超聲成像新技術(shù)物理聲學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用

1、-PAGE . z超聲成像新技術(shù)的物理聲學(xué)根底及其應(yīng)用90年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)容量和功能的提高，數(shù)字化技術(shù)的引入，以及各種信號(hào)處理、圖像處理和控制技術(shù)的應(yīng)用，醫(yī)學(xué)超聲成像新技術(shù)、新設(shè)備、新方法層出不窮。本文就腹部超聲診斷中常用的主要新技術(shù)的物理聲學(xué)根底、臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及開(kāi)展前景等問(wèn)題作一簡(jiǎn)要闡述。 1與提高圖像質(zhì)量有關(guān)的超聲成像新技術(shù) 1.1頻譜合成成像頻譜合成成像即頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)(frequencyconverttechnology,FCT)1。組織在超聲聲場(chǎng)的作用下，當(dāng)超聲波滿足小振幅條件時(shí)，聲源與其聲場(chǎng)之間為線性關(guān)系，即無(wú)論在聲場(chǎng)的任何距離上，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)都重復(fù)聲源的振動(dòng)規(guī)律，但當(dāng)超聲波不滿

2、足小振幅條件，而具有一定振幅(有限振幅，到達(dá)有限振幅的波為有限振幅波)時(shí)，隨傳播距離的增加，由于有限振幅波的傳播速度不是常數(shù)，而與介質(zhì)的非線性參量及質(zhì)點(diǎn)的振速有關(guān)，致使波形發(fā)生畸變，波形的畸變必然伴隨諧波的產(chǎn)生。當(dāng)聲源發(fā)射的不是單頻的超聲波，而是以f0為主頻、具有一定頻寬的超聲脈沖時(shí)，經(jīng)聲場(chǎng)介質(zhì)作用后，將產(chǎn)生具有多重頻率的回波信號(hào)，且其頻譜與聲源發(fā)射者不同，即實(shí)現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換。從成像的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，回波信號(hào)中頻率成分利用得越充分，圖像質(zhì)量就越好。利用超寬頻探頭、數(shù)字化處理和超大容量計(jì)算機(jī)，可將回波信號(hào)分解為多個(gè)頻帶進(jìn)展并行處理，然后再按頻譜合成為最后的信號(hào)，因此亦稱為頻譜合成成像，由此獲得的圖像分辨

3、率更高，比照度更大，噪聲偽像更低。 1.2二次諧波成像1995年以來(lái)，二次諧波成像(secondharmonicimaging,SHI)技術(shù)逐步趨于成熟，近幾年開(kāi)場(chǎng)用于心外臟器和組織的檢查2。應(yīng)用于臨床的諧波成像分自然組織諧波成像(nativetissueharmonicimaging,NTHI)和造影劑諧波成像(contrastagentsharmonicimaging,CAHI)兩種。 (1)物理聲學(xué)根底：如前所述，當(dāng)超聲波不滿足小振幅條件時(shí)，在組織中，隨傳播距離的增加，必然有諧波成分產(chǎn)生，但組織的諧波信號(hào)微弱，主要反射(大界面產(chǎn)生反射)和散射(小界面產(chǎn)生散射)基波。聲學(xué)造影劑多為含氣體微

4、泡的液體物質(zhì)，這些微泡構(gòu)成了液體的空化核，在超聲場(chǎng)作用下，微泡除常規(guī)散射基波外，尚發(fā)生運(yùn)動(dòng)而再發(fā)射超聲波，回波頻率與發(fā)射波頻率(即基頻fundamentalfrequency)的關(guān)系在外加聲壓較弱時(shí)為線性關(guān)系，明顯的振動(dòng)為基頻共振，產(chǎn)生以基頻為主的一次諧波，二倍和三倍于基頻的二次和三次諧波稍有顯示。隨著外加聲壓的不斷增加，則會(huì)出現(xiàn)非線性復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，相繼出現(xiàn)高次諧振，分諧振，高次分諧振等。診斷用超聲聲壓較弱，組織和造影劑微泡除反射和散射基波外，主要產(chǎn)生較弱的二次和更弱的三次諧波。傳統(tǒng)的超聲儀只接收基波信息成像，二次諧波成像時(shí)，儀器通過(guò)帶通濾波，只提取二次諧波信號(hào)進(jìn)展成像。無(wú)造影劑存在時(shí)，二次諧波信

