骨密度的测量装置及检测方法
专利名称：骨密度的测量装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及轴向定量超声法检测骨密度的测量装置 及检测方法。
背景技术：
定量超声技术在骨质酥松症检测方面的研究至今已有多年历史，在临床上可以预 测骨折发生，具有无创、便携、适用人群广、可重复性好等优点。目前应用最多的是超声横向 传播技术，横向传播技术使用两个压电换能器，这两个压电换能器的一个作为发射器，另一 个作为接收器，放在被测骨部位的两侧进行测量。该方法测量超声频率与振幅衰减的斜率 关系，即宽带超声衰减系数和超声传播速度。超声在骨两侧传播时一部分沿骨质层传播，该 部分超声波传播的路程将大于骨两侧超声探头间距离，由该超声波传播模式推导出的传播 速度偏小；而另一部分经过骨髓腔传播，这条路径上传播介质不同，超声速度不均勻，同时 具有强烈的频散特性，由此推算的传播速度很大程度上取决于延迟时间的取值方式，而且， 计算超声传播速度与衰减系数是假设骨厚度已知或者骨上软组织厚度带来的影响忽略，这 种假设带来了粗糙的测量结果，限制了传播速度与衰减系数的精确度。最新的仪器开始使用定量超声轴向传播技术测量骨密度，轴向传输技术大多使用 两个压电换能器放在被测骨部位的同侧进行测量。超声经接收换能器转换成的信号既包含 第一到达波，也包含慢速波，慢速波是一组紧接着第一到达波到达的波形，传播速度较慢、 能量较高、幅值较大、信号的相速度符合基本弯曲波模式，相对于第一到达波可以提供更有 效的数据来检测骨质酥松症，监测骨骼生长。传统的轴向传播技术使用第一到达波计算传 播延时，然而，当超声波长小于皮质骨厚度时，第一到达波不能很好的反映出皮质骨厚度、 幅值较小、长距离传播衰减太大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种骨密度的测量装置，剔 除骨上软组织厚度带来的测量误差，方便、精确定位，提高测量精度。本发明的另一目的是提供一种骨密度的检测方法，采用定量超声慢速波轴向测 量，能提供更多长骨皮质层的特征信息，检测骨密度更加精确。本发明骨密度的测量装置是通过以下技术方案实现的具有一外壳，外壳连接底 座，外壳固定连接弹簧组一端，弹簧组另一端连接侧垫，侧垫上部空间形成有手臂测量槽， 侧垫相对侧设置有两个相同的发射探头和一个接收探头，接收探头位于两发射探头之间； 底座固定连接隔板和探头固定板，两发射探头与接收探头位于隔板一侧的同一平面，发射 探头嵌入探头固定板左边的探头固定孔以及隔板左边的隔板孔；发射探头嵌入探头固定板 右边的探头固定孔以及隔板右边的隔板孔；接收探头间隙嵌套于隔板中间的隔板槽及探头 固定板中间的探头固定槽中，左右隔板孔之间的距离与左右探头固定孔之间的距离相等； 接收探头的底端连接传动部件。
进一步地，本发明的传动部件包括基座、步进电机，步进电机基座，螺母付和丝杠； 步进电机固定连接步进电机基座基座与步进电机基座相对地固定于所述底座上；丝杠一端 连接基座，中间部分的丝杠主体上套有螺母付；丝杠另一端连接步进电机的转轴，所述接收 探头的底端通过螺母付连接丝杠。进一步地，发射探头由探头匹配层、接收探头探针、探头槽、挡瓣、弹簧，信号引线 孔和探头固定孔组成，探头槽内装有接收探头探针和弹簧，接收探头探针的顶端是探头匹 配层，接收探头探针的底端连接弹簧一端，弹簧另一端与发射探头的底座连接，在探头槽内 壁和接收探头探针之间是挡瓣，探头槽上开有信号引线孔；所述接收探头上的探头槽长于 发射探头，其余结构与两发射探头相同。本发明骨密度的检测方法是采用如下步骤(A)将发射探头和发射探头之间的距 离L均分η等份；(B)将被测手臂放进手臂测量槽，弹簧组带动侧垫在手臂测量槽内水平 移动，调节手臂测量槽的大小，保证被测手臂与两发射探头和接收探头紧密接触；启动步进 电机，由步进电机的转轴带动丝杠转动，使螺母付在丝杠主体上移动从而带动接收探头在 探头活动槽和隔板槽中移动，将接收探头位置定于距发射探头的L/n cm处；(C)锁定步进 电机，两发射探头依次发射超声慢速波，接收探头将两次接收的超声慢速波转化为电信号 送后续处理；(D)步进电机再次启动，将接收探头向发射探头方向移动L/n cm，再执行步骤 (C) ； (E)跳转至步骤(D)重复执行n-3次，最后求出均值。本发明的有益效果是1、本发明采用双向超声发射技术，收发过程完全对称，剔除了骨上软组织厚度带 来的测量误差。