超聲成像設(shè)備的發(fā)展趨勢

1、超聲成像設(shè)備的發(fā)展趨勢一引言超聲(Ultrasound，簡稱US)醫(yī)學(xué)是聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)及電子學(xué)相結(jié)合的學(xué)科。凡研究高于可聽聲頻率的聲學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用即超聲醫(yī)學(xué)。包括超聲診斷學(xué)、超聲治療學(xué)和生物醫(yī)學(xué)超聲工程，所以超聲醫(yī)學(xué)具有醫(yī)、理、工三結(jié)合的特點，涉及的內(nèi)容廣泛，在預(yù)防、診斷、治療疾病中有很高的價值。超聲成像是利用超聲聲束掃描人體，通過對反射信號的接收、處理，以獲得體內(nèi)器官的圖象。常用的超聲儀器有多種：A型（幅度調(diào)制型）是以波幅的高低表示反射信號的強(qiáng)弱，顯示的是一種“回聲圖”。M型（光點掃描型）是以垂直方向代表從淺至深的空間位置，水平方向代表時間，顯示為光點在不同時間的運動曲線圖。以上

2、兩型均為一維顯示，應(yīng)用范圍有限。B型（輝度調(diào)制型）即超聲切面成象儀，簡稱“B超”。是以亮度不同的光點表示接收信號的強(qiáng)弱，在探頭沿水平位置移動時，顯示屏上的光點也沿水平方向同步移動，將光點軌跡連成超聲聲束所掃描的切面圖，為二維成象。至于D型是根據(jù)超聲多普勒原理制成C型則用近似電視的掃描方式，顯示出垂直于聲束的橫切面聲象圖。近年來，超聲成象技術(shù)不斷發(fā)展，如灰階顯示和彩色顯示、實時成象、超聲全息攝影、穿透式超聲成像、超聲計并機(jī)斷層圾影、三維成象、體腔內(nèi)超聲成像等。超聲成像方法常用來判斷臟器的位置、大小、形態(tài)，確定病灶的范圍和物理性質(zhì)，提供一些腺體組織的解剖圖，鑒別胎兒的正常與異常，在眼科、婦產(chǎn)科及心

3、血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛。2 超聲設(shè)備的基本原理2.1脈沖回波原理人體組織和臟器具有不同的聲速和聲阻抗，聲波在傳播途中，遇到不同介質(zhì)的界面時會反射聲波，稱為回波。 超聲脈沖回波成像法： 發(fā)射超聲脈沖，遇界面反射，接收回波，檢測出其中所攜帶的信息；由于界面兩邊聲學(xué)差異并不是很大，大部分聲波穿過界面繼續(xù)向前傳播，到達(dá)第二個界面時又產(chǎn)生回波，并仍有大部分聲波透過該界面繼續(xù)前進(jìn)；將每次回波信號接收放大，并在顯示器上顯示。2.2超聲成像的物理基礎(chǔ)2.2.1超聲波應(yīng)用范圍 20100KHz 很多動物都用超聲波進(jìn)行交流、導(dǎo)航及追捕它們的獵物。 100 KHz（105Hz） 1MHz（106

4、Hz） 超聲波最重要的應(yīng)用就是聲吶（聲音導(dǎo)航及測距）。 2.5 MHz 5 MHz 用于心臟、腹部及軟組織成像。這些頻率能穿透組織可到達(dá)20-15cm的深度。 5 10MHZ 用于對小器官的成像，例如：腮腺、甲狀腺、頸部血管及眼睛顯像，它只需要4-5cm的穿透深度。 10 30MHz 用于皮膚及血管內(nèi)檢查，可以獲得高分辨力的圖像。 40 100MHz 用于生物顯微鏡成像，對眼活組織的顯微診斷。 醫(yī)學(xué)診斷常用的超聲頻率是210MHZ之間，對于淺表器官多采用7MHZ,對于腹部和心臟分別采用3.55MHZ和23MHZ2.2.2描述超聲波的基本物理量聲速：單位時間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱為聲速，

5、用符號“c”表示。單位為米/秒（m/s） 聲速是由傳播介質(zhì)所決定，不同人體組織器官的聲速不同，平均聲速為1540米/秒，其中空氣最?。?50米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。頻率：單位時間內(nèi)質(zhì)點振動的次數(shù)，用符號“f”表示 由探頭中壓電材料決定，在210兆赫茲范圍。波長：聲波在傳播時，同一波線上相鄰兩個同相位質(zhì)點之間的距離稱為波長，用符號“”表示。超聲波長與聲速和頻率滿足以下關(guān)系式：C=f2.2.3 聲速、波長與介質(zhì)的關(guān)系1、聲速與介質(zhì)的關(guān)系 （1）同一介質(zhì) 不同頻率的超聲波在同一介質(zhì)中傳播時聲速基本相同。所以用不同頻率的探頭檢查肝臟時，聲速基本相同。 （2）不同介質(zhì) 同一頻率的超聲波在不

