医学超声仪器发展思路范文

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1探头技术的进展

探头是超声仪器中最重要的部件之一。高品质的探头不仅是获得高质量图像的根本保证，各种新的成像功能和方法的诞生也首先离不开探头技术的革新。很显然，如果没有宽频带探头技术的诞生，频域复合成像、谐波成像和其他一些非线性成像就不可能实现;如果没有超高频率的探头，超声显微镜也就无从谈起。为了满足临床上各式各样的需求，各个探头生产厂家已经推出了许多几何形状各异、高频率、宽频带的探头以竞争市场。要研发高性能的探头，新型材料、探头结构以及加工工艺是必须要解决的问题。

1.1材料

一个探头的构成通常有以下5层结构:保护层、透镜、匹配层、有源压电材料(包括电极与连线)和背衬材料。虽然这5层中每一种材料的选择都将最终影响探头的性能，但是其中压电材料的选择尤为紧要。20世纪末，压电复合材料被广泛应用。这种材料是将压电陶瓷和高聚物按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成。采用复合材料制作的探头具有高灵敏度、低声阻抗(有利于与人体组织间的匹配)和较低的机械品质因数(有利于频带展宽)等优势。这样的探头对实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像都是十分有用的。

1.2结构与工艺

无论是为了提高二维图像的质量，还是要实现快速的三维成像，开发多维探头都是十分必要的。传统的电子阵列探头只在一个方向上将换能器材料切割成许多小阵元，因此被称为一维电子阵列探头。一维探头只能实现在成像平面内的电子聚焦。在成像平面的厚度方向上，因为换能器材料并没有被切割，因此不能实现电子聚焦。对于一维探头来说，为了获得一定的聚焦效果(使成像平面尽可能薄)，通常要在成像平面的厚度方向上加一个透镜。但由于透镜的焦距固定，聚焦的效果是比较有限的。如果能同时实现两个方向上的聚焦，那么不仅可以在二维成像时减小成像平面的厚度，而且有可能在三维空间中控制波束的偏转方向，从而实现三维成像。

然而，由于二维面阵探头的阵元数激增，如何解决电子线路与每一个阵元的连接并为每一个阵元配置一个独立的通道就成了一个大问题。由于目前技术条件的限制，真正意义上的二维面阵探头还处于实验室研究的阶段。但作为一维线阵探头向二维面阵探头的过渡，一种被称为分数维的探头已经开始在仪器中使用。分数维探头在结构上的共同特征是在换能器的长度方向上按传统方法切割成致密的小阵元，而在厚度方向上则切割成有限的几排。按照厚度方向不同的聚焦功能，还可以细分为1.25维、1.5维和1.75维。由于多维探头的阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。目前，已有一些高档的超声诊断仪中使用了1.5维探头，取得了较好的效果。由于超声探头是改进超声系统性能的最基础的工作，这个领域中的研发工作也是相当活跃的。开发频带更宽、密度更高、频率更高的探头是大家努力的目标。

2超声诊断仪器中的新技术

从有利于疾病诊断的角度看问题，B超的优异性能应该表现在检查的部位多、成像的视野宽、探查的深度大、成像的速度高(帧频高)、图像的分辩力好、网络的连通性强，等等。本节将围绕上述实际问题介绍一些近年来发展起来的实用性较强的新技术。

2.1扩大视野由于B超探头尺寸的限制，当手持探头不动时，B超所能显示的画面是有限的。为了扩大视野，就必须不断地移动探头。如果能在移动探头的过程中将所得到的一帧帧图像拼接起来，就可以得到大视野的图像。

2.1.1宽视野成像如果将探头沿着平行于探头表面的方向移动，我们就可以得到展宽后的平面图像。要将探头移动过程中的图像拼接起来，通常的做法是采用图像位置配准的算法来跟踪探头的移动，这一计算的过程需要强有力的信号处理器的支持。目前多数高档超声诊断仪都提供宽视野成像功能。拼接起来的图像长度可以达到60cm或更长。

