影響醫(yī)用透射式超聲斷層成像性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前乳腺X射線成像是乳腺癌早期檢測(cè)的主要方式,但它的輻射對(duì)人體有危害,且存在較高的誤檢率,限制了乳腺X射線成像的應(yīng)用。透射式超聲斷層成像融合了超聲和斷層成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可以得到定量的、三維的參數(shù)分布,在區(qū)分惡性腫瘤和良性囊腫方面具有乳腺X射線成像和超聲成像無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。此外,透射式超聲斷層成像不僅可以用于疾病的診斷,還可以對(duì)參數(shù)值進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤從而分析病情的發(fā)展趨勢(shì)和治療的效果,在乳腺癌的診斷和早期預(yù)防方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。
　　

2、本文以用于乳腺癌檢測(cè)的透射式超聲斷層成像為背景,對(duì)參數(shù)提取、誤差傳播、折射誤差分析和編碼激勵(lì)方法等技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了評(píng)價(jià)透射式超聲斷層成像設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),并分析了設(shè)計(jì)方案對(duì)各技術(shù)指標(biāo)的影響。本文的主要內(nèi)容包括:
　　提出了評(píng)價(jià)透射式超聲斷層成像設(shè)備的指標(biāo)。在分析透射式超聲斷層成像原理后,給出了透射式超聲斷層成像設(shè)備的硬件組成和可配置參數(shù),提出了使用分辨率、誤差、接收通道數(shù)、測(cè)量時(shí)間這四個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)透射式超聲斷層成像設(shè)備。同時(shí)

3、,分析了各項(xiàng)指標(biāo)之間以及這些指標(biāo)和硬件可配置參數(shù)之間的關(guān)系,分析的結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)透射式超聲斷層成像設(shè)備的設(shè)計(jì)。
　　針對(duì)超聲測(cè)量過(guò)程中可能存在始波干擾、接收電路飽和、波形畸變的問(wèn)題,提出了基于匹配追蹤算法的參數(shù)提取方法。匹配追蹤算法可以有效的消除始波信號(hào)的影響,準(zhǔn)確地提取出超聲參數(shù)。針對(duì)放大倍數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤或者受到始波的干擾時(shí)接收電路中可能發(fā)生飽和的問(wèn)題,對(duì)匹配追蹤算法進(jìn)行改進(jìn)得到非線性匹配追蹤算法,并給出基于相關(guān)系數(shù)的快速計(jì)算方法

4、從而把二維尋優(yōu)簡(jiǎn)化為一維尋優(yōu)問(wèn)題。針對(duì)粘滯性介質(zhì)中不同頻率的成分衰減不同所引起的波形畸變問(wèn)題,本文提出了單頻率匹配追蹤算法,先從接收到的信號(hào)抽取出單一頻率的成分,然后使用匹配追蹤算法提取超聲參數(shù)。最后,討論了白噪聲情況下的參數(shù)提取精度問(wèn)題以及設(shè)備可配置參數(shù)對(duì)參數(shù)提取精度的影響。
　　提出了重構(gòu)過(guò)程中誤差傳播和換能器配置方案的數(shù)據(jù)完備性的描述方法。在重構(gòu)過(guò)程中,渡越時(shí)間誤差、超聲衰減誤差和換能器位置誤差會(huì)最終傳播到重構(gòu)圖像中,測(cè)量方

5、程組中系數(shù)矩陣的秩能判斷是否可以得到唯一解,條件數(shù)給出了的相對(duì)誤差放大倍數(shù)的最大值,可以衡量設(shè)備的換能器配置方案的整體誤差傳播特性。此外,誤差傳播的統(tǒng)計(jì)特性給出了重構(gòu)圖像中任意一點(diǎn)對(duì)測(cè)量誤差的敏感程度,可以對(duì)重構(gòu)過(guò)程中測(cè)量誤差的傳播特性進(jìn)行更精確的分析。根據(jù)重構(gòu)過(guò)程的可計(jì)算性和誤差傳播特性可以定量描述透射式超聲斷層成像的換能器配置方案的數(shù)據(jù)完備性,指導(dǎo)換能器配置方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。仿真給出兩種不同數(shù)據(jù)完備性下的結(jié)果,論證了進(jìn)行數(shù)據(jù)完備性分

6、析的重要性。
　　考慮到折射是透射式超聲斷層成像中特有的現(xiàn)象,且當(dāng)前沒(méi)有行之有效的解決辦法,本文給出兩種折射誤差的度量方式并分析了影響折射誤差的因素以及減小折射誤差的換能器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。分析結(jié)果表明由于聲線向高聲速的腫瘤區(qū)域靠近,高聲速區(qū)域會(huì)發(fā)生擴(kuò)散,重構(gòu)圖像中的腫瘤比實(shí)際大,但重構(gòu)出的最大聲速值小于實(shí)際值。換能器之間距離的增加、腫瘤聲速與正常組織聲速的比值增加、腫瘤尺寸減小都會(huì)造成折射誤差的增加。扇形束配置方案和環(huán)形配置方案的仿真結(jié)

7、果表明,由于扇形束掃描方案中換能器之間的距離較大,其重構(gòu)結(jié)果受到折射的影響大于環(huán)形陣列配置方案,成像效果不如環(huán)形陣列。
　　為了盡量減小測(cè)量時(shí)間、提高患者的舒適度,設(shè)計(jì)了一種基于雙層相關(guān)函數(shù)的正交雙極性編碼激勵(lì)方法。本文設(shè)計(jì)了一種正交雙極性編碼,使用此編碼調(diào)制出的兩個(gè)編碼信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)在正負(fù)一個(gè)原子周期內(nèi)恒為零。利用這個(gè)特性,提出使用雙層相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行超聲參數(shù)的提取,在接收信號(hào)中兩個(gè)編碼信號(hào)到達(dá)時(shí)間差超過(guò)和不超過(guò)一個(gè)原子波形持續(xù)