專利名稱：用時(shí)間極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，屬測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
骨骼是人體重要組成部分，它對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)、發(fā)育起著不可或缺的作用。但因衰老、外力損傷、腫瘤等因素都會(huì)引起骨骼質(zhì)量的改變。因此測(cè)定骨骼礦物質(zhì)密度是臨床醫(yī)學(xué)中一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
超聲波是超出人耳聽(tīng)力，頻率在20KHz以上的聲波。超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，因介質(zhì)的物理性質(zhì)不同而具有不同的聲速，換言之，它在正常骨骼和非正常骨骼中具有不同的傳播速度，由此即可區(qū)分出骨質(zhì)疏松病人、骨折病人或正常人群。
1989年，R.P.Heaney在一篇論文中提出聲波在骨中沿縱向傳播的速度和骨的密度之間存在如下關(guān)系D=KVL12---(1)]]>式中D為骨密度，VL為聲波縱向傳輸速度，K為常數(shù)。
由此可見(jiàn)，骨質(zhì)密度和聲波在骨中傳播速度之間存在一個(gè)函數(shù)關(guān)系，因此只要測(cè)出縱向骨聲速就可計(jì)算出骨質(zhì)密度。
在采用超聲波測(cè)量時(shí)，一般以長(zhǎng)骨為測(cè)量對(duì)象，這主要是因?yàn)槊劰呛蜆锕歉阌诓僮?。但測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，骨骼外圍軟組織對(duì)測(cè)量結(jié)果存有干擾，軟組織聲速慢于骨聲速，且其厚度具有不確定性，更由于軟組織的柔軟性導(dǎo)致探頭與被測(cè)平面難以保持平行，因而帶來(lái)測(cè)量誤差。
為了解決軟組織對(duì)測(cè)量的影響，俄國(guó)專利SU1,342,479利用一發(fā)射器和兩個(gè)接收器，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)不同位置(相距L1)的接收器受到同一超聲波信號(hào)的時(shí)間差，以抵消軟組織的影響，并計(jì)算出骨聲速V＝L1/Δt。這種方法僅在三個(gè)超聲器件與被測(cè)骨骼平行時(shí)測(cè)量結(jié)果才能反映出被測(cè)骨段的聲速，但在實(shí)側(cè)量時(shí)，因?yàn)檐浗M織的柔軟性而導(dǎo)探頭隨時(shí)擺動(dòng)，要求探頭和骨表面保持平行是很難辦到的。
為此，以色列科學(xué)家Edward Kantorovich等人在1998年提出一個(gè)含有四個(gè)自變量VS(軟組織聲速)、VB(骨聲速)、φ(探頭與受測(cè)骨的夾角)以及h(探頭與骨骼平均距離)的四元聯(lián)立方程組，求解該方程組，即可求得骨聲速。但隨之帶來(lái)的問(wèn)題是，解一個(gè)包括三種三角函數(shù)在內(nèi)的四元聯(lián)立方程組又何其復(fù)雜，即使作者將其中的一個(gè)變量VS用一經(jīng)驗(yàn)常數(shù)來(lái)代替，卻仍然解決不了它解題過(guò)程的復(fù)雜性，相應(yīng)地，也就影響了這種測(cè)量方法的實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提出一種更簡(jiǎn)便、更快捷，不用估算數(shù)據(jù)和復(fù)雜計(jì)算便能夠準(zhǔn)確測(cè)量出聲音在被測(cè)骨骼中傳播速度的測(cè)量方法。
解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是一種用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，它包括如下步驟a、在復(fù)蓋一段骨骼的軟組織的外表面設(shè)置超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2，上述超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2沿上述骨骼的縱軸排列，并排列在一條直線上；b、超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2按A1，B1，B2順序排列，并置于一個(gè)探頭殼體中，且B1，B2之間的距離為L(zhǎng)；c、將超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波接收信號(hào)輸送至微處理器；d、由超聲波發(fā)射器A1向骨骼發(fā)射超聲波，由超聲波接收器B1、B2接收超聲波；e、確定接收器B1接收到發(fā)射器A1發(fā)射的超聲波時(shí)間為T1，確定接收器B2接收到發(fā)射器A1發(fā)射的超聲波時(shí)間為T2；f、在覆蓋被測(cè)量骨骼的軟組織的外表面輕微移動(dòng)測(cè)量探頭，由微處理器自動(dòng)記錄下所測(cè)得的T1，T2值；G、儀器信號(hào)理單元對(duì)探頭所傳回來(lái)的T1值進(jìn)行比較，保留T1值較大的，而摒棄較小值，直到得到最大的T1值時(shí)，按照公式VB=LT2-T1]]>計(jì)算出超聲波在骨表面的聲速，并同時(shí)顯示在顯示器上。
