医学超声成像

孟想成真

　　医学超声成像(超声检查、超声诊断学，sonography)是一种基于超声波的医学影像学诊断技术，使肌肉和内脏器官 - 包括其大小、结构和病理学病灶——可视化。产科超声检查在妊娠时的产前诊断广泛使用。

　　超声频率的选择是对影像的空间分辨率和患者探查深度的折中。典型的诊断超声扫描操作采用的频率范围为2至13MHz。

　　虽然物理学上使用的名词“超声”用于指所有频率在人耳听阈上限(20KHz)以上，但在医学影像学中通常指频带比其高百倍以上的声波。

　　什么是超声波？

　　超声波是指任何声波或振动，其频率超過人类耳朵可以听到的最高阈值20KHz。超声波由于其高频特性而被广泛应用于众多领域，比如金属探伤、工件清洗等。

　　超声波在军事、医疗以及工业中有较大的用途，按功率的大小可分为功率超声和检测超声。功率超声的应用包括焊接、钻孔、粉碎、清洗、乳化等，它们多属于只发射不接受的超声设备。目前人们对超声加工的确切机理仍未透彻认识。检测超声在军事中的应用有雷达定位等。医用超声波可以看穿肌肉及软组织，使得这项技术常用來扫描很多器官，以协助医疗上的诊断和治疗。产科超声波也常用在怀孕时期的检查。医生可以利用超声波成像法透视身体，但由於超声波不能穿透骨头，所以虽然超声波对人体伤害比较低，但仍不能完全取代Ｘ光。典型超音波大約2MHz到10MHz的频率，较高频率通常用在泌尿道碎石振波。检测超声波设备有发射又有接收。

　　超声波亦可用于清洁用途,是目前清洗效果最佳的方式，一般认为是这利用了超声在液体中的“空化作用”。超声波清洗的清洁原理在于利用超声波振动清水，使微細的气泡在水里产生，从而在气泡浮上水面时，把物件表面的油脂或污垢帶走。清洗机所产生的超声波频率约为20-40KHz，可应用在珠宝、镜片或其他光学仪器、牙医用具、外科手术用具及工业零件的清洗。

　　除可以发出较低频率的纯机械的超声哨子以外，一般超声设备有超声电源，换能器，变幅杆，工具头等构成。换能器有压电陶瓷换能器和磁致换能器两种。换能器和变幅杆的理论也可认为是一种专门的学科。

　　超声成像原理

　　不管是医疗还是工业用超声波系 统均采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远超过单通道的方法。采用阵列接收机，通过时间平移(time shifting)、缩放以及智能求和(summing)回声能量，可构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放传感器阵列所接收的信号提供了对扫描区 域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。

　　在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每一8至512传感器的单元发出。此脉冲将定时且定量的“照射”人体的特定区域。在发射之后，传感器单 元立即切换至接收模式。上述脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于1MHz至15MHz之间。随着传播的进行，信号急剧 衰减，衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将为接收电子器件所检测。由于反射靠近人体的表 皮，直接反射的信号将十分强，而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱，这是源于人体深处的反射。

　　传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点，接收的回波非常强，仅需要很小乃至不需要 任何的放大。此区域被称为近区(near field)。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此区域被称为远区(far field)。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。在高增益模式(远区)下，对性能的限制主要源于接收链路中所有噪声信号源的叠加。对 接收噪声影响最大的两个因素分别为传感器/电缆线的组装(assembly)以及用于接收低噪声放大器(LNA)。在低增益模式(近区)下，对性能的限制 主要由输入信号的量级界定。上述两个区域信号之间的比率定义了系统的动态范围。许多接收链路都集成了低噪声的可变增益放大器。

　　超声波/便携式超声波

　　低通滤波器典型的应用于VCA(值控制放大器)及ADC之间，用于反锯齿(anti-aliasing)滤波并限制噪声带宽。依赖于特定系统的 2至5极点滤波器，在此可采用线性相位拓扑。在选择运算放大器时，首要的考虑因素包括了信号摆幅、最低及最高输入频率、谐波失真及增益需求。模数转换器 (ADC)典型为10至12位。信噪比(SNR)及功耗是最着重考虑的问题，随后是通道的集成。

