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基于子母共位电磁超声换能器的平面波成像

传感器与微系统 2023年第11期42卷 23-26,30页

作者：王星宇郑阳周进节张宗健张吉堂中北大学机械工程学院山西太原030051 中国特种设备检测研究院北京100029

为了实现电磁超声相控阵单通道激励下的平面波成像(PWI),提升检测效率,设计了一种新型电磁超声相控阵换能器,命名为子母共位电磁超声换能器(EMAT)。该换能器将激发线圈与接收线圈分离,激发线圈为整体线圈,接收线圈为分离多通道线圈,两... 详细信息

为了实现电磁超声相控阵单通道激励下的平面波成像(PWI),提升检测效率,设计了一种新型电磁超声相控阵换能器,命名为子母共位电磁超声换能器(EMAT)。该换能器将激发线圈与接收线圈分离,激发线圈为整体线圈,接收线圈为分离多通道线圈,两类线圈共用一组磁体。该换能器可降低实验仪器操作复杂性,使得不需要相控阵全通道激发,采用单通道激励即可以实现电磁超声平面波成像。本文使用子母共位电磁超声换能器对“斜向排列”的2 mm直径阶梯横通孔缺陷进行成像检测,结果表明:常规平面波算法检测的纵向定位误差在0.5 mm范围内,横向定位误差在2 mm范围内,采用相位相干算法可辅助提升成像信噪比(SNR),表明该类型换能器对于平面波成像快速检测是适用的。

关键词：电磁超声换能器无损检测平面波成像缺陷识别

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基于平面波成像的动脉硬化检测方法研究

基于平面波成像的动脉硬化检测方法研究

作者：鄂尔多斯哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超声成像技术是医学影像诊断领域中重要的检查手段,在医学研究与临床诊断工作中发挥了巨大的作用。超快速超声成像是所有超高扫查帧率的超声成像技术的统称,其中以平面波成像的研究最为全面与深入,其应用也最为广泛。与传统的聚焦成像... 详细信息

超声成像技术是医学影像诊断领域中重要的检查手段,在医学研究与临床诊断工作中发挥了巨大的作用。超快速超声成像是所有超高扫查帧率的超声成像技术的统称,其中以平面波成像的研究最为全面与深入,其应用也最为广泛。与传统的聚焦成像技术相比,平面波成像系统的扫查帧率更高、实时性更好、成像质量更好,尤其是在多普勒成像方面具有更优秀的表现。超声多普勒成像技术在对于动脉硬化的诊断与预防工作中起到了重要的作用。临床诊断中常与其他检测技术相配合,实现对动脉血管的弹性和血流特性的综合诊断。本文提出了基于平面波成像的动脉硬化检测方法,通过超声系统独立完成对血管弹性和血流特性的检测工作。本文研究的基础是超声建模与数据仿真。通过研究血流的速度特点与血管壁的运动规律,建立血管壁的仿真模型并利用Field II仿真软件对其进行平面波成像仿真,从而获取可预测结果的超声信号数据,以便对平面波成像功能进行研究和验证。基于平面波的彩色血流成像利用自相关估计算法通过时域超声信号计算出频域的平均频率,结合多普勒频移公式得到血流速度,最后将血流速度通过颜色映射显示成像,能够对血流速度和区域进行表示,进而实现对血管的结构形态的检测。脉搏波速度检测技术通过对血管壁运动状态的检测分析实现对脉搏波速度的检测,通过脉搏波成像得到的血管壁速度图谱中血管壁速度的变化规律,可以对局部血管的弹性变化规律进行定性的分析和预测。最后,利用具有硬化斑块的血管模型进行仿真,分别对血流速度检测功能和脉搏波速度检测功能进行仿真和分析,在验证功能的准确性的同时,观察硬化斑块对血流速度和脉搏波速度的影响。

关键词：平面波成像彩色血流成像多普勒成像脉搏波速度硬化斑块

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基于深度学习神经网络的高质量平面波成像

基于深度学习神经网络的高质量平面波成像

作者：左昊西南石油大学

学位级别：硕士

医学超声成像(US)因其无创,经济,实时成像的特性与计算机断层扫描(CT),和核磁共振成像(MRI)成为了临床诊断当中最常用的三种医学影像技术。平面波超声成像由于其高帧率的特点,可以进行超快速超声成像来分析人体内快速变化的物理现象。... 详细信息

