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振动声成像系统分辨率研究

应用声学 2006年第5期25卷 309-318页

作者：何培忠夏荣民段世梅寿文德徐州师范大学物理系徐州221116 上海交通大学生物医学工程系上海200030

本文从振动声成像的基本原理出发,通过引入点扩展函数PSF和定义轴向响应函数ARF,研究了由凹球面聚焦换能器分割而成的一种典型共焦换能器参数对振动声成像系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。计算研究表明:增大凹球面换能器的口径、减... 详细信息

本文从振动声成像的基本原理出发,通过引入点扩展函数PSF和定义轴向响应函数ARF,研究了由凹球面聚焦换能器分割而成的一种典型共焦换能器参数对振动声成像系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。计算研究表明:增大凹球面换能器的口径、减小几何焦距和提高中心频率均可以提高系统的侧向分辨率和轴向分辨率;但改变凹球面换能器的分割比例对两种分辨率影响不尽相同。综合考虑超声换能器激励、聚焦性能以及产生的辐射力效果等因素,则换能器应按等辐射面积原则分割为宜。文中还分析了介质的声衰减系数对实际轴向分辨率的影响。

关键词：振动声成像两种分辨率点扩展函数轴向响应函数

基于双频HIFU换能器的振动声成像及其靶组织损伤区域检测研究

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传感技术学报 2024年第7期37卷 1135-1143页

作者：罗婕妤曹琳娜确太降初周小伟李雁浩重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室重庆400016 超声医疗国家工程研究中心重庆401121

HIFU作为一种无创、无电离辐射的物理治疗技术已经被用于各种良、恶性实体肿瘤的治疗。但HIFU临床治疗依然面临一个关键问题:基于传统的超声影像依然不能对HIFU治疗后靶组织损伤的区域进行清晰成像。针对该问题,将振动声成像方法引入到H... 详细信息

HIFU作为一种无创、无电离辐射的物理治疗技术已经被用于各种良、恶性实体肿瘤的治疗。但HIFU临床治疗依然面临一个关键问题:基于传统的超声影像依然不能对HIFU治疗后靶组织损伤的区域进行清晰成像。针对该问题,将振动声成像方法引入到HIFU治疗系统中,将常规单频激励的HIFU换能器改造成双频HIFU换能器,并利用该换能器进行双频HIFU治疗及靶组织损伤区域的振动声成像。基于该系统首先研究了不同频差对换能器聚焦性能和焦域尺寸的影响以及不同结构的仿体组织、不同成像深度对振动声成像质量的影响。然后,以仿体和离体组织作为HIFU辐照对象,开展了HIFU辐照靶组织损伤区域可视化的振动声成像实验。实验结果表明:不同结构和特性仿体组织的振动声成像对比度较好、空间分辨率较高。此外,当HIFU辐照仿体和离体组织后,基于该成像方式能够实现靶组织损伤区域的可视化,这有望为HIFU治疗后靶组织的损伤区域检测提供一种有应用前景的解决方案和途径,提高HIFU治疗的有效性和安全性。

关键词：双频聚焦超声振动声成像低频振动声信号空间分辨率

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基于大张角双频聚焦换能器的振动声成像

中国医学物理学杂志 2024年第5期41卷 554-562页

作者：曹琳娜罗婕妤确太降初周小伟李雁浩重庆医科大学生物医学工程学院/超声医学工程国家重点实验室重庆400016 超声医疗国家工程研究中心重庆401121

为提高振动声成像方法的空间分辨率,采用大张角双频聚焦换能器构建改进的振动声成像系统。基于该系统,以仿体为实验对象,探究振动声成像空间分辨率,测试该成像方法在不同声学特性仿体上的成像效果,研究接收水听器位置、差频对振动声成... 详细信息

为提高振动声成像方法的空间分辨率,采用大张角双频聚焦换能器构建改进的振动声成像系统。基于该系统,以仿体为实验对象,探究振动声成像空间分辨率,测试该成像方法在不同声学特性仿体上的成像效果,研究接收水听器位置、差频对振动声成像结果的影响,并使用k-Wave建立仿真模型探究换能器元件分布对振动声成像结果的影响。结果表明基于大张角双频聚焦换能器的振动声成像系统空间分辨率较高,对声学特性不同的仿体成像具有良好的对比度和特异性,接收水听器的位置和换能器元件分布对成像结果影响较小,差频的选取对成像质量至关重要。该研究有望为振动声成像技术的发展进步提供新思路,推动该技术进一步走向实际应用。

