專利名稱：基于希爾伯特變換-基頻估計的平均骨小梁間距估計方法
技術領域：
本發明屬于醫學超聲技術領域，具體涉及一種評價松質骨狀況的平均骨小梁間距 估計方法。
背景技術：
隨著人口老齡化的加劇，骨質疏松已成為嚴重的社會問題，它會引起骨微結構退 化，從而使骨強度下降，增加骨折的幾率。目前全世界超過兩億人受到骨質疏松的困擾， 20-30%的女性患有不同程度的骨質疏松。目前最常用的診斷方法是雙能X射線(DXA)測量 骨密度(BMD)，但它有無法定征骨微結構；另一方面，DXA具有放射性及成本較為昂貴的缺點。
由于超聲波能反映骨的微結構信息，利用超聲診斷骨質疏松的方法受到了研究者 的關注。其中利用松質骨的超聲背散射信號診斷由于其特有的優勢引起了研究者濃厚的興 趣，并已顯示出巨大的潛力?；脊琴|疏松后，松質骨中的骨小梁數量明顯減少，骨小梁厚度 變??；同時，骨小梁間距也會明顯的變大。所以通過超聲背散射信號估計出的平均骨小梁間 距能有效表征松質骨微結構的變化。超聲背散射信號中包含了測量系統以及傳播介質的特性，由于松質骨中超聲的衰 減較大，超聲背散射信號的幅度較小，使得信號的信噪比較低。這些因素都給平均骨小梁間 距(MTBS)的估計帶來了困難。目前，常用平均散射元間距估計的主要方法有AR倒譜法、譜 自相關算法、簡易反向濾波跟蹤算法(SIFT)等。這些算法在實驗信號有較高的信噪比和隨機散射幅度較小時有比較好的估計性 能，但在低信噪比和較大的隨機散射幅度的情況下，都或多或少有估計誤差過大，估計的方 差也比較大等問題。基頻估計在語音信號的分析和處理中占有重要的地位。松質骨骨小梁的微結構可 以建模成準規則結構，由準規則結構背散射的特性，可以由去掉探頭沖擊響應影響后的超 聲背散射信號的基頻估計得到平均骨小梁間距的估計值。本方法首次在松質骨平均骨小梁 間距估計中應用了希爾伯特變換提取包絡和基頻估計，它對白噪聲，隨機散射回波和規則 散射回波的變化都有更強的魯棒性，并對不同的平均骨小梁間距都能更準確的估計。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能在超聲背散射信號受到不同因素干擾時，都能從中 較為準確的估計出平均骨小梁間距的方法。本發明提出的估計方法，是采用希爾伯特變換提取超聲背散射信號的包絡，并運 用基頻估計的方法估計出包絡的基頻，從而最終得到松質骨的平均骨小梁間距值。與傳統的直接估計平均骨小梁間距的方法不同，本發明提出的方法采用估計基頻 的方法間接的估計出平均骨小梁間距。本發明方法的具體步驟是1、提取包絡對數字化后的超聲背散射信號進行希爾伯特變換，得到的復信號的模 就是超聲背散射信號的正包絡；
2、降采樣對包絡信號進行降采樣；
3、估計信號基波的大概周期對降采樣后的信號經由YIN算法處理，得到3個信號 的基波大概的周期；
4、估計基頻將降采樣后的信號和3個信號大概的周期作為EB算法的輸入，估計出 3個信號基頻；
5、結果判別通過結果判別模塊，從YIN算法和EB算法的輸出中找到最終信號的基 頻，通過該基頻和超聲傳播速度，得到最后的平均骨小梁間距估計結果。下面對本發明的內容作進一步的介紹 1、希爾伯特變換提取包絡
由于希爾伯特變換的特性，它能較為方便的提取信號的包絡。使超聲背散射信號本身 作為復信號的實部，它的希爾伯特變換后的結果作為復信號的虛部，這樣組成的復信號的 模就是超聲背散射信號的正包絡。2、降采樣
為降低后續基頻估計算法的計算量，去掉高頻的冗余信息，在對超聲背散射信號進一 步處理前，首先對信號進行降采樣。為避免信號的混疊，先對信號進行低通濾波，再通過抽 取來降采樣。3、YIN算法估計信號基波的大概周期
YIN算法主要基于自相關的原理，并做了一些改進。它得出三個信號基波的大概周期通 過以下的公式
其中，Γ為降采樣后的包絡信號。找出式(2)中前三個滿足下面條件的τ 使 &(X)為局部最小值；且小于某個特定閾值。這三個T即對應了信號的基波的大概周期(其
