超聲骨密度測量分析系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：超聲骨密度測量分析系統(tǒng)的制作方法
超聲骨密度測量分析系統(tǒng)所屬領域本發(fā)明涉及超聲波傳感器技術和信息分析技術及其在醫(yī)療器械 上的應用領域，特別涉及一種骨質疏松癥診斷與監(jiān)測的超聲骨密度測 量分析系統(tǒng)。
背景技術：
骨質疏松癥是一種嚴重危害人類健康的全身骨代謝障礙疾病。據估計，目前全世界有約2億人患有骨質疏松癥，我國也有超過9000 萬人患有骨質疏松癥，并且這些數字在不斷增長。同時，骨質疏松癥 以骨礦成分和骨基質等比例地不斷流失，骨質變薄，骨頭的密度和質 量下降，骨強度下降，骨脆性增加和骨折危險度升高(尤其是腰推、 髖部和腕部的骨折)為特征，并且骨流失可緩慢持續(xù)多年而沒有任何 癥狀，骨折是患骨質疏松癥的第一個信號。因此，骨質疏松癥被稱為 "靜默的流行病"，屬于人類亞健康類疾病之一。骨質疏松癥的早期 診斷、預防和治療監(jiān)測成為國際醫(yī)學界的難題和世界范圍內研究的熱 點。骨質疏松癥以骨頭的密度和質量下降為特征，在骨質疏松癥的眾 多檢查手段中，骨密度測量以其有效、準確、方便、無損傷和診斷標 準量化等特點成為目前診斷骨質疏松、預測骨質疏松性骨折以及監(jiān)測 自然病程或藥物干預療效的最佳定量方法。目前，國際上已有多種骨密度測量方法，如X線光密度法(RA)、 單光子吸收法(SPA )、雙光子吸收法(DPA )、雙能X線吸收法(DEXA )、 定量CT法(QCT)、定量超聲法(QUS)等。RA法主要通過觀察和對比骨頭與標準體X線片的差異來推算骨 密度變化，受X線投照條件和觀察者主觀判斷影響較大，主要用于骨 質疏松并發(fā)性骨折的觀察，不宜用于骨密度精確測量，RA法已被淘 汰；以上SPA法和DPA法原理基本相似，利用放射性物質產生的光子 被骨組織吸收系數來測量骨密度，其設備簡單，價粉氐廉，但精確性 和重復性較差，有輻射損傷，而且需要專業(yè)技術人員操作；DEXA法原理與DPA法相似，只是照射源改為X線球管，產生高、 低兩種能量的X射線，掃描時間明顯縮短，C型掃描臂的應用使DEXA 法可以測量全身各段的骨密度，精密度與準確度高于光子吸收法，輻 射劑量小，已成為測定骨密度、預測骨折發(fā)生率的國際金標準，但儀 器成本較高，檢查費用昂貴，不能反映骨頭的結構信息；QCT法即計算機斷層掃描方法，具有良好的分辨率，但檢測費用 昂貴，輻射劑量也較大。超聲技術已廣泛應用于醫(yī)療器械領域，比如超聲成像技術在B超 儀、彩超儀等上的成熟應用。定量超聲法(Quantitative Ultrasound, QUS)利用超聲波的反射及穿透衰減來測量跟骨、髖骨、脛骨及指骨 等周圍骨的骨密度,其主要參數為超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減BUA, 而且超聲波無輻射損傷。QUS法不僅能反映骨量信息，還可以反映骨的結構信息(即骨的 形狀、大小、骨小梁間距及其連接)和彈性。定量超聲法以其無輻射 損傷、重復性好、便攜、操作簡單和廉價等優(yōu)點成為骨質疏松癥首選 的普查篩選方法。國外已有多種超聲骨密度儀產品問世，但其技術對 外封鎖，骨質疏松診斷使用的是國外的標準，特別是售價高昂，很難 在國內推廣應用。經檢索查新，專利號為W0 03/032840 A2的"Ultrasound measurement techniques for bone analysis"主要通過測量穿過骨 頭的聲波來估測骨強度，通過測量骨頭的聲學非線性來估計骨頭的材 料狀況(如彈性、幾何圍度)。優(yōu)點是使用了表面波法、透射法、后 向散射法和反射法獲取骨頭的超聲聲速SOS和超聲衰減，使用二次諧 波分量分析技術來分析超聲回波信號，所含骨頭的超聲信息豐富。但 是，所述測量技術對超聲在界面上的傳輸沒有進行去耦合處理，不能 測量骨密度，而且只是實驗研究方法。專利號為CN 101199429A的"超 聲波骨評估的方法和裝置"公開了 一種用于對骨的多種性質做超聲波 評估的定位研究對象腳跟骨中感興趣區(qū)域的方法和裝置。專利號為 CN 1846631A的"超聲波骨評價裝置"公開了 一種通過超聲波測量受 檢者骨內的聲速來對受檢者進行骨評價的裝置，該發(fā)明主要闡述了 一 種骨評價裝置的結構組成和對骨內聲速測量進行溫度校正的方法。以 上兩個發(fā)明都不涉及超聲骨密度測量的具體技術特征。專利號為CN 2891973的"超聲骨密度測量分析裝置"公開了一種測量超聲聲速SOS和超聲振幅衰減來判斷骨質疏松的裝置，在探頭與被測部位接觸面之間沒有使用耦合方法對界面聲波去耦合，只是硬件框架上的 一種實 現，裝置中技術方案缺乏具體的分析和實施，測量精度和準確度無法 保證。