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现代医学仪器/jpkc/swyxgc/yxyqyl/web/web/page/chapterD/indexD_6_4.htm医用成像装置当今世界已进入信息时代，而人们所获得的信息约有70是从视觉感知的，因此，信息图像化已成为当代信息科学发展的方向之一。成像技术就是讨论如何把人类周围物理世界(包括人类本身)的信息变成图像的一门科学技术。人体成像用于诊断已有很长历史,现已成为医学诊断技术中最活跃的研究领域之一，其目的是为了将人体内部结构显示在监示器的屏幕上。值得注意的是，计算机体层技术(CT)的诞生和发展，正在改变医学成像的面貌。作为一种新型的诊断装置，它能够观察到有先兆性的疾病，这比改进某些诊断手段使之能在疾病的有效治疗期作出确诊显得更为重要。现代医学成像系统主要有以下几种类型：1. 线成像测量穿过人体的X线；核医学成像有选择地测量摄入体内的放射性药物放射出的射线； 2. 超声成像测量人体内的超声回波；磁共振成像测量构成人体组织的元素原子核的磁共振信号 热成像测量体表的红外信号和体内的微波辐射信号 ；光学成像直接利用光学及电视技术，观察人体部分器官的形态。 X线和超声波成像是当前用得较为普遍的两种检查人体的方法，经过多方研究与探索，认为对人体的危害性是它们之间的一个重要区别。就X线来说，尽管现在已经显著地降低了诊断用剂量，但其危害性仍不容忽视；而从现有资料来看，目前的诊断用超声剂量还未发生任何不良反应。超声波的这一优点，致使它获得日益广泛的应用，例如，可用于眼部、心脏或孕妇腹部的检查。此外，X线的传播速度与照射对象无关，在传播过程中，吸收和散射是对它有影响的因素。这些特点表明， X射线在体内沿直线传播，不受组织差异的影响，是有利的一面；不利的一面是难以有选择地对所指定的平面成像。对超声波来说，不同物质的折射率变化范围相当大，这将造成成像失真；但它在绝大部分组织内的传播速度是相近的，骨骼和含空气的组织(如肺)例外。超声波和X线的这些不同的辐射特性，确定了各自最适宜的临床应用范围。例如，超声脉冲回波法适用于腹内结构或心脏的显像，而利用X线对腹部进行检查，只能显示极少的内部器官。如果采取一些特殊措施，如用X线造影法，则可有选择地对特定的器官显像。对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用超声检查，但可用X线获得较为满意的图像。核医学成像属于放射法，它是将放射源(放射性核素)通过一定的方式置于患者体内，释放的正电子与体内存在的电子碰撞而湮没，从而放射出射线，利用体外检测法获得数据，进行成像。为使射线射出体外时不致过分衰减，射线的能量应足够高；但也不宜过高，否则检测数据很困难，不易成像。核医学成像中所使用的射线的能量范围一般在25keV-1.0MeV之间，这与X线成像时应用的能量相近，但平均能量要高些。核医学成像有许多引入注目的地方：它能反映体内生理、生化和病理过程，可以显示出组织、器官的功能等。核医学成像只需浓度极低的放射物，这与X线成像时口服硫酸钡是不同的。一般地说，核医学成像的横向分辨率很难达到1.0cm，且图像比较模糊，这是因为有限的光子数目所致。相比之下，X线成像具有高分辨率及低量子噪声。但X线成像所显示的只是解剖学结构，这就使人们对疾病过程的认识，往往会被传统的解剖学形态所歪曲。作为核医学的新动向，正电子CT(PECT)日益受到人们的重视，用它来研究人脑功能等，有其独特的优点。磁共振成像与物质的微观结构有关。按照不同的方法获得的NMR信号来重建图像，可得到质子密度分布图像、T1加权的图像或T2加权的图像。目前尚未发现磁共振成像对人体的损害。它可作任何方向的体层检查，可望反映出分子水平的生理、生化等方面的功能特性，对某些疾病(如肿瘤)可作早期或超早期诊断；是一种很有发展前途的高技术医学诊断方法。