CN218391143U - 一种超声骨密度测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了超声骨密度测量系统，其包括上位机、下位机，其中下位机包括骨密度测量仪，骨密度测量仪包括壳体、可调激励模块、可调接收模块、控制处理模块和超声探头，上位机包括BMI指标输入模块，控制处理模块用于接收BMI指标输入模块所输入的信息并处理后形成控制脉冲触发时间和周期的指令信号，可调激励模与控制处理模块信息交互，且激励脉冲的幅值随指令信号同步改变。本实用新型根据输入的目标对象体质，进行激励电压的选取和接收电路增益，从而确保骨密度测量仪既能检测肥胖高大人员，也可以检测极细纤瘦人员，以及老幼等不同体质的人群，且信号一致性较好，降低了后续信号处理电路的要求，以获得准确的骨骼超声声速值。

Description

一种超声骨密度测量系统

技术领域

本实用新型属于医疗器械领域，具体涉及一种超声骨密度测量系统。

背景技术

骨密度测量采用超声骨密度测量仪进行测量，且超声骨密度测量仪具有无辐射、操作方便、价格低廉的特点，用于检测人体骨密度、骨强度等参数，对防治胎儿、婴幼儿缺钙及孕妇、乳母骨质疏松老人骨折/骨损的预防具有很好的参考和指导价值。

根据测量部位的不同，超声骨密度仪主要分为两类：跟骨超声骨密度仪和多部位声骨密度仪，其中多部位声骨密度仪包括桡骨、指骨腔骨、及髋骨等，具有操作简便，扫描速度快，方便大规模数据筛查，而且选取桡骨进行检测，还不会像跟骨测量容易发生交叉感染，可引起脚气、足癣等，可适用于婴儿、儿童、成年、老人等广大群体，具有很好的技术优势和市场前景。

目前，骨密度仪超声骨密度测量的重要指标就是骨骼超声声速值(SOS)。跟骨骨密度仪主要测量穿过脚后跟骨固定长度两侧的时间，从而求得SOS。多部位超声骨密度仪(如桡骨骨密度仪)的基本原理是超声波探头从骨骼外皮肤的一端发射超声波，接收通过骨骼和软组织衰减到达探头另一端的超声波，得出在骨骼中传播的时间，进而测出与骨密度密切相关的骨骼超声声速值(SOS)。

然而，在实际操作中会存在以下技术问题：

1、骨密度仪的系统电路无论是发射端的高压电路或是接收端的数字处理电路，其产生激励高压的幅值、脉宽和频率都是固定的而接收端的各项增益在设备调试后工作时也都是固定的，也就是说，所形成的激励电压和探测灵敏度固定，因此，对不同人群的信号响应差异大，一致性低；

2、骨密度仪的探测深度有限，无法测量特肥胖人群；

3、易受温度影响，SOS结果有一定的偏差；

4、设备整体尺寸较大，户外移动使用不便。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的超声骨密度测量系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采取如下技术方案：

一种超声骨密度测量系统，其包括上位机、下位机，其中下位机包括骨密度测量仪，骨密度测量仪包括壳体、可调激励模块、可调接收模块、控制处理模块和超声探头，其中超声探头包括一组或多组超声换能器，其中每组超声换能器有两个，一个与可调激励模块连通，另一个与可调接收模块连通；每组两个超声换能器相对隔开，且延伸方向相交设置；

可调激励模块采用串联谐振电路，且所形成的激励脉冲的幅值与超声换能器的激发电压呈正比；

可调接收模块采用差分放大电路，以实现0-60dB的一个增益调节变化；

控制处理模块与上位机信息交互，上位机包括人体生理参数的BMI指标输入模块，控制处理模块用于接收BMI指标输入模块所输入的信息并处理后形成控制脉冲触发时间和周期的指令信号，可调激励模与控制处理模块信息交互，且激励脉冲的幅值随指令信号同步改变。

