医学超声诊断设备中的若干新技术

吴 强

(江苏省中医院 设备处，江苏南京210029)

医学超声诊断设备中的若干新技术

吴 强

(江苏省中医院 设备处，江苏南京210029)

1 若干新技术的简介

1.1 全数字化技术

全数字化超声诊断仪具有图像品质好、系统可靠、易于升级换代等优点。它的最主要技术特征是数字式的声束形成技术。在传统的模拟式的超声诊断仪中，为了实现声束的聚焦，设计了超声延迟线，不过这种延迟线是由模拟电路实现的。它不可能将聚集点的位置一步一步地控制得非常精细。而在全数字化系统中，声束的延迟控制是由数字电路实现的。它所控制的聚焦点的位置比传统模拟延迟线的精度提高了十倍以上。

医学超声仪器在临床上的诊断效果在很大程度上取决于超声图像的品质，而图像分辨力又是其中最重要的指标之一。在超声诊断设备中图像分辨力应包括三方面的含义:空间分辨力、时间分辨力(即实时性)和对比度分辨力(即动态范围)。与传统的超声诊断设备相比，全数字化超声诊断系统在上述几项分辨力指标上有了明显的提高，从而也就使整个图像的品质有了明显的改善。

(1)空间分辨力的改善

空间分辨力是指仪器所能分辨的两个病灶间的最小距离。空间分辨力愈高就愈有可能区分细小的病灶。

提高空间分辨力的方法有许多，例如，提高超声波的发射频率;扩大超声换能器表面的孔径;改善波束形态等。通过改善波束形态来改善空间分辨力实际上是要解决从近场到远场连续地精确控制聚焦点移动的步距。由于全数字化超声诊断系统采用了数字式声束形成技术，可以近乎连续地精确控制焦点的位置，因而极大地改善了声束剖面特性，它的图像具有很高的空间分辨力。这是传统的模拟系统所无法比拟的。

(2)时间分辨力的提高

时间分辨力决定了仪器的动态性能。这项指标在观察心脏活动及检测血流速度中是很重要的。

在全数字化的系统中，积压个阵元接收到的回波信号经过放大后立即被送入模/数转换器，形成数字信号。波束方向与聚焦点的控制都是通过数字延迟线来完成的。因此，同一组阵元接收到的回波信号可以同时送到几组不同的延迟线处理电路中，通过不同的延迟处理后，就可获得几个不同方向(即不同扫查线)的回波信息。也就是说，每发射一次超声波就可得到几条扫查线的回波信息。这种并行处理的方法提高了整个系统的帧频，也就是系统的时间分辨力。

(3)对比度分辨力的提高

对比度分辨力是指区分不同的回波强度的能力。改善对比度分辨力的主要措施是抑制超声束的旁瓣。为了达到抑制旁瓣的目的，一方面可以通过对各个通道的回波信号在处理时加以不同的权重来实现;另一方面实现高精度的波束形成也是十分重要的。全数字化系统在完成高精度波束形成的同时还可以对回波信号作不同的加权处理，从而使系统获得了较高的对比度分辨力。

全数字化超声诊断仪在声束形成过程中采用了数字延迟线，获得了从近场到远场的全程均匀的高分辨力图像。可以说，全数字化系统是当今超声诊断仪最高水平的代表，也是今后技术发展的一个重要趋势。

1.2 新的血流测量方法

超声血流测量的发展经历了从连续波(简称CW)多普勒血流测量，到脉冲波(简称PW)多普勒血流测量，到彩色血流图(Color Flow Mapping，简称CFM)的过程。其中，前两种方法在国内医务界被称为多普勒血流测量，后一种方法在国内医务界被称为“彩超”或“彩色多普勒”。

最近几年来，超声血流测量的新方法不断涌现。例如，CFM是指在黑白的B型图像上迭加上彩色的血流信息。但是，由于在形成血流信息的过程中所采用的处理方法不同，还可以分为多普勒彩色血流图(Doppler Color Flow Mapping)与时域彩色血流图(Time Domain color Mapping)。其中，基于时域处理的血流测量方法是一种较新的方法。

时域血流测量方法的基本做法是:在发射一个超声波脉冲后，根据所需的采样深度截取一小段时间信号，如果我们对两次发射后同一深度的回波信号作互相关运算，就能根据互相关函数中最大值出现的时刻来判断血流的速度。