目前存在的主要问题是成像速度远不如X线CT，功能检查不如核医学装置，且设备购置与运行费用较昂贵。 几种主要影像诊断技术比较图像种类成像方式成像依据信息量对人体影响特 长X线直接透射成像密度和厚度大有损形态、全貌、精细计算机体层 (CT)数据测量重建吸收系数中有损高对比分辨率超声诊断同上界面反射中无损安全、动态、重复核素同上核素含量或分布小有损功能磁共振(MRI)同上氢核物理状态中无损软组织代谢信息近年来，随着电子学和电子计算机技术的飞速发展，出现了使用高灵敲度、高分辨率和宽动态范围的成像板(IP)的CR系统，加速了医用图像的数字化进程，也为多种图像的综合创造了条件。三维图像处理法目前己达到临床实用水平，新型的X-CT结合，开发出图像存储和传输系统(PACS)也己得到了较大进展。医院中各科室检查病人形成的图像信息，可以数字量存储入中央计算机，当需要观察图像时，只需在终端机上指令提取，即可将该病人的全部图像显示在该科室的显示器上。PACS不仅可在一所医院内使用，也可以由几所医院用通讯网络形成联机，互相传输会诊。远隔两地的医院间也可利用通讯卫星传播两地诊断图像和医生讨论情况，就像在同一所医院一样X线成像原理当物体被高速的电子轰击时，就会产生X射线。X射管是产生X射线的线源设备，简单说由真空玻璃内的阳极和阴极组成。阴极端钨制灯丝通以低电压，灯丝被加热发射自由电子，当X线管两端通以高压后，自由电子群在电场的作用下高速定向阳极端钨靶面运动，并撞击靶面。当电子受阻突然停止运动时，便将绝大部分的能量转变为热能，而小部分能量转变成X射线发射。X线是一种不可见光，具有光的一切通性。由于X线的波长短，光子能量大，具有其他电磁波不具有的一系列特殊性质，医学上正是利用X线这些个性来为人类健康服务。X线与物质的相互作用表现为：1. 穿透作用：X线的光子能量大，波长短，穿透能力强，能穿透一般光线所不能透过的物质。2. 荧光作用：X线照射在氯化锌、硫化镉、钨酸钙等晶体上，即激发产生可见的荧光。3. 感光作用：X线照射在胶片上能使溴化银药膜起感光化作用，使胶片感光，以便摄影。4. 电离作用：X线可使气体分子游离而产生电离电流。5. 生物作用：X线能对组织产生破坏作用。可以利用X线对肿瘤病人进行治疗。同样对正常组织也会产生红斑、坏死等生物效应。根据X线的以上特点，就可以成像。当X线穿过人体时，由于它与物质的相互作用，产生吸收和散射而造成衰减，由于人体组织的密度不同而造成不同程度的衰减，最后就能在感光胶片上形成不同深浅的组织密度的像。X线的质量可通过两个方面来衡量。其一是X线束内所具有的光子数多少；其二是X线束中的光子所具有能量大小来衡量。X线的强度：指单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量即光子的数量。X线的硬度：指X线穿透物质本领的大小，表示X线的质。X线硬度决定于每个光子具有能量的大小，与光子的数目无关。不同的强度和硬度对成像有影响。X线管X线管是球管中主要部件，它具有二个电极（阳极和阴极）的高压真空仪器，X线是由于向X线管阳极迅速电子的运动，受到急剧的制止而发生的。1. X线管的分类1. 按用途分：诊断用X线管和治疗用X线管两种。2. 按焦点结构分：单焦点X线管和双焦点X线管两种。3. 按阳极性质分：固定阳极X线管和旋转阳极X线管两种。2. 固定阳极X线管的结构1.阴极 2. 阳极 3. 铜柱 4. 玻璃罩固定阳极X线管由固定阳极、阴极、铜柱、玻璃罩组成。1. 固定阳极：阳极由钨靶组成。阳极承受电子撞击的面称之为靶面，通常称之为钨靶2. 阴极：阴极由灯丝组成。当阴极灯丝电流流过时，灯丝周围就会产生电子，电流越大，电子越多，当X线管二端加上高电压后，由于电场的作用，电子迅速向阳极飞去，电压越高，电子速度就越快。3. 铜柱：由于高速电子聚焦后去撞击阳极靶面时，由动能转变为热能，因此阳极产生很大的热能，必须通过铜柱进行散热。4. 玻璃罩：X线管的玻璃罩是一种特殊玻璃，必须与金属膨胀系数相同，不可漏气，保持X线管内的高度真空。