眼组织超声回波频谱特性

赵智慧 林一聪 郑 政

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200000)

引言

脉冲回波法超声扫描是眼病诊断的有效方法，其设备的设计离不开对眼球回波特性的了解。众所周知，由于声衰减的频率依赖性，组织中超声传播具有明显的频移特性［1－2］，即回波中心频率随探测深度的增加向低端移动，所以超声接收器中的射频滤波器参数必须随时调整，以获得最佳的滤波效果。从声学的角度来看，眼是一种特性非常不均匀的研究对象。在临床检查中声脉冲依次穿过角膜、房水、晶状体(也可能避过此组织)、玻璃体、眼底多层膜状组织、球后软组织，最后抵达眼眶，散射脉冲又以相反的方向依次穿过各组织回到探头。眼组织中，房水和玻璃体特性与水接近，晶状体和眼底膜状组织中含有致密组织成分，球后组织又以脂肪和肌肉为主，是典型的软组织结构。前人对眼球中各种离体组织的超声特性做了充分的研究，从他们的研究结果中可以看到不同组织之间的差别［3］。可以想见，通常从相对均匀的软组织中总结的规律很难用于估计在体眼组织的回波频谱特性，而这方面的研究却又十分缺乏。

超声回波的频谱主要由3个因素决定:首先是测试系统，即超声换能器以及电子器件共同决定的频谱特性;二是回波产生处组织的散射特性;三是超声传播路径上组织对信号频谱的改变。Lizzi等人在20世纪80年代从组织定征的角度出发研究了在体眼组织的超声散射特性［4］，为了便于理论分析，他们在实验中有意让声束避开晶状体，并且将研究对象局限于焦点附近，在这种条件下观察到了眼底附近不同组织散射谱的差异。但由于观察范围的局限，其结果不足以为扫描设备的设计提供参考。

本研究首先分析探讨了眼科临床广为使用的10 MHz单元换能器对人眼在体扫描所得的回波频谱的变化规律，并在此基础上讨论了眼组织的声散射和传播特性对回波频谱的共同影响，所得结果为10 MHz眼科超声设备射频滤波器的设计提供了依据。

1 实验方法

1.1 数据采集

超声换能器(Imasonic Inc.，10 MHz单元式)在一个双向脉冲发生器(自制)的激励下对志愿者受试眼球进行A型扫描，自制的放大器对回波信号进行放大，通过一个1～20 MHz的带通滤波器，送数据采集装置显示和记录。数据采集装置由12 bit采集卡(National Instrument Inc.，型号 PCI 5105)和台式个人计算机PC(Dell Inc.)组成，所记录的数据由Matlab(Mathwork Inc.)程序离线处理。采集过程由发射脉冲同步，采样频率60 MHz，每次回波记录8192点，历时 136.5 μs，相当于超声在 102.4 mm 的深度上传播一个来回。

由于晶状体对超声传播的影响比较大，实验分别对轴位和非轴位两种方式进行探测［5］，前者声束基本沿眼轴的方向传播，声脉冲经过晶状体;后者声脉冲不经过晶状体，两组实验结果的比较可以反映晶状体对回波频谱的影响。

探头声窗覆以超声耦合剂，通过眼睑对眼球扫描。实验过程中实验者手持探头，边调整探头角度边观察回波波形，当波形出现预期的特征时，立即进行连续192次 A型扫描记录，扫描间隔200 μs，可以认为记录过程中探头和眼球的位置不变，所得结果叠加平均以消除噪声干扰，作为一次实验结果。由于超声采集元中散射子分布的随机性，仅仅根据一次实验所得的谱分析结果将有极大的随机起伏，为此，对每个眼球的每个部位都进行20次独立实验，每次实验后都将探头从受试眼的眼睑移除数秒种后重新开始，同时每次实验记录之前都要调整探头直到波形出现预期的特征，这样在保证探测部位的正确性的同时保证了各次实验的独立性。通过对2只眼球的实验，每个探测部位都记录了40个相互独立的A超扫描结果，将它们放入各自的数据池中，以便后续处理。

轴位探测如图1(a)所示，超声声束大致沿眼轴，经过角膜，前房，晶状体，玻璃体，眼底及球后组织，波形特征是有一个非常大的晶体后囊回波，并且眼底回波和晶体后囊回波幅度相当;非轴位探测如图1(b)所示，超声声束沿前内下方向后上方，声束经过巩膜，玻璃体直达眼底，通路中不包括眼角膜、前房和晶状体，所以没有晶体后囊回波，眼底回波幅度和轴位探测相当。信号起始处的波形是发射脉冲泄漏以及眼睑、角膜或巩膜回波的混合。