时域血流测量方法具有以下特点:

(1)传统的多普勒血流测量方法是检测回波信号的频移或相位差。由于超声波在人体中的衰减是与频率有关的，还由于一些不可预测的与组织结构有关的因素的影响，往往千百万频率测量中的误差。时域处理方法是一种非多普勒血流测量方法。它与信号的频率基本无关，因此可以获得较高的测量精度。

(2)从理论上讲，采用时域测量方法时，在经过两次发射后就可以测出血流的速度。因此，与传统的多普勒血流测量相比，时域方法可以得到较高的帧频。这在超声血流图仪中是很重要的一项指标。

(3)采用时域处理可以发射持续时间更短的脉冲，从而提高了二维血流图的轴向分辨力;又由于时域处理可获得较高的帧频，因此与传统的多普勒血流测量方法相比较，在同样的帧频下，时域处理可采用更高的发射线密度，也就是说，横向分辨力也提高了。

(4)时域处理方法是一种直接的血流估计方法。时域互相关的计算量比频域处理的计算量要小。

目前，基于时域处理的商品化的彩色血流图仪已经问世。尽管它还有一些不够完善的地方，但是这种方法是有发展前景的。

在血流测量中，如何提高检测的灵敏度是很重要的一个问题。诸如彩色多普勒能量图(Color Doppler Energy)及超声造影剂等新方法都在提高小血流的检测率方面有明显的作用。

彩色多普勒能量图中显示的色调并不代表血流的方向与速度。它所显示的大小是血球散射信号的能量，在本质上是与血流中散射子的容积相关的。这种显示方法的好处在于:

(1)提高了血流(特别是低速血流检出的灵敏度)。

(2)在二维血流图中提高了空间分辨力。

(3)与常规彩色血流图仪相比有较高的帧频。

(4)能量图上显示的大小和声束与血流的夹角无关。

(5)避免了多普勒血流测量中可能遇到的混迭问题。

使用超声造影剂是提高小血流检测灵敏度的一种非常有效的方法。超声造影剂可分为微颗粒型、微气泡型与液气转换型等。将其注入血管后，由于其与周围媒质间的声阻抗差异甚大，造成散射能量增加，于是就为系统检测小血管血流提供了可能。与此同时，由于造影剂产生的后向散射信号具有非线性特性，实验已经证明:测量回波信号中的谐波分量比测量基波成分更能区分血流信号与组织的慢速运动。这种二次谐波分析方法在心脏病学的诊断中有重要意义。

目前，血流测量正在由定性向定量化方向发展，所测得的流速、流向、流量等参数还可用于推导出血管的弹性模量。这在心血管与脑血管疾病的诊断中都是十分有用的。

1.3 三维成象技术

三维成象是医学影象学中一个重要的研究领域。一般情况下，三维图像是由一系列二维图像迭合而成的。将二维数据的集合变成三维数据结构后，医生就可以根据需要取出任意角度下的剖面来观察，以便更准确、更全面地了解脏器结构，从而提高临床诊断的水平。由于数字图像处理技术、计算机图形学等相关学科的发展带动了医学三维成像的发展。使这个研究领域在不长的时间里取得了长足的进步。

三维成象一般包括数据采集、图像重建及三维成型等几个步骤。在超声三维成像中，数据的采集有几种不同的方法。在腹部三维成像中，探头可以在体外作平移、摆动或旋转运动来采集数据。在心脏的三维成像中，探头或是在体外旋转来采集数据。采集到的三维数据，经过坐标变换和数据插补后可形成三维数据结构。然后就可以利用一些计算机图形学软件来实现形像化的三维立体显示。例如，在腹部的三维图像中已能清晰地显示胎儿1 mm米唇裂。

由于超声三维数据的采集需要一定的时间，目前商品化的三维成像系统还不能做到实时(实验室中已研制出准实时三维图像)。今后的研究方向是进一步提高成象速度，以实现动态的三维成象。

除了上面介绍的几项新技术外，在设计高密度、高分辨力、高灵敏度的探头、回波信号与图像的处理等方面还可列出很多相关的新技术。正是由于这些新技术的引入使超声诊断仪的水平在过去的十年中又有了长足的进步。可以预测，在今后的一段时间里，医学超声诊断设备在临床中的应用会更加广泛，它在工程方面所涉及的技术也一定还会有新的更大的进步。

