CN112741650A - 高精度全干式超声骨密度仪和测量方法 - Google Patents

高精度全干式超声骨密度仪和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高精度全干式超声骨密度仪。骨密度仪由超声参数测量单元、传感器单元、骨密度仪机械驱动单元组成；超声参数测量单元包括控制通信、时间测量、超声发射/接收切换、超声激励、超声接收、发射&接收探头组模块。采用二个发射&接收探头分别测量跟骨两侧软组织的宽度，计时芯片计时；消除了跟骨软组织的宽度差异、软组织与跟骨声速差异的误差。温度传感器测量跟骨部位的体表温度，参照体表温度修正跟骨软组织声速，提高测量精度。发射&接收探头配置薄膜压力传感器，保证跟骨夹紧力的一致性；滚珠丝杠副+双向导轨传动结构，保证发射&接收探头运动的中心对称性。固态耦合辅助探头，生成超声波透射通道，进一步提高了测量精度。

Description

高精度全干式超声骨密度仪和测量方法
技术领域
本发明属超声透射骨密度仪领域。特指采用发射&接收探头、计时芯片、温 度压力传感器、滚珠丝杠副双向导轨、固态耦合辅助探头的骨密度仪和测量方法。
背景技术
骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种常见的退行性疾病，更是一种普遍 存在于老年人群中的疾病。OP患者的骨质丢失是全身性的，骨质一旦流失，现 有的医疗水平下尚无有效的治疗手段让骨质恢复正常，唯有借助骨质疏松的早 期诊断来治疗。OP以骨头的密度和质量下降为特征，在诸多检查手段中，骨密 度(BMD：bone mineral density)测量是业内的首选。
BMD测量方法有，X线光密度法(RA)、双能X线吸收法(DEXA)、定量 CT法(QCT)，单光子吸收法(SPA)、双光子吸收法(DPA)，以及定量超 声法(Quantitative Ultrasound，QUS)。SPA和DPA原理相同，采集放射性射线 通过骨组织的衰减数据推算骨密度，可惜测量精度和重复性差，存在辐射伤害、 需要专业技术人员操作的缺陷。RA、DEXA、QCT为X光的三种不同应用形态： RA平片对比分析，不仅需要医生的临床经验，而且骨量丢失≥30％时才能给出诊断，难以胜任早期诊断和预防性检查；QCT计算机断层扫描，测量精度高、 费用也高，大剂量射线伤害人体、不适合定期监测；1994年，DEXA双能X射线 被WHO推荐为骨密度测量的金标准：精度高、放射剂量低、可对全身和局部骨 密度定量测定，缺点是检测费用不菲、且缺乏表征骨骼结构的信息。
QUS定量超声，始于20世纪90年代的骨密度定量测量技术；不仅反映骨量， 还可反映骨结构(形状、大小、骨小梁间距)。因其具有测量准确，无辐射、 成本低廉和操作简便的优点，特别适合体检和长期跟踪测评的需求。必须指出， 尽管理论和实验均证实QUS与DEXA高度相关，即证实QUS的有效性；然而QUS 的短板--测量精度不如DEXA等方法，严重阻碍了超声骨密度仪的推广普及。
目前，评价BMD的超声技术有3种：超声透射技术、超声轴向传输技术和超 声背向散射技术。商品化超声骨密度仪的主流技术是超声透射技术，本申请采 用超声透射技术；测量参数为超声声速SOS和宽带超声衰减BUA。追本溯源， QUS短板成因，既有外在原因，亦有内在原因。经研究人员的多维度持续探索， 达成了QUS短板成因的共识：软组织宽度的不确定性、体表温度的不确定性、 测试位置和跟骨夹紧力的不确定性、以及发射/接收探头与体检者耦合的不确定 性共同作用，导致QUS测量精度的短板。因此，针对QUS短板的成因，逐一提 出针对性的解决方案，增强全干式超声骨密度仪的薄弱环节。
1、软组织的不确定性。根据超声发射/接收探头的间距L，发射和接收超声 波信号的时间差△t，计算SOS。显然，跟骨软组织的宽度差异、软组织与跟骨 的声速差异将导入误差。改进的应对之策：采用一组发射&接收探头(换能器)， 分别测量跟骨两侧软组织的宽度；硬件平台嵌入计时专用芯片，测量发射超声 波信号、接收反射或透射超声波信号的时间差△t；消除跟骨软组织的宽度差异、 软组织与跟骨的声速差异所导入的误差。
2、温度的不确定性。跟骨部位的体表温度每下降1度，BMD测量值上升0.2％； 全干式超声骨密度仪测量环境的开放性，使跟骨部位的体表温度具有不确定性。 一个基本亊实：体检业务赢利多多，备受各医疗单位的青睐；赢利内生驱动下， 医疗单位体检中心的室温波动不大，骨密度仪测量时不乏基本的温度保障条件。 改进的应对之策：配置温度传感器，实时测量跟骨部位的体表温度t；根据0.5× (t+37)℃的线性插值温度tL，修正跟骨两侧软组织的声速(正常体温≡37℃)。
3、测试位置和跟骨夹紧力的不确定性。采用超声透射技术测量跟骨的骨密 度，骨密度仪的测量精度和可重复性，有赖于发射&接收、接收&发射探头的 中心对称性，跟骨夹紧力的一致性。改进的应对之策：发射&接收探头配置薄 膜压力传感器，确保跟骨夹紧力的一致性；设计滚珠丝杠副+双向导轨的传动结 构，确保发射&接收探头运动过程的中心对称性。
