專利名稱：基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電類，特別是涉及一種利用超聲波的穿透能力，根據(jù)骨骼強(qiáng)度與超聲傳播速度成正比的特性，通過測量超聲波在骨中傳導(dǎo)速度和穿透的超聲帶寬衰減，從而判定骨的機(jī)械強(qiáng)度、密度、彈性、微結(jié)構(gòu)和脆性等的儀器或者系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
骨骼是支撐人體這座“精細(xì)建筑”的主體框架，其抵抗外界沖擊能力的大小與骨質(zhì)密度的高低成正比。此外，骨骼除可以為肌肉提供支撐外，還可以保護(hù)重要器官免受傷害， 同時是儲存鈣的場所，這些鈣是維持人體細(xì)胞功能所必須的。因此，健康的骨骼為生命安全提供了保證。骨量丟失，骨骼缺鈣，造成骨密度減低，嚴(yán)重時引起骨質(zhì)疏松。隨著人口平均壽命的延長和老齡人口的增多，骨質(zhì)疏松癥已經(jīng)成為影響人體健康的嚴(yán)重疾病之一。目前全世界約有2億多人患有不同程度的骨質(zhì)疏松癥，其發(fā)病率已經(jīng)躍居常見病和多發(fā)病的第七位。然而目前在臨床醫(yī)學(xué)上還沒有完全修復(fù)已經(jīng)疏松骨骼的辦法，只能通過補(bǔ)充鈣質(zhì)和維生素D來維持。另外，由于骨質(zhì)疏松的發(fā)病過程很慢，并且沒有特殊的臨床表現(xiàn)，因而會被大多數(shù)人所忽視，所以骨質(zhì)疏松的早期診斷和預(yù)防就顯得尤為重要了。骨質(zhì)疏松往往沒有癥狀，直到骨頭受到小創(chuàng)傷而發(fā)生斷裂才被引起注意。骨質(zhì)疏松是一種骨組織顯微結(jié)構(gòu)受損，骨礦成份和骨基質(zhì)等比例的不斷減少，骨脆性增加和骨折危險度升高的全身性代謝障礙疾病。進(jìn)行骨密度檢查，是提早掌握并預(yù)防骨質(zhì)流失的關(guān)鍵。 骨密度的高低直接反映出骨骼缺鈣情況及骨量丟失的程度。因此，采用方便而準(zhǔn)確的方法定期測定骨密度，對了解骨骼是否缺鈣及骨質(zhì)流失情況，預(yù)防骨質(zhì)疏松及觀察其治療效果， 促進(jìn)國民體質(zhì)健康等都具有重要意義。此外，及時進(jìn)行骨質(zhì)密度測量不僅可以有效預(yù)防骨折的發(fā)生，而且還可以為國家有效降低醫(yī)療費(fèi)的開支。在臨床醫(yī)學(xué)中，骨質(zhì)密度測定一般采用單光子/雙光子吸收法、CT掃描法、單能/ 雙能X射線吸收法，這些方法所使用的儀器操作繁瑣，體積較大，攜帶不便，價錢昂貴，且有放射性污染等，因此只能固定在有防護(hù)裝置的實驗室用。超聲作為一種安全經(jīng)濟(jì)的物理診斷治療方法，已被廣泛應(yīng)用(如超聲心動圖、超聲波治療儀等)，但利用超聲波原理測定骨質(zhì)密度的方法并不多見，利用超聲波原理測定骨質(zhì)密度操作者和被檢測人員都避免了 Y 或X射線的照射，而骨質(zhì)密度的高低可直接反映出骨骼缺鈣情況及骨量丟失的程度。目前超聲骨密度測量最常見的部位是跟骨，之所以選擇該部位是因為跟骨90%由松質(zhì)組成，而松質(zhì)骨的新陳代謝率是皮質(zhì)骨的8倍，能更早更準(zhǔn)確的預(yù)測骨質(zhì)疏松和骨折危險程度，而且跟骨軟組織較薄，有較大的平行面易于測量。聲波在介質(zhì)中傳播時，波幅隨距離增大而減小，這就是超聲衰減，服從指數(shù)規(guī)律，生物組織中超聲衰減的機(jī)理較復(fù)雜，主要原因有介質(zhì)對聲波的吸收、散射衰減以及聲束擴(kuò)散。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述問題，為使人體骨質(zhì)密度檢查更簡易、結(jié)果更準(zhǔn)確以及被檢查者有更少的不舒適感而設(shè)計發(fā)明的。它是根據(jù)骨骼強(qiáng)度與超聲傳播速度成正比的特性， 通過測量超聲波在骨中傳導(dǎo)速度和穿透的超聲帶寬衰減，從而判定骨的機(jī)械強(qiáng)度、密度、彈性、微結(jié)構(gòu)和脆性等的儀器或者系統(tǒng)。本發(fā)明是依據(jù)下述方案實現(xiàn)的本發(fā)明在功能上分為主控電路、發(fā)射電路和接收電路。其基本工作原理是在PC機(jī)的整體控制下，由主控電路向發(fā)射電路輸出信號，發(fā)射電路輸出激勵信號，驅(qū)動超聲發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，超聲波通過待測量骨到達(dá)超聲接收探頭，聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波放大后，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過主控電路進(jìn)入PC機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理，途中的信號使用示波器進(jìn)行監(jiān)測。發(fā)射電路超聲波是一種頻率超過人類聽覺上限的振動波(20kHz以上)，最適于骨特性的超聲頻率范圍為0. 