高频超声皮肤成像技术的研究

杨军，计建军， 李跃杰， 王延群， 刘亚伟，纪运红， 宋学东

1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津市，300192

2 天津迈达医学科技股份有限公司，天津市，300384

高频超声皮肤成像技术的研究

【作 者】杨军1，计建军1， 李跃杰1， 王延群1， 刘亚伟2，纪运红2， 宋学东1

1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津市，300192

2 天津迈达医学科技股份有限公司，天津市，300384

目的 通过研制高频超声皮肤成像系统，对皮肤的超声图像进行分析，探索皮肤结构的影像学特征，以探索高频超声成像在皮肤疾病诊断中的价值。方法 成像系统采用50 MHz单元超声换能器，机械线性扫描方式进行成像。通过线靶扫描和临床试验验证系统的分辨力和对皮肤组织及其病变的分辨能力。结果 成像系统的分辨力均达到50 μm，正常皮肤组织的细微结构清晰可见，一些病变在声像图中有明显的表现。结论50 MHz的超声皮肤成像系统具有很高的分辨率，对皮肤结构的观察及疾病的诊断有一定的价值。

高频超声；皮肤超声成像；线性扫描

皮肤病作为人类的一种常见病长期困扰着人类，尤其是近年来，患皮肤癌、银屑病等疾病的患者有增多的趋势。相对发病率的不断增加，皮肤病的诊断手段，尤其是早期诊断的手段却很匮乏，这类疾病通常需要活检才可确诊，增加了患者的痛苦，且常常因发现较晚而错过最佳治疗时间。

人类皮肤根据部位不同，厚度也不同，一般在(0.5～4) mm(不包括皮下脂肪)。常规的超声成像设备可达到(0.2～0.5) mm的分辨力，不足以进行皮肤早期疾病的诊断，这也是过去超声较少被用于皮肤疾病诊断的原因之一。随着超声成像技术的发展，已出现了甚高频(40 MHz以上)超声成像技术，并已开始应用，其分辨力高于0.1 mm，已可以满足皮肤结构的探查。1979年Alexander、Miller等人应用脉冲超声检测人类皮肤厚度，逐渐引起医学界的关注。在西方国家，尤其是西欧在这方面的工作开展的较多较早。有研究表明，高频超声是准确、简单、无创的测量皮肤厚度的方法[1]，并且对黑色素瘤、痣、血管瘤、结节性红斑、皮肤恶性肿瘤等疾病的诊断有重要的指导意义[2-4]。从文献上看，在采用不同超声频率探测时，同一病变的回声信号经常会有不同表现，除病变组织本身的因素外，组织对不同频率的超声的散射差异可能也是原因之一[5]。作者采用50 MHz高频超声，根据皮肤的结构特点，设计了专门应用于皮肤扫描的皮肤超声诊断系统，并用于皮肤结构及疾病的观察。

1 系统组成

系统由超声扫描探头、模块化设计的下位机和由PC机组成的上位机组成，如图1所示。虚线框内是超声信息采集模块，构成系统的下位机，成像及图像处理由作为上位机的PC平台实现。

图1 系统原理图Fig.1 System principal diagram

(1) 超声扫描探头 确定探头的工作频率时，综合分辨力和探测深度两个因素，选择采用50 MHz的超声换能器，可以达到约4 mm的探测深度以及50 μm的轴向及侧向分辨力，可满足一般表皮和真皮层的探测。由于现阶段还无法制作如此高频的阵列换能器，因而采用单元换能器，利用机械机构实现扫描。根据皮肤结构的特点，在有限的探测宽度内(如15 mm以内)多为平坦形态。而单元换能器具有固定的焦点，传统扇形扫描方式在扫描时焦点轨迹呈弧形，造成焦点在不同深度，使图像不均匀。为使换能器焦点能够始终保持在同一深度，从而保持图像有均匀的分辨力，系统采用了线性扫描方式。两种扫描方式示意如图2，左边为扇形扫描模式，声场的焦域分布在不同深度，右边为线性扫描模式，声场的焦域在同一层面。

图2 两种扫描方式比较Fig.2 Two scan methods

对于50 MHz的超声，其发射电路和接收电路都是关键的部分，发射激励信号的脉冲宽度仅有10 ns左右，回波信号极其微弱，器件的速度，线路损耗都会很大程度地影响回波信息，为尽量避免电缆传输带来的信号畸变和衰减，将发射以及前级射频放大、检波电路设计在探头内部，尽量靠近换能器。而将检波后的视频信号通过电缆传输至下位机的视频放大模块，从成像的效果看，这样的设计减少了信号的衰减并提高了抗干扰能力。

(2) 下位机模块 回波信号经放大、检波后，经高速A/D变换器采样并存储。下位机的控制管理是基于FPGA（现场可编程门阵列）来实现的，完成回波数据的采样、存储，并通过数据传输模块经USB 2.0接口传输至上位机。数据传输模块同时接收上位机的控制指令，驱动探头进行扫描。

(3) 上位机模块 上位机以PC机及外围设备组成，软件分底层数据收发及图像构建程序和顶层影像工作站两部分。底层程序向下位机发出控制命令，并将上传的回波信息重建为二维图像，顶层的影像工作站完成图像的显示、处理、采集、存储和打印。

