成都华西华科研究所分析超声骨密度检测仪与QCT骨密度测量体模软件检测方法

技术领域

本实用新型涉及电类，特别是涉及一种利用超声波的穿透能力，根据骨骼强度与超声传播速度成正比 的特性，通过测量超声波在骨中传导速度和穿透的超声带宽衰减，从而判定骨的机械强度、密度、弹性、 微结构和脆性等的仪器或者系统。

背景技术

骨骼是支撑人体这座“精细建筑”的主体框架，其抵抗外界冲击能力的大小与骨质密度的高低成正比。 此外，骨骼除可以为肌肉提供支撑外，还可以保护重要器官免受伤害，同时是储存钙的场所，这些钙是维 持人体细胞功能所必须的。因此，健康的骨骼为生命安全提供了保证。骨量丢失，骨骼缺钙，造成骨密度 减低，严重时引起骨质疏松。随着人口平均寿命的延长和老龄人口的增多，骨质疏松症已经成为影响人体 健康的严重疾病之一。目前全世界约有2亿多人患有不同程度的骨质疏松症，其发病率己经跃居常见病和 多发病的第七位。然而目前在临床医学上还没有完全修复己经疏松骨骼的办法，只能通过补充钙质和维生 素D来维持。另外，由于骨质疏松的发病过程很慢，并且没有特殊的临床表现，因而会被大多数人所忽视, 所以骨质疏松的早期诊断和预防就显得尤为重要了。

骨质疏松往往没有症状，直到骨头受到小创伤而发生断裂才被引起注意。骨质疏松是一种骨组织显微 结构受损，骨矿成份和骨基质等比例的不断减少，骨脆性增加和骨折危险度升高的全身性代谢障碍疾病。 进行骨密度检查，是提早掌握并预防骨质流失的关键。骨密度的高低直接反映出骨骼缺钙情况及骨量丢失 的程度。因此，采用方便而准确的方法定期测定骨密度，对了解骨骼是否缺钙及骨质流失情况，预防骨质 疏松及观察其治疗效果，促进国民体质健康等都具有重要意义。此外，及时进行骨质密度测量不仅可以有 效预防骨折的发生，而且还可以为国家有效降低医疗费的开支。

在临床医学中，骨质密度测定一般采用单光子/双光子吸收法、CT扫描法、单能/双能x射线吸收法， 这些方法所使用的仪器操作繁琐，体积较大，携带不便，价钱昂贵，且有放射性污染等，因此只能固定在 有防护装置的实验室用。超声作为一种安全经济的物理诊断治疗方法，己被广泛应用(如超声心动图、超声 波治疗仪等)，但利用超声波原理测定骨质密度的方法并不多见，利用超声波原理测定骨质密度操作者和被 检测人员都避免了 Y或x射线的照射，而骨质密度的高低可直接反映出骨骼缺钙情况及骨量丢失的程度。

目前超声骨密度测量最常见的部位是跟骨，之所以选择该部位是因为跟骨90%由松质组成，而松质骨 的新陈代谢率是皮质骨的8倍，能更早更准确的预测骨质疏松和骨折危险程度，而且跟骨软组织较薄，有 较大的平行面易于测量。声波在介质中传播时，波幅随距离增大而减小，这就是超声衰减，服从指数规律， 生物组织中超声衰减的机理较复杂，主要原因有介质对声波的吸收、散射衰减以及声束扩散。

实用新型内容

本实用新型在功能上分为主控电路、发射电路和接收电路。其基本工作原理是在PC机的整体控制下， 由主控电路向发射电路输出信号，发射电路输出激励信号，驱动超声发射探头发射超声波，超声波通过待 测量骨到达超声接收探头，声信号转换为电信号，经过滤波放大后，再进行AD转换，转换后的数字信号 通过主控电路进入PC机进行数字处理，途中的信号使用示波器进行监测。

发射电路：超声波是一种频率超过人类听觉上限的振动波（20kHz以上），最适于骨特性的超声频率 范围为0.1〜1.0MHz,特别是0.2〜0.6MHz,超声波的总衰减量与其频率呈近似线性关系。因为系统的扩 展，发射带宽需要达到3M以上，而超声探头要产生超声波，需要在其上加80V左右的电压，所以设计能

发送任意波型的超声发射电路的核心问题即是设计高带宽，高电压的信号放大电路。目前一般集成运放电 路很难直接达到这些指标，故采用高性能的运放和晶体管，搭建成了超声波发射电路中的高频放大器部分。 它所实现的功能就是对输入信号进行幅度和功率的放大，使原本不能驱动探头的信号，放大到可以驱动探 头信号。

