超聲成像設(shè)備課件

1、第六章 超聲成像設(shè)備掌握： 超聲波的物理基礎(chǔ)； B型、多普勒超聲診斷儀的構(gòu)造、工作原理、基本電路、評價指標(biāo)和質(zhì)量控制了解： 超聲設(shè)備的發(fā)展史，發(fā)展趨勢； A型、M型超聲診斷儀的構(gòu)造及工作原理。 第一節(jié) 概 述綜 述 超聲是超過正常人耳能聽到的聲波，頻率在2萬赫茲(Hz)以上。超聲檢查是利用超聲的物理特性和人體器官組織聲學(xué)性質(zhì)上的差異，以波形、曲線或圖像的形式顯示和記錄，借以進(jìn)行疾病診斷的檢查方法。超聲診斷由于設(shè)備不似CT或MRI設(shè)備那樣昂貴，可獲得器官的任意斷面圖像，還可觀察運(yùn)動器官的活動情況，成像快，診斷及時，無痛苦與危險，屬于非損傷性檢查，因此在臨床上應(yīng)用已普及，是醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的重要組成部

2、分。不足之處在于圖像的對比分辨力和空間分辨力不如CT和MRI高。一、超聲成像設(shè)備發(fā)展史1、1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；2、1921年首次將聲納用于探測潛艇；3、1945年Firestone制成A型脈沖超聲檢測儀。我國自1958年11月開始將A型超聲診斷應(yīng)用于臨床。4、1954年M型超聲波診斷儀誕生；5、60年代中后期80年代初期B型超聲檢查發(fā)展并普及，儀器漸趨完善;與此同時，D型超聲診斷儀也開始出現(xiàn)。我國自1978年開始應(yīng)用B型超聲診斷疾病。6、80年代中后期彩色血流顯像，為超聲診斷開創(chuàng)了更加廣闊的領(lǐng)域。7、90年代來經(jīng)顱多普勒（ Transcranial Doppler , TCD）診斷

3、儀應(yīng)用低頻多普勒超聲, 與此同時，介入性超聲（Interventional Ultrasound）在診斷和治療中都起到了重要的作用。二、超聲基礎(chǔ)知識（一）超聲波的概念和基本特性(一)超聲波的概念和基本特性1、超聲波的概念 頻率在2萬赫茲以上的機(jī)械振動波，稱為超聲波(ultrasnic wave)，簡稱超聲(ultrasound)。超聲波在傳聲介質(zhì)中的傳播特點是具有明確指向性的束狀傳播，這種聲波能夠成束地發(fā)射并用于定向掃查人體組織。2、超聲波的產(chǎn)生 醫(yī)用高頻超聲波是由超聲診斷儀上的壓電換能器產(chǎn)生的，這種換能器又稱為探頭，能將電能轉(zhuǎn)換為超聲能，發(fā)射超聲波，同時，它也能接受返回的超聲波并把它轉(zhuǎn)換成電

4、信號。 3.4 聲強(qiáng)(sound intensity) 聲強(qiáng)是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位體積的平均能量。聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強(qiáng)也越大。4、 反射與折射 與自然光在空氣和水中傳播一樣，超聲在人體組織中傳播不僅有衰減，同時還存在著反射、折射與透射現(xiàn)象。 如果超聲在非均質(zhì)性組織內(nèi)傳播或從一種組織傳播到另一種組織，由于兩種組織聲阻抗率的不同，在聲阻抗率改變的分界面上便會產(chǎn)生反射、折射與透射。當(dāng)超聲波垂直分解面入射時，可得到最佳的反射效果。 5、散射 聲波傳播過程中，遇到直徑小于波長的微小粒子，微粒吸收聲波能量后，再向四周各個方向輻射球波，這種現(xiàn)象稱為聲散射

