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《北京生物醫學工程雜志》2016年第3期

摘要：

目的基于平面波發射／接收原理的超快超聲成像技術近年來已成為國際醫學超聲領域的研究熱點，有望取代傳統的聚焦掃描式超聲成像技術。傳統方式受其成像模式的限制，無法實現高幀頻成像，而通過平面波發射以及相干復合方法，可大大提高超聲成像的幀頻。本文提出一個新的設想，即采用高程方向無聚焦換能器，相對于傳統的高程方向有聚焦換能器，可能有助于進一步提高超快超聲成像技術的成像效果。方法首先簡要介紹平面波相干復合成像的原理和方法，進而通過FieldⅡ軟件仿真，驗證相干復合成像方法對平面波成像圖像質量的提升效果。最后，通過仿真和實驗實現探頭高程方向的發射聲束聚焦模式，并對上述2種模式換能器的平面波成像效果進行了對比分析。結果使用平面波復合成像算法得到很好的成像效果，兩種探頭經對比，NEFP探頭成像圖像的對比度相對于EFP探頭明顯增強。結論對于超快超聲成像方法，使用NEFP超聲探頭可以取得更優的成像效果。

關鍵詞：

平面波成像；超聲探頭；相干復合成像；高程方向

0引言

傳統的超聲成像采用電子掃描的方式，且進行多次聚焦發射產生一副完整圖像［1］，因此成像的幀頻較低。隨著腦功能成像、實時三維超聲成像、高速多普勒血流速度流場成像、二維實時彈性成像等成像技術的出現，對成像幀頻的要求變高，傳統的幀頻速度已經很難滿足新的成像模式。超聲平面波成像是一種可以快速提高成像幀頻的方法［2］，可以很好地應用到以上領域的研究上。平面波成像是把換能器所有陣元作為發射和接收孔徑，以相同的高壓脈沖同時激勵換能器各陣元產生平面波，通過一次發射即可覆蓋整個成像區域，很大程度上提高了成像的幀頻。為了解決平面波成像的信噪比、對比度、分辨率較差的問題，平面波相干復合成像方法被法國學者提出［3］。相干復合成像，即通過多次發射不同方向的聲波，然后對接收到的回波數據以某種規則加以融合的超聲成像技術。因為超聲信號從不同角度照射到同一個反射子上，相當于傳統成像模式的聚焦效果。相干復合成像技術簡單易行，成像視野擴大，并可減小斑點噪聲和偽像，提高圖像清晰度、對比度和分辨率。但由于需要多次發射，使幀頻有所下降，故相干復合成像發射次數要根據成像需要合理選擇［4］。超聲探頭具有超聲波發射和接受的功能，其結構對成像效果有重要影響［5］。超聲換能器探頭由壓電晶片、聲透鏡、匹配層、壓電晶片、背襯等部件組成，其外形為長方形。壓電晶片是被切成若干個小窄條的陣元，陣元間以吸聲較強的橡膠相隔。在超聲換能器的縱向聲束控制方面，目前線性陣列的聲束控制方法主要有電子控制調節和聲透鏡調節［6］。電子調節技術是通過控制換能器中各陣元的時間延遲，達到預期的波束效果。聲透鏡調節是通過改變匹配層和聲透鏡的弧度來改變波束形狀。在常規超聲線陣換能器中，沿晶片短邊方向（即探頭高程方向）不作切割，通過改變匹配層和聲透鏡的弧度使其在探頭高程方向產生一個高程聚焦。而近年來備受關注的多維成像［7－8］，是將晶片沿短邊方向也切成若干條，其聲束控制技術是在二維方向對分割的晶片添加電子延時，以達到期望的聲束聚焦效果。目前對于平面波成像的研究主要集中在成像算法方面，但關于超聲探頭結構和工作方式與超聲平面波成像質量之間關系的研究卻還是一個空白。目前所有的平面波成像研究都采用傳統的線陣超聲探頭，如圖1所示。只是在橫向（探頭寬度方向）上采用無延時發射形成平面波，而在探頭的高程方向上則都有一個由聲透鏡實現的物理聚焦，并不是真正的純平面波。針對這一問題提出一個新的猜想，即采用高程方向無聚焦換能器，代替傳統的高程方向有聚焦的換能器，可能有助于進一步提高平面波成像技術的成像效果。為驗證這一猜想，本文首先通過FieldⅡ軟件仿真實現平面波相干復合成像算法，比較多角度相干復合成像效果與單一角度平面波成像效果的差異。然后，又通過改變仿真參數設置控制探頭高程方向的發射聲束模式，對上述兩種模式換能器的平面波成像效果進行系統的對比分析。目的是為了驗證針對相干復合成像的成像模式，發射完全意義超聲平面波和有縱向聚焦的偽平面波探頭，哪種探頭的效果更優。

