醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)發(fā)展和新趨勢

黃亞蘭 姜琳琳 李瑞雪

（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，深圳 518054）

醫(yī)學(xué)超聲成像的技術(shù)原理主要是利用超聲在人體器官、組織的傳播過程中，由于聲的反射、折射、衍射等而產(chǎn)生各種不同信息，再將信息接收、放大和處理形成波型、曲線、圖像等在顯示器上顯示，從而根據(jù)獲得的不同聲學(xué)數(shù)據(jù)來反映人體內(nèi)部情況。

醫(yī)學(xué)超聲是集理、工、醫(yī)相結(jié)合的一門新興學(xué)科，由于其無創(chuàng)、無輻射、使用方便快捷和設(shè)備成本較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于臨床疾病的診斷和治療中。從20世紀(jì)80年代超聲成像技術(shù)誕生，歷經(jīng)30多年的探索、創(chuàng)新，近年來又隨著醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字與電子技術(shù)、材料學(xué)、圖像算法等多學(xué)科的應(yīng)用發(fā)展，大量的新進(jìn)展不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用在超聲診斷設(shè)備上，超聲影像診斷技術(shù)獲得空前的發(fā)展［1］。

1 超聲成像技術(shù)基本分類

1.1 A型超聲診斷法

A型超聲（A超）診斷法是一種幅度調(diào)制型的顯示模式，是最早應(yīng)用于臨床的診斷模式。其顯示方式類似于示波器，橫坐標(biāo)表示超聲的傳播時(shí)間，也代表探測深度；縱坐標(biāo)代表超聲回波的幅度，代表回聲強(qiáng)度，反映聲學(xué)界面的聲阻抗差［2，3］，如圖1所示。

圖1 大腦A超圖像

A超屬于一維超聲成像，其回波只能反映沿聲束傳播路徑上組織的反射情況，不能提供解剖圖像，已逐漸被B型超聲（B超）等代替。但A超檢查適用于靜止的、簡單解剖結(jié)構(gòu)的掃查和線性測量，目前主要用于腦中線測量、眼軸測量、胸腔積液測量等方面。

1.2 B型超聲診斷法

B超診斷法是在A超基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種輝度調(diào)制顯示法，也稱二維灰階成像或黑白成像。其圖像由不同亮度的點(diǎn)所組成的直線構(gòu)成。點(diǎn)的亮度代表接收到回聲的振幅。通過連續(xù)掃描，二維的剖面圖像不斷地被更新，這就是實(shí)時(shí)B模式，是目前臨床應(yīng)用最基本、最廣泛的超聲成像方式，現(xiàn)代超聲多普勒成像設(shè)備都是以二維灰階成像方式為基礎(chǔ)。其圖像顯示的是人體組織或臟器實(shí)時(shí)動態(tài)的二維斷面圖，如圖2所示。

圖2 肝癌二維灰階圖

B超利用組織或臟器中各界面的反射回波及散射回波的幅度變化來反映人體組織和臟器的解剖形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面的信息，具有直觀性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、便于診斷的特點(diǎn)。其他常用的超聲掃查技術(shù)基本上也要與B型掃查結(jié)合使用。因此，B型掃查在超聲診斷設(shè)備中是應(yīng)用最廣，最具有活力，最重要的一種掃查方法。

1.3 M 型超聲診斷法

M型超聲（M超）診斷法是沿聲束傳播方向的目標(biāo)，其位移隨時(shí)間變化的一種顯示模式。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示探測深度，圖像的亮度表示回波的強(qiáng)度，于是就能獲得聲束傳播方向各反射界面的運(yùn)動曲線圖，如圖3所示。

圖3 A型、M型及B型超聲成像示意圖［4］

M超仍屬于一維超聲成像，因而可以測量有關(guān)心臟結(jié)構(gòu)的大小，如管壁、室壁、中隔的厚度等。M型的活動曲線可以觀察心臟結(jié)構(gòu)活動情況，如心肌、瓣膜的運(yùn)動功能，計(jì)算其活動速度、射血分?jǐn)?shù)等，以此了解心臟活動功能情況。

由于M超不能提供心臟的二維解剖結(jié)構(gòu)，目前M超與B超經(jīng)常結(jié)合使用。通過B模式的切面圖上顯示M型取樣線，用以指示M型的取樣位置，于是通過調(diào)節(jié)M型取樣線位置，就可以獲得相應(yīng)解剖位置的M型圖像，如圖4所示。

