数字超声新技术与关键技术

         “全数字化”技术的关键是用计算机控制的数字声束形成及控制系统。这种系统与工作在射频下的高采集率A/D变换器及高速数字信号处理技术结合起来形成了数字化 的核心。

         它包括有三个重要技术：

         ①数字化声束形成技术；

         ②前端数字化或射频信号 模数变换技术；

         ③宽频（带）探头和宽频（带）技术。

         至今世界上的主要医学超声诊
         断仪器生产厂家都已掌握了“全数字”波束形成技术。其发展趋势是多波束和大容量通道，以提高成像速度和分辨力。4声束以上，128 - 1024通道的产品已经批量生产。 还需指出，数字彩超进入21世纪以后，在本身成像技术方面的进步并不十分突 出，但彩超成像技术的临床应用却发展的非常迅速。正是这些应用对彩超成像技术提出了许多新的要求（例如心功能成像要求彩超具有很高的帧率等），推动彩超技术不断 发展，并日益成熟。
         目前国外发展比较快的方向是超声在心脏上的研究和超声造影成 像技术。 在心脏功能方面，随着心脏功能研究的不断深入，心脏科医生已经认识到局部心肌功能的变化是大多数心脏病变的早期表现和诱因。而超声心动图在这方面有其他诊断设备无可比拟的优势，包括心脏实时三维多普勒成像、自动心内膜描迹、负荷超声 心动图、多普勒组织成像，心肌速度向量成像、心脏实时三维多普勒组织成像等。 由于超声成像原理的限制，三维B图像和三维多普勒图像面临的一个共同问题是需要用很长的时间来采集三维体数据。如果采用按照传统扫描的方法，假设所有的时 间都用来接收回波，那么一般的二维图像帧率大约是30帧左右。如果是多普勒血流成像，由于每条扫描线需要几次发射，那么实时成像的问题更加严重。虽然汁算机处理能力越来越快，能够实时处理更多的数据，但是由于超声成像原理，需要很长的时间才能够收集到足够的数据。
         一般来说，现代超声系统均采用多波束技术同叫接收几个 区域的数据来减少体数据收集的时间。可必只对感兴趣的区域进行多普勒血流三维成像提高三维图像帧率，比如只对动脉附近的区域进行三维图像。三维成像要求超声具
有非常高的帧率，满足实时成像的要求。随着二维平面探头技术和超声技术的发展， 目前在一些高瑞彩超机器已经能够实现心脏实时三维成像。 在超声造影成像方面：血液对数MHz超声的散射相对比较弱。如果在静脉或者动脉内注入超声造影剂，那么散射的回波强度会增加得非常多。造影可以形成较好的B图像，当造影剂在血管内流动时，也能够利用彩色血流技术形成彩色图像。当利用造 影剂血流成像时，血流速度和能量能够检测出非常细小的血管，位置比较深的血管的信息。大约有80%的研究报道，造影成像能够增加血液的回波信号强度。 
         总之，随着“全数字化”核心技术的成熟与完善，以及临床应用的扩展和发展， 近些年以数字技术为基础的新技术不断涌现，技术进步又进一步促使先进的数字黑白超和彩超技术在临床诊断中的作用和地位更加突出。

         下面对超声新技术及关键技术的发展，做些概要介绍。

         一、探头技术 
         超声探头作为超声设备的核心部件，它承担着声一电和（或）电声转换与作为信 息载体的双重使命，对整机众多性能指标起着重要甚至决定的作用，因此对超声技术 和整个产业发展都有着重要影响。国外近些年探头技术发展很快，特别是数字波束形成、编码激励、谐波成像、三维成像等新技术的问世对探头提出了更宽频带、高阵元密度、多维度、小型化、多品种的要求，而其实现又大大促进和拾升了产业升级的水 平和效果。宽频带不仅使谐波成像得以实现，而且使轴向分辨力和信息丰富程度明显 提升；高阵元密度使多通道得以实现，而且明显改善了侧向和细节分辨力；多维度明显改善了俯仰分辨力，对三维成像的效果尤有意义；小型化为包括血管等腔内超声的 实现奠定了重要的物质基础等等。 目前国内所用超声探头虽已从初基于单元换能器的机械扇扫探头，发展到现在 能批量制造线阵、凸阵和普及应用，技术上有了很大进步，但探头的核心和关键技术 特别是包括压电陶瓷捌料、背利、距配层、声透镜等在内的配方、工艺、粘结、布线 技术等，围内虽也作过研发，但基本上是理解和实践倒外已有的东西。
         面对发达国家 “超宽频带”、“超高阵元密度”等先进技术的快速发展和产品化，以及cMUT等换代技术研究进展迅速，国产压电复合材料仅能满足少量单元探头的需要，质地还耐不住高密度切割；心血管超声检查必备的相控阵设计制造依然没有解决；“变频探头”技术也未真正过关。总之探头技术至今与国外先进技术仍有较大差距。 下面简单介绍一下国外探头新技术、新材料概况。

