医学超声仪器

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1、第三章 医学超声仪器 物体的机械振动产生波，波的频率取决于物 体的振动频率。频率范围在2104 3108赫兹的 波称为超声波。 一个多世纪前，科学家们就发现石英等晶体 薄片具有“压电效应”。1928年，R.W.Wood等人 首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。本 世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波 诊断疾病的先例，将工业无损伤检测用的超声脉 冲回波技术，即类似于现代雷达或声纳的回波测 距技术，移用到医院诊断方面，也就是A型超声 仪器，开创了超声显像诊断的历史。四十年代末，超声医学作为一门学科已初 具雏形。五十年代，超声心动图仪，即M型仪 器取代了A型超声仪器，它可对心脏瓣

2、膜的运动 规律作连续的动态描记。在此基础上，又出现 了手动扫描二维断层成像仪，这为发明自动扫 描二维断层成像仪即B型超声仪器打下了基础。 其间，还有人提出将超声多普勒效应用于医学 临床诊断。六十至七十年代是B型超声仪器出现 并极大发展的时期，出现了机械直线扫描、机 械扇形扫描、电子直线扫描及电子扇形扫描等 仪器，并且超声CT的研究工作开始进行，A型 超声仪器也逐渐被淘汰。八十年代，随着微型计算机研究与应用的 飞速发展，超声智能化的步伐加快。利用微机 与超声诊断仪器相结合，可以简化临床操作， 实现信号处理、变换、计算和判断等过程的自 动进行。另外，将脉冲超声多普勒血流仪与B 超相结合，还产生了双

3、功能超声诊断仪。进入 九十年代，彩色B超诞生，它可以在显示动态 心脏黑白图像的同时，显示动态多普勒血流的 彩色图像在心脏内的分布，不论在图像的分辨 率和清晰度上，还是疾病诊查的可靠性上，都 达到了相当高的水平，是目前医院必备的医学 诊断仪器。 医学诊断上所使用的超声波频率一般 为0.5MHz15MHz，多是由压电晶体一类 的材料制成的超声探头产生的。利用压电 陶瓷或晶体的正压电效应和逆压电效应， 可以将其做成超声波发射和人体组织反射 波接收的器件，即超声换能器，它是超声 诊断仪器的重要部件，也称探头。压电效应及超声探头如果知道超声波的传播速度与传播 时间，便可算出超声波在人体内传播的 深度，其

4、表达式见公式：c=f其中，c是超声波的声速，是超声 波波长，f是超声波频率。医学上正是通过探查某些组织的深 度或大小来判断病灶的性质和状况。医学超声波诊断仪A型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪 B型超声波断层显像仪 超声多普勒血流仪、成像仪与彩超 超声三维成像系统（超声CT） 3.1 A型超声波诊断仪 A型超声诊断仪是1947年出现的幅度调制式的仪 器，我国于1958年开始生产。A超的同步电路产生几 百Hz到2KHz的正负电脉冲，使发射电路产生持续 1.55s的高频电脉冲。探头在高频电脉冲的激励下 ，产生超声振动，发射超声波。超声波在人体内传 播，遇到不同组织的界面时，产生反射波回波。 探头接收

5、反射波后，将其转换成电脉冲，进入接收 电路，再通过检波和放大等电路，送到示波器的垂 直偏转板上，而示波器的水平偏转板上加载的是时 基锯齿波，即扫描电压。因此，示波器的荧光屏上 的横坐标代表超声波的传播时间，一般以13.33s为 一大格；而纵坐标显示的是回波的幅度与形状。A超可以应用于医学各科的检查，尤 其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大 小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查 比较方便准确。但A超的回波图只能体现 局部组织信息，无法反映解剖形态，现已 被M超和B超取代。 A型超声仪器工作原理方框图 同步电路（主控振荡器）产生同步脉冲来 同时触发发射电路和扫描电路，使两者同时工 作。发射电路在同

6、步电路发出的触发脉冲作用 下，产生高频振荡波，一方面将此波送入放大 电路进行放大，加至示波器的垂直偏转板上显 示发射波；另一方面激励探头产生一次超声振 荡，并进入人体。人体组织反射回来的微弱的 回波信号经探头接收并转换成电脉冲后，由接 收电路放大、检波后，送至示波器的垂直偏转 板上并显示出来。另外，在同步脉冲作用下， 在示波器的水平偏转板上加时基锯齿波电压 扫描电压，使荧光屏上显现出回波的波形与变 化。 3.2 M型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉 度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还 在使用，目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其 用于观察心脏瓣膜的活动情况。M超与A超

