医学超声成像的进展

医学超声成像的进展

张海澜

(中国科学院声学研究所，北京100080)

1 引言

用于医学诊断的超声成像具有安全、设备比其他影像诊断方法简单、价格便宜、能够区分不同的软组织等优点，是超声技术最主要的应用之一[1]。由于事关人类健康，长期以来国内外在这一方向投入了大量的人力和物力，发展非常迅速。新的原理和方法不断出现，并迅速向实际应用转化，使超声成像的性能有了很大的提高，已与X射线层析成像、核磁共振并列为三大影像诊断手段，在各级医院中广泛地运用。

超声诊断成像采用多阵元的阵列换能器向人体内发射超声波，改变各个阵元激发的相对延迟和幅度，可以形成向一定方向发射的聚焦声束。当声束遇到体内不同器官和组织的界面时产生反射回波，再被阵列换能器接收。各个阵元接收的信号经过不同的延迟后叠加，可以加强特定方向的回波，形成接收声束。改变发射和接收波束的方向，使它们在体内扫描，得到的回波幅度反映体内不同位置的组织对声波的反射率。经过处理，在屏幕上的相应位置用灰阶表示体内各点的反射率，形成反映体内解剖结构的图像。这样的图像称为B超图像。如果对同一方向连续多次发射声束，接收到的多次回波包含了体内组织运动的信息，如心脏的搏动，血液的流动等，这样可以形成M超图像。根据多普勒频移原理，进一步利用自相关方法处理多次发射得到的血流的回波，可以得到不同位置的血流速度信息，再用彩色编码表示，得到表示体内血流分布的彩色血流图，俗称彩超。也可以对同一位置的血流作多普勒频谱分析，得到流速随时间的变化，称为频谱多普勒。在上世纪80年代，这几种成像方式成为医学超声成像的主流技术，当时的发射、接收和处理主要由模拟电路完成，而数字电路开始用于控制、成像和与多普勒频移有关的处理。此后二十年，超声成像有了令人瞩目的新发展，本文选择几个重要的发展作简单的介绍。

2 相干成像

为了实时连续地反映器官的动态图像，每秒钟至少需要产生25帧图像，因此每幅图像的成像时间不能超过40毫秒，这个要求对心脏等运动器官尤为重要。人体软组织的声速大约是1500m/s，如果体表以下探测区域的深度是0.2m，声束入射和反射的传播距离是0.4m，大约需要270纳秒的时间，因此40ms内可以完成150次发射，也就是说每幅图像最多由150个声束组成。实际上声束之间还需要有时间间隔，因此每幅图像的声束数还要少一些，上世纪80年代的超声成像设备通常采用128个声束。

由128个声束产生的超声图像在横向只有128个独立的数据点，像素点比较少，图像质量不高。为了加密像素点，又不增加声束，只能根据实际声束的数据插值得到所谓的虚拟声束。超声成像采用窄带脉冲信号，回波信号包括幅度和相位两部分的信息。上世纪80年代以前的成像方法把接收信号送入检波电路，得到包络信号，形成图像。这种方法只利用了回波信号中的幅度信息，丢失了相位信息，成像效果比较差。用包络信号插值，得不到插值点上真实的数据，由此得到的图像只是原有图像的平滑，图像质量不好。随着电子技术的发展，特别是数字化技术的运用，上世纪九十年代开始在超声诊断成像中采用相干处理的方法，用正交解调求得信号的复包络。复包

络保留了相邻声束间的相对相位关系，根据复包络插值，大大提高了插值的准确度，由此得到的插值图像比原有图像包含更多的信息，分辨率比传统图像高得多。这种成像方法称为相干成像，它的出现对超声成像技术的发展产生了重大的影响，当年科学美国人杂志做了专门的介绍[2]，并逐渐被推广使用[3]。

