皮肤囊肿成像用高频超声换能器及扫描方法

周洁文，李晓兵，丁伟艳，姜立新，聂生东，陈兴飞，李昕伦，苏一凡，赵祥永

(1.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海交通大学 医学院附属仁济医院超声科，上海 200025；3.上海师范大学 数理学院，上海 200233)

0 引言

高频超声成像的纵向分辨率可达几十微米，广泛应用于血管壁、眼睛、皮肤结构等人体组织的微观精细结构成像。其浅表探测和体外诊断的特点使高频超声成像适合于皮肤疾病的诊断，目前临床采用一般线阵平扫换能器(约10 MHz)[1-2]。一方面其中心频率不高，导致分辨率较低，另一方面针对皮肤表面复杂的形状需要采用特殊的扫描方式，因此需要开展新型皮肤超声成像技术的研究。最近已有研究证明了高频超声成像在瘢痕肿瘤和皮肤肿瘤的微血管系统中的潜在应用[3-4]。此外，X. Zhang等[5]使用超声弹性成像对硬皮病进行定量评估。Y.Yang等[6]使用高频超声剪切波弹性成像定量评估皮肤硬度。Alsing等[7]使用高频超声测量皮肤厚度，并对比了手动读数和自动边界检测的差异。这些皮肤超声成像法可以为皮肤结构提供详细信息，但由于大多数皮肤疾病凸起结构的限制，无法实现高分辨率的皮肤囊肿内部结构成像。

囊肿是一类典型的皮肤表面凸起形的病变。根据病理学可分为表皮样囊肿、皮脂腺囊肿和脂囊瘤[8]，其中表皮样囊肿可继发恶性肿瘤，临床误诊率达54.7%[9]。皮肤囊肿的诊断治疗依赖超声成像，但对于凸起表面，尤其是伴随疼痛的皮肤囊肿，传统紧贴水平的扫描方式会使超声波反射到其他方向而无法成像，为防止重压对病处产生危害，高频探头无法紧贴皮肤进行检查。因此研究一种适用于皮肤表面凸起病变的弧形成像方法是必要的。

此外，使用非接触式超声扫描方法收集凸起组织表面信号，后期需要对回波信号进行处理。超声信号在采集过程中常有噪声大，斑点多的缺点，利用滤波技术可降低噪声对图像的影响[10]。百分比滤波是通过减去均值的方法来弱化噪声信号，使回波信号突出；傅里叶滤波是将时域信号转化为频域信号，并将能量较高的信号频率进行放大。

为了实现凸起组织皮肤精细结构的高频超声成像，本文设计并制备了高频超声换能器，开发新型弧形扫描方式，以确保超声回波信号均垂直于囊肿表面发射接收，且随着凸起囊肿的大小形态不同可灵活调节探头的扫描轨迹。通过滤波放大回波信号，采用补偿、坐标变换、解调等方法进行信号处理，最终对皮肤囊肿进行高频超声成像。

1 实验

1.1 换能器制备及性能测试

采用准同型相界组分的锆钛酸铅(PZT)陶瓷设计制作高频超声换能器。将PZT陶瓷厚度减至37 μm，并切割成0.5 mm×0.5 mm的压电阵元，上下表面镀银电极，在100 V电压下极化30 min。换能器采用两层匹配层设计，根据KLM理论计算匹配层声阻抗，并最终测得实际内层匹配层声阻抗Z1=10.3 Pa·s/m3，外层匹配层声阻抗Z2=3.5 Pa·s/m3，背衬声阻抗为6.5 Pa·s/m3。

采用脉冲回波法对换能器进行性能测试。声传播介质为水，反射物为表面平滑的钢板，探头距离钢板5.0 mm。超声波脉冲信号发射接收器型号为JSR公司的DPR 500，接收器增益控制在-3 dB，滤波器频率为5.0～22.5 MHz，通过100 MHz的示波器数字化显示以测试换能器性能，经过示波器内置的快速傅里叶变换可得到超声换能器的频域响应曲线，从而计算出超声换能器的中心频率、插入损耗及-6 dB带宽等参数。

1.2 扫描方式设计及测试装置

实验通过LabVIEW(DSOX1102)控制脉冲回波信号采集系统进行信号采集，用于测试所用旋转转盘的旋转精度为0.5°。样品表面有一个直径约∅15 mm的凸起囊肿。换能器以固定的间隔角度旋转并发射回波，以皮肤表面囊肿边缘为结束的任意角度扇形区域为扫描区域。

本文实验探头放在距离皮肤囊肿模型表面4.0 mm的位置采集回波信号。采集数据时，超声探头从初始位(囊肿最右侧)开始逆时针旋转，到终点位(囊肿最左侧)结束，每隔1°采集一次回波信号，共旋转110°，采集110条携带样品信息的回波。每条回波发射时探头与皮肤囊肿模型表面距离相同，发射和接收回波的整体路径为弧形。用USB3.0高速传输端口将收集到的回波数据传输到计算机并进行信号处理。

1.3 信号处理及成像

超声换能器接收信号时，部分噪声信号峰值占组织回波信号峰值的70%～80%。首先将噪声信号较多的原始信号进行百分比滤波，使回波信息更显著；其次利用傅里叶滤波[11]可有效放大回波信息；最后将滤波后信号进行补偿、解调和对数压缩，通过极坐标变换获得囊肿组织内部结构的超声图像[12]。

2 结果与讨论

图1为本文设计的皮肤囊肿扫描成像原理简图。由图可知，探头在一定角度的扇形区域内以固定的圆心和半径进行弧形旋转，以相同间隔的角度差采集回波数据，成像对象为凸起的皮肤囊肿模型。弧形旋转扫描路径使得换能器与凸起形的囊肿区域每个采集点距离相同，且回波垂直于皮肤表面，使换能器能最大程度地接收回波信息。由于囊肿组织内部液体含量和皮肤组织不同，囊肿区域与皮肤区域有明显界限，因此可清晰地区分囊肿区域，并观察囊肿的内部情况[13]。

图1 皮肤囊肿及其超声成像的扫描方式

图2为厚37 μm的PZT陶瓷压电振元阻抗谱图。该图反映了压电材料的电阻抗和相位角的频率依赖性，串联谐振频率fs=45.7 MHz ,并联谐振频率fp=53.8 MHz，机电耦合系数[14]为

(1)

由式(1)可知材料具有较优异的机电耦合性能。

图2 高频超声换能器用压电阵元的阻抗谱

图3 制备的高频超声换能器

图3为基于高性能PZT陶瓷制备的高频超声换能器。同芯线一端头连接换能器，另一端头连接信号发生器。压电元件嵌入背衬材料中，使超声波束的直径足够小以获得较高的横向分辨率。超声波将沿着换能器的轴向方向传播，以保证波束方向垂直于皮肤囊肿的表面。换能器的设计用于超声皮肤囊肿成像中的弧型扫描。

脉冲回波法测量的高频超声探头的脉冲回波和带宽如图4所示。在相同的工作频率下，换能器的灵敏度越高，轴向分辨力越好；带宽越大，超声换能器可选择的工作频率范围越大，对医学成像更有利。

图4 高频超声换能器的脉冲回波及带宽

超声换能器的中心频率fc为

(2)

式中ft，fu分别为回波信号在-6 dB处对应的两个频率。换能器-6 dB相对带宽：

(3)

高频超声探头中心频率为41.5 MHz，插入损耗和-6 dB带宽分别为32.9 dB和84.3%，纵向分辨率可达50 μm。

表1为基于PZT单晶和其他压电材料超声换能器性能对比。由表可知，本文所用的PZT陶瓷材料较其他两种单晶材料具有更高的中心频率和更大的带宽，性能较优越。

表1 基于PZT单晶及其他压电材料超声换能器性能

将制作的高频超声换能器安装在特殊设计的扫描成像装置上采集信号。图5为皮肤囊肿超声成像装置。由图可知，超声成像系统由旋转装置、xyz三维移动平台、水槽、高频超声换能器及信号线构成。实验通过囊肿硅胶模型来评估探头和系统的高频成像效果，囊肿内填充物为水。将样品固定在水槽中，水槽放置在三维移动平台上，以对样品和探头位置进行精确调节。

图5 皮肤囊肿超声成像装置

将采集到的110条回波信息进行信号处理，噪声的抑制有助于组织深处微弱信号的放大，因此先进行滤波，再对信号放大用于成像。首先进行百分比滤波(即回波信号与噪音平均值的差值)，结果回波信号突出时峰值不明显。然后以此为基础，进行傅里叶滤波，得到较清晰的回波信号。该噪声信号相对有用信号干扰较小，一定程度上放大了所需信号[17]。最后完成信号的检波，并实现极坐标系下的二维超声图像处理。图6为脉冲超声回波信号的滤波与对数补偿。

图6 脉冲超声回波信号的滤波与对数补偿

图7为高频超声成像换能器的纵向分辨率和横向分辨率。由图可知，制作的41.5 MHz高频超声换能器的纵向分辨率为50 μm，横向分辨率为170 μm。通常囊肿组织内部精细结构厚度小于几十微米[18]，表明该旋转高频超声系统具有较高的空间分辨率，能够对皮肤囊肿微结构进行有效的成像。

图7 高频超声成像换能器的纵向分辨率和横向分辨率

图8为本文获得的皮肤囊肿模型的B模式超声图像。对比图8(a)、(b)可见，滤波后的分层表现更突出，内部精细结构更清晰，可以体现换能器的高分辨率。外表层的厚度和内部结构细节信息清晰可见，囊肿模型中心表面有一个小气泡，是把模型固定水中时自然形成的，外表面分界线显像度高，内表面分界线明显且厚度小于外表面，和实物模型结构一致。目前商用的皮肤超声成像采用平扫模式，只能获得平行于皮肤表面的小范围内超声图像，而本研究不仅能够对弧面皮肤进行成像，且扫描角度范围大，能够反映更多皮肤凸起的边缘部位细节，在皮肤囊肿成像方面优势明显。因此，这种用高频探头旋转采集皮肤凸起信号的成像方法可行且成像效果可观。

图8 皮肤囊肿组织模型的超声图像

3 结束语

本文针对以皮肤囊肿为代表的凸起形病变，提出了一种新型高频皮肤超声弧形扫描成像法。首先设计制备了高性能PZT陶瓷高频超声换能器，其中心频率为41.5 MHz，灵敏度为32.9 dB，-6 dB带宽为84.3%。换能器的纵向分辨率达50 μm。利用本文设计的转动扫描成像装置可以实现对皮肤囊肿等凸起形状组织的非接触成像，并获得各层厚度和内部结构信息。本研究是高频超声在皮肤成像中的新应用，将促进相关临床医学和超声成像技术的发展。