超聲造影基礎(chǔ)

超聲造影基礎(chǔ)TheBasisOfUltrasoundContrast作者：wanjunqing

Email:wanjunqing@163.com第一章超聲造影的發(fā)展背景及造影劑第一節(jié)超聲造影的發(fā)展簡史1880年法國居里兄弟（PierreandJacquesCurie)發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；1917年法國朗之萬（PaulLangevin)應(yīng)用壓電原理進(jìn)行超聲探測；20世紀(jì)40～60年代A型、M型、B型超聲診斷儀誕生；1968年第一篇關(guān)于超聲造影的文章由美國RaymondGramiak為首的小組發(fā)表主要應(yīng)用于M型超聲心動圖；20世紀(jì)70年代超聲造影發(fā)展到M型和二維相結(jié)合的方式，擴大了超聲聲學(xué)造影的應(yīng)用范圍；1983年雙氧化氫被應(yīng)用于子宮和輸卵管超聲聲學(xué)造影的研究；1986年Matsuda等日本學(xué)者首次將二氧化碳微泡作為超聲造影劑應(yīng)用于腫瘤的診斷；1984年Feinsttein首次報道了采用超聲振動法制備的白蛋白微泡造影劑；20世紀(jì)90年代第二代的氟化氣體型的微泡超聲造影劑產(chǎn)生。第二節(jié)超聲造影劑的分類一、根據(jù)物理形態(tài)分類1、含有自由氣泡的液體，如二氧化碳、過氧化氫等。2、含有包膜氣泡的液體，如Albunex、SonoVue、Levovist等。3、含懸浮顆粒的膠狀體，如IDE。4、乳劑，如PFOB。5、水溶液，如Oralex，此類多為口服造影劑。二、根據(jù)造影劑所能達(dá)到的靶目標(biāo)分類1、右心造影劑：即早期使用的自由微泡的造影劑；2、左心造影劑：指可以通過肺循環(huán)的超聲造影劑，能經(jīng)外周靜脈注射后實現(xiàn)左心及外周器官顯影成像，如SonoVue、Levovist等。三、根據(jù)造影劑所含氣體成分的不同分類1、包膜類造影劑：（1）第一代造影劑，即空氣型微泡造影劑，以Albunex、Levovist為代表；（2）第二代造影劑，即氟化氣體型造影劑，以SonoVue、Optison為代表；2、靶向性造影劑：該類造影劑的出現(xiàn)將超越超聲造影劑僅提供血流和組織灌注學(xué)信息的局限性，并有可能成為第三代超聲造影劑。四、根據(jù)超聲造影劑在體內(nèi)代謝方式不同分類1、血管造影劑（vascularagents）：造影劑經(jīng)外周靜脈注入后經(jīng)肺循環(huán)進(jìn)入左心系統(tǒng)。造影劑不滲出到血管外，始終在血液循環(huán)系統(tǒng)中流動，最后微泡破裂后，其內(nèi)氣體經(jīng)肺排出。SonoVue、Levovist屬此類。2、組織特異性造影劑（tissue-specificagents）：其微泡直徑一般小于血管造影劑，使用方法同血管造影劑。不同處是其在組織中的代謝與分布不同，能被機體特定的組織和器官所攝取，從而改變靶器官或組織的聲學(xué)特性。PFOB、Sonovist屬此類。3、口服造影劑（oralagents）：主要用于上腹部胃腸造影，意大利Brocca公司生產(chǎn)的SonoRx即屬此類。五、根據(jù)造影劑微泡粒子大小及其變形性分類1、自由流體示蹤劑（free-flowingtracer）：如SonoVue、Levovist等，其微粒小于紅細(xì)胞，可自由通過微循環(huán)，其血流動力學(xué)特點與紅細(xì)胞相似，可以通過這些自由流動于血管內(nèi)的微泡回聲信號的檢測，得到血流灌注信息。