超声诊断设备中彩色多普勒成像及谐波成像技术的若干进展.doc

综述点评超声诊断设备中彩色多普勒成像及谐波成像技术的若干进展The several progress of colored Doppler imaging and harmonic imaging technology In ultrasonic diagnosis equipment陈丕基（湖南省医疗卫生装备协会，长沙 410015）文章编号1672-8270（2005）09-05-06 中图分类号TH7723 文献标识码A摘 要 超声诊断仪中的彩色多普勒成像技术，经由彩色多普勒血流图（CFM）、彩色多普勒能量图（CDE）到多普勒组织成像（DTI），使超声诊断仪在血流检测、脏器“血管树”的结构显示及在冠心病心肌功能评价方面极有前景。而谐波成像技术的应用使B超由线性检测（基波成像）发展到非线性检测（谐波成像）而产生了一次飞跃。关键词 彩色多普勒成像；组织谐波成像Abstract：In the ultrasonic diagnostic equipment，the technology of colored Doppler imaging，by way of the colored Doppler blood flow diagram（CFM），the colored Doppler energy diagram（CDE）to Doppler tissue imaging（DTI），has the prospect of the ultrasonic diagnostic equipment in the blood stream examination，displaying the structure of the internal organs“the blood vessel tree”and appraisal cardic muscle function in coronary disease But the application of harmonic imaging technology make B ultrasonic develop from the linear examination （fundamental wave imaging）to the non-linear examination（harmonic imaging）Key words：colored Doppler imaging；tissue harmonic imaging医学超声成像技术和X-CT、MR和核医学成像在20世纪80年代中期开始，就被世人公认为现代四大医学成像技术。医学超声成像技术的优势在于：实时性好，无损伤以及相对而言的成本低。自1983年世界第1台彩色血流成像装置面世以来，医学超声技术的发展进入了快车道。各种新的医学超声影像技术不断涌现，使超声诊断的图像质量明显提高，超声诊断的模式和方法也更加丰富。应该说，超声诊断技术在上世纪末进入了一个新的高度。近二十年来，各厂商所推出的各款超声成像系统都向着利用超声源为载体，以获取更多的生理、病理信息；提高图像质量，使之更清晰以及力图显示更细微的结构等这些目标前进。在这一进程中，彩色多普勒成像技术、谐波成像技术发展特别明显。下面试图从工程技术角度对这些方面的新进展作一个摘要式的综述。1 彩色多普勒成像11 彩色多普勒血流图（Color Flow Mpping CFM）它是基本于多普勒效应，用于实现对血流参数的测量。1983年第一台具有CFM功能的超声诊断仪面世，标志着超声诊断从形态学向血液动力学的过渡，从人体脏器解剖信息的获取向功能信息的获得的过渡。“彩超”就是彩色多普勒血流成像系统的简称。它是一种能同时显示B型图像和利用多普勒技术得出的血流方向、流速及流速分散数据的超声扫描系统。在实现上述血流参数的测量中，经历了从连续多普勒（Continul Wave Doppler CWD）血流测量到脉冲多普勒（Polse Wave Doppler PWD）血流测量、再到彩色多普勒血流图的过程。应该说，到目前为止，CFM已成为中高档超声诊断仪不可或缺的功能。CFM这种血流测量技术，因为它要检测回波信号的频移，而它的测量精度受到声波方向和血流方向的夹角的影响，且对低速血流的测量较困难，因而在其后又出现了其它的彩色多普勒成像方式。