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是針對目前國內外技術和方法的不足，提出一種 骨質疏松癥診斷與監(jiān)測的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用機械 和電氣特性完全匹配的發(fā)射探頭和接收探頭(超聲波換能器)同軸安 裝來進行超聲波的發(fā)射和接收，在發(fā)射探頭和接收探頭與被測者接觸 面之間采用千式耦合或濕式耦合使聲波在不同介質間更好傳播，提高 測量精度和準確性。該系統(tǒng)可以精確測量被測者跟骨的超聲聲速、寬 帶超聲衰減和骨密度，根據相應的診斷標準對骨質疏松癥進行診斷和 監(jiān)測。本發(fā)明的技術方案是 一種超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，包括超聲 參數測量儀，超聲參數測量儀包括超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、中 央處理器、電源管理;漠塊和結構本體，所述的中央處理器分別與超聲 發(fā)射單元、超聲接收單元、電源管理模塊和結構本體交互式電連接；所述的超聲發(fā)射單元用以發(fā)射一定頻帶寬度的超聲波，包括發(fā)射 探頭；所述的超聲接收單元用以接收超聲發(fā)射單元發(fā)射的穿透被測者 腳跟部中跟骨的超聲波，包括相互電連接的接收探頭、模擬預處理模 塊、增益可調放大器和高速ADC;所述的中央處理器用以控制超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、電源管理模塊和結構本體，并對超聲接收單元獲取的信號進行處理和計 算，同時，中央處理器將處理后的數據通過通訊接口上傳到人機交互設備，并對人機交互設備下發(fā)的指令進行響應操作；所述的電源管理模塊用以提供超聲參數測量儀各個單元正常工 作所需的電壓和電流，并對超聲參數測量儀提供過壓、低壓和漏電安 全保護，電源管理;漠塊通過帶單相三芯插頭的電源線與220V交流電 電連接；所述的通訊接口用以將超聲參數測量儀中的中央處理器與人機 交互設備交互式電連接；所述的人機交互設備用以向中央處理器下發(fā)操作指令，并對中央 處理器上傳的數據進行計算和分析，顯示、保存或同時打印測量、分 析結果；特別是所述的超聲參數測量儀自帶RS232串口和USB接口，通 訊接口用以將超聲參數測量儀中的中央處理器與人機交互設備交互 式電連接；所述的超聲發(fā)射單元還包括高壓脈沖激發(fā)模塊和脈沖發(fā)生器，高 壓脈沖激發(fā)模塊用以激發(fā)一定幅值的高壓負脈沖來激勵發(fā)射探頭發(fā) 射一定頻帶寬度的超聲波，包括直流穩(wěn)壓電源模塊、高反壓晶體管、 RC充放電電路和并聯電感調諧電路，直流穩(wěn)壓電源模塊輸出電壓線 性可調，范圍為0 500V,線性調節(jié)電壓0 5V，輸出電流5mA;所述的脈沖發(fā)生器包括振蕩源和輔助電路，產生頻率與發(fā)射探頭 及接收探頭中心頻率一致的脈沖序列，該脈沖序列用以配合高壓脈沖激發(fā)模塊激發(fā)一定幅值的高壓負脈沖，所激發(fā)的高壓負脈沖的幅值在12V ~ 500V之間可調，脈沖寬度低于lus是發(fā)射探頭和接收探頭中心 頻率倒數的一半；所述的超聲發(fā)射單元中的發(fā)射探頭和接收探頭為基于壓電效應 的直接接觸式超聲波換能器，所述的發(fā)射探頭和接收探頭具有相同的 電氣和機械特性，包括相同的中心頻率、頻帶寬度、晶片尺寸、機械 結構和尺寸，發(fā)射探頭和接收探頭的中心頻率為0. 5MHz、頻帶范圍 在0. 3MHz ~ 0. 8MHz之內，輸出聲強低于10mW/cm2;所述的發(fā)射探頭及接收探頭與被測者腳跟部接觸面之間填充或 涂敷醫(yī)用超聲耦合劑，以減小超聲在空氣與被測者腳跟部之間的界面 損失，使超聲波在發(fā)射探頭和接收探頭與被測者腳跟部之間有效傳 輸，根據被測者腳跟部的軟組織厚薄程度選用濕式耦合或干式耦合；所述的濕式耦合由恒溫給排水系統(tǒng)給夾在發(fā)射探頭和接收探頭 與被測者腳跟部之間的水袋充放水，并保證水袋中的水溫恒定在 36 。