專利名稱：利用聲發(fā)射的骨質(zhì)疏松癥診斷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及診斷骨質(zhì)疏松癥的測試方法，具體而言本發(fā)明包括通過檢測聲發(fā)射來檢測骨質(zhì)疏松癥的方法。
骨質(zhì)疏松癥是一種有著廣泛社會經(jīng)濟(jì)學(xué)意義的疾病，它導(dǎo)致臀骨、椎骨骨折，給患者帶來劇烈的疼痛感，使其不便移動，通常需要進(jìn)行手術(shù)。(在本發(fā)明之前)確定骨質(zhì)疏松癥的診斷測試手段是利用雙X射線束裝置的骨測光密度術(shù)，當(dāng)然也可以采用諸如計(jì)算X線斷層攝影術(shù)和磁共振成象和/或超聲測量。所有這些方法由于相關(guān)的測試成本過高而未得到廣泛應(yīng)用。
雙能量X射線吸收(DXA)和定量計(jì)算X線斷層攝影術(shù)(QCT)測量骨的幾乎應(yīng)完全歸于其鈣含量的電子密度。這些程序提供了對骨質(zhì)量的一種量度，因此也提供了對患者是否正患有骨質(zhì)疏松癥的一種指示，因?yàn)楣琴|(zhì)疏松癥患者在基質(zhì)和材料方面均存在一定比例的損失。
目前正在研究定量的超聲聲圖描記法(QUS)在骨質(zhì)疏松癥診斷中的應(yīng)用。這一技術(shù)是基于骨所傳播的信號或聲波的傳播速度的。
在于1995年2月12日公開的德國專利442451 A1中描述了利用聲發(fā)射來檢測骨損傷，比如裂縫或檢測關(guān)節(jié)處磨損程度的概念。有關(guān)描述包括向骨施加負(fù)載，然后測量來自骨的聲發(fā)射，以評估被檢各骨頭的的強(qiáng)度。在該德國專利中描述的聲發(fā)射技術(shù)用于評估在裂縫形成期間生成或在關(guān)節(jié)移動期間生成的聲信號，從而確定人骨在機(jī)械負(fù)載下各自的斷裂負(fù)荷情況。該專利表明，為了檢測裂縫，對信號的分析應(yīng)當(dāng)建立在所產(chǎn)生的信號的基礎(chǔ)上，而為了確定關(guān)節(jié)磨損，即在諸如發(fā)生在關(guān)節(jié)中的摩擦期間，所作的分析應(yīng)當(dāng)建立在所產(chǎn)生信號的均方根之上。
1991年12月17日授予Gray等人的美國專利4836218描述了通過測量關(guān)節(jié)的聲發(fā)射并將之和關(guān)節(jié)的位置相關(guān)來確定關(guān)節(jié)異常的方法(也可參見1985年10月24日WO85/04564)。
美國專利4437473描述了通過檢測由關(guān)節(jié)移動所產(chǎn)生的聲音評估關(guān)節(jié)情況的技術(shù)，特別是對延伸到亞音速頻段的聲發(fā)射的分析據(jù)發(fā)現(xiàn)對這些診斷工作是很重要的。
1989年4月25日授予Russell等的美國專利4823807所披露的技術(shù)類似于專利4437473，其中它描述了檢查關(guān)節(jié)損傷的方法，其辦法是確定兩個骨頭之間的角度，有角度地移動骨頭，同時測量在相對角度移動期間由骨頭之間的關(guān)節(jié)發(fā)射的聲信號，并于此同時對所述的角度移動施加預(yù)選的阻力由此對關(guān)節(jié)加壓。
對骨頭進(jìn)行體外檢查已經(jīng)是公知知識，并利用聲發(fā)射技術(shù)對正常骨和發(fā)生骨質(zhì)疏松癥(化學(xué)方式的消化)的骨之間的差別進(jìn)行了確定。參見Hasegawa等人的文章“Failure Characteristics of OsteoporoticVertebral Bodies Monitored by Acoustic Emission”(聲發(fā)射所監(jiān)視到的骨質(zhì)疏松癥椎骨體的損壞特征)，Spine 1993,column 2314～2320,和/或Hasegawa等人的“Mechanical properties of OsteopenicVertebral Bodies Monitored by Acoustic emission”(聲發(fā)射所檢測到的骨質(zhì)疏松癥椎骨體的機(jī)械特性)，Bone 1993,37-743。采用聲發(fā)射來確定骨質(zhì)疏松癥的做法或體外確定骨質(zhì)疏松癥的嘗試對于診斷病人的骨質(zhì)疏松情況明顯缺乏價值。
