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眼睛的高分辨率超声成像——综述
罗纳德·H·西尔弗曼博士
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摘要
本报告总结了眼部超声生物显微镜（UBM）的物理、技术和临床应用，其中35MHz及以上的频率与传统眼科超声系统相比，分辨率提高了三倍以上。UBM允许对涉及眼前段的解剖和病理进行成像，包括被光学不透明的解剖或病理结构覆盖的区域。UBM在青光眼、囊肿和肿瘤、创伤和异物等疾病中提供了具有诊断意义的信息。UBM还可以提供有关眼前节结构的重要生物特征信息，包括角膜及其组成层以及前后房。尽管UBM已经使用了超过15年，但新技术，包括换能器阵列、脉冲编码和超声与光的结合，为眼睛的高分辨率诊断成像提供了重大进展的潜力。
关键词：眼前节，成像，眼睛，超声生物显微镜
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介绍
理想的诊断成像设备将允许以无限细节和实时完美对比度对隐匿结构进行无创可视化。它也很容易使用，而且价格低廉。眼睛的表面位置及其囊性结构，再加上光学窗口（角膜和瞳孔）的存在，使眼睛成为新成像技术的虚拟试验台，包括光学相干断层扫描（OCT）、磁共振成像（MRI）、扫描Scheimpflug和裂隙灯设备以及超声波。
根据上述标准，MRI提供了高对比度和良好的分辨率，但价格昂贵、不方便且速度缓慢。光学方法可以提供极好的分辨率，具有成本效益且易于使用，但容易受到光学不透明结构的干扰，包括正常解剖结构（巩膜、虹膜）和病理学（出血、角膜疤痕、白内障）。
超声波以非常经济高效的方式提供实时横截面图像，即使存在光学不透明的中间结构。超声波在眼部诊断成像中的应用起源于20世纪50年代Mundt和Hughes1（A扫描）和Baum和Greenwood2（B扫描）的工作。尽管从那时起，扫描、数据处理和显示技术有了巨大的改进，但自该技术问世以来，眼科超声设备的中心频率几乎一直保持在或接近10 MHz。虽然对许多眼部疾病的评估肯定有用，但在10 MHz下获得的分辨率比OCT低一个数量级以上。
超声生物显微镜（UBM）使用的频率（35–50 MHz）远高于传统眼科B型扫描仪。由此产生的分辨率提高到40毫米或更小，使超声波更接近于达到理想成像设备的标准。
本文将介绍UBM的物理基础、技术发展和临床应用。
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超声波物理学
需要对超声的物理原理和技术有基本的了解，才能充分理解UBM的临床能力和局限性。
超声波由通过介质传播的压缩波和稀疏波组成。波长和频率由关系式c=Γλ定义，其中c是声速，λ是波长，而Γ是频率。声速与介质的成分和温度有关，但在很大程度上与频率无关。声反射发生在不同声阻抗（密度×声速）区域之间的界面处。散射发生在这些不连续小于一个波长的地方。由于反射、散射和吸收，超声波在组织中传播时会发生衰减。衰减随组织深度和频率呈指数增长。
超声波探头包含一种压电材料，即换能器，当施加电压时，换能器会膨胀或收缩。这与传感器接触的流体相连通。可以通过在平面换能器表面放置声透镜或将压电材料形成适当半径的曲面来聚焦超声波。在发出一个声脉冲后，传感器被动地等待回波返回，然后再发出另一个脉冲。回声与压电元件相互作用，产生的电压随后被放大和处理，形成图像并进行生物测量。这个范围是一个refl轴向分辨率指的是两个反射器沿声传播方向的距离，同时仍然可以彼此区分。轴向分辨率计算为cT/2，其中T为脉冲持续时间。横向分辨率是指超声系统能够区分相对于超声束轴彼此相邻的两个反射器。这受传感器频率和焦距特性的影响，特别是焦距L和孔径D。这两个特性的比值定义了f，即传感器的f数。焦平面中的横向分辨率计算为Lλ/D或fλ。随着f比的减小，换能器变得更加聚焦，横向分辨率提高，但沿光束轴的换能器聚焦良好的区域（景深）逐渐变小。
传统10 MHz换能器的压电元件通常是陶瓷材料，锆酸铅（PZT）。在频率高于15–20 MHz的情况下使用PZT是不可行的，因为易碎的PZT晶体不能薄到足以产生更高频率而不开裂。因此，在替代材料可用之前，无法制造UBM器件。聚偏氟乙烯（PVDF）是一种压电聚合物，与PZT不同，它具有高度的柔性，易于制成薄片。例如，9毫米厚的PVDF膜可用于形成50兆赫探头的压电元件。Sherar和Foster在1989年报告了使用PVDF制造UBM传感器的情况。3最近，共聚合物聚偏氟乙烯三氟乙烯（PVDF-TrFE）因其更高的灵敏度而在很大程度上取代了PVDF。4.
