超声诊断仪

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1、第5节B型超声成像诊断仪B型超声显示影像真实、直观，而且可以实现实时动态成像显示，具有很高的诊断价值，受到医学界 的高度重视和普遍接受，因此，虽然B型超声波成像诊断仪临床应用历史不长，发展却非常迅速，目前在各 级医院应用极为广泛。本节对几种应用较广又具代表性的B型超声成像诊断仪的工作原理作一扼要介绍。一、机械扇形扫描B超仪超声波束以扇形方式扫查，可以不受透声窗口窄小的限制而保持较大的探查范围。比如对心脏的探 查，由于胸骨和肋骨的阻碍，就只宜用扇形扫描B型超声波诊断仪进行。由于心脏运动速度快，为了实现 实时动态显示，要求用于心脏探查的扇形扫描B型诊断仪具有较高的成像速度，一般在每秒30帧以上，同

2、 时应具有足够的探查深度和适量的线密度。产生高速机械扇形扫描通常采用的方法有2种，其一是单振元曲柄连杆摆动法，其二是风车式多振 元（3个或4个晶体换能器）旋转法。1摆动式扇扫B超仪摆动式扇扫B超仪探头利用直流电机或步进电机驱动，通过凸轮、曲柄、连杆机构将电机的旋转运 动转换为往返摆动，从而带动单个晶体换能器在一定角度（3090。之间）范围内产生扇形超声扫描，由 于用于收发超声的晶体换能器在工作过程中是往返摆动的，因此它不能像A超探头那样直接与人体接触， 而需通过某种声媒质来传递超声，通常这种声媒质为蓖麻油。这样既可以使换能器自由运动，又保证了探 头发射超声能量能有效地传送。一种典型的高速机械扇

3、形扫描B型超声诊断仪电原理方框图如图7-14所示。 同步发生器控制整机的同步工作，同步信号频率通常为34kHz（即探头发射脉冲的重复频率），当帧频一定 时，同步信号频率的高低决定了扫描的帧线数。例如，当同步信号频率取3kHz，帧扫描频率取每秒30帧， 则每帧图7-14机械扇扫B超仪原理框图扫描线为100根。适当加大同步信号的频率，在帧扫描频率不变的情况下，每帧的扫描线数可以做 得更高，从而使扫描线密度加大，影像的清晰度提高。理论上，信号的采集可以在探头中换能器往返摆动的过程中重复进行。对30Hz帧频而言，摆动速度 只需每秒15次即可。但由于机械传动系统不可避免地存在间隙,往返摆动所获得的两幅影

4、像对应像素会出 现位置上的偏差，因而使重建影像的稳定性变差。因此，接收机往往仅在换能器摆动的正程采集信号，而对逆程的回波信号予以舍弃，这就需将摆动速度提高1倍，使之达每秒30次。虽然实现这种速度在技术上外盍2矿物油转子并不困难，但由于摆速高，加速度大，致使噪声和振动加剧。現号换能器图7-15旋转式扇扫探头示意图2旋转式扇扫B超仪摆动式探头噪声大而且机械结构相对复杂，其寿命和扫描均匀性都不尽如人意，因此便出现了针对 性的改进型设计��旋转式。旋转式基本可以克服摆动式的缺点，它的探头是采用4个（或3个）性 能相同的换能器，等角度安放在一个圆形转轮上，马达带动转轮旋转，每个换能器靠近收/

5、发窗口时开始发 射和接收超声波，各换能器交替工作，如图7-15所示。因此，对于4晶片探头，转轮每旋转1周，声束对人 体作4次扇形扫查，在荧光屏上获得4帧影像。而对于3晶片探头，转轮每旋转1周，在荧光屏上可获得 3帧影像。当要求帧扫描为每秒30次时，驱动马达的旋转速度仅需每秒7.5周或10周。旋转式探头驱动马达只需单方向旋转，转速均匀，没有加速度，加之转速低，因此，扫描均匀，噪 声和振动都很小，其寿命远较摆动式长。但旋转式探头对所用晶片的一致性要求很高。采用旋转式探头的 扇扫B型超声诊断仪的电路原理与摆动式基本相同。二、高速电子线形扫描B超仪将多个声学上相互独立的压电晶体成一线排列称作线阵，用电

