一 引言
近年來在超聲診斷的各技術領域都取得了重大的技術突破和發(fā)展。如應用新型壓電材料拓寬了換能器的帶寬，單脈沖技術、多脈沖技術或多線技術等多種調制脈沖特性的技術的應用，提高了空間分辨率和穿透力；非線性成像技術運用組織或造影劑諧波成分成像；運用多種不同方式從接收信號中的基波頻帶中分離利用諧波信號；多普勒模式也得到新的發(fā)展，灰階血流成像技術允許血流和組織同時顯像。上述各種技術組合應用提高了組織對比分辨率，減小了人工散射小體的干擾。三維成像技術現在已普遍運用，同時最近四維成像技術已經被提出。彈性圖成像技術還在評價之中，但已經展現出出色的臨床價值。最新的 DICOM 技術規(guī)范標準的發(fā)布，使得超聲影像更加容易集成到 PACS 系統(tǒng)中（圖片存檔及通信系統(tǒng)）。所有這些技術進步使得超聲診斷的臨床貢獻和作用得到進一步的加強和發(fā)展。
近十年來，超聲工程學的發(fā)展使得臨床技術達到前所未有的進步。醫(yī)師們可運用超聲診斷儀實現他們夢寐以求的診斷效果，使其在診斷過程中發(fā)揮更大的作用，成為一種較為重要的醫(yī)學影像技術。
本回顧文的目的是對那些被臨床醫(yī)師廣泛使用的超聲技術領域的一些重要進展進行概括性總結。
二 信號傳輸過程的進展
1 ． 寬頻帶換能器的進展
近幾年來，一系列低聲阻抗、高電耦特性的新壓電材料被發(fā)明出來，相關的阻抗匹配層和背底吸收層材料性能也得到有效改善，以使換能器陣元震動的傳導基本不受影響。例如，可以改變厚度和形狀的陶瓷材料或者多層換能器（ Hitachi ）被普遍應用。這些技術的進展有助于形成具有精確的頻率、振幅、相位、脈沖長度的超聲波脈沖。
這些技術的發(fā)展促使了超寬頻換能器的廣泛面世。其具有以下優(yōu)點：更短的脈沖長度，更寬的脈沖帶寬都可以使超寬頻換能器在實際應用中的軸向分辨力得到更大的提高。同時更短的脈沖長度可以提高超寬頻換能器的信號傳輸頻率以增強近場觀察效果，反之更低的工作頻率有助于提高對于遠場的穿透力。另外，一個重要的細節(jié)是，諧波圖像的形成需要換能器的超寬頻帶可以響應至少兩次諧波以上的脈沖頻率。
2 ． 向更高的傳輸頻率發(fā)展
新型壓電材料制作的換能器由于在更前級實現數字化，具有更佳的回波信號分析能力，并降低了噪聲，可以應用更高的工作頻率進行成像。在獲得更好的軸向分辨力和橫向分辨力的同時，仍保留了良好的穿透性。例如現在可以用大約 7MHz 工作頻率的探頭觀察成人的肝臟。
高頻超聲（ ≥20MHz ）的研究是另一個迅速成長的領域，其不斷推廣應用于諸如皮膚科、口腔科、眼科、肌肉骨骼系統(tǒng)疾病的診斷。（圖 .2 ）例如初步發(fā)展的研究包括：對直徑 100-300μm 血管中極低速血流（ ≤0.5mm/s ）的測量觀察。超高頻（ ≥50MHz ）超聲的研究，包括三維成像技術對于眼角膜及眼前段構造病變的精確描繪和測量也是非常有價值的；但是，雖然多種不同的專用換能器已經應用于科學研究，但是它們中的大多數還沒有達到商業(yè)應用。
3 ． 調制脈沖和掃描線
如前所述，新型壓電材料具有靈活調制功能，發(fā)出脈沖的頻率、帶寬、振幅、相位、脈沖長度都可調。脈沖的相位變化只有相對于參考波形或者其他脈沖才能顯示出來。這在應用中可以通過相鄰振元發(fā)出的脈沖的相位變化，構成多線束形成器（如 Acuson 公司的 coherent image formation ）。
