超聲編碼激勵在瞬時彈性成像檢測中的應用

和曉念，林浩銘，刁現芬，孟德明，覃正笛，陳思平，陳昕

?

超聲編碼激勵在瞬時彈性成像檢測中的應用

和曉念1，林浩銘1，刁現芬1，孟德明2，覃正笛1，陳思平1，陳昕1

(1. 深圳大學醫學院，醫學超聲關鍵技術國家地方聯合工程實驗室，廣東省生物醫學信息檢測與超聲成像重點實驗室，廣東深圳518060；2.桂林電子科技大學，廣西桂林，541004)

瞬時彈性(Transient Elastography，TE)成像廣泛應用于肝硬化研究。然而，在臨床應用中，對于肥胖病人，該方法很難實現對深度位置的瞬時剪切波進行檢測。研究了將超聲編碼激勵應用于瞬時彈性成像剪切波檢測的可行性，選用7位巴克碼進行編碼檢測研究。通過剪切波信噪比和檢測穿透力兩個指標對編碼檢測與傳統短脈沖檢測結果進行量化和對比。彈性仿體實驗表明，編碼檢測可以提供比傳統短脈沖檢測更高的剪切波信噪比和檢測深度。離體豬肝實驗表明將編碼激勵應用于組織檢測時同樣可以實現高信噪比剪切波檢測。這些結果表明編碼檢測應用于瞬時彈性成像檢測是可行的，可以增加其檢測深度。

瞬時彈性成像；超聲編碼激勵；剪切波信噪比；穿透力

0 引言

瞬時彈性成像技術提供了一種快速、簡潔、無創且完全無痛的肝臟硬化檢測方法[1-2]，其原理主要通過測定低頻剪切波在肝組織纖維中的傳播速度來判斷肝臟的硬度，從而評估出肝臟纖維化的程度。法國ECHOSENS公司擁有專門用于FibroScan設備的振動控制的瞬時彈性成像專利技術(Vibration Control Transient Elastography，VCTE)，該瞬時彈性成像技術主要裝置是將超聲換能器固定在電磁振動器上，電磁振動器產生低頻瞬時振動，帶動超聲換能器探頭本身在粘彈性介質表面產生瞬時沖擊，從而在組織內部產生剪切波[3]。利用超聲脈沖回波技術，采用常規短脈沖方式跟蹤記錄瞬時剪切波在組織中隨時間的傳播過程。通過對超聲M模式信號的分析，來確定瞬時剪切波在組織中的傳播速度，從而計算組織的彈性系數。

從超聲回波中提取有關剪切波運動信息是瞬時彈性成像信號處理過程中的關鍵一步。超聲回波的信噪比正比于剪切波信噪比[4-5]。由于超聲波幅度在人體中隨傳播距離成指數衰減，在脂肪組織中衰減更為嚴重，因此在瞬時彈性成像臨床應用中，對于肥胖病人，瞬時彈性成像技術表現出檢測深度不夠的現象，難以實現準確肝纖維化檢測[6]。

編碼激勵技術已廣泛應用于醫學超聲成像[7-10]。本文提出了瞬時彈性成像編碼檢測方法。采用超聲編碼激勵技術對剪切波傳播進行跟蹤和檢測。搭建了瞬時彈性成像編碼檢測平臺及系統，基于該編碼系統進行了標準彈性仿體和離體豬肝仿體瞬時彈性編碼檢測實驗，結果表明編碼檢測可以提高瞬時彈性成像剪切波信噪比，從而改善其檢測深度。

1 編碼瞬時彈性成像系統和方法研究

1.1 實驗系統

編碼應用于瞬時彈性成像系統主要包括兩個部分，一個是編碼激勵部分，一個是瞬時彈性檢測部分。編碼激勵部分基于一臺商用經顱多普勒進行開發(EMS-9UA，德力凱，深圳，中國)，采用儀器的發射接收(T/R)模塊，超聲探頭的激勵信號設置為外部輸入激勵。任意信號發生器(LeCroyArbstudio 1104，Leroy Corp. Chestnut Ridge，NY，U.S.)用來產生超聲探頭所需要的激勵信號，包括常規短脈沖和編碼調制信號，該信號經過前端功率放大電路處理之后驅動超聲換能器，進而實現編碼檢測。商用機的8 MHz時鐘信號被引出作為任意信號發生器的外部時鐘信號以及數據采集卡(PCI-9846，ADLINK，臺灣，中國)的采樣頻率信號，全系統共用一個時鐘信號。編碼激勵系統和實驗平臺如圖1所示。

