一种骨密度的测量装置及方法与流程

本发明涉及生理参数测量领域，具体涉及一种利用超声进行测量的骨密度测量装置及方法。

背景技术：

骨质密度测量是用来检查骨骼强度的一个重要指标，可以作为评价是否患有骨质疏松症的其中一个重要参数。通过骨密度测定，分析骨骼中骨矿物质含量的过少，了解早期骨量，预防骨质疏松、骨折的发生的可能性可以为后续健康生活提供有力依据。

常用的骨密度测量方法有单光子吸收法(singlephotonabsorptiometry，spa)、双光子吸收法(dualphotonabsorptiometry，dpa)、双能x线吸收法(dualenergyx-rayabsorptiometry，dexa)和qct等。超声骨密度仪是利用超声波穿过机体不同组织时发生衰减量不同测定。由于骨的组成成分不同，它对超声波的反射和穿透衰减也有一定的区别，因此，可利用计算得出的超声波在骨内的传导速度和衰减指数的变化来间接反映骨密度的情况。定期超声技术科测量跟骨、髌骨、胫骨、指骨等部位。由于超声定量技术便携、无辐射、精度较高，越来越受到关注。

由于在超声骨密度测定过程中，超声波的速度与骨密度正相关，因此，通过检测超声波在骨骼中的传播速度，可以获知骨密度的情况，但是，如何准确获知超声波在骨骼中的传播速度，以根据传播速度准确评估骨密度，是在超声波测量骨密度时的一个关键因素。

但是，骨骼周围软组织的存在通常会影响精测结果，因此，超声波测量骨密度时需要消除软组织的干扰，目前的测量方法并没有很好的排除软组织的干扰。

因此，亟需一种能够准确测量超声波在骨中传播速度，以确定骨密度的装置和方法。

技术实现要素：

根据本发明的目的，提供一种骨密度的测量装置，该装置包括pc机，pc机连接主控电路，主控电路对超声装置的发射、接收进行控制，发射电路用于提供发射脉冲到发射探头，使发射探头发射超声波到样本，超声波被样本进行衰减和吸收后，被设置在发射探头相对侧的接收探头接收，接收探头将接收到的超声波信号传输到接收电路后，由接收电路传输到主控电路，然后超声波信号被传输到pc机进行处理，pc机通过对超声波信号进行处理，得到骨密度。

根据本发明的目的，同时提供一种骨密度的测量方法，该方法包括以下步骤：首先，由发射电路提供发射脉冲到发射探头，发射探头发射超声波到样本，超声波被样本进行衰减和吸收后，被设置在发射探头相对侧的接收探头接收，接收探头将接收到的超声波信号传输到接收电路后，由接收电路传输到主控电路，然后接收到超声波信号被传输到pc机进行处理，得到骨密度。

进一步地，所述的pc机进行处理，得到骨密度的过程如下：

首先，计算超声波仅在骨中传播时的净传播时间tndt；

其次，在得到净传播时间tndt后，得到超声波仅在骨中传输时的速度vb；

最后，根据超声波仅在骨中传输时的速度vb得到骨密度。

通过本发明的测量装置以及测量方法得到的骨密度，可以有效排除软组织的影响，使得使用超声波进行骨密度测量时，结果更加准确。同时，本发明提出了净传输时间以及根据净传输时间计算超声波仅在骨中传输时的速度从而计算骨密度的方法，而且计算经传输时间的过程中，充分利用了超声图像，计算结果更加准确。

附图说明

图1为本发明的骨密度的测量装置的示意图；

图2为本发明的骨密度的测量装置的测量方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细的说明。

如图1所示，为本发明的骨密度的测量装置的示意图。该装置包括pc机，主要是完成本发明的数据处理以及进行控制。pc机是计算机装置，也可以采用移动终端、服务器等具有数据处理能力以及控制能力的装置。pc机连接主控电路，主控电路对超声装置的发射、接收进行控制，包括发射驱动、接收驱动等。发射电路用于提供发射脉冲到发射探头，使发射探头发射超声波到样本，如人体的腿部、脚部、指部、胫骨等骨密集而软组织较少的地方。超声波被样本进行衰减和吸收后，被设置在发射探头相对侧的接收探头接收，接收探头将接收到的超声波信号传输到接收电路后，由接收电路传输到主控电路，然后接收到超声波信号被传输到pc机进行处理，以得到骨密度。在使用时，发射探头与接收探头均通过耦合剂与人体的骨组织紧密接触。

