超声成像新技术

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1、超声成像新技术90 年代以来，由于电子计算机容量和功能的提高，数字化技术的引入，以 及各种信号处理、图像处理和控制技术的应用，医学超声成像新技术、新设备、 新方法层出不穷。这里就主要新技术的物理声学基础、临床应用现状及发展前景 等问题作一简要阐述。一、超声弹性成像超声弹性成像作为一种新的超声成像方法，它通过获取有关组织弹性信息进 行成像，弥补了 X射线、超声成像(Us)、磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT) 等传统医学成像模态不能直接提供组织弹性的不足，具有无创、简单、便宜、容 易应用等优点，被广泛应用于临床，成为目前医学弹性成像的一个研究热点。弹性成像(elastography)词最

2、初出自静态/准静态压缩的超声弹性成像，狭义 的弹性成像就仅指这种成像方式，其基本原理为对某一组织施加一个内部 (包括 自身的)或外部的、动态或静态/准静态的激励：在弹性力学、生物力学等物理条 件 下，组织将产生一个响应。例如位移、应变与速度的分布：弹性模量较大即较硬 的组织应变较小，或者振动的幅度和速度较小：利用超声成像或磁共振成像等方 法，结合数字信号处理或者数字图像技术，可估计出组织内部的位移、应变等参 数，从而间接或直接反映其弹性模量等力学属性的差异根据组织激励方式的不 同。超声弹性成像主要包括静态准静态压缩的弹性成像、血管弹性成像、心肌弹 性成像、低频振动激励的声弹性成像、基于脉冲激励

3、和超快速超声成像系统的 瞬时弹性成像或者脉冲弹性成像、声辐射力激励的声辐射力脉冲成像、辐射力成 像、剪切波弹性成像和超音剪切成像、利用超声激励的声发射技术的振动声成像 和简谐运动成像等。超声弹性成像已在许多领域显示了它的优越性，具有广阔的应用前景。超声 弹性成像应用于乳腺检测已取得了较好的成效，目前研究的实用化系统大多应用 于乳腺检测:Lorenz和Pe-savento等通过260例前列腺癌病例研究表明超声弹性 成像能够提高前列腺癌早期的检测能力：可以用于射频消融监测和检测高强度聚 焦超声引起的热损害。在深静脉血栓成像、皮肤或肌肉的弹性模量估计、肾移 植监测、针刺疗法的组织位移估计甚至脑肿瘤检

4、测等领域取得了一些初步临床结 果。超声弹性成像今后的研究冈更多用于乳腺、前列腺检查的临床研究：射频消 融监测、强度聚焦超声检测的临床研究：剪切应变的估计以及在乳腺检测中的应 用：肾脏和前列腺等具有弹性模量差异的正常组织成像：肝脏弹性成像并用于肝 纤维化和肝癌的诊断：利用超声显微镜或高频超声探头实现细胞的弹性成像，用 于小器官或组织：生物组织的粘弹性、非线性、孔弹性、各向异性等力学特性的 研究与成像：基于三维超声成像系统实现超声弹性成像：研究并制作用于超声弹 性成像的超声仿人体组织材料和超声体模等。二、谐波成像谐波成像是一项超声诊断新技术，是近年来非线性领域的一项重大突破，这 一技术的开发和应用

5、使许多疾病的诊断范围和诊断水平得到拓展。在二维及彩色 多普勒超声检查中应用谐波成像极大地提高了信噪比，更清晰地显示被检脏器的 图像和血流状态，这一技术被认为是超声技术发展过程中的又一里程碑。近十年来，经周围静脉使用的超声微泡造影剂的研制取得了快速的发展，而 微泡造影剂与谐波技术的联合应用更为超声成像带来新的进展。声波在介质中传 播以及在反射和散射时，都具有非线性效应，导致产生谐波。滤去基波，利用谐 波的信息去进行成像，称为谐波成像。谐波成像主要分为两大类 :组织谐波成像 和对比谐波成像。1组织谐波成像组织谐波成像是利用声波在组织中产生的谐波进行成像。为了在自然组织中 产生丰富的谐波信号，发生声

