电子体模和电子控制用于定量超声装置的体模的方法

专利名称：电子体模和电子控制用于定量超声装置的体模的方法
电子体模和电子控制用于定量超声装置的体模的方法技术领域
一般来说，本文所公开的主题涉及医疗诊断系统，更具体来说，涉及定量超声 (QUS !quantitative ultrasound)装置。
背景技术：
例如超声密度计和超声测量仪的QUS装置使用超声波来测量骨完整性。QUS装 置的有效性是确保允许正确诊断的持续正确测量的一个重要功能。QUS装置必须在许多 年保持稳定，以便正确评估骨质疏松症的进展或者监测治疗。因此，例如又称作飞行时 间(time-of-flight)的声速(SOS speed of sound)和宽带超声衰减(BUA broadband ultrasound attenuation)的测量参数需要随时间进行正确测量。
QUS体模(phantom)用于监测QUS装置稳定性。常规QUS体模使用稳定且表征完 善的液体、如水来衰减信号。其它常规QUS体模使用固体材料，例如具有已知超声性质的橡 胶。这些QUS体模都没有圆满地模拟骨形态测量。相应地，来自QUS装置的声波和体模的 交互没有模仿骨，由此产生可能不是特别准确的模拟。另外，例如水的液体不是完全衰减性 的(atterumtive)，使得QUS装置工作在最小功率。固体体模还具有老化效应。例如，具有 良好BUA特性的材料通常有弹性。用于QUS体模的一种典型材料是氯丁橡胶。随着氯丁橡 胶老化，发生材料中分子之间的更大交联(cross-link)。这种交联产生更硬的材料以及声 学性质的变化。材料硬度的变化由此降低QUS体模用于长期监测的效用。此外，水和固体 QUS体模均具有温度感应漂移或值变化。发明内容
根据一个实施例，提供用于定量超声装置的电子体模。该电子体模包括壳体、壳体 中配置成从定量超声装置接收超声信号的第一换能器元件以及壳体中连接到第一换能器 元件的第二换能器元件。第二换能器元件配置成根据所接收超声信号将经修改超声波传送 给定量超声装置。第一和第二换能器元件以背对背配置安置在壳体中。
根据另一实施例，提供用于定量超声装置的电子体模。该电子体模包括用于从定 量超声装置接收超声信号的输入以及连接到输入的信号修改模块。信号修改模块配置成模 仿骨的一个或多个声学性质。该电子体模还包括连接到信号修改模块的输出，用于根据所 模仿声学性质传送经修改超声信号。
根据又一实施例，提供对用于定量超声装置的体模测试的骨进行电子模仿的方 法。该方法包括确定待模仿骨的一个或多个声学性质；以及根据所确定声学性质调制来 自定量超声装置的所接收超声信号。该方法还包括将经调制超声信号传送给定量超声装置。


图1是示出根据各个实施例构造的与定量超声(QUS)装置配合使用的电子体模的3简化框图。
图2是根据各个实施例构造的电子体模的框图。
图3是根据各个实施例构造的电子体模的图解图示。
图4是根据各个实施例对骨进行电子模仿的方法的流程图。
图5是示出对根据各个实施例使用的不同模拟骨质量的调制特性的表。
图6是示出根据各个实施例从超声脉冲形成的经调制波以及来自QUS装置的响应 的信号图。
图7是根据各个实施例的体模可与其结合使用的QUS装置的透视图。
图8是根据各个实施例的体模可与其结合使用的QUS装置的另一透视图。
具体实施方式
上述发明内容以及对某些实施例的以下详细描述在结合附图阅读时将被更好理 解。在附图示出各个实施例中功能块的简图的意义上，功能块不一定指示硬件电路之间的 划分。功能块(例如处理器或存储器)中之一或多个可在单个硬件(例如，通用信号处理 器或随机存取存储器、硬盘等)或者多个硬件中实现。类似地，程序可以是独立程序，可以 作为子例程结合在操作系统中，可以是已安装软件包中的功能，等等。应当理解，各个实施 例不限于附图中所示的布置和工具。
本文所使用的未限定数量的要素或步骤应该被理解为不排除多个所述要素或步 骤的情况，除非明确说明了这种排除情况。此外，“一个实施例”的说法不是意在解释为排除 也结合所述特征的其它实施例的存在。此外，除非相反地明确说明，否则，“包括”或“具有” 带特定性质的要素或多个要素的实施例可包括没有那种性质的附加此类要素。
