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一种测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法.pdf

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一种 测量 骨骼 宽带 超声 衰减 CT 成像 方法
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摘要
申请专利号:

太阳城集团CN200710020172.5

申请日:

20070227

公开号:

太阳城集团CN101015464A

公开日:

20070815

当前法律状态:

有效性:

失效

法律详情:
IPC分类号: A61B8/13,A61B8/00 主分类号: A61B8/13,A61B8/00
申请人: 中国科学技术大学
发明人: 彭虎,郑驰超
地址: 230026安徽省合肥市金寨路96号
优先权: CN200710020172A
专利代理机构: 合肥华信专利商标事务所 代理人: 陈进
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN200710020172.5

授权太阳城集团号:

法律状态太阳城集团日:

法律状态类型:

摘要

本发明公开一种非衍射超声波检测骨骼宽带超声衰减(BUA)参数的超声CT成像方法。利用BUA的变化来反映骨(矿)密度,是早期无损伤诊断骨质疏松症的技术。本发明采用非衍射超声声场作为发射声场,将穿过骨骼的超声信号通过适当数学物理方法处理得到BUA参数,再通过CT成像技术重建骨骼的BUA切片图像。所说的非衍射声场可以是零阶贝寨尔(Bessel)超声声场或零阶X-wave超声声场。与传统超声检测BUA及X-射线法相比,本发明给出了骨骼的切片太阳城集团,而且无辐射、成本低,小型化;因非衍射波方向性好,能量集中,所以成像分辨率较高。

权利要求书

1.一种测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法,其特征在于本方法采用非衍射波作为发射声场对骨骼BUA进行测量。2.如权利要求1所述测量骨骼宽带超声衰减BUA的超声CT成像方法,其特征在于所述非衍射波是零阶贝赛尔波或零阶x-wave波。3.如权利要求1或2所述测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法,其特征在于所述非衍射波用环形超声传感器发射,该环形超声传感器上的激励信号是特定的。4.一种测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法,其特征在于从传统的超声BUA测量中,利用数学物理关系从中提取BUA参数作为新的原始数据,并结合CT成像技术对BUA进行二次数据处理得出骨骼断层的BUA值成像。5.如权利要求4所述一种测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法,其特征在于所说CT成像技术是应用CT测量方式及其成像算法得出骨骼断层BUA成像。6.如权利要求5所述一种测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法,其特征在于所说CT成像算法采用中心切片定理所确定的算法。

说明书

一种测量骨骼宽带超声衰减的超声CT成像方法

技术领域:

太阳城集团本发明属于医学超声应用领域,基于骨骼对超声波的吸收特性对骨(矿)密度测量, 实现对骨骼宽带超声衰减(BUS)的断层成像。

背景技术:

骨质疏松症(Osteoporosis,简称:OP)是老年人普遍面临的一个问题,由于尚无 有效和安全的方法治愈OP症,因此对OP症及时、准确的早期诊断成为各国研究的的热点。 反映OP症的主要指标是骨矿密度(Bone mineral density,简称:BMD),目前利用定 量超声技术(Quantitative Ultrasonic technique,简称:QUS)检测骨(矿)密度是 一种无损伤的创新技术。QUS是利用宽带超声衰减(Broadband ultrasound attenuation, 简称:BUA)的变化来反映骨(矿)密度,且能够反映骨小梁结构的太阳城集团。

太阳城集团传统的超声骨(矿)密度测量是采用透射法,即采用两个传统的超声探头,一个是 发射超声探头,一个是接收超声探头,将骨骼透射信号的频率与水的透射信号的频率比 就是骨骼的超声衰减曲线,通过适当数学处理和变换得到BUA参数。但是传统的方法存 在的缺陷在于:1、只能测量骨骼整体的BUA值,不能反映BUA在骨骼中的逐点分布;2、 传统的超声探头发射的声场存在衍射效应,传播过程中逐渐发散,有效声场直径相应变 大,所以BUA测量的方向性较差,即直接影响检测成像的分辨率。与X-射线成像测量骨 (矿)密度方法相比,传统的BUA测量所反映的骨(矿)密度太阳城集团量有较大局限。但是 众所周知X-射线对人体是有害的,而且测量成本较高,装备的体积较大,需要超高电压 供电,根本无法携带。