为了分析组织特性对回波频谱的贡献，还需要获取测试系统的频谱特性［6］。超声回波是组织反射函数和系统点扩展函数的卷积，在频域中即为二者的乘积。水中平界面在垂直入射的情况下对不同频率成分具有相同的反射系数，所以此时的回波信号频谱即反映了测试系统的特性。本研究中，使用有机玻璃平面靶在水槽中使超声束垂直于平面靶，采集回波数据以备后用。

1.2 数据处理和分析

1.2.1 回波信号的分段和功率谱分析

为了分析不同深度回波信号的频谱，用Hamming窗截取回波中的片段进行分析。每段120个点，相当于时间2 μs，空间距离1.5 mm。由于眼球回波中存在较宽的低回声区，分析仅针对有明显回波信号的部分。非轴位探测时，分析局限于眼底以及球后组织，在A超波形中判断眼底回波的起始点作为第一个Hamming窗截取的起点，在一个窗宽后以相同的方法截取第2段，如此连续等间隔截取，共8段，分别以k=1，2，…，8的顺序标记，总共960个点，相当于时间16 μs，空间距离12 mm。轴位探测时，以相同的方法连续截取7段球后组织回波，分别以j=1，2，…，7的顺序标记，另外还截取晶状体后囊回波进行分析。对第m条扫描线，球后组织的信号片段记为 pm1(t)，…pmn(t)，…，pm8(t)(轴位探测无最后一段)，晶状体后囊回波记为pml(t)(仅轴位探测存在)。

利用pwelch函数［7］对截取的球后回波信号分段处理，对第n个片段的信号的功率谱结果记为Pmn(ω)，将所有试验的对应片段的功率谱平均，得

式中，M为试验次数，将2只眼上相同部位采集的信号作为同一个随机试验的样本，所以M=40。同理，对于晶状体后囊回波信号，有

并且其中的M也等于40。将式(1)归一化后取对数，对于轴位探测时，记为 Sj(ω)，j=1，2，…，7，对于非轴位探测时，记为 Sk(ω)，k=1，2，…，8。将式(2)归一化后取对数，记为 Sl(ω)，只有在轴位探测时，才进行晶状体的频谱分析。

1.2.2 平面靶功率谱

在水槽中将有机玻璃平面靶置于感兴趣的深度上，将所得信号截取120点(大于信号宽度)，进行功率谱分析并将其归一化后取对数，从相当于晶体后囊位置得到的结果记为Scl(ω)，相当于眼底各段位置得到的结果记为Scn(ω)(n=1，2，…，7)。

1.2.3 组织声特性

根据和1.1中所述相同的理由，超声回波对数谱减去相应距离上的平面靶对数谱，即可得到代表组织声特性的频谱。对于轴位探测时，球后组织以及晶状体后囊，分别有 Srj(ω)(j=1，2，…，7)和Srl(ω)，如式(3)和式(4)，同理对于非轴位探测时，球后组织的声特性可表示为 Srk(ω)(k=1，2，…，8)。

2 实验结果与讨论

2.1 平面靶回波频谱

图2为探头垂直入射时距离探头24 mm处的有机玻璃反射回波的归一化幅度谱，可见中心频率9.1 MHz，－6 dB带宽4.8 MHz。在不同距离上的平面靶回波具有类似的频谱。

2.2 非轴位回波信号功率谱

图2 超声探头24 mm处平面靶的回波频谱Fig.2 Echo spectrum of theflat target with ultrasonic probe at 24 mm

非轴位扫描时声脉冲在到达眼底前主要在玻璃体中传播，声衰减较小，进入球后组织后，频谱随着深度增加向低端移动的趋势开始显现。图3给出了非轴位扫描时眼底第3至第8片段组织的归一化功率谱频谱，可以看到频谱形状大致相同，但中心频率随深度明显下移。

图3 非轴位探测时眼底顺序取样部分的频谱Fig.3 Spectrum of the sequential sampling parts of the of fundus when non axial scanning

