超声成像设备

第八章

超声成像设备

医学影像技术学教学内容1概述2A型和M型超声诊断仪3B型超声诊断仪4超声多普勒成像仪5超声诊断仪的使用与维护教学目标掌握B型超声诊断仪、超声多普勒成像仪的基本结构和工作原理。熟悉超声探头的一般结构和超声诊断仪的使用与维护知识。了解超声成像的基础知识和回波式超声诊断仪的基本类型。探测海深、海底暗礁等蝙蝠利用超声导航人们受到启示声呐探测鱼群、潜艇位置等绘水下数千米地形图仿生学直线传播能量大2、超声的特点：频率高1、什么是超声？高于20000Hz的声音超过正常人耳能听到的声波⑴超声导航声呐⑵穿透能力强①超声诊断仪②金属探伤仪⑶破碎能力强①杀菌、消毒②清洗精密零件③将不可混合液体混合如油和水⑷缩短种子发芽时间，提高发芽率；促进植物生长⑸超声加工如金刚石、玻璃等⑹超声除尘如烟囱里冒的黑烟3、超声的应用医学方面:1、超声治牙2、超声诊断仪（B超）3、人体内结石击碎4、超声波加湿器（雾化）5、医疗器械杀菌、消毒超声检查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、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CT和MRI高。

医学超声的优点

超声波成像优点无损伤，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（1）有高的软组织分辨力。（2）具有高度的安全性。（3）实时成像。超声成像像发展展史1917年法国人发明明声纳20世纪40年代末，超声声用于医学诊诊断（A型）20世纪50年代初，临床床使用脑回声声图，M型超声心动图图20世纪50年代末，超声声多普勒技术术20世纪60年代中，B型超声诊断仪仪20世纪80年代，双功(duplex)声像图+多普勒频谱20世纪90年代，新技术，三三功(triplex)声像图+多普勒频谱+彩色多普勒血血流显示，，三维立体声声像图及数字字化由黑白灰阶超超声成像发展展到彩色多普普勒超声谐波波成像、组织织多普勒成像像等新型成像像技术和各项项新的超声检检查技术（如如腔内超声检检查、器官声声学造影检查查、介入超声声）逐渐应用用于临床。由单纯诊断发发展到诊断与与治疗两方面面。目前超声和X线-CT、磁共振与核医学共同组成现代代四大医学影影像技术。超声成像像发展展史中国超声成像发展展史始于1958年秋，诞生地地在上海，2008年超声诊断50周年“上海市第六六人民医院-中国超声诊断断发源地”医学超声设备备的发展趋势势一方面是价格低廉的便携式超声诊诊断仪大量进入市场场另一方面是向向综合化、自动动化、定量化化和多功能等方向发展，，介入超声、、全数字化电电脑超声成像像、三维成像像及超声组织织定性不断取取得进展，使使整个超声设设备和诊断技技术呈现出持持续发展的热热潮。在探头方面，，新型材料、、新式换能器器不断推出，，如高频探头头、腔体探头头、高密度探探头相继问世世，进一步提提高了超声诊诊断设备的档档次与水平。。第一节概概述1基础知识回顾顾2超声探头3发射与接收电电路教学目标掌握超声探头头的基本结构构熟悉超声成像像的基础知识识超声基础知识识（一）超声波波的概念和基基本特性超声波的概念念频率在2万赫兹以上的的机械振动波波，称为超声声波(ultrasnicwave)，简称超声(ultrasound)。超声波在传传声介质中的的传播特点是是具有明确指向向性的束状传传播，这种声波能能够成束地发发射并用于定定向扫查人体体组织。超声波的产生生医用高频超声声波是由超声声诊断仪上的的压电换能器产生的，这种种换能器又称称为探头，能能将电能转换换为超声能，，发射超声波波，同时，它它也能接受返返回的超声波波并把它转换换成电信号。。