固定阳极X线管因阳极面受温度的影响，限制其功率，要提高功率，焦点面就必须增大，但是焦点面增大，又会影响清晰度，二者不能兼顾。3. 旋转阳极X线管由旋转阳极和阴极组成。1. 旋转阳极：旋转阳极由靶面、转子、轴承，阳极转轴组成。旋转阳极X线管的转速为2800转/分，其优点是功率大，焦点小，散热快。高速旋转阳极X线管的转速为9000转/分。2. 阴极：阴极由聚焦螺旋管状灯丝、阴极盘、阴极罩等组成。其作用与固定阳极X线管相同，就是以发射电子并使其聚焦去轰击阳极靶面，一般灯丝具有大小二个。诊断用X线机的组成与主要部件基本X线机分为X线机控制系统（电器部分）和X线机的执行系统（机械部分）X线机的控制系统包括：X线管高压发生器控制台其它电器附件设备X线机的执行系统包括：诊视床伸缩吊架装置滤线器摄影装置快速换片装置断层摄影装置其它机械附属装置控制和执行两大系统是相辅相成不可分割的两大部件，只有同时工作时才能发挥X线机全部作用。在临床放射学诊断中，为直接观察和记录X线影像，通常采用检测器来实现，如荧光屏，荧光胶片系统或X线影像增强器电视系统。荧光屏荧光屏是常见的简单X线检测器，它吸收的X光子能量转换为可见光。平面有一层粉末状结晶的荧光材料构成，常用的荧光材料有硫化锌镉等，将它涂敷在衬底上，用一种白色的饭馆层作中间层。X线能量被晶体吸收，晶体原子受激，使其电子跃迁至较高能级，而当电子返回到原来能级时，就放射出可见光，可供屏前观察。增感屏（胶片检测器）X线影像是目前记录影像的常用方法，摄影胶片是主要的记录器。它是有一层醋酸纤维衬底、两边涂敷敏感的乳胶所构成胶片单独使用时，效果较差，但它与增感屏相结合，有利于提高分辨率。影像增强器为了增强X线影像的辉度，便于观察和记录，现代荧光成像系统常采用影像增强器并接电视系统。X线通过受检体射到影像增强器的输入屏上，激发出可见光再作用于光电阴极，使之产生电子，经电子透镜系统聚焦和加速后到达输出荧光屏，从而获得增强的荧光图象。高压发生装置高压发生装置有高压变压器、X线管灯丝变压器、高压整流器和高压交换闸等高压元件，按要求组装后置于方形或圆形的钢板制箱体内构成。箱内冲以变压器油，加强元件之间的绝缘，。A. 高压变压器高压变压器是产生高电压的器械，为X线管提供高压电能。其工作原理与一般变压器相同，但由于运行状态较为特殊，因此有以下特点：a) 变压比大，次级输出电压很高。b) 瞬时功率负荷大，管电流可达2000MA，但工作时间短。c) 由于使用了绝缘油，提高了各部件间的绝缘性能，并可缩小体积和重量，又因为负荷时间很短，一般不考虑散热问题，变压器效率要求也不十分严格。B. 灯丝变压器X线机中的灯丝变压器，分为X线管灯丝变压器和高压真空整流管灯丝变压器两种。其工作原理与结构相同，只是容量和体积有所区别；它们都是降压变压器，一般功率在100W 左右。由于灯丝变压器的次级在电路中与高压变压器次级的一端相连，电位很高，故初、次级绕组间应具有很高的绝缘强度，这是灯丝变压器的一个主要特点。C. 高压整流器高压整流器是一种将高压变压器次级输出的交流电压变为脉动直流电压的电子元件。现代中型以上的X线机，都设有高压整流电路，利用高压整流元件，将高压变压器输出的交流变成脉动整流电压，供给X线管两极，使X线管始终保持阳极为正、阴极为负。D. 高压交换闸在较大功率的诊断X线机中，多备有两个或两个以上的X线机，以适应一机多用的需要。但由于几个X线管又不能同时工作，所以高压变压器产生的高压必需经过交换装置分别送到不同用途的X线管上，这种转换装置称为高压交换闸。主机控制电路一个X线机系统因容量大小和使用目的的不同，结构繁简千差万别，一般由主机系统和辅助设备两部分构成。主机系统是指围绕产生X线的主机及其部件所组成的系统，辅助设备是指主机以外的各种辅助和直接为临床诊断服务的设备。具体构成是：主机系统主要包括X线管组件、高压发生器以及控制台。