CN101874744A - 用于长骨分析的超声导波参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于长骨分析的超声导波参数测量方法，属于超声导波信号测量领域。其步骤为：使用信号发生器产生一个超声频率的激励信号，并经过功率放大器放大，再利用一个换能器作为发射换能器，在长骨中激发出超声导波，另外一个换能器作为接收换能器，接收超声信号，然后对信号进行加窗平滑处理，并利用二维傅里叶变换处理信号得到导波的色散图谱，再对色散图谱加窗进行模式分解，得到多个纵振波模式的色散谱图，对其做逆二维傅里叶逆变换，并进行加窗抑制泄露，最后可计算得到各个纵振波模式的速度以及能量值。本发明提出了一种新的超声导波信号分析方法，得到了纵振波模式能量这一新的定量化的参数，可以用于更好地反映骨材料和骨结构的信息。
Description
技术领域
本发明涉及超声导波信号的处理和测量方法，更具体的说是用于长骨分析的超声导波参数测量方法。
背景技术
近年来，利用定量超声的轴向传播技术来分析长骨的状况已经取得了较大的进展。与传统的测量方法相比，超声方法具有费用低、无电离辐射、简便快捷、便携等优点。
目前，在国内外市场上有关长骨分析的超声测量仪器主要有:以色列的Soundscan2000，Omnisense7000，德国的DWL，日本的CM-200，以及国产的北京中西M192429等。所有这些产品的功能和原理都是相似的，即测量骨中的超声传播速度,但采用的超声参数却各有不同，例如Soundscan2000采用250千赫兹（KHz）的低频超声发射，而Omnisense7000则采用1.25兆赫兹（MHz）的相对高频。对于长骨中的超声传播速度，此类仪器基本都利用第一到达信号（FAS）进行测量。Camus等人对轴向传播技术的研究结果表明（JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,2000;108:3058-3065），在一定的条件下，FAS对应于沿骨表面以体波速度传播的侧波；然而，实验研究表明，当超声波长大于长骨皮质厚度时，FAS的速度小于纵波速度；此外，当长骨的皮质层厚度发生变化时，FAS的速度也会发生变化。
总体而言，利用FAS来测量长骨中的超声传播速度具有以下缺点：①其对皮质骨厚度不敏感。②FAS不能反映整个皮质骨厚度内骨的特性。FAS主要反映的是骨外膜板区域的材料特性。③FAS信号的幅度较小，并且在传播距离上衰减较大。因此对其测量可能引起较大的误差。
由于人类长骨具有类似管状的结构，其中可以传播超声导波。在管中，由于内外边界的限制，导致超声导波的能量主要沿轴向传播，同时纵波和横波在界面间不断地反射，并发生纵波和横波之间的模式转换。在传播的过程中，由于波形的叠加，形成波包，通常被称为导波模式。管中一般同时存在多种导波模式。这些导波模式可以分为三类，纵振波模式L(0,m)(m=1,2,3…)，扭曲波模式T(0,m)(m=1,2,3…)和弯曲波模式F(n,m)(n,m=1,2,3…)。其中，纵振波和扭曲波是轴对称的，弯曲波是非轴对称的。与基于FAS的单一参量测量相比，导波检测是一种多参量的测量，具有更强的鲁棒性和抗干扰能力，因而能够保证测量结果的准确性和可信度。此外，多模式导波的传播速度能够反映整个长骨厚度方向的材料性质变化，而不仅仅是FAS所能反映的骨外膜区域结构的变化，因此能够更全面地反映长骨的材料和结构特性。 在人体长骨检测研究中，对超声导波的报导始于2002年。大多数研究者将其与板结构中的Lamb波进行对应以实现信号分析的简化。Nicholson等人（PhysiologicalMeasurement,2002;23:755-768）用Lamb波理论模拟研究了骨中的导波，在实验上观察到了FAS和随后的类似于Lamb波的基本反对称模式A0的导波。该导波模式的速度对于不同状况的长骨有明显的不同，而FAS测量则无法对此进行区别。
中国专利CN100401986C公开了一种基于Lamb波模式的用于骨骼评价的方法和装置。主要测量骨中超声的一个或多个导波模式的速度。但该方法也存在这样的缺点：（1）该方法基于Lamb波模式测量，而其实导波模式更接近于实际情况；（2）事实上该方法最多只使用了两个模式的信息。
