschaftlichere, aber weniger schnelle Lösung besteht darin, nur einen einzigen gemeinsamen Impulsgenerator für die Erregung der Ultraschallköpfe T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; zu verwenden. In diesem Fall genügt es, einen Umschalter vorzusehen, um bei jedem Schuß den Anregungsimpuls auf einen anderen Ultraschallkopf zu richten. Der Umschalter ist an den Mikroprozessor angeschlossen, der die Umschaltung steuert. Diese Abwandlung ist nicht veranschaulicht worden.
In Fig. 4 ist das Blockschaltbild der Erfassung durch Transmission dargestellt. Dabei gehen die verschiedenen Stufen dieser Erfassung klar aus dieser Figur hervor.
Es können zwei Lösungen für die Datenerfassung bei Transmission und Reflexion angewendet werden.
In der ersten von Fig. 5 veranschaulichten Lösung werden die transmittierten und reflektierten Daten bei einem einzigen Scanvorgang aufgezeichnet. In jeder Position X, Y werden die Ultraschallköpfe T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; nacheinander angeregt. In der von Fig. 6 gezeigten zweiten Lösung werden die transmittierten und reflektierten Daten während dreier verschiedener Scanvorgänge aufgezeichnet: Der erste Scanvorgang ist für die Datenerfassung durch das Paar Ultraschallköpfe T&sub1; und T'&sub1; vorgesehen, und der zweite und dritte Scanvorgang sind für die Datenerfassung bei Reflexion durch die Ultraschallköpfe T&sub2; und T&sub3; vorgesehen.
Es ist möglich, bei einer festen Position der Ultraschallköpfe mehrere Signale nacheinander zu erfassen. Dabei wird die Verbesserung des Verhältnisses von Signal/Rauschen über den Mittelwert dieser verschiedenen Erfassungen erhalten. Wenn diese Möglichkeit besteht, wird das Aussenden-Empfangen so oft wie nötig wiederholt. Nachdem diese Erfassungsfolge beendet ist, wird die Position der Motoren inkrementiert, und der Vorgang kann wiederholt werden.
Nach Beendigung der Signalerfassungsphase werden alle digitalisierten Signale gespeichert, und die Phase der Signalverarbeitung kann dann entweder automatisch oder über einen Steuerbefehl der Bedienkraft beginnen.
Die Vorrichtung, mit welcher die Erfindung durchgeführt wird, enthält, wie weiter oben ausgeführt, ein Signalverarbeitungsmodul. Das allgemeine Prinzip der Signalverarbeitung ist im Schema von Fig. 7 veranschaulicht.
Das Signalverarbeitungsmodul umfaßt einen Computer, einen Massenspeicher und eine Gruppe von Programmen zur Signalverarbeitung, welche für die Auswertung der zuvor bei Transmission und/oder Reflexion erfaßten Daten geschrieben worden sind. Es umfaßt eine Gruppe vorprogrammierter Funktionen, die insbesondere die Durchführung folgender Berechnungen erlauben:
- Berechnung der Schwächung (dB) als Funktion der Frequenz bei Transmission,
- Berechnung des Schwächungskoeffizienten (dB/MHz) als Funktion der Frequenz bei Transmission,
- Berechnung der Laufzeit der durch den Knochen transmittierten Signale,
- Berechnung der Dicke des durchschallten Knochens an der Meßstelle,
- Berechnung des Schwächungskoeffizienten als Funktion der Frequenz (dB/cm · MHz) bei Transmission,
- Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls bei Transmission,
- Berechnung der Schwächung (dB) als Funktion der Frequenz bei Reflexion,
- Berechnung des Schwächungskoeffizienten als Funktion der Frequenz (dB/cm · MHz) bei Reflexion,
- Berechnung des Wirkquerschnitts der Rückstreuung (dB) als Funktion der Frequenz bei Reflexion,
- Berechnung des Rückstreukoeffizienten (dB/MHz) bei Reflexion,
- Berechnung des integralen Rückstreukoeffizienten (dB · MHz) bei Reflexion.
Es ist selbstverständlich möglich, weitere Signalverarbeitungs- oder Bildverarbeitungsfunktionen hinzuzufügen, welche in der Lage sind, eine quantitative Information beizutragen, die zur Charakterisierung des Knochens (beispielsweise Texturanalyse) nützlich ist.
Die Parameter werden für jede Position der Ultraschallköpfe erhalten, wodurch man eine Kartographie von ihnen bekommen kann. Das Programm beinhaltet eine Bildverarbeitung, die es erlaubt, einen oder mehrere Meßbereiche beliebiger Form für eine Bestimmung eines lokalen Mittelwerts der Parameter auszuwählen.
Die Methode zur Bestimmung der Parameter (Schwächung und Ausbreitungsgeschwindigkeit) bei Transmission beruht auf dem Vergleich eines Referenzsignals mit einem durch den Knochen transmittierten Signal.
Das Referenzsignal ist ein Signal, das sich in einem Milieu ausbreitet, dessen akustische Charakteristika (Schwächung und Geschwindigkeit) wohlbekannt sind (in diesem Ausführungsbeispiel Wasser). Das Referenzsignal und die durch den Knochen transmittierten Signale werden unter denselben Bedingungen auf gezeichnet. Beispielsweise kann das Referenzsignal entweder während der Arbeit des Geräts oder vor jeder Untersuchung erfaßt werden. Man kann auch ein einziges Referenzsignal aufzeichnen und es im Speicher des Computers aufbewahren, damit es anschließend für die Untersuchung zur Verfügung steht.
Anschließend werden beispielhaft verschiedene Formen der Signalverarbeitung für bestimmte durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierte Funktionen beschrieben.

1) Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bei Transmission

Das Prinzip der Verarbeitung des transmittierten Signals zur Messung dieser Geschwindigkeit wird von dem Schema in Fig. 8 veranschaulicht. Diese Verarbeitungsform umfaßt daher folgende Stufen:
- Die Ultraschallköpfe befinden sich in Position X, Y.
Der Ultraschallkopf T&sub1; sendet, und die so emittierte und durch den Knochen transmittierte Welle wird vom Ultraschallkopf- Empfänger T'&sub1; detektiert, anschließend verstärkt, digitalisiert und dem Computer zugeleitet. Selbstverständlich werden, wie weiter oben beschrieben, bei Messungen durch das Fersenbein die Ultraschallköpfe und der Knochen in einem Bad angeordnet, dessen Temperatur von einem Thermostaten geregelt wird (siehe Fig. 1). Diese erste Messung ist für die Ermittlung der Laufzeit der durch den Knochen transmittierten Welle und die Berechnung der Differenz zwischen dieser Laufzeit und der des Referenzsignals vorgesehen.
- Der Ultraschallkopf T&sub2; (oder T&sub1;) sendet, und der Ultraschallkopf T&sub2; (oder T&sub1;) empfängt das so emittierte und vom Knochen reflektierte Signal. Die reflektierte Ultraschallwelle wird verstärkt, digitalisiert und dem Computer zugeleitet.
- Es wird die Länge der Laufzeit des Echos bestimmt, das von der zum Ultraschallkopf T&sub2; (oder T&sub1;) zeigenden Eintrittsfläche des Knochens reflektiert wird.
- Der Ultraschallkopf T&sub3; (oder T'&sub1;) sendet, und der Ultraschallkopf T&sub3; oder T'&sub1;) empfängt das vom Knochen reflektierte Signal. Die reflektierte Welle wird verstärkt, digitalisiert und zum Computer übertragen.
- Es wird die Länge der Laufzeit des von der Eintrittsfläche des Knochens, die zu T&sub3; (oder T'&sub1;) zeigt, reflektierten Echos bestimmt.
- Die beiden letzten Messungen sind zur Berechnung der Dicke des Fersenbeins an der Meßstelle vorgesehen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei Transmission der Ultraschallwelle leitet sich auf bekannte Weise von der Laufzeit der Welle zwischen den beiden Ultraschallköpfen ab. Zur Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit muß die Knochendicke bekannt sein, die erfindungsgemäß mittels Ultraschall gemessen wird.
In Fig. 9 ist das Verarbeitungsprinzip des Echographiesignals für die Messung dieser Dicke dargestellt. Durch Echographie kann die Entfernung, welche einen Ultraschallkopf von der Knochenfläche (interessierenden Fläche) trennt, ermittelt werden. Dabei genügt es, das Echo dieser Fläche zu identifizieren und seine Laufzeit zu messen. Die Ultraschallköpfe T&sub2; bzw. T&sub3; (oder T&sub1; und T'&sub1;) werden nacheinander im Echographiemodus abgefragt, und es werden die Laufzeiten t&sub1; und t&sub2; der von den jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen des Knochens reflektierten Echos gemessen. Daraus wird die Knochendicke abgeleitet.

