一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，它包括激光器、激光控制器、顯示模塊、超聲換能器、前置放大器、鎖相放大器以及耦合劑，所述的耦合粘貼在人體皮膚上，本發(fā)明報(bào)導(dǎo)的裝置可實(shí)現(xiàn)骨膠原蛋白含量的檢測，解決現(xiàn)有在骨質(zhì)量評價(jià)中，只能依靠骨密度這單一的評價(jià)值，同時可以實(shí)現(xiàn)骨表層的膠原蛋白含量對信號的影響。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】
一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于醫(yī)學(xué)檢測骨質(zhì)量水平的測量裝置，具體涉及一種基于共振態(tài) 的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙能X射線骨密度儀(DXA)作為一個重要檢測骨質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)在上世紀(jì)九十年代 被臨床廣泛采用，但在大量臨床實(shí)踐過程中，人們對DXA檢測骨健康檢測存在安全性和準(zhǔn)確 性兩個方面的質(zhì)疑。尤其是對于嬰幼兒、康復(fù)期以及特殊人群不適宜使用DXA進(jìn)行動態(tài)監(jiān) 測，研究表明在骨修復(fù)過程中使用高劑量γ射線使得膠原中62%的α-鏈發(fā)生斷鏈，失去恢 復(fù)功能。
[0003] 早期骨質(zhì)疏松癥的不僅表現(xiàn)在骨密度的降低，而且膠原蛋白的缺失和微結(jié)構(gòu)的創(chuàng) 傷也是早期骨質(zhì)疏松癥的特征，但是骨膠原蛋白不僅存在于骨組織內(nèi)部，而且廣泛存在于 骨表面及皮膚組織，光聲/超聲信號進(jìn)入骨組織中將受到上述組織中膠原蛋白的影響，在骨 組織無損檢測中，針對該問題的仍然沒有合理的解決方案。目前在公開報(bào)導(dǎo)中沒有發(fā)現(xiàn)可 以有效解決骨膠原蛋白含量的方法，尤其是松質(zhì)骨內(nèi)的膠原蛋白含量。
[0004] 局域共振理論已經(jīng)成功在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且可以體現(xiàn)內(nèi)部的組分信息，形 成局域共振能譜與結(jié)構(gòu)的參數(shù)(骨微結(jié)構(gòu)尺寸、羥基磷晶體、膠原蛋白等)有關(guān)，松質(zhì)骨正好 形成天然的共振結(jié)構(gòu)，這將為解決上述問題提供途徑。
[0005] 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)明提出一種新型基于局域共振態(tài)的骨質(zhì)量評價(jià)方法及裝置，能有效檢測出骨膠 原蛋白含量并且避免骨表層膠原蛋白的干擾，本發(fā)明具有以下顯著的創(chuàng)新性：（1)解決現(xiàn)有 骨膠原蛋白含量的檢測問題。（2)有效避免骨表層的膠原蛋白對信號的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是提供一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，解決避免 骨表面的膠原蛋白對光聲信號的影響。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0008] -種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，處理器和由處理器控制的激 光控制器;激光器，通過激光控制器接收處理器的輸出信號，并至少輸出兩個互相交替占空 的波長的準(zhǔn)直激光至人體且被其骨組織吸收;超聲換能器陣列，接收經(jīng)骨組織生成的共振 態(tài)超聲波，轉(zhuǎn)換共振態(tài)超聲波為電信號，并輸出電信號至處理器。
[0009] 上述方案中，還包括激光器、準(zhǔn)直耦合單元、激光控制器、顯示模塊、處理器、超聲 換能器陣列、前置放大器、鎖相放大器以及耦合劑，所述的耦合劑粘貼在人體皮膚上；
[0010] 所述的激光器與激光調(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(qiáng)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測量骨吸收后， 由于光聲效應(yīng)形成表現(xiàn)骨組織吸收特征的超聲波；
[0011] 所述的測量骨為多孔的松質(zhì)骨，由于松質(zhì)骨由骨鈣礦物質(zhì)和骨膠原蛋白鉸鏈形成 聲子晶體結(jié)構(gòu)，生成的超聲信號在松質(zhì)骨內(nèi)形成局域共振性質(zhì)，產(chǎn)生共振態(tài)，超聲換能器陣 列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;處理器接收到帶有超聲松質(zhì) 骨的共振特性的電信號進(jìn)行處理，即可得到松質(zhì)骨內(nèi)的骨鈣礦物質(zhì)和骨膠原含量參數(shù)；
