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[转载]超声诊断技术的发展史

已有 791 次阅读 2020-10-21 10:40 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦| 超声诊断, 技术, 发展史 |文章来源:转载

近10年来,随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科技的迅速发展和临床诊断和治疗的需求,使图像质量和分辨率越来越高,超声诊断范围和信息量不断扩充。当前超声诊断已从单一器官扩大到全身,从静态到动态,从定性到定量,从模拟到全数字化,从单参数到多参数,从二维到三维显示,多普勒彩色血液显示代替了创伤性导管检查,形成了一门新兴的科学——介人性超声学,大大扩充了超声诊断治疗范围,提高了诊断的特异性和信息量。由于其损伤性小,电离辐射轻,价格低廉,易被患者所接受,目前已成为发展最快的成像技术。所以,超声诊断设备是一种高科技产品,在某种程度上反映一个国家的科技进步水平。世界上的超声诊断设备生产国有美国、日本、德国、澳大利亚、意大利、丹麦、韩国和中国。美国、日本生产的超声诊断设备占世界超声诊断设备的70%。1995年世界超声诊断设备市场达20亿美元。仅1998年我国即进口超声设备2242.l万美元,出口超声设备2163.3万美元。超声成像设备大致可分为通用型、心脏科和小器官/血管用等三类。不难看出超声诊断设备的需求量很大,特别是中、高档超声诊断设备。下面介绍几种超声诊断技术的最新进展。

一、全数字化技术

全数字化技术带来了图像的高质量,使超声成像系统具有更高的可靠性和稳定性。1987年美国ATL公司研制出世界上第一台前端全数字化超声诊断系统以来,该技术已成为现今超声诊断系统最先进的平台。全数字化技术的关键是用计算机控制的数字声束形成及控制系统。这种系统再与工作在射频下的高采集率AjD变换器及高速数字信号处理技术结台起来形成数字化的核心。它包括有三个重要技术:(1)数字化声束形成技术;(2)前端数字化或射频信号模数变换技术;(3)宽频探头和宽频技术。前端数字化后,分辨率改善30%,动态范围增加48 dB,随机噪声降低1/3。超高密度阵元(512、1024阵元)探头,并可使探头的相对带宽超过80%。面阵超高密度阵元探头的出现,使二维聚集成为可能,它能同时改善侧向分辨力和横向分辨力。而宽频探头结合数字声束形成和射频数字化使现今的全数字化系统能实现宽频技术,该技术可避免使用模拟式仪器损失50%以上频带信息的弊端。所以宽频探头和宽频技术,不仅能解决分辨力和穿透力的矛盾,而且信息量丰富,有可能获取完整的组织结构反射的宽频信号。真正的数字式超声诊断仪应从波束形成到信号转化的全过程采用数字处理,图像分辨率要比64—128通道的模拟式超声诊断仪要高出2倍以上。因超声的关键技术是分辨率。数字式超声采用数字波束形成技术,能够实现像素聚焦超声,实现完全没有失真的超声图像。全数字化超声诊断仪是在数字波束形成的基础上,包括数字图像管理和数字图像传送,无失真的图像存储和调用,采用PACS(影像存储与通讯系统)的DICOM界面,运算快、容量大,无失真图像传送。2000年美国GE公司发明的数字编码超声技术是对超声脉冲进行编码和解码,从而将数字化超声进一步前推到超声波束,达到了将有用的微弱信号提升放大,抑制不需要的超声回波信号。多方面改善了超声波图像的质量,更为编码M次谐波(Coded Harmonics)等一系列临床应用。

技术奠定了基础。总之,全数字化技术保证了超声诊断设备图像更清晰、更准确,分辨率更高,大大提高了超声诊断的准确率,直接决定着超声诊断设备的整体质量。本世纪末90%以L的B超将采用前端数字化,这是必然趋势。在一定程度L可解决带宽、噪声、动态范围、暂态特性之间的矛盾,改善分辨力30%,动态范围增加48 dB,随机噪声降低*。所以说超声图像处理的潮流是数字化图像替代模拟方式的一次飞跃。

