專利名稱：：基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗的測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電子技術(shù)和超聲波應(yīng)用技術(shù)，具體是一種利用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制方式構(gòu)造相互正交的連續(xù)多頻超聲信號，通過測量該多頻超聲信號的穩(wěn)態(tài)反射回波信號來獲得生物體不同組織聲阻抗的基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗的測量方法與裝置。
背景技術(shù)：
：近年來，超聲技術(shù)因費用低、無電離輻射、操作簡便、檢測速度快、容易攜帶等優(yōu)點而在測量生物體組織特別是在測量人體骨質(zhì)密度(骨礦密度)相關(guān)指標(biāo)、確定骨質(zhì)疏松癥標(biāo)準(zhǔn)方面受到廣泛關(guān)注，并取得了很大的進(jìn)展。國內(nèi)外現(xiàn)有的研究和已上市的超聲診斷儀，都用超聲透射法，利用超聲波對物質(zhì)密度、結(jié)構(gòu)及材料的特征表現(xiàn)來評價骨的質(zhì)量。它們將超聲波傳導(dǎo)速度(SOS)及寬帶超聲衰減(或振幅衰減BUA)作為評價骨狀態(tài)和骨密度的指標(biāo)，而無法直接得到反映骨質(zhì)量的本質(zhì)參數(shù)——聲阻抗或者骨質(zhì)密度。超聲波傳導(dǎo)速度(SOS)是表征生物組織聲學(xué)特性的重要參數(shù)之一。在確定骨質(zhì)疏松癥的應(yīng)用中，由于松質(zhì)骨的各向異性，不同區(qū)域骨小梁的疏密程度，間距大小，骨密度都有很大差異，從而可以用超聲傳導(dǎo)速度(SOS)來反映骨質(zhì)的特性。目前大多數(shù)有關(guān)超聲透射法來測量超聲波傳導(dǎo)速度(SOS)的研究主要是在離體條件下，在活體(在體)中想要得到很高的精度是比較困難的。并且超聲速度測量值主要是測量骨的結(jié)構(gòu)，不能完全反映骨礦物質(zhì)的含量。超聲在松質(zhì)骨組織中傳播時，由于松質(zhì)骨組織微結(jié)構(gòu)的吸收、散射、聲束擴(kuò)散、界面反射等因素，會引起超聲能量的損失，即超聲衰減。隨著松質(zhì)骨類型和狀態(tài)的不同，超聲衰減特性存在差異。寬帶超聲衰減(BUA)是寬帶超聲以不同頻率穿過跟骨測定其凈衰減值，因超聲衰減幾乎是頻率的線性函數(shù)，其斜率即為寬帶超聲衰減(BUA)。超聲衰減除與超聲頻率有較密切關(guān)系外，它主要受骨密度和骨結(jié)構(gòu)的影響。骨的超聲衰減由骨的吸收和散射所造成，骨密度高，超聲吸收大，骨小梁網(wǎng)分布緊密，從而超聲衰減(BUA)值大。4當(dāng)發(fā)生骨質(zhì)疏松癥時，由于骨量和骨密度減少，骨小梁網(wǎng)分布稀疏，骨皮質(zhì)變薄，超聲吸收和散射減少，寬帶超聲衰減(BUA)值則變小。雖然現(xiàn)有透射法測量的超聲波傳導(dǎo)速度(SOS)及寬帶超聲衰減(BUA)與骨礦密度有高度的相關(guān)性，但用這種方法及其裝置來評價骨狀態(tài)在許多方面有著局限性及不足1)現(xiàn)有的超聲波傳導(dǎo)速度(SOS)及寬帶超聲衰減(BUA)的測量方法及其裝置有很大的局限性。它們的測量必須使用兩個超聲換能器，這就帶來了諸多缺點。比如，兩個探頭界面耦合，兩個探頭不易完全對準(zhǔn)，并且只適用于骨的兩表面平行的情況，所測骨與換能器的角度也會直接影響到最后的測量結(jié)果。因為超聲波在骨中傳播時，如果不是垂直入射會發(fā)生折射現(xiàn)象，最后導(dǎo)致進(jìn)入骨中的超聲波的能量與入射波的能量比發(fā)生改變，影響測量值的準(zhǔn)確性；所以大多數(shù)的研究都是在離體實驗中進(jìn)行，而很難在在體實驗中使用；2)在超聲透射法及其裝置中，超聲波的傳播路徑很復(fù)雜?？紤]最簡單的跟骨測量情況，一個換能器發(fā)射超聲波信號，經(jīng)過在耦合劑、肌肉、骨骼、肌肉、耦合劑傳播后才到達(dá)接收的換能器，其間的傳播路徑很復(fù)雜，會受吸收、散射、聲束擴(kuò)散、界面反射等因素影響，致使測量值的準(zhǔn)確性很難得到保證。3)現(xiàn)有的超聲透射測量必須使用兩個超聲換能器(探頭)，若可以用單個超聲換能器(探頭)，則能降低診斷設(shè)備的成本。4)現(xiàn)有的超聲透射裝置只能測量出超聲波傳導(dǎo)速度(SOS)及寬帶超聲衰減(BUA)這兩個參數(shù)，只能反映骨質(zhì)整體的疏密程度，而不能直接得到全面反映松質(zhì)骨質(zhì)量的聲阻抗參數(shù)或者骨質(zhì)密度參數(shù)。并且只能測量單個組織的參數(shù)，所以更不能應(yīng)用于一般生物體不同組織聲阻抗參數(shù)或者骨質(zhì)密度參數(shù)的同時測量。5)現(xiàn)有的超聲透射裝置測量超聲傳導(dǎo)速度(SOS)這個參數(shù)，必須已知超聲波在肌肉軟組織中的傳播速度的情況下才能測得，或者在離體實驗中需要已知超聲在耦合劑中的傳播速度和樣本骨的厚度才能測得。6)現(xiàn)有的超聲透射測量是采用連續(xù)發(fā)射脈沖超聲波，因為每個脈沖是瞬時波，每個脈沖的寬度(持續(xù)時間)相當(dāng)短，致使接收透射脈沖的檢測難度大，容易漏檢，并且容易受噪聲干擾。