一种基于超声背向散射信号的骨小梁间距测量系统技术方案

一种基于超声背向散射信号的骨小梁间距测量系统，解决了之前方法测量准确度低或者需要依据经验反复调整参数、计算复杂以及测量系统不易携带的问题。本发明专利技术包括一个信号采集模块和一套信号分析软件。信号采集模块由换能器、高压激励单元、信号放大单元、模数转换单元、主控单元以及数据传输单元构成。信号采集模块在USB接口的供电质量和供电功耗的制约下，实现超声背向散射信号的高质量获取。信号分析软件由滤波、包络提取、波峰定位以及基频估计四个子模块构成，用于实现骨小梁空间位置的自动定位，并计算骨小梁平均间距。基于匹配滤波的信号分析方法对于任意超声换能器和激励、放大、采集系统的组合均是自适应的，鲁棒性强，易于实现。

A measurement system for bone trabecular spacing based on ultrasonic backscatter signal

A measurement system for trabecular bone spacing based on ultrasonic backscatter signal has solved the problem of low accuracy of previous methods, repeated adjustment of parameters based on experience, complex computation and uneasy carrying of measurement system. The invention includes a signal acquisition module and a set of signal analysis software. The signal acquisition module is composed of the transducer, the high voltage excitation unit, the signal amplification unit, the analog - to number conversion unit, the main control unit and the data transmission unit. Under the restriction of the power supply quality and power consumption of the USB interface, the signal acquisition module realizes the high quality acquisition of ultrasonic backscatter signal. The signal analysis software is composed of four sub modules, including filtering, envelope extraction, peak location and fundamental frequency estimation. It is used to automatically locate the location of trabecular bone and calculate the average spacing of trabecular bone. The signal analysis method based on matched filtering is adaptive, robust and easy to implement for any ultrasonic transducer and the combination of excitation, amplification and acquisition system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声背向散射信号的骨小梁间距测量系统
本专利技术涉及医学超声定量测量
，针对根据超声背向散射信号来估计骨小梁间距方法存在估计准确度低、计算方法复杂以及测量系统体积较大的问题，设计了一种从超声背向散射信号中定位骨小梁空间位置进而估计骨小梁平均间距的系统，不仅可以测量骨小梁的平均间距，还可以得到骨小梁的空间分布信息。
技术介绍
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辐射而且仪器成本高，因此难以作为日常的检测手段，而超声诊断技术由于其无电离辐射、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。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。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，且测量的是声速(SpeedOfSound，SOS)和宽带衰减系数(BroadbandUltrasoundAttenuation，BUA)等反应骨质特性的间接指标，而超声背向散射法使用同一个换能器对超声波进行收发，测量位置更加灵活，并且测量得到的是骨小梁间距这一直接指标。骨在结构上主要分为皮质骨和松质骨。松质骨是由近似周期分布的骨小梁构成的。骨质疏松会导致骨的微观结构退化，包括骨小梁间距变大以及骨小梁变细。因此，骨小梁间距，特别是骨小梁间距的平均值，成为一种评判骨质状况的指标。目前用于估计骨小梁间距的方法主要有两类。一类是频域的方法，基于背向散射信号的频谱来估计骨小梁间距的平均值，这类方法有：自回归(AutoRegressive，AR)谱估计法、频谱自相关(SpectrumAuto-Correlation，SAC)法以及二次变换(QuadraticTransformation，QT)法；另一类是时域的方法，直接从背向散射信号中确定骨小梁的位置，随后通过统计估计骨小梁平均间距，这类方法以简易反向滤波跟踪(SimplifiedInverseFilterTracking，SIFT)法为代表，其优点是不仅能得到骨小梁间距的平均值，还能得到骨小梁空间位置的分布信息。基于背向散射信号频谱的方法在估计人体骨小梁平均间距(一般小于1mm)时，鲁棒性较差，准确度不高，而简易反向滤波跟踪的方法存在计算复杂的缺点，并且在定位骨小梁位置时，需要根据经验调整该方法中的一些参数，这些缺陷限制了简易反向滤波跟踪法的实用性，需要进一步探索更优的骨小梁间距的估计技术。