医学超声仪器专业知识讲座专家讲座

第三章

医学超声仪器

物体机械振动产生波，波频率取决于物体振动频率。频率范围在2×104~3×108赫兹波称为超声波。一个多世纪前，科学家们就发觉石英等晶体薄片含有“压电效应”。1928年，R.W.Wood等人首先应用超声波作为生物学方面研究伎俩。本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波诊疗疾病先例，将工业无损伤检测用超声脉冲回波技术，即类似于当代雷达或声纳回波测距技术，移用到医院诊疗方面，也就是A型超声仪器，开创了超声显像诊疗历史。医学超声仪器专业知识讲座第1页四十年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形。五十年代，超声心动图仪，即M型仪器取代了A型超声仪器，它可对心脏瓣膜运动规律作连续动态描记。在此基础上，又出现了手动扫描二维断层成像仪，这为创造自动扫描二维断层成像仪即B型超声仪器打下了基础。其间，还有些人提出将超声多普勒效应用于医学临床诊疗。六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展时期，出现了机械直线扫描、机械扇形扫描、电子直线扫描及电子扇形扫描等仪器，而且超声CT研究工作开始进行，A型超声仪器也逐步被淘汰。医学超声仪器专业知识讲座第2页八十年代，伴随微型计算机研究与应用飞速发展，超声智能化步伐加紧。利用微机与超声诊疗仪器相结合，能够简化临床操作，实现信号处理、变换、计算和判断等过程自动进行。另外，将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合，还产生了双功效超声诊疗仪。进入九十年代，彩色B超诞生，它能够在显示动态心脏黑白图像同时，显示动态多普勒血流彩色图像在心脏内分布，不论在图像分辨率和清楚度上，还是疾病诊查可靠性上，都到达了相当高水平，是当前医院必备医学诊疗仪器。医学超声仪器专业知识讲座第3页医学诊疗上所使用超声波频率普通为0.5MHz~15MHz，多是由压电晶体一类材料制成超声探头产生。利用压电陶瓷或晶体正压电效应和逆压电效应，能够将其做成超声波发射和人体组织反射波接收器件，即超声换能器，它是超声诊疗仪器主要部件，也称探头。医学超声仪器专业知识讲座第4页压电效应及超声探头医学超声仪器专业知识讲座第5页假如知道超声波传输速度与传输时间，便可算出超声波在人体内传输深度，其表示式见公式：c=λf其中，c是超声波声速，λ是超声波波长，f是超声波频率。医学上正是经过探查一些组织深度或大小来判断病灶性质和情况。医学超声仪器专业知识讲座第6页医学超声波诊疗仪A型超声波诊疗仪M型超声波诊疗仪B型超声波断层显像仪超声多普勒血流仪、成像仪与彩超超声三维成像系统（超声CT）医学超声仪器专业知识讲座第7页3.1A型超声波诊疗仪

A型超声诊疗仪是1947年出现幅度调制式仪器，我国于1958年开始生产。A超同时电路产生几百Hz到2KHz正负电脉冲，使发射电路产生连续1.5~5μs高频电脉冲。探头在高频电脉冲激励下，产生超声振动，发射超声波。超声波在人体内传输，碰到不一样组织界面时，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，再经过检波和放大等电路，送到示波器垂直偏转板上，而示波器水平偏转板上加载是时基锯齿波，即扫描电压。所以，示波器荧光屏上横坐标代表超声波传输时间，普通以13.33μs为一大格；而纵坐标显示是回波幅度与形状。医学超声仪器专业知识讲座第8页A超能够应用于医学各科检验，尤其对眼科和妇科疾病方面病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶物理性质等检验比较方便准确。但A超回波图只能表达局部组织信息，无法反应解剖形态，现已被M超和B超取代。参考来自：医学超声仪器专业知识讲座第9页A型超声仪器工作原理方框图

医学超声仪器专业知识讲座第10页同时电路（主控振荡器）产生同时脉冲来同时触发发射电路和扫描电路，使二者同时工作。发射电路在同时电路发出触发脉冲作用下，产生高频振荡波，首先将此波送入放大电路进行放大，加至示波器垂直偏转板上显示发射波；另首先激励探头产生一次超声振荡，并进入人体。人体组织反射回来微弱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，送至示波器垂直偏转板上并显示出来。另外，在同时脉冲作用下，在示波器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波形与改变。医学超声仪器专业知识讲座第11页3.2M型超声波诊疗仪M型超声波诊疗仪是继A超之后发展出辉度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还在使用，当前主要用于心脏疾病诊疗，尤其用于观察心脏瓣膜活动情况。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。不一样是M超发射波和回波信号加到了示波器栅极或阴极。信号强弱控制了抵达荧光屏电子束强弱，反应到荧光屏上就是光点明暗，即辉度调制。医学超声仪器专业知识讲座第12页

