超声造影全面总结

声学造影全面总结
编辑整理：李智创建日期：2003年12月最后一次更新日期：2005-12-23 编者声明：本文的目的是为了总结造影剂成像基础知识和发展历史，并对目前各公司主要的造影技术进行初步阐述。

本文中的信息来源于多种正式和非正式的媒介，因此，本文仅代表编者的个人观点，编者不对其中结论的正确性承担责任。

如发现有误，欢迎与编者交流。

目录
第一部分基础知识 ..........................
线性与非线性：.........................
机械指数：...........................
造影剂原理简述：........................
造影剂微泡的历史：.......................
为什么要使用造影剂：......................
造影剂的临床应用：.......................
造影剂成像技术的分类：.....................
第二部分Sequoia 平台提供的造影剂成像技术及功能： ...........
PCI 能量对比造影技术( Power Contrast Imaging )：........
ADI 造影剂探测成像技术( Agent Detection Imaging )：........
CCI相干对比造影技术( Coherent Contrast Imaging )：.......
CPS对比脉冲系列造影成像技术( Contrast Pulse Sequencing )：ADI 原理：......................................
CPS原理： .........................
CPS的优势： ........................
第三部分关于定量分析 ........................
百胜超声造影技术：.......................
Philips 超声造影技术： ......................
TOSHIBA超声造影技术....................
GE超声造影技术：........................
第五部分常见问题与解答 ......................
1. 问：为什么说西门子的CPS技术是世界上最先进的造影剂成像技术？
2. 问：其他公司都在主推什么造影剂技术？.............
3. 问：目前各公司的造影剂技术在临床应用上大致处于什么水平？
4. 问：目前在国内都能使用哪些造影剂？..............
5. 问：超声造影与CT和MRI 造影相比有哪些优势和不足？.....
6. 问：百胜的CnTI 技术号称MI 最低可达0.01 ，且可以显示直接声压强度的
数值( DP值)，如何应对？.....................
7. 问：百胜和ALOKA等公司都声称已经拥有了造影剂二维双幅实时对比显示的
技术，如何应对？.........................
8. 问：有人说东芝的高级动态血流成像可以看到肿瘤内部的细微血管，分辨率
比CPS好，如何应对？ .....................
9. 问：很多公司都有微血管成像技术，为什么西门子没有？.......
10. 问：CPS技术中的精确微泡爆破技术有哪些方式？有什么用处？
11. 问：在哪里可以获得有关声学造影的临床文章？ ..........
第一部分基础知识
线性与非线性：
数学角度：设有两个变量x 和y，如果可以用y=kx+b（k,b 均为常数）来表示，则称x 与y 之间是线性关系，在图形上x 与y 的这种关系可以表示成一条直线。

如果x 与y 不存在这种表达方式，则二者的关系为非线性。

直观理解：如果x 的改变引起了y 的改变，且二者的变化之间存在固定的比例关系（如同时增大2 倍），则二者为线性关系；否则为非线性关系。

对于超声系统来说，考虑某个介质，如果发射超声信号增大一倍，回波信号也增大一倍，则该介质为线性表现；否则为非线性表现；造影剂微泡在超声照射下将会扩张和收缩，但由于内部含有气体，因此在超声照射下易于扩张而不易于压缩，这就产生了非线性的
回波信号
超声波
机械指数：
超声波在人体内会产生三大效应：热效应、空化效应和声流。

多
I SPTA（空间
数学者认为
峰值时间平均声强）为生物学效应的主要指标，但未能明确表达超声的热效应和空化效应，1995年以后，国际上提出了机械指数MI 和热指数TI 的概念。

机械指数MI（Mechanical Index ）：指超声在弛张期的负压峰值（单位MPa）与探头中心频率（单位MHz）的平方根的比值，用来反映超声在人体内可能造成的空化效应和声流，从而保证安全性。

一般MI 低于1.0 认为无害，但对于特殊检查项目（如眼球、胎儿等）应调至更低。

在进行声学造影时，超声波信号会破坏微泡，减少微泡在体内的存在时间，机械指数用来反映超声信号的强弱。

造影剂原理简述：
1. 血液对超声的反射体主要是红细胞，但常规血液中红细胞对超声的反射非常微弱 (只相当于
组织细胞的千分之一) ，因而无法利用二维灰阶成像的原理来看到血流状况，只能利用红细胞运动时对超声产生的多普勒效应。

