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Superharmonic Imaging for Medical Ultrasound: a Review
医学超声超谐波成像：综述
摘要：谐波超声已成为低分辨率基础超声成像的一种替代品。二次谐波的使用现在已经成为趋势，但由于高次谐波更高的分辨率，高次谐波也被视为更好的选择。 分辨率随频率增大而提高，但渗透的能量衰减也更大。在传播过程中，高次谐波的累积叠加产生了更高的谐波，具有更好的分辨率和足够的穿透力。本文总结了近十年来谐波超声成像技术的进展，如面向医学领域的超谐波成像（SHI）。它包括高于二次谐波的谐波，高达五次谐波。我们得出结论，SHI可以是一种先进的超声成像，具有全面的高分辨率和足够的穿透深度，适用于单波和编码模式。
关键词：超声成像。超低。传感器。非线性传播。编码激励
介绍
在过去的几年中，超声成像技术的发展和发展都取得了惊人的进步。这导致了三维超声成像，组织谐波成像（THI），基于对比度的谐波成像和超谐波成像（SHI）的产生。组织谐波成像是当前时代已建立的成像模式，因为除了其实时成像，符合人体工程学，可接受的成本和无害的性质之外，还有其具有较高的图像质量。超声成像有助于医生在紧急情况下检测关键的临床问题，从而改进诊断和治疗。尽管有诸多优点，但在CT，MRI等高分辨率成像设备的分辨率方面仍面临巨大挑战。
目前，存在两种谐波成像模式：（i）基于对比度和（ii）基于组织。在对比谐波成像中，谐波是由造影剂振荡产生的，而在组织谐波成像（THI）中，谐波源自超声波通过生物介质的非线性传播。在这两种模式中，二次谐波频率都适合于图像形成。对比谐波成像中使用的谐波信号不是来自超声系统本身。这些谐波是由于超声波与组织或造影剂的相互作用而产生的。在对比谐波成像的情况下，患者被注射造影剂（微泡），然后与超声脉冲相互作用产生两种反应。首先，由于气泡和周围组织之间的声阻抗差异引起的超声脉冲的反射。其次，气泡在超声脉冲冲击下的振动响应。这些振动的频率是原始超声脉冲频率的两倍。这限制了可用于成像的带宽，因此可以使接收的谐波信号可以与基波分离。基波与二次谐波的重叠限制了谐波与接收响应的完全分离。因此，在对比谐波成像中，使用更窄的带宽。
组织谐波成像开始于将组织介质暴露在特定频率的超声中。谐波开始在组织内产生，并继续增长到最大强度的位置，然后由于衰减而减少。谐波成像具有潜在的优势，包括由于更短的波长而提高轴向分辨率，更高的频率聚焦而提高横向分辨率，以及与传统成像相比更少的伪像。
实际上谐波成像也受到一些限制，如：低信噪比，存在旁瓣电平和谐波泄漏。 由于二次谐波回波的幅值较低，需要高灵敏度、宽频率范围的换能器，成像困难。但随着波束宽度的增加，副瓣电平和谐波泄漏也随之增加。相反，由于基频和二次谐波波束剖面的重叠，发射窄波束降低了轴向分辨率。
虽然谐波的使用提高了分辨率，但谐波成像仅仅使用二次谐波来成像而不是使用由于非线性传播而产生的许多高次谐波。因此，可以利用更高阶的谐波进一步提高图像质量。十年前，人们提出了一种称为超谐波成像（SHI）的新成像技术。 这显示了更好的超声成像的可能性。由于采用高次谐波的线性和，提高了分辨率，具有更好的信噪比和足够的穿透深度。因此，对于SHI来说，发送较低频率的窄波束，并且接收具有较高的频率的回波。因此，在SHI中，所使用的宽带滤波器主要是其场给出线性和，其最终产生高分辨率超谐波图像
