一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測方法，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，將骨組織微觀結構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)對回波信號進行解碼壓縮，Golay序列對長度可調，利用解碼壓縮背散射信號估計平均散射子間距。該方法在利用超聲背散射技術測量骨微結構MSS中提高了超聲分辨率，同時減少了聲衰減對測量結果的影響。本發(fā)明應用于生物醫(yī)學檢測、組織定征領域。
【專利說明】一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構 檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種骨骼超聲系統(tǒng)中骨組織微觀結構檢測方法，尤其涉及一種編碼增 強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測方法。
【背景技術】
[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用來對生物組織進行表征，如用來對肝臟疾病、血管厚度和骨 小梁間距等進行定征。通過測量平均散射子間距（MSS)，來對組織疾病做出診斷。
[0003] 超聲背散射技術已被證明能夠有效地對MSS進行測量。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 主要有周期圖估計、倒譜估計和自相關譜估計等方法。但是，在對MSS進行估計的過程中， 受背散射信號序列短和噪聲大的干擾，上述估計方法的魯棒性較低。為此，一些方法如自回 歸倒譜估計方法、周期性小波變換等方法被用來提高MSS估計精度。
[0004] 另外兩個影響MSS估計精度的主要因素是分辨率和聲衰減。目前在骨微結構MSS 測量中常用的超聲頻率為〇. 5MHz左右，超聲波長大于6mm，在對骨微結構（0. 15?1. 2mm) 進行測量時，頻率低，分辨率不足。此外，松質骨組織為多孔固體互聯(lián)基質，超聲在傳播過程 中會由于多重散射而產生大量衰減，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)有技術沒有有效地解決分辨率和聲衰減對背散射信號MSS估計的影響。
【發(fā)明內容】
[0005] 為了解決現(xiàn)有檢測技術頻率低、分辨率不足、無法有效應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)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 方法。該方法在利用超聲背散射技術測量骨微結構MSS中提高了超聲分辨率，同時減少了 聲衰減對測量結果的影響。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0007] -種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測方法，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，將骨組織微觀結構的檢測等 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)對回波信號進行解碼壓縮，Golay序列對長度可調， 利用解碼壓縮背散射信號估計平均散射子間距。
[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)骨微結構顯微CT三維重建結果，將 骨微結構等效為間距排列的Faran圓柱散射子，利用該等效散射子間距來表征骨微結構。
[0012] 所述步驟一中，，采用的超聲激勵頻率為0. 7?2MHz可調，激勵的超聲能量水平低 于 100mW/cm2。
[0013] 所述步驟二中，在用互補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信號調制Golay互 補序列。
[0015] 所述步驟二中，在對背散射回波信號進行解碼壓縮過程中，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模型的倒譜估計方法，提取背散射 信號(t)倒譜峰值，利用該峰值估計骨組織微觀結構信息MSS。
[0019] 本發(fā)明提供的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測方法，應 用于生物醫(yī)學檢測、組織定征領域，與現(xiàn)有檢測技術及方法相比，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，提高骨組織微觀結構檢測的 分辨率。
[0021] (2)減少聲衰減和隨機噪聲對測量結果的影響，提高MSS估計結果魯棒性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明中基于骨微結構顯微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編碼增強的骨微結構檢測方法框圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明中編碼增強的單次編碼背散射回波信號；
[0028] 圖7為本發(fā)明中經過解碼壓縮的背散射回波信號；
[0029] 圖8為本發(fā)明中未經編碼增強的MSS估計結果；
[0030] 圖9為本發(fā)明中經編碼增強的MSS估計結果；
[0031] 圖10為本發(fā)明中存在噪聲（SNR = 45dB)情況下，未經編碼增強的MSS估計結果；
[0032] 圖11為本發(fā)明中存在噪聲（SNR = 45dB)情況下，經編碼增強的MSS估計結果。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0034] 編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構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構特征的等效 模型MSS。等效模型如圖1所示，首先，利用顯微CT松質骨微觀結構進行掃描和三維重建， 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 組織微觀結構，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，激勵的超聲能量水平低于lOOmW/cm2。超聲誘導聲壓通過下式進行計算：
[0036] p = Ζ ω ξ，
[0037] 式中z = cQ*P為尸阻抗，cQ為超尸傳播速度，Ρ為介質患'度；ω =2Jif為角頻 率，ξ為質點位移。
[0038] 在用互補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 選擇構造4位、8位或10位互補序列對[Golayl/Golay2]來激勵超聲換能器。Golay互補序 列對的構造方式如下：已知η位互補序列對為A[n]、B[n]，以A[n]、B[n]為基構造2n位互 補序列對{A[n] |B[n]}、{A[n] |?B[n]}，其中?B[n]為B[n]的補余序列對。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調用相應程序激 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行調制。調制過程 采用正弦信號作為基礎序列，Golay相位編碼序列中+1采用相位為0正弦信號進行調制，-1 采用相位為η的正弦信號進行調制?；A序列頻率為聚焦換能器中心頻率f P。4位編碼 調制結果如圖4所示。
[0044] 利用聚焦換能器對同一生物組織聚焦點分別采用經過編碼單元和調制單元的脈 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 集卡分別采集經過調制的兩次編碼發(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)與對應編碼回波信號做相關后求和，得到用于骨組織MSS估計的背散射信號：
[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倒譜估計方法，背散射信號Frap (t)倒譜峰值即為骨組 織微觀結構信息MSS。未經編碼增強的MSS估計結果和編碼增強的MSS估計結果如圖8-9 所示，可以看出經編碼增強后，AR倒譜估計能夠得到準確的MSS值，正確倒譜峰值得到增 強，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，未經編碼增強的MSS估計結果和編碼增強的MSS估計結果如圖10-11所示，可以看出 經編碼增強MSS估計方法倒譜峰值明顯，對高斯噪聲具有比較強的抗干擾能力。
【權利要求】
1. 一種骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測方法，其特征在于所 述骨組織微觀結構檢測方法步驟如下： 一、 采用超聲背散射檢測方法，依據(jù)Faran圓柱模型，將骨組織微觀結構的檢測等效為 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)對回波信號進行解碼壓縮，利用解碼壓縮背散射信號估 計平均散射子間距。
2. 根據(jù)權利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 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)權利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 方法，其特征在于所述步驟一中，根據(jù)骨微結構顯微CT三維重建結果，將骨微結構等效為 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構。
4. 根據(jù)權利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 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，激勵的超聲能量 水平低于100mW/cm2。
5. 根據(jù)權利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 方法，其特征在于所述步驟二中，在用互補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)]互補序列對[Golayl/Golay2]，對同一生物組織聚焦點 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)權利要求1或5所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢 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信號調制 Golay互補序列。
7. 根據(jù)權利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 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)權利要求1所述的骨骼超聲系統(tǒng)中編碼增強的聚焦超聲骨組織微觀結構檢測 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模型的倒譜估計方 法，提取背散射信號(t)倒譜峰值，利用該峰值估計骨組織微觀結構信息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