软组织应变重建的自适应分段算法

生物软组织的弹性系数通常和组织的病理状态有关。弹性成像技术有希望成为软组织病变诊断和力学特性评价的有效手段。基于通常的利用超声回波和时域互相关技术重建组织弹性及应变分布的方法,提出了一种超声回波跟踪波段的自适应筛选算法,以牺牲一定的纵向分辨率为代价来换取重建误差的减小。计算机仿真实验的结果揭示了这种方法的可行性。另外,还提出了一种应变重建前进行数据预处理的方法。     

压缩感知在合成发射孔径医学超声成像中的应用

为了解决合成发射孔径技术在医学超声成像实现中面临的数据量大及接收通道多的问题,提出一种超声成像系统频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法。首先对超声系统频率域稀疏性模型进行了验证;然后根据稀疏性模型利用压缩感知理论对回波信号进行压缩采样,并使用最优化方法完成回波信号重建;最终通过合成发射孔径技术完成超声成像。针对医学成像中常用的点目标及模拟胎儿目标进行成像仿真实验,对重建图像在均方误差、分辨率及成像质量等方面与常规成像结果对比分析。实验结果表明在保证成像质量的同时,仅使用30%原始数据量及50%总接收通道数目可完成成像;频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法可以大幅度减少合成发射孔径成像所需数据量及接收通道数,极大地降低了系统复杂度。      

用于活体温度评估的非线性超声热应变模型*

热疗在肿瘤消融、高血压治疗等方面有重要应用价值。对热疗过程进行温度监控有利于实施合理的治疗规划,同时可提高治疗的安全性、减少副作用。利用基于超声回波偏移的热应变测温理论进行二维温度估计是一种常用的超声测温方法。但该理论基于组织热膨胀及声速随温度线性变化的假设,适用的温度测量范围一般限于37℃-50℃。该文基于升温组织的物理参量非线性变化,提出了基于非线性超声热应变评估温度变化的模型。在基于活体猪肾周脂肪的微波加热实验中,该文利用上述模型结合动态帧选取算法和自适应滤波,对活体的呼吸、心跳运动进行抑制,减小二维温度图像中的噪声。所得结果表明运动补偿效果良好,对于温升范围不超过30℃的情况,测温误差在2.5℃以内。     

基于离散随机介质平均散射声功率的无损测温方法

生物组织中超声散射回波的平均功率与其温度有关．该理论包含：（１）生物组织近似为离散随机介质．（２）离散随机介质的平均散射功率与组织的衰减系数α和声速Ｃ有关。对于似水生物组织（如：猪肝）,当温度升高时,衰减系数的减小使平均散射声功率增加,但其影响大小与时间窗△ｔ有关,而声速的增大则使平均散射声功率减小。实验结果表明：生物组织的平均散射声功率随温度变化趋势明显,该结果提供一种肿瘤热疗无损伤检测温度的新方法。     

Chirp编码的鲁棒医学超声内窥合成孔径方法

提出一种Chirp编码的鲁棒医学超声内窥合成孔径方法(CRSA),以减小人体组织声速误差对成像结果的影响。采用具有大多普勒容限与时间带宽积的Chirp码代替传统的Barker码激励超声换能器;再根据Chirp编码信号的特征,分别在纵向与横向完成超声回波的脉冲压缩。经FieldⅡ仿真实验以及超声成像实验结果验证,和Barker码比较,CRSA方法得到的实验结果,其横向分辨率由1.8 mm提高到1.4 mm;并且在6%的声速误差下,主瓣平均展宽和信噪比衰减分别由0.99 mm和3.8 dB降为0.04 mm和0.2 dB。实验结果表明,CRSA方法可有效抑制声速误差对分辨率与信噪比的影响,鲁棒性更强。      