4、耦合的不确定性。发射&接收探头的端面为平面，而跟骨是非规则曲面， 两者之间存在缝隙。发射&接收探头、缝隙空气、软组织的声阻抗不同，超声 信号传输时在不同声阻抗介质的界面上发生反射、折射、透射，透射的超声信 号被衰减，且为不确定性衰减。改进的应对之策：发射&接收探头上附设固态 耦合辅助探头，夹紧跟骨时补偿跟骨的非规则曲面，生成超声波的透射通道。
全干式超声骨密度仪较有代表性的知识产权成果综述如下：
·发明专利“一体式超声骨密度仪”(ZL2014101092049)，提出将平板电 脑、彩色打印机、超声探头和驱动控制器集成为一体式结构，完成超声信号检 测、分析处理并打印诊断报告。
·发明专利“超声骨密度测量分析系统”(ZL2008101947802)，提出超声 参数测量仪包括：脉冲发生器、高压脉冲激发模块和发射探头组成的超声发射 单元；接收探头、模拟预处理模块、增益可调放大器、相位比较器、高速ADC 和异步FIFO组成的超声接收单元；以及中央处理器、电源管理模块和结构本体。
·发明专利“具有全干式跟骨骨密度超声探头的超声骨密度仪”(申请号2016110843351)，提出超声探头的声窗外周设有挤胶孔；密度仪壳体中安装有 用于储存超声耦合剂的储存罐，检测腔位的底面设有脚踏发出挤出命令，使储 存罐中的超声耦合剂经挤胶孔挤出致被检测者跟骨两侧皮肤上的脚踏开关。
·发明专利“一种骨密度检测系统”(申请号2018103511914)，提出超声 波骨密度检测系统，包含发射探头、发射电路、主控芯片、模数转换电路、接 收电路及接收探头；引入计时专用芯片TDC-GP2计时。
上述相关知识产权的探索有参考价值。遗憾的是，针对全干式超声透射骨 密度仪测量精度上的短板，从系统工程的理念给出解决方案，至今无人问津； 提高测量精度的需求长期得不到满足。因此，有必要在现有成果的基础上，作 进一步的创新设计。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高精度全干式超声骨密度仪 和测量方法。
高精度全干式超声骨密度仪由超声参数测量单元、传感器单元、骨密度仪 机械驱动单元组成，超声参数测量单元与传感器单元、骨密度仪机械驱动单元 相连；超声参数测量单元包括控制通信模块、时间测量模块、超声发射/接收切 换模块、超声激励模块、超声接收模块、发射&接收探头组模块，控制通信模 块与时间测量模块、超声发射/接收切换模块、超声接收模块相连，超声发射/接 收切换模块与时间测量模块、超声激励模块、超声接收模块、发射&接收探头 组模块相连；发射&接收探头组模块由左侧发射&接收探头、右侧发射&接收 探头组成，左/右侧发射&接收探头均附设固态耦合辅助探头，固态耦合辅助探 头的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，左/右侧发射&接收探头借助固态耦合辅助 探头接触跟骨软组织；超声接收模块由前置放大电路、二阶带通滤波电路、二 选一模拟开关电路、阈值过零检测电路组成；
控制通信模块以MSP430F135芯片为核心，控制时间测量模块的运行：测 量宽带超声衰减BUA时，二选一模拟开关电路输出至控制通信模块；测量超声 声速SOS时，二选一模拟开关电路输出至阈值过零检测电路、经超声发射/接收 切换模块至时间测量模块，控制通信模块读取时间测量模块输出的、左侧发射 &接收探头发射的超声波和跟骨左侧软组织反射超声波的时间差△t左，△t右的 定义与△t左相同，读取时间测量模块输出的、左侧发射&接收探头发射的超声 波、与右侧发射&接收探头接收透射超声波的时间差△t左右，△t右左的定义与 △t左右相同；
跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左＝0.5×V软tL×△t左 (1)
跟骨右侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d右＝0.5×V软tL×△t右 (2)
跟骨宽度D＝L-d左-d右 (3)
SOS＝D÷(△t左右-0.5△t左-0.5△t右) (4)
式中，
V软tL为跟骨软组织与固态耦合辅助探头在线性插值温度下的超声速度
线性插值温度
Figure BDA0002830589050000041
t是跟骨软组织体表的实测温度
L为左侧发射&接收探头与右侧发射&接收探头的距离
Figure BDA0002830589050000042
Figure BDA0002830589050000043
式中，
|VD(f)|为超声波通过跟骨的信号幅值
|V软(f)|为超声波通过与跟骨同宽度软组织的信号幅值
f为超声波频率，中心频率0.5MHz、频带范围0.3～0.7MHz；
超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块的蓝牙通信电路上 传手机或PAD或PC；