示波器水平和垂直偏转板都被加入锯齿波电压，垂直偏转板上锯齿波与发射脉冲同时，水平偏转板上锯齿波频率要低于它。所以荧光屏上光点在垂直方向距离表示探测深度，在水平方向移动表示时间进行，光点亮度表示回波信号强弱。M超惯用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒张时，其各层组织界面与固定放置于人体表面探头之间距离随时改变，造成光点随之移动，在水平扫描电压下，光点水平展开，描绘出各层组织结构活动曲线图，所以也叫超声心动图，它能显示心脏各部分结构活动情况、动态改变、心室排血量以及能够得出室间隔、动脉等结构定量数据等，是临床心脏疾病诊疗中比较准确实用工具。医学超声仪器专业知识讲座第13页M型超声心动图产生原理

医学超声仪器专业知识讲座第14页上图是M超简明方框图。其原理与A超基本相同，只是同时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，原来采取摄影机将图像摄影后再进行测量方法逐步淘汰，现在普通采取由微机控制，利用CRT电视监视器显示图像，并能够储存和自动测量超声心动图仪。医学超声仪器专业知识讲座第15页微机控制超声心动图仪与B超和多普勒血流仪三者合一多功效超声诊疗仪，采取了数字扫描变换技术，即利用标准电视光栅扫描格式显示信号。使用此仪器普通先用B超和多普勒仪定位，然后用M超将图像“冻结”在一个需要位置上，用仪器中测量光标或微机自动测量功效取得各种参数。

扇形扫描多功效诊疗仪B型与M型同屏幕显示医学超声仪器专业知识讲座第16页3.3B型超声波断层显像仪

自从1967年首次出现至今，因其诊疗功效强、技术先进，B超已经成为临床中最常规和主要诊疗仪器。B超与M超一样，都是辉度调制式仪器。但二者也有不一样。M超探头是固定不变，而B超探头是连续移动或是发射超声波束不停变动发射方向。前者分为手动扫描和机械扫描，后者为电子扫描。M超显示是组织边界超声心动图像，如要使显示器上图迹位置和病人体内某个二维平面中产生回波结构位置一一对应，就能产生体内软组织断层图像。而B超显示正是探头移动线和声束方向组成平面上人体组织二维断层图像，即超声影像图。医学超声仪器专业知识讲座第17页超声影像图

医学超声仪器专业知识讲座第18页按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包含手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。1.手动直线扫描

由医务人员掌握探头移动方向，探头直线移动造成显示器在X方向上出现与之对应光点，Y轴仍为深度轴，回波幅度由图像辉度表示。图像就是探头移动所经过直线方向上二维切面图，但只能用于观察静止脏器（如肝脏等），此种仪器现已淘汰。医学超声仪器专业知识讲座第19页2.机械扫描机械扫描是由电机带动探头作直线移动、往复摆动或旋转，从而产生机械直线扫描、机械扇形扫描和机械圆形扫描三种扫描图像。其中，直线扫描多用于腹部疾病诊疗；扇形扫描适合用于心脏和腹部；圆形扫描时，将探头置于人体体腔（如食道、胃肠、阴道及泌尿道等）或血管内，从而取得某个腔道圆周扫描断层图像。医学超声仪器专业知识讲座第20页腔内超声能够避开胸腹壁、肺组织和肠道内气体等结构对成像干扰，近距离观察器官和组织。最新血管内超声技术是将小型超声换能器安装于心导管顶端，在血管内发射并接收高频超声信号，进行血管成像，对冠状动脉病变进行研究。近期推出心腔内超声探头管体纤细柔软，可经周围静脉插入右心系统，而且发射频率高，图像清楚，时相和方位分辨力很好，对观察心内结构和活动情况及辅助穿刺定位等有较高价值。医学超声仪器专业知识讲座第21页3.电子直线扫描与机械扫描不一样，电子扫描仪探头是由许多小换能器（小探头）排列而成，每个小探头称为阵元，各阵元距离相等。用电子开关按一定时序激励各阵元组发射与接收超声脉冲，回波信号经处理后，抵达CRT显示器进行辉度调制，扫描过程中探头静止不动，而超声波束发射与接收是沿一定方向匀速移动，移动线和声束方向组成断面就是所得图像。在探头长度一定情况下，图像质量主要决定于阵元数量。阵元数量越多，垂直扫描线就越多，图像就越清楚，有探头可包含256个小探头。医学超声仪器专业知识讲座第22页电子直线扫描

电子直线扫描原理框图

医学超声仪器专业知识讲座第23页4.电子扇形扫描（电子相控阵扇形扫描）假如对探头各阵元加上依次延迟一定时间激励脉冲，则各阵元所产生脉冲也对应延迟，这么，总叠加波束方向出现相位改变而产生扇形图像。此种探头体积小，无噪声和振动，寿命比较长，但价格相对较高。医学超声仪器专业知识讲座第24页为了提升检测功效和图像质量，B超中应用了许多先进技术。应用数字图像技术，能够随时冻结超声断层图像并进行观察、分析、测量及拍照等，还能够将有意义图像存放下来；应用数字扫描技术，能够使用电视监视器显示图像与文字；采取电子聚焦、声聚焦和动态聚焦可变孔技术，能使图像分辨率提升，可到达2mm。总之，经过B超图像能较清楚地观察到人体各种器官动态改变，是心脏、腹部器官、妇产科临床诊疗首选辅助工具。医学超声仪器专业知识讲座第25页3.4超声多普勒血流仪、

