超聲成像算法導(dǎo)論

前言

1949年奧地利學(xué)者K．T．Dussik利用超聲脈沖波對(duì)腦部疾病進(jìn)行了成功的診斷，開超聲成像理論和技術(shù)之先河。通過(guò)半個(gè)世紀(jì)科學(xué)家和工程師的努力，現(xiàn)代的超聲成像儀已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)診斷，它可以獲得器官的任意斷面圖像，還可觀察運(yùn)動(dòng)器官的活動(dòng)情況。超聲影像診斷無(wú)痛苦與危險(xiǎn)，屬于非損傷性檢查。與X射線影像診斷相比，它具有無(wú)輻射、價(jià)格低、使用方便等優(yōu)勢(shì)。基于這些突出的性能，超聲影像診斷成為醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中頗具生命力的現(xiàn)代診斷技術(shù)。在我國(guó)，有關(guān)超聲成像的書籍不多，而且絕大部分書籍主要涉及超聲圖譜及其醫(yī)學(xué)方面的診斷，還有一小部分是關(guān)于超聲成像原理介紹和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)超聲成像最關(guān)鍵的算法問(wèn)題幾乎沒(méi)有什么書籍進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。而現(xiàn)代的超聲成像算法不僅決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，決定了系統(tǒng)的工作方式，而且決定了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，決定了儀器的成本和市場(chǎng)效益?？梢哉J(rèn)為，誰(shuí)掌握了新的高效率的成像算法，誰(shuí)就能在超聲成像研發(fā)領(lǐng)域占有一席之地。本書的目的就是提供給讀者常用的超聲成像算法，涵蓋了目前在超聲成像領(lǐng)域中廣泛采用的合成孔徑成像算法，超聲編碼發(fā)射成像技術(shù)，以及一種新的成像理論——Fourier超聲成像。本書的特點(diǎn)就是以數(shù)學(xué)物理為理論基礎(chǔ)，以線性系統(tǒng)為工具，以Fourier變換為手段，對(duì)超聲成像進(jìn)行理論探討和建模。本書理論嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，內(nèi)容新穎，啟發(fā)性高。書中所涉及的許多內(nèi)容都是作者近十年來(lái)研究工作的結(jié)晶。希望讀者通過(guò)對(duì)本書的學(xué)習(xí)，能夠從理論的角度去分析成像原理，建立成像系統(tǒng)，探討提高成像質(zhì)量的途徑。毫無(wú)疑問(wèn)，大量國(guó)內(nèi)外同行研究的文獻(xiàn)和作者所在實(shí)驗(yàn)室的成果為本書的編著提供了很好的素材。感謝本書中所引用文獻(xiàn)的作者，感謝研究生杜春寧、韓雪梅為本書部分資料收集和驗(yàn)證所做的工作，感謝為本書的完成提出許多寶貴建議的吳華寶老師。

內(nèi)容概要

本書以數(shù)學(xué)物理方法和線性系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，比較詳細(xì)地介紹了超聲成像原理和算法。    全書分為四個(gè)部分。第一部分是基礎(chǔ)理論，包括線性系統(tǒng)理論在成像中的應(yīng)用、有關(guān)波動(dòng)方程的數(shù)學(xué)物理方法、波的傳播與衍射原理；第二部分是成像模型及其算法實(shí)現(xiàn)，包括動(dòng)態(tài)聚焦超聲成像模型、基于非衍射波的Fourier超聲成像模型、基于角譜傳播原理的Fourier超聲成像模型、寬頻帶超聲成像模型、任意聲場(chǎng)下的Fourier成像模型等；第三部分為合成孔徑成像方法，包括合成聚焦成像、多陣元合成孔徑聚焦成像、合成接收孔徑成像、合成發(fā)射孔徑成像等；最后一部分介紹超聲編碼發(fā)射技術(shù)在成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。    本書可供生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)專業(yè)的本科生和研究生使用，亦可供從事其他領(lǐng)域超聲成像檢測(cè)技術(shù)的研究人員參考。

