醫(yī)學(xué)影像設(shè)備第十章1

超聲成像設(shè)備內(nèi)容概要超聲波物理特性超聲成像基本原理醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲治療儀器超聲波的物理特性

聲速與介質(zhì)的體彈性系數(shù)和密度有關(guān)。由于介質(zhì)的彈性系數(shù)與溫度有關(guān)，因此聲速也與溫度有關(guān)。在超聲診斷的頻段中，人體組織的超聲速度與頻率無(wú)關(guān)，而且軟組織中的聲速都很接近，約為1540m/s。聲速聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，兩個(gè)相鄰的同相位點(diǎn)之間的距離，如相鄰兩點(diǎn)稠密部之間的距離（超聲波在人體中一般是以縱波方式傳播），稱為聲波的波長(zhǎng)，以λ表示。波向前移動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)的距離所需的時(shí)間，稱為聲波的周期，以T表示。介質(zhì)中任何一給定點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的波數(shù)，稱為聲波的頻率，以f表示。它們之間的關(guān)系為

λ=C/f=CT；C為超聲波傳播速度，

醫(yī)學(xué)診斷中采用的超聲波頻率在1-20MHz范圍內(nèi)。波長(zhǎng)、周期和頻率：超聲波的物理特性介質(zhì)中任意點(diǎn)的密度ρ與該點(diǎn)處聲波的傳播速度C之積為此介質(zhì)在該點(diǎn)處的聲阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介質(zhì)的聲學(xué)特性的一個(gè)重要物理量。聲阻抗的變化將影響超聲波的傳播。聲阻抗是采用反射回波法進(jìn)行超聲診斷的物理基礎(chǔ)。超聲波的物理特性聲阻抗聲壓級(jí)LP是以分貝表示的某個(gè)聲壓P與參考分壓P0的比值，即LP=20lg(P/P0)

聲強(qiáng)級(jí)LI是以分貝表示的某個(gè)聲強(qiáng)I與參考聲強(qiáng)I0的比值，即LI=10lg(I/I0)

聲強(qiáng)是表示聲的客觀強(qiáng)弱的物理量，它表示通過(guò)垂直于傳播方向上單位面積的能流率。聲強(qiáng)為

I=1/2(ρCω02A2)=

p02/(2Z)

聲強(qiáng)的單位是mW/cm2或W/m2。

聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)超聲波的物理特性聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強(qiáng)也越大。對(duì)于平面超聲波，他的總功率為強(qiáng)度I和面積S的乘積，即W=IS。

由于超聲強(qiáng)度太大會(huì)破壞人體正常細(xì)胞組織，因其不可逆的生物效應(yīng)。因此，國(guó)際上對(duì)診斷用超聲強(qiáng)度安全劑量作出規(guī)定，一般接受的安全劑量為20mW/cm2。

聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)超聲波的物理特性對(duì)于平面園片換能器，在無(wú)吸收的介質(zhì)中其波束形狀有兩個(gè)不同的區(qū)域即園柱形區(qū)和發(fā)散區(qū)或稱為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度為D2/4λ，D為晶片直徑，λ為該介質(zhì)中傳播的超聲波長(zhǎng)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，發(fā)散角由sinθ=1.22λ/D給出?？梢?，減小直徑可縮短近場(chǎng)長(zhǎng)度和增大，即加寬了波束。增加頻率即減小波長(zhǎng)時(shí)，加長(zhǎng)了近場(chǎng)區(qū)，減少了發(fā)散角，可獲得較窄的波束。超聲波的定向性超聲波的物理特性

聲強(qiáng)度沿中心軸距離的分布，近場(chǎng)區(qū)聲強(qiáng)度有劇烈的起伏變化，存在著許多聲強(qiáng)度為極小值的節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可引起不希望有的盲點(diǎn)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)聲強(qiáng)都變化趨于平穩(wěn)，單隨著距離的增加，聲強(qiáng)逐漸減弱。超聲波的物理特性超聲波的定向性超聲波的反射與折射

超聲波的物理特性當(dāng)一束平面超聲波入射到兩種介質(zhì)交界面上時(shí)，或者聲阻抗的不連續(xù)處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射，并遵從反射和折射定律。超聲在介質(zhì)中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。噪聲衰減的因素主要有兩類。一類是聲束本身擴(kuò)散，使單位面積上的能量下降，或反射，散射的結(jié)果，使能量不能再沿著原來(lái)的方向傳播。在這一類事件中，聲波的總能量并沒有減少。另一類是，超聲傳播中，由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換成為熱能，因而使聲能減小。后一類的機(jī)理比較復(fù)雜，主要有粘滯吸收；弛豫吸收、相對(duì)運(yùn)動(dòng)吸收及空化氣泡吸收。超聲波的物理特性超聲波的衰減

