高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

胡邵娟 龐超 高旋 周佳璐 宋學(xué)東 計(jì)建軍 楊軍

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（胡邵娟、龐超、周佳璐、宋學(xué)東、計(jì)建軍、楊軍）；300384天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司（高旋）

高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

胡邵娟 龐超 高旋 周佳璐 宋學(xué)東 計(jì)建軍 楊軍

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（胡邵娟、龐超、周佳璐、宋學(xué)東、計(jì)建軍、楊軍）；300384天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司（高旋）

目的 探索高頻超聲的血流成像方法和血流圖像處理方法，以實(shí)現(xiàn)血流成像系統(tǒng)。 方法 根據(jù)紅細(xì)胞對高頻超聲的散射規(guī)律，使用20 MHz超聲的機(jī)械、線性掃描探頭，在一條掃描線上發(fā)射多次脈沖，利用脈沖回波相減法提取血流信息。使用模擬血管進(jìn)行血流成像，并對血流圖像進(jìn)行分析處理。 結(jié)果 用該高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)對模擬血流進(jìn)行成像，得到的血流圖像邊緣清晰，并且在對血流圖像進(jìn)行處理后，能很好地濾除血管周圍組織產(chǎn)生的偽像，以增強(qiáng)血流信息，從而更好地觀察血流形態(tài)。 結(jié)論 在高頻超聲條件下，使用單脈沖即可提取較強(qiáng)的淺表血流信號，并通過濾除偽像，能實(shí)現(xiàn)高頻超聲條件下的灰階血流成像。

高頻超聲； 灰階； 血流成像； 圖像處理

0 引言

目前，超聲血流成像技術(shù)在臨床上應(yīng)用較廣泛的是超聲多普勒技術(shù)，它可測量血流速度、血液流量和血流方向等參數(shù)[1]。超聲多普勒技術(shù)和傳統(tǒng)的B型超聲成像技術(shù)相結(jié)合，可觀察組織的二維結(jié)構(gòu)信息，為腫瘤的早期檢查、血管疾病和內(nèi)臟功能的檢查提供了重要依據(jù)[2-4]。但是，為了檢測多普勒頻移，需要在一條掃描線上多次發(fā)射較長的超聲脈沖串。多次發(fā)射脈沖限制了圖像的幀頻，且很長的超聲脈沖串降低了圖像的空間分辨力，加之多普勒技術(shù)還有很大的角度依賴性，不能檢測與波束方向垂直的血流成分。因此，雖然多普勒血流成像技術(shù)可能對血流信號敏感，但其時間和空間分辨力很有限[5]。

灰階血流成像技術(shù)（B-flow）是GE、Trahey等在1987年提出的一種新的非多普勒的血流成像方法[6]。在傳統(tǒng)的B超圖像中，血流的回聲強(qiáng)度比血管壁和周圍組織的回聲強(qiáng)度弱得多，一般呈弱回聲或無回聲狀態(tài)。B-flow最初是用編碼激勵來增強(qiáng)血細(xì)胞的微弱的回聲信號。對發(fā)射的短脈沖編碼使其變成含有多個脈沖的脈沖序列，以增加發(fā)射能量而不損失軸向分辨力。通過脈沖壓縮增強(qiáng)血流信號的信噪比[7]。將脈沖的回聲信號進(jìn)行相減，來提取變化的血流信號。使用組織均衡技術(shù)，以降低血管壁和周圍組織的回聲強(qiáng)度，并保留血流信號和具有適當(dāng)強(qiáng)度的組織信號，從而將組織和血流在圖像上同時顯示[8]。這些信號在本質(zhì)上仍是超聲回聲信號，而非多普勒頻移信號或其他信號，血液中血細(xì)胞散射回聲信號的強(qiáng)度可直接通過圖像的亮度來反映。在超聲掃查時，可清晰直觀地看到血管內(nèi)血液的流動狀況。B-flow具有較高的分辨力，無角度依賴，是醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)的革新[9]。

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)超聲檢測設(shè)備中換能器中心頻率為7～14 MHz，主要用于腹部、心臟等較深部位器官的診斷。近來，在眼部、皮膚等淺表器官的診斷中，20～100 MHz的高頻超聲應(yīng)用越來越廣泛[10-11]。在淺表器官的診斷中，血流的檢測是其重要的依據(jù)。但是對高頻超聲編碼困難，不易通過編碼激勵來增強(qiáng)血流信號，故需探索新的血流檢測途徑。本研究的目的是利用血液中血細(xì)胞對高頻超聲的散射特點(diǎn)，以研究其在高頻超聲條件下的血流成像途徑。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 紅細(xì)胞對高頻超聲的散射特點(diǎn)

