CN205338953U - 一种骨密度检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种基于磁共振T₂弛豫时间谱的骨密度检测设备，基于磁共振T₂弛豫时间谱检测骨密度，包括计算机控制终端、单板磁共振控制器单元、信号放大及开关控制单元和磁体单元；单板磁共振控制器单元包括频率合成及激励信号发射部分和数字检波及数字信号处理部分；所述信号放大及开关控制单元包括低噪声前置放大器、射频放大器、射频开关和Q-switch开关；该设备可应用于骨质疏松症的鉴别，具有快速、无损分析测定骨密度，评价骨质量等功能，具有对生物体完全无害，设备结构简单、体积小、重量轻，测量精度高、操作简便、测量方法可重复性强等优点。

Description

一种骨密度检测设备

技术领域

本实用新型属于磁共振技术领域，涉及生物骨密度检测，尤其涉及一种基于磁共振T₂弛豫时间谱的骨密度检测设备。

背景技术

骨骼是人体中最基本也最为重要的生理结构之一。随着年龄的增长，人们大都存在骨量流失的情况；如果骨量流失特别严重，就会发生骨质疏松症。骨质疏松症不仅会增加骨折的风险，还会造成多种并发症，严重威胁着人类健康。

一般来说，骨质疏松症患者的骨骼结构没有特别明显的变化，变化比较显著的是骨骼的质量(Quality)。为了将骨骼的质量(Quality)定量化，一般选取骨矿物质密度BMD(BoneMineralDensity)作为衡量骨质量的参数。现行测量BMD数据的主要方法有单光子吸收测定法、双能X射线吸收测定法、定量CT法和超声波测定法。

单光子吸收测定法由于准确度低、重复性差，已经逐渐淘汰。大多数情况下，采用双能X射线吸收测定法测定骨密度BMD数据。双能X射线吸收测定法，又称DEXA(DualEnergyX-rayAbsorptiometry)，其基本原理是根据透过组织的两束不同能量的X线光束里电子数目以及能量的减少，来定量分析透过组织的厚度与密度。DEXA是现行的主流诊断方法，技术成熟且其测定的骨密度数据可以在一定程度上反映骨骼质量的好坏。但是不同厂家的产品、不同操作员去测量，骨密度数据存在差异性。更严重的是该方法存在一定剂量的X射线辐射，对于人体有一定损伤，不宜频繁测量，骨密度数据的跨时间比较受到限制。

定量CT的方法又称QCT(QuantityComputedTomography)，可以在现有的计算机断层扫描仪上改进实现，但是需要新增专用的软件。与DEXA不同，它测量的是体积的骨密度数据(g/cm³)，是真实的密度数据。但是QCT的辐射剂量高于DEXA，且设备庞大、费用昂贵，难以推广。

超声测定的方法实际上测量的不是骨密度数据，而是根据测量的声波的声速值SOS(SpeedofSound，单位：m/s)和宽带超声波衰减值BUA(BroadbandUltrasoundAttenuation，单位：dB/MHz)经过计算得到定量超声波骨强度QUS(QuantityUltrasoundStiffness)数据。QUS测量方法与DEXA测量方法相比，不存在电离辐射，对身体无害。但是经过试验对比，QUS数据与DEXA测得的BMD数据相比，相关性较低，准确性无法保证，只具有一定的参考价值，很难用于临床测量诊断。

近几年随着磁共振成像技术的不断发展，由于其具有完全无创、精确度高等特点越来越受到医学领域的重视。磁共振成像技术在骨科中的应用发展尤其迅速，主要应用于骨骼创伤、骨肿瘤和软组织病变等方面的鉴别与诊断。但是，现有的磁共振成像设备和方法采集回波时间较长，不能够采集到极短回波时间下的骨组织信号，较少应用于对骨密度的检测中。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于磁共振T₂弛豫时间谱的骨密度检测设备，通过设计磁共振硬件设备缩短设备回波时间至超短回波时间UTE(Ultra-shortEchoTime，范围即回波时间短于100微秒)，能够采集到T₂弛豫时间极短的骨组织信号，再经过数学反演得到T₂弛豫时间谱等数据，进一步将T₂弛豫时间谱与定量测定的骨密度数据相结合，最终达到正确测量骨密度的目的。

