摘要

高频超声成像被许多人认为是超声的下一个前沿领域。它有许多临床应用，从眼睛和皮肤成像到小动物成像。小动物成像最近引起了人们对评估药物和基因治疗疗效的强烈兴趣。商用高频扫描仪通常被称为“超声生物显微镜”或UBM，所有这些扫描仪都使用频率在30到60MHz之间的机械扫描的单元件换能器，帧速率为30帧/秒或更低。为了缓解UBM的问题，包括机械运动和固定聚焦，已经开发了20–50 MHz范围内的高频线性阵列和成像系统。本文将对目前高频超声成像的发展进行综述，并讨论其潜在的生物医学应用。

关键词：高频扫描仪、小动物成像、超声背散射显微镜

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介绍

超声成像是当今最重要、最发展的诊断工具之一。最先进的超声扫描仪提供具有毫米空间分辨率的解剖细节的实时灰度图像，其上以全色显示多普勒血流信息图[1-4]。这些设备的临床应用仍在扩大，这些设备的工作频率似乎越来越高。高频（HF）成像（高于30 MHz）以较浅的穿透深度为代价，提高了空间分辨率[3，5，6]。常规的超声成像系统通常使用从2到15MHz的频率。为了提高空间分辨率，一个明显的策略是增加频率。轴向分辨率由脉冲持续时间或脉冲带宽决定。焦点处的横向分辨率由f数和波长的乘积决定，f数定义为焦距与换能器空间尺寸的比值。对于每个脉冲的固定周期数，频率的增加将导致波长的减小，从而导致脉冲持续时间的减小。当超声频率增加到50MHz时，对于2.9的f数，可以实现优于20和100μm的轴向分辨率和横向分辨率。要付出的代价是衰减的增加，因为组织中的超声衰减与频率近似成线性比例[1-4]。在50 MHz时，大多数组织的穿透深度将限制在8–9 mm。高频超声成像可能会带来许多临床问题[6]。将探头安装在导管尖端，频率高于20 MHz，最高频率为60 MHz的血管内成像已被用于表征动脉粥样硬化斑块，并指导支架放置和血管整形手术[7]。在高于50MHz的频率下，超声成像在诊断青光眼、眼部肿瘤和辅助屈光手术方面的医学功效已在眼前段得到证明[6]。用于皮肤科应用的非侵入性成像工具的可用性可以减少与患者不适相关的活检次数，并可以更好地划分肿瘤的累及范围。小动物成像是高频超声的另一个前沿领域。由于小鼠和斑马鱼等小动物在药物和基因治疗研究中的应用，小动物成像近年来引起了人们的极大兴趣。微磁共振成像（mircoMRI）、微计算机断层扫描（microCT）、光学相干断层扫描（OCT）和微正电子发射断层扫描（microPET）都是为了满足这一需求而开发的。到目前为止，超声波只发挥了有限的作用。

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超声生物显微镜

目前几乎所有的HF超声成像设备，称为超声生物显微镜（UBM）[6]，都使用机械扫描的单元件换能器，这些换能器要么是压电聚合物PVDF，要么是基于共聚物P（VDF-TrFE）或基于铌酸锂[3，8，9]。UBM的结构与静态B模式扫描仪的结构相同[3]。这种系统的框图如图1所示。传感器的位置控制必须具有几微米的精度。模数转换器（ADC）通常具有高于200MHz到多于8位的采样频率。UBM已被用于对眼睛前部、皮肤和小动物（如老鼠和斑马鱼）进行成像。图2显示了在40和80MHz下获得的切除的眼睛的两个UBM图像。随着频率的增加，空间分辨率和图像质量的改善是明显的。图​图33和​和44分别示出了小鼠胎儿和斑马鱼的图像。扫描也可以通过在轴向方向上逐渐移动换能器来更好地利用换能器的焦点来实现，称为B-D（D代表深度）模式扫描。A cHF阵列成像

机械扫描仪面临的问题可以通过采用环形阵列或线性阵列技术来克服。允许动态二维聚焦的HF环形阵列是这些问题的部分解决方案[9-12]。由于环形阵列仍涉及机械运动，因此更好的解决方案是使用线性阵列，该阵列通过电子扫描光束来生成图像[3，9，13-18]。线性超声阵列系统比需要机械扫描以形成图像切片的信号元件和环形成像系统具有显著优势。阵列系统使用电子扫描来形成图像切片，因此可以实现更高的图像帧速率。此外，发射的声束可以在图像平面中被操纵和动态聚焦。最后，由于缺乏可移动部件，这些阵列对患者的危险性降低。HF线性阵列制造中存在三个主要挑战：小切口（两个元件之间的间隙）宽度、大的电阻抗失配和增加的串扰。为了最大限度地减少光栅波瓣，通常在线性阵列和线性相控阵设计中，两个元件中心之间的间距必须分别小于1λ和0.5λ[3，4]。这意味着在30和50 MHz时，间距必须小于50μm和30μm。为了确保线性阵列具有良好的灵敏度，元件尺寸应尽可能大。因此，切口宽度应尽可能小，即使不是不可能，也很难用当前的划片机进行划片。一个混淆因素是，除非找到合适的切口填充物，否则串扰水平将因切口宽度较小而增加。这里应该注意的是，在相控阵中，元件尺寸也应该明智地选择，以确保宽的转向角。

目前正在努力开发20–50 MHz线性阵列[9，13-18]。Ritter等人[13]、Michau等人[14]、Cannata等人[17]和Brown等人[18]在其设计中使用了压电复合材料。一种利用微机械系统（MEMS）技术的新技术，称为cMUT（电容式微机械超声换能器），似乎前景广阔[15，16]。目前，HF线性阵列设计中的间距大于1λ，并且其性能在较低频率下还不能与商业线性阵列相媲美。这意味着仍然可以在该频率范围内对线性阵列进行很大改进。开发50MHz甚至更高频率的线性阵列和30MHz的相控阵在技术上仍然是一个相当大的挑战。

已经开发并测试了使用2-2复合材料的30–35 MHz线性阵列[13，17]。沥青为2λ至1.2λ。匹配层由0–3复合材料和环氧树脂制备。由塑料TPX制成的透镜用于仰角聚焦。阵列的−6 d带宽为50-60%，插入损耗为−25 dB，元件间串扰小于−28 dB。为了评估这些阵列的性能，已经开发了由16个通道组成的模拟和数字HF成像系统[19]。在体内获得的小鼠心脏的图像如图5所示。由于孔径较小，远场的横向分辨率较差。然而，该系统的帧速率非常高，并且可以接近400帧/秒。这些系统正在扩展到64个通道。

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图5

用30MHz线性阵列和16通道模拟成像系统在体内获得的小鼠心脏图像。

Visualsonics（加拿大）最近推出了一种基于商业线性阵列的小动物成像系统。该系统比大多数临床扫描仪更具扩展性，提供中心频率在15到50MHz之间的线性阵列。

HF超声由于其波长较小，已被用于表征细胞过程，如细胞凋亡[20]和眼睛晶状体硬度[21，22]。衰减和声速都已被证明与眼睛硬度有关。后者的潜在临床应用是在超声乳化手术期间帮助手术确定超声能量水平。

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结论

本文综述了高频超声成像的最新发展，包括频率高于30 MHz的换能器和系统。探讨了潜在的临床前和临床应用。没有理由不相信，在不久的将来，具有与当前临床扫描仪类似功能的HF成像系统将变得更加广泛，其应用将扩展到其他生物医学学科。