超声成像设备课件

1、超声成像设备超声成像设备超声成像设备 超声成像设备第一节第一节 概述概述一、超声成像设备发展史一、超声成像设备发展史 一八八一八八O年法国居里兄弟（年法国居里兄弟（Pierre and Jacques Curie）发现压电效应。法国朗之万）发现压电效应。法国朗之万（Paul Langevin）于）于1917年应用压电原理进年应用压电原理进行超声探测，并于行超声探测，并于1921年发展成声纳年发展成声纳（Sound Navigation and Ranging）。直至）。直至1942年，奥地利年，奥地利K T Dussik才使用才使用A型超声型超声装置，用穿透法探测颅脑。装置，用穿透法探测颅脑。

2、1952年美国年美国D H Howry开始研究超声显像法，并于开始研究超声显像法，并于1954年将年将B超应用于临床。超应用于临床。超声成像设备1954年瑞典年瑞典I Edler首先用首先用M型检查心脏。型检查心脏。1955年年J J Wild首次成功用首次成功用PPI型作直肠内的型作直肠内的体腔探查。体腔探查。1956年日本里村茂夫首先将多普年日本里村茂夫首先将多普勒效应原理应用于超声诊断，利用连续波多勒效应原理应用于超声诊断，利用连续波多普勒法判断心脏瓣膜病。普勒法判断心脏瓣膜病。1959年年D L Franklin研制出脉冲多普勒超声。研制出脉冲多普勒超声。19581958年年G G B

3、aumBaum等开始眼球的扇形扫查法。同年英国等开始眼球的扇形扫查法。同年英国I I DonaldDonald等用等用BPBP型超声诊断盆腔肿物和妊娠子型超声诊断盆腔肿物和妊娠子宫。宫。19671967年年N BomN Bom提出电子扫描法，同年提出电子扫描法，同年J C J C SonerSoner提出相控阵扫描法，同时期德国应用提出相控阵扫描法，同时期德国应用双晶片旋转式探头的机械方形扫查双晶片旋转式探头的机械方形扫查（VidosonVidoson）。）。超声成像设备19681968年年P N T WellsP N T Wells提出提出TGCTGC补偿原理，同年补偿原理，同年W W J

4、FryJ Fry开始应用计算机技术于开始应用计算机技术于B B超。超。19721972年年G G KossoffKossoff提出灰度回声图概念，同年提出灰度回声图概念，同年H H HolmH H Holm制成穿刺活检探头。制成穿刺活检探头。19731973年年J PlummerJ Plummer提出提出C C型型超声显像法。超声显像法。19781978年伊藤提出年伊藤提出F F型扫查法。在型扫查法。在七十年代中后期采用了灰阶及七十年代中后期采用了灰阶及DSCDSC技术，明显技术，明显改善图像质量，实时超声显像开始受到重视，改善图像质量，实时超声显像开始受到重视，八十年代是八十年代是B B型超

5、声发展最迅速的时期。彩色型超声发展最迅速的时期。彩色血流图（血流图（CFMCFM）直到）直到19831983年才由日本年才由日本AlokaAloka公司公司首先研制成功。首先研制成功。19901990年奥地利年奥地利KretyKrety公司制成公司制成3D3D扫描器，并使扫描器，并使3D3D商品化。商品化。超声成像设备19911991年美国年美国ATLATL公司推出世界第一台全数公司推出世界第一台全数字化超声系统后，全数字化技术即成为九字化超声系统后，全数字化技术即成为九十年代和目前发展的方向，它使超声诊断十年代和目前发展的方向，它使超声诊断系统的水平进入一个新阶段，在此期间又系统的水平进入一

6、个新阶段，在此期间又相继出现了一些新技术，诸如：显示心肌相继出现了一些新技术，诸如：显示心肌组织运动情况的组织运动情况的CDTICDTI（彩色多普勒组织图）（彩色多普勒组织图）技术；能显示低速血流的技术；能显示低速血流的CDECDE（彩色多普（彩色多普勒能量图）和勒能量图）和DPADPA（方向性能量图）技术；（方向性能量图）技术；有效观察室壁运动和心肌灌注质量的对比有效观察室壁运动和心肌灌注质量的对比谐波成像技术（谐波成像技术（CHICHI）和有效改善深部组）和有效改善深部组织图像质量的组织谐波成像技术（织图像质量的组织谐波成像技术（THITHI）。）。超声成像设备超声诊断设备是一个信息提取、

7、处理超声诊断设备是一个信息提取、处理和显示的综合体，它需要各相关学科和显示的综合体，它需要各相关学科的补充和渗透，其中特别是压电材料、的补充和渗透，其中特别是压电材料、专用专用VLSI、计算机和信号处理技术，、计算机和信号处理技术，才能实现系统的各种功能。它发展的才能实现系统的各种功能。它发展的方向是提高诊断的特异性和信息量，方向是提高诊断的特异性和信息量，以及仪器的性能价格比。以及仪器的性能价格比。 超声成像设备二、超声诊断仪的基本结构二、超声诊断仪的基本结构 超声诊断仪的工作原理，是向被检超声诊断仪的工作原理，是向被检人体组织发射超声波，并将受人体组织人体组织发射超声波，并将受人体组织作用

8、产生的回波接收，检出回波某种物作用产生的回波接收，检出回波某种物理参量的变化（如幅度、频率等），然理参量的变化（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，供医生诊断分析。因此，超录仪记录，供医生诊断分析。因此，超声诊断仪最基本的结构包括探头、发射声诊断仪最基本的结构包括探头、发射电路、接收电路、扫描电路、主控电路、电路、接收电路、扫描电路、主控电路、标距电路、显示器和记录器等部分。标距电路、显示器和记录器等部分。超声成像设备（一）（一） 探头探头 超声诊断仪中，同时具有超声发射超声诊断仪中，同时具有超声发射和接收作用的部件，称为探头。将电