关键词：大张角双频聚焦换能器超声激发声发射振动声成像空间分辨率聚焦超声

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大张角共焦换能器对振动声成像的影响

应用声学 2018年第5期37卷 751-757页

作者：戚萌刘晓宙刘杰惠毛一葳南京大学声学研究所近代声学教育部重点实验室南京210093

振动声成像是超声成像的一种重要形式,它可以得到包含共焦区组织的弹性信息和声衰减信息的信号,将接收到的信号用于成像即可获得反映组织特性的图像。该文对大张角共焦换能器作用下振动声成像中声辐射力和切变位移进行了理论计算和数值... 详细信息

振动声成像是超声成像的一种重要形式,它可以得到包含共焦区组织的弹性信息和声衰减信息的信号,将接收到的信号用于成像即可获得反映组织特性的图像。该文对大张角共焦换能器作用下振动声成像中声辐射力和切变位移进行了理论计算和数值模拟,并通过改变张角变化及频率大小研究其对声辐射力和切变位移的影响。这项工作为大张角共焦换能器在振动声成像中的应用提供了理论支持。

关键词：振动声成像声辐射力剪切波位移

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用于振动声成像仪的差频超声波电源的研制

用于振动声成像仪的差频超声波电源的研制

作者：靳广超重庆大学

学位级别：硕士

近年来,基于生物组织弹性参数的超声成像受到人们的重视。然而,超声成像只局限在声束轴线的方向上;而且由于受成像系统空间分辨率、散斑噪声以及在声程上波束相位畸变等因素的影响,使较小的病灶难以发现。Fatemi和Greenleaf在《Scince... 详细信息

近年来,基于生物组织弹性参数的超声成像受到人们的重视。然而,超声成像只局限在声束轴线的方向上;而且由于受成像系统空间分辨率、散斑噪声以及在声程上波束相位畸变等因素的影响,使较小的病灶难以发现。Fatemi和Greenleaf在《Scince》杂志发表论文,提出了振动声成像原理。该方法用两束有微小频率差⊿f的共焦超声波聚焦于生物组织内部某点,使共焦区域组织受到一个交变辐射力的作用而振动,从而向外辐射频率为⊿f的声波,这一现象被称为超声激发声发射。信号包含了共焦区组织的弹性信息和声衰减信息并可用水听器接收,将其用于成像即可获得反映组织特性的图像,这就是振动声图像。根据振动声成像仪的需要,设计了一种差频超声波电源。专门用于产生振动声成像仪所需的具有较高的频率稳定度,高的频率分辨率,且频率在较大的范围内可方便的分别进行调节的两列超声波激励信号。对比了几种频率合成方案的优劣,确定以DDS技术为核心,采用DDS芯片来产生所需正弦波。本课题研究内容主要包括:设计具有较小频率差的两路直接数字频率合成模块;射频放大模块;峰值检测模块及UART转USB桥接电路。本文介绍了振动声成像原理;对比了几种频率合成的方案的优劣,最后选定采用直接数字频率合成芯片AD9852来产生精确的具有固定的频差⊿f的两个稳定的正弦波,具体介绍了AD9852的操作方法和编程思路,设计了七阶低通椭圆滤波器、功率放大电路和峰值检波电路并进行了相应的仿真;设计了方便的人机接口,通过UART转USB接口可以方便的与上位机进行通信。编制了系统软件并对仪器进行了测试。实验部分,进行了编制程序使AD9852产生所需特定频率的实验,并用频率计测量进行比照,用示波器观察波形。对放大后的信号也进行了同样的实验。论文最后总结了研究成果和仪器需要改进的地方。

关键词：振动声成像超声直接数字频率合成射频功率放大

基于大张角双频聚焦超声换能器的振动声成像研究

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基于大张角双频聚焦超声换能器的振动声成像研究

作者：曹琳娜重庆医科大学

学位级别：硕士

振动声成像是非侵入性检测领域广泛研究和探索的热点,其成像所用的声发射信号与组织的声学特性和机械特性密切相关。然而,振动声成像在进一步提高分辨率和改善经非均匀介质成像准确性方面仍受到超声波折射和衍射等因素的制约,对振动声... 详细信息