C;所述的干式耦合是在發(fā)射探頭和接收探頭與被測者腳跟部接觸 面之間涂敷一層醫(yī)用超聲耦合劑，醫(yī)用超聲耦合劑為水性高分子凝膠 型制劑；所述的超聲接收單元還包括相位比較器和異步FIFO，其中，相 位比較器是一種集成電路，通過對兩個信號的相位進行比較以配合中 央處理器自帶的定時器進行精確計時；所述的高速ADC是12位以上模數轉換集成電路,轉換速率20MSPS 以上，能滿足對接收到的超聲波信號進行快速傅立葉變換的要求，高速ADC與相位比較器電連接；所述的異步FIFO是異步緩存器，實現時鐘域不同的高速ADC與 人機交互設備之間數據的實時傳輸，異步FIFO采用單片或多片級聯 的方式與高速ADC的數據寬度相匹配；所述的結構本體用以將發(fā)射探頭和接收探頭同軸安裝并定位、固 定在被測者腳跟部中跟骨的兩側，同時測量被測者的跟骨沿發(fā)射探頭 和接收探頭同軸線方向的寬度，所述的結構本體包括用以放置被測者 腳掌的凹槽、用以支撐被測者小腿背部的支撐板和用以定位、固定發(fā) 射探頭和接收探頭并測量跟骨寬度WOB的定位測量機構，凹槽安裝在 定位測量機構上，支撐板通過導軌安裝在定位測量機構上，支撐板根 據需要自由調整高度和傾斜角度使被測者的腳處于舒適體位；所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)測量被測者的跟骨的寬度WOB 以及超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減BUA，根據測得的超聲聲速SOS和 寬帶超聲衰減BUA計算被測者的骨強度指數STI和骨密度BMD,所述 的超聲聲速SOS是壓縮波和剪切波在被測者的跟骨中傳播速度的合 成，所述的寬帶超聲衰減BUA是超聲波在穿透被測者的跟骨前后振幅 在頻語上的衰減量，所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)定期進行質量自 檢以保證測量準確性。作為對現有技術的進一步改進，所述的模擬預處理模塊由過壓保 護電路、濾波電路及初級放大器組成以對接收探頭接收到的超聲波信 號進行預處理；所述的增益可調放大器是一種集成電路，增益可調放 大器根據模擬預處理模塊輸出端輸出信號幅值大小自動調節(jié)其放大倍數，用以適應發(fā)射探頭和接收探頭間有被測者骨頭和沒有被測者骨頭時的測量場合；所述的通訊接口使用RS232串口或CAN-USB接口適 配器，所述的人機交互設備是帶串口或USB接口的臺式計算才幾或筆記 本電腦。有益效果現有技術中"超聲骨密度測量分析裝置"公開了一種 測量超聲聲速SOS和超聲振幅衰減來判斷骨質疏松的裝置，在探頭與 被測部位接觸面之間沒有使用耦合方法對界面聲波去耦合，該現有技 術只是硬件框架上的一種實現，裝置中技術方案缺乏具體的分析和實 施，測量精度和準確度無法保證。相對于現有技術，本發(fā)明的有益效 果是其一、本發(fā)明中，超聲發(fā)射單元中的發(fā)射探頭和接收探頭為基于 壓電效應的直接接觸式超聲波換能器，發(fā)射探頭和接收探頭具有相同 的電氣和機械特性，包括相同的中心頻率、頻帶寬度、晶片尺寸、機 械結構和尺寸，發(fā)射探頭和接收探頭的中心頻率為0. 5MHz、頻帶范 圍在0. 3MHz ~ 0.讓z之內，輸出聲強低于10mW/cm2;發(fā)射探頭及接收探頭與被測者腳跟部接觸面之間填充或涂敷醫(yī) 用超聲耦合劑，以減小超聲在空氣與被測者腳跟部之間的界面損失，使超聲波在發(fā)射探頭和接收探頭與被測者腳跟部之間有效傳輸，根據 被測者腳跟部的軟組織厚薄程度選用濕式耦合或干式耦合；濕式耦合由恒溫給排水系統(tǒng)給夾在發(fā)射探頭和接收探頭與被測 者腳跟部之間的水袋充放水，并保證水袋中的水溫恒定在36°C;干 式耦合是在發(fā)射探頭和接收探頭與被測者腳跟部接觸面之間涂敷一層醫(yī)用超聲耦合劑，醫(yī)用超聲耦合劑為水性高分子凝膠型制劑；結構本體用以將發(fā)射探頭和接收探頭同軸安裝并定位、固定在被測者腳跟部中跟骨的兩側，同時測量被測者的跟骨沿發(fā)射探頭和接收 探頭同軸線方向的寬度，結構本體包括用以放置被測者腳掌的凹槽、 用以支撐被測者小腿背部的支撐板和用以定位、固定發(fā)射探頭和接收 探頭并測量跟骨寬度WOB的定位測量機構，凹槽安裝在定位測量機構 上，支撐板通過導軌安裝在定位測量機構上，支撐板根據需要自由調 整高度和傾斜角度使被測者的腳處于舒適體位；相對于現有技術，本發(fā)明采用機械和電氣特性完全匹配的發(fā)射探 頭和接收探頭(超聲波換能器)同軸安裝來進行超聲波的發(fā)射和接收， 在發(fā)射探頭和接收探頭與被測者接觸面之間釆用干式耦合或濕式耦 合使聲波在不同介質間更好傳播，提高測量精度和準確性；并且，選 用中心頻率為0. 5MHz、頻帶寬度在0. 3MHz 0. 