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的评估方法.docx

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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的评估方法

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的评估方法

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，在临床结果上产生负面的影响，同时影响超声的研究。

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正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查其损坏对探头的影响：

Ø探头发送的超声波束；

Ø探头的各种声学参数；

Ø仿真组织体膜图像；

Ø血流体膜测试（频谱和彩色血流Doppler）；

Ø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，都会导致超声波束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，在超声波束上能产生显著的负片效果，结果导致图像的分辨率下降，探测深度减小（对于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显示的方向含糊不清。

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。

我们还将说明仿真组织体膜评估阵元性能时可能是错误的。

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误诊。

在超声诊断设备中，探头总体性能的良好是图像质量和检查效果的最根本因素，但是在超声成像链中探头却是最容易损坏的部件。

因为即使探头勉强能够产生一定级别的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，让病人使用其他设备辅助检查，增加检查时间，最坏情况可能对病人产生误诊。

通常凸阵使用线数/角度表示扇形图像线密度，线阵探头使用线数/毫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。

虽然不同的厂商使用不同的顺序和脉冲技术产生频谱Doppler或彩色血流图象，但是他们所有的操作都具有相同的物理、机械和电子约束条件。

最后，临床用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用户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目标靶的仿真组织体膜（如图四）来验证。

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（artifacts）可以看作是图像上的“斑点”或“白噪声”、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），不正确的目标大小或目标形状，增益，局部空间分辨率不够。

OEM探头操作手册关于图像假象（artifacts）给临床用户提供的信息可能是“…超声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由就是探头阵元损坏。

使用水听器和水槽组成的系统可以测量超声阵元的声强几何形状，通常一般的超声波束强度几何形状如图2中上面的图所示。

如果探头有两个阵元失效，则波束强度几何形状会有明显的变化，图2中下面的图形就是一个例子，声波束几何形状显示旁瓣增加了，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元的超声灵敏度消失，使得探头性能下降。

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，测试几个匹配的探头，见表1所示。

其中一个探头作为参考，另一个用于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。

FirstCall2000tm系统是一个商业有效的、高速、便携的探头测试设备（SonoraMedicalSystem，Longmont，Colorado），它可以检测和查找探头的故障模式，参考图3，用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面或曲面目标。

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）阵元的相对灵敏度；

2）电容；

3）-20dB脉冲宽度；

4）中心频率；

5）带宽。

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（SomoraMedicalSystemsmodel804）的API（AcousticPowerandIntensity）水槽，测量由探头产生的声功率和声强。

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

使用内嵌目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是放大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。

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，测试在自愿者身上采集实际的临床B图像和Doppler进行对比。

对于B-Mode成像和Doppler信号，优化每一种可能设置，获取最佳质量，同时保持声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。

就象上面讨论的那样，旁瓣的增加将导致图像噪声的增加，横向分辨率下降，对于Doppler模式，则可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。

所以旁瓣可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SPTA为73mW/cm2。

这就抑制了超声波信号的穿透深度，使得回波信号的电平下降，特别是Doppler模式。

功率的下降也将间接影响探头规定的最佳区域深度。

区域深度（Depthoffield）是深度的函数，它是对最佳成像特性范围的度量标准。

它可以用深度范围表示，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。

图6

B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个阵元已经损坏，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）

如果连续的存在大量无效阵元（>8），则可以使用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头和可能存在问题探头的轴向和横向分辨率。

由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时被烧坏，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个阵元时。

Doppler测试

我们测试了功能完好的探头和有缺陷阵元的探头的Doppler性能，结果实际图像如图8所示，这些图像使用校准的血流体膜抓取。

如图中所示，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，噪声平面增加（即，背景噪声或者"白噪声"）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诊或诊断不充分，在临床时Doppler和彩色血流灵敏度最大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）。

由于使用相控阵探头（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，但是对于Doppler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。

图8血流体膜测试结果（上面的图-探头功能完好，下面的图-探头有无效阵元）

我们认为负面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，例如心肌衰弱灌注图像。

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，将来根据这个假设探头功能的正确性和

我们认为负面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，例如心肌衰弱灌注图像。

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正确性和各类型的声输出响应由屏幕显示声输出值（MI/TI）。

因为频谱Doppler数据的处理使用积分检测技术来确定血流方向，如果探头有阵元被损坏，通过API测试显示旁瓣电平增加，则探头对超声系统是否能够充分地区分血流方向可能会有问题（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，或者流向的恰好时间，在诊断时可能是有差别的，缺乏足够血流方向区分可能导致检查时间的增加，或者潜在，导致误诊或者歧义的研究。

图910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API测试Acuson（西门子）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）。

除了输出声功率降低之外，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波形上图像假象出现的可能性更大。

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，可以清楚地看出，有两个阵元损坏的L5探头的血流轮廓不清晰，背景噪声增加，血流方向也变得模糊不清。

图109FirstCall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（Philips）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由明显的丢失（灰阶亮度下降）。

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）V4128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63~68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。

除了输出功率降低之外，和L5一样，波束的旁瓣明显的增加，导致在图像上和Doppler波形中产生图像假象的可能性增加。

图12FirstCall测试结果

腹部主动脉的脉冲Doppler频谱波形如图13所示，左边的图像使用的是性能完好的V4探头，右边的图像使用的是有6个损坏阵元的V4探头。

以上两种情况B模式图像质量看起来似乎没有影响，但使用频谱Doppler显示时探头有6个阵元损坏的临床影响却是很明显的。

波形显示频谱变宽，背景噪声增加，同时峰值速度令人惊讶的减小了20%~25%.

图1313腹部主动脉，左边的图像探头性能完好，右边的图像探头有6个阵元损坏

结论

超声诊断设备的临床最引人关注的始终是它的可靠性、有效性、无痛及低风险（即没有电离的辐射）且费用低。

我们的数据显示为了实现这5项好处，系统和探头性能必须符合OEM规格要求。

我们已经表明，系统在工作的时候，如果探头的性能下降，将会改变声功率强度分布，声功率的丢失，则在探测深度减小、由于增加了ring-down时间和旁瓣电平则轴向分辨率和横向分辨率下降，最终，由于波束总和增益的减小导致整个系统的动态范围下降。

研究说明了在128阵元的探头中，如果存在2个或以上的连续无效阵元，就会对图像质量产生明显影响，并对临床检查产生影响。

同时研究了探头存在6个或以上的连续阵元失效时，将显著的改变声功率强度分布，相应的图像和Doppler的灵敏度、峰值速度的检测和血流方向的判断将降低。

1.5d和2d的探头传感器技术变得更复杂，为了精确和量化的评估这些探头的性能，临床设置变得更重要。

较新的处理工艺技术，比如空间合成和相位畸变补偿可以产生高的分辨率，去除图像的假象。

精确定量地衡量超声探头的方法在商业上是可用的。

在过去我们主要关注预防性的维护超声系统本身，很少关注探头的测试，现在我们应该将关注探头的测试，并将其纳入诊断系统的质量检测保证程序，以便获得理想的临床结果和确保病人的安全。