超声医学影像诊断技术

2011-07-21 13:22:20来源: 互联网

超声医学影像设备经历了半个多世纪的发展历程,特别是90年代以来随着医学、机械材料、计算机、电子工程技术的飞速发展,超声诊断仪器的性能不断提高、功能不断完善、用途不断扩展。现在,没有一个医院可以离得开超声影像诊断技术,超声影像诊断具有高空间分辨率、高软组织对比、实时快速成像、操作方法简便、无禁忌、无损伤、可重复、可提携和经济等特点,它与CT、MRI、同位素显像一起构成了临床医学中必不可少的四大影像诊断技术。

  超声影像诊断技术在医学上的应用概况

  超声影像诊断技术在医学上的应用始于上世纪中期,开始只是利用A型超声仪检测离体脏器的厚度,并进行一些临床疾病诊断的探索;继之利用M型超声仪探测正常人和风湿性心脏病患者的心脏;直至70年代初期,可以显示脏器和病变形态结构变化的B型超声显像技术应用于临床,从此翻开了脏器二维切面超声成像检查技术的新的一页。80年代中期彩色多普勒超声诊断仪问世,由于它可以显示脏器和病变的形态结构与血流动力学改变的双重信息,又将超声影像诊断技术水平向前推进了一步。直到9 0 年代计算机数字技术的广泛应用,医学超声三维成像技术的研究成功,使得超声影像诊断技术进入了一个较高水平和新的发展阶段。也就是说,从上世纪末到本世纪初,超声影像诊断技术的发展是惊人的,它取得了许多重大的技术性突破。纵观超声影像诊断技术的发展过程,是一个由“点”(A型超声)→ “ 线” (M型超声) → “ 面” ( 二维超声)→“体”(三维超声)的发展过程;是一个由一维阵向到二维阵向朝三维阵向的发展过程;是一个由静态成像向实时动态成像的发展过程;是一个由单参量诊断技术向多参量诊断技术的发展过程;也是一个由解剖结构形态影像向解剖结构功能影像、代谢影像、酶和受体及基因表达成像融合的分子影像的发展过程。

  数字技术在超声影像诊断设备中的应用

  超声诊断仪的数字化, 从数字扫描转换器开始到今天的超声发射、接收、成像过程的全数字化,数字技术已为高性能超声影像诊断设备普遍采用,如探头新型编码发射接收技术、数字化声束技术、数字式延时技术、动态变迹技术、动态电子聚焦、动态孔径技术等。数字技术的发展和应用还促进和带动了超声影像诊断设备的高性能、智能化和小型化。高性能的超声影像诊断装置不仅能够满足临床疾病诊断的各种需求,而且能够深入开展相关基础理论和临床医学研究,从而进一步促进了超声影像诊断技术从单纯形态学向形态生理与功能学及分子影像学方向的发展。智能化可实现一键操作,如一键多功能,既可调节TGC、接收增益、动态范围,又可调节速度标尺,多普勒基线等众多参数,从而避免了检查过程中复杂、繁琐的调节操作。在保证所需功能前提下的超声仪器小型化,其装置结构简单,如笔记本电脑大小,无论是床边检查还是出诊或急诊的现场抢救检查,更能体现出超声影像诊断技术的重要临床地位和价值,同时,也拓宽了超声诊断技术的临床应用范围。另外,随着信息高速公路的兴起,通讯和网络技术的广泛应用,目前不同厂家、不同机型的超声影像诊断设备都设有DICOM3.0标准接口。在DICOM3.0标准中,不仅涵盖了与医学影像学直接相关的数据字典、信息交互、网络通讯、介质存储和文件格式以及显示打印、管理等方方面面的内容,而且还有逐步覆盖整个医疗环境中容量和数据信息交换的趋势。也就是说可以将超声影像诊断设备或连同超声影像工作站一起融入医院图像管理与通讯系统(PACS),甚至融入整个医院的信息系统。

