（生物医学工程专业论文）用于骨质疏松症检测的高速数据采集系统设计.pdf

a b s t r a c t o s t e o p o r o s i si sas y s t e m i cs k e l e t a ld i s e a s ec h a r a c t e r i z e db yl o wb o n em a s sa n d m i c r o a r c h i t e c t u r a ld e t e r i o r a t i o n ，w i t hac o n s e q u e n ti n c r e a s ei nb o n ef r a g i l i t ya n d s u s c e p t i b i l i t yt of r a c t u r e l i tb r i n g st h ep a t i e n t sw i t ht r e m e n d o u ss u f f e r i n g ，w h i c h a l s om a k e st h es o c i e t yc a r r y i n gah e a v ye c o n o m i cb u r d e n a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f l i f ee x p e c t a n c ya n de m e r g e n c eo fa g i n gs o c i e t y , c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l dg r a d u a l l y r e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fd i a g n o s i sa n dt h e r a p yi no s t e o p o r o s i s ，e s p e c i a l l yi nt h e21 c e n t u r y b e g a nw i t ht h es t r u c t u r eo fb o n e ，t h i sd i s s e r t a t i o ni l l u m i n a t e dt h ep a t h o l o g i c c a u s e s ，m e d i c a l l yd e f i n i t i o n ，d i a g n o s i sm e t h o d sa n dc u r r e n ts i t u a t i o no f o u rc o u n t r yi n o s t e o p o r o s i s ，t h e ne m p h a s i z e dt h ei m p o r t a n c eo fr e l e v a n tr e s e a r c h e s a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t sa n dt h ep r i n c i p l e so fu l t r a s o u n dd e t e c t i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e d t h ed e f e c t i o no f f o r m e rs a m p l i n gs y s t e ma n dp o i n t e do u tt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r st h a t n e ws y s t e ms h o u l do b t a i n a f t e rt h a t , t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dab l u ep r i n to fn e ws a m p l i n gs y s t e mf i r s t l y , a n dt h e ng o e st or e s p e c t i v es e c t i o n si ni t f r o mp o w e rs e c t i o n ，c l o c ks e c t i o n ，s i g n a l r e g u l a t i o ns e c t i o n ，s a m p l i n g - c o n t r o ls e c t i o n ，a dc o n v e r ts e c t i o nt od a t as t o r a g e s e c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o na m p l yd i s c u s s e dt h ef u n c t i o na n di m p l e m e n to fe a c hs e c t i o n t h eo t h e rc h a l l e n g ei sf i r