鄭永平，周永進(jìn)，黃錚銘

香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系，香港

一種基于傳統(tǒng)超聲成像系統(tǒng)平臺(tái)的組織彈性成像功能的實(shí)現(xiàn)

鄭永平，周永進(jìn)，黃錚銘

香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系，香港

專欄——軟組織彈性測(cè)量與成像

編者按：人體組織的病變往往伴隨著其硬度的變化。在臨床中醫(yī)生會(huì)通過(guò)觸診來(lái)感知受檢者體表及臟器的硬度，發(fā)現(xiàn)異常。但這樣的檢查缺乏量化，靈敏度低，且受醫(yī)生診斷經(jīng)驗(yàn)限制，很難有準(zhǔn)確的結(jié)果，于是彈性成像及測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在最近20年中，這方面的技術(shù)得到了快速的發(fā)展，而臨床的應(yīng)用也越來(lái)越多。在這一期的系列文章中，我們介紹了用于人體組織硬度測(cè)量及成像的多種方法，包括超聲印壓、光學(xué)印壓、水沖超聲印壓、氣沖光學(xué)印壓、基于外壓的超聲彈性成像，以及基于振動(dòng)的超聲彈性測(cè)量。同時(shí)我們也介紹了如何在一款國(guó)產(chǎn)的便攜式B超機(jī)器上實(shí)現(xiàn)超聲彈性成像與測(cè)量。對(duì)于超聲彈性成像到底是否提供定量及客觀的診斷以及其應(yīng)用所面臨的一些挑戰(zhàn)也進(jìn)行了討論。

欄目主編：鄭永平（香港理工大學(xué) 醫(yī)療科技及資訊學(xué)系）

鄭永平教授分別于 1990 及 1993 年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息工程學(xué)士及碩士學(xué)位，1997 年獲香港理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程博士學(xué)位，其后在加拿大溫莎大學(xué) (University of Windsor)就讀博士后，于 2001 年成為香港理工大學(xué)助理教授，并于 2008 年在醫(yī)療科技及資訊學(xué)系晉升為教授。2008 年 8 月 ～2010 年 7 月，他同時(shí)兼任香港理工大學(xué)創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)研究所副所長(zhǎng)。鄭永平教授的主要研究方向包括超聲彈性測(cè)量與成像、三維超聲成像與測(cè)量、醫(yī)用超聲儀器的創(chuàng)新、研究與開(kāi)發(fā)，以及可攜帶人體生理參數(shù)測(cè)量?jī)x等。主持承擔(dān)多項(xiàng)科研項(xiàng)目。他已發(fā)表及錄用的 SCI論文有 90 余篇，國(guó)際會(huì)議論文 150 余篇，另有 6 項(xiàng)美國(guó)和 4 項(xiàng)中國(guó)授權(quán)的專利及 12 項(xiàng)受理中的專利。他所開(kāi)發(fā)研制的組織超聲彈性測(cè)量?jī)x已被國(guó)內(nèi)外多間大學(xué)和醫(yī)院用于各種軟組織的評(píng)估，并有7項(xiàng)專利已成功轉(zhuǎn)讓給了工業(yè)界作產(chǎn)業(yè)化。

通過(guò)分析超聲彈性成像算法的技術(shù)特點(diǎn)和臨床成像需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種展開(kāi)于汕頭超聲SIUI CTS-8800影像系統(tǒng)平臺(tái)之上的超聲組織成像功能算法，具有實(shí)時(shí)性，彈性圖像對(duì)比度較高，適用手持探頭方式等特點(diǎn)。

