一种用于内窥镜经骨超声成像的混合仿真相位校正方法

《Ultrasonics》：A hybrid simulation phase correction method for endoscopic trans-osseous ultrasound imaging

　　

摘要

由于椎弓根螺钉置入过程中皮质骨穿孔可能导致神经或血管损伤的风险较高，内窥镜超声成像显示出无辐射术中导航的潜力，能够为置入过程提供实时引导。为确保穿透深度，通常选择低频超声。然而，透骨超声成像的质量受到分辨率有限以及骨引起的相位像差的影响。为了提高图像质量，本文采用了虚拟源合成孔径聚焦与相干因子加权方法（VSSAF-CFW）进行成像，并应用了混合仿真方法校正相位像差。本文提出了一种基于中间虚拟点的混合解析–数值仿真相位校正方法（HAN-IVP）。该方法基于对传统全波模型的简化。通过12组不同条件下的对比仿真评估了所提出的HAN-IVP方法与传统方法的一致性。仿真结果表明，飞行时间（TOF）的平均误差为?0.003 μs，Pearson相关系数的平均值为0.915。通过体外实验使用板状和环形骨标本评估了所提出的基于HAN-IVP的VSSAF-CFW方法的性能。在板状骨实验中，所提出的方法将中心位置偏移减小了0.385 mm，将?6 dB横向波束宽度减小了1.13 mm，并将峰旁瓣比提高了1.26倍。环形骨实验进一步验证了所提出方法在更接近透骨内窥镜成像场景的弯曲骨几何条件下的适用性。HAN-IVP方法在降低计算成本的同时实现了精确的相位校正。HAN-IVP与VSSAF-CFW的结合有效提高了旋转扫描透骨超声成像的质量，展示了其未来临床转化的潜力。

引言

脊柱疾病，包括脊柱创伤、脊柱肿瘤和退行性椎间盘疾病，可导致脊柱畸形[1]。脊柱融合是矫正这些畸形的有效手术方式[2]，其中常进行椎弓根螺钉置入以提供机械稳定性。然而，椎弓根螺钉的置入伴随显著风险，因为椎弓根邻近关键解剖结构，包括脊髓、神经根和主要血管。意外穿破皮质骨可能导致脑脊液漏、血管损伤或神经损伤等并发症[3]。在过去二十年中，图像引导导航和机器人辅助系统等先进技术已被用于提高椎弓根螺钉置入的准确性并减少术后并发症。然而，由于机器人辅助系统成本高且手术时间长，难以广泛推广[4]。在当前临床实践中，图像引导导航主要依赖CT和透视成像，这些需要进行术中成像，导致患者和医护人员辐射暴露增加[5]。凭借低成本、实时反馈和无电离辐射的优势，超声成像在术中导航方面具有巨大潜力。虽然超声导航尚未转化为临床应用，但几项开创性研究已证明其可行性。Kantelhardt等人[6]、[7]、[8]采用高频超声成像直观评估内壁完整性，从而确定螺钉通道的可行性和安全性。尽管该方法能够评估表面完整性，但它只能通过检测通道轮廓变化来推断穿孔后的穿孔方向。Chen等人[9]对不同厚度的人体腰椎松质骨标本进行了低频超声背向散射测量。当标本厚度减小到约0.6 cm时，观察到信号幅度显著增加。这一增加表明低频超声具有从椎弓根内部检测骨骼相邻组织的潜力，但尚未实现有效成像。我们之前的工作证明了使用低频超声进行血流透骨内窥镜成像的可行性。然而，透骨超声图像质量仍然较差，归因于未校正的骨诱导像差和低频超声的有限分辨率[10]。基于早期研究中确定的局限性和临床应用需求，本研究旨在提高旋转扫描透骨超声的图像质量。

合成孔径聚焦（SAF）已被证明能够增强横向分辨率[11]、[12]、[13]、[14]，并且可以有效改善线性扫描和旋转扫描的图像质量。Yu等人提出了基于虚拟源合成孔径聚焦（VSSAF）[12]和相干因子加权（CFW）[15]的VSSAF-CFW方法，显著提高了横向分辨率和对比噪声比（CNR）[16]。Kang等人[17]通过理论模型探索了VSSAF和CFW的单独有效性，并开发了一种优化的Raw-CFW方法，进一步提高了空间分辨率。SAF也广泛应用于阵列探头超声成像，如经颅成像。Jiang等人[18]、[19]研究了基于线性阵列探头和理想合成孔径聚焦技术的经颅超声成像。Renaud等人[20]使用合成孔径成像实现了对长胫骨皮质壳的超声成像。Mozaffarzadeh等人[21]、[22]提出了一种具有折射校正合成孔径成像的经颅超声成像技术。这些方法均取得了积极的成像结果。虽然SAF增强了图像质量，但它也要求更高的相位相干性。当将此技术应用于透骨成像时，必须克服由骨的异质性引起的相位失真。