辅助设备主要包括各种机械设备（诊视床、摄影床、天地轨、悬吊等）、影像处理系统（影像增强系统、电视系统、数字减影系统、电影摄影机、录像等）、其他辅助用具（滤线器、增感屏、胶片、快速换片机、高压注射器等）。X线机系统就其电路组成一般包括：电源电路、高压初级和KV补偿电路、高压整流电路、管电路测量电路、X线管等丝加热和电流控制电路、曝光限时电路、瞬时负载限制和保护电路、旋转阳极电路、全机控制电路和附属设备电路共十部分。X线控制系统，最初以实现X线管在透视和摄影过程中的千伏、毫安和时间三个基本参量的控制为主要任务，一般称之为三钮制控制阶段，曝光精度为0.02s0.04s。在19501960年间出现了优质的光学图象转换元件，运动范围很广的诊断窗和体层床，旋转阳极的出现，为快速动态摄影创造了条件，随之，X线控制系统发生了一些改进，出现了二钮制调节控制系统即在X线摄影前只预选千伏与毫安二个参量，时间控制精度达到0.003s0.001s. 1960年以后，电视系统及电子图象转换技术的发展，使X线的光电效应得到很大增益，除了某些特殊要求外，X线机的临床诊断能力在一定条件下不再单纯依靠X线管的瞬时容量，而是取决于所应用的X线影像增强器，大面积电离室，直流高压开关管、调整管等等，随之控制系统在稳定、快速、准确和操作快捷方面出现了电视监视调制为基本手段的遥控和自动X线控制系统，和三钮制相比，有所谓一钮（KV）和零钮（只需选择摄影器官或部位）技术。特别是计算机技术广泛应用在X线控制系统中，使X线机控制系统的设计水平和现代科学水平逐步相近，X线的影像质量，X线诊断技术和水平都有极大的提高。中频X射线机从1895年伦琴发现X线到20世纪70年代，这期间出现的X线机均属于传统X线机，其工作频率均采用50HZ。80年代以后出现了中频X线机。即其高压电源和灯丝加热电源的工作频率处在无线电频域的中频段。在无线电频域中，一般称几百周以下为低频段，几百至几十千周为中频段，兆周以上为高频段。中频X线机的频率一般为400HZ20KHZ，目前，甚至高达上百千周。中频X线机与传统X线机的主要区别在于，传统X线机的高压边沿初级是通过自耦变压器直接使用工频电源，而中频X线机是先把工频电源整流、滤波变为平滑直流，再由逆变器把直流变成频率为几千HZ至几万HZ的交流电，然后供给变压器初级使用。采用逆变技术的中频X线机除具有短时曝光不受电源同步影响外，还有以下主要特点：1. 显著缩小高压变压器的体积和重量。2. 显著减小管电流惰性的影响。3. 工作频率提高后，使用小容量的高压电容器就可有效抑制高压波形中的脉动量。4. 在中频X线机中，使用压频技术可满足KV在宽广范围的调节，从而省去笨重的自耦变压器。5. 采用中频逆变技术后，使传统的相位投闸、降落负载、自动曝光、自动KV预置和初级能量存储等技术措施的优越性得到更充分的利用。6. 在中频X线机中，管电流和管电压采用两套独立的逆变器，由于可采用闭环随机控制，既提高了管电流和管电压的精度，又省去了空间电荷补偿电路。7. 有利于计算机技术在X线机控制系统中的应用。数字X线摄影系统数字X线摄影，即CR法，是用影像板（IP）替代传统的胶片/增感屏来照像（直接成像），再把储存于IP上的X线信号用激光扫描转换成电信号并进行数字图像处理，然后记录于胶片的一种方法。CR法是1981年6月在布鲁塞尔国际放射学讨论会上, 由富士胶片公司发表的。 最早在日本以富士CR系统来出售。1. 系统概况 CR系统的摄影需用影像板（IP）。对摄影后的IP表面，以图像读取机的激光进行扫描，使IP内的潜像发出光信号，图像读取机再将光信号转换成电信号，送入图像处理机。图像处理根据诊断的需要，将送来的数字化信号进行种种图像处理，得出符合诊断要求的各种图像，送入图像记录机。图像记录机便根据数字化图像信号改变激光束的强弱，对胶片进行激光扫描，将图像记录在图像记录胶片上，再用自动洗片机处理，就能获得CR胶片。这就是CR系统的概况。2. 影像板（IP） IP由支撑体、荧光物质、保护层构成。荧光物质层是使含有微量铕离子的钡和卤素化合物微粒散布在高分子化合物粘合剂中，然后高密度地涂布在支撑体上而成。