專利名稱：用于定征松質骨微結構的超聲頻譜偏移量參數成像方法
技術領域：
本發明屬于超聲醫學技術領域，具體涉及一種評價松質骨狀況的超聲成像方法。
背景技術：
骨質疏松癥是一種骨強度下降引起的骨骼疾病，是當今的一大健康問題。骨質疏松癥 的診斷受到國內外學術界和醫學界的日益重視，松質骨組織的成像方法可用于定征骨狀 況。相比于基于X射線的松質骨成像方法，超聲技術具有費用低、無電離輻射、簡便等優 勢，松質骨的超聲參數成像技術受到廣泛關注。
目前己被提出的超聲成像技術是基于超聲透射法的超聲參數成像，這種技術對跟骨松 質骨掃描，然后對超聲參數(超聲傳導速度(SOS)和寬帶超聲衰減(BUA))成像。結果表明， 跟骨的BUA和S0S的成像能反映骨礦密度(BMD)的分布。
但是，己有的定量超聲技術仍需進一步改進。主要原因是(1)骨強度的下降不僅是
骨礦密度(BMD)減小的結果，也起因于骨微結構的退化。透射法并沒有考慮骨微結構變化
對于骨質量的影響。(2)透射法使用雙探頭測量，且過于依賴測量位置。而超聲背散射信
號卻能使用單探頭測量，并反映超聲與松質骨之間的作用機理，其原因在于，聲散射是聲
波與組織內部的異質成分相互作用的過程。因此，對于背散射信號的分析能提供關于骨內
部微結構的信息。近年來，研究者已嘗試從背散射信號中獲取骨小梁間距及骨小梁厚度等
結構參數。另外，背散射方法使某些部分骨強度測量成為可能，例如股骨。
由于在骨結構內，骨小梁的衰減系數比骨髓等其他物質的衰減大，超聲的頻移量會隨
著傳播路徑上骨小梁的分布疏密而變化。因此，通過同一平面處(同一衰減距離)頻移量參
數的成像，可以得到與骨小梁分布有關的骨結構信息。然而，目前還沒有用超聲頻移量參
數進行松質骨超聲成像的研究成果。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能準確、方便的定征松質骨微結構的超聲成像方法。 本發明提出的超聲成像方法是用超聲頻移量參數成像方法來定征松質骨微結構，并使
用一個超聲探頭實現松質骨超聲頻移量參數成像。
與傳統的透射法不同，本發明的成像方法只使用單個高頻超聲探頭掃描松質骨，同時
用于發射、接收信號。
本發明方法的具體步驟是用單個超聲探頭在掃描系統控制下，掃描待測離體松質骨，在每個掃描位置，向離體松質骨垂直發射超聲脈沖波，超聲波的傳播受到松質骨微結構的 作用，背向散射回來的超聲信號由同一超聲探頭接收；對每一個掃描位置處接收的信號分 別進行信號處理，提取接收信號與發射信號的頻譜偏移量參數，獲得對應于掃描區域的超 聲頻譜偏移量參數矩陣；把參數矩陣映射成超聲頻譜偏移量參數圖像，象素值與參數值成 比例關系。完成超聲頻移量參數成像。結果證明，本發明利用超聲背散射系數成的圖像能 反映松質骨中主要組成成分一一骨小梁的分布信息，可以幫助定征松質骨狀況。 下面對本發明的內容作進一步的介紹
1. 單探頭掃描松質骨微結構
采用一個掃描系統控制超聲探頭，在焦距平面上網格狀等間距地掃描待測松質骨。本 發明的硬件系統框圖如圖1所示。測試系統包括PC機、示波器、掃描系統、超聲分析儀 和超聲探頭等。掃描開始前，調整探頭位置，使其表面與松質骨樣本的表面平行，且探頭 焦點處于松質骨樣本表面下的位置。掃描過程中，在每個掃描點，探頭向骨樣本表面垂直 發射超聲脈沖，背向散射信號由同一探頭接收，通過掃描分析儀，由示波器采樣、顯示， 釆樣數據傳送到PC機上，用于后續的數據分析。超聲分析儀與探頭連接，用于超聲波的 激勵、接收、放大等。使用的超聲頻率范圍為5-10MH2，橫向分辨能力lmm以上，掃描點 長不大于0. 4mm。
2. 估計超聲頻移量參數，獲得超聲頻移量參數矩陣
超聲頻譜偏移量參數能有助于定征骨骼強度，輔助骨質疏松的診斷。超聲在骨結構中 的頻譜偏移量參數fs(Z)可按如下公式計算
J"皿
~~~^_/c (1)
其中，z)〉是背散射信號的平均功率幅度譜，& 和/L分別是探頭帶寬的最小 和最大值，/;是探頭的中心頻率。z是超聲傳播距離，即骨成像平面與探頭平面的距離。 由于超聲聲束在焦平面處的直徑最小，在我們的成像方法中，取超聲傳播距離=焦距+焦
