專利名稱：眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法
技術領域：
本發明涉及一種眼科A型眼軸長度超聲測量技術。特別是涉及一種能夠提高眼軸 長度測量精度的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間_增益補償方法。
背景技術：
目前醫學超聲診斷、測量設備普遍采用的技術是“脈沖_回波”探測法，即超聲換 能器在電脈沖的激勵下輻射超聲波進入人體，再接受人體組織的反射波轉換成電信號進行 顯示，形成“聲像圖”。由于不同人體組織對超聲波的反射特性不同，正常組織和病變組織的 反射波存在差異，醫生即可依據“聲像圖”反映的組織結構特性為臨床診斷提供依據。“時間-增益補償(TGC) ”是超聲診斷設備中普遍應用的技術。由于人體組織對超 聲波的衰減特性，超聲波在人體內的傳播隨深度的增加而衰減，因此對反射波的放大器增 益需要隨之提升，對衰減進行補償。目前在超聲診斷設備中普遍應用的“時間-增益補償(TGC) ”技術，是依據超聲波 在軟組織中的平均衰減系數斜率(0. 6 0. 7) dB/ (cm -MHz)，以線性或其他曲線方式對增益 進行補償，并附之手動分段調節。A型超聲是以反射波的脈沖幅度表示界面反射波的強度，其最主要的臨床應用領 域是眼科用于眼軸長度AL的測量，為人工晶體植入術的實施提供數據。依據大量臨床實踐 的相關文獻報道，在人工晶體植入術中，每Imm眼軸長度的測量誤差將產生屈光度約300度 的偏差，因此提高眼軸長度AL的測量精度具有重要意義。現有A型超聲眼軸長度AL的測量技術是通過對眼球前房深度ACD、晶體厚度 LENS、玻璃體長度VITR的測量，計算出眼軸長度AL，即AL = ACD+LENS+VITR = Vit^V2VVgt3式中vi、v2、V3分別為聲波在前房、晶體、玻璃體中傳播的速度，均為已知量。A型超聲眼軸長度測量即依據該三種不同組織的界面反射，測量出、、t2、t3，計算 出各段距離及眼軸長度AL。由于A型超聲眼軸長度測量僅需要獲得超聲脈沖在前房、晶體、玻璃體和視網膜 之間3個聲學界面的反射波，而該三種組織由于聲學特性的較大差異導致界面反射較強， 因此在儀器設計中設定一個適當的“閾值”，幅度超過該閾值的脈沖被識別并被作為時間計 算的依據，如圖1所示。由于界面反射波上升的前沿具有一定的斜率，到達觸發閾值的時間存在延遲，反 射波的幅度越低、延遲時間越長；因此界面反射波的幅度差異引起的延遲時間差異是造成 測量系統誤差的重要原因。為此，眼科超聲測量設備一般也采用現有的“時間-增益補償”技術，以圖減小測
量誤差。現有的“時間_增益補償”技術用于眼科的不足之處及其原因是1)眼球組織結構聲學特性的特殊性
在眼軸長度測量中需要測量的前房、晶體、玻璃體三種組織的聲衰減系數斜率存在很大差異，前房和玻璃體的聲衰減系數斜率極低，僅為0. IOdB/(cm · MHz)，而晶體的聲衰 減系數斜率達到2. OdB/ (cm -MHz)，與前者差異達20倍。現有的“時間-增益補償”技術所 采用的補償曲線對前房和玻璃體會造成過補償、而對晶體則會有較嚴重的欠補償，造成界 面反射波幅度的很大差異而加大了測量誤差。2)眼球組織結構的個體差異據“眼科影像診斷學”等資料報導，對于正常人群，眼球前房深度的典型值為2. 27士0. 541mm,晶體厚度的典型值為4. 07士0. 5mm，玻璃體長度的典型值為15. 