一种基于超声背向散射信号成像的骨质评价方法
【专利摘要】本发明为一种基于超声背向散射信号成像的骨质评价方法，应用于医学超声领域。本方法使用单个超声探头对待测骨骼沿直线进行扫描，在每个扫描位置，对超声探头进行激励发射出超声波，超声波进入松质骨中受到其微结构的影响，形成散射波。其中，与入射方向相反的散射波被同一探头接收，即为背向散射信号。将每个扫描位置获得的回波信号映射为图像中的某一列，待扫描完成后即可获得回波图像。选取图像中背向散射部分的两个目标区域，并对其均值进行差分归一化运算，得到平均像素差分值来评价骨质情况。本方法相对于传统的基于透射法和轴向传输法的骨质评价方法，能更好地反映骨微结构的信息；相对于基于单点背向散射信号的骨质评价方法，能更好地反映区域骨质的整体情况。
【专利说明】
-种基于超声背向散射信号成像的骨质评价方法
技术领域
[0001] 本发明设及医学超声定量测量技术领域，具体设及超声骨密度仪中一种基于背向 散射信号成像的骨质评价方法。
【背景技术】
[0002] 骨质疏松症是一种骨强度下降引起的疾病，会引起骨微结构的退化，导致骨折概 率的增加。伴随着我国人口老龄化的加剧，骨质疏松症将会成为越来越严重的社会问题。目 前，骨质疏松症最标准的诊断方法是使用双能X射线测量骨密度，但是由于其具有电离福射 而且仪器成本高，因此难W作为日常的检测手段。而超声诊断技术由于其无电离福射、便 捷、性价比高等特点，在骨密度检测方面得到了越来越多的应用。
[0003] 目前常用的超声诊断方法是超声透射法和超声轴向传输法。相比而言，超声背向 散射法具有W下优点：（1)超声透射法和超声轴向传输法需要多个探头或多个换能器，对于 测量骨骼的位置有很大的限制，而超声背向散射法使用同一个探头对超声波进行收发，测 量位置更加灵活。（2)骨质疏松不仅仅带来骨矿密度的下降，也和骨骼微结构的退化相关。 超声透射法和超声轴向传输法只能够检测骨矿密度的变化，而超声背向散射信号中含有骨 微结构的信息，因此能够更加准确地诊断骨质疏松症。
[0004] 骨质分为皮质骨和松质骨，松质骨由许多骨小梁交织而成，当超声波进入松质骨 内部时，由于波长接近骨小梁的厚度，会产生各个方向上的散射波，其中被发射探头接收的 散射波即为背向散射信号。由于松质骨的各向异性，松质骨中各点的特性并不一致，因此通 过单点的背向散射信号来分析骨质情况难W获得整体骨质情况，因此对区域内各点的背向 散射信号成像，再对成像结果进行分析，就能够掌握区域内整体骨质的情况，运使得测量结 果更有参考意义。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的问题是:超声透射法和超声轴向传输法运两种传统的超声测量骨 密度方法具有测量位置限制和无法获得骨微结构信息两个缺点，而基于单点超声背向散射 信号的测量方法难W回避松质骨各向异性的特点导致的结果不精确。本发明提供的方法在 弥补了传统超声方法缺点的基础之上，将超声背向散射信号成像来对区域内骨质情况进行 综合评价，提高了骨质测量的精确性和稳定性。
[0006] 本发明的技术方案由W下步骤实现：
[0007] (1)使用超声探头沿直线扫描待测骨，在每个扫描位置，对超声探头进行激励，向 待测骨头发射超声波。超声波传播到松质骨中受到其微结构的影响形成散射波，其中的背 向散射波被同一探头接收；
[000引（2)在每个扫描位置上，将接收到的回波信号映射到图像中的一列，待扫描完成后 获得扫描区域的回波图像；
[0009] (3)选取图像中背向散射部分的两个目标区域的均值进行差分归一化运算得到平 均像素差分值，根据结果对区域内骨质情况进行评价。
[0010] 所述的测量系统包括探头、前端采集电路和PC机处理软件。测量系统使用的探头 采用单阵元非聚焦超声换能器，探头频率为2.25MHz，测量部位为根骨。前端采集电路的作 用是产生探头激励脉冲、回波处理、模数转换和上传数据到PC机。其中回波处理部分包括可 变增益放大器，确保收到的回波信号经过处理后进入模数转换时处于合适的量程范围内。 模数转换器采用ANALOG公司的AD6645，采样位数为Hbit，最大采样速率为105MSPS。前端采 集电路使用USB总线和PC机通信，PC机软件读取USB总线上传的数据并对其进行解析，绘制 成图像，并将从图像中提取的参数和数据库中的标准值进行对比，随后把测量结果反馈给 测试者。
