基于微凸容积探头的新生儿颅脑超声扫查系统

蔡泽杭 陈少辉 吴晞 汕头市超声仪器研究所股份有限公司 （广东 汕头 515000）

内容提要： 目的：为了提高新生儿颅脑超声扫查效率，操作标准化，切面标准化，实现医技分离。方法：由微凸容积探头、超声收发前端、信号处理、后处理软件、显示器、控制面板等构成系统，通过微凸容积探头经过新生儿前囟以获取颅脑正在矢状面作为探头位置摆放的标准起始位置后，即可启动仪器中的“自动颅脑容积”功能，由超声主机驱动探头自动完成对整个颅脑容积数据的获取。结果：微凸阵容积探头与常规微凸阵探头获取颅脑标准切面的成功率一致或者接近；微凸阵容积探头获取颅脑标准切面的时间明显快于常规微凸阵探头。结论：微凸容积探头在获取新生儿颅脑标准切面的成功率与常规微凸探头基本一致的基础上，扫查效率明显高于常规微凸阵，且不受手法和经验影响，可实现医技分离。

近年来，我国生育高龄化日趋上升，导致新生儿脑病发病率逐年上升[1,2]。早产儿脑损伤带来的后遗症严重影响早产儿的生长发育，给社会和家庭带来了巨大负担。在医学影像学中，尽管当今计算机体层成像或磁共振成像从诊断的清晰度及医技分离的可行性上更引人注目，但对于新生儿而言，超声以无创、便捷、床旁等优势成为首选检查方法[3-5]。传统超声仪采用经前囟显示颅脑结构及附近血管、脑外间隙等，包括冠状面扫查的额叶切面、侧脑室前角切面、第3脑室切面、侧脑室中央部-后角切面、枕叶切面，矢状面扫查的正中矢状面、侧脑室前角切面、侧脑室中央部-后角切面、脑岛切面，共12个标准切面。医生在操作过程由于经验、打图手法、对标准切面获取的把握程度等存在一定程度的差异，进而会影响整个图像扫查的时间，再加上传统的扫查流程是需要边获取切面边进行图像分析诊断，这也进一步增加了整个检查的时间跨度。而被检查者往往是患有严重出血性脑病的危重新生儿，检查时间过长，检查过程中探头反复来回施压囟门以搜寻查找切面等操作会在一定程度上加重其原有病症的风险[6-9]。基于此，本文旨在设计一种基于微凸容积探头的新生儿颅脑超声扫查系统，借助微凸容积探头及其所获取的三维容积颅脑数据，以快速的图像获取、标准化的颅脑切面分割，甚至自动识别和计算出血位置及范围来解决传统超声对新生儿颅脑扫查过于依赖手法和经验，以及时间过长而存在的风险等一系列问题。

1.新生儿颅脑超声扫查系统设计

1.1 系统架构

本文设计的系统架构如图1所示，系统由微凸容积探头、超声收发前端、信号处理、后处理软件、显示器、控制面板等构成。操作者通过微凸阵容积探头经新生儿前囟作为声窗，以获取颅脑的正中矢状面作为探头位置摆放的标准起始位置后，即可启动仪器中的“自动颅脑容积”功能，由超声主机驱动探头自动完成对整个颅脑容积数据的获取。完成颅脑容积图像采集后系统将即时对所获取的容积数据进行后处理重建和切面分割，进而呈现出依据《中国儿科超声检查指南》所指导的12个颅脑标准切面，供接下来的诊断分析。

图1.系统架构

1.2 探头设计

如图2所示，与传统的机械容积探头构成类似，微凸机械容积探头由电机、连接装置、微凸探头、外壳等组成，电机通过连接装置驱动微凸探头做扇扫。

图2.探头构成（注：2a.正视图；2b.侧面图）

一般新生儿颅脑的探测深度应达到100mm左右，本文选取探头的频率范围为4～9MHz，曲率半径为11mm，二维角度为157°，机械扇扫的角度为100°。三维视野分析：如图3所示，蓝色虚线为探测深度，为100mm，以中间位置探测深度为50mm进行计算，可以得到前后方向（红色虚线）的视野为189.7mm，左右方向（绿色虚线）的视野为155mm，基本满足大部分新生儿颅脑的扫查视野要求。

