基于平面波的高帧频向量血流成像

周　密,周　浩,郑音飞

(浙江大学 生物医学工程教育部重点实验室,浙江 杭州 310027)



基于平面波的高帧频向量血流成像

周密,周浩,郑音飞

(浙江大学 生物医学工程教育部重点实验室,浙江 杭州 310027)

摘要:针对传统医学超声血流成像中成像帧频低、检测结果依赖于血流方向的问题,提出高帧率二维向量血流成像方法.该方法结合了平面波成像、多合成孔径成像、二维自相关以及空间复合成像等技术.在接收模式下,采用左、右两个子孔径进行偏转角度波束形成,获得横向与轴向的血流速度信息.向量血流成像方法的有效性经过了Field II仿真实验、仿体实验及在体实验的验证.仿真实验表明：轴向血流速度的估计误差约为0.035 m/s,估计方差约为0.001 3 m/s；横向血流估计误差约为0.08 m/s,标准差约为0.009 m/s；通过与近期发表的平面波向量血流成像方法进行对比,本文方法的横向估计速率提高了0.02 m/s,轴向估计速率提高了0.003 m/s.通过沿不同角度多次发射平面波,采用复合成像技术,血流估计的稳定性得到了极大的改善.

关键词：向量血流成像；超声平面波；偏角波束形成；空间复合成像

医学超声成像作为一种无创心血管疾病的诊断方式,已经广泛应用于临床[1-2].目前,医学超声诊断主要采用脉冲多普勒测量和彩色血流成像技术.这些方法的实用性已经得到了普遍认可,但仍存在某些局限性.其一,传统的血流成像采用聚焦发射的方式进行成像,在该种模式下图像的帧频通常只有十几到几十帧.平面波成像通过发射平面波,采用平行接收回波的方式,大大提高了图像的帧频,通常可以达到1 000～2 000 帧/s,利用该种成像技术能够捕捉到聚焦模式下很难探测到的血液快速流动过程中产生的一些特殊现象,比如湍流和速度反向现象等.该技术已经应用于弹性成像[3]和血流成像[4]中.

另一个局限性表现在传统的血流成像方式中,血流速度的估计取决于声束与血流流向之间的夹角,只能估计到血流的在声束方向的流速信息,而损失了血流的速度矢量信息.针对该缺陷,众多研究人员提出向量血流成像技术,经过多年的研究发展,已经有不少的向量血流成像技术被提出来.研究方向主要包括以下2个方面.第一种方式采用追踪血液散射子的运动,研究设计不依赖于声束与血流流向之间的夹角的二维速度估计算子[5]；另一个研究方向是在传统的一维多普勒技术的基础之上,通过从不同的方向发射或者接收回波信号,从两个方向估计血流速度,利用三角向量合成最终的血流向量.针对第二种方式,已经出现了很多不同的向量多普勒系统,包括多个换能器发射超声声束和单个换能器发射声束的系统[6-8],对于这些系统的详细综述参见文献[9].

针对传统聚焦血流成像技术的低帧频、丢失血流流向信息等缺陷,本文提出一种平面波高速向量血流成像技术.该方法通过向目标组织中发射平面波,然后通过左、右两个子孔径从不同的方向进行接收波束形成,合成血流多普勒向量.为了验证该方法的准确性与有效性,本文分别设计了仿真、仿体以及在体实验,从不同的角度分析血流速率估计误差与标准差,并在仿真实验中与近期发表的平面波向量血流成像方法进行比较.最后利用该方法对健康成年人颈动脉进行成像,表达该方法的临床价值.

1理论与方法

1.1平面波血流成像理论

(1)

(2)

(3)

式中：c为超声速率,xi为接收阵元,xj为观测点垂直对应的阵元,h为观测点到换能器的垂直距离.总延时τ(xi,xj,h)可以表示为

(4)

图1　向量血流成像示意图Fig.1　Diagram for proposed vector flow imaging

1.2平面波向量血流成像系统与向量合成理论

平面波向量血流成像系统采用线阵探头进行成像.该系统通过发射超声平面波分别估计血流的轴向速度和横向速度,从而获取血流的运动向量.Ingvild等[10]提出以不同的发射偏转角度连续发射-接收两组超声平面波进行血流向量合成的成像系统.该系统假设相邻两束平面波发射间隔期间,血液散射子保持静止,因此该系统成像过程中引入了不可避免的血流向量估计误差.本文提出采用发射-接收一组超声平面波进行血流向量合成的方法,理论上不仅可以减小血流向量的估计误差,而且将成像帧频提高了1倍.

