超声成像中的穿刺引导技术

上一篇讲到了超声成像在引导穿刺时面临的问题：在某些时候，看不见针或者针尖。 针显示不好主要原因在于：

1. 医生不借助其它工具，直接在超声图像引导下进针时，很难保证针不偏离出成像平面； 
2. 即使医生技艺高超，能稳定地把针控制在成像平面内，如果针的角度和超声波波束角度不合适( 不够垂直)，针的显示也会很受影响； 

为了让医生在穿刺过程中清楚地知道针的位置，近十来年工程界也发明了很多技术。在此，笔者将对自己了解的有关技术作一个介绍(这里提及各家技术用到的大部分插图来源于互联网，如有版权问题请与小编联系)。

笔者将这些技术分为两大类，一类称为穿刺针显示增强技术，另一类称为穿刺针定位技术。

一、穿刺针显示增强技术

这一类技术致力于让针在超声图内显示得更清晰，但这也就意味着，针一定需要在超声成像切面内，否则这一类技术是无法起作用的。

1. 超声穿刺增强技术

超声穿刺增强技术可以不借助任何其它附加设备，仅仅依靠成像方法本身来使针显示得更清楚。

1.1 原理

我们已经知道，当针和超声波束的夹角较小时，针在超声图上会显示不清。原因在上一节分析过: 针表面是光滑的，会对入射声波产生镜面反射，针角度越倾斜(和超声波束夹角越小)，能够回到探头的声波越少，针越不容易显影(下图左)。显然，如果有办法使超声波束尽可能垂直于针，就可以实现大多数波束反射回探头，针显示的清晰度就会理想一点(下图右)。

所幸，由于阵列探头技术的采用，让波束偏转一定角度并不困难，质量好的探头甚至能让波束偏转40度（相对垂直方向）。下图为超声波束不偏转和偏转时得到的针不同的显示结果，很明显波束偏转后针的显示清楚了很多——不过遗憾的是整体图像质量有所下降。

为了在更好地显示针的同时保证图像质量基本不损失，大多数公司的解决办法是：通过系统算法从偏转图像里面提取针的信息，再叠加回正常角度的图像里，这样针可以在图像上显示得较为清楚，同时图像质量也能保持不变，比如上面两帧图像可作进一步处理，得出以下示意图(左下为提取出的针信号，右下为把针信息叠加回原图的结果):

1.2 智能穿刺增强技术

超声穿刺增强技术能为医生带来一定便利，但是使用时还是有一些不便之处: 为保证效果，偏转波束最好要垂直于针体，而针的角度往往是不定的，所以用户必须自己去选择最佳的偏传角度。为此，大多数系统也提供了偏转波束角度调节功能。然而在实际使用时，医生在进针前不太容易准确地预估角度，而穿刺过程中，一手拿探头一手拿针，也没有多余的手再去调角度了。即使一开始可以把角度设置好，穿刺过程中针的角度经常在变，预先设定的固定角度也不是最优的。

就此，我们团队对穿刺增强技术做了进一步优化，使角度可以智能化调整，穿刺过程中，如果针的角度变了，波束的偏转角度也就会自动跟着改变。

智能穿刺增强技术实现原理大致如下：系统先从不同角度发射超声波，得到相应的几帧针显示图像，再通过图像识别算法从这几帧图像中去找到针显示得最清晰的一帧，从而推测出针刺入的角度，也就不需要医生自己去判断。这样的角度检测会在成像过程中一直进行，以实现根据针的角度变换自动调节偏转超声波束。(当然实现的细节是复杂的,比如针的角度检测时需要从不同角度采集成像结果，这样做的同时又不能太影响成像速度。限于篇幅，细节方面的处理就不在本文具体展开了)。下边的视频为我们完成此技术开发做的一个DEMO视频，视频右侧的虚线为检测到针角度后，使用的偏转波束的角度，在视频中可以看到随着针角度的变化，偏转波束的角度也相应发生改变。

1.3 超声穿刺增强技术的缺陷

超声穿刺增强技术的缺陷实际就是超声成像的缺陷: 针必须在成像切面内，而实际穿刺过程中是很难持续保证这一点的。这也使得穿刺增强技术在医生看来时灵时不灵。

2. 使用特殊的针

前面提到了由于针上产生的是镜面反射，所以角度大时，针不能显像得很清楚。于是有人想到了在针表面加一些半圆形的凹槽，如果针在平面内，比起普通针，显影会清楚不少； 但由于针是特制的，成本上比普通针高很多，而穿刺针是一次性使用的，采用这种针会加重病人的经济负担，所以这种针实际推广并不理想。

3. 利用多普勒效应

NuVue公司设计了一个装置，在针后方加了一个振动装置，在COLOR DOPPLER模式下，振动的针运动速度会被检测出来，针的位置就会显示一条彩线。这种技术似乎没真正在国内的临床上看到过，个人感觉实用性不强。 

二、穿刺针定位技术

这一类技术不关心针在超声图像里面是不是真正得到了良好的显示，而是通过其它手段得到针相对于探头的空间位置，然后用附加的示意图，或者超声图像上的投像图，使用户知道穿刺针和超声成像切面相对位置关系。应用这一类技术，针可以不在成像切面内工作。

