医学超声内镜中同步编码激励技术的设计与实现

为了提高医学超声内镜系统中的探测深度、分辨率及成像质量,在超声内镜成像系统中采用编码激励技术,首次将普遍用于开关电源电路设计中的"半桥"电路引入超声内镜编码激励电路.在只有正电压电源供电的情况下产生正负高压激励脉冲,利用电机转动的编码信号,设计了基于CPLD的同步编码激励电路,在保证与超声内镜主机FPGA同步的基础上,简化了超声内镜系统内信号的传递.实验中,同步编码激励电路发射的编码激励信号与理论码型一致,通过人体体模实验,获得的回波波形幅度达1.0Vpp,噪声20×10-3VPP^30×10-3Vpp,信噪比高达34 dB,波形与仿真结果一致.

多参数Gabor预处理融合多尺度局部水平集的超声图像分割

针对超声图像边缘较弱且不连续、图像灰度分布不均的特点,提出一种基于多方向、多频率的Gabor滤波融合多尺度水平集的边缘提取算法。将超声图像成像的不连续性看作随机方向的纹理,利用Gabor滤波的方向性进行不同角度的滤波,通过最大值融合多图像,得到待分割区域和背景之间的差异且最大程度地保留原图像信息的中间图像。同时,使用多中心频率的Gabor滤波核以满足超声图像复杂的频率分布特性,并通过均值融合的方式减弱噪声的影响。再针对融合图像边缘较弱且灰度变化不均的缺陷,改进传统的局部聚类水平集方法,采用不同方差大小的高斯卷积核来适应图像不同部分的灰度变化情况,通过均值融合构造多尺度能量函数。通过在增强图像上迭代改进后的多尺度水平集函数,获取最终边缘。为验证算法的有效性,对胃部超声图像进行测试,分割结果的相关性系数和敏感性系数分别达到了0.856和0.910,相比传统局部强度聚类水平集方法分别提升了20.7%和5%。实验结果表明,该算法可以显著提高超声图像边缘提取的连续性和准确性,有效降低因超声图像灰度不均和边缘较弱造成的过分割现象。

分数阶微分加权引导滤波对超声图像的纹理保持

医学超声图像是医生诊断人体组织病变的重要依据,而医学超声图像中固有的散斑噪声易造成纹理信息的破坏,影响医生对组织器官的判断,因此,医学超声图像的去噪处理倍受关注。针对目前医学超声图像去噪算法无法保持图像纹理这一局限性,本文提出分数阶微分加权的引导滤波算法。算法首先通过对数变换,将难以去除的散斑噪声转换为加性噪声;再结合分数阶微分算法,根据像素与边缘纹理的相关性设计纹理因子,并使用该纹理因子改进引导滤波方法;最后,通过改进的引导滤波器生成医学超声图像的处理结果。本文对猪胃和猪气管超声图像进行了算法实验,实验结果表明,本文算法相较于经典引导滤波算法,其结构一致性因子提升20.1%,无参考图像锐化因子提升3.3%,能够在去除散斑噪声的同时有效保留图像边缘纹理结构,对于医学超声图像具有良好的适用性。

体内超声成像设备研发及质量评价

超声成像是目前临床应用最为广泛的四大影像技术之一,具有灵活、低成本、安全无辐射等优点。体内超声成像是指将高频微型超声探头放入人体,并在人体内部进行成像的诊断设备,如消化介入超声内镜、血管内超声成像仪等。随着医疗超声设备逐渐向专科化发展,体内超声成像设备也越来越被广泛关注和使用。本文首先介绍消化超声内镜和血管内超声成像这两种体内超声成像设备的基本工作原理、关键技术发展和临床应用等情况,然后着重介绍这两类体内超声设备在研发过程中的测试体模与质量评价相关研究,并对体内超声成像设备的研发、测试与质量评价等工作的社会价值和经济价值进行简要的评述。

