醫(yī)學(xué)超聲非線性成像方法可行性研究

何啟航

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610000）

醫(yī)學(xué)超聲非線性成像方法可行性研究

何啟航

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610000）

0　引言

醫(yī)學(xué)超聲非線性成像是依據(jù)生物組織的不同非線性參數(shù)進(jìn)行成像，能夠很好地反映生物組織的非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱。有研究指出與傳統(tǒng)的線性醫(yī)學(xué)超聲模型所反映的聲阻抗、聲速、聲衰減等信息相比，非線性參數(shù)對(duì)于組織的組份、結(jié)構(gòu)及病理的變化非常的敏感［1］。臨床實(shí)驗(yàn)指出，非線性成像能夠明顯的區(qū)分出正常組織和病變組織［2］，相比于傳統(tǒng)的超聲成像方法，醫(yī)生可以根據(jù)非線性圖像結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)更早地判斷出組織病變類型與程度，從而為疾病的發(fā)現(xiàn)與治療爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

現(xiàn)在有很多組織非線性參數(shù)測(cè)量與成像的方法，其中經(jīng)典的是熱力學(xué)方法［3］、基于單頻率回波方法［4］、基于有限振幅插入取代法等［5］，但是由于這些方法對(duì)實(shí)驗(yàn)器材和環(huán)境的特殊要求無法應(yīng)用于臨床超聲成像系統(tǒng)中，2014年提出基于脈沖回波系統(tǒng)模型的超聲非線性成像方法［6］，該方法能夠應(yīng)用于常規(guī)的超聲系統(tǒng)和探頭。本文通過驗(yàn)證該方法所使用的超聲系統(tǒng)的線性范圍確定其工作電壓及增益范圍，證明該方法的可行性和有效性。

1　基于脈沖回波系統(tǒng)模型的超聲非線性成像方法

由于組織非線性的影響，探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過一段長(zhǎng)短的傳播，波形將會(huì)產(chǎn)生畸變，這是由于組織的線性衰減與非線性衰減使超聲波隨著路徑傳播，能量逐漸衰減。該方法為了簡(jiǎn)化傳播的聲學(xué)模型，忽略了二次以上的高項(xiàng)，也就是只會(huì)產(chǎn)生基波能量和二次諧波能量，這樣隨著聲波傳播，基波能量逐漸向二次諧波能量轉(zhuǎn)移。

方法需要控制超聲系統(tǒng)的前端，在連續(xù)的兩條掃描線時(shí)發(fā)射具有不同激勵(lì)電壓的超聲脈沖，通過接收到的脈沖回波信號(hào)進(jìn)行相減分析組織的非線性特征。

假設(shè)發(fā)射的兩次不同激勵(lì)電壓的超聲波脈沖為：

其中為兩次不同的激勵(lì)電壓，為激勵(lì)的正弦波形。通過對(duì)回波包絡(luò)信號(hào)相減，可以得到非線性成像函數(shù)：

其中l(wèi)1（t）l2（t）是log壓縮后的回波包絡(luò)信號(hào)。該公式反映了組織某一深度下回波信號(hào)中基波分量由于組織的非線性導(dǎo)致的非線性衰減，而這個(gè)函數(shù)與組織的聲阻抗、散射特性、衍射特性都無關(guān)，也就是說該函數(shù)只反映了組織的非線性參數(shù)的分布。

2　非線性成像方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文所有實(shí)驗(yàn)均采用成都聲泰特公司的iMago C21超聲儀器。非線性圖像中反映的非線性有可能來自于三個(gè)環(huán)節(jié)，即：信號(hào)發(fā)射電路、介質(zhì)傳輸、信號(hào)接收電路。分別是圖1中藍(lán)色、紅色、綠色方框所代表的部分。其中信號(hào)發(fā)射電路和信號(hào)接收電路是超聲系統(tǒng)產(chǎn)生的，所以我們要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的線性工作范圍的電壓及增益，才能使我們最終得到的圖像只與傳輸介質(zhì)的非線性有關(guān)。

