《属灵的惰性》

诊断用医学超声学的现状王威琪，汪源源，余建国复旦大学1医学超声的发展史 1880年法国物理学家居里兄弟(Pierre&JacquesCurie)发现压电效应，成为超声换能器发射和接收超声波的起点。 第一次世界大战期间，在法国政府支持下，Langevin用超声海底物体，这是 第二次世界大战中发展起来的声呐(sonar)的基础，声呐与现代医学超声诊断仪在原理上有相似之处。超声在医学上的应用 应用始于20世纪二三十年代前苏联科学家Sokolov的超声热疗工作。1949年美国J．J．wild用A型超声仪检测离体脏器厚度： 1951年J．J．Wild和J．M、Reid研制成手动接触 式B型扫描仪。 1968～1970年荷兰N．Bom研制了电子线阵B型扫描，开始了脏器的B型超声成像新的一页——实时成像。 50年代，日本里村茂夫将 Doppler效应应用超声医学。 1980～1982年日本Aloka公司首先推出血流彩色成像，将超声无损检测血流向前推进了一步。 90年代后，电子、计算机技术的高度发展，又将医学超声推向一个新的高度。各个频段超声的应用情况如图1所示 若将超声后散射显微镜也应用到医学，则医学超声的频段范围在100kHz～100MHz。 医学超声是研究超声在人体组织中的现象、效应、作用机制和应用。它是一门边缘科学，其原理涉及物理、生物、医学、化学、数学等自然科学，其技术，涉及电子、计算机、机械、材料等工程科学。2诊断用超声工程技术的现状和发展趋势 医学超声的内容涉及基础研究和应用技术两个方面，就其应用深度、广度、水平和效果而言，诊断比治疗更为排前：控制声波发射强度在安全闽值以下，超声诊断是一种非损伤的诊断技术。它可以重复多次、长期监视，又不需要特殊的工作环境和条件，深受医院和病员的欢迎。 目前，没有一个医院可以离得开超声诊断，都建立了超声科或相应的科室，从人员来说，不仪数量上不断地扩大，更重要的是水平和素质的不断提高。 8O年代后期，我国几位著名的超声诊断专家开始招收研究生：年青博士、硕士 的加入提高了超声诊断队伍的整体水平，使超声诊断在临床医学中的地位日益提高。 超声诊断在临床上的应用范围为心脏、肝脏、胆囊、肾脏、胰腺、乳腺、妇产、眼等方面各种疾病进行超声诊断的符合率高低不一致。其价值可分为三类： 一类为确诊依据， 二类为重要参考， 三类为一般意义。 超声在空气、骨中的衰减以及它们和周围组织之间声特性阻抗的显著差异而引起强烈反射，是超声诊断符合率高低不一的主要原因。诊断用医学超声的前沿和趋势 新型超声压电材料和换能器的研制 超声换能器由主体、壳体、导线组成，其中超声压电材料又是主体的核心。新型压电材料研制的注意点放在复合材料和有机薄膜材料。 复合材料适合与低负载介质耦合匹配，其杂散振动比PZT压电材料弱，机械Q值小，纵向分辨率高。 有机薄膜材料的声特性阻抗与人体软组织接近，重量轻，机械柔性好，易于加工，但它的机电耦合系数较低。 换能器(探头)的主要发展趋势是宽带、多阵元(高密集)、高频、腔内和微型、面阵列。 诊断腹部、心脏疾病的频率在3MHz～10MHz 若探头频带不够宽，势必要更换探头，以适合不同部位不同脏器的需要。为解决超声穿透力和分辨力之间的矛盾，希望同一探头检查由浅到深的部位时，发射和接收由低到高的频率。现制作成宽带探头，可以在整个诊断频率范围内由一二个探头工作在不同的频率上。 探头的阵元数已从64阵元发展到256阵元以上，成为高密集型探头，10MHz～18MHz探头用于浅表脏器，眼、皮肤超成像的频率在20MHz以上。 100MHz-200MHz的超声显微镜正处于实验阶段，可望用于生物组织的定量，比光学显微镜更具深入表面的优点。 通过内窥镜钳插入腔内的细径超声探头有食道内超声、直肠内超声、阴道内超声、尿道内超声、膀胱内超声及超声腹腔镜，还有在细小的导管顶端装置微型探头用于血管内、冠状动脉内、尿道内、输尿管及肾盂内、宫腔及输卵管内的超声成像，还设法置入Doppler探头，同时成像和检测血液流动情况。 无论从B型成像的声束厚度还是三维成像的数据采集，都需要将探头的阵元从一维阵元发展到二维阵列：128×8阵列的探头已成为产品，即沿探头长轴的每个阵列上再作8条平行切割，称为1．