圖4 B型、M型超聲顯示心臟圖像［4］

1.4 C和F型超聲診斷法

C型超聲是指“特定深度掃查”，與B超一樣都是輝度調(diào)制的二維切面顯示，但B超獲得的是超聲聲束掃查平面的切面圖像，即縱向切面圖像。而C型掃查所獲得的是距離探頭某一特定深度，與掃查聲束軸向垂直的切面圖像，即橫向切面圖像。

F型超聲與C型超聲在原理上相似，區(qū)別在于：在掃查獲得一幅圖像時(shí)，C型探頭距掃查平面的深度是不變的，而F型的深度根據(jù)成像需可隨時(shí)改變。

由于C型和F型掃查的靈敏度較低，成像速度較慢，使得該技術(shù)的發(fā)展受到限制。

1.5 3D型超聲診斷法

3D型超聲顯示的是組織器官的立體圖，也同樣是利用輝度來表示超聲回波的幅度信息。3D型一般按成像方式分為靜態(tài)三維成像、動態(tài)三維成像和實(shí)時(shí)三維成像。目前三維成像作為二維超聲的補(bǔ)充在產(chǎn)科［5］、心臟檢查［6］應(yīng)用較多。利用此技術(shù)可以對人體臟器感興趣區(qū)域進(jìn)行立體、多層、多角度的分析，從而獲得更充分的超聲信息，如圖5所示。

圖5 胎兒三維圖像

1.6 Doppler型超聲診斷法

多普勒超聲成像是利用多普勒效應(yīng)原理，對運(yùn)動的臟器和血流進(jìn)行檢測，通過檢測回聲的多普勒信號來獲取人體運(yùn)動目標(biāo)的速度信息，本質(zhì)上是運(yùn)動速度成像。

將檢測到的多普勒頻移信號（速度信息）以頻譜的方式顯示，稱為頻譜多普勒技術(shù)。按照聲源在時(shí)域的工作狀態(tài)，可以分為脈沖波多普勒（PW）、連續(xù)波多普勒（CW）和高脈沖重復(fù)頻率多普勒（HPRF）。

彩色多普勒技術(shù)則是將檢測到的多普勒頻移信號進(jìn)行彩色編碼，以紅色表示朝向探頭的運(yùn)動，藍(lán)色表示背離探頭的運(yùn)動，綠色表示運(yùn)動速度的表異性，然后疊加到B超圖像上，獲得彩色血流圖，因此通稱為彩超。

圖6 頻譜多普勒圖像

圖7 頸動脈彩色多普勒圖

傳統(tǒng)的多普勒血流成像檢測的是紅細(xì)胞運(yùn)動信息，后來出現(xiàn)的組織多普勒成像則是檢測心肌、血管壁等組織的運(yùn)動，如圖8所示。

圖8 TDI組織多普勒成像

1.7 諧波成像

利用人體回波中諧波的非線性現(xiàn)象所形成的超聲圖像稱為諧波成像，根據(jù)非線性因素的不同可以分為組織諧波成像和造影諧波成像。

1.7.1 組織諧波成像

采用濾波技術(shù)，去除基波而利用組織諧波進(jìn)行成像的方法通常稱為組織諧波成像，如圖9所示。由于組織諧波具有非線性的特性，用這種方法可以消除基波的噪聲和干擾，以及旁瓣產(chǎn)生的混響。這樣可以消除近場偽像干擾和近場混響，明顯改善信噪比，提高圖像的質(zhì)量和對病灶的檢測能力［7］。特別對于由于肥胖、肋間隙狹窄、胃腸氣體干擾、腹壁較厚或疾病等原因而被超聲稱為是顯像困難的病人，組織諧波成像對心內(nèi)膜和心肌的顯示、腹部深部血管病變邊界的顯示、血栓的輪廓、腹部占位性病變、囊性病變的內(nèi)部回聲等有明顯改善［8］。

圖9 基波、諧波的分離示意圖

1.7.2 造影諧波成像

造影諧波成像是一種利用超聲造影劑的非線性振動產(chǎn)生的諧波進(jìn)行成像的技術(shù)。隨著超聲設(shè)備性能的改進(jìn)和新型超聲造影劑的出現(xiàn)，超聲造影已經(jīng)能夠有效增強(qiáng)實(shí)質(zhì)性器官［9］以及實(shí)體腫瘤［10］的二維超聲影像和血流信號，利用超聲造影技術(shù)觀察正常組織和病變組織的血流灌注情況、腫瘤血管分布和灌注特點(diǎn)、評價(jià)腫瘤介入治療和靶向藥物治療效果等方面已成為臨床超聲診斷的十分重要手段和科研熱點(diǎn)。

