超声成像设备（医学影像设备）

超声成像设备-概述什么是超声什么是超声什么是超声什么是超声蝙蝠天生就有用声音定位物体的系统。首先，它们发出声音。声波在像草莓这样的物体上反弹。草莓上反弹的声波又反射到蝙蝠身上。声音传回的方向告诉它草莓在哪个方向。声波到达草莓并返回到蝙蝠耳朵所花的时间告诉它草莓有多远。声波返回的时间越长，草莓就离的越远。什么是超声什么是“声音”和“超声波”?声音是一种通过媒介（如空气）传播的振动，人耳可以听到。如果你是一只蚂蚁或一只鸟，那么声音的含义就不同了。声音特指人耳能听到的东西。所有的振动，包括声音，都有一个频率。频率是衡量某物每秒“振动”的频率。频率的单位是赫兹。人耳可以听到大约20Hz到20,000Hz的频率。所以“声音”就是在这个频率范围内的振动。人的耳朵在20,000Hz以上听不到声音。频率超过20,000Hz被称为“超声波”，蝙蝠用超声波定位食物，海豚用超声波与朋友交流。什么是超声什么是超声直线传播能量大超声的特点：频率高什么是超声什么是超声超声波的分型超声波的分型波阵面的形状超声波的近场和远场近平面波。与微小障碍物作用是，障碍物散射的是球面波。超声波的分型超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性超声的物理特性分辨率分辨率是把两个事物看成两个事物的能力。如果分辨率高，图像就会清晰，两个物体看起来就像两个物体。如果分辨率不高，图像就会模糊，两个物体看起来就像一个。我们的目标是让超声波设备获得最好的分辨率。分辨率越高，图像质量越高。超声的物理特性深度穿透深度与超声波的频率有关。频率越高，穿透深度越短。频率越低，穿透深度越长。超声的物理特性分辨率与深度在临床上，我们不仅需要清晰的图像即最好的分辨率。还需要足够的穿透深度来看到更深的结构。在选择最佳频率时，必须在良好的穿透深度和良好的分辨率之间进行选择。超声波的变化衰减有些超声波是衰减的。也就是说，人体吸收超声波能量，使声波消失。这些波不会返回到探测器，因此被“浪费”了。超声波穿过的身体组织越多，其衰减就越大。这就是为什么更难成像更深层次结构的原因之一。超声波的变化折射与反射每一种物质，如神经、肌肉或脂肪，都有一种叫做“声阻抗”的独特特性。具有不同声阻抗的物质在很大程度上改变了超声波的传播过程。当超声波试图从一种物质传递到另一种具有不同声阻抗的物质时，会发生折射与反射。部分超声波从一种物质传递到另一种具有不同声阻抗的物质时，稍微偏离了原来的方向，这种弯曲被称为折射。部分声波反射回探头，反射回的数量取决于两种物质声阻抗的差异，差异越大，反射越强烈。反射波非常重要，因为只有反射波才能返回探测器，并为机器提供显示图像的信息。超声波的变化漫反射表面不规则的物体，如神经，将超声波分散到各个方向。一小部分波反射回探头这叫做“漫反射”。超声波的变化漫反射如果一个物体又大又光滑，就像神经阻滞针一样，所有的超声波都会反射回来。因为它帮助我们在进行超声引导的神经阻滞时清楚地看到针。这种像镜子一样的反射，波主要向一个方向反射，这种反射被称为“镜面反射”。超声的应用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。超声的发展史超声的发展史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。超声的优点超声波成像优点无损伤，无痛苦，无电离辐射，可反复进行，尤其适合软组织诊断，有较高灵敏度和分辨率，是目前唯一能实时观察心脏内部结构的临床检查方法。超声波成像特点（1）有高的软组织分辨力。（2）具有高度的安全性。（3）实时成像。超声的类型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：回波幅度式和多普勒超声的类型超声的类型回波幅度式-----利用回波幅度变化来获取组织信息的超声诊断仪，可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：回波脉冲的幅度回波幅度式超声的类型回波幅度式（2）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超超声的类型回波幅度式（3）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。（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型则是一个变量超声的类型回波幅度式（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回波幅度式超声诊断仪是一般利用灰阶来表示回波幅度的差异，灰阶级数越多，表达能力越强超声的类型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。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.反映运动信息超声的成像技术脉冲回波法脉冲发射的瞬间，产生一个短的应力波向人体内部传播。显示器上光点垂直偏移（a）。超声脉冲以恒速通过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线（b）。当超声脉冲传播至介质1和介质2的分界面（c）时，一部分超声能量经界面反射。同时，由于人体组织界面两边的声学差异通常不是很大，故大部分能量穿过界面继续向前传播（d）。当反射回声到达探头（e）时，换能器将回声信号变为电信号，再经过接收放大器放大，成为垂直偏转板的输入信号，产生光点轨迹的垂直偏转，形成界面反射回声脉冲。显示器上两个脉冲间的距离（时间）与介质的厚度成正比，反射脉冲的幅值与界面的声反射特性有关。如果过程重复的速度足够快（大于20帧/秒）就可显示出稳定的波形（f）。超声成像设备-探头超声换能器

