基于广义可扩展RPCA滤波的超快超声脑血流与功能成像方法研究

开发高分辨和高灵敏度的小血管可视化技术,对相关组织病变的早期诊断和治疗监测具有重要的临床意义。不同于传统聚焦超声,超快超声多普勒(μDoppler)成像技术凭借数千帧的成像帧率,可检测到小血流的瞬时变化。组织杂波滤除和噪声抑制对于μDoppler的成像质量至关重要。常用的杂波滤除方法为奇异值分解(SVD)方法,该方法利用信号时空相干性差异可快速实现组织杂波和血流信号分离,然而无法有效抑制噪声。本研究创新性提出了一种基于广义可扩展的鲁棒主成分分析(GSRPCA)的杂波滤除方法,使用Schatten p范数和lq范数来加强鲁棒主成分分析(RPCA)模型的低秩约束和稀疏约束,增强了小血流信号的提取能力。大鼠脑血流成像结果表明,GSRPCA能够提升功率多普勒成像中血管的成像质量,相较SVD提高信噪比约20 dB,且提高对比噪声比约10 dB。大鼠超声脑功能成像结果表明,GSRPCA能够提升小血管血容量动态检测的灵敏度。相关方法对超快超声成像杂波滤除的研究具有一定借鉴意义。

正交匹配追踪优化稀疏频散Radon变换多模式导波分离方法

原始频散Radon变换(DRT)方法中的有限孔径效应以及算子非正交性影响了DRT导波信号参数提取的精度,因此提出了一种稀疏频散Radon变换方法以实现更精确的导波混叠模式分离和参数估计。该方法基于导波信号的参数域稀疏性,引入正交匹配追踪算法构造代价函数,经多次迭代在频散Radon域中获得稀疏能量谱,可精确分离阵列导波信号中的混叠模式并去噪。对不同信噪比下各模式仿真信号,稀疏DRT方法的信号重建误差较原始频散Radon变换方法下降51.1%。仿真和实验验证了所提算法在导波模式参数提取和混合模式分离方面的可靠性。

深度学习颅骨重建和平面波经颅超声成像方法

为解决颅骨声阻抗失配导致平面波经颅超声成像质量下降的问题,提出一种基于深度学习的颅骨重建技术,结合快速行进法可实现平面波经颅成像的相位畸变校正。根据人类颅骨CT图像设置颅骨形状进行数值仿真,颅骨重建的时间开销为0.97 s,基于重建结果计算平面波的走时平均相对误差约为0.25%,单点目标散射波走时平均相对误差约为0.76%。经颅仿体实验中,强回声点目标图像经过校正之后,平均位置偏移从1.42 mm减少为0.28 mm,半峰全宽从1.82 mm减少为0.99 mm;圆形目标图像经过校正后对比度噪声比从7.5 dB提升为9.8 dB,偏心率从0.31降低为0.24。以上结果表明,该方法能够准确计算经颅超声的走时并且显著改善成像的质量,可用于经颅脑超声成像的相位畸变校正。

基于RCA阵列三维超快超声血流成像方法仿真研究

三维超快成像是超声技术发展的重要方向.基于二维全采样阵列的传统三维成像方法需要较多成像阵元和采样通道,其紧密的阵元排列设计也客观上限制了阵列孔径大小和成像分辨率.行列寻址(row-column addressing,RCA)探头以行列检索的方式将通道数自N×N减少为N+N,从而极大地降低了阵列的硬件实现成本.本文仿真了中心频率为6MHz的128行+128列的RCA阵列,结合多角度平面波正交复合成像方法,通过延时叠加(delay and sum,DAS)波束合成、基于特征值分解(singular value decomposition,SVD)的杂波滤除和自相关多普勒速度求解算法,实现了血流仿体的多普勒成像,并分析了不同复合角度序列对成像效果的影响.定量分析表明,当角度数从5个增至33个时,-6 dB分辨率从0.986 mm提升至0.493 mm;当复合角度为17个时,功率多普勒图像的SNR可达30 dB,彩色多普勒沿直径方向的速度分布和真实值的平均误差约为26.0%.以上结果表明,基于RCA阵列的三维成像技术能够获得三维B-mode、功率多普勒和彩色多普勒图像,增大复合平面波角度数和角度范围可显著提高成像质量.本研究对于三维超快超声多普勒成像技术发展具有借鉴意义,相关方法有应用于血流血管成像,并进一步实现基于神经-血管耦合的组织功能监测与成像的潜力和前景.

