CN114431885A - 一种基于x射线光声效应的骨骼弹性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置及方法，用于测量待测量骨骼的骨骼弹性，骨骼弹性测量装置包括计算机、X射线发生器和超声换能器；X射线发生器，用于接受计算机的控制，向待测量骨骼发射X射线；超声换能器，用于接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号，并将其发送给计算机；计算机控制X射线发生器向待测量骨骼发射X射线，通过超声换声器接收光声效应产生的超声信号，并将其存入计算机内，用于计算骨骼弹性。与现有技术相比，本发明具有准确度高、测量深度大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及骨骼弹性检测技术领域，尤其是涉及一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置及方法。
背景技术
骨骼为人体重要器官，具有运动支撑、保护脏器及生命代谢调节等功能，是人体健康基础。骨骼病变不仅会直接引起骨量流失、结构破坏、引发骨折等，而且会导致身体机能的综合性衰退。骨骼健康由骨密度、弹性和结构综合决定，骨质疏松症的早期诊断和及时治疗具有重要意义。
目前，骨骼健康评价主要基于X射线骨密度吸收测定技术，如X光片、单双光子吸收法、定量CT及双能X射线法(DXA)等。X射线骨密度吸收测定技术主要利用X射线透射过不同组织，会产生不同程度的衰减，进而反映骨骼矿物质密度信息。X射线骨密度仪只能提供骨矿物质密度(BMD)，不能全面反映骨弹性及健康信息等。
光声效应指的是生物组织在脉冲激光照射下，吸收激光能量，发生热弹性膨胀，因而产生超声信号(超声信号即机械振动信号)。传统的光声技术采用激光照射组织，产生超声信号，在医学诊断及成像方面具有重要应用。
中国专利CN106037818A中公开了一种光声和超声双模式骨质疏松症检测方法与装置，提出光声技术测量骨胶原蛋白结合超声技术测量骨密度，提高对骨质量的评价能力；中国专利CN111110190A中公共开了一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法，根据光声时域信号与松质骨弹性模量的理论关系，评估松质骨的骨质弹性模量信息；美国专利US9833187B2中公开了通过光声技术产生超声信号，分析长骨中传导超声信号的特性反映骨密度和骨质量状况。这些专利所用的光声技术均为激光照射。然而，采用激光照射的一大问题是激光在生物组织中穿透深度非常有限(在肌肉等软组织穿透约为厘米级，在骨骼组织穿透深度仅为毫米级)，激光无法穿透骨骼组织，采用激光照射的光声技术难以形成骨骼参数测量的在体应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确度高、测量深度大的基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，用于测量待测量骨骼的骨骼弹性，所述的骨骼弹性测量装置包括计算机、X射线发生器和超声换能器；
X射线发生器，用于接受计算机的控制，向待测量骨骼发射X射线；
超声换能器，用于接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号，并将其发送给计算机；
所述的计算机控制X射线发生器向待测量骨骼发射X射线，通过超声换声器接收光声效应产生的超声信号，并将其存入计算机内，用于计算骨骼弹性。
优选地，所述的骨骼弹性测量装置设有控制电路，该控制电路的输入端接入计算机，输出端接入X射线发生器，用于控制X射线发生器发射X射线。
优选地，所述的骨骼弹性测量装置还包括信号放大器和模数转换器；所述的超声换能器输出端接入信号放大器的输入端；所述的信号放大器的输出端接入模数转换器的输入端；所述的模数转换器的输出端接入计算机。
优选地，所述的计算机内嵌有用于计算骨骼弹性的可执行程序，具体为：
首先，获取待测量骨骼某位置处的超声信号，计算其频谱SB；
然后，获取弹性模量为E0的标准仿体的超声信号，计算其频谱S0；
最后，计算待测量骨骼的弹性EB。
更加优选地，所述的骨骼弹性EB的计算方法为：
其中，k1、k2和k3均为系数。
更加优选地，所述的系数k1、k2和k3由多元线性分析获得。
一种用于上述基于X射线光声效应的骨骼弹性测量方法，所述的骨骼弹性测量方法包括：