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。超声换能器压电材料超声探头的主体-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）超声换能器压电材料压电材料天然—石英晶体—价格贵、性能差人工—锆钛酸铅(PZT)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超声换能器压电效应压力变形产生电场正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生电极化现象，同时在它的两个表面上产生正负相反的电荷；当外力撤去后，介质又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。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。超声换能器压电效应电致伸缩效应(反压电效应)：在电介质的极化方向上施加电场，由于电场作用，引起材料内部正负电荷中心位移，这一极化位移使材料内部产生应力，从而导致宏观上的几何形变；电场去掉后，电介质的变形随之消失。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。电场变形超声换能器探头结构单元探头结构1．换能器（1）匹配层（一层或多层）：压电晶体和人体皮肤声阻抗存在很大的差别，如果换能器直接与人体接触并发射超声，超声在晶体和皮肤界面上发生反射，达不到检查的结果。因此，匹配层介于换能器和人体之间，使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对组织的检查。（2）压电晶体：在发射时将电信号转换成超声波，在接收时将超声波转换成电信号。压电晶体的厚度决定发射超声的频率，其形状决定声束的形状和声场分布。（3）吸声材料：由于压电元件具有双向辐射作用，当发射脉冲激励时，它不仅向前辐射声能，而且也向后进行辐射。吸声材料的作用是吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端之间超声的多次反射造成的干扰。同时，吸声材料可以增大晶片阻尼，使晶体发射窄脉冲，从而提高纵向分辨力。超声换能器探头结构单元探头结构2．保护层和外壳主要用于保护仪器，起支撑、容纳、密封、绝缘、承压、屏蔽及保护振子的作用。3．电极、导线用于传导电信号。4．声学绝缘层位于壳体与振动体之间，防止超声能量传至外壳引起反射，产生干扰信号。超声换能器探头分类超声探头的分类

按诊断部位可分为眼科探头、心脏探头、腹部探头、小器官探头、腔内探头等。

按应用方式可分为体外探头、腔内探头、介入探头（或其他探头加上穿刺架）和术中探头等按探头中换能器所用的晶体振元数目可分为单元式探头和多元式（阵列式）探头。按波束控制方式可分为线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和面阵探头等。按发射／接收的超声波频率分类，有单频探头、变频探头和宽频探头等。按工作原理可分为脉冲回波式探头（pulseechoultrasonicprobe

）和多普勒式探头。超声换能器探头分类多元探头结构线阵换能器结构示意图相控阵探头结构示意图超声换能器探头分类脉冲回波式探头：单探头：选用磨制成平面薄圆片形的压电陶瓷作为换能器。超声聚焦通常采用薄壳球形或碗型换能器有源聚焦和平面薄圆片配声透镜聚焦两种方式。常用于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：按压电晶片数和运动方式可分为单元换能器往返摆动扫描和多元换能器旋转切换扫描探头两类。按扫差平面特性可分为扇形扫查、全景径向扫查和矩形平面线形扫查探头。电子探头：它采用多元结构，利用电子学原理进行声束扫查。按结构和工作原理它可分为线阵、凸阵和相控阵探头。术中探头：它是在手术过程中用来显示体内结构及手术器械位置的，属于高频探头，频率在7MHz左右，具有体积小，分辨力高的特点。它有机械扫描式、凸阵式和线控式三种。穿刺探头：它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。经腔内探头：它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频率在30MHz以上的经血管探头。超声换能器探头分类多普勒探头

