1、HIFU 治疗系统中 B 超图像的雾状伪像分析(1)作者：宋志勇文玉梅徐颖李平【关键词】HIFU 治疗系统；,B 超图像；,雾状伪像,摘要：分析了高能聚焦超声（HIFU）治疗系统中 B 超图像特有的雾状伪像的物理成因，建立了雾状伪像的数学模型，据此分析了雾状伪像的主要运动特征，实现了对雾状伪像的自动定位。对大量临床图像的实验表明，分析结果与临床图像中的雾状伪像性质吻合，验证了雾状伪像成因分析与数学模型的正确性。关键词：HIFU 治疗系统；B 超图像；雾状伪像高能聚焦超声（HIFU）技术因其无创性，倍受医学界关注1 。随着超声影像学的发展，B 超成像因其实时、可靠、方便等特点，已经成为了 HIF
2、U 治疗系统中的监控和实时疗效评价的主要方法2 。但是，B 超图像中的伪像，特别是大范围存在于 HIFU 治疗系统特定应用环境下 B 超图像中云雾状分布的雾状伪像，掩盖了真实组织成像，影响了HIFU 治疗系统在临床中的应用，因此研究雾状伪像的成因，并提出有效的消除方案，是 HIFU 技术应用需要解决的问题。由于雾状伪像的形成与 HIFU 治疗系统组合探头的特殊结构和特定的使用环境有关，而现有的文献仅分析了存在于通用 B 超中的各种伪像（如回响伪像、彗尾伪像、振铃伪像，声影等）形成的物理机制及其临床表现8，1012 ，而没有涉及雾状伪像。本研究通过分析雾状伪像的物理成因，建立了雾状伪像的数学模型
3、，并以此分析雾状伪像的主要运动特征，实现了对雾状伪像的自动定位。对雾状伪像的物理成因及其主要运动特征的研究，为正确辨识 B 超图像和进一步提出有效的雾状伪像消除方案提供了理论依据。1 雾状伪像的成因分析通用 B 超诊断仪是单一探头结构，在使用中，B 超探头紧贴人体体表，所以通用 B 超诊断仪的 B 超图像中不存在雾状伪像，雾状伪像仅存在于 HIFU 治疗系统的 B 超图像中，它的形成与 HIFU 治疗系统组合探头的特殊结构和其特定的使用环境有关。11 组合探头的结构与使用环境使用高强度聚焦超声进行治疗，要求尽量减小对正常组织的伤害。所以在实施治疗前，要确定病灶的位置和形态；在治疗中，能实时观测
4、治疗的效果，调整治疗剂量和适时中断治疗。为了实现上述功能，HIFU 治疗系统采用了组合探头结构，见图 1。与B 超诊断仪仅有 B 超成像探头不同，组合探头由发生治疗超声波的治疗探头和 B 超显像探头组成3 ，其中治疗探头由声透镜和压电片组成，B 超探头被固定安装在治疗探头的轴心线上，保证治疗探头的焦域落在 B 超探头的扫描平面内。图 1 组合探头结构示意图 略由于组合探头尺寸较大，为了减小超声波在从外界进入人体组织过程中的反射，所以在 HIFU 治疗系统中，整个组合探头浸泡在作为耦合剂的真空脱气水中3 。当实施治疗时，患者平躺或俯卧于组合探头上方的平床上，皮肤通过平床上的大孔与耦合剂耦合，首先
5、通过 B 超显像探头成像，观察病患部位的准确位置和具体形态，通过计算机控制的三维步进电机控制整个组合探头运动，准确定位治疗探头的焦域于病患部位，实施治疗。所以与 B 超诊断仪中 B 超探头紧贴人体体表成像不同，组合探头中的 B 超探头成像时，距离人体体表较远。综上所述，HIFU 治疗系统的组合探头在结构和使用环境上与 B 超诊断仪的单一 B 超探头不同，这也是雾状伪像仅存在于 HIFU 治疗系统的 B 超图像中的主要原因。12 雾状伪像的成因分析 B 超显像探头一般采用超声反射回波法成像4 。超声反射回波法就是利用了人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检查反射回波，对组织进行定位，并检测组
6、织的特性。由于超声波在人体组织内传播的复杂性，所以雾状伪像的形成非常复杂，受到很多因素的影响。但由于体表是外界媒质与体内组织的分界面，超声波在体表反射最强，所以在体表产生的漫反射（图 2）是雾状伪像产生的主要来源。尽管采用耦合剂减小了外界媒质与体内组织声阻抗的差别，但是入射超声的一部分能量仍会在体表以漫反射回波的形式反射回来。同时，治疗探头位于超声显像探头的下侧，所以漫反射回波会在光滑的治疗探头表面3产生完全的镜面反射。为了更好的说明，观察某一扫描线上超声的漫反射现象，如见图3。AB 为入射超声波，入射超声在体表 B 的点产生漫反射，BC 为其中一个方向的漫反射回波，漫反射回波在治疗探头表面的
7、 C 点发生完全的镜面反射，CD 为镜面反射回波，镜面反射回波会在体表的 D 点发生二次漫反射，沿 DA 方向的二次漫反射回波被探头接收到。与 B 点处的沿 BA 方向的一次漫反射回波相比，二次漫反射回波在时间上有一个延迟。所以所有超声扫描线上的二次，甚至更高次的漫反射回波形成了 B 超图像中的雾状伪像。图 2图 3 略超声波在介质表面的反射特性与光相似4 ，可以采用简化的 PHONG 漫反射模型表示漫反射超声回波能量 Ir 与入射超声能量 Ii 的关系6，7：Ir=IiSpSp=CpcosWcosn 其中 Cp 为物体在 p 点的反射系数，i 为入射角，W 是镜面反射超声与入射超声的比例系数
8、，它是入射角的函数，s 为漫反射方向与镜面反射方向的夹角，n 则与体表的反射性质有关。声波从耦合剂到体表的反射系数约为3 ，随着漫反射次数的增加，回波能量大大减弱，所以在雾状伪像的数学模型中可以忽略二次以上的回波产生的雾状伪像信号。2 雾状伪像的数学模型及运动特征分析为了进一步研究雾状伪像的特征，根据对雾状伪像的成因分析，建立雾状伪像的数学模型。为了简化模型，假设 B 超显像探头为点源，超声波沿直线传播。根据超声成像的基本原理，超声激励脉冲信号 通过在时间上的延迟和幅度上的衰减产生了组织信号与伪像信号5 ，所以任意超声扫描线上体表的二次漫反射伪像信号 a 可以表示为：a=ni=1TSp0Sp1其中的 Sp0 是指由简化的 PHONG 漫反射模型式确定的体表p0 点处的漫反射系数，它是入射角 0 和第 i 个漫反射方向与镜面反射方向夹角 i 的函数，Sp1 是在体表 p1 处的二次漫反射系数，T 是为了补偿超声传播过程中的衰减的TGC 时间增益参数，因为随着组织深度的增加，超声信号的衰减增大，所以 T 是雾状伪像信号相对于发射脉冲信号的延时 ti 的增函数4 。（作者：3COME 未知本文来源于爬虫自动抓取，如有侵犯权益请联系 service立即删除）
