高頻超聲皮膚成像技術的研究

楊軍，計建軍， 李躍杰， 王延群， 劉亞偉，紀運紅， 宋學東

1 中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津市，300192

2 天津邁達醫(yī)學科技股份有限公司，天津市，300384

高頻超聲皮膚成像技術的研究

【作 者】楊軍1，計建軍1， 李躍杰1， 王延群1， 劉亞偉2，紀運紅2， 宋學東1

1 中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津市，300192

2 天津邁達醫(yī)學科技股份有限公司，天津市，300384

目的 通過研制高頻超聲皮膚成像系統(tǒng)，對皮膚的超聲圖像進行分析，探索皮膚結構的影像學特征，以探索高頻超聲成像在皮膚疾病診斷中的價值。方法 成像系統(tǒng)采用50 MHz單元超聲換能器，機械線性掃描方式進行成像。通過線靶掃描和臨床試驗驗證系統(tǒng)的分辨力和對皮膚組織及其病變的分辨能力。結果 成像系統(tǒng)的分辨力均達到50 μm，正常皮膚組織的細微結構清晰可見，一些病變在聲像圖中有明顯的表現(xiàn)。結論50 MHz的超聲皮膚成像系統(tǒng)具有很高的分辨率，對皮膚結構的觀察及疾病的診斷有一定的價值。

高頻超聲；皮膚超聲成像；線性掃描

皮膚病作為人類的一種常見病長期困擾著人類，尤其是近年來，患皮膚癌、銀屑病等疾病的患者有增多的趨勢。相對發(fā)病率的不斷增加，皮膚病的診斷手段，尤其是早期診斷的手段卻很匱乏，這類疾病通常需要活檢才可確診，增加了患者的痛苦，且常常因發(fā)現(xiàn)較晚而錯過最佳治療時間。

人類皮膚根據(jù)部位不同，厚度也不同，一般在(0.5～4) mm(不包括皮下脂肪)。常規(guī)的超聲成像設備可達到(0.2～0.5) mm的分辨力，不足以進行皮膚早期疾病的診斷，這也是過去超聲較少被用于皮膚疾病診斷的原因之一。隨著超聲成像技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了甚高頻(40 MHz以上)超聲成像技術，并已開始應用，其分辨力高于0.1 mm，已可以滿足皮膚結構的探查。1979年Alexander、Miller等人應用脈沖超聲檢測人類皮膚厚度，逐漸引起醫(yī)學界的關注。在西方國家，尤其是西歐在這方面的工作開展的較多較早。有研究表明，高頻超聲是準確、簡單、無創(chuàng)的測量皮膚厚度的方法[1]，并且對黑色素瘤、痣、血管瘤、結節(jié)性紅斑、皮膚惡性腫瘤等疾病的診斷有重要的指導意義[2-4]。從文獻上看，在采用不同超聲頻率探測時，同一病變的回聲信號經(jīng)常會有不同表現(xiàn)，除病變組織本身的因素外，組織對不同頻率的超聲的散射差異可能也是原因之一[5]。作者采用50 MHz高頻超聲，根據(jù)皮膚的結構特點，設計了專門應用于皮膚掃描的皮膚超聲診斷系統(tǒng)，并用于皮膚結構及疾病的觀察。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由超聲掃描探頭、模塊化設計的下位機和由PC機組成的上位機組成，如圖1所示。虛線框內是超聲信息采集模塊，構成系統(tǒng)的下位機，成像及圖像處理由作為上位機的PC平臺實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System principal diagram

(1) 超聲掃描探頭 確定探頭的工作頻率時，綜合分辨力和探測深度兩個因素，選擇采用50 MHz的超聲換能器，可以達到約4 mm的探測深度以及50 μm的軸向及側向分辨力，可滿足一般表皮和真皮層的探測。由于現(xiàn)階段還無法制作如此高頻的陣列換能器，因而采用單元換能器，利用機械機構實現(xiàn)掃描。根據(jù)皮膚結構的特點，在有限的探測寬度內(如15 mm以內)多為平坦形態(tài)。而單元換能器具有固定的焦點，傳統(tǒng)扇形掃描方式在掃描時焦點軌跡呈弧形，造成焦點在不同深度，使圖像不均勻。為使換能器焦點能夠始終保持在同一深度，從而保持圖像有均勻的分辨力，系統(tǒng)采用了線性掃描方式。兩種掃描方式示意如圖2，左邊為扇形掃描模式，聲場的焦域分布在不同深度，右邊為線性掃描模式，聲場的焦域在同一層面。