m w a r ea n dd r i v e rp r o g r a m sd e s i g n b a s e do i lt h eo p e r a t i o n s c h e d u l eo fu s ba n ds p e c i a l t i e so fp r o c e s s i n gc h i p - a n 2131q c ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e dt h ef u n c t i o nf l o wa n df i n a l l yc o m p l e t e dt h i st a s k t h en e x ts t e pi sd o i n gs o m ev a l i d a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t sf r o mw h i c hh a s p r o v e dt h a tt h en e ws a m p l i n gs y s t e mf u l f i l l e da l lt h et e c h n i c a lr e q u e s t s a tt h ee n d ， a u t h o ra l s oi n d i c a t e ds o m ed r a w b a c k st h a ts t i l li ne x i s t e n c ea n dg a v eo u ts o m e p r a c t i c a ls u g g e s t i o n sf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s - o s t e o p o r o s i s ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) ，a n 2 131q c ，f i r m w a r e ， d e v i c ed r i v e r 独创性声明 奉人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研歹芒成果，也不包含为获得叁鲞叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇务昀 签字魄叩年月影日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供奄阅和借阅。同意学校 向同家有关部f j 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权晚明) 学位沦文作者签名： 捺 导师签名： 签字目期：劭刃年，月专日 签字l 二| 期：1 吲 弘 月 甲 孑 洚 一 沙 第一章绪论 第一章绪论 随着世界范围内大规模战争的平息以及科学技术的跨越式发展，人类的生活 质量得到空前改善，人口死亡率大幅降低，寿命逐年递增。仅就我国来说，建国 5 7 年以来，中国人口的平均寿命从1 9 4 9 年的人均3 5 岁大幅增加到当前的人均 7 1 8 岁，增长了一倍多晗1 。联合国经济及社会事务部人口司于2 0 0 4 年发表的 2 3 0 0 年全球人口预测文件中预测，到2 3 0 0 年中国男性人均寿命将达到9 8 岁，而中国女性人均寿命则将高达到1 0 1 岁。 伴随着人均寿命的大幅增长，老龄社会无可避免的逐步形成。在讲究生活品 质的今天，作为老年性疾病之一的骨质疏松症，却深深折磨着许多老年患者。许 多人( 特别是绝经后的老年妇女) 因此长期遭受肉体上的折磨，致残，甚至早逝， 它给患者本人带来巨大的痛苦。而昂贵的医疗费用，加之照顾病患的所消耗的时 间成本，也给患者家属带来沉重的经济负担和精神压力。对社会来说，病患的增 加和医疗开支的上涨，也制约着经济的稳步发展。 骨质疏松症已成为2 1 世纪世界性社会医学重大问题，越来越受到世界各国 学者的关注，世界卫生组织专门建立国际骨质疏松基金会，重点关注此方面的研 究和防治。1 9 9 8 年还特别成立了骨质疏松专题( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n t a s k - f o r c ef o ro s t e o p o r o s i s ) ，在世界范围内开展骨质疏松症的防治工作。因 此可见，骨质疏松症与心脏病、癌症、糖尿病一样严重威胁人类的健康，故而预 防、诊断和治疗骨质疏松症对于患者，病患家属以及社会来说，都显得意义重大。 1 1 骨质疏松症简介 1 1 1 骨骼的构成 从医学角度上来说，骨是由骨组织、骨膜及骨髓等构成，如图卜1 所示。 ( 1 ) 骨组织( o s s e o u st i s s u e ) 由大量钙化的细胞间质及数种细胞组成。 l ：骨基质：即骨细胞问质，由有机成分和无机成分构成，含水极少。有机成分 由成骨细胞分泌形成，包括大量胶原纤维及少量无定形基质。骨基质结构呈板层 状，称为骨板( b o n el a m e l l a ) 。同一骨板内的纤维相互平行，相邻骨板的纤维 则相互垂直，有效地增强了骨的支持力。