本实用新型提供的技术方案是：

一种骨密度检测设备，所述检测设备基于磁共振T₂弛豫时间谱检测骨密度，包括计算机控制终端1、单板磁共振控制器单元2、信号放大及开关控制单元3和磁体单元4，所述计算机控制终端1连接单板磁共振控制器单元2，单板磁共振控制器单元2与信号放大及开关控制单元3相连接，信号放大及开关控制单元3和磁体单元4相连接；所述计算机控制终端1用于控制整套设备系统的工作流程，同时接收并处理所述单板磁共振控制器单元2采集的信号，得到T2弛豫时间谱；所述单板磁共振控制器单元2用于产生磁共振序列并采集得到原始磁共振信号；所述信号放大及开关控制单元3用于放大采集到的信号和控制射频线圈的开关；所述磁体单元4用于保持检测区域环境的恒温和构建区域静磁场。

上述骨密度检测设备中，进一步地，所述单板磁共振控制器单元2包括频率合成及激励信号发射部分5和数字检波及数字信号处理部分6；所述信号放大及开关控制单元3包括低噪声前置放大器7、射频放大器8、射频开关9和Q-switch开关10；所述频率合成及信号发射激励部分5产生磁共振激励信号序列，经过射频放大器8传输至射频线圈，此时射频开关9为信号激励状态；射频线圈在信号序列激励样本后经射频开关9及Q-switch开关10的共同控制，切换至信号采集状态，采集得到原始磁共振信号；所述原始磁共振信号经低噪声前置放大器7放大后，由数字检波与数字信号处理部分6进行预处理后传输回计算机控制终端1，由计算机控制终端1处理所述信号得到T2弛豫时间谱，作为检测得到的最终数据结果。

上述骨密度检测设备中，进一步地，所述单板磁共振控制器单元2将多个高度集成的电子芯片集成在一块电路板上，用于实现磁共振测量功能；本实用新型实施例中，所述电路板的尺寸为"220mm×100mm"，极大地简化了磁共振设备的结构，使得设备具有便携性和可移动性；多个高度集成的电子芯片主要包括德州仪器(TI)生产的数字信号处理(DSP)芯片LF2407、ALTERA公司生产的现场可编程门阵列FPGA(Field－ProgrammableGateArray)芯片EP3C55F484C8、FPGA的供电芯片(型号为TPS74401)、FPGA的配置芯片EPCS16和数模转换(DA)芯片AD9742。

上述骨密度检测设备中，进一步地，所述单板磁共振控制器能够缩短设备回波时间至超短回波时间UTE(Ultra-shortEchoTime，范围即回波时间短于100微秒)，能够采集到T₂弛豫时间极短的骨组织信号。

上述骨密度检测设备中，进一步地，Q-switch开关10是带有线圈品质因子切换开关(Q-switch)，通过该Q-switch开关可以使线圈在激励信号发射与磁共振信号接收两种工作模式之间快速转换，极大缩短磁共振信号采集时间，从而采集到骨骼组织本身极短衰减时间的磁共振信号。

上述骨密度检测设备中，进一步地，所述磁体单元4包括温控装置11、永磁体12与发射和接收用线圈13；所述永磁体12提供主频为10.71MHz的磁场；所述永磁体12是一种开放式的可移动磁体，样品口径达120mm，不仅适用于各种小动物的骨组织测量，而且适用于人体前臂骨组织等测量对象体积较大的情况，满足多种条件下的测量需求。