(5)

(6)

为了便于推导,假设θ=θrL=θrR.通过几何关系分析与正、余弦公式,由式(5)、(6)可得

(7)

可以得到观测目标的横向速度vx以及轴向速度vz,表达式如下：

(8)

(9)

1.3复合血流向量成像理论

图2　基于本文方法的复合向量血流成像原理Fig.2　Diagram of compound vector flow imaging using proposed method

(10)

2实验分析

2.1仿真实验

仿真实验用于定量分析本文方法的有效性与准确性.目前为止,国际上该领域在评价血流速度和散射子的运动方向方面基本上均利用仿真实验的方法进行定量分析研究,因此本文采用该方法.仿真实验使用FieldII程序[13],仿真换能器与血管建模的参数见表1.速度向量估计误差及标准差用于性能评价.在仿真过程中,采用圆柱形血管模型,血管的长度为40mm,半径为8mm,血管与z轴的夹角为72°.血管中心距离换能器的距离为40mm.所有的血液散射子按照均匀分布于血管内部,散射子的速度v呈抛物线剖面分布：

.

图3　血管建模示意图Fig.3　Diagram of vessel for simulation

平面波血流向量估计仿真开展3组实验.第1组用于论证偏转角度波束形成中,偏转角度对于速度向量估计的影响；第2组用于验证子孔径对速度向量估计的影响；第3组实验为复合平面波血流向量估计实验,目的是研究发射平面波个数对血流速度矢量估计的影响.在第1组实验中,将波束形成的偏转角度设置为10.8°、14.4°、17.6°以及20.8°,在该组实验中,将本文方法与Ingvild等[10]提出的方法进行性能对比.在第2组实验中,子孔径分别为48、64、80、96、112以及128.由于Ingvild等提出的方法与孔径无关,不进行对比实验.参数设置的依据是当偏转角度过大或过小以及子孔径太小会使向量合成的区域太小,不利于实验分析.在复合平面波向量血流估计仿真实验中,分别采用1、3、5、7、9、11个发射平面波,发射偏角设置为-12.5°～12.5°.使用本文方法获取的x、z方向血流速度估计结果分别表示为vx1和vz1；而采用文献[10]中的方法获取的x、z方向血流速度估计结果分别表示为vx2和vz2.

(11)

(12)

2.2仿体与在体实验

为了验证该方法的实用性,设计仿体实验与在体实验.仿体实验采用标准化的多普勒仿体(ATS523A,ATSLaboratoriesInc.,Bridgeport,CT),它带有一个直径为8mm的管道,并且通过泵来调节血液模拟液(Shellymedicalimagingtechnologies,London,Ontario,USA)的循环速度；在体实验数据源于健康成年人的颈动脉.实验中使用的数据采集设备为可编程超声成像系统SonixTouch(UltrasonixMedicalCorporation,Canada)和多通道回波采集工具(SonixDAQ)[15].采集到的所有数据转移到PC上进行MATLAB编程离线处理.硬件PC的基本配置参数为：CPU(IntelCorei3-3240)、内存(4GB).软件平台：MATLABR2012a.在实验中,采用5个以脉冲重复时间为10kHz、发射孔径相等但发射偏角不同连续发射的平面波.回波波束形成的孔径和偏角分别为128和17.6°；壁滤波采用64阶FIR滤波器,用于滤波的慢时(slow-time)数据数目为114.

