医学超声影像设备

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1、第七章第七章 现代生物医学影像设备现代生物医学影像设备 生物医学电子及设备学生物医学电子及设备学本章内容本章内容7.1 7.1 7.1 7.1 医学影像设备概述医学影像设备概述医学影像设备概述医学影像设备概述7.2 7.2 7.2 7.2 超声影像设备超声影像设备超声影像设备超声影像设备7.3 XCT7.3 XCT7.3 XCT7.3 XCT断层扫描系统断层扫描系统断层扫描系统断层扫描系统7.4 7.4 7.4 7.4 核医学影像设备核医学影像设备核医学影像设备核医学影像设备7.1 7.1 医学影像设备概述医学影像设备概述1 1、医学影像设备发展史、医学影像设备发展史2 2、医学影像主要设备及

2、临床应用、医学影像主要设备及临床应用医学影像设备发展简史医学影像设备发展简史 1895年11月8日，德国物理学家伦琴（Withelm Conrad Roentgen，18451923）在做真空管高压放电实验时，发现了一种肉眼看不见、但具有很强的穿透本领、能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线，简称为X线。 世界上第一张X光照片伦 琴医学影像设备发展简史医学影像设备发展简史 1896年，德国西门子公司研制出世界上第一只X线管。20世纪1020年代，出现了常规X线机。其后，由于X线管、高压变压器和相关的仪器、设备以及人工对比剂的不断开发利用，尤其是体层装置、影像增强器、连续摄影、快速

3、换片机、高压注射器、电视、电影和录像记录系统的应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的学科体系，称为影像设备学。 1972年，英国工程师汉斯菲尔德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一台用于颅脑的X线计算机体层摄影（x-ray computed tomography，X-CT）设备，简称为X-CT设备，或CT设备。 CT设备是横断面体层，无前后影像重叠，不受层面上下组织的干扰；同时由于密度分辨力显著提高，能分辨出0.1%0.5% X 线衰减系数的差异，比传统的X线检查高1020倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的

4、几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0.75s（512512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛的普及，功能有了进一步的扩展。大孔径CT设备可兼顾日常应用与肿瘤病人定位，组合型CT设备可在完成CT检查后直接进行正电子发射型计算机体层（positive emission computed tomography，PET）检查，使CT的形态学信息与PET的功能性信息通过工作站准确融合，可以更准确地完成定性与定量的诊断。 平板探测器CT设备目前尚在开发阶段，一旦技术成熟，从机器设计、信息模式、成像速度、射线剂量到运行成本都会有根本性的改变，将会引起CT设备

5、的又一次革命。 20世纪80年代初用于临床的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一种新的非电离辐射式医学成像设备。MRI设备的密度分辨力高，通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像，这是它优于CT设备的特点之一。迄今，MRI设备已广泛用于全身各系统，其中以中枢神经、心血管系统、肢体关节和盆腔等效果最好。 中场超导（0.7T）开放型MRI设备进一步普及，它便于开展介入操作和检查中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检查的限制。双梯度场技术可在较小的范围内达到更高的梯度场强，有

6、利于完成各种高级成像技术，如功能成像、弥散成像等。降噪措施和成像专用线圈也都有了较大的进步，如功能成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊断效果已接近和达到CT设备水平，脑影像的分辨力在常规扫描时间下提高了数千倍，而显微成像的分辨力达到5010m，现已成为医学影像诊断设备中最重要的组成部分。 生物体磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）具有研究机体物质代谢的功能和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合的临床应用，将会引起医学诊断学上一个新的突破。 数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、计算机X

7、线摄影（computed radiography，CR）和数字摄影（digital radiography，DR）是20世纪80年代、90年代开发的数字X线机。前者具有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，目前，正向快速旋转三维成像实时减影方向发展，从而扩大了血管造影的应用范围。后者具有减少曝光量和宽容度大等优点，更重要的是可作为数字化图像纳入图像存储与传输系统（picture archiving and communication systems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途的影像探测器之一。 20世纪50年代和60年代，超声成像（ultraso

8、nography，USG）设备和核医学设备相继出现，当时在医学上的应用往往各成系统。1972年X-CT设备的开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。70年代末80年代初，超声CT（ultrasonic CT，UCT）、放射性核素CT和数字X线机逐步兴起，并应用于临床。尽管这些设备的成像参数、诊断原理和检查方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进行诊断。 介入放射学自20世纪60年代兴起，于70年代中期逐步应用于临床，近年来尤以介入治疗进展迅速。因其具有安全、简便、经济等特点，深受医生和病人的普遍重视与欢迎，现仍处于不断发展和完善的过程之中。90

9、年代倍受人们青睐的立体定向放射外科学设备，由于它可以不作开颅手术而治疗一些脑疾患，很受欢迎，全世界都在积极开发和应用这种高新设备。介入放射学设备与立体定向放射外科学设备，都是通过医学影像设备来引导或定位的，所以也属于医学影像设备的范畴。 综上所述，多种类型的医学影像诊断设备与医学影像治疗设备相结合，共同构成了现代医学影像设备体系。第二节 医学影像设备的分类 现代医学影像设备可分为两大类，即医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。一、诊断用设备一、诊断用设备按照影像信息的载体来区分，现代医学影像诊断设备主要有以下几种类型：X线设备（含X-CT设备）；MRI设备；超声设备；核医学设备；热成像设备；光学

