超声图像伪影

超声图像伪影 05-06学年第一学期 超声成像设备讲义 共9学时 超声图像伪影 知识重点 超声图像伪影定义 伪影影响因素 部分容积效应伪影 旁瓣效应伪影 回声失落伪影 振铃状伪 影 余振伪影 回声增强伪影 声影伪影 超声斑伪影 第六章 超声治疗设备 超声波的生物效应 机械效应 热效应 空化效应 第一节 超声波碎石机 自20世纪中期，随着超声技术的迅速发展，人们则利用超声振动对坚硬物体进行切割、打孔、分散等等。 人所共知，结石症是当今人类的常见病之一，它的发病率和复发率均较高。将不同表现形式的机械振动波，如冲击波、超声波用于击碎人体内结石，则是近几十年来医学领域迅速引用新技术成果的一个重要方面。 用机械波粉碎人体内结石，在实施上分体内接触式与体外非接触式两种。 体内接触式超声波碎石 20世纪60年代中期，科学工作者通过研究发现，几十千赫兹的低频超声波比MHz级的高频超声波具有更好的碎石效果。 例如，使用超声换能器产生20kHz的超声波并通过变幅杆使振动能量增强，再直接作用到与其端面相接触的水槽底部结石上，依超声作用的时间不同，结石表现为龟裂、穿孔、分层脱落或完全碎裂。 其后，一些学者又相继进行了有关动物活体研究，他们用不锈钢棒把超声能量直接耦合到输尿管内的结石上，结果使结石很快破碎。 在一系列的物理实验和动物实验研究基础上，体内接 触式超声碎石技术正式获得临床治疗应用。 这是一种介入性超声疗法，它主要应用于治疗泌尿系统的结石，而且需与泌尿系统内窥镜技术相结合进行，操作技术条件要求较高，但效果较肯定，因而得到了一定范围的推广。 体外冲击波碎石 结石症除发生在泌尿系统的肾脏、输尿管及膀胱等器官之外，还容易发生在胆道系统等。 传统的治疗胆石症的，大都采用开放式手术疗法。 上述的接触式超声波碎石，在治疗时需将超声换能器通过导管经皮肤或管腔 如输尿管、胆管 与人体腔内结石直接接触，操作上不方便，要求技术条件高，且给患者带来较大的痛苦。 20世纪80年代初推出了体外冲击波碎石术 extracorporeal shock wave lithotripsy，ESWL 。自1980年起，临床上开始使用ESWL粉碎肾结石;1985年后又用于粉碎胆结石，由此开创了治疗结石症的新纪元。 冲击波也是机械波的一种形式，就是说冲击波与声波同属于机械波。但与一般声波相比，冲击波的发射时间短、能量高，频率成分分布较宽。 自1980年第一台体外冲击波碎石机问世以来，ESWL发展甚快。目前，对体外冲击波碎石机的分类法颇多。如有的按冲击波发生器的不同原理分类，即分为液电式、爆炸式、压电式及电磁式等;有按冲击波源到人体间的耦合方式分类的，如干式、湿式;有的则按机型的发展次序分类，如第一代、第二代等;也有的按治疗目的划分，即肾石碎石机及胆石碎石机等;还有的是按ESWL系统的规模分类，如体外碎石中心、大型体外碎石机及小型移动式体外碎石机等等。 体外冲击波碎石机的结构原理 主要包括冲击波发生器、聚集装置、定位系统 冲击波发生器:水中 放电形成冲击波，是一个极其复杂的物理过程 采用半椭球反射体作为聚能装置。其作用是把在椭球第一焦点处由高压放电产生的冲击波能量会聚到第二焦点处的较小区域内，以提高冲击波的压力，粉碎置于该处的结石。 定位器 指对体内结石的显像观察设备 如X线机、B型超声显像仪的探头与反射体组合的整体，它们之间的相对位置固定不变。借助于定位器与显像观察设备，就可以通过机械调整反射体与人体的相对位置，使体内结石准确地置于反射体的第二焦点处，以使会聚的冲击波能量最有效地粉碎结石，而不损伤周围组织。 为保证治疗质量，定位系统具有十分重要的作用。