基于变分模态分解与多尺度排列熵的生物组织变性识别

根据高强度聚焦超声(HIFU)治疗中超声散射回波信号的特点,本文利用变分模态分解(VMD)与多尺度排列熵(MPE)对生物组织变性识别进行了研究.首先对生物组织中的超声散射回波信号进行变分模态分解,根据各阶模态的功率谱信息熵值分离出噪声分量和有用分量;对分离出的有用信号进行重构并提取其多尺度排列熵;然后通过Gustafson-Kessel (GK)模糊聚类确定聚类中心,采用欧氏贴近度与择近原则对生物组织进行变性识别.将所提方法应用于HIFU治疗中超声散射回波信号实验数据,用遗传算法对多尺度排列熵的参数优化后,对293例未变性组织和变性组织的超声散射回波信号数据进行了多尺度排列熵分析,发现变性组织的超声散射回波信号的多尺度排列熵值要高于未变性组织;多尺度排列熵可以较好地识别生物组织是否变性.相对于EMD-MPE-GK模糊聚类以及VMD-小波熵(WE)-GK模糊聚类变性识别方法,本文所提方法中变性与未变性组织特征交叠区域数据点更少,聚类效果和分类性能更好;本实验环境下生物组织变性识别结果表明,该方法的识别率更高,高达93.81%.     

基于位移量的软组织应变测量快速算法

软组织的硬度或弹性反映了其本身的生理病理特性。对组织弹性的测量，有助于对组织内部特性的了解。在通常的超声弹性回波技术的基础上，本文提出了一种组织应变估计的新思路，以实现组织弹性的快速重建。计算机仿真实验的结果揭示了这种方法的有效性。     

基于超声散射回波功率谱的热疗无损测温模型

在随机起伏介质超声散射理论下，基于组织超声散射问波功率谱，提出一种无损获取组织温度信息的新方法。组织中声速及密度的随机起伏引起超声散射，散射回波声压谱的均方值与组织中声速ｃ、声速对温度的梯度ｄｃ／ｄｔ和组织的平均温度Ｔ等有关。分析组织散射超声回波信号平均归一化功率谱与组织温度的关系，可以从超声散射回波中有效提取组织温度信息。理论分析和模拟实验为医学上肿瘤热疗提供了一种新的无损测温的方法和思路。     

基于超声散射元间距的生物软组织内部应变与弹性估计

超声弹性成像有希望成为生物软组织病变诊断和力学特性评价的有效手段．提出利用小坡变换检测组织背向散射信号的不连续性，估计规则散射元空间分布及其变化，由此得到组织内部应变分布与弹性模量的新方法．结果表明，利用小波变换的散射元定位方法具有较强的抗干扰能力，基于散射元间距的运动估计方法避免了超声散斑的解相关性，计算量较小，无误差积累．组织内部应变和弹性估计能够区分杨氏弹性不同的组织，具有较高的空间分辨力．方法同时提供了组织弹性与微结构的信息．     

用于缺陷定量的超声散射信号去相关分析及贝叶斯反演方法

针对结构中缺陷定量识别问题,建立了椭圆缺陷超声散射仿真模型,研究了缺陷偏转角度及尺寸对散射信号去相关特性的影响。结果表明,超声信号去相关系数矩阵与缺陷几何状态(如尺寸及角度)存在很大关联性,但并非线性相关。结合参数化有限元分析与贝叶斯理论,发展了一种基于超声散射信号去相关分析的缺陷反演方法,开展了缺陷反演数值仿真及检测实验。结果表明,发展的缺陷反演方法可以很好实现铝块与铝板缺陷位置及尺寸反演。其中铝块开口缺陷尺寸(深度)反演误差约为激励波长0.2倍,位置误差约为激励波长0.6倍;铝板圆形缺陷尺寸反演误差约为激励波长0.04倍,位置误差约为激励波长0.4倍。研究工作为结构中缺陷定量识别与评价做了有益探索。      

由动物软组织的超声散射回波估计声衰减系数

本文讨论了一种从超声散射回波进行衰减系数谱估计的原理和方法,并用所研制的一套全自动化谱测试系统对一系列新鲜离体动物软组织进行了实验研究。结果表明,测量精度与准确度都是令人满意的。文章最后指出,这种衰减谱估计方法因为能在活体条件下对组织进行定征而具有研究价值。     

