醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)與應(yīng)用的創(chuàng)新與發(fā)展

■ 文 /施 俊

施俊，上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所教授。

超聲成像技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展進一步擴展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

醫(yī)學(xué)超聲成像是臨床最常用的影像檢查方式，其成像原理是超聲波在人體組織和臟器界面上發(fā)生的反射、折射、散射、繞射、衰減，以及聲源與接收器相對運動產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性，因此接收到的回波信號中攜帶了能表征人體生物組織特性的信息，對此進行成像，可以實現(xiàn)對人體的檢測與診斷。

超聲成像具有無損傷、無電離輻射、動態(tài)實時顯像、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，即使在基層醫(yī)院也有廣泛的應(yīng)用。目前，中國已成為繼美國、日本之后的世界第三大彩超市場。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)公開數(shù)據(jù)，2013—2019年全球醫(yī)用超聲診斷設(shè)備市場逐步增長，預(yù)計到2019年將達到74億美元，中國醫(yī)用超聲診斷設(shè)備市場規(guī)模將達91億元人民幣。

20世紀(jì)70年代，二維灰階超聲成像設(shè)備的研制應(yīng)用，標(biāo)志著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)對軟組織結(jié)構(gòu)成像的新紀(jì)元。而80年代出現(xiàn)的彩色多普勒超聲成像技術(shù)則被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)超聲成像的第二次革命。隨著計算機、聲學(xué)、電子、材料等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)和應(yīng)用有了新的突破。

醫(yī)學(xué)超聲成像新技術(shù)

●超聲造影成像

超聲造影是醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一。超聲造影是在靜脈或皮下注射造影劑微泡，通過微泡在聲場激勵下所產(chǎn)生的非線性散射回波信號進行成像，利用微泡聲學(xué)效應(yīng)來增強組織器官顯像，凸顯局部病灶，評價微循環(huán)灌注，從而提高疾病診斷的準(zhǔn)確性。超聲造影同樣具有實時、便捷、無輻射等優(yōu)點，現(xiàn)已在臨床獲得了廣泛的認(rèn)可及應(yīng)用，被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)超聲成像的第三次革命。

目前，新型的非線性超聲造影成像方法包括次諧波成像、平面波成像、基于編碼發(fā)射技術(shù)的造影成像等。超聲造影的關(guān)鍵是超聲造影劑，前三代造影劑包括第一代的游離微氣泡造影劑、第二代的包裹空氣的微氣泡造影劑以及第三代的包裹高分子氟碳氣體的造影劑。隨著分子影像學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了第四代靶向超聲造影劑。該造影劑在包膜上結(jié)合特異性配體或抗體，通過這些特異性的配體或抗體與某些特定的受體或抗原相結(jié)合實現(xiàn)組織靶向成像，可以應(yīng)用于腫瘤等疾病的早期診斷，極具臨床應(yīng)用價值，是目前研究的熱點。

●超快超聲成像

傳統(tǒng)的超聲成像一般采用電子聚焦掃描的方式，且需要進行多次聚焦發(fā)射以產(chǎn)生1幀完整的B型超聲圖像，這導(dǎo)致其成像的幀頻較低，從而在一定程度上限制了超聲成像的臨床應(yīng)用。

2009年，法國Super Sonic公司研制的超聲成像系統(tǒng)引入了第一個全軟件的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超快速超聲成像。同年，該公司科學(xué)家杰里米·貝赫考夫（Jeremy Bercoff）等研究人員提出了利用平面波的相干復(fù)合成像技術(shù)，其幀率可達到每秒幾百至上千幀，有效提升了超快超聲的成像質(zhì)量。近年來，超快超聲成像技術(shù)吸引了廣泛的關(guān)注。

