本發(fā)明屬于骨骼檢測，尤其是涉及一種基于導(dǎo)波信號與回波信號的長骨檢測方法。

背景技術(shù)：

1、有研究表明補鈣過量會造成身體浮腫、多汗、厭食、惡心、便秘以及消化不良，嚴(yán)重的還會引起高鈣尿癥，同時兒童補鈣過量還可能限制大腦發(fā)育，并影響生長。血鈣濃度過高，鈣如果沉積在眼角膜周邊將影響視力，沉積在心臟瓣膜上將影響心臟功能，沉積在血管壁上將加重血管硬化等，因此對兒童的骨骼健康狀況的檢測如骨骼發(fā)育，骨鈣含量等是很有必要的。對此類設(shè)備研究最早的是以色列的sunlight公司，早在上個世紀(jì)90年代該公司便推出了omnisenst系列的超聲骨強度儀，該系列設(shè)備目前擁有較全的亞洲兒童的數(shù)據(jù)庫，占據(jù)了大部分的市場。該設(shè)備通過測量脛骨和橈骨的超聲聲速這一參數(shù)，來反應(yīng)骨骼的發(fā)育。然而骨骼的健康狀況不僅與聲速參數(shù)有關(guān)，同樣也與長骨皮質(zhì)骨厚度相關(guān)，另外，超聲聲速根據(jù)超聲波的振動方式可以分為橫波速度和縱波速度，而根據(jù)波的特性也存在相速度和群速度等不同聲速參數(shù)，該設(shè)備只采用單一的速度參數(shù)，難以全面反映骨骼的不同特性，存在明顯不足。且臨床表現(xiàn)表明該設(shè)備對3歲以上兒童骨骼狀況的敏感性不足。

2、國內(nèi)在這方面的研究主要集中在應(yīng)用研究和理論研究方面，在應(yīng)用研究方面，臨床醫(yī)生對超聲骨強度儀在臨床應(yīng)用方面進行了大量的研究，如山西省婦幼保健院對太原地區(qū)0-3歲的健康兒童的骨密度進行檢測，首都醫(yī)科大學(xué)對北方地區(qū)的5個月到18歲的10401名兒童進行骨強度檢測，昆山市婦幼保健所對昆山地區(qū)813名健康兒童超聲骨密度進行測定分析，上述研究所使用的設(shè)備均為sunlight公司的omnisenst7000p型超聲骨強度儀。臨床結(jié)果表明該超聲骨密度設(shè)備可以有效地反映兒童的骨骼健康狀況，但是也存在檢出率低，總體結(jié)果存在偏差且多用于腳部測量，從而讓患者和醫(yī)生感到不適等問題。理論研究主要是長骨導(dǎo)波信號處理的研究，該方向是近年來醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域的熱點，國內(nèi)外學(xué)者做了很多有價值研究工作，國外的研究方向集中在測量方式、信號處理、參數(shù)獲取和設(shè)備研究等方面。目前國內(nèi)在設(shè)備的研發(fā)方面進展較慢。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于導(dǎo)波信號與回波信號的長骨檢測方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的測量部分單一、準(zhǔn)確率低且對于幼兒骨骼難以精準(zhǔn)測量的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于導(dǎo)波信號與回波信號的長骨檢測方法，包括以下步驟：

3、步驟1、采用高壓脈沖發(fā)射電路為超聲收發(fā)探頭發(fā)射電壓，依次經(jīng)過軸向傳播方式和脈沖回波方式后，分別接收導(dǎo)波信號和回波信號；

4、步驟2、將步驟1接收到的導(dǎo)波信號和回波信號進行硬件的預(yù)處理；

5、步驟3、對經(jīng)過預(yù)處理的導(dǎo)波信號通過自適應(yīng)濾波去除組織信號的干擾；對經(jīng)過預(yù)處理的回波信號采用時間窗進行分離去除干擾；

6、步驟4、對步驟3經(jīng)過干擾去除的導(dǎo)波信號進行模式分離，然后在時間截距參數(shù)和厚度參數(shù)的條件下得到軸向發(fā)育參數(shù)sl；

7、步驟5、對步驟3經(jīng)過干擾去除的回波信號進行相位分析和強度差異分析，獲得橫向發(fā)育參數(shù)sh；

8、步驟6、對步驟4獲得的軸向發(fā)育參數(shù)和步驟5獲得的橫向發(fā)育參數(shù)進行融合得到長骨發(fā)育參數(shù)。

9、優(yōu)選的，步驟2中硬件的預(yù)處理具體為：將接收到的導(dǎo)波信號和回波信號依次輸入保護電路、低噪聲放大電路、抗混疊濾波器、可調(diào)增益放大器、高速ad采樣、fpga和usb通信轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

10、優(yōu)選的，高壓脈沖發(fā)射電路發(fā)射100k-10mhz頻率可調(diào)的超聲脈沖波，發(fā)射電壓的峰值為100v。

11、優(yōu)選的，可調(diào)增益放大器的可調(diào)范圍為0到60db。

12、優(yōu)選的，高速ad采樣的采樣率為40msps。

13、優(yōu)選的，步驟3中對經(jīng)過預(yù)處理的導(dǎo)波信號通過自適應(yīng)濾波去除組織信號的干擾計算表達式如下：

14、e(t)＝d(t)-y(t)＝s(t)+n0(t)-y(t)???????????????????????????(1)

