基于全聚焦成像算法的骨折超聲檢測

張 璠, 宋小軍, 曾俊冬, 黃 瓊

(1.上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090; 2.上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院, 上海 200444)

人體長骨長期反復(fù)受力或者外力過大超過自身承受能力都可能發(fā)生骨折。傳統(tǒng)骨折診斷方式有磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和電子計算機斷層掃描(Computed Tomography,CT)等[1-5]。MRI有空間分辨率低、價格昂貴、掃描時間長、假影假象等缺點;CT有檢查費用高、適用人群有限等缺點。骨折多為突發(fā)狀況或暫時呈現(xiàn)隱性,無法快速診斷。骨折短期內(nèi)會引起相關(guān)部位腫痛、行動受限,影響日常生活,重則可能會留下永久性創(chuàng)傷。

因此,尋找一種廉價、快速的骨折診斷方法對骨折的及時診斷、了解骨折程度和分析治療進(jìn)度具有重要意義。

近年來,超聲檢測因其實時、價廉等優(yōu)勢技術(shù)在無損檢測方面的應(yīng)用成為了熱點問題。文獻(xiàn)[6]對不同溫度熱處理的鋼板樣本進(jìn)行了非線性超聲檢測試驗,通過對非線性系數(shù)的測量,可以對材料早期的高溫?fù)p傷進(jìn)行無損評價。文獻(xiàn)[7]用X射線和超聲掃查兔下頜骨,用斯皮爾曼等級相關(guān)分析(Spearman’s correlation coefficient for ranked data)對比了兩種方法的成像結(jié)果,得出超聲檢查可以代替X射線檢查的結(jié)論,為超聲診斷與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)檢查之間的對比、評價分析提供了新方法。文獻(xiàn)[8]使用10～12 MHz的線性超聲探頭掃查了200多位X線檢查無異常的患者的足踝部,發(fā)現(xiàn)了隱匿性骨折現(xiàn)象,體現(xiàn)了超聲檢測檢出率的優(yōu)越性。

文獻(xiàn)[9]使用超聲波檢測離體牛股骨,驗證了超聲波評價骨愈合的可行性。文獻(xiàn)[10-11]使用二維時域有限差分研究了A0和S0導(dǎo)波在不同寬度和角度的骨折裂縫中振幅變化規(guī)律,對橫斷骨折和斜斷長骨進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明,隨著斷縫的擴大,超聲導(dǎo)波A0和S0的振幅均減小,為定量評價骨折狀況提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[12]使用二進(jìn)制編碼和偏移二進(jìn)制編碼激勵提高了超聲回波信號的幅值,改善了成像信噪比,結(jié)果表明,被優(yōu)化的超聲有評價長骨骨折深度的潛力。文獻(xiàn)[13]采用混合邊界元方法對超聲導(dǎo)波在骨裂長骨中的傳播情況以及各導(dǎo)波模式的反射系數(shù)和透射系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析,為選擇最優(yōu)入射導(dǎo)波模式和頻率、更好地定量評價骨質(zhì)以及骨裂狀況提供了依據(jù)。

本文首先采用Field Ⅱ?qū)腆w材料裂紋進(jìn)行建模仿真,得到了裂紋全聚焦成像結(jié)果,以驗證全聚焦成像算法的可行性;然后分別對鋼板缺孔和骨板裂紋進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)捕捉和全聚焦成像,結(jié)果表明,基于全聚焦成像算法的骨折超聲檢測方法能有效地檢出骨折裂紋。

1 全矩陣數(shù)據(jù)及全聚焦成像算法

1.1 合成孔徑成像技術(shù)

合成孔徑成像技術(shù)[14-17]具有提高超聲檢測分辨率的優(yōu)點,但是傳統(tǒng)合成孔徑技術(shù)使用單探頭機械移動完成掃查;而超聲相控陣只需要通過編程控制聲束合成即可實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和聚焦。

合成孔徑成像技術(shù)是一種將各個探頭接收到的超聲回波信號合成為孔徑成像的方法[18-19]。它依次激勵單個探頭發(fā)射超聲波,所有探頭接收回波信號,獲得所有檢測數(shù)據(jù)陣列后再逐點成像。使用合成孔徑成像技術(shù),超聲換能器可以在小孔徑、低工作頻率的條件下實現(xiàn)大的檢測范圍。因此,采用該技術(shù)可以有效降低設(shè)備支出。

