李秋萍，陳 科，林江莉

(四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

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壓放頻率對超聲彈性成像結(jié)果的影響研究

李秋萍，陳 科，林江莉

(四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

為了探討壓放頻率對壓迫式超聲彈性成像結(jié)果的影響，文中采用外置激振器產(chǎn)生不同的頻率來振動組織，超聲探頭同步采集RF回波信號，通過位移估計和應(yīng)變估計獲得其連續(xù)應(yīng)變場圖像。實驗結(jié)果表明：臨床上由于采用瞬時組織應(yīng)變進(jìn)行成像，不同的壓放頻率對成像結(jié)果將造成影響；應(yīng)變幅值在頻率增大的同時會逐漸減小，將影響成像的對比度，應(yīng)變均值在頻率變化時能保持較好的穩(wěn)定性，在不同組織之間的差異也較明顯。采用應(yīng)變均值成像相對于瞬時應(yīng)變更具有臨床參考意義。

超聲彈性成像；壓放頻率；應(yīng)變；彈性模量；激振器

生物組織的力學(xué)特性對于疾病的診斷具有非常重要的參考意義。長期的臨床實踐表明，組織的病理變化通常會引起其力學(xué)特性的改變。以檢測生物組織彈性模量為目的，Ophir等[1]于1991年提出壓迫式彈性成像技術(shù)，經(jīng)過長期的發(fā)展和不斷的優(yōu)化完善，作為一種新興的醫(yī)學(xué)成像診斷方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于超聲成像設(shè)備，并在乳腺腫瘤及前列腺癌等疾病的診斷中起到重要的作用。

壓迫式彈性成像技術(shù)通過對組織施加壓力，獲取壓縮前后的回波信號進(jìn)行互相關(guān)處理，估算出組織的位移變化，進(jìn)一步獲得組織的應(yīng)變圖像，以此間接反映組織的彈性信息。壓迫振動作為外界干預(yù)手段，壓迫過程受人為控制。其壓力大小及壓放頻率是否會對超聲彈性成像結(jié)果產(chǎn)生一定的影響是值得研究的問題。但是，目前這方面的研究較少，更缺乏定量研究。

羅葆明等[2]2007年采用UE評分法探討了乳腺超聲彈性成像檢查壓力與壓放頻率對診斷結(jié)果的影響，得出乳腺超聲彈性成像檢查時應(yīng)選擇壓力與壓放頻率為2～3時進(jìn)行評分。邱少東等[3]2013年在睪丸彈性成像實驗中探討了感興趣區(qū)域應(yīng)變均值與壓力大小及壓放頻率之間的關(guān)系，得出中等壓力、中-高頻壓放得到的超聲圖像更穩(wěn)定。上述的研究表明，壓力大小及壓放頻率會對超聲彈性成像結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。但是這些研究均是在超聲儀獲得的彈性圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其壓迫過程仍然是人為施力，振動頻率和振幅不確定，其數(shù)據(jù)不具有客觀性。

為了定量分析壓放頻率對超聲彈性成像結(jié)果的影響，本文采用專業(yè)的振動設(shè)備，在材料承受范圍之內(nèi)，在確定的頻率數(shù)值下對組織進(jìn)行壓迫振動，施壓過程中保持恒定的振幅，采集對應(yīng)的RF回波信號，分析出組織的應(yīng)變信息。而彈性圖像實際上是應(yīng)變圖像彩色編碼后的結(jié)果，振動頻率與應(yīng)變之間的關(guān)系可反應(yīng)振動頻率對壓迫式彈性成像結(jié)果的影響。

1 方法

1.1 實驗裝置

為了獲得精確的振動頻率，本文采用如圖1所示的外部振動實驗裝置。在前端的信號發(fā)生器中產(chǎn)生一個確定頻率的正弦信號，通過功率放大器進(jìn)行增益放大，放大后的信號傳入激振器使其振動，并將該振動傳遞到待測組織或材料，超聲探頭在振動的同時采集RF回波信號。為保證振動時所產(chǎn)生的壓力幅值不變，在改變振動頻率時，功率放大器選擇的放大倍數(shù)應(yīng)保持不變。

