本實用新型屬于醫療儀器技術領域，具體涉及一種背散射超聲骨質診斷系統。
背景技術：
超聲因其特有的無損、無電離輻射、實時、價廉及便攜等優勢，被認為是骨質診斷極具潛力的方法。骨質的超聲診斷方法主要分為超聲透射法和背散射法。超聲透射法發展較早，目前已經得到了廣泛應用。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；并且需要一發一收兩個超聲探頭，從而提高了系統的成本和復雜度。超聲背散射法的研究在近些年得到了發展，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構信息。目前市場上只有基于超聲透射法的骨質診斷儀器，尚未有基于超聲背散射法的骨質診斷儀器。
技術實現要素：
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診斷系統。
本實用新型提供的背散射超聲骨質診斷系統，包括：高壓脈沖發射電路，高壓隔離電路，模擬前端電路，模數轉換電路，FPGA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芯片是整個系統的控制核心，通過串行總線和IO口控制高壓脈沖發射電路、高壓隔離電路、模擬前端電路和模數轉換電路的工作，為這些電路產生相應的控制時序。FPGA根據ARM處理器發過來的命令，產生相應的脈沖調制信號，驅動高壓脈沖發射電路發射經過調制的超聲脈沖，從而驅動超聲探頭發射出相應的脈沖調制超聲信號。超聲探頭發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換為電信號。該信號經過高壓隔離電路，再經過模擬前端電路進行濾波和放大，到達模數轉換電路。FPGA控制模數轉換電路將接收的背散射信號轉換為數字信號，采集到FPGA內部的存儲區進行緩存，然后再通過高速總線發回給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濾波器進行處理，恢復出未經調制的背散射信號；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，再根據這些參數給出診斷結果，并顯示在LCD顯示器上。
多路電源模塊為整個系統中各個電路模塊提供電源，包括驅動超聲發射電路的高壓電源。
本實用新型與現有的基于超聲反射原理的超聲成像設備有很大的不同。現有超聲成像設備，是將探頭逐點進行移動，通過在每個點上對待測物體發射超聲波，然后將反射波信號的幅度轉換為像素值，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的波形，進而計算出本實用新型提出的功率譜偏移參數PSS。本實用新型沒有采用常規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信息，本實用新型對發射脈沖進行調制，以增強發射超聲信號的功率，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，以避免波形細節被噪聲淹沒。本實用新型對接收到的信號采用解調濾波器進行濾波，以恢復出未經調制的信號。解調后的波形信噪比大大增強，波形細節信息得以保存，從而能夠計算背散射參數并評價骨質狀況。
本實用新型沒有采用常規的如表觀積分背散射系數（AIB）、背散射頻譜質心偏移（SCS）、背散射系數（BSC）等背散射參數，由于這些參數的計算依賴于標準樣本提供的參考信號，參數的穩定性較差。本實用新型提出了功率譜偏移參數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。該參數具利用兩次回波信號之間的差異性，具有更高的穩定度，并與骨質狀況具有良好的相關性。
現有的基于超聲技術的骨質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構狀況，并且需要一發一收兩個超聲探頭，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診斷系統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點。并且由于使用了調制解調的方法增強超聲發射功率，而不是通過增大電源電壓來增強發射功率，從而降低了系統中對電源電壓幅度的要求，降低了系統復雜度和成本。
附圖說明
下面結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診斷系統的結構圖。
圖中標號：1.多路電源模塊，2.高壓脈沖發射電路，3.高壓隔離電路，4.模擬前端電路，5.模數轉換電路，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診斷系統包括：多路電源模塊（1）、高壓脈沖發射電路（2）、高壓隔離電路（3）、模擬前端電路（4）、模數轉換電路（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中各個電路模塊提供電源，包括驅動超聲發射電路的高壓電源。
在本實施例中，多路電源模塊（1）采用反激式電源設計產生一組+25V和-25V的高壓電源，采用DCDC電源設計產生系統中數字電路的低壓電源，采用線性穩壓方式產生系統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，包括高壓脈沖發射電路（2）、高壓隔離電路（3）、模擬前端電路（4）和模數轉換電路（5）。高壓脈沖電路（2）采用具有大電流驅動能力的MOS管推挽輸出電路，并采用單向導通保護電路做保護。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。模數轉換電路（5）采用高精度高速AD轉換器，在本實施例中，采用14位65Mbps采樣率AD轉換芯片。
FPGA芯片（6）通過IO口發出要發射的調制脈沖信號，控制高壓脈沖發射電路（2）輸出±25V的高壓調制脈沖。超聲探頭（8）受到高壓脈沖發射電路（2）驅動，發射出調制脈沖超聲波。調制方式可以是但不限于格雷碼等通訊系統中常用的調制方式。本實施例中采用16位的格雷碼進行調制，ARM處理器（7）采用對應的解調濾波器進行解調。由于采用了16位格雷碼進行調制解調，增強了超聲信號的發射功率，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，如果調制編碼太長，那么回波信號會和發射信號混疊在一起。本實施例中，采用5MHz中心頻率的超聲探頭，16位的格雷碼調制不會造成發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）接收并轉換為電信號。該電信號經過高壓隔離電路（3）和模擬前端電路（4），然后被模數轉換電路（5）采樣轉換為數字信號。在本實施例中，FPGA芯片（6）通過LVDS高速接口讀取模數轉換電路（5）輸出的數字信號。
ARM處理器（7）對采集到的信號進行解調濾波處理，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PSS。
在本實施例中，發射的超聲脈沖信號頻率由FPGA內部邏輯產生，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學中通常采用的超聲耦合劑。