醫學超聲診斷設備中的若干新技術

吳 強

(江蘇省中醫院 設備處，江蘇南京210029)

醫學超聲診斷設備中的若干新技術

吳 強

(江蘇省中醫院 設備處，江蘇南京210029)

1 若干新技術的簡介

1.1 全數字化技術

全數字化超聲診斷儀具有圖像品質好、系統可靠、易于升級換代等優點。它的最主要技術特征是數字式的聲束形成技術。在傳統的模擬式的超聲診斷儀中，為了實現聲束的聚焦，設計了超聲延遲線，不過這種延遲線是由模擬電路實現的。它不可能將聚集點的位置一步一步地控制得非常精細。而在全數字化系統中，聲束的延遲控制是由數字電路實現的。它所控制的聚焦點的位置比傳統模擬延遲線的精度提高了十倍以上。

醫學超聲儀器在臨床上的診斷效果在很大程度上取決于超聲圖像的品質，而圖像分辨力又是其中最重要的指標之一。在超聲診斷設備中圖像分辨力應包括三方面的含義:空間分辨力、時間分辨力(即實時性)和對比度分辨力(即動態范圍)。與傳統的超聲診斷設備相比，全數字化超聲診斷系統在上述幾項分辨力指標上有了明顯的提高，從而也就使整個圖像的品質有了明顯的改善。

(1)空間分辨力的改善

空間分辨力是指儀器所能分辨的兩個病灶間的最小距離。空間分辨力愈高就愈有可能區分細小的病灶。

提高空間分辨力的方法有許多，例如，提高超聲波的發射頻率;擴大超聲換能器表面的孔徑;改善波束形態等。通過改善波束形態來改善空間分辨力實際上是要解決從近場到遠場連續地精確控制聚焦點移動的步距。由于全數字化超聲診斷系統采用了數字式聲束形成技術，可以近乎連續地精確控制焦點的位置，因而極大地改善了聲束剖面特性，它的圖像具有很高的空間分辨力。這是傳統的模擬系統所無法比擬的。

(2)時間分辨力的提高

時間分辨力決定了儀器的動態性能。這項指標在觀察心臟活動及檢測血流速度中是很重要的。

在全數字化的系統中，積壓個陣元接收到的回波信號經過放大后立即被送入模/數轉換器，形成數字信號。波束方向與聚焦點的控制都是通過數字延遲線來完成的。因此，同一組陣元接收到的回波信號可以同時送到幾組不同的延遲線處理電路中，通過不同的延遲處理后，就可獲得幾個不同方向(即不同掃查線)的回波信息。也就是說，每發射一次超聲波就可得到幾條掃查線的回波信息。這種并行處理的方法提高了整個系統的幀頻，也就是系統的時間分辨力。

(3)對比度分辨力的提高

對比度分辨力是指區分不同的回波強度的能力。改善對比度分辨力的主要措施是抑制超聲束的旁瓣。為了達到抑制旁瓣的目的，一方面可以通過對各個通道的回波信號在處理時加以不同的權重來實現;另一方面實現高精度的波束形成也是十分重要的。全數字化系統在完成高精度波束形成的同時還可以對回波信號作不同的加權處理，從而使系統獲得了較高的對比度分辨力。

全數字化超聲診斷儀在聲束形成過程中采用了數字延遲線，獲得了從近場到遠場的全程均勻的高分辨力圖像。可以說，全數字化系統是當今超聲診斷儀最高水平的代表，也是今后技術發展的一個重要趨勢。

1.2 新的血流測量方法

超聲血流測量的發展經歷了從連續波(簡稱CW)多普勒血流測量，到脈沖波(簡稱PW)多普勒血流測量，到彩色血流圖(Color Flow Mapping，簡稱CFM)的過程。其中，前兩種方法在國內醫務界被稱為多普勒血流測量，后一種方法在國內醫務界被稱為“彩超”或“彩色多普勒”。

最近幾年來，超聲血流測量的新方法不斷涌現。例如，CFM是指在黑白的B型圖像上迭加上彩色的血流信息。但是，由于在形成血流信息的過程中所采用的處理方法不同，還可以分為多普勒彩色血流圖(Doppler Color Flow Mapping)與時域彩色血流圖(Time Domain color Mapping)。其中，基于時域處理的血流測量方法是一種較新的方法。

時域血流測量方法的基本做法是:在發射一個超聲波脈沖后，根據所需的采樣深度截取一小段時間信號，如果我們對兩次發射后同一深度的回波信號作互相關運算，就能根據互相關函數中最大值出現的時刻來判斷血流的速度。