国产支气管内超声用于肺周围型病变检查的动物实验研究

背景常规支气管镜诊断技术对于肺周围型病变诊断具有一定局限性,联合径向探头支气管内超声可以显著提高诊断率,临床上也将其作为早期肺癌诊断的重要工具。目的通过动物实验以及离体猪肺实验评价自主研发的医用径向探头支气管内超声检查的可行性、操作性能和安全性。方法广西巴马小型猪8只,由4名具有5年呼吸内镜操作经验的医师先后应用自主研发的径向探头支气管内超声(实验组)和奥林巴斯公司的UM-S20-17S型径向探头支气管内超声(对照组)对每只巴马型小猪进行检查,采用自身对照方法,根据掷硬币法随机决定对同一只巴马型小猪进行两种支气管内超声检查的先后顺序,检查后采用量化评分法评价两种支气管内超声的操作性能及安全性。应用8个离体猪肺,分离离体猪肺局部肺段以下支气管,在分离的肺段支气管旁植入食用果冻模拟建立的体外肿瘤模型,采用自身对照方法,应用自主研发的VsonicPro2017C型径向探头支气管内超声(实验组)和奥林巴斯公司的UM-S20-17S型支气管内超声(对照组)对肿瘤模型进行检查,应用量化评分法评价两种支气管内超声对肿瘤模型的分辨能力和肿瘤回声特征判定能力。结果与主机连接是否方便(7.56±0.21 vs 7.84±0.18)、插入活检孔道的难易程度(7.47±0.26 vs 7.94±0.13)、超声插入活检孔道后是否可以正常工作(7.53±0.22 vs7.84±0.34)、图像采集和储存(7.53±0.12 vs 7.94±0.18)、图像质量是否符合质量要求评分(7.38±0.24 vs 7.69±0.17)方面,两组差异均无统计学意义(P均>0.05)。两组肿瘤分辨能力(7.66±0.22 vs 7.84±0.21)、肿瘤回声特征判定能力评分(7.63±0.28 vs7.84±0.51)亦无统计学差异(P均>0.05)。两组均无相关并发症。结论自主研发的径向探头支气管内超声(VsonicPro2017C)操作安全、可行、简便,能清晰观察支气管旁病变特征,其操作性能和采集图像质量良好,具有良好应用前景。

基于小波变换的嵌入式超声内窥图像处理系统

医学内窥超声成像设备在获取图像时受到换能器尺寸等多种因素的影响,使得超声图像对比度较低和噪声较大,无法为医疗诊断提供清晰的影像依据。为此科学家们提出了多种处理方法,但这些方法多为成像后处理算法,实时性较差,无法满足内窥超声系统实时成像的要求(25 f/s)。针对以上问题,本文设计了基于提升式小波变换的嵌入式超声内镜实时图像处理系统,利用超声内窥系统环扫成像特点以及FPGA流水线概念,对每条扫描线的回波信号进行小波去噪,再经过CORDIC算法、插值处理后得到二维超声图像。本文利用自行搭建超声内镜实验系统对鸡肉组织进行环扫成像,实验表明该系统成像速度可达25 f/s,信噪比提高了3.8 d B,从而验证了系统的可行性。

超声内窥成像系统与旁瓣抑制

为了提高超声内镜检测系统的成像质量,弥补由前端探头工艺性问题造成的回波小、衰减大的问题,设计了基于编码激励与脉冲压缩技术的超声内镜实时成像系统。该系统主要包括前端探头及驱动单元,数据采集、处理及存储单元,交互接口及显示单元等。为了抑制脉冲压缩的旁瓣效应,分别设计了基于匹配滤波与非匹配滤波理论的三种滤波器并仿真对比其旁瓣抑制效果,得出对于4位Barker码,采用失配滤波方法可以有效抑制旁瓣,其中通过尖峰滤波法压缩后主瓣宽度可达0.2 mm,峰值旁瓣水平可达-55.0 dB的结论。最后,利用自行搭建的超声内镜成像平台对靶线样品进行环扫成像,成像速度25 f/s,图像尺寸1 024 pixels×1 024 pixels,证明了系统可行性的同时验证了以上结论的正确性。

基于K域抽取的色散编码全范围频域OCT技术

本文针对频域光学相干层析成像技术(FDOCT)受到复共轭镜像影响严重的问题,提出一种K域抽取的色散编码稀疏重构算法(DEFR)。通过在系统的参考臂和样品臂引入一定的色散量,利用数值色散补偿算法精确提取色散因子,采用稀疏重构算法对纵向扫描信号进行迭代提取峰值点及其镜像的频域光谱,减少了迭代中傅里叶变换的次数,实现了对复共轭镜像的压缩。实验结果表明,该算法在有效抑制镜像的同时运算效率提高了46.1%。

