CN1846628A - 用时间极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法 - Google Patents

Abstract

用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，属测量技术领域，所要解决的问题是提出一种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方法，其技术方案是：在覆盖一段骨骼的软组织的外表面设置超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂，它们按A₁，B₁，B₂顺序排列，并置于一个探头壳体中；探头的超声波发射信号和接收信号与仪器信号处理单元相连接；由超声波发射器A₁向骨骼发射超声波，由超声波接收器B₁、B₂接收超声波T₁、T₂；在覆盖被测量骨骼的软组织的外表面轻微移动测量探头，由仪器信号处理单元自动记录下所测得的T₁，T₂值，得到最大的T₁值时，按照公式V_B=L/T₂－T₁计算出超声波在骨表面的声速。

Description

用时间极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法

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，因介质的物理性质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病人、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：

$D={{\mathrm{KV}}_L}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中D为骨密度，V_L为声波纵向传输速度，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利用一发射器和两个接收器，通过计算两个不同位置(相距L₁)的接收器受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＝L₁/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，但在实侧量时，因为软组织的柔软性而导探头随时摆动，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，即使作者将其中的一个变量V_S用一经验常数来代替，却仍然解决不了它解题过程的复杂性，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：

一种用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，它包括如下步骤：

a、在复盖一段骨骼的软组织的外表面设置超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂，上述超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂沿上述骨骼的纵轴排列，并排列在一条直线上；

b、超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂按A₁，B₁，B₂顺序排列，并置于一个探头壳体中，且B₁，B₂之间的距离为L；

c、将超声波发射信号和超声波接收信号输送至微处理器；

d、由超声波发射器A₁向骨骼发射超声波，由超声波接收器B₁、B₂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A₁发射的超声波时间为T₂；

f、在覆盖被测量骨骼的软组织的外表面轻微移动测量探头，由微处理器自动记录下所测得的T₁，T₂值；

G、仪器信号理单元对探头所传回来的T₁值进行比较，保留T₁值较大的，而摒弃较小值，直到得到最大的T₁值时，按照公式 $V_B=\frac{L}{T_2-T_1}$ 计算出超声波在骨表面的声速，并同时显示在显示器上。

上述用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，可使用1个或1个以上的超声波发射器。

上述用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，可使用两个或两个以上的超声波接收器。

按照本发明所提供的测量方法，其超声波探头结构简单，操作容易。所有的数据采集、比较处理、计算均由仪器完成，完全避免了人为的干扰，大大提高了测量精度和准确度。

附图说明

图1是利用超声波测量骨声速原理图；

图2是本发明的测量骨声速原理示意图。

图3是测量装置构成示意图。

图中各标号为：1.超声波发生器；2.超声波接受器；3.显示器；4.打印机；P.探头；T.探头下平面；D.隔音带；G.被测骨骼；T和G之间为软组织；αγ.入射角或反射角。

具体实施方式

由图1可知，当超声波探头与骨表面平行时，

$T_1=\frac{A_{1}C}{V_S}+\frac{{\mathrm{CO}}_1}{V_B}+\frac{O_1{B}_1}{V_S}$

$T_2=\frac{A_{1}C}{V_S}+\frac{{\mathrm{CO}}_1}{V_B}+\frac{L}{V_B}+\frac{O_2{B}_2}{V_S}$

因为A₁C＝O₁B₁＝O₂B₂

所以 $T_2-T_1=(\frac{A_{1}C}{V_S}+\frac{{\mathrm{CO}}_1}{V_B}+\frac{L}{V_B}+\frac{A_{1}C}{V_S})-(\frac{A_{1}C}{V_S}+\frac{{\mathrm{CO}}_1}{V_B}+\frac{A_{1}C}{V_S})=\frac{L}{V_B}$

即 $V_B=\frac{L}{T_2-T_1}---\left(2\right)$

然而(2)式的结论只有当探头表面和骨表面处于平行位置时才能成立，但由于皮肤的柔软性，使二者平行是很难办到的。当两者不平行时，首要解决的是如何调整探头位置使它们达到平行。

图2显示，假设探头表面与骨表面有一个斜角φ，我们取A₁和B₁的中点C向骨表面引垂线，得软组织的平均厚度h。

图中A₁E₁＝d·sin，d为A1和B1之间的距离，

A₁F₁＝h-d·sin

同理

式中，临界角α为一定值，而超声波在软组织中行走的距离与倾斜角无关，说明当皮肤厚度一定时，超声波在软组织中所行进的路程和时间为一定值。

现在考虑一下超声波在骨表面所行进的时间。

F₁C＝A₁F₁·tgα＝(h-d·sin)·tgα

O₁F₂＝B₁F₂·tgα＝(h+d·sin)tgα

超声波在骨表面所行走的路程为CO₁.