2 骨组织细胞：a 骨细胞( o s t e o c y t e ) ： 骨细胞是有许多细长突起的细胞，胞体较小，呈扁椭圆形，其所在空隙称骨陷窝 ( b o n el a c u n a ) ，突起所在的空隙称骨小管( b o n ec a n a l i c u l i ) 。相邻骨细胞的 第一章绪论 突起以缝隙连接相连，骨小管则彼此连通。骨陷窝和骨小管内含组织液，可营养 骨细胞和输送代谢产物。b 骨原细胞( o s t e o g e n i cc e l l ) ：是骨组织中的干细胞， 位于骨外膜及骨内膜贴近骨处。细胞较小，当骨组织生长或改建时，骨原细胞能 分裂分化为成骨细胞：c 成骨细胞( o s t e o b l a s t ) ：分布在骨组织表面。成骨细 胞是具有细小突起的细胞，其突起常伸入骨质表层的骨小管内，与表层骨细胞的 突起形成连接。d 破骨细胞( o s t e o c l a s t ) ：主要在骨组织表面，数目较少。破 骨细胞是一种多核的大细胞，含有2 5 0 个核。目前认为它由多个单核细胞融合 而成，无分裂能力。破骨细胞有溶解和 吸收骨基质的作用。骨细胞通过它的突 起吸收骨小管内基质的营养物质，在甲 状旁腺素的调节下，骨细胞可促进骨质 溶解，这种现象称为骨细胞性溶骨作用 【4 o 骨组织构成骨密质和骨松质。密质 骨( c o m p a c tb o n e ) 位于长骨的骨干和扁 骨的表面，由紧密排列的骨板及分布于 骨板内、骨板间的骨细胞构成，致密坚 硬，又称皮质骨( c o r t i c a lb o n e ) 。松质 骨( s p o n g yo rc a n c e ll o u sb o n e ) 位于骨 的内部，由许多细片状或杆状骨小梁 ( t r a b e c u l a e ) 交织而成，小梁则由不规 则骨板及骨细胞构成，小梁之间有很 长首 图卜1骨的构成 节敏竹 多空隙，其内含有红骨髓、血管和神经。松质骨主要构成长骨的干骺端和扁骨的 深层嘲。 ( 2 )骨膜( p e r i o s t e u m ) ：亦称骨衣，是致密结缔组织构成的纤维膜，紧 贴在除关节面以外的骨表面。骨膜含有丰富的神经和血管，感觉敏锐，对骨的营 养和生长起重要作用。 ( 3 ) 骨髓( m e d u l l a ) ：是充填于骨髓腔内和松质的网眼内的软组织，可分 为红骨髓和黄骨髓两种。红骨髓含脂肪少，而含髓细胞多，有造血功能；黄骨髓 含大量脂肪组织悯。 1 1 2 骨质疏松症 一、骨质疏松症的医学定义和临床症状 美国国立卫生研究院( n i h ) 2 0 0 0 年发表的有关骨质疏松症的共识文件将骨 第一章绪论 质疏松症( o s t e o p o r o s l s ，o p ) 定义为：一种以骨量减少、骨徽细结构遭到破坏， 导致骨强度下降、骨脆性增加、骨折危险性升高为特点的系统性骨骼疾病”1 。正 常骨骼和患骨质疏松症的骨骼如图1 2 所示的松质骨电镜照片对比。 正常骨骼 图卜2 橙质骨电镜照片 骨质疏槛症 骨质疏松症的主要i 播床表现为： ( 1 ) 疼痛原发性骨质疏松症最常见的症状，以腰背痛多见，占疼痛患者中 的70 9 6 80 9 6 。疼痛沿着脊柱向两侧扩散，仰卧或坐位时疼痛减轻，直立时后伸或 久立、久坐时疼痛加剧，日问疼痛轻，夜间和清晨醒来时加重，弯腰、肌肉运动、 咳嗽时加重。一般骨量丢失l2 9 6 以上时即可出现骨痛。老年骨质疏松症时，椎体 骨小粱萎缩数量减少，椎体压缩变形，脊柱前屈。 ( 2 ) 身长缩短、驼背多在疼痛后出现。脊椎椎体前部几乎多为松质骨组成， 而且此部位是身体的支柱，容易压缩变形，使脊椎前倾，背曲加剧，形成驼背， 随着年龄增长，骨质琉松加重，驼背曲度加大，致使膝关节挛拘显著。老年人骨 质疏松时椎体压缩，身长平均缩短3 - 6 c m 。 ( 3 ) 骨折 退行性骨质疏松症最常见和最严重的并发症。 ( 4 ) 呼吸功能下降胸、腰椎压缩性骨折，脊椎后弯，胸廓畸形，可使肺活 量和最大换气量显著减少，患者往往可出现胸闷、气短、呼吸困难等症状”1 。 二、骨质疏松症的成因 骨质疏松症的发生与多种因素有关，但主要因素有内分泌素乱、骨代谢局部 调节因子调控机制障碍、钙摄入量减少、饮食及生活习惯、运动和负荷减少等。 ( i ) 内分泌困素研究表明骨质疏松症的发生与内分泌紊乱有密切关系。 男性与雄性激素降低有关：女性与雌激素降低有关。男性自1 0 岁起血浆睾酮逐 渐上升，青春期达高峰，井维持相对恒定。随着年龄的增长，浓度逐渐降低。有 第一章绪论 些人4 0 一5 0 岁后开始明显降低，有些人6 5 岁后开始降低，而这一时期骨量丢失 也开始明显，髋部骨折患者增多。女性绝经后雌激素明显减少。绝经后雌激素减 少、骨丢失增多，是造成骨质疏松重要因素。 ( 2 ) 骨代谢局部调节因子调控机制障碍 骨组织局部细胞可分泌很多调节 因子，针对局部细胞发挥作用。骨组织细胞通过自分泌和旁分泌效应对前成骨细 胞的增殖、分化及成骨细胞和破骨细胞的活动有重要调节作用。这些调节机制障 碍可造成骨形成一骨吸收偶联丧失平衡，出现骨吸收增加，导致骨质疏松。 ( 3 ) 钙( c a ) 摄人量减少钙是人体第五位重要的无机元素，是骨骼的重要 的化学组成成分。钙摄入量减少是导致骨质疏松的先决条件。 ( 4 ) 生活习惯的影响人们的生活习惯也与骨质疏松症的发生有一定关 系。研究表明，饮酒对成骨细胞有毒性作用。健康男性每日饮酒3 0 毫升，三周 后血中钙浓度即可降低，意味着成骨细胞活性下降。吸烟者也容易出现骨质疏松。 ( 5 ) 运动量不足保持正常的骨钙量和骨密度需要不断的运动刺激，缺乏 运动就会造成脱钙，出现骨质疏松。长期卧床的病人往往都会出现骨质疏松症状。 上述因素与骨质疏松的发生关系较明确。另外，还有很多因素与骨质疏松有 关，有很多因素和机制还不十分清楚，有待进一步研究憎1 。 三、骨质疏松症的诊断标准 目前临床上广为应用，且被国际公认的对骨质疏松症骨量诊断的骨密度仪为 双能x 射线吸收法骨密度仪( d e x a ) 。d e x a 对腰椎和股骨上端测定的骨密度( 单 位：g c m 2 ) 指标被称为诊断骨质疏松症的“金标准一。1 9 9 4 年世界卫生组织( w h o ) 批准的诊断标准为t 值- 2 5 标准差( s d ) 即诊断为骨质疏松症( 一1 0s d 为正 常， - 2 5s d 为骨量减少) ，若t 值一2 5s d ，且伴有1 个部位以上 骨折者为严重骨质疏松症。w h o 诊断标准虽为绝经后白人妇女的骨质疏松症诊断 标准，但资料表明，在样本量扩大并进行严格质量控制后，我国测定的峰值骨密 度，较国外所测峰值骨密度及s d 大致接近，故支持w h o 关于骨质疏松症的骨密度 诊断标准适用于我国人群的共识，并已列入由中华医学会骨质疏松与骨矿盐疾病 专业委员会组织编写的原发性骨质疏松症诊治指南中，即以所测骨密度低于 同性别峰值骨密度2 5 s d 作为骨质疏松症的诊断标准n 明。 1 2 常用医学诊断手段 目前，与骨质疏松诊断相关的测量手段不断完善和提高，取得了令人瞩目的 发展。相关的诊断方法很多，主要包括生化指标测定、组织学定量分析和骨密度 测量三种。 4 第一章绪论 ( 1 ) 生化指标测定是应用放射免疫分析方法测定血中一些激素、细胞因子或 骨代谢产物的含量，可直接反映与骨质疏松有关的内分泌因素、免疫因素和骨代 谢情况。有代表性的检测指标有：骨吸收指标( 如碱性碱酸梅a k p ) ，骨形成指 标( 如尿羟脯氨酸h o p ) ，血、尿骨矿成分检测( 如血清总钙) 等。骨代谢的生 化指标检查具有快速、灵敏及在短时间内观察骨代谢动态变化的特点； ( 2 ) 组织学定量分析一般由骨骼采集活体切片，通过骨定量组织形态测量来 观察骨代谢及骨量的微细改变。此方法只能判断骨骼的有限部分，而且这是一种 有创检查，故难以为病人所接受； ( 3 ) 骨密度测定能够较客观的反映骨量( 指骨矿质含量，是反映骨量的主要指 标- - b o n em i n e r a ld e n s i t y ，b m d ) ，是评价骨质丢失，进行骨质疏松症早期诊断 及监测治疗的主要技术手段。目前主要的骨量检测方法主要有： x 射线光密度测定通过x 线摄片观察骨骼密度、形状，骨小梁数量、 形态、分布以及骨皮质的厚度。当骨质疏松发生时，x 线片上可见骨密度减低、 骨小梁减少、骨小梁的间隙增宽、横行骨小梁消失、骨结构模糊、椎体双凹变形 ( 由于椎间盘膨胀所致) 等改变。这一方法虽简便易行，但需在骨量减少2 0 时才 有明显改变，敏感性差，不利于骨质疏松的早期诊断。况且，摄片结果受胶片本 身质量、投影条件、冲洗片药液的影响，致使其不稳定、精度差、费时长，从而 定量价值小。且x 射线征象( 如透光度增加，骨皮质变薄等) 也被证实不能作为对 骨矿质含量进行长期监测的可靠依据u 。 光密度测量法为末梢骨定量测量方法之一，通常为使用标准体或模 型( 通常为楔形铝块) 和手同时投照，然后用光密度仪对所测骨和标准体进行比较 和校准，即可得出任意单位的光密度。这是最早用来测定b m d 的定量方法，其原 理仍用于其它测定骨密度方法之中。这种方法简单，但早期精度不高随着计算机 技术的应用和发展，由人为造成的误差减少，精度由早期的9 1 0 提高至 0 3 2 4 。 单光子吸收法( s i n g l ep h o t o na b s o r p t i o n m e t r y ，s p a ) 光子吸收法 是利用光子束穿透骨组织时被吸收使其强度下降的原理，通过计算机计算出检测 器测得的衰减强度，转换成b m c 。1 9 6 3 年开始用于临床，2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代在我国应用广泛。s p a 是通过放射性核素1 2 5 i 碘( 半衰期为6 0d ) 或铷a m 镅( 半 衰期为4 3 3 年) 放出的光子对前臂尺挠骨进行扫描，测定部位采取非优势前臂的 远端1 3 和1 1 0 处，尺挠骨远端1 3 和1 1 0 处b m d 测定值分别反映皮质骨约为 9 5 和7 5 ，松质骨约为5 和2 5 。所测b m i ) 用“g c m ”表示，b m c 用“g c m ”表 示。为校正软组织变异偏差，在测量时须将被测物置于水中( 用水袋) 以消除软组 织对测量结果的影响。单光子骨密度仪发射出光子，产生细的平行单能量光束以 第一章绪论 直线方式进行扫描。这种方法克服了在光密度测量中由于光源的不稳定、多色光 束的散射以及硬化现象所造成的误差。