近期，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院勞特伯醫(yī)學(xué)成像研究中心鄭海榮團隊在高分辨率超聲成像研究中取得一系列進展。

　　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。在臨床中主要應(yīng)用于淺表、內(nèi)窺和眼科等方面的疾病檢測。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行設(shè)計加工。但傳統(tǒng)壓電材料介電常數(shù)較小(夾持介電常數(shù)小于1500)，造成壓電陣元尺寸小的高頻換能器的電阻抗會大幅度提升，進而導(dǎo)致?lián)Q能器成像性能不佳。鄭海榮團隊邱維寶課題組利用新開發(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40MHz高頻超聲換能器(陣元尺寸可為0.4mm×0.4mm)，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，實現(xiàn)較高的成像靈敏度(-13dB)。此外，該研究中設(shè)計制備的超聲換能器具有較高的成像帶寬(80%)和信噪比，并在高分辨率醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果已被IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control接收。

　　邱維寶課題組在高分辨率超聲成像方法和電子系統(tǒng)方面也取得了研究進展。高頻超聲獲得高分辨率醫(yī)學(xué)圖像存在衰減系數(shù)增大導(dǎo)致成像穿透深度降低的問題。據(jù)此，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(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。該技術(shù)在淺表和內(nèi)窺等成像中具有應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表于IEEE Trans Biomed Eng。

　　在進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。據(jù)此，邱維寶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(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。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，實現(xiàn)高分辨率超聲成像的功能。相關(guān)研究成果發(fā)表于IEEE Trans Biomed Eng。

　　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，邱維寶課題組在推進血管內(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，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。相關(guān)研究成果發(fā)表于IEEE Trans Med Imaging。

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點研究計劃、廣東省杰出青年基金、深圳市孔雀計劃等項目的資助，以及美國南加州大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)，英國格拉斯哥大學(xué)，東北大學(xué)等高校的支持與合作。

　　論文題目：High Performance Ultrasound Needle Transducer Based on Modified PMN-PT Ceramic with Ultrahigh Clamped Dielectric Permittivity

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)示意圖和實物圖;(c)成像性能測試圖

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

圖3.左：延遲激勵成像原理示意圖;右：眼睛組織超聲成像圖

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

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