         (l)宽频带、高密度探头技术。为适应数字化多波束形成技术发展的需要，256阵 元、512阵元以及更高阵元数的探头已相继问世。探头的相对带宽可达90%以上，以适应多频技术和谐波成像技术的需要。另外，线度1cm以下的相控阵探头已在临床中 使用。

         (2)高频探头技术。高频探头用于眼科和m管等脏器的渗断。10MHz - 20MHz眼科用探头，外径l - 2mm．30MHz - 60MHz血管内探头已在临床广泛使用，60MHz -100MHz血管内探头也在实验研究中。 
         (3)多维阵列探头技术。为满足实叫三维成像技术发展的需要，近几年来二维平 面（即矩阵型排列）探头取得长足发展，已有多个厂家的高端彩超配置了这种所谓体积探头的二维平面探头，实现高品质的实时三维成像。PHILIPS公司的三维成像用的矩阵型排列的探头，含150多个微型线路板（每个线路板内均含有微型控制器），近万个 阵元，用于实时三维成像。

         (4)新材料。压电复合材料具有声阻抗低、横向耦合弱、机电耦合强等突出优点。 高性能探头正愈来愈多地用压电复合材料替代传统的压电陶瓷材料。现在1-3连接和 2—2连接的复合压电材料已广泛使用。 
         此外，宽带和变频探头所依赖的压电陶瓷----聚合物复合材料，其迅速老化导致性 能退变的缺陷显著恶化了诊断超声的经济性，屁著生热为腔内探查和新的安全标准所不容，且对于更高次谐波其带宽仍显不够；当以现有压电材料为“真三维”成像构制 面阵探头时，数千个阵元的引线重叠干扰和生热首先得出了自我否定的结论。着眼于超声成像技术和产业的未来，国外学术和产业界现在又将关注的重点放在了电容式微型制造超声换能器(cMUT)和压电式微型制造超声换能器(pMUT)卜，对cMUT尤其寄予厚望。它们的突出优点是频带极宽，不易牛热，且采用半导体工艺制造既便于解 决引线问题，又可保持低成本，用于制造三维成像用面阵探头和多次谐波成像用超究带探头令传统材料无法比拟。
         为了抢占先机，早在2003年的北美放射学会的年会上， 可胜公司就与Sensant公司发表了依靠cMUT技术获得的造影增强乳房图像；CE公司的 研发中心与Sensant公司联合接受了美国军方的一个开发项目，旨在创制一套基于 cMUT技术的马赛克式环阵立体成像系统；而Siemens公司则更于2005年6月间与Sen． sant签署了并购协议，计划将cMUT技术整合成一套完牲的超声成像系统，并于2-3年内将其推向市场。

         二、数字波束形成器
         数字波束形成器是全数字化超声的基础，也是高性能彩超的保证。 全数字化是超声成像技术发展史上的一个里程碑，它实现逐点跟踪式聚焦，使接收波束十分精细，它使图像品质包括空间分辨力、时间分辨力、剥比分辨力，动态范围、信噪比等指标全而提高，它已成为各个公司的核心技术。 
         数字波束形成器包括发射与接收两部分。数字式接收波束形成技术是关键技术，它通过使用顺序存储器FIFO或随机存取存储器双端口RAM替代模拟式波束形成器中 的LC延时线来实现波束聚焦，即以数字延时补偿替代模拟延时补偿。数字延时不仅能实现精确延时补偿，实现所谓逐点跟踪式动态聚焦，还能方便地实现动态孔径、动态 变迹控制，克服模拟式延时补偿存在的诸多阿有缺点，通道数增加不受限制，使图像 品质得以全面提高。 提高数字比特数，减小延时量化误差，保证各通道性能一致性以及变孔径、变迹 算法等是数字式波束形成器设计中的关键技术问题。 近10年来，全数字化技术发展甚快，彩色B超和黑白B超U实现了向全数宁 化的过渡。发展的趋势是多声束、大通道数、大动态范围。14bit ADC，ns级延时精度，1024通道以上的数字波束形成罪已商品化。

         三、谐波成像

         谐波成像原理：人体组织的回波，其基波的幅度远大于谐波；通常的超声成像，滤去谐波，仅用基波的信息成像；谐波成像则是滤去基波，利用谐波的信息成像。基于人体生物组织声学非线性现象，利用回波中的谐波所携带的组织信息形成的声像图，称为谐波成像。已商品化的谐波成像是利用二次谐波。 根据非线性因素的不同，谐波成像可分为二类。

