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1、(10)授权公告号 CN 101947116 B (45)授权公告日 2012.02.29 CN 101947116 B *CN101947116B* (21)申请号 201010297446.7 (22)申请日 2010.09.27 A61B 8/00(2006.01) (73)专利权人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市学府路 301 号 (72)发明人 张荣标 金振俊 黄义振 张业成 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 DE 10018769 A1,2001.10.31, 全文 . CN 2371949 Y,2000.04.05, 全。
2、文 . CN 201847707 U,2011.06.01, 权利要求 1-3. CN 2891973 Y,2007.04.25, 全文 . (54) 发明名称 骨密度的测量装置及检测方法 (57) 摘要 本发明公开一种医疗器械技术领域中轴向定 量超声法检测骨密度的测量装置及检测方法， 外 壳固定连接弹簧组一端， 弹簧组另一端连接侧垫， 侧垫上部空间形成有手臂测量槽， 侧垫相对侧设 置有两个相同的发射探头和一个接收探头 ； 两发 射探头与接收探头位于隔板一侧的同一平面， 接 收探头的底端连接传动部件 ； 将被测手臂放进手 臂测量槽， 弹簧组带动侧垫在手臂测量槽内水平 移动， 由步进电机的转轴带。
3、动丝杠转动， 从而带动 接收探头移动， 两发射探头依次发射超声慢速波， 接收探头将两次接收的超声慢速波转化为电信号 送后续处理 ； 本发明剔除骨上软组织厚度带来的 测量误差， 精确定位接收探头的位置， 提高了测量 精度。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 杨德智 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 CN 101947116 B1/1 页 2 1. 一种骨密度的测量装置， 具有一外壳 (1)， 外壳 (1) 连接底座 (5)， 其特征是 ： 外壳 (1) 固定连接弹簧组 (2) 一端， 弹簧组 (2) 另一端连。
4、接侧垫 (3)， 侧垫 (3) 上部空间形成有 手臂测量槽 (4)， 侧垫 (3) 相对侧设置有两个相同的发射探头 (6、 7) 和一个接收探头 (8)， 接收探头(8)位于两发射探头(6、 7)之间 ； 底座(5)固定连接隔板(9)和探头固定板(10)， 两发射探头 (6、 7) 与接收探头 (8) 位于隔板 (9) 一侧的同一平面， 发射探头 (6) 嵌入探头 固定板 (10) 左边的探头固定孔 (10a) 以及隔板 (9) 左边的隔板孔 (9a) ； 发射探头 (7) 嵌 入探头固定板 (10) 右边的探头固定孔 (10b) 以及隔板 (9) 右边的隔板孔 (9b) ； 接收探头 (8)。
5、 间隙嵌套于隔板 (9) 中间的隔板槽 (9c) 及探头固定板 (10) 中间的探头固定槽 (10c) 中， 左右隔板孔(9a、 9b)之间的距离与左右探头固定孔(10a、 10b)之间的距离相等 ； 接收探 头 (8) 的底端连接传动部件 ； 所述传动部件包括基座 (11)、 步进电机 (12)， 步进电机基座 (13)， 螺母付 (15) 和丝杠 (16) ； 步进电机 (12) 固定连接步进电机基座 (13)， 基座 (11) 与 步进电机基座(13)相对地固定于所述底座(5)上 ； 丝杠(16)一端连接基座(11)， 中间部分 的丝杠主体 (16a) 上套有螺母付 (15) ； 丝杠 。
6、(16) 另一端连接步进电机 (12) 的转轴 (12a)， 所述接收探头 (8) 的底端通过螺母付 (15) 连接丝杠 (16) ； 所述发射探头 (6) 由探头匹配 层 (6a)、 接收探头探针 (6b)、 探头槽 (6c)、 挡瓣 (6d)、 弹簧 (6e)， 信号引线孔 (6f) 和探头 固定孔 (6g) 组成， 探头槽 (6c) 内装有接收探头探针 (6b) 和弹簧 (6e)， 接收探头探针 (6b) 的顶端是探头匹配层 (6a)， 接收探头探针 (6b) 的底端连接弹簧 (6e) 一端， 弹簧 (6e) 另一 端与发射探头(6)的底座连接， 在探头槽(6c)内壁和接收探头探针(6b。