振动声成像是非侵入性检测领域广泛研究和探索的热点,其成像所用的声发射信号与组织的声学特性和机械特性密切相关。然而,振动声成像在进一步提高分辨率和改善经非均匀介质成像准确性方面仍受到超声波折射和衍射等因素的制约,对振动声成像的实际应用之路造成了阻碍。本课题利用大张角换能器的聚焦焦域尺寸小和经非均匀介质聚焦准确的优势,将其与振动声成像相结合,构建采用大张角双频聚焦超声换能器的新型振动声成像实验系统,从而达到提高振动声成像分辨率和经非均匀介质成像准确性的目的,有望为临床影像诊断提供新方法。使用在工程和科研实践中广泛应用的k-Wave声学工具箱,在线性条件下对大张角双频聚焦超声换能器进行声场仿真研究,基于点扩散函数和轴向响应函数分析换能器不同分瓣数、差频和孔径高度对系统分辨率产生的影响。参照仿真结果,使用1-3型压电复合材料设计制作大张角双频聚焦超声换能器,基于该换能器搭建了由多个部分组成的完整的振动声成像实验系统。对搭建的系统进行一系列测试,对换能器进行阻抗匹配和声场扫描;使用琼脂仿体和交叉铜线对系统成像可行性进行测试;对成像所用差频的选取进行测试;使用直径为500μm的铜线对小张角双频扇形阵列聚焦超声换能器和大张角双频聚焦超声换能器的振动声成像系统侧向分辨率进行对比测试;对使用小张角双频扇形阵列聚焦超声换能器和使用大张角双频聚焦超声换能器的振动声成像实验系统经非均匀介质的成像焦点偏移和畸变情况进行对比测试。在系统性能和成像测试结果均表现良好的基础上,探究基于大张角双频聚焦超声换能器的振动声成像实验系统对声学参数不同的复合仿体组织和放置于仿体中的离体牛心组织和猪里脊组织的成像能力;最后进一步探究大张角双频聚焦超声换能器聚焦效果的优越性,穿过对超声波衰减和畸变极强的大鼠颅骨对颅内软组织进行振动声成像。声场仿真结果表明,系统分辨率几乎不受换能器分瓣数和差频的影响,换能器孔径高度的增加对系统侧向分辨率和轴向分辨率产生的影响相反。通过声场扫描得到系统侧向分辨率约为0.82 mm,轴向分辨率约为1.74 mm,换能器聚焦性能良好。对琼脂仿体和交叉铜线的成像结果显示出系统能够正确采集振动声成像所需的声发射信号,精准区分不同物质并准确呈现微小物体的存在状态。选取不同材料的仿体的幅频曲线上具有代表性的差频进行振动声成像,成像结果表明选取不同材料的仿体中差异较大的超声激发声发射信号幅值对应的差频能够明显改善振动声图像质量。两个使用不同换能器的振动声成像系统侧向分辨率对比实验结果表明,使用大张角换能器的振动声成像系统侧向分辨率明显提高,约为0.75 mm。大张角双频聚焦超声换能器的使用使得超声波通过非均匀介质交界处的衍射和折射效果减弱,增强了超声波聚焦能力,确保焦点位于所需位置且形状偏差较小。系统具备区分声学参数不同的复合仿体组织的能力,显示出了在识别组织病变方面的广阔应用前景,能够实现对放置于仿体中的离体牛心组织和猪里脊组织成像。得到了大鼠颅骨轮廓的清晰图像,突破了颅骨对超声波传播阻碍,验证了大张角双频聚焦超声换能器在聚焦性能上的优势,拓宽了振动声成像的应用范围。本研究成功构建了性能和成像结果良好的基于大张角双频聚焦超声换能器的振动声成像实验系统,使用该系统实现了振动声成像侧向分辨率的进一步提高并减少了经非均匀介质的振动声成像焦点偏移和焦束畸变情况,突破了骨组织对振动声成像的限制。为大张角双频聚焦超声换能器在振动声成像中的应用提供理论和实验基础,推动振动声成像的发展迈入新的里程碑。

关键词：振动声成像超声激发声发射大张角双频聚焦超声换能器侧向分辨率焦点偏移

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振动声成像技术的研究进展

临床医学进展 2024年第2期14卷 3866-3874页

作者：李雪程潇潇蒋幼凡胡天洋重庆医科大学附属第二医院呼吸与危重症医学科重庆重庆市南岸区第三人民医院内一科重庆重庆医科大学附属第二医院超声科重庆重庆医科大学附属第二医院精准医学中心重庆

自1998年梅奥医学中心的Fatemi M、Greenleaf JF提出超声激发振动声成像(ultrasound-stimulated vibro-acoustic spectrography)的概念,即简称的振动声成像(vibro-acoustography),多年来国内外众多学者围绕此技术做了大量研究,尤其是在微钙化的检测领域作了大量工作,使该成像技术得到蓬勃的发展。振动声成像是振动声技术应用最广泛的领域,本文以振动声成像为切入点,对振动声技术的研究进展作一综述。

