一種基于超聲背向散射信號成像的骨質(zhì)評價方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種基于超聲背向散射信號成像的骨質(zhì)評價方法，應用于醫(yī)學超聲領域。本方法使用單個超聲探頭對待測骨骼沿直線進行掃描，在每個掃描位置，對超聲探頭進行激勵發(fā)射出超聲波，超聲波進入松質(zhì)骨中受到其微結構的影響，形成散射波。其中，與入射方向相反的散射波被同一探頭接收，即為背向散射信號。將每個掃描位置獲得的回波信號映射為圖像中的某一列，待掃描完成后即可獲得回波圖像。選取圖像中背向散射部分的兩個目標區(qū)域，并對其均值進行差分歸一化運算，得到平均像素差分值來評價骨質(zhì)情況。本方法相對于傳統(tǒng)的基于透射法和軸向傳輸法的骨質(zhì)評價方法，能更好地反映骨微結構的信息；相對于基于單點背向散射信號的骨質(zhì)評價方法，能更好地反映區(qū)域骨質(zhì)的整體情況。
【專利說明】
-種基于超聲背向散射信號成像的骨質(zhì)評價方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及醫(yī)學超聲定量測量技術領域，具體設及超聲骨密度儀中一種基于背向 散射信號成像的骨質(zhì)評價方法。
【背景技術】
[0002] 骨質(zhì)疏松癥是一種骨強度下降引起的疾病，會引起骨微結構的退化，導致骨折概 率的增加。伴隨著我國人口老齡化的加劇，骨質(zhì)疏松癥將會成為越來越嚴重的社會問題。目 前，骨質(zhì)疏松癥最標準的診斷方法是使用雙能X射線測量骨密度，但是由于其具有電離福射 而且儀器成本高，因此難W作為日常的檢測手段。而超聲診斷技術由于其無電離福射、便 捷、性價比高等特點，在骨密度檢測方面得到了越來越多的應用。
[0003] 目前常用的超聲診斷方法是超聲透射法和超聲軸向傳輸法。相比而言，超聲背向 散射法具有W下優(yōu)點：（1)超聲透射法和超聲軸向傳輸法需要多個探頭或多個換能器，對于 測量骨骼的位置有很大的限制，而超聲背向散射法使用同一個探頭對超聲波進行收發(fā)，測 量位置更加靈活。（2)骨質(zhì)疏松不僅僅帶來骨礦密度的下降，也和骨骼微結構的退化相關。 超聲透射法和超聲軸向傳輸法只能夠檢測骨礦密度的變化，而超聲背向散射信號中含有骨 微結構的信息，因此能夠更加準確地診斷骨質(zhì)疏松癥。
[0004] 骨質(zhì)分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，松質(zhì)骨由許多骨小梁交織而成，當超聲波進入松質(zhì)骨 內(nèi)部時，由于波長接近骨小梁的厚度，會產(chǎn)生各個方向上的散射波，其中被發(fā)射探頭接收的 散射波即為背向散射信號。由于松質(zhì)骨的各向異性，松質(zhì)骨中各點的特性并不一致，因此通 過單點的背向散射信號來分析骨質(zhì)情況難W獲得整體骨質(zhì)情況，因此對區(qū)域內(nèi)各點的背向 散射信號成像，再對成像結果進行分析，就能夠掌握區(qū)域內(nèi)整體骨質(zhì)的情況，運使得測量結 果更有參考意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的問題是:超聲透射法和超聲軸向傳輸法運兩種傳統(tǒng)的超聲測量骨 密度方法具有測量位置限制和無法獲得骨微結構信息兩個缺點，而基于單點超聲背向散射 信號的測量方法難W回避松質(zhì)骨各向異性的特點導致的結果不精確。本發(fā)明提供的方法在 彌補了傳統(tǒng)超聲方法缺點的基礎之上，將超聲背向散射信號成像來對區(qū)域內(nèi)骨質(zhì)情況進行 綜合評價，提高了骨質(zhì)測量的精確性和穩(wěn)定性。
[0006] 本發(fā)明的技術方案由W下步驟實現(xiàn)：
[0007] (1)使用超聲探頭沿直線掃描待測骨，在每個掃描位置，對超聲探頭進行激勵，向 待測骨頭發(fā)射超聲波。超聲波傳播到松質(zhì)骨中受到其微結構的影響形成散射波，其中的背 向散射波被同一探頭接收；
[000引（2)在每個掃描位置上，將接收到的回波信號映射到圖像中的一列，待掃描完成后 獲得掃描區(qū)域的回波圖像；
[0009] (3)選取圖像中背向散射部分的兩個目標區(qū)域的均值進行差分歸一化運算得到平 均像素差分值，根據(jù)結果對區(qū)域內(nèi)骨質(zhì)情況進行評價。
[0010] 所述的測量系統(tǒng)包括探頭、前端采集電路和PC機處理軟件。測量系統(tǒng)使用的探頭 采用單陣元非聚焦超聲換能器，探頭頻率為2.25MHz，測量部位為根骨。前端采集電路的作 用是產(chǎn)生探頭激勵脈沖、回波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和上傳數(shù)據(jù)到PC機。其中回波處理部分包括可 變增益放大器，確保收到的回波信號經(jīng)過處理后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換時處于合適的量程范圍內(nèi)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ANALOG公司的AD6645，采樣位數(shù)為Hbit，最大采樣速率為105MSPS。前端采 集電路使用USB總線和PC機通信，PC機軟件讀取USB總線上傳的數(shù)據(jù)并對其進行解析，繪制 成圖像，并將從圖像中提取的參數(shù)和數(shù)據(jù)庫中的標準值進行對比，隨后把測量結果反饋給 測試者。