12 彩色多普勒能量图（Color Doppler Energy CDE）最早提出这个概念并实现商品化的是原美国ALT公司（现已并入飞利浦公司），时值90年代初。它的特点是检测血流中血球后散射能量的大小，即CDE能量的大小与红细胞数目有关，形成彩色血流图叠加到二维灰阶图像上，因而从另一角度描述了体内血流状态。它不区分血流方向，亦与无关，所以提高了对血流的敏感度，它的敏感性是彩色多普勒血流显像的3-5倍。用CDE办法可使以往很难探测到的低速血流和速度几乎为零的血液可以显示，例如脏器的“血管树”一类的结构显示就是其实际应用。13 多普勒组织成像（Dopple Tissve Imaging DTI）DTI是一项可定量分析室壁运动的无创技术，所以DTI技术实际上上称为多普勒心肌组织显像技术。它具有客观定量的优点，在评价室壁运动异常、检出存活心肌方面具有较大的潜力。DTI是在传统的检查心腔内血流的彩色多普勒技术的基础上发展而来的。传统的多普勒反映的是红细胞产生的频移信号，利用高通滤波装置使这种频移大且振幅小的信号通过并显示出来。而由室壁运动等产生的低频移、高振幅的多普勒信号则被过滤掉。在DTI中是采用低通滤波器摒弃来自心腔血流的高频低振幅的多普勒信号，提取来自运动心肌的低频高振幅的多普勒频移信号，将其输送到自相关系统和速度计算系统进行处理，以二维多普勒或频谱多普勒形式显示出来。DTI有三种显示方式：速度方式、加速度方式和能量方式。DTI是美国Acuson公司在90年代初中期提出的概念。随着发展，在这种成像方法的基础上，又衍生出诸如组织追踪成像（TTI）、应变率和应变率成像（SRorSRI）等新的方法。131 组织追踪成像（Tissue Tracking Imaging TT1）它是一种新的用于测量收缩期各局部纵向心肌运动幅度的超声技术。它以原始数据采集和超高帧频技术（帧频300帧/秒）为基础，因而克服了以往多普勒心肌成像由于受仪器低频限制而不能同时比较心肌多节段运动的局限性，这样不仅可以减少心脏摆动和呼吸运动对所采集图像清晰度的影响，同时又实现了超声系统实时获取心肌各节段运动的全部信息，继而使不同轴向位移值，用不同颜色来编码，以心电图监控确定收缩期的开始和结束，这样就由多种层次的颜色（一般为7种）来编码感兴趣区域的心肌节段在整个收缩期内位移变化的情况，从而实现了对纵向心肌运动幅度的测量。这是一种可能对冠心病心肌功能评价极有前景的方法。132 应变率和应变率成像（Strain Rate or Stain Rate image SRorSRI）这是另一种基于DTI的超声新技术。SR是指单位时间内的应变即变形速率。由于DTI可以实时测量心肌各点的运动速度，则根据两点间的速度变化和距离变化可得到心肌的SR。如果将应变率计算结果进行彩色编码显示，即称为SRI。此种技术的优点是：减少了心脏的摆动和相邻组织牵拉效应对结果的影响，可以更好地反映局部心肌功能。可以预料，随着SRorSRI技术的进一步完善，该项技术将会成为诊断心肌缺血、定量评价局部心肌功能的一种全新方法。2 谐波成像技术21 谐波成像的分型利用回声（反射或散射）中的二次谐波所携带的人体信息形成的声像图称为超声谐波成像（Harmonic Imaging HI）。有学者认为，在超声诊断技术的发展过程中，由B超发展到彩超是一次飞跃，而由基波成像（线性检测）发展到谐波成像（非线性检测）又是一次飞跃。由此可见谐波成像技术在超声诊断发展进程中的重要作用。在谐波成像技术中又因是否使用超声造影剂UCA而分为2种不同的成像类型。不使用UCA的谐波成像称为组织谐波成像（THI）或自然谐波成像（NHI）；而使用UCA的则称为造影剂谐波成像（AHI）或对比谐波成像（CHI）。22 谐波成像的原理谐波成像的理论根据在于：长期以来，超声医学成像系统都采用的是线性声学规律，即认为人体组织是一种线性的传声媒质，如发射频率f0的声波时，从人体内部脏器反射或散射并被探头接收的回声信号也是f0附近的一个窄带信号。而实际上，医学超声存在着非线性现象。非线性声学效应的研究结果表示：超声在人体组织内传播过程中产生非线性以及组织界面入射/反射关系的非线性，使得当发射的声波频率为f0时，回波频率中除有基波频率f0以外，还有2f0、3f0 等成分，此成分称为谐波，其中以二次谐波2f0的能量最大。