1.超声频率（（f），不变单位时间内质质点振动的次次数，医学诊诊断用超声的的频率一般在在兆赫级，称称为高频超声声波，由探头头中压电材料料决定，在2～10兆赫兹范围。。2.超声波长（λ）相邻两个同相位的的振动点之间间的距离3.周期（T），不变传播一个波长长距离所需要要的时间超声基础知识识声波20Hz<f<20KHz听觉范围超声波f>20KHz次声波f<20Hz超声基础知识识4.声速（c）由传播介质决决定，不同人人体组织器官官的声速不同同，平均声速速为1540米/秒，在骨骼内内穿透能力小小（4080米/秒），成像不不灵敏声速C、波长入、频频率f或周期T之间的关系符符合:=5.反射、折射、、透射：与自然光在空空气和水中传传播一样，超超声在人体组组织中传播不不仅有衰减，，同时还存在在着反射、折折射与透射现现象。超声基础知识识如果超声在非非均质性组织织内传播或从从一种组织传传播到另一种种组织，由于于两种组织声声阻抗率的不不同，在声阻阻抗率改变的的分界面上便便会产生反射射、折射与透透射。当超声波垂直直分解面入射射时，不产生生折射，可得得到最佳的反反射效果。6、散射：声波传播过程程中，遇到直直径小于波长长的微小粒子子，微粒吸收收声波能量后后，再向四周周各个方向辐辐射球波，这这种现象称为为声散射，可可出现在不规规则的粗糙面面上。散射障碍物：：红细胞、脏器器内微小组织织超声基础知识识多普勒成像根根据生物组织的介介质中，散射射现象时声波波传播中最普普遍、最基本本的现象，它是脉冲回波波技术的依据据，也成为大大多数超声诊诊断技术的基基础超声的反射只只能观察到脏脏器的轮廓，，超声的散射射却能了解脏脏器内部的病病变。7、声压有声波存在时时，媒质中的的压强瞬时值值与静压强的的差值。单单位：帕（Pa）声压是不断变变化的，声源源若做周期性性振动，声压压也做周期性性变化超声基础知识识8、声强(soundintensity)是指超声波在在介质中传播播时，单位时时间内通过垂垂直于传播方方向的单位体体积的平均能能量。其大小表示声声波的强弱，，声强与声源源的振幅有关关，振幅越大大，声强也越越大。超声基础知识识超声的定义、、特性及产生生机制超声声束的空空间分布1.声束在一个有限的的立体角内传传播的超声。2.声轴声束的中心线线。3.近程区靠近探头区域域，声束等宽宽4.远程区远离探头区域域，声束发散散超声的定义、、特性及产生生机制超声声束空间间分布示意图图9.声阻抗声场中某一位位置上的声压压与该处质点点振动速度之之比定义为媒媒质的声特性性阻抗，称为为声阻抗率声特性阻抗（（Z）等于传播媒媒质的密度(ρ)与声速(C)的乘积。声阻抗是决定定超声波的传传播以及反射射的一个重要要因素。超声基础知识识如果两种媒质质的声阻抗Z相同，获得得最大的传声声率超声在人体内内传播时所发发生的反射、、散射等现象象，正是由于于人体声阻抗抗变化所引起起的，而反射射、散射又是是目前所有回回波型超声诊诊断仪工作原原理的基础。。人体组织只要要有0.1%的声阻抗差差异，探头就就可以检测出出回波，转化化为电信号，，经处理后显显示。10.声衰减声波在介质内内传播过程中中，由于介质质的粘滞性、、热传导性、、分子吸收以以及散射等因因素导致声能能减少，声强强减弱的现象象称为声衰减减。绝大多数软组组织中，引起起声衰减的主主要原因是声吸收。由于声吸收收的现象，声声波传播中的的一部份能量量被转化为热热能，从而使使继续传播的的声强减弱。。在超声诊断的的频率范围内内，生物软组组织的声衰减减系数大多与与频率成正比比。