周潔文，李曉兵，丁偉艷，姜立新，聶生東，陳興飛，李昕倫，蘇一凡，趙祥永

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院超聲科，上海 200025；3.上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，上海 200233)

0 引言

高頻超聲成像的縱向分辨率可達(dá)幾十微米，廣泛應(yīng)用于血管壁、眼睛、皮膚結(jié)構(gòu)等人體組織的微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)成像。其淺表探測(cè)和體外診斷的特點(diǎn)使高頻超聲成像適合于皮膚疾病的診斷，目前臨床采用一般線陣平掃換能器(約10 MHz)[1-2]。一方面其中心頻率不高，導(dǎo)致分辨率較低，另一方面針對(duì)皮膚表面復(fù)雜的形狀需要采用特殊的掃描方式，因此需要開展新型皮膚超聲成像技術(shù)的研究。最近已有研究證明了高頻超聲成像在瘢痕腫瘤和皮膚腫瘤的微血管系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用[3-4]。此外，X. Zhang等[5]使用超聲彈性成像對(duì)硬皮病進(jìn)行定量評(píng)估。Y.Yang等[6]使用高頻超聲剪切波彈性成像定量評(píng)估皮膚硬度。Alsing等[7]使用高頻超聲測(cè)量皮膚厚度，并對(duì)比了手動(dòng)讀數(shù)和自動(dòng)邊界檢測(cè)的差異。這些皮膚超聲成像法可以為皮膚結(jié)構(gòu)提供詳細(xì)信息，但由于大多數(shù)皮膚疾病凸起結(jié)構(gòu)的限制，無法實(shí)現(xiàn)高分辨率的皮膚囊腫內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像。

囊腫是一類典型的皮膚表面凸起形的病變。根據(jù)病理學(xué)可分為表皮樣囊腫、皮脂腺囊腫和脂囊瘤[8]，其中表皮樣囊腫可繼發(fā)惡性腫瘤，臨床誤診率達(dá)54.7%[9]。皮膚囊腫的診斷治療依賴超聲成像，但對(duì)于凸起表面，尤其是伴隨疼痛的皮膚囊腫，傳統(tǒng)緊貼水平的掃描方式會(huì)使超聲波反射到其他方向而無法成像，為防止重壓對(duì)病處產(chǎn)生危害，高頻探頭無法緊貼皮膚進(jìn)行檢查。因此研究一種適用于皮膚表面凸起病變的弧形成像方法是必要的。

此外，使用非接觸式超聲掃描方法收集凸起組織表面信號(hào)，后期需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。超聲信號(hào)在采集過程中常有噪聲大，斑點(diǎn)多的缺點(diǎn)，利用濾波技術(shù)可降低噪聲對(duì)圖像的影響[10]。百分比濾波是通過減去均值的方法來弱化噪聲信號(hào)，使回波信號(hào)突出；傅里葉濾波是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，并將能量較高的信號(hào)頻率進(jìn)行放大。

為了實(shí)現(xiàn)凸起組織皮膚精細(xì)結(jié)構(gòu)的高頻超聲成像，本文設(shè)計(jì)并制備了高頻超聲換能器，開發(fā)新型弧形掃描方式，以確保超聲回波信號(hào)均垂直于囊腫表面發(fā)射接收，且隨著凸起囊腫的大小形態(tài)不同可靈活調(diào)節(jié)探頭的掃描軌跡。通過濾波放大回波信號(hào)，采用補(bǔ)償、坐標(biāo)變換、解調(diào)等方法進(jìn)行信號(hào)處理，最終對(duì)皮膚囊腫進(jìn)行高頻超聲成像。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 換能器制備及性能測(cè)試

采用準(zhǔn)同型相界組分的鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷設(shè)計(jì)制作高頻超聲換能器。將PZT陶瓷厚度減至37 μm，并切割成0.5 mm×0.5 mm的壓電陣元，上下表面鍍銀電極，在100 V電壓下極化30 min。換能器采用兩層匹配層設(shè)計(jì)，根據(jù)KLM理論計(jì)算匹配層聲阻抗，并最終測(cè)得實(shí)際內(nèi)層匹配層聲阻抗Z1=10.3 Pa·s/m3，外層匹配層聲阻抗Z2=3.5 Pa·s/m3，背襯聲阻抗為6.5 Pa·s/m3。

