双界面回波法误差的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 9 4 1.9MB 54 页 15积分

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摘要

双界面回波法（Dual-Boundary Echo Comparison，DBEC）是一种有望实现血

液超声衰减系数(Ultrasound Attenuation Coefficient, USAC)无损测量的新方法。

DBEC 法测量液体 USAC 的理论依据是：通过比较超声在液体和容器壁构成的前

后两个界面上产生的回波的幅度谱比来估计容器内液体的 USAC。研究血管的解剖

可以发现，血管壁及其里面充满的血液构成了一个连续的界面，超声扫查血管时，

超声波将两次经过这个界面，形成前后两个回波，计算这两个回波幅度谱的比值

并加上此时换能器的声束矫正系数即可得到血液的 USAC。

使用 DBEC 法需要预先测试超声探头的矫正系数，该值反映了换能器的声束

形状。以往的实验都以传声媒质仅为水时测试的矫正系数作为 DBEC 法测量的矫

正，实验发现，在声通路中插入仿组织模块后声束的矫正系数与水中的测量结果

相比其误差的最大绝对值为 7%。实验误差产生的原因在于：非水媒质和水的声速

不同，根据 Snell 定理声波在两种媒质的界面上会发生折射，引起声束形状的改变；

如果水和非水媒质的声速差别越大，则超声束在两者的界面处的折射角将越大，

声束形状的改变就越大。因此在 DBEC 法的测量中，选择合适的换能器矫正系数

对USAC 的测量至关重要。

利用基于 MatLab 的超声声场仿真软件 FeildⅡ对声场特性进行仿真，分析不

同声速的传声媒质中换能器的矫正系数，结果显示：探头频带范围内，不同声速

的传声媒质中的矫正系数存在差别，且声速差别越大矫正系数之间的差别也越大。

如果以一种媒质的矫正系数代替另一种媒质的矫正系数，那么误差将不可避免。

以40℃的蓖麻油为实验样品，声通路中插入仿组织模块，利用 DBEC 法测量

蓖麻油的 USAC，并以水中测量的矫正系数作为探头的校正，此时测得蓖麻油的

USAC 与声通路中仅为水时的测量结果相比出现了最大值为 7%的误差，与矫正系

数的误差位于同一数量级，说明两者之间具有一定的相关性。

DBEC 法测量误差的研究说明将水中测得的矫正系数用做声程中存在非水媒质

的USAC 测量时会导致误差的产生。所以，在利用 DBEC 法进行血液 USAC 在体

测量的研究中，为了减小测量误差，探头的矫正系数应当在声速更加接近人体组

织的媒质中测得，而不能直接使用水中测试的结果。

关键词：双界面回波法超声衰减系数误差矫正系数 MATLAB 频

谱分析

ABSTRACT

Dual-Boundary Echo Comparison (DBEC) is a new method of measuring the

Ultrasound Attenuation Coefficient (USAC) of blood noninvasively. The theoretical

basis of DBEC is: Evaluate the USAC of the medium in the container by comparing the

amplitude spectrum of the two echoes formed at the interface of the container wall and

medium. Study the anatomy of vessel, it is found that the wall of vessel and the blood in

it form a continuous interface, the ultrasound wave will pass this interface twice when

scanning the vessel, as a result, form two reflection echoes, calculate the ratio of

amplitude spectrum of the two echoes, then add the correction coefficient of the

transducer, the calculation result is the USAC of blood.

The correction coefficient of the transducer which reflects the beam shape needs to be

determined before the DBEC is applied. In the previous experiment, the correction

coefficient was measured in water, it shows that error emerge while comparing the

correction coefficient measured in water and tested when insert tissue-mimicking

phantoms in the acoustic path, and the absolute value of the error is below 7%. The

source of error lies in the difference between the sound speed in water and non-water

medium. According Snell’s theory, the sound wave refracts at the interface of two

medium, then the shape of sound wave changes. The refraction angle becomes larger, as

a result, the sound shape will change more when the difference between the sound speed

of the two medium is greater. Hence it is important to choose the appropriate

correction coefficient when using DBEC.

Simulate the acoustical field using Field Ⅱbased on MatlLab, and compare the

correction coefficient measured in different sound mediums, the result shows that the

correction coefficients is different in different mediums during the transducer bandwidth,

and the difference becomes larger when the sound speed differ from each other. The

error is inevitable when misuse the correction coefficient.

Measure the USAC of castor oil of 40 ℃using DBEC when insert tissue-mimicking

phantom in the sound path, and choose the correction coefficient measured in water，

the

result shows that the absolute value of error of USAC is 7% when compared with the

USAC measured without those phantoms in sound path ，the order-of-magnitude

agreement with the error of correction coefficient，and this reveals there can be certain

correlation between the two values.

Studying the error of DBEC, the experiment shows that it will bring in error to the result

when use the correction coefficient measured in water with phantoms in the sound path.

Hence，

in order to minimize the error in clinical use of DBEC，

the correction coefficient

should be measured in mediums with sound speed approach that of human tissues.

