超音波专题讲义 SPECKLE斑点杂讯 当超音波在身体组织中传递，会遇.DOC

超音波專題講義 SPECKLE斑點雜訊 當超音波在身體組織中傳遞，會遇到被組織散射的情形。散射之發生乃是被影像物體的大小比超音波的波長短得甚多，且不均勻處數量眾多時就會產生散射現象，我們將發生散射的該處稱為散射子。當超音波遇到散射子時，其散射出來的聲波是往四面八方傳遞，而沿著原來入射方向反向折回(backscattering)的散射波，便是構成超音波影像的主要信號。由於超音波影像系統的解析度有限，因此組織中會有一定大小的區域被聲波同時激發而產生散射信號，此區域的大小即是我們一般所稱的取樣體積(sample volume),取樣體積越小，即代表該超音波影像系統有越好的解析度。 人體組織是由許多微小的散射子所構成，因此取樣體積通常包含了數十個以上的散射子，這使得系統所收到的散射信號要考慮到在同一取樣體積中的所有散射子，隨著每個散射子與探頭表面間的距離不同，使得回音信號的振幅與相位亦跟著變化，這些個別的散射效應必須加總來呈現。由於超音波的成像原理是屬於同調性（coherent imaging），也就是對信號的相位很敏感，但是眾多散射子位置是隨機分布，故其振幅與相位信號於相加之後也會隨機地產生建設性與破壞性干涉，使得該取樣體積反射回探頭的信號成為一個振幅不定的信號，因此原本均勻的組織在超音波影像上也會呈現亮暗的顆粒狀不規則變化。於此特別強調的是，斑點雜訊的來源與人體或受測物本身的性質無關，斑點雜訊從此一角度來看，是不帶有判讀資訊之用途的。 上圖假設某一取樣體積中有N個散射子，若表示從取樣體積中某一散射子反射回來的信號，相位為，並滿足下列的條件： 1. 的大小與相位之間互相獨立，也與其他的的大小，相位互相獨立。 2. 取樣體積中有許多的散射子，其位置為隨機分布，故其相位亦均勻分布於到之間。 若滿足以上兩條件，我們可將該取樣體積內所有的反射信號之和表示成下列二式： (1) (2) 經由一連串的推導，由中央極限定理，當取樣體積中散射子的數目超過數十個的等級時，可得到該和向量的強度分布函數如下： (3) 其中 為該和向量(即取樣體積內散射子的加總信號)之信號強度(Intensity)，取其平方根，則可得其信號振幅的分布函數，振幅分布呈Rayleigh distribution： (4) 由式(3)來觀察，可以發現信號強度與雜訊有一定的相關統計特性： (5) 此即意謂著當信號強度增強時，雜訊強度亦跟著增強，成為一個固定的比例，也就是我們無法藉由加大超音波的發射信號來提高SNR。 若將影像信號取對數方式呈現，此即為一般顯示超音波影像的方式。將可得到下式： (6) 將D對振幅的平均值作泰勒級數展開，則其標準差(代表此對數影像D的雜訊)經過推導可得其為： (7) 注意其後半部為式(4)，近似常數為1，因此，此即意謂著斑點雜訊跟著影像信號經過對數處理後，成為一個固定以4.34dB存在於影像信號上的相加性雜訊。此將使得影像上若有一區域與周圍背景信號振幅相差小於4.34dB時，此區域將因斑點雜訊而難以被辨認，此現象限制了超音波於診斷用途上對於低對比標的物之偵測能力。 如下圖，右行三圖分別代表三個由程式產生的物體信號以用來模擬人體軟組織於構成超音波灰階影像時的情況。物體的中心部分設定為我們感興趣的區域，以說明其影像的對比特性，由上到下分別代表各物體中心區域的強度與周圍背景信號強度相差為0dB，-3dB，-6dB的情況。而左行則是模擬一般超音波系統於取得各物體灰階影像時之結果，由影像上斑點效應的呈現，說明斑點現象對於降低影像對比解析度的影響。因此，就內外區域相差為0dB的上圖而言，物體所代表的應為一均質組織的情況，可是當斑點效應呈現於影像上時，將使該均質組織的超音波灰階影像亮度分布不再均勻，而有明顯的斑點紋路覆蓋其上。 下圖情況為模擬軟組織中有一區域因產生病變，例如腫瘤，而使得該病變區域的反射特性與周圍背景不同的狀況，中心區域即代表該病變特徵，外部則代表腫瘤周圍正常之軟組織。既使內外區域強度差別已達6dB的情況，依然能夠看出斑點雜訊明顯降低影像對比解析度的情況，在物體信號中，區域與周圍背景能清晰地被辨認分別，但於灰階影像中，卻因斑點雜訊的存在使其內外區域之差別不再如此顯而易見。中圖的內外區域信號強度相差僅-3dB。誠如先前所敘，班點雜訊是一個固定以4.34dB存在於影像上之加法性雜訊。因此當內外區域亮度相差在4.34dB以內時，超音波灰階影