第四节　造影剂增强超声（原理、操作和应用）

造影剂增强超声（contrast-enhanced ultrasound，CEUS），简称超声造影，被视为医学超声发展新的里程碑。

一、原理

超声造影的物理基础是利用血液中气体微泡在声场内所产生的强烈背向散射及其非线性特性来获得对比增强图像。

（一）超声造影剂

目前使用的超声造影剂（acoustic contrast agent）几乎都是包被成膜材料的氟碳气体微泡，其直径小于红细胞的直径（7μm），确保能通过肺毛细血管不会产生栓塞，同时具有足够的稳定性，又能够被较快地清除。

1.微气泡的散射

液体（如血液）中的造影剂微气泡是很强的声波散射体。散射声强（Is）与入射声强（I0）和散射体散射截面积（scattering cross section）的关系为：

（19）

式中，z是散射声强的测量点离开散射体的距离。散射截面积σ取决于散射体和周围媒介之间的可压缩性系数κ和密度ρ。理论上，微气泡的散射截面要比同样大小的固体粒子大近亿倍，这是气体微泡造影剂有非常强的对比增强效果的原因。然而，强散射所带来的必然是强衰减，成为造影剂消极的一面。

2.造影微气泡的谐振特性

当入射超声波的频率等于微泡的固有振动频率时，微泡产生谐振（resonance），也称共振。这种谐振效应使入射声波的能量最有效地被微泡吸收，形成谐振散射。其振幅会被显著放大，产生很强的回声信号（谐波），达到造影效果。谐振频率与微气泡的粒径和包被材料有关，粒径越小，谐振频率越高，因此，高频探头需要很小粒径的造影剂匹配。

3.非线性特性

如图1-4-1所示，在入射声压的交替变化下，微气泡发生收缩（正压）和膨胀（负压）振动，但膨胀速度大于收缩速度，这就是超声造影微泡对超声辐照散射的非线性特性，导致了从微泡散射的声波发生畸变。在更高压力下微泡共振变得更加复杂。微气泡在强烈声压交替振动下破裂，也发射短暂、强烈的非线性信号。

非线性信号包含在微泡散射信号的频谱中，经快速傅里叶转换分解的非线性谐波中，主要是基波频率2倍的二次谐波信号，其次是三次、四次等谐波，其信号强度递减。此外，尚有频率为基波频率1/2的次谐波。

4.靶向造影微泡

在微泡表面桥接特异性配体（如抗体），这种微泡可以通过血液循环积聚到特定的靶组织上，从而使靶组织在超声影像中得到特异性增强，提高超声诊断的敏感度和特异度。

（二）超声造影成像方法

超声造影的成像方法异常复杂，主要取决于基波信号的抑制、微泡散射信号的获取和处理，各个厂商所用方法不尽相同，较有代表性的常用方法为低机械指数（MI）成像。

1.反相脉冲谐波成像

基本原理如图1-4-2。超声波发射第一个脉冲信号，随后发射第二个位相相反脉冲信号。与基波回声信号叠加后，基波回声几乎被完全抑制。而微气泡产生很强的谐波信号得以保留，获得高增强造影效果，反相脉冲谐波成像（pulse inversion harmonic imaging，PIHI）被超声仪器制造商广泛应用。

2.功率调制的反相脉冲成像

反相脉冲（PI）与功率调制（PM）联合使用，即功率调制反相脉冲成像（power-modulated pulse inversion imaging，PMPI），也称造影脉冲序列成像（contrast pulse sequence，CPS）。这种方法可获得比二次谐波更强的造影微泡信息，达到较高的空间分辨力和灵敏度。在超声造影信号处理中各制造商使用的方法可能有所不同，名称较多，但是多采用上述方法。

3.时间-强度曲线

在低浓度时，造影增强强度与浓度呈线性关系，将其随时间的变化被描记为时间-强度曲线（time-intensity curve，TIC），通过TIC可分析感兴趣区的动态血流灌注等多种特点。TIC参数可通过定量计算开始增强时间、开始增强强度、峰值强度、达到峰值时间、廓清时间、曲线下面积等参数，显示感兴趣区血流的增强或消退速率，反映病变特有的血流动态灌注特征。

二、超声造影操作

（一）静脉团注法

静脉团注法（intravenous bolus injection technique）也称弹丸式注射法，是按剂量将造影剂经静脉一次快速注入。组织灌注的时间-强度曲线表现为增强强度迅速达到峰值，随后逐渐下降。团注法的优点在于操作简便，缺点是血中造影剂浓度的迅速增高可引起声像图过度增强和深部衰减等伪像。

（二）静脉滴注法

静脉滴注法（intravenous drip）是将造影剂按一定比例稀释后持续静脉滴注，滴注速度（或使用输液泵）按体重来计算或根据增强效果来调控。强度曲线表现为缓慢上升，当造影剂滴入与廓清达动态平衡时，曲线表现为平台，停止滴注后，曲线逐渐下降。静脉滴注法主要应用在定量评价组织或肿瘤的灌注，其主要缺点是不易控制。

（三）击破-再灌注法

击破-再灌注模式（flash-replenishment kinetics）最初应用于研究心肌灌注。在低机械指数条件下造影剂为持续输入并且达到稳态浓度时，使用高机械指数声脉冲对检查切面的微泡进行击破，检查切面邻近组织内的微泡就会再灌注，能够实现组织的血管构架和微细血管的实时成像，还可得到组织的再灌注曲线，是研究组织血流灌注较为理想的方法。

三、临床应用

（一）血管内应用

1.心腔和大血管超声造影

可显著改善心内膜缘界线和大血管狭窄段内腔的显示，为精确评价室壁运动、定量心功能或评价血管狭窄程度提供了方便，对肥胖患者更为重要。

2.组织灌注评价

直接观察二维灰阶增强强度或用TIC发现组织梗死或缺血范围，如心肌、肾脏等组织血流灌注和血流动力学的评价、移植器官术前血管解剖的评估、术中引导和监视、术后并发症的诊断等。

3.肿瘤的显示和血供特征评价

超声造影能比增强CT和MRI更敏感地实时显示肿瘤的血管构架和血流特征。主要用于：①局灶性病变的显示；②肿瘤的鉴别诊断；③肿瘤消融治疗的术中监控和术后随访；④药物治疗的疗效评价等。

4.组织和脏器损伤的诊断

通过造影能够显著提高脏器损伤的敏感性并准确评价损伤程度，包括损伤范围、深度、有无并发症等。对活动性出血部位、程度和治疗效果的评估有重要价值。

5.术中超声造影

术中超声造影发挥了术中超声和超声造影两种技术的优点，能进一步提高诊断的敏感性及准确性，对诊断术前未发现的病变和引导手术治疗有重要实用价值。

（二）血管外的应用

1.膀胱输尿管超声造影

这一方法已经成为诊断膀胱-输尿管反流的最敏感和准确的影像诊断方法。可替代X线逆行膀胱尿路造影和核素膀胱显像。

2.输卵管造影

阻塞宫颈管并向宫腔内注入充分稀释的造影剂，能够清晰显示输卵管的走行和内腔，对评价输卵管通畅程度较X线输卵管造影有诸多优越性。

（三）超声造影剂在靶向治疗方面的应用

将携带的特殊药物或基因的微泡注入体内，通过超声定点辐照在靶组织或肿瘤内释放，使其局部具有更高的浓度或更容易进入靶组织的细胞，达到增强治疗效果或提高转染率的目的。这一方法已成为当前重要的研究课题而备受关注。