醫學超聲技術與應用的創新與發展

■ 文 /施 俊

施俊，上海大學通信與信息工程學院生物醫學工程研究所教授。

超聲成像技術以及圖像處理技術的不斷創新與發展進一步擴展了其應用領域。

醫學超聲成像是臨床最常用的影像檢查方式，其成像原理是超聲波在人體組織和臟器界面上發生的反射、折射、散射、繞射、衰減，以及聲源與接收器相對運動產生多普勒頻移等物理特性，因此接收到的回波信號中攜帶了能表征人體生物組織特性的信息，對此進行成像，可以實現對人體的檢測與診斷。

超聲成像具有無損傷、無電離輻射、動態實時顯像、使用方便、價格低廉等優點，即使在基層醫院也有廣泛的應用。目前，中國已成為繼美國、日本之后的世界第三大彩超市場。根據中國產業信息網公開數據，2013—2019年全球醫用超聲診斷設備市場逐步增長，預計到2019年將達到74億美元，中國醫用超聲診斷設備市場規模將達91億元人民幣。

20世紀70年代，二維灰階超聲成像設備的研制應用，標志著醫學影像技術對軟組織結構成像的新紀元。而80年代出現的彩色多普勒超聲成像技術則被認為是醫學超聲成像的第二次革命。隨著計算機、聲學、電子、材料等相關技術的飛速發展，醫學超聲成像技術和應用有了新的突破。

醫學超聲成像新技術

●超聲造影成像

超聲造影是醫學影像領域發展最快的技術之一。超聲造影是在靜脈或皮下注射造影劑微泡，通過微泡在聲場激勵下所產生的非線性散射回波信號進行成像，利用微泡聲學效應來增強組織器官顯像，凸顯局部病灶，評價微循環灌注，從而提高疾病診斷的準確性。超聲造影同樣具有實時、便捷、無輻射等優點，現已在臨床獲得了廣泛的認可及應用，被認為是醫學超聲成像的第三次革命。

目前，新型的非線性超聲造影成像方法包括次諧波成像、平面波成像、基于編碼發射技術的造影成像等。超聲造影的關鍵是超聲造影劑，前三代造影劑包括第一代的游離微氣泡造影劑、第二代的包裹空氣的微氣泡造影劑以及第三代的包裹高分子氟碳氣體的造影劑。隨著分子影像學的發展，已經產生了第四代靶向超聲造影劑。該造影劑在包膜上結合特異性配體或抗體，通過這些特異性的配體或抗體與某些特定的受體或抗原相結合實現組織靶向成像，可以應用于腫瘤等疾病的早期診斷，極具臨床應用價值，是目前研究的熱點。

●超快超聲成像

傳統的超聲成像一般采用電子聚焦掃描的方式，且需要進行多次聚焦發射以產生1幀完整的B型超聲圖像，這導致其成像的幀頻較低，從而在一定程度上限制了超聲成像的臨床應用。

2009年，法國Super Sonic公司研制的超聲成像系統引入了第一個全軟件的體系結構，實現了超快速超聲成像。同年，該公司科學家杰里米·貝赫考夫（Jeremy Bercoff）等研究人員提出了利用平面波的相干復合成像技術，其幀率可達到每秒幾百至上千幀，有效提升了超快超聲的成像質量。近年來，超快超聲成像技術吸引了廣泛的關注。

平面波超快超聲成像是基于平面波發射的超聲成像模式，它不對換能器中的陣元設置延時，而是所有陣元在同一時刻發射超聲信號，這樣通過一次發射即可覆蓋整個成像區域，有效降低了成像所需發射次數，極大地提高成像的幀頻。但是，平面波全孔徑發射會引起波束不聚焦、波束寬度大，導致所形成的圖像存在信噪比、對比度、分辨率較差的問題。因此，需要進一步采用平面波相干復合成像方法，即通過發射一系列不同偏轉角度的平面波，然后對接收到的回波數據進行波束合成，再相干疊加形成圖像，提高圖像清晰度、對比度和分辨率，從而形成高質量的超聲圖像。

目前，超快超聲已經在多種超聲成像模態上取得突破，如剪切波彈性成像、多普勒血流成像、分子成像等，極具應用前景。

醫學超聲圖像處理新技術

隨著以深度學習為代表的機器學習技術在信號和圖像處理領域獲得巨大的成功，特別是AlphaGo橫掃職業圍棋選手，人工智能吸引了全民關注。在醫療領域，智能醫療是目前最熱的研究方向之一。其中，基于醫學影像的計算機輔助分析、檢測和診斷是研究的重點。

目前，基于深度學習技術的CT圖像肺結節檢測是人工智能在醫學影像領域最為成功的應用之一，已經有公司推出了該款產品。在超聲圖像處理領域，基于深度學習的研究也獲得了廣泛的關注。早在2012年，澳大利亞阿德萊德大學的古斯塔沃·卡內羅（Gustavo Carneiro）等研究人員提出了基于深度學習的心臟超聲圖像左心室分割算法，之后他們又提出了基于深度學習的心臟超聲圖像左心室心內膜跟蹤算法。近幾年，基于深度學習的超聲圖像處理算法不斷涌現，應用B型超聲圖像、彈性超聲圖像、超聲造影圖像等實現病灶分割、診斷等任務，都取得了優異的成果。