5、號(hào)來(lái)自組織，稱自然組織諧波成像，有造影劑存在時(shí)，二次諧波信號(hào)主要來(lái)自造影劑微泡，稱造影劑諧波成像。由于二次諧波可提高圖像的側(cè)向分辨力，且隨著諧波信號(hào)的增強(qiáng)，反射回聲的長(zhǎng)度逐漸減小，圖像的軸向分辨力隨之提高，同時(shí)隨諧波信號(hào)增強(qiáng)，旁瓣作用減弱，Clutter亦減少，上述幾方面因素使圖像質(zhì)量得以明顯提高。由于造影劑微泡與周圍組織聲學(xué)特性的差異較大，因此比周圍組織質(zhì)點(diǎn)有更大的等效散射面積，加上微泡諧振引起的共振散射，故來(lái)自造影劑微泡的二次諧波信號(hào)較強(qiáng)，因此，造影劑諧波成像在臨床上應(yīng)用更廣。 (2)臨床應(yīng)用：目前大多數(shù)中高檔超聲診斷儀均具諧波成像功能。自然組織諧波成像對(duì)不適宜聲學(xué)造影或經(jīng)濟(jì)困難的肥胖患者

6、深部病變的觀察可首先考慮使用。造影劑諧波成像時(shí)，可使組織回聲明顯增強(qiáng)，該技術(shù)已廣泛用于心臟病變的診斷與鑒別診斷。吳瑛等比照分析了基波顯像和諧波顯像在診斷膽總管下段胰腺區(qū)域病變中的價(jià)值，結(jié)果說(shuō)明，諧波顯像能更清晰顯示該區(qū)域病灶。此外，隨著第三代聲學(xué)造影劑的研制成功，造影劑已能到達(dá)心外臟器，實(shí)現(xiàn)心外臟器造影，增強(qiáng)實(shí)質(zhì)臟器的二維圖像和多普勒信號(hào)，造影劑諧波成像技術(shù)為研究組織的血流灌注提供了更加可靠的手段，有助于腹部臟器病變的診斷與鑒別診斷。 1.3能量造影諧波成像技術(shù)能量造影諧波成像(powercontrastagentharmonicimaging,PCAHI)3在接收返回的諧波信號(hào)時(shí)，主要對(duì)回波

7、的功率(振幅)信息進(jìn)展分析處理，并利用該信息進(jìn)展成像。PCAHI提高了諧波對(duì)造影劑的敏感性，尤其對(duì)微小顆粒的靈敏度更高，對(duì)細(xì)小病變顯示更清楚，因此有利于病變的早期診斷。此外，由于造影劑和組織均具有諧波特性，而能量造影諧波成像時(shí)，血管造影劑的功率諧波成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于組織的功率諧波成分，因此，少量的造影劑即可使血流信息從組織中別離出來(lái)。1.4脈沖反向諧波成像脈沖反向諧波成像(pulseinversionharmonicimaging，PIHI)4是二次諧波領(lǐng)域的又一重大突破。常規(guī)的諧波成像(conventionalharmonicimaging，CHI)是儀器在接收回波信號(hào)時(shí)，使用濾波器濾掉基波成分，

8、只接收諧波成分。這一技術(shù)的缺乏在于濾波器在濾掉基波的同時(shí)也濾掉同波段的局部諧波信號(hào)，故在*種程度上減少了造影劑的靈敏度和飽和度。為克制這一缺點(diǎn)，ATL公司推出了脈沖反向諧波成像技術(shù)。該技術(shù)是系統(tǒng)在發(fā)射正向脈沖波的同時(shí)發(fā)射一個(gè)一樣的反向脈沖波，并全數(shù)字化存儲(chǔ)返回的基波信號(hào)和諧波信號(hào)，經(jīng)處理使正向和反向的基波信號(hào)疊加而抵消，而結(jié)合諧波成分產(chǎn)生純潔的寬頻諧波信號(hào)，克制了常規(guī)諧波成像頻帶的局限性，提高了圖像的分辨率，并可減少造影劑的用量。1.5組織多普勒成像一般多普勒回波信號(hào)中，既包括血流中散射粒子的散射信息，又包括運(yùn)動(dòng)器官的反射信息，前者的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度快，產(chǎn)生的多普勒頻移大，但幅度較?。欢笳邉t速

9、度慢，頻移小，但幅度大。利用高通或低通壁濾波器(wallfilter)，可分別提取血流或器官的相應(yīng)信息。常規(guī)多普勒成像采用高通壁濾波器，提取血流的多普勒信號(hào)，組織多普勒成像(tissueDopplerimaging,TDI)則采用低通壁濾波器，單獨(dú)提取運(yùn)動(dòng)器官的低速多普勒信息，并以適當(dāng)參數(shù)予以顯示5，6。目前診斷儀的TDI顯示有速度(velocity)、加速度(acceleration)、分散度(variance)和能量(power)圖像等，這些參數(shù)均可以彩色編碼進(jìn)展偽彩色顯示。 2與組織定征有關(guān)的超聲成像新技術(shù) 2.1超聲背向散射積分成像聲學(xué)密度定量分析是通過(guò)定量地分析*些聲學(xué)參數(shù)來(lái)研究組織

