探头性能下降对图像质量的影响和超声诊断仪对临床影响

1、探头性能下降对超声诊断仪图像质量和临床影响的评估方法摘要：在临床超声检查中，探头的“健康”对于整个临床质量和研究的效果是十分关键的。探 头是由一系列性能相同的具有超声声学特性的阵元组成，现代的超声探头通常包括128-288 或更多的阵元。我们知道随着时间的推移探头将会受到磨损，其中个别阵元可能损坏了或者 其灵敏度下降。性能下降或失效的阵元将影响探头的正常工作，在临床结果上产牛负ini的影 响，同时影响超肖的研究。为了研究阵元退化对临床结果的影响，我们使用有一定数量阵元 工作不止常的探头与性能完好的探头进行对比，评估探头性能下降的影响。当探头中有阵元 损坏后，我们使用如下方法检杳其损坏对探头的影

2、响：> 探头发送的超声波束；> 探头的各种声学参数；> 仿真组织体膜图像；> 血流体膜测试（频谱和彩色血流doppler）；> 最重要的谐波成像。结果显示在128阵元的探头中哪怕只有2个无效连续阵元损坏或性能下降，都会导致超 声波朿在人体中的传输明显不同。4个或更多的阵元失效或者性能下降，在超声波朿上能产 牛显著的负片效果，结果导致图像的分辨率下降，探测深度减小（对t doppler和b图像）， 在较深处图像变得模糊，图像的噪声增加，峰值速度错误和频谱doppler显示的方向含糊不 淸。由于失效阵元可能使设备显示的mi和ti指示错误，因而导致安全问题。我们还将说

3、明仿真组织体膜评估阵元性能吋可能是错误的。结论是，所有阵元完好是获取高质量图像和 有效地研究超声的关键，阵元性能的下降可能导致谋诊。在超芦诊断设备中，探头总体性能的良好是图像质量和检查效果的兹根本因素，但是在 超声成像链中探头却是故容易损坏的部件。因为即使探头勉强能够产牛一定级别的b-mode 图像，频谱doppler或彩色血流图像，但是就算对于最有经验的用户，有时获取的信息是迷 糊的，这些信息还不足以作适当的研究或诊断，例如病人太胖，或体格粗大时。通常，就会 做一些不必要的或昂贵的服务，让病人使川其他设备辅助检查，增加检查时间，最坏情况可 能对病人产牛误诊。根据我们对探头测试和维修经验，数据

4、显示大约25%的探头由丁性能 制约或结构问题，在临床使用吋没有进行诊断。当前在美国估计有超过110, 000台超声诊 断设备，而每台超声诊断仪平均约3.6个探头，即是说有近99, 000个探头，（略去后述文 字，因为其主要描述探头可能带來的问题）。探头技术背景一个性能完好的探头主要由下而的材料组成：背板材料，压电超声陶瓷阵元，匹配层, 和声透镜（如图1）。背板材料减少阵元的ring-down时间，是确保获取轴向分别率和低噪声 的关键因素。匹配层主耍是使阵元的声阻抗和人体组织的声阻抗匹配，适当的匹配对以减小 探头表而和人体组织的阻抗不同，提高超声发射和接收的效率。声透镜丄要作川是提供超声 聚焦所

5、需的结构特点，同时对病人进行电隔离。匹配材料，声透镜和背板材料可以和阵元分 离，但同时也导致图像上回波的衰减。压电阵列是使川一块陶瓷材料进行分割为一系列单元（如：64, 128, 288等）而得，每一 个阵元都令独立的激励，产生超声脉冲并传播进入人体，同时接收从人体返回的超声冋波信 号，并将他们转化为电信号，以便超声系统进行处理，结果使用b-mode成像，doppler信 号或彩色血流在系统屮显示出来，以便观察。每个阵元使用3845号线径的同轴线和系统连 接，并且所有的连接同轴电缆使用屏蔽探头电缆包在一起。图1超声探头结构超声系统使用约60120v的短持续吋间的电脉冲激励压电超声阵元，产生一个

