基于时频分布的盲信号分离方法研究长骨中的多模式导波信号

由于超声导波对长骨皮质骨的材料特性及厚度变化非常敏感,因此用导波评价长骨状况的研究已成为近年来的一个研究热点.在接收到的导波中,往往多种模式混叠在一起,使得进一步求取每种导波模式的群速度等与骨质状况密切相关的参数时遇到困难.本文采用基于时频分布的盲信号分离(TFBSS)方法对长骨中混叠的多模式进行分离,然后对分离后的单...     

High-resolution bone microstructure imaging based on ultrasonic frequency-domain full-waveform inversion

The main challenge in bone ultrasound imaging is the large acoustic impedance contrast and sound velocity differences between the bone and surrounding soft tissue. It is difficult for conventional pulse-echo modalities to give accurate ultrasound images for irregular bone boundaries and microstructures using uniform sound velocity assumption rather than getting a prior knowledge of sound speed. To overcome these limitations, this paper proposed a frequency-domain fullwaveform inversion(FDFWI) algorithm for bone quantitative imaging utilizing ultrasonic computed tomography(USCT).The forward model was calculated in the frequency domain by solving the full-wave equation. The inverse problem was solved iteratively from low to high discrete frequency components via minimizing a cost function between the modeled and measured data. A quasi-Newton method called the limited-memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno algorithm(L-BFGS) was utilized in the optimization process. Then, bone images were obtained based on the estimation of the velocity and density. The performance of the proposed method was verified by numerical examples, from tubular bone phantom to single distal fibula model, and finally with a distal tibia-fibula pair model. Compared with the high-resolution peripheral quantitative computed tomography(HR-p QCT), the proposed FDFWI can also clearly and accurately presented the wavelength scaled pores and trabeculae in bone images. The results proved that the FDFWI is capable of reconstructing high-resolution ultrasound bone images with sub-millimeter resolution. The parametric bone images may have the potential for the diagnosis of bone disease.     

骨折长骨中超声导波传播特性的仿真研究

采用超声导波评价长骨骨折已成为近两年来的一个研究热点.本文采用混合边界元方法(HBEM)对超声导波在骨裂长骨中的传播情况以及各导波模式的反射系数和透射系数进行了数值分析.研究结果表明,入射导波模式经由裂纹处模式转换后依然保持为主要接收模式不变.对某一裂纹,各模式透射系数常在相近的频率点上达到局部峰值.对于不同深宽比(d/w)裂纹,某些模式透射系数曲线局部峰值所对应的频率存在着相互错开的现象,这些结果可用于选择最优入射导波模式和频率,以便更好地定量评价骨质以及骨裂状况.     

时频方法分析长骨中的超声导波及皮质骨厚度

超声导波在长骨中传播时,接收信号中含有相互叠加的多个导波模式.本文提出将希尔伯特-黄变换(HHT)用于分析叠加的多模式导波信号,将其分解成许多单个独立的模式,然后对分解出的模式求得其对应频率下的群速度,并与短时傅里叶变换所得的结果进行比较.通过与理论计算结果比较,可得到长骨皮质骨的厚度.研究结果表明,实验得到的厚度与实际厚度一致.说明通过测量导波模式的速度可以评价皮质骨的厚度,也说明HHT方法是一种识别叠加多模式导波信号的有效方法.     

狭窄血管内定常流多普勒信号的计算机仿真

提出了一种狭窄血管内定常流多普勒血流信号的计算机仿真方法,在PC机上合成不同血流速度、狭窄血管段不同位置的多普勒信号。对这些仿真信号进行频谱分析,计算出相应的最大频率、平均频率和频谱宽度等参数。实验结果的分析验证了该仿真方法的有效性,为狭窄血管内多普勒血流信号的理解和进一步的特征提取提供了便利。     

医用超声Doppler技术与血流测量(Ⅰ)

1842年Christian Doppler发现,当频率f_0的振源与观察者之间相对运动时,观察者接收到的频率不再是f_0而是f’.后来将这种由于相对运动而引起频移的现象称为Doppler效应. 若声源静止,接收体相对声源运动,则在接收点收到一个波长λ_0的时间为T’=λ_0/(C±V)=C/(C±V)f_0=1/f’(1)式中T’——接收点收到一个波长λ_0所需的时间,即周期;f’——接收点收到的频率;λ_0——     

基于动态规划的超声多普勒信号最大频率曲线提取

提出一种基于全局优化的动态规划算法以进行超声多普勒血流信号最大频率曲线的提取。并将该方法分别应用于仿真的超声多普勒信号和实际采集的多普勒血流信号,在信噪比小于20 dB的较强噪声背景下,基于动态规划方法提取的最大频率曲线较之传统方法提取的结果,相对误差最多可减小20倍以上。在强噪声背景下的估计精度明显高于其它方法,显示出基于动态规划的最大频率曲线提取算法具有较好的抗噪声性能。结果表明:基于全局优化的动态规划算法能够从较强噪声背景中准确提取超声多普勒血流信号的最大频率曲线,并可进一步用于诊断血管疾病。     

空间选择性降噪法提取血流超声多普勒信号

医学超声多普勒系统的高通滤波器在消除血管壁搏动带来的回波干扰时,也滤除了低速血流信息。为提取完整的血流超声多普勒信号,提出一种基于空间选择性降噪的方法。根据血管壁超声多普勒信号在小波尺度空间上的相关性,采用空间选择性降噪技术对管壁信号进行初步估计;然后用小波阈值滤波法消除管壁信号中残留的血流信号;最后从混合信号中减去管壁信号得到血流信号。对计算机仿真超声多普勒信号和人体颈总动脉超声多普勒信号应用本方法,实验结果表明:空间选择性降噪法能在较大的管壁／血流功率比范围内提取完整的血流信号,其平均相对误差比高通滤波器的结果降低了约45％。该方法有望成为超声多普勒系统中滤除管壁信号的一种有效方法。     

涡流脉冲多普勒信号的计算机仿真研究

提出一种涡流脉冲多普勒信号的计算机仿真方法,产生了各种给定条件下的仿真涡流多普勒信号。对这些仿真信号进行短时傅里叶分析,求出相应的最大频率、平均频率和频谱宽度等曲线。通过研究这些曲线得到的频谱参数和仿真时给定的采样容积位置、采样容积大小、涡流中心间距、无涡流血流速度、涡流最大旋转速度之间的联系,找出利用脉冲多普勒技术检测涡流的敏感参数。     

基频估计算法研究平均骨小梁间距

超声背散射信号能提供松质骨微结构信息从而能有效的诊断骨质疏松,而平均骨小梁间距(MTBS)是表征松质骨微结构的重要参数之一.本文提出了一种基频估计的MTBS估计算法,对仿真信号和离体牛胫骨松质骨中的超声背散射信号分别进行分析处理,并和现有的两种算法(简易反向滤波跟踪(SIFT)算法和AR倒谱法)进行比较.实验结果表明基频估计算法对噪卢和随机散射回波有更好的鲁棒性,在信噪比较低和随机散射回波幅度较大时估计值更加精确,且有很好的方差性能.充分说明了本文算法是一种有效的MTBS估计算法.