超声显像图像的分辨力是超声显像诊断仪的主要性能参数之一。甚至可以说是最重要的指标。由于彩色多普勒超声显像的分辨力不如同机二维超声显像(即灰阶)图像分辨力,因此,一般所说的超声图像分辨力指的是二维超声显像分辨力。二维超声显像图像的分辨力有空间分辨力和对比分辨力之分(对于彩色多普勒超声显像还有时间分辨力等)。对比分辨力是指对图像上不同灰阶所能分辨的不同组织或相同组织中的不均匀性的能力,这对于鉴别肿瘤的良性与恶性等情况十分有用。除了超声仪器电路设计方面的改进外(如采用变迹技术),还可以采用图像的处理方法来改善对比分辨力,例如图像的伪彩色处理,灰阶变换(可以增加感兴趣部分的灰阶层次而压缩不感兴趣部分的灰阶)等。
1.显示器的极限分辨力 阴极射线管(CRT)显示器和液晶显示器都是采用行场扫描(也称光栅扫描)的原理进行显像,按电视机扫描的PAL制式,一帧图像由625行组成,除去消隐不显示图像的行,其有效显示行是570行左右,标准PAL制隔行扫描方式,即有效显示行是分成两场隔行扫描完成的。现有用逐行扫描的显示器消去因隔行扫描而带来的超声图像的闪烁感,但有效的扫描行数是一样的,而NTSC制式,其每帧图像的有效扫描行数只有480行左右。
中、低档超声诊断仪显示图像的有效行为500行左右,而每行显示的像素点也是500点左右。基于PC机的仪器,其图像的像素点也都是500点左右。高档超声诊断仪所显示的图像一般也不超过640×640像素点。
按500×500像素矩阵来讲,对于显示深度为R的超声图像,其纵向极限分辨力D。
D=2R/500
横向的极限显示分辨力与上面相同,此时的R可用图像显示500个像素点的实际尺寸来代替。
研究显示,当使用显示深度为20~24cm的3.5MHz探头扫查时,其显示器的极限分辨力为1 mm左右。
2.空间采样分辨力 空间采样分辨力是超声显像诊断仪中数字扫描变换器(DSC)的一项指标。图4-l为一个凸阵探头的扫查空间示意图。组成一幅超声图像的扫查线数目为128条、192条或256条等。扫查线越多图像的横向(侧向)采样分辨力越高。
对于凸阵或相控阵探头,超声扫查线呈辐射状分布,一般2条扫查线之间的夹角是一个常数。所以图4-1中A与B两点之间的距离W被N条扫查线分隔为N-1个不相等的线段。作为采样分辨力的近似估算,可用以下公式来计算横向采样分辨力D。
D=2W/(N-1)
如果AB之间有255mm距离,用256条扫查线时,相邻两线间(对应2个采样点)的距离为1mm,则横向的空间采样分辨力为2mm;若用128扫查线时,其横向的空间采样分辨力为4mm。当C与D之间的距离为128mm时,同样系统的横向空间采样分辨力分别提高为l mm和2mm。,扫查线越多,横向的空间采样分辨力越优。但扫查线越多,完成一帧扫查的时间越长,对运动脏器成像时会使时间分辨力变差。采用多声束形成技术可改善对运动器官的显像。
图4-1 凸阵探头的扫查
对于扫查角度>90°的时候,横向空间采样分辨力可能进一步降低。
纵向的空间采样分辨力取决于对每一条扫查线的采样率。在DSC中,这个采样率与显示器的显示行数相关。图像有500显示行,则一条扫查线的采样点也是500点左右。因此,纵向的空间分辨力的极限值与纵向的极限显示分辨力相同。
当对图像做实时放大时,通常会提高采样频率,因此纵向的空间采样分辨力会提高。除高档超声诊断仪外,一般超声诊断仪在放大时候不会增加扫查线密度。所以横向的空间采样分辨力不会提高。
