69、手持声速成像与超声断层合成：医学影像新突破

手持声速成像与超声断层合成：医学影像新突破

在医学影像领域，不断有新的技术和方法涌现，旨在提高疾病的诊断准确性和效率。本文将介绍两种颇具潜力的医学成像技术：手持声速成像和超声断层合成（USTS），它们分别在乳腺和前列腺疾病诊断方面展现出了独特的优势。

手持声速成像技术

手持声速成像技术是在传统B模式超声系统基础上进行的创新，只需对硬件进行最小程度的修改。该技术在乳腺成像方面表现出色，能够实现对低回声包块的精确几何描绘，尤其对于乳腺弹性成像体模和离体肝脏样本中的硬包块，具有高的声速对比度。

原理与优势

• DP方法 ：提出的动态规划（DP）方法明显优于独立射频线分析和自适应幅度跟踪，能够获取真实组织的连续飞行时间（ToF）矩阵，成功观察到由声速不均匀性引起的微小时间变化（<100 ns）。同时，DP方法能自动过滤掉重建过程中信号衰落的位置。
• AWTV重建 ：自适应加权全变差（AWTV）声速重建方法在包块几何形状的描绘上取得了显著改进。与自适应幅度跟踪（ART）和全变差（TV）方法相比，它大大减少了包块常见的垂直拉长问题（减少了14%，而ART > 300%，TV为95%），能够定量重建原始声速值（声速误差 < 0.3%），并且消除了ART中典型的条纹伪影（ART的对比度噪声比为15 dB，而AWTV为37 dB）。

实验结果

• 体模测试 ：在明胶体模中，硬包块的声速对比度较小（−3.5 µs m⁻¹，声速增加0.5%），但仍能成功分辨。在更复杂的乳腺体模中，硬包块（−17 µs m⁻¹，声速增加2.6%）和囊肿（−6 µs m⁻¹，声速增加0.9%）显示出更高的对比度，与背景噪声（约0.6%）有良好的分离。
• 离体样本测试 ：在离体肝脏样本中，硬包块在B模式下不可见，但在声速图像中清晰可辨，对比度与乳腺体模相似。
• 初步活体测试 ：尽管存在运动伪影、较低的超声信噪比（<10 dB）以及反射器与乳腺组织之间的不完全耦合等问题，但初步活体测试仍成功识别出了囊性包块，预期其声速对比度（−8 µs m⁻¹）低于离体硬包块。

超声断层合成（USTS）技术

前列腺癌是美国男性中最常见的癌症之一，早期检测和准确表征对于患者的生存和避免过度治疗至关重要。目前，经直肠超声（TRUS）引导下的活检是前列腺癌诊断的金标准，但B模式超声只能显示前列腺的边界，活检往往是盲目的，导致许多假阴性结果。MRI或TRUS - MRI融合虽然更敏感和特异，但成本高且在广泛人群中不易获得。因此，USTS技术应运而生。

原理与概念

USTS是一种有限角度透射超声方法，类似于X射线断层合成（CT的有限角度版本）。它通过在腹部放置一个与经直肠探头对齐的探头（利用机械臂实现），实现对前列腺的定量成像，如生成声速（SOS）图，理论上可以提高对癌性前列腺组织的检测、定位或表征能力。

