醫學超聲非線性成像方法可行性研究

何啟航

（四川大學計算機學院，成都 610000）

醫學超聲非線性成像方法可行性研究

何啟航

（四川大學計算機學院，成都 610000）

0　引言

醫學超聲非線性成像是依據生物組織的不同非線性參數進行成像，能夠很好地反映生物組織的非線性效應的強弱。有研究指出與傳統的線性醫學超聲模型所反映的聲阻抗、聲速、聲衰減等信息相比，非線性參數對于組織的組份、結構及病理的變化非常的敏感［1］。臨床實驗指出，非線性成像能夠明顯的區分出正常組織和病變組織［2］，相比于傳統的超聲成像方法，醫生可以根據非線性圖像結合臨床經驗更早地判斷出組織病變類型與程度，從而為疾病的發現與治療爭取寶貴的時間。

現在有很多組織非線性參數測量與成像的方法，其中經典的是熱力學方法［3］、基于單頻率回波方法［4］、基于有限振幅插入取代法等［5］，但是由于這些方法對實驗器材和環境的特殊要求無法應用于臨床超聲成像系統中，2014年提出基于脈沖回波系統模型的超聲非線性成像方法［6］，該方法能夠應用于常規的超聲系統和探頭。本文通過驗證該方法所使用的超聲系統的線性范圍確定其工作電壓及增益范圍，證明該方法的可行性和有效性。

1　基于脈沖回波系統模型的超聲非線性成像方法

由于組織非線性的影響，探頭發射的超聲波經過一段長短的傳播，波形將會產生畸變，這是由于組織的線性衰減與非線性衰減使超聲波隨著路徑傳播，能量逐漸衰減。該方法為了簡化傳播的聲學模型，忽略了二次以上的高項，也就是只會產生基波能量和二次諧波能量，這樣隨著聲波傳播，基波能量逐漸向二次諧波能量轉移。

方法需要控制超聲系統的前端，在連續的兩條掃描線時發射具有不同激勵電壓的超聲脈沖，通過接收到的脈沖回波信號進行相減分析組織的非線性特征。

假設發射的兩次不同激勵電壓的超聲波脈沖為：

其中為兩次不同的激勵電壓，為激勵的正弦波形。通過對回波包絡信號相減，可以得到非線性成像函數：

其中l1（t）l2（t）是log壓縮后的回波包絡信號。該公式反映了組織某一深度下回波信號中基波分量由于組織的非線性導致的非線性衰減，而這個函數與組織的聲阻抗、散射特性、衍射特性都無關，也就是說該函數只反映了組織的非線性參數的分布。

2　非線性成像方法實驗驗證

本文所有實驗均采用成都聲泰特公司的iMago C21超聲儀器。非線性圖像中反映的非線性有可能來自于三個環節，即：信號發射電路、介質傳輸、信號接收電路。分別是圖1中藍色、紅色、綠色方框所代表的部分。其中信號發射電路和信號接收電路是超聲系統產生的，所以我們要通過實驗驗證系統的線性工作范圍的電壓及增益，才能使我們最終得到的圖像只與傳輸介質的非線性有關。

圖1　醫學超聲成像系統的脈沖回波模型

由于非線性成像中影響結果的因素較多（包括機器前端發射電路的非線性、體模制作導致的非線性差異和接收電路的非線性等等），在實驗中，應盡量考慮簡化的假設條件，將系統中眾多的因素隔離開，先分析各種因素獨立作用下對非線性結果的影響。根據這一原則，實驗主要包括三方面內容：確定系統設置電壓與實際發射電壓的關系、確定發射電壓線性范圍、確定系統增益線性范圍。

2.1實驗原理

由于超聲波遇到固體絕大部分會被反射回來，實驗時我們用探頭緊貼著鐵板，如圖2所示。我們可以假設發射的超聲波會被全部接收回來，那么回波能量的變化只與系統的發射和接受電路有關，和介質的傳輸無關。試驗中回波只能用RF信號形式采集，所以我們只能通過RF信號計算回波能量，又根據帕斯瓦爾定理，離散信號的能量等于時間域信號對應的傅里葉變換系數平方和的1/2π倍，如下所示：

如果系統在線性范圍內，那么發射的能量和接受的能量關系應該是線性的，在二維坐標上表現為一條直線，如果是非線性的那么在二維坐標上表現為曲線。

2.2UI設置電壓與實際發射電壓的關系

根據目前iMago C21前端電路的設計，UI上設置的電壓與實際探頭發射的電壓峰峰值可能存在一定誤差。因此需要對這一關系進行測量。

方法是在iMago C21的B模式下改變探頭的發射電壓，然后用示波器測量探頭實際發射電壓的峰峰值，結果如表1所示。

表1　UI設置電壓與實際發射電壓的關系

2.3確定系統發射電壓的線性范圍

固定增益45DB，使用線陣探頭打鐵板，從20到90V如上表格所示，每一個電壓下采集1幀圖像，然后對不同電壓下的同一幀，采集一條Beam Line計算計算返回能量，在使用曲線擬合，確定直線，然后分段計算誤差，其中如圖3所示。

