CN110664434A - 一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，涉及人机接口领域。本发明提出了解决非线性声参量在体测量的总体方案，通过基波幅值求解反射倾角，从而修正倾斜反射对非线性声参量计算的影响；通过探头设计等效曲面反射和倾斜反射对声波幅值的影响，从而利用上个子方案消除曲面反射的影响；利用积分方法，弱化平面或者曲面上非光滑平面的影响；通过模板匹配，利用结构噪声与有用信号的反向，消除结构噪声。本发明率先提出非线性声参量在体测量的方法，系统地解决非线性声参量在体测量中的倾斜反射、非平面反射和噪声问题。

Description

一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术

技术领域

本发明涉及人机接口领域，尤其涉及一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术。

背景技术

人体组织具有声学非线性特征，该特征可通过非线性声参量(B/A)量化。由于正常和病变组织有着不同的非线性声参量，基于非线性声参量B/A的成像曾被当作是一种诊断组织是否病变的工具。有研究表明，单晶铜的非线性声参量B/A值随着残余应力发生变化，变化范围从20到120；根据肌丝滑行理论，骨骼肌在收缩过程中的微观结构产生变化；骨骼肌的弹性随着肌肉的收缩变大，而弹性是系统熵值的一种表征。因此，根据非线性声参量B/A的定义，非线性声参量B/A会随着肌肉的收缩状态产生变化，并可以建立非线性声参量B/A与肌肉收缩状态之间的关系模型，该模型能够应用于人机接口中，即可以用于分析骨骼肌的健康状态，又可以用于对人体运动进行解码。

目前主要有两种手段测量非线性声参量B/A：热力学方法和有限振幅法。前者能够获得相当高的准确率，但不适用于在体测量。根据所发射超声和测量原理不同，有限振幅法可再被分为三种：单频、双频和泵浦波相移法。第一种的测量原理是，探头发射特定幅值单个频率的超声信号，通过测量二次谐波的幅值来计算非线性声参量B/A；第二种的测量原理是，发射两个频率相近的超声，通过测量两种超声的合频和差频超声计算非线性声参量B/A；第三种的测量原理是，发射泵浦波和与该波垂直的另一个声波，通过测量泵浦波的相移计算非线性声参量B/A。虽然第三种比前两个具有更高的精度，但由于其不能被通用的超声设备实现，因而不适用于在体测量。此外，第一种有限振幅法需要最少的超声激励源，即所需的设备最简单。第一种有限振幅法可以通过双频探头和具有双晶工作模式的A超设备实现，目前市场上已经有诸多此类设备的便携化产品；该方法能够从一个回波反射超声信号中获取非线性声参量B/A，并可以和组织的形态学信息同步获取。

目前几乎没有研究或者发明使用第一种有限振幅法进行非线性声参量B/A的在体测量，而是将组织取到体外进行测量。在以往的文献中，生物组织的非线性声参量测量在离体环境下进行，如在水中，利用有限振幅法，使用一个探头发射的声波穿过组织，另一个探头接受，或者通过金属板垂直反射，使用一个探头发射和接受。在在体测量中，人体骨骼，如肱骨的表面绝非一个平面，其会对反射信号的幅值产生显著的影响，现没有技术方案能够将其进行量化。

因此，本领域的技术人员致力于开发面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，对第一种有限振幅法进行改善，包括对非平面反射影响的量化和对该影响的消除，实现非线性声参量B/A的在体测量，及其在人机接口中的应用。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在体测量中的非平面反射问题和结构噪声问题，实现骨骼肌非线性声参量B/A的在体测量。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，包括以下步骤：