此外，闪烁指示器的运用也克服了x 光成 像变异时造成的误差。s p a 仪器成本低，易于操作，辐射剂量小( 0 0 0 2 0 0 0 5 c g y ) ，远低于拍摄x 射线胸片时的剂量，其重复性较好，精密度约1 2 ， 准确度可达2 。 在监测骨代谢疾病过程中，s p a 是一个方便、相对廉价的方法。特别是在甲 状旁腺功能亢进的患者( 主要是影响皮质骨的吸收) 和松质骨已大量吸收的老年 人群中，应用s p a 测量挠骨骨干的b m d 仍是监测骨代谢疾病治疗效果的较好的办 法。但s p a 不能检测脊柱和髋部b m d ，而肢端骨骼的b m d 和脊柱或髋部b m d 相关性不 明显，因此使用s p a 分析脊柱和髓部的骨折发生率也是有限的u 割。此外，s p a 不能 消除人体组织吸收光子而给测量带来的影响，从而无法用于深度测量。同时s p a 无法将皮质骨和松质骨分开测量，会出现了较高的漏诊率及误诊率，精度较差n 3 1 。 双光子吸收法( d u a lp h o t o na b s o r p t i o n m e t r y ，d p a )由于s p a 不能 用于测量软组织成分变异较大部位，如脊柱、髓部等骨质疏松易感部位，因而从 2 0 世纪7 0 年代起有了d p a 应用和发展。d p a 最初利用发射不同能量射线的两种放 射性核素混合体，后利用可发射两种不同能量射线的坫3g d 钆作为放射源，高能 和低能射线通过被测部位时有不同程度的衰减，由计算机解析计算得出较精确的 b m d 值，同时可以消除骨质周围软组织的影响。与s p a 相似，d p a 应用闪烁指示器， 扫描同样采用线性方式，将原始资料输入计算机中分析，计算机可将脊柱和股骨 近端的区域自动成像。脊柱通常是从l 。l 区域，股骨通常是股骨颈、大粗隆、 w a r d 三角区。后者b m d 最低。尽管w a r d 氏三角区含松质骨比率最高，b m d 测量敏感 性最高，但其样品小，与其它部位相比精确度差。d p a 的精度和准确度优于s p a 。 d p a 整个扫描过程需3 0m i n ，局部受辐射剂量为0 0 1 8 c g y ，全身受照射剂 量仅为定量c t 法的1 1 0 。d p a 的射线计数率存在统计涨落，两种能量光子的 干扰等因素使其精密度、准确度和图象分辨率还不够理想。另外，d p a 使用的放 射源1 5 3 g d 光源衰变较快，易导致b m d 的变异，需每l 1 5 年更换一次，价格昂贵， 且很不方便。因此，至2 0 世纪8 0 年代末d p a 已基本为d e x a 所取代。 定量c t 测定( q u a n t i t a t i v ec o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，o c t )能够测 定任意部位皮质骨和松质骨三维空间真实体积密度，单位以“m g c m 3 表示。它 是唯一可提供三维空间b m d ( g c m 2 ) 的测量方法n 劓，不受体内重叠高密度的影响， 可以选择性地评价皮质骨和松质骨骨量。临床上q c t 主要用于椎骨松质骨的b m d 测定( 与参照体模同时扫描) ，定位在每个椎体中部层面中央的松质骨，经计算机 处理分析可得出每个椎体松质骨b 如。椎体q c t 检查通常使用临床c 1 扫描仪。人体 脊柱q c t ，检查精度为2 9 6 4 ，准确度为5 1 0 ，较前后位d e x a 差，但和侧位 6 第一章绪论 d e x a 相似。由于q c t 能够选择性检查活跃的椎骨中心部位的松质骨，因而比投射 性检查技术能够更好地发现骨量丢失并区分椎骨骨折。但仪器价格昂贵，受试者 接受射线量较s p a 和d e x a 为大，故其临床应用受到一定限制。 前瞻性研究表明，当q c t 骨密度低于正常值2 个标准差时，比相应的双光子 测量具有超过4 0 预测椎骨骨折的能力。由于股骨近端结构复杂，三维骨密度差 异很大，因此常规q c t 检查股骨近端b m d 价值不大。此# b q c t 对病人的辐射量约为 d e x a 检查时的辐射剂量的1 0 0 倍，放射剂量较大，测量时间较长，而且对复杂骨 结构测量不方便。从费用来看，也明显高于d e x a 的费用n 副。 双能x 线吸收法( d u a le n e r g yx r a ya b s o r p t i o m e t r y ，d e x a ) d e x a 是使用两种不同能量的x 线而取代双光子。两种不同的x 线通过x 线发生器直接 产生，或通过选择性地过滤x 线能谱后形成。与双光子吸收法相比，d e x a 的扫 描速度增加、时间缩短、图像分辨率增加，从而提高了其精度和准确度。d e x a 不需放射核素，减少了更换放射源及衰变校准误差等繁琐工序。且d e x a 辐射剂 量低，操作简便易行，因此d e x a 几乎取代d p a 而广泛应用于临床和科研。 d e x a 可用于脊柱、股骨近端、前臂和全身其他部位b m d 检查，也可用于动物 试验，如猴、狗、大鼠等。新近开发的产品通过提高x 线源及探测器功率，或改 笔形束x 线为扇形束x 线源并将探测器由1 个增加至多个，可将检测时间由6 1 5 分钟缩短为2 分钟或更少。