超聲成像新技術(shù)的物理聲學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用

90年代以來(lái),，由于電子計(jì)算機(jī)容量和功能的提高，數(shù)字化技術(shù)的引入,，以及各種信號(hào)處理,、圖像處理和控制技術(shù)的應(yīng)用，醫(yī)學(xué)超聲成像新技術(shù)、新設(shè)備,、新方法層出不窮,。本文就腹部超聲診斷中常用的主要新技術(shù)的物理聲學(xué)基礎(chǔ)、臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景等問(wèn)題作一簡(jiǎn)要闡述,。
1 與提高圖像質(zhì)量有關(guān)的超聲成像新技術(shù)
1.1 頻譜合成成像 頻譜合成成像即頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)(frequency convert technology,FCT)[1],。組織在超聲聲場(chǎng)的作用下，當(dāng)超聲波滿足小振幅條件時(shí),，聲源與其聲場(chǎng)之間為線性關(guān)系,，即無(wú)論在聲場(chǎng)的任何距離上，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)都重復(fù)聲源的振動(dòng)規(guī)律,，但當(dāng)超聲波不滿足小振幅條件,，而具有一定振幅(有限振幅，達(dá)到有限振幅的波為有限振幅波)時(shí),，隨傳播距離的增加,，由于有限振幅波的傳播速度不是常數(shù)，而與介質(zhì)的非線性參量及質(zhì)點(diǎn)的振速有關(guān),，致使波形發(fā)生畸變,，波形的畸變必然伴隨諧波的產(chǎn)生。當(dāng)聲源發(fā)射的不是單頻的超聲波,，而是以f0為主頻,、具有一定頻寬的超聲脈沖時(shí)，經(jīng)聲場(chǎng)介質(zhì)作用后,，將產(chǎn)生具有多重頻率的回波信號(hào),，且其頻譜與聲源發(fā)射者不同，即實(shí)現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換,。從成像的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō),，回波信號(hào)中頻率成分利用得越充分，圖像質(zhì)量就越好,。利用超寬頻探頭,、數(shù)字化處理和超大容量計(jì)算機(jī)，可將回波信號(hào)分解為多個(gè)頻帶進(jìn)行并行處理,，然后再按頻譜合成為最后的信號(hào)，因此亦稱為頻譜合成成像,，由此獲得的圖像分辨率更高,，對(duì)比度更大，噪聲偽像更低,。
1.2 二次諧波成像 1995年以來(lái),，二次諧波成像(second harmonic imaging,SHI)技術(shù)逐步趨于成熟,，近幾年開(kāi)始用于心外臟器和組織的檢查[2],。應(yīng)用于臨床的諧波成像分自然組織諧波成像(native tissue harmonic imaging,NTHI)和造影劑諧波成像(contrast agents harmonic imaging,CAHI)兩種,。
(1)物理聲學(xué)基礎(chǔ)：如前所述，當(dāng)超聲波不滿足小振幅條件時(shí),，在組織中，隨傳播距離的增加,，必然有諧波成分產(chǎn)生,，但組織的諧波信號(hào)微弱,，主要反射(大界面產(chǎn)生反射)和散射(小界面產(chǎn)生散射)基波,。聲學(xué)造影劑多為含氣體微泡的液體物質(zhì)，這些微泡構(gòu)成了液體的“空化核”,，在超聲場(chǎng)作用下,，微泡除常規(guī)散射基波外，尚發(fā)生運(yùn)動(dòng)而再“發(fā)射”超聲波,，回波頻率與發(fā)射波頻率(即基頻fundamental frequency)的關(guān)系在外加聲壓較弱時(shí)為線性關(guān)系,，明顯的振動(dòng)為基頻共振，產(chǎn)生以基頻為主的一次諧波,，二倍和三倍于基頻的二次和三次諧波稍有顯示,。