3结果与讨论

3.1仿真实验结果

图4　不同子孔径下,本文方法的向量血流估计误差与标准差曲线 Fig.4　Bias and standard variance of proposed vector imaging with different size of subaperture

如图4所示,给出在不同接收波束形成子孔径Ne的情况下,提出的向量血流成像方法对横向速率与轴向速率的估计误差与标准差曲线图.可以发现,随着波束形成孔径的改变,轴向速率与横向速率估计误差的变化幅度非常小.横向速率估计误差保持在0.080m/s左右,估计标准差约为0.009m/s；轴向速率误差约为0.035m/s,估计标准差约为0.001 3m/s.在实际应用中,无需考虑该参数对速度矢量估计的影响,可以根据实际场景调节孔径以获得最佳视场.

图5　不同波束形成偏角下,向量血流估计误差与标准差曲线图Fig.5　Bias and standard variance of proposed vector imaging with different steering angles

本文提出的向量血流成像方法及Ingvild等[10]提出的向量血流成像方法的波束形成偏转角度对血流向量估计性能都有一定的影响.如图5所示为这两种方法在不同的波束形成偏转角度的情况下,血流向量的横向分量及轴向分量的估计误差、标准差曲线图.分析图5(a)可以发现,横向速率的估计误差随着波束形成偏角的增大而逐渐增大,轴向速率估计误差对波束形成偏角的变化不敏感,基本维持在0.035m/s左右.从图5(b)可以看出,横向速率估计标准差随着波束形成偏角的增大呈现相反的趋势,轴向速率估计标准差基本保持在0.001 3m/s.在选择波束形成偏角的时候,需要在估计误差与稳定性之间进行权衡.此外,与Ingvild等[10]的方法相比,本文方法的横向速率估计误差平均降低0.02m/s,轴向估计误差平均下降0.003m/s；横向估计标准差高出0.002m/s,轴向估计标准差基本一致.采用本文方法明显提高了血流向量的估计精度,但稳定性的变化很小.

如图6所示为在波束形成孔径为128、波束形成偏角为17.6°的情形下,仿体实验中血流速度的z轴方向分量与x轴方向分量的估计曲线.图6的血流速度估计曲线由图3中的3条虚线处的速率进行平均处理后描绘得到的.由图6可知,这两种方法的血流向量估计误差主要出现在速度大的区域；在靠近管壁的低速区域,轴向速率与横向速率的估计误差非常小.Ingvild等[10]提出的方法的横向速率估计值大于理论值,平均约高出0.10m/s,轴向速率平均低于理论值0.034m/s；本文方法的横向速率估计值平均低于理论值0.080m/s,轴向速率估计值平均低于理论值0.032m/s.如图7所示分别为本文方法与Ingvild等的方法的成像结果示意图.图7是由B型组织图像、彩色血流编码图像以及血流速度矢量图叠加而成的图像.

图6　血流的横向速率与轴向速率剖面曲线Fig.6　Profile of transverse and axial velocity respectively

图7　向量血流的仿真实验结果Fig.7　Simulations results of proposed and Ingvild’s method

为了抑制平面波引起的信号高旁瓣,提高血流向量估计的准确性与稳定性,进行多平面波发射的复合成像.图8给出当发射平面波个数Na分别为1、3、5、7、9、11时,横向分量与轴向分量的误差与标准差.由图8(a)可知,当采用复合成像技术进行向量血流成像时,随着参与复合成像的平面波个数的增加,横向估计误差与轴向估计误差均有减小,但是变化都十分微小.从图8(b)可以发现,发射平面波的个数与横向速率估计标准差之间呈负相关,轴向分量基本不受复合成像技术的影响,与发射波束的个数无关.实验表明,采用复合成像技术能够显著提高平面波向量血流成像的稳定性.

图8　本文方法在不同发射平面波个数下血流速率估计的误差与方差Fig.8　Bias and standard variance of estimated velocity with different number of steering angles

图9　采用本文方法获取的ATS 523A多普勒仿体速度向量成像结果Fig.9　Vector imaging result of ATS 523A Doppler phantom using proposed method

图10　采用本文方法获取的健康成年人颈动脉血流向量成像结果Fig.10　Vivo experiments results in different cardiac cycles

3.2仿体与在体实验结果

图9给出仿体实验成像效果图.理论上,仿体中流体速率分布均匀,中心速率最大,每条估计轴线上的速率分布呈现剖物线,实验结果与理论预测基本一致,说明本文方法对实际流体进行速度向量成像是十分有效的.图9中边缘出现速度反向的矢量,这是因为实验过程中管壁上附着有气泡,导致了管壁周围的散射子的不规则流动.