超聲波衰減主要分為：擴(kuò)散衰減、散射衰減、吸收衰減三個(gè)類型。超聲波的衰減

超聲波的物理特性聲源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，聽到的聲音頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是多普勒在1842年首先發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。超聲波的物理特性多普勒效應(yīng)內(nèi)容概要超聲波物理特性超聲成像基本原理醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲治療儀器聲波在傳播途中，遇到介質(zhì)的不均勻界面時(shí)，發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，產(chǎn)生的反射聲波即回波。超聲診斷儀通過(guò)對(duì)目標(biāo)介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后，接收其回波，并檢出其中所攜帶的有關(guān)目標(biāo)的信息，從而能夠確定目標(biāo)的方位與距離。這種方法稱為脈沖回波測(cè)距法，也是當(dāng)前全部超聲診斷儀所采用的方法。

超聲成像基本原理人體組織和臟器具有不同的聲阻抗，在聲阻抗突變的界面會(huì)產(chǎn)生回波。將超聲脈沖波發(fā)射到生物體內(nèi)'再接收來(lái)自生物體的反射回波信號(hào)，完成對(duì)生物體組織的掃查，這種方法稱為超聲脈沖反射法，或稱脈沖回波掃查技術(shù)。超聲成像基本原理內(nèi)容概要超聲波物理特性超聲成像基本原理醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲治療儀器醫(yī)用超聲診斷儀器基本組成醫(yī)用超聲換能器是將電能轉(zhuǎn)換成超聲波，同時(shí)也可將超聲波轉(zhuǎn)換成電能的一種器件，它是超聲儀器中的重要部件。換能器的構(gòu)成：換能器的核心是晶片，承擔(dān)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)在晶片上加一機(jī)械振動(dòng)時(shí)，晶片材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽Q為正壓電效應(yīng)；醫(yī)用超聲診斷儀器超聲換能器當(dāng)在晶片上加一交變電信號(hào)時(shí)，晶片材料將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交變信號(hào)同樣頻率的機(jī)械能稱為逆壓電效應(yīng)。這種逆壓電效應(yīng)（圖4-5）產(chǎn)生了超聲波。醫(yī)用超聲診斷儀器換能器的類型：超聲診斷換能器的分類方法很多，不僅有按臨床診斷部位、臨床應(yīng)用范圍、振子元數(shù)、聲束特性、頻譜特性、收發(fā)方式、幾何形狀、壓電材料等來(lái)分類，還有高密度、寬頻帶、變頻技術(shù)等數(shù)百種規(guī)格超聲探頭，包括線陣、凸陣、微凸陣、機(jī)械扇形掃描、腔內(nèi)、相控陣等類型探頭。醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲診斷儀器換能器的臨床應(yīng)用：線陣探頭、凸陣探頭主要用于腹部、婦產(chǎn)、外圍血管；機(jī)械扇形掃描探頭主要用于心臟；頻率在40--100MHz范圍的高頻探頭主要用于皮膚成像、冠狀動(dòng)脈內(nèi)成像及眼部成像，如超聲生物顯微鏡?；倦娐罚撼曉\斷儀電路大致相同，通常由主控電路、發(fā)射電路、高頻信號(hào)放大電路、視頻信號(hào)放大器和掃描發(fā)生器組成。顯示器：從人體反射回來(lái)的超聲信息最終是從顯示器或記錄儀上顯示的圖像中提取的。常見的顯示器有陰極射線管和液晶顯示器醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)學(xué)超聲診斷儀根據(jù)其原理、功能和顯示方式等，可以劃分為很多類型，在臨床應(yīng)用串通常以圖像顯示方式來(lái)劃分，即分為A型、M型和B型等。各種分類主要包括：1．按獲取信息的空間分為一維信息設(shè)備、二維信息設(shè)備、三維信息設(shè)備和四維信息設(shè)備。2．按圖像獲取信息方式分為反射法超聲診斷儀、多普勒法超聲診斷儀和透射法超聲診斷儀。

