醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備中的若干新技術(shù)

吳 強(qiáng)

(江蘇省中醫(yī)院 設(shè)備處，江蘇南京210029)

醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備中的若干新技術(shù)

吳 強(qiáng)

(江蘇省中醫(yī)院 設(shè)備處，江蘇南京210029)

1 若干新技術(shù)的簡(jiǎn)介

1.1 全數(shù)字化技術(shù)

全數(shù)字化超聲診斷儀具有圖像品質(zhì)好、系統(tǒng)可靠、易于升級(jí)換代等優(yōu)點(diǎn)。它的最主要技術(shù)特征是數(shù)字式的聲束形成技術(shù)。在傳統(tǒng)的模擬式的超聲診斷儀中，為了實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦，設(shè)計(jì)了超聲延遲線，不過(guò)這種延遲線是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的。它不可能將聚集點(diǎn)的位置一步一步地控制得非常精細(xì)。而在全數(shù)字化系統(tǒng)中，聲束的延遲控制是由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的。它所控制的聚焦點(diǎn)的位置比傳統(tǒng)模擬延遲線的精度提高了十倍以上。

醫(yī)學(xué)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(zhì)，而圖像分辨力又是其中最重要的指標(biāo)之一。在超聲診斷設(shè)備中圖像分辨力應(yīng)包括三方面的含義:空間分辨力、時(shí)間分辨力(即實(shí)時(shí)性)和對(duì)比度分辨力(即動(dòng)態(tài)范圍)。與傳統(tǒng)的超聲診斷設(shè)備相比，全數(shù)字化超聲診斷系統(tǒng)在上述幾項(xiàng)分辨力指標(biāo)上有了明顯的提高，從而也就使整個(gè)圖像的品質(zhì)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(gè)病灶間的最小距離?？臻g分辨力愈高就愈有可能區(qū)分細(xì)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(fā)射頻率;擴(kuò)大超聲換能器表面的孔徑;改善波束形態(tài)等。通過(guò)改善波束形態(tài)來(lái)改善空間分辨力實(shí)際上是要解決從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)連續(xù)地精確控制聚焦點(diǎn)移動(dòng)的步距。由于全數(shù)字化超聲診斷系統(tǒng)采用了數(shù)字式聲束形成技術(shù)，可以近乎連續(xù)地精確控制焦點(diǎn)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(tǒng)的模擬系統(tǒng)所無(wú)法比擬的。

(2)時(shí)間分辨力的提高

時(shí)間分辨力決定了儀器的動(dòng)態(tài)性能。這項(xiàng)指標(biāo)在觀察心臟活動(dòng)及檢測(cè)血流速度中是很重要的。

在全數(shù)字化的系統(tǒng)中，積壓個(gè)陣元接收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后立即被送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成數(shù)字信號(hào)。波束方向與聚焦點(diǎn)的控制都是通過(guò)數(shù)字延遲線來(lái)完成的。因此，同一組陣元接收到的回波信號(hào)可以同時(shí)送到幾組不同的延遲線處理電路中，通過(guò)不同的延遲處理后，就可獲得幾個(gè)不同方向(即不同掃查線)的回波信息。也就是說(shuō)，每發(fā)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(gè)系統(tǒng)的幀頻，也就是系統(tǒng)的時(shí)間分辨力。

(3)對(duì)比度分辨力的提高

對(duì)比度分辨力是指區(qū)分不同的回波強(qiáng)度的能力。改善對(duì)比度分辨力的主要措施是抑制超聲束的旁瓣。為了達(dá)到抑制旁瓣的目的，一方面可以通過(guò)對(duì)各個(gè)通道的回波信號(hào)在處理時(shí)加以不同的權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn);另一方面實(shí)現(xiàn)高精度的波束形成也是十分重要的。全數(shù)字化系統(tǒng)在完成高精度波束形成的同時(shí)還可以對(duì)回波信號(hào)作不同的加權(quán)處理，從而使系統(tǒng)獲得了較高的對(duì)比度分辨力。

全數(shù)字化超聲診斷儀在聲束形成過(guò)程中采用了數(shù)字延遲線，獲得了從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的全程均勻的高分辨力圖像?？梢哉f(shuō)，全數(shù)字化系統(tǒng)是當(dāng)今超聲診斷儀最高水平的代表，也是今后技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

1.2 新的血流測(cè)量方法

超聲血流測(cè)量的發(fā)展經(jīng)歷了從連續(xù)波(簡(jiǎn)稱CW)多普勒血流測(cè)量，到脈沖波(簡(jiǎn)稱PW)多普勒血流測(cè)量，到彩色血流圖(Color Flow Mapping，簡(jiǎn)稱CFM)的過(guò)程。其中，前兩種方法在國(guó)內(nèi)醫(yī)務(wù)界被稱為多普勒血流測(cè)量，后一種方法在國(guó)內(nèi)醫(yī)務(wù)界被稱為“彩超”或“彩色多普勒”。

