探头性能下降对图像质量的影响和超声诊断仪对临床影响的评估方法

探头性能下降对超声诊断仪图像质量和临床影响的评估方法探头性能下降对超声诊断仪图像质量和临床影响的评估方法 摘要 摘要 在临床超声检查中 探头的 健康 对于整个临床质量和研究的效果是十分关键的 探头是由一系列性能相同的具有超声声学特性的阵元组成 现代的超声探头通常包括 128 288 或更多的阵元 我们知道随着时间的推移探头将会受到磨损 其中个别阵元可能 损坏了或者其灵敏度下降 性能下降或失效的阵元将影响探头的正常工作 在临床结果上 产生负面的影响 同时影响超声的研究 为了研究阵元退化对临床结果的影响 我们使用 有一定数量阵元工作不正常的探头与性能完好的探头进行对比 评估探头性能下降的影响 当探头中有阵元损坏后 我们使用如下方法检查其损坏对探头的影响 探头发送的超声波束 探头的各种声学参数 仿真组织体膜图像 血流体膜测试 频谱和彩色血流 Doppler 最重要的谐波成像 结果显示在 128 阵元的探头中哪怕只有 2 个无效连续阵元损坏或性能下降 都会导致 超声波束在人体中的传输明显不同 4 个或更多的阵元失效或者性能下降 在超声波束上 能产生显著的负片效果 结果导致图像的分辨率下降 探测深度减小 对于 Doppler 和 B 图 像 在较深处图像变得模糊 图像的噪声增加 峰值速度错误和频谱 Doppler 显示的方向 含糊不清 由于失效阵元可能使设备显示的 MI 和 TI 指示错误 因而导致安全问题 我们 还将说明仿真组织体膜评估阵元性能时可能是错误的 结论是 所有阵元完好是获取高质 量图像和有效地研究超声的关键 阵元性能的下降可能导致误诊 在超声诊断设备中 探头总体性能的良好是图像质量和检查效果的最根本因素 但是 在超声成像链中探头却是最容易损坏的部件 因为即使探头勉强能够产生一定级别的 B mode 图像 频谱 Doppler 或彩色血流图像 但是就算对于最有经验的用户 有时获取的信 息是迷糊的 这些信息还不足以作适当的研究或诊断 例如病人太胖 或体格粗大时 通 常 就会做一些不必要的或昂贵的服务 让病人使用其他设备辅助检查 增加检查时间 最坏情况可能对病人产生误诊 根据我们对探头测试和维修经验 数据显示大约 25 的探 头由于性能制约或结构问题 在临床使用时没有进行诊断 当前在美国估计有超过 110 000 台超声诊断设备 而每台超声诊断仪平均约 3 6 个探头 即是说有近 99 000 个 探头 略去后述文字 因为其主要描述探头可能带来的问题 探头技术背景探头技术背景 一个性能完好的探头主要由下面的材料组成 背板材料 压电超声陶瓷阵元 匹配层 和声透镜 如图 1 背板材料减少阵元的 ring down 时间 是确保获取轴向分别率和低噪声 的关键因素 匹配层主要是使阵元的声阻抗和人体组织的声阻抗匹配 适当的匹配可以减 小探头表面和人体组织的阻抗不同 提高超声发射和接收的效率 声透镜主要作用是提供 超声聚焦所需的结构特点 同时对病人进行电隔离 匹配材料 声透镜和背板材料可以和 阵元分离 但同时也导致图像上回波的衰减 压电阵列是使用一块陶瓷材料进行分割为一系列单元 如 64 128 288 等 而得 每 一个阵元都有独立的激励 产生超声脉冲并传播进入人体 同时接收从人体返回的超声回 波信号 并将他们转化为电信号 以便超声系统进行处理 结果使用 B mode 成像 Doppler 信号或彩色血流在系统中显示出来 以便观察 每个阵元使用 38 45 号线径的同 轴线和系统连接 并且所有的连接同轴电缆使用屏蔽探头电缆包在一起 图 1 超声探头结构 超声系统使用约 60 120V 的短持续时间的电脉冲激励压电超声阵元 产生一个声束 通常同时发射的孔径为 