所以这一类技术的核心是要知道穿刺针相对于探头或成像切面的空间位置。

1. 穿刺架应用

穿刺架的思路实际是限制针只能在相对于探头固定的一个角度和位置来回移动，这样相当于知道了穿刺针和探头或成像切面的相对位置。如图示，穿刺架是固定在探头上的一个机械装置，侧面有一个直径与针类似的导槽，针通过导槽进入人体，这样一来，针和探头的相对角度肯定是不变的,穿刺路径也就固定了下来。

将导槽的角度信息保存在成像系统中，系统可以计算出针的穿刺路径，显示在图像上(上图中的虚线)。不管针实际显示如何，医生总是能知道，针一定在图示的虚线路径上移动。

实际临床中，穿刺架的应用比较广泛，但是至少还有一半以上的医生不愿意用穿刺架。原因主要是两点：一方面虽然针的角度相对于探头固定了，但会使得操作非常不灵活，往往医生进针后，从图像上看到进针路线和目标位置发生了偏离，这时候针却是没办法调整角度的，医生只能把针退出，重来一次； 另一方面，在神经阻滞中，往往需要在神经周围不同位置分别注射麻醉药，这个过程也必须对针刺入的角度进行调整，也使得穿刺架不那么好用。

2.红外导航技术

如上图所示，探头上方装了两只“大眼睛”， “大眼睛”其实是两个红外摄像头。 这两个摄像头都能拍摄到正在进入的针，利用两个摄像头的视差，针相对于探头或成像切面的空间位置就可以计算出来，和超声图像进行融合显示。

这项技术美国一家叫Clear Guide Medical的公司以及国内的睿影都在做并往临床推进。普及的进程从现在来看感觉不算快。个人觉得那对大眼睛比较碍事儿，在穿刺时，探头先要加消毒套，再安装大眼睛就变得困难，另外，操作时要求针和大眼睛之间不能有阻挡也限制了医生操作。此外，为了识别准确，针还是需要一些特殊处理，并不是任何针都可以拿着就用，这些因素都可能限制此技术在临床上的大规模推广。

3. 磁导航技术

磁定位技术在工业界各领域都有比较广泛的使用，它可以顺利实现目标物体(比如针)三维空间的定位，因而可以有效克服超声图像只能识别成像切面内针的局限，也没有角度依赖，用在穿刺导航中检测针位置非常合适。个人把用在穿刺导航的磁定位分为两种，即主动式和被动式的。主动式的磁场由专用设备来产生，也就是说需要一个磁场发射器；而被动式技术中，磁场直接利用地球本身的磁场。 

3.1 主动式磁定位

就目前而言，这种技术还是磁导航技术的主流，它基本脱胎于NDI公司的磁定位技术。最明显的外部特征是有一个大家伙——EM transmitter(磁场发生器)，用来发射磁场。这个系统里面的针或者探头都会安装上磁感应器(比如磁敏材料或者线圈), 通过检测针以及探头感应到的磁场强度，就可以计算它们各自对于磁发生器的空间位置，也能计算出自然探头与针的相对位置，根据这些信息，就可以把针的空间位置和超声图像进行融合显示。

从应用上来说，个人觉得这套系统用于穿刺导航有点过于庞大，涉及一系列附加装置，同时对针、对探头都需要改造；另外在使用前往往需要一系列校准操作，相对比较麻烦。手术室环境下，空间有限，对时间要求非常高，使得这套系统显得实用性略差一些。当然还有一个致命缺点就是: 贵！相当地不便宜。

3.2 被动式磁定位

放在最后的自然是用来王婆卖瓜的(大笑三声)目前我们和德国EZONO公司合作将加入到系统中的被动式磁导航技术。个人认为这是目前最好用的穿刺针定位技术。

这一项技术的原理是：

1. 利用磁敏材料组成传感器阵列，放置到探头内部(上图左里面那个绿色的小块)
2. 用磁化筒把针磁化（上图右）
3. 当磁化后的针靠近探头中的传感器阵列，影响传感器周围的磁场，磁感应器检测周围的磁场变化值，系统根据变化值就可以计算出针相对于探头的空间坐标，然后进行显示。

相对说来，被动式磁定位可见的附加装置只有一个磁化器(不超5cm高度)，从效果上完全可以比拟主动式的磁定位，操作更方便，

视频演示了一个从超声成像切面外侧进行穿刺的例子，仅有超声图时，只有在针已经达到或者通过成像切面时，才能看到针和成像平面交点的显影，而针的的整体位置没有办法从超声图像上看到。本技术的应用可以得到针相对于探头的实际空间位置，因而我们能够在界面的左上方增加一个俯视投影图，把针和探头相对位置表示出来，同时在超声图上，也可以把针在超声切面的投影用投影线进行显示。此外，针达到成像切面之前，可以预测针和成像切面的交点，并在超声图上作提示，操作医生就可以相应调整手法，保证针可以到位，而如果针已经通过了成像切面还在继续往前，系统也可以及时报警。

三． 结语

本文中，笔者只是列出了自己所知道的穿刺针显影增强及定位技术，更多是一家之言，肯定还有不少团队在默默地憋大招，准备拿出其它更亮眼的技术。或许有一天，某个团队会直接把二维面阵用到穿刺引导中，既可以在超声图上清晰地显示针图像，又可以不限制针只能在指定的切面工作。总之，技术无止境，同行共努力。