接收电路：虽然发射端的输出信号高达70V以上，但是超声波经过传输过程中的衰减，接收到的信号 会很微弱（可能只有几毫伏)，必须对接收到的信号进行滤波放大。因此，本系统的接收电路由过压保护 电路、滤波电路和放大电路3部分组成。当输入信号由于干扰等原因超出幅值要求时，过压保护电路工作， 对后级电路进行保护。滤波电路采用LINEAR的LT1568芯片，它是一款具有极低噪声、高频有源RC滤 波器单元部件，采用4阶贝赛尔低通滤波器，调节阻值既能调节带宽至需要的频率。由于超声波在传输过 程中可能出现两种情况，一种是遇到了骨头，另一种是未遇到骨头。这两种情况接收到的信号幅度是不同 的，而对于这两种不同幅度的信号我们都要接收，因为在后面的数据处理中，要对比这两种不同的信号。 因此我们需要可变增益放大器来完成，选用AD公司的双通道超低噪声可变增益放大器AD604,只要对可 变增益放大器给出不同的电压信号，即能获得不同的增益。

主控电路：主控电路是本系统的核心，主要由FPGA/8051, USB/串口，FIFO, ADC, DAC组成，其 中USB/串口用于与外部PC的通讯，由于与PC接口和AD、DA之间存在传输速度的差异，用两块FIFO 进行缓冲，实现数据的正确传输。DAC用于生成信号，选用AD公司的ADV7125,能实现8位精度，330M 的转换速度；ADC选用AD公司的AD9050,具有10位精度和40M的转换速度。由接收电路探头接收到 的信号，经滤波放大后，送入AD9050，再由FPGA/8051提供ENCODE信号，即能实现由模拟信号转化 为数字信号。

本实用新型在设计中考虑到以下几个问题，也是本实用新型的主要特征：一，设计专门的超声接收器， 选择识别超声在传播过程中的反射波，经滤波降噪后作为判断非骨质厚度的信号；二，选择使用囊泡型的 超声探头，内蕴超声传播介质，双向测试，在有效发射接收超声的基础上，提供较为适宜的皮感，降低被 检测者的不适度；三，超声探头由电机控制，六方向自动调整、记忆的电机设计，确保了探测部位的一致 性；四，兼容多种打印机，提供了 USB和并行口两种打印接口，在单机使用的情况下，可以存储测试记 录，也可以打印测试报告•，五，在连接微型计算机的情况下提供在线测试、远程数据共享，测试数据库具 有个案的调用、同一被测试者不同时间阶段测试结果对比的功能。六，独特的集成网卡设计，可以利用同 变压器下甚至不同变压器下的电网传输测试数据。

附图说明

图1超声探头的囊泡设计和检测部位示意图 1囊泡2接收探头3皮肤4发射探头 图2主控电路结构示意图 图3发射电路结构示意图 图4接收电路结构示意图

具体实II方式

下面结合图例进一步说明超声骨密度监测仪的工作情况，如图1所示，在脚跟两侧各有一个超声探头， —个用于发射，一个用于接收，当被检测者把露出脚跟的脚放在检测仪中时，超声探头可以在六个方向上 移动，使得超声探头可以较为紧密的貼紧被侧部位。所述该仪器由透过跟骨的透射信号得到超声的振幅衰 减值，进一步计算得到BUA，另外用双向超声探测出实际的跟骨宽度来修正BUA值。

超声背向散射参数BUB能够提供BUA和SOS所不能提供的信息，研究表明超声背向散射可作为骨 结构状态的指标，背向散射反映的骨组织声学阻抗特性代表了骨微观结构的变化，并且可以提供与相对骨 折风险率有关的骨构造信息。特别是，伴随着机体老化过程中的跟骨内骨小梁数量多少与形态的变化（变 细、变稀甚至断裂）导致背向散射减少。

测量跟骨背向散射的脉冲回波散射波形，通过加时间窗将皮肤和皮质骨回波滤除，对取出的骨小梁回 波做散射功率谱分析，可得到骨小梁的背向散射系数谱~ (dB)和积分平均背向散射强度BUB,这两个 参数均受内部骨小梁微观结构的影响，骨小梁越粗细均匀、饱满、连接紧密则BUB值越大。

本实用新型的仪器本身具有自存储功能，通过USB接口兼容多种打印机，可以单机打印测试报告， 检测时间较短，仅需10秒左右。

成都华西华科研究所研发生产QCT骨密度测量体模软件系统 

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