超声基础知识识◆超声波是一种种机械波，纵纵波◆超声波可在气气体、液体、固体等介质中中传播◆超声波可以传传递很强的能能量◆超声波在传播播过程中会产产生反射、折折射、散射、、绕射、干涉涉等现象◆超声成像主要要运用超声在在人体中传播播的反射和散散射现象。根据被探测的的声波特点分分为：穿透式超声诊诊断仪和回波式超声诊诊断仪根据其利用的的物理特性不不同分为：回波幅度式和和多普勒式超声成像设备备的分类1.回波幅度式利用回波幅度度变化来获取取组织信息的的超声诊断仪仪提供组织器官官解剖结构和和形态方面的的信息。根据超声的空空间分布，分分为：一维图：A型和M型二维图：B型、C型和F型三维图：重建建三维和实时时三维超声成像设备备的分类（1）A型超声诊断仪仪：A型超声采用幅度调制显示，被探测测组织界面反反射的回波信信息在显示器器上以脉冲波波形显示。横坐标：超声声波传播时间间，探测深度度纵坐标：回波波脉冲的幅度度超声成像设备备的分类A超(Amplitudemode)即幅度调制型型。此法以波波幅的高低代代表界面反射射信号的强弱弱，可探测脏脏器径线及鉴鉴别病变的物物理特性。由由于此法过分分粗略，目前前巳基本淘汰汰。36浅深强弱反射回声（2）M型超声：运动-时间型或运动动-位置型将A型超声获取的的回波信息，，用亮度调制方法加于显示示器内阴极摄摄像管（CRT）阴极或栅极极上，并在时时间轴上加以以展开，最终终显示的是被被探测界面运运动的轨迹图图。能反应心脏各各层组织界面面的深度随心心脏活动时间间的变换情况况。超声成像设备备的分类（3）B型超声诊断仪/B超是当今世界使使用最广泛的的超声诊断仪仪。它采用回波信信号的幅度调调制显示器亮亮度，显示器器的横坐标和和纵坐标与声声束扫描的位位置一一对应应。它以明暗不同同的光点反映映回声变化，，在影屏上显示示9-64个等级的灰度度图象，强回回声光点明亮亮，弱回声光光点黑暗按扫描线逐行行显示随深度度变换的回波波信号即构成成一幅二维断断面图象类型：扇形扫扫描、线性扫扫描、复合式式B超超声成像设备备的分类B超(brightnessmode)为辉度调制型。此法以不同辉辉度光点表示示界面反射信信号的强弱，，反射强则亮亮，反射弱则则暗。因采用用多声束连续续扫描，故可可显示脏器的的二维图像，，本法是目前前使用最为广广泛的超声诊诊断法。40本质为二维超超声（4）C型、F型超声诊断仪仪超声波束能进进行X、Y两个方向扫描描（平面），，采用亮度调节。C型距离选通（（平面深度位位置）是一个个常数（固定定深度）F型则是一个变变量超声声成成像像设设备备的的分分类类（5）3D型超超声声诊诊断断仪仪显示示组组织织器器官官的的立立体体结结构构或或功功能能图图，，利利用用亮亮度度来来反反映映回回波波信信息息由二二维维扫扫描描获获取取的的平平面面图图来来重重建建三三维维图图超声声成成像像设设备备的的分分类类回波波幅幅度度式式超超声声诊诊断断仪仪是是一一般般利利用用灰灰阶阶来来表表示示回回波波幅幅度度的的差差异异，，灰灰阶阶级级数数越越多多，，表表达达能能力力越越强强2.多普普勒勒式式多普普勒勒效效应应：：振动动源源和和接接受受体体在在连连续续介介质质中中有有相相对对运运动动时时，，所所接接收收到到的的回回声声频频率率不不同同于于振振动动源源所所发发射射声声频频率率，，其其差差别别与与相相对对运运动动的的速速度度有有关关，，这这种种现现象象就就叫叫做做超超声声的的多多普普勒勒效效应应。。超声声成成像像设设备备的的分分类类目前前常常用用的的超超声声多多普普勒勒有有:连续续式式多多普普勒勒（（CWD）脉冲冲式式多多普普勒勒（（PWD）彩色色多多普普勒勒血血流流图图（（CDFI）彩色色多多普普勒勒能能量量图图（（CDE）彩色色多多普普勒勒反反向向能能量量图图（（DPA）血管管透透视视和和重重建建图图超声声成成像像设设备备的的分分类类超声声成成像像设设备备的的分分类类目前前，，临临床床所所用用的的彩彩色色多多普普勒勒超超声声诊诊断断仪仪是是一一个个综综合合性性的的超超声声诊诊断断系系统统，，在在B型图图像像上上叠叠加加彩彩色色血血流流图图1.