專利名稱：非侵入性分析骨組織的結構和化學成分并能消除周圍組織的影響的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種分析骨組織的結構和化學成分并能消除周圍組織的影響的方法和裝置，尤其是使用生物阻抗測量法分析長骨的海綿狀部分的結構和化學成分。
背景技術：
分析骨骼的結構和化學成分的已知技術在于采用X射線或分析超聲回波掃描。利用X射線的技術的區別特點是特異性很好，并且在雙能X射線光密度測量(吸光測量)法的情況下，靈敏度達到95%的水平，但是該方法比較耗時，并且麻煩/不方便。該方法包括把患者暴露在X射線的有害影響下并且需要使用昂貴的大型設備。超聲波方法基于骨骼的機械性能的測量，并不能精確反映結構和化學成分，因而是不可靠的。英國專利GB2449226描述了一種分析骨骼結構的方法，該方法涉及使用設有兩個測量電極的裝置的生物阻抗光譜的測量。該方法在于使用發生器生成至少一個確定波形的標準信號，通過周圍組織、皮膚和肌肉把該信號施加到骨組織，然后使用相同的電極，把電響應引導到測量系統，所述電響應為流經被分析的組織的電流引起的電位差。該系統生成了與骨組織結構有關的數據。該裝置由兩個連接至發生器的電極和用計算機生成輸出數據監測測量電路的電響應的系統組成，所述發生器可變換并任意選擇標準交變電流信號。兩個電極同時用于提供電流和監測與骨組織密度有關的響應。該方法能夠進行快捷、非侵入并無損傷的生物阻抗測量。然而，該方法不能提供從生物阻抗信號單獨識別描述骨組織尤其是海綿狀部分組織的電參數的信息的可能性，而這些組織正是上述解決方案的發明人試圖分析的對象。該方法不能識別出絕大多數的測量電流流經骨骼周圍的組織，即，肌肉、脂肪組織和皮膚，這 種情況下，這些周圍的組織從診斷的角度來看無關緊要。另外，該方法沒有補償以高阻抗為特征的外骨表面的屏蔽效應，這種屏蔽效應可能會顯著降低流經內骨結構的測量電流。
發明內容
本發明的一個方法包括至少四個電極的系統，所述電極置于覆蓋被分析的骨骼(優選長骨)周圍的軟組織的皮膚上，屏蔽電極建立了屏蔽勢場，測量電流注入電極迫使測量電流穿過被分析的骨骼。同時，屏蔽電極使穿過被分析的骨骼周圍的軟組織的測量電流幾乎降低到零。測量電流、電位響應以及電位響應和測量電流之間的相位差在注入電極測量。接著，基于測得的電參數測定骨骼的結構和化學成分。有利地，使用注入電極把穿過周圍組織的測量交變電流引導到被分析的骨骼，同時，在屏蔽電極建立被分析的骨骼周圍的組織內部的交變屏蔽電位，然后，在測量電流注入電極，測量由于測量電流的流動產生的電位，并評價測得的電位差，維持屏蔽電位的值，并將其動態調整到與測量電流注入電極測得的電位成比例的水平。同樣有利地，測量期間，注入的測量電流頻率至少變化一次，同時，對于每個注入的測量電流頻率，測量測量電流注入電極的測量電流和電位。有利地，用附加電極測量由測量電流產生的電位，而使用探查電極在測量點測量被分析的骨骼周圍的組織內部的實時屏蔽電位。另外，在屏蔽電極處屏蔽電位屏蔽建立的方式和/或測量電流提供給測量電流注入電極的方式是這樣的，使得每個附加電極的電位與最靠近其放置的探查電極的電位成比例，同時，每個附加電極靠近不同的注入電極放置，每個探查電極靠近不同的屏蔽電極放置。已經發現，每個附加電極的電位等于最靠近其的探查電極的電位是極其有利的。本發明的裝置包括使計算機和設有鍵盤和顯示器的微處理器控制系統通信的接口，所述微處理器控制系統并聯連接至具有相敏檢測器的高靈敏度前置放大器組件和實現動態屏蔽的系統，以及至少兩個電極連接至實現動態屏蔽的系統。