血管内高频超声图像偏心校正方法

　　血管内超声成像(intravascular ultrasound, IVUS)是80年代末迅速发展起来的一种新的超声成像技术[1,2],采用内置20~40 MHz高频微型超声探头的导管,在冠状动脉及周围动脉血管内成像,获得动脉管壁的环式超声图像,可应用于血管内区域测量、血小板定征、血管壁弹性测量和三维血管图像重建等领域[3,4].目前,IVUS成像技术已进步到可对冠状动脉甚至更细小血管进行血管内成像,可在不影响经皮腔内冠状动脉血管成形术(percutaneous transluminalcoronaryangioplasty,PTCA)临床手术的过程与疗效的前提下,提供动脉壁亚毫米微结构灰度图像.由于血管内图像并不能直接提供血管壁的弹性,并且由于高频超声传播特性的复杂性、血管内超声换能器的特殊性以及软组织声场的物理特性,故在进行血管弹性成像等在体研究时,图像质量受许多因素的影响[5~7].这使获得的血管内超声图像中血管与血管壁之间界面模糊,给管壁弹性测量、三维重建等实际应用带来许多困难.

　　基于以上原因,本文讨论了影响血管内高频超声图像质量的各种因素,得出换能器偏心是其中的主要因素,进而提出一种基于血管内超声散射回波声场模型的换能器偏心灰度图像校正方法,该方法可以消除换能器偏心引起的图像灰度沿圆周方向分布的不均匀性.

　　1　影响血管内超声图像质量的因素

　　1.1　换能器偏心

　　换能器在血管腔内位置变化引起声场变化,会影响IVUS图像的质量,这主要有以下两种情况.

　　(1)换能器偏轴.如图1a所示,换能器旋转面中心偏离血管横截面质心位置,其导管中轴与血管轴保持平行.以换能器旋转面中心和血管横截面质心连线为Y轴建立坐标系,发射超声波束不再均匀入射整个管壁界面圆周.在与Y轴呈0°和180°附近区域,可以近似认为超声波束仍然垂直入射,其他角度范围内则是以一定角度入射.

　　(2)换能器扭转.如图1b所示,换能器轴线与血管轴呈一角度δ,这时不仅入射超声波到达血管壁界面的位置发生了改变,而且回波图像中血管横截面几何形状也发生了改变,与换能器旋转面共面的血管横截面长轴AA′加长,短轴BB′不变,AA′=BB′/cosδ.实际的高频IVUS过程中,换能器偏心通常同时包含上述两种情况,即换能器轴线偏离血管横截面质心并与质心连线成一角度.在不同旋转角度上,即使管壁的实际声阻抗特性完全相同,由偏心引起高频超声回波图像的辐射声波入射角度、回波旅行距离和散射系数等的变化,也会使接收到的超声回波信号能量相应发生变化.图2是换能器偏心后得到的血管内高频超声回波图像,可以看出图像灰度沿圆周方向不均匀,管壁信息被掩盖,这些都不利于弹性成像过程中的边缘提取和运动估计.由此可见,换能器偏心是影响高频血管内超声图像质量的主要因素,对其进行校正是IVUS等实际应用中的重要环节之一.