显示示人人体体组组织织器器官官的的形形态态结结构构2.反映映运运动动信信息息超声声成成像像设设备备的的分分类类总结结超声成像脉冲回波幅度成像A超：幅度调制型B超：辉度调制型M超：运动显示型脉冲回波频移信号成像PW：脉冲多普勒显像CW：连续多普勒显像彩色多普勒显像2006年年6月月5日日星星期期一一48总结结灰阶阶是是将将声声信信号号的的幅幅度度调调制制光光点点亮亮度度，，以以一一定定的的灰灰阶阶级级来来表表示示探探测测结结果果的的显显示示方方式式。。总结结显示示屏屏上上最最黑黑到到最最亮亮的的灰灰度度等等级级差差，，取取决决于于信信号号的的强强度度。。灰灰阶阶级级数数越越多多，，图图像像的的层层次次越越丰丰富富，，图图像像细细节节的的表表现现能能力力越越强强。二、、超超声声探探头头超声声探探头头（（ultrasonicprobe）是是超超声声成成像像设设备备必必不不可可少少的的关关键键部部位位，，它它是是将将电电信信号号变变化化为为超超声声波波信信号号，，又又将将超超声声波波信信号号变变换换为为电电信信号号，，即即具具有有超超声声发发射射和和接接受受双双重重功功能能。。对某某些些非非对对称称结结晶晶材材料料（（如如石石英英））进进行行一一定定方方向向的的加加压压或或拉拉伸伸时时，，表表面面的的两两侧侧将将会会出出现现符符号号相相反反的的电电荷荷，，具具有有此此性性质质的的材材料料称称为为压电电材材料料，分分为为压压电电晶晶体体、、极极化化陶陶瓷瓷、、高高分分子子聚聚合合物物和和复复合合材材料料等等。。人造造压压电电陶陶瓷瓷和和人人造造极极性性高高分分子子聚聚合合物物，，如如钛钛酸酸钡钡、、硫硫酸酸锂锂、、钛钛酸酸铅铅、、锆锆钛钛酸酸铅铅（（PZT）（一一））压压电电晶晶体体俗称称振振元元或或振振子子，，是是探探头头的的核核心心部部分分压电电材材料料天然然——石石英英晶晶体体——价价格格贵贵、、性性能能差差人工工——锆锆钛钛酸酸铅铅1.电电-声声相相互互转转换换效效率率高高，，灵灵敏敏度度高高2.易易于于电电路路匹匹配配，，性性能能稳稳3.非非水水溶溶性性，，耐耐湿湿防防潮潮，，机机械械强强度度大大4.价价格格低低廉廉，，易易于于加加工工压电电晶晶体体压电电晶晶体体具具有有压电电效效应应和电致致伸伸缩缩效效应应压电电晶晶体体未未受受外外力力两两侧侧不不带带电电荷荷正压压电电效效应应压电电效效应应：：在压压电电晶晶体体适适当当方方向向施施加加作作用用力力时时，，相相对对电电极极板板上上会会出出现现与与外外力力成成正正比比的的正正负负电电荷荷，，形形成成一一定定的的电电压压信信号号，，利利用用压压电电效效应应接接收收超超声声波波。。压力力变形形产生生电电场场电致致伸伸缩缩效效应应(反反压压电电效效应应)：：在相相对对两两个个电电极极板板上上加加一一交交变变电电压压，，压压电电晶晶体体能能按按电电压压变变化化规规律律伸伸长长或或收收缩缩。。利利用用此此效效应应可可以以产产生生超超声声波波。。电场场变形形（二二））探探头头基基本本结结构构换能能器器外壳壳连接接电电缆缆其它它：：机机械械探探头头中中有有电电机机，，传传动动机机结结构构、、位位置置信信号号等等。。