2 分辨力实验

采用线靶扫描法来检验系统的分辨力。靶线由直径为10 μm、相距50 μm的两根平行的金属钨丝组成。

将测试靶线置于水槽中(水温25oC )，将探头前端的换能器浸入水中，在垂直于靶线的平面进行扫描，调整探头高度，使靶线位于换能器的焦点处，分别对靶线进行水平扫描和垂直扫描。观察图像，可以看出图像中可清晰分辨出两根靶线，图3左边为水平距离为50 μm的两根钨丝的声像图，右边为垂直距离为50 μm的两根钨丝的声像图，两种情形均可清晰分辨。表明该超声成像系统的轴向分辨力和侧向分辨力均达到50 μm。

图3 分辨力测试靶线声像图Fig.3 Resolution testing image for lines target

图4 正常皮肤组织Fig.4 Normal skin issue

3 临床实验

采用该皮肤超声成像系统对人的正常皮肤以及异常皮肤进行观察，可以清晰观察到正常皮肤组织的表皮、真皮、浅部的皮下组织以及毛发等（见图4）。皮肤的表皮层呈高回声，真皮层呈中高回声，皮下组织则大部分呈低回声，一些纤维组织则呈高回声亮带，纵切毛发时可见真皮层内斜行低回声暗带。

临床试验中，除大部分病变的轮廓形态能清晰观察外，一些病变的内部回声呈一定的特异性，如脂肪瘤、痣、瘢痕、基底细胞癌等(见图5)。图5(a)为脂肪瘤声像图，有清晰的边界，内部中等回声并逐渐衰减。图5(b)为痣的声像图，表现为表皮下的低回声，与真皮层有明显的边界并且较整齐，伴有声影。图5(c)为瘢痕的声像图，内部呈不均匀的团状回声，边界比较明显。图5(d)为基底细胞癌(后经病理证实)的声像图，表现为上下界面均不规则，且病灶内部有不规则的点状强回声。这些特征为进一步的诊断提供了可能性。

图5 几种皮肤病声像图Fig.5 Some skin disease images

4 讨论

在检验系统分辨力的实验中，对相距50 μm两根线靶进行纵向和水平方向扫描，均可在声像图中明显分辨出两根线靶，表明该系统达到了50 μm的分辨能力。在临床试验中，正常皮肤的表皮层、真皮层以及汗毛等结构表现得比较清晰，对大多数常见病种的轮廓形态能够清晰显示，可观察病变是否侵犯到真皮层或皮下结缔组织。但多数病变的形态特征和内回声特征不易区分，如痣、囊肿、感染性肉芽肿等均表现为边界清晰的低回声区，区别仅在声像图中痣通常伴有声影。但对于有些病变，如瘢痕疙瘩、脂肪瘤、基底细胞癌等，虽然所做的病例数还较少，但从有限的病例中还是观察到同一病种的病灶内部回声有比较明显的共性特征，因而有可能通过高频超声检查来辅助判断某些病变的性质，减少组织活检的频次，这对于一些敏感部位(如面部)病变的诊断具有更为重要的意义。

5 结论

作者研制的50 MHz的高频超声皮肤成像系统的轴向及侧向分辨力均达到了50 μm，采用线性扫描方式可以在皮肤同一深度上获得均匀分辨力的图像，有利于皮肤结构的探查。该系统能够清晰地观察皮肤的表皮、真皮层、毛发、皮下血管等细微结构。对治疗方法的选择、手术方案确定、治疗效果的观察和评价具有重要意义。虽然目前还无法单用超声来定性地判断病变的性质，尤其是肿物的良性和恶性，但随着高频超声在皮肤科的应用和这项技术的深入研究，将会积累更多的经验，摸索出更多的病变特征用以诊断疾病。

[1] 张淼, 张春松. 高频超声在皮肤疾病研究中的应用[J]. 中国医学影像杂志, 2004, 12(3): 221-222.

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[3] 张大昆. 超声诊断在皮肤软组织血管瘤中的应用[J]. 中国美容医学, 2002, 11(5): 495-496.

[4] Bessoud B, Lassau N, Koscielny S, et al. High-frequency sonography and color Doppler in the management of pigmented skin lesions[J]. Ultrasound Med Biol, 2003, 29(6): 875-879.

[5] 郑荣琴, 梁欣, 陈小云, 等. 皮下脂肪瘤的超声诊断[J]. 影像诊断与介入放射学, 1999, 8(1): 39-40.

[6] 侯家声, 刘石. 高频超声切面显像诊断皮肤疾病[J]. 中国医学影像技术, 1999, 15(5): 389-390.

[7] Foster FS, Pavlin CJ, Harasiewicz KA, et al. Advances in ultrasound biomicroscopy[J]. Ultrasound Med Biol, 2000, 26(1): 1-27.

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

国家科技支撑计划（2012BAI13B02）；天津市应用基础及前沿技术研究计划（12JCZDJC22500）

杨军，研究员，博士生导师，研究方向：医学超声工程，

E-mail: yangj3210@hotmail.com

宋学东，副研究员，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.