超聲 CT 成像方法及應用綜述

超聲CT成像方法與應用一·前言二·超聲CT成像理論三·國內(nèi)外研究現(xiàn)狀四.小結五·參考文獻前言

任何足以造成影像，并以電腦建立斷層圖的系統(tǒng)，均可稱之為CT；因此除X-rayCT外，還有超聲波CT（UltrasonicCT），單光子放射CT（SPECT），以及核磁共振CT（MRICT）。X-CTMRICTSPECT

目前，CT技術中應用最為廣泛的是X射線CT技術。而超聲檢測與X射線檢測相比具有指向性好、價格低廉、對人體無害、設備便于攜帶等優(yōu)點，因此，用超聲波作為發(fā)射源的檢測技術取代射線來照射對象，并制造出像X-CT一樣的成像設備，已逐漸成為超聲應用領域的研究者們追求的新目標之一。當CT應用的能量波為超聲波時，就稱為超聲層析成像（UCT）。這一技術的早期研究完全是模仿X射線。即假設超聲波和X射線一樣，在物體內(nèi)部是以直線傳播的，然后利用發(fā)射器到接收器之間的時間延遲或振幅衰減，來重建物體內(nèi)部的聲速（折射系數(shù)）或吸收特性參數(shù)。但事實上，超聲波具有明顯的衍射特征，在界面上折射、衍射顯著，因而傳播路徑比較復雜。這使得U-CT的理論研究和X-CT有所不同。二·超聲CT成像理論

目前超聲CT成像主要有透射型和反射型兩種。投影重建圖像問題主要有兩類重建算法：一類是以Radon變換為基礎的變換法；另一類是迭代法。變換法兩種代表性的算法：濾波反投影算法（FBP)和卷積反投影算法（CBP);迭代重建方法包括：代數(shù)重建法（ART)以及聯(lián)合迭代重建法（SIRT).在不同的環(huán)境下，選用不同的重建方法。例如在重建過程中，如果數(shù)據(jù)完整，CBP和ART的重建質(zhì)量較令人滿意。透射型超聲CT

透射型CT的超聲發(fā)射器和接收器位于被測介質(zhì)的兩側，根據(jù)接收透射的超聲波來得到介質(zhì)的信息；超聲透射成像的概念最先是由Greenleaf等首先提出，由于在某些軟組織中，超聲聲速變化不大，所以超聲的衍射折射現(xiàn)象都可以忽略。這樣，類似于XCT理論中的Radon變化，我們得到被測介質(zhì)的參量（聲速，衰減系數(shù)等）與接收數(shù)據(jù)的線性關系。所以，圍繞介質(zhì)選擇多個方向發(fā)射超聲波，我們就可以利用XCT里的圖象重建方法，如FBP算法以及代數(shù)重建算法（ART），來重建被測介質(zhì)的聲學參量（聲速，衰減系數(shù)等）的分布圖。反射型超聲CT

反射型超聲CT的超聲發(fā)射器和接收器都位于介質(zhì)的同一側，通過接收反射的超聲回波來得到圖像信息。反射型超聲是根據(jù)回波信息來重建圖象的，我們假設超聲在理想介質(zhì)中傳播，聲速變化不大。換能器接收到的超聲波攜帶的是相對于超聲波表面的相同距離位置的參量信息。然后利用類似于XCT的濾波反投影算法的方法來重建介質(zhì)的二維斷層面。

同時,與B型超聲掃描不同，在掃描過程中，兩種方法都要求圍繞物體不斷地旋轉發(fā)射器和接收器來得到不同方向上的超聲波。以上兩種方法都是假設超聲波在理想介質(zhì)中傳播，聲速變化不大。

通過相關專利分析得知國外研究的重點多在提出新的影像重建方法，及演算法（Method/Process），或是發(fā)展新的掃描技術及裝置（Device/Apparatus）等等，包括了超聲界的權威JamesF.Greenleaf博士早在1978年就提出經(jīng)由測量超聲信的time-of-flight，來重建出被影響物體內(nèi)部的情況；在1989年也進一步提出如何減少取到的數(shù)據(jù)受人工操作的影響。其他如美國西屋公司（Westinghouse）提出使用超聲波陣列探頭的掃描及重建方式；GE則提出一系列特殊的掃描方式及重建方法，包括近來相當熱門的的螺旋CT，以及3D重建；NorthropGrumman公司提出使用小波變換的圖像重建方法。

