楊軍，計(jì)建軍， 李躍杰， 王延群， 劉亞偉，紀(jì)運(yùn)紅， 宋學(xué)東

1 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津市，300192

2 天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司，天津市，300384

高頻超聲皮膚成像技術(shù)的研究

【作 者】楊軍1，計(jì)建軍1， 李躍杰1， 王延群1， 劉亞偉2，紀(jì)運(yùn)紅2， 宋學(xué)東1

1 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津市，300192

2 天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司，天津市，300384

目的 通過(guò)研制高頻超聲皮膚成像系統(tǒng)，對(duì)皮膚的超聲圖像進(jìn)行分析，探索皮膚結(jié)構(gòu)的影像學(xué)特征，以探索高頻超聲成像在皮膚疾病診斷中的價(jià)值。方法 成像系統(tǒng)采用50 MHz單元超聲換能器，機(jī)械線(xiàn)性?huà)呙璺绞竭M(jìn)行成像。通過(guò)線(xiàn)靶掃描和臨床試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的分辨力和對(duì)皮膚組織及其病變的分辨能力。結(jié)果 成像系統(tǒng)的分辨力均達(dá)到50 μm，正常皮膚組織的細(xì)微結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，一些病變?cè)诼曄駡D中有明顯的表現(xiàn)。結(jié)論50 MHz的超聲皮膚成像系統(tǒng)具有很高的分辨率，對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)的觀察及疾病的診斷有一定的價(jià)值。

高頻超聲；皮膚超聲成像；線(xiàn)性?huà)呙?/p>

皮膚病作為人類(lèi)的一種常見(jiàn)病長(zhǎng)期困擾著人類(lèi)，尤其是近年來(lái)，患皮膚癌、銀屑病等疾病的患者有增多的趨勢(shì)。相對(duì)發(fā)病率的不斷增加，皮膚病的診斷手段，尤其是早期診斷的手段卻很匱乏，這類(lèi)疾病通常需要活檢才可確診，增加了患者的痛苦，且常常因發(fā)現(xiàn)較晚而錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí)間。

人類(lèi)皮膚根據(jù)部位不同，厚度也不同，一般在(0.5～4) mm(不包括皮下脂肪)。常規(guī)的超聲成像設(shè)備可達(dá)到(0.2～0.5) mm的分辨力，不足以進(jìn)行皮膚早期疾病的診斷，這也是過(guò)去超聲較少被用于皮膚疾病診斷的原因之一。隨著超聲成像技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了甚高頻(40 MHz以上)超聲成像技術(shù)，并已開(kāi)始應(yīng)用，其分辨力高于0.1 mm，已可以滿(mǎn)足皮膚結(jié)構(gòu)的探查。1979年Alexander、Miller等人應(yīng)用脈沖超聲檢測(cè)人類(lèi)皮膚厚度，逐漸引起醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。在西方國(guó)家，尤其是西歐在這方面的工作開(kāi)展的較多較早。有研究表明，高頻超聲是準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)的測(cè)量皮膚厚度的方法[1]，并且對(duì)黑色素瘤、痣、血管瘤、結(jié)節(jié)性紅斑、皮膚惡性腫瘤等疾病的診斷有重要的指導(dǎo)意義[2-4]。從文獻(xiàn)上看，在采用不同超聲頻率探測(cè)時(shí)，同一病變的回聲信號(hào)經(jīng)常會(huì)有不同表現(xiàn)，除病變組織本身的因素外，組織對(duì)不同頻率的超聲的散射差異可能也是原因之一[5]。作者采用50 MHz高頻超聲，根據(jù)皮膚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于皮膚掃描的皮膚超聲診斷系統(tǒng)，并用于皮膚結(jié)構(gòu)及疾病的觀察。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由超聲掃描探頭、模塊化設(shè)計(jì)的下位機(jī)和由PC機(jī)組成的上位機(jī)組成，如圖1所示。虛線(xiàn)框內(nèi)是超聲信息采集模塊，構(gòu)成系統(tǒng)的下位機(jī)，成像及圖像處理由作為上位機(jī)的PC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System principal diagram