2. 造影剂是一种经过处理的特殊微泡，注射后进入血液循环。

微泡在超声作用下产生以下几种表
现
破坏：当MI>0.7 或0.8 时，微泡被超声打破，并在瞬间产生强烈回波信号；
谐振：当0.7/0.8>MI>0.2/0.3 时，微泡产生非线性谐振；
反射：当发射超声机械指数MI<0.1 ，微泡不产生非线性谐振，而表现得像普通的人体组织一样线性振动；
因此，要想观察到造影增强的效果，必须使入射超声满足前两条之一。

3. 造影剂注射后，在不同组织的到达时间不相同，心腔通常在几个心动周期内就会灌注，然后是
心肌，而到达肝脏约需要10~15 秒，到达浅表器官、子宫等脏器则需要半分钟甚至更长时间。

造影剂会随着血流循环至全身各部位，逐渐破坏，最终通过呼吸系统排出，一部分经过肝脏代谢。

4. 造影射通常由肘静脉注射，有两种方式：一种是团注( bolus injection )，有时也称为弹丸注
射，即在短时间内将一定剂量的造影剂迅速注射入静脉；另一种是连续注射，即按照一定速度持续不断的注射入静脉。

造影剂微泡的历史：
早期的造影剂：无外壳的空气微泡，由双氧水(H2O2)或生理盐水经震荡后形成；可以增强多普勒信号强度，但极不稳定，且微泡直径较大，无法通过肺循环，只能用于
右心显影和子宫输卵管造影
第一代商品化造影剂：有外壳的空气微泡，由人白蛋白溶液经过振荡后形成；稳定性有一定提高，且可通过肺循环。

但由于空气的可溶性较大，且在超声照射下微泡极易被破坏，增强效果只能持续几秒至几十秒；主要产品有Levovist, Albunex 等。

第二代商品化造影剂：有外壳包裹的大分子气体（如氟碳气体，六氟化硫等），由于大分子气体不易溶于血液，使造影剂具有更好的稳定性和更均匀的微泡直径，增强效果可持续几分钟，因而可以观察造影剂在组织内进入到退出的全过程。

主要产品有：Sonovue, Optison, Definity, Imagent 等。

为什么要使用造影剂：早期的造影剂仅仅是为了增强超声回波信号，使得二维、M型和血流的显示更加清晰、敏感，随着第二代造影剂的出现，造影剂作为血池示踪剂对组织内部的毛细血管的回波信号的增强，可以直接观察特定组织的二维结构和微循环的灌注和消退情况，由于不同病变常常表现出特定的灌注- 消退过程和增强特征，因此为临床鉴别诊断提供了新的方法。

造影剂的临床应用：
1. 心脏方面可用于显示左室（LVO）或显示心肌（MCE）。

评估左室功能时，检查的准确性有赖于对心内膜的良好描绘。

LVO可显着提高心内膜
边界，从而对于成像困难的病人，把没有诊断意义的结果转变为有诊断意义的结果。

心肌声学造影（MCE）目前已成为研究冠心病的病理和生理的重要手段。

应用领域包
括：评价存活心肌、评价冠脉血管内皮功能、评价介入治疗疗效、测量冠脉储备功能等方面。

2. 腹部方面可用于显示肝脏、肾脏、子宫和卵巢等器官肝脏：显示不同占位性病变（如原发性肝癌、转移性肝癌、局灶性结节增生等）
的血供特点，有助于肝占位性病变的诊断及鉴别诊断；提高肿块与正常肝组织的对比度，有助于小肿块的发现。

肾脏：肿瘤周围有血管环绕，超声造影能提高肿瘤彩色血流检出率。

如鉴别肥大肾柱与小肾肿瘤。

子宫和卵巢：位置较深，低速血流和小血管难以显示。

造影后能够清楚显示子宫肌层和卵巢的彩色血流。

可鉴别卵巢巧克力囊肿、子宫肌瘤、腺肌症等。

产科：观察胎盘的血供情况，诊断胎盘早剥、胎盘植入等。

3. 超声造影在甲状腺、乳腺、术中超声等方面的应用也在不断深入开展
造影剂成像技术的分类：
尽管各公司造影剂成像技术的名称五花八门各不相同，但按照所使用的机械指数高低可以分成两大类。

