基于矩阵探头的三维背向散射系数体空间估计：提升定量超声成像的空间分辨率与稳健性

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Volumetric Estimation of the Backscatter Coefficient With a Matrix Probe

　　本研究针对传统二维背向散射系数（BSC）估计中空间分辨率与噪声稳健性之间的固有矛盾，提出利用矩阵探头进行三维BSC估计。研究团队在含不同粒径Orgasol微粒（5μm、10μm、20μm）的均匀琼脂仿体及异质仿体上，对比了矩阵探头（V8）与两种线阵探头（L12-5, L22-8）的性能。结果表明，尽管矩阵探头的B模式图像分辨率较低且A线间相关长度较长，但其三维BSC估计在保持精度的同时，通过利用仰角维信息，能以更窄的感兴趣区域（ROI）实现更高的BSC图空间分辨率和更强的抗空间变异稳健性。这为复杂异质介质（如组织）的定量分析提供了新思路。

　　

在医学诊断领域，定量超声（Quantitative Ultrasound, QUS）通过提取组织中的声学参数，为无创评估组织特性提供了强大工具。其中，背向散射系数（Backscatter Coefficient, BSC）是一个关键参数，它反映了组织内部微观结构（如细胞器、纤维等）对超声波的散射能力。研究表明，BSC在评估非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）等疾病方面具有重要诊断价值。然而，精确估计BSC面临挑战：电子噪声和组织本身的声衰减会影响单根A线功率谱的准确性；更重要的是，为了抑制噪声和因散射体空间分布随机性引起的信号波动（即空间变异），通常需要对感兴趣区域（Region of Interest, ROI）内的多条A线进行平均。这种做法引入了一个两难困境：在轴向，较长的ROI可以提高频谱分辨率，但牺牲了空间分辨率；在侧向，较宽的ROI可以提升估计的稳健性，但同样降低了空间分辨率，使得最终得到的BSC图的空间细节远不如常规的B模式图像清晰。对于分析肿瘤、纤维化病灶等异质组织结构，这种低空间分辨率的BSC图限制了其应用价值。

为了破解侧向分辨率与稳健性之间的权衡，一个潜在的思路是利用第三维——仰角维的信息。传统实现三维BSC估计的方法，如使用单阵元换能器进行光栅扫描或使用线阵探头进行多平面采集，存在采集时间长（不适用于活体，尤其运动部位）或侧向与仰向分辨率不一致等问题。矩阵探头（Matrix Probe）的出现提供了新的可能性，它能同时采集三维数据，保证侧向和仰向分辨率的均匀性，且帧频高，适合活体应用。但矩阵探头通常阵元间距（pitch）较大，可能导致其B模式图像的空间分辨率低于专为特定频率成像设计的线阵探头。那么，一个核心问题随之产生：利用矩阵探头进行三维BSC估计，能否在保持估计准确性和稳健性的同时，真正提升BSC图的空间分辨率？

为了回答这个问题，来自法国国家科学研究中心（CNRS）等机构的Valentin Mazellier、Fran?ois Varray（IEEE高级会员）和Pauline Muleki-Seya（IEEE会员）在《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》上发表了他们的研究。他们系统地比较了矩阵探头与常规线阵探头在BSC估计上的性能。

研究团队制备了以琼脂为基质的均匀仿体，内部掺入不同直径（5μm, 10μm, 20μm）的Orgasol球形颗粒作为散射体，并制作了一个包含不同散射体浓度圆柱体的异质仿体用于验证。数据采集使用了Vermon的1024阵元矩阵探头（V8，中心频率8 MHz）以及Philips L12-5和Kolo L22-8两种线阵探头。BSC计算采用参考仿体法，并补偿了仿体的衰减。研究的关键在于ROI的设置：对于线阵探头的二维估计，ROI尺寸为侧向宽度(aλ) x 轴向长度(15λ)；对于矩阵探头的三维估计，ROI则为侧向宽度(aλ) x 仰向宽度(aλ) x 轴向长度(15λ)。通过改变参数a（从4到49λ），系统评估了不同ROI尺寸下BSC估计的准确性和稳健性。稳健性通过一个定义的变异性指标V(N_avg)来量化，它反映了由于散射体空间分布随机性导致的BSC估计波动程度，其值越接近0，说明估计越稳健。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：使用含不同粒径Orgasol颗粒的均匀与异质琼脂仿体作为实验模型；利用矩阵探头（V8）和线阵探头（L12-5, L22-8）在Verasonics Vantage 256系统上进行超声数据采集，包括平面波发射和复合成像；采用参考仿体法计算背向散射系数（BSC），并进行衰减补偿；通过定义结构函数和变异性指标V(N_avg)来定量评估BSC估计对空间变异的稳健性；通过分析集成背向散射系数（IBSC）图来比较不同探头和估计方法的空间分辨率。

