（生物医学工程专业论文）定量超声诊断骨质疏松症的数据采集与传输系统设计.pdf

a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s eo fh u m a nb e i n g sl i f ea n df o r m a t i o no fg e r o n t a l s o c i e t y , t h e o s t e o p o r o s i sa n do s t e o p o r o f i cf r a c t u r e ，a so n eo ft h eg e r o n t a ld i s e a s e s ，c a u s es e r i o u s h a r mt op e o p l ei n c r e a s i n g l y an u m b e ro fp e o p l es u f f e rf r o mp a i nf o ral o n gt i m e a s t h ei n c r e a s eo fp a t i e n t sa n dt h er i s ei np r i c eo fh e a l t hs e r v i c e ，f a m i l i e sa n ds o c i e t ya r e b r o u g h ta b o u tt h et r e m e n d o u si nm i n da n de c o n o m y c o m p a r e d w i t ho t h e rd i a g n o s i sm e t h o d s ，u l t r a s o n i cb o n ed e n s i t yi n s t r u m e n t s e s t i m a t et h eo s s e o u si nac o m p l e t e l yn e wm e t h o d ，w h i c hi sm o r ea c c u r a t e ，w e l l r e p e a t a b i l i t y , n or a d i a t i o nd a m a g ea n ds oo n i t i sp r a c t i c a b l et os c r e e no u tt h el a r g e g r o u po fp e o p l e sg e n e r a le x a m i n a t i o na n df i l t r a t i o nb e c a u s e eo ft h ec h e a p e rp r i c e i n t h i sr e s e a r c h ，t h ew a yw h i c hm e a s u r e st h es p e e do fs o u n d ( s o s ) w i t h i nt h ec o n i c a l b o n eo fm i d t i b i ab yq u a n t i t a t i v eu l t r a s o u n d ，r e f l e c t st h eq u a l i t yo fb o n e i nt h e o r y , l o n g i t u d i n a lw a v et h a tp r o b et r a n s m i t st r a n s f o r m si n t ot r a n s v e r s ew a v ew i t h i nt h e c o g i c a lb o n eo fm i d t i b i ac o m p l y i n gw j t l lt h et h e o r yo fw a v em o d et r a n s f o r m a n d m e a s u r e m e n tf o r m u l ao fs o sh a sb e e nd e d u c e df r o mt h em e a s u r i n gi n s t a n c e t h e f i n a if o r m u l ad e 血c e df r o me x p e r i m e n t a t i o na v o i d st h ei n f l u e n c eo fs o f tt i s s u e t h ec o r ei nt h er e s e a r c hi st h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o nt h a ti n c l u d e st h ed a t as a m p l e a n dt r a n s m i s s i o n a