光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

利用先验估计自适应加窗的准静态超声弹性成像位移估计算法

准静态弹性成像技术是基于组织压缩前和压缩后超声回波射频信号进行组织运动重构的弹性成像技术。提出了一种基于先验估计的自适应窗函数算法,在位移估计过程中,使用已估计的临近窗的时延值作为先验信息,自动调整截取压缩后射频信号段的截取窗函数,提高了互相关运算所需的压缩前和压缩后信号段之间的相关性。仿真实验结果表明,该算法不仅大大提高了成像速度,而且提高了信噪比较低时的成像质量,同时该算法具有更宽的应变通带。      

基于Wigner-Ville分布用超声回波测量随机介质的特征

生物组织微结构具有随机介质的特性,文中构建了生物组织超声散射的一维随机介质模型,提出用Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布函数方法估计该随机仙擀的空间分布特征,仿真和实验结果表明这一方法具有良好的空间分辨率,能较好地检测出随机介质微小散射元的个数和空间分布同时能精确地保估出散射元平均间距,研究结果表明该方法还具有良好的抗噪声性等优良特性。     

Ge/Si半导体量子点的应变分布与平衡形态

基于各向异性弹性理论的有限元方法，研究了金字塔形自组织Ge/Si半导体量子点应变能随高宽比变化的规律：系统的应变能随着高宽比的增大而逐渐减小.并通过自由能(应变能与表面能之和)讨论了量子点的平衡形态.结果表明，对于固定体积的量子点，存在一个高宽比值，称之为平衡高宽比，使得系统的自由能最低.同时，还给出了量子点的应力、应变、流体静应变及双轴应变分布.这些可以作为阐明应变自组织量子点实验的理论基础. 关键词： 量子点 应变分布 自由能 平衡形态     

结合透射CT的康普顿背散射图像重建

在康普顿散射成像(CST)技术中可以结合透射成像重建出衰减系数来消除散射重建的非线性,但这样得到的投影矩阵带有误差。而CST重建问题的不适定性对噪声和投影矩阵的误差非常敏感,重建结果会有较大误差。针对此问题,基于压缩感知理论提出了一种新的CST重建算法。新方法将图像重建问题归结为一个图像的全变分(TV)最小化问题,并使用收敛速度较快的基于交替方向法的Split-Bregman方法进行求解。在仿真实验中,通过与代数重建技术(ART)进行比较,在测量数据充足和测量数据不足两种情况下,本文算法都具有更好的重建质量,证明了所提算法在重建精度和抗噪性能方面的优势。     

多帧迭代盲解卷积在激光反射断层成像的应用

激光反射断层成像是一种新型的远距离高分辨率成像手段。反射回波可以近似视作发射脉冲和目标反射系数投影分布的加噪卷积,因此发射脉冲的展宽将显著影响重建图像的分辨率。现有的滤波反投影方法不能有效解决这个问题,而脉冲压缩和解卷积可以从回波中还原目标反射率分布投影,进而提高重建图像质量。基于多角度测量的相似性,提出了一种多帧迭代盲解卷积逼近方法,对一维回波信号进行解卷积,并在实际激光雷达上进行了实验,重建结果表明,此算法能显著提高成像的分辨率和细节,并能对发射脉冲给出参考。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比     

压缩感知在宽带声学多普勒测速技术中的应用*

为降低宽带声学多普勒测速技术中宽带回波信号处理系统的采样和数据存储压力,研究了压缩感知的回波信号重构算法,并将其应用于宽带声学多普勒测速的回波信号分析中。在点回波模型下进行宽带回波信号的仿真实验,利用复协方差法计算频移。仿真实验结果表明,在无噪声的理想条件下,利用压缩感知理论处理宽带多普勒测速的回波信号,能够达到理想的测频效果;在相同的噪声条件下,应用压缩感知方法处理后的回波信号能够获得与带通采样方法相当的测频效果。     

超声应变重建的仿真研究

本文提出了一种基于匹配滤波器的用于估计生物组织内部应变的方法，并且为了检验这一技术的可行性，本文还详细介绍了一线超声弹性散射回波模型的建立方法．计算机仿真的结果揭示了这种估计内部应变的方法在人体组织弹性定征领域的应用前景。