適用于臨床實時出圖的準靜態彈性成像系統設計

和曉念，凌 鋒，羅 華，邱四海

(1.深圳大學 物理與光電工程學院，廣東 深圳 518073;2.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東 深圳 518122)

0 引言

臨床實踐發現，生物組織的硬度或者彈性的變化往往與組織的病變程度密切相關，如常見的乳腺癌﹑前列腺癌等惡性疾病，其組織的硬化程度明顯大于病變前的正常組織[1-2]。準靜態彈性成像是Ophir[3]等于1991 年首先提出的，是最早提出也是研究得最多的超聲彈性成像技術。該方法具有無損，操作簡單等優點。其使用方法如圖1所示。手持超聲換能器直接對病變組織施加壓力，在壓力的作用下組織會發生形變，不同硬度的組織在相同的施加壓力作用下會產生不同的形變，而這種形變信息可以通過按壓前和按壓后兩幀數據中提取出來，最終通過不同的顏色來表征不同的硬度信息，為臨床醫生提供輔助診斷。在乳腺病變的檢查中，靜態彈性成像對該病變的診斷和分類起了重要作用[1, 4-5]。當病變組織不是太深的時候，準靜態成像方法可以作為一種有效的工具用來引導輔助高強度聚焦超聲(HIFU,high-intensity focused ultrasound)治療[6-7]。準靜態彈性成像對于甲狀腺結節惡性腫瘤的判定也有很好的應用[8]。準靜態彈性成像方法還被應用于骨骼肌[9]、腎臟[10]、前列腺[11]等靜態器官，在臨床乳腺癌的早期診斷中已獲得了FDA 的認證許可。

圖1 準靜態彈性成像操作示意圖

該方法非常依賴于操作手法，按壓力度和按壓頻率都會對按壓前數據和按壓后數據的選擇造成影響。按壓前數據和按壓后數據要能夠反映出組織在按壓作用下產生的形變信息，該按壓力度既不能過大，也不能過小。按壓力度過大會導致兩幀數據失去相關性，無法計算出正確的應變信息。按壓力度過小，導致應變信息數據信噪比過低，同樣會造成彈性計算失敗。按壓前數據的選取以及其和按壓后數據之間的間隔幀數的設定應該是一個隨操作手法動態自適應調整的過程。在準靜態彈性成像的臨床應用中，醫生期望能夠容易獲得實時，準確且穩定的彈性圖像輸出。

本文介紹了一種能夠適用于臨床實時出圖的準靜態彈性成像系統設計方案。該設計方案一方面可以降低操作手法的要求，另一方面能夠以較少的計算量實現臨床要求的具有實時、高分辨率的彈性輸出需求。

1 準靜態彈性成像應變計算原理

在準靜態彈性成像中，通過對組織施加壓力可以使組織發生形變，形變量的大小是按壓前和按壓后位移的相對改變量，需要通過按壓前后兩幀信號進行提取。本研究系統中實現彈性成像應變計算的過程概述如下：

當對組織施加壓力的時，被檢測目標中的散射點距離超聲換能器表面的相對位移會發生改變，距離探頭表面越近(淺層位置)，位移的改變量越小，距離探頭表面的距離越遠(深度位置)，位移的改變量越大。該位移的改變量是一個從小到大(從淺層到深層)逐漸連續遞增的過程。位移的相對改變體現在回波信號中就是RF回波信號的時移，如式(1)和(2)所示:

i1(t,x)=A(t,x)e-j(ω0t-θ)

(1)

i2(t,x)=A(t-τ,x-ux)e-j[ω0(t-τ)-θ]

(2)

其中，信號i1(t,x)和i2(t,x)是按壓前后兩幀的時域RF回波信號表達式,A(t,x)是其包絡信號。ω0是超聲換能器發射超聲的中心頻率,τ是組織相對位移改變引起的回波信號時延, 另外，ux是橫向方向的偏移位移。

求解位移改變量的過程實際就是求解最佳匹配位置的過程。在實際臨床應用中，對組織施加壓力不僅會引起組織沿深度方向的位移改變，也會引起組織橫向位移改變，尋求最佳匹配位置需要同時考慮縱向和橫向位移的影響，因此通常需要采用二維自相關算法實現對最佳匹配位置的搜索。用信號s1(t,x)和s2(t,x)分別表示對信號i1(t,x)和i2(t,x)進行正交解調所得的復數信號。對該復數信號進行二維自相關運算，如式(3)所示:

R12(t,x;n,m)=?Ds1(t+v,x,w)×

s2(t+nT/2+v,x+mL+w)*dvd

(3)

其中：時間參數T是一個超聲波周期；參數L是橫向間隔線數；參數D表示尋找最佳匹配位置的區域窗的大小；參數n和m是計算自相關位置。該表達式可以實現在二維區域D中尋找最佳匹配位置。將式(1)和(2)帶入式(3)計算轉換可得：

(4)