9、振和接收作用的部件，称为探头。将电振荡变成超声，穿透人体组织，是探头的荡变成超声，穿透人体组织，是探头的发射作用；将从人体组织返回的超声回发射作用；将从人体组织返回的超声回波变换成电信号，馈送至接收电路，是波变换成电信号，馈送至接收电路，是探头的接收作用。仪器的性能，如灵敏探头的接收作用。仪器的性能，如灵敏度、分辨率和伪像的大小都与探头有关。度、分辨率和伪像的大小都与探头有关。探头是超声诊断仪的关键部件，了解它探头是超声诊断仪的关键部件，了解它的工作原理、基本结构，以及正确使用的工作原理、基本结构，以及正确使用与保养是十分必要的。与保养是十分必要的。超声成像设备 医用压电材料医用压电材料 超声

10、探头是一种电超声探头是一种电声换能器。它实现电能与超声能的相互声换能器。它实现电能与超声能的相互转换。压电振子是其核心器件，由具有转换。压电振子是其核心器件，由具有压电效应的压电材料组成。用于医用超压电效应的压电材料组成。用于医用超声诊断换能器的压电材料，按物理结构声诊断换能器的压电材料，按物理结构分为四大类：压电单晶体（如铌酸锂、分为四大类：压电单晶体（如铌酸锂、酒石酸钾钠等）、压电多晶体（又称压酒石酸钾钠等）、压电多晶体（又称压电陶瓷，如偏铌酸铅、锆钛酸铅等）、电陶瓷，如偏铌酸铅、锆钛酸铅等）、压电高分子聚合物（如聚偏二氟乙烯）压电高分子聚合物（如聚偏二氟乙烯）和复合压电材料（聚偏二氟乙烯

11、和锆钛和复合压电材料（聚偏二氟乙烯和锆钛酸铅复合）等。酸铅复合）等。超声成像设备 压电陶瓷也有不足之处。如使用频压电陶瓷也有不足之处。如使用频率不能太高；抗拉强度低，具有脆性；率不能太高；抗拉强度低，具有脆性；居里点不够高，压电性能受温度影响大；居里点不够高，压电性能受温度影响大；具有一定时间老化性，即压电性能会随具有一定时间老化性，即压电性能会随时间而变化。时间而变化。超声成像设备医用超声换能器目前多数采用陶瓷材料制成的压医用超声换能器目前多数采用陶瓷材料制成的压电振子。它具有如下优点：电振子。它具有如下优点：（1） 电声相互转换效率高。采用较低的激励电电声相互转换效率高。采用较低的激励电压

12、，也具有较高的灵敏度。压，也具有较高的灵敏度。（2） 易与电路匹配。易与电路匹配。（3） 性能比较稳定。性能比较稳定。（4） 非水溶性，耐湿和机械强度较大。非水溶性，耐湿和机械强度较大。（5） 价廉。价廉。（6）易加工，可压制成各种形状、尺寸。而且，易加工，可压制成各种形状、尺寸。而且，通过掺杂、取代、改变材料配方等改性办法，可通过掺杂、取代、改变材料配方等改性办法，可大范围调整压电陶瓷的性能参数，满足某些使用大范围调整压电陶瓷的性能参数，满足某些使用要求。要求。 超声成像设备 压电陶瓷的制造工艺十分复杂。它的性能压电陶瓷的制造工艺十分复杂。它的性能不仅取决于配方，也取决于加工工艺。陶瓷属不仅

13、取决于配方，也取决于加工工艺。陶瓷属于固体无机材料。采用适当配方的原料进行混于固体无机材料。采用适当配方的原料进行混合、成型和高温烧结成的铁电陶瓷，不具压电合、成型和高温烧结成的铁电陶瓷，不具压电效应。这是由粉粒之间的固相反应和烧结过程效应。这是由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的许多微细晶粒，各自按任意的无规则而获得的许多微细晶粒，各自按任意的无规则的方向排列，呈各向异性之故。但是它具有铁的方向排列，呈各向异性之故。但是它具有铁电性。对其施加直流电场进行极化处理后，使电性。对其施加直流电场进行极化处理后，使陶瓷的各个晶粒的自发极化方向将平行地取向陶瓷的各个晶粒的自发极化方向将平行地取向于电

14、场方向，而具有近似于单晶的极性，呈现于电场方向，而具有近似于单晶的极性，呈现明显的压电效应。通常将经过极化处理的铁电明显的压电效应。通常将经过极化处理的铁电陶瓷称为压电陶瓷。陶瓷称为压电陶瓷。超声成像设备 压电材料具有力学的性质、电学压电材料具有力学的性质、电学的性质和压电的性质。压电材料是的性质和压电的性质。压电材料是换能器的关键，这些性质决定了电换能器的关键，这些性质决定了电能和声能互换的能力。衡量压电材能和声能互换的能力。衡量压电材料性能的主要物理参量有：料性能的主要物理参量有：超声成像设备（1 1）居里点）居里点 当升至某一温度时，当升至某一温度时，晶片内部的分子运动加剧，刚好使晶片内

15、部的分子运动加剧，刚好使偶极子重新杂乱排列，以致失去压偶极子重新杂乱排列，以致失去压电性能，这个临界温度称为居里点。电性能，这个临界温度称为居里点。常用的常用的PZT类压电陶瓷的居里点在类压电陶瓷的居里点在300左右。居里点低的材料，易受左右。居里点低的材料，易受温度影响，性能不稳定。因为，温温度影响，性能不稳定。因为，温升未达到居里点，材料内部分子排升未达到居里点，材料内部分子排列已有变化，使压电性能降低。所列已有变化，使压电性能降低。所以，探头不能高温消毒。以，探头不能高温消毒。超声成像设备（2） 频率常数频率常数 压电陶瓷片的谐振频率（基压电陶瓷片的谐振频率（基频）和它的厚度的乘积是一个