10、特性以到達(dá)組織定征的目的。超聲背向散射積分成像(integratedbackscatter,IBS)技術(shù)作為聲學(xué)密度定量分析新技術(shù)，為組織原始回聲信號(hào)的定量分析提供了新方法。 傳統(tǒng)的聲學(xué)密度定量分析法即視頻分析法。組織的回聲信號(hào)經(jīng)傳統(tǒng)成像方式形成二維灰階圖，視頻分析法即對(duì)該灰階圖的灰階分級(jí)水平及其分布進(jìn)展分析，方法有：灰階直方圖；計(jì)算機(jī)定量分析回聲的灰階值及其分布；紋理參數(shù)分析。由于視頻信號(hào)是組織的回聲信號(hào)經(jīng)處理(檢波、對(duì)數(shù)壓縮等)后所得的信號(hào)，并非組織的原始回聲信號(hào)，其受動(dòng)態(tài)圍的限制，信號(hào)被壓縮并有喪失，因此，從嚴(yán)格的定量角度講，視頻分析法并非真正的聲學(xué)密度定量分析方法，由于影響視頻信號(hào)的因

11、素太多，所得結(jié)果不可靠，故有人稱之為半定量研究。 超聲背向散射積分成像技術(shù) (1)超聲背向散射原理7：由聲源來(lái)的超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，假設(shè)遇到兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)(聲阻抗差大于0.1%)所形成的界面，且界面大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生反射，假設(shè)界面遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)，則產(chǎn)生散射。散射是各向性的，朝向探頭的散射即為背向散射，能為探頭所接收。 (2)背向散射積分技術(shù)：探頭所接收的背向散射信號(hào)與同時(shí)接收的反射信號(hào)相比是非常微弱的，故在經(jīng)傳統(tǒng)成像方式形成的二維圖像上，由大界面來(lái)的反射回聲表現(xiàn)為高回聲，如臟器的包膜回聲、血管壁回聲及大的組織構(gòu)造回聲等，而由微小界面來(lái)的散射回聲則表現(xiàn)為弱回聲或無(wú)回聲，如臟器實(shí)

12、質(zhì)回聲為弱回聲，血液、膽汁尿液等為無(wú)回聲。然而由于背向散射信號(hào)來(lái)源于組織的微細(xì)構(gòu)造，其更能反映組織的構(gòu)造特性。為了有效的提取和分析微弱的背向散射信號(hào)，近幾年來(lái)一種以背向散射原理為根底的超聲成像技術(shù)背向散射積分成像技術(shù)得到了較快的開(kāi)展。 探頭接收人體組織的回聲信號(hào)，超聲儀將各界面來(lái)的信號(hào)經(jīng)放大、濾波，并進(jìn)展各信號(hào)的延遲合成得到射頻信號(hào)(組織回波的原始信號(hào))，假設(shè)將射頻信號(hào)經(jīng)檢波并輸入視頻處理器處理(對(duì)數(shù)壓縮、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換等)后，再輸入顯示器顯示，則形成常規(guī)的二維圖像。背向散射積分技術(shù)是通過(guò)特制的時(shí)間門(mén)控電路8，在射頻信號(hào)被處理前，提取相關(guān)區(qū)域(取樣容積)的射頻信號(hào)，并將其功率譜與一理想平面反射器

13、的回聲信號(hào)功率譜相比，取其有效頻率圍進(jìn)展積分，單位為分貝(dB)，并將積分值顯示出來(lái)。目前具有該技術(shù)的儀器均為聯(lián)機(jī)分析系統(tǒng)，一旦取樣，儀器將自動(dòng)報(bào)出感興趣區(qū)域局部背向散射積分值。 (3)常用測(cè)量指標(biāo)9：背向散射積分技術(shù)的聲學(xué)參數(shù)為背向散射積分值，包括：圖像峰-峰強(qiáng)度(peaktopeakintensity，PPI)；圖像平均強(qiáng)度(averageimageintensity，AII);圖像強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(standarddeviationofimageintensity，SDI)。PPI即取樣容積最強(qiáng)與最弱射頻信號(hào)強(qiáng)度之差，AII與SDI即為取樣容積所有射頻信號(hào)強(qiáng)度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，單位均為分貝(d

