超聲影像診斷技術在醫(yī)學上的應用

超聲醫(yī)學影像設備經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展歷程,特別是90年代以來隨著醫(yī)學、機械材料、計算機、電子工程技術的飛速發(fā)展，超聲診斷儀器的性能不斷提高、功能不斷完善、用途不斷擴展?，F(xiàn)在，沒有一個醫(yī)院可以離得開超聲影像診斷技術，超聲影像診斷具有高空間分辨率、高軟組織對比、實時快速成像、操作方法簡便、無禁忌、無損傷、可重復、可提攜和經(jīng)濟等特點，它與CT、MRI、同位素顯像一起構成了臨床醫(yī)學中必不可少的四大影像診斷技術。

超聲影像診斷技術在醫(yī)學上的應用概況

超聲影像診斷技術在醫(yī)學上的應用始于上世紀中期，開始只是利用A型超聲儀檢測離體臟器的厚度，并進行一些臨床疾病診斷的探索;繼之利用M型超聲儀探測正常人和風濕性心臟病患者的心臟;直至70年代初期，可以顯示臟器和病變形態(tài)結構變化的B型超聲顯像技術應用于臨床，從此翻開了臟器二維切面超聲成像檢查技術的新的一頁。80年代中期彩色多普勒超聲診斷儀問世，由于它可以顯示臟器和病變的形態(tài)結構與血流動力學改變的雙重信息，又將超聲影像診斷技術水平向前推進了一步。直到9 0 年代計算機數(shù)字技術的廣泛應用，醫(yī)學超聲三維成像技術的研究成功，使得超聲影像診斷技術進入了一個較高水平和新的發(fā)展階段。也就是說，從上世紀末到本世紀初，超聲影像診斷技術的發(fā)展是驚人的，它取得了許多重大的技術性突破?？v觀超聲影像診斷技術的發(fā)展過程，是一個由“點”(A型超聲)→ “ 線” (M型超聲) → “ 面” ( 二維超聲)→“體”(三維超聲)的發(fā)展過程;是一個由一維陣向到二維陣向朝三維陣向的發(fā)展過程;是一個由靜態(tài)成像向?qū)崟r動態(tài)成像的發(fā)展過程;是一個由單參量診斷技術向多參量診斷技術的發(fā)展過程;也是一個由解剖結構形態(tài)影像向解剖結構功能影像、代謝影像、酶和受體及基因表達成像融合的分子影像的發(fā)展過程。

數(shù)字技術在超聲影像診斷設備中的應用

超聲診斷儀的數(shù)字化，從數(shù)字掃描轉換器開始到今天的超聲發(fā)射、接收、成像過程的全數(shù)字化，數(shù)字技術已為高性能超聲影像診斷設備普遍采用，如探頭新型編碼發(fā)射接收技術、數(shù)字化聲束技術、數(shù)字式延時技術、動態(tài)變跡技術、動態(tài)電子聚焦、動態(tài)孔徑技術等。數(shù)字技術的發(fā)展和應用還促進和帶動了超聲影像診斷設備的高性能、智能化和小型化。高性能的超聲影像診斷裝置不僅能夠滿足臨床疾病診斷的各種需求，而且能夠深入開展相關基礎理論和臨床醫(yī)學研究，從而進一步促進了超聲影像診斷技術從單純形態(tài)學向形態(tài)生理與功能學及分子影像學方向的發(fā)展。智能化可實現(xiàn)一鍵操作，如一鍵多功能，既可調(diào)節(jié)TGC、接收增益、動態(tài)范圍，又可調(diào)節(jié)速度標尺，多普勒基線等眾多參數(shù)，從而避免了檢查過程中復雜、繁瑣的調(diào)節(jié)操作。在保證所需功能前提下的超聲儀器小型化，其裝置結構簡單，如筆記本電腦大小，無論是床邊檢查還是出診或急診的現(xiàn)場搶救檢查，更能體現(xiàn)出超聲影像診斷技術的重要臨床地位和價值，同時，也拓寬了超聲診斷技術的臨床應用范圍。另外，隨著信息高速公路的興起，通訊和網(wǎng)絡技術的廣泛應用，目前不同廠家、不同機型的超聲影像診斷設備都設有DICOM3.0標準接口。在DICOM3.0標準中，不僅涵蓋了與醫(yī)學影像學直接相關的數(shù)據(jù)字典、信息交互、網(wǎng)絡通訊、介質(zhì)存儲和文件格式以及顯示打印、管理等方方面面的內(nèi)容，而且還有逐步覆蓋整個醫(yī)療環(huán)境中容量和數(shù)據(jù)信息交換的趨勢。也就是說可以將超聲影像診斷設備或連同超聲影像工作站一起融入醫(yī)院圖像管理與通訊系統(tǒng)(PACS)，甚至融入整個醫(yī)院的信息系統(tǒng)。