超聲；彈性成像；實(shí)時(shí)；光流算法

人類對(duì)組織彈性和組織病理狀況的相關(guān)性有著歷史悠久的認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在硬件和算法方面的不斷進(jìn)步已成為一種趨勢(shì)，在這種趨勢(shì)支持下，超聲彈性成像日漸成為一種可以無(wú)創(chuàng)地探測(cè)組織彈性分布模式，從而可能提供一種新的組織病變?nèi)绨┌Y的臨床檢測(cè)手段。彈性成像的概念最初由 Ophir 等人于 1991 年提出[1]，它的基本原理是：人體內(nèi)不同類型的組織的彈性不同，在外力的作用下，通常較硬的組織比較軟的組織發(fā)生的形變和位移較小。在外力施加或釋放過(guò)程中，通過(guò)采集感興趣區(qū)域(ROI)不同時(shí)間片段的信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算得出組織當(dāng)時(shí)的形變信息以確定組織硬度。彈性圖像可通過(guò)多種模式獲取，如超聲波、光學(xué)、以及 MRI圖像等等。其中超聲彈性成像技術(shù)由于在多個(gè)器官和組織，如乳腺、肝臟和前列腺的廣泛研究而得到較多的關(guān)注[2]。

1 國(guó)產(chǎn)超聲成像系統(tǒng)不具備彈性成像功能

過(guò)去的 20年來(lái)，超聲彈性成像技術(shù)因其可揭示組織彈性分布的特點(diǎn)，越來(lái)越受到醫(yī)學(xué)和工程界的重視。概要來(lái)講，超聲彈性成像可涉及壓力施加、組織變形檢測(cè)、組織應(yīng)變計(jì)算和組織彈性重建四個(gè)環(huán)節(jié)，而以成像為目的大部分現(xiàn)有的超聲彈性成像技術(shù)以組織變形檢測(cè)為核心。至于壓力施加環(huán)節(jié)，臨床上一般采用手持探頭施壓的掃描方式，取代早期的程序控制步進(jìn)馬達(dá)的超聲探頭移動(dòng)方式。在組織受到壓力發(fā)生變形之后，不同彈性的局部，其相應(yīng)的變形程度和應(yīng)變有相應(yīng)區(qū)別，通過(guò)對(duì)超聲射頻 (RF)數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)跟蹤分析，可以估算得知組織各局部的受壓變形程度。較為主流的方法有基于 1D 或 2D 的互相關(guān)跟蹤技術(shù)如Siemens ACUSON S2000、 基 于 塊 匹 配 (Block Matching)[3]跟蹤技術(shù)和基于復(fù)合自相關(guān) (Combined Autocorrelation)[4]技術(shù)，如 HITACHI EUB8500。在現(xiàn)有的彈性成像技術(shù)中，主要存在下列待進(jìn)一步完善的問(wèn)題：

第一，彈性成像對(duì)比度與和施壓前后的射頻信號(hào)連續(xù)性之間的平衡問(wèn)題。通常，為保持壓縮前后信號(hào)高度相關(guān)（即信號(hào)連續(xù)性）并控制噪音水平，施壓不可過(guò)大，但是，形變過(guò)小可導(dǎo)致所生成的圖像欠缺對(duì)比度；其中，該對(duì)比度指示在所感興趣的區(qū)域內(nèi)，不同硬度組織在形變圖像中的亮度區(qū)別。因此，由于需要更加優(yōu)化的不同組織部分的視覺(jué)效果，最好得到較高的對(duì)比度。

第二，更為準(zhǔn)確的組織受壓變形模型和實(shí)時(shí)處理要求之間的平衡問(wèn)題。理論上希望組織受壓變形只發(fā)生在超聲軸向，其他兩個(gè)正交方向上的運(yùn)動(dòng)是忽略的，而實(shí)際上在手持探頭掃描時(shí)，其他兩個(gè)方向的組織移動(dòng)和變形是不可避免的，而這些移動(dòng)或變形都會(huì)影響超聲射頻信號(hào)跟蹤的相關(guān)性退化。若采用復(fù)雜的位移模型并基于二維超聲信號(hào)來(lái)完全求解不同方向上的形變將導(dǎo)致計(jì)算量的迅速增加，而使得算法的實(shí)時(shí)性在現(xiàn)有硬件條件下難以達(dá)到要求。

