医学超声影像

医学成像技术的现状当今世界已进入信息时代，而人们所获得的信息约有70％是从视觉感知的，因此，信息图像化已成为当代信息科学发展的方向之一。成像技术就是讨论如何把人类周围物理世界(包括人类本身)的信息变成图像的一门科学技术。人体成像用于诊断已有很长历史,现已成为医学诊断技术中最活跃的研究领域之一，其目的是为了将人体内部结构显示在监示器的屏幕上。值得注意的是，计算机体层技术(CT)的诞生和发展，正在改变医学成像的面貌。作为一种新型的诊断装置，它能够观察到有先兆性的疾病，这比改进某些诊断手段使之能在疾病的有效治疗期作出确诊显得更为重要。现代医学成像系统1、X线成像测量穿过人体的X线；2、核医学成像有选择地测量摄入体内的放射性药物放射出的γ射线；3、超声成像测量人体内的超声回波；4、磁共振成像测量构成人体组织的元素原子核的磁共振信号；5、热成像测量体表的红外信号和体内的微波辐射信号；6、光学成像直接利用光学及电视技术，观察人体部分器官的形态。超声成像

超声成像是采用脉冲回波技术，利用超声波在组织界面处的反射特性，显示人体脏器的二维或三维图形的成像技术。测量方法属于解剖学测量范畴，其目的是了解器官的形态和组织状况。超声诊断具有对人体无损，实时成像等特点。它是继X线成像技术后，在医学上发展最为迅速，应用又十分广泛的成像方法。本章主要介绍超声成像的基本原理、各类医学超声诊断仪的基本结构及工作原理。超声成像的发展简史众所周知，超声是指超过人耳听力范围(20000H。以上)的高频声波。它最早应用于1917年，成功地用脉冲回声法探测潜艇；并于1921年发展成声呐。1942年把超声工业探伤原理应用到医学领域，开始用连续超声波来诊断颅脑疾。l946年提出A型诊断原理，超声回波技术用于医用诊断仪。20世纪50年代推广应用了A型脉冲回声诊断仪，用反射法探查疾病获得了成功。1950年产生了第一张人体组织横切面的超声影像图，从此超声进入图像显示的领域，并于1954年将8型超声诊断应用于临床实践。1970年下半年开始，B超显像仪在内科临床上应用普及。

1980年代中后期彩色多普勒超声显像仪的出现及计算机图像处理技术的应用，为超声诊断开创了更广阔的领域。超声波成像的声学基础一、超声波超声和声的物理特性在本质上是一致的，两者都是机械波。它是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性的振动产生的。超过人耳听阈上限的声波，即大于20千赫的称超声波（Ultrasonicwave）简称超声，临床常用的超声频率在2～10MHz之间。超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c）。三者的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质。

超声

透射

transmission

反射

reflection

折射

refraction

衍射difration

散射

scattering

衰减

attenuation

吸收

absorption

HUMANBODY

ULTRASOUND超声波成像的声学基础二、传播特性散射、绕射声波的绕射：当障碍物的直径等于或小于λ／2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射（Diffraction），故超声波波长越短（即频率越高），能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。声波的散射：

超声波在介质中传播过程中，如遇到小界面D远小于声波波长λ的声阻抗界面时，则接收入射声束中能量并成为新的二次声源，使得声波能量向四面八方发射，这种现象称为声波的散射声阻抗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。人体组织的声学特征无回声（无反射型）—胆汁、尿液、血液低回声（少反射型）—肝、脾强回声（多反射型）—血管壁、结石极强回声（全反射型）—肺、胃肠道肝胆汁胆囊壁回声类型超声诊断仪的基本组成及构造

超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器(Ultrasonictransducer)部分、基本电路部分和显示部分

（一）超声换能器

医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。正压电效应逆压电效应一、聚焦换能器

聚焦换能器：

由于非聚焦换能器，其声束在远场以外随距离的增大而扩散，而大尺寸的声束不利于超声检测，使图像的横向分辨率降低，影响图像质量，所以产生了聚焦换能器。1．声透镜聚焦一、聚焦换能器

2．电子聚焦二、基本电路超声诊断仪的基本结构大致相同，通常由主控电路、发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大和扫描发生器组成。

超声诊断仪的基本组成

（三）显示器(Diplayer)

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象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它由电子枪、偏转系统和荧光屏组成。示波管

