● 摘要
自从Chivers等人在20世纪70年代末期提出并综述了有关超声在生物软组织中散射的理论及研究方法以来，超声在生物组织中散射的研究越来越受到重视，在超声与非均匀软组织相互作用的机理以及在超声组织定征方法研究方面取得了很大的进展，但由于生物组织结构的复杂性，再加上超声波与生物组织的相互作用机理仍不很清楚，这就使组织定征的理论分析和定征技术逼到了困难。因此，生物软组织超声散射机理的研究具有重要的理论意义和明显的医学应用前景。另一方面，寻求一种既能检测出软组织的细微结构又对弥散性散射及各种干扰噪声不敏感的分析处理方法是非常有必要的。 本文的目的是:(1)从非均匀软组织超声辨识的角度出发，针对超声与生物组织相互作用的机理以及软组织超声背向散射信号的处理方法方面存在的问题，对超声与生物组织相互作用的散射机理进行探讨，指导出一种更符合实际的生物组织超声散射理论模型；（2）寻求一种既能检测出软组织的细微结构又对弥散性散射及各种干扰噪声不敏感的分析处理方法。提出了一种“WD(Wavelets Decomposition)倒谱”技术，并将其用于生物组织进行分析定征的新方法，对人体肾、脾等组织的超声背向散射结构特征进行了分析，对散射子平均间距进行了估计。具体的工作及结论如下: (1)对超声与生物组织相互作用的散射机理进行了探讨，认为在非均匀软组织中造成超声散射的原因除密度和弹性模量的不均匀性外，散射子的大小和形状及其散射子数密度对散射的贡献是不可忽略的。并在声散射基本理论和基本假设的基础上，根据非均匀软组织的结构特点，利用非均匀介质中的波动方程，以及Green函数，Gauss定理和Helmholtz Huygens积分方程等，考虑到散射子的大小和形状及散射子数密度等因素，推导出了软组织声散射的一种理论模型，并对模型进行了分析讨论。 (2)利用现代谱分析中的AR倒谱技术对所采集到的人体正常肾组织、肾肿瘤组织、人体正常脾组织、脾增生组织及正常猪肝组织的超声背向散射信号进行了分析处理，对上述各软组织的散射子平均间距进行了估计;并对它们的微观结构进行了分析，与解剖结构和组织结构特征进行了比较，其结果分别与相应文献资料及病理学特征相符。 (3)提出了一种对超声散射信号先子波分解后再求其例谱的新方法(简称“WD倒谱”)。并利用该技术对生物软组织的背向散射信号进行了处理，对软组织中散射子的平均间距进行了估计。结果表明，这种方法不仅可以检测生物软组织超声散射信号的突变点，而且能有效的估计出散射子的平均间距。 (4)采用基于信号突变点检测的子波变换法对人体肾组织的散射子间距进行了估计。实验结果表明，基于背向散射信号突变点检测的子波变换法利用规则性散射和弥散性散射及系统噪声子波变换后随尺度变化规律的不同，不仅能估计出散射子的平均间距，还能估计散射子间距及空间分布，实现散射子的空间定位。 (5)分析了子波变换及其“WD例谱”法的优越性。对用“WD倒谱”和AR倒谱所得的结果进行了比较，结果表明:对于较强的弥漫性散射，子波变换具有较强的抗干扰能力，是功率谱和AR例谱法所不能比拟的。用“WD倒谱”技术处理所得的结果能更好的反映软组织的微观结构特征，说明子波变换及“WD倒谱”技术是非均匀软组织超声散射信号分析与软组织散射子定征的一种有效方法。“WD倒谱”不仅避免了AR倒谱法对各种噪声的敏感性及AR倒谱中出现多个尖蜂的现象，同时也提高了子波变换对平均间距估计的分辨率。 本文推导出的声散射改进型理论模型对非均匀介质散射机理的研究具有重要意义。另外，组织散射子平均间距这一特征参数可用于鉴别组织的病变情况，利用组织某一分辨单元内散射子的平均间距成像在临床诊断中有潜在的应用前景。本文在子波变换和现代谱估计的基础上提出的一种估计散射子平均间距的新方法──“WD倒谱”，可为软组织超声辨识提供一定的科学手段;用此方法对人体肾、脾等组织微观结构特征进行的超声散射分析研究结果，可为临床应用提供一定的科学依据。