一种骨密度检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种超声波骨密度检测系统，包含发射探头、发射电路、主控芯片、模数转换电路、接收电路及接收探头；发射电路串联在发射探头与主控芯片之间，接收探头、接收电路、模数转换电路以及主控芯片依次串联，接收电路对接收探头接收到的信号进行预处理，模数转换电路对预处理后的信号进行模数转换并传输至主控芯片；接收电路包括依次连接在主控芯片与发射探头之间的TDC‑GP2芯片以及电压放大电路；主控芯片在开始控制发射电路产生驱动信号时，同步产生第一触发信号，并在接收探头接收到的信号在经过接收电路被模数转换电路处理完毕时，同步产生第二触发信号，以控制TDC‑GP2计时。基于本发明专利技术的超声波骨密度检测系统进行骨密度检测时精度高且易于使用。

A bone density detection system

The invention discloses an ultrasonic bone mineral density detection system, which comprises a transmitting probe, a transmitting circuit, a main control chip, an analog-to-digital conversion circuit, a receiving circuit and a receiving probe. The transmitting circuit is in series between the transmitting probe and the main control chip, and the receiving probe, a receiving circuit, an analog-to-digital conversion circuit and a main control chip are in series in turn. The receiving circuit preprocesses the signal received by the receiving probe, and the analog-to-digital conversion circuit converts the preprocessed signal and transmits it to the main control chip; the receiving circuit includes the TDC GP2 chip connected in turn between the main control chip and the transmitting probe and the voltage amplifier circuit; the main control chip starts to control the transmitting power. When the drive signal is generated by the circuit, the first trigger signal is generated synchronously, and when the signal received by the receiving probe is processed by the analog-to-digital conversion circuit, the second trigger signal is generated synchronously to control the timing of TDC GP2. The ultrasonic bone density detection system based on the invention has high precision and easy to use when carrying out bone mineral density detection.

【技术实现步骤摘要】
一种骨密度检测系统
本专利技术涉及超声波传感技术和信息分析技术及其在医疗器械上的应用领域，更具体地说，涉及一种骨密度检测系统。
技术介绍