控制通信模块控制超声波发射/接收切换模块模拟开关的断开和闭合，时间 测量模块的发射/接收通道经超声波发射/接收切换模块分别接入超声波激励模 块、超声波接收模块；超声波激励模块、超声波接收模块经超声波发射/接收切 换模块，分别接入左侧发射&接收探头、右侧发射&接收探头，或右侧发射& 接收探头、左侧发射&接收探头。
所述的传感器单元包括温度测量模块、压力测量模块；温度测量模块以温 度传感器DS18B20为核心，DS18B20的脚1接地、脚3接入VCC，R11的两端并 接在脚2和脚3；DS18B20的脚2与控制通信模块的MSP430F135脚25相连； 压力测量模块包括薄膜压力传感器、比例放大电路，薄膜压力传感器的型号是 A301、比例放大电路以AD8615芯片为核心；A301的输出与AD8615脚3相连， R21和R22的一端接AD8615脚4，R21、R22另一端分别接地、AD8615脚1，AD8615 脚1与控制通信模块的MSP430F135脚26相连。
所述骨密度仪机械驱动单元的机械结构采用滚珠丝杠螺母副+双向导轨的 传动机构，螺母与滑台刚性连结，滑台上安装左侧发射&接收探头，左侧发射 &接收探头随滚珠丝杠螺母副的螺母进行左右平移，右侧发射&接收探头固定 在骨密度仪外壳的右侧，左侧发射&接收探头与右侧发射&接收探头中心对称， 步进电机驱动滚珠丝杠螺母副的丝杠旋转；温度测量模块、压力测量模块安装 在左侧发射&接收探头的左端面；
骨密度仪机械驱动单元的驱动包括型号为ZD-6560-V4的驱动器、57型两 相步进电机；ZD-6560-V4的A+、A-、B+、B-端口分别与57型两相步进电机的 A+、A-、B+、B-端口相连，ZD-6560-V4的电源+、电源-分别与24V DC的+、- 端相连；ZD-6560-V4的方向+、脱机+、脉冲+端口与控制通信模块的MSP430F135 脚1相连，ZD-6560-V4的方向-、脱机-、脉冲-端口分别与控制通信模块的 MSP430F135脚22、23、24端口相连；步进电机借鉴电梯业的平层技术，参照 七段S曲线运行，一旦压力测量模块测得压力即转入爬行速度运行，直至压力 测量模块测得的压力达阈值、步进电机停止运转并转入超声参数的测量。
所述全干式超声骨密度仪的测量方法流程如下：
①步进电机驱动滚珠丝杠螺母副、左侧发射&接收探头右移
②薄膜压力传感器压力≠0，终止七段S速度曲线，转爬行速度运行
温度传感器DS18B20测跟骨部位的体表温度t
③薄膜压力传感器压力＝Pressure_rating，停止步进电机，
启动超声参数测量
④读取跟骨部位的体表温度t，求线性插值温度tL＝0.5×(t+37)℃
修正软组织声速V软tL＝V软0×[1+(tL+273)/273]0.5
⑤二选一模拟开关电路输出至阈值过零检测电路
测量：左侧发射&接收探头发射超声波，跟骨左侧软组织反射超声波的时 间差△t左共4次，中值过滤算法处理测量值
根据公式(1)，计算跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左
d右处理方法与d左相同
根据公式(3)，计算跟骨宽度D
⑥二选一模拟开关电路输出至阈值过零检测电路
测量：左侧发射&接收探头的发射超声波、与右侧发射&接收探头的接收 透射超声波的时间差△t左右共4次，中值过滤算法处理测量值；△t右左的处理 方法与△t左右相同
根据公式(4)，计算SOS
⑦二选一模拟开关电路输出至控制通信模块
左侧发射&接收探头发射超声波，超声波中心频率0.5MHz、频带0.3～ 0.7MHz，共4次
右侧发射&接收探头接收透射超声波
根据公式(5)、(6)计算BUA，中值过滤算法处理BUA
右侧发射&接收探头发射、左侧发射&接收探头接收透射超声波
根据公式(5)、(6)计算BUA，中值过滤算法处理BUA
⑧步进电机驱动滚珠丝杠螺母副复位
⑨超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块的蓝牙通信电路 上传手机或PAD或PC。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
采用二个发射&接收探头分别测量跟骨两侧软组织的宽度，计时芯片计时； 消除了跟骨软组织的宽度差异、软组织与跟骨的声速差异所导入的误差。温度传 感器实时测量跟骨部位的体表温度，参照体表温度修正跟骨软组织声速，提高了 测量精度。发射&接收探头配置薄膜压力传感器，保证跟骨夹紧力的一致性；滚 珠丝杠副+双向导轨的传动结构，保证发射&接收探头运动过程的中心对称性。 固态耦合辅助探头，生成超声波的透射通道，进一步提高了测量精度。
附图说明
图1是骨密度仪和超声参数测量单元的原理框图；
图2是跟骨SOS测量的原理框图；
图3是温度测量模块和压力测量模块的电路图；
图4是骨密度仪机械驱动单元的结构图；
图5是控制通信模块的电路图；
图6是时间测量模块的电路图；
图7是超声波发射/接收切换模块的电路图；
图8是超声波激励模块的电路图；
图9(a)是前置放大器的电路图；
图9(b)是二阶带通滤波器的电路图；
图9(c)是二选一模拟开关的电路图；
图9(d)是阈值过零检测的电路图。
具体实施方式
