基于微凸容積探頭的新生兒顱腦超聲掃查系統(tǒng)

蔡澤杭 陳少輝 吳晞 汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司 （廣東 汕頭 515000）

內(nèi)容提要： 目的：為了提高新生兒顱腦超聲掃查效率，操作標準化，切面標準化，實現(xiàn)醫(yī)技分離。方法：由微凸容積探頭、超聲收發(fā)前端、信號處理、后處理軟件、顯示器、控制面板等構(gòu)成系統(tǒng)，通過微凸容積探頭經(jīng)過新生兒前囟以獲取顱腦正在矢狀面作為探頭位置擺放的標準起始位置后，即可啟動儀器中的“自動顱腦容積”功能，由超聲主機驅(qū)動探頭自動完成對整個顱腦容積數(shù)據(jù)的獲取。結(jié)果：微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭獲取顱腦標準切面的成功率一致或者接近；微凸陣容積探頭獲取顱腦標準切面的時間明顯快于常規(guī)微凸陣探頭。結(jié)論：微凸容積探頭在獲取新生兒顱腦標準切面的成功率與常規(guī)微凸探頭基本一致的基礎(chǔ)上，掃查效率明顯高于常規(guī)微凸陣，且不受手法和經(jīng)驗影響，可實現(xiàn)醫(yī)技分離。

近年來，我國生育高齡化日趨上升，導致新生兒腦病發(fā)病率逐年上升[1,2]。早產(chǎn)兒腦損傷帶來的后遺癥嚴重影響早產(chǎn)兒的生長發(fā)育，給社會和家庭帶來了巨大負擔。在醫(yī)學影像學中，盡管當今計算機體層成像或磁共振成像從診斷的清晰度及醫(yī)技分離的可行性上更引人注目，但對于新生兒而言，超聲以無創(chuàng)、便捷、床旁等優(yōu)勢成為首選檢查方法[3-5]。傳統(tǒng)超聲儀采用經(jīng)前囟顯示顱腦結(jié)構(gòu)及附近血管、腦外間隙等，包括冠狀面掃查的額葉切面、側(cè)腦室前角切面、第3腦室切面、側(cè)腦室中央部-后角切面、枕葉切面，矢狀面掃查的正中矢狀面、側(cè)腦室前角切面、側(cè)腦室中央部-后角切面、腦島切面，共12個標準切面。醫(yī)生在操作過程由于經(jīng)驗、打圖手法、對標準切面獲取的把握程度等存在一定程度的差異，進而會影響整個圖像掃查的時間，再加上傳統(tǒng)的掃查流程是需要邊獲取切面邊進行圖像分析診斷，這也進一步增加了整個檢查的時間跨度。而被檢查者往往是患有嚴重出血性腦病的危重新生兒，檢查時間過長，檢查過程中探頭反復來回施壓囟門以搜尋查找切面等操作會在一定程度上加重其原有病癥的風險[6-9]?；诖耍疚闹荚谠O(shè)計一種基于微凸容積探頭的新生兒顱腦超聲掃查系統(tǒng)，借助微凸容積探頭及其所獲取的三維容積顱腦數(shù)據(jù)，以快速的圖像獲取、標準化的顱腦切面分割，甚至自動識別和計算出血位置及范圍來解決傳統(tǒng)超聲對新生兒顱腦掃查過于依賴手法和經(jīng)驗，以及時間過長而存在的風險等一系列問題。

1.新生兒顱腦超聲掃查系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由微凸容積探頭、超聲收發(fā)前端、信號處理、后處理軟件、顯示器、控制面板等構(gòu)成。操作者通過微凸陣容積探頭經(jīng)新生兒前囟作為聲窗，以獲取顱腦的正中矢狀面作為探頭位置擺放的標準起始位置后，即可啟動儀器中的“自動顱腦容積”功能，由超聲主機驅(qū)動探頭自動完成對整個顱腦容積數(shù)據(jù)的獲取。完成顱腦容積圖像采集后系統(tǒng)將即時對所獲取的容積數(shù)據(jù)進行后處理重建和切面分割，進而呈現(xiàn)出依據(jù)《中國兒科超聲檢查指南》所指導的12個顱腦標準切面，供接下來的診斷分析。