科研成果也促進了產業化的發展。2016年，三星公司的醫學成像子公司宣布其新的超聲設備實現了基于深度學習的乳腺癌檢測。最近，浙江大學孔德興教授團隊研發了面向甲狀腺結節診斷的“DE-超聲機器人”人工智能輔助診斷系統，且已經在浙江大學第一附屬醫院實現臨床測試。孔教授認為：“經過上萬病例診斷率驗證，‘DE-超聲機器人’相當于一個三甲醫院副主任醫師的水平。”全球第一例也是唯一一例通過美國FDA、歐盟CE Mark審批許可上市的甲狀腺超聲計算機輔助檢測系統“甲狀偵/安克偵”，通過與超聲醫生的兩次“人機大戰”，也證實了在二維超聲圖像的甲狀腺讀片領域，其準確率并不遜色于專業醫生，甚至超過了醫生的平均水平，而在效率上則具有絕對的優勢。超聲智能輔助診斷可以幫助醫生提高診斷的準確性和效率，提高基層醫生的超聲診斷水平。

此外，隨著基因組學、影像組學研究如火如荼地展開，有關超聲影像組學的研究也已經逐步展開，通過提取大量高維度的定量超聲影像特征，可以整體分析腫瘤內部的異質性，獲取臨床及傳統影像處理所無法提供的信息。基于超聲影像組學的乳腺腫瘤、甲狀腺乳頭狀癌等疾病的分析診斷研究已經取得了一定的進展。

醫學超聲新應用

隨著超聲成像技術的不斷創新與發展，其應用也在不斷拓展。例如，基于經顱超聲的帕金森病診斷已經在臨床逐步開展，基于超聲分子成像的心血管和腫瘤研究也已經取得了許多重要進展，基于超聲微泡的定點給藥及治療一體化研究也在進行中。

目前，最引人注目的新應用是超聲神經調控。在2017年11月《自然》（Nature）雜志中，《未來用于大腦的超聲技術》這一綜述論文引用報道了中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮研究員團隊研制的基于聲輻射力效應的超聲神經調控儀器，這種無創的技術為神經科學和腦疾病研究提供了新的方法和工具。

超聲神經調控采用超聲波作為刺激能量的傳播載體，基于超聲的力學效應，通過不同強度、頻率、脈沖重復頻率、脈沖寬度、持續時間超聲波作用于目標區域，從而使得中樞神經產生刺激或抑制效應，調控周圍和中樞神經回路的電活動，從而對神經功能產生雙向調節的可逆性變化。超聲神經調控技術可應用于神經科學、神經假體、疾病治療等領域。與傳統的電、磁、光等神經刺激技術相比，超聲神經調控具有穿透深度大、靶點控制便捷以及可圖像引導等優點，是一種極具潛力的超聲技術。目前，國內以中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮研究團隊和上海交通大學的童善保教授團隊為代表的多個研究團隊已經在超聲神經調控方面取得了較為突出的成果。

醫學超聲發展趨勢

隨著超聲技術的不斷更新，超聲業內專家認為醫學超聲成像正在向以下方向發展：早期診斷“看得早”、精確診斷“看得清”、超聲操控與調控、成像診斷-給藥-治療的“多功能診療一體化”，小型化、智能化也是重要的發展趨勢。具體來講，我們認為以下四個方向可在短期內實現一定的突破。

（1）超聲儀器小型化。這是一種發展趨勢，移動（掌上）超聲能讓醫生突破醫院環境的限制而輕松獲取超聲圖像，這將從根本上改進醫生對疾病的診斷流程，提高醫療服務水平。目前，多家公司已經開發出了移動（掌上）超聲設備。

（2）計算機輔助診斷系統。由于超聲檢查中對醫生操作手法等的依賴性，針對醫學超聲圖像的計算機輔助診斷系統的研發，數據的標準化和可靠性是面臨的一個重要問題。目前，國家相關部門已經籌劃開展建立國家超聲醫學影像數據庫的計劃。

（3）超聲云計算。智能超聲的另一個趨勢是超聲云計算，通過云平臺實現超聲圖像的存儲、分析計算等，包括實現基于深度學習等方法的計算分析。

（4）超聲影像組學。隨著醫學超聲數據標準化采集的推行，超聲影像組學有望取得突破，進一步結合基因組學及其他影像組學的研究，可以服務于腫瘤的診斷、治療和預后等方面，為腫瘤的精確治療提供新的依據。

國產超聲設備已經在國際市場上具備了一定的競爭力，但仍需要進一步的努力，特別是要提升高端超聲設備的競爭力，這就需要全體超聲領域研究人員的共同努力。