如图1、图2所示，高精度全干式超声骨密度仪由超声参数测量单元1、传 感器单元2、骨密度仪机械驱动单元3组成，超声参数测量单元1与传感器单元 2、骨密度仪机械驱动单元3相连；超声参数测量单元1包括控制通信模块100、 时间测量模块200、超声发射/接收切换模块300、超声激励模块400、超声接收 模块500、发射&接收探头组模块600，控制通信模块100与时间测量模块200、 超声发射/接收切换模块300、超声接收模块500相连，超声发射/接收切换模块 300与时间测量模块200、超声激励模块400、超声接收模块500、发射&接收 探头组模块600相连；发射&接收探头组模块600由左侧发射&接收探头610、 右侧发射&接收探头620组成，左/右侧发射&接收探头均附设固态耦合辅助探 头，固态耦合辅助探头的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，左/右侧发射&接收探 头借助固态耦合辅助探头接触跟骨软组织；超声接收模块500由前置放大电路 510、二阶带通滤波电路520、二选一模拟开关电路540、阈值过零检测电路530 组成；
控制通信模块100以MSP430F135芯片为核心，控制时间测量模块200的 运行：测量宽带超声衰减BUA时，二选一模拟开关电路540输出至控制通信模 块100；测量超声声速SOS时，二选一模拟开关电路540输出至阈值过零检测 电路530、经超声发射/接收切换模块300至时间测量模块200，控制通信模块 100读取时间测量模块200输出的、左侧发射&接收探头610发射的超声波和跟 骨左侧软组织反射超声波的时间差△t左，△t右的定义与△t左相同，读取时间测 量模块200输出的、左侧发射&接收探头610发射的超声波、与右侧发射&接收探头620接收透射超声波的时间差△t左右，△t右左的定义与△t左右相同；
跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左＝0.5×V软tL×△t左 (1)
跟骨右侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d右＝0.5×V软tL×△t右 (2)
跟骨宽度D＝L-d左-d右 (3)
SOS＝D÷(△t左右-0.5△t左-0.5△t右) (4)
式中，
V软tL为跟骨软组织与固态耦合辅助探头在线性插值温度下的超声速度
线性插值温度
Figure BDA0002830589050000081
t是跟骨软组织体表的实测温度
L为左侧发射&接收探头610与右侧发射&接收探头620的距离
Figure BDA0002830589050000082
Figure BDA0002830589050000083
式中，
|VD(f)|为超声波通过跟骨的信号幅值
|V软(f)|为超声波通过与跟骨同宽度软组织的信号幅值
f为超声波频率，中心频率0.5MHz、频带范围0.3～0.7MHz；
超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块100的蓝牙通信电 路上传手机或PAD或PC；
控制通信模块100控制超声波发射/接收切换模块300模拟开关的断开和闭 合，时间测量模块200的发射/接收通道经超声波发射/接收切换模块300分别接 入超声波激励模块400、超声波接收模块500；超声波激励模块400、超声波接 收模块500经超声波发射/接收切换模块300，分别接入左侧发射&接收探头610、 右侧发射&接收探头620，或右侧发射&接收探头620、左侧发射&接收探头610。
说明1：宽带超声衰减BUA属公知知识，考虑表述完整性，提及但不展开。
如图3所示，传感器单元2包括温度测量模块10、压力测量模块20；温度 测量模块10以温度传感器DS18B20为核心，DS18B20的脚1接地、脚3接入VCC，R11的两端并接在脚2和脚3；DS18B20的脚2与控制通信模块100的 MSP430F135脚25相连；压力测量模块20包括薄膜压力传感器21、比例放大 电路22，薄膜压力传感器21的型号是A301、比例放大电路22以AD8615芯片 为核心；A301的输出与AD8615脚3相连，R21和R22的一端接AD8615脚4， R21、R22另一端分别接地、AD8615脚1，AD8615脚1与控制通信模块100的 MSP430F135脚26相连。
如图4所示，骨密度仪机械驱动单元3的机械结构采用滚珠丝杠螺母副+双 向导轨的传动机构，螺母与滑台刚性连结，滑台上安装左侧发射&接收探头610， 左侧发射&接收探头610随滚珠丝杠螺母副的螺母进行左右平移，右侧发射& 接收探头620固定在骨密度仪外壳的右侧，左侧发射&接收探头610与右侧发 射&接收探头620中心对称，步进电机驱动滚珠丝杠螺母副的丝杠旋转；温度 测量模块10、压力测量模块20安装在左侧发射&接收探头610的左端面；