超聲影像診斷儀探頭技術的發(fā)展

探頭又稱為換能器，它是超聲影像診斷儀中最重要的部件之一，其主要作用是將超聲發(fā)射到人體后再接收人體中的超聲回波信號。高性能、高品質(zhì)的探頭不僅是獲得高質(zhì)量圖像的前提，更是各種新的超聲成像方法的技術保證。探頭的結構一般是由主體、殼體和導線三部分組成，其中壓電材料(晶片)是主體的核心。從單晶片、多晶片發(fā)展到數(shù)十個、數(shù)百個甚至千個以上的晶片，同時由若干個晶片并聯(lián)起來組成的探頭陣元數(shù)都在不斷擴展。目前，探頭的主要發(fā)展趨勢是新材料、新工藝、多陣元(高密度)、高頻、寬頻帶和專用。新材料：主要包括復合材料和有機薄膜材料;新工藝：就是將壓電陶瓷和高聚物按一定的連接方式，一定的體積比例和一定的空間幾何分布復合而成，具有高靈敏度、低電阻抗(有利于與人體組織間的匹配)和較低機械品質(zhì)因素(有利于頻帶的展寬)等優(yōu)勢; 高密度： 1 維(256陣元)、1.5維( 8 × 1 2 8 陣元) 、2維(60×60陣元);高頻： 3MHz - 7MHz頻率的探頭用于診斷腹部和心臟疾病，10MHz-15MHz頻率的探頭用于淺表臟器的檢查，20MHz-40MHz頻率的探頭用于眼和皮膚的超聲成像，而100MHz-200MHz頻率的探頭主要用于超聲顯微鏡; 寬頻帶：寬頻帶是指換能器工作頻率的上下限范圍，它可實現(xiàn)使用一個探頭檢查時由淺到深發(fā)射和接收由高到低不同頻率的超聲回波信號，同時，也是實現(xiàn)頻域復合成像、諧波成像和其它一些非線性成像新技術的重要保障;專用：就是將探頭制成特殊形狀，如專門用于食道、直腸、陰道、尿道、膀胱、腹腔、血管等檢查的專用腔內(nèi)探頭。

超聲影像診斷中幾種新成像技術的發(fā)展

1. 超聲三維成像技術

超聲三維成像技術是超聲診斷技術領域的一項重大突破，是臨床超聲正在興起的一項新技術，它可獲得三度空間上的圖像信息，從而彌補二維平面成像技術的不足。三維成像技術根據(jù)成像原理可分為觀察非活動臟器的靜態(tài)三維成像和觀察心臟形態(tài)結構及其活動的動態(tài)三維成像與實時三維成像。靜態(tài)三維成像是采用二維探頭進行旋轉掃描或扇掃掃描，在一定時間內(nèi)獲取若干個切面圖像饋入計算機內(nèi)進行圖像重建，顯示出器官的三維立體圖，重建后的圖像清晰，邊界清楚，表面輪廓與深淺立體感強，器官與病變的形態(tài)具有特征性，主要用于對器官內(nèi)有液體存在或探查對象周圍有液體環(huán)抱者，如肝腎囊腫與膿腫、膽道結石與息肉、腎積水和腫瘤等;對胰、十二指腸三維圖像重建，可觀察胰頭與周圍組織的立體解剖結構，有助于胰頭及膽總管病變的診斷;血管三維重建可實現(xiàn)沒有實質(zhì)組織反射的血管樹樣圖像，有助于了解臟器內(nèi)的血管走向、分支狀況、有無畸形、血栓形成等情況;對于沙盤樣結構病變?nèi)鐫?、胎兒面部畸形、臍帶繞頸等也有鮮明的特點。另外，三維超聲成像可以向醫(yī)生提供腫瘤病灶在體內(nèi)的空間位置及三維形態(tài)，從而為超聲引導介入性治療提供更準確的定位信息，有助于改善和進一步提高臨床治療效果。

