声带高速振动的高帧率高分辨超声组织力学与血流灌注成像

According to the requirements of quantitative investigation to the high speed vibration and damage mechanism of vocal folds, this project plans to: (1) using High Frame rate Ultrasound (HFUS) as a experimental platform, propose and research the adaptive beam forming method applied to the strong reflection of tissue-air interface, beam deconvolution method based on the sound propagation model of larynx, and the super resolution reconstruction method applied to the ultrasonic radio frequency signals. All methods mentioned above aim to improve the ultrasonic imaging resolution as 4 times as conventional ultrasound system; (2) establish a synchronal imaging system of HFUS and High Speed Video (HSV). Based on the two mass model and two layered vibration model of vocal folds, we develop the technique of direct extraction of vibrating parameters and inverse extraction of tissue mechanics parameters of vocal folds; (3) study the acoustic characteristics of ultrasonic contrast microbubbles which deviate from the resonant frequency. Based on the real-time perfusion depletion and reperfusion model, we raise a high signal to clutter ration and high frame rate contrast imaging method, combining broad band multi-scale bubble wavelet transform and pulse inversion perfusion technique. Based on the entire methods and techniques mentioned above, from the aspects of mechanic damage and circulatory disturbance, this project make the research for physiology and pathology of vocal folds, and diagnosis of laryngeal deseases possible.

根据声带多层结构高速振动及损伤机制定量研究需要，本项目：（1）以高帧率（800-1000帧/秒）、宽带（5-15MHz）超声成像为平台，提出并研究适用于声带-气体夹层强反射界面和喉部声传播模型的自适应波束控制、波束解卷和基于超声射频信号的超分辨重建方法，将超声成像分辨性能实际提高4倍左右；（2）建立高帧率高分辨超声与高速摄影喉镜同步成像系统，并基于声带二质量块模型和分层振动模型，发展声带运动参数直接提取和组织力学参数反求方法；（3）研究偏离中心谐振频率的造影微泡的声学特性，提出基于连续破坏再灌注模型并结合宽带多尺度微泡子波变换和脉冲反转的高信杂比高帧率血流灌注成像方法。由此使得从力学损伤和循环障碍两方面同时研究声带生理、病理机制及喉病检查方法成为可能。

根据声带多层结构高速振动及损伤机制定量研究需要，针对超声成像技术在声带多层结构高速振动研究中存在的问题，完成了以下几个方面的工作：.1) 为了建立声带多层多维振动的同步成像检测系统，尤其是解决电声门图仪和超声系统同步使用时的位置冲突问题，提出了一种斜置电声门图方法。.2) 为了定量研究喉发声功能和声带振动力学特性，本小组搭建了一套离体喉振动实验平台。利用空气压缩机，空气湿化和加热装置和气囊模拟人体肺部与喉部的发声功能。同时，并建立离体喉振动的多维信号的采集系统，对声门下气压，气流量，声压，声带高速振动的光学图像和超声图像同步采集。.3) 本小组提出了一种基于声带振动信号触发的喉动态超声成像方法，利用周期性的声带振动信号（声压，气压和电声门图信号）触发超声成像系统，实现了低帧率超声设备对声带高速振动的观测。利用周期性的声带振动信号分辨率高、实时性强且特征点明显的特点构建触发电路，对采集到的周期性的声带振动信号进行处理并从中提取声带振动的特征相位，产生触发脉冲，触发超声成像设备采集声带振动图像。.4) 针对声带体层振动难以进行定量化成像及参数提取的问题，建立了高帧率超声和斜置电声门图同步系统无侵入性地对自然语音条件下的声带体层振动进行成像，同时记录声带振动相位信息。利用基于RF数据的二维运动估计算法首次获得了参与振动声带的量化位移图像，以及沿着横向和垂直向两个方向的体层位移曲线。提出了时间重建算法对几个周期的声带体层位移曲线进行了时域融合，从而获得了高精度的体层位移曲线以及振动参数。.5) 为了获取声门上下，包括假声带等组织结构的振动位移和相位信息，本小组首次引入了超快速平面波超声成像技术。利用基于平面波发射的波束合成技术获取得到了超高帧率（5000 帧/秒）的喉部组织振动图像。并且，利用基于RF数据的运动估计算法获得了声门上假声带以及声门下声管壁的振动位移和振动相位信息。