基于编码激励和脉冲压缩的深层介质超声弹性成像信噪比与分辨率提高

论文摘要

相比传统超声成像方法,超声弹性成像可以检测和显示生物软组织内部弹性参数的分布特征,可以有效的获得组织内部的弹性参数变化情况,在医学检测中有广泛的应用前景。其不足也同传统超声成像方法一样,尤其在检测深度较大时,信噪比不高、空间分辨率较差等等,使其应用受到一定的限制。传统超声弹性成像利用准静态超声互相关估计方法,通过比较经外力压缩前后的组织的回波信号,获得受外力压缩时组织内部的应变参数,反演其内部的硬度参数分布。这种方法中换能器的激励信号一般为短时脉冲,由于受人体的超声损害阈值的影响,其幅度不能太高,因而容易受到噪声的影响,加之组织对超声信号的散射与吸收,导致在深部组织的弹性成像信噪比不高,图像的时域分辨率差。增大回波信号的信噪比,可以采取增大脉冲发射功率和增加脉冲长度两种方法。然而增大信号的发射功率可能会对人体造成损害,使得保证成像的时域分辨率和增大其信噪比之间存在矛盾。雷达系统中常用编码激励的方法,增加激励脉冲的时长,提高平均发射功率,通过脉冲压缩的办法提高信号的分辨率。在同样的发射功率下,可以有效的提高回波的时域分辨率和信噪比。因此本文将编码激励与脉冲压缩的方法与弹性成像相结合,尝试使用编码激励信号进行弹性成像。本文主要进行了以下工作：(1)分析在不同噪声条件下的编码激励信号经过不同脉冲压缩方法处理后弹性成像结果的信噪比和时域分辨率。并探讨在保证应变估计准确率的前提下,可以接受的噪声水平范围。(2)基于组织体对超声信号的吸收、散射及噪声的数学模型,建立存在不同硬度变化的正常生物体组织弹性成像模型。通过对超声换能器特性的模拟,进行了超声应变成像的仿真。(3)应用编码激励和脉冲压缩方法,与传统超声成像方法取得的结果相比较,得到了组织的应变成像结果。通过对成像结果的分析,本文得到如下结论：(1)传统方法的弹性成像结果边缘模糊,尤其在组织深度较大时,其信噪比低,分辨率差。(2)应用编码激励和脉冲压缩方法的弹性成像结果,与应用传统超声成像方法的结果相比信噪比更高,时域分辨率也有大幅提升。(3)巴克码匹配滤波结果中存在其旁瓣的干扰,在一定程度上影响成像准确性。(4)失配滤波结果中不存在匹配滤波方法造成的旁瓣干扰,在获得同样的信噪比与时域分辨率时,成像结果更准确。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 . 绪论
• 1.1. 研究背景
• 1.2. 超声弹性成像
• 1.3. 编码激励和脉冲压缩技术
• 1.4. 本文的研究内容
• 1.4.1. 本文的研究内容
• 1.4.2. 本文的结构
• 第2章 . 原理和方法
• 2.1. 基于时域互相关估计的弹性成像
• 2.1.1. 弹性压缩
• 2.1.2. 短时互相关系数估计
• 2.1.3. 应变与信号时延的关系
• 2.2. 传统超声检测方法
• 2.3. 二相编码激励
• 2.3.1. 二相信号编码特性
• 2.3.2. 巴克码的编码激励及其匹配滤波
• 2.3.3. 二相巴克码时域分辨率分析
• 2.4. 脉冲压缩方法
• 2.4.1. 匹配滤波与失配滤波
• 2.4.2. 脉冲压缩结果
• 2.5. 本章小结
• 第3章 . 编码激励和脉冲压缩仿真研究
• 3.1. 仿真测试方法
• 3.1.1. 信噪比与分辨率测试方法
• 3.1.2. 估计准确率测试方法
• 3.2. 信噪比测试结果
• 3.3. 分辨率测试结果
• 3.4. 估计准确率测试结果
• 3.5. 本章小结
• 第4章 . 深度组织弹性成像仿真研究
• 4.1. 实验平台
• 4.2. 实验设计
• 4.2.1. 仿真信号模型
• 4.2.2. 换能器信号模型
• 4.2.3. 信号衰减模型
• 4.2.4. 信号散射模型
• 4.2.5. 噪声模型
• 4.3. 实验方法
• 4.3.1. 实验流程
• 4.3.2. 组织模型
• 4.3.3. 噪声仿真
• 4.3.4. 仿真成像方法
• 4.4. 本章小结
• 第5章 . 实验结果与分析
• 5.1. 成像结果
• 5.2. 信噪比与分辨率测试
• 5.3. 实验结果比对分析
• 5.4. 本章小结
• 第6章 . 总结与展望
• 6.1. 本文总结
• 6.2. 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间承担的科研项目与成果