[发明专利]一种阵列式多频点超声骨密度测量技术

说明书

一种阵列式多频点超声骨密度测量技术，其特征包括阵列式换能器、数据采集系统硬件设计、一种导波分离算法、人工神经网络分类器。换能器发射端将激励电信号转化为超声信号，并由接收端接收。采用阵列式结构可以有效避免软组织对测量精度的影响。数据采集系统负责为换能器提供激励，对数据进行采样，并将采集到的信号通过USB3.0接口传输至上位机中。上位机采用导波分离算法，分离出与骨密度相关的弯曲波。以上流程提取出的参数作为输入数据，通过机器学习的方法训练分类器，从而得到一个综合反映人体长骨骨质状况的参数。

技术领域

本发明涉及人体骨密度测量问题。当前普遍采用的双能X射线吸收计量法(DualEnergy X-ray Absorptiometry，DEXA)来测量骨密度对人体有隐性伤害；基于超声第一到达波(First Arriving Signal，FAS)原理的轴向超声测量技术对皮质骨厚度以及骨内膜区域不敏感，不能够评价整个长骨皮质骨厚度内骨的特性；基于导波(Guided Wave)原理的骨质状况定量测量与评价技术无法消除软组织的影响。本发明结合FAS技术与超声导波技术，提出一种阵列式多频点骨质状况检测系统。

背景技术

随着人口趋于老龄化，多种负面的问题接踵而来，骨质疏松症及其并发性骨折就是其中之一。据不完全统计，目前全世界骨质疏松症患者约有2亿人，而我国的骨质疏松症患者也已经超过了9000万人，约占我国总人口的7％，其中大约有50％的老年妇女和20％的老年男性患有骨质疏松症，骨质疏松症已经像心脏病、癌症、糖尿病一样严重威胁着中老年人的健康。鉴于我国即将全面进入老龄化社会，快速、方便、廉价的骨密度检测产品将具有重大的社会价值和经济价值。

老年人的骨质疏松症目前尚无有效治疗的手段，因此必须强调预防的重要性。大多数人在骨折之前都不知道自己有骨质疏松，因为骨质疏松的进展是无痛性的。所以在这个老龄化的社会，早期检测显得尤为重要。

检测骨密度的金标准是DEXA测试，但这种测试的X射线对人体有害，已经证实过量的X射线辐射会导致肿瘤的发生。因此，作为预测和体检，双能X射线并不合适。近年来，多种新技术被用于骨质疏松的检测，如定量CT，核磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)等，但这些技术要么具有放射性，要么比较昂贵，或者设备体积较大，需要专业的操作人员，不适宜于大规模推广使用。而定量超声检测技术，具有无放射性、廉价、便携、易于使用等优点，正在逐步被推广使用。

用于骨质疏松检测的定量超声方法基于多种检测原理，目前商用的设备主要基于透射技术和轴向传输技术。透射技术选择的测试部位为松质骨，轴向传输技术选择的测试部位为皮质骨。

其中轴向传输技术可基于第一到达波(FAS)原理，或者基于导波(Guided Wave)原理。然而这两种技术都有各自的缺陷：基于FAS原理的轴向传输技术目前已经实现商用，但是它对皮质骨厚度及骨内膜区域不敏感，不能够评价整个长骨皮质骨厚度内骨的特性；基于导波原理的骨质状况定量测量与评价技术是近年来的研究热点，但是它无法消除软组织的影响，在测量精度上还有进一步提高的可能性。

本发明设计的阵列式多频点超声骨密度测量技术就是针对以上两种方法的各自的缺点，并结合两者的原理，提出一种更为精确的阵列式宽带检测系统。

发明内容

本发明要解决的问题是：结合目前已经较为成熟的FAS原理和轴向传输技术，提出了一种双发多收宽带超声换能器阵列，可以有效消除软组织的影响，并将FAS技术和导波技术结合起来，得到反映整个皮质骨横截面的更为精确的骨质信息。

本发明的技术方案为：阵列式多频点超声骨密度测量技术包括阵列式宽带换能器、数据采集系统硬件设计、一种导波分离算法、人工神经网络分类器。阵列式换能器即多个换能器形成阵列，负责将激励转换为超声波信号并接收回波。采用阵列换能器可以有效消除皮肤组织对测量精度的影响，阵列中所采用的换能器均为宽带超声探头，通过改变激励信号的频率，可以在皮质骨中形成体波和导波等多种模式的声波，