超声成像原理与技术

超声成像原理与技术（精选6篇）

篇1：超声成像原理与技术

四维超声成像技术与方法

作者：魏晓光

来源：安太医院

近年来计算机技术革命化的进步被融入超声诊断系统，使得三维容积成像的速度在短短的几年时间里得到了极大提高，目前已经发展到能够进行动态的四维成像。

高分辨的二维超声和彩色多普勒超声的技术进步是超声诊断学发展的重要里程碑，尤其是在妇产科的应用，成为无可替代的非侵入性的诊断工具。近年来四维超声技术的发展和进步，为非侵入性的诊断技术又开辟了一个新的领域。

四维超声技术能够克服二维超声空间显像的不足，成为二维超声技术的重要辅助手段。四维超声的进步体现在能够迅速地对容积图像数据进行储存、处理和动态显示其三维立体图像，并且能够得到多平面的图像，而这一功能以往只有CT和MRI技术才具备。目前四维超声尚不可能完全替代二维超声，但它的确为一些复杂声像结构的判断提供了大量辅助信息，并对某些病变的诊断起到二维超声无法替代的作用。它的应用潜能正随着经验的积累被逐步开发出来。

一、四维超声技术简介

三维超声是将连续不同平面的二维图像进行计算机处理，得到一个重建的有立体感的图形。早期的三维重建一次必须采集大量的二维图像(10～50幅)，并将其存在计算机内，进行脱机重建和联机显示，单次三维检查的图像数据所需的存储空间达数十兆字节，成像需要数小时甚至数天时间。近年来三维超声与高速的计算机技术的联合使其具备了临床实用性。三维表面成像在80年代首次应用于胎儿；90年代初期开始了切面重建和_一个互交平面成像；容积成像则开始干1991年；1994发展了散焦成像；1996年开始了实时超声束跟踪技术，而最新发展的真正的实时三维超声可以称作四维超声(four—dimensional ultrasound)，数据采集和显示的速率与标准的二维超声系统相接近，即每秒15～30帧，被称作高速容积显像(high speed ultrasotlnd v01umetri clmaging，HSUVI)。真正实现实时动态三维成像，将超声技术又提高一个台阶。新景安太医院拥有4台四维彩超，专业的四维彩超检查医生，此技术已经在我院临床使用4年多，有非常丰富的经验。

四维超声成像方法有散焦镜法、计算机辅助成像和实时超声束跟踪技术。

(一)散焦镜方法(defoctJsi rlg lens metriod)也称厚层三维图像，方法简单，费用低。装置仅需在凸阵或线阵探头上套上一个散焦镜。用此方法可以对胎儿进行实时观察，然而胎体紧贴宫壁时图像就会重叠，使胎儿图像辨别困难。

(二)计算机辅助成像 是目前首选的三维成像方法，成像处理过程包括：获取三维扫查数据；建立三维容积数据库；应用三维数据进行三维图像重建。

(三)实时超声束跟踪技术 是三维超声的最新技术，其过程类似于三维计算机技术但可以立即成像。仅仅需要定下感兴趣部位的容积范围就可以住扫查过程中实时显示出三维图像，可以提供连续的宫内胎儿的实时三维图像，例如可以看到胎儿哈欠样张口动作等。

二、四维超声成像方法

四维超声的临床实用性很大程度上取决于操作人员对此技术掌握的熟练程度。只有了解四维超声的基本原理和概念，熟练掌握四维超声诊断仪的操作方法和步骤，才能充分发挥三维超声的最大作用。

(一)四维成像的主要步骤与成像模式 常规四维成像包括以下步骤：

1．自动容积扫查 以三维容积探头进行扫查，获取三维数据。三维数据是通过超声探头扫查平面的移动而获取的大量连续二维断面图。现有的三维探头都配有内置的凸阵或扇形探头，探头内电磁感应器可以感应出每一断层的相对位置和方向。每一断面的二维图像信息连同其空间方位信息都被数字化后输入电脑。实时二维扫查是基础，根据感兴趣区域的空间范围，任意调节断面的角度、扫查深度和扫查角度，确定三维容积箱(volume box)的位置和大小后进行扫查。任扫查时可以根据感兴趣区的回声和运动特征调整扫查速度。对运动的目标可选用快速扫查，但获得的图像空间分辨力低；低速扫查图像分辨力最高，但易受运动影响；正常速度扫查的空间分辨力介于两者之间。

2．三维数据库的建立 探头扫查获得的数据是由许许多多的断面组成的合成数据，作为三维数据库输入电脑，可以通过滤过干扰信息改善数据的质量。三维数据库包含一系列的体积像素，每一体积像素既是灰度值也是亮度值，见图1—2一l。

3．三维图像重建应用三维数据库可以重建出各种图像，包括三维切而重建和立体三维的观察。

(1)切面重建：成像最简单，通过旋转三维数据库可以选定任意一个平而的二维图像，进行多平面图像分析。尽管得到的是断面图，有时对诊断却非常有用，冈为许多平面(例如子宫的冠状面)是二维超声难以观察到的。

(2)容积成像(volLime rendering)：是一种基十体积像素(voxel)的三维数据库的视觉工具。一个像素(pixel)是二维图像的最小的图像信息单位，一个体积像素则是三维容积数据中最小的图像信息单位。在二维的有立体感的图像L的每一个像素都代表着一组三维体积像素，沿着投射线的多个体积像素经过分析处理后

