超声 成像方法及应用综述

1、超声 成像方法及应用综述第1页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三前言 任何足以造成影像，并以电脑建立断层图的系统，均可称之为CT；因此除X-ray CT外，还有超声波CT（Ultrasonic CT），单光子放射CT（SPECT），以及核磁共振CT（ MRICT）。第2页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三X-CT第3页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三MRICT第4页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三SPECT第5页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三 目前，CT技术中应用最为广泛的是X射线CT技

2、术。而超声 检测与X射线检测相比具有指向性好、价格低廉、对人体无害、设备便于携带等优点，因此，用超声波作为发射源的检测技术 取代 射线来照射对象，并制造出像X-CT一样的成像设备，已 逐渐成为超声应用领域的研究者们追求的新目标之一。当 CT 应用的能量波为超声波 时，就称为超声层析成像（UCT）。这一技术的早期研 究完全是模仿 X 射线。即假设超声波和 X 射线一样， 在物体内部是以直线传播的，然后利用发射器到接收 器之间的时间延迟或振幅衰减，来重建物体内部的声 速（折射系数）或吸收特性参数。但事实上，超声波 具有明显的衍射特征，在界面上折射、衍射显著，因 而传播路径比较复杂。这使得 U-CT

3、 的理论研究和 X- CT 有所不同。第6页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三二超声CT成像理论 目前超声 CT 成像主要有透射型和反射型两种。投影重建图像问题主要有两类重建算法：一类是以Radon变换为基础的变换法；另一类是迭代法。 变换法两种代表性的算法：滤波反投影算法（FBP)和卷积反投影算法（CBP);迭代重建方法包括：代数重建法（ART)以及联合迭代重建法（SIRT). 在不同的环境下，选用不同的重建方法。例如在重建过程中，如果数据完整，CBP和ART的重建质量较令人满意。第7页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三透射型超声CT 透射型CT的超声

4、发射器和接收器位于被测介质的两侧，根据接收透射的超声波来得到介质的信息；超声透射成像的概念最先是由Greenleaf等首先提出，由于在某些软组织中，超声声速变化不大，所以超声的衍射折射现象都可以忽略。这样，类似于XCT理论中的Radon变化，我们得到被测介质的参量（声速，衰减系数等）与接收数据的线性关系。所以，围绕介质选择多个方向发射超声波，我们就可以利用XCT里的图象重建方法，如FBP算法以及代数重建算法（ART），来重建被测介质的声学参量（声速，衰减系数等）的分布图。第8页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三反射型超声CT 反射型超声CT的超声发射器和接收器都位于介质的同

5、一侧，通过接收反射的超声回波来得到图像信息。反射型超声是根据回波信息来重建图象的，我们假设超声在理想介质中传播，声速变化不大。换能器接收到的超声波携带的是相对于超声波表面的相同距离位置的参量信息。然后利用类似于XCT的滤波反投影算法的方法来重建介质的二维断层面。第9页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三 同时,与B型超声扫描不同，在扫描过程中，两种方法都要求围绕物体不断地旋转发射器和 接收器来得到不同方向上的超声波。 以上两种方法都是假设超声波在理想介质中传播，声速变化不大。第10页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三 通过相关专利分析得知国外研究的重点多在

6、提出新的影像重建方法，及演算法（Method/Process），或是发展新的扫描技术及装置（Device/Apparatus）等等，包括了超声界的权威James F. Greenleaf博士早在1978年就提出经由测量超声信的time-of-flight，来重建出被影响物体内部的情况；在1989年也进一步提出如何减少取到的数据受人工操作的影响。其他如美国西屋公司（Westinghouse）提出使用超声波阵列探头的扫描及重建方式；GE則提出一系列特殊的扫描方式及重建方法，包括近来相当热门的的螺旋CT，以及3D 重建；Northrop Grumman公司提出使用小波变换的图像重建方法。 三国内外研

7、究现状第11页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三 国内，中国科学院武汉物理所的兰从庆陈彦华等提出了一种叠代修正方法 ,使重建像明显改善.他们提出了时域反卷积算法用于提高超声反射 CT成像分辩率.1993年,完成了无损检测超声CT成像装置.在超声CT的无损检测应用中,提出了在FBP方法的基础上,采用沿圆弧后投影的方法,也得到了很好的重建效果.他们还把超声CT用到生物样品的成像中.1999年,研制成功了水浸式超声检测成像系统,具有很高的实用价值.第12页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三基于CURE系统的正则断层迭代方法数据采集设备 此方法采用的Comput

8、erized Ultrasound Risk Evaluation（CURE）系统是韦恩州立大学研究所开发制造的超声设备。第13页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三第14页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三系统评价 缺点：数据传输时间长。获得的数据存储在一个相当大的存储缓冲区中，从存储缓冲区将数据传输到重建图像的计算机中需要90分钟的时间。这个限制使每天的检查量仅为5名患者。 空间分辨率低。实验结果显示组织中目标物的尺寸在大于1cm时能在图像中检测到。由于乳房在检查中的自然运动，乳房的尺寸和组织的不同，所以成像精确度的稳定性较差。 优点：扫面时间短。设备

9、的扫描时间为45秒钟，设置病人床和初始化探头位置的时间为5分钟。第15页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三数据采集设备此算法采用的数据采集系统为容积乳腺超声系统（Volumetric Breast Ultrasound，VBUS)。基于容积乳腺超声系统（VBUS）的反投影方法第16页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三第17页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三系统评价 应用该方法面临的问题是由体扫描产生的大量数据的存储和处理对内存要求很高。该系统扫描单个乳房正常情况下需要80幅切片，产生的数据量需要13GB的内存来存储。除此之外，产生的

10、图像空间分辨率相比于乳房X线照相术较低。 此方法采用的容积乳房超声系统优点在于相对于其他超声断层系统而言，价格便宜，可产生能重复利用的声速图像，精确度能达到98%，每次重建耗时25分钟（所谓重建，指的应该是一个面，所以这个应该是一个面的时间，汪老师如是说）。在乳房仿体上做的实验可以检查2.4mm以下的乳房肿瘤。在志愿者身上做实验也有非常好的效果。目前已经做好了临床评估的准备。 该系统产生的乳房声速图像的空间分辨率和对比度可以使得乳房疾病的检查和诊断水平大大提高，尤其是对于那些传统超声波图像不容易正确检测的乳房组织比较致密的患者。第18页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三第1

11、9页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三四.小结 目前提出的超声CT理论，都是以射线理论或波动方程为依据，建立起介质声学参量与声场（接收数据）之间的关系，然后利用各种重建算法来重建介质的图象。但是，可以看到，这些理论在推导过程中都存在一定的假设条件和不同程度上的近似，比如投射成像中要求的无散射条件，衍射断层成像中需要的弱散射假设。这些都使得这项技术的发展受到极大的制约，许多理论都处于研究的阶段。目前，超声CT只在乳腺成像中得到广泛应用。第20页，共21页，2022年，5月20日，10点2分，星期三五.参考文献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