非线性医学超声中的自适应波束控制研究

The study and usage of ultrasound nonlinear phenomena is the most popular research area and blooming topic in biomedical ultrasound nowdays. The effectiveness of ultrasonic beam control strategy is a crucial factor to decide the quality of nonlinear ultrasound imaging and therapy. This project intends to study the nonlinear transfering characterisctics of ultrasound in biomedical tissues both in thearies and experiments, and reveal the changing patterns of ultrasound beam in complex tissue structure, and finally provide new methodologies and theary bases for beam control in nonlinear ultrasound imaging and therapy..The project simulates ultrasonic field accurately by numerical solving of nonlinear ultrasonic wave equations. In nonlinear ultrasound imaging, the forming, changing and extraction of different nonlinear parameters are investigated in the synthetic ultrasound field. The beam control scheme is designed by incorprating the array signal processing thearies with nonlinear parameters.For beam control in nonlinear ultrasound therapy, exepriments are firstly designed to measure the cavitation threshold of ultrasound intensity in different typical biomedical tissues. The change of beam focusing after the synthetic ultrasound beam transmiting through layers of tissues is studied. The beam control scheme is finally designed by studying the distribution map of ultrasound intensity and beam pointing functions..The completion of this project is of great significance for improving the tissue differentiation ability and imaging quality of nonlinear ultrasound imaging, and improving the safty and effectiveness of nonlinear ultrasound therapy.

对超声非线性现象的研究和利用是当今医学超声最为活跃的研究领域和增长点，超声波束控制策略的有效性是决定非线性超声成像和治疗质量的关键因素。从理论和实验中研究超声在生物组织中的非线性传播特性，揭示超声波束在复杂组织结构中的变化规律，为非线性超声成像和治疗中的波束控制策略提供新方法和理论依据。.本项目通过数值求解非线性波动方程的方法对声场进行准确模拟；针对非线性超声成像，在模拟声场中研究非线性参数的形成、变化和提取，在此基础上结合阵列信号处理理论提出非线性超声成像的波束控制方案；针对非线性超声治疗，设计实验测量典型生物体组织产生非线性空化效应的声强临界点，并在模拟声场中研究声波通过多层组织后波束汇聚发生的改变，根据声强分布和波束指向性函数设计波束控制策略。.项目的完成对提高非线性超声成像的组织鉴别能力和图像质量，提高非线性超声治疗的安全性和有效性具有非常重要的意义。

非线性超声是医学超声研究的重要领域，波束控制方法是非线性超声成像的关键环节。. 本项目围绕超声非线性波动方程的数值求解和典型生物组织超声建模、非线性参数B/A提取及其超声成像、医学超声成像波束形成算法及其在谐波成像中的推广和适合多种场合的超声波束控制方法四个方面开展研究工作，取得的主要研究成果有：实现了基于时域有限差分法的超声非线性波动方程full-wave模型的仿真求解；建立了生物组织超声非线性仿真平台；运用扩展比较法结合滤波反投影仿真实现了B/A参量层析成像，并提出了基于自适应增益补偿的B/A成像方法；提出了基于波束域的特征空间最小方差波束形成器、与特征空间最小方差波束形成器相结合的基于子阵列相干的后置滤波器算法、基于邻域信息的特征空间波束形成算法等三种方法，并进一步推广提出基于特征空间相干因子的谐波点目标增强成像算法；提出了适合平面波复合成像的广义相干系数成像算法、基于多波技术的平面波复合成像自适应波束形成算法、基于多角度平面波相关性的旁瓣抑制成像算法等三种方法，并进一步提出了基于脉冲反转技术的迭代频率复合谐波成像方法；提出了基于自适应合成发射孔径的短间距空间相干成像，并分析了相干系数和维纳波束形成器用于合成孔径成像的理论框架，进一步提出了针对合成孔径成像的维纳波束形成方法。. 项目发表了标注基金号的期刊论文47篇，其中被SCI检索32篇，被EI检索(含同时被SCI检索)24篇；会议论文14篇，其中被EI检索10篇。项目执行期间，项目负责人获得2015年上海市自然科学三等奖，申请发明专利3项；培养博士生5名、硕士生12名。. 项目建立的生物组织超声非线性仿真平台，为非线性医学超声的研究提供了有效的信号源。提出的各种波束控制方法对于医学超声成像(包括非线性超声成像)的发展具有理论意义和应用价值。