他得安等人在利用管状模型理论研究中(Ultrasonics,2006;44:e279–e284)，并在实验上证明了：在500KHz附近，纵振波模式L(0,2)和L(0,3)模式对骨厚度的变化很敏感，同时指出短时快速傅里叶变换是一种有效地区分导波模式的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供用于长骨分析的超声导波信号分析方法，通过对骨中传播的多个纵振波进行模式分解，能够得到纵振波模式能量这一新的定量化的参数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
用于长骨分析的超声导波参数测量方法，主要包括以下步骤：
信号发生器产生一个超声频率的激励信号，并利用功率放大器放大；
使用一个换能器作为发射换能器，在长骨中激发出超声导波；
使用一个换能器作为接收换能器，接收超声信号，并在空间和时间域上都等间隔采样；
先对信号加窗函数进行平滑处理，再利用二维傅里叶变换处理信号，得到导波的色散图谱；
对导波的色散图谱加汉宁窗函数进行模式分解，得到多个单独的纵振波模式的色散谱图；
对各个纵振波模式做逆二维傅里叶逆变换，并加窗函数进行处理；
计算各个纵振波模式的速度以及能量值。
其中，激励信号采用超声频率的宽带脉冲信号，常用频率范围为几百KHz至2MHz。二维傅里叶变换可以用来定量地研究导波的色散特性，它可以将在空间离散点上测量到的时域多模式信号转化成在波数为离散点的频域信号，能够测量导波信号的幅度和速度信息。在正常情况下，信号不可能在时域和空间域都是周期的，而且在两个域上都是有限长的，因而都会产生频谱泄露，所以利用窗函数对得到的结果进行平滑以减小泄露的影响。
本发明中，换能器采用接触式超声换能器。利用单个换能器沿轴向等间隔移动接收超声信号。接收到的信号为一系列不同空间点的时域信号，组成了一个信号矩阵。接收信号需在时间和空间上均满足最低采样率要求：时域采样频率必须大于或等于最高频率分量的两倍，而空间采样间隔则必须小于或等于最小波长的一半。信号频率一般在2MHz以下，时域采样频率即要大于4MHz。根据所用信号频率不同，最小波长一般在1mm-5mm，空间采样间隔小于此值的一半即可。
本发明基于二维傅里叶变换的结果，提供了一种模式的分解方法。对二维傅里叶变换谱图应用一个频率—波数域上的汉宁窗函数如下：
，
其中f是频率，k是波矢，f b 是窗的宽度，f m 是窗的中心频率。对于所需要提取的模式，在每一个波数值上，以理论计算的色散曲线上该波数值对应的频率点为中心乘以这样一个窗函数，当该窗的宽度合适时，所得到的谱图就表征了所需要的模式，同时抑制了其它不需要的模式。
相比于其他导波检测方法，本发明提供了用于长骨分析的超声导波参数测量方法，这是一种新的超声导波信号分析方法，提出了纵振波模式的能量这一新的定量化的参数。与已有的骨超声评价方法采用的参数相比，本发明得到的多个纵振波模式的参数，由于其对骨厚度的变化很敏感，因此能够更好地反映骨材料和骨结构的信息，可以用于提高测量结果的准确性和可信度。
附图说明
图1为本发明用于长骨分析的超声导波参数测量方法的步骤示意图。
具体实施方式
实施例1
由信号发生器Agilent33250A产生500KHz的宽带脉冲信号，经功率放大器，作为一个接触式换能器的激励信号。该换能器与人体胫骨模型接触，在胫骨中产生导波信号。另一接触式换能器，作为接收换能器，由步进电机控制，在距发射换能器1厘米至8厘米的轴向上，连续进行间隔0.8毫米的等间隔采样，采样频率为10兆赫兹，每个信号的采样时长为100微秒。接收换能器的信号输出到数字示波器Agilent54830B，采样由计算机上的Labview程序控制GPIB数据采集卡(连接到示波器)实现。采样共得到101个空间点的信号，每个信号有1001点。先用时域上的汉宁窗函数
（W为窗函数的宽度）对这一组信号平滑处理，再对其进行二维傅里叶变换，可得到二维频率-波数谱图。该二维谱图反映的就是导波的色散曲线，每条曲线代表一个导波模式。对图谱中的前5个纵振波模式L(0,1)-L(0,5)应用频率—波数域上的汉宁窗函数实施模式分解：
，其中f b 是窗的宽度，f m 是窗的中心频率，即在每一个波数值上，以色散曲线上该波数值对应的频率点为中心乘以这样一个具有适合宽度的窗函数，就得到了表征模式L(0,1)-L(0,5)的谱图。再做逆二维傅里叶变换，可得到这5个模式在各采样点的时域信号。对这些时域信号再进行加时域上的汉宁窗函数
处理，以抑制信号泄露现象。最后，对这些时域信号基于各模式在各点间传播的时间，即可得到它们的传播速度和能量值。如从采样点A到采样点B之间的距离为LAB，某模式信号传播的时间为TAB，则该模式的速度为。任取该模式在某点处的时域信号，利用公式
求其在该处的能量值E。其中，t0和t1分别为时域信号的起始和结束时刻，S(t)为信号的幅度函数。
实施例2
