醫(yī)用超聲成像設(shè)備發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與趨勢綜述

姜琳琳 李瑞雪 蔣秋圓

1 國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心 （北京 100081）

2 深圳開立生物醫(yī)療科技股份有限公司 （廣東 深圳 518000）

3 通用電氣醫(yī)療系統(tǒng)貿(mào)易發(fā)展（上海）有限公司 （上海 201203）

內(nèi)容提要： 從醫(yī)用超聲成像設(shè)備的組成和分類、國內(nèi)外超聲技術(shù)發(fā)展歷程發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述，并對超聲行業(yè)的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)與展望。

醫(yī)用超聲成像是醫(yī)學(xué)、聲學(xué)和電子學(xué)等專業(yè)相結(jié)合的學(xué)科，20世紀(jì)80年代以來，超聲診斷成像和CT、MRI、核醫(yī)學(xué)一起構(gòu)成了臨床醫(yī)學(xué)中必不可少的四大影像診斷技術(shù)[1]。超聲成像技術(shù)與其他成像技術(shù)相比，具有安全無創(chuàng)、患者無痛苦、實(shí)時(shí)性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)防、診斷、治療疾病中有很高的價(jià)值，廣泛應(yīng)用于消化科、婦科、產(chǎn)科、泌尿科、胸科、小器官、兒科、心臟科、急診等多種檢臨床檢查，且逐漸與其他臨床科室結(jié)合，發(fā)展出消化科（超聲內(nèi)鏡）、心外科（血管內(nèi)超聲）等檢查應(yīng)用，目前超聲已是不可或缺的檢查方法（圖1）。

圖1. 超聲可檢查的人體部位

1.醫(yī)用超聲設(shè)備組成與分類

1.1 醫(yī)用超聲設(shè)備組成

超聲診斷儀向人體發(fā)射超聲波，并利用其在人體器官、組織的傳播過程中，由于聲的反射、折射、衍射而產(chǎn)生各種信息，將其接收、放大和信息處理形成波型、曲線、圖像或頻譜，最終在顯示器上顯示。一臺醫(yī)用彩色超聲診斷儀的外觀主要包括：探頭、主機(jī)、控制面板、顯示器及其他附件（圖2）。

探頭：探頭是超聲診斷儀的重要組成部分，其作用是發(fā)射和接收超聲波：發(fā)射時(shí)將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波進(jìn)入人體，接收時(shí)將人體反射的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過一系列的處理后成像。

主機(jī)：超聲診斷儀可認(rèn)為由前端、中端、后端3個部分組成（圖3）。前端是超聲波的發(fā)射與接收部分；中端（中間處理部分）是組織結(jié)構(gòu)信息提取部分；中端（中間處理部分）是從射頻回聲信號提取組織結(jié)構(gòu)信息（射頻回聲信號的包絡(luò)）與血流（和運(yùn)動組織）的動力學(xué)信息（多普勒頻移）并進(jìn)行成像處理，分別形成B型、M型、D型（PWD，CWD）、C型（CFM與CPA）的視頻圖像信號。后端是系統(tǒng)的控制與管理以及圖像顯示處理部分，其關(guān)鍵組成部分是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制與管理的計(jì)算機(jī)控制平臺。

圖2. 彩超外觀股骨髁假體

圖3. 超聲診斷設(shè)備組成框圖

表1. 臨床上應(yīng)用的主要超聲診斷法

1.2 超聲技術(shù)基本分類

醫(yī)學(xué)超聲的物理原理主要是利用超聲在人體中傳播時(shí)產(chǎn)生的反射或透射現(xiàn)象，根據(jù)獲得的不同聲學(xué)數(shù)據(jù)來反映人體中正常及病變情況。目前應(yīng)用最廣泛的一種是脈沖反射式的超聲診斷儀，根據(jù)臨床上應(yīng)用縱波顯示和探查方法的不同，又分為許多類型（見表1）。

2.國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展歷史（含歷程）

超聲成像技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一維到二維再到三維成像的過程，從靜態(tài)成像到動態(tài)成像，從結(jié)構(gòu)成像到功能成像，超聲診斷儀結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越強(qiáng)大，臨床診斷所獲得的信息越來越豐富。但其技術(shù)發(fā)展是一部不斷發(fā)展的揭示超聲回波信號隱含信息的歷史[2]。

