結(jié)合橫向振蕩和空間正交的向量血流速度測(cè)量

郝鵬慧，杜宜綱，李雙雙，朱 磊，何緒金

(深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司，廣東深圳 518057)

0 引言

在超聲臨床診斷應(yīng)用中，血流速度的測(cè)量具有十分重要的意義和臨床價(jià)值。常規(guī)的血流成像方法包括彩色多普勒技術(shù)、頻譜多普勒技術(shù)和能量多普勒技術(shù)等。隨著數(shù)字信號(hào)處理以及系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，以上技術(shù)的成像質(zhì)量和血流靈敏度都有了很大幅度的提升。但本質(zhì)上，其核心技術(shù)依舊是基于Kasai等[1]在1985年提出的自相關(guān)算法，且只能計(jì)算血流速度的縱向(沿超聲傳播方向)分量，然后通過(guò)角度校正來(lái)估計(jì)實(shí)際血流速度。但由于人體血流具有復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)(如渦流、湍流等)，這就導(dǎo)致角度校正可能會(huì)存在很大的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致速度估計(jì)存在較大偏差，而且以上方法也難以估計(jì)血流的實(shí)際流向。

為了解決上述血流速度估計(jì)方法不能獲得實(shí)際血流速度大小和方向以及角度依賴(lài)等問(wèn)題，科學(xué)家們提出了一系列新的方法來(lái)精確計(jì)算血流速度和流向[2-4]。其中大部分方法都是通過(guò)同時(shí)估計(jì)血流速度多個(gè)方向的分量，然后根據(jù)這些分量的大小和方向去計(jì)算實(shí)際血流速度的大小和方向。也有一部分方法是直接獲得實(shí)際血流速度的大小和方向。這些方法都可被稱(chēng)為向量血流成像[5]，大致可以分為以下4類(lèi)[6]：(1)多角度多普勒分析[7-9]，該方法使用多個(gè)或一個(gè)探頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度不同的多個(gè)聲束，然后分別使用多普勒原理分析計(jì)算各個(gè)速度分量，最終獲得實(shí)際的血流矢量。(2)橫向聲場(chǎng)法[10-15]，使用特定的發(fā)射、接收變跡技術(shù)，使得發(fā)射、接收聲場(chǎng)包含縱向和橫向兩個(gè)分量，進(jìn)而計(jì)算血流速度的縱向和橫向分量，最終獲得實(shí)際的血流矢量。(3)斑點(diǎn)追蹤法[16-18]，根據(jù)超聲圖像中斑點(diǎn)大小的變化和散射子與掃描速度之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而計(jì)算得到實(shí)際的血流矢量。(4)方向互相關(guān)分析[19-21]，使用互相關(guān)技術(shù)和多方向波束合成方法來(lái)確定血流速度的方向和大小，從而獲得實(shí)際的血流矢量。以上方法各有優(yōu)勢(shì)，本文主要從第二種方法入手，分別概括了橫向振蕩(Transverse Oscillation,TO)法和空間正交(Spatial Quadrature,SQ)法的基本原理和成像過(guò)程，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)比分析提出了一種結(jié)合方法即奇偶振蕩(Odd Even Oscillation,OEO)法。該結(jié)合方法可以有效地解決TO法存在的成像計(jì)算量大以及SQ法存在的相位混疊現(xiàn)象和對(duì)噪聲靈敏度高的問(wèn)題。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)合方法的有效性。

