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.

脉冲电场消融在房颤治疗中的应用进展

房颤是临床中最常见的心律失常之一,对左心房行肺静脉隔离是治疗房颤的有效手段。脉冲电场消融(PFA)是一种采用高电压短持续时间的脉冲电场,以不可逆电穿孔机制对组织造成损伤的新消融技术。针对PFA在房颤治疗领域的应用,首先介绍了PFA的原理,然后根据临床实验的结果,阐述了PFA的优势,如:非热效应;在实现心肌组织有效损伤的同时,降低对心肌邻近组织(如肺静脉、食道、膈神经、血管等)的损伤风险;消融速度快;低接触依赖性等。介绍目前主流的PFA系统及临床应用,以及这些系统对应的消融导管的特点。最后,针对目前PFA应用于房颤治疗尚待解决的问题提出建议,并展望该领域的未来发展方向。

超声脑成像和经颅超声传感增强方法

超声脑成像技术在脑疾病的诊断和治疗方面有着广泛的应用前景,具体包括超声多普勒成像、超声造影成像、超声定位显微成像、超声弹性成像和时延校正成像。由于颅骨声阻抗与背景介质声阻抗存在显著差异,超声经颅传播时会产生强烈的反射、衰减、波形畸变等,导致超声图像的信噪比降低。针对此问题,本文介绍了基于变换声学理论的颅骨互补声学超构材料设计方法,并通过仿真来验证该方法的有效性。仿真结果表明:具有各向异性参数分布的双负声学超构材料能够抵消颅骨畸变层带来的声衰减及波形畸变,使声波在几乎不造成能量损失的情况下通过颅骨畸变层,从而实现超声透射传感增强。该方法对研究基于声学超构材料的无创高分辨率超声脑成像技术具有重要意义。

基于相位迁移的超声平面波多层皮质骨成像

皮质骨是一种高衰减、各向异性、高声阻抗的多层生物组织.其结构和材料特性导致高频超声难以穿透其多层结构,从而获取高质量图像.传统超声动态聚焦成像以均匀声速假设为前提,且受制于发射能量和帧率,难以实现多层结构的准确、快速重建,限制其临床应用的推广.针对以上问题,本文提出一种基于相位迁移的平面波骨成像方法(PSM-PW-VI),实现了皮质骨多层结构的精确和快速重建.首先利用超声走时反演估计成像区域的声速分布;然后应用频域相位迁移平面波相干复合方法并行重建上下两个相控阵探头对应的超声图像;最后将两幅图像融合得到完整的皮质骨超声图像.仿真、仿体、离体实验共同验证了该方法的有效性.无论是三层还是五层模型的皮质骨,其厚度的平均误差均小于0.2 mm,相对误差小于7%.此外,与基于相位迁移合成孔径(PSM-SA)方法相比,在相同的工作频率下,该方法具有更深的成像深度和更快的成像速度.实验结果表明,该方法是一种准确高效的皮质骨超声成像方法,对超声骨成像技术的发展和临床研究具有一定的借鉴意义.

超声影像组学技术在评估胎肺成熟度中的应用

目的 :基于超声影像组学技术,建立胎肺成熟度评估模型,并验证其预测新生儿发生呼吸系统疾病风险的价值。方法:本研究纳入295名孕妇(单胎),每位孕妇收集1张分娩前72 h内采集的胎肺超声标准图像(四腔心切面)。依据收集胎肺超声图像当天的孕周,将295名孕妇图像分为组1(<36周)和组2(36~37周)。组1(66张)和组2图像(229张)再进一步分别分组为训练集(40、26张)和验证集(95、134张)。基于超声影像组学技术,对训练集胎肺超声图像进行胎肺纹理分析,结合妊娠并发症的有无,提取高通量影像组学特征,以新生儿预后结果为金标准,分别建立适用于不同孕周的胎肺成熟度评估模型,随后在相应的验证集中,验证胎肺成熟度模型预测新生儿发生呼吸系统疾病的风险。结果:本研究新生儿中,23.4%(69例)发生了呼吸系统疾病,6.1%(18例)发生了新生儿呼吸窘迫综合征。基于<36周和36~37孕周的胎肺成熟度模型,预测相应孕周的灵敏度分别为83.3%(组1)和75.0%(组2),特异度为84.6%(组1)和78.3%(组2);准确率为80.8%(组1)和77.2%(组2)。结论:基于超声影像组学技术胎肺成熟度评估模型具有一定的预测新生儿发生呼吸系统疾病的效能,这是无创性评估胎肺成熟度的一种新方法。