优选地，所述壳体呈截面为方向或圆形的块状，所述超声探头位于所述壳体的一端部，所述控制处理模块靠近所述壳体的另一端部，所述可调激励模块和所述可调接收模块并排间隔且位于所述超声探头和所述控制处理模块之间。结构布局紧凑，而且体积小、便于携带。

优选地，超声探头的工作频率为1MHz～3MHz。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，壳体的端面为平面，每组两个超声换能器均与端面形成15°～35°的倾斜角度。这样能够相当于准确地获得的超声声速(SOS)，同时也可以布局多组。

优选地，在超声探头的超声换能器所在端部的外周形成包覆屏蔽层，且包覆屏蔽层抵触所述壳体的端部内壁并形成防止噪音和电磁干扰区，一组或多组超声换能器均位于包覆屏蔽层内。

也就是说，上述的便携式骨密度仪中超声探头一般由1组到2组互相成一定角度的超声换能器组成。每组超声探头当中有一个为超声波发射探头，与可调激励模块连接，负责向骨骼发射超声波(简称激励探头或者发射探头)；另一个探头为超声波接收探头，与可调接收模块相连接，接收通过骨骼、软组织和皮肤的超声波(简称接收探头)。超声探头的工作频率一般在1MHz～3MHz。激励探头和接收探头倾斜相对放置，其倾斜角度一般在15度到35度左右。为了防止噪声和电磁干扰，探头周边可以用铜膜包覆屏蔽。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，可调激励模块包括储能电感、高速开关二极管、隔离电容、匹配电阻、激励控制器、激励电压输出器，其中所述指令能够控制所述高速开关二极管的闭合或断开。

也就是说，可调激励模块主要负责产生高压激励电压，其与超声探头中的发射探头相连接，驱使超声探头发射超声波。

具体的，采用低压电源的串联谐振电路,该模块主要由储能电感L1、高速开关二极管Q、隔离电容C1、匹配电阻R1组成、激励模块控制器G1、及激励电压输出器Y1。

同时，根据不同目标人体的生理参数，如：年龄、肥胖程度、性别、BMI指标等,根据临床实验中获取得到的经验值,调整控制脉冲T的触发时间来控制高速开关二极管的闭合和断开,就可以实现改变超声探头激发电压的幅值和脉冲频率,产生幅值可调的超声激励脉冲的目的。而超声探头产生的电压与激励脉冲的幅值成正比。

根据本实用新型的又一个具体实施和优选方面，差分放大电路有两个不同调制精度的可变增益放大器且两个可变增益放大器形成级联。

也就是说，可调接收模块主要负责接收超声探头探测到的超声波信号，并进行相应的滤波，增益处理。为了实现增益可调，以满足不同目标人体信号检测的要求，如超肥胖人群就需要极高的增益来实现微弱信号地放大以满足系统检测的需要，系统采用可变增益放大器(VGA)来实现。其主要采用可调增益差分放大电路的方式，可实现0-60dB的一个增益调节变化。为了达到更高要求的增益控制范围和步长，还可以使用级联VGA的形式来实现。两个VGA的调制精度还可不同，从而实现不同精度要求的调节等。

根据本实用新型的又一个具体实施和优选方面，骨密度测量仪还包括分别与所述控制处理模块相连通的体温传感器和环境温度传感器，所述上位机还包括骨骼声速修整模块，其中所述骨骼声速修整模块能够根据体温和环境温度实时变化对所测骨骼声速进行修正。

优选地，体温传感器有多个且设置在所述超声探头所在所述壳体的端部，所述环境温度传感器位于远离所述超声探头的端部或/和侧部。

便携骨密度仪中还有多个温度探测器，其中在超声探头两侧的主要负责实时探测被测人体的体温，在密度仪顶端的温度探测器主要探测环境的温度。探测到的相关温度数据经控制处理模块，经无线或者有线方式上传到上位机软件中，供后续温度补偿使用。

