專利名稱：高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種便攜式超聲波骨密度儀，尤其涉及一種高精度、無(wú)交叉感染并 能提供自身所需脫氣水的濕式超聲成像骨密度儀。
背景技術(shù)：
骨質(zhì)疏松癥是一種嚴(yán)重危害人類的疾病。在美國(guó)，這種疾病每年造成150萬(wàn)例 骨折，年耗資達(dá)100億美元；在中國(guó)，據(jù)估計(jì)目前骨質(zhì)疏松患者已超過(guò)9000萬(wàn)人。隨著 中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，平均壽命的增加，人口老齡化趨勢(shì)的加重，骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率也勢(shì) 必迅猛地增加，嚴(yán)重威脅老年人的健康，造成社會(huì)醫(yī)療成本的大幅度提升。
骨質(zhì)疏松癥被稱為無(wú)聲的殺手，因?yàn)榘l(fā)病之初，患者無(wú)法感覺(jué)到骨質(zhì)正在慢慢 地流失，骨骼正在變得越來(lái)越脆弱。因此，對(duì)于骨質(zhì)疏松癥的檢測(cè)、預(yù)防和治療已經(jīng)成 為國(guó)際醫(yī)學(xué)界的重大課題。
在眾多的骨質(zhì)疏松檢查手段中，便攜式超聲骨密度測(cè)定以其準(zhǔn)確、有效、方 便、無(wú)損傷、價(jià)格低廉及診斷標(biāo)準(zhǔn)量化等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，其原理是測(cè)量跟骨的超 聲波量化參數(shù)(QUS)寬帶超聲波衰減(BUA)和波速60S)，從而計(jì)算跟骨密度。根 據(jù)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)研究工作結(jié)論跟骨是最佳測(cè)定部位。因?yàn)楦堑?5%是 骨小梁，骨小梁新陳代謝最活躍，最能反映年齡、絕經(jīng)、鍛煉和藥物對(duì)骨質(zhì)的影響；跟 骨體積大，有足夠體積的骨小梁可供測(cè)定，跟骨軟組織覆蓋少，而且位置又能精確重復(fù) 定位，因而測(cè)定簡(jiǎn)單可靠。
便攜式超聲骨密度儀分為濕式超聲骨密度儀和干式超聲骨密度儀兩大類。
濕式超聲骨密度儀需要將被測(cè)者的足跟浸在凹型水槽的水中，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn) 確度高(相對(duì)于干式而言)，能控制水溫，恒溫測(cè)量；但同時(shí)帶來(lái)兩個(gè)主要缺點(diǎn)其一， 存在腳氣等皮膚病交叉感染的極大可能性；其二，由于想克服缺點(diǎn)之一，濕式超聲骨密 度儀有其內(nèi)置式換水系統(tǒng)。每換一位檢測(cè)病人，凹型水槽自動(dòng)排干并灌回溫度恒定的清 潔水。本身帶有儲(chǔ)水區(qū)，可供10-12次檢測(cè)用水。但問(wèn)題是自動(dòng)換水系統(tǒng)并不能真正杜 絕交叉感染，且使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積重量增加。另外，濕式超聲骨密度儀最好使用脫 氣水，這樣可消除水中殘存氣體對(duì)測(cè)量精度的影響，同時(shí)避免因水中殘存氣體折射、反 射造成的圖像干擾。這對(duì)提高測(cè)量精度非常重要，而現(xiàn)在的商品化濕式超聲骨密度儀卻 沒(méi)有產(chǎn)生脫氣水的能力。
