高精度全干式超声骨密度仪和测量方法技术

本发明专利技术公开一种高精度全干式超声骨密度仪。骨密度仪由超声参数测量单元、传感器单元、骨密度仪机械驱动单元组成；超声参数测量单元包括控制通信、时间测量、超声发射/接收切换、超声激励、超声接收、发射&接收探头组模块。采用二个发射&接收探头分别测量跟骨两侧软组织的宽度，计时芯片计时；消除了跟骨软组织的宽度差异、软组织与跟骨声速差异的误差。温度传感器测量跟骨部位的体表温度，参照体表温度修正跟骨软组织声速，提高测量精度。发射&接收探头配置薄膜压力传感器，保证跟骨夹紧力的一致性；滚珠丝杠副+双向导轨传动结构，保证发射&接收探头运动的中心对称性。固态耦合辅助探头，生成超声波透射通道，进一步提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
高精度全干式超声骨密度仪和测量方法
本专利技术属超声透射骨密度仪领域。特指采用发射&接收探头、计时芯片、温度压力传感器、滚珠丝杠副双向导轨、固态耦合辅助探头的骨密度仪和测量方法。
技术介绍
骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种常见的退行性疾病，更是一种普遍存在于老年人群中的疾病。OP患者的骨质丢失是全身性的，骨质一旦流失，现有的医疗水平下尚无有效的治疗手段让骨质恢复正常，唯有借助骨质疏松的早期诊断来治疗。OP以骨头的密度和质量下降为特征，在诸多检查手段中，骨密度(BMD：bonemineraldensity)测量是业内的首选。BMD测量方法有，X线光密度法(RA)、双能X线吸收法(DEXA)、定量CT法(QCT)，单光子吸收法(SPA)、双光子吸收法(DPA)，以及定量超声法(QuantitativeUltrasound，QUS)。SPA和DPA原理相同，采集放射性射线通过骨组织的衰减数据推算骨密度，可惜测量精度和重复性差，存在辐射伤害、需要专业技术人员操作的缺陷。RA、DEXA、QCT为X光的三种不同应用形态：RA平片对比分析，不仅需要医生的临床经验，而且骨量丢失≥30％时才能给出诊断，难以胜任早期诊断和预防性检查；QCT计算机断层扫描，测量精度高、费用也高，大剂量射线伤害人体、不适合定期监测；1994年，DEXA双能X射线被WHO推荐为骨密度测量的金标准：精度高、放射剂量低、可对全身和局部骨密度定量测定，缺点是检测费用不菲、且缺乏表征骨骼结构的信息。QUS定量超声，始于20世纪90年代的骨密度定量测量技术；不仅反映骨量，还可反映骨结构(形状、大小、骨小梁间距)。因其具有测量准确，无辐射、成本低廉和操作简便的优点，特别适合体检和长期跟踪测评的需求。必须指出，尽管理论和实验均证实QUS与DEXA高度相关，即证实QUS的有效性；然而QUS的短板--测量精度不如DEXA等方法，严重阻碍了超声骨密度仪的推广普及。目前，评价BMD的超声技术有3种：超声透射技术、超声轴向传输技术和超声背向散射技术。商品化超声骨密度仪的主流技术是超声透射技术，本申请采用超声透射技术；测量参数为超声声速SOS和宽带超声衰减BUA。追本溯源，QUS短板成因，既有外在原因，亦有内在原因。经研究人员的多维度持续探索，达成了QUS短板成因的共识：软组织宽度的不确定性、体表温度的不确定性、测试位置和跟骨夹紧力的不确定性、以及发射/接收探头与体检者耦合的不确定性共同作用，导致QUS测量精度的短板。因此，针对QUS短板的成因，逐一提出针对性的解决方案，增强全干式超声骨密度仪的薄弱环节。1、软组织的不确定性。根据超声发射/接收探头的间距L，发射和接收超声波信号的时间差△t，计算SOS。显然，跟骨软组织的宽度差异、软组织与跟骨的声速差异将导入误差。改进的应对之策：采用一组发射&接收探头(换能器)，分别测量跟骨两侧软组织的宽度；硬件平台嵌入计时专用芯片，测量发射超声波信号、接收反射或透射超声波信号的时间差△t；消除跟骨软组织的宽度差异、软组织与跟骨的声速差异所导入的误差。2、温度的不确定性。跟骨部位的体表温度每下降1度，BMD测量值上升0.2％；全干式超声骨密度仪测量环境的开放性，使跟骨部位的体表温度具有不确定性。一个基本亊实：体检业务赢利多多，备受各医疗单位的青睐；赢利内生驱动下，医疗单位体检中心的室温波动不大，骨密度仪测量时不乏基本的温度保障条件。改进的应对之策：配置温度传感器，实时测量跟骨部位的体表温度t；根据0.5×(t+37)℃的线性插值温度tL，修正跟骨两侧软组织的声速(正常体温≡37℃)。3、测试位置和跟骨夹紧力的不确定性。采用超声透射技术测量跟骨的骨密度，骨密度仪的测量精度和可重复性，有赖于发射&接收、接收&发射探头的中心对称性，跟骨夹紧力的一致性。改进的应对之策：发射&接收探头配置薄膜压力传感器，确保跟骨夹紧力的一致性；设计滚珠丝杠副+双向导轨的传动结构，确保发射&接收探头运动过程的中心对称性。4、耦合的不确定性。发射&接收探头的端面为平面，而跟骨是非规则曲面，两者之间存在缝隙。发射&接收探头、缝隙空气、软组织的声阻抗不同，超声信号传输时在不同声阻抗介质的界面上发生反射、折射、透射，透射的超声信号被衰减，且为不确定性衰减。