CN106037817A - 一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置，它包括激光器、激光控制器、显示模块、超声换能器、前置放大器、锁相放大器以及耦合剂，所述的耦合粘贴在人体皮肤上，本发明报导的装置可实现骨胶原蛋白含量的检测，解决现有在骨质量评价中，只能依靠骨密度这单一的评价值，同时可以实现骨表层的胶原蛋白含量对信号的影响。本发明具有无创伤、无辐射、检测成本低、评估准确等明显优势。

Description

一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于医学检测骨质量水平的测量装置，具体涉及一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置。

背景技术

双能X射线骨密度仪(DXA)作为一个重要检测骨质量检测标准在上世纪九十年代被临床广泛采用，但在大量临床实践过程中，人们对DXA检测骨健康检测存在安全性和准确性两个方面的质疑。尤其是对于婴幼儿、康复期以及特殊人群不适宜使用DXA进行动态监测，研究表明在骨修复过程中使用高剂量γ射线使得胶原中62％的α-链发生断链，失去恢复功能。

早期骨质疏松症的不仅表现在骨密度的降低，而且胶原蛋白的缺失和微结构的创伤也是早期骨质疏松症的特征，但是骨胶原蛋白不仅存在于骨组织内部，而且广泛存在于骨表面及皮肤组织，光声/超声信号进入骨组织中将受到上述组织中胶原蛋白的影响，在骨组织无损检测中，针对该问题的仍然没有合理的解决方案。目前在公开报导中没有发现可以有效解决骨胶原蛋白含量的方法，尤其是松质骨内的胶原蛋白含量。

局域共振理论已经成功在很多领域得到应用，并且可以体现内部的组分信息，形成局域共振能谱与结构的参数(骨微结构尺寸、羟基磷晶体、胶原蛋白等)有关，松质骨正好形成天然的共振结构，这将为解决上述问题提供途径。

以上这些方法采用的超声或者量化超声的方法来判断骨质疏松症的状况，但是研究表明，骨质疏松症引发的骨质量问题不仅与骨密度有关，而且与骨胶原蛋白含量有密切关系。本发明提出一种新型基于局域共振态的骨质量评价方法及装置，能有效检测出骨胶原蛋白含量并且避免骨表层胶原蛋白的干扰，本发明具有以下显著的创新性：(1)解决现有骨胶原蛋白含量的检测问题。(2)有效避免骨表层的胶原蛋白对信号的影响。

发明内容

本发明目的是提供一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置，解决避免骨表面的胶原蛋白对光声信号的影响。

本发明的技术方案为：

一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置，处理器和由处理器控制的激光控制器；激光器，通过激光控制器接收处理器的输出信号，并至少输出两个互相交替占空的波长的准直激光至人体且被其骨组织吸收；超声换能器阵列，接收经骨组织生成的共振态超声波，转换共振态超声波为电信号，并输出电信号至处理器。

上述方案中，还包括激光器、准直耦合单元、激光控制器、显示模块、处理器、超声换能器阵列、前置放大器、锁相放大器以及耦合剂，所述的耦合剂粘贴在人体皮肤上；

所述的激光器与激光调制器相连接，激光器受到激光调制器的控制，可以输出不同调制光强的激光，同时也可以在不同波长下工作，激光能量被人体皮肤下测量骨吸收后，由于光声效应形成表现骨组织吸收特征的超声波；

所述的测量骨为多孔的松质骨，由于松质骨由骨钙矿物质和骨胶原蛋白铰链形成声子晶体结构，生成的超声信号在松质骨内形成局域共振性质，产生共振态，超声换能器阵列探测到超声波并将超声信号转化成电信号，传输给处理器；处理器接收到带有超声松质骨的共振特性的电信号进行处理，即可得到松质骨内的骨钙矿物质和骨胶原含量参数；

所述的激光器在激光调制器的控制下，至少在两个波长上工作，且两波长通过激光控制器形成交替开-断工作模式；即激光器的工作在两个波长的时间正好相反，在整个周期0≤t≤τ₀里入射到测量骨上的光功率可以表达为：