2.1 國外技術(shù)發(fā)展歷史

圖4. Dussik 將超聲應(yīng)用于對腦腫瘤的監(jiān)測中

圖5. 20 世紀(jì)50 年代，在浴缸中進(jìn)行的超聲檢查

1880年，法國的Pierre Curie和Jacques Curie兄弟倆發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)，這是超聲探頭工作的基礎(chǔ)。直到1917年法國的Paul Langevin發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，研制出歷史上第一個超聲換能器，并使用該換能器探測到潛艇的超聲回波[4]。

在20 世紀(jì)30 年代后期，奧地利神經(jīng)學(xué)家Karl Theo Dussik[3]首先用超聲穿透法來探測顱腦疾病，并于1949年用此方法獲得了頭部的圖像，超聲從此開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域（圖4）。

20世紀(jì)40～50年代，全球范圍，尤其是以歐洲、美國和日本為代表相繼開展了超聲用于醫(yī)學(xué)診斷的探索。1949年，美國外科醫(yī)生George Ludwig公布了一種技術(shù)，允許人體中的異物顯示為“回聲，有點(diǎn)像雷達(dá)屏幕上的飛機(jī)?！盠udwig使用了一種改進(jìn)的超聲波材料測試設(shè)備，主要用于檢測膽結(jié)石，該設(shè)備非常成功。經(jīng)過幾次實(shí)驗(yàn)，他的方法準(zhǔn)確度達(dá)到了85%左右，最終證明了回聲成像最簡單形式的可行性：一維A型掃描。

與此同時(shí)，放射科醫(yī)生Douglass Howry希望建造一種能夠創(chuàng)造“真實(shí)圖像，類似于X射線掃描或照片”的裝置，以“區(qū)分健康組織和患病組織”。1949年，Howry在他的妻子Dorothy以及工程師Roderick Bliss和Gerald Posakony的幫助下，在自己的地下室根據(jù)其想法建造了首個設(shè)備。不久之后，醫(yī)生Joseph Holmes加入了這個小組。該設(shè)備包括來自雷達(dá)系統(tǒng)的替換部件，示波器和來自無線電商店的電子元件。該程序操作是非常不舒服的，特別是與現(xiàn)代系統(tǒng)相比：在第一個原型中，受試者需要坐在裝滿水的桶中，在隨后的版本中換成一種牛澆水槽，后來換成一種巨型金屬罐（圖5）。1954年，該小組創(chuàng)建了第一臺完全開發(fā)的復(fù)合掃描儀，其中超聲波探頭圍繞著從B-29轟炸機(jī)的炮塔上借來的齒圈上的浴缸旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)置提供了第一批真正的器官圖像。

在1952年美國Wild等首先報(bào)道了應(yīng)用A型超聲用于診斷人體組織結(jié)構(gòu)。而1954年，Edler與西門子工程師合作，開始用M（Motion）型超聲診斷多種心血管疾病。M型的原理是將同一個位置的回波信號按照時(shí)間的先后順序排列開，以來觀察該位置的組織的運(yùn)行情況，一般用來檢測心臟和血管。

進(jìn)入20世紀(jì)50年代后，科學(xué)家們開始探索B模式超聲成像，通過各種方法將不同的超聲掃描線組合成一副更加直觀的二維組織圖。日本Aloka公司在1960率先推出了商用A超SSD-2，以及基于水浴法的B超SSD-1。

早期的實(shí)時(shí)B超以機(jī)械掃描為主，即以電機(jī)帶動一個或幾個換能器按掃描線逐線掃描和接收回波信號以構(gòu)成二維圖像。1972年，荷蘭公司Organon Teknika發(fā)布了第一款基于電子線陣掃描的商用B超；美國ADR公司在1973年，日本Aloka、Toshiba、Hitachi也在1976年分別推出了電子線陣掃描的產(chǎn)品。1975年，澳大利亞Kossoff教授發(fā)明了掃描變換，使得B型超聲圖像以灰階方式能夠在普通電視顯示器上顯示。1978年，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字掃描變換（DSC）出現(xiàn)，Toshiba推出了第一臺基于DSC的B超EUB-20Z，同年Aloka也推出了類似的產(chǎn)品。此時(shí)，醫(yī)用超聲產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了欣欣向榮的景象，具有世界影響力的超聲公司超過45家（圖6）。

20世紀(jì)80年代初期，逐漸形成了以Acuson公司Acuson 128（1983年）為代表的，以DSC和電子掃描為特征的第一代醫(yī)用超聲診斷設(shè)備。時(shí)至今日，一些低端黑白超聲診斷設(shè)備很大程度上仍然沿用了這一設(shè)計(jì)。在此后80年代的大部分時(shí)間內(nèi)，醫(yī)用超聲產(chǎn)業(yè)進(jìn)行的是漸進(jìn)型的創(chuàng)新，包括：增加傳感器的數(shù)量，提高傳感器的工藝，提高計(jì)算機(jī)處理能力，逐步用數(shù)字處理環(huán)節(jié)替代模擬處理環(huán)節(jié)等。