平面波超快超聲成像是基于平面波發(fā)射的超聲成像模式，它不對換能器中的陣元設(shè)置延時，而是所有陣元在同一時刻發(fā)射超聲信號，這樣通過一次發(fā)射即可覆蓋整個成像區(qū)域，有效降低了成像所需發(fā)射次數(shù)，極大地提高成像的幀頻。但是，平面波全孔徑發(fā)射會引起波束不聚焦、波束寬度大，導(dǎo)致所形成的圖像存在信噪比、對比度、分辨率較差的問題。因此，需要進一步采用平面波相干復(fù)合成像方法，即通過發(fā)射一系列不同偏轉(zhuǎn)角度的平面波，然后對接收到的回波數(shù)據(jù)進行波束合成，再相干疊加形成圖像，提高圖像清晰度、對比度和分辨率，從而形成高質(zhì)量的超聲圖像。

目前，超快超聲已經(jīng)在多種超聲成像模態(tài)上取得突破，如剪切波彈性成像、多普勒血流成像、分子成像等，極具應(yīng)用前景。

醫(yī)學(xué)超聲圖像處理新技術(shù)

隨著以深度學(xué)習(xí)為代表的機器學(xué)習(xí)技術(shù)在信號和圖像處理領(lǐng)域獲得巨大的成功，特別是AlphaGo橫掃職業(yè)圍棋選手，人工智能吸引了全民關(guān)注。在醫(yī)療領(lǐng)域，智能醫(yī)療是目前最熱的研究方向之一。其中，基于醫(yī)學(xué)影像的計算機輔助分析、檢測和診斷是研究的重點。

目前，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的CT圖像肺結(jié)節(jié)檢測是人工智能在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域最為成功的應(yīng)用之一，已經(jīng)有公司推出了該款產(chǎn)品。在超聲圖像處理領(lǐng)域，基于深度學(xué)習(xí)的研究也獲得了廣泛的關(guān)注。早在2012年，澳大利亞阿德萊德大學(xué)的古斯塔沃·卡內(nèi)羅（Gustavo Carneiro）等研究人員提出了基于深度學(xué)習(xí)的心臟超聲圖像左心室分割算法，之后他們又提出了基于深度學(xué)習(xí)的心臟超聲圖像左心室心內(nèi)膜跟蹤算法。近幾年，基于深度學(xué)習(xí)的超聲圖像處理算法不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用B型超聲圖像、彈性超聲圖像、超聲造影圖像等實現(xiàn)病灶分割、診斷等任務(wù)，都取得了優(yōu)異的成果。

科研成果也促進了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。2016年，三星公司的醫(yī)學(xué)成像子公司宣布其新的超聲設(shè)備實現(xiàn)了基于深度學(xué)習(xí)的乳腺癌檢測。最近，浙江大學(xué)孔德興教授團隊研發(fā)了面向甲狀腺結(jié)節(jié)診斷的“DE-超聲機器人”人工智能輔助診斷系統(tǒng)，且已經(jīng)在浙江大學(xué)第一附屬醫(yī)院實現(xiàn)臨床測試?？捉淌谡J(rèn)為：“經(jīng)過上萬病例診斷率驗證，‘DE-超聲機器人’相當(dāng)于一個三甲醫(yī)院副主任醫(yī)師的水平。”全球第一例也是唯一一例通過美國FDA、歐盟CE Mark審批許可上市的甲狀腺超聲計算機輔助檢測系統(tǒng)“甲狀偵/安克偵”，通過與超聲醫(yī)生的兩次“人機大戰(zhàn)”，也證實了在二維超聲圖像的甲狀腺讀片領(lǐng)域，其準(zhǔn)確率并不遜色于專業(yè)醫(yī)生，甚至超過了醫(yī)生的平均水平，而在效率上則具有絕對的優(yōu)勢。超聲智能輔助診斷可以幫助醫(yī)生提高診斷的準(zhǔn)確性和效率，提高基層醫(yī)生的超聲診斷水平。

此外，隨著基因組學(xué)、影像組學(xué)研究如火如荼地展開，有關(guān)超聲影像組學(xué)的研究也已經(jīng)逐步展開，通過提取大量高維度的定量超聲影像特征，可以整體分析腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性，獲取臨床及傳統(tǒng)影像處理所無法提供的信息?；诔曈跋窠M學(xué)的乳腺腫瘤、甲狀腺乳頭狀癌等疾病的分析診斷研究已經(jīng)取得了一定的進展。

