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1探頭技術的進展

探頭是超聲儀器中最重要的部件之一。高品質的探頭不僅是獲得高質量圖像的根本保證，各種新的成像功能和方法的誕生也首先離不開探頭技術的革新。很顯然，如果沒有寬頻帶探頭技術的誕生，頻域復合成像、諧波成像和其他一些非線性成像就不可能實現;如果沒有超高頻率的探頭，超聲顯微鏡也就無從談起。為了滿足臨床上各式各樣的需求，各個探頭生產廠家已經推出了許多幾何形狀各異、高頻率、寬頻帶的探頭以競爭市場。要研發高性能的探頭，新型材料、探頭結構以及加工工藝是必須要解決的問題。

1.1材料

一個探頭的構成通常有以下5層結構:保護層、透鏡、匹配層、有源壓電材料(包括電極與連線)和背襯材料。雖然這5層中每一種材料的選擇都將最終影響探頭的性能，但是其中壓電材料的選擇尤為緊要。20世紀末，壓電復合材料被廣泛應用。這種材料是將壓電陶瓷和高聚物按一定的連通方式、一定的體積比例和一定的空間幾何分布復合而成。采用復合材料制作的探頭具有高靈敏度、低聲阻抗(有利于與人體組織間的匹配)和較低的機械品質因數(有利于頻帶展寬)等優勢。這樣的探頭對實現多頻率成像、諧波成像和其他非線性成像都是十分有用的。

1.2結構與工藝

無論是為了提高二維圖像的質量，還是要實現快速的三維成像，開發多維探頭都是十分必要的。傳統的電子陣列探頭只在一個方向上將換能器材料切割成許多小陣元，因此被稱為一維電子陣列探頭。一維探頭只能實現在成像平面內的電子聚焦。在成像平面的厚度方向上，因為換能器材料并沒有被切割，因此不能實現電子聚焦。對于一維探頭來說，為了獲得一定的聚焦效果(使成像平面盡可能薄)，通常要在成像平面的厚度方向上加一個透鏡。但由于透鏡的焦距固定，聚焦的效果是比較有限的。如果能同時實現兩個方向上的聚焦，那么不僅可以在二維成像時減小成像平面的厚度，而且有可能在三維空間中控制波束的偏轉方向，從而實現三維成像。

然而，由于二維面陣探頭的陣元數激增，如何解決電子線路與每一個陣元的連接并為每一個陣元配置一個獨立的通道就成了一個大問題。由于目前技術條件的限制，真正意義上的二維面陣探頭還處于實驗室研究的階段。但作為一維線陣探頭向二維面陣探頭的過渡，一種被稱為分數維的探頭已經開始在儀器中使用。分數維探頭在結構上的共同特征是在換能器的長度方向上按傳統方法切割成致密的小陣元，而在厚度方向上則切割成有限的幾排。按照厚度方向不同的聚焦功能，還可以細分為1.25維、1.5維和1.75維。由于多維探頭的陣元數成倍增加，對陣元連線等一系列加工工藝提出了更高的要求。目前，已有一些高檔的超聲診斷儀中使用了1.5維探頭，取得了較好的效果。由于超聲探頭是改進超聲系統性能的最基礎的工作，這個領域中的研發工作也是相當活躍的。開發頻帶更寬、密度更高、頻率更高的探頭是大家努力的目標。

2超聲診斷儀器中的新技術

從有利于疾病診斷的角度看問題，B超的優異性能應該表現在檢查的部位多、成像的視野寬、探查的深度大、成像的速度高(幀頻高)、圖像的分辯力好、網絡的連通性強，等等。本節將圍繞上述實際問題介紹一些近年來發展起來的實用性較強的新技術。

2.1擴大視野由于B超探頭尺寸的限制，當手持探頭不動時，B超所能顯示的畫面是有限的。為了擴大視野，就必須不斷地移動探頭。如果能在移動探頭的過程中將所得到的一幀幀圖像拼接起來，就可以得到大視野的圖像。

2.1.1寬視野成像如果將探頭沿著平行于探頭表面的方向移動，我們就可以得到展寬后的平面圖像。要將探頭移動過程中的圖像拼接起來，通常的做法是采用圖像位置配準的算法來跟蹤探頭的移動，這一計算的過程需要強有力的信號處理器的支持。目前多數高檔超聲診斷儀都提供寬視野成像功能。拼接起來的圖像長度可以達到60cm或更長。