步骤1、使用基频信号激励探头，产生基波；

步骤2、所述基波在传递过程中产生二次谐波；

步骤3、所述基波与所述二次谐波被肌骨组织界面反射，由所述探头再次接受；

步骤4、使用与倾斜反射进行等效方法及基于基波幅值的修正方法，分别消除曲面反射及倾斜反射的影响；

步骤5、使用模板匹配方法，消除结构噪声；

步骤6、使用积分方法，弱化非光滑面反射的影响；

步骤7、使用所述基于基波幅值的修正方法，消除倾斜反射对非线性声参量计算的影响；

步骤8、计算所述非线性声参量。

进一步地，所述步骤4的所述基于基波幅值的修正方法包括以下步骤：

步骤4.1、根据参照模型的计算方法，计算在不同倾斜角度下的所述基波及所述二次谐波声压p′_1,2在所述探头表面上的声压分布；

步骤4.2、分别计算在不同反射角度θ和距离d下，所述探头所接受到的所述基波和所述二次谐波幅值，以非线性系数β为10，建立所述二次谐波与所述基波的参照模型；

步骤4.3、通过所述基波获取所述探头的偏转角度，再进一步根据所述二次谐波幅值求得所述非线性声参量。

进一步地，所述步骤4.3包括以下步骤：

步骤4.3.1、根据飞跃时间计算并获得所述距离d；

步骤4.3.2、根据接受到的所述基波声压幅值|p_1r|，查找所述基波的参照模型，获得所述偏转角度θ；

步骤4.3.3、根据接受到的所述二次谐波声压幅值|p_2r|，根据下式

计算所述非线性声参量。

进一步地，所述参照模型的计算方法包括角谱衍射理论，KZK方程声场计算理论。

进一步地，所述参照模型可以根据应用场景进行预计算，建立相应的矩阵或模型，在使用过程中进行搜索查找。

进一步地，所述步骤4的所述与倾斜反射进行等效方法包括对所述探头结构设计、所述探头参数设计。

进一步地，所述探头结构设计包括对所述探头内外环尺寸设计。

进一步地，所述步骤6的所述积分方法通过下式

表征信号的幅值。

进一步地，所述步骤5的所述模板匹配方法包括以下步骤：

步骤5.1、确定模板信号匹配参数的选择范围；

步骤5.2、设定两个所述模板信号在时间轴上的位置；

步骤5.3、设定两个所述模板信号的相位标记；

步骤5.4、设定两个所述模板信号的幅值；

步骤5.5、将两个所述模板信号进行叠加；

步骤5.6、计算叠加信号和所接受到的原信号之间的相关性；

步骤5.7、遍历范围内所有的参数，选择最大相关性所对应的参数组合，所述参数组合为最佳的匹配结果。

进一步地，所述探头包括一维超声探头。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

本发明率先提出面向骨骼肌的非线性声参量在体测量的方法，系统地解决非线性声参量在体测量中的倾斜反射、非平面反射和噪声问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的总体方案及方案分解示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的倾斜反射示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的计算得到的基波在探头表面的声压分布；

图4是本发明的一个较佳实施例的计算得到的二次谐波在探头表面的声压分布；

图5是本发明的一个较佳实施例的基波与二次谐波幅值参照模型中接收到的基波幅值；

图6是本发明的一个较佳实施例的基波与二次谐波幅值参照模型中接收到的二次谐波幅值；

图7是本发明的一个较佳实施例的等效曲面反射和探头倾斜的探头设计结果；

图8是本发明的一个较佳实施例的在体测量过程中的二次谐波信号；

图9是本发明的一个较佳实施例的模板匹配方法示意图；

图10是本发明的一个较佳实施例的模板匹配方法的信号模板；

图11是本发明的一个较佳实施例的模板匹配方法的原始信号和组合后的匹配信号；

图12是本发明的一个较佳实施例的模板匹配方法的原始信号和匹配后的第一个模板信号；

图13是本发明的一个较佳实施例的模板匹配方法的原始信号和匹配后的第二个模板信号。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的尺寸。

