為了提高超聲骨密度儀性能,基于Visual C++ 2008 MFC實現上位機軟件,實現測量結果穩定性和測量速度的改進,同時提高了超聲聲速(SOS)的測量精度。上位機軟件包括界面設計、采集控制、數據處理與參數提取、數據存儲以及報告打印等。設計了優良的人機交互(HCI)接口,操作便捷,可以實時觀察波形。通過高效自動增益控制和有效數字濾波提高采集精度和穩定性。采用高速USB接口通信,向采集端發送控制指令,同時進行數據傳輸,有效縮短了測量時間。通過多通道統計平均測出超聲聲速和寬帶超聲衰減(BUA),結果穩定可靠。采用XML文檔存儲患者信息,檢索方便。患者測量報告可實時打印。軟件分層實現,便于維護與擴展。
引用本文： 鄧將軍, 丁捷, 許士界, 耿瑞華, 何愛軍. 一種便攜式超聲骨密度儀軟件設計. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(5): 1026-1030. doi: 10.7507/1001-5515.20150182 復制
引言
我國人口基數較大，隨著老齡化趨勢增加，骨質疏松患者日趨增多。患者早期癥狀不明顯，而病情嚴重后不僅容易發生骨折，還可能出現肺、心、腎等內臟并發癥[1]。所以，定期測量骨質對于預防和及時發現骨質疏松有重要的指導意義。
基于超聲透射、反射、折射原理，定量超聲檢測技術是一種重要的骨質疏松檢測方法[2]。目前市場上的超聲骨密度儀以測量跟骨為主，也有測量脛骨和手指等部位的，在設計上大都功能單一，性能不夠高，不易維護、擴展。本文針對康榮信市售的一款骨密度儀，基于Windows7操作系統，設計了一種新型的基于軸向透射技術的超聲骨密度儀的應用軟件。軟件基于模型視圖控制(Model View Controller，MVC)框架，自頂向下，各層分離，便于軟件的維護與擴展；通過自動增益控制算法可以有效縮短增益調節時間和提高采集精度；采用USB接口高速通信有效縮短測量時間；同時，通過對數據加窗和數字濾波使得測量更加準確。
1 方法
本軟件通過對人體骨的超聲回波進行采集分析，通過采集數據計算出超聲聲速(speed of sound,SOS)和寬帶超聲衰減(broadband ultrasound attenuation,BUA)[3]兩個參數。通過這兩個參數的線性組合獲得硬度指數(stiffness index,SI)[4]，它是一種近似的力學指標，由于綜合了SOS和BUA，故其診斷力更強，其計算公式如下。
| $ \text{SI=0}\text{.67}\times \text{BUA+0}\text{.28}\times \text{SOS-420} $ |
通過SI進而計算T-score、Z-score[5]，T-score是指測量值與同性別青年人群的骨質量進行比較得到的值，T-score計算公式如下：
| $ \text{T-score}=\frac{\text{SI-}\overline{\text{SI}}}{{{\text{S}}_{\text{d}}}} $ |
SI為測量值，
基于Visual C++ 2008 MFC實現骨密度儀上位機軟件，采用模塊化設計，便于維護與擴展。其主要結構按功能分為主控模塊、回波處理模塊、數據庫管理、界面設計、報告打印等。
系統結構如圖 1所示。
圖1
系統軟件結構圖
Figure1.
Software structure diagram
1.1 主控模塊
主控模塊負責整個系統的總體控制，包括系統界面初始化、各模塊初始化以及協調工作、設備的初始化和設備操作、各線程初始化及其相互間的通信等。
1.2 回波處理
該模塊對采集的超聲回波做時域分析計算出SOS，通過頻域分析計算出BUA。該模塊主要包括USB接口通信、自動增益控制、濾波分析、參數計算等子模塊。
1.2.1 USB(API)及系統通信協議
為了提高精度，將下位機采樣率和AD轉換位數分別提高到60 MHz、16位，選用A/D轉換芯片 AD6640，這樣測量時數據量增大。為防止數據溢出，保證測量過程穩定，除了外擴存儲器外，還需要提高數據傳輸速率。系統采用USB2.0進行數據傳輸，以有效縮短采集時間[6]。
首先需要安裝FT232H的設備驅動程序，在應用程序中通過調用FTDI公司提供的API接口，即可正常操作USB設備。常用的USB操作接口有：FT_Open，打開設備；FT_Close，關閉設備；FT_Read，讀設備；FT_Write，寫設備。這4個接口是軟件系統與前端采集系統通信的基本接口，USB設備初始化后,其傳輸速率可達到40 MB/s以上，數據傳輸變快，測量過程用時更短。為了提高系統效率，接口FT_Read工作模式設置為阻塞，所以要創建獨立線程來接收回波數據。USB2.0通信流程如圖 2所示。
圖2
通信流程圖
Figure2.
