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老蒋谈超声(十二):几个关于四维超声的问题

发布时间:2016-12-02作者:小姚

僧哥曰:小姚是中山大学数学系毕业的,作为一个崇尚“数学之美”的3人制篮球狂热爱好者,研发也是一把好手,尤其擅长超声算法实现。本期老蒋谈超声,小姚同学从相对专业的角度和大家分享几个关于四维超声的问题。


前言:

超声四维成像从出现到现在已经有几十年的历史,从机械臂采集模式,到内置步进电机的容积探头采集模式,再到当下的面阵探头采集模式,3D/4D一直都是研究的热点。而产科四维无疑是大家最熟悉也最容易理解的应用,它通过各种高级渲染技术,把三维的空间回波数据转变成一副有立体感的二维图像。


今天我们来谈谈超声四维技术开发过程的一些技术点。由于本人主要参与的是产科超声四维的研究,所以这次主要介绍使用容积探头的产科超声,讲一讲大家感兴趣的几点内容。


问题一:为什么腹部四维探头都比较大?


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常规大凸/机械容积探头/面阵探头


探头决定了超声四维的技术先进性,也决定了用户最关心的图像质量和刷新卷率的问题。目前大部分的超声四维探头都分为两种:面阵探头和容积探头。

面阵探头有几千个阵元,这些阵元不再是传统的一字排列,而是矩阵式排列,这样的排列,使得探头可以对三维空间的不同方向上进行发射和接收,从而可以快速的获得数据。面阵探头理论上是高卷率的首要部件。面阵探头也是有各种型号,相控阵面阵探头在心脏超声上已经比较常见,各大厂家也慢慢掌握了这个技术;用于妇产科的凸型面阵探头实现难度要大得多,也就最近几年GE和Philips能够有相对成熟的产品,但也是在不停的优化换代中。面阵探头内部包含了几千个阵元、信号处理芯片和散热相关器件,可以说,为了把这几千个阵元的信号最优化应用,面阵探头内部实际上就是一个小的超声前端系统,探头内部一般会有ASIC芯片来解决前端信号波速合成处理以及散热效能问题。不同的公司的探头尺寸差异巨大,为了把这些都塞在探头里面,又不会发热超标,凸阵的面阵探头一般都会比较大。


容积探头内部的声头部分实际上是一个常规的一维探头,它的大块头是因为内部加了一个电机以及传动装置用于带动探头进行一定角度的摆动,一个单向摆动就能获得一个空间的体数据。目前绝大部分的产科四维用的都是容积探头,这种探头相对于面阵探头而言可以认为是超声四维的过渡方案(也可以认为是机械臂方案的小型化),但是从工业而言,它的工艺相对简单稳定,没有面阵探头的复杂工艺和散热问题,价格也便宜许多(实际上,市面上还没有卖面阵探头的厂家)。


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容积探头声头部分就是一个常规一维声头阵列


问题二:是否发射能量四维比二维更大?


四维比常规的二维加多了两维,自然让人想到会不会在使用的时候人体接收的声波发射剂量会更加大呢?实际上,不管是美国的FDA还是中国的SFDA,都对超声的声波发射剂量有严格的限制,简单的说,就是规定了在一个组织位置上的单位时间上接收到的声波能量要满足一定的条件,这样才会认为是安全。其实,相对B、C这种二维成像或者PW这种一维的成像,在医生手握探头不动的情况下,四维下每个组织位置的声功率一般都不会比它们的大。

    1. 每秒钟发射的次数在B/C/D下基本上都是差不多的,都是在不停的发射。所以可以认为每秒钟发射的能量四维不会比其它模式多。

    2. 每个位置上的接受剂量,由于四维下,马达带动探头摆动,所以,不同组织上的接收剂量更少。原来在一个二维平面上一秒钟承受的发射能量,现在都分散到一个三维空间上了。

    3. 实际应用中,四维持续扫描时间短。三维四维实际上医生不会像二维扫查一样持续不停的成像。四维超声上,医生一般不会持续采集四维超过半分钟就会冻结,然后调整采集位置条件再采集合适的切面。间断式的操作方式,也保证了声发射平均单位时间能量的安全性


所以,四维并没有比二维发射更多的能量,与常规二维都是能量可控的。


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问题三:卷率为什么不能跟B模式一样?


