適用于臨床實時出圖的準靜態(tài)彈性成像系統(tǒng)設(shè)計

和曉念，凌 鋒，羅 華，邱四海

(1.深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518073;2.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東 深圳 518122)

0 引言

臨床實踐發(fā)現(xiàn)，生物組織的硬度或者彈性的變化往往與組織的病變程度密切相關(guān)，如常見的乳腺癌﹑前列腺癌等惡性疾病，其組織的硬化程度明顯大于病變前的正常組織[1-2]。準靜態(tài)彈性成像是Ophir[3]等于1991 年首先提出的，是最早提出也是研究得最多的超聲彈性成像技術(shù)。該方法具有無損，操作簡單等優(yōu)點。其使用方法如圖1所示。手持超聲換能器直接對病變組織施加壓力，在壓力的作用下組織會發(fā)生形變，不同硬度的組織在相同的施加壓力作用下會產(chǎn)生不同的形變，而這種形變信息可以通過按壓前和按壓后兩幀數(shù)據(jù)中提取出來，最終通過不同的顏色來表征不同的硬度信息，為臨床醫(yī)生提供輔助診斷。在乳腺病變的檢查中，靜態(tài)彈性成像對該病變的診斷和分類起了重要作用[1, 4-5]。當病變組織不是太深的時候，準靜態(tài)成像方法可以作為一種有效的工具用來引導(dǎo)輔助高強度聚焦超聲(HIFU,high-intensity focused ultrasound)治療[6-7]。準靜態(tài)彈性成像對于甲狀腺結(jié)節(jié)惡性腫瘤的判定也有很好的應(yīng)用[8]。準靜態(tài)彈性成像方法還被應(yīng)用于骨骼肌[9]、腎臟[10]、前列腺[11]等靜態(tài)器官，在臨床乳腺癌的早期診斷中已獲得了FDA 的認證許可。

圖1 準靜態(tài)彈性成像操作示意圖

該方法非常依賴于操作手法，按壓力度和按壓頻率都會對按壓前數(shù)據(jù)和按壓后數(shù)據(jù)的選擇造成影響。按壓前數(shù)據(jù)和按壓后數(shù)據(jù)要能夠反映出組織在按壓作用下產(chǎn)生的形變信息，該按壓力度既不能過大，也不能過小。按壓力度過大會導(dǎo)致兩幀數(shù)據(jù)失去相關(guān)性，無法計算出正確的應(yīng)變信息。按壓力度過小，導(dǎo)致應(yīng)變信息數(shù)據(jù)信噪比過低，同樣會造成彈性計算失敗。按壓前數(shù)據(jù)的選取以及其和按壓后數(shù)據(jù)之間的間隔幀數(shù)的設(shè)定應(yīng)該是一個隨操作手法動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整的過程。在準靜態(tài)彈性成像的臨床應(yīng)用中，醫(yī)生期望能夠容易獲得實時，準確且穩(wěn)定的彈性圖像輸出。

本文介紹了一種能夠適用于臨床實時出圖的準靜態(tài)彈性成像系統(tǒng)設(shè)計方案。該設(shè)計方案一方面可以降低操作手法的要求，另一方面能夠以較少的計算量實現(xiàn)臨床要求的具有實時、高分辨率的彈性輸出需求。

1 準靜態(tài)彈性成像應(yīng)變計算原理

在準靜態(tài)彈性成像中，通過對組織施加壓力可以使組織發(fā)生形變，形變量的大小是按壓前和按壓后位移的相對改變量，需要通過按壓前后兩幀信號進行提取。本研究系統(tǒng)中實現(xiàn)彈性成像應(yīng)變計算的過程概述如下：

當對組織施加壓力的時，被檢測目標中的散射點距離超聲換能器表面的相對位移會發(fā)生改變，距離探頭表面越近(淺層位置)，位移的改變量越小，距離探頭表面的距離越遠(深度位置)，位移的改變量越大。該位移的改變量是一個從小到大(從淺層到深層)逐漸連續(xù)遞增的過程。位移的相對改變體現(xiàn)在回波信號中就是RF回波信號的時移，如式(1)和(2)所示:

i1(t,x)=A(t,x)e-j(ω0t-θ)

(1)

i2(t,x)=A(t-τ,x-ux)e-j[ω0(t-τ)-θ]

(2)

其中，信號i1(t,x)和i2(t,x)是按壓前后兩幀的時域RF回波信號表達式,A(t,x)是其包絡(luò)信號。ω0是超聲換能器發(fā)射超聲的中心頻率,τ是組織相對位移改變引起的回波信號時延, 另外，ux是橫向方向的偏移位移。

