70、医学成像技术新进展：超声断层合成与光声成像的突破-优快云博客

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医学成像技术新进展：超声断层合成与光声成像的突破

在医学成像领域，新技术的不断涌现为疾病的诊断和治疗带来了新的希望。本文将介绍超声断层合成（USTS）和光声成像（PA）这两项技术的最新研究成果，包括其原理、实验方法以及取得的成果。

超声断层合成（USTS）在前列腺成像中的应用

前列腺及病变的典型尺寸与声速设定

前列腺可被建模为一个 3×4 厘米的椭圆，其中包含两个直径分别为 5 毫米和 10 毫米的病变。前列腺区域的声速设定为 1614 米/秒，两个病变的声速分别为 1572 米/秒和 1596 米/秒。

模型研究

实验设置 ：使用特定的装置获取模拟前列腺的图像。超声设备设置为 B 模式图像采集模式，深度为 7 厘米，超声频率为 5 兆赫兹，孔径大小为 1（相当于 Ultrasoix 机器中的 2 个元件），以实现超声的顺序传输。
模拟离体研究 ：将模具腔填充水（声速 1480 米/秒），并在模具内部附着一个由增塑溶胶制成的病变（声速约 1375 米/秒）。将装有模具的容器放置在对齐的探头之间，使用卡尺将轴向距离调整为 50 毫米。在探头尖端涂抹超声凝胶以增强耦合，并选择中心切片进行 USTS 数据收集。

结果

模拟结果 ：在 MATLAB 中创建了基于上述前列腺描述的模拟模型。结果表明，背景声速为 1523 米/秒（类似于一般组织的声速）时产生的图像优于声速为 1375 米/秒和 1010 米/秒的情况。图像中的伪影是由于有限角度数据造成的，但病变仍可与前列腺区分开来。
|背景声速（m/s）|成像效果|
| ---- | ---- |
|1010|较差|
|1375|一般|
|1523|较好|
模型结果 ：图 5a 显示了模拟前列腺切片的 B 模式图像。飞行时间（TOF）分别进行了自动选取和手动校正，然后进行图像重建。使用 Diff - CG 方法和自动选取的 TOF 重建的图像包含大量伪影，且随着迭代次数的增加而增多。而使用手动校正 TOF 的 Diff - EM 方法产生的结果最准确，伪影最少。理论上，模具、水和增塑溶胶的声速分别约为 1523 米/秒、1480 米/秒和 1375 米/秒，在图 5c 中，这些区域的一个像素的声速估计值分别为 1523 米/秒、1476 米/秒和 1415 米/秒。

不同方法在不同迭代次数下重建图像的偏差和噪声如下表所示：
|迭代次数|Diff - CG（自动 TOF 选取）|Diff - CG（校正 TOF）|Diff - EM（自动 TOF 选取）|Diff - EM（校正 TOF）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|20|%Biasp: 2.89
%Biasw: 0.86
%Biasb: 0.80
Noise: 15.7|%Biasp: 3.44
%Biasw: 0.38
%Biasb: 0.79
Noise: 14.10|%Biasp: 1.77
%Biasw: 0.79
%Biasb: 0.06
Noise: 1.06|%Biasp: 2.93
%Biasw: 0.29
%Biasb: 0.11
Noise: 1.20|
|50|%Biasp: 3.68
%Biasw: 1.30
%Biasb: 1.52
Noise: 30.5|%Biasp: 4.1
%Biasw: 0.95
%Biasb: 1.42
Noise: 27.05|%Biasp: 16.5
%Biasw: 3.47
%Biasb: 0.20
Noise: 4.57|%Biasp: 2.69
%Biasw: 0.23
%Biasb: 0.06
Noise: 1.14|

注：p 表示增塑溶胶；w 表示水；b 表示背景。噪声计算为背景像素的标准偏差。

光声成像：迈向独立于供应商的超声扫描仪

引言

光声成像需要与激光发射系统同步采集通道数据。然而，这些通道数据仅可在专业研究系统中获取，大多数临床超声扫描仪不提供获取此数据的接口。为了扩大临床光声成像的影响，研究人员提出了一种独立于供应商的光声成像系统，利用超声波束形成后的射频（RF）数据，这些数据在一些临床扫描仪中易于获取。

方法

方法一：逆波束形成
- 原理：基于三个假设：定位超声点源不需要测量其整个波前；根据惠更斯 - 菲涅耳原理，非点源可视为多个点子源的集合；给定子源的分布、强度和相位，可通过前两个假设推导波束形成前的数据。
- 步骤：
  1. 重建信号源图 ：在图像帧开始时，激光脉冲激发光声信号，超声系统接收信号并进行传统的脉冲回波波束形成，输出一个错误构建的图像。将视场量化为 M×N 网格，每个单元可视为一个光声点子源，其分布即为信号源图。通过沿曲线 C1 积分计算每个子源的强度。
  2. 模拟光声数据采集 ：在给定时间 t1，特定阵列元素在 xm 处接收来自半径为 y 的圆的信号。对于恢复的通道数据几何结构 P(xm, yn) 中的每个像素，沿圆 C2 积分。
  3. 重复步骤二 ：对所有波束形成前的图像采样点重复步骤二，以重建波束形成前的图像。
方法二：基于合成孔径的再波束形成
- 原理：超声波束形成和光声波束形成的区别在于飞行时间和伴随的延迟函数。超声波束形成考虑的是超声探头元素发射和接收的声学信号的往返飞行时间，而光声波束形成只计算从光声源到超声探头的单程时间。因此，在超声波束形成下，光声信号由于延迟函数不正确而散焦。
- 公式：虚拟元素到接收元素的飞行时间可表示为：
  [t = \frac{|r|}{c}]
  其中
  [r = \sqrt{(\frac{y_n}{2})^2 + x_m^2}]