图3.扫查视野

1.3 成像原理

该成像主要解决超声在小儿颅脑领域中的应用。本项发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种超声颅脑异常区域的自动检测以及显示方法。本项技术采用了如下的解决方案：①先构建颅骨盖曲面模型；②然后对二维超声图像进行边缘检测，得到颅骨盖的边缘曲线；③利用颅骨盖的边缘曲线与颅骨盖的曲面模型进行拟合，确定二维超声图像的位置，以判断该二维图像是否具备对称特性；④最后利用二维图像的对称特性对互相对称的两个区域进行相似度比对计算，以此来确定是否存在异常区域及其位置。此项技术的解决方案优点在于：先建立颅骨盖曲面模型，并对二维超声图像检测颅骨盖边界曲线，利用头盖骨边界的曲线与头盖骨的曲面模型进行拟合，以确定二维图像的具体位置以选取具备对称特性的二维图像，利用二维图像的对称性进行异常区域的检测并分割显示出来，从而有效地提高异常区域检测的准确率。

1.4 系统工作流程

1.4.1 数据采集

在新生儿前囟门处涂抹足量的耦合剂（由于微凸容积探头接触面较二维微凸探头大，囟门处充足的耦合剂能保证微凸容积探头表面与囟门充分耦合达到理想的探测声窗，以确保获取到的切面图像尽可能地显示完整），将微凸机械容积探头放置于前囟门处，获取标准正中矢志切面，如图4所示。于该切面的基础上，启动自动扫查，获得一个完整的新生儿颅脑容积数据。

图4.探头摆放位置

1.4.2 标准切面的获取与校准方法

完成容积体数据的获取后，系统将同步自动识别并从该体数据中分割出新生儿颅脑诊断常用的12个标准切面（前述中提及的12 个标准切面为根据《中国儿科超声检查指南》[10]所指导的切面），包括矢状面集的正中矢状面、左右侧脑室前角切面、左右侧脑室中央部-后角切面、左右脑岛切面7个切面，冠状面集的额叶切面、侧脑室前角切面、第3脑室切面、侧脑室中央部-后角切面、枕叶切面5个切面，合计12个标准切面。并对每个切面进行命名显示，方便操作者的比对和识别。

依据诊断习惯和观测方便，系统还设计了几种呈现方式，将自动分割的12个标准切面进行分类集合，包括矢状面合集，如图5所示；冠状合集，如图6所示；以及矢-冠面合集，如图7所示，方便医生快速判断所获取图像的完整性。

图5.矢状面合集

图6.冠状合集

图7.矢-冠面合集

期间如存在切面个体角度或方位偏差时，仍可通过软件中的切面角度校正或空间X/Y/Z轴的调节实现对所获切面的校准操作，以确保上述12个切面均落在合理标准范围之内。在进行切面校正或空间X/Y/Z轴调节时，软件设计了切面虚拟位置指引图，如图8界面中的虚拟指引图，方便医生观测切面角度落在新生儿头部的相对位置，以便进行快速和基准的调节。

图8.标准切面虚拟指引

另外，系统还能对所获取切面进行单幅或左右对称性呈现，如图9所示，更方便操作者对图像进行观测、识别、诊断对比和测量等操作。

图9.单幅显示

2.试验研究

2.1 资料与方法

本次研究于2022年2月～9月实施，通过微凸阵容积探头和常规微凸阵探头分别获取15组颅脑标准切面（每组12个标准切面）进行对比。对比一：分别对比两种探头获取12个标准切面的平均时间。对比二：微凸容积探头和常规微凸阵探头单次获取12个标准切面的成功率。

2.2 统计学分析

采用统计软件，计数资料采用率（%）表示，采用方差分析和χ2检验，P＜0.05，差异有统计学意义。

2.3 结果

试验1：通过微凸容积探头获取12个标准切面，平均完成一组获取数据的速度为142s（2min 22s）；通过常规微凸探头取12个标准切面，平均完成一组获取数据的速度为359s（5min 59s）。见表1。

表1.微凸阵容积探头与常规微凸阵探头操作时间对比

试验2：对比两种探头的15组操作，一次性获取12个标准切面的成功率，常规微凸阵探头的成功率为93.33%，微凸容积探头的成功率为73.33%。见表2。

表2.微凸阵容积探头与常规微凸阵探头一次性获取标准切面成功率对比(n)

试验3：将微凸阵容积探头一次性获取失败的案例进行二次校正或二次取图，其中，2例经过软件校正后，可重新获取标准切面。见表3。

表3.微凸阵容积探头二次校正获取标准切面成功率(n)

