超声设备基础

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1、第三章第三章 超声设备基础超声设备基础 一 医学超声设备的分类 医学超声影像设备根据其原理、任务和设备体系等，可以划分为很多类型。 1.以获取信息的空间分类 (1)一维信息设备 如型、型、型。 (2)二维信息设备 如扇形扫查型、线性扫查型、凸阵扫查型等。 (3)三维信息设备 即立体超声设备。 2.按超声波形分类 (1)连续波超声设备 如连续波超声多谱勒血流仪。 (2)脉冲波超声设备 如型、型、型超声诊断仪。 3.按利用的物理特性分类 (1)回波式超声诊断仪 如型、型、型、型等。 (2)透射式超声诊断仪 如超声显微镜及超声全息成像系统。 4.按医学超声设备体系分类 (1)型超声诊断仪 将产生超声

2、脉冲的换能器置于人体表面某一点上，声束射入体内，由组织界面返回的信号幅值，显示于屏幕上，屏幕的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度，纵坐标则表示回波脉冲的幅度（amplitude），故称型。 (2)型超声诊断仪 将型方法获取的回波信息，用亮度调制方法，加于 CRT 阴极（或栅极）上，并在时间轴上加以展开，可获得界面运动（motion）的轨迹图，尤其适合于心脏等运动器官的检查。 (3)型超声诊断仪 又称型超声断面显像仪，它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横坐标和纵坐标则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅幅亮度（brightness）调制的超声断面影像。故称型。型超声诊断仪又可分为

3、如下几类：扇形扫描型超声诊断仪 包括高速机械扇形扫描、凸阵扇形扫描、相控阵扇形扫描等；线性扫描型超声诊断仪；复合式型超声诊断仪 它包括线性扫描与扇形扫描的复合以及型、型、型等工作方式的复合，极大地增强了型超声设备的功能。 (4)型超声多普勒诊断仪 利用多普勒效应，检测出人体内运动组织的信息，多普勒检测法又有连续波多普勒（）和脉冲多普勒（）之分。 (5)型和型超声成像仪 型探头移动及其同步扫描呈 “ ” 字形，显示的声像图与声束的方向垂直，即相当于线断层像，型是型的一种曲面形式，由多个切面像构成一个曲面像，近似三维图像。 (6)PPI 型扫查(P1an Position Indication)

4、又称 P 型显示，它可视为一种持殊的 B 型显示，超声换能器置于圆周的中心，用机械方法对被检体作圆形视野扫查。径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。扫查中接收到的回波用辉度调制方式显示，从而可得到一幅圆形平面位置显示图象。 (7)超声全息诊断仪 它沿引于光全息概念，应用两束超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息，并用激光进行重现出振幅和相位。 (8)超声 超声是-理论的移植和发展，用超声波束代替射线，并由透射数据进行如同-那样的影像重建，就成为超声，其优点：无放射线损伤；能得到与-及其它超声方法不同形式的诊断信息。 二 超声设备的基本原理结构 1A 型超声 A 型超声诊断仪

5、因其回声显示采用幅度调制(amplitude modulation)而得名。A 型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极射线管(CRT)荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度，故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小。根据回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，还可在一定程度上对病灶进行定性分析。 A 型超声诊断仪原理见图 3-1，适应于医学各科的检查，从人的脑部直至体内脏器。其中应用最多的是对肝、胆、脾、肾、子宫的检查。对眼科的一些疾病，尤其是对眼内异物,用 A 型超声诊断仪比 X 线透视检查更为方

6、便准确。在妇产科方面，对于妇女妊娠的检查以及子宫肿块的检查，也都比较准确和方便。 由于 A 型显示的回波图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要的解剖图形，且诊断的准确性与操作医师的识图经验关系很大，因此其应用价值已渐见低落，即使在国内，A 型超声诊断仪也很少生产和使用了。图 3-1 A 型超声原理 2M 型超声 M 型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为 M 型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫作超声心动图。 M 型超声诊断仪发射

7、和接收工作原理参见图 3-2（a），与 A 型有些相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的 A 型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。因此，M 型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。图 3-2（b）为一幅心脏博动时测定、所获得心脏内各反射界面的活动曲线图。可以看出，由于脏器的运动变化，活动曲线的间隔亦随之发生变化，如果脏器中某一界面

8、是静止的，活动曲线将变为水平直线。 图 3-2 M 型超声诊断仪原理与成像 M 型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但 M 型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。 3B 型超声 为了获得人体组织和脏器解剖影像，继 A 型超声诊断仪应用于临床之后，B 型、P 型、BP 型、C 型和 F 型超声成像仪又先后问世，由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示，通常将这类仪器称为超声断层扫描诊断仪。 虽然 B 型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(brightnes

9、s modulation)而得名，其影像所显示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示，所以，B 型超声成像仪与 A型、M 型超声诊断仪在结构原理上都有较大的不同。 B 型超声成像仪和 M 型一样采用辉度调制方式显示深度方向所有界面反射回波，但探头发射的超声声束在水平方向上却是以快速电子扫描的方法(相当于快速等间隔改变 A 超探头在人体上的位置)，逐次获得不同位置的深度方向所有界面的反射回波，当一帧扫描完成，便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层影像，称之为线形扫描断层影像。也可以通过改变探头的角度(机械的或者电子的方法)，从而使

