医学超声影像技术的新进展.pdf

医学超声影像技术的新进展 舒贞权 姚锦钟 本文作者舒贞权先生汕头超声仪器研究所技术开发室主任教授姚锦钟先生所长高级工程师 关键词: 多普勒彩色血流成像 三维超声 谐波成像 全数字化波束形成器 超声换能器 从80年代中期起医学超声成像技术就和X-CT MR和核医学成像(PETSPECT)一起被公认为现代四大医学影像技术四足鼎立成为现代医学影像技术中不可替代的支柱和其他成像相比其具有实时性好无损伤无痛苦以及低成本等独特的优点 近几年来医学超声成像系统向更高层次发展其目标主要是: (1) 利用更多的声学参数作为载体以获取体内更多的生理病理信息; (2) 提高图像质量使图形清晰; (3) 显示更为细微的组织结构 从工程技术角度看医学超声成像在彩色血流测量技术数字化波束形成技术谐波成像技术三维超声等方面的发展特别引人注目下面将介绍这些技术的发展情况 一 多普勒彩色血流成像 多普勒图谱显示和彩色多普勒血流图(Color Flow Mapping CFM)都是基于多普勒效应用于实现对血流参数的测量血流参数测量的发展经历了从连续波多普勒(Continul Wave Doppler CWD)血流测量到脉冲波多普勒(Pulse Wave Doppler PWD)血流测量到彩色多普勒血流图的过程1983年第一台具有CFM功能的超声诊断仪问世促进了医学影像诊断设备的迅猛发展它标志着诊断超声学从形态学过渡到血液动力学使超声诊断设备不仅能获得人体脏器的解剖信息而且能获得功能信息极大地扩大了超声影像设备的临床应用范围 彩色多普勒血流成像系统(通常称为彩超)是一种能同时显示B型图像和多普勒血流数据(血流方向流速流速分散)的双重超声扫描系统从血管内血细胞后散射或反射并由探头接收到的多普勒回波信号是一个窄带随机信号x(t)它的功率谱和自相关函数分别记为P(ω )和R(τ )根据Wiener-Khinchine理论功率谱和自相关函数是一对傅立叶变换对: R(τ )=+∞∞−∫ P(ω )ejωτdω 不难证明多普勒平均频移ϖ (血流平均速度)和血流流速的分散程度(以速度的方差σ2表示)可表示为: j(ω )=)0()0('RRσ2=)0()0()0()0(2RRRR ′′− ′上式中R (0) R (0)是零延时自相关函数的一阶和二阶导数 在工程上要求在30ms时间内能计算出沿一条扫描线上许多采样容积的ω和2σ目前已研究出多种快速算法若用模和相角表示R(τ ): R(τ )= R(τ ) ejψ (τ ) 则可证明 T)(τψϖ ≅ −≅≅)0()(1122RTRTτ T为两次发射的时间间隔T=PRF1PRF为脉冲重复频率上两式便是目前大多数商品化彩超使用的算法自相关法 CFM已成为当代中高档超声诊断仪必不可少的功能由于它的直观性它在临床的许多方面都得到广泛的应用具有CFM功能的超声显像诊断仪习惯上称为彩超在一些发达国家如美国现已不生产和使用传统的黑白B超在医院中彩超已成一统天下 由于CFM是基于多普勒效应的血流测量方法这种方法必须检测回波信号的频移对电路要求十分严格同时测量精度受到声波方向和血流方向间的夹角θ的影响并且难于测量低速血流 为克服CFM的缺点90年代初美国ATL公司推出彩色多普勒能量成像(Color Doppler Energy CDE或称Color Power Angio CPA) CDE或CPA是检测血流中血球后散射能量的大小不区分流向和θ角无关CPA提高了血流检测的灵敏度特别适用于显示细小血管的低速血流但不能显示血流方向 美国Acuson公司在90年代初提出一种多普勒组织成像(Doppler Tissue Imaging)组织运动速度很小可与流速较大的血流分开组织运动可按速度加速度方差和能量等参数来成像 值得注意的是近年来出现了非多普勒测量方法的CFM其中最有前景的有斑点逐帧跟踪法(Frame-to-Frame Speckle