定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方法，其检测方法为：步骤一、获取生物组织超声背散射信号；步骤二、截取DOI区域的背散射信号作为输入数据；步骤三、对输入数据进行EMD分解，得到三阶本征模态函数和一个残差项；步骤四、提取三阶本征模态函数能量谱，并与原信号能量谱进行相似度分析，确定包含组织微结构信息的BIMF；步骤五、对确定出的BIMF进行估计，计算组织散射子间距信息。本发明具有如下优势：(1)提取模态函数项BIMF，去除非相干模态函数项中的无用信息；(2)消除弥散散射元信号及噪声干扰，抑制倒谱中的干扰峰值，提高MSS估计精度，估计精度可达90～95％。
【专利说明】定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用超声背散射技术对表征组织微观结构的平均散射子间距进 行检测的方法。
【背景技术】
[0002] 医学超声广泛应用于人体组织器官成像中，虽然该技术在临床应用中已经具有相 当成熟的应用基础，并能提供实时的高精度人体器官图像，但其不能提供由于组织钙化、变 异等导致的微观结构变化。
[0003] 目前一些等效散射子模型如二元混合模型、Faran圆柱模型以及弱散射子模型等 常用来表征组织微观结构变化。在这些模型中，组织的检测转化为对超声衰减、背散射系 数、散射子密度、散射子直径和平均散射子间距（MSS)等的检测。其中MSS是一种最常用的 方法，该方法主要利用了生物组织在声学特性分布上具有一定的准周期性，这种生物周期 性来自组织结构中的规则散射元和弥散散射元，会随着组织健康状况改变而发生变化，通 过利用MSS测量该周期性，可以对生物组织微观结构进行测量，并对如血管动脉粥样硬化、 骨质疏松等健康状况做出诊断。
[0004] 在平均散射子间距估计中目前常用的方法主要有倒谱方法、功率谱方法和瞬态相 关图等方法。这些方法在一定程度上能够有效检测平均散射子间距，但受背散射超声信号 序列短、衰减大和噪声大的影响，检测结果不稳定。一些自相关谱分析方法、周期性小波变 换方法、奇异谱分析方法等提高了检测鲁棒性，但计算量大，在去除噪声和弥散散射信号干 扰方面有待提1?。
【发明内容】
[0005] 为了解决定量超声系统中利用现有技术方法无法有效消除超声背散射信号中的 噪声和弥散散射信号干扰的问题，本发明提供了一种定量超声系统中基于经验模态分解 (EMD)的组织微观结构检测方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方法，包括如下步 骤：
[0008] 步骤一、获取生物组织超声背散射信号；
[0009] 步骤二、截取DOI (Domain oflnterest)区域的背散射信号作为输入数据；
[0010] 步骤三、对输入数据进行EMD分解，得到三阶本征模态函数和一个残差项；
[0011] 步骤四、执行能量谱筛选：提取三阶本征模态函数能量谱，并与原信号能量谱进行 相似度分析，确定包含组织微结构信息的最优模态函数项（BIMF);
[0012] 步骤五、对确定出的BMF进行估计，计算组织散射子间距信息。
[0013] 所述步骤一中，超声背散射信号获取有仿真和实验两种获取方式。其中实验获取 方式中，超声背散射信号收发由2MHz高频单阵元聚焦探头实现，探头聚焦距离为25mm，探 测方式为单一探头背散射作用方式。
[0014] 所述步骤二中，截取D0I区域信号时，采用矩形窗函数。仿真数据截取信号序列时 间长度为4 μ s，实验数据截取信号序列长度为8. 125 μ s。
[0015] 所述步骤三中，基于经验模态分解的组织微观结构检测方法具体通过以下迭代进 行检测：
[0016] 1)输入D0I区域背散射信号x(t)(t= 1，2,…，Ν，Ν为采样点数）为原始函数；
[0017] 2)确定输入的原始函数极值点，采用三次样条函数确定输入信号上下包络\(〇 Xu(t);
[0018] 3)计算上下包络均值
【权利要求】
1. 一种定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方法，其特征在于所述 检测方法步骤如下： 步骤一、获取生物组织超声背散射信号； 步骤二、截取DOI区域的背散射信号作为输入数据； 步骤三、对输入数据进行EMD分解，得到三阶本征模态函数和一个残差项； 步骤四、执行能量谱筛选：提取三阶本征模态函数能量谱，并与原信号能量谱进行相似 度分析，确定包含组织微结构信息的BIMF ; 步骤五、对确定出的BMF进行估计，计算组织散射子间距信息。
2. 根据权利要求1所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述步骤一中，超声背散射信号的获取方式为仿真获取方式或实验获取方 式。
3. 根据权利要求2所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述实验获取方式中，超声背散射信号收发由2MHz高频单阵元聚焦探头实 现，探头聚焦距离为25mm，探测方式为单一探头背散射作用方式。
4. 根据权利要求2所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述仿真数据获取方式采用有限元数值求解方法。
5. 根据权利要求1所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述步骤二中，采用矩形窗函数截取DOI区域的背散射信号作为输入数据。
6. 根据权利要求1所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述步骤二中，仿真数据截取信号序列时间长度为4 μ s，实验数据截取信号 序列长度为8. 125 μ s。
7. 根据权利要求1所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述步骤三的具体步骤为： 1) 输入DOI区域背散射信号x(t)为原始函数，t = 1，2，...，Ν，Ν为采样点数； 2) 确定输入的原始函数极值点，采用三次样条函数确定输入信号上下包络&(〇 Xu(t); 3) 计算上下包络均值叫(0 = |Ui(0 + ?.(0)，定义hjt)为原始函数与该包络均值的差 值函数比(t) = Xi (t) -nii (t)，i表示第i次分解，分解结束得到第i个本征模态函数； 4) 迭代计算判断差值函数h (t)是否满足IMF条件，判断决策过程采用标准偏差准则： "、》=(&-#)-九⑴)2/私-υ(〇，hk(t)为第k次迭代差值函数；若H SD彡0. 15,则第i个本 征模态函数成分頂F i定义为Cj (t)=比(t)，i = 1，2, . . .，N，继续执行第5步；否则差值 函数比(t) = Xi (t)-mi (t)作为输入的原始函数Xi (t)返回执行第2步； 5) 存储IMF分解次数为N，判断若N彡3,继续执行第6步，否则剩余函数Xi(t)= Xh (t) _Ci (t)返回执行第2步，Ci (t)为第i个本征模态函数； 6) 经过上述迭代计算，获得原始函数3个本征模态函数成分MFl，MF2, MF3 : {Cl (t)， Cg(?)，C3(t) } 〇
8. 根据权利要求1所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述步骤四中，执行能量谱筛选，分别求得三阶本征模态函数能量谱，根据 能量谱极值点值及其位置，确定包含组织微结构信息的BIMF。
9.根据权利要求1所述的定量超声系统中基于经验模态分解的组织微观结构检测方 法，其特征在于所述步骤五中，利用倒谱估计方法对BMF进行估计，由计算结果估计组织 等效散射子间距，利用该散射子间距表征生物组织特性。
【文档编号】A61B8/08GK104138277SQ201410366119
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】沈毅, 潘文磊, 金晶, 王艳, 章欣 申请人:哈尔滨工业大学