求解位移改變量的過程實際就是求解最佳匹配位置的過程。在實際臨床應(yīng)用中，對組織施加壓力不僅會引起組織沿深度方向的位移改變，也會引起組織橫向位移改變，尋求最佳匹配位置需要同時考慮縱向和橫向位移的影響，因此通常需要采用二維自相關(guān)算法實現(xiàn)對最佳匹配位置的搜索。用信號s1(t,x)和s2(t,x)分別表示對信號i1(t,x)和i2(t,x)進行正交解調(diào)所得的復(fù)數(shù)信號。對該復(fù)數(shù)信號進行二維自相關(guān)運算，如式(3)所示:

R12(t,x;n,m)=?Ds1(t+v,x,w)×

s2(t+nT/2+v,x+mL+w)*dvd

(3)

其中：時間參數(shù)T是一個超聲波周期；參數(shù)L是橫向間隔線數(shù)；參數(shù)D表示尋找最佳匹配位置的區(qū)域窗的大??；參數(shù)n和m是計算自相關(guān)位置。該表達式可以實現(xiàn)在二維區(qū)域D中尋找最佳匹配位置。將式(1)和(2)帶入式(3)計算轉(zhuǎn)換可得：

(4)

其中:RA為回波信號包絡(luò)的自相關(guān)結(jié)果，其最大值時，表示兩處位置為最佳匹配。設(shè)最佳匹配時，參數(shù)((n,m) = (k,l)),此時對應(yīng)的自相關(guān)相位可表達為:

φ(t,x;k,l)=ω0(τ-kT/2)

(5)

進一步得出偏移時間:

(6)

由相位信息即可進一步就算出縱向方向的位移:

(7)

在準靜態(tài)彈性成像中，施加的應(yīng)力方向主要是縱向方向，因此，應(yīng)變的計算也主要考慮在縱向方向產(chǎn)生的位移量uy(橫向方向的位移ux不考慮)。得到縱向的位移信息之后，通過對其進行差分計算即可得到能夠反應(yīng)組織軟硬信息的應(yīng)變值，最終實現(xiàn)彈性成像。

2 適用于臨床應(yīng)用的彈性成像系統(tǒng)設(shè)計

圖2為適用于臨床的準靜態(tài)彈性成像系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由超聲換能器、信號采集單元、信號預(yù)處理單元、B圖信號處理單元、彈性處理單元、融合單元以及顯示單元組成。超聲換能器是醫(yī)用超聲系統(tǒng)中很重要的核心部件，它把系統(tǒng)的電信號轉(zhuǎn)換成超聲波，從人體內(nèi)部反射后再轉(zhuǎn)換回電信號。對回波信號進行數(shù)據(jù)采集和保存然后送入信號預(yù)處理單。預(yù)處理單元主要涉及對超聲信號的初級濾波、波束合成和正交解調(diào)。將解調(diào)之后的IQ數(shù)據(jù)一路送給B圖像處理單元，一路送給彈性處理單元。B圖像處理單元是基于IQ數(shù)據(jù)進行包絡(luò)提取和對數(shù)壓縮。融合單元主要是將處理之后的B圖像與處理之后的彈性圖像進行疊加處理，實現(xiàn)在同一個成像區(qū)域既可以看到彈性圖又可以看到B圖，通過調(diào)整B圖和彈性圖的權(quán)重比例系數(shù)，可以得到具有不同透明度的融合圖像效果，最后再將融合圖像送往顯示單元進行顯示。

圖2 適用于臨床的準靜態(tài)彈性成像系統(tǒng)框圖

彈性處理單元如圖3所示，主要包括：幀對構(gòu)造模塊、幀對篩選模塊、彈性計算模塊以及彈性幀相關(guān)處理模塊。幀對構(gòu)造和篩選模塊實現(xiàn)以較少的計算量剔除掉不合適的數(shù)據(jù)，從而降低對操作手法的依賴。彈性計算模塊確保了彈性圖像質(zhì)量。彈性幀相關(guān)處理模塊進一步保證了彈性圖像的穩(wěn)定輸出。對彈性處理單元各個模塊具體介紹如下。