人体腰椎前后位检查精度为0 5 1 5 ，全身检查 精度为0 5 , - - 一i 0 ，准确度为3 5 。腰椎侧位精度为2 ，准确度5 - - 1 5 ， 但腰椎侧位d e x a 检查对诊断骨质疏松敏感性较高n 引。d e x a 设备的价格非常昂贵， 但它还是为临床医生所接受，是目前临床和科研检查骨密度较好的、普遍适用的 方法，发展前景看好。 定量超声技术( q u a n t i t a t i v eu l t r a s o u n d ，q u s )超声诊断是一 种新型无创伤骨质疏松诊断技术。2 0 世纪从7 0 年代开始，人们就开始研究采用 定量超声技术测量外周骨超声传导速度( u l t r a s o u n dt r a n s m i s s i o nv e l o c i t y ， u t v ) 。2 0 世纪8 0 年代末a v i o l i 使用超声测量骸骨的u t v ，r o s sm a n 采用定量超 声仪测量超声声速( s o u n do fs p e e d ，s o s ) 及超声振幅衰减( b u a ) ，作为评价骨数 量和骨质量、骨状态和骨强度的指标。目前超声检测仪器的测量部位主要是跟骨 ( 松质骨) 和胫骨( 皮质骨) 。测量跟骨主要有两种指标：1 ) 测定超声波在骨组织中 的传播速度，它与骨的密度和弹性有关n 们；2 ) 测定声波通过骨组织时被衰减的 程度( b r o a d b a n du l t r a s o u n da t t e n u a t i o n ，b u a ) ，它与骨的密度和结构有关。 影响超声参数b u a 的包括b m d 、骨结构和骨组成成分。一般认为b u a 和u a b 大部分由 骨密度决定，少部分是由骨微细结构决定，包括骨小梁数目、连接方式及小梁分 隔和走向等。u t v 和s o s 主要受骨弹性和骨强度的影响，b m d 的影响次之。骨质疏 第一章绪论 松患者既有b m d 的变化，也有骨质质量和骨结构的变化。超声参数可提供除b m d 之外还有骨质量和骨结构的信息，因而对临床处理具有更大价值。 进人2 0 世纪9 0 年代，定量超声技术有了很大的发展，测量精度不断提高， 某些型号超声骨密度仪( 如s u n l i g h t 公司出品的o m n i s e n s e 测量仪，测量s o s ， 工作频率1 2 5 d h z ，精确度0 5 1 5 ) 的体内精度可达0 3 1 5 ，体外可 达0 4 2 0 5 。目前的超声骨密度仪可以检测跟骨、胫骨、骸骨和指骨。由于 超声骨密度仪具有廉价、便携、操作简单、无放射性辐射、精密度高等优势和对 诊断骨折的较高灵敏度，使其临床适用范围广泛，尤其适用于儿童和孕妇，便于 了解儿童的骨发育状况，早期发现低峰值骨量的人，有利于骨质疏松的早期预防。 其体积小，操作移动方便，且无放射线损害，所以此检查方法值得推广。因其价 格便宜，对大面积人群的普查及筛选尤有实用性。 1 3 本课题的研究意义 骨质疏松症已经成为世界性健康问题，是继肿瘤、心脑血管疾病之后又一危 害人类健康的疾病，其发病率在代谢性骨病中处于第一位。据统计，仅美国骨质 疏松症患者已超过2 5 0 0 万人，每年约有1 3 0 万人因此而骨折，花费超过1 0 0 亿 美元n 引。美国医事总署( s u r g e o ng e n e r a l ) 发表的骨骼健康与骨质疏松报告 中透露，骨质疏松是导致骨折最常见的原因。美国大约有1 0 0 0 万5 0 岁以上的 美国人患有髋骨的骨质疏松症。另外有3 3 6 0 万5 0 岁以上的美国人因髋骨骨量 低而成为骨质疏松症及其并发症的高危人群。到2 0 2 0 年，每两个5 0 岁以上的 美国人中会有一个可能患有髋骨骨质疏松症或是骨质疏松症的高危人群u 钔。 根据世界卫生组织的标准，我国骨质疏松患者达7 8 0 0 万人，约占我国总人 口的7 。而且，我国是世界上老年人口最多的国家，目前我国6 0 岁以上的老 龄人口已达到1 3 亿，占人口总数的1 0 左右。仅据上海、北京两地的调查：0 6 0 岁人口中，骨质疏松症患病率上海为2 5 9 6 ，北京为2 1 3 ；6 0 7 0 岁人 口中，上海为5 4 8 0 ，北京为5 3 8 0 ；7 0 8 0 岁人口中，上海为6 7 5 3 ， 北京为7 3 1 。到2 1 世纪中叶，届时我国老年人口将超过4 亿，约占总人口的 1 4 ，大约有5 0 的老年妇女和2 0 的老年男性患有骨质疏松症，预期骨质疏松 症患者将接近2 亿捌，可见防治骨质疏松症意义重大。 在此情况之下，研制一种便携普查式的骨质疏松症诊断设备，就显得十分 重要。因为它不仅提供了一种及早检测骨质疏松症的技术手段，也将有利于国家 收集我国公民的骨骼健康状况，用以制定相应政策。此亦本课题研究意义之所在。 本课题的主要内容，围绕着设计一种应用于骨质疏松症检测的数据采集系 第一章绪论 统而展开。