一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法
【專利摘要】一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法，屬于信號處理和肝臟衰減系數(shù)技術(shù)領(lǐng)域。測量不同程度脂肪肝患者肝臟脂肪含量，并掃描采集不同頻率f1、f2下的超聲回波信號，利用希爾伯特變換對超聲回波信號進(jìn)行檢波，再利用短時(shí)傅里葉變換對檢波信號進(jìn)行時(shí)頻分析，計(jì)算每個(gè)采樣時(shí)刻不同頻率對應(yīng)幅值的平均值，對各個(gè)采樣點(diǎn)的平均值進(jìn)行對數(shù)變換，然后兩組數(shù)據(jù)對應(yīng)點(diǎn)做差，對連續(xù)的50個(gè)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合求直線斜率，最終求得對應(yīng)點(diǎn)的衰減系數(shù)，可用于對肝臟組織進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的衰減系數(shù)計(jì)算，最后，通過肝臟脂肪含量和肝臟超聲衰減系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，建立模型，通過計(jì)算肝臟的超聲衰減系數(shù)推測肝臟脂肪含量，實(shí)現(xiàn)對肝臟脂肪含量的無創(chuàng)測量。
【專利說明】
一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理和肝臟衰減系數(shù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型肝臟組織超聲 衰減系數(shù)的計(jì)算方法，是基于對不同頻率fl、f2(超聲探頭中心頻率)下采集的超聲回波信 號處理來消除超聲系統(tǒng)本身對計(jì)算結(jié)果影響并進(jìn)行肝臟脂肪定量測量研究的關(guān)鍵技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 脂肪肝是由于各種原因引起的肝細(xì)胞內(nèi)脂肪堆積過多的病變，是僅次于病毒性肝 炎的第二大肝病。脂肪肝屬于可逆性疾病，早期診斷并治療常可恢復(fù)正常。目前，臨床上進(jìn) 行肝臟病變檢測的技術(shù)有超聲成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)。傳統(tǒng)的超聲成像不能對肝 臟病變程度進(jìn)行定量研究，CT被認(rèn)為肝臟脂肪定量測量的金標(biāo)準(zhǔn)，但是CT檢查費(fèi)用昂貴，且 對病人有一定的福射，不適合長期監(jiān)測。超聲成像以其成本低廉，無電離福射傷害、實(shí)時(shí)成 像等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外學(xué)者爭相研究的對象。
[0003] 超聲波在生物組織內(nèi)傳播過程中，會(huì)發(fā)生反射、散射、衍射、吸收等一系列物理現(xiàn) 象，導(dǎo)致超聲波能量的衰減。當(dāng)肝臟組織發(fā)生病變(如肝臟脂肪含量增加），信號傳播過程中 單位距離內(nèi)能量的衰減會(huì)發(fā)生改變，即組織的超聲衰減系數(shù)發(fā)生了改變?；谏鲜龌局?識(shí)，通過大量測定臨床不同程度脂肪肝患者的肝臟脂肪含量和計(jì)算其肝臟超聲衰減系數(shù)， 通過超聲衰減系數(shù)和肝臟脂肪含量的對應(yīng)關(guān)系，建立模型（不同范圍內(nèi)的肝臟超聲衰減系 數(shù)對應(yīng)不同程度的肝臟脂肪含量）。目前，肝臟衰減系數(shù)測量方法主要分為兩大類:時(shí)域法 (零交叉技術(shù)、參照體模法等)和頻域法(譜移法和譜差法等）。時(shí)域法即在時(shí)間領(lǐng)域內(nèi)對信 號進(jìn)行處理，此方法能夠?qū)π盘栠M(jìn)行實(shí)時(shí)處理，但是對于超聲系統(tǒng)和其他非組織吸收因素 對于信號衰減的影響不易進(jìn)行補(bǔ)償，缺少靈活性;頻域法即在頻域領(lǐng)域內(nèi)對信號進(jìn)行處理， 測量過程靈活，但是此方法一般需要離線處理。
[0004] 最大限度降低除組織吸收外影響超聲信號能量衰減的其他因素，同時(shí)又具有很高 的實(shí)時(shí)性是基于衰減系數(shù)進(jìn)行肝臟脂肪定量研究的關(guān)鍵?？偨Y(jié)時(shí)域和頻域內(nèi)超聲衰減系數(shù) 的計(jì)算方法，大致基于兩種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算:基于同一組織不同深度下的回波信號進(jìn)行時(shí)域、 頻域處理;基于參照組和實(shí)驗(yàn)組同一深度回波信號進(jìn)行時(shí)域、頻域處理。上述方法容易受信 號傳播過程中散射因素、超聲儀器本身因素的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提出一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的肝臟超聲衰減系數(shù)計(jì)算方法，并進(jìn)行肝臟脂肪 定量研究。