          (1)组织谐波成像(THI)，也称自然谐波成像(NHI)。是一种利用人体组织本身 的声学非线性特性产生的谐波成像。

         (2)造影谐波成像(AHI)，也称对比谐波成像(CHI)。是一种利用造影剂的非线性振动产生的谐波成像。造影剂气泡在二次谐波频率附近作大幅度振动，使得其二次谐波分量远大于不含造影剂的组织谐波分量。大量的临床诊断数据表明，造影剂谐波 技术在对肿瘤的良恶性鉴别上具有相当的准确性，因而具有极大的发展潜力和临床应用价值。 总的来说，伪像小、图像分辨力高，使某些困难成像病人易于成像，是谐波成像 的突出优点，因而有利于扩大超声临床诊断应用范围。例如：同传统的超声波成像 （基波成像）相比，谐波成像便于无回声组织（如心腔，胆囊）的成像，皮下脂肪层造 成的伪像小，肋骨狭窄引起的伪像也小，因而特别适用于某些由于肥胖、肺气过多、 肋间间隙狭窄、腹壁过厚的所谓困难成像病人的成像。
         此外，二次谐波形成的图像比基波图像更清晰，信噪比更高。由于上述优点，现在它和基波成像一样，已成为彩超 和高端B超的基本工作模式。 从成像技术上看，已商品化的组织谐波成像方法有滤波法，脉冲倒相法（也称相 位反转法），新功率调制法（也称谐波增强法），差分组织谐波成像法等。不管采用何种方法，都对探头和接收系统的性能有更高的要求。

         四、实时三维成像技术 
         由于三维成像在临床上的意义已得到充分确认以及三维成像技术的迅速发展，现 在高端彩超均有三维功能。 三维成像技术涉及的关键技术包括：数据采集；三维数据重建；三维图像分割与 三维显示。 保证三维成像质量的关键之一是三维数据采集的方法和步骤。
         目前，大多数超声 三维数据的采集是借助已有的二维超声成像系统完成的。具体地说，就是在采集二维 图像的同时，采集与该图像有关的位置信息。然后将图像与位置信息同步存人计算机， 再在计算机中重构出三维图像。 已经使用或还在不断研究中的数据采集方法有机械定位方式、电磁定位方式、可自由操作系统(Free - hand)以及应用二维面阵探头。 三维成像技术的发展趋势是应用二维或称面阵探头，以便在保持超声探头完全不动的情况下，直接获得三维体积的数据。二维而阵探头用电子学的方法控制超声束在 三维空间的指向，因而可以实现上述功能。但在工程实现时，由于二维而阵的阵元数量很大，每个阵元都需配置相应的通道，因此无论是技术的复杂性，还是系统的代价 来说，都还有许多问题需要研究解决。相比而言，利用传统二维超声系统的Free -hand方式，可能在相当一段时间内，会被作为一种过渡解决方案。
         目前，三维成像还 很难取代二维成像，但从技术发展的趋势来说，三维成像技术具有较好的发展前景。 近期，实时三维的出现是超声技术领域的新突破，其关键技术是高速数据采集和超大数据量的高速运算能力。目前体积探头（矩阵型排列换能器）是解决高速数据采集的途径。 在已商品化的体积探头中，有影响的是由美国Duke大学设计、Philips公司制造 的一种体积探头，由80 x 80= 6400个正方形阵元组成，探头内有150多个微型电路板 来控制这些众多阵元的工作并实现同系统的连接，采用16条声束同时在不同方位进行发射，实现多波束发射与接收的金字塔形容积扫描。
 

         五、复合成像技术

         复合成像是指通过多次发射不同方向、或改变接收方向、或发射多个不同频率的 声波，然后对接收到的回波数据以某种规则加以融合的超声成像技术。 实用的复合成像技术有以下方法：
         ①改变发射与接收传播路径；
         ②改变接收方向；

         ③改变发射频率；

         ④空间复合成像。

         复合成像技术使成像视野扩大，减小斑点噪声和伪像，提高图像清晰度。有代表性的复合成像技术是Philips公叫的顶端产晶SONO CT 7500，对于每一个声束轴线，采 用9个不同角度发射信号，然后用某种算法对回波信号进行实时融合，以获得清晰的 图像。

         六、数字编码激励技术

         数字编码／解码技术是从雷达应用技术中移植而来，它对超声脉冲进行编码和解 码，以编码发射替代传统的简单的脉冲发射方式，以解决传统超声成像系统中空间分辨力与超声波的穿透能力之间的矛盾。发射高频率的超声波能提高空间分辨力，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，从而在显著提高波束穿透能力的同时，保持有较离的空间分辨力。使某些成像方式成为可能，如组织谐波成像和B型血流成像等。 传统方式(见图4 - 8a)和编码发射的区别：发射叫，发射编码脉冲，也即对发射 的数码系列进行相位调制，因而在发射端有发射编码器，在接收端，应有相应的解码器对接收到的信号进行解码复原。用这种编码器和解码器的组合能够起到用高的信噪 比取出需要的信垮、抑制不需要的成分的滤波器的作用(见图4-8b)。