超分辨率超快超声脊髓微血管成像方法

脊髓功能对神经传导通路至关重要,脊髓血管受损及伴随的继发性损伤与脊髓功能状态密切相关.因而,脊髓内微血管网络结构和血流状态在脊髓功能在体、精准与实时评价中具有重要前景.临床常用的血管造影手段存在分辨率低、放射性、设备笨重和使用不便等问题,无法全面满足脊髓血流术中检查与预后跟踪的需求.本文以基于多角度复合平面波的超快超声技术为基础,应用超分辨率定位显微技术(ULM),实现了大鼠脊髓内微血管成像.基本原理为应用基于鲁棒主成分分析(RPCA)的滤波方法,分离脊髓组织信号和运动的造影微泡信号,通过微泡定位、轨迹追踪,实现亚波长分辨率的超分辨率超声成像.随后,引入基于傅里叶环相关系数方法,对成像分辨率进行量化分析;进而对微泡数量、有效轨迹、血管饱和度、血流速度和半高全宽范围等进行了定量评价.在体成像实验结果表明,ULM可获得清晰的大鼠脊髓内微血流图像.定量分析表明,发射频率为15.625 MHz的超声探头可实现13-16μm范围的分辨率,远小于100μm成像波长.综上,ULM可被应用于脊髓内微血管精准成像,相关结果可为超分辨率脊髓功能监测与动态评价的进一步研究提供借鉴,对于脊髓损伤诊断、应急治疗与预后恢复等临床研究亦有一定的借鉴意义.

面向AI-ECG算法研究的软件平台设计与实现

为了能更好地服务心电信号人工智能分类算法研究,并解决受试者数据信息管理问题,设计并实现了一款面向AI-ECG算法研究的软件平台。该软件平台使用Matlab R2019b作为开发工具,MySQL Sever 8.0作为后台数据库管理平台,主要包含了数据管理、数据读入和数据处理与分析三个模块,实现了对受试者临床基础信息的查询和设置以及对多种格式心电信号的读取、显示、处理、分析和存储等功能。该软件平台操作简单,满足基本的科研需要,对AI-ECG算法研究具有重要的意义。

基于活动识别的最优可穿戴传感模块位置和数量的研究

目的研究可同时用于健康人和脑卒中患者活动分类的传感模块最优位置和数量。方法23名受试者(14名健康人,9名脑卒中患者)完成步行、刷牙、洗脸和喝水4个动作,每人身上佩戴12个传感模块,各个传感模块集成了加速度、陀螺仪和肌电传感器。采用最大相关-最小冗余算法(mRMR)进行特征选择,随后采用核函数为径向基函数的支持向量机,并利用留一交叉验证法进行活动分类评估。基于活动分类的结果,利用前向逐步选择算法得到每种数量的传感模块(共12种)放置的最佳位置,并得到12个活动识别准确率和其中的最高准确率。计算12个准确率的平均值,准确率超过平均准确率且与最高准确率无显著性差异的最少传感模块组合作为本研究的最优传感模块组合。结果最优的传感模块组合是采用位于上肢尺侧腕伸肌和下肢股二头肌长头的两个传感模块,其活动分类准确率能达到97.9%±0.94%。结论采用最优的传感模块组合达到了较高的准确率,其在活动识别方面具有很大的应用潜力。

