超声学技术29192.pdf

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1、超声诊断技术的新进展 近 10 年来，随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科 技的迅速发展和临床诊断和治疗的需求，使图像质量和分辨率越来越 高，超声诊断范围和信息量不断扩充。当前超声诊断已从单一器官扩 大到全身，从静态到动态，从定性到定量，从模拟到全数字化，从单 参数到多参数，从二维到三维显示，多普勒彩色血液显示代替了创伤 性导管检查，形成了一门新兴的科学介人性超声学，大大扩充了 超声诊断治疗范围，提高了诊断的特异性和信息量。由于其损伤性小，电离辐射轻，价格低廉，易被患者所接受，目前已成为发展最快的成 像技术。所以，超声诊断设备是一种高科技产品，在某种程度上反映 一个国家的科技进步水平

2、。世界上的超声诊断设备生产国有美国、日 本、德国、澳大利亚、意大利、丹麦、韩国和中国。美国、日本生产 的超声诊断设备占世界超声诊断设备的 70。1995 年世界超声诊断 设备市场达 20亿美元。仅 1998年我国即进口超声设备 2242l 万美 元，出口超声设备 21633 万美元。超声成像设备大致可分为通用型、心脏科和小器官血管用等三类。不难看出超声诊断设备的需求量很 大，特别是中、高档超声诊断设备。下面介绍几种超声诊断技术的最 新进展。一、全数字化技术。全数字化技术带来了图像的高质量，使超声成像系统具有更高的 可靠性和稳定性。1987年美国ATL公司研制出世界上第一台前端全 数字化超声诊断

3、系统以来，该技术已成为现今超声诊断系统最先进的 平台。全数字化技术的关键是用计算机控制的数字声束形成及控制系 统。这种系统再与工作在射频下的高采集率 AjD 变换器及高速数字信 号处理技术结台起来形成数字化的核心。它包括有三个重要技术：（1）数字化声束形成技术；（2）前端数字化或射频信号模数变换技术；（3）宽频探头和宽频技术。前端数字化后，分辨率改善 30，动态 范围增加48 dB,随机噪声降低1/3。超高密度阵元（512、1024阵 元）探头，并可使探头的相对带宽超过 80。面阵超高密度阵元探 头的出现,使二维聚集成为可能,它能同时改善侧向分辨力和横向分 辨力。而宽频探头结合数字声束形成和射

4、频数字化使现今的全数字化 系统能实现宽频技术,该技术可避免使用模拟式仪器损失 50以上 频带信息的弊端。所以宽频探头和宽频技术,不仅能解决分辨力和穿 透力的矛盾,而且信息量丰富,有可能获取完整的组织结构反射的宽 频信号。真正的数字式超声诊断仪应从波束形成到信号转化的全过程 采用数字处理,图像分辨率要比 64 1 28通道的模拟式超声诊断仪要 高出 2 倍以上。因超声的关键技术是分辨率。数字式超声采用数字波 束形成技术,能够实现像素聚焦超声,实现完全没有失真的超声图像。全数字化超声诊断仪是在数字波束形成的基础上,包括数字图像管理 和数字图像传送，无失真的图像存储和调用，采用 PACS（影像存储

5、与通讯系统）的DICOk界面，运算快、容量大，无失真图像传送。2000 年美国GE公司发明的数字编码超声技术是对超声脉冲进行编码和解 码,从而将数字化超声进一步前推到超声波束,达到了将有用的微弱 信号提升放大,抑制不需要的超声回波信号。多方面改善了超声波图 像的质量，更为编码 M次谐波（Coded Harmonics）等一系列临床应 用技术奠定了基础。总之，全数字化技术保证了超声诊断设备图像更 清晰、更准确，分辨率更高，大大提高了超声诊断的准确率，直接决 定着超声诊断设备的整体质量。本世纪末 90%以L的B超将采用前 端数字化，这是必然趋势。在一定程度 L 可解决带宽、噪声、动态范 围、暂态特

6、性之间的矛盾，改善分辨力 30%，动态范围增加 48 dB，随机噪声降低。所以说超声图像处理的潮流是数字化图像替代模拟 方式的一次飞跃。二、M维超声成像技术。70 年代中期人们开始探讨发展三维超声成像技术，自 80 年代 后期开始，由于计算机技术的飞速发展，使得三维超声成像技术得到 了实现，三维超声成像目前有三种成像模式：表面成像、透明成像及 多平面成像（或称断面成像）。三维超声成像的基本步骤是利用二维 超声成像的探头，按一定的空间顺序采集一系列的二维图像存人二维 重建工作站中，计算机对按照某一规律采集的二维图像进行空间定位，并对按照某一规律采集的空隙进行像素补差平滑，形成一个三维立体 数据库