下面详细描述与例如超声骨密度计或超声测量仪的定量超声(QUQ装置配合使 用的电子体模的示范实施例。各个实施例提供允许修改QUS装置的超声发射器与超声接收 器之间超声脉冲的体模的电子装置和/或电子控制。电子体模用电子器件(electronics) 模仿骨，并且还可允许改变所模仿骨的骨质量或性质。电子体模可与任何QUS装置、例如可 从GE Healthcare得到的Lunar Achillies超声测量仪或者其它超声骨密度计结合使用。
具体来说，如图1所示，本发明的各个实施例提供一种电子体模20，它配置成模仿 骨的性质或特性，例如人踵骨(又称为跟骨)的声学性质。电子体模20可与QUS装置22 配合使用，例如以使QUS装置22的操作有效或对其进行测试。在各个实施例中，QUS装置 22包括发射换能器阵列M和接收换能器阵列26，电子体模20设置在它们之间。更具体来 说，电子体模20设置在发射换能器阵列M与接收换能器阵列沈之间的超声波路径中。应 当注意，发射换能器阵列M和接收换能器阵列26可包括一个或多个换能器元件。
使用QUS装置22对超声脉冲的发射和接收来测量对象、例如安置在发射换能器阵 列M与接收换能器阵列26之间的人踵骨的物理性质。例如，QUS装置22配置成测量对象 的完整性和密度。具体来说，QUS装置22可通过下列步骤确定对象的物理性质和/或完整 性通过使用发射换能器阵列M和接收换能器阵列26，比较通过对象的相对宽带超声衰减 (BUA)和/或相对传送时间(又称作飞行时间或声速)的任一个。
相应地，各个实施例中的电子体模20通过改变或修改可以是从发射换能器阵列 24发射的一个或多个脉冲的超声信号来模仿骨的某些特性或性质，如声学性质。由于信号修改，接收换能器阵列26接收相对于例如飞行时间或BUA进行修改的信号。由于信号被 使用已知值进行修改，所以在与已知值进行比较时，可测试QUS装置22准确性或者使QUS 装置22有效。因此，电子体模20进行操作以修改QUS装置22所使用的超声脉冲，以便模 仿具有特定质量、特性或性质的骨，例如健康骨或者骨质疏松症骨。作为示例，可通过如本 文更详细描述地调制超声脉冲来改变超声脉冲的飞行时间或者衰减，以便生成经修改超声 波。经修改超声波允许确定QUS装置22是否测量了电子体模20正模仿的特定骨密度或完 整性的预计值。
如图2所示的电子体模20包括在输入31的接收换能器元件30。例如，接收换能 器元件30可包括配置成接收超声信号的一个或多个换能器。具体来说，接收换能器元件30 接收QUS装置22中、具体来说从发射换能器阵列对(图1所示)发射的超声脉冲。接收换 能器元件30连接到对来自接收换能器元件30的所接收超声信号进行修改的信号修改模块 32。例如，信号修改模块32使用本领域已知的调制和/或滤波技术来改变所接收超声信号 的飞行时间或BUA。在一些实施例中，信号修改模块32包括飞行时间模块34和宽带衰减模 块36，它们分别改变所接收超声信号的飞行时间、即通过(transit)时间或者BUA。例如， 信号修改模块32可配置成充当有源滤波器，例如仅允许某些频率通过电子体模20的带通 滤波器。作为另一示例，信号修改模块32可调制所接收信号，以便衰减超声波。
在一些实施例中，信号修改模块32可选地连接到控制器38。控制器38配置成通过 对所接收超声信号调整飞行时间变化量或BUA变化量来调整信号修改，如信号修改量。例 如，控制器38可连接到用户输入40，用户输入40接收一个或多个控制命令、例如来自用户 的选择电子体模20将模仿的特定骨类型(例如骨质疏松症骨)或声学性质值的命令。用 户可从预定列表中选择特定骨类型，或者可人工输入例如使QUS装置有效所希望或者所需 的准确信号修改特性，例如供骨质疏松测试时使用。
信号修改模块32还连接到在输出43的发射换能器元件42。例如，发射换能器元 件42可包括配置成接收经修改信号并且将那个信号作为经修改超声波来传递的一个或多 个换能器。发射换能器元件42输出经修改信号，并且将经修改信号传送给接收换能器阵列 26 (图1所示)。因此，电子体模20修改QUS装置22中的超声脉冲，以便模仿具有可定义 特定骨状况的特定特性或性质的骨。电子体模20本质上包括一对换能器元件，它们以相对 方向或配置设置成QUS装置22的换能器阵列。相应地，电子体模20电子模仿例如踵骨的 特性，并且具体来说模仿踵的骨成分，其可通过使用有源电路来提供。
电子体模20可包括其它元件或组件。例如，可提供电源(未示出)，以便向电子体 模20的一个或多个组件供电。
应当注意，可修改电子体模20。例如，可提供无源电路来代替有源电路。作为另一 示例，可修改电子体模20，使得信号修改性质是固定或者预定的，而不像图2的实施例中那 样是可调整的。
在一些实施例中，提供如图3所示的电子体模50。应当注意，相似数字标号在各个 实施例中表示相似部分。电子体模50包括以背对背配置连接的接收换能器元件30和发射 换能器元件42。在各个实施例中，接收换能器元件30和发射换能器元件42并行连接。接 收换能器元件30安置在壳体52中，使得当放置在QUS装置22中时，接收换能器元件30安 置成接收来自发射换能器阵列M的信号。另外，发射换能器元件42安置在壳体52中，使得当放置在QUS装置22中时，发射换能器元件42安置成将信号传送给接收换能器阵列沈。 应当注意，可提供可以是可膨胀并且其中具有声学耦合流体的气泡M，使得电子体模50在 QUS装置22中在发射换能器阵列M与接收换能器阵列沈之间保持到位。另外，其中的声 学耦合流体可以是温度控制的。
还应当注意，壳体52 (例如玻璃外壳)可被随意或根据需要定形和确定大小。例 如，壳体52可被定形和确定大小为契合特定QUS装置22。另外，壳体52可被定形和确定大 小，使得电子体模50契合某些QUS装置22，但不契合其它QUS装置22。
电子体模50还包括背垫板(backing plate) 56，例如耦合到接收换能器元件30和 发射换能器元件42中每个的背面的铝背垫板。背垫板56配置成阻挡声信号。
可提供电子体模50的各种组件，以便模仿某种类型的骨或者骨的某些性质，例如 本文所述的某些声学性质。在一些实施例中，电子体模50包括可略微不匹配的不匹配换能 器元件。例如，电子体模50可包括在分层叠层(layered stack)中形成的下列组件
1)板56，配置为薄(例如1/8英寸)铝板。
2)接收换能器元件30，配置为500kHz、25毫米(mm)平坦超声换能器元件。
3)气隙。
4)发射换能器元件42，配置为480kHz、25mm平坦超声换能器元件。
5)板56，配置为薄(例如1/8英寸)铝板。
根据各个实施例，在图4中示出电子模仿骨、例如以便作为QUS装置中的体模进行 操作以模仿踵骨的方法60。方法60包括接收来自QUS装置的发射脉冲。例如，一个或多个 脉冲可由QUS装置传送给其中的电子体模。然后，该方法包括确定待模仿骨的预期声学性 质，其可包括例如飞行时间和/或衰减性质(例如频率衰减性质)。在一些实施例中，可使 用用户定义值或预定值。在其它实施例中，可提供如图5所示的表80，表80用于对例如电 子体模的正常或骨质疏松症的多个所模拟骨质量(82列所示)中的每个确定与特定声学性 质对应的某些调制特性。例如，对于每个所模拟骨质量，提供飞行时间性质(列84所示) 和BUA性质(列86所示)。例如，这些性质可定义用于调整所接收超声脉冲的特定频率衰 减或滤波。例如，调制特性可定义飞行时间轮廓(profile)或BUA轮廓，供对来自QUS装置 的所接收超声信号进行修改时使用。在一些实施例中，为不同调制特性中的每个提供特定 值。另外，在一些实施例中，被模仿的声学性质例如由电子体模的物理组件例如通过使用不 匹配换能器元件进行设置，并且是不可调整的。
应当注意，表80中骨质量和对应轮廓或值中的每个可被存储在数据库或矩阵中。 这些轮廓或值可包括基于例如使用诸如将对其模仿骨的个体类型的年龄、体重、身高、种族 或性别的不同因数的飞行时间或BUA值的绝对值。
又参照方法60，此后，在66根据例如使用表80所确定的诸如预期飞行时间和BUA 性质的所确定声学性质来调制所接收脉冲。所识别性质模拟特定骨类型、状况或性质。此 后，在68生成经调制声波，以便模拟或模仿例如可对应于特定骨完整性的特定骨类型、状 况或性质。然后，在70以QUS可检测频率传送经调制声波。因此，如图6所示，可修改所接 收信号90以产生具有不同飞行时间或BUA轮廓的信号92，其中响应94由QUS装置生成，它 应当对应于所接收信号92的变化。