本发明所提出的骨骼肌的非线性声参量在体测量技术按照如图1所示的方法步骤进行。通过使用基频信号激励超声探头，产生基波1。由于声学非线性，基波在传递过程中产生二次谐波2。基波与二次谐波都会被组织界面，如肌骨界面反射，并由探头再次接受3。为解决B/A在体测量中的问题，本发明将其分为倾斜反射4、非平面反射5和结构噪声6问题，其中非平面反射问题5又再分为曲面反射7和非光滑平面的反射8，该四个问题通过四个子方案分别解决：基于角谱衍射理论的倾斜反射修正9；面向曲面反射的等效化探头设计10；面向非光滑反射面的积分方法11；基于模板匹配方法的结构噪声消除12。通过上述方法，可以有效降低甚至消除在体测量因素对B/A计算结果的影响，从而实现该参量的在体测量13。本发明的主要贡献是上述的在体测量因素的解决方案，本发明将以同轴双频A型超声测量肱二头肌为例，描述各个发明子方案。

1.基于基波参数的倾斜反射修正

首先假设肌骨界面为一个平面，在在体测量过程中，无法保证探头轴线与肌骨界面23一直保持垂直，其轴线和界面法线不可避免地存在着一定的夹角θ，即倾斜反射。如图2所示，所使用的A型超声探头包括发射(外环)振元21和接受(内圆)振元22，倾斜反射将使得声束的中心偏离接受振元的中心，从而造成所接受声压幅值的降低，进而导致所测得的B/A低于其实际值。

可根据角谱衍射理论，计算在不同倾斜角度下的基波及其二次谐波声压p′_1,2的在探头表面上的声压分布。当反射面距离探头表面35mm，倾斜角度θ为2度，发射声压为150kPa，非线性系数β设置为10时(β＝1+B/2A)，图3是计算得到的基波在探头表面的声压分布，图4是计算得到的二次谐波在探头表面的声压分布。坐标系的原点为探头表面的中心，可以看到声束的中心偏离了探头的中心。由于探头的接收振元是将声压在其上的累积转化为电信号，而非感知其声压分布，探头感知的声压由下式计算：

p_1,2(2d)＝∫∫p′_1,2(x′,y′,2d)dx′dy′,x′²+y′²≤r²

其中r为探头的接受振元的半径。进一步的，分别计算在不同反射角度θ和距离d下，图5是基波与二次谐波幅值参照模型中探头所接收到的基波幅值，图6是基波与二次谐波幅值参照模型中探头所接收到的二次谐波幅值。以β＝10，建立二次谐波与基波幅值的参照模型。

在一定非线性范围内，基波幅值几乎不受非线性声参量大小的影响，因而可以通过基波获取探头的偏转角度θ，再进一步根据二次谐波幅值求得非线性声参量，求解步骤如下：

1.1可以根据飞跃时间(time of flight)计算并获得距离d；

1.2根据接受到的基波声压幅值|p_1r|，查找基波的参照模型，获得偏转角度θ；

1.3根据接受到的二次谐波声压幅值|p_2r|，根据下式计算非线性声参量。

需要说明的是，角谱衍射理论中的二次谐波幅值与β呈正比关系，而在上式中，β再次作为乘积因子，参考模型的值作为分母，因此β值的选择最终不会影响到B/A值的计算结果。

通过此技术方案，可以获得倾斜角度对测量的影响，并可通过参照模型实现对其的修正。参照模型可以根据应用场景进行预计算，建立相应的矩阵，在使用过程中只需要进行搜索查找，在信号处理中耗时短。

2.面向曲面反射的等效化探头设计

曲面反射会引起声场的聚焦或者散焦，而骨骼多为圆柱形，即其表面所产生的凸面反射将会使得声场的强度相对降低。在难以得到曲面的曲率时，如A超无法获得图像信息，本发明将通过设计A超的内外环尺寸，得到如图7的曲线。图中的横轴和纵轴分别为曲面反射和倾斜反射下，探头所接受到基波和二次谐波的声压，根据探头设计，使得曲面反射曲线31和倾斜反射曲线32两条曲线接近甚至重合，从而将曲面反射问题近似等效为倾斜反射，进而弱化曲面反射的影响。

