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超声成像新技术发展回顾收藏人：超声052014-07-29丨阅：1转：52 I来源二 I分享〒超声成像新技术发展回顾2008年11月21日 星期五13:17超声成像新技术发展回顾作者：迈克克劳顿佛费朗索斯特朗考特戴维艾文斯 费里德里克拉费佛简考里斯一引言近年来在超声诊断的各技术领域都取得了重大的技术突破和发展如应用新型压电材料拓 宽了换能器的带宽，单脉冲技术、多脉冲技术或多线技术等多种调制脉冲特性的技术的应用， 提高了空间分辨率和穿透力；非线性成像技术运用组织或造影剂谐波成分成像；运用多种不同 方式从接收信号中的基波频带中分离利用谐波信号；多普勒模式也得到新的发展，灰阶血流成 像技术允许血流和组织同时显像上述各种技术组合应用提高了组织对比分辨率，减小了人工 散射小体的干扰三维成像技术现在已普遍运用，同时最近四维成像技术已经被提出弹性图 成像技术还在评价之中，但已经展现出出色的临床价值最新的DIC0M技术规范标准的发布, 使得超声影像更加容易集成到PACS系统中（图片存档及通信系统）所有这些技术进步使得 超声诊断的临床贡献和作用得到进一步的加强和发展近十年来，超声工程学的发展使得临床技术达到前所未有的进步。

医师们可运用超声诊断 仪实现他们梦寐以求的诊断效果，使其在诊断过程中发挥更大的作用，成为一种较为重要的医 学影像技术本回顾文的目的是对那些被临床医师广泛使用的超声技术领域的一些重要进展进行概括性 总结二信号传输过程的进展1・宽频带换能器的进展近几年来，一系列低声阻抗、高电耦特性的新压电材料被发明出来，相关的阻抗匹配层和 背底吸收层材料性能也得到有效改善，以使换能器阵元震动的传导基本不受影响例如，可以 改变厚度和形状的陶瓷材料或者多层换能器（Hitachi ）被普遍应用这些技术的进展有助于 形成具有精确的频率、振幅、相位、脉冲长度的超声波脉冲这些技术的发展促使了超宽频换能器的广泛面世其具有以下优点：更短的脉冲长度，更 宽的脉冲带宽都可以使超宽频换能器在实际应用中的轴向分辨力得到更大的提高同时更短的 脉冲长度可以提高超宽频换能器的信号传输频率以增强近场观察效果，反之更低的工作频率有 助于提高对于远场的穿透力另外，一个重要的细节是，谐波图像的形成需要换能器的超宽频 带可以响应至少两次谐波以上的脉冲频率2・向更高的传输频率发展新型压电材料制作的换能器由于在更前级实现数字化，具有更佳的回波信号分析能力，并 降低了噪声，可以应用更高的工作频率进行成像。

在获得更好的轴向分辨力和横向分辨力的同 时，仍保留了良好的穿透性例如现在可以用大约7MHz工作频率的探头观察成人的肝脏高频超声（±20MHz ）的研究是另一个迅速成长的领域，其不断推广应用于诸如皮肤科、 口腔科、眼科、肌肉骨骼系统疾病的诊断图.2 ）例如初步发展的研究包括：对直径 100-300 口m血管中极低速血流（W0.5mm/s ）的测量观察超高频（±50MHz ）超声的研究, 包括三维成像技术对于眼角膜及眼前段构造病变的精确描绘和测量也是非常有价值的；但是， 虽然多种不同的专用换能器已经应用于科学研究，但是它们中的大多数还没有达到商业应用3・调制脉冲和扫描线如前所述，新型压电材料具有灵活调制功能，发出脉冲的频率、带宽、振幅、相位、脉冲 长度都可调脉冲的相位变化只有相对于参考波形或者其他脉冲才能显示出来这在应用中可 以通过相邻振元发出的脉冲的相位变化，构成多线束形成器（如Acuson公司的cohere nt image formation ）不同的商业公司开发了多种多样的脉冲调制方法，但是，技术细节通常是不公开的我们 以下介绍一些近来发明的具有重大影响的超声技术这些新方法是根据换能器发出脉冲数量或 扫描线数来分类的。

