眼組織超聲回波頻譜特性

趙智慧 林一聰 鄭 政

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200000)

引言

脈沖回波法超聲掃描是眼病診斷的有效方法，其設(shè)備的設(shè)計離不開對眼球回波特性的了解。眾所周知，由于聲衰減的頻率依賴性，組織中超聲傳播具有明顯的頻移特性［1－2］，即回波中心頻率隨探測深度的增加向低端移動，所以超聲接收器中的射頻濾波器參數(shù)必須隨時調(diào)整，以獲得最佳的濾波效果。從聲學(xué)的角度來看，眼是一種特性非常不均勻的研究對象。在臨床檢查中聲脈沖依次穿過角膜、房水、晶狀體(也可能避過此組織)、玻璃體、眼底多層膜狀組織、球后軟組織，最后抵達眼眶，散射脈沖又以相反的方向依次穿過各組織回到探頭。眼組織中，房水和玻璃體特性與水接近，晶狀體和眼底膜狀組織中含有致密組織成分，球后組織又以脂肪和肌肉為主，是典型的軟組織結(jié)構(gòu)。前人對眼球中各種離體組織的超聲特性做了充分的研究，從他們的研究結(jié)果中可以看到不同組織之間的差別［3］?？梢韵胍姡ǔ南鄬鶆虻能浗M織中總結(jié)的規(guī)律很難用于估計在體眼組織的回波頻譜特性，而這方面的研究卻又十分缺乏。

超聲回波的頻譜主要由3個因素決定:首先是測試系統(tǒng)，即超聲換能器以及電子器件共同決定的頻譜特性;二是回波產(chǎn)生處組織的散射特性;三是超聲傳播路徑上組織對信號頻譜的改變。Lizzi等人在20世紀80年代從組織定征的角度出發(fā)研究了在體眼組織的超聲散射特性［4］，為了便于理論分析，他們在實驗中有意讓聲束避開晶狀體，并且將研究對象局限于焦點附近，在這種條件下觀察到了眼底附近不同組織散射譜的差異。但由于觀察范圍的局限，其結(jié)果不足以為掃描設(shè)備的設(shè)計提供參考。

本研究首先分析探討了眼科臨床廣為使用的10 MHz單元換能器對人眼在體掃描所得的回波頻譜的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上討論了眼組織的聲散射和傳播特性對回波頻譜的共同影響，所得結(jié)果為10 MHz眼科超聲設(shè)備射頻濾波器的設(shè)計提供了依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

超聲換能器(Imasonic Inc.，10 MHz單元式)在一個雙向脈沖發(fā)生器(自制)的激勵下對志愿者受試眼球進行A型掃描，自制的放大器對回波信號進行放大，通過一個1～20 MHz的帶通濾波器，送數(shù)據(jù)采集裝置顯示和記錄。數(shù)據(jù)采集裝置由12 bit采集卡(National Instrument Inc.，型號 PCI 5105)和臺式個人計算機PC(Dell Inc.)組成，所記錄的數(shù)據(jù)由Matlab(Mathwork Inc.)程序離線處理。采集過程由發(fā)射脈沖同步，采樣頻率60 MHz，每次回波記錄8192點，歷時 136.5 μs，相當(dāng)于超聲在 102.4 mm 的深度上傳播一個來回。

由于晶狀體對超聲傳播的影響比較大，實驗分別對軸位和非軸位兩種方式進行探測［5］，前者聲束基本沿眼軸的方向傳播，聲脈沖經(jīng)過晶狀體;后者聲脈沖不經(jīng)過晶狀體，兩組實驗結(jié)果的比較可以反映晶狀體對回波頻譜的影響。

