一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法
【專利摘要】本發明提供一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法：設計制作了開放式“發射?氣隙?接收”骨導波遠端檢測裝置；利用該骨導波遠端檢測裝置得到多模骨導波；聯合平滑偽維納時頻分布、Rayleigh–Lamb頻散曲線以及自適應窗寬的高斯函數平滑方法對檢測所得多模骨導波進行模式分離識別；利用分離識別得到的各單模骨導波對骨表入射點導波進行重構，有效避免了入射波、反射波對骨導波檢測的混疊干擾。
【專利說明】
一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法
技術領域
[0001] 本發明涉及超聲造影成像技術領域，特別涉及基于開放式"發射-氣隙-接收"骨導 波檢測裝置與分離、識別及重構方法。
【背景技術】
[0002] 超聲成像已廣泛用于骨表肌肉組織系統成像，特別對肌骨系統腫瘤、骨表皮瓣的 診斷監控。當超聲作用于骨表時，骨表皮質將產生導波，這種骨導波已經引起研究者廣泛關 注并用于骨質定量檢測。同時，骨導波向周邊軟組織層泄漏，這將干擾軟組織回波信號的信 噪比，進而可能影響到骨表圖像質量。骨導波因其非線性傳播而具有多模式頻散特性，并已 用于檢測或操控納米液滴、無包膜微泡和亞微粒子。但是這種檢測僅利用了導波的線性特 征，而其非線性頻散特性的作用被忽略了。但在實際研究骨導波的非線性頻散特性時，需要 提取排除其他雜波干擾的骨導波，然而骨導波中往往包含著入射波和反射波的混疊干擾， 這使得提取骨導波十分困難。
[0003] 同時，骨導波的分離方法主要有各類改進的FFT變換、小波多尺度分析等模式分離 方法，如2D-FFT、S-FFT等。2D-FFT、S-FFT等方法可快速提取導波第一接收波(FAS)速度，但 此類方法更適用于具有固定帶寬比的非平穩信號分析，對于多階次頻變非平穩導波信號的 分析，嚴重受到時頻交叉項的干擾、低信噪比且對高階導波模式因其在骨皮質的快速衰減 而難以準確分離。為此，Kailiang X.等將錐形核算子引入Wigner-Viler分布形成Zhao-Atlas-Marks分布。另外，非線性調頻小波變換(Chirplet)可準確分離各頻率分量、有效抑 制混疊干擾與虛假頻率分量，但少有肌骨系統導波分析的應用案例。
【發明內容】
[0004] 針對在提取骨導波過程中入射波與反射波的混疊干擾難以濾除的困難，本發明提 出了一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[0006] (1)利于基于發射-氣隙-接收模型的裝置將骨導波檢測中的入射波和反射波限制 在發射區；
[0007 ] (2)聯合平滑偽維納時頻分布、Ray 1 e i gh - Lamb頻散曲線以及自適應窗寬的高斯函 數平滑方法對單模骨導波進行分離識別；
[0008] (3)經過步驟(2)后，利用各單模骨導波的聲壓波形、衰減系數和傳播速度對入射 點骨導波進行重構。
[0009] 所述基于發射-氣隙-接收模型的裝置包括兩個之間留有氣隙的水箱，兩個水箱相 對側的壁面上設置有孔，兩孔上覆蓋有橡膠片，兩橡膠片上設置有用于供骨樣本穿入對應 側水箱的孔，該孔內設置有密封固定部件;兩個水箱的內壁設置有吸聲材料層;其中一個水 箱內設置有用于發射入射角為Θ、發射頻率為f的入射波的線陣探頭，另一個水箱內設置有 接收角為0的水聽器。
[ΟΟ?Ο]所述氣隙厚度<3mm。
[0011] 所述步驟(2)具體包括以下步驟：