  超声影像诊断仪探头技术的发展

  探头又称为换能器, 它是超声影像诊断仪中最重要的部件之一,其主要作用是将超声发射到人体后再接收人体中的超声回波信号。高性能、高品质的探头不仅是获得高质量图像的前提,更是各种新的超声成像方法的技术保证。探头的结构一般是由主体、壳体和导线三部分组成,其中压电材料(晶片)是主体的核心。从单晶片、多晶片发展到数十个、数百个甚至千个以上的晶片,同时由若干个晶片并联起来组成的探头阵元数都在不断扩展。目前,探头的主要发展趋势是新材料、新工艺、多阵元(高密度)、高频、宽频带和专用。新材料:主要包括复合材料和有机薄膜材料;新工艺:就是将压电陶瓷和高聚物按一定的连接方式,一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成,具有高灵敏度、低电阻抗(有利于与人体组织间的匹配)和较低机械品质因素(有利于频带的展宽)等优势; 高密度: 1 维(256阵元)、1.5维( 8 × 1 2 8 阵元) 、2维(60×60阵元);高频: 3MHz - 7MHz频率的探头用于诊断腹部和心脏疾病,10MHz-15MHz频率的探头用于浅表脏器的检查,20MHz-40MHz频率的探头用于眼和皮肤的超声成像, 而100MHz-200MHz频率的探头主要用于超声显微镜; 宽频带: 宽频带是指换能器工作频率的上下限范围,它可实现使用一个探头检查时由浅到深发射和接收由高到低不同频率的超声回波信号,同时,也是实现频域复合成像、谐波成像和其它一些非线性成像新技术的重要保障;专用:就是将探头制成特殊形状,如专门用于食道、直肠、阴道、尿道、膀胱、腹腔、血管等检查的专用腔内探头。

  超声影像诊断中几种新成像技术的发展

  1. 超声三维成像技术

  超声三维成像技术是超声诊断技术领域的一项重大突破,是临床超声正在兴起的一项新技术,它可获得三度空间上的图像信息,从而弥补二维平面成像技术的不足。三维成像技术根据成像原理可分为观察非活动脏器的静态三维成像和观察心脏形态结构及其活动的动态三维成像与实时三维成像。静态三维成像是采用二维探头进行旋转扫描或扇扫扫描,在一定时间内获取若干个切面图像馈入计算机内进行图像重建,显示出器官的三维立体图,重建后的图像清晰,边界清楚,表面轮廓与深浅立体感强,器官与病变的形态具有特征性,主要用于对器官内有液体存在或探查对象周围有液体环抱者,如肝肾囊肿与脓肿、胆道结石与息肉、肾积水和肿瘤等;对胰、十二指肠三维图像重建,可观察胰头与周围组织的立体解剖结构,有助于胰头及胆总管病变的诊断;血管三维重建可实现没有实质组织反射的血管树样图像,有助于了解脏器内的血管走向、分支状况、有无畸形、血栓形成等情况;对于沙盘样结构病变如溃疡、胎儿面部畸形、脐带绕颈等也有鲜明的特点。另外,三维超声成像可以向医生提供肿瘤病灶在体内的空间位置及三维形态,从而为超声引导介入性治疗提供更准确的定位信息,有助于改善和进一步提高临床治疗效果。

  随着高速扫查和采样技术的发展,在静态三维成像的基础上加上心电图同步技术的时间参量,则可实现准实时方式显示的动态三维成像(也称四维参量);如果再加上速度信息,即可实现实时三维成像(又称五维参量)。动态三维成像可以显示大血管的起源、位置、方向及前后左右关系,观察有无缺损并判断缺损部位、形态大小,提供复杂、疑难先心病的诊断与鉴别诊断;可以准确显示心脏立体形态,更精细地测定心脏功能, 观察室壁节段性运动失常部位、范围与程度,提供冠心病的诊断与治疗依据;可以显示瓣口的整体结构,对诊断瓣口狭窄与关闭不全,尤其是二尖瓣瓣裂与脱垂、腱索断裂等瓣膜疾病有重要意义;还可以显示心内血流的立体动态图像,对观察血流方向、返流与分流有重要意义。总之,动态三维成像技术从不同方位观察心脏的各种结构的立体形态、空间关系、活动情况与血流动态,从而大大提高了临床诊断的准确性。