探頭聲窗覆以超聲耦合劑，通過眼瞼對眼球掃描。實驗過程中實驗者手持探頭，邊調(diào)整探頭角度邊觀察回波波形，當(dāng)波形出現(xiàn)預(yù)期的特征時，立即進行連續(xù)192次 A型掃描記錄，掃描間隔200 μs，可以認為記錄過程中探頭和眼球的位置不變，所得結(jié)果疊加平均以消除噪聲干擾，作為一次實驗結(jié)果。由于超聲采集元中散射子分布的隨機性，僅僅根據(jù)一次實驗所得的譜分析結(jié)果將有極大的隨機起伏，為此，對每個眼球的每個部位都進行20次獨立實驗，每次實驗后都將探頭從受試眼的眼瞼移除數(shù)秒種后重新開始，同時每次實驗記錄之前都要調(diào)整探頭直到波形出現(xiàn)預(yù)期的特征，這樣在保證探測部位的正確性的同時保證了各次實驗的獨立性。通過對2只眼球的實驗，每個探測部位都記錄了40個相互獨立的A超掃描結(jié)果，將它們放入各自的數(shù)據(jù)池中，以便后續(xù)處理。

軸位探測如圖1(a)所示，超聲聲束大致沿眼軸，經(jīng)過角膜，前房，晶狀體，玻璃體，眼底及球后組織，波形特征是有一個非常大的晶體后囊回波，并且眼底回波和晶體后囊回波幅度相當(dāng);非軸位探測如圖1(b)所示，超聲聲束沿前內(nèi)下方向后上方，聲束經(jīng)過鞏膜，玻璃體直達眼底，通路中不包括眼角膜、前房和晶狀體，所以沒有晶體后囊回波，眼底回波幅度和軸位探測相當(dāng)。信號起始處的波形是發(fā)射脈沖泄漏以及眼瞼、角膜或鞏膜回波的混合。

為了分析組織特性對回波頻譜的貢獻，還需要獲取測試系統(tǒng)的頻譜特性［6］。超聲回波是組織反射函數(shù)和系統(tǒng)點擴展函數(shù)的卷積，在頻域中即為二者的乘積。水中平界面在垂直入射的情況下對不同頻率成分具有相同的反射系數(shù)，所以此時的回波信號頻譜即反映了測試系統(tǒng)的特性。本研究中，使用有機玻璃平面靶在水槽中使超聲束垂直于平面靶，采集回波數(shù)據(jù)以備后用。

1.2 數(shù)據(jù)處理和分析

1.2.1 回波信號的分段和功率譜分析

為了分析不同深度回波信號的頻譜，用Hamming窗截取回波中的片段進行分析。每段120個點，相當(dāng)于時間2 μs，空間距離1.5 mm。由于眼球回波中存在較寬的低回聲區(qū)，分析僅針對有明顯回波信號的部分。非軸位探測時，分析局限于眼底以及球后組織，在A超波形中判斷眼底回波的起始點作為第一個Hamming窗截取的起點，在一個窗寬后以相同的方法截取第2段，如此連續(xù)等間隔截取，共8段，分別以k=1，2，…，8的順序標(biāo)記，總共960個點，相當(dāng)于時間16 μs，空間距離12 mm。軸位探測時，以相同的方法連續(xù)截取7段球后組織回波，分別以j=1，2，…，7的順序標(biāo)記，另外還截取晶狀體后囊回波進行分析。對第m條掃描線，球后組織的信號片段記為 pm1(t)，…pmn(t)，…，pm8(t)(軸位探測無最后一段)，晶狀體后囊回波記為pml(t)(僅軸位探測存在)。

利用pwelch函數(shù)［7］對截取的球后回波信號分段處理，對第n個片段的信號的功率譜結(jié)果記為Pmn(ω)，將所有試驗的對應(yīng)片段的功率譜平均，得

式中，M為試驗次數(shù)，將2只眼上相同部位采集的信號作為同一個隨機試驗的樣本，所以M=40。同理，對于晶狀體后囊回波信號，有

并且其中的M也等于40。將式(1)歸一化后取對數(shù)，對于軸位探測時，記為 Sj(ω)，j=1，2，…，7，對于非軸位探測時，記為 Sk(ω)，k=1，2，…，8。將式(2)歸一化后取對數(shù)，記為 Sl(ω)，只有在軸位探測時，才進行晶狀體的頻譜分析。