st h es a m p l e - c h i pt h a ti su pt o4 0 m h zb e l o n g st ot h ew a yo f h i 曲- s p e e ds a m p l e ，t h er e s e a r c hc h o o s e sc p l da st h ec e n t e ro fc o n t r o lu n i t ，w h o s e f u n c t i o n sc h a r g et h ed a t at h a ts t o r ei nt h es r a ma tf i r s ta n dt r a n s f e rt h e mt ot h e c o m p u t e rw i t ht h es i n g l e - c h i p w i t h i nu s bi n t e r f a c e s ot h i sp a r to f d e s i g ni n c l u d e st h e a d d r e s sg e n e r a t o rt h a tp r o v i d e sa d d r e s st ov i s i tt h es r a ma sw e l la st h er e a d w r i t e c o n t r o ll o g i cu n i ta n dt h et i m e r , w h i c hf i n i s h e st h ea i mo f d a t aa c q u i s i t i o n i na d d i t i o n ， 2 一b i ta c c u m u l a t o ri sp e r f e c t l yu s e dt od i f f e r e n t i a t et w os r a m st ow o r ki n t h i s p a r t t h et h 硼c h a p t e ro fp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fd a t as a m p l e ，d a t as t o r e ，d a t a t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lu n i tt h a tc o o r d i n a t e sw i t ht h e m i nt h ed e s i g no f t r a n s m i s s i o n ， a su s bt e c h n o l o g yt h a ti sv e r yp o p u l a rh a sc o n v e n i e n c ea n dh i g hs p e e d ，t h i sr e s e a r c h s e l e c t si tt of i n i s ht h et a s k ，t h a tt h ed a t at r a n s f e rt ot h ec o m p u t e r t h ef o u r t hc h a p t e ro f p a p e rs h o w st h ed e s i g no ff i r e w a r e ，d r i v e r , a n di n t e r f a c es t e pb ys t e ps ot h a tt h eu s b s p e c i f i c a t i o na n dt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n tb e c o m ee a s i e r t h el a s ct w oc h a p t e r ss h o wt h ea n a l y s i sa n dp e r s p e c t i v ea c c o r d i n gt ot h er e s u l tw i t h t h em e a s u r eo ft h i sd e v i c e f u r t h e r m o r e ，c o n t r a s t e dw i t ht h ec o e q u a ld e v i c ei na h o s p i t a l ，t h i sd e v i c eg e t st h es a t i s f i e dr e s u l t s t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yl a y st h e f o u n d a t a i o no fi n t e l l i g e n tu l t r a s o n i co