一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法，其步驟如下：一、采用超聲背散射檢測方法，依據(jù)Faran圓柱模型，將骨組織微觀結(jié)構(gòu)的檢測等效為平均散射子間距的測量；二、采用高頻單陣元聚焦換能器，利用互補(bǔ)Golay序列對激勵超聲換能器發(fā)射寬時信號，以發(fā)射信號作為匹配濾波函數(shù)對回波信號進(jìn)行解碼壓縮，Golay序列對長度可調(diào)，利用解碼壓縮背散射信號估計(jì)平均散射子間距。該方法在利用超聲背散射技術(shù)測量骨微結(jié)構(gòu)MSS中提高了超聲分辨率，同時減少了聲衰減對測量結(jié)果的影響。本發(fā)明應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測、組織定征領(lǐng)域。
【專利說明】一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu) 檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種骨骼超聲系統(tǒng)中骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法，尤其涉及一種編碼增 強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 生物組織主要由周期性排布的膠原纖維組成，可被等效為周期性分布的散射子。 現(xiàn)有的很多模型以此為基礎(chǔ)用來對生物組織進(jìn)行表征，如用來對肝臟疾病、血管厚度和骨 小梁間距等進(jìn)行定征。通過測量平均散射子間距（MSS)，來對組織疾病做出診斷。
[0003] 超聲背散射技術(shù)已被證明能夠有效地對MSS進(jìn)行測量。生物組織背散射信號包括 來自規(guī)則散射兀的相干成分和來自彌散散射兀的非相干成分。對MSS的測量主要利用了其 中的相干散射兀成分，而彌散散射兀成分則對MSS的測量起干擾作用?，F(xiàn)有的MSS測量技術(shù) 主要有周期圖估計(jì)、倒譜估計(jì)和自相關(guān)譜估計(jì)等方法。但是，在對MSS進(jìn)行估計(jì)的過程中， 受背散射信號序列短和噪聲大的干擾，上述估計(jì)方法的魯棒性較低。為此，一些方法如自回 歸倒譜估計(jì)方法、周期性小波變換等方法被用來提高M(jìn)SS估計(jì)精度。
[0004] 另外兩個影響MSS估計(jì)精度的主要因素是分辨率和聲衰減。目前在骨微結(jié)構(gòu)MSS 測量中常用的超聲頻率為〇. 5MHz左右，超聲波長大于6mm，在對骨微結(jié)構(gòu)（0. 15?1. 2mm) 進(jìn)行測量時，頻率低，分辨率不足。此外，松質(zhì)骨組織為多孔固體互聯(lián)基質(zhì)，超聲在傳播過程 中會由于多重散射而產(chǎn)生大量衰減，特別是頻率越高，聲衰減越大，使得背散射回波信號信 噪比較低，而現(xiàn)有技術(shù)沒有有效地解決分辨率和聲衰減對背散射信號MSS估計(jì)的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有檢測技術(shù)頻率低、分辨率不足、無法有效應(yīng)對組織中大量聲衰減及 噪聲的問題，本發(fā)明提供了一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法。該方法在利用超聲背散射技術(shù)測量骨微結(jié)構(gòu)MSS中提高了超聲分辨率，同時減少了 聲衰減對測量結(jié)果的影響。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法，包括如下步 驟：
[0008] -、采用超聲背散射檢測方法，依據(jù)Faran圓柱模型，將骨組織微觀結(jié)構(gòu)的檢測等 效為平均散射子間距的測量；
[0009] 二、采用高頻單陣元聚焦換能器，利用互補(bǔ)Golay序列對激勵超聲換能器發(fā)射寬 時信號，以發(fā)射信號作為匹配濾波函數(shù)對回波信號進(jìn)行解碼壓縮，Golay序列對長度可調(diào)， 利用解碼壓縮背散射信號估計(jì)平均散射子間距。
[0010] 所述步驟一中，超聲背散射檢測的測量方式為單一探頭的背散射測量方式，測量 環(huán)境為水浸式測量。
[0011] 所述步驟一中，測量參數(shù)為散射子間距。根據(jù)骨微結(jié)構(gòu)顯微CT三維重建結(jié)果，將 骨微結(jié)構(gòu)等效為間距排列的Faran圓柱散射子，利用該等效散射子間距來表征骨微結(jié)構(gòu)。