10、成像设备（医用内镜）。（一）（一）X线设备线设备 X线设备通过测量穿透人体的X线来实现人体成像。X线成像反映的是人体组织的密度变化，显示的是脏器的形态，而对脏器功能和动态方面的检测较差。此类设备主要有常规X线机、数字X线机和X-CT设备等。 以X线作为医学影像信息的载体，出于两方面的考虑，即分辨力和衰减系数。从分辨力来看，为了获得有价值的影像，辐射波长应小于510-11m。另一方面，当辐射波通过人体时，应呈现衰减特性。若衰减过大，则透射人体的辐射波微弱，当测量透射人体的辐射波时，由于噪声的存在，很可能导致测量结果无意义。反之，若辐射波透射人体时几乎无衰减，则因无法精确的测量衰减部分而失效。 在

11、X线设备中，屏-片组合分辨力较高，可达到510LP/mm，且使用方便、价格较低，是目前各级医院中使用最普遍的设备之一。但它得到的是人体不同深度组织信息叠加在一起的二维图像，所以病变的深度很难确定，且对软组织分辨不佳。数字X线机使用曝光量宽容度大，可获得数字化影像，便于进行图像的后处理，且扩大了诊断范围，利于胃肠和心脏等部位的检查。X-CT影像的空间分辨力可小于0.5mm，能分辨组织的密度差别可达到0.5。X-CT影像的清晰度很高，可确定受检脏器的位置、大小和形态变化。 （二）（二）MRI设备设备 MRI设备通过测量构成人体组织中某些元素的原子核的磁共振信号，实现人体成像。20世纪40年代发现了

12、物质的磁共振现象，20世纪80年代MRI设备应用于临床。MRI影像的空间分辨力一般为0.51.7mm，不如X-CT；但它对组织的分辨远远好于X-CT，在MRI影像上可显示软组织、肌肉、肌腱、脂肪、韧带、神经、血管等。此外，它还有一些特殊的优点：MRI剖面的定位完全是通过调节磁场，用电子方式确定的，因此能完全自由地按照要求选择层面；MRI对软组织的对比度比X-CT优越，能非常清楚地显示脑灰质与白质；MR信号含有较丰富的有关受检体生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度测量值；MRI能在活体组织中探测体内的化学性质，提供关于内部器官或细胞新陈代谢方面的信息；MRI无电离辐射。目前，尚未见到MR

13、对人体危害的报道。 MRI的缺点：与X-CT相比，成像时间较长；植入金属的病人，特别是植入心脏起搏器的病人，不能进行MRI检查；设备购置与运行的费用较高。总之，MRI设备可作任意方向的体层检查，能反映人体分子水平的生理、生化等方面的功能特性，对某些疾病（如肿瘤）可作早期或超早期诊断，是一种很有发展前途和潜力的高技术设备。 （三）诊断用超声设备（三）诊断用超声设备 诊断用超声设备分为利用超声（ultrasound，US）回波的USG设备和利用US透射的超声CT（ultrasonography CT，UCT）两大类。USG设备，根据其显示方式不同，可以分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、C型（

14、亮度显示）、M型（运动显示）、P型（平面目标显示）等。目前，医院中用的最多的是B型USG设备，俗称B超，其横向分辨力可达到2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。利用US多普勒系统，可实现各种血流参量的测量，是近年来广泛应用的又一种US技术。临床上，USG设备在甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有其独到之处。目前UCT所需扫描时间较长，且分辨力低，有待于进一步改进与提高。但由于它是一种无损伤和非侵入式的诊断设备，因此将来可能成为主要的影像诊断设备。 X线成像与US成像是当前用得最为普遍的两种检查方法，但对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。就X线来说，尽管现在已经显

15、著地降低了诊断用剂量，但其危害性仍不容忽视。实践表明，它将导致癌症、白血症和白内障等疾病的发病率增加。而从现有资料来看，目前诊断用US剂量还未有使受检者发生不良反应的报道。 此外，X线在体内沿直线传播，不受组织差异的影响，是其有利的一面，但不利的一面是难以有选择地对所指定的平面成像。对US波来说，不同物质的折射率变化范围相当大，这将造成影像失真。但它在绝大部分组织中的传播速度是相近的，骨骼和含有空气的组织（如肺）除外。US波和X线这些不同的辐射特性，确定了各自最适宜的临床应用范围。例如，US脉冲回波法适用于腹内结构或心脏的显像，而利用X线对腹部检查只能显示极少的内部器官（若采用X线造影法，也可

16、有选择地对特定器官显像）；对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用US检查，用X线则可获得较为满意的结果。 （四）核医学设备（四）核医学设备 核医学设备通过测量人体某一器官（或组织）对标记有放射性核素药物的选择性吸收、储聚和排泄等代谢功能，实现人体功能成像。主要有相机、单光子发射型CT（single photon emission CT，SPECT）和正电子发射型CT（positive emission CT，PET）。 相机既是显像仪器，又是功能仪器。临床上可用它对脏器进行静态或动态照相检查。动态照相主要用于心血管疾病的检查。因为SPECT具有相机的全部功能，又具有体层功能，所以明显提高了诊断病变的

17、定位能力；加上各种新开发出来的放射性药物，从而在临床上得到日益广泛的应用。SPECT能做动态功能检查或早期疾病诊断。缺点是图像清晰度不如X-CT，检查时要使用放射性药物。PET可以用人体组织的某些组成元素（如15O、11C、13N等）来制造放射性药物，特别适合作人体生理和功能方面的研究，尤其是对脑神经功能的研究。在其附近需要有生产半衰期较短的放射性核素的加速器和放射化学实验室。 核医学成像只需极低浓度的放射性物质，这与X线成像时口服硫酸钡不同。一般情况下，核医学成像的横向分辨力很难达到1.0cm；且图像比较模糊，这是因为有限的光子数目所致。相比之下，X线成像具有高分辨力和低量子噪声。 （五）热