主要利用多普勒效应测量血流参数，以及心血管疾病的诊断，亦可以用于胎儿监护。主要分为以下三种：连续波多普勒探头：大多数发射晶片与接收晶片是分隔式的。为使连续波多普勒探头具有高的灵敏度，一般都不加吸收块。根据用途不同，连续波多普勒探头发射晶片与接收晶片分开的方式也不同。脉冲波多普勒探头：结构一般与脉冲回波式探头相同，采用单压晶片，具有匹配层和吸收块。

梅花形探头：其结构为中心只有一只发射晶片，周围有六只接收晶片，排梅花状，用于检查胎儿，获取胎儿心率。超声换能器主要性能（一）使用特性使用特性是探头与仪器配合使用的综合性能，而不是探头本身的性能。1.工作频率:探头中的压电晶片与仪器连接后，实际发射的超声波频率。而探头的标称频率，通常是指压电晶片的机械谐振频率。2.频带宽度:探头工作频率的响应范围。频带宽度越大越好，为使频带宽度展宽，就要增加阻尼，而这将导致换能效率降低。3.灵敏度:指探头与超声诊断仪配合使用时，在最大探测深度上，可发现最小病灶的能力。它主要与探头所用的压电晶片的换能特性、辐射效率等声学特征有关。换能特性好，辐射效率高的探头，探测灵敏度就高。4.分辨力:分辨力高低主要与以下因素有关；①辐射特性②辐射面积③频率响应④机械品质因素⑤层间匹配的好坏。探头的分辨力对仪器总的分辨力有重要影响。超声换能器主要性能（二）声学特性声学特性指探头的阻抗特性、频率特性、换能特性、暂态特性、辐射特性和吸收特性等。声学特性主要与探头中压电晶片所用材料的特性有关。1.换能特性:指探头发射和接收状态的能量转换特性。理论上说，换能器的电一声、声一电能量转换是等效和可逆的。2.频率特性:是阻抗频率特性和辐射频率特性的总称。阻抗频率特性是指探头阻抗随频率的变化的特性。对压电振子施加不同频率的电压时，回路电流将随着频率的变化而变化，这实际意味着振子阻抗的变化，阻抗是频率的函数，为了稳定探头的辐射频率，可以加电感匹配，使探头稳定工作于串联频率上。3.暂态特性:指探头对脉冲响应的跟随变动能力。而对于超声探测效果来说，为了提高距离分辨力，通常都采用阶跃窄脉冲来激励换能器工作，跟随变动能力强则起振时间短。超声换能器主要性能（二）声学特性声学特性指探头的阻抗特性、频率特性、换能特性、暂态特性、辐射特性和吸收特性等。声学特性主要与探头中压电晶片所用材料的特性有关。4.吸收特性:

是指压电振子垫衬的吸收特性。一个压电振子被电脉冲激励后，声波从振子的两个端面双向辐射。对背向辐射的声波必须加以台阻尼吸收，否则，由于多次反射，将使发射过程振子振动延续较长时间，这种振振铃效果使辐射的超声脉冲波持续时间增加而导致距离分辨力明显减低。5.辐射特性:

是指换能器的辐射声场在空间的分布状态，主要通过指向性和声束尺寸来进行描述。探头辐射的声束特性，在很大程度上决定超声探测的横向分辨力。探头的性能，最终以它的声场特性来评价。这些特性包括：超声辐射空间响应特性，空间波束指向性函数，空间波束的方向参数，辐射场函数与孔径分布函数空间相关性。声束的聚焦与扫描声束的聚焦要提高超声探测器的灵敏度和分辨力，除了对线阵探头实时多振元组合发射之外，还需将探头发射的超声束在一定的深度范围内汇聚收敛即超声聚焦（声束聚焦），从而增强波束的穿透力和回波强度。声束的聚焦与扫描声束的聚焦声束聚焦通常分三类；声学聚焦、电子聚焦和复合聚焦。1.声学聚焦声学聚焦与光学聚焦的基本原理相似。具体方式有以下几种：（1）声透镜聚焦声学聚焦用声透镜。声透镜是利用声波经过声速不同的介质时会产生折射的原理而制成的聚焦原件。声透镜可以作为平凸或平凹形。要保证良好的声学聚焦，声透镜材料的选择、声阻抗的匹配以及制作工艺等都应考虑。材料通常为环氧树脂、丙烯树脂、有机玻璃等硬性材料与其他成分配方制作而成。（2）声反射镜聚焦让平行的超声束入射到声反射镜上，然后通过生反射镜反射到抛物面上，再经过抛物面就可以聚焦到焦点上。（3）曲面发射聚焦把压电材料制成凹形，它辐射的超声具有聚焦的效果。声束的聚焦与扫描声束的聚焦声束聚焦通常分三类；声学聚焦、电子聚焦和复合聚焦。2.电子聚焦是应用相控技术，对探头各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使超声场合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。实现电子聚焦必须用阵列探头。声束的聚焦与扫描声束的聚焦声束聚焦通常分三类；声学聚焦、电子聚焦和复合聚焦。2.电子聚焦是应用相控技术，对探头各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使超声场合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。实现电子聚焦必须用阵列探头。（3）可变孔径聚焦可变孔径聚焦技术所根据的理论是小孔径的探头对近距离容易聚焦，对远距离则声束发散，而大孔径的探头对近距离难以聚焦，对远距离却容易聚焦。3.复合焦距（两维聚焦技术）在长轴方向采用电子聚焦的方法提高侧向分辨力，在与扫描平面垂直方向上用透镜聚焦提高横向分辨力。声束的聚焦与扫描声束的扫描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。声束扫描的方式主要有两种；1.机械扫描机械扫描可分为两种：（1）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。声束的聚焦与扫描声束的扫描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。声束扫描的方式主要有两种；1.机械扫描机械扫描可分为两种：（2）转子式采用四个互差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。声束的聚焦与扫描声束的扫描1.机械扫描机械扫描可分为两种：（2）转子式声束的聚焦与扫描声束的扫描1.机械扫描声束的聚焦与扫描声束的扫描2.电子扫描：电子扫描必须使用多阵元探头，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。（1）线扫描：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。声束的聚焦与扫描声束的扫描2.电子扫描：（2）相控阵扫描：它是利用雷达测控的相控技术。通过不同的时间延迟，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。超声成像设备-基本电路B超的基本电路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。B超的基本电路B型超声设备的基本结构框图分成发射电路、接收前端电路、回波信号处理电路、扫描变换电路及其他控制电路等B超的基本电路发射电路1.发射多路转换开关B超中阵元数多达数十个至上千个，而发射聚集延迟脉冲个数有限，显然，不能直接将发射预售延时脉冲用来触发发射脉冲产生电信号，因此设置发射多路转换开关，分组触发发射脉冲产生电信号。2.发射脉冲电路聚集延时电路输出的延时脉冲是逻辑信号，不能直接激励探头的阵元，使之产生超声振荡，而是将这一逻辑脉冲转换成一个幅度、宽度、功率都满足阵元产生超声振荡的脉冲。发射脉冲电路，就是完成这一转换，实质上，发射脉冲电路是一个高功率、高速度、高稳定的电子开关，它输出的脉冲为单极电压脉冲，幅度一般在120伏左右。B超的基本电路接收和预处理电路超声接收和预处理电路主要由前置放大器、接受多路转换开关，可变孔径电路、接收相位调整电路、增益控制与动态滤波、对数放大器、检波电路和勾边电路组成。调整电路以后的部分称