关键词：振动声成像超声成像声辐射力微钙化

基于振动声成像的HIFU靶组织损伤区域可视化研究

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基于振动声成像的HIFU靶组织损伤区域可视化研究

作者：朱巧苗重庆医科大学

学位级别：硕士

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultraacoustic,HIFU)在微无创治疗肿瘤方面具有巨大的潜力,为确保HIFU治疗既能完全消融病变组织,又不损害周围正常组织,靶组织的损伤监控显得尤为重要。鉴于现有靶组织损伤监控方法仍然存在灵敏... 详细信息

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultraacoustic,HIFU)在微无创治疗肿瘤方面具有巨大的潜力,为确保HIFU治疗既能完全消融病变组织,又不损害周围正常组织,靶组织的损伤监控显得尤为重要。鉴于现有靶组织损伤监控方法仍然存在灵敏度低以及损伤位置监控不精准等问题,本课题立足于HIFU靶组织损伤区域可视化需求,基于振动声成像技术,将双频治疗换能器用作成像检测换能器,实现靶组织损伤区域可视化,从而评估损伤区域的位置、大小及形状。该技术易于与HIFU临床相结合,从而实现聚焦超声诊疗一体化。本研究首先基于振动声成像理论,通过仿真分析了扇形阵列聚焦换能器的分割阵元数、中心频率、差频和焦距对系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。仿真结果表明:增大扇形换能器的分割阵元数、提高换能器中心频率和减小换能器焦距均可以在一定程度上提高系统分辨率,且不同的差频值对系统分辨率的影响可以忽略不计。然后根据仿真结果,基于8阵元扇形聚焦换能器搭建了双频HIFU治疗及振动声成像一体化系统,对换能器的性能进行了测试,主要包括电阻抗匹配、电声转换效率测试和不同差频下的声场扫描,其电声转换效率测试结果在70%以上,不同差频下的声场扫描结果表明其焦域短轴值在1.27mm-1.60mm之间,满足实验需求。随后,使用“单线法”对系统的侧向分辨率进行了测试,结果为1.23mm,与仿真结果具有良好的一致性。此外,基于该系统进行了一些成像实验测试,结果表明该系统能对具有不同特性的物体进行成像,为下一步损伤区域可视化做好了研究准备。最后,在前述研究的基础上,先对仿体进行了不同深度下的消融及其损伤区域的成像检测研究。实验结果表明仿体的实际损伤区域位置、大小及形状均与检测成像图中的损伤区域有良好的对应关系,且在不同成像深度下,其对比度基本保持一致。随后,在仿体实验的基础上,对三种不同类型的离体组织进行了HIFU消融,并对其损伤区域进行了成像检测研究。结果表明该系统可以对不同离体组织的损伤区域进行可视化,且成像检测结果图中的损伤区域与实际的损伤区域具有较好的对应关系。本研究针对现有HIFU靶组织损伤区域检测方式存在的局限性,提出了基于振动声成像的靶组织损伤区域可视化成像,该方法可以在不改变原有HIFU治疗模式的情况下实现靶组织损伤区域的评估,为聚焦超声的靶组织损伤区域监测提供了一种具有一定应用前景的方案和手段。

关键词：高强度聚焦超声振动声成像损伤区域可视化治疗检测一体化

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超声激发振动声成像实验系统的设计

声学技术 2011年第1期30卷 78-83页

作者：何培忠程海凭寿文德上海理工大学医疗器械高等专科上海200093 上海交通大学生物医学工程系上海200030

根据超声激发振动声成像的基本原理,设计并构建一个能获得振动声图像的实验系统。该系统由高频信号部分、超声发射及传播部分、低频信号处理和计算机处理与控制等四部分构成。实验表明,该系统能获得生物仿体或软组织内刚性物体的振动声... 详细信息

根据超声激发振动声成像的基本原理,设计并构建一个能获得振动声图像的实验系统。该系统由高频信号部分、超声发射及传播部分、低频信号处理和计算机处理与控制等四部分构成。实验表明,该系统能获得生物仿体或软组织内刚性物体的振动声图像,为进行生物组织的振动声成像研究提供了基础;通过采用更高灵敏度的低频水听器和改善共焦换能器的分辨力,可进一步提高成像质量。

关键词：振动声成像共焦换能器差频波超声激发声发射