本實(shí)用新型屬于醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超聲背散射的骨質(zhì)診斷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前廣泛使用的骨質(zhì)診斷手段主要是基于X射線技術(shù)，包括雙能X射線(DXA)及定量CT等技術(shù)。然而，放射性骨密度測量技術(shù)對人體有電離輻射，并且儀器設(shè)備龐大，價格高昂。超聲方法因無損、無電離輻射、低成本及便攜等優(yōu)勢，被認(rèn)為在骨質(zhì)評價方面極具應(yīng)用前景。

超聲骨質(zhì)診斷方法主要分為超聲透射法和背散射法。超聲透射法發(fā)展較早，目前已經(jīng)得到臨床應(yīng)用。超聲透射法一般通過測量超聲傳導(dǎo)速度（SOS）和寬帶超聲衰減（BUA）等參數(shù)，對骨質(zhì)狀況進(jìn)行評價。然而超聲透射法較少反映骨骼的微結(jié)構(gòu)狀況；僅能在人體根骨處進(jìn)行測量，無法對其他部位的骨骼進(jìn)行測量；并且需要一發(fā)一收兩個超聲換能器，提高了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。

超聲背散射法的研究在近些年得到顯著發(fā)展。研究表明，超聲背散射法的相關(guān)參量可以反映骨量流失狀況和骨微結(jié)構(gòu)信息。采用背散射法，只需要使用一個換能器，并且可以測量人體的多個骨骼部位。因此，超聲背散射法在骨質(zhì)診斷領(lǐng)域有巨大的潛力。目前存在的骨質(zhì)診斷儀器都基于超聲透射法，尚未有基于超聲背散射法的骨質(zhì)診斷儀器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計一種基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)，通過應(yīng)用層的程序來控制底層硬件的工作，精確地控制超聲診斷流程及信號的采集。

本實(shí)用新型提出的基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)僅需使用單一超聲換能器，能夠?qū)θ梭w多種骨骼部位進(jìn)行診斷。

本實(shí)用新型提出的基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)，從整個系統(tǒng)上看，系統(tǒng)由四層構(gòu)成：硬件層、驅(qū)動層、Android系統(tǒng)層和應(yīng)用層。其中：

硬件層作為底層，采用ARM+FPGA+模擬電路的架構(gòu)。硬件層包括：ARM處理器、LCD顯示器、FPGA芯片、高壓脈沖發(fā)射電路、高壓隔離接收及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、超聲換能器。ARM處理器和FPGA之間通過高速總線進(jìn)行通信，F(xiàn)PGA通過串行總線以及IO口來控制模擬電路的工作；Android系統(tǒng)運(yùn)行于ARM處理器之上，通過驅(qū)動層對底層的硬件進(jìn)行控制；應(yīng)用層運(yùn)行于Android系統(tǒng)之上，實(shí)現(xiàn)背散射超聲骨質(zhì)診斷的各個流程和功能。

所述硬件層中，ARM處理器通過該總線將控制命令下發(fā)給FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片解析控制命令后，產(chǎn)生相應(yīng)的控制時序來控制高壓脈沖發(fā)射電路發(fā)出超聲換能器的激勵信號；FPGA芯片（13）產(chǎn)生控制時序來控制高壓隔離接收及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，對超聲換能器接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的信號通過高速總線上傳給ARM處理器。

所述硬件層中，使用單一超聲換能器，實(shí)現(xiàn)超聲信號的發(fā)射和接收。超聲換能器受到高壓脈沖發(fā)射電路驅(qū)動，發(fā)射出超聲波。超聲波穿透涂抹在骨樣本上的超聲耦合劑到達(dá)待測的骨樣本，并在骨樣本中發(fā)生背散射。背散射信號穿透超聲耦合劑回到超聲換能器，被超聲換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號。高壓隔離接收及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路能夠隔離高于門限電壓的信號，從而避免接收信號受到發(fā)射的高壓信號的干擾。

