CN114533125A - 一种基于柔性传感器的骨质检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性传感器的骨质检测系统及其检测方法，涉及骨质参数测量技术领域，包括：可编程逻辑器件FPGA在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；设置与所述超声换能器阵列对应的频率，通过脉冲控制电路控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号；基于所述脉冲信号，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；信号处理电路采集接收超声声波的时间差，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。本发明的技术方案能够从精度、效率功耗、集成度等方面改善骨质检测系统的性能，提高骨质检测的准确度，提高使用者的舒适度与契合度。
Description
技术领域
本发明涉及骨质参数测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于柔性传感器的骨质检测系统及其检测方法。
背景技术
在人类的生长期内，从婴幼儿到成年人再到老年人，骨骼在形态和密度方面均会发生一定的变化，所以骨骼的状态从某种程度可以反映出一个人的年龄和健康程度。骨质疏松症是世界性的中老年人常见病和多发病，近年来伴随人口老龄化问题的加剧，患有骨质疏松的人口比例将不断提高。因此，找到一种能够在早期快速有效地诊断骨质疏松病症的方法已经成为医学领域的一个重要研究方向。
骨质疏松症是一种以骨量减少和骨组织显微结构受到破坏为特征，并导致骨脆性增加、骨折危险程度增加的全身性骨疾病。骨强度是影响骨质疏松的关键因素，其大小主要由骨矿密度(BMD)和骨质量决定。研究表明，BMD能够反映骨强度的70％，而骨质量好坏则能反映骨强度的30％。近些年来，人体骨质情况检测技术取得了不断的更新和发展，随着软硬件技术的不断发展，研究者们先后提出了多种检测BMD的方法，如单光子吸收法、双光子吸收法、双能X线吸收测定、定量CT和定量超声等。
单光子吸收法是通过向骨骼发射单一波长的Y射线，计算其经过骨骼后衰减量，再将其衰减值转换为BMD或骨密度，该方法主要用于测量皮质骨，为了减小皮质组织对测量结果的影响，测量时将受检测部位置于软组织等当量的水袋中，采用多次测量取平均的方法，其缺点是检查时间长和测量精度不高；双光子吸收法是利用能量不同的两种光子来扫描待检测部位，然后根据两种光子的不同衰减计算出BMD，双光子吸收法降低了皮质组织的影响，但仍无法区分皮质骨和松质骨的骨密度，且检查时间较长，没有得到普及；定量CT是利用常规CT进行BMD检查的技术，可以对任何部位皮质骨和骨小梁的BMD进行测量，定量CT的测量精确度较高，但其放射剂量比较大，所以在临床应用上受到一定的限制。
传统的电子应变传感器大多基于金属和半导体材料，其柔韧性和可穿戴性较差，且与人体皮肤接触时有很强的不适感。随着现代社会的发展，传统的硅基传感器已经渐渐满足不了人们日益增长的需求，体积大和刚性大的问题严重阻碍了传感器在柔性电子皮肤和可穿戴式电子装置中的发展和应用。如今世界上的骨质疏松患者日益增多，而市场上大部分超声骨密度仪精度不高，体积和功耗不够小，且测试端多为硬度较大的器件，对部分患者来说体感不够舒适。
因此，如何从精度、效率功耗、集成度等方面改善骨质检测系统的性能，提高骨质检测的准确度，提高使用者的舒适度与契合度是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于柔性传感器的骨质检测系统及其检测方法，解决了以上背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于柔性传感器的骨质检测方法，包括以下步骤：
可编程逻辑器件FPGA在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；
设置与所述超声换能器阵列对应的频率，通过所述脉冲控制电路控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号；
基于所述脉冲信号，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；
信号处理电路采集接收超声声波的时间差，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。
上述技术方案达到的技术效果为：从精度、效率功耗、集成度等方面改善骨质检测系统性能，皮肤排异性小，使用传感器阵列的形式来提高系统测试的准确度。
可选的，所述柔性超声探头中设置有接线、柔性基底和三组超声换能器阵列，每组超声换能器阵列包括一个超声声波发射换能器和两个超声声波接收换能器。
