医学超声成像技术发展和新趋势

黄亚兰 姜琳琳 李瑞雪

（1.国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心，北京 100081；2.深圳开立生物医疗科技股份有限公司，深圳 518054）

医学超声成像的技术原理主要是利用超声在人体器官、组织的传播过程中，由于声的反射、折射、衍射等而产生各种不同信息，再将信息接收、放大和处理形成波型、曲线、图像等在显示器上显示，从而根据获得的不同声学数据来反映人体内部情况。

医学超声是集理、工、医相结合的一门新兴学科，由于其无创、无辐射、使用方便快捷和设备成本较低等优点，广泛应用于临床疾病的诊断和治疗中。从20世纪80年代超声成像技术诞生，历经30多年的探索、创新，近年来又随着医学、计算机技术、数字与电子技术、材料学、图像算法等多学科的应用发展，大量的新进展不断涌现并应用在超声诊断设备上，超声影像诊断技术获得空前的发展［1］。

1 超声成像技术基本分类

1.1 A型超声诊断法

A型超声（A超）诊断法是一种幅度调制型的显示模式，是最早应用于临床的诊断模式。其显示方式类似于示波器，横坐标表示超声的传播时间，也代表探测深度；纵坐标代表超声回波的幅度，代表回声强度，反映声学界面的声阻抗差［2，3］，如图1所示。

图1 大脑A超图像

A超属于一维超声成像，其回波只能反映沿声束传播路径上组织的反射情况，不能提供解剖图像，已逐渐被B型超声（B超）等代替。但A超检查适用于静止的、简单解剖结构的扫查和线性测量，目前主要用于脑中线测量、眼轴测量、胸腔积液测量等方面。

1.2 B型超声诊断法

B超诊断法是在A超基础上发展起来的一种辉度调制显示法，也称二维灰阶成像或黑白成像。其图像由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式，是目前临床应用最基本、最广泛的超声成像方式，现代超声多普勒成像设备都是以二维灰阶成像方式为基础。其图像显示的是人体组织或脏器实时动态的二维断面图，如图2所示。

图2 肝癌二维灰阶图

B超利用组织或脏器中各界面的反射回波及散射回波的幅度变化来反映人体组织和脏器的解剖形态和结构方面的信息，具有直观性好、实时性强、便于诊断的特点。其他常用的超声扫查技术基本上也要与B型扫查结合使用。因此，B型扫查在超声诊断设备中是应用最广，最具有活力，最重要的一种扫查方法。

1.3 M 型超声诊断法

M型超声（M超）诊断法是沿声束传播方向的目标，其位移随时间变化的一种显示模式。横坐标表示时间，纵坐标表示探测深度，图像的亮度表示回波的强度，于是就能获得声束传播方向各反射界面的运动曲线图，如图3所示。

图3 A型、M型及B型超声成像示意图［4］

M超仍属于一维超声成像，因而可以测量有关心脏结构的大小，如管壁、室壁、中隔的厚度等。M型的活动曲线可以观察心脏结构活动情况，如心肌、瓣膜的运动功能，计算其活动速度、射血分数等，以此了解心脏活动功能情况。

由于M超不能提供心脏的二维解剖结构，目前M超与B超经常结合使用。通过B模式的切面图上显示M型取样线，用以指示M型的取样位置，于是通过调节M型取样线位置，就可以获得相应解剖位置的M型图像，如图4所示。

图4 B型、M型超声显示心脏图像［4］

1.4 C和F型超声诊断法

C型超声是指“特定深度扫查”，与B超一样都是辉度调制的二维切面显示，但B超获得的是超声声束扫查平面的切面图像，即纵向切面图像。而C型扫查所获得的是距离探头某一特定深度，与扫查声束轴向垂直的切面图像，即横向切面图像。

F型超声与C型超声在原理上相似，区别在于：在扫查获得一幅图像时，C型探头距扫查平面的深度是不变的，而F型的深度根据成像需可随时改变。

由于C型和F型扫查的灵敏度较低，成像速度较慢，使得该技术的发展受到限制。

1.5 3D型超声诊断法

3D型超声显示的是组织器官的立体图，也同样是利用辉度来表示超声回波的幅度信息。3D型一般按成像方式分为静态三维成像、动态三维成像和实时三维成像。目前三维成像作为二维超声的补充在产科［5］、心脏检查［6］应用较多。利用此技术可以对人体脏器感兴趣区域进行立体、多层、多角度的分析，从而获得更充分的超声信息，如图5所示。