圖1 外部振動實驗裝置示意圖

1.2 位移估計

(1)

式中：gj(i)表示第j條RF信號上第i點樣本，且滿足i=1，2，…，m及j=1，2，…，n；縱向位移ai和橫向位移li分別滿足

amin≤ai≤amax，lmin≤li≤lmax

在動態(tài)編程彈性成像算法中，將位移連續(xù)性的先驗信息與幅度相似性結(jié)合起來，提出了一個約束位移變化的代價函數(shù)。第j條RF信號的位移連續(xù)性約束為：

(2)

式(2)將第i點樣本的位移逼近第i-1點的位移，αa和αl分別表示縱向和橫向的權(quán)重因子。因此，第j條RF信號上第i點樣本的代價函數(shù)可以定義為：

(3)

式中：da,dl分別表示使代價函數(shù)取得最小值的縱向位移和橫向位移，通過M函數(shù)可將每個樣本點的da和dl記錄下來。

(4)

計算從第1點樣本到第m點樣本的代價函數(shù)，根據(jù)第m點樣本計算出的最小代價函數(shù)值可獲得該點的位移值，同時回溯到第i點樣本，則i=1，2，…，m的位移值在遞歸過程中便可獲得：

(5)

為加快成像速度，可對壓縮前的RF信號gj(i)進(jìn)行降采樣，得到新的RF信號gsj(i)，并與壓縮后信號進(jìn)行位移估計，對相鄰兩點位移數(shù)據(jù)線性插值即可獲得整個位移場數(shù)據(jù)。算法原理如圖2所示。

圖2 二維動態(tài)編程算法原理

圖2(b)中，白色表示代價值低，黑色表示代價值高。

1.3 應(yīng)變估計

位移不能直觀地反映組織形變的情況，通過應(yīng)變估計得到的應(yīng)變圖能清楚地展示組織的病變區(qū)域，同時能更好地表征組織的彈性信息。利用最小二乘法進(jìn)行應(yīng)變估計，Dj(i)為位移場中第j列第i行的數(shù)據(jù)，選取該點附近長度為2k+1的位移窗口，即第j列第i-k行到第i+k行之間的位移，對窗口內(nèi)的2k+1點位移數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合[5]：

(6)

dj(h)為第h點的組織深度，擬合出的z即為第j列第i行的應(yīng)變值。此時得到的應(yīng)變圖像受擬合點數(shù)的影響，會引入大量的噪聲，對應(yīng)變圖像的橫向方向進(jìn)行卡爾曼濾波[6]可得到較平滑的應(yīng)變圖像。

假設(shè)εi，j是含有噪聲的應(yīng)變圖像zi，j的原始圖像，rj和sj分別表示過程噪聲和量測噪聲，則

εi，j=εi，j-1+ri，j

(7)

zi，j=εi，j+si，j

(8)

可得到先驗應(yīng)變估計Ti，j及其方差Qi，j：

Ti，j=ti，j-1

(9)

(10)

式中：σr為過程噪聲的方差，可通過zi,j及zi,j-1的8-鄰域均值得到：

(11)

后驗應(yīng)變估計ti，j及其方差qi，j則為：

(12)

(13)

通過先驗估計和后驗估計的交替進(jìn)行，最終的應(yīng)變場便可獲得。

2 實驗結(jié)果及分析

實驗采用CIRS公司生產(chǎn)的彈性成像phantom體模。該體模是一款專用于超聲彈性成像研究的仿體模型，其力學(xué)特性不受溫度變化的影響，仿體中含有4種不同彈性的球體模型，每種彈性的小球又有直徑為10mm和20mm的兩個。球體模型I到球體模型IV所示的彈性模量依次為：10kPa、18kPa、58kPa、111kPa，背景材料的彈性模量為28kPa。實驗采用超聲探頭中心頻率為5MHz，采樣頻率為40MHz，此時體模中聲速為1 540m/s，聲衰減系數(shù)為0.50dB/cm。實驗中所使用的超聲儀器的采集幀頻為23～26幀/s，保持振動幅度不變，在不同的振動頻率下分別對體模中4種類型的直徑20mm的小球進(jìn)行壓迫，采集對應(yīng)連續(xù)100幀RF回波信號。