2、步进电机方便、精确定位接收探头的位置并多次测量取均值，提高了测量精度。3、两个发射探头位置固定，接收探头位于两个发射探头之间，超声波传播距离为 一定值，测量距离精确。4、采用定量超声慢速波轴向检测方法，能够得到全面的皮质骨结构内部信息，达 到了精确测量骨密度的要求，测量方便、简单易行。5、手臂测量槽采用伸缩性的弹簧调节大小，适宜不同尺度的手臂，测量人群广。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。图1是本发明测量装置的结构示意图。图2是图1中探头固定板10的结构示意图。图3是图1中隔板9的结构示意图。图4是图1中发射探头6的结构示意图。图5是图1中发射探头6、7与接收探头8的装配示意图。图6是图1中步进电机12和丝杠16传动连接示意图。图7本发明超声波双向传输测量法原理图。图中1.外壳；2.弹簧组；3.侧垫；4.手臂测量槽；5.底座；6、7·发射探头；8.接 收探头；9.隔板；10.探头固定板；11.基座；12.步进电机；13.步进电机基座；14.另一基 座；15.螺母付；16.丝杠。
具体实施例方式如图1 骨密度的测量装置具有一外壳1，外壳1连接底座5，外壳1固定连接弹簧 组2的一端，弹簧组2的另一端连接侧垫3，即侧垫3和外壳1用具有伸缩功能的弹簧组2 将两者连接在一起。侧垫3的上表面弯曲成曲面形状，侧垫3的上部空间形成手臂测量槽 4，手臂测量槽4具有较大的开口空间，以容纳被测手臂放进手臂测量槽4内。在侧垫3的相对侧，设置发射探头6、发射探头7、接收探头8、隔板9和探头固定板 10，隔板9和探头固定板10的两端固定连接底座5。探头固定板10的结构如图2所示，探 头固定板10上左右对称开有探头固定孔IOa和10b，探头固定孔IOa和IOb中间开有探头 固定槽10c。隔板9的结构如图3所示，隔板9上左右对称开有隔板孔9a和％，在隔板孔 9a和9b之间是隔板槽9c，左右隔板孔9a和9b之间的距离与左右探头固定孔IOa和IOb 之间的距离相等。发射探头6和发射探头7的结构相同，彼此左右相对安装，其结构如图4 所示，以发射探头6为例说明，发射探头6由探头匹配层6a、接收探头探针6b、探头槽6c、挡 瓣6d、弹簧6e，信号引线孔6f和探头固定孔6g组成，其中，探头槽6c内装有接收探头探针 6b和弹簧6e，接收探头探针6b的顶端是探头匹配层6a，探头匹配层6a有一层与皮肤属性 相同的球面物质，与被测手臂充分接触时易于收发超声波信号，又起到保护被测手臂且不 被发射探头探针6b刺伤的作用。接收探头探针6b的底端连接弹簧6e的一端，弹簧6e的 另一端与发射探头6的底座连接，在探头槽6c内壁和接收探头探针6b之间是挡瓣6d，挡 瓣6d用于限制发射探头探针6b不弹出探头槽6c。探头槽6c上开有信号引线孔6f，将控 制信号线和测试信号线从此孔引出，供后续处理模块处理。发射探头探针6b受到挤压，弹 簧6e在探头槽6c内伸缩，带动发射探头探针6b水平移动，实现水平伸缩的特点。发射探头7的结构和功能与发射探头6相同，接收探头8上的探头槽比发射探头 6较长，其余结构和功能与发射探头6、7均相同，不再赘述。发射探头6、7和接收探头8的装配如图5所示，发射探头6、7与接收探头8位于 隔板9 一侧的同一平面，发射探头6与探头固定板10上的探头固定孔IOa以及隔板9上的 隔板孔9a相配，发射探头7与探头固定板10上的探头固定孔IOb以及隔板9上的隔板孔 9b相配。接收探头8与隔板槽9c及探头固定槽IOc相配，使接收探头8位于发射探头6、7 之间。发射探头6嵌入在探头固定孔IOa和隔板孔9a中，在探头固定孔6g处用螺钉将发 射探头6和探头固定板10固定连接在一起，同样，发射探头7嵌入在探头固定孔IOb和隔 板孔％中，用螺钉将发射探头7和探头固定板10固定连接在一起。接收探头8同时间隙 嵌套在隔板槽9c和探头固定槽IOc中，并可在隔板槽9c和探头固定槽IOc中移动，接收探 头8的的底端连接螺母付15。如图1、6所示，接收探头8的底端连接传动部件，该传动部件由基座11、步进电机 12，步进电机基座13，另一基座14，螺母付15和丝杠16组成。其中，步进电机12具有的步 进电机主体12b部分用螺钉固定于步进电机基座13上，基座11与步进电机基座13相对地 固定在底座5上。丝杠16 —端连接基座11，嵌入基座11上的基座孔lib中，基座11上开 有基座固定孔11a，通过该基座固定孔Ila用螺钉将基座11固定在底座5上；丝杠16中间 部分是丝杠主体16a，在丝杠主体16a上套有螺母付15 ；丝杠16另一端16b是空心管状结 构，步进电机12的转轴12a嵌入丝杠16的另一端16b中，并用螺钉固定连接。接收探头8
