第7章 超声成像设备

1、第七章第七章超声成像设备超声成像设备 探测海深、海探测海深、海底暗礁等底暗礁等蝙蝠利用蝙蝠利用超声导航超声导航人们受到人们受到启示启示声声呐呐探测鱼群、潜艇探测鱼群、潜艇位置等位置等绘水下数千米绘水下数千米地形图地形图仿生学仿生学直线传播直线传播能量大能量大2 2、超声的特点、超声的特点：频率高频率高1 1、什么是超声？、什么是超声？高于高于20000Hz20000Hz的声音的声音超过正常人耳能听到的声波超过正常人耳能听到的声波 超声导航超声导航 声呐声呐 穿透能力强穿透能力强 超声诊断仪超声诊断仪 金属探伤仪金属探伤仪 破碎能力强破碎能力强 杀菌、消毒杀菌、消毒 清洗精密零件清洗精密零件 将

2、不可混合液体混合如油和水将不可混合液体混合如油和水 缩短种子发芽时间，提高发芽率；促进植物生长缩短种子发芽时间，提高发芽率；促进植物生长 超声加工如金刚石、玻璃等超声加工如金刚石、玻璃等 超声除尘如烟囱里冒的黑烟超声除尘如烟囱里冒的黑烟3、超声的应用、超声的应用v医学方面医学方面:v1、超声治牙、超声治牙v2、超声诊断仪（、超声诊断仪（B超）超）v3、人体内结石击碎、人体内结石击碎v4、超声波加湿器（雾化）、超声波加湿器（雾化）v5、医疗器械杀菌、消毒、医疗器械杀菌、消毒v 超声检查超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线

3、或图像的形式显示和记录，质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。借以进行疾病诊断的检查方法。v 不足之处不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CTCT和和MRIMRI高。高。医学超声的优点医学超声的优点 v 超声波成像超声波成像优点优点 无损伤，无痛苦，无电离辐射，可反复进行，尤其无损伤，无痛苦，无电离辐射，可反复进行，尤其适合软组织诊断，有较高灵敏度和分辨率，是目前唯一适合软组织诊断，有较高灵敏度和分辨率，是目前唯一能实时观察心脏内部结构的临床检查方法。能实时观察心脏内部结构的临床检查方法。超声波成像特点超声波成像

4、特点（1 1）有高的软组织分辨力。）有高的软组织分辨力。（2 2）具有高度的安全性。）具有高度的安全性。（3 3）实时成像。）实时成像。第一节第一节 概述概述一、发展简史一、发展简史。一、发展简史一、发展简史一、发展简史一、发展简史v由黑白灰阶超声成像发展到彩色多普勒超声谐波由黑白灰阶超声成像发展到彩色多普勒超声谐波成像、组织多普勒成像等新型成像技术和各项新成像、组织多普勒成像等新型成像技术和各项新的超声检查技术（如腔内超声检查、器官声学造的超声检查技术（如腔内超声检查、器官声学造影检查、介入超声）逐渐应用于临床。影检查、介入超声）逐渐应用于临床。v由单纯诊断发展到诊断与治疗两方面。由单纯诊断

5、发展到诊断与治疗两方面。v目前目前超声超声和和X线线-CT、磁共振磁共振与与核医学核医学共同组成现共同组成现代四大医学影像技术。代四大医学影像技术。v一方面是一方面是价格低廉价格低廉的的便携式超声诊断仪便携式超声诊断仪大量进入大量进入市场市场v另一方面是向另一方面是向综合化、自动化、定量化综合化、自动化、定量化和和多功能多功能等方向发展，介入超声、全数字化电脑超声成像、等方向发展，介入超声、全数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断取得进展，使整个三维成像及超声组织定性不断取得进展，使整个超声设备和诊断技术呈现出持续发展的热潮。超声设备和诊断技术呈现出持续发展的热潮。 v在探头方面，新型

6、材料、新式换能器不断推出，在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。超声基础知识超声基础知识（一）超声波的概念和基本特性（一）超声波的概念和基本特性超声波的概念超声波的概念 频率在频率在2万赫兹以上的机械振动波，称为超声波万赫兹以上的机械振动波，称为超声波(ultrasnic wave)，简称超声，简称超声(ultrasound)。超声波在传声介质中的传。超声波在传声介质中的传播特点是播特点是具有明确指向性的束状传播具有明确指向性的束状

7、传播，这种声波能够成束地，这种声波能够成束地发射并用于定向扫查人体组织。发射并用于定向扫查人体组织。超声波的产生超声波的产生 医用高频超声波是由超声诊断仪上的医用高频超声波是由超声诊断仪上的压电换能器压电换能器产生的，产生的，这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声波，同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电信号。波，同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电信号。1.超声频率超声频率 （f），不变），不变单位时间内质点振动的次数，医学诊断用超声的频率一般在兆单位时间内质点振动的次数，医学诊断用超声的频率一般在兆赫级，称为高频超

8、声波，由探头中压电材料决定，在赫级，称为高频超声波，由探头中压电材料决定，在210兆兆赫兹范围。赫兹范围。2.超声波长超声波长 （）相邻相邻两个同相位的振动点之间的距离两个同相位的振动点之间的距离3.周期（周期（T），不变），不变传播一个波长距离所需要的时间传播一个波长距离所需要的时间超声基础知识超声基础知识v声波声波 20Hzf20KHzv次声波次声波 f20Hz超声基础知识超声基础知识fcT4.声速声速 （c） 由传播介质决定，不同人体组织器官的声速不由传播介质决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为同，平均声速为1540米米/秒，在骨骼内穿透能秒，在骨骼内穿透能力小（力小（4080米

