超声平面波成像

2021-03-04 10:45:22 浏览:634

定义

一种超快速超声成像方法。

发展起源

超声成像以其安全、无创、便捷、操作简单等优势在临床诊断中大量被采用,是临床诊断的重要工具之一。超声成像系统的数据获取速度主要受声波在组织内部的传播速度的限制,在传统聚焦波超声成像系统中,形成一帧超声图像的发射次数直接受限于一帧扫查区域范围内包含的扫描线数[1]。临床机器中,一帧图像包含的扫描线数一般在128-256线左右,如图1(a)所示,超声系统的成像帧率被限制在每秒20到50帧左右。这样的帧率虽然可以满足临床医生对于大多数静止组织形态学的实时成像,但对于心脏成像,血流成像以及很多超声功能成像都是远远不够的。而若能够提升成像帧率,将大大的拓展超声成像在临床领域的应用前景。实际上,超高速超声成像的历史可以追溯到上世纪80年代,Delannoy等人首先提出利用并行处理方法,根据发射一次超声获得的信号来重建一整帧图像,他们的系统在一帧图像有70条聚焦声束扫描线的情况下能够达到每秒钟1000帧的帧率[2-3]。Shattuck等人在1984年利用相控阵扫描方式的并行处理,采用一次非聚焦声束发射,对应多个超声波束接收,该方法的有效性得到了生物体内实验的验证[4-5]。更进一步,他们假设单次发射脉冲能够照射到全部的感兴趣区域,这种并行处理方法理论上可以利用此次发射的回波信号对整个感兴趣区域进行成像,这正是平面波实现超高速超声成像的原理,如图1(b)所示。1990年,Fink等人成功应用平面波理论,使得超声成像的帧率高于每秒钟5000帧[6-8]。进入20世纪以后,基于平面波发射实现高速超声成像的技术引起了广泛的研究和关注。

图 1 (a)传统聚焦波超声序列;(b)平面波超声序列

多角度平面波相干复合技术

然而和聚焦波相比,平面波虽然能够大幅度提升帧率,但这是以牺牲图像质量为代价的。单次平面波发射所获得的图像存在横向分辨率差和中远场信噪比低的问题,这大大束缚了平面波进入实际临床应用的脚步。而多角度平面波相干复合技术的出现,采用多个角度的平面波采集图像,然后通过相干叠加来得到最终的图像,这种方法弥补了单平面波图像质量不好的缺点。

图2(a)展示了平面波阵元发射声波,声波经组织散射并被阵元接收的传播示路径,蓝色箭头的线表示了声波从一个阵元发射经过媒介传播,被目标点散射之后又被某一阵元接收的路径。系统激励所有阵元同时发射超声波,某一个阵元发射出来的超声波,在目标点上会产生回波信号,回波信号又经传播被所有的阵元所接受,以最左侧的阵元为原点建立坐标系,阵元方向为 X 轴,成像目标区域深度为 Z 轴,计算阵元发射到另一阵元接收中间声波的传播时间可以表示为:

(1)

其中,x为发射换能器所在的X轴坐标点,x1为接收换能器所在的X轴坐标点,(x,z)表示成像目标点所在的坐标位置。根据公式1就可以计算出每个阵元接收到某一成像点的反射回波的时间,再通过波束合成的计算公式就可以计算出该点的最终后向反射回波的信号强度,经典的波束合成方法是延迟叠加重建技术。

图 2 平面波波束传播示意图 (a)无偏转平面波;(b)偏转平面波

因为单一角度的平面一次发送接收声波就完成了对整幅图像的成像,没有聚焦效果,导致成像分辨率、对比度和信噪比都较低。多角度平面波相干复合成像方法将多个不同角度的平面波辐射ROI,相干叠加后可以提高图像质量。

如图2(b)所示,当换能器阵元按照一定的线性延时来发射脉冲波时就可以模拟平面波偏转一点角度发射出来的情况。相应地,阵元从发射波束经散射又被某一阵元接收的路径如蓝线所示,波束在媒介中传播的总时间为:

(2)

其中α为平面波的偏转角度,其他参数的意义与公式(1)中参数意义相同。对应的接收到的回波信号强度为 RF(x1,τ)。

成像的ROI中某一点(x,z),换能器发射一次平面波之后,各个阵元都能接收到该点对声波的散射回波。经过延时叠加,即可获得该点的回波强度:

(3)

对于发射多个角度平面波对ROI成像时,每一个偏转角度的平面波都可以得到一帧图像s(α1,x,z),将这N幅图像叠加就可以得到多角度平面波相干复合后的图像:

(4)

各个角度平面波获得的图像未做非线性处理,此叠加过程属于相干叠加。多个角度叠加之后图像的质量得到提高。理论上,角度数越多,图像的质量也越高。但是相应的处理时间也会越长,最后合成一张图像的数据量也越大,所以需要在实际应用中进行折中,选择最合适的参数。如图3所示,显示了传统聚集超声成像和不同数量角度的平面波的图像,当我们增加平面波的数量时,可以看到对比度的显著提升[10]

图 3 (a)传统聚焦超声成像;(b)5个角度平面波相干复合成像;(c)21个角度平面波相干复合成像。

参考文献

[1] 何绪金. 基于多角度相干复合的超声平面波成像[J]. 保健文汇, 2017(8).
[2] B. Delannoy, R. Torguet, C. Bruneel,等. Ultrafast Electronical Image Reconstruction Device[M]. Springer Netherlands, 1979.
[3] Delannoy B , Torguet R , Bruneel C , et al. Acoustical image reconstruction in parallel-processing analog electronic systems[J]. Journal of Applied Physics, 1979, 50(5):3153.
[4] Smith S W , Pavy H G , Von Ramm O T . High-speed ultrasound volumetric imaging system--I: Transducer design and beam steering[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control, 1991, 38(2):100-8.
[5] Von Ramm O T , Smith S W . High-speed ultrasound volumetric imaging system. II. Parallel processing and image display[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 1991, 38(2):P.109-115.
[6] Sandrin L , Catheline S , Tanter M , et al. Time-Resolved Pulsed Elastography with Ultrafast Ultrasonic Imaging[J]. Ultrasonic Imaging, 1999, 21(4):259-272.
[7] Sandrin L , Catheline S , Mickaël Tanter, et al. 2D Transient Elastography[M]// Acoustical Imaging. 2002.
[8] Sandrin L , Tanter M , Catheline S , et al. Shear modulus imaging with 2-D transient elastography[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2002, 49(4):426-435.
[9] 杨依. 基于复合平面波超声的脑胶质瘤成像方法研究[D].
[10] Montaldo G , Mickaël Tanter, Jérémy Bercoff, et al. Coherent Plane-Wave Compounding for Very High Frame Rate Ultrasonography and Transient Elastography[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2009, 56(3):489-506.

参阅:延迟叠加重建、对比增强成像、超声谐波成像

超声成像

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