医学超声成像中若干新技术的研究与实现

摘要

超声成像设备具有低成本，对人体无伤害等特点，这使得超声诊断设备是目前临床上最重要的一种成像设备。但与其它成像手段相比，图像质量较差。为了改善超声的图像质量，近年来，许多新技术，新方法应用在超声成像中。本论文在几个方面对提高超声成像性能进行了研究。
　　 论文将编码激励技术应用在彩色血流成像中。传统的彩色血流成像方法中，为了得到某扫查角上的血流速度，需要在该扫查角度上发射多次脉冲（4-16次）。这样导致彩色血流成像的帧频大幅降低。为了解决彩色血流成像时帧频降低的问题，文章提出了一种利用编码激励，从而一次性获取血流速度的方法。用宽带的编码信号替代传统的窄带信号作为激励，将回波信号通过若干组带通滤波器后进行匹配滤波，得到一系列时间上分离的窄带信号，再将这些窄带信号通过自相关算法计算血流速度估计值，将多次估计值求平均，得到最终的血流速度估计。结果表明由于每个扫查角度只需要发射一次，该方法能够大幅提高彩色血流成像的帧频。其中论文首次独立完整的推导了编码激励技术应用在提高彩色血流成像帧频上的理论算法。
　　 论文还研究了医学超声成像中组织谐波成像的色差问题，目前对二次谐波在成像过程中能否消除体壁带来的色差影响仍有争议，文章通过仿真实验，验证了Bjorn Angelsen等人提出的组织谐波并不能解决声波的色差问题，并提出了一种利用迭代算法来抑制超声色差的方法。该方法首先通过来自随机散射体的信号，计算到达时间和振幅波动的估计值；然后将这些估计值应用到发射声束中以获得校正的发射声束剖面；最后，由校正后的发射声束产生新的散射体信号，重复该过程若干次。实验仿真结果显示，只需很少几个迭代即可得到近似于无色差的发射声束剖面图。
　　 论文最后给出了全数字超声影像系统的设计方法。完成了全数字超声影像系统里动态聚焦，变迹，变孔径，动态滤波，探头激励方式等多个模块的仿真，并具体给出了全数字超声影像系统各个模块设计参数的计算方法，硬件结构的具体实现。不仅建立了全数字超声诊断设备设计的基础理论依据，更是为全数字超声影像系统提供了较为完整的设计方案。设计出的全数字超声影像系统实现了动态聚焦，动态变迹，动态变孔径，动态滤波，中值滤波，数字扫描变换等多项核心指标，图像质量及系统功能已经能与国外同等机型相媲美。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 超声成像技术的历史与现状

1.2 超声成像领域的新技术、新方法

1.2.3 编码激励技术

1.2.2 谐波成像技术

1.2.3 全数字化技术

1.3 本论文的研究目的、方法和内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究方法

1.3.3 论文内容

2 线性声场中编码激励的研究

2.1 线性声场基础理论

2.1.1 超声波脉冲激励的冲激响应函数

2.1.2 单阵元换能器超声声场的计算

2.1.3 阵列换能器的超声场计算

2.2 编码激励原理

2.2.1 信号调制

2.2.2 匹配滤波与脉冲压缩

2.2.3 TB积和信噪比增益

2.2.4 波形的选择

2.3 利用编码激励提高彩色血流成像帧频的研究

2.3.1 利用编码激励求彩色血流成像原理

2.3.2 编码设计

2.3.3 频率分离

2.3.4 脉冲压缩

2.3.5 血流速度估计

2.3.6 仿真结果

2.3.7 讨论

2.4 本章小结

3 线性声场中谐波成像及色差的研究

3.1 声波非线性传播的理论分析及仿真建模

3.1.1 非线性波动方程

3.1.2 Westervelt方程介绍

3.1.3 体壁模型的建立

3.1.4 仿真

3.1.5 仿真结果及讨论

3.2 基于发射束迭代算法的超声波色差抑制

3.2.1 信号和色差校正模型

3.2.2 散射体无关色差及van Cittert-Zernike定理

3.2.3 发射声束迭代

3.2.4 仿真及实验

3.2.5 结果

3.2.6 结论

3.3 本章小结

4 全数字超声影像系统的实现

4.1 超声系统组成

4.2 发射接收系统

4.2.1 多探头切换及阵元间的切换

4.2.2 32路回波信号的整序与对称折叠

4.2.3 根据不同焦点产生32路发射波形

4.2.4 变功率发射

4.2.5 TGC控制

4.2.6 激励波形的选择

4.3 超声成像数据处理系统

4.3.1 回波数据预处理

4.3.2 波束合成

4.3.3 动态滤波器

4.3.4 包络检波

4.3.5 二次抽样

4.3.6 中值滤波

4.3.7 动态压缩

4.3.8 灰阶映射

4.3.9 时间滤波

4.3.10 空间滤波

4.3.11 帧相关处理

4.3.12 数字扫描变换

4.4 实验结果

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.1.1 课题中完成的工作

5.1.2 课题中的创新点

5.2 展望

参考文献

作者简历

作者在学期间所取得的科研成果