影响超声图像质量的变量因素及控制对策

【关键词】  ,超声图像质量；,,变量因素；,,控制对策,,,,

　　摘  要：  系统研究了影响超声图像质量的各种变量因素及控制对策。

　　关键词：  超声图像质量；  变量因素；  控制对策   

　　超声图像质量的优劣程度，通常用对比灵敏度、分辨力、噪声和对比清晰度等参数来衡量。超声图像的形成是一个复杂的过程，很多变量因素诸如超声波的特性、超声波的传播机制、超声波与人体组织的相互影响、超声诊断仪的技术条件和功能、操作者所选择的成像变量等都会对图像的质量产生影响。系统研究各种变量因素对超声图像各种质量参数的影响，以便获得最佳的超声图像。

　　1  对比

　　灵敏度要使被检体内某一个目标在图像上显示出来，这一目标至少要与周围的组织具有足够的对比度，此即客观对比度。但是被检体内的客观对比度是不可能被人眼观察到的。把客观对比度转换成图像对比度的能力就是超声成像系统的对比灵敏度。对比灵敏度是评价超声图像质量各个参数中比较重要的一个，它的高低对图像质量影响较大。如果成像系统具有高的对比灵敏度，就可以把目标中较低的客观对比度转换成较高的图像对比度，就可以使目标的细节有较大的可见度。反之，即使具有较高的客观对比度，也只能被成像系统转换为模糊的，对比度不足的，分辨力低的图像，无法看清目标的细节。对比灵敏度的高与低主要取决于超声性能、系统对微弱超声的探测能力及显示能力。所谓超声性能是指超声频率和超声束的直径。对一个具有固定客观对比度的目标发射超声，如果超声频率越高，超声束直径越小，超声图像的横向分辨率越高；超声频率越高，图像的纵向分辨率越高。超声图像的横向分辨率和纵向分辨率高说明超声图像对比度高，也就说明了该超声系统把客观对比度转换成图像对比度的能力强，即该超声成像系统具有较高的对比灵敏度。因此控制超声频率和超声束直径就能够控制对比灵敏度。探测能力是指电路的增益和抑制能力。超声诊断需要把被检体内各种组织的细微结构或微小病变显示在超声图像上。超声系统的探测能力越强，图像显示质量越高，则系统的对比灵敏度越高。图像的显示质量取决于超声成像系统的增益和抑制能力。一般而言，增益调节必须适当，以使显示大小等于或近于原物大小。增益过低会使目标显示变小，增益过高会使同一目标显示过大。显示能力是指超声成像系统把不同幅度的超声转变为灰度图像的能力，也就是把目标的客观对比度转换成图像对比度的能力。显示能力越强，系统的对比灵敏度越高。在超声诊断系统中，显示能力通过图像增强、灰阶变换或采用窗口技术来实现。

　　2  分辨力

　　被检体内的目标不仅在客观对比度而且在大小上都各不相同。分辨力即是超声图像能够区分微小组织的能力，它是评价图像质量好坏的主要指标。通常把分辨力分为横向分辨力和纵向分辨力两种。

　　21  横向分辨力在垂直于超声束轴线的平面上，超声诊断仪使临近的两个物点形成两个回声时，两物点之间的最小距离的倒数即为横向分辨力。显然，能形成两个回声的两个点物之间的距离越小，其横向分辨力越高，反之则越低。横向分辨力的大小主要取决于超声束直径和超声频率。当超声束直径小于两点间距离时，能把这两点都显示出来，否则只能形成一个回声。从非聚焦换能器发出的波束分成两个区域：靠近换能器的区域叫做近场；另一个区域叫做远场。在近场内波束有一恒定的直径，它的大小由换能器的直径和超声频率决定。近场的长度L与换能器的直径D和超声波长λ的关系为：L=D2/（4λ）。可见，近场长度与换能器的直径的平方成正比，与频率成正比。远场的波束是发散的，故声束直径在该区较大，发散的近似角度与换能器的直径及超声波长的关系为：发散角度数=70λ/D。选用频率高的超声波和直径大的换能器会使波束发散减小，从而提高横向分辨力。在换能器前加一声学透镜则可以产生会聚的超声束，此即聚焦换能器。在沿波束轴的某些位置会产生直径比换能器直径小的超声束，会聚的强或弱由声学透镜的特性决定。聚焦可以提高横向分辨力，超声诊断仪均采用动态聚焦。聚焦的焦区范围同样关系到图像的质量。如果焦区范围很小，则在近侧与远侧散焦区的图像就会模糊不清。具有可变孔径和动态聚焦功能的仪器，既能提高分辨力又能选择最佳焦区范围，从而提高图像的横向分辨力。

