CN1766530A - 用双向逼近法测定骨中声速的方法 - Google Patents

Abstract

一种用双向逼近法测定骨中声速的方法，属测量技术领域，它包括如下步骤：在一段骨骼的软组织的外表面设置4个既可发射又可接收超声波的发射接收元件，将它们按照A1、A2、B1、B2的顺序排列，并置于一个探头壳体中，令A1、A2之间，B1与B2之间的距离为L，使A1、A2和B1、B2交替发射和接收超声波，测定的时间参数分别为T1、T2、T3、T1’、T2’、T3’，当T1＝T2’时，则声波在该段骨骼内的传播速度为V＝L/ΔT。本发明消除了软组织的干扰，计算方法中没有假设的变量值，使测量更为精确、更为简便，更为快捷，也更易于推算出所求的骨密度。

Description

用双向逼近法测定骨中声速的方法

技术领域

本发明涉及测定超声波在骨骼中传播速度的方法，属测量技术领域。

背景技术

骨骼是人体重要组成部分，它对人体的运动、生长、发育起着不可或缺的作用。但因衰老、外力损伤、肿瘤等因素都会引起骨骼质量的改变。因此测定骨骼矿物质密度是临床医学中一个重要的监测指标。

超声波是超出人耳听力，频率在20KHz以上的声波。超声波在不同的介质中传播时，因介质的物理特性不同而具有不同的声速，换言之，它在正常骨骼和非正常骨骼中具有不同的传播速度，由此即可区分出骨质疏松，骨折病人或正常人群。

1989年，R.P.Heaney在一篇论文中提出：声波在骨中沿纵向传播的速度和骨的密度之间存在如下关系：

D＝KV_L

式中D为骨密度，V_L声波纵向传输速度，K为常数。

由此可见，骨质密度和声波在骨中传播速度之间，存在一个函数关系，因此只要测出纵向骨声速就可计算出骨质密度。

在采用超声波测量时，一般以长骨为测量对象，这主要是因为胫骨和桡骨更便于操作。但测量中发现，骨骼外围软组织对测量结果存有干扰，软组织声速慢于骨声速，且其厚度具有不确定性，更由于软组织的柔软性导致探头与被测骨平面难以保持平行，因而带来测量误差。

为了解决软组织对测量的影响，俄国专利SU1,342,479利用一个发射器和两个接受器，通过计算两个不同位置(相距为d)的接收器收到同一超声波信号的时间差，以抵消软组织的影响，并计算出骨声速V＝d/Δt。这种方法仅在三个超声器件与被测骨骼平行时测量结果才能反映出被测骨段的声速，但在实际测量时，因为软组织的柔软性而导致探头随时摆动，要求探头和骨表面保持平行是很难办到的。

为此，以色列科学家Edward Kantorovich等人在1998年提出一个含有四个自变量V_S(软组织声速)、V_B(骨声速)、φ(探头与受测骨的夹角)以及h(探头与骨骼平均距离)的四元联立方程组，求解该方程组，即可求得骨声速。但随之带来的问题是，解一个包括三种三角函数在内的四元联立方程组又何其复杂，即使将其中的一个变量V_S用一经验常数来代替，却仍然解决不了它求解过程的复杂性，相应地，也就影响了这种测量方法的实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种更简便、更快捷，不用估算数据和复杂计算便能够准确测量出声音在被测骨骼中传播速度的测量方法。

解决上述问题的技术方案是：

一种用双向逼近法测定骨中声速的方法，它包括如下步骤：

a.在覆盖一段骨骼的软组织的外表面设置超声波发射器和超声波接收器，上述超声波发射器和超声波接收器沿上述骨骼的纵轴方向排列、并排列在一条直线上；

b.由超声波发射器向骨骼发射超声波，由超声波接收器接收超声波；

c.所述超声波发射器和接收器是4个既可以工作在发射状态又可以工作在接收状态的超声波元件A1、A2、B1、B2，所述发射接收元件按照A1、A2、B1、B2的顺序排列，并将它置于一个探头壳体中，各发射接收元件安装在一条轴线上，A1、A2之间的距离与B1、B2之间的距离相等；均为L。