3.面向非光滑面的积分方法

在实际测量过程中，反射界面并非是平面或者圆柱面，如骨骼表面上有着凹槽、凸起或其他曲率的部分。在假设骨骼表面为平面或圆柱面时，需要降低骨骼表面上非平面或非圆柱面等非光滑面的影响。本发明提出通过积分的方法进行实现。声波中的基频和谐波分量可以通过滤波获取，探头所发射信号中的基波与谐波信号的包络可以由抛物线近似，抛物线等式如下所示：

y＝-(mx)²+a²

其中a²表征信号包络的峰值，及信号的幅值，m是与信号时间长度相关的参数，在本近似中，m被当作只与探头特性和激励信号相关的参数，当声波被光滑平面反射时，可以由a和m确定一个回波信号在时间轴上的长度，为2a/m。

当反射面不光滑时，即反射表面上有凹槽等结构时，声波将在反射面上的不同位置进行反射，反射后的声波和发射声波也将在幅值和长度上产生畸变。图8为载体测量过程中一个二次谐波信号，可见该信号已经产生了畸变，通过其包络的最大值计算其峰值不再合理。因此，本发明提出了如下式所示的积分方法，无论声波是由多少子波的合成，都可以通过该积分表征信号的幅值。

4.基于模板匹配方法的结构噪声消除

人体骨骼，如肱骨，并非是实心均质的，其由骨板等结构构成，两层骨板间由体液填充。超声波除在骨骼外表面上被反射外，还会由骨骼内部的结构反射，后者在本发明中被称为结构噪声。结构噪声会与前者产生叠加，会导致信号中的基波与二次谐波分量产生的变化，而引起计算误差，因此需要对该噪声进行消除。

超声信号在线性均匀介质传递过程中保持波形不变，平面反射引起波形的幅值变化(反射系数)和相位翻转的与否(相邻介质声阻抗的差异)。当声波在非线性均匀介质中传播时，波形将会由于介质的非线性产生畸变，波形畸变的程度和非线性声参量的大小、基波幅值和传递距离等有关，当控制基波幅值在一定范围内时，保证|p_1r|>>|p_2r|，则传递声波波形的无明显变化。因此，将所使用探头的发射信号做为声波的模板，如图9所示，将用于后续的分析中。

因为本发明所述的结构噪声和有用声波的频率相同，所以在频域上进行滤波的方法无法解决问题。本发明提出模板匹配的方法对该噪声进行消除，以两个信号的叠加为例，阐述模板匹配方法和噪声消除的方法。

本方案的所提出的匹配方法如图10所示，首先确定模板信号匹配参数的选择范围14；选择两个模板信号在时间轴上的位置15、设定两个模板信号的相位16和设定两个模板信号的幅值17；选择两个模板信号在时间轴上的位置15、设定两个模板信号的相位16和设定两个模板信号的幅值17无先后顺序；将两个模板信号进行叠加18；计算叠加信号和所接受到的原信号之间的相关性19，相关性计算方法包括但不限于互相关；当遍历范围内所有的参数后，选择最大相关性所对应的参数组合20，该参数组合即为最佳的匹配结果。

图11为原始信号4和组合后的匹配信号40；图12为原始信号4和第一个匹配信号41；图13为原始信号4和第二个匹配信号42。因为体液、肌肉等软组织的声阻抗低于骨骼的声阻抗，声波从波疏传递到波密介质反射时将产生半波损失，而从骨骼到体液传递时没有半波损失，因此匹配信号41和匹配信号42的相位相反。即从骨骼表面反射(包括非光滑反射)的信号同向，而与结构噪声反向，且结构噪声在时间轴上迟于有用信号(骨骼结构所致)。因此匹配信号42是结构噪声，可予以消除，使用剩余信号进行相关计算。

本发明提出了解决非线性声参量在体测量的总体方案，并通过四个子方案分别解决对应的问题：利用基波与二次谐波幅值共同受一些参数(如反射倾角)的影响，而后者又与非线性声参量呈线性关系，本发明通过基波幅值求解反射倾角，从而修正倾斜反射对非线性声参量计算的影响；通过探头设计等效曲面反射和倾斜反射对声波幅值的影响，从而利用上个子方案消除曲面反射的影响；利用积分方法，弱化平面或者曲面上非光滑平面的影响；通过模板匹配，利用结构噪声与有用信号的反向，消除结构噪声。

