医学影像设备第十章1

超声成像设备内容概要超声波物理特性超声成像基本原理医用超声诊断仪器医用超声治疗仪器超声波的物理特性

声速与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。在超声诊断的频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，约为1540m/s。声速声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的距离（超声波在人体中一般是以纵波方式传播），称为声波的波长，以λ表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间，称为声波的周期，以T表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波数，称为声波的频率，以f表示。它们之间的关系为

λ=C/f=CT；C为超声波传播速度，

医学诊断中采用的超声波频率在1-20MHz范围内。波长、周期和频率：超声波的物理特性介质中任意点的密度ρ与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。超声波的物理特性声阻抗声压级LP是以分贝表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即LP=20lg(P/P0)

声强级LI是以分贝表示的某个声强I与参考声强I0的比值，即LI=10lg(I/I0)

声强是表示声的客观强弱的物理量，它表示通过垂直于传播方向上单位面积的能流率。声强为

I=1/2(ρCω02A2)=

p02/(2Z)

声强的单位是mW/cm2或W/m2。

声压级与声强级超声波的物理特性声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。对于平面超声波，他的总功率为强度I和面积S的乘积，即W=IS。

由于超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，因其不可逆的生物效应。因此，国际上对诊断用超声强度安全剂量作出规定，一般接受的安全剂量为20mW/cm2。

声压级与声强级超声波的物理特性对于平面园片换能器，在无吸收的介质中其波束形状有两个不同的区域即园柱形区和发散区或称为近场区和远场区。近场区的长度为D2/4λ，D为晶片直径，λ为该介质中传播的超声波长。在远场区，发散角由sinθ=1.22λ/D给出。可见，减小直径可缩短近场长度和增大，即加宽了波束。增加频率即减小波长时，加长了近场区，减少了发散角，可获得较窄的波束。超声波的定向性超声波的物理特性

声强度沿中心轴距离的分布，近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点。这些节点可引起不希望有的盲点。在远场区声强都变化趋于平稳，单随着距离的增加，声强逐渐减弱。超声波的物理特性超声波的定向性超声波的反射与折射

超声波的物理特性当一束平面超声波入射到两种介质交界面上时，或者声阻抗的不连续处时，会产生反射和折射，并遵从反射和折射定律。超声在介质中传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的衰减。噪声衰减的因素主要有两类。一类是声束本身扩散，使单位面积上的能量下降，或反射，散射的结果，使能量不能再沿着原来的方向传播。在这一类事件中，声波的总能量并没有减少。另一类是，超声传播中，由于介质的吸收，将声能转换成为热能，因而使声能减小。后一类的机理比较复杂，主要有粘滞吸收；弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收。超声波的物理特性超声波的衰减

超声波衰减主要分为：扩散衰减、散射衰减、吸收衰减三个类型。超声波的衰减

超声波的物理特性声源与观察者之间有相对运动时，听到的声音频率发生变化的现象，这一现象是多普勒在1842年首先发现的，所以称为多普勒效应。超声波的物理特性多普勒效应内容概要超声波物理特性超声成像基本原理医用超声诊断仪器医用超声治疗仪器声波在传播途中，遇到介质的不均匀界面时，发生反射与折射现象，产生的反射声波即回波。超声诊断仪通过对目标介质发射超声脉冲，经目标反射后，接收其回波，并检出其中所携带的有关目标的信息，从而能够确定目标的方位与距离。这种方法称为脉冲回波测距法，也是当前全部超声诊断仪所采用的方法。