5、，可出現(xiàn)在不規(guī)則的粗糙面上。生物組織的介質(zhì)中，散射現(xiàn)象時聲波傳播中最普遍、最基本的現(xiàn)象，它是脈沖回波技術(shù)的依據(jù)，也成為大多數(shù)超聲診斷技術(shù)的基礎(chǔ) 。 超聲的反射只能觀察到臟器的輪廓，超聲的散射卻能了解臟器內(nèi)部的病變。 超聲波頻率越高，分辨力越好，但衰減越強(qiáng)，穿透力越差；反之，頻率越低，分辨力越差，但衰減越弱，穿透力越強(qiáng)。在超聲診斷儀中，為使深部回聲信息清楚，一般采用靈敏度時間控制( STC) 或時間增益控制（TGC） 調(diào)節(jié)來補(bǔ)償聲衰減。（二）與普通聲波比較的優(yōu)勢：由于超聲波的頻率高，因而波長很短，它可以像光線那樣沿直線傳播，使我們有可能只向某一確定的方向發(fā)射超聲波；由于超聲波所引起的媒質(zhì)微粒的振

6、動，即使振幅很小，加速度也很大，因此可以產(chǎn)生很大的力量。 超聲波的這些特性，使它在近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。例如：我們可以利用超聲波來測量海底的深度和探索魚群、暗礁、潛水艇等。在工業(yè)上可以用超聲波對金屬內(nèi)部的氣泡、傷痕、裂縫等缺陷進(jìn)行無損檢測。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以進(jìn)行超聲滅菌、超聲清洗、超聲霧化等。更重要的是做成各種超聲診斷儀器和治療儀器。 超聲波在人體傳播主要有以下的物理特性： 1、束向性或指向性 2、反射、折射、散射和繞射 3、超聲波的吸收與衰減 4、多普勒效應(yīng) 超聲成像的基本原理和過程主要是依據(jù)上述超聲波在介質(zhì)中傳播的物理特性，其中最為重要的有以下三個方面：即聲

7、阻抗特性、聲衰減特性、多普勒特性。 （三）超聲的物理特性三、超聲成像的特點1、有高的軟組織分辨力，組織只要有0.1%的聲阻抗差異，儀器就能檢測出并顯示其反射回波。目前，超聲成像已能在近20厘米的檢測深度范圍，獲取優(yōu)于1毫米的圖像空間分辨力。2、具有高度的安全性，當(dāng)嚴(yán)格控制聲強(qiáng)低于安全閾值（平均聲強(qiáng)小于10mW/cm）時，超聲可稱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。3、實時成像 能高速實時成像，可以觀察運(yùn)動的器官，并節(jié)省檢查時間。4、使用方便，費(fèi)用較低，用途廣泛。（二）探頭 探頭也稱超聲換能器，由壓電晶體片制成。當(dāng)在晶片(又稱振子)上加高頻電脈沖激勵時，便會產(chǎn)生高頻振動發(fā)射超聲波。而

8、由界面反射的回聲信息到達(dá)晶片表面產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)換為高頻電信號，通過放大處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息。探頭既是發(fā)射器也是接收器，是整個超聲設(shè)備中的關(guān)鍵部件。 超聲診斷儀探頭有多種型號，體外常用的探頭有：電子線陣探頭、電子凸陣探頭、電子相控陣探頭；腔內(nèi)探頭有：經(jīng)食管探頭、直腸探頭、陰道探頭等。1 探頭基本結(jié)構(gòu)（1）換能器（2）殼件 （3）電纜 （4）其它：機(jī)械探頭中有電機(jī)，傳動 部件、位置檢測部件等。 背襯吸收塊匹配層壓電振子匹配層(保護(hù)層）被測組織A 單元換能器根據(jù)臨床診斷的要求，換能器有許多種不同結(jié)構(gòu)形式，而單元換能器是基本的結(jié)構(gòu)單元換能器它由主體和殼體兩部分組成（）主體：壓電振子，它是產(chǎn)生壓電效應(yīng)的元