超聲血流檢測時，回聲主要來自于血細(xì)胞中紅細(xì)胞的散射。由于紅細(xì)胞的移動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速在人體組織中傳播的速度，因此，假定紅細(xì)胞與超聲波束相對靜止，且不因超聲波的作用產(chǎn)生形變，又因紅細(xì)胞的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，則符合瑞利散射公式?？赏茖?dǎo)出單個紅細(xì)胞的散射系數(shù)如下

式中：Is為散射聲強(qiáng)，Ii為入射聲強(qiáng)，a為散射體的半徑，θ為散射方向與入射方向的夾角，f為超聲頻率，c為聲速。

在實(shí)際應(yīng)用中背向散射角度θ=π，因紅細(xì)胞半徑a一定，所以紅細(xì)胞散射系數(shù)與f4成正比。

因高頻超聲在傳播過程中衰減較大，那么綜合考慮平面聲束衰減規(guī)律可得出，當(dāng)聲源聲強(qiáng)為Ii時，在聲源處獲得的深度為L處的散射體的散射回聲聲強(qiáng)I為

式中：I和Ii分別為經(jīng)傳播衰減后和衰減前的聲強(qiáng)，B為頻率為1 MHz時的衰減系數(shù)，n的冪次分布在0.6～1.4之間。超聲波在傳播過程中，衰減隨頻率的升高而增大。

當(dāng)然，獲取血流信息需遵循瑞利散射的前提條件ka≤0.5，可推算出適合高頻超聲血流成像的超聲頻率范圍為f≤34 MHz；且隨著掃查深度的增加，血流回聲信息會大幅減弱，因此該方法適用于淺表區(qū)域的血流成像。在高頻條件下，皮膚淺表紅細(xì)胞的背向散射明顯強(qiáng)于其對于較低頻超聲的背向散射，此結(jié)果為后續(xù)研究提供了理論前提[12]。

1.2 血流提取方法

筆者設(shè)計(jì)了一種脈沖回波相減法，在不用編碼的情況下，實(shí)現(xiàn)高頻超聲的血流成像。高頻超聲主要應(yīng)用于淺表成像，其回聲時間短，因此可在每條采樣線上進(jìn)行處理，以檢出血流信息，并采用多次采樣相減的方法，以增強(qiáng)與速度的相關(guān)性，如式（6）～（9）所示

結(jié)合式（3），得

式中：Pline為該條掃描線的超聲脈沖回波信息，Pt、Pb分別為組織回波信息和血流回波信息，ΔPline為兩次回波信號的差值，N為脈沖重復(fù)次數(shù)，Pti、Pbi分別為發(fā)射的第i次的血管周圍組織和血流的回波信息，ΔPt、ΔPb分別為該條掃描線上相鄰兩次回波相減后組織回波的差值和血流回波的差值。在短時間內(nèi)，快速掃描時，認(rèn)為血管周圍固定組織相對靜止，幾次得到的回波信號基本相同，即ΔPt≈0。但是，由于血流的移動，使得血流回波信號之差不為0。因此，式（7）可簡化為

可見一條掃描線上兩次回波差值信號ΔPline僅與血流回波有關(guān)。另外，因血流信息較弱，為增強(qiáng)血流信息，提高血流檢測的敏感性，故將其乘以系數(shù)K，如式（11）所示

但是，在實(shí)際掃描過程中，血管壁和血管周圍組織不可能完全靜止，加上探頭抖動和系統(tǒng)噪聲，在脈沖相減提取血流的過程中會產(chǎn)生噪聲，甚至是大片的噪聲區(qū)域。因此式（11）表示為

式中：A為噪聲信號。

在這些噪聲中，由于周圍固定組織的回聲比較強(qiáng)，因而引入的噪聲也較大。故對Pline血流信息增加了權(quán)重，以此來抑制血管周圍固定組織所產(chǎn)生的噪聲。因此式（12）表示為

式中：w為權(quán)重系數(shù)，當(dāng)Pline的值不同，則w不同。

組織噪聲減弱后，血流信號較組織信號平均灰度大，使用閾值T進(jìn)行灰度分割，以提取血流信號，如下式所示

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的高頻超聲血流成像系統(tǒng)（試驗(yàn)裝置）主要由自制的超聲掃描探頭、下位機(jī)超聲模塊和計(jì)算機(jī)上位機(jī)的圖像重建及處理軟件組成。超聲探頭是中心頻率為20 MHz的機(jī)械線性掃描探頭。下位機(jī)模塊由放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、CycloneII EP2C8Q208C8現(xiàn)場可編程門陣列（fieldprogrammable gate array,FPGA）主控芯片（美國Altera公司）、探頭驅(qū)動電路和存儲、通訊模塊組成，回聲信號經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換，由FPGA中提取血流信息后存儲，并通過USB接口上傳至計(jì)算機(jī)。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)下達(dá)指令以控制下位機(jī)，同時接收下位機(jī)上傳的圖像數(shù)據(jù)，重建二維圖像，并進(jìn)行圖像的處理、顯示和存儲、打印。（圖1）

