基于平面波超声成像的相干性声速估计所需的角复合效应极小

《Ultrasonics》：Minimal angular compounding required for coherence-based sound speed estimation with plane wave ultrasound imaging

本研究提出基于空间相关性的超声声速估计方法，通过实验确定最少所需 steer角为3-7个，相比传统75角方法，在减少处理时间的同时保持图像质量，有效降低伪影4.73 dB。

　　
超声成像中声速自适应校正技术的角度优化研究

传统超声成像普遍采用1540 m/s的标准化声速值进行图像重建，但这种假设在复杂组织场景中会导致显著的相位畸变和图像失真。具体表现为：低速组织（如脂肪组织，1430 m/s）的深度定位偏移超过实际位置；高速组织（如骨骼肌，1647 m/s）的轴向尺寸测量值与真实值存在系统性偏差。更严重的是，声速假设误差会引发多维度质量下降，包括但不限于横向分辨率降低32%、峰值回波强度衰减达10.5 dB，这些累积效应在肥胖患者腹部成像或乳腺组织多成分场景中尤为突出。

为解决这一技术瓶颈，研究者提出基于空间相干性优化的新型声速估计方法。该技术通过分析短程空间相干性特征，在特定兴趣区域内寻找能够最大化相干性的声速值。此前的验证实验采用75个不同发射角度的平面波合成技术，在组织模拟 phantom 上取得了显著效果。但75个角度的系统需要较长的计算周期，这限制了其在实时临床诊断中的应用价值。

本研究通过系统实验确定该方法的最低有效角度数量。实验设计包含两个核心模块：基础 phantom 验证和活体组织测试。在组织模拟 phantom（INS014标准模型）的对比实验中，当采用3个发射角度时，其合成图像的峰值旁瓣电平（FWHM）较传统单角度成像提升67.19%，较传统 speckle 亮度最大化方法改善65.31%。值得注意的是，该性能提升在肌肉组织模拟中同样得到验证，且计算时间缩短了87%（由75个角度降至3个角度）。

活体组织测试选取肱二头肌作为验证对象。实验组（3个角度）与传统组（75个角度）的对比显示：在相同声速假设（1540 m/s）条件下，前者将幅度伪影降低4.73 dB。这种性能优势在3-7个角度范围内持续存在，具体表现为当发射角度增加到5个时，图像信噪比提升幅度达到峰值（+8.9 dB），超过7个角度后性能增益趋于平缓（增幅<2%）。这表明存在一个角度效率最优区间，既保证声速估计的准确性，又维持合理的计算负荷。

该技术的创新性体现在三个关键维度：首先，空间相干性分析机制突破了传统基于speckle亮度优化方法的局限，后者在多组织交界区域（如乳腺腺体与脂肪组织界面）容易产生局部声速估计偏差；其次，角度优化策略将计算复杂度从O(n2)降低到O(n)，其中n为有效角度数（3-7）；再者，在活体测试中首次验证了该方法的临床可行性，在肌肉组织（声速范围1540-1580 m/s）的动态成像中表现出良好的鲁棒性。

实验数据表明，当发射角度数从75个降至3个时，重建图像的对比度增强幅度达65.31%，这主要归因于相干性优化算法对相位畸变的补偿能力。通过构建相干性指数矩阵，系统可自动识别各候选声速值对应的相干性阈值。在7个角度的实验组中，声速估计的均方根误差（RMSE）保持在±12 m/s范围内，与75角度组的RMSE（±13 m/s）无显著差异。

技术实现层面，该方法通过短程空间相关函数（Short-Lag Spatial Correlation，SLSC）的量化分析，建立声速与相干性之间的映射关系。实验发现，当角度间隔梯度从25°调整为15°时，相干性指数的波动幅度降低42%，这为角度选择提供了理论依据。特别在处理0.5-2.5 MHz频段时，3个角度组（间隔120°）与5个角度组（间隔72°）的合成图像质量差异仅为1.8%，验证了角度数优化的可行性。

在临床应用潜力方面，该技术可使单次扫描的重建时间从传统75角度方案的8.3秒缩短至3角度方案的1.2秒。这种计算效率的提升使实时动态成像成为可能，特别是在心脏超声等快速移动场景中。测试数据显示，在3角度方案下，连续5帧图像的声速估计标准差仅为0.8 m/s，满足实时动态校正的需求。

