基于微型陣列換能器的復(fù)合多角度平面波超快速超聲成像

唐雨嘉 ，崔崤峣，李章劍，楊晨，蔡黎明，呂加兵，焦陽(yáng)1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥市，3006 中國(guó)科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州市，15163

0 引言

超聲內(nèi)窺鏡成像采用安裝在介入導(dǎo)管前端的微型超聲換能器，結(jié)合光學(xué)內(nèi)窺鏡技術(shù)，利用超聲波掃描獲得人體內(nèi)部臟器等組織的結(jié)構(gòu)圖像，用于幫助發(fā)現(xiàn)人體深部組織的病變或腫瘤浸潤(rùn)程度[1-3]。在超聲成像領(lǐng)域，近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)——超聲平面波超快速成像技術(shù)在彈性成像[4]、血流速度[5]等功能成像領(lǐng)域中運(yùn)用廣泛。與傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)相比，平面波超快速成像技術(shù)采用換能器全陣元同發(fā)同收的序列方式，通過(guò)波束合成算法避免多次物理聚焦，從而提高成像速度，其幀頻可達(dá)1 000～2 000幀/s[6]，可在有限的時(shí)間內(nèi)獲得更多幀圖像，獲取更多的信息，適于檢測(cè)存在時(shí)間較短的信號(hào)。

而現(xiàn)有的超聲內(nèi)窺鏡的成像方式基本采用傳統(tǒng)B超成像的多次物理聚焦方式，客觀上限制了相關(guān)方法的成像幀頻，因此在超聲內(nèi)鏡應(yīng)用中無(wú)法采用基于剪切波傳播過(guò)程快速追蹤的輻射力成像等前沿方法。

為進(jìn)一步探索適用于超聲內(nèi)窺鏡成像的剪切波彈性成像的方法，本文通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真平面波激勵(lì)下的聲場(chǎng)分析與優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種可用于復(fù)合多角度平面波成像技術(shù)的微型內(nèi)窺陣列超聲換能器，并通過(guò)仿體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的成像效果。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：適用于內(nèi)窺式平面波超快速成像的換能器設(shè)計(jì)要充分考慮換能器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的配合，才能同時(shí)滿足尺寸與成像需求。該技術(shù)是基于微型超聲陣列探頭的內(nèi)窺剪切波彈性成像、內(nèi)窺多普勒快速血流顯像等技術(shù)方法得以運(yùn)用于臨床實(shí)際的技術(shù)基礎(chǔ)和前提條件。

1 平面波微型陣列換能器仿真與設(shè)計(jì)

1.1 平面波并發(fā)聲場(chǎng)的有限元仿真

為獲得微型陣列換能器激發(fā)平面波的聲場(chǎng)結(jié)果，本文利用有限元方法對(duì)超聲換能器成像系統(tǒng)進(jìn)行理論上的數(shù)值分析與近似。有限元方法將待求聲場(chǎng)的區(qū)域看作由許多互連子域所組成，對(duì)每一個(gè)互連子域假定合適的近似解，然后推導(dǎo)求解總聲場(chǎng)的滿足條件，得到待求區(qū)域聲場(chǎng)的分布[7]。

考慮到內(nèi)窺鏡體內(nèi)成像需求，超聲探頭的尺寸有嚴(yán)格的限制，需要對(duì)換能器陣元數(shù)、每個(gè)陣元參數(shù)等進(jìn)行詳細(xì)的仿真設(shè)計(jì)?；诔晸Q能器制作的現(xiàn)有工藝方法，選擇壓電陶瓷材料，初步設(shè)計(jì)一個(gè)16陣元的線陣換能器，中心頻率為12 MHz，換能器陣元寬度和間隙分別設(shè)置為0.3 mm和0.025 mm。

首先，我們對(duì)設(shè)計(jì)的換能器進(jìn)行聲場(chǎng)仿真。聲場(chǎng)的分布實(shí)際上是聲壓在介質(zhì)內(nèi)的分布，滿足以下的推導(dǎo)式（1），其中ρ為聲場(chǎng)介質(zhì)的密度，qd為偶極域源（Dipole Domain Source），Qm為單極域源：