8MHz范圍內的發(fā)射探 頭和接收探頭，此頻帶范圍內骨頭的寬帶超聲衰減BUA與頻率基本呈 線性關系，測量準確性更高；其二、本發(fā)明中，超聲發(fā)射單元還包括相互電連接的高壓脈沖激 發(fā)模塊和脈沖發(fā)生器，高壓脈沖激發(fā)模塊用以激發(fā)一定幅值的高壓負 脈沖來激勵發(fā)射探頭發(fā)射一定頻帶寬度的超聲波，包括直流穩(wěn)壓電源 模塊、高反壓晶體管、RC充放電電路和并聯電感調諧電路，直流穩(wěn) 壓電源^t塊輸出電壓線性可調，范圍為0 - 500V，線性調節(jié)電壓0~ 5V, |#出電5危5mA;脈沖發(fā)生器包括振蕩源和輔助電路，產生頻率與發(fā)射探頭及接收探頭中心頻率一致的脈沖序列，脈沖序列用以配合高壓脈沖激發(fā)模塊激發(fā)一定幅值的高壓負脈沖，所激發(fā)的高壓負脈沖的幅值在12V~ 500V之間可調，脈沖寬度低于lus是發(fā)射探頭和接收探頭中心頻率 倒數的一半；模擬預處理模塊由過壓保護電路、濾波電路及初級放大器組成以 對接收探頭接收到的超聲波信號進行預處理；增益可調放大器是一種集成電路，增益可調放大器根據模擬預處 理模塊輸出端輸出信號幅值大小自動調節(jié)其放大倍數，用以適應發(fā)射 探頭和接收探頭間有被測者骨頭和沒有被測者骨頭時的測量場合；相對于現有技術，本發(fā)明采用多級可調放大和消噪技術，發(fā)射超 聲波所需的脈沖幅值在12V- 500V之間可調，而且其脈寬窄于發(fā)射探 頭和接收探頭中心頻率倒數的一半，使發(fā)射探頭激發(fā)超聲波的效果更 好；使用增益可調放大器對接收探頭接收到的信號進行增益可調放大 處理，適應不同測量要求的同時提高測量精度；其三、本發(fā)明中，超聲接收單元還包括相位比較器和異步FIFO， 相位比較器是一種集成電路，通過對兩個信號的相位進行比較以配合 中央處理器自帶的定時器進行精確計時；高速ADC是12位以上模數轉換集成電路,轉換速率20MSPS以上， 能滿足對接收到的超聲波信號進行快速傅立葉變換的要求，高速ADC 與相位比較器電連接；異步FIFO是異步緩存器，實現時鐘域不同的高速ADC與人機交 互設備之間數據的實時傳輸，異步FIFO采用單片或多片級聯的方式與高速ADC的數據寬度相匹配；本發(fā)明采用相位比較器提高計時精度，采用高速^t數轉換器實現 數據快速釆集，采用異步FIFO實現不同時鐘域間凄t據的實時傳輸， 使用快速傅立葉變換方法對信號進行頻譜分析以計算寬帶超聲衰減， 這些技術的應用明顯提高超聲聲速和寬帶超聲衰減的測量精度和重 復性，同時反映出被測者骨的密度和結構；其四、本發(fā)明中，結構本體用以將發(fā)射探頭和接收探頭同軸安裝 并定位、固定在被測者腳跟部跟骨的兩側，同時測量被測者的跟骨沿 發(fā)射探頭和接收探頭同軸線方向的寬度，結構本體包括用以放置被測 者腳掌的凹槽、用以支撐被測者小腿背部的支撐板和用以定位、固定 發(fā)射探頭和接收^:頭并測量跟骨寬度WOB的定位測量機構，凹槽安裝 在定位測量機構上，支撐板通過導軌安裝在定位測量^L構上，支撐板 根據需要自由調整高度和傾斜角度使被測者的腳處于舒適體位；超聲參數測量儀自帶RS232串口和USB接口，通訊接口使用RS232 串口或CAN-USB接口適配器，人機交互設備是帶串口或USB接口的臺 式計算機或筆記本電腦，通訊接口將超聲參數測量儀與人機交互設備 交互式電連^^;本發(fā)明結構設計遵循人機工效學原則，采用可在定位測量機構上 自由調整的凹槽和支撐板等結構設計，使操作者和被測者處于舒適的 體位；同時，系統(tǒng)接口豐富，有RS232串口和CAN-USB接口，有利于 將不局限于臺式計算機和筆記本電腦的人機交互設備集成到系統(tǒng)中， 使用CAN-USB接口有利于系統(tǒng)集成和較遠距離的數據傳輸；本發(fā)明測量時間短，不超過30秒，當人機交互設備使用筆記本電腦時，可以 組成便攜式骨密度測量分析系統(tǒng)；其五、本發(fā)明中，超聲骨密度測量分析系統(tǒng)測量被測者的跟骨的 寬度WOB以及超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減BUA，根據測得的超聲聲 速SOS和寬帶超聲衰減BUA計算被測者的骨強度指數STI和骨密度 BMD,超聲聲速SOS是壓縮波和剪切波在被測者的跟骨中傳播速度的 合成，寬帶超聲衰減BUA是超聲波在穿透被測者的跟骨前后振幅在頻 譜上的衰減量，超聲骨密度測量分析系統(tǒng)定期進行質量自檢以保證測 量準確性；本發(fā)明計算被測者骨強度指數STI、骨密度BMD相對于對照組的 標準差T值及Z值，引入體質指數(BMI)和體成分分析中的無機鹽 與非脂肪物質的比率來提高骨質狀態(tài)監(jiān)測準確率，更換應用軟件還可 以用于骨齡測定。另外，本發(fā)明選擇富含松質骨的跟骨作為測量部位，松質骨的骨 轉換率比皮質骨的骨轉換率高8倍，其對骨質疏松^:感性高于皮質 骨，測量和診斷準確性更高，而且其周圍軟組織較薄，對測量結果影 響小，測量方便；而且，本發(fā)明采用非電離輻射的定量超聲法(QUS) 測量人體骨密度，用于骨質疏松癥的早期診斷、預防和療效監(jiān)測，克 服了采用雙能X線吸收法(DEXA)等電離輻射方法的輻射損傷、成本 高、占地面值大等缺點，適用于包括兒童和孕婦在內的不同人群，適 合社區(qū)或者家用。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。圖1為本發(fā)明的總體結構示意圖； 圖2為本發(fā)明中超聲參數測量儀的原理框圖； 圖3為本發(fā)明中超聲耦合方法的示意圖； 圖4為本發(fā)明的工作流程圖。