基于机器学习的椎弓根螺钉钉道超声图像评估方法

目的探讨一种基于支持向量机(SVM)构建的椎弓根螺钉钉道完整性超声图像鉴别与验证方法。方法利用4例新鲜尸体胸腰椎标本预建立钉道50个并获取椎弓根螺钉钉道超声图像,选取800张图像(钉道完整与破损的样本各400个),采用五折交叉验证的方法对样本进行数据扩增,得到样本集,建立对超声图像进行智能分析的人工智能辅助诊断模型。具体方法如下:首先,采用图像增强的方法得到易于计算机判断和识别的超声图像,然后将图像的纹理特征作为第一类特征,采用SVM模型对完整和破损样本的初始分类模型进行搭建;其次,采用灰度分布得到用于区分前景和背景的阈值T,并通过设计的损失函数得到钉道同心圆的半径R;最后,将同心圆外部图像的熵、方差、对比度、能量、平均绝对偏差作为第二类特征,进行轻微破损样本和完整样本的二次分类模型搭建。采用准确度、特异度、灵敏度、F1值、假正率和假负率对分类结果进行评估。结果初始分类的准确度为74.75%,特异度为68.00%,灵敏度为81.50%,F1值为76.35%,假正率为32.00%,假负率为18.50%。二次分类前计算得到阈值T为37,最佳半径R为108像素。二次分类的准确度为94.25%,特异度为91.00%,灵敏度为97.50%,F1值为94.43%,假正率为9.00%,假负率为2.50%。二次分类与初始分类相比准确度提升19.50%。结论基于SVM的人工智能辅助诊断模型能够提高椎弓根螺钉钉道破损超声图像的判断能力。

生成对抗网络加速超分辨率超声定位显微成像方法研究

超快超声定位显微成像(uULM),突破了传统超声衍射极限,可实现分辨率远小于发射波长的在体深层微血管精准成像.通过对微血管中数以万计的运动微泡进行中心点定位和轨迹追踪, uULM技术可重建微血管图像.通常一张uULM图像需要数十秒甚至数百秒的连续长程图像采集,这在一定程度上限制了其更广泛的临床应用.针对这一挑战,本研究在阐明了超声衍射极限、超分辨率定位理论方法的基础上,给出了基于傅里叶环相关的分辨率测定原理和实现方法,并结合传统uULM重建技术,发展了一种基于生成对抗网络的深度学习超分辨超声成像方法,以缩减uULM对图像采集时长的依赖,提高成像速度和成像分辨率.针对大鼠脑的在体数据分析结果表明,基于生成对抗网络的超声定位显微技术微血管分辨达到10μm,在保持较高超声成像空间分辨率和图像饱和度的同时,数据采集时间缩减一半,从而显著降低了uULM对图像数据采集时长的依赖.相关深度学习模型连接轨迹的计算复杂度较小,且避免了人工调参以及轨迹筛选,为加速超分辨率uULM微血流成像和提升uULM成像分辨率提供了一种有效的工具.相关思路与方法对促进超分辨率uULM成像技术发展具有一定的借鉴意义.

新版外科植入物磁共振兼容性ASTM标准与YY/T 0987—2016系列标准差异的研究

YY/T0987-2016系列标准转化于对应的ASTM(American Society of Testing Materials,美国材料实验协会)标准,规范了外科植入物磁共振兼容性相关标记与测试方法。随着科学认知的进步与技术发展,ASTM陆续对标准进行了修订。该文梳理了新版ASTM标准,分析了新版标准相较于YY/T0987-2016加入的技术进步内容、指出尚未解决的问题。研究发现,除图像伪影部分外,其余条目均有更新:比如,ASTMF2503医疗安全标记标准范围扩大至包含ISO标准,磁致位移力、射频致热与磁致扭矩试验方法均有较大调整与改进。国内标准应尽快跟进国际步伐,增添最新成熟研究成果,以更好地规范、指导、促进行业发展。

