面向子宫声环境构建的非侵入式宫内声场重建方法及系统与流程

本发明涉及生物医学声学、计算声学、母胎声传播建模以及非侵入式声场重建，具体涉及面向子宫声环境构建的非侵入式宫内声场重建方法及系统。

背景技术：

1、胎儿在宫内接收到的声学刺激与外界空气声、母体发声、母体心搏、呼吸、肠道活动以及胎儿自身生理声振动等多种声源有关。由于母体腹壁、肌肉、子宫壁、胎盘、羊水和胎儿组织具有不同声学阻抗和频率相关衰减特性，外部或母体内部声源到达胎头、胎耳或其他宫内目标区域时，会经历复杂的多路径传播、散射、反射和局部驻波效应。

2、已有技术中，可以通过人体或动物宫内水听器实验得到部分频率传递曲线，也可以根据孕周、腹壁厚度、脂肪层厚度、羊水量或者体模数据，对体表或外部声音进行平均化的频谱修正。然而，上述方法通常依赖人群平均曲线或预设组织参数，难以反映目标孕妇个体在音频频段的实际传播特性。

3、已有技术还可以根据医学成像数据建立孕妇个体化几何模型，并采用边界元、有限元等数值声学方法计算外部声音在母体组织、子宫及羊水区域内的传播。该类方法能够利用个体几何结构，但通常仍依赖文献统计或预设的组织声学参数。个体几何模型并不等同于个体实测声传播模型，尤其难以解决不同组织界面、传感器接触耦合和个体频率相关衰减参数的不确定性。

4、此外，多通道扬声器阵列、波场合成、相控阵等空间声场生成技术能够形成具有预定波前或传播方向的声场；腹壁多传感器技术也可用于胎心、胎动、胎位、母体运动或多源信号分离。然而，现有空间声场技术和体表多传感器技术本身，并未解决如何把来自不同声源位置、不同传播边界条件或不同体表观测路径的实测传播特征，纳入同一组个体生物物理声传播参数的联合辨识过程。

5、在不依赖宫内传感器作为临床使用步骤的情况下，利用目标孕妇体外多个位置的声振动观测信号以及至少两类不同传播路径，对个体化生物物理声传播模型进行联合校准，并进一步计算宫内目标区域的声场，是当前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供面向子宫声环境构建的非侵入式宫内声场重建方法及系统，用以通过联合利用至少两类具有不同声源位置或边界条件的声源在母体体外多个观测点产生的实测传播特征，对参数化生物物理声传播模型中的同一组待辨识声学参数进行多路径约束优化，从而获得更能反映目标孕妇个体真实组织声学特性的传播参数，并据此重建宫内目标区域的声场，以解决依赖平均曲线或预设参数所导致的个体适配性差和重建不确定性高的问题。

2、为了实现上述目的，设计一种面向子宫声环境构建的非侵入式宫内声场重建方法，包括以下步骤：获取目标孕妇的个体解剖结构数据，基于该个体解剖结构数据建立参数化生物物理声传播模型；所述参数化生物物理声传播模型包含划分的多个组织区域、至少一个宫内目标区域以及待辨识声学传播参数的集合；所述待辨识声学传播参数集合至少包含声速和频率相关衰减参数，各组织区域中的声传播通过波动方程或helmholtz方程描述并以数值方法求解；同步获取至少两类不同声源的声源参考信号以及设置于母体体外多个不同位置的声振动观测信号，其中至少一类声源为母体或胎儿自然产生的生理声振动源；针对每一类声源，根据该声源的声源参考信号与各声振动观测信号确定该声源至各体外观测位置的实测传播特征；在所述参数化生物物理声传播模型中，按照该声源对应的声源位置和声传播边界条件，计算该声源至各体外观测位置的预测传播特征；采用同一组所述待辨识声学传播参数，对至少两类声源对应的实测传播特征与预测传播特征之间的差异进行联合约束，获得目标孕妇的个体化声传播参数；基于所述个体化声传播参数，计算至少一类声源至所述宫内目标区域的声学传递算子；根据所述声学传递算子以及对应声源的估计声源信号，计算得到所述宫内目标区域的重建声场。

3、优选地，本发明还包括：所述至少两类不同声源包括：母体发声产生的声振动源、母体心搏产生的声振动源、母体呼吸产生的声振动源、胎儿心搏产生的声振动源以及由母体体外的空间可控声场生成装置产生的外部声场中的至少两类，其中，针对母体发声，采用设置于喉部的接触式声振动传感器获得母体发声参考信号；针对母体心搏，采用心前区、胸骨区域的声振动传感器和心电信号获得心搏参考信号；针对外部声场，采用设置于母体体表外侧空间中的至少一个参考声学传感器获得实际入射声场参考信号。