隨著外加聲壓的不斷增加，則會(huì)出現(xiàn)非線性復(fù)雜運(yùn)動(dòng),，相繼出現(xiàn)高次諧振,，分諧振,，高次分諧振等,。診斷用超聲聲壓較弱，組織和造影劑微泡除反射和散射基波外,，主要產(chǎn)生較弱的二次和更弱的三次諧波,。傳統(tǒng)的超聲儀只接收基波信息成像,，二次諧波成像時(shí),，儀器通過(guò)帶通濾波，只提取二次諧波信號(hào)進(jìn)行成像,。無(wú)造影劑存在時(shí),，二次諧波信號(hào)來(lái)自組織，稱自然組織諧波成像,，有造影劑存在時(shí),，二次諧波信號(hào)主要來(lái)自造影劑微泡,，稱造影劑諧波成像。由于二次諧波可提高圖像的側(cè)向分辨力,，且隨著諧波信號(hào)的增強(qiáng),，反射回聲的長(zhǎng)度逐漸減小，圖像的軸向分辨力隨之提高,，同時(shí)隨諧波信號(hào)增強(qiáng),，旁瓣作用減弱，Clutter亦減少,，上述幾方面因素使圖像質(zhì)量得以明顯提高,。由于造影劑微泡與周圍組織聲學(xué)特性的差異較大，因此比周圍組織質(zhì)點(diǎn)有更大的等效散射面積,，加上微泡諧振引起的共振散射,，故來(lái)自造影劑微泡的二次諧波信號(hào)較強(qiáng)，因此,，造影劑諧波成像在臨床上應(yīng)用更廣,。
(2)臨床應(yīng)用：目前大多數(shù)中高檔超聲診斷儀均具諧波成像功能。自然組織諧波成像對(duì)不適宜聲學(xué)造影或經(jīng)濟(jì)困難的肥胖患者深部病變的觀察可首先考慮使用,。造影劑諧波成像時(shí),，可使組織回聲明顯增強(qiáng)，該技術(shù)已廣泛用于心臟病變的診斷與鑒別診斷,。吳瑛等對(duì)比分析了基波顯像和諧波顯像在診斷膽總管下段——胰腺區(qū)域病變中的價(jià)值,，結(jié)果表明，諧波顯像能更清晰顯示該區(qū)域病灶,。此外,，隨著第三代聲學(xué)造影劑的研制成功，造影劑已能到達(dá)心外臟器,，實(shí)現(xiàn)心外臟器造影,，增強(qiáng)實(shí)質(zhì)臟器的二維圖像和多普勒信號(hào)，造影劑諧波成像技術(shù)為研究組織的血流灌注提供了更加可靠的手段,，有助于腹部臟器病變的診斷與鑒別診斷,。
1.3 能量造影諧波成像技術(shù) 能量造影諧波成像(power contrast agent harmonic imaging,PCAHI)[3]在接收返回的諧波信號(hào)時(shí)，主要對(duì)回波的功率(振幅)信息進(jìn)行分析處理,，并利用該信息進(jìn)行成像,。PCAHI提高了諧波對(duì)造影劑的敏感性，尤其對(duì)微小顆粒的靈敏度更高,，對(duì)細(xì)小病變顯示更清楚,，因此有利于病變的早期診斷。此外,，由于造影劑和組織均具有諧波特性,，而能量造影諧波成像時(shí),，血管內(nèi)造影劑的功率諧波成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于組織的功率諧波成分，因此,，少量的造影劑即可使血流信息從組織中分離出來(lái),。
1.4 脈沖反向諧波成像 脈沖反向諧波成像(pulse inversion harmonic imaging，PIHI)[4]是二次諧波領(lǐng)域的又一重大突破,。常規(guī)的諧波成像(conventional harmonic imaging,，CHI)是儀器在接收回波信號(hào)時(shí),，使用濾波器濾掉基波成分,，只接收諧波成分。這一技術(shù)的不足在于濾波器在濾掉基波的同時(shí)也濾掉同波段內(nèi)的部分諧波信號(hào),，故在某種程度上減少了造影劑的靈敏度和飽和度,。為克服這一缺點(diǎn)，ATL公司推出了脈沖反向諧波成像技術(shù),。該技術(shù)是系統(tǒng)在發(fā)射正向脈沖波的同時(shí)發(fā)射一個(gè)相同的反向脈沖波,，并全數(shù)字化存儲(chǔ)返回的基波信號(hào)和諧波信號(hào)，經(jīng)處理使正向和反向的基波信號(hào)疊加而抵消,，而結(jié)合諧波成分產(chǎn)生純凈的寬頻諧波信號(hào),，克服了常規(guī)諧波成像頻帶的局限性，提高了圖像的分辨率,，并可減少造影劑的用量,。