早期的造影剂成像模式大多属于高MI，而在2000 年左右开始出现了低MI 的成像模式。

高机械指数（High MI）：机械指数高会破坏微泡，但微泡破裂的瞬间可以产生大量非线性信号，因而只能进行触发成像。

该技术由于造影剂用量大，无法长时间观察充盈和弥散的过程，因而逐渐被低机械指数造影成像方式取代。

低机械指数（Low MI）：机械指数低可以减少对微泡的破坏，进行实时连续成像，能够观察造影剂从充盈到弥散的整个过程。

为了在连续注射造影剂时观察再灌注的过程，通常在成像中的某个时刻用高机械指数将微泡全部打破，并将该时刻设为初始状态，然后观察造影剂的充盈- 消退过程。

从初始状态到达峰值的过程称为Wash-in（清空-进入过程）；从初始状态到完全消退的过程称为Wash-in-out （清空- 进入-退出过程）；第二部分Sequoia 平台提供的造影剂成像技
术及功能：
PCI能量对比造影技术( Power Contrast Imaging )：
应用于心脏造影成像，采用高机械指数的超声波打破照射野的部分微泡，利用微泡破坏的瞬间产生的大量非线性谐波信号进行成像，属于间歇成像方式。

采用信号的失相关性( Loss of Correlation )技术，检测多普勒能量信息(能量图) 。

PCI 具备很好的敏感度，但特异性一
般。

PCI 用于心脏
ADI造影剂探测成像技术( Agent Detection Imaging )：应用于腹部造影成像，采用高机械指数的超声波打破照射野的全部微泡，属于间歇成像方式。

采用受激声发射( Stimulated Acoustic Emission )技术，检测回波信号强度(灰阶图)。

ADI与腹部二维成像具有相同的空间分辨率，并可以将组织信号与造影剂信号分离。

但由于高机械指数破坏了造影剂，因此无法进行连续观察。

ADI 用于腹部
CCI 相干对比造影技术( Coherent Contrast Imaging )：应用于全身造影成像，采用低机械指数，对微泡破坏较少，因此可进行连续成像。

CCI 使用单脉冲删除技术( Single Pulse Cancellation )，与二维成像具有同样的时间分辨率，但无法区别组织信号与造影剂信号。

CCI用于腹部和心脏
CPS对比脉冲系列造影成像技术( Contrast Pulse Sequencing )：应用于全身造影成像，是目前超声界唯一的能利用造影剂的全部信号进行成像的技术。

采用极低机械指数，延长了微泡的生存时间。

具备最佳的空间分辨率和时间分辨率，同时能够将组织与造影剂的信号完全分离。

由于使用了非线性基波信号，大
大提高了信号强度，因而可以使用高频探头(最高14MHz)进行乳腺、甲状腺等浅
表器官的造影研究，以及鼠、兔的心脏、肾脏造影的小动物实验等。

CPS用于心脏和腹部
Sequoia 平台Cadence造影成像系列功能：
ADI 原理：
发射
f0
组织响应
f0 2f0
造影剂响应
f0 2f0
发射第一个脉冲（高MI），组织和造影剂均产生基波和谐波信号，但该脉冲会打破造影剂微泡。

因此，在发射第二个脉冲时，造影剂微泡已不存在，只有组织产生基
波和谐波信号。

两次回波信号相减，就能得到纯净的造影剂信号。

CPS原理：
发射脉冲中包括：
第一个波：半波正向，回波中包括组织线性基波（半波正向）、造影剂非线性基波、造影剂非线性谐波；
第二个波：全波反向，回波中包括组织线性基波（全波反向）、造影剂非线性基波、造影剂非线性谐波；
第三个波：半波正向，回波中包括组织线性基波（半波正向）、造影剂非线性基波、造影剂非线性谐波；
三个波形相加，可完全消除组织基波，得到造影剂非线性基波，造影剂非线性谐波所以造影剂的基波不会被抵消，是因为第二次接收的波形中，造影剂基波信号的形式并不是第一次和第三次的相加(非线性的体现) 。

