弹性成像理论的进展

第二节　弹性成像理论的进展

一、应变滤波器

弹性成像理论方面的一个重要成果是应变滤波器（strain filter，SF）理论的建立和发展。应变滤波器的基本思路是研究不同的组织应变值对应的弹性成像（应变估计）的信噪比（elastographic signal-to-noise ratio，SNRe）的上界。由应变滤波器结果可以定义弹性成像的一些性能指标，例如动态范围（dynamic range）定义为最大信噪比-3db位置对应的两个应变值的比，而灵敏度（sensitivity）则定义为这两个应变值中较小的值。应变滤波器是声弹性成像中的一个重要概念，可用于评价和预测不同参数和算法的影响和效果。通过对应变滤波器的理解，可以加深人们对声弹性成像效果的理解，并可指导人们采用合适的方法和参数以获得最佳的成像效果。例如，常用的信号拉伸或者压缩扩展（temporal stretching）的方法、多次压缩（multi-compression）的方法、动态范围扩展（dynamic range expansion）的方法、组织非纵向位移（transverse displacement）的影响、基于包络信号的位移估计方法、非平稳性因素、采样率和采样深度的影响等都可以利用应变滤波器来分析。

二、对比度传递效率

组织内部的应变分布不仅与组织的弹性模量分布有关，还和组织的形状和边界条件等因素有关。因此，应变图像的对比度不能完全反映组织弹性模量的差异。人们定义对比度传递效率（contrast-transfer efficiency，CTE）来描述弹性成像的这种局限性。通过对该参数的研究，可以更清楚地理解应变图像的结果。Ponnekanti等人利用有限元方法研究了均匀组织中含一个圆形异物的对比度传递效率，结果表明，弹性成像检测弹性模量较大的异物（硬块）比检测弹性模量较小的异物（囊肿）更有效。进一步，Kallel等人推导了无限大均匀组织中含一个圆形异物的解析解，从理论上进一步证明了该结论。他们还研究了异物与周围组织的弹性模量差异连续变化情况下的对比度传递效率。以上都是假设二维平面应变问题。

三、对比度噪声比

提高对比度和减小噪声都能提高对异物的检测能力。然而，噪声大小与应变是通过应变滤波器与应变非线性地联系起来；提高应变的对比度，同时也将增大噪声。为此，人们提出弹性成像的对比度噪声比（elastographic contrast-to-noise ratio，CNRe），它是声弹性成像的一个重要参数，直接关系到弹性成像对组织内部异物的检测能力。该参数包含了两个方面的因素，即对比度和噪声，或者弹性成像信噪比和对比度传递系数。将利用应变滤波器得到的弹性成像信噪比的上界与对比度传递系数结合起来，就可以得到对比度噪声比的上界。通过比较不同参数的对比度噪声比的上界，可以选择合适的参数以获得最好的异物检测能力。

四、分辨率的研究

近年来，研究人员开始研究弹性成像的分辨率，包括纵向分辨率和横向分辨率。结果表明，弹性成像的纵向分辨率与超声的波长在一个数量级上，即与超声图像的纵向分辨率相当，主要由超声系统的参数（包括探头中心频率及其带宽）决定。当系统参数确定时，成像算法中参数的选择对纵向分辨率有影响，纵向分辨率可以表示为互相关分析中的数据窗长和间隔的双线性函数。

Alam对自适应拉伸的位移估计方法的楔形异物仿真研究表明，数据窗间隔的作用较大；而Srinivasan对一般的位移估计方法的理论分析表明，数据窗长和间隔的作用是一样的。Righetti等人对均匀组织里面分布的两个异物可分辨距离进行了纵向分辨率和横向分辨率的仿真研究。Srinivasan还给出了横向分辨率的理论公式。Liu等人则从频域角度，利用局部脉冲响应（local impulse response）和局部调制传递函数（local modulation transfer function）来研究声弹性成像的纵向分辨率。

五、参数的折中

Varghese等人系统分析了不同参数对应变滤波器和对比度噪声比的影响，从而研究参数之间的折中或权衡。这些参数包括超声系统的参数（探头中心频率、带宽、信噪比、波束宽度）、信号处理的参数（数据窗的长度和间隔）、力学和组织的参数（施加应变、组织纵向应变、横向位移与垂直于扫描平面的位移噪声的解相关、超声的衰减、组织弹性对比度、应力应变的非线性关系）。例如，数据窗的长度增大能提高信噪比和对比度噪声、灵敏度、动态范围，但是当施加应变较大的时候，则需要选择较小的数据窗长度，而且数据窗长度增大也将降低纵向分辨率。Srinivasan等人研究了纵向分辨率与弹性成像信噪比和对比度噪声比的折中或权衡，包括数据窗长度、间隔、探头带宽、施加应变、应变对比度等参数的影响。结果表明，在一定的条件下，弹性成像信噪比与超声波长的3/2次方成正比，对比度噪声比与波长的平方成正比，纵向分辨率则与波长呈线性关系。因此，纵向分辨率与信噪比及对比度噪声比存在矛盾，参数的选择需要折中或权衡。