倘若定位不准，冲击波的性能再好，也不能发挥作用，反而会损伤正常组织。 冲击波的碎石机理 水中高压放电产生的冲击波，经椭球反射休反射会聚在第二焦点处，形成高达几百乃至上千个大气压的冲击波压力，它足以粉碎人体内的结石而不致明显损伤人体组织。 冲击波在结石前后界面上产生的应力 空化机制的作用 冲击波的能量中，对碎石起主要作用的频率为1-2MHz的超声波成分。高于2MHz的机械波在人体内的传播衰减较大，而低于1MHz的机械波聚焦效果欠佳。 第二节 高强度聚焦超声(HIFU) 传统的外科手术在治疗疾病的同时，往往会给机体正常组织、器官带来一定副作用，此即手术并发症。 现代外科 发展的一个重要方向即是微创和无创 micro-invasive and non-invasive surgery 。在保证治疗效果优于、至少不亚于传统手术的前提下，将对机体的不良影响降低至最小程度，即达到“精确” 手术之目的。 高强度聚焦超声 high intensity focused ultra-sound，HIFU 即是其中之一。 HIFU技术是现代工程技术和医学相结合并发展的产物，其是利用超声波的生物学效应， 通过一定技术手段，将体外发射的声波聚焦于体内病变组织。由于聚焦部位的强大能量沉积， 组织内温度瞬间即可上升到65摄氏度以上，可达到靶向破坏病变之目的。 这种技术可达到精确外科所要求的精确“切除”病变组织之目的，因而又称为HIFU外科。 其无需采用侵入性手段即可将机体内病变组织破坏，属于无创治疗技术，故也被称为HIFU无创外科。这将大大减轻对机体正常组织不必要的损伤。 HIFU 目前在临床上最广泛的应用是在肿瘤治疗。 结构组成 包括:超声波发生和聚集单元、实时监控单元、自动控制单元。 1.超声波发生和聚集单元 由于HIFU对能量要求高，理想的压电晶片应具有:?高压电效应系数，即保证较高的电,超声转化率。?稳定性好，HIFU使用时常需连续工作，此必然导致温度上升，随着温度的升高，超声的转化率将下降。虽然采用降温技术可在一定程度上予以弥补，但晶片自身的良好的稳定性仍是仪器可靠工作的重要保证。?易于制造，根据所采用的聚焦方式，理沦上应能制成任意形状、足够尺寸。 HIFU焦域内声强一般均可达数百W,cm2，高者可达上万W,cm2，因此必须依赖于聚焦。 聚焦的总体要求:?从声波发射到达目标组织要经过皮肤、皮下等一系列组织，因而聚焦要求对这些声波传播路线中的组织应不造成损伤，有时人们追求较大的皮肤声窗，即通过降低该部位的能量沉积而避免皮肤烧伤，即要求合适的聚焦夹角。?焦域的形态应为长椭球或雪茄形，长短径比例合适。 ?足够长的焦距满足以深部疾患治疗的需要。 1 透镜聚焦 2 多元换能器 3 球面自聚集 2. 实时监控单元 3.自动控制单元 以采用B超监控为例，在治疗头工作对深部组织进行破坏时，要求诊断探头停止发射超声波，以避免相互干扰和损坏诊断探头，而在治疗间隙则要求诊断超声即时启动以反映靶区变化，这些都要求由自动控制单元来完成。 采用目前技术成熟的透镜聚焦，对一个换能器而言，焦距是固定的，而病变组织的深度是变化的，这就要求治疗组织与换能器的相对位置应作调整 在治疗过程中，对于一个三维的病灶而言，同样需通过调整相对位置而达到靶区完全破坏之目的。 HIFU治疗肿瘤 肿瘤治疗的基本原则是强调综合治疗，HIFU用于肿瘤治疗时同样如此。应该结合化学 治疗、放射治疗、生物治疗等措施，最大限度杀伤恶性细胞，同时调节机体整体机能状况，发挥自身的抗瘤潜力，以达到满意疗效。 肿瘤外科手术的基本原则是超范围切除和无瘤技术，这条原则同样适用于HIFU外科。 1.