1 橫向聲場(chǎng)法

1.1 橫向振蕩(TO)法

傳統(tǒng)的彩色多普勒等技術(shù)只能測(cè)量血流速度的縱向分量，這是因?yàn)榘l(fā)射、接收聲場(chǎng)只在縱向振動(dòng)傳播，因此血流速度只有縱向分量可以引起回波產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。應(yīng)用自相關(guān)技術(shù)也只能計(jì)算縱向速度分量，由于橫向沒(méi)有聲場(chǎng)振動(dòng)傳播，所以也就無(wú)法計(jì)算橫向的速度分量[8]。如果發(fā)射、接收聲場(chǎng)不僅在縱向振動(dòng)傳播，也在橫向振動(dòng)傳播，那么血流速度的縱向和橫向分量都能引起多普勒效應(yīng)，最終就可以計(jì)算得到實(shí)際的血流速度矢量，這也是橫向聲場(chǎng)法的基本原理。根據(jù)超聲探頭變跡方程與焦點(diǎn)區(qū)域聲場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)之間的傅里葉關(guān)系[22]，可知通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的變跡方程(包含兩個(gè)分離的sinc函數(shù))就可以在焦點(diǎn)區(qū)域或遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生橫向聲場(chǎng)。根據(jù)線性系統(tǒng)理論，應(yīng)用相同的發(fā)射或接收變跡，可以得到相同的目標(biāo)聲場(chǎng)[10]。因此為了簡(jiǎn)化測(cè)量，大部分獲得橫向聲場(chǎng)的方法都是接收變跡。

Jensen等[10,12]提出的TO方法就是其中一種，示意圖如圖1所示。探頭的接收變跡方程包含兩個(gè)sinc函數(shù)，每個(gè)sinc函數(shù)的寬度為w，兩個(gè)sinc函數(shù)峰值之間的距離為d[23]，那么在焦點(diǎn)區(qū)域或遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的橫向聲場(chǎng)的波長(zhǎng)大致正比于d，聲波的寬度和 w有關(guān)[2]。

圖1 TO方法示意圖Fig.1 Principle diagram of TO method

傳統(tǒng)的血流速度估計(jì)是基于多普勒原理的，方法很多，常用的主要是相位估計(jì)法。傳統(tǒng)方法需要分別接收同相回波信號(hào)和正交回波信號(hào)，然后根據(jù)自相關(guān)算法計(jì)算血流縱向速度分量。同樣，如果想要測(cè)量血流橫向速度分量，必須得到橫向聲場(chǎng)回波的同相信號(hào)和正交信號(hào)。TO方法通過(guò)微微偏轉(zhuǎn)接收聲束，以產(chǎn)生兩束正交的回波信號(hào)(如圖1中的左聲束和右聲束[2])。兩束聲束之間的距離為橫向聲波波長(zhǎng)λx的1/4，這樣兩束聲束之間的相位差為90°，組成了一對(duì)正交信號(hào)，可以用于橫向速度分量估計(jì)，其中：

式中，λx表示橫向聲場(chǎng)的波長(zhǎng)，λ為縱向聲場(chǎng)的波長(zhǎng)，z為縱向探測(cè)深度。另外，由于TO方法需要在空間上進(jìn)行兩次波束合成(左右波束)，所以較傳統(tǒng)的彩色多普勒成像，TO波束合成所消耗的計(jì)算資源會(huì)增加一倍。

使用FieldⅡ[24-25]仿真上述聲場(chǎng)，結(jié)果如圖2所示。FieldⅡ的設(shè)置參數(shù)為線陣192陣元，頻率為5 MHz，陣元間距(pitch)為波長(zhǎng)的一半，聚焦距離為20 mm，從圖中可知，左右聲束的聲場(chǎng)均偏離中心位置，相位相差90°，符合理論。

圖2 TO方法接收聲場(chǎng)圖Fig.2 Receiving acoustic field in TO method

假設(shè)采集到的左右IQ/RF信號(hào)分別為Rleft和Rright，則橫向正交信號(hào)Rsq和縱向正交信號(hào)Rsqh分別為[26]

在這里TO方法使用式(12)提升計(jì)算精度，通過(guò)復(fù)合計(jì)算得到(φ1+φ2)和(φ1-φ2)，而不是通過(guò)單獨(dú)計(jì)算，這樣就降低了計(jì)算結(jié)果對(duì)噪聲的靈敏度[12]，同時(shí)也避免了當(dāng)相位大于π時(shí)，使用反正切函數(shù)計(jì)算相位時(shí)出現(xiàn)的混疊現(xiàn)象。