2) Ermittlung des Schwächungskoeffizienten bei Transmission

Das Prinzip der Signalverarbeitung dieser speziellen Ausführungsform ist in Fig. 10 veranschaulicht. Es umfaßt folgende Stufen:
- Die Ultraschallköpfe befinden sich zu Beginn in der Position X, Y.
- Der Ultraschallkopf T&sub1; sendet, und die durch den Knochen geschickte Welle wird vom Ultraschallkopf-Empfänger T'&sub1; detektiert, anschließend verstärkt, digitalisiert und dem Computer zugeleitet. Wie weiter oben werden bei Messungen durch das Fersenbein in diesem Ausführungsbeispiel die Ultraschallköpfe und der Knochen in einem Bad angeordnet, dessen Temperatur von einem Thermostaten (Fig. 1) geregelt wird.
- Es werden die Frequenzspektren des durch den Knochen transmittierten Signals und des Referenzsignals berechnet. Die Schwächung als Funktion der Frequenz wird durch Vergleich des Spektrums eines aufgezeichneten Referenzsignals in Wasser mit dem des durch den Knochen transmittierten Signals erhalten. Das Ultraschallsignal ist ein Impulssignal und umfaßt mehrere Frequenzen im Intervall von 0,2 MHz bis 1 MHz.
Um den Einfluß der mit der Dicke des Fersenbeins verbundenen Abweichungen auszuschalten, müssen die auf die genaue Dicke des Fersenbeins an der Meßstelle bezogenen Schwächungen (dB/MHz · cm) verglichen werden. Weiter oben wurde die Art und Weise erläutert, auf welche eine Ultraschallmessung der Dicke im Echographiemodus durchgeführt werden kann.
Wie bei allen heterogenen Medien hängt der Wert der Schallparameter von der Meßstelle ab. Die Scaneinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt es, das gesamte Knochenvolumen zu untersuchen und eine Kartographie der Parameter zu erhalten. Ausgehend von den Bildern der Schwächung in Abhängigkeit von Frequenz und Geschwindigkeit der Ultraschallwelle kann ein Meßbereich (interessierender Bereich) ausgewählt und ein Mittelwert der Parameter in diesem Bereich ermittelt werden. Das Rechenprogramm enthält einige einfache Funktionen zur Bildverarbeitung, insbesondere zur Auswahl der Meßbereiche mit verschiedener Form und Größe. Die Bildunterstützung wird für die Auswahl der Meßbereiche, die bei verschiedenen Patienten gleich sind, oder bei wiederholten Messungen an ein und demselben Patienten genutzt.
Somit erlaubt es die Erfindung insbesondere, eine Ultraschall- Bilddarstellung des Fersenbeins (Schwächungs- und Geschwindigkeitsbilder) durch die Verwendung fokussierter Ultraschallköpfe zu erhalten, wobei die so gewonnenen Bilder mit denen vergleichbar sind, die mit einem Scanner erhalten werden.

3) Ermittlung des Schwächungskoeffizienten und des Wirkquerschnitts der Rückstreuung bei Reflexion als Funktion der Frequenz