2.1.2三維成像如果將探頭沿著垂直于探頭表面的方向移動，我們就可以得到三維立體圖像。有關介紹三維成像的文章己有不少，各主要H超生產廠家也都推出了相應的產品。目前的產品中大致可以分為帶定位系統的和不帶定位系統的兩類。前者成像的空向位置相對較準確，后者則只是一種定性的顯示。在實際應用中，可根據不同的需要選擇。雖然三維成像的實現基本上已經解決，近年來在成像速度等方面的性能也有了較大的改善，但在l右床應用方面的進展并不十分顯著。其中的原因之一可能是因為現在的三維成像系統并沒有明顯提升臨床診斷水平，臨床上絕大多數問題用已有二維成像系統已經可以解決。此外，三維成像在操作上的復雜性，也影響了在臨床使用中的推廣。盡管如此有識之士都認為三維超聲成像是一個值得繼續開發的領域。

2.2提高成像系統的性能

從影像學診斷的角度看，任何一種成像方式都必須解決圖像分辯力、成像速度等一些基本的問題，超聲成像系統當然也不例外。但是，在基于反射成像原理的B型超聲診斷儀中，探查深度、空間分辨率、成像速率(幀頻)等指標往往是相互制約的。如何全面提高系統的性能，一直是工程開發人員致力的目標。下面介紹一些與提高成像系統整體性能相關的技術。

2.2.1寬頻帶技術的應用要想全面地采集到超聲回波中隱含的豐富信息，寬頻帶技術的應用是至關重要的。這里所說的“寬頻帶”不僅是指超聲探頭具有寬頻帶特性，儀器的接收通道也應該具有寬頻帶特性。寬頻帶技術的應用使超聲圖像更細膩，提供的信息更豐富。諧波成像是目前臨床上廣泛采用的成像技術。有的超聲診斷設備中，實現諧波成像的前提條件也是要求用寬頻帶探頭及寬頻帶的接收通道。數字編碼/解碼技術已經從雷達應用中移植到醫學超聲儀器中。這是因為在傳統的超聲成像系統中，系統的“空間分辯力”與超聲波的“穿透能力”之間是有矛盾的。發射高頻率的超聲波雖然能提高空間分辯力，但卻不能有足夠深的穿透力。采用數字編碼/解碼技術可以在一定程度上緩解這對矛盾，它能在顯著增加波束穿透能力的同時保持有較高的空間分辯力。然而，編碼發射信號的頻帶是較大的。實現這項技術一也要求系統有足夠的帶寬。

2.2.2多角度復合成像技術的應用傳統的線陣探頭不僅受探頭尺寸的限制，視野較小，而且由于人射超聲角度的限制，不可避免在一些成像的區域中出現“盲區”。例如那些與超聲束平行的臟器界面就無法產生回波信號，以至于在所顯示的圖像中無法獲得清晰的顯像。為了解決這個問題，一些公司在現有的線陣探頭上增加了控制掃描線偏轉的功能。于是，對同一個被檢查的臟器可以從不同的角度加以觀察。將這些不同角度采集的圖像依據某種規則加以融合，就有可能明顯改善圖像的質量。這就是所謂的“多角度復合成像”。多角度復合成像帶來的好處是多方面的:①明顯擴展了線陣探頭的視野;②可以彌補由于人射角的關系造成的圖像中的盲區;③多幅圖像的疊加還可以在一定程度上減小斑點噪聲。

2.3B型血流成像技術B型血流成像(B一Flow)的原理是借助連續采集的B型圖像中斑點(Speckle)模式的變化來顯示血流的速度和方向。應該說，它在本質上并不是一項多普勒血流成像技術。借助脈沖編碼發射技術，目前的B型血流成像既能顯示靜脈血流，也能顯示動脈血流。由于B型血流成像采用的是直接顯像的方法，無需復雜的數學運算，因此它可以提供高幀頻、高分辯力的圖像。與傳統的彩色血流圖顯像相比，B型血流成像的好處是:①顯示圖像的空間分辯力顯著提高;②顯示幀頻也顯著提高;③不會受到傳統多普勒方法在最大可測流速與最小可測流速方面的限制;④不會出現在傳統的彩超中可能出現的彩色血流圖與灰階圖像迭合不好的問題。當然，B型血流成像并不是嚴格意義上的血流測量，它不能提供定量的流速信息。

2.4圖像管理與通訊系統B超作為臨床上最常用的影像診斷設備，每天有大量的病人在醫院接受檢查，這些病案的存儲、管理與檢索的問題已經提到了議事日程上。此外，遠程會診、影像學教學還要求儀器具備較完善的通訊功能。考慮到這些應用方面的需求，近年來各公司開發的產品都往意了設備的連通性。除了提供大容量的磁光盤存儲外，不少設備還提供了網絡、電話線、甚至衛星通訊的方式。還有一些公司提供了原始數據的輸出端口，以滿足一些科研的需求。