骨质疏松症是老年人常见的多发病之一，严重危害着人们的健康。研究开发适合我国国情的骨密度测量分析系统，对及时有效地诊断骨质疏松症，预防骨质疏松及其并发症的发生，提高老龄人口的生存质量具有十分重要的意义。目前大多测定骨密度、预测骨折发生率的有效的方法，常用的是双能X线吸收法(DEXA)，但其存在放射性辐射、扫描时间长、体积大、价格昂贵、不适合儿童检测以及不便于长期跟踪观察等缺点。定量超声测量骨密度早已用于临床，正处于不断的发展完善过程中，国外许多国家普遍把骨密度仪视为一种常规的测量设备。这种定量超声波法是近年来发展起来的最具发展潜力的骨密度测量方法，它具有无电离辐射、扫描时间短、操作简单、精确度高、体积小、廉价便携等优势，更主要的是超声能够提供骨小梁结构方面的信息，更好地反映出骨强度状况。本检测系统选用的干式测量法测量骨密度，此方法相对于一般水浴法而言，具有使用方便、卫生等优点。如何从超声波信号中提取骨骼的定量超声参数即宽带超声衰减参数(BUA)和超声速度(SOS)，是目前定量超声检测技术的重点课题。超声波在介质中传播时，一部分声波能量被衰减，超声波在松质骨的衰减机理主要是散射，在皮质骨为吸收，此外超声衰减还依赖于超声频率，最适用于骨特性的超声频率范围为0.25～1.25MHz。通过测量超声衰减BUA和超声传播速度SOS值，根据测量值与标准正常骨密度的值相比较来判断所测骨骼是否发生了骨质疏松。人体跟骨BUA恒定范围为6～110dB/MHz，SOS范围为1475～1650m/s。目前的测量系统均是通过超声波发射电路发射超声波，然后超声波接收电路接收超声波信号，并计算得到BUA和SOS值。超声发射电路具有发射超声波的超声波发射探头，触发超声波发射探头需要一定的功率，超声波发射电路部分主要功能就是通过驱动电路产生高速脉冲并对其功率进行放大来激励超声探头发射超声波，因超声换能器出入谐振状态时的效率最高，所以产生的脉冲频率与换能器中心频率相同。较早的超声波发射电路中对超声脉冲的控制，通常选择场效应管作为开关，利用开关触发信号控制其通断。图1是传统发射电路的工作原理图。由图可知，当场效应管开关导通时，产生的电压能够驱动超声探头工作；反之，开关截至时，脉冲产生电路因如输入电压而停止工作，无超声波产生。这种需要先利用555芯片构成多谐振荡器，产生交流信号，然后利用变压器对该信号进行放大产生高电压，同时开关触发信号对场效应的关断和开通进行控制。也就是说场效应管作为开关控制高电压脉冲的发射和停止。由于电路中需要使用555芯片、变压器、场效应管等分立元件搭建出完整的超声发射电路，通常需要给电路提供较高的直流电压，这使得电路成本大大提高、电路体积增加、干扰性增多而且存在安全隐患等缺点。在有些改良的新型电路中，将变压器产生高电压的过程由两个BJT管组成推挽放大电路来代替，用CMOS器件(IRFP450)代替场效应管作为开关元件，产生高速脉冲，通过电感储能就可以产生很高的电压。后者相对于前者来说，降低了电路成本、减少了高压隐患，但仍然没有解决分立元件所带来的精度低的问题。接收电路部分是对接收到的超声信号进行处理，与发射电路部分相反，在接收电路部分需要将超声信号转换为电信号进行分析和处理。接收电路主要是对超声波传播过程中穿透波进行分析和处理，其电路性能直接影响后续数据采集和处理的精确性，因此在对超声信号的处理方面有着较高的要求。因为每个人的跟骨厚度都比较薄，对测量结果影响不大，而且这样测量便于操作，测量精度较高。在传统的SOS系统设计中，一般是通过观察超声传感器T(发射探头)、R(接收探头)两者波形的峰值的到达时间差，然后根据跟骨宽带，利用公式(1)(Vheel为足跟的平均速度，X为包括跟骨和两侧软组织的速度，tx为包括软组织在内的足跟宽度超声穿过净骨和跟骨的时间)得到SOS，这样操作存在以下问题：(1)超声驱动电路是由分立元器件组成的，在一般的情况下，分立元件的延时是可以忽略的。可由于两超声传感器的距离很短(一般不超过10cm)，且超声声速超过1500m/s，因此如果使用由分立元件构成的驱动电路，会因分立元件的延时使得时间变长，此时再利用公式(1)计算超声声速SOS，就会明显影响测量结果，降低精度。(2)利用示波器重复的观察电路中发射和接收波形的到达时间，也会让电路中的干扰信号增加，影响性能。
技术实现思路
针对上述的技术问题(1)和(2)本专利技术，提供一种骨密度检测系统，以从超声波信号中提取骨骼的定量超声参数即BUA和SOS，并得出骨骼密度检测结果。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种超声波骨密度检测系统，该系统包含：发射探头、发射电路、主控芯片、模数转换电路、接收电路以及接收探头；发射电路串联在发射探头与主控芯片之间，用于在主控芯片的控制下产生驱动信号，并经由发射探头产生超声波发射出去；接收探头、接收电路、模数转换电路以及主控芯片依次串联，接收电路用于对接收探头接收到的信号进行预处理，模数转换电路用于对预处理后的信号进行模数转换，并传输至主控芯片；接收电路包括依次连接在主控芯片以及发射探头之间的TDC-GP2芯片以及电压放大电路；主控芯片在开始控制发射电路产生所述驱动信号时，同步产生第一触发信号控制所述TDC-GP2开始计时，并在接收探头接收到的信号在经过接收电路被模数转换电路处理完毕时，同步产生第二触发信号控制所述TDC-GP2停止计时，所述主控芯片计算出计时时长以用于骨密度检测结果的得出。