本實用新型屬于醫(yī)療儀器技術領域，具體涉及一種背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)。

背景技術：

超聲因其特有的無損、無電離輻射、實時、價廉及便攜等優(yōu)勢，被認為是骨質(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，目前已經(jīng)得到了廣泛應用。然而超聲透射法僅能對骨量流失進行測定，無法反映骨骼的微結(jié)構狀況；僅能在人體根骨處進行測量，無法對其他部位的骨骼進行測量；并且需要一發(fā)一收兩個超聲探頭，從而提高了系統(tǒng)的成本和復雜度。超聲背散射法的研究在近些年得到了發(fā)展，相較于透射法，超聲背散射法僅需使用一個超聲探頭，可以對不同部位的骨骼進行測量，并且能夠反應骨微結(jié)構信息。目前市場上只有基于超聲透射法的骨質(zhì)診斷儀器，尚未有基于超聲背散射法的骨質(zhì)診斷儀器。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種全新的能夠使用單一超聲探頭對人體多種骨骼部位進行診斷的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)。

本實用新型提供的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)，包括：高壓脈沖發(fā)射電路，高壓隔離電路，模擬前端電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA芯片，ARM處理器，LCD顯示器，超聲探頭和多路電源模塊。

ARM處理器上運行軟件程序，可以對發(fā)射的超聲激勵進行控制，并對采集到的背散射信號進行算法處理。ARM處理器通過高速總線與FPGA芯片進行通信，通過該總線向FPGA發(fā)送控制命令，并通過該總線從FPGA獲取采集到的背散射信號。

FPGA芯片是整個系統(tǒng)的控制核心，通過串行總線和IO口控制高壓脈沖發(fā)射電路、高壓隔離電路、模擬前端電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作，為這些電路產(chǎn)生相應的控制時序。FPGA根據(jù)ARM處理器發(fā)過來的命令，產(chǎn)生相應的脈沖調(diào)制信號，驅(qū)動高壓脈沖發(fā)射電路發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的超聲脈沖，從而驅(qū)動超聲探頭發(fā)射出相應的脈沖調(diào)制超聲信號。超聲探頭發(fā)射出的超聲信號穿過超聲耦合劑到達待測骨樣本，在骨骼中發(fā)生散射。

背向散射的超聲信號穿透超聲耦合劑被超聲探頭接收轉(zhuǎn)換為電信號。該信號經(jīng)過高壓隔離電路，再經(jīng)過模擬前端電路進行濾波和放大，到達模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。FPGA控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將接收的背散射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采集到FPGA內(nèi)部的存儲區(qū)進行緩存，然后再通過高速總線發(fā)回給ARM處理器進行算法處理。

所述ARM處理器進行算法處理，包括：對采集到的信號采用解調(diào)濾波器進行處理，恢復出未經(jīng)調(diào)制的背散射信號；對恢復后的背散射信號進行濾波，使信噪比得以增強；對增強后的背散射信號采用時頻分析算法進行處理，并計算背散射參數(shù)，再根據(jù)這些參數(shù)給出診斷結(jié)果，并顯示在LCD顯示器上。

多路電源模塊為整個系統(tǒng)中各個電路模塊提供電源，包括驅(qū)動超聲發(fā)射電路的高壓電源。

本實用新型與現(xiàn)有的基于超聲反射原理的超聲成像設備有很大的不同?，F(xiàn)有超聲成像設備，是將探頭逐點進行移動，通過在每個點上對待測物體發(fā)射超聲波，然后將反射波信號的幅度轉(zhuǎn)換為像素值，從而進行成像。該技術僅僅利用了反射波信號的幅度這一單一的標量信息。而本實用新型完整采集背散射信號的一次回波、二次回波波形，采用時頻分析算法處理這一段時間內(nèi)的波形，進而計算出本實用新型提出的功率譜偏移參數(shù)PSS。本實用新型沒有采用常規(guī)的如由于背散射信號的波形十分微弱，為了能夠獲得準確的細節(jié)信息，本實用新型對發(fā)射脈沖進行調(diào)制，以增強發(fā)射超聲信號的功率，從而增強了接收到的背散射信號的強度。本實用新型采用具有高共模抑制比的高增益電路對接收信號進行放大，以避免波形細節(jié)被噪聲淹沒。本實用新型對接收到的信號采用解調(diào)濾波器進行濾波，以恢復出未經(jīng)調(diào)制的信號。解調(diào)后的波形信噪比大大增強，波形細節(jié)信息得以保存，從而能夠計算背散射參數(shù)并評價骨質(zhì)狀況。

本實用新型沒有采用常規(guī)的如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)，由于這些參數(shù)的計算依賴于標準樣本提供的參考信號，參數(shù)的穩(wěn)定性較差。本實用新型提出了功率譜偏移參數(shù)PSS：

其中，是第一次回波信號的功率譜，是第二次回波信號的功率譜。該參數(shù)具利用兩次回波信號之間的差異性，具有更高的穩(wěn)定度，并與骨質(zhì)狀況具有良好的相關性。

