一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲ct成像方法
2023-06-04 15:13:26
專利名稱：一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲ct成像方法
技術領域：
本發明屬於醫學超聲應用領域，基於骨骼對超聲波的吸收特性對骨(礦)密度測量，實現對骨骼寬帶超聲衰減(BUS)的斷層成像。
背景技術：
骨質疏鬆症(Osteoporosis，簡稱OP)是老年人普遍面臨的一個問題，由於尚無有效和安全的方法治癒OP症，因此對OP症及時、準確的早期診斷成為各國研究的的熱點。反映OP症的主要指標是骨礦密度(Bone mineral density，簡稱BMD)，目前利用定量超聲技術(Quantitative Ultrasonic technique，簡稱QUS)檢測骨(礦)密度是一種無損傷的創新技術。QUS是利用寬帶超聲衰減(Broadband ultrasound attenuation，簡稱BUA)的變化來反映骨(礦)密度，且能夠反映骨小梁結構的信息。
傳統的超聲骨(礦)密度測量是採用透射法，即採用兩個傳統的超聲探頭，一個是發射超聲探頭，一個是接收超聲探頭，將骨骼透射信號的頻率與水的透射信號的頻率比就是骨骼的超聲衰減曲線，通過適當數學處理和變換得到BUA參數。但是傳統的方法存在的缺陷在於1、只能測量骨骼整體的BUA值，不能反映BUA在骨骼中的逐點分布；2、傳統的超聲探頭髮射的聲場存在衍射效應，傳播過程中逐漸發散，有效聲場直徑相應變大，所以BUA測量的方向性較差，即直接影響檢測成像的解析度。與X-射線成像測量骨(礦)密度方法相比，傳統的BUA測量所反映的骨(礦)密度信息量有較大局限。但是眾所周知X-射線對人體是有害的，而且測量成本較高，裝備的體積較大，需要超高電壓供電，根本無法攜帶。
鑑於現有技術存在的不足，特提出本發明。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提出採用能量分布比較集中的聲場，如非衍射超聲波作為測量聲場，對骨骼BUA進行測量。非衍射超聲聲場是在20世紀80年代被發現，並在實驗室獲得成功。本發明在於首次提出將非衍射超聲波束用於骨骼密度BUA切片成像的醫用領域。
本發明的實現方式特徵在於採用非衍射波作為超聲測量聲場對BUA進行測量。所說非衍射波可以是零階貝賽爾(bessel)波或零階x-wave波。非衍射超聲探頭可以是由環行超聲傳感器實現。利用特定的激勵信號，環行超聲傳感器發射出非衍射超聲波束對骨骼進行檢測。
理論上非衍射超聲聲場在傳播過程中是不發散的，方向性非常好。而實際上如採用有限尺寸傳感器，所產生的非衍射超聲聲場雖然是理論聲場的近似，但通過計算機仿真和實驗發現在沿傳播方向一定距離內仍具有較好的方向性。
本發明的另一個重要內容就是把CT成像技術應用於BUA測量，產生一種全新模式的X-CT骨骼斷層的BUA值成像。傳統的超聲BUA測量或上述的用非衍射波的超聲BUA測量是通過一定的數學物理關係(方法)從檢測的超聲信號中提取BUA參數，但所提取的BUA參數是骨骼在聲波傳播方向的投影，並不能給出被測樣品內的BUA分布信息。本發明採用CT測量方式及其成像算法，創造性地將已提取的BUA參數作為一組新的原始數據，利用中心切片定理對該數據進行二次處理，即可得到骨骼在一個層面上的BUA值分布狀況，可以準確和詳細地反映出骨骼不同部位的密度值。