3.系统带宽决定纵向分辨力 显示器的极限分辨力决定着系统的极限纵向分辨力,而实际系统的纵向分辨力主要是由成像系统带宽来决定。对于低档的超声诊断仪,仪器实际的纵向分辨力明显低于上述的极限纵向分辨力。
决定成像系统的带宽的因素很多,它包含了探头中的换能器,前置放大器,电子聚焦系统,主放大器,对数压缩电路及检波电路等。在众多因素中,有3种因素对其影像较大。
(1)换能器的带宽:一般用换能器的相对带宽来衡量探头的带宽性能。如对于中心频率为3.6MHz的探头,其相对带宽为50%,则其工作频带为2.7~4.5MHz(带宽为1.8MHz)。相对带宽>50%时,带宽更大。对于中心频率较高的探头,在同样的相对带宽的条件下,其工作频带也更宽。
(2)放大器的动态滤波电路:动态滤波电路可有效抑制干扰和噪声,但使接收电路的总的带宽受到严重的压缩。因此,对此电路的应用应慎重。
(3)检波电路:二维超声显像是对反射信号的幅度成像。因此必须对脉冲回波信号做检波处理,所得到的视频信号才能送去DSC作进一步处理。检波电路中通常都有滤波器,它使视频回波信号频带压缩。
如果要分辨相距1mm的2个靶点,在回波信号中的这个强回声点相间1.3μs左右。为了能区分这2个点,检波后的视频回波信号必须表现出2个“峰”信号。中间有低回声的“谷”,并且在DSC中应该把“峰”和“谷”都采样到。从此可以计算出:DSC中的采样频率应不低于1.54MHz,探头带宽及动态滤波电路带宽均应高于1.54MHz。
4.电子聚焦系统对图像的横向,分辨力的作用 在图像横向分辨力决定因素中,空间采样分辨力是一个决定性因素,特别是大扫角而扫查线密度不高时。决定这一分辨力的另一个重要因素是电子聚焦。有很多的因素使电子聚焦系统性能下降,较为重要的因素有以下几种。
(1)应使用多个阵元发射超声波,各个阵元之间有一定的延迟,他们在空间干涉而形成电子聚焦效果。在接收时把多个阵元的接收信号按要求的延迟量延迟后相加,达到接收电子聚焦效果。由于各个阵元有一定的宽度,在发射超声波时所形成的波阵面为阶梯状,而不像光学透镜聚焦时的理想球面状波阵面,这使聚焦效果下降。当探头是高密度(如256阵元)时,每次发射和接收时所用的阵元也多,这就使波阵面的阶梯多,每一台阶也较小,聚焦效果比较好。探头的阵元越多,聚焦效果就越好。
(2)在发射和接收聚焦时都要使用电子延迟电路,不管是数字的还是模拟的超声诊断仪,其延迟量是被量化了的,例如以10ns为步长来量化,那么每个计算所得的延迟量经量化后可产生±5ns以内的误差,步长越大,量化误差越大。这种延迟量化误差也会使聚焦效果下降。相同的延迟步长,对高频探头的聚焦效果影响更严重。
(3)高度方向的聚焦:通常二维超声也称为切面声像图,但探头发射的超声束除了在切面有一定宽度外,其切面也有一定厚度。因此,一个回波采样点实际得到的信号是由一定厚度、一定宽度及旁瓣反射信号的综合反射回波。
(4)各种组织声速的差异业使聚焦效果变差。在对电子聚焦点所需要的延迟时间的计算时,都假设软组织的声波速度是一个常数(1 540m/s),但实际上各种软组织的声速稍微有些差异,这也会引起电子聚焦效果下降,特别是对中远场影响更大。
总之,在决定分辨力的诸多因素中,成像系统的频带宽度是决定轴向(纵向)分辨力的主要因素:而电子聚焦系统的质量是决定侧向(横向)分辨力的主要因素。
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