超声成像设备

第六章超声成像设备掌握：

超声波的物理基础；B型、多普勒超声诊断仪的构造、工作原理、基本电路、评价指标和质量控制了解：超声设备的发展史，发展趋势；A型、M型超声诊断仪的构造及工作原理。

第一节概述

综述超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在2万赫兹(Hz)以上。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。超声诊断由于设备不似CT或MRI设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因此在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。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。一、超声成像设备发展史1、1880年居里兄弟发现压电效应；2、1921年首次将声纳用于探测潜艇；3、1945年Firestone制成A型脉冲超声检测仪。我国自1958年11月开始将A型超声诊断应用于临床。4、1954年M型超声波诊断仪诞生；5、60年代中后期－80年代初期B型超声检查发展并普及，仪器渐趋完善;与此同时，D型超声诊断仪也开始出现。我国自1978年开始应用B型超声诊断疾病。6、80年代中后期彩色血流显像，为超声诊断开创了更加广阔的领域。7、90年代来经颅多普勒（TranscranialDoppler,TCD）诊断仪应用低频多普勒超声,与此同时，介入性超声（InterventionalUltrasound）在诊断和治疗中都起到了重要的作用。二、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1、超声波的概念

频率在2万赫兹以上的机械振动波，称为超声波(ultrasnicwave)，简称超声(ultrasound)。超声波在传声介质中的传播特点是具有明确指向性的束状传播，这种声波能够成束地发射并用于定向扫查人体组织。2、超声波的产生

医用高频超声波是由超声诊断仪上的压电换能器产生的，这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声波，同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电信号。3、超声波的基本物理量

3.1频率(f)：是指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，称为高频超声波，常用频率范围2～10兆赫。3.2波长(入)：两个相邻相同相位的振动点之间的距离。频率和波长在超声成像中是极其重要的参数，波长决定图像的极限分辨力，而频率则决定可成像的组织深度。3.3声速(C)是指声波在介质中传播的速度。声速是由弹性介质的特性决定的。目前，较多采用人体软组织平均声速的数值是1540m／s。声速C、波长入、频率f或周期T之间的关系符合:关系式：C=λ*F或λ=C/F

3.4声强(soundintensity)

声强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。声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。4、反射与折射与自然光在空气和水中传播一样，超声在人体组织中传播不仅有衰减，同时还存在着反射、折射与透射现象。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，在声阻抗率改变的分界面上便会产生反射、折射与透射。当超声波垂直分解面入射时，可得到最佳的反射效果。5、散射

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，这种现象称为声散射，可出现在不规则的粗糙面上。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，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。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。6、声特性阻抗

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。

声特性阻抗（Z）等于介质的密度(p)与声速(C)的乘积。声阻抗是决定超声波的传播以及反射的一个重要因素。

医用超声诊断仪采用超声回波法来检测和提取人体解剖或运动信息以供临床诊断需要。超声从一种媒质传播到另一种媒质时，如果两种媒质的声特性阻抗相同，就可以获得最大的传声效率。当人体组织的声特性阻抗为常量时，即传声媒质在声学上是均匀的，那么声波将在人体中直线传播，不会发生反射、折射及散射等现象。超声在人体传播时所发生的声反射、声散射等现象，完全是由于人体组织声特性阻抗变化所引起的，而反射与散射又是目前所有回波型超声诊断仪工作原理的基础。人体组织的声特性阻抗只要有0.1%的差异，探头就可以检测出回波，并将其转化成电信号，经处理后在监视器上显示。7．声衰减

声波在介质内传播过程中，由于截至的粘滞性、热传导性、分子吸收以及散射等因素导致声能减少，声强减弱的现象称为声衰减。绝大多数软组织中，引起声衰减的主要原因是声吸收。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，从而使继续传播的声强减弱。在超声诊断的频率范围内，生物软组织的声衰减系数大多与频率成正比。

超声波频率越高，分辨力越好，但衰减越强，穿透力越差；反之，频率越低，分辨力越差，但衰减越弱，穿透力越强。在超声诊断仪中，为使深部回声信息清楚，一般采用灵敏度时间控制(STC)或时间增益控制（TGC）调节来补偿声衰减。（二）与普通声波比较的优势：①由于超声波的频率高，因而波长很短，它可以像光线那样沿直线传播，使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波；②由于超声波所引起的媒质微粒的振动，即使振幅很小，加速度也很大，因此可以产生很大的力量。

超声波的这些特性，使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如：我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上可以用超声波对金属内部的气泡、伤痕、裂缝等缺陷进行无损检测。在医学领域可以进行超声灭菌、超声清洗、超声雾化等。更重要的是做成各种超声诊断仪器和治疗仪器。

超声波在人体传播主要有以下的物理特性：1、束向性或指向性2、反射、折射、散射和绕射3、超声波的吸收与衰减4、多普勒效应超声成像的基本原理和过程主要是依据上述超声波在介质中传播的物理特性，其中最为重要的有以下三个方面：即声阻抗特性、声衰减特性、多普勒特性。（三）超声的物理特性三、超声成像的特点

1、有高的软组织分辨力，组织只要有0.1%的声阻抗差异，仪器就能检测出并显示其反射回波。目前，超声成像已能在近20厘米的检测深度范围，获取优于1毫米的图像空间分辨力。2、具有高度的安全性，当严格控制声强低于安全阈值（平均声强小于10mW/cm²）时，超声可称为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。3、实时成像能高速实时成像，可以观察运动的器官，并节省检查时间。4、使用方便，费用较低，用途广泛。