7士 1. Imm, 具有較大的離散型；近視眼的眼軸長度比正常人長，而遠視眼的眼軸長度則偏短；何況患 有白內障的患者晶體混濁程度不同所造成的聲衰減系數斜率的變化。現有的“時間-增益 補償”技術無論采用那種近似眼球聲學特性的補償曲線，也不可能對每個患者個體都達到 最佳的補償效果。所以，現有的“時間_增益補償”技術不能準確地適應眼球結構的生理特性和個體差異。按目前該類產品普遍采用的探頭頻率為IOMHz計算，其上升時間約為25ns ；現 有的“時間-增益補償”技術，由于界面反射波幅度差異而達到觸發閾值的時間差可達 20ns (如圖1所示)，按超聲波在眼組織的平均聲速1600m/s計算，產生的測量系統誤差可 達0. 032mm。我國現行有效的醫藥行業標準YY0107-2005《眼科A型超聲測量儀》對眼軸長度 AL的測量誤差要求為不大于士0. 1mm，現有的“時間-增益補償”技術引起的測量系統誤差， 已成為影響測量精度的重要因素。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠針對受檢者眼球生理結構的具體情 況，簡便的自動調用符合其眼球結構特性的“時間-增益補償”曲線，大大降低現有技術的 測量系統誤差，提高眼軸長度測量的精度，為臨床診斷和人工晶體植入術的實施提供更準 確數據的眼科超聲測量的自適應時間_增益補償方法。本發明所采用的技術方案是一種眼科超聲測量設備中應用的自適應時間_增益 補償方法，包括如下階段1)分別建立眼軸長度測量中需要測量的前房、晶體、玻璃體三種組織的標準時 間-增益補償曲線，存貯TGC存貯器中；2)依據臨床檢查結果，在眼科A型超聲測量設備的人機對話界面輸入患者相關信 息；3)進行預測量；4) TGC存貯器依據獲得的數據，自動進行自適應TGC曲線擬合，完成符合受檢者個 體情況的“時間-增益補償”曲線，用于正式測量；5)進行正式測量，預測量完成之后，在完成“自適應TGC曲線”擬合的同時，自動開 始使用上述適應受檢者具體情況的“時間_增益補償”曲線進行正式測量，獲得眼軸長度AL 及其前房深度AC、晶體厚度LEN和玻璃體長度VITR各段的數據并進行顯示，作為測量的結果輸出。所述的階段1包括如下步驟a)前房、晶體、玻璃體的聲衰減系數斜率數據如下前房、玻璃體的聲衰減系數斜率取0. IOdB/(cm · MHz)；晶體的聲衰減系數斜率正常眼取2. OdB/(cm · MHz)；對于患有白內障的眼，按常 規公知的臨床診斷晶體混濁程度4級分類法，分4級對上述聲衰減系數斜率進行校正；求出不同混濁程度白內障眼的聲衰減系數斜率的平均值；與正常眼的聲衰減系數 斜率相比較，求出校正因子Ci1 α4。b)對眼組織各部分的超聲頻率修正前房部分由于聲衰減系數斜率極低，不需要校正，該超聲頻率取自超聲探頭的標 稱工作頻率fQ。晶體部分由于衰減系數斜率較大，需要對超聲頻率進行修正，校正方法為以“脈沖-回波法”測量多個超聲換能器的反射波頻譜，取其中反射波頻譜的中心 頻率等于換能器標稱中心頻率fo作為典型頻譜；從典型頻譜中讀出不同頻率對應的回波幅值dB，將連續的頻譜簡化為一組“頻 率-幅值”數據；將上述不同頻率對應的回波幅值用聲衰減系數斜率2. OdB/(cm · MHz)校正，得到 超聲波通過單位晶體厚度后的一組新的“幅值-頻率”關系數據，從該組數據中可獲得超聲 波傳播單位路徑衰減后的中心頻率值；重復上述步驟，直至覆蓋晶體厚度可能的最大值，得到中心頻率的偏移與晶體厚 度的關系曲線，從該曲線得出超聲波通過一定厚度的晶體后修正的中心頻率f\。