評(píng)價(jià)長(zhǎng)骨的超聲導(dǎo)波信號(hào)處理及其編碼激勵(lì)方法的研究.pdf

1、隨著人類(lèi)社會(huì)老齡化的加劇，骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率越來(lái)越高，到上世紀(jì)末全世界已有2億人患有骨質(zhì)疏松癥。現(xiàn)階段，診斷骨質(zhì)疏松癥的方法主要是基于X射線(xiàn)的DXA（雙能X射線(xiàn)吸收法）技術(shù)，但它并不能給出骨質(zhì)狀況的全面信息，如骨的力學(xué)特性以及骨微結(jié)構(gòu)等信息。此外，X射線(xiàn)具有輻射性，對(duì)人體會(huì)造成一定程度的傷害。與之相對(duì)，基于超聲技術(shù)的設(shè)備具有無(wú)輻射，易攜帶，且價(jià)格相對(duì)低廉的優(yōu)勢(shì)，因此，利用超聲技術(shù)評(píng)價(jià)骨質(zhì)狀況引起了人們的關(guān)注。而由于超聲導(dǎo)波是在整個(gè)皮質(zhì)骨

2、層傳播，它對(duì)皮質(zhì)骨的厚度以及彈性模量等參數(shù)的變化非常敏感。因此，越來(lái)越多的相關(guān)人員開(kāi)始研究超聲導(dǎo)波在長(zhǎng)骨評(píng)價(jià)上的應(yīng)用。
　　本文基于上述背景，利用信號(hào)處理方法以及不同的激勵(lì)方式，分析長(zhǎng)骨中傳播的超聲導(dǎo)波信號(hào)，從而得到長(zhǎng)骨的相關(guān)參數(shù)，評(píng)價(jià)其骨質(zhì)狀況。主要工作包括:
　　1)應(yīng)用信號(hào)處理的方法得到皮質(zhì)骨的厚度。當(dāng)骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的時(shí)候，皮質(zhì)骨層的厚度會(huì)相應(yīng)的減小。而根據(jù)超聲導(dǎo)波的頻散方程，皮質(zhì)骨的厚度可以由單一導(dǎo)波模式的群速度確定

3、。因此，本文首先應(yīng)用基于時(shí)頻分布的盲信號(hào)分離算法(TFBSS)，對(duì)導(dǎo)波的仿真信號(hào)進(jìn)行分析，驗(yàn)證方法的有效性。然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在離體牛脛骨上得到多路混疊的導(dǎo)波信號(hào)，并用TFBSS算法對(duì)其分離，得到單一的導(dǎo)波模式。而后利用Gaussian-Chirplet算法和差值法計(jì)算得到單一模式的群速度。最后，根據(jù)導(dǎo)波的頻散方程，估測(cè)出皮質(zhì)骨的厚度。
　　由于TFBSS是一種基于時(shí)頻分布的算法，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，本文引入基于近似對(duì)角化特征矩

4、陣的分離算法(JADE)對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行分析。同樣，在利用仿真信號(hào)驗(yàn)證方法的有效性之后，本文應(yīng)用JADE算法對(duì)混疊的導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行模式分離，接著計(jì)算出單一導(dǎo)波模式的群速度，并最終得到皮質(zhì)骨的厚度，為分析長(zhǎng)骨中的導(dǎo)波信號(hào)提供一種快速算法。但通過(guò)仿真驗(yàn)證，TFBSS算法的抗噪聲能力要比JADE算法強(qiáng)。
　　2)利用不同的激勵(lì)方式產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號(hào)。在導(dǎo)波模式分離的研究中，本文主要利用了傳統(tǒng)的單脈沖激勵(lì)方式，產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號(hào)。由于長(zhǎng)骨對(duì)超聲導(dǎo)

5、波的高衰減性，使這種激勵(lì)方式往往需要功率較大的發(fā)射裝置，來(lái)得到具有較高信噪比的信號(hào)。因此，本文引入了編碼激勵(lì)方式來(lái)產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號(hào)，為了與其對(duì)比，本文還應(yīng)用了正弦波的激勵(lì)方式。當(dāng)使用正弦波作為激勵(lì)信號(hào)時(shí)，正弦波的周期數(shù)越多，接收信號(hào)的幅度越大，但軸向分辨率越低。而當(dāng)采用編碼激勵(lì)方式時(shí)，得到的接收信號(hào)不但具有較高的信噪比，并且在解碼后保持較高的軸向分辨率。
　　根據(jù)導(dǎo)波的頻散曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)較低的激發(fā)頻率所產(chǎn)生的導(dǎo)波模式相對(duì)較少，但中

6、心頻率較低的換能器的體積很大，長(zhǎng)骨的可測(cè)量區(qū)域又相對(duì)較小。本文利用編碼激勵(lì)方式，在遠(yuǎn)離換能器中心頻率的較低頻率上得到了具有較高信噪比，含有較少導(dǎo)波模式的接收信號(hào)。為“低頻”陣列換能器在長(zhǎng)骨評(píng)價(jià)上的應(yīng)用，提供了可行的方案。
　　3)超聲導(dǎo)波分析附有表皮的長(zhǎng)骨模型。長(zhǎng)骨的外層附有一層表皮組織，這層組織會(huì)給超聲導(dǎo)波的傳播帶來(lái)衰減和扭曲。本文用雙層圓管結(jié)構(gòu)模擬附有表皮的長(zhǎng)骨。然后利用基于基礎(chǔ)序列調(diào)制的Golay碼作為激勵(lì)信號(hào)，在遠(yuǎn)離換能器