醫(yī)學(xué)超聲新應(yīng)用

隨著超聲成像技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，其應(yīng)用也在不斷拓展。例如，基于經(jīng)顱超聲的帕金森病診斷已經(jīng)在臨床逐步開展，基于超聲分子成像的心血管和腫瘤研究也已經(jīng)取得了許多重要進展，基于超聲微泡的定點給藥及治療一體化研究也在進行中。

目前，最引人注目的新應(yīng)用是超聲神經(jīng)調(diào)控。在2017年11月《自然》（Nature）雜志中，《未來用于大腦的超聲技術(shù)》這一綜述論文引用報道了中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院鄭海榮研究員團隊研制的基于聲輻射力效應(yīng)的超聲神經(jīng)調(diào)控儀器，這種無創(chuàng)的技術(shù)為神經(jīng)科學(xué)和腦疾病研究提供了新的方法和工具。

超聲神經(jīng)調(diào)控采用超聲波作為刺激能量的傳播載體，基于超聲的力學(xué)效應(yīng)，通過不同強度、頻率、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、持續(xù)時間超聲波作用于目標(biāo)區(qū)域，從而使得中樞神經(jīng)產(chǎn)生刺激或抑制效應(yīng)，調(diào)控周圍和中樞神經(jīng)回路的電活動，從而對神經(jīng)功能產(chǎn)生雙向調(diào)節(jié)的可逆性變化。超聲神經(jīng)調(diào)控技術(shù)可應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)假體、疾病治療等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的電、磁、光等神經(jīng)刺激技術(shù)相比，超聲神經(jīng)調(diào)控具有穿透深度大、靶點控制便捷以及可圖像引導(dǎo)等優(yōu)點，是一種極具潛力的超聲技術(shù)。目前，國內(nèi)以中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院鄭海榮研究團隊和上海交通大學(xué)的童善保教授團隊為代表的多個研究團隊已經(jīng)在超聲神經(jīng)調(diào)控方面取得了較為突出的成果。

醫(yī)學(xué)超聲發(fā)展趨勢

隨著超聲技術(shù)的不斷更新，超聲業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為醫(yī)學(xué)超聲成像正在向以下方向發(fā)展：早期診斷“看得早”、精確診斷“看得清”、超聲操控與調(diào)控、成像診斷-給藥-治療的“多功能診療一體化”，小型化、智能化也是重要的發(fā)展趨勢。具體來講，我們認(rèn)為以下四個方向可在短期內(nèi)實現(xiàn)一定的突破。

（1）超聲儀器小型化。這是一種發(fā)展趨勢，移動（掌上）超聲能讓醫(yī)生突破醫(yī)院環(huán)境的限制而輕松獲取超聲圖像，這將從根本上改進醫(yī)生對疾病的診斷流程，提高醫(yī)療服務(wù)水平。目前，多家公司已經(jīng)開發(fā)出了移動（掌上）超聲設(shè)備。

（2）計算機輔助診斷系統(tǒng)。由于超聲檢查中對醫(yī)生操作手法等的依賴性，針對醫(yī)學(xué)超聲圖像的計算機輔助診斷系統(tǒng)的研發(fā)，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和可靠性是面臨的一個重要問題。目前，國家相關(guān)部門已經(jīng)籌劃開展建立國家超聲醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)庫的計劃。

（3）超聲云計算。智能超聲的另一個趨勢是超聲云計算，通過云平臺實現(xiàn)超聲圖像的存儲、分析計算等，包括實現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)等方法的計算分析。

（4）超聲影像組學(xué)。隨著醫(yī)學(xué)超聲數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集的推行，超聲影像組學(xué)有望取得突破，進一步結(jié)合基因組學(xué)及其他影像組學(xué)的研究，可以服務(wù)于腫瘤的診斷、治療和預(yù)后等方面，為腫瘤的精確治療提供新的依據(jù)。

國產(chǎn)超聲設(shè)備已經(jīng)在國際市場上具備了一定的競爭力，但仍需要進一步的努力，特別是要提升高端超聲設(shè)備的競爭力，這就需要全體超聲領(lǐng)域研究人員的共同努力。