本實(shí)用新型屬于醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于陣列探頭的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

超聲因其特有的無損、無電離輻射、實(shí)時(shí)、價(jià)廉及便攜等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是骨質(zhì)診斷極具潛力的方法。骨質(zhì)的超聲診斷方法主要分為超聲透射法和背散射法。超聲透射法發(fā)展較早，目前已得到廣泛應(yīng)用，而超聲背散射法在近些年越來越受到研究人員的關(guān)注。與透射法相比，超聲背散射法具有以下優(yōu)勢(shì)：背散射法能夠反映骨微結(jié)構(gòu)信息；只需要單一超聲探頭進(jìn)行收發(fā)而不像透射法那樣需要一發(fā)一收兩個(gè)探頭；不僅可以在人體跟骨處進(jìn)行測(cè)量，也可以在其他骨骼部位測(cè)量。然而在實(shí)際使用過程當(dāng)中，無論是超聲透射法，還是超聲背散射法，其測(cè)量結(jié)果都在一定程度上受到探頭貼合壓力、擺放位置的影響。在跟骨處進(jìn)行背散射法檢測(cè)時(shí)，如果探頭與腳踝貼合得不緊密，則無法收到正確的超聲背散射信號(hào)；而如果探頭與腳踝貼合的壓力過大，則會(huì)改變軟組織的厚度與密度，對(duì)背散射信號(hào)的探測(cè)結(jié)果也有一定程度的影響。另一方面，由于跟骨不同位置點(diǎn)的骨微結(jié)構(gòu)、軟組織厚度、密度都略有差異，因此在不同位置點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果具有一些差異。上述兩個(gè)原因降低了超聲背散射法檢測(cè)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種檢測(cè)的準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)。

本實(shí)用新型提供的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)，是基于陣列探頭的，包括：ARM處理器、FPGA、LCD顯示器、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、多路高壓隔離接收電路、多路高壓脈沖發(fā)射電路、壓力傳感器檢測(cè)電路、一體化超聲探頭；其中：

所述一體化超聲探頭由探頭外殼保護(hù)層、小型超聲探頭陣列、壓力傳感器和耦合液體構(gòu)成。小型超聲探頭陣列密閉在充滿耦合液體的探頭外殼保護(hù)層內(nèi)，每個(gè)小型超聲探頭可以獨(dú)立地發(fā)送、接收超聲信號(hào)；壓力傳感器埋藏于外圈的探頭外殼保護(hù)層下方，用于檢測(cè)一體化超聲探頭與待測(cè)骨樣本之間的壓力。其中，超聲探頭個(gè)數(shù)N，可以是5-25個(gè)，一個(gè)實(shí)施例中是9個(gè)；超聲探頭陣列中探頭排列成對(duì)稱的圖形。

所述壓力傳感器檢測(cè)電路用于測(cè)量壓力傳感器電極之間的阻抗，從而檢測(cè)壓力值，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；FPGA讀取該壓力值，并通過總線傳輸給ARM處理器。ARM處理器將該壓力值顯示在顯示器上，并提示用戶調(diào)整該壓力至正確的范圍內(nèi)。

所述ARM處理器上運(yùn)行軟件程序，通過高速總線接口對(duì)FPGA進(jìn)行控制并獲取數(shù)據(jù)；FPGA首先控制壓力傳感器檢測(cè)電路獲取一體化超聲探頭表面的壓力數(shù)值，ARM處理器將該壓力數(shù)值顯示在LCD顯示器的界面上，以提示用戶增大或減少探頭貼合的壓力；當(dāng)壓力值在正確范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)PGA控制多路高壓脈沖發(fā)射電路，依次驅(qū)動(dòng)每個(gè)小型超聲探頭發(fā)送超聲波脈沖信號(hào),并控制相應(yīng)通路的高壓隔離接收電路和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集背散射信號(hào)；FPGA將接收到的各路超聲背散射信號(hào)通過高速總線上傳給ARM處理器。