15、e[e2(t)]＝e[s2(t)]+e[(n0(t)-y(t))2]+2e[s(t)(n0(t)-y(t))]???????(2)

16、計算(2)式的最小值e[e2(t)]min，滿足e[(n0(t)-y(t))2]＝e[(n0(t)-y(t))2]min，具體為：

17、e[e2(t)]min＝e[s2(t)]+e[(n0(t)-y(t))2]min????????????(3)

18、根據(jù)式(3)和(2)，采用最小均方差準(zhǔn)則計算出濾波器的權(quán)值，進行自適應(yīng)濾波得到s(t)；

19、式中，s(t)是骨骼內(nèi)的導(dǎo)波信號，n0(t)是組織內(nèi)的超聲信號，d(t)＝s(t)+n0(t)，y(t)為在最優(yōu)準(zhǔn)則的條件下濾波器的輸出，y(t)與s(t)接近，e(t)為y(t)與s(t)誤差信號。

20、優(yōu)選的，步驟3中對經(jīng)過預(yù)處理的回波信號采用時間窗進行分離去除干擾的具體內(nèi)容如下：

21、s31、預(yù)處理：對輸入的回波信號進行預(yù)處理，包括濾波、降噪；

22、s32、設(shè)置時間窗：根據(jù)實際情況，確定時間窗大小，時間窗越小，檢測到的噪聲干擾越少；

23、s33、啟動時間窗：將選定的時間窗啟動并開始運行；

24、s34、數(shù)據(jù)采集與處理：實時采集回波信號的數(shù)據(jù)，設(shè)定對應(yīng)的閾值，并對實時采集回波信號的數(shù)據(jù)進行分析和判斷；如果滿足設(shè)定的閾值，則當(dāng)前時間段內(nèi)的信號是干凈的；否則，當(dāng)前時間段內(nèi)的信號是一個噪聲點；

25、s35、融合閾值：為識別到噪聲的點通過平均值融合法設(shè)定一個融合閾值，將這些噪聲點的數(shù)據(jù)進行融合處理；

26、s36、關(guān)閉時間窗：當(dāng)一段完整的信號周期結(jié)束后，關(guān)閉時間窗，等待下一個信號周期的開始。

27、優(yōu)選的，步驟4中對步驟3經(jīng)過干擾去除的導(dǎo)波信號進行模式分離的具體內(nèi)容如下：

28、s41、通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解emd和維納濾波互相關(guān)對導(dǎo)波信號進行分解，得到一組本征模態(tài)函數(shù)imf，計算表達式如下：

29、

30、式中，imfi表示本征模態(tài)函數(shù)，r(t)是殘差項；其中各imf分量從高到低依次對應(yīng)著不同的頻率段，所包含的頻率成分也各不相同，頻率成分具體為厚度或時間截距；

31、s42、計算本征模態(tài)函數(shù)的最大能量點時頻坐標(biāo)，得到頻厚積與群速度的變換曲線，采用曲線擬合函數(shù)擬合得到a0和s0模式的群速度頻散曲線，將a0和s0模式信號從導(dǎo)波信號中分離。

32、優(yōu)選的，在時間截距參數(shù)和厚度參數(shù)的條件下得到軸向發(fā)育參數(shù)的計算表達式如下：

33、sl＝f(s1(t),s2(t))?(5)

34、式中，sl表示軸向發(fā)育參數(shù)，s1(t)表示時間截距參數(shù)下的導(dǎo)波信號，s2(t)表示厚度參數(shù)下的導(dǎo)波信號。

35、優(yōu)選的，步驟6中對步驟4獲得的軸向發(fā)育參數(shù)和步驟5獲得的橫向發(fā)育參數(shù)進行融合得到長骨發(fā)育參數(shù)的計算表達式如下：

36、sbone＝f(sl,sh)?(6)

37、式中，sbone表示長骨發(fā)育參數(shù)，sl表示軸向發(fā)育參數(shù)，sh表示橫向發(fā)育參數(shù)。

38、因此，本發(fā)明采用上述一種基于導(dǎo)波信號與回波信號的長骨檢測方法，具有以下有益效果：

39、(1)提出了經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和維納濾波互相關(guān)來分離不同模式的信號，解決了超聲導(dǎo)波在長骨傳播過程中的頻散現(xiàn)象，該方法可以有效的分離出常用的超聲模式信號；

40、(2)通過采用高壓脈沖發(fā)射電路為超聲收發(fā)探頭發(fā)射電壓，接收時采用相應(yīng)匹配濾波器提高信噪比，以降低噪音的影響，做出更準(zhǔn)確的診斷；且這種方法還在一定程度上降低了所發(fā)射的超聲波的強度，提高了超聲波穿透深度，并進一步減小了超聲波對人體的作用；

41、(3)通過將測量的骨骼軸向發(fā)育參數(shù)和橫向發(fā)育參數(shù)相融合，最后檢測骨骼的整體發(fā)育情況，提高了整體的檢測精度；

42、(4)將接收到的導(dǎo)波信號和回波信號依次輸入保護電路、低噪聲放大電路、抗混疊濾波器、可調(diào)增益放大器、高速ad采樣、fpga和usb通信轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行簡單的預(yù)處理，將復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)化為較為簡單和穩(wěn)定的數(shù)字信號，使得后續(xù)的信號處理更加容易和快速。

43、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。