声透镜匹配层1匹配层2压电晶体吸声材料地电极“火”电极换能能器器完成成超超声声与与电电信信号号相相互互转转换换发射射超超声声波波和和接接收收超超声声回回波波由声声透透镜镜、、匹匹配配层层、、压电电晶晶体体、、吸吸收收块块组组成成外壳壳压电电晶晶体体圆片片或或长长条条形形片片谐振振频频率率由由厚厚度度决决定定，，厚厚度度↓，，谐谐振振频频率率↑↑匹配配层层使声声能能高高效效地地在在压压电电晶晶体体和和人人体体软软组组织织之之间间传传输输提高高换换能能器器的的灵灵敏敏度度、、减减少少失失真真和和展展宽宽频频带带声透透镜镜：：凹凸凸或或凸凸透透镜镜，，将将换换能能器器发发出出的的波波速速聚聚焦焦，，提提高高超超声声诊诊断断仪仪的的分分辨辨力力超声束换能器声透镜吸声声块块由吸吸声声材材料料制制成成将向向后后辐辐射射的的声声能能吸吸收收掉掉，，消消除除后后向向干干扰扰晶体体振振荡荡的的阻阻尼尼装装置置，，缩缩短短振振动动周周期期超声声的的振振动动周周期期由由晶晶体体和和阻阻尼尼材材料料决决定定，，影影响响成成像像的的轴轴向向分分辨辨力力外壳壳：支支撑撑、、屏屏蔽蔽、、密密封封盒盒保保护护换换能能器器连接接电电缆缆：连连接接换换能能器器与与主主机机（三三））探探头头分分类类1.按按诊诊断断部部位位：心心脏脏、、眼眼科科、、腹腹部部、、颅颅脑脑、、腔腔内内、、儿儿童童探探头头等等2.按应用用方式：体外、体体内、穿刺刺活检探头头等3.按振子子单元数分式单元探探头，多元元式探头（（线阵、相相控阵、方方阵、凸阵阵）。4.按波束束控制方式式：线性、机机械扇扫、、方阵探头头等5.按几何何形状：圆形，弧弧形、方形形、矩形探探头6.按工作作原理分：脉冲回波波探头、多多普勒式探探头多普勒式探探头利用多多普勒效应应来测量血血流参量，，进行心血血管疾病的的诊断；也也可以用于于胎儿监护护。根据用途分分为：（1）常见见形式：连连续波和脉脉冲波多普普勒探头CW发射振振元与接收收振元是分分割式，不不加吸声材材料。PW与脉冲冲回波式探探头相似（2）梅花花形：中心心有一发射射振元，周周围有六只只接收振元元，用于获获取胎儿心心率超声探头及及扫描图片片超声发射和和接收都由由压电晶体体完成的，，压电晶体体需要的能能量来源于于电压脉冲冲信号，由由发射电路路（脉冲发发生器）产产生三、发射与与接收电路路MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场场效应管，，属于绝缘缘栅型。作用：电压压控制器，，温度稳定定性好，抗抗辐射强，，噪声低。。可作可变变电阻、作作电子开关关雪崩二极管管：稳压二级级管的一种种，利用的的是半导体体反向雪崩崩击穿原理理做成的稳稳压管，作作用就是稳稳压。可做做限幅器，，钳位器等等，一般用用作信号稳稳压。或在在电路中作作基准电压压原。匹配网络电电路的作用用使负载阻抗抗为放大器器所要的最最佳负载电电阻，保证证放大管传传输到负载载的功率最最大抑制工作频频率以外的的频率（滤滤波作用））具有一定的的通频带当当已调波通通过网络时时，不至于于导致波形形失真谐振电路：：在具有电阻阻R、电电感感L和电电容容C元件件的的交交流流电电路路中中，，电电路路两两端端的的电电压压与与其其中中电电流流位位相相一一般般是是不不同同的的。。如如果果我我们们调调节节电电路路元元件件（（L或C）的的参参数数或或电电源源频频率率，，可可以以使使它它们们位位相相相相同同，，整整个个电电路路呈呈现现为为纯纯电电阻阻性性。。电电路路达达到到这这种种状状态态称称之之为为谐谐振振。。在在谐谐振振状状态态下下，，电电路路的的总总阻阻抗抗达达到到极极值值或或近近似似达达到到极极值值。。