1.2 全矩陣數(shù)據(jù)采集

全矩陣數(shù)據(jù)是指將超聲相控陣換能器內(nèi)所有陣元依次作為發(fā)射-接收陣元組合,所采集到的超聲回波時域信號,是發(fā)射陣元序列、接收陣元序列和時間采樣點數(shù)的三維數(shù)據(jù)[20]。

16個陣元組成的超聲相控陣的全矩陣數(shù)據(jù)采集方法如圖1所示。

圖1 16陣元相控陣全矩陣數(shù)據(jù)采集示意

首先激發(fā)第一個陣元,所有陣元同時接收回波,回波數(shù)據(jù)記為S1j,其中j=1,2,3,…,16,共16組數(shù)據(jù);然后依次激發(fā)所有陣元,重復(fù)上述接收過程。將發(fā)射陣元i和接收陣元j的回波數(shù)據(jù)記作Sij,也即全矩陣數(shù)據(jù)的第i行第j列的數(shù)據(jù),包含每個時間采樣點接收到的回波信號的幅值,采集到的全矩陣數(shù)據(jù)共16×16組。

全聚焦成像是一種合成孔徑成像技術(shù),利用全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行時域后處理,故全矩陣數(shù)據(jù)是全聚焦成像的基礎(chǔ),其采集過程就是為了囊括被檢物內(nèi)部的所有信息,其中也包含缺陷信號。因此,全矩陣數(shù)據(jù)采集是全聚焦成像的先行步驟。

1.3 全聚焦成像算法

對于被劃分為若干像素點的成像區(qū)域,全聚焦成像算法原理如圖2所示。

圖2 全聚焦成像算法示意

超聲相控陣在全矩陣采集工作方式下獲得全矩陣數(shù)據(jù)Sij(i=1,2,3,…,N;j=1,2,3,…,N),對像素點(x,z)利用一定的延時法則將全矩陣數(shù)據(jù)集中所有發(fā)射-接收陣元組合的回波信息在該點疊加,即可獲得代表該點信息的幅值。

建立直角坐標(biāo)系,以超聲相控陣中心O為原點,以陣元排列方向為X軸,以垂直陣元排列方向為Z軸,再對被檢測區(qū)域進(jìn)行像素點劃分,某個像素點的坐標(biāo)為(x0,z0)。計算得到各個陣元到每個像素點的距離為

(1)

(2)

式中:di——第i陣元到像素點(x0,z0)的距離;

(xi,zi)——相控陣第i陣元坐標(biāo);

xi——i陣元中心的橫坐標(biāo);

zi——i陣元中心的縱坐標(biāo);

dj——第j陣元到像素點(x0,z0)的距離;

(xj,zj)——相控陣第j陣元坐標(biāo);

xj——j陣元中心的橫坐標(biāo);

zj——j陣元中心的縱坐標(biāo)。

第i陣元激勵超聲信號,第j陣元接收信號,可知超聲信號以速度v從陣元i激勵傳播到聚焦點(x0,z0),再被陣元j接收的總時間為

(3)

根據(jù)式(3)可以找到全矩陣數(shù)據(jù)中對應(yīng)時間位置處的回波幅值,將該像素點處每一個陣元發(fā)射與接收的信號對應(yīng)的幅值進(jìn)行疊加,即可得到相控陣在對應(yīng)聚焦點(x0,z0)處的幅值為

(4)

式中:Sij(tij(x0,z0))——陣元i激勵、陣元j接收的超聲回波信號表征目標(biāo)像素點(x0,z0)幅值。

對被檢區(qū)域中所有像素點處的幅值I(x0,z0)進(jìn)行成像顯示,就可以得到全聚焦成像。

2 仿真及離體實驗

2.1 Field Ⅱ仿真實驗

使用 Field II建立仿真模型。固體材料模型如圖3所示。其中,陣列排列方向為X軸,垂直陣列方向為Z軸,固體材料中有一橫向裂紋,深度4 mm、長20 mm,位于X軸(-10,0)至(10,0)之間。

圖3 固體材料模型

仿真中,相控陣共32個探頭,位于底部位置(-12,12)之間,陣元間距為0.3 mm,換能器中心頻率為6.25 MHz,采樣頻率為25 MHz。

2.2 鋼板缺孔實驗

以鋼板為檢測對象,鋼板長為160 mm、寬為50 mm、厚度為15 mm。在鋼板試塊上打直徑為3 mm的圓柱形缺孔,缺孔位于長度80 mm、厚度7.5 mm處。超聲波在試塊中的聲速為1 540 m/s。