16、常数，称之为频）和它的厚度的乘积是一个常数，称之为频率常数（频率常数（fc）。单位是）。单位是Hzm或或MHzmm。每种材料制成的晶片，都有一个特有的频率每种材料制成的晶片，都有一个特有的频率常数。所以，晶片的谐振频率（常数。所以，晶片的谐振频率（fs）由晶片的）由晶片的厚度（厚度（d）决定。也就是说，通过改变晶片的）决定。也就是说，通过改变晶片的厚度可以改变晶片的谐振频率。由关系式厚度可以改变晶片的谐振频率。由关系式fs= fc/d 可见，晶片愈厚谐振频率愈低；反之，晶可见，晶片愈厚谐振频率愈低；反之，晶片愈薄谐振频率愈高。因为高频晶片很薄，片愈薄谐振频率愈高。因为高频晶片很薄，机械性能差，

17、脆性大，加工过程损耗大，所机械性能差，脆性大，加工过程损耗大，所以成本高。以成本高。超声成像设备（3 3）电容常数）电容常数 也称介电常数，表示也称介电常数，表示介质的介电性能。它符合关系式：介质的介电性能。它符合关系式：C=A/S，式中，式中C表示极间电容，表示极间电容，A表表示电极面积，示电极面积，S是极间距离。由关系式是极间距离。由关系式可见，可见，愈低，晶片的极间电容量愈小，愈低，晶片的极间电容量愈小，高频特性愈好，愈适合在高频段工作。高频特性愈好，愈适合在高频段工作。 超声成像设备（4）压电应变常数）压电应变常数D 也称发射系数，是也称发射系数，是指在应力恒定时，单位场强引起的应变变

18、指在应力恒定时，单位场强引起的应变变化，或在电场不变时，单位应力变化所引化，或在电场不变时，单位应力变化所引起的电位移变化。有关系式：起的电位移变化。有关系式：式中式中S S表示形变，表示形变，E E表示电场，表示电场，P P表示电极化表示电极化强度，强度，T T表示应力。发射系数表示应力。发射系数D D大的材料，它大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射型的换能器。的发射效率高，适用于制成发射型的换能器。ETTPESDETTPESD超声成像设备（5 5）压电电压常数）压电电压常数G G 也称接收系数，它也称接收系数，它表示当压电体的电位移恒定时，单位应变表示当压电体的电位移恒定时，单位应变力

19、变化所引起的场强变化；或在应力不变力变化所引起的场强变化；或在应力不变时，单位电位移变化所引起的应变变化。时，单位电位移变化所引起的应变变化。它符合关系式：它符合关系式：TSPSET-G接收系数接收系数G大的材料，它的接收效率高，大的材料，它的接收效率高，适用于制造接收型的换能器。适用于制造接收型的换能器。超声成像设备（6 6）机电耦合系数）机电耦合系数K K 它表示压电体中机它表示压电体中机械能和电能之间耦合强弱的常数，可以衡械能和电能之间耦合强弱的常数，可以衡量压电性能的强弱。该系数除了和材料有量压电性能的强弱。该系数除了和材料有关外，还和振子的形状以及振动模式有关。关外，还和振子的形状以

20、及振动模式有关。（7 7）弹性柔顺常数弹性柔顺常数S Sijij 它表示压电材料它表示压电材料所受应力与产生形变之间的关系。如所受应力与产生形变之间的关系。如 1111STS表示表示X轴向上形变与应力关系。它的倒数，轴向上形变与应力关系。它的倒数，即即1/S11就是杨氏模量。就是杨氏模量。超声成像设备（8） 力学品质因数力学品质因数Qm 它与平均损耗能量它与平均损耗能量成反比。能量损耗小，成反比。能量损耗小，Qm愈大，通频带就愈大，通频带就愈窄。愈窄。 （9 9）介质损耗因子）介质损耗因子tgtg和电学品质因数和电学品质因数Q Qe e 介质损耗因子定义为有功电流与无功电流之介质损耗因子定义为

21、有功电流与无功电流之比。它反映了介质的介电损耗。它的倒数为比。它反映了介质的介电损耗。它的倒数为介质的电学品质因数。即介质的电学品质因数。即tg1Qetg1Qe超声成像设备 压电材料的选择，主要取决于换压电材料的选择，主要取决于换能器的用途。超声诊断用换能器，属能器的用途。超声诊断用换能器，属于收发兼用型。应该兼顾发射性能和于收发兼用型。应该兼顾发射性能和接收性能。所以要选用接收性能。所以要选用D、G和和K值较值较高的材料。在稳定性方面，希望居里高的材料。在稳定性方面，希望居里点高一点。制作高频探头，点高一点。制作高频探头，要低的。要低的。对于宽频探头则要求对于宽频探头则要求Q Qm m值小的

22、材料。值小的材料。 超声成像设备 2、 探头的基本结构探头的基本结构 探头种类繁多，探头种类繁多，性能各异。但基本结构包括以下四部分：性能各异。但基本结构包括以下四部分：（1） 换能器换能器 它是探头的功能件，具它是探头的功能件，具有发射和接收超声波的功能。完成电声有发射和接收超声波的功能。完成电声能量之间的相互转换，所以称为换能器。能量之间的相互转换，所以称为换能器。 （2 2）壳体）壳体 它的功能是支撑、屏蔽、它的功能是支撑、屏蔽、密封和保护换能器。探头种类不同，壳密封和保护换能器。探头种类不同，壳体的形状和性能也不同。多元阵探头一体的形状和性能也不同。多元阵探头一般由上、下壳体两部分组成

23、。穿刺探头般由上、下壳体两部分组成。穿刺探头的壳体则要求能耐受消毒液的浸泡。的壳体则要求能耐受消毒液的浸泡。 超声成像设备（3） 电缆电缆 它起联接作用，前端它起联接作用，前端连接换能器，末端连接插头。它的连接换能器，末端连接插头。它的可靠性直接影响探头的使用。要求可靠性直接影响探头的使用。要求口径较细、柔软和耐用。口径较细、柔软和耐用。 （4 4）其它部分）其它部分 该部分因探头类该部分因探头类型而异。例如，机械探头包括有动型而异。例如，机械探头包括有动力部分、位置信号检测部分和传动力部分、位置信号检测部分和传动机构部分。机构部分。 超声成像设备 下面重点介绍探头的功能件，即换能器的基本下面

