超声成像新技术发展回顾

Good

一 引言
　　近年来在超声诊断的各技术领域都取得了重大的技术突破和发展。如应用新型压电材料拓宽了换能器的带宽，单脉冲技术、多脉冲技术或多线技术等多种调制脉冲特性的技术的应用，提高了空间分辨率和穿透力；非线性成像技术运用组织或造影剂谐波成分成像；运用多种不同方式从接收信号中的基波频带中分离利用谐波信号；多普勒模式也得到新的发展，灰阶血流成像技术允许血流和组织同时显像。上述各种技术组合应用提高了组织对比分辨率，减小了人工散射小体的干扰。三维成像技术现在已普遍运用，同时最近四维成像技术已经被提出。弹性图成像技术还在评价之中，但已经展现出出色的临床价值。最新的 DICOM 技术规范标准的发布，使得超声影像更加容易集成到 PACS 系统中（图片存档及通信系统）。所有这些技术进步使得超声诊断的临床贡献和作用得到进一步的加强和发展。
　　近十年来，超声工程学的发展使得临床技术达到前所未有的进步。医师们可运用超声诊断仪实现他们梦寐以求的诊断效果，使其在诊断过程中发挥更大的作用，成为一种较为重要的医学影像技术。
　　本回顾文的目的是对那些被临床医师广泛使用的超声技术领域的一些重要进展进行概括性总结。

二 信号传输过程的进展
1 ． 宽频带换能器的进展
　　近几年来，一系列低声阻抗、高电耦特性的新压电材料被发明出来，相关的阻抗匹配层和背底吸收层材料性能也得到有效改善，以使换能器阵元震动的传导基本不受影响。例如，可以改变厚度和形状的陶瓷材料或者多层换能器（ Hitachi ）被普遍应用。这些技术的进展有助于形成具有精确的频率、振幅、相位、脉冲长度的超声波脉冲。
　　这些技术的发展促使了超宽频换能器的广泛面世。其具有以下优点：更短的脉冲长度，更宽的脉冲带宽都可以使超宽频换能器在实际应用中的轴向分辨力得到更大的提高。同时更短的脉冲长度可以提高超宽频换能器的信号传输频率以增强近场观察效果，反之更低的工作频率有助于提高对于远场的穿透力。另外，一个重要的细节是，谐波图像的形成需要换能器的超宽频带可以响应至少两次谐波以上的脉冲频率。

2 ． 向更高的传输频率发展

　　新型压电材料制作的换能器由于在更前级实现数字化，具有更佳的回波信号分析能力，并降低了噪声，可以应用更高的工作频率进行成像。在获得更好的轴向分辨力和横向分辨力的同时，仍保留了良好的穿透性。例如现在可以用大约 7MHz 工作频率的探头观察成人的肝脏。

　　高频超声（ ≥20MHz ）的研究是另一个迅速成长的领域，其不断推广应用于诸如皮肤科、口腔科、眼科、肌肉骨骼系统疾病的诊断。（图 .2 ）例如初步发展的研究包括：对直径 100-300μm 血管中极低速血流（ ≤0.5mm/s ）的测量观察。超高频（ ≥50MHz ）超声的研究，包括三维成像技术对于眼角膜及眼前段构造病变的精确描绘和测量也是非常有价值的；但是，虽然多种不同的专用换能器已经应用于科学研究，但是它们中的大多数还没有达到商业应用。
3 ． 调制脉冲和扫描线
　　如前所述，新型压电材料具有灵活调制功能，发出脉冲的频率、带宽、振幅、相位、脉冲长度都可调。脉冲的相位变化只有相对于参考波形或者其他脉冲才能显示出来。这在应用中可以通过相邻振元发出的脉冲的相位变化，构成多线束形成器（如 Acuson 公司的 coherent image formation ）。

　　不同的商业公司开发了多种多样的脉冲调制方法，但是，技术细节通常是不公开的。我们以下介绍一些近来发明的具有重大影响的超声技术。这些新方法是根据换能器发出脉冲数量或扫描线数来分类的。
a. 单脉冲技术
　　基于单脉冲技术，脉冲调制通过以下方法实现：
（ 1 ）通过减少发射脉冲的频率带宽，限制基波频率与谐波频率的重叠，通常减小发射频率的带宽可使脉冲加长而使轴向分辨力受损。但波形经过精确调节发出的脉冲可以准确地区分基波和谐波，从而得到轴向分辨率很好谐波图像（图 .3 ）。
（ 2 ）发射一个线性调频脉冲（ Acuson ），即发射一个长的，经过特别调节的脉冲（线性调频脉冲），在其发射期间改变频率和振幅。当接收回波时，回波经过滤波器，该滤波器是按照发出脉冲的精确时间反转复制的。滤波器输出的信号是一些 “ 高而窄 ” 的小散射体，其效果是声波穿透力提高，提高了信噪比，图像轴向分辨率也得到很大提高。

