超声成像算法

　　谁会想到，自己手中小巧的手机和超声成像仪有关系呢？很多时候，科技的原理在几十年前就已经发生了。在这个手机与超声仪器的情境下，你能看到科技所结下的果实：电路，信号，成像……但当我们透过果实背后繁茂的枝叶一路寻本溯源，就会发现，科技密密麻麻的根须早已纠缠在一起。手机为什么能够拨出电话？因为它自己就是一块微型天线，可以发射与接收通讯。它为什么和超声成像仪也有关系呢？因为，超声成像仪的核心也是一块天线也就是一块特殊的压电元件，它将电能与机械能转化的特殊能力，像一双拥有透视功能的“眼睛”——通过算法的后处理，这双“眼睛”接收到地电信号可以真正地转化为肉眼可以观察、易于理解的医疗图像。

　　自上世纪70年代以后，超声的成像算法获得了极大的发展。目前应用最广泛的是多功能实时B超仪和彩色超声，正是成像算法的不同给它们带来了不同的成像效果，对比大到如图所示。

　　图一 B超与彩超效果类比图 

　　B型超声利用图像的灰度值分布来显示探测到的不同组织，灰度值的高低即意味着不同的组织对声波具有不同的反射系数[1]。因此，图像上来看，组织形态学上的差异在很大程度上只是由组织的单一特性决定的。但是对需要深度诊断的临床医学来说，图像上包含的诊断信息实在有限——因此，多普勒效应被引入了超声成像算法中[2-4]。多普勒效应如何去理解呢？说的最明白的一张图应当如下所示。

 　　图二多普勒原理原理示意图 

　　多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象，这也可以解释为什么图中人物中心部位的线条最为密集，因为越靠近观察者的地方，声波的频率就越高[5]。这个简单的原理将黑白、枯涩的B模式超声图变得“有声有色起来”——除了形态上的组织信息，血流方向、流量、流速都正式成为超声图像诊断的重要参数，而这些甚至都不必查看复杂的数字，只要将这些值按照大小映射到不同的颜色上，颜色之间的对比可以反映出组织的健康与否。颜色的选择上，我们理所当然的从太阳光谱那获得了灵感：红色意味着positive，所以血流流量大、血流方向靠近观察者，我们用红色来表示；蓝色意味着negtive，关于血流negtive的信息都用蓝色显示。

　　到目前为止，我们在医院里应该都见过这些项目。更复杂的算法，也是目前超声成像算法领域内的研究热点，其中有算法甚至已经打破了传统超声的成像限制[6]。但这些算法还没有在医院里的超声仪器上应用，只在一些研究平台上有所涉及，根本的原因是——技术不够成熟。

　　不成熟是表现在方方面面的：数据的获取、数据格式的统一、计算成像的速度等等。成像算法的开发时间长，主要原因也在这里。我的硕士研究内容中，成像算法也占了很大一部分，每当因为这些问题延缓进度时，也迷茫过，困惑过，新的超声成像算法的研究是否能够高质量地完成？甚至也一度有过退缩更换研究方向的想法。

　　从前的成像算法经典，但是并非不可超越：B模式超声图成像质量有待提升，给出的信息有限；彩超的精确度也有待提升。这些技术的成长也经历了从原理到样机的过程，现在正在研究的算法同样有很长的路要走。希望自己研究的内容能为超声成像带来一点点改善，如果以后真的能在医院里看到自己的一部分工作，那么，自己为世界做一些小小贡献的理想也算是实现了。

　　参考文献： 

　　1 Berlyne, G.M.: ‘Ultrasonics in renal biopsy: an aid to determination of kidney position’, The Lancet, 1961, 2, (7205) 

　　2 Brody, W.R., and Meindl, J.D.: ‘Theoretical Analysis of the CW Doppler Ultrasonic Flowmeter’, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1974, BME-21, (3), pp. 183-192 

　　3 Olsen, C.F.: ‘Doppler Ultrasound: A Technique for Obtaining Arterial Wall Motion Parameters’, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, 1977, 24, (6), pp. 354-358 

　　4 Osmanski, B., Pernot, M., Montaldo, G., Bel, A., Messas, E., and Tanter, M.: ‘Ultrafast Doppler Imaging of Blood Flow Dynamics in the Myocardium’, IEEE Transactions on Medical Imaging, 2012, 31, (8), pp. 1661-1668 

　　5 Beers, G.L., and Belar, H.: ‘Frequency-Modulation Distortion in Loudspeakers’, Proceedings of the IRE, 1943, 31, (4), pp. 132-138 

　　6 Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., and Fink, M.: ‘Coherent Plane-Wave Compounding for Very High Frame Rate Ultrasonography and Transient Elastography’, Ieee Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 2009, 56, (3), pp. 489-506