s t e o p o r c s i sd i a g n o s i si n s t r u m e n tf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：q u a n t i t a t i v eu l t r a s o u n d s p e e do fs o u n d ( s o s ) p r o g a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) u n i v e r s a l ( u s b ) d a t as a m p l ea n ds t o r e c o m p l e x s e r i a lb u s 独创性声明 本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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘芏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。 学位论文作者签名：荠劢点p 1 签字日期：肘年f 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂鲞盘茎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、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门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说明) 学位论文作者签名 景匆土l 叫 导师签名 孑静坤 签字日期：_ l o - 6 - 年t月3 日 签字日期：力鄙r 年月3 目 第一章绪论 第一章绪论 随着人们寿命的增加和老年型社会的形成，作为老年性疾病之的骨质疏松 症及骨质疏松性骨折使越来越多的人深受其害，许多人因此而长期遭受肉体上的 痛苦，甚至致残及早逝。特别是绝经后妇女更易患此病。随着患者的增加，医疗 费用的上涨，给许多家庭和社会带来了巨大的精神压力和经济压力。因而引起了 国内外广泛关注。据统计，美国骨质疏松症患者己超过二千五百万人，每年有一 百三十多万人因此而骨折，花费超过一百亿美元”1 。目前我国老年人数逐年增加， 这方面的问题同样是严重的，据估计我国有六千三百多万人患不同程度的骨质疏 松症”3 。随着无创测量骨量技术的发展，世界卫生组织( w h o ) 在1 9 9 4 年将骨质疏 松症定义为骨矿物质密度( b o n em i n e r a ld e n s it y ，b m d ) 低于青年成人平均值的 2 5 个标准偏差( s d ) 以下，将骨质缺乏症( o s t e o p e n i a ) 定义为b m d 值低于青年成 人平均值的1 2 5s d 。根据世界卫生组织的标准，我国大约有5 0 的老年妇女和 2 0 的老年男性患有骨质疏松症。因此，骨质疏松与心脏病、癌症、糖尿病样 严重威胁人们的健康，对其诊治有极为迫切的重要性。 1 1 骨质疏松症的诊断技术发展历程 长期以来，许多医疗临床专家、科研部门都在研究分析骨质疏松的成因、预 防及治疗，与之相关的测量仪器及技术也在各项科技、工业发展的带动下不断完 善和提高，其测量精度、可靠性也取得了令人瞩目的发展。 骨质疏松症的诊断方法很多，主要包括生化指标测定、松质骨组织学定量分 析和骨密度测量。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( 尿吡啶并啉交联、尿羟脯 氨酸( o h p ) 、尿钙等) ，骨形成指标( 血清骨钙素、血清骨钙蛋白( b g p ) 、血碱性 磷酸酶( a p ) 及骨碱性磷酸酶( b a p ) 等) 。组织学定量分析一般由骼骨耱取活体切 片，可同时得到两层皮质骨及其中间的小梁骨。采用不脱钙骨制作标本，p c l a 或塑料包埋，通过骨定量组织形态测量( b o n eq u a n t i t a t i v eh i s t o m o r p h o m e t r y ) 能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，在特殊情况 下，如伴骨软化或其他代谢性骨病鉴别有困难时选用。因为这是- - 8 十有创检查， 故难以为病人所接受。 目前认为骨质疏松为全身性疾病。”，其特征为骨量的不断丢失以至最终导致 骨折的发生，早期诊治有赖于体内骨量的监视。骨量，是指骨矿质含量，反映骨 第一章绪论 量的主要指标是骨矿密度( b m d ) 。生化指标不能反映骨量丢失的状况，骨密度 测定能够比较客观的反映骨量是评价骨质丢失，进行骨质疏松症早期诊断及监 测治疗的主要技术手段。 