6、波的声压常较大。国内外的研究表明，组织谐波成 像与传统超声相比有一定的优势:提高心内膜显示能力：提高肝硬化背景下的占 位性病灶的检出率：清晰显示胰头区的复杂解剖关系，改善肥胖患者盆腔脏器的 显示效果：改善肥胖、肋间隙狭窄、胸廓畸形、肺气肿及高龄患者心肌与心内膜 的显示效果等。组织谐波成像改善图像质量的技术基础为:近场处谐波能量很少，不易产 生伪像。常规超声图像的大部分伪像来源于胸壁和腹壁的反射和散射，这些伪像 含有极少的谐波频率，因此近场伪像被消除：有利于消除旁瓣伪像。基波频率 能量和谐波频率能量呈非线性关系，能量较高的基波产生相当大的谐波能量，而 弱的基波几乎不产生谐波频率能量。因旁瓣能量比

7、主波低得多，产生的二次谐波 很低，不足以形成图像，因此消除了旁瓣的干扰：谐波波长较短，可以提高轴 向分辨力。频带较窄，提供较佳的侧向分辨力。频率比基波高1 倍，所以其检测 低速血流速度的阈值为基波的1/2，即对低速血流的检测更灵敏：提高远场的 图像质量。组织谐波成像一般使用穿透力高的低基波频率，且由于谐波非线性效 应，在某一深度范围，谐波的能量明显增强，有力地提高该深度范围的声噪比， 明显提高了超声图像的质量。组织谐波成像的质量受到探头和仪器的灵敏度、动 态范围以及信号处理技术的制约，目前许多仪器的组织谐波成像效果还不十分理 想，当然，也有一些品牌的超声仪器的组织谐波成像已经初步显示了其成像的

8、优 越性。组织谐波成像质量的进一步改善有赖于相关技术的不断完善。2对比谐波成像对比谐波成像是利用超声造影剂的谐波进行成像。对比谐波成像的效果和质 量与造影剂及相应的对比谐波成像技术有关。微泡造影剂在超声声场中的行为与微气泡的大小、外壳的机械特性及入射声 波的声压有关:当外加声压较弱时，主要呈现线性背向散射：随着外加声压的增 加，微泡产生丰富的二次谐波，其幅度接近基波，比人体组织的二次谐波强 1000 倍以上，利用这一特点可进行二次谐波成像：再提高声压，微泡破裂，气体溢出， 呈现瞬间高强度信号散射，称为“受激声波发射”。新型的穿微循环声学造影剂(微 泡直径小于8 口 m，可以通过肺毛细血管进入体

9、循环)可分为两代:第一代包括利 声显(Levovist)、Albunex、Echovist:第二代包括 Optison、SonoVue、Definity、 Sonazoid、 Imagent、 PESDA、 Aerosomes、 Quanfism 等。与微泡内所含气体为空 气的第一代造影剂不同，第二代造影剂所含气体绝大多数为高分子量、低溶解度、 低扩散度的氟碳气体，故性质更为稳定。目前应用的微泡造影剂均具有线性散射特性，而非线性散射的强度则视造影 剂的性质而定:有些造影剂不能产生可测量的二次谐波:而所有的微泡造影剂均 具有受激声波发射特性。利用微泡造影剂的基波信号成像在基本的灰度模式下，造影剂

10、可以增加微血 管池的线性背向散射，在基本的多普勒模式下，超声造影剂可增加大小血管中的 多普勒信号。国内外研究表明，超声造影剂可用于增强肝、肾、胰腺等脏器病变 中的多普勒信号，使一些原来认为少血管的病变中的血流也得到了较好的显示。 但是，在基本灰度模式下，造影剂不会增加病变或实质的微血管显示，因为来自 组织的回声太强而微循环中的微泡太少。在基本的多普勒模式下，图像会出现明 显的开花(bloom-ing)伪像，而且也同样有呼吸及运动伪像。利用微泡造影剂的谐 波信号成像:谐波成像技术拓展了超声造影剂的应用。目前大多数中高档超声诊断仪均具谐波成像功能。自然组织谐波成像对不适 宜声学造影或经济困难的肥胖

