探頭性能下降對(duì)圖像質(zhì)量的影響和超聲診斷儀對(duì)臨床影響

1、探頭性能下降對(duì)超聲診斷儀圖像質(zhì)量和臨床影響的評(píng)估方法摘要：在臨床超聲檢查中，探頭的“健康”對(duì)于整個(gè)臨床質(zhì)量和研究的效果是十分關(guān)鍵的。探 頭是由一系列性能相同的具有超聲聲學(xué)特性的陣元組成，現(xiàn)代的超聲探頭通常包括128-288 或更多的陣元。我們知道隨著時(shí)間的推移探頭將會(huì)受到磨損，其中個(gè)別陣元可能損壞了或者 其靈敏度下降。性能下降或失效的陣元將影響探頭的正常工作，在臨床結(jié)果上產(chǎn)牛負(fù)ini的影 響，同時(shí)影響超肖的研究。為了研究陣元退化對(duì)臨床結(jié)果的影響，我們使用有一定數(shù)量陣元 工作不止常的探頭與性能完好的探頭進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估探頭性能下降的影響。當(dāng)探頭中有陣元 損壞后，我們使用如下方法檢杳其損壞對(duì)探頭的影

2、響：> 探頭發(fā)送的超聲波束；> 探頭的各種聲學(xué)參數(shù)；> 仿真組織體膜圖像；> 血流體膜測(cè)試（頻譜和彩色血流doppler）；> 最重要的諧波成像。結(jié)果顯示在128陣元的探頭中哪怕只有2個(gè)無效連續(xù)陣元損壞或性能下降，都會(huì)導(dǎo)致超 聲波朿在人體中的傳輸明顯不同。4個(gè)或更多的陣元失效或者性能下降，在超聲波朿上能產(chǎn) 牛顯著的負(fù)片效果，結(jié)果導(dǎo)致圖像的分辨率下降，探測(cè)深度減小（對(duì)t doppler和b圖像）， 在較深處圖像變得模糊，圖像的噪聲增加，峰值速度錯(cuò)誤和頻譜doppler顯示的方向含糊不 淸。由于失效陣元可能使設(shè)備顯示的mi和ti指示錯(cuò)誤，因而導(dǎo)致安全問題。我們還將說

3、明仿真組織體膜評(píng)估陣元性能吋可能是錯(cuò)誤的。結(jié)論是，所有陣元完好是獲取高質(zhì)量圖像和 有效地研究超聲的關(guān)鍵，陣元性能的下降可能導(dǎo)致謀診。在超蘆診斷設(shè)備中，探頭總體性能的良好是圖像質(zhì)量和檢查效果的茲根本因素，但是在 超聲成像鏈中探頭卻是故容易損壞的部件。因?yàn)榧词固筋^勉強(qiáng)能夠產(chǎn)牛一定級(jí)別的b-mode 圖像，頻譜doppler或彩色血流圖像，但是就算對(duì)于最有經(jīng)驗(yàn)的用戶，有時(shí)獲取的信息是迷 糊的，這些信息還不足以作適當(dāng)?shù)难芯炕蛟\斷，例如病人太胖，或體格粗大時(shí)。通常，就會(huì) 做一些不必要的或昂貴的服務(wù)，讓病人使川其他設(shè)備輔助檢查，增加檢查時(shí)間，最壞情況可 能對(duì)病人產(chǎn)牛誤診。根據(jù)我們對(duì)探頭測(cè)試和維修經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)

4、顯示大約25%的探頭由丁性能 制約或結(jié)構(gòu)問題，在臨床使用吋沒有進(jìn)行診斷。當(dāng)前在美國估計(jì)有超過110, 000臺(tái)超聲診 斷設(shè)備，而每臺(tái)超聲診斷儀平均約3.6個(gè)探頭，即是說有近99, 000個(gè)探頭，（略去后述文 字，因?yàn)槠渲饕枋鎏筋^可能帶來的問題）。探頭技術(shù)背景一個(gè)性能完好的探頭主要由下而的材料組成：背板材料，壓電超聲陶瓷陣元，匹配層, 和聲透鏡（如圖1）。背板材料減少陣元的ring-down時(shí)間，是確保獲取軸向分別率和低噪聲 的關(guān)鍵因素。匹配層主耍是使陣元的聲阻抗和人體組織的聲阻抗匹配，適當(dāng)?shù)钠ヅ鋵?duì)以減小 探頭表而和人體組織的阻抗不同，提高超聲發(fā)射和接收的效率。聲透鏡丄要作川是提供超聲 聚焦所