IP 根据穿过被照体之X线信号摄影，同时将X线潜像存储于二维平面上。摄影后的IP，用图像读取机以点状激光束全面扫描，使存储于各点上的X线信号发光，再以读取机之光导管将其收集并转换为电信号。另一方面，一激光扫描读取信号之后的IP，用同样的光照射来消除IP上的残余信号，使IP可以反复使用。3. 读取图像 图像读取一方面利用利用具有高度精确传诵的电动机，使IP向着箭头方向匀速移动，另一方面利用与IP成垂直方向的聚焦成微小点的激光束，对IP依次进行全面扫描，由于激光扫描而使各点光致发光的光线有光电管汇集起来，导入光电倍增管转换为电信号。考虑到光致发光效率，以及使光致发光只波长与激励光分离的必要性，故采用红色氦氖激光做激光光源，激光扫描有光扫描器的反光镜精确地变动角度来完成。光导管将光致发光的光线导入光电倍增管，光电倍增管根据入射光之强弱发出相应的电子，从而转变为电信号。经增幅器放大后再数字化，然后送入图像处理机。4. 图像处理机 图像处理机可进行自动感光度调节、图像的层次处理、频率处理、减影处理。5. 图像记录机 图像记录机一方面利用精密电动机以一定速度运送激光用记录胶片，另一方面利用与胶片呈垂直方向的激光细束来扫描，将图像信号记录在胶片上。处理后的数字化图像信号，再进行数模转换，由光调制器将模拟信号变成激光强度信号，记录于胶片上，胶片送入自动洗片机中冲洗，即可以获得CR相片。X射线的防护1放射防护标准和法规是对放射工作进行标准化、法制化管理的基本手段，是进行预防性和经常性卫生防护监督以及卫生学评价的法律依据。因此，放射工作人员及放射卫生防护监督管理人员都必须熟悉并运用放射防护标准与法规，指导各自的工作实践，作为守法、自主管理和执法、监督检测的依据，以保障放射工作的安全。放射防护的基本原则(1)实践的正当化 产生电离辐射的任何实践要经过论证，或确定该项实践是值得进行的，其所致的电离辐射危害同社会和个人从中获得的利益相比是可以接受的。如果拟议中的时间不能带来超过代价的净利益，就不应当采用该项实践。(2)放射防护最优化 应当避免一切不必要的照射；以放射防护最优化为原则，用最小的代价，获得最大的净利益，从而使一切必要的照射保持在可以合理达到的最低水平。在进行防护设计时，应当谋求防护的最优化，而不是盲目追求无限地降低剂量，否则，所增加的防护费用将是得不偿失，不能认为是合理的。(3)个人剂量的限制 在实施正当化与最优化两项原则时，要同时保证个人所受照射的剂量当量不超过规定的相应限值。这样就可以保证放射工作人员中的个人不致接受过高的危险度。医疗照射的防护医疗照射是指在医学检查和治疗过程中受检者或病人受到电离辐射的内外照射。施行诊断或治疗的医生应加强对受检者或病人的放射防护。医疗照射从其所获得的利益来衡量必须具有正当理由，既达到诊断或治疗的目的，又要把照射限制到可以合理达到最低水平，避免一切不必要的照射。2X射线对人体的伤害全身均匀照射的剂量限值新旧标准均为每年50mSV(5rem),但其概念是不同的。既往把旧标准中的最大容许剂量限值，视为安全水平的上限，是防护评价的唯一标准。只要不超过最大容许剂量就认为是安全的，可以接受的。新标准中的剂量限值不再是安全与危险的分界线，它不允许接受的剂量范围的上限，而要通过防护最优化原则求得最优方案的防护条件。超声波诊断仪利用超声波在人体中传播的物理特性，可以对人体内部脏器或病变作体层显示，据此对一些疾病进行诊断。由于它具有操作简便、安全、迅速、无痛苦和无计量积累的优点，临床应用十分广泛。人体的许多部位和脏器如眼、甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、胸腔膜、脾脏、泌尿系统以及妇产科等，超声波诊断均显示出它的极大使用价值。超声诊断学己发展成一门专门学科。从超声诊断仪的发展过程来看，经历了A型、M型和B型超声诊断仪。现代B型超声诊断仪不仅包含了A型、M型功能，而且还包含有多普勒声谱图，二维彩色多普勒成像，能量图，二次谐波成像，三维成像等功能。