劉永紅

吉林省腫瘤醫(yī)院超聲科,吉林長(zhǎng)春 130000

1 醫(yī)務(wù)人員要了解超聲仿真成像的物理基礎(chǔ)

1.1 超聲波傳播特性

超聲波傳在播過(guò)程中，遇到反射面、障礙物等不同的物體都會(huì)發(fā)生不同的傳播現(xiàn)象，影響超聲波傳播的軌跡。如果超聲波遇到的發(fā)射面的面積在各個(gè)方向上的長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于儀器所發(fā)出的聲波本身的波長(zhǎng)，這時(shí)超聲波便會(huì)發(fā)生反射，即向某一個(gè)統(tǒng)一的方向繼續(xù)傳播。人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也更加細(xì)致，一些細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)其長(zhǎng)度甚至僅與超聲波儀器所發(fā)出的波長(zhǎng)相當(dāng)。因此儀器所發(fā)出的超聲波在前進(jìn)過(guò)程中如果遇到人體的細(xì)微組織時(shí)便會(huì)發(fā)生散射。散射是超聲波儀器在對(duì)人體進(jìn)行物理檢測(cè)時(shí)最為普遍的物理現(xiàn)象，儀器甚至可以根據(jù)散射的情況來(lái)定位人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組織。

醫(yī)務(wù)人員要了解，由于人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且處在不斷的運(yùn)動(dòng)和變化之中，所以使用超聲波儀器對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波的實(shí)際散射軌跡也更加多樣和模糊，因此在這樣的超聲波散射活動(dòng)中建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型相對(duì)較難。通常人們通過(guò)目標(biāo)強(qiáng)度、散射系數(shù)、散射衰減系數(shù)三種參數(shù)來(lái)表達(dá)超聲波在人體傳播時(shí)所形成的散射情況。

從實(shí)際的操作情況來(lái)看，超聲波在體內(nèi)傳播的過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生強(qiáng)度的衰減。這主要是由三種原因造成的。首先是由于超聲波自身傳播時(shí)其波陣面并不是沿著統(tǒng)一的大小向前傳播而是不斷放大的過(guò)程。波陣面的放大自然會(huì)導(dǎo)致波強(qiáng)的衰減。其次是由于超聲波在人體內(nèi)遇到不同的人體結(jié)構(gòu)組織所造成的復(fù)雜的反射和散射。不規(guī)則的反射和散射使得超聲波波強(qiáng)的衰減加劇。最后一點(diǎn)是人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的吸收。

1.2 聲束的物理特性

采用超聲波進(jìn)行人體檢測(cè)時(shí)為了得到更加準(zhǔn)確的檢測(cè)效果需要講超聲波的大部分能量集中在一個(gè)規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，這部分在特定區(qū)域內(nèi)集中的超聲波稱之為聲束。在儀器的實(shí)際工作中，儀器設(shè)計(jì)者需要對(duì)光速的形狀和寬度兩個(gè)主要的物理特性進(jìn)行測(cè)量和確定。超聲波儀器所發(fā)出的超聲波的形狀尤其是在聲束區(qū)域內(nèi)的邊界形狀以及在距離傳感器表面所形成的邊界寬度對(duì)于儀器研究者而言都是十分重要的研究數(shù)據(jù)。超聲成像設(shè)備的單個(gè)陣元一般采用聲透鏡聚焦，換能器線陣一般采用電子聚焦和聲透鏡聚焦 兩種方式。在平行于線陣的方向上采用電子聚焦，在垂直于線陣的方向上采用聲透鏡聚焦。由于聲透鏡的聲速大于人體組織中的聲速，因此采用凹面透鏡。

2 醫(yī)務(wù)人員應(yīng)掌握超聲成像仿真平臺(tái)方案

超聲成像方針平臺(tái)是由超聲波聲束發(fā)射器發(fā)射出符合儀器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的聲束，經(jīng)過(guò)人體的內(nèi)部的反射最終形成能夠在終端以圖像形式顯示的圖形信號(hào)和數(shù)據(jù)。從整體的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，超聲成像仿真平臺(tái)通?？梢苑致晥?chǎng)仿真模塊、波束形成模塊和信號(hào)處理模塊。

