平面波成像的医学超声探头改进范文

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《北京生物医学工程杂志》2016年第3期

摘要：

目的基于平面波发射／接收原理的超快超声成像技术近年来已成为国际医学超声领域的研究热点，有望取代传统的聚焦扫描式超声成像技术。传统方式受其成像模式的限制，无法实现高帧频成像，而通过平面波发射以及相干复合方法，可大大提高超声成像的帧频。本文提出一个新的设想，即采用高程方向无聚焦换能器，相对于传统的高程方向有聚焦换能器，可能有助于进一步提高超快超声成像技术的成像效果。方法首先简要介绍平面波相干复合成像的原理和方法，进而通过FieldⅡ软件仿真，验证相干复合成像方法对平面波成像图像质量的提升效果。最后，通过仿真和实验实现探头高程方向的发射声束聚焦模式，并对上述2种模式换能器的平面波成像效果进行了对比分析。结果使用平面波复合成像算法得到很好的成像效果，两种探头经对比，NEFP探头成像图像的对比度相对于EFP探头明显增强。结论对于超快超声成像方法，使用NEFP超声探头可以取得更优的成像效果。

关键词：

平面波成像；超声探头；相干复合成像；高程方向

0引言

传统的超声成像采用电子扫描的方式，且进行多次聚焦发射产生一副完整图像［1］，因此成像的帧频较低。随着脑功能成像、实时三维超声成像、高速多普勒血流速度流场成像、二维实时弹性成像等成像技术的出现，对成像帧频的要求变高，传统的帧频速度已经很难满足新的成像模式。超声平面波成像是一种可以快速提高成像帧频的方法［2］，可以很好地应用到以上领域的研究上。平面波成像是把换能器所有阵元作为发射和接收孔径，以相同的高压脉冲同时激励换能器各阵元产生平面波，通过一次发射即可覆盖整个成像区域，很大程度上提高了成像的帧频。为了解决平面波成像的信噪比、对比度、分辨率较差的问题，平面波相干复合成像方法被法国学者提出［3］。相干复合成像，即通过多次发射不同方向的声波，然后对接收到的回波数据以某种规则加以融合的超声成像技术。因为超声信号从不同角度照射到同一个反射子上，相当于传统成像模式的聚焦效果。相干复合成像技术简单易行，成像视野扩大，并可减小斑点噪声和伪像，提高图像清晰度、对比度和分辨率。但由于需要多次发射，使帧频有所下降，故相干复合成像发射次数要根据成像需要合理选择［4］。超声探头具有超声波发射和接受的功能，其结构对成像效果有重要影响［5］。超声换能器探头由压电晶片、声透镜、匹配层、压电晶片、背衬等部件组成，其外形为长方形。压电晶片是被切成若干个小窄条的阵元，阵元间以吸声较强的橡胶相隔。在超声换能器的纵向声束控制方面，目前线性阵列的声束控制方法主要有电子控制调节和声透镜调节［6］。电子调节技术是通过控制换能器中各阵元的时间延迟，达到预期的波束效果。声透镜调节是通过改变匹配层和声透镜的弧度来改变波束形状。在常规超声线阵换能器中，沿晶片短边方向（即探头高程方向）不作切割，通过改变匹配层和声透镜的弧度使其在探头高程方向产生一个高程聚焦。而近年来备受关注的多维成像［7－8］，是将晶片沿短边方向也切成若干条，其声束控制技术是在二维方向对分割的晶片添加电子延时，以达到期望的声束聚焦效果。目前对于平面波成像的研究主要集中在成像算法方面，但关于超声探头结构和工作方式与超声平面波成像质量之间关系的研究却还是一个空白。目前所有的平面波成像研究都采用传统的线阵超声探头，如图1所示。只是在横向（探头宽度方向）上采用无延时发射形成平面波，而在探头的高程方向上则都有一个由声透镜实现的物理聚焦，并不是真正的纯平面波。针对这一问题提出一个新的猜想，即采用高程方向无聚焦换能器，代替传统的高程方向有聚焦的换能器，可能有助于进一步提高平面波成像技术的成像效果。为验证这一猜想，本文首先通过FieldⅡ软件仿真实现平面波相干复合成像算法，比较多角度相干复合成像效果与单一角度平面波成像效果的差异。然后，又通过改变仿真参数设置控制探头高程方向的发射声束模式，对上述两种模式换能器的平面波成像效果进行系统的对比分析。目的是为了验证针对相干复合成像的成像模式，发射完全意义超声平面波和有纵向聚焦的伪平面波探头，哪种探头的效果更优。

