超声成像设备-概述

超声成像设备 医学超声学是一门将声学中的超声 ultrasound 学与医学应用结合起来形成的边缘科学 也是生物医学工程学中重要的组成部分 医学超声影像仪器涉及到微电子技术 计算机技术 信息处理技术 声学技术及材料科学 是多学科边缘交叉的结晶 是理工医相互合作与相互渗透的结果 迄今超声成像与X CT ECT及MRI已被公认为当代四大医学成像技术 医学超声检测特点 超声检测突出特点 对人体无损伤 这也是与 线诊断最主要的区别 适合于产科与婴幼儿的检查 能进行动态连续实时观察 在中档以上的超声诊断仪 多留有影像输出接口 使影像易于采用多种形式 录像 打印 计算机存储等 留存及传输与交流 由于它可以采用超声脉冲回声方法进行探查 所以特别适用于腹部脏器 心脏 眼科和妇产科的诊断 而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部 则不能较好地成像 这与常规 线的诊断特点恰恰可以互相弥补 从信息量的对比上看 超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理 目前较 线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低 超声成像设备 超声成像设备 超声成像设备 超声成像设备 超声成像设备 超声成像设备 超声成像设备 超声成像设备 超声检查的主要用途 医学超声发展简史 1917年 法国科学家保罗 朗之万首次使用由石英晶体制成的超声换能器 并发明了声纳 即声探测与定位技术 被成功地用于探测水下潜艇 20世纪30年代 超声用于医学治疗和工业金属探伤 从而使超声治疗在医学超声中最先获得发展 1942年 杜希克和费尔斯通首先把工业超声探伤原理用于医学诊断 用连续超声波诊断颅脑疾病 1946年研究应用反射波方法进行医学超声诊断 提出了 型超声诊断技术原理 医学超声发展简史 1958年 开始出现 型超声心动图 50年代末期 连续波和脉冲波多普勒技术以及超声显微镜问世 在50年代 用脉冲反射法检查疾病获得了很大成功 1967年 实时 型超声成像仪问世 这是 型成像技术的重大进步 60年代末 美 日均研制成功压电高分子聚合物换能器 70年代 以B超显示为代表的超声诊断技术发展极为迅速 特别是数字扫描变换器与处理器 DSC与DSP 的出现 把B超显示技术推向了以计算机数字影像处理为主导的功能强 自动化程度高 影像质量好的新水平 超声诊断设备的发展历史 1959年研制出脉冲多普勒超声 D超 1954年发明B超诊断仪 同年产生M超 实时二维切面灰阶超声显像仪 B型 的问世是超声技术发展史上第一个里程碑 1880年发现晶体压电效应 1917年利用压电原理进行超声探测 超声探头的出现 1942年出现首台A型超声检测仪 属于一维超声 超声诊断设备的发展历史 彩色血流图 CFM 的问世是超声技术发展史上又一个新的里程碑 它标志着超声诊断技术从此跨入了彩超时代 1989年以后是彩超技术发展的第二阶段 改进和提高阶段 在这段时间 彩超的临床应用得到很大的发展 成为超声医学的重要阶段 彩色多普勒时代 1990年以来 进入彩超发展的第三阶段 由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段 即步入数字化时代 超声诊断设备的发展历史 1996年后 发展进入第四阶段 全数字化多功能信息化时代 形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站 这就是 彩超 的新面貌 1990年3D超声进入研究阶段1999年3D超声诊断仪进入商品化和临床实用化阶段 医学超声设备的发展趋势 90年代 医学超声影像设备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 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 总之 随着医学进步和超声技术的发展 多种新型的医用超声设备将不断涌现 21世纪必将是医学超声技术蓬勃发展 日新月异的新世纪 超声成像的物理基础 超声波的传播依赖于做高频机械振动的 波源 和传播机械振动的弹性介质 所以机械振动和弹性介质是超声检测的物理基础 在超声成像中 探头晶片发射时即产生超声 所以探头晶片就是波源 声波必须在介质中传播 在固体 液体 气体中均可传播 但在真空中声波是不能传播的 在超声诊断中 人体脏器 器官都是介质 超声成像的物理基础 超声波是在弹性介质中传播的机械波 与声波和次声波在弹性介质中的传播类同 