3 选购医学超声诊断设备中几个值得注意的问题

超声诊断仪的种类繁多，用户在选购超声诊断仪器时，应根据本单位的实际情况与需要来决定。

在超声诊断仪的发展过程中，根据其在功能上的演变大致可分为以下几个阶段:

(1)用普通示波管显示图像的简易型超声显像仪，这类仪器目前已基本上被淘汰了。

(2)采用数字扫描变换器后的改进型B型显像仪。这类仪器就其图像品质与功能而言还可分为若干不同的档次。

(3)B型显像加多普勒血流测量的双功能仪器指定点上的血流速度，这类仪器在心血管疾病的诊断中有重要意义。

(4)彩色血流图仪。这类仪器的主要特点是在B型图像上迭加上了彩色血流显示。用户可根据不同的颜色与色调来判断血流的方向与大小。它是目前档次最高的超声诊断仪。

三维超声显像仪代表了先进技术的发展趋势，但这类仪器目前还不普及。

在选购超声诊断设备时，应首先对仪器的类型、主要技术指标有所了解;然后根据实际需要选择适用的而且性能/价格比尽可能高的产品;最后，应对选中的仪器品质做较全面的评价。下面，我们以彩色血流图仪(简称彩超)为例，介绍这些基本原则。

彩色血流显像技术是于1983年由日本的Aloka公司首先推出来的。据不完全统计，目前世界上已有20余个厂家先后制造出60余种不同型号的产品，其中的绝大多数已进入我国市场，最昂贵的产品报价达30万美元以上。根据各类设备所采用的主要技术及其实际的价值与效果，我们将其分为四种类型:

(1)换代型:此类产品采用了许多与传统方法不同的新技术(如本文上一节中提到的全数字化系统)，这些技术的引入使得图像品质及仪器性能有了显著的提高。此类产品的技术水平代表了当今超声诊断设备的最先进水平，堪称新的一代产品。

(2)跟代型:使用了换代型产品中的主要技术，并取得类似的效果，所用的新技术晚于换代产品1～2年。这类产品在价格上低于换代产品。

(3)改进型:基本使用的是传统技术，且无较大更新，虽然在操作方式、显示方式、计算软件及图像存储方面有所改进，但总体上看图像品质基本上无改进，此类产品的价格比较低。

(4)过时产品:此类产品技术上已显陈旧，图像品质较差，但仍然能作一般使用，价格更低。

在上述四种产品中，一般来说，换代型产品在技术上确有突破，但价格也十分昂贵。选购设备时应避免盲目追求高档，而首先考虑实际的需要及应用的领域。例如，主要用于腹部检查或用于心脏检查时选择仪器所考虑的侧重点是不一样的。

最后，不管参考资料或产品广告的宣传如何，用户都应在进行深入的调查研究、分析比较及实际应用后再对产品的优劣作出评价。目前，由于国内的用户对国外进口设备所报的某些技术参数缺乏检测与验证的手段，因此无法给出比较严格的客观评价指标。但是，根据我们的经验，在选购彩超时可以参考比较以下几方面的指标:

(1)血流方差显示能力;(2)检出敏感度;(3)彩色方式时黑白图像的品质;(4)显示色彩颗粒的粗细;(5)彩色充盈度;(6)色彩连续性;(7)色强;(8)彩色动态范围;(9)彩色滤波器的效果;(10)扫描角度、帧频与探查深度。

设备的质量与其所采用的技术当然是直接相关的。但是，对仪器优劣的最终评价还应该看它的图像品质、仪器所提供的功能及可靠性等方面性能指标。因此，在选购仪器时，应充分了解其在工程上所采用的技术，并综合考虑该仪器的性能与价格及本单位的使用目的与效益等因素。对那些以科研、特殊及常规检查并举的大型医院，如果经费充足可根据仪器的技术指标选购换代型的专用机;若经费比较困难、又以常规检查为目的，选择跟代型产品也能基本上满足使用的要求。对于进行多种检查为目的的综合性医院，选择复合型仪器较为合适。

TH776

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1002－2376(2011)03－0029－03

2011－2－16