章节安排如下： 第一章从骨质疏松症的相关知识出发，研究对比了国内外骨质疏松症诊断主 要手段的特点和优劣，特别是从定量超声检测的角度，明确了其应用于骨质疏松 诊断发展现状； 第二章根据定量超声波检测骨质疏松症的基本原理及所参与的多次实验， 分析现有数据采集系统的不足，提出本课题的设计目标； 第三章制定出数据采集系统的总体设计方案，并将前端数据采集板划分成 各个模块，分析各自的功能及其设计实现： 第四章系统学习了u s b l 1 协议以及e z - u s b 系列控制芯片的应用特性，对 数据传输和控制模块的具体功能和工作流程进行了详细分析，并最终完成固件和 驱动程序的编制； 第五章通过实验，基本完成了对数据采集系统的功能验证。最后进行了全 文总结和下一步工作展望。 9 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 2 1 超声波检测原理 超声波是一种机械波，它在平界面处的反射和折射遵循光学中的斯涅尔定 律。利用超声波的上述传播特性，可通过测量定量超声波在受试者胫骨中的s o s 值，来大致判断是否患上骨质疏松症，其原理如下。 超声波声束在人体组织中传播遇到不同声阻抗的邻近介质界面时，在该界面 上就产生反射回波，每遇到一个界面，产生一个回声。如果在示波器上显示，每 一个回声都会以波的形式显示出来。界面两侧介质的声阻抗差愈大，其回声的波 幅愈高，反之，界面的声阻抗愈小，其回声 的波幅愈低。当超声脉冲波，到达软组织与 骨的外壁形成的界面时，它有第一个回波反 射送回，但仍有部分超声脉冲波发生折射， 进入骨内，当遇到骨的内壁时又会发生反 射，将这个反射波最终由超声换能器的接收 端接收，计算该回波与超声发射波间的时间 差，即可以推导出所需要的s o s 值。 弋夕 珊 ， t 0 p 2 t 日，t 一d 一 图2 1 胫骨超声速度测量原理图 假设c 2 t 为超声波在胫骨中的传输速度 ( 艮p s o s 值) ，推导c 2 t 的公式：设超声波在胫骨中传播时间为t o ，由图2 1 可得： c 2 r = 2 幸( t c o s 皖，) 幸( d 2 t t 9 0 2 ，) t o = d t os i n 8 2 f ( 2 一1 ) 其中t 为胫骨皮质骨层厚度，d 为发射点与接收点之间距离，n 为界面法线。又 由斯涅尔定律： s i ne 2 ，= c 2 r s i n0 1 f c l ( 2 2 ) 代入前式得红= d 岛翰c 让) s i n t 9 b ，从而推得 c 2 7 = 4 d * c , l t os i n 0 1 , ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 中d ，c 。( 超声纵波在探头延迟块中的声速) ，9 。( 超声波入射角) 1 0 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 为已知( 由探头特性决定) ，1 o 可测，故c ：。可求解得到。但实际所测得的始脉冲 与接收脉冲之间的时间间隔t 并不等于t 。，还需进行修正，除去超声波在有机玻 璃中传播时间及系统测量过程中造成的时间延迟”“。以上推导均在理想条件下， 即认为入射界面为无限大平界面，且皮质骨层不同部位厚度一致。实际中入射界 面曲率半径不为无限大，但应用有限声束，且入射声束投射处界面的曲率半径( 米 数量级) 远大于声波波长( 毫米数量级) ，可近似看作平界面。另外，问一个人的 胫骨皮质骨层厚度并不完全是均匀一致的，由此会造成一些测量误差。为减小此 误差，测量时应定位于胫骨骨干中部皮质骨层厚度较均匀处测量，并使探头与骨 面保持平行一致，以尽量减少测量误差。 22 初步实验 2 21 实验方法介绍 实验目的：检测超声波在胫骨中传播速度值s o s 的有效性，初步分析验证 s o s 值与骨质疏松症的内在联系，测试现有采集系统并总结不足。 实验用具：具体实验用具如图2 - 2 所示。 圈2 2s o s 测量实验设备 l 实验用探头： a 定位探头：双晶直探头：40 0 z ，n = 5 6 凋于去除皮肤、软组织对畏i 量s o s 值所带来的误差，寻找胫骨平坦测量位置。 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 b 测量探头：双晶斜探头；25 删z a = 7 9 用于测量定量超声波在人体胫 骨中的传播速度s o s 值。 2 其他：超声耦台剂，超声波发生器，数据采集处理系统( 含：基于i s a 接口的 两路并行8 位3 0 h i z 高速a d 采集板一删公司出品的a c l 0 3 0 ，以及“定量超 声骨密度检坝| 系统软件”) ，p c 机等。 参与实验人员： 1 测试人员：刘庆凯、秦琦、 王太海； 2 受试人员： a 天津市天拖南养老院住院 老人及其护理人员等： b 天津大学精密仪器及光电 子工程学院师生等。 实验方法： 固23 基本检测渡彤示意图 1 室温下，无强电磁干扰。受试者静坐于实验台一侧，将其左腿抬高置于 另一平台上，腿与地面大致水平，保持静止。 2 寻找受试者左腿胫骨中段较为平坦处将超声耦合剂均匀涂抹其上，将 探头垂直紧贴于该检测部位。调整探头位置，使得到的波形幅度晟大，杂渡最小。 3 调整超声检测仪增益，衰减嚣，水平，深度等旋钮使胫骨反射波位于水 平刻度8 0 左右位置，波幅高度位于满幅刻度的8 0 。得到的基本检测波形如图 2 - 3 所示。