未来发展方向包括：1）开发自适应角度选择算法，根据组织复杂度自动匹配最优角度数；2）结合深度学习模型，在有限角度条件下提升声速估计的鲁棒性；3）扩展至多模态成像，如将声速校正与弹性成像参数结合，实现多维组织特征分析。这些改进将进一步提升超声成像在肿瘤检测（需精确区分软组织与病变区域）和血管成像（需补偿血流带来的声速变化）等场景的应用价值。

实验验证部分采用两种典型 phantom 模型：INS014（含3层不同声速组织）和TPS507（5层异质结构）。对比结果显示，在3角度方案下，INS014 phantom的轴向分辨率提升幅度达58%，且边缘组织（声速梯度>30 m/s/m）的相位校正误差降低至±0.5°。TPS507 phantom的实验数据进一步证实，当组织分层超过5层时，角度数增至5个仍能保持98%的声速估计准确率。

在生物相容性材料 phantom 的测试中，该技术成功将原本需要120°扫描覆盖的声场区域，压缩至60°扫描范围（3个角度组，间隔120°）。这种空间覆盖率的提升在处理大范围病变区域（如乳腺整个断面）时具有显著优势。特别在乳腺多中心病变检测中，3角度方案与75角度方案的定位误差差值仅为0.3 mm，证实了其空间分辨率的有效性。

从工程实现角度，研究团队开发了专用加速计算模块，使3角度方案的计算时间仅为传统单角度方案的23%。这种计算效率的提升源于算法层面的优化：首先采用快速傅里叶变换（FFT）预处理技术将计算复杂度从O(n3)降至O(n log n)；其次引入自适应阈值机制，自动剔除无效角度组合，使有效计算角度数减少37%。这些优化使该技术具备在移动超声设备（如便携式超声机）上的实际应用潜力。

在生物医学应用方面，该技术已在三个临床场景中验证其价值：1）肥胖患者腹部超声成像，传统方法因声速假设导致的脂肪层伪影减少82%；2）乳腺肿瘤检测，通过校正声速差异使病灶边缘定位精度提升至0.1 mm级；3）肌骨交界区域的弹性成像，相位校正误差降低至0.3°以内。这些改进使超声诊断在复杂解剖结构中的信噪比提升达2.3倍。

技术局限性方面，研究指出当组织声速差异超过300 m/s时（如骨骼与脑组织对比），角度数需增加到5个以维持足够的空间相干性。此外，在含气体或钙化灶的局部区域，相干性分析可能产生局部偏差，建议结合解剖标记进行多参数校正。实验数据表明，在含5%气体的 phantom 模型中，角度数增至5个可使声速估计误差控制在±18 m/s以内。

在工程实现层面，研究团队开发了软硬件协同优化方案。硬件方面采用FPGA加速模块，可将3角度方案的计算延迟从传统GPU的1.2秒降至0.08秒。软件方面开发了动态角度选择算法，根据实时相干性分析自动调整扫描角度。在腹部多角度扫描（128个发射角度）中，该算法成功识别出3个关键角度（方位角分别为42°、117°、192°），使声速估计误差从传统方法的±28 m/s降至±9 m/s。

该技术的临床转化潜力体现在多个方面：首先，可降低超声设备的硬件成本，因为3角度方案对发射器通道数的需求减少至75角度方案的4%。其次，减少单次扫描的辐射剂量，这对孕妇群体和儿童患者尤为重要。第三，实时处理能力使介入超声手术（如肿瘤消融）的引导精度提升，已成功应用于5例临床病例，手术时间平均缩短18%。

在标准化测试方面，研究团队参照CUBDL挑战赛的数据集，对INS014和TPS507两种phantom模型进行了交叉验证。结果显示，在3角度方案下，声速估计的Bland-Altman分析显示标准差为11.2 m/s，95%置信区间为±23.5 m/s，与临床常用的多普勒超声测量误差（±20 m/s）处于同一量级。在活体测试中，对肱二头肌（平均声速1572 m/s）的连续10次扫描显示，角度数3方案的标准差为±8.7 m/s，满足ISO 13485医疗器械的精度要求。

该技术的创新性还体现在多尺度相干性分析框架。研究团队发现，当选择5个发射角度时，可获得两个不同时间尺度的相干性特征：1）短时相干性（<5 ms）反映组织微观结构；2）长时间相干性（>50 ms）表征组织宏观异质性。这种多尺度分析使系统能够同时校正组织声速分布的局部波动和整体趋势，在混合型组织（如乳腺腺体+脂肪）的声速估计中表现尤为突出。

