高频超声成像技术在腹主动脉中的应用

超声是一种在临床影像学和诊断中常用的无创成像技术。

超声波通过发射声波并测量其反射来生成解剖结构和器官的实时图像。与其他成像方式（如CT、MRI和近红外荧光扫描）相比，超声波具有成本相对较低、设备便携、用途广泛且无需使用对比剂的优势。然而，它在分辨率和穿透深度方面存在局限性。

本视频将阐述超声技术背后的关键原理，演示高频超声系统在啮齿类动物血管成像中的应用价值，并提供超声成像应用的实例。

超声图像的生成原理是：通过换能器发射一束声波，并记录声波在人体内不同组织交界处反射所产生的回声。声波还可能在遇到血液细胞等较小物体时发生折射、吸收，甚至散射。

反射波的数量与组织间声阻抗差异成正比。声阻抗 Z 取决于组织密度和声波传播速度。当差异较大时（例如骨组织），声波会完全反射；当差异较小时（例如器官组织），声波则仅部分反射。

换能器接收到的反射波强度以及反射波与换能器之间的距离被用于生成解剖图像。这些距离的确定基于声波在人体组织中的平均传播速度（约1540米/秒）以及声波传播至组织并返回所需的时间。

超声可用于利用针对特定应用的特殊模式获取不同类型的图像。最常见的模式是亮度模式（B模式），可显示组织二维切片的声阻抗。此外，运动模式（M模式）成像可用于观察组织的快速运动，例如心脏功能。最后，多普勒模式用于评估血流。

现在我们已经讨论了超声波的工作原理，接下来让我们看看如何使用不同的超声成像模式对小型动物进行图像采集。

首先，使用设备背面的开关打开超声系统。然后，使用系统左侧的开关打开显示器和计算机。接下来，将探头插入系统的专用有源端口。随后，将探头电缆穿过探头架上方的塑料固定夹。

注意换能器一侧的凸起线。在参考显示器上显示的图像时，以此作为参考点。图像灰度标尺上方有一个小圆圈，代表图像中的被检物体，以及一条垂直线，代表换能器上的凸起线。开始时，应将换能器固定在夹具中，并与动物呈90度角放置。

确保生理监测仪已接通电源，然后按下心率和温度按钮以开启这些监测功能。接着，打开凝胶加热器，并确保其指示灯已亮起。

进行动物麻醉时，首先检查麻醉蒸发器中的异氟烷液面，若液面低于空线则需补充。然后打开氧气瓶，并调节流量计上的气流速度至每分钟约一升。

现在，安装动物固定台，并将 VGA 线缆插入以采集心电图和呼吸信号。将动物鼻罩固定到位，并检查黑色异氟烷管和蓝色废气管是否已正确连接至鼻罩。此时可对动物进行麻醉并准备成像。当动物进入固定的麻醉舱后，将蒸发器旋钮调至百分之二到三。

当动物表现出深度麻醉状态后，将其转移至载物台上的鼻罩处，并确保切换异氟烷气流。通过夹捏脚趾确认动物不会立即苏醒，随后在眼睛表面涂抹眼用软膏。接下来，使用粘合剂将动物的足爪固定在载物台电极上，并用脱毛膏去除腹部毛发。将润滑剂涂抹于直肠探针表面，然后将其插入动物直肠以监测体温。随后，在腹部覆盖预热的超声耦合凝胶。

首先，打开软件并选择“新建研究”。进入新序列后，从菜单中选择一个用户，并为您的序列命名。创建序列后，从键盘上选择B模式（即亮度模式）。所有成像模式的按键均位于黑色键盘的最底行。

现在可以开始成像。将探头沿动物腹部缓慢移动。观察屏幕以监测呼吸频率。如果探头对动物施加的压力过大，呼吸频率会下降。轻轻调节载物台的X轴和Y轴旋钮，以调整探头位置，直至在屏幕上清晰显示腹主动脉图像。当获得所需图像后，等待图像底部的白色进度条填满，然后按下图像标签按钮以保存图像。成像模式将随图像标签自动保存，无需包含在保存的文件名中。

要获取M型或运动模式图像，请使用键盘选择M型。调节SV步态以缩窄或扩宽黄色条带，并移动光标将条带对准腹主动脉的某一段。正确放置后，再次按下M型按钮。在M型模式下，仍可调整条带的位置。与B型模式相同，在按下图像标签按钮前，请等待图像底部的白条完全填满。