時域血流測量方法具有以下特點:

(1)傳統的多普勒血流測量方法是檢測回波信號的頻移或相位差。由于超聲波在人體中的衰減是與頻率有關的，還由于一些不可預測的與組織結構有關的因素的影響，往往千百萬頻率測量中的誤差。時域處理方法是一種非多普勒血流測量方法。它與信號的頻率基本無關，因此可以獲得較高的測量精度。

(2)從理論上講，采用時域測量方法時，在經過兩次發射后就可以測出血流的速度。因此，與傳統的多普勒血流測量相比，時域方法可以得到較高的幀頻。這在超聲血流圖儀中是很重要的一項指標。

(3)采用時域處理可以發射持續時間更短的脈沖，從而提高了二維血流圖的軸向分辨力;又由于時域處理可獲得較高的幀頻，因此與傳統的多普勒血流測量方法相比較，在同樣的幀頻下，時域處理可采用更高的發射線密度，也就是說，橫向分辨力也提高了。

(4)時域處理方法是一種直接的血流估計方法。時域互相關的計算量比頻域處理的計算量要小。

目前，基于時域處理的商品化的彩色血流圖儀已經問世。盡管它還有一些不夠完善的地方，但是這種方法是有發展前景的。

在血流測量中，如何提高檢測的靈敏度是很重要的一個問題。諸如彩色多普勒能量圖(Color Doppler Energy)及超聲造影劑等新方法都在提高小血流的檢測率方面有明顯的作用。

彩色多普勒能量圖中顯示的色調并不代表血流的方向與速度。它所顯示的大小是血球散射信號的能量，在本質上是與血流中散射子的容積相關的。這種顯示方法的好處在于:

(1)提高了血流(特別是低速血流檢出的靈敏度)。

(2)在二維血流圖中提高了空間分辨力。

(3)與常規彩色血流圖儀相比有較高的幀頻。

(4)能量圖上顯示的大小和聲束與血流的夾角無關。

(5)避免了多普勒血流測量中可能遇到的混迭問題。

使用超聲造影劑是提高小血流檢測靈敏度的一種非常有效的方法。超聲造影劑可分為微顆粒型、微氣泡型與液氣轉換型等。將其注入血管后，由于其與周圍媒質間的聲阻抗差異甚大，造成散射能量增加，于是就為系統檢測小血管血流提供了可能。與此同時，由于造影劑產生的后向散射信號具有非線性特性，實驗已經證明:測量回波信號中的諧波分量比測量基波成分更能區分血流信號與組織的慢速運動。這種二次諧波分析方法在心臟病學的診斷中有重要意義。

目前，血流測量正在由定性向定量化方向發展，所測得的流速、流向、流量等參數還可用于推導出血管的彈性模量。這在心血管與腦血管疾病的診斷中都是十分有用的。

1.3 三維成象技術

三維成象是醫學影象學中一個重要的研究領域。一般情況下，三維圖像是由一系列二維圖像迭合而成的。將二維數據的集合變成三維數據結構后，醫生就可以根據需要取出任意角度下的剖面來觀察，以便更準確、更全面地了解臟器結構，從而提高臨床診斷的水平。由于數字圖像處理技術、計算機圖形學等相關學科的發展帶動了醫學三維成像的發展。使這個研究領域在不長的時間里取得了長足的進步。

三維成象一般包括數據采集、圖像重建及三維成型等幾個步驟。在超聲三維成像中，數據的采集有幾種不同的方法。在腹部三維成像中，探頭可以在體外作平移、擺動或旋轉運動來采集數據。在心臟的三維成像中，探頭或是在體外旋轉來采集數據。采集到的三維數據，經過坐標變換和數據插補后可形成三維數據結構。然后就可以利用一些計算機圖形學軟件來實現形像化的三維立體顯示。例如，在腹部的三維圖像中已能清晰地顯示胎兒1 mm米唇裂。

由于超聲三維數據的采集需要一定的時間，目前商品化的三維成像系統還不能做到實時(實驗室中已研制出準實時三維圖像)。今后的研究方向是進一步提高成象速度，以實現動態的三維成象。

除了上面介紹的幾項新技術外，在設計高密度、高分辨力、高靈敏度的探頭、回波信號與圖像的處理等方面還可列出很多相關的新技術。正是由于這些新技術的引入使超聲診斷儀的水平在過去的十年中又有了長足的進步。可以預測，在今后的一段時間里，醫學超聲診斷設備在臨床中的應用會更加廣泛，它在工程方面所涉及的技術也一定還會有新的更大的進步。