作用用：：容抗抗和和感感抗抗相相等等，，回回路路发发生生自自激激振振荡荡，，放放大大或或省省电电发射射电电路路工工作作原原理理图图CB充充电电-放放电电-SE振振荡荡-脉脉冲冲电电压压-压压电电晶晶体体振振动动单元元式式探探头头发发射射电电路路工工作作原原理理图图发射射脉脉冲冲-V1导导通通-C1放放电电-D1导导通通-施施压压压压电电晶晶体体-超超声声波波超声声波波接接收收：：发发射射脉脉冲冲停停止止，，V1截截止止，，C1经经R2，，R3充充电电，，D1截截止止，，压压电电晶晶体体与与发发射射电电路路断断开开单元元式式探探头头发发射射电电路路工工作作原原理理图图阵列列式式探探头头发发射射电电路路工工作作原原理理图图隔离离电电路路高灵灵敏敏度度的的接接收收电电路路必必须须与与大大功功率率的的发发射射电电路路相相连连接接，，为为防防止止接接收收电电路路被被高高压压发发射射脉脉冲冲损损坏坏，，在在接接收收电电路路前前需需加加入入隔离离级级电电路路禁止止大大幅幅度度的的发发射射脉脉冲冲通通过过，，或或将将其其限限制制在在较较小小幅幅度度范范围围内内，，弱弱小小的的回回波波几几乎乎无无衰衰减减地地通通过过耦合合电电容容：又又称称电电场场耦耦合合或或静静电电耦耦合合，，耦耦合合电电容容器器是是使使得得强强电电和和弱弱电电两两个个系系统统通通过过电电容容器器耦耦合合并并隔隔离离，，提提供供高高频频信信号号通通路路，，阻阻止止高高频频电电流流进进入入弱弱电电系系统统，，保保证证人人身身安安全全。。隔离级电电路EL发射射超声期期间-脉脉冲压使使导通的的D1，，D2反反向偏置置截止脉冲压不不通过D1，C1，D2-接接收电路路脉冲压>0.7V，通通过C，，D1，，D2导导通，进进入接收收电路D1，D2要有有较大正正向电流流及反向向耐压值值总结压电效应应：超声探头头的结构构：ThankYou!9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Tuesday,December20,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。12:09:0012:09:0012:0912/20/202212:09:00PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2212:09:0012:09Dec-2220-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。12:09:0012:09:0012:09Tuesday,December20,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2212:09:0012:09:00December20,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。20十二二月202212:09:00下下午12:09:0012月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月2212:09下下午12月-2212:09December20,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2012:09:0012:09:0020December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。12:09:00下下午午12:09下下午12:09:0012月月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Tuesday,December2