通过超分辨率超快超声技术观测不同节段SD大鼠脊髓损伤后血管血流改变特征

目的通过超分辨率超快超声技术观测颈、胸、腰不同节段脊髓损伤后SD大鼠脊髓血管血流的变化情况。方法共9只SD大鼠使用50 g动脉瘤夹损伤脊髓来构建不同节段大鼠脊髓损伤模型,损伤前及损伤后6 h使用超分辨率超快超声技术对损伤前后的SD大鼠脊髓进行血管血流成像,得到脊髓血管密度、血流速度等定量信息。结果超声成像显示,脊髓损伤后胸段血管密度下降幅度(18.16%±1.04%)多于颈段(11.42%±1.39%)与腰段(13.88%±1.43%)(均P<0.05);胸段发生血管密度下降的脊髓长度[(4.80±0.34)mm]长于颈段[(2.80±0.57)mm]与腰段[(3.10±0.36)mm,均P<0.05];损伤后胸段血流量下降[(8.87±0.85)ml/min]高于颈段[(4.88±0.56)ml/min]与腰段[(6.19±0.71)ml/min,均P<0.05]。HE染色与尼氏染色显示胸段脊髓损伤后空腔面积占比(11.53%±0.93%)高于颈段(4.90%±1.72%)和腰段(7.64%±0.84%)(均P<0.05),且胸段尼氏体数量(18.0±5.3)也少于颈段(32.3±5.1)与腰段(37.0±5.6)脊髓损伤(均P<0.05)。结论不同节段SD大鼠脊髓损伤后血管血流改变存在不同,相同损伤在胸段脊髓对血管的破坏最严重,腰段脊髓次之,颈段脊髓损坏最小。

动态监测骨质疏松性微结构退化的超声全波反演方法

研究了基于全波反演(FWI)的骨骼超声层析成像方法,用于动态监测骨质疏松性微结构退化的进程。采用雌性小鼠注射药物建立骨质疏松症模型,在第0,2,4,6周通过Micro-CT扫描活体小鼠,重建获得小鼠股骨骨骼结构。以第0周骨骼结构为基准输入模型,通过不同的超声收发模式(透射、反射及透射-反射双模式),仿真分析了FWI监测不同骨质疏松进程的骨微结构退化的效果。结果表明,初始模型为均匀介质(纯水)时,FWI反演失效,不能准确重建骨骼结构。初始模型中考虑了基准骨骼结构(第0周)时,FWI能准确反演骨骼组织声速(均方根误差(RMSE)<17 m/s,平均相对误差(MRE)<7.2%),精确重建骨骼结构(结构相关系数(CC)>0.85),因此可以准确监测不同骨质疏松进程(第2,4,6周)的骨微结构退化情况。对比不同超声收发模式,透射-反射双模式FWI监测骨微结构退化的性能优于单一透射或反射FWI监测方法。考虑了基准骨骼模型的FWI可用于动态监测骨微结构退化,对评估骨质疏松进展具有一定意义。

柔性可穿戴传感系统设计

人口老龄化及老年人慢性病患病率的增加,给家庭和社会带来了巨大的经济负担。新型非侵入式可穿戴传感系统不仅可以连续实时地监测人们的重要生理体征,评估个人健康状况,并且可以提供高效、便捷的信息反馈,从而减轻老年人慢性病带来的健康风险。本文围绕可穿戴生理信号及运动信号监测,开发了一套针对人体生理信号和行为信号检测的可穿戴系统,探索了柔性可穿戴传感技术的设计以及在传感系统中的应用。系统包含了智能帽、智能衣、智能手套和智能鞋垫,可实现对人体生理信号和运动信号的长程连续监测。文章对系统进行了性能验证,同时将新型传感系统和商用设备进行比较。评估结果表明,新型系统的性能与现有系统相当。总之,新型柔性传感系统为生理和运动信号监测提供了一种精准、可拆卸、可扩展、用户体验友好和舒适的解决方案,有望用于远程医疗监测,为医生/患者提供个性化信息监测、疾病预测和诊断。