2、沉積示蹤劑（如Echogen）：微泡體積較大，在通過肺循環(huán)時被嵌在微小動脈上，局部微泡嵌頓數(shù)量與局部血流量呈直線相關(guān)，因此微泡數(shù)量（圖像上表現(xiàn)為視頻強度）可反映局部血流量?？山?jīng)左房、左室、主動脈根部或冠狀動脈內(nèi)注射可產(chǎn)生極好的心肌顯像效果。但由于其不能通過肺循環(huán)這個特點的限制，這類造影劑目前已較少使用。第三節(jié)微泡造影劑的相關(guān)物理特性一、微泡存活時間我們先來看超聲微泡造影劑存活時間的計算公式：T＝（R×ρ）/（2D×Cs）式中：T－超聲造影劑的微泡存活時間，R－微泡半徑，ρ－微泡內(nèi)所含氣體的密度，D－微泡內(nèi)所含氣體的彌散度，Cs－微泡內(nèi)所含氣體的血液飽和度常數(shù)。由式中可以看出，造影劑微泡氣泡的半徑和所含氣體密度越大，在血液循環(huán)中的持續(xù)時間越長，微氣泡內(nèi)所含氣體的彌散度、飽和度越大，持續(xù)時間越短。所以，我們可以通過以下方法來延長造影劑微氣泡在血液中的持續(xù)時間：（一）通過微泡外膜或修飾微泡表面物質(zhì)來實現(xiàn)使用外膜或可以改變微泡表面張力的物質(zhì)，不僅可以防止微泡內(nèi)氣體彌散入血液中，而且可增加微泡內(nèi)壓力，從而增強微泡的耐受力。（二）用高分子量、高密度、低彌散性及低飽和度的氣體使用低彌散度及低血液飽和度的氣體可以使的微泡存活時間明顯延長。低彌散性可使氣體保留于微泡內(nèi)，低血液飽和度可使氣體血液濃度很快達(dá)到飽和，從而也達(dá)到微泡內(nèi)氣體不彌散到血液中的目的。二、微泡可自由通過微循環(huán)并具有似紅細(xì)胞的血液示蹤劑的特性三、微泡粒子的直徑理想的微泡直徑由兩個因素相互制約決定。一方面，微泡直徑需要足夠小，使其能自由通過肺循環(huán)而不被肺毛細(xì)血管網(wǎng)所濾掉。另一方面，微泡直徑越大，則其產(chǎn)生的背向散射信號越大，造影效果越好。理想的微泡直徑約為4μm。四、超聲造影劑的其他特性1、微泡的脆性（易碎性）2、微泡過強的反射可能會引起聲衰減3、微泡的安全性實驗表明在高能量的超聲作用下，微泡破裂可引發(fā)小毛細(xì)血管的破裂。另有報道說在心肌造影過程中可引起室性期前收縮的發(fā)生。4、超聲造影劑使用前的配制過程（不同的造影劑其具體要求不同）5、超聲造影劑的成本費用注：目前被批準(zhǔn)可臨床應(yīng)用的商業(yè)超聲造影劑1、Levovist(有半乳糖/棕櫚酸表面活性劑的空氣)(Schering,Germany,1996年上市)主要適應(yīng)證包括心臟、腹部（包括膀胱輸尿管反流）和經(jīng)顱檢查。被批準(zhǔn)臨床應(yīng)用于歐洲、加拿大及日本。2、Optison(有白蛋白外殼的八氟丙烷)(MolecularBiosystems,Calif.AndMallinckrodt,USA,1998年上市)唯一的適應(yīng)證是心臟。被批準(zhǔn)臨床應(yīng)用于美國及歐洲。3、SonoVue(有著磷脂外殼的六氟化硫)(Bracco,Italy,2001年上市)主要適應(yīng)證有心臟、大血管、肝臟及乳腺等小器官的病變。被批準(zhǔn)臨床應(yīng)用于歐洲、中國。由于國內(nèi)多數(shù)醫(yī)院采用SonoVue進(jìn)行超聲增強造影，下面對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行簡單的介紹：