成像仪与彩超超声如同声音一样，以确定速度经过介质，当碰到两种不一样介质分界面时就能发生反射和折射。当反射边界固定不变时，反射波频率等于入射波频率，但当反射边界朝向声源移动时，反射超声波波长就被压缩，反之被拉伸。而超声波在传输介质中速度是恒定，所以依据公式c=λf，超声波波长改变造成了频率移动，此现象被称为多普勒效应。医学超声仪器专业知识讲座第26页频率偏移大小见公式：其中C为声速，f为超声波传输速度，V为物体运动速度，为声速与物体运动方向夹角。从式中能够看到，多普勒频偏与物体运动速度成正比，假如用电子学方法检测出多普勒频偏，就能够得出运动器官或血流运动速度，而超声多普勒频偏正负能够反应出运动方向。所以利用由运动结构反射回来超声波束多普勒频移来提供人体器官或物体（如心脏壁和血液）运动速度信息超声多普勒方法已被广泛应用于人体运动结构临床诊疗中，而且含有相当高诊疗价值。医学超声仪器专业知识讲座第27页脉冲超声多普勒血流仪框图医学超声仪器专业知识讲座第28页当前应用超声多普勒胎心率监护仪和超声多普勒血流仪正是依据上述原理设计。其中超声波发射又可分为连续波和脉冲波两种。用连续多普勒仪器组成血管二维扫描基本上是一个平面图，它代表血管在皮肤上投影。连续波多普勒仪器成像原理框图医学超声仪器专业知识讲座第29页脉冲超声多普勒血流仪采样距离、采样体积都能够调整，所以能够得到某一深度某一范围内血流信息，既能显示被测血流深度，又能产生血管腔横断面像和纵断面像。显示方式有波形显示和动态声谱图显示。波形显示有正向血流、反向血流和正反向血流，幅度代表速度大小，水平方向代表时间。还可监听多普勒血流声，声调高表示血流速度快，声调低表示血流速度慢。医学超声仪器专业知识讲座第30页

多功效超声诊疗仪普通含有B型、M型及多普勒三种功效，它以B型图像进行定位，能够准确测得心脏内某一位置血流频谱图，对诊疗心脏疾病有重大意义。血流彩色显示超声波诊疗装置，不但能显示血流频谱图，还能以伪彩色（红色代表正向血流，蓝色代表反向血流）显示二维彩色血流图像，迭加在黑白B型图像上，简称为“彩超”，大大提升了临床诊疗水平。医学超声仪器专业知识讲座第31页因为脉冲超声多普勒血流仪能够得到不一样深度信息，因而可得到血流速度在血管（或心脏）内分布，临产上可诊疗血管斑块是否形成，血管是否阻断，并可制成多普勒成像仪，可显示血管（或心脏）二维截面像，如图，并以伪彩色代表血流大小和方向。超声多普勒血管截面成像医学超声仪器专业知识讲座第32页3.5超声三维成像系统

（超声CT）在医学临床影像诊疗中，仅经过观察二维切片图像，极难准确确定病变体空间位置、大小、几何形状和与周围生物组织关系。本世纪七十年代由计算机控制超声CT技术开始兴起，将超声诊疗水平提升到一个新高度，并有利于分子生物学和生物物理学发展。近十几年伴随计算机技术飞速发展，推进了三维超声成像技术研究和应用。医学超声仪器专业知识讲座第33页超声计算机断层成像

机械扫描系统框图医学超声仪器专业知识讲座第34页

德国SIEMENS企业推出超声三维成像系统（超声CT）。它由一个特殊TEE（经食道超声心动图）探头、相控阵彩色血流成像系统及一个高性能图像处理系统三部分组成。应用TEE探头经食道，在心电同时触发下，对心动周期中每一时相完成256个平行扇形切面，全部图像数据（包含彩色血流数据）保留在图像存放器中，整个图像采集工作仅需几分钟就可完成。所得图像数据不但保持了TEE高质量图像特点，而且类似于计算机断层摄影技术（CT），操作者可选择任一断面方位借助计算机图像处理技术重建图像，实时动态显示，而且能够从这256个平行切面建立心脏动态三维图像。医学超声仪器专业知识讲座第35页美国于20世纪90年代推出了以射频电磁场进行立体定位、使用普通相控阵扇扫探头从体外进行扫描并进行超声三维成像系统。美国Duke大学最近提出晶体片被纵向、横向多线均匀切割成众多微型矩阵型排列