工作過程與原理如下：當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)電路檢測(cè)到的壓力值在正確范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)PGA控制多路高壓脈沖發(fā)射電路控制第一個(gè)小型超聲換能器發(fā)送超聲脈沖激勵(lì)信號(hào)；該超聲波通過小型超聲換能器與耦合液體之間的界面，再通過耦合液體與探頭保護(hù)層之間的界面，然后穿透超聲耦合劑到達(dá)待測(cè)骨樣本；超聲波在骨樣本中發(fā)生背散射，產(chǎn)生的背散射回波信號(hào)穿透超聲耦合劑，再通過探頭保護(hù)層與耦合液體之間的界面，然后通過耦合液體與小型超聲換能器之間的界面，被小型超聲換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。FPGA控制多路高壓隔離接收電路接收對(duì)應(yīng)通道的信號(hào)，并進(jìn)行濾波、放大，再控制多路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的對(duì)應(yīng)通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集此通道的背散射信號(hào)。隨后，F(xiàn)PGA重復(fù)上述過程，依次控制其他通道小型超聲探頭的信號(hào)發(fā)送與接收。

在采集到全部N個(gè)通道的超聲背散射信號(hào)后，F(xiàn)PGA將這些信號(hào)通過高速總線發(fā)送給ARM處理器。ARM處理器對(duì)每個(gè)小型超聲探頭接收到的背散射信號(hào)，分別計(jì)算表觀積分背散射系數(shù)（AIB）、背散射頻譜質(zhì)心偏移（SCS）、背散射系數(shù)（BSC）等多個(gè)背散射參數(shù)，并對(duì)這些小型超聲探頭通道的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均，依據(jù)平均后的背散射參數(shù)，對(duì)骨質(zhì)情況作出診斷，并顯示在LCD顯示器上。

本實(shí)用新型的創(chuàng)新性在于：1）采用超聲陣列探頭對(duì)骨質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，陣列中的每個(gè)小型超聲換能器分別激發(fā)超聲脈沖并接收背散射信號(hào)，分別對(duì)各個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行骨質(zhì)檢測(cè)，然后再由ARM處理器對(duì)各點(diǎn)的診斷結(jié)果進(jìn)行平均，從而提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。2）在超聲探頭陣列周圍采用壓力傳感器電路，檢測(cè)超聲探頭與待測(cè)部位之間的壓力，僅當(dāng)該壓力值在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行超聲檢測(cè)，從而提高了診斷結(jié)果的穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有的基于超聲反射原理的超聲陣列成像設(shè)備有很大的不同?，F(xiàn)有基于超聲陣列的成像設(shè)備，是通過在每個(gè)點(diǎn)上對(duì)待測(cè)物體發(fā)射超聲波，然后將反射波信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換為像素值，從而進(jìn)行成像。該技術(shù)僅僅利用了反射波信號(hào)的幅度這一單一的標(biāo)量信息。而本實(shí)用新型在使用超聲陣列中的每個(gè)小型超聲探頭時(shí)，獲取的是完整的背散射波形，由整個(gè)波形計(jì)算出背散射參數(shù)。本實(shí)用新型采用超聲陣列，是為了對(duì)多個(gè)不同位置點(diǎn)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行區(qū)域平均，從而提高背散射法檢測(cè)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。此外，本實(shí)用新型采用壓力傳感器以檢測(cè)一體化超聲探頭與被測(cè)物體之間的壓力，從而保證每次檢測(cè)時(shí)貼合壓力在合理范圍內(nèi)，提高檢測(cè)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是本實(shí)用新型的一種基于探頭陣列的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型中的一體化超聲探頭的結(jié)構(gòu)圖。圖2中，為作圖清楚，僅畫出3個(gè)小型超聲探頭。在一實(shí)施例中采用9個(gè)探頭構(gòu)成3*3陣列，如圖3所示。

圖3是本實(shí)用新型中的一體化超聲探頭的頂視結(jié)構(gòu)圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1為ARM處理器，2為FPGA，3為多路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，4為多路高壓隔離接收電路，5為壓力傳感器檢測(cè)電路，6為多路高壓脈沖發(fā)射電路，7為一體化超聲探頭，8為超聲耦合劑，9為骨樣本。7.1為探頭外殼保護(hù)層，7.2為壓力傳感器，7.3為壓力傳感器電極，7.4為小型超聲探頭陣列，7.5為小型超聲探頭電極，7.6為耦合液體，7.7為探頭外殼內(nèi)壁。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型的基于探頭陣列的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)包括：ARM處理器1、FPGA2、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3、多路高壓隔離接收電路4、壓力傳感器檢測(cè)電路5、多路高壓脈沖發(fā)射電路6、一體化超聲探頭7、超聲耦合劑8。