18、成像设备（五）热成像设备 热成像设备通过测量体表的红外信号和体内的微波信号实现人体成像。红外辐射能量与温度有关，因此又可以说，热成像就是利用温度信息成像。 研究人体的温度分布，对于了解人体生理状况、诊断疾病具有重要意义。影响体表温度的因素很多，最主要的是皮下毛细血管网的血流情况。血流受控于棘状血管舒缩中心，其四肢的交感神经系统主要控制着血管舒缩的节律。因此，利用热成像，首先可以评价血流分布是否正常；其次，可以评价交感神经系统的活动；还可以研究皮下组织所增加的代谢热或动脉血流通过热传导使体温升高的情况。此外，前后皮肤温度还受其他因素的影响，如伤痛感受器、化学受体、丘脑下部等。由于出汗而形成的局部

19、热蒸发损失，也需予以考虑。7.2 7.2 超声影像设备超声影像设备1 1、概述、概述2 2、超声影像设备分类、超声影像设备分类3 3、超声多普勒技术、超声多普勒技术概述概述 医用超声技术是集声学、波动理论、医学、电子医用超声技术是集声学、波动理论、医学、电子与计算机于一体的生物医学工程技术，包括超声诊断与计算机于一体的生物医学工程技术，包括超声诊断技术、超声治疗技术和生物医学超声工程。这里我们技术、超声治疗技术和生物医学超声工程。这里我们主要学习主要学习超声诊断超声诊断的医学影像设备。的医学影像设备。 超声诊断主要是利用超声诊断主要是利用超声波超声波在在不同生物介质不同生物介质中中传传播特性不

20、同播特性不同的特点。目前大量的医用超声诊断仪是利的特点。目前大量的医用超声诊断仪是利用用脉冲回声原理脉冲回声原理，利用超声换能器向生物组织内部发，利用超声换能器向生物组织内部发射超声脉冲，然后再用换能器检测出回声信号，经过射超声脉冲，然后再用换能器检测出回声信号，经过电子学处理就可得到有关组织界面的情况。电子学处理就可得到有关组织界面的情况。还经常利用超声多普勒技术和透射技术。还经常利用超声多普勒技术和透射技术。 超声诊断具有对人体超声诊断具有对人体无损害无损害、使用方便使用方便、适于鉴适于鉴别软组织别软组织等优点，因此受到医学的普遍重视，得到迅等优点，因此受到医学的普遍重视，得到迅速发展，尤

21、其是超声成像技术已经成为五大医学成像速发展，尤其是超声成像技术已经成为五大医学成像技术中最受医生和病人欢迎、技术中最受医生和病人欢迎、使用最普遍使用最普遍的成像技术。的成像技术。概述概述 脉冲回声式超声诊断仪，按照显示方式可分为脉冲回声式超声诊断仪，按照显示方式可分为A A型示波仪、型示波仪、MM型心动图仪和型心动图仪和B B型断层显像仪三类。型断层显像仪三类。B B型显像仪又可按扫描方式分为机械直线扫描、机型显像仪又可按扫描方式分为机械直线扫描、机械扇形扫描、机械圆周扫描、电子直线扫描和电子械扇形扫描、机械圆周扫描、电子直线扫描和电子（相控阵）扇形扫描等。（相控阵）扇形扫描等。 超声多普勒技

22、术是利用发射声源与运动物体产超声多普勒技术是利用发射声源与运动物体产生声频差来获取人体组织运动和结构信息的方法。生声频差来获取人体组织运动和结构信息的方法。 超声超声CTCT是利用透射人体组织后的声波幅度和是利用透射人体组织后的声波幅度和相位变化。相位变化。7.2.1 7.2.1 超声波概述超声波概述 医学常用的为超声纵波，是超声波以纵波方式医学常用的为超声纵波，是超声波以纵波方式在弹性介质中传播的机械振动，其频率范围为在弹性介质中传播的机械振动，其频率范围为20kHz20kHz1000MHz1000MHz，常用于人体测量的超声波，常用于人体测量的超声波频段频段通常在通常在1MHz1MHz20

23、MHz20MHz范围内。范围内。 超声波在超声波在不同组织介质中的传播特性不同组织介质中的传播特性是是不同不同的，的，测量并识别这种差异就能达到识别组织情况的目的。测量并识别这种差异就能达到识别组织情况的目的。 超声波传播速度超声波传播速度c c，波长，波长 ，频率，频率 ；超声波在；超声波在不同介质不同介质中的中的传播速度传播速度有很有很大不同大不同，一般情况下固，一般情况下固体中声速较高，液体中次之，空气中较低，例如在体中声速较高，液体中次之，空气中较低，例如在水和软组织中的传播速度约为水和软组织中的传播速度约为1500m/s,1500m/s,而在颅骨中而在颅骨中传播速度则高达传播速度则高

24、达4080m/s4080m/s。超声波概述超声波概述 超声波在人体组织内传播时，其强度将随传播距超声波在人体组织内传播时，其强度将随传播距离的增加而逐渐减小，主要是离的增加而逐渐减小，主要是人体组织对超声波吸收人体组织对超声波吸收和散射和散射的结果。不同组织的吸收系数差别很大，水的的结果。不同组织的吸收系数差别很大，水的吸收系数最小，因此超声波在水中传播很远的距离；吸收系数最小，因此超声波在水中传播很远的距离；空气和骨骼的吸收系数极大，使得超声波较难穿过空空气和骨骼的吸收系数极大，使得超声波较难穿过空气和骨骼。气和骨骼。此外吸收系数还与频率成正比此外吸收系数还与频率成正比，频率高则，频率高则衰