Communication process
通道選擇是選擇特定的超聲發射器、接收器，它們具有不同的中心頻率。故除了通道選擇命令外，需要定義一個標志變量以區別不同的超聲發射器和接收器。
1.2.2 自動增益控制
超聲波透過不同介質后會有相應衰減，所以對于不同的骨質，超聲波衰減程度差異很大。通常，AD輸出的數據越大，越能充分利用轉換位數，這樣可以有效地提高采樣精度。但是信號太大，AD轉換位數有限，數據可能就會溢出。所以，采集中需要對回波數據進行自動增益控制，使信號維持在穩定的安全范圍，以提高測量精度。本設計的有效值安全范圍取AD芯片滿量程的10%~90%。
本設計通過USB接口傳輸控制指令，在數據穩定前，軟件系統計算所得數據峰峰值，根據峰峰值與安全范圍的比例來決定增益調節幅度。將調節幅度劃分8級，各級對應不同的指令符，可以有效提高調節效率。通過USB接口發送增益控制指令到下位機，實現對采集單元的自動增益控制，增益調節過程縮短為原來的三分之一(參照原儀器25秒測量時間)以上，同時也有效地提高了采集精度。
1.2.3 帶通濾波及BUA計算
BUA是測量骨密度的一個重要指標，近似認為在0.35~0.85 MHz的頻率范圍內，衰減A(f)與頻率f成一次線性關系[7]，其關系式如下：
| $ \text{A}\left( f \right)=20\lg \frac{\left| {{\text{V}}_{\text{W}}}\left( f \right) \right|}{\left| {{\text{V}}_{\text{b}}}\left( f \right) \right|}=\text{C+}BUA\cdot f $ |
式中Vw(f)為超聲經過水后的頻域信號，Vb(f)為超聲經過患者測量骨后的頻域信號，C為常數。
首選探頭的中心頻率為1.25 MHz，系統采用FIR帶通濾波器[8]對回波數據做濾波處理，其中心頻率為1.25 MHz，相對帶寬為30%，其通帶要平坦，以便對線性衰減范圍無影響。Hamming窗加權系數能使旁瓣達到更小，且旁瓣衰減慢。選用Hamming窗對信號做加權處理，然后帶通濾波。得到的頻域波形穩定清晰，提高了顯示質量，便于操作者實時觀察判斷、控制測量過程。操作時還可以根據需要選擇漢寧窗、高斯窗。
因為采樣率的提高，單位頻率內的數據點增多，在0.35~0.85 MHz頻帶范圍內進行線性擬合時的數據點增加，從而提高BUA的測量精度。擬合后的直線斜率即為BUA，其單位為dB/MHz。
1.2.4 聲速計算
超聲波在不同介質中聲速不同。超聲波從軟組織入射到骨表面時會分為入射、反射、折射三條路徑。隨著入射角度增大，折射角度隨之增大，直到折射方向恰好與骨表面方向平行，并在骨表面前進一段距離(稱為側波)后，又以相同的出射角從骨表面射出。因此，三條路徑中，只有折射時的側波路徑能夠反映骨質中的聲速，稱此時的入射角為臨界角θC。
| $ {{\theta }_{C}}={{\sin }^{-1}}\frac{{{V}_{s}}}{{{V}_{b}}}, $ |
式中Vs為超聲波在軟組織中的傳播速度；Vb為超聲波在骨骼中的傳播速度。
在超聲軸向傳播技術中，第一到達波(the first arrival sound,FAS)法是目前使用最為廣泛且較為成熟的理論方法[9]。通過調節發射端與接收端與測定面的垂直距離，使得具有側波的折射波成為第一到達波，聲速便可用第一到達波傳播的時間和距離來估計。
本系統采用雙收雙發式超聲探頭作為前端信號采集器。探頭內有A、B、C、D四塊超聲換能器，位于同一水平線上，其中A、B兩塊晶片用于發射超聲波，C、D兩塊晶片用于接收超聲波，中間夾有隔聲層。以隔聲層為中心，A、B與C、D左右對稱。B、C間距離須滿足第一到達波的要求。測量中，探頭表面與骨骼表面平行后(即A發C收的時間TAC與B發D收的時間TBD相等)，再做正式數據采集。在實際測量中，換能器之間的超聲傳輸時間即為在回波數據幀中超聲回波峰值的索引位置i與AD采樣頻率f之間的比值，其計算如下所示：