由信号发生器Agilent33250A产生1MHz的宽带脉冲信号，经功率放大器，作为一个接触式换能器的激励信号。该换能器与人体胫骨模型接触，在胫骨中产生导波信号。另一接触式换能器，作为接收换能器，由步进电机控制，在距发射换能器1厘米至8厘米的轴向上，连续进行间隔0.4毫米的等间隔采样，采样频率为10兆赫兹，每个信号的采样时长为100微秒。接收换能器的信号输出到数字示波器Agilent54830B，采样由计算机上的Labview程序控制GPIB数据采集卡(连接到示波器)实现。采样共得到176个空间点的信号，每个信号有1001点。先用时域上的汉宁窗函数
（W为窗函数的宽度）对这一组信号平滑处理，再对其进行二维傅里叶变换，可得到导波的色散图谱。对图谱中的前8个纵振波模式L(0,1)-L(0,8)应用频率—波数域上的汉宁窗函数实施模式分解：
，其中f b 是窗的宽度，f m 是窗的中心频率，即在每一个波数值上，以色散曲线上该波数值对应的频率点为中心乘以这样一个具有适合宽度的窗函数，就得到了表征模式L(0,1)-L(0,8)的谱图。再做逆二维傅里叶变换，可得到这8个模式在各采样点的时域信号。对这些时域信号再进行加时域上的汉宁窗函数
处理，以抑制信号泄露现象。最后，由这些时域信号可直接计算得到测量点处各模式的传播速度和能量值。如从采样点A到采样点B之间的距离为LAB，某模式信号传播的时间为TAB，则该模式的速度为
。任取该模式在某点处的时域信号，利用公式
求其在该处的能量值E。其中，t0和t1分别为时域信号的起始和结束时刻，S(t)为信号的幅度函数。
Claims (4)
1.一种用于长骨分析的超声导波参数测量方法，其包括以下步骤：
信号发生器产生一个超声频率的激励信号，并利用功率放大器放大；
使用一个换能器作为发射换能器，在长骨中激发出超声导波；
使用一个换能器作为接收换能器，接收超声信号，并在空间和时间域上都等间隔采样；
先对信号加窗函数进行平滑处理，再利用二维傅里叶变换处理信号，得到导波的色散图谱；
对导波的色散图谱加汉宁窗函数进行模式分解，得到多个单独的纵振波模式的色散谱图；
对各个纵振波模式做逆二维傅里叶逆变换，并加窗函数进行处理；
计算各个纵振波模式的速度以及能量值。
2.根据权利要求1所述的用于长骨分析的超声导波参数测量方法，其特征在于：换能器采用接触式超声换能器。
3.根据权利要求2所述的用于长骨分析的超声导波参数测量方法，其特征在于：接收信号在时间和空间上均满足最低采样率要求，即时域采样频率必须大于或等于最高频率分量的两倍，而空间采样间隔则必须小于或等于最小波长的一半。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的用于长骨分析的超声导波参数测量方法，其特征在于：模式分解中应用的频率-波数域上的汉宁窗函数如下：
f是频率，k是波矢，f b 是窗的宽度，f m 是窗的中心频率。
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103143126A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-06-12 | 南京大学 | 生物组织非线性hifu声场确定的方法 |
| CN106063711A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-11-02 | 西安交通大学 | 一种骨导波检测与分离、识别及重构方法 |
| WO2017020531A1 (zh) * | 2015-08-03 | 2017-02-09 | 长庚大学 | 超声波能量显示设备 |
| CN106908451A (zh) * | 2017-03-05 | 2017-06-30 | 北京工业大学 | 基于激光Lamb波频率‑波数分析的金属板缺陷定位方法 |
| CN106934234A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-07-07 | 南京大学 | 一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法 |
| CN109009225A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-12-18 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 骨骼检测方法、装置及骨密度仪 |
