细节可见度对临床超声诊断的价值及其质量控制对策
作者：金宝荣 张越
单位：锦州医学院物理教研室 锦州121001
关键词：细节可见度； 模糊度； 轴向模糊度； 横向模糊度；量控制
数理医药学杂志990121
摘 要 医学图像的质量不仅决定于成像方法、设备的特点，而且决定于操作者选用的变量。图像的质量不是由单一因素决定的，通常是对比度、模糊度、噪声、伪迹和畸变等因素的综合。在临床超声诊断中，图像的细节可见度是衡量其质量好与坏的重要指标之一，对诊断具有十分重要的意义。结合超声诊断实际，研究了细节可见度和模糊度的概念，限制细节可见度和模糊度的各种因素，对临床超声诊断的价值及其质量控制提供了对策。
人体包含着许多结构，大到器官、骨骼，小到骨小梁和钙化点，这些均是不可见的。医学专家借助于各种科学技术形成人体内部的图像，从而窥视人体，诊断异常状态并指导治疗。超声图像即是这样一种窥视人体的一个窗口。评价超声图像的质量指标有对比灵敏度、细节可见度、噪声和伪迹等。其中细节可见度便是描述超声成像系统显示人体解剖细节结构的能力，这里所说的细节是指与正常解剖和不同病理状态有联系的微小结构。因此，细节可见度即是能够成清晰图像的微小结构的线度的倒数。但由于超声成像中折射、衍射、声场分布等因素的影响，会使微小结构的图像被扩展开来，也就是说变模糊了。模糊度即是微小结构的模糊图像的线度。在超声成像过程中，模糊最主要的影响是降低细节可见度。细节可见度在很大程度上取决于细节的大小和模糊度之间的关系。如果模糊度小于微小结构的线度，由于模糊而导致的对比度减小一般不会影响细节的可见度，但当细节的线度比模糊度小得多时，就看不清了。作为一般规律，模糊度可考虑作为细节线度的近似阈值。显然，细节的线度和模糊度越小，图像越清晰，质量越好。与临床超声诊断密切相关的主要是指轴向模糊度和横向模糊度两种。
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1 轴向模糊度
在超声诊断中处于近场(Fresnel field)范围内超声所能分辨清的两个微小结构(病灶)间的最小纵深距离的倒数，即是轴向的细节可见度，在数值上这一最小纵深距离近似等于轴向模糊度。它决定于超声脉冲的物理线度即脉冲宽度和脉冲长度。脉冲宽度是指超声脉冲的持续时间，即脉冲幅度的
处前后沿之间的时间间隔，用t表示。脉冲长度即是脉冲宽度t与波速的乘积。若在声束轴线方向有A、B两个微小结构，只有当其间距大于脉冲长度的时，超声才能分别产生两个回声，即分别成像，如图1所示。当脉冲前沿到达A点后，一部分反射形成A点反射回声的前沿a，另一部分继续向前到达B点并反射一部分回到A点，若这段路程所需的时间为：2△x/c=t，正好等于脉冲宽度，这就意味着从B点反射回来的脉冲前沿与到达A点并发生反射的入射脉冲后沿相重合，形成了既是A点反射回声的后沿，又是B点反射回声的前沿ab，而超声脉冲的后沿也到达B点再反射，又形成B点的反射回声后沿b，结果A点的反射脉冲与B点的反射脉冲接在一起。△x便是轴向模糊度的极限。若微小结构A与B间距离小于△x，则A与B的两反射脉冲重叠，形成的两回波影像重叠在一起，此为不能分辨。当A与B的间距大于△x，则A与B的两反射脉冲在荧光屏上分开，形成两个回波影像，这种情况为能够分辨。 
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图1
一般来说，脉冲宽度较小时，脉冲周期也较小，脉冲频率较高。所以频率越高，△x越小，轴向模糊度越小，图像越清晰，越能探测更细小的病灶。例如，超声诊断仪为2.5MHz时，选择脉冲宽度为3.5μs，则轴向模糊度为2.63mm;超声诊断仪为5MHz时，选择脉冲宽度为1μs，则轴向模糊度为0.75mm。因此为了在轴向提高细节可见度，必须减小轴向模糊度，也就必须缩短脉冲宽度，提高脉冲频率。
这里应该特别提出的是，由于多种因素的影响，理论值与实际值有较大差异，例如3.5MHz探头，选择脉冲宽度为0.6μs，轴向模糊度的理论值为0.45mm，而其实际值却为3mm左右，这就意味着定位大约有3mm左右的误差，只有从几个不同的方向反复定位，才能比较精确。这一点对通过图像引导穿刺是非常重要的。
2 横向模糊度