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有方法測量誤差、局限性大，不能測得反映生物體組織密度的本質(zhì)參數(shù)(聲阻抗或者密度)，且收發(fā)各需一個探頭，成本高等缺陷，提供一種基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗的測量方法，通過測量該多頻超聲信號的穩(wěn)態(tài)反射回波信號來獲得生物體不同組織聲阻抗，該方法利用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制方式來構(gòu)造相互正交的連續(xù)多頻超聲信號，通過測量該多頻超聲信號的穩(wěn)態(tài)反射回波信號來獲得生物體不同組織的聲阻抗。本發(fā)明計算精度高，抗干擾性好，抗噪能力強，測量只需要一個探頭使得開發(fā)設(shè)備的成本降低，并且測量方法簡單，可用于在體實驗。本發(fā)明的目的還在于提供實現(xiàn)所述方法的基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗的測量裝置。本發(fā)明的基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗測量方法，包括如下步驟(1)利用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制方式構(gòu)造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，并用超聲載波(載波頻率為,)將該多頻連續(xù)基帶信號調(diào)制為多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號；(2)超聲波探頭將該多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號發(fā)送出去，相當(dāng)于發(fā)送多路單頻超聲波連續(xù)信號，每一路信號經(jīng)過生物體組織的每一個不均勻界面都會有反射；(3)超聲探頭檢測反射回來的穩(wěn)態(tài)回波信號，該回波信號相當(dāng)于多路反射波的疊加信號；該疊加信號經(jīng)解調(diào)后得到接收的多頻連續(xù)基帶信號，對該多頻連續(xù)基帶信號進(jìn)行正交分解，利用每路信號互為正交的特性分解出每路接收信號，列出關(guān)于每個不均勻界面反射波的幅度和相對于入射波的相位差的方程組；最后通過解方程組求出不均勻反射界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差。通過每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。用于上述方法的裝置包括超聲波探頭、控制單元及分別與控制單元連接的收發(fā)單元、處理單元和顯示單元，超聲波探頭與收發(fā)單元相連，處理單元還分別與收發(fā)單元和顯示單元連接；控制單元包含人機交互接口，由操作者根據(jù)實際需要選擇操作來控制收發(fā)單元、處理單元和顯示單元；收發(fā)單元通過將驅(qū)動信號傳給超聲波探頭來發(fā)送一個超聲波，超聲波探頭也將收到的回波信號傳送給收發(fā)單元；處理單元產(chǎn)生多頻正交連續(xù)基帶信號和調(diào)制解調(diào)用的超聲載波，調(diào)制后得到多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號，并且發(fā)送給收發(fā)單元；也接收收發(fā)單元發(fā)回的多頻超聲連續(xù)回波信號，并且解調(diào)，對得到的多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關(guān)于每個界面反射波的幅度和相位的方程組，再計算出超聲波所經(jīng)過的生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)；上述裝置中，所述處理單元包括數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和A/D轉(zhuǎn)換器，處理單元完成信號產(chǎn)生和處理的工作根據(jù)控制單元提供的信息產(chǎn)生對應(yīng)的多頻連續(xù)基帶信號，基帶信號經(jīng)過調(diào)制成為超聲波信號并傳給收發(fā)單元；對收發(fā)單元傳送過來的回波信號進(jìn)行解調(diào)；將解調(diào)出的多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關(guān)于每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差的方程組；由方程計算每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差，再通過每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。上述裝置中，所述處理單元包括三個分頻器分頻器之一控制輸出多頻信號頻率，用來產(chǎn)生多頻連續(xù)基帶信號；分頻器之二控制輸出超聲載頻信號頻率，用來產(chǎn)生超聲頻載波信號；分頻器之三控制輸出A/D采樣時鐘信號頻率。