6、声束， 通常同时发射的孔径为3264阵元。线阵或凸阵探头处理方式是顺序重复所有探头阵元直到 所有超芦扫描线全部产牛组成一帕图像。线密度的测量，通常凸阵使用 线数/角度表示扇形 图像线密度，线阵探头使川线数/亳米表示矩阵图像的线密度。相控阵探头所有的阵元用于 产生每一根超声扫描线，通过使用电子延迟线，控制波束方向和聚焦位置，从而产生扇形图 像。虽然不同的厂商使川不同的顺序和脉冲技术产生频谱doppler或彩色血流图象，但是他 们所仃的操作都具有相同的物理、机械和电子约束条件。最后，临床川户只要明白探头工作 的基本原理，以及它是超声系统成像或doppler的关键部件就可以了。为了使超声成像显示的数

7、据正确和完整，参与超声扫描线的所有阵元最大效率地工作 是很重要的。多数oem用八手册都引用了各种探头性能指标，用户希望系统能够正常地工 作。例如：（1）最小穿透深度（用cm表示）,（2）轴向分辨率（在某个深度时用mm表示,如4cm 深度时1.0mm）, （3）横向分辨率（在某个深度时用mm表示,如4cm深度时3.2mm）,这些值 可以使用含有各种h标靶的仿真组织体膜（如图四）來验证。在oem探头的操作手册中至少 会有这样的描述：“探头的选择是图像质量的关键因素.下面说明怎样选择探头，应该 使用基本的程序进行测试。另外很难直接定义性能参数与图像假象（artifacts）相关，图像假象（artif

8、acts）可以看作是图 像上的“斑点”或“口噪声”、反射、或由于分辨率不良或探测深度不够所产生的错误数据, 不正确的目标位置（由于旁瓣增加或多路径反射），不正确的丨i标人小或目标形状，增益，局 部牢间分辨率不够。oem探头操作手册关于图像假象（artifac给临床川户提供的信息可能 是“超芦波束几何形状和波束强度的变化等”；对于有些情况能够给出明显的理市就是 探头阵元损坏。使川水听器和水槽组成的系统可以测量超声阵元的声强儿何形状，通常一般的超声波 束强度儿何形状如图2中上面的图所示。如果探头有两个阵元失效，则波束强度儿何形状会有明显的变化，图2中下而的图形就是一个例子，声波束儿何形状显示旁瓣增

9、加了，这将降 低信噪比。我们已经知道对于有缺陷的探头能使图像性能激烈恶化，而在临床的地方探头有 可能损坏，例如跌落或碰击硬物等，都可能使探头阵元间距减小或某些阵冗的超芦灵皱度消 失，使得探头性能下降。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图22个阵元失效后波束强度几何形状的变化方法：为了在临床设置的时候能够模拟典型的探头故障模式，测试儿个匹配的探头，见表1 所示。其中一个探头作为参考，另一个用丁模拟损坏特定阵元的探头。为了研究，将要模拟 的阵元在物理上和探头断开，造成“无效阵元”，以便有效的仿真“无效阵元”的影响。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(/"系统是一个商业有效的、高速、便携的探头测试设备(sonora medical system, longmont, colorado),它可以检测和查找探头的故障模式，参考图3,川于测量探 头的基本超声性能参数和无效阵元。在测试条件下，类似于超声系统，探头阵

12、元由发射脉冲 进行激励，探头置于水槽中，测试目标是放在水中的平血或曲面1=1标。返回的回波使用fft 算法进行处理，并显示下面的几种参数：1）阵元的相对灵墩度;2）电容；3）-20db脉冲宽度；4）中心频率；5）带宽。figure 3 - first call tester图3声输出功率测量探头连接到超声诊断系统，使用配置pvdf水听器（somora medical systems model 804） 的api（acoustic power and intensity）水槽，测量由探头产牛的声功率和声强。结果被采集整 理，然后采用符合fda510（k）的格式输出报告。探头使用体膜测试使川内嵌