5的底端通过螺母付15与丝杠16连接。在螺母付15和步进电机12之间是另一基座14，丝 杠16另一端16b穿过另一基座14上的基座孔14b，另一基座14底部开有基座固定孔14a， 通过基座固定孔14a用螺钉将另一基座14固定在底座5上。本发明采用轴向测量，将发射探头7与接收探头8放置在被测骨的同一侧进行测 量，发射探头6和发射探头7依次发射超声慢速波，接收探头8位于发射探头6和发射探头 7之间接收传播过来的超声慢速波。慢速波在整个皮质骨厚度内传播，对皮质骨厚度很敏 感，能够得到全面的皮质骨结构内部信息。慢速波的衰减较小，与现有其它的超声波方法相 比，能提供更多长骨皮质骨的特征信息。测量时，将被测手臂放进手臂测量槽4，弹簧组2带 动侧垫3在手臂测量槽4内水平移动，调节手臂测量槽4的大小，适合不同手臂大小的人群 测量，又能保证被测手臂与发射探头6、发射探头7和接收探头8紧密接触，且不至于挤压伤 被测手臂。启动步进电机12，步进电机的转轴12a带动丝杠16转动，使得螺母付15在丝 杠主体16a上移动，带动接收探头8在探头活动槽IOc和隔板槽9c中移动，从而改变接收 探头8的接收位置。步进电机12通过丝杠16带动接收探头8精确、方便地移动，定位接收 探头8的位置，每次接收探头8移动一个位置，发射探头6和发射探头7依次发射超声慢速 波，接收探头8将接收到的超声慢速波转化为电信号送后续模块处理，这样多次测量，使接 收探头8、发射探头6、发射探头7位置完全对称，剔除了骨上软组织厚度对骨密度在检测时 的影响。多次测量不同部位区间的超声传播速度，然后求出均值作为其最终超声传播速度， 可以减小单次测量的误差，进一步提高测量精度。上述测量原理如图7所示是超声波双向传输测量法原理，时延T1为上方超声波 由A点经B点传至E点所用时间与A点传至D点所用时间的差值，即T1 =
因为Tbc = Tad，所以T1 = TAB+TCE,等于A点至B点的时延加上了 C点至E点的时延。时延 Tl为下方超声波由B点经A点传至D点所用时间与B点传至E点所用时间的差值，即T2 = WTbc-Tce,因为Tbc = Tad，所以有T2 = Tba-Tce,等于B点至A点的时延减去了 C点至E 点的时延。距离S1代表上方超声波由A点经B点传至E点比A点传至D点多传播的距离， 即S1 = Sa^SbJSce-Sad,因为Sbc = Sad，所以有S1 = SAB+SCE，等于C点至E点距离加上L。距 离S2代表下方超声波由B点经A点传至D点比B点经C点经传至E点多传播的距离，即S2 =SBA+SAD-SBC-SCE,因为Sad = Sbc,所以有S2 = Sba-Sce,等于L减去C点至E点距离。传统测 试方法忽略C点到E点的距离，超声传播速度直接等于L除以时延T1,或者L除以延时T2。 理想骨参数超声传播速度等于超声在骨中传播距离除以骨中传播时延，等于A至B距离除 以A至B时延。距离S1与距离S2的和S = S^S2 = SAB+SBA = 2L，即超声在骨中由A点传至 B点距离L的两倍S，时延T1与时延T2的和T = T^T2 = TAB+TBA,即超声在骨中由A点传至 B点时延的两倍T。由该距离和S除以该时延和T得到的改进超声传播速度，可以精确表示 超声在骨中的传播速度，剔除了骨上软组织对骨密度在体检测时的影响。以下提供本发明检测方法的一个实施例实施例先将发射探头6和发射探头7之间的距离L均分η等份，然后按以下步骤操作(a)将被测手臂放进手臂测量槽4，启动步进电机12，将接收探头8位置定于距发 射探头6的L/n cm处；(b)锁定步进电机12，发射探头6和发射探头7依次发射超声慢速波，接收探头8将两次接收的超声慢速波转化为电信号送后续模块处理；(c)步进电机12再次启动，将接收探头8向发射探头7方向移动L/n cm，然后再 执行步骤(b)；(d)跳转至步骤(c)重复执行n-3次。按照上述测量步骤，超声接收探头8共有n-1个测试位置，各位置相距L/n cm,每 次发射探头6和发射探头7发射的超声慢速波的传播距离和都是Lcm，并且最后测量位置距 发射探头7恰好也是L/n cm处，整个收发装置完全对称。发射探头6和发射探头7依次发 射的超声慢速波传播到接收探头8的距离和是一个定值Lcm，对n-1次轴向定量超声慢速 波测量方法的超声传播速度结果取均值，测试得到的误差值在0.5%范围内，提高了测量精 度。