3 選購醫學超聲診斷設備中幾個值得注意的問題

超聲診斷儀的種類繁多，用戶在選購超聲診斷儀器時，應根據本單位的實際情況與需要來決定。

在超聲診斷儀的發展過程中，根據其在功能上的演變大致可分為以下幾個階段:

(1)用普通示波管顯示圖像的簡易型超聲顯像儀，這類儀器目前已基本上被淘汰了。

(2)采用數字掃描變換器后的改進型B型顯像儀。這類儀器就其圖像品質與功能而言還可分為若干不同的檔次。

(3)B型顯像加多普勒血流測量的雙功能儀器指定點上的血流速度，這類儀器在心血管疾病的診斷中有重要意義。

(4)彩色血流圖儀。這類儀器的主要特點是在B型圖像上迭加上了彩色血流顯示。用戶可根據不同的顏色與色調來判斷血流的方向與大小。它是目前檔次最高的超聲診斷儀。

三維超聲顯像儀代表了先進技術的發展趨勢，但這類儀器目前還不普及。

在選購超聲診斷設備時，應首先對儀器的類型、主要技術指標有所了解;然后根據實際需要選擇適用的而且性能/價格比盡可能高的產品;最后，應對選中的儀器品質做較全面的評價。下面，我們以彩色血流圖儀(簡稱彩超)為例，介紹這些基本原則。

彩色血流顯像技術是于1983年由日本的Aloka公司首先推出來的。據不完全統計，目前世界上已有20余個廠家先后制造出60余種不同型號的產品，其中的絕大多數已進入我國市場，最昂貴的產品報價達30萬美元以上。根據各類設備所采用的主要技術及其實際的價值與效果，我們將其分為四種類型:

(1)換代型:此類產品采用了許多與傳統方法不同的新技術(如本文上一節中提到的全數字化系統)，這些技術的引入使得圖像品質及儀器性能有了顯著的提高。此類產品的技術水平代表了當今超聲診斷設備的最先進水平，堪稱新的一代產品。

(2)跟代型:使用了換代型產品中的主要技術，并取得類似的效果，所用的新技術晚于換代產品1～2年。這類產品在價格上低于換代產品。

(3)改進型:基本使用的是傳統技術，且無較大更新，雖然在操作方式、顯示方式、計算軟件及圖像存儲方面有所改進，但總體上看圖像品質基本上無改進，此類產品的價格比較低。

(4)過時產品:此類產品技術上已顯陳舊，圖像品質較差，但仍然能作一般使用，價格更低。

在上述四種產品中，一般來說，換代型產品在技術上確有突破，但價格也十分昂貴。選購設備時應避免盲目追求高檔，而首先考慮實際的需要及應用的領域。例如，主要用于腹部檢查或用于心臟檢查時選擇儀器所考慮的側重點是不一樣的。

最后，不管參考資料或產品廣告的宣傳如何，用戶都應在進行深入的調查研究、分析比較及實際應用后再對產品的優劣作出評價。目前，由于國內的用戶對國外進口設備所報的某些技術參數缺乏檢測與驗證的手段，因此無法給出比較嚴格的客觀評價指標。但是，根據我們的經驗，在選購彩超時可以參考比較以下幾方面的指標:

(1)血流方差顯示能力;(2)檢出敏感度;(3)彩色方式時黑白圖像的品質;(4)顯示色彩顆粒的粗細;(5)彩色充盈度;(6)色彩連續性;(7)色強;(8)彩色動態范圍;(9)彩色濾波器的效果;(10)掃描角度、幀頻與探查深度。

設備的質量與其所采用的技術當然是直接相關的。但是，對儀器優劣的最終評價還應該看它的圖像品質、儀器所提供的功能及可靠性等方面性能指標。因此，在選購儀器時，應充分了解其在工程上所采用的技術，并綜合考慮該儀器的性能與價格及本單位的使用目的與效益等因素。對那些以科研、特殊及常規檢查并舉的大型醫院，如果經費充足可根據儀器的技術指標選購換代型的專用機;若經費比較困難、又以常規檢查為目的，選擇跟代型產品也能基本上滿足使用的要求。對于進行多種檢查為目的的綜合性醫院，選擇復合型儀器較為合適。

TH776

B

1002－2376(2011)03－0029－03

2011－2－16