9、米/秒），成像不灵敏秒），成像不灵敏声速声速C C、波长入、频率、波长入、频率f f或周期或周期T T之间的关系符合之间的关系符合: :=5.反射、折射、透射：反射、折射、透射： 与自然光在空气和水与自然光在空气和水中传播一样，超声在人中传播一样，超声在人体组织中传播不仅有衰体组织中传播不仅有衰减，同时还存在着反射、减，同时还存在着反射、折射与透射现象。折射与透射现象。超声基础知识超声基础知识v如果超声在非均质性组织内传播或从一种组织传如果超声在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于两种组织声阻抗率的不同，播到另一种组织，由于两种组织声阻抗率的不同，在声阻抗率改变的分界面上便会产

10、生反射、折射在声阻抗率改变的分界面上便会产生反射、折射与透射。与透射。v当超声波垂直分解面入射时，不产生折射，可得当超声波垂直分解面入射时，不产生折射，可得到最佳的反射效果。到最佳的反射效果。6 6、散射：、散射：声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球波，子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球波，这种现象称为声散射，可出现在不规则的粗糙面上这种现象称为声散射，可出现在不规则的粗糙面上。散射障碍物：散射障碍物：红细胞、脏器内微小组织红细胞、脏器内微小组织超声基础知识超声基础知识多普勒成像根据多普勒成像

11、根据v生物组织的介质中，散射现象时声波传播中最普生物组织的介质中，散射现象时声波传播中最普遍、最基本的现象，遍、最基本的现象，它是脉冲回波技术的依据，它是脉冲回波技术的依据，也成为大多数超声诊断技术的基础也成为大多数超声诊断技术的基础 v超声的反射只能观察到脏器的轮廓，超声的散射超声的反射只能观察到脏器的轮廓，超声的散射却能了解脏器内部的病变。却能了解脏器内部的病变。7、声压、声压有声波存在时，媒质中的压强瞬时值与静压强的有声波存在时，媒质中的压强瞬时值与静压强的差值。差值。 单位：帕（单位：帕（Pa）声压是不断变化的，声源若做周期性振动，声压声压是不断变化的，声源若做周期性振动，声压也做周期

12、性变化也做周期性变化超声基础知识超声基础知识8、声强、声强(sound intensity) 是指超声波在介质中传播时，单位时间内通过是指超声波在介质中传播时，单位时间内通过垂直于传播方向的单位体积的平均能量。垂直于传播方向的单位体积的平均能量。其大小表示声波的强弱，声强与声源的振幅有其大小表示声波的强弱，声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。关，振幅越大，声强也越大。超声基础知识超声基础知识超声的定义、特性及产生机制超声的定义、特性及产生机制超声声束的空间分布超声声束的空间分布 1.1.声束声束 在一个有限的立体角内传播的超声在一个有限的立体角内传播的超声 。 2.2.声轴声轴 声束的

13、中心线。声束的中心线。 3.3.近程区近程区 靠近探头区域，声束等宽靠近探头区域，声束等宽 4.4.远程区远程区 远离探头区域，声束发散远离探头区域，声束发散超声的定义、特性及产生机制超声的定义、特性及产生机制v 超声声束空间分布示意图超声声束空间分布示意图 9.9.声阻抗声阻抗v声场中某一位置上的声压与该处质点振动速度声场中某一位置上的声压与该处质点振动速度之比定义为媒质的声特性阻抗，称为声阻抗率之比定义为媒质的声特性阻抗，称为声阻抗率v声特性阻抗（声特性阻抗（Z）等于传播媒质的密度）等于传播媒质的密度()与声速与声速(C)的乘积。的乘积。v声阻抗是决定超声波的传播以及反射的一个重声阻抗是决

14、定超声波的传播以及反射的一个重要因素。要因素。超声基础知识超声基础知识v 如果两种媒质的声阻抗如果两种媒质的声阻抗Z相同，获得最大的传声率相同，获得最大的传声率v 超声在人体内传播时所发生的反射、散射等现象，正超声在人体内传播时所发生的反射、散射等现象，正是由于人体声阻抗变化所引起的，而反射、散射又是是由于人体声阻抗变化所引起的，而反射、散射又是目前所有回波型超声诊断仪工作原理的基础。目前所有回波型超声诊断仪工作原理的基础。v 人体组织只要有人体组织只要有0.1%的声阻抗差异，探头就可以检测的声阻抗差异，探头就可以检测出回波，转化为电信号，经处理后显示。出回波，转化为电信号，经处理后显示。10

15、.10.声衰减声衰减v 声波在介质内传播过程中，由于介质的粘滞性、热传导性、声波在介质内传播过程中，由于介质的粘滞性、热传导性、分子吸收以及散射等因素导致声能减少，声强减弱的现象分子吸收以及散射等因素导致声能减少，声强减弱的现象称为声衰减。称为声衰减。v 绝大多数软组织中，引起声衰减的主要原因是绝大多数软组织中，引起声衰减的主要原因是声吸收声吸收。由。由于声吸收的现象，声波传播中的一部份能量被转化为热能，于声吸收的现象，声波传播中的一部份能量被转化为热能，从而使继续传播的声强减弱。从而使继续传播的声强减弱。v 在超声诊断的频率范围内，生物软组织的声衰减系数大多在超声诊断的频率范围内，生物软组织

16、的声衰减系数大多与频率成正比。与频率成正比。超声基础知识超声基础知识 超声波是一种机械波，纵波超声波是一种机械波，纵波 超声波可在气体、液体超声波可在气体、液体、固体等介质中传播固体等介质中传播 超声波可以传递很强的能量超声波可以传递很强的能量 超声波在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕射、超声波在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕射、干涉等现象干涉等现象 超声成像主要运用超声在人体中传播的反射和散射现象。超声成像主要运用超声在人体中传播的反射和散射现象。 二、分类及基本成像原理二、分类及基本成像原理v根据被探测的声波特点分为：根据被探测的声波特点分为：利用超声透射利用超声透射和和利用超声