14、B)，最常用者為AII。在心臟研究中常用的指標(biāo)有：心肌背向散射積分值(IBS)。由于個(gè)體差異，現(xiàn)多采用標(biāo)化(校正)背向散射積分值(IBS%)，以舒末期心包的IBS值為100%，檢測(cè)區(qū)IBS值與其相比即為IBS%；心動(dòng)周期心肌背向散射變化幅度(cyclicvariationofintegratedbackscatter,CVIB)為心動(dòng)周期中心肌IBS變化差值，是反映心肌運(yùn)動(dòng)的活性指標(biāo)；跨壁背向散射積分梯度(transmuralgradientofIBS，TGIBS)，為心外膜下1/2處心肌IBS值之比。 (4)測(cè)量方法：具有IBS分析功能的超聲診斷儀均具有聯(lián)機(jī)自動(dòng)測(cè)量及顯示功能。HP5500在

15、AQ設(shè)置下，對(duì)二維圖像的感興趣區(qū)取樣后啟動(dòng)Sample-data鍵，儀器將在2.48s自動(dòng)測(cè)值62次，并以三種方式顯示測(cè)量結(jié)果：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析圖：標(biāo)記在測(cè)量的時(shí)間相位；測(cè)值表：以表格形式顯示測(cè)量結(jié)果；坐標(biāo)圖：以坐標(biāo)形式顯示測(cè)量結(jié)果，可聯(lián)機(jī)或脫機(jī)分析。 (5)應(yīng)用：背向散射積分技術(shù)在腹部臟器的應(yīng)用研究較少且不深入，顧再榮等10用該技術(shù)研究尿毒癥，顯示尿毒癥患者腎實(shí)質(zhì)IBS%明顯高于正常人，晚期尿毒癥患者腎實(shí)質(zhì)IBS%顯著升高，因此認(rèn)為背向散射積分值能反響腎實(shí)質(zhì)病變。筆者在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究中發(fā)現(xiàn)，急性腎小管壞死性急性腎功能衰竭時(shí)腎皮質(zhì)IBS明顯升高，腎髓質(zhì)IBS改變不明顯；各種慢性腎病晚期腎實(shí)質(zhì)(

16、包括皮質(zhì)和髓質(zhì))IBS明顯升高，而腎臟病變?cè)缙谀I實(shí)質(zhì)IBS無(wú)明顯改變。由于該技術(shù)在腹部臟器病變?cè)\斷中的研究較少，其臨床應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步探討。 2.2聲參量成像此技術(shù)臨床應(yīng)用尚不普及，有的還處于理論階段，因此本節(jié)僅簡(jiǎn)單講述其物理聲學(xué)根底。 (1)組織特性成像：組織特性成像(tissuestatisticimaging，TSI)1目前主要是對(duì)組織的彈性參數(shù)(coefficientelasticity)及其分布進(jìn)展測(cè)量和成像。其原理是利用特殊設(shè)計(jì)的聲源(如聚焦調(diào)制或雙束相交等)產(chǎn)生的低頻連續(xù)性輻射力對(duì)待測(cè)組織進(jìn)展鼓勵(lì)(impulse)，測(cè)量其動(dòng)態(tài)位移，據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變，知道了應(yīng)力和應(yīng)變，就可求

17、出其彈性參數(shù)，最后將組織的這種彈性參數(shù)以彩色或灰階編碼顯示為聲彈性圖(sonoelastogram)。最近已有關(guān)于軟組織切變模量分布及其成像的研究報(bào)道。這一新技術(shù)在組織定征、病變鑒別及器官老化診斷等方面，可能具重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。 (2)非線性聲參量B/A成像：B/A是描繪聲波非線性效應(yīng)的聲學(xué)參量之一，是聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生非線性效應(yīng)大小的一個(gè)量度，將B/A參量作為成像特性量進(jìn)展的成像即聲參量成像1。研究發(fā)現(xiàn)，此參量與其他線性聲參量相比，對(duì)組織特性的變化特別敏感，已有研究說(shuō)明，軟組織中密度和聲速等參量的差異小5%，而B(niǎo)/A參量的差異則可達(dá)50%，而且造影劑中微泡的共振還導(dǎo)致非線性參量B/A值的急劇增加，可比正常組織的B/A值高出數(shù)百倍。因此，將B/A聲參量成像與超聲造影技術(shù)結(jié)合，可望為超聲組織定征和早期非占位性癌變的診斷開(kāi)辟新的途徑。但是，由于B/A參量不能在一般B超上用脈沖回波法直接測(cè)得，必須采用特殊發(fā)射波型，專門(mén)的信號(hào)提取和處理技術(shù)，并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)展換算和反演，才能重建出B/A值隨位置分布的