一种骨导波检测与分离、识别及重构方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201610349135.8

申请日:

20160524

公开号:

CN106063711B

公开日:

20181030

当前法律状态:

有效性:

审查中

法律详情:

IPC分类号:

A61B8/08

主分类号:

A61B8/08

申请人:

西安交通大学

发明人:

万明习,王弟亚,苏哲,宗瑜瑾,钟徽

地址:

710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号

优先权:

CN201610349135A

专利代理机构:

西安通大专利代理有限责任公司

代理人:

陆万寿

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内容摘要

本发明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。

权利要求书

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;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;(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:所述气隙(2)厚度<3mm。 3.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。 4.根据权利要求3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。 5.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α、传播速度v:其中,N为测试次数,d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;V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;t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p、衰减系数α、传播速度v与骨导波传播距离d,重构出入射点i处各单模骨导波声压波形P:P(t-d/v)=(1+αd/Δp(t))×p(t-d/v)其中,Δp为单模骨导波声压波形p经传播距离d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P,重构出入射点i处多模骨导波的声压波形Pn表示模式数量。

说明书

技术领域

本发明涉及超声造影成像技术领域,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。

背景技术

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。

发明内容

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,本发明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,本发明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&lt;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:

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。

本发明的优点如下:

1、设计了一种骨导波的远端检测装置,用一空气隙隔离了入射波、反射波的混叠干扰,装置简单,开放式的多点检测方式操作简便。

2、提出了骨导波分离、识别与重构的成套方法,准确快捷地对骨导波所含有的诸多单模式导波进行分离、识别并重构,为骨导波非线性频散特性的研究提供了提取骨导波的方法。

附图说明

图1为基于发射-气隙-接收模型的骨导波检测实验原理框图;

图2为发射-气隙-接收模型的结构图,其中,(a)为模型正视图,(b)为同径环状凸体侧视图;

图3为基于发射-气隙-接收模型测得的骨导波;

图4为基于SPWV时频分析-频散曲线的单模骨导波单模式分离识别;

图5为基于单模骨导波的水-骨表界面入射点的导波重构波形;

图中:1为左侧水箱,2为气隙,3为右侧水箱,4为同径环状凸体,5为骨样本,6为支撑固定部件,7为吸声材料,8为排水口,9为凹槽,10为橡胶薄片,11为密封固定部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细叙述。

本发明主要提出在入射波和反射波混叠干扰情况下,提取出骨导波,其关键在于在排除入射波和反射波干扰的同时,提取出骨表纯导波。为此,本发明设计了基于发射-气隙-接收模型的实验装置,将入射波和反射波限制在发射区,并在接收检测区检测多模骨导波,通过联合SPWV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到的多模骨导波进行分离、识别,最后利用各单模骨导波相关信息对入射点骨导波进行重构。

步骤一:设计基于模块化设备的开放式“发射-气隙-接收”骨导波远端检测装置,其结构部件如下,参见图1:

(1)该装置的主体包括:左右两侧水箱以及两水箱之间的窄小空气隙2(厚度&lt;3mm),参见图2;

(2)左侧水箱1的右壁,以及右侧水箱3的左壁均按最大可测试骨样本直径开孔;

(3)所述孔向箱壁两侧设有含一凹槽9的同径环状凸体4(与孔直径相同),松弛的橡胶薄片10覆盖在孔表面,橡胶薄片10四周被固定在凹槽9槽体中,测试骨样本5贯穿两橡胶薄片,并被两侧水箱内的支撑固定部件6固定;

(4)两侧水箱内壁固定了一定厚度(3mm~10mm)的吸声材料7,测试骨样本5被纯水淹没;

(5)左侧水箱1为发射区,Sonix-Touch的线阵探头以一入射角θ发射频率为f的入射波,在该侧水箱激励测试骨样本产生骨导波;

(6)右侧水箱3为骨导波接收检测区,直径为0.5mm的针式水听器(Precision Acoustics Ltd.,Dorchester,UK)以一接收角在该侧水箱检测从骨表传来的骨导波,接收检测区的针式水听器与发射区的线阵探头的距离为d(即骨导波传播距离);

(7)骨导波的时域波形经过辅助放大器放大后被数据采集卡CS14100(Gage Applied,Inc.Lachine,QC,Canada)采集记录;

(8)入射波发射与骨导波接收同时被数字化超声成像系统Sonix-Touch同步控制;

(9)入射角θ和接收角由角度仪调控,骨导波传播距离d由三维扫描系统5800PR调控。依据Snell定律,调整入射角θ、接收角以及骨导波传播距离d,检测得到在时域基本分离的多模骨导波。

步骤二:联合平滑伪维纳(smoothed-pseudo Wigner–Ville,SPWV)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,其步骤如下:

(1)对检测得到的多模骨导波时域波形进行SPWV时频分析,得到多模骨导波的SPWV时间-频率能量分布;