7、)之间是挡瓣(6d)， 探头槽 (6c) 上开有信号引线孔 (6f) ； 所述接收探头 (8) 上的探头槽长于发射探头 (6)， 其 余结构与两发射探头 (6、 7) 相同。 权 利 要 求 书 CN 101947116 B1/5 页 3 骨密度的测量装置及检测方法 技术领域 0001 本发明涉及医疗器械技术领域， 具体涉及轴向定量超声法检测骨密度的测量装置 及检测方法。 背景技术 0002 定量超声技术在骨质酥松症检测方面的研究至今已有多年历史， 在临床上可以预 测骨折发生， 具有无创、 便携、 适用人群广、 可重复性好等优点。 目前应用最多的是超声横向 传播技术， 横向传播技术使用两个压电。
8、换能器， 这两个压电换能器的一个作为发射器， 另一 个作为接收器， 放在被测骨部位的两侧进行测量。该方法测量超声频率与振幅衰减的斜率 关系， 即宽带超声衰减系数和超声传播速度。 超声在骨两侧传播时一部分沿骨质层传播， 该 部分超声波传播的路程将大于骨两侧超声探头间距离， 由该超声波传播模式推导出的传播 速度偏小 ； 而另一部分经过骨髓腔传播， 这条路径上传播介质不同， 超声速度不均匀， 同时 具有强烈的频散特性， 由此推算的传播速度很大程度上取决于延迟时间的取值方式， 而且， 计算超声传播速度与衰减系数是假设骨厚度已知或者骨上软组织厚度带来的影响忽略， 这 种假设带来了粗糙的测量结果， 限制了。
9、传播速度与衰减系数的精确度。 0003 最新的仪器开始使用定量超声轴向传播技术测量骨密度， 轴向传输技术大多使用 两个压电换能器放在被测骨部位的同侧进行测量。 超声经接收换能器转换成的信号既包含 第一到达波， 也包含慢速波， 慢速波是一组紧接着第一到达波到达的波形， 传播速度较慢、 能量较高、 幅值较大、 信号的相速度符合基本弯曲波模式， 相对于第一到达波可以提供更有 效的数据来检测骨质酥松症， 监测骨骼生长。传统的轴向传播技术使用第一到达波计算传 播延时， 然而， 当超声波长小于皮质骨厚度时， 第一到达波不能很好的反映出皮质骨厚度、 幅值较小、 长距离传播衰减太大等缺陷。 发明内容 0004。
10、 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足， 提供了一种骨密度的测量装置， 剔 除骨上软组织厚度带来的测量误差， 方便、 精确定位， 提高测量精度。 0005 本发明的另一目的是提供一种骨密度的检测方法， 采用定量超声慢速波轴向测 量， 能提供更多长骨皮质层的特征信息， 检测骨密度更加精确。 0006 本发明骨密度的测量装置是通过以下技术方案实现的 ： 具有一外壳， 外壳连接底 座， 外壳固定连接弹簧组一端， 弹簧组另一端连接侧垫， 侧垫上部空间形成有手臂测量槽， 侧垫相对侧设置有两个相同的发射探头和一个接收探头， 接收探头位于两发射探头之间 ； 底座固定连接隔板和探头固定板， 两发射探头与接收。
11、探头位于隔板一侧的同一平面， 发射 探头嵌入探头固定板左边的探头固定孔以及隔板左边的隔板孔 ； 发射探头嵌入探头固定板 右边的探头固定孔以及隔板右边的隔板孔 ； 接收探头间隙嵌套于隔板中间的隔板槽及探头 固定板中间的探头固定槽中， 左右隔板孔之间的距离与左右探头固定孔之间的距离相等 ； 接收探头的底端连接传动部件。 说 明 书 CN 101947116 B2/5 页 4 0007 进一步地， 本发明的传动部件包括基座、 步进电机， 步进电机基座， 螺母付和丝杠 ； 步进电机固定连接步进电机基座基座与步进电机基座相对地固定于所述底座上 ； 丝杠一端 连接基座， 中间部分的丝杠主体上套有螺母付 ；。
12、 丝杠另一端连接步进电机的转轴， 所述接收 探头的底端通过螺母付连接丝杠。 0008 进一步地， 发射探头由探头匹配层、 接收探头探针、 探头槽、 挡瓣、 弹簧， 信号引线 孔和探头固定孔组成， 探头槽内装有接收探头探针和弹簧， 接收探头探针的顶端是探头匹 配层， 接收探头探针的底端连接弹簧一端， 弹簧另一端与发射探头的底座连接， 在探头槽内 壁和接收探头探针之间是挡瓣， 探头槽上开有信号引线孔 ； 所述接收探头上的探头槽长于 发射探头， 其余结构与两发射探头相同。 0009 本发明骨密度的检测方法是采用如下步骤 ： (A) 将发射探头和发射探头之间的距 离 L 均分 n 等份 ； (B) 将。
