超声成像新技术的物理声学基础及其应用

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上个世纪90年代以来，由于电子计算机容量和功能的提高，数字化技术的引入，以及各种信号处理、图像处理和控制技术的应用，医学超声成像新技术、新设备、新方法层出不穷。本文就腹部超声诊断中常用的主要新技术的物理声学基础、临床应用现状及发展前景等问题作一简要阐述。
1与提高图像质量有关的超声成像新技术
1.1频谱合成成像频谱合成成像即频率转换技术(frequencyconverttechnology,FCT)[1]。组织在超声声场的作用下，当超声波满足小振幅条件时，声源与其声场之间为线性关系，即无论在声场的任何距离上，介质质点都重复声源的振动规律，但当超声波不满足小振幅条件，而具有一定振幅(有限振幅，达到有限振幅的波为有限振幅波)时，随传播距离的增加，由于有限振幅波的传播速度不是常数，而与介质的非线性参量及质点的振速有关，致使波形发生畸变，波形的畸变必然伴随谐波的产生。当声源发射的不是单频的超声波，而是以f0为主频、具有一定频宽的超声脉冲时，经声场介质作用后，将产生具有多重频率的回波信号，且其频谱与声源发射者不同，即实现了频率转换。从成像的观点来说，回波信号中频率成分利用得越充分，图像质量就越好。利用超宽频探头、数字化处理和超大容量计算机，可将回波信号分解为多个频带进行并行处理，然后再按频谱合成为最后的信号，因此亦称为频谱合成成像，由此获得的图像分辨率更高，对比度更大，噪声伪像更低。
1.2二次谐波成像1995年以来，二次谐波成像(secondharmonicimaging,SHI)技术逐步趋于成熟，近几年开始用于心外脏器和组织的检查[2]。应用于临床的谐波成像分自然组织谐波成像(nativetissueharmonicimaging,NTHI)和造影剂谐波成像(contrastagentsharmonicimaging,CAHI)两种。
(1)物理声学基础：如前所述，当超声波不满足小振幅条件时，在组织中，随传播距离的增加，必然有谐波成分产生，但组织的谐波信号微弱，主要反射(大界面产生反射)和散射(小界面产生散射)基波。声学造影剂多为含气体微泡的液体物质，这些微泡构成了液体的“空化核”，在超声场作用下，微泡除常规散射基波外，尚发生运动而再“发射”超声波，回波频率与发射波频率(即基频fundamentalfrequency)的关系在外加声压较弱时为线性关系，明显的振动为基频共振，产生以基频为主的一次谐波，二倍和三倍于基频的二次和三次谐波稍有显示。随着外加声压的不断增加，则会出现非线性复杂运动，相继出现高次谐振，分谐振，高次分谐振等。诊断用超声声压较弱，组织和造影剂微泡除反射和散射基波外，主要产生较弱的二次和更弱的三次谐波。传统的超声仪只接收基波信息成像，二次谐波成像时，仪器通过带通滤波，只提取二次谐波信号进行成像。无造影剂存在时，二次谐波信号来自组织，称自然组织谐波成像，有造影剂存在时，二次谐波信号主要来自造影剂微泡，称造影剂谐波成像。由于二次谐波可提高图像的侧向分辨力，且随着谐波信号的增强，反射回声的长度逐渐减小，图像的轴向分辨力随之提高，同时随谐波信号增强，旁瓣作用减弱，Clutter亦减少，上述几方面因素使图像质量得以明显提高。由于造影剂微泡与周围组织声学特性的差异较大，因此比周围组织质点有更大的等效散射面积，加上微泡谐振引起的共振散射，故来自造影剂微泡的二次谐波信号较强，因此，造影剂谐波成像在临床上应用更广。
(2)临床应用：目前大多数中高档超声诊断仪均具谐波成像功能。自然组织谐波成像对不适宜声学造影或经济困难的肥胖患者深部病变的观察可首先考虑使用。造影剂谐波成像时，可使组织回声明显增强，该技术已广泛用于心脏病变的诊断与鉴别诊断。吴瑛等对比分析了基波显像和谐波显像在诊断胆总管下段——胰腺区域病变中的价值，结果表明，谐波显像能更清晰显示该区域病灶。此外，随着第三代声学造影剂的研制成功，造影剂已能到达心外脏器，实现心外脏器造影，增强实质脏器的二维图像和多普勒信号，造影剂谐波成像技术为研究组织的血流灌注提供了更加可靠的手段，有助于腹部脏器病变的诊断与鉴别诊断。