| CN110455930A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-15 | 南京航空航天大学 | 一种超声导波绝对波数曲线快速测量方法 |
| CN111380957A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-07-07 | 大连理工大学 | 一种基于频率-波数域滤波的超声导波检测方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1596084A (zh) * | 2001-11-30 | 2005-03-16 | 彼得罗·莫伊拉宁 | 用于骨骼非侵害性评价的方法和装置 |
| CN101782555A (zh) * | 2010-01-15 | 2010-07-21 | 北京工业大学 | 基于时间延迟的导波信号分析方法 |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1596084A (zh) * | 2001-11-30 | 2005-03-16 | 彼得罗·莫伊拉宁 | 用于骨骼非侵害性评价的方法和装置 |
| CN101782555A (zh) * | 2010-01-15 | 2010-07-21 | 北京工业大学 | 基于时间延迟的导波信号分析方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《声学技术》 20081031 许凯亮等 超声导波在长骨裂纹处的反射与透射数值仿真 224－225 1－4 第27卷, 第5期 2 * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103143126A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-06-12 | 南京大学 | 生物组织非线性hifu声场确定的方法 |
| CN103143126B (zh) * | 2013-04-03 | 2015-11-18 | 南京大学 | 生物组织非线性hifu声场确定的方法 |
| WO2017020531A1 (zh) * | 2015-08-03 | 2017-02-09 | 长庚大学 | 超声波能量显示设备 |
| CN106063711A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-11-02 | 西安交通大学 | 一种骨导波检测与分离、识别及重构方法 |
| CN106063711B (zh) * | 2016-05-24 | 2018-10-30 | 西安交通大学 | 一种骨导波检测与分离、识别及重构方法 |
| CN106908451A (zh) * | 2017-03-05 | 2017-06-30 | 北京工业大学 | 基于激光Lamb波频率‑波数分析的金属板缺陷定位方法 |
| CN106908451B (zh) * | 2017-03-05 | 2019-06-28 | 北京工业大学 | 基于激光Lamb波频率-波数分析的金属板缺陷定位方法 |
| CN106934234A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-07-07 | 南京大学 | 一种构造弯曲驻波操控粒子沿弯曲轨迹运动的方法 |
| CN109009225A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-12-18 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 骨骼检测方法、装置及骨密度仪 |
| CN110455930A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-15 | 南京航空航天大学 | 一种超声导波绝对波数曲线快速测量方法 |
| CN111380957A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-07-07 | 大连理工大学 | 一种基于频率-波数域滤波的超声导波检测方法 |
| CN111380957B (zh) * | 2020-03-11 | 2021-02-19 | 大连理工大学 | 一种基于频率-波数域滤波的超声导波检测方法 |
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