圖6. 20 世紀(jì)70 年代的超聲公司[5]

圖7. CW 成像原理

圖8. 超聲脈沖多普勒原理

與此同時(shí)，另一些人則利用超聲波的其他物理特性，檢測人體組織器官的血流動力學(xué)信息，也就是利用超聲波和人體的運(yùn)動組織產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)（Doppler）來檢測。早在1957年日本人里村茂夫開始應(yīng)用連續(xù)多普勒超聲于診斷。他和日本日吉田常雄等在1957年發(fā)表了多篇連續(xù)式D型超聲診斷的文章，認(rèn)為從超聲頻移信號中可以判斷心臟瓣膜疾病。所謂的連續(xù)多普勒超聲，其原理是指在超聲設(shè)備上一部分換能器連續(xù)發(fā)射超聲波，另外一部分換能器聯(lián)系接收超聲波回波，利用信號處理技術(shù)提取回波中的多普勒頻移信號（圖7）。

1959年，F(xiàn)rame Ken研制出脈沖多普勒超聲儀。脈沖多普勒超聲儀的原理和連續(xù)多普勒類似，只是發(fā)射的是脈沖超聲波，且發(fā)射超聲波的換能器可以和接收超聲波的換能器是同一個（圖8）。脈沖多普勒相對于連續(xù)多普的優(yōu)勢是能夠?qū)δ骋惶囟ㄉ疃冉M織進(jìn)行運(yùn)動檢測，其劣勢是對于速度較高的血流和運(yùn)動組織，容易發(fā)生測量混疊現(xiàn)象。

1983年日本Aloka公司在全世界首先推出具有彩色多普勒血流成像（ColorDoppler Flow Imaging，CFM）的超聲診斷儀器。從此之后醫(yī)療超聲診斷影像設(shè)備邁入了彩超時(shí)代。該裝置采用了電子相控陣掃描技術(shù)，它是實(shí)時(shí)二維血流成像系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示心臟跳動時(shí)血液流動的彩色運(yùn)動圖像，改革了原來被認(rèn)為最困難的心臟病的診斷方法。Toshiba于1985年、Quantum Medical Systems（后被Siemens收購）于1986年、ATL（后被Philips收購）于1988年也相繼推出了各自的彩色超聲系統(tǒng)。彩色血流成像模式需要進(jìn)行大量的信號處理運(yùn)算，例如需要進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算提取由于運(yùn)動產(chǎn)生的相位變化以計(jì)算血流的速度大小和方向。電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及材料科學(xué)的發(fā)展為彩色血流成像模式提供了基礎(chǔ)，同時(shí)也促進(jìn)了其他一些關(guān)鍵技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展。1993年美國的ATL公司（1998年被飛利浦醫(yī)療收購）推出了第一款全數(shù)字超聲，使用全數(shù)字波束合成器，在超聲回波接收通路將A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)前移到波束合成之前，延遲精度大幅提高，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)接收動態(tài)聚焦，即超聲回波信號的焦點(diǎn)隨成像深度變化而動態(tài)改變，極大地提高了空間分辨率和信噪比，使得形成的超聲圖像更加清楚。其他新技術(shù)還包括大孔徑寬帶換能器、組織諧波成像等。這些新技術(shù)大幅提升了B模式圖像質(zhì)量，與彩色血流技術(shù)一起在90年代中期形成了醫(yī)用彩色超聲診斷儀的主導(dǎo)設(shè)計(jì)，并沿用至今。彩色超聲診斷儀的出現(xiàn)擴(kuò)大了超聲的使用范圍，并且迅速占領(lǐng)了醫(yī)用超聲診斷儀的中高端市場，而黑白超則越來越局限于低端市場。

2000 年以后，現(xiàn)代超聲蓬勃發(fā)展，新技術(shù)層數(shù)不窮。Esoate公司在2000年左右推出了超聲造影技術(shù)，Hitachi公司于2003年推出了按壓式彈性成像，Siemens于2008年推出聲壓力主動式彈性成像模式，即聲輻射力彈性成像模式。這些新興超聲成像模態(tài)，使得超聲可以同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能成像，大大拓寬了超聲的臨床應(yīng)用。