Die verschiedenen Stufen dieser Verarbeitungsform der transmittierten Signale sind folgende:
- Die Ultraschallköpfe befinden sich in Position X und Y.
- Der Ultraschallkopf T&sub2; (oder T&sub3; oder T&sub1; oder T'&sub1;) sendet.
- Der Ultraschallkopf T&sub2; (oder T&sub3; oder T&sub1; oder T'&sub1;) stellt den Empfang des Echographiesignals sicher, das von der inneren Knochenstruktur rückgestreut wird, wobei dieses Signal anschließend verstärkt, digitalisiert und dem Computer zugeleitet wird.
- Durchführung einer gleitenden Spektralanalyse des Echographiesignals und Bestimmung der Spektren in Abhängigkeit von der Tiefe.
- Berechnung der spektralen Schwerpunkte in Abhängigkeit von der Tiefe.
- Berechnung des Schwächungskoeffizienten (dB/MHz · cm) als Funktion der Frequenz bei Reflexion.
- Berechnung der spektralen Differenz zwischen dem Signalspektrum und einem Referenzspektrum und anschließend des Wirkquerschnitts der Rückstreuung (dE) als Funktion der Frequenz bei Reflexion.
- Berechnung des Rückstreukoeffizienten (dB/MHz) bei Reflexion und
- Berechnung des integralen Rückstreukoeffizienten (dB · MHz) bei Reflexion. Der Scanvorgang des Ultraschallwellenbündels erlaubt es, eine Untersuchung des gesamten Knochenvolumens durchzuführen. Schwächungs- und Rückstreukoeffizient werden für jede Position der Ultraschallköpfe berechnet. Anschliessend kann ein lokaler Mittelwert der Parameter im Inneren eines von der Bedienkraft ausgewählten interessierenden Bereichs bestimmt werden.
Die Schwächung kann aus dem Radiofrequenz-Echographiesignal der Untersuchung ermittelt werden. Das Prinzip der Berechnung der Schwächung beruht auf einer Zeit-Frequenz-Analyse des Echographiesignals.
Die Erfindung erlaubt somit die Messung des Wirkquerschnitts der Rückstreuung in Abhängigkeit von der Frequenz. Es ist bekannt, daß die physikalischen Eigenschaften von Knochengewebe durch diese Messung bestimmt werden.
Aus der bisherigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung eine Lösung der Schwierigkeiten beiträgt, die bei der Verwendung von gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Ultraschallgeräten für die Knochenanalyse auftreten:
- Die Einrichtung für den automatischen Scanvorgang des Ultraschallwellenbündels erlaubt die Lösung des Problems der genauen Positionierung des Knochens und des Meßbereichs oder interessierenden Bereichs.
- Die Verwendung fokussierter Ultraschallköpfe erlaubt es, Bilder guter Qualität zu erhalten.
- Sie ermöglicht es, Ultraschallmessungen in Transmission durch den Knochen und bei Reflexion zu erhalten.
- Sie erlaubt es, von der inneren Knochenstruktur reflektierte und/oder gestreute Signale zu empfangen und zu verarbeiten, wodurch eine Information beigetragen wird, welche diejenige ergänzt, die sich bereits in den Signalen befindet, welche den Knochen durchlaufen haben. Somit tragen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Informationsmenge bei, die deutlich größer als die von den Vorrichtungen des Standes der Technik gelieferte ist, wobei höhere Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit geboten werden.
Von den Anwendungsbereichen der Erfindung ist weiter oben die Osteoporose beschrieben worden. In dieser Anwendung trägt die Erfindung ein nicht traumatisches physikalisches Verfahren zur Bewertung der Knochenqualität (Masse, Festigkeit, Struktur) in vivo bei. Man kann so die mit einer Verringerung der Knochenwiderstandsfähigkeit verbundene Bruchgefahr quantitativ beurteilen, wobei diese Verringerung bekanntermaßen eine Folge der Entmineralisations- und Modifizierungsphänomene der Knochenstruktur ist, die bei der Osteoporose vorgefunden werden.
Obige Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele ist nicht auf die Messungen am Fersenbein und an der Kniescheibe beschränkt; es existieren selbstverständlich andere Anwendungsbereiche für die Erfindung, insbesondere für die Überwachung des Mineralisationsgrades des Skeletts, speziell um die Ent wicklung der Knochenstruktur oder der Elastizität der Knochenstruktur zu verfolgen. Von diesen Anwendungen sind insbesondere zu nennen:
- Skelettreifung bei Neugeborenen,
- sekundäre Osteoporosen und Osteomalazie,
- Überwachung von Rennpferden und
- Charakterisierung von Knochenteilen in vitro,
Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und/oder dargestellten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern alle Abwandlungen umfaßt. So betrifft das hier beschriebene Ausführungsbeispiel im eingetauchten Zustand durchgeführte Messungen. Die Messungen können jedoch, ohne den Erfindungsumfang zu verlassen, durch Kontakt durchgeführt werden, indem ein Netz aus Ultraschallköpfen und ein Kopplungsmedium eingesetzt werden, wobei der Scanvorgang des Ultraschallwellenbündels elektronisch sichergestellt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Bewertung und Charakterisierung mechanischer oder struktureller Eigenschaften von Knochen in vivo, indem eine Ultraschallwelle durch den Knochen geschickt und die Wechselwirkung dieser Welle mit dem Knochen untersucht wird, um Parameterbilder zu erhalten, gemäß welchem