6、子开关切换接入发射/接收电路的晶 体，使之分时组合轮流工作，如果这种组合是从探头的一侧向另一侧顺序进行的，每次仅有接入电路的那 一组被激励，产生合成超声波束发射并接收，即可实现电子控制下的超声波束线性扫描。电子线扫B型超声波诊断仪的原理如图7-16所示。34!1信号接收 放大单兀CRTnhj.单兀r 1 =r(nm+1 )发射脉冲 驱动单元打摘信号发生 推动单元电子开关选通单元?卄?7图7-16电子线扫B超仪原理框图由n个振子（或称振元）组成线阵换能器，各振子中心间距为d。每次发射和接收，由相邻m个振子构 成一个组合,并借助电子开关顺序改变这种组合。比如，第1次由组合m1（假定由振子14组合）

7、进行发射 和接收，此时发射声束中心位于振子2、3中间，并与探头垂直;第2次发射由组合m2（由振子2-5组成）进 行,此时发射声束中心位于振子3、4之间。两次发收波束空间位移为d，按顺序经过（n-m+1）次发射和接收， 即可完成声束横向扫描范围为（n-m+1）d的一帧完整影像的探查。重建影像在垂直方向上采用平行光栅，这只要使形成光栅的x和y轴向上的锯齿波脉冲与控制信号 严格同步即可。控制信号同时决定发射脉冲的重复频率和扫描光栅的行频，当发射脉冲重复频率为4kHz时, 如果光栅扫描满幅线数取128线，则影像帧频约为每秒31帧。光栅扫描满幅线数的多少影响影像的质量， 满幅线数愈多、即线密度愈高，则影

8、像也愈清晰。但光栅满幅线数的多少并不是可以随意设定的，它受探头 结构尺寸大小以及波束扫描方式的限制。当扫描方式确定后，在探头宽度一定的情况下，线数的多少只能 依靠发射脉冲重复频率的改变来控制。当脉冲重复频率和扫描方式确定后，探头越宽，视野则越增大，但线 密度必然降低。在探头已选定的情况下，探头中各晶体投入工作的次序和方式，即波束扫描制式将直接影响到扫描 的线数，比如，将顺序扫描方式改为d/2间隔扫描方式，将可以使波束扫描的线密度提高1倍。三、电子相控阵扇形扫描B超仪应用相控技术，对施加于线阵探头的所有晶体振元的激励脉冲进行相控制，亦可以实现合成波束的 扇形扫描，用此技术实现波束扫描的B型超声波

9、诊断仪称为电子相控阵扇型扫描B超仪。1相控阵扫描原理前已述及，对成线阵排列的多个声学上相互独立的压电晶体振元同时给予电激励，可以产生合成波 束发射，且合成波束的方向与振元排列平面的法线方向一致,这种激励方式称为同相激励，其合成波束指向 性如图7-17所示。图7-17同相激励指相性图如果对线阵排列的各振元不同时给予电激励，而是使施加到各振元的激励脉冲有一个等值的 时间差T，如图7-18 (a)所示，则合成波束的波前平面与振元排列平面之间，将有一相位差6。因此， 合成波束的方向与振元排列平面的法线方向就有一相位差e。如果均匀地减少T值，相位差e也将随着减 少。当合成波束方向移至e =o后，使首末端

10、的激励脉冲时差逆转并逐渐增大，则合成波束的方向将向一e 增大的方向变化，如图7-18 (b)所示。从图7-18 (a)、(b)可以看出，如果对超声振元的激励给予适 当的时间控制，就可以在一定角度范围内实现超声波束的扇形扫描。这种通过控制激励时间而实现波束方图7-18项控阵探头发射波束扫描原理各相邻振元激励脉冲的等差时间t与波束偏向角e之间的关系由下式给出：0 =sin-1 (t c / d) 式中，c=1540m/s，为超声波在人体软组织中传播的平均速度；d为相邻振元的中心间距。2. 仪器组成与工作原理电子相控阵扇扫B型超声诊断仪的扫描单元原理如图7-19所示，整机在主控脉冲同步下工作。偏向角

11、参数发生器用于在半个帧频周期内，等时差地产生64个不同周期的序列脉冲(设定每帧扫描 线数为128,而单侧只有64条扫描线，所以只要64个不同的等差延迟，当设定每帧扫描线数为64时为32 个)，图7-19相控阵B超扫描单元框图这64个不同周期的序列脉冲分别代表64个偏向角的序列信号。它们分时顺序加入相位控制器。相 位控制器用来把偏向角参数转换成相控阵的触发信号。每当偏向角参数发生器送入1个代表某一偏向角度 的脉冲，相位控制器就产生1次发射所需的若干个等值时差为t 1的触发信号，触发信号的个数由探头振 元数确定，可以是32个或者是48个。这在技术上可以采用一个32位或者48位输出的移位计数器，并通