圖1　醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)的脈沖回波模型

由于非線性成像中影響結(jié)果的因素較多（包括機(jī)器前端發(fā)射電路的非線性、體模制作導(dǎo)致的非線性差異和接收電路的非線性等等），在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)盡量考慮簡(jiǎn)化的假設(shè)條件，將系統(tǒng)中眾多的因素隔離開，先分析各種因素獨(dú)立作用下對(duì)非線性結(jié)果的影響。根據(jù)這一原則，實(shí)驗(yàn)主要包括三方面內(nèi)容：確定系統(tǒng)設(shè)置電壓與實(shí)際發(fā)射電壓的關(guān)系、確定發(fā)射電壓線性范圍、確定系統(tǒng)增益線性范圍。

2.1實(shí)驗(yàn)原理

由于超聲波遇到固體絕大部分會(huì)被反射回來，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們用探頭緊貼著鐵板，如圖2所示。我們可以假設(shè)發(fā)射的超聲波會(huì)被全部接收回來，那么回波能量的變化只與系統(tǒng)的發(fā)射和接受電路有關(guān)，和介質(zhì)的傳輸無關(guān)。試驗(yàn)中回波只能用RF信號(hào)形式采集，所以我們只能通過RF信號(hào)計(jì)算回波能量，又根據(jù)帕斯瓦爾定理，離散信號(hào)的能量等于時(shí)間域信號(hào)對(duì)應(yīng)的傅里葉變換系數(shù)平方和的1/2π倍，如下所示：

如果系統(tǒng)在線性范圍內(nèi)，那么發(fā)射的能量和接受的能量關(guān)系應(yīng)該是線性的，在二維坐標(biāo)上表現(xiàn)為一條直線，如果是非線性的那么在二維坐標(biāo)上表現(xiàn)為曲線。

2.2UI設(shè)置電壓與實(shí)際發(fā)射電壓的關(guān)系

根據(jù)目前iMago C21前端電路的設(shè)計(jì)，UI上設(shè)置的電壓與實(shí)際探頭發(fā)射的電壓峰峰值可能存在一定誤差。因此需要對(duì)這一關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。

方法是在iMago C21的B模式下改變探頭的發(fā)射電壓，然后用示波器測(cè)量探頭實(shí)際發(fā)射電壓的峰峰值，結(jié)果如表1所示。

表1　UI設(shè)置電壓與實(shí)際發(fā)射電壓的關(guān)系

2.3確定系統(tǒng)發(fā)射電壓的線性范圍

固定增益45DB，使用線陣探頭打鐵板，從20到90V如上表格所示，每一個(gè)電壓下采集1幀圖像，然后對(duì)不同電壓下的同一幀，采集一條Beam Line計(jì)算計(jì)算返回能量，在使用曲線擬合，確定直線，然后分段計(jì)算誤差，其中如圖3所示。

其中橫坐標(biāo)為輸入電壓歸一化的值，縱坐標(biāo)為回波能量歸一化的值，其中紅色的線為曲線擬合結(jié)果，誤差為點(diǎn)到直線距離的平方和，誤差足夠小時(shí)就是直線，那么電壓范圍就是線性的。根據(jù)圖3我們可以得到表2。

我們選擇輸入電壓范圍時(shí)要考慮到誤差足夠小時(shí)范圍盡量大，因?yàn)榉秶酱螅瑑纱渭?lì)電壓的差距越大，那么在非線性成像時(shí)線性部分與非線性部分越明顯，容易識(shí)別。所以綜合考慮，在增益為45DB時(shí)，我們選擇20v-60v為我們激勵(lì)電壓范圍。

圖3　發(fā)射電壓與回波能量的關(guān)系

表2　區(qū)域曲線擬合誤差大小

2.4確定系統(tǒng)增益的線性范圍

因?yàn)橛胕Mago C21非線性成像時(shí)，除了激勵(lì)電壓會(huì)影響結(jié)果，增益也會(huì)影響，所以我們要驗(yàn)證系統(tǒng)增益的線性范圍。

