封面文章

High-resolution bone microstructure imaging based on ultrasonic frequency-domain full-waveform inversion

Yifang Li(李义方), Qinzhen Shi(石勤振), Ying Li(李颖), Xiaojun Song(宋小军), Chengcheng Liu(刘成成), Dean Ta(他得安), and Weiqi Wang(王威琪)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (1): 014302

文章亮点介绍

骨骼组织超声成像一直是医学超声领域的研究难点。因为骨骼组织为异质化多孔复杂介质，超声传播存在严重的声速不均匀、相位畸变及衰减等问题，给骨组织超声成像带来挑战。传统的脉冲回波成像模式采用均匀背景声速设定，在没有声速分布的先验知识下，很难对不规则的骨内边界和骨微结构准确成像。为了克服传统方法的局限性，本文提出了一种超声计算机断层扫描(USCT)骨定量成像方法。该方法利用频域全波形反演(FDFWI)，通过求解频域全波方程得到正演仿真声场。通过最小化仿真和测量声场之间的损失函数，利用从低频到高频离散分量依次迭代求解反问题。迭代算法采用拟牛顿法(L-BFGS)优化求解，获得了骨骼组织声速和密度参数图像。通过骨管状仿体、单腓骨、胫骨-腓骨等数值模型验证了本文成像方法的性能。与高分辨率X射线外周计算机断层扫描术(HR-pQCT)相比，本文所提出的FDFWI方法能够清晰、准确地重建波长尺度的骨微结构信息。本文通过证明，基于FDFWI的USCT能够重建高分辨率(亚毫米)骨骼超声图像，有望为肌骨组织基础病变的精确诊断提供超声影像学方法。

Figure. FDFWI results of the distal tibia-fibula pair for velocity model with maximum frequency 2.5 MHz. The yellow line represents structure and edge information extracted from the true model.