1、組成成分、包裝及儲存條件

（1）組成成分：六氟化硫微泡，濃度為8mmg/ml。

A、外殼：磷脂。

B、氣體：六氟化硫（SF6）。

C、賦形劑：聚乙烯二醇4000，二硬脂酸卵磷脂、二棕櫚酸磷脂酰甘油鈉、棕櫚酸。

D、溶劑：0.9％的生理鹽水注射液。

（2）包裝

A、SonoVue小瓶。

B、內(nèi)含5ml生理鹽水的注射器。

C、專用微小注射針頭（BraunMiniSpikePlus6/8R）

（3）穩(wěn)定性：配制后可保持穩(wěn)定6h。

（4）儲存條件：無需特殊注意。

2、適應(yīng)癥

（1）超聲心動圖：用于懷疑或確定的心臟病患者的心腔顯影及左心室心內(nèi)膜的顯影。

（2）大血管多普勒檢查：顱內(nèi)動脈、顱外動脈及外周動脈的掃查，提高多普勒信號的信噪比，以提高圖像顯示的準(zhǔn)確性，從而確定或排除異常血管病變；可用于門靜脈的評估中，以提高多普勒血流成像的質(zhì)量及有臨床應(yīng)用價值的造影增強信號。

（3）小血管的多普勒檢查：肝臟及乳腺病變的血管網(wǎng)顯示，以提高病變特征顯示的特異性。

3、建議用劑量

（1）B模式夏的心腔顯影：2.0ml。

（2）血管多普勒顯影：2.4ml。

（3）如果確實需要，可按推薦用劑量重復(fù)二次。每次注射完畢后，應(yīng)尾隨快速注射5ml生理鹽水（快速推注）。

4、禁忌癥

（1）對六氟化硫或SonoVue內(nèi)任何成分引起變態(tài)反應(yīng)者禁用。

（2）近期內(nèi)有急性冠心病癥狀或臨床確定的不穩(wěn)定性缺血性心臟病患者禁止使用，這些疾病主要包括：進(jìn)展或正在發(fā)作的心肌梗死、7d內(nèi)有典型心絞痛發(fā)作者、在造影前7d有明顯加重的心臟病癥狀、最近行冠脈介入治療者、不穩(wěn)定的因素存在（如最近心電圖顯示有加重傾向、實驗室結(jié)果不正常）、急性心力衰竭、Ⅲ或Ⅳ級心力衰竭、嚴(yán)重的心律失常者。

（3）有下列情況者禁忌使用SonoVue：心臟血流右向左風(fēng)流者、嚴(yán)重的肺動脈高壓患者（肺動脈壓高于90mmHg）、不能控制的原發(fā)性高血壓患者、急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）患者。對于懷孕及哺乳期婦女的安全性尚未確立，因而懷孕及哺乳期婦女禁忌使用。第二章超聲增強造影的基本原理超聲造影（ultrasoundcontrast）或稱為聲學(xué)造影（acousticcontrast），是應(yīng)用超聲造影劑（ultrasoundcontrastagents）使靶組織或器官內(nèi)的超聲散射（反射）回聲增強，用于心血管領(lǐng)域成為造影超聲心動圖（contrastechocardiography），用于其他領(lǐng)域尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語，具體有以下幾種稱謂：回聲增強（echo-enhanced）、造影增強（contrastenhancement）等。

超聲增強造影的基本原理為：超聲造影劑可以改變靶組織超聲聲學(xué)特性（如背向散射系數(shù)、聲速及非線性效應(yīng)等）從而產(chǎn)生增強造影效果，超聲造影劑的濃度、尺寸及超聲發(fā)射頻率等都可以影響超聲增強造影的效果。其主要涉及到的物理學(xué)原理主要有以下幾個方面：

