基於超聲的人體骨密度監測儀的製作方法
2023-10-18 05:55:19
專利名稱：基於超聲的人體骨密度監測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及電類，特別是涉及一種利用超聲波的穿透能力，根據骨骼強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速度和穿透的超聲帶寬衰減，從而判定骨的機械強度、密度、彈性、微結構和脆性等的儀器或者系統。
背景技術：
骨骼是支撐人體這座「精細建築」的主體框架，其抵抗外界衝擊能力的大小與骨質密度的高低成正比。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，嚴重時引起骨質疏鬆。隨著人口平均壽命的延長和老齡人口的增多，骨質疏鬆症已經成為影響人體健康的嚴重疾病之一。目前全世界約有2億多人患有不同程度的骨質疏鬆症，其發病率已經躍居常見病和多發病的第七位。然而目前在臨床醫學上還沒有完全修復已經疏鬆骨骼的辦法，只能通過補充鈣質和維生素D來維持。另外，由於骨質疏鬆的發病過程很慢，並且沒有特殊的臨床表現，因而會被大多數人所忽視，所以骨質疏鬆的早期診斷和預防就顯得尤為重要了。骨質疏鬆往往沒有症狀，直到骨頭受到小創傷而發生斷裂才被引起注意。骨質疏鬆是一種骨組織顯微結構受損，骨礦成份和骨基質等比例的不斷減少，骨脆性增加和骨折危險度升高的全身性代謝障礙疾病。進行骨密度檢查，是提早掌握並預防骨質流失的關鍵。 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，採用方便而準確的方法定期測定骨密度，對了解骨骼是否缺鈣及骨質流失情況，預防骨質疏鬆及觀察其治療效果， 促進國民體質健康等都具有重要意義。此外，及時進行骨質密度測量不僅可以有效預防骨折的發生，而且還可以為國家有效降低醫療費的開支。在臨床醫學中，骨質密度測定一般採用單光子/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，且有放射性汙染等，因此只能固定在有防護裝置的實驗室用。超聲作為一種安全經濟的物理診斷治療方法，已被廣泛應用(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密度的方法並不多見，利用超聲波原理測定骨質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%由松質組成，而松質骨的新陳代謝率是皮質骨的8倍，能更早更準確的預測骨質疏鬆和骨折危險程度，而且跟骨軟組織較薄，有較大的平行面易於測量。聲波在介質中傳播時，波幅隨距離增大而減小，這就是超聲衰減，服從指數規律，生物組織中超聲衰減的機理較複雜，主要原因有介質對聲波的吸收、散射衰減以及聲束擴散。
發明內容
本發明是針對上述問題，為使人體骨質密度檢查更簡易、結果更準確以及被檢查者有更少的不舒適感而設計發明的。它是根據骨骼強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速度和穿透的超聲帶寬衰減，從而判定骨的機械強度、密度、彈性、微結構和脆性等的儀器或者系統。本發明是依據下述方案實現的本發明在功能上分為主控電路、發射電路和接收電路。其基本工作原理是在PC機的整體控制下，由主控電路向發射電路輸出信號，發射電路輸出激勵信號，驅動超聲發射探頭髮射超聲波，超聲波通過待測量骨到達超聲接收探頭，聲信號轉換為電信號，經過濾波放大後，再進行AD轉換，轉換後的數位訊號通過主控電路進入PC機進行數字處理，途中的信號使用示波器進行監測。發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)，最適於骨特性的超聲頻率範圍為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係。因為系統的擴展，發射帶寬需要達到3M以上，而超聲探頭要產生超聲波，需要在其上加80V左右的電壓，所以設計能發送任意波型的超聲發射電路的核心問題即是設計高帶寬，高電壓的信號放大電路。目前一般集成運放電路很難直接達到這些指標， 故採用高性能的運放和電晶體，搭建成了超聲波發射電路中的高頻放大器部分。它所實現的功能就是對輸入信號進行幅度和功率的放大，使原本不能驅動探頭的信號，放大到可以驅動探頭信號。接收電路雖然發射端的輸出信號高達70V以上，但是超聲波經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行濾波放大。因此，本系統的接收電路由過壓保護電路、濾波電路和放大電路3部分組成。當輸入信號由於幹擾等原因超出幅值要求時，過壓保護電路工作，對後級電路進行保護。濾波電路採用 LINEAR的LT1568晶片，它是一款具有極低噪聲、高頻有源RC濾波器單元部件，採用4階貝賽爾低通濾波器，調節阻值既能調節帶寬至需要的頻率。由於超聲波在傳輸過程中可能出現兩種情況，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，而對於這兩種不同幅度的信號我們都要接收，因為在後面的數據處理中，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的核心，主要由FPGA/8051，USB/串口，FIFO，ADC, DAC組成，其中USB/串口用於與外部PC的通訊，由於與PC接口和AD、DA之間存在傳輸速度的差異，用兩塊FIFO進行緩衝，實現數據的正確傳輸。