非线性超声医学成像的研究进展

非线性超声医学成像的研究进展

章东，龚秀芬，马青玉

(近代声学教育部重点实验室, 南京大学声学研究所，南京210093)

1引言

超声以其独特的优点已广泛且成功地应用于医学诊断及成像中。已有很多研究工作指出，在医学诊断超声所使用的频率（1－10兆赫）和强度（低于0.1W/cm 2）范围中已出现了不容忽视的非线性效应，诸如波形畸变、谐波滋生、逾量衰减及声饱和等[1-3]。和传统的超声成像技术相比较，非线性成像技术提高了空间分辨率，不易产生伪像，在近二十年中得到广泛关注。超声造影剂的应用[4-5]进一步推动了超声诊断中非线性成像技术的发展。现在二次谐波成像技术已经得到商业化应用，并且发展起来几种新技术来提高二次谐波信噪比，例如反相脉冲技术[6]可以在抑制基波信号的同时提高了二次谐波6dB ；幅度调制脉冲技术[7]能够消除线性成分而保留二次谐波成分进行谐波成像。另外，编码脉冲序列和调频脉冲激发[8]技术也被用来提高声波的渗透深度同时提高成像质量。和二次谐波相比，高次谐波具有较高的空间分辨率和良好的指向性，但是信号声压却很低，因此需要使用高灵敏度和大动态范围的信号接收系统来获得具有一定信噪比的高次谐波信号；为了降低接收信号的旁瓣和谐波泄露，需要使用窄带信号，这会降低轴向分辨率。因此如何获得具有良好信噪比的高次谐波信号，同时消除由基波和其它谐波信号所引起的图像分辨率下降，已经成为高次谐波成像中十分重要的研究课题。本文将介绍近年来在医学超声非线性成像方面的研究进展，包括：（1）非线性声参量成像；（2）组织谐波成像；（3）基于编码脉冲技术的高阶谐波成像；（4）超谐波成像技术。

2 非线性谐波滋生及非线性声参量成像

有限振幅声波在流体及似流体（生物组织）中传播时，会产生一系列非线性效应，如波形畸变、谐波滋生、声饱和及冲击波形成等[9]。如图1所示，一初始正弦波在无损介质中传播，由于非线性效应，在一定的传播上会产生波形畸变，滋生高次谐波，图中横轴为声传播的距离，纵轴为声压幅度。图1(a)、(b)、(c)及(d)分别表示 3.02/,0.1,0及πσ=的波形，图中

03212B p fz A c π

σρ⎡⎤⎛⎞=++⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣

⎦ 当σ小于0.1时声波可看作线性传播，1=σ

可以看作是声压不连续的阈值，2/πσ=标志着冲击波的形成，3=σ时已形成锯齿波。

非线性声参量[9]能度量媒质产生非线性声学效应的大小，它与声速、声阻抗、声衰减等线性参量相比更能反映生物组织的组份、结构及病变状态变化的动态特性[10]，因而可成为生物组织超声定征的新参量。由于生物组织是一种不均匀且各向异性的介质，研究非线性参量成像已成为医学超声和非线性声学领域中十分关注的课题。日本Ichida 等应用泵波法进行了人体断臂的非线性声参量成像，但该方法系统较复杂且需要高强度的泵波[22]。我们多年来在有限振幅声波的非线性参量成像方面的取得了一系列研究结果[11,12]，提出了多种反射式非线性声参量成像技术，包括：（1）基于二次谐波的非线性参量层析成像；（2）基于

参量阵差频波的非线性参量层析成像;（3）非线性参量的等深度C －扫成像。我们利用这三种成像方法对多种生物组织，特别对正常和病变的生物组织进行非线性参量成像，并将所得结果与B －超图像对比以分析非线性参量成像的优越性及其在医学超声诊断中的应用前景。 有限振幅声波在媒质中传播时滋生和积累二次谐波，利用二次谐波及基波幅度的比值，可以得到媒质的非线性声参量。为避免声压幅度的绝对测量，我们采用有限振幅插入取代法[12]，即将除气水作为参考介质，利用水及样品中同一距离接收到的二次谐波比值，可以避免基波及二次谐波绝对声压的测量。同时为获得二维非线性声参量的断面像，我们采用X －CT 的二维扫描成像技术，接收换能器收到样品中的二次谐波幅度及水中的二次谐波幅度的比值作为CT 扫描中的投影数据，利用CT 的滤波反投影法重建非线性声参量的层析图像。

(a)(c)

(b)(d)

图1 有限振幅声波的波形畸变

如图2，样品是圆柱体形病变组织模型，直径约为3.0 cm ，右半为正常猪肝组织，另一半为坏死肝组织，如图2（a ）所示。样品相应的B/A 层析像如图2（b ）所示。图中灰度值的大小表示B/A 的值大小，由图可见，生物组织发生病变后，其B/A 的值变大。

此外参量阵差频波成像是发射两个频率的基波，接收差频波来成像。差频波具有较强的透声能力并且其波束宽度相对于同频的基波较好，有较好的应用前景[21]。为将非线性声参量成像技术更接近临床应用，我们还发展了等深度C 扫技术的非线性声参量成像技术[11]。所有的研究结果表示非线性声参量可作为生物组织定征及超声诊断的新参量，在医学超声中有潜在的应用价值。

正常猪肝

肝坏死

水

(a) (b)

图2 样品的断面模型(a); 二维B/A 重建像(b)

3 组织谐波成像及超声造影剂谐波成像

组织的二次谐波成像相对于线性B 超成像，可以提高图像分辨率，更好地辅助医学诊断。目前组织谐波成像技术已经在诊断超声中得以广泛应用。但组织谐波成像技术在临床上的应用还是得益于超声造影剂[4,5]的引入。

(b)

图3 (a)含有微气泡群的超声造影剂; (b)静脉注射后的微泡加强超声散射

声造影剂大多是包含微气泡（直径是1－10微米）的液体（图3），如Albunex®,

Levo (b)

图4 超声造影剂加强图像对比度： （a ）造影前； (b)造影后

另一方面，超声造影剂中微气泡在超声激励下可产生非线性振动，激发谐波（2f , 3f …）、次谐（a ） 超vist®, Optison®, Definity®, Sonovue®等。

为增强微气泡的稳定性，多种化合物用于形成包膜，常见的有丙稀酸脂、棕涧酸、磷脂、白蛋白和化学聚合物等[13]。超声造影剂可以通过静脉注射流到身体的各部分。由于微气泡的声阻抗特性与组织存在很大差异，可以增强超声成像的诊断能力，例如微小血管的显示、病灶的识别及心肌壁的显示等[14]。图4对比了造影前后的超声图像。

(a)

波（f /2, f /3…）和超谐波（3f /2, 5f /2…）等，从而可发展各种非线性成像技术[15]，如图5所示。利用宽带换能器，发射基频波并接收二次谐波，就可以进行造影剂的谐波成像。由于组织中产生的二次谐波远小于微气泡产生的二次谐波，超声造影剂的谐波成像既可以提高分辩力又可以提高对比度。当造影剂谐波成像应用于临床后，又进一步促进了组织谐波成像技术的发展。