明明做了「彩超」,醫生怎麼給我黑白照片?

去醫院體檢,走進了彩超室,醫生拿著個神秘儀器在你肚子上擺弄了半天,接著出了一份診斷報告。你拿著報告單,卻分明看到報告單上的影像部分印著這樣一幅圖像:

圖片來源:文獻1

圖片來源:文獻1

你看著報告單百思不解,向醫生問道:「為什麼我做的是‘彩色超聲’,結果報告影像卻是黑白的?」

醫生瞅了一眼報告單,說:「沒錯,這就是彩超報告」,隨後就招呼下一個病人去了。

你滿臉狐疑,心想彩超到底是什麼?為什麼「彩」超居然可以不是彩色的?於是回到家之後,你試著上網搜尋「什麼是彩超」,得到了這樣的答案:

彩超即彩色多普勒血流顯像,英文縮寫CDFI。彩超將所獲得的多普勒資訊進行處理,通過彩色灰階編碼,以不同的顏色和亮度分別標識血流的方向和速度的大小,併疊加於B型超聲聲像圖上。

面對這串好像每個字都看得懂,但是連在一起就不知道是什麼意思的描述,似乎更加搞不懂為什麼彩超報告是黑白的了。

為了能直觀理解什麼是彩超,為什麼要做彩超,以及「為什麼彩超可以是黑白的」這個問題,我們還需要從醫學超聲檢測的歷史講起。

一、最早的超聲形式——A超

一個人站在山峰上向著對面的山崖大喊,聲波碰到對面的崖壁就會反射產生回聲。如果你懂一些物理,還可以通過測量從喊話到聽見回聲的時間差,來計算你和對面崖壁的距離。

圖片來源:askiitians

圖片來源:askiitians

醫學超聲檢查的原理與它相似。超聲最早出現在醫學檢查領域時,醫生使用的並不是我們今天常見的扁長的超聲探頭,而是更像圓柱體的探頭。這種探頭能產生一條細長的超音波束。

圖片來源:作者拍攝

圖片來源:作者拍攝

當細細的超音波束在人體內傳播時,如果碰到了不同組織,或者組織和器官的邊界,由於人體不同組織間的物理性質存在著微小的差異,一部分的超音波就會發生反射。

圖片來源:作者製作
圖片來源:作者製作

圖片來源:作者製作

我們使用探頭記錄這些反射回波,並且將回波以時間-幅度的形式顯示在示波器上。

由於超聲在人體內的傳播速度大約是1540m/s,我們可以很容易地將超聲探頭記錄的回波時間與人體組織邊界到探頭的距離對應起來。

這就是最早的超聲醫學檢查形式:幅度(Amplitude)型超聲檢查,簡稱A超。

圖片來源:作者製作

圖片來源:作者製作

A超檢查的作用相當於在不傷害人體的情況下,使用超聲探頭在人體內開了一個虛擬的小「窗口」,醫生能夠透過這個窗口知道在人體的某個部分(例如上圖的心臟)什麼深度上人體組織出現了變化,並結合已有的醫學知識做出一些診斷。

超聲相對於其它醫學檢查手段有非常多的優勢,它無創傷、無輻射、檢查儀器小巧便攜又操作簡單。

但是人體組織結構非常複雜,通過看示波器波形來推測組織結構變化,這種管中窺豹的檢查方式顯然非常不直觀、還容易出錯

二、向著B超邁進

為了解決上述問題,科學家們在A超的基礎上,對超聲檢查又做了一系列改進。

首先,科學家對超聲探頭進行了巧妙的改進,使得探頭可以通過機械旋轉,或者是電子聚焦的方式向多個方向和目標發射超音波束,其中後者被稱為波束形成。在最常見的超聲系統中,這些波束根據需要會組合成一個虛擬的扇形或者是矩形的平面。

圖片來源:文獻2

圖片來源:文獻2

圖片來源:文獻3

圖片來源:文獻3

其次,科學家基於雷達的經驗改進了超聲回波的顯示方式。單根波束產生的回波中,對應著不同深度上有無目標的回波高度,被轉換成了一根掃描線上不同深度的亮度資訊。

圖片來源:作者製作

圖片來源:作者製作

結合上面提到的波束形成技術,就可以獲得人體內多個方向和位置上的許多根掃描線。將這些掃描線拼合在一起,得到的就是一個反映了人體內某一位置橫截面結構的超聲影像。

圖片來源:作者製作

圖片來源:作者製作

由於這種超聲檢查技術中,人體結構資訊是通過不同位置處亮度不同的亮斑顯示的,故被稱為亮度(Brightness)型超聲檢查,也就是B超。

三、彩超終於來啦!

