检测骨密度的装置的制作方法

1.本实用新型涉及骨密度检测领域，尤其是涉及一种检测骨密度的装置。


背景技术：

2.婴幼儿骨密度的检测有着重要意义，可以通过对儿童骨密度的检测预防骨骼变形或者其他症状，提前做出应对措施。
3.对于ii型糖尿病患者，骨质疏松是此类糖尿病的并发症；及时去侦测糖尿病患者的骨密度尤为重要，可以提前进行预防及治疗，有效的预防糖尿病足的出现。
4.而骨骼强度是评价人类健康状况的一个重要指标，临床上通常用骨骼矿物质密度表征骨骼的健康程度。研究表明，超声波在骨骼的传播速度与骨骼矿物质密度正相关，通过检测骨骼表面超声波的传播速度，即可反映出骨骼矿物质密度的情况。超声波骨密度检测技术由此得到应用。
5.骨密度探头通常包括多个超声波发射器和多个超声波接收器，当探头在皮肤表面工作时，超声波会在各个发射器和接收器之间形成多条不同的传播路径，通过对骨骼超声波信号的分析，可以推算出超声波在骨头表面的传播速度，进而反映出被测者的骨矿密度。
6.任一个发射器输出的超声波最终都会被任一个接收器接收到，在这个过程中，超声波会从阵元之间的一切介质上传播直到被接收器接收——比如会从探头外壳传播、会从探头内部传播、会从耦合剂中传播、会从耦合剂到软组织再到耦合剂传播、也会从耦合剂到软组织、骨骼、软组织、耦合剂来传播——上述的最后一条路径，才是我们可以从中提取骨密度信息的路径，其它路径均可视为干扰路径。干扰路径的存在可能会对测量过程、结果均造成影响。
7.骨密度仪会分析在所有传播路径下由接收器接收到的超声波，提取超声波在上述所有路径耦合在一起的信息，识别分析出从骨骼上传播的有效路径信息，并计算得到最终骨密度。
8.在正常情况下，测bmi正常的健康成年人，对每个骨密度探头的接收器而言，接收到的第一个信号即为通过骨骼传输的信号，因为骨骼表面的声速最高；但当被测者体表脂肪较厚或骨密度本身偏低时，接收器接收到骨骼信号的时间会延后，当延后到一定程度，干扰信号和骨骼信号的超声波会耦合到一起，就会导致测试过程出现卡顿、测试结果异常的问题。而距离越近的发射器和接收器，越会提前受到固有干扰的影响。
9.所以，避免干扰路径的超声传输，对提升超声骨密度仪对不同人群的适应性、测试准确性、流畅性都有着重要意义。


技术实现要素：

10.本实用新型的目的在于提供一种检测骨密度的装置，旨在解决骨密度检测。
11.本实用新型提供一种检测骨密度的装置，包括：
12.用于发射超声波穿过软组织到骨骼的发射器，与发射器之间设有防止超声波干扰
的凹槽，用于接收从骨骼到软组织的超声波的接收器；用于计算从发射器发出超声波到接收器收到超声波的时间并通过时间长短判断骨密度的控制器，与发射器和接收器连接。
13.采用本实用新型实施例，将探头的发射器与接收器之间留出结构空隙，在测试时，要求耦合剂涂抹在发射器一侧与接收器一侧进行测量，减少传播路径，可以延迟干扰波形的出现时间，从而使超声骨密度探头在测试各种人群时表现比现有探头的测试过程更加流畅、结果准确性更高。
14.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本实用新型实施例的检测骨密度的装置示意图；
17.图2是本实用新型实施例的检测骨密度的装置的传输路径示意图；
18.图3是本实用新型实施例的检测骨密度的装置的最快传输路径示意图；
19.图4是现有技术的平面骨密度探头bc路接收波形示意图；
20.图5是本实用新型实施例的检测骨密度的装置的bc路接收波形示意图。
21.附图标记说明：
22.1：发射器；2：接收器；3：控制器；4：凹槽。
具体实施方式
23.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
24.在本实用新型的描述中，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”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