本發明在醫學成像診斷中具有重要意義，它將傳統的超聲對器官邊界的形態學成像轉換為超聲功能成像，也就是對骨骼的物理參數BUA的形態學成像，開創了新的醫學超聲檢測領域。由於本發明採用了非衍射超聲波作為探測聲場，系統具有較高的BUA成像解析度。同常規的X-射線投影成像檢測骨密度相比，本發明給出了骨頭的切片信息，更有利於對病症(骨質疏鬆症)的正確診斷。本發明無需高壓供電，體積可以做得較小，可便攜使用。本發明相對其它方法，具有無輻射、成本低等優點。
圖1為總體結構框圖其中，1為任意波形發生器、2為高頻寬帶放大器、3為環形超聲發射傳感器(即為非衍射超聲脈衝發射探頭，簡稱發射探頭[3])、4為骨骼、5為超聲接收傳感器(簡稱接收探頭[5])、6為接收高頻放大器和模數(即A/D)轉換器、7是數據處理及BUA計算單元、8為重建BUA切片圖像單元。
圖2為環形超聲發射傳感器[3]的展開圖。
圖3數據處理及BUA計算單元[7]示意圖。
圖4是重建BUA切片圖像單元[8]的展開圖。
具體實施例方式下面結合
本發明具體實施方式
。首先由任意波形發生器[1]輸出所設定波形，經高頻寬帶放大器[2]放大後作為激勵信號推動環形超聲發射傳感器[3]發射出非衍射超聲脈衝波。非衍射超聲脈衝波束穿透骨骼[4]後由超聲接收傳感器[5](即接收探頭[5])轉換為接收信號，該接收信號通過接收高頻放大器及模數(A/D)轉換器[6]成為數位訊號，再通過數據處理及BUA計算單元[7]轉換為BUA投影信號，最後通過重建BUA切片圖像單元[8]，利用CT成像算法重建骨骼的BUA切片圖像。另外為了滿足CT成像算法的要求，超聲發射探頭[3]和超聲接收探頭[5]或骨骼[4]在測量中要做相應的轉動和平動。
環形超聲發射傳感器[3]，它是由若干個同心圓環作為信號發射器陣列。如果孔徑越大圓環越多，環寬越窄環距越小，則所發射的信號就越接近於理論上的表達式。
下面給出利用環形超聲發射傳感器[3]產生兩種非衍射超聲波的例子。
1、零階脈衝Bessel超聲聲場在圓柱坐標系(r，θ，z)下，零階Bessel超聲聲場的分布為U(r)=AJ0(krr)ejkzz---(1)]]>如果環形超聲發射傳感器[3]位於z＝0的平面，則施加在該傳感器上的激勵信號為U(r)＝AJ0(krr) (2)通常Bessel超聲波是連續波，為了能夠發射脈衝波，取振幅A為某個頻率ω的函數，即A＝A(ω)。可選擇A(ω)為脈衝信號的頻率響應。即U(r)＝A(ω)J0(krr) (3)ω與波數k級其它參數kr，kz，之間的關係是k＝ω/c(4)k2=kr2+kz2---(5)]]>上式中c是聲速。從傅立葉原理來講我們發射了不同頻率的Bessel超聲聲場。因此實際的聲場將是這些頻率分量產生的超聲聲場的疊加，因此其結果將是零階脈衝Bessel的超聲聲場。把(3)式決定的信號施加在環行傳感器上，傳感器就可發射零階脈衝Bessel波。
2、零階X-wave超聲聲場在圓柱坐標系(r，θ，z)下，零階X-wave聲場的分布為XBB0(r,,z,t)=0(rsin)2+[0-i(zcos-ct)]2---(6)]]>如果環形發射傳感器[3]位於z＝0的平面，施加在該傳感器上的激勵信號為XBB0(r,,z,t)=0(rsin)2+(0+ict)2---(7)]]>從公式中可以看出，X--wave在時域中是有限的，因此它實際上就是脈衝波。把(7)式決定的信號施加在環行傳感器上，傳感器就可發射零階X-wave波。
為了配合CT成像算法，超聲發射傳感器[3](即發射探頭[3])和超聲接收傳感器[5](即接收探頭[5])與被測骨骼[4]之間的相對移動，一般可以分解為平動和轉動。