d.首先由A1、A2作为两个超声波发射器发射超声波，B1、B2作为接收器接收超声波；

e.确定接收器B1接收到发射器A1发射的超声波时间为T1，确定接收器B2接收到发射器A2发射的超声波时间为T2，接收器B1接收到发射器A2发射的超声波时间为T3。

f.然后由B1、B2作为发射器发射超声波，A1、A2作为接收器接收超声波；

g.确定接收器A1接收到发射器B1发射的超声波时间为T1’，确定接收器A2接收到发射器B2发射的超声波的时间为T2’，确定接收器A2接收到发射器B1发射的超声波的时间为T3’，

h.循环重复上述d、e、f、g步骤，使超声波发射接收器A1、A2和B1、B2交替发射超声波和接收超声波；

i.比较T1、T2’或T2、T1’，当T1＝T2’或T2＝T1’时，声波在该段骨骼内的传播速度可以用下列公式计算：

V＝L/ΔT

其中L为超声波发射接收器A1与A2之间或B1与B2之间的距离，ΔT＝T2-T3为两个超声波接收器B1、B2接收到超声波发射器A2发射的同一超声波脉冲的时间差，或ΔT＝T1’-T3’为两个超声波接收器A1、A2接收到超声波发射器B1发射的同一超声波脉冲的时间差。

上述用双向逼近法测定骨中声速的方法，测量时探头可在覆盖被测量骨骼的软组织的外表面轻微移动，当测量时间T1＝T2’或T2＝T1’时，停止移动并保持探头的位置，记录此时的参数T1、T2、T1’、T2’。

上述用双向逼近法测定骨中声速的方法，所述A1、A2、B1、B2发出的超声波的波长相同。

上述用双向逼近法测定骨中声速的方法，所述入射角α在10～25度之间选择。

上述用双向逼近法测定骨中声速的方法，所述各超声波发射器发出的超声波时间和超声波到达各接收器的时间数据输送到微处理器中，由微处理器对各个时间参数T1、T2、T3、T1’、T2’、T3’进行比较，当测量时间T1＝T2’或T2＝T1’时，微处理器根据事先设置的条件发出测量开始信号，记录下超声波所用时间，计算出骨声速。

采用本发明提供的方法，消除了覆盖在被测量骨骼的软组织的干扰，计算方法中没有假设的变量值，，科学的选择临界角可以使测量骨骼中超声波传播的速度更为精确、更为简便，更为快捷，也更易于推算出所求的骨密度。

附图说明

图1是本发明测定骨骼中声速的原理示意图；

图2是利用“双向逼近法”，消除倾角的原理示意图；

图3是测量装置构成示意图。

图中标号P为探头，D为探头隔音带。

具体实施方式

从背景技术可知，当超声波发射到骨表面以后，和其它类型的波一样，从声疏性物质到声密性物质时会发生类似光的折射现象，经过骨表面折射后大部分声波会散射开，只有沿某一角度α发射到骨表面的声波，其折射方向正好与骨表面平行，并在骨表面前进一段路程后，又以相同的出射角α从骨表面反射出来，我们所能利用的就是这部分(参见图1)，其入射角α便称为临界角。入射角α也是超声波发射接收器中换能器工作面的倾斜角度。由于这束超声波是在纵向沿着骨表面行进的，我们只要测出它在骨表面行进的时间和距离就可算出超声波在骨中的声速。但同时，超声波在到达骨骼表面和反射到皮肤表面时在骨周围的软组织中要经过两段路程，同样消耗了时间。由于探头压在皮肤上时因用力不均，通常会产生一个倾斜角，即骨骼的表面和仪器探头上超声波元件所在的平面是不平行的。当超声波穿透皮肤时，其发射路程和返回到接收器路程是不同的，增加了在软组织中行进的时间，从而影响了测量结果的精确度。计算超声波在骨骼中的传播速度时，要去除骨骼周围软组织对测量结果的影响，就必须保证超声波在软组织中的发射路径和接收路径长度相同，才能保证探头表面与骨表面平行，从而准确计算出超声波在骨骼中的传播速度。现有技术中没有很好地解决这个问题。