医学超声成像(US)因其无创,经济,实时成像的特性与计算机断层扫描(CT),和核磁共振成像(MRI)成为了临床诊断当中最常用的三种医学影像技术。平面波超声成像由于其高帧率的特点,可以进行超快速超声成像来分析人体内快速变化的物理现象。例如心血管系统中的超灵敏血流成像或者是剪切波弹性成像。但是由于平面波无聚焦发射的特点,单次发射的平面波成像在横向分辨率,信噪比和对比度方面获得的图像质量较低,与传统的聚焦波超声成像相比,平面波成像具有更宽的主瓣和更强的衍射伪影,这是由旁瓣和栅瓣引起的。传统的提升平面波图像质量的方法是相干复合方法,但是这样就需要在复合角度数量和高图像质量之间做权衡,相干复合角度的数量极大的限制了平面波超声成像的帧率。并且在分析快速变化的人体现象时,平面波相干复合方法假设重建单帧的采集过程中是静止的,但是实际中显然不符合,因此会产生强烈的运动伪影。因此本文采用深度学习的方法,通过神经网络模型重建单次发射的平面波射频(RF)信号,使单平面波的RF信号的相位信息相似于多个角度相干复合后的RF信号的相位信息,从而解决平面波成像中帧速率与图像质量之间的矛盾,以及解决多个角度相干复合时可能产生的运动伪影问题。本文的具体工作分为:(1)通过加入可变卷积和判别器提升U-Net网络的重建能力,从而提升单角度平面波的图像质量;(2)通过相位约束提升在单角度平面波上进行位移追踪的准确度。而对于两部分工作的主要方法是使用深度学习网络来重建单角度平面波的RF信号。传统的U-Net网络对RF信号进行推理训练时存在很大的缺陷。通过U-Net网络对于单角度平面波和75个角度相干复合平面波的RF信号之间的非线性映射的建立存在很大的误差,所以相位信息的重建非常不准确。本文的实验部分使用计算机模拟数据、仿体体模数据和健康志愿者的劲动脉横轴和纵轴、肌肉超声数据进行实验验证。实验结果表明,分别使用了可变卷积,相位约束和判别器的方法相比于传统的U-Net网络在位移估计图像中有了更平滑的效果改善,在B-模式超声图像上获得了更清晰的组织结构和组织的边缘轮廓,解决了U-Net网络重建后导致的图像退化问题,并且三种改进措施相比传统的U-Net网络在计算机模拟数据中的局部具有低的均方根误差(RMSE),在仿体数据和健康志愿者的劲动脉横轴和纵轴、肌肉数据中有更高的峰值信噪比(PSNR)和相似性系数(SSIM)。而将三种方法融合到一个网络中进行训练在位移估计图像,B-模式超声图像上获得了最好的改进效果,同时取得了最低的RMSE值和最高的PSNR和SSIM值。说明本文提出的方法可以有效的改进U-Net网络重建单角度平面波的图像质量和提升位移估计的准确度,最终在保留平面波高帧率的优势下获得高质量的图像质量,获得平面波成像的全部潜力。本文的研究利用可变卷积、判别器和相位约束,提出了一种新颖的超声RF信号的重建方式,拓宽了高帧率、高图像质量的超声成像思路。相比于传统的高频成像方式,该方法能在同等的帧率下得到更高的图像质量。而相比于传统的通过U-Net网络重建超声RF信号的方式,该方法可以在近似相等的消耗上得到更好的重建效果。通过该方法有望实现更高时空分辨率的新型超声成像。

关键词：超声成像深度学习相位约束可变卷积位移估计图像重建平面波成像

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基于超快超声平面波成像的医学超声探头改进

北京生物医学工程 2016年第4期35卷 353-359页

作者：郭宁王丛知郑海荣叶为镪中国科学院深圳先进技术研究院广东深圳518055

目的基于平面波发射/接收原理的超快超声成像技术近年来已成为国际医学超声领域的研究热点,有望取代传统的聚焦扫描式超声成像技术。传统方式受其成像模式的限制,无法实现高帧频成像,而通过平面波发射以及相干复合方法,可大大提高超声... 详细信息