ADC的另一个趋势就是实现ADC与波束成型器(beamformer)之间的低电压差分信号(LVDS)接口。通过串行化ADC的输出数据，一个 512通道的系统可将其通道数由6144降低至1024。从而使得转换可采用更小、更低成本的PC载板实现，这对于便携式成像系统来说是极为重要的一部 分。DSP的功能之中可用于成像系统的有多普勒处理(Dopplerprocessing)、2D、3D乃至4D成像以及大量的后处理算法（可增加功能性 并改善性能）。而成像系统的核心需求正是高性能及大带宽。

       TMS320C6455BZTZ可同时满足此类需求。C6455的运行频率高达1GHz，可满足对超声波高强度处理的需求，串行快速输入输出(SerialRapidIO)外设还提供了10Gb/s的全双工带宽。在超声波系统中具有许多不同层次的性能及功能性。某些解决方案可能仅具有局部功能，因此需要更大的动态范围，或是所具有的功能可大幅度的降低浮点运算的周期。这些功能类型的示例还有谱缩减(spectral reduction)及平方根(square root)功能。

　　TMS320C6727非常适用于浮点运算性能优越的领域。而当超声波解决方案需要一个操作系统时，TMS320DM6446可满足这一需求。DM6446不仅具有强大的TMS32CC64x+?核心以及视频加速器（可用于处理成像的需求），还具有ARM9?核心，可满足运行操作系统的需求。

　　信号的汇集通过数字波束成型器实现。数字波束成型器是典型的用户定制设计ASIC（特定用途集成电路），但其功能的则是通过不同的可编程逻辑方 式实现。在数字波束成型器内部，数字化信号将被缩放及时间延迟，从而在接收链路产生聚焦效应。所有接收通道的信号在经过适当的调节之后将被加权，并输送至 成像系统。成像系统将采用单独的ASIC进行开发，可能是诸如DSP的可编程处理器，或者可能是完全的桌上型电脑。

　　发射单元需要控制100V至200V的信号摆幅，大多数情况都将使用高电压FET实现。控制FET可采用一种或两种方式：开-关（推挽）或AB 级(class AB)线性控制。推挽的方式最为常见，因为该方式仅需要更为简单、更低成本的接口连接至FET。AB级的方式可显著的改善谐波失真，但需要更为负载的驱 动，消耗更多的功率。

　　系统及设备制造商选取了多种多样的TI产品并用于其超声波成像应用，包括运算放大器、单路/双路及八进制的ADC（均带有快速输入过载恢复及卓越的动态性能）、数字信号处理器以VCA8617（集成8通道、低功耗超声波前端IC）。TI还特别为超声波市场提供了ADS5270，该器件具有高级的8通道、12位数据转换器，带串行低电压差分信号接口。

　　超声成像的应用

声像图显示子宫内胎儿的头颅

　　超声诊断学的历史并不悠久，是在20世纪才开始运用，但在现在的医学诊断学中，却有着难以取代的作用。現在超声检查在医学中广泛应用。它可能起 诊断作用，也可能在治疗过程中起引导作用(例如活检或积液引流)。通常使用手持式探头(通常称为探头)放置于患者身上并移动扫查，一种水基凝胶被涂在患者 身体和探头之间起耦合作用。

　　举例来说，医学超声检查通常用于：心脏科, 内分泌科, 消化科, 妇科, 产科, 眼科, 泌尿科, 血管科, 超声造影, 眼科學

　　盆腔超声

　　盆腔超声是多囊卵巢综合征的主要诊断工具，也可用于子宫、卵巢和膀胱的成像。妊娠时超声用于检查胎儿的发育情况。男性有时进行盆腔超声用于检查膀胱和前列腺的健康状况。有两种方式进行盆腔超声检查：经皮和腔内。腔内超声可经阴道(女性)或者经直肠(男性)。参见:-

　　治疗中的应用

　　超声诊断在对腹部脏器疾病的诊断中，因为它的快速、价廉而在腹部疾病的检查中常作为首选。另外，近年来在心脏超声、妇产科超声和腔内超声等领域 也有了很大的发展。同时，随着介入超声和超声治疗的加盟，肝肾的穿刺、癌症的治疗、震波碎石、造瘘等检查和治疗迅速发展起来，超声诊断的同时进行治疗。

