辅助科室-影像科-院士讲学周课件-医学超声的新篇章课件

1、2019/4/20,医学超声的新篇章,复旦大学电子工程系 王威琪 汪源源 余建国 周国辉,人体信号,主动信号：光、电、磁 被动信号：X ray、激光、超声,人体,人体,主动信号,被动信号,激励 Exciting,响应 Response,Active Network,Passive Network,外源,Magneti-encepharogram (MEG) and Electro-encepharogram (EEG),Area of research (S. Williamson of NYU),Magnetic signal intensity,Electric signal intensity,生物磁,生物磁场是由生物电流或体内磁性物质产生,10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4,Magnetic field intensity vs. frequency,SQUID,Superconducting Quantum Interference Device (超导量子干涉仪) 利用超导状态下

2、 Josephson 效应工作。,Development of 3x3-ROS Matrix Magnetometer System Jun Kawai, Masanori Higuchi, Hisanao Ogata, Yoshiaki Adachi, Gen Uehara and Hisashi Kado Applied Electronics Laboratory, Kanazawa Institute of Technology 3 Amaike-machi, Kanazawa, 920-1331, Japan,Drawing of SQUID sensor,9ch sensor array,Probe of 9ch SQUID,Performance of sensor,Equipped dewar,Context,MRI data,Segmentation,MEG measurements,Patient,Source position,MRI,MEG,Magnetic Source Estimation Problem,MEG data,Morphological dat

3、e from MRI,Magnetic source localization,3D reconstruction and display,Triangulation : Marching Cube with variable size Normal computation : Gradient of grey data Display : OpenGL,Source Display,KIT,PTB new MSR,Tokyo Med. Dent. Univ,Keio Univ. Med. School,Osaka City Univ. Med. School,MIT,生物发光是生命体组织细胞代谢过程中，电子激发态能量转换的表现形式。 生物发光表现在生物系统的超微弱光子辐射(BPE)。BPE现象是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。,BPE光谱很宽，从紫外、可见光到红外波段。 生物BPE与生物体的氧化代谢，细胞的分裂、死亡、癌变、生长调控等生命过程有密切的内在联系 由于BPE与生物体的生理和病理有着密切的关系。所以它在辐射诊断，环境检测等领域内有着重要的应用,研究举例：人

4、体发光判断死亡原因,圣彼得堡理工学院 杜利涅娃教授 人自然死亡尸体发光： 强度虽时间推移而减 弱，直至死后三昼夜。 突发意外死亡尸体发光：20小时内发光急速闪 烁，急速减弱直至稳定。 悲惨、痛苦情况下死亡尸体发光：忽强忽弱，连续几昼夜 闪烁不停。 寻找自杀、他杀，自然死亡的尸体发光区别，有助于判断死因。,人体信号是复杂信号 特点,1. 随机性强 2. 背景噪声强,1. 随机性强,影响人体信号的因素很多，它们所遵循的规律尚未被人类认识清楚。一般不可能用确定的显函数来描述，它的规律从大量统计结果中呈现出来。 变异性和非平稳性：因人而异，即使同一个人，也因时 而异，有意义的信息往往在变异性之中。人体信号的统计特性随时间而变，且人体具有适应能力，心率、血压随运动甚至随精神状态而变,信号 确定性 随机性 周期性 非周期性 平稳 非平稳性 各态历经 非各态历经,非平稳信号至今尚无统一处理方法，一般采用自适应处理技术，使被处理的参数自动底地随信号的非平稳性而变。 当信号非平稳变化不太快时，可以把它作为分段平稳的准平稳信号来处理。例如：血流准平稳时间段取8ms12ms。 许多人体主动(自发)信号，例如

5、心电，都有周期重复的节律性，可以作为周期重复信号来处理。,平稳信号分两类：如果所有样本在固定时刻的统计特性和单一样本在全时间上的统计特征一致，称各态历经。反之，称非各态历经。 信号是否平稳且各态历经，往往不容易预先判断。习惯上总是找出准平稳段，且假设各态历经，这样可取单个样本来分析它的统计特性。由处理结果再与实际情况对照来判断假设的正确性。,2. 背景噪声强,强噪声弱信号 噪声与信号的结合方式： 加法性 x(t) = s(t) + n(t) 乘法性 x(t) = s(t) n(t) 卷积性 x(t) = s(t) * n(t),乘法性噪声：取对数 logx(t)=logs(t)n(t)=logs(t)+logn(t) 卷积性噪声：先变换，后取对数 Fx(t)=Fs(t)n(t)=Fs(t)Fn(t) logFs(t)Fn(t)=logFs(t)+logFn(t) 问题都可最后归纳为对加性噪声的处理,2019/4/20,两类波源 电磁波：激光、微波、射频、X射线 射线 机械波：声波 两者本质的区别：波源 两者现象的相似：反射、折射、 散射、衰减,2019/4/20,各个频段超声的应用情况

