第九章：超声成像设备

第九章超声成像设备昆明卫生职业学院医技学院影像教研室王志涛直线传播能量大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。第一节概述一、超声成像设备的发展简史1917年法国人发明声纳20世纪40年代末，超声用于医学诊断（A型）20世纪50年代初，临床使用脑回声图，M型超声心动图20世纪50年代末，超声多普勒技术20世纪60年代中，B型超声诊断仪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，三功(triplex)声像图+多普勒频谱+彩色多普勒血流显示，三维立体声像图及数字化由黑白灰阶超声成像发展到彩色多普勒超声谐波成像、组织多普勒成像等新型成像技术和各项新的超声检查技术（如腔内超声检查、器官声学造影检查、介入超声）逐渐应用于临床。由单纯诊断发展到诊断与治疗两方面。目前超声和X线-CT、磁共振与核医学共同组成现代四大医学影像技术。一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪大量进入市场另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展，介入超声、全数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断取得进展，使整个超声设备和诊断技术呈现出持续发展的热潮。在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。二、超声成像的物理学基础（一）超声波1.频率、波长、声速2.反射、折射、透射3.声压、声强（二）媒质的声阻抗

Z=ρc三、超声诊断仪的分类

根据被探测的声波特点分为：穿透式超声诊断仪和回波式超声诊断仪根据其利用的物理特性不同分为：幅度式和多普勒1.回波幅度式利用回波幅度变化来获取组织信息的超声诊断仪提高组织器官解剖结构和形态方面的信息。（1）A型超声诊断仪：A型超声采用幅度调制显示，回波信息在显示器上以脉冲波形显示横坐标：超声波传播时间，探测深度纵坐标：回波脉冲的幅度（2）M型超声将A型超声获取的回波信息，用亮度调制方法加于显示器内阴极摄像管（CRT）阴极或栅极上，并在时间轴上加以展开，最终显示的是被探测界面运动的轨迹能反应心脏各层组织界面的深度随心脏活动时间的变换情况。（3）B型超声诊断仪/B超是当今世界使用最广泛的超声诊断仪。它采用回波信号的幅度调制显示器亮度。它以明暗不同的光点反映回声变化，在影屏上显示9-64个等级的灰度图象强回声光点明亮，弱回声光点黑暗按扫描线逐行显示随深度变换的回波信号即构成一幅二维断面图象类型：扇形扫描、线性扫描、复合式B超（4）C型、F型超声诊断仪超声波束能进行X、Y两个方向扫描（平面），采用亮度调节。C型距离选通（平面深度位置）是一个常数（固定深度）F型则是一个变量（5）3D型超声诊断仪显示组织器官的立体结构或功能图，利用亮度来反映回波信息由二维扫描获取的平面图来重建三维图2.多普勒式多普勒效应：振动源和接受体在连续介质中有相对运动时，所接收到的回声频率不同于振动源所发射声频率，其差别与相对运动的速度有关，这种现象就叫做超声的多普勒效应。目前常用的超声多普勒有:连续波式多普勒（CWD）脉冲式多普勒（PWD）彩色多普勒（CDFI）彩色多普勒超声诊断仪是一个综合性的超声诊断系统，在B型图像上叠加彩色血流图1.显示人体组织器官的形态结构2.反映运动信息，另外，超声医学影像设备根据其原理、任务和设备体系等，可以划分为很多类型。1.以获取信息的空间分类(1)一维信息设备如A型、M型、D型。(2)二维信息设备如扇形扫查B型、线性扫查B型、凸阵扫查B型等。(3)三维信息设备即立体超声设备。2.按超声波形分类(1)连续波超声设备如连续波超声多谱勒血流仪。(2)脉冲波超声设备如A型、M型、B型超声诊断仪。3.按利用的物理特性分类(1)回波式超声诊断仪如A型、M型、B型、D型等。(2)透射式超声诊断仪如超声显微镜及超声全息成像系统。4.按医学超声设备体系分类(1)A型超声诊断仪将产生超声脉冲的换能器置于人体表面某一点上，声束射入体内，由组织界面返回的信号幅值，显示于屏幕上，屏幕的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度，纵坐标则表示回波脉冲的幅度（amplitude），故称A型。(2)M型超声诊断仪将A型方法获取的回波信息，用亮度调制方法，加于CRT阴极（或栅极）上，并在时间轴上加以展开，可获得界面运动（motion）的轨迹图，尤其适合于心脏等运动器官的检查。(3)B型超声诊断仪又称B型超声断面显像仪，它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横坐标和纵坐标则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅幅亮度（brightness）调制的超声断面影像。故称B型。B型超声诊断仪又可分为如下几类：①扇形扫描B型超声诊断仪----包括高速机械扇形扫描、凸阵扇形扫描、相控阵扇形扫描等；②线性扫描B型超声诊断仪；③复合式B型超声诊断仪----它包括线性扫描与扇形扫描的复合以及A型、B型、D型等工作方式的复合，极大地增强了B型超声设备的功能。(4)D型超声多普勒诊断仪利用多普勒效应，检测出人体内运动组织的信息，多普勒检测法又有连续波多普勒（CW）和脉冲多普勒（PW）之分。(5)C型和F型超声成像仪C型探头移动及其同步扫描呈“Z”字形，显示的声像图与声束的方向垂直，即相当于X线断层像，F型是C型的一种曲面形式，由多个切面像构成一个曲面像，近似三维图像。(6)超声全息诊断仪它沿引于光全息概念，应用两束超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息，并用激光进行重现出振幅和相位。(7)超声CT超声CT是X-CT理论的移植和发展，用超声波束代替X射线，并由透射数据进行如同X-CT那样的影像重建，就成为超声CT，其优点：①无放射线损伤；②能得到与X-CT及其它超声方法不同形式的诊断信息。第二节超声探头