进一步地，在本专利技术的骨密度检测系统中，所述主控芯片计算出计时时长以用于骨密度检测结果的得出具体是指：所述主控芯片根据计时时长计算出BUA值以及SOS值，并根据计算出的BUA值、SOS值以及预设的BUA值正常范围、SOS值正常范围，得出骨密度检测结果；或者所述主控芯片将主控芯片发送至上位机，由上位机根据计时时长计算出BUA值以及SOS值，并根据计算出的BUA值、SOS值以及预设的BUA值正常范围、SOS值正常范围，得出骨密度检测结果。进一步地，在本专利技术的骨密度检测系统中，所述得出骨密度检测结果具体是指判断计算出的BUA值是否位于预设的BUA值正常范围6～110dB/MHz内，计算出的SOS值是否位于预设的SOS值正常范围1475～1650m/s内，若两个所述判断的结果均为是，则骨密度检测结果为骨密度正常，否则骨密度检测结果为异常。进一步地，在本专利技术的骨密度检测系统中，所述电压放大电路是通过芯片NE5532A实现的。进一步地，在本专利技术的骨密度检测系统中，所述主控芯片为单片机MSP430，主控芯片的引脚DVCC、P1.4、P1.3、P1.2、P1.1、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0、GND分别连接TDC-GP2的引脚VCC、RSTN、S0、SI、SCK、SSN、INIT、EN_STOP1、STOP1、EN_START、START、GND；TDC-GP2的引脚EN_START、EN_STOP1在计时时被置成高电平，TDC-GP2采用测量范围500ns-4ms的测量范围进行测量。进一步地，在本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波骨密度检测系统，其特征在于，包含：发射探头、发射电路、主控芯片、模数转换电路、接收电路以及接收探头；发射电路串联在发射探头与主控芯片之间，用于在主控芯片的控制下产生驱动信号，并经由发射探头产生超声波发射出去；接收探头、接收电路、模数转换电路以及主控芯片依次串联，接收电路用于对接收探头接收到的信号进行预处理，模数转换电路用于对预处理后的信号进行模数转换，并传输至主控芯片；接收电路包括依次连接在主控芯片与发射探头之间的TDC‑GP2芯片以及电压放大电路；主控芯片在开始控制发射电路产生所述驱动信号时，同步产生第一触发信号控制所述TDC‑GP2开始计时，并在接收探头接收到的信号在经过接收电路被模数转换电路处理完毕时，同步产生第二触发信号控制所述TDC‑GP2停止计时，所述主控芯片计算出计时时长以用于骨密度检测结果的得出。

【技术特征摘要】
1.一种超声波骨密度检测系统，其特征在于，包含：发射探头、发射电路、主控芯片、模数转换电路、接收电路以及接收探头；发射电路串联在发射探头与主控芯片之间，用于在主控芯片的控制下产生驱动信号，并经由发射探头产生超声波发射出去；接收探头、接收电路、模数转换电路以及主控芯片依次串联，接收电路用于对接收探头接收到的信号进行预处理，模数转换电路用于对预处理后的信号进行模数转换，并传输至主控芯片；接收电路包括依次连接在主控芯片与发射探头之间的TDC-GP2芯片以及电压放大电路；主控芯片在开始控制发射电路产生所述驱动信号时，同步产生第一触发信号控制所述TDC-GP2开始计时，并在接收探头接收到的信号在经过接收电路被模数转换电路处理完毕时，同步产生第二触发信号控制所述TDC-GP2停止计时，所述主控芯片计算出计时时长以用于骨密度检测结果的得出。2.根据权利要求1所述的骨密度检测系统，其特征在于，所述主控芯片计算出计时时长以用于骨密度检测结果的得出具体是指：所述主控芯片根据计时时长计算出BUA值以及SOS值，并根据计算出的BUA值、SOS值以及预设的BUA值正常范围、SOS值正常范围，得出骨密度检测结果；或者所述主控芯片将主控芯片发送至上位机，由上位机根据计时时长计算出BUA值以及SOS值，并根据计算出的BUA值、SOS值以及预设的BUA值正常范围、SOS值正常范围，得出骨密度检测结果。3.根据权利要求2所述的骨密度检测系统，其特征在于，所述得出骨密度检测结果具体是指判断计算出的BUA值是否位于预设的BUA值正常范围6～110dB/MHz内，计...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺良华，张浩，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42