发声起止声带多层振动的2.5维高帧率超声成像及振动力学特性混合提取方法

Imaging of the vibration pattern and measurement of the vocal fold mechanical properties during phonation onset/offset are valuable for understanding vocal physiology and assessing vocal function. In order to capture the dynamic vibration process of the multi-layered vocal folds during phonation onset/offset, this project proposes a compound method to extract mechanical characteristics of the multi-layerd vocal fold based on development of a 2.5-dimensional high-frame rate ultrasonic imaging system. The project plans to: (1) develop an high frame rate ultrasonic imaging system with integration of a 2.5D ultrasonic transducer to cover space range of vocal fold vibration and multi-angle compounding beam emission and beamforming strategy and ultrasonic radio frequency signal-based deconvolution technique to obtain high SNR and high resolution images; (2) develop a compound method to directly extract vibration patterns of the multi-layered vocal folds through a motion estimation algorithm with micron level precision and to indirectly extract mechanical properties of the vocal fold tissue based on a multi-mass vocal fold model; (3) investigate the vibration patterns and mechanical characteristics of the multi-layered vocal folds under different phonation conditions and different pathological conditions. This work makes it possible to image and measure the mechanical characteristics of the vocal fold vibration during phonation onset/offset, finally facilitate quantitative evaluation of vocal function and precise diagnosis of voice disorders.

发声起止过程中声带振动力学特性的观测，对喉发声生理研究和发声功能评价具有重要价值。本项目针对现有医学成像技术难以对发声起止过程中声带多层组织振动进行成像的问题，提出2.5维高帧率超声成像和声带多层组织力学特性混合提取方法，提出和重点研究：1）能覆盖声带动态调节范围的2.5维超声面阵换能器及其高帧率多角度复合超声波束发射与合成方案，和高信噪比、高分辨力的超声射频信号解卷积算法等关键技术，并实施集成为2.5维超声成像系统；2）基于2.5维超声回波数据的微米级精度声带组织运动估计算法，和基于声带多质量块数学模型的声带振动模式特征和组织力学参数直接提取和反求提取的混合提取方法；3）不同生理和病理性发声障碍状况下发声起止过程中声带振动模式特征与力学参数的统计分布特性。使发声起止过程中声带多层振动力学特性的检测和研究成为可能，为喉发声功能评价和嗓音疾病诊断提供定量化和精准化的新方法。

嗓音健康对人类正常高效的语言交流具有重要影响，声带高速振动过程能够准确反映嗓音健康和发声功能。然而，声带高速、多层、多维的复杂振动过程，对于成像设备和观测技术提出了较高要求，为发声动态过程中的嗓音功能评估提出了挑战。本项目针对动态发声条件下的声带振动过程，提出并研究了具有无侵入、高帧率、高分辨、宽视野的超声成像技术，并基于此发展了声带振动模式特征和组织力学参数的提取与分析方法，取得了重要进展和结果。首先，发展了基于阵列换能器的透射超声声门图成像技术和电声门图信号门控的高帧率超声成像技术，分别实现了对声带表层和体层振动的高速成像和时空特征提取，并通过物理模型、动物模型和在体发声验证了技术方法的可行性，分析了不同发声条件下的声带振动模式特征。其次，基于理论模型和动物实验，研究了声带振动模式与组织力学特征之间的相互关系，为发展动态发声过程中的组织力学特征测量和神经肌肉控制机制奠定了基础。此外，本项目在超声波波束合成、高分辨平面波成像等算法技术方法方面也取得了一定的成果。综上所述，本项目为解决动态发声条件下高时空分辨的声带多层组织成像等难题提供了帮助，填补了嗓音医学中对动态发声调节过程中声带振动模式特征和组织力学提取的研究空白，为喉发声功能评价和嗓音疾病诊断提供了定量化和精准化的新方法。