并发声辐射力场下的快速剪切波弹性成像激励方法研究

Shear Wave Elasticity Imaging (SWEI) which take advantage of quantitative measurement of elasticity in deeper biological soft tissues is a transient method of biomedical ultrasound elastography. Techniques capable of estimating stiffness or elasticity of tissue can contribute in the assessment of various diseases. However, SWEI is lacking in efficiency and reliability in actual clinical diagnosis. The major reasons for these are that the excitations of shear wave are limited by the conventional beamforming methods, and with energy dissipation of the grating lobe, the propagation of shear wave is difficult to track. In the present study, combining beamforming method and acoustic radiation force directivity study, an exciting method with Single-push Multi-angle Compounding (SMC) acoustic radiation force was presented to improve efficiency of excitation, the theoretical limit on frame rate and confidence coefficient of ultrasound elastograms. Then a real-time quantitative tissue elastography experiment was set to verify the effectiveness, accuracy and biosecurity of these methods. The results will uncover the physical causes of the divergent directional exciting beam and the essential coupling mechanism in the interaction of multi-shear wave. This approach suggest a positive promotion on the clinical feasibility of shear wave imaging.

利于深层生物软组织定量弹性信息测量方法的剪切波弹性成像技术已成为超声成像诊断的新手段，在临床占位病变的表征和风险评估等方面具有重要意义。然而面临复杂的人体组织环境，该方法在成像效率和诊断置信度等方面尚有欠缺。主要原因是剪切波激励方式受限于传统波束合成方法，其结果造成输出形式单一，栅瓣能量逸散强，剪切波难以捕捉。项目结合波束合成方法与声辐射力场指向性研究，提出并发声辐射力场下的快速剪切波弹性成像新激励方法。通过建立单次激励产生多个自定义方向、焦距及能量的并发剪切波激励方法替代传统方法，提高现有剪切波弹性成像技术的激励效率、理论帧频极限和成像范围，并有效抑制盲区。运用上述方法进行生物组织定量剪切波弹性成像实验，验证本方法的高效性、准确性和生物安全性。研究结果将揭示发散指向性波束形成的物理原因和多组剪切波相互作用的耦合机理，对相关技术的临床应用拓展产生积极的推动作用。

用于深层生物软组织定量弹性信息测量的剪切波弹性成像技术已成为超声成像诊断的新手段，在临床占位病变的表征和风险评估等方面具有重要意义。然而面临复杂的人体组织环境，该方法在检测灵敏度、成像效率和诊断置信度等方面尚有局限。主要原因是，一方面剪切波激励方式受限于传统聚焦声束方法，其结果造成输出形式单一，栅瓣能量逸散强，剪切波难以捕捉；另一方面现有剪切波弹性成像算法局限于传统互相关方法，迭代型算法架构导致追踪算法耗时长，鲁棒性差。本论文在对生物组织力学模型、剪切波激励方式和成像算法等方面开展系统性研究基础上，主要开展了以下工作：.（1）针对生物软组织在瞬态冲击下的振动响应问题，建立声辐射力激励下生物组织产生剪切波的本构方程。利用各种超声阵列换能器物理参数（包括：阵元数、总长度、相邻阵元中心距、子阵元数、短轴方向阵元宽度等）建立空间波束指向性函数，研究超声辐射空间响应特性，为不同生物软组织激励产生剪切波的边界值及其传播特性定征提供支持；.（2）设计并实现一种新型单次激励产生多个自定义方向与焦距的并发声辐射力场，并进行声场测试验证；.（3）提出基于CrossMAC的剪切波衰减快速检测方法及其非迭代时域算法架构，解决剪切波粘弹性成像技术中的生物组织非线性粘性信息快速检测问题，开展基于仿体实验模型和离体组织实验模型的快速剪切波弹性成像实验研究，评估本方法在相同条件下与传统互相关和Time-to-Peak方法对剪切波粘弹性成像结果在灵敏度、成像帧频及准确性等方面的差异。