( 复旦大学电子工程系)
超声技术渗透到医学领域始于二十世纪30年代到40年代。40年代末发表的将脉冲超声波用于脑部疾病诊断的论文,是最初的A型超声诊断技术,从此A型超声诊断仪在临床上得到广泛的应用。不久,B型超声、M型超声和超声多普勒诊断法相继出现。特别是70年代开始,随着计算机、微电子和其他技术的发展及其在医学超声领域的应用,B型成像技术发展更加迅速,并在临床诊断中占有十分重要的地位。80年代初,又有脉冲多普勒技术和彩色血流成像技术相继问世,使得超声诊断的方法更加丰富。
组织鉴别
B型超声所提供的图像在医学诊断上已取得显著的成效,但也存在着局限性,这些图像往往不能诊断一些形状没有明显变化的弥漫化的疾病,也比较困难确定占位性病变的性质。这是因为要确定所患的疾病,除了需要B型超声提供的形态学信息,还要了解即关心区域组织的症状、病理改变。因而,超声有没有可能诊断更多的疾病?组织的病变性质能否更多地在其超声性质或物理参数上表现出来?如何从活体中提取这些声学参数并使之成像?这些都是目前医学超声研究人员所感兴趣的课题。
为此,必须对超声信息进行处理、分析,提取组织特征信息以及寻找新的与组织特性有关的声参数来成像。生物组织作为介质,当超声进入介质时,应在声学特性上反映出其特性。超声信息的处理、分析和特征提取包括:利用各种信号处理的方法对超声回波信号进行时间城、频率域、时间-频率域或几何域上的组织特征分析、提取、分类和决策。
生物组织是由脂肪、蛋白质、水等多种成分组成的复杂介质,其超声特性也很复杂,表现是多种多样的。新型的声参数成像主要有三类:弹性及弹性成像、声传播参数成像和声的非线性参数成像。
超声波是一种机械波,其声学参数反映了介质的弹性性质,但大多数并不直接而是间接反映;而组织的弹性却与疾病密切相关,例如肝硬化、恶性肿瘤,其硬度和正常组织、良性肿瘤有显著差异。对组织弹性的测定,归根到底是要测出组织在应力作用下的应变。从系统分析的角度来看,组织弹性的检测和成像采用工程的方法,对组织施加一个激励(可以是体外施加压力,即外应力;也可以是体内心脏或大血管搏动产生的振动,即内应力),然后测量各部分组织所引起的动态位移,得出应变。应力和应变得到后,就可以确定组织的弹性参量,最后还可以将得到的组织弹性信息进行彩色或灰度编码,得到图像的显示,称为声弹性图(Sonoelastrogram)。在具体实施上,位移的检测可以采用多普勒技术或互相关法进行处理。
目前所用的B型超声成像技术是利用组织声特性阻抗的不均匀分布,而声传播中介质的其他声学参数,例如声传播速度的分布、声衰减系数的分布、背散射系数的分布、斑纹噪声以及超声图像的纹理参数等,也分别在某些方面反映了介质的性质。借鉴经典声学的概念,这些声参数也可用来推断组织的性质。实验表明,这些声参数和组织的性质有一定的联系,对于鉴别组织有一定的灵敏度和特异性,其中以声衰减和声速最受重视,研究的也比较多,但临床应用的效果尚需提高。
另外,非性线声参数成像也一直比较引人注意。在外力声泵的作用下,组织的微结构将发生改变,据此获得的非线性参数B/A、相移参数N’等,均已证明与组织的硬度、组织的纤维化,以及肿瘤的性质有直接关系。利用它们进行成像,必然有独特的性能。
超声新技术
1. 高频超声成像技术
高频超声成像技术的应用将大大提高图像的分辨力。常规B型超声成像技术其超声工作频率在2~10 MHz,目前研究并开始临床应用的血管内超声成像技术,其工作频率高达20~ 40MHz,而40 MHz ~100 MHz的超声成像才被称为高频超声或超声后散射显微镜(UBM),可以用在皮肤的成像,以及眼部、软骨、管状动脉内的成像等等。人体内脏器官的症状往往在浅表皮层得到表现,这就加大了超声皮肤成像的应用价值。
2. 超声造影剂的研究和应用