7、有共 同之处，即都是利用探头向人体发射超声脉冲 并接收反射脉冲。不同的是M超的发射波和回 波信号加到了示波器的栅极或阴极。信号的强 弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱，反映到 荧光屏上就是光点的明暗，即辉度调制。 示波器的水平和垂直偏转板都被加入锯齿波电 压，垂直偏转板上的锯齿波与发射脉冲同步，水平 偏转板上的锯齿波频率要低于它。因此荧光屏上光 点在垂直方向的距离表示探测深度，在水平方向的 移动表示时间的进行，光点的亮度表示回波信号的 强弱。M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒 张时，其各层组织的界面与固定放置于人体表面的 探头之间的距离随时改变，导致光点随之移动，在 水平扫描电压下，光点水平

8、展开，描绘出各层组织 结构的活动曲线图，因此也叫超声心动图，它能显 示心脏各部分结构的活动情况、动态变化、心室排 血量以及可以得出室间隔、动脉等结构的定量数据 等，是临床心脏疾病诊断中比较准确实用的工具。M型超声心动图的产生原理 上图是M超的简要方框图。其原理与A超基本相 同，只是同步电路控制发射电路与深度扫描电路同时 工作，回波信号为辉度调制。为便于测量，原来采用 照相机将图像照相后再进行测量的方法逐渐淘汰，现 在一般采用由微机控制，利用CRT电视监视器显示图 像，并能够储存和自动测量的超声心动图仪。微机控制的超声心动图仪 与B超和多普勒血流仪三 者合一的多功能的超声诊 断仪，采用了数字扫描

9、变 换技术，即利用标准电视 光栅扫描格式显示信号。 使用此仪器一般先用B超 和多普勒仪定位，然后用 M超将图像“冻结”在一个 需要的位置上，用仪器中 的测量光标或微机自动测 量功能获得各种参数。扇形扫描多功能诊断仪的B型与 M型的同屏幕显示3.3 B型超声波断层显像仪 自从1967年首次出现至今，因其诊断功能强、 技术先进，B超已经成为临床中最常规和重要的诊 断仪器。B超与M超一样，都是辉度调制式仪器。 但二者也有不同。M超的探头是固定不变的，而B 超的探头是连续移动的或是发射的超声波束不断变 动发射方向。前者分为手动扫描和机械扫描，后者 为电子扫描。M超显示的是组织边界的超声心动图 像，如要

10、使显示器上图迹的位置和病人体内某个二 维平面中产生回波的结构位置一一对应，就能产生 体内软组织的断层图像。而B超显示的正是探头移 动线和声束方向构成的平面上人体组织的二维断层 图像，即超声影像图 。超声影像图 按扫描方式分类 ，B超已经发展了四代 ，包括手动直线扫描 、机械扫描、电子直 线扫描和电子扇形扫 描。1. 1.手动直线扫描手动直线扫描 由医务人员掌握探头的移动方向，探头的由医务人员掌握探头的移动方向，探头的 直线移动导致显示器在直线移动导致显示器在X X方向上出现与之对应方向上出现与之对应 的光点，的光点，Y Y 轴仍为深度轴，回波幅度由图像辉轴仍为深度轴，回波幅度由图像辉 度表示。

11、图像就是探头移动所经过直线方向上度表示。图像就是探头移动所经过直线方向上 的二维切面图，但只能用于观察静止的脏器（的二维切面图，但只能用于观察静止的脏器（ 如肝脏等），此种仪器现已淘汰。如肝脏等），此种仪器现已淘汰。2.机械扫描机械扫描是由电机带动探头作直线移动、往复摆动 或旋转，从而产生机械直线扫描、机械扇形扫描和机械 圆形扫描三种扫描图像。其中，直线扫描多用于腹部疾 病诊断；扇形扫描适用于心脏和腹部；圆形扫描时，将 探头置于人体体腔（如食道、胃肠、阴道及泌尿道等） 或血管内，从而获得某个腔道的圆周扫描断层图像。腔内超声可以避开胸腹壁、肺组织和 肠道内气体等结构对成像的干扰，近距离 观察器官

