医学超声成像的基本原理范文

超声由于其无创、廉价和实时性等优点已经成为三大主流医学成像手段之一。但是斑点噪声的存在降低了超声成像质量，限制了其应用领域。本文从物理原理出发给出了斑点噪声的形成机理，推导了超声回波中斑点噪声的数学模型及其相应的概率密度函数。模型的推导为后续变电噪声的去除算法提供了强有力的理论依据。

【关键词】超声成像斑点噪声相干波统计模型

1引言

超声成像技术相对X-rays，MRI等其他成像技术，具有安全、成本相对低廉、无损、实时成像等许多优点，在医学诊断领域获得广泛应用。然而，超声系统成像的相干特性导致超声图像产生固有的斑点噪声。斑点噪声的存在降低了图像的分辨率和对比度，降低了图像质量，掩盖了图像某些细节信息，给临床诊断及后续的图像特征提取和识别造成了不利的影响，因此斑点噪声的抑制对医学超声图像分析具有非常重要的意义。然而，现有文献大部分主要集中在如何提出新的超声斑点噪声抑制算法，对于其产生原理和模型却涉及不多。本文意在阐明超声斑点的成因及模型，为后续的分析和处理提供依据。

2斑点噪声的形成机理

在超声医学图像成像过程中，系统根据当前检查参数生成发射聚焦控制数据，该数据经过数字电路转换和模拟高压驱动电路后变为驱动探头的激励信号，探头在高压信号的激励下将高压电信号转换为探头晶体的机械振动，从而形成超声波在人体中传播。超声探头发射的单一频率的超声波被体内组织的粗糙表面散射会形成一系列相干波，这些相干波互相干涉形成的噪声就是斑点（Speckle）噪声。

由干涉理论可得，两个或两个以上频率相同、振动方向相同、相位差恒定的电磁波在空间中传播叠加时，会出现某些区域振动加强，某些区域振动减弱或完全抵消的现象。如图1所示，上图为两列相干波振动加强的情况，即相长干涉，下图为两列相干波振动减弱的情况，即相消干涉。这种现象在超声图像上表现为一种颗粒状的、黑白点相间的纹理，即斑点噪声。

受发射声场照射时，理想点目标的散射声场以该点目标为中心呈球面状同时向外扩散。超声图像的分辨单元尺寸一般为其信号波长的几十倍。因此，在每一时刻，超声波照射的组织单元都包含了大量与波长相当的散射体。如图2所示的实际点目标，其轴向和侧向均小于或至多等于超声系统的轴向分辨率和Pr和侧向分辨率Pa。在同一个可辨别的区域内，存在着大量的等效散射点目标，所有点目标散射子回波的矢量和就形成了总的回波。

3斑点噪声的模型

超声系统接收的散射场是复数信号，包括幅度和相位信息。一般采用正交解调来获得图像数据。超声图像的每一像素不仅包含反映体内组织超声波反射的强度，即灰度值，而且还包含与组织运动相关的相位值。对于均匀区域，任何大小为分辨单元的回波信号可分解成同相分量和正交分量，这两个信息分量可用一个复数AR+jAj来表达，即：

AR+jAj=（1）

其中是复数模A。B型超声图像就是利用A来进行成像的，A代表了回声信号的强度，即在B超上为对应像素点的亮度值。

假设成像分辨单元内有大量等体积散射子，该分辨单元内各散射子叠加的总效果可以通过复平面内随机走动来描述，如图3所示。采用随机行走法将具有随机相位的子回波矢量叠加，漫散射群中任一散射子对回波信号产生的贡献相当于增加了随机行走的一步，通过叠加最终形成接收到的复信号。如下图所示，第一个矢量从原点开始，第二个矢量从第一个矢量的末端开始，依次一个接一个，从原点到最后一个矢量末端的矢量就是最终合成矢量。如果每一次走动可看作是独立的随机变量，那么大量的这种走动就可以运用中心极限定理（CentralLimitTheorem）来解释。如图3（b）所示，中心点是2D复高斯分布，大量这样散射子群组成的的幅度值遵循Rayleigh分布。

