医学超声影像技术发展综述

医学超声影像技术发展综述张禄鹏摘要：本文回顾了医学超声影像技术的发展历史，阐述了A型、B型、M型和D型超声诊断方法的历史、原理、特点、用途和发展状况，总结了医学超声影像技术的局限性，介绍了三维超声和超声造影等医学超声影像技术的新进展。关键词：医学超声影像技术，超声诊断法，三维超声，超声造影Abstract：Thispaperreviewsthedevelopmenthistoryofmedicalultrasoundimagingtechnology.Thehistory,principles,characteristics,usesanddevelopmentstatusofAmodel,Bmodel,MmodelandDmodelultrasonicdiagnosticmethod.Thispaperalsosumsupthelimitationsofmedicalultrasoundimagingtechnologyandintroducesthree-dimensionalultrasoundandultrasoundcontrastandothernewmedicalultrasoundimagingtechnologyadvances.Keyword：medicalultrasoundimagingtechnology，ultrasonicdiagnosticmethod，three-dimensionalultrasound，ultrasoundcontrast医学超声影像技术和X-CT、MRI及核医学影像（PET、SPECT）一起被公认为现代四大医学影像技术，成为现代医学影像技术中不可替代的支柱。医学超声影像技术是指运用超声波的物理特性，通过电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析、处理和显象，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态影像一种非创伤性技术。目前，由于超声显像技术具有实时动态、灵敏度高、易操作、无创伤、无特殊禁忌症、可重复性强、费用低廉和无放射性损伤等优点。从而使这一诊断技术成为了现今临床各学科疾病的检查、诊断和介入治疗中所不可缺的重要手段之一。1.超声影像技术发展历史1880年，两位法国科学家Jacques和PierreCurie发现了压电现象，成为超声探头的基础。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。根据压电效应，用压电晶体可以用来作为声波的产生器与接收器，压电效应是可逆的，这奠定了用同一超声波换能器既能发射又能吸收的基础。直到第一次世界大战，随着声纳在军事上的应用，压电效应才得到重视。1915年，法国科学家PaulLangevin发现了超声的第一个用途：水下声波测距法探测水下目标，也就是今天大家熟知的声纳。正常人的耳朵可接听到声波频率的范围为16-20000Hz，高于2万赫兹的声波就称为超声波。超声医学影像所用的声频率通常是300万-750万次/秒（3MHz-7.5MHz）。超声波是一种机械波，其传播是通过介质中粒子的机械振动进行的，它不同于电磁波，在真空中不能传播，但在人体复杂的介质中传播较好，同时它属直线传播，因此有良好的方向性[1]。超声诊断技术出现后获得了迅速的发展，上世纪40年代末，A型(AmplitudeMode)超声诊断仪开始应用于临床，常用A型法测量界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，结果比较准确，为最早兴起和使用的超声诊断法，目前已多被其他方法取代，只在脑中线测量等方面还在应用。随后B型(BrightnessMode)和M型(MotionMode)和超声诊断仪相继问世。70年代灰阶和实时技术取得重大突破超声技术日趋成熟。二维灰度显示的B型超声诊断仪取得迅速发展，它们显示的均为人体内结构形态信息，成像基础为人体内的声阻抗变化。所谓的B超，此法是将回声信号以光点的形式显示出来，为辉度调制型，回声强则光点亮，回声弱则光点暗。B超向人体发射一组超声波，按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间，强弱就可以判断脏器的距离及性质，经过电子电路和计算机的处理,形成了我们今天的B超图像。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。M超声诊断法是在辉度调制型中加入慢扫描锯齿波，使回声光点从左向右自行移动扫描，故也称超声光点扫描法，它是B型超声中的一种特殊的显示方式[2]。80年代出现的彩色血液显像(ColorFlowImaging,CFI)，则是在实时B型超声图像中，以彩色表示心脏或血管中的血液流动，利用多次脉冲回波相关处理技术来取得血液运动信息。