采用脈沖回波法對(duì)換能器進(jìn)行性能測(cè)試。聲傳播介質(zhì)為水，反射物為表面平滑的鋼板，探頭距離鋼板5.0 mm。超聲波脈沖信號(hào)發(fā)射接收器型號(hào)為JSR公司的DPR 500，接收器增益控制在-3 dB，濾波器頻率為5.0～22.5 MHz，通過100 MHz的示波器數(shù)字化顯示以測(cè)試換能器性能，經(jīng)過示波器內(nèi)置的快速傅里葉變換可得到超聲換能器的頻域響應(yīng)曲線，從而計(jì)算出超聲換能器的中心頻率、插入損耗及-6 dB帶寬等參數(shù)。

1.2 掃描方式設(shè)計(jì)及測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)通過LabVIEW(DSOX1102)控制脈沖回波信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，用于測(cè)試所用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)精度為0.5°。樣品表面有一個(gè)直徑約?15 mm的凸起囊腫。換能器以固定的間隔角度旋轉(zhuǎn)并發(fā)射回波，以皮膚表面囊腫邊緣為結(jié)束的任意角度扇形區(qū)域?yàn)閽呙鑵^(qū)域。

本文實(shí)驗(yàn)探頭放在距離皮膚囊腫模型表面4.0 mm的位置采集回波信號(hào)。采集數(shù)據(jù)時(shí)，超聲探頭從初始位(囊腫最右側(cè))開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，到終點(diǎn)位(囊腫最左側(cè))結(jié)束，每隔1°采集一次回波信號(hào)，共旋轉(zhuǎn)110°，采集110條攜帶樣品信息的回波。每條回波發(fā)射時(shí)探頭與皮膚囊腫模型表面距離相同，發(fā)射和接收回波的整體路徑為弧形。用USB3.0高速傳輸端口將收集到的回波數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并進(jìn)行信號(hào)處理。

1.3 信號(hào)處理及成像

超聲換能器接收信號(hào)時(shí)，部分噪聲信號(hào)峰值占組織回波信號(hào)峰值的70%～80%。首先將噪聲信號(hào)較多的原始信號(hào)進(jìn)行百分比濾波，使回波信息更顯著；其次利用傅里葉濾波[11]可有效放大回波信息；最后將濾波后信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、解調(diào)和對(duì)數(shù)壓縮，通過極坐標(biāo)變換獲得囊腫組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超聲圖像[12]。

2 結(jié)果與討論

圖1為本文設(shè)計(jì)的皮膚囊腫掃描成像原理簡(jiǎn)圖。由圖可知，探頭在一定角度的扇形區(qū)域內(nèi)以固定的圓心和半徑進(jìn)行弧形旋轉(zhuǎn)，以相同間隔的角度差采集回波數(shù)據(jù)，成像對(duì)象為凸起的皮膚囊腫模型?；⌒涡D(zhuǎn)掃描路徑使得換能器與凸起形的囊腫區(qū)域每個(gè)采集點(diǎn)距離相同，且回波垂直于皮膚表面，使換能器能最大程度地接收回波信息。由于囊腫組織內(nèi)部液體含量和皮膚組織不同，囊腫區(qū)域與皮膚區(qū)域有明顯界限，因此可清晰地區(qū)分囊腫區(qū)域，并觀察囊腫的內(nèi)部情況[13]。

圖1 皮膚囊腫及其超聲成像的掃描方式

圖2為厚37 μm的PZT陶瓷壓電振元阻抗譜圖。該圖反映了壓電材料的電阻抗和相位角的頻率依賴性，串聯(lián)諧振頻率fs=45.7 MHz ,并聯(lián)諧振頻率fp=53.8 MHz，機(jī)電耦合系數(shù)[14]為

(1)

由式(1)可知材料具有較優(yōu)異的機(jī)電耦合性能。

圖2 高頻超聲換能器用壓電陣元的阻抗譜

圖3 制備的高頻超聲換能器

圖3為基于高性能PZT陶瓷制備的高頻超聲換能器。同芯線一端頭連接換能器，另一端頭連接信號(hào)發(fā)生器。壓電元件嵌入背襯材料中，使超聲波束的直徑足夠小以獲得較高的橫向分辨率。超聲波將沿著換能器的軸向方向傳播，以保證波束方向垂直于皮膚囊腫的表面。換能器的設(shè)計(jì)用于超聲皮膚囊腫成像中的弧型掃描。

脈沖回波法測(cè)量的高頻超聲探頭的脈沖回波和帶寬如圖4所示。在相同的工作頻率下，換能器的靈敏度越高，軸向分辨力越好；帶寬越大，超聲換能器可選擇的工作頻率范圍越大，對(duì)醫(yī)學(xué)成像更有利。

圖4 高頻超聲換能器的脈沖回波及帶寬

超聲換能器的中心頻率fc為

(2)