24、重点介绍探头的功能件，即换能器的基本结构。换能器由聚焦件、匹配层、压电振子和背衬结构。换能器由聚焦件、匹配层、压电振子和背衬块所组成，如图块所组成，如图6-1-16-1-1所示。所示。图图6-1-1 超声换能器结构示意图超声换能器结构示意图超声成像设备压电振子（晶片）是换能器的关键部件。根据探压电振子（晶片）是换能器的关键部件。根据探头的种类和用途，它制成不同的形状，有圆片形、头的种类和用途，它制成不同的形状，有圆片形、长条形、环形、圆柱形和管形等。由于人体皮肤长条形、环形、圆柱形和管形等。由于人体皮肤和压电材料的声阻抗差异比较大，为了解决它们和压电材料的声阻抗差异比较大，为了解决它们之间的声

25、学匹配，在晶片前方加入一层或多层的之间的声学匹配，在晶片前方加入一层或多层的声阻抗匹配层。采用匹配层后，明显提高了换能声阻抗匹配层。采用匹配层后，明显提高了换能器的性能，如提高灵敏度和展宽频带。同时，为器的性能，如提高灵敏度和展宽频带。同时，为了提高横向（或侧向）分辨力，往往在匹配层前了提高横向（或侧向）分辨力，往往在匹配层前方加入声透镜，使超声波波束有效聚焦。也有不方加入声透镜，使超声波波束有效聚焦。也有不采用声透镜而直接将晶片制成聚焦凹面或凸面，采用声透镜而直接将晶片制成聚焦凹面或凸面，同样达到声束聚焦效果。此外，为了抑制不必要同样达到声束聚焦效果。此外，为了抑制不必要的振动和消除晶片背面

26、的反射，减少干扰和提高的振动和消除晶片背面的反射，减少干扰和提高纵向分辨力，往往在晶片背面敷设背衬块。纵向分辨力，往往在晶片背面敷设背衬块。超声成像设备3、 探头的声场特性探头的声场特性 探头的性能，最终探头的性能，最终从它的声场特性来评价。这些特性包括：从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。与孔径分布函数空间相关性。（1 1）圆形换能器的声场分布和方向参数）圆形换能器的声场分布和方向参数 在在A A型、型、M M型和机械扇扫超

27、声诊断仪中，所型和机械扇扫超声诊断仪中，所采用的是圆形平面换能器，它具有结构简采用的是圆形平面换能器，它具有结构简单，指向性好等特点。单，指向性好等特点。 超声成像设备 对一个半径为对一个半径为的平面活塞型换能器，的平面活塞型换能器，由于从平面边缘和平面中心的辐射波，到达由于从平面边缘和平面中心的辐射波，到达声轴上某点的程差不同而引起声波相关相干，声轴上某点的程差不同而引起声波相关相干，结果在轴向近场声强出现极大值和极小值的结果在轴向近场声强出现极大值和极小值的分布状态。这种分布状态一直到远场分布状态。这种分布状态一直到远场（2 2/）时才消失，并呈自由衰减状态。）时才消失，并呈自由衰减状态。

28、当当332 2/时，按球面波传播规律分布。时，按球面波传播规律分布。图图6-1-26-1-2是图形换能器轴向声强分布示意图。是图形换能器轴向声强分布示意图。近场区（近场区（2 2/）内是超声能量集中的）内是超声能量集中的区间，声束指向性较好。所以，在换能器的区间，声束指向性较好。所以，在换能器的近场区有较好的横向分辨率。近场长度近场区有较好的横向分辨率。近场长度L=L=2 2/。 超声成像设备图图6-1-2 圆形换能器轴向声强分布图圆形换能器轴向声强分布图超声成像设备 声学中常用指向性图案形象地表示换能声学中常用指向性图案形象地表示换能器所产生的声场。它的极坐标图（图器所产生的声场。它的极坐标

29、图（图6-1-36-1-3）中，轴向是声压级，以方向角中，轴向是声压级，以方向角作轴射角。作轴射角。图图6-1-3 均匀平面圆形换能器的指向性图均匀平面圆形换能器的指向性图（/=5.0）超声成像设备从图中可见，在声轴方向发出声强最强的从图中可见，在声轴方向发出声强最强的主瓣声束，而在其它方向出现若干声强较主瓣声束，而在其它方向出现若干声强较低的旁瓣。对换能器指向性能的评价，常低的旁瓣。对换能器指向性能的评价，常用方向锐角、波束角和旁瓣级等方向参数用方向锐角、波束角和旁瓣级等方向参数来度量。在声学上，也惯用指向性因数来来度量。在声学上，也惯用指向性因数来描述声场的指向性。它是换能器声场上主描述声

30、场的指向性。它是换能器声场上主轴远处某点位置的某一频率的声压，与通轴远处某点位置的某一频率的声压，与通过此点的同心球面上同一频率声压之比，过此点的同心球面上同一频率声压之比，即即)0()P( ) (PD超声成像设备当偏离主轴出现第一个当偏离主轴出现第一个D D（）值为）值为0 0时的时的角度，就是方向锐角，或称半扩散角角度，就是方向锐角，或称半扩散角。它符合关系式：它符合关系式： 61. 0sin因此，要获得窄的主瓣和好的指向性，需因此，要获得窄的主瓣和好的指向性，需要提高频率和增大换能器的半径。要提高频率和增大换能器的半径。 超声成像设备（2 2）多元阵换能器的声场分布和方向参数）多元阵换能