13、口标靶的仿真组织体膜测量探头的分辨率和探测深度，如图4,比较好探头和 有“无效阵元”探头的图像，图7是放人了的好探头与缺陷探头（6个无效阵元）的体膜图像 对比。探头的doppler灵敏度使用图5所示的校准血流体膜测试，好探头和缺陷探头（6个无效 阵元）的对比测试结果如图8所示。figure 4 -tissue mimicking phantom "gm。5 -doppkl flow phantom图4图5临床测试最后，研究大量的病人，将功能完好的探头和存在无效阵元（即开路）的探头进行对比 测试，测试在口愿者身上釆集实际的临床b图像和doppler进行对比。对于b-mode成像 和do

14、ppler信号，优化每一种町能设置，获取故佳质量，同时保持弹窗和观察解剖区域不变。结果声参数测量如图6所示，功能完好的探头l5和存在失效阵元（2个“死”阵元）的探头其旁瓣电平增加 明显不同。就彖上血讨论的那样，旁瓣的增加将导致图像噪芦的增加，横向分辨率下降，对 于doppler模式，则町能导致血流方向混淆。旁瓣的增加还会导致超声动态范围有不良影响， 动态范围定义为主瓣信号强度和旁瓣信号强度平均值的比值。所以旁瓣口 j以给超声图像贡献 噪声。此外测量表明，在同一深度下，存在无效阵元的探头声功率相应减小。功能完好的探 头测量的spta（空间峰值时间平均）值为88mw/cm2,而有缺陷的探头测量的s

15、pta为 73mw/cm20这就抑制了超声波信号的穿透深度，使得冋波信号的电平下降，特别是doppler 模式。功率的下降也将间接彫响探头规定的最佳区域深度。区域深度（depth o/e/d）是深度 的函数，它是对最佳成像特性范围的度量标准。它可以用深度范围衣示，其值为波束的横向 宽度不超过焦点位置波束宽度的两倍的深度范围。旁瓣电平的增加导致声功率下降，以致 影响探测深度和图像的灰阶强度，横向分辨率下降。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图6b模式分辨率使用仿真组织体膜来评价功能完好的探头和阵元有损坏的探头是很困难的，主观的和不可重复的。如图7所示，尽管右边的图像使用的探头有6个阵元己经损坏，但是和左边的 图像比较并没有决定性的不同。图7体膜图像（右边有缺陷的探头，左边是功能完好的探头）如果连续的存在人量无效阵元（8）,则可以使川组织体膜图像来验证存在的问题，但是 如果要确定是阵元、电缆、透镜或是系统发射的问题，则这个方法是完全没有用的。在我们的研究过程中，模仿组织体膜用于比较新探

17、头和可能存在问题探头的轴向和横向 分辨率。山于在超声系统中某种程度的采用了平均办法，当组成一条超声扫描线的几个阵元 同吋被烧坏，我们断定测量损坏阵元的指示是不可靠的，特别是在相控阵探头中无效阵元 小于等于6个阵元吋。doppler 测试我们测试了功能完好的探头和冇缺陷阵元的探头的doppler性能，结杲实际图像如图8 所示，这些图像使川校准的血流体膜抓取。如图屮所示，有6个无效阵元的c4-2探头（底部 图像）血流检测的灵敏度显著降低，噪声平血增加（即，背景噪声或者口噪声）和其它的麻 烦。显示的最大血流速度（50mm/s）比实际血流速度（75mm/s）要低。灵敏度的减小和流速 估计过低可能导致误

18、诊或诊断不充分，在临床时doppler和彩色血流灵敏度最人值或测量速 度的精度是要求的（例如，当使用修改bernoulli等式计算压力梯度时）。山于使用相控阵探头 （v4）时采用了波束平均，有6个无效阵元的探头在b模式成像时提供的显示信息很少，但是 对tdoppler而言是用血流体膜完全可以确定。在临床使用时我们发现线阵和凸阵探头哪怕 只有2个无效阵元，所有基于doppler形态的结果都会受到影响。mftboz us ob w3z.u38pffi f#7z 耐5dnfl0 304 b pfnutmcdfrh«tt zo g如图8血流体膜测试结果（上面的图-探头功能完好，下面的图-探头