[0012] 所述的激光器在激光調(diào)制器的控制下，至少在兩個波長上工作，且兩波長通過激 光控制器形成交替開-斷工作模式；即激光器的工作在兩個波長的時間正好相反，在整個周 期里入射到測量骨上的光功率可以表達(dá)為：
[0013]
[0014] 其中A是指其中一種波長，B是指另外一種波長。
[0015] 進(jìn)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。
[0016] 進(jìn)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(qiáng)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。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的測量骨是指多孔松質(zhì)骨，具體為指橈骨遠(yuǎn)端、肱骨髁、脛骨平臺、 橈骨莖突。
[0018] 進(jìn)一步地，所述的超聲換能器陣列具有寬頻帶響應(yīng)特性，工作中心頻帶為2MHz，范 圍為 0.5MHz ~5MHz。
[0019] 進(jìn)一步地，所述的耦合劑是指透明乳膠，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%。
[0020] -種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法，包括如下步驟，
[0021 ]步驟1、至少利用兩個互相交替占空的波長的準(zhǔn)直激光，并使其被骨組織吸收，再 由骨組織對應(yīng)不同準(zhǔn)直激光分別生成的共振態(tài)超聲波；
[0022] 步驟2、根據(jù)骨組織中聲信號傳播方程，按照平面波展開法獲得本征方程，再通過 傳遞矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量的共振態(tài)算法模型；
[0023] 步驟3、將至少兩個共振態(tài)超聲波轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，將電信號代入共振態(tài)算法 模型，計(jì)算獲得骨膠原蛋白含量。
[0024] 上述方法中，所述的步驟2,包括如下步驟，
[0025] 步驟2.1、根據(jù)骨組織中聲信號二維傳播方程
[0026] 1 J. 1
* ^ J
[0027] 其中，j，l代表坐標(biāo)X或y;u(x)為位移矢量U的j分量，P為介質(zhì)密度;μ和λ分別為介 質(zhì)的彈性常數(shù)和拉梅常數(shù)，按照平面波展開法獲得兩個標(biāo)準(zhǔn)本征方程
[0028]
[0029]
G j
[0030] 其中P(MT，λ(ΜΤ和μ<ΜΤ為傅立葉系數(shù)，G為倒格矢，k為格波波矢；
[0031 ] 步驟2.2、將兩個標(biāo)準(zhǔn)本征方程表示為傅里葉函數(shù)形式Fc，
[0032]
[0033]其中，A和B分別散射介質(zhì)與背景介質(zhì)，1(G)為結(jié)構(gòu)因子，表不為
[0034]
[0035] 其中，S為骨組織的橫截面積，f = Sr/S為散射介質(zhì)的填充系數(shù)，Sr為散射介質(zhì)在整 個骨組織中的橫截面積；
[0036] 步驟2.3、通過傳遞矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量 的共振態(tài)算法模型，
[0037] P(o)=F(f,G,..)
[0038] 其中，Ρ( ω )為傅里葉變換下待輸入的電信號，F(xiàn)(f，G，..）為共振態(tài)函數(shù)。
[0039] 上述方法中，所述的步驟2.2,包括如下步驟，
[0040] 步驟2.2.1、根據(jù)骨組織中骨孔結(jié)構(gòu)形狀，分別按照圓形、六邊形、正方形和三角形 通過位置矢量設(shè)置本征方程的結(jié)構(gòu)因子；
[0041] 步驟2.2.2、再將對應(yīng)的結(jié)構(gòu)因子表示為各自的貝塞爾函數(shù)，求和獲得各向異性的 本征方程。
[0042] 上述方法中，所述的步驟3,包括如下步驟，
[0043] 步驟3.1、將至少兩個均帶有填充系數(shù)和結(jié)構(gòu)因子信息的共振態(tài)超聲波轉(zhuǎn)換為對 應(yīng)的電信號，再對電信號進(jìn)行傅立葉變換，將其中一個傅里葉變換后的電信號作為參考信 號；
[0044] 步驟3.2將所有電信號代入共振態(tài)算法模型，反演計(jì)算獲得骨膠原蛋白含量。
[0045] 以現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0046] (1)顯著提高對骨質(zhì)量的評價(jià)能力，無創(chuàng)傷檢測骨膠原蛋白含量的信息。
[0047] (2)利用共振態(tài)超聲波測量骨孔內(nèi)膠原蛋白信息進(jìn)行含量評價(jià)，有效避免骨表層 的膠原蛋白信號的影響，顯著提高對骨質(zhì)量的評價(jià)能力。
[0048] (3)使用雙波長工作模式，產(chǎn)生不同的共振模態(tài)，有效避免其他組織對信號的影 響。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050] 圖2為光聲測量骨膠原蛋白示意圖；