如圖2和圖3所示，本實(shí)用新型中的一體化超聲探頭包括：探頭外殼保護(hù)層7.1，壓力傳感器7.2，壓力傳感器電極7.3，小型超聲探頭陣列7.4，小型超聲探頭電極7.5，耦合液體7.6，探頭外殼內(nèi)壁7.7。圖中，一體化超聲探頭可以分為內(nèi)圈和外圈兩部分。在內(nèi)圈的探頭保護(hù)層7.1下方，以探頭外殼內(nèi)壁7.7為邊界，為一個(gè)圓柱形腔體。該腔體內(nèi)充滿耦合液體7.6。在本實(shí)施例中，采用的耦合液體7.6為具有電絕緣能力和低聲衰減系數(shù)的水溶性高分子凝膠。在腔體內(nèi)放置小型超聲探頭陣列7.4，緊貼于探頭外殼保護(hù)層7.1上壁。陣列中探頭排列成對(duì)稱的圖形，在本實(shí)施例中，采用9個(gè)小型超聲探頭，排列成3*3的陣列，如圖3所示。小型超聲探頭電極7.5通過探頭底部引出。在本實(shí)施例中，壓力傳感器7.2采用金屬應(yīng)變片型壓力傳感器，將其埋藏于探頭外殼保護(hù)層7.1的外圈，以避免阻擋小型超聲探頭7.4的信號(hào)發(fā)送與接收。壓力傳感器電極7.3藏于腔體外壁中，通過探頭底部引出。

當(dāng)一體化超聲探頭7壓在待測(cè)骨樣本9表面時(shí)，壓力傳感器7.2中的金屬應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致金屬應(yīng)變片阻抗的改變。壓力傳感器檢測(cè)電路5通過加壓求流的方式測(cè)量壓力傳感器電極7.3之間的阻抗，從而檢測(cè)壓力值，并模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。FPGA2讀取該壓力值，并通過總線傳輸給ARM處理器1。ARM處理器1將該壓力值顯示在顯示器上，并提示用戶調(diào)整該壓力至正確的范圍內(nèi)。

當(dāng)該壓力值在正確范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)PGA2控制多路高壓脈沖發(fā)射電路6控制小型超聲探頭陣列7.4中的第一個(gè)探頭發(fā)送超聲脈沖激勵(lì)信號(hào)。該超聲波通過小型超聲探頭與耦合液體7.6之間的界面，再通過耦合液體7.6與探頭保護(hù)層7.1之間的界面，然后穿透超聲耦合劑8到達(dá)待測(cè)骨樣本9。超聲波在骨樣本9中發(fā)生背散射，產(chǎn)生的背散射回波信號(hào)穿透超聲耦合劑8，再通過探頭保護(hù)層7.1與耦合液體7.6之間的界面，然后通過耦合液體7.6與小型超聲探頭7.4之間的界面，被小型超聲探頭7.4接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。FPGA2控制多路高壓隔離接收電路4接收對(duì)應(yīng)通道的信號(hào)，并進(jìn)行濾波、放大，再控制多路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3中的對(duì)應(yīng)通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集此通道的背散射信號(hào)。隨后，F(xiàn)PGA2重復(fù)上述過程，依次控制其他通道小型超聲探頭的信號(hào)發(fā)送與接收。

在采集到全部9個(gè)通道的超聲背散射信號(hào)后，F(xiàn)PGA2將這些信號(hào)通過高速總線發(fā)送給ARM處理器1。ARM處理器1對(duì)每個(gè)通道的背散射信號(hào)分別計(jì)算表觀積分背散射系數(shù)（AIB）、背散射頻譜質(zhì)心偏移（SCS）、背散射系數(shù)（BSC）等背散射參數(shù)，然后對(duì)9個(gè)通道的參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均。依據(jù)平均后的背散射參數(shù)，對(duì)骨質(zhì)情況作出診斷，并顯示在LCD顯示器10上。

在本實(shí)施例中，ARM處理器1與FPGA2通過高速總線接口進(jìn)行通信。ARM處理器1通過該總線向FPGA2發(fā)送控制命令，并從FPGA2讀取采集到的背散射信號(hào)。該總線可以采用ARM處理器的外部并行總線或串行總線，在本實(shí)施例中采用了SPI串行總線。ARM處理器1將采集到的波形、壓力傳感器檢測(cè)值和計(jì)算診斷結(jié)果等信息顯示在LCD顯示器10上。

在本實(shí)施例中，采用的小型超聲探頭中心頻率為3.5MHz，發(fā)射的超聲脈沖信號(hào)頻率由FPGA2內(nèi)部邏輯產(chǎn)生，同樣配置為3.5MHz。超聲耦合劑8采用超聲醫(yī)學(xué)中通常采用的超聲耦合劑。