[0011] 所述步驟（1)中，先將探頭置于根骨部位，使用醫(yī)用超聲禪合劑進行禪合，在測量 區(qū)域內(nèi)移動探頭，在移動過程中，探頭不間斷發(fā)射超聲波并接收回波信號，前端采集電路完 成回波信號的預處理之后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將模數(shù)轉(zhuǎn)換的結果和對應可變增益放大器的增 益值通過USB總線上傳到PC機進行下一步的數(shù)據(jù)處理。
[0012] 所述步驟(2)中，在每個掃描位置上，將接收到的回波信號映射到圖像中的一列， 運樣在掃描完成后所有列拼接在一起形成了完整的二維回波圖像。圖像的橫軸代表了每個 掃描位置，圖像的縱軸代表回波信號的時間軸，圖像的每一個像素值的大小代表了每個掃 描位置的回波中信號點的幅度。圖像采用256階灰度圖表示，每個像素的取值范圍在0到255 之間。在每個掃描位置上獲得的回波信號先根據(jù)增益值換算到回波信號的絕對值，再將其 整體線性映射到0到255之間，填充到圖像中新的一列上，如此往復即可獲得整個掃描區(qū)域 內(nèi)的二維回波圖像。
[0013] 所述步驟(3)中，由于受到表面反射波和皮膚等中間組織的影響，回波的初始部分 并非所需要的背向散射信號，因此需要在二維回波圖像中選取背向散射信號部分的兩個目 標區(qū)域，兩個目標區(qū)域均為矩形，長寬相同，面積相同。目標區(qū)域的長度和回波圖像的橫向 長度相同，目標區(qū)域的寬度為時間Tw,并且兩個目標區(qū)域間隔時間為Ts。選取到合適的目標 區(qū)域后，將兩個目標區(qū)域內(nèi)的像素均值相減，再除W歸一化系數(shù)Tw+Ts，得到最終的平均像素 差分值。由于骨密度的不同，兩個目標區(qū)域內(nèi)的回波信號的衰減程度也不一樣，當骨密度越 大時，兩個目標區(qū)域內(nèi)回波信號的衰減程度相差也越大，因此兩個目標區(qū)域的平均像素差 分值與骨密度相關。最后將結果與數(shù)據(jù)庫中的標準值進行比對，獲得區(qū)域內(nèi)的骨質(zhì)情況信 息。
[0014] 本發(fā)明所述的一種基于超聲背向散射信號成像的骨質(zhì)評價方法應用于骨密度的 超聲檢測中，既避免了傳統(tǒng)超聲透射法和超聲軸向傳輸法帶來的測量位置限制和測量結果 誤差，又避免了松質(zhì)骨各向異性帶來的單點測量的誤差，實現(xiàn)了對區(qū)域內(nèi)骨質(zhì)情況的整體 評價。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明測量系統(tǒng)整體結構框圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明采集信號示意圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明成像結果示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明使用的測量系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示，測量系統(tǒng)采用同一個探頭進行 超聲波的發(fā)射和回波的接收，測量系統(tǒng)由FPGA來進行控制。由FPGA產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)過高 壓模塊放大，連接到探頭對其進行激勵產(chǎn)生超聲波?；夭ㄐ盘柋惶筋^接收，轉(zhuǎn)換成相應的電 信號傳輸?shù)筋A處理模塊。預處理模塊完成與高壓電路的隔離和回波信號的前置放大，放大 后的回波信號進入可控放大模塊，由FPGA根據(jù)其峰峰值控制增益的大小，防止信號幅度太 大超過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程或者太小影響模數(shù)轉(zhuǎn)換結果的精度，W保證信號處于合適的模數(shù) 轉(zhuǎn)換的量程范圍內(nèi)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ANALOG公司的14位單忍片模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6645，最大采 樣速率可W達到105MSPS。其后回波信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字 信號和對應增益值由FPGA通過USB總線上傳送給PC機。
[0019] 測量開始時，將超聲探頭置于測試者根骨部位，沿著根骨進行直線掃描，在每個掃 描位置，由測量系統(tǒng)不斷激勵超聲探頭，超聲探頭產(chǎn)生的超聲波傳播到松質(zhì)骨中，受到其微 結構的影響產(chǎn)生散射波，其中與發(fā)射超聲波方向相反的背向散射波被超聲探頭所接收，與 表面反射波等信號一起構成了超聲探頭接收到的回波信號?；夭ㄐ盘柸鐖D2所示，前4US為 表面反射波，其后的波形為背向散射波。