三·國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)，中國科學院武漢物理所的蘭從慶陳彥華等提出了一種疊代修正方法,使重建像明顯改善.他們提出了時域反卷積算法用于提高超聲反射CT成像分辯率.1993年,完成了無損檢測超聲CT成像裝置.在超聲CT的無損檢測應用中,提出了在FBP方法的基礎上,采用沿圓弧后投影的方法,也得到了很好的重建效果.他們還把超聲CT用到生物樣品的成像中.1999年,研制成功了水浸式超聲檢測成像系統(tǒng),具有很高的實用價值.基于CURE系統(tǒng)的正則斷層迭代方法數(shù)據(jù)采集設備

此方法采用的ComputerizedUltrasoundRiskEvaluation（CURE）系統(tǒng)是韋恩州立大學研究所開發(fā)制造的超聲設備。系統(tǒng)評價

缺點：數(shù)據(jù)傳輸時間長。獲得的數(shù)據(jù)存儲在一個相當大的存儲緩沖區(qū)中，從存儲緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街亟▓D像的計算機中需要90分鐘的時間。這個限制使每天的檢查量僅為5名患者。

空間分辨率低。實驗結果顯示組織中目標物的尺寸在大于1cm時能在圖像中檢測到。由于乳房在檢查中的自然運動，乳房的尺寸和組織的不同，所以成像精確度的穩(wěn)定性較差。優(yōu)點：掃面時間短。設備的掃描時間為45秒鐘，設置病人床和初始化探頭位置的時間為5分鐘。數(shù)據(jù)采集設備此算法采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為容積乳腺超聲系統(tǒng)（VolumetricBreastUltrasound，VBUS)。基于容積乳腺超聲系統(tǒng)（VBUS）的反投影方法系統(tǒng)評價

應用該方法面臨的問題是由體掃描產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的存儲和處理對內(nèi)存要求很高。該系統(tǒng)掃描單個乳房正常情況下需要80幅切片，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量需要13GB的內(nèi)存來存儲。除此之外，產(chǎn)生的圖像空間分辨率相比于乳房X線照相術較低。此方法采用的容積乳房超聲系統(tǒng)優(yōu)點在于相對于其他超聲斷層系統(tǒng)而言，價格便宜，可產(chǎn)生能重復利用的聲速圖像，精確度能達到98%，每次重建耗時25分鐘（所謂重建，指的應該是一個面，所以這個應該是一個面的時間，汪老師如是說）。在乳房仿體上做的實驗可以檢查2.4mm以下的乳房腫瘤。在志愿者身上做實驗也有非常好的效果。目前已經(jīng)做好了臨床評估的準備。該系統(tǒng)產(chǎn)生的乳房聲速圖像的空間分辨率和對比度可以使得乳房疾病的檢查和診斷水平大大提高，尤其是對于那些傳統(tǒng)超聲波圖像不容易正確檢測的乳房組織比較致密的患者。四.小結

目前提出的超聲CT理論，都是以射線理論或波動方程為依據(jù)，建立起介質(zhì)聲學參量與聲場（接收數(shù)據(jù)）之間的關系，然后利用各種重建算法來重建介質(zhì)的圖象。但是，可以看到，這些理論在推導過程中都存在一定的假設條件和不同程度上的近似，比如投射成像中要求的無散射條件，衍射斷層成像中需要的弱散射假設。這些都使得這項技術的發(fā)展受到極大的制約，許多理論都處于研究的階段。目前，超聲CT只在乳腺成像中得到廣泛應用。五.參考文獻[1]NebojsaDuricandPeterLittrup"Detectionofbreastcancerwithultrasoundtomography-FirstresultswiththeComputedUltrasoundRiskEvaluation(CURE)prototype"[J]Med.Phys.34(2),February2007[2]JakobNebeker,ThomasR.Nelson"BreastSoundSpeedTomographyfromB-ModeData"[J]IEEEInternationalUltrasonicSymposiumProceedings,2010[3]KrzysztofJOpielinskiandTadeuszGudra.Ultrasoundtransmissiontomographyimagedistortionscausedbytherefractioneffect[J].Ultrasonics,2000,Vol.38,pp.424~429.[4]GreenleafJF,JohnsonSAandLentAH.Measurementofspatialdistributionofrefractiveindexintissuesbyultrasoniccompu