步骤1：计算机控制X射线发生器发射短脉冲X射线，X射线照射在待测量骨骼上；
步骤2：超声换能器接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号，并输入计算机；
步骤3：计算机计算骨骼弹性并输出。
更加优选地，所述的步骤1具体为：
计算机通过控制线路来控制X射线发生器发射短脉冲X射线。
更加优选地，所述的步骤2具体为：
超声换能器接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号后，依次经过信号放大器和模数转换器的处理后输入计算机。
更加优选地，所述的步骤3具体为：
计算机通过执行以下可执行程序计算骨骼弹性：
首先，获取待测量骨骼某位置处的超声信号，计算其频谱SB；
然后，获取弹性模量为E0的标准仿体的超声信号，计算其频谱S0；
最后，计算待测量骨骼的弹性EB；
其中，k1、k2和k3均为系数，由多元线性分析获得。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、准确度高：本发明中的骨骼弹性测量装置及方法采用X射线配合超声换能器的方式来获取待测量骨骼的超声信号，并以此计算骨骼弹性；不同于传统骨密度X射线仅测量骨矿密度，基于X射线的光声技术对骨骼的弹性等化学成分(如骨胶原蛋白等)更为敏感，骨骼弹性计算准确度更高。
二、测量深度大：本发明中的骨骼弹性测量装置及方法采用X射线照射待测量骨骼，与激光相比，X射线在生物组织中的散射更小，X射线在骨骼组织中有足够的穿透深度，因此X射线可以在人体深处的骨骼组织激励出光声信号，基于X射线的光声技术可以用于诊断人体深处的骨骼组织。
附图说明
图1为本发明中骨骼弹性测量装置的结构示意图。
图中标号所示：
1、计算机，2、控制电路，3、X射线发生器，4、待测量骨骼，5、超声换能器，6、信号放大器，7、模数转换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，用于测量待测量骨骼4的骨骼弹性，其结构如图1所示，骨骼弹性测量装置包括计算机1、X射线发生器3和超声换能器5；
X射线发生器3，用于接受计算机1的控制，向待测量骨骼4发射X射线；
超声换能器5，用于接收待测量骨骼4由于光声效应产生的超声信号，并将其发送给计算机1；
计算机1控制X射线发生器3向待测量骨骼4发射X射线，通过超声换声器5接收光声效应产生的超声信号，并将其存入计算机内，用于计算骨骼弹性。
本实施例中的骨骼弹性测量装置设有控制电路2，该控制电路的输入端接入计算机1，输出端接入X射线发生器3，用于控制X射线发生器3发射X射线。还设有信号放大器6和模数转换器7，超声换能器5输出端接入信号放大器6的输入端，信号放大器6的输出端接入模数转换器7的输入端，模数转换器7的输出端接入计算机1。
骨骼组织在脉冲X射线照射下发生光声效应，产生的超声信号，此超声声信号主要取决于：激光照射区域骨骼性质(骨成分及结构)、发射激光特性(光谱、能量等)、超声传导路径上的超声传播耦合效应以及超声换能器信号接收特性等。而后三种影响因素均可准确测量并补偿消除。因此，分析超声换能器采集的信号特征即可反映骨骼组织的弹性及结构等信息。
计算机1内嵌有用于计算骨骼弹性的可执行程序，具体为：
首先，获取待测量骨骼某位置处的超声信号，计算其频谱SB，
然后，获取弹性模量为E0的标准仿体的超声信号，计算其频谱S0，
最后，计算待测量骨骼的弹性EB。
骨骼弹性EB的计算方法为：
其中，k1、k2和k3均为系数，由多元线性分析获得。
本实施例还涉及一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量方法，包括：
步骤1：计算机控制X射线发生器发射短脉冲X射线，X射线照射在待测量骨骼上，
步骤2：超声换能器接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号，并输入计算机，
步骤3：计算机计算骨骼弹性并输出。
步骤1具体为：
计算机通过控制线路来控制X射线发生器发射短脉冲X射线。
步骤2具体为：
超声换能器接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号后，依次经过信号放大器和模数转换器的处理后输入计算机。
步骤3具体为：
计算机通过执行以下可执行程序计算骨骼弹性：
首先，获取待测量骨骼某位置处的超声信号，计算其频谱SB，