模拟和实验设置

模拟：将五个点目标放置在 10 毫米至 50 毫米深度处，间隔为 10 毫米。设计一个 0.3 毫米间距的 128 元素线性阵列换能器来接收光声信号。使用延迟求和和动态接收聚焦以及 4.8 毫米的孔径对模拟通道数据进行波束形成，假设为超声延迟。
实验：使用临床超声机器（Sonix Touch, Ultrasonix）显示和保存接收的数据。使用一个 1 毫米的压电元件模拟光声点源目标。该元件附着在针的尖端，并连接到控制电压和传输的电路板。声学信号传输由临床超声机器发送的线触发触发。保存具有动态接收聚焦的超声波束形成后的 RF 数据。为了验证通过逆波束形成恢复的通道数据，使用数据采集设备（DAQ）收集原始通道数据。在体内小鼠实验中，使用中心频率为 2 兆赫兹的凸阵探头对模拟前列腺癌的肿瘤进行成像。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(模拟设置):::process
    B --> C(实验设置):::process
    C --> D{模拟结果分析}:::decision
    D -- 是 --> E(验证实验):::process
    D -- 否 --> B
    E --> F([结束]):::startend

以上就是超声断层合成和光声成像技术的相关研究内容，这些技术的发展有望为医学诊断和治疗提供更准确、更有效的手段。未来，研究人员将继续探索这些技术的潜力，进一步优化和改进成像效果。

医学成像技术新进展：超声断层合成与光声成像的突破

结果分析

模拟分析

模拟结果显示，由于延迟函数不正确，超声波束形成的 RF 数据出现散焦现象。研究人员将提出的两种方法（逆波束形成和基于合成孔径的再波束形成）与使用通道数据的传统光声波束形成方法进行了比较。测量的半高宽（FWHM）如下表所示：
|深度（mm）|传统方法（使用通道数据）|逆波束形成|基于合成孔径的再波束形成|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|10|0.60|0.62|0.63|
|20|1.02|1.06|0.99|
|30|1.53|1.39|1.43|
|40|1.94|1.76|1.91|
|50|2.45|2.11|2.42|

从表中数据可以看出，通过逆波束形成和基于合成孔径的再波束形成重建的点目标大小与使用 9.6 毫米孔径的传统光声波束形成方法重建的点目标大小相当。这表明这两种新方法在模拟实验中具有较好的成像效果。

伪光声信号源验证

超声波束形成的数据由于延迟不正确而出现失真，但研究人员将两种算法应用于 RF 数据进行处理。通过比较逆波束形成恢复的通道数据和数据采集设备（DAQ）收集的通道数据，确认了两者具有相同的波前，尽管由于不同的噪声实现和恢复伪影存在强度差异，但这种影响在最终的光声图像中可以忽略不计。测量的 FWHM 也显示，逆波束形成和基于合成孔径的再波束形成与使用原始通道数据的传统方法结果相似，这进一步表明这两种方法可以替代传统的光声波束形成方法。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(获取超声束形成的 RF 数据):::process
    B --> C{数据是否失真}:::decision
    C -- 是 --> D(应用算法处理):::process
    C -- 否 --> E(直接成像):::process
    D --> F(比较恢复数据与原始数据):::process
    F --> G{波前是否相同}:::decision
    G -- 是 --> H(评估 FWHM):::process
    G -- 否 --> D
    H --> I{结果是否相似}:::decision
    I -- 是 --> J(确认方法可行性):::process
    I -- 否 --> D
    J --> K([结束]):::startend

总结与展望

超声断层合成和光声成像技术在医学成像领域展现出了巨大的潜力。超声断层合成技术通过模拟和模型研究，验证了其在前列腺成像中的可行性，不同的重建方法在偏差和噪声方面表现各异，其中手动校正 TOF 的 Diff - EM 方法效果最佳。光声成像技术提出了独立于供应商的解决方案，利用超声束形成后的 RF 数据，通过逆波束形成和基于合成孔径的再波束形成两种方法，在模拟和实验中都取得了与传统方法相当的成像效果，有望解决临床光声成像中通道数据获取受限的问题。

未来，研究人员可以从以下几个方面进一步推进这些技术的发展：
- 超声断层合成 ：由于前列腺不同组织之间的声速对比度可能较小，后续可以研究衰减图和更先进的重建技术，如正则化方法，以提高成像的准确性。
- 光声成像 ：继续优化逆波束形成和基于合成孔径的再波束形成算法，减少噪声和伪影的影响，提高成像分辨率。同时，可以探索将这些技术应用于更多的临床场景，扩大其应用范围。

这些医学成像技术的不断进步将为疾病的早期诊断、治疗方案的制定和疗效评估提供更有力的支持，有望改善患者的治疗效果和生活质量。