此外，骨密度测量仪还包括设置在壳体内的电源。电源也叫移动电源，其能够提供5-12V的电压输出，以保障设备的正常工作，并可进行充电等，保证可多次使用。移动电源可以内置封在便携骨密度仪内部，通过有线或者NFC等方式进行充电。也可以有一个后盖方便取出电源如移动电源、碱性电池、纽扣电池等进行替换使用。

同时，便携骨密度仪的上位机主要负责接收骨密度仪传输过来的数据，利用安装在上位机中的软件计算被测目标的SOS。上位机的功能还包括接收温度数据进行SOS的修正、输入被测目标信息、智能调节系统工作参数、实时显示测量和统计结果、保存相关结果、出具最终测量报告等。上位机可以是计算机、工程机、笔记本电脑、平板电脑PAD、甚至是智能手机等。

本例中，控制处理模块主要负责进行系统的控制和工作、接收各种测量数据、对被测信号进行相关处理等，包括控制激励电路的参数设置和时序；控制接收电路的可变增益、时序和数据；对探测数据进行处理包括滤波、增益、取包络、计算探测时间TOF等；获取控制温度探测器工作并接收相关数据；实现骨密度仪与上位机的交互等。

由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型可有效解决现有超声骨密度测试仪电路模块固定，调节能力不足的问题，可根据输入的目标对象体质，进行激励电压的选取和接收电路增益，从而确保骨密度测量仪既能检测肥胖高大人员，也可以检测极细纤瘦人员，以及老幼等不同体质的人群，且信号一致性较好，降低了后续信号处理电路的要求，以获得准确的骨骼超声声速值。

附图说明

图1为本实用新型的超声骨密度测量系统的结构示意图；

图2为图1中可调激励模块的电路示意图；

图3为图1中可调增益放大电路的示意图；

其中：1、上位机；10、BMI指标输入模块；11、骨骼声速修整模块；

2、下位机；20、骨密度测量仪；200、壳体；201、可调激励模块；202、可调接收模块；203、控制处理模块；204、超声探头；205、移动电源；206、包覆屏蔽层；207、体温传感器；208、环境温度传感器；a1，a2、超声换能器；A、组超声换能器；Q、防止噪音和电磁干扰区。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本实施例的超声骨密度测量系统，其包括由通讯协议连通的上位机1和下位机2。

上位机1包括人体生理参数的BMI指标输入模块10、骨骼声速修整模块11(接收温度数据进行SOS的修正)。

同时，上位机1还具有被测目标的SOS计算软件，而且还具有辅助功能，例如：智能调节系统工作参数、实时显示测量和统计结果、保存相关结果、出具最终测量报告等功能。

本例中，上位机1可以是计算机、工程机、笔记本电脑、平板电脑PAD、甚至是智能手机等，BMI指标输入模块10、骨骼声速修整模块11、被测目标的SOS计算软件均位于上位机1内。

下位机2包括骨密度测量仪20，骨密度测量仪20包括壳体200、可调激励模块201、可调接收模块202、控制处理模块203和超声探头204、及移动电源205。

具体的，壳体200的截面呈方形或圆形的块状。

本例中，壳体200的正投影呈方形。

可调激励模块201采用串联谐振电路，且所形成的激励脉冲的幅值与超声换能器的激发电压呈正比。

可调接收模块202采用差分放大电路，以实现0-60dB的一个增益调节变化。

控制处理模块203与上位机1信息交互，上位机包括人体生理参数的BMI指标输入模块，控制处理模块用于接收BMI指标输入模块所输入的信息并处理后形成控制脉冲触发时间和周期的指令信号，可调激励模与控制处理模块信息交互，且激励脉冲的幅值随指令信号同步改变。

超声探头204包括两组超声换能器A，其中每组超声换能器A有两个，一个与可调激励模块201连通，另一个与可调接收模块202连通；每组两个超声换能器a1、a2相对隔开，且延伸方向相交设置。

具体的，超声探头204位于方形的下端部，控制处理模块203位于方形的上部，可调激励模块201和可调接收模块202并排间隔且位于超声探头204和控制处理模块203之间。结构布局紧凑，而且体积小、便于携带。