1)表面成像模式：采用此方法能够建立组织结构的表而立体图像。通过旋转三维立体数据库选择感兴趣区域进行成像，非感兴趣区可以去除；采用合适的滤过功能，可以滤过周围低回声，使图像突出，例如去除羊水内的低回声，突出眙儿表面高回声，滤过高时还可以突出胎儿骨骼结构，显示出高回声结构的立体图像；应用图像自动回放的旋转功能，可以从不同角度观察立体图像；另外还可以调节图像的明亮度和对比度，使图像立体感更强。

2)透明成像模式：将实质性的组织结构的所有三维回声数据投射到一个平面上，选择性地显示出高同声或低回声结构的特征。采用这种模式要求感兴趣结构的回声特征较周围组织回声高或低，例如骨骼、血管或囊性结构。此模式能够产生类似x线照片的效果，但与x线照片不同的是，可以通过回放旋转功能从各个角度来观察图像。

3)彩色模式：在扫查中采用多普勒方式，可以进行血管内彩色血流三维重建。三维多普勒能量图不但能够观察组织结构内的血流情况，还可以提供一定容积内血细胞量的间接资料，三维血管成像方法能够跟踪血管走向，区分重叠血管，见图2一l一

10、图2一l一19等。三维彩色直方图是最近开发出来的能够客观定量分析血流的一个新指标，是指单位体积内代表血管化程度的彩色成分的百分比和代表血流量的平均彩色幅度值，它为定量评估生理和病理情况卜的血管生成提供了一个非常重要的手段。

(二)容积成像的步骤与方法 在数秒钟内完成扫查和建立三维数据库后，可以立即进行容积成像操作，也可以把数据储存入仪器内，过后再调出分析。容积成像的基本步骤

(1)确定成像范围：在所扫查的三维容积资料中选定出感兴趣区域(即容积箱)，任容积箱外的结构将不会被成像。

(2)选择成像模式：根据感兴趣区域的回声特征合理选择成像模式，以能够突出病灶特征为原则。

(3)图像的滤过处理：表面成像时利用滤过功能对周围低回声结构进行适当的抑制，以突出表面结构特征。

(4)旋转三维图像：进行图像定位，使立体图像处于最佳显示角度，从而得出最佳三维图像。

(5)立体电影回放：采用电影回放的功能可以从不同角度动态地观察图像，立体感更强。

(6)电子刀的选择：利用电子刀的功能能够去除与感兴趣结构表面无关的立体回声结构，以及不规则的周边，使图像从任何角度上看都更为清晰、重点突出。

三、四维技术的优点

最新四维超声系统在妇产科应用的主要优势在于四维容积扫查方式的进步和四维数据处理方式的进步。

四维成像技术的优点主要有以下几点：

1．能够获得任意平面的图像，并标明其在空间的方向和位置，有利于对图像进行仔细分析，减少主观因素干扰。

2．具有精确的体积计算功能。常规的二维超声只能获取一个组织结构的三个切面，通过三个切面的径线粗略地估测体积，当目标形态不规则时则无法估计。三维超声可处理多平面资料，模拟出组织的形状，利用特定的容积计算公式得出体积大小，使体积的测量更为精确，尤其对不规则形器官或病灶体积的测量更具优越性。新近应用的在体器官计算机辅助分析技术(virtual 0rgan compute卜aidedanalysis，VOCAL)具有自动测最各种形态结构之体积的功能，能够描画和显示任何形态的组织器官外形特征，并计算出其体积，为不规则形结构的体积估计提供了最佳的手段。

3．能够对感兴趣结构重建三维立体图像，使结果直观。清晰的立体图像可以产生以下效果：

(1)对胎儿异常的观察更为细致，对了解病变的全貌优干二维超声检查，例如对胎儿唇裂的诊断等。

(2)对初学超声诊断者，有助于培养空间思维能力和理解图像的能力。

(3)胎儿异常的三维立体成像使母亲及其家属容易理解，避免医务人员解释不清所造成的不便。

4．四维扫查在瞬间完成，获得的容积数据可以全部被储存起来，数据可以在患者离开后随时调出来进行研究分析，评价存储数据，由此带来的优点是：

(1)不必匆忙对疑难病例下定论，可以在充分讨沦后得出更准确的判断。

(2)减少了病人因检查时间长而造成的不适，降低了超声检查时间长对胎儿的可能损害。

(3)可使观察者之间、观察者本人的差异降到最低，减少了分析图像中的主观因素

篇2：超声成像原理与技术

课程编号：OPT04042 英文名称：Practice of Photo-electronic imaging System 学

分：3

学时：3周

先修课程：应用光学，光电成像原理与技术，精密机械基础等

一、目的与任务

本环节为电子科学与技术专业（光电子方向）实践教学必修环节，安排在第7学期进行。本教学实践环节旨在通过对典型光电成像系统结构的认识和设计，进一步巩固、加深学生对光电成像系统的构成、各技术环节的作用和工作原理的认识和理解，明确系统总体性能与各部分参数的关系，使学生掌握光电成像系统的总体设计的思路、步骤和关键环节部件选配方法等。通过本实践教学环节，可达到提高学生动手能力和在实际工作中独立发现问题、分析问题和解决问题的能力，增强学生对科学性、合理性、经济性、可行性、可靠性、可维护性等工程概念的理解，以及提高学生解决实际工程问题水平的目的。

本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。

二、教学内容及学时分配（3周）

课程设计题目分类：

设计1 直视微光成像（观瞄）系统设计（关键部件选型应包括：物镜系统、像管＋高压电源、目镜系统的选型等）；

设计

2电视型微光成像（如车载夜视仪、星光级电视瞄具）系统设计（关键部件选型应包括：物镜系统、像管＋高压电源、摄像系统、信号传递方式及显示系统的选型等）；

设计

3主动照明微光／红外成像（如车牌抓拍系统、闯红灯违章记录系统、车号识别系统、露天场景全天候监视系统、水下成像系统）系统设计（关键部件选型应包括：光源、滤光镜、物镜系统、像管＋高压电源、目镜系统的选型等）；