区别在于超声波的频率高于20kHz 而声波的频率是在20HZ至20KHZ之间 次声波的频率低于20HZ 次声波可闻声波超声波20Hz以下20Hz 20kHz20kHz以上超声波与声波除了频率高低有别外 它们在本质上是一致的 都是一种机械振动 都以一定的速度通过介质 超声成像的物理基础 超声波应用范围20 100KHz很多动物都用超声波进行交流 导航及追捕它们的猎物 100KHz 105Hz 1MHz 106Hz 超声波最重要的应用就是声呐 声音导航及测距 2 5MHz 5MHz用于心脏 腹部及软组织成像 这些频率能穿透组织可到达20 15cm的深度 5 10MHZ用于对小器官的成像 例如 腮腺 甲状腺 颈部血管及眼睛显像 它只需要4 5cm的穿透深度 10 30MHz用于皮肤及血管内检查 可以获得高分辨力的图像 40 100MHz用于生物显微镜成像 对眼活组织的显微诊断 超声成像的物理基础 医学诊断常用的超声频率是2 10MHZ之间 对于浅表器官多采用 7MHZ 对于腹部和心脏分别采用3 5 5MHZ和2 3MHZ 超声成像的物理基础 描述超声波的基本物理量 声速 单位时间内 超声波在介质中传播的距离称为声速 用符号 c 表示 单位为米 秒 m s 声速是由传播介质所决定 不同人体组织器官的声速不同 平均声速为1540米 秒 其中空气最小 350米 秒 骨骼最大 3850米 秒 频率 单位时间内质点振动的次数 用符号 f 表示由探头中压电材料决定 在2 10兆赫兹范围 超声成像的物理基础 描述超声波的基本物理量波长 声波在传播时 同一波线上相邻两个同相位质点之间的距离称为波长 用符号 表示 超声波长与声速和频率满足以下关系式 1 声速与介质的关系 1 同一介质不同频率的超声波在同一介质中传播时声速基本相同 所以用不同频率的探头检查肝脏时 声速基本相同 2 不同介质同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的 例如 1MHz超声波在0 的水中为1500m s 在0 的钢材中为6000m s 在人体软组织中平均声速为1540m s 声速 波长与介质的关系 超声成像的物理基础 人体软组织的声速分布在1500m s 1680m s之间 利用超声方法对软组织测距存在一定的误差 而骨组织的声速则高于2800m s 肺组织的声速大约在1200m s以下 超声成像的物理基础 2 波长与介质的关系 1 同一介质不同频率的超声波 在同一介质内传播时其波长与频率成反比 1MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为1 5mm 3MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为0 5mm 5MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为0 3mm 所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短 例如 用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短 2 波长与介质的关系 2 不同介质同一频率的超声波 在不同介质内传播 因传播声速不同 则波长也不相同 频率为3MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为0 5mm 而在空气中传播 其波长为0 114mm 所以用同一种探头检查人体不同的组织时 由于声速存在差异 所以波长也是不相同的 超声波的特点 1 超声可在气体 液体 固体等介质中传播 2 超声呈直线传播且能量容易会聚 能量的会聚是通过聚焦来实现的 3 电声转换容易且能量大 其电声的转换是通过压电材料来实现的 4 超声在传播过程中会产生反射 折射 散射 绕射 干涉 共振等现象 5 超声在产生 传播 接收与相互作用 相互影响因素多 故在超声成像过程中易形成伪像 6 超声工作安静且危害少 1 超声的束射性超声的能量高度集中 在一个较小的立体角内成束状向前传播 即超声波的束射性 声束 从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行 这段区域为近场区 远离此区后 声束向前稍有扩散 为远场区 扩散的声束与平行声束间的夹角叫做扩散角 超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角 2 1 超声波的反射 