HIFU治疗系统中B超图像的雾状伪像分析
作者：宋志勇 文玉梅 徐颖 李平
【关键词】 HIFU系统；,,B超图像；,,雾状伪像,,,,,
摘 要： 分析了高能聚焦超声（HIFU）治疗系统中B超图像特有的雾状伪像的物理成因，建立了雾状伪像的数学模型，据此分析了雾状伪像的主要运动特征，实现了对雾状伪像的自动定位。对大量临床图像的实验表明，分析结果与临床图像中的雾状伪像性质吻合，验证了雾状伪像成因分析与数学模型的正确性。
关键词： HIFU治疗系统； B超图像； 雾状伪像
高能聚焦超声（HIFU）技术因其无创性，倍受医学界关注［1］。随着超声影像学的，B超成像因其实时、可靠、方便等特点，已经成为了HIFU治疗系统中的监控和实时疗效评价的主要方法［2］。但是，B超图像中的伪像，特别是大范围存在于HIFU治疗系统特定应用环境下B超图像中云雾状分布的雾状伪像，掩盖了真实组织成像，影响了HIFU治疗系统在临床中的应用，因此研究雾状伪像的成因，并提出有效的消除方案，是HIFU技术应用需要解决的问题。由于雾状伪像的形成与HIFU治疗系统组合探头的特殊结构和特定的使用环境有关，而现有的仅分析了存在于通用B超中的各种伪像（如回响伪像、彗尾伪像、振铃伪像，声影等）形成的物理机制及其临床表现［8，10~12］，而没有涉及雾状伪像。本研究通过分析雾状伪像的物理成因，建立了雾状伪像的数学模型，并以此分析雾状伪像的主要运动特征，实现了对雾状伪像的自动定位。对雾状伪像的物理成因及其主要运动特征的研究，为正确辨识B超图像和进一步提出有效的雾状伪像消除方案提供了理论依据。
1 雾状伪像的成因分析
通用B超诊断仪是单一探头结构，在使用中，B超探头紧贴人体体表，所以通用B超诊断仪的B超图像中不存在雾状伪像，雾状伪像仅存在于HIFU治疗系统的B超图像中，它的形成与HIFU治疗系统组合探头的特殊结构和其特定的使用环境有关。
11 组合探头的结构与使用环境使用高强度聚焦超声进行治疗，要求尽量减小对正常组织的伤害。所以在实施治疗前，要确定病灶的位置和形态；在治疗中，能实时观测治疗的效果，调整治疗剂量和适时中断治疗。为了实现上述功能，HIFU治疗系统采用了组合探头结构，见图1。与B超诊断仪仅有B超成像探头不同，组合探头由发生治疗超声波的治疗探头和B超显像探头组成［3］，其中治疗探头由声透镜和压电片组成，B超探头被固定安装在治疗探头的轴心线上，保证治疗探头的焦域落在B超探头的扫描平面内。
图1 组合探头结构示意图 略
由于组合探头尺寸较大，为了减小超声波在从外界进入人体组织过程中的反射，所以在HIFU治疗系统中，整个组合探头浸泡在作为耦合剂的真空脱气水中［3］。当实施治疗时，患者平躺或俯卧于组合探头上方的平床上，皮肤通过平床上的大孔与耦合剂耦合，首先通过B超显像探头成像，观察病患部位的准确位置和具体形态，通过机控制的三维步进电机控制整个组合探头运动，准确定位治疗探头的焦域于病患部位，实施治疗。所以与B超诊断仪中B超探头紧贴人体体表成像不同，组合探头中的B超探头成像时，距离人体体表较远。综上所述， HIFU治疗系统的组合探头在结构和使用环境上与B超诊断仪的单一B超探头不同，这也是雾状伪像仅存在于HIFU治疗系统的B超图像中的主要原因。