本发明率先将非线性声参量在体测量的问题拆分为四个子问题：倾斜反射、曲面反射、非光滑面反射和结构噪声，并通过四个子方案依次解决。

子方案一将理论计算与应用情景相结合，创造性地通过基波的相关参数求解倾角，并再修正倾角对二次谐波影响。参照模型的计算方法不限于角谱衍射理论，还包括KZK方程等常用声场计算理论。

子方案二的核心思路是将曲面反射和倾斜反射进行等效。等效方法不限于对所使用探头的结构或参数设计。

子方案三将非光滑平面的反射通过所提出的积分方法进行弱化。

子方案四利用信号在不同界面上的相位关系，消除结构噪声。

本发明是基于A超(一维超声)来描述所提技术方案，但所提方法不限于A超(一维超声)。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。该发明是基于发明人对非线性声参量在体测量应用场景的实验分析所提出的，将在体测量中的误差问题创新性地分解为四个子问题，通过探头设计、数学工具和应用场景的有效结合，提出四个方案解决对应的问题。该发明的提出兼顾理论深度和实践，具有一定的创造性。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、使用基频信号激励探头，产生基波；

步骤2、所述基波在传递过程中产生二次谐波；

步骤3、所述基波与所述二次谐波被肌骨组织界面反射，由所述探头再次接受；

步骤4、使用与倾斜反射进行等效方法及基于基波幅值的修正方法，分别消除曲面反射及倾斜反射的影响；

步骤5、使用模板匹配方法，消除结构噪声；

步骤6、使用积分方法，弱化非光滑面反射的影响；

步骤7、使用所述基于基波幅值的修正方法，消除倾斜反射对非线性声参量计算的影响；

步骤8、计算所述非线性声参量。

2.如权利要求1所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述步骤4的所述基于基波幅值的修正方法包括以下步骤：

步骤4.1、根据参照模型的计算方法，计算在不同倾斜角度下的所述基波及所述二次谐波声压p′_1,2在所述探头表面上的声压分布；

步骤4.2、分别计算在不同反射角度θ和距离d下，所述探头所接受到的所述基波和所述二次谐波幅值，以非线性系数β为10，建立所述二次谐波与所述基波的参照模型；

步骤4.3、通过所述基波获取所述探头的偏转角度，再进一步根据所述二次谐波幅值求得所述非线性声参量。

3.如权利要求2所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述步骤4.3包括以下步骤：

步骤4.3.1、根据飞跃时间计算并获得所述距离d；

步骤4.3.2、根据接受到的所述基波声压幅值|p_1r|，查找所述基波的参照模型，获得所述偏转角度θ；

步骤4.3.3、根据接受到的所述二次谐波声压幅值|p_2r|，根据下式

计算所述非线性声参量。

4.如权利要求2所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述参照模型的计算方法包括角谱衍射理论，KZK方程声场计算理论。

5.如权利要求2或3所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述参照模型可以根据应用场景进行预计算，建立相应的矩阵或模型，在使用过程中进行搜索查找。

6.如权利要求1所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述步骤4的所述与倾斜反射进行等效方法包括对所述探头结构设计、所述探头参数设计。

7.如权利要求6所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述探头结构设计包括对所述探头内外环尺寸设计。

8.如权利要求1所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述步骤6的所述积分方法通过下式

表征信号的幅值。

9.如权利要求1所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述步骤5的所述模板匹配方法包括以下步骤：

步骤5.1、确定模板信号匹配参数的选择范围；

步骤5.2、设定两个所述模板信号在时间轴上的位置；

步骤5.3、设定两个所述模板信号的相位标记；

步骤5.4、设定两个所述模板信号的幅值；

步骤5.5、将两个所述模板信号进行叠加；

步骤5.6、计算叠加信号和所接受到的原信号之间的相关性；

步骤5.7、遍历范围内所有的参数，选择最大相关性所对应的参数组合，所述参数组合为最佳的匹配结果。

10.如权利要求1所述的一种面向骨骼肌的非线性声参量在体测量技术，其特征在于，所述探头包括一维超声探头。

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