基于回波超声CT的软组织声速成像方法研究

Sarcopenia due to advanced age can cause muscle function decline of elderly people, leading to movement difficulty and even loss of self-care ability. The distribution and proportion estimation of muscle and adipose are critical for the diagnosis of sarcopenia and are important for early prevention and reduction of hazards. With the population aging，there is an urgent need for an economic, harmless and accurate method to estimate the distribution and proportion of muscle and adipose. In response to this demand, this project intends to use the difference of sound speeds in muscle and adipose, study sound speed imaging method using echo ultrasound computed tomography (UCT), archive economic, harmless and accurate estimation of distribution and proportion of muscle and adipose. Firstly, this project studies the mechanism of the phase difference between the scatter point at plane wave echo images with different emission angles, establishs forward model using plane wave tracking method, and explore inversion method for echo UCT; Secondly, this project studies the high-precision solution of phase difference by analyzing the characteristics of plane wave echo images. Finally, the phase difference is used to reconstruct the sound speed image, the numerical and phantom experiments are conducted for quantitative evaluation, and the in vivo experiment is implemented to demonstrate that the sound speed image can accurately distinguish the muscle and adipose tissue. This project will extend applications of UCT sound speed imaging to most of human soft tissue and provide a quantitative basis for the diagnosis of sarcopenia, having important theoretical and practical value.

高龄引发的肌肉减少症会使老年人肌肉机能衰退，导致其行动不便，甚至失去自理能力。肌肉脂肪的分布和比例估计对肌肉减少症的诊断至关重要，对早期防治和降低危害意义重大。随着老龄化的加剧，迫切需要一种经济、无害和准确的肌肉脂肪分布和比例估计方法。针对该需求，本项目拟利用肌肉和脂肪中的声速差异，研究基于回波的超声CT声速成像方法，实现经济、无害和准确的肌肉脂肪分布和比例估计。首先对散射点在不同角度平面波回波图像间相位差的产生机理进行研究，结合平面波路径追踪，建立正演模型，并探究适合回波超声CT的反演方法；其次通过对平面波回波图像特性的研究，实现散射点相位差的高精度求解；最后使用相位差重建声速图像，通过数值仿真和体模实验进行定量评价，并通过在体实验验证声速图像可以准确区分肌肉和脂肪组织。项目成果将使超声CT声速成像的适用对象拓展到大部分人体软组织，为肌肉减少症的诊断提供定量依据，具有重要理论与应用价值。

由于老龄化日益加剧，我国迫切需要针对老年人高发疾病的成像诊断设备。其中肌肉减少症的发病率高居不下，在65岁以上老年人中，其发病率高达31%，全国有5000万以上患者。肌肉减少症的危害巨大，会造成老年人肌肉力量衰退、难以完成日常动作，甚至失去自理能力，同时造成跌倒等意外状况高发，大大增加老年人意外致残和死亡的概率。早期准确诊断对其预防和治疗至关重要，因此迫切的需要一种经济、无害和准确的肌肉减少症成像诊断设备。.超声成像具有经济、无害和便捷等优点，但是传统的超声回波图像（B超图像）的灰度受多种因素影响，而超声弹性图像受肌肉收缩状态的影响较大，都不适用于肌肉减少症诊断。但是声波在肌肉和脂肪中的传播速度有着明显的差异，本项目拟利用该差异，深入研究超声CT声速成像方法，重建可以准确区分四肢肌肉和脂肪组织的声速图像，实现经济、无害和准确的肌肉减少症诊断。.传统透射波超声CT可以重建出定量的声速分布图像，但是由于声波难以透过骨骼，使其难以用于四肢软组织声速成像和肌肉减少症诊断。基于回波的超声CT可以避免骨骼的影响，本项目利用不同角度平面波回波图像中散射点的相位差重建声速图像，通过对散射点相位差的产生机理进行研究，结合平面波传播路径追踪技术，建立相位差产生的正演模型，探究适合回波超声CT的反演方法，提高散射点相位差求解精度，利用线性阵列重建出声速图像，并且进一步基于深度学习方法，提高了声速图像质量。项目成果将使超声CT声速成像对象拓展到包括四肢软组织在内的大部分人体软组织，为肌肉减少症诊断提供定量依据，惠及老龄化社会，具有重要理论和应用价值。