B超原理和多普勒效應(yīng)

1、 超聲診斷儀類型 醫(yī)用超聲診斷儀是將聲納原理、雷達(dá)技術(shù)、電子技術(shù)三者相結(jié)合而研制生產(chǎn)的設(shè)備，主要應(yīng)用在臨床診斷中，其基本原理是將一束高頻超聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)，再接收來(lái)自生物體內(nèi)各組織之間界面處反射的回波，經(jīng)放大、處理、顯示，可觀察內(nèi)臟器官的形狀、大小、及各器官的相互位置、器官的活動(dòng)以及器官內(nèi)的異物等，從而判斷器官的是否正常。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)應(yīng)用于這種設(shè)備的研究制造中，因此，超聲診斷儀的發(fā)展也由起初的一維超聲掃描及其顯示方式發(fā)展為二維甚至三維的超聲掃描和顯示方式，大大增加了回波信息量，使生物體內(nèi)的病灶清晰、易辨，在臨床上被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各科門診的診斷檢查方法中，成為與

2、X-CT、同位素掃描、核磁共振并列的四大醫(yī)學(xué)成像技術(shù)之一。其中超聲成象因?yàn)榫哂幸韵氯齻€(gè)特點(diǎn)：超聲波為非電離輻射，在診斷用功率范圍內(nèi)對(duì)人體無(wú)傷害，可經(jīng)常性地反復(fù)使用；超聲波對(duì)軟組織的鑒別力較高，在對(duì)軟組織疾患診斷時(shí)具有優(yōu)勢(shì)；超聲成象儀器使用方便、價(jià)格便宜，使得醫(yī)學(xué)超聲成象具有強(qiáng)大的生命力和發(fā)展前途，是其他成象技術(shù)所無(wú)法替代的現(xiàn)代技術(shù)。 超聲波在醫(yī)學(xué)方面，除了用于治療和手術(shù)外，主要是用于臨床診斷。在診斷學(xué)方面，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)可以分為兩大類：即基于回波掃描技術(shù)和基于多譜勒頻移原理的超聲診斷技術(shù)?；诨夭夹g(shù)的超聲診斷技術(shù)的基本原理是利用超聲波在組織界面處產(chǎn)生的反射回波形成的圖象或信號(hào)來(lái)診斷疾病。

3、這種技術(shù)主要用于解剖學(xué)范疇的檢測(cè)和診斷，目的是了解器官的形態(tài)學(xué)和組織方面的狀況與變化，比如檢測(cè)體內(nèi)異物和腫瘤，檢查器官的形狀及大小變化等等?；夭⊕呙柙\斷技術(shù)一般按顯示回波的方式分為如下五類型：A型：即將回波以波形的形式顯示出來(lái)，其縱坐標(biāo)為回波幅度，用以表示回波的強(qiáng)弱；橫坐標(biāo)為回波接收的時(shí)間，該時(shí)間與產(chǎn)生回波的組織界面相關(guān)。B型：即將回波信號(hào)用點(diǎn)的形式顯示在顯示器上，光點(diǎn)的灰度與回波強(qiáng)弱成正比，為輝度調(diào)制型。當(dāng)探頭上的傳感器陣元以不同方式移動(dòng)掃查時(shí)，可以形成二維圖象。C型：此為透射式掃查方式，可獲得有關(guān)被測(cè)組織的聲速和衰減等信息。M型：此法是在輝度調(diào)制型中加入一個(gè)慢掃查鋸齒波，從而使回波點(diǎn)從左到