浅析电子通讯产品结构设计

本文将电子通讯产品结构设计作为论述对象,指出了结构设计的作用及重要性,阐述了电子通讯产品结构设计的要求与原则,从结构需求分析、概要设计、详细设计、验证设计及定型设计方面,概括了电子通讯产品结构设计的基本过程。在结构组成的形式、材质的选择、电磁兼容性设计及热设计等细节方面,说明了电子通讯产品结构设计时应考虑的因素。

一种提高扫频光学相干层析成像分辨率的延时自动校正算法

在扫频光学相干层析(SS-OCT)仪器中,由于光谱标定信号k-clock与OCT信号之间存在不确定的延时,导致光谱标定结果不准确,成像分辨率降低。延时自动校正算法能够准确地自动校正k-clock信号与OCT信号之间的延时。该算法基于提出的平均峰值法和平均半峰全宽(FWHM)法,对OCT信号进行处理分析,分粗调、微调和精调三步对延时点进行自动查找,根据查找结果完成对延时的校正。延时校正后,通过光谱标定得到波数(k)空间均匀分布的OCT信号,可以实现高分辨率图像的重建。实验结果显示,经过自动延时校正,成像分辨率可提高60%,证实了该算法的有效性。

基于编码激励的内镜超声相控阵成像算法

合成孔径(SA)波束形成方法可以实现发射和接收的双向动态聚焦,有效提高成像分辨率,在多阵元相控阵超声内镜系统中有着广泛的应用前景。但由于其单阵元发射能量小,使得回波信号较弱、易受噪声干扰,导致图像的信噪比(SNR)较差。为此,提出一种新的成像算法,将以线性调频信号为载波的巴克码(Barker码)激励方法与合成孔径波束形成方法相结合(LFM Barker SA),利用线性调频信号的宽带特性和Barker编码的自相关特性来弥补合成孔径方法在成像SNR上的不足,同时进一步提升图像的分辨率。经FieldⅡ软件仿真实验表明,与单脉冲激励的合成孔径(Pulse SA)算法相比,LFM Barker SA算法下的图像SNR提升10dB,轴向分辨率从0.60mm提升至0.38mm,实验结果验证了该算法的可行性。

基于线性约束最小方差准则和合成孔径连续声束合成的内镜超声成像算法

针对合成孔径连续声束合成(SASB)算法渡越时间存在误差,会带来严重伪影的问题,提出线性约束最小方差(MV)准则和SASB算法相结合的内镜超声成像(SASB-MV)算法。该算法首先对各个虚拟源点进行固定聚焦,获取成像点的超声回波信号矢量,根据成像点的超声回波信号矢量构建样本协方差矩阵;然后由线性约束最小方差准则构建权值矢量;最后,通过权值矢量和超声回波信号矢量得到成像点的高分辨率回波信号值。在FiledⅡ中进行散射点仿真实验和圆形暗斑仿真实验。实验结果表明本文算法的横向分辨率相比动态接收聚焦算法(DRF)和SASB算法分别提高了59.1%和31.2%,同时图像对比度分别提高了44.7%和16.2%。

消化内镜微创手术机器人系统的研发及其辅助离体猪胃内镜黏膜下剥离术的可行性评估

目的初步评估新型柔性、双臂、主从操作的消化内镜微创手术机器人——DREAMS(dual-arm robotic endoscopic assistant for minimally invasive surgery)系统辅助内镜黏膜下剥离术(endoscopic submucosal dissection,ESD)的可行性。方法选用新鲜剥离的健康猪胃作为模型,设计不同大小的类圆形病变10个(胃窦和胃体各5个),由2名内镜医生(甲和乙)独自完成内镜下剥离操作,观察DREAMS系统辅助下的剥离效果(黏膜下剥离速度)、安全性(肌层损伤、穿孔发生率)和操作性能(抓取效率:用每个病变需要夹钳夹取的次数来评估)。结果10例机器人辅助下的ESD均顺利完成,10个病变均实现整块切除,病变直径(22.34±2.39)mm,剥离时间(15.00±8.90)min,剥离速度(141.79±79.12)mm2/min,平均每个病变需要夹取4.2次,共有4例(40.0%)ESD出现肌层损伤,无一例穿孔发生。结论初步动物实验结果显示,DREAMS系统辅助ESD安全、可行。