目的基于平面波发射/接收原理的超快超声成像技术近年来已成为国际医学超声领域的研究热点,有望取代传统的聚焦扫描式超声成像技术。传统方式受其成像模式的限制,无法实现高帧频成像,而通过平面波发射以及相干复合方法,可大大提高超声成像的帧频。本文提出一个新的设想,即采用高程方向无聚焦换能器(non-elevation-focused probe,NEFP),相对于传统的高程方向有聚焦换能器(elevation-focused probe,EFP),可能有助于进一步提高超快超声成像技术的成像效果。方法首先简要介绍平面波相干复合成像的原理和方法,进而通过FieldⅡ软件仿真,验证相干复合成像方法对平面波成像图像质量的提升效果。最后,通过仿真和实验实现探头高程方向的发射声束聚焦模式,并对上述2种模式换能器的平面波成像效果进行了对比分析。结果使用平面波复合成像算法得到很好的成像效果,两种探头经对比,NEFP探头成像图像的对比度相对于EFP探头明显增强。结论对于超快超声成像方法,使用NEFP超声探头可以取得更优的成像效果。

关键词：平面波成像超声探头相干复合成像高程方向

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超声平面波经颅成像相位校正方法

应用声学 2021年第1期40卷 1-10页

作者：宋亚龙苏畅李倩岩林伟军中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心北京100190

超声平面波经颅成像时,由于颅骨对超声传播的影响引起图像质量下降,需要对颅骨造成的超声相位畸变进行校正。为此,该文研究了两种相位补偿方法:基于近似射线声学的理论方法和基于时间反转的数值计算方法,并利用数值仿真对比了两种方法... 详细信息

超声平面波经颅成像时,由于颅骨对超声传播的影响引起图像质量下降,需要对颅骨造成的超声相位畸变进行校正。为此,该文研究了两种相位补偿方法:基于近似射线声学的理论方法和基于时间反转的数值计算方法,并利用数值仿真对比了两种方法的补偿和成像效果。结果表明:无论使用近似射线法还是时间反转法,都能够有效地校正因颅骨造成的相位畸变;时间反转法成像的精度和结果要好于近似射线法,但所需的计算资源和时间都要远远大于近似射线法;两种方法与平面波相干复合方法结合都能够一定程度上提高成像的对比度和分辨率。该研究结果为超声经颅脑成像方法研究和设备研发提供了理论指导和技术支持。

关键词：经颅超声平面波成像时间反转数值模拟

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深度学习颅骨重建和平面波经颅超声成像方法

声学学报 2024年第3期49卷 381-391页

作者：周江锦郭远洋周宸宸许凯亮复旦大学信息科学与工程学院生物医学工程系上海200438 复旦大学脑科学前沿科学中心上海200432 复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室上海201203

为解决颅骨声阻抗失配导致平面波经颅超声成像质量下降的问题,提出一种基于深度学习的颅骨重建技术,结合快速行进法可实现平面波经颅成像的相位畸变校正。根据人类颅骨CT图像设置颅骨形状进行数值仿真,颅骨重建的时间开销为0.97 s,基于... 详细信息

为解决颅骨声阻抗失配导致平面波经颅超声成像质量下降的问题,提出一种基于深度学习的颅骨重建技术,结合快速行进法可实现平面波经颅成像的相位畸变校正。根据人类颅骨CT图像设置颅骨形状进行数值仿真,颅骨重建的时间开销为0.97 s,基于重建结果计算平面波的走时平均相对误差约为0.25%,单点目标散射波走时平均相对误差约为0.76%。经颅仿体实验中,强回声点目标图像经过校正之后,平均位置偏移从1.42 mm减少为0.28 mm,半峰全宽从1.82 mm减少为0.99 mm;圆形目标图像经过校正后对比度噪声比从7.5 dB提升为9.8 dB,偏心率从0.31降低为0.24。以上结果表明,该方法能够准确计算经颅超声的走时并且显著改善成像的质量,可用于经颅脑超声成像的相位畸变校正。

关键词：平面波成像经颅超声相位畸变校正快速行进法深度学习

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基于相位迁移的超声平面波多层皮质骨成像

物理学报 2023年第15期72卷 127-136页

作者：张芸芸李义方石勤振许乐修戴菲邢文宇他得安复旦大学信息科学与工程学院生物医学工程中心上海200438 复旦大学工程与应用技术研究院上海200438

皮质骨是一种高衰减、各向异性、高声阻抗的多层生物组织.其结构和材料特性导致高频超声难以穿透其多层结构,从而获取高质量图像.传统超声动态聚焦成像以均匀声速假设为前提,且受制于发射能量和帧率,难以实现多层结构的准确、快速重建,... 详细信息