不同的商業(yè)公司開發(fā)了多種多樣的脈沖調制方法，但是，技術細節(jié)通常是不公開的。我們以下介紹一些近來發(fā)明的具有重大影響的超聲技術。這些新方法是根據換能器發(fā)出脈沖數量或掃描線數來分類的。
a. 單脈沖技術
基于單脈沖技術，脈沖調制通過以下方法實現：
（ 1 ）通過減少發(fā)射脈沖的頻率帶寬，限制基波頻率與諧波頻率的重疊，通常減小發(fā)射頻率的帶寬可使脈沖加長而使軸向分辨力受損。但波形經過精確調節(jié)發(fā)出的脈沖可以準確地區(qū)分基波和諧波，從而得到軸向分辨率很好諧波圖像（圖 .3 ）。
（ 2 ）發(fā)射一個線性調頻脈沖（ Acuson ），即發(fā)射一個長的，經過特別調節(jié)的脈沖（線性調頻脈沖），在其發(fā)射期間改變頻率和振幅。當接收回波時，回波經過濾波器，該濾波器是按照發(fā)出脈沖的精確時間反轉復制的。濾波器輸出的信號是一些 “ 高而窄 ” 的小散射體，其效果是聲波穿透力提高，提高了信噪比，圖像軸向分辨率也得到很大提高。
b. 多脈沖技術
編碼發(fā)射模式（ GE ， Esaote ）：掃描儀發(fā)出的不是單脈沖信號，而是有序編碼的 8-22 個短而高頻的，具有不同相位的調制脈沖信號。比較處理發(fā)射脈沖和接收信號時應用匹配濾波器（解碼器）以很高的采樣頻率進行后處理。（圖 .4 ） [7] 。這一技術很早已經應用于雷達和聲納應用，以提高成像穿透力，且不削弱軸向分辨力，并可提高發(fā)射峰值電壓。
多脈沖技術基于發(fā)射反相位連續(xù)脈沖。一種方法叫做反相脈沖技術（ ATL-Philips ）或者叫做反相位技術（ Siemens ），兩個相反極性脈沖沿著同線發(fā)出。這兩個信號的回波在線性響應性組織中因相互消減作用而減小，使得在非線性組織中的響應性相對加強（圖 .5 ）；但在彩色多普勒技術中，由于基波的頻率變化可以偽裝成諧波，從而對這種方法造成干擾。
另一種方法叫做幅度調制技術（ Agilent ），發(fā)射兩個相位、振幅不同的脈沖，一個脈沖的振幅是另一個脈沖振幅的二分之一。在非線性組織中半幅度脈沖得到加強使幅度升高，被檢測電路優(yōu)先接收，從而使非線性組織影像被加強。
現在可見許多復雜的多脈沖技術。例如，在發(fā)射出兩個反相脈沖后，再發(fā)出一個與第二個脈沖反相的脈沖。這一技術叫做能量反相脈沖技術（ ATL-Philips ）（圖 .6 ），它基于能量多普勒的漂移計算。兩個脈沖間的延遲時間非常短暫，假設移動目標在捕獲過程中恒定不變。這種技術看來有助于減少移動和閃爍的物質的影響，更好的區(qū)分組織與背景。它主要應用于造影劑增強超聲掃描技術中。
除前述的幾種方式，多線技術的發(fā)展幾乎可以排除多脈沖技術造成的幀頻降低的缺點。
c. 多線技術
運用多重的射束形成器技術（ beamformers ），可直接集成分析相鄰近線束的相位差信息。這也是超聲技術領域的一項重大突破。例如，我們可把兩束鄰近的線束產生的回波信號的振幅和相位信息進行疊加處理，以抵消基波信號，加強諧波信號。這稱為脈沖消減技術（ Acuson-Siemens ）（圖 .7 ）。這種方法優(yōu)點是既可以保持幀頻不降低，又可以減少運動偽影。
4 ． 空間分辨率的提高
在動態(tài)聚焦發(fā)射模式（ Acuson-Simens ）中，邊緣振元所發(fā)出的脈沖較中央振元的激發(fā)脈沖更長，使得超聲射束聚焦于聲場內兩個不同的點，從而提高了側向分辨力。所形成的組合脈沖波形仍然是短的激勵脈沖，所以軸向分辨力亦未被削弱。