玻璃體部分由于聲衰減系數斜率極低，不需要校正，該超聲頻率取自超聲波通過 晶體后修正的中心頻率f\。c)將上述求出的聲衰減隨距離變化的時間_增益補償曲線存入TGC存貯器中。所述的階段2包括如下步驟a)選擇“正常眼”聲衰減系數校正因子α自動選擇α = 1，即不需校正；b)如果患者屬于白內障眼，按臨床診斷的晶體混濁程度選擇1、2、3或4，自動調用 已存入TGC存貯器中的聲衰減系數斜率校正因子αι、α2、^或α4。所述的階段3包括如下步驟a)完成患者信息輸入后，眼科A型超聲測量設備自動按常規方法、使用現有時 間_增益補償技術對眼軸長度進行一組含有多次發射的預測量，獲得受檢者前房深度AC、 晶體厚度LEN和玻璃體長度VITR的一組數據，通過對該組數據的統計學處理，求出該組數 據的平均值和標準差；b)將該組數據的平均值和標準差與依據臨床經驗設定的判據進行比較，如果該組 數據的重復性不符合判據要求，給出提示并自動進行下一次預測量；如果預測量數據的重 復性符合判據要求，將該組數據的平均值AC、LEN、VITR輸出至TGC存貯器，作為TGC存貯器 中聲衰減隨距離變化函數曲線的距離值。本發明的眼科超聲測量的自適應時間-增益補償方法，具有如下特點1、對A型超聲眼軸長度測量中應用的“時間-增益補償”曲線的變量“頻率”，進行通過晶體后的偏移校正。2、對A型超聲眼軸長度測量中應用的“時間-增益補償”曲線的變量“距離”，自動 調用對受檢者預測量獲得的實際數據。本發明與現有的、由生產廠商預置的“時間-增益補償”曲線相比，可以方便的依 據受檢者個體的實際情況，自動采用適應受檢者自身特點的“時間-增益補償”曲線，有效 降低了界面反射波的幅度差異引起的延遲時間差異，提高了眼軸長度AL的測量精度，為臨 床診斷和人工晶體植入術的實施提供更準確的數據。
圖1是A型超聲眼軸長度測量工作原理示意圖；圖2是本發明方法的流程圖。其中1:眼科A超探頭2:前房3:晶體4:玻璃體5 各聲學界面的反射波 6 觸發閾值7 觸發脈沖——其脈沖間隔時間為計算眼軸長度的基準
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增 益補償方法做出詳細說明。本發明需要解決的技術問題是，針對受檢者眼球生理結構的具體情況，簡便的自 動調用符合其眼球結構特性的“時間-增益補償”曲線。 “眼科超聲測量設備”在臨床應用中的直接目的不是獲得診斷結果或健康狀況，而 只是從活的人體或動物體獲取作為中間結果的“眼軸長度”這一生理參數；該信息本身不能 夠直接得出疾病的診斷結果或健康狀況，屬于為實施人工晶體植入術而需要測量的中間數 據。本發明的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間_增益補償方法的特點是1、對A型超聲眼軸長度測量中應用的“時間-增益補償”曲線的變量“頻率”，進行 通過晶體后的偏移校正。2、對A型超聲眼軸長度測量中應用的“時間-增益補償”曲線的變量“距離”，自動 調用對受檢者預測量獲得的實際數據。如圖2所示，本發明的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法，具 體包括如下階段1)分別建立眼軸長度測量中需要測量的前房、晶體、玻璃體三種組織的標準時 間-增益補償曲線，存貯TGC存貯器中。