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兆瑞臻(编译)<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
微电子机械系统(Micromachined Electro-Mechanical Systems，MEMS)在显微领域取得的重大进展使超声领域正在经历一场变革。新兴的传感器技术，以能收发超声的显微硅鼓(Microscopic Silicon Drum)为基础; 它将在不久的将来提高诊断效率以及超声的日常使用。
这些硅传感器的进展昭示着超声的使用范围已扩展到新的领地。这一被称为电容性微制造超声探头(capacitive Microfabricated Ultrasonic Trans-ducers，cMUTs)的技术将扩展超声造影剂的应用范围，并给市场带来功能强大的实时容积成像系统。这一技术应用于造影增强和容积成像系统时显示出巨大影响—不仅为医生提供更多的经造影增强的肿瘤显影信息或是对病灶有更多的三维了解，同时也通过简化影像的获得和解释过程而拓展了超声影像的市场。
超声领域的这些进展源于基本的传感器技术(传统的压电晶体)逐步进展为半导体技术。压电晶体，即谐振时产生电信号的特殊陶瓷，其应用始于超声诊断之初。多年来，超声设备制造商不断完善对这些晶体的设计和制造，研制出了现今种类繁多的凸阵、线阵和环阵相控探头。
但是，压电传感器缺乏宽频和声束聚焦的功能，而这却是高效利用造影剂对超声成像的作用，尤其是乳腺超声诊断等高频应用的必要条件。同样，对三维成像而言，压电组件仍由大块材料加工制造，因此需要连接到控制电子线路。这个复杂的制造过程限制了安装元件和半导体电子组件在控制和处理功能方面的利用程度，这些缺憾也阻碍了高质实时容积成像在影像学应用中的进展。
与此相对照的是，cMUT硅鼓的宽频响应和电子重新配置阵列可替代个体化压电晶体组件，以此提高造影增强并使高质容积扫描成为可能。半导体技术将超声传感器和智能电子技术融于硅片，开发出更先进的探头，使得原始影像处理可在探头中进行。
基于复杂的cMUT阵列并具有强大电子组件的成像系统将能在几秒内获取完全、高质量的容积扫描图像而且可以更好地检测和分辨造影剂，这将极大地减少超声诊断对操作者的依赖程度，同时可提高影像诊断的整体效率。此外，它还把新的、重要的诊断信息提供给内外科医师，以增加他们对病情的了解，提高诊治水平。
显微硅鼓
过去10年中，全球领先的大学对显微技术和纳米科技的科研突破使得硅成为超声技术跨越式发展的驱动力。cMUT的显微硅鼓(见图1，2)是被称为MEMS的广泛的硅片技术中的一部分—借MEMS技术将传感器、驱动器和电子组件集成于一块普通硅片上。知名的MEMS消费产品包括用于汽车安全气囊分布的加速计、家用电器的压力传感器以及彩色打印机墨盒中的喷嘴。
cMUT最初在20世纪90年代由斯坦福大学发明，而后继续由位于硅谷的Sensant公司以及近来的领军超声影像公司(如Esaote，GE医疗系统和西门子医疗系统集团)开发并整合至超声系统。
cMUT传感器中的显微硅鼓是一个薄层悬膜的电容性结构。单个的显微硅鼓约有头发粗细，其作用类似立体声扬声器和麦克风。当声波向体内传导时，成像系统向硅鼓发送电信号，在膜上产生静电压力，使膜振动发出超声波; 从人体组织返回的回声使硅鼓的轻而薄的膜发生振动，其产生的电信号形成可视影像。
cMUT阵列的制造依靠现代硅片微制造技术。制造过程为先植入功能先进的半导体电子组件在硅片上，然后在硅片上沉积一个只相当于数千个原子大小厚度的牺牲层，并有选择地除去一部分，形成硅鼓空穴形状; 接着在上部沉积一层氮化硅膜，并在此层蚀刻一些小孔以便除去下面的牺牲层; 最后，在此结构表面分布电极，并以氮化硅保护层沉积遍布整个组件。以上步骤形成的硅鼓结构包括去除牺牲层后留下的内衬于鼓穴的氮化硅悬膜。
令人称奇的是，这个强力的氮化硅膜每秒可振动数百万次，以收发超声。制造一个典型的超声探头，需要将数千个小鼓集成于一块硅片表面以形成超声影像阵列。
应用
MEMS除了显著提高影像质量外，cMUT技术的重大进展预示着一种新型造影增强超声的诞生。
超声造影剂由数百万个微泡组成，它们经静脉注射入体内; 由于其物理惰性，它不同于许多其它X射线和MR造影剂，无毒副作用。微泡造影剂经过血流时遇超声产生谐波，使其在超声影像中更易被检测。由于它能比现有的压电技术提供更宽频的响应(图3)，MEMS传感器可以获得关于造影剂谐波信号更高的分辨率和更优质的血流影像。
而且，cMUT技术赋予传感器新颖的几何学特点，产生了菲涅尔焦点这一更精确的声束聚焦法，因此提高了影像质量。如图3所示，cMUT超宽频增强了传感器对造影剂发出的谐波信号的敏感度，使造影剂有了用于更高频阵列的新用途，如乳腺超声。以现有压电技术应用的超声造影剂已经展现出美好前景，正在得到欧洲影像市场的广泛认可。美国已批准将造影剂用于超声波心动描记法，其在放射学的应用正在评估中，其中有几种即将获美国食品药品管理局(FDA)批准。