2.4.1DICOM3.0標準的應用早些時候的B超產品由于沒有統一的數據格式與通訊協議，使得相互之間的傳輸與對外通訊十分困難。近幾年來，由于DICOM3.0標準在醫學影像設備中的廣泛實施及醫院信息系統的飛速發展，促使B超生產廠家也迅速地在自己的產品中添加了符合DICOM3.0標準的網絡通訊接口。甚至在一些手持式的小B超中也有此項功能。目前，Dl-COM3.0標準中不僅涵蓋了與醫學影像直接相關的數據字典、信息交互、網絡通訊/點對點通訊、介質存儲和文件格式，以及顯示、打印管理等方方面面的問題，而且還有逐步覆蓋整個醫療環境中大容量數據信息交換的趨勢。也就是說，DICOM3.0標準接口不僅方便了超聲診斷儀之間的聯網，而且可以將超聲診斷設備融人醫院的圖像管理與通訊系統(PACS)，乃至整個醫院信息系統。

2.4.2超聲圖像工作站由于計算機軟硬件技術的飛速發展，它的應用已經滲透到醫學超聲領域的方方面面。其中，超聲圖像工作站的廣泛應用就是一個典型的例子?；谟嬎銠C技術的超聲圖像工作站可以完成圖像的后處理、存儲、歸檔、調用與檢索、遠程傳輸等，還可以提供臨床所需的各類診斷軟件。這些豐富的信息資源，也為臨床醫學的教學工作提供了便利。

3超聲治療技術

將超聲用于治療的概念很早就已經提出來了，但只是到了上個世紀90年代，有關它在臨床上應用的報道才多起來，其中的高強度聚焦超聲(High一IntensityFoeusedultrasound，HIFU)治療方法尤其引人矚目。此項技術已開始在臨床中用于對某些惡性腫瘤(如前列腺、肝臟、腎臟、乳腺等)的治療。高強度聚焦超聲治療的原理是將超聲波在生物體內聚焦，利用高強度聲能在生物組織中產生的熱效應，使聚焦處的生物組織產生凝固性壞死。為了使焦點處的病灶產生凝固性壞死，通，常要求焦點處的溫度在很短的時間里迅速上升至50℃以上，并維持1一35。在單次照射的情況上，凝固性壞死的形狀接近聲學聚焦的區域，一般來說是比較小的。但是，可以通過移動治療頭，將治療的區域覆蓋全部需要治療的范圍。從工程技術的角度看，影響HIFU治療的安全和有效的重要因素是實時準確跟蹤靶目標以及治療區域的實時測溫。除了腫瘤治療之外，HIFU技術還可能找到更多的應用領域。從已有的研究報告看，深部止血可能就是一個很有前途的應用領域。

4未來發展展望

醫學超聲儀器已經在臨床上得到了廣泛的應用。但是，隨著科學技術的進步，人們已經看到醫學超聲儀器的發展遠還沒有到達盡頭。還有許多工作有待于工程技術人員和醫生聯合攻關去解決。在可以預見的未來，以下一些方面的研究可能還會有較大的進展:

4.1全面提高現有系統的性能

為了滿足臨床診斷的需要，進一步全面提高系統的性能，包括探查深度、空間分辨率、成像速率(幀頻)等指標一直還是工程開發人員致力研究的目標。盡管由于超聲在人體中傳播時不可避免的存在聲衰減、波束發散等問題，影響著系統性能指標的提高，但應該說，在現有基礎上進一步提高這些性能指標還是有可能的。這方面工作的進展有賴于進一步對聲束形成機理的理解，對現有系統中信號檢測方法的改進，以及先進的電子學與計算機技術的應用等。

4.2尋找新的成像參數

B型結構成像與多普勒血流測量是目前在臨床上廣泛使用的兩項技術。很顯然，僅靠來自這兩方面的信息并不能完全滿足臨床診斷的要求。長期以來，已有大量的基礎研究在尋找各種新的成像參數或組織定征的方法，但這些技術大多還沒有在臨床上得到完全的認可，因而使用的范圍也非常有限。進一步完善正在開發的新參數的成像方法，并繼續尋找更能反映人體生理和病理狀態的成像參數也會成為今后一段時間里的重要研究方向。

4.3開發新的應用領域

近年來，除了繼續改進主流超聲產品的技術性能外，人們還把目光瞄準了一些新的尚未開拓的應用領域。介人式超聲與體外高強度聚焦超聲治療在近幾年來有了長足的發展。除此之外，利用高強度聚焦超聲實現深部止血，利用超聲的能量來控制或增強藥物的導人等也已經取得了實質性的進展。可以預見，醫學超聲儀器必將對人類的健康事業發揮更大的作用。