超声成像基本原理人体组织和脏器具有不同的声阻抗，在声阻抗突变的界面会产生回波。将超声脉冲波发射到生物体内'再接收来自生物体的反射回波信号，完成对生物体组织的扫查，这种方法称为超声脉冲反射法，或称脉冲回波扫查技术。超声成像基本原理内容概要超声波物理特性超声成像基本原理医用超声诊断仪器医用超声治疗仪器医用超声诊断仪器基本组成医用超声换能器是将电能转换成超声波，同时也可将超声波转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。换能器的构成：换能器的核心是晶片，承担机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶片材料将机械能转变为电能，称为正压电效应；医用超声诊断仪器超声换能器当在晶片上加一交变电信号时，晶片材料将电能转变为与交变信号同样频率的机械能称为逆压电效应。这种逆压电效应（图4-5）产生了超声波。医用超声诊断仪器换能器的类型：超声诊断换能器的分类方法很多，不仅有按临床诊断部位、临床应用范围、振子元数、声束特性、频谱特性、收发方式、几何形状、压电材料等来分类，还有高密度、宽频带、变频技术等数百种规格超声探头，包括线阵、凸阵、微凸阵、机械扇形扫描、腔内、相控阵等类型探头。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器换能器的临床应用：线阵探头、凸阵探头主要用于腹部、妇产、外围血管；机械扇形扫描探头主要用于心脏；频率在40--100MHz范围的高频探头主要用于皮肤成像、冠状动脉内成像及眼部成像，如超声生物显微镜。基本电路：超声诊断仪电路大致相同，通常由主控电路、发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大器和扫描发生器组成。显示器：从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图像中提取的。常见的显示器有阴极射线管和液晶显示器医用超声诊断仪器医学超声诊断仪根据其原理、功能和显示方式等，可以划分为很多类型，在临床应用串通常以图像显示方式来划分，即分为A型、M型和B型等。各种分类主要包括：1．按获取信息的空间分为一维信息设备、二维信息设备、三维信息设备和四维信息设备。2．按图像获取信息方式分为反射法超声诊断仪、多普勒法超声诊断仪和透射法超声诊断仪。

医用超声诊断仪器超声诊断仪的分类3．按图像信息显示方式分为A型、l型、B型、P型、BP型、c型、F型、D型和超声全息等，除A型和M型及D型外，其他各型属广义的B型范围。4．按显示分为彩色扫查显像型、伪彩色显示类、三维和多维扫查显示类。5．按用途分为心脏专用型、妇产科专用型、腹部专用型、泌尿科专用型、眼科专用型和多普勒专用型等。6.按功能分为高档多功能、中档和普及型。医用超声诊断仪器A型超声诊断仪(Amodeultrasonograph)是一种利用超声波的反射（回波）特性测定被测对象（目标）在体内位置的诊断仪器，其定位（测距）原理基于脉冲回波法。当超声波的传播速度c一定时．超声波的波源至目标物间的距离I。便由超声波来回一次所需的时间△t决定．因此波速c一定时，目标的定位实际上就是一个时间测量的问题。医用超声诊断仪器A型超声诊断仪医用超声诊断仪器M型超声诊断仪M型超声诊断仪(Mmodeultrasonograph)用来测定心脏组织在不同时间的运动曲线图

，即超声心动图(ultrasonlccardiograr，UCG)。由于运动(motion)的第一个字母是M，故称为M型超声诊断仪。其原理图如图4-10所示。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器