比如首先超聲發射探頭[3]和超聲接收探頭[5]沿某一個方向直線平行移動，在位置點p上測量骨骼[4]一個BUA值。設該位置的超聲透過骨骼[4]的信號的頻譜是VB(p，f，)，透過水的超聲信號頻譜是Vw(p，f，)。其中f是超聲頻率。則相應的BUA(p，)值可由下式得到 公式(8)的實現是在數據處理及BUA計算單元[7]中完成的。當超聲發射探頭[3]和超聲接收探頭[5]在沿著此方向上平行移動時，就可以在不同的位置點p測量得到一個方向的所有BUA(p，)值。然後將超聲發射探頭[3]和超聲接收探頭[5]的轉動方向沿順時針或逆時針改變，重複上述的測量操作，即可得到骨骼[4]在超聲發射探頭[3]和超聲接收探頭[5]處於所有方向和所有位置情況下的BUA(p，)值；順便指出為了提高接收信號的信噪比，擴展超聲波測量深度，可以採用超聲波編碼發射和接收技術，這時數據處理及BUA計算單元[7]應配置匹配濾波器。
在重建BUA切片圖像單元[8]中利用CT成像技術重建BUA切片圖像。已有多種CT成像算法，其中利用中心切片定理重建BUA切片圖像的方法如下將經過數據初步處理得到的BUA(p，)函數對參數p進行一維Fourier變換得到切片圖像的頻譜函數BUAF(R，)BUAF(R，)＝∫BUA(p，)exp(-j2πRp)dp (9)然後再對BUAF(R，)進行Fourier反變換即可得骨骼在一個切片上的BUA圖像f(r，φ)f(r，φ)＝∫∫BUAF(R，)exp[j2πRr cos(-φ)]RdRd (10)公式(10)是極坐標下的Fourier反變換，當然，也可用直角坐標系下的Fourier反變換重建圖像。
權利要求
1.一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲CT成像方法，其特徵在於本方法採用非衍射波作為發射聲場對骨骼BUA進行測量。
2.如權利要求1所述測量骨骼寬帶超聲衰減BUA的超聲CT成像方法，其特徵在於所述非衍射波是零階貝賽爾波或零階x-wave波。
3.如權利要求1或2所述測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲CT成像方法，其特徵在於所述非衍射波用環形超聲傳感器發射，該環形超聲傳感器上的激勵信號是特定的。
4.一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲CT成像方法，其特徵在於從傳統的超聲BUA測量中，利用數學物理關係從中提取BUA參數作為新的原始數據，並結合CT成像技術對BUA進行二次數據處理得出骨骼斷層的BUA值成像。
5.如權利要求4所述一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲CT成像方法，其特徵在於所說CT成像技術是應用CT測量方式及其成像算法得出骨骼斷層BUA成像。
6.如權利要求5所述一種測量骨骼寬帶超聲衰減的超聲CT成像方法，其特徵在於所說CT成像算法採用中心切片定理所確定的算法。
全文摘要
本發明公開一種非衍射超聲波檢測骨骼寬帶超聲衰減(BUA)參數的超聲CT成像方法。利用BUA的變化來反映骨(礦)密度，是早期無損傷診斷骨質疏鬆症的技術。本發明採用非衍射超聲聲場作為發射聲場，將穿過骨骼的超聲信號通過適當數學物理方法處理得到BUA參數，再通過CT成像技術重建骨骼的BUA切片圖像。所說的非衍射聲場可以是零階貝寨爾(Bessel)超聲聲場或零階X－wave超聲聲場。與傳統超聲檢測BUA及X－射線法相比，本發明給出了骨骼的切片信息，而且無輻射、成本低，小型化；因非衍射波方向性好，能量集中，所以成像解析度較高。
文檔編號A61B8/00GK101015464SQ20071002017
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月27日 優先權日2007年2月27日
發明者彭虎, 鄭馳超 申請人:中國科學技術大學