[0012] 所述步驟一中，，采用的超聲激勵頻率為0. 7?2MHz可調(diào)，激勵的超聲能量水平低 于 100mW/cm2。
[0013] 所述步驟二中，在用互補(bǔ)Golay序列對激勵超聲換能器時，根據(jù)被測骨組織厚度， 通過編程選擇構(gòu)造 4 位[(+1，+1，+1，-1) / (+1，+1，-1，+1) ]、8 位[(+1，+1，+1，-1，+1，+1，-1， +1) / (+1，+1，+1，-1，-1，-1，+1，-1)]或 10 位[(+1，+1，-1，+1，-1，+1，-1，-1，+1，+1)/ (+1， +1，-1，+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1)]互補(bǔ)序列對[Golayl/Golay2]來激勵超聲換能器。超聲 換能器采用聚焦換能器，對同一生物組織聚焦點(diǎn)分別采用不同Golay序列兩次照射，發(fā)射 波持續(xù)時間Λ tin。< Lb/vb，Lb骨組織厚度，vb為骨組織聲速。
[0014] 所述步驟二中，在激勵超聲換能器時，采用正弦信號作為基礎(chǔ)信號調(diào)制Golay互 補(bǔ)序列。
[0015] 所述步驟二中，在對背散射回波信號進(jìn)行解碼壓縮過程中，采集Golayl和Golay2 輸入信號F inc;(t)F' in。⑴作為匹配濾波函數(shù)，則獲得背散射信號為：
[0016] Fcep(t) = cov[Finc(t)Fbsc(t)]+cov[F/inc(t)F/bsc(t)],
[0017] 其中，F(xiàn)bs。⑴F' bs。⑴分別為Golayl和Golay2的背散射回波信號。
[0018] 本發(fā)明中，對解碼壓縮背散射信號采用基于AR模型的倒譜估計(jì)方法，提取背散射 信號(t)倒譜峰值，利用該峰值估計(jì)骨組織微觀結(jié)構(gòu)信息MSS。
[0019] 本發(fā)明提供的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法，應(yīng) 用于生物醫(yī)學(xué)檢測、組織定征領(lǐng)域，與現(xiàn)有檢測技術(shù)及方法相比，具有如下優(yōu)勢：
[0020] (1)激勵信號時，激勵信號持續(xù)時間長于傳感器脈沖響應(yīng)時間，在不增加峰值聲功 率的情況下增加超聲信號攜帶能量，提高主瓣峰值，抑制旁瓣，提高骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測的 分辨率。
[0021] (2)減少聲衰減和隨機(jī)噪聲對測量結(jié)果的影響，提高M(jìn)SS估計(jì)結(jié)果魯棒性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明中基于骨微結(jié)構(gòu)顯微CT三維重建的等效散射子示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明仿真試驗(yàn)中沿波傳播方向上聲速分布示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明仿真試驗(yàn)中沿波傳播方向上組織材料特性分布示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明中正弦信號調(diào)制Golay相位編碼序列示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明中Golay編碼增強(qiáng)的骨微結(jié)構(gòu)檢測方法框圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明中編碼增強(qiáng)的單次編碼背散射回波信號；
[0028] 圖7為本發(fā)明中經(jīng)過解碼壓縮的背散射回波信號；
[0029] 圖8為本發(fā)明中未經(jīng)編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果；
[0030] 圖9為本發(fā)明中經(jīng)編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果；
[0031] 圖10為本發(fā)明中存在噪聲（SNR = 45dB)情況下，未經(jīng)編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果；