17、回波的超声诊断仪利用超声回波的超声诊断仪 根据其利用的物理特性不同分为：根据其利用的物理特性不同分为： 超声体层成像和多普勒成像超声体层成像和多普勒成像1.回波幅度式回波幅度式v利用回波幅度变化来获取组织信息的超声诊断利用回波幅度变化来获取组织信息的超声诊断仪仪v提高组织器官解剖结构和形态方面的信息。提高组织器官解剖结构和形态方面的信息。（1）A型超声诊断仪：型超声诊断仪：A型超声型超声采用幅度调制显示，回波信息在显示器上以脉冲采用幅度调制显示，回波信息在显示器上以脉冲波形显示波形显示横坐标：超声波传播时间，探测深度横坐标：超声波传播时间，探测深度纵坐标：回波脉冲的幅度纵坐标：回波脉冲的幅度

18、（2）M型超声v将A型超声获取的回波信息，用亮度调制方法加于显示器内阴极摄像管（CRT）阴极或栅极上，并在时间轴上加以展开，最终显示的是被探测界面运动的轨迹v能反应心脏各层组织界面的深度随心脏活动时间的变换情况。 （3）B型超声诊断仪/B超v是当今世界使用最广泛的超声诊断仪。v它采用回波信号的幅度调制显示器亮度。它以明暗不同的光点反映回声变化，在影屏上显示9-64个等级的灰度图象强回声光点明亮，弱回声光点黑暗v按扫描线逐行显示随深度变换的回波信号即构成一幅二维断面图象v类型：扇形扫描、线性扫描、复合式B超 （4）C型、F型超声诊断仪v超声波束能进行X、Y两个方向扫描（平面），采用亮度调节。vC

19、型距离选通（平面深度位置）是一个常数（固定深度）vF型则是一个变量 （5）3D型超声诊断仪v显示组织器官的立体结构或功能图，利用亮度来反映回波信息v由二维扫描获取的平面图来重建三维图 回波幅度式超声诊断仪是一般利用灰阶来表示回波幅度的差异，灰阶级数越多，表达能力越强2.多普勒式v多普勒效应：振动源和接受体在连续介质中有相对运动时，所接收到的回声频率不同于振动源所发射声频率，其差别与相对运动的速度有关，这种现象就叫做超声的多普勒效应。目前常用的超声多普勒有:v连续波式多普勒（CWD）v脉冲式多普勒（PWD）v彩色多普勒（CDFI） 彩色多普勒超声诊断仪是一个综合性的超声诊断系统，在B型图像上叠加

20、彩色血流图1.显示人体组织器官的形态结构2.反映运动信息v超声诊断仪的工作原理超声诊断仪的工作原理，是向人体组织发射超声波，并接受其与人体组织作用后产生的回波信号，检出回波某种物理参量的变化（如幅度、频率等），然后以某种方式在显示器上显示，并由记录仪记录，供医生诊断。因此，超声诊断仪最基本的结构包括超声换能器、发射电路、接受电路、扫描电路、主控电路、时标距标电路、显示器和打印机等部分。如图所示。二、分类及基本成像原理二、分类及基本成像原理v根据被探测的声波特点分为：根据被探测的声波特点分为：利用超声透射利用超声透射和和利用超声回波的超声诊断仪利用超声回波的超声诊断仪 根据其利用的物理特性不同分

21、为：根据其利用的物理特性不同分为： 超声体层成像和多普勒成像超声体层成像和多普勒成像二、我国应用超声诊断技术简况二、我国应用超声诊断技术简况v1958年年 开始探索开始探索v1960年年 上海研制上海研制A、BP型超声诊断仪型超声诊断仪v1974年年 开始应用实时超声显像法开始应用实时超声显像法v1975年年 线阵式超声诊断仪线阵式超声诊断仪v1979年年 机械扇形扫查法正式应用于心脏的诊断机械扇形扫查法正式应用于心脏的诊断v20世纪世纪80年代后年代后 有了电子相控阵扇形扫查有了电子相控阵扇形扫查四、超声成像新技术四、超声成像新技术v1、三维超声成像技术v2、超声谐波成像技术v3、介入性超声

22、成像技术v4、组织弹性超声成像技术第二节第二节 超声探头及显示超声探头及显示 一、医用超声探头一、医用超声探头v 超声探头（ultrasonic probe）又叫超声换能器，是超声成像设备必不可少的关键部位，它是将电信号变化为超声波信号，又将超声波信号变换为电信号，即具有超声发射和接受双重功能。一、压电效应一、压电效应 超声探头的核心是超声探头的核心是压电晶体压电晶体或或复合压电材料复合压电材料。早期用于超声探头的换能器是具有压电效应的晶早期用于超声探头的换能器是具有压电效应的晶体，采用高分子聚合物压电材料作为换能器，它体，采用高分子聚合物压电材料作为换能器，它具有频率带宽、低阻抗、柔软易加工

23、的特点。当具有频率带宽、低阻抗、柔软易加工的特点。当前探头已开始采用前探头已开始采用陶瓷陶瓷与与高分子聚合物高分子聚合物合成的复合成的复合材料。合材料。压电晶体压电晶体+-自然界中存在着某些特殊晶体，自然界中存在着某些特殊晶体，当受到外力的作用产生形变时，当受到外力的作用产生形变时，会在晶体表面产生电荷的聚集会在晶体表面产生电荷的聚集而形成电压，这种效应叫做压而形成电压，这种效应叫做压电效应，这种晶体叫电效应，这种晶体叫压电晶体压电晶体。正压电效应正压电效应 当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极面上将产生电荷，将机械能变成电能。这种效

