蔡澤杭 陳少輝 吳晞 汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司 （廣東 汕頭 515000）

內(nèi)容提要： 目的：為了提高新生兒顱腦超聲掃查效率，操作標(biāo)準(zhǔn)化，切面標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)醫(yī)技分離。方法：由微凸容積探頭、超聲收發(fā)前端、信號(hào)處理、后處理軟件、顯示器、控制面板等構(gòu)成系統(tǒng)，通過(guò)微凸容積探頭經(jīng)過(guò)新生兒前囟以獲取顱腦正在矢狀面作為探頭位置擺放的標(biāo)準(zhǔn)起始位置后，即可啟動(dòng)儀器中的“自動(dòng)顱腦容積”功能，由超聲主機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭自動(dòng)完成對(duì)整個(gè)顱腦容積數(shù)據(jù)的獲取。結(jié)果：微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭獲取顱腦標(biāo)準(zhǔn)切面的成功率一致或者接近；微凸陣容積探頭獲取顱腦標(biāo)準(zhǔn)切面的時(shí)間明顯快于常規(guī)微凸陣探頭。結(jié)論：微凸容積探頭在獲取新生兒顱腦標(biāo)準(zhǔn)切面的成功率與常規(guī)微凸探頭基本一致的基礎(chǔ)上，掃查效率明顯高于常規(guī)微凸陣，且不受手法和經(jīng)驗(yàn)影響，可實(shí)現(xiàn)醫(yī)技分離。

近年來(lái)，我國(guó)生育高齡化日趨上升，導(dǎo)致新生兒腦病發(fā)病率逐年上升[1,2]。早產(chǎn)兒腦損傷帶來(lái)的后遺癥嚴(yán)重影響早產(chǎn)兒的生長(zhǎng)發(fā)育，給社會(huì)和家庭帶來(lái)了巨大負(fù)擔(dān)。在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中，盡管當(dāng)今計(jì)算機(jī)體層成像或磁共振成像從診斷的清晰度及醫(yī)技分離的可行性上更引人注目，但對(duì)于新生兒而言，超聲以無(wú)創(chuàng)、便捷、床旁等優(yōu)勢(shì)成為首選檢查方法[3-5]。傳統(tǒng)超聲儀采用經(jīng)前囟顯示顱腦結(jié)構(gòu)及附近血管、腦外間隙等，包括冠狀面掃查的額葉切面、側(cè)腦室前角切面、第3腦室切面、側(cè)腦室中央部-后角切面、枕葉切面，矢狀面掃查的正中矢狀面、側(cè)腦室前角切面、側(cè)腦室中央部-后角切面、腦島切面，共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面。醫(yī)生在操作過(guò)程由于經(jīng)驗(yàn)、打圖手法、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)切面獲取的把握程度等存在一定程度的差異，進(jìn)而會(huì)影響整個(gè)圖像掃查的時(shí)間，再加上傳統(tǒng)的掃查流程是需要邊獲取切面邊進(jìn)行圖像分析診斷，這也進(jìn)一步增加了整個(gè)檢查的時(shí)間跨度。而被檢查者往往是患有嚴(yán)重出血性腦病的危重新生兒，檢查時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，檢查過(guò)程中探頭反復(fù)來(lái)回施壓囟門以搜尋查找切面等操作會(huì)在一定程度上加重其原有病癥的風(fēng)險(xiǎn)[6-9]?；诖?，本文旨在設(shè)計(jì)一種基于微凸容積探頭的新生兒顱腦超聲掃查系統(tǒng)，借助微凸容積探頭及其所獲取的三維容積顱腦數(shù)據(jù)，以快速的圖像獲取、標(biāo)準(zhǔn)化的顱腦切面分割，甚至自動(dòng)識(shí)別和計(jì)算出血位置及范圍來(lái)解決傳統(tǒng)超聲對(duì)新生兒顱腦掃查過(guò)于依賴手法和經(jīng)驗(yàn)，以及時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而存在的風(fēng)險(xiǎn)等一系列問(wèn)題。

1.新生兒顱腦超聲掃查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由微凸容積探頭、超聲收發(fā)前端、信號(hào)處理、后處理軟件、顯示器、控制面板等構(gòu)成。操作者通過(guò)微凸陣容積探頭經(jīng)新生兒前囟作為聲窗，以獲取顱腦的正中矢狀面作為探頭位置擺放的標(biāo)準(zhǔn)起始位置后，即可啟動(dòng)儀器中的“自動(dòng)顱腦容積”功能，由超聲主機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭自動(dòng)完成對(duì)整個(gè)顱腦容積數(shù)據(jù)的獲取。完成顱腦容積圖像采集后系統(tǒng)將即時(shí)對(duì)所獲取的容積數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理重建和切面分割，進(jìn)而呈現(xiàn)出依據(jù)《中國(guó)兒科超聲檢查指南》所指導(dǎo)的12個(gè)顱腦標(biāo)準(zhǔn)切面，供接下來(lái)的診斷分析。