捡测波形说明如下： c e a z 一 - 竺叫匝卫 ， 芦 声芦窘l 蒜 一i 旷 图2 4 胫骨定位探头检测波形 t 为发射脉冲，或称始脉冲，检测时常将其水平位置调至零刻度处 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 s 为延迟块与被测物体之间的界面反射渡，通常幅度较小，此波通常 被当做杂波而滤除： s 被铡物体内部两层界面之间的界面反射波。在本次实验中为皮肤、 软组织与胫骨表面之间的界面波： b 被测物体的底面反射波。在本实验中为胫骨内壁的反射波。 4 首先使用定位探头检测，此举用于去除皮肤和软组织对s o s 的影响。如图 2 4 示图中从左到右，第一个波为发射始脉冲，对零点；( s 作为杂波被滤除) 第二个波为人体小腿皮肤软组织与胫骨面间的界面反射波s ，第三个波应为超声 进入胫骨后在胫骨内壁的反射渡b 。定位探头进行在体检测时可根据得到的人 体小腿皮肤软组织与胫骨面间的界面反射波s ，测出人体皮肤软组织厚度。用该 厚度除以超声波在人体组织中的传播速度，即得到超声波在软组织中的延时t ， 用下一步所测得的总延时t 减去t ，即得到超声波在人体胫骨中的传播时间b ，从 而去除软组织误差。 5 使用测量探头进行测量，如图2 - 5 所示。第一个波为发射始脉冲，对零 一一一一- 堕圈f tl 卜“雌卜懈6 1 ：州6 8 41 剑芦l 图2 - 5 胫骨测量探头检测波形 点；第二个渡为人体小腿皮肤软组织与胫骨面间的界面反射渡s ；可推测第三个 波应为超声穿过胫骨外壁后在胫骨内壁的反射波b 。在检测不同人的胫骨时此 反射渡的位置也发生变化。由于活体对超声波的衰减较大，导致在体检测时波幅 较小。同时，人体被测部位的皮肤层厚度与肉皮厚度也不同，因此超声在其中传 播时间不同，导致接收脉冲波位置改变，因此图中s ，b 波的位置与前面三种情况 有所变化。通过检测该波形，可测量出超声发射波和回波之间总延时t ，减去在 塞 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 软组织中传播消耗的时间t ，即可得到超声波在胫骨中的传播时间t 。，最后根据 公式( 2 - 3 ) ，可计算出定量超声波在胫骨中的传播速度s o s 值。 222 实验结果分析 2 0 0 6 年6 月1 5 日，测试人员采集了天津市天拖南养老院住院部老人及其护 理人员，共1 7 例。2 0 0 6 年6 月2 8 日测试人员采集天津大学精密仪器及光电 子工程学院师生，共5 4 例。前后采集样本共7 l 例。采集现场如图2 - 6 所示。受 圈2 - 6 天津市天拖南养老院采集现场 试者包括6 0 岁以上老年组和6 0 岁以下对照组。老年组测量数据大部分取自天津 市南开区天拖南养老院住院部老人，对照组数据取自天津大学本校师生。测量结 果平均值统计见表2 - 1 所示。实际测量中，对每一个受试者均采集有效测量值 1 0 0 例( 即：每测量一组超声发射波和回波的时间差即计算一次s o s 值) ，求 其平均值作为超声波在该名受试者胫骨中传播的速度值一即s o s 值( 此处有效 定义为：标准差小于1 0 ，则该测量值视为有效) 。 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 表2 - 1 测量结果 s o s 平均值s o s 平均值标准 人数平均年龄 ( 米秒)差( s d ) 共2 l 7 3 52 2 7 81 3 2 2 岁以上健康 老年组 1 4 ( 男性)7 0 72 3 4 8 9 6 7 7 ( 女性) 7 92 1 3 96 7 3 4 6 - 5 9 岁 1 55 3 32 4 2 04 8 1 健康对照组 3 0 - 4 5 岁 共1 63 5 12 6 1 18 5 1 健康对照组1 2 ( 3 0 一3 9 岁) 3 32 6 5 66 7 8 2 0 - 2 9 岁 1 92 4 12 6 4 27 6 3 健康对照组 从表2 - 1 中测量数据可见：6 0 岁以上健康老年组，与4 6 5 9 岁、3 0 - - 4 5 岁和 2 0 - - - 2 9 岁不同年龄段健康对照组，胫骨s o s 值明显低于6 0 岁以下对照组，s o s 峰值大致出现在3 0 3 9 岁年龄段，随着年龄增大逐渐变低。在老年组中，女性 的s o s 值要比同年龄段男性偏低。随着年龄增大，骨矿物质流失较多，同时老年 女性受经期等因素影响，骨密度下降幅度更大，胫骨超声速度比男性偏低。测量 结果显示：胫骨s o s 值在2 0 多岁时较高，在3 0 岁后达到峰值，随着年龄增长 s o s 值逐渐降低，过4 5 岁后s o s 值下降幅度较大，过6 0 岁后s o s 持续减少，女 s o s ( z s ) 3 0 0 0 2 7 0 0 2 4 0 0 2 1 0 0 1 8 0 0 1 5 0 0 0 图2 7s o s 值随年龄的变化曲线 龄 第二章超声波检测原理及采集系统参数分析 性由于绝经等原因下降幅度比同年龄段男性较大，根据s o s 随年龄变化一般规律 可知：胫骨s o s 与年龄、绝经年限呈负相关，男女胫骨s o s 值在3 0 3 9 岁达到峰 值，之后男女均开始下降，5 0 岁以后女性下降速度比男性快，胫骨s o s 随绝经年