超声非线性成像-谐波成像基本知识

概述

  最近了解了一下非线性超声中的谐波成像，可以作为知识普及了解一下。大部分来自于文献，如有遗漏可以私信咸鱼进行修改。另外有错误和补充的也可以私信咸鱼。
  超声成像因其相对较低的价格、无电磁辐射、无创伤、成像方式多样而在医学成像中得到了广泛的应用。早期的超声成像技术都是基于线性声学原理。然而在实际的医学超声成像应用中，声波在生物组织的非线性传播和造影剂的非线性振动能够产生非线性声信号。在接下来的报告中讲解了如何使用非线性信号中的谐波信号进行成像，以及相关的谐波信号提取方法。最后使用一些代表性的应用实例进行验证，得出谐波成像在分辨率和对比度上确实优于传统基波成像的结论。

超声的非线性

  当声波在均匀介质中传播时，基本上按直线传播，无任何反射。但当声波入射组织中时，由于界面的声阻抗的差异而被反射，或者遇到相对波长较小的颗粒被散射，脉冲回波式成像就是利用反射和散射的回波信号强度作为成像参量成像。成像基础是生物组织的声阻抗率的差异，图像反应了声阻抗率的分布，也就可以显示出组织的结构。
  线性超声是建立在小振幅的假设基础上的，该假设要求声压、质点的振动速度、质点的振动位移、密度的起伏分别相对于静压强、声波的传播速度、声波的波长、静密度为小量，也就是常说的远小于。但是在实际中换能器发射的声波幅度较大，频率较高，此时小振幅假设就不再成立，必须考虑非线性效应。同时，由于生物组织的不均匀性引起的非线性，还有造影剂中微气泡的非线性振动产生的非线性信号。
  在线性超声成像中，非线性是无用的，甚至是负面的。九十年代后期，开始利用由生物组织和超声造影剂的非线性效应而产生的谐波信号来成像，即谐波成像技术。通过大量仿真和实验研究表明，谐波成像有更好的空间分辨率和对比度。但是谐波的强度比基波弱很多，信噪比低。根据谐波产生的来源不同，谐波成像可以划分为组织谐波成像（Tissue Harmonic Imaging）和造影剂谐波成像（Contrast Harmonic Imaging）。

组织谐波成像

  组织谐波主要由入射波的非线性传播引起。中心频率为f0的声波发射到组织中，能得到2f0、3f0等谐波信号，分别称为二次谐波、三次谐波等，如下图所示。三次谐波以及后面的谐波统称为高次谐波。
  当声波在组织中传播时，会在组织中形成压缩区和疏松区，两个区域的传播速度不同。如下图所示，由于各点的传播速度不同，会导致波形发生畸变，从而产生谐波。随着声波在组织中进一步传播，波形畸变越来越大，谐波也越来越丰富。
  声波在生物组织中传播时，基波的强度会随着深度的增加而越来越小。谐波的强度会随着深度的增加而越来越大，到后面由于衰减，强度会减小，如下图所示。
  组织谐波成像需要滤除回波中的基波信号，并提取组织产生的谐波信号来进行成像。如果换能器发出的声脉冲包括一个宽频带的频率成份，接收到的信号带宽就呈现出发射带宽的倍数，包括基波或入射带宽和组织产生的谐波的带宽。如果不控制基波带宽，那么接收到的基波和谐波的带宽重叠，谐波信号就会被高强度的基波所淹没，造成谐波图像的质量下降。

组织谐波的提取方法

  一般有三种方法进行组织谐波的提取，分别为带通滤波成像、脉冲反转谐波成像、脉冲幅度调制谐波成像。
  带通滤波成像是将发射的基波信号的频带控制的比较窄，那么产生的二次谐波和基波之间会分开处在各自的频带上，再使用带通滤波器滤除基波成份就可以提取出二次谐波成份，如下图所示。由于该方法需要将基波信号的频带控制的比较窄，由傅里叶变换可知，频带越窄，脉宽越宽，这导致轴向分辨率的降低。
  脉冲反转谐波成像通过连续发射两次脉冲，而脉冲的频率一致，相位相差180度。将接收到的两个脉冲的回波信号相加。设接收到的两次响应分别为：
两者相加得：
  则基波和奇次谐波相互抵消，偶次谐波变为原来的两倍，得到增强，如下图所示。
  脉冲反转谐波成像增加了信号强度，提高了信噪比。在发射的时候，可以采用宽带发射，增加了轴向分辨率。但是该方法需要进行两次脉冲的发射和接收，降低了帧频。而且对运动特别敏感，容易产生运动伪像，对心脏等器官成像尤为明显，需要一些应对措施。
  脉冲幅度调制谐波成像通过先后发送两个幅度不同，频率和相位都相同的脉冲。例如第二个脉冲幅度是第一个脉冲幅度的1/4。在接收的时候将第二个脉冲的回波信号乘以4。然后使用接收到第一次脉冲的回波信号与第二次乘以4之后的信号相减。由于第二次的发射幅度比第一次小得多，所以非线性效应较小，谐波分量不明显，而基波分量几乎是一样的。相减之后，基波分量被抵消，谐波分量得到保留。
  以上三种方法中，脉冲反转谐波成像不仅能很好地消除基波，同时还能增强谐波信号，相对有更好的成像效果。