現(xiàn)有的骨質(zhì)疏松診斷測試法過于昂貴，因而未廣泛應(yīng)用為篩選工具。本發(fā)明提供了測量骨質(zhì)疏松癥的簡易實(shí)用的評估系統(tǒng)。這樣的測試如果按更為例程化的方式進(jìn)行的話將導(dǎo)致利用有此類用途的藥物諸如雙磷酸酯來治療該疾病，對病人和社會均有益處。
本發(fā)明的一個目的是提供測量骨質(zhì)疏松癥的廉價、使用簡便的評估系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供利用聲發(fā)射檢測骨的骨質(zhì)疏松損傷情況的的方法。
廣義地說，本發(fā)明涉及體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，它包括以與所述患者的和待測骨相鄰的皮膚表面成聲接收接觸的方式設(shè)置一個聲傳感器，對所述骨施加預(yù)選的應(yīng)力以產(chǎn)生來自所述骨的聲發(fā)射事件，利用所述聲傳感器檢測聲發(fā)射以提供聲信號，并且分析所述聲信號以確定骨質(zhì)疏松癥對所述骨的損傷程度(如果存在的話)。
優(yōu)選的是，由所述聲傳感器檢測到的所述聲發(fā)射事件具有在20到100kHz之間的頻段。
優(yōu)選的是，所述分析所述聲信號以確定骨質(zhì)疏松癥對所述骨的損傷程度(如果存在的話)的步驟包括對所述聲信號進(jìn)行篩選以提供能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件，并且對所述能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件進(jìn)行處理以確定它們的總能量并且提供骨質(zhì)疏松癥嚴(yán)重程度的量度。
優(yōu)選的是對能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件的所述總能量進(jìn)行篩選，以審查在對信號放大40dB之后累積能量大于200的事件。
優(yōu)選的是，所述應(yīng)力是由所述患者從靜止位置舉起重物而施加的，其中所述重物被舉起到一定高度。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)、目的和優(yōu)勢在結(jié)合附圖閱讀下文對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述之后將會一目了然，其中

圖1是聲成象測試系統(tǒng)的基本原理。
圖2是將聲傳感器安裝到待測患者身體上的安裝系統(tǒng)的橫截面。
圖3是從圖2底部仰視的視圖。
圖4是本發(fā)明應(yīng)用到患者的簡示。
圖5和圖6是可測量出的典型信號和各種特征。
圖7是累加能量和骨的礦物密度(BMD)的曲線圖，它展示了從17位骨密度已知(即，骨質(zhì)疏松癥程度已知)的不同患者獲得的結(jié)果。
在詳細(xì)說明本發(fā)明方法之前，在圖1闡明聲發(fā)射聲波分析法的基本原理。如該圖所示，源10即被測的材料或個人(受標(biāo)號12所示的施加應(yīng)力的作用)，它產(chǎn)生由圓圈14所簡要表示的聲發(fā)射。聲傳感器16檢測到該聲波14，并產(chǎn)生代表由檢測器16檢測到的聲波的電信號，該電信號通常由前置放大器20(靠近傳感器16設(shè)置)放大，并作為信號18(聲信號)送往由箭頭22簡要表示的檢測和測量電子電路。
這種非破壞性的測試方法如上所述已被許多不同的應(yīng)用場合采用。