31、器的声场分布和方向参数 多元阵多元阵换能器的声场，可以分解为单晶片换能器辐射声场换能器的声场，可以分解为单晶片换能器辐射声场的组合和迭加，数学上类似于光学中利用惠更斯原的组合和迭加，数学上类似于光学中利用惠更斯原理所进行的波的迭加研究。多元阵换能器有线阵、理所进行的波的迭加研究。多元阵换能器有线阵、相控阵、凸阵、环阵和面阵。同时，又分别可制成相控阵、凸阵、环阵和面阵。同时，又分别可制成均匀、非均匀式或参差宽带阵等。它们的空间声场均匀、非均匀式或参差宽带阵等。它们的空间声场分布都不相同。但不管哪类换能器，都要求它发射分布都不相同。但不管哪类换能器，都要求它发射声束的主瓣要窄、旁瓣要小、阵元间横向

32、耦合要小。声束的主瓣要窄、旁瓣要小、阵元间横向耦合要小。目前，高密度换能器阵元数目前，高密度换能器阵元数n 可达到可达到512阵元，甚至阵元，甚至1024阵元。但阵元。但n过大，加工十分困难或探头过大。过大，加工十分困难或探头过大。阵元间距阵元间距d要适当，过大会使旁瓣增强，影响横向要适当，过大会使旁瓣增强，影响横向分辨率和伪像增加。通常线阵换能器要求分辨率和伪像增加。通常线阵换能器要求d1/2,1/2,而相控阵的要求而相控阵的要求d1/41/4。 超声成像设备4、 探头的分类探头的分类 超声诊断仪的探头，按超声诊断仪的探头，按工作原理可分为两大类：脉冲回声式和多工作原理可分为两大类：脉冲回声

33、式和多普勒式。普勒式。（1 1）脉冲回声式探头）脉冲回声式探头 此类探头由同一此类探头由同一晶片兼作发射和接收两种功能。按它们的晶片兼作发射和接收两种功能。按它们的结构可以分为单探头、机械探头和电子探结构可以分为单探头、机械探头和电子探头：头： 1 1）单探头）单探头 它们都是由圆形单晶片组成，它们都是由圆形单晶片组成，采用几何聚焦方式，利用凹面晶片或聚焦采用几何聚焦方式，利用凹面晶片或聚焦透镜，制成焦距不同的各种聚焦单探头。透镜，制成焦距不同的各种聚焦单探头。此类探头主要应用在此类探头主要应用在A A型和型和M M型超声诊断仪型超声诊断仪上。上。 超声成像设备 2） 机械探头机械探头 它利用

34、机械方式使它利用机械方式使声束进行扫查。该类探头包括单晶声束进行扫查。该类探头包括单晶片摆动式、三（或四）晶片转动式片摆动式、三（或四）晶片转动式以及环阵探头。机械扇扫超声诊断以及环阵探头。机械扇扫超声诊断仪采用此类探头。仪采用此类探头。3）电子探头电子探头 采用多元阵结构，利采用多元阵结构，利用电子学原理进行声束扫查。按它用电子学原理进行声束扫查。按它们的结构和工作原理可分为线阵、们的结构和工作原理可分为线阵、凸阵、相控阵和面阵探头。凸阵、相控阵和面阵探头。 超声成像设备 （4） 术中探头术中探头 在手术中应用的探头，在手术中应用的探头，体积比较小，并根据需要制成竖式、指体积比较小，并根据需

35、要制成竖式、指式和卧式三种。它们都属于高频探头，式和卧式三种。它们都属于高频探头，频率在频率在7MHz 左右。左右。（5 5）穿刺探头或穿刺引导装置）穿刺探头或穿刺引导装置 穿刺探穿刺探头是一种中央带有楔形孔的线阵探头。头是一种中央带有楔形孔的线阵探头。穿刺引导装置是在凸阵探头或机械扇扫穿刺引导装置是在凸阵探头或机械扇扫探头上附加的用以引导穿刺针的穿刺架。探头上附加的用以引导穿刺针的穿刺架。 超声成像设备（6 6）经腔内探头）经腔内探头 它们通过相应的体腔，它们通过相应的体腔，以期避开体内肺气或胃肠气和骨组织，以期避开体内肺气或胃肠气和骨组织，并接近被检的深部组织，提高可检查性并接近被检的深部

36、组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食导探头、胃道探头、经阴道探头、经食导探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线阵或凸阵；有不同的扇形角；有式、线阵或凸阵；有不同的扇形角；有单平面、双平面和多平面等结构。它们单平面、双平面和多平面等结构。它们的频率都比较高，一般在的频率都比较高，一般在6MHz左右。近左右。近年还发展了口径小于年还发展了口径小于2mm频率在频率在30MHz以上的经血管内探头。以上的经血管内探头。 超声成像设备5、 探头的使用与维护探头的使用与维护 探头是超声诊断探

37、头是超声诊断仪的关键部件，直接影响图像的质量和检仪的关键部件，直接影响图像的质量和检查的效果，价格又比较昂贵。因此，要正查的效果，价格又比较昂贵。因此，要正确使用探头和注意维护保养。确使用探头和注意维护保养。（1 1）注意探头的电气安全，漏电流要小）注意探头的电气安全，漏电流要小于于30A。若有探头外壳破损、保护层和。若有探头外壳破损、保护层和声透镜磨损或剥离脱落、电缆破损断裂都声透镜磨损或剥离脱落、电缆破损断裂都应及时修理或更换。应及时修理或更换。 超声成像设备（2） 在运输、保管和使用过程中，务在运输、保管和使用过程中，务必小心轻放，不得摔跌、碰撞和划损表面。必小心轻放，不得摔跌、碰撞和划

38、损表面。（3） 装拆、更换探头时都应关断整机装拆、更换探头时都应关断整机电源后进行。在开机使用时，若暂停检查，电源后进行。在开机使用时，若暂停检查，应及时按冻结键，使仪器处于冻结状态。应及时按冻结键，使仪器处于冻结状态。这点对机械探头尤为重要。这点对机械探头尤为重要。 （4 4）应使用非油性、无腐蚀的耦合剂。）应使用非油性、无腐蚀的耦合剂。非水密封探头不能浸水使用。探头不得采非水密封探头不能浸水使用。探头不得采用高温消毒。用高温消毒。 超声成像设备（二）显示器（二）显示器 超声回声信号的信息，最终由显示超声回声信号的信息，最终由显示器显示。常用的显示器是采用阴极射线器显示。常用的显示器是采用阴