在对比实验中，将该方法与传统多项式插值法、基于回波强度的优化算法进行横向比较。在INS014 phantom上，多项式插值法在5个角度时误差为±35 m/s，而本方法在3角度方案下误差仅±12 m/s。在回波强度优化法中，当声速误差超过±200 m/s时，图像伪影指数（PPI）会从传统方法的1.2提升至1.8（ISO 10993生物相容性标准中的伪影分级标准）。这些数据证实了相干性优化法的独特优势。

该技术对现有超声工作流的改造具有明确路径：首先替换传统均匀声速假设为动态自适应算法；其次优化扫描参数设置，将发射角度数从常规的128个降至3-7个；最后在图像重建阶段引入相干性补偿模块。实施这些改进后，某三甲医院超声科的临床数据显示，平均诊断时间从15分钟缩短至8分钟，病灶检出率提升23%，在肥胖患者腹部超声和乳腺多中心病变检测中效果尤为显著。

在算法优化方面，研究团队提出动态权重分配机制。该方法根据当前扫描阶段的组织特征（如血流信号、弹性模量）自动调整各角度的权重系数。实验表明，在含0.5ml微气泡的 phantom 中，动态权重机制可使声速估计误差降低至±5 m/s，较静态权重分配法（误差±15 m/s）提升67%。这种自适应能力为复杂生物场景下的精准成像奠定了理论基础。

从技术发展周期来看，该研究填补了平面波成像领域的重要空白。当前主流技术仍停留在基于单角度或固定角度组合的声速估计阶段，而本方法首次在平面波成像中实现角度数与性能的优化平衡。随着5G通信技术的普及，该算法在云端协同计算方面的潜力值得期待。例如，通过边缘计算设备实时处理3角度数据，云端进行深度特征学习，可使整体系统响应时间缩短至0.3秒以内。

在产业化路径方面，研究团队已与两家医疗设备制造商达成合作。初步测试显示，将该方法集成到现有超声设备中，可使硬件成本降低约40%，同时通过优化扫描序列设计，使单次成像的辐射剂量减少25%。这些技术经济指标为产品的快速商业化提供了可行性基础。

值得注意的是，该技术对现有超声工作流的兼容性设计非常完善。在A320型号超声设备上进行的实测表明，只需升级软件算法模块，无需改动现有硬件架构即可实现功能转换。升级后的设备在乳腺检查中，B超图像的对比度提升达1.8个灰度级，超声造影（造影剂增强成像）的信噪比提高42%，这些改进已通过FDA 510(k)认证的设备验证流程。

在标准化建设方面，研究团队正在牵头制定新的超声成像参数标准。其中，"最小有效角度数"被确立为新的性能评价指标，建议值为3-7个（根据组织复杂度动态调整）。同时，提出"相干性指数"作为量化图像质量的通用标准，该指标已在CUBDL挑战赛的多组数据集上验证其有效性，相关论文已被IEEE超声学会期刊收录。

该技术的临床应用前景已显现。在某三甲医院开展的对比试验中，采用3角度方案的临床诊断准确率（灵敏度92.3%，特异度89.1%）与原75角度方案（灵敏度93.5%，特异度90.2%）无显著差异（p=0.32）。在具体病例中，对乳腺 masses 的良恶性鉴别（AUC从0.87提升至0.91），以及肝脏病变的边界识别（平均距离误差从1.2 mm降至0.8 mm）均取得明显进步。

未来技术演进可能包括三个方向：1）多模态融合，将声速估计与弹性成像、造影剂增强成像结合，形成多维诊断体系；2）人工智能辅助，利用机器学习预测最佳角度组合；3）量子计算加速，通过量子傅里叶变换实现超大规模角度集的实时处理。这些发展方向将为超声成像带来革命性突破。

在学术研究层面，该成果为超声物理建模开辟了新途径。研究团队发现，当发射角度数超过7个时，声速估计结果的收敛性反而下降，这为建立超声成像的维度-精度理论模型提供了重要数据支撑。同时，该研究证实了空间相干性作为声速估计的普适性原理，其理论框架可扩展至其他成像技术领域。

总体而言，这项研究不仅解决了传统超声成像中的声速假设难题，更在工程实现和临床应用层面取得了突破性进展。通过优化扫描角度数，在保证成像质量的前提下将计算效率提升两个数量级，这为发展新一代智能超声设备奠定了关键技术基础。后续研究将聚焦于实时动态声速场重建算法开发，以及与其他医学影像模态（如MRI、CT）的融合应用探索。