實驗裝置如圖4所示。采用Verasonics系統(tǒng)(Vantage 128 or 256,Verasonics Inc,WA,USA)進(jìn)行測量,探頭型號為L11-4v,128通道,陣元間距為0.3 mm,中心頻率為6.25 MHz,采樣頻率為25 MHz。

發(fā)射脈沖為正弦波,Verasonics系統(tǒng)控制陣元依次發(fā)射脈沖,每次發(fā)射時所有128陣元進(jìn)行接收,數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳輸?shù)接嬎銠C。

2.3 離體骨板裂紋實驗

采用7 mm厚牛骨板作為實驗材料。實驗裝置如圖5所示。采用與鋼板缺孔實驗同一套檢測設(shè)備。骨板長90 mm、寬30 mm、厚15 mm。在骨板表面制作長3 mm、高2 mm的裂紋模擬骨折狀況。為了更好地模擬在體實驗,用厚2 mm的動物表皮通過耦合劑貼合在骨板上面。超聲在骨板和表皮的聲速分別為3 000 m/s和1 540 m/s。

Verasonics超聲相控陣系統(tǒng)探頭緊貼軟組織表面,探頭型號為L11-4v,128通道,采樣頻率為25 MHz,采集全矩陣數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 Filed II仿真結(jié)果與分析

使用全聚焦成像算法處理Filed II仿真實驗數(shù)據(jù),成像結(jié)果如圖6所示,裂紋以圓圈圈出。固體材料仿真模型中的裂紋位于4 mm處,成像結(jié)果中裂紋位于4 mm處,誤差為零;固體材料仿真模型中的裂紋長度為20 mm,成像結(jié)果裂紋長度為19.12 mm,檢測誤差為4.40%。

圖6 Field Ⅱ仿真全聚焦成像結(jié)果

仿真實驗結(jié)果表明,全聚焦成像算法對介質(zhì)均勻的固體材料中的裂紋有很好的成像效果。

3.2 鋼板缺孔實驗結(jié)果

使用全聚焦成像算法處理鋼板全矩陣數(shù)據(jù),成像結(jié)果如圖7所示,缺孔成像以圓圈圈出。

圖7 鋼板缺孔模型檢測成像結(jié)果

3.3 離體骨板裂紋實驗結(jié)果與分析

采用全聚焦成像算法處理離體骨板裂紋全矩陣數(shù)據(jù)。為了提高裂紋區(qū)域顯示效果,將成像結(jié)果以灰度圖呈現(xiàn),如圖8所示,裂紋以圓圈圈出。

圖8 離體骨板裂紋的全聚焦成像

由成像結(jié)果可知,表皮與骨板分界面在2 mm處,骨板模型中分界面在2 mm處,檢測誤差為零;骨板模型裂紋寬度為3 mm,成像結(jié)果裂紋平均寬度為2.84 mm,檢測誤差為5.33%;骨板模型裂紋深度為1.5 mm,成像結(jié)果裂紋厚度為1.6 mm,檢測誤差為6.67%;骨板模型裂紋位置為3.5 mm,成像結(jié)果裂紋位置為3.6 mm,檢測誤差為2.86%。

通過骨板裂紋模型參數(shù)與成像結(jié)果參數(shù)誤差對比可知,基于全聚焦成像算法的骨折檢測可以實現(xiàn)對裂紋的精準(zhǔn)定位和成像。

從鋼板和骨板成像結(jié)果可以看到,探頭正下方0～2 mm存在噪聲區(qū)域,且噪聲區(qū)域聲場能量較大,影響了近距離的成像效果。造成這種現(xiàn)象的原因主要來自換能器初始激勵的殘余、非線性電子恢復(fù)過程以及相鄰陣元的直達(dá)波等干擾,還有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 語

本文提出了基于全聚焦成像算法的骨折超聲檢測方法。對固體材料裂紋模型進(jìn)行了Field II仿真實驗,得到仿真模型全聚焦成像算法處理的完整裂紋圖像;使用128通道的Verasonics系統(tǒng)分別對鋼板缺孔模型和離體骨板裂紋模型采集全矩陣數(shù)據(jù),使用全聚焦成像算法對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到清晰的缺孔位置,誤差為2.67%;測得了骨板裂紋深度、寬度和位置,誤差分別為6.67%,5.33%,2.86%,實現(xiàn)了對骨板骨折模型的有效檢測。實驗結(jié)果表明,基于全聚焦成像算法的超聲骨折檢測方法在骨折的臨床檢測中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>