超声诊断仪的基本组成包括：

发射与接收单元(Tx／Rx)、数字扫描转换器部件(DSC)、键盘、面板开关组件、超声探头、监视器、摄影部件和电源部件等。

四、超声诊断仪的基本结构主要由面板接口、探头、发射/接收单元、数字扫描转换器、监视器、显示器几部分组成。（一）面板接口

面板上的开关，编码数据后馈送开关信号到Tx／Rx单元及数字扫描转换器部件，面板也提供增益控制信号，并传送这一增益控制信号对Tx／Rx组件中的放大器作STC(灵敏度时间控制)及增益控制。（二）探头探头也称超声换能器，由压电晶体片制成。当在晶片(又称振子)上加高频电脉冲激励时，便会产生高频振动发射超声波。而由界面反射的回声信息到达晶片表面产生振动，转换为高频电信号，通过放大处理后转变为图像信息。探头既是发射器也是接收器，是整个超声设备中的关键部件。超声诊断仪探头有多种型号，体外常用的探头有：电子线阵探头、电子凸阵探头、电子相控阵探头；腔内探头有：经食管探头、直肠探头、阴道探头等。

1探头基本结构（1）换能器（2）壳件（3）电缆（4）其它：机械探头中有电机，传动部件、位置检测部件等。

背衬吸收块匹配层压电振子匹配层(保护层）被测组织A单元换能器

根据临床诊断的要求，换能器有许多种不同结构形式，而单元换能器是基本的结构．单元换能器它由主体和壳体两部分组成．

（１）主体：①压电振子，它是产生压电效应的元件．

②吸收块，吸收来自压电振子的的声能。③匹配层Ⅰ发射状态，界面不发生发射，超声全部透射进入人体，提高换能器发射能量。Ⅱ接收状态，回波全部进入换能器，提高换能器的灵敏度。

（２）壳体：包括：①外壳为换能器的结构件．

②接插件

与超声诊断仪连接的插头

③电缆线

超声激励电源及信号的连接

外壳接插机构电缆线压电振子吸收块匹配层B

多元换能器

多元换能器是由多个单元振子组成．有的将振子沿直线排列为一行，组成线阵探头；有的将振子沿弧形排列，构成凸阵探头；有的将振子成矩阵排列，构成矩阵探头等多种多元超声换能器．

2、压电效应

（1）正压电效应

在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械压力，使其变形，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷；变形方向相反，两面的电荷极性随之变换．电荷密度同施加的机械力成比．这种因机械力作用而激起表面的电荷效应，称为正压电效应。在医学应用中，超声的接收就是利用了正压电效应，即把超声对压电材料表面的机械力传换成为电信号。+++----+-----++++++++----+-----++++++++---压电体未受外力两侧不带电荷压电体受拉力两侧带电荷压电体受压缩力两侧带电荷正压电效应（2）逆（负）压电效应

在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压，在电场作用下引起几何应变，电压方向改变，机械应变方向亦随之改变，形变与电场成比例．这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应．

在医学应用中，超声的发射就是利用逆压电效应，即用电压使压电材料产生机械振动，振动在介质中的传播形成声波。逆压电效应

---++++----++++-压电体两侧加电场时长度伸展压电体两侧加相反电场时长度压缩3、压电振子和压电材料

A压电振子

（1）定义：被覆激励电极的压电体。压电振子是超声换能器的核心部件，它由压电材料制成。（2）性质：具有正压电效应和逆压电效应，具有机电转换能力，是一个可逆的机电换能系统。

压电片电极导线（3）符号B常用压电材料压电单晶体——石英—灵敏度高，机械性好，稳定性好，不易加工压电多晶体——压电陶瓷—成本低，加工方便医用超声诊断人造压电陶瓷和人造极性高分子聚合物，如钛酸钡、硫酸锂、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）。

C压电材料的主要性能参数Ⅰ压电系数：发射系数、吸收系数发射系数——单位电场所产生的形变，适用于制成发射型的换能器吸收系数——单位应力产生的电场，适用于制成接收型换能器。Ⅱ居里点：当温度升至3000C时，将失去压电效应，这个临界温度点称居里点。所以，探头不能高温消毒。Ⅲ频率常数（FC）：FC=FS（谐振频率）×d（厚度）

FS=FC/d。FC是特定的。FS决定于d高频探头

晶片很薄（因d很小），脆性大，加工损耗大，成本高，价格贵，所以，使用中特别小心。Ⅳ介电常数Ⅴ机电耦合系数（K）表示机械能转换成电能的效率。主要与压电振子的形状与振动模式有关。

4探头分类

（1）脉冲回波式：

单探头（用于A型、M型、机械扇扫和脉冲多普勒工作方式的超声诊断仪中)、机械探头、电子探头、术中探头、穿刺探头、经腔内探头。

（2）多普勒式：

常见形式：连续波CW和脉冲波PW多普勒探头

梅花形探头

（三）发射／接收单元发射／接收单元在电子扫描时传送发射控制信号到探头，并对来自超声探头的接收信号由放大系统进行高频放大、对数压缩及有关预处理，并作电子聚焦和动态聚焦控制、检波，然后传送到DSC部件。此外，这个部件还传送DSC同步控制的有关信号，通过电子聚焦或动态聚焦方式使超声束聚焦，以提高侧向(横向)分辨力。（四）数字扫描转换器1、概念：一个存储装置，将信息一种格式存入存储器，而以另一种格式读出。DSC输出为X——Y二维输入格式，输出格式是标准的电视光栅。DSC核心部件：半导体图像存储器。2、工作原理：数字扫描转换器(DSC)部件对来自Tx／Rx单元的超声视频信号进行A／D转换

(模拟一