4、右自動(dòng)掃描。顯示的橫坐標(biāo)為慢掃描時(shí)間，縱坐標(biāo)為聲波傳播時(shí)間（即對(duì)應(yīng)于檢測(cè)深度位置）F型：此法為用多個(gè)切面圖象構(gòu)造一個(gè)曲面的成象形式。除了單一形式外，還有復(fù)合型診斷儀，即綜合采用上述幾種方式成象，目前，回波掃描技術(shù)已大量用于對(duì)肝、脾、胃、腎、膽、甲狀腺、乳腺、眼球、子宮、卵巢、胸腔、肺、半月板、腦、心包等多種臟器官的診查之中。 基于多普勒頻移原理的超聲診斷技術(shù)的基本原理是：利用運(yùn)動(dòng)物體反射聲波時(shí)造成的頻率偏移現(xiàn)象來(lái)獲取人體的運(yùn)動(dòng)信息。這種技術(shù)主要用于了解體內(nèi)器官的功能狀況及血液動(dòng)力學(xué)方面的生理病理狀況，如用于測(cè)定血液流速、心臟運(yùn)動(dòng)狀況及血管是否存在栓塞等。目前，超聲多普勒技術(shù)主要用于心血管疾病的

5、診斷中。 在診斷學(xué)方面，基于探測(cè)深度和分辨率兩個(gè)方面的綜合考慮，一般采用的頻率為1MHz15MHz。低頻主要用于深部組織和器官的診查，而高頻則用于眼科等表淺部位的診查。同時(shí)，為了避免產(chǎn)生生物效應(yīng)，診斷用的超聲波的功率一般在1mW/cm210m W/cm2。在診斷學(xué)方面如何提高成象分辨率，尋求可定量表征特異性病變的成象特征量為目前研究發(fā)展B超所需探索的目標(biāo)。 超聲診斷儀的基本工作原理 醫(yī)用超聲診斷儀是將聲納原理和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)的為臨床應(yīng)用的醫(yī)療儀器。其基本原理是高頻超聲脈沖波輻射到生物作內(nèi)，由生物體內(nèi)不同界面反射出不同波形并形成圖像從而判斷生物體內(nèi)是否有病變。超聲診斷儀由起初的一維超聲掃描顯

6、示，發(fā)展為二維甚置三維、四維的超聲掃描和顯示，大大增加了回波信息量，使生物體內(nèi)的病灶清晰，易辨，因此，它將被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用醫(yī)用超聲診斷、一維超聲掃描及其顯示 在超聲診斷設(shè)備中，人們常把A型和M型這類，采用超聲脈沖回波測(cè)距離的技術(shù)進(jìn)行診斷的型式和方法，稱為一維超聲檢查這種型式發(fā)射超聲波的方向不變，從不同聲阻抗界面反射回來(lái)信號(hào)的幅值或灰度是不同的，經(jīng)放大后，在屏幕上以水平或垂直方式顯示出來(lái)，此類圖像稱為一維超聲圖像。 （）型超聲掃描 探頭（換能器）根據(jù)探查部位，以固定方式向人體發(fā)射數(shù)兆赫茲的超聲波，通過(guò)人體反射回波并加以放大，并將回波的幅值和形態(tài)在屏幕上顯示出來(lái)。顯示器的縱坐標(biāo)顯示反射回波的幅度

7、波形；橫坐標(biāo)上有時(shí)間和距離的標(biāo)尺。這樣可根據(jù)回波出現(xiàn)的位置，回波幅度的高低、形狀、波數(shù)和來(lái)自受檢體病變和解剖位置的有關(guān)信息進(jìn)行判斷診斷。型超聲探頭在固定位置就可獲得波譜圖（）型超聲掃描儀 探頭（換能器）以固定位置和方向?qū)θ梭w發(fā)射接收超聲波束。該波束途經(jīng)不同深度的回波信號(hào)對(duì)顯示器垂直掃描線進(jìn)行輝度調(diào)制，并按時(shí)間順序展開(kāi)，形成一幅一維空間各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)按時(shí)間展開(kāi)的軌跡圖。這就是型超聲人也可以理解為：型超聲是同一方向沿途不同深度點(diǎn)隨時(shí)間變化的一維軌跡圖型掃描系統(tǒng)特別適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)器官的檢查。例如對(duì)心臟的檢查，在所顯示的圖形軌跡上，可進(jìn)行多種心功能參數(shù)測(cè)量，所以型超聲又稱為超聲心動(dòng)圖。 、二維超聲掃描及顯示