       聚焦超声外科(FUS)或称高强度聚焦超声HIFU，可用于治疗良性和恶性肿瘤及其他疾病，通常使用的超声波较诊断用超声波的频率要低(250kHZ至2000kHz)，但是其平均时间强度显著提高。治疗通常由磁共振成像引导，参见磁共振引导聚焦超声。
更强的超声源可以在口腔卫生中用来清洁牙齿或使生物组织局部加热，例如物理治療、職業治療、肿瘤治疗（包括癌症治療）。
聚焦超声源可用来震碎肾结石，即震波碎石；也可利用超声乳化术治疗白内障。
近期发现一些低强度超声的其他生理学作用，例如，刺激骨生长以及破坏腦血管障壁以利于药物的扩散。
肝肾的穿刺
造瘘
　　由声波产生图像

　　由声波产生图像经由三个步骤：产生声波，接收回声并将这些回声可视化。

　　产生声波

医学超声检查仪

　　在医学超声检查中，压电换能器（一般是陶瓷的）的相位陣列产生的短而强的声音脉冲制造声波。电线和换能器都封装在探头中。电脉冲使陶瓷振荡产生 一系列的声音脉冲。声波的频率可表现为2至13兆赫中的任一频率，远超于人耳能听到的频率。任何频率超过人耳能听到的范围的声波都可称为“超声波”。而医学超声的目的在于使由换能器散射出的声波汇总产生单一聚焦成弧形的声波。

　　为了使声波有效地传导入人体（即阻抗匹配），探头的表面由橡胶包被。为此，水基凝胶也涂布在探头和患者皮肤之间。声波部分地从不同组织之间的界面反射回探头，即为回声。由非常小的结构散射的声波也产生回声。

接收回声

　　声波返回探头，与探头发射声波相似，只是过程恰恰相反。返回的声波使探头的单元振荡并使振荡转化为电脉冲，脉冲由探头发送至超声主机，并处理成数字图像。

　　形成图像

　　超声仪必须确定接收到的回声的3个要素：1.) 在探头的众多单元中是哪个单元接收到的回声；2.) 回声的信号强度；3.) 从探头发射声波到接收到其回声用了多少时间。一旦超声仪确定了这3点，即可明确图像中哪个象素应该显示，亮度为多少。接收信号转化为数字图像可比方为往一 个空白的电子表格上填写数据。接收脉冲的探头单元决定电子表格的哪一'列'(如A，B，C列等)。接收回声所用的时间决定哪一'行'(如1，2，3行 等)，回声的强度决定亮度(白色表示强回声，黑色表示无回声，不同的灰阶表示2者之间的不同回声)，如同在电子表格的格子里填入数据。

　　超声成像设备

线阵探头

　　超声检查使用含有一个或多个换能器的探头向物体发射脉冲。当声波遇到声阻抗不同的物体，部分声波就会被反射，当探头探测到时即为回声。回声返回 探头 的时间被测量记录，用于计算产生此回声的组织界面的深度。2种物质之间的声阻抗差异越大，回声越强。液体和气体之间的声阻抗差异极大，导致遇到其界面的绝 大多数声能被反射，致使其区域外的物体不能显像。

　　在不同的物质中声波的传播速度不同，这取决于该物质的声阻抗。但是，医学超声的主机假定声速恒为1540m/s。虽然由于产生回声，会丧失一部分声能，但与由于声波被吸收而产生的衰减而言影响很小。

　　为了产生二维图像，声束采用机械或电子方式的声学换能器相控阵列进行扫射。接收的数据则进行处理以构建图像。

　　用于医学超声的声波频率一般在1~13MHz。频率越高相应的波长越短，所得影像的分辨率越高。但是随着声波频率的增高，声波的衰减也越快。所以为了探查更深的组织，使用较低的频率(3-5MHz)。

