蔣君杰，劉夢(mèng)軍，范 穎，董新宇

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津 300192)

1 超聲安全

超聲與生物組織相互作用可產(chǎn)生熱效應(yīng)，影響細(xì)胞的正常功能，從而造成結(jié)構(gòu)上的損害。隨著超聲診斷設(shè)備的廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)孕婦照射的明顯增多，人們?cè)絹?lái)越重視其潛在的危害性。

1.1 熱效應(yīng)(TI)與空化效應(yīng)(MI)

1992年，美國(guó)超聲醫(yī)學(xué)會(huì)(AIUM)和國(guó)際電氣制造業(yè)協(xié)會(huì)(NEMA)明確設(shè)定了輸出顯示標(biāo)準(zhǔn)(ODS)。在每項(xiàng)超聲檢查時(shí)，屏幕上會(huì)實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)，即熱效應(yīng)(TI)值和空化效應(yīng)(MI)值。這一水平的提高使得超聲對(duì)生物組織的危害得到量化，其中產(chǎn)熱指數(shù) TI是換能器產(chǎn)生的聲能(W)與使組織溫度上升 1℃所需要的能量(Wdeg)之間的比值，機(jī)械指數(shù)MI定義為稀疏壓力峰值(Pr)(負(fù)壓)除以超聲頻率的平方根，如公式(1)、(2)所示：

產(chǎn)熱指數(shù)公式：

計(jì)算機(jī)械指數(shù)公式：

1.2 操作模式及潛在危害

在超聲設(shè)備的使用過(guò)程中，不同操作模式的能量輸出和強(qiáng)度都存在較大差異。脈沖越長(zhǎng)，能量越高，一般用于脈沖多普勒的脈沖重復(fù)頻率，與 B型成像相比，會(huì)產(chǎn)生更高平均強(qiáng)度，因此產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的潛在危險(xiǎn)性很高，尤其是熱效應(yīng)。彩色血流成像和能量多普勒成像模式的產(chǎn)熱效能介于 B型和頻譜脈沖多普勒之間，表1為Henderson等于1997年整理的數(shù)據(jù)，我們可以看到使用脈沖多普勒模式時(shí)產(chǎn)生的能量最高。

表1 英國(guó)對(duì)于設(shè)備在臨床應(yīng)用中的研究數(shù)據(jù)Tab.1 Research data of ultrasonic equipments in clinical practices from UK

1.3 參數(shù)檢定及使用準(zhǔn)則

FDA超聲規(guī)范允許的機(jī)械指數(shù)最大為 1.90，可用于除眼睛(最大為0.23)以外的所有檢查，可用范圍為0.05～1.90。英國(guó)醫(yī)學(xué)超聲學(xué)會(huì)(BMUS)于2000年頒布了對(duì)產(chǎn)熱指數(shù)和機(jī)械指數(shù)的推薦指南，如表 2所示。

表2 BMUS關(guān)于MI和TI值的推薦指南Tab.2 Recommended guides for MI and TI values by BMUS

因此，設(shè)備使用者在掃描時(shí)應(yīng)規(guī)律地檢查設(shè)備的產(chǎn)熱和機(jī)械指數(shù)，使這些指數(shù)盡可能低，無(wú)法降低時(shí)，則保證檢查時(shí)間盡可能短。作為超聲設(shè)備的檢定人員，應(yīng)該對(duì)超聲設(shè)備的 TI、MI和 ISPTA值進(jìn)行可靠的測(cè)量和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)量值統(tǒng)一，以提醒設(shè)備使用者通過(guò)最小化暴露時(shí)間和暴露強(qiáng)度將可能的危害最小化。

2 成像性能檢測(cè)及質(zhì)量保證

2.1 檢測(cè)模型選擇

理想的檢測(cè)模型應(yīng)與人體軟組織有相似的聲學(xué)特性，模型材料具有以下 3個(gè)特點(diǎn)：①聲音傳播速度為 1,540,m/s；②衰減程度為 0.5～0.8,dB/(cm·MHz)；③擴(kuò)散性質(zhì)與軟組織產(chǎn)生的回波類似。模型中含有不同的結(jié)構(gòu)和靶點(diǎn)，能被用于檢測(cè)一個(gè)范圍內(nèi)的成像參數(shù)。圖 1顯示了常用檢測(cè)模型的靶點(diǎn)和結(jié)構(gòu)排列，包括檢測(cè)圖像分辨力的線條安排，檢測(cè)標(biāo)刻精確度的垂直線組和水平線組，囊性病灶的直徑誤差以及盲區(qū)的檢測(cè)。

圖1 常用檢測(cè)模型的典型布置Fig.1 Typical arrangement of a normal detection model

在一定范圍內(nèi)的頻率和深度下，需要使用不同的換能器，因此也要選擇不同的超聲模型。如果使用低頻換能器(2～5,MHz)來(lái)檢測(cè)，那么選擇相對(duì)較大的檢測(cè)模型，一般需要大約 15,cm的厚度。對(duì)于高頻換能器(7～12,MHz)，聲束穿透距離較小但分辨力較高，就要選擇相對(duì)小結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算。

2.2 檢測(cè)測(cè)量精確度

超聲設(shè)備使用電子測(cè)徑儀對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，在凍結(jié)的B型圖像上計(jì)算直線距離、周長(zhǎng)及面積。檢定人員通過(guò)使用合適的體模就能容易地檢測(cè)診斷性超聲系統(tǒng)的測(cè)量精確度，包括垂直距離測(cè)量(見(jiàn)圖 2)和水平距離測(cè)量(見(jiàn)圖 3)以及囊性病灶的直徑測(cè)量(見(jiàn)圖4)。使用電子測(cè)徑儀測(cè)量已知距離的靶點(diǎn)間隔，將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離進(jìn)行比較，利用公式3計(jì)算誤差百分比：