(2)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;

描述导波相速度的方程即为Rayleigh-Lamb频散方程:

对称(S)模式

反对称(A)模式

其中,

式中:k0为沿骨表水平方向的波数,b为1/2骨表厚,ω为角频率,ω=2πf,cl为纵波速度,cs为横波速度,相速度cp=ω/k0;

(3)依据测试骨样本皮质材料信息(厚度,泊松比,以及杨氏模量)、入射波频率f和各单模骨导波的频厚积-相速度频散曲线,计算骨表各单模导波的频厚积-群速度频散曲线;

群速度可表示为:

cg=dω/dk0

将k0=ω/cp代入上式,有

式中:k0为沿板水平方向的波数,ω为角频率,ω=2πf,cp为相速度;

(4)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,与测得各单模骨导波的SPWV时间-频率能量分布一一耦合匹配,准确识别各单模骨导波对称(S)与反对称(A)模式;

(5)如检测所得多模骨导波在时域基本分离,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准确分离各单模骨导波声压波形p;如检测所得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。

步骤三:利用各单模骨导波相关信息对入射点骨导波进行重构,其步骤依次如下:

(1)在开放式“发射-气隙-接收”骨导波远端检测装置中,改变骨导波传播距离d,测得的模式为j的骨表单模导波的非线性传播参数,包括:衰减系数αj、传播速度vj;计算公式如下:

其中,N为测试次数,djk为在第k个检测点测得的模式为j的骨表单模导波传播距离;Vjk为在第k个检测点测得的模式为j的骨表单模导波的峰值强度;tjk为在第k个检测点测得的模式为j的骨表单模导波的到达时间。其中到达时间t为骨表单模导波首次幅值超过5%峰值强度对应的时刻。

(2)依据检测点测得模式为j的单模骨导波的声压波形pj、衰减系数αj、传播速度vj与距离dj,重构出入射点i处各单模骨导波声压波形Pji;计算公式如下:

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)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

n表示模式数量。

应用举例

选择牛胫骨皮质(厚度2mm,泊松比0.34,杨氏模量19.76GPa)作为入射波激励对象,即骨样本,在接收端获得骨导波波形。橡胶薄片10固定于同径环状凸体4上的环状凹槽9,橡胶薄片10的中间有一小孔,使得骨样本可以穿过,小孔内设置密封固定部件11,具有使骨样本与橡胶薄片紧密结合并阻止水箱中的纯水进入气隙2的作用。支撑固定部件6具有支撑固定骨样本并使骨样本两端保持水平的作用,水箱内壁粘贴的吸声材料7为吸声海绵。依据Snell定律,调整入射角θ为34°、接收角为27°以及骨导波传播距离d为30mm,检测得到在时域基本分离的多模骨导波。检测到的接收端的骨导波时域波形如图3所示。本发明涉及算法均在matlab平台上编程实现,各个模式骨导波SPWV能量分布与其频散曲线的匹配识别如图4所示,可以看出,按时间顺序,骨导波模式分别为S0和A1。最终,根据各单模骨导波重构出入射点骨导波,如图5所示。从而实现了入射点骨导波的重构提取。

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201610349135.8 (22)申请日 2016.05.24 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 106063711 A (43)申请公布日 2016.11.02 (73)专利权人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 万明习 王弟亚 苏哲 宗瑜瑾 钟徽 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 陆万寿 (51)Int.Cl. A61B 8/08(2006.01) (56)对比文件 。

2、CN 101874744 A,2010.11.03, CN 101947116 A,2011.01.19, WO 2014/118781 A1,2014.08.07, CN 101658434 A,2010.03.03, US 2008/0097211 A1,2008.04.24, WO 2007/023320 A1,2007.03.01, 审查员 孙晓彤 (54)发明名称 一种骨导波检测与分离、 识别及重构方法 (57)摘要 本发明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。

3、伪维纳时频分布、 RayleighLamb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。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 106063711 B 2018.10.30 CN 106063711 B 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; 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。

4、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 、 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; (2)联合平滑伪维纳时频分布、 RayleighLamb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。

5、: 所述气 隙(2)厚度3mm。 3.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 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RayleighLamb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;。

6、 (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。 4.根据权利要求3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。

7、模骨导波声压波形p。 5.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 j、 传播速度vj: 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106063711 B 2 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。

8、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 j、 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+ jdj/pj(t)pj(t-dj/vj) 其中, pj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 n表示模式数量。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 106063711 B 3 一种骨导波检测与分离、 识别及重构方法 技术领域 0001 本发明涉及超声造影成像技术领域, 特别涉及基于开。

9、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。 背景技术 0002 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。

10、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。 0003 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- 。