  2. 宽景超声成像技术

  宽景超声成像技术又称超宽视野成像、拓宽视野成像或全景超声成像技术,它是通过探头的移动获取一系列二维切面图像,利用计算机重建的方法再把这一系列二维图像拼接成为一幅连续超宽视野的切面图像。宽景超声成像技术的主要特点是可以提供更好的结构层次与空间关系,清晰地显示病变位置、大小、范围、内部回声及其毗邻,定量准确地测量脏器大小和体积较大的病灶或肿物,较好地展示和延伸管道结构,存在的主要不足则是会受到组织或器官运动的干扰影像致使图像模糊。宽景超声成像技术已被广泛应用于胸腹部、妇产科、乳腺、甲状腺、睾丸等小器官以及肢体躯干的肌肉、血管和周围神经疾病的诊断。一幅宽景超声图像可以完全显示整个乳房,获取的图像形态与乳房自然形态相同,乳房解剖层次清楚,病变特征明确,不同组织结构成像反差明显,并可以清楚显示隆胸手术填充材料与胸大肌、乳腺腺体之间的关系。一幅宽景超声图像还可以获得常规二维超声无法获得的整个胎儿全貌, 甚至包括胎盘在内的完整结构,对于多胎妊娠、胎位的判断、羊水量多少与分布的评估、胎盘的定位、测量与分级等均有重要价值。特别是肢体躯干软组织采用高频线阵探头大范围迅速体层扫描,则可以获得一幅从皮肤、皮下组织、肌肉、肌腱、血管、周围神经干以及骨膜的正常和病变体层解剖宽景图像,且各层结构特征一目了然。宽景超声成像技术具有很大的发展潜力和良好的应用前景,它结合常规实时灰阶和彩色多普勒超声会使现代超声诊断技术更趋完善,同时,也为超声CT的研究和应用奠定了基础。

  3. 分子影像技术

  分子影像学是借助现代影像技术,以分子生物学为基础, 从分子水平研究和观察疾病的发生,发展中病理生理变化和代谢功能改变,即从细胞和分子水平上确定和描述活体生物过程的一种成像方法。分子影像学这一专业术语最初出现在上世纪90年代的中后期,并于1998年由美国国家癌症研究所正式提出和应用。分子影像学与传统的成像方法不同,它所揭示的是导致人体疾病的细胞和分子异常,而不是细胞或分子发生改变后所导致的最终解剖组织结构异常。临床上,由于许多疾病在脏器组织出现病理改变之前,其功能或细胞分子就发生了明显的改变,因此,通过细胞分子成像技术不仅可以更早地发现和确定疾病,还可以对疾病的治疗效果直接做出细胞和分子水平的评价,从而对疾病的发生、发展和治愈过程建立起一个全新的科学性认识。超声在分子成像中通过单克隆抗体、多肽分子等靶向微泡对比剂,可以用于心血管、肿瘤等的靶向诊断,血栓、粥样硬化斑块等的治疗和药物、基因的输送。微泡和声学活性物质可作为超声成像靶向对比剂,携带靶向配基,可与活体细胞结合,用作分子成像和治疗, 靶向微米/ 纳米气泡开启了分子影像的一个新的前缘。分子影像学是分子生物学、生物化学、纳米技术、基因工程技术、数据处理和图像处理等技术多学科结合的成果,也是现代医学影像技术的革命性发展和未来发展的必然趋势。

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