[0011] 所述步骤（1)中，先将探头置于根骨部位，使用医用超声禪合剂进行禪合，在测量 区域内移动探头，在移动过程中，探头不间断发射超声波并接收回波信号，前端采集电路完 成回波信号的预处理之后进行模数转换，并将模数转换的结果和对应可变增益放大器的增 益值通过USB总线上传到PC机进行下一步的数据处理。
[0012] 所述步骤(2)中，在每个扫描位置上，将接收到的回波信号映射到图像中的一列， 运样在扫描完成后所有列拼接在一起形成了完整的二维回波图像。图像的横轴代表了每个 扫描位置，图像的纵轴代表回波信号的时间轴，图像的每一个像素值的大小代表了每个扫 描位置的回波中信号点的幅度。图像采用256阶灰度图表示，每个像素的取值范围在0到255 之间。在每个扫描位置上获得的回波信号先根据增益值换算到回波信号的绝对值，再将其 整体线性映射到0到255之间，填充到图像中新的一列上，如此往复即可获得整个扫描区域 内的二维回波图像。
[0013] 所述步骤(3)中，由于受到表面反射波和皮肤等中间组织的影响，回波的初始部分 并非所需要的背向散射信号，因此需要在二维回波图像中选取背向散射信号部分的两个目 标区域，两个目标区域均为矩形，长宽相同，面积相同。目标区域的长度和回波图像的横向 长度相同，目标区域的宽度为时间Tw,并且两个目标区域间隔时间为Ts。选取到合适的目标 区域后，将两个目标区域内的像素均值相减，再除W归一化系数Tw+Ts，得到最终的平均像素 差分值。由于骨密度的不同，两个目标区域内的回波信号的衰减程度也不一样，当骨密度越 大时，两个目标区域内回波信号的衰减程度相差也越大，因此两个目标区域的平均像素差 分值与骨密度相关。最后将结果与数据库中的标准值进行比对，获得区域内的骨质情况信 息。
[0014] 本发明所述的一种基于超声背向散射信号成像的骨质评价方法应用于骨密度的 超声检测中，既避免了传统超声透射法和超声轴向传输法带来的测量位置限制和测量结果 误差，又避免了松质骨各向异性带来的单点测量的误差，实现了对区域内骨质情况的整体 评价。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明测量系统整体结构框图。
[0016] 图2是本发明采集信号示意图。
[0017] 图3是本发明成像结果示意图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明使用的测量系统整体结构框图如图1所示，测量系统采用同一个探头进行 超声波的发射和回波的接收，测量系统由FPGA来进行控制。由FPGA产生的激励信号经过高 压模块放大，连接到探头对其进行激励产生超声波。回波信号被探头接收，转换成相应的电 信号传输到预处理模块。预处理模块完成与高压电路的隔离和回波信号的前置放大，放大 后的回波信号进入可控放大模块，由FPGA根据其峰峰值控制增益的大小，防止信号幅度太 大超过模数转换器的量程或者太小影响模数转换结果的精度，W保证信号处于合适的模数 转换的量程范围内。模数转换器采用ANALOG公司的14位单忍片模数转换器AD6645，最大采 样速率可W达到105MSPS。其后回波信号经过模数转换器由模拟信号转换成数字信号，数字 信号和对应增益值由FPGA通过USB总线上传送给PC机。
[0019] 测量开始时，将超声探头置于测试者根骨部位，沿着根骨进行直线扫描，在每个扫 描位置，由测量系统不断激励超声探头，超声探头产生的超声波传播到松质骨中，受到其微 结构的影响产生散射波，其中与发射超声波方向相反的背向散射波被超声探头所接收，与 表面反射波等信号一起构成了超声探头接收到的回波信号。回波信号如图2所示，前4US为 表面反射波，其后的波形为背向散射波。