b. 多脉冲技术
　　编码发射模式（ GE ， Esaote ）：扫描仪发出的不是单脉冲信号，而是有序编码的 8-22 个短而高频的，具有不同相位的调制脉冲信号。比较处理发射脉冲和接收信号时应用匹配滤波器（解码器）以很高的采样频率进行后处理。（图 .4 ） [7] 。这一技术很早已经应用于雷达和声纳应用，以提高成像穿透力，且不削弱轴向分辨力，并可提高发射峰值电压。

　　多脉冲技术基于发射反相位连续脉冲。一种方法叫做反相脉冲技术（ ATL-Philips ）或者叫做反相位技术（ Siemens ），两个相反极性脉冲沿着同线发出。这两个信号的回波在线性响应性组织中因相互消减作用而减小，使得在非线性组织中的响应性相对加强（图 .5 ）；但在彩色多普勒技术中，由于基波的频率变化可以伪装成谐波，从而对这种方法造成干扰。

　　另一种方法叫做幅度调制技术（ Agilent ），发射两个相位、振幅不同的脉冲，一个脉冲的振幅是另一个脉冲振幅的二分之一。在非线性组织中半幅度脉冲得到加强使幅度升高，被检测电路优先接收，从而使非线性组织影像被加强。
现在可见许多复杂的多脉冲技术。例如，在发射出两个反相脉冲后，再发出一个与第二个脉冲反相的脉冲。这一技术叫做能量反相脉冲技术（ ATL-Philips ）（图 .6 ），它基于能量多普勒的漂移计算。两个脉冲间的延迟时间非常短暂，假设移动目标在捕获过程中恒定不变。这种技术看来有助于减少移动和闪烁的物质的影响，更好的区分组织与背景。它主要应用于造影剂增强超声扫描技术中。
除前述的几种方式，多线技术的发展几乎可以排除多脉冲技术造成的帧频降低的缺点。

c. 多线技术
　　运用多重的射束形成器技术（ beamformers ），可直接集成分析相邻近线束的相位差信息。这也是超声技术领域的一项重大突破。例如，我们可把两束邻近的线束产生的回波信号的振幅和相位信息进行叠加处理，以抵消基波信号，加强谐波信号。这称为脉冲消减技术（ Acuson-Siemens ）（图 .7 ）。这种方法优点是既可以保持帧频不降低，又可以减少运动伪影。

4 ． 空间分辨率的提高
　　在动态聚焦发射模式（ Acuson-Simens ）中，边缘振元所发出的脉冲较中央振元的激发脉冲更长，使得超声射束聚焦于声场内两个不同的点，从而提高了侧向分辨力。所形成的组合脉冲波形仍然是短的激励脉冲，所以轴向分辨力亦未被削弱。

　　如何提高超声远场厚度成像分辨率是一个巨大的挑战。造影剂成像和三维成像应用都迫切需要换能器提供更均衡图像厚度层，更细腻的成像性能。采用一个称为 1.5D 传感器（ GE ， Simens ）的，其具有三到七列平行排列的阵元，在这方面取得了一些进步。这种方法可以在 z- 平面调节聚焦，提高了空间分辨率和对比度，降低了容积伪影效应，但是这需要运用更多的信道数。

　　另一种方法是添加一个特殊声学透镜，一个 Hanafy 透镜（ acuson-simens ），通过运用厚度可变晶体产生一个薄的，厚度均衡的成像层，同时，其具有非常宽的频带。在发射和接收信号过程中，在晶体共振区外产生低频信号也可被聚焦，在深部组织中，低频信号的穿透能力更强。焦点中心部分更细小，产生高频共振，焦层面更薄。
三 信号接收过程的进展

1． 非线性谐波成像
　　Schrope和同事们在1992年对造影剂产生的谐波进行了研究。这一成果备受关注，它大大的推动了造影剂在常规超声波检查中的运用。

a. 谐波的基本原理和特性
　　超声波脉冲包含一定的频率范围，其以“过零点”频率为中心频率。当这些脉冲在组织里转播的时候，它们的频谱被多种的机制改变。最明显的变化是，由于高频成分的迅速衰减，导致了中心频率向低频偏移。另一机制为非线性传播导致更多的高频信号生成。在任一瞬间，压力波峰的传播稍快，因为在加压组织中较在松弛组织中声波传播的速度是不一样的，这也增加了谐波的产生。虽然，使脉冲波形产生微小畸变的谐波信号非常微弱，并保存很少，但声波在组织传导过程中，谐波成分会不断累积加强。谐波成分的振幅与组织的非线性参数B/A有关，其是组织的固有特性之一。