8、由于一維掃描只能依據(jù)圖形中超聲波回波幅值的大小和回波的疏密對(duì)人體臟器進(jìn)行診斷，這樣一維超聲（即型超聲）在超聲醫(yī)學(xué)診斷上受到了很大限制二維超聲掃描顯像其原理是采用超聲脈沖回波，亮度調(diào)節(jié)的二維灰階顯示，它形象地反映出人體某一斷面的信息。二維掃描系統(tǒng)使探頭內(nèi)的換能器以固定方式向人體發(fā)射數(shù)兆赫茲的超聲波，并以一定的速度在一個(gè)二維空間運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)行二維空間掃描，再把人體反射回波信號(hào)加以放大處理后送到顯示器的陰極或控制柵極上，使顯示器的光點(diǎn)亮度隨著回波信 號(hào)大小變化，形成二維斷層圖像，在屏幕上顯示時(shí)，縱坐標(biāo)代表聲波傳入體內(nèi)的時(shí)間或深度，而亮度則由對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)上的超聲回波幅度調(diào)制，橫坐標(biāo)代表聲束對(duì)人體掃描的方向

9、。 超聲回波信號(hào)的處理方法 回波信號(hào)的影響因素 由超聲探頭發(fā)射聲束，在人體組織的不同器官的界面上產(chǎn)生反射返回的回波信號(hào)回波信號(hào)的大小取決于三個(gè)因素：組織衰減、反射體的后散射和多重反射 組織衰減 組織衰減限定了能檢測(cè)到多深的回波信號(hào)，即決定了探測(cè)深度在超聲診斷應(yīng)用的整個(gè)頻率范圍內(nèi)（115MHz）,軟組織和肌肉的衰減率與頻率的關(guān)系,可近似按1dB/cm?MHz來(lái)估算這關(guān)系式含有兩重意思：一是在同一深度情況下，對(duì)于不同頻率，其組織衰減率不同，組織衰減率是隨頻率的增加而增加的例如：對(duì)于頻率為3.5MHz的聲束其能量是每cm衰減3.5dB；對(duì)于10MHz的超聲波每cm要衰減10dB由此可見(jiàn)，生物組織對(duì)于

10、不同的超聲頻率，其衰減不同對(duì)高頻衰減大，對(duì)低頻衰減小二是，同一頻率的超聲回波，來(lái)自不同深度其聲波能量亦不同；對(duì)于頻率為3.5MHz的超聲波，探測(cè)深度每增加1cm，回波就要減小7dB(往返距離計(jì)算)；對(duì)20cm深度物體的成像,往返回程的衰減高達(dá)140dB實(shí)際上各種器官的衰減系數(shù)有差別，例如對(duì)于3.5MHz的聲束,肝組織的衰減系數(shù)為0.7dB/cm?MHz，當(dāng)深度為20cm,衰減98dB所以在超儀中普遍采用增益控制來(lái)補(bǔ)償組織的衰減 反射體的后散射 反射體的后散射決定了從同一深度獲取的回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍反射體形狀及大小，界面與入射聲束的傾斜度對(duì)后散射有很大影響 多重反射 多重反射的混合影響造成了回波

11、信號(hào)的背景干擾，限制了有效回波信號(hào)同其他途徑來(lái)的干擾回波的分離 超聲回波信號(hào)的基本處理 B型超聲診斷儀從探頭到顯示器間的信號(hào)處理過(guò)程，基本上有三個(gè)階段；,即前處理、掃描變換和后處理()前處理 前處理包括對(duì)回波電信號(hào)的放大、衰減補(bǔ)償、信號(hào)壓縮和檢波等部分 前置放大 前置放大處于整個(gè)電路的最前端，將從換能器聲束轉(zhuǎn)換的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大為提高信噪比，前置放大器必須是低噪聲的；并要求有大于100dB的動(dòng)態(tài)放大范圍. 放大與增益控制 回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為100dB110dB，放大器的輸出范圍為40dB,兩者相差6070dB，這就要求放大器的可變?cè)鲆嬗?0dB-70 dB的范圍放大與增益控制有兩種方案來(lái)實(shí)