24、应称为正压面上将产生电荷，将机械能变成电能。这种效应称为正压电效应。电效应。+-F+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - - - - -+-FF正压电效应正压电效应机械能转换为电能机械能转换为电能形变产生电压形变产生电压形变消失则电压消失形变消失则电压消失负压电效应负压电效应 当在压电材料两端加一交变电场时，则压电材料出现与当在压电材料两端加一交变电场时，则压电材料出现与交变电场同样频率的机械振动，将电能变为机械能。这种交变电场同样频率的机械振动，将电能变为机械能。这种效应称负压电效应。效应称负压电效应。+-+ + + +

25、+ + +- - - - - - - - -+-+ + + + + + +- - - - - - - - -超声波发射形成超声波发射形成将电能转换为机械能将电能转换为机械能施加电压则产生形变施加电压则产生形变消除外加电压则形变相应消失消除外加电压则形变相应消失（二）、医用电材料（二）、医用电材料v超声探头的主体-压电晶体是由压电材料制成的，它能实现电能与声能的相互转换。v压电材料压电材料v对某些非对称结晶材料（如石英）进行一定方向对某些非对称结晶材料（如石英）进行一定方向的加压或拉伸时，表面的两侧将会出现符号相反的加压或拉伸时，表面的两侧将会出现符号相反的电荷，具有此性质的材料称为的电荷，具有

26、此性质的材料称为压电材料。压电材料。压电晶体压电晶体俗称振元或振子，是探头的核心部分俗称振元或振子，是探头的核心部分 压电晶体压电晶体可分为天然和人造两种。可分为天然和人造两种。石英晶体石英晶体是一种天然压电料，但价格昂贵，性能指标一致是一种天然压电料，但价格昂贵，性能指标一致性不好。目前使用压电材料基本上都是性不好。目前使用压电材料基本上都是人造压电人造压电晶体晶体。压电材料天然石英晶体价格贵、性能差人工锆钛酸铅1.电-声相互转换效率高，灵敏度高2.易于电路匹配，性能稳3.非水溶性，耐湿防潮，机械强度大4.价格低廉，易于加工医用压电材料的分类医用压电材料的分类医用压电材料医用压电材料压电单晶

27、体压电单晶体压电多晶体压电多晶体复合压电材料复合压电材料压电高分子压电高分子聚合物聚合物压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷（压电陶瓷（piezoelectric ceramic）性能稳定。性能稳定。声声-电相互转换效率高，灵敏度较高，可采用较低的激励电压电相互转换效率高，灵敏度较高，可采用较低的激励电压易于电路匹配。易于电路匹配。非水溶性，耐湿防潮，机械强度大。非水溶性，耐湿防潮，机械强度大。价格低廉。价格低廉。易于加工。易于加工。PZT陶瓷纯净波晶体不完整的晶格结构不完整的晶格结构, 多种结多种结晶，随机排列晶粒，最大晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列偶极子极化排列完美的晶格结构完美的晶格结构

28、, 晶粒一致，晶粒一致，100%极化排列极化排列(倍放大)PZT陶瓷纯净波晶体(倍放大)不完整的晶格结构不完整的晶格结构, 多种结多种结晶，随机排列晶粒，最大晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列偶极子极化排列完美的晶格结构完美的晶格结构, 晶粒一致，晶粒一致，100%极化排列极化排列传统的传统的 PZT 材料材料技术限制技术限制v 快速生成技术快速生成技术v 晶体难以聚集晶体难以聚集v 晶体形态不规则甚至缺失晶体形态不规则甚至缺失v 对压电效应的反应较差对压电效应的反应较差v 由于陶瓷材料的种种缺陷，由于陶瓷材料的种种缺陷，使得只有约使得只有约70%的能达到的能达到最好的极向性最好的极向

29、性纯净波单晶体技术纯净波单晶体技术表现更为表现更为优越优越v 利用高温和高压的全新工利用高温和高压的全新工业制造方法使晶体的生产业制造方法使晶体的生产速度减慢速度减慢v 完美的晶格结构完美的晶格结构v 良好的极向性良好的极向性v 比传统的比传统的PZT陶瓷效率提陶瓷效率提高高85%压电材料主要物理参数压电材料主要物理参数频率常数频率常数 fc=fsd 压电陶瓷片的谐振频率（压电陶瓷片的谐振频率（ fs ）和其厚度的乘积是一个常数，）和其厚度的乘积是一个常数，称为频率常数称为频率常数fc 。由于每种材料制成的晶片，都有一个特。由于每种材料制成的晶片，都有一个特定的频率常数，所以定的频率常数，所以

30、fs 由由d决定。即决定。即d fs ；反之，；反之， d fs 。高频晶片因此需要做的很薄，所以机械强度小，。高频晶片因此需要做的很薄，所以机械强度小，脆性大，加工过程中易碎，成本高。脆性大，加工过程中易碎，成本高。 fs为压电陶瓷片谐振频率，为压电陶瓷片谐振频率，d为其厚度，它们成反比关系。为其厚度，它们成反比关系。 发射系数和吸收系数发射系数和吸收系数 发射系数大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射型发射系数大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射型的换能器。接收系数大的材料，它的接收效率高，适用于的换能器。接收系数大的材料，它的接收效率高，适用于制成接收型的换能器。制成接收型的换能器