具體實施方式
圖1為本發(fā)明的總體結構示意圖。l是超聲參數測量儀，2是通 訊接口， 3是人機交互設備。其中，超聲參數測量儀1由超聲發(fā)射單 元ll、超聲接收單元13、中央處理器14、電源管理模塊15和結構 本體16組成，電源管理模塊15通過帶單相三芯插頭的電源線與220V 交流電電連才姿。超聲參數測量儀1通過通訊接口 2與人機交互設備3電連接組成 超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量被測者腳跟部12中跟骨121 的跟骨寬度W0B、超聲聲速S0S、寬帶超聲衰減BUA,由人機交互設 備3分析、計算出骨密度BMD、骨強度STI、 T值、Z值，根據相應診 斷標準診斷被測者是否骨質疏松及對其骨質狀態(tài)進行監(jiān)測。圖2為本發(fā)明中超聲參數測量儀的原理框圖。由相互電連接的發(fā) 射探頭111、高壓脈沖激發(fā)模塊112和脈沖發(fā)生器113組成超聲發(fā)射 單元11以發(fā)射一定頻帶寬度的超聲波。由相互電連接的接收探頭 131、模擬預處理模塊132、增益可調放大器133、相位比較器134、 高速ADC 135和異步FIFO 136組成超聲接收單元13以接收從超聲發(fā) 射單元11發(fā)射的穿透被測者腳跟部12中跟骨121的超聲波。中央處理器14與超聲發(fā)射單元11、超聲接收單元13、電源管理 模塊15和結構本體16相互電連接并對它們進行控制，對超聲接收單 元13獲取的信號進行處理和計算，同時將處理后的數據通過通訊接 口 2上傳到人機交互設備3并對其下發(fā)的指令進行響應操作。電源管理模塊15用以提供超聲參數測量儀1各個單元正常工作 所需的電壓和電流，并對超聲參數測量儀l提供過壓、低壓和漏電等 安全保護。由凹槽161、定位測量機構162和支撐板163組成的結構本體16 將發(fā)射探頭111和接收探頭131同軸安裝并定位、固定被測者腳跟部 12中跟骨121的兩側，同時測量被測者的跟骨121沿發(fā)射^:頭111 和接收探頭131同軸線方向的寬度，其中，凹槽161用以放置被測者 腳掌、支撐板163用以支撐被測者小腿背部、定位測量機構162用以 定位發(fā)射探頭111和接收探頭131使之對準被測者的跟骨121并與之 接觸來固定發(fā)射探頭111和接收探頭131并測量跟骨121的寬度W0B。 凹槽161安裝在定位測量機構162上，支撐板163通過導軌安裝在定 位測量機構162上，支撐板163根據需要自由調整高度和傾斜角度使 被測者的腳處于舒適體位。圖3為本發(fā)明中超聲耦合方法的示意圖。為了盡可能減小超聲在 空氣與被測者腳跟部之間的界面損失，使超聲波在發(fā)射探頭111和接 收探頭131與被測者腳跟部12之間更有效地傳輸，本發(fā)明使用超聲 耦合方法，包括濕式耦合和干式耦合。其中，濕式耦合是在發(fā)射探頭 111及接收探頭131與被測者腳跟部12接觸面之間各夾一個透明薄水袋41,恒溫給排水系統(tǒng)42給水袋41充放水，并保證水袋41中的 水溫恒定在36°C;干式耦合是在發(fā)射探頭111及接收探頭131與被 測者腳跟部12接觸面之間填充或涂敷一層醫(yī)用超聲耦合劑51,醫(yī)用 超聲耦合劑51為水性高分子凝膠型制劑?？梢圆鹏迵繙y和體質指數 (BMI )判斷被測者腳跟部12的軟組織厚薄程度選用濕式耦合或干式 耦合。圖4為本發(fā)明的工作流程圖。系統(tǒng)工作流程如下步驟100:將超聲參數測量儀1和人機交互設備3接上電源，并 通過通訊接口 2將它們電連接，啟動；步驟200:檢查系統(tǒng)是否有機械故障和電氣安全隱患，沒有則可 以進入步驟400;步驟300:有則檢修，排除安全隱患再使用；步驟400:人機交互設備3通過通訊接口 2向超聲參數測量儀1 發(fā)送初始化命令，將超聲參數測量儀1中的各單元和模塊硬件初始 化，系統(tǒng)進行質量自檢， 一切正常則可以開始進行測量；步驟500:在人機交互設備3中輸入被測者基本信息，被測者基 本信息包括姓名、年齡、身高(H)、體重(W)、體質指數(BMI, BMI=H/W2，單位kg/m2)、籍貫、有無骨質疏松或骨折病史、被測腳 (左/右)，保存信息建立被測者信息庫以備后續(xù)查詢和分析使用；步驟600:根據被測者腳跟部12軟組織厚薄程度選用濕式耦合 或干式耦合將同軸安裝的發(fā)射探頭111和接收探頭131分別與被測者 的跟骨121耦合，并將發(fā)射探頭111和接收探頭131定位至被測者跟骨121位置，測量被測者跟骨121寬度W0B，超聲發(fā)射單元ll發(fā)射 一定頻帶寬度的超聲波穿透被測者跟骨121,超聲接收單元13接收 