如何提高超聲遠場厚度成像分辨率是一個巨大的挑戰(zhàn)。造影劑成像和三維成像應用都迫切需要換能器提供更均衡圖像厚度層，更細膩的成像性能。采用一個稱為 1.5D 傳感器（ GE ， Simens ）的，其具有三到七列平行排列的陣元，在這方面取得了一些進步。這種方法可以在 z- 平面調節(jié)聚焦，提高了空間分辨率和對比度，降低了容積偽影效應，但是這需要運用更多的信道數。
另一種方法是添加一個特殊聲學透鏡，一個 Hanafy 透鏡（ acuson-simens ），通過運用厚度可變晶體產生一個薄的，厚度均衡的成像層，同時，其具有非常寬的頻帶。在發(fā)射和接收信號過程中，在晶體共振區(qū)外產生低頻信號也可被聚焦，在深部組織中，低頻信號的穿透能力更強。焦點中心部分更細小，產生高頻共振，焦層面更薄。
三 信號接收過程的進展
1． 非線性諧波成像
Schrope和同事們在1992年對造影劑產生的諧波進行了研究。這一成果備受關注，它大大的推動了造影劑在常規(guī)超聲波檢查中的運用。
a. 諧波的基本原理和特性
超聲波脈沖包含一定的頻率范圍，其以“過零點”頻率為中心頻率。當這些脈沖在組織里轉播的時候，它們的頻譜被多種的機制改變。最明顯的變化是，由于高頻成分的迅速衰減，導致了中心頻率向低頻偏移。另一機制為非線性傳播導致更多的高頻信號生成。在任一瞬間，壓力波峰的傳播稍快，因為在加壓組織中較在松弛組織中聲波傳播的速度是不一樣的，這也增加了諧波的產生。雖然，使脈沖波形產生微小畸變的諧波信號非常微弱，并保存很少，但聲波在組織傳導過程中，諧波成分會不斷累積加強。諧波成分的振幅與組織的非線性參數B/A有關，其是組織的固有特性之一。
組織諧波在皮膚層的強度實際為零，隨著深度增加而增強，直到深度到達因衰減使其幅度再轉為下降的點為止?？墒牵谒猩疃?，組織諧波強度總低于基波強度。組織諧波成像技術可以使用較低頻的波束，因為生成用以成像的諧波的波長很短。使用自動聚焦成像時，影像中心區(qū)的諧波信號較強，這是因為聲束中心區(qū)聲壓最強。造成圖像信號噪聲干擾的是體壁，如脂肪和皮層厚度等含水成分層是造成聲束失真和散射的主要原因。另外，波束與層厚的側向旁瓣波產生的混響等也是造成圖像欠清的原因。但是，造成失真、散射的能量，遠遠低于信號發(fā)射的能量，因此其產生的諧波干擾還是較弱的。最終，組織諧波成像較基波成像所含有的干擾較小，因此，諧波成像模式對病灶具有較高的檢測靈敏度。
當使用造影劑時，超聲脈沖與造影劑微泡作用產生較強的諧波的成分，這一應用得到了廣泛的發(fā)展。
b. 圖像重建
諧波圖像形成于利用組織中產生的諧波成分并取消發(fā)射聲能直接反射回來的基波回波信號（圖.12）。這一成像方式要求應用超寬頻換能器以準確的發(fā)出和接收寬頻帶信號；但是，要區(qū)分諧波成分和基波成分就需要限制發(fā)射脈沖的帶寬，這將導致軸向分辨力的降低。
應用接收濾波器可以濾除純粹的基波信號，而利用保留的諧波信號重建圖像。這個諧波濾波器必須與諧波頻帶完全匹配，而徹底濾除基波頻帶信號，以防止來自于基波的噪聲和干擾。
使用一些特殊的技術可以進一步分離兩個頻帶，以加強諧波圖像的顯示。這些技術前面已經列舉，包括精確調節(jié)脈沖、多脈沖等技術，如反相脈沖/相位，單脈沖取消技術。通過臨床研究表明，這些成像技術的應用對區(qū)分正常及病態(tài)組織有顯著的幫助。