2 醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)發(fā)展趨勢

縱觀超聲診斷技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)由“點(diǎn)”（A超）、“線”（M超）、“面”（二維超聲）、“體”（三維超聲）的發(fā)展過程；也是一個(gè)由一維陣向二維陣朝三維陣的發(fā)展過程；由靜態(tài)成像向?qū)崟r(shí)動態(tài)成像的發(fā)展過程；由單參量診斷向多參量診斷技術(shù)的發(fā)展過程；從單一器官到全身的發(fā)展過程［11］。隨著計(jì)算機(jī)、芯片技術(shù)以及其他軟硬件各方面的技術(shù)提升與發(fā)展，超聲成像技術(shù)仍在不斷地在多方向?qū)崿F(xiàn)突破并發(fā)展出新技術(shù)。

2.1 二維成像新技術(shù)

傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)中，由于芯片計(jì)算能力的缺陷，只能實(shí)現(xiàn)少數(shù)角度的空間復(fù)合。隨著芯片計(jì)算能力的提升，掃描幀頻越來越快，就可以實(shí)現(xiàn)更多角度的空間復(fù)合，而且可以與頻率復(fù)合相互結(jié)合，到達(dá)多維度復(fù)合成像，能夠提供信息量更豐富的高質(zhì)量超聲圖像。

2.2 3D／4D超聲成像新技術(shù)

傳統(tǒng)黑白B型超聲以及彩色血流超聲都是2D圖像，只能在一個(gè)平面上進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。20世紀(jì)80年代末，奧地利Kretztechnik公司推出了第一臺商用的3D超聲，使用一個(gè)機(jī)械擺動的凸型探頭來進(jìn)行3D掃描，用于胎兒的產(chǎn)前檢查。4D超聲是在3D超聲的基礎(chǔ)上加入時(shí)間維度，即連續(xù)進(jìn)行體數(shù)據(jù)采集和成像，得到實(shí)時(shí)運(yùn)動的三維圖像。20世紀(jì)90年代末期，超聲3D／4D成像技術(shù)逐漸趨于成熟，廣泛應(yīng)用于婦科［12］、產(chǎn)科［13］、心臟檢查［14］、造影［15］、以及基于圖像融合的手術(shù)導(dǎo)航［16］等多個(gè)領(lǐng)域。例如：在產(chǎn)科超聲應(yīng)用中，對胎兒顏面部、顱腦和心臟等組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維成像，可以給醫(yī)生提供更直觀的3D組織立體結(jié)構(gòu)顯示圖，輔助醫(yī)生進(jìn)行分析、診斷和治療。超聲3D／4D成像技術(shù)已成為各大主流超聲廠商的必備功能，是臨床超聲檢查中重要的組成部分。

2.3 彈性成像新技術(shù)

超聲彈性成像的基本原理是對組織施加一個(gè)內(nèi)部（包括自身的）或外部的動態(tài)／靜態(tài)／準(zhǔn)靜態(tài)的激勵(lì)，在彈性力學(xué)、生物力學(xué)等物理規(guī)律作用下，組織將產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，如位移、應(yīng)變、剪切波速度的分布隨不同組織而發(fā)生改變。利用超聲成像方法，結(jié)合信號處理、圖像處理技術(shù)，可以估計(jì)出組織內(nèi)部這些物理量的相應(yīng)情況，從而間接或直接反映組織內(nèi)部的彈性模量等力學(xué)屬性的差異［17，18］。

超聲彈性成像按激勵(lì)方式的時(shí)間特性可分為靜態(tài)／準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)兩類方法。前者所施加的力緩慢變化，如探頭緩慢按壓；后者則是變化快速的沖擊或振動，如聲輻射力脈沖（acoustic radiation force impulse，ARFI）或活塞式的振動源。

超聲彈性成像對組織病變過程中的硬度變化具有高的敏感性，隨著超聲彈性成像技術(shù)的產(chǎn)品化，超聲彈性成像目前已應(yīng)用于肝臟、乳腺、甲狀腺、前列腺等多種器官的疾病診斷中，并與二維灰階成像、彩色多普勒等互補(bǔ)，提供豐富的診斷信息，在乳腺癌良惡性判別［19］、甲狀腺良惡性結(jié)節(jié)鑒別診斷［20］、動脈斑塊診斷和破裂風(fēng)險(xiǎn)評估［21］、聚焦超聲和射頻消融治療的監(jiān)控與療效評估［22］等臨床領(lǐng)域應(yīng)用并取得了良好的效果。

2.4 造影成像新技術(shù)

