hifu治疗系统中b超图像的雾状伪像分析(1)

HIFUHIFU 治疗系统中治疗系统中 B B 超图像的雾状伪像分超图像的雾状伪像分 析析(1)(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 HIFU 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，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 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 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，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