鉴于现有技术存在的不足,特提出本发明。

发明内容:

针对现有技术的不足,本发明提出采用能量分布比较集中的声场,如非衍射超声波 作为测量声场,对骨骼BUA进行测量。非衍射超声声场是在20世纪80年代被发现,并在 实验室获得成功。本发明在于首次提出将非衍射超声波束用于骨骼密度BUA切片成像的 医用领域。

太阳城集团本发明的实现方式:特征在于采用非衍射波作为超声测量声场对BUA进行测量。所 说非衍射波可以是零阶贝赛尔(bessel)波或零阶x-wave波。非衍射超声探头可以是由 环行超声传感器实现。利用特定的激励信号,环行超声传感器发射出非衍射超声波束对 骨骼进行检测。

理论上非衍射超声声场在传播过程中是不发散的,方向性非常好。而实际上如采用 有限尺寸传感器,所产生的非衍射超声声场虽然是理论声场的近似,但通过计算机仿真 和实验发现在沿传播方向一定距离内仍具有较好的方向性。

太阳城集团本发明的另一个重要内容就是把CT成像技术应用于BUA测量,产生一种全新模式的 X-CT骨骼断层的BUA值成像。传统的超声BUA测量或上述的用非衍射波的超声BUA测量是 通过一定的数学物理关系(方法)从检测的超声信号中提取BUA参数,但所提取的BUA参 数是骨骼在声波传播方向的投影,并不能给出被测样品内的BUA分布太阳城集团。本发明采用 CT测量方式及其成像算法,创造性地将已提取的BUA参数作为一组新的原始数据,利用 中心切片定理对该数据进行二次处理,即可得到骨骼在一个层面上的BUA值分布状况, 可以准确和详细地反映出骨骼不同部位的密度值。

本发明在医学成像诊断中具有重要意义,它将传统的超声对器官边界的形态学成像 转换为超声功能成像,也就是对骨骼的物理参数BUA的形态学成像,开创了新的医学超 声检测领域。由于本发明采用了非衍射超声波作为探测声场,系统具有较高的BUA成像 分辨率。同常规的X-射线投影成像检测骨密度相比,本发明给出了骨头的切片太阳城集团,更 有利于对病症(骨质疏松症)的正确诊断。本发明无需高压供电,体积可以做得较小, 可便携使用。本发明相对其它方法,具有无辐射、成本低等优点。

附图说明:

太阳城集团图1为总体结构框图:其中,1为任意波形发生器、2为高频宽带放大器、3为环形超 声发射传感器(即为非衍射超声脉冲发射探头,简称:发射探头[3])、4为骨骼、5为 超声接收传感器(简称:接收探头[5])、6为接收高频放大器和模数(即A/D)转换器、 7是数据处理及BUA计算单元、8为重建BUA切片图像单元。

太阳城集团图2为环形超声发射传感器[3]的展开图。

图3数据处理及BUA计算单元[7]示意图。

太阳城集团图4是重建BUA切片图像单元[8]的展开图。

具体实施方式:

太阳城集团下面结合附图说明本发明具体实施方式。首先由任意波形发生器[1]输出所设定波 形,经高频宽带放大器[2]放大后作为激励信号推动环形超声发射传感器[3]发射出非衍 射超声脉冲波。非衍射超声脉冲波束穿透骨骼[4]后由超声接收传感器[5](即接收探头 [5])转换为接收信号,该接收信号通过接收高频放大器及模数(A/D)转换器[6]成为 数字信号,再通过数据处理及BUA计算单元[7]转换为BUA投影信号,最后通过重建BUA切 片图像单元[8],利用CT成像算法重建骨骼的BUA切片图像。另外为了满足CT成像算法的 要求,超声发射探头[3]和超声接收探头[5]或骨骼[4]在测量中要做相应的转动和平动。

太阳城集团环形超声发射传感器[3],它是由若干个同心圆环作为信号发射器阵列。如果孔径 越大圆环越多,环宽越窄环距越小,则所发射的信号就越接近于理论上的表达式。

太阳城集团下面给出利用环形超声发射传感器[3]产生两种非衍射超声波的例子。

太阳城集团1、零阶脉冲Bessel超声声场

在圆柱坐标系(r,θ,z)下,零阶Bessel超声声场的分布为:

U ( r ) = A J 0 ( k r r ) e j k z z - - - ( 1 ) ]]>

如果环形超声发射传感器[3]位于z=0的平面,则施加在该传感器上的激励信号为:

太阳城集团                         U(r)=AJ0(krr)                             (2)

太阳城集团通常Bessel超声波是连续波,为了能够发射脉冲波,取振幅A为某个频率ω的函数, 即A=A(ω)。可选择A(ω)为脉冲信号的频率响应。即:

                         U(r)=A(ω)J0(krr)                         (3)

太阳城集团ω与波数k级其它参数kr,kz,之间的关系是

                         k=ω/c                                    (4)

k 2 = k r 2 + k z 2 - - - ( 5 ) ]]>

太阳城集团上式中c是声速。从傅立叶原理来讲我们发射了不同频率的Bessel超声声场。因此 实际的声场将是这些频率分量产生的超声声场的叠加,因此其结果将是零阶脉冲Bessel 的超声声场。把(3)式决定的信号施加在环行传感器上,传感器就可发射零阶脉冲Bessel 波。

2、零阶X-wave超声声场

在圆柱坐标系(r,θ,z)下,零阶X-wave声场的分布为:

Φ XB B 0 ( r , ω , z , t ) = α 0 ( r sin ζ ) 2 + [ α 0 - i ( z cos ζ - ct ) ] 2 - - - ( 6 ) ]]>

如果环形发射传感器[3]位于z=0的平面,施加在该传感器上的激励信号为

太阳城集团 Φ XB B 0 ( r , ω , z , t ) = α 0 ( r sin ζ ) 2 + ( α 0 + ict ) 2 - - - ( 7 ) ]]>

从公式中可以看出,X--wave在时域中是有限的,因此它实际上就是脉冲波。把(7) 式决定的信号施加在环行传感器上,传感器就可发射零阶X-wave波。

为了配合CT成像算法,超声发射传感器[3](即发射探头[3])和超声接收传感器[5] (即接收探头[5])与被测骨骼[4]之间的相对移动,一般可以分解为平动和转动。

太阳城集团比如首先超声发射探头[3]和超声接收探头[5]沿某一个方向直线平行移动,在位 置点p上测量骨骼[4]一个BUA值。设该位置的超声透过骨骼[4]的信号的频谱是 VB(p,f,),透过水的超声信号频谱是Vw(p,f,)。其中f是超声频率。则相应的 BUA(p,)值可由下式得到:

公式(8)的实现是在数据处理及BUA计算单元[7]中完成的。当超声发射探头[3]和超 声接收探头[5]在沿着此方向上平行移动时,就可以在不同的位置点p测量得到一个方 向的所有BUA(p,)值。然后将超声发射探头[3]和超声接收探头[5]的转动方向沿顺 时针或逆时针改变,重复上述的测量操作,即可得到骨骼[4]在超声发射探头[3]和超声 接收探头[5]处于所有方向和所有位置情况下的BUA(p,)值;

顺便指出为了提高接收信号的信噪比,扩展超声波测量深度,可以采用超声波编码 发射和接收技术,这时数据处理及BUA计算单元[7]应配置匹配滤波器。

太阳城集团在重建BUA切片图像单元[8]中利用CT成像技术重建BUA切片图像。已有多种CT成 像算法,其中利用中心切片定理重建BUA切片图像的方法如下:将经过数据初步处理得 到的BUA(p,)函数对参数p进行一维Fourier变换得到切片图像的频谱函数 BUAF(R,):

太阳城集团                    BUAF(R,)=∫BUA(p,)exp(-j2πRp)dp          (9)

然后再对BUAF(R,)进行Fourier反变换即可得骨骼在一个切片上的BUA图像 f(r,φ):

          f(r,φ)=∫∫BUAF(R,)exp[j2πRr cos(-φ)]RdRd      (10)

太阳城集团公式(10)是极坐标下的Fourier反变换,当然,也可用直角坐标系下的Fourier反变 换重建图像。

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