柱長度/2，記為^。 Z)〉的計算過程具體如下
(1) 假定松質骨中聲速為cb (如2,000m/s)，使用對應于超聲傳播距離范圍(O,a)的時 間窗，選取Or,力掃描處回波上的一段信號。
(2) 對于選取的一段信號乘以時間窗，然后用傅立葉變換法求得其功率幅度譜。
(3) 對以0^y)位置為中心的周圍若干條信號(本發明例子中取3X3條信號， 一般可取 2X2 6X6條信號)作如上相同的處理，求得平均功率幅度譜CU W〉。松質對骨樣本掃描平面每一個Of,/)處做如上處理，得到頻移量參數矩陣，矩陣的每 個元素是對應于相應掃描位置的頻移量參數值/S(W 。 3.比例映射，完成超聲頻移量參數成像
由于超聲衰減引起的頻率偏移量為負值，我們將計算誤差引起的正值《(A)設定為0， 然后將頻移量《(&)的絕對值比例調整，映射成相應",力處的象素值，從而獲得超聲頻移 量參數圖像。
本發明方法可以更好的反映松質骨微結構特征，而且便捷、快速。
圖1 成像硬件系統框圖，聚焦超聲探頭(Panametrics, Walthan, MA)參數為中心 頻率lOMHz，焦距38. lmm，焦柱長0. 9腿，焦點直徑0. 54mm，帶寬6. 58-14. 16MHz。
圖2成像掃描示意圖，骨樣本尺寸為20mmx20mmxl0mm，掃描步長為0. 14 mm，。
圖3(a)從離體牛脛骨樣本獲取的某掃描處的背散射信號(4.5M信號窗內的信號用 于計算頻移量參數值)；圖3(b)為圖3(a)背散射信號的功率幅度譜；
圖4(a)離體牛脛骨樣本的頻移量參數圖像(ROI: 7. 62腦X7. 62mm,象素數
28X28);圖4 (b)離體牛脛骨樣本的kCT圖像。
圖中標號1為PC機，2為示波器，3為超聲分析儀，4為掃描系統，5為超聲探頭，6
為水箱，7為離體松質骨。
具體實施例方式
實施例
下面以某離體牛脛骨樣本為例，介紹整個超聲背散射成像方法的過程，并在最后把背 散射圖像與『CT圖像比較來展示結果。 1、硬件設計與參數估計
現舉例說明超聲頻移量參數成像的硬件設計與參數估計方法。硬件系統框圖如圖1所 示。系統中，超聲探頭固定于一根金屬導管底部，金屬導管在掃描系統(UltraPAC C-scan system, USA)的自動控制下，可在x-y平面上網格狀等間距地掃描，掃描步長為0. 14 mm。 使用的聚焦超聲探頭(Panametrics， Walthan, MA)參數為:中心頻率10MHz,焦距38. l隱， 焦柱長0.9mm，焦點直徑0.54mm，帶寬6. 58-14. 16MHz。在每一個掃描位置，用同一探頭
發射和接收超聲信號。
松質骨樣本尺寸為20mmx20mmxi0mm，把松質骨置于裝滿蒸餾水的水槽中，使松質
骨的主壓力方向與超聲探頭平面垂直(也就是骨小梁方向與超聲探頭平面平行)，探頭焦 點位于松質骨樣本表面下約lmm的位置。掃描過程中，在每個掃描點，探頭向骨樣本的x-y平面垂直發射超聲脈沖，背向散射信號由同一探頭接收，并由示波器(Agilent 54642A)采 樣、顯示，采樣頻率為40MHz，采樣數據通過IEEE488總線傳送到PC機上。超聲分析儀 (Panametrics, 5900PR)與探頭連接，用于超聲波的激勵、接收、放大。更細節的超聲背 散射成像的掃描方式如圖2所示。
在離體松質骨樣本上，掃描位置(7，7)處的背散射時間信號如圖3(a)所示。對應的功 率幅度譜如圖3(b)所示。按照公式l，可求得(7，7)掃描位置處的超聲頻移量參數。
2、超聲頻移量參數成像結果與分析
背散射成像在某感興趣區域(ROI)內的結果如圖4(a)所示，相應的^-CT圖像如圖4(b) 所示，它們都給出了骨微結構信息。圖4(a)右邊的顏色條給出對應的頻移量。白色象素代 表此骨樣本ROI內最大頻移量(lMHz)的位置，也就是骨小梁密集處；黑色象素代表此骨樣 本ROI內偏移量為0的位置，也就是骨結構中的空洞處。灰白色的象素點連接在一起，給 出骨組織疏密的結構信息。圖4(a)與圖4(b)相比，兩者都給出了骨小梁的分布信息，且 圖像相似。兩圖存在差別的主要原因是(1) ^CT圖像(圖4(b))給的是某一平面上的骨小 梁分布信息，而超聲背散射頻移參數圖像(圖4(a))反映的是某一塊三維骨結構在超聲方向 上的疏密程度。其二， ROI位置的精確確定存在困難，圖4(a)與圖4(b)兩者對應的R0I并 非完全在相同位置。但初步的結果表明，超聲背散射頻移參數圖像有助于直觀顯示骨結構 分布情況，給出與pCT圖像不同的骨結構信息。超聲頻移量參數能反映骨微結構對超聲的 衰減作用程度，由于骨小梁的衰減系數比骨髓等其他物質的衰減大，超聲的頻移量與骨小 梁的分布疏密有關，因此，超聲頻移量越大，說明此骨樣本內的骨小梁結構更為密集。