用背向散射信号准确估计骨小梁间距的前提是背向散射信号具有足够的信噪比。为了保证采集到的背向散射信号的信噪比能满足后续处理需要，信号采集的硬件电路需要精心设计。信号采集电路的噪声要足够低以满足后续处理对信噪比的要求。另外现有的超声背向散射骨密度仪主要为科研用途，存在体积较大，不易携带的缺陷。对于骨状况的常规检测，如果仪器设备体积较大，重量较重将不利于骨常规检测的广泛开展，也不便于向家庭普及，不利于骨质疏松的早发现、早诊断、早治疗。一款基于USB接口的、小型的、便携的超声背向散射骨密度仪将具有更大的应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是：现有的基于超声背向散射信号估计骨小梁间距的方法，或者准确度不高，或者计算复杂需要依据经验反复调整计算参数；测量骨小梁间距的系统体积较大，携带不便。本专利技术的技术方案为：基于超声背向散射信号的骨小梁间距测量系统，包括一个具有超声背向散射信号激励、放大、采集、传输功能的信号采集模块和一套基于PC的信号分析软件。信号采集模块用于采集超声背向散射信号，并将背向散射信号传输给信号分析软件，由信号分析软件进行后续处理。信号采集模块由超声换能器、高压激励单元、信号放大单元、模数转换单元、控制单元以及数据传输单元构成。信号分析软件由滤波、包络提取、波峰定位以及基频估计共四个子模块构成，用于从背向散射信号中定位出骨小梁的位置并统计出其间距的平均值。信号采集模块的一个主要难题是在USB接口的供电质量和供电功率的制约下，保证系统的信号采集质量。由于采集系统中高压激励和回波采集为脉冲式的，平时功耗低，间隙性短期内工作时功耗较高，因此采集系统的时间平均功率并没有超过USB接口的功率制约。系统的信号采集模块内置两节串联锂电池，将USB接口的5V电源升压至9V并限流后给锂电池充电，锂电池提供整个系统的工作电源，由于锂电池的电源纹波远小于USB接口本身的电源纹波，且锂电池可提供间歇性突发的大电流，满足采集系统高压激励和回波采集的功率需求，从而保证了所采集的超声背向散射信号的质量。控制单元协调信号采集模块的其他单元协同工作，使用FPGA作为主控芯片。在FPGA内部实现通讯控制模块、数据缓冲模块以及采样控制模块共三个子模块。通讯控制模块用于控制USB接口芯片工作，负责将采集到的数据通过USB接口芯片上传；另一方面通讯控制模块通过USB接口芯片从USB总线上读取设定的信号增益值或采样开始指令，并将增益值或采样开始指令传递给采样控制模块。数据缓冲模块用于缓冲高速AD芯片工作时得到的采样数据，以匹配AD芯片的采样率和USB总线的传输速率，使得AD芯片的采样速率可以高于USB总线的数据传输速率。采样控制模块负责两个功能，一个是根据预期的信号增益值设定信号放大单元中放大器的增益；另一个功能是在收到采样开始的指令后产生高压脉冲的触发信号，并在一段时间后控制AD芯片进行采样。高压激励单元在控制单元的控制下产生高压脉冲。高压由反激式升压电路得到，用于高压激励单元的供电。当高压激励单元接收到FPGA主控芯片传输来的高压脉冲触发信号时，产生高压负脉冲用于激励超声换能器，产生超声脉冲波。超声换能器在高压激励单元产生的高压脉冲作用下产生超声波，并将接收到的超声背向散射信号转换为电信号。信号放大单元放大背向散射信号。信号放大单元由低噪声前置放大模块和可控增益放大模块构成。低噪声前置放大模块由钳位电路、低通滤波电路以及放大电路构成。钳位电路用于对输入信号限幅，可以用二极管构成。当输入为高压激励脉冲时，钳位电路将输入信号的幅值钳位，避免高压损坏放大器。当输入为幅度很小的背向散射信号时，信号不受钳位电路的影响，从而得到放大电路的线性放大。可控增益放大模块由可控增益放大器及外部电阻电容元件构成。可控增益放大模块的工作受到FPGA内部的采样控制模块控制，采样控制模块依据设定的增益值对可控增益放大器的增益进行设定，控制可控增益放大器的放大倍数。模数转换单元将模拟信号转换成数字信号，用于后续数字信号处理。模数转换单元的工作受到主控芯片FPGA内部的采样控制模块控制。采样控制模块控制模数转换单元的采样起始时间、采样长度以及采样率。数据传输单元将数字信号通过USB总线传输给信号分析软件。数据传输单元由USB接口芯片FT232H以及外围电阻电容和ROM构成。FT232H芯片读取ROM芯片内的配置内容并在PC机指令的配置下工作在同步FIFO模式。FT232H芯片在同步FIFO模式下实现和FPGA的快速数据交换，并将从FPGA读取到的数据通过USB总线上传给PC机上的信号分析软件。滤波由两个滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声背向散射信号的骨小梁间距测量系统，其特征是包括一个基于USB接口的超声背向散射信号激励、放大、采集、传输模块和一套基于PC的信号分析软件，信号分析和数据管理功能集中于PC端，硬件部分仅实现控制和采集功能，体积小巧，方便携带。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声背向散射信号的骨小梁间距测量系统，其特征是包括一个基于USB接口的超声背向散射信号激励、放大、采集、传输模块和一套基于PC的信号分析软件，信号分析和数据管理功能集中于PC端，硬件部分仅实现控制和采集功能，体积小巧，方便携带。2.根据权利要求1中所述的超声背向散射信号激励、放大、采集、传输模块，其特征是以FPGA为主控，包含超声换能器、高压激励单元、信号放大单元、模数转换单元、增益控制单元以及USB数据传输单元，实现了14bit、100MSPS的超声背向散射信号高速采集功能。3.根据权利要求1中所述的超声背向散射信号激励、放大、采集、传输模块，模块内置两节串联锂电池，由USB口的5V电源升压至9V并限流后给锂电池充电，锂电池提供整个系统的工作电源，由于采集系统中超声激励和回波采集为脉冲式的，平时功耗低，间隙性短期内工作时功耗较高，锂电池可提供瞬时大功率，沿时间轴平均了功率需求，在USB接口的供电质量和供电功耗制约下，为整个系统提供了高质量的供电电源。4.根据权利要求1中所述的超声背向散射信号激励、放大、采集、传输模块，模块供电由内置的两节串联锂电池提供，两串锂电池经过TPS7350降压后得到正5V模拟电源，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何爱军，付思东，陈仿，陈丽丽，陆佳，汪莹，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32