对于类血液细胞这类散射体，包络检测消除相位信息后，在复平面内回波信号幅值的概率密度函数可以由下式来表示：

P（A）=，A≥0（2）

其中σ是复高斯的标准差，也就是实部和虚部的标准差都是σ。

即幅度的概率分布满足Rayleigh分布，斑点的亮度由散射子的密度和强度等来确定，随机行走中更少、更长的步长时会比许多小短步长要亮，密度越大也会更亮。概率密度函数固定不变的，和组织无关。

对于肝实质的小叶这类的散射体，由于空间变化的散射体之间的相互干涉，有效的散射体数目有限，回波信号服从K分布。

Pv，a（x）=，

x≥0（3）

式中Kv是第二类的v阶Bessel函数，a，v分别是尺度参数和形状参数。

对于组织表面和血管这类的散射体，随机散射区域内存在一致的相干结构，接收到的散射信号服从Rician分布：

P（A）=，

A≥0（4）

当A≥0时，这些PDFs都是非零值。s表示亮的散射体的回声强度。I0是非完备零阶Bessel函数。RicianPDF由s/σ来确定，记为k=s/σ。当s=0时，RicianPDF就是RayleighPDF。下图是Rayleigh分布和不同参数的RicianPDFs。

左图（图4-a）：散射区域相干成分的存在使得随机行走中增加了常向量s。

右图（图4-b）：射频信号r的PDF的等值线图。以s结束点为中心形成2D复高斯分布，对于某一固定的s，大量这样散射子群组成r的幅度值遵循Rician分布。

Jain在超声图像中所含噪声进行深入分析的基础上，于1989年提出将超声图像中的噪声分为加性噪声和乘性噪声，将超声图像模型表示为：

I=If・nm+na（5）

式中nm，na分别指的是乘性和加性噪声，I表示被噪声污染后观测到的图像，If表示原图像。

在医学超声成像系统中，加性噪声一般由电路和器件的热噪声所产生，其对所成图像的影响要远小于乘性噪声，所以在图像噪声分析时，加性噪声常常被忽略。为降低有关图像处理算法的难度，通常在式（5）的两边取对数转换为一个加性噪声模型：

log（I）=log（If・nm）（6）

进而得到

（7）

、和分别是I、If和nm的对数变换。

4结论

斑点噪声降低了图像的分辨率和对比度，降低了图像质量，掩盖了图像某些细节信息，给临床诊断及后续的图像特征提取和识别造成了不利的影响。目前大部分的文献都集中在研究斑点噪声的去除方法，而对于斑点噪声的产生原理和模型论述的不多，本文通过分析和推导，论述了超声成像中斑点噪声产生的基本原理、数学模型及其分布，为后续的去噪算法提供坚实的理论基础。

参考文献

[1]A.Webb，IntroductiontoBiomedicalImaging.JohnWiley&Sons，Hoboken，2003.

[2]郝晓辉，高上凯，高小榕.一种新的超声图像斑点噪声抑制方法[J].中国生物医学工程学报，2001.

[3]韩春明，郭华东，王长林.SAR图像斑点噪声抑制的本质[J].遥感学报，2002.

[4]曾夏辉，吴逢铁，刘岚.干涉理论对bottlebeam的描述[J].物理学报，2007.

[5]万明习.生物医学超声学[M].北京：科学出版社，2010.

[6]JAINAK.Fundamentalsofdigitalimageprocesssing.EnglewoodCliffs，NJ：PrenticeHall，1989.