干式超聲骨密度儀使用醫(yī)用超聲膠作耦合劑，被測(cè)者的足跟不需要浸在水中， 使用方便，體積小重量輕。但干式超聲骨密度儀同樣存在皮膚病交叉感染的可能性，因 為發(fā)射、接收探頭必須接觸被測(cè)者足跟。相對(duì)于濕式系統(tǒng)而言，干式超聲骨密度儀還有 如下缺點(diǎn)(1)干式和濕式測(cè)量的短期精確性均佳，但干式測(cè)量的長(zhǎng)期精確性低于濕式 測(cè)量。其原因有水是最好的耦合介質(zhì)，而特定的超聲膠中的氣泡會(huì)影響測(cè)量的精度； 干式測(cè)量無(wú)法控制作為耦合劑的超聲膠的溫度，而超聲波在耦合劑中的傳輸速度受溫度 的影響。( 干式測(cè)量參數(shù)與骨密度的相關(guān)性低于濕式測(cè)量，如干式測(cè)量提供的T值比濕式測(cè)量多一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。( 干式測(cè)量所獲得的參數(shù)與腰椎、股骨及頸骨的相關(guān)性比濕式 測(cè)量低(0.15 0.25比0.48 0.57)，亦即濕式測(cè)量較能反應(yīng)腰椎、股骨及頸骨的強(qiáng)度及 骨折機(jī)率。(4)干式測(cè)量不提供跟骨數(shù)字化圖像，屬于定點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法提供整個(gè)跟骨的狀 況。
此外，現(xiàn)有的很多商品化的濕式、干式超聲骨密度儀都假定足跟軟組織覆蓋少 而忽略了軟組織的厚度，這樣必然帶來(lái)測(cè)量誤差，因?yàn)槌暡ㄔ诟桥c軟組織中的速度 SOS是不同的。
因此，如何綜合濕式、干式超聲骨密度儀的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，特別是根絕腳 氣等皮膚病交叉感染，是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像 骨密度儀。該骨密度儀能測(cè)量跟骨的真實(shí)厚度，消除軟組織對(duì)SOS的影響，能提供濕式 測(cè)量所需的脫氣水，由此提供高精度的骨密度值；通過(guò)使用由硅膠等材料制成的10微米 厚的薄襪根絕交叉感染；通過(guò)X-Y 二維掃描獲得跟骨數(shù)字化圖像。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是骨密度儀由兩個(gè)超聲波換能器、 兩個(gè)發(fā)射支路、一個(gè)接收支路、X-Y 二維掃描模塊及驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 和微處理器(MCU)、CF Card存儲(chǔ)器、真空脫氣水產(chǎn)生器、人機(jī)交互裝置、供電裝置、 放置待測(cè)足踝部的凹型水槽(其內(nèi)有腳定位器)、10微米厚的薄襪等構(gòu)成。發(fā)射支路由 隔離器、信號(hào)源、驅(qū)動(dòng)器、功率級(jí)構(gòu)成。接收支路由限幅器、模擬開(kāi)關(guān)、跟隨器、數(shù)控 增益放大器(AGC AMP)、濾波器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、FIFO (FirsMn First-out) 存儲(chǔ)器構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)

圖1、2、3。
兩個(gè)超聲波換能器分別安裝在凹型水槽內(nèi)左右兩側(cè)的Y型掃描臂上，以同軸-共 焦的對(duì)齊方式運(yùn)動(dòng)；工作在脈沖穿透模式時(shí)，一個(gè)超聲波換能器發(fā)射，另一個(gè)超聲波換 能器接收；工作在脈沖回波模式時(shí)，兩個(gè)超聲波換能器各自都可以既發(fā)射、又接收。兩 個(gè)超聲波換能器為點(diǎn)聚焦(PTF)防水探頭，中心頻率為0.5MHz。
能測(cè)量跟骨的真實(shí)厚度，消除軟組織對(duì)SOS的影響是本發(fā)明區(qū)別于其它商品化 超聲骨密度儀的的第一個(gè)特征。
使用脈沖回波模式，再配合使用脈沖穿透模式，可測(cè)量跟骨軟組織的厚度，從 而測(cè)量跟骨的真實(shí)厚度，由此可以給出高精度的骨密度值。方法如下
首先執(zhí)行脈沖穿透模式，左側(cè)的超聲波換能器發(fā)射，右側(cè)的超聲波換能器接 收，如圖4(a)所示，根據(jù)波速S0S(m/s)=距離/時(shí)間差，可求出發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào) 的時(shí)間差Tw，它就是超聲波在水中的TOF(TimeofFlight)，見(jiàn)方程(1)
K(1)