为了充分利用信号的相位信息，必须研究声波在体内传播时相位的变化规律，了解和控制发射、接收器件和电路的附加相位变化，这些要求促进了有关课题的深入研究。

3谐波成像

生物软组织是一种非线性的声学介质，一定频率的基波在生物介质中传播的时候，一部分能量会转化成两倍频率的谐波和频率更高的高次谐波。谐波使超声波的波形在传播过程中发生畸变，经过人体组织的散射被探头接收，接收信号中包含发射频率的基波成分和高频的谐波成分。普通的B超成像只利用基波成分，把谐波看作噪声，用滤波器去除。上世纪八十年代开始深入研究了生物组织产生谐波的过程，得到不同软组织的非线性参数和产生谐波的强度[４]。根据这些研究结果，九十年代后产生了新的谐波成像方法[5]，这种成像方法用滤波器将接收信号中的基波部分滤除，利用谐波成分成像。由于谐波成分的频率比基波高，谐波成像提高了超声图像的分辨率。这种方法比直接发射高频超声波的方法好得多，原因是皮肤和皮下组织是声速和厚度都不均匀的多层结构，探头直接发出的高频超声波通过这些组织时会改变传播的方向和速度，声场畸变，影响聚焦的效果。声波的频率越高，波长越短，这种影响越严重，尤其在声波进入人体时的畸变经过后面较长的传播途径的积累，对成像质量的影响非常严重。而在谐波成像的方法中，通过皮肤进入体内的是频率比较低的基波，受到的影响比较小。高频声波是在体内传播时产生的，可以形象地比喻为放入人体内部的高频探头，大大提高了图像的分辨率，图像细腻，利于观察组织结构的细节和发现小的病灶（参见图1）。研究还表明，良性的组织和恶性的肿瘤有不同的非线性性质，因此谐波成像有望能更好地识别正常组织和肿瘤。

图1 心脏的基波成像（左）和谐波成像（右）; 谐波成像显示的心腔和心室的边界更清楚

谐波的幅度比基波低得多，一般情况下谐波信号比基波信号大约小20dB，把微弱的谐波信号从强大的基波信号中提取出来，是谐波成像成功的关键。目前的超声技术已经能够满足这样的要求。

谐波成分的幅度与基波幅度的平方成正比，如果发射极性相反的两个声波，它们产生的基波是反相的，而谐波是同相的。根据这个原理发展了脉冲序列成像[6]。探头对同一方向发射两次极性相反的信号，如图2(a)中的实线和虚线，它们的频谱集中在基频附近，如图2(b)所示。图2(c)和（d）分别是传播距离为焦距的四分之三处的波形和频谱。由于组织的非线性效应，波形发生畸变，其频谱包含基波和多次谐波的成分。把两次接收的信号相加，基波部分互相抵消，谐波部分得到增强，如图2(e)和（f)。这样提高了谐波成分的信噪比，大大提高了谐波成像的质量。

图2 脉冲序列成像

4 速度矢量图

软组织是随机不均匀介质，内部有复杂的微小结构，声学性质随空间位置不规则地起伏，形成大量分布的微小的声散射目标。它们对入射声波散射产生的大量散射波互相叠加干涉，形成超声图像上明暗相间的不规则斑纹，与激光在固体表面反射时的散斑类似，称为斑纹噪声。不同组织的结构不同，斑纹噪声的性质也不同，因此斑纹噪声的图案是医生根据经验估计组织性质的重要依据，也是超声研究的一个重点[7]。

当软组织运动时，斑纹噪声也跟着运动，因此，利用图像分析的手段，跟踪斑纹噪声随时间

的运动可以判断组织的运动情况。根据这个原理，目前开发了许多自动和半自动实时处理心脏图像的软件。首先根据心肌和血流的回波的不同特征，在人工干预下对心脏在某一时刻的图像半自动地勾画出心室或心房边界的轮廓。然后显示心脏搏动的实时图像，同时软件跟踪心室和心房的边界的运动，用直线段不断画出运动的速度矢量，称为速度矢量图[8]，图3是一个心脏的速度矢量图的例子。医生根据各部分心肌的运动状况，诊断心脏的健康状况。软件还能自动计算心肌运动的速度，心内容积随时间的变化，心脏搏动的输出量等定量信息，提高了诊断的水平。

图3 心脏的速度矢量图

跟踪斑纹噪声的原理也可以用于血流的显示。红血球产生的斑纹噪声随血流运动，观察血流的斑纹噪声可以分析血流。这个方法可能取代目前的彩超技术，根本解决彩超帧频太低和受血流方向影响的缺点。但是由于红血球的散射信号很小，斑纹噪声很弱，观察和处理比较困难，目前只对一些浅表的大血流有成功的试验，如颈动脉和四肢血流等。这种显示的处理方法实际上就是B超的方法，因此被称为B血流成像。