骨密度仪机械驱动单元3的驱动包括型号为ZD-6560-V4的驱动器700、57 型两相步进电机800；ZD-6560-V4的A+、A-、B+、B-端口分别与57型两相步 进电机800的A+、A-、B+、B-端口相连，ZD-6560-V4的电源+、电源-分别与 24V DC的+、-端相连；ZD-6560-V4的方向+、脱机+、脉冲+端口与控制通信模 块100的MSP430F135脚1相连，ZD-6560-V4的方向-、脱机-、脉冲-端口分别 与控制通信模块100的MSP430F135脚22、23、24端口相连；步进电机借鉴电梯业的平层技术，参照七段S曲线运行，一旦压力测量模块20测得压力即转入 爬行速度运行，直至压力测量模块20测得的压力达阈值、步进电机停止运转并 转入超声参数的测量。
说明2：考虑图示简洁性，未给出右侧发射&接收探头。步进电机转入爬行 速度运行，不仅给温度传感器DS18B20保留了测量时间，而且使被检者有更好 的体验；步进电机参照七段S曲线运行，具有高速高效无加速度突变的优点。
全干式超声骨密度仪测量方法的流程如下：
①步进电机800驱动滚珠丝杠螺母副、左侧发射&接收探头610右移
②薄膜压力传感器21的压力≠0，终止七段S速度曲线，转爬行速度运行 温度传感器DS18B20测跟骨部位的体表温度t
③薄膜压力传感器21压力＝Pressure_rating，停止步进电机，
启动超声参数测量
④读取跟骨部位的体表温度t，求线性插值温度tL＝0.5×(t+37)℃
修正软组织声速V软tL＝V软0×[1+(tL+273)/273]0.5
⑤二选一模拟开关电路540输出至阈值过零检测电路530
测量：左侧发射&接收探头610发射超声波，跟骨左侧软组织反射超声波 的时间差△t左共4次，中值过滤算法处理测量值
根据公式(1)，计算跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左
d右处理方法与d左相同
根据公式(3)，计算跟骨宽度D
⑥二选一模拟开关电路540输出至阈值过零检测电路530
测量：左侧发射&接收探头610的发射超声波、与右侧发射&接收探头620 的接收透射超声波的时间差△t左右共4次，中值过滤算法处理测量值；△t右左 的处理方法与△t左右相同
根据公式(4)，计算SOS
⑦二选一模拟开关电路540输出至控制通信模块100
左侧发射&接收探头610发射超声波，超声波中心频率0.5MHz、频带0.3～ 0.7MHz，共4次
右侧发射&接收探头620接收透射超声波
根据公式(5)、(6)计算BUA，中值过滤算法处理BUA
右侧发射&接收探头620发射、左侧发射&接收探头610接收透射超声波 根据公式(5)、(6)计算BUA，中值过滤算法处理BUA
⑧步进电机800驱动滚珠丝杠螺母副复位
⑨超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块100的蓝牙通信 电路上传手机或PAD或PC。
说明3：左侧发射&接收探头与右侧发射&接收探头的距离L，可通过步进 电机的脉冲数推算(滚珠丝杠螺母副为高精度传动副)，亦可设激光测矩仪测L。
Figure BDA0002830589050000101
超声声速SOS和宽带超声衰减BUA测量时，均有左侧发射&接收探头发 射、右侧发射&接收探头接收，或右侧发射&接收探头发射、左侧发射&接收 探头接收；诊断报告取二次测量值的均值。
以下是超声参数测量单元1的电路实现。
如图5所示，控制通信模块100包括以MSP430F135芯片为核心的数据处 理和控制电路110、型号BLE-CC41-A的蓝牙通信电路120，MSP430F135脚32、 33分别与BLE-CC41-A脚2、1相连；数据处理和控制电路110处理时间测量模 块200输出的时间差测量值，以及二选一模拟开关电路540输出的超声波信号， 经蓝牙通信电路120上传超声声速SOS和宽带超声衰减BUA。
如图6所示，时间测量模块200以TDC_GP21芯片为核心，TDC_GP21脚 4、21、28接地，脚14、29接Vcc，R230、C230、R240的一端相连接脚17、18， R230的另一端与脚20、19相连，C230的另一端接地，R240的另一端与脚24、23 相连；TDC_GP21脚8、9、10、11、12分别与数据处理和控制电路110的 MSP430F135脚27、28、31、29、30相连；R210、C210的一端相连接超声波发射 /接收切换模块300的ADG1234脚3，R210的另一端与脚5相连，C210的另一端 与脚30相连；R220、C220的一端相连接超声波发射/接收切换模块300的ADG1234 脚8，R220的另一端与脚6相连，C220的另一端与脚27相连；TDC_GP21的脚5、 脚30组成一个超声波通道，TDC_GP21的脚6、脚27组成另一个超声波通道。