超声脉冲回波成像原理

超声脉冲回波成像原理，是根据超声波在传播途径上遇到介质的不均匀界面时能发生发射的物理特性，向人体内发生超声脉冲；由于人体组织和脏器具有不同的声束和声阻抗，使超声波在界面上发射回波，检测出这些回波信号，对其进行放大和处理，最后在显示器上显示，即可得到脉冲回波的图像。脉冲回波成像基本原理图超声诊断仪基本原理方框图/htdocs/XXLR1.ASP?ID=5659例：（A型超声仪器工作原理）超声脉冲回波成像的主要工作参数超声工作频率超声脉冲重复频率穿透深度脉冲持续时间分辨率灰阶图像帧频超声工作频率

指探头与仪器连接后，实际辐射超声波的频率，即ls内超声波振动的次数：一般来说，超声工作频率并不等于探头的标称频率，但由于它们相差并不显著，习惯上标称频率称作仪器的超声工作频率。医学诊断用的超声工作频率一般是1.25MHz、2．5MHz、5MHz、10MHz和15MHz。仪器工作频率的选择，主要考虑两方面的因素。首先，从探测人体组织的最大深度说，要求选择较低的超声工作频率，因为超声工作频率低，则衰减慢；其次，从分辨率的角度来说，频率增高，波束的方向性就好，横向分辨率提高，但衰减也成比例地增加在具体应用中，对探测深度和分辨率应两者兼顾。探测距离较大时，不宜采用较高频率。但探测距离不大时，可以选用较高频率以提高分辨率。通常B超仪器的工作频率，在0．5～15MHz范围内，根据不同需要选择。超声脉冲重复频率

由于脉冲工作方式的超声仪器每一次的超声发射和接收都是在一个周期内完成的。每秒钟有多少个周期，发射和接收就重复多少次，即每秒钟超声脉冲重复发射的次数，也就是探头激励脉冲的频率。脉冲重复频率FC决定了仪器的最大探测距Dmax，这是由于Dmax=0.5ct式中：c为超声波在人体中传播的平均速度；t为声波往返一次所需的时间。当脉冲重复频率确定后，其脉冲周期T也即被确定，即，T是声波往返可利用的最大时间，考虑显示器扫描的逆程时间，应有t<T因此，有Dmax<0.5ct’应当说明的是，最大探测距离并不等于仪器的探测深度，探测深度受发射功率、接收机灵敏度等因素影响，而最大探测距离只是设计中允许设定探测深度的最大值。脉冲重复频率不可取太高，否则将限制仪器的最大探测距离；但也不可取太低，否则将影响图像的帧频或线密度。总之，脉冲重复频率的选择应综合考虑。超声波显像仪的FC值通常为2～4kHz。穿透深度穿透深度是指超声成像系统的作用距离。它应满足处于相当深度上的各种组织或器官成像的需要。影响超声作用距离的主要因数是超声脉冲信号在传播路径上的衰减。尽管通过降低超声的工作频率、增加超声发射频率可以扩展穿透深度，但受到相关因素的限制。最有效而又可行的方法是提高接收回波信号的灵敏度，这就要求仪器要有足够大的增益和极小的噪声。理论上最大穿透深度限制在300个波长左右，通常选择超声工作频率的200个波长作为作用距离。脉冲持续时间

指探头受电激励后产生超声振动的长短。它是影响超声系统纵向分辨率的主要因素之一。因此，希望在施加于探头的电激励脉冲结束后，探头产生超声振动的时间越短越好，最好是当激励脉冲一结束振荡即停止。发射脉冲持续时间与超声工作频率、探头阻尼特性等因素有关。降低超声工作频率、加大探头阻尼都可以缩短脉冲持续时间。分辨率

分辨率是指超声诊断仪对被检组织相邻回声图的分辨能力，分为纵向分辨率和横向分辨率。纵向分辨率表示在声束轴线方向上，对相邻回声图像的分辨能力。可以用两回声点之间的最小可辨距离来表示，其值越小则纵向分辨率越高。纵向分辨率与发射超声频率、脉冲持续时间及接收机增益等多种因素有关。发射超声频率越高(声波的纵向分辨率极限为声波的半波长)、脉冲持续时间越短，纵向分辨率越高。横向分辨率表示在垂直于声束轴线的平面上，对相邻回声图像的分辨能力。其值越小，则横向分辨率越高。影响横向分辨率的因素更多，如声束的直径、显示器件性能、换能器的一些因素，但最主要的因素是声束的直径。对圆形振子而言，横向分辨率与超声波长、振子半径以及检测点到换能器的距离有关，目前利用聚焦声束，一般可使系统横向分辨率达到2mm以下。

