[发明专利]一种基于全卷积网络的三维超声颅脑成像方法

说明书

本发明提出了一种基于全卷积网络的三维超声颅脑成像方法，用于解决现有超声成像方法无法满足颅骨超高分辨率和3D实时成像的技术问题。其步骤为：首先，根据生物组织和颅脑超声信号传播的物理特性计算时域超声信号，构建数值模拟数据库；并对数值模拟数据库中的超声信号数据进行数据预处理；其次，搭建全卷积网络，并利用数据预处理后的超声信号数据进行网络训练，得到最优网络超参数组合的网络模型；最后，将待预测的颅脑超声信号输入网络模型中进行超声颅脑成像。本发明的超声颅脑成像技术容易实现、分辨率高、速度快。

技术领域

本发明涉及颅脑成像技术领域，特别是指一种基于全卷积网络的三维超声颅脑成像方法。

背景技术

颅脑影像学在临床医学应用中具有不可替代的作用，有助于对颅脑病变进行早期、全面的诊断和评估，以及早期确定其治疗方案，对世界人口具有重要影响。传统的影像医学技术，如磁共振成像和计算机断层扫描，由于其软组织分辨率高，被广泛应用于临床成像，但磁共振成像不适用于肥胖或患有肥胖症的人。体内有磁性异物，计算机断层扫描涉及将身体暴露于有害的电离辐射；传统的B型超声成像和超声反射断层扫描可用于心脏、腹部、泌尿系统和消化系统的断层成像，但超声与颅骨软组织相互作用的机制：超声信号通过颅骨会产生严重的反射、折射、散射等复杂的物理现象，导致颅内波场复杂而扭曲。来自颅骨的强烈高振幅反射会淹没从软组织反射的微小脉冲，无法实现高分辨率颅脑成像。同时，所有这些技术都需要庞大且昂贵的设备，并且必须由医疗专业人员进行操作。

解决颅骨引起的波场相位和波前失真的一种可行方法是通过颅骨的开放囟门激发和接收经颅超声，但该方法仅适用于婴儿，开放囟门随着年龄的增长逐渐关闭。另一种方法是通过用光声探头刺穿颅骨来捕获颅内组织的信号，以监测和成像大脑中的各种信号，但这种侵入性方法在临床应用中难以操作，如果稍有错误可能会产生不可逆转的后果。另一种成像技术是全波形反演技术，通过监测大脑周围的波场，解决非线性局部参数优化问题，对模型参数进行迭代模拟，以减少实验未知模型波场与模拟已知模型波场的差异，实现对物理模型结构的预测，然而，全波形反演技术中模型梯度和Hessian矩阵和向量积的迭代求解过程会消耗大量的计算资源和时间，不具备常规超声成像的实时优势，因此不能应用于临床实时医学成像。目前，没有一种超声成像方法可以同时满足颅骨超高分辨率和3D实时成像，这是颅脑成像面临的挑战。

发明内容

针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于全卷积网络的三维超声颅脑成像方法，解决了现有超声成像方法无法满足颅骨超高分辨率和3D实时成像的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于全卷积网络的三维超声颅脑成像方法，其步骤如下：

步骤一：根据生物组织和颅脑超声信号传播的物理特性计算时域超声信号，构建数值模拟数据库；

步骤二：对数值模拟数据库中的超声信号数据进行数据预处理；

步骤三：搭建全卷积网络，并利用数据预处理后的超声信号数据进行网络训练，得到最优网络超参数组合的网络模型；

步骤四：将待预测的颅脑超声信号输入网络模型中进行超声颅脑成像。

步骤一的实现方法为：

考虑到生物组织和颅脑超声信号传播的物理特性，用各向同性介质的3D超声波动方程描述超声波在人脑中的传播，如式(1)所示：

其中，p(r,t)为t时刻点源r处的压力波场；ρ(r)是点源r的密度，c(r)是点源r的速度；将式(1)转换至空频域，得到声波方程：