設(shè)置iMago C21在B模式下的發(fā)射電壓固定為30V和50V，激勵(lì)周期為2個(gè)cycle。在程序中調(diào)整模擬增益為10dB～75dB，每5dB測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)。其余實(shí)驗(yàn)條件與上一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)保持一致。模擬增益與回波信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4　30V和50V下增益大小和回波能量的關(guān)系

從圖中，我們可以明顯的看出，激勵(lì)電壓為30V和50V的情況下增益都是在偏低和偏高的時(shí)候呈曲線，中間部分接近直線。我們?cè)偾蟪鰠^(qū)域曲線擬合的誤差，驗(yàn)證我們的結(jié)果。圖5顯示在30V時(shí)增益區(qū)域曲線擬合的結(jié)果。

其中橫坐標(biāo)為增益大小，縱坐標(biāo)為回波能量歸一化的值。從圖中，我們可以看出增益越是中間部分誤差越小，越接近線性，所以綜合考慮，我們選擇45DB作為系統(tǒng)增益。

3　結(jié)語

根據(jù)第三章的實(shí)驗(yàn)，我們確定出超聲系統(tǒng)在做非線性成像時(shí)，激勵(lì)電壓在20V-60V時(shí)，增益大小在45DB時(shí)，系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端是線性的，那么非線性成像的結(jié)果只與傳輸介質(zhì)的非線性參數(shù)有關(guān)，所以在使用iMago C21超聲系統(tǒng)和第二章介紹的基于脈沖回波系統(tǒng)模型的超聲非線性成像方法所得到的非線性圖像是反映了體內(nèi)組織非線性參數(shù)的分布，結(jié)果是可行和有效的，能夠?yàn)獒t(yī)生的臨床診斷提供依據(jù)。

圖5　增益范圍區(qū)域曲線擬合結(jié)果

［1］龔秀芬，章東.非線性聲參量成像及其在醫(yī)學(xué)診斷中應(yīng)用［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2005，24（4）:208-215.

［2］Sehgal C M，Bahn R C，Greenleaf J F.Measurement of the Acoustic Nonlinearity Parameter B/A in Human Tissues by a Thermodynamic Method.［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1984，76（4）:1023-1029.

［3］Zhu Z，Roos M S，Cobb W N，et al.Determination of the Acoustic Nonlinearity Parameter B/A from Phase Measurements［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1983，74（5）:1518-1521.

［4］Nikoonahad M，Liu D C.Pulse-Echo Single Frequency Acoustic Nonlinearity Parameter（B/A）Measurement.［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics&Frequency Control，1990，37（3）:127-134.

［5］Dong Z，Gong X F.Experimental Investigation of the Acoustic Nonlinearity Parameter Tomography for Excised Pathological Biological Tissues［J］.Ultrasound in Medicine&Biology，1999，25（4）:593-599.

［6］張叢耀.醫(yī)學(xué)超聲彈性成像和非線性成像的方法與技術(shù)研究.成都：四川大學(xué)，2014.

Nonlinear Imaging；Ultrasound；Linear；Voltage；Gain

Research on the Feasibility of Medical Ultrasound Nonlinear Imaging Method

HE Qi-hang
（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 61000）

1007-1423（2015）36-0026-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.006

何啟航（1990-），男，四川成都人，在讀研究生，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像處理

2015-11-17

2015-12-10

非線性成像能夠區(qū)分出組織的組份、結(jié)構(gòu)及病理的變化，因此該方法作為診斷組織是否病變?cè)谂R床醫(yī)學(xué)中有著重大的應(yīng)用。介紹一種基于脈沖回波系統(tǒng)模型的超聲非線性成像方法，討論該方法所用的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)的線性范圍，確定其工作電壓及增益范圍，證明該方法在超聲系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的可行性和有效性。

非線性成像；超聲；線性；電壓；增益

Nonlinear imaging can distinguish changes in components，structure and pathological state of a tissue，as a result，this method has important application in clinical medicine for judging the lesion is health or not.Introduces a nonlinear imaging method based on pulse echo system model，discusses the linear range of the medical ultrasound system used in this method，and determines the system operating voltage and gain range，proves the feasibility and effectiveness of the method in the medical ultrasound system.