有利地，實現動態屏蔽的系統連接至用于測量由于測量電流產生的電位的兩個電 極、兩個探查電極和兩個屏蔽電極。有利地，探查電極和置于探查電極之間的屏蔽電極均置于測量電極子系統的第一對電極和第二對電極之間，所述第一對電極包括測量電流注入電極和用于測量由于測量電流產生的電位的電極，所述第二對電極包括測量電流注入電極和用于測量由于測量電流產生的電位的電極。已經發現，極其有利的是，第一測量電流注入電極置于抱持受試者鄰近鷹嘴的腕部的夾具上，第二測量電流注入電極置于護肘上，測量由于測量電流產生的電位的第一電極置于抱持腕部的夾具上的電極的對面，測量由于測量電流產生的電位的第二電極置于抱持鄰近肘部的手臂的夾具上，而測量探查點的電位的電極以及建立屏蔽電位的注入電流的電極置于抱持前臂中部的帶子上，并且電極的形狀為環形或部分開口的環形。有利地，第一測量電流注入電極置于抱持受試者鄰近鷹嘴的腕部的夾具上，第二測量電流注入電極置于護肘上，而屏蔽電極置于抱持前臂中部的帶子上，并且電極的形狀為環形或部分開口的環形。有利地，電極為肢體夾電極，第二測量電流注入電極為裝置外殼的組成部分。可以理解，本發明的方法可利用包括兩個電極組的測量系統消除被分析的骨骼周圍的組織的影響，所述兩個電極組為一組測量電極和一組屏蔽電極。使用置于皮膚之上的測量電極組將測量電流注入到被分析的系統，該測量電極組同時被用來測量注入電流引起的電位差，該被分析的系統包括被不同類型組織包圍的骨組織。附加的屏蔽電極組包括至少兩個電極，其在組織中產生附加的電位以減少通過被分析的骨組織周圍的組織的電流。使用可提供最佳測量條件的電子反饋系統動態控制該附加電極，最佳測量條件是指使流過從診斷的角度來看無關緊要的組織的寄生電流最小化。動態屏蔽迫使測量電流流過骨骼的海綿狀部分，以測定其電參數。事實上，表面骨骼層的高阻抗使得用兩個電極的方法不可能精確測量內骨部分的生物電參數，使用動態屏蔽時，有效地阻止了屏蔽電流對測量結果的不利影響。另外，本發明用于測定骨組織結構和化學成分的方法能快速并準確地測定結構和化學成分，尤其是海綿狀骨的礦化程度，這對骨質疏松和骨骼減少的診斷意義重大。與其他現在使用的方法相比，本發明的方法能消除骨組織周圍的組織對測量結果的影響。也可以理解，本發明提供了生產包括電極系統的便攜式裝置的可能，所述電極系統可置于受試者的身體以及小型電池供電的測量裝置之上，所述測量裝置可通過有線或無線連接提供電絕緣的方式連接至個人計算機。
下面將參考附圖，對實施本發明的方法和裝置的例子進行描述，其中圖I顯示了用于測定被分析的骨骼的結構和化學成分的裝置的示意圖；圖2顯示了前臂上的電極分布；圖3至圖5顯示了使用8個電極進行分析的骨骼的截面示意圖圖3顯示了被分析的骨骼的密度，
圖4顯示了測量電流和屏蔽電位產生的電流的方向，圖5顯示了測量電流和屏蔽電位產生的電流的密度。附圖中的符號I、測量電流注入電極2、測量電流注入電極3、測量由于測量電流產生的電位的電極4、測量由于測量電流產生的電位的電極5、探查電極6、探查電極7、屏蔽電極8、屏蔽電極9、與附加的計算機協作的接口10、用相敏檢測器連接的高靈敏度前置放大器組件11、實現動態屏蔽的系統12、設有鍵盤和顯示器的微處理器控制系統13、產生測量電流的組件Ip-測量電流Ie-屏蔽電流HB-硬骨SB-海綿狀骨