多倾角发射分组互相关降噪的超快超声脑功能成像方法研究

小血流信号的检出是长期困扰超声多普勒成像的重要问题,提升该成像技术的检测灵敏度,开发鲁棒的降噪和伪影抑制方法具有重要的研究价值。近年来,基于多角度平面波相干复合发展而来的超快超声多普勒血流成像突破了传统聚焦超声成像的帧率瓶颈,可实现高灵敏度的微血流成像。而且平面波成像模式的发展也对超声降噪算法提出了新的需求。利用平面波发射条件下不同角度回波的血流信号的强相干性,有望实现降噪和伪影抑制。本研究探讨了角度分组互相关方法及其降噪在功能超声成像中的应用:首先将多角度平面波回波信号分为两个子组,信号经杂波滤除后对两子组数据进行时域互相关运算,从而获得降噪后的血流功率多普勒图像(PD)。大鼠脑血流成像和功能成像实验结果表明:本文提出的角度分组互相关降噪方法可提升血流图像信噪比约17~22 dB,有效抑制了图像中的非相干伪影,显著提升了超快超声脑功能成像的灵敏度。

非线性造影超声成像数值仿真方法

近年来,基于微泡非线性的造影超声技术得到了长足发展.对比传统线性超声成像,非线性造影超声在克服杂波滤除挑战的同时,能进一步提高成像分辨率.仿真可为超声成像新机制和技术研究提供有效工具,是计算声学长期关注重点.目前广泛采用的声场仿真工具主要基于有限元法、解析法、k空间伪谱法和时域有限差分法等实现.有关组织非线性参数仿真已有较为成熟的解决方案.然而,因未考虑微泡非线性特点,仍不适于微泡非线性造影超声仿真分析.本文从微泡非线性出发,结合经典k空间伪谱法求解组织的超声回波,进而基于修正Rayleigh-Plesset方程数值计算微泡处的受迫振荡响应,提出了一种非线性造影超声成像仿真方法.随后,结合平面波成像方法,分别仿真了单个微泡和成簇微泡的B超图像,并结合不同对比多脉冲序列成像策略(脉冲反转、幅度调制、幅相调制和阵元交替)和不同平面波发射角度验证了方法有效性.相关技术有助于基于微泡非线性的造影超声技术发展.

超声导波的频散补偿与模式分离算法研究

超声导波已被广泛应用于无损检测与评价,针对超声导波应用中普遍存在的模式混叠与频散问题,本文在采用频谱相位与信号时延函数建模导波频散信号传递系统的基础上,提出了一种单一模式的频散补偿算法。进一步地,通过将选择性频散补偿技术与导波模式分离相结合,本文算法克服了传统补偿算法所不能解决的多模式导波频散问题。板中的Lamb波A_0,A_1和S_0混合模式仿真分析表明,本算法不仅可用于单一导波模式信号合成与频散补偿,而且可在实现多模式混合导波信号选择性频散补偿基础上,解决多模式导波信号中单一模式提取与分离。本文研究有助于超声导波多模式频散信号的分析与处理.

骨折长骨中超声导波传播特性的仿真研究

采用超声导波评价长骨骨折已成为近两年来的一个研究热点。本文采用混合边界元方法(HBEM)对超声导波在骨裂长骨中的传播情况以及各导波模式的反射系数和透射系数进行了数值分析。研究结果表明,入射导波模式经由裂纹处模式转换后依然保持为主要接收模式不变。对某一裂纹,各模式透射系数常在相近的频率点上达到局部峰值。对于不同深宽比(d/ω)裂纹,某些模式透射系数曲线局部峰值所对应的频率存在着相互错开的现象,这些结果可用于选择最优入射导波模式和频率,以便更好地定量评价骨质以及骨裂状况。

高分辨率超声Lamb波频散曲线测量与板厚估计

超声Lamb波在工业无损检测与评价中具有广阔的应用前景。但受制于超声导波多模式频散与混叠的影响,如何实现高分辨率超声导波的模式分离与频散曲线提取,进而定量分析材料的健康状况一直是研究的热点与难点。本文旨在将现代信号处理中广泛采用的谱估计技术应用于超声Lamb波阵列信号分析,并通过提取频散曲线定量测量板厚度。以经典参数谱估计法中的Yule-Walker法与Burg法为例,实验测量和分析了3mm,4mm和5mm厚铝板中的宽带多模式Lamb波信号,准确地提取了铝板中的宽带Lamb波频散曲线,并比较了两种经典谱估计方法与二维傅氏变换法的性能,最终实现了铝板厚度估计。