跟踪斑纹噪声的原理也可以用于组织的弹性成像[9]。当某一部分组织受到外力作用时会发生位移和形变，而这种变化与组织的弹性性质有关，而组织的弹性系数往往与组织的状态和病变有关。如果医生检查时在体外施加压力，同时设备自动跟踪组织的位移，分析组织弹性性质并用图像显示，就可以得到组织病变的信息。这种弹性成像方法已经开始临床的应用。

5 三维超声成像

传统的超声成像采集的是空间二维的数据，得到二维图像。计算机的发展使系统可以处理大量的数据，因此可以采集多个相邻位置的二维面的数据得到空间三维的数据，根据不同的目的形

成不同的图像，称为三维成像[10]。近年来这方面的研究吸引了广泛的注意，并已经开始实际试用。利用三维数据获得的立体图像，尤其是腹中胎儿的图片受到社会的欢迎，不过这样的图像临床意义有限，并且胎儿受到的超声辐照剂量比较大，因此不为业内提倡。利用三维数据可以产生医生需要的各个方向的图像，包括与体表基本平行的切面或倾斜的切面图像，能从不同角度观察组织，对一些病变可能提供重要的信息，这方面的应用已经开始受到医生的重视。

目前常见的采集三维数据的装置是一个可以移动或转动的探头，在运动过程中不断采集并存储数据。探头的运动可以是人工的，也可以由一机械装置自动完成。机械驱动的探头不依赖使用者的具体操作，有利于采集数据的规范化和标准化，便于事后处理和不同病例的对比分析。

移动探头采集的三维数据在空间三个方向的采样密度是不均衡的。常见的一幅超声二维图像的像素点多达104到106个，但是构成一组三维数据的二维图像只有几十幅，因此在空间三个方向的采样密度相差很大，严格地说还不是真正的三维数据。为了得到各个方向采样密度比较接近的三维数据，需要采用面阵探头，产生在三维空间中扫描的声束，有关的研究是当前声学研究的热点，也许声学微机电技术可以解决这个问题。

三维成像需要发射的声束比二维成像多得多，通常不是实时的。对于像心脏这样运动的器官，实时采集是很重要的。为此上世纪末提出了一种全新的分区扫描成像的方法，也称为合成孔径的方法。这种方法完全改变了传统的发射窄声束的思路，其发射的声束开角很宽，每个声束可以覆盖相当一部分的成像范围。同时把每个接收阵元的接收波形经过模数变换后存储下来，再用类似于地震勘探的算法反演人体内各点的反射。这样只要少数几次的发射声束就可以覆盖整个成像范围，大大提高了成像速度，并且可以减少超声辐射的剂量，有利于超声成像的安全使用。但是，与传统的方法比较，分区扫描的发射波束很宽，因此可能降低图像的分辨率。目前的研究采用复杂的反演算法补偿成像的分辨率。这些算法的计算量很大，但是，试验已经证明，借助于新的高性能计算机的计算能力，这种方法是可行的，有望得到应用。

6 超声微泡造影剂

九十年代初超声微泡造影剂研制成功并推向应用，这是超声医学的一个革命性的变革[11]。造影剂含有大量带有包膜的微气泡，注入静脉后随血流循环，微泡的尺度很小，直径小于7微米，可以安全地通过全身最细的毛细血管（图4）。实际使用的造影剂浓度比较低，血管内微泡的数量比红血球少两个数量级。

图4 显微镜下超声造影剂的照片，右下角黑线段长度代表25微米; 照片显示球状的微泡及其不同的直径

由于气体的声阻抗与人体软组织相差很远，造影剂的微泡对超声波的反射很强，可以明显增强超声图像中含造影剂的血流的显示。造影剂最早用于心脏的检查，除了心脏内和大血管的血流外，还可以清楚地显示心肌内部各部位的血流情况，发现心肌缺血的部位和程度。现在，造影剂几乎可以用于各种超声诊断成像。

微泡在超声波的作用下振动，不同直径的微泡有不同的共振频率。胸腹部超声诊断的常用频率是3-5MHz，在这个频率共振的微泡直径约为3-5微米。直径2微米的微泡的共振频率大约是