然后將足跟浸入凹型水槽，執(zhí)行兩次脈沖回波模式，如圖4(b)所示，得到方程 (2)、(3)、(4)
^ = ^ ⑵
權(quán)利要求
1.高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀，其特征是骨密度儀由兩個(gè)超聲波 換能器、兩個(gè)發(fā)射支路、一個(gè)接收支路、X-Y 二維掃描模塊及驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字信號(hào)處理 器(DSP)和微處理器(MCU)、CF Card存儲(chǔ)器、真空脫氣水產(chǎn)生器、人機(jī)交互裝置、供 電裝置、放置待測(cè)足踝部的凹型水槽、10微米厚的薄襪構(gòu)成；數(shù)字信號(hào)處理器和微處理 器連通，負(fù)責(zé)信號(hào)處理和控制；超聲波換能器分別與發(fā)射支路、接收支路連通；接收支 路分別與數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器連通；發(fā)射支路、X-Y 二維掃描模塊及驅(qū)動(dòng)電路、 鍵盤與彩色液晶顯示器(LCD)分別與微處理器連通；USB-OTG接口、熱打印機(jī)、CF Card存儲(chǔ)器分別與數(shù)字信號(hào)處理器連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀，其特征是，兩 個(gè)超聲波換能器分別安裝在凹型水槽內(nèi)左右兩側(cè)的Y型掃描臂上，并分別與發(fā)射支路和 接收支路連通；超聲波換能器有兩種工作模式，其中，脈沖穿透模式是一個(gè)超聲波換能 器發(fā)射，另一個(gè)超聲波換能器接收；脈沖回波模式是兩個(gè)超聲波換能器各自都可以既發(fā) 射又接收；使用上述兩種模式，可測(cè)量跟骨軟組織的厚度和跟骨的真實(shí)厚度，由此可以 給出高精度的波速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀，其特征是，發(fā) 射支路由隔離器、信號(hào)源、驅(qū)動(dòng)器、功率級(jí)構(gòu)成并依次連通，信號(hào)源通過(guò)隔離器與微處 理器(MCU)連通，功率級(jí)與超聲波換能器連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀，其特征是，接 收支路由限幅器、模擬開(kāi)關(guān)、跟隨器、數(shù)控增益放大器(AGC AMP)、濾波器、模擬-數(shù) 字轉(zhuǎn)換器(ADC)、FIFO (First-in First-out)存儲(chǔ)器構(gòu)成并依次連通；模擬開(kāi)關(guān)、數(shù)控增 益放大器與微處理器(MCU)連通，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)連通，限幅器 與超聲波換能器連通；使用模擬開(kāi)關(guān)控制兩個(gè)超聲波換能器分時(shí)復(fù)用昂貴的接收支路元 件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀，其特征在于 X-Y 二維掃描模塊及驅(qū)動(dòng)電路由X-Y 二維掃描模塊、隔離器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成并 依次連通，隔離器還與微處理器(MCU)連通；X-Y 二維掃描模塊由一個(gè)Y型掃描臂、 兩個(gè)滾珠絲杠螺母副、四個(gè)直線軸承與導(dǎo)向桿構(gòu)成；步進(jìn)電機(jī)連接滾珠絲杠螺母副，直 線軸承與導(dǎo)向桿構(gòu)成導(dǎo)向部件；X-Y 二維掃描模塊安裝在被測(cè)足足尖的前上方，且由滾 珠絲杠螺母副與導(dǎo)向部件所構(gòu)成的平面垂直于水平面；Y型掃描臂由上向下伸入凹型水 槽；通過(guò)X-Y 二維掃描獲得跟骨數(shù)字化圖像，換能器掃描時(shí)每移動(dòng)一格為1mm，跟骨成 像面積為60 X 60mm。