超声造影剂从物理形态上可以分为:(1)含有自由气泡的液体;(2)含有包膜气泡的液体;(3)含有悬浮颗粒的胶状体;(4)乳剂;(5)水溶液。由于造影剂的散射截面要比同样大小的固体粒子大几个数量级,可以使背向散射的信号大大增强,造影剂的这种作用,可以突出感兴趣区域的图像,改善图像的信噪比,从而便于医学诊断。血液中存在造影剂后,人体中小血管的血流可以得到显示。由于正常组织和肿瘤对某种造影剂的作用存在差异,利用造影剂可以提高对肿瘤的检出率。早期曾用的含自由气泡的液体,例如含CO2,H2O等现在已经淘汰,这是由于气泡的稳定性不够。目前研究者趋于采用有包膜气泡的液体。研究气泡更稳定、大小可控制、对人体无害、易排出且有良好造影作用的超声造影剂,是这方面研究的一个重要方面。
造影剂的日益进展,使得谐波超声成像、谐波多普勒等技术开始应用于临床诊断。从原理上讲,常规的B型超声成像中接收系统将其通带放在倍频上,就可以得到谐波成像,从而可以降低背景干扰使局部图像的信噪比得到提高。血液中的造影剂跟随血液运动,其谐波分量被接收后,也会产生多普勒效应,用其可以估计出血流的流速信息,也可以进行彩色编码的血流成像;与常规的血流成像技术相比,谐波多普勒成像可以有效地抑制背景噪声(Flashnoise)。造影剂还可以改变组织的声衰减系数、声传播速度,还可以在声场中进行声发射,产生随机频率的超声。这些如有可能应用到超声诊断上去,可以达到提高诊断率的目的。还有由于造影剂的微气泡谐振频率与压强存在一定的关系(一定范围内近似线性关系),今后有可能利用超声实现体内压强的无损测量。
3. 超声治疗
超声热疗是个有发展前途的领域,聚焦的超声把能量集中在肿瘤区域,加上肿瘤区域散热不良从而会引起热量的积累,可以达到杀死肿瘤细胞的作用。但关键是要解决好活体的无损温度测量技术。
超声外科手术是超声治疗的重要形式,它主要利用超声空化和强烈的机械效应来切断、破坏生物组织。用超声手术刀进行外科手术,可以快速、准确而又省力地切割不需要的组织,具有止血、无感染等优点,而且刀头的温度并不高。
超声可以引导穿刺进行活检、引流,也可以进行治疗,例如超声引导下对肿瘤的介入治疗,直接注入药物,以治疗肿瘤。
4. 虚拟现实技术在超声中应用
利用现有的B型超声成像设备获得数据,经过三维数字成像技术实现超声的虚拟探查(左转、右转、上下反转等),例如乳腺肿瘤的三维重建和虚拟显示,可以作为手术方案的技术支持;骨关节的三维重建和虚拟显示,可以作为康复方案的技术支持。这方面的研究也会进一步深入。
5. 计算机化的超声成像技术
现代计算机技术越来越深入地介入医学超声领域,目前已成功应用的方面有:计算机的声束控制技术,以PC机为平台构成的超声扫描仪(超声诊断仪),PACS 和超声的远程技术,包括超声数据(图像)的远程传输和远程控制超声扫描等。计算机技术与超声图像的最新结合是采用开放结构(openarchitecture)设计,在计算机平台上产生高质量的图像,让用户使用时感到十分方便。系统的核心是计算机,系统的控制功能由屏上的游标或手触摸屏选择,有多种语言可供选择,系统与DICOM、PACS、 Teleradiology和其他遥控扫描系统相兼容。可以预见,计算机化超声成像这个趋势将越来越深入和广泛。
6. 超声探头工艺的改进
超声探头向着高密集、小曲率、高频率和两维等方面发展,微电子的工艺是其中的关键。高密集的探头阵元数达256个,高频率的探头包括: 50 MHz 的多普勒探头、45 MHz的血管内成像探头和100~200 MHz的皮肤成像探头等。两维的探头,目前的阵元数可达128×8。
7. 腔内和血管内超声成像
体表超声诊断已有将近50年的历史,介入性的超声技术虽仅为20年,在临床却已不断推广。如利用超声内镜检查消化道的疾病,可以发现消化道壁后的病变(这是光学纤维内镜所无法看到的)。又如心. 血管腔内的超声成像,利用导管将超声换能器插入血管,定性定量分析管壁斑块,鉴别管内血栓。由于深入器官,可以采用高频率的超声显像,从而获得高的图像分辨率。它们和体表超声成像系统相比,主要区别在于采用特殊的超声探头,即小型化,甚至微型化的探头,其中微马达技术是个关键。
可以预见:医学超声将会继续有较大的发展,并在医学临床诊断领域发挥越来越大的作用。