醫(yī)用超聲診斷儀器超聲診斷儀的分類3．按圖像信息顯示方式分為A型、l型、B型、P型、BP型、c型、F型、D型和超聲全息等，除A型和M型及D型外，其他各型屬?gòu)V義的B型范圍。4．按顯示分為彩色掃查顯像型、偽彩色顯示類、三維和多維掃查顯示類。5．按用途分為心臟專用型、婦產(chǎn)科專用型、腹部專用型、泌尿科專用型、眼科專用型和多普勒專用型等。6.按功能分為高檔多功能、中檔和普及型。醫(yī)用超聲診斷儀器A型超聲診斷儀(Amodeultrasonograph)是一種利用超聲波的反射（回波）特性測(cè)定被測(cè)對(duì)象（目標(biāo)）在體內(nèi)位置的診斷儀器，其定位（測(cè)距）原理基于脈沖回波法。當(dāng)超聲波的傳播速度c一定時(shí)．超聲波的波源至目標(biāo)物間的距離I。便由超聲波來(lái)回一次所需的時(shí)間△t決定．因此波速c一定時(shí)，目標(biāo)的定位實(shí)際上就是一個(gè)時(shí)間測(cè)量的問題。醫(yī)用超聲診斷儀器A型超聲診斷儀醫(yī)用超聲診斷儀器M型超聲診斷儀M型超聲診斷儀(Mmodeultrasonograph)用來(lái)測(cè)定心臟組織在不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線圖

，即超聲心動(dòng)圖(ultrasonlccardiograr，UCG)。由于運(yùn)動(dòng)(motion)的第一個(gè)字母是M，故稱為M型超聲診斷儀。其原理圖如圖4-10所示。醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲診斷儀器