皮质骨是一种高衰减、各向异性、高声阻抗的多层生物组织.其结构和材料特性导致高频超声难以穿透其多层结构,从而获取高质量图像.传统超声动态聚焦成像以均匀声速假设为前提,且受制于发射能量和帧率,难以实现多层结构的准确、快速重建,限制其临床应用的推广.针对以上问题,本文提出一种基于相位迁移的平面波骨成像方法(PSM-PW-VI),实现了皮质骨多层结构的精确和快速重建.首先利用超声走时反演估计成像区域的声速分布;然后应用频域相位迁移平面波相干复合方法并行重建上下两个相控阵探头对应的超声图像;最后将两幅图像融合得到完整的皮质骨超声图像.仿真、仿体、离体实验共同验证了该方法的有效性.无论是三层还是五层模型的皮质骨,其厚度的平均误差均小于0.2 mm,相对误差小于7%.此外,与基于相位迁移合成孔径(PSM-SA)方法相比,在相同的工作频率下,该方法具有更深的成像深度和更快的成像速度.实验结果表明,该方法是一种准确高效的皮质骨超声成像方法,对超声骨成像技术的发展和临床研究具有一定的借鉴意义.

关键词：平面波成像皮质骨多层介质频域

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平面波经颅超声成像相位校正及散斑跟踪

应用声学 2022年第1期41卷 132-142页

作者：李倩岩苏畅林伟军郑音飞武小晴中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心北京100190 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院杭州310027 之江实验室超级感知研究中心杭州311100

准确的脑血流成像对脑功能监测和脑疾病的快速诊断具有重要意义,然而颅骨对超声传播的影响会导致成像质量下降、速度或位移估计不准确等问题。论文采用平面波相干复合结合散斑跟踪方法进行颅内散射目标成像和速度估计,以实现脑血流速度... 详细信息

准确的脑血流成像对脑功能监测和脑疾病的快速诊断具有重要意义,然而颅骨对超声传播的影响会导致成像质量下降、速度或位移估计不准确等问题。论文采用平面波相干复合结合散斑跟踪方法进行颅内散射目标成像和速度估计,以实现脑血流速度矢量检测;针对颅骨存在导致的超声相位畸变,利用数值仿真和体模实验研究了其对成像及散斑跟踪效果的影响,并采用近似射线声学理论方法进行校正。数值结果表明颅骨的存在造成目标运动速度估计的相对误差达到55%左右,校正后误差降至约12%;体模实验中对目标位移大小和角度估计的平均误差在校正前分别约为16%和28%,校正后均降至1%左右。该研究结果可为超声颅脑疾病诊疗设备的研制提供理论指导和技术支持。

关键词：平面波成像相干复合散斑跟踪经颅超声

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平面波超声成像中的波束合成方法研究进展

应用声学 2021年第1期40卷 22-32页

作者：张经科何琼罗建文清华大学医学院生物医学工程系北京100084 清华大学-北京大学生命科学联合中心北京100084

平面波成像通过单次全孔径发射-接收即可获取整幅图像,将成像帧频显著地提升至1000帧/秒以上。然而,平面波成像过程中发射的非聚焦波束将导致回波信号信噪比降低,进而使图像的分辨率和对比度变差。通过多角度相干复合成像技术可以改善... 详细信息

平面波成像通过单次全孔径发射-接收即可获取整幅图像,将成像帧频显著地提升至1000帧/秒以上。然而,平面波成像过程中发射的非聚焦波束将导致回波信号信噪比降低,进而使图像的分辨率和对比度变差。通过多角度相干复合成像技术可以改善平面波成像的图像质量,但是会以牺牲帧频为代价。因此研究人员们开始将新型波束合成技术引入平面波成像中,例如自适应波束合成、基于逆问题求解的波束合成及基于深度学习的波束合成方法等,以期实现图像质量和成像帧频间更好的权衡。该文综述了平面波成像中的新型波束合成方法领域的研究进展,并对该应用进行了总结和展望。

关键词：自适应波束合成深度学习逆问题求解平面波成像