能够在短暂的时间内连续发射振幅和相位都不相同的多个脉冲信号，体现了Sequoia 相干成像的优势。

上图：左侧为回波信号的时域成份，右侧为对应回波信号的频域成份。

注意不同颜色的虚线和实线分别代表组织和造影剂的回波信号成份。

原理中需要明确以下问题：
1. 只要MI 大于一定值(如0.1 )，造影剂只产生非线性信号，不产生线性信号；
2. 组织产生线性基波和非线性谐波；
3. 无论是组织还是造影剂，基波能量明显高于谐波。

4. 与造影剂的非线性谐波信号相比，组织的非线性谐波信号非常微弱，可以忽略不计。

CPS的优势：
1. 基于Sequoia 的相干脉冲发射技术和可编程的波形发生器( Programmable waveform
generator )，同时调整脉冲的振幅和相位，可以在造影剂成像时实现以下技术：精确脉冲整形
(precise pulse shaping) 、动态发射聚焦( dynamic transmit focusing ) 等，从而提高造影图像质量；而其他公司的造影成像技术大多不能与其他先进成像技术同时使用。

2. 基于Sequoia 的相干图像形成技术，可以从组织信号中识别和区分组织和造影剂信号；是目
前唯一能在低机械指数的情况下完全分离组织和造影剂产生的基波信号并实时双幅对比显示的技术，而其他技术只是简单的将全部基波信号去除。

3. 由于造影剂成像时要使用正常组织的灌注情况作为参考，因此在注射造影剂之前对基础灰阶图像的调节非常重要，Sequoia 使用TEQ均衡成像可以快速优化造影剂过程中的图像，节省大量
调节时间，减少操作者对结果一致性和可重复性的影响。

4. 造影剂成像应用频率范围1.5MHz~14MH，z 由于使用了非线性基波信号，大大增加了信息
量，因此可以使用高频探头（最高14MHz）进行浅表小器官（乳腺、甲状腺）的造影成像，及小动物实验（鼠、兔的心脏、肾脏等）研究；
5. 具备精确微泡爆破的控制技术，可以单次爆破、连续爆破等，可以反复爆破并观察造影剂再灌
注的过程，从而最大程度地利用造影剂微泡进行成像；
6. 可以将多普勒能量图与造影剂成像进行融合显示，血管分支结构由彩色多普勒能量图直接显
示，灌注情况由二维灰阶强度信号显示。

7. 全部造影剂成像的过程可以进行编程预设置，从而实现标准化的操作流程。

增加结果的可比较
性。

8. 强大的在线（ACQ）和脱机（CUSQ）分析软件，可对造影剂的成像结果进行时间强度
曲线的定量分析
第三部分关于定量分析
由于超声造影的实时性，使得造影剂从到达到消退的全过程可以连续观察，并保存下来进行定量分析。

目前主要的分析方法是操作者定义感兴趣区（ROI），由系统分析ROI 内部造影剂强度随时间变化的过程，进而得到时间强度曲线（TIC）。

造影剂注射方式不同，时间强度曲线的形式也不同。

团注（bolus ）的曲线是指示剂稀释曲线，包括充盈和消退的过程，而持续注射的曲线上只有充盈过程而没有消退过程。

造影剂到达组织并开始增强这一过程中，时间性非常重要，而时间强度曲线上可以测量某些反映造影剂到达过程的时间参数：
到达时间AT（Arrival Time）：是指造影剂的强度相对初始状态发生显着变化时
（ACQ软件中用阈值常数表示，用户可修改）所经历的时间
达峰时间TTP（Time To Peak ）：从初始状态到造影剂信号强度达到最大值所经历的
时间
TIC 时间强度曲线由于时间强度曲线由采样点组成，直接测量该曲线所得到的参数，重复性和一致性均不够理想，而ROI 的位置变动对曲线上采样点的数值也会产生很大的影响，因此通常将时间强度曲线进行函数拟合。

