3D便携超声系统可让乳腺超声用于长期居家监测

主要内容

传统二维HHUS探头的成像区域仅覆盖一个狭窄平面，依赖人工反复调整探头，常导至采样不均匀和扫描覆盖不全。三维PURE采用宽视野（FOV），减轻了操作人员的工作负担，并减少了覆盖整个乳房所需的扫描次数（图a）。3D PURE采用128元方形二维阵列，搭配声学优化匹配层与新型高衰减流动导电背衬层。这种可流动的导电背衬层以钨、氧化锆为填料，依托聚氨酯基底实现连续电磁屏蔽，可抑制阵元串扰与电磁干扰，强化声学阻尼、减少超声混响，提升超声成像中的信号清晰度（图c）。

系统还集成前置放大、发射电路与定制化Chirp采集模块，同时引入LACR模块校正乳腺浅层脂肪与深层实质的声速差异（图d），解决传统均质声速假设带来的信号失相、成像散焦与病灶定位偏差问题。

为进一步消除对操作者的依赖，作者还开发了基于视觉的交互界面MyFUS，使患者能够在重复监测过程中，可靠地将超声探头重新定位至相同的解剖位置。MyFUS可在任何配备摄像头的个人电脑上操作（图e）。

在体外假体实验中，作者对3D PURE的视野、深度以及对比度进行了评估。结果显示，系统实现了超过9 cm的成像深度和约57°的宽视场（FOV）。引入可流动的背衬层有效降低了电磁干扰（EMI），尤其是在近场区域（图b）。分辨率靶标的CNR从5.73 dB提高到8.32 dB（图c）。这些结果说明，3D PURE不只扩大了视野，还提高了信噪比、分辨率和穿透能力。

作者设计了一个模拟微钙化筛查的用户实验，10名参与者分别使用传统二维手持超声和3D PURE扫描乳腺仿体中的微小球形目标。结果显示，3D PURE的目标检出比例（79.7%）显著高于二维手持超声（60.7%），3D PURE的检测效率也相对更高。10名参与者中有9名使用3D PURE时检测效率提高。3D PURE还降低了用户负担。NASA-TLX总体工作负荷评分从二维手持超声的11.08降至7.42，心理需求、时间压力、挫败感和努力程度均显著下降。

作者还在体内进行了可行性验证。结果显示，3D PURE对多种乳腺表型进行了成像，包括点状钙化、良性囊肿、乳腺植入物边界及致密纤维组织和实性肿块纤维腺瘤（图d）。2D手持超声可以看到部分钙化，而3D PURE由于宽三维视野，不仅显示了2D超声看到的钙化，还显示了其他钙化区域。囊肿在3D PURE中表现为低回声形态，植入物边界和邻近囊肿可以同时显示，致密纤维组织和实性肿块也能被识别。

作者开发了一个基于普通摄像头和OpenCV的视觉引导界面MyFUS，帮助用户把探头重新定位到之前的位置，增加长期重复测量的可比性。在体内可行性测试中，作者让3名女性和3名男性分别进行乳腺和血管监测。首次扫描由超声医生帮助定位，后续由受试者自己使用MyFUS完成。结果显示，乳腺纵向监测中，前视投影平均重叠度为94.10%，侧视投影为87.42%（图i）。血管监测中，前视和侧视平均重叠度分别为90.5%和89.67%（图j）。

作者提出了一套面向乳腺便携成像和长期监测的实时三维超声系3D PURE。它通过corner-gap offset box阵列降低角落阵元串扰，通过流动背衬层同时实现声学阻尼和电磁屏蔽，使阵列串扰平均降低约4.5 dB，通过LACR三维声速校正波束形成补偿乳腺脂肪层带来的像差，减少定位误差，还通过MyFUS视觉引导界面帮助非专业用户重复定位探头，实现更一致的纵向监测。结果显示，3D PURE相比传统二维手持超声，目标检出比例从约60.7%提高到79.7%，检测效率显著提升，用户工作负荷显著下降。体内也可以显示钙化、囊肿、乳腺植入物、致密纤维组织和实性肿块等多种临床相关结构。MyFUS则在乳腺和血管监测中实现较高重复定位重叠度。

这项研究也有一定的局限性。体内验证样本量有限，主要展示可视化能力，而不是诊断准确性。3D PURE仍需要专业医生解释图像，不能直接变成消费者自诊断工具。真正居家应用还需要解决探头耦合、图像质量质控、数据上传、医生阅片工作流和监管问题。总之，3D PURE使乳腺超声有机会走向更便携、更适合纵向监测的三维影像平台。对致密乳腺补充筛查、良性病灶随访、治疗反应监测和资源有限地区乳腺影像服务来说，值得继续关注。