超声探头（ultrasonicprobe）又叫超声换能器，是超声成像设备必不可少的关键部位，它是将电信号变化为超声波信号，又将超声波信号变换为电信号，即具有超声发射和接受双重功能。超声探头的主体-压电振子是由压电材料制成的，它能实现电能与声能的相互转换。具有压电效应性质的材料，称为压电材料。按物理结构分为四大类：压电单晶体、压电多晶体、压电高分子聚合物、复合压电材料。压电效应：在压电晶体适当方向施加作用力时，相对电极板上会出现与外力成正比的正负电荷，形成一定的电压信号，利用压电效应接收超声波。压力变形产生电场一、压电效应电致伸缩效应(反压电效应)：在相对两个电极板上加一交变电压，压电晶体能按电压变化规律伸长或收缩。利用此效应可以产生超声波。电场变形压电晶体具有压电效应和电致伸缩效应压电晶体未受外力两侧不带电荷压电晶体俗称振元或振子，是探头的核心部分对某些非对称结晶材料（如石英）进行一定方向的加压或拉伸时，表面的两侧将会出现符号相反的电荷，具有此性质的材料称为压电材料，分为压电晶体、极化陶瓷、高分子聚合物和复合材料等。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）压电材料天然—石英晶体—价格贵、性能差人工—锆钛酸铅1.电-声相互转换效率高，灵敏度高2.易于电路匹配，性能稳3.非水溶性，耐湿防潮，机械强度大4.价格低廉，易于加工二、结构与种类（一）结构换能器外壳连接电缆其它：机械探头中有电机，传动机结构、位置信号等。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

