基于多项式拟合法的超声速度的测量.pdf

生物医学工程研究
Jourmal of Bioxnedieal ne eening Researh 2012, 31(3):173-176
基于多项式拟合法的超声速度的测量
杨栋,张宗谦,彰虎
(安徽栢立医院信息中心,安徽令肥230001)
摘要:我们先对函数曲线进行多项式拟合,再选泽参考点进行测量,并同时选择四个麥点作为参考点,得
出每个零点的SOS后求其平均值,进一步减小了误差。该方法較传统的直接法精确度上有了提高,且操作
简单
关键词:超声;声速;骨密度;多项式拟合;过零点
中图分类号:R3I8文献标识码;A文章编号:16/26278(2012)03-0173-4
The Measurement on speed of the Ultrasound based on Polynomial Fit
YANG Dong, ZHANG Zongqian, PENG hu
The nformation Center of Anhui Provincial Hospital, Hefei 230026, China)
Abstract: The traditional method for the sound velocity measurements, which requires a higher precision of the waveform curve, is
not easy to chices the referenee points gu ]arger error ex t. We presented a kind of method. First the curve of the function with the
polynomial fiting was dealed and then a reference point for measurement process was selected. Besides four zero crossings points were
chosen as reference points respectively, SOS was obtained for each point and was averaged to further reduce the error. The method is
easy to operate, and the accuracy of the method has been improved
Key words: Ultrasound; Ilone mineral deneity; Speed of Suund(S0S Pulynomal Fil Zero Crossing
1·引言
人数据处理,对函数曲线进行拟合后可以得到更为
精确波形的过零点,同时因为零点比极值点更易选
声速(SOS)是描述声波在媒质中传播特性的一取,而且不易产生误差,所以,选择测量过零点的
个基本物理量,声波在媒质中的传播速度与媒质的SOS能进一步减小误差。
特性及环境状态竽因素有关。因通过媒质中声速
的测定,可以了解媒质的特性或状态变化,在现代检2SOS测量原理
测中非常广泛。近30多年,超声测量开始应用到骨2.1过零点
密度测量-?,人们通过研究发现,超声波在人体骨
这里的过零点是指波形幅值为零的点,见图1,
组织传播速度和骨密度有很大的相关性。几项图中的黑点即为过零点,图中虚线为纵坐标为0的
研究表明超声测速可以用来评估个人的骨质疏松横?。
症,具有一定的临床实用价值“-?。
2.2透射法?
本研究将采用透射法中的过零点法来测量超声
在同一介质中,接收探头接收到信号所经过的
声速,所谓过零点法是指通过测量波形中过零点的时间包括两部分:系统固有延时和信号在介质中的
变化得到SOS。本研究提出的方法将多项式拟合引传播时间。由于測量系统固有延时t2的存在,所
△通信作者Email;yangdong_anhui(@163.com
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生物医学二程研究
第31卷
以,若直接进行測量计算会导致测量时间变大,误差
则用矩阵表示该多项式为
变大。因此,可以先对系统固有延时进行消除。设「xx
超声探头相距山时接收探头经过+4接收到信
号,相距d时探头经过+2接收到信号,则根据
超声波在该种介质中的传播速度为:
(n≥1)
n+1个未知数,n+1阶方程组,该an,an-1,
解。
故拟合的多项式所有的系数均己知,整个波形
图1过零点
曲线可以近似地用拟合多项式的函数式来表达,从
Fig I Zero crossing
而可以求得拟合后的函数曲线上的任·点的横坐标
值
=%-d
(1)
因为过零点纵坐标为0
从上式可以看出,只需分别测量两次声波传播
的总时间らい+ム,4。+ち即可消除系统固有延时。的
+a1x+=0,
影响,得到超卢波在两个探头间的传播速度,而并不(n≥1)
需要单独测量1和2。
解该一元n次方程,可得过零点的横坐标
设超声波在发射探头和接收探头间传播时间3实验
为1,不改变两探头位置,在两探头间放置被测物
体,设被测物体的宽度为d,测得超声波传播时间为
3.1实验系统
4,得到传播时间差值△,设超声波在水中的传播速
整体实验系统见图2。
度为cm,即
发射电?发射探
头
超卢波
At
PC HD
主:挽电当
水波
对式(2)变形:
接收电
接收揉
路
头
图2系统框图
多项式拟合
为了验证本文所提方法的正确性,先阳有机玻
设在函数曲线上可以找出n+1个已知的不同将替代骨头进行测量,已知有机玻璃中的5OS为
位置的点:(x0,y)
,yn),(aン1)则可以用n230m/s,通过计算传统的透射法和本文采用的方
阶多项式进行曲线拟合,得到个信号波形的近假法分别与经验值的误差来比较两者的优越程度。
函数表达式。
测量系统主要包括五个部分即PC机、设备主
设n阶多项式为代x)=a+。x+a。,控板发射电路接收电路和收发探头?其中收、发
な2+…+の1x+。(mシ1),将这。+1个点带入多探头采用中心率为,SMH,带宽80%的紧焦型
项式,可得?个n+1阶解的矩阵
单振源超声传感器;采用型号为TP3001,测量范围
为-50~+300℃,精度为0.1℃的数字温度计记录
实验环境温度;采用精度为0.02mm的游标卡尺进
行距离测量
3.2具体实验步骤
(1)连接好电路,将发射探头和接收探头置丁
水中,两探头表面相互对准。为了消除系统固有延