其中橫坐標為輸入電壓歸一化的值，縱坐標為回波能量歸一化的值，其中紅色的線為曲線擬合結果，誤差為點到直線距離的平方和，誤差足夠小時就是直線，那么電壓范圍就是線性的。根據圖3我們可以得到表2。

我們選擇輸入電壓范圍時要考慮到誤差足夠小時范圍盡量大，因為范圍越大，兩次激勵電壓的差距越大，那么在非線性成像時線性部分與非線性部分越明顯，容易識別。所以綜合考慮，在增益為45DB時，我們選擇20v-60v為我們激勵電壓范圍。

圖3　發射電壓與回波能量的關系

表2　區域曲線擬合誤差大小

2.4確定系統增益的線性范圍

因為用iMago C21非線性成像時，除了激勵電壓會影響結果，增益也會影響，所以我們要驗證系統增益的線性范圍。

設置iMago C21在B模式下的發射電壓固定為30V和50V，激勵周期為2個cycle。在程序中調整模擬增益為10dB～75dB，每5dB測一個數據。其余實驗條件與上一項實驗保持一致。模擬增益與回波信號強度的測量結果如圖4所示。

圖4　30V和50V下增益大小和回波能量的關系

從圖中，我們可以明顯的看出，激勵電壓為30V和50V的情況下增益都是在偏低和偏高的時候呈曲線，中間部分接近直線。我們再求出區域曲線擬合的誤差，驗證我們的結果。圖5顯示在30V時增益區域曲線擬合的結果。

其中橫坐標為增益大小，縱坐標為回波能量歸一化的值。從圖中，我們可以看出增益越是中間部分誤差越小，越接近線性，所以綜合考慮，我們選擇45DB作為系統增益。

3　結語

根據第三章的實驗，我們確定出超聲系統在做非線性成像時，激勵電壓在20V-60V時，增益大小在45DB時，系統的發射端和接收端是線性的，那么非線性成像的結果只與傳輸介質的非線性參數有關，所以在使用iMago C21超聲系統和第二章介紹的基于脈沖回波系統模型的超聲非線性成像方法所得到的非線性圖像是反映了體內組織非線性參數的分布，結果是可行和有效的，能夠為醫生的臨床診斷提供依據。

圖5　增益范圍區域曲線擬合結果

［1］龔秀芬，章東.非線性聲參量成像及其在醫學診斷中應用［J］.應用聲學，2005，24（4）:208-215.

［2］Sehgal C M，Bahn R C，Greenleaf J F.Measurement of the Acoustic Nonlinearity Parameter B/A in Human Tissues by a Thermodynamic Method.［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1984，76（4）:1023-1029.

［3］Zhu Z，Roos M S，Cobb W N，et al.Determination of the Acoustic Nonlinearity Parameter B/A from Phase Measurements［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1983，74（5）:1518-1521.

［4］Nikoonahad M，Liu D C.Pulse-Echo Single Frequency Acoustic Nonlinearity Parameter（B/A）Measurement.［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics&Frequency Control，1990，37（3）:127-134.

［5］Dong Z，Gong X F.Experimental Investigation of the Acoustic Nonlinearity Parameter Tomography for Excised Pathological Biological Tissues［J］.Ultrasound in Medicine&Biology，1999，25（4）:593-599.

［6］張叢耀.醫學超聲彈性成像和非線性成像的方法與技術研究.成都：四川大學，2014.

Nonlinear Imaging；Ultrasound；Linear；Voltage；Gain

Research on the Feasibility of Medical Ultrasound Nonlinear Imaging Method

HE Qi-hang
（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 61000）

1007-1423（2015）36-0026-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.006

何啟航（1990-），男，四川成都人，在讀研究生，研究方向為醫學圖像處理

2015-11-17

2015-12-10

非線性成像能夠區分出組織的組份、結構及病理的變化，因此該方法作為診斷組織是否病變在臨床醫學中有著重大的應用。介紹一種基于脈沖回波系統模型的超聲非線性成像方法，討論該方法所用的醫學超聲系統的線性范圍，確定其工作電壓及增益范圍，證明該方法在超聲系統上實現的可行性和有效性。

非線性成像；超聲；線性；電壓；增益

Nonlinear imaging can distinguish changes in components，structure and pathological state of a tissue，as a result，this method has important application in clinical medicine for judging the lesion is health or not.Introduces a nonlinear imaging method based on pulse echo system model，discusses the linear range of the medical ultrasound system used in this method，and determines the system operating voltage and gain range，proves the feasibility and effectiveness of the method in the medical ultrasound system.