超聲 成像方法及應(yīng)用綜述

1、超聲 成像方法及應(yīng)用綜述第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三前言 任何足以造成影像，并以電腦建立斷層圖的系統(tǒng)，均可稱(chēng)之為CT；因此除X-ray CT外，還有超聲波CT（Ultrasonic CT），單光子放射CT（SPECT），以及核磁共振CT（ MRICT）。第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三X-CT第3頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三MRICT第4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三SPECT第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三 目前，CT技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是X射線(xiàn)CT技

2、術(shù)。而超聲 檢測(cè)與X射線(xiàn)檢測(cè)相比具有指向性好、價(jià)格低廉、對(duì)人體無(wú)害、設(shè)備便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，因此，用超聲波作為發(fā)射源的檢測(cè)技術(shù) 取代 射線(xiàn)來(lái)照射對(duì)象，并制造出像X-CT一樣的成像設(shè)備，已 逐漸成為超聲應(yīng)用領(lǐng)域的研究者們追求的新目標(biāo)之一。當(dāng) CT 應(yīng)用的能量波為超聲波 時(shí)，就稱(chēng)為超聲層析成像（UCT）。這一技術(shù)的早期研 究完全是模仿 X 射線(xiàn)。即假設(shè)超聲波和 X 射線(xiàn)一樣， 在物體內(nèi)部是以直線(xiàn)傳播的，然后利用發(fā)射器到接收 器之間的時(shí)間延遲或振幅衰減，來(lái)重建物體內(nèi)部的聲 速（折射系數(shù)）或吸收特性參數(shù)。但事實(shí)上，超聲波 具有明顯的衍射特征，在界面上折射、衍射顯著，因 而傳播路徑比較復(fù)雜。這使得 U-CT

3、 的理論研究和 X- CT 有所不同。第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三二超聲CT成像理論 目前超聲 CT 成像主要有透射型和反射型兩種。投影重建圖像問(wèn)題主要有兩類(lèi)重建算法：一類(lèi)是以Radon變換為基礎(chǔ)的變換法；另一類(lèi)是迭代法。 變換法兩種代表性的算法：濾波反投影算法（FBP)和卷積反投影算法（CBP);迭代重建方法包括：代數(shù)重建法（ART)以及聯(lián)合迭代重建法（SIRT). 在不同的環(huán)境下，選用不同的重建方法。例如在重建過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)完整，CBP和ART的重建質(zhì)量較令人滿(mǎn)意。第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三透射型超聲CT 透射型CT的超聲

4、發(fā)射器和接收器位于被測(cè)介質(zhì)的兩側(cè)，根據(jù)接收透射的超聲波來(lái)得到介質(zhì)的信息；超聲透射成像的概念最先是由Greenleaf等首先提出，由于在某些軟組織中，超聲聲速變化不大，所以超聲的衍射折射現(xiàn)象都可以忽略。這樣，類(lèi)似于XCT理論中的Radon變化，我們得到被測(cè)介質(zhì)的參量（聲速，衰減系數(shù)等）與接收數(shù)據(jù)的線(xiàn)性關(guān)系。所以，圍繞介質(zhì)選擇多個(gè)方向發(fā)射超聲波，我們就可以利用XCT里的圖象重建方法，如FBP算法以及代數(shù)重建算法（ART），來(lái)重建被測(cè)介質(zhì)的聲學(xué)參量（聲速，衰減系數(shù)等）的分布圖。第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三反射型超聲CT 反射型超聲CT的超聲發(fā)射器和接收器都位于介質(zhì)的同

5、一側(cè)，通過(guò)接收反射的超聲回波來(lái)得到圖像信息。反射型超聲是根據(jù)回波信息來(lái)重建圖象的，我們假設(shè)超聲在理想介質(zhì)中傳播，聲速變化不大。換能器接收到的超聲波攜帶的是相對(duì)于超聲波表面的相同距離位置的參量信息。然后利用類(lèi)似于XCT的濾波反投影算法的方法來(lái)重建介質(zhì)的二維斷層面。第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三 同時(shí),與B型超聲掃描不同，在掃描過(guò)程中，兩種方法都要求圍繞物體不斷地旋轉(zhuǎn)發(fā)射器和 接收器來(lái)得到不同方向上的超聲波。 以上兩種方法都是假設(shè)超聲波在理想介質(zhì)中傳播，聲速變化不大。第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三 通過(guò)相關(guān)專(zhuān)利分析得知國(guó)外研究的重點(diǎn)多在

6、提出新的影像重建方法，及演算法（Method/Process），或是發(fā)展新的掃描技術(shù)及裝置（Device/Apparatus）等等，包括了超聲界的權(quán)威James F. Greenleaf博士早在1978年就提出經(jīng)由測(cè)量超聲信的time-of-flight，來(lái)重建出被影響物體內(nèi)部的情況；在1989年也進(jìn)一步提出如何減少取到的數(shù)據(jù)受人工操作的影響。其他如美國(guó)西屋公司（Westinghouse）提出使用超聲波陣列探頭的掃描及重建方式；GE則提出一系列特殊的掃描方式及重建方法，包括近來(lái)相當(dāng)熱門(mén)的的螺旋CT，以及3D 重建；Northrop Grumman公司提出使用小波變換的圖像重建方法。 三國(guó)內(nèi)外研

