皮膚囊腫成像用高頻超聲換能器及掃描方法

周潔文，李曉兵，丁偉艷，姜立新，聶生東，陳興飛，李昕倫，蘇一凡，趙祥永

(1.上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海交通大學 醫學院附屬仁濟醫院超聲科，上海 200025；3.上海師范大學 數理學院，上海 200233)

0 引言

高頻超聲成像的縱向分辨率可達幾十微米，廣泛應用于血管壁、眼睛、皮膚結構等人體組織的微觀精細結構成像。其淺表探測和體外診斷的特點使高頻超聲成像適合于皮膚疾病的診斷，目前臨床采用一般線陣平掃換能器(約10 MHz)[1-2]。一方面其中心頻率不高，導致分辨率較低，另一方面針對皮膚表面復雜的形狀需要采用特殊的掃描方式，因此需要開展新型皮膚超聲成像技術的研究。最近已有研究證明了高頻超聲成像在瘢痕腫瘤和皮膚腫瘤的微血管系統中的潛在應用[3-4]。此外，X. Zhang等[5]使用超聲彈性成像對硬皮病進行定量評估。Y.Yang等[6]使用高頻超聲剪切波彈性成像定量評估皮膚硬度。Alsing等[7]使用高頻超聲測量皮膚厚度，并對比了手動讀數和自動邊界檢測的差異。這些皮膚超聲成像法可以為皮膚結構提供詳細信息，但由于大多數皮膚疾病凸起結構的限制，無法實現高分辨率的皮膚囊腫內部結構成像。

囊腫是一類典型的皮膚表面凸起形的病變。根據病理學可分為表皮樣囊腫、皮脂腺囊腫和脂囊瘤[8]，其中表皮樣囊腫可繼發惡性腫瘤，臨床誤診率達54.7%[9]。皮膚囊腫的診斷治療依賴超聲成像，但對于凸起表面，尤其是伴隨疼痛的皮膚囊腫，傳統緊貼水平的掃描方式會使超聲波反射到其他方向而無法成像，為防止重壓對病處產生危害，高頻探頭無法緊貼皮膚進行檢查。因此研究一種適用于皮膚表面凸起病變的弧形成像方法是必要的。

此外，使用非接觸式超聲掃描方法收集凸起組織表面信號，后期需要對回波信號進行處理。超聲信號在采集過程中常有噪聲大，斑點多的缺點，利用濾波技術可降低噪聲對圖像的影響[10]。百分比濾波是通過減去均值的方法來弱化噪聲信號，使回波信號突出；傅里葉濾波是將時域信號轉化為頻域信號，并將能量較高的信號頻率進行放大。

為了實現凸起組織皮膚精細結構的高頻超聲成像，本文設計并制備了高頻超聲換能器，開發新型弧形掃描方式，以確保超聲回波信號均垂直于囊腫表面發射接收，且隨著凸起囊腫的大小形態不同可靈活調節探頭的掃描軌跡。通過濾波放大回波信號，采用補償、坐標變換、解調等方法進行信號處理，最終對皮膚囊腫進行高頻超聲成像。

1 實驗

1.1 換能器制備及性能測試

采用準同型相界組分的鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷設計制作高頻超聲換能器。將PZT陶瓷厚度減至37 μm，并切割成0.5 mm×0.5 mm的壓電陣元，上下表面鍍銀電極，在100 V電壓下極化30 min。換能器采用兩層匹配層設計，根據KLM理論計算匹配層聲阻抗，并最終測得實際內層匹配層聲阻抗Z1=10.3 Pa·s/m3，外層匹配層聲阻抗Z2=3.5 Pa·s/m3，背襯聲阻抗為6.5 Pa·s/m3。

采用脈沖回波法對換能器進行性能測試。聲傳播介質為水，反射物為表面平滑的鋼板，探頭距離鋼板5.0 mm。超聲波脈沖信號發射接收器型號為JSR公司的DPR 500，接收器增益控制在-3 dB，濾波器頻率為5.0～22.5 MHz，通過100 MHz的示波器數字化顯示以測試換能器性能，經過示波器內置的快速傅里葉變換可得到超聲換能器的頻域響應曲線，從而計算出超聲換能器的中心頻率、插入損耗及-6 dB帶寬等參數。

1.2 掃描方式設計及測試裝置

實驗通過LabVIEW(DSOX1102)控制脈沖回波信號采集系統進行信號采集，用于測試所用旋轉轉盤的旋轉精度為0.5°。樣品表面有一個直徑約?15 mm的凸起囊腫。換能器以固定的間隔角度旋轉并發射回波，以皮膚表面囊腫邊緣為結束的任意角度扇形區域為掃描區域。

本文實驗探頭放在距離皮膚囊腫模型表面4.0 mm的位置采集回波信號。采集數據時，超聲探頭從初始位(囊腫最右側)開始逆時針旋轉，到終點位(囊腫最左側)結束，每隔1°采集一次回波信號，共旋轉110°，采集110條攜帶樣品信息的回波。每條回波發射時探頭與皮膚囊腫模型表面距離相同，發射和接收回波的整體路徑為弧形。用USB3.0高速傳輸端口將收集到的回波數據傳輸到計算機并進行信號處理。

1.3 信號處理及成像

超聲換能器接收信號時，部分噪聲信號峰值占組織回波信號峰值的70%～80%。首先將噪聲信號較多的原始信號進行百分比濾波，使回波信息更顯著；其次利用傅里葉濾波[11]可有效放大回波信息；最后將濾波后信號進行補償、解調和對數壓縮，通過極坐標變換獲得囊腫組織內部結構的超聲圖像[12]。