并處理超聲波信號，中央處理器14對數據進行計算處理并將數據上 傳到人機交互設備3中；步驟700:人機交互設備3計算、分析超聲參數測量儀l上傳的 測量數據，計算被測者跟骨寬度WOB、超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減 BUA,根據超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減BUA計算骨強度指數STI和 骨密度BMD,根據被測者基本信息由超聲骨密度測量分析系統(tǒng)中的專 家系統(tǒng)選擇相應骨密度參考數據庫計算T值和Z值，引入體質指數 (BMI)和體成分分析中的無機鹽與非脂肪物質的比率輔助骨密度BMD對照骨質疏松癥診斷標準診斷被測者是否骨質疏松，給出骨折危險性 預警，并顯示、保存或者同時打印測量、分析結果，建立完備的被測 者信息庫以備后續(xù)應用，測量完畢后定位測量機構162將發(fā)射探頭 111和接收探頭131復原到間距最大的初始狀態(tài)，測試者將腳(左/ 右)移出。 實施例將超聲參數測量儀1和人機交互設備3接上電源，并通過通訊接 口 2將它們電連接，啟動，檢查系統(tǒng)是否有機械故障和電氣安全隱患， 沒有則可以準備測量。人機交互設備3通過通訊接口 2向超聲參數測量儀1中的中央處 理器14發(fā)送初始化命令，將超聲參數測量儀1中的各單元和模塊初 始化，電源管理模塊15給超聲參數測量儀1各個單元提供正常工作所需的電壓和電流，系統(tǒng)進行質量自檢， 一切正常則可以開始進行測量。在人機交互設備3上輸入被測者基本信息，保存以建立^^測者信 息庫以備后續(xù)查詢和分析使用。結構本體16中的定位測量才幾構162 將發(fā)射探頭111和接收探頭131復原到間距最大的初始狀態(tài)，測試者 將腳掌(左/右)放在凹槽161中，調整支撐板163使其剛好支撐被 測者小腿背部，使測量過程舒適、輕松，調整腳跟，此時被測者腳跟 部12中跟骨121剛好位于同軸安裝在定位測量機構162上的發(fā)射探 頭111和接收探頭131之間，并在發(fā)射探頭111和接收探頭131與被 測者腳跟接觸面之間使用恒溫36。C水或者醫(yī)用超聲耦合劑耦合。通 過人機交互設備3發(fā)送測量命令，開始測量，定位測量機構162將發(fā) 射探頭111和接收探頭131通過濕式耦合中的水袋41或干式耦合中 的醫(yī)用超聲耦合劑51分別與被測者腳跟部12緊密接觸，并測量被測 者跟骨121寬度W0B，在人機交互設備3中對所測WOB值做后續(xù)非線 性處理，以消除軟組織的影響。高壓脈沖激發(fā)模塊112和脈沖發(fā)生器 113協(xié)同工作產生頻率為0.5MHz、脈寬lus、幅值在12V 500V之間 可調的高壓負脈沖使發(fā)射探頭111諧振以激發(fā)超聲波。接收探頭131接收從發(fā)射探頭111發(fā)射出的穿透被測者腳跟部 12中跟骨121的超聲波所產生的超聲模擬信號，才莫擬預處理才莫塊l32 對接收到的超聲模擬信號進行過壓保護、濾波及初級放大等預處理， 根據模擬預處理才莫塊132輸出端輸出信號幅值大小，自動調節(jié)方文大倍 數的增益可調放大器133對超聲模擬信號進行二級放大，相位比較器134與高速ADC 135協(xié)同工作對信號進行采集并精確計算時間間隔， 異步FIF0 136對高速ADC 135采集到的數據進行緩存以實現將不同 時鐘域的數據實時傳輸到人機交互設備3中，中央處理器14響應人 機交互設備3下發(fā)的操作指令控制以上各單元和模塊工作，對數據進 行計算處理。人機交互設備3計算、分析超聲參數測量儀1上傳的測量數據， 計算超聲聲速S0S和寬帶超聲衰減BUA,其中寬帶超聲衰減BUA是歸 一化的結果，單位為dB/MHz . cm。人機交互設備3根據超聲聲速 SOS和寬帶超聲衰減BUA計算骨強度指數STI和骨密度BMD,根據被 測者基本信息由專家系統(tǒng)選擇相應骨密度參考數據庫計算T值和Z 值，引入體質指數(BMI)和體成分分析中的無機鹽與非脂肪物質的 比率輔助骨密度BMD對照骨質疏松癥診斷標準診斷是否骨質疏松，給 出被測者骨折危險性預警，顯示并保存測量、分析結果，建立完備的 被測者信息庫以備后續(xù)應用。還可以進行長期監(jiān)測以評價被測者骨丟 失率或骨質疏松癥治療效果。整個測量過程大約30秒內完成，測量完畢后定位測量^/L構162 將發(fā)射〗果頭111和接收#:頭131復原到間距最大的初始狀態(tài)，測試者 將腳(左/右)移出。顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不 脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于 本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內。
