皮下生物组织界面计算机建模仿真成像.pdf

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1、Image＆MultimediaTechnology·图像与多媒体技术皮下生物组织界面计算机建模仿真成像文／李世超王冠杨艳杜敏康王文博星本文通过建立皮下生物组织界面模型，根据脉冲反射成像，辅助以合成孔径聚焦成像的思想，仿真算出皮下生物组织的厚度，尤其是脂肪的厚度。一般的超声成像算法采用的超声在生物组织__-_艇中穿行的速度是一定的，但超声在脂肪中的穿行速度数值相对较—一◆小，因此脂肪厚度会使得成像有一定误差，本文通过建模的方式___--◆对这一误差进行了探究，并探讨研究了改善误差的方法。图1：简单的生物组织模型【关键词】超声皮下生物组

2、织建模仿真合成表1：几种浅表组织密度、声速及声阻抗孔径聚焦成像声脉冲响应组织密度(p#cm)声速(cm／s)声阻抗(pa·s／m)超声成像是用超声波获得物体可见图像脂肪0．5921450I．38Xi0的方法。由于超声波可以穿透很多不透光的物肌肉1．08l5801．70X10体．故利用超声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息。根据B超成像的原理，我软组织(平均)1．O615401．60x10。们需要得到声束传播位置上的组织按距离分布的回波信息，脂肪是一个影响到回波信息的表2：浅表几种生物组织界面的声音反射系数重要因素。超声波在人体不

3、同组织中的传播速度是不同的。超声波在脂肪中的行进速度是组织水脂肪肌肉皮肤1476m／s，而一般的超声成像算法中，则是统一将超声在人体各组织中的速度取为1540m／s。水00．470．020．029此外，还有超声探头发射探测超声波时与探测物质的表面的角度不同使得发射波与回脂肪0．0670．076波，以及不同位置的回波之间的叠加导致的波肌肉0．009与波能量的抵消或者增强等因素。对于这些因素，辅助以合成孔径聚焦(SAFT)成像技术可以改善。面反射回波进行识别和定位，只考虑反射情况。超声检测实际材料遇到的界面类型复杂因此，希望通过我们的建模

4、仿真研究能当超声波进入浅表组织后，在各组织层多样，下面分析声波在遇到两种非固体介质(气给广大医学超声工作者在超声成像上一些启发界面形成反射波。根据距离公式体、液体和软组织等)构成的界面时的声波传和帮助并对医学超声成像的进步有一定助益。s=ct(1)播情况。这种情况可用于血液、脂肪和肌肉等其中，S为超声波传播距离；C为超声波软组织之间的声传播分析。对于有相当厚度的1脉冲反射法测量浅表软组织厚度在介质中的传播速度；t为传播距离所用的时两种软组织界面，当声波从一种组织传播到另我们探讨的浅表软组织主要包含皮肤、间。只要能测出c和t，即可求得各

5、组织层厚一种组织，在两个组织的分界面上～部分声波皮下疏松组织和肌肉组织。度。实际人体组织中，超声波声速大约为C=被反射，另一部分透射过界面，在另一种组织由图l所示，由于各组织层成分不同，l540m／s，探测的时间为At，则组织厚度为内继续传播，这样的两种情况分别称之为声波如蛋白质、脂肪和水分的不同，不同组织的声d=(Atxc)／2(2)的反射和折射。阻抗不同。因此，当超声脉冲波进入浅表各软表l为浅表软组织中几种组织介质的声表2：中给出了在各种情况下的声音反射组织层后，当遇到不同的声阻抗界面时，将会速、密度和声阻抗，可作为实验样品的声特

6、性系数值。在界面产生反射、折射和散射等现象。通过脉值参考标准。2FieldII仿真冲反射法测量各界面反射波的距离，即可测量超声波在单一界面上的反射与折射浅表各组织层的厚度。本文的目的是对组织界ElectronicTechnology＆SoftwareEngineering电子技术与软件工程·77图像与多媒体技术·Image＆MultimediaTechnology∞mc0埔∞NlI佛毫0z∞∞2．1FieldII简介∞扣∞qFieldII是丹麦超声专家J．A．Jensen等利用声学原理设计的一个超声系统。它可以仿真超声探头所形成的声场

7、和超声图像等。2．2一层生物组织界面的模型及仿真假设该层界面是由空气和一般生物组织构成的，探头垂直入射，通过fieldII仿真出探头和生物界面，并编程计算出二者的距离，图2：一层生物组织界面的模型图3：斜射时一层生物组织界面的模型如图2所示。再假设探头是斜入射，由于斜入射时探IndMdualtraces头的发射阵元和接受阵元并不存在对应关系，此时计算距离时必须引入合成孔径的概念，通过合成孔径成像技术计算出探头到生物界面的斜入射距离，在考虑入射角，通过入射角矫正以获取探头到生物界面的实际距离，如图3所刁o根据上所述的仿真思路，构建一层生

8、物TimeIsl组织模型，亦即假设生物界面的一边是空气，Summedresponsex1另一边是一般生物组织。通过构造这种简单的．I∞。l生物模型，我们可以弄清超声回波的基本原理，∞量2’并基于此做一些简单的编程运算。然