1.2.2 平面靶功率譜

在水槽中將有機玻璃平面靶置于感興趣的深度上，將所得信號截取120點(大于信號寬度)，進行功率譜分析并將其歸一化后取對數(shù)，從相當(dāng)于晶體后囊位置得到的結(jié)果記為Scl(ω)，相當(dāng)于眼底各段位置得到的結(jié)果記為Scn(ω)(n=1，2，…，7)。

1.2.3 組織聲特性

根據(jù)和1.1中所述相同的理由，超聲回波對數(shù)譜減去相應(yīng)距離上的平面靶對數(shù)譜，即可得到代表組織聲特性的頻譜。對于軸位探測時，球后組織以及晶狀體后囊，分別有 Srj(ω)(j=1，2，…，7)和Srl(ω)，如式(3)和式(4)，同理對于非軸位探測時，球后組織的聲特性可表示為 Srk(ω)(k=1，2，…，8)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 平面靶回波頻譜

圖2為探頭垂直入射時距離探頭24 mm處的有機玻璃反射回波的歸一化幅度譜，可見中心頻率9.1 MHz，－6 dB帶寬4.8 MHz。在不同距離上的平面靶回波具有類似的頻譜。

2.2 非軸位回波信號功率譜

圖2 超聲探頭24 mm處平面靶的回波頻譜Fig.2 Echo spectrum of theflat target with ultrasonic probe at 24 mm

非軸位掃描時聲脈沖在到達眼底前主要在玻璃體中傳播，聲衰減較小，進入球后組織后，頻譜隨著深度增加向低端移動的趨勢開始顯現(xiàn)。圖3給出了非軸位掃描時眼底第3至第8片段組織的歸一化功率譜頻譜，可以看到頻譜形狀大致相同，但中心頻率隨深度明顯下移。

圖3 非軸位探測時眼底順序取樣部分的頻譜Fig.3 Spectrum of the sequential sampling parts of the of fundus when non axial scanning

2.3 不同深度回波信號中心頻率變化

圖4和圖5分別顯示了軸位和非軸位探測時回波信號中心頻率平均值隨深度的變化。從圖4中可以看到晶狀體后囊中心頻率低于平面靶回波，反映了聲通路中探頭聲窗，角膜，晶狀體等物質(zhì)的存在對頻譜的影響。從圖4中還可以看到晶狀體后囊和眼底較淺處回波的中心頻率相差很小，這是因為兩者間的組織是玻璃體，其聲學(xué)特性接近于水，所以對頻譜的影響比較小。圖5中可以看出非軸位探測時眼底中心頻率比軸位探測時略高，可見晶狀體對信號頻譜具有一定的影響，但是影響并不顯著。有趣的是，眼底較淺處中心頻率隨深度不僅沒有下降，反而逐步上升，這種趨勢一直保持到眼底3～4.5 mm左右，其后又隨深度迅速下降。仔細研究圖4，發(fā)現(xiàn)這種趨勢在軸位探測時也同樣存在，只不過軸位探測時深部回波較弱，分析深度小于非軸位探測，所以這種趨勢沒有這么明顯。估計眼底較淺處中心頻率隨深度增加源于組織的散射特性，而以后的頻率降低主要源于組織的衰減特性。

將圖5中曲線的下降段作直線擬合，得到方程f= －0.16 l+13.17，其中l(wèi)表示探測深度，單位為mm，f表示頻率，單位為 MHz。

2.4 組織超聲頻譜特性

將眼組織超聲回波信號的平均對數(shù)功率譜中減去平面靶超聲回波信號的對數(shù)功率譜，即得到反映組織聲特性的平均歸一化對數(shù)功率譜，如圖6和圖7中所示。

