一種基于陣列探頭的背散射超聲骨質診斷系統的制作方法

本實用新型屬于醫療儀器技術領域，具體涉及一種基于陣列探頭的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，目前已得到廣泛應用，而超聲背散射法在近些年越來越受到研究人員的關注。與透射法相比，超聲背散射法具有以下優勢：背散射法能夠反映骨微結構信息；只需要單一超聲探頭進行收發而不像透射法那樣需要一發一收兩個探頭；不僅可以在人體跟骨處進行測量，也可以在其他骨骼部位測量。然而在實際使用過程當中，無論是超聲透射法，還是超聲背散射法，其測量結果都在一定程度上受到探頭貼合壓力、擺放位置的影響。在跟骨處進行背散射法檢測時，如果探頭與腳踝貼合得不緊密，則無法收到正確的超聲背散射信號；而如果探頭與腳踝貼合的壓力過大，則會改變軟組織的厚度與密度，對背散射信號的探測結果也有一定程度的影響。另一方面，由于跟骨不同位置點的骨微結構、軟組織厚度、密度都略有差異，因此在不同位置點的檢測結果具有一些差異。上述兩個原因降低了超聲背散射法檢測的準確度和穩定性。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種檢測的準確度高、穩定性好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，是基于陣列探頭的，包括：ARM處理器、FPGA、LCD顯示器、多路模數轉換電路、多路高壓隔離接收電路、多路高壓脈沖發射電路、壓力傳感器檢測電路、一體化超聲探頭；其中：

所述一體化超聲探頭由探頭外殼保護層、小型超聲探頭陣列、壓力傳感器和耦合液體構成。小型超聲探頭陣列密閉在充滿耦合液體的探頭外殼保護層內，每個小型超聲探頭可以獨立地發送、接收超聲信號；壓力傳感器埋藏于外圈的探頭外殼保護層下方，用于檢測一體化超聲探頭與待測骨樣本之間的壓力。其中，超聲探頭個數N，可以是5-25個，一個實施例中是9個；超聲探頭陣列中探頭排列成對稱的圖形。

所述壓力傳感器檢測電路用于測量壓力傳感器電極之間的阻抗，從而檢測壓力值，并通過模數轉換電路將其轉換為數字信號；FPGA讀取該壓力值，并通過總線傳輸給ARM處理器。ARM處理器將該壓力值顯示在顯示器上，并提示用戶調整該壓力至正確的范圍內。

所述ARM處理器上運行軟件程序，通過高速總線接口對FPGA進行控制并獲取數據；FPGA首先控制壓力傳感器檢測電路獲取一體化超聲探頭表面的壓力數值，ARM處理器將該壓力數值顯示在LCD顯示器的界面上，以提示用戶增大或減少探頭貼合的壓力；當壓力值在正確范圍內時，FPGA控制多路高壓脈沖發射電路，依次驅動每個小型超聲探頭發送超聲波脈沖信號,并控制相應通路的高壓隔離接收電路和高速模數轉換電路采集背散射信號；FPGA將接收到的各路超聲背散射信號通過高速總線上傳給ARM處理器。

工作過程與原理如下：當壓力傳感器檢測電路檢測到的壓力值在正確范圍內時，FPGA控制多路高壓脈沖發射電路控制第一個小型超聲換能器發送超聲脈沖激勵信號；該超聲波通過小型超聲換能器與耦合液體之間的界面，再通過耦合液體與探頭保護層之間的界面，然后穿透超聲耦合劑到達待測骨樣本；超聲波在骨樣本中發生背散射，產生的背散射回波信號穿透超聲耦合劑，再通過探頭保護層與耦合液體之間的界面，然后通過耦合液體與小型超聲換能器之間的界面，被小型超聲換能器接收并轉換為電信號。FPGA控制多路高壓隔離接收電路接收對應通道的信號，并進行濾波、放大，再控制多路模數轉換電路中的對應通道進行模數轉換，采集此通道的背散射信號。隨后，FPGA重復上述過程，依次控制其他通道小型超聲探頭的信號發送與接收。

在采集到全部N個通道的超聲背散射信號后，FPGA將這些信號通過高速總線發送給ARM處理器。ARM處理器對每個小型超聲探頭接收到的背散射信號，分別計算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）等多個背散射參數，并對這些小型超聲探頭通道的計算結果進行平均，依據平均后的背散射參數，對骨質情況作出診斷，并顯示在LCD顯示器上。

本實用新型的創新性在于：1）采用超聲陣列探頭對骨質進行檢測，陣列中的每個小型超聲換能器分別激發超聲脈沖并接收背散射信號，分別對各個位置點進行骨質檢測，然后再由ARM處理器對各點的診斷結果進行平均，從而提高測量數據的準確度和穩定性。2）在超聲探頭陣列周圍采用壓力傳感器電路，檢測超聲探頭與待測部位之間的壓力，僅當該壓力值在規定的范圍內時進行超聲檢測，從而提高了診斷結果的穩定性。