研究实验表明，继基础超声成像和二次谐波超声成像之后，SHI有望成为今后的超声成像方式。虽然还没有进入临床研究，但详尽的研究正在进行中，前景广阔。
SHI已存在近12年了。一个典型的产品商业化的周期是5到10年，而世界开始使用它的时间是10到15年，甚至是20年。该技术是新技术，还有很大的改进空间；因此临床应用的可能性较低。然而，由于造影剂和组织非线性的SHI已被研究，并且其在超声心动图，腹部超声检查和血管内超声成像中的应用已被报道。已经尝试成功设计用于上述应用的SHI探针。
此外，还用编码激励对其进行了研究，使其得到了进一步的发展。图1给出了带或不带编码激励的超谐波成像的广义框图。这里展示了使用编码激励的专用仪器、波束形成和进一步增强。
本文对超谐波成像的建立工作进行了深入的探讨。2002年，Bouakaz等人首次提出用造影剂制备高次谐波，并在2003年继续用组织介质的非线性性质制备高次谐波。我们将介绍近十年来在超谐波成像方面的一些工作。主要内容包括研究进展、定制仪器、数值模型、体内外研究、光束优化和超谐波成像的临床方面。
确立
虽然传统的超声成像在使用基于二次谐波的谐波变量时是无害且经济的，但这并不能推广到所有的深度和频率。因此，显然需要改进质量。它仍然是继X射线之后世界上第二种应用最广泛的成像方式。自1942年以来，在开发CT、MRI等成像模式的比拼中，它仍在缓慢进展中。在此期间，它将成像信号频率从基频转为二次谐波，到现在变为高次谐波。
Bouakaz等人首先将SHI表示为高次谐波的组合，特别是第三、第四和第五次谐波，它们来自于对比气泡的非线性响应。SHI由于他们提出的相控阵换能器而成为可行的，该换能器在宽频带上工作以有效地接收谐波。分别用KZK方程和Rayleigh-Plesset微分方程对非线性谐波和对比谐波进行了仿真。这表明，当发射频率较高时，非线性高次谐波占主导地位。在低发射频率下，高次谐波引起的对比度较高，导致了更高的组织对比度(CTR)。
这里使用的双频阵换能器包含两种不同类型的元件，它们以交错的方式排列(奇数和偶数元件)。阵列中96个元件中，一半奇数元件的中心频率在2.8 MHz左右，带宽为80%，而另一半偶数元件的中心频率为0.9 MHz，带宽为50%。所考虑的每个元件的宽度为0.2 mm。由于元件是分开工作的，因此可以采用单独的发射和接收方式。较低的传输频率保证减少组织和对比度衰减。
此外，利用超谐波成像模式下的双频探头和造影剂进行超声体外测量。采用组织模拟流动模型。通过体外实验(动物实验)和对比二次谐波，确定超谐波模式下的最佳设置和参数，以改善超谐波模式中的对比度检测。为了将其扩展到临床范围，他们还研究了10名年龄在35岁到65岁之间的患者的心脏超声心动图。他们发现，随着CTR的提高，杂波和噪声在SHI中得到了降低，并具有足够的穿透深度和分辨率。
接着，Bouakaz等人继续使用非线性组织谐波确认超谐波的产生。水通常被认为是最接近软组织的。利用相似的交错相控阵换能器对具有水腔的体模进行了实验，并与非线性KZK传播模型进行了比较。与对比谐波相比，非线性组织谐波存在灵敏度低、信噪比（SNR）低等问题，这就证实了在这种情况下使用组织信号谐波会牺牲动态范围和信噪比。将其他高次谐波包括在一起，即超谐波，发现利用这些高次谐波的光束特性同时接收的能量增加。与单独的二次谐波能量相比，将高次谐波分量组合成单个超谐波分量而不是使用单个谐波频率是增加检测能量的有益方式，同时还保留了高次谐波的优点。在重要的成像距离上，超谐波能级往往高于二次谐波能级，因此，如果考虑不同的超谐波分量组合，超谐波能级甚至可以高于基频能级。