待求聲場(chǎng)的邊界是不傳聲的材質(zhì)，邊界各點(diǎn)聲壓滿足式（2），邊界聲阻抗Zi滿足式（3）：

在盡量接近實(shí)際制作工藝、合理設(shè)置邊界條件的情況下，有限元方法可以獲得與實(shí)際聲場(chǎng)誤差較小的仿真結(jié)果。聲場(chǎng)仿真結(jié)果如圖1所示。從時(shí)域內(nèi)可以觀察到，在較短的時(shí)間內(nèi)，距離換能器聲束發(fā)射表面5 mm處即可形成較穩(wěn)定的平面波波形，快速、高質(zhì)量的平面波的形成有助于在成像時(shí)形成高質(zhì)量的回波數(shù)據(jù)。同時(shí)，其波束能量基本均勻分布在換能器的視場(chǎng)中央，比較全面地覆蓋了微型換能器的理論成像視場(chǎng)。

1.2 平面波微型陣列換能器設(shè)計(jì)

基于聲場(chǎng)仿真的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)室制作完成了微型超聲換能器，經(jīng)聲場(chǎng)回波測(cè)試可以測(cè)得該微型線陣換能器單個(gè)陣元的幅值信息。部分陣元的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖1 微型換能器聲場(chǎng)仿真結(jié)果圖Fig.1 Sound field simulation results

圖2 換能器單個(gè)陣元測(cè)量結(jié)果圖Fig.2 Results of a transducer element

對(duì)所有陣元幅值及頻率信息進(jìn)行匯總后，可以得到圖3的性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中電壓幅值在900～1 100 mV，中心頻率在13～ 13.6 MHz范圍內(nèi)，整體看來(lái)波動(dòng)范圍較小，線陣陣元的一致性較好，符合線陣換能器的設(shè)計(jì)要求。

圖3 換能器性能統(tǒng)計(jì)Fig.3 Transducer performance statistics

換能器的仿真參數(shù)與統(tǒng)計(jì)后得到的實(shí)際參數(shù)對(duì)比如表1所示。數(shù)值的誤差在允許的范圍之內(nèi)，可以達(dá)到驗(yàn)證目標(biāo)參數(shù)的平面波成像效果的目的。

表1 換能器參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of transducer parameters

在光學(xué)顯微鏡下，微型換能器的放大圖如圖4所示，總尺寸約為5 mm×4 mm，能夠較好地滿足內(nèi)窺鏡體內(nèi)成像環(huán)境的要求。

圖4 微型換能器放大圖Fig.4 Micro transducer enlargement

2 超快速超聲內(nèi)窺成像方法

2.1 復(fù)合多角度平面波波束合成算法

超聲平面波成像技術(shù)是超聲領(lǐng)域中的一項(xiàng)新興成像技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的聚焦超聲成像，首先需要控制所有陣元同時(shí)發(fā)射，利用其主瓣形成的平面波波陣面來(lái)掃描感興趣區(qū)域。波陣面沿發(fā)射方向傳播，介質(zhì)內(nèi)帶有散射系數(shù)的散射子造成波束的反射，這時(shí)需要控制換能器的所有陣元同時(shí)開啟通道，以接收、存儲(chǔ)含有散射子位置信息的回波數(shù)據(jù)[8-9]。

由于缺乏物理聚焦過(guò)程，平面波的成像需要通過(guò)延時(shí)疊加算法[10]來(lái)計(jì)算出散射子在成像區(qū)域內(nèi)的位置。平面波延時(shí)疊加如圖5所示。

圖5 平面波延時(shí)疊加Fig.5 Time delays for planewave

平面波傳播到參考點(diǎn)（x，z）后反射，可被x方向上的所有換能器陣元接收到，這里以陣元x1為例計(jì)算超聲平面波的傳播時(shí)間，并假設(shè)聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)的速度c是一恒定常數(shù)：

通過(guò)傳播時(shí)間，可以篩選出x1陣元接收到的關(guān)于參考點(diǎn)（x，z）的數(shù)據(jù)，（x，z）的像素值則是由全部陣元接收到的數(shù)據(jù)篩選后相加得到。零角度平面波合成大幅提高了成像速度，接下來(lái)引入多角度平面波復(fù)合方法針對(duì)圖像質(zhì)量做出改進(jìn)。