25、减快，所以探测深部时要选择低频探头。衰减快，所以探测深部时要选择低频探头。 超声波衰减有三个主要方面：超声波衰减有三个主要方面：扩散衰减扩散衰减（单位面（单位面积的声能随距离增大而减弱）、积的声能随距离增大而减弱）、散射衰减散射衰减（材料的不（材料的不均匀导致材料声特性阻抗不均引起散射）和均匀导致材料声特性阻抗不均引起散射）和吸收衰减吸收衰减（由于介质的粘滞性而造成质点之间的摩擦，使一部（由于介质的粘滞性而造成质点之间的摩擦，使一部分声能转化为热能）。分声能转化为热能）。 超声波概述超声波概述 图：超声波垂直入射情况 超声波在超声波在均匀介质均匀介质中传中传播时，将播时，将沿直线方向沿直线方向

26、前进。前进。如果在如果在非均匀介质非均匀介质内传播或内传播或从从一种组织传播至另一种组一种组织传播至另一种组织织，如果组织，如果组织声阻抗不同声阻抗不同，在阻抗改变的分界面上，入在阻抗改变的分界面上，入射的超声能量将有射的超声能量将有一部分发一部分发射射，一部分透射一部分透射，反射和透，反射和透射的强弱取决于声阻抗差的射的强弱取决于声阻抗差的大小。另外，超声波在生物大小。另外，超声波在生物介质中传播时还会发生介质中传播时还会发生散射散射现象。现象。 4040年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形，年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形， A A型超声型超声。5050年代，年代，MM型仪器型仪器

27、取代了取代了A A型超声型超声仪器，超声心动图仪。仪器，超声心动图仪。在此基础上，又出现了二维断层成像仪即在此基础上，又出现了二维断层成像仪即B B型超声仪器。型超声仪器。60706070年代是年代是B B型超声仪型超声仪极大发展的时期，出现了机械直线扫极大发展的时期，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。描、机械扇形扫描、电子直线扫描及电子扇形扫描等仪器。8080年代，超声诊断仪与微机结合，智能化，简化了临床操作，年代，超声诊断仪与微机结合，智能化，简化了临床操作，实现信号处理、变换、计算和判断等过程的自动化。实现信号处理、变换、计算和判断等过程的自动化。进入进

28、入9090年代，年代，彩色彩色B B超超诞生，它可以在显示动态心脏黑白图像诞生，它可以在显示动态心脏黑白图像的同时，显示动态血流的彩色图像分布，在图像的分辨率和的同时，显示动态血流的彩色图像分布，在图像的分辨率和清晰度上，及可靠性上，都达到了相当高的水平。清晰度上，及可靠性上，都达到了相当高的水平。超声影像技术的发展超声影像技术的发展 7.2.2 A 7.2.2 A型超声诊断法型超声诊断法一维图像显示一维图像显示：对回波实施：对回波实施幅度幅度调制。显示器中脉冲的幅度调制。显示器中脉冲的幅度（纵坐标）代表反射回波的强度，脉冲的位置或脉冲之间的距（纵坐标）代表反射回波的强度，脉冲的位置或脉冲之间

29、的距离（横坐标）正比于反射界面的位置或界面之间的距离。离（横坐标）正比于反射界面的位置或界面之间的距离。 由同步脉冲发生器发出重复频率从几十赫兹到几千赫兹的同步脉冲，使仪器的发射时基扫描和S.T.C电路同步工作发射脉冲为一高频衰减振荡，激励探头向人体内发出脉冲超声波，回声信号由同一探头转变为电信号送至接收放大电路，经检波和放大后送至示波管的垂直偏转板深度补偿电路，考虑 超声波在人体中的衰减，接近探头的回波信号强，放大器的增益小一些，远离探头的放大器的增益大些，补偿超声信号在体内的衰减1MHz20MHz电信号经过检波放大后送至示波管的垂直偏转板，显示波形幅度大小 A A超可以应用于医学各科的检查

30、，尤其对超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼科和眼科和妇科妇科疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄等检查比疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄等检查比较方便准确。但较方便准确。但A A超的回波图只能体现局部组织信息，超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被无法反映解剖形态，现已被M M超和超和B B超取代。超取代。 7.2.3 M7.2.3 M型超声心动图仪型超声心动图仪 M M型超声波诊断仪是继型超声波诊断仪是继A A超之后发展出的超之后发展出的辉度辉度调调制式仪器。制式仪器。 M M超与超与A A超有超有共同之处共同之处，都是利用探头向人体发，都是利用探头向人体发射超声脉冲并接

31、收反射脉冲，射超声脉冲并接收反射脉冲，探头位置固定探头位置固定。 在一维超声扫描和显示中，在一维超声扫描和显示中，MM型和型和A A型仪器的区别在于显型仪器的区别在于显示方式的不同：示方式的不同：A A型是幅度显示，即回波信号加到示波管垂型是幅度显示，即回波信号加到示波管垂直偏转板上，显示的是波形幅值的大小，其幅度的高低表直偏转板上，显示的是波形幅值的大小，其幅度的高低表示信号的强弱，而示信号的强弱，而MM超采用亮度显示，回波信号加到示波管超采用亮度显示，回波信号加到示波管的栅极或阴极上，及控制电子束的强弱，信号强时屏上显的栅极或阴极上，及控制电子束的强弱，信号强时屏上显示光点亮，信号弱时光点