[0012] (2.1)調整入射角Θ和接收角P以及骨導波傳播距離d，在骨導波檢測中對混疊的多 模骨導波在時域進行分離；
[0013] (2.2)對多模骨導波時域波形進行SPWV時頻分析，得到多模骨導波SPWV時間-頻率 能量分布；
[0014] (2.3)依據Rayleigh-Lamb頻散方程，計算測試骨樣本的各單模導波的頻厚積-相 速度頻散曲線；
[0015] (2.4)依據測試骨樣本皮質材料信息、入射波頻率f和各單模骨導波的頻厚積-相 速度頻散曲線，計算各單模骨導波的頻厚積-群速度頻散曲線；
[0016] (2.5)將頻厚積-群速度頻散曲線進行坐標翻轉變換得到群速度-頻率頻散曲線， 將群速度-頻率頻散曲線與所得的多模骨導波SPWV時間-頻率能量分布一一耦合匹配，從而 識別各單模骨導波的對稱與反對稱模式；
[0017] (2.6)若多模骨導波在時域能夠分離，則選擇窗寬與各單模骨導波持續時間相適 應的高斯函數進行移動平滑點乘，按到達檢測點時間先后順序分離各單模骨導波聲壓波形 p〇
[0018] 若多模骨導波在時域難以分離，則依據SPWV時間-頻率能量分布，確定各單模骨導 波的中心頻率與帶寬，依次對各單模骨導波進行帶通頻域濾波以分離各單模骨導波聲壓波 形P〇
[0019] 所述步驟(3)具體包括以下步驟：
[0020] (3.1)改變骨導波傳播距離d，測得以下模式為j的單模骨導波的非線性傳播參數， 包括:衰減系數a j、傳播速度Vj:
[0023]其中，N為測試次數，djk為在第k個檢測點測得的模式為j的單模骨導波傳播距離； Vjk為在第k個檢測點測得的模式為j的單模骨導波的峰值強度;tjk為在第k個檢測點測得的 模式為j的單模骨導波的到達時間，其中到達時間t為單模骨導波首次幅值超過5%峰值強 度對應的時刻；
[0024] (3.2)依據模式為j的單模骨導波的聲壓波形W、衰減系數4、傳播速度巧與骨導波 傳播距離山，重構出入射點i處各單模骨導波聲壓波形P#:
[0025] Pji(t-dj/vj) = (l+ajdj/ Apj(t)) Xpj(t-dj/vj)
[0026] 其中，為單模骨導波聲壓波形W經傳播距離山后的幅值改變；
[0027] (3.3)依據重構得到的入射點各單模骨導波聲壓波形P#，重構出入射點i處多模骨 導波的聲壓波形PLi。
[0029]
[0030] 本發明的優點如下：
[0031] 1、設計了一種骨導波的遠端檢測裝置，用一空氣隙隔離了入射波、反射波的混疊 干擾，裝置簡單，開放式的多點檢測方式操作簡便。
[0032] 2、提出了骨導波分離、識別與重構的成套方法，準確快捷地對骨導波所含有的諸 多單模式導波進行分離、識別并重構，為骨導波非線性頻散特性的研究提供了提取骨導波 的方法。
【附圖說明】
[0033] 圖1為基于發射-氣隙-接收模型的骨導波檢測實驗原理框圖；
[0034] 圖2為發射-氣隙-接收模型的結構圖，其中，（a)為模型正視圖，（b)為同徑環狀凸 體側視圖；
[0035] 圖3為基于發射-氣隙-接收模型測得的骨導波；
[0036] 圖4為基于SPWV時頻分析-頻散曲線的單模骨導波單模式分離識別；
[0037] 圖5為基于單模骨導波的水-骨表界面入射點的導波重構波形；
[0038] 圖中：1為左側水箱，2為氣隙，3為右側水箱，4為同徑環狀凸體，5為骨樣本，6為支 撐固定部件，7為吸聲材料，8為排水口，9為凹槽，10為橡膠薄片，11為密封固定部件。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和實施例對本發明做詳細敘述。