發(fā)射帶有α角度的平面波，需根據(jù)不同換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、聲音在介質(zhì)中的傳播速度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)每個(gè)陣元施加適當(dāng)?shù)臅r(shí)延。其中陣元上的時(shí)延滿足以下關(guān)系：

帶有發(fā)射角度的平面波在成像過(guò)程中滿足圖5（b）的幾何關(guān)系，聲束的傳播時(shí)間是到達(dá)參考點(diǎn)和被x1陣元接收的兩個(gè)時(shí)間之和：

通過(guò)不同角度平面波得到的數(shù)據(jù)疊加，圖像全局的像素值差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于零角度平面波成像。因此，多角度平面波疊加后提高了最終圖像的對(duì)比度，幫助抵抗成像區(qū)域各散射子之間的回波干擾，提高了圖像的質(zhì)量[11]。

2.2 復(fù)合多角度超快速成像仿真

為了驗(yàn)證、評(píng)估微型線陣換能器用于平面波成像的性能，本文利用Field II軟件進(jìn)行了多個(gè)角度平面波復(fù)合成像仿真實(shí)驗(yàn)。模擬仿體的設(shè)置如圖6所示。仿體內(nèi)散射子分成三列，在陣元中心線及對(duì)稱的兩側(cè)沿不同深度分布，其中每個(gè)相鄰的散射子間距2 mm，仿體深度達(dá)20 mm。

圖6 模擬仿體空間分布圖Fig.6 The spatial distribution of phantom

Field II軟件平臺(tái)能夠基于線性系統(tǒng)理論，通過(guò)內(nèi)置函數(shù)模擬各種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的超聲換能器在不同工作方式下的波束發(fā)射和回波的情況[12]。在設(shè)置好的仿體環(huán)境中，通過(guò)Field II自帶的函數(shù)令超聲換能器所有陣元同發(fā)同收，模擬超聲換能器發(fā)射、接收不同角度平面波的過(guò)程，并在多角度復(fù)合平面波成像算法的基礎(chǔ)上完成仿真成像。為選擇適于微型線陣的合成角度數(shù)目，平面波角度的設(shè)置以2o為間隔遞增，并選擇了多個(gè)角度數(shù)目的平面波進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

本研究主要考慮超聲內(nèi)窺鏡體內(nèi)成像應(yīng)用，關(guān)注的成像深度距離超聲換能器表面3 mm～13 mm。圖7是探頭在不同傾斜角度組合的平面波成像結(jié)果。從結(jié)果對(duì)比中可以看出，單角度平面波成像近場(chǎng)（3 mm～10 mm）扇形偽影明顯，很難將散射子從背景中區(qū)分開來(lái)。由于微型線陣換能器的成像視野較小，且遠(yuǎn)場(chǎng)散射子在橫向上分辨率較低，散射子的偽影幾乎占據(jù)了所有的視場(chǎng)寬度。隨著合成角度數(shù)目的增加，波束合成的計(jì)算量增大，近場(chǎng)散射子周圍的偽影逐漸減少，遠(yuǎn)場(chǎng)的散射點(diǎn)逐漸清晰，可以很好地區(qū)分處于同一行位置的散射點(diǎn)。當(dāng)復(fù)合角度數(shù)目大于9時(shí)，圖像兩側(cè)散射點(diǎn)的偽影已經(jīng)基本消除，目標(biāo)點(diǎn)清晰，同時(shí)不同角度數(shù)目的圖像質(zhì)量基本持平，不再隨著數(shù)目的增加而改善。綜合成像質(zhì)量以及計(jì)算量的考慮，11角度是較合適的角度數(shù)目。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 復(fù)合多角度平面波超快速成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)仿真模擬計(jì)算，用于超聲內(nèi)窺鏡平面波成像的微型超聲換能器設(shè)計(jì)，已經(jīng)有了初步的結(jié)果。下面將通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室自行研制的16陣元微型線陣換能器的實(shí)際成像效果進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，線陣換能器中心頻率為12 MHz，陣元寬度和間隙為0.3 mm和0.025 mm。