5、需的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)病人進(jìn)行電隔離。匹配材料，聲透鏡和背板材料可以和陣元分 離，但同時(shí)也導(dǎo)致圖像上回波的衰減。壓電陣列是使川一塊陶瓷材料進(jìn)行分割為一系列單元（如：64, 128, 288等）而得，每一 個(gè)陣元都令獨(dú)立的激勵(lì)，產(chǎn)生超聲脈沖并傳播進(jìn)入人體，同時(shí)接收從人體返回的超聲冋波信 號(hào)，并將他們轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便超聲系統(tǒng)進(jìn)行處理，結(jié)果使用b-mode成像，doppler信 號(hào)或彩色血流在系統(tǒng)屮顯示出來，以便觀察。每個(gè)陣元使用3845號(hào)線徑的同軸線和系統(tǒng)連 接，并且所有的連接同軸電纜使用屏蔽探頭電纜包在一起。圖1超聲探頭結(jié)構(gòu)超聲系統(tǒng)使用約60120v的短持續(xù)吋間的電脈沖激勵(lì)壓電超聲陣元，產(chǎn)生一個(gè)

6、聲束， 通常同時(shí)發(fā)射的孔徑為3264陣元。線陣或凸陣探頭處理方式是順序重復(fù)所有探頭陣元直到 所有超蘆掃描線全部產(chǎn)牛組成一帕圖像。線密度的測(cè)量，通常凸陣使用 線數(shù)/角度表示扇形 圖像線密度，線陣探頭使川線數(shù)/亳米表示矩陣圖像的線密度。相控陣探頭所有的陣元用于 產(chǎn)生每一根超聲掃描線，通過使用電子延遲線，控制波束方向和聚焦位置，從而產(chǎn)生扇形圖 像。雖然不同的廠商使川不同的順序和脈沖技術(shù)產(chǎn)生頻譜doppler或彩色血流圖象，但是他 們所仃的操作都具有相同的物理、機(jī)械和電子約束條件。最后，臨床川戶只要明白探頭工作 的基本原理，以及它是超聲系統(tǒng)成像或doppler的關(guān)鍵部件就可以了。為了使超聲成像顯示的數(shù)

7、據(jù)正確和完整，參與超聲掃描線的所有陣元最大效率地工作 是很重要的。多數(shù)oem用八手冊(cè)都引用了各種探頭性能指標(biāo)，用戶希望系統(tǒng)能夠正常地工 作。例如：（1）最小穿透深度（用cm表示）,（2）軸向分辨率（在某個(gè)深度時(shí)用mm表示,如4cm 深度時(shí)1.0mm）, （3）橫向分辨率（在某個(gè)深度時(shí)用mm表示,如4cm深度時(shí)3.2mm）,這些值 可以使用含有各種h標(biāo)靶的仿真組織體膜（如圖四）來驗(yàn)證。在oem探頭的操作手冊(cè)中至少 會(huì)有這樣的描述：“探頭的選擇是圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素.下面說明怎樣選擇探頭，應(yīng)該 使用基本的程序進(jìn)行測(cè)試。另外很難直接定義性能參數(shù)與圖像假象（artifacts）相關(guān)，圖像假象（artif