图1显示在一个探头中安装了4个超声波发射接收器件A1、A2、B1、B2(也可以采用更多的发射接受器件)，它们兼有发射和接收超声波的功能，在探头内按照A1、A2、B1、B2的顺序连续沿轴线排列。器件A1、A2之间的距离和器件B1、B2之间的距离相等，均为L。超声波发射接收器件均采用压电陶瓷件。

当器件A1、A2作为超声波发射器发射超声波时，器件B1、B2则作为接收器接收超声波。

接收器B1接收到A1发射的超声波的时间为：

T1＝t1+t1’+t1”，其中t1’和t1”分别为发射器A1发射的超声波进入和反射出的软组织的时间，t1是该超声波在骨骼中经过的时间。

接收器B2接收到发射器A2发射的超声波的时间为：

T2＝t2+t2’+t2”，其中t2’和t2”分别为发射器A2发射的超声波进入和反射出的软组织的时间，t2是该超声波在骨骼中经过的时间。

接收器BI接收到发射器A2发射的超声波的时间为：

T3＝t3+t3’+t3”，其中t3’和t3”分别为发射器A2发射的超声波进入和反射出软组织的时间，t3是该超声波在骨骼中经过的时间。

然后将器件B1、B2作为超声波发射器发射超声波，器件A1、A2则作为接收器接收超声波。

这时可以得到接收器A1接收到发射器B1发射的超声波的时间为T1’，接收器A2接收到发射器B2发射的超声波的时间为T2’，接收器A2接收到发射器B1发射的超声波的时间为T3’，上述时间内都包括超声波进入和反射出软组织的时间。

循环重复上述步骤，使器件A1、A2和B1、B2交替发射超声波和接收超声波。

上述交替过程由与A1、A2、B1、B2连接的计算机数据处理装置控制，计算机数据处理装置按照程序指令使A1、A2、B1、B2发射和接收超声波，并且按照一定的时间间隔进行循环测量。

上述所得到的各超声波发射器发出的超声波时间和到达各接收器的时间数据输送到计算机数据处理装置中，由计算机数据处理装置对各个时间间隔T1、T2、T3、T1’、T2’、T3’进行比较。当测量时间T1＝T2’或T2＝T1’时，即A1发出的超声波到达B1的时间与B2发出的超声波到达A2的时间相同，或A2发出的超声波到达B2的时间与B1发出的超声波到达A1的时间相同，则说明两个发射器发射的超声波到达两个接收器所经过的骨骼周围的软组织的距离相同，其时间也就相等，此时探头表面和被测骨表面处于平行位置，这时就可以利用以上公式计算超声波在骨骼中的传输速度。

计算过程如下：

当B1、B2作为超声波接收器接收到A2作为超声波发射器发射的同一超声波脉冲的时间T2、T3是不同的，它们之间有时间差ΔT，由于此时发射器发射的超声波到达接收器所经过的骨骼周围的软组织的距离相同，其时间也就相等，即t1’、t2’、t3’、t1”、t2”、t3”均相等，因此有：

ΔT＝T2-T3＝(t2+t2’+t2”)-(t3+t3’+t3”)

＝t2-t3

＝L/V

因此V＝L/ΔT。

在此公式中，L是已知的B1、B2之间的距离，ΔT是测量出的B1、B2接收到A2发射的同一超声波脉冲的时间差，因此超声波在骨骼中的传输速度V可以很容易计算出。

同理，利用ΔT＝T1’-T3’也可以得到同样的计算结果。

为了更详细地解释其推导过程，以下结合附图作进一步论述。

在图1所示的超声波传播图中，只要测出声波在骨表面行进的时间和距离就可算出超声波在骨中的声速：

V_B＝L_B/T_B                    (2)