其中A是指其中一种波长，B是指另外一种波长。

进一步地，所述的激光器是多波长调谐激光器，该激光器作为光源，可以发出功率恒定的激光，并且波长范围覆盖830nm～2300nm，尤其是至少包括905nm、1064nm以及1550nm三个波段。

进一步地，所述的激光器受到激光调制器的控制，可以输出不同调制光强的激光，同时也可以在不同波长下稳定工作，即光源峰值功率范围为50W～300W。

进一步地，所述的测量骨是指多孔松质骨，具体为指桡骨远端、肱骨髁、胫骨平台、桡骨茎突。

进一步地，所述的超声换能器阵列具有宽频带响应特性，工作中心频带为2MHz，范围为0.5MHz～5MHz。

进一步地，所述的耦合剂是指透明乳胶，其对红外激光的透过率很高，特别地是830nm～2300nm范围的红外激光透过率大于85％。

一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法，包括如下步骤，

步骤1、至少利用两个互相交替占空的波长的准直激光，并使其被骨组织吸收，再由骨组织对应不同准直激光分别生成的共振态超声波；

步骤2、根据骨组织中声信号传播方程，按照平面波展开法获得本征方程，再通过传递矩阵法或时域有限差分法求解本征方程，获得骨胶原蛋白含量的共振态算法模型；

步骤3、将至少两个共振态超声波转换为对应的电信号，将电信号代入共振态算法模型，计算获得骨胶原蛋白含量。

上述方法中，所述的步骤2，包括如下步骤，

步骤2.1、根据骨组织中声信号二维传播方程

其中，j，l代表坐标x或y；u(x)为位移矢量u的j分量，ρ为介质密度；μ和λ分别为介质的弹性常数和拉梅常数，按照平面波展开法获得两个标准本征方程

和

其中ρ_G-G'，λ_G-G'和μ_G-G'为傅立叶系数，G为倒格矢，k为格波波矢；

步骤2.2、将两个标准本征方程表示为傅里叶函数形式F_G，

其中，A和B分别散射介质与背景介质，I(G)为结构因子，表示为

其中，S为骨组织的横截面积，f＝S_r/S为散射介质的填充系数，S_r为散射介质在整个骨组织中的横截面积；

步骤2.3、通过传递矩阵法或时域有限差分法求解本征方程，获得骨胶原蛋白含量的共振态算法模型,

P(ω)＝F(f,G,..)

其中，P(ω)为傅里叶变换下待输入的电信号，F(f,G,..)为共振态函数。

上述方法中，所述的步骤2.2，包括如下步骤，

步骤2.2.1、根据骨组织中骨孔结构形状，分别按照圆形、六边形、正方形和三角形通过位置矢量设置本征方程的结构因子；

步骤2.2.2、再将对应的结构因子表示为各自的贝塞尔函数，求和获得各向异性的本征方程。

上述方法中，所述的步骤3，包括如下步骤，

步骤3.1、将至少两个均带有填充系数和结构因子信息的共振态超声波转换为对应的电信号，再对电信号进行傅立叶变换，将其中一个傅里叶变换后的电信号作为参考信号；

步骤3.2将所有电信号代入共振态算法模型，反演计算获得骨胶原蛋白含量。

以现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)显著提高对骨质量的评价能力，无创伤检测骨胶原蛋白含量的信息。

(2)利用共振态超声波测量骨孔内胶原蛋白信息进行含量评价，有效避免骨表层的胶原蛋白信号的影响，显著提高对骨质量的评价能力。

(3)使用双波长工作模式，产生不同的共振模态，有效避免其他组织对信号的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光声测量骨胶原蛋白示意图；

图3为正常的多孔骨和患有骨质疏松症的多孔骨铰链结构示意图；

图4为本发明测量共振态频率-光声信号强度关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置：

实施例1

其结构如图1所示，一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法及装置，它包括激光器、准直耦合单元、激光控制器、显示模块、处理器、超声换能器阵列、前置放大器、锁相放大器以及耦合剂，耦合剂粘贴在人体皮肤上；激光器受到激光调制器的控制，可以输出不同调制光强的激光，同时也可以在不同波长下工作，激光能量被人体皮肤下测量骨吸收后，由于光声效应形成表现骨组织吸收特征的超声波，如图2所示；