本實(shí)用新型中，應(yīng)用層的主要功能模塊包括超聲測量模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、人機(jī)交互模塊、算法處理模塊和數(shù)據(jù)庫訪問模塊。應(yīng)用層運(yùn)行于Android操作系統(tǒng)層之上，通過Android操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度處理，從而保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時響應(yīng)性能。

所述應(yīng)用層中，超聲測量模塊調(diào)用Android下的驅(qū)動程序來控制硬件層中ARM處理器，ARM處理器與FPGA芯片通過高速總線進(jìn)行通信，通過FPGA芯片控制其余的電路模塊。從而通過應(yīng)用層軟件控制底層超聲信號的發(fā)射和背散射信號的采集。

所述應(yīng)用層中，參數(shù)設(shè)置模塊調(diào)用Android下的驅(qū)動程序，將設(shè)置的參數(shù)通過ARM處理器的高速總線發(fā)送給FPGA芯片，再由FPGA芯片根據(jù)這些參數(shù)配置相應(yīng)的FPGA內(nèi)部寄存器或外部模擬電路中芯片的相應(yīng)寄存器。這些參數(shù)包括發(fā)射信號頻率、發(fā)射模式、放大器增益、發(fā)送序列、發(fā)射間隔等參數(shù)。

所述應(yīng)用層中，算法處理模塊采用信號處理算法計算獲得背散射信號的背散射系數(shù)（BSC）、表觀積分背散射系數(shù)（AIB）、背散射頻譜質(zhì)心偏移（SCS）等參數(shù)，并綜合這些參數(shù)對骨質(zhì)進(jìn)行評價。

所述應(yīng)用層中，人機(jī)交互模塊將采集到的波形及算法處理等結(jié)果輸出到人機(jī)交互界面上，在LCD顯示器上展示，并提供觸摸屏輸入以方便用戶操作。在界面上提供波形的展示、縮放、標(biāo)記等功能。

所述應(yīng)用層中，數(shù)據(jù)庫訪問模塊采用數(shù)據(jù)庫維護(hù)用戶數(shù)據(jù)，提供用戶信息的錄入、存儲、檢索和導(dǎo)出等功能。

本實(shí)用新型僅需使用單一超聲換能器,能夠?qū)θ梭w的多種骨骼部位進(jìn)行測量。具有集成化和小型化的優(yōu)點(diǎn)。通過上層軟件來控制底層硬件，具有靈活和可配置的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型中硬件層的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本實(shí)用新型中應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本實(shí)用新型的基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)的使用流程圖。

圖中標(biāo)號：1.硬件層，2.驅(qū)動層，3.Android系統(tǒng)層，4.應(yīng)用層；11.ARM處理器，12.LCD顯示器，13.FPGA芯片，14.高壓脈沖發(fā)射電路，15.高壓隔離接收及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，16.超聲換能器，17.超聲耦合劑，18.骨樣本；41.超聲測量模塊，42.參數(shù)設(shè)置模塊，43.算法處理模塊，44.人機(jī)交互模塊，45.數(shù)據(jù)庫訪問模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型的基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)包括：硬件層1、驅(qū)動層、Android系統(tǒng)層3、應(yīng)用層4。

硬件層1位于最底層，它的模塊框圖如圖2所示。包括ARM處理器11、LCD顯示器12、FPGA芯片13、高壓脈沖發(fā)射電路14、高壓隔離接收及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路15、超聲換能器16。在本實(shí)施例中ARM處理器11和FPGA芯片13之間通過SPI總線進(jìn)行通信，也可以采用其他的高速并行總線或串行總線。ARM處理器11通過視頻總線連接10英寸的LCD顯示器12。FPGA芯片13通過IO口來控制高壓脈沖發(fā)射電路14的發(fā)射波形，并通過SPI總線來配置該模塊的參數(shù)。FPGA芯片13通過IO口來控制高壓隔離接收與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路15的放大增益、濾波帶寬等參數(shù)，并通過LVDS高速串行總線從模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取采樣得到的背散射信號。在本實(shí)施例中，ARM處理器11采用具有ARM11內(nèi)核的芯片，F(xiàn)PGA芯片采用Xinlinx公司的Spartan系列芯片。