2.2 現(xiàn)場可編程門陣列中血流提取

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，血流信號的提取是關(guān)鍵，該部分主要在FPGA主控板中完成。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，兼顧探頭工藝、硬件實(shí)現(xiàn)和圖像幀頻的情況下，在每條掃描線上發(fā)射EP1、EP2、EP3及EP4共4條發(fā)射脈沖，時間間隔T=50 μs，將得到的4個脈沖回波信號，存于先進(jìn)先出（first in first out， FIFO）緩存器中，通過式（9）得到血流信號，之后通過通訊模塊經(jīng)USB接口上傳到計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊；同時，F(xiàn)IFO中的脈沖回波信號經(jīng)線平均降噪法后存入SRAM[13]，然后通過USB接口上傳到計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊，以用于組織結(jié)構(gòu)成像。（圖2）

圖1 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 FPGA中血流提取過程

在回波相減提取血流信息時，為增強(qiáng)血流，并抑制血管周圍組織的偽像，式（13）中，取K=2，且當(dāng)Pline＞128時，w=8；當(dāng)64＜Pline＜128時，w=4；當(dāng)32＜Pline＜64時，w=2；當(dāng)Pline＜32時，w=1。

2.3 血流圖像處理算法

計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊在接收到下位機(jī)模塊經(jīng)USB接口上傳的血流信息數(shù)據(jù)和原結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)后分別緩存，當(dāng)完成整幅圖像的掃描和上傳后，在上位機(jī)重建以形成血流圖和結(jié)構(gòu)圖。

為了得到魯棒性的去除組織偽像的方法，對血流圖像進(jìn)行分析。由于在血流圖像中血流的平均灰度高于周圍組織產(chǎn)生偽像的平均灰度，因此，在式（14）中，尋找合適的閾值，以進(jìn)行灰度分割。將小于閾值的灰度置0。

在經(jīng)灰度分割后，血管壁和周圍組織產(chǎn)生的噪聲中會形成一些孤立的噪聲點(diǎn)或斑塊，故使用中值濾波以濾除孤立噪聲點(diǎn)。為改善圖像效果，可通過均值濾波來平滑血流。

為提高血流的可視化，并增強(qiáng)對圖像中細(xì)微變化的分辨力，可使用灰度分層法對得到的血流圖像進(jìn)行偽彩編碼?；译A圖像是對反射回波的直接顯示，根據(jù)灰階血流的成像原理，血流的亮度與血流速度有一定的關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)血流速度越快，則圖像的亮度就增高。因此，為了區(qū)分血流圖像的亮度差別，當(dāng)血流亮度達(dá)到一定范圍之后，在紅色的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)黃色。將灰度圖像對應(yīng)到紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個通道上，灰度值與3個通道的映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 灰度與彩色通道的映射關(guān)系

在皮膚淺表超聲掃查時，血管的形態(tài)和位置是重要的診斷依據(jù)。將經(jīng)過圖像處理后的血流圖像與原始的結(jié)構(gòu)圖像疊加，可更好地觀察血流狀態(tài)。

整個上位機(jī)圖像處理的算法流程如圖4所示。

2.4 模擬實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)平臺包含：由可控流速的蠕動泵、醫(yī)用硅膠管、玉米淀粉懸液構(gòu)成的模擬血液循環(huán)系統(tǒng)，中心頻率為20 MHz的線性掃描探頭，由下位機(jī)采集電路和計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊構(gòu)成的血流成像系統(tǒng)（圖5）。使用蠕動泵控制模擬血液流速，用探頭對模擬血管成像。

圖4 上位機(jī)血流圖像處理算法流程

3 結(jié) 果

使用本研究設(shè)計(jì)的高頻超聲血流成像系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，管內(nèi)徑為0.9 mm的模擬血管，在特定的血液流速和20 MHz的超聲頻率下，由下位機(jī)獲取組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和血流數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)。直接重建得到的原始結(jié)構(gòu)圖和原始血流圖如圖6所示。從圖6A中可看出，模擬血管有管內(nèi)壁和管外壁，均是高回聲區(qū)域，而血流是低回聲區(qū)域；從圖6B中可看到清楚的血流，血管壁邊緣清晰，圖中血流圖像的平均灰度高于血管壁和周圍組織產(chǎn)生的偽像噪聲的平均灰度。