圖1.系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 探頭設(shè)計(jì)

如圖2所示，與傳統(tǒng)的機(jī)械容積探頭構(gòu)成類似，微凸機(jī)械容積探頭由電機(jī)、連接裝置、微凸探頭、外殼等組成，電機(jī)通過(guò)連接裝置驅(qū)動(dòng)微凸探頭做扇掃。

圖2.探頭構(gòu)成（注：2a.正視圖；2b.側(cè)面圖）

一般新生兒顱腦的探測(cè)深度應(yīng)達(dá)到100mm左右，本文選取探頭的頻率范圍為4～9MHz，曲率半徑為11mm，二維角度為157°，機(jī)械扇掃的角度為100°。三維視野分析：如圖3所示，藍(lán)色虛線為探測(cè)深度，為100mm，以中間位置探測(cè)深度為50mm進(jìn)行計(jì)算，可以得到前后方向（紅色虛線）的視野為189.7mm，左右方向（綠色虛線）的視野為155mm，基本滿足大部分新生兒顱腦的掃查視野要求。

圖3.掃查視野

1.3 成像原理

該成像主要解決超聲在小兒顱腦領(lǐng)域中的應(yīng)用。本項(xiàng)發(fā)明涉及超聲檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲顱腦異常區(qū)域的自動(dòng)檢測(cè)以及顯示方法。本項(xiàng)技術(shù)采用了如下的解決方案：①先構(gòu)建顱骨蓋曲面模型；②然后對(duì)二維超聲圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到顱骨蓋的邊緣曲線；③利用顱骨蓋的邊緣曲線與顱骨蓋的曲面模型進(jìn)行擬合，確定二維超聲圖像的位置，以判斷該二維圖像是否具備對(duì)稱特性；④最后利用二維圖像的對(duì)稱特性對(duì)互相對(duì)稱的兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行相似度比對(duì)計(jì)算，以此來(lái)確定是否存在異常區(qū)域及其位置。此項(xiàng)技術(shù)的解決方案優(yōu)點(diǎn)在于：先建立顱骨蓋曲面模型，并對(duì)二維超聲圖像檢測(cè)顱骨蓋邊界曲線，利用頭蓋骨邊界的曲線與頭蓋骨的曲面模型進(jìn)行擬合，以確定二維圖像的具體位置以選取具備對(duì)稱特性的二維圖像，利用二維圖像的對(duì)稱性進(jìn)行異常區(qū)域的檢測(cè)并分割顯示出來(lái)，從而有效地提高異常區(qū)域檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

1.4 系統(tǒng)工作流程

1.4.1 數(shù)據(jù)采集

在新生兒前囟門處涂抹足量的耦合劑（由于微凸容積探頭接觸面較二維微凸探頭大，囟門處充足的耦合劑能保證微凸容積探頭表面與囟門充分耦合達(dá)到理想的探測(cè)聲窗，以確保獲取到的切面圖像盡可能地顯示完整），將微凸機(jī)械容積探頭放置于前囟門處，獲取標(biāo)準(zhǔn)正中矢志切面，如圖4所示。于該切面的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)自動(dòng)掃查，獲得一個(gè)完整的新生兒顱腦容積數(shù)據(jù)。

圖4.探頭擺放位置

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)切面的獲取與校準(zhǔn)方法

完成容積體數(shù)據(jù)的獲取后，系統(tǒng)將同步自動(dòng)識(shí)別并從該體數(shù)據(jù)中分割出新生兒顱腦診斷常用的12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面（前述中提及的12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面為根據(jù)《中國(guó)兒科超聲檢查指南》[10]所指導(dǎo)的切面），包括矢狀面集的正中矢狀面、左右側(cè)腦室前角切面、左右側(cè)腦室中央部-后角切面、左右腦島切面7個(gè)切面，冠狀面集的額葉切面、側(cè)腦室前角切面、第3腦室切面、側(cè)腦室中央部-后角切面、枕葉切面5個(gè)切面，合計(jì)12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面。并對(duì)每個(gè)切面進(jìn)行命名顯示，方便操作者的比對(duì)和識(shí)別。

依據(jù)診斷習(xí)慣和觀測(cè)方便，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了幾種呈現(xiàn)方式，將自動(dòng)分割的12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面進(jìn)行分類集合，包括矢狀面合集，如圖5所示；冠狀合集，如圖6所示；以及矢-冠面合集，如圖7所示，方便醫(yī)生快速判斷所獲取圖像的完整性。