　　22  纵向分辨力在超声束轴线方向上图像中能被分辨的两点（例如两个病灶）间的最小纵深距离的倒数，称为纵向分辨力。它的大小主要取决于超声频率。设超声波的脉冲周期为T，则纵向分辨最小极限距离d为：d=（1/2）（声速）×T（脉冲周期）。当超声轴线上a点与b点之间距离恰好等于d，则意味着从a点的反射波与从a点到达b点后，从b点再返回到a点的反射波相遇，因而无法区别为两点。只有当a与b点间距离大于d时，a点与b点两个反射波就分开，在图像上显示为两个回波或两个光点。可见，纵向分辨最小极限距离d与周期T成正比，与频率成反比。就是说，频率越高，能分辨的最小极限距离d越小，纵向分辨力越高，图像越清晰。

　　23  超声频率与分辨力的关系如前所述，横向分辨力、纵向分辨力均与超声频率密切相关，频率越高，横向分辨力与纵向分辨力越好。因此，对微小的结构或病变成像时，需要用较高的频率。然而还应该看到，在较高频率下，超声在媒质中传播时衰减增大，传播性能下降，导致穿透力下降，从而影响了探测深度。所以，一个换能器选用频率的原则应该在分辨力与探测深度之间作合理的兼顾。一般情况下，探测较深的部位如胸部和腹部时选用较低的频率，如1~5MHz左右；而探测较浅的部位如眼球时，则可选用较高的频率，如10~15MHz。

　　3  噪声

　　噪声是各种随机干扰在图像中的表现。比如在图像中随机出现的亮度或灰度。噪声在图像中的具体表现就是图像中的斑点、细粒、雪花和网纹等。通常在视频图像观察到的雪花就是典型的噪声表现。噪声对图像的影响就好比给图像蒙上一层纱布，从而使图像对比灵敏度下降。噪声越大，信噪比越低，图像的质量越差。图像噪声的主要来源于以下三个方面。其一是噪声。超声成像系统中某些电子元件可能成为电子噪声源。噪声的产生是由于设备内的热骚动所致。图像信号越弱，噪声就愈显著。超声成像系统中的放大电路会使电子噪声与有用信号一起被放大，增益越大，噪声也就越大。其二来自周围环境电磁的或机械的干扰，以及电源的波动和干扰。这些干扰都是随机的，都会在图像中形成噪声。其三来自人体内部。超声在人体内部产生的除有用的反射信号外，还有散射、折射和衍射等，这些信号大部分会被体内组织衰减吸收，但有时也会随机地到达探头，形成噪声。探测深度越深，这种机会就越多，噪声越大。由于探测深度深，使有用信号更弱，信噪比下降。另外，由于时控增益的补偿，也相当于增大了噪声。噪声无法避免，只有尽量减小噪声，尽量提高有用信号强度，即提高信噪比，从而改善图像的质量。控制对策之一是增加超声频率，聚焦改善超声束的形状，使分辨力提高。对策之二是在超声安全剂量内适当增加超声强度，使回声信号强度增加。对策之三是改进电子线路，降低电子噪声。

　　4  对比

　　清晰度在明亮反射体存在情况下，鉴别软组织类型和看清细微结构的能力即为对比清晰度。它主要取决于像素数。像素数越多，图像越细腻，对比清晰度越高。对于数字图像来说，影响对比清晰度的因素是图像矩阵的大小，因为图像矩阵越大，像素数越多。通常，图像信号在空间或幅度上数字化形成了灰阶级量化。图像矩阵愈大，灰阶级愈多，图像的层次愈丰富，包含的信息量愈多，对比清晰度愈高，愈有助于诊断。例如，当图像矩阵为128×128时，图像灰阶为64级；而当图像矩阵为512×512时，图像具有256级灰阶。随着灰阶的减少，图像的对比清晰度明显变坏，图像质量迅速降低。影响对比清晰度的另一个因素是在一帧图像内的扫描声线数。一般地说，声线愈多，图像愈清晰，组织细节愈易被分辨。实时成像系统中每发射一个声脉冲就形成一条声线。线形扫描中，每横移1mm至少要有一条发射声线。扇形扫描中，每1度内至少要有一条声线。但实时成像系统的声线数不可能太密。声线数的多少还受帧频和穿透深度的制约。B型超声诊断仪的图像处理可以在图像显示时利用内插值电路插入扫描声线（而不是发射声线），以弥补声线数的不足，从而改善图像的对比清晰度。应该指出的是，这种做法只是改善了人眼对图像感觉，并没有增加探测信息。综上所述，在超声波检查过程中，熟悉各种变量因素对超声图像质量的影响，并合理地加以调节和控制，对于获得高质量的超声图像具有十分重要的意义。

　　参  考  文  献

　　1  Perry Sprawls Jr，著. 黄诒焯，主译 . 医学成像的物理原理 . 北京：高等出版社，1993，4：357~360.

　　2  黄诒焯，主编. 医学影像物理基础. 乌鲁木齐：新疆大学出版社，1995，7：319~321.

　　3  霍纪文，等主编. 医学成像技术. 沈阳：辽宁技术出版社, 1994，10：74~76.

　　4  朱翠玲，等主编. 医学影像学―工程与临床. 济南：山东科学技术出版社，2000，5：394~395.