4、优选地，本发明还包括：所述多个体外观测位置包括多个选自由喉部、胸骨、剑突区域、左心前区、上腹部、中腹部、下腹部、左右侧腹、腰骶区域、髂嵴区域、由医学成像确定的胎头体表投影区域、胎胸体表投影区域、胎盘体表投影区域以及胎盘对侧区域构成的集合中的位置；以预定解剖标志点建立体表坐标系并记录各声振动传感器的空间位置；所述体外观测位置按照功能划分为近源参考点集合、躯干传播参考点集合、腹壁空间观测点集合、个体解剖特征投影点集合和空气声场参考点集合，其中，近源参考点集合用于获取自然生理声振动源的近源参考，躯干传播参考点集合用于表征自然生理声振动沿母体躯干传播的中间响应，腹壁空间观测点集合用于覆盖子宫体表投影区域，个体解剖特征投影点集合根据医学成像确定胎头、胎胸和胎盘的体表投影位置，空气声场参考点集合用于测量母体体表外侧空间的实际声场边界；所述声振动观测信号由接触式麦克风、加速度传感器、压电传感器、惯性声学传感器、光纤振动传感器或其组合获取。

5、优选地，本发明还包括：针对母体发声，同步获取同一母体发声事件对应的喉部接触式声振动参考信号和空气声学参考信号，分别确定母体发声经躯干组织传播至腹壁的体导传播特征以及经空气传播后耦合至腹壁的气导传播特征，并利用体导传播特征和气导传播特征共同约束同一组待辨识声学传播参数；所述体导传播路径至少包括喉部以及胸骨和剑突区域的中间传播参考点。

6、优选地，本发明还包括：根据医学成像数据确定胎盘体表投影位置，并在与胎盘体表投影位置具有预定空间对应关系的非胎盘区域设置胎盘对侧观测位置，所述胎盘对侧观测位置为与胎盘体表投影位置处于相近头尾向高度且从该体表位置至宫内目标区域的主要传播路径不穿过胎盘主要区域的非胎盘体表位置；根据胎盘体表投影位置与胎盘对侧观测位置之间的实测传播特征差异，对参数化生物物理声传播模型中的局部非均匀组织传播参数进行约束；并且根据医学成像确定胎头和胎胸体表投影位置，以形成胎儿内部自然声源向母体体外传播的观测约束。

7、优选地，本发明还包括：基于个体解剖结构数据建立候选体外观测位置集合，计算各候选体外观测位置对应的模型预测传播特征相对于至少部分待辨识声学传播参数的敏感度，并根据由所述敏感度构成的敏感度矩阵确定参数可观测性指标，从候选体外观测位置中选择用于声振动观测的目标观测位置；所述参数可观测性指标包括敏感度矩阵的条件数、行列式、最小奇异值、fisher信息量以及参数估计协方差中的至少一种；在采用外部空间可控声场的情况下，还根据参数可观测性指标选择外部校准声场的传播方向和频率。

8、优选地，本发明还包括：所述实测传播特征包括复数频率响应、幅频响应、相频响应、互功率谱、传递函数估计值、幅值平方相干函数、时延、群延迟、脉冲响应以及时频传播特征中的至少一种；针对声源s与第i个观测位置，通过声源参考信号与声振动观测信号的互谱确定实测传播特征，并计算幅值平方相干函数；在联合约束中，权重根据相干度、信噪比、测量置信度和模型敏感度确定，参数约束项根据人体组织声学参数、人体或动物宫内声传播实测数据、组织等效体模数据及个体解剖测量数据中的至少一种建立；当相干度、信噪比、接触耦合质量或者模型残差不满足预定条件时，对相应的声源、观测位置或频率段降低权重或者不纳入联合约束。

9、优选地，本发明还包括：所述参数化生物物理声传播模型根据超声、三维超声、磁共振成像中的至少一种确定几何参数；所述几何参数包括腹壁外轮廓、皮下脂肪层厚度、肌肉层厚度、子宫边界、羊水区域、胎盘位置、胎儿位置、胎儿朝向、胎头位置及母体脊柱或骨盆结构中的至少一种；各组织区域中的声传播通过波动方程、helmholtz方程或其数值等效模型描述，并采用边界元法、有限元法、有限差分时域法、谱方法、降阶模型或其组合进行计算；其中，各组织区域的复波数由声速和频率相关衰减参数确定，声压满足helmholtz方程或其离散等效形式。