25.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一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域
的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
26.装置实施例
27.根据本实用新型实施例，提供了一种检测骨密度的装置，图1是本实用新型实施例的检测骨密度的装置示意图，如图1所示，具体包括：
28.发射器1，用于发射超声波穿过发射器1处的软组织到骨骼；
29.发射器1具体用于：通过发射超声波穿过耦合剂，再穿过发射器1处的软组织到骨骼，其中耦合剂用于排除发射器1与软组织接触面的空气。
30.接收器2，与发射器1之间设有防止超声波干扰的凹槽，用于接收从所述骨骼到接收器2处的软组织的超声波；
31.接收器2具体用于：接收从所述骨骼到接收器2处的软组织再到耦合剂的超声波，其中耦合剂用于排除接收器2与软组织接触面的空气。
32.控制器3，与发射器1和接收器2连接，用于计算从发射器1发出超声波到接收器2收到超声波的时并通过时间长短判断骨密度。
33.凹槽4外壳内侧添加隔声材料，所述凹槽4为u型槽。
34.现有的超声骨密度系统，在检测体表脂肪厚(肥胖人群、肢端肥大症患者等)、骨密度数值低(如婴幼儿、骨质疏松患者、糖尿病患者等)的人群时，容易出现因探头问题导致的测试过程卡顿、测试结果异常的情况，影响临床上医生对患者骨密度的诊断结论。
35.本实用新型给出了一种更有利于测试上述人群骨密度的技术。该技术的革新点：
36.从结构上把探头发射阵元与接收阵元之间隔开，阻断超声波在探头内部结构的无效传输路径，避免超声波的无效传输路径对人体骨骼骨密度回波信号的干扰，让整个骨密度检测过程更加准确、流畅；
37.这么做的好处是，避免了当被测者体表脂肪厚、被测者本身骨密度低的时候，延迟的骨密度回波信号受到干扰信号影响的情况，从而解决了测试过程不流畅、测试结果不准确的问题，也提高了超声骨密度系统对不同测试人群的普适性。
38.目前市面上的骨密度探头，探头内部通过各种隔声材料阻断超声波传输。在进行骨密度的检测时，超声波无法避免的会从探头内部、探头端面的外壳表面传输过去；测试时需要耦合剂覆盖探头端面，超声波也会从耦合剂来传输——以上所有路径均可以称之为干扰路径。
39.当被测者的体表脂肪厚或被测者骨密度低时，承载骨密度信号的超声波到达接收端的时间会延后，而这个时间越靠后，越可能受到干扰路径超声波的影响，从而影响整个测试过程的流畅性和结果的准确性。
40.此实用新型的技术实现主要在于延后干扰波形的出现时间；
41.从而提高超声骨密度系统测量过程的流畅性、测试结果的准确性，进而提高超声骨密度系统的普适性。
42.目前市面上的骨密度探头，在实际测试时的临床表现：
43.在对体表脂肪厚(如肥胖人群、肢端肥大症人群等)、骨密度低的人群(如婴幼儿、糖尿病足患者等)进行测试时，测试过程容易出现因探头上数问题导致的卡顿、不流畅，需要变换角度、用力按压才能测出数值，测出的数值也很可能与经验值偏差大的情况。
44.原因如下：
45.对于上述人群，一个共同问题是：体表脂肪厚或骨密度低的人群承载骨密度信号的超声波会比正常成年人的承载骨密度信号的超声波到达探头接收器的时间更晚；
46.而干扰信号可以视为探头的固有信号，信号超声波到达接收器越晚，越可能增加干扰波形耦合叠加的可能性，越可能导致系统识别波形错误的问题，从而影响超声骨密度测试的流畅性和准确性。
47.本实用新型的其中一个要点是，将探头的发射器与接收器之间留出结构空隙。在测试时，要求耦合剂涂抹在发射器一侧与接收器一侧进行测量。相比市面上的骨密度探头，可以消除超声波的至少三个传播路径——从探头端面耦合剂传输的路径、从探头内部结构隔声材料空隙传输的路径、从骨密度探头端面结构传输的路径。