1方法

超声成像算法中应用最多的算法是延时叠加算法，该方法特点是算法简单、运算速度快，被广泛应用在实际的测量中。在平面波单幅图片生成时，本文运用该种算法进行成像，其算法的概要步骤介绍如下。DAS成像采用对接收信号进行延时后，直接叠加的方式进行成像，如下式所示：Y（t）＝Mm＝1Nn＝1wm，nxm，n（t－τk）（1）式中：τk代表聚焦点k的延时；M为发射阵元数；N代表接收阵元数。在实际的成像过程中，所接收到的回波信号经过AD采样后才进行波束形成，所以建立离散化的数学模型如下。针对聚焦点k，设：xm，n（k）＝xm，n（t－τk）即xm，n（k）代表对于聚焦点k，第m个阵元发射，第n个阵元接收后经过延迟后的信号。本文采用矩形窗函数加权。尽管Stolt迁移理论常用在地震成像检测方面，具有实现速度快的优点，但该算法在用于波速变化快的情况时会使其成像精度降低，因此应用于传播速度变换较大的地震波时会受到一定限制［10］。然而超声在组织中的传播速度接近固定值1540m／s，若将Stolt迁移理论应用在医疗超声成像领域，因其传播速度在人体组织中接近常数，能很好地克服传播速度变动幅度大这一缺点，实现超声高帧频成像［11］。根据Stolt迁移理论解出散射子位置。由于复合成像中发射的角度为已知，由几何关系可以求出偏移量，并根据偏移量合成叠加［12］，从而实现图像的复合叠加。

2结果与分析

2.1探头发射声场

实验所使用的为一维线阵探头，型号为L75－12840C。EFP探头在30mm上有一个高程聚焦，为声透镜聚焦。NEFP探头中通过改变匹配层和声透镜的纵向弧度使其纵向高程聚焦消失，变成完全意义的平面波。两种探头的其余参数完全相同：主频为75MHz，阵列面为395mm×35mm，阵元数为128×1，阵元间距为3mm，高程为35mm。为确保两种探头发射的声场符合理论预测，利用三维声场扫描仪对其声场分布进行数据采集，采用的扫描仪由英国PrecisionAcoustics公司开发研制，型号为ModelUMS3s／Nums3032，测量中以水听器为接收换能器，水听器直径为05mm。声场检测过程中探头发射电压保持在30V，采用外部信号激励声波发射，激励信号周期为1MHz，规定探头的深度方向为Z轴，横向方向为X轴，纵向为Y轴。扫描面为不同深度下XY矩形平面的声场。水听器每次移动距离为05mm，图中X、Y轴的数据单位为mm，图中彩色数据点表示经能量归一化的声压强度。图2（a）、（b）为采用NEFP探头在深度30mm、60mm处扫描的声场分布，从图中可以看出声场分布较为分散均匀，各个深度无明显发散；（c）、（d）为采用EFP探头在深度分别为30mm、60mm处扫描的声场分布，图中的声场在较浅区域分布集中，到60mm处严重发散。表1为不同深度的声强主值宽度数据对比，主值分界线为最大声场强度的1／3处。通过对比30mm和60mm处的声压分布，60mm处的最高声压和平均声压均小于30mm处，对比同在30mm处的（a）和（c），（c）处的最高声压高于（a）处，这是由于归一化的能量分布，能量越集中，声压主值越大。

2.2复合成像仿真

为了验证相干复合成像算法的合理性，本文首先仿真出相干复合成像的成像效果图，再通过仿真两种换能器模型对比其成像效果，最后在数据采集平台采集仿体数据。首先利用MATLAB工具软件通过FieldⅡ超声仿真［13］程序，通过设置换能器参数进行仿真实验。假设声传播介质为均匀的人体组织，不考虑声衰减和组织的非均匀性，声速被统一设置为1540m／s。换能器采用75MHz的发射频率，阵元数目为128个，阵元间距为27mm，高程方向长度为5mm，为仿真实现其在高程方向上的声透镜聚焦效果，将阵元在高程方向上分为10等份，以实现电子聚焦，设置高程聚焦深度为30mm。仿真试验中，在模拟仿体中模拟散布30个散射子成像深度为0～80mm，30个点有规律地分布在11～65mm之间，点在深度方向间距为6mm，横向位置在－5mm和10mm处，纵向位置在0mm中心面处，将该模拟仿体标记为仿体1。通过复合成像算法进行仿真实验，复合角度从θ＝－［（N－1）／2］pi／180，（若N为偶数则以θ＝－（N／2）pi／180开始）以Δθ＝pi／180的间隔变换，N表示复合成像幅数，复合成像结果如图3所示。为了进一步分析不同方法分辨率和对比度的情况，在图3深度为30mm、60mm深处取横截面进行分析。图4为不同幅数合成在30mm和60mm深处的横向截面，（a）表示30mm，（b）表示60mm。表2列出了60mm处的半高全宽（fullwidthathalfmaximum，FWHM）和峰值旁瓣水平（peaksidelobelevel，PSL）两项指标对比。FWHM是指在主瓣峰值一半处的波形宽度，其值越小表明图像分辨率越好。PSL是指主瓣峰值强度对于旁瓣的峰值强度之比，此处PSL越小表示旁瓣抑制得越好图像对比度越好。图中有3个峰值，参数选取3处峰值所需参数的平均值。从图3可以看出，1幅图片成像中近场伪影较多，近场伪影主要是由超声发射声场的旁瓣引起的。21幅相干复合成像的分辨率和对比度最好，近场伪影也得到了很好的抑制，9幅相干复合成像的分辨率和对比度要优于单幅平面波成像，但较21幅复合成像效果差。从图4和图2可以明显看出21幅图片合成的图片半高全宽最窄，旁瓣得到了很好的抑制，分辨率和对比度都是最好的，其次是9幅合成，最后是1幅的发射接收。对图4中的数据进行定量分析，不同幅数复合成像详细的参数值见表2，从表中可以看出随着图像合成幅数的增加，FWHM值减小，成像分辨率提高；PSL值减小，成像对比度提高。同时可以看出，近场的分辨率要优于远场，而远场对比度优于近场。