聲場(chǎng)仿真模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。整個(gè)仿真平臺(tái)的基本原理是利用超聲波所形成的光速在經(jīng)過(guò)人體時(shí)所形成不同的反射信號(hào)，根據(jù)對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行分析能夠的出人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的基本情況。若想實(shí)現(xiàn)超聲波的集成波束首先需要有基礎(chǔ)性的聲場(chǎng)。通過(guò)對(duì)聲場(chǎng)內(nèi)聲波的控制形成檢測(cè)所需要的基礎(chǔ)性聲束。聲場(chǎng)的產(chǎn)生必須符合相關(guān)專業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并且能夠在人體所接受的范圍之內(nèi)，避免對(duì)人體造成傷害。由于患者病情和身體狀況的差異，聲場(chǎng)仿真模塊必須能夠根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)需求仿真出頻率、強(qiáng)度和波長(zhǎng)都不同的超聲波，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的檢測(cè)方法。

波束形成模塊是對(duì)于聲場(chǎng)仿真模塊所形成的超聲波進(jìn)行集成，按照需要檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求形成聲束。波束是進(jìn)行人體檢測(cè)的重要載體，聲波波束的形成同樣需要符合相關(guān)的專業(yè)要求。只有在特定要求的條件下，超聲波的波束才能夠在人體中形成有效、可靠地反射，并且依據(jù)反射的波束形成有效的信號(hào)從而幫助醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行檢查。如果超聲波的波束信號(hào)不符合規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，那樣便無(wú)法在人體形成有效的反射，最終會(huì)導(dǎo)致形成模糊或者錯(cuò)誤的圖形信號(hào)，這無(wú)疑會(huì)嚴(yán)重影響到最后醫(yī)生的診斷。因此波束形成模塊在最終基于聲場(chǎng)形成超聲波的波束時(shí)，必須通過(guò)專門的檢測(cè)，只有在檢測(cè)時(shí)通過(guò)了對(duì)于波束形狀和寬度的檢測(cè)才能夠確定為機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行檢測(cè)，否則應(yīng)該給出警告提示，告知操作人員對(duì)儀器進(jìn)行校對(duì)和調(diào)整。

信號(hào)處理模塊包括信號(hào)的采集、處理和顯示三個(gè)子模塊。信號(hào)采集子模塊是對(duì)于儀器發(fā)出的超聲波束經(jīng)過(guò)人體反射后形成的波束進(jìn)行采集和基礎(chǔ)校驗(yàn)。也就是信號(hào)采集模塊需要對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行初步的校驗(yàn)。只有當(dāng)校驗(yàn)通過(guò)后，信號(hào)采集子模塊才會(huì)將信號(hào)傳遞給信號(hào)處理模塊。信號(hào)處理模塊是對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化處理，從而使得信號(hào)能夠被信號(hào)顯示模塊所顯示。信號(hào)處理模塊首先需要對(duì)于信號(hào)采集模塊傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行篩選，根據(jù)檢測(cè)類型的不同而選擇不同的信號(hào)篩選方式，這樣可以使得最終的顯示結(jié)果更加具有針對(duì)性。然后信號(hào)處理模塊根據(jù)檢測(cè)的相關(guān)需要，對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同類型和不同參數(shù)的量化，并將量化后的信號(hào)傳遞給信號(hào)顯示模塊。信號(hào)顯示模塊是要對(duì)信號(hào)進(jìn)行最終的處理并顯示到專門的終端顯示器上。由于要求以圖形的形式顯示，因此信號(hào)顯示模塊需要對(duì)于信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和處理后的信號(hào)才能夠被圖形處理器所接受并最終顯示到終端屏幕上。信號(hào)處理模塊是集成計(jì)算機(jī)硬件處理、顯示和軟件篩選、計(jì)算的綜合性模塊，是統(tǒng)一的整體。其中不僅要求硬件具有較高的運(yùn)算速度，同樣要求軟件具有高效、科學(xué)、合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算方法。

