超声编码激励在瞬时弹性成像检测中的应用

和晓念，林浩铭，刁现芬，孟德明，覃正笛，陈思平，陈昕



超声编码激励在瞬时弹性成像检测中的应用

和晓念1，林浩铭1，刁现芬1，孟德明2，覃正笛1，陈思平1，陈昕1

(1. 深圳大学医学院，医学超声关键技术国家地方联合工程实验室，广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，广东深圳518060；2.桂林电子科技大学，广西桂林，541004)

瞬时弹性(Transient Elastography，TE)成像广泛应用于肝硬化研究。然而，在临床应用中，对于肥胖病人，该方法很难实现对深度位置的瞬时剪切波进行检测。研究了将超声编码激励应用于瞬时弹性成像剪切波检测的可行性，选用7位巴克码进行编码检测研究。通过剪切波信噪比和检测穿透力两个指标对编码检测与传统短脉冲检测结果进行量化和对比。弹性仿体实验表明，编码检测可以提供比传统短脉冲检测更高的剪切波信噪比和检测深度。离体猪肝实验表明将编码激励应用于组织检测时同样可以实现高信噪比剪切波检测。这些结果表明编码检测应用于瞬时弹性成像检测是可行的，可以增加其检测深度。

瞬时弹性成像；超声编码激励；剪切波信噪比；穿透力

0 引言

瞬时弹性成像技术提供了一种快速、简洁、无创且完全无痛的肝脏硬化检测方法[1-2]，其原理主要通过测定低频剪切波在肝组织纤维中的传播速度来判断肝脏的硬度，从而评估出肝脏纤维化的程度。法国ECHOSENS公司拥有专门用于FibroScan设备的振动控制的瞬时弹性成像专利技术(Vibration Control Transient Elastography，VCTE)，该瞬时弹性成像技术主要装置是将超声换能器固定在电磁振动器上，电磁振动器产生低频瞬时振动，带动超声换能器探头本身在粘弹性介质表面产生瞬时冲击，从而在组织内部产生剪切波[3]。利用超声脉冲回波技术，采用常规短脉冲方式跟踪记录瞬时剪切波在组织中随时间的传播过程。通过对超声M模式信号的分析，来确定瞬时剪切波在组织中的传播速度，从而计算组织的弹性系数。

从超声回波中提取有关剪切波运动信息是瞬时弹性成像信号处理过程中的关键一步。超声回波的信噪比正比于剪切波信噪比[4-5]。由于超声波幅度在人体中随传播距离成指数衰减，在脂肪组织中衰减更为严重，因此在瞬时弹性成像临床应用中，对于肥胖病人，瞬时弹性成像技术表现出检测深度不够的现象，难以实现准确肝纤维化检测[6]。

编码激励技术已广泛应用于医学超声成像[7-10]。本文提出了瞬时弹性成像编码检测方法。采用超声编码激励技术对剪切波传播进行跟踪和检测。搭建了瞬时弹性成像编码检测平台及系统，基于该编码系统进行了标准弹性仿体和离体猪肝仿体瞬时弹性编码检测实验，结果表明编码检测可以提高瞬时弹性成像剪切波信噪比，从而改善其检测深度。

1 编码瞬时弹性成像系统和方法研究

1.1 实验系统

编码应用于瞬时弹性成像系统主要包括两个部分，一个是编码激励部分，一个是瞬时弹性检测部分。编码激励部分基于一台商用经颅多普勒进行开发(EMS-9UA，德力凯，深圳，中国)，采用仪器的发射接收(T/R)模块，超声探头的激励信号设置为外部输入激励。任意信号发生器(LeCroyArbstudio 1104，Leroy Corp. Chestnut Ridge，NY，U.S.)用来产生超声探头所需要的激励信号，包括常规短脉冲和编码调制信号，该信号经过前端功率放大电路处理之后驱动超声换能器，进而实现编码检测。商用机的8 MHz时钟信号被引出作为任意信号发生器的外部时钟信号以及数据采集卡(PCI-9846，ADLINK，台湾，中国)的采样频率信号，全系统共用一个时钟信号。编码激励系统和实验平台如图1所示。

瞬时弹性检测部分如图2所示。将中心频率为2 MHz的单阵元探头绑定在电磁振荡器(Mini shaker Type 4810，Denmark)的中轴上，调整探头与仿体之间的距离，使得超声探头紧贴仿体表面。用来产生剪切波的瞬时低频信号也是由任意信号发生器产生，低频信号首先经过功率放大器(Power Amplifier 2718，Denmark)进行功率放大，然后驱动电磁振荡器产生瞬时振动，进而带动探头瞬时振动，在组织内产生剪切波。本文中设定低频信号频率为50 Hz，这也是相关瞬时弹性成像研究中普遍选定的频率[3]。如果瞬时激励信号频率过低，剪切波的波长变长，会增加其衍射效应，不利于剪切波速度的估算；激励信号频率过高，则会增加剪切波的衰减，不利于深度检测[1]。