9、件 吸收塊，吸收來自壓電振子的的聲能。 匹配層發(fā)射狀態(tài)，界面不發(fā)生發(fā)射，超聲全部透射進(jìn)入人體，提高換能器發(fā)射能量。接收狀態(tài)，回波全部進(jìn)入換能器，提高換能器的靈敏度。（）殼體：包括：外殼為換能器的結(jié)構(gòu)件接插件與超聲診斷儀連接的插頭電纜線超聲激勵電源及信號的連接 外殼接插機(jī)構(gòu)電纜線壓電振子吸收塊匹配層B 多元換能器多元換能器是由多個單元振子組成有的將振子沿直線排列為一行，組成線陣探頭；有的將振子沿弧形排列，構(gòu)成凸陣探頭；有的將振子成矩陣排列，構(gòu)成矩陣探頭等多種多元超聲換能器2、壓電效應(yīng) （1）正壓電效應(yīng) 在晶體或陶瓷的一定方向上，加上機(jī)械壓力，使其變形，晶體或陶瓷的兩個受力面上，產(chǎn)生符號相反的電荷

10、；變形方向相反，兩面的電荷極性隨之變換電荷密度同施加的機(jī)械力成比這種因機(jī)械力作用而激起表面的電荷效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)。 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，超聲的接收就是利用了正壓電效應(yīng)，即把超聲對壓電材料表面的機(jī)械力傳換成為電信號。+-+-+-+-+-壓電體未受外力兩側(cè)不帶電荷壓電體受拉力兩側(cè)帶電荷壓電體受壓縮力兩側(cè)帶電荷正壓電效應(yīng)（2）逆（負(fù)）壓電效應(yīng) 在晶體或陶瓷表面沿軸方向施加電壓，在電場作用下引起幾何應(yīng)變，電壓方向改變，機(jī)械應(yīng)變方向亦隨之改變，形變與電場成比例這種因電場作用而引起的形變效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng) 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，超聲的發(fā)射就是利用逆壓電效應(yīng) ，即用電壓使壓電材料產(chǎn)生機(jī)械振動，振動在介質(zhì)中的傳播形成

11、聲波。壓電片電極導(dǎo)線（3）符號B 常用壓電材料壓電單晶體石英靈敏度高，機(jī)械性好，穩(wěn)定性好，不易加工壓電多晶體壓電陶瓷成本低，加工方便醫(yī)用超聲診斷 人造壓電陶瓷和人造極性高分子聚合物，如鈦酸鋇、硫酸鋰、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（PZT）。C 壓電材料的主要性能參數(shù) 壓電系數(shù)：發(fā)射系數(shù)、吸收系數(shù)發(fā)射系數(shù)單位電場所產(chǎn)生的形變，適用于制成發(fā) 射型的換能器吸收系數(shù)單位應(yīng)力產(chǎn)生的電場，適用于制成接收 型換能器。 居里點：當(dāng)溫度升至3000C時，將失去壓電效應(yīng)，這個臨界溫度點稱居里點。所以，探頭不能高溫消毒。 頻率常數(shù)（FC）：FC=FS（諧振頻率）d（厚度） FS=FC/d 。 FC是特定的。FS決定于d高頻探頭

12、晶片很?。ㄒ騞很?。?，脆性大，加工損耗大，成本高，價格貴，所以，使用中特別小心。 介電常數(shù) 機(jī)電耦合系數(shù)（K）表示機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的效率。主要與壓電振子的形狀與振動模式有關(guān)。4 探頭分類 （1）脈沖回波式：單探頭（用于A型、M型、機(jī)械扇掃和脈沖多普勒工作方式的超聲診斷儀中)、機(jī)械探頭、電子探頭、術(shù)中探頭、穿刺探頭、經(jīng)腔內(nèi)探頭。（2）多普勒式：常見形式：連續(xù)波 CW 和脈沖波PW多普勒探頭梅花形探頭（三）發(fā)射接收單元 發(fā)射接收單元在電子掃描時傳送發(fā)射控制信號到探頭，并對來自超聲探頭的接收信號由放大系統(tǒng)進(jìn)行高頻放大、對數(shù)壓縮及有關(guān)預(yù)處理，并作電子聚焦和動態(tài)聚焦控制、檢波，然后傳送到DSC部件。此外