组织谐波成像的优点

  组织谐波成像相对于基波成像有许多优点，重点介绍一下消除近场多重反射的伪像，抑制旁瓣回声以及能检测更深的组织这三个优点。
  如下图所示，当遇到两个平行的强反射界面时，发射的声波可能经过多次反射产生伪像。但是使用组织谐波成像时，由于谐波随着传播深度先逐渐增强，然后逐渐减弱。在探头与皮肤之间非线性效应不明显，几乎没有谐波，所以使用组织谐波成像可以消除近场多重反射造成的伪像。
  谐波只有在基波的较高声压处才会产生，弱的基波几乎不产生谐波，这使得谐波相对于基波有更窄的主瓣、更低的旁瓣，如下图所示。而更窄的主瓣代表着更高的空间分辨率，较低的旁瓣代表的就是较高的图像对比度，所以组织谐波成像具有更高的分辨率和对比度。
  谐波是随着在组织中的传播距离越深，谐波声压越大，之后才会衰减。这使得谐波声压的最大值比基波声压的最大值的深度要深。同时谐波只有在回波的时候才会有衰减，所以衰减也比基波小，因此组织谐波成像提高了深层组织的清晰度。

造影谐波成像

  超声造影剂大多是包含直径在1~10um微气泡的液体，可以通过静脉注射流到身体的各部分（肠道相关的可以通过口服的方式）。由于微气泡的声阻抗特性和组织存在很大差异，可以增强基波超声成像的诊断能力。如下图所示。
  声波通过造影剂中的微气泡产生非线性传播，波形畸变，谐波成份明显增加。相比之下，其它组织产生的谐波相对较少。利用微气泡的非线性特性来增加造影剂和组织的对比度，提高信噪比。但是以上都是建立在组织回波都是线性的假设上，现在确定组织也是可以产生源于成像的谐波信号的，这个就会造成很大的干扰。
  当声压达到一定阈值，发射波的频率两倍于微气泡的共振频率时，微气泡除了产生二次谐波和高次谐波之外，还有次谐波（f0/2,f0/3…）和超谐波（3f0/2,5f0/2）。如下图所示。发射频率两倍于微气泡的共振频率这个条件是为了达到比较好的效果，如果频率达不到这个条件，还是会产生次谐波和超谐波，但是效果不明显。而组织不会产生次谐波和超谐波。这样就进一步提高了对比度。同时由于发射频率高，可以提高图像的轴向分辨率。对于接收的低频率的次谐波信号，回波衰减较小，有利于深部组织的检测。

应用实例

  通过一些应用中的实例对比，看一下谐波成像的效果。
  下图为组织谐波成像增强心内膜清晰度和近场分辨率，图a为基波成像，图b为组织谐波成像。可以看出组织谐波成像的心尖四腔视图更加明显。
  下图为为胸骨旁心脏长轴图像， (a)基础成像， (b)谐波成像和©脉冲反转谐波成像。可以看出组织谐波成像减少了伪影，而脉冲反转谐波成像进一步提高对比度和分辨率。
  下图是通过二次谐波成像增强造影剂强度。左图为基频静脉造影剂成像，右图为二次谐波造影剂成像。可以看出使用二次谐波造影剂成像的对比度明显增强。
  下图中使用的是将8mm血管嵌入到模拟组织的仿体进行的实验。图a是造影前的基波图像，图b是造影后的基波图像。图c是造影前的次谐波图像，图d是造影后的次谐波图像。图e是造影前的谐波图像，图f是造影后的谐波图像。可以看出造影之后的图像对比度明显比造影前的高。而使用了造影剂之后，次谐波比谐波的图像对比度要好，而且更加清晰。使用造影剂之后的基波图像对比度要比谐波的差一点，而且有伪影。

总结

  通过原理和应用实例的比较，相比于谐波成像，谐波成像有着更好的图像分辨率和对比度，而且可以检测到更深的组织图像。但是在实际的应用中，由于谐波的信噪比相对于基波低很多。这就要求设备的灵敏度非常高，增加了设备开发实现的难度，提高了成本。
  在报告中提到的伪影和噪声都是与超声和生物组织相关的。其实在提取信号的时候，设备中的噪声也不可忽视。尤其对于信噪比比较低的谐波信号，不是说探头的灵敏度达到就可以的，电源的要求也会更高。在基波超声设备中，由于基波信号较大，那么相应的电源纹波要求会较低；而在谐波超声设备中，由于谐波的信噪比较低，信号强度也比基波弱很多，那么相应的电源纹波要求就会高很多，否则谐波信号会被淹没在电源噪声中。同时内部电路的电磁兼容性要求也会相应的提升，这些都是谐波成像中必须考虑的问题。