可使用各个实施例来提供与任何类型的QUS装置配合使用的电子体模，并且模拟身体的不同骨或部位。例如，如图7和图8所示，QUS装置可以是超声测量仪100，它具有配 置成在其中容纳踵的接收部分102以及用于支持脚背(back of leg)的支持构件104。还 可提供显示器106。超声测量仪100可以是例如Achilles超声测量仪，其中本文所述的各 个体模实施例插入接收部件102中并且进行操作以修改在其中传送的超声脉冲，以便模仿踵。
因此，本发明的各个实施例提供一种电子体模，它例如使用近似例如人踵骨的一 个或多个飞行时间和BUA值来模拟骨的声学性质。所模拟性质提供与骨相似的声学特性。 应当注意，在一些实施例中，可调整所模拟性质。在其它实施例中，各种类型的骨质量可通 过选择选定组件、例如选择不匹配换能器元件来模拟。
各个实施例和/或组件、例如其中的模块或者组件和控制器也可实现为一个或多 个计算机或处理器的部分。计算机或处理器可包括计算装置、输入装置、显示单元以及例 如用于访问因特网的接口。计算机或处理器可包括微处理器。微处理器可连接到通信总 线。计算机或处理器还可包括存储器。存储器可包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器 (ROM)。计算机或处理器还可包括可以是硬盘驱动器或例如软盘驱动器的可移动存储驱动 器、光盘驱动器等的存储装置。存储装置也可以是用于将计算机程序或其它指令加载到计 算机或处理器中的其它相似部件。
本文所使用的术语“计算机”或“模块”可包括任何基于处理器或者基于微处理器 的系统，该系统包括使用微控制器、简化指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑 电路以及能够执行本文所述功能的任何其它电路或处理器的系统。上述示例只是示范性 的，因而并不意在以任何方式限制术语“计算机”的定义和/或含意。
计算机或处理器运行一个或多个存储元件中存储的指令集，以便处理输入数据。 存储元件还可随意地或根据需要存储数据或其它信息。存储元件可采取处理机中信息源或 物理存储器元件的形式。
指令集可包括各种命令，它们指示作为处理机的计算机或处理器执行例如本发明 各个实施例的方法和过程的特定操作。指令集可采取软件程序的形式。软件可采取例如系 统软件或应用软件的各种形式。此外，软件可采取独立程序或模块的集合、较大程序中程序 模块或者程序模块中一部分的形式。软件还可包括采取面向对象编程的模块编程。处理机 对输入数据的处理可响应于操作员命令或者响应于先前处理的结果或者响应于另一处理 机进行的请求而进行。
本文所使用的术语“软件”和“固件”可互换，并且包括存储器中存储的供计算机 执行的任何计算机程序，其中存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存 储器和非易失RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型只是示范性的，因而并不针对可用于存 储计算机程序的存储器类型进行限制。
要理解，以上描述只是说明性而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方 面)可相互结合使用。另外，可对本发明各个实施例的教导在不脱离其范围的情况下进行 多种修改以适合具体情况或材料。虽然本文所述材料的尺寸和类型意在定义本发明各个实 施例的参数，但是这些实施例决不是限制性的，而只是示范实施例。通过回顾以上描述，许 多其它实施例对本领域技术人员将显而易见。因此，本发明各个实施例的范围应当参照所 附权利要求书连同授予给这种权利要求书的等效物的全部范围共同确定。在所附权利要求书中，术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的普通英语等效体。此外， 在随附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标签，而不是意在对其对象施 加数字要求。此外，随附权利要求书的限制并不按照部件加功能格式编写，并且不是意在根 据35U. S. C. § 112第六节来解释，除非这类权利要求限制明确使用词语“用于...