包括如下步驟a)前房、晶體、玻璃體的聲衰減系數斜率數據取自權威文獻報道的、公知公認數 據，如下前房、玻璃體的聲衰減系數斜率取0. IOdB/(cm · MHz)；晶體的聲衰減系數斜率正常眼取2. OdB/(cm · MHz)；對于患有白內障的眼，按常規公知的臨床診斷晶體混濁程度4級分類法，分4級對上述聲衰減系數斜率進行校正；為獲取不同混濁程度白內障眼的聲衰減系數斜率的校正因子，可通過大樣本臨床 測量超聲波在不同混濁程度的晶體的前、后沿反射波幅度的差異，經過公知的統計學處理 方法，求出不同混濁程度白內障眼的聲衰減系數斜率的平均值；與正常眼的聲衰減系數斜 率相比較，求出校正因子Ci1 Ci40b)由于聲衰減與超聲頻率有關，超聲波在組織傳播過程中，超聲頻譜的高頻成分 由于衰減量較大而使頻譜發生頻移，因此需要對眼組織各部分的超聲頻率修正前房部分由于聲衰減系數斜率極低，不需要校正，該超聲頻率取自超聲探頭的標 稱工作頻率fQ (中心頻率)晶體部分由于衰減系數斜率較大，需要對超聲頻率進行修正，校正方法為以“脈沖-回波法”測量多個超聲換能器的反射波頻譜，取其中反射波頻譜的中心 頻率等于換能器標稱中心頻率fo的作為典型頻譜；從典型頻譜中讀出不同頻率對應的回波幅值dB，將連續的頻譜簡化為一組“頻 率-幅值”數據；將上述不同頻率對應的回波幅值用聲衰減系數斜率2. OdB/(cm · MHz)校正，得到 超聲波通過單位晶體厚度后的一組新的幅值_頻率關系數據，從該組數據中可獲得超聲波 傳播單位路徑衰減后的中心頻率值；重復上述步驟，直至覆蓋晶體厚度可能的最大值，可得到中心頻率的偏移與晶體 厚度的關系曲線，從該曲線可以得出超聲波通過一定厚度的晶體后修正的中心頻率f\。玻璃體部分由于聲衰減系數斜率極低，不需要校正，該超聲頻率取自超聲波通過 晶體后修正的中心頻率f\。c)將上述求出的聲衰減隨距離變化的時間增益補償曲線存入TGC存貯器中。2)依據臨床檢查結果，在眼科A型超聲測量設備的人機對話界面輸入患者相關信 息。包括如下步驟a)選擇“正常眼”聲衰減系數校正因子α自動選擇α = 1，即不需校正；b)如果患者屬于白內障眼，按臨床診斷的晶體混濁程度選擇1、2、3或4，自動調用 已存入TGC存貯器中的聲衰減系數斜率αι、α2、^或α4。3)進行預測量。包括如下步驟a)完成患者信息輸入后，眼科A型超聲測量設備自動按常規方法、使用現有時 間-增益補償技術對眼軸長度進行含有多次發射的一組預測量，約在IOOms時間內即可獲 得受檢者前房深度AC、晶體厚度LEN和玻璃體長度VITR的一組數據，通過對該組數據的統 計學處理，求出該組數據的平均值和標準差；b)將該組數據的平均值和標準差與依據臨床經驗設定的判據進行比較，如果該組 數據的重復性不符合判據要求，給出提示并自動進行下一次預測量；如果預測量數據的重 復性符合判據要求，將該組數據的平均值AC、LEN、VITR輸出至TGC存貯器，作為TGC存貯器 中聲衰減隨距離變化函數曲線的距離值。4) TGC存貯器依據獲得的數據，自動進行自適應TGC曲線擬合，完成符合受檢者個 體情況的“時間-增益補償”曲線，用于正式測量；5)進行正式測量。預測量完成之后，在完成“自適應TGC曲線”擬合的同時，自動開始使用上述適應受檢者具體情況的“時間-增益補償”曲線進行正式測量，獲得眼軸長度 AL及其前房深度AC、晶體厚度LEN和玻璃體長度VITR各段的數據并進行顯示，作為測量的 結果輸出。本發明的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間_增益補償方法具體應用如下1、預測量的符合性判據與當前產品應用的現有技術相同。