1方法

超聲成像算法中應用最多的算法是延時疊加算法，該方法特點是算法簡單、運算速度快，被廣泛應用在實際的測量中。在平面波單幅圖片生成時，本文運用該種算法進行成像，其算法的概要步驟介紹如下。DAS成像采用對接收信號進行延時后，直接疊加的方式進行成像，如下式所示：Y（t）＝Mm＝1Nn＝1wm，nxm，n（t－τk）（1）式中：τk代表聚焦點k的延時；M為發射陣元數；N代表接收陣元數。在實際的成像過程中，所接收到的回波信號經過AD采樣后才進行波束形成，所以建立離散化的數學模型如下。針對聚焦點k，設：xm，n（k）＝xm，n（t－τk）即xm，n（k）代表對于聚焦點k，第m個陣元發射，第n個陣元接收后經過延遲后的信號。本文采用矩形窗函數加權。盡管Stolt遷移理論常用在地震成像檢測方面，具有實現速度快的優點，但該算法在用于波速變化快的情況時會使其成像精度降低，因此應用于傳播速度變換較大的地震波時會受到一定限制［10］。然而超聲在組織中的傳播速度接近固定值1540m／s，若將Stolt遷移理論應用在醫療超聲成像領域，因其傳播速度在人體組織中接近常數，能很好地克服傳播速度變動幅度大這一缺點，實現超聲高幀頻成像［11］。根據Stolt遷移理論解出散射子位置。由于復合成像中發射的角度為已知，由幾何關系可以求出偏移量，并根據偏移量合成疊加［12］，從而實現圖像的復合疊加。

2結果與分析

2.1探頭發射聲場

實驗所使用的為一維線陣探頭，型號為L75－12840C。EFP探頭在30mm上有一個高程聚焦，為聲透鏡聚焦。NEFP探頭中通過改變匹配層和聲透鏡的縱向弧度使其縱向高程聚焦消失，變成完全意義的平面波。兩種探頭的其余參數完全相同：主頻為75MHz，陣列面為395mm×35mm，陣元數為128×1，陣元間距為3mm，高程為35mm。為確保兩種探頭發射的聲場符合理論預測，利用三維聲場掃描儀對其聲場分布進行數據采集，采用的掃描儀由英國PrecisionAcoustics公司開發研制，型號為ModelUMS3s／Nums3032，測量中以水聽器為接收換能器，水聽器直徑為05mm。聲場檢測過程中探頭發射電壓保持在30V，采用外部信號激勵聲波發射，激勵信號周期為1MHz，規定探頭的深度方向為Z軸，橫向方向為X軸，縱向為Y軸。掃描面為不同深度下XY矩形平面的聲場。水聽器每次移動距離為05mm，圖中X、Y軸的數據單位為mm，圖中彩色數據點表示經能量歸一化的聲壓強度。圖2（a）、（b）為采用NEFP探頭在深度30mm、60mm處掃描的聲場分布，從圖中可以看出聲場分布較為分散均勻，各個深度無明顯發散；（c）、（d）為采用EFP探頭在深度分別為30mm、60mm處掃描的聲場分布，圖中的聲場在較淺區域分布集中，到60mm處嚴重發散。表1為不同深度的聲強主值寬度數據對比，主值分界線為最大聲場強度的1／3處。通過對比30mm和60mm處的聲壓分布，60mm處的最高聲壓和平均聲壓均小于30mm處，對比同在30mm處的（a）和（c），（c）處的最高聲壓高于（a）處，這是由于歸一化的能量分布，能量越集中，聲壓主值越大。

2.2復合成像仿真

為了驗證相干復合成像算法的合理性，本文首先仿真出相干復合成像的成像效果圖，再通過仿真兩種換能器模型對比其成像效果，最后在數據采集平臺采集仿體數據。首先利用MATLAB工具軟件通過FieldⅡ超聲仿真［13］程序，通過設置換能器參數進行仿真實驗。假設聲傳播介質為均勻的人體組織，不考慮聲衰減和組織的非均勻性，聲速被統一設置為1540m／s。換能器采用75MHz的發射頻率，陣元數目為128個，陣元間距為27mm，高程方向長度為5mm，為仿真實現其在高程方向上的聲透鏡聚焦效果，將陣元在高程方向上分為10等份，以實現電子聚焦，設置高程聚焦深度為30mm。仿真試驗中，在模擬仿體中模擬散布30個散射子成像深度為0～80mm，30個點有規律地分布在11～65mm之間，點在深度方向間距為6mm，橫向位置在－5mm和10mm處，縱向位置在0mm中心面處，將該模擬仿體標記為仿體1。通過復合成像算法進行仿真實驗，復合角度從θ＝－［（N－1）／2］pi／180，（若N為偶數則以θ＝－（N／2）pi／180開始）以Δθ＝pi／180的間隔變換，N表示復合成像幅數，復合成像結果如圖3所示。為了進一步分析不同方法分辨率和對比度的情況，在圖3深度為30mm、60mm深處取橫截面進行分析。圖4為不同幅數合成在30mm和60mm深處的橫向截面，（a）表示30mm，（b）表示60mm。表2列出了60mm處的半高全寬（fullwidthathalfmaximum，FWHM）和峰值旁瓣水平（peaksidelobelevel，PSL）兩項指標對比。FWHM是指在主瓣峰值一半處的波形寬度，其值越小表明圖像分辨率越好。PSL是指主瓣峰值強度對于旁瓣的峰值強度之比，此處PSL越小表示旁瓣抑制得越好圖像對比度越好。圖中有3個峰值，參數選取3處峰值所需參數的平均值。從圖3可以看出，1幅圖片成像中近場偽影較多，近場偽影主要是由超聲發射聲場的旁瓣引起的。21幅相干復合成像的分辨率和對比度最好，近場偽影也得到了很好的抑制，9幅相干復合成像的分辨率和對比度要優于單幅平面波成像，但較21幅復合成像效果差。從圖4和圖2可以明顯看出21幅圖片合成的圖片半高全寬最窄，旁瓣得到了很好的抑制，分辨率和對比度都是最好的，其次是9幅合成，最后是1幅的發射接收。對圖4中的數據進行定量分析，不同幅數復合成像詳細的參數值見表2，從表中可以看出隨著圖像合成幅數的增加，FWHM值減小，成像分辨率提高；PSL值減小，成像對比度提高。同時可以看出，近場的分辨率要優于遠場，而遠場對比度優于近場。

