B超多途徑反射偽像人工造模及實(shí)驗(yàn)研究

高楊，王亞平，梁鑫予，劉子怡，房蕾

1.牡丹江醫(yī)學(xué)院 物理教研室，黑龍江 牡丹江 157011；2.錦州醫(yī)科大學(xué) 物理教研室，遼寧 錦州 121001

引言

偽像是指任一回波信號(hào)被超聲診斷設(shè)備所顯示的位置與被檢體內(nèi)實(shí)際位置不符或被顯示的信號(hào)振幅、灰度變化不與被顯示的回波界面特性變化相關(guān)的圖像[1-2]。眾多資料及臨床實(shí)驗(yàn)表明偽像存在的普遍性[3-7]。因而探明偽像存在的種類[8-9]、成因及控制方法[10]對(duì)提高檢定準(zhǔn)確性、減少誤判具有重要意義。

如今對(duì)于多途徑反射偽像的研究在A型超聲成像中已較為成熟，而其在B超方面的研究相對(duì)較少，本研究設(shè)計(jì)了一種模型，真實(shí)再現(xiàn)B超中的多途徑反射偽像，并加以科學(xué)驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

CTS-285B便攜式超聲顯像診斷儀、JTC-5A型超聲波診斷儀、5 MHz的A超探頭一支、B超凸陣探頭一只（掃描頻率為3.5 MHz）、有機(jī)玻璃水槽一個(gè)（長×寬×高=17 cm×14 cm×7 cm）、蒸餾水、含空氣夾層的有機(jī)玻璃片2片（S1/S2）、坐標(biāo)紙（大小應(yīng)與有機(jī)玻璃水槽相匹配）、液體石蠟、耦合劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

多途徑反射成像，見圖1。超聲波由探頭出發(fā)，非垂直入射到界面S1的P點(diǎn)上，其反射波偏離原來的界面入射到另一界面S2的Q點(diǎn)上，恰好有P→Q（即離開S1界面的反射波）垂直于界面S2，此時(shí)由于該聲束垂直入射，故其將沿原路返回并被探頭接收，從而成像Q′。但由于受超聲波成像假設(shè)限制，界面S2的反射回波將成像于OP的延長線上，且PQ=PQ′，此時(shí)顯示的位置與目標(biāo)實(shí)際位置相差甚遠(yuǎn)，即為B超的多途徑反射偽像。

圖1 多途徑反射偽像成像原理圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將坐標(biāo)紙固定于長方形有機(jī)玻璃水槽的底部，使水槽的邊框與坐標(biāo)紙的橫縱坐標(biāo)平行，將水槽中注1000 mL蒸餾水，打開B超儀器預(yù)熱10 min后，涂抹適量耦合劑于凸陣探頭上，將有空氣夾層的有機(jī)玻璃片S1放置在水槽中，使得凸陣探頭垂直入射到S1界面的中心點(diǎn)P上（圖2），此時(shí)B超屏幕上出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)回聲反射界面，轉(zhuǎn)動(dòng)S1直至該界面在屏幕上消失，然后沿S1反射波方向上放置另一塊有空氣夾層的有機(jī)玻璃片S2，轉(zhuǎn)動(dòng)S2直至屏幕上重新出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)回聲界面后，凍結(jié)圖像并測(cè)量入射界面到強(qiáng)反射回波界面的距離D1（圖3）。記錄此時(shí)玻璃片在坐標(biāo)紙上位置，計(jì)算超聲波從探頭出發(fā)經(jīng)S1再反射到S2的距離（OP+PQ）。保持玻璃片和水槽的位置不變，用A型超聲診斷儀的5 MHz探頭重復(fù)測(cè)距，注意探頭發(fā)出的入射波要射到S1的O點(diǎn)上，讀出示波器上始波到反射回波的距離D2。通過改變玻璃片的位置與角度，重復(fù)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。

圖3 人工實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图癇超屏顯結(jié)果

為減小誤差，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)對(duì)照組：采用坐標(biāo)讀數(shù)對(duì)照和A超驗(yàn)證對(duì)照。雖然兩個(gè)對(duì)照組各有其局限性但各有其意義：① 通過做出光路圖并對(duì)照坐標(biāo)紙讀數(shù)更直觀，能夠更好的說明多途徑反射偽像的成像原理；② 通過A超實(shí)驗(yàn)在示波器上直觀看到的脈沖回波能更有力的說明，在相同條件下，B超探頭能接收到該多途徑反射回波。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 測(cè)量數(shù)據(jù)及優(yōu)化