权利要求
一种骨密度的测量装置，具有一外壳(1)，外壳(1)连接底座(5)，其特征是外壳(1)固定连接弹簧组(2)一端，弹簧组(2)另一端连接侧垫(3)，侧垫(3)上部空间形成有手臂测量槽(4)，侧垫(3)相对侧设置有两个相同的发射探头(6、7)和一个接收探头(8)，接收探头(8)位于两发射探头(6、7)之间；底座(5)固定连接隔板(9)和探头固定板(10)，两发射探头(6、7)与接收探头(8)位于隔板(9)一侧的同一平面，发射探头(6)嵌入探头固定板(10)左边的探头固定孔(10a)以及隔板(9)左边的隔板孔(9a)；发射探头(7)嵌入探头固定板(10)右边的探头固定孔(10b)以及隔板(9)右边的隔板孔(9b)；接收探头(8)间隙嵌套于隔板(9)中间的隔板槽(9c)及探头固定板(10)中间的探头固定槽(10c)中，左右隔板孔(9a、9b)之间的距离与左右探头固定孔(10a、10b)之间的距离相等；接收探头(8)的底端连接传动部件。
2.根据权利要求1所述的骨密度的测量装置，其特征是所述传动部件包括基座(11)、 步进电机(12)，步进电机基座(13)，螺母付(15)和丝杠(16)；步进电机(12)固定连接步进 电机基座(13)，基座(11)与步进电机基座(13)相对地固定于所述底座(5)上；丝杠(16) 一端连接基座(11)，中间部分的丝杠主体(16a)上套有螺母付(15)；丝杠(16)另一端连接 步进电机(12)的转轴(12a)，所述接收探头(8)的底端通过螺母付(15)连接丝杠(16)。
3.根据权利要求1所述的骨密度的测量装置，其特征是发射探头(6)由探头匹配层 (6a)、接收探头探针(6b)、探头槽(6c)、挡瓣(6d)、弹簧(6e)，信号引线孔(6f)和探头固定 孔(6g)组成，探头槽(6c)内装有接收探头探针(6b)和弹簧(6e)，接收探头探针(6b)的顶 端是探头匹配层(6a)，接收探头探针(6b)的底端连接弹簧(6e) —端，弹簧(6e)另一端与 发射探头(6)的底座连接，在探头槽(6c)内壁和接收探头探针(6b)之间是挡瓣(6d)，探头 槽(6c)上开有信号引线孔(6f)；所述接收探头(8)上的探头槽长于发射探头(6)，其余结 构与两发射探头(6、7)相同。
4.一种骨密度的检测方法，其特征是采用如下步骤(A)将发射探头(6)和发射探头(7)之间的距离L均分η等份；(B)将被测手臂放进手臂测量槽(4)，弹簧组⑵带动侧垫(3)在手臂测量槽⑷内水 平移动，调节手臂测量槽(4)的大小，保证被测手臂与两发射探头(6、7)和接收探头(8)紧 密接触；启动步进电机(12)，由步进电机的转轴(12a)带动丝杠(16)转动，使螺母付(15) 在丝杠主体(16a)上移动从而带动接收探头(8)在探头活动槽(IOc)和隔板槽(9c)中移 动，将接收探头(8)位置定于距发射探头(6)的L/n cm处；(C)锁定步进电机(12)，两发射探头(6、7)依次发射超声慢速波，接收探头(8)将两次 接收的超声慢速波转化为电信号送后续处理；(D)步进电机(12)再次启动，将接收探头(8)向发射探头(7)方向移动L/ncm，再执 行步骤(C)；(E)跳转至步骤(D)重复执行n-3次，最后求出均值。
全文摘要
本发明公开一种医疗器械技术领域中轴向定量超声法检测骨密度的测量装置及检测方法，外壳固定连接弹簧组一端，弹簧组另一端连接侧垫，侧垫上部空间形成有手臂测量槽，侧垫相对侧设置有两个相同的发射探头和一个接收探头；两发射探头与接收探头位于隔板一侧的同一平面，接收探头的底端连接传动部件；将被测手臂放进手臂测量槽，弹簧组带动侧垫在手臂测量槽内水平移动，由步进电机的转轴带动丝杠转动，从而带动接收探头移动，两发射探头依次发射超声慢速波，接收探头将两次接收的超声慢速波转化为电信号送后续处理；本发明剔除骨上软组织厚度带来的测量误差，精确定位接收探头的位置，提高了测量精度。
文档编号A61B8/00GK101947116SQ20101029744
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者张业成, 张荣标, 金振俊, 黄义振 申请人:江苏大学
技术领域：
