一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法與裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法與裝置，它由兩部分組成，即主機和探頭，其中主機包括激光器、激光調(diào)制器、準(zhǔn)直耦合單元、顯示模塊、光聲模式切換開關(guān)、超聲信號驅(qū)動器和處理器；所述的探頭是由聲發(fā)射聚焦探頭、前置放大器、超聲換能器陣列、透明膠體組成，所述的透明膠體粘貼在人體皮膚上，本發(fā)明報導(dǎo)的裝置兼具光聲和超聲的優(yōu)點，解決現(xiàn)有骨質(zhì)量評價DXA無法提供骨膠原信息，而骨質(zhì)量取決于骨密度和骨膠原蛋白，其中骨密度決定骨強度，骨膠原蛋白含量決定骨韌性，光聲/超聲成像技術(shù)將顯著提高對骨質(zhì)量的評價能力。本發(fā)明具有無創(chuàng)傷、無輻射、檢測成本低、評估準(zhǔn)確等明顯優(yōu)勢。
【專利說明】
一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法與裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及骨密度檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢 測方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)2009年骨質(zhì)疏松癥中國白皮書報道:我國已成為世界上擁有骨質(zhì)疏松癥或骨密 度低患者最多的國家，約有患者2.14億，隨著人口平均預(yù)期壽命的提高和老齡化的出現(xiàn)，預(yù) 計至2020年，骨質(zhì)疏松癥或骨密度低患者將達到2.86億，而在骨質(zhì)疏松癥或骨密度低患者 中將約有20%發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折。骨質(zhì)疏松癥也是一個消耗國家大量醫(yī)療資源和經(jīng)濟資 源的慢性病，按發(fā)病率逐年增加計算，在2006年用于由骨質(zhì)疏松引起的髖部骨折治療的費 用將在63.5億元之上（最高可達103.8億元），至2020年預(yù)計會增至850億元以上，可見骨質(zhì) 疏松癥已經(jīng)成為備受關(guān)注的社會問題，它不僅給患者本人帶來生活的不便，而且給社會醫(yī) 療保障體制帶來很大負(fù)擔(dān)。不僅僅在中國，骨質(zhì)疏松癥(Osteoporosis，0P)同樣也引起了世 界各國的重視。
[0003] 按照世界衛(wèi)生組織（World Health 0rganization，WH0)標(biāo)準(zhǔn)分類被（DXA,Dualenergy X-ray absorptiometry) 檢測定義為中等風(fēng)險的人群中將近 55% 的人已經(jīng)患有骨 質(zhì)疏松癥，正常骨密度人群中25 %的也存在骨折風(fēng)險。但這部分人利用DXA無法檢測出，這 使得人們懷疑DXA的準(zhǔn)確度。
[0004] DXA方法評估已發(fā)生嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥的患者直觀明了，但是由于上述原因，無法對 早期骨質(zhì)疏松相關(guān)的膠原蛋白含量進行檢測，同時也無法對骨折風(fēng)險進行有效評估。究其 原因是以骨密度為測量目標(biāo)的DXA對骨膠原蛋白的變化無能為力，同時卻在測量過程中破 壞骨膠原蛋白的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。而近年來，Wang XD和S.V. Carrin等均證實骨膠原蛋白是影響骨 質(zhì)結(jié)構(gòu)和彈性模量的重要因素。