超声探头204的工作频率为1MHz～3MHz。

方形壳体200的底面为平面，每组两个超声换能器均与端面形成20°的倾斜角度。这样能够相当于准确地获得的超声声速(SOS)，同时也可以布局多组。

同时，在超声探头204的超声换能器所在端部的外周形成包覆屏蔽层206，且包覆屏蔽层206抵触壳体200的底面内壁并形成防止噪音和电磁干扰区Q，两组超声换能器A均位于包覆屏蔽层内。

也就是说，上述的便携式骨密度仪(也就是骨密度测量仪20)中超声探头一般由1组到2组互相成一定角度的超声换能器组成。每组超声探头当中有一个为超声波发射探头，与可调激励模块连接，负责向骨骼发射超声波(简称激励探头或者发射探头)；另一个探头为超声波接收探头，与可调接收模块相连接，接收通过骨骼、软组织和皮肤的超声波(简称接收探头)。超声探头的工作频率一般在1MHz～3MHz。激励探头和接收探头倾斜相对放置，其倾斜角度一般在20°度左右。为了防止噪声和电磁干扰，探头周边可以用铜膜包覆屏蔽。

结合图2所示，可调激励模块201采用低压电源的串联谐振电路,该模块主要由储能电感L1、高速开关二极管Q、隔离电容C1、隔离电容C2、两个匹配电阻R1、激励模块控制器G1、及激励电压输出器Y1组成，其中指令能够控制高速开关二极管Q的闭合或断开。

也就是说，根据不同目标人体的生理参数，如：年龄、肥胖程度、性别、BMI指标等,根据临床实验中获取得到的经验值,调整控制脉冲T的触发时间来控制高速开关二极管的闭合和断开,就可以实现改变超声探头激发电压的幅值和脉冲频率,产生幅值可调的超声激励脉冲的目的。而超声探头产生的电压与激励脉冲的幅值成正比。

结合图3所示，可调接收模块202主要负责接收超声探头探测到的超声波信号，并进行相应的滤波，增益处理。为了实现增益可调，以满足不同目标人体信号检测的要求，如超肥胖人群就需要极高的增益来实现微弱信号地放大以满足系统检测的需要，系统采用可变增益放大器(VGA)来实现。其主要采用可调增益差分放大电路的方式，可实现0-60dB的一个增益调节变化。为了达到更高要求的增益控制范围和步长，还可以使用级联VGA的形式来实现。两个VGA的调制精度还可不同，从而实现不同精度要求的调节等。

控制处理模块203主要负责进行系统的控制和工作、接收各种测量数据、对被测信号进行相关处理等，包括控制激励电路的参数设置和时序；控制接收电路的可变增益、时序和数据；对探测数据进行处理包括滤波、增益、取包络、计算探测时间TOF等；获取控制温度探测器工作并接收相关数据；实现骨密度仪与上位机的交互等。

此外，骨密度测量仪20还包括分别与控制处理模块203相连通的体温传感器207和环境温度传感器208，其中骨骼声速修整模块11能够根据体温和环境温度实时变化对所测骨骼声速进行修正。

体温传感器207有多个且设置在超声探头204所在壳体200的端部，环境温度传感器208位于远离超声探头204的端部或/和侧部。

由于人体温度的差异，可能导致测量结果与标准体膜修正结果的差异。因此，本系统在探头的两侧设置了两个软接触的人体体表温度探测器，可实时获取人体表皮的温度，并发送给上位机软件。根据人体温探测器获取的结果，对应查找由测量大数据库得到的不同人体温度对骨骼声速的修正因子，然后对测量的声速进行修正，从而获取高精度的SOS结果。

此外，电源205也叫移动电源，其能够提供5-12V的电压输出，以保障设备的正常工作，并可进行充电等，保证可多次使用。移动电源可以内置封在便携骨密度仪内部，通过有线或者NFC等方式进行充电。也可以有一个后盖方便取出电源如移动电源、碱性电池、纽扣电池等进行替换使用。

