基于声辐射力的二维定量超声弹性成像系统研究

超声弹性成像技术近年来发展迅速并在医学上得到重要应用，该技术获得的生物组织弹性参数可以为若干重要疾病的临床诊断提供关键依据。其中基于声辐射力脉冲成像的超声弹性成像技术具有可实现图像引导下对组织的硬度无创定量测量、经济性好和操作简单等重要优点，对于肝硬化和乳腺癌等我国典型重大疾病的检查具有重大应用潜力。本项目拟自主研发基于声辐射力的二维定量超声弹性成像关键技术和系统，通过深入研究声辐射力场诱导剪切波的产生机理与控制、剪切波与生物组织形变及其生物力学特性的量化关系、声信息在非均匀生物组织传播的精确测量方法等关键科学问题，着重解决声辐射力场的扫描式聚焦动态调控方法、二维声信号快速互相关算法及组织偏移量化等关键技术，研制二维定量超声弹性成像系统原理样机。该项目的研究对于发展符合我国国情的新一代超声弹性成像技术和装备，并推动新型医疗检测诊断技术广泛应用具有重要意义。

以检测生物组织硬度为目的的超声弹性成像技术是近年来兴起的医学诊断成像技术。由于病变组织和正常组织往往存在硬度差异，因此该技术在乳腺癌检测、肝硬化分期，动脉粥状斑块诊断、以及聚焦超声和射频消融等治疗手段的监控和评估等方面具有广阔的应用前景。目前我国在超声弹性成像方法的若干关键科学问题、系统和仪器的关键技术等方面的研究还比较薄弱，与国际上的差距比较明显。基于声辐射力的二维定量超声弹性成像技术具有可在图像引导下对组织无创准确测量、经济性好和操作简单等重要优点，对于肝纤维硬化和乳腺癌等我国典型重大疾病的检查具有重大应用潜力。本项目的目标是自主研发基于声辐射力的二维定量超声弹性成像关键技术和系统，形成较完善的生物组织弹性成像的方法，为进一步发展超声弹性成像仪器和研究典型疾病的早期精准诊断方法提供技术支撑和系统平台。我们已经完成了可整体运行的二维定量超声弹性成像系统样机，并进行了一系列离体、在体动物测量试验和少量人体健康志愿者试验。现有系统实现了利用FPGA控制产生声辐射力的超声发射序列，以及对探测剪切波的超声射频回波信号进行波束合成、高速采集等关键技术；实现了适用于声辐射力超声弹性成像系统的高灵敏弹性成像算法，并完成了基于GPU的并行快速运算优化；完成了样机软件的开发和二维伪彩色弹性分布图的显示；完成了新型声辐射力/成像双模线阵探头的研制；完成了对不同硬度弹性体模的标定，并对比了商用超声弹性测量系统（西门子公司的S2000声辐射力超声弹性测量系统和Supersonic公司的Aixplorer二维超声弹性成像系统）和自主开发的样机系统对已标定的弹性体模的测量结果，验证了样机系统测量的准确性和可重复性都已经达到了国际同类商用仪器的水平，为下一步开展大规模临床实验和推动该系统的产业化等工作提供了良好的条件。迄今为止，本项目培养博士研究生4名（其中1名为与北京航空航天大学联合培养，1名在读尚未毕业），硕士研究生10名（已毕业7名，其中3名为与东北大学联合培养，3名为客座学生；未毕业3名，其中1名为与中国科技大学联合培养，1名为客座学生）；在国内外核心期刊发表SCI论文14篇；申请发明专利11项；参加国际和国内相关学术会议并作会议分组报告5次；并邀请了国际知名领域学者来华讲学3次。