7、，即图像的后处理，然后勾划感兴趣区，通过计算机进行三维 重建，将重建好的三维图像在计算机屏幕上显示出来。门图像具有更 高的空间分辨率，所含的信息量大，对组织结构的分辨力更强更直观。三维图像的优劣在很大程度上取决于二维图像质量的好坏，即三维超 声目前仍未摆脱二维超声。目前已有：（l）静态三维超声（Stati。3D）以空间分辨率为主，重组各种图像。（2）动态三维超声（Dynamic 3D)以时间分辨率为主，可以做出 3个立体相交平面上的投影图、F 型图、俯视图、表面观、透视观和环视观。三维成像起初是在妇科作 胎儿成像的。目前已用于心脏、脑、肾、前列腺、眼科、腹部肿瘤和动脉硬化的诊断。三维超声诊断仪

8、已推出 的有ACUSO的Sequoia、MEDISO的530D型、奥地利 KretZ公司生 产的Voluson 350D型。可以这样说，从一维成像到三维成像是超声 诊断设备技术的一次重大突破。三、对比谐波和组织谐波显像。利用人体回声信号的二次谐波成分构成人体器官的图像，称为谐 波成像(Hazmo nic Imagi ng，HI)。原理是在基频范围内消除了引起 噪音的低频成分，使器官组织的边缘成像更清晰。对比谐波成像(Co ntrast H。on to Imagi ng,CHI)。指用超声造影剂的谐波成像。它利用直径小于 10 Pm 的气泡明显增强的散射信号具有丰富的二次 谐波,可以有效的抑制不

9、含造影剂的组织(背景噪音)的回声。有效 观察室壁运动,结台心肌灌注,应用多帧触发技术,检查心肌灌注质 量,对缺血和心肌存活性的检测更为敏感。但二次谐波的帧度接近基 波,通过减去或脉冲及相这,获得血管内血流的二次谐波显像,称为 脉冲及相谐波成像技术(bolselnversionH。，PIH)。组织谐波成 像(TissueHarmonic Imaging，THI)是利用超宽频探头，接受组织 通过非线性产生的高频信号及组织细胞的谐波信号，对多频移信号进 行实时平均处理,增强较深部组织的回声信号,改善图像质量,提高 信噪比。因而能增强心肌和心内膜显示,增强微病变的显现力,增强 肝内血流信号帮助鉴别肝内

10、血管和了解肝内细小血管病变。THI技 术对肥胖、肋间隙狭窄、胸廓畸形、肺气肿及老年患者的心脏检查中，技术在显影困难患者的心内膜边界先是更加清晰，心室壁运动的评价 更为准确。目前超声诊断仪不断进展，具有超宽的动态范围，窄的发 射频率，尖锐的接收滤波器和数字化波未形成器的仪器，可接收来源 于组织的微弱高频谐波信号，通过降低像素点大小提高了对比分辨力 和轴向分辨力，明显减少了图像的伪像，更好的显示组织微细特征，便由体型或病理原因产生的显像困难大为减少。“伽 HDI 5000彩 色多普勒超声诊断仪即设有 THI软件。探头中心频率3ot MHZ其次，美国GE的LOGIQ 4ho、500、700 PRO数

11、字彩色多普勒超声诊断仪、百胜的AUSPartner彩超等都设有THI软件。四、彩色多普勒血流成像技术(COIOfDOppl6fFIOWImasins CDFI)及其展。CDFI 技术于1982年由美国Bornner和日本的Namekaw、Kasai 最先研制成功。日本Aloka公司于1982年生产出第一台彩色多普勒 血流显像仪。CDFI显示人体的血流，二、三维超声成像显示人体的 解剖结构，二者提供了完整的人体解剖信息。以 CDFI为基础，由于 CDFI不需要方向分离、频域解调等处理，可降低检测阈值，便于显 示小血管中的低速血流，但不能区分流向和流速。90年代又发展了 四种彩色多普勒技术：厂)多

12、普勒能量图、能量多普勒和血管造影(Color DoPPerEfififigy lyygigg,Power DoPPerImaging Anglo)。(2)彩色多普勒能量图(CDE。(3)彩色多普勒组织成像(CDT)又称为多普勒心肌显像（DMD。（4）能量运动成像（PMD。CDF、CDT、CDE都是利多普勒频移信号的信息量加在常规的二维图上进行 成像的，它显示血流或组织的运动情况。CDE虽不能表示彩色血流的 方向和速度，但有很高的空间分辨力，对小血管的低速血流很敏感，目前已能显示O.mm/s低速的血流。日本东芝公司将 CDFI和CDE两 者所长结台起来，发明了一种 DPA（方向能量图），既能对低

13、速血流 的敏感性，又有彩色多普勒的方向性。CC（彩色多普勒速度能量图）是近年来开发的新技术对血流显像更简便、更敏感。尤其是可显示心 肌内的冠脉穿插支，对冠心病的研究开拓了新领域。美国 GEFIOV的 专利技术得到更好的血管及血流图像的空间分辨率和时间分辨率，能 动忘清晰地看到血流的运动和血管壁的不规则运动。是超声技术的新 突破。QTV（定量组织速度成像）技术是近年兴起的新技术，是定量 分析心肌存活性的新手段。以原始数据存储和超高帧频为基础，克服 了传统多普勒心肌成像的局限性，因此临床上可广泛地应用于冠心病、高血压、心肌病、心脏电生理等方面的检查。今年 Ge system Five 型高档数字多