设计

4医用内窥镜电视成像（如胃镜系统、工业内窥镜）系统设计（关键部件选型应包括：专用镜头、光源、传光系统、支撑机构、信号传递方式、显示方式与显示系统等）；

设计5 高速工业在线视频检测成像（如钢丝直径在线检测、路面瑕疵或不平整度检测系统、轨道参数测量系统、印刷品质量检测系统、电路板故障检测系统）系统设计（关键部件选型应包括：光源、滤光镜、物镜系统、摄像系统、信号传递方式、信息记录或显示系统的选型及图像处理方案等）；

设计6 特种光电成像系统设计（选择光子计数探测系统、火星车立体视觉系统、紫外指纹搜索系统、门禁体温自动探测系统、高炉炉膛测温成像系统、舰载红外警戒系统、多光谱成像系统或其他新用途、新型成像系统。关键部件选型根据具体要求进行）； 课程设计要求：

学生在以上设计选题中选做1个，根据具体设计要求的技术指标（观察条件、目标及背景特性、工作条件等其他相关技术指标）完成系统的框架设计、总体技术参数分配、关键部件的选配等；通过网络检索、查询相关设计手册等手段，完成关键部件详细参数的了解和市场调研，完成关键部件选型，参数验算，并利用实验室已有试验条件，开展部分模拟性验证实验和计算机仿真；对诸如专业处理电路等非成熟产品，要求能够给出功能框图，数据输入输出格式及要求等；使用绘图软件画出系统总体结构图，撰写设计论证报告、计算书、模拟实验报告（或软件仿真实验报告），对设计结果进行初步的性能评估。课程设计内容及时间分配：

第一周集中讲课：以教师对既往科研中开展过的某个光电成像系统设计过程为例，让学生了解系统设计的基本思路，要求学生理解光电成像系统总体设计方法和设计原则、技巧及完整的设计过程。同时，介绍常用的结构设计方法与应用软件、电子电路的设计方法和应用软件。

演示与操作实验：通过实验室内对实物解剖、展示，让学生亲自观察、使用和分析实验室现有的夜视仪、电视摄像系统（黑白／彩色）、显示器（黑白／彩色），视频发射接收器等光电成像系统及关键部件，了解实际光电成像系统的共性和特性。

安排课程设计题目并根据提出具体要求：学生自愿选题，每个题目可以有最多5名成员组成小组共同完成，在教师的指导下明确组内各成员的分工，进而指导其完成总体技术指标的确定，确定系统总体方案。要求学生在本周末提交设计论证报告（初稿），完成成像器件性能指标的确定和选型及总体技术指标计算书。

第二周 指导学生通过查询相关设计手册、网络检索完成对其他关键部件详细参数的了解和市场调研，完成部件选配，参数验算；并结合细化的设计过程，对上周指定的设计论证报告中提到的相关技术指标进行必要的修正。利用实验室已有试验条件，设计并搭建局部性能的模拟性验证实验系统，或编制小规模的计算机仿真程序（如模拟成像系统的图像探测、采集、存储、传输的功能、验证相关照明条件与滤光系统对成像系统的影响、编制图像预处理及特征提取等特定需要的功能软件以验证图像处理算法选择的科学性、可行性等），对诸如专业处理电路等非成熟产品，要求能够给出功能框图，数据输入输出格式及要求等；学习并使用绘图软件画出系统总体结构图。本周末对各组设计工作的阶段性进展进行考核。

第三周 开展部分模拟性验证实验和计算机仿真；根据小组内各成员的设计结果和问题，结合所设计系统的工作条件，开展工程化的论证和修正。按照小组分工，结合每个人的工作内容，有重点地撰写设计论证报告，并对设计结果进行初步的性能评估分析。以小组为单位，以答辩的形式，进行设计工作总结与考核。

三、考核与成绩评定

成绩评定根据创新性情况、设计论证报告、系统参数计算书、系统指标完成情况及设计是否达到要求并综合纪律、出勤情况给出。成绩分为优秀、良好、中等、及格和不及格五等。具体标准如下：

1.2.3.4.5.所设计的系统应满足应用的基本分辨力、灵敏度、动态范围等基本要求； 各关键部件在性能指标，结构及操作性等方面应满足适配性要求； 所设计系统中的部件成本应有一定的经济合理性；

对关注到环境适应性、可操作性，可维护性和可靠性的设计在评分时予以倾斜；

提交的设计论证报告时，需将所有选用关键部件的调研情况、局部功能模拟验证实验报告及相关功能性软件程序仿真结果作为附件一起提交。

四、大纲说明

1.本大纲是根据我校电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。

2.在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。3.本大纲适合光电类相关专业。

五、教科书、参考书

教科书：

自编讲义 典型光电成像系统综合设计――待编

参考书：

白廷柱，金伟其编著．光电成像原理与技术[M]．北京：北京理工大学出版社，2006.1

编写教师： 曹峰梅

责任教授：

教学院长：

《Practice of Photoelectric Imaging System》

Course Code: OPT04042 Course Name: Practice of Photoelectric Imaging System Class Hour: 3 weeks Credit: 3 Course Description:

篇3：实时超声弹性成像原理与方法

生物组织的病变在很大程度上会伴随着其硬度属性的改变,比如硬化型乳腺癌,动脉粥样硬化等。然而在某些情况下,如果肿块较小,或者位置距离体表较深,用传统的触诊方式很难检测出。一般来说,用传统超声回波成像的方式,也并不一定能检测出这些癌变组织,因为虽然他们的硬度属性差别较大,但是声学性质有可能很相近。比如,对于前列腺或者乳腺肿瘤来说,他们用传统超声成像很难发现病变,但是他们的硬度属性和周围正常组织明显不同。所以组织硬度信息对于临床诊断而言同样具有重要的参考意义。超声弹性成像就是根据组织的硬度属性不同进行成像的一种新型的超声成像方式[1]。根据激励的时间特性,现有的基于超声检测的弹性成像可以分为三类:采用静态或准静态力的施压式弹性成像、采用低频瞬时振动的瞬时弹性成像和采用低频简谐波的震动声弹性成像。实际上,弹性成

1. 技术原理

准静态超声弹性成像的实现方法如图1。

用超声探头对受检体施加一个外部的压力,接收同一个位置在施压前和施压后的两组回波信号。其中压缩后的信号可以视为压缩前信号的压缩和时延,如公式(1)所示[3]。

对同一个位置压缩前、后回波信号进行分析,得到应变分布;最后再用不同的灰阶值或者伪彩色等将组织应变的二维分布转化为二维的灰度或者伪彩色图像(strain-based elastography),其像(Elastography)一词,最早是1991年美国德州大学Ophir教授等人提出[2],因此狭义上的弹性成像指的就是这种静态或准静态力施压式弹性成像。和其他两类相比较,准静态弹性成像具有技术原理简单,实时性好等优点,引起了很多研究组的兴趣,所以近几年得以迅速发展。本文重点在于介绍实时准静态超声弹性成像的原理与方法,同时还对模量重建的方法及其必要性进行了论述,最后讨论了评估一种新的弹性成像算法常用的验证方式。在下面的章节里,如无特殊说明,所提到的弹性成像均指准静态超声弹性成像技术。图像成为应变分布图(strain elastogram)。该方法中假设组织内部应力均匀分布,但对于血管等圆周应力分布明显不均匀的情况误差较大。另一种方法根据组织的力学特性以及求解出来的应变进行模量重建,根据杨氏模量或剪切模量进行成像(model-based elastography)[4]。

根据应变计算方法的不同可以概括为两类:基于梯度的方法,和直接计算应变;

1.1 直接法:

直接法中,直接通过对组织压缩系数进行计算得到应变。可以通过对压缩后的RF信号设置一个初始伸展系数,然后求解相关性函数,或者计算相关相位。根据计算结果修正伸展系数,直到达到所期待的相关性[5],或者相移接近于零[6]。也可以通过最优化的方式,在代价函数里将伸展系数作为未知变量,通过最小化代价函数求的伸展系数[7,8]。根据伸展系数来求得应变。这种方法对信号相关性要求较高,而且对系统噪声比较敏感,所以较少采用。

1.2 基于梯度的方法:

基于梯度的方法首先计算回波信号压缩前、后在时域上的相对位移;根据相对位移利用差分的方法求出组织应变。

基于梯度的方法中,从压缩前后的RF信号估计组织运动是最核心的部分,大多数的位移估计算法重点都是在轴向位移估计,尽管轴向压缩组织会产生三个方向的形变(轴向、侧向、和梯度方向),在一般应变成像中,只需要轴向位移就足够了。尽管也会考虑侧向和梯度方向,但仅限于帮助提高侧向位移估计的精度。侧向应变成像可以帮助重建泊松比等参数,但是远没有轴向应变更重要[9],所以在本文中不做过多讨论。

本文重点介绍基于梯度的方法原理以及在准静态超声弹性成像中的应用。首先介绍常用的位移估计基本算法,并介绍目前常用的对于基本算法的改进方式。然后介绍从位移中提取组织应变的原理和方法,并对模量重建的方法以及必要性进行了讨论,最后列出了对于一种新的算法一般采取的几种验证方式。

2. 位移估计基本算法

现有的位移估计算法中,几乎所有的方法都用到了块匹配或者窗匹配。匹配的相似性准则包括:互相关,绝对差分和,平方差分和,相关相位等。窗匹配一般可以通过插值达到亚采样点精度;匹配可以在整个搜索区域内进行搜索,也可以通过相邻窗的连续性约束,减少搜索范围。可以通过定义一个全局代价函数,一次性求解位移场分布,也可以分块独立进行搜索跟踪。可以单层穷尽搜索,也可以分层从粗到细搜索。可以在整个平面两维搜索,也可以在轴向和侧向分别搜索[9]。

另外对现有位移估计算法进行严格划分是不科学的。很难把他们归结为某一种特定的方法名称里面。但通常所采用的基本技术主要包括几下几种:

2.1 一维时域互相关

一维互相关是计算时延常用的方法,通过对两段信号计算互相关函数,公式如(2)所示,当互相关函数取最大值时,τ所代表的值就是两段信号的时延[2,10,11,12,13]。

2.2 相关相位

超声射频信号不仅包含幅度信息,通过希尔伯特变换或者正交解调即可得到含有相位信息的解析信号或者是基带信号。在时域,时延对应着相位变化,如果信号频率已知,就可以根据计算相移直接得到相对应的时延[14~17]。

首先对于压缩前、后超声回波信号分别进行建模如公式(3),A(t)是包含人体信息的包络信号,w0是探头的中心频率,t是时间[14]。

这两个复数信号的互相关表达式可以表示为公式(4)

其中

是包络的自相关函数。所以通过互相关函数的相位就可以直接估计出两段信号的时延(公式(6))。

2.3 块匹配

块匹配的基本原理是对于感兴趣区域区内的一个特定大小的区块,在一个设定的搜索区域内根据一定的匹配准则寻找与它最佳匹配的区域。根据最佳匹配区域所在的位置来计算相邻两帧图像的局部位移[18~20]。

根据匹配准则的不同,可以分为:二维标准互相关,快速互相关,绝对差分和等。以二维互相关为例,其互相关函数定义为:

当上述函数取最大值时对应的u,v的值,即是所定义区块中心位置的局部位移.