治疗靶区 指HIFU治疗时必须有效全部覆盖的组织范围，由于恶性肿瘤呈浸润性生长，病变实际波及范围较肉眼或影像技术所能见的范围宽，因而为保证治疗能有效破坏恶性组织，治疗范围至少应全部包括病变累及部位，即I+II。 由于人体的运动，这必将导致治疗中病变的位置相对变化，如呼吸对肝、肾肿瘤位置均有影响。因而，为保证全部病灶均被有效破坏，必须予以修正治疗靶区，即有部分正常组织应被纳入治疗靶区范围即I+II+III。 作为一种精确治疗技术，I+II必须被有效切除，同时III的范围应尽可能小，以保护脏器功能，减少治疗对机体的毒 副作用。 HIFU也被用于治疗某些良性肿瘤和非肿瘤患者，由于良性病变实际波及范围往往与大体和影像学检查所见病灶一致，因而治疗时，仅需考虑体位的修正因素，即I+III，即可达到满意效果。 2.治疗系统 TPS 1)治疗靶区确定。 2)选用的超声频率，换能器的聚焦口径、焦距。 3)拟选用的辐照声强和辐照持续时间。 4)“切除”方式。 5)皮肤和组织的“声窗”。 6)拟用治疗次数。 7)治疗体位确定。原则上取声波到达靶区路径最短的体位。 8)术前术后处理。 术前确定TPS本身有一定的盲目性和风险性，因此常常不是最佳的，须根据情况予以修正，由于HIFU治疗往往采用实时监控，这给治疗中及时了解治疗情况，实时修正TPS提供了可能，这是其优于其他治疗措施的一个方面。如果拟用分次治疗，则更可借助其他手段更客观地评价前次治疗效果，更有机会获得最佳的TPS。 4.治疗 按TPS治疗，井根据实时监测情况，调整治疗计划，治疗过程中应保持患者体位固定，避免体位变化影响治疗靶区。同时必须保护透声区的皮肤免被灼伤，一旦烧伤形成，将影响声波穿透而影响治疗计划的实施。 治疗的基本过程如下: 治疗靶区、TPS, 确定治疗部位, 启动治疗系统治疗, 实时监控 治疗时，应先从病变深部开始，逐渐向浅部扩展。 如同手术过程一样，治疗过程中必须严密监视患者生命体征，整个冶疗过程中必须保证生命体征平稳。 第三节 超声手术刀 超声手术刀主要由两个部分构成，即高频功率源及超声振动系统。超声振动系统又包含 三个组成部分:超声换能器、聚能器和刀头，如图所示。 这种超声手术刀在临床操作时，刀 头与被切割的组织直接接触，故也称为接触式超声手术刀。 还有一种超声手术刀，具有冲洗与抽吸功能，它在工作时刀头不与组织直接接触，故也称为非接触超声手术刀或超声吸引器。 为了便于多种不同的临床手术需求，超声手术刀也可做成弯曲外形。 据研究认为，超声手术刀切割组织的机理主要是瞬时冲击加速度及声空化。 1.瞬时冲击加速度 如将质点加速度为5×104g g为重力加速度，g,10m,s2 的机械振动作用于活体生物组织时，被作用的部位即可迅即被切开，而不会伤及到其周围的组织，从而可达到切割的目的。 为使超声手术刀的振动加速度a 5×104g，在选定的频率f情况下，时必须要考虑到最小振动位移幅值A。如取f,20kHz,2×104Hz，为使a,5×105m,s2，则相应有A,a,ω2,a, 2πf 2,32μm。即对于频率20kHz的超声手术刀，其刀头的振动位移幅值应不小于32μm，方可切开生物组织。 超声手术刀刀头的振动位移幅值是反映其切割能力的物理量，是表征超声手术刀性能的―个重要参数。 由于超声手术刀的聚能器和刀头部工作的大振幅状态下，所以在其设计与制造中，材料的合理选用是一个很重要的问题。应该选用那些有足够抗疲劳和抗拉强度的材料，否则，在大振幅工作状态下，材料将可能发生断裂。 2.声空化的作用 在液化的生物组织中，会充人许多微气泡 空化核 ，这些空化核在强大超声作用下被激 活，或进行持续地非线性振荡，或扩大而后迅即被压缩至崩溃，即发生空化过程。