第8章 超声图像伪影及质量

第8章 超声图像伪影及质量

§8.1、超声图像伪影定义

超声图像的伪影是一个颇为复杂而必须面对的问题，正确认识伪影及其产生原因、条件，有助于正确评价用各种不同设备得到的各种声图像。以便去伪存真地判读超声图像，得出正确的医学诊断。而超声医学工程人员则可能借此改进超声诊断设备的设计。

超声图像伪影的定义：伪影是指任一回波信号被超声诊断设备所显示的位置与被检体内回波界面的实际位置不符，或被显示的信号振幅、灰度变化不与被显示的回波界面特性变化相关。

§8.2由声束特性不理想而造成的伪影及其控制

8.2.1. 部分容积效应伪影

理想声束是指单指向性的、声束宽度但定为一个波长且穿透性极强的声束。实际的声束只在焦区处可获得较细的声束，离开焦区声束明显变粗，直径可达数毫米到1厘米。垂直于扫描面方向的聚焦特与沿扫描面方向的聚焦特性往往也不一样，前者由于大多仅采用固定声透镜聚焦。其聚焦特性更不理想，结果声束的扫描线并非—条细线，其扫描面亦非一层很薄的断层切面。尤其在近场区更差。在轴向，声束由—定脉宽的声脉流形成，这样所显示的切面图像，实际上是由有—定体积的分辨元扫描被检体而被模糊了的声图像。如有—直径小于该处切片厚度的病灶为声束所切割，则声图像上所显示为病灶区的回波与病灶区周围的回波所叠加的图像。同样，不在一平面上的声反射结构，可同时叠加在包含一定厚度的一个声图像上显示出来，如图8-1所示。部分容积效应可导致分辨力降低，并造成分析错误，如小囊肿内部并非纯粹暗区，却可存在细小回声，如不考虑鉴别，可误认为“实质性”。在彩色

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血流显象中采样点是有一定容积的，同样也存有部分容积效应伪影的问题。对于这种伪影，目前主要通过对换能器材料和工艺过程的研究改进，采用新型高分子压电材料、声透镜、高反射镜、高斯型电极、费涅尔分布电极等自聚焦方式来改善声学特性。

图8-1部分容积伪影

8.2.2旁瓣效应伪影

声源发射的能量主要集中在主瓣声束内，而在其它方向的旁瓣内也分布有相当能量，其中尤以第一旁瓣的声振幅最大，约为主瓣的21％，位于主瓣声轴的±10°～±20°之间。第二旁瓣约为主瓣的13％。当主瓣声束扫描物体时，旁瓣也同样在进行扫查，但它们的扫查方向与主瓣声束不一致、它所接收到的回波信号被完全归属在主瓣声束的回波信号上，同时被诊断设备显示在同一声图像上。超声探头无法区分主、旁瓣声轴的回波信号，超声诊断设备又不能分别显示不同方向的主旁瓣声象，因为任何方向的回波源，均被假定为沿换能器声束的轴向方向，其结果有如部分容积效应那样的叠加模糊伪影。这种回波重叠，常组成反射结构的后缘面上方的浅淡浅弧状线条。检查充盈膀胱下的子宫时，常见此种伪影发生。在旁瓣声束遇到强反射结构，而主瓣声束处于低回声区时才明显反映出来，如图8-2所示。由于旁瓣的存在还降低了对低回声信号的对比度分辨力，使图像质量变差。

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图8-2旁瓣效应伪影

8.2.3分辨性伪影

由于声束不是全程细小，扫描面内扫查声束密度(单位宽度的声扫描线数)有限，结果不但造成以上两种伪影，还使焦区外的图像细微结构丧失或模糊失真，分辨力低下，整幅图像的均匀一致性不良。超声图像的空间分辨力可利用分辨力单元来定义。它是声场中可识别的最小体积，在最小识别单元中不可能提取出更有特异性的任何有用信号。换能器的结构、检测点在声场中的位置、超声波在传输媒质中的传播扩束效应和脉冲展宽效应，均可影响该分辨力单元的体积。体模中一根0.3mm的尼龙线反射靶的横截面，经非理想声束扫描而显示成数毫米到1厘米多长的相应伪影，这是侧向分辨力低下的表现。同样，几根相互靠近的线束，其距离小于分辨力单元直径或短轴时亦不可能被分清。一般轴向分辨力比侧向分辨力好些。轴向分辨力低下使声场中层面结构的层次不清，结构粘连。侧向分辨力低下使图像模糊、颗粒粗大，横向结构粘连，如图8-3所示。