32 64 阵元 线阵或凸阵探头处理方式是顺序重复所有探头阵元直 到所有超声扫描线全部产生组成一幅图像 线密度的测量 通常凸阵使用 线数 角度表示 扇形图像线密度 线阵探头使用线数 毫米表示矩阵图像的线密度 相控阵探头所有的阵元 用于产生每一根超声扫描线 通过使用电子延迟线 控制波束方向和聚焦位置 从而产生 扇形图像 虽然不同的厂商使用不同的顺序和脉冲技术产生频谱 Doppler 或彩色血流图象 但是他们所有的操作都具有相同的物理 机械和电子约束条件 最后 临床用户只要明白 探头工作的基本原理 以及它是超声系统成像或 Doppler 的关键部件就可以了 为了使超声成像显示的数据正确和完整 参与超声扫描线的所有阵元最大效率地工作 是很重要的 多数 OEM 用户手册都引用了各种探头性能指标 用户希望系统能够正常地 工作 例如 1 最小穿透深度 用 cm 表示 2 轴向分辨率 在某个深度时用 mm 表示 如 4cm 深度时 1 0mm 3 横向分辨率 在某个深度时用 mm 表示 如 4cm 深度时 3 2mm 这 些值可以使用含有各种目标靶的仿真组织体膜 如图四 来验证 在 OEM 探头的操作手册中 至少会有这样的描述 探头的选择是图像质量的关键因素 下面说明怎样选择探头 应该使用基本的程序进行测试 另外很难直接定义性能参数与图像假象 artifacts 相关 图像假象 artifacts 可以看作是 图像上的 斑点 或 白噪声 反射 或由于分辨率不良或探测深度不够所产生的错误数 据 不正确的目标位置 由于旁瓣增加或多路径反射 不正确的目标大小或目标形状 增 益 局部空间分辨率不够 OEM 探头操作手册关于图像假象 artifacts 给临床用户提供的信 息可能是 超声波束几何形状和波束强度的变化等 对于有些情况能够给出明显的理 由就是探头阵元损坏 使用水听器和水槽组成的系统可以测量超声阵元的声强几何形状 通常一般的超声波 束强度几何形状如图 2 中上面的图所示 如果探头有两个阵元失效 则波束强度几何形状 会有明显的变化 图 2 中下面的图形就是一个例子 声波束几何形状显示旁瓣增加了 这 将降低信噪比 我们已经知道对于有缺陷的探头能使图像性能激烈恶化 而在临床的地方 探头有可能损坏 例如跌落或碰击硬物等 都可能使探头阵元间距减小或某些阵元的超声 灵敏度消失 使得探头性能下降 图 2 2 个阵元失效后波束强度几何形状的变化 方法 方法 为了在临床设置的时候能够模拟典型的探头故障模式 测试几个匹配的探头 见表 1 所示 其中一个探头作为参考 另一个用于模拟损坏特定阵元的探头 为了研究 将要模 拟的阵元在物理上和探头断开 造成 无效阵元 以便有效的仿真 无效阵元 的影响 FirstCall 2000tm系统是一个商业有效的 高速 便携的探头测试设备 Sonora Medical System Longmont Colorado 它可以检测和查找探头的故障模式 参考图 3 用于测量 探头的基本超声性能参数和无效阵元 在测试条件下 类似于超声系统 探头阵元由发射 脉冲进行激励 探头置于水槽中 测试目标是放在水中的平面或曲面目标 返回的回波使 用 FFT 算法进行处理 并显示下面的几种参数 1 阵元的相对灵敏度 2 电容 3 20dB 脉冲宽度 4 中心频率 5 带宽 图 3 声输出功率测量声输出功率测量 探头连接到超声诊断系统 使用配置 PVDF 水听器 Somora Medical Systems model 804 的 API Acoustic Power and Intensity 水槽 测量由探头产生的声功率和声强 结果被采集整 理 然后采用符合 FDA 510 k 的格式输出报告 探头使用体膜测试探头使用体膜测试 