12、現(xiàn)，一是先進(jìn)行衰減補(bǔ)償，后進(jìn)行信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍壓縮；另一種是先壓縮回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，然后進(jìn)行衰減補(bǔ)償和擴(kuò)展放大與增益控制中的放大器是一種對(duì)數(shù)放大器增益控制的基本功能是跟蹤預(yù)期深度距離上的回波信號(hào)，提供一個(gè)隨時(shí)間變化的控制電壓，來(lái)改變放大器的增益這種增益控制補(bǔ)償有許多名稱，如T.G.C(時(shí)間增益補(bǔ)償)；D.G.C(深度增益補(bǔ)償；T.V.G(可變時(shí)間增益)；S.T.C(強(qiáng)度時(shí)間增益)等它的衰減補(bǔ)償方法是對(duì)放大斜率進(jìn)行控制超聲圖像的分辨力與放大器的級(jí)數(shù)和放大倍數(shù)關(guān)系不大 檢波 回波信號(hào)是雙極性的，將其中有用的診斷信息通過(guò)一種單向通過(guò)的電路檢測(cè)出來(lái)，這就是檢波檢波方法有包絡(luò)檢波和斜率檢波在包絡(luò)檢波的同時(shí)，

13、對(duì)回波脈沖前沿（斜率）微分，并捋這微分信號(hào)按一定百分比加到原始回波信號(hào)的前沿，便得到混有短微分的回波脈沖視頻信號(hào)，從而起到邊界增強(qiáng)的效果，使組織邊界的輪廓線加強(qiáng)顯示 （）掃描變換 掃描變換有兩種，即：模擬掃喵變換（）和數(shù)字掃描變換（）其目的是將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于后處理，模擬掃描變換是捋掃描超聲信號(hào)和位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為可顯示信號(hào)數(shù)字掃描變換的核心是一個(gè)可變的數(shù)字存儲(chǔ)矩陣，它可將接收的數(shù)字圖像信號(hào)按一定矩陣（如512X512）存放和顯示. （）后處理 在超聲信號(hào)數(shù)字化后要進(jìn)行后處理后處理功能很多，如像素亮度后處理（包括校正，非線性亮度視覺(jué)校正）、灰階變換、圖象平滑、復(fù)合視頻、顯示方式、圖像反

14、轉(zhuǎn)等 B超工作原理及基本結(jié)構(gòu) 一、工作原理 B型超聲診斷儀是目前臨床上最廣泛使用的一類超聲成象裝置。B型又稱為B-Mode，其中B為英文brightness的字頭，用此表征B型成象是以輝度來(lái)表征回波的大小的。正是由于用輝度取代了幅度，B型可用一條線的不同輝度來(lái)表征A型的一系列回波及其幅度值。因此采用掃描的方式獲取組織內(nèi)部某一斷面上多個(gè)掃描線上的回波并顯示在對(duì)應(yīng)的平面上，即組成了一幅組織內(nèi)某剖面的回波二維圖像。因此，B-Mode是一種二維超聲成象裝置。具體說(shuō)明如下： B型線性超聲診斷儀是在A型診斷儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，A型是用單探頭，而B型線性超聲診斷儀是用多個(gè)晶體組成的探頭，按不同的組合分組使

15、用。B型線性超聲診斷儀的每組晶體單獨(dú)使用時(shí)，完全類似于A型單探頭的情況；而各組晶體在電子開(kāi)關(guān)的控制下，有次序地排列工作，類似A型超生中單探頭的移動(dòng)過(guò)程，這樣就由A型中單探頭掃查一條線變?yōu)榫€性超聲設(shè)備中迅速的發(fā)射一排超聲線束來(lái)掃查一個(gè)面，從而由一維圖像變?yōu)槎S圖像。在A型中，反射信號(hào)的情況通過(guò)信號(hào)的波形顯示出來(lái)，而B型超聲設(shè)備中反射信號(hào)的強(qiáng)弱通過(guò)熒光屏中每個(gè)像素的亮度顯示出來(lái)，從而使在掃查的斷層面中把組織的分布情況和性質(zhì)對(duì)應(yīng)地顯示出有灰階（或輝度）變化的超聲圖像上。雖然B型線性超聲診斷儀與A型相比在原理上是簡(jiǎn)單的，但是完成從A型向B型的過(guò)渡在技術(shù)上是很復(fù)雜，采用了較多的新技術(shù)和新工藝。如圖2-2