多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載波信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到收發(fā)單元，再由收發(fā)單元發(fā)送給超聲波探頭。本發(fā)明的工作過程為控制單元根據(jù)操作者發(fā)出的指令發(fā)出相應(yīng)的控制給處理單元，處理單元立即給本次操作產(chǎn)生特定的多頻連續(xù)基帶信號和調(diào)制解調(diào)超聲頻載波信號，即配置分頻器1(控制輸出多頻信號頻率)、分頻器2(控制輸出超聲頻載波信號頻率)和分頻器3(控制輸出A/D采樣時鐘信號頻率)的控制參數(shù)。隨后多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載波信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到收發(fā)單元，再由收發(fā)單元發(fā)送給探頭。然后收發(fā)單元等待控制單元發(fā)出接收回波的命令，收發(fā)單元接收到穩(wěn)態(tài)的回波后給處理單元，處理單元對穩(wěn)態(tài)回波先解調(diào)，得到解調(diào)出的多頻連續(xù)基帶信號，經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關(guān)于每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差的方程組。最后通過解方程組求出不均勻反射界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差。根據(jù)每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明不僅可以測量生物體不同組織的厚度，還可以測量不同組織的聲阻抗、密度反映組織本質(zhì)特征，作為評價組織密度更為精確的指標(biāo)參考。2、本發(fā)明測量精度高?；诜瓷浞y量生物體不同組織的聲阻抗克服了基于透射法測量的不足，單探頭容易操作，不存在兩個探頭不易完全對準(zhǔn)等所帶來的測量誤差。3、本發(fā)明抗干擾性好，利用每路信號相互正交的特性來消除相互之間的千擾。而且因為噪聲和每路信號不相關(guān)，所以還能消除噪聲的影響。4、由于本發(fā)明接收到的反射回波是一個穩(wěn)態(tài)連續(xù)波，能量穩(wěn)定，所以檢測容易，不需要定時，因而不存在定時上的誤差。5、由于本發(fā)明采用單探頭，所以對換能器的要求降低，使得成本降低?，F(xiàn)代社會人們對健康、疾病越來越關(guān)注，成本的降低使得該裝置很適合家庭、農(nóng)村和社區(qū)醫(yī)療使用。6、由于本發(fā)明的測量精度受測量環(huán)境影響小，與A/D采樣率、計算精度相關(guān)，所以一方面可以提高采樣率來提高測量精度，另外一方面可以把測得的穩(wěn)態(tài)連續(xù)回波存儲或者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到大型的處理機來處理計算，通過增加計算量來提高每個界面的反射波振幅和相對于發(fā)射波的相位差的估計精度，得到更為精確的聲阻抗值，診斷出細(xì)微的病理變換，提高診斷水平。7、隨著現(xiàn)代處理器(處理機)計算處理能力的大大提高，本發(fā)明的信號處理過程中求解(公式13)或者(公式14)不再是難題，所以該技術(shù)是可行的，且適用性強。8、本發(fā)明測量方法簡單方便，可以應(yīng)用于探頭、收發(fā)單元與處理單元有線連接和無線連接的場合。9、本發(fā)明測量方法不僅可以直接應(yīng)用于單一地測量人體骨質(zhì)密度，判斷是否患有骨質(zhì)疏松等癥狀，還可以應(yīng)用于同時測量多個不同組織的聲阻抗的醫(yī)療或其它應(yīng)用場合。10、本發(fā)明測量方法不僅可以用于人體測量，還可以用于其它生物體不同組織的聲阻抗(或者密度)的測量。圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖2為圖1所示裝置的處理單元采用有線工作方式時的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為圖1所示裝置的處理單元采用無線工作方式時的結(jié)構(gòu)框圖4為實施方式中生物體單個組織不均勻界面處入射波、反射波、透射波的示意圖；圖5為實施方式中在生物體多個組織不均勻界面處入射波、反射波、透射波的示意圖6為本發(fā)明裝置在實施方式中OFDM信號的發(fā)送和接收示意圖7為實施方式中人體常見正常組織的密度、聲阻抗之間的關(guān)系示意其中圖7-a是人體常見正常組織的密度和聲阻抗值的說明示意圖7-b是人體常見正常組織的密度和聲阻抗值之間成近似線性關(guān)系的示意圖；圖8為本發(fā)明裝置工作流程框圖9為圖8中處理單元求解每個非均勻界面反射波的幅度和相位的工作流程框圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明裝置包括超聲波探頭、控制單元、收發(fā)單元、處理單元和顯示單元。