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及轴向定量超声法检测骨密度的测量装置 及检测方法。
背景技术：
定量超声技术在骨质酥松症检测方面的研究至今已有多年历史，在临床上可以预 测骨折发生，具有无创、便携、适用人群广、可重复性好等优点。目前应用最多的是超声横向 传播技术，横向传播技术使用两个压电换能器，这两个压电换能器的一个作为发射器，另一 个作为接收器，放在被测骨部位的两侧进行测量。该方法测量超声频率与振幅衰减的斜率 关系，即宽带超声衰减系数和超声传播速度。超声在骨两侧传播时一部分沿骨质层传播，该 部分超声波传播的路程将大于骨两侧超声探头间距离，由该超声波传播模式推导出的传播 速度偏小；而另一部分经过骨髓腔传播，这条路径上传播介质不同，超声速度不均勻，同时 具有强烈的频散特性，由此推算的传播速度很大程度上取决于延迟时间的取值方式，而且， 计算超声传播速度与衰减系数是假设骨厚度已知或者骨上软组织厚度带来的影响忽略，这 种假设带来了粗糙的测量结果，限制了传播速度与衰减系数的精确度。最新的仪器开始使用定量超声轴向传播技术测量骨密度，轴向传输技术大多使用 两个压电换能器放在被测骨部位的同侧进行测量。超声经接收换能器转换成的信号既包含 第一到达波，也包含慢速波，慢速波是一组紧接着第一到达波到达的波形，传播速度较慢、 能量较高、幅值较大、信号的相速度符合基本弯曲波模式，相对于第一到达波可以提供更有 效的数据来检测骨质酥松症，监测骨骼生长。传统的轴向传播技术使用第一到达波计算传 播延时，然而，当超声波长小于皮质骨厚度时，第一到达波不能很好的反映出皮质骨厚度、 幅值较小、长距离传播衰减太大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种骨密度的测量装置，剔 除骨上软组织厚度带来的测量误差，方便、精确定位，提高测量精度。本发明的另一目的是提供一种骨密度的检测方法，采用定量超声慢速波轴向测 量，能提供更多长骨皮质层的特征信息，检测骨密度更加精确。本发明骨密度的测量装置是通过以下技术方案实现的具有一外壳，外壳连接底 座，外壳固定连接弹簧组一端，弹簧组另一端连接侧垫，侧垫上部空间形成有手臂测量槽， 侧垫相对侧设置有两个相同的发射探头和一个接收探头，接收探头位于两发射探头之间； 底座固定连接隔板和探头固定板，两发射探头与接收探头位于隔板一侧的同一平面，发射 探头嵌入探头固定板左边的探头固定孔以及隔板左边的隔板孔；发射探头嵌入探头固定板 右边的探头固定孔以及隔板右边的隔板孔；接收探头间隙嵌套于隔板中间的隔板槽及探头 固定板中间的探头固定槽中，左右隔板孔之间的距离与左右探头固定孔之间的距离相等； 接收探头的底端连接传动部件。
进一步地，本发明的传动部件包括基座、步进电机，步进电机基座，螺母付和丝杠； 步进电机固定连接步进电机基座基座与步进电机基座相对地固定于所述底座上；丝杠一端 连接基座，中间部分的丝杠主体上套有螺母付；丝杠另一端连接步进电机的转轴，所述接收 探头的底端通过螺母付连接丝杠。进一步地，发射探头由探头匹配层、接收探头探针、探头槽、挡瓣、弹簧，信号引线 孔和探头固定孔组成，探头槽内装有接收探头探针和弹簧，接收探头探针的顶端是探头匹 配层，接收探头探针的底端连接弹簧一端，弹簧另一端与发射探头的底座连接，在探头槽内 壁和接收探头探针之间是挡瓣，探头槽上开有信号引线孔；所述接收探头上的探头槽长于 发射探头，其余结构与两发射探头相同。本发明骨密度的检测方法是采用如下步骤(A)将发射探头和发射探头之间的距 离L均分η等份；(B)将被测手臂放进手臂测量槽，弹簧组带动侧垫在手臂测量槽内水平 移动，调节手臂测量槽的大小，保证被测手臂与两发射探头和接收探头紧密接触；启动步进 电机，由步进电机的转轴带动丝杠转动，使螺母付在丝杠主体上移动从而带动接收探头在 探头活动槽和隔板槽中移动，将接收探头位置定于距发射探头的L/n cm处；(C)锁定步进 电机，两发射探头依次发射超声慢速波，接收探头将两次接收的超声慢速波转化为电信号 送后续处理；(D)步进电机再次启动，将接收探头向发射探头方向移动L/n cm，再执行步骤 (C) ； (E)跳转至步骤(D)重复执行n-3次，最后求出均值。本发明的有益效果是1、本发明采用双向超声发射技术，收发过程完全对称，剔除了骨上软组织厚度带 来的测量误差。2、步进电机方便、精确定位接收探头的位置并多次测量取均值，提高了测量精度。