具體實施例方式實施例I能消除周圍組織的影響的非侵入性分析骨組織的結構和化學成分的方法，在于生成了交變的測量電流Ip，該電流通過測量電流注入電極1、2提供給被分析的骨骼周圍的組織；同時，在屏蔽電極7、8建立交變屏蔽電位，迫使測量電流Ip流過被分析的骨骼。動態調整屏蔽電位的值，將其維持在與在測量電流注入電極1、2測得的電位成比例的水平。測量期間，該注入的測量電流頻率在250Hz至250kHz的范圍內以相同的間隔至少改變九次。測量十個注入測量電流頻率每一個頻率下的測量電流注入電極1、2的電位、測量電流Ip的值以及測量電流注入電極1、2與測量電流15之間的相位差。基于測得的電氣值，評價骨組織的結構和化學成分。實施例2按照實施例I實施能消除周圍組織的影響的非侵入性分析骨組織的結構和化學成分的方法，不同之處在于，用測得測量電流3、4產生的電位的電極測量由于測量電流Ip而產生的電位，同時，用探查電極5、6測量探查點的電位。注入的電信號頻率改變七次。測量八個注入測量電流Ip頻率每一個頻率下測得測量電流3、4產生的電位的電極的電位、測量電流Ip的值以及測得測量電流3、4產生的電位的電極與測量電流Ip之間的相位差。基于測得的電氣值，評價骨組織的結構和化學成分。實施例3非侵入性分析骨組織的結構和化學成分的裝置包括設有鍵盤和顯示器12的微處理器控制系統，所述顯示器12連接至與計算機9通信的接口。所述設有鍵盤和顯示器12 的微處理器控制系統連接至測量電流生成組件13，所述組件13連接至兩個測量電流注入電極1、2。具有相敏檢測器10的高靈敏度前置放大器組件和屏蔽包括快速前置放大器以及快速輸出放大器的實現動態屏蔽的系統11并聯連接至與計算機9通信的接口和設有鍵盤和顯示器12的微處理器控制系統。兩個屏蔽電極7、8連接至實現動態屏蔽的系統11。實施例4與實施例3相同的非侵入性分析骨組織的結構和化學成分的裝置，不同之處在于，用于測量由于測量電流3、4產生的電位的兩個附加電極以及兩個探查電極5、6連接至實現動態屏蔽的系統11。構成屏蔽電極子系統的探查電極5、6和屏蔽電極7、8置于測量電極子系統的第一對電極和第二對電極之間屏蔽，所述第一對電極包括測量電流注入電極I和用于測量由測量電流3產生的電位的電極，所述第二對電極包括測量電流注入電極2和用于測量由測量電流4產生的電位的電極。在所述屏蔽電極子系統中，屏蔽電極7、8置于探查電極7、8之間。實施例5與實施例4相同的非侵入性分析骨組織的結構和化學成分的裝置，不同之處在于，測量電流注入電極I置于抱持鄰近鷹嘴的腕部的夾具上，測量電流注入電極2置于護肘上，用于測量由測量電流3產生的電位的電極置于該抱持腕部的夾具上的電極I的對面，用于測量由測量電流4產生的電位的電極置于抱持鄰近肘部的手臂的夾具上，而探查電極5、6以及屏蔽電極7、8置于抱持前臂中部的帶子上。電極7、8的形狀為部分開口的環形。實施例6與實施例3相同的非侵入性分析骨組織的結構和化學成分的裝置，不同之處在于，測量電流注入電極I置于抱持鄰近鷹嘴的腕部的夾具上，測量電流注入電極2置于作為裝置外殼的組成部分的護肘上。屏蔽電極7、8的形狀為部分開口的環形，并且電極1、7、8為肢體夾電極。系統以這樣的方式操作用兩個子系統的電極1、2、7、8接觸被分析的骨組織的周圍的組織測得測量電流Ip和測量電流注入電極I、2的電位以及測量電流注入電極I、2和測量電流Ip之間的相位差，所述兩個子系統具有測量和屏蔽電極的功能。使用一對測量電流注入電極I和2注入測量電流Ip，使用一對電極測量由于測量電流3和4產生的電位，以及測量流經被分析的骨組織周圍的組織的測量電流Ip產生的電位差。