圖5.矢狀面合集

圖6.冠狀合集

圖7.矢-冠面合集

期間如存在切面?zhèn)€體角度或方位偏差時(shí)，仍可通過(guò)軟件中的切面角度校正或空間X/Y/Z軸的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲切面的校準(zhǔn)操作，以確保上述12個(gè)切面均落在合理標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。在進(jìn)行切面校正或空間X/Y/Z軸調(diào)節(jié)時(shí)，軟件設(shè)計(jì)了切面虛擬位置指引圖，如圖8界面中的虛擬指引圖，方便醫(yī)生觀測(cè)切面角度落在新生兒頭部的相對(duì)位置，以便進(jìn)行快速和基準(zhǔn)的調(diào)節(jié)。

圖8.標(biāo)準(zhǔn)切面虛擬指引

另外，系統(tǒng)還能對(duì)所獲取切面進(jìn)行單幅或左右對(duì)稱性呈現(xiàn)，如圖9所示，更方便操作者對(duì)圖像進(jìn)行觀測(cè)、識(shí)別、診斷對(duì)比和測(cè)量等操作。

圖9.單幅顯示

2.試驗(yàn)研究

2.1 資料與方法

本次研究于2022年2月～9月實(shí)施，通過(guò)微凸陣容積探頭和常規(guī)微凸陣探頭分別獲取15組顱腦標(biāo)準(zhǔn)切面（每組12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面）進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比一：分別對(duì)比兩種探頭獲取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面的平均時(shí)間。對(duì)比二：微凸容積探頭和常規(guī)微凸陣探頭單次獲取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面的成功率。

2.2 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)數(shù)資料采用率（%）表示，采用方差分析和χ2檢驗(yàn)，P＜0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 結(jié)果

試驗(yàn)1：通過(guò)微凸容積探頭獲取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面，平均完成一組獲取數(shù)據(jù)的速度為142s（2min 22s）；通過(guò)常規(guī)微凸探頭取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面，平均完成一組獲取數(shù)據(jù)的速度為359s（5min 59s）。見(jiàn)表1。

表1.微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭操作時(shí)間對(duì)比

試驗(yàn)2：對(duì)比兩種探頭的15組操作，一次性獲取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切面的成功率，常規(guī)微凸陣探頭的成功率為93.33%，微凸容積探頭的成功率為73.33%。見(jiàn)表2。

表2.微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭一次性獲取標(biāo)準(zhǔn)切面成功率對(duì)比(n)

試驗(yàn)3：將微凸陣容積探頭一次性獲取失敗的案例進(jìn)行二次校正或二次取圖，其中，2例經(jīng)過(guò)軟件校正后，可重新獲取標(biāo)準(zhǔn)切面。見(jiàn)表3。

表3.微凸陣容積探頭二次校正獲取標(biāo)準(zhǔn)切面成功率(n)

2.4 討論與分析

通過(guò)微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭進(jìn)行獲取切面操作速度對(duì)比，微凸陣容積探頭平均操作時(shí)間為2min 22s，標(biāo)準(zhǔn)差為74s。常規(guī)微凸陣探頭平均操作時(shí)間為5min 59s，標(biāo)準(zhǔn)差為162s。通過(guò)這組數(shù)據(jù)說(shuō)明常規(guī)微凸陣探頭操作的差異性較大，更依賴于操作手法；容積探頭操作一致性明顯高于常規(guī)探頭，不受操作經(jīng)驗(yàn)和手法因素影響，且流程標(biāo)準(zhǔn)化，可重復(fù)操作。

微凸陣容積探頭與常規(guī)微凸陣探頭獲取標(biāo)準(zhǔn)切面成功率對(duì)比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=4.28，P=0.038）。常規(guī)探頭獲取圖像需要系統(tǒng)培訓(xùn)打圖，更依賴于操作者的手法，可重復(fù)性差。容積探頭操作不依賴手法，操作標(biāo)準(zhǔn)化，可重復(fù)。經(jīng)過(guò)分析，3例失敗案例失敗的因素包括探頭與耦合欠佳、冠狀面為重建切面圖像效果欠佳等導(dǎo)致。其中，2例失敗案例經(jīng)過(guò)軟件校正后，重新獲取標(biāo)準(zhǔn)切面；1例失敗案例是由于聲窗位置不理想，難耦合，校正失敗，通過(guò)常規(guī)微凸陣探頭也無(wú)法成功獲取標(biāo)準(zhǔn)切面。

3.小結(jié)

微凸針容積探頭的采集方式標(biāo)準(zhǔn)化，能夠更快速、準(zhǔn)確地獲取小兒顱腦標(biāo)準(zhǔn)切面，減少探頭與囟門的接觸時(shí)間，降低傷害，提高醫(yī)生的工作效率；同時(shí)，不受操作經(jīng)驗(yàn)和手法因素影響，流程標(biāo)準(zhǔn)化，可重復(fù)性高，可實(shí)現(xiàn)醫(yī)技分離，一定程度緩解超聲醫(yī)生的工作壓力。

