基于超声造影剂谐波图像的流场测量技术

　　引　　言

　　医学超声中对血流运动信息的提取与表达主要有两种途径:一种是基于多普勒方法的局部流速、区域内平均流速及血管内流速剖面的测量与估计,多以数值形式表达;另一种,将多普勒血流信息(平均流速、方差等)彩色编码后在B超图像中定性显示,该方法拥有直观、便于辅助诊断的特点。可以看到,这两种方法都无法同时满足定量测量与直观表达的要求。更重要的,多普勒方法本身存在的诸如夹角不确定性、最大可测流速有限等无法根本解决的问题[1]。功率多普勒方法解决了血流测量中的夹角问题,却丢失了血流的方向性。要全面和深入地了解与生理、病理状态紧密相关的血流的流动特点,仅靠定性的流动显示或是流场中的一个点、一根线上的流速数值是远远不够的,还需获取一定空间范围内定量的速度分布信息。

　　Trahey[2]将时域方法用于超声流速提取,通过帧-帧间的散斑跟踪获取与夹角无关的血流速度,其精度受到图像低信噪比的严重影响,在血液中注入增强超声散射信号的超声造影剂,在增强血液背向散射的同时也降低了血液/组织的图像对比度。在二次谐波频率上,造影剂微气泡的背散射能量高于组织几个数量级,谐波图像可使含有超声造影剂的血液流动信息相对于线性散射的组织运动信息明显突出[3],获得理想的图像信噪比。对该图像进行二维相关处理,可得到在临床上具有重要价值的心腔或大血管内的瞬时血流速度分布图。

　　2　原理与方法

　　直接对B超图像进行二维时域相关处理,从理论和方法上保证了检测运动矢量的角度独立性,并能得到多方向的组织、血流运动矢量。该方法的精度很大程度受制于组织和血流运动并存时较低的图像信噪比,因此这种方法至今并没有得到很好的应用。90年代初以来,有关超声造影剂的研究飞速发展。仅作为一种影像增强剂,造影剂对血流检测的实质性贡献甚微;代表超声造影剂发展主流的包膜微气泡造影剂在其谐振频率场中表现出显著的非线性,利用该非线性,辅之以成像手段的改进,如谐波成像,才能从根本上解决超声血流检测中的信杂比问题。本文的二维流场测量技术就是基于超声造影剂的谐波图像。

　　2.1造影谐波成像

　　线性散射媒质对于超声脉冲x(t)的响应为:

　　表现为回波幅度的变化和脉冲的时延。而利用超声造影剂成像时,当超声声场频率与造影剂微气泡的共振频率一致或相近时,气泡发生谐振并表现出较强的非线性,此时单个造影微气泡对超声脉冲x(t)的响应可表示为:

　　上式中的第二项产生二次谐波;式中α表征气泡响应的非线性程度。对于强度为P0的发射超声,来自采样体积v的超声背向散射信号强度与采样体积内组织以及所含造影剂的散射截面积有关: