第二章 超聲儀器

第二章超聲波儀的構(gòu)造及分類

錦源電子0516-3638855363886610/18/20231第一節(jié)超聲診斷儀的基本組成及構(gòu)造10/18/20232超聲診斷儀的組成(1)超聲換能器(2)基本電路(3)顯示器10/18/20233一、超聲換能器定義：是將電能轉(zhuǎn)換成超聲能，同時將也可將超聲能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。

目前應(yīng)用的主要是壓電換能器，其種類繁多，除了連續(xù)波多普勒設(shè)備中使用收發(fā)分離的換能器結(jié)構(gòu)外，其余都是采用脈沖工作方式，所以都是使用收發(fā)共用的換能器結(jié)構(gòu)。10/18/20234(一)換能器的組成壓電振子匹配層聚焦件背襯塊10/18/20235

壓電振子

------換能器的核心目前壓電振子常用的材料是人造壓電陶瓷鋯鈦酸鉛----最為常用優(yōu)點(diǎn)：電—聲轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、易成形、成本低；缺點(diǎn)：頻率不夠高等；偏鈮酸鉛：頻率及頻寬均較鋯鈦酸鉛好。聚偏氟乙烯薄膜：頻帶更寬，是理想的壓電材料。10/18/20236匹配層

是位于壓電振子前面的一層或多層

的聲學(xué)材料。作用：使高聲阻抗的壓電振子與低聲阻抗的人體組織間達(dá)到阻抗匹配，以提高聲能的最大傳輸效率。組成：通常用四分之一波長厚度的阻抗匹配層來實(shí)現(xiàn)。10/18/20237聲透鏡

位置：在探頭的匹配層與人體組織間；

材料：常用塑料或樹脂制成；

作用：聲聚焦和換能器的保護(hù)層；

原理：透鏡材料的聲速大于周圍介質(zhì)聲速時聲束可折射效應(yīng)發(fā)生會聚。10/18/20238背襯塊

位置：位于壓電振子背后；

材料：由鎢粉與環(huán)氧樹組成的強(qiáng)吸聲物；

作用：防消除后向干擾；實(shí)現(xiàn)窄脈沖，提高縱向分辨力；

原理：透吸收背向聲波，使之能量消耗。10/18/20239(二)換能器的分類一、據(jù)工作原理1．脈沖反射式有A超、M超和B超，B超探頭括線陣、凸陣、相控陣、環(huán)陣等。2．多普勒式有連續(xù)波和脈沖波多普勒探頭。

10/18/202310(二)換能器的分類二、據(jù)控制掃查方式1．電子式線陣型、相控陣型、凸陣型及環(huán)陣式探頭。2．機(jī)械式擺動式、旋轉(zhuǎn)式探頭。10/18/202311(二)換能器的分類三、據(jù)晶片數(shù)1．單晶片

A超、M超及擺動式機(jī)械探頭。2．多晶片

線陣型、凸陣型、相控陣型和環(huán)形陣型等。10/18/202312擺動式機(jī)械扇掃探頭構(gòu)成：由一塊晶片組成；原理：微型電機(jī)驅(qū)動晶片，作來扇形回擺動；優(yōu)點(diǎn)：成本低，容易修復(fù)；缺點(diǎn)：噪聲大，磨損嚴(yán)重。10/18/202313旋轉(zhuǎn)式機(jī)械扇掃探頭構(gòu)成：由多塊晶片組成；原理：微型電機(jī)驅(qū)動晶片，作360度旋轉(zhuǎn)；優(yōu)點(diǎn)：噪聲小，磨損較輕；缺點(diǎn)：成本高，修復(fù)較難。10/18/202314線陣型探頭構(gòu)成：由6-8個陣元沿一直線排列組合；每個陣元分割成若干窄條振子。原理：陣元組依一定順序工作，用電子開關(guān)輪番地接通，形成線性掃描。評估：近場視野大，易受肋骨、氣體影響。10/18/202315凸陣型探頭構(gòu)成：陣元的窄條振子被均勻分布在凸形圓弧上；原理：同線陣，只是其波束是作扇形掃描；評估：能避開胸骨和肋骨遮擋，無噪音，可替代機(jī)械扇掃探頭。10/18/202316相控陣探頭構(gòu)成：與線陣類似，僅陣元數(shù)少些，故結(jié)構(gòu)緊湊。原理：通過適當(dāng)調(diào)整、控制各單元激勵信號的相延(或時延)，以實(shí)現(xiàn)聲速偏轉(zhuǎn)。評估：優(yōu)點(diǎn)與凸陣相似，但旁瓣較明顯。10/18/202317環(huán)形相控陣探頭構(gòu)成：由一系列同心的圓環(huán)形晶元體組成。原理：適當(dāng)調(diào)整、控制圓環(huán)形晶元體的激勵信號和接收信號的相延(或時延)，使聲束聚焦的焦距作連續(xù)或步進(jìn)式移動。評估：全程橫向分辨力高。10/18/202318二、基本電路