需要測(cè)量的數(shù)據(jù)：Li：探頭入射到S1界面的中心點(diǎn)的距離OP；Lr：S1界面的反射波垂直入射到S2界面的中心點(diǎn)的距離PQ；坐標(biāo)紙讀數(shù)L：L=OP+PQ=Li+ Lr；B超測(cè)距D1：D1=OP+PQ′（Q′即界面S2的反射回波成像于OP的延長線上的偽像）；A超測(cè)距D2：D2即A超示波器上始波到反射回波的距離（表1）。

表1 一般反射條件下的數(shù)據(jù)（mm）

為坐標(biāo)紙讀數(shù)方便與準(zhǔn)確，以盡量減小誤差，在此運(yùn)用了全反射定理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。即，將有空氣夾層的有機(jī)玻璃片S2豎直放置在水槽中，要求S2與坐標(biāo)紙上豎直方向的格線重合，移動(dòng)S1盡量使凸陣探頭發(fā)射出的超聲波與反射界面S1的法線方向呈45°夾角，從而構(gòu)成全反射條件。由全反射規(guī)律可得：S1界面上的入射點(diǎn)O到S2的水平距離即反射波走過的路程L2，直接讀出水平格線的長度即為L2（表2）。

表2 全反射條件下的數(shù)據(jù)（mm）

2.2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于表1和表2數(shù)據(jù)，我們做以下處理：

令L=Li+Lr設(shè)立公式，分別得出3 組數(shù)據(jù)的；和 X1、X2、X3令得①式得②式。

表3和表4的對(duì)比數(shù)據(jù)表明，一般情況下的M值遠(yuǎn)大于全發(fā)射情況下的值，即坐標(biāo)紙讀數(shù)與A超驗(yàn)證這兩個(gè)對(duì)照組的測(cè)量數(shù)據(jù)相差較大。而在全反射條件下，兩個(gè)對(duì)照組的值偏離較小，可見使用全反射規(guī)律進(jìn)行的測(cè)量誤差小于一般反射條件下的測(cè)量誤差。由此印證了利用全反射定理得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)越性。故舍去誤差較大的一般反射條件下的數(shù)據(jù)，保留全反射條件下的數(shù)據(jù)。

表3 一般反射條件下的數(shù)據(jù)

表4 全反射條件下的數(shù)據(jù)

2.2.2 誤差分析

（1）聲束的容積效應(yīng)[2]：由于超聲聲束不能被直接觀測(cè)到，因此不能保證聲束準(zhǔn)確打在S1界面的O點(diǎn)上。且由于從探頭發(fā)出的聲束具有一定的寬度和體積，并不是理想模型中的窄聲束，因此打到界面上為一個(gè)投射面，故在B超中成像并不是點(diǎn)成像。因此不能被準(zhǔn)確定位與測(cè)量。

（2）介質(zhì)的不均一性：由于超聲聲束在接觸到水之前還要經(jīng)過有機(jī)玻璃水槽壁傳播，故超聲聲束并不是在成像假定中的均一介質(zhì)直線傳播，而是帶來了輕微的折射偏離和聲速失真。

（3）人工操作帶來的誤差：如讀數(shù)誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的擺放不恰當(dāng)?shù)取?/p>

3 結(jié)論

聲束非垂直入射到組織內(nèi)某界面時(shí)，將反射偏離到另一界面，然后再反射直到被接收。因超聲成像的三個(gè)假設(shè)之一，即聲束在介質(zhì)中沿直線傳播，導(dǎo)致此時(shí)顯示的位置與目標(biāo)實(shí)際位置相差甚遠(yuǎn)，雖然可通過改變探頭的角度消除這種偽影，但它會(huì)使解剖學(xué)結(jié)構(gòu)在邊緣上發(fā)生錯(cuò)位[11]，故此研究在臨床工作和學(xué)習(xí)中有重要意義。

國內(nèi)外對(duì)于B超偽像的研究偏重在臨床中的應(yīng)用[7,12-16]，而本建模實(shí)驗(yàn)，將人造超聲偽像用于教學(xué)，可以把抽象的理論變成可視化的工具更有利于學(xué)生理解掌握，而且填補(bǔ)了此偽像在物理模擬實(shí)驗(yàn)中的空白。在臨床診斷及日常的B超成像實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)?？梢栽谄聊簧嫌^察到一些無法歸類并解釋的異?；芈?，它們大多為多途徑反射偽像所形成的。由于人體臟器界面取向特殊且難以估計(jì)，這種無法避免及準(zhǔn)確分辨的多途徑反射偽像為臨床診斷帶來了一定的困難。故對(duì)其的成像過程研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，以便更好為教學(xué)提供便利，為臨床診斷提供參考。