1 1. 0MHz，特別是0. 2 0. 6MHz，超聲波的總衰減量與其頻率呈近似線性關(guān)系。因為系統(tǒng)的擴(kuò)展，發(fā)射帶寬需要達(dá)到3M以上，而超聲探頭要產(chǎn)生超聲波，需要在其上加80V左右的電壓，所以設(shè)計能發(fā)送任意波型的超聲發(fā)射電路的核心問題即是設(shè)計高帶寬，高電壓的信號放大電路。目前一般集成運(yùn)放電路很難直接達(dá)到這些指標(biāo)， 故采用高性能的運(yùn)放和晶體管，搭建成了超聲波發(fā)射電路中的高頻放大器部分。它所實現(xiàn)的功能就是對輸入信號進(jìn)行幅度和功率的放大，使原本不能驅(qū)動探頭的信號，放大到可以驅(qū)動探頭信號。接收電路雖然發(fā)射端的輸出信號高達(dá)70V以上，但是超聲波經(jīng)過傳輸過程中的衰減，接收到的信號會很微弱(可能只有幾毫伏)，必須對接收到的信號進(jìn)行濾波放大。因此，本系統(tǒng)的接收電路由過壓保護(hù)電路、濾波電路和放大電路3部分組成。當(dāng)輸入信號由于干擾等原因超出幅值要求時，過壓保護(hù)電路工作，對后級電路進(jìn)行保護(hù)。濾波電路采用 LINEAR的LT1568芯片，它是一款具有極低噪聲、高頻有源RC濾波器單元部件，采用4階貝賽爾低通濾波器，調(diào)節(jié)阻值既能調(diào)節(jié)帶寬至需要的頻率。由于超聲波在傳輸過程中可能出現(xiàn)兩種情況，一種是遇到了骨頭，另一種是未遇到骨頭。這兩種情況接收到的信號幅度是不同的，而對于這兩種不同幅度的信號我們都要接收，因為在后面的數(shù)據(jù)處理中，要對比這兩種不同的信號。因此我們需要可變增益放大器來完成，選用AD公司的雙通道超低噪聲可變增益放大器AD604，只要對可變增益放大器給出不同的電壓信號，即能獲得不同的增益。主控電路主控電路是本系統(tǒng)的核心，主要由FPGA/8051，USB/串口，F(xiàn)IFO，ADC, DAC組成，其中USB/串口用于與外部PC的通訊，由于與PC接口和AD、DA之間存在傳輸速度的差異，用兩塊FIFO進(jìn)行緩沖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。DAC用于生成信號，選用AD公司的ADV7125，能實現(xiàn)8位精度，330M的轉(zhuǎn)換速度；ADC選用AD公司的AD9050，具有10位精度和40M的轉(zhuǎn)換速度。由接收電路探頭接收到的信號，經(jīng)濾波放大后，送入AD9050，再由 FPGA/8051提供ENCODE信號，即能實現(xiàn)由模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。本發(fā)明在設(shè)計中考慮到以下幾個問題，也是本發(fā)明的主要特征一，設(shè)計專門的超聲接收器，選擇識別超聲在傳播過程中的反射波，經(jīng)濾波降噪后作為判斷非骨質(zhì)厚度的信號；二，選擇使用囊泡型的超聲探頭，內(nèi)蘊(yùn)超聲傳播介質(zhì)，雙向測試，在有效發(fā)射接收超聲的基礎(chǔ)上，提供較為適宜的皮感，降低被檢測者的不適度；三，超聲探頭由電機(jī)控制，六方向自動調(diào)整、記憶的電機(jī)設(shè)計，確保了探測部位的一致性；四，兼容多種打印機(jī)，提供了 USB和并行口兩種打印接口，在單機(jī)使用的情況下，可以存儲測試記錄，也可以打印測試報告；五，在
4連接微型計算機(jī)的情況下提供在線測試、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享，測試數(shù)據(jù)庫具有個案的調(diào)用、同一被測試者不同時間階段測試結(jié)果對比的功能。六，獨(dú)特的集成網(wǎng)卡設(shè)計，可以利用同變壓器下甚至不同變壓器下的電網(wǎng)傳輸測試數(shù)據(jù)。本發(fā)明作為一種方法是依賴上述設(shè)計實現(xiàn)的，超聲作為一種介質(zhì)，在不同的骨質(zhì)密度中的傳播速度是不同的，測量待測部位的厚度，結(jié)合加上溫度補(bǔ)償?shù)某曀俣龋纯稍诮馄式Y(jié)果作為常模的標(biāo)定下判斷骨質(zhì)疏松程度。依據(jù)本方案設(shè)計制作的設(shè)備成本低、維護(hù)簡便、操作簡單，測試時間短，被測試者沒有任何不適的感覺。