近來還發(fā)展了另外一些新技術，以增強對比顯示，這基于以下兩個原理。一種技術稱為超諧波技術（Agilent），它運用射頻濾波器，濾除組織諧波信號。射頻濾波器的用處是在二次諧波和三次諧波中減少不需要的組織信號。這意味著要應用超寬頻換能器以應答較二次諧波頻率更高的信號。其目的是減少運動干擾，同時提高了側向和軸向分辨率。另一技術為分頻諧波技術，它是利用造影劑微泡產生較多的次級諧波來進行成像。
2．多普勒技術
方向能量多普勒技術（Toshiba，Esaote，ATL-Philips，GE）是正、反向血流在估算信號功率之前被區(qū)分。這一技術實現了對流向進行實時二色階編碼顯示，但是不能像彩色多普勒模式那樣提供血管內的血流動力學細節(jié)。但是，其對血流有更高的敏感度，且能量模式對角度的依賴性較小，它對血流的方向的描繪在某些情形下對診斷是有幫助的。
它還可用于計算多普勒頻移，持續(xù)采集觀察諧波和反相脈沖，形成諧波能量模式和反相脈沖能量多普勒技術（ATL-Philips）。通過臨床評價，這一模式可以有效地通過微泡反射的諧波獲得更好的成像，并有效地消除基波干擾。
3． 灰階血流成像技術
灰階血流成像技術基于 B模式，允許血流和組織同時成像，沒有通常多普勒模式中的閾值限定和色彩覆蓋等問題。B-flow（GE）技術的作用是比較從很短的時間間隙中發(fā)出的一雙經過有序編碼的脈沖信號。如果在兩個脈沖信號之間血液細胞產生運動，那么兩個脈沖串的回波信號會有少許差異，把它們相減，將不會完全抵消。相減后的存留信號被加強，顯示為運動影像。信號亮度取決于血流回聲強度和血流速度，但表現為非線性關系。
Scieflow（Siemens）的原理與其基本類似，都是通過對運動目標的回波信號進行放大而獲得影像。
4． 灰階多普勒成像
動態(tài)血流技術（Toshiba）基于寬頻帶多普勒技術，成像分辨率近似于B模式灰階成像。它可以使用，也可不使用造影劑成像。發(fā)出兩個脈沖信號后，可以通過特別算法檢測到血液細胞和或造影劑微泡，這要結合使用自適應濾波器和數字式運動微粒信號消除器。這樣，對于小血管顯示的敏感性和時間分辨率更高。
四 復合成像，均衡成像，擴展視野采集
1． 復合發(fā)射
復合成像的原理是把通過不同空間方向所獲得的圖像進行匹配合并而重建出更清晰的圖像，如[SonoCT （ATL-Philips），Scieclar（Siemens），Sonoview compounding （Toshiba）；圖14]都是利用此種技術。數字化聲波束形成器可以控制探頭換能器陣列同時從五到九個轉向角分別各自實時直接進行采集。復合成像技術可以降低圖像上的斑點、雜亂信號等影響圖像清晰的噪聲，提高了正常軟組織及損傷組織的對比分辨率，而不影響空間分辨率等其他的成像性能。復合成像還可減少在強反射分界面的陰影成分，如器官邊緣、血管壁、肌腱和韌帶，因為它們在掠射角的反射很微弱。
同時發(fā)射兩個不同頻率的脈沖技術（復合頻率脈沖發(fā)射技術；Acuson-Siemens）除了可以減小噪聲、光斑干擾外，還可以得到更好的對比分辨率。
2． 圖像的均衡
圖像的后處理方法有多種，評價圖像后處理的好壞主要看在不同方向的圖像是否均勻。通常用兩種方法來解決這個問題。一種手段以數字圖像優(yōu)化技術（Toshiba）和自動組織優(yōu)化技術（GE）為代表，對圖像中感興趣的區(qū)域進行直方圖灰階分析，計算出灰階轉換函數，調節(jié)每個象素的對比度、亮度和增益，以建立最優(yōu)化的視覺圖像。另一種手段為組織均值化技術（Acuson-Siemens），它對局部的圖像進行自適應分析，統(tǒng)計雜散斑點并區(qū)分熱噪聲，逐區(qū)域的進行側向增益、深度增益及總增益的調整。當應用高頻傳輸發(fā)射成像的時候，以降低信號失真并保持最佳動態(tài)范圍為原則調節(jié)不同深度的增益，這是數字自適應增益調控技術（Esaote），同樣可以提高圖像的均勻性。