测量骨为多孔的松质骨，由于松质骨由骨钙矿物质和骨胶原蛋白铰链形成声子晶体结构，正常的多孔骨和患有骨质疏松症的多孔骨在骨钙矿物质和骨胶原蛋白铰链关系上有显著不同，如图3所示。由于生成的超声信号在松质骨内形成局域共振性质，产生共振态，具体建立以下模型：

建立检测算法数学模型是选择光声技术的理论依据。产生的声信号在细胞组织中的传播方程可以用以下式子描述：

这里I表示激光光强，v是声波在细胞组织中传播速度，α是光吸收系数，β是热膨胀系数，C_p是比热容，p是声压强。

对于弱吸收组织细胞的情况，声压强p可以写为：

这里k是系统加权常数，E₀为入射光强能量，n是实验经验常数(介于1和2之间)。

对于一个各向异性的多孔骨,产生的声波在多孔骨中的二维传播方程可以表 示为：

式中:j，l代表坐标x或y；u(x)为位移矢量u的j分量；ρ为介质密度；μ和λ为介质的弹性常数和拉梅常数。通过平面波展开法可以将(3)(4)分别展开为以下两个标准的本征方程：

和

其中ρ_G-G'，λ_G-G'μ_G-G'为傅立叶系数，它们可以统一用F_G来表示：

这里A和B分别散射介质与背景介质。几何结构因子I(G)可以表示为：

其中S为多孔骨的横截面积。f＝S_r/S为散射介质的填充系数，S_r为散射介质在整个多孔骨中的横截面积。

对于不同的多孔形状例如圆形、六边形、正方形和三角形的结构因子分别用I_c(G)，I_h(G)，I_s(G)和I_t(G)表示，其中I_c(G)可以表示为：

这里J₁为第一类一阶Bessel函数，r为半径。类似的I_h(G)，I_s(G)和I_t(G) 分别可以由(9)式求得。对于包含几个形状的多孔骨单元，傅立叶变换可以通过简单的求和来获得：

式中r_i为不同形状的多孔骨单元的位置矢量。

对于(5)(6)本征方程可以用传递矩阵法或时域有限差分法进行数值求解，得到共振态与多孔骨填充系数及结构因子的关系，即：

P(ω)＝F(f,G,..) (11)

通过多个共振态函数即可反演出骨胶原蛋白含量和骨钙密度含量。

激光器在激光调制器的控制下，至少在两个波长上工作，且两波长通过激光控制器形成交替开-断工作模式；即激光器的工作在两个波长的时间正好相反，在整个周期0≤t≤τ₀里入射到测量骨上的光功率可以表达为：

其中A是指其中一种波长，B是指另外一种波长。

在两个不同的波长下，可以产生得到的光声共振模态如图4所示，换能器阵列探测器将测量到带有多孔骨共振特性的超声波，将声信号转换成电信号，前置放大器将电信号放大再经过锁相放大器后，进入处理器，处理器根据上述模型进行后续处理，计算出胶原蛋白含量和骨钙密度的测量值，最后处理结果通过显示模块进行显示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估装置，其特征在于，包括

处理器和由处理器控制的激光控制器；

激光器，通过激光控制器接收处理器的输出信号，并至少输出两个互相交替占空的波长的准直激光至人体且被其骨组织吸收；

超声换能器阵列，接收经骨组织生成的共振态超声波，转换共振态超声波为电信号，并输出电信号至处理器。

2.根据权利要求1所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估装置，其特征在于，所述的激光器选用多波长调谐激光器，其波段至少包括905nm、1064nm以及1550nm三个波段。

3.根据权利要求1所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估装置，其特征在于，所述的激光器，其输出至少两个互相交替且恰好不重叠占空的波长的准直激光。

4.根据权利要求1所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估装置，其特征在于，所述的骨组织，包括多孔松质骨，多孔松质骨包括桡骨远端、肱骨髁、胫骨平台和桡骨茎突。