可选的，所述超声换能器阵列以压电材料PMN-PT作为核心器件，在所述压电材料两面刷涂电极材料，再由柔性材料PDMS封装成复合压电材料。
上述技术方案达到的技术效果为：由PDMS封装的超声探头具有可拉伸、皮肤适应性好、集成度高等优点，柔性探头可覆盖人体曲线部分的表面，包括脚踝、膝盖和手臂，并且紧贴皮肤。因此，将探测部分改成柔性基底，能够极大地提高使用者的舒适度与契合度。
可选的，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收，具体包括以下步骤：
基于所述脉冲信号，控制所述超声声波发射换能器发射超声声波；
所述超声声波通过耦合剂进入软组织及骨组织，在骨组织中传播一定距离后折射，折射后由所述超声声波接收换能器接收。
可选的，得出被测者的骨密度BMD的情况，具体包括以下步骤：
信号处理电路对超声声波接收换能器接收的超声声波进行滤波、放大和AD转换处理，并接收包括数据频率及大小在内的相关参数的数据值；
当接收到异常值时，忽略该异常值并继续进行数据处理；当未接收到异常值时，通过模型算法对数据进行处理，完成超声声波在骨组织中传播速度的计算，并得到被测者的骨密度BMD的情况。
一种基于柔性传感器的骨质检测系统，包括脉冲控制电路、脉冲发射电路、柔性超声探头、信号处理电路、可编程逻辑器件FPGA，且各结构依次相连；
所述可编程逻辑器件FPGA，用于在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；
所述脉冲控制电路，用于控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号；
所述柔性超声探头，基于所述脉冲信号，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；
所述信号处理电路，用于采集接收超声声波的时间差，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。
可选的，所述柔性超声探头包括接线、柔性基底和三组超声换能器阵列，每组超声换能器阵列包括一个超声声波发射换能器和两个超声声波接收换能器。
可选的，所述超声换能器阵列以压电材料PMN-PT作为核心器件，在所述压电材料两面刷涂电极材料，再由柔性材料PDMS封装成复合压电材料。
可选的，所述每组超声换能器阵列中的两个超声声波接收换能器具有固定距离值。
可选的，所述信号处理电路包括有源滤波电路和AD转换电路；其中，有源滤波电路由RC网络和集成运放组成，所述AD转换电路与可编程逻辑器件FPGA相连。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于柔性传感器的骨质检测系统及其检测方法，设计了一种基于轴向透射技术的高性能柔性超声骨密度测量系统，立足于定量超声理论，系统设计以FPGA为核心，用高速AD芯片进行模数转换，从精度、效率功耗、集成度等方面改善骨质检测系统的性能，具有结构简单、成本低、测试精度高、辐射量低的特点，而且将探测部分改为柔性基底，柔性探头具有较好的稳定性和传导性，其柔韧性和可伸展性使传感器具有相应的可拉伸和压缩的性能，极大地提高了使用者的舒适度与契合度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为脉冲控制电路流程图；
图2(a)-图2(c)为柔性超声探头阵列截面图；
图3为柔性超声探头阵列结构图；
图4为柔性探头的制备流程图；
图5为信号处理电路流程图；
图6为信息采集原理图；
图7为骨质检测系统的结构示意图；
图8(a)-图8(c)为柔性探头在被测者不同部位进行骨质检测的示意图；
附图标记：101-第一接线、102-第一超声发射阵列、103-第一超声接收阵列、104-第二超声接收阵列、105-柔性基底、201-第二接线、202-第二超声发射阵列、203-第三超声接收阵列、204-第四超声接收阵列、301-第三接线、302-第三超声发射阵列、303-第五超声接收阵列、304-第六超声接收阵列、401-压电材料、402-电极、403-第四接线、404-第五接线、405-第六接线、406-第七接线。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例公开了一种基于柔性传感器的骨质检测方法，包括以下步骤：
(1)可编程逻辑器件FPGA在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；
(2)参见图1，脉冲控制电路首先检测设备是否可以正常工作，在设备成功运行后由检测人员选择所使用的换能器组后，自动设置与超声换能器阵列对应的频率，通过脉冲控制电路控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号，将信号传输给柔性超声探头；
