超声造影之基本原理篇

1、超声造影,基本原理篇,超声造影,是指将与机体组织声学特性不同的物质-超声造影剂（Ultrasound Contrast Agent，UCA）注入体内，使血液内出现明显不同的界面（即血液内出现云雾状回声反射）来清楚地区分待查目标与周围环境的差别，增强血流及组织回声对比的一种超声检查方法。,超声造影基本原理,谐波成像技术,自然组织谐波,造影谐波成像,基波成像（线性成像）,谐波成像（非线性成像）,声波在组织中传播,遇到规则界面，声波会发生反射和折射，即线性传播； 遇到非规则界面，可发生波形畸变，谐波成分增多，声衰减系数增大，即非线性传播。,基波与谐波频率与能量,超声波传播的非线性效应,传统超声信号处

2、理中非线性信号往往被忽略。 超声造影剂具有较强的非线性信号特点，探头发射声波，声波通过造影剂产生非线性传播，波形畸变，谐波成分明显增多，相比之下其他组织谐波成分甚少。 基波与谐波冲击造影剂微泡产生的散射谐波强信号，但接收时，直接取2f0的谐波信号。,二次谐波成像技术,微气泡产生的背向散射信号中不仅含有与发射频率相同的基波f0，还含有谐波成分nf0(其中两倍于基波频率的谐波2f0称为二次谐波)。 在接受回波时人为抑制基波，重点接收2f0信号，从而使背向散射信号的信/噪比值大大增加。 利用超声造影剂的特性，以某一频率f0发射，而以2f0频率接收由造影剂产生的二次谐波信号，即二次谐波成像技术（2nd

3、 harmonic imaging）。,谐波造影成像技术,从组织除去或分离出线性超声信号(数字减影),并利用微泡产生的非线性回波,可更有效的接收造影剂谐波信号，提高对微血流的敏感性,实时观察肿瘤实质内微血管的血流灌注的全过程。,常用谐波造影成像技术,PI: Pulse Inversion脉冲反相谐波技术 PPI: Power Pulse Inversion能量脉冲反相谐波技术 CnTI: Contrast Tuned Imaging对比造影成像技术 CPS: Contrast Pulse Sequencing:对比脉冲系列技术 CCI: Coherent Contrast Imaging相干造

4、影显象技术 CHI: Coded Harmonic Imaging编码谐波显象,HDI5000,iu22,Esaote,Sequoia512,目前 国内 常用,谐波信号接受示意图,1.5MHZ,3.0MHZ,超声造影原理,采用微气泡注入血流提高声压反射系数(Ra)； 空气与血浆间Ra为99.95%，红细胞与血浆间Ra仅1.3%； 即：空气的Ra较红细胞大75-77倍，它们强烈的增强超声的背向散射。,背向散射信号,背向散射(Backscatter,BS)：超声波在组织中传播遇到小于波长的界面产生散射，朝向探头(与入射波呈180)的散射。 以气体成分的造影剂所产生的BS信号强度最强。,微泡对超声波

5、的反应 取决于入射声压的大小,小于50kPa时微气泡对称性地压缩和膨胀，呈现线性背向散射，信号强度随着入射声压的增加而呈线性递增，这一反应主要用于基波显像; 50-200kPa时，微气泡非对称性地压缩和膨胀，呈现非线性背向散射，产生共振和谐波，微气泡的共振频率取决于入射声压、微气泡直径和外壳弹性，这一反应可用于谐波显像; 200-2000kPa时，微气泡破裂，气体溢出，产生宽频高能信号，呈现受激声波发射，这一反应可用于触发显像和失相关显像。,微泡的共振,液体中的造影剂微泡在超声场内吸收及散射能量的同时，还以自身的固有频率作膨胀与收缩振动。 声场频率与微泡固有频率一致时，微泡膜振幅能量最大，产生

6、的散射截面大于其散射体几何截面的1000倍，BS信号强度明显增强。,微泡的非线性特征,当超声场的声压达足够高时(50-200kPa)，微泡内的线性共振变为非线性共振，导致包膜膨胀与收缩幅度的不相等，产生几倍于基波f0的谐波。,利用造影剂微泡在声场作用下产生的非线性效应，可明显提高检出血流信号的信噪比。 匹配谐波成像技术可更有效地接收造影剂谐波信号。 克服了传统B型和彩色或能量多普勒超声的局限性，并且能够实时显示实质组织的微血管结构，显示动态的病变增强类型。,目前最常用的两种技术,CPS: Contrast Pulse Sequencing:对比脉冲系列技术-西门子 CnTI: Contrast

7、 Tuned Imaging对比造影成像技术-百胜,微泡的生存时间,微泡的生存时间(longevity) T=r2o./2D.Cs 其中 ro 为微泡半径，为气体密度，D为声压，Cs 为饱和度。 在低声压的作用下，微泡具有很好的谐振特性，即振而不破，同时产生较强的谐波信号。,Contrast Pulse Sequencing相干脉冲系列技术,在相干成像的基础上，采用连续发射一组脉冲，提取来自微泡非线性二次谐波（second harmonic）用于成像，特点是提高了信噪比，造影效果好 。 仪器：Sequoia512，Sequoia Paragon等,Contrast Tuned Imaging对

8、比造影成像技术,百胜集团（Esaote Group）推出的CnTi 技术，低声压实时超声造影成像技术，采用独有的纯净波发射激励、宽动态范围和数字滤波技术，从而可获得纯正的造影剂二次谐波实时图像。 CnTi 技术的独特优势之一是声压可调（0.02MI1.7）。即使直接声压（DP）在40Kpa，MI 在0.06 以下低声压作用于微泡时，也能通过宽动态范围放大获得理想的低噪声、完全实时的谐波图像。 仪器：百胜Au8等,极低的直接声压DP（或极低的MI），能够有效地保存脏器内的微泡，而不被击破，有利于完成长时间各个切面的造影扫描。 例如，心脏多个切面多个节段心肌灌注的评价； 肝脏多切面，不同时相、多个肿瘤的动态血流灌注成像等。 有报道，利用这一技术，可以发现HCC 瘤内和瘤周广泛“树状”血管影像，揭示了多普勒超声未能发现的肿瘤血管。Wilson 等在检查肝转移瘤时，还见到了细小血管在转移瘤周围绕，部分不规则分支进入病灶中央的表现。 Wilson SR, Burns PN, Muradali D,et al. Harmonic hepatic US with microbubble contrast agent: in