探頭性能下降對圖像質(zhì)量的影響和超聲診斷儀對臨床影響的評估方法

1、探頭性能下降對超聲診斷儀圖像質(zhì)量和臨床影響的評估方法摘要：在臨床超聲檢查中，探頭的“健康”對于整個臨床質(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特性的陣元組成，現(xiàn)代的超聲探頭通常包括128288或更多的陣元。我們知道隨著時間的推移探頭將會受到磨損，其中個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)生負面的影響，同時影響超聲的研究。為了研究陣元退化對臨床結(jié)果的影響，我們使用有一定數(shù)量陣元工作不正常的探頭與性能完好的探頭進行對比，評估探頭性能下降的影響。當探頭中有陣元損壞后，我們使用如下方法檢查其損壞對探頭的影響：Ø

2、探頭發(fā)送的超聲波束；Ø 探頭的各種聲學參數(shù)；Ø 仿真組織體膜圖像；Ø 血流體膜測試(頻譜和彩色血流Doppler)；Ø 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個無效連續(xù)陣元損壞或性能下降，都會導致超聲波束在人體中的傳輸明顯不同。4個或更多的陣元失效或者性能下降，在超聲波束上能產(chǎn)生顯著的負片效果，結(jié)果導致圖像的分辨率下降，探測深度減小(對于Doppler和B圖像)，在較深處圖像變得模糊，圖像的噪聲增加，峰值速度錯誤和頻譜Doppler顯示的方向含糊不清。由于失效陣元可能使設(shè)備顯示的MI和TI指示錯誤，因而導致安全問題。我們還將說明仿真組織

3、體膜評估陣元性能時可能是錯誤的。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致誤診。在超聲診斷設(shè)備中，探頭總體性能的良好是圖像質(zhì)量和檢查效果的最根本因素，但是在超聲成像鏈中探頭卻是最容易損壞的部件。因為即使探頭勉強能夠產(chǎn)生一定級別的B-mode圖像，頻譜Doppler或彩色血流圖像，但是就算對于最有經(jīng)驗的用戶，有時獲取的信息是迷糊的，這些信息還不足以作適當?shù)难芯炕蛟\斷，例如病人太胖，或體格粗大時。通常，就會做一些不必要的或昂貴的服務(wù)，讓病人使用其他設(shè)備輔助檢查，增加檢查時間，最壞情況可能對病人產(chǎn)生誤診。根據(jù)我們對探頭測試和維修經(jīng)驗，數(shù)據(jù)顯示大約25%的探頭由

4、于性能制約或結(jié)構(gòu)問題，在臨床使用時沒有進行診斷。當前在美國估計有超過110，000臺超聲診斷設(shè)備，而每臺超聲診斷儀平均約3.6個探頭，即是說有近99，000個探頭，(略去后述文字，因為其主要描述探頭可能帶來的問題)。探頭技術(shù)背景一個性能完好的探頭主要由下面的材料組成：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。匹配層主要是使陣元的聲阻抗和人體組織的聲阻抗匹配，適當?shù)钠ヅ淇梢詼p小探頭表面和人體組織的阻抗不同，提高超聲發(fā)射和接收的效率。聲透鏡主要作用是提供超聲聚焦所需的結(jié)構(gòu)特點，同時對病人進行電隔離。匹配

5、材料，聲透鏡和背板材料可以和陣元分離，但同時也導致圖像上回波的衰減。壓電陣列是使用一塊陶瓷材料進行分割為一系列單元(如：64，128，288等)而得，每一個陣元都有獨立的激勵，產(chǎn)生超聲脈沖并傳播進入人體，同時接收從人體返回的超聲回波信號，并將他們轉(zhuǎn)化為電信號，以便超聲系統(tǒng)進行處理，結(jié)果使用B-mode成像，Doppler信號或彩色血流在系統(tǒng)中顯示出來，以便觀察。每個陣元使用3845號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)時間的電脈沖激勵壓電超聲陣元，產(chǎn)生一個聲束，通常同時發(fā)射的孔徑為3264陣元。線陣或凸陣探

6、頭處理方式是順序重復所有探頭陣元直到所有超聲掃描線全部產(chǎn)生組成一幅圖像。線密度的測量，通常凸陣使用 線數(shù)/角度表示扇形圖像線密度，線陣探頭使用線數(shù)/毫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。雖然不同的廠商使用不同的順序和脈沖技術(shù)產(chǎn)生頻譜Doppler或彩色血流圖象，但是他們所有的操作都具有相同的物理、機械和電子約束條件。最后，臨床用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)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

7、數(shù)OEM用戶手冊都引用了各種探頭性能指標，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(在某個深度時用mm表示，如4cm深度時1.0mm)，(3)橫向分辨率(在某個深度時用mm表示，如4cm深度時3.2mm)，這些值可以使用含有各種目標靶的仿真組織體膜(如圖四)來驗證。在OEM探頭的操作手冊中至少會有這樣的描述：“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行測試。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(artifacts)可以看作是圖像上的“斑點”或“白噪聲”、反射、或由于分辨率不良或探測