3． 擴展視野影像采集
擴展視野的采集處理包括Sciescape技術（Siemens），以及最近出現的自由采集技術（Acuson）、全景采集技術（ATL-Philips）、LOGIQview技術（GE）、全景觀察技術（Toshiba）等。這些技術都是通過影像自身數據獲取探頭的相對位置信息，通過手持探頭漸進移動掃描獲得全程數據，重建出寬幅圖像。這種寬視野模式在灰階成像和能量圖成像時都可以應用。
五 三維成像
許多公司現在都提供3D影像功能。其挑戰(zhàn)和主要技術區(qū)別是如何對掃描體積內的每一層圖像進行定位，今后的發(fā)展也是要在不斷改善2D灰階影像的基礎上提高3D影像質量。目前3D功能主要應用在婦產科和心血管檢查，但技術的發(fā)展將使其應用到神經、腦、前列腺和消化道系統(tǒng)等領域。
1．3D超聲采集
圖像的采集通常都是通過徒手掃描獲得的，這就需要一個分離的定位傳感器對超聲探頭的空間位置進行編碼。目前常用磁場進行定位，把一個小傳感器安裝在超聲探頭中；但是，這一磁場系統(tǒng)容易受金屬物質（例如金屬床、金屬器件）等因素的干擾，造成局部電磁場失真，影響位置測量精度。徒手3D掃描過程中的定位測量同時也需要應用基于超聲圖像數據的綜合的三維定位測量技術來完成。
第三種方法是使用含有機械驅動裝置和定位傳感系統(tǒng)組成在一起的專用超聲探頭進行掃描，其可完成楔入、直線和旋轉掃描。這樣，每個掃描片段的相對角度都被精確地測量，合成的掃描結果失真最小。
最新的技術發(fā)展是通過具有并行采集和處理功能的多維或鑲嵌陣列探頭操縱聲束進行體積掃描，可以得到實時三維數據。在探頭的二維陣列陣元中，行數和列數相同，亦即64×64，共計4096陣元。盡管這一技術看來是非常有潛力的，但龐大的數據處理和存儲量對技術的要求非常復雜，這仍限制其發(fā)展。
2． 三維重建
近幾年來，用戶界面顯著改善，很多的超聲設備可以更容易地顯示和操控體積數據。無論什么采集技術，有些形式的內插法仍需要對采集到的圖像的體積數據進行添減處理。數字化存儲的體積數據能夠進行多平面陣列的顯示，可以同時顯示物體的三個垂直平面：軸向面、矢狀面、冠狀面?？梢匝刂渲腥我馄叫衅矫鏉L動觀察，還可旋轉到任意平面觀察最感興趣的結構。數據資料也可通過多種不同的繪制算法被顯示為具有真實現實感的三維圖像，如最大密度投影算法和表面透明覆蓋算法等。
其他有潛力的進展包括：顯示三維圖像的體積測量的全息攝影，或建造虛擬真實模型。便于通過互聯網或影像存儲與通訊系統(tǒng)存儲和傳送，以便后期分析或遠程專家會診。這些在非專有工作站上的分析結果是否像通常在專用工作站上的成像一樣有用目前還不清楚。
3． 心電觸發(fā)和四維成像
心電圖的觸發(fā)允許在心動周期的恰當時刻同步采集數據，無論在實時采集或者以回顧性方式。呼吸門控技術也在心臟檢查方面受到關注，特別是做經食道檢查時。兩種觸發(fā)技術延長了數據采集的持續(xù)時間。但最新發(fā)展的超快速、連續(xù)旋轉掃描的相控陣探頭可以打破這些限制。這些新技術允許對諸如心臟瓣膜啟閉的過程進行掃描顯示。