該功能從顱腦數(shù)據(jù)的獲取和分割來(lái)分析，相比傳統(tǒng)的二維方式在工作效率、切面標(biāo)準(zhǔn)化等方面都有較明顯的優(yōu)勢(shì)。但切面分割依據(jù)的是《指南》中的經(jīng)驗(yàn)位置，而經(jīng)驗(yàn)位置只能確保大多數(shù)檢查對(duì)象是適用的，而針對(duì)個(gè)體差異時(shí)，仍需要手動(dòng)去進(jìn)行小范圍的角度校正，雖然時(shí)間效率占比上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)二維方式，但如在遠(yuǎn)景上能實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖像切面圖像特征進(jìn)行信息自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而完全取代對(duì)個(gè)體差異的手工校準(zhǔn)，則該功能的適用性將再進(jìn)一步提升。（專利名稱：超聲顱腦異常區(qū)域自動(dòng)檢測(cè)及顯示方法，公開(kāi)號(hào)：202210042593.2）。

提高成功率的解決方案：①加強(qiáng)聲窗設(shè)計(jì)（平一些）或加入耦合墊；②對(duì)耦合劑的涂抹進(jìn)行規(guī)范要求；③增加數(shù)據(jù)自動(dòng)有效性識(shí)別功能，從而提高圖像后處理重建的圖像效果。獲取顱腦橫斷面以及三維整體立體結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)，增加診斷信息量，這方面功能還有待做進(jìn)一步的臨床研究。

4.展望

隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新技術(shù)也不斷用于新生兒顱腦超聲的檢查。三維超聲容積定量分析的檢查模式，開(kāi)始用于腦容積/腦室的測(cè)定，對(duì)于輔助評(píng)價(jià)腦損傷后期腦功能的改變有重要的意義[11,12]。自20世紀(jì)80年代起，超聲檢查開(kāi)始用于診斷小兒顱腦疾病，目前已廣泛應(yīng)用于診斷各類圍產(chǎn)期腦損傷及其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病所導(dǎo)致的腦結(jié)構(gòu)變化[13-15]。二維超聲檢查僅能提供某一切面的平面圖像，往往需要醫(yī)生在大腦中自行構(gòu)建病變的立體構(gòu)象。立體化醫(yī)學(xué)影像可為影像科及臨床醫(yī)生提供更直觀、更精確的診斷依據(jù)，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展的重要方向。近年來(lái)，三維超聲成像技術(shù)快速發(fā)展，在新生兒顱腦內(nèi)疾病的診斷領(lǐng)域已有一席之地[16]。

“自動(dòng)顱腦容積切面功能”還具有初步的切面出血識(shí)別勾勒功能，即在所獲取的切面中通過(guò)一鍵出血識(shí)別來(lái)識(shí)別切面中是否存在出血聲像，并勾勒出出血范圍，以進(jìn)一步提高該功能除在獲取切面的效率外，也提高了診斷上的時(shí)效。但目前該功能還不能做到在整個(gè)個(gè)體數(shù)據(jù)中對(duì)出血切面進(jìn)行識(shí)別，只能先通過(guò)人工篩選出血切面，再通過(guò)人工智能識(shí)別切面中的出血特征的位置和范圍。如果接下來(lái)能進(jìn)一步優(yōu)化并提高出血切面的識(shí)別效率和方法流程，即可在獲取到標(biāo)準(zhǔn)切面后同時(shí)識(shí)別并標(biāo)識(shí)出存在出血的切面及其范圍，那該功能在臨床整體的掃查和診斷上將是一個(gè)高效的解決方案。另外，由于傳統(tǒng)二維顱腦掃查的方式受限于探頭角度和囟門聲窗的探測(cè)范圍，所以掃查時(shí)很難獲取標(biāo)準(zhǔn)的新生兒顱腦橫斷切面（集），基本靠矢狀面和冠狀面來(lái)獲取相關(guān)切面并進(jìn)行診斷，因此對(duì)顱腦出血的范圍和邊界的判定仍有一定的局限性；而借助顱腦容積功能，可以基于整個(gè)顱腦容積數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)切面方向的分割，因此可以像獲取矢狀面和冠狀面一樣簡(jiǎn)單地獲取橫切方向的圖像切面，而所獲取的顱腦橫切面（集）的圖像可以帶來(lái)更多的診斷信息，有利于進(jìn)一步提高診斷的準(zhǔn)確性。（專利名稱：超聲顱腦標(biāo)準(zhǔn)面成像和異常區(qū)域自動(dòng)檢測(cè)顯示方法，公開(kāi)號(hào)202210042598.5）。