為了確定聲發(fā)射是否可用于檢測骨質(zhì)疏松癥，有必要提供將聲傳感器安裝在皮膚上并將聲傳感器和皮膚有效耦合的系統(tǒng)，使得由于骨質(zhì)疏松癥而產(chǎn)生的信號可以被檢測到。為此用途而采用的裝置如圖2和3所示，根據(jù)圖示它由柱形保持器30構(gòu)成，該保持器具有基本上為徑向的法蘭32，該法蘭位于一個環(huán)形的自粘襯墊34之下并將柱形保持器30連接到襯墊34，襯墊34經(jīng)在其表面上的粘合層36粘結(jié)到皮膚上。柱形聲傳感器38以滑動配合的形式設(shè)置在柱形袖套30內(nèi)，在圖2和3中保持器30的內(nèi)表面和傳感器38的相鄰面之間的間隙40作了一定程度的夸大。通常在傳感器38的末端上施加一個粘結(jié)帶(未表示)，并用于更好地將傳感器保持在患者身上適當(dāng)位置。
一種適當(dāng)?shù)穆暷z(acoustic gel)42施加在傳感器38和待測患者皮膚表面之間的表面上。這種聲凝膠有助于聲波從身體，即受測體的皮膚傳輸?shù)絺鞲衅?8，使得所得到的信號仍然足以達(dá)到其要求。
實(shí)施本發(fā)明所適用的一種傳感器是壓電換能器，其工作頻段為20-100kHz，其共振點(diǎn)在約60kHz。所選擇的頻段允許和骨質(zhì)疏松癥有關(guān)的信號能夠在未受到不適當(dāng)衰減的情況下傳輸?shù)絺鞲衅?，同時使來自不相關(guān)源的噪聲減至最小。例如，由Physical Acoustics公司(New Jersey)所提供的直徑為17.5mm的RG傳感器即可以滿足這些要求。
如圖4所示，在實(shí)施本發(fā)明的時候，患者100身上設(shè)置一個傳感器102，即優(yōu)選利用圖2和3所示的安裝系統(tǒng)(上述傳感器38和標(biāo)號102所指明的傳感器是等效的)。傳感器102將傳感器102所檢測并且由前置放大器(未圖示但等效于上文所述的前置放大器20)放大的信號送往計(jì)算機(jī)104(等效于圖1中由箭頭22簡要表示的測量電子電路)，該計(jì)算機(jī)104具有輸入鍵盤106和顯示所獲得結(jié)果的顯示器108。很顯然，計(jì)算機(jī)104也可以連接到如標(biāo)號110所指的適當(dāng)打印機(jī)或其它任何適當(dāng)?shù)妮敵鲅b置。
為了實(shí)施本發(fā)明，受檢體100持有一只或一對杠鈴112或相似物體，并受指示按箭頭114所指方向從靜止的支撐面111提起杠鈴。重物112平放在表面111上時所檢測到的聲發(fā)射提供了對背景的一個指示，而杠鈴或重物的提起意味著對骨施加了應(yīng)力，導(dǎo)致由患者100的骨產(chǎn)生一次聲發(fā)射，這些聲發(fā)射由檢測器或傳感器102檢測。傳感器優(yōu)選設(shè)置在腰錐骨1或2(L1或L2)處，因?yàn)檫@是進(jìn)行DXA測量的骨頭。但是傳感器可以設(shè)置在檢測任何適當(dāng)?shù)墓窃趹?yīng)力下的聲發(fā)射的部位。
所獲得的脈沖式聲發(fā)射信號經(jīng)前置放大器20放大，該前置放大器20緊靠傳感器102(38)設(shè)置。前置放大器20的設(shè)定放大倍數(shù)是約30dB到60dB，數(shù)據(jù)采集所采用的信號閾值如標(biāo)號50(圖5和6)所示，設(shè)定為在放大程度(degree of amplification)之下大約10dB?？梢詫D5所示的信號進(jìn)行分析，以確定過閾值脈沖(也稱之為過閾值次數(shù)或計(jì)數(shù)52)。圖6表示了由脈沖式聲發(fā)射獲得的其它常用參數(shù)。它們是上升時間54，持續(xù)時間56，幅度57和MARSE或能量58。在調(diào)整后的信號包絡(luò)下的測量區(qū)(MARSE或能量)和幅度57和持續(xù)時間56有關(guān)，而較少依賴于閾值設(shè)定值50和工作頻率。