骨密度检测经历了从最早的x 射线照相术到后来的单光子吸收技术，定量 c t 和最近出现的双能x 射线吸收技术和定量超声技术等几个主要阶段。 1 1 1x 线摄片 最早的骨密度测量是采用x 射线照相术，从x 射线照相底片的黑化程度上反 映出骨密度的大概定性状况。这是一种经典、简便实用、定性的检查方法，x 线 摄片易于反映骨大体形态及轮廓变化，故易检出和确诊宏观骨折。主要通过观察 松质骨的形态学改变进行诊断。常用的有脊椎骨形态学观察、股骨s i n g h 指数分 级以及1 9 8 3 年j h a m a r i a 提出的跟骨骨小梁分级法“1 。后者根据跟骨应力小粱和 张力小梁的形态学改变分为5 级，1 2 级诊断为骨质疏松、3 级可疑、4 5 级 正常。x 线摄片确诊严重骨质疏松症的能力是任何其他方法无法比拟的，但它没 有定量功能，也难以区分正常者、骨量减少以及不台并骨折的骨质疏松症；摄片 还难以发现微观骨折，更没有预测骨折危险性的功能。x 线摄片对骨质减少，骨 量降低的诊断不仅受到些物理变量的影响，更重要的是受读片者的受训程度和 经验影响很大，从而使错误发生率明显升高。l a n c h m a n n 和w h e l a n 认为只有在 很好的摄片条件下低于2 0 的脱钙才能被x 线平片反映“3 ，而一般认为2 0 - - 4 0 的脱钙才能被测出。同时d o y l e 发现目前普遍被认为是骨缺失表现的x 线征象( 如 透光度增加，骨皮质变薄等) 并不能作为对骨质疏松症长期骨矿含量监测的可靠 依据”1 。x 线摄片灵敏度低、定量价值小，难于作出早期诊断。但区别原发与继 发性骨质疏松症及骨软化，x 线摄片优于其他影像学检测手段。如；甲旁亢的骨 膜下骨吸收、柯兴综合症骨折处的假骨痂、多发性骨髓瘤的多发钻孔样骨破坏等。 摄片及一般c t 像显示的皮质变薄、骨小梁纤细是骨质疏松症及骨软化都可见到 的，对确诊骨软化有决定意义的骨骼弯曲变形( 如钟形胸廓、漏斗骨盆) 及假骨 折线，摄片检出能力优于c t 及其他方法，因此，x 线摄片在骨质疏松症骨折的 检测中仍有较重要地位，做为骨质疏松症初步诊断及鉴别诊断的必备检查，是最 基础的一种检查方法。一些学者正致力于研究建立一些客观判断、评估的标准， 如“6 点计数法”1 以提高它的准确性。 1 ，1 2 单光子吸收技术( s p a ) 自1 9 6 3 年单光子骨密度仪问世以来，骨质疏松的诊断由定性跨入了定量的 时代。单光予吸收测量法( s i n g ep h o t o na b s o r p t i o n l l l e t r y ，s p a ) 是通过检测 骨质对y 射线的吸收度，定量测定骨质含量。采用释放单光子的放射性核素作为 第章绪论 放射源，这些放射性核素有”。】，y 射线能量为2 8 k e y ，半衰期为6 d 天，由于它 的半衰期太短，改用了“。a m ( 镅) 作为放射源，y 射线能量为5 9 3k e y ，半衰期 为4 3 2 天。用这些放射源测量骨密度的仪器，称单光子吸收仪。主要用于测量以 皮质骨为主的骨部位，如桡骨和尺骨中远端、跟骨及股骨远端等。最常用的测量 部位为桡骨远i 3 处，此处密质骨占9 5 ，松质骨占5 ，骨质结构均匀，为精 确测量骨矿物提供了较理想的位置。1 9 6 3 年美国c a m e r o n 和s o v e s o 最先设计并 使用单光子y 射线吸收法测定骨矿物质含量( b m c ) 和骨密度( b m d ) 0 1 。它使用 放射性核素源射出的高度准直的光子束，通过测定它在测量部位衰减来推测 b m d “。它提供了定量测定外周骨( 如桡骨远端、跟骨) b m d 的方法，达到了一 定的准确性。我国于1 9 8 7 年研制出第一台s p a 测量仪，以后又有近】0 个厂家研 制生产了s p a 测量仪，如北京核仪器厂生产的f t 一6 4 7 型，中国科技大学生产的 g b d - 9 2 8 型，原子能研究院生产的b m p 一4 型，中国科学院东方仪器公司生产的 s d - 1 0 0 2 0 0 型等。他们生产的骨密度仪都是采用“1 a m ( 镅) 放射源，可长期使 用，操作简便，通过对桡骨的骨密度测定，给出相应的参考数据1 。现已有数百 台s p a 测量仪服务于骨质疏松的临床诊断和科学研究，s p a 的出现，无疑对骨 质疏松症的诊断带来了很大的方便，其快速而简便，费用低廉，可用于大面积人 群的普查。 但是医学实践发现，人体骨骼最常见的骨质疏松症部位多在深部，如髋骨、 腰椎骨等，而不是前臂桡骨。s p a 不能消除人体组织对吸收测量的影响，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，也无法测量软组织厚度 和构成不一的部位( 如全身，髓关节) ，不能做腰椎和股骨等反映骨丢失灵敏部位 的检测。并出现了较高的漏诊率及误诊率，精度较差。