一种基于超声造影剂的微血管灌注检测方法

　　0　引　言

　　人体组织或器官的微血管灌注分布可以提供非常有用的生理和病理信息,从周围组织强背景中提取微米级微血管灌注信息并进行成像是医学超声领域极具挑战的研究课题[1].现有超声造影剂成像模式主要基于造影微泡在声场中的非线性谐振特性和多普勒相关的多脉冲技术,分为破坏性成像和非破坏性成像两类[2～4].破坏性成像的原理是:利用造影微泡在高发射声场作用下破裂并产生瞬间强回波这一周围组织所不具备的特性,达到对微血管的检测和成像;非破坏性成像方法则是:利用完整微泡在声场中振荡的非线性特性,对微血管进行检测和成像,如谐波成像、脉冲逆转成像等.非破坏性成像可以工作在实时状态,有利于灌注的监测和灌注参数的提取,但是不能应用在诸如脑灌注评价等场合;破坏性成像虽然只能工作在间歇方式下,但是由于其具有很高的检测灵敏度,因此关于造影微泡破坏机理及破坏性成像中灌注参数提取等相关研究也在逐渐兴起[5].利用造影剂破裂产生的回波解相关特性, Frinking等人在对几种不同商业造影剂、不同声辐射条件下,解相关检测灵敏度进行实验比较的基础上,提出了一种利用微泡破坏机制的多脉冲释放成像(multi-pulse release imaging)方法[6].由于这种成像方法要求附加的释放探头与成像探头共同聚焦于同一成像目标区,除了需增加额外的控制外,两个探头的扫描很难协调工作,因此这种方法并未取得实质性的进展.本文提出一种基于高机械指数(MI)、单成像脉冲发射导致微泡破坏的射频回波解相关(DCR)检测方法,通过构建仿体实验系统,获取各种实验条件下的原始射频回波数据,给出一维数据处理和二维成像的结果,并对结果进行分析和讨论.

　　1　方　法

　　1.1　原　理

　　当超声造影剂通过连续注射进入成像探头所在的微血管区域后,高机械指数成像声束将会对造影剂微泡产生不同程度的破坏,从而导致微泡浓度发生变化[1],单位时间内以一定速度流入成像平面内的瞬时微泡浓度满足随机微分方程

　　式中:n(t)为时刻t的瞬时微泡浓度;β为与微泡速度和微泡破坏率有关的常数;f为成像区域造影微泡的流量;x(t)表示均值为零、方差为σ2的高斯白噪声.由式(1)得到造影微泡浓度的归一化自协方差(相关系数)函数为

　　式(2)表明,当造影微泡在声场作用下遭到破坏时,接收到的微泡区域回波信号幅度的归一化相关值将随时间的变化逐渐衰减到一个极小值后趋于稳定,衰减的速度取决于β或解相关时间(回波相关值衰减到极小或解相关达到峰值所对应的时间),不同的破坏机制对应于不同的解相关时间,解相关时间在几微妙到几百毫秒量级之间[5].微血管周围的组织回波信号却不具有这种解相关特性,因此通过选择合适时间间隔的回波数据进行DCR运算就可将含有造影剂的微血管区域和组织区域区分开来.