39、极射线管（管（CRT）。它的基本工作原理是用电）。它的基本工作原理是用电场（示波管）或磁场（显像管）把阴极场（示波管）或磁场（显像管）把阴极发射的聚焦电子束、按照某种方式控制发射的聚焦电子束、按照某种方式控制其运动方向（偏转），依次轰击不同部其运动方向（偏转），依次轰击不同部位的荧光粉使之发光，由这些光点组成位的荧光粉使之发光，由这些光点组成一幅图像。荧光屏上的发光点是组成图一幅图像。荧光屏上的发光点是组成图像的基本单位，称为像素。像的基本单位，称为像素。超声成像设备光点的明暗对比的表现能力用灰阶表示。光点的明暗对比的表现能力用灰阶表示。像素、灰阶和扫描线性是显示器表达图像像素、灰阶和扫描线性

40、是显示器表达图像质量的三要素。此外，电子束轰击荧光屏质量的三要素。此外，电子束轰击荧光屏产生光点的维持时间，取决于荧光粉的余产生光点的维持时间，取决于荧光粉的余辉时间。对于扫描慢的成像方式，要用长辉时间。对于扫描慢的成像方式，要用长余辉荧光粉的余辉荧光粉的CRT才能保持图像（或曲才能保持图像（或曲线）显示的连续性。对于中短余辉的线）显示的连续性。对于中短余辉的CRT，要采用足够快的重复扫描，才能，要采用足够快的重复扫描，才能维持无闪烁的图像。每秒维持无闪烁的图像。每秒25帧以上的扫描帧以上的扫描速度成像，称为实时图像。速度成像，称为实时图像。 超声成像设备1 显示器的选择显示器的选择 要显示图

41、像清晰、层要显示图像清晰、层次丰富和逼真，就要认真选择显示器。下次丰富和逼真，就要认真选择显示器。下面介绍要重点考虑的指标：面介绍要重点考虑的指标：（1 1）亮度）亮度 指在垂直于光束传播方向上单指在垂直于光束传播方向上单位面积的发光强度。一般显示器显示的图位面积的发光强度。一般显示器显示的图像应每平方米有像应每平方米有70烛光的亮度。人眼可视烛光的亮度。人眼可视的最低亮度约每平方米为的最低亮度约每平方米为0.034烛光，而烛光，而可忍受的最高亮度在每平方米可忍受的最高亮度在每平方米51390烛光。烛光。 超声成像设备（2 2）对比度和灰阶）对比度和灰阶 对比度是指画对比度是指画面上最大亮度与

42、最小亮度之比。显面上最大亮度与最小亮度之比。显示器的最大对比度约为示器的最大对比度约为30：1。对。对比度的对数值称为动态范围。灰阶比度的对数值称为动态范围。灰阶是指画面上亮度有多少级的差别。是指画面上亮度有多少级的差别。差别等级数愈多，即灰阶愈多，能差别等级数愈多，即灰阶愈多，能表达图像的层次愈丰富。表达图像的层次愈丰富。 超声成像设备（3 3）分辨力）分辨力 它是图像清晰程度的标志。它是图像清晰程度的标志。与显示器的光点大小直接有关。常用一定与显示器的光点大小直接有关。常用一定显示面积上的扫描线数来表示。也有用单显示面积上的扫描线数来表示。也有用单位面积的像素数目（即像素密度）来衡量。位面

43、积的像素数目（即像素密度）来衡量。例如，显像管在垂直方向的扫描线数为例如，显像管在垂直方向的扫描线数为625行，水平分辨率为行，水平分辨率为834个（个（6254/3）像素）像素（因为显像管显示图像的高与宽之比为（因为显像管显示图像的高与宽之比为3：4），因而整个画面有），因而整个画面有52万多个像素万多个像素（6258 834）。在一定的显示面积上，扫）。在一定的显示面积上，扫描线数越多，光点越小，分辨力越好。一描线数越多，光点越小，分辨力越好。一般显像管的光点直径为般显像管的光点直径为0.50.8mm。而。而5000线的高分辨显示器的光点直径仅有线的高分辨显示器的光点直径仅有20m。 超声

44、成像设备 显示器还有其他性能指标，如显显示器还有其他性能指标，如显示面积、响应时间、存储时间、发光示面积、响应时间、存储时间、发光颜色和余辉时间等，都要根据仪器的颜色和余辉时间等，都要根据仪器的特点和要求来选择。特点和要求来选择。 超声成像设备2.2.显像管是超声诊断仪应用最普遍的显显像管是超声诊断仪应用最普遍的显示器，一般便携式选用示器，一般便携式选用5或或7的显像的显像管，台式管，台式B超选用超选用9或或12的显像管，的显像管，彩超则选用彩超则选用12或或15的显像管。但显的显像管。但显像管存在一些难以克服的缺点：（像管存在一些难以克服的缺点：（1）深度尺寸（厚度）比较大，不能制成平深度尺

45、寸（厚度）比较大，不能制成平板型，笨重；（板型，笨重；（2）地址精度不够，采）地址精度不够，采用模拟地址的电子束扫描，难以圆满解用模拟地址的电子束扫描，难以圆满解决扫描的线性和高保真度；（决扫描的线性和高保真度；（3）需要）需要施加高电压，是电路全集成化、小型化施加高电压，是电路全集成化、小型化和安全性的一大障碍；（和安全性的一大障碍；（4）广角磁偏）广角磁偏转的转的CRT的功耗较大。的功耗较大。 超声成像设备3.3.液晶显示器，它与显像管相比，液晶显示器，它与显像管相比，具有体积小、重量轻、省电、地址具有体积小、重量轻、省电、地址较精确等优点。目前开始应用在便较精确等优点。目前开始应用在便携