[0040] 本發明主要提出在入射波和反射波混疊干擾情況下，提取出骨導波，其關鍵在于 在排除入射波和反射波干擾的同時，提取出骨表純導波。為此，本發明設計了基于發射-氣 隙-接收模型的實驗裝置，將入射波和反射波限制在發射區，并在接收檢測區檢測多模骨導 波，通過聯合SPWV時頻分布、Ray le igh-Lamb頻散曲線以及自適應窗寬的高斯函數平滑方法 對檢測到的多模骨導波進行分離、識別，最后利用各單模骨導波相關信息對入射點骨導波 進行重構。
[0041] 步驟一:設計基于模塊化設備的開放式"發射-氣隙-接收"骨導波遠端檢測裝置， 其結構部件如下，參見圖1:
[0042] (1)該裝置的主體包括：左右兩側水箱以及兩水箱之間的窄小空氣隙2(厚度〈 3mm)，參見圖2;
[0043] (2)左側水箱1的右壁，以及右側水箱3的左壁均按最大可測試骨樣本直徑開孔；
[0044] (3)所述孔向箱壁兩側設有含一凹槽9的同徑環狀凸體4(與孔直徑相同），松弛的 橡膠薄片10覆蓋在孔表面，橡膠薄片10四周被固定在凹槽9槽體中，測試骨樣本5貫穿兩橡 膠薄片，并被兩側水箱內的支撐固定部件6固定；
[0045 ] (4)兩側水箱內壁固定了一定厚度(3mm~10mm)的吸聲材料7，測試骨樣本5被純水 淹沒；
[0046] (5)左側水箱1為發射區，Sonix-Touch的線陣探頭以一入射角Θ發射頻率為f的入 射波，在該側水箱激勵測試骨樣本產生骨導波；
[0047] (6)右側水箱3為骨導波接收檢測區，直徑為0.5mm的針式水聽器（Precision Acoustics Ltd.，Dorchester,UK)以一接收角#在該側水箱檢測從骨表傳來的骨導波，接收 檢測區的針式水聽器與發射區的線陣探頭的距離為d(即骨導波傳播距離）；
[0048] (7)骨導波的時域波形經過輔助放大器放大后被數據采集卡CS14100(Gage Applied，Inc · Lachine，QC，Canada)米集記錄；
[0049] (8)入射波發射與骨導波接收同時被數字化超聲成像系統Sonix-Touch同步控制；
[0050] (9)入射角Θ和接收角P由角度儀調控，骨導波傳播距離d由三維掃描系統5800PR調 控。依據Snell定律，調整入射角Θ、接收角W以及骨導波傳播距離d，檢測得到在時域基本分 離的多模骨導波。
[0051 ]步驟二：聯合平滑偽維納（smoothed-pseudo Wigner-Ville，SPWV)時頻分布、 Rayleigh-Lamb頻散曲線以及自適應窗寬的高斯函數平滑方法對單模骨導波進行分離識 另IJ，其步驟如下：
[0052] (1)對檢測得到的多模骨導波時域波形進行SPWV時頻分析，得到多模骨導波的 SPWV時間-頻率能量分布；
[0053] (2)依據Rayleigh-Lamb頻散方程，計算測試骨樣本的各單模導波的頻厚積-相速 度頻散曲線；
[0054 ]描述導波相速度的方程即為Ray 1 e i gh-Lamb頻散方程：
[00611式中：ko為沿骨表水平方向的波數，b為1/2骨表厚，ω為角頻率，ω =2Jif，cl為縱波 速度，cs為橫波速度，相速度(^ = ω /ko;
[0062] (3)依據測試骨樣本皮質材料信息(厚度，泊松比，以及楊氏模量）、入射波頻率f和 各單模骨導波的頻厚積-相速度頻散曲線，計算骨表各單模導波的頻厚積-群速度頻散曲 線；
[0063] 群速度可表示為：
[0064] cg = d ω /dko
[0065] 將ko= ω/cp代入上式，有
[0067]式中:ko為沿板水平方向的波數，ω為角頻率，ω =23Tf，Cp為相速度；
[0068] (4)將頻厚積-群速度頻散曲線進行坐標翻轉變換得到群速度-頻率頻散曲線，與 測得各單模骨導波的SPWV時間-頻率能量分布一一耦合匹配，準確識別各單模骨導波對稱 0與反對稱(4)模式；