上述骨密度检测设备在工作时，首先测量骨骼中水分子磁共振横向弛豫衰减信号，然后通过数学反演方法得到相应的T₂弛豫时间谱，再通过分析T₂弛豫时间谱上的各峰值确定骨小梁之间孔隙的结构特征，最后通过回归分析数据处理方法得到生物的骨密度数据；具体地，首先将一组测量样本置于所述骨密度检测设备的磁场中心位置进行测量，得到每组测量样本的原始磁共振信号，作为每组测量样本的自旋回波数据；再将测得的自旋回波数据进行数学反演处理，得到T₂弛豫时间谱；通过建立T₂弛豫时间与生物骨密度之间的线性对应关系，计算得到检测骨密度，完成骨密度检测。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过设计磁共振硬件设备，缩短设备回波时间至超短回波时间UTE(Ultra-shortEchoTime，范围即回波时间短于100微秒)，能够采集到T₂弛豫时间极短的骨组织信号，再经过适当的数学反演得到T₂弛豫时间谱等数据，进一步将T₂弛豫时间谱与定量测定的骨密度数据相结合，最终达到正确测量骨密度的目的。

本实用新型提供检测设备首先测量骨骼中水分子磁共振横向弛豫衰减信号，然后通过数学反演方法得到相应的T₂弛豫时间谱，再通过分析T₂弛豫时间谱上的各峰值确定骨小梁之间孔隙的结构特征，最后通过回归分析数据处理方法得到生物的骨密度数据；本实用新型可应用于骨质疏松症的鉴别，具有快速、无损分析测定骨密度，评价骨质量等功能，与常规的使用X射线测量方法的设备相比，具有对生物体完全无害，设备结构简单、体积小、重量轻，测量精度高、操作简便、测量方法可重复性强等优点。

附图说明

图1是磁共振自旋回波(CPMG)测量序列时序图。

图2是本实用新型实施例中的超短回波生物骨骼磁共振弛豫谱测量设备的结构框图；

其中，1—计算机控制终端1；2—单板磁共振控制器单元；3—信号放大及开关控制单元；4—磁体单元；；5—频率合成及激励信号发射部分；6—数字检波及数字信号处理部分；7—低噪声前置放大器；8—射频放大器；9—射频开关控制；10—Q-switch开关；11—温控装置；12—永磁体；13—发射和接收用线圈。

图3是本实用新型提供的磁共振T₂谱检测骨密度的测量设备工作流程框图。

图4是本实用新型实施例中12月龄大鼠股骨典型样本T₂弛豫时间谱。

图5是本实用新型实施例中12月龄大鼠股骨T₂弛豫时间-平均骨密度最小二乘法拟合直线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。

本实用新型提供一种用于骨密度测量的设备，用于提升骨密度数据测量的准确性、可重复性和安全性，使得检测数据能够更为准确的反映骨骼质量的好坏，并减少对医务人员和病患的放射危害。

本实用新型通过设计磁共振硬件设备，缩短设备回波时间至超短回波时间UTE(Ultra-shortEchoTime，范围即回波时间短于100微秒)，能够采集到T₂弛豫时间极短的骨组织信号，再经过适当的数学反演得到T₂弛豫时间谱等数据，进一步将T₂弛豫时间谱与定量测定的骨密度数据相结合，最终达到正确测量骨密度的目的。

T₂弛豫时间又称横向弛豫时间，是氢原子发生自旋-自旋弛豫时，横向磁化矢量分量(即磁化矢量在三维坐标系中x、y方向的分量)由最大值衰减至0所需的时间。弛豫期间磁化强度矢量的横向分量M_x、M_y，如式1和式2所示：

$M_x\left(t\right)=M_x\left(0\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)e^{-t/T_2}$ (式1)

$M_y\left(t\right)=M_y\left(0\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)e^{-t/T_2}$ (式2)

式1和式2中，T₂为弛豫时间；M_x和M_y分别为弛豫期间磁化强度矢量的横向分量；M_x(0)和M_y(0)分别为t＝0时磁化强度矢量的横向分量；t为从T₂弛豫开始时(t＝0)所经历的时间；ω₀为磁化矢量分量的拉莫进动频率。

在实际测量中，由于主磁场总存在一定的不均匀性，M_x、M_y的衰减极大地加快，相应的T₂弛豫时间变为如式3所示：

$\frac{1}{{T_2}^{*}}=\frac{1}{T_2}+\frac{1}{T_{2m}}$ (式3)