A、通過微泡背向散射信號成像。

B、通過微泡非線性共振產(chǎn)生的諧波成像。

C、通過聲衰減成像。

D、通過聲速成像。第一節(jié)基本原理第二節(jié)造影相關(guān)的幾個基本概念散射：當(dāng)超聲波遇到長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其波長的小界面時，會產(chǎn)生方向為朝向四面八方的分散能量轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象就稱為散射。人體內(nèi)肝臟、脾臟等實質(zhì)性器官或軟組織內(nèi)的細(xì)胞（包括紅細(xì)胞）就是典型的散射體。背向散射：是指方向朝向探頭的散射，其也屬于散射的范疇。只不過是一種方向特定的散射方式，這是對我們超聲診斷有用的散射?，F(xiàn)代超聲診斷儀就是利用組織內(nèi)無數(shù)小界面的背向散射原理，清楚顯示人體內(nèi)復(fù)雜而細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)。機械指數(shù)（MI）：指超聲脈沖在傳播過程中馳張期的負(fù)壓峰值（Mpa）與探頭中心頻率（MHz）平方根的比值。

機械指數(shù)主要用于評價超聲作用于組織時的瞬間聲場中的最大聲波負(fù)壓。機械指數(shù)0.5水平被認(rèn)為是高機械指數(shù)與低機械指數(shù)的分界線。因為在機械指數(shù)低于0.5的超聲作用于組織時，組織任何地方均未有過非致熱性的副作用事件發(fā)生。超聲增強造影一般為低機械指數(shù)成像，其機械指數(shù)多小于0.1?；l（fundamentalfrequency)：指振動系統(tǒng)（聲源）的最低固有頻率?；ǎ褐钙湔駝宇l率為基頻的機械波。諧波（harmanic）：是指振動頻率等于基頻整數(shù)（n）倍的正弦波。二次諧波：指振動頻率為基頻2倍的正弦波。第三節(jié)諧波非線性成像一、二次諧波成像的原理諧波成像的原理：人體組織（包括血液）的回波，其基頻波的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波，所以在超聲成像中，我們往往濾去諧波，僅保留基頻波信息進(jìn)行常規(guī)成像。然而在某些諧波豐富的情況下，濾去基頻波，保留諧波信息進(jìn)行成像，這種成像方法就稱為諧波成像。二、諧波成像與圖像質(zhì)量諧波成像技術(shù)可以明顯改變超聲圖像質(zhì)量，具體表現(xiàn)在：

1、消除近場偽像干擾

（1）表層腹壁或接近腹壁的反射何散射會產(chǎn)生超聲偽像，但這些偽像基頻波能量強，而諧波能量卻極少，當(dāng)采用諧波成像時，則可將近場的大部分偽像消除。（2）基頻波聲束副瓣會產(chǎn)生明顯的副瓣偽像，而二次諧波聲束副瓣能量與中心聲束能量相比呈反比降低，即二次諧波信號強度放大與基頻波的信號強度相當(dāng)時，二次諧波的副瓣仍比基頻波的副瓣低很多。在二次諧波成像時，能明顯地消除聲束副瓣偽像并使主瓣變細(xì)。2、消除近場混響基頻波聲束在表淺組織內(nèi)表層與肋骨產(chǎn)生混響，常常造成圖像出現(xiàn)模糊霧狀改變。此時，淺層尚未形成明顯的諧波能量，這些混響由基頻波頻率的能量形成；當(dāng)聲束穿過表淺層進(jìn)入組織后，諧波信號能量明顯增強。在接收時，消除基頻波后，二次諧波成像使紊亂何模糊影像得以消除，得到更加清晰的圖像。三、諧波成像的分類諧波成像造影諧波成像（contrastharmonicimage,CHI）組織諧波成像（tissueharmanicimage,THI）利用超聲造影劑的諧波進(jìn)行成像的技術(shù)1、超聲造影諧波成像諧波來源：a、聲束非線性而產(chǎn)生的諧波成分，是聲波在組織中傳播而產(chǎn)生的。