[0069] (5)如檢測所得多模骨導波在時域基本分離，則選擇窗寬與各單模骨導波持續時 間相適應的高斯函數進行移動平滑點乘，按到達檢測點時間先后順序準確分離各單模骨導 波聲壓波形P;如檢測所得多模骨導波在時域難以分離，則依據SPWV時間-頻率能量分布，確 定各單模骨導波的中心頻率與帶寬，依次對各單模骨導波進行帶通頻域濾波以分離各單模 骨導波聲壓波形P。
[0070]步驟三:利用各單模骨導波相關信息對入射點骨導波進行重構，其步驟依次如下： [0071] (1)在開放式"發射-氣隙-接收"骨導波遠端檢測裝置中，改變骨導波傳播距離d， 測得的模式為j的骨表單模導波的非線性傳播參數，包括:衰減系數傳播速度^計算公 式如下：
[0074]其中，N為測試次數，djk為在第k個檢測點測得的模式為j的骨表單模導波傳播距 離;V#為在第k個檢測點測得的模式為j的骨表單模導波的峰值強度;tjk為在第k個檢測點 測得的模式為j的骨表單模導波的到達時間。其中到達時間t為骨表單模導波首次幅值超過 5%峰值強度對應的時刻。
[0075] (2)依據檢測點測得模式為j的單模骨導波的聲壓波形W、衰減系數傳播速度 與距離山，重構出入射點i處各單模骨導波聲壓波形Pjl;計算公式如下：
[0076] Pji(t-dj/vj) = (l+ajdj/ Apj(t)) Xpj(t-dj/vj)
[0077] 其中，△ 為單模骨導波聲壓波形W經傳播距離山后的幅值改變。
[0078] (3)依據重構得到的入射點各單模骨導波聲壓波形P#，重構出入射點i處多模骨導 波的聲壓波形PLi
[0080] η表示模式數量。
[0081] 應用舉例
[0082]選擇牛脛骨皮質（厚度2mm，泊松比0.34,楊氏模量19.76GPa)作為入射波激勵對 象，即骨樣本，在接收端獲得骨導波波形。橡膠薄片10固定于同徑環狀凸體4上的環狀凹槽 9,橡膠薄片10的中間有一小孔，使得骨樣本可以穿過，小孔內設置密封固定部件11，具有使 骨樣本與橡膠薄片緊密結合并阻止水箱中的純水進入氣隙2的作用。支撐固定部件6具有支 撐固定骨樣本并使骨樣本兩端保持水平的作用，水箱內壁粘貼的吸聲材料7為吸聲海綿。依 據Snell定律，調整入射角Θ為34°、接收角P為27°以及骨導波傳播距離d為30mm，檢測得到 在時域基本分離的多模骨導波。檢測到的接收端的骨導波時域波形如圖3所示。本發明涉及 算法均在matlab平臺上編程實現，各個模式骨導波SPWV能量分布與其頻散曲線的匹配識別 如圖4所示，可以看出，按時間順序，骨導波模式分別為S0和A1。最終，根據各單模骨導波重 構出入射點骨導波，如圖5所示。從而實現了入射點骨導波的重構提取。
【主權項】
1. 一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 利于基于發射-氣隙-接收模型的裝置將骨導波檢測中的入射波和反射波限制在發 射區； (2) 聯合平滑偽維納時頻分布、Rayleigh-Lamb頻散曲線以及自適應窗寬的高斯函數平 滑方法對單模骨導波進行分離識別； (3) 經過步驟(2)后，利用各單模骨導波的聲壓波形、衰減系數和傳播速度對入射點骨 導波進行重構。2. 根據權利要求1所述一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法，其特征在于:所述基 于發射-氣隙-接收模型的裝置包括兩個之間留有氣隙（2)的水箱，兩個水箱相對側的壁面 上設置有孔，兩孔上覆蓋有橡膠片，兩橡膠片上設置有用于供骨樣本(5)穿入對應側水箱的 孔，該孔內設置有密封固定部件（11);兩個水箱的內壁設置有吸聲材料層;其中一個水箱內 設置有用于發射入射角為Θ、發射頻率為f的入射波的線陣探頭，另一個水箱內設置有接收 角為P的水聽器。