定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，其檢測(cè)方法為：步驟一、獲取生物組織超聲背散射信號(hào)；步驟二、截取DOI區(qū)域的背散射信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)；步驟三、對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，得到三階本征模態(tài)函數(shù)和一個(gè)殘差項(xiàng)；步驟四、提取三階本征模態(tài)函數(shù)能量譜，并與原信號(hào)能量譜進(jìn)行相似度分析，確定包含組織微結(jié)構(gòu)信息的BIMF；步驟五、對(duì)確定出的BIMF進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算組織散射子間距信息。本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)提取模態(tài)函數(shù)項(xiàng)BIMF，去除非相干模態(tài)函數(shù)項(xiàng)中的無(wú)用信息；(2)消除彌散散射元信號(hào)及噪聲干擾，抑制倒譜中的干擾峰值，提高M(jìn)SS估計(jì)精度，估計(jì)精度可達(dá)90～95％。
【專(zhuān)利說(shuō)明】定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用超聲背散射技術(shù)對(duì)表征組織微觀結(jié)構(gòu)的平均散射子間距進(jìn) 行檢測(cè)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 醫(yī)學(xué)超聲廣泛應(yīng)用于人體組織器官成像中，雖然該技術(shù)在臨床應(yīng)用中已經(jīng)具有相 當(dāng)成熟的應(yīng)用基礎(chǔ)，并能提供實(shí)時(shí)的高精度人體器官圖像，但其不能提供由于組織鈣化、變 異等導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)變化。
[0003] 目前一些等效散射子模型如二元混合模型、Faran圓柱模型以及弱散射子模型等 常用來(lái)表征組織微觀結(jié)構(gòu)變化。在這些模型中，組織的檢測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)超聲衰減、背散射系 數(shù)、散射子密度、散射子直徑和平均散射子間距（MSS)等的檢測(cè)。其中MSS是一種最常用的 方法，該方法主要利用了生物組織在聲學(xué)特性分布上具有一定的準(zhǔn)周期性，這種生物周期 性來(lái)自組織結(jié)構(gòu)中的規(guī)則散射元和彌散散射元，會(huì)隨著組織健康狀況改變而發(fā)生變化，通 過(guò)利用MSS測(cè)量該周期性，可以對(duì)生物組織微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)如血管動(dòng)脈粥樣硬化、 骨質(zhì)疏松等健康狀況做出診斷。
[0004] 在平均散射子間距估計(jì)中目前常用的方法主要有倒譜方法、功率譜方法和瞬態(tài)相 關(guān)圖等方法。這些方法在一定程度上能夠有效檢測(cè)平均散射子間距，但受背散射超聲信號(hào) 序列短、衰減大和噪聲大的影響，檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定。一些自相關(guān)譜分析方法、周期性小波變 換方法、奇異譜分析方法等提高了檢測(cè)魯棒性，但計(jì)算量大，在去除噪聲和彌散散射信號(hào)干 擾方面有待提1?。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決定量超聲系統(tǒng)中利用現(xiàn)有技術(shù)方法無(wú)法有效消除超聲背散射信號(hào)中的 噪聲和彌散散射信號(hào)干擾的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (EMD)的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，包括如下步 驟：
[0008] 步驟一、獲取生物組織超聲背散射信號(hào)；
[0009] 步驟二、截取DOI (Domain oflnterest)區(qū)域的背散射信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟三、對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，得到三階本征模態(tài)函數(shù)和一個(gè)殘差項(xiàng)；
[0011] 步驟四、執(zhí)行能量譜篩選：提取三階本征模態(tài)函數(shù)能量譜，并與原信號(hào)能量譜進(jìn)行 相似度分析，確定包含組織微結(jié)構(gòu)信息的最優(yōu)模態(tài)函數(shù)項(xiàng)（BIMF);
[0012] 步驟五、對(duì)確定出的BMF進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算組織散射子間距信息。
[0013] 所述步驟一中，超聲背散射信號(hào)獲取有仿真和實(shí)驗(yàn)兩種獲取方式。其中實(shí)驗(yàn)獲取 方式中，超聲背散射信號(hào)收發(fā)由2MHz高頻單陣元聚焦探頭實(shí)現(xiàn)，探頭聚焦距離為25mm，探 測(cè)方式為單一探頭背散射作用方式。
[0014] 所述步驟二中，截取D0I區(qū)域信號(hào)時(shí)，采用矩形窗函數(shù)。仿真數(shù)據(jù)截取信號(hào)序列時(shí) 間長(zhǎng)度為4 μ s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截取信號(hào)序列長(zhǎng)度為8. 125 μ s。
[0015] 所述步驟三中，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法具體通過(guò)以下迭代進(jìn) 行檢測(cè)：
