超声波检测骨密度技术研究与QCT骨密度测量体模软件检测方法  

【摘要】人体骨密度能够体现人体的很多信息，如骨质疏松、骨折、骨龄等。研究利用超声波在固体中产生波形转换的 原理，采用一种特殊角度的双晶探头。利用定量超声技术检测出胫骨中超声横波的传播速度SOS(sp_eed of sound),从中得到 的骨密度信息，能够从一种新的角度来对估量减少，骨质疏松进行诊断和预测。分别对不同年龄层的人进行实验，得到的结 果验证了系统的正确性。

〇引亩

伴随着世界范围的人口老龄化发展，骨质疏松 症越来越引起人们的重视，成为了世界性的健康问 题。骨质疏松症是指骨骼的矿物质（主要为钙）密 度降低，骨骼变得多孔、脆弱无法与压力和扭力对 抗，易发生骨折。目前骨质疏松症的发病率在慢性 病中已经达到第七位。根据WHO的标准，我国有 50%的老年妇女和20%老年男性患有骨质疏松 症~，因此，骨质疏松与心脏病、癌症、糖尿病一样 严重威胁人们的健康，对其诊治有极为迫切的重要 性_〇

目前临床评价骨质疏松的程度主要依靠骨密度 (BMD)测量，已有一些较精确和准确的设备广泛地 用于临床，常见的有单光子吸收测量仪（SPA),双光 子吸收测量仪（DPA)和双能X线吸收测量仪 (DXA)。常规X线由于不能检出骨量减少低于 30%的患者，只能用于粗略地定性诊断。单光子、双 光子吸收技术由于重复性较差、放射源衰减等原因 目前已较少使用。以上这些检查仅反映骨的密度， 但对骨结构的反映较差，并且均有放射性^[2]。近些 年来，定量计算机体层扫描（QCT),核磁共振（MRI) 也被用于骨密度的检查，它们对骨结构的分辨力较 高，但其设备较昂贵，体积也较庞大，携带不便。定 量超声技术是利用超声技术测定超声在骨头中的传 播速度（SOS),宽带超声衰减和超声强度。这些参

数都会随着骨量的减少而降低^[3]。以测量松质骨 为主的跟骨定量超声技术容易受诸多因素的影响， 如跟骨的形态、测量部位的准确性、人体体重等。人 体80%的骨骼由皮质骨构成，胫骨由95%的皮质骨 构成，也是人体的承重骨。因此，与测量跟骨相比， 胫骨定量超声技术能从一种新的角度评价人体的骨 质量^[4]。

512K字高速RAM，AD工作速度可以软件设置，能 够适应本系统的要求。调整软件触发，当系统发出 第一个脉冲超声波时采集卡开始工作采集，采集到 的信号进入微机，通过软件的小波去噪处理，然后提 取反射脉冲的峰值时间，将时间值代人胫骨超声传 播速度公式得出传播速度。

2检测原理

1系统构成

系统采用专用双晶探头来检测超声波在胫骨皮 质骨中的传播速度（SOS),从而对骨质疏松、骨折、 骨龄等进行诊断预测。

整个超声测量系统由超声检测和数据处理两部 分构成，如图1。

声检测电路由超声发射电路，超声探头和超声 接收电路构成。超声发射电路激励超声探头发出脉 冲超声波进人胫骨皮质层传播，再通过接收探头转 换为电信号传入接收放大电路进行放大检波处理， 然后有采集卡采集到微机中进行处理分析。系统采

系统采用直接接触斜探头脉冲反射法测量超声 波在胫骨皮质骨中的传播速度（SOSh它是利用超 声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的 原理进行检测，直接接触法是将换能器通过耦合介 质直接与检测面发生接触进行检测。斜探头脉冲反 射法是将压电晶片安放在具有一定倾斜角的有机玻 璃楔块上，利用纵波斜入射到被测物中产生波型转 换的原理获得横波的检测方法^[5][6]。检测部位为胫 骨中部，即踝骨到胫骨顶部1/2处，测量前先调整探 头找到胫骨相对平行的区域以减少误差。