圖1超聲探頭的囊泡設(shè)計和檢測部位示意圖1囊泡2接收探頭3皮膚4發(fā)射探頭圖2主控電路結(jié)構(gòu)示意3發(fā)射電路結(jié)構(gòu)示意4接收電路結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合圖例進(jìn)一步說明基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀的工作情況。實施例1 基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀探頭的囊泡設(shè)計和檢測部位如圖1所示， 在腳跟兩側(cè)各有一個超聲探頭，一個用于發(fā)射，一個用于接收，當(dāng)被檢測者把露出腳跟的腳放在檢測儀中時，超聲探頭可以在六個方向上移動，使得超聲探頭可以較為緊密的貼緊被側(cè)部位。所述該儀器由透過跟骨的透射信號得到超聲的振幅衰減值，進(jìn)一步計算得到BUA， 另外用雙向超聲探測出實際的跟骨寬度來修正BUA值。實施例2 主控電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在PC的USB/串口兩端有兩個先進(jìn)先出互相調(diào)節(jié)，隨時反饋?zhàn)兓?。輸入信號端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化，輸出信號端的信號是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后輸出的。實施例3 發(fā)射電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，在高功率放大電路環(huán)節(jié)設(shè)計負(fù)反饋控制電路以達(dá)到矯正的目的。實施例4 接收電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，在濾波放大之前有一個過載保護(hù)設(shè)計。超聲背向散射參數(shù)BUB能夠提供BUA和SOS所不能提供的信息，研究表明超聲背向散射可作為骨結(jié)構(gòu)狀態(tài)的指標(biāo)，背向散射反映的骨組織聲學(xué)阻抗特性代表了骨微觀結(jié)構(gòu)的變化，并且可以提供與相對骨折風(fēng)險率有關(guān)的骨構(gòu)造信息。特別是，伴隨著機(jī)體老化過程中的跟骨內(nèi)骨小梁數(shù)量多少與形態(tài)的變化(變細(xì)、變稀甚至斷裂)導(dǎo)致背向散射減少。測量跟骨背向散射的脈沖回波散射波形，通過加時間窗將皮膚和皮質(zhì)骨回波濾除，對取出的骨小梁回波做散射功率譜分析，可得到骨小梁的背向散射系數(shù)譜ob(dB)和積分平均背向散射強(qiáng)度BUB，這兩個參數(shù)均受內(nèi)部骨小梁微觀結(jié)構(gòu)的影響，骨小梁越粗細(xì)均勻、飽滿、連接緊密則BUB值越大。本發(fā)明的儀器本身具有自存儲功能，通過USB接口兼容多種打印機(jī)，可以單機(jī)打印測試報告，檢測時間較短，僅需10秒左右。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀，其特征是由FPGA/8051，USB/串口，兩個FIFO， ADC, DAC組成主控電路，分別連接超聲發(fā)射電路和接收電路。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀，其特征是接收電路由過壓保護(hù)電路、濾波電路和放大電路3部分組成，濾波電路的LT1568芯片，采用4階貝賽爾低通濾波器，放大電路選用AD公司的雙通道超低噪聲可變增益放大器AD604專門設(shè)計的超聲接收ο
3.按照權(quán)利要求1所述的基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀，其特征是選擇使用囊泡型的超聲探頭，內(nèi)蘊(yùn)超聲傳播介質(zhì)。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀，其特征是由電機(jī)控制超聲探頭在六個方向上移動。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀，其特征是提供了USB和并行口兩種打印接口，在單機(jī)使用的情況下，可以存儲測試記錄，也可以打印測試報告，集成網(wǎng)卡設(shè)計，可以利用同變壓器下甚至不同變壓器下的電網(wǎng)傳輸測試數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于超聲的人體骨密度監(jiān)測儀，其特征是由FPGA/8051，USB/串口，兩個FIFO，ADC，DAC組成主控電路，分別連接超聲發(fā)射電路和接收電路，超聲發(fā)射電路和接收電路分別連接兩個超聲探頭。接收電路由過壓保護(hù)電路、濾波電路和放大電路3部分組成，濾波電路的LT1568芯片，采用4階貝賽爾低通濾波器，放大電路選用AD公司的雙通道超低噪聲可變增益放大器AD604，使用囊泡型的超聲探頭，內(nèi)蘊(yùn)超聲傳播介質(zhì)，由電機(jī)控制超聲探頭在上下、左右和前后六方向移動。提供了USB和并行口兩種打印接口，可以存儲測試記錄，在連接微機(jī)的情況下提供在線測試、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享，集成網(wǎng)卡設(shè)計，可以利用同變壓器下甚至不同變壓器下的電網(wǎng)傳輸測試數(shù)據(jù)。
文檔編號A61B8/00GK102512203SQ201110442759
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者王培勇, 邢瑜 申請人:王培勇