- mindestens ein fokussierter Ultraschallkopf verwendet wird, der ein Ultraschallwellenbündel durch den Knochen sendet,

- das Ultraschallwellenbündel in einer Ebene, die senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung steht, einen Scanvorgang ausführen gelassen wird,

- die Signale empfangen werden, welche durch den Knochen hindurchgehen und/oder von den Knochenflächen reflektiert und/oder von den inneren Knochenstrukturen gestreut werden,

- die erhaltenen Signale gespeichert werden und

- die so gespeicherten Signale für die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallwellenbündels im Knochen, der Knochendicke, des Schwächungskoeffizienten bei Transmission des Ultraschallwellenbündels und/oder der Reflexionsparameter für die Ermittlung des Rückstreu- und des Schwächungskoeffizienten verarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, um im Transmissionsmodus Parameterbilder der Schwächung in Abhängigkeit von Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallwellenbündels zu gewinnen, in welchem ein Paar fokussierter Ultraschallköpfe eingesetzt wird, die einander gegenüber angeordnet sind und bei Niedrigfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 3 MHz und vorzugsweise 100 kHz bis 1 MHz, arbeiten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, um im Echographiemodus Bilder aus dem Reflexionsgrad zu gewinnen, in welchem ein fokussierter Ultraschallkopf oder ein Paar fokussierter Ultraschallköpfe, die einander gegenüber angeordnet sind und bei einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 10 MHz arbeiten, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, das auf die Gewinnung von Bildern aus dem Reflexionsgrad und die Ermittlung des Schwächungs- und/oder des Rückstreukoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz des Ultraschallwellenbündels im Echographiemodus gerichtet ist und auch, um in Transmission Parameterbilder der Schwächung in Abhängigkeit von Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit zu gewinnen, in welchem ein Paar Ultraschallköpfe, die einander gegenüber angeordnet sind und bei Niedrigfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 100 kHz bis 1 MHz, arbeiten, und ein fokussierter Ultraschallkopf oder ein Paar fokussierter Ultraschallköpfe, die einander gegenüber angeordnet sind und bei Hochfrequenz, d. h. einer Mittenfrequenz von 1 MHz bis 10 MHz, arbeiten, verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem die Messungen mittels eines Kopplungsmediums durch Kontakt durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem ein Netz von Ultraschallköpfen verwendet wird, bei denen die Fokussierung und das Scannen mit dem Ultraschallwellenbündel elektronisch durchgeführt werden können.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Mittel (12, 14) für das Aussenden und den Empfang von Ultraschallwellen, die einander gegenüber auf beiden Seiten des zu vermessenden Knochens angeordnet sind, ein Erfassungsmodul, einschließlich den Mitteln für das Aussenden von Ultraschallwellen und den Empfang der Ultraschallsignale nach ihrer Wechselwirkung im Knochen, ein System für die Speicherung der so erhaltenen Signale und ein Modul für die Verarbeitung dieser Signale zur Ermittlung der bekannten Schallparameter, um diese mit den mechanischen oder viskoelastischen Knocheneigenschaften zu korrelieren, umfaßt, wobei die Mittel für das Aussenden und den Empfang der Ultraschallwellen fokussiert sind und die Vorrichtung Mittel enthält, welche es ermöglichen, daß das so ausgesendete Ultraschallwellenbündel einen Scanvorgang ausführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in welcher das Modul für die Signalverarbeitung einen Computer, einen Massenspeicher und eine Gruppe von Rechenprogrammen zur Signalverarbeitung, welche für die Auswertung der Daten entwickelt worden sind, die vom Erfassungsmodul kommen, umfaßt, wobei dieses Verarbeitungsmodul eine Gruppe von Funktionen enthält, welche insbesondere die Berechnung des Schwächungskoeffizienten bei Transmission, der Dicke des durchstrahlten Knochens an der Meßstelle, der Ausbreitungsgeschwindigkeit, des Rückstreukoeffizienten bei Reflexion und des Schwächungskoeffizienten bei Reflexion erlauben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, in welcher die Mittel für die Aussendung und den Empfang ein einziges Element enthaltende fokussierte Ultraschallköpfe (12, 14) umfassen, die einander gegenüber angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend einen Behälter (10), der mit einer Flüssigkeit wie Wasser gefüllt ist, um die Messungen im eingetauchten Zustand durchzuführen.