超声成像新技术的物理声学基础及其应用

上个世纪90年代以来，由于电子计算机容量和功能的提高，数字化技术的引入，以及各种信号处理、图像处理和控制技术的应用，医学超声成像新技术、新设备、新方法层出不穷。本文就腹部超声诊断中常用的主要新技术的物理声学基础、临床应用现状及发展前景等问题作一简要阐述。
1 与提高图像质量有关的超声成像新技术
1.1 频谱合成成像 频谱合成成像即频率转换技术(frequency convert technology,FCT)[1]。组织在超声声场的作用下，当超声波满足小振幅条件时，声源与其声场之间为线性关系，即无论在声场的任何距离上，介质质点都重复声源的振动规律，但当超声波不满足小振幅条件，而具有一定振幅(有限振幅，达到有限振幅的波为有限振幅波)时，随传播距离的增加，由于有限振幅波的传播速度不是常数，而与介质的非线性参量及质点的振速有关，致使波形发生畸变，波形的畸变必然伴随谐波的产生。当声源发射的不是单频的超声波，而是以f0为主频、具有一定频宽的超声脉冲时，经声场介质作用后，将产生具有多重频率的回波信号，且其频谱与声源发射者不同，即实现了频率转换。从成像的观点来说，回波信号中频率成分利用得越充分，图像质量就越好。利用超宽频探头、数字化处理和超大容量计算机，可将回波信号分解为多个频带进行并行处理，然后再按频谱合成为最后的信号，因此亦称为频谱合成成像，由此获得的图像分辨率更高，对比度更大，噪声伪像更低。
1.2 二次谐波成像 1995年以来，二次谐波成像(second harmonic imaging,SHI)技术逐步趋于成熟，近几年开始用于心外脏器和组织的检查[2]。应用于临床的谐波成像分自然组织谐波成像(native tissue harmonic imaging,NTHI)和造影剂谐波成像(contrast agents harmonic imaging,CAHI)两种。
(1)物理声学基础：如前所述，当超声波不满足小振幅条件时，在组织中，随传播距离的增加，必然有谐波成分产生，但组织的谐波信号微弱，主要反射(大界面产生反射)和散射(小界面产生散射)基波。声学造影剂多为含气体微泡的液体物质，这些微泡构成了液体的“空化核”，在超声场作用下，微泡除常规散射基波外，尚发生运动而再“发射”超声波，回波频率与发射波频率(即基频fundamental frequency)的关系在外加声压较弱时为线性关系，明显的振动为基频共振，产生以基频为主的一次谐波，二倍和三倍于基频的二次和三次谐波稍有显示。随着外加声压的不断增加，则会出现非线性复杂运动，相继出现高次谐振，分谐振，高次分谐振等。诊断用超声声压较弱，组织和造影剂微泡除反射和散射基波外，主要产生较弱的二次和更弱的三次谐波。传统的超声仪只接收基波信息成像，二次谐波成像时，仪器通过带通滤波，只提取二次谐波信号进行成像。无造影剂存在时，二次谐波信号来自组织，称自然组织谐波成像，有造影剂存在时，二次谐波信号主要来自造影剂微泡，称造影剂谐波成像。由于二次谐波可提高图像的侧向分辨力，且随着谐波信号的增强，反射回声的长度逐渐减小，图像的轴向分辨力随之提高，同时随谐波信号增强，旁瓣作用减弱，Clutter亦减少，上述几方面因素使图像质量得以明显提高。由于造影剂微泡与周围组织声学特性的差异较大，因此比周围组织质点有更大的等效散射面积，加上微泡谐振引起的共振散射，故来自造影剂微泡的二次谐波信号较强，因此，造影剂谐波成像在临床上应用更广。 
(2)临床应用：目前大多数中高档超声诊断仪均具谐波成像功能。自然组织谐波成像对不适宜声学造影或经济困难的肥胖患者深部病变的观察可首先考虑使用。造影剂谐波成像时，可使组织回声明显增强，该技术已广泛用于心脏病变的诊断与鉴别诊断。吴瑛等对比分析了基波显像和谐波显像在诊断胆总管下段——胰腺区域病变中的价值，结果表明，谐波显像能更清晰显示该区域病灶。此外，随着第三代声学造影剂的研制成功，造影剂已能到达心外脏器，实现心外脏器造影，增强实质脏器的二维图像和多普勒信号，造影剂谐波成像技术为研究组织的血流灌注提供了更加可靠的手段，有助于腹部脏器病变的诊断与鉴别诊断。
1.3 能量造影谐波成像技术 能量造影谐波成像(power contrast agent harmonic imaging,PCAHI)[3]在接收返回的谐波信号时，主要对回波的功率(振幅)信息进行分析处理，并利用该信息进行成像。PCAHI提高了谐波对造影剂的敏感性，尤其对微小颗粒的灵敏度更高，对细小病变显示更清楚，因此有利于病变的早期诊断。此外，由于造影剂和组织均具有谐波特性，而能量造影谐波成像时，血管内造影剂的功率谐波成分远远强于组织的功率谐波成分，因此，少量的造影剂即可使血流信息从组织中分离出来。