1.3能量造影谐波成像技术能量造影谐波成像(powercontrastagentharmonicimaging,PCAHI)[3]在接收返回的谐波信号时，主要对回波的功率(振幅)信息进行分析处理，并利用该信息进行成像。PCAHI提高了谐波对造影剂的敏感性，尤其对微小颗粒的灵敏度更高，对细小病变显示更清楚，因此有利于病变的早期诊断。此外，由于造影剂和组织均具有谐波特性，而能量造影谐波成像时，血管内造影剂的功率谐波成分远远强于组织的功率谐波成分，因此，少量的造影剂即可使血流信息从组织中分离出来。1.4脉冲反向谐波成像脉冲反向谐波成像(pulseinversionharmonicimaging，PIHI)[4]是二次谐波领域的又一重大突破。常规的谐波成像(conventionalharmonicimaging，CHI)是仪器在接收回波信号时，使用滤波器滤掉基波成分，只接收谐波成分。这一技术的不足在于滤波器在滤掉基波的同时也滤掉同波段内的部分谐波信号，故在某种程度上减少了造影剂的灵敏度和饱和度。为克服这一缺点，ATL公司推出了脉冲反向谐波成像技术。该技术是系统在发射正向脉冲波的同时发射一个相同的反向脉冲波，并全数字化存储返回的基波信号和谐波信号，经处理使正向和反向的基波信号叠加而抵消，而结合谐波成分产生纯净的宽频谐波信号，克服了常规谐波成像频带的局限性，提高了图像的分辨率，并可减少造影剂的用量。
1.5组织多普勒成像一般多普勒回波信号中，既包括血流中散射粒子的散射信息，又包括运动器官的反射信息，前者的特点是运动速度快，产生的多普勒频移大，但幅度较小；而后者则速度慢，频移小，但幅度大。利用高通或低通壁滤波器(wallfilter)，可分别提取血流或器官的相应信息。常规多普勒成像采用高通壁滤波器，提取血流的多普勒信号，组织多普勒成像(tissueDopplerimaging,TDI)则采用低通壁滤波器，单独提取运动器官的低速多普勒信息，并以适当参数予以显示[5，6]。目前诊断仪的TDI显示有速度(velocity)、加速度(acceleration)、分散度(variance)和能量(power)图像等，这些参数均可以彩色编码进行伪彩色显示。
2与组织定征有关的超声成像新技术
2.1超声背向散射积分成像声学密度定量分析是通过定量地分析某些声学参数来研究组织特性以达到组织定征的目的。超声背向散射积分成像(integratedbackscatter,IBS)技术作为声学密度定量分析新技术，为组织原始回声信号的定量分析提供了新方法。
2.1.1传统的声学密度定量分析法即视频分析法。组织的回声信号经传统成像方式形成二维灰阶图，视频分析法即对该灰阶图的灰阶分级水平及其分布进行分析，方法有：①灰阶直方图；②计算机定量分析回声的灰阶值及其分布；③纹理参数分析。由于视频信号是组织的回声信号经处理(检波、对数压缩等)后所得的信号，并非组织的原始回声信号，其受动态范围的限制，信号被压缩并有丢失，因此，从严格的定量角度讲，视频分析法并非真正的声学密度定量分析方法，由于影响视频信号的因素太多，所得结果不可靠，故有人称之为半定量研究。
2.1.2超声背向散射积分成像技术
(1)超声背向散射原理[7]：由声源来的超声波在介质中传播时，若遇到两种具有不同声阻抗的介质(声阻抗差大于0.1%)所形成的界面，且界面大于超声波波长时产生反射，若界面远远小于超声波波长，则产生散射。散射是各向性的，朝向探头的散射即为背向散射，能为探头所接收。
(2)背向散射积分技术：探头所接收的背向散射信号与同时接收的反射信号相比是非常微弱的，故在经传统成像方式形成的二维图像上，由大界面来的反射回声表现为高回声，如脏器的包膜回声、血管壁回声及大的组织结构回声等，而由微小界面来的散射回声则表现为弱回声或无回声，如脏器实质回声为弱回声，血液、胆汁尿液等为无回声。然而由于背向散射信号来源于组织的微细结构，其更能反映组织的结构特性。为了有效的提取和分析微弱的背向散射信号，近几年来一种以背向散射原理为基础的超声成像技术——背向散射积分成像技术得到了较快的发展。