目前比较常用的函数是指数函数：该函数主要用来拟合连续注射时flash/replenishment 过程的时间强度曲线：在某一时刻用高机械指数将微泡全部爆破，并将该时刻设为计时起点，观察造影剂再次灌注并达到峰值的过程（wash-in ）。

其中主要参数包括：
基础信号强度BI ：是初始时刻信号强度，
增强幅度A：指数函数的极大值与基础信号强度BI 的差值；
β：反映曲线的上升速率。

有时也可以用1/ τ 代替β，此时τ（充盈时间）表示
从BI 增强到A 的63%所需要的时间。

用单指数函数进行拟合的结果
这里需要注意：到达时间AT，达峰时间TTP和峰值强度PI 是时间强度曲线上的特征参数，只与ROI的采样点有关，与拟合函数无关；而基础强度增强幅度A 和上升速率β是指数函数的特征
参数。

因此A和PI 之间不存在固定的数学关系。

另一种可用来拟合的函数是Gamma Variation 函数，形式为：该函数主要用于拟合造影剂团注后的时间强度曲线，表示造影剂清空-进入- 退出(wash-in-out )的全过程。

关于造影剂定量分析所使用的拟合函数和相应的算法不局限于指数函数和Gamma函数，其他几种函数目前仍处于研究阶段。

目前超声设备上提供的分析软件大多数是自动计算
出时间强度曲线和拟合曲线及相应的特征参数值，而其精确度还需要进一步验证。

对于分析软件得出的结果，国内超声界尚未得出普遍意义上的结论。

计算时间强度曲线时可以采用两种信号，一种是使用系统在检波合并后第一次逆运算的线性化信
号（即原始声学信号）；另一种是使用原始信号经过前处理、数字扫描变换DSC 和后处理（如
边界增强、对数压缩等）之后得到的视频显示信号（视频信号）。

视频信号与原始信号之间没有直接映射关系，理论上并不能真实反映ROI 中实际的造影剂微泡浓度，而使用反对数压缩后得到的原始声学信号才更加客观。

但视频信号只有256 个灰
阶（相当于30dB左右的动态范围），这样可以减少过亮的数据点对整个结果的影响。

因此，目前很多研究仍然使用对数压缩后的视频信号进行定量分析。

下表是两者间关系的简化表示：
对数压缩
声学信号（动态范围高）视频信号（动态范围低）
反对数压缩
ACQ软件可以由操作者选择使用对数或反对数压缩的数据。

在造影成像过程中，受操作者手法、病人呼吸等影响，很难保证ROI 位置的固定，因此在ACQ定量分析软件中采用了自动追踪的方法。

这是一种基于互相关技术的匹配方法。

有两种方式供用户选择：刚体方式（rigid body）只将图像进行平移和旋转，而不改变图像内部像素点的相对位置；扭曲方式（warping ）将图像分解成若干小区域，计算每个小区域的帧间互相关，按照最大互相关的原则将帧与帧之间的图像进行匹配。