13、被测手臂放进手臂测量槽， 弹簧组带动侧垫在手臂测量槽内水平 移动， 调节手臂测量槽的大小， 保证被测手臂与两发射探头和接收探头紧密接触 ； 启动步进 电机， 由步进电机的转轴带动丝杠转动， 使螺母付在丝杠主体上移动从而带动接收探头在 探头活动槽和隔板槽中移动， 将接收探头位置定于距发射探头的 L/n cm 处 ； (C) 锁定步进 电机， 两发射探头依次发射超声慢速波， 接收探头将两次接收的超声慢速波转化为电信号 送后续处理 ； (D) 步进电机再次启动， 将接收探头向发射探头方向移动 L/n cm， 再执行步骤 (C) ； (E) 跳转至步骤 (D) 重复执行 n-3 次， 最后求出均值。 。
14、0010 本发明的有益效果是 ： 0011 1、 本发明采用双向超声发射技术， 收发过程完全对称， 剔除了骨上软组织厚度带 来的测量误差。 0012 2、 步进电机方便、 精确定位接收探头的位置并多次测量取均值， 提高了测量精度。 0013 3、 两个发射探头位置固定， 接收探头位于两个发射探头之间， 超声波传播距离为 一定值， 测量距离精确。 0014 4、 采用定量超声慢速波轴向检测方法， 能够得到全面的皮质骨结构内部信息， 达 到了精确测量骨密度的要求， 测量方便、 简单易行。 0015 5、 手臂测量槽采用伸缩性的弹簧调节大小， 适宜不同尺度的手臂， 测量人群广。 附图说明 0016 。
15、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。 0017 图 1 是本发明测量装置的结构示意图。 0018 图 2 是图 1 中探头固定板 10 的结构示意图。 0019 图 3 是图 1 中隔板 9 的结构示意图。 0020 图 4 是图 1 中发射探头 6 的结构示意图。 0021 图 5 是图 1 中发射探头 6、 7 与接收探头 8 的装配示意图。 0022 图 6 是图 1 中步进电机 12 和丝杠 16 传动连接示意图。 0023 图 7 本发明超声波双向传输测量法原理图。 0024 图中 ： 1.外壳 ； 2.弹簧组 ； 3.侧垫 ； 4.手臂测量槽 ； 5.底座 ； 6。
16、、 7.发射探头 ； 8.接 收探头 ； 9. 隔板 ； 10. 探头固定板 ； 11. 基座 ； 12. 步进电机 ； 13. 步进电机基座 ； 14. 另一基 座 ； 15. 螺母付 ； 16. 丝杠。 说 明 书 CN 101947116 B3/5 页 5 具体实施方式 0025 如图 1 ： 骨密度的测量装置具有一外壳 1， 外壳 1 连接底座 5， 外壳 1 固定连接弹簧 组 2 的一端， 弹簧组 2 的另一端连接侧垫 3， 即侧垫 3 和外壳 1 用具有伸缩功能的弹簧组 2 将两者连接在一起。侧垫 3 的上表面弯曲成曲面形状， 侧垫 3 的上部空间形成手臂测量槽 4， 手臂测量槽 。
17、4 具有较大的开口空间， 以容纳被测手臂放进手臂测量槽 4 内。 0026 在侧垫3的相对侧， 设置发射探头6、 发射探头7、 接收探头8、 隔板9和探头固定板 10， 隔板 9 和探头固定板 10 的两端固定连接底座 5。探头固定板 10 的结构如图 2 所示， 探 头固定板 10 上左右对称开有探头固定孔 10a 和 10b， 探头固定孔 10a 和 10b 中间开有探头 固定槽 10c。隔板 9 的结构如图 3 所示， 隔板 9 上左右对称开有隔板孔 9a 和 9b， 在隔板孔 9a 和 9b 之间是隔板槽 9c， 左右隔板孔 9a 和 9b 之间的距离与左右探头固定孔 10a 和 10。
18、b 之间的距离相等。发射探头 6 和发射探头 7 的结构相同， 彼此左右相对安装， 其结构如图 4 所示， 以发射探头6为例说明， 发射探头6由探头匹配层6a、 接收探头探针6b、 探头槽6c、 挡 瓣 6d、 弹簧 6e， 信号引线孔 6f 和探头固定孔 6g 组成， 其中， 探头槽 6c 内装有接收探头探针 6b 和弹簧 6e， 接收探头探针 6b 的顶端是探头匹配层 6a， 探头匹配层 6a 有一层与皮肤属性 相同的球面物质， 与被测手臂充分接触时易于收发超声波信号， 又起到保护被测手臂且不 被发射探头探针 6b 刺伤的作用。接收探头探针 6b 的底端连接弹簧 6e 的一端， 弹簧 6e。