实验方法

• 系统组件 ：
  • 探头设置 ：使用两个128阵元、6 cm的线性超声探头，精确对齐。在离体研究中，将离体前列腺放入基于3D MRI数据的患者特异性3D打印超声友好模具中，模具置于带有透明橡胶窗口的容器内，容器放置在对齐的探头之间，调整高度以扫描不同切片。
  • 数据采集 ：发射探头连接到超声扫描仪，接收探头连接到数据采集（DAQ）设备，可并行接收128个通道的超声波形，采样频率为40 MHz。
• 数据处理 ：
  • 飞行时间（TOF）提取 ：使用质心方法估计TOF的初始位置，并通过MATLAB界面进行手动校正。质心方法的公式为：
    [t_{cm} = \frac{\int_{t} t s^{2}(t)dt}{\int_{t} s^{2}(t)dt}]
    其中，(s(t))是在时间(t)接收到的信号强度，在([t_{bg}-w, t_{bg} + w])之外(s(t))设为零，(t_{bg})是估计的背景TOF，(w)是一定窗口长度的一半，用于减少噪声和折射的影响。
  • 图像重建 ：将发射 - 接收对之间的网格区域表示为系统矩阵，基于直射线超声传播近似，使用以下方程计算图像：
    [S(X - X_{bg}) = T - T_{bg}]
    其中，(S)是系统矩阵，(X)是图像矩阵的向量拼接，(T)是包含TOF测量值的向量，(X_{bg})和(T_{bg})分别是已知的背景声速值和背景测量的TOF。由于该方程是欠定的，采用了共轭梯度（Diff - CG）和期望最大化（Diff - EM）两种迭代方法进行求解。
• 模拟设置 ：进行模拟研究，以确定在有限角度数据和癌性与非癌性组织声速差异较小的情况下图像的重建效果，以及选择最佳的背景材料声速（即超声友好模具的材料）。模拟中，探头位置设置在图像的顶部和底部，轴向距离为5 cm，创建具有任意特征的真实图像作为参考。

实验结果

使用差异期望最大化重建的SOS图表现最为准确，在估计增塑溶胶、水和模具的声速时，偏差分别为2.69%、0.23%和0.06%。尽管USTS方法需要进一步的离体验证，但它为前列腺的定量低成本超声成像开辟了新的窗口，有望满足公共卫生需求。

综上所述，手持声速成像和超声断层合成技术为乳腺和前列腺疾病的诊断提供了新的途径和方法，具有广阔的应用前景。未来，随着技术的不断发展和完善，它们有望在临床实践中发挥更大的作用，为患者带来更准确、高效的诊断服务。

下面是一个简单的mermaid流程图，展示了超声断层合成（USTS）的基本流程：

graph LR
    A[系统组件准备] --> B[数据采集]
    B --> C[数据处理]
    C --> D[图像重建]
    D --> E[结果评估]

同时，为了更清晰地对比不同方法在包块几何形状描绘上的效果，我们列出以下表格：
| 方法 | 垂直拉长减少比例 | 声速误差 | 对比度噪声比（dB） |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| ART | >300% | - | 15 |
| TV | 95% | - | - |
| AWTV | 14% | <0.3% | 37 |

这些技术的发展不仅为医学诊断带来了新的希望，也为相关领域的研究提供了新的方向和思路。我们期待在未来看到它们在临床应用中的更多突破和进展。

手持声速成像与超声断层合成：医学影像新突破

两种技术的对比与综合优势

手持声速成像技术和超声断层合成（USTS）技术虽然应用场景分别侧重于乳腺和前列腺，但在原理和优势上有一定的相似性和互补性。

相似性

• 声速信息利用 ：两者都高度依赖声速信息进行成像和诊断。手持声速成像通过获取组织的声速差异来识别不同的组织特征，如硬包块和囊肿；USTS则通过计算前列腺组织各像素的声速，生成声速图以检测癌性组织。
• 技术创新与改进 ：都采用了创新的方法来提高成像质量。手持声速成像中的DP方法和AWTV重建，以及USTS中的质心方法和迭代重建算法，都是为了克服传统方法的局限性，提高图像的准确性和分辨率。

互补性

• 应用部位不同 ：手持声速成像主要应用于乳腺成像，能够对乳腺中的各种包块进行精确检测和分析；而USTS专注于前列腺成像，为前列腺癌的诊断提供了新的途径，弥补了传统经直肠超声和MRI的不足。
• 硬件要求差异 ：手持声速成像只需对传统B模式超声系统进行最小程度的硬件修改，具有较好的兼容性和可推广性；USTS则需要额外的机械臂来对齐腹部和经直肠探头，硬件设置相对复杂，但为前列腺的定量成像提供了可能。

