基于时间增益补偿的乳腺超声断层成像算法的研究*

刘 畅,薛晨阳,张斌珍,张国军

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

乳腺癌已成为当前社会的重大公共卫生问题[1]。因此对乳腺病变的早期发现、早期治疗尤为重要[2]。针对乳腺组织的特殊性,本课题组设计了一种新型的基于可旋转线阵的环形乳腺超声成像系统[3]。在已有研究的基础上,为了能够实现对乳腺肿块的检测和更为详细的内部特征信息,从而提高乳腺超声成像的质量显得非常重要。

然而,由于超声波在体内的传播过程中,会出现声能的减少[4]。声衰减的程度取决于传播组织以及声波的类型[5]。不同组织的衰减系数不同,衰减量受声波频率影响[6]。频率越高,衰减量越大[7-8]。超声衰减发生在体内向前的传播过程中,也发生在于声波返回的过程中[9]。因此深部组织的回声强度要明显低于其初始强度[10]。

综上所述,本文主要针对超声波在软组织中的衰减问题,采用中心频率为3.5 MHz的1×128微机械加工压电超声换能器(PMUT)阵列发射/接收超声信号,对圆周扫描的测试方法进行了研究,设计了基于时间增益补偿(TGC)的乳腺超声断层成像算法,完成了对乳腺模型的水平切片成像,验证了算法的可行性和有效性。

1 乳腺超声成像系统的测试方案

乳腺超声成像系统框图如图1所示。主要由电脑工作站、4个PMUT线阵、电动旋转台及其控制器、储水箱、64通道超声信号发射/接收电路和恒温加热棒组成。该系统主要的特点是由4个超声换能器交叉90°垂直安装在亚克力夹具上,置于水槽中包围在乳腺的周围,实现非接触的测量。超声换能器的配置方案如图2所示。

图1 乳腺超声成像系统框图

图2 超声换能器的配置方案

图3 圆周扫描测试方案

针对该系统的特点,乳腺模型放置在旋转台的中心孔,圆周扫描的测试方案如图3所示。在测试的过程中,通过电动旋转台驱动超声换能器实现360°圆周扫描(旋转间隔角度>0.001°),即X轴和Y轴扫描,如图3(a)所示。既可以实现发射信号的采集,也可以实现透射信号的采集,并将得到的数据进行重建,采用乳腺超声断层扫描算法进行成像,就可以获得一个水平超声断层成像,示意图如图3(b)所示。通过1×128 阵列的超声换能器实现Z轴的扫描,一次360°旋转,就可以实现乳腺组织的立体扫描,进而实现三维成像。

2 时间增益补偿

特性声阻抗差异小的界面比特性声阻抗差异大的界面所产生的回声信号要弱的多。此外,由于声衰减使超声在人体组织中传播时,深部组织的回声信号也比浅表的要小。为了能显示有诊断价值的弱信号,就要对弱小信号提高增益放大,对深部组织回波信号就要按照深度进行补偿衰减的作用[11]。

生物软组织对超声波的衰减是按指数规律衰减的。根据这一衰减规律,通常使近距离的回声信号放小,而将远距离的回声信号放大,以使不同深度的界面都得到同样清晰。时间增益补偿作用原理如图4所示。在设计TGC时除了首先要知道组织的衰减值,确定时间增益补偿的上升速率,还要考虑时间增益的补偿范围,确定补偿数值。

图4 时间增益补偿的作用原理

上面已经指出,超声波在生物组织中传播按指数规律衰减[12],有

U=U0e-αNfx

(1)

式中:U0为x=0初始声压p0相对应的脉冲电压幅值;U为x处于声压p相对应的电压值;f为超声波的发射频率,单位为MHz;αN为以奈贝表示的声衰减系数,单位Np/(cm·MHz);x为离开声源处的距离。若以分贝为单位表示衰减,由式(1)可得到

(2)

式中:α是以dB为单位表示的声衰减系数[13]。

本文针对圆周扫描的特点,设计了基于TGC的乳腺超声断层成像算法,算法流程图如图5所示。一个水平切片的乳腺超声断层成像的算法流程主要包括:①超声回波信号的存储,将数据存储为一个矩阵形式;②Butterworth滤波,滤除噪声信号;③对滤波之后的有效信号进行时间增益补偿,使乳腺内部的肿块信号特征更为明显;④对补偿之后的超声信号进行包络检测;⑤对数压缩,以实现60 dB动态范围显示;⑥对矩形矩阵的数据进行坐标变换(旋转台中心作为参考点),实现圆周扫描成像;⑦并对成像进行形态学处理。利用软件实现对声波衰减的补偿,采用软组织平均声衰减率作为设计TGC的依据,并进行分段的TGC设置,实现对感兴趣区域的成像,从而将乳腺组织内部特征信息更为清晰的展现出来。