2.3不同探頭仿真

為檢驗縱向聚焦探頭和發射完全平面波的非聚焦探頭的成像效果，使用FieldⅡ進行仿真實驗，仿真發射頻率采用75MHz，采樣頻率為100MHz，陣元數目為128個，陣元間距為27mm，長度為5mm，陣元在長度方向上分為10等份。EFP仿真探頭通過電子聚焦，設置聚焦高程為30mm。NEFP仿真探頭在陣元長度方向上分為10等份，縱向不做聚焦，其余參數兩種探頭相同。采用9幅合成的圖像觀察兩種探頭的成像效果，實驗采用模擬仿體1。利用不同探頭發射模式進行仿真實驗，成像結果如圖5所示，為了更好地對比不同聚焦方式探頭的成像效果，選取生成圖像深度為30mm、60mm處橫截面數據進行對比分析，見表2。從圖5可看出，EFP在各個深度處成像更均勻，在遠場處的成像分辨率更高。圖6為在60mm和30mm深處對不同探頭成像進行分析的結果，可以看出，在60mm深度處，仿真EFP探頭和NEFP探頭對散射子的成像分辨率和對比度影響差別不明顯，在30mm深度處，兩探頭的分辨率差別不大，但NEFP探頭成像的對比度要明顯優于EFP探頭。圖6表明，在EFP探頭模式下，不同深度處的分辨率差別不大，而較深處的對比度要優于較淺區域；在NEFP探頭模式下，不同深度處的對比度差別不大，而較淺處的分辨率要優于較深區域。

2.4探頭采集數據

本實驗基于美國Verasonics公司V－1數據采集系統，并行發射128通道，二選一復用并行接收64通道，12位ADC。該系統與matlab軟件有很好的兼容性。聲波發射探頭如31所描述。具體成像參數為：128發射陣元，陣元間距為049mm，中心頻率為75MHz，采樣頻率為60MHz，聲速為1540m／s，成像動態范圍設為50dB，具體結果如圖7所示。從圖中可以看出，所得圖像總體成像分辨率較高，對比發現，（a）的背景噪點要明顯比（b）多，說明NEFP探頭近場成像背景噪聲較小，對比度較EFP探頭更好，遠場區域對比度差別減弱。截取圖7（a）、（b）圖像在深度為116mm、340mm、893mm處進行橫向對比分析，橫向變換曲線見圖8。在焦點附近的區域EFP探頭的對比度優于NEFP探頭，在近場和遠場區域NEFP探頭的對比度優于EFP探頭，兩幅圖像分辨率差別不大。

3結論

傳統的波束合成算法應用到平面波成像時會得到較差的圖像分辨率和對比度，不適用于超快超聲成像技術。本文利用相干復合成像方法，實現了平面波快速成像，仿真結果表明該方法可以得到更高的成像分辨率。在對比NEFP和EFP兩種探頭的仿真實驗中發現，在近場區域內NEFP探頭的對比度明顯優于EFP探頭，分辨率有微小下降。使用實驗平臺的數據采集驗證了這一結論。通過實驗數據對比可以看出，雖然兩種探頭的平面波成像效果各有優缺點，但NEFP探頭的確在某方面優于EFP探頭，這為進一步改善超聲平面波成像質量，使其盡早應用于臨床提供了一條新的研究思路，對醫學超聲成像領域的發展具有十分重要的意義。

參考文獻：

［5］李衍，李明東．超聲波陣列探頭的結構和特性［J］．無損探傷，2005，29（6）：1－5．

［6］白培瑞，張麗麗，傅穎霞．二維超聲陣列換能器聲束控制技術的仿真研究［J］．山東科技大學學報：自然科學版，2009，28（5）：43－48

［9］彭虎．超聲成像算法導論［M］．2版．合肥：中國科學技術大學出版社，2008：114－118．

作者:郭寧 王叢知 鄭海榮 葉為鏹 單位:中國科學院深圳先進技術研究院