的部件” 加上没有其它结构的功能陈述。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明各个实施例，并且还使本领域 技术人员能够实施本发明的各个实施例，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所 结合方法。本发明各个实施例的专利范围由权利要求书定义，并且可包括本领域技术人员 想到的其它示例。这类其它示例，在这些示例具有没有与权利要求书的文字语言不同的结 构要素时或者在这些示例包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构要 素时，意在落入权利要求书的范围之内。
部件清单
电子体模20
QUS装置22
发射换能器阵列24
接收换能器阵列26
接收换能器元件30
输入31
信号修改模块32
飞行时间模块34
宽带衰减模块36
信号修改模块32
控制器38
用户输入40
发射换能器元件42
输出43
电子体模50
壳体52
气泡54
板56
方法60
根据预期飞行时间和 I减性质调制所接收脉冲66
以模拟特定骨完整性
生成经调制声波以模拟特定骨完整性68
以超声QUS装置可检测频率传送经调制声波70
表80
所接收信号90
信号92
响应94
超声测量仪 100
接收部分102
支承构件 104
显不器 10权利要求
1.一种用于定量超声装置的电子体模00，50)，所述电子体模包括 壳体(52)；所述壳体中的第一换能器元件(30)，配置成从定量超声装置0 接收超声信号；以及 所述壳体中的第二换能器元件(42)，配置成连接到所述第一换能器元件，并且配置成 根据所接收超声信号将经修改超声波传送给所述定量超声装置，其中所述第一和第二换能 器元件以背对背配置安置在所述壳体中。
2.如权利要求1所述的电子体模00，50)，其中，所述第一和第二换能器元件(30，42) 配置成生成经衰减超声波作为所述经修改超声波，其中所述经衰减超声波对应于人踵骨中 的衰减。
3.如权利要求1所述的电子体模00，50)，其中，所述第一和第二换能器元件配置成改 变所接收超声信号的飞行时间和宽带超声衰减中之一，以便生成所述经修改超声波。
4.如权利要求1所述的电子体模00，50)，其中，所述第一和第二换能器元件(30，42) 包括不匹配换能器。
5.如权利要求1所述的电子体模00，50)，其中，所述第一和第二换能器元件并行连接。
6.如权利要求1所述的电子体模00，50)，还包括信号修改模块(32)，连接到所述第 一和第二换能器元件(30，42)，并且配置成可调整地改变所接收超声信号的飞行时间和宽 带超声衰减中之一，以便生成所述经修改超声波。
7.如权利要求6所述的电子体模00，50)，还包括控制器(38)，连接到所述信号修改 模块(32)，所述控制器(38)接收用户输入以便控制所述经修改超声波的生成。
8.一种对用于定量超声装置的体模测试的骨进行电子模仿的方法(60)，所述方法包括确定(64)待模仿骨的一个或多个声学性质；根据所确定声学性质调制(66)来自所述定量超声装置的所接收超声信号；以及 将所述经调制超声信号传送(70)给所述定量超声装置。
9.如权利要求8所述的方法(60)，其中，所述骨包括人踵骨。
10.如权利要求8所述的方法(60)，其中，所述一个或多个声学性质包括飞行时间性质 和宽带超声衰减性质中至少之一。
全文摘要
提供电子体模(20，50)和对用于定量超声装置(22)的体模进行电子控制的方法(60)。电子体模包括壳体(52)、壳体中配置成从定量超声装置接收超声信号的第一换能器元件(30)以及壳体中连接到第一换能器元件的第二换能器元件(42)。第二换能器元件配置成根据所接收超声信号将经修改超声波传送给定量超声装置。第一和第二换能器元件以背对背配置安置在壳体中。
文档编号A61B8/00GK102028497SQ20101050804
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年9月30日
发明者R·F·莫里斯, S·T·莫里斯 申请人:通用电气公司