8、acts）可以看作是圖 像上的“斑點(diǎn)”或“口噪聲”、反射、或由于分辨率不良或探測(cè)深度不夠所產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù), 不正確的目標(biāo)位置（由于旁瓣增加或多路徑反射），不正確的丨i標(biāo)人小或目標(biāo)形狀，增益，局 部牢間分辨率不夠。oem探頭操作手冊(cè)關(guān)于圖像假象（artifac給臨床川戶提供的信息可能 是“超蘆波束幾何形狀和波束強(qiáng)度的變化等”；對(duì)于有些情況能夠給出明顯的理市就是 探頭陣元損壞。使川水聽器和水槽組成的系統(tǒng)可以測(cè)量超聲陣元的聲強(qiáng)兒何形狀，通常一般的超聲波 束強(qiáng)度兒何形狀如圖2中上面的圖所示。如果探頭有兩個(gè)陣元失效，則波束強(qiáng)度兒何形狀會(huì)有明顯的變化，圖2中下而的圖形就是一個(gè)例子，聲波束兒何形狀顯示旁瓣增

9、加了，這將降 低信噪比。我們已經(jīng)知道對(duì)于有缺陷的探頭能使圖像性能激烈惡化，而在臨床的地方探頭有 可能損壞，例如跌落或碰擊硬物等，都可能使探頭陣元間距減小或某些陣冗的超蘆靈皺度消 失，使得探頭性能下降。xed】 7h1. 34vuqd su alrlrrola 匚】 9uu30 x 30 somplas at 70 gpaclng x 3d sohij1 o a gc t 7*qwpcua忖b 5mhz 訂ual. array probe (laj 5/n 1qzr3dd2, hyc1 szn bd4 04j power factor u297 7 2 4 4 3 4 3 2 e 3 1 4 2

10、 £ xcnn- &l ausmaae圖22個(gè)陣元失效后波束強(qiáng)度幾何形狀的變化方法：為了在臨床設(shè)置的時(shí)候能夠模擬典型的探頭故障模式，測(cè)試兒個(gè)匹配的探頭，見表1 所示。其中一個(gè)探頭作為參考，另一個(gè)用丁模擬損壞特定陣元的探頭。為了研究，將要模擬 的陣元在物理上和探頭斷開，造成“無效陣元”，以便有效的仿真“無效陣元”的影響。manufacturersystemprobe typefailure mode - 1failure mode - 2acuson (siemens)128 xp-10l5 linear arrav2 dead elements6 dead elementsa

11、cuson (siemens)128 xp-10v4 phased array6 dead elementsatl (philips)hdi3000c4-2 curved array6 dead elementstable 1 - systems and probes used in researchfirstcall 200(/"系統(tǒng)是一個(gè)商業(yè)有效的、高速、便攜的探頭測(cè)試設(shè)備(sonora medical system, longmont, colorado),它可以檢測(cè)和查找探頭的故障模式，參考圖3,川于測(cè)量探 頭的基本超聲性能參數(shù)和無效陣元。在測(cè)試條件下，類似于超聲系統(tǒng)，探頭陣

12、元由發(fā)射脈沖 進(jìn)行激勵(lì)，探頭置于水槽中，測(cè)試目標(biāo)是放在水中的平血或曲面1=1標(biāo)。返回的回波使用fft 算法進(jìn)行處理，并顯示下面的幾種參數(shù)：1）陣元的相對(duì)靈墩度;2）電容；3）-20db脈沖寬度；4）中心頻率；5）帶寬。figure 3 - first call tester圖3聲輸出功率測(cè)量探頭連接到超聲診斷系統(tǒng)，使用配置pvdf水聽器（somora medical systems model 804） 的api（acoustic power and intensity）水槽，測(cè)量由探頭產(chǎn)牛的聲功率和聲強(qiáng)。結(jié)果被采集整 理，然后采用符合fda510（k）的格式輸出報(bào)告。探頭使用體膜測(cè)試使川內(nèi)嵌