圖2 兩種掃描方式比較Fig.2 Two scan methods

對于50 MHz的超聲，其發(fā)射電路和接收電路都是關鍵的部分，發(fā)射激勵信號的脈沖寬度僅有10 ns左右，回波信號極其微弱，器件的速度，線路損耗都會很大程度地影響回波信息，為盡量避免電纜傳輸帶來的信號畸變和衰減，將發(fā)射以及前級射頻放大、檢波電路設計在探頭內部，盡量靠近換能器。而將檢波后的視頻信號通過電纜傳輸至下位機的視頻放大模塊，從成像的效果看，這樣的設計減少了信號的衰減并提高了抗干擾能力。

(2) 下位機模塊 回波信號經(jīng)放大、檢波后，經(jīng)高速A/D變換器采樣并存儲。下位機的控制管理是基于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）來實現(xiàn)的，完成回波數(shù)據(jù)的采樣、存儲，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊經(jīng)USB 2.0接口傳輸至上位機。數(shù)據(jù)傳輸模塊同時接收上位機的控制指令，驅動探頭進行掃描。

(3) 上位機模塊 上位機以PC機及外圍設備組成，軟件分底層數(shù)據(jù)收發(fā)及圖像構建程序和頂層影像工作站兩部分。底層程序向下位機發(fā)出控制命令，并將上傳的回波信息重建為二維圖像，頂層的影像工作站完成圖像的顯示、處理、采集、存儲和打印。

2 分辨力實驗

采用線靶掃描法來檢驗系統(tǒng)的分辨力。靶線由直徑為10 μm、相距50 μm的兩根平行的金屬鎢絲組成。

將測試靶線置于水槽中(水溫25oC )，將探頭前端的換能器浸入水中，在垂直于靶線的平面進行掃描，調整探頭高度，使靶線位于換能器的焦點處，分別對靶線進行水平掃描和垂直掃描。觀察圖像，可以看出圖像中可清晰分辨出兩根靶線，圖3左邊為水平距離為50 μm的兩根鎢絲的聲像圖，右邊為垂直距離為50 μm的兩根鎢絲的聲像圖，兩種情形均可清晰分辨。表明該超聲成像系統(tǒng)的軸向分辨力和側向分辨力均達到50 μm。

圖3 分辨力測試靶線聲像圖Fig.3 Resolution testing image for lines target

圖4 正常皮膚組織Fig.4 Normal skin issue

3 臨床實驗

采用該皮膚超聲成像系統(tǒng)對人的正常皮膚以及異常皮膚進行觀察，可以清晰觀察到正常皮膚組織的表皮、真皮、淺部的皮下組織以及毛發(fā)等（見圖4）。皮膚的表皮層呈高回聲，真皮層呈中高回聲，皮下組織則大部分呈低回聲，一些纖維組織則呈高回聲亮帶，縱切毛發(fā)時可見真皮層內斜行低回聲暗帶。

臨床試驗中，除大部分病變的輪廓形態(tài)能清晰觀察外，一些病變的內部回聲呈一定的特異性，如脂肪瘤、痣、瘢痕、基底細胞癌等(見圖5)。圖5(a)為脂肪瘤聲像圖，有清晰的邊界，內部中等回聲并逐漸衰減。圖5(b)為痣的聲像圖，表現(xiàn)為表皮下的低回聲，與真皮層有明顯的邊界并且較整齊，伴有聲影。圖5(c)為瘢痕的聲像圖，內部呈不均勻的團狀回聲，邊界比較明顯。圖5(d)為基底細胞癌(后經(jīng)病理證實)的聲像圖，表現(xiàn)為上下界面均不規(guī)則，且病灶內部有不規(guī)則的點狀強回聲。這些特征為進一步的診斷提供了可能性。