B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。黑色：没有反射灰色：中等反射白色：反射较强像素在屏幕上形成不同亮度的层次，既为灰阶。灰阶图像帧频

指成像系统每秒钟内可以成像的帧数。20帧／s以上的成像系统，称实时成像系统，低于这个帧数的称为静态或慢速成像系统。实时成像系统可用于观察动态脏器如心脏与胎儿等的运动情况，所以在实时成像系统中帧频是一个很重要的参数。A型超声波诊断仪M型超声波诊断仪B型超声波断层显像仪医学超声波诊断仪

A型超声诊断仪是1947年出现的幅度调制式的仪器，我国于1958年开始生产。A超的同步电路产生几百Hz到2KHz的正负电脉冲，使发射电路产生持续1.5~5μs的高频电脉冲。探头在高频电脉冲的激励下，产生超声振动，发射超声波。超声波在人体内传播，遇到不同组织的界面时，产生反射波—回波。探头接收反射波后，将其转换成电脉冲，进入接收电路，再通过检波和放大等电路，送到示波器的垂直偏转板上，而示波器的水平偏转板上加载的是时基锯齿波，即扫描电压。因此，示波器的荧光屏上的横坐标代表超声波的传播时间，一般13.33μs为一大格；而纵坐标显示的是回波的幅度与形状。A型超声波诊断仪A型超声图

A超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确。但A超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被M超和B超取代。A超主要用途A型超声仪器工作原理方框图

同步电路（主控振荡器）产生同步脉冲来同时触发发射电路和扫描电路，使两者同时工作。发射电路在同步电路发出的触发脉冲作用下，产生高频振荡波，一方面将此波送入放大电路进行放大，加至示波器的垂直偏转板上显示发射波；另一方面激励探头产生一次超声振荡，并进入人体。人体组织反射回来的微弱的回波信号经探头接收并转换成电脉冲后，由接收电路放大、检波后，送至示波器的垂直偏转板上并显示出来。另外，在同步脉冲作用下，在示波器的水平偏转板上加时基锯齿波电压—扫描电压，使荧光屏上显现出回波的波形与变化。

M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还在使用，目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用于观察心脏瓣膜的活动情况。M超与A超有共同之处，即都是利用探头向人体发射超声脉冲并接收反射脉冲。不同的是M超的发射波和回波信号加到了示波器的栅极或阴极。信号的强弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱，反映到荧光屏上就是光点的明暗，即辉度调制。M型超声波诊断仪

示波器的水平和垂直偏转板都被加入锯齿波电压，垂直偏转板上的锯齿波与发射脉冲同步，水平偏转板上的锯齿波频率要低于它。因此荧光屏上光点在垂直方向的距离表示探测深度，在水平方向的移动表示时间的进行，光点的亮度表示回波信号的强弱。M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒张时，其各层组织的界面与固定放置于人体表面的探头之间的距离随时改变，导致光点随之移动，在水平扫描电压下，光点水平展开，描绘出各层组织结构的活动曲线图，因此也叫超声心动图，它能显示心脏各部分结构的活动情况、动态变化、心室排血量以及可以得出室间隔、动脉等结构的定量数据等，是临床心脏疾病诊断中比较准确实用的工具。M型超声心动图的产生原理

上图是M超的简要方框图。其原理与A超基本相同，只是同步电路控制发射电路与深度扫描电路同时工作，回波信号为辉度调制。为便于测量，原来采用照相机将图像照相后再进行测量的方法逐渐淘汰，现在一般采用由微机控制，利用CRT电视监视器显示图像，并能够储存和自动测量的超声心动图仪。M型超声心动图的产生原理方框图M型超声诊断仪B型超声波断层显像仪

B超采取超声发射、回波信号接收处理和成像显示的基本结构点是：(1)B超为辉度调制，它将回波信号放大处理后送到显示器的Z轴上，进行辉度调制，使显示器的光点亮度随着回波信号大小变化，所以称辉度调制型或亮度调制型。(2)B型扫查方式是二维的。B超波束的发射方向不是固定不动的，而是作平行移动或作扇形转动，形成一扫查平