超声激励检测技术定量各向异性组织弹粘性的基础研究

人体组织弹粘性变化往往是早期疾病的预警信号，对疾病诊断具有重要价值。项目将基于超声激励检测技术研究一种无创、非介入式、定量测量各向异性生物组织弹性和粘性系数的方法。超声激励检测技术是前沿的定量测量技术，能测量纳米级的组织位移。研究主要分为三个部分:第一，研究超声波（如：超声Shear wave等）传播特性（如：波速等）与特定各向异性介质（正交各向异性、完全各向异性等）弹粘性之间的数理关系；第二，基于超声激励检测技术进行实验测量研究，研究实验方案，进一步研究信号快速检测方法和信号处理算法等；第三，研究有限元反问题方法求解各向异性弹粘性系数，重点研究全局最优化搜索算法。最终，项目研究将建立一种实测数据与各向异性弹粘性系数之间对应的方法和理论，定量表征各向异性组织弹粘性系数。研究结果将辅助肿瘤、血管硬化、骨质疏松等疾病的早期诊断，也有代替活检的应用前景。

由Mayo临床和医学院超声研究室提出的SDUV超声激励检测技术检测组织黏弹性是基于各向同性Kelvin－Voigt模型。本项目在此基础上探索超声传播特性与各向异性介质黏弹性特性之间的关系，通过系统实验和有限元仿真等手段，提出了不依赖力学模型的黏弹性反问题求解算法；SDUV采用共聚焦探头产生超声辐射力的方法难于用于临床，本项目研究了以临床应用为目标的线阵探头产生激励力场的方案。具体进展和阶段性成果如下：.（1）完成了不依赖力学模型的各向异性黏弹性反问题求解算法的研究和程序开发。算法基于混沌粒子群结合神经网络实现。反演算法的可靠性利用具有数值解的各向同性黏弹性模型进行了较好地验证。. (2)进行了多种黏弹性力学模型下的超声激励测量的实验研究，为合适的力学模型的选择提供了理论依据。通过多种材料模型和离体组织模型的SDUV实验，分析了三种经典黏弹性力学模型对于黏弹性材料和黏弹性生物组织的描述能力，结果表明zener模型最好，Maxwell模型次之，Kelvin－Voigt模型最差，而Kelvin－Voigt模型目前被同类研究采用最多。结果同时表明黏弹性力学模型的剪切模量难以区分像猪动脉血管这样的血管组织黏弹性差别。.（3）血管有限元建模及研究血管中剪切波传播速度的影响因素。通过大量有限元仿真实验分析，建立了血管中剪切波传播速度与血管弹性、血管壁厚、内半径等各影响因素之间的解析公式，为血管组织的黏弹性参数反演提供了依据。.（4）研究利用线阵探头产生射频辐射力的激励方案和其硬件实现。重点研究了激励脉冲构成，聚焦延时方法、前置放大电路、时间增益补偿电路、对数放大电路等，结合ARFI技术，提出了激励探头向临床应用的改进方案，初步获得了基于目前临床所用的线阵探头的激励图像。