如圖2所示，處理單元包括數(shù)字信號處理器(DSP或者單片處理器ARM等)、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器(A/D)。振蕩器使用20M晶體振蕩器，分頻器用鎖相環(huán)電路實現(xiàn)，調(diào)制器和解調(diào)器用乘法電路實現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)化器和數(shù)字信號處理器選用一塊TI的DSP芯片TMS320C2812實現(xiàn)。超聲波探頭即為一個超聲波轉(zhuǎn)換器，由一種壓電材料，即壓電陶瓷如鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)等組成。超聲波探頭用來與測量對象接觸。超聲波探頭與收發(fā)單元相連，收發(fā)單元將驅(qū)動信號傳給超聲波探頭發(fā)送一個超聲波，超聲波探頭也將收到的回波信號傳送給收發(fā)單元?？刂茊卧藱C交互接口，由操作者根據(jù)實際需要選擇操作來控制收發(fā)單元、處理單元和顯示單元。處理單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)字信號處理器(DSP或者單片處理器ARM等)、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器(A/D)。處理單元主要完成信號產(chǎn)生和處理的工作1)根據(jù)控制單元給予的信息產(chǎn)生對應(yīng)的多頻連續(xù)基帶信號，基帶信號經(jīng)過調(diào)制成為超聲波信號給收發(fā)單元；2)對收發(fā)單元傳送過來的回波信號進(jìn)行解調(diào)；3)將解調(diào)出的多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關(guān)于每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差的方程組；計算每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差；4)通過每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。顯示單元對處理單元處理后的結(jié)果根據(jù)操作者選擇的顯示方式來直觀地顯示，提供給操作者觀察。收發(fā)單元和控制單元、處理單元有兩種連接方式有線連接和無線連接方式。在如圖3所示無線連接方式中，控制單元、處理單元通過射頻收發(fā)模塊來傳送相應(yīng)信息，收發(fā)單元也應(yīng)包括射頻收發(fā)模塊。本發(fā)明利用OFDM調(diào)制方式來構(gòu)造相互正交的連續(xù)多頻超聲信號，通過檢測穩(wěn)態(tài)的回波信號，計算每個界面反射回波的振幅和相對于發(fā)射波的相位差，然后根據(jù)反射波的振幅計算不同組織的聲阻抗和密度。其原理如下首先分析單個生物體組織聲阻抗的測量方法。如圖4所示，若向單個生物體組織(有界面和界面《/2)表面發(fā)射單頻超聲波連續(xù)信號=J,cos(2;r，^是入射波的振幅，/Q是發(fā)射信號頻率。在界面^處，有透射波^cos(2;r/力進(jìn)入生物體組織，同時有反射波^cos(2;r/。0反射出來成為接收回波的一部分。在界面^處，產(chǎn)生反射回波，該反射回波在生物體組織表面被接收，為^cos(2;r/。r-p)。所以在界面^處得到的回波信號^;,^=4cos(2;r/力+4cos(2;r/。卜^，它是入射波在生物體組織表面(界面)反射波和透過生物體組織在第一非均勻介質(zhì)界面(界面^)反射波信號兩者的疊加，其示意圖見圖4。其中4是生物體組織表面(界面^)反射波的振幅，^是入射波透過生物體組織，在生物體組織內(nèi)第一非均勻介質(zhì)界面(界面J。反射的反射波穿過界面J,后得到的回波的振幅，^是相對于在生物體組織表面(界面^)處的入射波的相位差。根據(jù)數(shù)字信號處理理論，可以計算出發(fā)射和接收信號的相位差p為-pmaxarg《W)，瓶p)》(公式1)〈，,—為兩個序列的互相關(guān)操作。令f+、(r,^)cos(27T/。T)^^A+Acos^-a，去掉直流分量，則可以得到42(公式2-1)(公式2-2)"為正整數(shù)，則反射波振幅為4=2;'2+&2。由測量得到的信號^,W和已經(jīng)計乂o算出的p和4，很容易算出斗。根據(jù)惠更斯原理和反射、折射定律，反射波、折射波的強弱與兩組織的聲阻抗之間的關(guān)系為4,z，一z，丄l-=—(公式3)其中；是探頭的聲阻抗(若探頭直接接觸生物體組織)或者是耦合劑的聲阻抗(若探頭通過耦合劑接觸生物體組織)，一般是已知的，^是生物體組織的聲阻抗。所以通過(公式3)可以計算出生物體組織的聲阻抗。當(dāng)超聲波在生物體組織內(nèi)的傳播速度v己知，進(jìn)而可以計算出生物體組織的物質(zhì)密度=旦。v該方法還可以計算出超聲波發(fā)射端即探頭(或者耦合劑)和生物體組織第一非均勻介質(zhì)界面的距離為"^fr(公式4)當(dāng)測量多個生物體組織聲阻抗時，假設(shè)此時有N個非均勻介質(zhì)界面，如圖5所示。根據(jù)超聲波的透射和反射原理，設(shè)每個界面反射回來的回波信號為雄,A，=^cos(2;r/。