2.1.2三维成像如果将探头沿着垂直于探头表面的方向移动，我们就可以得到三维立体图像。有关介绍三维成像的文章己有不少，各主要H超生产厂家也都推出了相应的产品。目前的产品中大致可以分为带定位系统的和不带定位系统的两类。前者成像的空向位置相对较准确，后者则只是一种定性的显示。在实际应用中，可根据不同的需要选择。虽然三维成像的实现基本上已经解决，近年来在成像速度等方面的性能也有了较大的改善，但在l右床应用方面的进展并不十分显著。其中的原因之一可能是因为现在的三维成像系统并没有明显提升临床诊断水平，临床上绝大多数问题用已有二维成像系统已经可以解决。此外，三维成像在操作上的复杂性，也影响了在临床使用中的推广。尽管如此有识之士都认为三维超声成像是一个值得继续开发的领域。

2.2提高成像系统的性能

从影像学诊断的角度看，任何一种成像方式都必须解决图像分辩力、成像速度等一些基本的问题，超声成像系统当然也不例外。但是，在基于反射成像原理的B型超声诊断仪中，探查深度、空间分辨率、成像速率(帧频)等指标往往是相互制约的。如何全面提高系统的性能，一直是工程开发人员致力的目标。下面介绍一些与提高成像系统整体性能相关的技术。

2.2.1宽频带技术的应用要想全面地采集到超声回波中隐含的丰富信息，宽频带技术的应用是至关重要的。这里所说的“宽频带”不仅是指超声探头具有宽频带特性，仪器的接收通道也应该具有宽频带特性。宽频带技术的应用使超声图像更细腻，提供的信息更丰富。谐波成像是目前临床上广泛采用的成像技术。有的超声诊断设备中，实现谐波成像的前提条件也是要求用宽频带探头及宽频带的接收通道。数字编码/解码技术已经从雷达应用中移植到医学超声仪器中。这是因为在传统的超声成像系统中，系统的“空间分辩力”与超声波的“穿透能力”之间是有矛盾的。发射高频率的超声波虽然能提高空间分辩力，但却不能有足够深的穿透力。采用数字编码/解码技术可以在一定程度上缓解这对矛盾，它能在显著增加波束穿透能力的同时保持有较高的空间分辩力。然而，编码发射信号的频带是较大的。实现这项技术一也要求系统有足够的带宽。

2.2.2多角度复合成像技术的应用传统的线阵探头不仅受探头尺寸的限制，视野较小，而且由于人射超声角度的限制，不可避免在一些成像的区域中出现“盲区”。例如那些与超声束平行的脏器界面就无法产生回波信号，以至于在所显示的图像中无法获得清晰的显像。为了解决这个问题，一些公司在现有的线阵探头上增加了控制扫描线偏转的功能。于是，对同一个被检查的脏器可以从不同的角度加以观察。将这些不同角度采集的图像依据某种规则加以融合，就有可能明显改善图像的质量。这就是所谓的“多角度复合成像”。多角度复合成像带来的好处是多方面的:①明显扩展了线阵探头的视野;②可以弥补由于人射角的关系造成的图像中的盲区;③多幅图像的叠加还可以在一定程度上减小斑点噪声。

2.3B型血流成像技术B型血流成像(B一Flow)的原理是借助连续采集的B型图像中斑点(Speckle)模式的变化来显示血流的速度和方向。应该说，它在本质上并不是一项多普勒血流成像技术。借助脉冲编码发射技术，目前的B型血流成像既能显示静脉血流，也能显示动脉血流。由于B型血流成像采用的是直接显像的方法，无需复杂的数学运算，因此它可以提供高帧频、高分辩力的图像。与传统的彩色血流图显像相比，B型血流成像的好处是:①显示图像的空间分辩力显著提高;②显示帧频也显著提高;③不会受到传统多普勒方法在最大可测流速与最小可测流速方面的限制;④不会出现在传统的彩超中可能出现的彩色血流图与灰阶图像迭合不好的问题。当然，B型血流成像并不是严格意义上的血流测量，它不能提供定量的流速信息。

2.4图像管理与通讯系统B超作为临床上最常用的影像诊断设备，每天有大量的病人在医院接受检查，这些病案的存储、管理与检索的问题已经提到了议事日程上。此外，远程会诊、影像学教学还要求仪器具备较完善的通讯功能。考虑到这些应用方面的需求，近年来各公司开发的产品都往意了设备的连通性。除了提供大容量的磁光盘存储外，不少设备还提供了网络、电话线、甚至卫星通讯的方式。还有一些公司提供了原始数据的输出端口，以满足一些科研的需求。