瞬時彈性檢測部分如圖2所示。將中心頻率為2 MHz的單陣元探頭綁定在電磁振蕩器(Mini shaker Type 4810，Denmark)的中軸上，調整探頭與仿體之間的距離，使得超聲探頭緊貼仿體表面。用來產生剪切波的瞬時低頻信號也是由任意信號發生器產生，低頻信號首先經過功率放大器(Power Amplifier 2718，Denmark)進行功率放大，然后驅動電磁振蕩器產生瞬時振動，進而帶動探頭瞬時振動，在組織內產生剪切波。本文中設定低頻信號頻率為50 Hz，這也是相關瞬時彈性成像研究中普遍選定的頻率[3]。如果瞬時激勵信號頻率過低，剪切波的波長變長，會增加其衍射效應，不利于剪切波速度的估算；激勵信號頻率過高，則會增加剪切波的衰減，不利于深度檢測[1]。

剪切波激勵信號與檢測序列的時序如圖3所示，其中，低頻瞬時振動頻率為50 Hz；檢測脈沖重復頻率=7.4 kHz；低頻振動信號與檢測脈沖時序保持同步，可以方便實現對剪切波的跟蹤和檢測?；夭ㄐ盘柦涍^初級放大直接進行A/D采集，數據存儲在電腦硬盤中，后續進行線下處理。

1.2 編碼以及后處理方法

采用超聲編碼檢測，可以提高瞬時彈性成像剪切波信噪比，進而提高其檢測深度。巴克碼具有很好的自相關性且對硬件電路要求較低，操作中比較容易實現[11]。本文中選定7位巴克碼進行編碼檢測。采用巴克碼編碼調制實際是對載波信號進行相位調制的過程，如圖4所示。本方案中系統采樣時鐘為8 MHz，探頭的中心頻率為2 MHz，每一個碼片調制4個基波，首先將巴克碼序列按照倍進行過采樣；然后將過采樣的序列與2 MHz的基波信號進行相乘，即可實現對基波的相位調制。將經過相位調制后的編碼信號經過前端發射電路進行功率放大，最終實現編碼激勵超聲換能器。

編碼回波信號經過初步放大后直接進行A/D采樣，完成編碼檢測回波信號的數字化。由于對回波信號直接進行了數字化處理，因此在這里可以很方便地應用數字脈沖壓縮技術來實現信號的解碼。通過匹配濾波即可獲得脈沖壓縮后的回波信號[11]，該過程表示為

式(1)中：為采樣深度序列號；()是經過解碼之后的超聲回波信號；()是編碼脈沖超聲回波信號；()是對應發射脈沖的碼元序列；為碼的數據長度。利用解碼之后的回波信號進行組織振動位移信號提取。本編碼檢測方法中采用互譜方法實現位移估計，該方法具有穩定、快速及精確的優點[12]。

1.3 編碼檢測穿透力量化方法

為了驗證編碼應用于瞬時彈性的效果，這里給出了剪切波信噪比的量化方法。圖5(a)顯示的是一個深度的剪切波振動信號，對該信號進行FFT變換之后得到其頻譜分布如圖5(b)所示。

(a) 一個深度的剪切波振動信號

(b) 振動信號(a)的傅里葉變換

圖5 剪切波信噪比的量化方法

Fig.5 The quantization method for shear wave SNR

低頻的50 Hz信號作為剪切波有效信號，對高頻信號(高于1 500 Hz)進行累加作為剪切波噪聲信號，則剪切波振動信號信噪比可定義為剪切波的有效信號與噪聲信號之比，該表達式為

式(2)中：為一個深度的剪切波振動信號；為選定的振動低頻成分；為累加頻率范圍。

圖6(a)是用瞬時彈性檢測裝置獲得的剪切波運動圖，反映了剪切波沿著深度方向傳播隨時間的變化。斜率對應于剪切波在仿體中的傳播速度。按照所給出的信噪比量化方法，對圖6(a)每個深度的振動信號做剪切波信噪比提取，可以得到如圖6(b)所示的隨深度變化的剪切波信噪比曲線。對標準彈性仿體進行瞬時彈性成像6次獨立重復實驗，對每次實驗結果分別提取信噪比曲線，得出的6次信噪比曲線基本重合，如圖6(b)所示，表明瞬時彈性檢測以及信噪比的量化方法具有很好的重復性。