(1) 超聲掃描探頭 確定探頭的工作頻率時(shí)，綜合分辨力和探測(cè)深度兩個(gè)因素，選擇采用50 MHz的超聲換能器，可以達(dá)到約4 mm的探測(cè)深度以及50 μm的軸向及側(cè)向分辨力，可滿(mǎn)足一般表皮和真皮層的探測(cè)。由于現(xiàn)階段還無(wú)法制作如此高頻的陣列換能器，因而采用單元換能器，利用機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)掃描。根據(jù)皮膚結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在有限的探測(cè)寬度內(nèi)(如15 mm以?xún)?nèi))多為平坦形態(tài)。而單元換能器具有固定的焦點(diǎn)，傳統(tǒng)扇形掃描方式在掃描時(shí)焦點(diǎn)軌跡呈弧形，造成焦點(diǎn)在不同深度，使圖像不均勻。為使換能器焦點(diǎn)能夠始終保持在同一深度，從而保持圖像有均勻的分辨力，系統(tǒng)采用了線(xiàn)性?huà)呙璺绞?。兩種掃描方式示意如圖2，左邊為扇形掃描模式，聲場(chǎng)的焦域分布在不同深度，右邊為線(xiàn)性?huà)呙枘Ｊ剑晥?chǎng)的焦域在同一層面。

圖2 兩種掃描方式比較Fig.2 Two scan methods

對(duì)于50 MHz的超聲，其發(fā)射電路和接收電路都是關(guān)鍵的部分，發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度僅有10 ns左右，回波信號(hào)極其微弱，器件的速度，線(xiàn)路損耗都會(huì)很大程度地影響回波信息，為盡量避免電纜傳輸帶來(lái)的信號(hào)畸變和衰減，將發(fā)射以及前級(jí)射頻放大、檢波電路設(shè)計(jì)在探頭內(nèi)部，盡量靠近換能器。而將檢波后的視頻信號(hào)通過(guò)電纜傳輸至下位機(jī)的視頻放大模塊，從成像的效果看，這樣的設(shè)計(jì)減少了信號(hào)的衰減并提高了抗干擾能力。

(2) 下位機(jī)模塊 回波信號(hào)經(jīng)放大、檢波后，經(jīng)高速A/D變換器采樣并存儲(chǔ)。下位機(jī)的控制管理是基于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，完成回波數(shù)據(jù)的采樣、存儲(chǔ)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊經(jīng)USB 2.0接口傳輸至上位機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸模塊同時(shí)接收上位機(jī)的控制指令，驅(qū)動(dòng)探頭進(jìn)行掃描。

(3) 上位機(jī)模塊 上位機(jī)以PC機(jī)及外圍設(shè)備組成，軟件分底層數(shù)據(jù)收發(fā)及圖像構(gòu)建程序和頂層影像工作站兩部分。底層程序向下位機(jī)發(fā)出控制命令，并將上傳的回波信息重建為二維圖像，頂層的影像工作站完成圖像的顯示、處理、采集、存儲(chǔ)和打印。

2 分辨力實(shí)驗(yàn)

采用線(xiàn)靶掃描法來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的分辨力。靶線(xiàn)由直徑為10 μm、相距50 μm的兩根平行的金屬鎢絲組成。

將測(cè)試靶線(xiàn)置于水槽中(水溫25oC )，將探頭前端的換能器浸入水中，在垂直于靶線(xiàn)的平面進(jìn)行掃描，調(diào)整探頭高度，使靶線(xiàn)位于換能器的焦點(diǎn)處，分別對(duì)靶線(xiàn)進(jìn)行水平掃描和垂直掃描。觀察圖像，可以看出圖像中可清晰分辨出兩根靶線(xiàn)，圖3左邊為水平距離為50 μm的兩根鎢絲的聲像圖，右邊為垂直距離為50 μm的兩根鎢絲的聲像圖，兩種情形均可清晰分辨。表明該超聲成像系統(tǒng)的軸向分辨力和側(cè)向分辨力均達(dá)到50 μm。

圖3 分辨力測(cè)試靶線(xiàn)聲像圖Fig.3 Resolution testing image for lines target

圖4 正常皮膚組織Fig.4 Normal skin issue

3 臨床實(shí)驗(yàn)

采用該皮膚超聲成像系統(tǒng)對(duì)人的正常皮膚以及異常皮膚進(jìn)行觀察，可以清晰觀察到正常皮膚組織的表皮、真皮、淺部的皮下組織以及毛發(fā)等（見(jiàn)圖4）。皮膚的表皮層呈高回聲，真皮層呈中高回聲，皮下組織則大部分呈低回聲，一些纖維組織則呈高回聲亮帶，縱切毛發(fā)時(shí)可見(jiàn)真皮層內(nèi)斜行低回聲暗帶。