3. 根據權利要求2所述一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法，其特征在于:所述氣 隙(2)厚度<3mm。4. 根據權利要求1所述一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法，其特征在于:所述步 驟(2)具體包括以下步驟： (2.1) 調整入射角Θ和接收角P以及骨導波傳播距離d，在骨導波檢測中對混疊的多模骨 導波在時域進行分離； (2.2) 對多模骨導波時域波形進行SPWV時頻分析，得到多模骨導波SPWV時間-頻率能量 分布； (2.3) 依據Rayleigh-Lamb頻散方程，計算測試骨樣本的各單模導波的頻厚積-相速度 頻散曲線； (2.4) 依據測試骨樣本皮質材料信息、入射波頻率f和各單模骨導波的頻厚積-相速度 頻散曲線，計算各單模骨導波的頻厚積-群速度頻散曲線； (2.5) 將頻厚積-群速度頻散曲線進行坐標翻轉變換得到群速度-頻率頻散曲線，將群 速度-頻率頻散曲線與所得的多模骨導波SPWV時間-頻率能量分布一一耦合匹配，從而識別 各單模骨導波的對稱與反對稱模式； (2.6) 若多模骨導波在時域能夠分離，則選擇窗寬與各單模骨導波持續時間相適應的 高斯函數進行移動平滑點乘，按到達檢測點時間先后順序分離各單模骨導波聲壓波形P。5. 根據權利要求4所述一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法，其特征在于:若多模 骨導波在時域難以分離，則依據SPWV時間-頻率能量分布，確定各單模骨導波的中心頻率與 帶寬，依次對各單模骨導波進行帶通頻域濾波以分離各單模骨導波聲壓波形P。6. 根據權利要求1所述一種骨導波檢測與分離、識別及重構方法，其特征在于:所述步 驟(3)具體包括以下步驟： (3.1)改變骨導波傳播距離d，測得以下模式為j的單模骨導波的非線性傳播參數，包 括:衰減系數a j、傳播速度Vj:其中，N為測試次數，djk為在第k個檢測點測得的模式為j的單模骨導波傳播距離;Vjk為 在第k個檢測點測得的模式為j的單模骨導波的峰值強度;tjk為在第k個檢測點測得的模式 為j的單模骨導波的到達時間，其中到達時間t為單模骨導波首次幅值超過5%峰值強度對 應的時刻； (3.2) 依據模式為j的單模骨導波的聲壓波形W、衰減系數傳播速度與骨導波傳播 距離山，重構出入射點i處各單模骨導波聲壓波形PJ1: Pji(t-dj/vj) = (l+ajdj/ Δ pj(t)) Xpj(t-dj/vj) 其中，A W為單模骨導波聲壓波形W經傳播距離山后的幅值改變； (3.3) 依據重構得到的入射點各單模骨導波聲壓波形P#，重構出入射點i處多模骨導波 的聲壓波形PLi。
【文檔編號】A61B8/08GK106063711SQ201610349135
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610349135.8, CN 106063711 A, CN 106063711A, CN 201610349135, CN-A-106063711, CN106063711 A, CN106063711A, CN201610349135, CN201610349135.8
【發明人】萬明習, 王弟亞, 蘇哲, 宗瑜瑾, 鐘徽
【申請人】西安交通大學