一种基于光声信号的骨密度测量装置及方法

技术领域

本发明属于骨密度检测技术领域，具体涉及一种基于光声信号的骨密度测量装置及方法。

背景技术

骨质疏松症是一种全身性的骨骼代谢疾病，主要表现为骨量流失和微结构退化，导致骨折风险增大。全球有超过2亿人受骨质疏松症的困扰，现代社会的老龄化加剧使骨质疏松症得到越来越多的重视。骨质疏松症严重影响公众生活质量，骨质疏松性骨折对社会产生了很大的经济负担。因此，骨质疏松症的早期诊断和及时治疗具有重要意义。

目前，骨密度评价主要基于X射线骨密度吸收测定技术，如X光片、单双光子吸收法、定量CT及双能X射线法(DXA)等。X射线骨密度吸收测定设备庞大，具有放射性损害，只能提供骨矿物质密度(BMD)，不能全面反映骨密度信息。超声骨密度仪是基于定量超声技术(QUS)评价骨密度的设备，主要采用超声透射法、超声背散射法及超声轴向传输法等，通过分析骨组织中超声传播、衰减及散射等特性间接反映骨密度信息。超声骨密度仪具有安全无损、无电离辐射及便携等优势，主要测量跟骨、胫骨及指骨等部位。专利1《超声骨密度测量分析系统》(CN101401732A)基于超声透射法，测量被测者跟骨厚度、超声传播速度和宽带超声衰减，计算骨强度指数和骨密度；专利2《一种骨密度分析仪及其控制电路》(CN111265249A)采用超声轴向传输方法测量骨骼组织的超声声速，获取待检测骨骼的骨密度；专利3《定量测量骨矿密度超声波探头》(CN1969762A)通过一个测量探头和两个定位探头，测量超声横波在骨骼中的传播速度，反映骨矿密度信息；专利4《用于骨骼非侵害性评价的方法和装置》(CN1596084A)采用超声导波法测量皮质厚度、骨密度和骨弹性常数等信息，评价骨骼状况；专利5《一种背散射超声骨质诊断系统》(CN105796131A)采用超声背散射法分析超声散射特性评价骨质状况。专利1-5为基于定量超声技术的骨密度诊断装置和方法，仅能提供超声传导路径骨组织的平均骨密度，测量容易受到皮肤等软组织干扰。

光声技术是一种新兴的安全无电离辐射的骨密度评价技术。光声技术利用骨骼等生物组织在脉冲激光的照射下发生热弹性膨胀，产生超声信号，来反映骨质状况。光声技术对骨组织的化学成分(如骨胶原蛋白等)更为敏感，主要分析骨组织光声信号的光谱及能量，反映骨密度状况。专利6《一种光声和超声双模式骨质疏松症检测方法与装置》(CN106037818A)提出光声技术测量骨胶原蛋白结合超声技术测量骨密度，提高对骨质量的评价能力；专利7《一种利用光声时域信号评估骨质弹性模量的方法》(CN111110190A)根据光声时域信号与松质骨弹性模量的理论关系，评估松质骨的骨质弹性模量信息；美国专利8《Detection，diagnosis and monitoring of osteoporosis by a photo-acousticmethod》(US9833187B2)通过光声技术产生超声信号，分析长骨中传导超声信号的特性反映骨密度和骨质量状况。专利6-8所述的光声技术为单一位置测量和分析，易受光声信号传导路径骨组织及皮肤等软组织耦合影响干扰，导致骨密度测量不准确等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无创伤、无辐射的基于光声信号的骨密度测量装置及方法，旨在1)实现任意感兴趣骨骼位置的骨密度测量，提供骨密度的细节信息；2)消除光声信号传导路径骨骼及软组织的耦合影响干扰，提高骨密度测量的准确度。

本发明提供的基于光声信号的骨密度测量装置，包括计算机、激光器、发射控制电路、平移控制器、超声换能器、信号放大器和模数转换器；其中：

所述激光器，用于发射脉冲激光；

所述发射控制电路，用于控制激光器发射脉冲激光；

所述平移控制器，用于控制激光器在水平方向平移，使得脉冲激光照射骨骼组织水平方向的不同位置；

所述超声换能器，用于接收光声效应产生的超声信号；超声换能器位于待测量骨骼组织的侧方水平位置，所述超声换能器测量方向与所述激光器平移方向一致；

所述计算机通过发射控制电路和平移控制器控制激光器发射脉冲激光并在水平方向移动，使脉冲激光照射到待测量骨骼组织，通过超声换能器接收光声效应产生的超声信号，经信号放大器和模数转换器存入计算机，用于分析计算骨密度信息。