7、究現(xiàn)狀第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三 國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院武漢物理所的蘭從慶陳彥華等提出了一種疊代修正方法 ,使重建像明顯改善.他們提出了時(shí)域反卷積算法用于提高超聲反射 CT成像分辯率.1993年,完成了無(wú)損檢測(cè)超聲CT成像裝置.在超聲CT的無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中,提出了在FBP方法的基礎(chǔ)上,采用沿圓弧后投影的方法,也得到了很好的重建效果.他們還把超聲CT用到生物樣品的成像中.1999年,研制成功了水浸式超聲檢測(cè)成像系統(tǒng),具有很高的實(shí)用價(jià)值.第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三基于CURE系統(tǒng)的正則斷層迭代方法數(shù)據(jù)采集設(shè)備 此方法采用的Comput

8、erized Ultrasound Risk Evaluation（CURE）系統(tǒng)是韋恩州立大學(xué)研究所開(kāi)發(fā)制造的超聲設(shè)備。第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三第14頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三系統(tǒng)評(píng)價(jià) 缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間長(zhǎng)。獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)相當(dāng)大的存儲(chǔ)緩沖區(qū)中，從存儲(chǔ)緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街亟▓D像的計(jì)算機(jī)中需要90分鐘的時(shí)間。這個(gè)限制使每天的檢查量?jī)H為5名患者。 空間分辨率低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示組織中目標(biāo)物的尺寸在大于1cm時(shí)能在圖像中檢測(cè)到。由于乳房在檢查中的自然運(yùn)動(dòng)，乳房的尺寸和組織的不同，所以成像精確度的穩(wěn)定性較差。 優(yōu)點(diǎn)：掃面時(shí)間短。設(shè)備

9、的掃描時(shí)間為45秒鐘，設(shè)置病人床和初始化探頭位置的時(shí)間為5分鐘。第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三數(shù)據(jù)采集設(shè)備此算法采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為容積乳腺超聲系統(tǒng)（Volumetric Breast Ultrasound，VBUS)。基于容積乳腺超聲系統(tǒng)（VBUS）的反投影方法第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三系統(tǒng)評(píng)價(jià) 應(yīng)用該方法面臨的問(wèn)題是由體掃描產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理對(duì)內(nèi)存要求很高。該系統(tǒng)掃描單個(gè)乳房正常情況下需要80幅切片，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量需要13GB的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)。除此之外，產(chǎn)生的

10、圖像空間分辨率相比于乳房X線(xiàn)照相術(shù)較低。 此方法采用的容積乳房超聲系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)于其他超聲斷層系統(tǒng)而言，價(jià)格便宜，可產(chǎn)生能重復(fù)利用的聲速圖像，精確度能達(dá)到98%，每次重建耗時(shí)25分鐘（所謂重建，指的應(yīng)該是一個(gè)面，所以這個(gè)應(yīng)該是一個(gè)面的時(shí)間，汪老師如是說(shuō)）。在乳房仿體上做的實(shí)驗(yàn)可以檢查2.4mm以下的乳房腫瘤。在志愿者身上做實(shí)驗(yàn)也有非常好的效果。目前已經(jīng)做好了臨床評(píng)估的準(zhǔn)備。 該系統(tǒng)產(chǎn)生的乳房聲速圖像的空間分辨率和對(duì)比度可以使得乳房疾病的檢查和診斷水平大大提高，尤其是對(duì)于那些傳統(tǒng)超聲波圖像不容易正確檢測(cè)的乳房組織比較致密的患者。第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三第1

11、9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三四.小結(jié) 目前提出的超聲CT理論，都是以射線(xiàn)理論或波動(dòng)方程為依據(jù)，建立起介質(zhì)聲學(xué)參量與聲場(chǎng)（接收數(shù)據(jù)）之間的關(guān)系，然后利用各種重建算法來(lái)重建介質(zhì)的圖象。但是，可以看到，這些理論在推導(dǎo)過(guò)程中都存在一定的假設(shè)條件和不同程度上的近似，比如投射成像中要求的無(wú)散射條件，衍射斷層成像中需要的弱散射假設(shè)。這些都使得這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展受到極大的制約，許多理論都處于研究的階段。目前，超聲CT只在乳腺成像中得到廣泛應(yīng)用。第20頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)2分，星期三五.參考文獻(xiàn)1Nebojsa Duric and Peter Littrup D

12、etection of breast cancer with ultrasound tomography-First results with the Computed Ultrasound Risk Evaluation (CURE)prototypeJMed.Phys.34(2),February 20072Jakob Nebeker ,Thomas R. NelsonBreast Sound Speed Tomography from B-Mode DataJIEEE International Ultrasonic Symposium Proceedings,20103Krzysztof J Opielinski and Tadeusz Gudra. Ultrasound transmission tomography image distortions caused by the refraction effectJ. Ultrasonics ,2000,Vol. 38, pp. 424429.4Greenleaf J F, Johnson S A and Lent A H. Measurement of spatial distribution of refractive index in tissues by ultrasonic comp