B型超声诊断仪是利用超声脉冲回波原理，在显示器上以辉度调制方法形成的回波光点分布图来代表多条声束扫查体内某一切面时的超声断层图像或称声像图的一种超声波图像诊断装置，简称为B超。医用超声诊断仪器B型超声诊断仪在B型超声诊断仪的屏幕上同步显示超声换能器（探头）扫查人体内某一切面声像图：纵坐标代表声波传人体内的时间或深度，亮度受对应空间点上的超声回波幅度调制；横坐标代表声束对人体扫查的方向。由于它能够实时动态观察脏器或病变的断层图像，成为目前超声图像诊断应用最广泛的仪器。医用超声诊断仪器B型超声的组成B型超声诊断仪无论其复杂程度如何，其基本组成通常包括探头（换能器、超声发射电路、超声接收电路、数字扫描变换器(digitalscanconverter,DSC)、控制及定时电路、监控与计测软件、显示器、电源等部分，如图4-13所示。医用超声诊断仪器B型超声诊断仪按探头对人体扫描探查的方式不同，常分为机械扇形扫查、机械径向扫查、电子线阵、电子凸阵、电子相控阵、环阵相控阵等多种类型。机械扇形扫查超声诊断仪是以马达为动力，借助于机械传动结构，使超声换能器作扇形偏转运动而进行二维声束扫查从而获得扇形切面图像的超声成像仪器，机械扇形扫查常用于心脏实时动态成像。机械径向扫查超声诊断仪中，径向扫查的超声换能器作360°旋转运动，主要用于腔内诊断。医用超声诊断仪器B型超声的分类电子线阵扫查、凸阵扫查或电子相控阵扫查，使用的超声换能器晶片均被分成许多独立的小晶片，通常称为阵元，由控制电路对换能器阵元进行组合和切换控制，使每个阵元与一个发射／接收器连接，通过对发射脉冲和接收回波的延时控制，便能快速地改变超声声束的发射／接收位置，实现声束快速移动扫查，从而获得B型电子扫描超声图像。医用超声诊断仪器环阵相控阵扫查指的是超声换能器是由若干同心圆环形阵元组成，利用电子动态发射和接收技术，实现声束分段聚焦合成，获得声束截面二维聚焦和长的视野深度，从而提高B型超声图像分辨力的一种扫查方式。医用超声诊断仪器B型超声诊断仪的功能医用超声诊断仪器扫描方式：指是否具有电子线阵、凸阵、相控阵、环阵、机械扇形扫查筹多种功能，还是单一功能。显示模式：指是否具有B.B+M和M等多种显示模式。探头标称工作频率：指是否具有多个探测频率(2.5～IOMHz)，最高频率值。信号处理能力：指是否具有动态聚焦、数字扫描变换、多种图像显示、功能扩展（图像实时显示、图像冻结、极性反转、图像方位翻转、图像放大、图像回放、时相同步显示）和图像处理技术（插补技术、了变换处理、直方图、伪彩显示、三维图像合成等）等功能。多普勒功能：指是否具有彩色多普勒血流成像功能，连续的还是脉冲多普勒，是否具有FFT功能和高重复频牢特性等。医用超声诊断仪器声速线数：指一个超声扫查周期内具有多少条扫查线，南换能器所具有的阵元数决定，通常有64阵元、80阵元、128阵元，也有高达192阵元的。安全指标：为了确保安伞，输出声强一般应不大10mW/cm2，患者漏电流应小于l00uA。医用超声诊断仪器B型超声诊断仪的图像质量指标盲区：盲区是指B型超声诊断仪可以识别的最近目标距离（深度）o盲区越小，则越有利于检查接近体表的病灶。在换能器前加有水囊时，盲区无意义。探测距离（深度）：指在图像正常显示允许的最大灵敏度和亮度条件下，所能观测到的回波目标的最大距离（深度）o该值越大，在人体内探测检查的范围就越大。决定探测距离的因素有换能器灵敏度、超声发射功率、接收放大的增益和超声工作频率等。医用超声诊断仪器轴向（纵向）分辨力：指沿超声束轴线方向（纵向），B型超声诊断仪的图像显示中能够分辨两个回波目标的最小距离。轴向分辨力越小，声像囹上纵向界面的层理越清晰。对超声脉冲回波系统，该值决定于超声脉冲的有效宽度，脉冲越窄，轴向分辨力越高。医用超声诊断仪器侧向（横向）分辨力：指超声束的扫查平面内，垂直于声束轴线的方向（横向）上能够区分两个回波目标的最小距离，该值越小，声像图横向界面的层理便越清晰。决定侧向分辨力的因素包括超声束宽度（声束越窄，侧向分辨力越好）、系统动态范围、显示器亮度和媒质衰减系数等。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器几何位置示值误差：指B型超声诊断仪显示和测量目标实际尺寸和距离的准确度。该值影响到病灶在人体内的正确定位，影响该值的因素有声速设定和扫描规律形式，扇形图像的均匀性通常比平面线阵扫描几何位置的准确度更差。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪超声源的档次分类超声彩色血流成像(ultrasonccolorflowmapping,UCFM)和B型超声断层显像的原理区别在于，前者是依靠运动着的血流产生的多普勒频移信号来调制图像亮度，而后者是依靠人体组织界面回波振幅来调制。医用超声诊断仪器超声彩色血流成像设备在超声彩色血流成像系统中血流速度的大小用彩色亮度来表示，而速度的方向用红和蓝两种颜色来区别。当声束平行于血流方向时，血流朝向探头，则以红色表示，血流背向探头则以蓝色表示。虽然有的系统两种颜色可以用菜单进行选择，但目前国际上通常还是采用上述方法来标记血流方向。在速度显示方式中，一般用一条彩条（红蓝相接）来标记速度大小，称ColorBar，通常显示在图像旁边作为参考。流速越高，彩色越亮；反之，流速越低，彩色越暗。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器超声彩色血流成像原理超声彩色血流成像的目的是检测出二维图像上各点血液流动情况，具体方法是在每一个扫查角度上发射N次脉(4≤N≤16)，然后换一个角度再发射N次脉冲，直到把一个扇形断面扫查完成。线阵扫查也是如此，扫查过程示意图如图4-15所示。系统由主机、探头、附件三大部分组成，彩色血流成像原理框图如图4-l6所示。医用超声诊断仪器超声彩色血流成像系统医用超声诊断仪器主机：包括前端、后端、系统软件、显示器4个部分。以A／D转换器为分界，前端完成发射／接收功能；后端完成黑白和彩色图像的形成；系统软件完成人机接口、整个系统的控制以及各种计算和测量功能；显示器用于显示黑白二维断层图像和彩色m流图像以及操作菜单和计算测量结果。医用超声诊断仪器探头：探头由64个压电晶体阵元组成，完成电信号转换成超声信号和把回波信号转换成电信号，这个过程称为发射和接收。在发射时，阵元间的激励电信号通过有规律的时间关系来控制，从而在一个特定的方向上形成一个聚焦的超声波束；在接收过程中，通过称为延时控制和相位移动的技术，使得各阵元对固定目标的回波信号转换成相位相同的相干信号，这样叠加后，此目标的回波最强，而其他地方的回波信号相互抵消，结果使分辨力提高。附件：附件包括录像机和彩色（或黑白）拷贝机。录像机可以记录长时间的动态图像，但经录像后，信号质量会有损失。彩色（黑白）拷贝机记录的是一幅固定的图像’其信号损失较小。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器三维超声成像系统