在对桡骨远端的测量中可 能由于定位不准或松质骨含量不均匀而使准确性下降“。而对跟骨的测量，一些 观点认为跟骨b m d 含量受体重及个人锻炼程度不一的影响，使得其对骨质疏松症 诊断中的准确性受到影响n ”。 s p a 仅用于测定周围软组织较少的骨骼，例如前臂远端尺、桡骨和跟骨，不 适合测定小梁骨成份较多或软组织不恒定的部位，而骨质疏松早期主要是松质骨 受累，故其并非骨质疏松早期诊断的可靠方法。s p a 不能完全满足临床检查的需 要，在国外，s p a 正面临淘汰。 1 1 3 定量c t 技术( o c x ) 定量计算机断层扫描法( q u a n t i t a t i v ec o m p u t e f i s e dt o m o g m p h y , q c t ) 应用始 于2 0 世纪7 0 年代中期，是由诺贝尔生理学奖获得者h o u n s f i e l d 发明的。它是 唯一能提供三维分布的骨密度的测量方法“，而且不受体内重叠高密度影响，可 第章绪论 放射源，这些放射性核素有”i ，y 射线能量为2 8 k e v ，半衰期为6 0 天，由于它 的平哀期太短，改用了”。a m ( 镅) 作为放射源，y 射线能量为5 9 3k e v ，半衰期 为4 8 2 天。用这些放射源测量骨密度的仪器，称单光子吸收仪。主要用于测量以 皮质。目。为主的骨部位，如桡骨和尺骨中远端、跟骨及股骨远端等。最常用的测量 部位为桡骨远l i b 处，此处密质骨占9 5 ，松质召占5 ，骨质结构均匀，为精 确测量骨矿物提供了较理想的位置。1 9 6 3 年美国c a l l l e i o n 和s o v e s o 最先设计并 使用单光子y 射线吸收法测定骨矿物质含量( b m c ) 和骨密度( b m d ) 。1 。它使用 放射性核素源射出的高度准直的光子束，通过测定它在测量部位衰减来推测 b m d “。它提供了定量测定外周骨( 如桡骨远端、跟骨) b m d 的方法，达到了一 定的准确性。我国丁：1 9 8 7 年研制出第一台s p a 测量仪，以后又有近1 0 个厂家研 制生产了s p a 测量仪，如北京核仪器厂生产的f t 一6 4 7 型，中国科技大学生产的 g b d 一9 2 8 型，原予能研究院生产的b m p 一4 型，中国科学院东方仪器公司生产的 s d 一1 0 02 0 0 型等。他们生产的骨密度仪都是采用“a m ( 镅) 放射源，可长期使 用，操作简便，通过对桡骨的骨密度测定，给出相应的参考数据”“。现已有数百 台s p a 测量仪服务于骨质疏松的临床渗断和科学研究，s p a 的出现，无疑对骨 质疏松症的诊断带来了很大的方便，其快速而简便，费用低廉，可用于大面积人 群的普查。 但是医学实践发现，人体骨骼最常见的骨质疏松症部位多在深部，如髋骨、 腰椎骨等，而不是前臂桡骨。s p k 不能消除人体组织对吸收测量的影响，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，也无法测量软组织厚度 和构成不一的部位( 如全身，懿关节) ，不能做腰椎和股骨等反映骨丢失灵敏部位 的检测。并出现了较高的漏珍率及误诊率，精度较差。在对桡骨远端的测量中可 能由于定位不准或松质骨含量不均匀而使准确性下降“。面对跟骨的测量，一些 观点认为跟骨b m d 含量受体重及个人锻炼程度不的影响，使得其对骨质疏松症 诊断中的准确性受到影响“。 s p a 仅用于测定周围软组织较少的骨骼，例如前臂远端尺、桡骨和跟骨，不 适合测定小梁骨成份较多或软组织不恒定的部位，而骨质疏松早期主要是松质骨 受累，故其并非骨质疏松早期诊断的可靠方法。s p a 不能完全满足临床检查的需 要，在国外，s p a 正面临淘汰。 1 1 3 定量c t 技术( o c t ) 定量计算机断层扫描法( q u a n t i l a t i v ec o m p u t e r i s e dt o m o g r a p h y , q c t ) 应用始 于2 0 世纪7 0 年代中期，是由诺贝尔生理学奖获得者h o u n s f i e l d 发明的。它是 唯一能提供三维分布的骨密度的测量方法”，而且不受体内重叠高密度影响，可 唯一能提供三维分布的骨密度的测量办法“，而且不受体内重叠高密度影响，可 第一章绪论 以将皮质骨和松质骨完全分离，单独测定小梁骨的变化“。常测部位为腰椎。通 常将l 3 为测定部位，评价腰椎松质骨的变化，精度达4 “。1 9 8 4 年美国t a 公 司发明了世界上第一台商业化的q c t 骨密度分析系统，随后q c t 被越来越多的医 疗机构采用。q c t 是由标准体模和分析软件两部分组成，适合在任何型号的c t 机上使用。病人躺在体模上，而体模置于c t 的扫描床之上，这种专利的体模和 病人被同步进行扫描。