第三，在基于組織位移或者變形估算結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算組織應(yīng)變時(shí)，還需要在保證感興趣區(qū)的圖像邊緣不被鈍化、不產(chǎn)生偽跡的算法設(shè)計(jì)要求，以及盡可能保證應(yīng)變圖像的平滑度要求之間取得平衡。

我們認(rèn)為正是由于以上主要原因及其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難題，使得之前尚無(wú)國(guó)產(chǎn)超聲影像設(shè)備可以包含有超聲彈性成像這一重要功能模塊。

2 組織彈性成像功能的算法設(shè)計(jì)

我們自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一種由粗到細(xì)的二維組織運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，以計(jì)算組織受壓后超聲射頻信號(hào)中的位置變化量，并從而估算出組織應(yīng)變圖像。

具體而言，如圖1所示，以兩幀連續(xù)的射頻圖像為例，首先在粗估計(jì)環(huán)節(jié)采用具有魯棒性的塊匹配算法并采用全局搜索以保證此環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，然后根據(jù)其位移估計(jì)得到的結(jié)果來(lái)對(duì)其中一幀進(jìn)行曲變 (Warping)生成新的幀，從而大大提高調(diào)整后的兩射頻幀之間的信號(hào)相關(guān)性，此時(shí)在細(xì)估計(jì)階段采用密集光流方法，Lucas-Kanade 光流方法[5]（LKOF）對(duì)調(diào)整后的兩幅射頻幀之間的軸向和橫向上的具有亞像素精度的位移進(jìn)行細(xì)估計(jì)，之后合并兩階段的估計(jì)值，如有需要，可進(jìn)一步迭代以上估計(jì)——曲變——估計(jì)循環(huán)，使得兩射頻幀之間的信號(hào)相關(guān)性越來(lái)越高。

圖1 組織運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法說(shuō)明圖

在得到幀間組織運(yùn)動(dòng)的估計(jì)場(chǎng)之后，我們進(jìn)一步采用各向異性擴(kuò)散 (Anisotropic Diffusion)[6]的方法對(duì)組織運(yùn)動(dòng)估計(jì)場(chǎng)進(jìn)行差分平滑計(jì)算，得到組織應(yīng)變場(chǎng)估計(jì)圖。這種擴(kuò)散方法的實(shí)質(zhì)在于在t 到t+Δt 時(shí)段在指定點(diǎn)（i, j）的鄰域展開(kāi)處理。

下標(biāo)N、S、E和W分別表示像素周圍的北南東西，符號(hào)△表示在其下標(biāo)所示方向上最鄰近梯度，其他系數(shù)由下式給出。

在迭代進(jìn)行過(guò)程中，高梯度項(xiàng)權(quán)重將大大高于低梯度項(xiàng)的輸出權(quán)重，因此通過(guò)調(diào)整參數(shù)，可保留感興趣的圖像邊界區(qū)域內(nèi)容同時(shí)平滑其他較為缺乏變化的圖像內(nèi)容。

為檢驗(yàn)上述算法，我們采用了一種乳房超聲仿體（型號(hào) CIRS 047, Norfolk, VA，美國(guó) )，自頂端用手持 SIUI超聲傳感器 L7L38B(7.5MHz)對(duì)仿體進(jìn)行了輕壓，采集的射頻幀信號(hào)、粗估計(jì)、細(xì)估計(jì)和應(yīng)變估計(jì)等各環(huán)節(jié)的結(jié)果如圖2所示。

圖2 組織運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法說(shuō)明圖(a)-(f)依次為第一幀射頻數(shù)據(jù)、第二幀射頻數(shù)據(jù)、粗估計(jì)的組織運(yùn)動(dòng)分布、細(xì)估計(jì)的組織運(yùn)動(dòng)分布、一次合并后的組織運(yùn)動(dòng)分布和應(yīng)變分布圖。

3 在汕頭超聲SIUI 8800上實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)超聲彈性成像功能

圖3 在 CTS-8800 上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲彈性成像功能的流程和顯示示例