最近幾年來(lái)，超聲血流測(cè)量的新方法不斷涌現(xiàn)。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(guò)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(shí)域彩色血流圖(Time Domain color Mapping)。其中，基于時(shí)域處理的血流測(cè)量方法是一種較新的方法。

時(shí)域血流測(cè)量方法的基本做法是:在發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖后，根據(jù)所需的采樣深度截取一小段時(shí)間信號(hào)，如果我們對(duì)兩次發(fā)射后同一深度的回波信號(hào)作互相關(guān)運(yùn)算，就能根據(jù)互相關(guān)函數(shù)中最大值出現(xiàn)的時(shí)刻來(lái)判斷血流的速度。

時(shí)域血流測(cè)量方法具有以下特點(diǎn):

(1)傳統(tǒng)的多普勒血流測(cè)量方法是檢測(cè)回波信號(hào)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(guān)的，還由于一些不可預(yù)測(cè)的與組織結(jié)構(gòu)有關(guān)的因素的影響，往往千百萬(wàn)頻率測(cè)量中的誤差。時(shí)域處理方法是一種非多普勒血流測(cè)量方法。它與信號(hào)的頻率基本無(wú)關(guān)，因此可以獲得較高的測(cè)量精度。

(2)從理論上講，采用時(shí)域測(cè)量方法時(shí)，在經(jīng)過(guò)兩次發(fā)射后就可以測(cè)出血流的速度。因此，與傳統(tǒng)的多普勒血流測(cè)量相比，時(shí)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(xiàng)指標(biāo)。

(3)采用時(shí)域處理可以發(fā)射持續(xù)時(shí)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(shí)域處理可獲得較高的幀頻，因此與傳統(tǒng)的多普勒血流測(cè)量方法相比較，在同樣的幀頻下，時(shí)域處理可采用更高的發(fā)射線密度，也就是說(shuō)，橫向分辨力也提高了。

(4)時(shí)域處理方法是一種直接的血流估計(jì)方法。時(shí)域互相關(guān)的計(jì)算量比頻域處理的計(jì)算量要小。

目前，基于時(shí)域處理的商品化的彩色血流圖儀已經(jīng)問(wèn)世。盡管它還有一些不夠完善的地方，但是這種方法是有發(fā)展前景的。

在血流測(cè)量中，如何提高檢測(cè)的靈敏度是很重要的一個(gè)問(wèn)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(cè)率方面有明顯的作用。

彩色多普勒能量圖中顯示的色調(diào)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(hào)的能量，在本質(zhì)上是與血流中散射子的容積相關(guān)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(guī)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(wú)關(guān)。

(5)避免了多普勒血流測(cè)量中可能遇到的混迭問(wèn)題。

使用超聲造影劑是提高小血流檢測(cè)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(zhuǎn)換型等。將其注入血管后，由于其與周圍媒質(zhì)間的聲阻抗差異甚大，造成散射能量增加，于是就為系統(tǒng)檢測(cè)小血管血流提供了可能。與此同時(shí)，由于造影劑產(chǎn)生的后向散射信號(hào)具有非線性特性，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明:測(cè)量回波信號(hào)中的諧波分量比測(cè)量基波成分更能區(qū)分血流信號(hào)與組織的慢速運(yùn)動(dòng)。這種二次諧波分析方法在心臟病學(xué)的診斷中有重要意義。

目前，血流測(cè)量正在由定性向定量化方向發(fā)展，所測(cè)得的流速、流向、流量等參數(shù)還可用于推導(dǎo)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(shù)

三維成象是醫(yī)學(xué)影象學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)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(shù)據(jù)的集合變成三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，醫(yī)生就可以根據(jù)需要取出任意角度下的剖面來(lái)觀察，以便更準(zhǔn)確、更全面地了解臟器結(jié)構(gòu)，從而提高臨床診斷的水平。由于數(shù)字圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展帶動(dòng)了醫(yī)學(xué)三維成像的發(fā)展。使這個(gè)研究領(lǐng)域在不長(zhǎng)的時(shí)間里取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

三維成象一般包括數(shù)據(jù)采集、圖像重建及三維成型等幾個(gè)步驟。在超聲三維成像中，數(shù)據(jù)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(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)采集數(shù)據(jù)。在心臟的三維成像中，探頭或是在體外旋轉(zhuǎn)來(lái)采集數(shù)據(jù)。采集到的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和數(shù)據(jù)插補(bǔ)后可形成三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后就可以利用一些計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)的采集需要一定的時(shí)間，目前商品化的三維成像系統(tǒng)還不能做到實(shí)時(shí)(實(shí)驗(yàn)室中已研制出準(zhǔn)實(shí)時(shí)三維圖像)。今后的研究方向是進(jìn)一步提高成象速度，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維成象。