[0005] 同時我們也注意到多項關(guān)于骨質(zhì)疏松癥測量方法的發(fā)明專利，如《定量測量骨礦 密度超聲波探頭》(CN1969762A)通過超聲測量探頭精準(zhǔn)測量超聲橫波在骨骼中傳播時間， 計算出其傳播速度，從而反映出骨礦密度信息，判斷骨質(zhì)疏松狀況;《超聲骨密度測量分析 系統(tǒng)》(CN101401732A)通過測量被測者跟骨密度、超聲在跟骨中的傳播速度和寬帶超聲衰 減，計算骨強度指數(shù)和骨密度;《一種適用于超聲骨質(zhì)疏松測試儀的足跟寬度測量裝置及其 測量方法》(CN102670257A)采用兩塊夾板及彈簧相互配合的方法，測量被測者足跟骨的密 度，據(jù)此判斷骨質(zhì)疏松癥的狀況；《一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲CT成像方法》 (CN1010154-64A)公布了利用穿過骨骼的超聲信號通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)物理方法處理得到超聲 衰減參數(shù)，根據(jù)超聲衰減系數(shù)來判斷骨質(zhì)疏松癥的狀況。
[0006] 以上這些方法采用的超聲或者量化超聲的方法來判斷骨質(zhì)疏松癥的狀況，但是研 究表明，骨質(zhì)疏松癥引發(fā)的骨質(zhì)量問題不僅與骨密度有關(guān)，而且與骨膠原蛋白含量有密切 關(guān)系。本發(fā)明提出一種新型骨質(zhì)疏松癥的檢測方法，不僅能檢測出骨礦物密度，而且能檢測 出骨膠原蛋白含量，本發(fā)明具有以下顯著的創(chuàng)新性：（1)解決現(xiàn)有骨質(zhì)量評價取決于骨密度 和骨膠原蛋白，其中骨密度決定骨強度，骨膠原蛋白含量決定骨韌性(2)現(xiàn)有的DXA無法提 供骨膠原信息，光聲/超聲成像技術(shù)將顯著提高對骨質(zhì)量的評價能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測 方法與裝置，其旨在解決無創(chuàng)傷早期骨質(zhì)量評價，尤其是嬰幼兒的骨質(zhì)量評價，以及康復(fù)過 程中骨質(zhì)量檢測的問題。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] -種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，包括主機和探頭;所述的主機，其中 包括，處理器和由處理器控制的光聲模式切換開關(guān)、激光控制器;所述的主機，其中包括，超 聲信號驅(qū)動器，通過光聲模式切換開關(guān)接收處理器的第一輸出信號且輸出超聲波至人體； 所述的主機，其中還包括，激光器，通過激光控制器接收處理器的第二輸出信號且輸出準(zhǔn)直 激光至人體，光聲模式切換開關(guān)還控制激光控制器的導(dǎo)通或截止;所述的探頭，其中包括， 聲發(fā)射聚焦探頭，探測對應(yīng)超聲波經(jīng)人體反射后的骨密度反饋信號或接收對應(yīng)準(zhǔn)直激光經(jīng) 人體反應(yīng)后的骨膠原蛋白反饋信號;所述的探頭，其中還包括，超聲換能器陣列，轉(zhuǎn)換聲發(fā) 射聚焦探頭探測到的骨密度反饋信號或骨膠原蛋白反饋信號為電信號且輸出至處理器。
[0010] 上述方案中，所述的主機和探頭，其中主機包括激光器、激光調(diào)制器、準(zhǔn)直耦合單 元、顯示模塊、光聲模式切換開關(guān)、超聲信號驅(qū)動器和處理器;所述的探頭是由聲發(fā)射聚焦 探頭、前置放大器、超聲換能器陣列、透明膠體組成，所述的透明膠體粘貼在人體皮膚上；
[0011] 所述的多波長調(diào)諧激光器與激光調(diào)制器相連接，激光器受到激光調(diào)制器的控制， 可以輸出不同調(diào)制光強的激光，同時也可以在不同波長下工作，激光能量被人體皮膚下骨 膠原組織吸收后，由于光聲效應(yīng)形成表現(xiàn)骨組織吸收特征的超聲波，光聲腔中的壓電換能 器探測到超聲波并將超聲信號轉(zhuǎn)化成電信號，傳輸給處理器;處理器接收到光聲腔的電信 號進行處理；
[0012] 進一步地，所述的激光器是多波長調(diào)諧激光器，該激光器作為光源，可以發(fā)出功率 恒定的激光，并且波長范圍覆蓋830nm~2300nm，尤其是至少包括905nm、1064nm以及1550nm 三個波段。
[0013] 進一步地，所述的激光器受到激光調(diào)制器的控制，可以輸出不同調(diào)制光強的激光， 同時也可以在不同波長下穩(wěn)定工作，即光源峰值功率范圍為50W~300W。
[0014] 進一步地，所述的激光器受到激光調(diào)制器的控制，輸出的激光可以是脈沖調(diào)制，也 可以是連續(xù)調(diào)制，例如啁嗽?目號調(diào)制。
[0015] 進一步地，所述的光聲腔是由壓電換能器和光聲腔體構(gòu)成。