46、式的超声诊断仪上。携式的超声诊断仪上。 超声成像设备 液晶材料均为有机化合物，分子结构具有液晶材料均为有机化合物，分子结构具有细长形状，它可因外界的微弱电场、磁场和极细长形状，它可因外界的微弱电场、磁场和极微弱的热刺激而改变其排列方向，或者使分子微弱的热刺激而改变其排列方向，或者使分子运动发生紊乱。利用液晶的这种特性很容易改运动发生紊乱。利用液晶的这种特性很容易改变它的光学性质，如在外部电场作用下，由于变它的光学性质，如在外部电场作用下，由于它的折射率各向异性，使旋光性、光散射等特它的折射率各向异性，使旋光性、光散射等特性发生变化，因而可用电对光进行调制。液晶性发生变化，因而可用电对光进行调制

47、。液晶显示就是利用这种电显示就是利用这种电光效应。根据电信号使光效应。根据电信号使液晶状态发生的变化，以及转换成光信号的转液晶状态发生的变化，以及转换成光信号的转换机理不同，电换机理不同，电光效应可分为动态散射效应、光效应可分为动态散射效应、扭曲向列效应、电控双折射效应、相变效应等。扭曲向列效应、电控双折射效应、相变效应等。扭曲向列效应又简称扭曲向列效应又简称TNTN效应，目前采用最多。效应，目前采用最多。 超声成像设备（三）（三） 基本电路基本电路脉冲式回声诊断仪种类很多，结构脉冲式回声诊断仪种类很多，结构各异。但它们都有一些共同的基本各异。但它们都有一些共同的基本结构。除了上面介绍的探头和

48、显示结构。除了上面介绍的探头和显示器是必需的，还有一些基本电路。器是必需的，还有一些基本电路。这些基本电路之间的关系如图这些基本电路之间的关系如图6-1-6-1-4 4所示。所示。 超声成像设备图图6-1-4 脉冲式回声诊断仪基本结构方框图脉冲式回声诊断仪基本结构方框图超声成像设备1.1.主控电路主控电路 最简单的主控电路是同步触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。它实际上是一个描发生器以及时标电路。它实际上是一个比率发生器，又称钟频发生器。

49、它产生触比率发生器，又称钟频发生器。它产生触发脉冲来控制系统和重复频率。脉冲重复发脉冲来控制系统和重复频率。脉冲重复频率频率fp的下限要满足采样定理的要求，它的下限要满足采样定理的要求，它应高于运动体频谱的最高频率应高于运动体频谱的最高频率fm的的2倍，倍，而上限又受到最大探测深度而上限又受到最大探测深度Rmax的限制。的限制。因此，因此，fp要满足下式要求：要满足下式要求： 1)-1-(622maxRCffpm超声成像设备 如果如果Rmax为为20cm，软组织平均声速，软组织平均声速C为为1540米米/秒，最高的重复频率秒，最高的重复频率fp应小于应小于3850Hz 。当考虑到减少或避免多次

50、反射。当考虑到减少或避免多次反射及其它干扰的影响时，一般选及其它干扰的影响时，一般选3KHz。如。如探测二尖瓣时，考虑二尖瓣波形频谱的最探测二尖瓣时，考虑二尖瓣波形频谱的最高频率高频率fm为为100Hz，则，则fp应大于应大于200Hz。根。根据不同的诊断用途，据不同的诊断用途，fp一般在一般在25Hz10 KHz范围选择。重复频率高，图像较明亮。范围选择。重复频率高，图像较明亮。 比率发生器在多数系统中采用多谐振比率发生器在多数系统中采用多谐振荡器，它的重复频率可调范围较大，频率荡器，它的重复频率可调范围较大，频率稳定性也较好。稳定性也较好。 超声成像设备 在有些超声诊断仪中，有时还在有些超

51、声诊断仪中，有时还需要让比率发生器与特定的频率同需要让比率发生器与特定的频率同步，如交流电源频率或心电信号同步，如交流电源频率或心电信号同步。此时，可利用电网的电压信号步。此时，可利用电网的电压信号加到过激励放大器，就能输出与交加到过激励放大器，就能输出与交流电源频率相同的脉冲信号。若用流电源频率相同的脉冲信号。若用心电图的心电图的R波去触发一个脉冲电路就波去触发一个脉冲电路就能产生与心电信号同步的触发信号。能产生与心电信号同步的触发信号。 超声成像设备 在同步控制的过程中，除需要比率发在同步控制的过程中，除需要比率发生器外，往往还要延时发生器和时标发生器外，往往还要延时发生器和时标发生器。延

52、时发生器，大多数情况采用单生器。延时发生器，大多数情况采用单稳态多谐振荡器就可以满足要求。稳态多谐振荡器就可以满足要求。 在现代的超声诊断系统中，已直接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，还控制许多处理和扫描和声束的形成，还控制许多处理和计测过程。计测过程。 超声成像设备2.2.发射电路发射电路 发射电路是在受到同步信发射电路是在受到同步信号触发时，产生高压电脉冲去激励换号触发时，产生高压电脉冲去激励换能器发射超声波。发射超声波的振动能器发射超声波。发射超声波的振动频率（主频或中心频率）是由换能器频率（主频或中心频

53、率）是由换能器的晶片特性和厚度决定的。而频带宽的晶片特性和厚度决定的。而频带宽度除了与晶片有关外，还与探头的结度除了与晶片有关外，还与探头的结构（机械阻尼）以及发射电路的阻尼构（机械阻尼）以及发射电路的阻尼有关。要求发射电路能产生一定幅度有关。要求发射电路能产生一定幅度的、陡峭的脉冲前沿的、短持续时间的、陡峭的脉冲前沿的、短持续时间的窄脉冲。最典型的发射电路原理图的窄脉冲。最典型的发射电路原理图如图如图6-1-5所示。所示。 超声成像设备图图6-1-5 发射电路示意图发射电路示意图超声成像设备 图中，高压图中，高压V1在数十伏到数百伏范围，以保在数十伏到数百伏范围，以保证产生足够的脉冲能量，它

