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/cm2）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

03212BpfzAcπσρ⎡⎤⎛⎞=++⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦

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

1参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)

23 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。

3

图5 组织及微气泡的非线性振动对比

组织谐波成像在产科，腹部及心脏科等较大及位置较深的脏器诊断有较好的应用，尤其

在

区分流体环境中的空腔结构，如怀孕的子宫及囊肿等有优势[16]。组织谐波成像的成功又

进一步促进了更高阶次的谐波成像的研究。图6为肝肿瘤的基波及组织谐波成像的对比图，

由图可见组织谐波像可以提供更好的分辩率及对比度，有助于医生的诊断。

图6 肝肿瘤的基波像（A和组织谐波像(B)的对比

基于编码脉冲技术的高阶谐波成像

次谐波成像在空间分辨率和图像对比度方面有很大的改善和提高。但由于二次谐波

的能量

谐波成像中的信噪比[17]。发

射电路）

4

二

远远小于基波的能量，为了使二次谐波具有良好的信噪比，信号接收系统需要有很高

的接收灵敏度和动态范围；另外，在发射系统中，为了降低发射换能器的旁瓣信号和谐波渗

漏，需要发射窄带信号，但是却降低了成像的轴向分辨率。

近年来发展起来的反相位脉冲技术能够有效地提高二次

发送两个脉冲信号，第二个脉冲和第一个信号波形相同，相位相反，将接收到的两个

响应信号相加后，奇次谐波包括基波被完全去除，同时偶次谐波包括二次谐波信号加倍，因

此，反相位脉冲技术能有效地提高了二次谐波的信噪比，并且将基波和二次谐波完全分离开

4来（图7）。

图7 反相位脉冲技术示意图：(a)正相位脉冲发射，接收到线性和非线性回波；b）反相位脉冲发

相位脉冲技术已成功应用于心脏造影[14]和肾脏[15]损伤的超声检测中，和传统的B

超图像（

射，接收到线性和非线性回波；（c）二者相加，线性回波抵消

反

相比较，在提高图像对比度和信噪比方面具有明显的效果。图8为反相位脉冲技术应

用于肝肿瘤诊断[23]。

图8 肝肿瘤的反相位脉冲技术成像: (a)基波像; (b)注入照影剂后

5（a） (b) (c) (d)

图9 2.25MHz方形平面换能器（边长20mm）: (a)线性声束; （b）基波声束; (c)二次谐波声

束; (d)10阶谐波声束

高阶谐波可以更进一步提高图像的分辨率。如图9所示，随着谐波次数的提高，波束

宽度变窄，同时旁瓣减小。我们在反相脉冲技术基础上，进一步发展了编码脉冲技术的高阶谐波成像技术[18]。使用N个恒定的相位差nϕ的脉冲信号依次激发换能器。如果第一个脉冲

信号的初始相位为 0ϕ，则第n个脉冲信号的相位为，其中。

将距声源02/nnNϕϕπ=+0,1,,1nN=−Kx处将N个接收信号进行相加，提取信号中N阶谐波分量。和传统的单脉冲技术

相比较，使用相位编码脉冲技术后的N阶谐波分量提高N倍，而包含基波在内的其它谐波

被完全消除。反相脉冲技术是一种特殊情况，N＝2。因而对于所需要的N阶谐波，可使用N个相位编码脉冲，其幅度可增强1020logN dB，信噪比增加 dB。 1010logN

实验样品如图10所示，在猪肝组织上有两个小孔，小孔的直径分别为3mm及2mm。

所示。图11为重建后的图像，不同的组织导致谐波的幅值不同，反映到图像上产生不同的

灰阶。利用多个相位编码脉冲(N=2, 3, 4 和5)，处理后得到的二到五阶谐波像如图5(b)至 (e)。

为便于比较，图11（a）给出了基波图像，两个小孔在该图中较模糊，且由于声衍射和旁瓣

的影响，图中有明显的斑状噪声。利用相位编码脉冲技术，高次谐波的幅度得以显著增强，

使得图11中(b)-(e)的亮度及对比度得以明显提高，并且随着谐波次数的增大，空间分辩力

及图像清晰度变好。

图10 成像样品的截面示意图.

(a) (b) (c)

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