长骨中超声导波信号的时频特征分析

采用超声导波评价长骨骨质状况已是近几年来的一个研究热点。在应用时频表征方法处理导波实验信号的研究中,选择交叉项抑制效果好的时频表征核函数直接影响到导波信号的分离和提取。提出将Zhao-Atlas-M arks分布(ZAMD)应用于分析长骨中的导波信号,同时与重排光滑伪维格纳维利分布(RSPWVD)的分析结果进行比较,并用图像处理中的骨架求取算法,估计导波平均频率慢度曲线。分析结果表明,ZAMD可较好地去除交叉项干扰,得到较准确的超声导波频散特性曲线,说明ZAMD是分析长骨中超声导波信号的一种较好方法。

基于超快超声多普勒的三维脑损伤成像方法研究

三维超声微血管成像可直观呈现血流信息,对于脑血管疾病诊断和治疗具有重要意义。本文旨在将超快超声成像技术、超快超声功率多普勒技术和机械扫描相结合,实现脑血管三维成像和脑缺血区域评价。通过工程实现,完成了可同步控制微型线性位移平台移动和超声阵列超快发射、高速采集与压缩存储的三维扫描数据采集序列与系统。利用GPU并行运算,高效实现了超声图像波束合成方法,对原始射频超声数据完成重建。进而,基于SVD杂波滤除技术,从重建三维超声数据中提取了脑部的动态小血管信号,并获得了各切面的功率多普勒成像和冠状面彩色多普勒超声小血管成像。最后,采用体素方法对三维脑血管进行重建。大鼠在体实验结果表明,该成像系统可用于三维脑血管网络在体成像,以及脑血管损伤区域定位与量化评价。本工作对脑病检测技术发展与诊断方法研究具有一定的借鉴意义。此外,相关检测系统和成像算法具有一定普适性,对其他富含微血流血管的组织检测也有一定的参考价值。

长骨裂纹宽度和角度对低阶超声导波的影响

超声导波检测长骨骨折和监测骨折愈合已成为一种极具前景的课题,但高频厚积下导波多模式混叠带来的模式识别和分离问题一直是一个难点。为避免上述问题,在低频下仅激励两个低阶兰姆波SO和AO模式,采用二维时域有限差分(2DFDTD)法定量分析裂纹宽度和骨折角度对SO和AO幅度的影响。结果表明,SO与AO模式的幅度均随裂纹宽度的增加而下降;AO的幅度随骨折角度增大而上升,SO幅度随骨折角度增大先下降后上升,转折点约为45°。SO与AO的幅度比值在不同骨折角度下均能较好地表征裂纹宽度的变化,可为横断型和斜切型长骨骨折状况的超声评价及骨折愈合监测提供依据。

基于SPMT技术的驮运架一体机液压系统的节能研究

根据昌平西关环岛改造项目的具体工况,通过对驮运架一体机的能耗分析,对其液压系统进行节能设计,包括液压系统中驱动、辅助系统的节能研究和发动机与液压系统的功率匹配研究,提高了能源利用率。

超声表观积分背散射系数与骨矿密度的相关性分析

用超声评价骨质状况是近年来骨质疏松诊断方面的研究热点之一。介绍了超声背散射法及其参量表观积分背散射系数(Apparent Integral Backscatter coefficient,AIB)的测量及与骨矿密度(Bone Mineral Density,BMD)的相关性研究。在体采集了1087位志愿者跟骨的超声背散射信号,并用双能X射线骨密度仪(Dual X-ray Absorptiometry,DXA)测得腰椎和髋骨的BMD值,然后对AIB与BMD进行相关性分析。实验结果表明,参数AIB与BMD显著相关(R=0.58～0.64,n=1087,p<0.05),可被应用于松质骨状况评价。

基于多层声速模型的合成孔径超声皮质骨成像

由于皮质骨和软组织间较大的声速差异,采用固定声速的传统超声波束形成方法无法重建皮质骨图像,同时皮质骨中较大的衰减也限制了信号信噪比.为了实现皮质骨超声成像,本文提出一种采用合成孔径超声提高成像分辨率及信噪比,利用压缩感知计算延时参数并构建多层声速模型的成像方法.本文结合时域有限差分仿真方法分析了理想情况下皮质骨成像结果,并结合软组织覆盖下的离体皮质骨板样本实验,验证相关方法的可行性.仿真和实验结果均表明,本文方法可用于构建多层声速模型并正确重建皮质骨图像.本研究实现了具有三层声速模型的皮质骨超声成像,对皮质骨超声成像发展有一定的借鉴意义,未来将进一步探索在体实验,以推进骨超声成像的临床应用.