3、两个发射探头位置固定，接收探头位于两个发射探头之间，超声波传播距离为 一定值，测量距离精确。4、采用定量超声慢速波轴向检测方法，能够得到全面的皮质骨结构内部信息，达 到了精确测量骨密度的要求，测量方便、简单易行。5、手臂测量槽采用伸缩性的弹簧调节大小，适宜不同尺度的手臂，测量人群广。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。图1是本发明测量装置的结构示意图。图2是图1中探头固定板10的结构示意图。图3是图1中隔板9的结构示意图。图4是图1中发射探头6的结构示意图。图5是图1中发射探头6、7与接收探头8的装配示意图。图6是图1中步进电机12和丝杠16传动连接示意图。图7本发明超声波双向传输测量法原理图。图中1.外壳；2.弹簧组；3.侧垫；4.手臂测量槽；5.底座；6、7·发射探头；8.接 收探头；9.隔板；10.探头固定板；11.基座；12.步进电机；13.步进电机基座；14.另一基 座；15.螺母付；16.丝杠。
具体实施例方式如图1 骨密度的测量装置具有一外壳1，外壳1连接底座5，外壳1固定连接弹簧 组2的一端，弹簧组2的另一端连接侧垫3，即侧垫3和外壳1用具有伸缩功能的弹簧组2 将两者连接在一起。侧垫3的上表面弯曲成曲面形状，侧垫3的上部空间形成手臂测量槽 4，手臂测量槽4具有较大的开口空间，以容纳被测手臂放进手臂测量槽4内。在侧垫3的相对侧，设置发射探头6、发射探头7、接收探头8、隔板9和探头固定板 10，隔板9和探头固定板10的两端固定连接底座5。探头固定板10的结构如图2所示，探 头固定板10上左右对称开有探头固定孔IOa和10b，探头固定孔IOa和IOb中间开有探头 固定槽10c。隔板9的结构如图3所示，隔板9上左右对称开有隔板孔9a和％，在隔板孔 9a和9b之间是隔板槽9c，左右隔板孔9a和9b之间的距离与左右探头固定孔IOa和IOb 之间的距离相等。发射探头6和发射探头7的结构相同，彼此左右相对安装，其结构如图4 所示，以发射探头6为例说明，发射探头6由探头匹配层6a、接收探头探针6b、探头槽6c、挡 瓣6d、弹簧6e，信号引线孔6f和探头固定孔6g组成，其中，探头槽6c内装有接收探头探针 6b和弹簧6e，接收探头探针6b的顶端是探头匹配层6a，探头匹配层6a有一层与皮肤属性 相同的球面物质，与被测手臂充分接触时易于收发超声波信号，又起到保护被测手臂且不 被发射探头探针6b刺伤的作用。接收探头探针6b的底端连接弹簧6e的一端，弹簧6e的 另一端与发射探头6的底座连接，在探头槽6c内壁和接收探头探针6b之间是挡瓣6d，挡 瓣6d用于限制发射探头探针6b不弹出探头槽6c。探头槽6c上开有信号引线孔6f，将控 制信号线和测试信号线从此孔引出，供后续处理模块处理。发射探头探针6b受到挤压，弹 簧6e在探头槽6c内伸缩，带动发射探头探针6b水平移动，实现水平伸缩的特点。发射探头7的结构和功能与发射探头6相同，接收探头8上的探头槽比发射探头 6较长，其余结构和功能与发射探头6、7均相同，不再赘述。发射探头6、7和接收探头8的装配如图5所示，发射探头6、7与接收探头8位于 隔板9 一侧的同一平面，发射探头6与探头固定板10上的探头固定孔IOa以及隔板9上的 隔板孔9a相配，发射探头7与探头固定板10上的探头固定孔IOb以及隔板9上的隔板孔 9b相配。接收探头8与隔板槽9c及探头固定槽IOc相配，使接收探头8位于发射探头6、7 之间。发射探头6嵌入在探头固定孔IOa和隔板孔9a中，在探头固定孔6g处用螺钉将发 射探头6和探头固定板10固定连接在一起，同样，发射探头7嵌入在探头固定孔IOb和隔 板孔％中，用螺钉将发射探头7和探头固定板10固定连接在一起。接收探头8同时间隙 嵌套在隔板槽9c和探头固定槽IOc中，并可在隔板槽9c和探头固定槽IOc中移动，接收探 头8的的底端连接螺母付15。如图1、6所示，接收探头8的底端连接传动部件，该传动部件由基座11、步进电机 12，步进电机基座13，另一基座14，螺母付15和丝杠16组成。其中，步进电机12具有的步 进电机主体12b部分用螺钉固定于步进电机基座13上，基座11与步进电机基座13相对地 固定在底座5上。丝杠16 —端连接基座11，嵌入基座11上的基座孔lib中，基座11上开 有基座固定孔11a，通过该基座固定孔Ila用螺钉将基座11固定在底座5上；丝杠16中间 部分是丝杠主体16a，在丝杠主体16a上套有螺母付15 ；丝杠16另一端16b是空心管状结 构，步进电机12的转轴12a嵌入丝杠16的另一端16b中，并用螺钉固定连接。接收探头8