[0032] 圖11為本發(fā)明中存在噪聲（SNR = 45dB)情況下，經(jīng)編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0034] 編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法采用超聲背散射檢測方法，采用單 一超聲換能器，測量環(huán)境為水浸式測量，檢測對象為能夠表征骨組織微觀結(jié)構(gòu)特征的等效 模型MSS。等效模型如圖1所示，首先，利用顯微CT松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描和三維重建， 并得到特定位置特定路徑上的骨小梁分布信息，根據(jù)該信息利用Faran圓柱模型去等效骨 組織微觀結(jié)構(gòu)，測量對象為該Faran圓柱模型的等效散射子間距MSS。
[0035] 圖2-3給出了本發(fā)明Faran圓柱模型中沿波傳播方向上組織材料特性及聲速分 布示意圖。散射子沿超聲波傳播方向等間距排列，散射子密度和散射子間介質(zhì)密度分別為 938kg/m 3和1300kg/m3,聲速分布分別為1500m/s和3300m/s，超聲激勵頻率為0. 7?2MHz 可調(diào)，激勵的超聲能量水平低于lOOmW/cm2。超聲誘導(dǎo)聲壓通過下式進(jìn)行計(jì)算：
[0036] p = Ζ ω ξ，
[0037] 式中z = cQ*P為尸阻抗，cQ為超尸傳播速度，Ρ為介質(zhì)患'度；ω =2Jif為角頻 率，ξ為質(zhì)點(diǎn)位移。
[0038] 在用互補(bǔ)Golay序列對激勵換能器時，根據(jù)被測骨組織厚度，利用FPGA編程控制 選擇構(gòu)造4位、8位或10位互補(bǔ)序列對[Golayl/Golay2]來激勵超聲換能器。Golay互補(bǔ)序 列對的構(gòu)造方式如下：已知η位互補(bǔ)序列對為A[n]、B[n]，以A[n]、B[n]為基構(gòu)造2n位互 補(bǔ)序列對{A[n] |B[n]}、{A[n] |?B[n]}，其中?B[n]為B[n]的補(bǔ)余序列對。本發(fā)明中以 2 位序列對 A[2] = [+1，+1]、B[2] = [+1，-1]為基，構(gòu)造的 4 位 A[4]B[4]、8 位 A[8]B[8]、 10位A [10] B [10]序列對為：
[0039] [ (+1，+1，+1，_1) / (+1，+1，_1，+1)];
[0040] [ (+1，+1，+1，-1，+1，+1，-1，+1) / (+1，+1，+1，-1，-1，-1，+1，-1)];
[0041 ] [(+1, +1, -1, +1, -1, +1, -1, -1, +1, +1) / (+1, +1, -1, +1, +1, +1, +1, +1, -1, -1)]。
[0042] 超聲檢測過程中，通過控制面板選擇Golay編碼類型，控制FPGA調(diào)用相應(yīng)程序激 勵換能器。
[0043] 在利用Golay序列激勵超聲換能器時，通過對相位編碼序列進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制過程 采用正弦信號作為基礎(chǔ)序列，Golay相位編碼序列中+1采用相位為0正弦信號進(jìn)行調(diào)制，-1 采用相位為η的正弦信號進(jìn)行調(diào)制?；A(chǔ)序列頻率為聚焦換能器中心頻率f P。4位編碼 調(diào)制結(jié)果如圖4所示。
[0044] 利用聚焦換能器對同一生物組織聚焦點(diǎn)分別采用經(jīng)過編碼單元和調(diào)制單元的脈 沖信號激勵換能器，發(fā)射波持續(xù)時間Δ tin。< Lb/vb，Lb為骨組織厚度，vb為骨組織聲速。編 碼回波信號F bsc;(t)、F' bsc;(t)采用數(shù)據(jù)采集卡采集。同時在解碼壓縮過程中，利用數(shù)據(jù)采 集卡分別采集經(jīng)過調(diào)制的兩次編碼發(fā)射信號F inc;(t)、F' inc;(t)作為匹配濾波函數(shù)，該匹配 濾波函數(shù)與對應(yīng)編碼回波信號做相關(guān)后求和，得到用于骨組織MSS估計(jì)的背散射信號：
[0045] Fcep(t) = cov[Finc(t)Fbsc(t)]+cov[F/inc ⑴ bsc (t)]。
[0046] 該MSS測量過程如圖5所示。其中，數(shù)據(jù)卡采集到的單次編碼回波信號Fbsc;(t)、 F' bsc;(t)如圖6所示；經(jīng)過解碼壓縮的背散射回波信號F_(t)如圖7所示。