为了消除原始噪声的影响，首先对数据进行平滑滤波，可以采用样条插值法进行处理。比如，可以采用三次样条插值法进行平滑，三次样条插值法可以采用多点三次样条平滑，比如逐次五点法。经过平滑处理后的信号被传送到发射探头以发送到样本进行超声波发射。

pc机对接收到的信号处理，经过去噪、消除工频干扰等，从而准确确定超声波信号在骨中传播的时间。由于超声波在骨中以及软组织中都进行传播，因此，需要计算超声波仅在骨中传播时的传播时间，记为净传播时间。净传播时间的计算如下：

tndt＝ts-tsb(1)

其中，ts和tsb分别表示超声波在两种样本中传播时从发射探头到接收探头的传输时间，其中一个样本仅包括软组织，另一个样本包括软组织和骨组织，即ts为超声波在软组织中的传播时间，tsb为超声波在包括软组织和骨的样本中的传播时间，tndt为净传播时间。

我们以脚后跟为例，脚后跟包括了软组织和“纯净”的骨，设在软组织和“纯净”的骨中，超声波的传播速度分别为vs和vb，超声波在脚后跟中传播的时间tsb可以表示为:

在式(2)中，db为骨的厚度，ds为软组织的厚度，因此，有如下式(3)：

其中，d是发射探头和接收探头之间的距离，那么将公式(2)和(3)代入公式(1)，可以得到如下的式(5)：

其中，超声波在软组织中的传播速度vs为常数值，不会随着骨密度的变化而变化，因此，vs可以通过查表获得，d可以直接测定，因此，在公式(4)中，为了得到tndt，关键是得到ds。

我们通过对弹性成像的超声图像进行处理，来得到ds。下面具体介绍如何得到ds：

设i1和i2为图像大小为m×n的图像，同时记录得到i1和i2的时间差，记为t'；在得到i1和i2的过程中，超声探头在样本上移动，超声波也在纵向和横向上发生位移，使用动态规划来计算rf线(即种子线)上的多个小样本在纵向上的总位移ai和和纵向上的总位移li，通过使式(5)的正则化代价函数最小，子位移δai和δli被计算，这样种子线上的第i个小样本在纵向和横向上的位移可以计算：

其中，s表示种子线上的横向位置，α表示正则化权值，α表示了每个子样本在向上的方向上的纵向位移距邻近点的邻近程度，βα表示了每个子样本在向上的方向上的横向位移距邻近点的邻近程度，β′l表示了在向左的方向上的横向位移距邻近点的邻近程度，i的取值范围为0-m，ls为i2上的图像的点从i1上移动时的一个值；cs()为在s处的正则化代价函数。

因为计算时一次仅计算一条rf线，可以去掉s，将ai,s、li,s、δai,s、δli,s简化为ai、li、δai、δli，围绕(i+ai,j+li)进行二阶泰勒展开，可得：

i2(i+ai+δai,j+li+δli)≈i2(i+ai,j+li)+δaii'2,a+δlii'2,l(6)

i'2,a和i'2,l为i2图像在点(i+ai,j+li)的纵向和横向上的导数值，当cs()的相对于δai、δli的偏微分均为0时，得到最优的(δai，δli)，

设定时，得到最优的(δai，△li)，

对于i＝1,…,m，对2m个数据进行堆叠，得到δd＝[δa1δl1δa2δl2…δamδlm]^t，因此，得到如下公式(7)：

aδd＝b(7)

其中a为一个大小为2m×2m的矩阵系数，b为长度为2m的向量，利用托马斯算法求解方程方程(7)，可以得到在超声图像中组织的位移，将其近似视为软组织的厚度ds，

在得到ds后，代入到公式(2)，同时利用t'＝ts，代入到公式(1)，可以得到tndt，得到tndt后，在公式(4)中，可以得到vb。

同时，对于各向同性的材质，我们可以将纵波波速与骨矿物密度的关系表述如下：

vb＝kρ^1/2(8)

在式(8)中，k为常数，ρ为骨矿物密度，即骨密度。

因此，pc机通过以上算法步骤得到了骨密度，该算法的实现是在pc机的处理器上执行，可以通过处理器存储的指令或程序实现。

同时，本发明还涉及通过骨密度测量装置进行骨密度测量的方法，具体如图所示，本发明的骨密度测量方法步骤包括：首先，由发射电路提供发射脉冲到发射探头，发射探头发射超声波到样本，超声波被样本进行衰减和吸收后，被设置在发射探头相对侧的接收探头接收，接收探头将接收到的超声波信号传输到接收电路后，由接收电路传输到主控电路，然后接收到超声波信号被传输到pc机进行处理，以得到骨密度。其中，pc机对超声数据进行处理，得到骨密度的具体过程如下：