Key Words: DBEC，USAC，Error，Correction coefficient, MATLAB,

Spectrum analysis

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 课题来源及研究现状 ............................................1

§1.1.1 现有液体超声衰减系数的测量方法 ..........................1

§1.1.2 无损超声衰减系数测量方法：DBEC .......................... 3

§1.2 本课题研究的问题 ............................................. 5

第二章 DBEC 理论分析 ................................................7

§2.1 血管 DBEC 原理 ................................................ 7

§2.2 DBEC 法误差来源分析 ...........................................8

第三章声场仿真 ................................................... 11

§3.1 FIELDⅡ仿真理论 .............................................. 11

§3.2 FEILDⅡ实验仿真 .............................................. 12

§3.3 矫正系数的仿真 ...............................................16

第四章 DBEC 实验 .................................................... 18

§4.1 测量系统 .................................................... 18

§4.1.1 实验装置 ...............................................19

§4.1.2 实验位置的确定 .........................................19

§4.1.3 实验样品盒 .............................................19

§4.1.4 恒温装置 ...............................................20

§4.1.5 超声换能器 .............................................20

§4.1.6 超声脉冲发射/接收仪 ....................................21

§4.1.7 数据采集 ...............................................22

§4.1.8 数据处理 ...............................................26

§4.2 DBEC 实验 ....................................................27

§4.2.1 实验材料和实验方法 .....................................27

§4.2.2 圆柱形样品盒中液体 USAC 的测量 ..........................29

§4.2.3 声速非均匀的传声媒质对 DBEC 测量误差的影响 ..............31

§4.2.4 声速非均匀的传声媒质中蓖麻油 USAC 的测量 ................32

第五章总结与展望 ................................................... 35

§5.1 工作总结 .................................................... 35

§5.2 展望 ........................................................ 35

§5.2.1 DBEC 测量系统的完善 .................................... 35

§5.2.2 仿组织模块的改进 .......................................35

附录一符号说明 ..................................................... 36

附录二 FIELDⅡ仿真程序 .............................................. 37

附录三 LABVIEW 程序变量列表 ......................................... 40

附录四 MATLAB 数据处理程序 .......................................... 41

参考文献 ............................................................ 46

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 .............................. 50

致谢 ................................................................ 51

第一章绪论

§1.1 课题来源及研究现状

自1793 年超声被发现以来，人类从未停止对其的研究，时至今日，超声作为

声学的一个重要的分支和组成部分，人类已经掌握了几乎任意频率声波的产生和

测量研究的技术。超声是指频率高于人耳可听频率范围的声波，人耳所能感受到

的声波的频率范围为 2K~20KHz，超声是指频率高于 20KHz 的声波。超声波是一

种波动，其能量的传播形式和电磁波一样，然而超声波的传播需要借助媒质，它

不能在真空中传播。超声波可以在固体、液体、气体等物质中传播，被广泛应用

于工业，农业，医疗等领域。

声波在传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱，将这种现象称为声衰

减。声衰减由三种类型组成：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。医学超声是指频

率在 2.5~15MHz 的超声[1]，研究表明声波在软组织中传播时，散射衰减和扩散衰

减的贡献极其微小，可以说生物组织中的声衰减主要是由于组织的吸收引起的[1,2]。

血液是人体重要的组织之一，探索其衰减系数在临床上具有十分重要的意义。

Feigenbaum 的研究结果表明，血液的回波信号可以用做心室和血管内血流的无损

边缘划分[3]。血液的回波可以反映红细胞的物理特性，如果血液内红细胞压积上升，

血液的声学特性随之发生改变，临床上许多疾病都与血液的声学性质的改变具有

密切联系[3~8]。

血液超声衰减系数（ultrasound attenuation coefficient，USAC）是表征血液的

温度、黏度和红细胞压积的重要参数[9,10]。测量血液的 USAC 值对临床上的一些疾

病的定征具有一定的指示作用，比如，血栓和动脉粥样硬化。自 20 世纪五十年代

以来，血液超声衰减系数的研究引起了众多学者极大的兴趣[11~18]。目前，血液超

声衰减系数的测量都采用插入替代法[19~24]

（Substitution Technique），由于该实验方

法的限制，测量只能在离体情况下进行，然而血液一旦离开人体其温度和黏度信

息将会丢失，USAC 值必然发生改变，所以探索血液 USAC 在体测量具有重要的

意义。

§1.1.1 现有液体超声衰减系数的测量方法

插入替代法是测量液体衰减系数的经典方法[17,19~28]，目前血液超声衰减系数的

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摘要双界面回波法（Dual-BoundaryEchoComparison，DBEC）是一种有望实现血液超声衰减系数(UltrasoundAttenuationCoefficient,USAC)无损测量的新方法。DBEC法测量液体USAC的理论依据是：通过比较超声在液体和容器壁构成的前后两个界面上产生的回波的幅度谱比来估计容器内液体的USAC。研究血管的解剖可以发现，血管壁及其里面充满的血液构成了一个连续的界面，超声扫查血管时，超声波将两次经过这个界面，形成前后两个回波，计算这两个回波幅度谱的比值并加上此时换能器的声束矫正系数即可得到血液的USAC。使用DBEC法需要预先测试超声探头的矫正系数，...

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