用于超谐波成像的阵列换能器
电流阵列换能器的二次谐波成像性能良好。它们的频率带宽明显限制在中心频率的70%到80%，不适合对高于二次谐波的谐波进行成像。超谐波是由高次谐波特别是三次、四次和五次谐波的累积叠加而产生的。为了在接收这些高频率谐波时成像，一个宽频宽的多频高灵敏度传感器是接收谐波必不可少的。这些谐波是非线性传播产生的，可用于成像，在传输过程中是不存在的。因此，Bouakaz等人提出了一种新的交错双频相控阵换能器拓扑结构，并与SHI一起验证了其实际可行性。表1显示了可用于SHI的多频换能器的文献调查。
Forsberg等人设计了前两种用于对比增强二次谐波（THI）和子谐波（SbHI）成像的新型超声多频谐波换能器阵列（MFHA）。两者都由3个多元件压电复合子阵列（X，Y和Z）组成，弯曲形成一个5 cm处的机械焦点。子阵列的中心频率设计为fZ为fY的两倍，fY为fX的两倍，即2.5/ 5.0/10.0 MHz和1.75/3.5/7.0MHz。对于SbHI，如果Y子阵列发射，那么X作为接收，类似地从Z到Y，而对于THI，如果X子阵列发射，那么Y作为接收，类似地从Y到Z。
针对SHI，在一种新的阵列设计中提出了一种多频换能器和超谐波成像，该换能器包含两种不同类型的交错排列的元件(奇数和偶数元件)。分离的元件可以单独工作，也可以在一个单独的频率提供两个单独的传输和接收模式。这有利于双频探测。低频元件设置为传输，高频元件配置为接收模式。为了累积高次谐波分量，对接收信号采用宽带通滤波器。该系统克服了带宽的限制，进一步提高了分辨率。
这个双频成像系统涉及将产生的谐波由频域中的间隙分开。在中心频率的倍数中也没有发现明显的波谷。这使得谐波的分离非常困难。这也将回声图像中引入呈波纹状的特定伪像。因此，提出了一种减小纹波伪影、恢复轴向分辨率的双脉冲技术。它由发射两个脉冲组成，第二个脉冲的频率略有不同。这两个脉冲在时域的和使频谱平滑，从而有助于使这些波纹最小化。在时域上，两个失真脉冲和四次谐波周围的宽带滤波之和与超谐波信号波纹的临界入侵近似。这种效果锐化了超谐波点扩散函数。为了消除双脉冲信号长度与峰值强度之间的实际权衡，确定双脉冲时最佳有效传输频率也是必要的。这种用于SHI的交错双脉冲换能器仍然缺乏以下特性，需要大量改进才能进一步提高SHI图像质量：（i）宽频带；（ii）高传输效率；（iii）高接收灵敏度；（iv）低光栅瓣。
最近，针对上述问题，提出了一种改进的交错相控阵换能器。换能器由两个交错子阵列组成，其中包含完整的88个换能器元件（传输和接收分别44个元件）。低频和高频元件是机械分离和电去耦的。这允许对每个元件的参数进行优化，如匹配层、电调谐等。针对传输优化的子阵列谐振频率为1.0 MHz，由44个元件组成。低频元件有一个单一的匹配层和声阻抗为3.2 MRayl的背衬。低频元件尺寸为16times;0.2 mm，子阵间距为0.5 mm。针对接收优化的子阵谐振频率为3.7 MHz，由44个元件组成。高频元件的正面有2个匹配层，并且具有声阻抗为3.2 MRayl的背衬。高频元件尺寸为13times;0.2 mm，子阵间距为0.5 mm。
这种最终的交错阵列换能器利用透镜来实现，该透镜用于6 cm轴向距离的几何高度聚焦。交错换能器的总面积为16times;22 mm2。通过对影响换能器传输频率和几何形状的全面分析，优化了从交错换能器到成像设备的电调谐。所讨论的交错相控阵换能器的原理图如图2所示，主要为SHI设计。