Z-，則接收到的回波信號為10雄,4，L4v，a，L&)=l>c0S(2;r/。,—(公式5)這一個方程無法解出N個界面對應(yīng)的相位差^，L^。為了解出N個界面對應(yīng)的相位差^和反射波的振幅4LJw，至少需要構(gòu)造2N個方程。我們利用OFDM調(diào)制方式的原理來構(gòu)造M個相互正交的多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號，這樣來構(gòu)造2M個方程。只要M2W，就能解出每個界面對應(yīng)的反射波的振幅4LA^，然后利用不均勻界面處反射波、折射波的強弱與兩組織聲阻抗的關(guān)系，遞推出每層生物體組織的聲阻抗，進(jìn)而計算出生物體生物體每層組織的物質(zhì)密度。M路相互正交的多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號的疊加即為需要發(fā)送的多頻連續(xù)基帶信號=|>。S(2;n//)，它可以看作是M路信號的發(fā)送，每一路發(fā)送的是一個單頻的信號，其原理示意圖見圖5。每兩路信號都是相互正交的，如第；路信號cos(2OT/Z)和第y信號cos(2"http://)，'、y，r=7，在區(qū)間正交，因為fcos(2;n/力cos(2;z7/。0^^0。多頻連續(xù)基帶信號^,/。卜fcos(2;n;^)產(chǎn)生后，選取合適的超聲載波(載波頻率為,)對其進(jìn)行調(diào)制。這相當(dāng)于對M路的每一路信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號成為多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號，由收發(fā)單元發(fā)送出去，其示意圖見圖6。每一路信號經(jīng)過每一個不均勻界面都會有反射。假設(shè)第/路發(fā)送的基帶信號是cos(2;r^/)，超聲波傳播會遇到N個不均勻的界面，這樣就會收到N個反射波(解調(diào)后的)的疊加信號-《W=4cos(2;ny^-)(公式6)其中^cos(2;r^/-"^)是發(fā)射波發(fā)射出去后遇到的第n個不均勻界面的反射波(解調(diào)后的)，4是其振幅，/%是其相位差。收發(fā)單元接收到的回波是M路反射波的疊加，經(jīng)解調(diào)之后得到多頻連續(xù)基帶信號c/(0。超聲波在發(fā)送、傳輸、接收的時候不可避免地會混入噪聲"(O，所以解調(diào)后的多頻連續(xù)基帶信號為對c^)在上做正交分解，(公式7)與第i路發(fā)射基帶信號cos(2;r^)在區(qū)間上求互相關(guān)，則可以得到=fZ《")cos(2ot/W+f"(/)cos(2;r/。,)^(公式8)=丄rf,.(y)cos(2;n/00<*(公式7)與第i路發(fā)射基帶信號(^(2;27//)的正交信號^(2;17;/00在區(qū)間上求互相關(guān)，則可以得到=ff]《(0sin(2OT/(/>*+f"(0sin(27T/。,)^,(公式9)=p,0)sin(27n/o爛因為每路信號是互為正交的，所以當(dāng)"_/時，f《(,)cos(2;ny;/)^=0，j[《(/)sin(27ny;0^=0。噪聲和信號是不相關(guān)的，因此f《)cos(27n;/^)^=0，f"(/)sinP;^0^-0。所以(公式8)和(公式9)第三個等號成立。從這里可以看出，正交信號抗干擾性好，并且還能夠消除噪聲。把(公式6)代入(公式8)和(公式9)，可以得到g,，(O、g,"O的展開表達(dá)式-W)"4cos(/^)+;4cos慨)+L+^"4vcos(印w)=y4sm輛)+^毛sin(!>2)+L+sin('鳥)(公式10)由(公式8)可知，^)COS(2;n/fl0通過積分得到一個確定的值，即g,A)-f^(,)cos(2;z7;/;0^-A。令《=手，可得同理可得^sin輛)+4sin(!'伊2)+L+^sin(i'^)=5,"12(公式ll)(公式12)因為多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過超聲頻載波調(diào)制后成為一個窄帶信號，即，,M/Q。雖然每路信號的頻率不同，但是都接近于超聲頻載波頻率，所以每路超聲波的傳播速度相同，在相同的不均勻界面處反射波的延遲時間相同，反射波振幅A也相同。由此M路可以得到2M個方程鴻cos(a)+爿2cos(p2)+L+^cos(&)=《4sin(仍)+4sin(p2)+L+4sin(^r)=《^cos(2p,)+v42cos(2p2)+L+4cos(2^)=52''4sin(2仍)+4sin(2p2)+L+4sin(2^)=《'(公式13)M4cos(M^)+j2cos(M^>2)+L+cos(JW^V)=_8^/^sin(M^)+4sin(M^2)+L+4sin(M)=C下面根據(jù)不均勻界面的個數(shù)N是否己知分兩種情況來討論(公式13)的求解1.不均勻界面的個數(shù)N是已知的若不均勻界面的個數(shù)N是已知的，那就構(gòu)造M-N個相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，這樣來構(gòu)造2N個方程。由2N個方程解出2N個參數(shù)。(公式13)方程組是一個非線性方程組，其求解方法有很多，現(xiàn)簡介兩種求解方法。