超声弹性成像中剪切波速度测量方法的改进研究

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生物组织力学特性的无创检测有助于疾病的早期诊断,超声剪切波弹性成像技术(SWE)通过对组织局部剪切波速度的估计,可实现软组织粘弹性的定量测量。时间峰值法(Time-to-peak,TTP)是目前测量剪切波速度的主要方法,其原理是通过发射激励长脉冲产生声辐射力使组织局部振动并以剪切波的形式向外传播,然后阵元发射短脉冲来实时追踪侧向方向上各检测点的位移,最后根据检测点上剪切波达到峰值的时间估算出剪切波传播速度值。短脉冲(快时信号)的脉冲重复频率决定检测点位移曲线(慢时信号)的采样率。受超声波在组织内传播速度和检测深度的影响,采样率上限约为40KHz。硬度较大的组织中剪切波速度快,受采样率限制无法准确区分邻近检测点上剪切波达峰时间,因而造成测量误差。本课题创新地提出一种基于多次激励不同相位采集的改进方法,以提高波速测量的准确性,以三次不同相位激励采集方法(Triple Different Push Mode,TDPM)为例,将该方法与常用的一次激励采集(Single Push Mode,SPM)和三次同相位激励采集方法(Triple Same Push Mode,TSPM)的性能比较,通过力学测试(Mechanical Test,MT)方法验证了改进方法的准确性,并探讨了应用该改进方法测量猪韧带组织的可靠性。本课题基于可编程的VerasonicsTM Vantage256超声开放平台,按照精密设计的时序控制L7-4探头重复三次声辐射力激励-平面波采集过程,通过为平面波采集过程的触发信号设置不同的延迟时间,获得不同相位上的振动位移采样,然后对位移数据按照脉冲时间序列进行重建,获得三倍于原有采样率的位移曲线,可以更精确地刻画振动位移曲线,便于准确地计算剪切波速。利用峰值时间法(TTP)和Radon变换估算出体模的剪切波群速度,估计杨氏模量。同时采用傅里叶变换计算不同频率下的相速度,最后基于Voigt模型非线性拟合得到对应的弹性值。为了评估三次不同相位激励方式的可行性以及准确性,本课题先以自制明胶体模为对象,比较了TDPM和SPM两种方法测量的剪切波速,并对体模样本进行了单轴拉伸力学测试,比较各方法估计的杨氏模量值。结果显示,TDPM方法与MT更接近,而且TDPM的测量结果方差较小,随机误差小,精密度好,显示出一定的优势。以不同冻融循环的PVA体模为研究对象,比较了TDPM、SPM以及TSPM等三种方法的性能。结果表明:TSPM的性能总体比SPM表现更好,TDPM方法因时间分辨率高,测量结果随机误差小重复性好,特别是PVA体模冻-融循环次数增加,硬度较大时,TDPM表现出优异的性能。同时在均匀体模不同深度上的测量也显示TDPM方法受深度影响小,结果更稳定。最后,以猪韧带组织为研究对象,探究了TDPM和SPM两种方法测量的剪切波速度(SWS)的可靠性,结果显示,TDPM、SPM的SWS拟合优度均值分别为0.94、0.87,TDPM的估算弹性模量十分接近力学测试结果。本课题对所提出的三次不同相位激励方式(TDPM)的超声测量方法的可行性和准确性进行了评估和验证,该方法在组织的剪切波群速度测量表现出重复性好,随机误差小的性能优点,对较硬组织的剪切波速测量可靠性更高,有望成为一种更有效的剪切波估算方法。
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