一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法及其检测系统

本发明涉及骨质疏松检测领域，特别涉及一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法及其检测系统。

背景技术：

1、骨质疏松症的精确诊断是中国人口老龄化社会面临的重大医疗问题，而组织成分及结构物理性质的综合评价有助于骨病的精确诊断。临床基于x射线和超声波的检测技术主要用于骨结构力学性质评价，对组织成分不敏感。提出一种对多类型骨物理性质进行评价的技术，实现骨病精确诊断具有重要的临床价值和社会意义。

2、基于光热结构耦合激励的光声波对骨组织成分相关光学和结构力学性质具有敏感性，有助于骨病精确诊断技术的发展。现有超声或光声波骨质疏松评价方法主要有3类：

3、通过原位检测的光声波背散法对跟骨组织成分和结构力学性质评价，诊断骨质疏松；

4、基于轴向传播法的光声导波具有基于模态频散理论、不同模态幅值相对变化定量评估长皮质骨结构力学性质和光学性质的能力；

5、此外，压电传感器激励的原位检测超声背散射信号的宽带频谱参数评价骨微结构特征。

6、而现有技术中存在着下述缺陷：现有光声背散射法主要用于跟骨骨质疏松检测，而轴向传播法光声导波检测技术中仅采用光声激励源远端导波信息进行骨质评价，缺乏对光声激励源端信息的有效利用，影响了骨组织成分及结构力学性质评价稳定性；而基于压电传感器激励的超声背散射法皮质骨检测技术仅能评价骨结构力学性质，对骨组织成分相关光学性质不敏感。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法及其检测系统，可用于实现长皮质骨中光声背散射信号和光声导波信息的同步获取及骨质疏松的精确诊断。

2、为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明公开了一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：同时采集不同波长激光在骨骼组织中激励的光声背散射信号和光声导波信号；

5、步骤s2：信号处理提取各光声波信号参数；

6、步骤s3：构建光声波宽带频谱参数谱和光声导波参数谱；

7、步骤s4：测量骨骼组织成分、光学性质和结构力学性质；

8、步骤s5：重复步骤s1～s4获取批量骨骼组织物理性质数据、光声背散射信号和光声导波的参数谱数据；

9、步骤s6：标定光声背散射参数和光声导波参数与骨骼组织物理性质数据；

10、步骤s7：建立基于逆求解模型的骨组织物理性质反演模型；

11、步骤s8：将骨骼组织测量光声背散射信号和光声导波参数输入逆求解模型；

12、步骤s9：输出测量骨骼组织物理性质信息数据；

13、步骤s10：输入骨质疏松临床标准数据；

14、步骤s11：将步骤s10中的骨质疏松临床标准数据与步骤s9中的测量数据进行对比，给出骨质疏松症诊断结果。

15、进一步的，步骤s2包括以下内容：

16、采用光声背散射信号处理技术对光声背散射信号处理，提取功率谱斜率、宽带频谱积分、时频谱参数；采用模态分解算法、宽带频谱分析技术、多维傅里叶变换信号处理算法，提取光声导波参数谱数据：光声导波频率波数频散、不同模态导波幅值相对变化率、时频谱。

17、进一步的，步骤s3包括以下内容：

18、结合提取各光声信号参数及其对应激励激光波长，构建光声背散射信号和光声导波功率谱斜率、宽带频谱积分、不同模态导波幅值相对变化率的激光波长-光声参数谱图。

19、进一步的，步骤s4包括以下内容：

20、采用傅里叶光谱技术测试骨骼组织光学性质和组织成分，micro-ct、三点应力测试法、超声法测量骨结构、弹性模量、密度、泊松比。

21、进一步的，步骤s6包括以下内容：

22、采用光声背散射信号宽带频谱、背散射积分和时频谱图、导波模态幅值相对变化率标定激光照射区域骨组织物理性质及结构图像，采用导波频率-波数频散曲线、时频谱图标定激光照射区域到光声导波检测区域间的骨组织物理性质及结构图像。

23、进一步的，步骤s7包括以下内容：

24、采用深度学习神经网络、多源多目标迁移学习神经网络对步骤s6标定数据训练，建立光声背散射参数、光声导波参数与骨骼组织成分及物理性质的反演模型。

25、进一步的，步骤s8包括以下内容：

26、采用光声背散射-光声导波的长骨骨质疏松症检测系统依照步骤s1测量获取被测骨组织中的光声背散射信号和光声导波信号，依照步骤s2提取光声波宽带频谱参数和光声导波参数谱；随后将提取参数输入逆求解模型。

27、本发明另外公开了一种基于多模式光声的骨质疏松检测系统，包括计算机、发射接收控制电路、模数转换器、宽波段可调谐激光器、信号放大器、多通道信号放大器、压电超声换能器和超声阵列换能器，其中：

28、所述计算机，用于：

29、向所述发射接收控制电路发送指令，控制所述宽波段可调谐激光器激励输出激光的波长、能量和频率，控制所述模数转换器对所述信号放大器和多通道信号放大器输出信号进行模数转换；

30、接收和存储所述模数转换器输出数字信号，并对接收的多模式光学信号进行处理、执行如上述权利要求1-7中任意一项的多模式光声骨质疏松检测方法，实现骨质疏松诊断；

31、所述发射接收控制电路，用于接收来自所述计算机的指令，控制所述宽波段可调谐激光器输出激光的波长、能量和频率，并同步控制所述模数转换器将来自所述信号放大器和多通道信号放大器的输出信号进行模数转换，并输入所述计算机进行处理；

32、所述宽波段可调谐激光器，用于通过激光输出头向待测量骨骼组织照射不同波长的脉冲激光，进行多模式光声波激励；

33、所述压电超声换能器，用于检测所述宽波段可调谐激光器输出激光照射待测量骨骼组织近端的光声背散射信号；

34、所述超声阵列换能器，用于检测所述宽波段可调谐激光器输出激光照射待测量骨骼组织远端的光声导波场信号。

35、本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

36、本发明一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法及检测系统，可用于实现长皮质骨中光声背散射信号和光声导波信息的同步获取，结合光声背散射信号和光声导波对激光作用区域至导波检测区域骨组织物理性质检测，增加了骨质检测分析光声波的类型及骨质检测范围；结合光声背散射参数和光声导波模态幅值变化率对激光照射区域骨骼组织物理性质(组织成分、光学性质、结构力学性质)进行标定，增强了激光照射区域骨骼组织物理性质评价参数类型，有助于提升骨质检测的稳定性。

1.一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，步骤s2包括以下内容：

3.根据权利要求1所述的一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，步骤s3包括以下内容：

4.根据权利要求1所述的一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，步骤s4包括以下内容：

5.根据权利要求1所述的一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，步骤s6包括以下内容：

6.根据权利要求1所述的一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，步骤s7包括以下内容：

7.根据权利要求1所述的一种基于多模式光声的骨质疏松检测方法，其特征在于，步骤s8包括以下内容：

8.一种基于多模式光声的骨质疏松检测系统，其特征在于，包括计算机、发射接收控制电路、模数转换器、宽波段可调谐激光器、信号放大器、多通道信号放大器、压电超声换能器和超声阵列换能器，其中：