1.2 空間正交(SQ)法

Anderson[11]的SQ法是類(lèi)似于TO法的另一種方法，其產(chǎn)生橫向聲場(chǎng)的原理與TO法相同，都是利用特殊的接收變跡實(shí)現(xiàn)的，只是產(chǎn)生橫向正交信號(hào)的方法不同。SQ法的示意圖如圖3所示。SQ法的接收變跡函數(shù)是奇偶兩種變跡(希爾伯特變換對(duì))，這樣的變跡函數(shù)所產(chǎn)生的橫向聲場(chǎng)同樣也是正交的，得到的奇偶信號(hào)可以直接用于計(jì)算速度的橫向分量和縱向分量。值得注意的是，TO法在計(jì)算某一點(diǎn)的速度時(shí)需要在空間上進(jìn)行兩次波束合成(左右聲束)，而SQ法只需要進(jìn)行一次波束合成(僅需乘以不同的接收變跡值，以得到奇偶信號(hào))，所以SQ法的成像計(jì)算量是TO法的1/2。

圖3 SQ方法示意圖Fig.3 Principle diagram of SQ method

使用FieldⅡ仿真上述聲場(chǎng)，F(xiàn)ieldⅡ設(shè)置參數(shù)為線陣192陣元，頻率設(shè)為5 MHz，陣元間距(pitch)為波長(zhǎng)的一半，聚焦距離為20 mm，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知，奇偶聲場(chǎng)相位相差90°，與理論值相符。

圖4 SQ方法奇偶接收聲場(chǎng)圖Fig.4 Receiving acoustic field in SQ method

假設(shè)采集到的奇偶IQ/RF信號(hào)為Reven和Rodd，可以表示為[27-29]

與TO法獲得相位信息的方法不同，這里采用了外差解調(diào)的方法，即：

由于SQ方法是直接單獨(dú)計(jì)算相位的，所以對(duì)噪聲的靈敏度特別高，因而也容易出現(xiàn)相位混疊的現(xiàn)象。

1.3 奇偶振蕩法(OEO)

通過(guò)以上分析可以得知，TO法成像計(jì)算量大，但是避免了相位混疊現(xiàn)象，而且降低了對(duì)噪聲的靈敏度。而SQ方法雖然成像計(jì)算量小，卻對(duì)噪聲的靈敏度特別高、容易發(fā)生相位混疊，兩種方法各有利弊。因此本文提出了一種結(jié)合方法，即奇偶振蕩法。該方法先利用SQ法進(jìn)行波束合成得到回波信號(hào)，即1.2節(jié)中的式(17)、(18)，然后利用TO法進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算血流速度，即利用1.1節(jié)中的式(12)、(13)、(14)計(jì)算速度，既減小了計(jì)算量又避免了相位混疊現(xiàn)象，同時(shí)降低了算法對(duì)噪聲的靈敏度。

2 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用的是邁瑞(Mindray)多普勒超聲成像系統(tǒng)Resona 7和線陣探頭L11-3U，測(cè)量位置為頸動(dòng)脈，檢查模式為頸動(dòng)脈彩色多普勒模式。因?yàn)椴杉降臄?shù)據(jù)是未做波束合成的IQ/RF數(shù)據(jù)，所以TO實(shí)驗(yàn)和SQ實(shí)驗(yàn)可以使用同一批數(shù)據(jù)，只是各自的波束合成不同。TO法要使用設(shè)計(jì)好的接收變跡函數(shù)進(jìn)行左波束和右波束兩個(gè)波束合成，SQ法則要使用設(shè)計(jì)好的奇偶接收變跡函數(shù)分別進(jìn)行奇偶波束合成。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.5 Flowchart of data processing

對(duì)采集到的IQ/RF數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行特殊的波束合成(TO/SQ)；之后再進(jìn)行壁濾波處理，濾除低速運(yùn)動(dòng)的血管壁和其他雜亂信號(hào)；接著使用1.1中的式(13)和(14)，以及 1.2 中的式(23)和(24)，計(jì)算得到每一個(gè)探測(cè)位置的橫縱向速度分量；最后根據(jù)各速度分量計(jì)算并繪制血流矢量圖。