其关系见图1所示。研究结果表明：谐波具有以下两个优点：（1）谐波的强度随着深度的变化呈非线性变化。在图3中可以看出，谐波在体表皮肤层的强度实际为零。随着深度的增加而增强，直到某个深度时因组织衰减作用超过组织的非线性参数B/A的作用时，该点（指某个深度）就成了幅度下降的转折点（见图2中箭头所指）。从图2中亦可看出，在所有的深度上，组织谐波的强度都低于基波。（2）基波频率能量和谐波频率能量的非线性关系。换句话说就是：弱的基波频率几乎不产生谐波频率能量，而强的基波产生相当大的谐波频率能量，这一点非常重要，因为超声中的大部分伪像由异常的传播途径而来，其能量肯定弱于中心成像声束。23 组织谐波成像（THI）下面我们具体分析一下组织谐波成像技术是如何提高成像质量的。在这里我们可以采用电子学上的滤波技术，去除基波而仅利用谐波来进行成像，这在技术上是不困难的。由前述的谐波的第1个特点可知：谐波的频率能量随着传播距离的增长而增加，从图2中可以看到，超声经过数厘米距离后，将有足够的能量从基波频率转换而产生一明显的二次谐波频率（如箭头处）。由于超声图像声像图中近场伪像干扰与来源于腹壁和接近腹壁的反射和散射有关，而这些伪影含有极少的谐波频率能量，如果使用谐波技术，使其在谐波范围内成像，则近场伪像的大部分将消除，图像质量则明显提高。另一方面，由前述谐波的第2个特点可知，利用这一特性可有效遏制超声侧瓣回声对图像的影响。图3显示了强的中心声束轮廓和弱而明显的侧瓣声束轮廓。我们知道：侧瓣回声与许多囊腔内杂乱回声有关。从图中二次谐波的声束轮廓来看，表明与中心声束相比，侧瓣能量呈反比例地下降。当二次谐波信号放大到使中心声束信号达到超始的基波信号幅度时，侧瓣声束仍较基波成像时的能量低得多。这样，通过谐波技术可以减小旁瓣水平和主瓣宽度，可以改善聚集特性，进而进一步消除了伪像素紊乱。总起来说，组织谐波成像改善图像质量的简单陈述为：对传统基波成像困难的病人，图像经常出现模糊状改变，这是由于超声束在表浅组织内表层与肋骨之间产生回响形成扭曲所致，因为发射声波还没有机会形成明显的谐波能量，这些回响几乎全部由基波频率的超声能量形成。当声束穿过浅层以后，声束变为聚焦，并且开始形成谐波能量。然而，一旦声束穿过了这些层次，后面的均匀组织对声束的影响就很小了，而谐波声束仍保持声束原有轮廓及聚焦的特征。当返回的信号被过滤丢掉基波后，紊乱和模糊被消除，得到的是高清晰的图像。其次二次谐波降低了旁瓣水平，亦可使伪影和紊乱消除。再者，谐波成像减小旁瓣水平和主瓣宽度，可以改善聚焦特征，亦使图像的质量得到了提高。在临床上，约有20-30%的病人，由于肥胖，肺气过多，肋间隙狭窄，胃肠气体干扰，腹壁较厚或疾病等原因，而被称作显像困难的病人。对这部分病人，组织谐波成像技术可采用超宽频带探头发射声波，仅接受和处理机体组织产生的谐波高频信号，通过改善组织对比分辩力来提高图像清晰度。尽管组织谐波成像（TH1）有不少优越性，但真正质量的好坏还取决于仪器的性能，因为即使在最佳的环境条件中，来自组织的谐波频率能量远远小于基波频率能量，而所有对成像有效的谐波频率能量均通过消除基波频率而获得。因此仪器必须解决以下三个问题：（1）仪器必须有超宽大的动态范围。因为谐波成像时，会损失1020db的信号强度，为保持信噪比，必须设定非常宽的动态范围以接受这种相当弱的信号而成像。（2）发射源必须在谐波频率上发射极小的能量，即需要的是短脉冲超声波以确保发射信号中较高和较低频率同时存在。（3）在成像过程中，必须有一锐利的接收滤波器仅使谐波频率能通过至解调器，如图5所示。左图滤波器允许较宽的频谱通过并进入成像环节，所产生图像中基波频率能量远大于谐波频率。而右图中，滤波器仅允许谐波频率能量通过进入图像处理系统成像。综上所述，仅从前面列举的彩色多普勒成像、组织谐波成像技术来看，就已使当代超声诊断设备的性能得到了极大的提升。除此之外，三维超声成像技术、造影剂谐波技术、介入超声技术以及其它新型的成像方法正在不断的完善和涌现，因此，我们完全有理由相信：随着计算机技术和图形处理技术的不断进步，加之诸如超声换能器技术的创新，医学超声图像的质量与当代其它三大医学成像技术真正可以并驾齐驱的日子已经不远了。3 三维超声成像技术近年来，三维超声成像技术成了超声设备上的“热点”，这个技术成为新的高档超声成像设备的一个趋势似乎已成实论。