上述用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，可使用1個(gè)或1個(gè)以上的超聲波發(fā)射器。
上述用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，可使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的超聲波接收器。
按照本發(fā)明所提供的測(cè)量方法，其超聲波探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易。所有的數(shù)據(jù)采集、比較處理、計(jì)算均由儀器完成，完全避免了人為的干擾，大大提高了測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。


圖1是利用超聲波測(cè)量骨聲速原理圖；圖2是本發(fā)明的測(cè)量骨聲速原理示意圖。
圖3是測(cè)量裝置構(gòu)成示意圖。
圖中各標(biāo)號(hào)為1.超聲波發(fā)生器；2.超聲波接受器；3.顯示器；4.打印機(jī)；P.探頭；T.探頭下平面；D.隔音帶；G.被測(cè)骨骼；T和G之間為軟組織；αγ.入射角或反射角。
具體實(shí)施例方式
由圖1可知，當(dāng)超聲波探頭與骨表面平行時(shí)，T1=A1CVS+CO1VB+O1B1VS]]>T2=A1CVS+CO1VB+LVB+O2B2VS]]>因?yàn)锳1C＝O1B1＝O2B2所以T2-T1=(A1CVS+CO1VB+LVB+A1CVS)-(A1CVS+CO1VB+A1CVS)=LVB]]>即VB=LT2-T1---(2)]]>然而(2)式的結(jié)論只有當(dāng)探頭表面和骨表面處于平行位置時(shí)才能成立，但由于皮膚的柔軟性，使二者平行是很難辦到的。當(dāng)兩者不平行時(shí)，首要解決的是如何調(diào)整探頭位置使它們達(dá)到平行。
圖2顯示，假設(shè)探頭表面與骨表面有一個(gè)斜角φ，我們?nèi)1和B1的中點(diǎn)C向骨表面引垂線，得軟組織的平均厚度h。
圖中A1E1＝d·sin，d為A1和B1之間的距離，A1F1＝h-d·sin 同理 式中，臨界角α為一定值，而超聲波在軟組織中行走的距離與傾斜角無(wú)關(guān)，說(shuō)明當(dāng)皮膚厚度一定時(shí)，超聲波在軟組織中所行進(jìn)的路程和時(shí)間為一定值。
現(xiàn)在考慮一下超聲波在骨表面所行進(jìn)的時(shí)間。
F1C＝A1F1·tgα＝(h-d·sin)·tgαO1F2＝B1F2·tgα＝(h+d·sin)tgα超聲波在骨表面所行走的路程為CO1.
CO1＝2d·cos-F1C-O1F2＝2dcos-(h-d·sin)·tgα-(h+d·sin)·tgα＝2dcos-2htgα式中，h、d、α均為定數(shù)，所以超聲波在骨中所走的距離，只和傾斜角φ有關(guān)。并且當(dāng)φ＝0時(shí)，即探頭表面和骨表面平行時(shí)，超聲波在骨表面行進(jìn)了最長(zhǎng)的路程。
CO1＝2d-2h·tgα (6)這樣超聲波在骨中所行進(jìn)的時(shí)間 當(dāng)＝0時(shí)，T1具有最大值T1=2hcosα·VS+2d-2htgαVB---(7)]]>這就說(shuō)明，當(dāng)我們移動(dòng)探頭使超聲波在軟組織和骨表面行進(jìn)的時(shí)間最長(zhǎng)時(shí)，這時(shí)探頭和骨表面就處于完全平行的位置。我們稱這種方法為《時(shí)間極值法》，將儀器獲得的此時(shí)的T2值代入公式(2)即可求得此時(shí)的骨聲速。
本發(fā)明采取如下步驟實(shí)施測(cè)量超聲波在骨骼中的傳播速度a、在復(fù)蓋一段骨骼的軟組織的外表面設(shè)置超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2，上述超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2沿上述骨骼的縱軸排列，并排列在一條直線上；b、超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2按A1，B1，B2順序排列，并置于一個(gè)探頭殼體中，且B1，B2之間的距離為L(zhǎng)；c、將探頭的超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波接收信號(hào)與儀器信號(hào)處理單元相連接，在儀器信號(hào)處理單元中裝有一套對(duì)測(cè)試時(shí)間的捕捉、處理、計(jì)算程序；d、由超聲波發(fā)射器A1向骨骼發(fā)射超聲波，由超聲波接收器B1、B2接收超聲波；e、確定接收器B1接收到發(fā)射器A1發(fā)射的超聲波時(shí)間為T1，確定接收器B2接收到發(fā)射器A1發(fā)射的超聲波時(shí)間為T2；f、在覆蓋被測(cè)量骨骼的軟組織的外表面輕微移動(dòng)測(cè)量探頭，由儀器信號(hào)處理單元自動(dòng)記錄下所測(cè)得的T1，T2值；g、儀器信號(hào)處理單元對(duì)探頭所傳回來(lái)的T1值進(jìn)行比較，保留T1值較大的，而摒棄較小值，直到得到最大的T1值時(shí)，按照公式VB=LT2-T1]]>計(jì)算出超聲波在骨表面的聲速，并同時(shí)顯示在顯示器上。
本發(fā)明可使用1個(gè)或1個(gè)以上的超聲波發(fā)射器，也可使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的超聲波接收器。