改进的应对之策：发射&接收探头上附设固态耦合辅助探头，夹紧跟骨时补偿跟骨的非规则曲面，生成超声波的透射通道。全干式超声骨密度仪较有代表性的知识产权成果综述如下：·专利技术专利“一体式超声骨密度仪”(ZL2014101092049)，提出将平板电脑、彩色打印机、超声探头和驱动控制器集成为一体式结构，完成超声信号检测、分析处理并打印诊断报告。·专利技术专利“超声骨密度测量分析系统”(ZL2008101947802)，提出超声参数测量仪包括：脉冲发生器、高压脉冲激发模块和发射探头组成的超声发射单元；接收探头、模拟预处理模块、增益可调放大器、相位比较器、高速ADC和异步FIFO组成的超声接收单元；以及中央处理器、电源管理模块和结构本体。·专利技术专利“具有全干式跟骨骨密度超声探头的超声骨密度仪”(申请号2016110843351)，提出超声探头的声窗外周设有挤胶孔；密度仪壳体中安装有用于储存超声耦合剂的储存罐，检测腔位的底面设有脚踏发出挤出命令，使储存罐中的超声耦合剂经挤胶孔挤出致被检测者跟骨两侧皮肤上的脚踏开关。·专利技术专利“一种骨密度检测系统”(申请号2018103511914)，提出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；引入计时专用芯片TDC-GP2计时。上述相关知识产权的探索有参考价值。遗憾的是，针对全干式超声透射骨密度仪测量精度上的短板，从系统工程的理念给出解决方案，至今无人问津；提高测量精度的需求长期得不到满足。因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种高精度全干式超声骨密度仪和测量方法。高精度全干式超声骨密度仪由超声参数测量单元、传感器单元、骨密度仪机械驱动单元组成，超声参数测量单元与传感器单元、骨密度仪机械驱动单元相连；超声参数测量单元包括控制通信模块、时间测量模块、超声发射/接收切换模块、超声激励模块、超声接收模块、发射&接收探头组模块，控制通信模块与时间测量模块、超声发射/接收切换模块、超声接收模块相连，超声发射/接收切换模块与时间测量模块、超声激励模块、超声接收模块、发射&接收探头组模块相连；发射&接收探头组模块由左侧发射&接收探头、右侧发射&接收探头组成，左/右侧发射&接收探头均附设固态耦合辅助探头，固态耦合辅助探头的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，左/右侧发射&接收探头借助固态耦合辅助探头接触跟骨软组织；超声接收模块由前置放大电路、二阶带通滤波电路、二选一模拟开关电路、阈值过零检本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度全干式超声骨密度仪，其特征在于超声骨密度仪由超声参数测量单元(1)、传感器单元(2)、骨密度仪机械驱动单元(3)组成，超声参数测量单元(1)与传感器单元(2)、骨密度仪机械驱动单元(3)相连；超声参数测量单元(1)包括控制通信模块(100)、时间测量模块(200)、超声发射/接收切换模块(300)、超声激励模块(400)、超声接收模块(500)、发射&接收探头组模块(600)，控制通信模块(100)与时间测量模块(200)、超声发射/接收切换模块(300)、超声接收模块(500)相连，超声发射/接收切换模块(300)与时间测量模块(200)、超声激励模块(400)、超声接收模块(500)、发射&接收探头组模块(600)相连；发射&接收探头组模块(600)由左侧发射&接收探头(610)、右侧发射&接收探头(620)组成，左/右侧发射&接收探头均附设固态耦合辅助探头，固态耦合辅助探头的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，左/右侧发射&接收探头借助固态耦合辅助探头接触跟骨软组织；超声接收模块(500)由前置放大电路(510)、二阶带通滤波电路(520)、二选一模拟开关电路(540)、阈值过零检测电路(530)组成；/n控制通信模块(100)以MSP430F135芯片为核心，控制时间测量模块(200)的运行：测量宽带超声衰减BUA时，二选一模拟开关电路(540)输出至控制通信模块(100)；测量超声声速SOS时，二选一模拟开关电路(540)输出至阈值过零检测电路(530)、经超声发射/接收切换模块(300)至时间测量模块(200)，控制通信模块(100)读取时间测量模块(200)输出的、左侧发射&接收探头(610)发射的超声波和跟骨左侧软组织反射超声波的时间差△t左，△t右的定义与△t左相同，读取时间测量模块(200)输出的、左侧发射&接收探头(610)发射的超声波、与右侧发射&接收探头(620)接收透射超声波的时间差△t左右，△t右左的定义与△t左右相同；/n跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左＝0.5×V软t...