32、就弱。示光点亮，信号弱时光点就弱。 Y Y轴表示脏器的深度。水轴表示脏器的深度。水平偏转板加一慢时间扫描电压，这样在做人体探查时，就平偏转板加一慢时间扫描电压，这样在做人体探查时，就构成构成 一幅各反射面的活动曲线。一幅各反射面的活动曲线。 在在A超设备中，水平方向信号的距离代表着探测深度，而超设备中，水平方向信号的距离代表着探测深度，而M超中反映探测深度的扫描信号是加在垂直偏转板上，光点在超中反映探测深度的扫描信号是加在垂直偏转板上，光点在垂直方向上的距离代表探测深度。即垂直方向代表人体软组织垂直方向上的距离代表探测深度。即垂直方向代表人体软组织脏器自浅至深的空间位置。另外，脏器自浅至深的空

33、间位置。另外，M超中在水平偏转板上施加超中在水平偏转板上施加慢扫描电压，使上下摆动的光点随时间横向展开，即水平方向慢扫描电压，使上下摆动的光点随时间横向展开，即水平方向代表时间，由此得出一条位移代表时间，由此得出一条位移-时间曲线。时间曲线。 M超与超与A超相比，多出的最主要部分是慢扫描电路，这是与超相比，多出的最主要部分是慢扫描电路，这是与A超不同之处。当回声信号加在超不同之处。当回声信号加在Z轴以后，深度扫描电路将输出一轴以后，深度扫描电路将输出一个表示距离的锯齿波，加在显示器个表示距离的锯齿波，加在显示器Z轴偏转板上，则显示屏上显轴偏转板上，则显示屏上显示出一条按距离分布的光点群。这时慢

34、扫描电路产生的时间扫描示出一条按距离分布的光点群。这时慢扫描电路产生的时间扫描电压同时加在了电压同时加在了Y轴上，因此在双重扫描电压作用下，扫描回声轴上，因此在双重扫描电压作用下，扫描回声信息线被时间扫描分离，当重复频率足够高时，每给固定的目标信息线被时间扫描分离，当重复频率足够高时，每给固定的目标的界面就显示成一条连续变化的曲线光迹。曲线的幅度表示反射的界面就显示成一条连续变化的曲线光迹。曲线的幅度表示反射界面在运动中所通过的距离大小，而曲线的斜率则表示反射界面界面在运动中所通过的距离大小，而曲线的斜率则表示反射界面运动速度的大小。当探头的声束通过心脏时，就可得心脏内各层运动速度的大小。当探

35、头的声束通过心脏时，就可得心脏内各层组织的反射面对于探头表面的距离（即到体表的距离）随时间变组织的反射面对于探头表面的距离（即到体表的距离）随时间变化的曲线（回波光迹），这就是所谓的超声心动图。化的曲线（回波光迹），这就是所谓的超声心动图。 M M超由心电、心音、心搏和超由心电、心音、心搏和MM型的多参数同步显型的多参数同步显示的超声心动仪器。主要由同步控制电路、水平（示的超声心动仪器。主要由同步控制电路、水平（X X轴）扫描发生器、高频脉冲发生器、回波接收电路、轴）扫描发生器、高频脉冲发生器、回波接收电路、时间控制电路和显示器等部分组成。时间控制电路和显示器等部分组成。 MM型超声诊断仪，又

36、成为称为时间型超声诊断仪，又成为称为时间运动型运动型（time-motiontime-motion modemode）超声诊断仪。它的主要特点是能）超声诊断仪。它的主要特点是能测量运动器官，特别是能够明显显示心脏搏动时瓣膜测量运动器官，特别是能够明显显示心脏搏动时瓣膜等各部分的运动轨迹，因此专用于心脏的各类疾病的等各部分的运动轨迹，因此专用于心脏的各类疾病的诊断。如对心血管各部分大小、厚度的测量、瓣膜运诊断。如对心血管各部分大小、厚度的测量、瓣膜运动情况测量。同时还可以输入心脏的其他有关生理信动情况测量。同时还可以输入心脏的其他有关生理信号，进行比较研究，如研究心脏各部分和心电图、心号，进行比

37、较研究，如研究心脏各部分和心电图、心音图及心搏图之间的关系；研究心脏搏动和脉搏之间音图及心搏图之间的关系；研究心脏搏动和脉搏之间的关系等。的关系等。 深度补偿电路，考虑 超声波在人体中的衰减，接近探头的回波信号强，放大器的增益小一些，远离探头的放大器的增益大些，补偿超声信号在体内的衰减由同步脉冲发生器发出重复频率从几十赫兹到几千赫兹的同步脉冲，使仪器的发射时基扫描和S.T.C电路同步工作发射脉冲为一高频衰减振荡，激励探头向人体内发出脉冲超声波，回声信号由同一探头转变为电信号送至接收放大电路，经检波和放大后送至示波管的垂直偏转板电信号经过检波放大后送至示波管的阴极进行亮度调制水平偏转板加一慢时间

38、扫描电压，这样在作人体探查时就构成一幅各反射面的活动曲线图 M M型超声心动图的产生原理型超声心动图的产生原理 7.2.4 B型超声断层显像仪型超声断层显像仪对回波对回波辉度辉度调制，探头调制，探头直线直线扫描扫描人体时，可以在屏上得人体时，可以在屏上得到一个纵切面到一个纵切面断层图像断层图像。 B B型是亮度调制型的简称。型是亮度调制型的简称。 B B型超声断层显像仪能够得到人体型超声断层显像仪能够得到人体内部脏器和病变组织的断层图，并且能对脏器进行实时动态观察，内部脏器和病变组织的断层图，并且能对脏器进行实时动态观察，因而直观、易学。一般因而直观、易学。一般X X射线成像得到的是透视像，而