1.5 組織多普勒成像 一般多普勒回波信號(hào)中，既包括血流中散射粒子的散射信息,，又包括運(yùn)動(dòng)器官的反射信息,，前者的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度快，產(chǎn)生的多普勒頻移大,，但幅度較?。欢笳邉t速度慢,，頻移小,，但幅度大。利用高通或低通壁濾波器(wall filter),，可分別提取血流或器官的相應(yīng)信息。常規(guī)多普勒成像采用高通壁濾波器,，提取血流的多普勒信號(hào),，組織多普勒成像(tissue Doppler imaging,TDI)則采用低通壁濾波器，單獨(dú)提取運(yùn)動(dòng)器官的低速多普勒信息,，并以適當(dāng)參數(shù)予以顯示[5,，6],。目前診斷儀的TDI顯示有速度(velocity)、加速度(acceleration),、分散度(variance)和能量(power)圖像等,，這些參數(shù)均可以彩色編碼進(jìn)行偽彩色顯示。
2 與組織定征有關(guān)的超聲成像新技術(shù)
2.1 超聲背向散射積分成像 聲學(xué)密度定量分析是通過(guò)定量地分析某些聲學(xué)參數(shù)來(lái)研究組織特性以達(dá)到組織定征的目的,。超聲背向散射積分成像(integrated backscatter,IBS)技術(shù)作為聲學(xué)密度定量分析新技術(shù),，為組織原始回聲信號(hào)的定量分析提供了新方法。
2.1.1 傳統(tǒng)的聲學(xué)密度定量分析法 即視頻分析法,。組織的回聲信號(hào)經(jīng)傳統(tǒng)成像方式形成二維灰階圖,，視頻分析法即對(duì)該灰階圖的灰階分級(jí)水平及其分布進(jìn)行分析，方法有：①灰階直方圖,；②計(jì)算機(jī)定量分析回聲的灰階值及其分布,；③紋理參數(shù)分析。由于視頻信號(hào)是組織的回聲信號(hào)經(jīng)處理(檢波,、對(duì)數(shù)壓縮等)后所得的信號(hào),，并非組織的原始回聲信號(hào)，其受動(dòng)態(tài)范圍的限制,，信號(hào)被壓縮并有丟失,，因此，從嚴(yán)格的定量角度講,，視頻分析法并非真正的聲學(xué)密度定量分析方法,，由于影響視頻信號(hào)的因素太多，所得結(jié)果不可靠,，故有人稱之為半定量研究,。
2.1.2 超聲背向散射積分成像技術(shù)
(1)超聲背向散射原理[7]：由聲源來(lái)的超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)(聲阻抗差大于0.1%)所形成的界面,，且界面大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生反射,，若界面遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)，則產(chǎn)生散射,。散射是各向性的,，朝向探頭的散射即為背向散射，能為探頭所接收,。
(2)背向散射積分技術(shù)：探頭所接收的背向散射信號(hào)與同時(shí)接收的反射信號(hào)相比是非常微弱的,，故在經(jīng)傳統(tǒng)成像方式形成的二維圖像上，由大界面來(lái)的反射回聲表現(xiàn)為高回聲,，如臟器的包膜回聲,、血管壁回聲及大的組織結(jié)構(gòu)回聲等，而由微小界面來(lái)的散射回聲則表現(xiàn)為弱回聲或無(wú)回聲,，如臟器實(shí)質(zhì)回聲為弱回聲,，血液,、膽汁尿液等為無(wú)回聲。然而由于背向散射信號(hào)來(lái)源于組織的微細(xì)結(jié)構(gòu),，其更能反映組織的結(jié)構(gòu)特性,。為了有效的提取和分析微弱的背向散射信號(hào)，近幾年來(lái)一種以背向散射原理為基礎(chǔ)的超聲成像技術(shù)——背向散射積分成像技術(shù)得到了較快的發(fā)展,。