權利要求
1、一種用于定征松質骨微結構的超聲頻譜偏移量參數成像方法，其特征在于具體步驟為(1)超聲探頭在掃描系統控制下，掃描待測離體松質骨，在每個掃描位置，向離體松質骨垂直發射超聲脈沖波，超聲波的傳播受到松質骨微結構的作用，背向散射回來的超聲信號由同一超聲探頭接收；(2)對每一個掃描位置處接收的信號分別進行信號處理，提取接收信號與發射信號的頻譜偏移量參數，獲得對應于掃描區域的超聲頻譜偏移量參數矩陣；(3)把參數矩陣映射成超聲頻譜偏移量參數圖像，象素值與參數值成比例關系，完成超聲頻移量參數成像。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中，采用一個掃描系統控制超聲 探頭，在焦距平面上網格狀等間距地掃描待測松質骨，進行測試；測試系統包括PC機、示波 器、掃描系統、超聲分析儀和超聲探頭；掃描開始前，調整探頭位置，使其表面與松質骨樣 本的表面平行，且探頭焦點處于松質骨樣本表面下的位置；掃描過程中，在每個掃描點，探 頭向骨樣本表面垂直發射超聲脈沖，背向散射信號由同一探頭接收，通過掃描分析儀，由示 波器采樣、顯示，采樣數據傳送到PC機上，用于后續的數據分析；超聲分析儀與探頭連接， 用于超聲波的激勵、接收和放大等。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)中超聲在骨結構中的頻移量參數 fs(Z)按如下公式計算/(0=^--/c (1)其中，》〉是背散射信號的平均功率幅度譜，& 和/皿分別是探頭帶寬的最小和最大值，/;是探頭的中心頻率，》是超聲傳播距離，即骨成像平面與探頭平面的距離，取超聲傳播距離=焦距+焦柱長度/2，記為^ Z)〉的計算過程具體如下(1) 假定松質骨中聲速為Cb，使用對應于超聲傳播距離范圍(O, 的時間窗，選取"/) 掃描處回波上的一段信號；(2) 對于選取的一段信號乘以時間窗，然后用傅立葉變換法求得其功率幅度譜；(3) 對以(x,y)位置為中心的周圍若干條信號，作如上相同的處理，求得平均功率幅度譜 A)>;對松質骨樣本掃描平面每一個",力處做如上處理，得到頻移量參數矩陣，矩陣的每個元 素是對應于相應掃描位置的頻移量參數值《(4)。
4、根據權利要求3所述的方法，其特征在于由于超聲衰減引起的頻率偏移量為負值，將 計算誤差引起的正值/s(&)設定為0,然后將頻移量/s(^的絕對值比例調整，映射成相應Or,力 處的象素值，從而獲得超聲頻移量參數圖像。
全文摘要
本發明屬于超聲醫學技術領域，具體為一種用于定征松質骨微結構的超聲頻譜偏移量參數成像方法。該方法用單個高頻超聲探頭掃描待測松質骨，在每一個掃描位置，向松質骨垂直發射超聲脈沖波；超聲波的傳播受到松質骨微結構的作用，背向散射回來的超聲信號由同一探頭接收；對每一個掃描位置處接收的信號分別進行信號處理，提取接收信號與發射信號的頻譜偏移量參數，獲得對應于掃描區域的超聲頻譜偏移量參數矩陣；把參數矩陣映射成超聲頻譜偏移量參數圖像，象素值與參數值成比例關系。本發明首次提出利用背散射信號的頻譜偏移量參數對松質骨進行超聲成像的方法，相比于傳統的基于透射法的松質骨超聲成像方法，能更好地反映松質骨微結構特征。
文檔編號A61B8/08GK101658434SQ200910195459
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月10日 優先權日2009年9月10日
發明者他得安, 楊白丁, 王威琪, 凱 黃 申請人:復旦大學