圖1.系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 探頭設(shè)計

如圖2所示，與傳統(tǒng)的機械容積探頭構(gòu)成類似，微凸機械容積探頭由電機、連接裝置、微凸探頭、外殼等組成，電機通過連接裝置驅(qū)動微凸探頭做扇掃。

圖2.探頭構(gòu)成（注：2a.正視圖；2b.側(cè)面圖）

一般新生兒顱腦的探測深度應達到100mm左右，本文選取探頭的頻率范圍為4～9MHz，曲率半徑為11mm，二維角度為157°，機械扇掃的角度為100°。三維視野分析：如圖3所示，藍色虛線為探測深度，為100mm，以中間位置探測深度為50mm進行計算，可以得到前后方向（紅色虛線）的視野為189.7mm，左右方向（綠色虛線）的視野為155mm，基本滿足大部分新生兒顱腦的掃查視野要求。

圖3.掃查視野

1.3 成像原理

該成像主要解決超聲在小兒顱腦領(lǐng)域中的應用。本項發(fā)明涉及超聲檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲顱腦異常區(qū)域的自動檢測以及顯示方法。本項技術(shù)采用了如下的解決方案：①先構(gòu)建顱骨蓋曲面模型；②然后對二維超聲圖像進行邊緣檢測，得到顱骨蓋的邊緣曲線；③利用顱骨蓋的邊緣曲線與顱骨蓋的曲面模型進行擬合，確定二維超聲圖像的位置，以判斷該二維圖像是否具備對稱特性；④最后利用二維圖像的對稱特性對互相對稱的兩個區(qū)域進行相似度比對計算，以此來確定是否存在異常區(qū)域及其位置。此項技術(shù)的解決方案優(yōu)點在于：先建立顱骨蓋曲面模型，并對二維超聲圖像檢測顱骨蓋邊界曲線，利用頭蓋骨邊界的曲線與頭蓋骨的曲面模型進行擬合，以確定二維圖像的具體位置以選取具備對稱特性的二維圖像，利用二維圖像的對稱性進行異常區(qū)域的檢測并分割顯示出來，從而有效地提高異常區(qū)域檢測的準確率。

1.4 系統(tǒng)工作流程

1.4.1 數(shù)據(jù)采集

在新生兒前囟門處涂抹足量的耦合劑（由于微凸容積探頭接觸面較二維微凸探頭大，囟門處充足的耦合劑能保證微凸容積探頭表面與囟門充分耦合達到理想的探測聲窗，以確保獲取到的切面圖像盡可能地顯示完整），將微凸機械容積探頭放置于前囟門處，獲取標準正中矢志切面，如圖4所示。于該切面的基礎(chǔ)上，啟動自動掃查，獲得一個完整的新生兒顱腦容積數(shù)據(jù)。

圖4.探頭擺放位置

1.4.2 標準切面的獲取與校準方法

完成容積體數(shù)據(jù)的獲取后，系統(tǒng)將同步自動識別并從該體數(shù)據(jù)中分割出新生兒顱腦診斷常用的12個標準切面（前述中提及的12 個標準切面為根據(jù)《中國兒科超聲檢查指南》[10]所指導的切面），包括矢狀面集的正中矢狀面、左右側(cè)腦室前角切面、左右側(cè)腦室中央部-后角切面、左右腦島切面7個切面，冠狀面集的額葉切面、側(cè)腦室前角切面、第3腦室切面、側(cè)腦室中央部-后角切面、枕葉切面5個切面，合計12個標準切面。并對每個切面進行命名顯示，方便操作者的比對和識別。

依據(jù)診斷習慣和觀測方便，系統(tǒng)還設(shè)計了幾種呈現(xiàn)方式，將自動分割的12個標準切面進行分類集合，包括矢狀面合集，如圖5所示；冠狀合集，如圖6所示；以及矢-冠面合集，如圖7所示，方便醫(yī)生快速判斷所獲取圖像的完整性。