13、，這個部件還傳送DSC同步控制的有關(guān)信號，通過電子聚焦或動態(tài)聚焦方式使超聲束聚焦，以提高側(cè)向(橫向)分辨力。（四）數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器 1、 概念：一個存儲裝置，將信息一種格式存入存儲器，而以另一種格式讀出。DSC 輸出為XY二維輸入格式，輸出格式是標(biāo)準(zhǔn)的電視光柵。DSC核心部件：半導(dǎo)體圖像存儲器。2、工作原理： 數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器(DSC)部件對來自TxRx單元的超聲視頻信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換 (模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換)處理并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息存入存儲器中，構(gòu)成一幅幅數(shù)字化的圖像，存儲器中的超聲數(shù)據(jù)與來自鍵盤的字符和圖形數(shù)據(jù)合成，再經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換(數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換)，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為混合視頻信號被傳送到觀察監(jiān)視器和攝影

14、監(jiān)視器進(jìn)行圖像和文字的顯示。3、DSC作用：解決了較慢超聲回波信號提取和高速實現(xiàn)之間的矛盾；依靠圖像存儲器寫入地址和讀出地址的變換，實現(xiàn)了掃描制式的轉(zhuǎn)換；進(jìn)行圖像插補(bǔ)處理，增加信息密度，提高圖像的清晰度；通過改變圖象存儲器的讀寫方式使圖像的顯示方式多樣化。（五）監(jiān)視器 監(jiān)視器是以灰度或彩色顯示超聲檢查的回聲信息，通過顯示在屏幕上的圖像來進(jìn)行診斷。（1）顯像管（CRT）（2）液晶顯示器 （六）顯示器五、超聲診斷儀的類型1 一維圖像顯示：A型超聲診斷儀2 斷層顯示：B 型超聲診斷儀3 時間-運(yùn)動型：M型超聲診斷儀4 多普勒型超聲診斷儀5 彩色多普勒型超聲診斷儀6 彩色數(shù)字三維多普勒超聲診斷儀第二節(jié)

15、 A型和M型超聲診斷儀一、A型超聲診斷儀 A型超聲是最早出現(xiàn)的一維超聲診斷技術(shù),它將聲束傳播位置上的組織按距離分布的回波信息在顯示器上以幅度調(diào)制的形式顯示,并從回波的幅度大小,形狀及位置進(jìn)行診斷,回波強(qiáng)則波幅高,回波弱則波幅低。同步信號發(fā)生器發(fā)射器接收器顯示器XYABC反射點換能器YXABC發(fā)射器接收器顯示器同步信號發(fā)生器(一) A型超聲儀的基本結(jié)構(gòu)A型單向超聲診斷儀由主控電路、發(fā)射電路、時基電路、標(biāo)距電路、接收電路、延時電路、電源和換能器組成。 1 主控電路 產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖，分別去觸發(fā)反射電路和時基電路。增加同步信號的重復(fù)頻率，可提高熒光屏的亮度，但重復(fù)頻率過高，探測深度就受到限制。目前所

16、采用的多為4001000Hz的重復(fù)頻率，最低者為50Hz。2 發(fā)射電路 受同步信號觸發(fā)時，產(chǎn)生一個持續(xù)時間為1.55s的高頻電振蕩。輸出脈沖的幅度和持續(xù)時間可通過并聯(lián)在輸出端的電位器來調(diào)節(jié)。 3 時基電路 產(chǎn)生鋸齒波電壓，經(jīng)后級放大至足夠的幅度，送至示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板，產(chǎn)生掃描線。鋸齒波的重復(fù)頻率由主控電路決定。鋸齒波電壓變化的快慢（斜坡速度）和探測深度相關(guān)。通過調(diào)節(jié)鋸齒波電壓變化的快慢可調(diào)節(jié)儀器的探測深度。4 標(biāo)距電路 它產(chǎn)生距離標(biāo)志，以測量回波的位置和距離。由于隨時間線性變化的時基鋸齒波電壓代表超聲傳播的時間，所以熒光屏上橫坐標(biāo)代表著聲波傳播的時間。5 接收電路 包括高頻放大器、檢波器和視