[0051] 圖3為正常的多孔骨和患有骨質(zhì)疏松癥的多孔骨鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖4為本發(fā)明測量共振態(tài)頻率-光聲信號強(qiáng)度關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方 法及裝置：
[0054] 實(shí)施例1
[0055] 其結(jié)構(gòu)如圖1所示，一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法及裝置，它包括激 光器、準(zhǔn)直耦合單元、激光控制器、顯示模塊、處理器、超聲換能器陣列、前置放大器、鎖相放 大器以及耦合劑，耦合劑粘貼在人體皮膚上;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(qiáng)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測量骨吸收后，由 于光聲效應(yīng)形成表現(xiàn)骨組織吸收特征的超聲波，如圖2所示；
[0056] 測量骨為多孔的松質(zhì)骨，由于松質(zhì)骨由骨鈣礦物質(zhì)和骨膠原蛋白鉸鏈形成聲子晶 體結(jié)構(gòu)，正常的多孔骨和患有骨質(zhì)疏松癥的多孔骨在骨鈣礦物質(zhì)和骨膠原蛋白鉸鏈關(guān)系上 有顯著不同，如圖3所示。由于生成的超聲信號在松質(zhì)骨內(nèi)形成局域共振性質(zhì)，產(chǎn)生共振態(tài)， 具體建立以下模型：
[0057]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：
[0058] (1)
[0059] 這里I表示激光光強(qiáng)，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(qiáng)。
[0060] 對于弱吸收組織細(xì)胞的情況，聲壓強(qiáng)P可以寫為：
[0061] (2)
[0062] 這里k是系統(tǒng)加權(quán)常數(shù)，Eo為入射光強(qiáng)能量，η是實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(介于1和2之間）。
[0063] 對于一個各向異性的多孔骨，產(chǎn)生的聲波在多孔骨中的二維傳播方程可以表示 為：
[0064] (3)
[0065] (4)
[0066] 式中：j，l代表坐標(biāo)X或y;u(x)為位移矢量u的j分量;Ρ為介質(zhì)密度;μ和λ為介質(zhì)的 彈性常數(shù)和拉梅常數(shù)。通過平面波展開法可以將(3)(4)分別展開為以下兩個標(biāo)準(zhǔn)的本征方 程：
[0068]和 _] (5)
[0069]、J:).
[0070] 其中Pg-g1 AdliG-G1為傅立葉系數(shù)，它們可以統(tǒng)一用Fg來表不：
[0071](7) ：[0072] 這里A和B分別散射介質(zhì)與背景介質(zhì)。幾何結(jié)構(gòu)因子1(G)可以表示為：[0073] ,、(8)[0074] 其中S為多孔骨的橫截面積。f = Sr/S為散射介質(zhì)的填充系數(shù)，Sr為散射介質(zhì)在整個 多孔骨中的橫截面積。[0075] 對于不同的多孔形狀例如圓形、六邊形、正方形和三角形的結(jié)構(gòu)因子分別用I。 (G)，Ih(G)，Is(G)和I t(G)表示，其中IC(G)可以表示為：[0076](9)[0077] 這里J!為第一類一階Bessel函數(shù)，r為半徑。類似的Ih(G)，Is(G)和I t(G)分別可以由（9)式求得。對于包含幾個形狀的多孔骨單元，傅立葉變換可以通過簡單的求和來獲得：[0078](10)[0079] 式中η為不同形狀的多孔骨單元的位置矢量。[0080] 對于(5)(6)本征方程可以用傳遞矩陣法或時域有限差分法進(jìn)行數(shù)值求解，得到共 振態(tài)與多孔骨填充系數(shù)及結(jié)構(gòu)因子的關(guān)系，即：[0081] P(o)=F(f,G,..) (11)[0082] 通過多個共振態(tài)函數(shù)即可反演出骨膠原蛋白含量和骨鈣密度含量。[0083]激光器在激光調(diào)制器的控制下，至少在兩個波長上工作，且兩波長通過激光控制 器形成交替開-斷工作模式；即激光器的工作在兩個波長的時間正好相反，在整個周期〇<t <τ〇里入射到測量骨上的光功率可以表達(dá)為：[0084](12)[0085] 其中Α是指其中一種波長，Β是指另外一種波長。[0086] 在兩個不同的波長下，可以產(chǎn)生得到的光聲共振模態(tài)如圖4所示，換能器陣列探測 器將測量到帶有多孔骨共振特性的超聲波，將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，前置放大器將電信號 放大再經(jīng)過鎖相放大器后，進(jìn)入處理器，處理器根據(jù)上述模型進(jìn)行后續(xù)處理，計(jì)算出膠原蛋 白含量和骨鈣密度的測量值，最后處理結(jié)果通過顯示模塊進(jìn)行顯示。