圖5 幾種皮膚病聲像圖Fig.5 Some skin disease images

4 討論

在檢驗系統(tǒng)分辨力的實驗中，對相距50 μm兩根線靶進行縱向和水平方向掃描，均可在聲像圖中明顯分辨出兩根線靶，表明該系統(tǒng)達到了50 μm的分辨能力。在臨床試驗中，正常皮膚的表皮層、真皮層以及汗毛等結構表現(xiàn)得比較清晰，對大多數(shù)常見病種的輪廓形態(tài)能夠清晰顯示，可觀察病變是否侵犯到真皮層或皮下結締組織。但多數(shù)病變的形態(tài)特征和內回聲特征不易區(qū)分，如痣、囊腫、感染性肉芽腫等均表現(xiàn)為邊界清晰的低回聲區(qū)，區(qū)別僅在聲像圖中痣通常伴有聲影。但對于有些病變，如瘢痕疙瘩、脂肪瘤、基底細胞癌等，雖然所做的病例數(shù)還較少，但從有限的病例中還是觀察到同一病種的病灶內部回聲有比較明顯的共性特征，因而有可能通過高頻超聲檢查來輔助判斷某些病變的性質，減少組織活檢的頻次，這對于一些敏感部位(如面部)病變的診斷具有更為重要的意義。

5 結論

作者研制的50 MHz的高頻超聲皮膚成像系統(tǒng)的軸向及側向分辨力均達到了50 μm，采用線性掃描方式可以在皮膚同一深度上獲得均勻分辨力的圖像，有利于皮膚結構的探查。該系統(tǒng)能夠清晰地觀察皮膚的表皮、真皮層、毛發(fā)、皮下血管等細微結構。對治療方法的選擇、手術方案確定、治療效果的觀察和評價具有重要意義。雖然目前還無法單用超聲來定性地判斷病變的性質，尤其是腫物的良性和惡性，但隨著高頻超聲在皮膚科的應用和這項技術的深入研究，將會積累更多的經(jīng)驗，摸索出更多的病變特征用以診斷疾病。

[1] 張淼, 張春松. 高頻超聲在皮膚疾病研究中的應用[J]. 中國醫(yī)學影像雜志, 2004, 12(3): 221-222.

[2] 盧漫, 岳林先, 戴耕武, 等. 皮膚惡性腫瘤術前超聲檢查的臨床價值[J]. 中國超聲醫(yī)學雜志, 2010, 26(4): 359-362.

[3] 張大昆. 超聲診斷在皮膚軟組織血管瘤中的應用[J]. 中國美容醫(yī)學, 2002, 11(5): 495-496.

[4] Bessoud B, Lassau N, Koscielny S, et al. High-frequency sonography and color Doppler in the management of pigmented skin lesions[J]. Ultrasound Med Biol, 2003, 29(6): 875-879.

[5] 鄭榮琴, 梁欣, 陳小云, 等. 皮下脂肪瘤的超聲診斷[J]. 影像診斷與介入放射學, 1999, 8(1): 39-40.

[6] 侯家聲, 劉石. 高頻超聲切面顯像診斷皮膚疾病[J]. 中國醫(yī)學影像技術, 1999, 15(5): 389-390.

[7] Foster FS, Pavlin CJ, Harasiewicz KA, et al. Advances in ultrasound biomicroscopy[J]. Ultrasound Med Biol, 2000, 26(1): 1-27.

The Research of Skin lmaging Technology with High Frequency Ultrasound

【 Writers 】Yang Jun1, Ji Jianjun1, Li Yuejie1, Wang Yanqun1, Liu Yawei2, Ji Yunhong2, Song Xuedong1
1 Institute of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences, Peking Union Medical College, Tianjin, 300192
2 MEDA Co. Ltd., Tianjin, 300384

high-frequency ultrasound, skin ultrasound imaging, linear scan

R445.1

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2013.06.004

1671-7104(2013)06-0398-03

2013-08-02

國家科技支撐計劃（2012BAI13B02）；天津市應用基礎及前沿技術研究計劃（12JCZDJC22500）

楊軍，研究員，博士生導師，研究方向：醫(yī)學超聲工程，

E-mail: yangj3210@hotmail.com

宋學東，副研究員，E-mail: xdsong2008@163.com

【 Abstract 】ObjectiveDeveloping a high-frequency ultrasonic skin imaging system to obtain the high resolution ultrasonic image of the skin. And further analyzing the ultrasonic images of skin to explore the imaging characteristics of skin structure and then explore the value of high-frequency imaging in the application of skin diagnosis.Methods50 MHz single element ultrasonic transducer, mechanic linear scanning method is used in the imaging system. The resolution and the ability of recognize the skin issue is verified by linear target scanning and clinical trials.ResultsBoth the axial and lateral resolution of the system reaches 50 μm. The subtle structure of normal skin tissue is clearly visible. Some diseases have obvious appearance in the image. Conclusions 50 MHz ultrasonic skin imaging system is of high resolution and is valuable to skin structure detect and disease diagnosis.