基于虛擬儀器技術(shù)的超聲骨密度測量系統(tǒng)的設(shè)計

喬媛慧，何瓊，劉慶凱，林芳

1.首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院 采購中心，北京 100050；2.清華大學 物醫(yī)學影像研究中心，北京 100084；3.首都醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，北京 100069；4.杭州慈銘友好醫(yī)療綜合門診部 職業(yè)病科，浙江 杭州 310051

基于虛擬儀器技術(shù)的超聲骨密度測量系統(tǒng)的設(shè)計

喬媛慧1，何瓊2，劉慶凱3，林芳4

1.首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院 采購中心，北京 100050；2.清華大學 物醫(yī)學影像研究中心，北京 100084；3.首都醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，北京 100069；4.杭州慈銘友好醫(yī)療綜合門診部 職業(yè)病科，浙江 杭州 310051

目的文本設(shè)計了一個基于虛擬儀器技術(shù)的超聲骨密度測量系統(tǒng)，用以評價骨質(zhì)疏松。方法首先基于LabVIEW虛擬軟件平臺開發(fā)程序，依據(jù)定量超聲和通道復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收功能，然后通過NIUSB-6251數(shù)據(jù)采集卡采集相關(guān)數(shù)據(jù)，最終該軟件平臺實現(xiàn)資料輸入、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出和保存，并進行系統(tǒng)測試。結(jié)果該系統(tǒng)可靠性高，操作方便簡潔。結(jié)論本系統(tǒng)在技術(shù)與應(yīng)用層面上具有一定的創(chuàng)新性，從一種新的角度評估人體的骨質(zhì)量，可應(yīng)用于骨質(zhì)疏松的早期診斷。

定量超聲；骨質(zhì)疏松；采集卡；通道復(fù)用；LabVIEW

MEDICAL ENGINEERING TECHNOLOGY

引言

隨著人的壽命增長和老齡人口的急劇增多，與衰老緊密相關(guān)的骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率不斷增加，在世界常見病中已躍居第7位[1]。骨質(zhì)疏松可導致骨骼脆性增加，骨折風險增大，是老年患者骨痛、骨折及因骨折致殘致死的主要原因之一[2-5]，已成為我國乃至世界廣泛關(guān)注的社會問題，因此骨質(zhì)疏松的早期診斷及預(yù)防有著極為重要的意義。由于脛骨皮質(zhì)能很好的反應(yīng)骨質(zhì)中的有機質(zhì)含量，并且易于測量，所以本系統(tǒng)采用直接接觸雙斜探頭脈沖反射法測量超聲波在脛骨皮質(zhì)骨中的傳播速度（Speed of Sound，SOS），根據(jù)超聲速度值所反映的骨密度信息診斷骨質(zhì)疏松癥[6-10]。

本系統(tǒng)是應(yīng)用虛擬儀器控制實現(xiàn)的基于通道復(fù)用的超聲骨密度測量系統(tǒng)，通過定量超聲技術(shù)測量皮質(zhì)骨（脛骨）中的超聲傳播速度，根據(jù)速度值所反映的骨礦密度量化信息來評價骨質(zhì)量，進而診斷骨質(zhì)疏松癥[11]。與目前臨床應(yīng)用的雙能X線超聲儀相比，本系統(tǒng)具有無輻射、成本低、測量時間短等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 原理

（1） 超聲傳播原理。醫(yī)用超聲有A型、B型、M型等多種類型，本系統(tǒng)主要運用A型超聲的在不同介質(zhì)內(nèi)的徑向傳播速度不同進行測量。超聲波發(fā)出后在脛骨中的傳播路徑，見圖1。

圖1 超聲波在脛骨中的傳播路徑

圖中C1L為界面1，C2L為界面2，T為被測組織的垂直距離，Pli為入射波，Plz為界面1反射波，θ1i和θ1z分別是界面1的入射角和反射角，P2t和P1t分別是界面2的反射波和由界面1射出的波，θ2i為折射角，通過界面1、2的反射波Plz、P1t出現(xiàn)的時間和超聲波在組織中的傳播速度可以計算出超聲波的骨傳播速度，進而對骨質(zhì)疏松進行評價[12-13]。

本系統(tǒng)利用超聲檢測儀和專用探頭發(fā)射并接收超聲波[14]，定位探頭接收到皮膚軟組織和骨皮質(zhì)交界處的反射波，測量探頭接收到骨皮質(zhì)和骨髓腔交界處的反射波，反射波圖形，見圖2。

圖2 反射波圖形

（2）骨密度測量原理 。本系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW編譯的人機交互界面控制光耦繼電器開斷，并記錄超聲波在骨皮質(zhì)中傳播的時間T，利用公式(1)計算超聲傳播速度從而反映骨密度。

（其中，d為被測物體厚度，c1L為超聲傳播速度，人體組織平均值為1540 m/s；實際制作的探頭入射角θ1i=56°）

因為軟組織厚度為：

所以對式(1)修正去除軟組織誤差，得超聲骨傳播速度為：

公式(2)、(3)中ty為界面波與發(fā)射脈沖之間時間；tj為采用定位探頭時測到的接收脈沖與發(fā)射脈沖之間時間；tr為超聲波在軟組織中傳輸時間。t為接收脈沖與發(fā)射脈沖之間時間；ty，為界面波與發(fā)射脈沖之間時間。