a. 单脉冲技术基于单脉冲技术，脉冲调制通过以下方法实现：（1 ）通过减少发射脉冲的频率带宽，限制基波频率与谐波频率的重叠，通常减小发射频率的 带宽可使脉冲加长而使轴向分辨力受损但波形经过精确调节发出的脉冲可以准确地区分基波 和谐波，从而得到轴向分辨率很好谐波图像（图.3 ）2 ）发射一个线性调频脉冲（Acuson ），即发射一个长的，经过特别调节的脉冲（线性调 频脉冲），在其发射期间改变频率和振幅当接收回波时，回波经过滤波器，该滤波器是按照 发出脉冲的精确时间反转复制的滤波器输出的信号是一些“高而窄”的小散射体，其效 果是声波穿透力提高，提高了信噪比，图像轴向分辨率也得到很大提高b. 多脉冲技术编码发射模式（GE， Esaote ）:扫描仪发出的不是单脉冲信号，而是有序编码的8-22 个短而高频的，具有不同相位的调制脉冲信号比较处理发射脉冲和接收信号时应用匹配滤波 器（解码器）以很高的采样频率进行后处理图.4）［7］这一技术很早已经应用于雷达 和声纳应用，以提高成像穿透力，且不削弱轴向分辨力，并可提高发射峰值电压多脉冲技术基于发射反相位连续脉冲一种方法叫做反相脉冲技术（ATL-Philips ）或者 叫做反相位技术（Siemens ），两个相反极性脉冲沿着同线发出。

这两个信号的回波性响 应性组织中因相互消减作用而减小，使得在非线性组织中的响应性相对加强（图.5）；但在 彩色多普勒技术中，由于基波的频率变化可以伪装成谐波，从而对这种方法造成干扰另一种方法叫做幅度调制技术（Agilent ），发射两个相位、振幅不同的脉冲，一个脉冲 的振幅是另一个脉冲振幅的二分之一在非线性组织中半幅度脉冲得到加强使幅度升高，被检 测电路优先接收，从而使非线性组织影像被加强现在可见许多复杂的多脉冲技术例如，在发射出两个反相脉冲后，再发出一个与第二个脉冲 反相的脉冲这一技术叫做能量反相脉冲技术（ATL-Philips ）（图.6 ），它基于能量多普 勒的漂移计算两个脉冲间的延迟时间非常短暂，假设移动目标在捕获过程中恒定不变这种 技术看来有助于减少移动和闪烁的物质的影响，更好的区分组织与背景它主要应用于造影剂 增强超声扫描技术中除前述的几种方式，多线技术的发展几乎可以排除多脉冲技术造成的帧频降低的缺点c. 多线技术运用多重的射束形成器技术（beamformers ），可直接集成分析相邻近线束的相位差信息 这也是超声技术领域的一项重大突破例如，我们可把两束邻近的线束产生的回波信号的振幅 和相位信息进行叠加处理，以抵消基波信号，加强谐波信号。

这称为脉冲消减技术（Acuson-Siemens ）（图.7 ）这种方法优点是既可以保持帧频不降低，又可以减少运动 伪影4・空间分辨率的提高在动态聚焦发射模式（Acuson-Simens ）中，边缘振元所发出的脉冲较中央振元的激发脉 冲更长，使得超声射束聚焦于声场内两个不同的点，从而提高了侧向分辨力所形成的组合脉 冲波形仍然是短的激励脉冲，所以轴向分辨力亦未被削弱如何提高超声远场厚度成像分辨率是一个巨大的挑战造影剂成像和三维成像应用都迫切 需要换能器提供更均衡图像厚度层，更细腻的成像性能采用一个称为1.5D传感器（GE， Simens ）的，其具有三到七列平行排列的阵元，在这方面取得了一些进步这种方法可以在z- 平面调节聚焦，提高了空间分辨率和对比度，降低了容积伪影效应，但是这需要运用更多的信 道数另一种方法是添加一个特殊声学透镜，一个Hanafy透镜（acuson-simens ），通过运用 厚度可变晶体产生一个薄的，厚度均衡的成像层，同时，其具有非常宽的频带在发射和接收 信号过程中，在晶体共振区外产生低频信号也可被聚焦，在深部组织中，低频信号的穿透能力 更强焦点中心部分更细小，产生高频共振，焦层面更薄。

