B超多途径反射伪像人工造模及实验研究

高杨，王亚平，梁鑫予，刘子怡，房蕾

1.牡丹江医学院 物理教研室，黑龙江 牡丹江 157011；2.锦州医科大学 物理教研室，辽宁 锦州 121001

引言

伪像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的图像[1-2]。众多资料及临床实验表明伪像存在的普遍性[3-7]。因而探明伪像存在的种类[8-9]、成因及控制方法[10]对提高检定准确性、减少误判具有重要意义。

如今对于多途径反射伪像的研究在A型超声成像中已较为成熟，而其在B超方面的研究相对较少，本研究设计了一种模型，真实再现B超中的多途径反射伪像，并加以科学验证。

1 材料与方法

1.1 实验器材

CTS-285B便携式超声显像诊断仪、JTC-5A型超声波诊断仪、5 MHz的A超探头一支、B超凸阵探头一只（扫描频率为3.5 MHz）、有机玻璃水槽一个（长×宽×高=17 cm×14 cm×7 cm）、蒸馏水、含空气夹层的有机玻璃片2片（S1/S2）、坐标纸（大小应与有机玻璃水槽相匹配）、液体石蜡、耦合剂。

1.2 实验原理

多途径反射成像，见图1。超声波由探头出发，非垂直入射到界面S1的P点上，其反射波偏离原来的界面入射到另一界面S2的Q点上，恰好有P→Q（即离开S1界面的反射波）垂直于界面S2，此时由于该声束垂直入射，故其将沿原路返回并被探头接收，从而成像Q′。但由于受超声波成像假设限制，界面S2的反射回波将成像于OP的延长线上，且PQ=PQ′，此时显示的位置与目标实际位置相差甚远，即为B超的多途径反射伪像。

图1 多途径反射伪像成像原理图

1.3 实验方法

将坐标纸固定于长方形有机玻璃水槽的底部，使水槽的边框与坐标纸的横纵坐标平行，将水槽中注1000 mL蒸馏水，打开B超仪器预热10 min后，涂抹适量耦合剂于凸阵探头上，将有空气夹层的有机玻璃片S1放置在水槽中，使得凸阵探头垂直入射到S1界面的中心点P上（图2），此时B超屏幕上出现一个强回声反射界面，转动S1直至该界面在屏幕上消失，然后沿S1反射波方向上放置另一块有空气夹层的有机玻璃片S2，转动S2直至屏幕上重新出现一个强回声界面后，冻结图像并测量入射界面到强反射回波界面的距离D1（图3）。记录此时玻璃片在坐标纸上位置，计算超声波从探头出发经S1再反射到S2的距离（OP+PQ）。保持玻璃片和水槽的位置不变，用A型超声诊断仪的5 MHz探头重复测距，注意探头发出的入射波要射到S1的O点上，读出示波器上始波到反射回波的距离D2。通过改变玻璃片的位置与角度，重复测量并记录数据。

图3 人工实验模型及B超屏显结果

为减小误差，本实验设置两个对照组：采用坐标读数对照和A超验证对照。虽然两个对照组各有其局限性但各有其意义：① 通过做出光路图并对照坐标纸读数更直观，能够更好的说明多途径反射伪像的成像原理；② 通过A超实验在示波器上直观看到的脉冲回波能更有力的说明，在相同条件下，B超探头能接收到该多途径反射回波。

2 数据处理

2.1 测量数据及优化

需要测量的数据：Li：探头入射到S1界面的中心点的距离OP；Lr：S1界面的反射波垂直入射到S2界面的中心点的距离PQ；坐标纸读数L：L=OP+PQ=Li+ Lr；B超测距D1：D1=OP+PQ′（Q′即界面S2的反射回波成像于OP的延长线上的伪像）；A超测距D2：D2即A超示波器上始波到反射回波的距离（表1）。

表1 一般反射条件下的数据（mm）

为坐标纸读数方便与准确，以尽量减小误差，在此运用了全反射定理进行了实验。即，将有空气夹层的有机玻璃片S2竖直放置在水槽中，要求S2与坐标纸上竖直方向的格线重合，移动S1尽量使凸阵探头发射出的超声波与反射界面S1的法线方向呈45°夹角，从而构成全反射条件。由全反射规律可得：S1界面上的入射点O到S2的水平距离即反射波走过的路程L2，直接读出水平格线的长度即为L2（表2）。

表2 全反射条件下的数据（mm）

2.2 数据处理及误差分析

2.2.1 数据处理

对于表1和表2数据，我们做以下处理：

令L=Li+Lr设立公式，分别得出3 组数据的；和 X1、X2、X3令得①式得②式。

表3和表4的对比数据表明，一般情况下的M值远大于全发射情况下的值，即坐标纸读数与A超验证这两个对照组的测量数据相差较大。而在全反射条件下，两个对照组的值偏离较小，可见使用全反射规律进行的测量误差小于一般反射条件下的测量误差。由此印证了利用全反射定理得出的实验数据的优越性。故舍去误差较大的一般反射条件下的数据，保留全反射条件下的数据。

表3 一般反射条件下的数据

表4 全反射条件下的数据

2.2.2 误差分析

（1）声束的容积效应[2]：由于超声声束不能被直接观测到，因此不能保证声束准确打在S1界面的O点上。且由于从探头发出的声束具有一定的宽度和体积，并不是理想模型中的窄声束，因此打到界面上为一个投射面，故在B超中成像并不是点成像。因此不能被准确定位与测量。

（2）介质的不均一性：由于超声声束在接触到水之前还要经过有机玻璃水槽壁传播，故超声声束并不是在成像假定中的均一介质直线传播，而是带来了轻微的折射偏离和声速失真。

（3）人工操作带来的误差：如读数误差，对实验装置的摆放不恰当等。

3 结论

声束非垂直入射到组织内某界面时，将反射偏离到另一界面，然后再反射直到被接收。因超声成像的三个假设之一，即声束在介质中沿直线传播，导致此时显示的位置与目标实际位置相差甚远，虽然可通过改变探头的角度消除这种伪影，但它会使解剖学结构在边缘上发生错位[11]，故此研究在临床工作和学习中有重要意义。

国内外对于B超伪像的研究偏重在临床中的应用[7,12-16]，而本建模实验，将人造超声伪像用于教学，可以把抽象的理论变成可视化的工具更有利于学生理解掌握，而且填补了此伪像在物理模拟实验中的空白。在临床诊断及日常的B超成像实验中，经常可以在屏幕上观察到一些无法归类并解释的异常回声，它们大多为多途径反射伪像所形成的。由于人体脏器界面取向特殊且难以估计，这种无法避免及准确分辨的多途径反射伪像为临床诊断带来了一定的困难。故对其的成像过程研究具有重要的现实意义，以便更好为教学提供便利，为临床诊断提供参考。