19、 的 另一端与发射探头 6 的底座连接， 在探头槽 6c 内壁和接收探头探针 6b 之间是挡瓣 6d， 挡 瓣 6d 用于限制发射探头探针 6b 不弹出探头槽 6c。探头槽 6c 上开有信号引线孔 6f， 将控 制信号线和测试信号线从此孔引出， 供后续处理模块处理。发射探头探针 6b 受到挤压， 弹 簧 6e 在探头槽 6c 内伸缩， 带动发射探头探针 6b 水平移动， 实现水平伸缩的特点。 0027 发射探头 7 的结构和功能与发射探头 6 相同， 接收探头 8 上的探头槽比发射探头 6 较长， 其余结构和功能与发射探头 6、 7 均相同， 不再赘述。 0028 发射探头 6、 7 和接收探。
20、头 8 的装配如图 5 所示， 发射探头 6、 7 与接收探头 8 位于 隔板 9 一侧的同一平面， 发射探头 6 与探头固定板 10 上的探头固定孔 10a 以及隔板 9 上的 隔板孔 9a 相配， 发射探头 7 与探头固定板 10 上的探头固定孔 10b 以及隔板 9 上的隔板孔 9b 相配。接收探头 8 与隔板槽 9c 及探头固定槽 10c 相配， 使接收探头 8 位于发射探头 6、 7 之间。发射探头 6 嵌入在探头固定孔 10a 和隔板孔 9a 中， 在探头固定孔 6g 处用螺钉将发 射探头 6 和探头固定板 10 固定连接在一起， 同样， 发射探头 7 嵌入在探头固定孔 10b 和。
21、隔 板孔 9b 中， 用螺钉将发射探头 7 和探头固定板 10 固定连接在一起。接收探头 8 同时间隙 嵌套在隔板槽 9c 和探头固定槽 10c 中， 并可在隔板槽 9c 和探头固定槽 10c 中移动， 接收探 头 8 的的底端连接螺母付 15。 0029 如图 1、 6 所示， 接收探头 8 的底端连接传动部件， 该传动部件由基座 11、 步进电机 12， 步进电机基座 13， 另一基座 14， 螺母付 15 和丝杠 16 组成。其中， 步进电机 12 具有的步 进电机主体 12b 部分用螺钉固定于步进电机基座 13 上， 基座 11 与步进电机基座 13 相对地 固定在底座 5 上。丝杠 。
22、16 一端连接基座 11， 嵌入基座 11 上的基座孔 11b 中， 基座 11 上开 有基座固定孔 11a， 通过该基座固定孔 11a 用螺钉将基座 11 固定在底座 5 上 ； 丝杠 16 中间 部分是丝杠主体 16a， 在丝杠主体 16a 上套有螺母付 15 ； 丝杠 16 另一端 16b 是空心管状结 构， 步进电机 12 的转轴 12a 嵌入丝杠 16 的另一端 16b 中， 并用螺钉固定连接。接收探头 8 说 明 书 CN 101947116 B4/5 页 6 的底端通过螺母付 15 与丝杠 16 连接。在螺母付 15 和步进电机 12 之间是另一基座 14， 丝 杠 16 另一端。
23、 16b 穿过另一基座 14 上的基座孔 14b， 另一基座 14 底部开有基座固定孔 14a， 通过基座固定孔 14a 用螺钉将另一基座 14 固定在底座 5 上。 0030 本发明采用轴向测量， 将发射探头 7 与接收探头 8 放置在被测骨的同一侧进行测 量， 发射探头 6 和发射探头 7 依次发射超声慢速波， 接收探头 8 位于发射探头 6 和发射探头 7 之间接收传播过来的超声慢速波。慢速波在整个皮质骨厚度内传播， 对皮质骨厚度很敏 感， 能够得到全面的皮质骨结构内部信息。 慢速波的衰减较小， 与现有其它的超声波方法相 比， 能提供更多长骨皮质骨的特征信息。 测量时， 将被测手臂放进手。
24、臂测量槽4， 弹簧组2带 动侧垫 3 在手臂测量槽 4 内水平移动， 调节手臂测量槽 4 的大小， 适合不同手臂大小的人群 测量， 又能保证被测手臂与发射探头6、 发射探头7和接收探头8紧密接触， 且不至于挤压伤 被测手臂。启动步进电机 12， 步进电机的转轴 12a 带动丝杠 16 转动， 使得螺母付 15 在丝 杠主体 16a 上移动， 带动接收探头 8 在探头活动槽 10c 和隔板槽 9c 中移动， 从而改变接收 探头 8 的接收位置。步进电机 12 通过丝杠 16 带动接收探头 8 精确、 方便地移动， 定位接收 探头 8 的位置， 每次接收探头 8 移动一个位置， 发射探头 6 和发。