本實用新型與現有的基于超聲反射原理的超聲陣列成像設備有很大的不同。現有基于超聲陣列的成像設備，是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。而本實用新型在使用超聲陣列中的每個小型超聲探頭時，獲取的是完整的背散射波形，由整個波形計算出背散射參數。本實用新型采用超聲陣列，是為了對多個不同位置點檢測的結果進行區域平均，從而提高背散射法檢測的準確度和穩定性。此外，本實用新型采用壓力傳感器以檢測一體化超聲探頭與被測物體之間的壓力，從而保證每次檢測時貼合壓力在合理范圍內，提高檢測的穩定性和可重復性。

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是本實用新型的一種基于探頭陣列的背散射超聲骨質診斷系統的結構圖。

圖2是本實用新型中的一體化超聲探頭的結構圖。圖2中，為作圖清楚，僅畫出3個小型超聲探頭。在一實施例中采用9個探頭構成3*3陣列，如圖3所示。

圖3是本實用新型中的一體化超聲探頭的頂視結構圖。

圖中標號：1為ARM處理器，2為FPGA，3為多路模數轉換電路，4為多路高壓隔離接收電路，5為壓力傳感器檢測電路，6為多路高壓脈沖發射電路，7為一體化超聲探頭，8為超聲耦合劑，9為骨樣本。7.1為探頭外殼保護層，7.2為壓力傳感器，7.3為壓力傳感器電極，7.4為小型超聲探頭陣列，7.5為小型超聲探頭電極，7.6為耦合液體，7.7為探頭外殼內壁。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的基于探頭陣列的背散射超聲骨質診斷系統包括：ARM處理器1、FPGA2、多路模數轉換電路3、多路高壓隔離接收電路4、壓力傳感器檢測電路5、多路高壓脈沖發射電路6、一體化超聲探頭7、超聲耦合劑8。

如圖2和圖3所示，本實用新型中的一體化超聲探頭包括：探頭外殼保護層7.1，壓力傳感器7.2，壓力傳感器電極7.3，小型超聲探頭陣列7.4，小型超聲探頭電極7.5，耦合液體7.6，探頭外殼內壁7.7。圖中，一體化超聲探頭可以分為內圈和外圈兩部分。在內圈的探頭保護層7.1下方，以探頭外殼內壁7.7為邊界，為一個圓柱形腔體。該腔體內充滿耦合液體7.6。在本實施例中，采用的耦合液體7.6為具有電絕緣能力和低聲衰減系數的水溶性高分子凝膠。在腔體內放置小型超聲探頭陣列7.4，緊貼于探頭外殼保護層7.1上壁。陣列中探頭排列成對稱的圖形，在本實施例中，采用9個小型超聲探頭，排列成3*3的陣列，如圖3所示。小型超聲探頭電極7.5通過探頭底部引出。在本實施例中，壓力傳感器7.2采用金屬應變片型壓力傳感器，將其埋藏于探頭外殼保護層7.1的外圈，以避免阻擋小型超聲探頭7.4的信號發送與接收。壓力傳感器電極7.3藏于腔體外壁中，通過探頭底部引出。

當一體化超聲探頭7壓在待測骨樣本9表面時，壓力傳感器7.2中的金屬應變片會產生形變，從而導致金屬應變片阻抗的改變。壓力傳感器檢測電路5通過加壓求流的方式測量壓力傳感器電極7.3之間的阻抗，從而檢測壓力值，并模數轉換為數字信號。FPGA2讀取該壓力值，并通過總線傳輸給ARM處理器1。ARM處理器1將該壓力值顯示在顯示器上，并提示用戶調整該壓力至正確的范圍內。

當該壓力值在正確范圍內時，FPGA2控制多路高壓脈沖發射電路6控制小型超聲探頭陣列7.4中的第一個探頭發送超聲脈沖激勵信號。該超聲波通過小型超聲探頭與耦合液體7.6之間的界面，再通過耦合液體7.6與探頭保護層7.1之間的界面，然后穿透超聲耦合劑8到達待測骨樣本9。超聲波在骨樣本9中發生背散射，產生的背散射回波信號穿透超聲耦合劑8，再通過探頭保護層7.1與耦合液體7.6之間的界面，然后通過耦合液體7.6與小型超聲探頭7.4之間的界面，被小型超聲探頭7.4接收并轉換為電信號。FPGA2控制多路高壓隔離接收電路4接收對應通道的信號，并進行濾波、放大，再控制多路模數轉換電路3中的對應通道進行模數轉換，采集此通道的背散射信號。隨后，FPGA2重復上述過程，依次控制其他通道小型超聲探頭的信號發送與接收。

在采集到全部9個通道的超聲背散射信號后，FPGA2將這些信號通過高速總線發送給ARM處理器1。ARM處理器1對每個通道的背散射信號分別計算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，然后對9個通道的參數計算結果進行平均。依據平均后的背散射參數，對骨質情況作出診斷，并顯示在LCD顯示器10上。

在本實施例中，ARM處理器1與FPGA2通過高速總線接口進行通信。ARM處理器1通過該總線向FPGA2發送控制命令，并從FPGA2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1將采集到的波形、壓力傳感器檢測值和計算診斷結果等信息顯示在LCD顯示器10上。

在本實施例中，采用的小型超聲探頭中心頻率為3.5MHz，發射的超聲脈沖信號頻率由FPGA2內部邏輯產生，同樣配置為3.5MHz。超聲耦合劑8采用超聲醫學中通常采用的超聲耦合劑。