技术面临的挑战与解决方案探讨

尽管这两种技术展现出了巨大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。

手持声速成像技术挑战

• 信号衰落问题 ：在包块边界附近，由于准平行入射射线路径导致强烈的波折射，通常会观察到信号衰落现象。虽然DP方法能自动过滤这些位置，但在某些复杂情况下，仍可能影响成像的准确性。
  • 解决方案 ：可以进一步优化DP算法，提高其对信号衰落位置的识别和过滤能力。同时，结合多模态成像技术，如与弹性成像相结合，提供更多的组织信息，辅助判断信号衰落区域的组织特征。
• 背景噪声影响 ：背景噪声主要与重建伪影和未考虑的折射效应有关，可能会降低图像的对比度和清晰度。
  • 解决方案 ：改进重建算法，减少重建伪影的产生。例如，采用更精确的射线追踪模型，考虑更多的折射效应，提高声速计算的准确性。此外，通过增加信号平均次数或采用滤波技术，降低背景噪声的影响。

超声断层合成（USTS）技术挑战

• 有限角度数据重建 ：USTS基于有限角度的超声传输数据进行成像，这可能导致图像重建的不完整性和伪影的产生。
  • 解决方案 ：优化迭代重建算法，如改进Diff - CG和Diff - EM方法，提高在有限角度数据下的图像重建质量。同时，可以结合先验信息，如已知的前列腺解剖结构，辅助图像重建，减少伪影的影响。
• 活体应用的复杂性 ：在活体测试中，USTS面临运动伪影、较低的超声信噪比和不完全的耦合等问题，影响了成像的准确性和可靠性。
  • 解决方案 ：开发运动补偿算法，实时校正由于患者运动引起的图像失真。提高探头的设计和耦合技术，增强超声信号的传输和接收效率，提高信噪比。此外，可以结合其他成像技术，如MRI，进行多模态融合，提高诊断的准确性。

未来发展方向与展望

手持声速成像和超声断层合成技术作为新兴的医学成像技术，未来有着广阔的发展前景。

技术融合与拓展

• 多模态成像融合 ：将手持声速成像和USTS与其他成像技术，如MRI、CT、PET等进行融合，实现优势互补。例如，将声速信息与MRI的解剖结构信息相结合，能够更准确地定位和诊断疾病。
• 拓展应用领域 ：除了乳腺和前列腺，这两种技术有望拓展到其他器官和组织的成像，如肝脏、肾脏、甲状腺等。通过进一步的研究和改进，为更多疾病的诊断提供新的方法和手段。

临床转化与普及

• 临床验证与推广 ：加快这两种技术的临床验证过程，开展大规模的临床试验，验证其在实际临床应用中的有效性和可靠性。同时，加强与医疗机构的合作，推广这些技术的应用，提高临床诊断水平。
• 降低成本与提高可及性 ：通过技术创新和优化，降低手持声速成像和USTS设备的成本，提高其在基层医疗机构的可及性。使更多的患者能够受益于这些先进的成像技术。

以下是一个mermaid流程图，展示了未来技术发展的可能路径：

graph LR
    A[现有技术] --> B[多模态成像融合]
    A --> C[拓展应用领域]
    B --> D[临床验证与推广]
    C --> D
    D --> E[降低成本与提高可及性]

为了更直观地展示两种技术在不同方面的对比，我们列出以下表格：
| 技术 | 应用部位 | 硬件要求 | 主要创新方法 | 面临挑战 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 手持声速成像 | 乳腺 | 传统B模式超声系统最小修改 | DP方法、AWTV重建 | 信号衰落、背景噪声 |
| 超声断层合成（USTS） | 前列腺 | 机械臂对齐探头 | 质心方法、迭代重建算法 | 有限角度数据重建、活体应用复杂性 |

手持声速成像和超声断层合成技术为医学影像领域带来了新的突破和发展机遇。虽然目前还面临一些挑战，但随着技术的不断进步和完善，它们有望在未来的临床实践中发挥重要作用，为患者提供更准确、高效的诊断服务。我们期待这些技术能够不断创新和发展，为医学事业做出更大的贡献。