一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，它包括激光器、激光控制器、顯示模塊、超聲換能器、前置放大器、鎖相放大器以及耦合劑，所述的耦合粘貼在人體皮膚上，本發明報導的裝置可實現骨膠原蛋白含量的檢測，解決現有在骨質量評價中，只能依靠骨密度這單一的評價值，同時可以實現骨表層的膠原蛋白含量對信號的影響。本發明具有無創傷、無輻射、檢測成本低、評估準確等明顯優勢。
【專利說明】
一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于醫學檢測骨質量水平的測量裝置，具體涉及一種基于共振態 的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 雙能X射線骨密度儀(DXA)作為一個重要檢測骨質量檢測標準在上世紀九十年代 被臨床廣泛采用，但在大量臨床實踐過程中，人們對DXA檢測骨健康檢測存在安全性和準確 性兩個方面的質疑。尤其是對于嬰幼兒、康復期以及特殊人群不適宜使用DXA進行動態監 測，研究表明在骨修復過程中使用高劑量γ射線使得膠原中62%的α-鏈發生斷鏈，失去恢 復功能。
[0003] 早期骨質疏松癥的不僅表現在骨密度的降低，而且膠原蛋白的缺失和微結構的創 傷也是早期骨質疏松癥的特征，但是骨膠原蛋白不僅存在于骨組織內部，而且廣泛存在于 骨表面及皮膚組織，光聲/超聲信號進入骨組織中將受到上述組織中膠原蛋白的影響，在骨 組織無損檢測中，針對該問題的仍然沒有合理的解決方案。目前在公開報導中沒有發現可 以有效解決骨膠原蛋白含量的方法，尤其是松質骨內的膠原蛋白含量。
[0004] 局域共振理論已經成功在很多領域得到應用，并且可以體現內部的組分信息，形 成局域共振能譜與結構的參數(骨微結構尺寸、羥基磷晶體、膠原蛋白等)有關，松質骨正好 形成天然的共振結構，這將為解決上述問題提供途徑。
[0005] 以上這些方法采用的超聲或者量化超聲的方法來判斷骨質疏松癥的狀況，但是研 究表明，骨質疏松癥引發的骨質量問題不僅與骨密度有關，而且與骨膠原蛋白含量有密切 關系。本發明提出一種新型基于局域共振態的骨質量評價方法及裝置，能有效檢測出骨膠 原蛋白含量并且避免骨表層膠原蛋白的干擾，本發明具有以下顯著的創新性：（1)解決現有 骨膠原蛋白含量的檢測問題。（2)有效避免骨表層的膠原蛋白對信號的影響。
【發明內容】
[0006] 本發明目的是提供一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，解決避免 骨表面的膠原蛋白對光聲信號的影響。
[0007] 本發明的技術方案為：
[0008] -種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，處理器和由處理器控制的激 光控制器;激光器，通過激光控制器接收處理器的輸出信號，并至少輸出兩個互相交替占空 的波長的準直激光至人體且被其骨組織吸收;超聲換能器陣列，接收經骨組織生成的共振 態超聲波，轉換共振態超聲波為電信號，并輸出電信號至處理器。
[0009] 上述方案中，還包括激光器、準直耦合單元、激光控制器、顯示模塊、處理器、超聲 換能器陣列、前置放大器、鎖相放大器以及耦合劑，所述的耦合劑粘貼在人體皮膚上；
[0010] 所述的激光器與激光調制器相連接，激光器受到激光調制器的控制，可以輸出不 同調制光強的激光，同時也可以在不同波長下工作，激光能量被人體皮膚下測量骨吸收后， 由于光聲效應形成表現骨組織吸收特征的超聲波；