式3中，T_2m是由于主磁场不均匀性引起T₂弛豫时间变化的部分；T₂为真实的T₂弛豫时间；为T_2m和T₂共同作用下测量到的T₂弛豫时间。为了消除主磁场不均匀性的影响，采用自旋回波脉冲序列进行测量。图1是磁共振自旋回波(CPMG)测量序列时序图，如图1所示，该测量序列的过程是：

(1)在长为TR的恢复时间内，在时间t＝0时发射一个90°射频脉冲；

(2)在t＝τ＝TE/2时发射一个180°射频脉冲，由于横向磁化矢量分量先聚相后散相，此时在接收线圈中将出现一个幅值先增长、后衰减的磁共振信号(即自旋回波信号)，该信号在t＝2τ＝TE时间处出现最大值；

(3)每隔时间2τ发射一个180°射频脉冲，共重复n次(n＝1,2,3……，n的数值可以自选)，即得到一组信号幅值不断减小的自旋回波信号。

通过对上述过程测量得到的自旋回波信号进行数学反演即可求得T₂弛豫时间谱，通过T₂弛豫时间谱可以得到不同样品组分对应的T₂弛豫时间分布。

动物包括人类的股骨主要成分为皮质骨，其基本特征为骨小梁组成的孔隙状结构。而骨小梁之间的孔隙中存在少量结合水和自由水。不同孔隙大小中的水分子发生表面弛豫时的T₂弛豫时间不尽相同，大孔隙对应的T₂弛豫时间较长，小孔隙对应的T₂弛豫时间较短。通过将常规骨密度测量数据与T₂弛豫时间谱值数据进行对比分析，就可实现用T₂弛豫时间谱来反映被测样本的骨密度大小的目的。实际应用中，通过将常规骨密度数据与T₂弛豫时间谱上约在300～500μs之间的峰值数据进行对比分析，就可用T₂弛豫时间来反映被测样本的骨密度大小。

本实用新型采用T₂弛豫时间谱测量，提供了用于生物骨密度测量的完备装置，具体是：

一种超短回波时间磁共振测量装置，该装置主要包括一个测量口径120mm、主磁场频率10MHz的可移动式永磁体、高速线圈品质因子切换开关和高度集成的小型单板磁共振控制器；

图2为本实用新型提供的磁共振T₂弛豫时间分析测定生物骨密度的设备的结构图，包括计算机控制终端1、单板磁共振控制器单元2、信号放大及开关控制单元3和磁体单元4共计四个部分。其中，单板磁共振控制器单元2主要包括频率合成及激励信号发射部分5和数字检波及数字信号处理部分6。信号放大及开关控制单元3包括低噪声前置放大器7、射频放大器8、射频开关控制9和Q-switch开关10。磁体单元4包括温控装置11、永磁体12与发射和接收用线圈13。

上述测定生物骨密度的设备在工作时，计算机控制终端1控制整套系统的工作流程，单板磁共振控制器单元2负责磁共振序列的产生和信号的采集，信号放大及开关控制单元3用于实验室采集到的信号放大及射频线圈的开关控制作用，磁体单元4用于实验区域的恒温以及静磁场区域的构建。具体工作时，计算机控制终端下达指令，从单板磁共振控制单元中频率合成及信号发射激励部分产生磁共振激励信号序列，经过射频放大器传输至发射与接收用线圈，此时射频开关为信号激励状态；射频线圈在信号序列激励样本后经射频开关控制及Q-switch的共同控制，切换至信号采集状态，采集原始磁共振信号，经低噪声前置放大器放大原始信号后，由数字检波与数字信号处理部分预处理后传输回计算机控制终端，最终由计算机控制终端处理信号得到T₂弛豫时间谱，作为最终数据结果。

上述测定生物骨密度的设备，可以正确拟合出骨密度-T₂弛豫时间定标线并应用于骨密度的测量和计算得到对应骨骼的骨密度。通过本实用新型提供的上述磁共振T₂弛豫时间分析测定生物骨密度的设备，采集得到T₂弛豫时间极短的骨组织信号(即原始磁共振信号)，再经过数学反演得到T₂弛豫时间谱等数据；本实用新型在检测过程中，将T₂弛豫时间与生物骨密度之间存在的线性对应关系通过标线公式(式4)表示：