反射超声波的反射是超声成像的物理基础当声波从一种介质向另一种介质传播时 如果两者的声阻抗不同 就会在其分界面上产生反射 使一部分能量返回第一种介质 1 声阻抗 z 介质密度 声速 c Z 0 1 即可产生反射2 声阻抗差大 反射强 声阻抗声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量 声阻抗 Z 等于介质的密度 和声速 C 的乘积 声Z C 物质的密度一般是固体 液体 气体 超声在介质中的速度是固体 液体 气体 故声阻抗值一般也是固体 液体 气体 人体正常组织的声阻抗骨骼最大 气体最低 声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成 2 1 超声波的反射 人体不同组织声阻抗值 2 1 超声波的反射 分界面两边的声阻抗差将决定入射超声如何在透射和反射之间分配 如果两种介质的声阻抗相同 即Z1 Z2时 称为均匀介质 则不产生反射 如果声阻抗不同 一部分超声波被反射 和光学情况一样 反射角等于入射角 反射系数R1 R1 透射系数r1 公式1 声阻抗差异大的界面反射特性从公式1中得知 如果Z1和Z 相差很大时 无论Z1 Z 固体 气体 或Z1 Z 气体 固体 将会发生近乎全部反射而没有透射 2 1 超声波的反射 如在水和空气的界面上 其中 Z水 1 492kg m2 s Z气 0 00428kg m2 s 根据公式1计算 则反射回来的能量比为 R 0 99 即99 此时入射超声能量中有99 被反射 由此可见 超声从液体 或固体 向气体中传播几乎是不可能 反之从气体向液体 或固体 中传播也几乎不可能 为什么说超声在人体诊断中对肺组织是困难的 就是因为肺组织中充满气体的缘故 按同样的道理 在临床诊断时 要在探头与人体受检部位之间涂上足够的超声耦合剂 以减少空气对声波传送的影响 2 1 超声波的反射 2 1 超声波的反射 声阻抗差异小的界面反射特性如果Z1和Z 相当接近 则反射很少 人体组织的声阻抗只要有0 1 的差异 超声探头即可检测出反射波 并将其转化为电信号 经处理后在显示器上显示 但由于各种软组织的声阻抗相差不大 界面反射量适中 既保证了界面反射波的显像观察 又保证了声波可以穿透足够的深度 所以超声波对软组织分辨力很高 超声波的反射是超声成像的物理基础 图中水平横条代表文献中报导的各种组织的声阻抗范围 软组织的特性阻抗都相当接近1 5 106kgm 2s 1 因此它们的密度大致都在1000kg m3左右 声速一般为1500m s 但肺的密度及声速都低得多 而骨骼的相应值侧高得多 2 1 超声波的反射 2 1 超声波的反射 界面的回声反射有显著的角度依赖性入射声束垂直于界面时 回声反射强 入射声束与界面倾斜时 回声反射减弱甚至消失 假设垂直时回声反射强度为100 倾斜6o时 回声强度降低至10 倾斜12o时 回声强度降低至1 若倾斜角度 20o 则几乎检测不到回声反射 折射两种介质内声速不同可产生折射现象 从而导致入射声束的偏转 两种介质的声速之比决定其折射程度 其间关系如下 2 2 超声波的折射 式中 i为入射角 j为折射角 C1为入射边介质中超声声速 C2为透射边介质中超声声速 2 2 超声波的折射 全内反射而当入射角超过 ik时 入射声能将全部反射到媒质1中 故 ik称为 全内反射临界角 在临床检查中 应使探头放置正确的角度 以避免由 全内反射 引起的图像伪差 2 2 超声波的折射 超声波的入射 反射和折射示意图 2 3 超声波的散射 如下页图所示 每块面积把入射平面波作为球面子波加以散射 各子波组合起来便形成再发射的超声分布 散射当遇到界面远小于波长的微小粒子或一组小障碍物或者介质特性以粗糙表面形式出现时 这时将有一部分能量被散射 其散射程度决定于几何条件 孤立的小点不连续性所引起的球面散射 b 粗糙表面上的散射 散射场是各孤立球面子波的合成 a c 一组小的颗粒引起的不连续性散射 散射场为各子波合成 引起超声散射的三种情况 2 3 超声波的散射 2 3 超声波的散射 人体内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构 当发生散射时 作为障碍物的人体组织将作为新的波源 向四周发射超声波 但只有朝向探头方向的微弱散射信号 后散射 背向散射 才能被检测到 红细胞的背向散射是超声多普勒成像的依据 脏器内的细微结构是超声成像研究脏器内微小组织结构的依据 超声成像的回声来源是 超声波的背向散射及反射 通过反射观察脏器的轮廓 通过背向散射可以了解脏器内部的病变 2 4 超声波的绕射 目标大小约为1 2个波长或稍小 