由于体模中包含性能稳定、与骨组织等效且密度值已知的 标准材料，因此很容易求得病人的骨密度值。早期q c t 只能测量脊椎的b m d ， 但测定腰椎时精密度不理想，被检者受照剂量也高，现已有末梢骨量定量 c t ( p q c t ) ，p q c t 是一种特殊设计的衡量末梢骨状况的仪器，可测定桡骨、胫 骨等朱梢骨部位的b m d ，是这些部位骨矿物质定量的精确方法”“。但它与脊柱 骨密度测量值的关系尚未完全明了。除了用于测量b m d 值外，q c t 还能提供被 测试区域的结构图像，高分辨力的c t 为对松质骨的结构的分析创造了条件。 f a u l k n e r e t a l 运用q c t 图像计算出了脊柱和股骨的有限元素模型o 。 q c t 的最大优势在于它可以有选择地测量骨骼中的松质骨部分，可分别测 定脊柱皮质骨和松质骨的骨矿含量，能将椎体同后方附件及椎体旁钙化分开，明 显优于双能x 射线吸收技术”“。并且测定值是以体积密度q c m 3 ) 为单位的。松 质骨的代谢比皮质骨更活跃，因而q c t 被认为是检测b m d 变化的最敏感方法。 对处于骨质流失早期的绝经期妇女，能够检测b m d 的微小变化非常重要。另外， q c t 优于d e x a 之处还在于不受病人身高、体重和退行性病变的影响。 由于q c t 技术具有的较好精确度、可以分离松质骨和皮质骨的独特性能， 以及被研究证实的较高的准确性和敏感性，它被专家公认为骨密度测定的“黄金 标准” 1 9 3o 但是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，其精度有待进一 步提高m 1 ，此外，从费用来看，也明显高于d e x a 的费用。q c t 的软件还需要 进一步发展。 1 1 4 双能x 射线吸收技术( d e x a ) 双能量x 射线骨密度仪( 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 或d x a ) 是早在2 0 世纪6 0 年代初期由j a c o b s o n 开始使用的，他用双能x 射线法来测定 骨密度”“。至上世纪8 0 年代中后期研制出实用的d e x a 。从1 9 8 7 年起，以x 线 分光光度测量法为基础的双能x 线吸收仪作为d p a 的代替品开始应用。 d e x a 是一种平面成像技术，测得的b m d 值以g c m 2 的形式表示。工作原 理是：利用x 射线为测量源，用一个k 型边缘滤过装置将单一能量的x 射线分为 高低能量不等的两束射线，通过探测器分别检测其穿过人体组织后的衰减量，再 第一章绪论 通过软组织和骨组织对不同能量x 射线的吸收率而测量并分析出骨矿物质含量。 它的工作原理与d p a 基本相同，主要差别是用焦点小功率x 射线管代替”6 d ( 钆) 同位素放射源”。 d e x a 的常规检查部位是富含松质骨的腰椎和股骨近端。腰椎检测又分为前 后位腰椎和侧位腰椎检测，前者方法简便，广泛应用于临床，但有时由于受腰椎 骨折、腹主动脉钙化、椎体骨赘及皮质成份较多的后方附件影响，不能准确反映 骨密度。侧位腰椎检查可以减少以上因素的影响，故一般认为侧位较前后位更准 确”3 。实际上，侧位腰椎由于受体位和采集时间长的影响，不适合作为临床常 规检查项目。前后位腰椎测出的b m d 值可能偏高，这是因为有骨赘增生，退行性 椎间小关节增生，主动脉钙化及椎间隙狭窄引致，同时在前后位腰椎测量范围内 仍有一定量的皮质骨“。而对侧位腰椎的d x a 检查几乎可以完全控制检测范围内 均为松质骨，使测得的值更接近q c t 的值。但由于肋骨及髂骨的重叠使该测量仅 能用第3 、4 腰椎”“。最近发展的c 臂扫描仪可以减少上述重叠引起的模糊”。 d e x a 的股骨近端检查能提供大转子、股骨颈和沃氏三角区骨密度值，沃氏三角 区是探测松质骨密度最敏感的部位。对于患严重退行性疾病的病人，脊稚测量可 能测出的b m d 值过高，因而需测量其他部位，如侧位腰椎、远侧桡骨和全身。 d e x a 一种是在扫描臂上装有一个单一的探头，接受x 线球管发射的单一光 束，扫描时探头逐行移动，速度较慢；另种是在扫描臂上装有一系列的探头， 接受x 线球管发射的扇形束光源，扫描时呈两维的一次通过病人体表，缩短了检 查时间，同时扫描臂可侧置，在病人不移动体位时，即可作侧位腰椎检查，提高 了准确度，扇形束扫描检查腰椎或股骨上端，可根据所要的分辨率，在4 5 9 0 秒 内完成。对腰椎及股骨颈的测量精密度为0 8 ，而病人所受到的辐射剂量在4 5 秒时为1 2 郎( 微希沃特，相当于在本底辐射条件下4 小时的曝光量) 。另有一 t u r b o 扫描方式，它主要是给病人检查时准确定位用，但t u r b o 扫描也可用于腰 椎等部位的扫描，其速度在腰椎扫描时为5 秒，其精密度为2 。