二、M维超声成像技术

70年代中期人们开始探讨发展三维超声成像技术,自80年代后期开始,由于计算机技术的飞速发展,使得三维超声成像技术得到了实现,三维超声成像目前有三种成像模式:表面成像、透明成像及多平面成像(或称断面成像)。三维超声成像的基本步骤是利用二维超声成像的探头,按一定的空间顺序采集一系列的二维图像存人二维重建工作站中,计算机对按照某一规律采集的二维图像进行空间定位,并对按照某一规律采集的空隙进行像素补差平滑,形成一个三维立体数据库,即图像的后处理,然后勾划感兴趣区,通过计算机进行三维重建,将重建好的三维图像在计算机屏幕上显示出来。门图像具有更高的空间分辨率,所含的信息量大,对组织结构的分辨力更强更直观。三维图像的优劣在很大程度上取决于二维图像质量的好坏,即三维超声目前仍未摆脱二维超声。目前已有:(l)静态三维超声(Stati。3D)以空间分辨率为主,重组各种图像。(2)动态三维超声(Dynamic 3D)以时间分辨率为主,可以做出3个立体相交平面上的投影图、F型图、俯视图、表面观、透视观和环视观。三维成像起初是在妇科作胎儿成像的。目前已用于心脏、脑、肾、前列腺、眼科、腹部肿瘤和动脉硬化的诊断。三维超声诊断仪已推出的有ACUSON的Sequoia、MEDISON的530D型、奥地利KretZ公司生产的Voluson 350D型。可以这样说,从一维成像到三维成像是超声诊断设备技术的一次重大突破。

三、对比谐波和组织谐波显像

利用人体回声信号的二次谐波成分构成人体器官的图像,称为谐波成像(Hazmonic Imaging,HI)。原理是在基频范围内消除了引起噪音的低频成分,使器官组织的边缘成像更清晰。对比谐波成像(Contrast H。onto Imaging,CHI)。指用超声造影剂的谐波成像。它利用直径小于10 Pm的气泡明显增强的散射信号具有丰富的二次谐波,可以有效的抑制不含造影剂的组织(背景噪音)的回声。有效观察室壁运动,结台心肌灌注,应用多帧触发技术,检查心肌灌注质量,对缺血和心肌存活性的检测更为敏感。但二次谐波的帧度接近基波,通过减去或脉冲及相这,获得血管内血流的二次谐波显像,称为脉冲及相谐波成像技术(bolselnversionH,PIH)。组织谐波成像(TissueHarmonic Imaging,THI)是利用超宽频探头,接受组织通过非线性产生的高频信号及组织细胞的谐波信号,对多频移信号进行实时平均处理,增强较深部组织的回声信号,改善图像质量,提高信噪比。因而能增强心肌和心内膜显示,增强微病变的显现力,增强肝内血流信号

帮助鉴别肝内血管和了解肝内细小血管病变。’THI技术对肥胖、肋间隙狭窄、胸廓畸形、肺气肿及老年患者的心脏检查中,技术在显影困难患者的心内膜边界先是更加清晰,心室壁运动的评价更为准确。目前超声诊断仪不断进展,具有超宽的动态范围,窄的发射频率,尖锐的接收滤波器和数字化波未形成器的仪器,可接收来源于组织的微弱高频谐波信号,通过降低像素点大小提高了对比分辨力和轴向分辨力,明显减少了图像的伪像,更好的显示组织微细特征,便由体型或病理原因产生的显像困难大为减少。“伽HDI-5000彩色多普勒超声诊断仪即设有THI软件。探头中心频率3ot MHZ。其次,美国GE的LOGIQ 4ho、500、700 PRO数字彩色多普勒超声诊断仪、百胜的AUSPartner彩超等都设有THI软件。

四、彩色多普勒血流成像技术(COIOf DOppl6fFIOWImasins.CDFI)及其进展

CDFI 技术于1982年由美国Bornner和日本的Namekawa、Kasai最先研制成功。日本Aloka 公司于1982年生产出第一台彩色多普勒血流显像仪。CDFI显示人体的血流,二、三维超声成像显示人体的解剖结构,二者提供了完整的人体解剖信息。以CDFI为基础,由于CDFI 不需要方向分离、频域解调等处理,可降低检测阈值,便于显示小血管中的低速血流,但不能区分流向和流速。

90年代又发展了四种彩色多普勒技术:(1)多普勒能量图、能量多普勒和血管造影(Color DoPPer Efififigy lyygigg,Power DoPPerImaging Anglo)。(2)彩色多普勒能量图(CDE)。(3)彩色多普勒组织成像(CDT)又称为多普勒心肌显像(DMI)。(4)能量运动成像(PMI)。CDFI、CDTI、CDE都是利多普勒频移信号的信息量加在常规的二维图上进行成像的,它显示血流或组织的运动情况。

CDE虽不能表示彩色血流的方向和速度,但有很高的空间分辨力,对小血管的低速血流很敏感,目前已能显示0.mm/s低速的血流。日本东芝公司将CDFI和CDE两者所长结台起来,发明了一种DPA(方向能量图),既能对低速血流的敏感性,又有彩色多普勒的方向性。CCD(彩色多普勒速度能量图)是近年来开发的新技术对血流显像更简便、更敏感。尤其是可显示心肌内的冠脉穿插支,对冠心病的研究开拓了新领域。美国GEFIOW的专利技术得到更好的血管及血流图像的空间分辨率和时间分辨率,能动忘清晰地看到血流的运动和血管壁的不规则运动。是超声技术的新突破。