[0016] 進一步地，所述的光聲腔中的壓電換能器具有寬頻帶響應(yīng)特性，工作中心頻帶為 2MHz，范圍為0 · 5MHz~5MHz。
[0017] 進一步地，所述的透明膠體是指透明乳膠，其對紅外激光的透過率很高，特別地是 830歷~230〇11111范圍的紅外激光透過率大于85%。
[0018] -種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法，包括如下步驟，
[0019] 步驟1、控制光聲模式切換開關(guān)選擇光聲模式或超聲模式為當(dāng)前工作模式；
[0020] 步驟2、根據(jù)當(dāng)前的工作模式，由超聲波或準(zhǔn)直激光對人體作用，并通過聲發(fā)射聚 焦探頭探測反饋信號，再由超聲換能器陣列轉(zhuǎn)換該反饋信號，獲得對應(yīng)反饋信號的電信號；
[0021] 步驟3、根據(jù)超聲波或準(zhǔn)直激光的頻譜特征，結(jié)合電信號，獲得相關(guān)信號，設(shè)置參考 信號，再由相關(guān)信號和參考信號求出第一頻率特征比值；
[0022] 步驟4、切換當(dāng)前的工作模式，跳轉(zhuǎn)至步驟2,獲得第二頻率特征比值，根據(jù)第一頻 率特征比值和第二頻率特征比值，獲得骨評價線性函數(shù)，由骨評價線性函數(shù)值得出人體是 否存在骨質(zhì)疏松。
[0023]上述方法中，所述的步驟3,其第一頻率特征比值A(chǔ)IB計算方式如下，
[0024]
[0025]其中，Δ f為頻率變化量，SB/Sref為相關(guān)信號比參考信號。
[0026]上述方法中，所述的步驟4,其骨評價線性函數(shù)QE如下，
[0027] QE = kiAIBpA+k2AIBus+k3
[0028] 其中，ΑΙΒρα為骨膠原蛋白頻率特征比值為第一頻率特征比值或第二頻率特征比值 其中一個，AIBus為骨密度頻率特征比值為第一頻率特征比值或第二頻率特征比值其中另一 個山，1?，1?為待定經(jīng)驗系數(shù)，0.5彡1^ 1彡4.5且-3.5彡1?彡2.5。
[0029] 以現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0030] (1)無創(chuàng)傷性，與金標(biāo)準(zhǔn)DEXA方法相比較，避免X射線透射，可以用于兒童骨損傷檢 測和康復(fù)過程中骨質(zhì)量評價，同時使用多個激光波長進行測量，有效避免人體個體差異對 骨特性參數(shù)信號的影響，使得測量精度達到93.2%以上；
[0031] (2)顯著提高對骨質(zhì)量的評價能力，包括DEXA難以評估的早期骨折風(fēng)險評估。由于 骨密度決定骨強度，骨膠原蛋白含量決定骨韌性，現(xiàn)有的DXA無法提供骨膠原信息，光聲/超 聲成像技術(shù)將顯著提高對骨質(zhì)量的評價能力；
[0032] (3)基于采用聲學(xué)腔用于檢測光聲信號，使得信號增強達到三個數(shù)量級，提高檢測 能力。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0034] 圖2為探頭超聲換能器陣列分布示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明：
[0037] 實施例1
[0038] 本發(fā)明主要特點是:第一，首次提出使用骨膠原蛋白含量作為骨質(zhì)疏松癥重要參 考值;第二，利用光聲信號得到膠原蛋白含量和超聲信號得到骨密度相結(jié)合;第三，無創(chuàng)傷、 適用范圍不受限制、價格低廉、便于推廣。
[0039] 其結(jié)構(gòu)如圖1所示，一種光聲/超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥骨折檢測新方法與裝置，它 由兩部分組成，即主機和探頭，其中主機包括激光器、激光調(diào)制器、準(zhǔn)直耦合單元、顯示模 塊、光聲模式切換開關(guān)、超聲信號驅(qū)動器和處理器;所述的探頭是由聲發(fā)射聚焦探頭、前置 放大器、超聲換能器陣列、透明膠體組成，所述的透明膠體粘貼在人體皮膚上；
