SSI技术中超声辐射力作用模式的研究

论文摘要

近年来,超声辐射力弹性成像技术作为一种无创伤的生物组织机械特性检测方法,在现有结构成像诊断方法的基础上,为诊断过程提供人体组织弹粘性的表征,丰富了临床检查信息和诊断依据,具有广阔的应用前景。在国内外众多研究成果中,超音剪切成像技术（SSI, Supersonic Shear-wave Imaging）,以下简称SSI,其辐射力施加方式上的技术创新——快速地在不同深度的多个焦点施加超声辐射力脉冲,并诱导出马赫锥式的剪切波传播,降低了辐射剂量,加快了成像速度。在基于超声辐射力的弹性成像技术中,辐射力如何产生,怎样与组织作用,以及用什么样的辐射力激励方式以产生利于成像的剪切波等问题是极其基础而重要的。本文针对这些问题,进行了如下研究。本文在声学理论和材料力学的基础上,对超声发射、超声在衰减组织中辐射力的产生、以及辐射力在人体组织中诱导出剪切波这一完整过程进行了理论研究。通过结合Field Ⅱ声场仿真方法和格林函数粘弹性体力学响应模拟方法,本文建立了聚焦超声辐射力作用下粘弹性体应变仿真模型。通过将仿真结果与Fink团队利用高帧频平面波成像技术对剪切波传播引起的质点位移检测所得的实际数据进行对比,验证了本仿真模型能较好地与现实情况吻合。在所建立的仿真模型基础上,本文进一步对辐射力脉冲序列施加方式进行了研究。本文讨论了马赫数、辐射力施加深度的空间距离、发射孔径问题,提出了可变孔径在辐射力聚焦超声发射中应用的构想。本文在理论研究的基础上,工程实现了面向SSI的快速、多点、动态辐射力聚焦超声发射模式,该系统通过上位机发射控制命令,下位机FPGA现场配置对应参数的发射模式,并驱动64阵元的线列阵或凸阵,以设定超声发射频率,对声轴上多个任意空间位置,任意脉冲持续时间,任意脉冲时间间隔进行辐射力聚焦超声的发射。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 超声辐射力在弹性成像中的应用
• 1.1.2 基于对剪切波检测的弹性成像方法
• 1.2 超声辐射力弹性成像技术发展现状
• 1.2.1 剪切波弹性成像技术及应用
• 1.2.2 声辐射力脉冲成像技术及应用
• 1.2.3 超音剪切成像技术及应用
• 1.3 超声辐射力弹性成像技术讨论及展望
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 超声辐射力场及粘弹性体应变模拟
• 2.1 声辐射力致弹性形变理论模型
• 2.2 基于Field Ⅱ的超声辐射力场仿真
• 2.2.1 Field Ⅱ超声仿真原理
• 2.2.2 基于Field Ⅱ聚焦超声声场仿真
• 2.2.3 聚焦超声辐射力场的计算
• 2.3 基于格林函数的粘弹性体应变模型
• 2.3.1 粘弹性力学参数
• 2.3.2 生物组织粘弹性力学模型
• 2.3.3 格林函数求解质点位移场
• 2.3.4 超声辐射力作用下粘弹性体质点位移场数值模拟
• 2.4 本章小节
• 第3章 超声辐射力施加方式的研究
• 3.1 超声辐射力作用下粘弹性体应变模型的验证
• 3.1.1 单点辐射力脉冲作用下质点位移场验证
• 3.1.2 SSI多点辐射力脉冲作用下质点位移场验证
• 3.2 面向SSI的辐射力施加序列的讨论
• 3.2.1 马赫数对超音速剪切波面及弹性成像的影响
• 3.2.2 辐射力施加空间间隔对成像的影响
• 3.3 可变孔径在辐射力超声中应用的探讨
• 3.3.1 辐射力对不同深度的作用
• 3.3.2 近场质点位移曲线异常现象原因探究
• 3.3.3 可变孔径在辐射力超声发射中应用的研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 辐射力聚焦超声发射控制的工程实现
• 4.1 SSI的辐射力聚焦超声的设计要求
• 4.2 辐射力聚焦超声发射系统总体设计
• 4.3 系统模块实现
• 4.3.1 高速高压脉冲发生器
• 4.3.2 串口通信接口解码模块
• 4.3.3 延时计算模块
• 4.3.4 延时存储模块
• 4.3.5 脉冲发射控制模块
• 4.4 快速多点动态聚焦辐射力实验验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间学术成果及获奖情况