朱明善

溫州醫(yī)科大學，溫州市，325027

眼科超聲生物顯微鏡研究進展

【作 者】朱明善

溫州醫(yī)科大學，溫州市，325027

超聲生物顯微鏡(UBM)在眼科已應用二十多年，對眼睛疾病尤其是青光眼病的診斷發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過多年的研究，眼科超聲生物顯微鏡在整機結(jié)構(gòu)、傳感器、成像技術、應用研究均有發(fā)展。

超聲生物顯微鏡；高頻超聲；成像技術；掃描；信噪比

0 引言

超聲生物顯微鏡(Ultrasound Biomicroscopy, UBM)是利用高頻超聲回波成像，屬于B型超聲診斷設備，由于人眼睛對聲輸出要求高，因此眼科UBM屬于國家食品藥品監(jiān)督管理局注冊監(jiān)管的Ⅲ類醫(yī)療器械。

UBM自發(fā)明以來在不同領域發(fā)揮作用。不僅在眼科有研究，而且在人體淺表組織如皮膚、血管，小動物如小鼠、斑馬魚等方面有研究[1-2]，并且還在生物學中發(fā)揮作用[3-4]，本綜述只討論超聲生物顯微鏡在眼科的發(fā)展及應用。

1 眼科UBM

眼科UBM非常適合眼前節(jié)范圍組織的探查：在角膜、鞏膜、葡萄膜、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜、眼外傷、眼前段腫瘤和睫狀體相關的疾病方面有大量的臨床應用。

1.1 眼科UBM的歷史與研究現(xiàn)狀

1989年加拿大醫(yī)生Pavlin和Foster教授發(fā)明UBM[5-6]，1990年他們發(fā)表了UBM相關的第一篇論文[7]，1991年，UBM被德國Zeiss-Humphrey公司商業(yè)化，推出第一臺UBM設備(UBM840)，這是一款非常經(jīng)典的眼科UBM設備，這臺設備包含50 MHz的探頭、機械臂、眼杯、顯示器、主機、打印機和腳踏開關。

UBM840的圖像掃描頻率為8 Hz，有256根掃描線，探測深度5 mm。UBM840適用于檢查眼前節(jié)，但是不能單次全景掃描，不能同時看到眼睛的兩個房角[8]。UBM840在臨床上應用廣泛，現(xiàn)在生產(chǎn)線已經(jīng)賣給了美國Paradigm公司。Paradigm公司以UBM840為模型，現(xiàn)已生產(chǎn)多種規(guī)格的UBM產(chǎn)品，如P45、P60。

早期還有Ultralink公司生產(chǎn)的型號為Artemis-2的UBM設備，該設備掃描范圍大，可以看到整個范圍的眼前節(jié)，并含有攝像頭在掃描的時候可以監(jiān)控眼睛的位置。Artemis-2設備已經(jīng)不生產(chǎn)了，Ultralink公司2007年被Arcscan公司合并， UBM技術被Arcscan公司繼續(xù)開發(fā)?，F(xiàn)在國外還有多家UBM制造公司，如Quantel Medical Instruments, Optikon, Sonomed, Reichert, OTI, Tomey和Iscience等公司，這些公司制造的UBM設備具有更快的掃描速度，更大的掃描范圍，更高的分辨率并且更便攜。

1.2 眼科UBM的掃描方式及特點

目前常見的眼科UBM使用的是機械扇形掃描和機械線性掃描成像方式：Sonomed 公司Vumax型號的UBM和加拿大OTI公司HF35-50型號的UBM采用機械扇形掃描；Quantel Medical Instruments公司的Compact Touch型號的UBM和paradigm公司P60型號的UBM采用機械線性掃描。機械扇形掃描探頭比機械線性掃描探頭更小巧，更適合手持操作；而機械線性掃描探頭比機械扇形掃描探頭成像失真小[9]。機械弧形掃描的UBM在國內(nèi)不常見，但在國外有相關的研究，三種不同類型的機械掃描示意圖如圖1所示。美國Cornell大學在2000年就研制出了機械弧形掃描的UBM原型，如圖2所示。該UBM原型機械結(jié)構(gòu)龐大及復雜，不適用于臨床檢查。Arcscan 公司自收購Ultralink公司后重新設計了機械弧形掃描UBM產(chǎn)品并改名為Artemis 3，如圖3所示。Artemis 3改小了機械結(jié)構(gòu)，設計了檢查頭靠和一次性眼罩，使之適用于臨床檢查。Artemis 3成像質(zhì)量優(yōu)，分辨率高，信號丟失少，如圖4所示。