11、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。 发明内容 0004 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, 本发明提 出了一种骨导波检测与分离、 识别及重构方法。 0005 为实现上述目的, 本发明采用了以下技术方案: 0006 (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; 0007 (2)联合平滑伪维纳时频分布、 RayleighLamb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;。

12、 0008 (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。 0009 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 、 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。 说 明 书 1/6 页 4 CN 106063711 B 4 0010 所述气隙厚度3mm。 0011 所述步骤(2)具。

13、体包括以下步骤: 0012(2.1)调整入射角 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; 0013 (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; 0014 (2.3)依据RayleighLamb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; 0015 (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; 0016 (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。

14、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; 0017 (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。 0018 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。 0019 所述步骤(3)具体包括以下步骤: 0020 (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。

15、非线性传播参数, 包括: 衰减系数 j、 传播速度vj: 0021 0022 0023 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; 0024 (3.2)依据模式为j的单模骨导波的声压波形pj、 衰减系数 j、 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: 0025 Pji(t-dj/vj)(1+ jdj/pj(t)pj(t-dj/。

16、vj) 0026 其中, pj为单模骨导波声压波形pj经传播距离dj后的幅值改变; 0027 (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。 说 明 书 2/6 页 5 CN 106063711 B 5 0028 0029 本发明的优点如下: 0030 1、 设计了一种骨导波的远端检测装置, 用一空气隙隔离了入射波、 反射波的混叠 干扰, 装置简单, 开放式的多点检测方式操作简便。 0031 2、 提出了骨导波分离、 识别与重构的成套方法, 准确快捷地对骨导波所含有的诸 多单模式导波进行分离、 识别并重构, 为骨导波非线性频散特性的研。

17、究提供了提取骨导波 的方法。 附图说明 0032 图1为基于发射-气隙-接收模型的骨导波检测实验原理框图; 0033 图2为发射-气隙-接收模型的结构图, 其中, (a)为模型正视图, (b)为同径环状凸 体侧视图; 0034 图3为基于发射-气隙-接收模型测得的骨导波; 0035 图4为基于SPWV时频分析-频散曲线的单模骨导波单模式分离识别; 0036 图5为基于单模骨导波的水-骨表界面入射点的导波重构波形; 0037 图中: 1为左侧水箱, 2为气隙, 3为右侧水箱, 4为同径环状凸体, 5为骨样本, 6为支 撑固定部件, 7为吸声材料, 8为排水口, 9为凹槽, 10为橡胶薄片, 11。

18、为密封固定部件。 具体实施方式 0038 下面结合附图和实施例对本发明做详细叙述。 0039 本发明主要提出在入射波和反射波混叠干扰情况下, 提取出骨导波, 其关键在于 在排除入射波和反射波干扰的同时, 提取出骨表纯导波。 为此, 本发明设计了基于发射-气 隙-接收模型的实验装置, 将入射波和反射波限制在发射区, 并在接收检测区检测多模骨导 波, 通过联合SPWV时频分布、 RayleighLamb频散曲线以及自适应窗宽的高斯函数平滑方法 对检测到的多模骨导波进行分离、 识别, 最后利用各单模骨导波相关信息对入射点骨导波 进行重构。 0040 步骤一: 设计基于模块化设备的开放式 “发射-气隙。

19、-接收” 骨导波远端检测装置, 其结构部件如下, 参见图1: 0041 (1)该装置的主体包括: 左右两侧水箱以及两水箱之间的窄小空气隙2(厚度 3mm), 参见图2; 0042 (2)左侧水箱1的右壁, 以及右侧水箱3的左壁均按最大可测试骨样本直径开孔; 0043 (3)所述孔向箱壁两侧设有含一凹槽9的同径环状凸体4(与孔直径相同), 松弛的 橡胶薄片10覆盖在孔表面, 橡胶薄片10四周被固定在凹槽9槽体中, 测试骨样本5贯穿两橡 胶薄片, 并被两侧水箱内的支撑固定部件6固定; 0044 (4)两侧水箱内壁固定了一定厚度(3mm10mm)的吸声材料7, 测试骨样本5被纯水 淹没; 说 明 书。

20、 3/6 页 6 CN 106063711 B 6 0045 (5)左侧水箱1为发射区, Sonix-Touch的线阵探头以一入射角 发射频率为f的入 射波, 在该侧水箱激励测试骨样本产生骨导波; 0046 (6)右侧水箱3为骨导波接收检测区, 直径为0.5mm的针式水听器(Precision Acoustics Ltd.,Dorchester,UK)以一接收角 在该侧水箱检测从骨表传来的骨导波, 接收 检测区的针式水听器与发射区的线阵探头的距离为d(即骨导波传播距离); 0047 (7)骨导波的时域波形经过辅助放大器放大后被数据采集卡CS14100(Gage Applied,Inc.Lach。