在体实验中,利用本文提出的向量血流成像方法对健康成年人的颈动脉进行成像.在实验过程中,采集5个完整心动周期的超声回波数据,进行一系列信号处理后,最终得到血流向量图像,成像帧频为2kHz(脉冲重复频率为10kHz).如图10所示分别为血液平流、动脉血管进行搏动时的两幅编码图像以及多普勒图像.生理上,在血液平流期间,血流流速稳定,速度分布均匀,理论上每条垂直线上的速率分布呈现抛物线；在动脉舒张期间,血管壁扩张,前期速率减小,后期速率增大；在动脉收缩期间,血管壁收缩,前期速率增大,后期逐渐减小.如图10(a)所示为颈动脉平流期间(对应图10(c)中a点的位置)的向量图像,与理论基本保持一致；如图10(b)所示为颈动脉收缩初期(对应图10(c)中b点的位置)的血流向量图像,可知,动脉中心的血液速率迅速增大,管壁周围的血流速度几乎为零(上管壁由于探头挤压,未出现该现象),与动脉血流的生理特性表现一致.由此表明,本文的向量血流成像方法具有应用前景.

4结语

本文提出新型的高帧频平面波向量血流成像方法.该方法结合平面波成像技术、多合成孔径成像技术、二维自相关技术以及复合平面波成像技术.该方法通过平面波成像解决了传统血流成像中低帧频的缺陷；提出的新型向量血流成像方法弥补了传统彩色编码血流成像中只能体现出血流的横向速度信息的不足.为了验证本文方法的准确性与实用性,分别设计了仿真实验、仿体实验以及在体实验.在仿真实验中,通过与近期发表的平面波向量血流成像方法进行比较,本文方法的横向估计精度提高了0.02m/s,轴向估计精度提高了0.003m/s.通过仿体与在体实验,进一步验证了本文提出的向量血流成像方法的应用前景.下一步可以考虑将平面波血流成像手段应用于临床实验,为心血管病变的精准诊断提供更丰富的评价信息.随着平面波超声技术的不断发展成熟,平面波高帧频向量血流成像系统将成为临床心血管疾病诊断的重要手段.

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收稿日期：2015-06-28.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015FZA5019, 2016FZA5015).

作者简介：周密(1992-),硕士生，从事医学超声成像技术研究. ORCID:0000-0002-3986-520X. 通信联系人：郑音飞，男，副教授. ORCID:0000-0001-6837-2634. E-mail:zyfnjupt@126.com

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.026

中图分类号：TN 98; R 445

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)07-1410-08

Highframe-ratebloodvectorvelocityimagingusingplane-waveultrasound

ZHOUMi,ZHOUHao,ZHENGYin-fei

(Key Laboratory for Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract:A high frame-rate two-dimensional vector flow imaging method was proposed to overcome the low frame-rate and the angle-dependency problems in traditional medical ultrasound flow imaging. The proposed method combined the plane wave imaging, multi-synthetic aperture, two-dimensional auto-correlation and spatial compound. The steered beamforming was performed only during receiving on two independent subapertures, left and right, respectively. Lateral and axial flow velocity components were obtained. The effectiveness of the method was verified by the Field II simulation, in vitro and in vivo experiments. Simulation results showed that the bias of axial velocity estimation was around 0.035 m/s and the standard variance was about 0.001 3 m/s. The bias and the standard variance of lateral estimates were about 0.08 m/s and 0.009 m/s, respectively. The bias of lateral velocity estimate increased by 0.02 m/s and the bias of axial velocity estimate increased by 0.003 m/s compared with the recent published method. The stability of the estimate was improved by tilting the emitting plane wave for each plane-wave transmission and spatial compounding．

Key words:vector flow imaging; ultrasound plane wave; steered beamforming; spatial compound imaging