5维，二维面阵列探头正处于实验室阶段，它需要渗入微电子技术。超声成像的数字化、小型化、网络化、功能化和图像融合数宁化已成为当今超声诊断仪的发展趋势，它给超声诊断仪带来高性能和小型化。超声诊断仪的数字化，从数字扫描转换器开始到今天超声的发射和接收的过程都已数字化，并进行数据(无纸)存档，局域网或广域网传输。超声诊断仪在保证性能的前提下小型化，例如5kg左右，笔记本电脑大小，便于床旁、H1诊使用，更能拓广超声诊断的应用价值。 医学超声的应用价值在于被检测的信息图像／影像化，超声成像义分为静止脏器成像和运动脏器成像：前者检测振幅信息，以黑白显示组织结构，也有用彩色编码显示组织结构的彩色成像(B—Color) 近来，前者也利用了静止脏器的相位信息进行相位对准以得到较好的黑白图像称为相干成像，后者检测相位／频移信息，用彩色显示其运动信息、如彩色血流成像(CFI)，用红色、蓝色显示正、反向血流，绿色显示血流的分散度也有用绿色显示搏动性血流(PFI)) 还有与彩色血流成像相反，将高频低幅度血流信号滤去，保留低频高振幅的室壁信号作为成像信息，称运动组织成像(TDI)后 者也有俭测振幅信息，如彩色功率型成像(CPI，俗称能量图)，较(相位／频移型)彩色血流成像可提高灵敏度3～4倍。 还有将静止组织结构和血液流动都用黑灰阶显示灰阶血流成像(B—Flow)的优点在于帧频高，直观性强，无流道溢出而不致高估流道内径。 与以往传统的二维超声成像相比，近来出现的三维超声具有这些优点： 第一，可直观地显示脏器解剖结构，还可以利用汁算机图形学方法显示不同切面。 第二，测量和定位比较准确。 第三，通过存储的图像进行诊断，不必在病人身上反复扫查，缩短超声照射时间。三维出现的关键技术在于 第一，数据采集。其难点为采集一系列二维图像组成三维图像时探头的空间定位和不容易采集到有规则的平行排列的二维图像。 第二，三维重构，重构的过程就是把一系列二维图像中每个像素的值放到一个三维体积晶格中。 从原理上说不难解决，但实践中运算量大而带来三维图像重构的速度是一个必须解决的问。第三，图像的分割与显示。由于超声斑点噪声(speckle)造成边缘模糊带来了超声图像分割的困难。三维实时成像是今后的努力方向。只有实现了实时，才能在临床上发挥其应有的作用。 随着信息高速公路的兴起，通信和网络已引入医学超声技术中：为使不同机型、不同接口都能互联网，更可以和其它医学成像设备如CT、MRI联网，超声诊断仪要有DCOM3．0，还和图像工作站组成一体化的设备。这是高档机型又一发展趋势。超声图像、信息的通信和网络化在今后会有迅速发展。 超声诊断仪的将来趋向有三： (1)非专家使用的小型、廉价、简单装置。 (2)专家使用的高性能通用装置。 (3)特殊使用的装置，例如腔内扫描，用于介入手术和血流研究。而超声诊断则从形态学向形态生理学及形态功能学方向发展。医学图像有多种 例如MRI，CT，SPECT，PET等，它们各有优缺点，如：CT图像分辨力高，但对软组织显示较差；MRI空间分辨力比不上CT，但对软组织成像清晰。可见，将不同种类医学图像的互补信息综合在一起，生成新的图像——融合图像它比原来任何一种图像包含有更多的信息能为医学诊断提供更充分的信息。这就是医学图像融合技术的意义和作用。国外已经有CT与MRI的图像融合，MRI与EEG的图像融合，PET与CT、MRI的融合。显然，超声图像与其他图像的融合，也会提到日程上来。 医学图像不管是超声还是CT、MRI近10年来有飞速的发展。但就其本质来说，还是(解剖)结构和形态的成像。但是人体机能的正常与否往往是反映在其功能的正常与否上的，有时功能有点异常却在结构和形态上还反映不出有什么异常。因此超声诊断要从单纯形态诊断向形态功能诊断方向发展，则要进行超声功能成像技术的研究。 功能成像技术首先要从人体测得反映人体功能的信息，然后用图像的方式把它在器官或组织的位置上显示出来。 例如： 正在开展的医学超声的弹性成像就是向功能成像。跨出了第一步。虽然目前的应用价值尚不满意，但有第一步，就会有今后的第二步。