DAC用於生成信號，選用AD公司的ADV7125，能實現8位精度，330M的轉換速度；ADC選用AD公司的AD9050，具有10位精度和40M的轉換速度。由接收電路探頭接收到的信號，經濾波放大後，送入AD9050，再由 FPGA/8051提供ENCODE信號，即能實現由模擬信號轉化為數位訊號。本發明在設計中考慮到以下幾個問題，也是本發明的主要特徵一，設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，經濾波降噪後作為判斷非骨質厚度的信號；二，選擇使用囊泡型的超聲探頭，內蘊超聲傳播介質，雙向測試，在有效發射接收超聲的基礎上，提供較為適宜的皮感，降低被檢測者的不適度；三，超聲探頭由電機控制，六方向自動調整、記憶的電機設計，確保了探測部位的一致性；四，兼容多種印表機，提供了 USB和並行口兩種列印接口，在單機使用的情況下，可以存儲測試記錄，也可以列印測試報告；五，在
4連接微型計算機的情況下提供在線測試、遠程數據共享，測試資料庫具有個案的調用、同一被測試者不同時間階段測試結果對比的功能。六，獨特的集成網卡設計，可以利用同變壓器下甚至不同變壓器下的電網傳輸測試數據。本發明作為一種方法是依賴上述設計實現的，超聲作為一種介質，在不同的骨質密度中的傳播速度是不同的，測量待測部位的厚度，結合加上溫度補償的超聲速度，即可在解剖結果作為常模的標定下判斷骨質疏鬆程度。依據本方案設計製作的設備成本低、維護簡便、操作簡單，測試時間短，被測試者沒有任何不適的感覺。
圖1超聲探頭的囊泡設計和檢測部位示意圖1囊泡2接收探頭3皮膚4發射探頭圖2主控電路結構示意3發射電路結構示意4接收電路結構示意圖
具體實施例方式下面結合圖例進一步說明基於超聲的人體骨密度監測儀的工作情況。實施例1 基於超聲的人體骨密度監測儀探頭的囊泡設計和檢測部位如圖1所示， 在腳跟兩側各有一個超聲探頭，一個用於發射，一個用於接收，當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 主控電路結構如圖2所示，在PC的USB/串口兩端有兩個先進先出互相調節，隨時反饋變化。輸入信號端通過模數轉換器轉化，輸出信號端的信號是通過數模轉換器之後輸出的。實施例3 發射電路結構如圖3所示，在高功率放大電路環節設計負反饋控制電路以達到矯正的目的。實施例4 接收電路結構如圖4所示，在濾波放大之前有一個過載保護設計。超聲背向散射參數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構狀態的指標，背向散射反映的骨組織聲學阻抗特性代表了骨微觀結構的變化，並且可以提供與相對骨折風險率有關的骨構造信息。特別是，伴隨著機體老化過程中的跟骨內骨小梁數量多少與形態的變化(變細、變稀甚至斷裂)導致背向散射減少。測量跟骨背向散射的脈衝回波散射波形，通過加時間窗將皮膚和皮質骨回波濾除，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係數譜ob(dB)和積分平均背向散射強度BUB，這兩個參數均受內部骨小梁微觀結構的影響，骨小梁越粗細均勻、飽滿、連接緊密則BUB值越大。本發明的儀器本身具有自存儲功能，通過USB接口兼容多種印表機，可以單機列印測試報告，檢測時間較短，僅需10秒左右。
權利要求
1.一種基於超聲的人體骨密度監測儀，其特徵是由FPGA/8051，USB/串口，兩個FIFO， ADC, DAC組成主控電路，分別連接超聲發射電路和接收電路。
2.按照權利要求1所述的基於超聲的人體骨密度監測儀，其特徵是接收電路由過壓保護電路、濾波電路和放大電路3部分組成，濾波電路的LT1568晶片，採用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專門設計的超聲接收ο
3.按照權利要求1所述的基於超聲的人體骨密度監測儀，其特徵是選擇使用囊泡型的超聲探頭，內蘊超聲傳播介質。
4.按照權利要求1所述的基於超聲的人體骨密度監測儀，其特徵是由電機控制超聲探頭在六個方向上移動。
5.按照權利要求1所述的基於超聲的人體骨密度監測儀，其特徵是提供了USB和並行口兩種列印接口，在單機使用的情況下，可以存儲測試記錄，也可以列印測試報告，集成網卡設計，可以利用同變壓器下甚至不同變壓器下的電網傳輸測試數據。
全文摘要
一種基於超聲的人體骨密度監測儀，其特徵是由FPGA/8051，USB/串口，兩個FIFO，ADC，DAC組成主控電路，分別連接超聲發射電路和接收電路，超聲發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電路、濾波電路和放大電路3部分組成，濾波電路的LT1568晶片，採用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，內蘊超聲傳播介質，由電機控制超聲探頭在上下、左右和前後六方向移動。提供了USB和並行口兩種列印接口，可以存儲測試記錄，在連接微機的情況下提供在線測試、遠程數據共享，集成網卡設計，可以利用同變壓器下甚至不同變壓器下的電網傳輸測試數據。
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 優先權日2011年12月27日
發明者王培勇, 邢瑜 申請人:王培勇