圖3 本系統(tǒng)彈性處理單元框圖

2.1 數(shù)據(jù)幀對構(gòu)造

幀對構(gòu)造模塊主要是從連續(xù)采集的多幀數(shù)據(jù)中，構(gòu)造出多組按壓前數(shù)據(jù)和按壓后數(shù)據(jù)的組對。為下一步幀對的篩選做好準備工作。本系統(tǒng)中幀對構(gòu)造方案如圖4所示，假設(shè)多幀數(shù)據(jù)為M幀，F(xiàn)(i)為第i幀數(shù)據(jù)，k為按壓前數(shù)據(jù)與按壓后數(shù)據(jù)的最大間隔，將F(i)設(shè)定為按壓前的數(shù)據(jù)，隨后的連續(xù)k幀設(shè)定為按壓后的數(shù)據(jù)，即構(gòu)造了k組幀對。依次類推，每更新一幀圖像數(shù)據(jù)時，則將下一幀設(shè)定為按壓前的數(shù)據(jù)，隨后的k幀數(shù)據(jù)設(shè)為按壓后的數(shù)據(jù)，同樣可以構(gòu)造k組幀對。k的大小與用戶按壓的頻率以及系統(tǒng)的幀率相關(guān)。當數(shù)據(jù)存儲空間的數(shù)據(jù)量達到M幀時，則一共可以構(gòu)造出(M-k)*k組幀對。

圖4 幀對構(gòu)造模塊示意圖

本系統(tǒng)設(shè)計中，在有限的數(shù)據(jù)存儲空間(M幀)內(nèi)，設(shè)定多幀數(shù)據(jù)作為按壓前數(shù)據(jù)，降低了首幀數(shù)據(jù)錯誤的風(fēng)險，另外每次只需要計算k組數(shù)據(jù)的評判指標，卻可以提供(M-k)*k組幀對用于篩選，不僅擴大了幀對的篩選范圍，而且減少了計算數(shù)據(jù)量，從而保證了算法的實時性。

2.2 數(shù)據(jù)幀對篩選

幀對篩選模塊主要是通過較少的計算量實現(xiàn)從多組幀對中選出最佳的按壓前數(shù)據(jù)和按壓后數(shù)據(jù)的幀對，剔除掉不好的數(shù)據(jù)從而降低對操作手法的依賴。首先，對將幀對數(shù)據(jù)矩陣進行快速粗略的位移估計，可以對應(yīng)得到1個M行N列的位移數(shù)據(jù)矩陣，用DispMxN表示。假設(shè)按壓前數(shù)據(jù)用Z2=(I2iQ2)表示，按壓后數(shù)據(jù)用Z1=(I1iQ1)表示。首先對兩幀數(shù)據(jù)進行共軛相乘的操作：

ZMxN=Z1*conj(Z2)

(8)

其中:conj為取共軛操作，ZMxN為M行N列的復(fù)數(shù)矩陣，包含與位移信息相關(guān)的相位信息。通過提取相位信息即可快速計算出位移信息，該過程可以表達為：

(9)

其中:Phase(ZMxN)是對復(fù)數(shù)矩陣ZMxN提取相位信息操作，c為聲速1 540 m/s;f0為發(fā)射超聲波中心頻率。經(jīng)過位移計算模塊即可得到位移數(shù)據(jù)矩陣DispMxN。

為了實現(xiàn)有效的幀對篩選，給出了相應(yīng)的篩選準則和方法?；诖致杂嬎闼玫奈灰菩畔ⅲO(shè)定并獲取按壓力度以及位移質(zhì)量兩項評判指標，通過該指標實現(xiàn)對針對的篩選。按壓力度指標是通過對位移曲線沿深度方向進行線性擬合，提取擬合斜率kaxial和擬合度Raxial兩個參數(shù)，如圖5(a)所示；位移質(zhì)量指標是通過對水平不同位置位移的斜率進行二次擬合或多次擬合，提取擬合度參數(shù)Rlateral，如圖5(b)所示。

圖5 幀對篩選2個評判指標提取示意

通過對指標參數(shù)擬合斜率kaxial、擬合度Raxial及Rlateral設(shè)定閾值來實現(xiàn)針對的篩選。合適的閾值可以降低對操作手法的依賴。理想情況下，對組織施加按壓力，會引起組織發(fā)生形變，即會產(chǎn)生一個相對位移變化量，該位移信息沿深度方向應(yīng)該是單調(diào)，遞增的曲線，對該曲線進行線性擬合，擬合所得的斜率一定程度上反映了對組織施加壓力的大小程度，壓力越大，位移變化越大，所得斜率也相對變大，反之亦然。擬合度大小在一定程度上反映了所提取的振動位移信號沿深度方向的質(zhì)量，擬合度越高，說明所提取的位移信號越好，反之亦然；另外該位移信息沿水平方向應(yīng)該是緩慢變化的曲線，對該曲線進行二次曲線擬合，對應(yīng)的擬合度在一定程度上反映了所提取的振動位移信號沿水平方向的質(zhì)量，擬合度越高，說明數(shù)據(jù)的連續(xù)性越好，同時大概率表明位移信息計算結(jié)果越準確。