超声波在胫骨中传播的如图2

图2超声传播明

用直接接触斜探头测量超声波在胫骨皮质骨中的传 播速度（SOS)和定位胫骨中部相对平行的区域。由 于单晶直探头得探测盲区较大，再加上阻塞特性得 影响，其骨面反射波和脉冲波分不开，难以测量。而 采用双晶探头一发一收的沿骨轴向向斜入射方式， 不仅克服了阻塞特性得影响还可以通过改变入射角 度和发一收晶片间的距离来获得再胫骨壁内传播得 单一波形和足够的传播时间，便于检测。

数据处理部分由放大检波、采集电路和微机组 成，检波电路将接收到的脉冲信号进行检波得到所 需的检波信号。为使采集回的信号不失真，采集卡 采用宝创公司生产的BC6684采集卡，它采用2路 并行40MHz 12位AD卡。RAM储存式，提供二组

其中h为探头延时块入射纵波，P₂为纵波射 入胫骨皮质骨中的折射波，T为皮质骨厚度，d为入 射点和接收点的距离。（下标T和L表示横波和纵 波）根据斯涅尔定量

sin6_L sin6_1L sin0_1T sin〇_1L 当探头发射的纵波倾斜入射到固体媒介时，会 产生波形转换，折射波中会同时有纵波和横波且折 射角不同，当纵波在交界面上的入射角a大于第一 临界角A而小于第二临界角民，即满足A <

时，固体媒介中只有折射横波传播。当两种波形都 存在时会给检测带来困难，因此需要只存在一种波 形。由（1)可知，虽然检测中有软组织的存在但不

影响临界角的计算，且检测部位比较平坦可认为检 测部位的软组织厚度均匀，因此可认为入射波由探 头直接射人皮质骨中。根据临界角公式

本系统探头延时块为有机玻璃，其纵波声速为 2770mA。人体胫骨中的纵波声速约为3400 - 4600m/_s,横波声速约为1700 -2300m/s。由（2)可 得出，0₁在37.〇°—54.6°之间。横波声速小于入射 声速多以不存在第二入射角。所以选用入射角大于

I.   6°的探头此时胫骨中只有横波存在适于检测。

系统基本检测波形如图3所示。

T为始脉冲，S为软组织反射波，S为胫骨外层 反射波，B为胫骨内层反射波。

系统采集回检测波形，然后提取出起始脉冲到 各个反射脉冲的时间t,由t与反射横波C_2T的关系 得出，SOS =々* c,/* sin& ,其中已知，只 须测得S到B之间的时间即可。

骨密度 BMD =7£[2(1 +〇-).s〇/]

其中E为胫骨杨氏模量，为胫骨泊松比都已 知。由于每个人的皮质骨厚度并不是均匀一致的，故 测量时为减小误差选择胫骨中段皮质层厚度相对均 匀的区域,使探头和骨面保持平行以尽量减小误差。

3实验结果分析

实验阶段，对老中青60、35、22三个不同年龄层 的人进行实体检测，分别得到检测波形图4、5、6，对 所的数据进行去噪处理和时间提取。最后得出老中 青的 SOS 分别为 1987.45、2213. 26、2207. 29 m/s， 骨密度14. 367、15.06、15.00g/_cm³,所得结果与不 同年龄段的人骨骼生长情况相符合。老年人的SOS

最小，骨密度也最小；中年人最大，骨密度也最大;青 年人稍小，骨密度也如此是。本硬件系统采用高精 度采集卡，所以时间精度可以〇.〇1^。但是由于检 测部位和杂波的影响系统还存在着误差，所以以后 采用工艺较好的探头。此外，由于数据处理是由软 件实现的所以速度比较慢，以后要用软硬件结合进 行处理提髙速度。

时间/S

4结束语

定量超声胫骨检测同其他各种检测方法相比，具 有无放射,髙精度，价格便宜等优点。定量CT虽然也 能定量分析但是辐射量大，价格较贵，双能X射线也 是如此，而且与双能射线检测相关性很高^m。这些优 点都有利于在全国范围内普及到社区诊所。超声骨 检测骨密度已经广泛用于医学领域。现在国外已经 研制出这方面的仪器并已投入使用，但价格也很高。 而我国还没有自己生产的仪器。因此研究这项技术 有着很广阔的前景。

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