非接触式编码超声导波检测长骨状况的研究

Application of ultrasonic technology in long bone assessment has attracted more and more attention because it’s free from radiation and cheap. The project is aimed to solve the effect of coated soft tissue to the propagation of ultrasonic guided waves (GW) in long bones, which will enable the application of GW to evaluate bone quality clinically. We will use coded excitation and sound-light system to collect signals from coated bone phantoms without contact, and then obtain GW signals with high signal-to-noise ratio (SNR) after decoding. Two dimensional Fourier transform, blind signals separation, and other signal process methods will be used to analyze thickness and fracture of the cortical bone, which can be used to assess the quality of long bone. Finally, we like to collect signals on volunteers’ long bones, and then diagnose their bone quality by analyzing the thickness and fracture condition. Study of this project will further promote the clinical application of ultrasonic guided waves in long bone.

超声技术因具有无辐射性且价格低廉,而在人体长骨检测的应用方面引起越来越多的关注。本项目旨在解决长骨表面的软组织层对超声导波传播的影响，从而使得超声导波在长骨临床检测上的应用成为可能。我们拟研究利用编码激励，通过声光系统，以非接触的方式在附有软组织层的长骨模型上采集接收信号。通过对其解码，得到具有较高信噪比的导波信号。然后利用二维傅里叶变换，盲信号分离等信号处理方法，得到皮质骨的厚度以及裂纹出现情况，从而对长骨的骨质状况进行评价。最后拟在志愿者的长骨上采集超声导波信号，通过分析皮质骨层的厚度以及裂纹出现情况对长骨的健康状况进行诊断。本项目的研究将进一步促进超声导波在人体长骨检测上的应用。

超声技术因具有无辐射性且价格低廉，而在人体长骨检测的应用方面引起越来越多的关注。长骨外附软组织使得接收到的导波信噪比(SNR)很低，因此难以应用在连体测量中。本项目引人了一种超声编码信号作为激励，来提高对超声导波模式的识别。在附有表皮的长骨模型上，将基于基础序列调制的Golay码(BSGC)用于激励并产生超声弯曲导波信号。使得在远离换能器中心频率(200 kHz)的相对低频上(25-50 kHz)，激励产生了幅度相对较大的导波信号，通过二维傅里叶变换(2D-FFT)得到了与皮质骨厚度变化敏感的弯曲导波模式的相速度值。研究结果表明这种编码激励方式提高了接收信号的SNR，为评价皮质骨的厚度提供了重要依据。. 为了得到更精确的接收信号，本项目进一步通过声光系统，以非接触的方式在附有软组织层的长骨模型上采集到了编码激励后的接收信号。与传统的单脉冲激励方式相比，基于BSGC码的声光系统信噪比提高了21 dB，并且在很大程度上提高了测量速度。在获得同样信噪比的前提下，前者的测量速度是后者的100倍左右，这就意味着这种方式在测量长骨模型厚度时，测量速度从原来的分钟级降到了秒级，使其在临床上快速无接触的连体检测长骨骨质状况成为可能。. 为了进一步验证超声检测长骨骨质状况的有效性，本项目研究了骨质疏松对超声导波在人体长骨中传播的影响。提出采用多尺度小波变换方法对接收到的导波信号进行处理，通过分析在不同传播距离下高阶小波细节分量所占信号总能量的变化，来判断是否患有骨质疏松症。本项目在13位志愿者的小腿胫骨上进行超声测量，得到导波信号。经多尺度小波变换方法的分析处理结果显示在13位志愿者中，有7位志愿者的超声导波信号随着传播距离的改变，其主要频率成分发生了明显的变化，显示这7位志愿者患有骨质疏松症。这一诊断结果与X射线技术诊断结果相比，准确率可以达到92.3%，表明本项目所提出的利用小波多尺度变换方法对长骨进行超声诊断具有较好的潜力。