除了上面介紹的幾項(xiàng)新技術(shù)外，在設(shè)計(jì)高密度、高分辨力、高靈敏度的探頭、回波信號(hào)與圖像的處理等方面還可列出很多相關(guān)的新技術(shù)。正是由于這些新技術(shù)的引入使超聲診斷儀的水平在過(guò)去的十年中又有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。可以預(yù)測(cè)，在今后的一段時(shí)間里，醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備在臨床中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，它在工程方面所涉及的技術(shù)也一定還會(huì)有新的更大的進(jìn)步。

3 選購(gòu)醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備中幾個(gè)值得注意的問(wèn)題

超聲診斷儀的種類繁多，用戶在選購(gòu)超聲診斷儀器時(shí)，應(yīng)根據(jù)本單位的實(shí)際情況與需要來(lái)決定。

在超聲診斷儀的發(fā)展過(guò)程中，根據(jù)其在功能上的演變大致可分為以下幾個(gè)階段:

(1)用普通示波管顯示圖像的簡(jiǎn)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(shù)字掃描變換器后的改進(jìn)型B型顯像儀。這類儀器就其圖像品質(zhì)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(cè)量的雙功能儀器指定點(diǎn)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(diǎn)是在B型圖像上迭加上了彩色血流顯示。用戶可根據(jù)不同的顏色與色調(diào)來(lái)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(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，但這類儀器目前還不普及。

在選購(gòu)超聲診斷設(shè)備時(shí)，應(yīng)首先對(duì)儀器的類型、主要技術(shù)指標(biāo)有所了解;然后根據(jù)實(shí)際需要選擇適用的而且性能/價(jià)格比盡可能高的產(chǎn)品;最后，應(yīng)對(duì)選中的儀器品質(zhì)做較全面的評(píng)價(jià)。下面，我們以彩色血流圖儀(簡(jiǎn)稱彩超)為例，介紹這些基本原則。

彩色血流顯像技術(shù)是于1983年由日本的Aloka公司首先推出來(lái)的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有20余個(gè)廠家先后制造出60余種不同型號(hào)的產(chǎn)品，其中的絕大多數(shù)已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，最昂貴的產(chǎn)品報(bào)價(jià)達(dá)30萬(wàn)美元以上。根據(jù)各類設(shè)備所采用的主要技術(shù)及其實(shí)際的價(jià)值與效果，我們將其分為四種類型:

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

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

(3)改進(jìn)型:基本使用的是傳統(tǒng)技術(shù)，且無(wú)較大更新，雖然在操作方式、顯示方式、計(jì)算軟件及圖像存儲(chǔ)方面有所改進(jìn)，但總體上看圖像品質(zhì)基本上無(wú)改進(jìn)，此類產(chǎn)品的價(jià)格比較低。

(4)過(guò)時(shí)產(chǎn)品:此類產(chǎn)品技術(shù)上已顯陳舊，圖像品質(zhì)較差，但仍然能作一般使用，價(jià)格更低。

在上述四種產(chǎn)品中，一般來(lái)說(shuō)，換代型產(chǎn)品在技術(shù)上確有突破，但價(jià)格也十分昂貴。選購(gòu)設(shè)備時(shí)應(yīng)避免盲目追求高檔，而首先考慮實(shí)際的需要及應(yīng)用的領(lǐng)域。例如，主要用于腹部檢查或用于心臟檢查時(shí)選擇儀器所考慮的側(cè)重點(diǎn)是不一樣的。

最后，不管參考資料或產(chǎn)品廣告的宣傳如何，用戶都應(yīng)在進(jìn)行深入的調(diào)查研究、分析比較及實(shí)際應(yīng)用后再對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)劣作出評(píng)價(jià)。目前，由于國(guó)內(nèi)的用戶對(duì)國(guó)外進(jìn)口設(shè)備所報(bào)的某些技術(shù)參數(shù)缺乏檢測(cè)與驗(yàn)證的手段，因此無(wú)法給出比較嚴(yán)格的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。但是，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，在選購(gòu)彩超時(shí)可以參考比較以下幾方面的指標(biāo):

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

設(shè)備的質(zhì)量與其所采用的技術(shù)當(dāng)然是直接相關(guān)的。但是，對(duì)儀器優(yōu)劣的最終評(píng)價(jià)還應(yīng)該看它的圖像品質(zhì)、儀器所提供的功能及可靠性等方面性能指標(biāo)。因此，在選購(gòu)儀器時(shí)，應(yīng)充分了解其在工程上所采用的技術(shù)，并綜合考慮該儀器的性能與價(jià)格及本單位的使用目的與效益等因素。對(duì)那些以科研、特殊及常規(guī)檢查并舉的大型醫(yī)院，如果經(jīng)費(fèi)充足可根據(jù)儀器的技術(shù)指標(biāo)選購(gòu)換代型的專用機(jī);若經(jīng)費(fèi)比較困難、又以常規(guī)檢查為目的，選擇跟代型產(chǎn)品也能基本上滿足使用的要求。對(duì)于進(jìn)行多種檢查為目的的綜合性醫(yī)院，選擇復(fù)合型儀器較為合適。

TH776

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1002－2376(2011)03－0029－03

2011－2－16