11、患者深部病变的观察可首先考虑使用。造影剂谐波 成像时，可使组织回声明显增强，该技术已广泛用于心脏病变的诊断与鉴别诊断。 吴瑛等对比分析了基波显像和谐波显像在诊断胆总管下段胰腺区域病变中 的价值，结果表明，谐波显像能更清晰显示该区域病灶。此外，随着第三代声学 造影剂的研制成功，造影剂已能到达心外脏器，实现心外脏器造影，增强实质脏 器的二维图像和多普勒信号，造影剂谐波成像技术为研究组织的血流灌注提供了 更加可靠的手段，有助于腹部脏器病变的诊断与鉴别诊断。三、三维成像在医学临床影像诊断中，仅通过观察二维切片图像，很难准确确定病变体的 空间位置、大小、几何形状和与周围生物组织的关系。本世纪七十年代由计

12、算机 控制的超声 CT 技术开始兴起，将超声诊断水平提高到一个新的高度，并有助于 分子生物学和生物物理学的发展。近十几年随着计算机技术的飞速发展，推动了 三维超声成像技术的研究和应用。与二维成像相比，三维超声成像技术具有图像显示直观、可精确测量结构参 数、可辅助治疗等许多优势，但由于超声图像自身获取技术上的固有缺陷，造成 超声图像清晰度较差，较难对二维图像进行必要的预处理，而在超声图像获取过 程中组织器官自身的运动以及人体呼吸心跳的影响也都会导致获取的序列二维 图像之间存在可能会影响重建精度的差异，并且三维重建过程中运算量较大，如 何能够加快重建速度却又不损失重建结果的真实度也是一个亟待解决的

13、问题美国于 20世纪 90 年代推出了以射频电磁场进行立体定位、使用普通相控阵 扇扫探头从体外进行扫描并进行超声三维成像的系统。美国Duke大学最近提出 晶体片被纵向、横向多线均匀切割成众多的微型矩阵型排列的二维阵列换能器。 在用于体外探测时，微小的晶片多达60X60=3600 ；而用于心内探测的导管式前 向观察探头的晶片按10X10=100排列。探头发射声束时按相控阵方式沿Y轴进 行方位转向形成二维图像，后者再沿 Z 轴方向扇形移动进行立体仰角转向形成 金字塔形数据库。在未来的动态三维成像中可能会发挥重大作用。今后三维超声成像仪的发展有着十分广阔的发展前景。在进一步提高计算机 微处理器的运算

14、速度后，可以使动态三维图像准实时显示并能显示体内器官的实 时剖切图像(四维超声成像)。另外，如果在提高成像装置质量和改进操作方法 的基础上，还可获得几乎能与光学内窥镜相媲美的动态三维图像。最近还出现了 将彩色多普勒信号重建为动态三维彩色多普勒血流图的技术，除能观察血流部 位、途径、范围、轮廓与起止点之外，尚可判断其方向与流速并清晰分辨血流信 号与其旁侧的心壁和瓣膜。Acuson彩色多普勒血流仪就可显示冠状动脉的主干 及其分支。除此之外，在动态三维超声显示的立体图像上，通过计算机处理，可 根据需要切割并除去浅层组织的回声，有利于对欲实施手术病灶的细致分析，可 用于模拟手术。参考文献：1 罗建文,

15、 白净. 超声弹性成像的研究进展 J. 中国医疗器械信息 , 2005,(05)2 徐智章, 俞清. 超声弹性成像原理及初步应用 J. 上海医学影像 , 2005,(01) .3 罗葆明.乳腺肿瘤超声鉴别诊断新方法一一超声弹性成像J.中国医疗器 械信息 , 2006,(09) .4 叶秀芳.组织谐波成像技术及其临床应用J.宁夏医学杂志，2007,(07)5 智光，赵玉英谐波成像技术临床应用J人民军医，2004,(03).6 李文，张翔，乌若丹.自然组织谐波成像与基波成像的对比观察J中国超声 诊断杂志 , 2002,(04) .7 徐辉雄，张青萍.微泡造影剂的声学特性及相关新技术 J放射学实践， 2000，(06) .8 罗福成.二次谐波成像技术临床应用进展J人民军医，2001,(05).9 高少佳，潘佚.三维医学超声技术及展望J.医疗装备，2007，(04).10 何军,陈刚.超声图像的表面轮廓提取及三维图像重建过程的探讨J.兰 州理工大学学报 ， 2004，(04) .11 王新房， 张梅， 谢明星， 王勇， 李治安， 张薇， 吕清， 邢艳秋， 陈汉荣， 季晓平.三维超声成像的方法学和临床应用研究J.医学研究杂志， 2006，(06).