如图7所示，超声波发射/接收切换模块300以ADG1234芯片为核心， ADG1234通过脚3、8与时间测量模块200相连；ADG1234脚1、10、11、20、 15分别与数据处理和控制电路110的MSP430F135脚44、45、46、47、48相连， ADG1234脚2和9、脚13分别与超声波激励模块400的Urge_In、Urge_Out 端相连，ADG1234脚18、脚4和7分别与超声波接收模块500的Receive_In、 Receive_Out端相连，ADG1234脚12和15、脚14和17分别与发射&接收探头 组模块600的左侧发射&接收探头610、右侧发射&接收探头620相连；
超声波发射/接收切换模块300执行TDC_GP21脚5和脚30超声波通道、 脚6和脚27另一超声波通道的发射/接收通道切换，执行左侧发射&接收探头 610、右侧发射&接收探头620的发射/接收切换；超声波通道和探头的两组发射 /接收切换，对应四通道单刀双掷模拟开关ADG1234芯片控制脚的两组给定值， 与两组给定值相应的ADG1234开关状态见下表：
Figure BDA0002830589050000111
Figure BDA0002830589050000121
以控制端给定值1为例，TDC_GP21脚5和脚30超声波通道、脚6和脚27 另一超声波通道，左侧发射&接收探头610、右侧发射&接收探头620的信息流 如下：TDC_GP21脚5输出脉冲信号至ADG1234脚D1、D1与S1A闭合，经超 声波激励模块400至ADG1234脚D3、D3与S3A闭合，S3A输出的信号驱动左 侧发射&接收探头610发射超声波；右侧发射&接收探头620接收左侧发射& 接收探头610发射的超声波信号、输出至ADG1234脚S4B、S4B与D4闭合， 经超声波接收模块500至S2B、S2B与D2闭合，D2输出的信号至TDC_GP21 脚6；控制端给定值2与控制端给定值1的信息流类同。
说明4：测量左侧发射&接收探头610发射的超声波，与跟骨左侧软组织反 射超声波的时间差△t左，ADG1234控制端的给定值先置“给定值1”，再置“给 定值1”----首先，左侧发射&接收探头发射超声波；然后，左侧发射&接收探 头的角色转换成接受超声波，即接受跟骨左侧软组织的反射超声波。
如图8所示，超声波激励模块400包括IRL3410绝缘栅型的MOSFET 410、 升压变压器420；R410、C410、R420的一端相连接升压变压器420原边的一端， R410、C410的另一端接地，R420的另一端接Vcc；MOSFET 410的源极接地、漏 极与升压变压器420原边的另一端相连，栅极经R430接入Urge_In端；升压变 压器420副边的两端并联R440，副边的一端接地，副边的另一端接入Urge_Out 端；时间测量模块200的TDC_GP21脚5或脚6口产生的脉冲序列通过Urge_In 端输入，当输入脉冲高电平时，MOSFET 410导通，升压变压器420副边不工 作，当输入脉冲低电平时，MOSFET 410截止，升压变压器420副边导通，原 边能量释放到副边、驱动发射&接收探头发射超声波。
如图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)所示，超声波接收模块500 包括前置放大器510、二阶带通滤波器520、二选一模拟开关540、阈值过零检 测电路530；
前置放大器510以AD8221增益可编程放大器为核心，D511、D512反相并联， 并联的一端与Receive_In端、C511的一端相连，并联的另一端与-Receive_In端、 C512的一端相连，C511的另一端与R511的一端相连后接AD8221脚1、R511的另 一端接地，C512的另一端与R512的一端相连后接AD8221脚4、R512的另一端接 地；AD8221脚8、5、6、7分别接Vcc、-Vcc、地、OUT1端；二阶带通滤波器520以OPA820运放为核心，R521、R525、C521、C522的一端相连，R521的另一端 接OUT1端，R522与C521、C522的另一端相连，C522的另一端接地、C521的另一 端接OPA820脚3；R523、R524的一端相连，R523的另一端接地，R524、R525的另 一端相连接OPA820脚6和OUT2端；二选一模拟开关540以ET3157芯片为核 心，ET3157脚5、2分别接Vcc、地，脚4、3分别与OUT2、OUT2-0端相连， 脚6接控制通信模块100的MSP430F135脚21，脚1接OUT2-1端、OUT2-1 端与数据处理和控制电路110的MSP430F135脚59相连；MSP430F135脚21 低电平，OUT2与OUT2-0连通，MSP430F135脚21高电平，OUT2与OUT2-1 连通；
阈值过零检测电路530包括以MAX9693为核心有锁存功能的双通道比较器 531、第1或非门532、第2或非门533、与门534、非门535，MAX9693脚7与 数据处理和控制模块110的MSP430F135脚26相连，MAX9693脚8、10相连 后接OUT2-0端，脚3、9、14接地；数据处理和控制模块110的MSP430F135 脚58与第1或非门532、第2或非门533的一个输入端相连，第1或非门532 另一个输入端与MAX9693脚2相连、第1或非门532输出端与MAX9693脚4 相连；MAX9693脚1、16分别接与门534的两个输入端，与门534的输出端接 Receive_Out端、非门535的输入端，非门535的输出端接第2或非门533的另 一个输入端；阈值过零检测功能的信息流如下：