為了濾除血管壁和周圍組織產(chǎn)生的偽像，提取血流數(shù)據(jù)，對血流圖像進(jìn)行灰度分析。圖像處理中間過程的圖像如圖7所示。使用閾值50進(jìn)行灰度分割，去除了大部分血管周圍的組織偽像，如圖7A所示，在血流周圍留下了一些大于閾值的亮點(diǎn)。

圖5 高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

為了提取更加清晰的血管，對圖7A中的圖像進(jìn)行最佳閾值為5×5的中值濾波，以濾除血流周圍的噪聲，得到圖7B；然后為了得到相對均勻的血流圖像，進(jìn)行均值濾波以對圖像進(jìn)行平滑，得到圖7C，此時，血管周圍偽像基本完全濾除；為了便于觀察，對血流進(jìn)行偽彩增強(qiáng)，如圖7D所示，得到了清晰的偽彩血流圖。圖像顏色越趨于黃色，表明血流圖像中圖像的亮度越亮。

為了更好地觀察血流的狀態(tài)，將偽彩增強(qiáng)后的血流與原結(jié)構(gòu)圖疊加，將血管和血管壁及血管周圍組織同時顯示。如圖8所示，血流邊緣清晰，直觀，便于觀察。

4 結(jié)論

高頻超聲灰階血流成像技術(shù)克服了傳統(tǒng)的二維超聲不能顯示血管中血流狀態(tài)的不足，可直接觀察組織血流分布。將會對眼部、皮膚等淺表器官的臨床診斷產(chǎn)生重要影響。

高頻超聲灰階血流成像技術(shù)克服了多普勒方法的角度依賴、分辨力低及幀頻低等缺點(diǎn)，它是對血液中紅細(xì)胞的散射回聲的直接反映，與血流和超聲波束的角度無關(guān)。在高頻條件下，不需發(fā)射長的脈沖串，發(fā)射單脈沖就可提取豐富的血流信息，并確保圖像的高幀頻?；译A血流成像的分辨力與結(jié)構(gòu)成像的分辨力相同，能直觀顯示血流、血管壁及周圍組織，保留了高頻條件下原始圖像的細(xì)節(jié)。

在高頻條件下，對發(fā)射信號不進(jìn)行編碼，發(fā)射單脈沖就可提取豐富的血流信息。與編碼激勵的灰階血流成像相比，不需編碼和解碼步驟，使實(shí)現(xiàn)過程更加簡單。

通過對血流進(jìn)行偽彩編碼，能進(jìn)一步區(qū)分血流與固定組織，使血流更加清楚，直觀性更好。由于受高頻超聲灰階血流成像的原理限制，對諸如血流速度和方向等特征參數(shù)的精確表達(dá)等問題，尚待進(jìn)一步研究。

利益沖突 無

（圖6～8見插頁2-2）

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Research and implementation of gray-scale blood flow imaging system of high frequency ultrasound

Hu Shaojuan,Pang Chao,Gao Xuan,Zhou Jialu,Song Xuedong,Ji Jianjun,Yang Jun
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China(Hu SJ,Pang C,Zhou JL,Song XD,Ji JJ,Yang J);MEDA Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China(Gao X) Corresponding author:Yang Jun,Email:yangj3210@hotmail.com

Objective To study the method of gray-scale blood flow imaging and image processing in condition of high frequency ultrasound,and the implementation of the system.Methods On the base of research of scattered signals of red blood cells in high frequency ultrasound,20 MHz ultrasound mechanical and linear scanning probe was used to transmit a number of pulses on a scan line.Pulse-echo subtraction method was used to obtain the blood flow information.At the end,simulated blood vascular was used to conduct flow imaging,and the obtained images were analyzed.Results Experiment results showed that clear blood flow images were obtained using this system.The noise from perivascular tissue could be filtered and the signals from blood flow could be enhanced after image processing.Conclusions In the detection of superficial blood vessel,blood flow signals can be obtained even using single pulse emitting via high frequency ultrasound.The blood flow imaging system can be implemented after image processing.

High frequency ultrasound;Gray scale;Blood flow imaging;Image processing

TianjinApplicationFoundationandAdvancedTechnologyResearchProgram(12JCZDJC22500)

楊軍，Email:yangj3210@hotmail.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．02．006

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃（12JCZDJC22500）

2016-01-30）