體外聲發(fā)射測試所獲得的累積能量和X射線骨礦物密度(BMD-L1)作比較，后者也是利用常規(guī)的雙能量X射線分析法(DXA)體外測量得到的。BMD-L1是在結(jié)合累積能量的情況下在從聲發(fā)射測試開始起3秒到30秒的時間段內(nèi)得到檢查的。據(jù)發(fā)現(xiàn)累積能量和BMD L1之間的相關(guān)性在負(fù)載保持的早期，即從聲發(fā)射測試開始起小于約5秒鐘的階段內(nèi)是最佳的。
圖7是聲發(fā)射測試的前3秒期間累積能量對X射線礦物密度(兩者均為體外測量值)的關(guān)系圖，它清楚地表明其聲發(fā)射測試的前3秒期間獲得的累積能量隨X射線骨礦物密度的減少而增加。
對從無先知骨質(zhì)疏松癥史的人獲得的聲發(fā)射事件和從那些利用雙能量X射線吸收法(DXA)診斷患有骨質(zhì)疏松癥的患者獲得的聲發(fā)射事件進(jìn)行比較。據(jù)發(fā)現(xiàn)，能量/計(jì)數(shù)比大于2(＞2)的許多聲發(fā)射事件對兩者是共同的。因此這樣的信號(能量/計(jì)數(shù)＞2)被認(rèn)為和骨質(zhì)疏松癥無關(guān)。
能量/計(jì)數(shù)比低于或等于2(≤2)的事件也存在于這兩類受檢體中，但是，沒有已知骨質(zhì)疏松癥史的對象要么產(chǎn)生少量能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件，要么就根本不產(chǎn)生此類事件。具有骨質(zhì)疏松癥史(經(jīng)DXA診斷)的對象產(chǎn)生了許多能量/計(jì)數(shù)比□2的事件，因此具有能量/計(jì)數(shù)≤2的事件被認(rèn)為和骨質(zhì)疏松癥相關(guān)。采用一個過濾準(zhǔn)則來除去能量/計(jì)數(shù)＞2的事件，而能量/計(jì)數(shù)≤2的過濾后的事件用于表征骨質(zhì)疏松癥。
MARSE或能量(圖6中的58)用于表征骨質(zhì)疏松癥的嚴(yán)重程度。和所有能量/計(jì)數(shù)□2的事件相關(guān)的MARSE或能量被相加，以獲得“累積能量”(繪制在圖7的Y軸或垂直軸上)。由聲發(fā)射測試獲得的這一參數(shù)(累積能量)產(chǎn)生的結(jié)果和那些按常規(guī)DXA測試方法獲得的相似(圖7)。
實(shí)例為了確定本發(fā)明在檢測骨質(zhì)疏松癥方面的有效性，一系列骨質(zhì)疏松癥程度不同的對象進(jìn)行了如下的測試患者坐在無靠背的凳子上，并在一個腰椎骨(該椎骨通常標(biāo)記為L1)的背面貼上一個壓電檢測器(直徑為17.5毫米)，在該傳感器和患者之間設(shè)置聲學(xué)凝膠。在傳感器如此設(shè)置之后，患者被要求通過約90度的肘運(yùn)動從靜止位置提舉兩個1.5kg的重物，即在支承物111上的重物，保持手臂基本水平。
所獲得的信號利用前置放大器20放大，該放大器20緊靠處于L1位置的傳感器102(38)設(shè)置。前置放大器設(shè)置在40dB，而為便于數(shù)據(jù)采集信號閾值設(shè)置在30dB。分析該信號以測量上升時間，計(jì)數(shù)(過閾值數(shù))，能量，持續(xù)時間和幅度，而能量和計(jì)數(shù)以能量/計(jì)數(shù)比的形式定義圖7所表示的累積能量。
基于能量/計(jì)數(shù)比等于或小于2(即≤2)的原則分析這些由骨質(zhì)疏松癥程度不同的患者所產(chǎn)生的信號。
如圖7所示，當(dāng)測量得到的累積能量超出約200單位(基于前置放大器20對信號所作的40dB放大)時，骨礦物密度明顯低于一般被接受作為所有病人的臨床骨質(zhì)疏松標(biāo)準(zhǔn)的0.8g/cm2。