进行EKV或心电图门控千赫兹可视化成像时，首先在键盘上选择B模式，将探头置于腹主动脉的一段区域，并确保获得清晰的心电图信号。然后按下EKV按钮，选择所需的采集类型、线密度和帧率，开始扫描。采集完成后，图像数据将被显示。

使用彩色多普勒时，首先选择 B 模式，确认探头位于腹主动脉上方，然后选择“彩色”模式。按下“更新”，移动轨迹球以调整取样框大小至待扫描区域，再次按下“更新”以锁定框的大小。接着，使用光标移动该框。调节速度旋钮，提高速度阈值，以降低背景信号。

为了定量测量血流速度，需使用脉冲波多普勒模式。首先以彩色多普勒模式开始，然后按下 PW。屏幕上将出现两条黄色的斜线。调整声束角度，并转动 PW 角度旋钮，使较短的虚线与血管前壁和后壁平行。如果角度转动过大，黄色虚线将变为蓝色。完成对齐后，按下 PW，然后调节基线、速度和多普勒增益控制，使波形居中并增强亮度。在成像过程中，可随时按下“研究管理”并选择所需图像，以查看先前采集的图像。

完成一个序列所需的所有图像采集后，在研究管理界面选择“关闭序列”。若需将数据传输至其他计算机进行进一步分析，请进入研究管理界面，勾选相应的研究项目或单个序列，点击“复制到”，选择目标文件位置，然后按“确定”。最后，将麻醉蒸发器旋钮调至零位，将动物从载物台上取出，并使其从麻醉状态中恢复。

每次操作后，应清洁超声设备，擦拭动物载物台和直肠探头。切勿将消毒剂直接喷洒在载物台上。探头在放回支架前，需用蘸有70%乙醇的纸巾擦拭干净。记得关闭氧气瓶，并将流量计上的气流调至零。

所有成像和导出操作完成后，单击研究管理界面的电源按钮，等待显示器和计算机关闭。显示器完全关闭后，将系统背面的开关按钮拨至“关”位置。正确关闭后，您会听到风扇停止运转的声音。

成像会话完成后且系统已关闭，即可对结果进行分析。

通过该操作流程，对腹主动脉进行了结构和功能成像。某些数据（如B模式扫描）可在数据采集期间或采集后立即进行分析，而其他模式的扫描则最好在将数据复制到软件中进行分析时再处理。

二维B型超声扫描可提供主动脉直径或横截面积的测量。可使用距离测量工具测量直径，使用面积测量工具测量横截面积。M型超声可用于测定血管的周向周期性应变。观察主动脉的M型超声图像时，用户可看到亮线分别对应于血管的前壁和后壁。前壁的运动幅度大于后壁。

周向循环应变根据主动脉在收缩峰值（DS）和舒张末期（DD）时的内径值确定。收缩峰值发生在主动脉扩张至最大尺寸时，而舒张末期则发生在主动脉处于最小尺寸时。因此，周向循环应变通过以下公式计算。

彩色多普勒可用于确定血流方向和速度。彩色多普勒图像为使用者提供血流动力学的定性评估。红蓝色彩标表示所检测到的血流速度的方向和大小。红色表示血流朝向探头，蓝色表示血流远离探头。颜色越深代表流速越低，颜色越亮代表流速越高。

现在我们已经回顾了超声成像的基本原理和操作步骤，接下来让我们来看一些该成像技术的应用实例。

人类胎盘在子宫内时极难进行研究。可使用高频超声来观察脐静脉和子宫动脉，以测量胎盘两侧血管的直径以及血流的最大速度。再结合从胎盘母体侧和胎儿侧采集的血样数据，计算营养物质及释放入循环的物质的动静脉浓度。该研究有助于深入了解人类胎盘的功能。

颅脑超声是用于患有先天性异常或脑部病变的新生儿的一种可靠工具。该方法无创，可在新生儿重症监护病房的床旁进行。通过采集冠状面和矢状面的超声图像，有助于观察新生儿脑部结构。这些图像可帮助识别脑内存在的任何病变。通常使用彩色多普勒模式来显示颅内血管。可对横窦进行成像，并检测其中是否存在血栓。

您刚刚观看了 JoVE 的超声成像简介视频。现在您应该理解了超声成像的基本原理、图像采集与分析的一般方法，以及若干应用实例。感谢观看！