1982年，日本Aloka公司研制第一台二维彩色多普勒显像仪，建立在多普勒效应基础之上的，显示血流及心脏等运动信息D型(DopplerMode)超声诊断仪开始出现。继而出现B型和D型相结合的双功型(DuplexMode)超声诊断仪，它用同一探头既显示B型图，又在图像中任一处取样显示其多普勒频谱。通常称为彩超的彩色多普勒血流成像系统是一种能同时显示B型图像和多普勒血流数据(血流方向、流速、流速分散)的双重超声扫描系统。超声频移诊断法，即D型超声诊断法，通称为多普勒超声，此法应用多普勒效应原理，当超声发射探头和反射体之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移。多普勒超声最适合对运动流体做检测，所以多普勒超声对心脏及大血管血流的检测。目前常用的超声多普勒有脉冲式多普勒（PulseWaveformDoppler,PWD）、连续式多普勒(ContinualWaveformDoppler,CWD)彩色多普勒显像(ColorDopplerFlowImaging,DFI)。2.超声影像技术发展现状随着科学技术的飞速发展，超声技术与计算机技术紧密结合，探头高频化，线路数字化。上世纪90年代经颅多普勒(TransCranialDoppler，TCD)诊断仪应用低频多普勒超声，通过颞部、枕部、眶部及颈部等透声窗，可以显示颅内脑动脉的血流动力学状况。而新型的彩色三维TCD则采用独特的颅脑血管扫描技术，同步对颅内血管的X、Y、Z三维空间坐标参数进行检测并馈入计算机，重建颅内血管的三维图像，并可以在颅内血管多普勒信号模拟三维图上选择样点，显示脑血管血液的流速和流向。该技术用于脑血管疾病的诊断、功能评论、危重病人的监护和预防保健等[3]。其后发展的具有三维空间超声技术的诊断仪可显示三个截面：纵截面、横截面和水平截面，并可对空间的所有平面的结果进行扫描、存储、分析。随着全自动三维超声扫描和三维图像存储技术的应用，使人体受检脏器的解剖学分析更加完善。超声检查不是万能的，对于含气体和受骨骼遮挡的器官检查不如其它器官，对于过小目标的检查也受到仪器分辨率的限制。超声检查受检查孕周、胎儿体位及羊水影响并不能排除所有胎儿的畸形[4]。有些超声检查需要空腹，必须要空腹检查的器官：胆囊。正常胆囊在夜间空腹状态下储存了肝脏分泌的胆汁，这时胆囊呈充盈状态、壁薄光滑张力大、胆囊内无回声。餐后（尤其食用奶制品、脂肪类食物）会收缩使胆汁排出参与消化，如果餐后胆囊收缩了，难以确定是否为病理状态的超声征像，而结石息肉等可能显示不出或难以辨别。3，超声影像技术发展趋势近几年来医学超声成像系统向更高层次发展其目标主要是利用更多的声学参数作为载体以获取体内更多的生理病理信息，提高图像质量，使图形清晰显示更为细微的组织结构[5]。从工程技术角度看，医学超声成像在三维超声等方面的发展特别引人注目。最近几年，三维超声图像重建是超声图像处理方面的热点已成为超声成像技术的一个发展趋势。三维超声和实时三维超声三可以弥补二维超声检查的空间关系不强的缺点，同时可以减少因为二维超声检查过快造成的漏诊，扩大超声的观察视野。利用三维超声可以快速、全面地对各检查脏器进行评价。目前，三维和实时三维超声的应用价值已经得到临床和超声医师的认可。但随着对该技术应用的深入，其应用范围会不断的被发现，从而在产前检查中发挥更大的作用。超声造影(UltrasonicEnhancedContrast)是利用造影剂使后散射回声增强，明显提高超声诊断的分辨力、敏感性和特异性的技术。借助于静脉注射造影剂和超声造影谐波成像技术，能够清楚显示微细血管和组织血流灌注，增加图像的对比分辨力，大大提高超声检出病变的敏感性和特异性。随着仪器性能的改进和新型声学造影剂的出现，超声造影已能有效的增强心、肝、肾、脑等实质性器官的二维超声影像和血流多普勒信号，反映和观察正常组织和病变组织的血流灌注情况。有人把它看作是继二维超声、多普勒和彩色血流成像之后的第三次革命。超声造影作为一种全新的影像学检查技术，目前在临床上的普及程度远远不如CT和MRI，和传统超声一样受体形影响和气体干扰大，穿透力较X线弱，空间分辨力也低于CT和MRI,但超声造影剂进行超声检测，简便、耗时短而且实时无创、无辐射，具有其他检查方法无法比拟的优点，已成为超声诊断的一个十分重要和很有前途的发展方向。总之，三维或实时三维超声、超声造影技术在临床的应用才刚刚起步，更多的应用价值有待广大的超声医务工作者不断地探索和发现，相信随着这些新技术在临床的不断应用，其可适用的领域会不断地扩大，并适应新的发展趋势。参考文献：[1]李治安.临床超声影像学[M],人民卫生出版社,2003.11.[2]张源祥,樊文峰.超声诊断[M],中国医药科技出版社,2007.67-73.[3]陈思平.医学超声影像产业现状和发展[J],应用声学,2005,24(4):201-207.[4]鲁蓉.超声成像技术在妇产科的应用进展[J],中国医师杂志,2011,13(3):425-427.[5]李朝伟,李晓东,张良才.医学超声影像技术的发展创新[J],中国医学装备,2005,2(2):45–47.