圖2 垂直距離的測(cè)量Fig.2 Measurement of vertical distance

圖3 水平距離的測(cè)量Fig.3 Measurement of horizontal distance

圖4 囊性病灶直徑測(cè)量Fig.4 Diameter measurement of cystic focus

2.3 檢測(cè)盲區(qū)

盲區(qū)是設(shè)備在該探頭下所能測(cè)得的最淺距離，盲區(qū)的檢測(cè)可以避免醫(yī)生錯(cuò)過(guò)人體的淺層病灶，影響治療。將設(shè)備在近場(chǎng)聚焦，讀取盲區(qū)靶群中最淺靶線所在深度，即為該設(shè)備配用該探頭時(shí)的盲區(qū)，如圖 5所示。

圖5 盲區(qū)的測(cè)量Fig.5 Measurement of non-detection zone(s)

2.4 檢測(cè)圖像分辨力

圖像分辨力，常被提及為空間分辨力，在掃查線上被分為兩個(gè)主要部分：軸向分辨力和側(cè)向分辨力，是衡量醫(yī)用超聲診斷儀圖像質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。有兩種檢測(cè)方法來(lái)測(cè)量軸向和側(cè)向分辨力：物體隔離法和單點(diǎn)法。目前大部分使用的是物體隔離法，檢測(cè)模型中包含一組不同深度的靶點(diǎn)用于評(píng)估軸向和側(cè)向分辨力，讀取縱向及橫向靶群圖像中可以分辨的最小距離，即為儀器在配備該探頭時(shí)的縱向和橫向分辨力。如圖 6所示，縱向分辨力一般優(yōu)于橫向分辨力。這種技術(shù)方法在日常檢定中有一定的缺點(diǎn)，檢測(cè)模型中靶點(diǎn)的空間測(cè)量值有限，最主要的是很多時(shí)候我們難以決定這對(duì)靶點(diǎn)是否能分辨。

單線法則可以選擇靶線上的任何位點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)換能器近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)測(cè)量不同深度單個(gè)靶點(diǎn)的長(zhǎng)度和寬度，間接評(píng)價(jià)軸向和側(cè)向分辨力，使用單線法時(shí)，利用儀器局部放大功能、放大靶點(diǎn)圖像，確保測(cè)量誤差最小。這種方法的主要缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)難以界定這些模糊靶點(diǎn)的邊界，如圖 7、8所示，因此在檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)中應(yīng)融合兩種方法，讓檢定人員有多種選擇，提高測(cè)量的精確度。

圖6 檢測(cè)模型在特定深度評(píng)估軸向和側(cè)向分辨力的圖像Fig.6 Image of resolution assessment along both axial and side directions at specific depth

圖7 使用單線法評(píng)估軸向分辨力Fig.7 Assessment of resolution at axial direction by singlestrand method

圖8 使用單線法評(píng)估側(cè)向分辨力Fig.8 Assessment of resolution at side direction by singlestrand method

2.5 檢測(cè)穿透深度

穿透深度，即所謂的敏感性，臨床上由于超聲聲束在傳播過(guò)程中發(fā)生衰減，來(lái)自深部組織微小結(jié)構(gòu)的回波很弱，超聲系統(tǒng)探測(cè)、顯示并從背景噪聲中鑒別出這些微弱回聲的能力極其重要。依然使用檢測(cè)模型，調(diào)節(jié)儀器以最大能量運(yùn)行，并使用深部聚焦區(qū)設(shè)置獲得最大穿透深度的距離，如圖 9所示，然后使用電子測(cè)徑儀確定并測(cè)量能夠探測(cè)到的最深處的散射回波，并與背景電子噪聲相鑒別。

圖9 穿透深度的測(cè)量Fig.9 Measurement of penetration depth

3 電子和機(jī)械安全

檢定中應(yīng)注意外觀檢查，例如換能器和塑膠外殼是否發(fā)生裂縫和脫層，電纜是否松動(dòng)和磨損，配套設(shè)備是否正常運(yùn)行以及環(huán)境的清潔。

4 超聲設(shè)備檢定的局限性

在超聲安全方面，TI和 MI并不是絕對(duì)值，而是對(duì)產(chǎn)生某種生物學(xué)效應(yīng)危害的粗略計(jì)算，指數(shù)越高，生物學(xué)效應(yīng)的可能性越大。超聲儀器對(duì)這兩個(gè)指數(shù)的計(jì)算基于很多假設(shè)，考慮了最差情景，我們?cè)跈z測(cè)過(guò)程中很難做到量值統(tǒng)一，因此期待更好的評(píng)價(jià)超聲安全的檢測(cè)方法出現(xiàn)。

在儀器性能方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，人們使用更高的換能器，超聲設(shè)備的性能已經(jīng)在一定范圍內(nèi)提高，在檢定中許多儀器都能夠較容易的分辨模型內(nèi)的靶點(diǎn)，因此需要不斷更新檢測(cè)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方法，以更好地檢測(cè)新設(shè)備的性能。

［1］ 戴晴，孟華. 超聲物理基礎(chǔ)必讀[M]. 北京：人民軍醫(yī)出版社，2013.

［2］ 醫(yī)用超聲診斷儀超聲源檢定規(guī)程[S]. JJG639-1998.