中有兩個值都是干擾)。
4、EB算法估計基頻
EB算法能較為精確的估計基頻，且對噪聲有很強的魯棒性。輸出的信號的基頻估計通 過以下的公式得出
其中71為降采樣后的包絡信號，^=-〗，^^。iww=r，等于步驟3中YiN算法得出的滿 足條件的τ。為得到估計的基波波形，式(6)需要計算兩次。得到最后的兄即為估計出的 基波，求它所有正過零點間距的平均值的倒數，即得到基頻的估計值。這樣步驟3中滿足條 件的3個T將會得到3個基頻估計值，將在最后的結果判別模塊中判斷得出最終的結果。
5、結果判別模塊
最后的結果判別模塊需要從YIN算法和EB算法的輸出中找出正確的基頻估計值，從而 得到平均骨小梁間距估計值。首先分別計算步驟3中EB算法得出的3個估計基波的周期 的方差，若其中最小的方差小于10，則其對應的估計基頻就為正確的基頻估計結果。若最小 的方差也大于10，則最后的基頻估計值應等于周期方差最小的基波所對應的YIN算法得出 基波周期的倒數。得出基頻估計值后，由下式得出我們需要的平均骨小梁間距估計值
(J)
其中C為超聲在松質骨中傳播的速度，/o為估計出的基頻，為平均骨小梁間距。 通過與AR倒譜法和簡易反向濾波跟蹤算法(SIFT)的比較，證明本發明提出的算 法對白噪聲，隨機散射回波和規則散射回波的變化都有更強的魯棒性，并對不同的平均骨 小梁間距都能更準確的估計。


圖1算法原理框圖。圖2(a)為計算機仿真的超聲背散射信號，它的參數設置為平均骨小梁間距為 1. 25mm,信噪比為40dB，彌散散射和隨機散射的幅度比為0. 05，規則散射子間距的方差 為0. 02，虛線部分是利用希爾伯特變換提取的正包絡；圖2(b)為降采樣后的包絡信號；圖 2(c)為YIN算法的輸出結果，其中虛線為設定的閾值，3個圓圈標注的點為選出的3個大概 的基波周期；圖2(d)為EB算法估計出的基波，其中圓圈標注的點為基波的正過零點。圖3為三種算法用仿真信號進行對比試驗的結果圖3 (a)為離散散射幅度與隨 機散射幅度的比例(O變化時三種算法的平均估計誤差比較，其中每一個點都是由500個 估計值取平均后再求誤差所得；圖3 (b)為七變化時三種算法的估計方差比較，其中每一 個點都為500個估計值的方差；圖3 (c)為信噪比(5M0變化時三種算法的平均估計誤差比較，其中每一個點的計算方式同圖3 (a);圖3 (b)為5M 變化時三種算法的估計方差比 較，其中每一個點的計算方式同圖3 (b)。由圖3可見，除了在(很大時，本發明算法的方 差略差于SIFT算法，在七和SNR變化時，本發明算法的估計誤差和估計方差都要明顯小于 其他兩種算法，說明了本發明算法對平均骨小梁間距具有更優的估計性能。
具體實施例方式下面以一段超聲仿真信號的平均骨小梁間距估計為例，介紹整個估計的過程，并 在最后比較變化仿真信號參數后，三種算法的估計結果來展示本發明算法的性能。1、平均骨小梁間距估計過程
現舉例說明基于希爾伯特變換-基頻估計的平均骨小梁間距估計算法。算法的框圖如 圖1所示。對仿真超聲背散射信號進行希爾伯特變換后，得到的復信號的模就是超聲背散 射信號的正包絡，仿真超聲背散射信號及其正包絡如圖2 (a)所示，其中實線部分是仿真信 號，虛線部分是它的正包絡；對包絡信號進行降采樣，結果如圖2 (b)所示，由于抗混疊低通 濾波器的作用，信號會產生一定的相移，但這不會影響到平均骨小梁間距的估計；降采樣后 的信號經由YIN算法處理，得到3個信號的基波大概的周期，結果如圖2(c)所示，其中3個 圓圈標注出的點對應了 YIN算法找到的3個信號基波的大概周期；降采樣后的信號和3個 信號大概的周期作為EB算法的輸入，估計出3個信號基頻，其中正確的基波估計如圖2(d) 所示，圓圈標注的點對應了它的所有正過零點；在判別模塊中從YIN算法和EB算法的輸出 中，通過基波周期的方差大小找到最終信號的基頻，通過該基頻和超聲傳播速度，就能得到 最后的平均骨小梁間距估計結果。2、本發明算法與其他兩種方法性能比較