换能器完成超声与电信号相互转换发射超声波和接收超声回波由声透镜、匹配层、压电晶体、吸收块组成压电晶体圆片或长条形片谐振频率由厚度决定，厚度↓，谐振频率↑匹配层使声能高校第在压电晶体和人体软组织之间传输提高换能器的灵敏度、减少失真和展宽频带声透镜：凹凸或凸透镜，将换能器发出的波速聚焦，提高超声诊断仪的分辨力吸声块由吸声材料制成将向后辐射的声能吸收掉，消除后向干扰晶体振荡的阻尼装置，缩短振动周期超声的振动周期由晶体和阻尼材料决定，影响成像的轴向分辨力外壳：支撑、屏蔽、密封盒保护换能器连接电缆：连接换能器与主机二、种类1.按诊断部位：眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头2.按应用方式：体外探头，体内探头、穿刺活检探头3.按换能器所用的晶体振元数目：单元式探头和多元式探头6.按工作原理：脉冲回波式探头、多普勒式探头4.按波束控制方式：线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头5.按几何形状：矩形探头、柱形探头、弧形探头、圆形探头6.按工作原理：脉冲回波式探头和多普勒式探头（1）常见形式：连续波（CW）和脉冲波（PW）多普勒探头（2）梅花形探头7.按工作频率：单频探头、变频探头、宽频探头三、发射与接收电路发射电路功能：在受到同步信号触发时，产生高压电脉冲去激励换能器发射超声波。振动频率（主频或中心频率）由换能器的晶片特性和厚度决定，可人工微调。1-15MHz范围内频宽：由晶片Q值和阻尼电阻R2决定。Q值越大，脉宽越窄；阻尼电阻R2越小，脉宽越窄，能量越小，同时图象分辨率越高。接收电路1.射频放大器组成：隔离级（或称保护电路）、前置放大、高频放大、时间增益补偿（TGC或STC）。（1）隔离级接在接收电路前端，将大功率的超声发射电路和高灵敏度的接收电路隔离，使发射脉冲不能通过，或将幅度限制在很小范围内，而允许对回波信号几乎无衰减地通过。基本电路有两类：第一类采用限流和限幅的方法；第二类不让大幅度信号通过，只允许小于某一限幅电平的电压通过。（2）前置放大实际上是一阻抗变换电路，高阻抗输入而低阻抗输出。由于隔离级工作在非线性状态，其输出阻抗是非线性的，为使高频放大器工作在恒定的阻抗条件下，需加阻抗变换电路。（3）高频放大（射频放大、主放大）放大器要有100dB的增益，信号动态范围超过120dB，甚至高达150dB。此外，根据临床检查的不同需要要求有合适的工作频率；足够大的低噪声增益带宽；高的动态范围；低相位失真和适当的响应幅度以及短的过载阻塞时间等。（4）时间增益补偿（深度增益补偿）使浅部组织回波信号小放大甚至衰减，而深部组织回波信号得到较大的放大，使不同深部的组织回声信号都得到充分的显示。这种技术称为深度补偿。第三节A型和M型超声诊断仪A超：采用幅度调制显示，回波信息在显示器上以脉冲波形显示横坐标：超声波传播时间，探测深度纵坐标：回波脉冲的幅度M超：将A型超声获取的回波信息，用亮度调制方法加于显示器内阴极摄像管（CRT）阴极或栅极上，并在时间轴上加以展开，最终显示的是被探测界面运动的轨迹M超显示的是运动回波信号按时间顺序展开的一维空间多点运动时序图，又称为超声心动图。诊断基础探头位置的固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头的距离便产生节律性的改变。随着水平方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声展开成曲线。第四节B型超声诊断仪一、基本原理B型超声成像诊断仪因其成像方式采用亮度调制(brightnessmodulation)得名。其影像所显示的是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。本法是目前使用最为广泛的超声诊断法。B型超声成像仪与A型、M型超声诊断仪在结构原理上有较大的不同。为形成一幅二维图像，换能器需与人体之间做相对运动，或声线的位置与方向按一定规律改变，一获得不同位置或不同方向上的回声波，这一过程称为声束扫描。超声诊断需要检查体内的的一个区域的切面，所以必须进行声束移动扫描。扫描按控制方式可分为机械扫描和电子扫描；按扫描面可分为线形扫描和扇形扫描。线形扫描：探头和受检者之间作相对平移运动，使超声波束在受检者体内平移，从而获得受检者体内超声回波信号。扇形扫描：通过改变超声探头的扫描角度，使超声波束的扫描方向变化，来增加扫描范围，从而获得不同的超声回波信号。二、机械扇形扫描摆动式：利用电机带动换能器往返摆动，从而带动晶片在一定角度范围内产生扇形超声扫描，形成一幅从体表向深部扇形散开的图像。转子式（旋转式）：采用四个互差90度性能相同的探头，安装在一个圆形转轮上，马达带动旋转，每个探头通过收、发窗口进开始发射和接收超声，各探头交替工作。三、高速电子线形扫描型电子扫描必须使用多阵元探头，不再像机械扫描一样控制探头的移动或转动，而是通过电子手段直接控制探头产生相应的扫描声束，从而达到自动扫描的目的。与机械扫描相比，其性能大幅度提高，在临床诊断中得到广泛的应用。线形扫描：在线扫描中，以线阵排列的多元阵，在电子开关的控制下，阵元按一定的编组及时序分别工作。这些阵元分别与电子开关相连。当电子开关接通时，相应的阵元就工作；当电子开关断开时，相应的阵元就不工作。四、电子相控阵扇形扫描它是利用雷达测控的相控技术，它的阵列形式也有线阵、凸阵、环阵形。通过不同的赶时间延迟，控制各个线阵换能器阵元发射的时间先后，从而使各个阵元发射的声波在空间叠加后就成为一定角度偏移的声束。不同的时间延迟组合，可得到声束的不同角度偏移，完成扇形扫描。这种通过改变延迟时间同时激励，使声束方向发生变化，叫做相控阵扫描。第五节

超声多普勒成像仪一、多普勒效应多普勒效应:

对于静止的观测者来说,向着观测者运动物体发出的声波频率会升高,相反频率会降低,这就是著名的多普勒效应。当声源和接收器至少有一个相对于煤质运动时。接收器收到的声波频率就会变好利用多普勒频移可以测量血液的流动速度多普勒效应：声源与接收器之间有相对运动接