b、基頻波與諧波作用于超聲顯影劑微泡產(chǎn)生反射與散射信號而產(chǎn)生。2、組織諧波成像諧波來源：a、聲束非線性而產(chǎn)生的諧波即2f0

b、基頻波與非線性界面作用反射而產(chǎn)生的頻率為2f0的諧波信號四、造影影像模式1、諧波影像（Harmonicimaging）利用微泡的非線性特性來增加微泡與組織的對比度。常規(guī)諧波影像是發(fā)射基波頻率f0，接受回聲時，用慮波器移除基波f0，接受二次諧波2f0形成影像。這種成像方法有效地將諧波信號與基波信號分離開，但限制了寬頻的使用。如果基波是寬頻信號與諧波信號有重疊，慮波器不能將基波與諧波完全分開，因此在諧波成像時，是使用較窄的發(fā)射頻率。諧波影像傳統(tǒng)上是使用高機械指數(shù)，需要觸發(fā)影像（或叫延遲），以便有充分的時間使微泡重新填充。最初認(rèn)為諧波影像可以完全區(qū)分造影劑和組織，是基于組織完全是線性回聲的假設(shè)，然而組織確實能產(chǎn)生非線性能量。由組織單獨產(chǎn)生諧波影像是有益的，可降低影像的混沌、改善分辨率。即使沒有造影劑，組織的影像也是存在的，因此純粹的將組織和造影劑的回波分離是不可能的。2、造影劑探測影像AgentDetectionImaging（ADI）ADI采用高機械指數(shù)技術(shù)，微泡在高機械指數(shù)破壞時，產(chǎn)生強烈的、頻帶寬散射信號，回聲信號隨著脈沖的變化而迅速變化。能量諧波可探測到微泡反射信號的脈沖變化，形成有效的微泡破壞的局部解剖影像。ADI顯示以彩色覆蓋在灰階組織影像上，這種覆蓋僅顯示微泡信號，ADI的應(yīng)用有助于肝臟轉(zhuǎn)移性腫瘤的探測。在血管相后造影劑聚集在正常肝臟中，而不是轉(zhuǎn)移灶中。肝臟ADI微泡破壞影像正常肝實質(zhì)是亮的，而轉(zhuǎn)移灶是暗的沒有任何信號。微泡破壞信號非常強，因此ADI是非常敏感的。但也有缺點，在尋找準(zhǔn)確的切面時造影劑微泡常會被意外的破壞。

3、脈沖反相諧波影像PulseInversionHarmonicimaging（PIH）諧波影像使用相對窄的頻寬，以防基波和諧波相重疊。PIH通過減影慮出基波信號，從而避免了頻寬的限制[9]。因此即使當(dāng)基波和諧波重疊時，PIH也可以分離由諧波產(chǎn)生的微泡回波中的基波成份。寬頻發(fā)射和接收改善了分辨率，提高了對造影劑的敏感度。在脈沖反相諧波成像時，發(fā)射兩個脈沖沿著各自的方向行進(jìn)，代替了常規(guī)諧波和基波的單信號脈沖成像。第一個是正常的脈沖，第二個是第一個脈沖的反相，因此第一個脈沖的正壓等于第二個脈沖的負(fù)壓。任何線性目標(biāo)對這正壓和負(fù)壓的應(yīng)答相同，回聲同時反射回探頭，但方向相反。因此相互疊加時，所有靜態(tài)線性目標(biāo)產(chǎn)生的聲束將被抵消。如圖。圖示兩個相反脈沖連續(xù)微泡回波疊加，基波回波相抵消圖示

脈沖反相諧波影像信號的形成過程

圖示二維PPI影像由于組織的運動造成組織回聲不完全抵消

圖：血管瘤超聲造影檢查A常規(guī)超聲檢查，B脈沖反相諧波影像

4、能量脈沖反相諧波影像PowerPulseInversionHarmonicimaging（PPIH）為獲得比PIH敏感度更高的影像，使用交互極性的附加脈沖，既改善組織和造影劑的對比分辨，又降低對運動的敏感度。為了除去運動偽像，增加敏感度，使用長序列反相脈沖，即發(fā)射三個脈沖（P1+、P2－、P3+），－或＋代表正、反相。如果組織