求解方法一采取窮舉方法來求解，這種方法比較適用于反射界面不多的情形。由于超聲波的傳播有衰減，每個界面的反射波振幅滿足-1<4,4山j(luò)w<1，且傳播距離越遠(yuǎn)，相位差越大，因此每個界面的反射回波相位差滿足0〈Q,〈q2〈L<Qw<7r。舉例把(0,;r)以;r/100的間隔等分，q，(^,L,<^在(0,"區(qū)間100個點值里面窮舉，且滿足0〈^〈(^〈L<<^<;r。每一輪計算過程1)A,<p2，L，^在(0,;r)區(qū)間100個點值中取滿足要求的值；2)把^,^，L,<^的值代入(公式13)，得到超定線性方程組；3)對超定線性方程組求解，判斷該超定線性方程組是否存在數(shù)學(xué)解。先去掉超定線性方程組中一些相關(guān)的方程，然后求解4,4,LJw。若該超定線性方程組不存在數(shù)學(xué)解，則本輪計算結(jié)束；4)判斷所求的每個界面的反射波振幅4,4,L4^是否滿足物理要求，即是否滿足-1<^,4，L^^<1，若不滿足，則可斷定該輪的^,^,L，^v取值不正確，重新選擇新的值來進(jìn)行下一輪的計算過程。(公式13)方程組的求解方法二把非線性方程轉(zhuǎn)換成切比雪夫多項式線性方程組。采用此方法需要構(gòu)造M=2N個相互正交的多頻超聲連續(xù)信號，由M路來得到2N個方程4cos(a)+x2cos(p2)+L+4cos(5)=《卓cos(2^)+4cos(2^2)+L+4vCos(2^)=52'(公式14)Mo次切比雪夫多項式rflw=i，設(shè)i次切比雪夫多項式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>A-arccos(x,),A=orccos(;c2),L,=arccos(^)。由切比雪夫多項式性質(zhì)知，M次切比雪夫多項式7^(x!卜cos(M仍)，rM(;c2)-cos(M^)，L,7^()=cos(M)，則可以把(公式14)轉(zhuǎn)換成為切比雪夫多項式線性方程組<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(公式15)可以采用牛頓法、賽德爾等成熟的數(shù)值計算方法解出4,4,L^v，A,A,L^，進(jìn)而解出2.不均勻界面的個數(shù)N是未知的當(dāng)不均勻反射界面的個數(shù)N是未知的，則根據(jù)實際情況估計生物體組織的不均勻反射界面?zhèn)€數(shù)來對N賦一個初始值L，該值應(yīng)該大于實際的N值，即是￡>^。若采取窮舉方法來求解，則構(gòu)造1V^L個相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，構(gòu)造出2M個方程(形如(公式13))。此時2M(方程個數(shù))〉2N(未知數(shù)個數(shù))，對該超定方程組求解，首先需要去掉一些冗余的方程，即是把相關(guān)的方程去掉，從而得到不均勻反射界面的個數(shù)N和剩余的2N個方程。最后對剩余的2N個方程求解，求解的方法和N己知時采取窮舉方法求解相同。若采取切比雪夫多項式線性方程組方法來求解，通過構(gòu)造M=2L個相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，構(gòu)造出M個方程(形如(公式14))。此時M(方程個數(shù))〉2N(未知數(shù)個數(shù))，對該超定方程組求解，首先需要去掉一些冗余的方程，即是把相關(guān)的方程去掉，從而得到不均勻反射界面的個數(shù)N和剩余的2N個方程。最后對剩余的2N個方程求解，求解的方法和N已知時采取切比雪夫多項式線性方程組方法求解相同。根據(jù)惠更斯原理和不均勻界面處反射、折射定律，由反射波、折射波的強弱與兩組織的聲阻抗之間的關(guān)系，和已經(jīng)解出的每個界面對應(yīng)的反射波振幅^^和已知的探頭聲阻抗(或者耦合劑聲阻抗)Z,，就可以遞推出超聲波所經(jīng)過的生物體每層組織的聲阻抗Z2L(見圖5):第一界面/,處入射波的振幅A、聲阻抗《已知，第一界面反射波的振幅4己經(jīng)求解出來，由^=^^可以得到聲阻抗22;入射波的振幅A、聲阻抗Z。22已知，由^1:^K可以得到第一界面^處的透射波qZ2+Z,的振幅A。.第二界面^處入射波的振幅"2、聲阻抗Z,已知，第二界面,/2反射波的振幅為己經(jīng)求解出來，由，=^^可以得到聲阻抗23;4Z3+Z2入射波的振幅"2、聲阻抗22、23已知，由^=^^可以得到第二界面處的透射波的a2Z3+Z2振幅a3。以此類推，可以得到超聲波所經(jīng)過的生物體每層組織的聲阻抗Z,LZw_,，以及界面人一處的透射波的振幅一。人體組織的聲阻抗Z和密度p是超聲醫(yī)學(xué)中重要的物理量，都反映組織的本質(zhì)特性，且它們的關(guān)系為2=/^。在超聲測試頻率為lMHz時，測得人體常見正常組織的密度、聲阻抗、超聲傳播速度數(shù)值如表1所示，其中密度和聲阻抗的關(guān)系如7-a和7-b所示。15表1人體常見正常組織的密度、聲阻抗、超聲傳播速度表(r*(瑞利)=G/(CM2^))<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>從圖7-b中可以看出聲阻抗Z和密度/有近似的線性關(guān)系，這種關(guān)系可以用一個二次多項式來擬合。