上述讨论的交错阵列换能器也适用于其他成像方法，如二次谐波、次谐波和二阶超声场（SURF）成像。
高次谐波的提取
为了满足高带宽的要求，最近提出了一种新型的SHI交错阵列传感器。在这种特殊的阵列换能器中，发射阵列元件的工作带宽接近80%。最初，Bouakaz等人使用其连接到Vivid5系统（GE-Vingrncd；Horten，挪威），即在基于幻影的实验中使用传统的带通接收滤波器，分离超谐波，如三、四、五次谐波。这种方法通过频谱上的小间隙来分离谐波，但同时这会导致在超谐波图像中形成纹波伪像。此外，如果使用轴向接收滤波器来区分接收的超谐波带宽和传输的基本带宽，则轴向分辨率会降低。为了解决上述问题，最近开发了一种名为脉冲反转（PI）的技术。这涉及到脉冲及其反转脉冲的并行和进一步传输，两者的接收回波构成了所需的高次谐波的分离。这进一步导致了超谐波的形成。然而，这也引入了成像帧率降低的新缺点。为了克服这一问题，提出了一种专门针对SHI的新策略，即基于具有单个或交错收发单元的孔径的单脉冲（SPFC）或双脉冲（DPFC）频率复合。
同一组人进一步提出了实际交错相控阵换能器的实现和上述讨论的DPFC技术的优化。在这项工作中，交错阵列换能器有44个元件，每个元件分别以1 MHz和3.7 MHz的频率进行发射和接收。通过实验优化了系统的性能，初步预测了第一、第二脉冲的频率和脉冲持续时间。
DPFC确实提供了对多个反射伪影的消除，但代价是帧率的降低，因为它在后处理阶段中通过对两个发射脉冲的回波求和来构造每个等高线，而第二个脉冲与第一个脉冲相比频率略有偏移。Danilouchkine等人研究了在单个传输中执行频率复合协议的可行性，该协议称为单脉冲频率合成（SPFC）。为此，将发射孔径分为两部分：第一部分发射中心频率较低的脉冲，第二部分发射中心频率较高的脉冲。在保持全帧率的同时，与三次谐波相比，它还显示出良好的轴向和横向分辨率。通过观察SHI的点扩散函数（PSF），从理论上和实验上对上述频率合成技术进行了研究。
超谐波成像的波束优化
选择合适的成像参数是实现高分辨率成像的关键。谐波工作频率、声压幅值、孔径大小等参数对信噪比（SNR）和穿透深度影响较大。在SHI中，与常规频率带宽和换能器探头相比，1MHz的工作频率和2.5-5.5MHz频率带宽是非常高的。这将导致在低信噪比下成像带宽缩小。同样，高次谐波衰减较快，因此穿透深度也与传统的相比有所减小。
因此，Bouakaz等人对SHI波束进行了优化数值研究，以确定成像参数及其取值，有效高效成像。研究了超谐波的产生与传输频率、外加声压、网格孔径大小的关系。研究考虑了常规声压机械指数（MI）在0.8 ~ 1.8之间，传输频率分别为1 MHz、1.2 MHz和1.7 MHz的三个周期高斯脉冲，孔径分别为10 mm和20 mm。并与基波成像和二次谐波成像进行了比较。为此，作者不仅用图形表示了观测结果，而且通过计算得出的轴向电平、离轴电平、近场电平、旁瓣电平、时间分辨率和带宽等波束参数显示了SHI的优势。该技术初步观察了在上述三种传输频率下，不同MI处超谐波振幅的变化。在较高的MI下，超谐波优于二次谐波，并且在更高的工作频率下，所需的MI甚至小于1。最佳发射频率和外加声压的
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