医学超声仪器发展思路

医学超声仪器发展思路

1探头技术的进展

探头是超声仪器中最重要的部件之一。高品质的探头不但是获得高质量图像的根本保证，各种新的成像功能和方法的诞生也首先离不开探头技术的革新。很显然，如果没有宽频带探头技术的诞生，频域复合成像、谐波成像和其他一些非线性成像就不可能实现;如果没有超高频率的探头，超声显微镜也就无从谈起。为了满足临床上各式各样的需求，各个探头生产厂家已经推出了很多几何形状各异、高频率、宽频带的探头以竞争市场。要研发高性能的探头，新型材料、探头结构以及加工工艺是必须要解决的问题。

1.1材料

一个探头的构成通常有以下5层结构：保护层、透镜、匹配层、有源压电材料(包括电极与连线)和背衬材料。虽然这5层中每一种材料的选择都将最终影响探头的性能，但是其中压电材料的选择尤为紧要。20世纪末，压电复合材料被广泛应用。这种材料是将压电陶瓷和高聚物按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成。采用复合材料制作的探头具有高灵敏度、低声阻抗(有利于与人体组织间的匹配)和较低的机械品质因数(有利于频带展宽)等优势。这样的探头对实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像都是十分有用的。

1.2结构与工艺

无论是为了提升二维图像的质量，还是要实现快速的三维成像，开发多维探头都是十分必要的。传统的电子阵列探头只在一个方向上将换能器材料切割成很多小阵元，所以被称为一维电子阵列探头。一维探头只能实现在成像平面内的电子聚焦。在成像平面的厚度方向上，因为换能器材料并没有被切割，所以不能实现电子聚焦。对于一维探头来说，为了获得一定的聚焦效果(使成像平面尽可能薄)，通常要在成

像平面的厚度方向上加一个透镜。但因为透镜的焦距固定，聚焦的效

果是比较有限的。如果能同时实现两个方向上的聚焦，那么不但能够

在二维成像时减小成像平面的厚度，而且有可能在三维空间中控制波

束的偏转方向，从而实现三维成像。

不过，因为二维面阵探头的阵元数激增，如何解决电子线路与每一个

阵元的连接并为每一个阵元配置一个独立的通道就成了一个大问题。

因为当前技术条件的限制，真正意义上的二维面阵探头还处于实验室

研究的阶段。但作为一维线阵探头向二维面阵探头的过渡，一种被称

为分数维的探头已经开始在仪器中使用。分数维探头在结构上的共同

特征是在换能器的长度方向上按传统方法切割成致密的小阵元，而在

厚度方向上则切割成有限的几排。按照厚度方向不同的聚焦功能，还

能够细分为1.25维、1.5维和1.75维。因为多维探头的阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。当前，已有一

些高档的超声诊断仪中使用了1.5维探头，取得了较好的效果。因为

超声探头是改进超声系统性能的最基础的工作，这个领域中的研发工

作也是相当活跃的。开发频带更宽、密度更高、频率更高的探头是大

家努力的目标。

2超声诊断仪器中的新技术

从有利于疾病诊断的角度看问题，B超的优异性能应该表现在检查的

部位多、成像的视野宽、探查的深度大、成像的速度高(帧频高)、图

像的分辩力好、网络的连通性强，等等。本节将围绕上述实际问题介

绍一些近年来发展起来的实用性较强的新技术。

2.1扩大视野因为B超探头尺寸的限制，当手持探头不动时，B超所

能显示的画面是有限的。为了扩大视野，就必须持续地移动探头。如

果能在移动探头的过程中将所得到的一帧帧图像拼接起来，就能够得

到大视野的图像。

2.1.1宽视野成像如果将探头沿着平行于探头表面的方向移动，我们

就能够得到展宽后的平面图像。要将探头移动过程中的图像拼接起来，

通常的做法是采用图像位置配准的算法来跟踪探头的移动，这个计算

的过程需要强有力的信号处理器的支持。当前多数高档超声诊断仪都

提供宽视野成像功能。拼接起来的图像长度能够达到60cm或更长。

2.1.2三维成像如果将探头沿着垂直于探头表面的方向移动，我们就

能够得到三维立体图像。相关介绍三维成像的文章己有很多，各主要H 超生产厂家也都推出了相对应的产品。当前的产品中大致能够分为带

定位系统的和不带定位系统的两类。前者成像的空向位置相对较准确，后者则仅仅一种定性的显示。在实际应用中，可根据不同的需要选择。虽然三维成像的实现基本上已经解决，近年来在成像速度等方面的性

能也有了较大的改善，但在l右床应用方面的进展并不十分显著。其

中的原因之一可能是因为现在的三维成像系统并没有明显提升临床诊

断水平，临床上绝绝大多数问题用已有二维成像系统已经能够解决。

此外，三维成像在操作上的复杂性，也影响了在临床使用中的推广。

即使如此有识之士都认为三维超声成像是一个值得继续开发的领域。

2.2提升成像系统的性能

从影像学诊断的角度看，任何一种成像方式都必须解决图像分辩力、

成像速度等一些基本的问题，超声成像系统当然也不例外。但是，在

基于反射成像原理的B型超声诊断仪中，探查深度、空间分辨率、成

像速率(帧频)等指标往往是相互制约的。如何全面提升系统的性能，

一直是工程开发人员致力的目标。下面介绍一些与提升成像系统整体

性能相关的技术。

2.2.1宽频带技术的应用要想全面地采集到超声回波中隐含的丰富信息，宽频带技术的应用是至关重要的。这里所说的“宽频带”不但是

指超声探头具有宽频带特性，仪器的接收通道也应该具有宽频带特性。宽频带技术的应用使超声图像更细腻，提供的信息更丰富。谐波成像

是当前临床上广泛采用的成像技术。有的超声诊断设备中，实现谐波

成像的前提条件也是要求用宽频带探头及宽频带的接收通道。数字编

码/解码技术已经从雷达应用中移植到医学超声仪器中。这是因为在传

统的超声成像系统中，系统的“空间分辩力”与超声波的“穿透水平”