本發(fā)明基于測量臨床上不同程度脂肪肝患者肝臟脂肪含量，并掃描采集不同頻 率fl、f2下的超聲回波信號，在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行處理。首先，用希爾伯特變換對兩組超聲回 波信號進(jìn)行檢波，并對每點(diǎn)的像素進(jìn)行平均，極大地減小了數(shù)據(jù)的突變性;用短時(shí)傅里葉變 換進(jìn)行時(shí)頻分析，計(jì)算每個(gè)采樣時(shí)刻頻率分量的平均值;再對此平均值進(jìn)行對數(shù)變換，使頻 域內(nèi)相乘的部分轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)相加部分，便于對各個(gè)分量進(jìn)行處理;將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn) 做差，濾去除組織吸收以外對其他對衰減有影響的因素;對連續(xù)50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合， 進(jìn)行超聲衰減系數(shù)精確、實(shí)時(shí)計(jì)算;最后，通過肝臟脂肪含量和肝臟超聲衰減系數(shù)的對應(yīng)關(guān) 系，建立模型(不同范圍內(nèi)的超聲衰減系數(shù)對應(yīng)不同程度的肝臟脂肪含量）
[0006] 具體技術(shù)內(nèi)容包括如下步驟：
[0007] 1.0.測定多例不同程度脂肪肝患者或體模的肝臟脂肪含量，利用不同頻率的超聲 探頭掃描病人肝臟組織獲取超聲回波信號datal和data2;
[0008] 1.1.對超聲回波信號datal和超聲回波信號data2進(jìn)行檢波得到env_datal和env_ data2，并求每個(gè)像素點(diǎn)的平均值mean_datal和mean_data2;
[0009] 1.2.對mean_datal和mean_data2所有列數(shù)據(jù)，對其每一列做短時(shí)傅里葉變換分別 得到每一列對應(yīng)的時(shí)頻分析矩陣S1和S2,計(jì)算每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)各頻率分量的平均值，得到一維 矩陣 mean_Sl 和 mean_S2;
[0010] 1.3?對mean_Sl和mean_S2進(jìn)行對數(shù)變換得到一維矩陣log_Sl和log_S2,并對對應(yīng) 點(diǎn)做差得到一維矩陣l〇g_S;
[0011] 1.4.對一維矩陣log_S進(jìn)行線性擬合，計(jì)算超聲衰減系數(shù)；
[0012] 1 ? 5 ?對1 ? 2中mean_datal和mean_data2所有列數(shù)據(jù)中的每一列，重復(fù)1 ? 3和1 ? 4〇
[0013] 1.6.通過肝臟脂肪含量和肝臟超聲衰減系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，建立模型（不同范圍內(nèi) 的超聲衰減系數(shù)對應(yīng)不同程度的肝臟脂肪含量）
[0014] 1.7.實(shí)際中然后通過肝臟超聲衰減系數(shù)，借助1.6建立的模型可以得到測定肝臟 脂肪含量。
[0015] 上述步驟1.1具體包括如下步驟:
[0016] 2.1對超聲回波信號datal和超聲回波信號data2進(jìn)行希爾伯特變換，并取絕對值， 得到檢波信號env_datal和env_data2。
[0017] 2.2求每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)env_data(i . j)周圍橫向36個(gè)像素點(diǎn)、縱向20個(gè)像素點(diǎn)平均值， 賦給env_data(i，j)點(diǎn)，遍歷所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到mean_datal和mean_data2;
[0018] 上述步驟1.2具體包括如下步驟:
[0019] 3.1以mean_datal和mean_data2的第任--列q列數(shù)據(jù)為例，對其做短時(shí)傅里葉變 換得到時(shí)頻分析矩陣S1和S2，（橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率）
[0020] 3.2計(jì)算31和32每一縱列的平均值，得到每個(gè)時(shí)刻的頻率分量的平均值1116&11_31和 mean_S2；
[0021] 上述步驟1.3具體包括如下步驟:
[0022] 4.1 計(jì)算 mean_Sl 和 mean_S2 的最大值 max_S 1 和 max_S2;
[0023] 4.2用mean_Sl中所有值除以max_S 1，用mean_S2中所有值除以max_S 1，再取20倍 的對數(shù)得到l〇g_Sl和log_S2;
[0024] 4.3對1(^_31和1(^_32做差，得到結(jié)果1(^_3。
[0025] 上述步驟1.4具體包括如下步驟:
[0026] 5.1取一維矩陣log_S中第i個(gè)數(shù)據(jù)及第i個(gè)數(shù)據(jù)之后的49個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)log_S(l，i:i+ 49)總共連續(xù)50個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線斜率b;