扇形扫描装置 适合于病人量多、要求快速检查的单位；单一光束扫描装置对腰椎及股骨的检查 可在3 4 分钟内完成，测量的精密度为1 左右。 应用d e x a 装置可进行侧位检查，可将椎体与后突分开检查，由于椎体富 含小梁骨，这样对骨质疏松的诊断可提高灵敏度及准确性，因在前后位测量时椎 体的体部及脊突均在圈定的感兴趣区以内，计算的结果是包括了富含皮质骨的脊 突，同时脊突会发生关节炎及骨质增生使骨密度的结果偏高。因此，侧位检查的 优点很有价值。做侧位检查时，如需转动病人体位，则侧位检查时软组织的基线 与前后位检查时不同，会影响精密度。扇形束光源d e x a 的c 臂是可转动的， 病人保持前后位检查时的体位，转动c 臂即可进行侧位检查。将前后位及侧位检 第一章绪论 查的结果结合分析，可使椎体b m d 测量的精密度提高到1 “。 8 0 年代后期，美国h o l o g i c 公司首先使用x 劓线球管替代放射性核素，并 用开关脉冲技术产生双能x 射线，使有效强度增加，可以减少统计误差。由于采 用笔束或扇束扫描方式，自快速完成人体局部或全身扫描，给出脊椎、馥骨、骨 盆、躯干及全身的骨密度及软组织( 包括脂肪组织) 的分布图形，可以完成人体 各部分构成的数据化分析。扫描时间仅数分钟，病人接受的x 射线剂量 c i l 时( 较常见的情况) ，媒质i 中的入射角存在 两个全内反射临界角，即 第一临晃角 第二临界角 吼【= s i n 4 垃 。2 吼i i ：s i n 。1 鱼 l 2 t ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 显然，当入射角0i = 0 。时，固体媒质i i 中，只有一种纵波折射波：当0 0j o 掰对，固体! i 中同时存在纵波和横波折射波，旦随角度增加，折射纵波渐 弱，横波渐强；当0j u o 0 时，纵波全反射，固体媒质中只存在横波；而 当0 枷 0 j 时，固体i i 中无折射波存在，达到全内反射。 上面讨论的平界面问题，可用于分析处理折射、反射波的方向、波型和能量 分配。当然，绝对的无限大平界面只具有理论意义，实际上，在超声诊断中，多 数应用有限声束，当入射声束投射处的界面的曲率半径a 远大于声波波长 ，即 k a 1 时，可近似看作平界面。 二、超声波在传播过程中的衰减 从广义上讲，声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的 现象，统称为声衰减。 一z一+ 一 r 只 一2 r 一2 珥五 堕 竹一十 z一，2 一p 一2一s o c m z 岛一肪 第二章超声诊断骨质琉松疵的原理 按照引起声强减弱的原因，可把声波衰减分为以下三种主要类型： 1 扩散衰减：这主要指声波在媒质内传播过程中，仅仅由于波阵面的面积 扩大而引起的声强减弱现象。在这一过程中，总的声能并未变化，这类衰减与媒 质的特性无关，因而在研究媒质特性时般不予考虑。但在讨论声波传播损失， 例如估计回波信号衰减时应考虑这一因素。 2 散射衰减：这主要指声波在非均匀媒质中传播时，由于媒质的不均匀性 或微小( 与波长相比) 散射体的存在，引起声能向四面八方分散，造成声强衰减的 现象。血液中的红血球，某些器官中的微血管或纤维状结构就会产生这类散射衰 减。 3 吸收衰减：主要指声波在非理想媒质中传播时，声能不可逆地逐渐转化 为热能或其他能量形式的耗散过程。生物组织的声吸收主要取决于其粘滞性、热 传导及各种弛豫过程。 2 3 检测原理 2 3 1 基本原理 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。若超声波声束在没有界 面的均匀介质中传播，即声阻抗差为零时则呈现无回声的平段， 本系统就是利用此原理，当从超声换能器发出的超声脉冲波，到达软组织与 骨的外壁形成的界面时，它又第一个回波送回，然后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，将这个反射波跟踪最终由超声换能器的 接收端接收，通过计算该回声波与始脉冲的延迟时间可以推导出所需要的s o s 值。 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( s o s ) 。脉冲反射法是应用最广泛的一种超声检测方法，它是利用超声脉 冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测，采用同一个换能器 兼作发射和接收。在实际检测中，最常用的是直接接触脉冲反射法，直接接触法 是将换能器通过耦合介质直接与检钡0 面发生接触进行检测。斜探头脉冲反射法是 将压电晶片安放在具有一定倾斜角的有机玻璃楔块上，利用纵波斜入射到被测物 中产生波型转换的原理获得横波的检测方法，也称为斜角检测法。 具体测量部位为人右侧胫骨中点，即踝中部到胫骨顶部( 髌骨下缘) 之问 第二章超声渗断骨质疏松症的廉理 1 2