一种高重复频率激发电路下的高速超声内窥成像系统

光学相干层析-血管内超声联合（Optical coherence tomography intravascular ultrasound, OCT-IVUS）成像技术能同时弥补光学相干涉成像的低成像深度与超声成像的低分辨率,能够较为全面地进行血管内的易损斑块识别,但受血管内超声（Intravascular ultrasound, IVUS）技术超声激发重复频率限制,OCT-IVUS成像难以在高帧率成像的同时获得高成像线数,从而影响显示分辨率。为提升IVUS成像速度,同时不降低图像显示的分辨率,尝试应用高重频超声激发技术的方法解决这一难题。本文设计了一种50 kHz的高重频超声激发电路,并在此设计基础上研制了一种50 f/s的高速超声内窥成像系统;进而对系统性能进行测试。激发电路高压脉冲测试以及信噪比（Signal noise ratio, SNR）测试结果表明：激发电路可用于25 MHz超声换能器的激发,具有较高的SNR;应用此激发电路所研制的超声内窥成像系统能够在不降低显示分辨率的前提下提高成像速度,该系统技术能有效检出易损斑块,促进OCT-IVUS的临床应用,对心血管疾病的早期发现、诊断和预防具有一定价值。     

聚焦换能器的研制和在超声特征成像中的应用

为了提高对层状复合金属材料缺陷的成像分辨率,需要用高灵敏度的聚焦换能器.针对我们研制的(F-San)全自动超声特征成像系统,用钛酸铅做压电晶片,不同颗粒度的钨粉做声透镜和背衬的主要材料,研制了主频为10～20MHz宽带窄脉冲聚焦换能器,并用光学法拍摄了主频为10MHz的换能器的超声波声场在水中的聚焦过程及焦斑大小.在对层状复合金属材料检测时,缺陷的成像分辨率达0.5 mm.     

基于内窥超声环阵换能器的快速成像方法研究

随着超声快速成像技术的发展,诞生了一系列新型超声成像模态,大大提高了病变诊断的准 确性和特异性。但这些新技术都需要较高的成像帧率来实现对组织瞬时变化的精确追踪。然而目前已 有的几种快速成像算法都是基于线阵、凸阵以及平面阵的,还没有完全应用到内窥环阵换能器上,导 致这些新技术还无法很好地应用到内窥成像中。为此,该文研究了 3 种基于内窥超声环阵换能器的快 速成像方法,并进行了图像重建的理论推导以及仿真实验验证。结果表明,3 种快速成像算法都可以 将成像帧率提高到 1 kHz 以上,同时将横向分辨率限制在 2 mm 以内。     

在体全眼微血流超声超分辨成像

多类眼科疾病的早期阶段一般伴有血管的形态学和血流动力学改变,因此,全眼微血管评估对眼科疾病的综合诊断具有重要作用。由于光学成像技术的穿透深度有限,特别是在介质透光率低的情况下,现有的光学成像技术难以对整个眼睛的微血管进行可视化。为此,该文开发了一种超声超分辨成像技术,可以微米级分辨率可视化全眼三维微血管系统。首先,用中心频率为10 MHz的线性阵列快速采集多帧序列;其次,经过微泡信号提取,中心点定位,追踪和中心点叠加得到一个剖面的超分辨率图像;最后,将机械扫描的所有剖面重建为兔全眼三维超分辨率微血管图像。实验结果证明,超声定位显微镜可以显示整个眼睛的微血管系统,这对眼科疾病的早期诊断具有重要意义。     

超声成像检测中图像分辨率问题研究

针对检测系统中提高超声成像的分辨率问题展开研究,提出了将超分辨率图像重建技术应用于超声成像的方法,并给出了详细实施方案和可行性论证,进行了序列低分辨率图像获取和高分辨率图像重建的仿真实验,结果表明:提出的方法切实可行,对提高超声成像设备的分辨率具有参考价值。     