即將測量值與預設的AC、LEN、VITR合理范圍比 較，多次重復測量數據的統計學處理等；以排除超聲波束未對準眼軸、探頭接觸角膜壓力過 大等醫生操作手法不當產生的錯誤數據。2、聲衰減系數校正因子α正常眼晶體的聲衰減系數斜率為2. OdB/(cm · MHz)，對于白內障眼，由于晶體混濁 的散射會使該數值變化。眼科臨床一般將晶體混濁程度分為4級。衰減系數校正因子確定的最佳方案是臨床醫生可以通過臨床B型圖像掃描及其他光學檢查手段等現有技術，對晶體混 濁程度進行級別分類。依據臨床晶體混濁程度級別分類的結果，分別對不同級別的患者采用眼軸方向的 A超掃描，記錄晶體前、后沿反射波的幅度差異數據，生產商依據儀器內置的TGC曲 線模式，獲得其衰減數據；再通過大樣本的統計數據處理，求出不同混濁程度白內障眼的聲 衰減系數斜率的平均值；與正常眼的聲衰減系數斜率相比較，求出不同晶體混濁級別的校 正因子α ！ ~ α 4°3、中心頻率校正由于晶體的聲衰減系數斜率遠高于其他眼組織，超聲波通過晶體后的頻譜偏移不 能被忽略。中心頻率校正的最佳實施方案是1)以“脈沖-回波法”測量多個超聲換能器的反射波頻譜，取其中反射波頻譜的中 心頻率等于換能器標稱中心頻率(fo)的作為典型頻譜。2)以中心頻率的10%為起點，以IMHz為增量，從典型頻譜中讀出不同頻率對應的 回波幅值(dB)，直至頻率達到中心頻率的2倍為止；將連續的頻譜簡化為一組“頻率-幅 值”數據。3)由于反射波通過晶體的路程是晶體厚度的2倍，將步驟2)得到的不同頻率對應 的回波幅值以0. 4mm為單位，用聲衰減系數斜率2. OdB/(cm -MHz)校正，即可得到超聲波通 過晶體厚度為0. 2mm后的一組“幅值-頻率”關系數據，從該組數據中即可獲得超聲波傳播 單位路徑衰減后的中心頻率值；4)以0.4mm為增量，重復步驟3)，直至覆蓋2倍晶體厚度可能的最大值(12mm)，即 可得到晶體厚度每增加0. 2mm對應的中心頻率值；5)獲得晶體厚度的預測量數據后，采用線性內插法即可獲得超聲波通過晶體后修 正的中心頻率f\。
權利要求
1.一種眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法，其特征在于，包括如 下階段1)分別建立眼軸長度測量中需要測量的前房、晶體、玻璃體三種組織的標準時間-增 益補償曲線，存貯TGC存貯器中；2)依據臨床檢查結果，在眼科A型超聲測量設備的人機對話界面輸入患者相關信息；3)進行預測量；4)TGC存貯器依據獲得的數據，自動進行自適應TGC曲線擬合，完成符合受檢者個體情 況的“時間-增益補償”曲線，用于正式測量；5)進行正式測量，預測量完成之后，在完成“自適應TGC曲線”擬合的同時，自動開始使 用上述適應受檢者具體情況的“時間_增益補償”曲線進行正式測量，獲得眼軸長度AL及 其前房深度AC、晶體厚度LEN和玻璃體長度VITR各段的數據并進行顯示，作為測量的結果 輸出。
2.根據權利要求1所述的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法，其 特征在于，所述的階段1包括如下步驟a)前房、晶體、玻璃體的聲衰減系數斜率數據如下前房、玻璃體的聲衰減系數斜率取0. IOdB/(cm · MHz)；晶體的聲衰減系數斜率正常眼取2. OdB/(cm · MHz)；對于患有白內障的眼，按常規公 知的臨床診斷晶體混濁程度4級分類法，分4級對上述聲衰減系數斜率進行校正；求出不同混濁程度白內障眼的聲衰減系數斜率的平均值；與正常眼的聲衰減系數斜率 相比較，求出校正因子Ci1 α4。