剪切波激励信号与检测序列的时序如图3所示，其中，低频瞬时振动频率为50 Hz；检测脉冲重复频率=7.4 kHz；低频振动信号与检测脉冲时序保持同步，可以方便实现对剪切波的跟踪和检测。回波信号经过初级放大直接进行A/D采集，数据存储在电脑硬盘中，后续进行线下处理。

1.2 编码以及后处理方法

采用超声编码检测，可以提高瞬时弹性成像剪切波信噪比，进而提高其检测深度。巴克码具有很好的自相关性且对硬件电路要求较低，操作中比较容易实现[11]。本文中选定7位巴克码进行编码检测。采用巴克码编码调制实际是对载波信号进行相位调制的过程，如图4所示。本方案中系统采样时钟为8 MHz，探头的中心频率为2 MHz，每一个码片调制4个基波，首先将巴克码序列按照倍进行过采样；然后将过采样的序列与2 MHz的基波信号进行相乘，即可实现对基波的相位调制。将经过相位调制后的编码信号经过前端发射电路进行功率放大，最终实现编码激励超声换能器。

编码回波信号经过初步放大后直接进行A/D采样，完成编码检测回波信号的数字化。由于对回波信号直接进行了数字化处理，因此在这里可以很方便地应用数字脉冲压缩技术来实现信号的解码。通过匹配滤波即可获得脉冲压缩后的回波信号[11]，该过程表示为

式(1)中：为采样深度序列号；()是经过解码之后的超声回波信号；()是编码脉冲超声回波信号；()是对应发射脉冲的码元序列；为码的数据长度。利用解码之后的回波信号进行组织振动位移信号提取。本编码检测方法中采用互谱方法实现位移估计，该方法具有稳定、快速及精确的优点[12]。

1.3 编码检测穿透力量化方法

为了验证编码应用于瞬时弹性的效果，这里给出了剪切波信噪比的量化方法。图5(a)显示的是一个深度的剪切波振动信号，对该信号进行FFT变换之后得到其频谱分布如图5(b)所示。

(a) 一个深度的剪切波振动信号

(b) 振动信号(a)的傅里叶变换

图5 剪切波信噪比的量化方法

Fig.5 The quantization method for shear wave SNR

低频的50 Hz信号作为剪切波有效信号，对高频信号(高于1 500 Hz)进行累加作为剪切波噪声信号，则剪切波振动信号信噪比可定义为剪切波的有效信号与噪声信号之比，该表达式为

式(2)中：为一个深度的剪切波振动信号；为选定的振动低频成分；为累加频率范围。

图6(a)是用瞬时弹性检测装置获得的剪切波运动图，反映了剪切波沿着深度方向传播随时间的变化。斜率对应于剪切波在仿体中的传播速度。按照所给出的信噪比量化方法，对图6(a)每个深度的振动信号做剪切波信噪比提取，可以得到如图6(b)所示的随深度变化的剪切波信噪比曲线。对标准弹性仿体进行瞬时弹性成像6次独立重复实验，对每次实验结果分别提取信噪比曲线，得出的6次信噪比曲线基本重合，如图6(b)所示，表明瞬时弹性检测以及信噪比的量化方法具有很好的重复性。

(a) 用瞬时弹性检测装置获得的剪切波运动图

(b) 瞬时弹性成像6次独立重复实验得到的剪切波信噪比随深度变化

图6 量化方法的可重复性验证

Fig.6 The repeatability verification of the quantification method

2 瞬时弹性成像超声编码检测研究

为了验证超声编码激励应用于瞬时弹性检测，可以改善剪切波信噪比和提高瞬时弹性成像检测深度的有效性，本研究采用标准弹性仿体和离体猪肝仿体进行超声编码激励瞬时弹性成像检测实验。

2.1 标准弹性仿体的编码瞬时弹性检测

瞬时弹性成像实验装置如图2所示。标准弹性仿体型号为：Model 049，CIRS Inc，Norfolk，VA，USA。为了突出编码的检测效果，在探头和标准仿体之间放置一层厚度为2 cm的五花肉，通过添加五花肉可以对超声信号引入更多的噪声和衰减。探头紧贴五花肉表面。设定电磁振荡器的驱动信号电压为0.7 Vpp。实验过程中，探头和仿体的位置关系保持不变，只切换不同的检测方法。分别采用常规短脉冲检测和编码检测方法对瞬时剪切波信号进行跟踪和检测，然后对检测的结果进行信噪比分析，通过量化比较说明编码检测的优势。

