第二章 超声仪器

第二章超声波仪的构造及分类

锦源电子0516-3638855363886610/18/20231第一节超声诊断仪的基本组成及构造10/18/20232超声诊断仪的组成(1)超声换能器(2)基本电路(3)显示器10/18/20233一、超声换能器定义：是将电能转换成超声能，同时将也可将超声能转换成电能的一种器件。

目前应用的主要是压电换能器，其种类繁多，除了连续波多普勒设备中使用收发分离的换能器结构外，其余都是采用脉冲工作方式，所以都是使用收发共用的换能器结构。10/18/20234(一)换能器的组成压电振子匹配层聚焦件背衬块10/18/20235

压电振子

------换能器的核心目前压电振子常用的材料是人造压电陶瓷锆钛酸铅----最为常用优点：电—声转换效率高、性能稳定、易成形、成本低；缺点：频率不够高等；偏铌酸铅：频率及频宽均较锆钛酸铅好。聚偏氟乙烯薄膜：频带更宽，是理想的压电材料。10/18/20236匹配层

是位于压电振子前面的一层或多层

的声学材料。作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传输效率。组成：通常用四分之一波长厚度的阻抗匹配层来实现。10/18/20237声透镜

位置：在探头的匹配层与人体组织间；

材料：常用塑料或树脂制成；

作用：声聚焦和换能器的保护层；

原理：透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可折射效应发生会聚。10/18/20238背衬块

位置：位于压电振子背后；

材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物；

作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，提高纵向分辨力；

原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。10/18/20239(二)换能器的分类一、据工作原理1．脉冲反射式有A超、M超和B超，B超探头括线阵、凸阵、相控阵、环阵等。2．多普勒式有连续波和脉冲波多普勒探头。

10/18/202310(二)换能器的分类二、据控制扫查方式1．电子式线阵型、相控阵型、凸阵型及环阵式探头。2．机械式摆动式、旋转式探头。10/18/202311(二)换能器的分类三、据晶片数1．单晶片

A超、M超及摆动式机械探头。2．多晶片

线阵型、凸阵型、相控阵型和环形阵型等。10/18/202312摆动式机械扇扫探头构成：由一块晶片组成；原理：微型电机驱动晶片，作来扇形回摆动；优点：成本低，容易修复；缺点：噪声大，磨损严重。10/18/202313旋转式机械扇扫探头构成：由多块晶片组成；原理：微型电机驱动晶片，作360度旋转；优点：噪声小，磨损较轻；缺点：成本高，修复较难。10/18/202314线阵型探头构成：由6-8个阵元沿一直线排列组合；每个阵元分割成若干窄条振子。原理：阵元组依一定顺序工作，用电子开关轮番地接通，形成线性扫描。评估：近场视野大，易受肋骨、气体影响。10/18/202315凸阵型探头构成：阵元的窄条振子被均匀分布在凸形圆弧上；原理：同线阵，只是其波束是作扇形扫描；评估：能避开胸骨和肋骨遮挡，无噪音，可替代机械扇扫探头。10/18/202316相控阵探头构成：与线阵类似，仅阵元数少些，故结构紧凑。原理：通过适当调整、控制各单元激励信号的相延(或时延)，以实现声速偏转。评估：优点与凸阵相似，但旁瓣较明显。10/18/202317环形相控阵探头构成：由一系列同心的圆环形晶元体组成。原理：适当调整、控制圆环形晶元体的激励信号和接收信号的相延(或时延)，使声束聚焦的焦距作连续或步进式移动。评估：全程横向分辨力高。10/18/202318二、基本电路

超声诊断仪除连续多普勒用连续波外，大多用脉冲波，后者种类很多，但基本结构大致相同。

10/18/202319(一)主控电路

即同步触发信号发生器，它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描发生器中的时基扫描电路。

其下限应不小于探测目标运动波形最高频率的２倍，而其上限则取决于声波对人体的最大探查深度所需的时间。超声脉冲重复频率决定于触发脉冲的重复频率，其选择必须满足如下要求：10/18/202320重复频率越高，显示器图象越亮。脉冲重复频率采样下限要求：

如二尖瓣运动波形的最高多普勒频率为100Hz，则脉冲重复频率应选择高于200Hz；脉冲重复频率采样上限要求：

如最大探测深度定为20cm，往返为0.4m，声速为1500m／s,则需时为T＝0.4／1500＝260us，对应重复频率为f＝1/T＝3846Hz，一般最高取3kHz。10/18/202321(二)发射电路

发射电路受同步信号触发后，产生高压电脉冲去激发换能器，换能器受到激发后，便发射一定频率和宽度的脉冲超声波。

超声波的穿透力和纵向分辨力很大程度上决定于发射电路的特性，一般要求发射电路发射既有一定幅度，持续时间又要短的脉冲波。发射频率决定于晶片的特性和厚度，频宽还决定于探头的结构及发射电路的阻尼。10/18/202322(三)高频信号放大电路