在垂直于超声束轴线的平面上，如有相邻的两个微小结构(小病灶)，超声能形成两个回声的上述两点间的最小距离的倒数，即为横向的细节可见度，在数值上这个最小距离近似等于横向模糊度。它决定于产生该回波的超声束的直径。不难理解，当超声束直径恰好等于两点间距离时，则为刚能分辨；当超声束直径小于两点间距离时，则两点形成两个回声，分别成像，则为可以分辨；而当超声束直径大于两点间距离时，只能形成一个回声，此为不能分辨。正因为如此，临床一般以超声束的直径判断横向模糊度的大小。超声束直径越小，横向模糊度越小，图像越清晰，细节可见度越好。
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超声束的直径决定于换能器的某些特性。从波束形状区分，换能器有两个基本类型，即非聚焦型和聚焦型，如图2所示。
图2 非聚焦型(a)和聚焦型(b)换能器产生的波束剖面图
非聚焦型换能器发出的波束分成两个区域，如图2(a)所示，靠近换能器的区域叫作近场或称Fresnel field；另一区域叫作远场，或称Frannhofer field。在近场内波束直径恒定，并由换能器的直径决定。近场的长度L与换能器的直径D和超声波长λ的关系为：
L=D2/4λ
由于波长与频率成反比，所以对一给定大小的换能器，其近场长度与频率成正比。
远场的主要特征是波束发散，这就使超声脉冲在该区直径较大，而沿着中心轴强度减小。发散的角度与探头的直径D和超声波长有关：
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发散角(角度数)=70λ/D
由于波长与频率成反比，所以随着频率增加，发散角减小。
由以上分析可见，对非聚焦型换能器而言，由于远场较近场超声未直径大，所以远场横向模糊度较大，横向模糊度随离开探头的距离增加而增大。
当把声学透境与换能器相连接或者利用超声反射镜可以得到会聚的超声束，可在沿波束轴线上的某些位置产生直径比探头直径小的超声束，如图2(b)所示，会聚的程度由声学透镜和超声反射镜的特性决定。使用聚焦型探头可以增大近场，有效地减小横向模糊度。一般的超声诊断仪的横向模糊度大致为1～2mm。应该注意的是，由于从理论上的分析只考虑单因素，而实际诊断中是折射、衍射和声场分布等多因素影响横向模糊度，所以临床诊断中的横向模糊度与理论值有一定差距。
3 质量控制对策
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在临床诊断中，要求在特定的深度处获得更窄的声束，目的是减小横向模糊，增加细节可见度，为此医学专家在选择变量时，应选择较高的频率增加近场的长度，减小远场的发散角。为了在轴向获得清晰的图象，也必须提高频率，减小脉冲宽度从而得到较好的细节可见度。
但是，由于超声通过生物体时会因分散、散射和吸收等原因而衰减，实验表明，超声能量的衰减速率与频率成正比。这样一来，频率越高，衰减越大，穿透力越低，从而影响探测深度。
由于以上两个因素互相制约，因此，要求在临床超声诊断中必须在衰减和模糊之间合理兼顾。选择的超声频率一方面要高到足以能产生最小的模糊，而在另一方面则必须低到足以能探测到从所需检测的深处结构反射回来的回波，以便使细节可见度与穿透力都能兼顾。
在大多数情况下，最佳频率就是超声波的穿透深度不超过200个波长时就达到被探测脏器的那个频率。例如：频率为3MHz时，超声的波长是0.51mm，它能形成102mm深处组织的良好图象。因此，在任何特定的深度，对波长的限制条件决定着能够被探测到的解剖学构造的范围。在腹部和神经的检查中，选择1～3MHz(相应的波长为1.54～0.51mm)可以得到质量较好的图像。在心血管检查中，最佳频率范围在2～5MHz(相应的波长为0.77～0.30mm)；在眼科检查中，最佳频率范围在10～15MHz(相应的波长为0.15～0.10mm)之间。
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*辽宁工学院电子系
参考文献
[1]朱翠玲等编著.现代生物医学工程.中国科学技术出版社，1992，288～289.
[2]Perry Sprawls Jr著.黄治焯主译.医学成像的物理原理.高等教育出版社，1993，358～359.
[3]杨在春等主编.医学新技术及其应用.人民军医出版社，1989，291.
[4]黄治焯主编.医学影像物理基础.新疆大学出版社，1995，319～321.
