一种骨导波检测与分离、识别及重构方法技术

本发明专利技术提供一种骨导波检测与分离、识别及重构方法：设计制作了开放式“发射‑气隙‑接收”骨导波远端检测装置；利用该骨导波远端检测装置得到多模骨导波；联合平滑伪维纳时频分布、Rayleigh–Lamb频散曲线以及自适应窗宽的高斯函数平滑方法对检测所得多模骨导波进行模式分离识别；利用分离识别得到的各单模骨导波对骨表入射点导波进行重构，有效避免了入射波、反射波对骨导波检测的混叠干扰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声造影成像
，特别涉及基于开放式“发射-气隙-接收”骨导波检测装置与分离、识别及重构方法。
技术介绍
超声成像已广泛用于骨表肌肉组织系统成像，特别对肌骨系统肿瘤、骨表皮瓣的诊断监控。当超声作用于骨表时，骨表皮质将产生导波，这种骨导波已经引起研究者广泛关注并用于骨质定量检测。同时，骨导波向周边软组织层泄漏，这将干扰软组织回波信号的信噪比，进而可能影响到骨表图像质量。骨导波因其非线性传播而具有多模式频散特性，并已用于检测或操控纳米液滴、无包膜微泡和亚微粒子。但是这种检测仅利用了导波的线性特征，而其非线性频散特性的作用被忽略了。但在实际研究骨导波的非线性频散特性时，需要提取排除其他杂波干扰的骨导波，然而骨导波中往往包含着入射波和反射波的混叠干扰，这使得提取骨导波十分困难。同时，骨导波的分离方法主要有各类改进的FFT变换、小波多尺度分析等模式分离方法，如2D-FFT、S-FFT等。2D-FFT、S-FFT等方法可快速提取导波第一接收波(FAS)速度，但此类方法更适用于具有固定带宽比的非平稳信号分析，对于多阶次频变非平稳导波信号的分析，严重受到时频交叉项的干扰、低信噪比且对高阶导波模式因其在骨皮质的快速衰减而难以准确分离。为此，Kailiang X.等将锥形核算子引入Wigner-Viler分布形成Zhao-Atlas-Marks分布。另外，非线性调频小波变换(Chirplet)可准确分离各频率分量、有效抑制混叠干扰与虚假频率分量，但少有肌骨系统导波分析的应用案例。
技术实现思路
针对在提取骨导波过程中入射波与反射波的混叠干扰难以滤除的困难，本专利技术提出了一种骨导波检测与分离、识别及重构方法。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：(1)利于基于发射-气隙-接收模型的装置将骨导波检测中的入射波和反射波限制在发射区；(2)联合平滑伪维纳时频分布、Rayleigh–Lamb频散曲线以及自适应窗宽的高斯函数平滑方法对单模骨导波进行分离识别；(3)经过步骤(2)后，利用各单模骨导波的声压波形、衰减系数和传播速度对入射点骨导波进行重构。所述基于发射-气隙-接收模型的装置包括两个之间留有气隙的水箱，两个水箱相对侧的壁面上设置有孔，两孔上覆盖有橡胶片，两橡胶片上设置有用于供骨样本穿入对应侧水箱的孔，该孔内设置有密封固定部件；两个水箱的内壁设置有吸声材料层；其中一个水箱内设置有用于发射入射角为θ、发射频率为f的入射波的线阵探头，另一个水箱内设置有接收角为的水听器。所述气隙厚度<3mm。所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2.1)调整入射角θ和接收角以及骨导波传播距离d，在骨导波检测中对混叠的多模骨导波在时域进行分离；(2.2)对多模骨导波时域波形进行SPWV时频分析，得到多模骨导波SPWV时间-频率能量分布；(2.3)依据Rayleigh–Lamb频散方程，计算测试骨样本的各单模导波的频厚积-相速度频散曲线；(2.4)依据测试骨样本皮质材料信息、入射波频率f和各单模骨导波的频厚积-相速度频散曲线，计算各单模骨导波的频厚积-群速度频散曲线；(2.5)将频厚积-群速度频散曲线进行坐标翻转变换得到群速度-频率频散曲线，将群速度-频率频散曲线与所得的多模骨导波SPWV时间-频率能量分布一一耦合匹配，从而识别各单模骨导波的对称与反对称模式；(2.6)若多模骨导波在时域能够分离，则选择窗宽与各单模骨导波持续时间相适应的高斯函数进行移动平滑点乘，按到达检测点时间先后顺序分离各单模骨导波声压波形p。若多模骨导波在时域难以分离，则依据SPWV时间-频率能量分布，确定各单模骨导波的中心频率与带宽，依次对各单模骨导波进行带通频域滤波以分离各单模骨导波声压波形p。所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3.1)改变骨导波传播距离d，测得以下模式为j的单模骨导波的非线性传播参数，包括：衰减系数αj、传播速度vj： α j = Σ k = 2 N V j k - V j 1 d j k - d j 1 / ( N - 1 ) ]]> v j = Σ k = 2 N d j k - d j 1 t j k - t j 1 / ( N - 1 ) ]]>其中，N为测试次数，djk为在第k个检测点测得的模式为j的单模骨导波传播距离；Vjk为在第k个检测点测得的模式为j的单模骨导波的峰值强度；tjk为在第k个检测点测得的模式为j的单模骨导波的到达时间，其中到达时间t为单模骨导波首次幅值超过5％峰值强度对应的时刻；(3.2)依据模式为j的单模骨导波的声压波形pj、衰减系数αj、传播速度vj与骨导波传播距离dj，重构出入射点i处各单模骨导波声压波形Pji：Pji(t-dj/vj)＝(1+αjdj/Δpj(t))×pj(t-dj/vj)其中，Δpj为单模骨导波声压波形pj经传播距离dj后的幅值改变；(3.3)依据重构得到的入射点各单模骨导波声压波形Pji，重构出入射点i处多模骨导波的声压波形PLi。 P 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利于基于发射‑气隙‑接收模型的装置将骨导波检测中的入射波和反射波限制在发射区；(2)联合平滑伪维纳时频分布、Rayleigh–Lamb频散曲线以及自适应窗宽的高斯函数平滑方法对单模骨导波进行分离识别；(3)经过步骤(2)后，利用各单模骨导波的声压波形、衰减系数和传播速度对入射点骨导波进行重构。