13、口標(biāo)靶的仿真組織體膜測(cè)量探頭的分辨率和探測(cè)深度，如圖4,比較好探頭和 有“無效陣元”探頭的圖像，圖7是放人了的好探頭與缺陷探頭（6個(gè)無效陣元）的體膜圖像 對(duì)比。探頭的doppler靈敏度使用圖5所示的校準(zhǔn)血流體膜測(cè)試，好探頭和缺陷探頭（6個(gè)無效 陣元）的對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖8所示。figure 4 -tissue mimicking phantom "gm。5 -doppkl flow phantom圖4圖5臨床測(cè)試最后，研究大量的病人，將功能完好的探頭和存在無效陣元（即開路）的探頭進(jìn)行對(duì)比 測(cè)試，測(cè)試在口愿者身上釆集實(shí)際的臨床b圖像和doppler進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于b-mode成像 和do

14、ppler信號(hào)，優(yōu)化每一種町能設(shè)置，獲取故佳質(zhì)量，同時(shí)保持彈窗和觀察解剖區(qū)域不變。結(jié)果聲參數(shù)測(cè)量如圖6所示，功能完好的探頭l5和存在失效陣元（2個(gè)“死”陣元）的探頭其旁瓣電平增加 明顯不同。就彖上血討論的那樣，旁瓣的增加將導(dǎo)致圖像噪蘆的增加，橫向分辨率下降，對(duì) 于doppler模式，則町能導(dǎo)致血流方向混淆。旁瓣的增加還會(huì)導(dǎo)致超聲動(dòng)態(tài)范圍有不良影響， 動(dòng)態(tài)范圍定義為主瓣信號(hào)強(qiáng)度和旁瓣信號(hào)強(qiáng)度平均值的比值。所以旁瓣口 j以給超聲圖像貢獻(xiàn) 噪聲。此外測(cè)量表明，在同一深度下，存在無效陣元的探頭聲功率相應(yīng)減小。功能完好的探 頭測(cè)量的spta（空間峰值時(shí)間平均）值為88mw/cm2,而有缺陷的探頭測(cè)量的s

15、pta為 73mw/cm20這就抑制了超聲波信號(hào)的穿透深度，使得冋波信號(hào)的電平下降，特別是doppler 模式。功率的下降也將間接彫響探頭規(guī)定的最佳區(qū)域深度。區(qū)域深度（depth o/e/d）是深度 的函數(shù)，它是對(duì)最佳成像特性范圍的度量標(biāo)準(zhǔn)。它可以用深度范圍衣示，其值為波束的橫向 寬度不超過焦點(diǎn)位置波束寬度的兩倍的深度范圍。旁瓣電平的增加導(dǎo)致聲功率下降，以致 影響探測(cè)深度和圖像的灰階強(qiáng)度，橫向分辨率下降。sotidi measired data dashed. gaussian 8eahsolldi measured data oasm&di gaussian dtamfunction

16、ing 5 mhz linear aixay5 mhz linear anay with 2 "dead elementsfigure 6圖6b模式分辨率使用仿真組織體膜來評(píng)價(jià)功能完好的探頭和陣元有損壞的探頭是很困難的，主觀的和不可重復(fù)的。如圖7所示，盡管右邊的圖像使用的探頭有6個(gè)陣元己經(jīng)損壞，但是和左邊的 圖像比較并沒有決定性的不同。圖7體膜圖像（右邊有缺陷的探頭，左邊是功能完好的探頭）如果連續(xù)的存在人量無效陣元（8）,則可以使川組織體膜圖像來驗(yàn)證存在的問題，但是 如果要確定是陣元、電纜、透鏡或是系統(tǒng)發(fā)射的問題，則這個(gè)方法是完全沒有用的。在我們的研究過程中，模仿組織體膜用于比較新探

17、頭和可能存在問題探頭的軸向和橫向 分辨率。山于在超聲系統(tǒng)中某種程度的采用了平均辦法，當(dāng)組成一條超聲掃描線的幾個(gè)陣元 同吋被燒壞，我們斷定測(cè)量損壞陣元的指示是不可靠的，特別是在相控陣探頭中無效陣元 小于等于6個(gè)陣元吋。doppler 測(cè)試我們測(cè)試了功能完好的探頭和冇缺陷陣元的探頭的doppler性能，結(jié)杲實(shí)際圖像如圖8 所示，這些圖像使川校準(zhǔn)的血流體膜抓取。如圖屮所示，有6個(gè)無效陣元的c4-2探頭（底部 圖像）血流檢測(cè)的靈敏度顯著降低，噪聲平血增加（即，背景噪聲或者口噪聲）和其它的麻 煩。顯示的最大血流速度（50mm/s）比實(shí)際血流速度（75mm/s）要低。靈敏度的減小和流速 估計(jì)過低可能導(dǎo)致誤