由于它集计算机技术及图像后处理之大成，又有多种三维重建模式，所以它所提供的图像比二维图像在显示上更直观，信息更丰富，病灶的空间定位和容积测量更准确。对三维超声成像技术可用如下简单的表述：利用常规探头用自由臂扫查方式、或采用容积探头的方式扫查、或用电子式的二维面阵探头来扫查，采集感兴趣区的数据，进而进行图像重建，产生矢状面、冠状面和横断面图像，在所获得的超声信号容量范围内调整这些平面，便可看到连续的三维图像，这就是三维超声成像技术。由二维超声到三维超声成像需要解决的问题不少，它包括数据采集方式、实时图像重建、临床应用扩展等。为了达到三维超声成像最高阶段实时三维成像，还必需采用并行数据处理与缩短数据采集时间的特殊措施。在三维超声成像装置的商品化方面。韩国的Medison公司是先驱者，它通过收购两个开发三维成像技术的奥地利Kretztchid及TomTcc公司而使其产品的三维成像技术在20世纪末处于全球的领先地位。它在1996年首次推出的Voloson 530D三维彩超是其代表产品。SONOACE8000及SONOACE9900系列，则是其的后续产品。目前各主要超声诊断仪制造厂家纷纷在其新产品中加入了三维成像技术。31 静态、动态和实时三维成像的含义静态三维成像是指：采用自由臂扫查方式进行三维数据采集，此种方式每扫查一次只能重建一幅静止的图像。此种方式形成的图像称为静态三维成像。动态三维成像是指：采用非自由臂方式进行扫查，由于其扫查速度较快且三维数据采集的时间较短，因而可以实现连续动态显示脏器的三维图像，故称为动态三维成像。实时三维成像是指：当三维成像速度达到24帧/秒时，就可真正称为实时动态三维成像。由于动态三维成像时把时间因素加了进去，用整体显像法重建感兴趣区域准确的实时活动的三维图像，因此不少文献称之为四维成像。32 三维数据的采集良好的三维图像质量是以高质量的三维数据采集为前提的。目前三维数据的采集方式大致分为两类：自由臂扫查法及非自由臂扫查法。在这两类中依据具体方法的差异，又有细分为若干种小类。321 自由臂扫查法它的特点是：能探查范围较大的脏器，探头能自动适应体表形状的变化而进行扫查。目前按有无定位系统而细分为2种方式。（1）无定位系统的自由臂扫查法在这种方法中，采用常规的B超探头，由医生手持探头在被检体表平行均匀地移动，获得系列的平行排序的二维图像，然后通过重建得到近似的静态三维图像。此法的好处是简单、方便、廉价。但要求医生手法均匀平稳，否则重建的图像质量不好。此法的不足之处是目前仅限于表面成像，且不能进行定量的测量及不能进行动态成像。（2）有定位系统的自由臂扫查法这是一种采用带电磁位置传感器的自由臂扫查法。一般将由3个互相垂直的线圈组成的电磁接收器固定在常规B超探头上，当探头在由仪器产生的磁场中移动时，电磁接收器会输出若干个（一般为6个）自由度的参数，这就给出了探头（接收器）在磁场坐标中的位置和方向，在这个系统中，电磁发射器的空间位置是固定的且被称为空间考照原点。这样，综合探头接收的图像信息和位置信息，就可以进行三维重建。这种扫查法的特点是：失真小，且可以进行空间定位和测量。不足之处是易受处部电磁场干扰，影响定位（位置和方向）的准确性。322 非自由臂扫查法在这类的扫查法中，采用容积探头，通过机械驱动探头或采用二维面阵探头的方法采集三维图像数据。（1）机械驱动容积探头扫查法 在此法中，将B超探头和机械驱动装置组合成完整的组件，称为容积探头。根据B超探头在工作时运动状态不同，又分为扇形摆动式及旋转式两种（见图5）。探头在扇形摆动或旋转扫查中获得三维数据。这种机械式或容积探头的扫查方法的明显好处是：操作较为容易；三维数据的采集及重建速度较快，所以可以实现动态三维成像乃至实时三维成像。其中的摆动式容积探头主要用在腹部和妇产科的诊断上，而旋转式则较适宜于心脏或经阴道、经直肠的腔内三维成像。（2）二维面阵探头扫查法：这是一种用电子学的方法，采用二维面阵探头，用相控阵的原理控制声束进行二维扫查，从而实现三维数据采集。这是一种为实现实时三维超声心动图技术而进行的探头换能器技术的革新。二维面阵探头的原理图如图6所示。现以拟定的6060方阵的二维面阵探头说明其工作原理。此方法最早是由美国DuKe大学的研究人员提出的。其换能器晶片被纵向、横向多线均匀切割为呈矩阵形排列，达6060=3600（或8080=6400）个微型正方形晶片阵。