[0020] 测量系统将探头接收到的回波转换成数字信号经过USB总线传输到PC机，在PC机 上读取USB总线上的数据进行处理。在PC机上每读取到的一帖信号代表探头在一个扫描位 置接收到的回波，将其映射到图像的一列上，其中的像素值与信号幅度相对应。图像用256 阶灰度图表示，每个像素取值范围在0到255之间。在每个扫描位置上获得的一帖回波信号 先将其根据增益值换算到回波信号的绝对值上，再将回波信号绝对值线性映射到0到255的 区间上。假设某帖回波信号绝对值中幅度最大值为Max，最小值为Min，对于某一个幅度为A 的点映射后的像素值P为：
[0021]
[0022] 在探头沿着扫描区域移动的过程中，不断发射超声波W及接收回波信号，不断有 新的列添加到图像中，图像的长度也在不断扩展。待扫描完成后，便可形成回波信号图像， 图像的横轴代表了每个扫描位置，图像的纵轴代表了回波信号的时间轴，图像的像素值代 表了回波信号的幅度。
[0023] 回波图像如图3所示，最上层的部分为表面反射波的图像，需要排除在分析之外。 其余的部分为分析需要的背向散射信号图像部分。选取背向散射信号图像的两个矩形目标 区域进行分析，如图3中的两个白色边框矩形所示，两个目标区域的长度和宽度相同，长度 取整个图像的横轴范围，宽度取时间长度Tw,两个目标区域间隔时间长度Ts,并且令Tw = lus，Ts=lus。选取到合适的目标区域后，分别计算出两个目标区域内像素值的均值为化和 M2,则最终测量结果化1为：
[0024]
[0025] 化1即为获得评价骨质情况的平均像素差分值。当骨密度越大，两个目标区域内的 信号衰减程度将会越明显，因此两个目标区域内像素均值差距将会越大，得到的最终结果 也会越大。将得到平均像素差分值和数据库中的标准值比对即可获得骨质情况的评价结 果D
【主权项】
1. 一种基于超声背向散射信号成像的骨质评价方法，其特征在于具体步骤如下： (1) 使用超声探头沿直线扫描待测骨，在每个扫描位置，对超声探头进行激励，向待测 骨头发射超声波。超声波传播到松质骨中受到其微结构的影响形成散射波，其中的背向散 射波被同一探头接收； (2) 在每个扫描位置上，将接收到的回波信号映射到图像中的一列，待扫描完成后获得 扫描区域的回波图像； (3) 选取图像中背向散射部分的两个目标区域，对两个目标区域的均值进行差分归一 化运算得到平均像素差分值，根据平均像素差分值对区域内骨质情况进行评价。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是超声探头采用单阵元非聚焦超声换能器，测量 部位为根骨。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是采用的测量系统包括探头、前端采集电路和PC 机处理程序。前端采集电路的作用是产生探头激励脉冲、回波处理、模数转换和上传数据到 PC机。回波处理部分包括可变增益放大器，确保收到回波信号经过处理后进入模数转换时 处于合适的量程范围内。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是在步骤(2)中，得到的回波信号根据其增益值 换算成回波信号的绝对值，再通过绝对值信号的最大值和最小值线性映射到256阶灰度图 中。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是在步骤(3)中，回波图像的长度代表扫描距离， 宽度代表接收到回波的时间。在回波图像中除去表面反射波的部分，在剩下的背向散射信 号图像中选取宽度为Iw并间隔T s的两个目标区域进行运算。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是在步骤(3)中，对两个目标区域内像素值的均 值相减，再除以归一化系数Iw+Ts，得到平均像素差分值。若骨密度越大，回波信号随时间的 衰减将会越明显，两个目标区域内像素均值差异将会越大，得到的最终结果也会越大。将结 果与数据库中的标准值比对，即可得到骨质情况的评价信息。
【文档编号】G06K9/62GK106022369SQ201610325883
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】何爱军, 唐国扬, 唐彬, 付思东, 陈自立, 孙琴, 汤冬冬, 李 昊
【申请人】南京大学