(3)基于脉冲信号，控制超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；
(4)信号处理电路采集接收超声声波的时间差，结合两个接收换能器之间的距离，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。
具体地，柔性超声探头中设置有接线、柔性基底和三组超声换能器阵列，每组超声换能器阵列包括一个超声声波发射换能器和两个超声声波接收换能器，且同一组超声换能器阵列的两个超声声波接收换能器具有固定距离值。超声换能器阵列以压电材料PMN-PT作为核心器件，在压电材料两面刷涂电极材料，再由柔性材料PDMS封装成复合压电材料，柔性探头可覆盖人体曲线部分的表面，包括脚踝、膝盖和手臂，并且紧贴皮肤。
如图2(a)-图2(c)所示为柔性超声探头的各组超声换能器阵列截面图，其中包括第一接线101、第二接线201、第三接线301、第四接线403、第五接线404、第六接线405、第七接线406，柔性基底105和超声换能器，其中，超声换能器包括第一超声发射阵列102、第一超声接收阵列103、第二超声接收阵列104、第二超声发射阵列202、第三超声接收阵列203、第四超声接收阵列204、第三超声发射阵列302、第五超声接收阵列303、第六超声接收阵列304，三组超声换能器与水平的夹角分别为17°、20°和23°，且三块超声换能器在同一水平面上。图3为柔性超声探头在无外力情况下的结构图，包括接线、电极402、压电材料401和柔性基底105。
参见图4，柔性探头的制备流程为：将压电材料固定好，两面喷涂电极材料，喷涂的时候基底加热到40℃，喷嘴35℃，设备频率7500Hz；喷涂完毕后在80℃的加热器上干燥10min，然后将复合材料固定到3000r/min匀胶机上，滴管滴下PDMS，旋涂3分钟，然后放在55-60℃的真空干燥箱固化处理2-4h。将制作好的复合材料放入模具中，倒入液体树脂，待固化后便可得到柔性探头。
进一步地，控制超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收，具体包括以下步骤：基于脉冲信号，控制超声声波发射换能器发射超声声波；柔性超声探头发射的超声声波频率为超声换能器的谐振频率，确定在1.5MHz与2MHz之间，超声声波通过耦合剂进入软组织及骨组织，在骨组织中传播一定距离后折射，折射后由超声声波接收换能器接收。
参见图5，信号处理电路首先检测设备是否可以正常工作，在设备成功运行后由信号处理电路开始对超声声波接收换能器接收的超声声波进行滤波、放大和AD转换处理，随后开始准备接收包括数据频率及大小在内的相关参数的数据值；当接收到异常值时，忽略该异常值并继续进行数据处理；当未接收到异常值时，通过模型算法对数据进行处理，完成超声声波在骨组织中传播速度的计算，并得到被测者的骨密度BMD的情况。将计算结果进行存储计算，由通信电路输出给计算机等其他测试仪器，最后完成报告、打印。
本发明的检测原理如图6所示，换能器A发射超声波，换能器B接收超声波，记录A与B之间声波的传输时间TAB；换能器A发射超声波，换能器C接收超声波，记录A与C之间声波的传输时间TAC。由图6可知：
TAB＝t1+t2+t3 (1)
TAC＝t1+t2+t4+t5 (2)
因为A、B、C所在平面与骨骼平面平行，则声波射出时，经过软组织的时间和距离相等，t3＝t5，SBB1＝SCC1，则
由式(3)可知当A、B、C所在平面与骨骼表面平行时，只需知道超声波从换能器A分别到达B、C的传输时间，即可求出骨骼中的超声声速SOS。
实施例2
本实施例公开了一种基于柔性传感器的骨质检测系统，参见图7，包括脉冲控制电路、脉冲发射电路、柔性超声探头、信号处理电路、可编程逻辑器件FPGA，且各结构依次相连；
可编程逻辑器件FPGA，用于在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；
脉冲控制电路，用于控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号；
柔性超声探头，基于脉冲信号，控制超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；
信号处理电路，用于采集接收超声声波的时间差，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。
进一步地，柔性超声探头包括接线、柔性基底和三组超声换能器阵列，每组超声换能器阵列包括一个超声声波发射换能器和两个超声声波接收换能器。
进一步地，超声换能器阵列以压电材料PMN-PT作为核心器件，在压电材料两面刷涂电极材料，再由柔性材料PDMS封装成复合压电材料。柔性探头可覆盖人体曲线部分的表面，包括手臂、膝盖和脚踝，并且紧贴皮肤，如图8(a)-图8(c)所示。