圖5.矢狀面合集

圖6.冠狀合集

圖7.矢-冠面合集

期間如存在切面?zhèn)€體角度或方位偏差時，仍可通過軟件中的切面角度校正或空間X/Y/Z軸的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對所獲切面的校準操作，以確保上述12個切面均落在合理標準范圍之內(nèi)。在進行切面校正或空間X/Y/Z軸調(diào)節(jié)時，軟件設(shè)計了切面虛擬位置指引圖，如圖8界面中的虛擬指引圖，方便醫(yī)生觀測切面角度落在新生兒頭部的相對位置，以便進行快速和基準的調(diào)節(jié)。

圖8.標準切面虛擬指引

另外，系統(tǒng)還能對所獲取切面進行單幅或左右對稱性呈現(xiàn)，如圖9所示，更方便操作者對圖像進行觀測、識別、診斷對比和測量等操作。

圖9.單幅顯示

2.試驗研究

2.1 資料與方法

本次研究于2022年2月～9月實施，通過微凸陣容積探頭和常規(guī)微凸陣探頭分別獲取15組顱腦標準切面（每組12個標準切面）進行對比。對比一：分別對比兩種探頭獲取12個標準切面的平均時間。對比二：微凸容積探頭和常規(guī)微凸陣探頭單次獲取12個標準切面的成功率。

2.2 統(tǒng)計學分析

采用統(tǒng)計軟件，計數(shù)資料采用率（%）表示，采用方差分析和χ2檢驗，P＜0.05，差異有統(tǒng)計學意義。

2.3 結(jié)果

試驗1：通過微凸容積探頭獲取12個標準切面，平均完成一組獲取數(shù)據(jù)的速度為142s（2min 22s）；通過常規(guī)微凸探頭取12個標準切面，平均完成一組獲取數(shù)據(jù)的速度為359s（5min 59s）。見表1。

表1.微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭操作時間對比

試驗2：對比兩種探頭的15組操作，一次性獲取12個標準切面的成功率，常規(guī)微凸陣探頭的成功率為93.33%，微凸容積探頭的成功率為73.33%。見表2。

表2.微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭一次性獲取標準切面成功率對比(n)

試驗3：將微凸陣容積探頭一次性獲取失敗的案例進行二次校正或二次取圖，其中，2例經(jīng)過軟件校正后，可重新獲取標準切面。見表3。

表3.微凸陣容積探頭二次校正獲取標準切面成功率(n)

2.4 討論與分析

通過微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭進行獲取切面操作速度對比，微凸陣容積探頭平均操作時間為2min 22s，標準差為74s。常規(guī)微凸陣探頭平均操作時間為5min 59s，標準差為162s。通過這組數(shù)據(jù)說明常規(guī)微凸陣探頭操作的差異性較大，更依賴于操作手法；容積探頭操作一致性明顯高于常規(guī)探頭，不受操作經(jīng)驗和手法因素影響，且流程標準化，可重復操作。

微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭獲取標準切面成功率對比，差異有統(tǒng)計學意義（χ2=4.28，P=0.038）。常規(guī)探頭獲取圖像需要系統(tǒng)培訓打圖，更依賴于操作者的手法，可重復性差。容積探頭操作不依賴手法，操作標準化，可重復。經(jīng)過分析，3例失敗案例失敗的因素包括探頭與耦合欠佳、冠狀面為重建切面圖像效果欠佳等導致。其中，2例失敗案例經(jīng)過軟件校正后，重新獲取標準切面；1例失敗案例是由于聲窗位置不理想，難耦合，校正失敗，通過常規(guī)微凸陣探頭也無法成功獲取標準切面。

3.小結(jié)