3 進(jìn)行圖形處理器渲染

GPU 雖然可以被用于通用計(jì)算，但是其基本任務(wù)仍然是進(jìn)行圖形處理和渲染因此在其硬件結(jié)構(gòu)上，對(duì)圖形渲染和通用計(jì)算進(jìn)行了一定的平衡。有許多功能模塊是通用計(jì)算所使用的編程模型和圖形渲染流程所共用的。下面本文將分析圖形處理器的渲染流程。

在三維空間中，頂點(diǎn)是最重要的坐標(biāo)點(diǎn)，也是最終要的視覺(jué)角度和觀察點(diǎn)。在圖像處理器中，處理器首選需要確定頂點(diǎn)的位置，通過(guò)確定頂點(diǎn)的位置才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于圖像中其他內(nèi)容的表現(xiàn)。顯示生活中點(diǎn)、線和面是圖形構(gòu)成和圖像表達(dá)的基本要素，圖形渲染器重仍然是通過(guò)這三個(gè)基本要素來(lái)表達(dá)傳遞過(guò)來(lái)的相關(guān)信號(hào)和信息。

Transformation 和Lighting。Transformation 是指坐標(biāo)系的變換。通過(guò)傳感器和傳輸介質(zhì)傳遞到圖形處理器進(jìn)行渲染的信號(hào)時(shí)向量圖形。這邊是為了方便圖形處理器進(jìn)行坐標(biāo)變換的渲染。頂點(diǎn)雖然是主要的視角和觀察點(diǎn)，但在實(shí)際的操作中，觀察者需要通過(guò)其他的角度進(jìn)行觀察從而能夠得出更加全面的數(shù)據(jù)。因此對(duì)于坐標(biāo)系的變換是圖形處理器渲染的有一個(gè)主要內(nèi)容。

View port Transformation（Clipping 和Culling）。坐標(biāo)的變換是視角轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。通過(guò)坐標(biāo) 變換能夠?qū)崿F(xiàn)在視角變幻時(shí)相應(yīng)的向量發(fā)生變化。但要想真正的實(shí)現(xiàn)視角轉(zhuǎn)換還需要進(jìn)行更加細(xì)膩的處理。在視線坐標(biāo)系中，其視野中的空間為三維梯形，因此需要將在此梯形體之外的頂點(diǎn)裁去。之后就可以將此梯形空間轉(zhuǎn)換為一個(gè)立方體空間，也即是在屏幕中顯示的空間。此時(shí)完成了所有的頂點(diǎn)操作。

頂點(diǎn)操作完成之后，圖形處理器渲染的基本工作也就完成。接下來(lái)是需要根據(jù)視圖的需要，在頂點(diǎn)之間建立連接線。連接線并不一定全部由直線構(gòu)成，根據(jù)實(shí)際的信號(hào)情況，連接線可以是由曲線構(gòu)成。連接線確定好之后相當(dāng)于圖形處理器渲染工作的線條構(gòu)建基本完成。接下來(lái)圖形處理器渲染需要對(duì)在線條之間圍攏形成的平面或者曲面進(jìn)行表達(dá)。點(diǎn)、線和面的表達(dá)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，點(diǎn)用來(lái)確定圖像的位置，線用來(lái)確定圖像的結(jié)構(gòu)，面用來(lái)確定彼此之間的立體關(guān)系。三者必須統(tǒng)一、和諧才能夠?qū)⒁磉_(dá)的內(nèi)容完整地表達(dá)出來(lái)。如果缺乏有效的協(xié)調(diào)，那線條很可能成為阻礙面表達(dá)關(guān)系的障礙，過(guò)多的點(diǎn)也可能使得線條之間的關(guān)系更加復(fù)雜。

如在實(shí)際應(yīng)用中，要準(zhǔn)確表達(dá)出患者身體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀況。如患者，女，55歲，因右下腹疼痛來(lái)院就診，經(jīng)圖形處理器渲染發(fā)現(xiàn)，其甲狀腺雙側(cè)葉體積增大，右側(cè)葉前后徑、左側(cè)葉前后徑以峽部前后徑都不正常，通過(guò)圖形處理器渲染，可測(cè)到高速湍流頻譜、高速低阻抗和高阻抗的動(dòng)脈頻譜，因此，可得結(jié)論是單純性甲狀腺腫并峽部低回聲結(jié)節(jié)。

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