探頭接收人體組織的回聲信號(hào),，超聲儀將各界面來(lái)的信號(hào)經(jīng)放大、濾波,，并進(jìn)行各信號(hào)的延遲合成得到射頻信號(hào)(組織回波的原始信號(hào)),，若將射頻信號(hào)經(jīng)檢波并輸入視頻處理器處理(對(duì)數(shù)壓縮、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換等)后,，再輸入顯示器顯示,，則形成常規(guī)的二維圖像。背向散射積分技術(shù)是通過(guò)特制的時(shí)間門控電路[8],，在射頻信號(hào)被處理前，提取相關(guān)區(qū)域(取樣容積內(nèi))的射頻信號(hào),，并將其功率譜與一理想平面反射器的回聲信號(hào)功率譜相比,，取其有效頻率范圍進(jìn)行積分，單位為分貝(dB),，并將積分值顯示出來(lái),。目前具有該技術(shù)的儀器均為聯(lián)機(jī)分析系統(tǒng)，一旦取樣,，儀器將自動(dòng)報(bào)出感興趣區(qū)域局部背向散射積分值,。
(3)常用測(cè)量指標(biāo)[9]：背向散射積分技術(shù)的聲學(xué)參數(shù)為背向散射積分值，包括：①圖像峰-峰強(qiáng)度(peak to peak intensity,，PPI),；②圖像平均強(qiáng)度(average image intensity，AII);③圖像強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation of image intensity,，SDI),。PPI即取樣容積內(nèi)最強(qiáng)與最弱射頻信號(hào)強(qiáng)度之差，AII與SDI即為取樣容積內(nèi)所有射頻信號(hào)強(qiáng)度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差,，單位均為分貝(dB),，最常用者為AII。在心臟研究中常用的指標(biāo)有：①心肌背向散射積分值(IBS),。由于個(gè)體差異,，現(xiàn)多采用標(biāo)化(校正)背向散射積分值(IBS%)，以舒張末期心包的IBS值為100%,，檢測(cè)區(qū)IBS值與其相比即為IBS%,；②心動(dòng)周期心肌背向散射變化幅度(cyclic variation of integrated back scatter,CVIB)為心動(dòng)周期中心肌IBS變化差值,，是反映心肌運(yùn)動(dòng)的活性指標(biāo)；③跨壁背向散射積分梯度(transmural gradient of IBS,，TGIBS),，為心內(nèi)外膜下1/2處心肌IBS值之比。
(4)測(cè)量方法：具有IBS分析功能的超聲診斷儀均具有聯(lián)機(jī)自動(dòng)測(cè)量及顯示功能,。HP 5500在AQ設(shè)置下,，對(duì)二維圖像的感興趣區(qū)取樣后啟動(dòng)Sample-data鍵，儀器將在2.48s內(nèi)自動(dòng)測(cè)值62次,，并以三種方式顯示測(cè)量結(jié)果：①實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析圖：標(biāo)記在測(cè)量的時(shí)間相位,；②測(cè)值表：以表格形式顯示測(cè)量結(jié)果；③坐標(biāo)圖：以坐標(biāo)形式顯示測(cè)量結(jié)果,，可聯(lián)機(jī)或脫機(jī)分析,。
