Page 35 - 《应用声学》2022年第5期
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第 41 卷 第 5 期 那雪璐等: 菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术 711
过对菲涅尔区域法成像分辨率进行分析,研究了不
0 引言
同入射频率对乳腺内部声速反演的影响。
乳腺癌是我国发病率最高的女性恶性肿瘤。早
1 理论与方法
期乳腺癌的筛查主要依赖于定期体检,检查手段有
乳腺钼靶、超声检查、X 线检查等。其中,超声检查 1.1 环形传感阵列与菲涅尔区域法
以其价格低廉、无辐射等优点,已经成为乳腺癌诊 相比于射线理论,菲涅尔区域法是将声波传播
断的重要工具。 看作是一个体积范围内所有点共同作用的结果,而
乳腺是一个从外部到内部由皮肤、脂肪层、腺 这个体积是传播的直达波与介质中散射波相互干
体等组织层层分布或相互交错组成的复杂的生物 涉的区域。如图1(a)所示,s点是发射传感器位置,g
结构体。不同乳腺组织的平均声速不同 [1] ,而病变 点是接收传感器位置,r 点是空间介质中任意一点。
组织一般具有更大的声速,因此本文采用声速作为 ࠱ጳय़
反演参量可以精确判断病变组织的位置及大小。相
较于二维成像,三维成像的优势在于能够从各个角 g
度全方面地呈现乳腺组织内部构造,但三维成像的 l sg l rg
算法复杂度较高,故目前乳腺超声成像的研究成果 l sr
s r
更多集中在二维成像,对于乳腺结构的三维成像研 ᖧ๖࠷ӝ۫
究开展较少。
ࠄᬅय़
围绕乳腺组织的二维超声成像也可称为超声
层析成像,目前超声成像算法主要有基于射线理论 图 1 菲涅尔区域
的反演和全波形反演两大类。理论上,基于波动方 Fig. 1 Fresnel region
程的全波形反演 [2−4] 考虑了运动学和动力学特征, 图 1 中黑色实线为射线理论传播路径,红色
能够充分利用信号所携带的振幅、相位等信息,成像 实线是声波在不均匀介质中的实际传播路径。定
分辨率明显高于基于射线理论的成像方法。然而, 义 ∆t 为扰动时间,表示声波在实际路径 (s 点 → r
在实际应用中,全波形反演成像仍存在一些困难,例 点 → g 点) 的传播时间 (t sr + t rg ) 与在射线理论路
如:对初始模型依赖程度较高、反演时目标函数与速 径 (s 点 → g 点) 的传播时间 t sg 之间的差值,即
度扰动之间强烈的非线性关系、计算量较大等,以 ∆t = t sr + t rg − t sg 。利用最大扰动时间 ∆t max 定
上因素使得全波形反演未能得到广泛应用。射线反 义菲涅尔区域分布范围,计算得到 [9]
演成像 [5−8] 基于高频近似理论,将声波传播路径近 3 × T
∆t max = , (1)
似为射线,使得反演数学模型简单、计算量小,在满 8
其中,T 是入射声波的周期。当散射点满足扰动时
足声波波长远小于待反演目标尺寸的前提下具有
间小于 (3 × T)/8 时,该点就在菲涅尔区域范围之
较好的超声成像质量。实际声波传播过程中,影响
内,表示该点是导致接收点 g 点接收到的声波时间
声波传播的不仅仅局限于射线上,而在射线邻近区
发生扰动的其中一个因素。
域内的生物组织结构也会对声波传播造成影响,这
以图1中s点与g 点为例,两点之间透射时间最
个区域被称为菲涅尔区域 [9−12] 。与传统射线相比,
小的路径是直线路径,此时 ∆t 等于 0,而菲涅尔区
采用菲涅尔区域描述声波传播更加符合实际声波
域内其他 r 点产生的 ∆t 是小于 (3 × T)/8 的一个数
传播过程。Fang 等 [13] 将菲涅尔区域应用于乳腺成
值。因此,可采用单调线性递减加权函数来表征菲
像,并分析了成像误差,证明了菲涅尔区域成像算法
涅尔区域内的点对第一到达时间的影响,加权函数
在乳腺成像方面的可行性。
定义 [13] 如下:
本文主要内容包括分析了环形传感阵列菲涅
8 3
尔区域成像法基本原理,设计了基于柱面传感阵列 1 − f|∆t|, 0 6 |∆t| 6 8f ,
3
w = (2)
的三维成像算法;通过计算三维超声反演误差,实现 3
0, |∆t| > ,
了对乳腺内部声速反演精确度的评价;最后,本文通 8f