[发明专利]基于非线性超声导波的长骨皮质骨微裂纹检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性超声导波的长骨皮质骨微裂纹检测系统及方法，其系统包括用于产生所需的基频正弦加窗信号的超声信号发生器，用于放大基频正弦加窗信号的功率放大器，用于滤除功率放大器放大之后的基频信号中的由于功率放大器自身非线性而产生的高次谐波的低通滤波器，用于将低通滤波器输出的基频信号耦合到长骨皮质骨中的激励传感器，以及用于接收长骨皮质骨中的基频超声导波以及基频超声导波与微裂纹相互作用后产生的二次谐波的宽带接收传感器；还包括放大器、示波器以及用于储存和分析的计算机。本发明针对长骨皮质骨，利用超声导波在长骨皮质骨中传播时与微裂纹相互作用所产生的二次谐波来实现对长骨皮质骨中微裂纹的检测。

技术领域

本发明涉及长骨皮质骨微裂纹检测用医疗器械领域，具体涉及一种基于非线性超声导波的长骨皮质骨微裂纹检测系统及方法。

背景技术

目前，骨骼的检查方法主要是采用X射线的方法。由于这种方法有一定辐射性，可能会对人体，尤其是一些特殊人群如孕妇，造成一定的影响。随着人们对健康和防辐射意识的逐步增强，越来越多的人倾向于尽量不使用或者少使用X射线进行检查。因此，开发一种安全高效的骨骼检查设备，就显得非常重要。

基于超声的骨骼检查方法，正在逐步应用于骨骼的检查，可以对人体骨折的情况进行检查。然而，目前的超声检查设备，都是基于线性超声检查，只能检查骨骼的宏观缺陷和宏观裂纹，而对骨骼中微小的裂纹，则不敏感。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的缺陷，鉴于目前常规线性超声在骨骼检测中对微小裂纹不敏感的缺点，提供一种基于非线性超声导波的长骨皮质骨微裂纹检测系统及方法，针对长骨皮质骨，利用超声导波在长骨皮质骨中传播时与微裂纹相互作用所产生的二次谐波来实现对长骨皮质骨中微裂纹的检测。

本发明的技术方案是：基于非线性超声导波的长骨皮质骨微裂纹检测系统，包括：超声信号发生器，用于产生具有周期数、所需频率为中心频率的基频正弦加窗信号；功率放大器，用于放大所述基频正弦加窗信号；低通滤波器，用于滤除所述功率放大器放大之后的基频信号中的由于功率放大器自身非线性而产生的高次谐波，并输出滤波后的基频信号；激励传感器，用于将低通滤波器输出的滤波后的基频信号通过软组织耦合到长骨皮质骨中；宽带接收传感器，用于接收在长骨皮质骨中传播的基频超声导波以及所述基频超声导波在长骨皮质骨中传播时与微裂纹相互作用后所产生的二次谐波；放大器，用于放大所述宽带接收传感器所接收到的基频超声导波信号和二次谐波信号；示波器，用于显示通过放大器所放大的基频超声导波信号和二次谐波信号；计算机，用于储存和分析，将接收到的信号通过傅里叶变换，获取基频超声导波信号和二次谐波信号的幅值，从而计算相对非线性系数。

上述激励传感器以及宽带接收传感器均设于一用于和长骨皮质骨处的软组织外部的皮肤相贴合的楔块上，所述楔块通过耦合剂与长骨皮质骨处的软组织外部的皮肤相贴合；通过调整楔块的角度，从而在长骨皮质骨中产生具有强烈非线性效应的基频超声导波模态。

利用所述二次谐波对长骨皮质骨的微裂纹进行检测。

上述计算机的分析过程为：通过傅里叶变化或者时频分析，获取基频信号的幅值A₁和二次谐波幅值A₂，计算相对非线性系数β'，其中将从被测长骨皮质骨上所得到的相对非线性系数β'_d与正常长骨皮质骨中得到的相对非线性系数β₀'进行对比，如果长骨皮质骨中内部存在微裂纹，则β'_d相对于β₀'有明显的变化，根据这一变化表征长骨皮质骨中微裂纹的存在。

基于非线性超声导波的长骨皮质骨微裂纹检测系统的方法，包括如下步骤：

S1.根据长骨皮质骨的物理参数和几何参数，将长骨皮质骨简化为板状结构，从而计算并画出长骨皮质骨的相速度和群速度的频散曲线；