作者简介

张琼（1981-），女，广东省汕头市人。博士学位。现为汕头大学工学院电子系教师，实验师。主要研究方向为医学信号处理。

李斌（1981-），男，湖北省天门市人。硕士学位，现为汕头超声仪器研究所有限公司工程师。主要研究方向为医用超声信号处理。

作者单位

医学超声成像的基本原理范文篇2

近年来,我国经济虽然取得飞速发展,但人民群众总体生活水平仍有待提高,加之受现有医疗卫生体制的影响,诊疗费用仍是患者选择医疗服务时的重要参考因素。与其他影像检查(CT、MRI等)相比,超声诊断的损伤性小、电离辐射轻、性能价格比最优,得到大多数患者的青睐,在临床疾病诊疗和预防保健工作中被广泛使用。然而,由于价格相对低廉,程序相对简便,使得超声诊断过度医疗的现象普遍存在。同时,与CT和MRI等技术有所不同,超声影像诊断由人工控制检查速度,即使仪器成像速度再高,单位时间内的工作效率也仍由医务人员的技术水平决定n;准确无误的诊断涉及到多方面的医学知识,要求医务人员对多学科信息综合分析,从多角度集思广益、开拓思路,得出正确结论。因此,超声影像诊断对人员素质、人员数量的依赖性极大。为有效应对超声科室不断增大的工作量,除了添置和引进先进的超声诊断设备外,培养更多的高素质超声诊断医务人员已成为必然选择和当务之急。

1.2新型超声诊疗技术层出不穷,应用难度加大

经过长期的实践和发展,现代超声诊断技术的难易度已出现明显的二极化态势。部分较为容易掌握的常规或传统诊疗超声技术由一般超声技术人员完成。部分已经成熟或标准化的超声脱机分析和图像重建工作,如造影增强时相分析、三维重建等新工作,可由经过专门培训的技师完成。现代科学技术日新月异,新型超声诊疗技术与日俱进。部分技术处于不断完善的阶段,显得比较繁琐、复杂和耗时,但在疑难疾病的诊断与鉴别诊断中将起到关键性作用,推动超声医学不断向前发展。这对超声影像专业人才的学习能力、研究能力和实践能力、协作能力都提出了更高的要求。

2我国超声影像专业队伍培养现状

目前,我国超声影像专业人员队伍主要由近年来逐渐增多的高等院校医科毕业生和早期培养的超声影像技术人员组成,前者具有扎实的专业理论知识,后者经过多年的实践对传统的超声影像设备和诊断驾轻就熟。与国外医师和技师互相配合不同,我国医院单独设立超声科室,由医师或技师独自操作和诊断。这样,病例采集与诊断之间衔接紧密,医师可及时获取信息,调整诊断思路,效率较高,短期内可完成大量工作。然而,超声影像人员虽然熟悉操作和基本诊断,但对某一类疾病的了解不及临床专业医师。超声科室的诊断性与技术性工作分工不突出,对超声影像人才的综合素质和实际操作能力都提出了很高要求,知识和技能兼备的超声影像人员仍较为缺乏。

2.1“学院型人才”实践能力培养不足

卫生部《关于医技人员出具相关检查诊断报告的批复》规定“出具影像、病理、超声、心电图等诊断性报告的,必须是经执业注册的执业医师”,超声诊断专业队伍正在朝着纯医师化方向转型。我国超声专业医师的培养,已形成了本科(临床医疗/医学影像专业)——硕士——博士研究生规范化教育体制。影像专业的本科生进入工作岗位后,虽会有短期实习,但多数毕业生缺乏临床操作经验,且没有执业医师资格、大型医疗器械上岗证等资质证明,一般需要2年的培养周期才能完全胜任日常的临床工作。而目前的研究生教育学制一般为3年,培养计划大多是一年的基础课程学习加2年的专业临床学习,在此期间还需开展一定的科学研究工作,并完成毕业论文。在较有限的时间内,硕士研究生同时面临着继续深造、从事科研和就业的压力。大部分硕士研究生把主要精力放在考试、实验、以及上,毕业后无法在实际岗位上看病问诊,对疾病的认识多止于书本之上。这样的教育模式虽然在一定程度上培养了科研能力,但远不能保证其临床水平。

