B超多途徑反射偽像人工造模及實驗研究

高楊，王亞平，梁鑫予，劉子怡，房蕾

1.牡丹江醫學院 物理教研室，黑龍江 牡丹江 157011；2.錦州醫科大學 物理教研室，遼寧 錦州 121001

引言

偽像是指任一回波信號被超聲診斷設備所顯示的位置與被檢體內實際位置不符或被顯示的信號振幅、灰度變化不與被顯示的回波界面特性變化相關的圖像[1-2]。眾多資料及臨床實驗表明偽像存在的普遍性[3-7]。因而探明偽像存在的種類[8-9]、成因及控制方法[10]對提高檢定準確性、減少誤判具有重要意義。

如今對于多途徑反射偽像的研究在A型超聲成像中已較為成熟，而其在B超方面的研究相對較少，本研究設計了一種模型，真實再現B超中的多途徑反射偽像，并加以科學驗證。

1 材料與方法

1.1 實驗器材

CTS-285B便攜式超聲顯像診斷儀、JTC-5A型超聲波診斷儀、5 MHz的A超探頭一支、B超凸陣探頭一只（掃描頻率為3.5 MHz）、有機玻璃水槽一個（長×寬×高=17 cm×14 cm×7 cm）、蒸餾水、含空氣夾層的有機玻璃片2片（S1/S2）、坐標紙（大小應與有機玻璃水槽相匹配）、液體石蠟、耦合劑。

1.2 實驗原理

多途徑反射成像，見圖1。超聲波由探頭出發，非垂直入射到界面S1的P點上，其反射波偏離原來的界面入射到另一界面S2的Q點上，恰好有P→Q（即離開S1界面的反射波）垂直于界面S2，此時由于該聲束垂直入射，故其將沿原路返回并被探頭接收，從而成像Q′。但由于受超聲波成像假設限制，界面S2的反射回波將成像于OP的延長線上，且PQ=PQ′，此時顯示的位置與目標實際位置相差甚遠，即為B超的多途徑反射偽像。

圖1 多途徑反射偽像成像原理圖

1.3 實驗方法

將坐標紙固定于長方形有機玻璃水槽的底部，使水槽的邊框與坐標紙的橫縱坐標平行，將水槽中注1000 mL蒸餾水，打開B超儀器預熱10 min后，涂抹適量耦合劑于凸陣探頭上，將有空氣夾層的有機玻璃片S1放置在水槽中，使得凸陣探頭垂直入射到S1界面的中心點P上（圖2），此時B超屏幕上出現一個強回聲反射界面，轉動S1直至該界面在屏幕上消失，然后沿S1反射波方向上放置另一塊有空氣夾層的有機玻璃片S2，轉動S2直至屏幕上重新出現一個強回聲界面后，凍結圖像并測量入射界面到強反射回波界面的距離D1（圖3）。記錄此時玻璃片在坐標紙上位置，計算超聲波從探頭出發經S1再反射到S2的距離（OP+PQ）。保持玻璃片和水槽的位置不變，用A型超聲診斷儀的5 MHz探頭重復測距，注意探頭發出的入射波要射到S1的O點上，讀出示波器上始波到反射回波的距離D2。通過改變玻璃片的位置與角度，重復測量并記錄數據。

圖3 人工實驗模型及B超屏顯結果

為減小誤差，本實驗設置兩個對照組：采用坐標讀數對照和A超驗證對照。雖然兩個對照組各有其局限性但各有其意義：① 通過做出光路圖并對照坐標紙讀數更直觀，能夠更好的說明多途徑反射偽像的成像原理；② 通過A超實驗在示波器上直觀看到的脈沖回波能更有力的說明，在相同條件下，B超探頭能接收到該多途徑反射回波。

2 數據處理

2.1 測量數據及優化

需要測量的數據：Li：探頭入射到S1界面的中心點的距離OP；Lr：S1界面的反射波垂直入射到S2界面的中心點的距離PQ；坐標紙讀數L：L=OP+PQ=Li+ Lr；B超測距D1：D1=OP+PQ′（Q′即界面S2的反射回波成像于OP的延長線上的偽像）；A超測距D2：D2即A超示波器上始波到反射回波的距離（表1）。

表1 一般反射條件下的數據（mm）

為坐標紙讀數方便與準確，以盡量減小誤差，在此運用了全反射定理進行了實驗。即，將有空氣夾層的有機玻璃片S2豎直放置在水槽中，要求S2與坐標紙上豎直方向的格線重合，移動S1盡量使凸陣探頭發射出的超聲波與反射界面S1的法線方向呈45°夾角，從而構成全反射條件。由全反射規律可得：S1界面上的入射點O到S2的水平距離即反射波走過的路程L2，直接讀出水平格線的長度即為L2（表2）。

表2 全反射條件下的數據（mm）

2.2 數據處理及誤差分析

2.2.1 數據處理

對于表1和表2數據，我們做以下處理：

令L=Li+Lr設立公式，分別得出3 組數據的；和 X1、X2、X3令得①式得②式。

表3和表4的對比數據表明，一般情況下的M值遠大于全發射情況下的值，即坐標紙讀數與A超驗證這兩個對照組的測量數據相差較大。而在全反射條件下，兩個對照組的值偏離較小，可見使用全反射規律進行的測量誤差小于一般反射條件下的測量誤差。由此印證了利用全反射定理得出的實驗數據的優越性。故舍去誤差較大的一般反射條件下的數據，保留全反射條件下的數據。

表3 一般反射條件下的數據

表4 全反射條件下的數據

2.2.2 誤差分析

（1）聲束的容積效應[2]：由于超聲聲束不能被直接觀測到，因此不能保證聲束準確打在S1界面的O點上。且由于從探頭發出的聲束具有一定的寬度和體積，并不是理想模型中的窄聲束，因此打到界面上為一個投射面，故在B超中成像并不是點成像。因此不能被準確定位與測量。

（2）介質的不均一性：由于超聲聲束在接觸到水之前還要經過有機玻璃水槽壁傳播，故超聲聲束并不是在成像假定中的均一介質直線傳播，而是帶來了輕微的折射偏離和聲速失真。

（3）人工操作帶來的誤差：如讀數誤差，對實驗裝置的擺放不恰當等。

3 結論

聲束非垂直入射到組織內某界面時，將反射偏離到另一界面，然后再反射直到被接收。因超聲成像的三個假設之一，即聲束在介質中沿直線傳播，導致此時顯示的位置與目標實際位置相差甚遠，雖然可通過改變探頭的角度消除這種偽影，但它會使解剖學結構在邊緣上發生錯位[11]，故此研究在臨床工作和學習中有重要意義。

國內外對于B超偽像的研究偏重在臨床中的應用[7,12-16]，而本建模實驗，將人造超聲偽像用于教學，可以把抽象的理論變成可視化的工具更有利于學生理解掌握，而且填補了此偽像在物理模擬實驗中的空白。在臨床診斷及日常的B超成像實驗中，經常可以在屏幕上觀察到一些無法歸類并解釋的異常回聲，它們大多為多途徑反射偽像所形成的。由于人體臟器界面取向特殊且難以估計，這種無法避免及準確分辨的多途徑反射偽像為臨床診斷帶來了一定的困難。故對其的成像過程研究具有重要的現實意義，以便更好為教學提供便利，為臨床診斷提供參考。