書籍目錄

總序前言第1章　緒論  1.1　醫(yī)學(xué)超聲成像發(fā)展歷史  1.2　國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展    1.2.1　數(shù)字化成像    1.2.2　諧波成像    1.2.3　超聲體成像    1.2.4　組織彈性成像    1.2.5　合成孔徑成像    1.2.6　Fourier成像系統(tǒng)　1.3　本書內(nèi)容安排第2章　超聲成像中的線性系統(tǒng)理論　2.1　Fourier變換性質(zhì)及其應(yīng)用      2.1.1　Fourier變換    2.1.2　性質(zhì)　2.2　一個(gè)一維成像的例子    2.2.1　目標(biāo)建模    2.2.2　系統(tǒng)建模    2.2.3　逆問(wèn)題求解　2.3　匹配濾波器　2.4　帶通信號(hào)的相干處理　2.5　時(shí)域中的Doppler現(xiàn)象    2.5.1　系統(tǒng)模型    2.5.2　逆問(wèn)題求解    2.5.3　分辨率第3章　數(shù)學(xué)物理方程基礎(chǔ)知識(shí)  3.1　幾種常見的數(shù)學(xué)物理方程    3.1.1　靜電勢(shì)Laplace和Possion方程    3.1.2　波動(dòng)方程和Helmholtz方程    3.1.3　線性超聲聲學(xué)簡(jiǎn)介  3.2　直角坐標(biāo)系下波動(dòng)方程的解    3.2.1　分離變量法求解    3.2.2　討論  3.3　圓柱坐標(biāo)下波動(dòng)方程的解    3.3.1　分離變量法求解    3.3.2　討論第4章　標(biāo)量衍射理論  4.1　標(biāo)量衍射理論回顧  4.2　格林定理  4.3　基爾霍夫積分定理  4.4　平面屏幕衍射的基爾霍夫理論    4.4.1　基爾霍夫積分定理的應(yīng)用    4.4.2　基爾霍夫衍射公式　4.5　平面屏幕衍射的瑞利一索末菲理論    4.5.1　格林函數(shù)的選擇    4.5.2　瑞利一索末菲衍射公式    4.5.3　衍射與線性系統(tǒng)的關(guān)系    4.5.4　利用瑞利一索末菲衍射公式計(jì)算聲場(chǎng)　4.6　角譜傳播原理    4.6.1　角譜及其物理解釋    4.6.2　角譜的傳播    4.6.3　利用角譜計(jì)算聲場(chǎng)第5章　超聲成像建?！?.1　動(dòng)態(tài)聚焦成像建模　　5.1.1　一個(gè)陣元的輻射模式　　5.1.2　動(dòng)態(tài)聚焦成像建模  5.2　基于非衍射波的Fourier成像建模    5.2.1　X-wave    5.2.2　Fourier超聲成像模型  5.3　基于角譜傳播原理的Fourier成像建?！?章　合成孔徑成像第7章　信號(hào)編碼技術(shù)在超聲成像中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章  緒論具有不同密度、不同聲速等理化特性的生物組織器官，對(duì)外來(lái)的超聲波能量將產(chǎn)生反射、透射、散射、衰減和非線性參量等物理效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)組織還將產(chǎn)生Doppler效應(yīng)，提取、分析或顯示這些生物組織被超聲波作用后的信息，就可以觀察生物組織的內(nèi)在特性。醫(yī)學(xué)超聲成像，就是以超聲波作為被探測(cè)信息的載體，利用電子信息學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理等技術(shù)手段，提取超聲回波傳遞的生物內(nèi)部信息，對(duì)生物組織器官進(jìn)行成像。1.1 醫(yī)學(xué)超聲成像發(fā)展歷史聲學(xué)是物理學(xué)中的一個(gè)重要部分，而超聲學(xué)是聲學(xué)中的一個(gè)分支學(xué)科。超聲學(xué)的發(fā)展還只是19世紀(jì)末20世紀(jì)初的事，它的迅速發(fā)展不僅是物理學(xué)發(fā)展的結(jié)果，也是工業(yè)、軍事上迫切需要的結(jié)果。1912年發(fā)生了一出震驚世界的大悲劇，英國(guó)客輪泰坦尼克號(hào)(Titanic)在北美海岸附近與冰山相撞沉沒(méi)，幾乎所有乘客都葬身海底，這激起了人們?cè)谝暥炔涣嫉那闆r下，發(fā)現(xiàn)水下或水上障礙物的強(qiáng)烈愿望。1917年，法國(guó)科學(xué)家Langevin發(fā)現(xiàn)反壓電效應(yīng)，他用高頻電磁場(chǎng)加在石英片上獲得超聲，提出了用超聲在水下做探測(cè)的“水下定位法”，從此開始了超聲檢測(cè)的時(shí)代。1928年，Dunn等研究了超聲的生物效應(yīng)，在德國(guó)申報(bào)了超聲治療機(jī)的專利，但是直到1939年才出現(xiàn)了超聲治療坐骨神經(jīng)痛獲得良好結(jié)果的報(bào)告可見超聲治療學(xué)是超聲生物醫(yī)學(xué)中最先發(fā)展的領(lǐng)域。

編輯推薦

《超聲成像算法導(dǎo)論》可供生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)專業(yè)的本科生和研究生使用，亦可供從事其他領(lǐng)域超聲成像檢測(cè)技術(shù)的研究人員參考。

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