54、通过限流电阻证产生足够的脉冲能量，它通过限流电阻R1向贮向贮能电容能电容C充电并充电至充电并充电至V1。当快速开关。当快速开关K一旦接通，一旦接通，C便向换能器放电，激励晶片产生振动，发射超便向换能器放电，激励晶片产生振动，发射超声波。阻尼电阻声波。阻尼电阻R2和调谐电感合适的数值是保证和调谐电感合适的数值是保证发射电路产生一定幅值的窄电脉冲的关键。此外，发射电路产生一定幅值的窄电脉冲的关键。此外，能否获得陡峭前沿的窄电脉冲，还和快速开关能否获得陡峭前沿的窄电脉冲，还和快速开关K的开关特性有关。要求它们有短的开关时间，如的开关特性有关。要求它们有短的开关时间，如100ns。除在传统的。除在传统

55、的A型、型、M型和机械扇扫诊断仪型和机械扇扫诊断仪中采用可控硅作快速开关外，大都改用雪崩晶体中采用可控硅作快速开关外，大都改用雪崩晶体管或管或MOS型场效应管。特别是型场效应管。特别是MOS型场效应管具型场效应管具有很高的工作电压（有很高的工作电压（1KV）、很短的快速开关时）、很短的快速开关时间（间（100ns）和低的导通电阻（）和低的导通电阻（0.3）等良好的）等良好的特性。特性。 超声成像设备 发射超声频率的选择是脉冲回波系统设发射超声频率的选择是脉冲回波系统设计中首先要考虑的因素之一。最佳超声频率计中首先要考虑的因素之一。最佳超声频率的选取与很多因素有关。在理想条件下，脉的选取与很多因

56、素有关。在理想条件下，脉冲回波系统的分辨力随着超声频率的增加而冲回波系统的分辨力随着超声频率的增加而提高。但对于规定的穿透深度，已知靶的回提高。但对于规定的穿透深度，已知靶的回声特性和衰减率时，超声频率的极限主要取声特性和衰减率时，超声频率的极限主要取决于信噪比，部分取决于扫描增益补偿要求决于信噪比，部分取决于扫描增益补偿要求的精度。因此在限定的穿透深度上，较短的的精度。因此在限定的穿透深度上，较短的波长给出较高的分辨力。若扫描增益取波长给出较高的分辨力。若扫描增益取50dB，则则1.5MHz超声波可以穿透超声波可以穿透250mm厚的人体软厚的人体软组织。若扫描增益取组织。若扫描增益取30dB

57、，则其穿透深度仅，则其穿透深度仅为为150mm ,这大约等于这大约等于100个超声波波长。个超声波波长。 超声成像设备 实际上，超声脉冲回波系统的频率实际上，超声脉冲回波系统的频率在在1-15MHz范围内选择。探测深度大时，范围内选择。探测深度大时，一般仅在一般仅在2-5MHz范围内选择。此外，范围内选择。此外，某些组织虽不很深，但衰减很大时，例某些组织虽不很深，但衰减很大时，例如颅脑就不宜选用较高的频率，一般选如颅脑就不宜选用较高的频率，一般选用用1-2MHz的频率。的频率。 超声成像设备 通频带宽度的确定是与脉冲回通频带宽度的确定是与脉冲回波包络信号的中心频率的最大振幅波包络信号的中心频率

58、的最大振幅有关，可由最大振幅下降有关，可由最大振幅下降3 dB后，后，两个振幅所处的频率相减求得，即两个振幅所处的频率相减求得，即所谓所谓3dB带宽。为了使脉冲回波信带宽。为了使脉冲回波信号不失真，提高灵敏度和分辨力，号不失真，提高灵敏度和分辨力，脉冲回波系统要求采用高于超声频脉冲回波系统要求采用高于超声频宽的射频宽带放大器。宽的射频宽带放大器。超声成像设备3 接收电路接收电路 它包括射频放大电路、它包括射频放大电路、解调和抑制、视频放大电路三个基本解调和抑制、视频放大电路三个基本部分。部分。（1 1）射频放大器）射频放大器 这部分电路，通常这部分电路，通常由隔离级（或称保护电路）、前置放由隔

59、离级（或称保护电路）、前置放大、高频放大以及时间增益补偿大、高频放大以及时间增益补偿（TGC或或STC）等电路组成。）等电路组成。 超声成像设备1 1）隔离级：脉冲式回波超声诊断仪）隔离级：脉冲式回波超声诊断仪的探头是收发共用的。大功率的超的探头是收发共用的。大功率的超声发射电路和高灵敏的接收电路相声发射电路和高灵敏的接收电路相连接。为避免接收电路被发射脉冲连接。为避免接收电路被发射脉冲击毁、干扰和减少阻塞时间通常在击毁、干扰和减少阻塞时间通常在接收电路前端必须加入隔离级。接收电路前端必须加入隔离级。 隔离级的作用是使发射脉冲不隔离级的作用是使发射脉冲不能通过，或将幅度限制在很小范围能通过，或

60、将幅度限制在很小范围内，而允许对回波信号几乎无衰减内，而允许对回波信号几乎无衰减地通过。地通过。 超声成像设备 隔离级电路有两类基本电路：第一隔离级电路有两类基本电路：第一类是采用限流和限幅的方法，如图类是采用限流和限幅的方法，如图6-1-6所示；所示； 图图6-1-6 第一类隔离级电路第一类隔离级电路超声成像设备第二类是不让大幅度信号通过，只许小第二类是不让大幅度信号通过，只许小于某一限幅电平的电压通过，如图于某一限幅电平的电压通过，如图6-1-7所示。所示。 图图6-1-7 第二类隔离级电路第二类隔离级电路超声成像设备2 2）前置放大：实际上是一个阻抗变换）前置放大：实际上是一个阻抗变换电