5.根据权利要求1所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估装置，其特征在于，所述的压电换能器选用宽频带响应型，中心频带为2MHz，频带范围为0.5MHz至5MHz。

6.根据权利要求1所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估装置，其特征在于，还包括耦合剂，准直激光通过耦合剂照射至人体，其选为对830nm至2300nm频率范围激光透过率大于85％的透明乳胶。

7.一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1、至少利用两个互相交替占空的波长的准直激光，并使其被骨组织吸收，再由骨组织对应不同准直激光分别生成的共振态超声波；

步骤2、根据骨组织中声信号传播方程，按照平面波展开法获得本征方程，再通过传递矩阵法或时域有限差分法求解本征方程，获得骨胶原蛋白含量的共振态算法模型；

步骤3、将至少两个共振态超声波转换为对应的电信号，将电信号代入共振态算法模型，计算获得骨胶原蛋白含量。

8.根据权利要求7所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法，其特征在于，所述的步骤2，包括如下步骤，

步骤2.1、根据骨组织中声信号二维传播方程

$\frac{{\∂}^2{u}^j}{\∂t^2}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\{\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂u^l}{\∂x_l}\right)+\frac{\∂}{\∂x_l}\[\mathrm{\μ}(\frac{\∂u^j}{\∂x_l}+\frac{\∂u^l}{\∂x_j})\]\}$

其中，j，l代表坐标x或y,u(x)为位移矢量u的j分量，ρ为介质密度,μ和λ分别为介质的弹性常数和拉梅常数，

按照平面波展开法获得两个标准本征方程

和

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^2\underset{G^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{G-G^{\′}}{u}_{k+G^{\′}}^i=\underset{l,G^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\[{\mathrm{\λ}}_{G-G^{\′}}{(k+G)}_l{(k+G^{\′})}_i+{\mathrm{\μ}}_{G-G^{\′}}{(k+G)}_l{(k+G^{\′})}_i\]u_{k+G^{\′}}^l\\ +\underset{G^{\′}}{\mathrm{\Σ}}\[{\mathrm{\μ}}_{G-G^{\′}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{(k+G)}_j{(k+G^{\′})}_j\]u_{k+G^{\′}}^i\end{array}$

其中ρ_G-G'，λ_G-G'和μ_G-G'为傅立叶系数，G为倒格矢，k为格波波矢；

步骤2.2、将两个标准本征方程表示为傅里叶函数形式F_G

$F_G=\left\{\begin{array}{cc}{F}_A+(1-f)F_B& G=0\\ (F_A-F_B)I\left(G\right)& G\≠0\end{array}\right.$

其中，A和B分别散射介质与背景介质，I(G)为结构因子，表示式为

$I\left(G\right)=S^{-1}\underset{S_r}{\∫}{\mathrm{dre}}^{-iG\·r}$

其中，S为骨组织的横截面积，f＝S_r/S为散射介质的填充系数，S_r为散射介质在整个骨组织中的横截面积；

步骤2.3、通过传递矩阵法或时域有限差分法求解本征方程，获得骨胶原蛋白含量的共振态算法模型

P(ω)＝F(f,G,..)

其中，P(ω)为傅里叶变换下待输入的电信号，F(f,G,..)为共振态函数。

9.根据权利要求8所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法，其特征在于，所述的步骤2.2，包括如下步骤，

步骤2.2.1、根据骨组织中骨孔结构形状，分别按照圆形、六边形、正方形和三角形通过位置矢量设置本征方程的结构因子；

步骤2.2.2、再将对应的结构因子表示为各自的贝塞尔函数，求和获得各向异性的本征方程。

10.根据权利要求9所述的一种基于共振态的骨胶原蛋白含量评估方法，其特征在于，所述的步骤3，包括如下步骤，

步骤3.1、将至少两个均带有填充系数和结构因子信息的共振态超声波转换为对应的电信号，再对电信号进行傅立叶变换，将其中一个傅里叶变换后的电信号作为参考信号；

步骤3.2将所有电信号代入共振态算法模型，反演计算获得骨胶原蛋白含量。