CO₁＝2d·cos-F₁C-O₁F₂

＝2dcos-(h-d·sin)·tgα-(h+d·sin)·tgα

＝2dcos-2htgα

式中，h、d、α均为定数，所以超声波在骨中所走的距离，只和倾斜角φ有关。并且当φ＝0时，即探头表面和骨表面平行时，超声波在骨表面行进了最长的路程。

CO₁＝2d-2h·tgα                       (6)

这样超声波在骨中所行进的时间

当＝0时，T₁具有最大值

$T_1=\frac{2h}{\cos {\mathrm{\α}\·V}_S}+\frac{2d-2\mathrm{htg\α}}{V_B}---\left(7\right)$

这就说明，当我们移动探头使超声波在软组织和骨表面行进的时间最长时，这时探头和骨表面就处于完全平行的位置。我们称这种方法为《时间极值法》，将仪器获得的此时的T₂值代入公式(2)即可求得此时的骨声速。

本发明采取如下步骤实施测量超声波在骨骼中的传播速度：

a、在复盖一段骨骼的软组织的外表面设置超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂，上述超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂沿上述骨骼的纵轴排列，并排列在一条直线上；

b、超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂按A₁，B₁，B₂顺序排列，并置于一个探头壳体中，且B₁，B₂之间的距离为L；

c、将探头的超声波发射信号和超声波接收信号与仪器信号处理单元相连接，在仪器信号处理单元中装有一套对测试时间的捕捉、处理、计算程序；

d、由超声波发射器A₁向骨骼发射超声波，由超声波接收器B₁、B₂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A₁发射的超声波时间为T₂；

f、在覆盖被测量骨骼的软组织的外表面轻微移动测量探头，由仪器信号处理单元自动记录下所测得的T₁，T₂值；

g、仪器信号处理单元对探头所传回来的T₁值进行比较，保留T₁值较大的，而摒弃较小值，直到得到最大的T₁值时，按照公式 $V_B=\frac{L}{T_2-T_1}$ 计算出超声波在骨表面的声速，并同时显示在显示器上。

本发明可使用1个或1个以上的超声波发射器，也可使用两个或两个以上的超声波接收器。

在本发明中，当探头在皮肤表面轻轻移动结束时，显示器显示出它已捕捉到的超声波在皮肤组织中和骨表面上所行进的最大时间T₁值和此时的骨声速，因此时探头表面已和骨表面处于平行位置，所以这个声速就是我们要求的真正的骨声速，我们称这个方法叫“时间极值法”，采用这种方法探头结构简单，操作简单，所有的数据采集，比较处理，计算均由仪器完成，完全避免了人为的干扰。在实际操作中收到了良好的效果。

使用采用本发明原理的仪器随机抽取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)检测结果进行对比实验，将测量实际结果进行统计学处理，以分析其相关性，见下表1。

	本发明(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-1000X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％，说明本发明的测试准确性符合要求。表中的SD-1000C型为医疗行业广泛使用的单光子骨矿物质分析仪的型号。

Claims (3)

1.一种用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

a、在复盖一段骨骼的软组织的外表面设置超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂，上述超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂沿上述骨骼的纵轴排列，并排列在一条直线上；

b、超声波发射器A₁和超声波接收器B₁、B₂按A₁，B₁，B₂顺序排列，并置于一个探头壳体中，且B₁，B₂之间的距离为L；

c、将超声波发射信号和超声波接收信号输送至微处理器；

d、由超声波发射器A₁向骨骼发射超声波，由超声波接收器B₁、B₂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A₁发射的超声波时间为T₂；

f、在覆盖被测量骨骼的软组织的外表面轻微移动测量探头，由微处理器自动记录下所测得的T₁，T₂值；

g、仪器信号处理单元对探头所传回来的T₁值进行比较，保留T₁值较大的，而摒弃较小值，直到得到最大的T₁值时，按照公式 $V_B=\frac{L}{T_2-T_1}$ 计算出超声波在骨表面的声速，并同时显示在显示器上。

2.根据权利要求1所述的用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，其特征在于：可使用1个或1个以上的超声波发射器。

3.根据权利要求2所述的用极值法测定超声波在骨骼中传播速度的方法，其特征在于：可使用两个或两个以上的超声接收器。

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