在本發(fā)明中，當(dāng)探頭在皮膚表面輕輕移動(dòng)結(jié)束時(shí)，顯示器顯示出它已捕捉到的超聲波在皮膚組織中和骨表面上所行進(jìn)的最大時(shí)間T1值和此時(shí)的骨聲速，因此時(shí)探頭表面已和骨表面處于平行位置，所以這個(gè)聲速就是我們要求的真正的骨聲速，我們稱這個(gè)方法叫“時(shí)間極值法”，采用這種方法探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，所有的數(shù)據(jù)采集，比較處理，計(jì)算均由儀器完成，完全避免了人為的干擾。在實(shí)際操作中收到了良好的效果。
使用采用本發(fā)明原理的儀器隨機(jī)抽取30例就診患者(男性15例，女性15例)，進(jìn)行骨密度檢查，并與美國(guó)生產(chǎn)的X線雙能量骨密度測(cè)定儀(DEXA)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將測(cè)量實(shí)際結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，以分析其相關(guān)性，見(jiàn)下表1。


其中應(yīng)用雙能量X線確診骨質(zhì)疏松者11例，而應(yīng)用超聲骨質(zhì)分析儀診斷骨質(zhì)疏松13例，其中有兩例診斷不符。
診斷符合率28/30＝93.3％，說(shuō)明本發(fā)明儀器的準(zhǔn)確性符合要求(＞90％)。
由于兩種檢測(cè)方法的基本原理不同，其正常值范圍及診斷標(biāo)準(zhǔn)也就不同，在SPSS統(tǒng)計(jì)軟件上，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線相關(guān)分析r=Σ(X-X‾)(Y-Y‾)Σ(X-X‾)2(Y-Y‾)2]]>經(jīng)SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù) r＝0.697 p＝0.000 p＜0.01因此兩種骨質(zhì)分析儀所測(cè)指標(biāo)呈相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明本發(fā)明的檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。
另一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表2

其中僅有1例診斷與對(duì)照組不符，診斷符合率96.67％，大于90％，說(shuō)明本發(fā)明的測(cè)試準(zhǔn)確性符合要求。表中的SD-1000C型為醫(yī)療行業(yè)廣泛使用的單光子骨礦物質(zhì)分析儀的型號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，其特征在于它包括如下步驟a、在復(fù)蓋一段骨骼的軟組織的外表面設(shè)置超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2，上述超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2沿上述骨骼的縱軸排列，并排列在一條直線上；b、超聲波發(fā)射器A1和超聲波接收器B1、B2按A1，B1，B2順序排列，并置于一個(gè)探頭殼體中，且B1，B2之間的距離為L(zhǎng)；c、將超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波接收信號(hào)輸送至微處理器；d、由超聲波發(fā)射器A1向骨骼發(fā)射超聲波，由超聲波接收器B1、B2接收超聲波；e、確定接收器B1接收到發(fā)射器A1發(fā)射的超聲波時(shí)間為T1，確定接收器B2接收到發(fā)射器A1發(fā)射的超聲波時(shí)間為T2；f、在覆蓋被測(cè)量骨骼的軟組織的外表面輕微移動(dòng)測(cè)量探頭，由微處理器自動(dòng)記錄下所測(cè)得的T1，T2值；g、儀器信號(hào)處理單元對(duì)探頭所傳回來(lái)的T1值進(jìn)行比較，保留T1值較大的，而摒棄較小值，直到得到最大的T1值時(shí)，按照公式VB=LT2-T1]]>計(jì)算出超聲波在骨表面的聲速，并同時(shí)顯示在顯示器上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，其特征在于可使用1個(gè)或1個(gè)以上的超聲波發(fā)射器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，其特征在于可使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的超聲接收器。
全文摘要
用極值法測(cè)定超聲波在骨骼中傳播速度的方法，屬測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，所要解決的問(wèn)題是提出一種不用估算數(shù)據(jù)和復(fù)雜計(jì)算便能夠準(zhǔn)確測(cè)量出聲音在被測(cè)骨骼中傳播速度的方法，其技術(shù)方案是在覆蓋一段骨骼的軟組織的外表面設(shè)置超聲波發(fā)射器A
文檔編號(hào)A61B5/00GK1846628SQ20061001265
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者王楊, 柴雨力, 劉宏, 師磊, 胡宗華 申請(qǐng)人:澳諾制藥有限公司