18、診或診斷不充分，在臨床時(shí)doppler和彩色血流靈敏度最人值或測(cè)量速 度的精度是要求的（例如，當(dāng)使用修改bernoulli等式計(jì)算壓力梯度時(shí)）。山于使用相控陣探頭 （v4）時(shí)采用了波束平均，有6個(gè)無效陣元的探頭在b模式成像時(shí)提供的顯示信息很少，但是 對(duì)tdoppler而言是用血流體膜完全可以確定。在臨床使用時(shí)我們發(fā)現(xiàn)線陣和凸陣探頭哪怕 只有2個(gè)無效陣元，所有基于doppler形態(tài)的結(jié)果都會(huì)受到影響。mftboz us ob w3z.u38pffi f#7z 耐5dnfl0 304 b pfnutmcdfrh«tt zo g如圖8血流體膜測(cè)試結(jié)果（上面的圖-探頭功能完好，下面的圖-探頭

19、有無效陣元）atlmpt7- ok somokasv angle jtdipc.0 sstie30 wm fr*qt3 mhr wf lrw doptt%sn01i83f c7 40r gemrk28go4o紳"低 v<我們認(rèn)為負(fù)而結(jié)果類型相同的情況，可以使用對(duì)比度媒體的標(biāo)準(zhǔn)二維成像來預(yù)計(jì)，對(duì)于 好的臨床結(jié)果而言高動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)比度媒體是絕対必要的，例如心肌衰弱灌注圖像。繼續(xù)的 調(diào)查是必須的。進(jìn)一步，在將來可能將治療劑封裝在一個(gè)對(duì)比度微型氣泡中，當(dāng)微型氣泡爆 破時(shí)精確測(cè)定ml（機(jī)械指數(shù)），從而釋放治療劑，將來根據(jù)這個(gè)假設(shè)探頭功能的正確性和我們認(rèn)為負(fù)血結(jié)果類型相同的情況，可以使用對(duì)

20、比度媒體的標(biāo)準(zhǔn)二維成像來預(yù)計(jì)，對(duì)于 好的臨床結(jié)果而言高動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)比度媒體是絕對(duì)必要的，例如心肌哀弱灌注圖像。繼續(xù)的 調(diào)查是必須的。進(jìn)一步，在將來可能將治療劑封裝在一個(gè)對(duì)比度微型氣泡中，當(dāng)微型氣泡爆 破時(shí)精確測(cè)定mi （機(jī)械指數(shù)），從而釋放治療劑，這里的根據(jù)是假設(shè)探頭功能的止確性和各類 型的聲輸出響應(yīng)|+1屏幕顯示聲輸出值（mi/ti） o因?yàn)轭l譜doppler數(shù)據(jù)的處理使用積分檢測(cè)技術(shù)來確定血流方向，如果探頭有陣元被損 壞，通過api測(cè)試顯示旁瓣電平增加，則探頭対超聲系統(tǒng)是否能夠充分地區(qū)分血流方向町能 會(huì)有問題（即，由于主瓣和旁瓣有角度差，當(dāng)主瓣檢測(cè)到血流方向是從相對(duì)探頭表面向前流 動(dòng)時(shí)，而