QTV(定量组织速度成像)技术是近年兴起的新技术,是定量分析心肌存活性的新手段。以原始数据存储和超高帧频为基础,克服了传统多普勒心肌成像的局限性,因此临床上可广泛地应用于冠心病、高血压、心肌病、心脏电生理等方面的检查。今年Ge system Five型高档数字多普勒超声诊断仪推出的AMM(直线解剖M型)技术,发展了传统M型超声心动图技术。在360”范围内任意取样对心脏各室壁均能精确观察其厚度及增厚情况,也有利于射血分数的准确测量。在不同时期存储二维超声心动图基础上得到的M型图像,在不同时期存储的二维超声心动图上得到的M型图像,可比较同一患者不同时期多个室壁节段运动情况,对了解治疗及判断预后均有重要意义。

CMM(曲线解剖M型)于二维彩色多普勒速度图像之上,将“M型曲线”放置于扫查切面内任意一段心肌,其取样线走向可为任意方向、任意形状,并可置于心肌壁中央,然后获得实时的二维彩色多普勒图像中扫查切面内所有心肌节段的舒缩运动时相信息,以及速度、运动幅度、加速度、能量及应力率等局域心肌功能指标。与定量组织速度成像(QTVI)技术结台,给心肌缺血、心肌激动顺序及多节段心肌运动分析带来了新的手段。近年开展的AQ(超声声学定量技术)、CK(彩色宝壁运动成像技术)技术可用于心内膜自动描记,方便的观察心脏室壁运动。心脏超声软件也十分丰富。有些高档次心脏彩超可以报告川多种心脏检测参数,对临床诊断各类心脏疾病极有价值。腹部彩超除作其它腹部脏器检查外都装有丰富的产科软件,可方便的检出胎龄,从而准确方便地判定胎儿发育状况及报告、羊水指数及多项胎儿发育参数。高档彩超,特别是三维彩超都装备了变频探头、宽频探头及超声CT软件,使图像更清晰更逼真,分辨率更强,临床应用更广泛。今天的彩色超声多普勒所显示的灰阶和彩色图像质量对体内流体(血液)的敏感程度均达到理想程度。所以说彩色超声多普勒设备的开发成功是超声医学发展史上的又一个里程碑。

五、换能器技术的发展

高频超声波可以分辨更细微的病灶,提高图像的轴向分辨力。高档换能器是保证超声诊断图像分辨率和高清晰度的关键技术。制作振子的压电材料有单晶、多晶、压电聚合物复台压电材料、压电高分子材料(聚乙烯共聚物)等。90年代日本用聚乙烯共聚物制作的线阵超声换能器性能良好。90年代后,国外几个主要公司都研制出高水平的各种换能器,高密度线阵探头已做到196元,相对带宽达80%,超宽带换能器可以保证临床诊断所需要的探测深度并获得最佳的图像质量。工作频率从ZD MHZ可做到60 MHZ,在血管及内窥镜超声成像中,已采用频率为20-40 MHZ的换能器。适用于皮肤病变检查用的60-100 MHZ探头已研制成功,超高频和超声后向散射显微镜的频率范围也达到40—100 MHZ,被用于皮肤、眼前房、冠状动脉内成像。凸阵的曲率半径可小于10 nun。环阵换能器为

一代扇扫探头,可实现二维全程动态聚焦,改善横向和切片分辨力,在焦区内波束能量集中,提高了穿透力和回波SIN比。德国超声电机编码传动机构的环阵探头的性能较佳。美国斯坦福大学BME中心多年来一直研究面阵探头,并已试用于临床,为三维成像创造一定条件。90年代初日本AIOka公司已开发出三维扫描用凸阵探头。90年代初,有人大胆提出液晶大面积声光换能器的制作。

多频(二颁、三颁)、多平面面(TEE),宽角(114-365)、微细(2—3 mm血管内探头)、扇扩线阵(两侧28”,单侧20“)、凸形相阵、小凸阵(R 10)环阵及各种腔内探头。由介人性超声的开展,各种腔内探头(直肠、膀胱、阴道、食道、管腔内、血管内及内窥镜探头)应运而生。微电子工艺使换能器的振子(阵元)数高度密集,声束扫描线密度高,令图像更加细腻。M维高密探头在Z轴方向的聚焦,改善了侧向短轴方向的分辨力。

总之,超声诊断技术发展迅速,已从形态学过渡到生物力学、生物物理学的分析阶段,即从静态到动态,从定性到定量,从模拟到全数字化,从单参数到多参数,从二维到三维显示,多普勒彩色血液显示代替了创伤性导管检查。使超声图像的质量和分辨率大幅度提高,能清晰显示出实质脏器内数毫米的肿瘤,显示手正中神经和手指韧带的纤维束,显示静脉瓣和眼前房结构等,充分证明了超声的空间分辨率达到理想的新阶段。

提高了临床诊断和应用的范围,使超声影像学技术产生了质的飞跃,进人了超声影像学发展的黄金时代。



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