2.4 光流

光流法给空间每一个像素点赋予一个速度矢量,并假设空间任意一点随时间变化该像素点的亮度不变[19,21]。即有下列等式:

经过泰勒公式展开并去掉高阶部分可以得到:

这就是光流的基本方程,实际应用中一般还要加上其他的约束条件,共同求解每个像素点的速度矢量(u,v)。根据外加约束条件的不同衍生出了不同的光流法。

2.5 最优化

最优化算法的基本原理是首先设计一个代价函数,通常是块匹配中几种匹配准则中的其中一种,或者加入另外的约束条件,组成复合的代价函数;其中代价函数所包含的未知参数通常就是所求的位移,甚至可以是应变。然后通过某种最优化算法如动态规划等进行求解[22~28]。最常见的代价函数具有以下形式:

其中CID表示图像相似性,通常指定为块匹配准则中的某一项,CR表示另外的约束项,比如平滑约束或者位移连续性约束等。α表示权重系数,通过调整α可以调整每一项在代价函数中的权重。

对于检测信号相似性或者时延来说,互相关或者块匹配是非常精确的技术。即使应变很小的情况下,也可以精确追踪运动,并且对于噪声的鲁棒性较好。然而应变估计会受到各种因素的影响,包括探头下压过程的横向位移导致其不同平面运动造成的信号去相关,声场不均匀特性,非刚性组织形变等[21],导从而导致运动估计错误。另一方面,基于相位的方法是效率最高的,但是当时延大于半个波长的时候就会出现相位混叠,而且必须知道探头的中心频率,否则只能通过迭代来求解。光流暗含的假设信息是在连续记录的图像强度保持不变,然而在弹性成像过程中,散射点受压之后脉冲响应会发生变化。所以在光流法中通过局部信息约束进行求解是不科学的。一般会通过加入另外的全局约束信息来进行求解。另外基于相位的方法以及一维互相关方法只能在轴向进行追踪,当组织侧向位移较大时,会出现比较明显的位移估计错误。

上述基本算法除了基于相位的算法以外(依赖相位信息),其他所有算法都可以用三种信号来进行(RF信号,包络信号,B超信号)。包络信号可通过RF信号正交解调得到,对包络信号进行对数压缩,去噪等处理就可以得到B超信号。RF信号的信息量最大,同时数据量也最大。B-mode数据信息量和数据量都最小。随着弹性成像算法的不断发展,改进算法的速度越来越快对于精度和分辨率的要求越来越高。目前准静态超声弹性成像大部分都是用RF信号来计算的。

3. 改进算法

由于人体组织的复杂性,以及超声图像本身所含的噪声等因素,单纯的采用上述基本算法,很难得到满意的结果。现有的方法中对于超声准静态弹性成像算法主要有两个思路:一种是基于其中一种算法,然后进行改进;另一种思路是集合两种或者以上的算法,形成一种新的算法框架,结合了各自的优势,同时克服了各自的不足。但无论是采用那一种思路,所进行的改进主要针对两个方面:速度和准确性(包括计算精度,和鲁棒性)。目前的改进技术主要包括以下几种:

3.1 时域伸展

基于梯度的算法一般都假设压缩后的信号是压缩前信号的时延,而忽略了形变(压缩)。所以当信号形变较大时,会出现比较严重的去相关[29]。Bai等人,通过采用多尺度(multi-scale)的方式,采用不同长度的窗进行相关并求平均的方式进行改善[30]。通过自适应方法来计算局部压缩系数,可以降低信号去相关的影响,同时精度有所提高[5~28]。还可以通过扩张的方式在计算相关函数之前对信号进行调整,对压缩或者时延在同一个平面内进行调整,尽量恢复信号相关性[31]。但是,对于压缩的调整并不是自适应的,而是全局的。

3.2 插值

对于精确的应变估计,需要得到亚采样点间隔的位移场。一般通过对RF信号进行插值,或者对相关函数进行插值,或者是假设峰值处形状,根据计算公式直接来得到。对RF信号进行插值在很大程度上增加了运算量,对相关函数插值同样增加不小的计算量,常用的方法包括抛物线插值,余弦函数差值等[32]。而假设峰值处形状基本可以达到与差值RF信号或相关函数同样的效果[33]。

3.3 先验估计或约束

由于信号的去相关,从信号直接求解位移分布可能会出问题,对于解决这种大的估计误差通常有两种途径[34]:运动约束或者先验搜索。

先验估计,也可以称为指导搜索,其基本原理是由周围已知点的位移值作为当前值的先验估计,相邻的点可以是相邻行的点,称为行引导,也可以是相邻列的点,称为列引导。也可以通过预先估计的方式来获得,一般通过由粗到细的方式来实现。根据先验估计可以缩小搜索范围,不但大大提高了计算速度,而且还在一定程度上减少了假的相关峰(当信号去相关比较严重时,峰值处的相关系数偏低,可能会出现另一处峰值并且相关系数大于真正的峰值,称为假峰)造成的估计错误。但是这种指导搜索有一个潜在的问题,就是如果有一个点估计错误,则基于该点作为先验值的所有位置都会产生错误估计。所以要通过某些机制来对估计结果进行验证,对于错误的点,通过周围点插值来替代。