(5)應(yīng)用：背向散射積分技術(shù)在腹部臟器的應(yīng)用研究較少且不深入，顧再榮等[10]用該技術(shù)研究尿毒癥,，顯示尿毒癥患者腎實(shí)質(zhì)IBS%明顯高于正常人,，晚期尿毒癥患者腎實(shí)質(zhì)IBS%顯著升高，因此認(rèn)為背向散射積分值能反應(yīng)腎實(shí)質(zhì)病變,。筆者在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究中發(fā)現(xiàn),，急性腎小管壞死性急性腎功能衰竭時(shí)腎皮質(zhì)IBS明顯升高，腎髓質(zhì)IBS改變不明顯,；各種慢性腎病晚期腎實(shí)質(zhì)(包括皮質(zhì)和髓質(zhì))IBS明顯升高,，而腎臟病變?cè)缙谀I實(shí)質(zhì)IBS無(wú)明顯改變。由于該技術(shù)在腹部臟器病變?cè)\斷中的研究較少,，其臨床應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步探討,。
2.2 聲參量成像 此技術(shù)臨床應(yīng)用尚不普及，有的還處于理論階段,，因此本節(jié)僅簡(jiǎn)單講述其物理聲學(xué)基礎(chǔ),。
(1)組織特性成像：組織特性成像(tissue statistic imaging，TSI)[1]目前主要是對(duì)組織的彈性參數(shù)(coefficient elasticity)及其分布進(jìn)行測(cè)量和成像,。其原理是利用特殊設(shè)計(jì)的聲源(如聚焦調(diào)制或雙束相交等)產(chǎn)生的低頻間斷性輻射力對(duì)待測(cè)組織進(jìn)行激勵(lì)(impulse),，測(cè)量其動(dòng)態(tài)位移，據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變,，知道了應(yīng)力和應(yīng)變,，就可求出其彈性參數(shù)，最后將組織的這種彈性參數(shù)以彩色或灰階編碼顯示為聲彈性圖(sonoelastogram),。最近已有關(guān)于軟組織切變模量分布及其成像的研究報(bào)道,。這一新技術(shù)在組織定征、病變鑒別及器官老化診斷等方面，可能具重要的潛在應(yīng)用價(jià)值,。
(2)非線性聲參量B/A成像：B/A是描繪聲波非線性效應(yīng)的聲學(xué)參量之一,，是聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生非線性效應(yīng)大小的一個(gè)量度，將B/A參量作為成像特性量進(jìn)行的成像即Ｂ／Ａ聲參量成像[1],。研究發(fā)現(xiàn),，此參量與其他線性聲參量相比，對(duì)組織特性的變化特別敏感,，已有研究表明,，軟組織中密度和聲速等參量的差異小5%，而B(niǎo)/A參量的差異則可達(dá)50%,，而且造影劑中微泡的共振還導(dǎo)致非線性參量B/A值的急劇增加,，可比正常組織的B/A值高出數(shù)百倍。因此,，將B/A聲參量成像與超聲造影技術(shù)結(jié)合,，可望為超聲組織定征和早期非占位性癌變的診斷開(kāi)辟新的途徑。但是,，由于B/A參量不能在一般B超上用脈沖回波法直接測(cè)得,，必須采用特殊發(fā)射波型，專門的信號(hào)提取和處理技術(shù),，并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行換算和反演,，才能重建出B/A值隨位置分布的斷面圖像，即B/A參量的超聲層析(CT)成像技術(shù),。目前該技術(shù)在理論及方法學(xué)上已較為成熟，但關(guān)于成像裝置,、重建軟件的設(shè)計(jì)以及實(shí)時(shí)成像與顯示等問(wèn)題尚有待解決,。
(3)聲速及聲衰減參量成像：聲速及聲衰減參量成像是以超聲波在介質(zhì)中的傳播速度或超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)的聲衰減量為成像特性量進(jìn)行成像的技術(shù)[11，12],。最近問(wèn)世的新型設(shè)備UBIS 3000骨掃描儀能同時(shí)測(cè)量超聲波在骨中的傳播速度和聲衰減量,，并具有骨質(zhì)測(cè)定成像系統(tǒng)，克服了以往無(wú)圖像而造成取樣的盲目性,。國(guó)內(nèi)外已有利用該技術(shù)診斷臨床病例的報(bào)道[13],。聲速及聲衰減參量成像也有助于超聲組織定征和早期非占位性癌變的診斷。