當仿真超聲背散射信號的隨機散射幅度和信噪比變化時，3種算法的性能比較如圖3 所示。圖3 (a)為七變化時三種算法的平均估計誤差比較；圖3 (b)為《變化時三種算 法的估計方差比較；圖3 (c)為5M 變化時三種算法的平均估計誤差比較；圖3 (b)為5M 變化時三種算法的估計方差比較。由圖3的結果比較可見，除了在七很大時，本發明算法 的方差略差于SIFT算法，在七和SNR變化時，本發明算法的估計誤差和估計方差都要明顯 小于其他兩種算法，說明了本發明算法對平均骨小梁間距具有更優的估計性能。
權利要求
一種基于希爾伯特變換 基頻估計的平均骨小梁間距估計方法，其特征在于具體步驟為(1)提取包絡 對數字化后的超聲背散射信號進行希爾伯特變換，得到的復信號的模就是超聲背散射信號的正包絡；(2)降采樣 對包絡信號進行降采樣；(3)估計信號基波的大概周期對降采樣后的信號經由YIN算法處理，得到3個信號基波的大概周期；(4)估計基頻將降采樣后的信號和3個信號大概的周期作為EB算法的輸入，估計出3個信號基頻；(5)結果判別通過結果判別模塊，從YIN算法和EB算法的輸出中找到最終信號的基頻，通過該基頻和超聲傳播速度，得到最后的平均骨小梁間距估計結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中，先對信號進行低通濾波，再通 過抽取來降采樣。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中，由YIN算法得出三個信號基波 的大概周期的計算公式為 其中，Γ為降采樣后的包絡信號，找出式(2)中前三個滿足下面條件的r 使 為局部最小值，且小于某個特定閾值；這三個τ即對應信號的基波的大概周期。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于步驟(4)中，由EB算法估計出3個信號基 頻的計算公式為 其中Γ為降采樣后的包絡信號，a,=-2, ^HWir,等于權利要求3中滿足條件的T ；式(6)計算兩次，得到最后的兄即為估計出的基波；求估計出的基波所有正過零點間距的 平均值的倒數，即得到基頻的估計值；這樣權利要求3中滿足條件的3個"Γ，得到3個基頻 估計值。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于步驟(5)中，首先分別計算步驟(3)中3個 估計基波的周期的方差，若其中最小的方差小于10，則其對應的估計基頻就為正確的基頻 估計結果；若最小的方差大于10，則最后的基頻估計值應等于周期方差最小的基波所對應 的步驟(3)中基波周期的倒數；得出基頻估計值后，由下式得出平均骨小梁間距 其中c為超聲在松質骨中傳播的速度 力估計出的基頻，為平均骨小梁間距。
全文摘要
本發明屬于醫學超聲技術領域,具體為一種基于希爾伯特變換-基頻估計的松質骨平均骨小梁間距估計方法。該方法首先采用希爾伯特變換提取模數轉換后的超聲背散射信號的包絡，再對包絡信號進行降采樣。然后分別用基于事件的瞬時基頻估計(EB)和陰(YIN)兩種基頻估計算法對它進行處理，在最后的判決模塊中找出包絡信號的基頻，再由該基頻和已知的超聲傳播速度可以推出平均骨小梁間距。本發明首次提出了利用希爾伯特變換-基頻估計的方法來研究平均骨小梁間距，相比于傳統的直接估計平均骨小梁間距的方法，本方法對白噪聲，隨機散射回波和規則散射回波的變化都有更強的魯棒性，并對不同的平均骨小梁間距都能更準確的估計。
文檔編號A61B8/08GK101889877SQ201010232838
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月21日 優先權日2010年7月21日
發明者他得安, 楊白丁, 王威琪 申請人:復旦大學