松质骨骨小梁间距估计的算法研究及超声诊断系统的初步研制

论文摘要

随着社会老龄化进程的加剧,骨质疏松对人群的危害日益严重,如何有效准确的诊断骨质疏松是当前研究的重要课题之一。利用超声诊断骨质疏松具有价廉、便携、无辐射等优点,可以作为骨质疏松的常用诊断手段。其中松质骨超声背散射信号诊断骨质疏松由于其独特的优势受到研究者越来越多的关注。本文的工作主要集中在两个方面：松质骨超声背散射信号中估计平均骨小梁间距（MTBS）算法的研究和松质骨超声诊断系统的初步研制。平均骨小梁间距是松质骨微结构中的重要参数,能有效的反映骨质疏松的状况。本文提出了两种MTBS估计的方法：（1）提出了反向滤波器-基频估计（SFE）的MTBS估计算法。该算法首先利用反向滤波器去除系统的高频乘性干扰,再应用基于事件的瞬时基频估计算法（EB）与改进的自相关算法相结合估计出信号的基频,最后通过基频与骨小梁平均间距的关系得出MTBS估计值。通过仿真和离体信号的实验证明,SFE算法相对于AR倒谱和简易反向滤波跟踪算法（SIFT）对噪声有更强的鲁棒性,能在干扰的情况下获得更为准确的MTBS估计值。（2）在SFE算法的基础上,又提出了希尔伯特变换一基频估计（HFE）的MTBS估计算法,相对于SFE算法,抗干扰的能力进一步提高,特别是对白噪声MTBS变化的鲁棒性有了较大的增强,对超声背散射信号中另外两种常见干扰的鲁棒性也有了一定的提高。在松质骨超声诊断系统的初步研制上,本文的主要工作首先是根据仪器的要求对前端超声信号发射和接收的部分提出设计要求。另外,设计后端数据处理和结果显示的ARM开发板上的数据和控制接口,并根据接口设计具体的控制和数据传输的驱动程序。最后,将得到的在体超声背散射数据用本文提出的两种算法（SFE和HFE）及SIFT进行处理并得到MTBS估计结果。分析结果显示,SFE、HFE和SIFT估计的MTBS值与GE超声骨密度测定仪（GE Lunar Achilles Express）得到的强度指数（SI）具有较强的相关性,分别为R2=0.63,R2=0.71,R2=0.78（p<0.01）。以上研究结果表明,初步研制的系统可用于估计松质骨的MTBS及松质骨的评价。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 评价松质骨的超声方法
• 1.2.1 超声透射法评价松质骨状况
• 1.2.2 超声背散射法评价松质骨状况
• 1.3 本文的主要工作及创新点
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 创新点
• 1.4 小结
• 第二章 估计平均骨小梁间距的算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 估计平均骨小梁间距的算法研究现状
• 2.3 反向滤波器-基频估计的算法（SFE）
• 2.3.1 算法原理
• 2.3.2 算法步骤
• 2.4 希尔伯特变换-基频估计的算法（HFE）
• 2.4.1 HFE算法对SFE算法的改进
• 2.4.2 算法步骤
• 2.5 小结
• 第三章 仿真及实验
• 3.1 引言
• 3.2 仿真
• 3.3 实验
• 3.4 小结
• 第四章 仿真及实验结果和讨论
• 4.1 引言
• 4.2 反向滤波器-基频估计算法性能分析
• 4.2.1 仿真结果及分析
• 4.2.2 实验结果及讨论
• 4.3 希尔伯特变换-基频估计算法性能分析
• 4.3.1 仿真结果及分析
• 4.3.2 实验结果及讨论
• 4.4 小结
• 第五章 松质骨超声背散射诊断系统初步设计
• 5.1 引言
• 5.2 诊断原理
• 5.3 系统构成介绍
• 5.3.1 前端电路
• 5.3.2 后端信号处理部分
• 5.4 系统接口及控制与传输程序
• 5.5 实验结果和讨论
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文目录及专利
• 致谢