現(xiàn)有的基于超聲技術的骨質(zhì)診斷儀器均采用超聲透射法。超聲透射法無法反映骨骼的微結(jié)構狀況，并且需要一發(fā)一收兩個超聲探頭，在測量時由于需要兩個探頭平行相對，因而限制了其可以測量的部位，通常僅能在人體根骨處進行測量。本實用新型的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)僅使用一個超聲探頭即可以對人體的多種骨骼部位進行測量，具有集成化和小型化的優(yōu)點。并且由于使用了調(diào)制解調(diào)的方法增強超聲發(fā)射功率，而不是通過增大電源電壓來增強發(fā)射功率，從而降低了系統(tǒng)中對電源電壓幅度的要求，降低了系統(tǒng)復雜度和成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)的結(jié)構圖。

圖中標號：1.多路電源模塊，2.高壓脈沖發(fā)射電路，3.高壓隔離電路，4.模擬前端電路，5.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，6.FPGA芯片，7.ARM處理器，8.超聲探頭，9.LCD顯示器，10.超聲耦合劑，11.骨樣本。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的背散射超聲骨質(zhì)診斷系統(tǒng)包括：多路電源模塊（1）、高壓脈沖發(fā)射電路（2）、高壓隔離電路（3）、模擬前端電路（4）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（5）、FPGA芯片（6）、ARM處理器（7）、超聲探頭（8）、LCD顯示器（9）。其中多路電源模塊為整個系統(tǒng)中各個電路模塊提供電源，包括驅(qū)動超聲發(fā)射電路的高壓電源。

在本實施例中，多路電源模塊（1）采用反激式電源設計產(chǎn)生一組+25V和-25V的高壓電源，采用DCDC電源設計產(chǎn)生系統(tǒng)中數(shù)字電路的低壓電源，采用線性穩(wěn)壓方式產(chǎn)生系統(tǒng)中模擬電路的低壓電源。

ARM處理器（7）與FPGA芯片（6）通過高速總線接口進行通信，ARM處理器（7）通過該總線向FPGA芯片（6）發(fā)送控制命令，并從FPGA芯片（6）讀取采集到的背散射信號。該總線可以采用ARM處理器的外部并行總線或串行總線，在本實施例中采用了SPI串行總線。ARM處理器（7）將采集到的波形和計算診斷結(jié)果顯示在LCD顯示器（9）上。

FPGA芯片（6）通過串行總線以及IO口控制其余電路模塊，包括高壓脈沖發(fā)射電路（2）、高壓隔離電路（3）、模擬前端電路（4）和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（5）。高壓脈沖電路（2）采用具有大電流驅(qū)動能力的MOS管推挽輸出電路，并采用單向?qū)ūＷo電路做保護。高壓隔離電路（3）采用二極管橋式高壓隔離電路，隔離高于0.7V的電壓，以避免發(fā)射信號干擾接收信號。模擬前端電路（4）采用具有高共模抑制比的多級放大器，并具有可配置的模擬濾波器以濾除帶外噪聲。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（5）采用高精度高速AD轉(zhuǎn)換器，在本實施例中，采用14位65Mbps采樣率AD轉(zhuǎn)換芯片。

FPGA芯片（6）通過IO口發(fā)出要發(fā)射的調(diào)制脈沖信號，控制高壓脈沖發(fā)射電路（2）輸出±25V的高壓調(diào)制脈沖。超聲探頭（8）受到高壓脈沖發(fā)射電路（2）驅(qū)動，發(fā)射出調(diào)制脈沖超聲波。調(diào)制方式可以是但不限于格雷碼等通訊系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式。本實施例中采用16位的格雷碼進行調(diào)制，ARM處理器（7）采用對應的解調(diào)濾波器進行解調(diào)。由于采用了16位格雷碼進行調(diào)制解調(diào)，增強了超聲信號的發(fā)射功率，本實施例中采用了±25V電源，即達到了原本需要±100V電源的情況下才能獲得的信噪比。調(diào)制編碼的長度是受限的，由于人體骨外部的軟組織層厚度有限，如果調(diào)制編碼太長，那么回波信號會和發(fā)射信號混疊在一起。本實施例中，采用5MHz中心頻率的超聲探頭，16位的格雷碼調(diào)制不會造成發(fā)射與回波信號的混疊。

超聲波穿透超聲耦合劑（10）到達待測的骨樣本（11），并在骨樣本中發(fā)生背散射，背散射信號穿透超聲耦合劑（10）回到超聲探頭（8），被超聲探頭（8）接收并轉(zhuǎn)換為電信號。該電信號經(jīng)過高壓隔離電路（3）和模擬前端電路（4），然后被模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（5）采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在本實施例中，F(xiàn)PGA芯片（6）通過LVDS高速接口讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（5）輸出的數(shù)字信號。

ARM處理器（7）對采集到的信號進行解調(diào)濾波處理，然后采用快速傅立葉變換方法分別計算背散射第一次回波信號的功率譜和第二次回波信號的功率譜，并進而計算本實用新型提出的功率譜偏移參數(shù)PSS。

在本實施例中，發(fā)射的超聲脈沖信號頻率由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生，可以配置為不同的頻率以適應不同頻率的超聲探頭。超聲耦合劑采用超聲醫(yī)學中通常采用的超聲耦合劑。