表1比较了可能用于通用眼科成像的典型10 MHz换能器和用于UBM系统的典型50 MHz换能器的性能。请注意，与10 MHz眼科探头相比，UBM探头的景深远小于1 mm。还要注意的是，虽然水中的衰减在10 MHz时可以忽略不计，但在50 MHz时，这是一个显著的影响——中心频率处的信号在向焦点和背面传播12 mm后会减少13 dB以上。
表1
典型10 MHz眼科B型扫描仪和UBM系统的性能比较
常规B型扫描仪UBM的特征
频率（兆赫）1050
孔径（毫米）106
焦距（毫米）3012
F比率3 2
轴向分辨率（μm）150 30
横向分辨率（μm）450 60
景深（毫米）9.6 0.85
水中衰减（dB/mm）0.02 0.55
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UBM系统
Foster和Pavlin在20世纪90年代初开发了第一个用于眼睛成像的实用UBM系统。5,6蔡司汉弗莱仪器公司（美国加利福尼亚州圣莱安德罗）生产的超声波生物显微镜就是这项工作的产物。该仪器广泛应用于UBM技术和临床应用。科尔曼等人独立开发了一个UBM系统，强调处理在序列平面中采集的原始射频回波数据，适用于三维分析，尤其是角膜生物特征分析。7该系统最终由Ultralink，LLC（美国佛罗里达州圣彼得堡）作为Artemis-2系统进行商业化。
蔡司-汉弗莱（美国犹他州盐湖城后来的Paradigm Medical Industries）UBM由一个由铰接臂支撑的50 MHz探头组成。传感器本身没有像10 MHz系统那样密封在探头内，以避免盖子的衰减。该探头的扫描频率为8 Hz，可实时成像，扫描范围为5 mm×5 mm，由256条视线（矢量）组成。这允许在一次扫描中对眼前段的相关解剖区域进行成像，但不能对整个眼前段进行成像。表面麻醉后，使用巩膜壳将探头连接到眼睛上，巩膜壳将眼睑打开，并填充生理盐水或更粘稠的甲基纤维素进行声学耦合。
Ultralink Artemis-2使用弧形扫描机制来维持超声束轴和角膜表面之间的正常状态，以便于角膜生物特征分析，并提供足够的扫描宽度来显示从沟到沟的眼前段。它结合了固定灯和摄像机，在扫描过程中保持和监控眼睛的位置。Artemis-2已不再生产，但Arccan，Inc.（美国科罗拉多州莫里森市）目前正在进一步开发该技术。
众多制造商，包括Quantel医疗器械公司（美国MT Bozeman）、Optikon公司（意大利罗马）、Sonomed公司（美国纽约州成功湖）和眼科技术公司（美国安大略州多伦多）等，现在生产的UBM比原蔡司Humphrey UBM具有更高的扫描速率和更紧凑的手持探头。IScience（美国加利福尼亚州门罗公园）生产一台80 MHz扫描仪，用于高分辨率的安氏管和施勒姆管成像。在某些情况下，这些指令临床应用
超声生物显微镜系统适用于几乎所有眼前节解剖和病理的成像，包括角膜、虹膜角膜角、前房、虹膜、睫状体和晶状体。因此，UBM适用于角膜疾病、青光眼、囊肿和肿瘤以及晶状体植入物的诊断成像。虽然检查通常使用充满液体的巩膜外壳进行，但也可以使用水浴，即在局部麻醉后，甚至通过封闭的眼睑涂抹在眼睛上的薄膜封住的尖端，尤其是在外伤的情况下，尽管由于眼睑的衰减而降低了敏感性。
UBM上正常眼前节的外观如图1所示。该扫描显示所有眼前节结构，包括晶状体前表面、晶状体小带和睫状体。
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图1
使用arc扫描获得的正常眼前段图像的UBM图像（康奈尔原型系统）。
Pavlin等人进行的最早临床UBM研究检查了青光眼的眼前节。8,9 Pavlin等人展示了UBM在描述几种形式的青光眼方面的效用，包括平台虹膜综合征10和瞳孔阻滞11，它们共同构成了原发性闭角型青光眼的最常见形式。12在瞳孔阻滞中（图2，上图），由于通过瞳孔的水流量受损，后房中的压力相对于前房的压力升高。这导致虹膜在形成后房室的情况下从根部向前弯曲至瞳孔边缘。激光虹膜切开术将通过缓解前后房压差而导致虹膜变平。在平台虹膜综合征中，睫状体位于前方，可能增大，压缩虹膜角，阻碍流出。UBM将显示很少的弓形，而是睫状体的前位和沟的闭合。在平台虹膜综合征中，UBM通过显示睫状突的前移位和沟闭合发挥了非常重要的作用（图2，下图）。UBM也可用于恶性青光眼的诊断成像，其特征是前房扁平，通常发生在青光眼手术、慢性闭角型青光眼或假剥脱术后。13 UBM在阐明假晶状体瞳孔阻滞性青光眼的病因方面也有价值。14,15色素分散性青光眼的UBM表现是由Pavlin等人首次描述的，这种情况的特征是虹膜后表面色素丧失，导致小梁流出受损。16色素分散性青光眼通常表现为虹膜凹陷，这与虹膜透镜擦伤导致色素颗粒分散的假设一致。UBM是指导和评估青光眼手术的有用工具，17包括评估深部巩膜切除术和椎管成形术等手术中的滤泡和施勒姆管。18,19图3提供了80 MHz角度扫描的示例。
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图2
上图：瞳孔阻滞的特征是由于前后房之间的压差导致虹膜前弯。注意白内障。下图：高原虹膜综合征。注意特征性的睫状突前位和沟钝。使用康奈尔电弧扫描原型系统获取的图像。
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图3
80兆赫图像，显示18个月后眼的暂时性角度结构。使用IScience IUl traSound系统获取的图像。（图片由Hulgar Bull博士和Kurt von Wolff博士提供。）
1992年，Pavlin等人描述了可用于各种眼前节结构重复测量的生物识别标准。在这些位置中，距巩膜突的距离为250μm，距巩膜突的距离为250μm。石川、利伯曼和里奇在2000年描述了进一步的标准，尤其是角度几何的数字描述符。20这些标准对于定义表征不同青光眼类型的可重复标准非常重要。例如，21岁、22岁的Marchini使用UBM对不同类型的闭角型青光眼进行生物特征比较，Sihota等人23将这些标准用于比较原发性闭角型青光眼的亚型。
超声生物显微镜可以评估眼前段的原发性和继发性囊肿。24-26个原发性神经上皮囊肿累及虹膜和纤毛的色素上皮 |