图8-3分辨性伪影

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§8.3由扫描方法和显示而形成的伪影及其控制

8.3.1. 回声失落伪影

采用脉冲回波法的超声显像系统，它所得到的回波信号依赖于反射结构与声束的角度关系。当声束与反射结构面垂直，即入射角θ1＝0时，回声声束沿发射声束相反的声径返回换能器晶片，得到由声特性阻抗不同所决定的该反射结构最强回声，否则就会降低返回换能器晶片的回声能量。由于回声的反射角等于入射角，故在换能器静止的声扫查显象系统中必然就存在有相当—部分具有声照射但回声被偏向、减弱以致不能被换能器接收到，结果在显示的图像上产生回声失落伪影。这种伪影尤其在较为均质而散射水平较弱的反射结构界面与声柬方向接近平行时为甚。而且伪影不论在线阵、凸阵、环形相控阵扇扫、机械扇扫方式的扫查成像中均可产生，而在探头沿声扫查面移动、旋转一定角度的复合扫查中可得到弥补或改善。

另一种“边缘回声失落伪影”并非指圆形切面的两侧边缘之回声失落，主要发生在与相控阵换能器平行的大界面的边缘部。由于相控阵换能器面不能总是与回声正交，在该大界面的边缘处入射角θ1增大，更易产生回声失落。

8.3.2不连续性伪影

当换能器晶片单元密度不高时，图像的横向连续性差而形成的伪影。这在早期的线阵成像设备中常见这种伪影，就象透过垂帘去观察景象—样。后来在数字化回波信号处理中用插补法来改善不连续性伪影。但插补毕竟不是真实扫描，虽然它平滑了扫描图像。但只对图像进行了不增加信息的美化。采用高密度换能器和高密度扫描(如微角偏转技术，多接收技术)，再辅以插补处理，其实际效果可达到人眼察觉不到宏观图像的不连续伪影。在扇形扫查（包括凸阵）的远场区，由于扫查声束的辐射状而显得不连续更为明显，目前改善的方法是采用图像的自适应象素显示。自适应的象素在每一超声扫查线与显示的电视光栅扫描线的交点上重合—致。而象素尺寸自适应于两条超声(扇形)扫查线之间的空间。再加上象素密度的成倍数提高（例如从512 181

×512增加到500×1500），结果显示中象素丢失减少，能产生平滑的组织结构和较尖锐的边缘．尤其在扇扫中有清晰的近场和远场显示，消除了远场的辐射形光栅。

超声显象设备中的图像数据，以一定的矩阵方式存贮、处理、显示，例如256×256、512×512等。这种矩阵结构本身就是一种不连续结构，尤其是这种正交结构的矩阵在处理扇形、PPI型扫描信号时会产生空间位置的非线性(如锯齿形)失真，只有当信号的取样率足够高、量化后的矩阵及显示矩阵阵足够大时，才会减少不连续性的影响。

8.3.3动态伪影

由于超声传播的速度及每帧显象需要一定密度的扫描线数，这样每帧图像大约需30ms左右的时间，即帧周期

2NP

=,

T

c

式中N为每帧扫描线数，P为设计的探查深度，c为声速。一般来说这可满足生物体运动脏器扫查的要求。单通道的显象设备采用多段动态聚焦时，会使显象帧频降低。造成对运动脏器(如心脏)扫查及在移动换能器扫查静止脏器过程时出现“动画”效应。这是一种显象时间与动态扫查不匹配的失真伪影，可用多通道的方法来改善。

8.3.4空间定位伪影

在手动接触式机械扫查及手动复合扫查方式中，换能器在同一扫查平面不同位置、角度对同一点状声靶扫查时，可能会显示不重合的回声点象，产生象的扩展，如图8-4所示。这是—种显象设备的空间定位误差，应该减少到最低程度，否则会产生图像的边界和细微结构的模糊、粘连，并使分辨力、清晰度降低。

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