12 雾状伪像的成因分析B超显像探头一般采用超声反射回波法成像［4］。超声反射回波法就是利用了人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检查反射回波，对组织进行定位，并检测组织的特性。由于超声波在人体组织内传播的复杂性，所以雾状伪像的形成非常复杂，受到很多因素的影响。但由于体表是外界媒质与体内组织的分界面，超声波在体表反射最强，所以在体表产生的漫反射（图2）是雾状伪像产生的主要来源。尽管采用耦合剂减小了外界媒质与体内组织声阻抗的差别，但是入射超声的一部分能量仍会在体表以漫反射回波的形式反射回来。同时，治疗探头位于超声显像探头的下侧，所以漫反射回波会在光滑的治疗探头表面［3］产生完全的镜面反射。为了更好的说明，观察某一扫描线上超声的漫反射现象，如见图3。AB为入射超声波，入射超声在体表B的点产生漫反射，BC为其中一个方向的漫反射回波，漫反射回波在治疗探头表面的C点发生完全的镜面反射，CD为镜面反射回波，镜面反射回波会在体表的D点发生二次漫反射，沿DA方向的二次漫反射回波被探头接收到。与B点处的沿BA方向的一次漫反射回波(组织的真实成像回波)相比，二次漫反射回波在时间上有一个延迟。所以所有超声扫描线上的二次，甚至更高次的漫反射回波形成了B超图像中的雾状伪像。
图2－图3 略
超声波在介质表面的反射特性与光相似［4］，可以采用简化的PHONG漫反射模型表示漫反射超声回波能量Ir与入射超声能量Ii的关系［6，7］：Ir=Ii×SpSp=Cpcos(i)+W(i)［cos(s)］n(1)
其中Cp为物体在p点的反射系数，i为入射角，W(i)是镜面反射超声与入射超声的比例系数，它是入射角的函数，s为漫反射方向与镜面反射方向的夹角，n则与体表的反射性质有关。声波从耦合剂到体表的反射系数约为0.02［3］，随着漫反射次数的增加，回波能量大大减弱，所以在雾状伪像的数学模型中可以忽略二次以上的回波产生的雾状伪像信号。
2 雾状伪像的数学模型及运动特征分析
为了进一步研究雾状伪像的特征，根据对雾状伪像的成因分析，建立雾状伪像的数学模型。为了简化模型，假设B超显像探头为点源，超声波沿直线传播。根据超声成像的基本原理，超声激励脉冲信号δ(t)通过在时间上的延迟和幅度上的衰减产生了组织信号与伪像信号［5］，所以任意超声扫描线上体表的二次漫反射伪像信号a(t)可以表示为：a(t)=∑n i=1T(Δti)δ(t-Δti)Sp0(θ0,φi)Sp1(θi,φ0)(2)
其中的Sp0(θ0,φi)是指由简化的PHONG漫反射模型(1)式确定的体表p0点处的漫反射系数，它是入射角θ0和第i个漫反射方向与镜面反射方向夹角φi的函数，Sp1(θi,φ0)是在体表p1处的二次漫反射系数，T(Δti)是为了补偿超声传播过程中的衰减的TGC时间增益参数，因为随着组织深度的增加，超声信号的衰减增大，所以T(Δti)是雾状伪像信号相对于发射脉冲信号的延时Δti的增函数［4］。
图4 雾状伪像的数学模型 略
为了描述伪像的位置，需要确定延时Δti。以B超显像探头为原点，建立坐标系，如图4。因为人体体表的曲率变化比较平缓，所以二阶拟合曲线与体表的形态已经能较好的吻合，即体表曲线方程可以表示为：k=al2+bl+c(3)任意选取一个超声波发射方向θ0，B超探头的成像范围决定θ0满足：π 4≤θ0≤3π 4。所以方向角为θ0的超声声线方程为：k=tg(θ0)・l(4)连立(3)式和(4)式，体表的超声入射点P0的坐标(lskin, kskin)为：lskin=(tan(θ0)-b)-(b-tan(θ0))2-4ac 2a(5)kskin=tan(θ0)・lskin(6)入射超声在体表P0点产生的任意方向的漫反射超声声线方程可以表示为：k-kskin=s1(l-lskin)(7)其中s1=tan(φlskin,kskin)，φlskin,kskin表示在体表P0点某一方向漫反射回波的方向角。从图4中可以知道，φlskin,kskin满足：φl≤φlskin,kskin≤φr(8)其中φl=arctan(kskin-kl lskin-ll)，φr=π+arctan(kskin-kr lskin-lr)漫反射回波会在探头的表面发生完全的镜面反射，反射点可以通过治疗探头截面方程与漫反射回波声线方程确定。聚能器截面用圆方程表示：(l-lc)2+(k-kc)2=r2 ll