[0087] 以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，包括 處理器和由處理器控制的激光控制器； 激光器，通過激光控制器接收處理器的輸出信號，并至少輸出兩個互相交替占空的波 長的準(zhǔn)直激光至人體且被其骨組織吸收； 超聲換能器陣列，接收經(jīng)骨組織生成的共振態(tài)超聲波，轉(zhuǎn)換共振態(tài)超聲波為電信號，并 輸出電信號至處理器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的激光器選用多波長調(diào)諧激光器，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所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的激光器，其輸出至少兩個互相交替且恰好不重疊占空的波長的準(zhǔn)直激光。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，所 述的骨組織，包括多孔松質(zhì)骨，多孔松質(zhì)骨包括橈骨遠(yuǎn)端、肱骨髁、脛骨平臺和橈骨莖突。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估裝置，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。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估裝置，其特征在于，還 包括親合劑，準(zhǔn)直激光通過親合劑照射至人體，其選為對830nm至2300nm頻率范圍激光透過 率大于85 %的透明乳膠。7. -種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于，包括如下步驟， 步驟1、至少利用兩個互相交替占空的波長的準(zhǔn)直激光，并使其被骨組織吸收，再由骨 組織對應(yīng)不同準(zhǔn)直激光分別生成的共振態(tài)超聲波； 步驟2、根據(jù)骨組織中聲信號傳播方程，按照平面波展開法獲得本征方程，再通過傳遞 矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量的共振態(tài)算法模型； 步驟3、將至少兩個共振態(tài)超聲波轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，將電信號代入共振態(tài)算法模 型，計(jì)算獲得骨膠原蛋白含量。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于，所 述的步驟2,包括如下步驟， 步驟2.1、根據(jù)骨組織中聲信號二維傳播方程其中，j，l代表坐標(biāo)x或y，u(x)為位移矢量u的j分量，P為介質(zhì)密度，y和A分別為介質(zhì)的 彈性常數(shù)和拉梅常數(shù)， 按照平面波展開法獲得兩個標(biāo)準(zhǔn)本征方程其中PtMT，AtMT和為傅立葉系數(shù)，G為倒格矢，k為格波波矢； 步驟2.2、將兩個標(biāo)準(zhǔn)本征方程表示為傅里葉函數(shù)形式Fc其中，A和B分別散射介質(zhì)與背景介質(zhì)，1(G)為結(jié)構(gòu)因子，表示式為其中，S為骨組織的橫截面積，f = Sr/S為散射介質(zhì)的填充系數(shù)，Sr為散射介質(zhì)在整個骨 組織中的橫截面積； 步驟2.3、通過傳遞矩陣法或時域有限差分法求解本征方程，獲得骨膠原蛋白含量的共 振態(tài)算法模型 P(co)=F(f,G,..) 其中，P( ? )為傅里葉變換下待輸入的電信號，F(xiàn)(f，G，..）為共振態(tài)函數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于，所 述的步驟2.2，包括如下步驟， 步驟2.2.1、根據(jù)骨組織中骨孔結(jié)構(gòu)形狀，分別按照圓形、六邊形、正方形和三角形通過 位置矢量設(shè)置本征方程的結(jié)構(gòu)因子； 步驟2.2.2、再將對應(yīng)的結(jié)構(gòu)因子表示為各自的貝塞爾函數(shù)，求和獲得各向異性的本征 方程。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于共振態(tài)的骨膠原蛋白含量評估方法，其特征在于， 所述的步驟3,包括如下步驟， 步驟3.1、將至少兩個均帶有填充系數(shù)和結(jié)構(gòu)因子信息的共振態(tài)超聲波轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 電信號，再對電信號進(jìn)行傅立葉變換，將其中一個傅里葉變換后的電信號作為參考信號； 步驟3.2將所有電信號代入共振態(tài)算法模型，反演計(jì)算獲得骨膠原蛋白含量。
【文檔編號】A61B8/08GK106037817SQ201610494901
【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, 彭真明, 王亞非, 張希仁, 王占平
【申請人】電子科技大學(xué)