7MHz。在许多超声成像的应用中微泡的共振频率和超声波的频率一致，这时微泡对超声波的散射非常强。

在声场中微泡随压强变化振动，压强降低时微泡会跟着膨胀，但当压强增大时微泡对压缩的抵抗比较大，微泡直径的变化在平衡直径两侧的振动是非对称的，由微泡返回的散射信号的波形与入射波不同。从频率域看，微泡产生的散射信号不但包括入射波的基频信号，还包括二倍和更高倍数的谐波信号，包括频率为基频一半的次谐波信号，表现出很强的非线性性质，因此造影剂用于谐波成像的效果非常好。实际上谐波成像最初就是针对造影剂的应用提出来的，而后才发展为组织谐波成像。

当超声波的强度增加时，微泡的振动变得更加复杂，其形状不再保持为球状，表现出更强的非线性性质。在强超声的作用下，气泡受压缩时还会崩塌。利用这个现象，如果在使用造影剂时对一些器官如肾脏发出强超声脉冲，打碎肾脏微血管内的造影剂，这时在超声图像上血流显示消失。随后其他部位含有造影剂的血流进入肾脏，超声图像清楚地显示造影剂逐渐流入肾脏，慢慢地充满整个肾脏的动态过程。如果再次发射强超声脉冲，就可以多次重复观察，仔细了解血流的过程。

造影剂必须比较稳定，在超声检查的过程中能随血流稳定地流动。造影剂也必须是安全的，对人体不造成任何伤害，检查结束后在不太长的时间内被吸收。目前已经有许多不同的造影剂，新的造影剂还在不断出现。最早的造影剂就是小气泡，现在的造影剂是有包膜的气泡，根据不同的包膜材料造影剂可以分为白蛋白、脂质、表面活性剂及具有广阔前景的高分子材料类造影剂等许多种。新近，又将特异性配体连接到造影剂包膜上,通过血液循环使之到达检查的组织或器官,选择性地与相应受体结合,从而达到特异性增强靶区超声信号的目的，称为靶向造影剂，使用超声微泡造影剂必须控制超声的强度，避免可能对机体产生的有害的生物效应。目前已有关于超声破坏微泡时引起组织出血、血管内溶血和在体外试验中含气组织和器官（如肺和肠）的损伤的报道，亦有资料证实可引起心室收缩功能可逆、短暂性的降低、冠状动脉灌注压的增高和心肌组织内乳酸盐的过量沉积。因此，这方面有待研究的课题很多，超声和微泡的相互作用牵涉到许多物理现象，是一个非线性的过程，尤其是大量微泡的多泡问题更为复杂。对于实际应用必须对超声和微泡的各种参数深入优化，同时改进超声微泡的制作工艺及微泡与基因或药物结合的方式。随着分子生物学、物理、化学及材料学（包括纳米技术）等与超声相结合的研究不断发展，超声造影剂将在疾病的诊断中发挥更大的作用。

7 结论

在过去的二十多年中超声成像技术发生了巨大的变化，超声图像的质量有很大的提高，在临床诊断中发挥的作用越来越大。目前，与超声成像有关的各方面的研究方兴未艾，新技术不断得

到运用。新的仪器设备功能越来越全，图像越来越细腻，同时设备的体积和重量不断减小，成本不断降低。可以预见，超声和信号处理、材料、电子与计算机技术紧密结合，将使超声成像技术有更大更快的发展。

超声成像诊断是一个飞速发展的领域，是一个巨大的市场。当前我国在基础研究和仪器研发方面与国际水平有很大的差距，上面介绍的一些前沿的发展都是在西方发达国家完成的。我国各级医院中使用的高端超声成像诊断设备还完全依赖进口。近年来我国超声诊断设备的研发也在原有的基础上取得不小的进步，目前已经能生产低档和一些中档设备，有些设备还能出口。但是由于这个领域的发展非常迅速，目前我国追赶世界先进水平任务还非常艰巨。由于医学超声技术是一个高科技的综合技术领域，因此必须在一个比较长的时期里大力支持基础研究、应用研究、开发、试验、生产等各个层次的研发和互相之间的合作，才能在我国开创新的局面。

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