專利名稱：用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲導(dǎo)波信號的處理和測量方法，更具體的說是用于長骨分析的超聲 導(dǎo)波參數(shù)測量方法。
背景技術(shù)：
近年來，利用定量超聲的軸向傳播技術(shù)來分析長骨的狀況已經(jīng)取得了較大的進(jìn) 展。與傳統(tǒng)的測量方法相比，超聲方法具有費用低、無電離輻射、簡便快捷、便攜等優(yōu)點。目前，在國內(nèi)外市場上有關(guān)長骨分析的超聲測量儀器主要有以色列的 Soundscan2000，0mnisense7000，德國的 DWL，日本的 CM-200，以及國產(chǎn)的北京中西 M192429 等。所有這些產(chǎn)品的功能和原理都是相似的，即測量骨中的超聲傳播速度，但采用的 超聲參數(shù)卻各有不同，例如SOundSCan2000采用250千赫茲(KHz)的低頻超聲發(fā)射，而 0mnisense7000則采用1. 25兆赫茲(MHz)的相對高頻。對于長骨中的超聲傳播速度，此類 儀器基本都利用第一到達(dá)信號(FAS)進(jìn)行測量。Camus等人對軸向傳播技術(shù)的研究結(jié)果表 明(JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica, 2000 ； 108 3058-3065)，在一定的條件下， FAS對應(yīng)于沿骨表面以體波速度傳播的側(cè)波；然而，實驗研究表明，當(dāng)超聲波長大于長骨皮 質(zhì)厚度時，F(xiàn)AS的速度小于縱波速度；此外，當(dāng)長骨的皮質(zhì)層厚度發(fā)生變化時，F(xiàn)AS的速度也 會發(fā)生變化。總體而言，利用FAS來測量長骨中的超聲傳播速度具有以下缺點①其對皮質(zhì)骨 厚度不敏感。②FAS不能反映整個皮質(zhì)骨厚度內(nèi)骨的特性。FAS主要反映的是骨外膜板區(qū) 域的材料特性。③FAS信號的幅度較小，并且在傳播距離上衰減較大。因此對其測量可能 引起較大的誤差。由于人類長骨具有類似管狀的結(jié)構(gòu)，其中可以傳播超聲導(dǎo)波。在管中，由于內(nèi)外 邊界的限制，導(dǎo)致超聲導(dǎo)波的能量主要沿軸向傳播，同時縱波和橫波在界面間不斷地反 射，并發(fā)生縱波和橫波之間的模式轉(zhuǎn)換。在傳播的過程中，由于波形的疊加，形成波包， 通常被稱為導(dǎo)波模式。管中一般同時存在多種導(dǎo)波模式。這些導(dǎo)波模式可以分為三類， 縱振波模式L (0，m) (m=l, 2，3…)，扭曲波模式T (0，m) (m=l, 2，3…)和彎曲波模式F (n, m) (n,m=l, 2，3-)。其中，縱振波和扭曲波是軸對稱的，彎曲波是非軸對稱的。與基于FAS的單 一參量測量相比，導(dǎo)波檢測是一種多參量的測量，具有更強的魯棒性和抗干擾能力，因而能 夠保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。此外，多模式導(dǎo)波的傳播速度能夠反映整個長骨厚度 方向的材料性質(zhì)變化，而不僅僅是FAS所能反映的骨外膜區(qū)域結(jié)構(gòu)的變化，因此能夠更全 面地反映長骨的材料和結(jié)構(gòu)特性。在人體長骨檢測研究中，對超聲導(dǎo)波的報導(dǎo)始于2002 年。大多數(shù)研究者將其與板結(jié)構(gòu)中的Lamb波進(jìn)行對應(yīng)以實現(xiàn)信號分析的簡化。Nicholson 等人(PhysiologicalMeasurement, 2002 ； 23 755-768)用 Lamb 波理論模擬研究了骨中的導(dǎo) 波，在實驗上觀察到了 FAS和隨后的類似于Lamb波的基本反對稱模式A0的導(dǎo)波。該導(dǎo)波 模式的速度對于不同狀況的長骨有明顯的不同，而FAS測量則無法對此進(jìn)行區(qū)別。