工作时由程序控制，使声束发射按相控阵方式给Y轴进行方向转向形成二维图像，再沿Z轴方向扇形扫描获容积数据库。在几何尺寸上，这样微型正方形振元非常微小，直径细如发丝。这种换能器按人体工程学的要求进行设计，其振元置于探头的顶端，能接触体表，便于超声的发射和接收。在换能器振元的后边，探头内密布150多个微型线路板，所有振元分别经过1000多条通道与探头内的微型线路板及主机相连接。从电子学角度看，在使用这种面阵探头时，当发射的声束沿预定X轴方向前进时，可形成一条扫描线（一维显示）；按相控阵方向沿Y轴进行方位转向形成二维图像；使二维图像沿Z轴方向扇形移动进行立体仰角转向，由于声束在互相垂直的三个方向进行扫描，则最后将得到一个覆盖靶区内各部位立体结构的金字塔形的三维图像数据率。假设金字塔三维数据库的形状为6030（YZ方向），以1分布1条扫描线测算，每个金字塔数据库内最少要有6030=1800条扫描线。而要达到实时显示三维超声图像的目的，每秒钟至少要获取16个金字塔三维图像数据库。据此，每秒种内三维成像装置应发出的扫描线至少需要180016=28800条。如果采取通常的1：1的方式，每次发射1条声束扫描线的话，则在脉冲频率为28800HZ时，相邻两个脉冲的时间仅为347s，在此时段内超声行程为52cm（软组织中超声传播速度恒定为015cm/s），按往返双程计算，射入组织的深度仅为26cm，这个探查深度显然在临床上是无法应用的。为此，在后来的研发过程中，Duke大学和飞利浦公司的设计人员开发了一种新的微电子电路，它使矩阵型换能器在发射扫描线时，让它接16：1的并行处理方式去扫描金字塔容积，能同时发射多条声束扫描。这样，发射脉冲数虽然增多了，但仍有足够长的脉冲间隔，使超声射入人体组织的深度随之增大。这样一来，对心脏检查来说，就能在较大容积内提供相当于二维图像扫描线密度的实时三维心脏结构动态图像。从理论上讲，如上述处理方法真正得以实现，这种二维面阵探头在三维成像方面的优点是显而易见的，即：探头小巧、操作方便，且成像速度肯定比机械式容积探头快，有望真正达到实时，尤宜于心脏检查。有资料表明，此系统已在少量机型上试用，以获得动态的三维心脏图像。由于技术上的原因，目前它尚存在的缺点是：图像视野小、空间分辨率有限。现在也有相关厂商在研发15维面阵探头，以暂时替代技术复杂的二维面阵探头。33 三维图像显示方式三维超声图像，在图像显示方式上基本分为表面模式及透明模式两大类。331 表面模式这种显示模式，类似于“照相”。它是一种从图像数据中选取部分构造轮廓，显示感兴趣结构的立体形态、表面特征、空间位置的关系，可对感兴趣结构的容积或体积进行测量。在临床上，主要用于全液性结构或被液体环绕结构的三维成像。如产科中胎儿面部及体态的显示就是一个例子。在这种显示模式中，根据图像处理手段的不同，又有表面模式、表面平滑模式和亮度混合模式之分，操作医生在临床实践可灵活运用之。332 透明模式这种显示模式是用来显示实质性脏器内部结构的三维图像。依据显示感兴趣区域目的不同而细分为以下三种方式：（1）最大回声模式它显示感兴趣区域的最大灰阶值，即显示每条回声上的最强回声的结构。主要用于占位性病变的三维成像。在临床上，特别是在妇科、产科领域中，用此模式可清楚地显示胎儿的脊柱；可进行子宫内膜病变的研究，如畸形、IUD评价，IVF后分析等。（2）最小回声模式 它显示感兴趣区域的最小灰阶值，即显示每条回声上的最弱回声的结构。主要用于显示血管等无回声管道结构的三维形态；或无回声、低回声占位性病的三维形态。在临床上使用此模式，可清楚显示血管和囊肿以及乳腺肿瘤内部的透明结构。（3）X线模式 它就如X线透视一样，显示感兴趣区域全部灰阶值，即显示每条回声上的灰阶平均值，如显示胎儿的整个骨骼结构。34 三维超声的临床应用341 在产科的应用三维超声不仅可以对胎儿体表结构进行表面重建，还可以利用透明模式对胎儿体内结构进行三维成像，从整体上对胎儿形体结构进行观察，提高胎儿畸形的产前诊断率；确定不同孕龄胎儿正常及病理状态。具体有（1）可直观显示不同孕龄的胎儿各器官的成像特点。第6周可见胚胎；第8周可辩手、手指和脚趾；11周可见张嘴胎儿；12周可辩认男性外生殖器；13周上下肢和面部可完全显示。（2）三维能更清楚观察胎儿面部解剖（如前额、眼、鼻、唇和耳朵）位置