针对非透明微尺度流动的显微超声粒子图像测速新方法

非透明微尺度流动（如小血管内的血液流动、微流道内的非透明流动）的实验流体力学研究较为复杂。流场的瞬态性及小尺度对测速的时空分辨率要求高，流道或流体的非透明性使光学方法的应用受限。本项目结合高频超声成像和粒子图像测速的优势，提出时空分辨率高、适用于非透明流体的显微超声粒子图像测速新方法。基本原理为：在微尺度流场中布撒微米级气泡作为示踪粒子，并用高频超声波连续或多次照射被测流场，气泡的位置以亮点形式被记录在超声图像上，最后采用灰度匹配互相关算法处理两幅图像，获得微尺度流动速度分布。研究内容包括：1）研究微气泡尺寸和流场特性（流体密度、粘度、速度、流道结构）对微气泡流动跟随性的影响；2）寻求合适的微气泡布撒浓度及超声波参数，提高微气泡超声成像可见性；3）针对超声图像特点优化图像互相关算法，提高计算精度；4）构建微尺度流动系统，开展流体实验研究，验证显微超声粒子图像测速法的应用前景。

血流运动特征（特别是流体剪切力的形式和大小）是动脉粥样硬化形成的关键因素，人们不懈探索对人体血流流速及剪切力分布的实时精确测量，以期更深入地研究血流动力学紊乱诱导心脑血管疾病发生的机制。然而，现有测速方法都不能无创、实时、精确地测量多维的血流速度信息。本文作者所在课题组提出了基于造影的超声粒子图像测速法，进行了一定的研究，并取得了初步的成果。但是，在图像互相关算法、微泡合适浓度的选取、以及微尺度流场的测量上尚存在问题。本文从以上三个方面对超声粒子图像测速方法进行了深入的理论和实验研究。. 针对超声图像分辨率和对比度较差的特点，在传统的图像互相关算法的基础上耦合了多次迭代算法、亚像素算法、滤波和插值算法、以及错误矢量剔除算法。分别利用传统算法和改良算法对数值仿真粒子分布序列图进行了处理，计算结果表明，改良算法的计算精度得到了极大的提高。.考虑到微泡浓度会极大影响图像互相关匹配的精确度，提出了基于图像纹理匹配的微泡浓度实时评估方法，利用灰度共生矩阵提取超声图像纹理特征参数（灰度级标准差、对比度、能量、均一度），并用于评估添加了不同浓度微泡的旋转流场，确定了合适的微泡浓度范围，在此浓度范围内，互相关指数高，计算精度高，可取得较好的速度矢量。. 针对现有超声粒子图像测速法分辨率有限的现状，结合高频超声在成像分辨率上的优势，提出了显微超声粒子图像测速法，并用于微尺度血管仿体及小动物动静脉血流的测速实验研究中，获得了良好的效果。. 本文中我们对超声粒子图像测速法进行了深入的研究，通过算法的改良和选用合适的微泡浓度，保证了速度矢量的计算精度，同时结合高频超声，提高了空间分辨率，拓展了超声粒子图像测速法在微尺度流场的应用。