A通道
数据处理和控制模块110的MSP430F135设定OUT2端信号的A通道输入 信号参考电平V参考，V参考＝阈值；若A通道输入信号端INA+的VOUT2＞V参考， VQAOUT＝5V、
Figure BDA0002830589050000131
Figure BDA0002830589050000132
与MSP430F135的
Figure BDA0002830589050000133
低电平信号输入第 1或非门532、或非门532输出高电平信号、使MAX9693锁存使能脚4使能、 触发锁存信号VQAOUT；
B通道
B通道输入信号端INB+接地、V＝VGND＝0，OUT2信号输入B通道参考电平 端INB-，B通道与A通道进行相反的比较；若B通道参考电平端INB-的VOUT2＜0，VQBOUT＝5V、
Figure BDA0002830589050000134
使MAX9693锁存使能脚13使能、触发锁 存信号VQBOUT；
若A通道的输出VQAOUT＞0、B通道的输出VQBOUT＞0，经与门534输出高 电平、表征OUT2端信号的零点。
左侧发射&接收探头610由LHQ200-3型的换能器压电陶瓷传感器、换能器 声阻抗匹配组成，换能器声阻抗匹配层包括换能器环氧树脂胶体层与固态耦合 辅助探头，换能器环氧树脂胶体层将LHQ200-3型的换能器压电陶瓷传感器与固 态耦合辅助探头紧密连接，右侧发射&接收探头620与左侧发射&接收探头610 相同；左侧发射&接收探头610上附设固态耦合辅助探头，固态耦合辅助探头 材料的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，如聚氨酯橡胶或硅橡胶HT-906TS；右侧 发射&接收探头620与左侧发射&接收探头610相同。

Claims (4)

1.一种高精度全干式超声骨密度仪，其特征在于超声骨密度仪由超声参数测量单元(1)、传感器单元(2)、骨密度仪机械驱动单元(3)组成，超声参数测量单元(1)与传感器单元(2)、骨密度仪机械驱动单元(3)相连；超声参数测量单元(1)包括控制通信模块(100)、时间测量模块(200)、超声发射/接收切换模块(300)、超声激励模块(400)、超声接收模块(500)、发射&接收探头组模块(600)，控制通信模块(100)与时间测量模块(200)、超声发射/接收切换模块(300)、超声接收模块(500)相连，超声发射/接收切换模块(300)与时间测量模块(200)、超声激励模块(400)、超声接收模块(500)、发射&接收探头组模块(600)相连；发射&接收探头组模块(600)由左侧发射&接收探头(610)、右侧发射&接收探头(620)组成，左/右侧发射&接收探头均附设固态耦合辅助探头，固态耦合辅助探头的声阻抗≈跟骨软组织的声阻抗，左/右侧发射&接收探头借助固态耦合辅助探头接触跟骨软组织；超声接收模块(500)由前置放大电路(510)、二阶带通滤波电路(520)、二选一模拟开关电路(540)、阈值过零检测电路(530)组成；
控制通信模块(100)以MSP430F135芯片为核心，控制时间测量模块(200)的运行：测量宽带超声衰减BUA时，二选一模拟开关电路(540)输出至控制通信模块(100)；测量超声声速SOS时，二选一模拟开关电路(540)输出至阈值过零检测电路(530)、经超声发射/接收切换模块(300)至时间测量模块(200)，控制通信模块(100)读取时间测量模块(200)输出的、左侧发射&接收探头(610)发射的超声波和跟骨左侧软组织反射超声波的时间差△t左，△t右的定义与△t左相同，读取时间测量模块(200)输出的、左侧发射&接收探头(610)发射的超声波、与右侧发射&接收探头(620)接收透射超声波的时间差△t左右，△t右左的定义与△t左右相同；
跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左＝0.5×V软tL×△t左 (1)
跟骨右侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d右＝0.5×V软tL×△t右 (2)
跟骨宽度D＝L-d左-d右 (3)
SOS＝D÷(△t左右-0.5△t左-0.5△t右) (4)
式中，
V软tL为跟骨软组织与固态耦合辅助探头在线性插值温度下的超声速度
线性插值温度
Figure FDA0002830589040000023
t是跟骨软组织体表的实测温度
L为左侧发射&接收探头(610)与右侧发射&接收探头(620)的距离
Figure FDA0002830589040000021
Figure FDA0002830589040000022
式中，
|VD(f)|为超声波通过跟骨的信号幅值
|V软(f)|为超声波通过与跟骨同宽度软组织的信号幅值
