中国深圳先进院在高分辨率超声成像领域取得重要进展

shuszhao · 发表于 2018-3-23 08:52:07

日前，中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣研究员领衔的劳特伯医学成像研究中心在高分辨率超声成像方向取得新进展，劳特伯医学成像研究中心邱维宝博士课题组（以下简称课题组）在高频超声换能器、超声电子系统和成像方法等开展了多方位的研究工作，近期共有四项新技术发表在IEEE Transactions期刊上。

高分辨率超声主要采用大于15MHz的超声频率进行成像，可获得几十微米量级的成像分辨率，在临床中具有重要价值，主要可应用于浅表、内窥和眼科等方面的疾病检测。日前，中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣研究员领衔的劳特伯医学成像研究中心在高分辨率超声成像方向取得新进展，劳特伯医学成像研究中心邱维宝博士课题组（以下简称课题组）在高频超声换能器、超声电子系统和成像方法等开展了多方位的研究工作，近期共有四项新技术发表在IEEE Transactions期刊上。
高频超声换能器是成像系统的关键部件，主要基于压电材料进行设计加工。然而由于传统压电材料介电常数较小（夹持介电常数小于1500），压电阵元尺寸小的高频换能器的电阻抗会大幅度提升，导致换能器成像性能不佳。课题组利用新开发的一种高介电常数、高压电性能的改性PMN-PT陶瓷（夹持介电常数为3500）设计制备了性能优异的40 MHz高频超声换能器（阵元尺寸可为0.4 mm × 0.4 mm，如下图1），使得制备的高频超声换能器的电阻抗大幅度降低，更容易与电子系统的阻抗相匹配，实现较高的成像灵敏度（-13 dB）。同时，本工作设计制备的超声换能器具有较高的成像带宽（80%）和信噪比，使得其在高分辨率医学成像领域中有着巨大应用潜力。相关工作已经被IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 接收。

图1. (a)高频超声换能器技术参数对比；(b)高频超声换能器结构示意图和实物图；(c) 成像性能测试图。
除在换能器方向大力布局外，课题组在成像方法和电子系统方面也在推进前沿技术工作。虽然高频超声可以获得高分辨率医学图像，然而由于衰减系数增大导致成像穿透深度降低。课题组提出了基于编码超声的高频超声成像方法，在激励换能器时，采用带有一定编码的超声信号进行激励，回波接收时通过算法解码恢复出高分辨率图像，使得在成像中既可以维持图像的分辨率，也可以提升超声成像的穿透深度（如下图2）。该技术在浅表和内窥等成像中具有较大的应用潜力。相关工作已经发表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 64(8), pp. 1935-42, Aug 2017.

图2. (a-c) 编码成像原理示意图；(d) 编码成像技术可以大幅度提高血管内超声成像的穿透深度。
在进行高分辨率超声成像时，电子系统需要具有较高的数据采样率，以获取超声回波的原始数据信息，因此需要大幅度提高模数转换器(ADC)的采样频率。然而，传统超声成像系统的ADC采样频率通常为60MHz或者更低，不能满足大于30MHz的高频成像需要。课题组提出了一种延迟激励方法，通过将激励波束的时序进行规律性调整，在多次发送后获取多个数据图像，通过延迟复合处理，即可以获得高采样率的图像（如下图3）。该方法有望使临床用的超声设备，在不改动主要电子器件模数转换器的前提下，具有高分辨率超声成像的功能，可显著扩大系统的应用领域。该研究成果发表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 65(1), 15-20, Jan. 2018。

图3. (Left) 延迟激励成像原理示意图；(Right) 眼睛组织超声成像图。
高分辨率超声成像技术在内窥镜领域具有重要的应用潜力，课题组在推进血管内超声成像技术的同时，也在尝试新型内窥成像技术。胶囊内窥镜（capsule endoscopy），是一种胶囊形状的内窥镜，它是用来检查人体肠胃的医疗仪器。胶囊内窥镜体积仅有普通胶囊大小，消除了传统检查耐受性差的缺点，能够拍摄食道、胃、小肠、大肠等，从而完成对人体整个消化道的检查。然而目前该技术是采用光学成像方法，仅能观测组织表层的病变信息，不能获得深层次的组织情况。由于超声成像技术的穿透性较好，因此课题组拟尝试进行超声胶囊内窥镜的设计验证，提出了基于高分辨率超声的内窥成像控制方案，采用40MHz的超声频率获得了小于60微米的肠道组织成像分辨率（如下图4）。该研究成果发表于IEEE Transactions on Medical Imaging, 36(9), 1922-29, Sep. 2017。目前项目组已经开展了在体猪的成像实验，为下一步技术工作累计了宝贵数据。

图4. (a-b) 胶囊超声内窥镜设想方案示意图；(b)高分辨率肠道组织超声成像图。
上述研究工作得到国家自然科学基金、中科院前沿重点，广东省杰青基金，深圳市孔雀计划，国际合作以及学科布局等多个项目支持。同时也得到美国南加州大学，美国宾夕法尼亚州立大学，英国格拉斯哥大学和东北大学等长期合作伙伴的大力支持。