Tracking)和时域互相关法(Cross-Correlation)惠普公司和飞利浦公司已成功地利用互相关法开发出它们的CVI (彩色速度成像)系统CVI同传统的CFM (自相关法)相比具有测量精度高不受夹角影响帧频高分辨力高不产生混叠(Aliasing)等优点 二 数字式波束形成技术 医学超声诊断仪器在临床上的诊断效果在很大程度上取决于超声二维图像的品质决定图像品质的最主要因素是分辨力图像品质包括分辨力在很大程度上取决于波束形成的方法和技术 为提高图像的分辨力必须采用电子动态聚焦电子聚焦包括发射聚焦和接收聚焦由于发射脉冲持续时间过短无法实现发射时的实时连续动态聚焦因而电子动态聚焦实际上是指声束信号形成过程(即接收过程)的连续动态聚焦 对常规的模拟声束形成器前端部分的工作模式可归结为: 延迟求和检波采样延迟是为了补偿回波信号经由不同路径到达换能器工作阵元的时间差换能器各工作阵元接收到的回波信号经适当延时后相加便于形成模拟声束信号: f(t)=∑=−=2/2/NnNnXn(t-τn) 式中Xn是第n个阵元接收到的回波信号τn为第n个阵元回波信号的延迟量总工作阵元数为N+1个(N为偶数通常对中高档彩超N为48 64128或更高)对于相控阵探头τn可表示为: τn=τn(R)=CR{[1+(Rnd)2-2(Rnd)Sinθ ]1/2-1}+t0式中R是焦点离探头表面中心点的距离C为声速θ是焦点和探头中心线的偏角τ0为某常数d为节距 对f(t)信号采样得到采样序列: f(KT)=[ ∑=−=2/2/NnNnXn(t-τn)] δ (t-KT) 式中 δ (t-KT)={时当KTtKTt=≠10T为采样周期K为整数 不难看出对于模拟波束形成器第一不可能实现连续的动态聚焦第二由于必须采用模拟LC延时线在改变焦点位置时不可避免地会产生开关瞬变干扰噪声此外LC延时线存在参数漂移特性阻抗难于完全匹配等问题因而模拟声束形成技术难于得到高品质的二维图像 对模拟式前端的超声成像系统f(t) 经A/D转换器转换为数字信号后进行后续的图像信号处理 不难证明上述的f(KT)信号可表达为: f(KT)=∑=−=2/2/NnNn[Xn(t) δ (t-(KT-nτ )] 这就是说可以把延迟和采样结合在一起显然先采样后延时取得的结果和先延迟后采样的结果完全一致这样就可通过控制各通道的不同采样时间来实现连续的动态聚焦这便是数字化声束形成的理论基础这种方法称为采样延时聚焦 采样延时聚焦可有两种方案: 均匀采样模式和变频采样模式均匀采样方式是通过动态地改变每个通道的读出地址逻辑来实现连续的动态聚焦变频采样是通过动态地改变各通道的采样频率和通道间采样脉冲的间距关系来实现连续的动态聚焦 具有数字式声束形成器的超声成像系统称为全数字化的超声成像系统世界第一台全数字化彩超是1988年由美国ATL公司推出的它极大地提高了超声图像的质量将超声成像技术推向一个新阶段 同模拟波束形成方法相比数字波束技术具有诸多优点: 实现连续动态聚焦和动态孔径可获得超高分辨力; 可实现动态变迹消除旁瓣引起的伪像; 回波信号中幅度信息(形成二维图像)和相位信息(获得多普勒频移)的提取可由软件实现而不必使用不同的通道; 容易实现各通道的自校准等 实现全数字化还可解决模拟声束形成技术中存在的带宽噪声动态范围暂态特性之间的矛盾 90年代以来随着VLSI技术和计算机技术的发展各大生产厂家相继开发出全数字化超声显像诊断系统最近二三年中高档彩色可以说已完全实现从模拟数字混合式(指采用模拟式波束形成器)向全数字化过渡高档黑白B超也向全数字化过渡从最近两届RSNA年会所展示的产品看具有代表性的全数字化彩超有: ATL公司的HDI系列全数字彩超惠普公司的SONOS系列西门子公司的SONOLINE Elegra和SONOLINE Sienna日立公司的EUB-8000东芝公司的PowerVision 6000 GE公司的LOGIQ 