新知 | 多频超声内窥镜:人体中的超声“广角+微距相机”

2000年,拍照需要复杂的专业相机;2010年,手机就可以拍出普通照片;2020年,专业照片用手机也能搞定(www.88bh.cn)。现在的手机既可以拍超广角照片,又可以拍微距照片。

油菜花广角照片

油菜花微距照片

那给人体内器官拍照用什么呢?最早是用X射线、CT、核磁这些设备,体积庞大,程序复杂,操作很不方便。

超声内窥镜的出现,让人体器官拍照变得越来越方便。超声内窥镜是将微型超声探头伸入到人体内,对消化道、支气管、血管等进行成像。就像把手机放进了人体内,但是又与手机相机只能拍到组织表面不同,超声成像可以穿透人体组织,对组织内部的病变、斑块等进行“拍照”。

超声内窥镜

微型超声探头是超声内窥镜的超声“镜头”,主要在2~50MHz的频率工作。低频超声穿透深度强,能拍“超广角”的照片;高频超声分辨率高,能拍“微距”的照片。但是频率的增加让分辨率提高的同时也会带来副作用,那就是往往会导致探测深度的减小,这限制了换能器的成像范围,对临床使用不利。

传统的超声内窥镜都是由单一频率的超声探头构成,医生根据对检查位置成像效果的要求,选择合适频率的探头,当需要得到不同的成像效果时,就需要更换不同的探头,这带来了诸多不便,尤其在介入式超声检查(如血管内超声)中,更换探头会极大地增加患者的痛苦。这种分辨率与成像深度之间的矛盾给医生和患者带来了诸多的不方便,限制了其在临床中的应用,如何使超声图像兼顾成像分辨率与成像深度,提高成像质量,成为亟需解决的问题。

为了解决这个问题,中科院苏州医工所提出了一种多频探头;这种探头能够工作于不同的中心频率并灵活切换,工作于低频条件时,可以得到大探测深度,获得较大区域的“粗略”信息,发现“可疑”部位后切换到高频工作条件获得详细的病理信息。之后利用图像融合技术将不同频率对应的超声图像融合,得到更高质量的图像。多频超声换能器能够较大地丰富超声图像的信息,提高诊断范围,是超声换能器的一个重要发展方向。

苏州医工所医用声学室研究团队在合作企业的支持帮助下,在已掌握的单频超声探头研制技术的基础上,研制了一种基于压电复合材料的兼具成像分辨和成像深度的多频大带宽超声探头,探头能够在12MHz、20MHz和30MHz三个不同的工作频率协同工作(同步或异步,同步指几种频率同时工作,异步指几种频率工作于不同时间),进行不同频率图像的融合和谐波成像等功能后,可极大地丰富超声的图像信息和成像模式,实现“一个探头,多种工作频率”,解决分辨率与成像深度不能兼顾的问题。

如下图即为医工所研制的多频超声内窥镜探头样品,内部是一种具有三角结构的多频换能器,仿真分析结构表明这样的结构各频率阵元间相互影响小,串扰低,可以独立工作,能够满足多频换能器同步或异步工作的要求。

多频超声内窥镜样品

下图为利用多频换能器对多层仿体进行的单频和多频成像,成像实验结果表明三频融合的图像质量确实要远优于单频成像。这些结果证明了这种方案在解决分辨率和成像深度之间的矛盾的可行性,上述工作完善了多频超声探头的设计理论和方法。

仿体的单频成像, (a) 13MHz阵元, (b) 20MHz阵元, (c) 30MHz阵元

多频图像融合结果

该研究也为高频换能器的设计提供了新的思路,在超声内镜、IVUS成像系统、阵列换能器等方面的应用具有重要意义,能够满足各种超声检测、诊断和介入手术的需要,弥补国内该领域的研究空白,提升我国超声医疗设备研发和相关疾病诊治的水平。

相关研究以 A triple-frequency transducer for endoscopic imaging: Simulation design and experimental verification 为题发表在新一期的 Sensors and Actuators A: Physica l 上。

来源:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所

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