17、頻放大器三部分，有的儀器加入補(bǔ)償電路。接收電路中，設(shè)有增益和抑制兩個調(diào)節(jié)旋鈕。增益旋鈕用來調(diào)節(jié)輸出的放大倍數(shù)，抑制旋鈕用來調(diào)節(jié)門限電平，以除去門限以下的無用小波，而不影響門限以上的信號?；芈曅盘栕詈笥梢曨l放大器放大到足夠的幅度，送到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板，產(chǎn)生Y向偏移。偏移的幅度基本和信號大小成正比。（二）特點：換能器以固定位置和方向?qū)θ梭w探查，其深度方向的回波信號對顯示器進(jìn)行幅度調(diào)制，從而形成一維波形圖。 （三）顯示 （四）適用范圍 靜止臟器 X 深度Y 幅度0（五）臨床診斷中的應(yīng)用范圍：A型超聲波診斷儀可用于許多科室，其中最有代表性的應(yīng)用是腦中線位置的測量。一般正常人腦中線位置通過顱骨的幾何中

18、心，最大偏差0.3cm。用雙跡A型診斷儀測量若腦中線偏移0.3cm，則應(yīng)考慮有占位性病變。此檢查無痛苦，準(zhǔn)確性高。A型診斷儀是最早應(yīng)用于臨床的超聲設(shè)備。由于B型診斷儀的出現(xiàn)，A型診斷儀已經(jīng)面臨被淘汰的邊緣，目前只在腦中線測量、眼科等方面還在應(yīng)用。但是A型診斷儀在組織的判別和確定（或稱組織定征）、生物測量方面都具有很高的準(zhǔn)確性和特異性。目前只有幾家國外廠家在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的A型診斷儀。 三 、M型超聲 M超是在輝度調(diào)制型中加入慢掃描鋸齒波,使回聲光點從左向右自行移動掃描,故它是B型超聲中的一種特殊的顯示方式。 M型超聲診斷儀采用亮度調(diào)制型的顯示法（brightness modulated displ

19、ay）。在顯示器上，以亮度反映回聲的強(qiáng)弱，垂直方向表示檢測深度，水平方向表示時間（心臟的活動時相），顯示心臟各層結(jié)構(gòu)相對體表的相對距離隨時間的變化曲線，反映心臟一維空間組織結(jié)構(gòu)的運(yùn)動情況，所以稱為M型(motion mode)。M型掃查系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)： M超由心電、心音、心搏和M型的多參數(shù)同步顯示的超聲心動儀器。重要由同步控制電路、水平（X軸）掃描發(fā)生器、高頻脈沖發(fā)生器、回波接收電路、生理參數(shù)通道和顯示器等部分組成。 基本原理：實現(xiàn)輝度調(diào)制： 在一維超聲掃描和顯示中，M型和A型儀器的區(qū)別在于顯示方式的不同：A型是幅度顯示，即回波信號加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，顯示的是波形幅值的大小，其幅度的高低表示信號的強(qiáng)弱，而M超采用亮度顯示，回波信號加到示波管的柵極或陰極上，及控制電子束的強(qiáng)弱，信號強(qiáng)時屏上顯示光點亮，信號弱時光點就弱?？梢娝娘@示與B超顯示相類似。 位移-時間曲線：在A超設(shè)備中，水平方向信號的距離代表著探測深度，而M超中反映探測深度的掃描信號是加在垂直偏轉(zhuǎn)板上，光點在垂直方向上的距離代表探測深度。即垂直方向代表人體軟組織臟器自淺至深的空間位置。另外，M超中在水平偏轉(zhuǎn)板上施加慢掃描電壓，使上下擺動的光點隨時間橫向展開，即水平方向代表時間，由此得出一條位移-時間曲線