(a) 用瞬時彈性檢測裝置獲得的剪切波運動圖

(b) 瞬時彈性成像6次獨立重復實驗得到的剪切波信噪比隨深度變化

圖6 量化方法的可重復性驗證

Fig.6 The repeatability verification of the quantification method

2 瞬時彈性成像超聲編碼檢測研究

為了驗證超聲編碼激勵應用于瞬時彈性檢測，可以改善剪切波信噪比和提高瞬時彈性成像檢測深度的有效性，本研究采用標準彈性仿體和離體豬肝仿體進行超聲編碼激勵瞬時彈性成像檢測實驗。

2.1 標準彈性仿體的編碼瞬時彈性檢測

瞬時彈性成像實驗裝置如圖2所示。標準彈性仿體型號為：Model 049，CIRS Inc，Norfolk，VA，USA。為了突出編碼的檢測效果，在探頭和標準仿體之間放置一層厚度為2 cm的五花肉，通過添加五花肉可以對超聲信號引入更多的噪聲和衰減。探頭緊貼五花肉表面。設定電磁振蕩器的驅動信號電壓為0.7 Vpp。實驗過程中，探頭和仿體的位置關系保持不變，只切換不同的檢測方法。分別采用常規短脈沖檢測和編碼檢測方法對瞬時剪切波信號進行跟蹤和檢測，然后對檢測的結果進行信噪比分析，通過量化比較說明編碼檢測的優勢。

剪切波檢測結果如圖7所示，不同檢測方法得出的剪切波信噪比隨深度變化如圖8所示。由圖7可以明顯看到，當采用短脈沖檢測時，背景噪聲比較明顯；而編碼結果顯示，背景噪聲可以得到很大抑制。這種對噪聲的抑制效果可以有助于提高檢測穿透力。

如圖8所示，對檢測的結果進行信噪比分析，編碼檢測所得的信噪比整體趨勢要高于常規脈沖檢測，本實驗中如果以10 dB來限定檢測穿透深度，那么編碼檢測相對于短脈沖檢測，探測深度可以提高5～10 mm。

(a) 短脈沖

(b)7位巴克碼

圖7 在彈性仿體實驗中，分別采用短脈沖和7位巴克碼檢測所獲得的剪切波運動圖

Fig.7 The shear wave motion signal plots as detected by the short pulse and Barker 7 coded pulse in the elastic phantom experiment

2.2 離體豬肝仿體的編碼瞬時彈性檢測

本研究還進行了離體的動物實驗，離體的豬肝仿體采用HKM公司的瓊脂粉制作，瓊脂粉與水的質量比為，選定豬肝尺寸為4 cm×5 cm×8 cm，將豬肝嵌置于瓊脂仿體中，制作完成的離體豬肝仿體如圖9所示。分別采用常規短脈沖檢測和編碼檢測方法對豬肝仿體進行瞬時彈性成像檢測。采用同樣的剪切波信噪比定義方法對檢測結果進行量化對比。

瞬時剪切波信號跟蹤檢測結果如圖10所示。相比于常規短脈沖檢測，編碼檢測能夠很好地對噪聲信號進行抑制，在較深位置(大于6.5 cm)處表現的效果更為突出。

(a) 短脈沖

(b)7位巴克碼

圖10 在離體豬肝仿體實驗中，分別采用短脈沖和7位巴克碼檢測所獲得的剪切波運動圖

Fig.10 The shear wave motion signal plots as detected by the short pulse and Barker 7 coded pulse in the in vitro liver phantom experiment

對檢測結果分別進行信噪比分析，如圖11所示。編碼檢測所得的信噪比整體趨勢要高于常規脈沖檢測。隨著深度增加，信噪比提高更明顯。

3 結論

本文研究設計并實現了瞬時彈性成像編碼檢測平臺及系統，基于該編碼系統進行了標準彈性仿體和離體的豬肝仿體編碼檢測實驗。在標準仿體表面加入一層五花肉的瞬時彈性檢測結果表明，編碼檢測可以很好地改善剪切波信噪比，與傳統的短脈沖檢測相比，提高了瞬時彈性檢測深度；離體的豬肝仿體實驗同樣表明編碼檢測提高了檢測深度，也證明了將編碼檢測技術應用于組織瞬時彈性成像的可行性。該編碼檢測可以提高剪切波信噪比，改善瞬時彈性成像臨床應用中檢測深度不夠的問題。

[1] Sandrin L, Fourquet B, Hasquenoph J.-M, et al.Transient elastography: a new noninvasive method for assessment of hepatic fibrosis[J]. Ultrasound in Medicine & Biology, 2003, 29(12): 1705- 1713.