超声波将绕过该靶目标继续前进 很少发生反射 超声波的吸收与衰减 声衰减定义 是指声能随着传播距离增加而减弱的现象衰减与超声传播距离和频率有关 因超声波的频率很高 故衰减现象特别显著 超声波的吸收与衰减 右图为引起超声强度衰减的过程由于发散 散射或反射引起的波束方向改变 使得流经某一特定面积的超声波能量减小 超声波的吸收与衰减衰减系数衰减的强弱通常用衰减系数来表示 不同组织 吸收系数不同 衰减程度不同 相同组织 入射深度越大 衰减越大 相同组织 入射超声频率越高 衰减越大 人体软组织的衰减系数与频率成正比 所以频率愈高的超声波在人体组织中衰减愈大 只适用浅部器官的检查 超声波的吸收与衰减 人体组织衰减程度一般规律组织内含水分愈多 声衰减愈低液体中含蛋白成分愈多 声衰减愈高组织中含胶原蛋白和钙质愈多 声衰减愈高即 骨 或钙化 肌腱 或软骨 肝脏 脂肪 血液 尿液 或胆汁 人体不同组织的声衰减比较 超声波的分辨力与穿透力 超声的分辨力是指超声诊断仪能够区分两个细小目标的能力 分为轴向 侧向和横向三种分辨力 轴向分辨力 是指在超声声束轴线上 能分辨两点间的最小纵深距离 侧向分辨力 是指垂直于超声声束轴线平面上与线阵探头长轴方向一致的轴线上 能分辨相邻两点 两个病灶 间的最小距离 横向分辨力 为与声束轴线垂直平面上 探头短轴方向 与侧向分辨力相垂直方向上的分辨力 反映切面情况的真实性 又叫厚度分辨力 超声波的分辨力与穿透力 超声波的分辨力与穿透力 穿透力分辨力的增加将以穿透力的损失为代价 所有的人体组织都表现出随频率增加超声衰减也增加 那么穿透力必然降低 应针对不同部位的诊断 可选择不同频率的超声探头 超声波的分辨力与穿透力 频率高 分辨率高 穿透差频率低 分辨率低 穿透强对应的临床应用 检测浅表器官 采用高频探头检测深部脏器 采用低频探头 多普勒效应 声源与接收体之间的相对运动引起声波频率发生改变的现象 称为多普勒效应 多普勒效应是超声成像仪对运动脏器及血流显像的基础 当超声波碰到流向远离探头血液时 发射波与血液流动方向同向 回波频率会降低 当超声波碰到流向探头的血液时 发射波与血液流动方向反向 会使探头接收的回声信号频率升高 人体内流动血液中的红细胞在探头探查时相对探头是运动的 它可产生多普勒效应 利用探头接收到的多普勒频移信号就可测得人体内血流的速度 超声对生物组织的作用 超声的生物效应一定强度的超声在生物体中传播时 通过它们之间一定的相互作用机制 热机制 机械机制或空化机制 致使生物体系的功能和结构发生变化 声压当介质中有超声波传播时 由于介质质点振动 使介质中压强交替变化 超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压 用P表示 单位为瓦 W 即 声强 即声波的强度 在数值上等于单位时间内垂直通过单位面积的声波的能量 用I表示 单位为W cm2 1 空化作用 所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时 会出现一种类似雾状的气泡 此种现象称超声空化作用 这种现象类似日常生活中所遇到的轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样 这种空化作用使超声具有强烈的破坏作用 由于生物组织大多数属软组织 因此 在超声作用下 其细微结构多少会发生形变 在较大强度超声的作用下 如超声治疗所用的1W cm2以上的剂量 则生物组织会由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变 以至使细胞坏死和整个生物组织坏死 这种强度剂量在超声治疗中 用以粉碎结石 血栓 在外科手术中 用更强的超声来作为非侵入性手术刀 但作为超声诊断 一般是禁止使用这种剂量的 2 热作用 生物组织在超声机械能的作用下 由于粘滞吸收 将一部分超声能转化为热能 使生物组织的温度上升 当超声辐射达到治疗剂量的强度时 热作用明显 并能使热量深入人体组织器官 甚至还会随着血液传导热能 在用超声进行治疗中得知 频率为800KHz 剂量为4w cm2的超声照射20s后 会在组织器官0 2 3cm的深处产生热作用 而起到治疗效果 高强度聚焦超声HIFU 3 化学作用 超声的空化作用和热作用与化学作用是有机联系的 化学作用是氧化和还原作用 在高剂量超声情况下 超声的化学作用可破坏有机结构的蛋白质 超声成像的物理基础 超声成像的特点 超声波的方向性好 超声波具有像光波一样定向束射的特性 超声波的穿透能力强 超声波在气体 液体 固体等介质中均可传播 对于大多数介质而言 它具有较强的穿透能力 例如在一些金属材料中 