使用一對探查電極5和6測量建立的探查點的電位，并且使用一對屏蔽電極7和8注入建立屏蔽電位的電流。建立屏蔽電極7和8的位置使其置于測量反電位的測量電流3、4產生的電位的電極組之間。包含快速放大器的實現動態屏蔽的系統11用來獲得組織中測量電流Ip的假定路徑。為了分析，選擇骨骼其中硬骨HB包圍填有骨髓的海綿狀骨SB，優選長骨，在覆蓋肌肉的皮膚上放置所有電極，包括探查電極5、6和屏蔽電極7、8的相互配置，所述探查電極5、6和屏蔽電極7、8在測量電流注入電極1、2以及測量反電位的測量電流3、4的電位的電極之間。另外，以這樣的方式選擇骨骼使得硬骨HB層的絕緣作用使得使用屏蔽電極7、8分析海綿狀骨SB的組織時沒有負面的影響，屏蔽。優選地，人體用來分析的最好的區域為前臂，其中，探查電極5、6和屏蔽電極7、8在前臂中部的形狀為夾緊環，而測量電流電極I、2和測得測量電流3、4的電位的電極分別置于靠近腕部和肘部的鄰近鷹嘴的皮膚上。 圖4中箭頭和線的方向對應流經被分析的組織的測量電流Ip和屏蔽電位產生的電流Ie的被分析的流動方向。箭頭和線的方向和電流密度Ip、Ie(圖5)清楚地顯示了屏蔽電位迫使測量電流Ip流經被分析的骨組織，忽略其周圍的組織；而由于外層的絕緣性質，屏蔽電位的電流Ie沒有滲透其內部。圖5中的灰色陰影標記了電流密度的值；較淺的陰影對應高的值，而較深的陰影對應低的值。本發明的裝置的靈敏度定義為當被分析的骨組織的電參數變化了 10%時，觀察
到的測得的電氣相對變化值，所述靈敏度如表所示。
權利要求
1.一種非侵入性分析骨組織的結構和化學成分并能消除周圍組織的影響的方法，其中使用一組接觸被分析的骨骼，優選長骨，周圍的組織放置的至少四個電極(1、2、3、4、5、6、7、8)，使用屏蔽電極(7、8)建立屏蔽電位分布，使用測量電流注入電極(1、2)迫使測量電流(Ip)穿過被分析的骨骼的內部，同時使用屏蔽電極(7、8)使穿過被分析的骨骼周圍的組織的測量電流(Ip)幾乎降低到零，然后，測量測量電流注入電極(1、2)的測量電流(Ip)和電位，以及測量電流注入電極(1、2)的電位與測量電流(Ip)之間的相位差，接著基于測得的電氣值，評價骨組織的結構和化學成分。
2.根據權利要求I所述的方法，其中使用測量電流注入電極(1、2)把交變的測量電流(Ip)通過骨骼周圍的組織間接提供給被分析的骨骼，同時，在屏蔽電極(7、8)建立被分析的骨骼周圍的組織內部的交變屏蔽電位，然后，在測量電流注入電極(1、2)測量由測量電流(Ip)產生的電位并且評價測得的電位差，同時維持屏蔽電位的值并將其動態調整到與在測量電流注入電極(1、2)測得的電位成比例的水平。
3.根據權利要求2所述的方法，其中測量期間，注入的測量電流(Ip)頻率至少變化一次，并且，對于每個注入的電流頻率，測量測量電流注入電極(1、2)的測量電流(Ip)以及電位。
4.根據權利要求I或2所述的方法，其中使用附加電極(3、4)測量由測量電流(Ip)產生的電位，而使用探查電極(5、6)在測量點測量被分析的骨骼周圍的組織內部的實時屏蔽電位。
5.根據權利要求4所述的方法，其中屏蔽電位在屏蔽電極(7、8)建立的方式和/或測量電流(Ip)提供給測量電流注入電極(1、2)的方式為，使得每個附加電極(3、4)的電位與最近的探查電極(5、6)的電位成比例，并且，每個附加電極(3、4)靠近不同的測量電流注入電極(1、2)放置，每個探查電極(5、6)靠近不同的屏蔽電極(7、8)放置。