31、。压电材料主要物理参数压电材料主要物理参数介电常数介电常数：与平行板电容器相似，若晶体表面积为与平行板电容器相似，若晶体表面积为S，标，标准电容为准电容为C0。晶体厚度为晶体厚度为d，则，则有有=C0d/0.884S机电耦合系数机电耦合系数K：它表示机械能转换电能的效率。它除了它表示机械能转换电能的效率。它除了与材料有关外，还与压电振子的形状和振动模式有关。与材料有关外，还与压电振子的形状和振动模式有关。晶体的温度效应：晶体的温度效应：当晶体本身的温度超过某一数值时，晶当晶体本身的温度超过某一数值时，晶体内部的电偶极子可在晶体内部迁移，从而使该晶体不再体内部的电偶极子可在晶体内部迁移，从而使该

32、晶体不再具有压电效应。此温度点称为居里温度。不同晶体的居里具有压电效应。此温度点称为居里温度。不同晶体的居里温度不同，温度不同，PZT的居里温度为的居里温度为328385，这主要取决于，这主要取决于制造工艺。制造工艺。（三）、超声探头的结构（三）、超声探头的结构其它：机械探头中有电机，传动机结构、位置信号等。其它：机械探头中有电机，传动机结构、位置信号等。换能器换能器其他部分其他部分电缆电缆壳壳 体体超声探头超声探头声透镜声透镜匹配层匹配层电极电极压电晶体压电晶体吸声材料吸声材料外壳外壳同轴电缆同轴电缆至超声接收装置至超声接收装置声透镜声透镜匹配层匹配层1匹配层匹配层2压电晶体压电晶体吸声材料

33、吸声材料地电极地电极“火火”电极电极 换能器v完成超声与电信号相互转换v发射超声波和接收超声回波v由声透镜、匹配层、压电晶体、吸收块组成外壳外壳压电晶体v圆片或长条形片v谐振频率由厚度决定，厚度，谐振频率匹配层v使声能高校第在压电晶体和人体软组织之间传输v提高换能器的灵敏度、减少失真和展宽频带v声透镜：凹凸或凸透镜，将换能器发出的波速聚焦，提高超声诊断仪的分辨力超声束换能器声透镜吸声块v由吸声材料制成v将向后辐射的声能吸收掉，消除后向干扰v晶体振荡的阻尼装置，缩短振动周期超声的振动周期由晶体和阻尼材料决定，影响成像的轴向分辨力壳体：支撑、屏蔽、密封盒保护换能器电缆：连接换能器与主机（四）分类（

34、四）分类凸阵探头凸阵探头线阵探头线阵探头相控阵探头相控阵探头穿刺探头穿刺探头腔内探头腔内探头术中探头术中探头 超声探头的结构、型式，和外加激励脉冲参数、工作超声探头的结构、型式，和外加激励脉冲参数、工作和聚焦方式等条件，对其发射的超声束形状有很大关系，和聚焦方式等条件，对其发射的超声束形状有很大关系，对超声诊断仪的性能、功能、质量也有很大关系而换能对超声诊断仪的性能、功能、质量也有很大关系而换能器阵元材料对超声束形状关系不大；但对其发射和接收的器阵元材料对超声束形状关系不大；但对其发射和接收的压电效率、声压、声强及成像质量关系较大压电效率、声压、声强及成像质量关系较大脉冲回波式脉冲回波式多普勒

35、式多普勒式 超声探头超声探头脉冲回波式探头脉冲回波式探头70单单晶晶 探探 头头机机 械械 探探 头头电电 子子 探探 头头术术 中中 探探 头头穿穿 刺刺 探探 头头经经 腔腔 内内 探探 头头 它通常选用磨制成平面薄圆片形的压电陶瓷作它通常选用磨制成平面薄圆片形的压电陶瓷作为换能器。超声聚焦通常采用薄壳球形或碗型换为换能器。超声聚焦通常采用薄壳球形或碗型换能器有源聚焦和平面薄圆片配声透镜聚焦两种方能器有源聚焦和平面薄圆片配声透镜聚焦两种方式。常用于式。常用于A型、型、M型、机械扇扫和脉冲多普勒型、机械扇扫和脉冲多普勒工作方式的超声诊断仪中。工作方式的超声诊断仪中。脉冲回波式探头脉冲回波式探

36、头71机机 械械 探探 头头 按压电晶片数和运动方式可分为单元换能器往按压电晶片数和运动方式可分为单元换能器往返摆动扫描和多元换能器旋转切换扫描探头两类。返摆动扫描和多元换能器旋转切换扫描探头两类。按扫差平面特性可分为扇形扫查、全景径向扫查按扫差平面特性可分为扇形扫查、全景径向扫查和矩形平面线形扫查探头。和矩形平面线形扫查探头。脉冲回波式探头脉冲回波式探头72电电 子子 探探 头头它采用多元结构，利用电子学原理进行声束扫查。它采用多元结构，利用电子学原理进行声束扫查。按结构和工作原理它可按结构和工作原理它可分为线阵、凸阵分为线阵、凸阵、面控阵、面控阵和相控阵和相控阵探头。探头。最常见最常见脉冲

37、回波式探头脉冲回波式探头73术术 中中 探探 头头 它是在手术过程中用来显示体内结构及手术器械位置的，属于高它是在手术过程中用来显示体内结构及手术器械位置的，属于高频探头，频率在频探头，频率在7MHz左右，具有体积小，分辨力高的特点。它有左右，具有体积小，分辨力高的特点。它有机械扫描式、凸阵式和线控式机械扫描式、凸阵式和线控式三种。三种。脉冲回波式探头脉冲回波式探头74穿穿 刺刺 探探 头头 它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经分

38、辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于左右。近年还发展了口径小于2mm、频率在、频率在30MHz以上的经血管探头。以上的经血管探头。脉冲回波式探头脉冲回波式探头75 腔腔 内内 探探 头头 它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检

39、的深部组织，提高可检查性和分辨力。目以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在平面式。其频率都比较高，一般在6MHz左右。近年还左右。近年还发展了口径小于发展了口径小于2mm、频率在、频率在30MHz以上的经血管探以上的经血管探头。头。多普勒探头多普勒探头 主要利用多普勒效应测量血流参