2.1 應(yīng)變隨時間的變化

對phantom施加確定幅度和頻率的正弦振動，通過前面提到的方法，對相鄰兩幀RF回波數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變估計，可得到連續(xù)的應(yīng)變圖像，如圖3所示。圖3中的兩條曲線分別對應(yīng)背景材料和模型I在壓迫頻率為5Hz時的應(yīng)變。由圖3可以看出，兩條應(yīng)變曲線成周期性變化，但振幅不完全恒定；同時由于仿生物組織的材料并不是純彈性材料，兩種不同材料即使受到相同壓力，其應(yīng)變曲線也不會完全匹配，而會產(chǎn)生一定的時延。圖3中可以明顯地看到兩條曲線具有交疊。

圖3 應(yīng)變-時間曲線

上述現(xiàn)象說明，目前臨床中僅選擇某一瞬時的應(yīng)變值來成像可能具有隨機(jī)性和片面性。由于不同時刻獲得的應(yīng)變值不同，所以成像的結(jié)果也不相同，該結(jié)果圖像可能并不能反應(yīng)組織彈性的真實情況。

2.2 頻率對成像結(jié)果的影響

實驗中考慮到臨床操作中的頻率范圍，將正弦振動的頻率范圍設(shè)定于1～10Hz之間，且間隔頻率為1Hz。在振動幅度相同的前提下，對球體模型采用不同的振動頻率進(jìn)行壓迫成像。在球體模型IV的振動頻率為1Hz、4Hz、7Hz、10Hz的連續(xù)應(yīng)變中任意選取某一時刻的應(yīng)變成像結(jié)果，如圖4所示。根據(jù)成像結(jié)果可見，不同壓迫頻率下獲得的成像結(jié)果不同。因此，采用不同的壓迫頻率會造成背景材料與球體模型的應(yīng)變之間對比度不同，成像出來的球體形態(tài)也有所不同。

圖4 球體模型IV的應(yīng)變估計圖

2.3 應(yīng)變均值與頻率的關(guān)系

由圖3可知，應(yīng)變大小隨時間變化，而采用瞬時應(yīng)變進(jìn)行成像具有隨機(jī)性，即使壓放幅度和頻率相同，獲得的彈性圖像也可能不相同。鑒于此，本文研究了運用應(yīng)變均值進(jìn)行彈性成像的效果。

圖5 不同組織模型中應(yīng)變均值與頻率的關(guān)系

選擇球體模型中大小為20×200pix的區(qū)域作為感興趣區(qū)域(regionofinterest，ROI)，計算不同頻率下ROI區(qū)域100幀回波信號的應(yīng)變均值，結(jié)果如圖5所示?？梢?，當(dāng)頻率在1～10Hz之間變化時，應(yīng)變均值雖然有一定的波動，但波動范圍不大；同時均值之間的間隔也與小球彈性模量之間的差別對應(yīng)，能較好地區(qū)分彈性模量不同的模型?？梢?，如果采用應(yīng)變均值進(jìn)行彈性成像更具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，成像結(jié)果更接近組織的真實彈性模量。

2.4 應(yīng)變幅值與頻率的關(guān)系

四種模型中應(yīng)變幅值隨頻率變化的曲線，如圖6所示?？梢姡M管在所有實驗過程中，我們始終保持外部激振器施壓的幅度不變，但是不同粘彈性模型的應(yīng)變幅值卻是不同的，并且同一粘彈性模型的整體應(yīng)變幅值也隨著頻率的增大而減小。純彈性材料的幅度不會隨頻率變化而變化，不同材料應(yīng)變幅值的差異以及同一材料不同頻率下應(yīng)變幅值的差異反映出組織的粘性特征。當(dāng)引入頻率這一影響因素時，其中包含的粘性信息也在連續(xù)應(yīng)變圖像中表現(xiàn)出來。這將為下一步利用此頻率特性，對組織的粘性特征成像奠定基礎(chǔ)。