其中L_B声波在骨中所走的距离；

T_B声波在骨中所走的时间。

但在图1中可以发现，超声波在骨周围的软组织中也传输了AO和O₁B₁两段路程，同样消耗了时间。由于软组织中皮肤，肌肉和脂肪的密度与骨密度有很大差别，并因人群及健康状况个体差异较大，要想计算出声波在其中的传播速度几乎是不可能的。为此，可以设立多个接收器，如B2B3等，并且它们之间的距离是事先确定的，假定为L。

声波由发射器A到接收器B₁的时间为：

T_A1＝AO/V_S+OO₁/V_B+O₁B₁/V_S    (3)

声波由发射器A到接收器B₂的时间为

T_A2＝AO/V_S+OO₁/V_B+L/V_B+O₂B₂/V_S  (4)

因为O₁B₁＝O₂B₂    (4)式和(3)式相减

T_A2-T_A1＝AO/V_S+OO₁/V_B+L/V_B+O₂B₂/V_S-(AO/V_S+OO₁/V_B+O₁B₁/V_S)＝L/V_B

这样，我们所要求的骨声速为：

V_B＝L/(T_A2-T_A1)         (5)

这样，只要测得超声波到达接收器B₁ B₂的时间差就可算出V_B。

为了提高时间差测量的精确度，我们可以安装两个或两个以上超声波接收器，计算其时间差的平均值。

另外，由于皮肤是个软组织，当将探头压在皮肤上时会因用力不均，产生一个倾斜角，即骨骼的表面和仪器探头上超声波元件所在的平面是不平行的(见图2)，当超声波穿透皮肤时，其发射路程AO是相同的，但其返回到接收器B₁ B₂时的路程即O₁B₁和O₂B₂是不同的，增加了一段在软组织中行进的B₂M的路程，同时增加了在软组织中行进的时间ΔT＝B₂M/V_S，从而影响了测量结果的精确度。

为了解决这一问题，可在探头上增加一个超声波元件A₂，并且它与A₁的距离，与B₁ B₂之间的距离相等，均为L，这样探头上有四个超声波元件，在仪器中增加一个电子触发转换器，使这四个超声波元件，每个既能当超声波发射器，又能当超声波接收器，譬如当A₁，A₂做超声波发射器时，B₁ B₂就当超声波接收器；反之，当B₁ B₂做超声波发射器时，A₁，A₂就当超声波接收器。

从图2中，可以很清晰地看到从A1发出的超声波到达B1所走的路径S₁＝A₁O+OO₃+O₃O₁+O₁B₁和从B₂发出的超声波到达A₂所走的路径S₂＝B₂O₂+O₂O₁+O₁O₃+O₃A₂是不相同的，相差了两个B₂M的距离，这样超声波在软组织中传输的时间就有了时间差ΔT，显而易见只有当皮肤表面和骨表面完全平行时，超声波所传输的路径S₁＝S₂.ΔT＝0。

让仪器中的电子触发转换器，交替发出指令，分别让A₁，A₂(或B₁，B₂)做超声波发射器，让B₁，B₂(或A₁，A₂)做超声波接收器，当它们的行进时间相同，即ΔT＝0时，我们认为此时皮肤表面和骨表面就处于平行位置，记录下这时超声波的传输时间，依据公式(5)就可算出骨声速V_B，并推算出骨密度。我们称这种方法叫“双向逼近法”。

这种方法原理简单，不需要复杂的计算，数据处理由计算机数据处理装置进行，避免了人为的干扰，测量精度高，在实际操作中收到了良好效果。

使用本发明原理的BMD-1000C型超声骨质分析仪，委托某医院随机抽取30例就诊患者(男性15例，女性15例)，进行骨密度检查。并与美国生产的X线双能量骨密度测定仪(DEXA)检测结果进行对比，将测量实际结果进行统计学处理，以分析其相关性，结果见下表1。

	BMD-1000C型(实验组)		DEXA(对照组)
					正常	减低	正常	减低
	17	13	172	11
					合计	17	13	19	11

其中应用双能量X线确诊骨质疏松者11例，而应用超声骨质分析仪诊断骨质疏松13例，其中有两例诊断不符。诊断符合率28/30＝93.3％，说明本发明仪器的准确性符合要求(＞90％)