6.根據權利要求5所述的方法，其中每個附加電極(3、4)的電位等于最近的探查電極(5、6)的電位。
7.一種分析骨組織的結構和化學成分并能消除周圍組織的影響的裝置，在其外殼中包括設有鍵盤和顯示器的微處理器控制系統，連接至與計算機通信的接口 ；所述微處理器控制系統連接至測量電流生成組件，所述組件連接至兩個注入測量電流的電極；使計算機(9)和設有鍵盤和顯示器(12)的微處理器控制系統通信的接口以并聯的方式連接至設有相敏檢測器(10)屏蔽的高靈敏度前置放大器組件和實現動態屏蔽的系統(11);以及連接至實現動態屏蔽的系統(11)的至少兩個電極(1、2、3、4、5、6、7、8)。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中用于測量由測量電流(3、4)產生的電位的兩個電極，兩個探查電極(5、6)以及兩個屏蔽電極(7、8)連接至實現動態屏蔽的系統(11)。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中探查電極(5、6)和位于探查電極(5、6)之間的屏蔽電極(7、8)置于測量電極子系統的第一對電極和第二對電極之間，所述第一對電極包括測量電流注入電極(I)和用于測量由測量電流(3)產生的電位的電極，所述第二對電極包括測量電流注入電極⑵和用于測量由測量電流⑷產生的電位的電極。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述第一測量電流注入電極(I)置于抱持被分析的受試者鄰近鷹嘴的腕部的夾具上，所述第二測量電流注入電極(2)置于護肘上，測量由測量電流(3)產生的電位的電極置于抱持腕部的夾具上的電極(I)的對面，測量由測量電流(4)產生的電位的電極置于抱持鄰近肘部的手臂的夾具上，而測量探查點的電位的電極(5、6)以及建立屏蔽電位的電流注入電極(7、8)置于抱持前臂中部的帶子上，并且所述電極(7、8)的形狀為環形或部分開口的環形。
11.根據權利要求7所述的裝置，其中所述第一測量電流注入電極(I)置于抱持被分析的受試者鄰近鷹嘴的腕部的夾具上，所述第二測量電流注入電極(2)置于護肘上，而所述屏蔽電極(7、8)置于抱持前臂中部的帶子上，并且所述電極(7、8)的形狀為環形或部分開口的環形。
12.根據權利要求10或11所述的裝置，其中所述電極(1、2、3、4、5、6、7、8)為肢體夾電極，所述第二測量電流注入電極(2)為裝置外殼的組成部分。
全文摘要
本發明提供了一種非侵入性分析骨組織的結構和化學成分并能消除周圍組織的影響的方法和裝置。該方法在于使用接觸被分析的骨骼(優選長骨)周圍的組織放置的至少四個電極(1、2、3、4、5、6、7、8)的系統，使用屏蔽電極(7、8)建立屏蔽電位分布。測量電流注入電極(1、2)迫使測量電流穿過被分析的骨骼的內部。同時，屏蔽電極(7、8)使穿過被分析的骨骼周圍的組織的測量電流幾乎降低到零。然后，測量測量電流注入電極(1、2)的測量電流和電位，以及測量電流注入電極(1、2)與測量電流之間的相位差。基于測得的電氣值，評價骨組織的結構和化學成分。
文檔編號A61B5/053GK102781315SQ201180008524
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月11日 優先權日2010年2月19日
發明者普熱梅斯瓦夫·洛什, 米哈烏·胡戈·季茨, 馬爾欽·帕維屋·尤斯特 申請人:伯恩菲黛股份公司