1.2 系統(tǒng)組成

硬件部分主要由PC機、NIUSB-6251采集卡、光耦繼電器、超聲探頭、超聲波發(fā)生儀、導線等組成，數(shù)據(jù)通過采集卡送入上位機PC機中進行處理，系統(tǒng)控制圖，見圖3。

圖3 系統(tǒng)控制圖

系統(tǒng)工作時通過控制繼電器實現(xiàn)通道的分時復(fù)用：發(fā)射接收是不同的時間進行，所以可以在不同的時間讓通道實施發(fā)射、接收；同時，探頭的復(fù)用是基于其兼具壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，所以探頭可以在超聲波發(fā)射和接收不同的時間，發(fā)揮不同的作用[14-15]。

工作臺上可以看到由采集卡傳遞過來的脈沖時間信號，經(jīng)過后臺程序計算可以得出被測者的軟組織厚度、超聲骨傳播速度，并根據(jù)擬定的正常范圍給出初步診斷，結(jié)果以文字文件保存[16-21]，LabVIEW控制界面，見圖4。

圖4 LabVIEW控制界面

2 系統(tǒng)測試結(jié)果

我們用此系統(tǒng)對67人進行了測試，可用數(shù)據(jù)為59例，分析結(jié)果，見圖5。

由圖5可以看出隨著年齡的增長，軟組織厚度分布在男性和女性數(shù)據(jù)上均顯示先降低后增高趨勢，這與我們?nèi)粘Ｓ^察到的情況比較類似，即大部分人在中年以后有發(fā)胖現(xiàn)象；骨傳播速度隨年齡的增長降低趨勢，而且女性較男性明顯，男性的骨傳播速度高峰出現(xiàn)在25～30歲之間，而女性的骨傳播速度峰值出現(xiàn)在20歲左右，由于18歲以下的數(shù)據(jù)量極少，中年女性數(shù)據(jù)較少，所以統(tǒng)計結(jié)果仍有變動空間。被測者中有兩位曾在醫(yī)院的檢查中診斷為骨質(zhì)疏松的女性被測者的超聲骨傳播速度明顯低于擬合曲線。

圖5 軟組織厚度/超聲骨傳播速度-年齡分布曲線

3 討論

本系統(tǒng)根據(jù)超聲波的傳播理論，分析了超聲波在皮質(zhì)骨中的傳播路徑并自行推導了聲速測量公式，檢測參數(shù)為超聲波在骨中的傳輸時間T（微秒級），由T值計算出超聲波在皮質(zhì)骨中的傳輸速度；通過采用單通道復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)定位探頭和測量探頭交替工作，減小了誤差，提高了測量的準確性和可靠性；高速數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用能夠較準確的記錄接收反射波的時間。實際測量操作時，被測者只需按下LabVIEW窗口中的按鈕，由軟件處理數(shù)據(jù)即可診斷骨質(zhì)疏松，這種方法可靠性高，操作方便簡潔。

綜合來講該測量系統(tǒng)具有精確度高、重復(fù)性好、無放射性損傷等優(yōu)勢，從一種新的角度評估人體的骨質(zhì)量，可應(yīng)用于骨質(zhì)疏松的早期診斷。系統(tǒng)體積小，操作簡單，適合社區(qū)醫(yī)院及其家庭的使用,對大面積人群的普查及篩選尤有實用性。

雖然目前我們的超聲測量骨密度主要是在動物的脛骨上實驗，但是并不能完全模擬人的身體，雖進行了一定數(shù)據(jù)量的人體數(shù)據(jù)測試，但是人體的骨密度會因為種族、年齡、性別的差異而出現(xiàn)不同，因此需要建立一個適合國人的合理數(shù)據(jù)庫對于骨質(zhì)疏松進行評價，并與臨床金標準進行對比得出對應(yīng)曲線。值得肯定的在試驗中采用了雙通道復(fù)用技術(shù)，大大的減少了測量的誤差，所以可以推廣到更多的通道，以期進一步地提高準確性和可靠度，對測量骨密度評判骨質(zhì)疏松做出貢獻。

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本文編輯 袁雋玲

Design of Ultrasound Measurement System of the Bone Mineral Density based on Virtual Instrument Technology

QIAO Yuan-hui1, HE Qiong2, LIU Qing-kai3, LIN Fang4

1.Purchasing Center, Beijing Friendship Hospital affiliated to Capital Medical University, Beijing 100050, China; 2.Biomedical Imaging Research Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3.School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China; 4.Department of Occupational Medicine, Hangzhou Ciming Fridenly Medical Clinics, Hangzhou Zhejiang 310051, China

ObjectiveThis study designed an ultrasound measurement system of the bone mineral density (BMD) based on virtual instrument technology for osteoporosis diagnosis.MethodsThis system used the software LabVIEW to develop a program which could achieve the data input and processed, data output and save, with the basic theory of quantitative ultrasound and channel multiplex technology to accomplish ultrasonic transmitting and receiving function. This system used Data Acquisition Card NIUSB-6251 to transmit data. And then it was tested.ResultsIt turned out that this system was reliable and easy to operate.ConclusionThis system has highly innovation at the level of technology and application, which can be used for the early diagnosis of osteoporosis from a new angle.

quantitative ultrasound; osteoporosis; data acquisition card; channel multiplex; LabVIEW

R318.04

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.021

1674-1633(2017)08-0083-04

2016-11-30

2016-12-26

作者郵箱：heqiong15@mails.tsinghua.edu.cn