6.一種被測(cè)足穿戴一次性使用的薄襪根絕交叉感染的方法，用于濕式超聲波骨密度儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、或權(quán)利要求6所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度 儀，其特征在于被測(cè)足上需要套一個(gè)10微米厚、一次性使用的薄襪以根絕交叉感染； 該薄襪由硅膠、聚亞安酯、聚胺酯、聚四氟乙烯等聲學(xué)特性接近于水的物質(zhì)制成；薄襪 上還有一個(gè)軟管，軟管的一端在被測(cè)足跟部凹彎處，軟管的另一端接微型真空泵，測(cè)量 時(shí)用微型真空泵抽光薄襪與被測(cè)足之間的空氣；薄襪的開(kāi)口處在被測(cè)足踝關(guān)節(jié)之上12厘 米處，開(kāi)口處富有彈性因而可以收緊；薄襪的大小從32碼到55碼；上述無(wú)交叉感染的方法也可以這樣實(shí)現(xiàn)被測(cè)足穿上薄襪放入凹型水槽；通過(guò)軟管向薄襪中注入少量脫氣 水或醫(yī)用酒精(以剛淹沒(méi)測(cè)試區(qū)為宜)，從而形成薄襪外水、薄襪、薄襪內(nèi)水或醫(yī)用酒 精、被測(cè)足的結(jié)構(gòu)；此時(shí)無(wú)須使用真空泵對(duì)薄襪內(nèi)抽氣。
8.—種濕式超聲波骨密度儀與真空脫氣水產(chǎn)生器一體化的方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求8所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度 儀，其特征是真空脫氣水產(chǎn)生器由電磁閥、電熱器、儲(chǔ)水罐、微型真空泵、微型超聲 波霧化換能器、臭氧發(fā)生器等構(gòu)成；除儲(chǔ)水罐外，前述元件分別與微處理器(MCU)連 通；儲(chǔ)水罐的下端通過(guò)輸水管道、電磁閥連接凹型水槽，儲(chǔ)水罐的上端有進(jìn)水管、脫氣 管道，該脫氣管道連接微型真空泵；儲(chǔ)水罐內(nèi)裝有自限溫PTC電熱器，外表面有樹(shù)脂防 水層，使用12V低壓電源，其預(yù)定溫度為36°C;儲(chǔ)水罐內(nèi)還有微型超聲波霧化換能器、 高水位傳感器、低水位傳感器，臭氧從儲(chǔ)水罐底部注入水中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1，或權(quán)利要求9所述的高精度無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度 儀，其特征在于儲(chǔ)水罐、凹型水槽的內(nèi)表面，兩個(gè)超聲波換能器及Y型掃描臂等的外 表面采用雙涂層保護(hù)內(nèi)涂層為鋅鉻酸鹽復(fù)合涂層；接觸水的外涂層涂復(fù)有碳氟樹(shù)脂材 料層；凹型水槽內(nèi)安裝有自限溫PTC電熱器，預(yù)定溫度為36°C，使用12V低壓電源；自 限溫電熱器外表面有樹(shù)脂防水層。
全文摘要
一種高精度、無(wú)交叉感染的濕式超聲成像骨密度儀。包括超聲波換能器、限幅器、模擬開(kāi)關(guān)、濾波器、數(shù)控增益放大器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器、信號(hào)源、驅(qū)動(dòng)器、功率級(jí)、步進(jìn)電機(jī)、X-Y二維掃描模塊、真空脫氣水產(chǎn)生器、人機(jī)交互裝置、供電裝置和用以放置待測(cè)足踝部的凹型水槽。本儀器測(cè)量跟骨的數(shù)字超聲波量化參數(shù)(QUS)寬帶超聲波衰減BUA和超聲波速度SOS。能測(cè)量跟骨的真實(shí)厚度，消除軟組織對(duì)SOS的影響，能提供濕式測(cè)量所需的脫氣水，由此提供高精度的骨密度值；通過(guò)使用由硅膠等材料制成的10微米厚的薄襪根絕交叉感染；通過(guò)XY二維掃描獲得跟骨數(shù)字化圖像，跟骨成像面積為60×60mm。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102018530SQ200910178259
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者云飛·王, 欣俊·易 申請(qǐng)人:王代梅