2.4 讨论与分析

通过微凸阵容积探头与常规微凸阵探头进行获取切面操作速度对比，微凸阵容积探头平均操作时间为2min 22s，标准差为74s。常规微凸阵探头平均操作时间为5min 59s，标准差为162s。通过这组数据说明常规微凸阵探头操作的差异性较大，更依赖于操作手法；容积探头操作一致性明显高于常规探头，不受操作经验和手法因素影响，且流程标准化，可重复操作。

微凸阵容积探头与常规微凸阵探头获取标准切面成功率对比，差异有统计学意义（χ2=4.28，P=0.038）。常规探头获取图像需要系统培训打图，更依赖于操作者的手法，可重复性差。容积探头操作不依赖手法，操作标准化，可重复。经过分析，3例失败案例失败的因素包括探头与耦合欠佳、冠状面为重建切面图像效果欠佳等导致。其中，2例失败案例经过软件校正后，重新获取标准切面；1例失败案例是由于声窗位置不理想，难耦合，校正失败，通过常规微凸阵探头也无法成功获取标准切面。

3.小结

微凸针容积探头的采集方式标准化，能够更快速、准确地获取小儿颅脑标准切面，减少探头与囟门的接触时间，降低伤害，提高医生的工作效率；同时，不受操作经验和手法因素影响，流程标准化，可重复性高，可实现医技分离，一定程度缓解超声医生的工作压力。

该功能从颅脑数据的获取和分割来分析，相比传统的二维方式在工作效率、切面标准化等方面都有较明显的优势。但切面分割依据的是《指南》中的经验位置，而经验位置只能确保大多数检查对象是适用的，而针对个体差异时，仍需要手动去进行小范围的角度校正，虽然时间效率占比上明显优于传统二维方式，但如在远景上能实现根据图像切面图像特征进行信息自动识别，进而完全取代对个体差异的手工校准，则该功能的适用性将再进一步提升。（专利名称：超声颅脑异常区域自动检测及显示方法，公开号：202210042593.2）。

提高成功率的解决方案：①加强声窗设计（平一些）或加入耦合垫；②对耦合剂的涂抹进行规范要求；③增加数据自动有效性识别功能，从而提高图像后处理重建的图像效果。获取颅脑横断面以及三维整体立体结构的呈现，增加诊断信息量，这方面功能还有待做进一步的临床研究。

4.展望

随着超声技术的不断发展，一些新技术也不断用于新生儿颅脑超声的检查。三维超声容积定量分析的检查模式，开始用于脑容积/脑室的测定，对于辅助评价脑损伤后期脑功能的改变有重要的意义[11,12]。自20世纪80年代起，超声检查开始用于诊断小儿颅脑疾病，目前已广泛应用于诊断各类围产期脑损伤及其他中枢神经系统疾病所导致的脑结构变化[13-15]。二维超声检查仅能提供某一切面的平面图像，往往需要医生在大脑中自行构建病变的立体构象。立体化医学影像可为影像科及临床医生提供更直观、更精确的诊断依据，是现代医学影像学发展的重要方向。近年来，三维超声成像技术快速发展，在新生儿颅脑内疾病的诊断领域已有一席之地[16]。

“自动颅脑容积切面功能”还具有初步的切面出血识别勾勒功能，即在所获取的切面中通过一键出血识别来识别切面中是否存在出血声像，并勾勒出出血范围，以进一步提高该功能除在获取切面的效率外，也提高了诊断上的时效。但目前该功能还不能做到在整个个体数据中对出血切面进行识别，只能先通过人工筛选出血切面，再通过人工智能识别切面中的出血特征的位置和范围。如果接下来能进一步优化并提高出血切面的识别效率和方法流程，即可在获取到标准切面后同时识别并标识出存在出血的切面及其范围，那该功能在临床整体的扫查和诊断上将是一个高效的解决方案。另外，由于传统二维颅脑扫查的方式受限于探头角度和囟门声窗的探测范围，所以扫查时很难获取标准的新生儿颅脑横断切面（集），基本靠矢状面和冠状面来获取相关切面并进行诊断，因此对颅脑出血的范围和边界的判定仍有一定的局限性；而借助颅脑容积功能，可以基于整个颅脑容积数据进行各个切面方向的分割，因此可以像获取矢状面和冠状面一样简单地获取横切方向的图像切面，而所获取的颅脑横切面（集）的图像可以带来更多的诊断信息，有利于进一步提高诊断的准确性。（专利名称：超声颅脑标准面成像和异常区域自动检测显示方法，公开号202210042598.5）。