40、数，以及心血管疾病主要利用多普勒效应测量血流参数，以及心血管疾病的诊断，亦可以用于胎儿监护。的诊断，亦可以用于胎儿监护。连续多普勒探头连续多普勒探头脉冲多普勒探头脉冲多普勒探头 多普勒探头多普勒探头梅花形探头梅花形探头连续波多普勒探头 大多数发射晶片与接收晶片是分隔大多数发射晶片与接收晶片是分隔式的。为使连续波多普勒探头具有高的式的。为使连续波多普勒探头具有高的灵敏度，一般都不加吸收块。根据用途灵敏度，一般都不加吸收块。根据用途不同，连续波多普勒探头发射晶片与接不同，连续波多普勒探头发射晶片与接收晶片分开的方式也不同。收晶片分开的方式也不同。发发发发收收收收发发发发发发发发发发收收收收收收收收

41、连续波发射晶片与接收晶片连续波发射晶片与接收晶片分隔方式分隔方式脉冲波多普勒探头脉冲波多普勒探头 结构一般与脉冲回波式探头相同，采用单压结构一般与脉冲回波式探头相同，采用单压晶片，具有匹配层和吸收块。晶片，具有匹配层和吸收块。梅花形探头梅花形探头 其结构为中心只有一只发射晶片，周围有六只接收晶其结构为中心只有一只发射晶片，周围有六只接收晶片，排梅花状，用于检查胎儿，获取胎儿心率。片，排梅花状，用于检查胎儿，获取胎儿心率。梅花形探头晶片分布图梅花形探头晶片分布图超声探头超声探头讨论：如何区别不同电子探头讨论：如何区别不同电子探头? 腔腔 内内 探探 头头线线 阵阵 探探 头头凸凸 阵阵 探探 头

42、头 相控阵探相控阵探头头思考题：简述超声探头的作用？思考题：简述超声探头的作用？ 超声探头同时具有发射和接收作用。将电信号加载在超超声探头同时具有发射和接收作用。将电信号加载在超声振子上引起震荡产生超声，这就是探头的逆压电效应，也声振子上引起震荡产生超声，这就是探头的逆压电效应，也被称为探头的发射作用；将从人体组织返回的超声回波作用被称为探头的发射作用；将从人体组织返回的超声回波作用在超声振子上转换成电信号，这是探头的压电效应，也被称在超声振子上转换成电信号，这是探头的压电效应，也被称为探头的接收作用。为探头的接收作用。三、超声探头的主要性能v医学影像用超声探头的特性可以使用特性、声学特性来表

43、征v（一）使用特性v使用特性是探头与仪器配合使用的综合性能，而不是探头本身的性能。v1、工作频率 它是探头中的压电晶片与仪器连接后，实际发射的超声波频率。而探头的标称频率，通常是指压电晶片的机械谐振频率。v2、频带宽度 它是探头工作频率的响应范围。频带宽度越大越好，为使频带宽度展宽，就要增加阻尼，而这将导致换能效率降低。v3、灵敏度 灵敏度指探头与超声诊断仪配合使用时，在最大探测深度上，可发现最小病灶的能力。它主要与探头所用的压电晶片的换能特性、辐射效率等声学特征有关。换能特性好，辐射效率高的探头，探测灵敏度就高。v4、分辨力 探头的分辨力高低主要与以下因素有关；辐射特性辐射面积频率响应机械品

44、质因素层间匹配的好坏。探头的分辨力对仪器总的分辨力有重要影响。v（二）声学特性v声学特性指探头的阻抗特性、频率特性、换能特性、暂态特性、辐射特性和吸收特性等。声学特性主要与探头中压电晶片所用材料的特性有关。v1、换能特性 换能特性指探头发射和接收状态的能量转换特性。理论上说，换能器的电一声、声一电能量转换是等效和可逆的。v2、频率特性 频率特性是阻抗频率特性和辐射频率特性的总称。阻抗频率特性是指探头阻抗随频率的变化的特性。对压电振子施加不同频率的电压时，回路电流将随着频率的变化而变化，这实际意味着振子阻抗的变化，阻抗是频率的函数，为了稳定探头的辐射频率，可以加电感匹配，使探头稳定工作于串联频率

45、上。v3、暂态特性 暂态特性指探头对脉冲响应的跟随变动能力。而对于超声探测效果来说，为了提高距离分辨力，通常都采用阶跃窄脉冲来激励换能器工作，跟随变动能力强则起振时间短。v4、吸收特性 探头的吸收特性实际是指压电振子垫衬的吸收特性。一个压电振子被电脉冲激励后，声波从振子的两个端面双向辐射。对背向辐射的声波必须加以台阻尼吸收，否则，由于多次反射，将使发射过程振子振动延续较长时间，这种振振铃效果使辐射的超声脉冲波持续时间增加而导致距离分辨力明显减低。v5、辐射特性 探头的辐射特性是指换能器的辐射声场在空间的分布状态，主要通过指向性和声束尺寸来进行描述。探头辐射的声束特性，在很大程度上决定超声探测的

46、横向分辨力。探头的性能，最终以它的声场特性来评价。这些特性包括：超声辐射空间响应特性，空间波束指向性函数，空间波束的方向参数，辐射场函数与孔径分布函数空间相关性。四、声束的聚焦和扫描v（一）声束的聚焦v要提高超声探测器的灵敏度和分辨力，处了对线阵探头实时多振元组合发射之外，还需将探头发射的超声束在一定的深度范围内汇聚收敛即超声聚焦（声束聚焦），从而增强波束的穿透力和回波强度。v声束聚焦通常分三类；声学聚焦、电子聚焦和复合聚焦。v1、声学聚焦 声学聚焦与光学聚焦的基本原理相似。具体方式有以下几种；v（1）声透镜聚焦 声学聚焦用声透镜。声透镜是利用声波经过声速不同的介质时会产生折射的原理而制成的聚