5的底端通过螺母付15与丝杠16连接。在螺母付15和步进电机12之间是另一基座14，丝 杠16另一端16b穿过另一基座14上的基座孔14b，另一基座14底部开有基座固定孔14a， 通过基座固定孔14a用螺钉将另一基座14固定在底座5上。本发明采用轴向测量，将发射探头7与接收探头8放置在被测骨的同一侧进行测 量，发射探头6和发射探头7依次发射超声慢速波，接收探头8位于发射探头6和发射探头 7之间接收传播过来的超声慢速波。慢速波在整个皮质骨厚度内传播，对皮质骨厚度很敏 感，能够得到全面的皮质骨结构内部信息。慢速波的衰减较小，与现有其它的超声波方法相 比，能提供更多长骨皮质骨的特征信息。测量时，将被测手臂放进手臂测量槽4，弹簧组2带 动侧垫3在手臂测量槽4内水平移动，调节手臂测量槽4的大小，适合不同手臂大小的人群 测量，又能保证被测手臂与发射探头6、发射探头7和接收探头8紧密接触，且不至于挤压伤 被测手臂。启动步进电机12，步进电机的转轴12a带动丝杠16转动，使得螺母付15在丝 杠主体16a上移动，带动接收探头8在探头活动槽IOc和隔板槽9c中移动，从而改变接收 探头8的接收位置。步进电机12通过丝杠16带动接收探头8精确、方便地移动，定位接收 探头8的位置，每次接收探头8移动一个位置，发射探头6和发射探头7依次发射超声慢速 波，接收探头8将接收到的超声慢速波转化为电信号送后续模块处理，这样多次测量，使接 收探头8、发射探头6、发射探头7位置完全对称，剔除了骨上软组织厚度对骨密度在检测时 的影响。多次测量不同部位区间的超声传播速度，然后求出均值作为其最终超声传播速度， 可以减小单次测量的误差，进一步提高测量精度。上述测量原理如图7所示是超声波双向传输测量法原理，时延T1为上方超声波 由A点经B点传至E点所用时间与A点传至D点所用时间的差值，即T1 =
因为Tbc = Tad，所以T1 = TAB+TCE,等于A点至B点的时延加上了 C点至E点的时延。时延 Tl为下方超声波由B点经A点传至D点所用时间与B点传至E点所用时间的差值，即T2 = WTbc-Tce,因为Tbc = Tad，所以有T2 = Tba-Tce,等于B点至A点的时延减去了 C点至E 点的时延。距离S1代表上方超声波由A点经B点传至E点比A点传至D点多传播的距离， 即S1 = Sa^SbJSce-Sad,因为Sbc = Sad，所以有S1 = SAB+SCE，等于C点至E点距离加上L。距 离S2代表下方超声波由B点经A点传至D点比B点经C点经传至E点多传播的距离，即S2 =SBA+SAD-SBC-SCE,因为Sad = Sbc,所以有S2 = Sba-Sce,等于L减去C点至E点距离。传统测 试方法忽略C点到E点的距离，超声传播速度直接等于L除以时延T1,或者L除以延时T2。 理想骨参数超声传播速度等于超声在骨中传播距离除以骨中传播时延，等于A至B距离除 以A至B时延。距离S1与距离S2的和S = S^S2 = SAB+SBA = 2L，即超声在骨中由A点传至 B点距离L的两倍S，时延T1与时延T2的和T = T^T2 = TAB+TBA,即超声在骨中由A点传至 B点时延的两倍T。由该距离和S除以该时延和T得到的改进超声传播速度，可以精确表示 超声在骨中的传播速度，剔除了骨上软组织对骨密度在体检测时的影响。以下提供本发明检测方法的一个实施例实施例先将发射探头6和发射探头7之间的距离L均分η等份，然后按以下步骤操作(a)将被测手臂放进手臂测量槽4，启动步进电机12，将接收探头8位置定于距发 射探头6的L/n cm处；(b)锁定步进电机12，发射探头6和发射探头7依次发射超声慢速波，接收探头8将两次接收的超声慢速波转化为电信号送后续模块处理；(c)步进电机12再次启动，将接收探头8向发射探头7方向移动L/n cm，然后再 执行步骤(b)；(d)跳转至步骤(c)重复执行n-3次。按照上述测量步骤，超声接收探头8共有n-1个测试位置，各位置相距L/n cm,每 次发射探头6和发射探头7发射的超声慢速波的传播距离和都是Lcm，并且最后测量位置距 发射探头7恰好也是L/n cm处，整个收发装置完全对称。发射探头6和发射探头7依次发 射的超声慢速波传播到接收探头8的距离和是一个定值Lcm，对n-1次轴向定量超声慢速 波测量方法的超声传播速度结果取均值，测试得到的误差值在0.5%范围内，提高了测量精 度。