超聲診斷儀除連續(xù)多普勒用連續(xù)波外，大多用脈沖波，后者種類很多，但基本結(jié)構(gòu)大致相同。

10/18/202319(一)主控電路

即同步觸發(fā)信號發(fā)生器，它周期性地產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號，分別觸發(fā)發(fā)射電路與掃描發(fā)生器中的時基掃描電路。

其下限應(yīng)不小于探測目標(biāo)運(yùn)動波形最高頻率的２倍，而其上限則取決于聲波對人體的最大探查深度所需的時間。超聲脈沖重復(fù)頻率決定于觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率，其選擇必須滿足如下要求：10/18/202320重復(fù)頻率越高，顯示器圖象越亮。脈沖重復(fù)頻率采樣下限要求：

如二尖瓣運(yùn)動波形的最高多普勒頻率為100Hz，則脈沖重復(fù)頻率應(yīng)選擇高于200Hz；脈沖重復(fù)頻率采樣上限要求：

如最大探測深度定為20cm，往返為0.4m，聲速為1500m／s,則需時為T＝0.4／1500＝260us，對應(yīng)重復(fù)頻率為f＝1/T＝3846Hz，一般最高取3kHz。10/18/202321(二)發(fā)射電路

發(fā)射電路受同步信號觸發(fā)后，產(chǎn)生高壓電脈沖去激發(fā)換能器，換能器受到激發(fā)后，便發(fā)射一定頻率和寬度的脈沖超聲波。

超聲波的穿透力和縱向分辨力很大程度上決定于發(fā)射電路的特性，一般要求發(fā)射電路發(fā)射既有一定幅度，持續(xù)時間又要短的脈沖波。發(fā)射頻率決定于晶片的特性和厚度，頻寬還決定于探頭的結(jié)構(gòu)及發(fā)射電路的阻尼。10/18/202322(三)高頻信號放大電路

換能器發(fā)出脈沖波后，即接收其來自人體內(nèi)的超聲回波并將它轉(zhuǎn)換為高頻電信號，繼而通過高頻信號放大電路放大。為獲得足夠的靈敏度與保真度，高頻信號放大電路應(yīng)足夠大增益和帶寬。并根據(jù)不同需要，在高頻信號放大電路中設(shè)有TGC。電路組成：保護(hù)電路、前置放大、高頻放大及非線性放大的時間增益電路等組成。10/18/202323(四)視頻信號放大

回波電信號經(jīng)高頻放大后，再作檢波，檢波后的視頻包絡(luò)信號，頻率較低，需經(jīng)過視頻信號放大器作適當(dāng)?shù)姆糯?。Ａ型超聲儀：將信號加至顯示器y軸偏轉(zhuǎn)板(或偏轉(zhuǎn)線圈)上，使電子水平掃描線產(chǎn)生垂直方向偏移(A型)；Ｂ型、Ｍ型超聲儀：將信號加到顯示器的柵極上進(jìn)行圖象的亮度調(diào)制。具有數(shù)字掃描變換器的超聲儀是在信號合成及D/A轉(zhuǎn)換后,經(jīng)視放放大去調(diào)節(jié)顯示器的亮度。10/18/202324(五)掃描發(fā)生器

掃描發(fā)生器產(chǎn)生的掃描電壓加到顯示器的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上，使電子束按一定的規(guī)律掃描。

通常把視頻放大器和掃描發(fā)生器統(tǒng)稱為顯示電路，而顯示系統(tǒng)則由顯示器件、顯示電路和有關(guān)電路組成。

A型、M型及B型超聲診斷儀的掃描發(fā)生器都不相同。10/18/202325三、顯示器

從人體反射回來的超聲信息最終是從顯示器或記錄儀上顯示的圖象中提取的。

超聲診斷儀的顯示器通常是陰極射線管(CRT)，根據(jù)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不同可分兩種，即靜電偏轉(zhuǎn)示波管和磁偏轉(zhuǎn)顯示管。10/18/202326三、顯示器

整個CRT由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏組成?；竟ぷ髟?/p>

由加熱陰極發(fā)射出的電子被聚焦成為電子束，通過電場(示波管)或磁場(顯像管)的作用改變電子束運(yùn)動方向(偏轉(zhuǎn))，并繼而轟擊涂有熒光物質(zhì)的屏幕的不同部位，使之發(fā)光，由這些光點(diǎn)在屏幕上組成一幅圖象。