其中:RA為回波信號包絡的自相關結果，其最大值時，表示兩處位置為最佳匹配。設最佳匹配時，參數((n,m) = (k,l)),此時對應的自相關相位可表達為:

φ(t,x;k,l)=ω0(τ-kT/2)

(5)

進一步得出偏移時間:

(6)

由相位信息即可進一步就算出縱向方向的位移:

(7)

在準靜態彈性成像中，施加的應力方向主要是縱向方向，因此，應變的計算也主要考慮在縱向方向產生的位移量uy(橫向方向的位移ux不考慮)。得到縱向的位移信息之后，通過對其進行差分計算即可得到能夠反應組織軟硬信息的應變值，最終實現彈性成像。

2 適用于臨床應用的彈性成像系統設計

圖2為適用于臨床的準靜態彈性成像系統框圖。該系統由超聲換能器、信號采集單元、信號預處理單元、B圖信號處理單元、彈性處理單元、融合單元以及顯示單元組成。超聲換能器是醫用超聲系統中很重要的核心部件，它把系統的電信號轉換成超聲波，從人體內部反射后再轉換回電信號。對回波信號進行數據采集和保存然后送入信號預處理單。預處理單元主要涉及對超聲信號的初級濾波、波束合成和正交解調。將解調之后的IQ數據一路送給B圖像處理單元，一路送給彈性處理單元。B圖像處理單元是基于IQ數據進行包絡提取和對數壓縮。融合單元主要是將處理之后的B圖像與處理之后的彈性圖像進行疊加處理，實現在同一個成像區域既可以看到彈性圖又可以看到B圖，通過調整B圖和彈性圖的權重比例系數，可以得到具有不同透明度的融合圖像效果，最后再將融合圖像送往顯示單元進行顯示。

圖2 適用于臨床的準靜態彈性成像系統框圖

彈性處理單元如圖3所示，主要包括：幀對構造模塊、幀對篩選模塊、彈性計算模塊以及彈性幀相關處理模塊。幀對構造和篩選模塊實現以較少的計算量剔除掉不合適的數據，從而降低對操作手法的依賴。彈性計算模塊確保了彈性圖像質量。彈性幀相關處理模塊進一步保證了彈性圖像的穩定輸出。對彈性處理單元各個模塊具體介紹如下。

圖3 本系統彈性處理單元框圖

2.1 數據幀對構造

幀對構造模塊主要是從連續采集的多幀數據中，構造出多組按壓前數據和按壓后數據的組對。為下一步幀對的篩選做好準備工作。本系統中幀對構造方案如圖4所示，假設多幀數據為M幀，F(i)為第i幀數據，k為按壓前數據與按壓后數據的最大間隔，將F(i)設定為按壓前的數據，隨后的連續k幀設定為按壓后的數據，即構造了k組幀對。依次類推，每更新一幀圖像數據時，則將下一幀設定為按壓前的數據，隨后的k幀數據設為按壓后的數據，同樣可以構造k組幀對。k的大小與用戶按壓的頻率以及系統的幀率相關。當數據存儲空間的數據量達到M幀時，則一共可以構造出(M-k)*k組幀對。

圖4 幀對構造模塊示意圖

本系統設計中，在有限的數據存儲空間(M幀)內，設定多幀數據作為按壓前數據，降低了首幀數據錯誤的風險，另外每次只需要計算k組數據的評判指標，卻可以提供(M-k)*k組幀對用于篩選，不僅擴大了幀對的篩選范圍，而且減少了計算數據量，從而保證了算法的實時性。

2.2 數據幀對篩選

幀對篩選模塊主要是通過較少的計算量實現從多組幀對中選出最佳的按壓前數據和按壓后數據的幀對，剔除掉不好的數據從而降低對操作手法的依賴。首先，對將幀對數據矩陣進行快速粗略的位移估計，可以對應得到1個M行N列的位移數據矩陣，用DispMxN表示。假設按壓前數據用Z2=(I2iQ2)表示，按壓后數據用Z1=(I1iQ1)表示。首先對兩幀數據進行共軛相乘的操作：

ZMxN=Z1*conj(Z2)

(8)

其中:conj為取共軛操作，ZMxN為M行N列的復數矩陣，包含與位移信息相關的相位信息。通過提取相位信息即可快速計算出位移信息，該過程可以表達為：

(9)

其中:Phase(ZMxN)是對復數矩陣ZMxN提取相位信息操作，c為聲速1 540 m/s;f0為發射超聲波中心頻率。經過位移計算模塊即可得到位移數據矩陣DispMxN。

為了實現有效的幀對篩選，給出了相應的篩選準則和方法。基于粗略計算所得的位移信息，設定并獲取按壓力度以及位移質量兩項評判指標，通過該指標實現對針對的篩選。按壓力度指標是通過對位移曲線沿深度方向進行線性擬合，提取擬合斜率kaxial和擬合度Raxial兩個參數，如圖5(a)所示；位移質量指標是通過對水平不同位置位移的斜率進行二次擬合或多次擬合，提取擬合度參數Rlateral，如圖5(b)所示。

