超聲成像新技術(shù)的物理聲學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用PleasureGroupOffice【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】超聲成像新技術(shù)的物理聲學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用90信號處理、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)展前景等問題作一簡要闡述。1?與提高圖像質(zhì)量有關(guān)的超聲成像新技術(shù)頻譜合成成像 頻譜合成成像即頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)(frequencyconverttechnology,FCT)[1]波滿足小振幅條件時，聲源與其聲場之間為線性關(guān)系，即無論在聲場的任何距離上，介質(zhì)質(zhì)點都重復(fù)聲源的振動規(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，達到有限振幅的波為有限振幅波)時，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f0產(chǎn)生具有多重頻率的回波信號，且其頻譜與聲源發(fā)射者不同，即實現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)此獲得的圖像分辨率更高，對比度更大，噪聲偽像更低。二次諧波成像1995年以來，二次諧波成像(secondharmonicimaging,SHI)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(nativetissue harmonicimaging,NTHI)和造影劑諧波成(contrastagentsharmonic imaging,CAHI)兩種。物理聲學(xué)基：如前所述，當(dāng)超聲波不滿足小振幅條件時，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”，在超聲場作用下，微除常規(guī)散射基波外，尚發(fā)生運動而再“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為線性關(guān)系，明顯的振動為基頻共振，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有顯示。隨著外加聲壓的不斷增加，則會出現(xiàn)非線性復(fù)雜運動，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成像，二次諧波成像時，儀器通過帶通濾波，只提取二次諧波信號進行成像。無影劑存在時，二次諧波信號來自組織，稱自然組織諧波成像，有造影劑存在時，次諧波信號主要來自造影劑微泡，稱造影劑諧波成像。由于二次諧波可提高圖像側(cè)向分辨力，且隨著諧波信號的增強，反射回聲的長度逐漸減小，圖像的軸向分力隨之提高，同時隨諧波信號增強，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)點有更大的等效散射面積，加上微泡諧振引起的共振散射，故自造影劑微泡的二次諧波信號較強，因此，造影劑諧波成像在臨床上應(yīng)用更廣。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不適宜聲學(xué)造影或經(jīng)濟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，可使組織回聲明顯增強，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，造影劑已能到達心外臟器，實現(xiàn)心外臟器造影，增強實質(zhì)臟器的二維圖像和多普勒信號，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。能量造影諧波成像技術(shù)能量造影諧波成像(powercontrastagent harmonic imaging,PCAHI)[3]時，主要對回波的功率(振幅)信息進行分析處理，并利用該信息進行成像。PCAHI能量造影諧波成像時，血管內(nèi)造影劑的功率諧波成分遠遠強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。脈沖反向諧波成像脈沖反向諧波成像(pulseinversionharmonicimaging，PIHI)[4]突破。常規(guī)的諧波成像(conventionalharmonicimaging，CHI)是儀器在接收回波信號時，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也濾掉同波段內(nèi)的部分諧波信號，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，ATL公司推出了脈沖反向諧波成像技術(shù)。圖像的分辨率，并可減少造影劑的用量。組織多普勒成像一般多普勒回波信號中，既包括血流中散射粒子的散射信息，又包括運動器官的反射信息，前者的特點是運動速度快，產(chǎn)生的多普勒頻移大，但幅度較小；而后者則速度慢，頻移小，但幅度大。利用高通或低通壁濾波器(wallfilter)，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，組織多普勒成像(tissueDopplerimaging,TDI)多普勒信息，并以適當(dāng)參數(shù)予以顯示[5，6]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)均可以彩色編碼進行偽彩色顯示。