2.2部分在职人员知识基础较为薄弱

目前在岗的经验丰富的超声影像医务人员大多并未接受过专业相关的高等教育。这部分人员具有大量实践操作经验,在“学院型”超声诊断人才初入岗位之时起到了十分重要的指导和扶持作用,但就全国范围来说,其学历构成水平仍以专科为主。虽然部分人员在工作中接受了更高水平的进修、函授教育,因在岗学习时间有限、系统性不强,部分医院或医务人员自身甚至报着完成任务的心态而敷衍了事,难以弥补其较为薄弱的综合素质。如今很多大型医院引进了先进的影像设备,由于操作技术人员的专业素质原因,许多检查功能并不能得到很好的应用,甚至闲置;据有关资料显示,高尖端的设备只发挥50%的效能,有些甚至不能达到50%嘲。

3超声影像专业人才培养策略

3.1丰富教学形式,重视实践能力培养

超声影像涉及多门学科,知识量大,理论教学较为单调,学生易产生倦怠感。临床知识丰富、专业理论扎实的教师在超声影像人才培养中起到至关重要的作用。教师应充分利用多媒体教学,采用互动式讲座、PBL教学法,调动学生的学习积极性。在确保高质量课堂教学的同时,可定期开展与住院医师的交流活动,尤其是各专科医师的定期讲座将极大丰富超声影像专业学生的临床见闻,各医学院校应充分利用优势资源,建立和维护与医疗机构间的良好合作关系,为本科生提供校外实践平台,通过医院内的观摩、考察、讨论以及实际操作锻炼学生的实践能力。加强与优秀校友和资深医师之间的联系,建立和完善校外导师制;根据研究生的研究方向和就业意向,实施阶段性的院内实习,合理安排医院见习时间,要求掌握各种型号超声仪器的操作和特点,掌握常见多发疾病的超声诊疗技术,熟悉各种检查方法及先进的超声诊疗技术,同时协助医院开展科学研究工作,并完成论文。

医学超声成像的基本原理范文

[关键词]乳腺肿块；超声介入；穿刺活检

[中图分类号]R445.1[文献标识码]A[文章编号]1674-4721（2013）07（c）-0120-02

乳腺癌是我国女性常见的恶性肿瘤之一，早期定性诊断乳腺肿块对其起着至关重要的作用。超声影像学检查是其主要诊断手段之一，但准确率仍存有误差。为进一步明确其病理性质，可进行超声引导下粗针穿刺活检检查[1]，通过穿刺标本病理检查结果，为确定治疗方案提供依据。本院是基层二甲医院，乡镇地区医院，本研究目的是为两癌筛查普查，探讨基层医院开展超声介入性诊断乳腺肿块的穿刺活检的意义。现对46例患者应用超声引导穿刺活检进行回顾性分析报道如下。

1资料与方法

1.1一般资料

选择2012年10月～2013年3月因常规体检或乳腺胀痛等原因于本院就诊发现并治疗乳腺肿块的46例患者，年龄26～75岁，平均（48±9）岁，肿块直径大小在8～40mm。术前血常规以及凝血系列等常规检查均正常。

1.2方法

采用迈瑞M7超声机及全自动活检枪，选用14G/16G粗针穿刺取物对乳腺肿块进行穿刺活检。取正确，上举双臂充分暴露乳腺，消毒后，进行扫查，找到肿块位置，了解并记录肿块基本情况，根据声像图，选择最佳进针方向。局部麻醉后，选择适当的射程，进针并快速释放全自动活检枪，再将针槽内组织条送往常规病理检查，得出病理诊断。

2结果

46例患者均超声引导成功穿刺，顺利获得病理组织，术后无出血等并发症的发生。

3讨论

乳腺肿块严重影响妇女身心健康，其诊断可根据体征、触诊、超声影像学等检查确诊，但以上方法检查结果正确率不高。超声引导乳腺穿刺活检诊断准确性高、费用低廉，在临床上具有重要作用。