其中v0是超声在组织中的平均传播速度。根据超声成像的基本原理，组织的真实成像回波相对于发射脉冲信号的延时Δt0可以表示为：t0=2len1 v0(21)所以雾状伪像信号相对于组织真实成像信号的时延Δt：Δt=Δti-Δt0=len2+len3+len4-len1 v0（22）当探头到体表的距离增大时，len2+len3+len4-len1显著增大，所以时延Δt也会增加，在图像中的表现是：当探头到体表的距离变化时，伪像移动的幅度大于组织真实成像移动的幅度；同时，由于T(Δti)是Δti的增函数，当探头远离体表时，Δti增大，所以时间增益参数T(Δti)也增大，在图像中的表现是：当探头到体表的距离变大时，伪像的强度增加。
3 实验结果
为了验证雾状伪像数学模型和其特征分析的正确性，对JC型HIFU肿瘤治疗系统采集的大量临床图像进行雾状伪像定位和运动特征分析。
31 定位结果以一幅肿瘤患者肝部的临床B超图像（图5）进行实验为例，B超成像参数为：成像超声频率为2.5MHZ，扫描方式为扇扫 ，扫描线数为192线，扫描方向为从右至左，最大扫描深度为17CM。从图5中可以看到，肝部的真实组织成像被雾状伪像遮盖。根据探头的实际尺寸以及雾状伪像的数学模型，对雾状伪像定位，结果如图6。将雾状伪像的定位结果与临床图像重叠，如图7，定位结果与临床图像中的雾状伪像区域吻合。
图5－图7 略
32 雾状伪像的运动特征针对同一患者，将组合探头逐渐远离体表，并按相同间隔距离，采用与定位实验相同的成像参数采集一组图像（图8）进行分析。因为肝部真实组织被雾状伪像遮盖，所以我们以体表组织的成像作为，分析雾状伪像的运动特征。雾状伪像在临床图像中的表现与通过数学模型分析的运动特征基本一致：①在探头远离体表的过程中，雾状伪像与体表组织成像的间距增加，表明雾状伪像的移动速度大于组织成像移动的速度；② 在探头远离体表的过程中，雾状伪像的强度在逐渐增强。
图8 探头到体表不同距离(d)时的实验结果 略
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B超图像中的伪像的形成是一个非常复杂的过程，不同的影响因素会形成不同的伪像。本研究就HIFU治疗仪器中B超图像中特有的雾状伪像进行物理成因分析，建立了雾状伪像的数学模型，并在MALTAB平台上实现了对雾状伪像的自动定位。通过定位雾状伪像位置以及对伪像运动特征的分析，并与临床图像中的伪像区域比较，验证了雾状伪像物理成因及其数学模型的正确性，有助于在诊断和治疗的过程中正确辨识B超图像和减少误诊，也为下一步提出有效的雾状伪像消除方案提供了理论依据。(致谢：感谢重庆海扶技术有限公司提供的实验B超图像；感谢林涛、吴丹丹和王明胜等人在研究过程中提供的帮助和支持。)
参 考 文 献
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11 Avruch, L，et al. The ringdown artifact，J. Ultrasound Med，1985，4:21~28
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