　　组织谐波在皮肤层的强度实际为零，随着深度增加而增强，直到深度到达因衰减使其幅度再转为下降的点为止。可是，在所有深度，组织谐波强度总低于基波强度。组织谐波成像技术可以使用较低频的波束，因为生成用以成像的谐波的波长很短。使用自动聚焦成像时，影像中心区的谐波信号较强，这是因为声束中心区声压最强。造成图像信号噪声干扰的是体壁，如脂肪和皮层厚度等含水成分层是造成声束失真和散射的主要原因。另外，波束与层厚的侧向旁瓣波产生的混响等也是造成图像欠清的原因。但是，造成失真、散射的能量，远远低于信号发射的能量，因此其产生的谐波干扰还是较弱的。最终，组织谐波成像较基波成像所含有的干扰较小，因此，谐波成像模式对病灶具有较高的检测灵敏度。

　　当使用造影剂时，超声脉冲与造影剂微泡作用产生较强的谐波的成分，这一应用得到了广泛的发展。

b. 图像重建
　　谐波图像形成于利用组织中产生的谐波成分并取消发射声能直接反射回来的基波回波信号（图.12）。这一成像方式要求应用超宽频换能器以准确的发出和接收宽频带信号；但是，要区分谐波成分和基波成分就需要限制发射脉冲的带宽，这将导致轴向分辨力的降低。
　　应用接收滤波器可以滤除纯粹的基波信号，而利用保留的谐波信号重建图像。这个谐波滤波器必须与谐波频带完全匹配，而彻底滤除基波频带信号，以防止来自于基波的噪声和干扰。
　　使用一些特殊的技术可以进一步分离两个频带，以加强谐波图像的显示。这些技术前面已经列举，包括精确调节脉冲、多脉冲等技术，如反相脉冲/相位，单脉冲取消技术。通过临床研究表明，这些成像技术的应用对区分正常及病态组织有显著的帮助。
　　近来还发展了另外一些新技术，以增强对比显示，这基于以下两个原理。一种技术称为超谐波技术（Agilent），它运用射频滤波器，滤除组织谐波信号。射频滤波器的用处是在二次谐波和三次谐波中减少不需要的组织信号。这意味着要应用超宽频换能器以应答较二次谐波频率更高的信号。其目的是减少运动干扰，同时提高了侧向和轴向分辨率。另一技术为分频谐波技术，它是利用造影剂微泡产生较多的次级谐波来进行成像。

2．多普勒技术
　　方向能量多普勒技术（Toshiba，Esaote，ATL-Philips，GE）是正、反向血流在估算信号功率之前被区分。这一技术实现了对流向进行实时二色阶编码显示，但是不能像彩色多普勒模式那样提供血管内的血流动力学细节。但是，其对血流有更高的敏感度，且能量模式对角度的依赖性较小，它对血流的方向的描绘在某些情形下对诊断是有帮助的。
　　它还可用于计算多普勒频移，持续采集观察谐波和反相脉冲，形成谐波能量模式和反相脉冲能量多普勒技术（ATL-Philips）。通过临床评价，这一模式可以有效地通过微泡反射的谐波获得更好的成像，并有效地消除基波干扰。
3． 灰阶血流成像技术
　　灰阶血流成像技术基于 B模式，允许血流和组织同时成像，没有通常多普勒模式中的阈值限定和色彩覆盖等问题。B-flow（GE）技术的作用是比较从很短的时间间隙中发出的一双经过有序编码的脉冲信号。如果在两个脉冲信号之间血液细胞产生运动，那么两个脉冲串的回波信号会有少许差异，把它们相减，将不会完全抵消。相减后的存留信号被加强，显示为运动影像。信号亮度取决于血流回声强度和血流速度，但表现为非线性关系。
　　Scieflow（Siemens）的原理与其基本类似，都是通过对运动目标的回波信号进行放大而获得影像。
4． 灰阶多普勒成像
　　动态血流技术（Toshiba）基于宽频带多普勒技术，成像分辨率近似于B模式灰阶成像。它可以使用，也可不使用造影剂成像。发出两个脉冲信号后，可以通过特别算法检测到血液细胞和或造影剂微泡，这要结合使用自适应滤波器和数字式运动微粒信号消除器。这样，对于小血管显示的敏感性和时间分辨率更高。