由于聲阻抗Z和密度/有一一對應(yīng)的關(guān)系，則由已求出的生物體每層組織的聲阻抗Z,L,就可以得到生物體每層組織的密度p,Lpwl，而且由v-Z還可以得到超聲波在生物體每層組織里的傳播速度^L。而且由求解方程得到的a，^,L，^，還可以計算出生物體每層組織的厚度為/=|^^^+1(公式16)22;r/。在如圖3所示無線連接方式中，處理單元和收發(fā)單元包含同有線連接方式相同的器件電路，并且還包括工作在2.4G的射頻收發(fā)模塊。本發(fā)明的工作步驟如圖8所示，具體如下步驟l操作者給出操作請求。應(yīng)用舉例啟動儀器，選擇超聲波要檢査生物體什么部位或者什么生物體組織，是淺表組織，還是深部組織等。步驟2當(dāng)操作者有操作請求則立即傳送到控制單元。控制單元接收到請求信號后，發(fā)出相應(yīng)的控制信息給處理單元、收發(fā)單元和顯示單元?？刂茊卧刂剖瞻l(fā)單元什么時候發(fā)送超聲波信號，什么時候接收；控制單元控制顯示單元要顯示哪些參數(shù)，采用什么樣的具體的顯示方式?？刂茊卧o處理單元的信息也主要是根據(jù)操作請求來選擇相應(yīng)的信息，如操作單元選擇檢査淺表部分，則選擇超聲頻率為十幾、幾十MHz,若選擇深層部位，則選擇超聲頻率為5MHz左右?？刂茊卧鶕?jù)這些信息確定或者初步設(shè)置這種檢查的非均勻界面的最大個數(shù)N、多頻正交基帶信號的頻率和調(diào)制解調(diào)的超聲載波頻率。然后把這些相關(guān)信息一起給處理單元。步驟3處理單元配置各個分頻器控制參數(shù)，產(chǎn)生多頻正交連續(xù)信號和調(diào)制解調(diào)用的超聲載波。多頻正交連續(xù)信號的頻率是/。的整數(shù)倍，r為正交分解時的時間長度。本發(fā)明可以根據(jù)不同情況靈活產(chǎn)生2N個頻率來生成多頻正交基帶信號，然后根據(jù)已經(jīng)確定的載波頻率來產(chǎn)生載波，用來調(diào)制和解調(diào)。步驟4多頻正交連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載波調(diào)制后通過有線或無線方式發(fā)送到收發(fā)單元，收發(fā)單元再通過與其相連的探頭發(fā)射出去。步驟5收發(fā)單元收到穩(wěn)態(tài)的回波后，傳送到處理單元，處理單元解調(diào)出多頻連續(xù)基帶信號，經(jīng)A/D采樣、量化后成為數(shù)字信號。然后送到數(shù)字信號處理器(DSP)計算處理，A/D的采樣頻率由DSP控制。步驟6數(shù)字信號處理計算過程，主要求解(公式13)或者(公式14)，得到每個非均勻界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差，本實施例采用窮舉的方法來求解方程組(公式13),具體流程參見圖9。數(shù)字信號處理單元(DSP)對A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號做正交分解，列出2N個方程。求解2N個方程的具體流程如圖9所示。若非均勻界面的個數(shù)N是已知的，則用窮舉的方法求解方程個數(shù)為2N的方程組，得到N個非均勻界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差。若非均勻界面的個數(shù)N是未知的，則需要先把線性相關(guān)的方程組去掉，得到非均勻界面的個數(shù)M和剩佘的2M個方程，然后令N-M，求解方程個數(shù)為2N的方程組，得到N個非均勻界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差。窮舉的時候根據(jù)每個非均勻界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差的限定條件-1<4,4,L4d和Q^^〈L<\來縮短窮舉的計算時間。由計算已經(jīng)得到的每個非均勻界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差，根據(jù)每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。步驟7對處理單元得到的結(jié)果非均勻界面的個數(shù)、每個非均勻界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差、生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)以直觀的形式在顯示單元顯示，方便和用戶的交互。