10/18/2023271、電子槍

電子槍由陰極、控制極和陽極組成。

通電后的電子槍燈絲，在高壓電場作用下，發(fā)射出電子，經(jīng)控制極和陽極的作用，集成一束?？刂茦O的電壓一般負(fù)于陰極，對陰極電子流的大小進(jìn)行控制，顯示管的亮度調(diào)節(jié)就是改變這個電壓。陽極電壓用來控制電子流(或稱電子束)的粗細(xì)，故亦稱為聚焦陽極。10/18/2023282、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

使電子束在x方向和y方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而控制光點(diǎn)在熒光屏上的位置。

靜電偏轉(zhuǎn)型CRT的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由兩對互相垂直的X方向和Y方向上的偏轉(zhuǎn)板組成，他們在外電場的作用下，能引起電子束的方向改變。磁偏轉(zhuǎn)型CRT的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由在管頸外兩側(cè)放置的一對線圈組成，線圈有垂直和水平之分，一般稱為行偏轉(zhuǎn)線圈和幀偏轉(zhuǎn)線圈。在線圈中流過的電流大小控制著電子束偏轉(zhuǎn)的大小。10/18/2023293、熒光屏

是將電能轉(zhuǎn)換為光能的一種器件，超聲圖像、波形及字符等就在這里顯示出來。

熒光屏位于顯示管的頂部，其內(nèi)面涂有熒光物質(zhì)，該物質(zhì)受電子束轟擊后就能發(fā)光。光點(diǎn)是組成圖像的基本要素，稱為像素；光點(diǎn)的明亮程度用灰階表示；光點(diǎn)的維持時間取決于顯示器熒光粉的余灰時間，實(shí)時超聲一般選用中短余輝的CRT。10/18/202330第二節(jié)超聲診斷儀的類型10/18/202331超聲診斷儀的分類影像超聲：一維：Ａ超、Ｍ超二維：Ｂ超三維：血流超聲：一維：脈沖、連續(xù)多普勒二維：彩色多普勒血流顯像三維：10/18/202332一、Ａ型超聲診斷儀

以探頭接收到的超聲脈沖信號的幅度為縱坐標(biāo)，而以超聲脈沖的傳播時間為橫坐標(biāo)的一種顯示方式。

Ａ型超聲適用于簡單解剖結(jié)構(gòu)的檢查、線度測量，如腦中線檢查、眼科檢查。10/18/202333二、Ｂ型超聲診斷儀

顯示的局部亮度或光強(qiáng)代表回波的幅度的回波信息表示方法。

在顯示屏上，以聲束掃查移動位置為橫坐標(biāo)，以超聲的傳播時間縱坐標(biāo)，并以回波幅度調(diào)制輝度，可得到探頭掃查經(jīng)過的平面內(nèi)的圖像。10/18/202334B超與A超的區(qū)別1)B超的y軸位移代表聲波向人體內(nèi)的傳播深度；2)回波的信號強(qiáng)度在A超上以幅度表示，而B超則是以亮度表示；3)B超X軸方向的電子掃描與聲束對人體的掃查。

由許多相平行的、亮度受人體回波幅度調(diào)制的ｙ軸掃描線連成一片，就構(gòu)成了一幅二維超聲圖象。10/18/202335二、Ｍ型超聲診斷儀

將沿聲束方向各反射點(diǎn)位移隨時間變化而顯示，是一種以光點(diǎn)亮度來表示反射聲信號強(qiáng)弱的儀器。

Ｍ型對探查人體內(nèi)的運(yùn)動器，如心臟、胎心的搏動特別有用，常與Ｂ型聯(lián)合使用，同時加上心電圖、多普勒等，制成多參數(shù)超聲心動儀。10/18/202336Ｍ型超聲基本原理

將回波強(qiáng)度加到顯示器的控制極上作輝度調(diào)制，代表深度的時基線加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，而在水平偏轉(zhuǎn)板上加一慢變化的時間掃描電壓，使深度的時基線以慢速沿Ｘ方向移動，故靜止目標(biāo)的顯示像是一條水平亮跡，擺動著的單Ｍ型顯像為一正弦曲線。10/18/202337M超與B超的區(qū)別

1)M型反映的是一維空間中的動態(tài)信息，而B型反映的是二維空間的結(jié)構(gòu)信息。2)M型X軸方向代表的是時間，而B型代表了空間的橫向展開。3)y軸方向都代表聲波對人體的探查深度。4)來自人體回波的幅度大小都是以y軸掃描線上的亮度強(qiáng)弱來表示的。10/18/202338四、三維超聲診斷儀將立體圖象以投影圖或透視圖表現(xiàn)在平面上的顯示方式，可從各個角度來觀察該立體目標(biāo)。