图5 胎儿三维图像

1.6 Doppler型超声诊断法

多普勒超声成像是利用多普勒效应原理，对运动的脏器和血流进行检测，通过检测回声的多普勒信号来获取人体运动目标的速度信息，本质上是运动速度成像。

将检测到的多普勒频移信号（速度信息）以频谱的方式显示，称为频谱多普勒技术。按照声源在时域的工作状态，可以分为脉冲波多普勒（PW）、连续波多普勒（CW）和高脉冲重复频率多普勒（HPRF）。

彩色多普勒技术则是将检测到的多普勒频移信号进行彩色编码，以红色表示朝向探头的运动，蓝色表示背离探头的运动，绿色表示运动速度的表异性，然后叠加到B超图像上，获得彩色血流图，因此通称为彩超。

图6 频谱多普勒图像

图7 颈动脉彩色多普勒图

传统的多普勒血流成像检测的是红细胞运动信息，后来出现的组织多普勒成像则是检测心肌、血管壁等组织的运动，如图8所示。

图8 TDI组织多普勒成像

1.7 谐波成像

利用人体回波中谐波的非线性现象所形成的超声图像称为谐波成像，根据非线性因素的不同可以分为组织谐波成像和造影谐波成像。

1.7.1 组织谐波成像

采用滤波技术，去除基波而利用组织谐波进行成像的方法通常称为组织谐波成像，如图9所示。由于组织谐波具有非线性的特性，用这种方法可以消除基波的噪声和干扰，以及旁瓣产生的混响。这样可以消除近场伪像干扰和近场混响，明显改善信噪比，提高图像的质量和对病灶的检测能力［7］。特别对于由于肥胖、肋间隙狭窄、胃肠气体干扰、腹壁较厚或疾病等原因而被超声称为是显像困难的病人，组织谐波成像对心内膜和心肌的显示、腹部深部血管病变边界的显示、血栓的轮廓、腹部占位性病变、囊性病变的内部回声等有明显改善［8］。

图9 基波、谐波的分离示意图

1.7.2 造影谐波成像

造影谐波成像是一种利用超声造影剂的非线性振动产生的谐波进行成像的技术。随着超声设备性能的改进和新型超声造影剂的出现，超声造影已经能够有效增强实质性器官［9］以及实体肿瘤［10］的二维超声影像和血流信号，利用超声造影技术观察正常组织和病变组织的血流灌注情况、肿瘤血管分布和灌注特点、评价肿瘤介入治疗和靶向药物治疗效果等方面已成为临床超声诊断的十分重要手段和科研热点。

2 医学超声成像技术发展趋势

纵观超声诊断技术的发展，经历了一个由“点”（A超）、“线”（M超）、“面”（二维超声）、“体”（三维超声）的发展过程；也是一个由一维阵向二维阵朝三维阵的发展过程；由静态成像向实时动态成像的发展过程；由单参量诊断向多参量诊断技术的发展过程；从单一器官到全身的发展过程［11］。随着计算机、芯片技术以及其他软硬件各方面的技术提升与发展，超声成像技术仍在不断地在多方向实现突破并发展出新技术。

2.1 二维成像新技术

传统的超声系统中，由于芯片计算能力的缺陷，只能实现少数角度的空间复合。随着芯片计算能力的提升，扫描帧频越来越快，就可以实现更多角度的空间复合，而且可以与频率复合相互结合，到达多维度复合成像，能够提供信息量更丰富的高质量超声图像。

2.2 3D／4D超声成像新技术

传统黑白B型超声以及彩色血流超声都是2D图像，只能在一个平面上进行实时成像。20世纪80年代末，奥地利Kretztechnik公司推出了第一台商用的3D超声，使用一个机械摆动的凸型探头来进行3D扫描，用于胎儿的产前检查。4D超声是在3D超声的基础上加入时间维度，即连续进行体数据采集和成像，得到实时运动的三维图像。20世纪90年代末期，超声3D／4D成像技术逐渐趋于成熟，广泛应用于妇科［12］、产科［13］、心脏检查［14］、造影［15］、以及基于图像融合的手术导航［16］等多个领域。例如：在产科超声应用中，对胎儿颜面部、颅脑和心脏等组织结构进行三维成像，可以给医生提供更直观的3D组织立体结构显示图，辅助医生进行分析、诊断和治疗。超声3D／4D成像技术已成为各大主流超声厂商的必备功能，是临床超声检查中重要的组成部分。

2.3 弹性成像新技术

超声弹性成像的基本原理是对组织施加一个内部（包括自身的）或外部的动态／静态／准静态的激励，在弹性力学、生物力学等物理规律作用下，组织将产生一个响应，如位移、应变、剪切波速度的分布随不同组织而发生改变。利用超声成像方法，结合信号处理、图像处理技术，可以估计出组织内部这些物理量的相应情况，从而间接或直接反映组织内部的弹性模量等力学属性的差异［17，18］。