针对经颅超声成像和治疗应用已提出了许多相位校正方法。多模态图像引导的相位校正是相对常见的方法[18]、[23]、[24]。通过利用其他模态的图像或先验知识，构建颅骨模型，然后计算相位偏差。相位偏差的计算主要涉及解析和数值仿真方法。解析方法简单且计算效率高，能够根据声学理论快速估计传播路径和传播时间。Mozaffarzadeh等人[21]提出了一种基于费马原理的两点光线追踪方法，用于快速计算穿过颅骨的行时。Lindsey等人[25]构建了双层平面组织模型，并应用斯涅尔定律追踪传播路径。Xu等人[26]、[27]通过基于射线理论的追踪方法跟踪失真的超声波前，实现了经颅平面波成像的相位校正。然而，这些解析方法在建模复杂非均匀介质方面的能力通常有限。相比之下，数值方法在增加模型复杂度和计算成本的前提下可实现更高的精度。它们被广泛用于实现先进的聚焦方法，其中时间反转是最具代表性的方法之一。时间反转方法由Fink等人[28]、[29]、[30]开创并进一步发展，用于补偿颅骨引起的焦点像差。在此工作基础上，Aubry等人[31]引入了虚拟点源时间反转方法。在脑内目标处放置一个虚拟点源并发出脉冲，模拟并记录来自该源的波前被脑外接收器接收的信号。这些接收信号在时间上被反转并由换能器重新发射，从而实现了穿过颅骨的非侵入性精确超声聚焦。类似的方法已被应用于经颅成像研究，如经颅被动声学成像[32]和平面波经颅成像[33]。传统数值仿真，也称为全波模型，通常计算成本高昂，因为它模拟了经颅波的传播并提供了详细的声场分布。为了平衡计算成本和校正精度，结合解析和数值方法的混合策略可能作为有效的解决方案[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。

内窥镜超声成像与使用阵列探头的经颅成像显著不同，需要开发适用于单元素成像的适当相位补偿方法。在本工作中，针对旋转扫描透骨成像提出了一种基于中间虚拟点的混合解析–数值仿真相位校正方法（HAN-IVP）。将计算域划分为均匀区域和非均匀区域，分别通过解析和数值方法求解，从而在计算精度和效率之间取得平衡。该方法补偿了骨引起的相位像差，并通过使用板状和环形皮质骨标本的仿体成像实验评估了校正性能。

分段摘要

虚拟源合成孔径聚焦–相干因子加权

虚拟源合成孔径聚焦（VSSAF）通过将不同空间位置的小孔径换能器的声场进行相干叠加，合成等效的大孔径声场，从而提高横向分辨率[16]。在VSSAF波束成形模型中，焦点被视为一个虚拟源，向前和向后产生具有一定扩散角度的球面波。汇聚波束和发散波束被简化为两个锥形，VSSAF-CFW成像

Field II仿真结果如图4所示。在动态范围为50 dB的条件下，三种不同方法的组织模拟仿体图像如图4(a-c)所示：(a)原始成像，(b)VSSAF-CFW成像，(c)Raw-CFW成像。在图4(a)中可以发现三个无回声囊肿区域，其圆形形状发生变形。在图4(b-c)中，囊肿区域的圆形形状显得更加清晰。对于高散射区域，虽然其圆形形状出现变形

讨论

骨诱导的相位像差严重降低了合成孔径聚焦成像的质量，导致空间位置偏移、变形和信噪比降低。HAN-IVP方法通过估计并补偿每个成像点的相位偏差，实现了单元素成像的精确相位校正。它采用了一种引入IVPs来减少仿真数量的策略，从而提高了计算效率。

线状仿体成像

结论

使用低频单元素换能器的内窥镜透骨超声成像受到有限空间分辨率和骨诱导相位像差的影响。在本工作中，提出了一种VSSAF-CFW成像方法结合HAN-IVP相位校正，以提高旋转扫描透骨超声成像的图像质量。该方法通过仿真和仿体成像实验进行了测试。实验结果表明：(1) VSSAF-CFW成像

CRediT作者贡献声明

Xu Yiwen：撰写——原稿、方法论、数据整理。Yang Xueru：调查、数据整理。Li Yiheng：调查、数据整理。Shen Jun：概念构思。Cui Yaoyao：撰写——审稿与编辑、资金获取。Shao Weiwei：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作部分由中国国家重点研发计划（2025YFC2426100）、中国国家自然科学基金（12274434）、江苏省青年学者自然科学基金（BK20240409）和苏州科技计划项目（SYG2025123）资助。

在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT/Deepseek进行语言润色和语法校正。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容。

Xu Yiwen | Yang Xueru | Li Yiheng | Shen Jun | Cui Yaoyao | Shao Weiwei

中国科学技术大学苏州生物医学工程学院（苏州），生命科学与医学部，中国苏州