2.3 彈性幀相關(guān)處理

在篩選模塊，通過篩選準則，篩選出了最佳幀對，然后將最佳幀對數(shù)據(jù)送入高精度的彈性計算模塊，高精度計算采用二維自相關(guān)算法(本文第2節(jié))進行實現(xiàn)。該算法雖然計算量偏大，但是計算精度高，彈性效果好。

為了進一步提高彈性圖像出圖效果，獲得更加穩(wěn)定的彈性圖像的輸出，對彈性計算模塊輸出后的彈性數(shù)據(jù)做幀相關(guān)處理。彈性幀相關(guān)處理模塊主要是將多幀彈性結(jié)果進行復(fù)合處理，將復(fù)合之后的結(jié)果作為彈性圖的輸出。假設(shè)選取的k幀彈性結(jié)果記為Ei-k+1、Ei-k+2、…Ei，對應(yīng)的系數(shù)為a1，a2…ak，那么第i幀復(fù)合的結(jié)果out(i)為：

out(i)=a1*Ei-k+1+a2*Ei-k+2+...+ak*Ei

(10)

其中i表示當前幀的編號，out為彈性幀相關(guān)處理后的結(jié)果，k可由系統(tǒng)調(diào)節(jié)指定，用來確定復(fù)合的范圍，加權(quán)系數(shù)的分配可以是平均加權(quán)、以距離為變量的函數(shù)或者是以評判得分為依據(jù)的函數(shù)等。

3 臨床檢測結(jié)果與分析

基于深圳市理邦精密儀器股份有限公司(Edan Instruments, Inc.)的便攜式全數(shù)字彩超診斷系統(tǒng)AX8平臺，完成本彈性成像系統(tǒng)代碼的集成與實現(xiàn)。采用集成后的AX8機器，在深圳市人民醫(yī)院超聲科由?？漆t(yī)師進行操作完成臨床驗證。按壓式彈性成像中，通常采用紅色表征硬度大的組織，采用藍色表征軟組織。

圖6中是對一位女性乳腺癌的檢測效果(中間區(qū)域為癌變組織)。該彈性圖色彩層次分明，病變區(qū)域劃分明顯。乳腺淺層的脂肪層以藍色顯示(如圖6成像深度范圍0.2 cm～1 cm所示)；病灶對應(yīng)的彈性圖相應(yīng)位置以明顯的紅色顯示(如圖6中箭頭所指示區(qū)域)。病變區(qū)域與正常區(qū)域的應(yīng)變比為10.47，彈性圖的面積大于B圖中的病灶區(qū)域面積，可優(yōu)先考慮為乳腺癌。

圖6 一位女性乳腺癌的臨床檢測效果

圖7是對一位男性甲狀腺瘤的檢測效果。彈性圖能夠準確的勾勒病變甲狀腺的區(qū)域，并正確的將偏硬的區(qū)域以紅色顯示出來。 該彈性圖也能夠區(qū)分出甲狀腺組織中 的不同硬度組織區(qū)域，如圖7右側(cè)成像區(qū)域箭頭所示，彈性成像分辨率可以達到1.5mm，實現(xiàn)了高分辨率彈性成像。彈性圖像幀率(Frame Rate，F(xiàn)R)可達到18幀每秒,如圖6、7右邊參數(shù)FR設(shè)置所示。

圖7 一位男性甲狀腺瘤臨床檢測效果

臨床試驗結(jié)果表明，該彈性成像系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定的彈性圖輸出。在彈性圖像幀率18幀每秒的基礎(chǔ)上，一方面可以實時實現(xiàn)對錯誤數(shù)據(jù)的剔除處理，進而降低對操作手法的依賴；另一方面又可以獲得高分辨率的高質(zhì)量彈性成像，且能夠為甲狀腺和乳腺病變的檢測提供有價值的參考信息。

4 結(jié)束語

本文對準靜態(tài)彈性成像系統(tǒng)中的主要相關(guān)模塊：幀對構(gòu)造模塊、幀對篩選模塊、彈性計算模塊以及彈性幀相關(guān)處理模塊分別進行了詳細介紹。實現(xiàn)以較少的計算量就能獲得實時且分辨率高的高質(zhì)量彈性成像。臨床實驗結(jié)果表明，該彈性成像系統(tǒng)設(shè)計能夠為甲狀腺和乳腺病變的檢測提供有價值的參考信息。

本系統(tǒng)實現(xiàn)的準靜態(tài)彈性成像在對較深位置病變及極低回聲病變組織檢測時，彈性檢測效果欠佳，這是超聲回波信號信噪比過低導(dǎo)致的現(xiàn)象，下一步將會著重提高用于彈性計算的超聲回波信噪比，進一步改善彈性成像質(zhì)量。