| $ \Delta t=\frac{i}{f} $ |
TAC與TBD的差值在有效誤差范圍內即可認為二者相等，進一步計算SOS[10]，公式如下：
| $ \text{SOS=}\frac{d}{t}=\frac{d}{{{T}_{BD}}-{{T}_{BC}}} $ |
如上所示，通過提高AD采樣率f可提高傳輸時間t的精度。另外，1.2.3節中的帶通濾波可以有效濾除噪聲干擾，在尋找索引位置i時也更為準確，從而提高SOS的測量精度。為了降低偶然誤差，通過多次測量求平均值得到SOS。
1.3 數據庫管理
相對于常用專業數據庫，XML占用資源少、操作簡單、可讀性高，特別適用于數據存儲模型。數據庫管理模塊將患者信息以XML文檔形式進行管理，便于患者信息的存儲和檢索。
本系統使用CMarkup類解析XML文檔。CMarkup類封裝了對XML文檔的大部分相關操作，包括增加元素、查找和獲取元素屬性和內容。在文檔中操作的節點以當前位置和當前子節點的位置確定，不需要明確指出增加對象到文檔。
通過CMarkup對象操作XML文檔，通過調用相關接口實現文檔的初始化、輸入、輸出、查找等基本操作，簡單高效，易于系統數據庫的管理、更新和維護。
1.4 報告打印
測量完成后，可對測量結果進行“保存”和“打印”。“保存”鍵用于將受檢者基本信息和測量結果保存到XML文檔并添加到患者信息庫中。“打印”鍵用于實現結果預覽和即時打印[11]。在MFC框架中的單文檔視圖結構里，視圖類的成員函數OnDraw既可以實現屏幕輸出，也可以實現其它設備(如打印機)輸出，即用OnDraw函數可同時完成顯示和打印功能。這樣做的好處是顯示和打印的結果一致，但必須考慮不同輸出設備的分辨率問題。當輸出設備環境為屏幕時，執行打印預覽的功能；當輸出設備環境為打印機時，則執行超聲骨密度測量報告的打印過程。
MFC提供的CPrintDialog類可實現打印機設備的選擇功能。CPrintDialog類為Windows通用打印功能提供服務。當選用某一特定打印設備后，系統獲得該設備并進行打印，一次完整的打印流程依次為創建打印設備、設置打印作業、設置映射關系、設置打印頁數、開始打印作業、打印OnDraw內容、打印作業結束以及釋放打印設備。
1.5 界面設計
用戶界面模塊基于MFC開發框架，界面簡潔美觀，為用戶提供高效友好的交互方式。系統采用自頂向下的模塊化程序設計，各模塊功能完善，模塊間獨立高效，既利于開發，又有利于維護和擴展。軟件系統操作簡單實用，一次完整測量的操作流程為系統初始化、登錄、開始測量、停止測量、顯示結果、保存信息、打印信息、結束。
2 結果
2.1 精度及時間測試
系統提供1.25 MHz、1.5 MHz和750 kHz不同頻率的超聲發射探頭。
選用默認中心頻率為1.25 MHz的探頭分別對標準塊和5位受測者的橈骨進行SOS測試，測試時探頭與標準塊和被測者橈骨要保持穩定平行。
經測試，測量SOS為2 730 m/s的標準試塊時，原儀器SOS誤差為±8 m/s,誤差率約為0.293%；本設計SOS測試最大誤差為±1.2 m/s，誤差率約為0.005%，表明本設計改進后SOS精度更高。原儀器一次完整測量時間約為25 s，本系統一次完整測量時間在8 s以下。
受試者橈骨測量結果顯示，經本系統改進后，受測者的SOS方差都明顯減小，表明穩定性更好。用時對比表明測量時間也有效縮短。對每個人重復測量20次，與原儀器的結果對比如表 1所示。
表1
橈骨的SOS測量結果對比(m/s)
Table1.