[2] Ziol M, Handra-Luca A, Kettaneh A, et al. Noninvasive assessment of liver fibrosis by measurement of stiffness in patients with chronic hepatitis C[J]. Hepatology, 2005, 41(1): 48-54.

[3] Sandrin L, Tanter M, Gennisson J-L, et al. Shear elasticity probe for soft tissues with 1-D transient elastography[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2002, 49(4): 436-446.

[4] Walker W F, Trahey G E. A fundamental limit on delay estimation using partially correlated speckle signals[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 1995, 42(2): 301-308.

[5] Carter G C. Coherence and time delay estimation[J]. Proceedings of the IEEE, 1987, 75(2): 236-255.

[6] Zaleska-Dorobisz U, Kaczorowski K, Pawlu? A, et al. Ultrasound elastography–review of techniques and its clinical applications[J]. Advances in Clinical and Experimental Medicine, 2014, 23(4): 645-655.

[7] O'Donnell M. Coded excitation system for improving the penetration of real-time phased-array imaging systems[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 1992, 39(3): 341-351.

[8] Misaridis T, Jensen J A. Use of modulated excitation signals in medical ultrasound. Part II: design and performance for medical imaging applications[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2005, 52(2): 192-207.

[9] Song P F, Urban M W, Manduca A, et al. Coded excitation plane wave imaging for shear wave motion detection[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2015, 62(7): 1356-1372.

[10] Misaridis T X, Gammelmark K, J?rgensen C H, et al. Potential of coded excitation in medical ultrasound imaging[J]. Ultrasonics, 2000, 38(1): 183-189.

[11] Misaridis T, Jensen J A. Use of modulated excitation signals in medical ultrasound. Part I: Basic concepts and expected benefits [J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2005, 52(2): 177-191.

[12] Hasegawa H, Kanai H. Improving accuracy in estimation of artery-wall displacement by referring to center frequency of RF echo[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2006, 53(1): 52-63.

Application of ultrasound coded excitation in transient elastography detection

HE Xiao-nian1, LIN Hao-ming1, DIAO Xian-fen1, MENG De-ming2, QIN Zheng-di1, CHEN Si-ping1, CHEN Xin1

(1. School of Biomedical Engineering, Shenzhen University, National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, Guangdong Key Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen 518060, Guangdong, China;2. Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

Transient elastography (TE) is well adapted for use in studying liver elasticity. However, in clinical application, it is challenging to detect the transient shear wave motion in a severe noise environment, such as within deep tissues and for obese patients. This paper, therefore, investigates the feasibility of implementing coded excitation in TE for shear wave detection. The 7 bit Barker code is used in this study. The performances of coded excitation for transient elastography are quantitatively compared in terms of shear wave SNR and the detection depth. Elastic phantom experiment shows that coded pulse outperform traditional short pulse by providing superior shear wave SNR and detection depth. Results from the in vitro liver experiment prove the feasibility of implementing the coding technique in tissue and shows that the coded pulses could provide higher shear wave SNR than the traditional short pulse. These promising results prove the feasibility of implementing coded excitation in TE application, to facilitate superior detection depth.

transient elastography; ultrasound coded excitation; shear wave SNR; penetration

R318

A

1000-3630(2017)-04-0340-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.008

2016-08-30;

2016-10-22

國家自然科學基金資助項目(81471735,61427806,61201041)、國家科技支撐計劃(2015BAI01B02)、廣東省自然科學基金(2016A030310047)、深圳海外創新基金項目 (KQC201105310020A)

和曉念(1986－), 男, 河南周口人, 博士研究生, 研究方向為超聲信號處理。

陳昕, E-mail: chenxin@szu.edu.cn