39、超声断层像射线成像得到的是透视像，而超声断层像是人体内部某一断层的图像，并且这一断层可方便地移动。所是人体内部某一断层的图像，并且这一断层可方便地移动。所以用以用B B超显像仪观察人体内部脏器相当于用一无损伤、不流血的超显像仪观察人体内部脏器相当于用一无损伤、不流血的“超声刀超声刀”将脏器一层层切开进行观察。因此应用非常普遍，将脏器一层层切开进行观察。因此应用非常普遍，从从19671967年第一台手动扫描式显像仪问世以来，短短年第一台手动扫描式显像仪问世以来，短短2020年已经经年已经经历了四代的演变，性能不断完善，应用日益普遍。历了四代的演变，性能不断完善，应用日益普遍。临床诊断的基础与应用

40、范围（1）在妇产科中的探测（2）人体内部脏器的轮廓及其内部结构的探测（3）表浅器官内部组织探测 B型超声断层显像仪型超声断层显像仪 B型超声断层显像仪型超声断层显像仪肝血管瘤肝血管瘤 7.2.4 B型超声断层显像仪型超声断层显像仪 A型型 (Amplitude mode) B型型 (Brightness mode) 1.1.手动直线扫描手动直线扫描 按扫描方式分类，按扫描方式分类，B B超已经发展了四超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、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。电子直线扫描和电子扇形扫描。 由由医医务务人人员员掌掌握握探探头头的的移移动动方方向向，探

41、探头头的的直直线线移移动动导导致致显显示示器器在在X X方方向向上上出出现现与与之之对对应应的的光光点点，Y Y 轴轴仍仍为为深深度度轴轴，回回波波幅幅度度由由图图像像辉辉度度表表示示。图图像像就就是是探探头头移移动动所所经经过过直直线线方方向向上上的的二二维维切切面面图图，手手动动扫扫描描速速度度不不能能太太高高，只只能能用用于于观观察察静静止止的的脏脏器器（如肝脏），目前已经很少使用。（如肝脏），目前已经很少使用。 直接由M型超声心动图仪发展过来的。区别在于用位置测量机构输出的反应探头位置的电压代替了慢扫描电路，这样，水平放大器放大后的电压就正比例于探头位置，使显示器上光点在x位置方向位置

42、与探头位置对应，Y方向位置还是表示被测处的深度。这样显示器所显示的图像将是探头所移动直线沿声波方向的一个切面图形。 2.2.快速机械扫描显像仪快速机械扫描显像仪 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。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；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、胃肠等），从而获得圆形扫描时，将探头置于人体体腔（

43、如食道、胃肠等），从而获得某个腔道的圆周扫描断层图像。某个腔道的圆周扫描断层图像。（1）快速机械直线扫描显像仪）快速机械直线扫描显像仪图：国产图：国产CXX1-型快速机械直线扫描显像仪采用的旋转式探头，电机带动探头型快速机械直线扫描显像仪采用的旋转式探头，电机带动探头旋转，探头上的晶片位于抛物形反射面的焦点处，使声束反射后形成直线扫描，旋转，探头上的晶片位于抛物形反射面的焦点处，使声束反射后形成直线扫描，两个晶片交替工作，可以使扫描效率提高一倍。这种仪器由于要带一个笨重的两个晶片交替工作，可以使扫描效率提高一倍。这种仪器由于要带一个笨重的水囊（耦合），使用不便，已经被电子直线扫描代替。水囊（耦

44、合），使用不便，已经被电子直线扫描代替。 （2）快速圆形扫描显像仪：常用于直肠等管腔部位的探查，使用时将探头）快速圆形扫描显像仪：常用于直肠等管腔部位的探查，使用时将探头插入直肠即可获得人体内部的圆周扫描断层图。插入直肠即可获得人体内部的圆周扫描断层图。2.2.快速机械扫描显像仪快速机械扫描显像仪图：快速圆形扫描显像仪探头，驱动电机带动带动晶片和正余弦变压器旋转，图：快速圆形扫描显像仪探头，驱动电机带动带动晶片和正余弦变压器旋转，利用正余弦变压器测量出晶体发射声束的方向，并用电子学方法在显示屏上产利用正余弦变压器测量出晶体发射声束的方向，并用电子学方法在显示屏上产生对应的扫描线。生对应的扫描线

45、。腔内超声可以避开腔内超声可以避开肺组织和肠道肺组织和肠道内气体对成像的内气体对成像的干扰，近距离观察器官和组织。最新的干扰，近距离观察器官和组织。最新的血管内超血管内超声技术声技术是将小型超声换能器安装于心导管顶端，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，进行在血管内发射并接收高频超声信号，进行血管成血管成像像，对冠状动脉病变进行研究。，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近期推出的心腔内超声的探头管体纤细柔软纤细柔软，可经周围静脉插入右心系统，并且发射频率高，可经周围静脉插入右心系统，并且发射频率高，图像清晰，分辨力很好，对观察图像清晰，分辨

46、力很好，对观察心内结构和活动心内结构和活动情况及辅助情况及辅助穿刺定位穿刺定位等有较高价值。等有较高价值。 （3）快速机械扇形扫描显像仪：由于肋骨的阻挡，直线扫描不易做心脏的探查。）快速机械扇形扫描显像仪：由于肋骨的阻挡，直线扫描不易做心脏的探查。扇形扫描可以只需一小的入口就得到内部大面积的探查。所以可以通过肋间的小扇形扫描可以只需一小的入口就得到内部大面积的探查。所以可以通过肋间的小窗口可以作心脏病患的诊断，而起可以用于腹部的诊断，因此扇形扫描超声仪现窗口可以作心脏病患的诊断，而起可以用于腹部的诊断，因此扇形扫描超声仪现在获得了广泛的应用。在获得了广泛的应用。2.2.快速机械扫描显像仪快速机