收稿日期：1998-03-17, 百拇医药
单位：锦州医学院物理教研室 锦州121001
关键词：细节可见度； 模糊度； 轴向模糊度； 横向模糊度；量控制
数理医药学杂志990121
摘 要 医学图像的质量不仅决定于成像方法、设备的特点，而且决定于操作者选用的变量。图像的质量不是由单一因素决定的，通常是对比度、模糊度、噪声、伪迹和畸变等因素的综合。在临床超声诊断中，图像的细节可见度是衡量其质量好与坏的重要指标之一，对诊断具有十分重要的意义。结合超声诊断实际，研究了细节可见度和模糊度的概念，限制细节可见度和模糊度的各种因素，对临床超声诊断的价值及其质量控制提供了对策。
人体包含着许多结构，大到器官、骨骼，小到骨小梁和钙化点，这些均是不可见的。医学专家借助于各种科学技术形成人体内部的图像，从而窥视人体，诊断异常状态并指导治疗。超声图像即是这样一种窥视人体的一个窗口。评价超声图像的质量指标有对比灵敏度、细节可见度、噪声和伪迹等。其中细节可见度便是描述超声成像系统显示人体解剖细节结构的能力，这里所说的细节是指与正常解剖和不同病理状态有联系的微小结构。因此，细节可见度即是能够成清晰图像的微小结构的线度的倒数。但由于超声成像中折射、衍射、声场分布等因素的影响，会使微小结构的图像被扩展开来，也就是说变模糊了。模糊度即是微小结构的模糊图像的线度。在超声成像过程中，模糊最主要的影响是降低细节可见度。细节可见度在很大程度上取决于细节的大小和模糊度之间的关系。如果模糊度小于微小结构的线度，由于模糊而导致的对比度减小一般不会影响细节的可见度，但当细节的线度比模糊度小得多时，就看不清了。作为一般规律，模糊度可考虑作为细节线度的近似阈值。显然，细节的线度和模糊度越小，图像越清晰，质量越好。与临床超声诊断密切相关的主要是指轴向模糊度和横向模糊度两种。
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1 轴向模糊度
在超声诊断中处于近场(Fresnel field)范围内超声所能分辨清的两个微小结构(病灶)间的最小纵深距离的倒数，即是轴向的细节可见度，在数值上这一最小纵深距离近似等于轴向模糊度。它决定于超声脉冲的物理线度即脉冲宽度和脉冲长度。脉冲宽度是指超声脉冲的持续时间，即脉冲幅度的
处前后沿之间的时间间隔，用t表示。脉冲长度即是脉冲宽度t与波速的乘积。若在声束轴线方向有A、B两个微小结构，只有当其间距大于脉冲长度的时，超声才能分别产生两个回声，即分别成像，如图1所示。当脉冲前沿到达A点后，一部分反射形成A点反射回声的前沿a，另一部分继续向前到达B点并反射一部分回到A点，若这段路程所需的时间为：2△x/c=t，正好等于脉冲宽度，这就意味着从B点反射回来的脉冲前沿与到达A点并发生反射的入射脉冲后沿相重合，形成了既是A点反射回声的后沿，又是B点反射回声的前沿ab，而超声脉冲的后沿也到达B点再反射，又形成B点的反射回声后沿b，结果A点的反射脉冲与B点的反射脉冲接在一起。△x便是轴向模糊度的极限。若微小结构A与B间距离小于△x，则A与B的两反射脉冲重叠，形成的两回波影像重叠在一起，此为不能分辨。当A与B的间距大于△x，则A与B的两反射脉冲在荧光屏上分开，形成两个回波影像，这种情况为能够分辨。 , 百拇医药
图1
一般来说，脉冲宽度较小时，脉冲周期也较小，脉冲频率较高。所以频率越高，△x越小，轴向模糊度越小，图像越清晰，越能探测更细小的病灶。例如，超声诊断仪为2.5MHz时，选择脉冲宽度为3.5μs，则轴向模糊度为2.63mm;超声诊断仪为5MHz时，选择脉冲宽度为1μs，则轴向模糊度为0.75mm。因此为了在轴向提高细节可见度，必须减小轴向模糊度，也就必须缩短脉冲宽度，提高脉冲频率。
这里应该特别提出的是，由于多种因素的影响，理论值与实际值有较大差异，例如3.5MHz探头，选择脉冲宽度为0.6μs，轴向模糊度的理论值为0.45mm，而其实际值却为3mm左右，这就意味着定位大约有3mm左右的误差，只有从几个不同的方向反复定位，才能比较精确。这一点对通过图像引导穿刺是非常重要的。
2 横向模糊度
