定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方法，其檢測方法為：步驟一、獲取生物組織超聲背散射信號；步驟二、截取DOI區域的背散射信號作為輸入數據；步驟三、對輸入數據進行EMD分解，得到三階本征模態函數和一個殘差項；步驟四、提取三階本征模態函數能量譜，并與原信號能量譜進行相似度分析，確定包含組織微結構信息的BIMF；步驟五、對確定出的BIMF進行估計，計算組織散射子間距信息。本發明具有如下優勢：(1)提取模態函數項BIMF，去除非相干模態函數項中的無用信息；(2)消除彌散散射元信號及噪聲干擾，抑制倒譜中的干擾峰值，提高MSS估計精度，估計精度可達90～95％。
【專利說明】定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種利用超聲背散射技術對表征組織微觀結構的平均散射子間距進 行檢測的方法。

【背景技術】
[0002] 醫學超聲廣泛應用于人體組織器官成像中，雖然該技術在臨床應用中已經具有相 當成熟的應用基礎，并能提供實時的高精度人體器官圖像，但其不能提供由于組織鈣化、變 異等導致的微觀結構變化。
[0003] 目前一些等效散射子模型如二元混合模型、Faran圓柱模型以及弱散射子模型等 常用來表征組織微觀結構變化。在這些模型中，組織的檢測轉化為對超聲衰減、背散射系 數、散射子密度、散射子直徑和平均散射子間距（MSS)等的檢測。其中MSS是一種最常用的 方法，該方法主要利用了生物組織在聲學特性分布上具有一定的準周期性，這種生物周期 性來自組織結構中的規則散射元和彌散散射元，會隨著組織健康狀況改變而發生變化，通 過利用MSS測量該周期性，可以對生物組織微觀結構進行測量，并對如血管動脈粥樣硬化、 骨質疏松等健康狀況做出診斷。
[0004] 在平均散射子間距估計中目前常用的方法主要有倒譜方法、功率譜方法和瞬態相 關圖等方法。這些方法在一定程度上能夠有效檢測平均散射子間距，但受背散射超聲信號 序列短、衰減大和噪聲大的影響，檢測結果不穩定。一些自相關譜分析方法、周期性小波變 換方法、奇異譜分析方法等提高了檢測魯棒性，但計算量大，在去除噪聲和彌散散射信號干 擾方面有待提1?。


【發明內容】

[0005] 為了解決定量超聲系統中利用現有技術方法無法有效消除超聲背散射信號中的 噪聲和彌散散射信號干擾的問題，本發明提供了一種定量超聲系統中基于經驗模態分解 (EMD)的組織微觀結構檢測方法。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方法，包括如下步 驟：
[0008] 步驟一、獲取生物組織超聲背散射信號；
[0009] 步驟二、截取DOI (Domain oflnterest)區域的背散射信號作為輸入數據；
[0010] 步驟三、對輸入數據進行EMD分解，得到三階本征模態函數和一個殘差項；
[0011] 步驟四、執行能量譜篩選：提取三階本征模態函數能量譜，并與原信號能量譜進行 相似度分析，確定包含組織微結構信息的最優模態函數項（BIMF);
[0012] 步驟五、對確定出的BMF進行估計，計算組織散射子間距信息。
[0013] 所述步驟一中，超聲背散射信號獲取有仿真和實驗兩種獲取方式。其中實驗獲取 方式中，超聲背散射信號收發由2MHz高頻單陣元聚焦探頭實現，探頭聚焦距離為25mm，探 測方式為單一探頭背散射作用方式。
[0014] 所述步驟二中，截取D0I區域信號時，采用矩形窗函數。仿真數據截取信號序列時 間長度為4 μ s，實驗數據截取信號序列長度為8. 125 μ s。
[0015] 所述步驟三中，基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方法具體通過以下迭代進 行檢測：
[0016] 1)輸入D0I區域背散射信號x(t)(t= 1，2,…，Ν，Ν為采樣點數）為原始函數；
[0017] 2)確定輸入的原始函數極值點，采用三次樣條函數確定輸入信號上下包絡\(〇 Xu(t);
[0018] 3)計算上下包絡均值

【權利要求】
1. 一種定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方法，其特征在于所述 檢測方法步驟如下： 步驟一、獲取生物組織超聲背散射信號； 步驟二、截取DOI區域的背散射信號作為輸入數據； 步驟三、對輸入數據進行EMD分解，得到三階本征模態函數和一個殘差項； 步驟四、執行能量譜篩選：提取三階本征模態函數能量譜，并與原信號能量譜進行相似 度分析，確定包含組織微結構信息的BIMF ; 步驟五、對確定出的BMF進行估計，計算組織散射子間距信息。
2. 根據權利要求1所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述步驟一中，超聲背散射信號的獲取方式為仿真獲取方式或實驗獲取方 式。
3. 根據權利要求2所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述實驗獲取方式中，超聲背散射信號收發由2MHz高頻單陣元聚焦探頭實 現，探頭聚焦距離為25mm，探測方式為單一探頭背散射作用方式。
4. 根據權利要求2所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述仿真數據獲取方式采用有限元數值求解方法。
5. 根據權利要求1所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述步驟二中，采用矩形窗函數截取DOI區域的背散射信號作為輸入數據。
6. 根據權利要求1所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述步驟二中，仿真數據截取信號序列時間長度為4 μ s，實驗數據截取信號 序列長度為8. 125 μ s。
7. 根據權利要求1所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述步驟三的具體步驟為： 1) 輸入DOI區域背散射信號x(t)為原始函數，t = 1，2，...，Ν，Ν為采樣點數； 2) 確定輸入的原始函數極值點，采用三次樣條函數確定輸入信號上下包絡&(〇 Xu(t); 3) 計算上下包絡均值叫(0 = |Ui(0 + ?.(0)，定義hjt)為原始函數與該包絡均值的差 值函數比(t) = Xi (t) -nii (t)，i表示第i次分解，分解結束得到第i個本征模態函數； 4) 迭代計算判斷差值函數h (t)是否滿足IMF條件，判斷決策過程采用標準偏差準則： "、》=(&-#)-九⑴)2/私-υ(〇，hk(t)為第k次迭代差值函數；若H SD彡0. 15,則第i個本 征模態函數成分頂F i定義為Cj (t)=比(t)，i = 1，2, . . .，N，繼續執行第5步；否則差值 函數比(t) = Xi (t)-mi (t)作為輸入的原始函數Xi (t)返回執行第2步； 5) 存儲IMF分解次數為N，判斷若N彡3,繼續執行第6步，否則剩余函數Xi(t)= Xh (t) _Ci (t)返回執行第2步，Ci (t)為第i個本征模態函數； 6) 經過上述迭代計算，獲得原始函數3個本征模態函數成分MFl，MF2, MF3 : {Cl (t)， Cg(?)，C3(t) } 〇
8. 根據權利要求1所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述步驟四中，執行能量譜篩選，分別求得三階本征模態函數能量譜，根據 能量譜極值點值及其位置，確定包含組織微結構信息的BIMF。
9.根據權利要求1所述的定量超聲系統中基于經驗模態分解的組織微觀結構檢測方 法，其特征在于所述步驟五中，利用倒譜估計方法對BMF進行估計，由計算結果估計組織 等效散射子間距，利用該散射子間距表征生物組織特性。
【文檔編號】A61B8/08GK104138277SQ201410366119
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】沈毅, 潘文磊, 金晶, 王艷, 章欣 申請人:哈爾濱工業大學