二次变换法估计骨小梁的间距

平均骨小梁间距作为松质骨微结构的重要表征参数,其值可作为诊断骨质疏松的重要参考信息。提出将二次变换法运用于骨小梁间距的估算,探究其运用于骨小梁间距估算的可行性。通过散射元仿真、时域有限差分法仿真和离体松质骨实验所得到松质骨背散射信号进行分析,同时以自回归倒谱法(AR倒谱法)、反向滤波-自回归倒谱法(反向滤波-AR倒谱法)、自适应滤波-自回归倒谱法(自适应滤波-AR倒谱法)和简易反向滤波跟踪(SIFT)算法作为对比方法进行分析,通过对比证明了其可行性和相比于其他方法的优越性。结果表明,不管是利用仿真实验还是牛胫骨的离体实验所得信号估算骨小梁间距,二次变换法比其他算法具有更强的测量稳定性和准确性。

超声导波评价长骨骨折的仿体实验研究

定量超声评价长骨骨折已成为近年来的研究热点之一,超声导波模式转换理论可被应用于长骨骨折状况的评价。采用三维时域有限差分法分析骨折长骨中导波模式转换的基本规律,提取模式转换定量评价参数;进而结合亚克力管仿体实验,分析不同裂纹程度下导波模式的转换情况。仿真与仿体实验表明,导波模式能量参数与裂纹程度具有很好的相关性,可用于评价长骨骨折状况。

时频域独立元分析方法实现超声兰姆波的多模式分离

为方便兰姆波信号分析与模式定征,提出一种将短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)与独立元分析(Independent Component Analysis,ICA)相结合的多模式超声兰姆波识别方法。首先通过STFT将兰姆波时域信号投影至时频域,基于各模式信号在时频域相对独立的特点,利用ICA实现混叠模式分离。根据分离模式时频能量脊提取各模式群速度曲线,进而估计板厚。将方法运用于时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法仿真与钢板实验,分离得到A0、A1和S0三种模式。仿真与实验中平均群速度估计误差约为1.5%和2.0%,板厚估计误差约为0.3%和2.0%。仿真结果表明,在信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)不小于0 dB的情况下,时频域独立元分析方法均可实现兰姆波多模式分离、群速度曲线提取及板厚估计。

长骨中振动声激发超声导波的方法

为了实现一定频段内任意低频下在长骨中激励导波信号,本文提出一种采用聚焦高频(5 MHz)超声换能器在长骨皮质骨中激发低频(150 kHz)超声导波的振动声方法.首先介绍了板状超声导波理论和双声束共聚焦法与单声束调幅法激发振动声的基本原理;进而采用三维有限元仿真方法分析振动声激发低频超声导波的基本现象,然后结合牛胫骨板离体实验,验证振动声激发低频超声导波的可行性.结果均表明,双声束共焦与单声束振动超声均可在骨板中激发低频超声导波.相关研究方法有助于提高空间域长骨中超声导波测量精度,以及在一定频段内实现任意频率激励等,对发展低频超声导波在体测量长骨皮质骨的新技术具有一定的指导意义.

无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法

微小血管及其血流实时成像对监测生物体血氧代谢等具有重要意义.在无微泡造影剂的情况下,传统超声多普勒技术仍较难实现高信噪比的微小血管成像.本研究提出了一种无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法.本研究从基于多角度复合平面波的高帧频成像技术出发,提出基于特征值分解的频率-幅值双阈值滤波法,从而将脊髓组织信号和微血流信号分离,可实现脊髓内微血流的动态成像.在体成像实验结果表明,无超声造影剂时,超快超声多普勒成像技术仍可获得较为清晰的大鼠脊髓内微血流的实时图像,并能够清晰地呈现脊髓受损所致的微血流缺失状况.定量分析结果表明,增大复合平面波角度数可有效提高图像的信噪比.综上,超快超声多普勒成像技术有潜力被应用于脊髓内微血管成像及功能实时监测与动态评价,相关结果可为脊髓功能成像方法的研究提供借鉴.