医学弹性检测中双波源超声成像关键技术研究

The purpose of this proposal is aimed to use a double-wave transmission for the ultrasound medical elastography. The key issue of the project is based on the digital coding technology for both the shear wave excitation and the wave filed detection. Ultrasound field modeling as well as the nonlinear compensation will be enhanced by the property of the coded signals. The weak signal generated by the shear wave are processed in an adaptive manner for quantitatively detecting the elasticity of the tissue. The study includes the excitation method and the acoustic parameters, the ultrasound radiation force distribution for the interest objects from different paths, the propagation model of the shear waves influenced by the tissue, the computation and validation for shear module and viscosity coefficient, the processing of weak signal using the so-called coding gain, the system pulse control matched with commercial ultrasound system. The goal is to study the elasticity of the biomedical tissue in a coherent way in order to apply the coding technology, and to set up a prototype for possible future clinical application.

本项目从双波源超声成像的角度对医学弹性检测的关键问题进行研究。主要的核心思想是用数字编码理论来指导激励波源和检测波源的设计;借用编码超声的优点来对声场建模并进行非线性补偿;采用现代自适应信号处理技术提取剪切波产生的微弱信号，实现组织弹性的量化检测。分别在超声激励方法及其所需声学参数的定量研究、超声经由不同传播路径后在感兴趣区域内声辐射力的非线性和非均一性动态分布、局部组织振动引起的剪切波在非均匀组织内的传播模式检测与仿真、软组织的剪切模量和粘性系数的提取算法和验证方案、微弱声信息接收和信号处理、系统脉冲时序调控及新技术与商用超声系统的兼容问题等方面进行系统的研究，实现对组织弹性的快速定量区域成像，开发出弹性成像系统原型，为临床应用提供基础。

组织的弹性和粘性可以反映组织的病变情况，两个参数可以为临床诊断提供重要依据。超声是一种新的粘弹性检测手段，可以实现无创和实时检测。本项目中建立了一个双波源弹性检测超声系统，该系统是一个全数字化相关系统，可以实现外部的编码激励和检测的相关性。我们将数字编码理论应用于该系统，实现了编码激励检测以及对震动信号进行编码激励。重要结果主要体现如下三个方面，第一是对检测信号进行编码激励来提取发射途径上的所有弹性波震动信号。在保证最高系统分辨率的前提下检测灵敏度比普通检测技术提高一个数量级，剪切波的检测灵敏度大大提高，成像结果可以清楚直接地反映弹性波在软组织中传播的情形。由于检测灵敏度的提高，剪切波检测的频率上限也跟着提高。目前看来，800 Hz以上的弹性波检测已不是问题，在实际检测中，1000 Hz的线谱也清晰可见，这样为生物组织的非线性特性的估计提供了有力支持。 第二是利用编码技术提高超声信号的穿透能力，实验结果表明深度穿透力可以提高10%到15%，这将有助于提高对组织深度进行弹性检测。第三是在双波源成像技术中，对剪切波激励信号进行编码激励可以任意加强和突出所需弹性波的频率以及频率分布。在实际应用中可以实现对于不同的检测对象选择不同的激励频谱，从而有效利用系统资源。更为宝贵的是，这项技术可以用来突出与频率相关的病变信息。在双波源弹性研究中，编码技术可以提高系统的检测灵敏度和超声信号的穿透能力的同时提高成像的分辨率，结合对剪切波激励信号编码可以更加准确地对组织进行粘弹性评估。