剪切波检测结果如图7所示，不同检测方法得出的剪切波信噪比随深度变化如图8所示。由图7可以明显看到，当采用短脉冲检测时，背景噪声比较明显；而编码结果显示，背景噪声可以得到很大抑制。这种对噪声的抑制效果可以有助于提高检测穿透力。

如图8所示，对检测的结果进行信噪比分析，编码检测所得的信噪比整体趋势要高于常规脉冲检测，本实验中如果以10 dB来限定检测穿透深度，那么编码检测相对于短脉冲检测，探测深度可以提高5～10 mm。

(a) 短脉冲

(b)7位巴克码

图7 在弹性仿体实验中，分别采用短脉冲和7位巴克码检测所获得的剪切波运动图

Fig.7 The shear wave motion signal plots as detected by the short pulse and Barker 7 coded pulse in the elastic phantom experiment

2.2 离体猪肝仿体的编码瞬时弹性检测

本研究还进行了离体的动物实验，离体的猪肝仿体采用HKM公司的琼脂粉制作，琼脂粉与水的质量比为，选定猪肝尺寸为4 cm×5 cm×8 cm，将猪肝嵌置于琼脂仿体中，制作完成的离体猪肝仿体如图9所示。分别采用常规短脉冲检测和编码检测方法对猪肝仿体进行瞬时弹性成像检测。采用同样的剪切波信噪比定义方法对检测结果进行量化对比。

瞬时剪切波信号跟踪检测结果如图10所示。相比于常规短脉冲检测，编码检测能够很好地对噪声信号进行抑制，在较深位置(大于6.5 cm)处表现的效果更为突出。

(a) 短脉冲

(b)7位巴克码

图10 在离体猪肝仿体实验中，分别采用短脉冲和7位巴克码检测所获得的剪切波运动图

Fig.10 The shear wave motion signal plots as detected by the short pulse and Barker 7 coded pulse in the in vitro liver phantom experiment

对检测结果分别进行信噪比分析，如图11所示。编码检测所得的信噪比整体趋势要高于常规脉冲检测。随着深度增加，信噪比提高更明显。

3 结论

本文研究设计并实现了瞬时弹性成像编码检测平台及系统，基于该编码系统进行了标准弹性仿体和离体的猪肝仿体编码检测实验。在标准仿体表面加入一层五花肉的瞬时弹性检测结果表明，编码检测可以很好地改善剪切波信噪比，与传统的短脉冲检测相比，提高了瞬时弹性检测深度；离体的猪肝仿体实验同样表明编码检测提高了检测深度，也证明了将编码检测技术应用于组织瞬时弹性成像的可行性。该编码检测可以提高剪切波信噪比，改善瞬时弹性成像临床应用中检测深度不够的问题。

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Application of ultrasound coded excitation in transient elastography detection

HE Xiao-nian1, LIN Hao-ming1, DIAO Xian-fen1, MENG De-ming2, QIN Zheng-di1, CHEN Si-ping1, CHEN Xin1

(1. School of Biomedical Engineering, Shenzhen University, National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, Guangdong Key Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen 518060, Guangdong, China;2. Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

Transient elastography (TE) is well adapted for use in studying liver elasticity. However, in clinical application, it is challenging to detect the transient shear wave motion in a severe noise environment, such as within deep tissues and for obese patients. This paper, therefore, investigates the feasibility of implementing coded excitation in TE for shear wave detection. The 7 bit Barker code is used in this study. The performances of coded excitation for transient elastography are quantitatively compared in terms of shear wave SNR and the detection depth. Elastic phantom experiment shows that coded pulse outperform traditional short pulse by providing superior shear wave SNR and detection depth. Results from the in vitro liver experiment prove the feasibility of implementing the coding technique in tissue and shows that the coded pulses could provide higher shear wave SNR than the traditional short pulse. These promising results prove the feasibility of implementing coded excitation in TE application, to facilitate superior detection depth.

transient elastography; ultrasound coded excitation; shear wave SNR; penetration

R318

A

1000-3630(2017)-04-0340-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.008

2016-08-30;

2016-10-22

国家自然科学基金资助项目(81471735,61427806,61201041)、国家科技支撑计划(2015BAI01B02)、广东省自然科学基金(2016A030310047)、深圳海外创新基金项目 (KQC201105310020A)

和晓念(1986－), 男, 河南周口人, 博士研究生, 研究方向为超声信号处理。

陈昕, E-mail: chenxin@szu.edu.cn