6、同介質(zhì)中傳播的聲速是不同的。例如：1MHz超聲波在0的水中為1500ms；在0的鋼材中為6000ms；在人體軟組織中平均聲速為1540ms。人體軟組織的聲速分布在1500m/s1680m/s之間,利用超聲方法對軟組織測距存在一定的誤差。而骨組織的聲速則高于2800m/s、肺組織的聲速大約在1200m/s以下。2、波長與介質(zhì)的關(guān)系 （1）同一介質(zhì) 不同頻率的超聲波，在同一介質(zhì)內(nèi)傳播時其波長與頻率成反比。 1MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時，其波長為1.5mm。 3MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時，其波長為0.5mm。 5MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時，其波長為0.3mm， 所以頻率越高的

7、超聲波在同一臟器組織中傳播其波長愈短。例如：用高頻率的探頭檢查肝臟其波長也愈短。 （2）不同介質(zhì) 同一頻率的超聲波，在不同介質(zhì)內(nèi)傳播，因傳播聲速不同，則波長也不相同。頻率為3MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時，其波長為05mm，而在空氣中傳播，其波長為0.114mm。 所以用同一種探頭檢查人體不同的組織時，由于聲速存在差異，所以波長也是不相同的。2.3超聲的物理特性 指向性 反射、折射、散射和繞射 吸收與衰減 分辨力與穿透力 多普勒效應(yīng)2.3.1超聲的束射性 超聲的能量高度集中，在一個較小的立體角內(nèi)成束狀向前傳播，即超聲波的束射性（聲束）。 從聲源發(fā)出的超聲波最近的一段聲束幾乎平行，這段區(qū)域為

8、近場區(qū)。 遠(yuǎn)離此區(qū)后，聲束向前稍有擴(kuò)散，為遠(yuǎn)場區(qū)。擴(kuò)散的聲束與平行聲束間的夾角叫做擴(kuò)散角（） 超聲波指向性優(yōu)劣的指標(biāo)是近場的長度和擴(kuò)散角。2.3.2超聲波的反射 超聲波的反射是超聲成像的物理基礎(chǔ) 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，如果兩者的聲阻抗不同，就會在其分界面上產(chǎn)生反射，使一部分能量返回第一種介質(zhì)。 1.聲阻抗(z)=介質(zhì)密度()聲速(c)Z0.1%即可產(chǎn)生反射 2.聲阻抗差大，反射強(qiáng)聲阻抗 聲阻抗是表示介質(zhì)聲學(xué)特性的一個重要物理量。聲阻抗（Z）等于介質(zhì)的密度（）和聲速（C）的乘積，聲Z= C。 物質(zhì)的密度一般是固體液體氣體，超聲在介質(zhì)中的速度是固體液體氣體，故聲阻抗值一般也是固體液體

9、氣體。人體正常組織的聲阻抗骨骼最大，氣體最低。聲像圖中各種回聲顯像均主要由于聲阻抗差別造成。人體不同組織的阻抗值2.3.3超聲波的折射 兩種介質(zhì)內(nèi)聲速不同可產(chǎn)生折射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致入射聲束的偏轉(zhuǎn)。兩種介質(zhì)的聲速之比決定其折射程度。其間關(guān)系如下：式中i為入射角，j為折射角，C1為入射邊介質(zhì)中超聲聲速，C2為透射邊介質(zhì)中超聲聲速。全內(nèi)反射折射角的大小取決于兩種媒質(zhì)的聲速比n=c1/c2 ，當(dāng)c2c1時,則折射角qjqi，當(dāng)入射角由q0 逐漸增大到某一角度qik時,將有qj =90,即折射波沿界面?zhèn)鞑ザ?dāng)入射角超過ik時,入射聲能將全部反射到媒質(zhì)1中,故ik稱為”全內(nèi)反射臨界角”。在臨床檢查中,應(yīng)使探