21、ine,QC,Canada)采集记录; 0048 (8)入射波发射与骨导波接收同时被数字化超声成像系统Sonix-Touch同步控制; 0049(9)入射角 和接收角 由角度仪调控, 骨导波传播距离d由三维扫描系统5800PR调 控。 依据Snell定律, 调整入射角 、 接收角 以及骨导波传播距离d, 检测得到在时域基本分 离的多模骨导波。 0050 步骤二: 联合平滑伪维纳(smoothed-pseudo WignerVille, SPWV)时频分布、 RayleighLamb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, 其步骤如下: 0051 (1)对检测得到的多。

22、模骨导波时域波形进行SPWV时频分析, 得到多模骨导波的 SPWV时间-频率能量分布; 0052 (2)依据RayleighLamb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; 0053 描述导波相速度的方程即为Rayleigh-Lamb频散方程: 0054 对称(S)模式 0055 0056 反对称(A)模式 0057 0058 其中, 0059 0060 式中: k0为沿骨表水平方向的波数, b为1/2骨表厚, 为角频率, 2 f, cl为纵波 速度, cs为横波速度, 相速度cp/k0; 0061 (3)依据测试骨样本皮质材料信息(厚度, 泊松比, 以及杨氏模量)、。

23、 入射波频率f和 各单模骨导波的频厚积-相速度频散曲线, 计算骨表各单模导波的频厚积-群速度频散曲 线; 0062 群速度可表示为: 0063 cgd/dk0 0064 将k0/cp代入上式, 有 0065 说 明 书 4/6 页 7 CN 106063711 B 7 0066 式中: k0为沿板水平方向的波数, 为角频率, 2 f, cp为相速度; 0067 (4)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, 与 测得各单模骨导波的SPWV时间-频率能量分布一一耦合匹配, 准确识别各单模骨导波对称 (S)与反对称(A)模式; 0068 (5)如检测所得多模骨导波在时域基。

24、本分离, 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准确分离各单模骨导 波声压波形p; 如检测所得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。 0069 步骤三: 利用各单模骨导波相关信息对入射点骨导波进行重构, 其步骤依次如下: 0070 (1)在开放式 “发射-气隙-接收” 骨导波远端检测装置中, 改变骨导波传播距离d, 测得的模式为j的骨表单模导波的非线性传播参数, 包括: 衰减系数 j、 传播速度vj; 计算公 。

25、式如下: 0071 0072 0073 其中, N为测试次数, djk为在第k个检测点测得的模式为j的骨表单模导波传播距 离; Vjk为在第k个检测点测得的模式为j的骨表单模导波的峰值强度; tjk为在第k个检测点 测得的模式为j的骨表单模导波的到达时间。 其中到达时间t为骨表单模导波首次幅值超过 5峰值强度对应的时刻。 0074 (2)依据检测点测得模式为j的单模骨导波的声压波形pj、 衰减系数 j、 传播速度vj 与距离dj, 重构出入射点i处各单模骨导波声压波形Pji; 计算公式如下: 0075 Pji(t-dj/vj)(1+ jdj/pj(t)pj(t-dj/vj) 0076 其中, 。

26、pj为单模骨导波声压波形pj经传播距离dj后的幅值改变。 0077 (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 0078 0079 n表示模式数量。 0080 应用举例 0081 选择牛胫骨皮质(厚度2mm, 泊松比0.34, 杨氏模量19.76GPa)作为入射波激励对 象, 即骨样本, 在接收端获得骨导波波形。 橡胶薄片10固定于同径环状凸体4上的环状凹槽 9, 橡胶薄片10的中间有一小孔, 使得骨样本可以穿过, 小孔内设置密封固定部件11, 具有使 骨样本与橡胶薄片紧密结合并阻止水箱中的纯水进入气隙2的作用。 支撑固定部件6具有支 。

27、撑固定骨样本并使骨样本两端保持水平的作用, 水箱内壁粘贴的吸声材料7为吸声海绵。 依 说 明 书 5/6 页 8 CN 106063711 B 8 据Snell定律, 调整入射角 为34 、 接收角 为27 以及骨导波传播距离d为30mm, 检测得到 在时域基本分离的多模骨导波。 检测到的接收端的骨导波时域波形如图3所示。 本发明涉及 算法均在matlab平台上编程实现, 各个模式骨导波SPWV能量分布与其频散曲线的匹配识别 如图4所示, 可以看出, 按时间顺序, 骨导波模式分别为S0和A1。 最终, 根据各单模骨导波重 构出入射点骨导波, 如图5所示。 从而实现了入射点骨导波的重构提取。 说 明 书 6/6 页 9 CN 106063711 B 9 图1 说 明 书 附 图 1/3 页 10 CN 106063711 B 10 图2 说 明 书 附 图 2/3 页 11 CN 106063711 B 11 图3 图4 图5 说 明 书 附 图 3/3 页 12 CN 106063711 B 12 。

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