權利要求
1、一種超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，包括超聲參數測量儀(1)，所述的超聲參數測量儀(1)包括超聲發(fā)射單元(11)、超聲接收單元(13)、中央處理器(14)、電源管理模塊(15)和結構本體(16)，所述的中央處理器(14)分別與超聲發(fā)射單元(11)、超聲接收單元(13)、電源管理模塊(15)和結構本體(16)交互式電連接；所述的超聲發(fā)射單元(11)用以發(fā)射一定頻帶寬度的超聲波，包括發(fā)射探頭(111)；所述的超聲接收單元(13)用以接收超聲發(fā)射單元(11)發(fā)射的穿透被測者腳跟部(12)中跟骨(121)的超聲波，所述的超聲接收單元(13)包括相互電連接的接收探頭(131)、模擬預處理模塊(132)、增益可調放大器(133)和高速ADC(135)；所述的中央處理器(14)用以控制超聲發(fā)射單元(11)、超聲接收單元(13)、電源管理模塊(15)和結構本體(16)，并對超聲接收單元(13)獲取的信號進行處理和計算，同時，所述的中央處理器(14)將處理后的數據通過通訊接口(2)上傳到人機交互設備(3)，并對人機交互設備(3)下發(fā)的指令進行響應操作；所述的電源管理模塊(15)用以提供超聲參數測量儀(1)各個單元正常工作所需的電壓和電流，并對超聲參數測量儀(1)提供過壓、低壓和漏電安全保護，所述的電源管理模塊(15)通過帶單相三芯插頭的電源線與220V交流電電連接；所述的人機交互設備(3)用以向中央處理器(14)下發(fā)操作指令，并對中央處理器(14)上傳的數據進行計算、分析，顯示、保存或同時打印測量、分析結果；其特征在于所述的超聲參數測量儀(1)自帶RS232串口和USB接口，所述的通訊接口(2)用以將超聲參數測量儀(1)中的中央處理器(14)與人機交互設備(3)交互式電連接；所述的超聲發(fā)射單元(11)還包括相互電連接的高壓脈沖激發(fā)模塊(112)和脈沖發(fā)生器(113)，所述的高壓脈沖激發(fā)模塊(112)用以激發(fā)一定幅值的高壓負脈沖來激勵發(fā)射探頭(111)發(fā)射一定頻帶寬度的超聲波，所述的超聲發(fā)射單元(11)包括直流穩(wěn)壓電源模塊、高反壓晶體管、RC充放電電路和并聯電感調諧電路，所述的直流穩(wěn)壓電源模塊輸出電壓線性可調，范圍為0～500V，線性調節(jié)電壓0～5V，輸出電流5mA；所述的脈沖發(fā)生器(113)包括振蕩源和輔助電路，產生頻率與發(fā)射探頭(111)及接收探頭(131)中心頻率一致的脈沖序列，所述的脈沖序列用以配合高壓脈沖激發(fā)模塊(112)激發(fā)一定幅值的高壓負脈沖，所激發(fā)的高壓負脈沖的幅值在12V～500V之間可調，脈沖寬度低于1us是發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)中心頻率倒數的一半；所述的超聲發(fā)射單元(11)中的發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)為基于壓電效應的直接接觸式超聲波換能器，所述的發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)具有相同的電氣和機械特性，包括相同的中心頻率、頻帶寬度、晶片尺寸、機械結構和尺寸，所述的發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)的中心頻率為0.5MHz、頻帶范圍在0.3MHz～0.8MHz之內，輸出聲強低于10mW/cm2；所述的發(fā)射探頭(111)及接收探頭(131)與被測者腳跟部(12)接觸面之間填充或涂敷醫(yī)用超聲耦合劑，以減小超聲在空氣與被測者腳跟部(12)之間的界面損失，使超聲波在發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)與被測者腳跟部(12)之間有效傳輸，根據被測者腳跟部(12)的軟組織厚薄程度選用濕式耦合或干式耦合；所述的濕式耦合由恒溫給排水系統(tǒng)(42)給夾在發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)與被測者腳跟部(12)之間的水袋(41)充放水，并保證水袋(41)中的水溫恒定在36℃；所述的干式耦合是在發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)與被測者腳跟部(12)接觸面之間填充或涂敷一層醫(yī)用超聲耦合劑(51)，醫(yī)用超聲耦合劑(51)為水性高分子凝膠型制劑；所述的超聲接收單元(13)還包括相位比較器(134