那麼什麼是彩超呢?簡單來說,科學家們發現,隨著技術的進步,不但能夠從超聲回波中提取出人體的結構位置資訊,而且還能提取出多普勒運動資訊。

大家都應該親身或者在鏡頭裡見過這樣的場景:一輛賽車拉著尖銳的轟鳴聲向你駛來,並且在駛過你的位置之後聲音變得低沉。這就是1842年奧地利物理學家多普勒發現的多普勒效應。

當一個運動的物體朝著觀測者而來時,它發出的聲波會因為二者間的相對運動被壓縮,從而頻率升高,聽起來更尖銳。相反,當一個物體遠離觀測者而去時,聲波會被伸展,頻率下降,聽起來更低沉。

圖片來源:文獻4

圖片來源:文獻4

科學家認識到,在上文提到的B超的基礎上,還可以進一步通過判斷某一位置對應的回波是被壓縮、拉伸還是保持原樣,來判斷這一區域是否存在運動的人體組織,例如是否存在血液流動。

圖片來源:作者拍攝

圖片來源:作者拍攝

例如,當醫生以上圖這樣的姿勢對患者的頸部進行檢查,就能看到一幅清晰的頸部組織橫截面圖像。

圖片來源:作者拍攝

圖片來源:作者拍攝

在此基礎上,打開彩超功能可以看到,由於頸動脈中的血液是從心臟向著大腦,也就是朝向超聲探頭方向流動,所以在圖像中頸動脈的區域就會顯示為紅色,這表示運動方向為正的資訊。而頸靜脈中的血液揹著超聲探頭方向流動,運動方向為負,顯示為藍色。

其他諸如血管、肌肉等組織沒有發生和探頭的相對運動,也就沒有多普勒頻移,在螢幕上不顯示。

從上面的講解我們就能看到,彩超圖像中的彩色,僅僅是為了讓組織運動資訊能更明顯地區別於組織結構資訊而做的人為規定,並不是彩超和普通B超之間的本質區別。

根據彩超成像的原理和目的不難想到,在很多的彩超應用場景下(例如檢查某個區域中的血流運動是否順暢等),我們只需要知道是否存在組織運動,而對組織運動的方向資訊並沒有需求。

這種時候,完全可以使用黑白圖像,將超聲系統檢測到的運動資訊表示出來就可以了。

圖中成像區域內的白色斑塊和運動速度示意,就對應了超聲系統檢測到的血流產生的多普勒運動資訊

圖片來源:文獻1

圖片來源:文獻1

也就是說,比起普通B超,彩超的區別並不是有沒有增加顯示的顏色,而是能不能從圖像中獲得人體組織的運動資訊,也就是上圖中的內容。

所以,到這裡也就破案啦,彩超確實可以呈現不同顏色,只是並不是每張成像圖都需要顯示顏色而已。

P.S:給貓熊拍的彩色照片,還能叫彩照嗎?

參考文獻:

[1] Cantisani, V., et al., Color-Doppler ultrasound with Superb Microvascular Imaging (SMI) compared to Contrast Enhanced Ultrasound (CEUS) and CT angiography to identify and classify endoleaks in patients undergoing EVAR. 2016

[2] Kurjak, A. Arenas, J., Donald School Textbook of Transvaginal Sonography. 2018.

[3] Jensen, J., Linear description of ultrasound imaging systems: Notes for the international summer school on advanced ultrasound imaging at the technical university of denmark. 1999

[4] Maulik, D., Doppler Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 2005.

[5] 萬明習, 生物醫學超聲學(上、下冊). 2010.

[6] 施克仁, 郭寓, 相控陣超聲成像檢測. 2010.

[7] Amsterdam, T.L.S., DIAGNOSTIC ULTRASOUND IMAGING: INSIDE OUT. 2004.

[8] Woo, J., A short history of the development of ultrasound in obstetrics and gynecology. History of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology, 2002. 3: p. 1-25.

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