700以及Medison公司的V530D等 三 换能器技术 换能器(即探头)的性能指标对超声成像系统的性能起制约性作用换能器的发展包括材料工艺和阵列这里仅对和成像技术相关的问题作简要的介绍 近十年来美国的ATL公司和Diasonics公司等研制出多种高性能和能适应各种临床应用需要的探头这表现在电子探头的线密度相对带宽不断提高出现高密度超高频带高频变频微型探头已在临床应用的高密度探头有192阵元的相控阵探头192阵元256阵元的线阵探头这意味着1mm宽的压电材料切割约20个以上的槽探头的工作频率已做到60MHz 60MHz到100MHz的探头也在实验中60MHz外径1mm的血管内探头已在临床中应用凸阵探头的曲率半径可小于10mm(称微凸阵探头) 超声换能器的频率特性是整个超声系统的主要带限部件目前一般探头的相对带宽为50%左右获得超宽频带换能器的主要技术难点是在压电振子表面制作多层λ /4匹配层各匹配层的声阻抗及其厚度的误差要求十分严格层次越多要求越严目前ATL公司下属的Echo公司已开发出相对带宽在90%以上工作频带在2~12MHz的各类探头 由于超声在人体组织内的衰减与频率成比例所以通过体表对内部脏器发射的超声频率受到了病人体征和检查部位的限制若将探头通过体腔直接靠近受检脏器就可采用较高频率现已开发出各种经食道经直肠经阴道和介入血管扫描的机械扇扫线阵或相控阵的新型专用探头其中尤以介入血管的内窥成像在技术上更具挑战性因为使用的频率从20MHz到60MHz远高于传统的频率范围在这么高的频率上其分辨力可以达到很高可分辨出动脉壁的三层细微结构现在一些实验室和公司正在开发30MHz到60MHz主要用于冠状动脉眼球与皮肤表浅部位成像的探头 为了实现电子扫描探头在俯仰方向的动态聚焦已开发出二维和1.5维平面阵探头现行使用的线阵探头只能在一个方向上实现动态聚焦若要在剖面片厚的俯仰方向上实现波束聚焦只能借助于声透镜这意味着在俯仰方向上的聚焦是固定的超出该方向的聚焦区系统的空间分辨力就要降低为能进一步改善图像质量就必须能控制俯仰方向上的波束最好的方法是采用二维平面阵探头据报道已有30 30阵元和128 8阵元的二维平面阵探头商品化这些探头即可实现x y方向上的动态聚焦也可以用于声束的平面扫描以实现三维成像目前二维平面阵探头仍很昂贵于是有所谓的1.5维阵或称准二维阵探头出现这种探头是阵晶片的阵列上沿探头长轴作2~4条平行切割如128 4阵元平面阵这种1.5维探头均用于实现二维空间的动态聚焦 四 三维成像 最近几年三维超声图像重建是超声图像处理方面的热点已成为超声成像技术的一个发展趋势 第一个三维超声成像商品化装置是由奥地利Kretztchik研制采用互相垂直方向上摆动的机械扫描探头在3s时间采集感兴趣区的数据进行图像重建产生矢状面冠状面和横断面图像在所获得的超声信息容量范围内可以调整这些平面便可看到多个连续图像 腔内超声很适用于三维成像已获得应用的有心脏血管输尿管产科妇科等的三维超声成像 三维超声成像需要解决的问题很多包括数据采集方式实时图像重建临床应用价值等目前已出现4种数据采集方式: 平行扫描旋转扫描扇形扫描磁场空间定位自由扫描三维超声成像中最引人注目的是实时三维成像实时三维成像的关键是采用并行数据处理与缩短数据采集时间一个解决方案是同时向几个方向发射声波脉冲并同时采集和处理多条扫描线的声束信息显然这增加了超声成像系统的复杂性 三维成像技术近几年获得神速发展至1998年的RSNA在所有展出的技术中最引人注目的是三维成像从90年代初各主要超声显象诊断仪制造厂家一直致力于提高可视手段至现在可以说三维已成为技术发展的主流ATL和GE公司已把三维产品作为高档产品的选件开始销售韩国Medison通过收购两个开发三维成像的先驱Kretztechnik和TomTec公司而使其产品的三维成像技术在全球处于领先地位Medison的Voluson 530D数字立体声像仪(DVS)可在。