B型超聲診斷儀是利用超聲脈沖回波原理，在顯示器上以輝度調(diào)制方法形成的回波光點(diǎn)分布圖來(lái)代表多條聲束掃查體內(nèi)某一切面時(shí)的超聲斷層圖像或稱聲像圖的一種超聲波圖像診斷裝置，簡(jiǎn)稱為B超。醫(yī)用超聲診斷儀器B型超聲診斷儀在B型超聲診斷儀的屏幕上同步顯示超聲換能器（探頭）掃查人體內(nèi)某一切面聲像圖：縱坐標(biāo)代表聲波傳人體內(nèi)的時(shí)間或深度，亮度受對(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)人體掃查的方向。由于它能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)觀察臟器或病變的斷層圖像，成為目前超聲圖像診斷應(yīng)用最廣泛的儀器。醫(yī)用超聲診斷儀器B型超聲的組成B型超聲診斷儀無(wú)論其復(fù)雜程度如何，其基本組成通常包括探頭（換能器、超聲發(fā)射電路、超聲接收電路、數(shù)字掃描變換器(digitalscanconverter,DSC)、控制及定時(shí)電路、監(jiān)控與計(jì)測(cè)軟件、顯示器、電源等部分，如圖4-13所示。醫(yī)用超聲診斷儀器B型超聲診斷儀按探頭對(duì)人體掃描探查的方式不同，常分為機(jī)械扇形掃查、機(jī)械徑向掃查、電子線陣、電子凸陣、電子相控陣、環(huán)陣相控陣等多種類型。機(jī)械扇形掃查超聲診斷儀是以馬達(dá)為動(dòng)力，借助于機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使超聲換能器作扇形偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行二維聲束掃查從而獲得扇形切面圖像的超聲成像儀器，機(jī)械扇形掃查常用于心臟實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。機(jī)械徑向掃查超聲診斷儀中，徑向掃查的超聲換能器作360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要用于腔內(nèi)診斷。醫(yī)用超聲診斷儀器B型超聲的分類電子線陣掃查、凸陣掃查或電子相控陣掃查，使用的超聲換能器晶片均被分成許多獨(dú)立的小晶片，通常稱為陣元，由控制電路對(duì)換能器陣元進(jìn)行組合和切換控制，使每個(gè)陣元與一個(gè)發(fā)射／接收器連接，通過(guò)對(duì)發(fā)射脈沖和接收回波的延時(shí)控制，便能快速地改變超聲聲束的發(fā)射／接收位置，實(shí)現(xiàn)聲束快速移動(dòng)掃查，從而獲得B型電子掃描超聲圖像。醫(yī)用超聲診斷儀器環(huán)陣相控陣掃查指的是超聲換能器是由若干同心圓環(huán)形陣元組成，利用電子動(dòng)態(tài)發(fā)射和接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聲束分段聚焦合成，獲得聲束截面二維聚焦和長(zhǎng)的視野深度，從而提高B型超聲圖像分辨力的一種掃查方式。醫(yī)用超聲診斷儀器B型超聲診斷儀的功能醫(yī)用超聲診斷儀器掃描方式：指是否具有電子線陣、凸陣、相控陣、環(huán)陣、機(jī)械扇形掃查籌多種功能，還是單一功能。顯示模式：指是否具有B.B+M和M等多種顯示模式。探頭標(biāo)稱工作頻率：指是否具有多個(gè)探測(cè)頻率(2.5～I(xiàn)OMHz)，最高頻率值。信號(hào)處理能力：指是否具有動(dòng)態(tài)聚焦、數(shù)字掃描變換、多種圖像顯示、功能擴(kuò)展（圖像實(shí)時(shí)顯示、圖像凍結(jié)、極性反轉(zhuǎn)、圖像方位翻轉(zhuǎn)、圖像放大、圖像回放、時(shí)相同步顯示）和圖像處理技術(shù)（插補(bǔ)技術(shù)、了變換處理、直方圖、偽彩顯示、三維圖像合成等）等功能。多普勒功能：指是否具有彩色多普勒血流成像功能，連續(xù)的還是脈沖多普勒，是否具有FFT功能和高重復(fù)頻牢特性等。醫(yī)用超聲診斷儀器聲速線數(shù)：指一個(gè)超聲掃查周期內(nèi)具有多少條掃查線，南換能器所具有的陣元數(shù)決定，通常有64陣元、80陣元、128陣元，也有高達(dá)192陣元的。安全指標(biāo)：為了確保安傘，輸出聲強(qiáng)一般應(yīng)不大10mW/cm2，患者漏電流應(yīng)小于l00uA。醫(yī)用超聲診斷儀器B型超聲診斷儀的圖像質(zhì)量指標(biāo)盲區(qū)：盲區(qū)是指B型超聲診斷儀可以識(shí)別的最近目標(biāo)距離（深度）o盲區(qū)越小，則越有利于檢查接近體表的病灶。在換能器前加有水囊時(shí)，盲區(qū)無(wú)意義。探測(cè)距離（深度）：指在圖像正常顯示允許的最大靈敏度和亮度條件下，所能觀測(cè)到的回波目標(biāo)的最大距離（深度）o該值越大，在人體內(nèi)探測(cè)檢查的范圍就越大。決定探測(cè)距離的因素有換能器靈敏度、超聲發(fā)射功率、接收放大的增益和超聲工作頻率等。醫(yī)用超聲診斷儀器軸向（縱向）分辨力：指沿超聲束軸線方向（縱向），B型超聲診斷儀的圖像顯示中能夠分辨兩個(gè)回波目標(biāo)的最小距離。軸向分辨力越小，聲像囹上縱向界面的層理越清晰。對(duì)超聲脈沖回波系統(tǒng)，該值決定于超聲脈沖的有效寬度，脈沖越窄，軸向分辨力越高。醫(yī)用超聲診斷儀器側(cè)向（橫向）分辨力：指超聲束的掃查平面內(nèi)，垂直于聲束軸線的方向（橫向）上能夠區(qū)分兩個(gè)回波目標(biāo)的最小距離，該值越小，聲像圖橫向界面的層理便越清晰。決定側(cè)向分辨力的因素包括超聲束寬度（聲束越窄，側(cè)向分辨力越好）、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍、顯示器亮度和媒質(zhì)衰減系數(shù)等。醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲診斷儀器幾何位置示值誤差：指B型超聲診斷儀顯示和測(cè)量目標(biāo)實(shí)際尺寸和距離的準(zhǔn)確度。該值影響到病灶在人體內(nèi)的正確定位，影響該值的因素有聲速設(shè)定和掃描規(guī)律形式，扇形圖像的均勻性通常比平面線陣掃描幾何位置的準(zhǔn)確度更差。醫(yī)用超聲診斷儀器醫(yī)用超聲診斷儀超聲源的檔次分類超聲彩色血流成像(ultrasonccolorflowmapping,UCFM)和B型超聲斷層顯像的原理區(qū)別在于，前者是依靠運(yùn)動(dòng)著的血流產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)來(lái)調(diào)制圖像亮度，而后者是依靠人體組織界面回波振幅來(lái)調(diào)制。醫(yī)用超聲診斷儀器超聲彩色血流成像設(shè)備在超聲彩色血流成像系統(tǒng)中血流速度的大小用彩色亮度來(lái)表示，而速度的方向用紅和藍(lán)兩種顏色來(lái)區(qū)別。當(dāng)聲束平行于血流方向時(shí)，血流朝向探頭，則以紅色表示，血流背向探