為了驗(yàn)證TO和SQ波束合成的計(jì)算量，本文使用采集到的IQ/RF數(shù)據(jù)，通過(guò)后處理的方式分別進(jìn)行兩種波束合成，并統(tǒng)計(jì)他們各自計(jì)算消耗的時(shí)間(計(jì)算機(jī)配置：i7-8700K CPU，32 GB內(nèi)存)。結(jié)果如表1所示。

表1 TO法和SQ法波束形成所消耗的時(shí)間Table 1 Time consuming for beamforming by TO and SQ methods

為了驗(yàn)證本文提出的奇偶振蕩法對(duì)成像質(zhì)量的影響，分別對(duì)三種成像結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。圖6、圖7和圖8分別為T(mén)O法、SQ法、OEO法計(jì)算得到的血流矢量圖疊加上灰階圖像的結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)總共采集了22幀數(shù)據(jù)，圖6～8中的圖像為第2、9、14、20幀的結(jié)果。為了觀察三種方法計(jì)算得到的血流速度在幀之間的變化，同時(shí)計(jì)算并繪制了所有幀ROI區(qū)域內(nèi)平均血流速度的變化曲線，結(jié)果如圖9所示。

圖6 TO方法血流矢量圖Fig.6 Vector flow images obtained in TO method

圖7 SQ方法血流矢量圖Fig.7 Vector flow images obtained in SQ method

圖8 奇偶振蕩法血流矢量圖Fig.8 Vector flow images obtained in OEO method

圖9 TO、SQ、OEO方法得到的內(nèi)所有幀的感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)平均血流速度曲線Fig.9 Average velocities in whole ROI of all frames obtained by TO,SQ and OEO methods

3 分析與討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，TO法的波束合成計(jì)算時(shí)間(單幀：76 s，全幀：1 660 s)大于SQ法的波束合成計(jì)算時(shí)間(單幀：45 s，全幀：983 s)，這是由于TO方法需要在空間上做兩次波束合成，而SQ只需要做一次。從成像結(jié)果來(lái)看，TO法不論是在收縮期，還是舒張期，血流矢量都沒(méi)有出現(xiàn)太大偏差，而SQ法在收縮期時(shí)部分長(zhǎng)箭頭(即高流速)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，原因可能是相位估計(jì)時(shí)出現(xiàn)了混疊現(xiàn)象，舒張期和TO法類(lèi)似。本文提出的奇偶振蕩(OEO)法成像結(jié)果與TO法類(lèi)似，在舒張期和收縮期都沒(méi)有出現(xiàn)長(zhǎng)箭頭反轉(zhuǎn)，即避免了血流速度過(guò)高時(shí)計(jì)算出現(xiàn)的相位混疊現(xiàn)象。另一方面OEO法波束合成所消耗的時(shí)間與SQ法保持一致，節(jié)省了計(jì)算資源，也提高了成像幀率。從所有幀ROI區(qū)域內(nèi)的平均血流速度曲線來(lái)看，TO法所獲得的速度略微高一點(diǎn)，原因可能是在計(jì)算左右波束合成線時(shí)橫向波長(zhǎng)有略微偏差，而SQ法和OEO法在波束合成時(shí)不需要計(jì)算橫向波長(zhǎng)?？傮w來(lái)看，三種方法計(jì)算得到的血流速度基本保持一致，但是從參考文獻(xiàn)[13]可知：SQ法的信號(hào)處理過(guò)程對(duì)噪聲靈敏度高。

4 結(jié)論

本文提出的奇偶振蕩(OEO)向量血流成像方法既有效解決了TO成像法中波束合成計(jì)算量大的問(wèn)題，也解決了SQ法中計(jì)算高速血流時(shí)出現(xiàn)的相位混疊現(xiàn)象和對(duì)噪聲靈敏度高等問(wèn)題，提高了橫向振蕩向量血流成像的性能。另外該方法還可以擴(kuò)展應(yīng)用于凸陣和相控陣超聲探頭，能夠提升超聲對(duì)全身血管相關(guān)疾病的診斷能力。