由于两种检测方法的基本原理不同，其正常值范围及诊断标准也就不同，在SPSS统计软件上，对两组数据进行直线相关分析

$r=\frac{\mathrm{\Σ}(X-\stackrel{\‾}{X})(Y-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$

经SPSS 11.5统计分析结果显示

相关系数r＝0.697  p＝0.000  p＜0.01

因此两种骨质分析仪所测指标呈相关关系，说明本发明的超声骨质分析仪的检测结果真实可靠。

另一组试验数据见下表2：

	本发明(实验组)		SD-1000C型(对照组)
					正常	减低	正常	减低
	19	11	191	10
					合计	19	11	20	10

其中仅有1例诊断与对照组不符，诊断符合率96.67％，大于90％，说明本发明的骨质分析仪的准确性符合要求。表中的SD-1000C型为医疗行业普遍使用的单光子骨矿物质分析仪的型号。

Claims (5)

1.一种用双向逼近法测定骨中声速的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

a.在覆盖一段骨骼的软组织的外表面设置超声波发射器和超声波接收器，上述超声波发射器和超声波接收器沿上述骨骼的纵轴方向排列、并排列在一条直线上；

b.由超声波发射器向骨骼发射超声波，由超声波接收器接收超声波；

c.所述超声波发射器和接收器是4个既可以工作在发射状态又可以工作在接收状态的超声波元件A1、A2、B1、B2，所述元件按照A1、A2、B1、B2的顺序排列，并将它置于一个探头壳体中，A1、A2之间的距离与B1、B2之间的距离相等；

d.首先由A1、A2作为两个超声波发射器发射超声波，B1、B2作为接收器接收超声波；

e.确定接收器B1接收到发射器A1发射的超声波时间为T1，确定接收器B2接收到发射器A2发射的超声波时间为T2，确定接收器B1接收到发射器A2发射的超声波时间为T3；

f.由B1、B2作为发射器发射超声波，A1、A2作为接收器接收超声波；

g.确定接收器A1按收到发射器B1发射的超声波时间为T1’，确定接收器A2接收到发射器B2发射的超声波的时间为T2’，确定接收器A2接收到发射器B1发射的超声波的时间为T3’；

h.循环重复上述d、e、f、g步骤，使超声波发射接收器A1、A2和B1、B2交替发射超声波和接收超声波；

i.比较T1、T2’或T2、T1’，当T1＝T2’或T2＝T1’时，声波在该段骨骼内的传播速度可以用下列公式计算：

         V＝L/ΔT

其中L为超声波发射接收器A1与A2之间或B1与B2之间的距离，ΔT＝T2-T3为两个超声波接收器B1、B2接收到超声波发射器A2发射的同一超声波脉冲的时间差，或ΔT＝T1’-T3’为两个超声波接收器A1、A2接收到超声波发射器B1发射的同一超声波脉冲的时间差。

2.根据权利要求1所述的用双向逼近法测定骨中声速的方法，其特征在于：测量时探头可在覆盖被测量骨骼的软组织的外表面轻微移动，当测量时间T1＝T2’或T2＝T1’时，停止移动并保持探头的位置，记录此时的参数T1、T2、T1’、T2’。

3.根据权利要求2所述的用双向逼近法测定骨中声速的方法，其特征在于：所述A1、A2、B1、B2发出的超声波波长相同。

4.根据权利要求3所述的用双向逼近法测定骨中声速的方法，其特征在于：所述入射角α在10～25度之间选择。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的用双向逼近法测定骨中声速的方法，其特征在于：将所述各超声波发射器发出的超声波时间和超声波到达各接收器的时间数据输送到微处理器中，由微处理器对各个时间参数T1、T2、T3、T1’、T2’、T3’进行比较，当测量时间T1＝T2’或T2＝T1’时，微处理器根据事先设置的条件发出测量开始信号，记录下超声波所用时间，计算出骨声速。

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