超聲造影技術(shù)的出現(xiàn)有力地推動了醫(yī)學(xué)超聲的發(fā)展進(jìn)程，提升了醫(yī)學(xué)超聲在現(xiàn)代影像技術(shù)中的水平和地位。與其它醫(yī)學(xué)影像設(shè)備（如CT、MRI、PET等）中的造影技術(shù)類似，超聲造影技術(shù)需借助造影劑以增強(qiáng)顯示病灶的位置、結(jié)構(gòu)及其動態(tài)血流灌注情況，增強(qiáng)超聲圖像的敏感度和特異性，最終達(dá)到特定的臨床診斷目的［23］。

超聲造影劑一般是脂質(zhì)外殼包裹起來的微氣泡，其尺寸、血流動力學(xué)的表現(xiàn)接近于血液中的紅細(xì)胞。經(jīng)靜脈注射后，能夠通過肺－體微循環(huán)到達(dá)人體的各個(gè)器官與組織，一定時(shí)間后以氣體形式由呼吸系統(tǒng)排出［24］。

在傳統(tǒng)造影成像的基礎(chǔ)上，根據(jù)其成像時(shí)效性的特點(diǎn)，近年來發(fā)展出更多的成像技術(shù)，如：MFI造影微血管示蹤成像技術(shù)、MFI Time蝶彩灌注成像技術(shù)、Mix Mode造影混合成像技術(shù)等。

診斷病灶性質(zhì)方面最典型的應(yīng)用是以肝臟造影為代表的腹部造影，已成為實(shí)質(zhì)臟器腫瘤良惡性判斷的常規(guī)手段，且已形成統(tǒng)一的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)；針對其它器官（如甲狀腺、乳腺、頸動脈等）的造影檢查，尚處于臨床基礎(chǔ)研究階段，隨著大量病例的積累與分析，歐洲和中國也先后出臺了相應(yīng)的臨床應(yīng)用指南。在器官功能性的診斷方面，心肌造影（myocardial contrast echocardiography，MCE）是最典型的例子，通過觀察和分析心肌處冠脈微循環(huán)的復(fù)流能力，來評估心肌缺血和心功能不全的風(fēng)險(xiǎn)。超聲輸卵管造影操作相對簡單，且無輻射，可清晰的顯示輸卵管的空間立體走形，為輸卵管通暢度評估提供有價(jià)值的診斷信息。

2.5 融合成像新技術(shù)

超聲融合成像導(dǎo)航是近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，其原理是把CT或MRI圖像三維數(shù)據(jù)輸入超聲設(shè)備內(nèi)，通過高精度的磁感應(yīng)定位器，使任何一個(gè)面的超聲圖像和任何一個(gè)面的CT或MRI圖像完全對應(yīng)，達(dá)到兩種圖像完全融合。操作者隨意移動探頭更換切面CT／MRI的圖像都會實(shí)時(shí)與之聯(lián)動，確保監(jiān)視器上顯示的超聲和CT／MRI圖像為同一切面。實(shí)現(xiàn)兩種圖像對治療過程的共同引導(dǎo)，充分發(fā)揮CT或MRI高分辨率的優(yōu)勢和超聲實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，超聲融合成像為介入導(dǎo)航提供很大的便利，病灶顯示更準(zhǔn)確，診斷更充分，治療更安全，操作更簡便［25，26］。此技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅可以馬上解決醫(yī)療現(xiàn)場的實(shí)際問題，更為前景廣闊的超聲介入治療領(lǐng)域的發(fā)展提供了全新的思維。

在腹部腫瘤的診斷和治療中，超聲融合成像導(dǎo)航可以發(fā)揮很大作用：可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)超聲檢查不能檢出的病灶，可以完整顯示治療超聲不能顯示全貌的大病灶，可以對大腫瘤消融時(shí)進(jìn)行治療手術(shù)計(jì)劃。同樣此技術(shù)也可用在肺腫瘤和前列腺穿刺應(yīng)用中。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)也不斷發(fā)生著改變和進(jìn)步。圖像的采集與顯示由二維模擬向三維全數(shù)字化發(fā)展、從單一圖像技術(shù)向綜合圖像技術(shù)發(fā)展；采集到的影像信息在敏感性、直觀性、特異性、早期性等各方面也日益提升。由于信息技術(shù)的發(fā)展，影像處理軟件及工作站的開發(fā)、計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)的應(yīng)用乃至大數(shù)據(jù)以及人工智能等新技術(shù)在超聲影像診斷設(shè)備中的的應(yīng)用，醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)的發(fā)展將逐漸數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、融合化、智能化，超聲診斷儀器的性能將不斷提高、功能不斷完善、用途不斷擴(kuò)展，為臨床醫(yī)學(xué)診斷提供越來越強(qiáng)有力的支撐。