在上文對本發(fā)明的描述之后，各種修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是一目了然的，而不偏離后附的權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，它包括以與所述患者的和待測骨相鄰的皮膚表面成聲接收接觸的方式設(shè)置一個聲傳感器，對所述骨施加預(yù)選的應(yīng)力以產(chǎn)生來自所述骨的聲發(fā)射事件，利用所述聲傳感器檢測聲發(fā)射情況以提供聲信號，并且分析所述聲信號以確定骨質(zhì)疏松癥，如果存在的話，對所述骨的損傷程度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于由所述聲傳感器檢測到的所述聲發(fā)射事件具有在20到100kHz之間的頻段。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述分析所述聲信號以確定骨質(zhì)疏松癥，如果存在的話，對所述骨的損傷程度的步驟包括對所述聲信號進(jìn)行篩選以提供能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述分析所述聲信號以確定骨質(zhì)疏松癥，如果存在的話，對所述骨的損傷程度的步驟還包括對所述能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件進(jìn)行處理以確定它們的總能量并且提供骨質(zhì)疏松癥嚴(yán)重程度的量度。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述總能量是基于從檢測所述聲發(fā)射開始的3秒期間的能量的。
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于對能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件的所述總能量進(jìn)行篩選，以審查在對信號放大40dB之后累積能量大于200的事件。
7．根據(jù)權(quán)利要求2所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述分析所述信號以確定骨質(zhì)疏松癥對所述骨的損傷程度的步驟包括對所述聲信號進(jìn)行篩選以提供能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述分析所述聲信號以確定骨質(zhì)疏松癥，如果存在的話，對所述骨的損傷程度的步驟還包括對所述能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件進(jìn)行處理以確定它們的總能量并且提供骨質(zhì)疏松癥嚴(yán)重程度的量度。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述總能量是基于從檢測所述聲發(fā)射開始的3秒期間的能量的。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于對能量/計(jì)數(shù)比≤2的事件的所述總能量進(jìn)行篩選，以審查在對信號放大40dB之后累積能量大于200的事件。
11．根據(jù)權(quán)利要求1-10之一所述的體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥對患者骨的損傷情況的方法，其特征在于所述施加應(yīng)力的步驟包括由所述患者從靜止位置舉起重物，其中所述重物被舉起到一定高度。
全文摘要
體內(nèi)診斷骨質(zhì)疏松癥情況的方法,它包括以與所述患者皮膚接觸的方式設(shè)置一個聲傳感器,以例如提舉重物的方式對患者施加應(yīng)力,利用所述聲傳感器檢測聲發(fā)射情況以提供由被診病人的骨所引發(fā)的骨質(zhì)疏松損傷程度的指示。
文檔編號A61B8/08GK1300202SQ99806109
公開日2001年6月20日 申請日期1999年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月12日
發(fā)明者B·C·倫特勒, J·E·阿德里希, A·阿克塔 申請人:英屬哥倫比亞大學(xué)