图5 乳腺超声断层成像算法流程图

图6 实验平台系统

3 实验结果分析

搭建乳腺超声成像系统实验平台,如图6所示,最大检测孔径为18 cm×13 cm。因此本文选择的乳腺模型尺寸为15.5 cm×8 cm,内部为5 cm的肿块置于中心处。而超声换能器是该系统的关键组件之一,因此对超声换能器的选择非常重要。人体各组织对超声波的吸收差异很大,一般来说,人体各种软组织的吸收系数为0.6 dB/(cm·MHz)～0.7 dB/(cm·MHz)。如果选择较高的发射频率,超声波的波长很小,可以获得较高的探测分辨率,但是由于信号衰减太快,探测深度将受到限制。对于探测深度大于20 cm时,超声发射频率不应低于3.5 MHz,否则对超声衰减的补偿会变得非常困难。因此,本文选择收发一体1×128 PMUT线阵,工作电压为DC 100Vpp,阵元间距为1 mm,中心频率为3.5 MHz,阻抗为67 Ω,静态电容值为665 pF,带宽为86.7%(-6 dB)[3]。

本实验在水箱中进行,水温恒定控制在32 ℃。声波的传播速度是1 540 m/s。64通道超声信号发射/接收电路控制PMUT线阵,采样频率为40 MHz。旋转角度设置为2°。每个切片由180条扫描线组成,利用脉冲回波原理,采用圆周扫描的方式进行乳腺超声断层成像分析。旋转90°就可以获得128个水平超声断层图像,其中阵元50接收到超声回波信号如图7所示。实验结果表明,PMUT能够发射和接收超声信号,并且能够检测到乳腺内部肿块的超声回波信号,但是幅值非常微弱。这主要是因为超声波在遇到声阻抗不同的2种组织间的界面时,界面两侧组织声阻抗的差异小造成的。

图7 原始超声脉冲回波信号

由于大部分声波将在组织中继续传播,只有小部分会返回换能器。而本文中乳腺超声断层成像是根据返回并被换能器接收到的声波信号而形成。因此若想提高乳腺成像的质量,就需要对回波信号进行时间增益补偿。利用软件得到时间增益补偿曲线如图8所示。在不改变发射信号进行的前提下,对乳腺内部的组织信息进行局部放大补偿。局部TGC补偿后的超声回波信号如图9所示。

不同的声衰减系数α的乳腺超声断层成像如图10 所示,α=0,α=0.1,α=0.4,α=0.6。完成了初步成像,肿块的大小为5.1 cm在乳腺模型的中心。同时也可以分辨出乳腺模型的轮廓。实验结果表明,实验结果与理论基本一致。通过对比分析,当α=0.6 时,经过局部TGC的补偿可以看出,能够更为清晰的展现乳腺内部的肿块信息,从而有效的补偿了超声波的衰减,验证了该算法的有效性和可行性。

图8 局部时间增益补偿曲线

图9 TGC处理后的超声脉冲回波信号

图10 阵元50的水平超声断层切片成像

通过对α=0和α=0.6时的乳腺超声断层成像进行三维显示,有无TGC补偿的效果如图11所示。通过TGC补偿,可以明显的看到内部肿块的信息,实验结果进一步验证TGC补偿的有效性。与现有的算法相比,该算法需要1/2探测深度就可以进行全深度成像,有效降低对超声换能器探测深度的要求,从一定程度上,解决了发射频率与探测深度的矛盾问题。而且分辨率具有不均匀性,内部分辨率高于边缘分辨率,因此更有利于对乳腺内部肿块的探测。

图11 水平超声断层切片成像的三维示意图

4 结论

本文提出了一种基于TGC的乳腺超声断层成像算法,并完成了对乳腺模型的超声断层成像。通过对比分析可知,TGC能够有效的补偿超声在乳腺软组织中的衰减问题,实现了对肿块形状、大小、位置的检测。实验结果验证了该算法的有效性和可行性。这只是初步的实现了声衰减补偿,在实际临床应用的过程中,乳腺组织是比较复杂的,因此需要对声衰减系数进行更合理的设置,根据软组织反馈信息实时调整。