47、焦原件。声透镜可以作为平凸或平凹形。要保证良好的声学聚焦，声透镜材料的选择、声阻抗的匹配以及制作工艺等都应考虑。材料通常为环氧树脂、丙烯树脂、有机玻璃等硬性材料与其他成分配方制作而成。v（2）声反射镜聚焦；让平行的超声束入射到声反射镜上，然后通过生反射镜反射到抛物面上，再经过抛物面就可以聚焦到焦点上。v（3)曲面发射聚焦；把压电材料制成凹形，它辐射的超声具有聚焦的效果。v2 、电子聚焦 电子聚焦是应用相控技术，对探头各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使超声场合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。实现电子聚焦必须用阵列探头。v（1）定焦点聚焦；在固定一个焦点的聚焦技术中，通过一定的延迟状

48、态控制各个探头振元的工作顺序，使产生的声束在某一个地方变窄。只要各个延迟线的状态保持不变，则产生的声束的焦平面位置不随时间改变，属电子静态聚焦技术。v(2)动态聚焦；在动态聚焦技术中，工作的探头振元数目在各个距离段都是保持不变的，只是通过改变各个振元延迟电路的延迟时间，以达到声束的焦平面位置随时间而改变在不同距离段的聚焦。v（3）可变孔径聚焦；可变孔径聚焦技术所根据的理论是小孔径的探头对近距离容易聚焦，对远距离则声束发散，而大孔径的探头对近距离难以聚焦，对远距离却容易聚焦。v3、复合焦距 （两维聚焦技术） 在长轴方向采用电子聚焦的方法提高侧向分辨力，在与扫描平面垂直方向上用透镜聚焦提高横向分辨

49、力。v（二）声束扫描v为形成一幅二维图像，换能器需与人体之间做相对运动，或声线的位置与方向按一定规律改变，一获得不同位置或不同方向上的回声波，这一过程称为声束扫描。超声诊断需要检查体内的的一个区域的切面，所以必须进行声束移动扫描。声束扫描的方式主要有两种；v1、机械扫描 机械扫描可分为两种；v（1）摆动式；利用电机带动换能器往返摆动，从而带动晶片在一定角度范围内产生扇形超声扫描，形成一幅从体表向深部扇形散开的图像。v（2）转子式：采用四个互差90度性能相同的探头，安装在一个圆形转轮上，马达带动旋转，每个探头通过收、发窗口进开始发射和接收超声，各探头交替工作。v2.电子扫描：电子扫描必须使用多阵

50、元探头，不再像机械扫描一样控制探头的移动或转动，而是通过电子手段直接控制探头产生相应的扫描声束，从而达到自动扫描的目的。与机械扫描相比，其性能大幅度提高，在临床诊断中得到广泛的应用。按控制方式可分为：线扫描和相控阵扫描。v（1）线扫描：在线扫描中，以线阵排列的多元阵，在电子开关的控制下，阵元按一定的编组及时序分别工作。这些阵元分别与电子开关相连。当电子开关接通时，相应的阵元就工作；当电子开关断开时，相应的阵元就不工作。v（2）相控阵扫描：它是利用雷达测控的相控技术，它的阵列形式也有线阵、凸阵、环阵形。通过不同的赶时间延迟，控制各个线阵换能器阵元发射的时间先后，从而使各个阵元发射的声波在空间叠加

51、后就成为一定角度偏移的声束。不同的时间延迟组合，可得到声束的不同角度偏移，完成扇形扫描。这种通过改变延迟时间同时激励，使声束方向发生变化，叫做相控阵扫描。第三节第三节 超声诊断仪超声诊断仪的基本电路的基本电路一、电源v电源给各单元电路提供所需要的工作电源，包括多组的直流稳压电源和高压电源，一般采用集成线性直流稳压电路或开关稳压电源，其性能良好与否直接影响整个仪器的精度、稳定性和可靠性。二、发射电路v功能：在受到同步信号触发时，产生高压电脉冲去激励换能器发射超声波。v振动频率（主频或中心频率）由换能器的晶片特性和厚度决定 ，可人工微调 。1-15MHz范围内 v频宽：由晶片Q值和阻尼电阻R2决定

52、。Q值越大，脉宽越窄；阻尼电阻R2越小，脉宽越窄，能量越小，同时图象分辨率越高。三、接收电路v1.射频放大器v组成：隔离级（或称保护电路）、前置放大、高频放大、时间增益补偿（TGC或STC）。v（1）隔离级v接在接收电路前端，将大功率的超声发射电路和高灵敏度的接收电路隔离，使发射脉冲不能通过，或将幅度限制在很小范围内，而允许对回波信号几乎无衰减地通过。 v基本电路有两类：第一类采用限流和限幅的方法；第二类不让大幅度信号通过，只允许小于某一限幅电平的电压通过。v（2）前置放大v实际上是一阻抗变换电路，高阻抗输入而低阻抗输出。v由于隔离级工作在非线性状态，其输出阻抗是非线性的，为使高频放大器工作在

53、恒定的阻抗条件下，需加阻抗变换电路。 v（3）高频放大（射频放大、主放大）v放大器要有100dB的增益，信号动态范围超过120dB，甚至高达150dB。此外，根据临床检查的不同需要要求有合适的工作频率；足够大的低噪声增益带宽；高的动态范围；低相位失真和适当的响应幅度以及短的过载阻塞时间等。v（4）时间增益补偿（深度增益补偿）v使浅部组织回波信号小放大甚至衰减，而深部组织回波信号得到较大的放大，使不同深部的组织回声信号都得到充分的显示。这种技术称为深度补偿。v2.解调和抑制v从射频已调信号中取出调制信号的过程解调。调幅波的解调称为检波。v 为了防止噪声的干扰可设置一个检波电平，不让没用的过小的回