ACQ软件中操作者可以在这两种方式间加以选择。

但这种自动追踪仅能解决相同平面内的较小的位置变动，对于脏器间发生较大的相对运动，或切面发生改变等情况，均不能取得理想的效果。

因此，在
造影成像过程中，要求切面固定，病人平稳呼吸，否则难以进行定量分析。

扭曲方式示意图
第四部分不同厂家的技术对比
除西门子以外，百胜、Philips 、东芝、GE在声学造影方面也开展了相应工作。

百胜超声造影技术：
低机械指数的谐波能量成像（LM-HPI）：使用低机械指数发射超声波，提取回波信号
中的二次谐波的多普勒能量信息。

应用于腹部。

敏感度高但特异性差，造影剂用量较
多。

造影剂三频段接收技术（C3 Mode）：使用高机械指数发射超声波，提取回波信号中的1/2 次谐波、基波和2 次谐波的多普勒能量信息。

应用于腹部。

减少造影剂用量。

实时造影匹配成像（CnTI）：发射纯的基波信号，接收时主要处理二次谐波信号。

使
用低机械指数。

支持高频探头。

用于全身。

造影剂微血管灌注成像（CMI）：对于微细血管内逐个通过的气泡进行成像的方式，采用累积多帧图像并加以融合的方法，可以显示微血管灌注情况。

可以用彩色多普勒速度
和能量模式显示，支持双幅动态显示和Wash-in-out 分析。

3D+CnT：I 使用带定位装
置的常规探头进行扫描，重建出静态三维图像，该功能与CnTI 造影剂技术相结合，以
获得肿瘤的三维图像。

百胜超声造影的主要问题：
1. 无法利用造影剂的非线性基波频率。

因此，对造影剂的敏感度受到影响，为达到临床需求，
通常要使用比CPS更大剂量的造影剂，或者提高发射功率和机械指数。

2. 进行造影时，百胜所宣传的各种图像优化和后处理功能均无法使用，二维图像噪声较大。

3. 无法在实时状态下完全分离组织和造影剂的信号，因此不支持双幅动态分别显示二维图像和
造影剂图像。

4. 由于百胜的造影剂成像技术发射窄频信号，通常使用的宽频探头在进行造影剂成像时不能最
大程度接收（与探头的品质因数Q有关）。

因此为达到好的成像效果，需要使用专用的造影成像探头。

大大增加购买设备的支出。

5. 3D造影：仅能获得静态3D 效果，无法观察不同时相的情况；3D成像依赖外接的定
位装置。

Philips 超声造影技术：
Philips 造影剂技术由ATL和HP分别独立开发，在ATL的HDI 5000上使用的技术包括PIH, PPIH, ADI, MVI, 在HP的SONOS 5500上使用的技术包括PMI, MPP 等。

脉冲反相谐波成像PIH：发射两次相位相反的超声信号，抵消基波，保留谐波，相比以
往的造影剂谐波成像技术，可以使用宽频信号进行成像，提高轴向分辨率。

可用于高MI 和低MI。

在两组发射波形之间，组织本身如果发生微移，基波将不能完全抵消，形成噪声，在造影图上将发生背景增强的现象。

而理想状况下，造影剂到达以前背景图像应当
是全黑的。

能量脉冲反相谐波成像PPIH：发射三组以上的脉冲信号，组织运动使得每个信
号相位间隔相差一个很小的角度，通过小角度公式的近似计算，可以迭加消除组织运动
造成的相位差，保证基波被抵消时不会有太多剩余。

该方法显示造影剂的多普勒能量信
号，用于高MI 成像。

造影剂探测成像ADI：与西门子ADI 技术类似；
微血管成像MVI：微血管中的微泡和红细胞均只能单个通过，不能与组织之间形成足
够的信号强度差异，难以直接从组织背景上观察到，但由于微泡在微血管中运动很慢，
可以将连续多帧图像迭加在一起并加以显像。

这个过程类似于化学中用电子云来描述电
子的运动方式。

能量调制技术PMI 和多脉冲处理技术MPP：发射不同幅度的脉冲信号，按比例放大
到相同幅度后相减，由于组织的线性特性和造影剂的非线性特性，消除组织信号而保留
造影剂信号。

应用于实时MCE造影
TOSHIBA超声造影技术
ADF高级动态血流成像：宽频带血流显示技术，提高血管显示的敏感度和信噪比，
注射造影剂后能够看到更为丰富的血管网络。

高MI 用于全身；
高级动态血流成像
VRI血管识别成像：用常规多普勒速度图显示大血管，用绿色显示灌注信号；用于腹部的低MI 成像方式；类似复合CPS成像；
VRI 血管识别成像
1.5 次谐波成像及1.5RSI 比率减影谐波成像：高MI 成像用于心脏；
MFI 微细血流成像：参见Philips 的MVI；
MFI 微血管成像
FEI 闪烁回声成像：类似Flash 的高MI 心脏造影
PSI脉冲减影造影剂谐波成像：类似脉冲反相谐波，适于低MI 的心脏实时造影；到达时间成像：用不同颜色编码显示造影剂不同的到达时间；
到达时间成像
GE超声造影技术：
CPI 编码脉冲反相：低MI 用于全身，支持L9/L7/VV7 平台；
Accumulation 模式：类似Philips MVI
TAD PI- TruAgent Detection/Phase Imaging ：低MI 用于腹部，类似彩色取样框，
可进行双幅对比显示（二维/ 二维+造影剂）
TAD PI 模式。