47、械扫描显像仪图：为国产机械扇形扫描显像仪探头结图：为国产机械扇形扫描显像仪探头结构。与圆形扫描区别在于驱动结构采用构。与圆形扫描区别在于驱动结构采用心电图机的笔马达，利用三角波驱动，心电图机的笔马达，利用三角波驱动，使晶片往复摆动，产生扇形扫描。利用使晶片往复摆动，产生扇形扫描。利用正余弦变压器测得的位置信号在显示屏正余弦变压器测得的位置信号在显示屏上产生与晶片发射的超声束相对应的扫上产生与晶片发射的超声束相对应的扫描线，即可获得人体内部的扇形断层图描线，即可获得人体内部的扇形断层图像。像。 按照扫描方式分为：电子直线扫描（又称为线性步控列阵）按照扫描方式分为：电子直线扫描（又称为线性步控列阵

48、）、电子扇形扫描（又称相控阵扫描）和凸阵扫描三类。、电子扇形扫描（又称相控阵扫描）和凸阵扫描三类。3.3.快速电子扫描显像仪快速电子扫描显像仪（1）快速电子直线扫描显像仪：）快速电子直线扫描显像仪：探头由多个小换能器（阵元）组成多元线阵列（简称线阵），用电子开关按一定时序将激励脉冲电压顺序加到各个阵元上，产生超声脉冲发射。回波信号经过放大检波后送入CRT阴极射线管Z轴进行亮度调制，CRT的Y轴代表回波的深度，X轴对应声束横向扫描的位置，这样一条条载有回波信息的垂直扫描线就构成了一幅完整的超声声像图。声像图的质量与垂直扫声像图的质量与垂直扫描线数有密切关系，阵描线数有密切关系，阵元的数目越多，扫

49、描线元的数目越多，扫描线越密，声像图也越清晰。越密，声像图也越清晰。 （2）电子扇形扫描）电子扇形扫描3.3.快速电子扫描显像仪快速电子扫描显像仪原理如图所示：其探头是由多个阵元组成，利用原理如图所示：其探头是由多个阵元组成，利用对探对探头各阵元加上头各阵元加上依次延迟一定时间的激励脉冲依次延迟一定时间的激励脉冲，则各阵，则各阵元所产生的脉冲也相应延迟，这样，总的叠加波束方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向出现相位改变而产生扇形图像扇形图像。优点是探头体积小，。优点是探头体积小，无噪声无振动，寿命长；缺点是线路复杂。无噪声无振动，寿命长；缺点是线路复杂。 7.

50、2.57.2.5基于多普勒原理的超声诊断技术基于多普勒原理的超声诊断技术 对于心血管异常，例如血管硬化、对于心血管异常，例如血管硬化、狭窄、阻塞、瘢块等，需要测定血液的流狭窄、阻塞、瘢块等，需要测定血液的流速、方向及其分布，而速、方向及其分布，而A型型M型型B型超声型超声仪器均无能为力，应用超声多普勒技术可仪器均无能为力，应用超声多普勒技术可以实现各种血液参量的测量。以实现各种血液参量的测量。多普勒效应多普勒效应现象：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离现象：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低（音调由频率决定，频率高你远去时，感觉音调变低（音调由频率决定，频率高

51、音调高；频率低音调低）音调高；频率低音调低）多多普普勒勒效效应应：由由于于波波源源和和观观察察者者(或或接接收收体体)之之间间有有相相对对运运动动，使使观观察察者者（接接收收体体）感感到到频频率率发发生生变变化化,不不同同于于波波源源所所发发出出的的频频率率，两两者者的的频频差差即即所所谓谓的的频频移移与与波波源源同同接接收收体体相相对对运运动动的的速速度度大大小小有有关关系系，这这种种现现象象叫叫做多普勒效应做多普勒效应奥地利物理学家多普勒在奥地利物理学家多普勒在1842年发现的年发现的 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

52、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。而超声波的波长就被压缩，反之被拉伸。而超声波在传输介质中的速度是恒定的，因此根波在传输介质中的速度是恒定的，因此根据公式据公式c=f，超声波波长的变化导致了，超声波波长的变化导致了频率的移动，此现象被称为频率的移动，此现象被称为多普勒效应多普勒效应。多普勒超声诊断设备 多普勒诊断设备（D型超声诊断设备），在医学诊断中对心脏、血管、血流和胎儿的检查等方面起很大作用。 现代医用超声就是利用了这一效应,当超声波碰到流向远离探头液体时回声频率会降低,流向探头的液体会使探头接收的回声信号频率升高。利用计

53、算机伪彩技术加以描述,使我们能判定超声图像中流动液体的方向及流速的大小和性质,并将此叠加在二维黑白超声图像上,形成了我们今天见到的彩超图像。四维超声诊断设备四维超声波成像系统，（四维超声波成像系统，（四维超声波成像系统，（四维超声波成像系统，（“ “4D4D4D4D” ”是是是是“ “四维四维四维四维” ”的的的的缩写）所谓缩写）所谓缩写）所谓缩写）所谓“ “四维四维四维四维” ”就是指在传统的就是指在传统的就是指在传统的就是指在传统的“ “三维立三维立三维立三维立体体体体” ”超声成像的基础之上加上超声成像的基础之上加上超声成像的基础之上加上超声成像的基础之上加上时间维度时间维度时间维度时间