微凸針容積探頭的采集方式標準化，能夠更快速、準確地獲取小兒顱腦標準切面，減少探頭與囟門的接觸時間，降低傷害，提高醫(yī)生的工作效率；同時，不受操作經(jīng)驗和手法因素影響，流程標準化，可重復性高，可實現(xiàn)醫(yī)技分離，一定程度緩解超聲醫(yī)生的工作壓力。

該功能從顱腦數(shù)據(jù)的獲取和分割來分析，相比傳統(tǒng)的二維方式在工作效率、切面標準化等方面都有較明顯的優(yōu)勢。但切面分割依據(jù)的是《指南》中的經(jīng)驗位置，而經(jīng)驗位置只能確保大多數(shù)檢查對象是適用的，而針對個體差異時，仍需要手動去進行小范圍的角度校正，雖然時間效率占比上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)二維方式，但如在遠景上能實現(xiàn)根據(jù)圖像切面圖像特征進行信息自動識別，進而完全取代對個體差異的手工校準，則該功能的適用性將再進一步提升。（專利名稱：超聲顱腦異常區(qū)域自動檢測及顯示方法，公開號：202210042593.2）。

提高成功率的解決方案：①加強聲窗設(shè)計（平一些）或加入耦合墊；②對耦合劑的涂抹進行規(guī)范要求；③增加數(shù)據(jù)自動有效性識別功能，從而提高圖像后處理重建的圖像效果。獲取顱腦橫斷面以及三維整體立體結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)，增加診斷信息量，這方面功能還有待做進一步的臨床研究。

4.展望

隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新技術(shù)也不斷用于新生兒顱腦超聲的檢查。三維超聲容積定量分析的檢查模式，開始用于腦容積/腦室的測定，對于輔助評價腦損傷后期腦功能的改變有重要的意義[11,12]。自20世紀80年代起，超聲檢查開始用于診斷小兒顱腦疾病，目前已廣泛應用于診斷各類圍產(chǎn)期腦損傷及其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病所導致的腦結(jié)構(gòu)變化[13-15]。二維超聲檢查僅能提供某一切面的平面圖像，往往需要醫(yī)生在大腦中自行構(gòu)建病變的立體構(gòu)象。立體化醫(yī)學影像可為影像科及臨床醫(yī)生提供更直觀、更精確的診斷依據(jù)，是現(xiàn)代醫(yī)學影像學發(fā)展的重要方向。近年來，三維超聲成像技術(shù)快速發(fā)展，在新生兒顱腦內(nèi)疾病的診斷領(lǐng)域已有一席之地[16]。

“自動顱腦容積切面功能”還具有初步的切面出血識別勾勒功能，即在所獲取的切面中通過一鍵出血識別來識別切面中是否存在出血聲像，并勾勒出出血范圍，以進一步提高該功能除在獲取切面的效率外，也提高了診斷上的時效。但目前該功能還不能做到在整個個體數(shù)據(jù)中對出血切面進行識別，只能先通過人工篩選出血切面，再通過人工智能識別切面中的出血特征的位置和范圍。如果接下來能進一步優(yōu)化并提高出血切面的識別效率和方法流程，即可在獲取到標準切面后同時識別并標識出存在出血的切面及其范圍，那該功能在臨床整體的掃查和診斷上將是一個高效的解決方案。另外，由于傳統(tǒng)二維顱腦掃查的方式受限于探頭角度和囟門聲窗的探測范圍，所以掃查時很難獲取標準的新生兒顱腦橫斷切面（集），基本靠矢狀面和冠狀面來獲取相關(guān)切面并進行診斷，因此對顱腦出血的范圍和邊界的判定仍有一定的局限性；而借助顱腦容積功能，可以基于整個顱腦容積數(shù)據(jù)進行各個切面方向的分割，因此可以像獲取矢狀面和冠狀面一樣簡單地獲取橫切方向的圖像切面，而所獲取的顱腦橫切面（集）的圖像可以帶來更多的診斷信息，有利于進一步提高診斷的準確性。（專利名稱：超聲顱腦標準面成像和異常區(qū)域自動檢測顯示方法，公開號202210042598.5）。