血管内超声阵列成像研究—偏心圆柱波复合与横向解卷积

发布时间：2020-08-10 21:13

【摘要】：血管内超声成像(IVUS)是一种对心血管进行精确成像的诊断方法。通过将小型化的超声换能器置于血管腔内,可以对血管进行断层扫描,获取血管的形状、不同组织分布等相关信息,进而帮助医生对疾病进行精确诊断。为进一步提高IVUS的成像质量,本文从两个方面进行了研究。第一个方面是针对目前的阵列式IVUS系统全图聚焦和高信噪比无法兼容的问题提出偏心圆柱波复合方法,通过提高发射波能量的方法提高成像的信噪比。分析了多发射波复合成像的原理,并总结了影响这种成像方法的几个关键参数对成像效果的影响,为优化成像参数提供了理论依据。提出偏心圆柱波成像的实现方法,针对IVUS阵列的特点对该方法的最佳成像参数进行了分析,并在仿真中验证了该方法的可行性。仿真结果表明其分辨率能达到相控阵方法的水平,信噪比高于相控阵方法和合成相控阵方法。在仿真中对实际系统中存在的非理想因素进行了仿真分析,结果显示单元间的串扰和单元的非均匀性对成像质量影响有限。针对成像过程中出现的栅瓣采用双切趾技术进行抑制,使用粒子群优化的方法对切趾函数进行了优化。现有的相控阵式IVUS的硬件稍作调整即可用于偏心圆柱波成像。第二个方面是针对目前的IVUS系统横向分辨率较低的问题提出了基于幅值的非负域解卷积方法,通过限制解卷积的求解域非负避免解卷积过程对高频噪声的放大作用,避免采取噪声抑制措施,从而避免噪声抑制措施影响分辨率的提高。首先分析了常用的解卷积方法对噪声的抑制作用,指出抑制噪声过程实际上牺牲了分辨率,提出可以通过基于幅值的非负域解卷积提高解卷积的效果。对这一设想进行了仿真验证,在仿真中使用120 μn横向分辨率的探头能够分辨横向间隔为70 μμn的两个散射点。仿真结果显示该方法所能达到的分辨率比维纳解卷积高出50%。搭建了单环能器机械扫描系统对该方案进行验证,在远场的各个深度均能实现2°的周向分辨能力,在近场区域由于点扩散函数的变化其分辨能力有所下降。对仿体的成像实验说明了该方法在复杂环境中提高分辨率的能力。本文的研究说明,在阵列式IVUS系统中应用偏心圆柱波复合成像和基于幅值的非负域解卷积方法可以得到高质量高分辨率图像。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O426.9;R540.4
【图文】：

超声成像系统,机械扫描,线性阵列,阵列

会发生形变，则图像在第一和最后一条扫描线处发生撕裂，撕裂的图像不利于解逡逑卷积的计算，而后者是提高图像分辨率的一个有效方法。阵列ＩＶＵＳ系统则更加逡逑灵活。图１．４所示的阵列探头包含６４个单元，可以使用相控阵技术、合成孔径技逡逑术［９１或综合相控阵技术进行扫描和聚焦。阵列成像的灵活性体现在：１、可逡逑以对所有深度完成聚焦；２、没有活动部件，不会存在ＮＵＲＤ现象，且扫描成像逡逑速度更快；３、可以对发射和接收口径分别设置切趾函数。受制于加工手段，目逡逑前可见于文献的阵列探头最多有６４个单元，则对于一个１邋ｍｍ直径的阵列来说，逡逑阵列的周期为４９．１邋（＿ｍｉ。根据光栅理论，如果要求不产生栅瓣，其工作波长不得逡逑低于４９．１ｘ２＝９８．２邋ｆｉｍ，取水中声速１５４０邋ｍ／ｓ，则对应的频率为１５．７邋ＭＨｚ。实际逡逑上，对于用于ＩＶＵＳ的圆柱探头，其工作频率还应更低才能避免栅瓣出现。一般逡逑商用的阵列探头工作频率约为２０邋ＭＨｚ。而单换能器的机械扫描探头则无此限制，逡逑工作频率可达５０？６０邋ＭＨｚ。关于工作频率和分辨率的关系

曲线,成像系统,点扩散函数,分辨率

１．２超声成像的横向和纵向分辨率逡逑对任何成像系统来说，分辨率是一个较为核心的参数，描述了成像系统成像逡逑清晰程度。由于所有实际存在的成像系统都存在非理想性，例如口径限制、频率逡逑限制等，对现实物理世界进行成像时并不能完全准确地再现其信息。点扩散函数逡逑（ｐｏｉｎｔｓｐｒｅａｄｆｕｎｃｔｉｏｎ，邋ＰＳＦ）描述了成像系统对一个理想点进行成像的结果，一逡逑般会是一个斑点。一个ＩＶＵＳ系统的点扩散函数如图１．５所示，图中的红色曲线为逡逑＿６ｄＢ等高线，其横向（平行于探头表面／平行于扫描方向）－６邋ｄＢ分辨率为１２０逡逑ｐｍ，纵向（垂直于探头表面／垂直于扫描方向）－６邋ｄＢ分辨率为３２邋ｐｍ。逡逑图１．５邋—个典型的ＩＶＵＳ系统的点扩散函数逡逑对于ＩＶＵＳ系统来说，对其分辨率的分析几乎可以借鉴所有传统Ｂ超的分逡逑

曲线,导管,成像系统,点扩散函数

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