圖4 軸位探測各處頻率與距離的關(guān)系Fig.4 The relationship offrequency and distance when axial scanning

圖5 非軸位探測各處頻率與距離的關(guān)系Fig.5 The relationship offrequency and distance when non axial scanning

由于聲路中類水組織占有較大的比重，晶狀體和眼底較淺處回波的頻譜大致反映了組織的散射特性，而眼底較深處的頻譜是其散射特性和前方組織聲衰減特性共同作用的結(jié)果。從圖中可以看出晶狀體后囊的平均功率譜在探頭的帶寬范圍內(nèi)接近于一條直線，晶狀體回波頻譜比較平坦，接近于平面靶;在眼底較淺處不同深度的中心頻率雖然有變化，但是頻譜形狀卻很相似，都有隨頻率升高的趨勢，這符合Lizzi對瑞利散射子特性的描述［4］。

無論是軸位還是非軸位探測，眼底較淺處組織的頻譜形狀基本相同，但是眼底片段2和片段3又明顯高于片段1，這和實驗結(jié)果2.3中對平均中心頻率的觀察是一致的。其余深度上頻譜曲線在較高頻率上的下垂明顯是受到了前方組織聲衰減特性的影響。

圖6 軸位探測組織頻譜特性Fig.6 Spectrum characterization of tissue when axial scanning

圖7 非軸位探測組織頻譜特性Fig.7 Spectrum characterization of tissue when non axial scanning

3 討論和結(jié)論

脈沖回波超聲設(shè)備由發(fā)射和接收兩部分組成，發(fā)射部分的設(shè)計主要決定于所要求的橫向和軸向分辨力。從信號濾波的角度考慮，接收部分的設(shè)計必須事先了解回波的頻譜特性。超聲脈沖發(fā)射后不再受到設(shè)備的控制，回波特性將由發(fā)射脈沖，組織散射特性和聲通路上介質(zhì)的聲傳播特性共同決定，而后二者均決定于人體組織。筆者研究了特定探頭條件下正常眼的在體回波信號特點(見圖4和圖5)，并利用射頻信號頻譜分析方法探討了其中組織特性的影響，解釋了形成這一特點的機理。頻譜分析是超聲組織定征(ultrasonic tissue characterization，UTC)的基本方法［8］，其根據(jù)是不同組織具有各自不同的特征性的散射頻譜，很多工作將此方法用于各種正?；虿∽兘M織的識別［9－12］，本研究的實驗結(jié)果符合前人的觀察［6］。組織的聲傳播特性具有眾所周知的非線性性質(zhì)，在入射和反射雙向影響到回波信號的頻譜。實際上對于在體組織實施基于譜分析方法的UTC，組織聲傳播的非線性是一種很難克服的干擾。在眼球中，尤其是非軸位探測，聲波在很長距離上是在類水的介質(zhì)中傳播的，使我們有機會觀察到眼底組織的散射頻譜，但是來自更深部組織的回波就無法分辨散射頻譜和非線性引起的頻譜改變(見圖6和圖7)，可以肯定的是越深部的組織傳播特性對回波頻譜的影響就越嚴重。而本研究無意于眼組織定征，因此分辨此二者超出了本研究的范圍。

由于眼結(jié)構(gòu)的不均勻性，眼組織超聲回波頻譜具有其特殊性，不能當(dāng)成一般的均勻軟組織來對待。本研究的結(jié)果來自對兩個正常眼球的實驗，可以想見，病變眼球的回波譜必然會受到病變組織散射特性的影響，不同的病變將有不同的規(guī)律。限于條件，無法進行病變眼球的實驗，但是可以預(yù)期，只要球內(nèi)類水介質(zhì)占主導(dǎo)，球后軟組織這樣的基本結(jié)構(gòu)不變，那么病變眼球的回波特性和正常眼球的偏離不會太大。

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