中國深圳先進院在高分辨率超聲成像領域取得重要進展

日前，中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮研究員領銜的勞特伯醫學成像研究中心在高分辨率超聲成像方向取得新進展，勞特伯醫學成像研究中心邱維寶博士課題組（以下簡稱課題組）在高頻超聲換能器、超聲電子系統和成像方法等開展了多方位的研究工作，近期共有四項新技術發表在IEEE Transactions期刊上。

高分辨率超聲主要采用大于15MHz的超聲頻率進行成像，可獲得幾十微米量級的成像分辨率，在臨床中具有重要價值，主要可應用于淺表、內窺和眼科等方面的疾病檢測。日前，中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮研究員領銜的勞特伯醫學成像研究中心在高分辨率超聲成像方向取得新進展，勞特伯醫學成像研究中心邱維寶博士課題組（以下簡稱課題組）在高頻超聲換能器、超聲電子系統和成像方法等開展了多方位的研究工作，近期共有四項新技術發表在IEEE Transactions期刊上。

高頻超聲換能器是成像系統的關鍵部件，主要基于壓電材料進行設計加工。然而由于傳統壓電材料介電常數較?。▕A持介電常數小于1500），壓電陣元尺寸小的高頻換能器的電阻抗會大幅度提升，導致換能器成像性能不佳。課題組利用新開發的一種高介電常數、高壓電性能的改性PMN-PT陶瓷（夾持介電常數為3500）設計制備了性能優異的40 MHz高頻超聲換能器（陣元尺寸可為0.4 mm × 0.4 mm，如下圖1），使得制備的高頻超聲換能器的電阻抗大幅度降低，更容易與電子系統的阻抗相匹配，實現較高的成像靈敏度（-13 dB）。同時，本工作設計制備的超聲換能器具有較高的成像帶寬（80%）和信噪比，使得其在高分辨率醫學成像領域中有著巨大應用潛力。相關工作已經被IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 接收。

圖1. (a)高頻超聲換能器技術參數對比；(b)高頻超聲換能器結構示意圖和實物圖；(c) 成像性能測試圖。

除在換能器方向大力布局外，課題組在成像方法和電子系統方面也在推進前沿技術工作。雖然高頻超聲可以獲得高分辨率醫學圖像，然而由于衰減系數增大導致成像穿透深度降低。課題組提出了基于編碼超聲的高頻超聲成像方法，在激勵換能器時，采用帶有一定編碼的超聲信號進行激勵，回波接收時通過算法解碼恢復出高分辨率圖像，使得在成像中既可以維持圖像的分辨率，也可以提升超聲成像的穿透深度（如下圖2）。該技術在淺表和內窺等成像中具有較大的應用潛力。相關工作已經發表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 64(8), pp. 1935-42, Aug 2017.

圖2. (a-c) 編碼成像原理示意圖；(d) 編碼成像技術可以大幅度提高血管內超聲成像的穿透深度。

在進行高分辨率超聲成像時，電子系統需要具有較高的數據采樣率，以獲取超聲回波的原始數據信息，因此需要大幅度提高模數轉換器(ADC)的采樣頻率。然而，傳統超聲成像系統的ADC采樣頻率通常為60MHz或者更低，不能滿足大于30MHz的高頻成像需要。課題組提出了一種延遲激勵方法，通過將激勵波束的時序進行規律性調整，在多次發送后獲取多個數據圖像，通過延遲復合處理，即可以獲得高采樣率的圖像（如下圖3）。該方法有望使臨床用的超聲設備，在不改動主要電子器件模數轉換器的前提下，具有高分辨率超聲成像的功能，可顯著擴大系統的應用領域。該研究成果發表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 65(1), 15-20, Jan. 2018。

圖3. (Left) 延遲激勵成像原理示意圖；(Right) 眼睛組織超聲成像圖。

高分辨率超聲成像技術在內窺鏡領域具有重要的應用潛力，課題組在推進血管內超聲成像技術的同時，也在嘗試新型內窺成像技術。膠囊內窺鏡（capsule endoscopy），是一種膠囊形狀的內窺鏡，它是用來檢查人體腸胃的醫療儀器。膠囊內窺鏡體積僅有普通膠囊大小，消除了傳統檢查耐受性差的缺點，能夠拍攝食道、胃、小腸、大腸等，從而完成對人體整個消化道的檢查。然而目前該技術是采用光學成像方法，僅能觀測組織表層的病變信息，不能獲得深層次的組織情況。由于超聲成像技術的穿透性較好，因此課題組擬嘗試進行超聲膠囊內窺鏡的設計驗證，提出了基于高分辨率超聲的內窺成像控制方案，采用40MHz的超聲頻率獲得了小于60微米的腸道組織成像分辨率（如下圖4）。該研究成果發表于IEEE Transactions on Medical Imaging, 36(9), 1922-29, Sep. 2017。目前項目組已經開展了在體豬的成像實驗，為下一步技術工作累計了寶貴數據。

圖4. (a-b) 膠囊超聲內窺鏡設想方案示意圖；(b)高分辨率腸道組織超聲成像圖。

上述研究工作得到國家自然科學基金、中科院前沿重點，廣東省杰青基金，深圳市孔雀計劃，國際合作以及學科布局等多個項目支持。同時也得到美國南加州大學，美國賓夕法尼亞州立大學，英國格拉斯哥大學和東北大學等長期合作伙伴的大力支持。