超声背散射获取颅骨声学模型的理论及方法研究

The acoustic model of the skull is significant to the diagnosis and treatment of brain diseases by using focused ultrasound. In this project, a new method to evaluate the acoustic model of the skull by using ultrasound backscatter will be proposed. The main research includes: (1) establish a model to simulate the ultrasound propagation in skull, analyze the characteristic parameters of the skull (including thickness, density and microstructure of the skull) effect on ultrasound backscatter parameters by using simulation and experiment, explore the law of ultrasound propagation in skull; (2) propose a signal processing method based on neural network and machine learning algorithm to evaluate the characteristic parameters of the skull, the simulation and experiment results of the proposed method are compared with the micro-CT measured results, the accuracy and effectiveness of the proposed method are verified by using statistical analysis; (3) analysis relationship between the characteristic parameters and the acoustic parameters of the skull, propose new ultrasound backscatter parameters to represent the acoustic parameters of the skull by using parameter fusion method, establish the acoustic model of the skull by using the proposed new parameters, the accuracy and effectiveness of the proposed method are verified by comparing the acoustic model acquired by ultrasound backscatter and transmission method. The new theory and method proposed in this project is to evaluate the acoustic model of the skull by using ultrasound backscatter. The results will provide acoustic model of the skull for the development and clinical application of the transcranial imaging, treatment and neuromodulation.

颅骨的声学模型对脑部疾病的聚焦超声诊疗具有重要意义。本项目拟研究采用超声背散射技术获取颅骨声学模型的理论和方法。主要研究内容有：(1)建立超声在颅骨中传播的仿真模型，通过仿真和实验分析颅骨的厚度、骨量和骨微结构等特征参数的改变对超声背散射参数的影响，探索超声在颅骨中传播的规律；(2)基于神经网络和机器学习算法，提出估计颅骨特征参数的信号处理算法，将本项目提出的算法估计值与微CT测得的标准值进行对比，通过统计学分析来验证算法的准确性和有效性；(3)分析颅骨特征参数与颅骨声学特征之间的关系，结合多参数融合技术，提出能反映颅骨声学特征的新参数，将基于超声背散射新参数建立的颅骨声学模型与超声透射法获得的颅骨声学模型进行对比，验证本项目所提方法的准确性和有效性。本项目所研究的超声背散射获取颅骨声学模型的理论和方法，将为经颅聚焦超声成像、治疗以及神经调控技术的进一步发展和临床使用提供颅骨的声学模型。

脑部疾病的诊疗技术发展对人类健康具有重要意义，超声作为一种无电离辐射、价廉、实时的技术，已在临床疾病的诊疗方面应用多年。近年来新型的超快脑血流成像、光声成像以及经颅超声聚焦开启血脑屏障和神经调控等技术发展迅速。但由于颅骨对超声波的衰减和散射的效应，造成波形的畸变和相位偏移，影响了经颅超声的临床诊疗应用。获取颅骨的声学模型对脑部疾病的诊疗至关重要。. 本项目旨在采用超声获取颅骨声学模型的理论和方法，主要完成了以下三个方面的研究内容：超声在颅骨中的传播规律研究（理论规律）、超声估计颅骨声学模型的方法研究（算法研究）、基于声学模型的经颅超声成像实验研究（实验研究）。已按计划完成研究内容，研究成果主要包括①项目通过理论计算、数值模拟并结合离体实验研究，建立了非均匀颅骨的超声仿真模型，探究了超声在颅骨非均匀复杂微结构中的传播规律，揭示了颅骨特征参数与超声参数之间的关系；②项目通过数值仿真和离体实验，明确超声参数与颅骨声学特性之间的关系，分别提出了基于相位相干的速度模型估计算法、基于超声走时重建的声速模型提取方法和基于全波形反演的提取颅骨声学模型方法；③项目基于提取的已知速度模型，采用射线追踪的相位修正法和频率域的相位修正方法，对经颅超声的图像进行重建，并通过仿真和离体实验进行了验证。同时还探究了颅骨的非均匀性对经颅超声聚焦的影响。. 本项目围绕颅骨非均匀骨量和复杂骨微结构，研究超声在非均匀多层复杂介质中的传播规律，提出采用超声背散射获取颅骨声学模型的方案，以期为经颅超声的应用提供颅骨的声学模型，研究成果有助于促进经颅超声的临床诊疗应用。