运动约束也是目前比较常用的一种改进策略,主要是基于运动连续的假设[35]。一般是设计一个目标函数并添加约束项,然后通过最优化算法来最小化目标函数的方式来求解位移。由于运动约束把相邻点的位移值联系起来组成代价函数,所以单独分块进行估计显然达不到要求,一般通过全局最优化的方式来实现。

3.4 粗到细

由粗到细的原理是:首先选择一种鲁棒性较好的算法对复杂的位移场进行预估,估计结果作为另外一种鲁棒性较差但是精确度较高算法的先验值,或者初始值[9,19,27,36,37]。这样通过两步或者是几步迭代的方法同时满足了鲁棒性好,精确度高的要求。

在两步算法中,可以选择不同的基本算法,比如第一步选用块匹配,第二步采用光流[19];也可以采用同样的方法,但是不同的参数[37],比如两步都采用BMA方法,但是第一步选择较大的窗和搜索范围,第二部选择较小的窗和较小的搜索范围。甚至两步里可以选择不同的信号,比如:第一步用B-mode信号,第二部选择RF信号。或者采用金字塔算法,从最底层到最高层依次降采样处理,减少数据量,通过某种算法得到位移场(BMA或者图像配准)然后插值到与上一层相同的数据量,作为先验值,指导上一层在一个较小的范围内进行搜索[27,36]。

上述改进方法中,时域伸展技术可以解决信号压缩造成的信号去相关,但是对于其他原因的噪声,比如系统噪声或者非刚性形变造成的去相关没有效果,而约束和先验值对此则有比较明显的效果。插值主要是为了提高估计精度和质量,而由粗到细的策略是先验估计方法的一种具体实现方式。粗估计的结果作为细估计的先验值,从而使得速度和鲁棒性以及精确性都有较大的提高,所以这种方法也是最常用的一种方法。

4. 应变

位移和应变的关系可以描为数值差分的过程。对于理想的全通差分器的频率响应,随着频率增大而线性增大,简单的差分过程会放大高频噪声。在应变求解过程中,应该设计一种低通的数字差分器,而不是全通的[38]。目前采用较多的最小二乘法也可以视为一种特殊的低通差分器[39,40]。

最小二乘法的原理是通过对位移场进行分段线性拟合来求出应变。计算公式如公式[39]:

其中y表示深度,u是位移,a,b是待估计的常量,其中,a表示局部应变。

采用低通数字差分器,应变值可以表示为位移场与特定冲击响应的卷积[40]:

另一种比较常用的差分器是Savitzky–Golay(SG)平滑数字差分器。根据拟合的阶数不同可以分为SG-I和SG-II。以SG-I为例,其输入输出关系为[38]:

其中滤波器的长度为2M+1

确定滤波器的长度之后,就可以根据上述差分方程得到冲击响应h,h与位移u进行卷积就可以得到应变分布,最小二乘法也可以转化为上述形式。最小二乘法通过增加窗长以达到平滑的效果。较大的窗长可以得到比较好的SNR,但同时会造成边缘模糊。所以在实际运用的时候需要选择合适的窗长和窗之间的重叠率,以达到期待的效果。一般来讲为了平衡SNR和CNR,推荐使用较长的滤波器长度以及较高的重叠率(90%以上)。对于不同数字差分器频率响应分析,与滤波器长度的关系,以及对应变估计的影响可参考文献[38]。

由于上述方法计算速度较快,是现有方法中计算应变较多采用的方法。然而,如果位移场估计不准确,应变估计会有较大噪声。Rivaz等人,利用应变分段连续的特性,利用卡尔曼滤波器,来提高应变估计的质量[26]。Yuan等人也采用了基于无网格的技术,在保持图像分辨率不变的前提下,对噪声进行抑制[41]。

5. 杨氏模量

如果组织内部应力分布是常量,应变图像可以直接被解释为模量图像(杨氏模量或者剪切模量)。在实际情况下,内部应力分布并不均匀,所以当应变被解释为模量的过程中,会出现伪影,从而需要进行模量重建。模量重建可以根据计算的位移或者应变通过方程直接求解[42],也可以通过迭代的方式来进行求解。

比较常用的是通过模型迭代的方法来求解逆问题。该过程可以描述为参数最优化问题,通过最小化一个代价函数来得到参数最优解。其中代价函数通常定义为测量位移和通过给定参数由有限元模型正向求解的位移差。通过对未知的杨氏模量给定初始值,然后以迭代的方式计算出代价函数最小时候杨氏模量的分布。

通过逆问题求解在一定程度上可以减少伪影,但是由于逆问题本身病态的特性,所以有可能增加新的伪影。当边界条件较简单时,逆问题求解对结果去除伪影的帮助并不大[43]。另一方面,逆问题求解通常需要通过反复迭代,很难达到实时。所以

6. 评价方法

对于一种新的弹性成像算法,如何评价其性能,有一些常用的方法。

6.1 数值仿真

用经过数值仿真产生的RF信号来计算组织的应变分布,并将计算结果与有限元软件输出的应变分布作定量比较。仿真的方法如下

其中,x,z分别表示侧向和纵向,I(x,z)表示RF信号,h(x,z)表示点扩散函数,m(x,z)表示声阻抗矩阵,A为常量,λ为发射脉冲波长,σx,σz分别为脉冲的宽度和长度。

在弹性成像中,对比度噪声比通常用来表征病变组织的可探测性。

其中e和σ分别是均匀弹性组织应变图中的应变均值和应变标准方差。

eb,ei分别是应变图中背景和包含物的应变均值,σb2,σi2分别是背景和包含物的应变方差。

6.2弹性体模:

在弹性成像算法开发的初始阶段,体模实验是不可或缺的。首先,较好的弹性体模可以在声学和力学特性都和人体组织有较好的相似性。目前商用体模比较好的有CIRS公司的Model049,以及Model059。其中,Model049是在一个均匀的背景区域包含了8个硬度和大小不同的小球,可以对弹性的分辨率和信噪比等参数做量化分析。

7.处理和显示

上述两种评价方法可用于算法研究人员在开发阶段作为参考。但是准静态超声弹性成像用于临床引用会出现各种复杂的问题:首先,对于医生的手法要求较高,很容易出现out-of-plane现象;另一方面,病变组织的复杂程度远高于弹性体模所以在算法真正实现的过程中一般还要经过一些处理。最常用的是进行归一化处理[44]。

ŝ(x,y)是归一化系数,最简单的方式是设为常量,取图像中的最大应变值,从而消除不同的应变率对显示结果的影响。对于内部应力分布不均(随着深度降低,或者探头表面压力不均造成)对应变的影响,可以设置整个平面随位置变化的归一化系数。归一化系数通过对位移场或者应变进行平面拟合的方式求解。

由于在临床操作中,应变大小控制、探头偏移等问题,采用两帧信号得到的应变图信噪比通常不高。所以在临床使用过程中,通常会用相邻的应变图像拟合成一幅高质量的图像进行显示。这种拟合可以是简单的平均[45],也可以根据应变图中每个点的估计质量来进行加权合成[4,44]。

8. 总结

篇4：超声成像原理与技术

【摘要】近年来，乳腺疾病发病率呈上升趋势，乳腺疾病筛查作用日益突出。超声检查具有无创、价格低廉等特点，是依据组织内部弹性特征不同而出现的一种新型超声技术，能对乳腺实行病变无创性检查，本文对弹性成像原理、图像分析方法、临床应用及展望等作一综述。

【关键词】弹性成像 超声 技术诊断

乳腺由腺体、腺管、脂肪组织组成，乳腺疾病发病率因人种、年龄、生育情况、内分泌等因索不同。超声可筛选乳腺肿块的良恶性，为乳腺癌普查提供了一种简便、安全而有效的检查方法。超声弹性成像技术是一种新的超声显像技术，通过检测施加外部压力所致组织变形和扭曲程度来反映被检测组织的弹性程度即硬度。采用自相关综合分析法，根据压迫前后回声信号移动幅度的变化获得图像，以灰阶或彩色编码表现，该技术为鉴别乳腺肿块的良恶性提供了新途径，提高了确诊率。

1UE的基本原理

1991年Ophir等首先提出“弹性成像”的概念。弹性成像的基本原理是根据各种组织的弹性系数（应力/应变）不同，在受外力压迫后组织发生变形的程度也不同，把受压前后回声信号移动幅度的变化转化为实时彩色图像；弹性系数小、受压后位移变化大的组织显示为红色，弹性系数大、受压后位移变化小的组织显示为蓝色，弹性系数中等的组织则显示为绿色，从而借图像色彩反映组织硬度。

2UE图像分析方法及其临床应用

2.1定性诊断

2.1.1弹性评分法

最早的评分法是源自日本Itoh评分系统（共5分），1分：病灶整体发生形变，弹性图整体为绿色；2分：病灶大部分形变，小部分无形变，弹性图为绿色和蓝色相间的网格状；3分：病灶边缘变形但中心无形变，弹性图中心为蓝色，周边为绿色；4分：病灶全部无变形，弹性图整体为蓝色；5分：病灶全体和周边均无变形，弹性图病灶和周边均为蓝色。其他还有日本筑波大学植野教授提出的5分法和罗葆明等的改良5分法等。

2.1.2弹性应变率比值法

UE技术的诊断与人工施加外力或与患者呼吸运动相关。弹性图评分可受操作者主观认识的影响，相同条件下不同操作者对同一病灶可给出不同评分。通过测量“应变率”（应变指数、弹性比值）可进一步减少上述影响因素的干扰，首先测量病变部位的平均应变值，然后将其与乳腺旁相似区域平均应变值相比较得出应变指数，此值即为应变率，反映病变组织相对硬度，恶性病变应变指数高于良性病变。面积比是分别测量病灶在弹性图及二维图的面积，软件自动算出二者面积比值，通过良恶性病灶面积比差异对病灶进行定性分析。

2.1.3面积比值法

面积比是将UE图上乳腺肿块面积与灰阶图像上面积相比，浸润性导管癌在UE图上大小较其在灰阶声像图上大，可能与恶性肿瘤周围的结缔组织增生反应而导致硬度增加有关。Leong等提出，将面积比的临界值设为1.2时，UE对恶性肿瘤的敏感性可高达100%，但对某些类型良性肿瘤的特异性较灰阶超声差，如无明显包膜形成的纤维腺瘤。孙卫健等对72例乳腺肿块患者进行UE研究，当面积比为1.5时，诊断乳腺恶性肿瘤的敏感性为82.8%、特异性为87.8%、准确性为81.1%。吴文娟等研究结果显示，弹性面积比值>1.5为界，UE诊断乳腺肿块良恶性的敏感性为82.4%，特异性为92.7%，准确性为90.3%。当前使用的二维超声仅能显示病灶形态、结构，对病灶与周围组织的关系显示不佳，但UE技术有较大优势，尤其是恶性病灶对周围组织牵拉形成的毛刺在弹力图上显示更清晰，且弹性应变率之比及面积比减少了操作者主观因素影响，为乳腺疾病提供了相对客观的诊断指标。