10、本发明还提供一种面向子宫声环境构建的非侵入式宫内声场重建系统，包括：个体解剖结构数据获取模块，用于获取目标孕妇的个体解剖结构数据；多源参考采集模块，用于同步获取至少两类不同声源的声源参考信号；体外观测阵列，包括设置于母体体外多个不同位置的声振动传感器，用于同步获取多个声振动观测信号；同步与预处理模块，用于对声源参考信号和声振动观测信号进行同步校准和预处理；实测传播特征提取模块，用于根据各类声源的声源参考信号与各声振动观测信号确定该声源至各体外观测位置的实测传播特征；参数化生物物理声传播模型模块，用于根据个体解剖结构数据建立包含多个组织区域、至少一个宫内目标区域以及待辨识声学传播参数集合的参数化生物物理声传播模型，并按照各类声源对应的声源位置和声传播边界条件，计算该声源至各体外观测位置的预测传播特征，其中各组织区域中的声传播通过波动方程或helmholtz方程描述并以数值方法求解；多源联合参数辨识模块，用于采用同一组待辨识声学传播参数，对至少两类声源对应的实测传播特征与预测传播特征之间的差异进行联合约束，获得目标孕妇的个体化声传播参数；声学传递算子计算模块，用于基于个体化声传播参数计算至少一类声源至宫内目标区域的声学传递算子；声场重建输出模块，用于根据声学传递算子以及对应声源的估计声源信号，计算得到宫内目标区域的重建声场。

11、优选地，本发明还包括观测点自适应选择模块和外部空间可控声场生成装置；所述观测点自适应选择模块被配置为根据个体解剖结构数据、候选观测位置的模型敏感度和参数可观测性指标选择用于联合参数辨识的目标观测位置；所述外部空间可控声场生成装置控制多个空间分布声源，在包含母体腹部的预定区域内形成具有不同传播方向、频谱和空间相位关系的多个校准声场，并通过设置于母体体表外侧空间中的参考声学传感器测量实际入射边界条件，以所述实际入射边界条件作为参数化生物物理声传播模型的边界输入。

12、本发明同现有技术相比，其优点在于：

13、第一，本发明通过采用至少两类不同声源对应的实测传播特征对同一组待辨识声学传播参数进行联合约束，能够显著提高个体化声传播参数的可观测性和辨识精度。不同声源具有不同的声源位置和声传播边界条件，其各自对应的传播路径在母体组织中的空间覆盖范围存在差异，因此对同一组组织声学参数的敏感度各不相同。通过将这些具有互补敏感度的多源观测信息纳入同一参数辨识框架，可以有效地对组织声速、频率相关衰减参数等关键声学传播参数形成交叉约束，从而克服了单一声源或单一观测路径信息不足所导致的参数多解性问题，使最终获得的个体化声传播参数能够更真实地反映目标孕妇各组织区域的声学特性。

14、第二，本发明区分不同声源位置和边界条件，避免了将母体发声、心搏、外部声场等不同传播路径简单等效为同一平均滤波曲线的技术偏见。现有技术往往采用统一的频谱修正曲线对不同来源的声信号进行滤波处理，忽略了不同声源在母体内部的实际传播路径差异。本发明在参数化模型中按照各类声源对应的实际声源位置和边界条件分别计算预测传播特征，并在重建阶段针对不同声源分别建立至宫内目标区域的声学传递算子，最终根据各自估计声源信号进行传播合成，使得重建声场在频谱结构和时域波形上均能更准确地反映不同声源成分的实际传播效应。

15、第三，本发明能够在非侵入式的采集条件下实现宫内目标区域的声场重建。全部声源参考信号和声振动观测信号均设置于母体体表或体表外侧空间，无需向宫腔或羊水内植入任何传感器，避免了侵入式测量可能带来的感染风险、胎儿安全风险和伦理限制，具有良好的临床可行性和可重复性，适用于常规产前检查场景下的宫内声环境评估。

16、第四，本发明能够将历史人体或动物宫内声传播数据、组织等效体模数据等先验信息作为参数约束项引入辨识过程，而不是直接替代个体实测输出曲线。这一机制既充分利用了已有的声传播先验知识以缩小参数搜索空间并提高辨识稳定性，又保留了针对目标孕妇个体解剖结构和实际传播特性进行自适应校准的灵活性，避免了简单套用群体平均数据导致的个体偏差问题。

17、本发明通过多源联合约束的个体化参数辨识策略，系统性地提高了宫内声场非侵入式重建的准确性和可靠性，为面向子宫声环境构建和胎儿声学刺激研究提供了更为可信的技术支撑。