)和異步FIFO(136)，所述的相位比較器(134)是一種集成電路，通過對兩個信號的相位進行比較以配合中央處理器(14)自帶的定時器進行精確計時；所述的高速ADC(135)是12位以上模數轉換集成電路，轉換速率20MSPS以上，能滿足對接收到的超聲波信號進行快速傅立葉變換的要求，高速ADC(135)與相位比較器(134)電連接；所述的異步FIFO(136)是異步緩存器，實現時鐘域不同的高速ADC(135)與人機交互設備(3)之間數據的實時傳輸，異步FIFO(136)采用單片或多片級聯的方式與高速ADC(135)的數據寬度相匹配；所述的結構本體(16)用以將發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)同軸安裝并定位、固定在被測者腳跟部(12)中跟骨(121)的兩側，同時測量被測者的跟骨(121)沿發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)同軸線方向的寬度，所述的結構本體(16)包括用以放置被測者腳掌的凹槽(161)、用以支撐被測者小腿背部的支撐板(163)和用以定位、固定發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131)并測量跟骨寬度WOB的定位測量機構(162)，所述的凹槽(161)安裝在定位測量機構(162)上，所述的支撐板(163)通過導軌安裝在定位測量機構(162)上，所述的支撐板(163)根據需要自由調整高度和傾斜角度使被測者的腳處于舒適體位；所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)測量被測者的跟骨(121)的寬度WOB以及超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減BUA，根據測得的超聲聲速SOS和寬帶超聲衰減BUA計算被測者的骨強度指數STI和骨密度BMD，所述的超聲聲速SOS是壓縮波和剪切波在被測者的跟骨(121)中傳播速度的合成，所述的寬帶超聲衰減BUA是超聲波在穿透被測者的跟骨(121)前后振幅在頻譜上的衰減量，所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)定期進行質量自檢以保證測量準確性。
2、 根據權利要求1所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，其特征是 所述的模擬預處理模塊(132)由過壓保護電路、濾波電路及初級放 大器組成以對接收探頭(131)接收到的超聲波信號進行預處理。
3、 根據權利要求1所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，其特征是 所述的增益可調放大器(133 )是一種集成電路，增益可調放大器(133)根據模擬預處理模塊(132 )輸出端輸出信號幅值大小自動調節(jié)其放 大倍數，用以適應所述的發(fā)射探頭(111)和接收探頭(131 )間有骨 頭和沒有骨頭時的測量場合。
4、根據權利要求l所述的超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，其特征是 所述的通訊接口 (2)使用RS232串口或CAN-USB接口適配器，所述 的人機交互設備(3 )是帶串口或USB接口的臺式計算機或筆記本電 腦。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲骨密度測量分析系統(tǒng)，包括超聲參數測量儀、通訊接口和人機交互設備。所述超聲參數測量儀包括由脈沖發(fā)生器、高壓脈沖激發(fā)模塊和發(fā)射探頭組成的超聲發(fā)射單元，由接收探頭、模擬預處理模塊、增益可調放大器、相位比較器、高速ADC和異步FIFO組成的超聲接收單元，以及中央處理器、電源管理模塊和結構本體。人機交互設備通過通訊接口控制超聲參數測量儀測量被測者跟骨寬度、超聲在跟骨中的傳播速度和寬帶超聲衰減，計算骨強度指數和骨密度，根據骨質疏松癥相應診斷標準給出診斷報告，建立專門數據庫供長期使用。采用濕式或干式耦合等多種技術提高測量精度和準確度。系統(tǒng)便攜、成本低、無輻射損傷，可用于被測者骨質狀態(tài)的長期監(jiān)測。
文檔編號A61B8/08GK101401732SQ200810194780
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權日2008年10月20日
發(fā)明者揚 劉, 占禮葵, 旭 周, 姚志明, 孫怡寧, 楊先軍, 楊新剛, 祁朋祥, 陳焱焱, 馬祖長 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院