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颈动脉超声平面波血流成像新方法研究

周浩  
【摘要】:颈动脉粥样硬化是威胁人类健康的严重疾病,约有20%的卒中病例由颈动脉粥样硬化引发,因而早期诊断并治疗颈动脉粥样硬化病变至关重要.由于血液动力学在颈动脉粥样硬化的发生和诊断中起到了关键作用,因此对颈动脉血流速度的准确测量就有非常重要的价值.凭借着无损、无创及成像快速等优点,医学超声成像成为了颈动脉血流速度检测的首选方案.然而,常用的血流成像方法(如彩超),只能获得血流在超声传播方向上的速度分量,测量误差大.超声平面波血流速度矢量成像技术可以获得二维或三维的血流速度矢量,弥补了传统彩超的缺陷,成为医学超声成像领域的研究热点.当前,平面波血流速度矢量成像技术尚存在以下问题:(1)超声平面波技术采用宽波束发射模式,成像目标旁瓣幅度显著升高,不同目标的回波信号相互干扰,导致血流速度检测精度降低;(2)平面波血流速度矢量成像脉冲发射重复频率高、序列复杂,容易引入多次散射杂波而影响血流速度检测精度,复杂的发射序列还将导致回波信号数据量显著上升;(3)壁滤波环节影响目标速度分量估计精度,导致血流速度矢量的合成结果出现明显偏差;(4)平面波血流速度矢量成像时,血管及周围组织结构图像分辨率及对比度将明显下降.针对上述技术问题,本论文对超声平面波血流速度矢量成像技术进行了三方面的创新性研究:单角度非偏转平面波发射血流速度矢量成像、正则化最小二乘法血流速度矢量重建以及血管及外周软组织结构自适应成像.仿真与实验表明,上述方法能显著提升平面波血流速度估计精度、组织结构图像分辨率和对比度等指标.本文的具体研究内容包括:(1)单角度非偏转平面波发射颈动脉血流速度矢量成像.通过分析平面波发射模式对目标旁瓣幅度的影响,设计单角度非偏转的平面波发射序列,以降低目标距离旁瓣幅度,提升血流速度估计精度,消除多次散射杂波的干扰;通过采用方向波束合成技术接收回波信号,获取目标在不同方向上的速度分量估计;通过引入空间平滑正则项约束向量多普勒最小二乘估计,降低壁滤波对速度分量估计的影响,重建血流速度矢量.利用低速旋转圆盘成像仿真,与传统双偏角平面波方法的速度估计精度进行对比.对于横向速度分量,单角度非偏转平面波速度矢量重建方法与双偏角平面波方法的均方根误差(RMSE)中位值分别为0.025 m/s和0.051 m/s;对于纵向速度分量,两者RMSE中位值分别为0.005 m/s和0.008m/s.在体实验表明,相对于双偏角平面波方法,单角度非偏转平面波速度矢量重建方法能更好的展现颈动脉内血流漩涡的分布情况.(2)单角度非偏转平面波组织结构成像.为提升单角度非偏转超声平面波对颈动脉组织结构成像的图像质量,设计由能量最小方差自适应窗函数计算和信号后滤波两个环节组成的自适应波束合成算法.在信号后滤波环节,利用子阵合成信号计算相干系数,以防止均匀散斑区域的能量被过度抑制.点目标阵列和囊性仿体的平面波成像仿真表明,与传统特征空间法相比,本文提出的后滤波系数可将点目标主瓣宽度减少15%以上,可将囊性区域对比度提升10dB以上.颈动脉在体成像实验表明,与传统特征空间法相比,本文方法能将颈动脉管腔区域的对比度提升4 dB.(3)平面波成像实验系统设计.为了验证本论文提出的颈动脉平面波血流成像新技术,利用传统超声成像设备和多通道数据采集模块搭建实验系统.针对实时导引平面波成像的实验功能要求和硬件系统限制,设计了高效率的正交解调和对数压缩等算法.测试结果表明:实验系统对颈动脉区域的成像帧频可达40fps,满足超声平面波血流成像实验的需求.(4)单角度非偏转平面波血流速度矢量成像的临床应用.利用实验系统,选取22位志愿者进行颈动脉超声平面波血流速度矢量成像.从中选取具有典型颈动脉解剖形态特征的四例进行分析.平面波颈动脉血流速度矢量图像能够展示出颈动脉内复杂的血流速度分布变化情况,能够为颈动脉粥样硬化病变提供更准确的临床依据.


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