6、,2019/4/20,目前医学超声开展的工作,医学超声基础 超声诊断 超声治疗 医学超声工程 农畜业超声,2019/4/20,医学超声涉及基础研究和应用技术 就应用的深度、广度、水平和效果而言，诊断比治疗排前 就诊断为目的的医学超声的前沿和趋势作简单介绍,2019/4/20,一、新型超声压电材料和换能器的研制,超声换能器组成：主体、壳体、导线 超声压电材料：主体的核心,2019/4/20,换能器的品质,高机电耦合系数 近与介质的声特性阻抗 宽带宽 小损耗,2019/4/20,压电陶瓷例如PZT 优点：机电耦合系数K高，损耗小 缺点：声特性阻抗高，不易阻抗匹配 压电高分子聚合物例如PVDF 优点：声特性阻抗低，易于阻抗匹配，薄膜 柔软 缺点：机电耦合系数K小，损耗大，小， 温度系数大，不适合用作反射,换能器的材料,2019/4/20,复合材料 压电陶瓷和高分子聚合物按一定方式 相结合 声特性阻抗小，易于和水、人体组织等介质匹配 机电耦合系数K高，侧向耦合弱 带宽大 柔软,换能器的材料,2019/4/20,研制换能器，达到所要求的性能 大量实验进行摸索，找到设计参量，参量较多，很难找到最佳

7、，费时费力。 用理论来指导：KLM模型，等应变模型，有限元方法、动态模型等。,换能器的研制,2019/4/20,换能器的主要发展趋势,高密集 1维： 64阵元256阵元 1.5维: 8128阵元 2维 2D Array 60 X 60, 80 X 80 高频 3.5 MHz: 腹部脏器 7.515 MHz: 浅表脏器 2040 MHz: 眼、皮肤 100200 MHz: 超声显微镜,2019/4/20,集成化 宽带 专用 食道、直肠、阴道、尿道、膀胱、血管、,2019/4/20,二、超声成像,超声诊断仪器的发展趋势 1.非专家使用的小型、廉价、操作简易装置 2.专家使用的大型、昂贵、复杂装置 3.特殊用途的装置：腔内、颅内、管内、 术中.,2019/4/20,发射、接收、显示、数据存档、传输、通信都实现数字化 对图象质量影响较大的数字波束形成器。用数字技术实现电子聚焦，变孔径，方向控制等功能,1. 数字化,2019/4/20,硬件模块化，集成化，软件化 DSC模块、CFM模块、DBF模块 所有电路被集成在几块ASIC上 硬件功能的软件化 开发软件取代常规硬件处理模块 软件模块化 根据功

8、能要求设计成积木式软件（软件模块） 软件模块之间相对独立 硬件平台升级，只需更改低层接口软件,数字化,2019/4/20,基于PC机的B超平台,PC机性能每18个月提高一倍，原有价格降低一倍。使用通用PC机及通用外设，可降低成本，缩短开发周期，方便性能扩展 高速PCI总线技术 实时多媒体软件接口 DirectX 可视化快速开发工具 PC硬件外设,(a) (b) Beam steering and needle visibility,(a) (b) Needle visibility in phantom,(a) (b) Needle visibility in breast,大量临床系统需要与HIS（医院信息系统）集成 目前集成的最重要的两个标准是： DICOM3 医学图像传输标准 HL7（Health Level Seven） 医学信息系统互联标准,2. 网络化,LIS-检验科信息管理系统 CPR-电子病历系统,2019/4/20,DICOM,DICOM-Digital Imaging and Communication of Medicine 美国放射学会(ACR)和美国电器制造商

9、协会组织制定 用于医学图象的存储和传输（通信）的标准名称 带有DICOM接口的CT、MRI、US和心血管造影设备在医疗信息数字网络化中起到重要作用,2019/4/20,DICOM组成,2019/4/20,DICOM虽是美国起草，但逐步成为国际性标准 Internet 上交流信息成为迫切要求 规范医学信息，上 Internet,DICOM,3. 小型化,随着 VLSI 技术的发展，超声诊断仪在高性能的前提下向小型化发展 (笔记本电脑一样大小和重量) ，便于床旁、出诊使用，更能拓广超声诊断的应用价值。,航天超声-超声小型化的应用方向之一 (Ultrasound in Space),AERIS-American Echocadiograph Research Imaging System,用心血管超声研究失重情况下生理参数的改变。 用Doppler超声研究减压病 Decompression sickness results from the release of nitrogen bubble into bloodstream. Doppler probe is positioned over the right ventricle of the heart. Decompression sickness is an area of research interest for both the USA Navy and Air Force.,4. 三维超声(结构型)成像,3D成像的优点 直观的显示脏器及其不同切面的解剖结构 测量和定位比较准确 通过存储图像进行诊断，不必反复扫查，缩短超声照射时间,3D 关键技术之一：数据采集,探头采集数据时的空间定位 不容易采集到有规则的平行排列的二维图像,3D 关键技术之二：三维重构,重构过程：把一系列二维图像中的每个像素值放到一个三维体积晶格中。 原理可行，关心的是速度问题,3D 关键技

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