計量論壇

近期《中國計量》雜志將刊載文章

B超儀器的聲束切片厚度參數及標準化檢測技術

序言

    作為醫學診斷設備，臨床上對B超儀器的最重要技術要求，一是探測深度，二是圖像分辨力。圖像分辨力包括空間分辨力和對比度分辨力，其中空間分辨力又有軸向、側向和俯仰方向之分，而“切片厚度”則是對“俯仰分辨力”的另一種稱謂。本文介紹的，是關于切片厚度的物理概念、臨床意義及其標準化檢測技術。

1．聲束切片厚度概念

超聲成像的基本原理告訴我們：當其頻率達數兆赫茲，換能元件孔徑達10mm以上時，超聲波將在人體組織中成束傳播，因而被稱為“聲束”或“波束”。對于A超探頭和機械扇形掃描式B超探頭，單元式換能器的壓電元件為圓片形，聲束橫截面為圓形；對于平面線陣、凸陣、相控陣探頭，聲束是由多個陣元并聯成一體發射，聲束橫截面為矩形。我們看到的B超影像，是借助于探頭的機械擺動，或借助于電子開關切換，讓聲束像一把無形的刀一樣掃過和剖切人體組織，爾后采集和處理所剖切的人體組織斷面的信息，最終以圖像方式予以展示。聲束掃描所形成的平面，稱為“掃描平面”，聲傳播的方向稱為“軸向”，聲束掃描行進的方向稱為“側向”，垂直于掃描的方向稱為“俯仰方向”。相應地，聲束在掃描方向的尺寸稱為“側向束寬”，在俯仰方向的尺寸稱為“俯仰束寬”，即切片厚度，如圖1中所示。圖2所示的，是一維探頭的聲束切片厚度隨深度的變化，其最薄處及聲透鏡的焦點所在。

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圖1 聲束在三個維度的分辨力概念

Axial——軸向分辨力；   lateral——側向分辨力；  elevational(slice thickness)——俯仰分辨力(切片厚度)

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圖2 切片厚度隨深度的變化

Acoustic lens——聲透鏡；  elevational profile of ultrasound beam with depth——超聲波束俯仰剖面隨深度的變化

2．聲束切片厚度的定義

眾所周知，在IEC文件和我國的國家標準GB10152—2009中，三個空間分辨力參數的定義及其與聲束參數的關系分別是：

(1)軸向分辨力的定義是：在體模的規定深度處，沿超聲波束軸能夠顯示為兩個回波信號的兩個靶之間的最小間距。與之對應的，是發射超聲脈沖的半寬度。位于聲束軸線上的兩個回波目標，只有當其間距大于半個脈沖寬度時，才能分辨彼此。

(2)側向分辨力的定義是：在體模的規定深度處，掃描平面中垂直于超聲波束軸的方向上，能夠顯示為兩個清晰回波信號的兩靶線之間的最小間距。與之對應的是聲束的側向寬度。在掃描平面中，處在與聲束軸垂直的直線上的兩個回波目標，只有當其間距大于聲束的側向尺寸時，才能分辨彼此。

(3)切片厚度的定義是：在體模的規定深度處，垂直于掃描平面方向上顯示聲信息的仿組織材料的厚度。與軸向、側向分辨力明顯不同，切片厚度沒有用兩個回波目標的思路定義。其原因是：在垂直于掃描平面和聲束軸線的方向上，對于間距不同的回波目標，B超圖像上只能顯示其有無，而不能顯示其距離。

3．聲束切片厚度的臨床意義

B超切片厚度偏大的主要后果是導致局部立體偽像，或稱切片厚度偽像、立體平均偽像。比如一囊性病灶或充液器官，當其在垂直于掃描平面方向的尺寸小于超聲波束在該方向的尺寸時，B超圖像上原本應該無回波的部位，將會有實質性組織的散射回波覆蓋在上面，使醫生誤以為是病變。為此，在高檔B超，尤其是具有三維成像功能的產品上，其所配探頭的壓電晶片，在切片厚度方向也施行了切割，采用了電子聚焦，由1維變成了1.5維，從而使俯仰分辨力得到改善。正因為其重要的臨床意義，最新的B超國家標準將其列入了強制性要求。

4．檢測手段

眾所周知，檢測二維灰階圖像的軸向、側向分辨力的標準化方法是借助于超聲體模中相應的線靶。但這種方法并不適用于切片厚度檢測。在IEC61390：1996和國家標準GB10152—2009中，對切片厚度指標的規定檢測設備是切片厚度專用體模，其基本結構如圖3所示，即在超聲體模的殼體中，斜向安置一塊與聲窗成規定角度α，表面布滿散射體的平板，且散射回波強度明顯高于背景仿組織材料。切片厚度體模與低頻、高頻體模的另一個明顯差別是，其側壁短邊內內尺寸不是50mm，而是100mm。國家標準中規定，切片厚度體模所用超聲仿組織材料的聲學特性與低頻(多用型)和高頻(小器官型)體模相同，即聲速為(1540±10)m/s，聲衰減系數斜率為(0.7±0.05)dB/(cm·MHz)。

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圖3  GB10152—2009中的切片厚度體模結構示意圖

5． 檢測原理

與軸向、側向分辨力檢測中直接讀取靶線間距不同，切片厚度檢測采用的是間接法。如圖4所示，當將B超探頭垂直耦合于聲窗表面，令其長邊平行于體模側壁的短邊時，所成二維灰階圖像的上部將是背景仿組織材料的均勻散射回波，下部將是一條強散射的亮帶。亮帶上沿對應的，是聲束俯仰剖面一側與靶面的交線所在深度；亮帶下沿對應的，是聲束剖面另一側與靶面的交線所在深度。由圖4可見，亮帶沿深度方向的尺寸和聲束的俯仰寬度(即切片厚度，正好是一個直角三角形的兩個直角邊。由于面靶與聲窗平面的夾角α已知，如測得亮帶沿深度方向的尺寸x，則聲束切片厚度即為：

t=x/tangα                            (1)

6．檢測操作步驟

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圖4 切片厚度檢測實況

    圖4是利用國產切片厚度體模檢測高頻線陣探頭切片厚度的照片。體模面板上的白色斜線所示，即散射面靶所在位置及傾斜角度。檢測的基本步驟為：

(1)利用符合GB10152—2009要求的普通低頻、加長低頻或帶有縱向靶群的切片厚度體模(如KS107BQ )測出配接指定探頭時的探測深度；

(2)將該探頭垂直耦合于切片厚度體模的聲窗上，令探頭長邊與聲窗的短邊平行；

(3)將探頭在聲窗表面上滑移，在探測深度的1/3、1/2 、2/3處，分別取得與圖5相似的B超圖像；

(4)利用被測B超的電子游標，分別測出三幅圖像上亮帶沿深度方向的尺寸x1，x2，x3；

(5)利用式(1)，分別算出三個深度處的聲束切片厚度t1，t2，t3。