14、普勒超声诊断仪推出的 AM（直线解剖M型）技术，发 展了传统M型超声心动图技术。在360”范围内任意取样对心脏各室 壁均能精确观察其厚度及增厚情况，也有利于射血分数的准确测量。在不同时期存储二维超声心动图基础上得到的 M型图像，在不同时期 存储的二维超声心动图上得到的 M型图像，可比较同一患者不同时期 多个室壁节段运动情况，对了解治疗及判断预后均有重要意义。CMM（曲线解剖M型）于二维彩色多普勒速度图像之上，将“M 型曲线”放置于扫查切面内任意一段心肌，其取样线走向可为任意方向、任意 形状，并可置于心肌壁中央，然后获得实时的二维彩色多普勒图像中 扫查切面内所有心肌节段的舒缩运动时相信息，以及速

15、度、运动幅度、加速度、能量及应力率等局域心肌功能指标。与定量组织速度成像（QTV）技术结台，给心肌缺血、心肌激动顺序及多节段心肌运动分 析带来了新的手段。近年开展的 AQ（超声声学定量技术）、CK（彩 色宝壁运动成像技术）技术可用于心内膜自动描记，方便的观察心脏 室壁运动。心脏超声软件也十分丰富。有些高档次心脏彩超可以报告 川多种心脏检测参数，对临床诊断各类心脏疾病极有价值。腹部彩超 除作其它腹部脏器检查外都装有丰富的产科软件，可方便的检出胎龄，从而准确方便地判定胎儿发育状况及报告、羊水指数及多项胎儿发育 参数。高档彩超，特别是三维彩超都装备了变频探头、宽频探头及超 声CT软件，使图像更清晰更

16、逼真，分辨率更强，临床应用更广泛。今天的彩色超声多普勒所显示的灰阶和彩色图像质量对体内流体（血 液）的敏感程度均达到理想程度。所以说彩色超声多普勒设备的开发 成功是超声医学发展史上的又一个里程碑。五、换能器技术的发展。高频超声波可以分辨更细微的病灶，提高图像的轴向分辨力。高 档换能器是保证超声诊断图像分辨率和高清晰度的关键技术。制作振 子的压电材料有单晶、多晶、压电聚合物复台压电材料、压电高分子 材料（聚乙烯共聚物）等。90 年代日本用聚乙烯共聚物制作的线阵 超声换能器性能良好。90 年代后，国外几个主要公司都研制出高水 平的各种换能器，高密度线阵探头已做到 196 元，相对带宽达 80，超宽

17、带换能器可以保证临床诊断所需要的探测深度并获得最佳的图 像质量。工作频率从ZD MHZ可做到60 MHZ在血管及内窥镜超声成 像中，已采用频率为20-40 MHZ勺换能器。适用于皮肤病变检查用的 60100 MHZ探头已研制成功，超高频和超声后向散射显微镜的频率 范围也达到40 100 MHZ被用于皮肤、眼前房、冠状动脉内成像。凸阵的曲率半径可小于 10 nun。环阵换能器为一代扇扫探头，可实 现二维全程动态聚焦，改善横向和切片分辨力，在焦区内波束能量集 中，提高了穿透力和回波 SIN 比。德国超声电机编码传动机构的环阵 探头的性能较佳。美国斯坦福大学BME中心多年来一直研究面阵探头，并已试用

18、于临床，为三维成像创造一定条件。90年代初日本 AIOka 公司已开发出三维扫描用凸阵探头。90年代初，有人大胆提出液晶 大面积声光换能器的制作。多频（二颁、三颁）、多平面面（TEE，宽角（114-365）、微 细（2 3 mm血管内探头）、扇扩线阵（两侧 28”，单侧20“）、凸形相阵、小凸阵（R 1 0）环阵及各种腔内探 头。由介人性超声的开展，各种腔内探头（直肠、膀胱、阴道、食道、管腔内、血管内及内窥镜探头）应运而生。微电子工艺使换能器的振 子（阵元）数高度密集，声束扫描线密度高，令图像更加细腻。M维 高密探头在 Z 轴方向的聚焦，改善了侧向短轴方向的分辨力。总之，超声诊断技术发展迅速，已从形态学过渡到生物力学、生物物 理学的分析阶段，即从静态到动态，从定性到定量，从模拟到全数字 化，从单参数到多参数，从二维到三维显示，多普勒彩色血液显示代 替了创伤性导管检查。使超声图像的质量和分辨率大幅度提高，能清 晰显示出实质脏器内数毫米的肿瘤，显示手正中神经和手指韧带的纤 维束，显示静脉瓣和眼前房结构等，充分证明了超声的空间分辨率达 到理想的新阶段。提高了临床诊断和应用的范围，使超声影像学技术产生了质的飞跃，进人了超声影像学发展的黄金时代。