2.4.1DICOM3.0标准的应用早些时候的B超产品由于没有统一的数据格式与通讯协议，使得相互之间的传输与对外通讯十分困难。近几年来，由于DICOM3.0标准在医学影像设备中的广泛实施及医院信息系统的飞速发展，促使B超生产厂家也迅速地在自己的产品中添加了符合DICOM3.0标准的网络通讯接口。甚至在一些手持式的小B超中也有此项功能。目前，Dl-COM3.0标准中不仅涵盖了与医学影像直接相关的数据字典、信息交互、网络通讯/点对点通讯、介质存储和文件格式，以及显示、打印管理等方方面面的问题，而且还有逐步覆盖整个医疗环境中大容量数据信息交换的趋势。也就是说，DICOM3.0标准接口不仅方便了超声诊断仪之间的联网，而且可以将超声诊断设备融人医院的图像管理与通讯系统(PACS)，乃至整个医院信息系统。

2.4.2超声图像工作站由于计算机软硬件技术的飞速发展，它的应用已经渗透到医学超声领域的方方面面。其中，超声图像工作站的广泛应用就是一个典型的例子。基于计算机技术的超声图像工作站可以完成图像的后处理、存储、归档、调用与检索、远程传输等，还可以提供临床所需的各类诊断软件。这些丰富的信息资源，也为临床医学的教学工作提供了便利。

3超声治疗技术

将超声用于治疗的概念很早就已经提出来了，但只是到了上个世纪90年代，有关它在临床上应用的报道才多起来，其中的高强度聚焦超声(High一IntensityFoeusedultrasound，HIFU)治疗方法尤其引人瞩目。此项技术已开始在临床中用于对某些恶性肿瘤(如前列腺、肝脏、肾脏、乳腺等)的治疗。高强度聚焦超声治疗的原理是将超声波在生物体内聚焦，利用高强度声能在生物组织中产生的热效应，使聚焦处的生物组织产生凝固性坏死。为了使焦点处的病灶产生凝固性坏死，通，常要求焦点处的温度在很短的时间里迅速上升至50℃以上，并维持1一35。在单次照射的情况上，凝固性坏死的形状接近声学聚焦的区域，一般来说是比较小的。但是，可以通过移动治疗头，将治疗的区域覆盖全部需要治疗的范围。从工程技术的角度看，影响HIFU治疗的安全和有效的重要因素是实时准确跟踪靶目标以及治疗区域的实时测温。除了肿瘤治疗之外，HIFU技术还可能找到更多的应用领域。从已有的研究报告看，深部止血可能就是一个很有前途的应用领域。

4未来发展展望

医学超声仪器已经在临床上得到了广泛的应用。但是，随着科学技术的进步，人们已经看到医学超声仪器的发展远还没有到达尽头。还有许多工作有待于工程技术人员和医生联合攻关去解决。在可以预见的未来，以下一些方面的研究可能还会有较大的进展:

4.1全面提高现有系统的性能

为了满足临床诊断的需要，进一步全面提高系统的性能，包括探查深度、空间分辨率、成像速率(帧频)等指标一直还是工程开发人员致力研究的目标。尽管由于超声在人体中传播时不可避免的存在声衰减、波束发散等问题，影响着系统性能指标的提高，但应该说，在现有基础上进一步提高这些性能指标还是有可能的。这方面工作的进展有赖于进一步对声束形成机理的理解，对现有系统中信号检测方法的改进，以及先进的电子学与计算机技术的应用等。

4.2寻找新的成像参数

B型结构成像与多普勒血流测量是目前在临床上广泛使用的两项技术。很显然，仅靠来自这两方面的信息并不能完全满足临床诊断的要求。长期以来，已有大量的基础研究在寻找各种新的成像参数或组织定征的方法，但这些技术大多还没有在临床上得到完全的认可，因而使用的范围也非常有限。进一步完善正在开发的新参数的成像方法，并继续寻找更能反映人体生理和病理状态的成像参数也会成为今后一段时间里的重要研究方向。

4.3开发新的应用领域

近年来，除了继续改进主流超声产品的技术性能外，人们还把目光瞄准了一些新的尚未开拓的应用领域。介人式超声与体外高强度聚焦超声治疗在近几年来有了长足的发展。除此之外，利用高强度聚焦超声实现深部止血，利用超声的能量来控制或增强药物的导人等也已经取得了实质性的进展。可以预见，医学超声仪器必将对人类的健康事业发挥更大的作用。