CN104758006B - 一种宽带超声衰减测量仪器的系统校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带超声衰减测量仪器的系统校准方法，其特征是由宽带超声衰减测量仪器测得穿过骨密度标准样本的信号的频率特性和穿过骨密度被测样本的信号的频率特性，然后计算获得骨密度被测样本相对于骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数，最后结合骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数，即获得骨密度被测样本的骨组织宽带超声衰减系数。本发明利用超声骨密度标准测量模块进行校准，可以有效避免水、脂肪对测量的影响，减小由于动态范围不一致产生的放大器频率特性误差，简化了放大器电路。

Description

一种宽带超声衰减测量仪器的系统校准方法

技术领域

本发明属于医学超声应用领域，更具体地说是针对现有超声骨密度测量中系统校准存在的问题，提出一种新的系统校准方法，提高超声骨密度测量精度。

背景技术

超声骨密度测量是利用宽带超声衰减(Broadband Ultrasound Attenuation，BUA)这一声学参数在骨媒质传播中的变化来测量骨骼矿物质的密度，进一步判断被检测者的骨质疏松状况。这种方法具有无辐射、费用低等优点。

BUA测量方法并不复杂。通常采用两个超声探头，一个是超声发射探头，一个是超声接收探头。在测量过程中，超声发射探头、测量样品、超声接收探头在空间中排列在一条直线上，超声发射探头发射超声波，超声波穿过被测样品后被超声接收探头接收，对接收信号进行处理后得出BUA参数。

测量需要两个步骤，首先把测量样品拿掉，两个探头直接对接，测量和记录接收信号的频谱，这个过程就是系统校准。然后测量样品放在两个超声探头之间，测量超声波透射信号；对两次接收到的信号采用傅立叶变换等算法进行分析，可以得出BUA。在实际的多样本测量中，常常系统校准只做一次。

但是这种校准方法存在两个缺陷：首先未有效考虑水或脂肪对信号的影响，那么系统校准就不可能抵消人体组织中脂肪对测量的影响；其次由于超声信号几乎没有衰减地进入到测量回路，可能使测量放大器进入饱和状态而不能有效放大信号，造成信号的失真。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种宽带超声衰减测量仪器的系统校准方法，以期能够避免水和脂肪对测量的影响，减小由于动态范围不一致产生的放大器频率特性误差，提高测量精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明宽带超声衰减测量仪器的系统校准方法，其特点是：

首先，由宽带超声衰减测量仪器发射超声并穿过骨密度标准样本，测得穿过骨密度标准样本的信号的频率特性V_s(f)，由宽带超声衰减测量仪器发射超声并穿过骨密度被测样本，测得穿过骨密度被测样本的信号的频率特性V_b(f)；

然后由式(1)计算获得骨密度被测样本相对于骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数BUA_b,s：

式中，f为频率，c_b,s为常数；

最后由式(2)计算获得骨密度被测样本的骨组织宽带超声衰减系数BUA：

BUA＝BUA_b,s+BUA_s,w (2)；

式中，BUA_s,w为骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数。

已有的骨密度被测样本的BUA的测量原理是：以超声发射探头发射的超声信号穿透骨密度被测样本，由超声接收探头接收，获得骨密度被测样本的超声时域信号v_b(t)和频率特性V_b(f)；以超声发射探头发射的超声信号穿透水，由超声接收探头接收，获得水的超声时域信号v_w(t)和频率特性V_w(f)；然后由式(3)、(4)计算获得骨密度被测样本的BUA：

A(f)＝c+BUA×f (4)；

由于V_w(f)实际上由超声信号、超声发射探头和超声接收探头的频率响应以及水对超声信号的吸收等因素决定，因此式(3)的物理意义是把V_b(f)中的超声信号、超声传感器探头及水或脂肪(在超声测量中脂肪的作用近似为水的作用)的影响通过V_w(f)去除，仅留下骨密度被测样本对超声信号的衰减信息。

由式(3)得出的结果实际上是频率f的函数，采用泰勒级数把式(3)展开，仅取一次项，获得下式(4)；式中c为常数。大量实验表明在一定的频率范围内如0.2MHz～1MHz内，A(f)确实可以近似为简单的直线方程，BUA就是其斜率，它反映了骨密度的高低。BUA大，说明骨密度高，反之说明骨密度低。因此，可以通过测量BUA参数来评估一个人的骨密度及骨质疏松的情况。

在实际测量BUA中首先要得到V_w(f)，但为了简化测量系统和测量过程，不可能准备水容器供V_w(f)测量使用，而是测量系统或仪器先把超声发射探头和超声接收探头接触，然后超声发射探头发射超声信号，而接收到的超声信号通过傅里叶变换就得到了V_w(f)。这个过程实际上就是系统的校准过程。它比较简单，但存在一定的不足：由于未考虑水对信号的影响，那么V_w(f)就不可能抵消人体组织中脂肪对测量结果的影响，其次由于超声信号几乎没有衰减地进入到测量回路，可能使测量放大器进入饱和状态而不能有效放大信号，而为了避免放大器进入饱和状态，就必须改变放大器的量程，这就导致系统校准和骨组织测量时放大器的量程相差很大，导致放大器频率特性出现较大的差异。