除此之外，高頻探頭的發(fā)展進(jìn)一步提高了超聲的分辨率，在淺表、甲狀腺、肌骨等領(lǐng)域得到了越來越多的臨床應(yīng)用。加拿大VisualSonics公司在Foster教授的帶領(lǐng)下研制的Vivo2100超聲像系統(tǒng)使用50MHz線性換能器陣列，配合造影劑的作用，分辨率達(dá)30～50μm，能夠清晰地觀測到小鼠、免子等小動物體內(nèi)器官。德國Ermert和Vogt課題組研制的20MHz和100MHz的雙頻超聲成像系統(tǒng)，兼顧表皮分辨率和皮下成像深度的因素，基于此系統(tǒng)進(jìn)行了多種皮膚成像及皮膚學(xué)疾病診斷的研究。

血管內(nèi)超聲（Intravascular Ultrasound，IVUS）成像是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一種新的介入式超聲成像技術(shù)。隨著介入型冠狀動脈治療技術(shù)的不斷發(fā)展和醫(yī)用電子材料技術(shù)的進(jìn)步，小型化并且柔軟性好，分辨率高的超聲導(dǎo)管被開發(fā)利用。按照血管內(nèi)超聲的掃描方式不同，可以將血管內(nèi)超聲分為機(jī)械掃描型（CVIS和Boston Scientific）和電子掃描型（Endosonics）。隨著導(dǎo)管技術(shù)的發(fā)展，IVUS的探頭導(dǎo)管越來越細(xì)、頻率也越來越高，已由原來的3～5F、10～30MHz發(fā)展到2.6～3.5F、20～50MHz，可以隨導(dǎo)絲進(jìn)入冠狀動脈系統(tǒng)的各個分支，其軸向分辨率也得到了進(jìn)一步提高。另一方面，近年來人工智能技術(shù)突飛猛進(jìn)，也帶動了超聲的智能化熱潮，圖像導(dǎo)航、自動測量、計(jì)算機(jī)輔助診斷等智能化工具已應(yīng)用于婦產(chǎn)、心臟、乳腺等多領(lǐng)域，成為了醫(yī)生的得力工具。隨著大規(guī)模集成電路芯片技術(shù)的不斷提升，使得小型化、低功耗、高性能便攜彩超設(shè)備不斷面世，尤其是小型手持式聽診器，在非超聲科室依靠其優(yōu)異的性價(jià)比獲得臨床醫(yī)生的青睞。

2.2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展歷史

1958年11月，上海第六人民醫(yī)院首先采用江南Ⅰ型超聲波探傷儀對人體進(jìn)行探索。該院成為我國超聲診斷技術(shù)應(yīng)用的發(fā)源地。

1962年，姚錦鐘在汕頭率先研制成功符合人體診斷要求的TS-1型超聲波診斷儀，并批量投入生產(chǎn)[6]。同年，武漢無線電元件廠與武漢協(xié)和醫(yī)院協(xié)作研制成功M型和ABP超聲診斷儀的主機(jī)。1965年姚錦鐘又成功開發(fā)出CTS-5（圖9），成為此后近20年國內(nèi)唯一一臺A型醫(yī)用超聲診斷產(chǎn)品[6]。

1983年，姚錦鐘在汕頭研制出了CTS-18型B型超聲診斷系統(tǒng)（圖10），實(shí)現(xiàn)了中華B超零的突破，并在次年的廣交會上拿到“金龍獎”。

安科于1989年推出了我國第一臺彩色多普勒超聲診斷儀。邁瑞于1993年推出了我國第一臺經(jīng)顱多普勒腦血流診斷儀。國產(chǎn)超聲先后實(shí)現(xiàn)了A超、B超和多普勒彩超的國產(chǎn)化，完成了模擬超聲發(fā)展階段。2001年，邁瑞發(fā)布了第一臺全數(shù)字黑白超聲診斷儀DP-9900，標(biāo)志著國產(chǎn)數(shù)字黑白超時(shí)代的到來。2003年，開立醫(yī)療成功推出中國第一臺自主知識產(chǎn)權(quán)的便攜彩超SSI-1000，2006年，邁瑞發(fā)布了國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的臺式彩超DC-6，標(biāo)志著數(shù)字彩超時(shí)代的到來。此后，國產(chǎn)超聲迅速發(fā)展，進(jìn)入百花齊放的時(shí)代，汕超、藍(lán)韻等廠商紛紛具備了生產(chǎn)彩超的能力。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2018年底在國家食品藥品監(jiān)督管理局注冊超聲診斷產(chǎn)品的廠家就有166家，比較有影響的還有無錫海鷹、祥生、深圳藍(lán)韻、威爾德等。另外，合資企業(yè)在國產(chǎn)超聲中也扮演著重要的角色，如無錫GE。還有部分新公司也積極進(jìn)入超聲領(lǐng)域，如深圳華聲、蘇州飛依諾。但由于我國超聲技術(shù)發(fā)展起步晚，國內(nèi)該領(lǐng)域大部分時(shí)間都處于追趕國外先進(jìn)水平的道路上，直到近年以開立、邁瑞為代表的超聲廠家推出的高端彩超圖像水平才能與進(jìn)口高端彩超一爭高低。