三维超声成像是在二维超声成像（B超）基础上发展而成的人体结构超声立体成像系统。自20世纪70年代后期开始研究，80年代逐步进入临床应用，并日益发挥出其重要作用，发展迅速。三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像，动态三维成像由于把时间的因素加进去，用整体显像法重建感兴趣区域实时活动的三维图像（又称四维）。动态三维超声成像原理与静态基本相同。医用超声诊断仪器三维超声成像的基本步骤包括：图像的采集、图像后处理、三维图像的重建、三维图像显示和三维定量测定。1．图像的采集图像采集的信息有两大类：一是组织灰阶图像信息，用于组织结构三维重建；二是血流的彩色多普勒图或多普勒能量图信息，用于血管结构及血流的三维重建。2.图像后处理计算机对按照某一规律采集的一系列分立的二维图像进行空间定位及数字化处理，并对相邻切面之间的空隙进行像素插补平滑，形成一个三维立体数据库。医用超声诊断仪器3.三维图像的重建三维超声显像的计算机立体模型重建，主要基于以下三种方法实现：(1)立体几何构成法(2)表面提取法（轮廓提取法）(3)体元模型法4.三维超声成像（1）表面成像（2）透明成像（3）多普勒血流信息的三维成像5.三维图像的显示早期采用轮廓显示，包括网格型成像法和薄壳型成像法。从体元模型三维重建技术出现后即开始采用总体显示法，显示组织结构的所有灰阶信息。在三维重建的过程中，可从任意角度和方向对重建组织结构进行观察，而且可在设置的任意角度范围内使三维图像作动态显示，这一功能使组织结构的空间位置关系显示得更为清楚。医用超声诊断仪器医用超声诊断仪器6.三维定量测量二维超声成像测量某结构的体积时，须假设该结构的立体形态接近某规则的几何模型，然后利用某数学公式进行计算，然而人体内结构的立体形态通常复杂且不规则。三维超声成像测量体积时无须对所扫查结构的立体形态进行假设。7．三维超声成像的临床应用(1)颈动脉与脑(2)眼球及眶内疾病(3)腹部、小器官血管成像医用超声诊断仪器（4）妇产科（5）泌尿生殖系统医用超声诊断仪器超声多普勒胎儿监护仪1.基本原理多普勒效应是指当生源与接收器的位置在均匀介质中发生相对运动时，接收器所接收的声波频率将发生改变。当声源朝向接收器运动时，声波频率增高，相反运动时，声波频率减低。对于超声多普勒仪来说，发射源及接收器均在一个探头中，Doppler频移值，为探头所接收的超声波频率与探头所发射的超声波频率的差值。利用多普勒效应，超声多普勒胎儿监护仪能方便地从母体腹部拾取胎心多普勒信号，信号经过处理后，即可用来对胎儿的心率进行监护和记录胎心率的曲线。医用超声诊断仪器2.系统组成原理医用超声诊断仪器超声多普勒胎儿监护系统的主要指标包括：①监测频率≤2.5MHz；②超声强度≤9mW/cm2；③测量范围50~210bpm或30～240bpm，上下限胎心率越限报警装置可由医生设定，如每分钟80--160次。目前超声多普勒胎儿监护系统一般都具备对母体的心电、血压、血氧、呼吸、脉率、体温、宫缩内压等生理参数同时进行监护，以确保母子安全。医用超声诊断仪器医用超声治疗仪超声能量通过人体组织媒质的相互作用时，产生超声生物效应，引起生物体组织结构与功能变化，从而实现治