         改变编码器和解码器的特性，就可钝实现不同的图的（即成像要求）。例如，用格雷码的编码器（次发“+，十”码，第二次发射“+，一”码）和解码器，可不在增加声输出强度或增加脉冲个数（即脉冲时间长度）的情况下，也即在声输出能量 不增加的情况下，明显增大探测深度，同时深部蓝图像的信噪比还得到驯显改善。 CE公司的多个高端产品成功地应用了这种技术，称编码超声(Coded Ultrasound)， 包括LOCIQ系列和VIVID系列产品。

         七、超宽视野成像技术

         对于常规的二维B型成像，由于受到探头尺寸的限制，当探头不动时，能观察到 的只是有限断面的图像，为了扩大视野，就必须移动探头，但探头一旦移动，原来的 图像就消失，新的位置图像替代原来的图像，而不可能将原来的图像和新位置的图像 并在一起，州时显示更大范围的图像。超宽视野成像解决了这个问题，当探头在体表 移动时，将移动过程所得到的一帧帧图像并接起来，就得到一幅扩大了视野的图像。 宽视野成像技术关键：高速的图像位置配准算法的设计；并接后图像的几何失真的解决。

         八、B型血流成像 B型血流成像是近出现的新的血流成像方法，它是一种非多普勒血流成像技术，因而它不存在像CFM那样的一些缺点。由于血管内的血流是无回声或弱回声区，因而 在B型图像上血管中的血流显示的灰度很低，而血管周围组织显示很亮，而无法显示 血管中的血流。 B型血流成像利用脉冲编码发射技术和组织均衡技术增强血管中血流回波信号的信噪比，以提取微弱的血流信息，并对血管壁的强回波信号进行均衡处理，使血流和组织的显示辉度处于同一水平，使能同时对两者进行观察，曰前的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成像的方法，无需复杂的数学运算，因而同传统的CFM相比，具有高帧频、高分辨力的优点。 B型血流成像是一种新的成像方法，目前还不能提供完粘的流速信息，其技术还有待进一步完善。

         九、彩色血流成像(CFM)
         彩色血流成像应用于临床，已有20多年历史，20多年来由于其在医学影像中的极其重要的作用，其技术研究一直受到特则的重视，世界上各大医学超声产品制造商一直不断改进其产品的CFM成像性能。 从技术的角度看，CFM有以下几个发展方向：
         (1)更多的成像模式。

          (2)更灵敏的血流成像，更高的帧频，更宽的血流速度可测量范围，更高的信噪比。

         (3)血流测量分析的定量化，自动化。

         (4)新的成像机理。目前商品化的CFM绝大多数足采用多普勒原理。

         多普勒彩色血流成像有不可克服的缺点。一种用非多普勒彩色血流成像方法----时域互相关法实现的彩色速度系统(cⅥ)已商品化。

         十、组织弹性成像 组织弹性成像是一种新的超声成像模式，它屁示组织的弹性（硬度），也就是用图 像显示出伴随病变发生的组织硬度变化。这种成像方法已成为当前超声成像技术研究 的一个热点。 组织弹性成像有两种不同的方法：静态和动态。静态方法是利用探头在体表产生 一个静态压迫，然后对组织形变状态进行检测，通过对压迫前后二帧图像的对比来求出各部位产生的组织位移分布，将此位移进行空间微分所得的应变图像，便是所谓的弹性图像。动态方法需利用一个外部振荡器在体表产生低频振动，使在组织内产生横波（剪切波）．通过探头利用多普勒原理检测这个剪切渡的传播速度分布，产生相应的图像。动态组织弹性成像法电称为激励振荡成像法。 基于癌化组织比正常组织硬（弹性小）这一现象，弹性组织成像已成功地应用于乳腺、甲状腺和前裂腺癌的诊断以及动脉硬化的诊断。有人预见，组织弹性成像将是 继B型成像，彩色多普勒血流成像之后第三种用于临床诊断的成像模式。

         十一、医学超声成像设备的小型化、超小型化 
         随着微电子技术的高速发展和软件超声技术的出现，“l块IC即是一个系统”在医 学超声产品中也得以实现。 商品化的微型彩超有手掌式和笔记本式。一种手掌式彩超，顾名思义其大小可和 手掌相比，包括探头和电池总重量为5.5磅，只有一块PCB，3块VLSI芯片。笔记本式彩超是以笔记本电脑为基础组成。一种笔记本式彩超是将探头及其微型前端电路盒通过USB接口或IEEE 1394接口连接到笔记本屯脑构成。