12、 过选定移位寄存器的工作速度来保证在下一个偏向角时序脉冲到达之前，移位寄存器工作完毕。得到的32 路（假设探头振元数为32）触发信号，分别送往32路发射聚焦延迟电路，各路延迟量由设定焦距而定。经 聚焦延迟的32路触发信号再分送于32路脉冲激励器，所产生的32个激励脉冲分别加于探头中的32个压 电振元，激励各振元产生超声波发射。在发射的间歇期间，来自32个振元的回波信号，通过接收延时电路合成为一路送往接收放大电路， 经放大处理后送显像管的阴极进行调辉显示。需要指出的是，接收延时电路包含了接收聚焦延时和接收方 向延时2个延时量，这是因为发射时32路激励脉冲接受了发射方向延时和发射聚焦延时2个延时量

13、，因此， 接收到的32路信号必须给予相应的时间补偿，才能保证它们在接收放大电路输入端同相合成。至此，图7-19所示电路完成了 1次发射接收工作，在荧光屏上获得一条扫描线方向上的超声信息， 当偏向角发生器产生的下1个时序脉冲发出时，相位控制器又产生32个等值时差为t 2（t IMt 2）的触发 信号，并分别经过聚焦延时后去触发32路激励脉冲发生器，使探头再次发射与接收。由于t 2#t 1,因此 第2次发射波束的方向与第1次将有1个6角位移，如此重复128次，便完成了一帧影像的扫描。3. 相控阵扇扫与机械扇扫2种方式的比较机械扇扫B型超声波诊断仪采用机械式扇扫探头，探头中换能器为圆形单振子，具有较

14、好的柱状声 束，因此，容易获得较高的灵敏度与影像分辨力，且波束控制电路相对简单，仪器成本低。缺点是机械式 探头制作要求严格、工作噪声强、重量较大，其性能和可靠性取决于加工精度和材料品质，并由于漏水和 机械磨损等原因，探头寿命短。此外，由于机械式探头的振元必须运动（摆动或转动），因此，振元不能直 接与被检者贴近，而必须离开一定距离，这就使扇扫波束的顶点不处在探头的前端面。故与电子式扇扫探 头相比，当扇扫角度相同时，机械式探头受肋骨的影响略大,不如电子式探头更适用于小的透声窗口。 相控阵扇扫B超仪采用电子式扇扫探头，其突出的优点是没有机械噪音，探头寿命长，重量轻。但其缺点 也是突出的，首先是波束副

15、瓣大，因而干扰严重，分瓣力也受影响另外探头中晶阵切割应非常精细，整机 线路复杂，仪器成本也高。但近年来研制生产的相控阵扇扫B超仪无论在成像质量还是仪器成本上都得到 了较大程度上的改善，目前，相控阵扇扫方式已明显占据主导地位。四、B超仪的常用性能指标B超仪作为超声诊断仪中的主流和最普及的设备，非常有必要了解一下与其相关的性能指标。这里主 要包含两方面：技术参数和使用参数。下面择其重点参数给予介绍。1.技术参数（1）分辨力 分辨力（单位：毫米）是指超声诊断仪对被检组织相邻回声图的分辨能力，分纵向（深 度方向）和横向（水平方向）分辨力。 纵向分辨力表示在声束轴线Z方向上，对相邻回声影像的分辨能力。可

16、以用两回声点之间的最小 可辨距离来表示，其值越小，则纵向分辨力越高。纵向分辨力受多种因素的影响。首先，纵向分辨力与发 射超声频率有关。声波的纵向分辨力极限为声波的半波长，比如2.5MHz （入=0.6mm）声波的纵向极限分 辨力为0.3mm。但这只是最高纵向分辨力的理论数值，纵向分辨力又与超声发射脉冲的宽度有关，其脉冲 宽度越短，纵向分辨力越高。就系统而言，纵向分辨力还在很大程度上受机器接收增益的影响，并在一定 程度上受被测介质特性（指被测体的色散吸收和运动情况）的影响，通常各种因素均能使影像在荧光屏上显 示的分辨力下降而低于纵向分辨力的理论数值（入/2）。 横向分辨力表示在水平扫描X方向上，对相邻回声影像的分辨能力。影响横向分辨力的因素主要 是声束的