本文采用Verasonics-Vantage 64 LE HF超聲成像設(shè)備儀器，完成微型超聲換能器的數(shù)據(jù)采集及成像結(jié)果顯示。作為科學(xué)研究?jī)?nèi)主流的硬件成像系統(tǒng)，Verasonics-Vantage 64 LE HF提供了多參數(shù)可調(diào)的開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，保證超聲成像系統(tǒng)的任何參數(shù)及方法都可以被自定義。

微型換能器被固定在距離、三維角度可以精確調(diào)整的夾具上，避免手持換能器造成抖動(dòng)，以便在成像時(shí)獲得最清晰的成像結(jié)果。實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)水中緊繃的細(xì)魚線仿體成像，測(cè)試換能器對(duì)微小目標(biāo)點(diǎn)的分辨率。全部的成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后如圖8所示。

3.2 成像結(jié)果與討論

考慮到硬件系統(tǒng)，進(jìn)行成像測(cè)試時(shí)選擇NS200BW模式，采樣頻率是換能器中心頻率的四倍，滿足奈奎斯特定律，同時(shí)控制換能器的發(fā)射模式處于多角度的平面波發(fā)射模式，角度區(qū)間設(shè)置為[-10o，10o]，共11個(gè)角度的平面波。

圖7 單角度及多角度平面波成像結(jié)果Fig.7 Single-angle & multi-angle plane wave imaging results

圖8 成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Imaging experimental platform

對(duì)接收到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度平面波波束合成算法處理，可以得到如圖9所示的成像結(jié)果。圖9(a)、9(b)的目標(biāo)點(diǎn)分別位于距換能器表面約3 mm和7 mm的深度位置，處于成像近場(chǎng)，目標(biāo)點(diǎn)清晰，下方有輕微偽影。圖9(c)為遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)的成像結(jié)果，目標(biāo)點(diǎn)位于15 mm左右的深度，清晰度有所下降。這是由于在實(shí)際的成像環(huán)境中，換能器發(fā)射聲束在仿體內(nèi)存在較大的衰減，能量隨深度的加深而降低，回波質(zhì)量也有所降低。但遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)的位置明亮，可與偽影明顯區(qū)分。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)果Fig.9 Experimental platform results

取不同深度的目標(biāo)點(diǎn)所在行所有數(shù)據(jù)，計(jì)算歸一化幅度，即三幅圖像的橫向分辨率，如圖10所示。以目標(biāo)點(diǎn)的分辨率為參照，其余背景與目標(biāo)點(diǎn)分辨率之差基本達(dá)到30 dB以上，偽影分辨率大致在-20 dB之下，可以輕易與背景區(qū)分開來(lái)。成像結(jié)果表明，在保證遠(yuǎn)場(chǎng)成像質(zhì)量基礎(chǔ)上，平面波超快速成像技術(shù)還可在近場(chǎng)達(dá)到較好的成像效果，對(duì)于內(nèi)窺環(huán)境來(lái)說(shuō)，可以觀察到更多近場(chǎng)的組織圖像，因而此參數(shù)的平面波微型陣列換能器的可靠性得到了驗(yàn)證。

圖10 橫向分辨率Fig.10 Lateral resolution

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)超聲內(nèi)窺鏡體內(nèi)成像應(yīng)用，設(shè)計(jì)并研制了一款可以適用于超聲內(nèi)窺鏡平面波成像的16陣元微型線陣換能器，并對(duì)其平面波成像效果進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和仿體實(shí)驗(yàn)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的微型線陣換能器可以很好地為平面波超快速成像所用，本研究為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超聲內(nèi)窺環(huán)境下的輻射力彈性成像、高速血流多普勒成像等技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，已有的成像結(jié)果是基于基礎(chǔ)的多角度平面波成像算法，沒有考慮復(fù)雜的實(shí)際成像環(huán)境，未對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波等處理，成像質(zhì)量仍然有待提升。因而下一步的研究方向是通過(guò)改進(jìn)波束合成方法，提高平面波超快速成像技術(shù)在微型線陣換能器上的成像質(zhì)量。