超聲成像設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

1、超聲成像設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)一引言超聲(Ultrasound，簡(jiǎn)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(tīng)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(diǎn)，涉及的內(nèi)容廣泛，在預(yù)防、診斷、治療疾病中有很高的價(jià)值。超聲成像是利用超聲聲束掃描人體，通過(guò)對(duì)反射信號(hào)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(hào)的強(qiáng)弱，顯示的是一種“回聲圖”。M型（光點(diǎn)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(shí)間，顯示為光點(diǎn)在不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)稱“B超”。是以亮度不同的光點(diǎn)表示接收信號(hào)的強(qiáng)弱，在探頭沿水平位置移動(dòng)時(shí)，顯示屏上的光點(diǎn)也沿水平方向同步移動(dòng)，將光點(diǎn)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(lái)，超聲成象技術(shù)不斷發(fā)展，如灰階顯示和彩色顯示、實(shí)時(shí)成象、超聲全息攝影、穿透式超聲成像、超聲計(jì)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(lái)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(shí)會(huì)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(cè)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(guò)界面繼續(xù)向前傳播，到達(dá)第二個(gè)界面時(shí)又產(chǎn)生回波，并仍有大部分聲波透過(guò)該界面繼續(xù)前進(jìn)；將每次回波信號(hào)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(dòng)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)于淺表器官多采用>7MHZ,對(duì)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：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，超聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱

5、為聲速，用符號(hào)“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：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，用符號(hào)“f”表示 由探頭中壓電材料決定，在210兆赫茲范圍。波長(zhǎng)：聲波在傳播時(shí)，同一波線上相鄰兩個(gè)同相位質(zhì)點(diǎn)之間的距離稱為波長(zhǎng)，用符號(hào)“”表示。超聲波長(zhǎng)與聲速和頻率滿足以下關(guān)系式：C=×f2.2.3 聲速、波長(zhǎng)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(shí)聲速基本相同。所以用不同頻率的探頭檢查肝臟時(shí)，聲速基本相同。 （2）不同介質(zhì)

6、同一頻率的超聲波在不同介質(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(duì)軟組織測(cè)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(zhǎng)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(shí)其波長(zhǎng)與頻率成反比。 1MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為1.5mm。 3MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為0.5mm。 5MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為0.3m

7、m， 所以頻率越高的超聲波在同一臟器組織中傳播其波長(zhǎng)愈短。例如：用高頻率的探頭檢查肝臟其波長(zhǎng)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(zhǎng)也不相同。頻率為3MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為05mm，而在空氣中傳播，其波長(zhǎng)為0.114mm。 所以用同一種探頭檢查人體不同的組織時(shí)，由于聲速存在差異，所以波長(zhǎng)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(gè)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

8、幾乎平行，這段區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)區(qū)。 遠(yuǎn)離此區(qū)后，聲束向前稍有擴(kuò)散，為遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)的長(zhǎng)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(shí)，如果兩者的聲阻抗不同，就會(huì)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(gè)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

9、度是固體液體氣體，故聲阻抗值一般也是固體液體氣體。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(shí),則折射角qj>qi，當(dāng)入射角由q0 逐漸增大到某一角度qik時(shí),將有qj =90°,即折射波沿界面?zhèn)鞑ザ?dāng)入射角超過(guò)ik時(shí),入射聲能將全部反

10、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(zhǎng)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(shí)，這時(shí)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(shí)，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(hào)后散射（背向散射），才能被檢測(cè)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(lái)源是：超聲波

11、的背向散射及反射。通過(guò)反射觀察臟器的輪廓，通過(guò)背向散射可以了解臟器內(nèi)部的病變。2.3.5超聲波的繞射 目標(biāo)大小約為1 2個(gè)波長(zhǎng)或稍小，超聲波將繞過(guò)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(duì)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(lái)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，

12、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(gè)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(diǎn)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

13、線陣探頭長(zhǎng)軸方向一致的軸線上，能分辨相鄰兩點(diǎn)（兩個(gè)病灶）間的最小距離。橫向分辨力為與聲束軸線垂直平面上，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(shí)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(jià)。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(duì)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(duì)應(yīng)的臨床應(yīng)用：檢測(cè)淺表器官，采用高頻探頭檢測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)臟器及

14、血流顯像的基礎(chǔ)。2.4超聲對(duì)生物組織的作用 一定強(qiáng)度的超聲在生物體中傳播時(shí)，通過(guò)它們之間一定的相互作用機(jī)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(shí)，會(huì)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(dòng)力的同時(shí)會(huì)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(huì)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(huì)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

15、壞死和整個(gè)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(lái)作為非侵入性手術(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(shí)，熱作用明顯，并能使熱量深入人體組織器官，甚至還會(huì)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(huì)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)

16、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超聲成像的特點(diǎn) 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(duì)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(cè)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(shí)，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(shí)這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，使超聲檢測(cè)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(shí)，

17、超聲可能成為一種無(wú)損傷的診斷技術(shù)，對(duì)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（ultrasonic 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(hào)變化為超聲波信號(hào)，又將超聲波信號(hào)變換為電信號(hào)，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(guó)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

18、機(jī)械力使其發(fā)生形變，晶體的兩個(gè)受力面上，會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；形變方向相反，電荷的極性隨之變換，電荷密度同外施機(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(chǎng)方向施加電壓，在電場(chǎng)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(chǎng)電壓成比例，這種因電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)信號(hào)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(hào)，根據(jù)其所攜帶的有關(guān)人體組織的信息，加以檢測(cè)、放大等處理，并顯示出來(lái)，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