超声造影之基本原理篇分析

超声造影基本原理篇超声造影是指将与机体组织声学特性不同的物质----超声造影剂（UltrasoundContrastAgent，UCA）注入体内，使血液内出现明显不同的界面（即血液内出现云雾状回声反射）来清楚地区分待查目标与周围环境的差别，增强血流及组织回声对比的一种超声检查方法。超声造影基本原理谐波成像技术自然组织谐波造影谐波成像基波成像（线性成像）谐波成像（非线性成像）声波在组织中传播遇到规则界面，声波会发生反射和折射，即线性传播；遇到非规则界面，可发生波形畸变，谐波成分增多，声衰减系数增大，即非线性传播。基波与谐波频率与能量超声波传播的非线性效应传统超声信号处理中非线性信号往往被忽略。超声造影剂具有较强的非线性信号特点，探头发射声波，声波通过造影剂产生非线性传播，波形畸变，谐波成分明显增多，相比之下其他组织谐波成分甚少。基波与谐波冲击造影剂微泡产生的散射谐波强信号，但接收时，直接取2f0的谐波信号。二次谐波成像技术谐波成像2f0f0微气泡产生的背向散射信号中不仅含有与发射频率相同的基波f0，还含有谐波成分nf0(其中两倍于基波频率的谐波2f0称为二次谐波)。在接受回波时人为抑制基波，重点接收2f0信号，从而使背向散射信号的信/噪比值大大增加。利用超声造影剂的特性，以某一频率f0发射，而以2f0频率接收由造影剂产生的二次谐波信号，即二次谐波成像技术（2ndharmonicimaging）。谐波造影成像技术从组织除去或分离出线性超声信号(数字减影),并利用微泡产生的非线性回波,可更有效的接收造影剂谐波信号，提高对微血流的敏感性,实时观察肿瘤实质内微血管的血流灌注的全过程。常用谐波造影成像技术•PI:PulseInversion脉冲反相谐波技术•PPI:PowerPulseInversion－能量脉冲反相谐波技术•CnTI:ContrastTunedImaging对比造影成像技术•CPS:ContrastPulseSequencing:对比脉冲系列技术•CCI:CoherentContrastImaging相干造影显象技术•CHI:CodedHarmonicImaging编码谐波显象HDI5000iu22EsaoteSequoia512目前国内常用谐波信号接受示意图1.5MHZ3.0MHZ超声造影原理采用微气泡注入血流提高声压反射系数(Ra)；空气与血浆间Ra为99.95%，红细胞与血浆间Ra仅1.3%；即：空气的Ra较红细胞大75-77倍，它们强烈的增强超声的背向散射。背向散射信号背向散射(Backscatter,BS)：超声波在组织中传播遇到小于波长的界面产生散射，朝向探头(与入射波呈180°)的散射。以气体成分的造影剂所产生的BS信号强度最强。微泡对超声波的反应取决于入射声压的大小小于50kPa时微气泡对称性地压缩和膨胀，呈现线性背向散射，信号强度随着入射声压的增加而呈线性递增，这一反应主要用于基波显像;50-200kPa时，微气泡非对称性地压缩和膨胀，呈现非线性背向散射，产生共振和谐波，微气泡的共振频率取决于入射声压、微气泡直径和外壳弹性，这一反应可用于谐波显像;200-2000kPa时，微气泡破裂，气体溢出，产生宽频高能信号，呈现受激声波发射，这一反应可用于触发显像和失相关显像。微泡的共振液体中的造影剂微泡在超声场内吸收及散射能量的同时，还以自身的固有频率作膨胀与收缩振动。声场频率与微泡固有频率一致时，微泡膜振幅能量最大，产生的散射截面大于其散射体几何截面的1000倍，BS信号强度明显增强。微泡的非线性特征当超声场的声压达足够高时(50-200kPa)，微泡内的线性共振变为非线性共振，导致包膜膨胀与收缩幅度的不相等，产生几倍于基波f0的谐波。利用造影剂微泡在声场作用下产生的非线性效应，可明显提高检出血流信号的信噪比。匹配谐波成像技术可更有效地接收造影剂谐波信号。克服了传统B型和彩色或能量多普勒超声的局限性，并且能够实时显示实质组织的微血管结构，显示动态的病变增强类型。目前最常用的两种技术CPS:ContrastPulseSequencing:对比脉冲系列技术--------西门子CnTI:ContrastTunedImaging对比造影成像技术-----------百胜微泡的生存时间微泡的生存时间(longevity)T=r2o.ρ/2D.Cs其中ro为微泡半径，ρ为气体密度，D为声压，Cs为饱和度。在低声压的作用下，微泡具有很好的谐振特性，即振而不破，同时产生较强的谐波信号。ContrastPulseSequencing相干脉冲系列技术在相干成像的基础上，采用连续发射一组脉冲，提取来自微泡非线性二次谐波（secondharmonic）用于成像，特点是提高了信噪比，造影效果好。仪器：Sequoia512，SequoiaParagon等ContrastTunedImaging对比造影成像技术百胜集团（EsaoteGroup）推出的CnTi技术，低声压实时超声造影成像技术，采用独有的纯净波发射激励、宽动态范围和数字滤波技术，从而可获得纯正的造影剂二次谐波实时图像。CnTi技术的独特优势之一是声压可调（0.02≤MI≤1.7）。即使直接声压（DP）在40Kpa，MI在0.06以下低声压作用于微泡时，也能通过宽动态范围放大获得理想的低噪声、完全实时的谐波图像。仪器：百胜Au8等极低的直接声压DP（或极低的MI），能够有效地保存脏器内的微泡，而不被击破，有利于完成长时间各个切面的造影扫描。例如，心脏多个切面多个节段心肌灌注的评价；肝脏多切面，不同时相、多个肿瘤的动态血流灌注成像等。有报道，利用这一技术，可以发现HCC瘤内和瘤周广泛“树状”血管影像，揭示了多普勒超声未能发现的肿瘤血管。Wilson等在检查肝转移瘤时，还见到了细小血管在转移瘤周围绕，部分不规则分支进入病灶中央的表现。WilsonSR,BurnsPN,MuradaliD,etal.HarmonichepaticUSwithmicrobubblecontrastagent:initialexperienceshowingimprovedcharacterizationofhemangioma,hepatocellularcarcinoma,andmetastasis1.Radiology,2000,215:153-161.