使用内嵌目标靶的仿真组织体膜测量探头的分辨率和探测深度 如图 4 比较好探头 和有 无效阵元 探头的图像 图 7 是放大了的好探头与缺陷探头 6 个无效阵元 的体膜图 像对比 探头的 Doppler 灵敏度使用图 5 所示的校准血流体膜测试 好探头和缺陷探头 6 个无 效阵元 的对比测试结果如图 8 所示 图 4 图 5 临床测试临床测试 最后 研究大量的病人 将功能完好的探头和存在无效阵元 即开路 的探头进行对比 测试 测试在自愿者身上采集实际的临床 B 图像和 Doppler 进行对比 对于 B Mode 成像 和 Doppler 信号 优化每一种可能设置 获取最佳质量 同时保持声窗和观察解剖区域不 变 结果结果 声参数测量声参数测量 如图 6 所示 功能完好的探头 L5 和存在失效阵元 2 个 死 阵元 的探头其旁瓣电平增 加明显不同 就象上面讨论的那样 旁瓣的增加将导致图像噪声的增加 横向分辨率下降 对于 Doppler 模式 则可能导致血流方向混淆 旁瓣的增加还会导致超声动态范围有不良 影响 动态范围定义为主瓣信号强度和旁瓣信号强度平均值的比值 所以旁瓣可以给超声 图像贡献噪声 此外测量表明 在同一深度下 存在无效阵元的探头声功率相应减小 功能完好的探 头测量的 SPTA 空间峰值时间平均 值为 88mW cm2 而有缺陷的探头测量的 SPTA 为 73mW cm2 这就抑制了超声波信号的穿透深度 使得回波信号的电平下降 特别是 Doppler 模式 功率的下降也将间接影响探头规定的最佳区域深度 区域深度 Depth of field 是深度 的函数 它是对最佳成像特性范围的度量标准 它可以用深度范围表示 其值为波束的横 向宽度不超过焦点位置波束宽度的两倍的深度范围 旁瓣电平的增加导致声功率下降 以 致影响探测深度和图像的灰阶强度 横向分辨率下降 图 6 B 模式分辨率模式分辨率 使用仿真组织体膜来评价功能完好的探头和阵元有损坏的探头是很困难的 主观的和 不可重复的 如图 7 所示 尽管右边的图像使用的探头有 6 个阵元已经损坏 但是和左边 的图像比较并没有决定性的不同 图 7 体膜图像 右边有缺陷的探头 左边是功能完好的探头 如果连续的存在大量无效阵元 8 则可以使用组织体膜图像来验证存在的问题 但 是如果要确定是阵元 电缆 透镜或是系统发射的问题 则这个方法是完全没有用的 在我们的研究过程中 模仿组织体膜用于比较新探头和可能存在问题探头的轴向和横 向分辨率 由于在超声系统中某种程度的采用了平均办法 当组成一条超声扫描线的几个 阵元同时被烧坏 我们断定测量损坏阵元的指示是不可靠的 特别是在相控阵探头中无效 阵元小于等于6个阵元时 DopplerDoppler 测试测试 我们测试了功能完好的探头和有缺陷阵元的探头的Doppler性能 结果实际图像如图8 所示 这些图像使用校准的血流体膜抓取 如图中所示 有6个无效阵元的C4 2探头 底部 图像 血流检测的灵敏度显著降低 噪声平面增加 即 背景噪声或者 白噪声 和其它的麻 烦 显示的最大血流速度 50mm s 比实际血流速度 75mm s 要低 灵敏度的减小和流速 估计过低可能导致误诊或诊断不充分 在临床时Doppler和彩色血流灵敏度最大值或测量速 度的精度是要求的 例如 当使用修改Bernoulli等式计算压力梯度时 由于使用相控阵探 头 V4 时采用了波束平均 有6个无效阵元的探头在B模式成像时提供的显示信息很少 但 是对于Doppler而言是用血流体膜完全可以确定 在临床使用时我们发现线阵和凸阵探头哪 怕只有2个无效阵元 所有基于Doppler形态的结果都会受到影响 图 8 血流体膜测试结果 上面的图 探头功能完好 下面的图 探头有无效阵元 