2.2定量诊断

2.2.1脉冲辐射力弹性成像

此技术通过超声给组织施加局部辐射压力，组织受到辐射力的推动产生一定纵向位移及横向位移应变，经检测组织单位时间内横向位移，反映出病灶硬度，以单位（m/s）表示剪切波传播速度。剪切波传播速度越快表示病灶质地越硬，恶性程度越大；剪切波传播速度越慢表示病灶质地越软，恶性程度越小。脉冲辐射力弹性成像技术包括声触诊组织成像技术和声触诊组织定量技术。

2.2.2剪切波弹性成像

剪切波弹性成像是利用声辐射力技术产生剪切波，然后通过超高速成像技术获得剪切波图像，将弹性成像图经过彩色编码后叠加在二维灰阶图上，较硬的组织显示为红色，较软的组织显示为蓝色。进行乳腺检查时可根据情况在0～180 kPa量程下调解。Tamer等研究结果显示，剪切波弹性成像技术可对乳腺良、恶性病变及囊性病变的相对硬度进行量化检测。黄炎等研究结果显示，利用弹性最大值诊断乳腺良恶性病灶，以60.12 kPa作为诊断界点时敏感度和特异度分别为90.5%和88.3%。

3结语

UE作为一种新的成像技术，正在不断探索与研究中，应用于乳腺、甲状腺等各种器官病变的诊断及鉴别诊断，进一步丰富了诊断信息，拓宽了超声诊断思路，使现代超声技术更完善。由于生物组织构成的复杂性及疾病组织病理特征的多样性，病变的弹性特征也呈现多样性，且不同超声弹性检测技术可能存在不同技术缺陷，因此要选择适当的测量方法优化弹性分级参数、辨别及分析伪像的产生。

参考文献：

[1]王伟，金正吉，唐波，等.超声及超声弹性成像诊断甲状腺良恶性结节的价值[J].中华实用诊断与治疗杂志.2013.27（5）.

[2]罗建文，白净.超声弹性成像的原理及理论分析[J].国外医学：生物医学工程分册.2013.26（3）.

[3]徐智章，俞清.超声弹性成像原理及初步应用[J].上海医学影像.2010.14（1）.

篇5：超声成像原理与技术

0 引言

超声检查应用领域随着其技术水平的不断提高，产科超声检查观察胎儿的项目也更加详细，四维超声成像具有任意平移和旋转的特征，能从任意角度对病变进行更细致的观察，使诊断更加准确、直观，使孕妇及临床医生容易接受，对围产医学、优生优育工作具有极其重要意义。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2012 年4 月至2014 年12 月在笔者所在医院四维超声检查的孕周22~26 周，790 例孕妇的胎儿颜面部进行四维超声成像，并对成像结果进行记录，发现唇裂者四例，患者的平均年龄为26 岁，所有患者均入我院进行追踪随访，并在引产及产后得到证实。

1.2 方法

仪器为麦迪逊AccuvixV20 彩色多普勒超声诊断仪。四维容积探头，探头频率3.3~6.0 MHz，采集图像时，患者平卧位充分显露检查部位，首先用二维超声常规检查胎儿颜面部，观察胎儿唇部形态，然后再切换四维容积采集框，为使四维成像清晰，尽量避免探头移动和嘱咐孕妇不要动，为了增加感兴趣区部位羊水量，可通过孕妇改变体位获得，在胎位不正或枕前位孕妇，胎儿颜面部显示不清晰时，可让孕妇休息走动片刻或隔日再进行检查，在重建过程中，需调整X、Y、Z 轴在ABC 三断面上，选择感兴趣区域，以获得满意图像。

2 结果

790 例胎儿中能获取满意胎儿面部及唇部图像728 例，显示率约92%。约8%由于胎儿正枕前位，或者面部周围无羊水，紧贴宫壁或胎盘，胎头固定俯屈人盆等因素不能清晰显示胎儿颜面部。诊断唇裂4 例，所有胎儿均产后证实。正常胎儿口唇轮廓清晰完整，闭嘴时两唇间呈线状回声。张嘴时成“O”型，上唇上方可见鼻尖两侧鼻翼形成三角形，鼻子上唇横断面呈完整清晰的弧形光带。本组胎儿四维超声检查发现冠状面上唇连续性中断，横切面见胎儿类似牙槽突回声连续中断正常弧形消失。其中侧唇裂3 例(2 例为单侧唇裂，1 例为双侧唇裂)，1 例为正中裂( 上唇完全裂)，4 例唇腭裂患者有3 例合并羊水过多，最大液深85~93 mm，唇裂口5~12 mm，上颚裂开直通鼻腔，鼻翼塌陷，裂口处牙槽相对后缩形成“错位”征象。1 例合并侧脑室偏宽10 mm，1 例合并胎儿心律不齐。

3 讨论

篇6：超声成像原理与技术

1TOFD超声成像检测技术的优势

我国对于压力容器检验的关注度较高,而且在很多技术的选用上,都表现为严格的特点。结合以往的工作经验和当下的工作标准,认为TOFD超声成像检测技术的优势,主要是表现在以下几个方面:第一,TOFD超声成像检测技术的`应用,能够针对压力容器检测的多项指标有效明确,提高工作效率的同时,不会对检测质量造成问题。TOFD超声成像检测技术的操作,能够与计算机技术、超声技术、成像技术等,均能开展有效的联合操作,这就很容易在压力容器检测的过程中,将各项指标有效的体现出来,减少疏漏。第二,TOFD超声成像检测技术的操作,在自身的难度上并不高,而且经过长时间的优化、革新以后,还增加了自动化、智能化的理念,这对于未来工作的开展,将会提供更多的保障。

2TOFD超声成像检测技术的原理