四 复合成像，均衡成像，扩展视野采集
1． 复合发射
　　复合成像的原理是把通过不同空间方向所获得的图像进行匹配合并而重建出更清晰的图像，如[SonoCT （ATL-Philips），Scieclar（Siemens），Sonoview compounding （Toshiba）；图14]都是利用此种技术。数字化声波束形成器可以控制探头换能器阵列同时从五到九个转向角分别各自实时直接进行采集。复合成像技术可以降低图像上的斑点、杂乱信号等影响图像清晰的噪声，提高了正常软组织及损伤组织的对比分辨率，而不影响空间分辨率等其他的成像性能。复合成像还可减少在强反射分界面的阴影成分，如器官边缘、血管壁、肌腱和韧带，因为它们在掠射角的反射很微弱。
同时发射两个不同频率的脉冲技术（复合频率脉冲发射技术；Acuson-Siemens）除了可以减小噪声、光斑干扰外，还可以得到更好的对比分辨率。

2． 图像的均衡
　　图像的后处理方法有多种，评价图像后处理的好坏主要看在不同方向的图像是否均匀。通常用两种方法来解决这个问题。一种手段以数字图像优化技术（Toshiba）和自动组织优化技术（GE）为代表，对图像中感兴趣的区域进行直方图灰阶分析，计算出灰阶转换函数，调节每个象素的对比度、亮度和增益，以建立最优化的视觉图像。另一种手段为组织均值化技术（Acuson-Siemens），它对局部的图像进行自适应分析，统计杂散斑点并区分热噪声，逐区域的进行侧向增益、深度增益及总增益的调整。当应用高频传输发射成像的时候，以降低信号失真并保持最佳动态范围为原则调节不同深度的增益，这是数字自适应增益调控技术（Esaote），同样可以提高图像的均匀性。
3． 扩展视野影像采集
　　扩展视野的采集处理包括Sciescape技术（Siemens），以及最近出现的自由采集技术（Acuson）、全景采集技术（ATL-Philips）、LOGIQview技术（GE）、全景观察技术（Toshiba）等。这些技术都是通过影像自身数据获取探头的相对位置信息，通过手持探头渐进移动扫描获得全程数据，重建出宽幅图像。这种宽视野模式在灰阶成像和能量图成像时都可以应用。

五 三维成像
　　许多公司现在都提供3D影像功能。其挑战和主要技术区别是如何对扫描体积内的每一层图像进行定位，今后的发展也是要在不断改善2D灰阶影像的基础上提高3D影像质量。目前3D功能主要应用在妇产科和心血管检查，但技术的发展将使其应用到神经、脑、前列腺和消化道系统等领域。
1．3D超声采集
　　图像的采集通常都是通过徒手扫描获得的，这就需要一个分离的定位传感器对超声探头的空间位置进行编码。目前常用磁场进行定位，把一个小传感器安装在超声探头中；但是，这一磁场系统容易受金属物质（例如金属床、金属器件）等因素的干扰，造成局部电磁场失真，影响位置测量精度。徒手3D扫描过程中的定位测量同时也需要应用基于超声图像数据的综合的三维定位测量技术来完成。
第三种方法是使用含有机械驱动装置和定位传感系统组成在一起的专用超声探头进行扫描，其可完成楔入、直线和旋转扫描。这样，每个扫描片段的相对角度都被精确地测量，合成的扫描结果失真最小。
　　最新的技术发展是通过具有并行采集和处理功能的多维或镶嵌阵列探头操纵声束进行体积扫描，可以得到实时三维数据。在探头的二维阵列阵元中，行数和列数相同，亦即64×64，共计4096阵元。尽管这一技术看来是非常有潜力的，但庞大的数据处理和存储量对技术的要求非常复杂，这仍限制其发展。
2． 三维重建
　　近几年来，用户界面显著改善，很多的超声设备可以更容易地显示和操控体积数据。无论什么采集技术，有些形式的内插法仍需要对采集到的图像的体积数据进行添减处理。数字化存储的体积数据能够进行多平面阵列的显示，可以同时显示物体的三个垂直平面：轴向面、矢状面、冠状面。可以沿着其中任意平行平面滚动观察，还可旋转到任意平面观察最感兴趣的结构。数据资料也可通过多种不同的绘制算法被显示为具有真实现实感的三维图像，如最大密度投影算法和表面透明覆盖算法等。
　　其他有潜力的进展包括：显示三维图像的体积测量的全息摄影，或建造虚拟真实模型。便于通过互联网或影像存储与通讯系统存储和传送，以便后期分析或远程专家会诊。这些在非专有工作站上的分析结果是否像通常在专用工作站上的成像一样有用目前还不清楚。
3． 心电触发和四维成像
　　心电图的触发允许在心动周期的恰当时刻同步采集数据，无论在实时采集或者以回顾性方式。呼吸门控技术也在心脏检查方面受到关注，特别是做经食道检查时。两种触发技术延长了数据采集的持续时间。但最新发展的超快速、连续旋转扫描的相控阵探头可以打破这些限制。这些新技术允许对诸如心脏瓣膜启闭的过程进行扫描显示。
　　实时四维成像（Kretz-Medison），通过快速刷新连续的三维图像获得，是最近发展的新技术。根据所使用的探头和扫描视野的大小，其最快采集帧频可以达到每秒钟4到16帧体积数据。这项技术既可用于灰阶成像，又可用于能量多普勒彩色成像。使用该技术可以清楚地呈现胎动，观察血管内血流动力学的情况，清楚地透视颈动脉及颈动脉杈，以及更好地引导活检针向标靶的穿刺。
六 弹性图成像
　　弹性图成像技术的发展可以客观的量化比较非正常组织不同于周围组织产生的病理变化。多年来人们一直使用手摸扪诊和超声影像的主观评价来判断低频坚硬组织的性质，但对组织弹性的影像直接表现的需求推动了超声弹性图成像技术的发展。
　　软组织的机械特性依赖于其所具有的弹性模量（杨氏模量）、泊松比和剪切模量。这些完全不同弹性特性支配着超声波在组织中的传导。例如正常的乳腺组织比纤维瘤的硬度小，乳腺癌的剪切模量比正常乳腺组织高七倍。