[0040] 所述的新型的光聲/超聲聲雙模式骨質(zhì)疏松檢測新方法與裝置的工作原理是：當(dāng) 工作模式切換到光聲測量模式時，多波長調(diào)諧激光器與激光調(diào)制器相連接，激光器受到激 光調(diào)制器的控制，將處理器產(chǎn)生的啁嗽或脈沖信號加載到激光光束上，同時將啁嗽或脈沖 信號作為參考信號發(fā)送給鎖相放大器;帶有啁嗽信號的激光光束通過激光準(zhǔn)直單元后，入 射到聚焦透鏡組，使得激光光束聚焦到透明膠體覆蓋的皮膚組織，激光能量被皮膚組織吸 收后，由于光聲效應(yīng)形成超聲波，壓電換能器陣列探測到超聲波，將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號， 前置放大器將壓電換能器陣列采集到的電信號放大，得到對應(yīng)頻率的光聲信號強度，輸入 到處理器處理后，處理結(jié)果可以通過顯示模塊顯示。
[0041] 當(dāng)切換成另一種模式是工作模式切換到超聲測量模式時，選擇不同的聚焦聲學(xué)換 能器發(fā)出超聲波（1MHz~10MHz)，聚焦聲學(xué)換能器探測到超聲波后，通過前置放大器將壓電 換能器陣列采集到的電信號放大，得到對應(yīng)頻率的光聲信號強度，輸入到處理器處理后，處 理結(jié)果可以通過顯示模塊顯示。
[0042]在光聲模式下：建立檢測算法數(shù)學(xué)模型是選擇光聲技術(shù)的理論依據(jù)。產(chǎn)生的聲信 號在細(xì)胞組織中的傳播方程可以用以下式子描述：
[0043] (1)
[0044] 這里I表示激光光強，v是聲波在細(xì)胞組織中傳播速度，α是光吸收系數(shù)，β是熱膨脹 系數(shù)，CP是比熱容，ρ是聲壓強。
[0045] 對于弱吸收組織細(xì)胞的情況，聲壓強ρ可以寫為：
[0046] (2)
[0047] 這里k是系統(tǒng)加權(quán)常數(shù)，Eo為入射光強能量，η是實驗經(jīng)驗常數(shù)(介于1和2之間）。 [0048]這樣采用啁嗽信號如圖2所示，其包括頻率0.01MHz~10MHz的信號，時間延遲為 0.1s，采樣時間10分鐘。
[0049] 當(dāng)采集的聲信號通過采用相關(guān)檢測方式，在頻域內(nèi)，相關(guān)函數(shù)可表示為： 123

(5)
[0055] (3) 2 其中s(t)是采集到的聲信號，r(t)是參考信號。 3 為了提高信噪比，我們擬采用線性調(diào)頻信號。瞬時頻率被定義為： _]
(4)
[0054]這里是fc啁嗽信號中心頻率，Bch為啁嗽信號頻帶帶寬，T為調(diào)制時間。探測到的相 關(guān)信號可以寫為：
[0056] 盡管很多因素包括超聲衰減，聚焦聲學(xué)換能器傳遞函數(shù)等對式(5)有影響，擬采用 參考信號對這些影響因素進行補償。為了分析頻譜特性，采用合適的時間窗口來分析相關(guān) 信號的頻率特性。
[0057] (6)
[0058] 其中SB為散射相關(guān)信號，Sref為參考信號。
[0059] 通過上面的計算可以得到ΑΙΒρα和AIBus，這樣ΑΙΒρα和AIBus與骨密度BMD及BC的關(guān) 系，可以定義為：
[0060] BMDcx AIBus (7)
[0061] BC^AIBpa (8)
[0062] 評價骨質(zhì)疏松程度的QE值不僅與骨密度有關(guān)，而且與骨膠原蛋白含量有密切關(guān) 系。骨質(zhì)量評價可以使用下述公式進行評價：
[0063] QE = kiAIBpA+k2AIBus+k3 (9)
[0064] 其中1^1，1?，1?為待定經(jīng)驗系數(shù)，其中0.5彡1^1彡4.5且-3.5彡1?彡2.5。
[0065]作為該實現(xiàn)實例，給出一種檢測的骨質(zhì)量系數(shù)QE與ΑΙΒρα和AIBus的關(guān)系式：
[0066] QE = 2.76AIBpa-0.89AIBus+2.83 (10)
[0067] 其中QE多15為正常骨健康;6彡QE〈15為骨有輕微骨質(zhì)疏松癥;2彡QE彡5.9為骨質(zhì) 疏松癥明顯患者;QE〈2為高骨質(zhì)風(fēng)險患者。
[0068] 上述方法與標(biāo)準(zhǔn)的DXA方法判斷的骨質(zhì)疏松骨組織進行比較，給出相應(yīng)的判斷依 據(jù)和結(jié)果。