3.1穿刺活检的技巧及经验

①在进行穿刺前需运用超声图像明确肿物范围、确定穿刺进针点位置，预测针尖射程最深点，以免伤及深层组织或造成气胸等损伤的发生。②应用14G/16G粗针穿刺取物，取出来的更多，观察更清楚，使诊断准确率更高。③应用全自动枪进行穿刺，临床医生可自取组织物。以往的操作须临床医生握枪，护士握枪头取组织物，而全自动枪只须临床医生一人操作即可，方便，更好地严格无菌操作。④穿刺后出血是其常见的并发症，撤针后及时利用探头压迫穿刺部位，采用弹力绷带多层包扎或是用手掌长时间压迫来进行预防[2]。

3.2穿刺活检的误诊原因

①肿块直径过小；②穿刺针激发时，肿物瞬间受冲击位移；③取材的部位不恰当；④穿刺针的粗细、长短和切割槽大小的选择；⑤穿刺角度的控制欠佳以及组织取材较多；⑥穿刺针道交叉部分重叠[3]。

3.3在基层医院开展的意义

本研究是中山市北区第一个开展的超声介入性诊断乳腺肿块的穿刺活检对乡镇、农村地区妇女的乳腺癌普查，旨在提高基层医院医疗技术，惠及乡镇、农村地区老百姓，使没有条件到市级大医院接受治疗的老百姓在基层医院中亦能接受到科学、先进的治疗。本院是乡镇医院，病种少，使开展本研究难度大，且乡镇、农村地区妇女思想保守，绝大多数不愿前来参与普查，使普查工作难以顺利开展。临床医生需要耐心对其进行心理疏导，消除其忧虑，放心来院接受普查。

超声图像能提供乳腺肿块的形态特征，超声引导下粗针活检能在术前提供病理诊断，在乳腺疾病诊断中有着重要的临床意义，能在术前明确诊断，为制订合理的手术方案提供病理学依据，提高诊断早期乳腺癌的准确率，有效排除恶性钙化灶，消除良性病变患者的焦虑及负担[4]。

3.4总结

对乳腺肿块进行超声引导粗针穿刺活检简化了诊断步骤，快捷安全，还有助于乳腺癌治疗方案的选择，准确率高[5]。本研究结果表明，超声引导穿刺活检定位准确、损伤小、操作安全简便、取材精确[6]、费用低廉、进一步确定了病理性质，提供了正确的治疗方案，使良性病变患者免去了不必要的手术，对临床治疗有着及其重要的价值和意义[7]。

超声介入性诊断对乳腺肿块穿刺活检准确性高，价格实惠，可在基层医院开展，值得临床推广应用[8]。

[参考文献]

[1]姚秀蕾，肇毅，姚志勇，等.超声引导粗针活检在触诊阴性乳腺肿瘤诊断中的临床意义[J].中国医药导报，2013，10（2）：42-43.

[2]刘景萍，梁永平，李慧芳，等.超声引导穿刺活检在乳腺癌前病变中的临床价值[J].北京医学，2012，34（11）：968-967.

[3]张丽华，赵刚，郭卫东，等.超声引导下活检在乳腺肿块中的临床应用价值[J].河北医药，2012，34（9）：1370-1371.

[4]朱际飚，施开德.粗针穿刺活检在乳腺癌诊断上的应用[J].齐齐哈尔医学院学报，2010，31（8）：1247-1248.

[5]王培云，徐炜炜.超声引导下粗针穿刺活检在乳腺癌诊断和治疗中的应用价值[J].肿瘤学杂志，2012，18（12）：945-946.

[6]詹绍萍，刘辉，郁鹏，等.超声引导空心针活检诊断乳腺肿物的价值[J].临床超声医学杂志，2012，14（11）：787-788.

[7]李小兰.B超引导粗针穿刺乳腺肿块活检60例报告[J].中国医药导报，2010，7（6）：82-83.