BMD＝K·T₂+C(4)

上式中，BMD为骨密度(BoneMineralDensity，g/cm²)，T₂(单位：μs)为被测样品皮质骨的T₂弛豫时间数据，K(单位：g/(cm²﹒μs))、C(单位：g/cm²)为常数。根据我们的研究结果，K值和C值随着生物种类不同、性别不同、年龄不同等因素有着不同的取值。在实际应用中，需要先定量测量一定样本量的生物骨组织的骨密度，然后采用回归分析得出生物所在组别的K值和C值，再根据式4测定得到骨密度。由于本测量安全无害，可以进行多次测量，从而方便使用者根据骨密度的大小来判定是否骨质疏松以及骨质疏松症发生和发展的过程。

图3是本实用新型提供的磁共振T₂谱检测骨密度的测量设备工作流程框图。以下以大鼠离体股骨(但不限于股骨)骨密度测定为例(生物种类不限于大鼠)，详细说明本实用新型的T₂弛豫时间分析测定生物骨密度设备具体的工作过程。

步骤1)测量样本准备：取编号为1～10的12月龄卵巢摘除的大鼠离体股骨进行实验，其中1～5组为骨质疏松组，6～10组为对照组(骨质正常)；大鼠体长20cm，体重600克；

步骤2)测量仪器准备：打开超短回波生物骨组织磁共振弛豫谱测量设备，待设备温度恒定；选取添加弛豫试剂的水作为基本定标物，确定磁场偏置、增益大小、90°及180°脉冲长度等参数；

步骤3)仪器参数选择：选取的具体测量参数为磁场主频10.71MHz(由永磁体12提供)，回波间隔时间TE＝100μs，扫描累加次数4次，恢复时间1000毫秒，采样点数1024个(上述参数数据对应于磁共振激励信号序列基本参数)。每次测量将一组(每组一根股骨)测量样本置于磁共振设备的磁场中心位置进行测量，得到每组对应的自旋回波数据(即原始磁共振信号)；

步骤4)定标数据处理：将测得的自旋回波数据通过设定的反演参数进行数学反演处理，得到T₂弛豫时间分布即T₂弛豫时间谱，附图4为本实验中三组典型的T₂弛豫时间谱。然后将不同样本的T₂弛豫谱与双能X射线骨密度仪测定得到的相应骨密度数据进行回归分析，得到标线公式(4)中的K值和C值；

步骤5)骨密度测量：通过回归分析得到K值和C值；确定K和C值后，通过测量T₂弛豫时间谱；通过最小二乘法进行线性拟合得到标线公式；结合标线公式，即可以对其它大鼠股骨进行快速测量(测量时间小于0.5分钟)。具体操作步骤为：首先使用本实用新型测得相应大鼠样本的股骨T₂弛豫时间谱，取T₂时间谱中在300-500μs之间谱峰的峰值T₂弛豫时间，将相应样本的T₂弛豫时间与其用DEXA方法测得的骨密度数据对应，共测得10组样本。对测得的一一对应的T₂弛豫时间-骨密度数据进行最小二乘法线性拟合，可以得到相应的标线公式。

T₂弛豫时间与生物骨密度之间存在线性对应关系，对应的标线公式为式4。

如下表1中的数据，随着股骨骨密度的增加，其对应的在300～500μs之间的T₂弛豫时间峰值逐渐缩短。对于表1中的数据，采取最小二乘法进行线性拟合，所得标线公式如上述公式(4)所示。附图5为本实验中利用最小二乘法拟合出的定标直线的示意图。

表112月龄大鼠的股骨密度数据及其对应的T₂弛豫时间

表2列出了12月龄大鼠股骨对应的K值和C值。根据所得相关系数可以判断，T₂弛豫时间谱中300～500μs之间的峰值与骨密度数据的相关程度很高，可以用式4的线性关系来描述二者的联系，从而可以看出采用T₂弛豫时间谱方法可以准确测定骨密度。