48.这些路径的减少，可以延迟干扰波形的出现时间，从而使超声骨密度探头在测试各种人群时表现比现有探头的测试过程更加流畅、结果准确性更高。
49.本实用新型的技术实现在于：将骨密度探头前端发射器与接收器之间的位置剖空，留出空隙；
50.将第一点中描述的剖空中部的探头称为u型探头。u型探头可以有效抑制超声波从探头端面耦合剂中、探头端面外壳结构表面、探头内部隔声材料空隙中的声速传输路径，使探头固有的干扰波形延后。如下图所示的传输路径。
51.图2是本实用新型实施例的检测骨密度的装置的传输路径示意图，如图2所示，超声波通过u型探头一侧的发射器将超声波发出，u型探头凹槽外壳内部添加隔声材料，防止超声波通过外壳传播。同时在测试时需要保证u型凹槽中间无耦合剂；此时超声波有2种传输路径，即下图所示的路径1(发射器-耦合剂-软组织-耦合剂-接收器)和路径2(发射器-耦合剂-软组织-骨骼-软组织-耦合剂-接收器)(下图所示为4个阵元，实际上大于等于3个阵元即可实现骨密度测量，以下以4个阵元举例)。
52.实际应用时，将探头4个阵元命名为abcd，其中ab为发射阵元，cd为接收阵元。超声波从发射器b发出后，忽略发射器与皮肤表面的距离，记软组织深度h、bc间距l
bc
、软组织中的声速vs(soft tissue)、骨头表面的声速vb(bone)、发射器、接收器与探头端面的夹角α。
53.对于骨密度较低的人群，通过2路径在骨骼上传输的时间会比正常人的时间更长(骨密度低，超声波在骨骼上传播的速度慢)；对于软组织较厚的人群，通过2路径在软组织中传导的时间会更长——而干扰超声波属于固有干扰，信号波形越晚到达接收器，其越可能受到干扰波形1的影响，叠加在信号波形上，导致系统识别波形错误或偏差，进而影响测试过程中的流畅性和测试结果的准确性。
54.图3是本实用新型实施例的检测骨密度的装置的最快传输路径示意图，如图3所示，
55.记软组织深度h、bc间距l
bc
、软组织中的声速vs(soft tissue)、骨头表面的声速vb(bone)、发射器、接收器与探头端面的夹角α。
56.分析超声波上述2路径的时间t：
57.超声波在软组织中的传输路径长度ls为：
[0058][0059]
超声波在骨骼表面的传输路径长度lb为：
[0060][0061]
超声波在软组织中的传输时间ts为：
[0062][0063]
超声波在骨骼上的传输时间tb为：
[0064]
tb＝ls/vsꢀꢀꢀ
(4)
[0065]
一轮之后的总传输时间t为：
[0066]
t＝ts+tsꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
综合式(1)～(5)，可得：
[0068][0069]
可以发现，当h越大、vb越小的时候，波形被接收器接收的时间越靠后。
[0070]
当超声波从最近的软组织传播时，此时忽略α角与耦合剂的厚度(实际测试时耦合剂厚度极薄，计算α角意义不大)，此时，超声波在软组织中最快的传播时间ts为：
[0071]
ts＝l
sc
/ysꢀꢀꢀ
(7)
[0072]
当ts＝t时，干扰波形就会与信号波形叠加，会对正常测试产生干扰。
[0073]
建立实验说明此专利优于市面超声骨密度仪的方法如下：
[0074]
实验使用平面、u型两种骨密度探头，在发射电压、探头所用材料一致的情况下，对同一个10mm厚度的衰减片进行测试，对bc波形进行分析研究(衰减片在23℃左右的声速在1520m/s附近，且声阻抗与人体组织声阻抗相似)。
[0075]
实验模拟的是当骨密度被测者皮肤软组织极厚的情况下的干扰波形，此干扰波形越大、干扰出现的时间越靠前，证明探头受干扰的程度越大，测试过程中越容易出现测试数据异常、无法测出数据的情况。实验通过对比u型探头与平面探头受到干扰的差异，证明u型探头及改进的算法在测试肥胖人群、婴幼儿、骨质疏松患者上的优势。