【技术特征摘要】
1.一种高精度全干式超声骨密度仪，其特征在于超声骨密度仪由超声参数测量单元(1)、传感器单元(2)、骨密度仪机械驱动单元(3)组成，超声参数测量单元(1)与传感器单元(2)、骨密度仪机械驱动单元(3)相连；超声参数测量单元(1)包括控制通信模块(100)、时间测量模块(200)、超声发射/接收切换模块(300)、超声激励模块(400)、超声接收模块(500)、发射&接收探头组模块(600)，控制通信模块(100)与时间测量模块(200)、超声发射/接收切换模块(300)、超声接收模块(500)相连，超声发射/接收切换模块(300)与时间测量模块(200)、超声激励模块(400)、超声接收模块(500)、发射&接收探头组模块(600)相连；发射&接收探头组模块(600)由左侧发射&接收探头(610)、右侧发射&接收探头(620)组成，左/右侧发射&接收探头均附设固态耦合辅助探头，固态耦合辅助探头的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，左/右侧发射&接收探头借助固态耦合辅助探头接触跟骨软组织；超声接收模块(500)由前置放大电路(510)、二阶带通滤波电路(520)、二选一模拟开关电路(540)、阈值过零检测电路(530)组成；
控制通信模块(100)以MSP430F135芯片为核心，控制时间测量模块(200)的运行：测量宽带超声衰减BUA时，二选一模拟开关电路(540)输出至控制通信模块(100)；测量超声声速SOS时，二选一模拟开关电路(540)输出至阈值过零检测电路(530)、经超声发射/接收切换模块(300)至时间测量模块(200)，控制通信模块(100)读取时间测量模块(200)输出的、左侧发射&接收探头(610)发射的超声波和跟骨左侧软组织反射超声波的时间差△t左，△t右的定义与△t左相同，读取时间测量模块(200)输出的、左侧发射&接收探头(610)发射的超声波、与右侧发射&接收探头(620)接收透射超声波的时间差△t左右，△t右左的定义与△t左右相同；
跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左＝0.5×V软tL×△t左(1)
跟骨右侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d右＝0.5×V软tL×△t右(2)
跟骨宽度D＝L-d左-d右(3)
SOS＝D÷(△t左右-0.5△t左-0.5△t右)(4)
式中，
V软tL为跟骨软组织与固态耦合辅助探头在线性插值温度下的超声速度
线性插值温度t是跟骨软组织体表的实测温度
L为左侧发射&接收探头(610)与右侧发射&接收探头(620)的距离






式中，
|VD(f)|为超声波通过跟骨的信号幅值
|V软(f)|为超声波通过与跟骨同宽度软组织的信号幅值
f为超声波频率，中心频率0.5MHz、频带范围0.3～0.7MHz；
超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块(100)的蓝牙通信电路上传手机或PAD或PC；
控制通信模块(100)控制超声波发射/接收切换模块(300)模拟开关的断开和闭合，时间测量模块(200)的发射/接收通道经超声波发射/接收切换模块(300)分别接入超声波激励模块(400)、超声波接收模块(500)；超声波激励模块(400)、超声波接收模块(500)经超声波发射/接收切换模块(300)，分别接入左侧发射&接收探头(610)、右侧发射&接收探头(620)，或右侧发射&接收探头(620)、左侧发射&接收探头(610)。


2.根据权利要求1所述的高精度全干式超声骨密度仪，其特征在于所述的传感器单元(2)包括温度测量模块(10)、压力测量模块(20)；温度测量模块(10)以温度传感器DS18B20为核心，DS18B20的脚1接地、脚3接入VCC，R11的两端并接在脚2和脚3；DS18B20的脚2与控制通信模块(100)的MSP430F135脚25相连；压力测量模块(...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建平，王钰炜，黄文娟，吴明光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33