基于编码激励与自适应波束形成的骨关节超声成像评价方法研究

Ultrasound has shown promising potential in bone arthrosis evaluation, with the advantages of reflecting the pathological material change and anatomical structure of the soft and hard articular tissues. This project focuses on the methodology for bone arthrosis evaluation using ultrasonic imaging based on coded excitation and adaptive beamforming. The main contents are as following: (1) study the acoustic characteristic of the soft and hard tissues in bone arthrosis, and investigate the ultrasonic propagation in complex bone joint system with theoretical analysis, numerical simulation and ultrasonic experiments; (2) study signal enhancement methods for ultrasonic transmission in cortical bone and compensation methods for the influences of multiple reflections in cortical bone on ultrasonic arthrosis measurements, and enhance the diagnostic performance of ultrasonic arthrosis evaluation; (3) study ultrasonic coded excitation and pulse compression techniques, and improve the signal-to-noise ratio in ultrasonic arthrosis measurements; (4) study ultrasonic adaptive beamforming algorithms and improve the resolution of ultrasound imaging of bone arthrosis. This project will propose a high-resolution and high-contrast ultrasonic imaging method for bone joint system, which provides an effective ultrasonic evaluation for the soft and hard tissues in bone arthrosis. . The research achievements of this project will comprehensively promote and enrich the theory for ultrasound propagation and imaging in complex medium, such as bone joint system. This project also provides a noninvasive, convenient and real-time ultrasonic diagnosis for bone joint disease, with important practical significance for arthrosis evaluation and health recovery monitoring.

超声可以反映骨关节软硬组织病理材料特性及解剖学结构特征，在骨关节评价方面极具潜力。本项目拟研究基于编码激励与自适应波束形成的骨关节超声成像评价方法，主要内容有：（1）理论、仿真和实验研究骨关节软硬组织的声学特性，理清复杂骨关节系统中的超声传播规律；（2）研究皮质骨超声透射信号增强技术及多次反射波影响补偿方法，增强骨关节超声诊断能力；（3）研究超声编码激励与脉冲压缩技术，改善骨关节超声测量的信噪比；（4）研究超声自适应波束形成技术，提高骨关节超声成像的分辨率。项目突破传统超声对骨骼组织成像技术难题，提出适合骨关节系统的高分辨率、高对比度的超声成像方法，为骨关节软硬组织病变和损伤提供全面有效的超声评价技术。.本项目研究结果有助于全面促进和发展骨关节等复杂介质中超声传播和成像理论，为骨关节病变提供安全、便捷、实时的超声诊断技术，对骨关节损伤评价及康复监护具有重要的实际意义。

超声在骨组织中传播衰减大、穿透性差，导致骨超声回波信号弱，检测信噪比低，成像对比度差。骨骼硬组织超声成像是骨关节超声评价的关键难题，相关超声传播理论、检测方法和成像技术亟待研究与突破。本项目旨在研究新型的骨骼系统超声成像方法，促进骨骼系统及骨关节超声成像与评价应用。本项目的主要研究内容为：（1）研究了骨骼软硬组织中的超声传播特性及超声传播规律，提出了骨骼超声透射增强及相关影响补偿方法，明确超声在复杂骨骼关节系统中的传播规律；（2）研究了骨骼超声频散衰减测量与补偿方法，增强骨关节与骨骼系统超声测量及诊断能力；（3）研究了相干因子和最小方差结合的自适应波束形成方法、基于声速预测和声速不均匀校正的骨骼超声成像方法、全波反演的新型骨骼超声层析成像等方法，突破传统超声对骨骼组织的成像限制，提出了适合骨骼系统的高分辨率、高对比度的超声成像方法；（4）开展在体测试与临床测量，为骨骼软硬组织病变和损伤提供安全、便捷、实时的超声评价技术，促进骨骼超声测量与评价的临床应用。项目执行期间在本领域重要学术刊物上已发表/录用学术论文16篇（其中SCI论文14篇，EI论文2篇），国际/国内邀请及会议报告10余人次，参与组织举办2021年全国声学大会，申请专利5项，培养本领域硕士/博士研究生7名。基于本项目的研究成果和相关基础，项目负责人获批2021年国家优秀青年科学基金资助，获得科研奖励3项（包括上海市自然科学二等奖、日内瓦国际发明金奖等）。本项目研究结果突破传统超声对骨骼组织成像技术难题，有助于促进和发展骨关节等复杂介质中超声传播和成像理论，为骨骼病变提供安全、便捷、实时的超声诊断技术，对骨关节损伤评价及康复监护具有重要的实际意义。