Comparison of SOS testing results for radius (m/s)
另外，對5位受測者BUA也進行了測量。由于采樣率的提高，在0.35~0.85 MHz的數據點變多，計算BUA時擬合的數據點增多。如下表 2所示，改進后BUA方差有效減小，表明BUA測量結果更加穩定。
表2
橈骨的BUA測量結果對比(dB/MHz)
Table2.
Comparison of BUA testing results for radius (dB/MHz)
2.2 軟件功能測試
點擊“開始測量”后，上位機向下位機發送探頭激勵指令。下位機采集數據并傳到上位機，波形顯示區域將繪制聲速曲線。當探頭表面與骨骼表面不平行或回波數據無效時，顯示區域無波形，上位機重發測量指令以及增益調節指令。若該狀態持續超過一分鐘，系統自動結束本次測量過程。當數據有效后，顯示時域及頻域波形，計算SOS、BUA。功能測試如圖 3所示。
圖3
測試界面圖
Figure3.
Diagram of testing interface
另外，可以實時打印測量報告。可以對患者信息進行查詢、添加、修改、刪除，可以通過患者的ID、姓名和測量日期進行檢索查詢或信息修改。
3 結論
本軟件系統適用于不同部位骨密度測量，通過與下位機數據采集固件通信實現測量控制和數據采集。再對超聲回波數據進行時域、頻域分析來計算參數SOS、BUA，進而計算出SI，并以此求得T-Score、Z-Score。另外，實現了對患者信息的管理以及患者測量報告的實時打印。
最后，本軟件系統還有需要改進的地方，考慮到要盡量保持測量環境的整潔、安全性而又不失測量效率，可以考慮采用超寬帶[12](ultra-wideband，UWB)無線通信技術來實現上下位機的數據傳輸；同時還需要加入其它骨質評估參數來綜合評估。
引言
我國人口基數較大，隨著老齡化趨勢增加，骨質疏松患者日趨增多。患者早期癥狀不明顯，而病情嚴重后不僅容易發生骨折，還可能出現肺、心、腎等內臟并發癥[1]。所以，定期測量骨質對于預防和及時發現骨質疏松有重要的指導意義。
基于超聲透射、反射、折射原理，定量超聲檢測技術是一種重要的骨質疏松檢測方法[2]。目前市場上的超聲骨密度儀以測量跟骨為主，也有測量脛骨和手指等部位的，在設計上大都功能單一，性能不夠高，不易維護、擴展。本文針對康榮信市售的一款骨密度儀，基于Windows7操作系統，設計了一種新型的基于軸向透射技術的超聲骨密度儀的應用軟件。軟件基于模型視圖控制(Model View Controller，MVC)框架，自頂向下，各層分離，便于軟件的維護與擴展；通過自動增益控制算法可以有效縮短增益調節時間和提高采集精度；采用USB接口高速通信有效縮短測量時間；同時，通過對數據加窗和數字濾波使得測量更加準確。
1 方法
本軟件通過對人體骨的超聲回波進行采集分析，通過采集數據計算出超聲聲速(speed of sound,SOS)和寬帶超聲衰減(broadband ultrasound attenuation,BUA)[3]兩個參數。通過這兩個參數的線性組合獲得硬度指數(stiffness index,SI)[4]，它是一種近似的力學指標，由于綜合了SOS和BUA，故其診斷力更強，其計算公式如下。
| $ \text{SI=0}\text{.67}\times \text{BUA+0}\text{.28}\times \text{SOS-420} $ |
通過SI進而計算T-score、Z-score[5]，T-score是指測量值與同性別青年人群的骨質量進行比較得到的值，T-score計算公式如下：
| $ \text{T-score}=\frac{\text{SI-}\overline{\text{SI}}}{{{\text{S}}_{\text{d}}}} $ |
SI為測量值，
基于Visual C++ 2008 MFC實現骨密度儀上位機軟件，采用模塊化設計，便于維護與擴展。其主要結構按功能分為主控模塊、回波處理模塊、數據庫管理、界面設計、報告打印等。
系統結構如圖 1所示。
圖1
系統軟件結構圖
Figure1.