圖5 幀對篩選2個評判指標提取示意

通過對指標參數擬合斜率kaxial、擬合度Raxial及Rlateral設定閾值來實現針對的篩選。合適的閾值可以降低對操作手法的依賴。理想情況下，對組織施加按壓力，會引起組織發生形變，即會產生一個相對位移變化量，該位移信息沿深度方向應該是單調，遞增的曲線，對該曲線進行線性擬合，擬合所得的斜率一定程度上反映了對組織施加壓力的大小程度，壓力越大，位移變化越大，所得斜率也相對變大，反之亦然。擬合度大小在一定程度上反映了所提取的振動位移信號沿深度方向的質量，擬合度越高，說明所提取的位移信號越好，反之亦然；另外該位移信息沿水平方向應該是緩慢變化的曲線，對該曲線進行二次曲線擬合，對應的擬合度在一定程度上反映了所提取的振動位移信號沿水平方向的質量，擬合度越高，說明數據的連續性越好，同時大概率表明位移信息計算結果越準確。

2.3 彈性幀相關處理

在篩選模塊，通過篩選準則，篩選出了最佳幀對，然后將最佳幀對數據送入高精度的彈性計算模塊，高精度計算采用二維自相關算法(本文第2節)進行實現。該算法雖然計算量偏大，但是計算精度高，彈性效果好。

為了進一步提高彈性圖像出圖效果，獲得更加穩定的彈性圖像的輸出，對彈性計算模塊輸出后的彈性數據做幀相關處理。彈性幀相關處理模塊主要是將多幀彈性結果進行復合處理，將復合之后的結果作為彈性圖的輸出。假設選取的k幀彈性結果記為Ei-k+1、Ei-k+2、…Ei，對應的系數為a1，a2…ak，那么第i幀復合的結果out(i)為：

out(i)=a1*Ei-k+1+a2*Ei-k+2+...+ak*Ei

(10)

其中i表示當前幀的編號，out為彈性幀相關處理后的結果，k可由系統調節指定，用來確定復合的范圍，加權系數的分配可以是平均加權、以距離為變量的函數或者是以評判得分為依據的函數等。

3 臨床檢測結果與分析

基于深圳市理邦精密儀器股份有限公司(Edan Instruments, Inc.)的便攜式全數字彩超診斷系統AX8平臺，完成本彈性成像系統代碼的集成與實現。采用集成后的AX8機器，在深圳市人民醫院超聲科由專科醫師進行操作完成臨床驗證。按壓式彈性成像中，通常采用紅色表征硬度大的組織，采用藍色表征軟組織。

圖6中是對一位女性乳腺癌的檢測效果(中間區域為癌變組織)。該彈性圖色彩層次分明，病變區域劃分明顯。乳腺淺層的脂肪層以藍色顯示(如圖6成像深度范圍0.2 cm～1 cm所示)；病灶對應的彈性圖相應位置以明顯的紅色顯示(如圖6中箭頭所指示區域)。病變區域與正常區域的應變比為10.47，彈性圖的面積大于B圖中的病灶區域面積，可優先考慮為乳腺癌。

圖6 一位女性乳腺癌的臨床檢測效果

圖7是對一位男性甲狀腺瘤的檢測效果。彈性圖能夠準確的勾勒病變甲狀腺的區域，并正確的將偏硬的區域以紅色顯示出來。 該彈性圖也能夠區分出甲狀腺組織中 的不同硬度組織區域，如圖7右側成像區域箭頭所示，彈性成像分辨率可以達到1.5mm，實現了高分辨率彈性成像。彈性圖像幀率(Frame Rate，FR)可達到18幀每秒,如圖6、7右邊參數FR設置所示。

圖7 一位男性甲狀腺瘤臨床檢測效果

臨床試驗結果表明，該彈性成像系統設計能夠實現實時、穩定的彈性圖輸出。在彈性圖像幀率18幀每秒的基礎上，一方面可以實時實現對錯誤數據的剔除處理，進而降低對操作手法的依賴；另一方面又可以獲得高分辨率的高質量彈性成像，且能夠為甲狀腺和乳腺病變的檢測提供有價值的參考信息。

4 結束語

本文對準靜態彈性成像系統中的主要相關模塊：幀對構造模塊、幀對篩選模塊、彈性計算模塊以及彈性幀相關處理模塊分別進行了詳細介紹。實現以較少的計算量就能獲得實時且分辨率高的高質量彈性成像。臨床實驗結果表明，該彈性成像系統設計能夠為甲狀腺和乳腺病變的檢測提供有價值的參考信息。

本系統實現的準靜態彈性成像在對較深位置病變及極低回聲病變組織檢測時，彈性檢測效果欠佳，這是超聲回波信號信噪比過低導致的現象，下一步將會著重提高用于彈性計算的超聲回波信噪比，進一步改善彈性成像質量。