[0069] 以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng) 涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，包括主機和探頭； 所述的主機，其中包括，處理器和由處理器控制的光聲模式切換開關(guān)、激光控制器； 所述的主機，其中包括，超聲信號驅(qū)動器，通過光聲模式切換開關(guān)接收處理器的第一輸 出信號且輸出超聲波至人體； 所述的主機，其中還包括，激光器，通過激光控制器接收處理器的第二輸出信號且輸出 準(zhǔn)直激光至人體，光聲模式切換開關(guān)還控制激光控制器的導(dǎo)通或截止； 所述的探頭，其中包括，聲發(fā)射聚焦探頭，探測對應(yīng)超聲波經(jīng)人體反射后的骨密度反饋 信號或接收對應(yīng)準(zhǔn)直激光經(jīng)人體反應(yīng)后的骨膠原蛋白反饋信號； 所述的探頭，其中還包括，超聲換能器陣列，轉(zhuǎn)換聲發(fā)射聚焦探頭探測到的骨密度反饋 信號或骨膠原蛋白反饋信號為電信號且輸出至處理器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，所 述的激光器選用多波長調(diào)諧光纖激光器，其波段至少包括905nm、1064nm以及1550nm三個波 段。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，所 述的激光器，其峰值功率范圍為50W至300W。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，所 述的激光控制器的調(diào)制方式為脈沖調(diào)制或連續(xù)調(diào)制。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，所 述的聲發(fā)射聚焦探頭，其中包括用于探測骨膠原蛋白反饋信號的光聲腔和用于探測骨密度 反饋信號的聚焦聲學(xué)換能器，光聲腔包括壓電換能器和光聲腔體。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，所 述的壓電換能器選用寬頻帶響應(yīng)型，中心頻帶為2MHz，頻帶范圍為0.5MHz至5MHz。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測裝置，其特征在于，還 包括透明膠體，準(zhǔn)直激光通過透明膠體照射至人體，其選為對830nm至2300nm頻率范圍激光 透過率大于85 %的透明乳膠。8. -種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法，其特征在于，包括如下步驟， 步驟1、控制光聲模式切換開關(guān)選擇光聲模式或超聲模式為當(dāng)前工作模式； 步驟2、根據(jù)當(dāng)前的工作模式，由超聲波或準(zhǔn)直激光對人體作用，并通過聲發(fā)射聚焦探 頭探測反饋信號，再由超聲換能器陣列轉(zhuǎn)換該反饋信號，獲得對應(yīng)反饋信號的電信號； 步驟3、根據(jù)超聲波或準(zhǔn)直激光的頻譜特征，結(jié)合電信號，獲得相關(guān)信號，設(shè)置參考信 號，再由相關(guān)信號和參考信號求出第一頻率特征比值； 步驟4、切換當(dāng)前的工作模式，跳轉(zhuǎn)至步驟2,獲得第二頻率特征比值，根據(jù)第一頻率特 征比值和第二頻率特征比值，獲得骨評價線性函數(shù)，由骨評價線性函數(shù)值得出人體是否存 在骨質(zhì)疏松。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法，其特征在于，所 述的步驟3,其第一頻率特征比值A(chǔ)IB計算方式如下，其中，A f?為頻率變化量，SB/Sre5f為相關(guān)信號比參考信號。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種光聲和超聲雙模式骨質(zhì)疏松癥檢測方法，其特征在于， 所述的步驟4，其骨評價線性函數(shù)QE如下， QE = kiA I BpA+k2A I Bus+k3 其中，AIBpa為骨膠原蛋白頻率特征比值，AIBus為骨密度頻率特征比值，lu，k2，k3為待定 經(jīng)驗系數(shù)，0.5彡匕彡4.5且-3.5彡k2彡2.5。
【文檔編號】A61B5/00GK106037818SQ201610499165
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】楊立峰, 王亞非, 彭真明, 張希仁
【申請人】電子科技大學(xué)