圖6 不同組織模型中應(yīng)變幅值與頻率的關(guān)系

3 結(jié)束語

本文在壓迫式彈性成像的基礎(chǔ)上，采用激振器對材料施壓，保持壓力幅度不變，對仿體模型施加不同的振動頻率后，采用二維動態(tài)編程算法對回波信號進(jìn)行位移估計及應(yīng)變估計獲得連續(xù)應(yīng)變圖像。

目前，臨床上獲得的超聲彈性圖像，實為瞬時應(yīng)變成像。實驗獲得的應(yīng)變-時間曲線說明采用瞬時應(yīng)變成像，其結(jié)果具有隨機(jī)性和不確定性。研究還發(fā)現(xiàn)，對連續(xù)應(yīng)變?nèi)∑骄玫降膽?yīng)變均值相對于瞬時應(yīng)變能更好地表征組織的彈性特性。而不同頻率下材料最大應(yīng)變幅值的變化則反映了組織包含的粘性信息對成像結(jié)果的影響。

對于壓迫式超聲彈性成像技術(shù)，壓力的施加及組織的應(yīng)變情況都符合動態(tài)粘彈性理論[7]。根據(jù)這兩個參數(shù)我們可以進(jìn)一步獲得復(fù)模量與頻率之間的關(guān)系，復(fù)模量相對于應(yīng)變能更直觀地給出不同力學(xué)模型下材料的彈性模量和粘性系數(shù)。應(yīng)力曲線保持不變時，當(dāng)應(yīng)變幅值隨頻率增大不斷減小，復(fù)模量反而會隨頻率增大而增大。純彈性材料的復(fù)模量不會隨頻率變化而變化，而具有粘性的材料的復(fù)模量則對頻率比較敏感。在接下來的研究中將嘗試從粘彈性材料中提取粘性系數(shù)。

[1]OphirJ,CespedesI,GarraB,etal.Elastography:ultrasonicimagingoftissuestrainandelasticmodulusinvivo[J].Eur.J.Ultrasound.，1996(3):49.

羅葆明,曾婕,歐冰,等. 乳腺超聲彈性成像檢查壓力與壓放頻率對診斷結(jié)果影響[J]. 中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2007,23(8):1152-1154.

邱少東,陳菲,曾碧丹,等. 壓力大小及壓放頻率對正常睪丸超聲彈性聲像圖影響的析因設(shè)計研究[J]. 中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志,2013,24(5):349-352.

RivazH,BoctorE,ForoughiP,etal.Ultrasoundelastography:adynamicprogrammingapproach[J].IEEETrans.Med.Image.,2008,27(10)：1373-1377.

袁金偉. 超聲彈性成像中的位移和應(yīng)變估計[D]. 杭州: 浙江大學(xué),2012.

RivazH,BoctorE,ChotiM,etal.Real-timeregularizedultrasoundelastography[J].IEEETrans.Med.Imag., 2011,30(4):928-945.

楊挺青. 粘彈性力學(xué)[M]. 武漢： 華中理工大學(xué)出版社，1990.

Influence of Compression Frequency on Ultrasound Elastography

LI Qiuping， CHEN Ke， LIN Jiangli

(Department of Materials Science and Engineer College, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The effect of frequency on the imaging was focused by this paper, an external vibrator which generated sine signals with different frequency were used to compress tissues, then a set of RF echo data were received by ultrasonic transducer. The continuous tissue strain field was obtained by motion estimation and strain estimation. The elastograph is obtained clinically as instantaneous strain imaging, thus the frequency of compression will affect the imaging results. The amplitude of strain decreased with the increasing of frequency, which will affect the image contrast. The results also showed that the mean of continuous strain could remain stable when frequency changed, which showed obviously different for different tissues. Compared with instantaneous strain, the mean of continuous strain has more profoundly clinical application significance.

ultrasound elastography; compression frequency; strain; elastic modulus；vibrator

2014-11-12；修改日期: 2014-12-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(81301286；30970781);四川省科技支撐基金資助項目(2014GZ0005)。

李秋萍(1989-)，女，碩士，研究方向:醫(yī)學(xué)圖像處理。

林江莉(1971-)，女，博士，副教授，研究方向：圖像處理。

Q-334

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10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.064