表212月龄大鼠股骨密度-T₂弛豫时间拟合参数值

组别	K值(g/(cm2﹒μs))	C值(g/cm2)	相关系数R值
				12月龄	-0.0005	0.4950	0.9255

为验证所得标线公式的准确性，选取同一批编号为1～5的12月龄卵巢摘除大鼠离体股骨进行验证实验。首先测量得到5组样本的T₂弛豫时间谱，再根据上述实验测得的标线公式，计算得出相应的骨密度数据。如下表3中所示，BMD1为利用DEXA方法测得的大鼠股骨骨密度数据，T₂弛豫时间为利用本方法测得的相应弛豫时间数据，BMD2为利用定标线公式计算得出的骨密度数据，Δ为BMD2与BMD1的差值，误差比例为Δ占BMD2的百分比。根据误差比例，5组样本的误差比例绝对值均小于5％，可见本实用新型提供设备和方法精度较高，故可以用该方案替代现有的DEXA准确测量骨密度数据。

表3BMD＝K·T₂+C骨密度计算公式验证数据

编号	BMD1(g/cm2)	T2弛豫时间(μs)	BMD2(g/cm2)	Δ(g/cm2)	误差比例(％)
						1	0.2658	460	0.2650	-0.0008	-0.30
2	0.2734	425	0.2825	0.0091	3.22
						3	0.2852	400	0.2950	0.0098	3.32
4	0.2955	370	0.3100	0.0145	4.68
						5	0.3020	400	0.2950	-0.0070	-2.37

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种骨密度检测设备，其特征是，所述检测设备基于磁共振T₂弛豫时间谱检测骨密度，包括计算机控制终端(1)、单板磁共振控制器单元(2)、信号放大及开关控制单元(3)和磁体单元(4)，所述计算机控制终端(1)连接单板磁共振控制器单元(2)，单板磁共振控制器单元(2)与信号放大及开关控制单元(3)相连接，信号放大及开关控制单元(3)和磁体单元(4)相连接；所述单板磁共振控制器单元(2)用于产生磁共振序列和采集得到原始磁共振信号；所述信号放大及开关控制单元(3)用于放大采集到的信号和控制射频线圈的开关；所述磁体单元(4)用于保持检测区域环境的恒温和构建区域静磁场；所述计算机控制终端(1)用于控制整套设备系统的工作流程，同时接收并处理所述单板磁共振控制器单元(2)采集到的信号从而得到T2弛豫时间谱。

2.如权利要求1所述骨密度检测设备，其特征是，所述单板磁共振控制器单元(2)包括频率合成及激励信号发射部分(5)和数字检波及数字信号处理部分(6)；所述单板磁共振控制器单元(2)将多个高度集成的电子芯片集成在一块电路板上，用于实现磁共振测量功能。

3.如权利要求2所述骨密度检测设备，其特征是，所述电子芯片包括DSP芯片、FPGA芯片、FPGA的供电芯片、FPGA的配置芯片和DA芯片。

4.如权利要求1所述骨密度检测设备，其特征是，所述信号放大及开关控制单元(3)包括用于将所述原始磁共振信号进行放大的低噪声前置放大器(7)、用于将单板磁共振控制器单元(2)产生的磁共振激励信号序列传输至射频线圈的射频放大器(8)、射频开关(9)和Q-switch开关(10)；所述Q-switch开关(10)是带有线圈品质因子切换开关，通过所述Q-switch开关使得射频线圈在激励信号发射工作模式与磁共振信号接收工作模式之间快速转换。

5.如权利要求1所述骨密度检测设备，其特征是，所述磁体单元(4)包括温控装置(11)、永磁体(12)与发射和接收用线圈(13)；所述永磁体(12)是一种开放式的可移动磁体，提供主频为10.71MHz的磁场。

6.如权利要求5所述骨密度检测设备，其特征是，所述永磁体(12)的样品口径达120mm。