在垂直于超声束轴线的平面上，如有相邻的两个微小结构(小病灶)，超声能形成两个回声的上述两点间的最小距离的倒数，即为横向的细节可见度，在数值上这个最小距离近似等于横向模糊度。它决定于产生该回波的超声束的直径。不难理解，当超声束直径恰好等于两点间距离时，则为刚能分辨；当超声束直径小于两点间距离时，则两点形成两个回声，分别成像，则为可以分辨；而当超声束直径大于两点间距离时，只能形成一个回声，此为不能分辨。正因为如此，临床一般以超声束的直径判断横向模糊度的大小。超声束直径越小，横向模糊度越小，图像越清晰，细节可见度越好。
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超声束的直径决定于换能器的某些特性。从波束形状区分，换能器有两个基本类型，即非聚焦型和聚焦型，如图2所示。
图2 非聚焦型(a)和聚焦型(b)换能器产生的波束剖面图
非聚焦型换能器发出的波束分成两个区域，如图2(a)所示，靠近换能器的区域叫作近场或称Fresnel field；另一区域叫作远场，或称Frannhofer field。在近场内波束直径恒定，并由换能器的直径决定。近场的长度L与换能器的直径D和超声波长λ的关系为：
L=D2/4λ
由于波长与频率成反比，所以对一给定大小的换能器，其近场长度与频率成正比。
远场的主要特征是波束发散，这就使超声脉冲在该区直径较大，而沿着中心轴强度减小。发散的角度与探头的直径D和超声波长有关：
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发散角(角度数)=70λ/D
由于波长与频率成反比，所以随着频率增加，发散角减小。
由以上分析可见，对非聚焦型换能器而言，由于远场较近场超声未直径大，所以远场横向模糊度较大，横向模糊度随离开探头的距离增加而增大。
当把声学透境与换能器相连接或者利用超声反射镜可以得到会聚的超声束，可在沿波束轴线上的某些位置产生直径比探头直径小的超声束，如图2(b)所示，会聚的程度由声学透镜和超声反射镜的特性决定。使用聚焦型探头可以增大近场，有效地减小横向模糊度。一般的超声诊断仪的横向模糊度大致为1～2mm。应该注意的是，由于从理论上的分析只考虑单因素，而实际诊断中是折射、衍射和声场分布等多因素影响横向模糊度，所以临床诊断中的横向模糊度与理论值有一定差距。
3 质量控制对策
, http://www.100md.com
在临床诊断中，要求在特定的深度处获得更窄的声束，目的是减小横向模糊，增加细节可见度，为此医学专家在选择变量时，应选择较高的频率增加近场的长度，减小远场的发散角。为了在轴向获得清晰的图象，也必须提高频率，减小脉冲宽度从而得到较好的细节可见度。
但是，由于超声通过生物体时会因分散、散射和吸收等原因而衰减，实验表明，超声能量的衰减速率与频率成正比。这样一来，频率越高，衰减越大，穿透力越低，从而影响探测深度。
由于以上两个因素互相制约，因此，要求在临床超声诊断中必须在衰减和模糊之间合理兼顾。选择的超声频率一方面要高到足以能产生最小的模糊，而在另一方面则必须低到足以能探测到从所需检测的深处结构反射回来的回波，以便使细节可见度与穿透力都能兼顾。
在大多数情况下，最佳频率就是超声波的穿透深度不超过200个波长时就达到被探测脏器的那个频率。例如：频率为3MHz时，超声的波长是0.51mm，它能形成102mm深处组织的良好图象。因此，在任何特定的深度，对波长的限制条件决定着能够被探测到的解剖学构造的范围。在腹部和神经的检查中，选择1～3MHz(相应的波长为1.54～0.51mm)可以得到质量较好的图像。在心血管检查中，最佳频率范围在2～5MHz(相应的波长为0.77～0.30mm)；在眼科检查中，最佳频率范围在10～15MHz(相应的波长为0.15～0.10mm)之间。
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参考文献
[1]朱翠玲等编著.现代生物医学工程.中国科学技术出版社，1992，288～289.
[2]Perry Sprawls Jr著.黄治焯主译.医学成像的物理原理.高等教育出版社，1993，358～359.
[3]杨在春等主编.医学新技术及其应用.人民军医出版社，1989，291.
[4]黄治焯主编.医学影像物理基础.新疆大学出版社，1995，319～321.
收稿日期：1998-03-17, 百拇医药