8、深度不夠所產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，不正確的目標位置(由于旁瓣增加或多路徑反射)，不正確的目標大小或目標形狀，增益，局部空間分辨率不夠。OEM探頭操作手冊關(guān)于圖像假象(artifacts)給臨床用戶提供的信息可能是“超聲波束幾何形狀和波束強度的變化等”；對于有些情況能夠給出明顯的理由就是探頭陣元損壞。使用水聽器和水槽組成的系統(tǒng)可以測量超聲陣元的聲強幾何形狀，通常一般的超聲波束強度幾何形狀如圖2中上面的圖所示。如果探頭有兩個陣元失效，則波束強度幾何形狀會有明顯的變化，圖2中下面的圖形就是一個例子，聲波束幾何形狀顯示旁瓣增加了，這將降低信噪比。我們已經(jīng)知道對于有缺陷的探頭能使圖像性能激烈惡化，而在臨床的地方

9、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元的超聲靈敏度消失，使得探頭性能下降。圖 2 2個陣元失效后波束強度幾何形狀的變化方法：為了在臨床設(shè)置的時候能夠模擬典型的探頭故障模式，測試幾個匹配的探頭，見表1所示。其中一個探頭作為參考，另一個用于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。FirstCall 2000tm系統(tǒng)是一個商業(yè)有效的、高速、便攜的探頭測試設(shè)備(Sonora Medical System，Longmont，Colorado)，它可以檢測和查找探頭的故障模式，參考圖3，用于測

10、量探頭的基本超聲性能參數(shù)和無效陣元。在測試條件下，類似于超聲系統(tǒng)，探頭陣元由發(fā)射脈沖進行激勵，探頭置于水槽中，測試目標是放在水中的平面或曲面目標。返回的回波使用FFT算法進行處理，并顯示下面的幾種參數(shù)：1） 陣元的相對靈敏度；2） 電容；3） -20dB脈沖寬度；4） 中心頻率；5） 帶寬。圖 3聲輸出功率測量 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，測量由探頭產(chǎn)生的聲功率和聲強。結(jié)果被采集整理，然后采用符合FDA 510(k)的格式輸出報告。探頭

11、使用體膜測試使用內(nèi)嵌目標靶的仿真組織體膜測量探頭的分辨率和探測深度，如圖4，比較好探頭和有“無效陣元”探頭的圖像，圖7是放大了的好探頭與缺陷探頭(6個無效陣元)的體膜圖像對比。探頭的Doppler靈敏度使用圖5所示的校準血流體膜測試，好探頭和缺陷探頭(6個無效陣元)的對比測試結(jié)果如圖8所示。圖 4 圖 5臨床測試最后，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)的探頭進行對比測試，測試在自愿者身上采集實際的臨床B圖像和Doppler進行對比。對于B-Mode成像和Doppler信號，優(yōu)化每一種可能設(shè)置，獲取最佳質(zhì)量，同時保持聲窗和觀察解剖區(qū)域不變。結(jié)果聲參數(shù)測量如圖6所示，功能完好

12、的探頭L5和存在失效陣元(2個“死”陣元)的探頭其旁瓣電平增加明顯不同。就象上面討論的那樣，旁瓣的增加將導致圖像噪聲的增加，橫向分辨率下降，對于Doppler模式，則可能導致血流方向混淆。旁瓣的增加還會導致超聲動態(tài)范圍有不良影響，動態(tài)范圍定義為主瓣信號強度和旁瓣信號強度平均值的比值。所以旁瓣可以給超聲圖像貢獻噪聲。此外測量表明，在同一深度下，存在無效陣元的探頭聲功率相應(yīng)減小。功能完好的探頭測量的SPTA(空間峰值時間平均)值為88mW/cm2，而有缺陷的探頭測量的SPTA為73mW/cm2。 這就抑制了超聲波信號的穿透深度，使得回波信號的電平下降，特別是Doppler模式。功率的下降也將間接影

13、響探頭規(guī)定的最佳區(qū)域深度。 區(qū)域深度( Depth of field)是深度的函數(shù)，它是對最佳成像特性范圍的度量標準。它可以用深度范圍表示，其值為波束的橫向?qū)挾炔怀^焦點位置波束寬度的兩倍的深度范圍。 旁瓣電平的增加導致聲功率下降，以致影響探測深度和圖像的灰階強度，橫向分辨率下降。圖 6B模式分辨率使用仿真組織體膜來評價功能完好的探頭和陣元有損壞的探頭是很困難的，主觀的和不可重復的。如圖7所示，盡管右邊的圖像使用的探頭有6個陣元已經(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)的存在大量無效陣元(>8)，則可以使用組織體