在 CTS-8800 實(shí) 時(shí) 超聲彈性成像時(shí)使用的 是 7.5MHz L7L38B 線性超聲探頭。根據(jù)被測(cè)部位的位置選擇合適的采樣深度以及感興趣區(qū)域。當(dāng)超聲探頭采集完B型超聲的RF數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)成像生成B型超聲圖像用于顯示，同時(shí)用當(dāng)前幀和上一幀感興趣區(qū)域內(nèi)的RF數(shù)據(jù)采用前述方法進(jìn)行彈性成像計(jì)算。

在顯示環(huán)節(jié)，為了更直觀地表示出組織的軟硬程度，比平均硬度軟的使用紅色表示，比平均硬度硬的使用綠色表示，使用上述自定義偽彩色表示組織的軟硬度對(duì)計(jì)算區(qū)域成像，再將成像區(qū)域與灰度的B型超聲圖像的部位匹配重疊，可以根據(jù)操作者習(xí)慣或者的需要選擇不同的透明度。最后在界面上將普通的B型超聲圖像、彈性成像計(jì)算結(jié)果圖像和按壓指示條以及感興趣區(qū)域框顯示出來(lái)，在CTS-8800 系統(tǒng)中左邊表示彈性成像結(jié)果，右邊表示普通的B型超聲圖像。整個(gè)計(jì)算和應(yīng)變圖像顯示的流程和示例如圖3所示。

4 總結(jié)和展望

在原有的汕頭超聲 CTS-8800 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)未做改動(dòng)的情況下，我們通過(guò)改動(dòng)部分硬件驅(qū)動(dòng)和軟件，大大減低超聲彈性成像儀器的生產(chǎn)成本，在中國(guó)制造的超聲設(shè)備上首次配備彈性成像功能，使以前只有在國(guó)外高端設(shè)備上才有的功能在國(guó)內(nèi)的普通超聲設(shè)備上得到實(shí)現(xiàn)，讓更多患者可享受到最先進(jìn)的醫(yī)用超聲波技術(shù)，該成就也是大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療器械業(yè)界成功合作的一個(gè)例子。

致謝

該項(xiàng)目部分由香港理工大學(xué)（J-BB69）以及香港創(chuàng)新科技基金 (GHP/061/05)的支持。我們也感謝廣東省汕頭市超聲儀器研究所工程師和領(lǐng)導(dǎo)的支持與合作。

[1]J． Ophir, I． Cèspedes, H． Ponnekanti, et al．Elastography: a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues [J]．Ultrason Imaging, 1991,(13):111-134．

[2]羅建文,白凈．超聲彈性成像的研究進(jìn)展[J]．中國(guó)醫(yī)療器械信息,2005,(5):23-31．

[3]A． M． Tekalp．Digital Video Processing [M]．NJ: Prentice Hall, 1995．

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[5]B．D．Lucas,T．Kanade．An iterative image registration technique with an application to stereo vision[C]．Proceedings of Imaging Understanding Workshop,1981:121-130．

[6]P．Perona,J． Malik．Scale-space and edge detection using anisotropic diffusion[J]．IEEE Trans on PAMI,1990,12(7): 629-639．

An Implementation of Ultrasonic Tissue Elastography in a Conventional Ultrasound Scanner

ZHENG Yong-ping, ZHOU Yong-jin, HUANG Zheng-ming
Department of Health Technology and Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China

Based on a coarse-to-fine motion estimation method, the real-time strain imaging function for freehand scanning is implemented on a conventional ultrasound scanner, SIUI CTS-8800, which is able to visualize the tissue elasticity profile in real-time with decent image contrast.

ultrasound; elastography; real-time; optical flow

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.001

1674-1633(2011)01-0001-03

2010-11-01

香港理工大學(xué)（J-BB69）以及香港創(chuàng)新科技基金(GHP/061/05)支持。

作者郵箱：ypzheng@ieee．org