本发明提供的基于光声信号的骨密度测量方法，通过所述装置，首先测量骨组织某一位置A处的超声信号(记为S

上述方法中，A-B测量区域骨组织的归一化宽带超声衰减(nBUA)按如下公式计算：

其中，S

上述方法中，A-B测量区域骨组织的超声声速(SOS)按如下公式计算：

其中，d

上述方法中，A-B测量区域骨密度信息(BD)，可以通过归一化宽带超声衰减nBUA和超声声速SOS的线性组合参数评价，即：

BD＝k

其中，BD即为测量骨组织的骨密度值，k

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)无创伤、无电离辐射，本发明比传统X射线骨密度吸收测定更安全；

(2)提供骨密度的细节信息，与定量超声技术相比，本发明可以实现任意感兴趣骨骼位置的骨密度测量；

(3)骨密度测量准确度高，与单位置测量的光声技术相比，本发明通过邻近两位置光声信号对比，消除了超声传导路径骨组织及软组织的耦合影响，显著提高了骨密度测量的准确度。

附图说明

图1是本发明基于光声信号的骨密度测量装置的结构框图。

图中标号：1为计算机，2为发射控制电路，3为平移控制器，4为激光器，5为待测量骨骼组织，6为超声换能器，7为信号放大器，8为模数转换器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明一种基于光声信号的骨密度测量装置，包括计算机(1)，发射控制电路(2)，平移控制器(3)，激光器(4)，待测量骨骼组织(5)，超声换能器(6)，信号放大器(7)，模数转换器(8)。

本发明装置要求，所述的平移控制器(3)可以控制激光器(4)在水平方向平移，使得脉冲激光照射骨骼组织(5)水平方向的不同位置。

本发明装置要求，所述的超声换能器(6)位于待测量骨骼组织(5)的侧方水平位置，所述超声换能器(6)测量方向与所述激光器(4)平移方向一致。

本发明的基于光声信号的骨密度测量装置的测量方法，具体为：

计算机(1)通过发射控制电路(2)和平移控制器(3)控制激光器(4)发射脉冲激光，激光在近红外区域，波长为800nm，脉冲宽度为5ns，脉冲重复频率为20Hz，光斑直径为2mm。脉冲激光照射到待测量骨骼组织(5)的测量位置A，骨骼组织吸收激光发生热弹性膨胀机械振动(超声波为机械振动波)，通过光声效应产生超声波。采用中心频率为5MHz的超声换能器(6)接收超声信号，经信号放大器(7)放大20dB，模数转换器(8)对数据进行采集，存入计算机(1)，位置A处的超声信号记为S

然后通过平移控制器(3)水平方向移动激光器(4)一段较小距离，测量骨组织邻近位置B处的超声信号，记为S

骨组织的光声信号(S

考虑到A和B为相邻近的两测量点，在微小区域骨密度具有连续性，即假设A和B两测量位置骨骼性质一致，又因发射激光和接收超声换能器特性相同，那么，A、B两测量位置信号S

由上所述，A-B测量区域骨组织的归一化宽带超声衰减(nBUA)为：

其中，S

由上所述，A-B测量区域骨组织的超声声速(SOS)为：

其中，d

在一定范围内，归一化宽带超声衰减nBUA和超声声速SOS均与骨密度呈现正相关性：即骨密度越大，nBUA和SOS均越大。因此，可以通过nBUA和/或SOS参数取值来反映测量区域的骨密度信息。

本发明提出nBUA和/或SOS组合参数评价A-B测量区域骨密度信息(BD)，

BD＝k

其中，BD即为测量骨组织的骨密度，k

本发明公开一种基于光声信号的骨密度测量装置及方法，通过邻近两测量位置光声信号对比，反映测量骨骼区域的骨密度信息，不仅实现任意感兴趣骨骼位置的骨密度细节测量，还消除了超声传导路径骨组织及软组织的耦合影响，显著提高了骨密度测量的准确度。

以上所述为本发明的具体实施方式案例，并不用于限定本发明的保护范围，在本发明揭露的技术范围和技术方案的基础上，所做的任何修改、等同替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。