圖9. CTS-5 超聲診斷儀

圖10. CTS-18 型B 超在1984 年的廣交會上展出

3.行業(yè)發(fā)展趨勢

超聲診斷設(shè)備在臨床上的應(yīng)用已經(jīng)有六十多年的歷史，是一個發(fā)展成熟、競爭激烈的市場。受益于全球老齡化趨勢加快、疾病發(fā)病率上升、醫(yī)療衛(wèi)生投入增加、用戶需求升級、技術(shù)更新?lián)Q代等因素的影響，近年全球醫(yī)用超聲市場規(guī)模穩(wěn)步增長，根據(jù)權(quán)威第三方市場研究機(jī)構(gòu)IHS Markit估計(jì)，2018年，全球醫(yī)用超聲診斷設(shè)備市場規(guī)模約為70億美元，預(yù)計(jì)到2021年達(dá)到80億美元[7]。

全球約有100 多家超聲廠家提供了500 多款各式各樣的超聲設(shè)備，但基本由美國和歐洲的公司主導(dǎo)，GE醫(yī)療、Philips醫(yī)療占據(jù)全球超聲市場領(lǐng)頭地位，其余廠商包括德國西門子醫(yī)療、日本的日立、佳能醫(yī)療（原東芝醫(yī)療）、富士醫(yī)療，韓國的三星等，其中前五大廠商占據(jù)了75%以上的市場份額。國際巨頭依靠產(chǎn)品優(yōu)異的性能表現(xiàn)占據(jù)高端市場，通過創(chuàng)新研發(fā)和資本收購，逐漸將產(chǎn)品線拓展至婦產(chǎn)、心臟等多科室應(yīng)用場景，滿足多樣化用戶需求。

中國是繼美國之后全球第二大超聲市場，自2017以來，國家推出很多扶持國產(chǎn)醫(yī)療器械的政策和措施，包括分級診療、國產(chǎn)替代政策利好等。國產(chǎn)超聲設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣等方面取得顯著的提高，除少數(shù)科研型超高端彩超之外，國產(chǎn)彩超的功能性能基本可以滿足醫(yī)院的需求。2018年中國超聲市場規(guī)模約為16億美元，同比增長17%，顯著高于全球平均增速。到2021年有望達(dá)到20億美元。其中GPS三大廠商的市場份額已下降至60%以下，國產(chǎn)廠商占據(jù)約25%的市場[8]。在滿足國內(nèi)需求的同時(shí)，國產(chǎn)廠商積極開拓海外市場，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷亞太、歐美，出口金額逐年增長。中國已經(jīng)成為全球重要的彩超出口國，海外市場發(fā)展空間巨大。

從技術(shù)發(fā)展來看，今后以GPU為主的圖像處理技術(shù)將迅速替代傳統(tǒng)的硬件圖像處理方式。對于超聲信號的分析不僅僅局限于縱波的回波信號，還增加了剪切波、射頻信號。人工智能的應(yīng)用將醫(yī)生診斷圖像的經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué)向數(shù)據(jù)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，輔助診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，極大提高了臨床陽性病例的診出率，降低誤診概率。5G的普及使得遠(yuǎn)程醫(yī)療傳輸超聲實(shí)時(shí)動態(tài)影像成為現(xiàn)實(shí)，對分級診療、遠(yuǎn)程會診、統(tǒng)一教學(xué)提供很大的幫助。從客戶需求來看，超聲由于具有準(zhǔn)確、直觀、無創(chuàng)傷、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床上成為許多疾病的常用診斷方法。除了在超聲科、婦產(chǎn)科、心臟科這三大傳統(tǒng)科室的應(yīng)用外，超聲技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)的緊密結(jié)合帶動了超聲影像設(shè)備在臨床應(yīng)用的延伸和分化，如：甲乳外科、血管科、消化科、皮膚科、泌尿科、腫瘤科、眼科、急診、ICU等臨床都需要彩超。超聲產(chǎn)品在一機(jī)多用、滿足全身應(yīng)用場景的同時(shí)向便攜化以及更具臨床針對性的專科化發(fā)展將是未來的趨勢。