2 結果與討論

圖1為本文設計的皮膚囊腫掃描成像原理簡圖。由圖可知，探頭在一定角度的扇形區域內以固定的圓心和半徑進行弧形旋轉，以相同間隔的角度差采集回波數據，成像對象為凸起的皮膚囊腫模型。弧形旋轉掃描路徑使得換能器與凸起形的囊腫區域每個采集點距離相同，且回波垂直于皮膚表面，使換能器能最大程度地接收回波信息。由于囊腫組織內部液體含量和皮膚組織不同，囊腫區域與皮膚區域有明顯界限，因此可清晰地區分囊腫區域，并觀察囊腫的內部情況[13]。

圖1 皮膚囊腫及其超聲成像的掃描方式

圖2為厚37 μm的PZT陶瓷壓電振元阻抗譜圖。該圖反映了壓電材料的電阻抗和相位角的頻率依賴性，串聯諧振頻率fs=45.7 MHz ,并聯諧振頻率fp=53.8 MHz，機電耦合系數[14]為

(1)

由式(1)可知材料具有較優異的機電耦合性能。

圖2 高頻超聲換能器用壓電陣元的阻抗譜

圖3 制備的高頻超聲換能器

圖3為基于高性能PZT陶瓷制備的高頻超聲換能器。同芯線一端頭連接換能器，另一端頭連接信號發生器。壓電元件嵌入背襯材料中，使超聲波束的直徑足夠小以獲得較高的橫向分辨率。超聲波將沿著換能器的軸向方向傳播，以保證波束方向垂直于皮膚囊腫的表面。換能器的設計用于超聲皮膚囊腫成像中的弧型掃描。

脈沖回波法測量的高頻超聲探頭的脈沖回波和帶寬如圖4所示。在相同的工作頻率下，換能器的靈敏度越高，軸向分辨力越好；帶寬越大，超聲換能器可選擇的工作頻率范圍越大，對醫學成像更有利。

圖4 高頻超聲換能器的脈沖回波及帶寬

超聲換能器的中心頻率fc為

(2)

式中ft，fu分別為回波信號在-6 dB處對應的兩個頻率。換能器-6 dB相對帶寬：

(3)

高頻超聲探頭中心頻率為41.5 MHz，插入損耗和-6 dB帶寬分別為32.9 dB和84.3%，縱向分辨率可達50 μm。

表1為基于PZT單晶和其他壓電材料超聲換能器性能對比。由表可知，本文所用的PZT陶瓷材料較其他兩種單晶材料具有更高的中心頻率和更大的帶寬，性能較優越。

表1 基于PZT單晶及其他壓電材料超聲換能器性能

將制作的高頻超聲換能器安裝在特殊設計的掃描成像裝置上采集信號。圖5為皮膚囊腫超聲成像裝置。由圖可知，超聲成像系統由旋轉裝置、xyz三維移動平臺、水槽、高頻超聲換能器及信號線構成。實驗通過囊腫硅膠模型來評估探頭和系統的高頻成像效果，囊腫內填充物為水。將樣品固定在水槽中，水槽放置在三維移動平臺上，以對樣品和探頭位置進行精確調節。

圖5 皮膚囊腫超聲成像裝置

將采集到的110條回波信息進行信號處理，噪聲的抑制有助于組織深處微弱信號的放大，因此先進行濾波，再對信號放大用于成像。首先進行百分比濾波(即回波信號與噪音平均值的差值)，結果回波信號突出時峰值不明顯。然后以此為基礎，進行傅里葉濾波，得到較清晰的回波信號。該噪聲信號相對有用信號干擾較小，一定程度上放大了所需信號[17]。最后完成信號的檢波，并實現極坐標系下的二維超聲圖像處理。圖6為脈沖超聲回波信號的濾波與對數補償。

圖6 脈沖超聲回波信號的濾波與對數補償

圖7為高頻超聲成像換能器的縱向分辨率和橫向分辨率。由圖可知，制作的41.5 MHz高頻超聲換能器的縱向分辨率為50 μm，橫向分辨率為170 μm。通常囊腫組織內部精細結構厚度小于幾十微米[18]，表明該旋轉高頻超聲系統具有較高的空間分辨率，能夠對皮膚囊腫微結構進行有效的成像。

圖7 高頻超聲成像換能器的縱向分辨率和橫向分辨率

圖8為本文獲得的皮膚囊腫模型的B模式超聲圖像。對比圖8(a)、(b)可見，濾波后的分層表現更突出，內部精細結構更清晰，可以體現換能器的高分辨率。外表層的厚度和內部結構細節信息清晰可見，囊腫模型中心表面有一個小氣泡，是把模型固定水中時自然形成的，外表面分界線顯像度高，內表面分界線明顯且厚度小于外表面，和實物模型結構一致。目前商用的皮膚超聲成像采用平掃模式，只能獲得平行于皮膚表面的小范圍內超聲圖像，而本研究不僅能夠對弧面皮膚進行成像，且掃描角度范圍大，能夠反映更多皮膚凸起的邊緣部位細節，在皮膚囊腫成像方面優勢明顯。因此，這種用高頻探頭旋轉采集皮膚凸起信號的成像方法可行且成像效果可觀。

圖8 皮膚囊腫組織模型的超聲圖像

3 結束語

本文針對以皮膚囊腫為代表的凸起形病變，提出了一種新型高頻皮膚超聲弧形掃描成像法。首先設計制備了高性能PZT陶瓷高頻超聲換能器，其中心頻率為41.5 MHz，靈敏度為32.9 dB，-6 dB帶寬為84.3%。換能器的縱向分辨率達50 μm。利用本文設計的轉動掃描成像裝置可以實現對皮膚囊腫等凸起形狀組織的非接觸成像，并獲得各層厚度和內部結構信息。本研究是高頻超聲在皮膚成像中的新應用，將促進相關臨床醫學和超聲成像技術的發展。