[0016] 1)輸入D0I區(qū)域背散射信號(hào)x(t)(t= 1，2,…，Ν，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)）為原始函數(shù)；
[0017] 2)確定輸入的原始函數(shù)極值點(diǎn)，采用三次樣條函數(shù)確定輸入信號(hào)上下包絡(luò)\(〇 Xu(t);
[0018] 3)計(jì)算上下包絡(luò)均值

【權(quán)利要求】
1. 一種定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，其特征在于所述 檢測(cè)方法步驟如下： 步驟一、獲取生物組織超聲背散射信號(hào)； 步驟二、截取DOI區(qū)域的背散射信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)； 步驟三、對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，得到三階本征模態(tài)函數(shù)和一個(gè)殘差項(xiàng)； 步驟四、執(zhí)行能量譜篩選：提取三階本征模態(tài)函數(shù)能量譜，并與原信號(hào)能量譜進(jìn)行相似 度分析，確定包含組織微結(jié)構(gòu)信息的BIMF ; 步驟五、對(duì)確定出的BMF進(jìn)行估計(jì)，計(jì)算組織散射子間距信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述步驟一中，超聲背散射信號(hào)的獲取方式為仿真獲取方式或?qū)嶒?yàn)獲取方 式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)獲取方式中，超聲背散射信號(hào)收發(fā)由2MHz高頻單陣元聚焦探頭實(shí) 現(xiàn)，探頭聚焦距離為25mm，探測(cè)方式為單一探頭背散射作用方式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述仿真數(shù)據(jù)獲取方式采用有限元數(shù)值求解方法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述步驟二中，采用矩形窗函數(shù)截取DOI區(qū)域的背散射信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述步驟二中，仿真數(shù)據(jù)截取信號(hào)序列時(shí)間長(zhǎng)度為4 μ s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截取信號(hào) 序列長(zhǎng)度為8. 125 μ s。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述步驟三的具體步驟為： 1) 輸入DOI區(qū)域背散射信號(hào)x(t)為原始函數(shù)，t = 1，2，...，Ν，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)； 2) 確定輸入的原始函數(shù)極值點(diǎn)，采用三次樣條函數(shù)確定輸入信號(hào)上下包絡(luò)&(〇 Xu(t); 3) 計(jì)算上下包絡(luò)均值叫(0 = |Ui(0 + ?.(0)，定義hjt)為原始函數(shù)與該包絡(luò)均值的差 值函數(shù)比(t) = Xi (t) -nii (t)，i表示第i次分解，分解結(jié)束得到第i個(gè)本征模態(tài)函數(shù)； 4) 迭代計(jì)算判斷差值函數(shù)h (t)是否滿(mǎn)足IMF條件，判斷決策過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)則： "、》=(&-#)-九⑴)2/私-υ(〇，hk(t)為第k次迭代差值函數(shù)；若H SD彡0. 15,則第i個(gè)本 征模態(tài)函數(shù)成分頂F i定義為Cj (t)=比(t)，i = 1，2, . . .，N，繼續(xù)執(zhí)行第5步；否則差值 函數(shù)比(t) = Xi (t)-mi (t)作為輸入的原始函數(shù)Xi (t)返回執(zhí)行第2步； 5) 存儲(chǔ)IMF分解次數(shù)為N，判斷若N彡3,繼續(xù)執(zhí)行第6步，否則剩余函數(shù)Xi(t)= Xh (t) _Ci (t)返回執(zhí)行第2步，Ci (t)為第i個(gè)本征模態(tài)函數(shù)； 6) 經(jīng)過(guò)上述迭代計(jì)算，獲得原始函數(shù)3個(gè)本征模態(tài)函數(shù)成分MFl，MF2, MF3 : {Cl (t)， Cg(?)，C3(t) } 〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述步驟四中，執(zhí)行能量譜篩選，分別求得三階本征模態(tài)函數(shù)能量譜，根據(jù) 能量譜極值點(diǎn)值及其位置，確定包含組織微結(jié)構(gòu)信息的BIMF。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定量超聲系統(tǒng)中基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的組織微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)方 法，其特征在于所述步驟五中，利用倒譜估計(jì)方法對(duì)BMF進(jìn)行估計(jì)，由計(jì)算結(jié)果估計(jì)組織 等效散射子間距，利用該散射子間距表征生物組織特性。
【文檔編號(hào)】A61B8/08GK104138277SQ201410366119
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】沈毅, 潘文磊, 金晶, 王艷, 章欣 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)