[0047]利用該背散射信號，采用AR倒譜估計(jì)方法，背散射信號Frap (t)倒譜峰值即為骨組 織微觀結(jié)構(gòu)信息MSS。未經(jīng)編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果和編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果如圖8-9 所示，可以看出經(jīng)編碼增強(qiáng)后，AR倒譜估計(jì)能夠得到準(zhǔn)確的MSS值，正確倒譜峰值得到增 強(qiáng)，分辨率得到提高，同時對AR倒譜干擾峰值起到抑制作用；在SNR = 45dB的高斯噪聲影 響下，未經(jīng)編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果和編碼增強(qiáng)的MSS估計(jì)結(jié)果如圖10-11所示，可以看出 經(jīng)編碼增強(qiáng)MSS估計(jì)方法倒譜峰值明顯，對高斯噪聲具有比較強(qiáng)的抗干擾能力。
【權(quán)利要求】
1. 一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法，其特征在于所 述骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測方法步驟如下： 一、 采用超聲背散射檢測方法，依據(jù)Faran圓柱模型，將骨組織微觀結(jié)構(gòu)的檢測等效為 平均散射子間距的測量； 二、 采用高頻單陣元聚焦換能器，利用互補(bǔ)Golay序列對激勵超聲換能器發(fā)射寬時信 號，以發(fā)射信號作為匹配濾波函數(shù)對回波信號進(jìn)行解碼壓縮，利用解碼壓縮背散射信號估 計(jì)平均散射子間距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法，其特征在于所述步驟一中，超聲背散射檢測的測量方式為單一探頭的背散射測量方 式，測量環(huán)境為水浸式測量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法，其特征在于所述步驟一中，根據(jù)骨微結(jié)構(gòu)顯微CT三維重建結(jié)果，將骨微結(jié)構(gòu)等效為 間距排列的Faran圓柱散射子，利用該等效散射子間距來表征骨微結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法，其特征在于所述步驟一中，采用的超聲激勵頻率為0. 7?2MHz可調(diào)，激勵的超聲能量 水平低于100mW/cm2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法，其特征在于所述步驟二中，在用互補(bǔ)Golay序列對激勵超聲換能器時，根據(jù)被測骨組 織厚度，選擇構(gòu)造4位[(+1，+1，+1， -1)/(+1，+1，-1，+1)]、8位[(+1，+1，+1，-1，+1，+1， -1， +1) / (+1，+1，+1，-1，-1，-1，+1，-1)]或 10 位[(+1，+1，-1，+1，-1，+1，-1，-1，+1，+1)/ (+1， +1，-1，+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1)]互補(bǔ)序列對[Golayl/Golay2]，對同一生物組織聚焦點(diǎn) 分別采用Golayl、Golay2兩次激勵超聲換能器，發(fā)射波持續(xù)時間Λ tin。< Lb/vb，Lb骨組織 厚度，vb為骨組織聲速。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢 測方法，其特征在于所述步驟二中，在激勵超聲換能器時，采用正弦信號作為基礎(chǔ)信號調(diào)制 Golay互補(bǔ)序列。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法，其特征在于所述步驟二中，在對背散射回波信號進(jìn)行解碼壓縮過程中，采集Golayl 和Golay2輸入信號Finc;(t)F' inc;(t)作為匹配濾波函數(shù)，則獲得背散射信號為： Fcep (t) = COV [Finc (t) Fbsc (t) ] +cov [F;inc (t) F;bsc (t)], 其中，F(xiàn)bs。⑴F' bs。⑴分別為Golayl和Golay2的背散射回波信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強(qiáng)的聚焦超聲骨組織微觀結(jié)構(gòu)檢測 方法，其特征在于所述步驟二中，對解碼壓縮背散射信號采用基于AR模型的倒譜估計(jì)方 法，提取背散射信號(t)倒譜峰值，利用該峰值估計(jì)骨組織微觀結(jié)構(gòu)信息MSS。
【文檔編號】A61B8/00GK104146729SQ201410366115
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】沈毅, 潘文磊, 金晶, 王艷, 章欣 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)