开放式的高分辨率超声成像系统

在医学和生物学研究当中,对活体组织进行无创性成像具有重要意义。高分辨率超声成像技术,可以对细微组 织实现高空间分辨率的成像,已被广泛应用于皮肤、眼睛、心血管和小动物成像等生物医学领域。目前领域内的相关研 究需要不同的成像系统参数,例如要求不同的探头性能、数据采集策略、信号处理以及图像重建、显示和保存方法。因 此需要一种灵活和开放的超声成像系统,能让用户根据各种研究需求实现个性化设置并能全面获取原始实验数据。文章 提出了一种实时的、便携式设计的开放式超声成像系统,可支持定制的高分辨率超声成像研究。系统基于高速现场可 编程逻辑门阵列(FPGA)实现灵活多样的超声成像。用户可以轻松地根据个性化应用需求来调整系统结构。测试结果表 明,本系统能实现 B 超成像、编码激励成像、多普勒成像、血管内成像、多模态组合成像等,为高分辨率生物医学应用 研究提供了非常灵活的成像工具。     

电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列.由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一S0模态兰姆波.实验研究了电磁超声换能器配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离)对S0模态兰姆波性能的影响.另外,将接收电磁超声换能器移动到用于接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列,实验研究了阵元间距和阵元数量对成像结果的影响.结果表明,通过相控虚拟聚焦成像方法,虚拟电磁超声换能器阵列的成像结果与实际损伤位置吻合良好.     

高速的血管内超声数据传输及成像

血管内超声（IVUS）成像技术能提供动脉粥样斑块的组织信息,便于医生对血管病变作出全面、准确的评价,已广泛应用于心血管疾病的诊断。针对现有的超声数据采集装置在传输速度、成本、灵活性等方面的不足,提出并实现了一种高速的血管内超声成像数据传输及成像方法。采集到的血管内超声信号经过处理后通过高速USB3.0接口传输到PC端,再进行对数压缩以及坐标变换等操作,最后实时显示图像。实际传输速率统计显示,传输速度稳定在2040Mb/s上下。血管仿体成像实验中管壁组织清晰、内腔轮廓平滑。     

基于CUDA的超声脉冲多普勒成像

医学超声脉冲多普勒成像模式是在临床超声成像系统中获得人体血管中血流分布情况的一种重要的检测工具,与传统的B超,彩超成像模式不同,超声脉冲多普勒成像模式不仅可以通过频谱图显示表示流过取样容积的血流速度变化和测定某一位置的血流,而且相比较于连续波式多普勒模式它可以消除多普勒信号的混叠效应提高检测的空间分辨率。但是脉冲多普勒系统在处理时涉及大量的复杂运算,例如FFT（快速傅里叶变换）和卷积运算等,使其难于应用到临床实时系统中。为此研究并提出了一种基于统一计算设备架构（CUDA）平台的超声脉冲多普勒成像系统的并行处理算法。该算法包括了壁滤波、频谱估计、移频处理和频谱显示后处理等处理步骤的并行实现。数据实验结果表明,基于CUDA的超声脉冲多普勒成像处理结果与基于CPU的实现相比,不仅可以得到相同质量的频谱图,而且可以取得较大的加速效果,满足实时系统需求;数据测试显示,对于65 535×20的信号数据能够达到1秒处理2 770条谱线的计算性能,速度提高了约140倍。     

生物医学光声成像技术及其临床应用进展

样品被短脉冲激光照射后会受激产生超声波,这种现象被称为光声效应。随着激光器技术及超声探测技术的进 步,基于此效应的光声成像技术已成为生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像作为一种混合型的成像方式, 结合了光学成像的高对比度和光谱识别特性,以及超声成像大穿透深度下仍具备较高分辨率的特点。光声成像技术不仅 可对包括血红蛋白、脂肪在内的多种组织成分进行高特异性成像,还能灵敏的反映包括血氧含量、氧代谢率等生理特征 的变化,与超声技术的形态和结构成像具有很强的互补性,已在临床及生物医学研究领域体现出巨大的应用潜力。光声 成像技术的这些特性使其在恶性肿瘤、心血管疾病、微循环异常等疾病的成像诊断和治疗引导中具有重要的应用前景。 文章小结了本课题组在光声成像技术领域最近取得的一些新进展,包括利用解卷积技术进一步提高光声显微成像分辨 率;利用压缩感知技术降低数据采集量,提高光声层析成像的速度;利用自制的纳米探针,实现光声分子成像和光热治 疗。光声成像技术的这些进步使其在癌症、心脑血管疾病等方面的诊断和治疗更具有可行性,文章最后回顾了光声成像 技术在乳腺癌、前哨淋巴结及血管内成像等方面的临床应用和研究进展。     

A Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Array for Minimally Invasive Medical Diagnosis

A capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) array for minimally invasive medical diagnosis has been developed. Unlike traditional ultrasonic transducers, which generally use a bulky piece of substrate, this transducer array was integrated on a 40--thick micromachined silicon substrate into a probe shape with a typical shank width of 50-80 and a shank length of 4-8 mm. For 1-D arrays, 24-96 CMUT devices were integrated on one such silicon probe and formed an accurately configured phase array. In addition to miniaturization, reduction of the substrate thickness also decreases the intertransducer crosstalk due to substrate Lamb waves. Due to its miniature size, this array can be placed or implanted close to the target tissue/organ and can perform high-resolution high-precision diagnosis and stimulation using high-frequency ultrasounds. The issue of conflict between resolution and penetration depth of ultrasonic diagnosis can therefore be resolved. A two-layer polysilicon surface micromachining process was used to fabricate this device. Suspended polysilicon membranes of diameters ranging from 20 to 90 and thicknesses from 1.0 to 2.5 were used to generate and detect ultrasounds of frequencies ranging from 1 to 10 MHz. B-mode imaging using this transducer array has been demonstrated.     

基于宽波束激励的高帧频超声成像方法研究

超声成像的帧频是影响超声成像应用的一个关键因素,成像系统的帧频决定了系统捕捉运动组织的能力,如3D成像、心脏成像、彩色多普勒等。传统超声成像采用延迟聚焦方法可获得较好的图像,但成像帧频较低。目前提高超声成像帧频主要有平面波成像和宽波束激励成像两种方法。平面波成像是通过激励所有阵元同时发射并同时接收超声波,虽在帧频上获得了显著提高,但由于它使用非聚焦技术,分辨率的提高仍然比较有限,特别是当要维持较高帧率而使用较少的扫描角度时,得到的图像质量仍然不高。宽波束成像技术利用多阵元同时发射超声波、远点聚焦、动态实现孔径变迹等方法可极大地提高图像的帧频、均匀性和空间分辨率。文章通过美国 Verasonics公司 V-1数据采集系统采集宽波束数据,进行波束合成建立宽波束超声图像,并与平面波成像和传统聚焦成像技术进行了对比和分析。实验结果表明,相较于平面波成像和传统聚焦成像方法,宽波束成像具有更好的横向分辨率和轴向分辨率,且可获得比传统聚焦方法更高的帧频。     

Miniaturized on‐body antenna for small and wearable brain microwave imaging systems

A miniaturized inset‐fed on‐body meandered bowtie antenna designed for brain microwave imaging systems is presented in this article. The proposed on‐body antenna can contribute to the realization of a wearable and portable brain microwave imaging system. The size of 18 × 18 mm² is achieved at a frequency range of 0.75 to 4 GHz by the simultaneous use of self‐complementary structures and meandered lines. The frequency band is a trade‐off between penetration depth and spatial resolution. The proposed antenna performance was studied at different positions on the human head voxel model in terms of several parameters such as reflection coefficient, near‐field directivity, and fidelity factor. In addition, the antenna bandwidth was surveyed on several volunteers using a wearable measurement setup. It has been found that the averages of measured reflection coefficients in different scenarios are in good agreement with the corresponding simulation results, and the antenna shows stable performance under different practical situations. The proposed antenna takes advantage of a small footprint and body matching, which make it an eligible choice for compact, portable, and wearable head microwave imaging systems.     