【技术特征摘要】
1.一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利于基于发射-气隙-接收模型的装置将骨导波检测中的入射波和反射波限制在发射区；(2)联合平滑伪维纳时频分布、Rayleigh–Lamb频散曲线以及自适应窗宽的高斯函数平滑方法对单模骨导波进行分离识别；(3)经过步骤(2)后，利用各单模骨导波的声压波形、衰减系数和传播速度对入射点骨导波进行重构。2.根据权利要求1所述一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：所述基于发射-气隙-接收模型的装置包括两个之间留有气隙(2)的水箱，两个水箱相对侧的壁面上设置有孔，两孔上覆盖有橡胶片，两橡胶片上设置有用于供骨样本(5)穿入对应侧水箱的孔，该孔内设置有密封固定部件(11)；两个水箱的内壁设置有吸声材料层；其中一个水箱内设置有用于发射入射角为θ、发射频率为f的入射波的线阵探头，另一个水箱内设置有接收角为的水听器。3.根据权利要求2所述一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：所述气隙(2)厚度<3mm。4.根据权利要求1所述一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2.1)调整入射角θ和接收角以及骨导波传播距离d，在骨导波检测中对混叠的多模骨导波在时域进行分离；(2.2)对多模骨导波时域波形进行SPWV时频分析，得到多模骨导波SPWV时间-频率能量分布；(2.3)依据Rayleigh–Lamb频散方程，计算测试骨样本的各单模导波的频厚积-相速度频散曲线；(2.4)依据测试骨样本皮质材料信息、入射波频率f和各单模骨导波的频厚积-相速度频散曲线，计算各单模骨导波的频厚积-群速度频散曲线；(2.5)将频厚积-群速度频散曲线进行坐标翻转变换得到群速度-频率频散曲线，将群速度-频率频散曲线与所得的多模骨导波SPWV时间-频率能量分布一一耦合匹配，从而识别各单模骨导波的对称与反对称模式；(2.6)若多模骨导波在时域能够分离，则选择窗宽与各单模骨导波持续时间相适应的高斯函数进行移动平滑点乘，按到达检测点时间先后顺序分离各单模骨导波声压波形p。5.根据权利要求4所述一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：若多模骨导波在时域难以分离，则依据SPWV时间-频率能量分布，确定各单模骨导波的中心频率与带宽，依次对各单模骨导波进行带通频域滤波以分离各单模骨导波声压波形p。6.根据权利要求1所述一种骨导波检测与分离、识别及重构方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3.1)改变骨导波传播距离d，测得以下模式为j的单模骨导波的非线性传播参数，包括：衰减系数αj、传播速度vj： α j = Σ k = 2 N V j k - V j 1 d j k - d j 1 / ( N - 1 ) ]]> v j = Σ k = 2 N d j k - d j 1 t j k - t j ...

【专利技术属性】
技术研发人员：万明习，王弟亚，苏哲，宗瑜瑾，钟徽，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61