迄今为止，增强造影超声的最具前景和最为人所知的用途是对肝病的检查诊断。具有特殊肝相作用的造影剂和血池造影剂被健康肝组织吸收，却不被受损细胞吸收，因此，在本应是高回声组织的区域无增强回声，表明此区无健康组织。
造影增强超声以增强的肝—损伤对比形式提供的附加诊断信息对临床有较大裨益，即以超声扫描法鉴别良、恶性肝肿瘤和识别癌转移，而不必依赖相对昂贵的影像设备，如CT，或使用创伤性诊断方法。
超声造影剂与cMUT技术的联合应用将把超声影像从早期的主要应用于腹部拓展到更为先进的高频超声应用中。cMUT增高的宽频和聚焦性能允许低频显影剂激励(通常2MHz左右)和高频造影(≥8MHz)，并可在肿瘤微血管系统典型的低流速、低流量状态下敏感检测造影剂。
定量、定性分析肿瘤部位的血流对乳腺癌的检测、诊断、治疗策略和疗效评估有很大影响，它可能有以下临床作用: 无创性鉴别良恶性肿瘤，可能减少目前普遍应用的活检次数; 检查曾患乳腺癌的妇女是否局部复发，因其疤痕组织的存在减低了乳腺X射线摄影术的敏感度; 对女性肿瘤患者采用不同的个体疗法并快速评估疗效。
实时容积成像
不久的将来，高质容积成像将改变超声经济学。目前的三维超声因其在产科和心血管市场有了几种新系统而令人振奋。尽管这些系统在各自领域有重大进展，但却仍不能为影像学应用提供优质的容积成像。与三维解剖结构表面重建影像如胎儿面部不同，容积扫描与MR和CT类似，可获得全面的容积信息。超声技师或放射学医师将能随意选择二维薄片阅片，效果如同实时扫描; 他们可对全部二维薄片阅片，也包括那些目前还无法获得的与传感器表面平行的薄片。
过去10年中，超声影像质量及其相关的超声应用取得了重大进展，这得益于系统处理能力的提高以及在研发诸如彩色多普勒和组织谐波成像等设备所需的、日趋复杂的系统结构中的进展。
目前为止，限制实时容积成像在放射学应用的技术瓶颈是无法制造并简易地将压电二维阵列与系统电子组件整合。芯片cMUT技术能整合探头中的强大处理和控制能力，因而克服了以上缺陷并开发出了具有几千个活性通道的二维矩阵阵列探头，可进行高质容积成像。
真正的容积成像系统可能对超声的应用和经济学产生巨大影响。例如，超声技师可获得一份全面的扫描数据，可显著减少扫描次数同时降低获得最佳造影平面的难度。扫描可在几分钟内结束，而且由于容积扫描包含了全套信息，可将操作者误差最小化。与MR和CT扫描一起，全部的容积扫描数据可远程传送给放射科专家，他们可利用收到的数据进行远程诊断。而且，容积数据还给放射医师提供了辅助诊断信息，比如关键性的三维病变形态学和三维多普勒血流信息。这些进展象征着重要的疾病诊断工具。
以乳腺癌检测为例，使用芯片技术的容积成像系统可筛查目前乳房X射线平片无法检测的人群，尤其适用于乳腺组织致密的妇女。在此类妇女中，由于乳腺癌与乳腺纤维组织有相似的乳腺X射线影像—致密的乳腺组织易与非钙化性乳腺癌混淆，这就降低了乳腺X射线平片对该人群的敏感度。但是，超声可迅速检测到这种损伤，因为损伤处出现了与正常的高回声致密乳腺组织不同的低回声。
近来，纽约的一位著名乳腺影像专家Thomas M Kolb发现，全乳腺超声筛查能检测出不易发现的病变，这些病变多数存在于乳腺组织致密的妇女中。乳腺X射线平片在乳房肥大妇女中的乳腺癌检出率为98%，但在乳腺组织致密的妇女却降至48%。附加的超声筛查可将对这个人群的检出率提高至94%。大量的单点研究已获得相似的较好结果; 正在进行的多点试验正在试图证明这些结果在所有研究所和研究人员处都具有可重复性。
尽管存在日益经临床证实的巨大潜力，乳腺超声筛查的广泛采用以及普查项目的实施—即使是对小量人群普查—都是困难重重。双侧全乳超声检查需要较长的扫描时间，这始终是对患者的限制。而且，获取高质量准确描述病变形态学的影像薄片较困难—乳腺影像专家也不例外。这些障碍将使放射医师和乳腺影像专家严重短缺的现状雪上加霜。
基于cMUT技术的容积成像系统使得超声技师能快速获得全套容积数据，然后由计算机辅助检测技术(类似于已在乳腺X射线平片中普遍应用的技术)进行自动分析。这种快速、自动化程度高且无须人工操作的扫描仪，作为对致密乳腺组织妇女的附加筛查方法，由于价格足够便宜而被推广应用。而且，容积成像和造影增强的潜在组合有望将其广泛适用性和CT、MR等器械的敏感性集中于超声这个安全、价廉、应用广泛的影像设备。
这样的前景性变化正在发生。在21世纪，芯片微加工技术的进展和半导体技术将给超声造影带来新一轮革命。cMUT技术在利用造影增强检测乳腺癌方面已显现出美好前景; 现今的行业先锋也在致力于应用cMUT技术研制新型便携式容积成像系统。例如: GE的研发中心与Sensant公司联手获得了美国军方的一个开发合同，此合同要求他们研制出一种基于cMUT技术的新型嵌入式环状阵列容积成像系统用于战地容积成像。超声影像前景无限，这得益于某些领域的重大进展。 | 