f为超声波频率，中心频率0.5MHz、频带范围0.3～0.7MHz；
超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块(100)的蓝牙通信电路上传手机或PAD或PC；
控制通信模块(100)控制超声波发射/接收切换模块(300)模拟开关的断开和闭合，时间测量模块(200)的发射/接收通道经超声波发射/接收切换模块(300)分别接入超声波激励模块(400)、超声波接收模块(500)；超声波激励模块(400)、超声波接收模块(500)经超声波发射/接收切换模块(300)，分别接入左侧发射&接收探头(610)、右侧发射&接收探头(620)，或右侧发射&接收探头(620)、左侧发射&接收探头(610)。
2.根据权利要求1所述的高精度全干式超声骨密度仪，其特征在于所述的传感器单元(2)包括温度测量模块(10)、压力测量模块(20)；温度测量模块(10)以温度传感器DS18B20为核心，DS18B20的脚1接地、脚3接入VCC，R11的两端并接在脚2和脚3；DS18B20的脚2与控制通信模块(100)的MSP430F135脚25相连；压力测量模块(20)包括薄膜压力传感器(21)、比例放大电路(22)，薄膜压力传感器(21)的型号是A301、比例放大电路(22)以AD8615芯片为核心；A301的输出与AD8615脚3相连，R21和R22的一端接AD8615脚4，R21、R22另一端分别接地、AD8615脚1，AD8615脚1与控制通信模块(100)的MSP430F135脚26相连。
3.根据权利要求1所述的高精度全干式超声骨密度仪，其特征在于所述的骨密度仪机械驱动单元(3)的机械结构采用滚珠丝杠螺母副+双向导轨的传动机构，螺母与滑台刚性连结，滑台上安装左侧发射&接收探头(610)，左侧发射&接收探头(610)随滚珠丝杠螺母副的螺母进行左右平移，右侧发射&接收探头(620)固定在骨密度仪外壳的右侧，左侧发射&接收探头(610)与右侧发射&接收探头(620)中心对称，步进电机驱动滚珠丝杠螺母副的丝杠旋转；温度测量模块(10)、压力测量模块(20)安装在左侧发射&接收探头(610)的左端面；
骨密度仪机械驱动单元(3)的驱动包括型号为ZD-6560-V4的驱动器(700)、57型两相步进电机(800)；ZD-6560-V4的A+、A-、B+、B-端口分别与57型两相步进电机(800)的A+、A-、B+、B-端口相连，ZD-6560-V4的电源+、电源-分别与24V DC的+、-端相连；ZD-6560-V4的方向+、脱机+、脉冲+端口与控制通信模块(100)的MSP430F135脚1相连，ZD-6560-V4的方向-、脱机-、脉冲-端口分别与控制通信模块(100)的MSP430F135脚22、23、24端口相连；步进电机借鉴电梯业的平层技术，参照七段S曲线运行，一旦压力测量模块(20)测得压力即转入爬行速度运行，直至压力测量模块(20)测得的压力达阈值、步进电机停止运转并转入超声参数的测量。
4.一种使用如权利要求1所述全干式超声骨密度仪测量方法的流程如下：
①步进电机(800)驱动滚珠丝杠螺母副、左侧发射&接收探头(610)右移
②薄膜压力传感器(21)压力≠0，终止七段S速度曲线，转爬行速度运行温度传感器DS18B20测跟骨部位的体表温度t
③薄膜压力传感器(21)压力＝Pressure_rating，停止步进电机，启动超声参数测量
④读取跟骨部位的体表温度t，求线性插值温度tL＝0.5×(t+37)℃
修正软组织声速V软tL＝V软0×[1+(tL+273)/273]0.5
⑤二选一模拟开关电路(540)输出至阈值过零检测电路(530)
测量：左侧发射&接收探头(610)发射超声波，跟骨左侧软组织反射超声波的时间差△t左共4次，中值过滤算法处理测量值
根据公式(1)，计算跟骨左侧软组织与固态耦合辅助探头的宽度d左
d右处理方法与d左相同
根据公式(3)，计算跟骨宽度D
⑥二选一模拟开关电路(540)输出至阈值过零检测电路(530)
测量：左侧发射&接收探头(610)的发射超声波、与右侧发射&接收探头(620)的接收透射超声波的时间差△t左右共4次，中值过滤算法处理测量值；△t右左的处理方法与△t左右相同
根据公式(4)，计算SOS
⑦二选一模拟开关电路(540)输出至控制通信模块(100)
左侧发射&接收探头(610)发射超声波，超声波中心频率0.5MHz、频带0.3～0.7MHz，共4次
右侧发射&接收探头(620)接收透射超声波
根据公式(5)、(6)计算BUA，中值过滤算法处理BUA
右侧发射&接收探头(620)发射、左侧发射&接收探头(610)接收透射超声波
根据公式(5)、(6)计算BUA，中值过滤算法处理BUA
⑧步进电机(800)驱动滚珠丝杠螺母副复位
⑨超声声速SOS和宽带超声衰减BUA通过控制通信模块(100)的蓝牙通信电路上传手机或PAD或PC。
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