隨著高速掃查和采樣技術的發(fā)展，在靜態(tài)三維成像的基礎上加上心電圖同步技術的時間參量，則可實現(xiàn)準實時方式顯示的動態(tài)三維成像(也稱四維參量);如果再加上速度信息，即可實現(xiàn)實時三維成像(又稱五維參量)。動態(tài)三維成像可以顯示大血管的起源、位置、方向及前后左右關系，觀察有無缺損并判斷缺損部位、形態(tài)大小，提供復雜、疑難先心病的診斷與鑒別診斷;可以準確顯示心臟立體形態(tài)，更精細地測定心臟功能，觀察室壁節(jié)段性運動失常部位、范圍與程度，提供冠心病的診斷與治療依據(jù);可以顯示瓣口的整體結構，對診斷瓣口狹窄與關閉不全，尤其是二尖瓣瓣裂與脫垂、腱索斷裂等瓣膜疾病有重要意義;還可以顯示心內(nèi)血流的立體動態(tài)圖像，對觀察血流方向、返流與分流有重要意義?？傊?，動態(tài)三維成像技術從不同方位觀察心臟的各種結構的立體形態(tài)、空間關系、活動情況與血流動態(tài)，從而大大提高了臨床診斷的準確性。

2. 寬景超聲成像技術

寬景超聲成像技術又稱超寬視野成像、拓寬視野成像或全景超聲成像技術，它是通過探頭的移動獲取一系列二維切面圖像，利用計算機重建的方法再把這一系列二維圖像拼接成為一幅連續(xù)超寬視野的切面圖像。寬景超聲成像技術的主要特點是可以提供更好的結構層次與空間關系，清晰地顯示病變位置、大小、范圍、內(nèi)部回聲及其毗鄰，定量準確地測量臟器大小和體積較大的病灶或腫物，較好地展示和延伸管道結構，存在的主要不足則是會受到組織或器官運動的干擾影像致使圖像模糊。寬景超聲成像技術已被廣泛應用于胸腹部、婦產(chǎn)科、乳腺、甲狀腺、睪丸等小器官以及肢體軀干的肌肉、血管和周圍神經(jīng)疾病的診斷。一幅寬景超聲圖像可以完全顯示整個乳房，獲取的圖像形態(tài)與乳房自然形態(tài)相同，乳房解剖層次清楚，病變特征明確，不同組織結構成像反差明顯，并可以清楚顯示隆胸手術填充材料與胸大肌、乳腺腺體之間的關系。一幅寬景超聲圖像還可以獲得常規(guī)二維超聲無法獲得的整個胎兒全貌，甚至包括胎盤在內(nèi)的完整結構，對于多胎妊娠、胎位的判斷、羊水量多少與分布的評估、胎盤的定位、測量與分級等均有重要價值。特別是肢體軀干軟組織采用高頻線陣探頭大范圍迅速體層掃描，則可以獲得一幅從皮膚、皮下組織、肌肉、肌腱、血管、周圍神經(jīng)干以及骨膜的正常和病變體層解剖寬景圖像，且各層結構特征一目了然。寬景超聲成像技術具有很大的發(fā)展?jié)摿土己玫膽们熬埃Y合常規(guī)實時灰階和彩色多普勒超聲會使現(xiàn)代超聲診斷技術更趨完善，同時，也為超聲CT的研究和應用奠定了基礎。

3. 分子影像技術

分子影像學是借助現(xiàn)代影像技術，以分子生物學為基礎，從分子水平研究和觀察疾病的發(fā)生，發(fā)展中病理生理變化和代謝功能改變，即從細胞和分子水平上確定和描述活體生物過程的一種成像方法。分子影像學這一專業(yè)術語最初出現(xiàn)在上世紀90年代的中后期，并于1998年由美國國家癌癥研究所正式提出和應用。分子影像學與傳統(tǒng)的成像方法不同，它所揭示的是導致人體疾病的細胞和分子異常，而不是細胞或分子發(fā)生改變后所導致的最終解剖組織結構異常。臨床上，由于許多疾病在臟器組織出現(xiàn)病理改變之前，其功能或細胞分子就發(fā)生了明顯的改變，因此，通過細胞分子成像技術不僅可以更早地發(fā)現(xiàn)和確定疾病，還可以對疾病的治療效果直接做出細胞和分子水平的評價，從而對疾病的發(fā)生、發(fā)展和治愈過程建立起一個全新的科學性認識。超聲在分子成像中通過單克隆抗體、多肽分子等靶向微泡對比劑，可以用于心血管、腫瘤等的靶向診斷，血栓、粥樣硬化斑塊等的治療和藥物、基因的輸送。微泡和聲學活性物質(zhì)可作為超聲成像靶向?qū)Ρ葎瑪y帶靶向配基，可與活體細胞結合，用作分子成像和治療，靶向微米/ 納米氣泡開啟了分子影像的一個新的前緣。分子影像學是分子生物學、生物化學、納米技術、基因工程技術、數(shù)據(jù)處理和圖像處理等技術多學科結合的成果，也是現(xiàn)代醫(yī)學影像技術的革命性發(fā)展和未來發(fā)展的必然趨勢。

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