Software structure diagram
1.1 主控模塊
主控模塊負責整個系統的總體控制，包括系統界面初始化、各模塊初始化以及協調工作、設備的初始化和設備操作、各線程初始化及其相互間的通信等。
1.2 回波處理
該模塊對采集的超聲回波做時域分析計算出SOS，通過頻域分析計算出BUA。該模塊主要包括USB接口通信、自動增益控制、濾波分析、參數計算等子模塊。
1.2.1 USB(API)及系統通信協議
為了提高精度，將下位機采樣率和AD轉換位數分別提高到60 MHz、16位，選用A/D轉換芯片 AD6640，這樣測量時數據量增大。為防止數據溢出，保證測量過程穩定，除了外擴存儲器外，還需要提高數據傳輸速率。系統采用USB2.0進行數據傳輸，以有效縮短采集時間[6]。
首先需要安裝FT232H的設備驅動程序，在應用程序中通過調用FTDI公司提供的API接口，即可正常操作USB設備。常用的USB操作接口有：FT_Open，打開設備；FT_Close，關閉設備；FT_Read，讀設備；FT_Write，寫設備。這4個接口是軟件系統與前端采集系統通信的基本接口，USB設備初始化后,其傳輸速率可達到40 MB/s以上，數據傳輸變快，測量過程用時更短。為了提高系統效率，接口FT_Read工作模式設置為阻塞，所以要創建獨立線程來接收回波數據。USB2.0通信流程如圖 2所示。
圖2
通信流程圖
Figure2.
Communication process
通道選擇是選擇特定的超聲發射器、接收器，它們具有不同的中心頻率。故除了通道選擇命令外，需要定義一個標志變量以區別不同的超聲發射器和接收器。
1.2.2 自動增益控制
超聲波透過不同介質后會有相應衰減，所以對于不同的骨質，超聲波衰減程度差異很大。通常，AD輸出的數據越大，越能充分利用轉換位數，這樣可以有效地提高采樣精度。但是信號太大，AD轉換位數有限，數據可能就會溢出。所以，采集中需要對回波數據進行自動增益控制，使信號維持在穩定的安全范圍，以提高測量精度。本設計的有效值安全范圍取AD芯片滿量程的10%~90%。
本設計通過USB接口傳輸控制指令，在數據穩定前，軟件系統計算所得數據峰峰值，根據峰峰值與安全范圍的比例來決定增益調節幅度。將調節幅度劃分8級，各級對應不同的指令符，可以有效提高調節效率。通過USB接口發送增益控制指令到下位機，實現對采集單元的自動增益控制，增益調節過程縮短為原來的三分之一(參照原儀器25秒測量時間)以上，同時也有效地提高了采集精度。
1.2.3 帶通濾波及BUA計算
BUA是測量骨密度的一個重要指標，近似認為在0.35~0.85 MHz的頻率范圍內，衰減A(f)與頻率f成一次線性關系[7]，其關系式如下：
| $ \text{A}\left( f \right)=20\lg \frac{\left| {{\text{V}}_{\text{W}}}\left( f \right) \right|}{\left| {{\text{V}}_{\text{b}}}\left( f \right) \right|}=\text{C+}BUA\cdot f $ |
式中Vw(f)為超聲經過水后的頻域信號，Vb(f)為超聲經過患者測量骨后的頻域信號，C為常數。
首選探頭的中心頻率為1.25 MHz，系統采用FIR帶通濾波器[8]對回波數據做濾波處理，其中心頻率為1.25 MHz，相對帶寬為30%，其通帶要平坦，以便對線性衰減范圍無影響。Hamming窗加權系數能使旁瓣達到更小，且旁瓣衰減慢。選用Hamming窗對信號做加權處理，然后帶通濾波。得到的頻域波形穩定清晰，提高了顯示質量，便于操作者實時觀察判斷、控制測量過程。操作時還可以根據需要選擇漢寧窗、高斯窗。