中國專利CN100401986C公開了一種基于Lamb波模式的用于骨骼評價的方法和裝 置。主要測量骨中超聲的一個或多個導(dǎo)波模式的速度。但該方法也存在這樣的缺點(1) 該方法基于Lamb波模式測量，而其實導(dǎo)波模式更接近于實際情況；(2)事實上該方法最多 只使用了兩個模式的信息。他得安等人在利用管狀模型理論研究中(Ultrasonics, 2006;44:e279 - e284)，并 在實驗上證明了 在500KHZ附近，縱振波模式L(0，2)和L(0，3)模式對骨厚度的變化很敏 感，同時指出短時快速傅里葉變換是一種有效地區(qū)分導(dǎo)波模式的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供用于長骨分析的超聲導(dǎo)波信號分析方法，通過對 骨中傳播的多個縱振波進(jìn)行模式分解，能夠得到縱振波模式能量這一新的定量化的參數(shù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法，主要包括以下步驟 信號發(fā)生器產(chǎn)生一個超聲頻率的激勵信號，并利用功率放大器放大； 使用一個換能器作為發(fā)射換能器，在長骨中激發(fā)出超聲導(dǎo)波； 使用一個換能器作為接收換能器，接收超聲信號，并在空間和時間域上都等間隔采
樣；
先對信號加窗函數(shù)進(jìn)行平滑處理，再利用二維傅里葉變換處理信號，得到導(dǎo)波的色散 圖譜；
對導(dǎo)波的色散圖譜加漢寧窗函數(shù)進(jìn)行模式分解，得到多個單獨的縱振波模式的色散譜
對各個縱振波模式做逆二維傅里葉逆變換，并加窗函數(shù)進(jìn)行處理； 計算各個縱振波模式的速度以及能量值。其中，激勵信號采用超聲頻率的寬帶脈沖信號，常用頻率范圍為幾百KHz至2MHz。 二維傅里葉變換可以用來定量地研究導(dǎo)波的色散特性，它可以將在空間離散點上測量到 的時域多模式信號轉(zhuǎn)化成在波數(shù)為離散點的頻域信號，能夠測量導(dǎo)波信號的幅度和速度信 息。在正常情況下，信號不可能在時域和空間域都是周期的，而且在兩個域上都是有限長 的，因而都會產(chǎn)生頻譜泄露，所以利用窗函數(shù)對得到的結(jié)果進(jìn)行平滑以減小泄露的影響。本發(fā)明中，換能器采用接觸式超聲換能器。利用單個換能器沿軸向等間隔移動接 收超聲信號。接收到的信號為一系列不同空間點的時域信號，組成了一個信號矩陣。接收信 號需在時間和空間上均滿足最低采樣率要求時域采樣頻率必須大于或等于最高頻率分量 的兩倍，而空間采樣間隔則必須小于或等于最小波長的一半。信號頻率一般在2MHZ以下， 時域采樣頻率即要大于4MHz。根據(jù)所用信號頻率不同，最小波長一般在lmm-5mm，空間采樣 間隔小于此值的一半即可。本發(fā)明基于二維傅里葉變換的結(jié)果，提供了一種模式的分解方法。對二維傅里葉 變換譜圖應(yīng)用一個頻率一波數(shù)域上的漢寧窗函數(shù)如下
其中/是頻率j是波矢，/；是窗的寬度，/；是窗的中心頻率。對于所需要提取的模式， 在每一個波數(shù)值上，以理論計算的色散曲線上該波數(shù)值對應(yīng)的頻率點為中心乘以這樣一個 窗函數(shù)，當(dāng)該窗的寬度合適時，所得到的譜圖就表征了所需要的模式，同時抑制了其它不需 要的模式。 相比于其他導(dǎo)波檢測方法，本發(fā)明提供了用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方 法，這是一種新的超聲導(dǎo)波信號分析方法，提出了縱振波模式的能量這一新的定量化的參 數(shù)。與已有的骨超聲評價方法采用的參數(shù)相比，本發(fā)明得到的多個縱振波模式的參數(shù)，由于 其對骨厚度的變化很敏感，因此能夠更好地反映骨材料和骨結(jié)構(gòu)的信息，可以用于提高測 量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。