换能器发出脉冲波后，即接收其来自人体内的超声回波并将它转换为高频电信号，继而通过高频信号放大电路放大。为获得足够的灵敏度与保真度，高频信号放大电路应足够大增益和带宽。并根据不同需要，在高频信号放大电路中设有TGC。电路组成：保护电路、前置放大、高频放大及非线性放大的时间增益电路等组成。10/18/202323(四)视频信号放大

回波电信号经高频放大后，再作检波，检波后的视频包络信号，频率较低，需经过视频信号放大器作适当的放大。Ａ型超声仪：将信号加至显示器y轴偏转板(或偏转线圈)上，使电子水平扫描线产生垂直方向偏移(A型)；Ｂ型、Ｍ型超声仪：将信号加到显示器的栅极上进行图象的亮度调制。具有数字扫描变换器的超声仪是在信号合成及D/A转换后,经视放放大去调节显示器的亮度。10/18/202324(五)扫描发生器

扫描发生器产生的扫描电压加到显示器的偏转系统上，使电子束按一定的规律扫描。

通常把视频放大器和扫描发生器统称为显示电路，而显示系统则由显示器件、显示电路和有关电路组成。

A型、M型及B型超声诊断仪的扫描发生器都不相同。10/18/202325三、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象中提取的。

超声诊断仪的显示器通常是阴极射线管(CRT)，根据偏转系统的不同可分两种，即静电偏转示波管和磁偏转显示管。10/18/202326三、显示器

整个CRT由电子枪、偏转系统和荧光屏组成。基本工作原理

由加热阴极发射出的电子被聚焦成为电子束，通过电场(示波管)或磁场(显像管)的作用改变电子束运动方向(偏转)，并继而轰击涂有荧光物质的屏幕的不同部位，使之发光，由这些光点在屏幕上组成一幅图象。

10/18/2023271、电子枪

电子枪由阴极、控制极和阳极组成。

通电后的电子枪灯丝，在高压电场作用下，发射出电子，经控制极和阳极的作用，集成一束。控制极的电压一般负于阴极，对阴极电子流的大小进行控制，显示管的亮度调节就是改变这个电压。阳极电压用来控制电子流(或称电子束)的粗细，故亦称为聚焦阳极。10/18/2023282、偏转系统

使电子束在x方向和y方向发生偏转，从而控制光点在荧光屏上的位置。

静电偏转型CRT的偏转系统是由两对互相垂直的X方向和Y方向上的偏转板组成，他们在外电场的作用下，能引起电子束的方向改变。磁偏转型CRT的偏转系统是由在管颈外两侧放置的一对线圈组成，线圈有垂直和水平之分，一般称为行偏转线圈和帧偏转线圈。在线圈中流过的电流大小控制着电子束偏转的大小。10/18/2023293、荧光屏

是将电能转换为光能的一种器件，超声图像、波形及字符等就在这里显示出来。

荧光屏位于显示管的顶部，其内面涂有荧光物质，该物质受电子束轰击后就能发光。光点是组成图像的基本要素，称为像素；光点的明亮程度用灰阶表示；光点的维持时间取决于显示器荧光粉的余灰时间，实时超声一般选用中短余辉的CRT。10/18/202330第二节超声诊断仪的类型10/18/202331超声诊断仪的分类影像超声：一维：Ａ超、Ｍ超二维：Ｂ超三维：血流超声：一维：脉冲、连续多普勒二维：彩色多普勒血流显像三维：10/18/202332一、Ａ型超声诊断仪

以探头接收到的超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式。

Ａ型超声适用于简单解剖结构的检查、线度测量，如脑中线检查、眼科检查。10/18/202333二、Ｂ型超声诊断仪

显示的局部亮度或光强代表回波的幅度的回波信息表示方法。

在显示屏上，以声束扫查移动位置为横坐标，以超声的传播时间纵坐标，并以回波幅度调制辉度，可得到探头扫查经过的平面内的图像。10/18/202334B超与A超的区别1)B超的y轴位移代表声波向人体内的传播深度；2)回波的信号强度在A超上以幅度表示，而B超则是以亮度表示；3)B超X轴方向的电子扫描与声束对人体的扫查。

由许多相平行的、亮度受人体回波幅度调制的ｙ轴扫描线连成一片，就构成了一幅二维超声图象。10/18/202335二、Ｍ型超声诊断仪

将沿声束方向各反射点位移随时间变化而显示，是一种以光点亮度来表示反射声信号强弱的仪器。

Ｍ型对探查人体内的运动器，如心脏、胎心的搏动特别有用，常与Ｂ型联合使用，同时加上心电图、多普勒等，制成多参数超声心动仪。10/18/202336Ｍ型超声基本原理

将回波强度加到显示器的控制极上作辉度调制，代表深度的时基线加到垂直偏转板上，而在水平偏转板上加一慢变化的时间扫描电压，使深度的时基线以慢速沿Ｘ方向移动，故静止目标的显示像是一条水平亮迹，摆动着的单Ｍ型显像为一正弦曲线。10/18/202337M超与B超的区别