2與組織定征有關(guān)的超聲成像新技術(shù)超聲背向散射積分成像 聲學(xué)密度定量分析是通過定地分析某些聲學(xué)參數(shù)來研究組織特性以達到組織定征的目的。超聲背向散射積分像(integratedbackscatter,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的定量分析提供了新方法。傳統(tǒng)的聲學(xué)密度定量分析法 即視頻分析法。組織的回聲信號經(jīng)傳統(tǒng)成像方式形成二維灰階圖，視頻分析法即對該灰階圖的灰階分級水平及其分布進行分析，方法有：①灰階直方圖；②計算機定量分析回聲的灰階值及其分布；③紋理參數(shù)分析。由于視頻信號是組織的回聲信號經(jīng)處理(檢波、對數(shù)壓縮等)后所得的信號，并非組織的原始回聲信號，其受動態(tài)范圍的限制，信號被壓縮并有丟失，因此，從嚴格的定量角度講，視頻分析法并非真正的聲學(xué)密度定量分析方法，由于影響視頻信號的因素太多，所得結(jié)果不可靠，故有人稱之為半定量研究。超聲背向散射積分成像技術(shù)超聲背向散射原理[7]時，若遇到兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)(聲阻抗差大于%)所形成的界面，且界面大性的，朝向探頭的散射即為背向散射，能為探頭所接收。背向散射積分技術(shù)：探頭所接收的背向散射信號與同時幾年來一種以背向散射原理為基礎(chǔ)的超聲成像技術(shù)——了較快的發(fā)展。探頭接收人體組織的回聲信號，超聲儀將各界面來的信號經(jīng)放大、濾波，并進行各信號的延遲合成得到射頻信號(組織回波的原始信號)，若將射頻信號經(jīng)檢波并輸入視頻處理器處理(對數(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)是通過特制的時間門控電路[8]，在射頻信號被處理前，提取相關(guān)區(qū)域(取樣容積內(nèi))的射頻信號，并將其功率譜與一理想平面反射器的回聲信號功率譜相比，取其有效頻率范圍進行積分，單位為分貝(dB)，并將積分值顯示出來。目前具有該技術(shù)的儀器均為聯(lián)機分析系統(tǒng)，一旦取樣，儀器將自動報出感興趣區(qū)域局部背向散射積分值。常用測量指標[9]：背向散射積分技術(shù)的聲學(xué)參數(shù)為背散射積分值，包括：①圖像峰-峰強度(peakto peak intensity，PPI)；②圖像平均強度(averageimage intensity，AII);③圖像強度標準差(standarddeviationof image intensity，SDI)。PPI即取樣容積內(nèi)最強與最弱射頻信號強度之差，AIISDI標準差，單位均為分貝(dB)AII。在心臟研究中常用的指標有：①肌背向散射積分值(IBS)。由于個體差異，現(xiàn)多采用標化(校正)背向散射積分值(IBS%)IBS100%IBSIBS%；②心動周期心肌背向散射變化幅度(cyclicvariationof integrated backscatter,CVIB)為心動周期中心IBS變化差值，是反映心肌運動的活性指標；③跨壁背向散射積分梯度(transmuralgradientof IBS，TGIBS)，為心內(nèi)外膜下1/2處心肌IBS值之比。IBS分析功能的超聲診斷儀均具有聯(lián)機自動測量及顯示功能。HP5500AQSample-data62次，并以三種方式顯示測量結(jié)果：①實時動態(tài)分析圖：標記在測量的時間相位；②測值表：以表格形式顯示測量結(jié)果坐標圖：以坐標形式顯示測量結(jié)果，可聯(lián)機或脫機分析。 (5)應(yīng)用：背散射積分技術(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)研究毒癥，顯示尿毒癥患者腎實質(zhì)IBS%明顯高于正常人，晚期尿毒癥患者腎實質(zhì)IBS%顯著升高，因此認為背向散射積分值能反應(yīng)腎實質(zhì)病變。筆者在動物實驗及臨床究中發(fā)現(xiàn)，急性腎小管壞死性急性腎功能衰竭時腎皮質(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質(zhì)(包括皮質(zhì)和髓質(zhì))IBS明顯升高，而腎臟病變早期腎實質(zhì)IBS無明顯改變。由于該技術(shù)在腹部臟器病變診斷中的研究較少，臨床應(yīng)用價值有待進一步探討。聲參量成像 此技術(shù)臨床應(yīng)用尚不普及，有的還處于理階段，因此本節(jié)僅簡單講述其物理聲學(xué)基礎(chǔ)。組織特性成像(tissuestatisticimaging，TSI)[1]目前主要是對組織的彈性參數(shù)(coefficientelasticity)及其分布進行測量和成像。其原理是利用特殊設(shè)計的聲源(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待測組織進行激勵(impulse)，測量其動態(tài)位移，據(jù)此計算出相應(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)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)用價值。非線性聲參量B/A成像：B/A是描繪聲波非線性效應(yīng)的B/A參量作為成像特性量進行的成像即Ｂ／Ａ聲參量成像[1]。研究發(fā)現(xiàn)，此參量與其他線性5%B/A50%B/AB/AB/AB/AB須采用特殊發(fā)射波型，專門的信號提取和處理技術(shù)，并對接收數(shù)據(jù)進行