权利要求
一种骨密度的测量装置，具有一外壳(1)，外壳(1)连接底座(5)，其特征是外壳(1)固定连接弹簧组(2)一端，弹簧组(2)另一端连接侧垫(3)，侧垫(3)上部空间形成有手臂测量槽(4)，侧垫(3)相对侧设置有两个相同的发射探头(6、7)和一个接收探头(8)，接收探头(8)位于两发射探头(6、7)之间；底座(5)固定连接隔板(9)和探头固定板(10)，两发射探头(6、7)与接收探头(8)位于隔板(9)一侧的同一平面，发射探头(6)嵌入探头固定板(10)左边的探头固定孔(10a)以及隔板(9)左边的隔板孔(9a)；发射探头(7)嵌入探头固定板(10)右边的探头固定孔(10b)以及隔板(9)右边的隔板孔(9b)；接收探头(8)间隙嵌套于隔板(9)中间的隔板槽(9c)及探头固定板(10)中间的探头固定槽(10c)中，左右隔板孔(9a、9b)之间的距离与左右探头固定孔(10a、10b)之间的距离相等；接收探头(8)的底端连接传动部件。
2.根据权利要求1所述的骨密度的测量装置，其特征是所述传动部件包括基座(11)、 步进电机(12)，步进电机基座(13)，螺母付(15)和丝杠(16)；步进电机(12)固定连接步进 电机基座(13)，基座(11)与步进电机基座(13)相对地固定于所述底座(5)上；丝杠(16) 一端连接基座(11)，中间部分的丝杠主体(16a)上套有螺母付(15)；丝杠(16)另一端连接 步进电机(12)的转轴(12a)，所述接收探头(8)的底端通过螺母付(15)连接丝杠(16)。
3.根据权利要求1所述的骨密度的测量装置，其特征是发射探头(6)由探头匹配层 (6a)、接收探头探针(6b)、探头槽(6c)、挡瓣(6d)、弹簧(6e)，信号引线孔(6f)和探头固定 孔(6g)组成，探头槽(6c)内装有接收探头探针(6b)和弹簧(6e)，接收探头探针(6b)的顶 端是探头匹配层(6a)，接收探头探针(6b)的底端连接弹簧(6e) —端，弹簧(6e)另一端与 发射探头(6)的底座连接，在探头槽(6c)内壁和接收探头探针(6b)之间是挡瓣(6d)，探头 槽(6c)上开有信号引线孔(6f)；所述接收探头(8)上的探头槽长于发射探头(6)，其余结 构与两发射探头(6、7)相同。
4.一种骨密度的检测方法，其特征是采用如下步骤(A)将发射探头(6)和发射探头(7)之间的距离L均分η等份；(B)将被测手臂放进手臂测量槽(4)，弹簧组⑵带动侧垫(3)在手臂测量槽⑷内水 平移动，调节手臂测量槽(4)的大小，保证被测手臂与两发射探头(6、7)和接收探头(8)紧 密接触；启动步进电机(12)，由步进电机的转轴(12a)带动丝杠(16)转动，使螺母付(15) 在丝杠主体(16a)上移动从而带动接收探头(8)在探头活动槽(IOc)和隔板槽(9c)中移 动，将接收探头(8)位置定于距发射探头(6)的L/n cm处；(C)锁定步进电机(12)，两发射探头(6、7)依次发射超声慢速波，接收探头(8)将两次 接收的超声慢速波转化为电信号送后续处理；(D)步进电机(12)再次启动，将接收探头(8)向发射探头(7)方向移动L/ncm，再执 行步骤(C)；(E)跳转至步骤(D)重复执行n-3次，最后求出均值。
全文摘要
本发明公开一种医疗器械技术领域中轴向定量超声法检测骨密度的测量装置及检测方法，外壳固定连接弹簧组一端，弹簧组另一端连接侧垫，侧垫上部空间形成有手臂测量槽，侧垫相对侧设置有两个相同的发射探头和一个接收探头；两发射探头与接收探头位于隔板一侧的同一平面，接收探头的底端连接传动部件；将被测手臂放进手臂测量槽，弹簧组带动侧垫在手臂测量槽内水平移动，由步进电机的转轴带动丝杠转动，从而带动接收探头移动，两发射探头依次发射超声慢速波，接收探头将两次接收的超声慢速波转化为电信号送后续处理；本发明剔除骨上软组织厚度带来的测量误差，精确定位接收探头的位置，提高了测量精度。
文档编号A61B8/00GK101947116SQ20101029744
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者张业成, 张荣标, 金振俊, 黄义振 申请人:江苏大学
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