臨床試驗(yàn)中，除大部分病變的輪廓形態(tài)能清晰觀察外，一些病變的內(nèi)部回聲呈一定的特異性，如脂肪瘤、痣、瘢痕、基底細(xì)胞癌等(見(jiàn)圖5)。圖5(a)為脂肪瘤聲像圖，有清晰的邊界，內(nèi)部中等回聲并逐漸衰減。圖5(b)為痣的聲像圖，表現(xiàn)為表皮下的低回聲，與真皮層有明顯的邊界并且較整齊，伴有聲影。圖5(c)為瘢痕的聲像圖，內(nèi)部呈不均勻的團(tuán)狀回聲，邊界比較明顯。圖5(d)為基底細(xì)胞癌(后經(jīng)病理證實(shí))的聲像圖，表現(xiàn)為上下界面均不規(guī)則，且病灶內(nèi)部有不規(guī)則的點(diǎn)狀強(qiáng)回聲。這些特征為進(jìn)一步的診斷提供了可能性。

圖5 幾種皮膚病聲像圖Fig.5 Some skin disease images

4 討論

在檢驗(yàn)系統(tǒng)分辨力的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)相距50 μm兩根線(xiàn)靶進(jìn)行縱向和水平方向掃描，均可在聲像圖中明顯分辨出兩根線(xiàn)靶，表明該系統(tǒng)達(dá)到了50 μm的分辨能力。在臨床試驗(yàn)中，正常皮膚的表皮層、真皮層以及汗毛等結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得比較清晰，對(duì)大多數(shù)常見(jiàn)病種的輪廓形態(tài)能夠清晰顯示，可觀察病變是否侵犯到真皮層或皮下結(jié)締組織。但多數(shù)病變的形態(tài)特征和內(nèi)回聲特征不易區(qū)分，如痣、囊腫、感染性肉芽腫等均表現(xiàn)為邊界清晰的低回聲區(qū)，區(qū)別僅在聲像圖中痣通常伴有聲影。但對(duì)于有些病變，如瘢痕疙瘩、脂肪瘤、基底細(xì)胞癌等，雖然所做的病例數(shù)還較少，但從有限的病例中還是觀察到同一病種的病灶內(nèi)部回聲有比較明顯的共性特征，因而有可能通過(guò)高頻超聲檢查來(lái)輔助判斷某些病變的性質(zhì)，減少組織活檢的頻次，這對(duì)于一些敏感部位(如面部)病變的診斷具有更為重要的意義。

5 結(jié)論

作者研制的50 MHz的高頻超聲皮膚成像系統(tǒng)的軸向及側(cè)向分辨力均達(dá)到了50 μm，采用線(xiàn)性?huà)呙璺绞娇梢栽谄つw同一深度上獲得均勻分辨力的圖像，有利于皮膚結(jié)構(gòu)的探查。該系統(tǒng)能夠清晰地觀察皮膚的表皮、真皮層、毛發(fā)、皮下血管等細(xì)微結(jié)構(gòu)。對(duì)治療方法的選擇、手術(shù)方案確定、治療效果的觀察和評(píng)價(jià)具有重要意義。雖然目前還無(wú)法單用超聲來(lái)定性地判斷病變的性質(zhì)，尤其是腫物的良性和惡性，但隨著高頻超聲在皮膚科的應(yīng)用和這項(xiàng)技術(shù)的深入研究，將會(huì)積累更多的經(jīng)驗(yàn)，摸索出更多的病變特征用以診斷疾病。

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The Research of Skin lmaging Technology with High Frequency Ultrasound

【 Writers 】Yang Jun1, Ji Jianjun1, Li Yuejie1, Wang Yanqun1, Liu Yawei2, Ji Yunhong2, Song Xuedong1
1 Institute of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences, Peking Union Medical College, Tianjin, 300192
2 MEDA Co. Ltd., Tianjin, 300384

high-frequency ultrasound, skin ultrasound imaging, linear scan

R445.1

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2013.06.004

1671-7104(2013)06-0398-03

2013-08-02

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAI13B02）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃（12JCZDJC22500）

楊軍，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向：醫(yī)學(xué)超聲工程，

E-mail: yangj3210@hotmail.com

宋學(xué)東，副研究員，E-mail: xdsong2008@163.com

【 Abstract 】ObjectiveDeveloping a high-frequency ultrasonic skin imaging system to obtain the high resolution ultrasonic image of the skin. And further analyzing the ultrasonic images of skin to explore the imaging characteristics of skin structure and then explore the value of high-frequency imaging in the application of skin diagnosis.Methods50 MHz single element ultrasonic transducer, mechanic linear scanning method is used in the imaging system. The resolution and the ability of recognize the skin issue is verified by linear target scanning and clinical trials.ResultsBoth the axial and lateral resolution of the system reaches 50 μm. The subtle structure of normal skin tissue is clearly visible. Some diseases have obvious appearance in the image. Conclusions 50 MHz ultrasonic skin imaging system is of high resolution and is valuable to skin structure detect and disease diagnosis.