结果

BSC估计的准确性

当ROI宽度设置为16λ时，三种探头（V8, L12-5, L22-8）在三种不同粒径Orgasol仿体上测得的平均BSC与基于单分散Faran模型的理论值具有良好的一致性。这表明使用矩阵探头进行三维BSC估计的结果与二维估计方法同样准确。对于10μm和20μm粒径仿体观察到的与理论的偏差，可归因于Orgasol颗粒本身的多分散性（模型未考虑）。值得注意的是，V8探头显示出比线阵探头更小的标准差，提示三维估计具有更好的一致性。

异质仿体的三维可视化

在异质仿体上，利用矩阵探头获得了每个体素点的集成背向散射系数（IBSC）三维图。三维可视化使得嵌入在5μm Orgasol背景中的10μm Orgasol圆柱体形状清晰可辨，并且可以识别出散射体可能聚集的高IBSC区域，展示了矩阵探头在表征三维结构方面的优势。

估计的稳健性分析

变异性V(N_avg)随ROI宽度增加而减小，表明更大的ROI能有效平滑空间变异带来的噪声。矩阵探头（V8）的二维估计由于其较长的A线间相关长度，表现出最高的变异性。然而，当采用三维估计时，V8探头利用仰角维信息，其变异性下降速率快于对比的线阵探头。当将变异性表示为ROI内不相关A线数量的函数时，所有探头表现出近似相同的依赖性。这意味着，三维估计可以在使用更窄ROI（即更高空间分辨率）的情况下，达到与二维估计相似数量的不相关A线，从而获得同等的稳健性。

空间分辨率比较

在异质仿体上，比较了V8三维估计（ROI宽度8λ）与二维估计（ROI宽度16λ）的IBSC图。尽管V8探头的B模式图像分辨率较低，但其三维BSC估计产生的IBSC图与中心频率近乎翻倍的L22-8线阵探头（二维估计）具有相当的对比度和空间分辨率，且优于L12-5探头。这证实了三维BSC估计能够实现更高的空间分辨率。

结论与讨论

本研究证实，使用矩阵探头进行背向散射系数（BSC）估计，其结果与线性探头相当准确。更重要的是，引入第三维（仰角维）进行体空间估计，显著增强了BSC估计对抗空间变异的稳健性。这使得在采用更窄的感兴趣区域（ROI）时，仍能保持良好的稳健性，从而提高了最终BSC图的空间分辨率。这一优势对于分析异质生物组织（如肿瘤）尤为有益。矩阵探头支持高帧频容积数据采集，使其非常适合于活体应用。此外，这种体空间估计方法可推广至其他定量超声参数（如等效散射体大小、频谱斜率）。本研究的主要局限性在于矩阵探头视野相对较小，且其B模式图像分辨率通常低于专用线阵探头。此外，当ROI宽度非常窄（如4λ）时，由于ROI内不相关A线数量过少，三维估计在抵消散射体空间分布相干分量方面的优势会减弱。未来工作可探索更优的ROI形状和尺寸组合，以及在不同类型生物组织上验证该方法的有效性。

总之，这项研究展示了矩阵探头在三维定量超声成像中的潜力，通过体空间BSC估计成功提升了参数图像的空间分辨率而不牺牲稳健性，为更精细地表征组织微观结构奠定了基础。