日前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮研究員領(lǐng)銜的勞特伯醫(yī)學(xué)成像研究中心在高分辨率超聲成像方向取得新進(jìn)展，勞特伯醫(yī)學(xué)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(tǒng)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(shù)發(fā)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(jìn)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(yīng)用于淺表、內(nèi)窺和眼科等方面的疾病檢測。日前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮研究員領(lǐng)銜的勞特伯醫(yī)學(xué)成像研究中心在高分辨率超聲成像方向取得新進(jìn)展，勞特伯醫(yī)學(xué)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(tǒng)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(shù)發(fā)表在IEEE Transactions期刊上。

高頻超聲換能器是成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要基于壓電材料進(jìn)行設(shè)計加工。然而由于傳統(tǒng)壓電材料介電常數(shù)較小（夾持介電常數(shù)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(dǎo)致?lián)Q能器成像性能不佳。課題組利用新開發(fā)的一種高介電常數(shù)、高壓電性能的改性PMN-PT陶瓷（夾持介電常數(shù)為3500）設(shè)計制備了性能優(yōu)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(tǒng)的阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)較高的成像靈敏度（-13 dB）。同時，本工作設(shè)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(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中有著巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)工作已經(jīng)被IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 接收。

圖1. (a)高頻超聲換能器技術(shù)參數(shù)對比；(b)高頻超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)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(tǒng)方面也在推進(jìn)前沿技術(shù)工作。雖然高頻超聲可以獲得高分辨率醫(yī)學(xué)圖像，然而由于衰減系數(shù)增大導(dǎo)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(jìn)行激勵，回波接收時通過算法解碼恢復(fù)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(shù)在淺表和內(nèi)窺等成像中具有較大的應(yīng)用潛力。相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)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(shù)可以大幅度提高血管內(nèi)超聲成像的穿透深度。

在進(jìn)行高分辨率超聲成像時，電子系統(tǒng)需要具有較高的數(shù)據(jù)采樣率，以獲取超聲回波的原始數(shù)據(jù)信息，因此需要大幅度提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣頻率。然而，傳統(tǒng)超聲成像系統(tǒng)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(jìn)行規(guī)律性調(diào)整，在多次發(fā)送后獲取多個數(shù)據(jù)圖像，通過延遲復(fù)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(shè)備，在不改動主要電子器件模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前提下，具有高分辨率超聲成像的功能，可顯著擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。該研究成果發(fā)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(shù)在內(nèi)窺鏡領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，課題組在推進(jìn)血管內(nèi)超聲成像技術(shù)的同時，也在嘗試新型內(nèi)窺成像技術(shù)。膠囊內(nèi)窺鏡（capsule endoscopy），是一種膠囊形狀的內(nèi)窺鏡，它是用來檢查人體腸胃的醫(yī)療儀器。膠囊內(nèi)窺鏡體積僅有普通膠囊大小，消除了傳統(tǒng)檢查耐受性差的缺點(diǎn)，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(shù)是采用光學(xué)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(shù)的穿透性較好，因此課題組擬嘗試進(jìn)行超聲膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計驗證，提出了基于高分辨率超聲的內(nèi)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(fā)表于IEEE Transactions on Medical Imaging, 36(9), 1922-29, Sep. 2017。目前項目組已經(jīng)開展了在體豬的成像實(shí)驗，為下一步技術(shù)工作累計了寶貴數(shù)據(jù)。

圖4. (a-b) 膠囊超聲內(nèi)窺鏡設(shè)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(xué)基金、中科院前沿重點(diǎn)，廣東省杰青基金，深圳市孔雀計劃，國際合作以及學(xué)科布局等多個項目支持。同時也得到美國南加州大學(xué)，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)，英國格拉斯哥大學(xué)和東北大學(xué)等長期合作伙伴的大力支持。