10、頭放置正確的角度,以避免由”全內(nèi)反射”引起的圖像偽差。超聲波的入射、反射和折射示意圖2.3.4 超聲波的散射當(dāng)遇到界面遠(yuǎn)小于波長的微小粒子或一組小障礙物或者介質(zhì)性以粗糙表面形式出現(xiàn)時，這時將有一部分能量被散射，其散射程度決定于幾何條件。人體內(nèi)的散射源為紅細(xì)胞和臟器內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生散射時，作為障礙物的人體組織將作為新的波源，向四周發(fā)射超聲波，但只有朝向探頭方向的微弱散射信號后散射（背向散射），才能被檢測到。紅細(xì)胞的背向散射是超聲多普勒成像的依據(jù)，臟器內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)是超聲成像研究臟器內(nèi)微小組織結(jié)構(gòu)的依據(jù)。超聲成像的回聲來源是：超聲波的背向散射及反射。通過反射觀察臟器的輪廓，通過背向散射可以了解臟

11、器內(nèi)部的病變。2.3.5超聲波的繞射 目標(biāo)大小約為1 2個波長或稍小，超聲波將繞過該靶目標(biāo)繼續(xù)前進(jìn)，很少發(fā)生反射。2.3.6超聲波的吸收與衰減聲衰減定義： 是指聲能隨著傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象 衰減與超聲傳播距離和頻率有關(guān)。因超聲波的頻率很高，故衰減現(xiàn)象特別顯著。 聲衰減原因：傳播中的反射、散射、聲束的擴(kuò)散及組織對能量的吸收（1）由于聲束發(fā)散，散射及反射引起聲束方向改變（2）由于“內(nèi)摩擦”，超聲波機(jī)械能變?yōu)闊崮鼙唤M織“吸收”衰減系數(shù) 衰減的強(qiáng)弱通常用衰減系數(shù)來表示。 不同組織，吸收系數(shù)不同，衰減程度不同； 相同組織，入射深度越大，衰減越大； 相同組織，入射超聲頻率越高，衰減越大。 人體軟組織的

12、衰減系數(shù)與頻率成正比，所以頻率愈高的超聲波在人體組織中衰減愈大，只適用淺部器官的檢查。 人體組織衰減程度一般規(guī)律 組織內(nèi)含水分愈多，聲衰減愈低 液體中含蛋白成分愈多，聲衰減愈高 組織中含膠原蛋白和鈣質(zhì)愈多，聲衰減愈高 即：骨（或鈣化）肌腱（或軟骨）肝臟脂肪血液尿液（或膽汁）2.3.7超聲波的分辨力與穿透力 超聲的分辨力是指超聲診斷儀能夠區(qū)分兩個細(xì)小目標(biāo)的能力。分為軸向、側(cè)向和橫向三種分辨力。軸向分辨力是指在超聲聲束軸線上，能分辨兩點間的最小縱深距離。 側(cè)向分辨力是指垂直于超聲聲束軸線平面上與線陣探頭長軸方向一致的軸線上，能分辨相鄰兩點（兩個病灶）間的最小距離。橫向分辨力為與聲束軸線垂直平面上，

13、探頭短軸方向，與側(cè)向分辨力相垂直方向上的分辨力。反映切面情況的真實性。又叫厚度分辨力。超聲的穿透力是指分辨力的增加將以穿透力的損失為代價。所有的人體組織都表現(xiàn)出隨頻率增加超聲衰減也增加，那么穿透力必然降低。應(yīng)針對不同部位的診斷，可選擇不同頻率的超聲探頭。頻率高，分辨率高，穿透差頻率低，分辨率低，穿透強(qiáng)對應(yīng)的臨床應(yīng)用：檢測淺表器官，采用高頻探頭檢測深部臟器，采用低頻探頭2.3.8多普勒效應(yīng) 聲源與接收體之間的相對運動引起聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是超聲成像儀對運動臟器及血流顯像的基礎(chǔ)。2.4超聲對生物組織的作用 一定強(qiáng)度的超聲在生物體中傳播時，通過它們之間一定的相互作用機(jī)

14、制（熱機(jī)制、機(jī)械機(jī)制或空化機(jī)制）致使生物體系的功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 （1）空化作用： 所謂空化作用就是指在液體中產(chǎn)生強(qiáng)超聲時，會出現(xiàn)一種類似霧狀的氣泡，此種現(xiàn)象稱超聲空化作用。這種現(xiàn)象類似日常生活中所遇到的輪船推進(jìn)器在產(chǎn)生推動力的同時會濺出氣泡那樣。這種空化作用使超聲具有強(qiáng)烈的破壞作用。 由于生物組織大多數(shù)屬軟組織，因此，在超聲作用下，其細(xì)微結(jié)構(gòu)多少會發(fā)生形變。 在較大強(qiáng)度超聲的作用下，如超聲治療所用的1W/cm2以上的劑量，則生物組織會由于超聲空化作用而產(chǎn)生不能復(fù)原的破壞性形變，以至使細(xì)胞壞死和整個生物組織壞死，這種強(qiáng)度劑量在超聲治療中，用以粉碎結(jié)石、血栓。在外科手術(shù)中，用更強(qiáng)的超聲來作為非