我们认为负面结果类型相同的情况 可以使用对比度媒体的标准二维成像来预计 对 于好的临床结果而言高动态范围的对比度媒体是绝对必要的 例如心肌衰弱灌注图像 继 续的调查是必须的 进一步 在将来可能将治疗剂封装在一个对比度微型气泡中 当微型 气泡爆破时精确测定MI 机械指数 从而释放治疗剂 将来根据这个假设探头功能的正确 性和 我们认为负面结果类型相同的情况 可以使用对比度媒体的标准二维成像来预计 对 于好的临床结果而言高动态范围的对比度媒体是绝对必要的 例如心肌衰弱灌注图像 继 续的调查是必须的 进一步 在将来可能将治疗剂封装在一个对比度微型气泡中 当微型 气泡爆破时精确测定MI 机械指数 从而释放治疗剂 这里的根据是假设探头功能的正确 性和各类型的声输出响应由屏幕显示声输出值 MI TI 因为频谱Doppler数据的处理使用积分检测技术来确定血流方向 如果探头有阵元被损 坏 通过API测试显示旁瓣电平增加 则探头对超声系统是否能够充分地区分血流方向可 能会有问题 即 由于主瓣和旁瓣有角度差 当主瓣检测到血流方向是从相对探头表面向 前流动时 而旁瓣检测到的方向可能与之相反 通过观察临床图像可以证明这一点 如图 10所示 在内临床情形在哪里流向 或者流向的恰好时间 在诊断时可能是有差别的 缺 乏足够血流方向区分可能导致检查时间的增加 或者潜在 导致误诊或者歧义的研究 图 9 10 左边是探头正常的图像 右边是探头有两个阵元损坏的图像 临床测试临床测试 两个肩并肩阵元损坏时的影响 如图 10 所示 是使用 FirstCall 测试显示 64 和 65 阵 元损坏 与周围的阵元比较它们 的灵敏度为 0 用 API 测试 Acuson 西门子 有 2 个损坏阵元 的 L5 探头 发现它的声功率始终 低于正常探头的值 88mW cm2 SPTA 只有 73mW cm2 SPTA 除了输出 声功率降低之外 如图 6 所示旁 瓣电平也显著上升 旁瓣电平增 加意味着在 B 图像和 Doppler 波 形上图像假象出现的可能性更大 图 9 所示为腹部主动脉的脉冲 Doppler 频谱波形 其中左边的图 是探头功能性能完全正常的图像 右边的图像探头阵元有两个损坏 获取这些图像和 Doppler 波形应 非常小心 要求在同一位置 机 器的设置不便 探头的声穿透角 相同 同样在图 9 右边的图所示 的频谱波形中 可以清楚地看出 有两个阵元损坏的 L5 探头的血流 轮廓不清晰 背景噪声增加 血 流方向也变得模糊不清 图 10 9FirstCall测试测试2个阵元肩并肩损坏的结果个阵元肩并肩损坏的结果 6 个肩并肩阵元损坏的影响 ATL Philips C4 2 凸阵探头中间有 6 个损坏阵元 就可 以观察到在图像中间有轻微阴影和信号幅度由明显的丢失 灰阶亮度下降 图 11 11 左边的是正常图像 左边的是有 6 个阵元损坏的图像 测试使用的另一个探头是 Acuson 西门子 V4 128 阵元线性相移阵列探头 有 6 个损坏 阵元 FirstCall 测试的结果如图 12 所示 阵元 63 68 的灵敏度为 0 测试时使用 Acuson 西门子 128XP10 系统 API 测试 V4 探头 发现发射输出的声功率低于正常值 103mW cm2 SPTA 只有 67mW cm2 SPTA 参考表 2 除了输出功率降低之外 和 L5 一样 波束的旁瓣明显的增加 导致在图像上和 Doppler 波形中产生图像假象的可能性增加 图 12 FirstCallFirstCall 测试结果测试结果 腹部主动脉的脉冲Doppler频谱波形如图13所示 左边的图像使用的是性能完好的V4 探头 右边的图像使用的是有6个损坏阵元的V4探头 以上两种情况