圖1為本發(fā)明用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法的步驟示意圖。
具體實施方式

實施例1
由信號發(fā)生器Agilent33250A產(chǎn)生500KHz的寬帶脈沖信號，經(jīng)功率放大器，作為一 個接觸式換能器的激勵信號。該換能器與人體脛骨模型接觸，在脛骨中產(chǎn)生導(dǎo)波信號。另 一接觸式換能器，作為接收換能器，由步進(jìn)電機控制，在距發(fā)射換能器1厘米至8厘米的 軸向上，連續(xù)進(jìn)行間隔0.8毫米的等間隔采樣，采樣頻率為10兆赫茲，每個信號的采樣 時長為100微秒。接收換能器的信號輸出到數(shù)字示波器Agilent54830B，采樣由計算機 上的Labview程序控制GPIB數(shù)據(jù)采集卡(連接到示波器)實現(xiàn)。采樣共得到101個空
間點的信號，每個信號有1001點。先用時域上的漢寧窗函數(shù)
窗函
數(shù)的寬度)對這一組信號平滑處理，再對其進(jìn)行二維傅里葉變換，可得到二維頻率-波數(shù) 譜圖。該二維譜圖反映的就是導(dǎo)波的色散曲線，每條曲線代表一個導(dǎo)波模式。對圖譜中 的前5個縱振波模式L(0，1)-L(0, 5)應(yīng)用頻率一波數(shù)域上的漢寧窗函數(shù)實施模式分解
，其中/；是窗的寬度，/；是窗的中心頻率，
即在每一個波數(shù)值上，以色散曲線上該波數(shù)值對應(yīng)的頻率點為中心乘以這樣一個具有適 合寬度的窗函數(shù)，就得到了表征模式L(0，l)-L(0，5)的譜圖。再做逆二維傅里葉變換，可 得到這5個模式在各采樣點的時域信號。對這些時域信號再進(jìn)行加時域上的漢寧窗函數(shù)
處理，以抑制信號泄露現(xiàn)象。最后，對這些時域信號基于各模式在各點間 W
傳播的時間，即可得到它們的傳播速度和能量值。如從采樣點A到采樣點B之間的距離為 Lab,某模式信號傳播的時間為Tab，則該模式的速度為
。任取該模式在某點處的時域
信號，利用公式
力求其在該處的能量值E。其中，、和、分別為時域信號的起始
和結(jié)束時刻，S(t)為信號的幅度函數(shù)。
實施例2
由信號發(fā)生器Agilent33250A產(chǎn)生IMHz的寬帶脈沖信號，經(jīng)功率放大器，作為一個 接觸式換能器的激勵信號。該換能器與人體脛骨模型接觸，在脛骨中產(chǎn)生導(dǎo)波信號。另 一接觸式換能器，作為接收換能器，由步進(jìn)電機控制，在距發(fā)射換能器1厘米至8厘米的 軸向上，連續(xù)進(jìn)行間隔0. 4毫米的等間隔采樣，采樣頻率為10兆赫茲，每個信號的采樣時 長為100微秒。接收換能器的信號輸出到數(shù)字示波器Agilent54830B，采樣由計算機上的 Labview程序控制GPIB數(shù)據(jù)采集卡(連接到示波器)實現(xiàn)。采樣共得到176個空間點的
信號，每個信號有1001點。先用時域上的漢寧窗函數(shù)
r為窗函數(shù)的寬
度)對這一組信號平滑處理，再對其進(jìn)行二維傅里葉變換，可得到導(dǎo)波的色散圖譜。對圖譜 中的前8個縱振波模式L(0，1)-L(0, 8)應(yīng)用頻率一波數(shù)域上的漢寧窗函數(shù)實施模式分解