进一步地，每组超声换能器阵列中的两个超声声波接收换能器具有固定距离值。
进一步地，信号处理电路包括有源滤波电路和AD转换电路；其中，有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，之后通过AD转换电路与可编程逻辑器件FPGA相连，最后的数据值通过并转串模块后通过UART发送至上位机。
基于以上陈述的技术方案可以了解到，本发明设计了一种基于轴向透射技术的高性能柔性超声骨密度测量系统，立足于定量超声理论，系统设计以FPGA为核心，用高速AD芯片进行模数转换，从精度、效率功耗、集成度等方面改善骨质检测系统的性能，具有结构简单、成本低、测试精度高、辐射量低的特点，而且将探测部分改为柔性基底，柔性探头具有较好的稳定性和传导性，其柔韧性和可伸展性使传感器具有相应的可拉伸和压缩的性能，极大地提高了使用者的舒适度与契合度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于柔性传感器的骨质检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
可编程逻辑器件FPGA在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；
设置与所述超声换能器阵列对应的频率，通过所述脉冲控制电路控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号；
基于所述脉冲信号，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；
信号处理电路采集接收超声声波的时间差，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性传感器的骨质检测方法，其特征在于，所述柔性超声探头中设置有接线、柔性基底和三组超声换能器阵列，每组超声换能器阵列包括一个超声声波发射换能器和两个超声声波接收换能器。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性传感器的骨质检测方法，其特征在于，所述超声换能器阵列以压电材料PMN-PT作为核心器件，在所述压电材料两面刷涂电极材料，再由柔性材料PDMS封装成复合压电材料。
4.根据权利要求2所述的一种基于柔性传感器的骨质检测方法，其特征在于，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收，具体包括以下步骤：
基于所述脉冲信号，控制所述超声声波发射换能器发射超声声波；
所述超声声波通过耦合剂进入软组织及骨组织，在骨组织中传播一定距离后折射，折射后由所述超声声波接收换能器接收。
5.根据权利要求4所述的一种基于柔性传感器的骨质检测方法，其特征在于，得出被测者的骨密度BMD的情况，具体包括以下步骤：
信号处理电路对超声声波接收换能器接收的超声声波进行滤波、放大和AD转换处理，并接收包括数据频率及大小在内的相关参数的数据值；
当接收到异常值时，忽略该异常值并继续进行数据处理；当未接收到异常值时，通过模型算法对数据进行处理，完成超声声波在骨组织中传播速度的计算，并得到被测者的骨密度BMD的情况。
6.一种基于柔性传感器的骨质检测系统，其特征在于，包括脉冲控制电路、脉冲发射电路、柔性超声探头、信号处理电路、可编程逻辑器件FPGA，且各结构依次相连；
所述可编程逻辑器件FPGA，用于在柔性超声探头中选择一组用于骨质检测的超声换能器阵列，并向脉冲控制电路发送信号；
所述脉冲控制电路，用于控制脉冲发射电路发出固定频率的脉冲信号；
所述柔性超声探头，基于所述脉冲信号，控制所述超声换能器阵列进行超声声波的发射及接收；
所述信号处理电路，用于采集接收超声声波的时间差，计算当前超声声波在被测者被测部位骨质中的传播速度SOS，得出被测者的骨密度BMD的情况。
7.根据权利要求6所述的一种基于柔性传感器的骨质检测系统，其特征在于，所述柔性超声探头包括接线、柔性基底和三组超声换能器阵列，每组超声换能器阵列包括一个超声声波发射换能器和两个超声声波接收换能器。
8.根据权利要求6所述的一种基于柔性传感器的骨质检测系统，其特征在于，所述超声换能器阵列以压电材料PMN-PT作为核心器件，在所述压电材料两面刷涂电极材料，再由柔性材料PDMS封装成复合压电材料。
9.根据权利要求7所述的一种基于柔性传感器的骨质检测系统，其特征在于，所述每组超声换能器阵列中的两个超声声波接收换能器具有固定距离值。
10.根据权利要求6所述的一种基于柔性传感器的骨质检测系统，其特征在于，所述信号处理电路包括有源滤波电路和AD转换电路；其中，有源滤波电路由RC网络和集成运放组成，所述AD转换电路与可编程逻辑器件FPGA相连。
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