實時四維成像（Kretz-Medison），通過快速刷新連續(xù)的三維圖像獲得，是最近發(fā)展的新技術。根據所使用的探頭和掃描視野的大小，其最快采集幀頻可以達到每秒鐘4到16幀體積數據。這項技術既可用于灰階成像，又可用于能量多普勒彩色成像。使用該技術可以清楚地呈現胎動，觀察血管內血流動力學的情況，清楚地透視頸動脈及頸動脈杈，以及更好地引導活檢針向標靶的穿刺。
六 彈性圖成像
彈性圖成像技術的發(fā)展可以客觀的量化比較非正常組織不同于周圍組織產生的病理變化。多年來人們一直使用手摸捫診和超聲影像的主觀評價來判斷低頻堅硬組織的性質，但對組織彈性的影像直接表現的需求推動了超聲彈性圖成像技術的發(fā)展。
軟組織的機械特性依賴于其所具有的彈性模量（楊氏模量）、泊松比和剪切模量。這些完全不同彈性特性支配著超聲波在組織中的傳導。例如正常的乳腺組織比纖維瘤的硬度小，乳腺癌的剪切模量比正常乳腺組織高七倍。
為把上述組織特性轉化為影像的對比度，開發(fā)了許多新的超聲成像技術。主要有以下幾種不同的手段：
1.低頻震動能和聲波擾動伴隨的多普勒探測的應用。
2.對組織加壓前后的影像變化直接進行比較評價，外加壓力的局部響應成像技術。
3.對上述方法所獲得參數的計算。
手動加壓（徒手彈性成像）掃描通常用于柔軟和可直接探察的組織，如乳腺組織。加壓過程中采集的回波信號可以把組織因壓力而產生的應變反映在影像中，該應變與組織硬度有關系。這種成像方法還有望用于各種不同的器官，如乳腺、前列腺、腎臟、血管和肝臟的良、惡性病變鑒別，同時還可以評價在高強度聚焦超聲下組織的改變。
七 小型超聲診斷儀及探頭，超聲資料的傳輸和存檔
1． 小型化超聲診斷儀介紹
現在的新工藝和技術可以制造出高性能有完整檢查功能的小型化超聲診斷設備，這包括了近來面世的幾個公司的手持便攜式超聲診斷儀。這些儀器的設計、重量、電池壽命、探頭的選擇、性能和模式的變化多種多樣。更有一種系統(tǒng)，將超聲處理系統(tǒng)整合在一個探頭之中，僅僅聯接到個人計算機或筆記本電腦即可（Terason）。盡管研究認為便攜式設備的顯示性能略遜于大型超聲設備，但是其應用于床旁穿刺活檢、ICU病房的市場潛力是巨大的。
換能器探頭的小型化也具有積極意義，例如用于血管內超聲、腹腔內超聲和經食道超聲探頭。
2． 超聲資料的傳輸和存檔
數字化成像技術可以使超聲檢查像其他影像學檢查那樣為臨床服務，目前，超聲影像資料可以像CT和MRI影像一樣在PACS（圖片存檔及通信系統(tǒng)）中儲存和傳輸。另外，工作流程管理或RIS系統(tǒng)功能也可輕松地集成到超聲設備中。
最新版本DICOM協議的發(fā)布使這些功能更容易實現。例如新版Dicom協議中增加了彩色多普勒模式圖像標準，但還沒包括多普勒聲音信息，這也是遺留問題之一
現在灰階圖像和彩色畫面一般可以保存為DICOM標準資料，這解決了使用不同品牌超聲設備得到資料的兼容性問題。這還涉及圖像顯示、專門處理和測量。超聲圖像可以被壓縮，主要應用JPEG格式。動態(tài)影像片段可以連續(xù)畫面形式傳輸。對迅速增加積累的超聲資料的大量壓縮以減小其容量是非常重要的。壓縮方法主要包括MJPEG，MPEG和Wavelet格式，其都允許保存動態(tài)影像信息。
八 結論
除了以上介紹的進展外，其他領域也有許多具有前景的技術進步，特別是脈沖波的直接應用、動脈壁彈性分析、超聲局部治療（熱效應、空化效應）等。影像專家必須時刻關注這些新的技術進步。其有可能開拓新的醫(yī)療領域，也可能代替有放射性和高成本的影像檢查。