然后，获取弹性模量为E0的标准仿体的超声信号，计算其频谱S0，
最后，计算待测量骨骼的弹性EB，
其中，k1、k2和k3均为系数，由多元线性分析获得。
本发明的目的在于提供一种无创伤的基于X射线光声效应的骨骼弹性及健康状况的诊断系统。本发明特点和优势在于不仅可以单独使用测量骨骼弹性，还能够对现有X射线骨密度仪进行功能升级，仅需增加超声换能器、信号接收和处理电路即可完成功能升级，使得现有X射线骨密度仪不仅能测量BMD，还能提供骨骼弹性等信息，有利于全面准确地评价骨骼健康状况。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，用于测量待测量骨骼(4)的骨骼弹性，其特征在于，所述的骨骼弹性测量装置包括计算机(1)、X射线发生器(3)和超声换能器(5)；
X射线发生器(3)，用于接受计算机(1)的控制，向待测量骨骼(4)发射X射线；
超声换能器(5)，用于接收待测量骨骼(4)由于光声效应产生的超声信号，并将其发送给计算机(1)；
所述的计算机(1)控制X射线发生器(3)向待测量骨骼(4)发射X射线，通过超声换声器(5)接收光声效应产生的超声信号，并将其存入计算机内，用于计算骨骼弹性。
2.根据权利要求1所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，其特征在于，所述的骨骼弹性测量装置设有控制电路(2)，该控制电路的输入端接入计算机(1)，输出端接入X射线发生器(3)，用于控制X射线发生器(3)发射X射线。
3.根据权利要求1所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，其特征在于，所述的骨骼弹性测量装置还包括信号放大器(6)和模数转换器(7)；所述的超声换能器(5)输出端接入信号放大器(6)的输入端；所述的信号放大器(6)的输出端接入模数转换器(7)的输入端；所述的模数转换器(7)的输出端接入计算机(1)。
4.根据权利要求1所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，其特征在于，所述的计算机(1)内嵌有用于计算骨骼弹性的可执行程序，具体为：
首先，获取待测量骨骼某位置处的超声信号，计算其频谱SB；
然后，获取弹性模量为E0的标准仿体的超声信号，计算其频谱S0；
最后，计算待测量骨骼的弹性EB。
5.根据权利要求4所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，其特征在于，所述的骨骼弹性EB的计算方法为：
其中，k1、k2和k3均为系数。
6.根据权利要求5所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量装置，其特征在于，所述的系数k1、k2和k3由多元线性分析获得。
7.一种用于如权利要求1所述骨骼弹性测量装置的基于X射线光声效应的骨骼弹性测量方法，其特征在于，所述的骨骼弹性测量方法包括：
步骤1：计算机控制X射线发生器发射短脉冲X射线，X射线照射在待测量骨骼上；
步骤2：超声换能器接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号，并输入计算机；
步骤3：计算机计算骨骼弹性并输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：
计算机通过控制线路来控制X射线发生器发射短脉冲X射线。
9.根据权利要求7所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：
超声换能器接收待测量骨骼由于光声效应产生的超声信号后，依次经过信号放大器和模数转换器的处理后输入计算机。
10.根据权利要求7所述的一种基于X射线光声效应的骨骼弹性测量方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：
计算机通过执行以下可执行程序计算骨骼弹性：
首先，获取待测量骨骼某位置处的超声信号，计算其频谱SB；
然后，获取弹性模量为E0的标准仿体的超声信号，计算其频谱S0；
最后，计算待测量骨骼的弹性EB；
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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