10、超声波束指向方位快速变化，使每隔一定小角度，被探测方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮点的形式显示在对应的扫描线上，便可形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断影像，称之为扇形扫描断层影像。 如果以上提到的 2 种超声影像，其获取回波信息的波束扫描速度相当快，便可以满足对运动脏器的稳定取样，因而，连续不断地扫描，便可以实现实时动态显示，观察运动性脏器的动态情况。 图 3-3 B 型超声断层扫描与成像 线扫式断层 B 型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查，而扇扫断层 B 型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。现代 B 型超声波诊断仪通常同时具备以上 2 种探查功能

11、，通过配用不同的超声探头，方便地进行转换。图 3-3 显示 2 种超声断层影像。 4C 型超声 C 型扫查，又称 C 型显示，“特定深度扫查”(constant depth mode)。与 B 型扫查一样都是辉度调制的二维切面象显示方式，所不同的是 B 型扫查所获得的是超声波束扫查平面本身的切面象，即纵向切面象。而 C 型扫查所获得的是距离探头某一特定深度，与扫查声束轴向相垂直的切面象，即横向切面象。可见， C 型显象平面与 B 型显象平面是相互垂直的，改变 C 型扫查深度，便可获得若干不同深度的 C 型切面图象。 C 型扫查显象法与 X 线荧光屏成象法很相似，临床放射医学家对 C 型图象的解

12、析比 B 型扫查图象更为熟悉些，因此 C 型扫查是很早被利用的一种扫查技术。可惜由于 C 型扫查的灵敏度较低，显象速度不易提高，使 C 型扫查技术的发展受到限制。 早期 C 型扫查为机械式的单晶片扫查。探头在机械扫描器的驱动下，对被扫查部位进行“ z ”字型， X 、 Y 两维扫描。为提高显象速度，有将单晶片探头改用多晶元线阵探头，用电子方法实现高速的 Y 向扫查，用机械方法驱动线阵探头 X 向平移。获得等深度的 C 型扫查，如图 3-4(a) 所示。也有用机械方法驱动线阵探头作旋转或摆动获得等深度弧面 C 型扫查，如图 3-4(b) 。 图 3-4 C 型超声原理 5D 型超声 D 型超声成

13、像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。超声多普勒诊断仪主要分为 3 种类型：即连续式超声多普勒(continuous wave doppler)成像诊断仪、脉冲式超声多普勒(pulsed wave doppler)成像诊断仪及实时二维彩色超声多普勒血流成像(color doppler flow image)诊断仪。 连续式超声多普勒成像仪被最早应用。它是由探头中的一个换能器发射出某一频率的连续超声波信号，当声波遇到运动目标血流中的红细胞群，则反射回

14、来的信号已是变化了频率的超声波。探头内的另外一个换能器将其检测出来转成电信号后送入主机，经高频放大后与原来的发射频率电信号进行混频、解调，取出差频信号根据处理和显示方式的不同，可转换成声音、波形或血流图以供诊断。这种方式由于难以测定距离，不能确定器官组织的位置，给应用诊断造成诸多不便。 脉冲式超声多普勒成像仪是以断续方式发射超声波信号，因此称为脉冲式。它由门控制电路来控制发射信号的产生和选通回声信号的接收与放大，借助截取回声信号的时间段来选择测定距离，鉴别器官组织的位置。由于发射和接收的信号为脉冲式，就可以由探头内的一个换能器来完成发射和接收双重任务，这对于简化探头机械结构，避免收、发信号之间

15、的不良藕合，提高影像质量都是十分有益的。随着脉冲多普勒技术、方向性探测、频谱处理和计算机编码技术的采用及发展，超声多普勒诊断仪不仅能够对距离进行分辨，又能判定血流的方向和速度，以多种形式提供诊断信息给医生，使其测量水平由定性迈向定量。 实时二维彩色超声多普勒血流成像诊断仪是 80 年代后期心血管超声多普勒诊断领域中的最新科技成果。它将脉冲多普勒技术与二维（B 型）实时超声成像和 M 型超声心动图结合起来，在直观的二维断面实时影像上，同时显现血流方向和相对速度，提供心血管系统在时间和空间上的信息。进而通过计算机的数字化技术和影像处理技术，使其在影像诊断仪器的构架上兼具了生理监测的功能，提供诸如血

16、流速度、容积、流量、加速度、血管径、动脉指数等极具价值的信息，这就是俗称的 “ 彩超 ” 或 “ 彩色多普勒 ” 。 6 F 型超声 F 型扫查，又称 F 型显示。它与 C 型扫进原理上是相似的区别仅在于：在扫查一幅图象的过程中， C 型扫查平面距探头的深度是不变的，而 F 型扫查面距探头的深度是一变量，不是一个常量。根据成像需要可作相应变动，从而可获得斜面、曲面的 F 型图象，如图 3-5 所示。 图 3-5 F 型超声扫描原理 7P 型超声 又称 P 型显示，它可视为一种持殊的 B 型显示，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。P 型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。 图 3-6 P 型超声示意图三 医用超声探头