2.3不同探头仿真

为检验纵向聚焦探头和发射完全平面波的非聚焦探头的成像效果，使用FieldⅡ进行仿真实验，仿真发射频率采用75MHz，采样频率为100MHz，阵元数目为128个，阵元间距为27mm，长度为5mm，阵元在长度方向上分为10等份。EFP仿真探头通过电子聚焦，设置聚焦高程为30mm。NEFP仿真探头在阵元长度方向上分为10等份，纵向不做聚焦，其余参数两种探头相同。采用9幅合成的图像观察两种探头的成像效果，实验采用模拟仿体1。利用不同探头发射模式进行仿真实验，成像结果如图5所示，为了更好地对比不同聚焦方式探头的成像效果，选取生成图像深度为30mm、60mm处横截面数据进行对比分析，见表2。从图5可看出，EFP在各个深度处成像更均匀，在远场处的成像分辨率更高。图6为在60mm和30mm深处对不同探头成像进行分析的结果，可以看出，在60mm深度处，仿真EFP探头和NEFP探头对散射子的成像分辨率和对比度影响差别不明显，在30mm深度处，两探头的分辨率差别不大，但NEFP探头成像的对比度要明显优于EFP探头。图6表明，在EFP探头模式下，不同深度处的分辨率差别不大，而较深处的对比度要优于较浅区域；在NEFP探头模式下，不同深度处的对比度差别不大，而较浅处的分辨率要优于较深区域。

2.4探头采集数据

本实验基于美国Verasonics公司V－1数据采集系统，并行发射128通道，二选一复用并行接收64通道，12位ADC。该系统与matlab软件有很好的兼容性。声波发射探头如31所描述。具体成像参数为：128发射阵元，阵元间距为049mm，中心频率为75MHz，采样频率为60MHz，声速为1540m／s，成像动态范围设为50dB，具体结果如图7所示。从图中可以看出，所得图像总体成像分辨率较高，对比发现，（a）的背景噪点要明显比（b）多，说明NEFP探头近场成像背景噪声较小，对比度较EFP探头更好，远场区域对比度差别减弱。截取图7（a）、（b）图像在深度为116mm、340mm、893mm处进行横向对比分析，横向变换曲线见图8。在焦点附近的区域EFP探头的对比度优于NEFP探头，在近场和远场区域NEFP探头的对比度优于EFP探头，两幅图像分辨率差别不大。

3结论

传统的波束合成算法应用到平面波成像时会得到较差的图像分辨率和对比度，不适用于超快超声成像技术。本文利用相干复合成像方法，实现了平面波快速成像，仿真结果表明该方法可以得到更高的成像分辨率。在对比NEFP和EFP两种探头的仿真实验中发现，在近场区域内NEFP探头的对比度明显优于EFP探头，分辨率有微小下降。使用实验平台的数据采集验证了这一结论。通过实验数据对比可以看出，虽然两种探头的平面波成像效果各有优缺点，但NEFP探头的确在某方面优于EFP探头，这为进一步改善超声平面波成像质量，使其尽早应用于临床提供了一条新的研究思路，对医学超声成像领域的发展具有十分重要的意义。

参考文献：

［5］李衍，李明东．超声波阵列探头的结构和特性［J］．无损探伤，2005，29（6）：1－5．

［6］白培瑞，张丽丽，傅颖霞．二维超声阵列换能器声束控制技术的仿真研究［J］．山东科技大学学报：自然科学版，2009，28（5）：43－48

［9］彭虎．超声成像算法导论［M］．2版．合肥：中国科学技术大学出版社，2008：114－118．

作者:郭宁 王丛知 郑海荣 叶为镪 单位:中国科学院深圳先进技术研究院