1)M型反映的是一维空间中的动态信息，而B型反映的是二维空间的结构信息。2)M型X轴方向代表的是时间，而B型代表了空间的横向展开。3)y轴方向都代表声波对人体的探查深度。4)来自人体回波的幅度大小都是以y轴扫描线上的亮度强弱来表示的。10/18/202338四、三维超声诊断仪将立体图象以投影图或透视图表现在平面上的显示方式，可从各个角度来观察该立体目标。

三维超声成像技术是利用电子计算机将一系列一定规律采集的二维图像信息重建，从而构成三维图像，能提供更加丰富的三维空间信息，以弥补二维超声成像的不足。10/18/202339(一)三维表面成像－－可进行形态学研究含液性空腔器官表面有液体被低回声围绕10/18/202340(二)三维透明成像－－应用于骨骼及含液性结构最大模式X线模式最小模式10/18/202341(三)三维多平面成像－－常规二维无法得到10/18/202342五、频谱多普勒

多普勒超声脉冲波进入人体后，将产生一系列复杂的频移信号，这些信号被接收器接收并处理之后，还必须经过适当的频率分析和显示，方能转变为有用的血流信息。10/18/202343(一)多普勒频谱分析

利用数学的方法对多普勒信号的频率、振幅及其随时间而变化的过程进行实时分析的一种技术。

在多普勒超声中，实时频谱分析的方法主要采用快速富立叶转换，该转换是利用计算机技术对一个复杂信号进行实时频谱分析，经过分析后，就能鉴别信号中的各种频率移动和这些频移信号的有关流向，将复杂的混合信号分解为单个的频率元素，最后形成实时显示的血流频谱。10/18/202344(二)多普勒频谱显示普勒信号经过频谱分析之后，通过两种方式加以输出，一种是音频输出，另一种是图象输出。10/18/2023451、多普勒音频输出

多普勒的发射和接收频率均为超声，但其频移的数值常为1--20干赫，恰为可闻声。故频移信号被放大后输入扬声器中，成为音频信号。音频信号可反映血流的性质，其高低反映频率的高低，而响度则反映振幅的高低。血流在流经心腔和大血管的不同部位时，可将产生不同的音频信号。借助于音频信号，可正确地判断血流的性质并指导声束的方向。10/18/2023462、多普勒图像输出

频谱显示是多普勒频移信号图象输出的主要方式。在这种显示中，可得到以下信息：频移时间：以横坐标的数值表示，代表血流持续的时间，单位为秒。

频移大小：以纵坐标的数值表示，代表血流速度的大小，单位常以米／秒。10/18/2023472、多普勒图像输出

频移方向：以频谱图的基线为界，基线以上的频移信号为正值，基线以下的频移信号为负值。

信号振幅：以频谱的灰度表示，代表取样容积或探查声束内具有相同流速的血细胞数量的多少。

频率范围：以纵坐标上频谱的宽度表示，代表某一瞬取样容积中血细胞速度分布范围。10/18/202348(三)连续多普勒

理论上最大流速的测值无限制性。流速实际可测值常大于米7／秒，定量分析狭窄、分流和返流性病，其主要缺点是缺乏空间分辨能力。

探头用双晶片，一个连续发射脉冲波，另一个连续接收并转换成电信号和放大，经过基本电路的处理，即可在显示器上得到多普勒频移随时间变化的图谱。10/18/202349(四)脉冲多普勒距离选通：沿超声束不同深度的某一区域作多普勒检查。取样容积：其大小等于脉冲波的波长与数目的乘积。突出优点：疾病的定位诊断和血流量的定量测定。主要缺点：受脉冲重复频率的限制，易出现频率失真。其超声脉冲波的发射与接收均以一个探头进行，它是在一选择性的时间延迟后，才开始接受回声信号。10/18/202350(五)尼奎斯特极限

根据取样定位，脉冲重复频率必须大于多普勒频移(fd)的二倍，才能准确显示频移的方向和大小，即：fd＜1/2PRF，脉冲重复频率的1／2为尼奎斯特极限。如果多普勒频移值超过这一极限，脉冲式多普勒所检出的频率改变就会出现大小和方向的伪差，称为频率失真，或频率混叠。10/18/202351增加流速测值的措施

选择低频探头：对于给定的取样深度，探头频率越低，流速测值越高。

减少取样深度：探查高速血流时，应尽量选择距探头较近的超声