空化过程伴随发生的切向力、局部高温高压、冲击波反射流等，都可以破坏组织，完成切割任务。 对于具有抽吸功能的超声手术刀，由 于它在手术操作过程中冲洗液不断地注入切口处，会更有利于声空化作用的增强。 超声手术刀在破坏和吸除高含水量的组织细胞同时，却可使弹性较强的高胶原含量组织完好无损，从而可使手术在安全、少血或无血条件下进行。 在切割肝、脑等软组织时，只把肝、脑组织细胞粉碎吸除，而使其中的血管、胆管及神经纤维等保存完好，因而可做到不出血。 在切除已蔓延到髓内的脊椎星形细胞瘤时，手术可完成得迅速而干净利索，且不会影响到周围神经及脊髓功能。 超声手术刀的优点可归纳如下: 1)不出血或少出血。 2)速度快而又省力。 3)组织的破坏面小且创缘整齐。 4)可层层剥落且随时冲洗吸除，使切面清晰可见，便于手术进行。 第四节 超声血管成形(超声消融) 急性心肌梗死和冠心病的发病机制大多归结为急性或陈旧性血管栓塞，因而清除血管栓塞或斑块，恢复动脉供血是治疗该疾病的主要途径。 使用溶栓药物治疗，局限性较大 采用开放性手术作“搭桥术” CABG ，重建血流通道，创伤大，术后恢复时间长，费用高 1977年首次使用了经皮腔内冠脉成形术 percutaneous translumian coronary angioplasty，PTCA ，对动脉斑块引起的血管狭窄施行再通术，该项技术比较安全、损伤小、 恢复快 在此基础上，又发展起来了红外激光血管成形术 percutaneous transluminan laser angioplasty，PTLA ，准分子激光成形术 excimer laser corouary angioplasty，ELCA ，机械旋切术 mechanical angioplasty，MA 和血管内支架等介入治疗技术 20世纪80年代以来，已把介入血管腔内成形术作为治疗动脉血栓症的 主要技术 然而，这种介入治疗技术在临床应用中也暴露出一些不足或局限性 如PTCA术后出现急性冠脉闭塞和慢性狭窄率为25,-40, 20世纪80年代以来，在应用低频高能超声波进行血管内血栓病、动脉粥样硬化斑块及动脉闭塞及狭窄治疗研究方面取得进展，这种技术被称为超声血管成形术 ultrasound angioplasty，UAP 或血管内超声消融术 ultrasound thrombolysis 作用原理 超声血管成形术的基本原理: 将20―45kHz、10―30W,cm2的超声波通过超声血管成形仪的超声传输导线传递至血管内闭塞或狭窄部位，使得血栓和斑块破碎消融，分解至小于25μm的残块，可通过休内循环系统的毛细血管网直接代谢和吸收，不致发生远端血管的再堵塞，从而达到恢复动脉供血，治疗血栓症的目的。 超声消融与其他融栓技术相比较，是其特有的“组织选择性” 普通的冠脉血管壁中富含胶原质和弹性蛋白的物质成分，有较大弹性，超声对它难以消融，故对超声作用有较强的耐受性 ;而脂肪斑和血栓弹性小，因而对超声消融特别敏感 所以超声血管成形术可以对血管内的斑块及血栓有选择性地粉碎和消融，而对血管壁几乎没有损伤。 超声消融的机理一般认为是由于超声空化机制和机械粉碎机制联合作用的结果。 声学研究表明，低频高强超声的空化作用可导致血栓及斑块产生“内爆破”，从而被粉碎，而超声的机械作用则是第二位的。 基本组成 超声血管成形术有较好的发展前途，与目前其他使用方法相比，具有如下优点: 其消融后碎片小于25μm ，可被血管内皮细胞和吞噬细胞所摄取，不会发生远端血管堵塞，大大降低了血栓等并发症的发生。 由 于其对纤维斑块和脂肪组织的高选择性，从而消除了引起血管壁损伤 的可能，并可用于消融陈旧性血栓斑块。 本课程结束 HIFU 治疗系统功能原理框图 * *