　　大多数超声仪也能显示各种彩色图像。这仅仅是指定不同的颜色用以表示接收到的回声的振幅。 此外。由一系列的2维图像可以生成三维图像，通常使用的是特殊探头。

　　微气泡

　　超声造影是指在医学超声检查中使用微气泡造影剂以提高超声信号的反射。此技术当前应用于超声心动图技术，将来可能应用于分子成像和药物扩散。

　　多普勒超声

颈总动脉多普勒频谱

颈总动脉彩色超声多普勒声像图

　　多普勒超声大大提高了医学超声检查的能力，它利用多普勒效应判断某结构（通常是血流）是否朝向或背离探头运动，并计算出其相对速度。通过计算部 分样本容积的频率漂移(例如心脏瓣膜上方的喷射血流)，可以确定其方向、速度，并显示出来。这对心血管方面的研究特别有用，对其他的一些医学领域也是必要 的，比方说诊断肝脏门脉高压症时的血流逆行。多普勒信息的图形化显示可以使用频谱多普勒，也可以使用彩色多普勒或者能量多普勒。通常此信息利用立体声扬声 器表现出来：是一种虽然为人工合成，但是特征明显的声音。

　　严格说来，大多数现代超声仪并不使用多普勒效应来测定流速，而是依赖脉冲多普勒(PW) 技术。机器发出超声波脉 冲，然后再切换至接收模式。这样，接收到的反射脉冲并没有频率漂移，声学效应也不连续。但是，经过多次测量，这些序贯的测量的相变 可以用来得到频率漂移(因为频率是相变的速度)。为了从发射信号和接收信号得到相变漂移信息，通常使用2种算法中的一种：自相关技术或者相关性技术。 更旧的机器，采用连续多普勒(CW)技术，按上述方式显示多普勒效应。为了做到这点，机器的发射和接收换能器必须是分立的。采用连续多普勒技术的机器，其 主要缺点在于不能获得距离信息（而这正是脉冲多普勒系统的主要优点——发射和接收脉冲所花的时间在知道声速的情况下可以换算成距离信息）。

　　在超声社区（但不是指信号处理社区），术语多普勒超声兼指脉冲多普勒和连续多普勒系统，而忽视速度测量的不同机理。

　　超声检查的优势

　　对肌肉和软组织显像良好，对于显示固体和液体腔隙之间的界面有特别用处；
　　实时生成图像，检查操作者可动态选择对诊断最有用的部分观察并记录，利于快速诊断；
　　显示脏器的结构；
　　目前未知有长期副作用，一般不会造成患者不适；
　　设备广泛分布并相对灵活；
　　有小型的、便携式扫描仪；可在患者床边进行检查；
　　相对于其他检查价格便宜（例如CT成像，双向X射线吸收成像或者核磁共振成像）。

　　超声显像的不足

　　超声设备对骨的穿透性差。例如，脑的超声成像就极为受限；
　　因为声阻抗的差异过大，当探头与要探查的组织之间有气体时超声显像质量很差。例如，由于前方受到胃肠道气体的干扰，使得胰腺的成像非常困难，肺脏成像也是不可能的(除非是探查胸腔积液)；
　　即使没有骨骼或气体的干扰，超声的探查深度也是有限的，使得远离体表的结构成像困难，特别是肥胖病人；
　　操作者的手法十分重要。高超的技巧和丰富的经验对于获得高质量的图像和作出准确诊断是必要的。

　　超声成像的危险性

　　对于超声的安全性曾经有过争议。既然超声是能量的一种形式，那么就存在一个问题：“此种能量波会对我的组织产生何种影响？”有一些报道称一些接受了超出建议次数超声检查的产妇产出低体重儿。

　　可能的一些副作用：

　　热效应：局部组织吸收超声的能量并使组织的温度升高。
　　空化效应：溶解的气体因为局部的温度升高从溶质中释出。

　　但是，研究中尚未发现有证实了的副作用记录。

　　参考文献：

　　Donald I, MacVicar J, Brown TG. Investigation of abdominal masses by pulsed ultrasound. Lancet 1958;1(7032):1188-95. PMID 13550965

　　Edler I, Hertz CH. The use of ultrasonic reflectoscope for the continuous recording of movements of heart walls. Kungl Fzsiogr Sallsk i Lund Forhandl. 1954;24:5. Reproduced in Clin Physiol Funct Imaging 2004;24:118-36. PMID 15165281.

　　S. A. Kana（2003）．Introduction to physics in modern medicine．Tsylor & Francis．ISBN 0-415-30171-8．

　　C. Kasai et al. Real-time two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics 1985:458-464.

　　Ohanyido FO,. Basic Sonology for Doctors in Low Income Settings. Healthquest 2005;3:23.

　　Bushberg JT（2002）．The essential physics of medical imaging．Lippincott Williams & Wilkins．ISBN 0