圖1 眼科UBM掃描示意圖Fig.1 The scanning the diagrammatic sketch of UBM in ophthalmology

圖2 機械弧形掃描UBM原型Fig.2 The prototype of mechanical arc scanning

圖3 Artemis 3樣機Fig.3 The prototype of Artemis 3

2 高頻醫(yī)療超聲

UBM是高頻醫(yī)療超聲的代表，具有非常高的分辨率。醫(yī)療超聲探頭傳感器是由壓電材料制作的，具有發(fā)射和接收超聲的功能。

2.1 高頻醫(yī)療超聲傳感器

圖4 Artemis 3成像Fig.4 Imaging of Artemis 3

壓電材料按物理結(jié)構(gòu)分為：壓電單晶體如鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)；多晶體如鋯鈦酸鉛(PZT)；高分子聚合物如聚偏氟乙烯(PVDF)和復合壓電材料如聚偏氟乙烯和鋯鈦酸鉛復合四大類[10]。多年來醫(yī)療超聲探頭朝成本低、頻帶寬、高頻、多陣元、面陣列和微型化方向發(fā)展[11]，是目前的研究前沿。

2012年Hsu HS[12]研究的PMN-PT-PZT復合材料探頭，中心頻率 200 MHz，-6 dB帶寬達76 MHz，是一種理想的高頻超聲材料。2013年Shung KK教授團隊的Lam KH[13]研究的 鈮酸鉀鈉/鈦酸鉍鈉(KNN-BNT)材料單陣元探頭，頻率高達（170～320）MHz，探頭-6 dB帶寬達35% ～ 64%。美國南加州大學NIH醫(yī)學超聲換能器技術中心處于領先地位，Shung KK 教授領導的團隊研制了多種不同材料的高頻超聲多陣元陣列換能器，例如中心頻率為50 MHz 的PMN-PT多陣元超聲換能器陣列，-6 dB帶寬達 90%[14]，中心頻率為65 MHz 的PZT多陣元超聲換能器陣列，帶寬達40%[15]，中心頻率為120 MHz 的PZT多陣元超聲換能器陣列，帶寬達 60%[16]。由于超聲傳感器兩陣元中心間距必須小于超聲波長，理想情況應小于半波長，否則會出現(xiàn)柵瓣，影響超聲成像。在陣元間距一定的情況下，當超聲傳感器陣列的頻率達到高頻時，陣元間隙會低于10 μm以下，這給超聲傳感器陣列的制作增加了難度。

2.2 高頻醫(yī)療超聲成像優(yōu)缺點

高頻超聲成像具有非常好的軸向分辨率，軸向分辨率和超聲頻率相關，超聲頻率越高，波長越小，軸向分辨率越好。側(cè)向分辨率和超聲焦距、探頭孔徑，超聲波長相關，計算公式為Lλ/D（L是超聲焦距，λ為超聲波長，D是探頭孔徑）。因此，當增大探頭孔徑時，探頭會聚焦良好，側(cè)向分辨率會提高。

超聲設備的穿透深度和超聲頻率有關，頻率越高衰減越大，穿透深度越淺。10 MHz的常規(guī)B超探頭和眼科50 MHz的UBM探頭的超聲特性比較如表1所示[17]。

表1 常規(guī)眼科B超和眼科UBM的特性比較Tab.1 Comparative properties of typical ophthalmic B-scanner and UBM system

其中區(qū)別比較大的是水中衰減系數(shù)和聚焦深度，UBM的水中衰減系數(shù)是常規(guī)B超的27.5倍；而聚焦深度不足常規(guī)B超的1/10。當50 MHz的UBM超聲波在水中來回傳輸12 mm時，UBM會衰減13 dB，而常規(guī)B超才衰減0.5 dB。Palvin和Foster[18]認為50 MHz是UBM檢查眼前節(jié)的最優(yōu)聲頻率，他們發(fā)明的100 MHz的探頭由于聲衰減作用深度只有2 mm。

2.3 高頻醫(yī)療超聲成像技術

高頻超聲具有高衰減系數(shù)，因此高頻醫(yī)療超聲成像需要提高信噪比，研究證明編碼激勵技術能提高超聲成像的信噪比[19]，Mamou J 等[20]為了提高8 μs的超聲傳輸深度設計了chirp編碼技術，使用中心頻率為17 MHz的環(huán)陣探頭，在(20.5～40.5) mm的深度范圍內(nèi)，chirp編碼成像與常規(guī)的脈沖激勵成像比較，并不降低軸向分辨率和側(cè)向分辨率；Mamou J等[21]又使用35 MHz的環(huán)陣探頭，Chirp編碼激勵成像和常規(guī)的脈沖激勵成像比較，在體模中看到更深4 mm的血流，并且比脈沖激勵成像更好，沒有發(fā)現(xiàn)偽影；Polpetta A 等[22]使用Huffman編碼技術，在0.7 dB/ (MHz·cm)的衰減介質(zhì)中，相比線性調(diào)頻壓縮技術和互補Golay編碼及技術，超聲主旁瓣比(MSR)分別提高了30 dB和20 dB，從而提高了信噪比。