基于超声成像技术的套管损伤检测系统设计

工业的发展越来越依赖石油和天然气,合理高效的开采、及时对油气井生产的套管损伤状况检测至关重要.为了解决这个间题,本文提出基于超声成像技术实现套管损伤程度的检测.首先,阐述超声波成像技术基本原理,再对成像检测系统进行总体设计,包括硬件电路设计和软件系统设计.其中,系统软件设计中,利用MATLAB软件仿真实现对被检测超声波回波信号的模拟呈现,能从成像图上观测到套管的各个损伤部位坐标和损伤程度,这样有利于更加直观、清晰分析套管损伤性质,有效地缩短了设计周期,使检测系统结构趋于合理,符合工程实用.     

Fabrication of Flexible Transducer Arrays With Through-Wafer Electrical Interconnects Based on Trench Refilling With PDMS

Flexible transducer arrays are desired to wrap around catheter tips for side-looking intravascular ultrasound imaging. We present a technique for constructing flexible capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) arrays by forming polymer-filled deep trenches in a silicon substrate. First, we etch deep trenches between the bottom electrodes of CMUT elements on a prime silicon wafer using deep reactive ion etching. Second, we fusion-bond a silicon-on-insulator (SOI) wafer to the prime silicon wafer. Once the silicon handle and buried oxide layers are removed from the back side of the SOI wafer, the remaining thin silicon device layer acts as a movable membrane and top electrode. Third, we fill the deep trenches with polydimethylsiloxane, and thin the wafer down from the back side. The 16 by 16 flexible 2-D arrays presented in this paper have a trench width that varies between 6 and 20 ; the trench depth is 150 ; the membrane thickness is 1.83 ; and the final substrate thickness is 150 . We demonstrate the flexibility of the substrate by wrapping it around a needle tip with a radius of 450 (less than catheter size of 3 French). Measurements in air validate the functionality of the arrays. The 250- by 250- transducer elements have a capacitance of 2.29 to 2.67 pF, and a resonant frequency of 5.0 to 4.3 MHz, for dc bias voltages ranging from 70 to 100 V.     

基于不同超声成像的甲状腺结节良恶性判别

为实现更为准确的甲状腺结节良恶性超声图像诊断,避免不必要的穿刺或活检手术,提出了一种基于卷积神经网络（CNN）的常规超声成像和超声弹性成像的特征结合方法,提高了甲状腺结节良恶性分类准确率。首先,卷积网络模型在大规模自然图像数据集上完成预训练,并通过迁移学习的方式将特征参数迁移到超声图像域用以生成深度特征并处理小样本。然后,结合常规超声成像和超声弹性成像的深度特征图形成混合特征空间。最后,在混合特征空间上完成分类任务,实现了一个端到端的卷积网络模型。在1156幅图像上进行实验,所提方法的准确率为0.924,高于其他单一数据源的方法。实验结果表明,浅层卷积共享图像的边缘纹理特征,高层卷积的抽象特征与具体的分类任务相关,使用迁移学习的方法可以解决数据样本不足的问题;同时,弹性超声影像可以对甲状腺结节的病灶硬度进行客观的量化,结合常规超声的纹理轮廓特征,二者融合的混合特征可以更全面地描述不同病灶之间的差异。所提方法可以高效准确地对甲状腺结节进行良恶性分类,减轻患者痛苦,给医生提供更为准确的辅助诊断信息。     

A high frequency cMUT probe for ultrasound imaging of fingerprints

Fingerprint imaging using ultrasound has been investigated for several years and has shown to be a valid alternative to optical scanners. Capacitive micro-machined ultrasound transducers (cMUT) is an emerging MEMS technology that can be profitably exploited in biometric applications, like fingerprint or palm print.In this work a FEM model of a cMUT is proposed and used to design a 192-element array with a frequency band centered at 12.5 MHz. A cMUT array was manufactured by means of a proprietary fabrication process and an ultrasound probe was assembled and experimentally characterized. Comparison between simulation and experimental results has shown a quite good agreement. The cMUT probe was operated at a frequency of 12 MHz and used to produce images of fingerprints, the quality of which was quite satisfactory.