2.3 不同深度回波信号中心频率变化

图4和图5分别显示了轴位和非轴位探测时回波信号中心频率平均值随深度的变化。从图4中可以看到晶状体后囊中心频率低于平面靶回波，反映了声通路中探头声窗，角膜，晶状体等物质的存在对频谱的影响。从图4中还可以看到晶状体后囊和眼底较浅处回波的中心频率相差很小，这是因为两者间的组织是玻璃体，其声学特性接近于水，所以对频谱的影响比较小。图5中可以看出非轴位探测时眼底中心频率比轴位探测时略高，可见晶状体对信号频谱具有一定的影响，但是影响并不显著。有趣的是，眼底较浅处中心频率随深度不仅没有下降，反而逐步上升，这种趋势一直保持到眼底3～4.5 mm左右，其后又随深度迅速下降。仔细研究图4，发现这种趋势在轴位探测时也同样存在，只不过轴位探测时深部回波较弱，分析深度小于非轴位探测，所以这种趋势没有这么明显。估计眼底较浅处中心频率随深度增加源于组织的散射特性，而以后的频率降低主要源于组织的衰减特性。

将图5中曲线的下降段作直线拟合，得到方程f= －0.16 l+13.17，其中l表示探测深度，单位为mm，f表示频率，单位为 MHz。

2.4 组织超声频谱特性

将眼组织超声回波信号的平均对数功率谱中减去平面靶超声回波信号的对数功率谱，即得到反映组织声特性的平均归一化对数功率谱，如图6和图7中所示。

图4 轴位探测各处频率与距离的关系Fig.4 The relationship offrequency and distance when axial scanning

图5 非轴位探测各处频率与距离的关系Fig.5 The relationship offrequency and distance when non axial scanning

由于声路中类水组织占有较大的比重，晶状体和眼底较浅处回波的频谱大致反映了组织的散射特性，而眼底较深处的频谱是其散射特性和前方组织声衰减特性共同作用的结果。从图中可以看出晶状体后囊的平均功率谱在探头的带宽范围内接近于一条直线，晶状体回波频谱比较平坦，接近于平面靶;在眼底较浅处不同深度的中心频率虽然有变化，但是频谱形状却很相似，都有随频率升高的趋势，这符合Lizzi对瑞利散射子特性的描述［4］。

无论是轴位还是非轴位探测，眼底较浅处组织的频谱形状基本相同，但是眼底片段2和片段3又明显高于片段1，这和实验结果2.3中对平均中心频率的观察是一致的。其余深度上频谱曲线在较高频率上的下垂明显是受到了前方组织声衰减特性的影响。

图6 轴位探测组织频谱特性Fig.6 Spectrum characterization of tissue when axial scanning

图7 非轴位探测组织频谱特性Fig.7 Spectrum characterization of tissue when non axial scanning

3 讨论和结论

脉冲回波超声设备由发射和接收两部分组成，发射部分的设计主要决定于所要求的横向和轴向分辨力。从信号滤波的角度考虑，接收部分的设计必须事先了解回波的频谱特性。超声脉冲发射后不再受到设备的控制，回波特性将由发射脉冲，组织散射特性和声通路上介质的声传播特性共同决定，而后二者均决定于人体组织。笔者研究了特定探头条件下正常眼的在体回波信号特点(见图4和图5)，并利用射频信号频谱分析方法探讨了其中组织特性的影响，解释了形成这一特点的机理。频谱分析是超声组织定征(ultrasonic tissue characterization，UTC)的基本方法［8］，其根据是不同组织具有各自不同的特征性的散射频谱，很多工作将此方法用于各种正常或病变组织的识别［9－12］，本研究的实验结果符合前人的观察［6］。组织的声传播特性具有众所周知的非线性性质，在入射和反射双向影响到回波信号的频谱。实际上对于在体组织实施基于谱分析方法的UTC，组织声传播的非线性是一种很难克服的干扰。在眼球中，尤其是非轴位探测，声波在很长距离上是在类水的介质中传播的，使我们有机会观察到眼底组织的散射频谱，但是来自更深部组织的回波就无法分辨散射频谱和非线性引起的频谱改变(见图6和图7)，可以肯定的是越深部的组织传播特性对回波频谱的影响就越严重。而本研究无意于眼组织定征，因此分辨此二者超出了本研究的范围。

由于眼结构的不均匀性，眼组织超声回波频谱具有其特殊性，不能当成一般的均匀软组织来对待。本研究的结果来自对两个正常眼球的实验，可以想见，病变眼球的回波谱必然会受到病变组织散射特性的影响，不同的病变将有不同的规律。限于条件，无法进行病变眼球的实验，但是可以预期，只要球内类水介质占主导，球后软组织这样的基本结构不变，那么病变眼球的回波特性和正常眼球的偏离不会太大。

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