其穿透能力可达数米 超声波的能量高 超声检测的工作频率远高于声波的频率 超声波的能量远大于声波的能量 超声成像的物理基础 超声成像的特点 遇有界面时 超声波将产生反射 折射和波型的转换 利用超声波在介质中传播时这些物理现象 经过巧妙的设计 使超声检测工作的灵活性 精确度得以大幅度提高 具有高度的安全性 当严格控制声强低于安全阈值时 超声可能成为一种无损伤的诊断技术 对医务人员更是十分安全 超声探头 超声探头 ultrasonicprobe 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 又称超声换能器 超声探头与扫查方式 常规探头 扇型 线阵型 凸弧型专用探头 腔内探头 食管 直肠 阴道 术中探头穿刺探头 探头类型 超声扫查方式示意图 超声探头及扫描图像 超声探头及扫描图像 凸弧型探头扫查 凸弧型B超切面 扇型探头扫查 扇型探头B超切面 线阵型探头扫查 线阵型B超切面 超声探头 探头的制造原理来源于压电效应 压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声 电可逆特性 此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现 故也称居里效应 超声探头 正压电效应在晶体的一定方向上 加上机械力使其发生形变 晶体的两个受力面上 会产生符号相反的电荷 形变方向相反 电荷的极性随之变换 电荷密度同外施机械力成正比 这种因机械力作用而激起表面电荷的效应 称为正压电效应 如下页图所示 超声探头 正压电效应因机械力作用而激起表面电荷的效应 超声探头 逆压电效应在晶体的表面沿着电场方向施加电压 在电场作用下引起晶体的几何形状发生改变 电压方向改变 应变方向亦随之改变 形变与电场电压成比例 这种因电场作用而诱发的形变效应 称为逆压电效应 如下页图所示 超声探头 逆压电效应因电场作用而诱发的形变效应 压电效应 正压电效应 逆压电效应 超声波的发射与接收 超声诊断仪由探头 换能器 和主机构成超声波的发射与接收均由换能器来完成发射 电讯号 换能器 超声波 逆效应 接收 反射波 换能器 电信号 正效应 超声探头 具有发射超声和接收超声功能的装置称为探头 又称超声换能器 由主体和壳体两部分组成 1 探头主体 1 压电晶片 探头的主要元件 2 面材 指探头与人体组织的接触端 由环氧树脂制成 3 背材 吸声块 紧靠压电晶片 作用是吸收背向辐射的声能 使其不再反射回压电晶片 以免影响压电晶片的正常工作 4 声隔离 用橡胶 尼龙 堵塞于压电晶片 背材和壳体之间 以消除其他结构对压电晶片工作的影响 2 壳体 1 外壳 指探头外层的保护壳 对探头内部元件起保护作用 2 电缆 将探头与超声诊断仪主机连为一体 进行电信号的传输 超声探头 压电材料超声探头的核心是压电振子 采用具有压电效应的压电材料制成 超声探头 石英晶体 昂贵 加工不便 只在高频下显现优良性能 压电陶瓷电 声转换效率高 易于电路匹配 价廉 易于加工 可压制成任意形状和尺寸 性能参数可在大范围内调节等 目前 超声探头几乎都是采用压电陶瓷材料 理由 超声探头 探头的基本结构 压电晶体 常用锆钛酸铅类压电陶瓷晶体发射和接收声波其形状决定声束的形状和声场分布 超声探头 垫衬吸声材料 1 衰减并吸收压电晶体背向发射的超声能量2 要求垫衬具有较大的衰减能力 并具有与压电材料接近的声阻抗 超声探头 匹配层和保护层 1 声阻抗应接近人体组织的声阻2 选择衰减系数低并耐磨的材料 超声探头 声学绝缘层 防止超声能量传至探头外壳引起反射 造成对信号的干扰外壳 作为探头内部材料的支承体 并固定电缆引线 超声探头 探头的分类按诊断部位分 眼科探头 颅脑探头 腹部探头 腔内探头 心脏探头 儿童探头 超声探头 探头的分类 按波束控制方式 线扫探头相控阵探头机械扇扫探头方阵探头 超声探头 探头的分类按几何形状 矩形探头柱形探头弧形探头圆形探头 超声探头 超声探头使用注意事项切断电源后装卸避免接触有机溶剂保护透声面使用无腐蚀的耦合剂禁止高温消毒 超声成像设备 超声成像设备分类 1 按其用途分类 超声诊断仪 向人体内发射超声波 并接收由人体组织反射的回波信号 根据其所携带的有关人体组织的信息 加以检测 放大等处理 并显示出来 为医生提供诊断的依据 超声治疗仪 向人体内发射一定功率的超声能量 利用其与生物组织的相互作用产生的各种效应 对有疾患的组织起到治疗作用 治疗仪器不需要接受回波与处理回波 结构较为简单 功率较大 超声成像设备 超声成像设备分类 2 以获取信息的空间分类一维信息设备如 型 型 二维信息