式中ft，fu分別為回波信號(hào)在-6 dB處對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率。換能器-6 dB相對(duì)帶寬：

(3)

高頻超聲探頭中心頻率為41.5 MHz，插入損耗和-6 dB帶寬分別為32.9 dB和84.3%，縱向分辨率可達(dá)50 μm。

表1為基于PZT單晶和其他壓電材料超聲換能器性能對(duì)比。由表可知，本文所用的PZT陶瓷材料較其他兩種單晶材料具有更高的中心頻率和更大的帶寬，性能較優(yōu)越。

表1 基于PZT單晶及其他壓電材料超聲換能器性能

將制作的高頻超聲換能器安裝在特殊設(shè)計(jì)的掃描成像裝置上采集信號(hào)。圖5為皮膚囊腫超聲成像裝置。由圖可知，超聲成像系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)裝置、xyz三維移動(dòng)平臺(tái)、水槽、高頻超聲換能器及信號(hào)線構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)通過囊腫硅膠模型來評(píng)估探頭和系統(tǒng)的高頻成像效果，囊腫內(nèi)填充物為水。將樣品固定在水槽中，水槽放置在三維移動(dòng)平臺(tái)上，以對(duì)樣品和探頭位置進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

圖5 皮膚囊腫超聲成像裝置

將采集到的110條回波信息進(jìn)行信號(hào)處理，噪聲的抑制有助于組織深處微弱信號(hào)的放大，因此先進(jìn)行濾波，再對(duì)信號(hào)放大用于成像。首先進(jìn)行百分比濾波(即回波信號(hào)與噪音平均值的差值)，結(jié)果回波信號(hào)突出時(shí)峰值不明顯。然后以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行傅里葉濾波，得到較清晰的回波信號(hào)。該噪聲信號(hào)相對(duì)有用信號(hào)干擾較小，一定程度上放大了所需信號(hào)[17]。最后完成信號(hào)的檢波，并實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)系下的二維超聲圖像處理。圖6為脈沖超聲回波信號(hào)的濾波與對(duì)數(shù)補(bǔ)償。

圖6 脈沖超聲回波信號(hào)的濾波與對(duì)數(shù)補(bǔ)償

圖7為高頻超聲成像換能器的縱向分辨率和橫向分辨率。由圖可知，制作的41.5 MHz高頻超聲換能器的縱向分辨率為50 μm，橫向分辨率為170 μm。通常囊腫組織內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)厚度小于幾十微米[18]，表明該旋轉(zhuǎn)高頻超聲系統(tǒng)具有較高的空間分辨率，能夠?qū)ζつw囊腫微結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的成像。

圖7 高頻超聲成像換能器的縱向分辨率和橫向分辨率

圖8為本文獲得的皮膚囊腫模型的B模式超聲圖像。對(duì)比圖8(a)、(b)可見，濾波后的分層表現(xiàn)更突出，內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)更清晰，可以體現(xiàn)換能器的高分辨率。外表層的厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)信息清晰可見，囊腫模型中心表面有一個(gè)小氣泡，是把模型固定水中時(shí)自然形成的，外表面分界線顯像度高，內(nèi)表面分界線明顯且厚度小于外表面，和實(shí)物模型結(jié)構(gòu)一致。目前商用的皮膚超聲成像采用平掃模式，只能獲得平行于皮膚表面的小范圍內(nèi)超聲圖像，而本研究不僅能夠?qū)∶嫫つw進(jìn)行成像，且掃描角度范圍大，能夠反映更多皮膚凸起的邊緣部位細(xì)節(jié)，在皮膚囊腫成像方面優(yōu)勢(shì)明顯。因此，這種用高頻探頭旋轉(zhuǎn)采集皮膚凸起信號(hào)的成像方法可行且成像效果可觀。

圖8 皮膚囊腫組織模型的超聲圖像

3 結(jié)束語

本文針對(duì)以皮膚囊腫為代表的凸起形病變，提出了一種新型高頻皮膚超聲弧形掃描成像法。首先設(shè)計(jì)制備了高性能PZT陶瓷高頻超聲換能器，其中心頻率為41.5 MHz，靈敏度為32.9 dB，-6 dB帶寬為84.3%。換能器的縱向分辨率達(dá)50 μm。利用本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)掃描成像裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚囊腫等凸起形狀組織的非接觸成像，并獲得各層厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。本研究是高頻超聲在皮膚成像中的新應(yīng)用，將促進(jìn)相關(guān)臨床醫(yī)學(xué)和超聲成像技術(shù)的發(fā)展。