[0076]
软件采样率fs设置为40mhz，使用matlab对接收器c接收到的数据进行数据分析，画出一个周期内前1100个点的数据波形。
[0077]
bc为最近的发射、接收阵元。由于bc波形会最先接收到干扰波形，所以下面先就bc波形进行干扰的分析。
[0078]
图4是现有技术的平面骨密度探头bc路接收波形示意图，如图4所示，
[0079]
平面探头测试10mm衰减片时bc路的波形，干扰出现在594点，d1＝594。
[0080]
图5是本实用新型实施例的检测骨密度的装置的bc路接收波形示意图，如图5所示，
[0081]
同样幅度的干扰出现在第797点上，d2＝797。
[0082]
假设平面探头测人时bc信号在第594点开始，u型探头测人时bc信号在第797点开始。不计二者的发射时间采样点，则平面探头接收到干扰波形的时间tf(flat probe)：
[0083]
tf＝d1/fs＝(s94/40000000)s＝14.85μs
ꢀꢀꢀ
(8)
[0084]
u型探头接收到干扰波形的时间tu(u-probe)：
[0085]
tu＝di/fs＝(797/40000000)s＝19.925μs
ꢀꢀꢀ
(9)
[0086]
对(6)式进行处理，可得：
[0087][0088]
假设夹角α为30
°
，假设一成年人骨骼表面声速为4000m/s，软组织声速为1540m/s，bc阵元间距l
bc
为20mm，则对平面探头有：
[0089][0090]
对u型探头有：
[0091][0092][0093]
根据上述计算结果，并根据假设的相关信息，u型探头理论上可测的皮肤厚度要比平面探头多的数值hd为：
[0094]
hd＝h
u-h
p
＝12.29-8.11＝4.18mm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0095]
综上，相对于市面上现有的骨密度探头，采用本专利的方案，可以将骨密度的理论检测深度提高4.18mm。
[0096]
骨密度探头的u型结构特点，此结构目的仅在于将发射、接收器之间部分挖空，发射器、接收器之间任何形状的凹槽均属于u型结构；
[0097]
骨密度探头的u型结构特点，适用于所有不同尺寸的探头；
[0098]
骨密度探头的u型结构特点，针对于任何3个或3个以上阵元的超声骨密度探头；
[0099]
本实用新型相比与现在市面上的平面骨密度探头，在临床测试体表软组织厚(如肥胖人群、肢端肥大症患者等)的人群时，可以保证更好的测试连贯性；
[0100]
本实用新型相比与现在市面上的平面骨密度探头，在临床测试体表软组织厚(如肥胖人群、肢端肥大症患者等)的人群时，可以保证更好的准确性；
[0101]
本实用新型相比与现在市面上的平面骨密度探头，在临床测试骨矿密度低(如婴幼儿、骨质疏松患者、糖尿病患者等)的人群时，可以保证更好的测试连贯性；
[0102]
本实用新型相比与现在市面上的平面骨密度探头，在临床测试骨矿密度低(如婴幼儿、骨质疏松患者、糖尿病患者等)的人群时，可以保证更好的准确性。
[0103]
本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：rom、ram、磁盘或光盘等。
[0104]
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本实用新型的各模块或各步骤可以用
通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本实用新型不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0105]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替本实用新型各实施例技术方案，并不使相应技术方案的本质脱离本方案的范围。