基于GPU的实时超声弹性成像方法研究

发布时间：2017-08-09 03:17

  本文关键词：基于GPU的实时超声弹性成像方法研究

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【摘要】：生物组织的弹性(硬度)变化往往与其病理变化有关,因此组织的弹性信息能作为许多疾病的诊断依据,如肿瘤、乳腺癌等。超声弹性成像是继黑白B超和彩超之后的一种新的超声成像技术,其基本思想是从超声信号中获取生物组织的弹性(硬度)信息并进行成像。但是超声弹性成像数据计算量大,无法做到实时成像,临床应用受到限制,因此超声实时弹性成像成为了目前医学超声成像中研究的热点和重点。本文的研究重点主要有两个方面:1、如何使用GPU这一技术手段对当前超声弹性成像的位移估计算法进行程序上的改进,利用GPU的高并行计算能力,对算法中计算密集的地方进行加速。2、针对GPU编程上的特性,改进当前算法,在不降低计算精度的情况下,使之更适合在GPU上计算。本文研究了超声弹性成像当前常用的位移估计算法:1、基于时域的一维互相关位移估计法;2、基于相位信息的位移估计法。相位信息算法又分为Doppler运动估计法和相位过零检测算法。本文从计算机编程入手,将原有的串行计算程序移植到了GPU上。结合时域互相关算法和相位检测算法在GPU上计算的优点,本文提出了一种改进的相位互相关算法。该方法利用希尔伯特变换构造解析信号,通过对应计算窗口的一次积合运算得到剪切波的相位信息,然后再对相位信息进行三次样条插值,弥补因采样而遗失的信息,最后利用相位信息求得剪切波速度。为了提高整体计算速度,本文也对希尔伯特变换和三次样条插值进行了GPU上的计算研究。通过与CPU对比,计算速度大大提高,且计算精度与传统算法并未有明显区别。本文通过实验对上述基于GPU编程的算法计算出的结果进行了对比。首先利用Field II产生仿真数据,在4.8um和48um两个位移处,分别对这四种算法进行了克拉美罗下界、抖动误差以及平均误差分析。最后利用生物仿真模型,采集了不同深度处的数据,直接进行杨氏模量计算值的对比。本文提出的算法在计算精度上和常用算法并未有明显区别,但是计算速度大大提高。最后本文对研究工作进行了总结,并在此基础上对后续的研究方向进行了展望。
【关键词】：超声弹性成像 位移估计 GPU 并行计算
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP18;R445.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 引言8-13
• 1.1 本课题选题依据和研究意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 超声弹性技术分类9
• 1.2.2 超声弹性成像位移估计算法介绍9-11
• 1.2.3 超声弹性成像技术发展11
• 1.2.4 论文研究内容与章节安排11-13
• 第二章 超声弹性成像技术13-25
• 2.1 常规B超成像13-15
• 2.1.1 生物组织的声学参数13-15
• 2.2 生物基本力学模型15-17
• 2.2.1 胡克定律16
• 2.2.2 广义胡克定律16-17
• 2.3 声辐射力成像原理17-19
• 2.3.1 声束序列及数据获取18-19
• 2.4 GPU编程介绍19-24
• 2.4.1 GPU并行编程模型20-21
• 2.4.2 GPU的内存模型21-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 常用位移估计算法介绍及在GPU上的实现25-45
• 3.1 声辐射力位移估计算法25-28
• 3.1.1 信号的互相关计算25-26
• 3.1.2 一维时域互相关计算在组织位移估计中的应用26
• 3.1.3 归一化互相关运算（NCC）的GPU实现26-28
• 3.2 基于相位的位移估计计算28-32
• 3.2.1 Kassai’s和Loupas’s相移估计算法29-30
• 3.2.2 Loupas’s位移估计算法的GPU实现30
• 3.2.3 相位零估计算法30-31
• 3.2.4 基于GPU实现的零相位估计算法31-32
• 3.4 本论文提出的快速位移估计算法32-44
• 3.4.1 解析信号构造及GPU实现33-35
• 3.4.2 积和运算求相位35-38
• 3.4.3 三次样条插值38-41
• 3.4.4 三次样条插值的GPU实现41-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 实验结果与分析45-52
• 4.1 仿真数据实验与分析45-49
• 4.1.1 克拉美罗下界分析45-46
• 4.1.2 同信噪比下不同位移的抖动误差和平均误差46-48
• 4.1.3 各算法计算速度的比较48-49
• 4.2. 仿体数据研究49-51
• 4.3 本章小结51-52
• 结论52-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-57
• 攻读学位期间取得学术成果57

【参考文献】

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1 甄斌,万明习;超声弹性成象组织运动相关估计与解相关性[J];西安交通大学学报;1997年09期

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本文编号：643281