首先，计算超声波仅在骨中传播时的传播时间，记为净传播时间。净传播时间的计算如下：

tndt＝ts-tsb(1)

其中，ts和tsb分别表示超声波在两种样本中传播时从发射探头到接收探头的传输时间，其中一个样本仅包括软组织，另一个样本包括软组织和骨组织，即ts为超声波在软组织中的传播时间，tsb为超声波在包括软组织和骨的样本中的传播时间，tndt为净传播时间。

我们以脚后跟为例，脚后跟包括了软组织和“纯净”的骨，设在软组织和“纯净”的骨中，超声波的传播速度分别为vs和vb，超声波在脚后跟中传播的时间tsb可以表示为:

在式(2)中，db为骨的厚度，ds为软组织的厚度，因此，有如下式(3)：

其中，d是发射探头和接收探头之间的距离，那么将公式(2)和(3)代入公式(1)，可以得到如下的式(5)：

其中，超声波在软组织中的传播速度vs为常数值，不会随着骨密度的变化而变化，因此，vs可以通过查表获得，d可以直接测定，因此，在公式(4)中，为了得到tndt，关键是得到ds。

我们通过对弹性成像的超声图像进行处理，来得到ds。下面具体介绍如何得到ds：

设i1和i2为图像大小为m×n的图像，同时记录得到i1和i2的时间差，记为t'；在得到i1和i2的过程中，超声探头在样本上移动，超声波也在纵向和横向上发生位移，使用动态规划来计算rf线(即种子线)上的多个小样本在纵向上的总位移ai和和纵向上的总位移li，通过使式(5)的正则化代价函数最小，子位移δai和δli被计算，这样种子线上的第i个小样本在纵向和横向上的位移可以计算：

其中，s表示种子线上的横向位置，α表示正则化权值，α表示了每个子样本在向上的方向上的纵向位移距邻近点的邻近程度，βα表示了每个子样本在向上的方向上的横向位移距邻近点的邻近程度，β′l表示了在向左的方向上的横向位移距邻近点的邻近程度，i的取值范围为0-m，ls为i2上的图像的点从i1上移动时的一个值；cs()为在s处的正则化代价函数。

因为计算时一次仅计算一条rf线，可以去掉s，将ai,s、li,s、δai,s、δli,s简化为ai、li、δai、δli，围绕(i+ai,j+li)进行二阶泰勒展开，可得：

i2(i+ai+δai,j+li+δli)≈i2(i+ai,j+li)+δaii'2,a+δlii'2,l(6)

i'2,a和i'2,l为i2图像在点(i+ai,j+li)的纵向和横向上的导数值，当cs()的相对于δai、δli的偏微分均为0时，得到最优的(δai，δli)，

设定时，得到最优的(δai，δli)，

对于i＝1,…,m，对2m个数据进行堆叠，得到δd＝[δa1δl1δa2δl2…δamδlm]^t，因此，得到如下公式(7)：

aδd＝b(7)

其中a为一个大小为2m×2m的矩阵系数，b为长度为2m的向量，利用托马斯算法求解方程方程(7)，可以得到在超声图像中组织的位移，将其近似视为软组织的厚度ds，

在得到ds后，代入到公式(2)，同时利用t'＝ts，代入到公式(1)，可以得到tndt。

其次，在得到净传播时间tndt后，得到超声波仅在骨中传输时的速度vb。

得到tndt后，在公式(4)中，可以得到vb。

最后，通过超声波仅在骨中传输时的速度vb得到骨密度。

对于各向同性的材质，我们可以将纵波波速与骨矿物密度的关系表述如下：

vb＝kρ^1/2(8)

在式(8)中，k为常数，ρ为骨矿物密度，即骨密度。

通过本发明的方法，可以排除在利用超声波测量骨密度的过程中，软组织对测量结果的影响，得到超声波仅在骨中传播时的净传输时间和超声波仅在骨中传输时的传输速度，从而得到准确的骨密度。通过本发明的测量装置和测量方法得到的骨密度，可以准确地反应人体的骨密度情况，可以使人体更好地了解生长过程中的骨量变化以及中老年人的骨量如何变化，可以作为评价骨质疏松、预防骨折发生的一个有力依据。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。