15、侵入性手術(shù)刀。但作為超聲診斷，一般是禁止使用這種劑量的。 (2) 熱作用： 生物組織在超聲機(jī)械能的作用下，由于粘滯吸收，將一部分超聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織的溫度上升。 當(dāng)超聲輻射達(dá)到治療劑量的強(qiáng)度時，熱作用明顯，并能使熱量深入人體組織器官，甚至還會隨著血液傳導(dǎo)熱能。在用超聲進(jìn)行治療中得知，頻率為800KHz、劑量為4w/cm2的超聲照射20s后，會在組織器官0.23cm的深處產(chǎn)生熱作用，而起到治療效果。(高強(qiáng)度聚焦超聲HIFU) (3) 化學(xué)作用: 超聲的空化作用和熱作用與化學(xué)作用是有機(jī)聯(lián)系的；化學(xué)作用是氧化和還原作用。 在高劑量超聲情況下，超聲的化學(xué)作用可破壞有機(jī)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì) .2.5超聲

16、成像的特點 超聲波的方向性好：超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。超聲波的穿透能力強(qiáng)：超聲波在氣體、液體、固體等介質(zhì)中均可傳播，對于大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強(qiáng)的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。 超聲波的能量高：超聲檢測的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。 遇有界面時，超聲波將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換：利用超聲波在介質(zhì)中傳播時這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。 具有高度的安全性：當(dāng)嚴(yán)格控制聲強(qiáng)低于安全閾值時，超聲可能成為一種無損傷的診斷技術(shù)，對醫(yī)務(wù)人員更是十分安全。三超聲診斷儀器的基本結(jié)構(gòu)3.1探頭超聲探頭（u

17、ltrasonic probe）是超聲成像設(shè)備必不可少的關(guān)鍵部位，它是將電信號變化為超聲波信號，又將超聲波信號變換為電信號，即具有超聲發(fā)射和接受雙重功能。又稱超聲換能器。3.2超聲探頭與掃查方式常規(guī)探頭：扇型、線陣型、凸弧型 專用探頭：腔內(nèi)探頭（食管、直腸、陰道） 術(shù)中探頭 穿刺探頭超聲掃查方式示意圖 線陣型 扇型 凸弧型3.3探頭原理壓電效應(yīng) 泛指晶體處于彈性介質(zhì)中所具有的一種聲-電可逆特性，此現(xiàn)象為法國物理學(xué)者居里兄弟于1880年所發(fā)現(xiàn)，故也稱居里效應(yīng)。正壓電效應(yīng)在晶體的一定方向上，加上機(jī)械力使其發(fā)生形變，晶體的兩個受力面上，會產(chǎn)生符號相反的電荷；形變方向相反，電荷的極性隨之變換，電荷密度

18、同外施機(jī)械力成正比，這種因機(jī)械力作用而激起表面電荷的效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)在晶體的表面沿著電場方向施加電壓，在電場作用下引起晶體的幾何形狀發(fā)生改變；電壓方向改變，應(yīng)變方向亦隨之改變，形變與電場電壓成比例，這種因電場作用而誘發(fā)的形變效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)。3.4探頭的基本結(jié)構(gòu) 壓電晶體： 常用鋯鈦酸鉛類壓電陶瓷晶體 發(fā)射和接收聲波 其形狀決定聲束的形狀和聲場分布 墊襯吸聲材料： 衰減并吸收壓電晶體背向發(fā)射的超聲能量 要求墊襯具有較大的衰減能力，并具有與壓電材料接近的聲阻抗 匹配層和保護(hù)層： 聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻 選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料 聲學(xué)絕緣層： 防止超聲能量傳至探頭外殼引起反射，造成對信號的干擾 外殼： 作為探頭內(nèi)部材料的支承體，并固定電纜引線 四超聲成像設(shè)備4.1超聲成像設(shè)備分類1.按其用途分類： 超聲診斷儀:向人體內(nèi)發(fā)射超聲波，并接收由人體組織反射的回波信號，根據(jù)其所攜帶的有關(guān)人體組織的信息，加以檢測、放大等處理，并顯示出來，為醫(yī)生提供診斷的依據(jù)。 超聲治療儀：向人體內(nèi)發(fā)射一定功率的超聲能量，利用其與生物組織的相互作用產(chǎn)生的各種效