[0011] 所述的測量骨為多孔的松質骨，由于松質骨由骨鈣礦物質和骨膠原蛋白鉸鏈形成 聲子晶體結構，生成的超聲信號在松質骨內形成局域共振性質，產生共振態，超聲換能器陣 列探測到超聲波并將超聲信號轉化成電信號，傳輸給處理器;處理器接收到帶有超聲松質 骨的共振特性的電信號進行處理，即可得到松質骨內的骨鈣礦物質和骨膠原含量參數；
[0012] 所述的激光器在激光調制器的控制下，至少在兩個波長上工作，且兩波長通過激 光控制器形成交替開-斷工作模式；即激光器的工作在兩個波長的時間正好相反，在整個周 期里入射到測量骨上的光功率可以表達為：
[0013]
[0014] 其中A是指其中一種波長，B是指另外一種波長。
[0015] 進一步地，所述的激光器是多波長調諧激光器，該激光器作為光源，可以發出功率 恒定的激光，并且波長范圍覆蓋830nm~2300nm，尤其是至少包括905nm、1064nm以及1550nm 三個波段。
[0016] 進一步地，所述的激光器受到激光調制器的控制，可以輸出不同調制光強的激光， 同時也可以在不同波長下穩定工作，即光源峰值功率范圍為50W~300W。
[0017] 進一步地，所述的測量骨是指多孔松質骨，具體為指橈骨遠端、肱骨髁、脛骨平臺、 橈骨莖突。
[0018] 進一步地，所述的超聲換能器陣列具有寬頻帶響應特性，工作中心頻帶為2MHz，范 圍為 0.5MHz ~5MHz。
[0019] 進一步地，所述的耦合劑是指透明乳膠，其對紅外激光的透過率很高，特別地是 830歷~230〇11111范圍的紅外激光透過率大于85%。
[0020] -種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法，包括如下步驟，
[0021 ]步驟1、至少利用兩個互相交替占空的波長的準直激光，并使其被骨組織吸收，再 由骨組織對應不同準直激光分別生成的共振態超聲波；
[0022] 步驟2、根據骨組織中聲信號傳播方程，按照平面波展開法獲得本征方程，再通過 傳遞矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量的共振態算法模型；
[0023] 步驟3、將至少兩個共振態超聲波轉換為對應的電信號，將電信號代入共振態算法 模型，計算獲得骨膠原蛋白含量。
[0024] 上述方法中，所述的步驟2,包括如下步驟，
[0025] 步驟2.1、根據骨組織中聲信號二維傳播方程
[0026] 1 J. 1
* ^ J
[0027] 其中，j，l代表坐標X或y;u(x)為位移矢量U的j分量，P為介質密度;μ和λ分別為介 質的彈性常數和拉梅常數，按照平面波展開法獲得兩個標準本征方程
[0028]
[0029]
G j
[0030] 其中P(MT，λ(ΜΤ和μ<ΜΤ為傅立葉系數，G為倒格矢，k為格波波矢；
[0031 ] 步驟2.2、將兩個標準本征方程表示為傅里葉函數形式Fc，
[0032]
[0033]其中，A和B分別散射介質與背景介質，1(G)為結構因子，表不為
[0034]
[0035] 其中，S為骨組織的橫截面積，f = Sr/S為散射介質的填充系數，Sr為散射介質在整 個骨組織中的橫截面積；
[0036] 步驟2.3、通過傳遞矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量 的共振態算法模型，
[0037] P(o)=F(f,G,..)