1權(quán)利要求1、一種基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗測量方法，其特征在于包括如下步驟(1)利用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制方式構(gòu)造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，并用超聲載波(載波頻率為fc)將該多頻連續(xù)基帶信號調(diào)制為多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號；(2)超聲波探頭將該多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號發(fā)送出去，相當(dāng)于發(fā)送多路單頻超聲波連續(xù)信號，每一路信號經(jīng)過生物體組織的每一個不均勻界面都會有反射；(3)超聲探頭檢測反射回來的穩(wěn)態(tài)回波信號，該回波信號相當(dāng)于多路反射波的疊加信號；該疊加信號經(jīng)解調(diào)后得到接收的多頻連續(xù)基帶信號，對該多頻連續(xù)基帶信號進(jìn)行正交分解，利用每路信號互為正交的特性分解出每路接收信號，列出關(guān)于每個不均勻界面反射波的幅度和和相對于入射波的相位差的方程組；最后通過解方程組求出不均勻反射界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差；通過每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。2、一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗測量裝置，其特征在于包括超聲波探頭、控制單元及分別與控制單元連接的收發(fā)單元、處理單元和顯示單元，超聲波探頭與收發(fā)單元相連，處理單元分別與收發(fā)單元和顯示單元連接；控制單元包含人機交互接口，由操作者根據(jù)實際需要選擇操作來控制收發(fā)單元、處理單元和顯示單元；收發(fā)單元通過將驅(qū)動信號傳給超聲波探頭來發(fā)送一個超聲波，超聲波探頭也將收到的回波信號傳送給收發(fā)單元；.處理單元產(chǎn)生多頻正交連續(xù)基帶信號和調(diào)制解調(diào)用的超聲載波，調(diào)制后得到多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號，并且發(fā)送給收發(fā)單元；也接收收發(fā)單元發(fā)回的多頻超聲連續(xù)回波信號，并且解調(diào)，對得到的多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關(guān)于每個界面反射波的幅度和相位的方程組，再計算出超聲波所經(jīng)過的生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述處理單元包括數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和A/D轉(zhuǎn)換器，處理單元完成信號產(chǎn)生和處理的工作根據(jù)控制單元提供的信息產(chǎn)生對應(yīng)的多頻連續(xù)基帶信號，基帶信號經(jīng)過調(diào)制成為超聲波信號并傳給收發(fā)單元；對收發(fā)單元傳送過來的回波信號進(jìn)行解調(diào)；將解調(diào)出的多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關(guān)于每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差的方程組；由方程計算每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的相位差，再通過每個不均勻界面處反射、折射定律依次求出生物體每層組織的聲阻抗、密度、厚度等參數(shù)。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述處理單元包括三個分頻器分頻器之一控制輸出多頻信號頻率，用來產(chǎn)生多頻連續(xù)基帶信號；分頻器之二控制輸出超聲載頻信號頻率，用來產(chǎn)生超聲頻載波信號；分頻器之三控制輸出A/D采樣時鐘信號頻率。多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載波信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到收發(fā)單元，再由收發(fā)單元發(fā)送給超聲波探頭。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于超聲穩(wěn)態(tài)反射波的生物體聲阻抗測量方法，包括(1)利用正交頻分復(fù)用調(diào)制方式構(gòu)造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號；(2)超聲波探頭將該多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號發(fā)送出去；(3)超聲探頭檢測反射回來的穩(wěn)態(tài)回波信號；最后通過解方程組求出不均勻反射界面反射波的振幅和相對于入射波的相位差。實現(xiàn)該方法的裝置包括超聲波探頭、控制單元及分別與控制單元連接的收發(fā)單元、處理單元和顯示單元，超聲波探頭與收發(fā)單元相連，處理單元分別與收發(fā)單元和顯示單元連接。本發(fā)明計算精度高，抗干擾性好，抗噪能力強，測量只需要一個探頭使得開發(fā)設(shè)備的成本降低，并且測量方法簡單，可用于在體實驗。文檔編號A61B8/00GK101474079SQ20091003644公開日2009年7月8日申請日期2009年1月6日優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日發(fā)明者寧更新,燕曹,崗韋申請人:華南理工大學(xué)