因為采樣率的提高，單位頻率內的數據點增多，在0.35~0.85 MHz頻帶范圍內進行線性擬合時的數據點增加，從而提高BUA的測量精度。擬合后的直線斜率即為BUA，其單位為dB/MHz。
1.2.4 聲速計算
超聲波在不同介質中聲速不同。超聲波從軟組織入射到骨表面時會分為入射、反射、折射三條路徑。隨著入射角度增大，折射角度隨之增大，直到折射方向恰好與骨表面方向平行，并在骨表面前進一段距離(稱為側波)后，又以相同的出射角從骨表面射出。因此，三條路徑中，只有折射時的側波路徑能夠反映骨質中的聲速，稱此時的入射角為臨界角θC。
| $ {{\theta }_{C}}={{\sin }^{-1}}\frac{{{V}_{s}}}{{{V}_{b}}}, $ |
式中Vs為超聲波在軟組織中的傳播速度；Vb為超聲波在骨骼中的傳播速度。
在超聲軸向傳播技術中，第一到達波(the first arrival sound,FAS)法是目前使用最為廣泛且較為成熟的理論方法[9]。通過調節發射端與接收端與測定面的垂直距離，使得具有側波的折射波成為第一到達波，聲速便可用第一到達波傳播的時間和距離來估計。
本系統采用雙收雙發式超聲探頭作為前端信號采集器。探頭內有A、B、C、D四塊超聲換能器，位于同一水平線上，其中A、B兩塊晶片用于發射超聲波，C、D兩塊晶片用于接收超聲波，中間夾有隔聲層。以隔聲層為中心，A、B與C、D左右對稱。B、C間距離須滿足第一到達波的要求。測量中，探頭表面與骨骼表面平行后(即A發C收的時間TAC與B發D收的時間TBD相等)，再做正式數據采集。在實際測量中，換能器之間的超聲傳輸時間即為在回波數據幀中超聲回波峰值的索引位置i與AD采樣頻率f之間的比值，其計算如下所示：
| $ \Delta t=\frac{i}{f} $ |
TAC與TBD的差值在有效誤差范圍內即可認為二者相等，進一步計算SOS[10]，公式如下：
| $ \text{SOS=}\frac{d}{t}=\frac{d}{{{T}_{BD}}-{{T}_{BC}}} $ |
如上所示，通過提高AD采樣率f可提高傳輸時間t的精度。另外，1.2.3節中的帶通濾波可以有效濾除噪聲干擾，在尋找索引位置i時也更為準確，從而提高SOS的測量精度。為了降低偶然誤差，通過多次測量求平均值得到SOS。
1.3 數據庫管理
相對于常用專業數據庫，XML占用資源少、操作簡單、可讀性高，特別適用于數據存儲模型。數據庫管理模塊將患者信息以XML文檔形式進行管理，便于患者信息的存儲和檢索。
本系統使用CMarkup類解析XML文檔。CMarkup類封裝了對XML文檔的大部分相關操作，包括增加元素、查找和獲取元素屬性和內容。在文檔中操作的節點以當前位置和當前子節點的位置確定，不需要明確指出增加對象到文檔。
通過CMarkup對象操作XML文檔，通過調用相關接口實現文檔的初始化、輸入、輸出、查找等基本操作，簡單高效，易于系統數據庫的管理、更新和維護。
1.4 報告打印
測量完成后，可對測量結果進行“保存”和“打印”。“保存”鍵用于將受檢者基本信息和測量結果保存到XML文檔并添加到患者信息庫中。“打印”鍵用于實現結果預覽和即時打印[11]。在MFC框架中的單文檔視圖結構里，視圖類的成員函數OnDraw既可以實現屏幕輸出，也可以實現其它設備(如打印機)輸出，即用OnDraw函數可同時完成顯示和打印功能。這樣做的好處是顯示和打印的結果一致，但必須考慮不同輸出設備的分辨率問題。當輸出設備環境為屏幕時，執行打印預覽的功能；當輸出設備環境為打印機時，則執行超聲骨密度測量報告的打印過程。