[0027] 5.2將b帶入計(jì)算公式a = b/[2(f2_fl)]，計(jì)算超聲衰減系數(shù)a;
[0028] 5.3點(diǎn)數(shù)i從1依次取到log_S最后倒數(shù)第50個(gè)點(diǎn)數(shù)，重復(fù)5.1和5.2。
[0029] 有益效果
[0030] 1.本發(fā)明中超聲衰減系數(shù)計(jì)算簡便，具有實(shí)時(shí)性，可直接使用在臨床現(xiàn)有的超聲 設(shè)備中
[0031] 2.本發(fā)明中超聲衰減系數(shù)計(jì)算方法能夠有效的降低超聲系統(tǒng)本身對于計(jì)算結(jié)果 的影響，使得計(jì)算結(jié)更加精確。
[0032] 3.本發(fā)明中超聲衰減系數(shù)計(jì)算方法通過利用field_II軟件仿真超聲回波信號和 利用Terason T3000掃描超聲體模采集超聲回波信號進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，具有很高的精度。 [0033] 4.本發(fā)明保證臨床上可以通過計(jì)算肝臟超聲衰減系數(shù)推測肝臟脂肪含量，實(shí)現(xiàn)臨 床上肝臟脂肪含量的無創(chuàng)測量。
【附圖說明】
[0034]圖1:本發(fā)明方法的流程圖；
[0035] 圖2:本發(fā)明方法中信號檢波流程圖；
[0036] 圖3:本發(fā)明方法中線性回歸流程圖；
[0037] 圖4:本發(fā)明方法中短時(shí)傅里葉變換流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 本發(fā)明中超聲衰減系數(shù)算法驗(yàn)證所使用數(shù)據(jù)均來自用不同頻率的超聲探頭掃描 臨床上不同程度脂肪肝患者的肝臟組織。具體實(shí)施步驟如下：
[0039] 1.臨床上或試驗(yàn)中，測量多例不同程度脂肪肝患者的肝臟脂肪含量，利用不同頻 率的超聲探頭掃描病人肝臟組織獲取超聲回波信號datal和data2。
[0040] 2.對超聲回波數(shù)據(jù)datal和超聲回波數(shù)據(jù)data2進(jìn)行檢波，得到檢波信號 [0041 ] env_datal 和 env_data2，并求每個(gè)像素點(diǎn)的平均值 mean_datal 和 mean_data2。 [0042] (1)檢波過程(見說明書附圖圖2):對超聲回波信號datal和data2做希爾伯特變 換，并取絕對值得到env_datal和env_data2。
[0043] (2)平均過程:求每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)env_data(i.j)周圍橫向36個(gè)像素點(diǎn)、縱向20個(gè)像素 點(diǎn)平均值，結(jié)果為env_data(i，j)點(diǎn)的平均像素，遍歷所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到mean_datal和 mean_data2；
[OO44] 3.以mean_datal和mean_data2的第q列數(shù)據(jù)為例，對其做短時(shí)傅里葉變換，計(jì)算每 個(gè)時(shí)刻點(diǎn)各頻率分量的平均值，得到一維矩陣mean_Sl和mean_S2。
[0045] (1)短時(shí)傅里葉變換（以第q列數(shù)據(jù)為例，見說明書附圖圖4):對mean_data 1和 mean_data2第q列數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到時(shí)頻分析矩陣SI (ml*nl)和S2(ml*nl)(橫 坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率）
[0046] (2)各時(shí)刻分量頻率平均值：
[0047] j依次取1到nl所有值，遍歷所有列
[0048] 4.對mean_Sl和mean_S2進(jìn)行對數(shù)變換得到一維矩陣log_Sl和log_S2,并對應(yīng)點(diǎn)做 差得到l〇g_S。
[0049] (1)尋找 mean_Sl 和 mean_S2 的最大值 max_Sl 和 max_S2
[0050] (2)對數(shù)變換：1〇8_31 = 20*1〇8(1116&11_31/1]1&叉_31)，1〇8_32 = 20*1〇8(1116&11_32/ max_S2)
[0051] (3)對應(yīng)點(diǎn)做差：log_S = log_Sl-log_S2
[0052] 5.對log_S連續(xù)50個(gè)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合(見說明書附圖圖3)，計(jì)算超聲衰減系數(shù)。
[0053] (1)取log_S( 1，i : i+49)連續(xù)50個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線斜率b;
[0054] (2)將b帶入計(jì)算公式a = b/[2(f2_fl)]，計(jì)算超聲衰減系數(shù)a
[0055] (3)點(diǎn)數(shù)i從1取到log_S最大列數(shù)減去49，重復(fù)5.1和5.2