四维下,探头从一个方向摆动到另外一个方向得到一卷体数据,通过渲染得到一幅二维立体图像进行显示,一秒钟能够获得的体数据个数就决定了一秒钟能够显示或者刷新的次数,相对于B模式下的图像帧率(fps, frame per second),四维下一般称为卷率(vps, volume per second)。目前而言,即使是最高端的超声,只要是使用容积探头,常规的卷率也是在2~4vps之间,与B模式20fps以上的刷新率而言,有一定的差距。


四维超声系统的卷率主要受到几个因素的约束:

  1. 电机的摆动能力

  2. 体数据图像质量

  3. 系统平台处理能力


市面上的几款容积探头,作者基本上都接触过,甚至最高档机器的容积探头,也测试过其电机马达摆动能力。可以认为,目前的瓶颈不是探头电机的摆动能力,在60度下,稳定摆动5vps以上是没有太大问题的,要求再高就要有强有力的马达配合,如前所说,大部分超声产科四维卷率在2~4vps,所以探头摆动并不是卷率的主要瓶颈。


瓶颈主要在图像质量的考量上,这个方面的考虑的有两个方面,一是卷率高导致的数据量少而影响的图像质量。对于特定深度的采集,每次发射声波传播的距离是已知的,同时探头采集的空间范围(定义为摆动角度以及B平面扫描范围两个参数)也是由用户确定的。这个时候,卷率其实就取决于扫描这个空间范围时需要发射的次数,发射次数越少,卷率越高。举个例子,如果扫描深度是12cm,声速1540m/s,那么发射一次,声波传递到这个深度然后回波到探头表面被接收,发射接收一次的时间就是t=12*2/1540,单位秒,如果一个体数据需要发射N次,那么理论卷率就可以计算出来了,就是1/(N*t),假设按照常规B的线密度(一幅图160线左右,双波束,即每帧发射80次),摆动角度60度,一卷体数据60帧图,那么N=80*60=4800,理论卷率就是1.34vps。之所以说这个是理论卷率,是因为探头摆动和系统发射接收都会有各种限制,所以实际的卷率需要在这个理论卷率上打个折扣。可以知道,卷率与数据量成反比了,更精确的说,卷率跟发射次数成反比。为了提高卷率,发射次数就要少,从而数据量少,导致图像质量就会差(就如线密度低和线密度高时图像差异)。另一方面,卷率高摆动快对波速合成的信号质量也有影响,在同样的数据量下,探头的摆动也会导致发射和接收位置的不一致,使得数据clutter噪声更加严重。摆动快导致的数据质量不高的问题是容积探头下卷率不高的主要因素。


系统平台处理能力,最近几年,由于GPU的通用处理能力的加强,慢慢的使用GPU作为协处理器处理超声数据以及进行高性能渲染算法处理的超声机器越来越多。一般的台式机,都是使用独立高性能显卡作为协处理器,GPU非常适合进行三维/四维这类并行处理需求高的算法,能够非常容易的满足体数据渲染处理性能的需求,可以这么说,一块200块钱的PC显卡,做四维渲染的速度能够轻松完败一个最新的i7处理器。但是对于便携超而言,由于其对器件发热功率的严格要求控制,常规的台式机显卡是不能使用的,所以性能就是一个不能不考虑的关键问题,目前支持四维的便携机不太多,一方面原因是产科用便携机的不多,一方面,处理能力不强也是重要原因。


由于以上限制因素,容积探头下,要达到与B模式类似的体验,在我看来是不太可能。真正的实时四维首要前提是面阵探头的应用。


问题四:产科四维的最佳时期是什么时候?


最好的超声四维时期是26~30周,这个时候,胎儿的发育基本成熟,而且这个时候羊水也比较充足,羊水的充足有利于四维更好的对胎儿脸部进行成像。国内一般的三维四维超声检查会跟系统筛查一起,也就是大概22~24周左右,虽然时间找了一些,胎儿会显得没有那么饱满,但是这个时候羊水充足,如果胎位合适,一般也能获得比较好的图像。30周以上,虽然胎儿发育更加的成熟,但是羊水少,胎儿手和脐带更容易遮挡住脸,所以也就不太容易四维获取好的采集数据。


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6周


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13周


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26周


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