25、射探头 7 依次发射超声慢速 波， 接收探头 8 将接收到的超声慢速波转化为电信号送后续模块处理， 这样多次测量， 使接 收探头8、 发射探头6、 发射探头7位置完全对称， 剔除了骨上软组织厚度对骨密度在检测时 的影响。 多次测量不同部位区间的超声传播速度， 然后求出均值作为其最终超声传播速度， 可以减小单次测量的误差， 进一步提高测量精度。 0031 上述测量原理如图 7 所示 ： 是超声波双向传输测量法原理， 时延 T1为上方超声波 由 A 点经 B 点传至 E 点所用时间与 A 点传至 D 点所用时间的差值， 即 T1 TAB+TBC+TCE-TAD， 因为 TBC TAD， 所以 T1。
26、 TAB+TCE， 等于 A 点至 B 点的时延加上了 C 点至 E 点的时延。时延 T1 为下方超声波由 B 点经 A 点传至 D 点所用时间与 B 点传至 E 点所用时间的差值， 即 T2 TBA+TAD-TBC-TCE， 因为 TBC TAD， 所以有 T2 TBA-TCE， 等于 B 点至 A 点的时延减去了 C 点至 E 点的时延。距离 S1代表上方超声波由 A 点经 B 点传至 E 点比 A 点传至 D 点多传播的距离， 即 S1 SAB+SBC+SCE-SAD， 因为 SBC SAD， 所以有 S1 SAB+SCE， 等于 C 点至 E 点距离加上 L。距 离 S2代表下方超声波。
27、由 B 点经 A 点传至 D 点比 B 点经 C 点经传至 E 点多传播的距离， 即 S2 SBA+SAD-SBC-SCE， 因为 SAD SBC， 所以有 S2 SBA-SCE， 等于 L 减去 C 点至 E 点距离。传统测 试方法忽略 C 点到 E 点的距离， 超声传播速度直接等于 L 除以时延 T1， 或者 L 除以延时 T2。 理想骨参数超声传播速度等于超声在骨中传播距离除以骨中传播时延， 等于 A 至 B 距离除 以 A 至 B 时延。距离 S1与距离 S2的和 S S1+S2 SAB+SBA 2L， 即超声在骨中由 A 点传至 B 点距离 L 的两倍 S， 时延 T1与时延 T2的。
28、和 T T1+T2 TAB+TBA， 即超声在骨中由 A 点传至 B 点时延的两倍 T。由该距离和 S 除以该时延和 T 得到的改进超声传播速度， 可以精确表示 超声在骨中的传播速度， 剔除了骨上软组织对骨密度在体检测时的影响。 0032 以下提供本发明检测方法的一个实施例 ： 0033 实施例 0034 先将发射探头 6 和发射探头 7 之间的距离 L 均分 n 等份， 然后按以下步骤操作 ： 0035 (a) 将被测手臂放进手臂测量槽 4， 启动步进电机 12， 将接收探头 8 位置定于距发 射探头 6 的 L/n cm 处 ； 0036 (b) 锁定步进电机 12， 发射探头 6 和发射。
29、探头 7 依次发射超声慢速波， 接收探头 8 说 明 书 CN 101947116 B5/5 页 7 将两次接收的超声慢速波转化为电信号送后续模块处理 ； 0037 (c) 步进电机 12 再次启动， 将接收探头 8 向发射探头 7 方向移动 L/n cm， 然后再 执行步骤 (b) ； 0038 (d) 跳转至步骤 (c) 重复执行 n-3 次。 0039 按照上述测量步骤， 超声接收探头 8 共有 n-1 个测试位置， 各位置相距 L/n cm， 每 次发射探头6和发射探头7发射的超声慢速波的传播距离和都是Lcm， 并且最后测量位置距 发射探头 7 恰好也是 L/n cm 处， 整个收发装置完全对称。发射探头 6 和发射探头 7 依次发 射的超声慢速波传播到接收探头 8 的距离和是一个定值 Lcm， 对 n-1 次轴向定量超声慢速 波测量方法的超声传播速度结果取均值， 测试得到的误差值在 0.5范围内， 提高了测量精 度。 说 明 书 CN 101947116 B1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 101947116 B2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 101947116 B3/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 101947116 B4/4 页 11 图 6 图 7 说 明 书 附 图 。