此外，需要说明的是：系统自动选择激励和增益，也可以根据操作者的经验或者系统测试结果，人为调整激励电压和接收增益，可在上位机上直接输入相关系统参数，进行系统设置和调整。

综上，本实施例具有以下优势：

1、能够有效解决现有超声骨密度测试仪电路模块固定，调节能力不足的问题，可根据输入的目标对象体质，进行自动的激励电压和接收电路增益的选取和设置(也可以根据操作者的经验或者系统测试结果，人为调整激励电压和接收增益)，从而确保同一设备既能检测肥胖高大人员，也可以检测极细纤瘦人员，以及老幼等不同体质的人群，且信号一致性较好，降低了后续信号处理电路的要求；

2、探测的深度随着两组或多组相对倾斜的探头设计，即使是特肥胖人群也能够准确的获得骨骼超声声速值；

3、为了进一步保证精度骨骼超声声速值，还继承了多个温度探测器，既可以探测环境温度，也可以探测人体表面温度，可对测量结果进行温度的修正；

4、结构简单，体积小，且形成便携式的无线骨密度仪结构，操作更加便捷和轻松。

以上对本实用新型做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声骨密度测量系统，其包括上位机、下位机，其中所述下位机包括骨密度测量仪，所述骨密度测量仪包括壳体、可调激励模块、可调接收模块、控制处理模块和超声探头，其特征在于：

所述超声探头包括一组或多组超声换能器，其中每组所述超声换能器有两个，一个与所述可调激励模块连通，另一个与所述可调接收模块连通；每组两个超声换能器相对隔开，且延伸方向相交设置；

所述可调激励模块采用串联谐振电路，且所形成的激励脉冲的幅值与所述超声换能器的激发电压呈正比；

所述可调接收模块采用差分放大电路，以实现0-60dB的一个增益调节变化；

所述控制处理模块与所述上位机信息交互，所述上位机包括人体生理参数的BMI指标输入模块，所述控制处理模块用于接收所述BMI指标输入模块所输入的信息并处理后形成控制脉冲触发时间和周期的指令信号，所述可调激励模与所述控制处理模块信息交互，且所述激励脉冲的幅值随所述指令信号同步改变。

2.根据权利要求1所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述壳体呈截面为方向或圆形的块状，所述超声探头位于所述壳体的一端部，所述控制处理模块靠近所述壳体的另一端部，所述可调激励模块和所述可调接收模块并排间隔且位于所述超声探头和所述控制处理模块之间。

3. 根据权利要求2所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述超声探头的工作频率为1MHz ~ 3 MHz。

4.根据权利要求2或3所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述壳体的端面为平面，每组所述两个超声换能器均与所述端面形成15°~35°的倾斜角度。

5.根据权利要求1所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：在所述超声探头的所述超声换能器所在端部的外周形成包覆屏蔽层，且包覆屏蔽层抵触所述壳体的端部内壁并形成防止噪音和电磁干扰区，一组或多组超声换能器均位于所述包覆屏蔽层内。

6.根据权利要求1所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述可调激励模块包括储能电感、高速开关二极管、隔离电容、匹配电阻、激励控制器、激励电压输出器，其中所述指令能够控制所述高速开关二极管的闭合或断开。

7.根据权利要求1所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述差分放大电路包括两个不同调制精度的可变增益放大器，其中所述两个可变增益放大器形成级联。

8.根据权利要求7所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述可调接收模块还包括设置在所述差分放大电路上的滤波器。

9.根据权利要求1所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述骨密度测量仪还包括分别与所述控制处理模块相连通的体温传感器和环境温度传感器，所述上位机还包括骨骼声速修整模块，其中所述骨骼声速修整模块能够根据体温和环境温度实时变化对所测骨骼声速进行修正。

10.根据权利要求9所述的超声骨密度测量系统，其特征在于：所述体温传感器有多个且设置在所述超声探头所在所述壳体的端部，所述环境温度传感器位于远离所述超声探头的端部或/和侧部。

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