54、维度这个向这个向这个向这个向量。量。量。量。 运用运用运用运用4D4D4D4D超声波技术进行孕妇和胎儿检查能够显超声波技术进行孕妇和胎儿检查能够显超声波技术进行孕妇和胎儿检查能够显超声波技术进行孕妇和胎儿检查能够显示胎儿在子宫内的即时动态活动图像示胎儿在子宫内的即时动态活动图像示胎儿在子宫内的即时动态活动图像示胎儿在子宫内的即时动态活动图像 1 1、当波源和观察者相对介质都静止不动、当波源和观察者相对介质都静止不动 即二者没有相对运动时即二者没有相对运动时单位时间内波源发出几个单位时间内波源发出几个完全波，观察者在单位时完全波，观察者在单位时间内就接收到几个完全波间内就接收到几个完全波观察者接

55、收到的频率等观察者接收到的频率等于波源的频率于波源的频率2 2、波源相对介质不动，观察者朝波源运动时（或、波源相对介质不动，观察者朝波源运动时（或观察者不动，波源朝观察者运动时）观察者不动，波源朝观察者运动时）观察者在单位时观察者在单位时间内接收到的完间内接收到的完全波的个数增多，全波的个数增多，即接收到的频率即接收到的频率增大增大3 3、波源相对介质不动，观察者远离波源运动时（或观、波源相对介质不动，观察者远离波源运动时（或观察者不动，波源远离观察者运动时）察者不动，波源远离观察者运动时）观察者在单位时间内接收到的完全波的观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小个数减少

56、，即接收到的频率减小 总总之之：当当波波源源与与观观察察者者有有相相对对运运动动时时，如如果果二二者者相相互互接接近近，观观察察者者接接收收到到的的频频率率增增大大；如如果果二二者者远远离离，观观察察者者接接收收到的频率减小到的频率减小注意：注意：1.1.在在多多普普勒勒效效应应中中，波波源源的的频频率率是是不不改改变变的的，只只是是由由于于波波源源和和观观察察者者之之间间有有相相对对运运动动，观观察察者者感感到到频频率率发生了变化发生了变化2.2.多多普普勒勒效效应应是是波波动动过过程程共共有有的的特特征征，不不仅仅机机械械波波，电磁波和光波也会发生多普勒效应电磁波和光波也会发生多普勒效应

57、Doppler谱线位移Doppler谱线位移 (Doppler shift) 由于辐射源在观测者视线方向上的运动而造成接收到的电磁辐射波长或频率的变化。远离（接近）观测者辐射源发出的电磁辐射波长变长（短），称为谱线红移（蓝移）。 接收的超声频率接收的超声频率f与源声源频率与源声源频率f0之间的改变，即频率位移，称之间的改变，即频率位移，称为多普勒频移。为多普勒频移。多普勒血流计的工作原理多普勒血流计的工作原理C C是超声传播速度。当是超声传播速度。当f f0 0，和和C C一定时，多普勒频移与血流速度成正比。正负号还表示一定时，多普勒频移与血流速度成正比。正负号还表示血流的不同方向，正表示血流

58、向着探头运动，负表示血流离开探头运动。血流的不同方向，正表示血流向着探头运动，负表示血流离开探头运动。 这种技术主要用于了解体内器官的功能状况及血液动力学方面的生理病理状况，如用于这种技术主要用于了解体内器官的功能状况及血液动力学方面的生理病理状况，如用于测定血液流速、心脏运动状况及血管是否存在栓塞等。测定血液流速、心脏运动状况及血管是否存在栓塞等。 超声多普勒胎心率监护仪超声多普勒胎心率监护仪/ /超声多普勒血流仪超声多普勒血流仪 超声多普勒仪可以得到某一深度某一范围内的超声多普勒仪可以得到某一深度某一范围内的血流血流信息信息，既能显示被测，既能显示被测血流的深度血流的深度，又能产生血管腔的

59、横，又能产生血管腔的横断和纵断面像。还可监听多普勒断和纵断面像。还可监听多普勒血流声血流声，声调高表示血，声调高表示血流速度快，声调低表示血流速度慢。流速度快，声调低表示血流速度慢。 彩色彩色DopplerDoppler血流成像法血流成像法以伪彩色（红色代表正向血流，蓝色代表反向血流）显示的二维彩色血流图像，迭加以伪彩色（红色代表正向血流，蓝色代表反向血流）显示的二维彩色血流图像，迭加在黑白的在黑白的B型图像上，简称为型图像上，简称为“彩超彩超”，大大提高了临床诊断的水平。，大大提高了临床诊断的水平。彩色多普勒血流显像彩色多普勒血流显像(Color Doppler flow imaging ,

60、 CDFI )右肝低回声区，边界清楚，周边呈高回声，内无血流信号。右肝低回声区，边界清楚，周边呈高回声，内无血流信号。 肝血管瘤肝血管瘤B超超彩超彩超正常肾彩色多普勒血流显示正常肾彩色多普勒血流显示 多普勒效应的其他应用多普勒效应的其他应用1.1.有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运动方向和快慢有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运动方向和快慢. .2.2.有有经经验验的的战战士士可可以以从从炮炮弹弹飞飞行行时时的的尖尖叫叫声声判判断断飞飞行行的的炮炮弹弹是是接接近近还还是远去是远去. .3.3.交交通通警警察察向向行行进进中中的的汽汽车车发发射射一一个个已已知知频频率率的的电电磁磁波波，波波被被运运动动的的汽车反射回来时，接收到的频率发生变化，由此可指示汽车的速度汽车反射回来时，接收到的频率发生变化，由此可指示汽车的速度. .4.4.由由地地球球上上接接收收到到遥遥远远天天体体发发出出的的光光波波的的频频率率可可以以判判断断遥遥远远天天体体相相对对于地球的运动速度于地球的运动速度. .青春蜕变青春蜕变Personal Work , 2011.03,23, Designed by JamesThank you ! Thank you !