MFC提供的CPrintDialog類可實現打印機設備的選擇功能。CPrintDialog類為Windows通用打印功能提供服務。當選用某一特定打印設備后，系統獲得該設備并進行打印，一次完整的打印流程依次為創建打印設備、設置打印作業、設置映射關系、設置打印頁數、開始打印作業、打印OnDraw內容、打印作業結束以及釋放打印設備。
1.5 界面設計
用戶界面模塊基于MFC開發框架，界面簡潔美觀，為用戶提供高效友好的交互方式。系統采用自頂向下的模塊化程序設計，各模塊功能完善，模塊間獨立高效，既利于開發，又有利于維護和擴展。軟件系統操作簡單實用，一次完整測量的操作流程為系統初始化、登錄、開始測量、停止測量、顯示結果、保存信息、打印信息、結束。
2 結果
2.1 精度及時間測試
系統提供1.25 MHz、1.5 MHz和750 kHz不同頻率的超聲發射探頭。
選用默認中心頻率為1.25 MHz的探頭分別對標準塊和5位受測者的橈骨進行SOS測試，測試時探頭與標準塊和被測者橈骨要保持穩定平行。
經測試，測量SOS為2 730 m/s的標準試塊時，原儀器SOS誤差為±8 m/s,誤差率約為0.293%；本設計SOS測試最大誤差為±1.2 m/s，誤差率約為0.005%，表明本設計改進后SOS精度更高。原儀器一次完整測量時間約為25 s，本系統一次完整測量時間在8 s以下。
受試者橈骨測量結果顯示，經本系統改進后，受測者的SOS方差都明顯減小，表明穩定性更好。用時對比表明測量時間也有效縮短。對每個人重復測量20次，與原儀器的結果對比如表 1所示。
表1
橈骨的SOS測量結果對比(m/s)
Table1.
Comparison of SOS testing results for radius (m/s)
另外，對5位受測者BUA也進行了測量。由于采樣率的提高，在0.35~0.85 MHz的數據點變多，計算BUA時擬合的數據點增多。如下表 2所示，改進后BUA方差有效減小，表明BUA測量結果更加穩定。
表2
橈骨的BUA測量結果對比(dB/MHz)
Table2.
Comparison of BUA testing results for radius (dB/MHz)
2.2 軟件功能測試
點擊“開始測量”后，上位機向下位機發送探頭激勵指令。下位機采集數據并傳到上位機，波形顯示區域將繪制聲速曲線。當探頭表面與骨骼表面不平行或回波數據無效時，顯示區域無波形，上位機重發測量指令以及增益調節指令。若該狀態持續超過一分鐘，系統自動結束本次測量過程。當數據有效后，顯示時域及頻域波形，計算SOS、BUA。功能測試如圖 3所示。
圖3
測試界面圖
Figure3.
Diagram of testing interface
另外，可以實時打印測量報告。可以對患者信息進行查詢、添加、修改、刪除，可以通過患者的ID、姓名和測量日期進行檢索查詢或信息修改。
3 結論
本軟件系統適用于不同部位骨密度測量，通過與下位機數據采集固件通信實現測量控制和數據采集。再對超聲回波數據進行時域、頻域分析來計算參數SOS、BUA，進而計算出SI，并以此求得T-Score、Z-Score。另外，實現了對患者信息的管理以及患者測量報告的實時打印。
最后，本軟件系統還有需要改進的地方，考慮到要盡量保持測量環境的整潔、安全性而又不失測量效率，可以考慮采用超寬帶[12](ultra-wideband，UWB)無線通信技術來實現上下位機的數據傳輸；同時還需要加入其它骨質評估參數來綜合評估。