b)對眼組織各部分的超聲頻率修正前房部分由于聲衰減系數斜率極低，不需要校正，該超聲頻率取自超聲探頭的標稱工 作頻率fQ。晶體部分由于衰減系數斜率較大，需要對超聲頻率進行修正，校正方法為以“脈沖_回波法”測量多個超聲換能器的反射波頻譜，取其中反射波頻譜的中心頻率 等于換能器標稱中心頻率(fo)作為典型頻譜；從典型頻譜中讀出不同頻率對應的回波幅值(dB)，將連續的頻譜簡化為一組“頻 率-幅值”數據；將上述不同頻率對應的回波幅值用聲衰減系數斜率2. OdB/(cm · MHz)校正，得到超聲 波通過單位晶體厚度后的一組新的“幅值-頻率”關系數據，從該組數據中可獲得超聲波傳 播單位路徑衰減后的中心頻率值；重復上述步驟，直至覆蓋晶體厚度可能的最大值，得到中心頻率的偏移與晶體厚度的 關系曲線，從該曲線得出超聲波通過一定厚度的晶體后修正的中心頻率f\。玻璃體部分由于聲衰減系數斜率極低，不需要校正，該超聲頻率取自超聲波通過晶體 后修正的中心頻率f\。c)將上述求出的聲衰減隨距離變化的時間-增益補償曲線存入TGC存貯器中。
3.根據權利要求1所述的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法，其 特征在于，所述的階段2包括如下步驟a)選擇“正常眼”聲衰減系數校正因子α自動選擇α = 1，即不需校正；b)如果患者屬于白內障眼，按臨床診斷的晶體混濁程度選擇1、2、3或4，自動調用已存 入TGC存貯器中的聲衰減系數斜率校正因子αι、α2、03或α4。
4.根據權利要求1所述的眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法，其 特征在于，所述的階段3包括如下步驟a)完成患者信息輸入后，眼科A型超聲測量設備自動按常規方法、使用現有時間-增 益補償技術對眼軸長度進行一組含有多次發射的預測量，獲得受檢者前房深度AC、晶體厚 度LEN和玻璃體長度VITR的一組數據，通過對該組數據的統計學處理，求出該組數據的平 均值和標準差；b)將該組數據的平均值和標準差與依據臨床經驗設定的判據進行比較，如果該組數據 的重復性不符合判據要求，給出提示并自動進行下一次預測量；如果預測量數據的重復性 符合判據要求，將該組數據的平均值AC、LEN、VITR輸出至TGC存貯器，作為TGC存貯器中聲 衰減隨距離變化函數曲線的距離值。
全文摘要
一種眼科超聲測量設備中應用的自適應時間-增益補償方法分別建立眼軸長度測量中需要測量的前房、晶體、玻璃體的標準時間-增益補償曲線，存貯TGC存貯器中；依臨床檢查，在A型超聲測量設備的人機對話界面輸入患者信息；進行預測量；TGC存貯器依獲得的數據，自動進行自適應TGC曲線擬合，完成符合受檢者個體情況的“時間-增益補償”曲線；進行正式測量，預測量完成之后，在完成“自適應TGC曲線”擬合的同時，自動開始使用適應受檢者具體情況的“時間-增益補償”曲線進行正式測量，獲得眼軸長度AL及其前房深度AC、晶體厚度LEN和玻璃體長度VITR各段的數據并進行顯示。本發明提高了眼軸長度AL的測量精度，為診斷和人工晶體植入提供更準確的數據。
文檔編號A61B8/10GK101999910SQ20101058107
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者宋學東, 張渝生, 李穗, 李躍杰, 楊軍, 王延群, 王洪義, 計建軍 申請人:天津邁達醫學科技有限公司