编码发射技术在超声评估松质骨骨密度中的研究

摘要

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种与老龄人口密切相关的疾病，是影响老龄人口健康的重要问题。随着世界人均寿命的延长，老龄人口在不断的增多，患上OP症的患者数量也在迅速增加。作为临床工作的基础和根据，对松质骨健康状况的评价及对骨质疏松症的诊断方法及参量的研究就显得非常重要。
　　 定量超声技术是一种通过测量骨骼的宽带超声衰减和超声传导速度等参数来反映骨骼骨矿密度，从而对骨质疏松在进行诊断的方法。然而由于骨骼对超声波的严重衰减，接收到的透射超声信号往往非常微弱且伴有强噪声，使得定量超声技术的测量精度不高，同时还限制了测量深度。为了消除噪声的影响，提高测量深度，本课题采用的编码发射超声的方式对传统的定量超声技术测量骨密度方法进行改良。
　　 在本课题中，我们采用理论分析，计算机仿真以及实际实验验证相结合的方式，验证了编码发射的有效性。主要改良之处在于：我们采用具有尖锐自相关特性的二进制码对发射信号进行编码，将传统的短脉冲发射方式变成发射进过编码后的较长时间的超声发射，解决了传统发射方式能量较低，透射深度有限的问题。由于这些编码具有尖锐自相关特性，对接收的信号进行自相关处理就相当于对接收的超声信号进行脉冲压缩，从而得到一个高幅度、低噪声的压缩脉冲信号。通过细致分析发现，得到的压缩脉冲的频谱与接收到的原始信号频谱的频谱具有平方关系，这样对接收信号的脉冲压缩就可以在去除噪声影响，提高透射深度的同时，利用压缩脉冲的频谱无失真的还原原始信号的频谱。通过仿真和样品实测的结果发现该方法相对于传统方法具有更好的抗干扰能力，更平稳的BUA衰减曲线，从而得到更精确的测量结果。
　　 本文研究工作得到了国家自然科学基金项目(No.60871087)的资助。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 骨质疏松症(osteoporosis)简介

1.3 诊断骨质疏松症常用方法

1.3.1 X射线检测法

1.3.2 单光子吸收法(single photon absorptiometry，SPA)

1.3.3 双光子吸收法(dual photon absorptiometry，DPA)

1.3.5 双能X射线吸收法(dual energy X-ray absorptiometry，DEXA)

1.3.6 定量超声技术(quantitative ultrasound，QUS)

1.4 定量超声技术诊断骨质疏松症的超声参量

1.4.1 声速度(speed of sound，SOS)

1.4.2 宽带超声衰减(broadband ultrasound attenuation，BUA)

1.4.3 硬度指数(stiffness index，SI）

1.4.4 背散射系数(black scattering coefficient，BSC)

1.5 本研究的意义

1.6 本课题研究内容

第二章 超声骨密度测量系统设计

2.1 BUA测量原理

2.2 SOS测量原理

2.3 系统介绍

2.3.1 系统结构

2.3.2 发射端电路

2.3.3 接收端电路

2.3.4 主控电路

2.4 PC客户端开发

2.5 小结

第三章 医学超声中的编码发射技术

3.1 超声信号的编码及解码

3.1.1 匹配滤波器

3.1.2 编码信号的解码

3.2 常用的编码方式

3.2.1 巴克码

3.2.2 正交互补码(golay码)

3.2.3 线性调频波(Chirp)

3.3 小结

第四章 编码发射在测量骨密度中的应用

4.1 引言

4.2 巴克码编码脉冲信号

4.2.1 巴克码编码Pulse信号测量BUA原理

4.2.2 仿真

4.2.3 实验验证

4.3 正交互补码编码脉冲信号

4.3.1 正交互补编码Pulse信号测量BUA原理

4.3.2 仿真

4.3.3 实验验证

4.4 小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

读研期间发表的学术论文与取得的其他研究成果