基于虚拟仪器技术的超声骨密度测量系统的设计
乔媛慧1，何琼2，刘庆凯3，林芳4
1.首都医科大学附属北京友谊医院 采购中心，北京 100050；2.清华大学 物医学影像研究中心，北京 100084；3.首都医科大学 生物医学工程学院，北京 100069；4.杭州慈铭友好医疗综合门诊部 职业病科，浙江 杭州 310051
[摘 要]目的文本设计了一个基于虚拟仪器技术的超声骨密度测量系统，用以评价骨质疏松。方法首先基于LabVIEW虚拟软件平台开发程序，依据定量超声和通道复用技术实现超声波的发射和接收功能，然后通过NIUSB-6251数据采集卡采集相关数据，最终该软件平台实现资料输入、数据处理、结果输出和保存，并进行系统测试。结果该系统可靠性高，操作方便简洁。结论本系统在技术与应用层面上具有一定的创新性，从一种新的角度评估人体的骨质量，可应用于骨质疏松的早期诊断。
[关键词]定量超声；骨质疏松；采集卡；通道复用；LabVIEW
MEDICAL ENGINEERING TECHNOLOGY
引言
随着人的寿命增长和老龄人口的急剧增多，与衰老紧密相关的骨质疏松症发病率不断增加，在世界常见病中已跃居第7位[1]。骨质疏松可导致骨骼脆性增加，骨折风险增大，是老年患者骨痛、骨折及因骨折致残致死的主要原因之一[2-5]，已成为我国乃至世界广泛关注的社会问题，因此骨质疏松的早期诊断及预防有着极为重要的意义。由于胫骨皮质能很好的反应骨质中的有机质含量，并且易于测量，所以本系统采用直接接触双斜探头脉冲反射法测量超声波在胫骨皮质骨中的传播速度（Speed of Sound，SOS），根据超声速度值所反映的骨密度信息诊断骨质疏松症[6-10]。
本系统是应用虚拟仪器控制实现的基于通道复用的超声骨密度测量系统，通过定量超声技术测量皮质骨（胫骨）中的超声传播速度，根据速度值所反映的骨矿密度量化信息来评价骨质量，进而诊断骨质疏松症[11]。与目前临床应用的双能X线超声仪相比，本系统具有无辐射、成本低、测量时间短等优点。
1 系统设计
1.1 原理
（1） 超声传播原理。医用超声有A型、B型、M型等多种类型，本系统主要运用A型超声的在不同介质内的径向传播速度不同进行测量。超声波发出后在胫骨中的传播路径，见图1。
图1 超声波在胫骨中的传播路径
图中C1L为界面1，C2L为界面2，T为被测组织的垂直距离，Pli为入射波，Plz为界面1反射波，θ1i和θ1z分别是界面1的入射角和反射角，P2t和P1t分别是界面2的反射波和由界面1射出的波，θ2i为折射角，通过界面1、2的反射波Plz、P1t出现的时间和超声波在组织中的传播速度可以计算出超声波的骨传播速度，进而对骨质疏松进行评价[12-13]。
本系统利用超声检测仪和专用探头发射并接收超声波[14]，定位探头接收到皮肤软组织和骨皮质交界处的反射波，测量探头接收到骨皮质和骨髓腔交界处的反射波，反射波图形，见图2。
图2 反射波图形
（2）骨密度测量原理 。本系统应用LabVIEW编译的人机交互界面控制光耦继电器开断，并记录超声波在骨皮质中传播的时间T，利用公式(1)计算超声传播速度从而反映骨密度。
（其中，d为被测物体厚度，c1L为超声传播速度，人体组织平均值为1540 m/s；实际制作的探头入射角θ1i=56°）
因为软组织厚度为：
所以对式(1)修正去除软组织误差，得超声骨传播速度为：
公式(2)、(3)中ty为界面波与发射脉冲之间时间；tj为采用定位探头时测到的接收脉冲与发射脉冲之间时间；tr为超声波在软组织中传输时间。t为接收脉冲与发射脉冲之间时间；ty，为界面波与发射脉冲之间时间。
1.2 系统组成
硬件部分主要由PC机、NIUSB-6251采集卡、光耦继电器、超声探头、超声波发生仪、导线等组成，数据通过采集卡送入上位机PC机中进行处理，系统控制图，见图3。
图3 系统控制图
系统工作时通过控制继电器实现通道的分时复用：发射接收是不同的时间进行，所以可以在不同的时间让通道实施发射、接收；同时，探头的复用是基于其兼具压电效应和逆压电效应，所以探头可以在超声波发射和接收不同的时间，发挥不同的作用[14-15]。
工作台上可以看到由采集卡传递过来的脉冲时间信号，经过后台程序计算可以得出被测者的软组织厚度、超声骨传播速度，并根据拟定的正常范围给出初步诊断，结果以文字文件保存[16-21]，LabVIEW控制界面，见图4。
图4 LabVIEW控制界面
2 系统测试结果
我们用此系统对67人进行了测试，可用数据为59例，分析结果，见图5。
由图5可以看出随着年龄的增长，软组织厚度分布在男性和女性数据上均显示先降低后增高趋势，这与我们日常观察到的情况比较类似，即大部分人在中年以后有发胖现象；骨传播速度随年龄的增长降低趋势，而且女性较男性明显，男性的骨传播速度高峰出现在25～30岁之间，而女性的骨传播速度峰值出现在20岁左右，由于18岁以下的数据量极少，中年女性数据较少，所以统计结果仍有变动空间。被测者中有两位曾在医院的检查中诊断为骨质疏松的女性被测者的超声骨传播速度明显低于拟合曲线。
图5 软组织厚度/超声骨传播速度-年龄分布曲线
3 讨论
本系统根据超声波的传播理论，分析了超声波在皮质骨中的传播路径并自行推导了声速测量公式，检测参数为超声波在骨中的传输时间T（微秒级），由T值计算出超声波在皮质骨中的传输速度；通过采用单通道复用技术实现定位探头和测量探头交替工作，减小了误差，提高了测量的准确性和可靠性；高速数据采集卡的应用能够较准确的记录接收反射波的时间。实际测量操作时，被测者只需按下LabVIEW窗口中的按钮，由软件处理数据即可诊断骨质疏松，这种方法可靠性高，操作方便简洁。