[0038] 其中，Ρ( ω )為傅里葉變換下待輸入的電信號，F(f，G，..）為共振態函數。
[0039] 上述方法中，所述的步驟2.2,包括如下步驟，
[0040] 步驟2.2.1、根據骨組織中骨孔結構形狀，分別按照圓形、六邊形、正方形和三角形 通過位置矢量設置本征方程的結構因子；
[0041] 步驟2.2.2、再將對應的結構因子表示為各自的貝塞爾函數，求和獲得各向異性的 本征方程。
[0042] 上述方法中，所述的步驟3,包括如下步驟，
[0043] 步驟3.1、將至少兩個均帶有填充系數和結構因子信息的共振態超聲波轉換為對 應的電信號，再對電信號進行傅立葉變換，將其中一個傅里葉變換后的電信號作為參考信 號；
[0044] 步驟3.2將所有電信號代入共振態算法模型，反演計算獲得骨膠原蛋白含量。
[0045] 以現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0046] (1)顯著提高對骨質量的評價能力，無創傷檢測骨膠原蛋白含量的信息。
[0047] (2)利用共振態超聲波測量骨孔內膠原蛋白信息進行含量評價，有效避免骨表層 的膠原蛋白信號的影響，顯著提高對骨質量的評價能力。
[0048] (3)使用雙波長工作模式，產生不同的共振模態，有效避免其他組織對信號的影 響。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發明的結構示意圖；
[0050] 圖2為光聲測量骨膠原蛋白示意圖；
[0051] 圖3為正常的多孔骨和患有骨質疏松癥的多孔骨鉸鏈結構示意圖；
[0052] 圖4為本發明測量共振態頻率-光聲信號強度關系圖。
【具體實施方式】
[0053]下面結合附圖對本發明作進一步描述，一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方 法及裝置：
[0054] 實施例1
[0055] 其結構如圖1所示，一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，它包括激 光器、準直耦合單元、激光控制器、顯示模塊、處理器、超聲換能器陣列、前置放大器、鎖相放 大器以及耦合劑，耦合劑粘貼在人體皮膚上;激光器受到激光調制器的控制，可以輸出不同 調制光強的激光，同時也可以在不同波長下工作，激光能量被人體皮膚下測量骨吸收后，由 于光聲效應形成表現骨組織吸收特征的超聲波，如圖2所示；
[0056] 測量骨為多孔的松質骨，由于松質骨由骨鈣礦物質和骨膠原蛋白鉸鏈形成聲子晶 體結構，正常的多孔骨和患有骨質疏松癥的多孔骨在骨鈣礦物質和骨膠原蛋白鉸鏈關系上 有顯著不同，如圖3所示。由于生成的超聲信號在松質骨內形成局域共振性質，產生共振態， 具體建立以下模型：
[0057]建立檢測算法數學模型是選擇光聲技術的理論依據。產生的聲信號在細胞組織中 的傳播方程可以用以下式子描述：
[0058] (1)
[0059] 這里I表示激光光強，v是聲波在細胞組織中傳播速度，α是光吸收系數，β是熱膨脹 系數，CP是比熱容，ρ是聲壓強。
[0060] 對于弱吸收組織細胞的情況，聲壓強P可以寫為：
[0061] (2)
[0062] 這里k是系統加權常數，Eo為入射光強能量，η是實驗經驗常數(介于1和2之間）。
[0063] 對于一個各向異性的多孔骨，產生的聲波在多孔骨中的二維傳播方程可以表示 為：
[0064] (3)
[0065] (4)
[0066] 式中：j，l代表坐標X或y;u(x)為位移矢量u的j分量;Ρ為介質密度;μ和λ為介質的 彈性常數和拉梅常數。通過平面波展開法可以將(3)(4)分別展開為以下兩個標準的本征方 程：
[0068]和 _] (5)
[0069]、J:).
[0070] 其中Pg-g1 AdliG-G1為傅立葉系數，它們可以統一用Fg來表不：
[0071](7) ：[0072] 這里A和B分別散射介質與背景介質。幾何結構因子1(G)可以表示為：[0073] ,、(8)[0074] 其中S為多孔骨的橫截面積。f = Sr/S為散射介質的填充系數，Sr為散射介質在整個 多孔骨中的橫截面積。[0075] 對于不同的多孔形狀例如圓形、六邊形、正方形和三角形的結構因子分別用I。 (G)，Ih(G)，Is(G)和I t(G)表示，其中IC(G)可以表示為：[0076](9)[0077] 這里J!為第一類一階Bessel函數，r為半徑。類似的Ih(G)，Is(G)和I t(G)分別可以由（9)式求得。對于包含幾個形狀的多孔骨單元，傅立葉變換可以通過簡單的求和來獲得：[0078](10)[0079] 式中η為不同形狀的多孔骨單元的位置矢量。[0080] 對于(5)(6)本征方程可以用傳遞矩陣法或時域有限差分法進行數值求解，得到共 振態與多孔骨填充系數及結構因子的關系，即：[0081] P(o)=F(f,G,..) (11)[0082] 通過多個共振態函數即可反演出骨膠原蛋白含量和骨鈣密度含量。[0083]激光器在激光調制器的控制下，至少在兩個波長上工作，且兩波長通過激光控制 器形成交替開-斷工作模式；即激光器的工作在兩個波長的時間正好相反，在整個周期〇<t <τ〇里入射到測量骨上的光功率可以表達為：[0084](12)[0085] 其中Α是指其中一種波長，Β是指另外一種波長。[0086] 在兩個不同的波長下，可以產生得到的光聲共振模態如圖4所示，換能器陣列探測 器將測量到帶有多孔骨共振特性的超聲波，將聲信號轉換成電信號，前置放大器將電信號 放大再經過鎖相放大器后，進入處理器，處理器根據上述模型進行后續處理，計算出膠原蛋 白含量和骨鈣密度的測量值，最后處理結果通過顯示模塊進行顯示。[0087] 以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何
屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應 涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，包括 處理器和由處理器控制的激光控制器； 激光器，通過激光控制器接收處理器的輸出信號，并至少輸出兩個互相交替占空的波 長的準直激光至人體且被其骨組織吸收； 超聲換能器陣列，接收經骨組織生成的共振態超聲波，轉換共振態超聲波為電信號，并 輸出電信號至處理器。2. 根據權利要求1所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的激光器選用多波長調諧激光器，其波段至少包括905nm、1064nm以及1550nm三個波段。3. 根據權利要求1所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的激光器，其輸出至少兩個互相交替且恰好不重疊占空的波長的準直激光。4. 根據權利要求1所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的骨組織，包括多孔松質骨，多孔松質骨包括橈骨遠端、肱骨髁、脛骨平臺和橈骨莖突。5. 根據權利要求1所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的壓電換能器選用寬頻帶響應型，中心頻帶為2MHz，頻帶范圍為0.5MHz至5MHz。6. 根據權利要求1所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，還 包括親合劑，準直激光通過親合劑照射至人體，其選為對830nm至2300nm頻率范圍激光透過 率大于85 %的透明乳膠。7. -種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于，包括如下步驟， 步驟1、至少利用兩個互相交替占空的波長的準直激光，并使其被骨組織吸收，再由骨 組織對應不同準直激光分別生成的共振態超聲波； 步驟2、根據骨組織中聲信號傳播方程，按照平面波展開法獲得本征方程，再通過傳遞 矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量的共振態算法模型； 步驟3、將至少兩個共振態超聲波轉換為對應的電信號，將電信號代入共振態算法模 型，計算獲得骨膠原蛋白含量。8. 根據權利要求7所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于，所 述的步驟2,包括如下步驟， 步驟2.1、根據骨組織中聲信號二維傳播方程其中，j，l代表坐標x或y，u(x)為位移矢量u的j分量，P為介質密度，y和A分別為介質的 彈性常數和拉梅常數， 按照平面波展開法獲得兩個標準本征方程其中PtMT，AtMT和為傅立葉系數，G為倒格矢，k為格波波矢； 步驟2.2、將兩個標準本征方程表示為傅里葉函數形式Fc其中，A和B分別散射介質與背景介質，1(G)為結構因子，表示式為其中，S為骨組織的橫截面積，f = Sr/S為散射介質的填充系數，Sr為散射介質在整個骨 組織中的橫截面積； 步驟2.3、通過傳遞矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量的共 振態算法模型 P(co)=F(f,G,..) 其中，P( ? )為傅里葉變換下待輸入的電信號，F(f，G，..）為共振態函數。9. 根據權利要求8所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于，所 述的步驟2.2，包括如下步驟， 步驟2.2.1、根據骨組織中骨孔結構形狀，分別按照圓形、六邊形、正方形和三角形通過 位置矢量設置本征方程的結構因子； 步驟2.2.2、再將對應的結構因子表示為各自的貝塞爾函數，求和獲得各向異性的本征 方程。10. 根據權利要求9所述的一種基于共振態的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于， 所述的步驟3,包括如下步驟， 步驟3.1、將至少兩個均帶有填充系數和結構因子信息的共振態超聲波轉換為對應的 電信號，再對電信號進行傅立葉變換，將其中一個傅里葉變換后的電信號作為參考信號； 步驟3.2將所有電信號代入共振態算法模型，反演計算獲得骨膠原蛋白含量。
【文檔編號】A61B8/08GK106037817SQ201610494901
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】楊立峰, 彭真明, 王亞非, 張希仁, 王占平
【申請人】電子科技大學