，其中/；是窗的寬度，是窗的中心頻率，
即在每一個波數(shù)值上，以色散曲線上該波數(shù)值對應(yīng)的頻率點為中心乘以這樣一個具有適 合寬度的窗函數(shù)，就得到了表征模式L(0，l)-L(0，8)的譜圖。再做逆二維傅里葉變換，可 得到這8個模式在各采樣點的時域信號。對這些時域信號再進(jìn)行加時域上的漢寧窗函數(shù) 2m
處理，以抑制信號泄露現(xiàn)象。最后，由這些時域信號可直接計算得到測量 W
點處各模式的傳播速度和能量值。如從采樣點A到采樣點B之間的距離為Lab，某模式信號 傳播的時間為Tab，則該模式的速度為
任取該模式在某點處的時域信號，利用公 式
求其在該處的能量值E。其中，、和、分別為時域信號的起始和結(jié)束時刻， %
S(t)為信號的幅度函數(shù)。
權(quán)利要求
一種用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法，其包括以下步驟信號發(fā)生器產(chǎn)生一個超聲頻率的激勵信號，并利用功率放大器放大；使用一個換能器作為發(fā)射換能器，在長骨中激發(fā)出超聲導(dǎo)波；使用一個換能器作為接收換能器，接收超聲信號，并在空間和時間域上都等間隔采樣；先對信號加窗函數(shù)進(jìn)行平滑處理，再利用二維傅里葉變換處理信號，得到導(dǎo)波的色散圖譜；對導(dǎo)波的色散圖譜加漢寧窗函數(shù)進(jìn)行模式分解，得到多個單獨的縱振波模式的色散譜圖；對各個縱振波模式做逆二維傅里葉逆變換，并加窗函數(shù)進(jìn)行處理；計算各個縱振波模式的速度以及能量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法，其特征在于換能 器采用接觸式超聲換能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法，其特征在于接收 信號在時間和空間上均滿足最低采樣率要求，即時域采樣頻率必須大于或等于最高頻率分 量的兩倍，而空間采樣間隔則必須小于或等于最小波長的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法，其特 征在于模式分解中應(yīng)用的頻率-波數(shù)域上的漢寧窗函數(shù)如下 /是頻率，k是波矢，fb是窗的寬度，fm是窗的中心頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于長骨分析的超聲導(dǎo)波參數(shù)測量方法，屬于超聲導(dǎo)波信號測量領(lǐng)域。其步驟為使用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個超聲頻率的激勵信號，并經(jīng)過功率放大器放大，再利用一個換能器作為發(fā)射換能器，在長骨中激發(fā)出超聲導(dǎo)波，另外一個換能器作為接收換能器，接收超聲信號，然后對信號進(jìn)行加窗平滑處理，并利用二維傅里葉變換處理信號得到導(dǎo)波的色散圖譜，再對色散圖譜加窗進(jìn)行模式分解，得到多個縱振波模式的色散譜圖，對其做逆二維傅里葉逆變換，并進(jìn)行加窗抑制泄露，最后可計算得到各個縱振波模式的速度以及能量值。本發(fā)明提出了一種新的超聲導(dǎo)波信號分析方法，得到了縱振波模式能量這一新的定量化的參數(shù)，可以用于更好地反映骨材料和骨結(jié)構(gòu)的信息。
文檔編號A61B8/00GK101874744SQ20101023903
公開日2010年11月3日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者劉洋, 章東, 郭霞生 申請人:南京大學(xué)