三信号接收过程的进展1・非线性谐波成像Schrope和同事们在1992年对造影剂产生的谐波进行了研究这一成果备受关注，它大大 的推动了造影剂在常规超声波检查中的运用a・谐波的基本原理和特性超声波脉冲包含一定的频率范围，其以“过零点”频率为中心频率当这些脉冲在组织里 转播的时候，它们的频谱被多种的机制改变最明显的变化是，由于高频成分的迅速衰减，导 致了中心频率向低频偏移另一机制为非线性传播导致更多的高频信号生成在任一瞬间，压 力波峰的传播稍快，因为在加压组织中较在松弛组织中声波传播的速度是不一样的，这也增加 了谐波的产生虽然，使脉冲波形产生微小畸变的谐波信号非常微弱，并保存很少，但声波在 组织传导过程中，谐波成分会不断累积加强谐波成分的振幅与组织的非线性参数B/A有关， 其是组织的固有特性之一组织谐波在皮肤层的强度实际为零，随着深度增加而增强，直到深度到达因衰减使其幅度 再转为下降的点为止可是，在所有深度，组织谐波强度总低于基波强度组织谐波成像技术 可以使用较低频的波束，因为生成用以成像的谐波的波长很短使用自动聚焦成像时，影像中 心区的谐波信号较强，这是因为声束中心区声压最强造成图像信号噪声干扰的是体壁，如脂 肪和皮层厚度等含水成分层是造成声束失真和散射的主要原因。

另外，波束与层厚的侧向旁瓣 波产生的混响等也是造成图像欠清的原因但是，造成失真、散射的能量，远远低于信号发射 的能量，因此其产生的谐波干扰还是较弱的最终，组织谐波成像较基波成像所含有的干扰较 小，因此，谐波成像模式对病灶具有较高的检测灵敏度当使用造影剂时，超声脉冲与造影剂微泡作用产生较强的谐波的成分，这一应用得到了广 泛的发展b.图像重建谐波图像形成于利用组织中产生的谐波成分并取消发射声能直接反射回来的基波回波信号 （图.12）这一成像方式要求应用超宽频换能器以准确的发出和接收宽频带信号；但是，要区 分谐波成分和基波成分就需要限制发射脉冲的带宽，这将导致轴向分辨力的降低应用接收滤波器可以滤除纯粹的基波信号，而利用保留的谐波信号重建图像这个谐波滤 波器必须与谐波频带完全匹配，而彻底滤除基波频带信号，以防止来自于基波的噪声和干扰使用一些特殊的技术可以进一步分离两个频带，以加强谐波图像的显示这些技术前面已 经列举，包括精确调节脉冲、多脉冲等技术，如反相脉冲/相位，单脉冲取消技术通过临床研 究表明，这些成像技术的应用对区分正常及病态组织有显著的帮助近来还发展了另外一些新技术，以增强对比显示，这基于以下两个原理。

一种技术称为超 谐波技术(Agilent),它运用射频滤波器，滤除组织谐波信号射频滤波器的用处是在二次谐 波和三次谐波中减少不需要的组织信号这意味着要应用超宽频换能器以应答较二次谐波频率 更高的信号其目的是减少运动干扰，同时提高了侧向和轴向分辨率另一技术为分频谐波技 术，它是利用造影剂微泡产生较多的次级谐波来进行成像2•多普勒技术方向能量多普勒技术(Toshiba，Esaote，ATL-Philips，GE)是正、反向血流在估算信号 功率之前被区分这一技术实现了对流向进行实时二色阶编码显示，但是不能像彩色多普勒模 式那样提供血管内的血流动力学细节但是，其对血流有更高的敏感度，且能量模式对角度的 依赖性较小，它对血流的方向的描绘在某些情形下对诊断是有帮助的它还可用于计算多普勒频移，持续采集观察谐波和反相脉冲，形成谐波能量模式和反相脉 冲能量多普勒技术(ATL-Philips)通过临床评价，这一模式可以有效地通过微泡反射的谐波 获得更好的成像，并有效地消除基波干扰3・灰阶血流成像技术灰阶血流成像技术基于B模式，允许血流和组织同时成像，没有通常多普勒模式中的阈值 限定和色彩覆盖等问题B-flow (GE)技术的作用是比较从很短的时间间隙中发出的一双经过 有序编码的脉冲信号。

如果在两个脉冲信号之间血液细胞产生运动，那么两个脉冲串的回波信 号会有少许差异，把它们相减，将不会完全抵。