综合来讲该测量系统具有精确度高、重复性好、无放射性损伤等优势，从一种新的角度评估人体的骨质量，可应用于骨质疏松的早期诊断。系统体积小，操作简单，适合社区医院及其家庭的使用,对大面积人群的普查及筛选尤有实用性。
虽然目前我们的超声测量骨密度主要是在动物的胫骨上实验，但是并不能完全模拟人的身体，虽进行了一定数据量的人体数据测试，但是人体的骨密度会因为种族、年龄、性别的差异而出现不同，因此需要建立一个适合国人的合理数据库对于骨质疏松进行评价，并与临床金标准进行对比得出对应曲线。值得肯定的在试验中采用了双通道复用技术，大大的减少了测量的误差，所以可以推广到更多的通道，以期进一步地提高准确性和可靠度，对测量骨密度评判骨质疏松做出贡献。
[参考文献]
[1] 刘嘉庆,顾韵菁.超声测量骨密度的最新进展[J].生物医学工程进展,2010,31(2):120-122.
[2] 官辉煜.超声骨密度仪检测方法的探讨[J].现代测量与实验室管理,2010,(4):5-7.
[3] 高雷等.定量超声在诊断老年性骨质疏松症中的应用[J].中国实验诊断学,2003,7(6):510-511.
[4] 赵亚平,印秀荣.骨密度检查500例临床分析[J].临床分析与探讨,2012,(7):298.
[5] 张宝,韩守安,孙永功,等.老年男性骨质疏松症相关危险因素分析[J].当代医学,2015,21(31):160-161.
[6] 周秉章.骨质疏松症的诊断[J].铁道医学,1997,25(1):2-3.
[7] Grampp S,Jergas M,Glüer CC,et al.Radiologic diagnosis of osteoporosis: current methods and perspectives[J].Radiogic Clin North Am,1993,31:1133-1145.
[8] 李险峰.骨质疏松症的临床类型及其特点[J].新医学,2007,38(5):344-347.
[9] 冯若.超声诊断设备原理与设计[M].北京:中国医药科技出版社,1993:31.
[10] Petra P,Mitja L.Intelligent data analysis of human bone density[A].Proceedings of the 16th IEEE Symposium on Computer-based Medical Systems[C].2003:1063-1068.
[11] 李庆浩,万柏坤,明东.骨密度定量检测方法及性能比较[J].国际生物医学工程,2010,33(4):239-244.
[12] Foldes AJ.Ultrasound measurement of the tibia clinical[J].Eval Bone,2002,16:70-74.
[13] 甄晓辉,王明泉,葛晶晶.超声波检测骨密度技术研究[J].生物医学工程学进展,2009,30(1):25-28.
[14] 万柏坤,刘庆凯.定量测量骨矿密度超声波探头:中国,ZL2006 10129846.0[P].2009-01-07.
[15] 安玉林,周锡明,沙宪政.医用超声探头的研究进展[J].中国医疗设备,2015,30(3):71-74.
[16] 龙华伟,顾永刚.LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集[M].北京:清华大学出版社,2008.
[17] 阮奇帧.我和LabVIEW[M].北京:北京航天航天出版社,2009.
[18] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.
[19] 岂兴明,周建兴,矫津毅.LabVIEW8.2中文版入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[20] 周平,傅洪波,黄耀熊.基于LABVIEW的数据实时采集与预处理系统[J].中国医学物理杂志,2016,33(6):626-632.
[21] 寇雪琴,谷立臣,闫小乐,等.基于虚拟仪器的超声信号测量及测距研究[J].中计算机工程与应用,2012,48(6):17-20.
本文编辑 袁隽玲
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
Abstract: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.
Key words:quantitative ultrasound; osteoporosis; data acquisition card; channel multiplex; LabVIEW
[中图分类号]R318.04
[文献标识码]B
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.021
[文章编号]1674-1633(2017)08-0083-04
收稿日期：2016-11-30
修回日期：2016-12-26
作者邮箱：heqiong15@mails.tsinghua.edu.cn