Android系統(tǒng)層3運(yùn)行于ARM處理器11上，通過驅(qū)動層2對硬件層1進(jìn)行控制。運(yùn)行于Android系統(tǒng)層3之上的應(yīng)用層4，實(shí)現(xiàn)背散射超聲骨質(zhì)診斷的各個流程和功能。本實(shí)施例中，采用Android4.4.2的版本。涉及底層硬件的驅(qū)動程序主要包括SPI驅(qū)動程序、GPIO口的驅(qū)動程序和LCD顯示器的驅(qū)動程序。

應(yīng)用層4的主要功能模塊包括超聲測量模塊41、參數(shù)設(shè)置模塊42、算法處理模塊43、人機(jī)交互模塊44和數(shù)據(jù)庫訪問模塊45。

超聲測量模塊41是背散射骨質(zhì)診斷的流程控制模塊。它調(diào)用下層驅(qū)動程序來控制ARM處理器11的SPI接口、GPIO口和LCD顯示接口，從而精確控制超聲信號的發(fā)射和背散射信號的采集。

參數(shù)設(shè)置模塊42通過下層驅(qū)動程序控制ARM處理器的SPI接口往FPGA芯片13配置參數(shù)，這些參數(shù)包括超聲發(fā)射頻率、發(fā)射間隔、編碼格式、重復(fù)間隔、接收放大器增益、濾波器帶寬、采樣率等。FPGA芯片13接收參數(shù)之后會配置其內(nèi)部的相應(yīng)寄存器以及外部模擬電路中芯片的相應(yīng)寄存器。

算法處理模塊43對采樣得到的背散射信號進(jìn)行處理，首先進(jìn)行濾波、去噪等信號預(yù)處理，然后截取感興趣區(qū)域，判斷該感興趣區(qū)域內(nèi)是否存在有效的背散射信號，最后對感興趣區(qū)域內(nèi)的背散射信號進(jìn)行時頻分析并計算相關(guān)的背散射參數(shù)。這些背散射參數(shù)包括：背散射系數(shù)（BSC）、表觀積分背散射系數(shù)（AIB）、背散射頻譜質(zhì)心偏移（SCS）等等。算法處理模塊43會綜合這些計算參數(shù)給出骨質(zhì)評價結(jié)果。

人機(jī)交互模塊44為用戶提供觸摸屏輸入，并提供交互界面,顯示在LCD顯示器12上。在交互界面上顯示診斷結(jié)果，并提供波形的顯示、縮放、標(biāo)記等功能。

本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)庫訪問模塊45采用MYSQL數(shù)據(jù)庫維護(hù)用戶數(shù)據(jù)，提供用戶信息的錄入、存儲、檢索和導(dǎo)出等功能。

本實(shí)用新型的基于安卓平臺的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)的使用流程如圖4所示。首先，使用者通過觸摸屏錄入患者的信息，或者通過姓名檢索找到已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫中有存檔的患者信息。然后在界面上配置超聲檢測的相關(guān)參數(shù)，包括發(fā)射信號頻率、接收放大器增益等參數(shù)。接著在患者身體的待測量部位（例如根骨）抹上適量超聲耦合劑17，將超聲換能器16緊貼在待測部位。啟動檢測，超聲換能器16發(fā)出超聲脈沖波并接收經(jīng)過骨骼散射回的超聲信號。FPGA芯片13會在超聲發(fā)射后立即啟動接收信號的采集，并將采集到的背散射信號發(fā)送給ARM處理器11。應(yīng)用層4的算法處理模塊43會對背散射信號進(jìn)行算法處理。得到的診斷結(jié)果會通過人機(jī)交互模塊44顯示出來。最后將診斷結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。

在本實(shí)施例中，發(fā)射激勵的超聲信號頻率可根據(jù)超聲換能器16的中心頻率進(jìn)行配置。超聲耦合劑17采用醫(yī)學(xué)超聲所通常采用的超聲傳導(dǎo)耦合劑。