21、旁瓣檢測(cè)到的方向可能與之相反）。通過觀察臨床圖像可以證明這一點(diǎn)，如圖10所示。在內(nèi)臨床情形在哪里流向，或者流向的恰好吋間，在診斷吋可能是有差別的，缺乏足夠 血流方向區(qū)分可能導(dǎo)致檢查吋間的增加，或者潛在，導(dǎo)致謀診或者歧義的研究。ancle l/fl/r89：3?：41an151 21hz3<sr»te i pouer)jr診&歹w輪”angle 30/20°圖9 10左邊是探頭正常的圖像，右邊是探頭有兩個(gè)陣元損壞的圖像臨床測(cè)試兩個(gè)肩并肩陣元損壞時(shí)的影響:如圖10所示,是使用firstcall測(cè)試顯示64和65陣 元損壞，與周圍的陣元比較它們的 靈敏度為0。 用a

22、pi測(cè)試 acuson倆門子)有2個(gè)損壞陣元的 l5探頭，發(fā)現(xiàn)它的聲功率始終低于 正 常 探 頭 的 值 88mw./cm2(spta),只有 73mw/cm2 (spta)。 除 了輸出 肖功率降低z外，如圖6所示旁瓣 電平也顯著上升。旁瓣電平增加意 味著在b圖像和doppler波形上圖 像假彖出現(xiàn)的可能性更大。圖9 所示為腹部主動(dòng)脈的脈沖doppler 頻譜波形。其中左邊的圖是探頭功 能性能完全正常的圖像，右邊的圖 像探頭陣元有兩個(gè)損壞。獲取這些 圖像和doppler波形應(yīng)非常小心， 要求在同一位置，機(jī)器的設(shè)置不 便，探頭的聲穿透角相同。同樣在 圖9右邊的圖所示的頻譜波形中， 可以清楚地看

23、出，有兩個(gè)陣元損壞 的l5探頭的血流倫廓不清晰，背 景噪聲增加，血流方向也變得模糊 不清。sonora medical systemstransducer evaluation reportrmmw mm* buttuir*;*ktgw打stm*' 8w rnmwwltyme”majc d* mhsmoevr出m5 仆mm;smwv,rmf id 3b7vmcvuly,", xkii圖10 9fiecall測(cè)試2個(gè)陣元肩并肩損壞的結(jié)果6個(gè)肩并肩陣元損壞的影響：atl(phil ips)c4-2凸陣探頭中間有6個(gè)損壞陣元，就可以 觀察到在圖像中間有輕微陰影和信號(hào)幅度山明顯的丟失

24、(灰階亮度下降)。mfg.:customer j" sqes n：phone number:476373fax:address2021 umf drwecontact:圖1111 左邊的是正常圖像，左邊的是有6個(gè)陣元損壞的圖像測(cè)試使用的另一個(gè)探頭是acuson(西門子)v4 128陣元線性相移陣列探頭，有6個(gè)損壞 陣元。firstcall測(cè)試的結(jié)果如圖12所示，陣元6368的靈敏度為0,測(cè)試時(shí)使用acuson(西 門子)128xp10系統(tǒng)。api測(cè)試v4探頭，發(fā)現(xiàn)發(fā)射輸出的聲功率低于正常值103mw/cm2(spta),只有 67mw/cm2 (spta),參考表 2。除了輸出功率降

25、低z外，和l5樣，波朿的旁瓣明顯的增加，導(dǎo)致在圖像上和doppler 波形中產(chǎn)牛圖像假彖的可能性增加。sonora medical systemsyour logotransducer evaluation report80501-zip：purpose: wynccmert04f immotamean:02m mo. 03m m.v 0012 sfdd"：qw:capacitancomean： t2g*max： 矽 加mn:8囲stddev: we&ocity:uxxroett 09 f 100x)1 i14pdx/comm«r>f moa«zo*

26、nm <x>*<cro« f 04野 6 dwdcv*sensitivitytost 10 3736 oper«for bmu wganfltuesday, october 02.20011 of 3soaora m»dleal sytteme. im2021 drh«vole: (303) 682 5<71s092m 83«*3 8060(faxr qos) m2 s01i圖12 firstcall測(cè)試結(jié)果measured parameterfunctional probesix dead elementsin-water spta103.2mw/cnr67.2mw/cnrpa248.3w/cm2156.3w/cm2pr-1