探头接收人体组织的回声信号，超声仪将各界面来的信号经放大、滤波，并进行各信号的延迟合成得到射频信号(组织回波的原始信号)，若将射频信号经检波并输入视频处理器处理(对数压缩、数字扫描转换等)后，再输入显示器显示，则形成常规的二维图像。背向散射积分技术是通过特制的时间门控电路[8]，在射频信号被处理前，提取相关区域(取样容积内)的射频信号，并将其功率谱与一理想平面反射器的回声信号功率谱相比，取其有效频率范围进行积分，单位为分贝(dB)，并将积分值显示出来。目前具有该技术的仪器均为联机分析系统，一旦取样，仪器将自动报出感兴趣区域局部背向散射积分值。(3)常用测量指标[9]：背向散射积分技术的声学参数为背向散射积分值，包括：①图像峰-峰强度(peaktopeakintensity，PPI)；②图像平均强度(averageimageintensity，AII);③图像强度标准差(standarddeviationofimageintensity，SDI)。PPI即取样容积内最强与最弱射频信号强度之差，AII与SDI即为取样容积内所有射频信号强度的平均值与标准差，单位均为分贝(dB)，最常用者为AII。在心脏研究中常用的指标有：①心肌背向散射积分值(IBS)。由于个体差异，现多采用标化(校正)背向散射积分值(IBS%)，以舒张末期心包的IBS值为100%，检测区IBS值与其相比即为IBS%；②心动周期心肌背向散射变化幅度(cyclicvariationofintegratedbackscatter,CVIB)为心动周期中心肌IBS变化差值，是反映心肌运动的活性指标；③跨壁背向散射积分梯度(transmuralgradientofIBS，TGIBS)，为心内外膜下1/2处心肌IBS值之比。
(4)测量方法：具有IBS分析功能的超声诊断仪均具有联机自动测量及显示功能。HP5500在AQ设置下，对二维图像的感兴趣区取样后启动Sample-data键，仪器将在2.48s内自动测值62次，并以三种方式显示测量结果：①实时动态分析图：标记在测量的时间相位；②测值表：以表格形式显示测量结果；③坐标图：以坐标形式显示测量结果，可联机或脱机分析。
(5)应用：背向散射积分技术在腹部脏器的应用研究较少且不深入，顾再荣等[10]用该技术研究尿毒症，显示尿毒症患者肾实质IBS%明显高于正常人，晚期尿毒症患者肾实质IBS%显著升高，因此认为背向散射积分值能反应肾实质病变。笔者在动物实验及临床研究中发现，急性肾小管坏死性急性肾功能衰竭时肾皮质IBS明显升高，肾髓质IBS改变不明显；各种慢性肾病晚期肾实质(包括皮质和髓质)IBS明显升高，而肾脏病变早期肾实质IBS无明显改变。由于该技术在腹部脏器病变诊断中的研究较少，其临床应用价值有待进一步探讨。
2.2声参量成像此技术临床应用尚不普及，有的还处于理论阶段，因此本节仅简单讲述其物理声学基础。
(1)组织特性成像：组织特性成像(tissuestatisticimaging，TSI)[1]目前主要是对组织的弹性参数(coefficientelasticity)及其分布进行测量和成像。其原理是利用特殊设计的声源(如聚焦调制或双束相交等)产生的低频间断性辐射力对待测组织进行激励(impulse)，测量其动态位移，据此计算出相应的应变，知道了应力和应变，就可求出其弹性参数，最后将组织的这种弹性参数以彩色或灰阶编码显示为声弹性图(sonoelastogram)。最近已有关于软组织切变模量分布及其成像的研究报道。这一新技术在组织定征、病变鉴别及器官老化诊断等方面，可能具重要的潜在应用价值。
(2)非线性声参量B/A成像：B/A是描绘声波非线性效应的声学参量之一，是声波通过介质时产生非线性效应大小的一个量度，将B/A参量作为成像特性量进行的成像即Ｂ／Ａ声参量成像[1]。研究发现，此参量与其他线性声参量相比，对组织特性的变化特别敏感，已有研究表明，软组织中密度和声速等参量的差异小5%，而B/A参量的差异则可达50%，而且造影剂中微泡的共振还导致非线性参量B/A值的急剧增加，可比正常组织的B/A值高出数百倍。因此，将B/A声参量成像与超声造影技术结合，可望为超声组织定征和早期非占位性癌变的诊断开辟新的途径。但是，由于B/A参量不能在一般B超上用脉冲回波法直接测得，必须采用特殊发射波型，专门的信号提取和处理技术，并对接收数据进行换算和反演，才能重建出B/A值随位置分布的断面图像，即B/A参量的超声层析(CT)成像技术。目前该技术在理论及方法学上已较为成熟，但关于成像装置、重建软件的设计以及实时成像与显示等问题尚有待解决。
(3)声速及声衰减参量成像：声速及声衰减参量成像是以超声波在介质中的传播速度或超声波通过介质时的声衰减量为成像特性量进行成像的技术[11，12]。最近问世的新型设备UBIS3000骨扫描仪能同时测量超声波在骨中的传播速度和声衰减量，并具有骨质测定成像系统，克服了以往无图像而造成取样的盲目性。国内外已有利用该技术诊断临床病例的报道[13]。声速及声衰减参量成像也有助于超声组织定征和早期非占位性癌变的诊断。