16、-1所示。 二、基本結(jié)構(gòu) B型線性超聲診斷儀主要由以下幾個(gè)部分組成：探頭、發(fā)射接收單元、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器、顯示照像記錄系統(tǒng)、面板控制系統(tǒng)、鍵盤和電源裝置等，如圖2-2-2所示 一、面板控制單元 對(duì)儀器面板上的各種旋鈕、開(kāi)關(guān)、操作桿等的狀態(tài)實(shí)施編碼，并將編碼信號(hào)送至發(fā)射接收單元和數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器，其中包括進(jìn)出深度增益控制信號(hào)（或稱距離時(shí)間控制）到發(fā)射接收單元以控制放大器的放大倍數(shù)，從而補(bǔ)償超聲能量在傳播過(guò)程中隨距離的衰減。 二、發(fā)射接收單元 通過(guò)探頭發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，并對(duì)發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)實(shí)施電子聚焦和多點(diǎn)聚焦的控制；同時(shí)對(duì)探頭中的多個(gè)晶體實(shí)施電子開(kāi)關(guān)控制，從而實(shí)現(xiàn)超聲束的掃描。從探頭接收的

17、超聲回波信號(hào)在該單元中進(jìn)行放大、檢波和各種預(yù)處理，然后送到數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器。 三、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器 把從發(fā)射接收單元進(jìn)入的超聲回波信號(hào)首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換（即模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）變成數(shù)字信號(hào)，并予以存貯和完成各項(xiàng)后處理的功能，所有將要顯示的信號(hào)，例如回波信號(hào)，鍵盤的字符信號(hào)和人體標(biāo)志符號(hào)等，都在轉(zhuǎn)換器中完成D/A轉(zhuǎn)換，最后混合變?yōu)楹铣傻囊曨l信號(hào)送入監(jiān)視、照像、記錄系統(tǒng)。 四、監(jiān)視、照相、記錄系統(tǒng) 是操作人員用來(lái)觀察超聲斷層圖像和各種相關(guān)信息，并對(duì)有價(jià)值的圖像進(jìn)行拍照和記錄的系統(tǒng)。監(jiān)視和照像分別使用兩個(gè)略有不同的TV監(jiān)視器，照像部分一般配備通用135相機(jī)或一次性的波拉相機(jī)，記錄部分使用特殊功能的紙記錄裝置或

18、彩色視頻打印機(jī)。 五、電源部分 提供直流電壓供各單元使用。 六、探頭 是由多晶片（陣元）排列構(gòu)成的長(zhǎng)條狀探頭。探頭一般寬度為1cm、長(zhǎng)度為1015cm，探頭中的晶片個(gè)數(shù)一般在64128只范圍內(nèi)；晶片的尺寸隨使用的超聲頻率不同而不同；晶片之間不但有良好的電絕緣，同時(shí)盡可能作到完全的聲隔離。為此在制造工藝上一般采用光刻的方法，在一個(gè)大晶片上刻制成相互分離的多個(gè)晶片。晶片后面附以吸聲材料，用以吸收反向輻射的能量；晶片的前面（接觸人體部分）用透聲材料做成聲透鏡，在長(zhǎng)條狀探頭的短軸方向形成聲聚焦。每個(gè)陣元都是獨(dú)立的，在長(zhǎng)條狀探頭的長(zhǎng)軸方向，用電子延遲線技術(shù)形成電子聚焦和多點(diǎn)聚焦，從而提高B型線性超聲診斷儀的空間分辨率。 多普勒效應(yīng) 在聲