　　为把上述组织特性转化为影像的对比度，开发了许多新的超声成像技术。主要有以下几种不同的手段：
1.低频震动能和声波扰动伴随的多普勒探测的应用。
2.对组织加压前后的影像变化直接进行比较评价，外加压力的局部响应成像技术。
3.对上述方法所获得参数的计算。
　　手动加压（徒手弹性成像）扫描通常用于柔软和可直接探察的组织，如乳腺组织。加压过程中采集的回波信号可以把组织因压力而产生的应变反映在影像中，该应变与组织硬度有关系。这种成像方法还有望用于各种不同的器官，如乳腺、前列腺、肾脏、血管和肝脏的良、恶性病变鉴别，同时还可以评价在高强度聚焦超声下组织的改变。

七 小型超声诊断仪及探头，超声资料的传输和存档

1． 小型化超声诊断仪介绍
　　现在的新工艺和技术可以制造出高性能有完整检查功能的小型化超声诊断设备，这包括了近来面世的几个公司的手持便携式超声诊断仪。这些仪器的设计、重量、电池寿命、探头的选择、性能和模式的变化多种多样。更有一种系统，将超声处理系统整合在一个探头之中，仅仅联接到个人计算机或笔记本电脑即可（Terason）。尽管研究认为便携式设备的显示性能略逊于大型超声设备，但是其应用于床旁穿刺活检、ICU病房的市场潜力是巨大的。
换能器探头的小型化也具有积极意义，例如用于血管内超声、腹腔内超声和经食道超声探头。

2． 超声资料的传输和存档
　　数字化成像技术可以使超声检查像其他影像学检查那样为临床服务，目前，超声影像资料可以像CT和MRI影像一样在PACS（图片存档及通信系统）中储存和传输。另外，工作流程管理或RIS系统功能也可轻松地集成到超声设备中。
最新版本DICOM协议的发布使这些功能更容易实现。例如新版Dicom协议中增加了彩色多普勒模式图像标准，但还没包括多普勒声音信息，这也是遗留问题之一
　　现在灰阶图像和彩色画面一般可以保存为DICOM标准资料，这解决了使用不同品牌超声设备得到资料的兼容性问题。这还涉及图像显示、专门处理和测量。超声图像可以被压缩，主要应用JPEG格式。动态影像片段可以连续画面形式传输。对迅速增加积累的超声资料的大量压缩以减小其容量是非常重要的。压缩方法主要包括MJPEG，MPEG和Wavelet格式，其都允许保存动态影像信息。

八 结论
　　除了以上介绍的进展外，其他领域也有许多具有前景的技术进步，特别是脉冲波的直接应用、动脉壁弹性分析、超声局部治疗（热效应、空化效应）等。影像专家必须时刻关注这些新的技术进步。其有可能开拓新的医疗领域，也可能代替有放射性和高成本的影像检查。



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