54、声信号和噪声通过，这一作用称为抑制。v3. 视频放大器v在接收通道末端，输出信号将CRT调亮，以图象方式显示图象。四、主控电路v最简单的主控电路是同步触发信号发生器，它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别去触发控制发射电路，扫描发生器以及时标电路。在现代的超声诊断系统中，已直接利用计算机进行同步控制，它不仅控制扫描和声束的形成，还控制许多处理和计测过程。五、扫描发生器v扫描发生器产生的扫描电压加至显示器的偏转系统，使电子束按一定的规律扫描，在显示器上显示出曲线的轨迹或切面图像。通常把视频放大器和扫描发生器称为显示电路，而显示系统则由显示器件、显示电路和相关电源组成。第四节第四节 A型及型及M型型

55、超声诊断仪超声诊断仪一、A型超声诊断仪vA型是最早出现的一维超声诊断技术,它属于一维超声，回声波强度以振幅显示，探头由单晶片构成，由于振幅（Amplitude）一词的第一个字母为A，所以称为A型超声诊断设备。二、M型超声诊断仪vM超显示的是运动回波信号按时间顺序展开的一维空间多点运动时序图，又称为超声心动图。v原理vM型超声诊断仪采用亮度调制型的显示法在显示器上，以亮度反映回声的强弱，垂直方向表示检测深度，水平方向表示时间（心脏的活动时相），显示心脏各层结构相对体表的相对距离随时间的变化曲线，反映心脏一维空间组织结构的运动情况，所以称为M型(motion mode)。v诊断基础v探头位置的固定

56、，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头的距离便产生节律性的改变。随着水平方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声展开成曲线。第三节第三节 B型超声诊断型超声诊断仪仪vB型超声成像诊断仪因其成像方式采用亮度调制(brightness modulation)得名。v其影像所显示的是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。v本法是目前使用最为广泛的超声诊断法。vB型超声成像仪与A型、M型超声诊断仪在结构原理上有较大的不同。一、超声波发射电路v1、发射多路转换开关 B超中阵元数多达数十个至上千个，而发射聚集延迟脉冲个数有限，显然，不能直接将发射预售延时脉冲用

57、来触发发射脉冲产生电信号，因此设置发射多路转换开关，分组触发发射脉冲产生电信号。v2.发射脉冲电路 聚集延时电路输出的延时脉冲是逻辑信号，不能直接激励探头的阵元，使之产生超声振荡，而是将这一逻辑脉冲转换成一个幅度、宽度、功率都满足阵元产生超声振荡的脉冲。发射脉冲电路，就是完成这一转换，实质上，发射脉冲电路是一个高功率、高速度、高稳定的电子开关，它输出的脉冲为单极电压脉冲，幅度一般在120伏左右。二、超声接收和预处理电路v超声接收和预处理电路，主要由前置放大器、接受多路转换开关，可变孔径电路、接收相位调整电路、增益控制与动态滤波、对数放大器、检波电路和勾边电路组成。调整电路以后的部分称为预处理电

58、路。其主要作用是接受探头阵元信号并对该信号进行放大、预处理，使超声信号携带的生物信息最大程度的显示出来。三、数字扫描变换器v数字扫描变换器实质由就是一个带有图像存储器的数字计算机系统，但又不是以CPU为中心的系统安排结构。图像存储器有单独的读写地址发生器，与CPU不发生直接联系。一个数字扫描变换器系统不仅仅是作为扫描变换器件，它同时还包括前处理与后处理部分，即具有较强的信号处理功能，此时，可称为数字扫描处理器。采用DSP技术的B超仪，不仅能用标准电视的方法显示清晰的动态图像，而且提供了强大的图像处理功能。四、系统控制器vB超诊断仪是一个较为复杂的电子测量仪器，要使各部分电路有条不紊地工作，必须

59、对整机进行有序协调地控制。在发射多段动态聚集、可变孔接收、信号相关处理、数据差补、TV显示等问题时有许多控制信号，这些控制信号都来自CPU。CPU在程序控制下，发出各种控制信号，并接受键盘命令，从而完成超声的发射、接收、存储以及DSC处理的各种任务。第六节第六节 超声多普勒超声多普勒系统系统v多普勒效应: 对于静止的观测者来说,向着观测者运动物体发出的声波频率会升高,相反频率会降低,这就是著名的多普勒效应。v当声源和接收器至少有一个相对于煤质运动时。接收器收到的声波频率就会变好v利用多普勒频移可以测量血液的流动速度多普勒效应：多普勒效应：声源与接收器之间有相对运动接声源与接收器之间有相对运动接

60、 收到的频率有改变（频移）收到的频率有改变（频移）探头探头声源声源 界面静止界面静止探头探头向探头运动向探头运动探头探头背离背离探头探头人体内的多普勒效应人体内的多普勒效应 产生条件：超声进入人体后，只要遇到运动界面即产生产生条件：超声进入人体后，只要遇到运动界面即产生多普勒效应。多普勒效应。（一）层流（朝向探头（一）层流（朝向探头-红，背离探头红，背离探头-蓝）蓝）（二）湍流：（二）湍流：(正向正向-黄黄 红红+绿，负向绿，负向-青青 蓝蓝+绿绿)（三）射流：（三）射流：血管狭窄血管狭窄层流湍流湍流射射流流探探头头探探头头绿色：绿色：代表流速快且紊乱的血流代表流速快且紊乱的血流02cosDv