12、和组织。最新的血管内超声技术 是将小型超声换能器安装于心导管顶端， 在血管内发射并接收高频超声信号，进行 血管成像，对冠状动脉病变进行研究。近 期推出的心腔内超声的探头管体纤细柔软 ，可经周围静脉插入右心系统，并且发射 频率高，图像清晰，时相和方位分辨力很 好，对观察心内结构和活动情况及辅助穿 刺定位等有较高价值。3. 电子直线扫描与机械扫描不同，电子扫描仪的探头是由许 多小换能器（小探头）排列而成，每个小探头 称为阵元，各阵元的距离相等。用电子开关按 一定时序激励各阵元组发射与接收超声脉冲， 回波信号经处理后，到达CRT显示器进行辉度 调制，扫描过程中探头静止不动，而超声波束 的发射与接收是

13、沿一定方向匀速移动的，移动 线和声束方向构成的断面就是所得图像。在探头长度一定的情况下，图像的质量主 要决定于阵元的数量。阵元的数量越多，垂直 扫描线就越多，图像就越清晰，有的探头可包 括256个小探头。电子直线扫描电子直线扫描 电子直线扫描原理框图电子直线扫描原理框图 4. 电子扇形扫描（电子相控阵扇形扫描） 如果对探头各阵元加 上依次延迟一定时间的激 励脉冲，则各阵元所产生 的脉冲也相应延迟，这样 ，总的叠加波束方向出现 相位改变而产生扇形图像 。此种探头体积小，无噪 声和振动，寿命比较长， 但价格相对较高 。为了提高检测功能和图像质量，B超中应 用了许多先进的技术。应用数字图像技术，可

14、以随时冻结超声断层图像并进行观察、分析、 测量及拍照等，还可以将有意义的图像存储下 来；应用数字扫描技术，可以使用电视监视器 显示图像与文字；采用电子聚焦、声聚焦和动 态聚焦可变孔技术，能使图像分辨率提高，可 达到2mm。总之，通过B超的图像能较清晰地 观察到人体多种器官的动态变化，是心脏、腹 部器官、妇产科临床诊断的首选辅助工具。3.4 超声多普勒血流仪、 成像仪与彩超 超声如同声音一样，以确定的速度通 过介质，当遇到两种不同介质的分界面时 就能发生反射和折射。当反射边界固定不 变时，反射波的频率等于入射波的频率， 但当反射边界朝向声源移动时，反射超声 波的波长就被压缩，反之被拉伸。而超声

15、波在传输介质中的速度是恒定的，因此根 据公式c=f，超声波波长的变化导致了频 率的移动，此现象被称为多普勒效应。频率偏移的大小见公式 ：其中其中C C为声速，为声速，f f为超声波传播速度，为超声波传播速度，V V为物体的运为物体的运 动速度，为声速与物体运动方向的夹角。从式中可动速度，为声速与物体运动方向的夹角。从式中可 以看到，以看到，多普勒频偏与物体运动的速度成正比多普勒频偏与物体运动的速度成正比，如如 果用电子学的方法检测出多普勒频偏，就能够得出果用电子学的方法检测出多普勒频偏，就能够得出 运动器官或血流的运动速度，而超声多普勒频偏的运动器官或血流的运动速度，而超声多普勒频偏的 正负可

16、以反映出运动的方向。正负可以反映出运动的方向。所以利用由运动结构所以利用由运动结构 反射回来的超声波束的多普勒频移来提供人体器官反射回来的超声波束的多普勒频移来提供人体器官 或物体（如心脏壁和血液）的运动速度信息的超声或物体（如心脏壁和血液）的运动速度信息的超声 多普勒方法已被广泛应用于人体运动结构的临床诊多普勒方法已被广泛应用于人体运动结构的临床诊 断中，并且具有相当高的诊断价值。断中，并且具有相当高的诊断价值。脉冲超声多普勒血流仪框图目前应用的超声 多普勒胎心率监护仪 和超声多普勒血流仪 正是根据上述原理设 计的。其中超声波发 射又可分为连续波和 脉冲波两种。用连续 多普勒仪器构成的血 管二维扫描基本上是 一个平面图，它代表 血管在皮肤上的投影 。 连续波多普勒仪器成像原理框图连续波多普勒仪器成像原理框图脉冲超声多普勒血流仪的采样距离、 采样体积都可以调节，所以可以得到某一 深度某一范围内的血流信息，既能显示被 测血流的深度，又能产生血管腔的横断面 像和纵断面像。显示方式有波形显示和动 态声谱图显示。波形显示有正向血流、反 向血流和正反向