医学超声中的非线性技术 线性声学认为， 第一，人体组织中传播的声波频率就是换能器振动的频率，即声源和波的频率同。 第二，回波强度随换能器输出强度成比例地增加或减少这种线性现象和规律在以往的医学超声技术中，无论是组织结构成像还是运动目标检测，占了主导地位。 实际上，线性是相对的、局部的。 非线性才是绝对的、全局的。以往未被重视或被忽视的非线性现象，却在人们深入研究事物的过程中显示其重要性。对非线性的研究反映了人类对自然界认识过程的螺旋形上升。研究医学超声的非线性现象和规律将有助于超声诊断水平的进一步提高。谐波技术是近年来非线性声学在超声诊断中一项颇有成效的应用。 与谐波技术有关的两种非线性现象： 1．当计入非线性效应时，声波在介质中的传播速度不再是线性声学所假设的各处相同，各处声速的不同导致波形畸变，波形的畸变意味着谐波(2f，3f，⋯，)的产生。 2．对于弹性界面的反射／散射，要计入非线性。频率为f的超声波经弹性界面反射后回波中除有频率为f的基波外，还有频率为2f，3f，⋯，的各次谐波。 应该指出，各次谐波中以2次谐波的幅度最大，其它高次谐波都可忽略不计，目前的谐波技术，实际上是2次谐波技术；弹性界面既可以是不同组织之间，也可以是UCA(俗称超声造影剂)的边界，这就构成了组织和UCA两种谐波技术。前者是无损伤，后者注入UCA的作用在于人为地扩大非线性，它产生的谐波信号强，所需发射声强可相对降低，但注入UCA总是一种损伤行为或是一种微损伤。 谐波技术的要点是发射基波。在介质中产生基波和谐波，接收时仅选通2次谐波。进行处理后可生成：谐波结构成像(灰阶B型)、谐波频率／相位型(彩色)运动成像(血流或组织)、谐波功率型运动成像(血流或组织)、谐波Doppler(血流或组织)检测。 谐波成像可降低一般基波成像中的噪声，可达到微血管水平成像，最近可获得心肌灌注图。国外预测，21世纪谐波技术将随着超宽频带的发展，会出现3次谐波、4次谐波成像另外从穿透深度的要求着手，次谐波(Sub—harmonic)成像也在研究。基础性研究 (1)生物组织的超声性质研究和它的鉴别 研究超声在生物组织中传播现象和规律，例如 反射、折射、散射、衰减、色散等等，提取生物组织的超声性质，寻求介质(生物组织)的特性从其超声性质上反映出来。有哪些超声特征能反映人体组织的哪些性质特别是疾病性质? 这些超声特征量与生物组织的内在联系是什么？ 如何从活体中提取这些声学特征量并使之成像？ 人们一方面研究几个经典的声学量，如声速、声衰减系数及频率斜率、声散射系数、非线性参量B／A、声特性阻抗。 另一方面寻求其他特征，例如超声衍射图、散射频谱特征、弹性特性和成像。这方面的工作虽只是初步，有的还存在应用的困难，但总之在回答“组织的病变性质或功能性信息能否更多地在其超声性质上表现出差异”，“超声有没有可能更正确、更多地诊断疾病”这些问题上，前景还是乐观的。超声生物效应 研究超声生物效应的主要目的在于在严格的科学基础上，确定超声对于人体不同部位进行诊断的安全剂量；研究生物效应的机理，指导超声治疗：超声生物效应的研究，涉及超声对人的整体、组织器官、细胞与微生物、生物大分子的作用。研究超声与其所引起的生物效应之间的关系是超声剂量学的主要任务。超声信息的分析、处理和特征提取 使用超声探测组织(介质)性质时，首先要发射超声进入介质。这个探询超声的不少特性是由声源决定的，如频率、幅度、波型(纵波或横波)、波形(时间的)、束形(空间的)等。另外一些特性由介质决定，还受到介质所处的外部条件(温度、压强、⋯⋯)影响，因此介质表现的超声特征是多种多样的。 需要对检测到的医学超声信息进行分析处理，并提取到对疾病而言特异性强、灵敏度高的特征参数，以提高诊断的正确性。近年来，国内外不少学者将现代理论中一些新概念引入医学超声学形成医学信息特 征提取新方法，在临床应用中取得良好效果。仅复旦大学的工作，就有： 基于分形的Doppler血流信号分析； 基于小波变换的软阈值降噪和特征提取； 基于数学形态学的特征提取方法；数量化理论在孕周、胎重无损估计中的应用； 极点轨迹图；脐血流阻抗的血管传输线模型估计。 特征提取工作的深入开展为超声诊断提供了新的手段和方法，使超声诊断更准确。