14、膜圖像來驗證存在的問題，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頭和可能存在問題探頭的軸向和橫向分辨率。由于在超聲系統(tǒng)中某種程度的采用了平均辦法，當組成一條超聲掃描線的幾個陣元同時被燒壞，我們斷定測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個陣元時。Doppler 測試 我們測試了功能完好的探頭和有缺陷陣元的探頭的Doppler性能，結(jié)果實際圖像如圖8所示，這些圖像使用校準的血流體膜抓取。如圖中所示，有6個無效陣元的C4-2探頭(底部圖像)血流檢測的靈敏度顯著降低，噪聲平面增加(即，背

15、景噪聲或者"白噪聲")和其它的麻煩。顯示的最大血流速度(50mm/s)比實際血流速度(75mm/s)要低。靈敏度的減小和流速估計過低可能導致誤診或診斷不充分，在臨床時Doppler和彩色血流靈敏度最大值或測量速度的精度是要求的(例如，當使用修改Bernoulli等式計算壓力梯度時)。由于使用相控陣探頭(V4)時采用了波束平均, 有6個無效陣元的探頭在B模式成像時提供的顯示信息很少，但是對于Doppler而言是用血流體膜完全可以確定。在臨床使用時我們發(fā)現(xiàn)線陣和凸陣探頭哪怕只有2個無效陣元，所有基于Doppler形態(tài)的結(jié)果都會受到影響。圖 8 血流體膜測試結(jié)果(上面的圖-探頭功

16、能完好，下面的圖-探頭有無效陣元)我們認為負面結(jié)果類型相同的情況，可以使用對比度媒體的標準二維成像來預計，對于好的臨床結(jié)果而言高動態(tài)范圍的對比度媒體是絕對必要的，例如心肌衰弱灌注圖像。繼續(xù)的調(diào)查是必須的。進一步，在將來可能將治療劑封裝在一個對比度微型氣泡中，當微型氣泡爆破時精確測定MI(機械指數(shù))，從而釋放治療劑，將來根據(jù)這個假設(shè)探頭功能的正確性和 我們認為負面結(jié)果類型相同的情況，可以使用對比度媒體的標準二維成像來預計，對于好的臨床結(jié)果而言高動態(tài)范圍的對比度媒體是絕對必要的，例如心肌衰弱灌注圖像。繼續(xù)的調(diào)查是必須的。進一步，在將來可能將治療劑封裝在一個對比度微型氣泡中，當微型氣泡爆破時精確測定

17、MI(機械指數(shù))，從而釋放治療劑，這里的根據(jù)是假設(shè)探頭功能的正確性和各類型的聲輸出響應(yīng)由屏幕顯示聲輸出值(MI/TI)。 因為頻譜Doppler數(shù)據(jù)的處理使用積分檢測技術(shù)來確定血流方向，如果探頭有陣元被損壞，通過API測試顯示旁瓣電平增加，則探頭對超聲系統(tǒng)是否能夠充分地區(qū)分血流方向可能會有問題 (即，由于主瓣和旁瓣有角度差，當主瓣檢測到血流方向是從相對探頭表面向前流動時，而旁瓣檢測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，如圖10所示。在內(nèi)臨床情形在哪里流向，或者流向的恰好時間，在診斷時可能是有差別的，缺乏足夠血流方向區(qū)分可能導致檢查時間的增加，或者潛在，導致誤診或者歧義的研究。

18、圖 9 10左邊是探頭正常的圖像，右邊是探頭有兩個陣元損壞的圖像臨床測試兩個肩并肩陣元損壞時的影響：如圖10所示，是使用FirstCall測試顯示64和65陣元損壞，與周圍的陣元比較它們的靈敏度為0。 用API測試Acuson(西門子)有2個損壞陣元的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)。 除了輸出聲功率降低之外，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波形上圖像假象出現(xiàn)的可能性更大。 圖9所示為腹部主動脈的脈沖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

19、元有兩個損壞。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，可以清楚地看出，有兩個陣元損壞的L5探頭的血流輪廓不清晰，背景噪聲增加，血流方向也變得模糊不清。圖 10 9FirstCall測試2個陣元肩并肩損壞的結(jié)果6個肩并肩陣元損壞的影響：ATL(Philips)C4-2凸陣探頭中間有6個損壞陣元，就可以觀察到在圖像中間有輕微陰影和信號幅度由明顯的丟失(灰階亮度下降)。圖 11 11-左邊的是正常圖像，左邊的是有6個陣元損壞的圖像測試使用的另一個探頭是Acuson(西門子)V4 128陣元線性相移陣列探頭，有6個損壞陣元。 FirstCall測試的結(jié)果如圖12所示，陣元6368的靈敏度為0，測試時使用Acuson(西門子)128XP10系統(tǒng)。API測試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。除了輸出功率降低之外，和L5一樣，波束的旁瓣明顯的增加，導致在圖像上和Doppler波形中產(chǎn)生圖像假象的可能性增加。圖 12 FirstCall 測試結(jié)果腹部主動脈的脈沖Doppler頻譜波形如圖13所示，左邊的圖像使用的是性能完好的V4探頭，右邊的圖像使用的是有6個損壞陣元的V4探頭。以上兩種情況B模