造影技術能提高超聲回波信號，因此也提高了信噪比。Needles A等[23]使用（18～24）MHz高頻超聲陣列非線性造影技術，信號提高了13 dB。

美國南加州大學NIH醫(yī)學超聲換能器技術中心Cannata JM等[24]研發(fā)了（20～80）MHz的高靈敏通頻帶探頭，在50 MHz的頻率下，該探頭增加了穿透深度、信噪比和對比度。綜上所述，編碼激勵技術、造影技術、高頻帶高靈敏探頭技術能提高信噪比，增加高頻超聲的穿透深度。

3 眼科臨床應用

自從UBM應用眼科以來，在角膜、鞏膜、葡萄膜、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜、眼外傷、眼前段腫瘤和睫狀體等相關疾病方面做了大量的研究。本綜述只簡單討論UBM應用于角膜和青光眼的新進展。

3.1 角膜

角膜厚度的測量在臨床上具有重要意義[25]。傳統(tǒng)測量角膜厚度采用超聲設備如UBM、Pachymeter；光學設備如OCT、Orbscan-Ⅱ眼前節(jié)分析儀、Pentacam眼前段分析儀。臨床常規(guī)UBM的分辨率為50 μm，而OCT的分辨率在10 μm以下，因此多采用OCT等光學設備來測量角膜厚度。最新研究采用Artemis 2 型號的UBM和Visante OCT測量角膜中心厚度[26]， 結(jié)果表明OCT測的角膜厚度比UBM測的角膜厚度薄，中央厚度平均值相差小于8 μm，測量重復性好。也有學者對不透明角膜厚度測量研究[27]，結(jié)果表明UBM和OCT對不透明角膜厚度測量具有可換性。

3.2 青光眼

青光眼類型多樣包括先天性青光眼、原發(fā)性青光眼、繼發(fā)性青光眼、混合型青光眼。青光眼類型不一樣治療也截然不同[28]。UBM檢查彌補房角鏡不足，是青光眼的診斷的必經(jīng)之路。UBM能清晰看到房角、虹膜、睫狀體、晶狀體前表面，還能看到角膜緣、小梁網(wǎng)、Schlemm管等結(jié)構(gòu)。因此UBM可以確診開角或閉角型青光眼，定量測量虹膜及房角，研究及分析青光眼發(fā)病機制的研究[29]。

青光眼手術一直在進展，最新的兩種適合開角性青光眼手術canaloplasty和viscocanalostomy[30]，研究還表明canaloplasty比viscocanalostomy更有效[31]。canaloplasty和viscocanalostomy都需要清楚的看到Schlemm's管，因此UBM在開角性青光眼術前術后都具有重要作用。研究表明Schlemm's管能被i-UltraSound的80 MHz探頭探測到，而Paradigm P45的50 MHz探頭卻探測不到，但兩種設備都能看到小梁網(wǎng)有膨脹[32]。

隨著眼科的日益壯大和臨床需求，眼科UBM面臨艱巨挑戰(zhàn)，將向更高的分辨率和更高的穿透深度發(fā)展。

4 展望

目前臨床使用的UBM均為單陣元傳感器，通過使用機械掃描的方式來成像，超聲傳感器采用固定曲面聚焦方式，因此掃描幀頻低，焦點外成像質(zhì)量差。

高頻超聲傳輸會有很強的物理衰減，Jonathan Mamou等[33]對高頻醫(yī)療超聲成像展望，通過編碼激勵來提高信號的信噪比，彌補超聲衰減信號。

隨著超聲材料技術及超聲成像技術的發(fā)展，未來的UBM可以是多陣元、高頻率、高頻帶超聲探頭，通過電子聲束控制及合成孔徑成像來提高圖像質(zhì)量；通過信號編碼技術和匹配濾波處理，提高信噪比，增加超聲穿透深度[34]。隨著二維多陣元探頭的發(fā)展，UBM可以對眼前節(jié)組織高頻三維成像，具有更重要的臨床意義。

超聲設備朝著便攜式嵌入式發(fā)展，UBM也將會變得更低價、更便攜、更智能[35-36]。

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Research of Ultrasound Biomicroscopy in Ophthalmology

【 Writer 】Zhu Mingshan
Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325027

ultrasound biomicroscopy, high-frequency ultrasound, imaging technology, scanning, signal to noise ratio

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.012

1671-7104(2014)02-0122-04

2013-10-08

朱明善，E-mail: smart_shan@126.com

【 Abstract 】Ultrasound biomicroscopy (UBM) has been applied in ophthalmology for twenty years. It plays an important role in diagnosis of eye diseases, especially in glaucoma. After years of research, It has been developed in its structure, sensors, imaging technology and applied research.