19、有无效阵元）atlmpt7- ok somokasv angle jtdipc.0 sstie30 wm fr*qt3 mhr wf lrw doptt%sn01i83f c7 40r gemrk28go4o紳"低 v<我们认为负而结果类型相同的情况，可以使用对比度媒体的标准二维成像來预计，对于 好的临床结果而言高动态范围的对比度媒体是绝対必要的，例如心肌衰弱灌注图像。继续的 调查是必须的。进一步，在将來可能将治疗剂封装在一个对比度微型气泡中，当微型气泡爆 破时精确测定ml（机械指数），从而释放治疗剂，将來根据这个假设探头功能的正确性和我们认为负血结果类型相同的情况，可以使用对

20、比度媒体的标准二维成像来预计，对于 好的临床结果而言高动态范围的对比度媒体是绝对必要的，例如心肌哀弱灌注图像。继续的 调查是必须的。进一步，在将来可能将治疗剂封装在一个对比度微型气泡中，当微型气泡爆 破时精确测定mi （机械指数），从而释放治疗剂，这里的根据是假设探头功能的止确性和各类 型的声输出响应|+1屏幕显示声输出值（mi/ti） o因为频谱doppler数据的处理使用积分检测技术來确定血流方向，如果探头有阵元被损 坏，通过api测试显示旁瓣电平增加，则探头対超声系统是否能够充分地区分血流方向町能 会有问题（即，由于主瓣和旁瓣有角度差，当主瓣检测到血流方向是从相对探头表面向前流 动时，而

21、旁瓣检测到的方向可能与之相反）。通过观察临床图像可以证明这一点，如图10所示。在内临床情形在哪里流向，或者流向的恰好吋间，在诊断吋可能是有差别的，缺乏足够 血流方向区分可能导致检查吋间的增加，或者潜在，导致谋诊或者歧义的研究。ancle l/fl/r89：3?：41an151 21hz3<sr»te i pouer)jr診&歹w輪”angle 30/20°图9 10左边是探头正常的图像，右边是探头有两个阵元损坏的图像临床测试两个肩并肩阵元损坏时的影响:如图10所示,是使用firstcall测试显示64和65阵 元损坏，与周围的阵元比较它们的 灵敏度为0。 用a

22、pi测试 acuson俩门子)有2个损坏阵元的 l5探头，发现它的声功率始终低于 正 常 探 头 的 值 88mw./cm2(spta),只有 73mw/cm2 (spta)。 除 了输出 肖功率降低z外，如图6所示旁瓣 电平也显著上升。旁瓣电平增加意 味着在b图像和doppler波形上图 像假彖出现的可能性更大。图9 所示为腹部主动脉的脉冲doppler 频谱波形。其中左边的图是探头功 能性能完全正常的图像，右边的图 像探头阵元有两个损坏。获取这些 图像和doppler波形应非常小心， 要求在同一位置，机器的设置不 便，探头的声穿透角相同。同样在 图9右边的图所示的频谱波形中， 可以清楚地看

23、出，有两个阵元损坏 的l5探头的血流伦廓不清晰，背 景噪声增加，血流方向也变得模糊 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图10 9fiecall测试2个阵元肩并肩损坏的结果6个肩并肩阵元损坏的影响：atl(phil ips)c4-2凸阵探头中间有6个损坏阵元，就可以 观察到在图像中间有轻微阴影和信号幅度山明显的丢失

24、(灰阶亮度下降)。mfg.:customer j" sqes n：phone number:476373fax:address2021 umf drwecontact:图1111 左边的是正常图像，左边的是有6个阵元损坏的图像测试使用的另一个探头是acuson(西门子)v4 128阵元线性相移阵列探头，有6个损坏 阵元。firstcall测试的结果如图12所示，阵元6368的灵敏度为0,测试时使用acuson(西 门子)128xp10系统。api测试v4探头，发现发射输出的声功率低于正常值103mw/cm2(spta),只有 67mw/cm2 (spta),参考表 2。除了输出功率降

25、低z外，和l5样，波朿的旁瓣明显的增加，导致在图像上和doppler 波形中产牛图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图12 firstcall测试结果measured parameterfunctional probesix dead elementsin-water spta103.2mw/cnr67.2mw/cnrpa248.3w/cm2156.3w/cm2pr-1