[0020] 測量系統(tǒng)將探頭接收到的回波轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)過USB總線傳輸?shù)絇C機，在PC機 上讀取USB總線上的數(shù)據(jù)進行處理。在PC機上每讀取到的一帖信號代表探頭在一個掃描位 置接收到的回波，將其映射到圖像的一列上，其中的像素值與信號幅度相對應。圖像用256 階灰度圖表示，每個像素取值范圍在0到255之間。在每個掃描位置上獲得的一帖回波信號 先將其根據(jù)增益值換算到回波信號的絕對值上，再將回波信號絕對值線性映射到0到255的 區(qū)間上。假設某帖回波信號絕對值中幅度最大值為Max，最小值為Min，對于某一個幅度為A 的點映射后的像素值P為：
[0021]
[0022] 在探頭沿著掃描區(qū)域移動的過程中，不斷發(fā)射超聲波W及接收回波信號，不斷有 新的列添加到圖像中，圖像的長度也在不斷擴展。待掃描完成后，便可形成回波信號圖像， 圖像的橫軸代表了每個掃描位置，圖像的縱軸代表了回波信號的時間軸，圖像的像素值代 表了回波信號的幅度。
[0023] 回波圖像如圖3所示，最上層的部分為表面反射波的圖像，需要排除在分析之外。 其余的部分為分析需要的背向散射信號圖像部分。選取背向散射信號圖像的兩個矩形目標 區(qū)域進行分析，如圖3中的兩個白色邊框矩形所示，兩個目標區(qū)域的長度和寬度相同，長度 取整個圖像的橫軸范圍，寬度取時間長度Tw,兩個目標區(qū)域間隔時間長度Ts,并且令Tw = lus，Ts=lus。選取到合適的目標區(qū)域后，分別計算出兩個目標區(qū)域內(nèi)像素值的均值為化和 M2,則最終測量結果化1為：
[0024]
[0025] 化1即為獲得評價骨質(zhì)情況的平均像素差分值。當骨密度越大，兩個目標區(qū)域內(nèi)的 信號衰減程度將會越明顯，因此兩個目標區(qū)域內(nèi)像素均值差距將會越大，得到的最終結果 也會越大。將得到平均像素差分值和數(shù)據(jù)庫中的標準值比對即可獲得骨質(zhì)情況的評價結 果D
【主權項】
1. 一種基于超聲背向散射信號成像的骨質(zhì)評價方法，其特征在于具體步驟如下： (1) 使用超聲探頭沿直線掃描待測骨，在每個掃描位置，對超聲探頭進行激勵，向待測 骨頭發(fā)射超聲波。超聲波傳播到松質(zhì)骨中受到其微結構的影響形成散射波，其中的背向散 射波被同一探頭接收； (2) 在每個掃描位置上，將接收到的回波信號映射到圖像中的一列，待掃描完成后獲得 掃描區(qū)域的回波圖像； (3) 選取圖像中背向散射部分的兩個目標區(qū)域，對兩個目標區(qū)域的均值進行差分歸一 化運算得到平均像素差分值，根據(jù)平均像素差分值對區(qū)域內(nèi)骨質(zhì)情況進行評價。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是超聲探頭采用單陣元非聚焦超聲換能器，測量 部位為根骨。3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是采用的測量系統(tǒng)包括探頭、前端采集電路和PC 機處理程序。前端采集電路的作用是產(chǎn)生探頭激勵脈沖、回波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和上傳數(shù)據(jù)到 PC機?；夭ㄌ幚聿糠职勺冊鲆娣糯笃?，確保收到回波信號經(jīng)過處理后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換時 處于合適的量程范圍內(nèi)。4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是在步驟(2)中，得到的回波信號根據(jù)其增益值 換算成回波信號的絕對值，再通過絕對值信號的最大值和最小值線性映射到256階灰度圖 中。5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是在步驟(3)中，回波圖像的長度代表掃描距離， 寬度代表接收到回波的時間。在回波圖像中除去表面反射波的部分，在剩下的背向散射信 號圖像中選取寬度為Iw并間隔T s的兩個目標區(qū)域進行運算。6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是在步驟(3)中，對兩個目標區(qū)域內(nèi)像素值的均 值相減，再除以歸一化系數(shù)Iw+Ts，得到平均像素差分值。若骨密度越大，回波信號隨時間的 衰減將會越明顯，兩個目標區(qū)域內(nèi)像素均值差異將會越大，得到的最終結果也會越大。將結 果與數(shù)據(jù)庫中的標準值比對，即可得到骨質(zhì)情況的評價信息。
【文檔編號】G06K9/62GK106022369SQ201610325883
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】何愛軍, 唐國揚, 唐彬, 付思東, 陳自立, 孫琴, 湯冬冬, 李 昊
【申請人】南京大學