为了解决这个问题，本发明取骨密度标准样本模块，设V_s(f)为穿过骨密度标准样本的频率特性，对(3)式进行如下处理：

对(5)式的右边两部分分别做泰勒级数展开，得

式(6.1)中的BUA_s,w表示相对于水的骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数，实际上就是骨密度标准样本的BUA，是一个已知的数据，由相关医疗仪器管理组织提供。BUA_b,s表示骨密度被测样本相对于骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数。把式(6.1)和(6.2)带入式(5)，可得

A(f)＝c_s,w+c_b,s+(BUA_b,s+BUA_s,w)×f (7)

比较式(4)和式(7)，可以得到式(2)：

BUA＝BUA_b,s+BUA_s,w (2)

式(2)给出了骨密度宽带超声衰减系数测量的一个新的系统校准方法，其过程如下：首先超声发射探头对骨密度标准样本发射超声信号，超声信号穿过骨密度标准样本媒质后被超声接收探头接收，这样就得出了穿过骨密度标准样本的信号的频率特性V_s(f)；然后就可以测量人体的BUA了，即发射超声信号穿过人体骨组织，得到超声穿过骨密度被测样本的信号的频率特性V_b(f)，采用(6.2)式处理得到BUA_b,s，由于骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数BUA_s,w是已知的，因此就可以按公式(2)进行人体骨密度BUA的测量了。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明方法可以有效克服现有设备系统校准存在的问题：首先由于骨密度标准样本是权威机构定制的，已考虑了人体骨组织复杂的结构，这样就避免了水、脂肪对测量的影响；其次由于骨密度标准样本对透射的超声信号衰减和人体骨组织对超声信号的衰减基本一致，这样信号放大器对骨密度标准样本和骨密度被测样本透射信号放大的动态范围基本一致，有效减小了由于动态范围不一致产生的放大器频率特性误差，简化了放大器电路。

附图说明

图1是本发明的宽带超声衰减测量仪器系统校准及BUA测量流程图。

图2是测量系统框图，测量系统是由超声发射探头、骨密度被测样本和超声接收探头及数据处理部分组成。

具体实施方式

如图1所示，本发明校准骨密度测量系统及测量BUA的步骤如下：

(1)预置骨密度标准样本的BUA_s,w

由于标准样本的BUA_s,w是已知的，因此可以通过输入设备输入骨密度标准样本的BUA_s,w或在系统的中直接存贮BUA_s,w参数。

(2)测量骨密度标准样本的频率特性

如图2所示，采用透射法，超声发射探头、标准样本和超声接收探头依次排列在一条直线上，超声发射探头发射超声脉冲，超声信号在骨密度标准样本中传播，超声接收探头接收穿透骨密度标准样本的超声信号，然后对信号做傅里叶变换，得到穿过骨密度标准样本的信号的频率特性V_s(f)。

这里要说明的是所得穿过骨密度标准样本的信号的频率特性V_s(f)不仅与样本特性有关，而且也和发射的超声信号、超声发射探头、超声接收探头的频率特性等因素有关。

(3)测量骨密度被测样本的频率特性

同测量穿过骨密度标准样本的信号的频率特性一样，将超声发射探头、骨密度被测样本和超声探头依次排列在一条直线上，超声发射探头发射超声脉冲，超声信号在骨密度被测样本中传播，对超声接收探头所接收的超声信号做傅里叶变换，得到穿过骨密度被测样本的信号的频率特性V_b(f)。

(4)计算BUA_b,s

利用式(1)进行处理，获得骨密度被测样本相对于骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数BUA_b,s：

(5)计算骨密度被测样本的BUA：

BUA＝BUA_b,s+BUA_s,w，其中BUA_s,w为骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数。

Claims (1)

1.一种骨组织宽带超声衰减系数BUA测量的校准方法，其特征是：

首先，由宽带超声衰减测量仪器发射超声并穿过骨密度标准样本，测得穿过骨密度标准样本的信号的频率特性V_s(f)，由宽带超声衰减测量仪器发射超声并穿过骨密度被测样本，测得穿过骨密度被测样本的信号的频率特性V_b(f)；

然后由式(1)计算获得骨密度被测样本相对于骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数BUA_b,s：

$20\lg \frac{\left|V_b\left(f\right)\right|}{\left|V_s\left(f\right)\right|}=c_{b,s}+{\mathrm{BUA}}_{b,s}f---\left(1\right);$

式中，f为频率，c_b,s为常数；

最后由式(2)计算获得骨密度被测样本的骨组织宽带超声衰减系数BUA：

BUA＝BUA_b,s+BUA_s,w (2)；

式中，BUA_s,w为骨密度标准样本的骨组织宽带超声衰减系数。