三維超聲成像技術(shù)是利用電子計算機(jī)將一系列一定規(guī)律采集的二維圖像信息重建，從而構(gòu)成三維圖像，能提供更加豐富的三維空間信息，以彌補(bǔ)二維超聲成像的不足。10/18/202339(一)三維表面成像－－可進(jìn)行形態(tài)學(xué)研究含液性空腔器官表面有液體被低回聲圍繞10/18/202340(二)三維透明成像－－應(yīng)用于骨骼及含液性結(jié)構(gòu)最大模式X線模式最小模式10/18/202341(三)三維多平面成像－－常規(guī)二維無法得到10/18/202342五、頻譜多普勒

多普勒超聲脈沖波進(jìn)入人體后，將產(chǎn)生一系列復(fù)雜的頻移信號，這些信號被接收器接收并處理之后，還必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)念l率分析和顯示，方能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫难餍畔ⅰ?0/18/202343(一)多普勒頻譜分析

利用數(shù)學(xué)的方法對多普勒信號的頻率、振幅及其隨時間而變化的過程進(jìn)行實(shí)時分析的一種技術(shù)。

在多普勒超聲中，實(shí)時頻譜分析的方法主要采用快速富立葉轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換是利用計算機(jī)技術(shù)對一個復(fù)雜信號進(jìn)行實(shí)時頻譜分析，經(jīng)過分析后，就能鑒別信號中的各種頻率移動和這些頻移信號的有關(guān)流向，將復(fù)雜的混合信號分解為單個的頻率元素，最后形成實(shí)時顯示的血流頻譜。10/18/202344(二)多普勒頻譜顯示普勒信號經(jīng)過頻譜分析之后，通過兩種方式加以輸出，一種是音頻輸出，另一種是圖象輸出。10/18/2023451、多普勒音頻輸出

多普勒的發(fā)射和接收頻率均為超聲，但其頻移的數(shù)值常為1--20干赫，恰為可聞聲。故頻移信號被放大后輸入揚(yáng)聲器中，成為音頻信號。音頻信號可反映血流的性質(zhì)，其高低反映頻率的高低，而響度則反映振幅的高低。血流在流經(jīng)心腔和大血管的不同部位時，可將產(chǎn)生不同的音頻信號。借助于音頻信號，可正確地判斷血流的性質(zhì)并指導(dǎo)聲束的方向。10/18/2023462、多普勒圖像輸出

頻譜顯示是多普勒頻移信號圖象輸出的主要方式。在這種顯示中，可得到以下信息：頻移時間：以橫坐標(biāo)的數(shù)值表示，代表血流持續(xù)的時間，單位為秒。

頻移大小：以縱坐標(biāo)的數(shù)值表示，代表血流速度的大小，單位常以米／秒。10/18/2023472、多普勒圖像輸出

頻移方向：以頻譜圖的基線為界，基線以上的頻移信號為正值，基線以下的頻移信號為負(fù)值。

信號振幅：以頻譜的灰度表示，代表取樣容積或探查聲束內(nèi)具有相同流速的血細(xì)胞數(shù)量的多少。

頻率范圍：以縱坐標(biāo)上頻譜的寬度表示，代表某一瞬取樣容積中血細(xì)胞速度分布范圍。10/18/202348(三)連續(xù)多普勒

理論上最大流速的測值無限制性。流速實(shí)際可測值常大于米7／秒，定量分析狹窄、分流和返流性病，其主要缺點(diǎn)是缺乏空間分辨能力。

探頭用雙晶片，一個連續(xù)發(fā)射脈沖波，另一個連續(xù)接收并轉(zhuǎn)換成電信號和放大，經(jīng)過基本電路的處理，即可在顯示器上得到多普勒頻移隨時間變化的圖譜。10/18/202349(四)脈沖多普勒距離選通：沿超聲束不同深度的某一區(qū)域作多普勒檢查。取樣容積：其大小等于脈沖波的波長與數(shù)目的乘積。突出優(yōu)點(diǎn)：疾病的定位診斷和血流量的定量測定。主要缺點(diǎn)：受脈沖重復(fù)頻率的限制，易出現(xiàn)頻率失真。其超聲脈沖波的發(fā)射與接收均以一個探頭進(jìn)行，它是在一選擇性的時間延遲后，才開始接受回聲信號。10/18/202350(五)尼奎斯特極限

根據(jù)取樣定位，脈沖重復(fù)頻率必須大于多普勒頻移(fd)的二倍，才能準(zhǔn)確顯示頻移的方向和大小，即：fd＜1/2PRF，脈沖重復(fù)頻率的1／2為尼奎斯特極限。如果多普勒頻移值超過這一極限，脈沖式多普勒所檢出的頻率改變就會出現(xiàn)大小和方向的偽差，稱為頻率失真，或頻率混疊。10/18/202351增加流速測值的措施

選擇低頻探頭：對于給定的取樣深度，探頭頻率越低，流速測值越高。

減少取樣深度：探查高速血流時，應(yīng)盡量選擇距探頭較近的超聲