超声弹性成像按激励方式的时间特性可分为静态／准静态和动态两类方法。前者所施加的力缓慢变化，如探头缓慢按压；后者则是变化快速的冲击或振动，如声辐射力脉冲（acoustic radiation force impulse，ARFI）或活塞式的振动源。

超声弹性成像对组织病变过程中的硬度变化具有高的敏感性，随着超声弹性成像技术的产品化，超声弹性成像目前已应用于肝脏、乳腺、甲状腺、前列腺等多种器官的疾病诊断中，并与二维灰阶成像、彩色多普勒等互补，提供丰富的诊断信息，在乳腺癌良恶性判别［19］、甲状腺良恶性结节鉴别诊断［20］、动脉斑块诊断和破裂风险评估［21］、聚焦超声和射频消融治疗的监控与疗效评估［22］等临床领域应用并取得了良好的效果。

2.4 造影成像新技术

超声造影技术的出现有力地推动了医学超声的发展进程，提升了医学超声在现代影像技术中的水平和地位。与其它医学影像设备（如CT、MRI、PET等）中的造影技术类似，超声造影技术需借助造影剂以增强显示病灶的位置、结构及其动态血流灌注情况，增强超声图像的敏感度和特异性，最终达到特定的临床诊断目的［23］。

超声造影剂一般是脂质外壳包裹起来的微气泡，其尺寸、血流动力学的表现接近于血液中的红细胞。经静脉注射后，能够通过肺－体微循环到达人体的各个器官与组织，一定时间后以气体形式由呼吸系统排出［24］。

在传统造影成像的基础上，根据其成像时效性的特点，近年来发展出更多的成像技术，如：MFI造影微血管示踪成像技术、MFI Time蝶彩灌注成像技术、Mix Mode造影混合成像技术等。

诊断病灶性质方面最典型的应用是以肝脏造影为代表的腹部造影，已成为实质脏器肿瘤良恶性判断的常规手段，且已形成统一的临床诊断标准；针对其它器官（如甲状腺、乳腺、颈动脉等）的造影检查，尚处于临床基础研究阶段，随着大量病例的积累与分析，欧洲和中国也先后出台了相应的临床应用指南。在器官功能性的诊断方面，心肌造影（myocardial contrast echocardiography，MCE）是最典型的例子，通过观察和分析心肌处冠脉微循环的复流能力，来评估心肌缺血和心功能不全的风险。超声输卵管造影操作相对简单，且无辐射，可清晰的显示输卵管的空间立体走形，为输卵管通畅度评估提供有价值的诊断信息。

2.5 融合成像新技术

超声融合成像导航是近几年出现的新技术，其原理是把CT或MRI图像三维数据输入超声设备内，通过高精度的磁感应定位器，使任何一个面的超声图像和任何一个面的CT或MRI图像完全对应，达到两种图像完全融合。操作者随意移动探头更换切面CT／MRI的图像都会实时与之联动，确保监视器上显示的超声和CT／MRI图像为同一切面。实现两种图像对治疗过程的共同引导，充分发挥CT或MRI高分辨率的优势和超声实时的特点，超声融合成像为介入导航提供很大的便利，病灶显示更准确，诊断更充分，治疗更安全，操作更简便［25，26］。此技术的广泛应用不仅可以马上解决医疗现场的实际问题，更为前景广阔的超声介入治疗领域的发展提供了全新的思维。

在腹部肿瘤的诊断和治疗中，超声融合成像导航可以发挥很大作用：可以发现常规超声检查不能检出的病灶，可以完整显示治疗超声不能显示全貌的大病灶，可以对大肿瘤消融时进行治疗手术计划。同样此技术也可用在肺肿瘤和前列腺穿刺应用中。

3 结语

随着科学技术的飞速发展，医学超声成像技术也不断发生着改变和进步。图像的采集与显示由二维模拟向三维全数字化发展、从单一图像技术向综合图像技术发展；采集到的影像信息在敏感性、直观性、特异性、早期性等各方面也日益提升。由于信息技术的发展，影像处理软件及工作站的开发、计算机辅助诊断系统的应用乃至大数据以及人工智能等新技术在超声影像诊断设备中的的应用，医学超声成像技术的发展将逐渐数字化、网络化、融合化、智能化，超声诊断仪器的性能将不断提高、功能不断完善、用途不断扩展，为临床医学诊断提供越来越强有力的支撑。