[0056] 6.列數(shù)q從1依次取到mean_datal和mean_data2的最后一列，重復(fù)步驟3，4，和5。
[0057] 7.通過肝臟脂肪含量和肝臟超聲衰減系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，建立模型（不同范圍內(nèi)的 超聲衰減系數(shù)對應(yīng)不同程度的肝臟脂肪含量）。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 1.0.測定多例不同程度脂肪肝患者或體模的肝臟脂肪含量，利用不同頻率的超聲探頭 掃描病人肝臟組織獲取超聲回波信號datal和data2; 1 · 1 ·對超聲回波信號datal和超聲回波信號data2進(jìn)行檢波得到env_datal和env_ data2，并求每個(gè)像素點(diǎn)的平均值mean_datal和mean_data2; 1.2. 對mean_datal和mean_data2所有列數(shù)據(jù)，對其每一列做短時(shí)傅里葉變換分別得到 每一列對應(yīng)的時(shí)頻分析矩陣Sl和S2,計(jì)算每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)各頻率分量的平均值，得到一維矩陣 mean_Sl和mean_S2; 1.3. 對mean_Sl和mean_S2進(jìn)行對數(shù)變換得到一維矩陣log_Sl和log_S2，并對對應(yīng)點(diǎn)做 差得到一維矩陣l〇g_S; 1.4. 對一維矩陣log_S進(jìn)行線性擬合，計(jì)算超聲衰減系數(shù)； 1.5. 對1.2中mean_datal和mean_data2所有列數(shù)據(jù)中的每一列，重復(fù)1.3和1.4。 1.6. 通過肝臟脂肪含量和肝臟超聲衰減系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，建立模型； 1.7. 實(shí)際中然后通過肝臟超聲衰減系數(shù)，借助1.6建立的模型可以得到測定肝臟脂肪 含量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法，其特征在 于： 步驟1.1包括以下步驟： 2.1對超聲回波信號datal和超聲回波信號data2進(jìn)行希爾伯特變換，并取絕對值，得到 檢波信號 env_datal 和 env_data2; 2.2求每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)env_data (i . j)周圍橫向36個(gè)像素點(diǎn)、縱向20個(gè)像素點(diǎn)平均值，賦給 env_data(i，j)點(diǎn)，遍歷所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到mean_datal和mean_data2。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法，其特征在 于:所述的步驟1.2包括： 3.1以mean_datal和mean_data2的第任--列q列數(shù)據(jù)為例，對其做短時(shí)傅里葉變換得 到時(shí)頻分析矩陣Sl和S2,橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率； 3.2計(jì)算S1和S 2每一縱列的平均值，得到每個(gè)時(shí)刻的頻率分量的平均值m e a η _ S1和 mean_S2〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法，其特征在 于:所述的步驟1.3包括： 4 · 1計(jì)算 mean_Sl 和 mean_S2 的最大值 max_S 1 和 max_S2; 4.2用mean_Sl中所有值除以max_S 1，用mean_S2中所有值除以max_S 1，再取20倍的對 數(shù)得到 l〇g_Sl 和 log_S2; 4.3對log_Sl和log_S2做差，得到結(jié)果log_S。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲衰減系數(shù)的肝臟脂肪定量測量方法，其特征在 于:所述的步驟1.4包括： 5.1取一維矩陣log_S中第i個(gè)數(shù)據(jù)及第i個(gè)數(shù)據(jù)之后的49個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)log_S(l，i : i+49)總 共連續(xù)50個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線斜率b; 5.2將13帶入計(jì)算公式3 = 13/[2(￡2-￡1)]，計(jì)算超聲衰減系數(shù)3; 5.3點(diǎn)數(shù)i從1依次取到log_S最后倒數(shù)第50個(gè)點(diǎn)數(shù)，重復(fù)5.1和5.2。
【文檔編號】A61B8/00GK105930665SQ201610267041
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】吳水才, 王月, 周著黃
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)