电子计算机技术的发展，相控阵技术和数字图像处理技术的应用使得现代B超的图像分辨率、清晰度和稳定性都大大提高。现代超声诊断仪按用途可分为腹部超声、心脏超声、眼科超声和多普勒脑血流诊断仪。也可根据能否显示伪彩色多普勒血流图分为彩超和黑白超声诊断仪。根据超声诊断仪的功能、图像质量、所拥有的技术等指标又可将超声诊断仪分为高档、中低档和便携式简易超声诊断仪。实际上，有很多超声诊断仪可以携带多种不同的超声探头，更换不同的探头就可以有不同的用途，可以做腹部，又可以做心脏，或做小器官。有的超声探头还可以是多频率的。超声波的物理特性声速声速与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。在超声诊断的频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，约为1540m/s。波长、周期和频率声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的距离（超声波在人体中一般是以纵波方式传播），称为声波的波长，以表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间，称为声波的周期，以T表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波敝，称为声波的频率，以f表示。它们之间的关系为=C/f=CT式中为声波的传播速度。医学诊断中采用的超声波频率在1-20MHz范围内。声阻抗介质中任意点的密度与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=C。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。声压级与声强级声压级LP是以分贝表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即LP=20lg(P/P0)声强级LI是以分贝表示的某个声强I与参考声强I0的比值，即LI=10lg(I/I0)声强是表示声的客观强弱的物理量，它表示通过垂直于传播方向上单位面积的能流率。声强为I=1/2(C02A2)= p02/(2Z)声强的单位是mW/cm2或W/m2。声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。对于平面超声波，他的总功率为强度I和面积S的乘积，即W=IS。由于超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，因其不可逆的生物效应。因此，国际上对诊断用超声强度安全剂量作出规定，一般接受的安全剂量为20mW/cm2。超声波的指向性对于平面园片换能器，在无吸收的介质中其波束形状有两个不同的区域即园柱形区和发散区或称为近场区和远场区。近场区的长度为D2/4，D为晶片直径，为该介质中传播的超声波长。在远场区，发散角由sin=1.22/D给出。可见，减小直径可缩短近场长度和增大，即加宽了波束。增加频率即减小波长时，加长了近场区，减少了发散角，可获得较窄的波束。声强度沿中心轴距离的分布，近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点。这些节点可引起不希望有的盲点。在远场区声强都变化趋于平稳，单随着距离的增加，声强逐渐减弱。超声波的反射与折射当一束平面超声波入射到两种介质交界面上时，或者声阻抗的不连续处时，会产生反射和折射，并遵从反射和折射定律。I=RSinI/SinT=C1/C2超声波的衰减超声在介质中传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的衰减。噪声衰减的因素主要有两类。一类是声束本身扩散，使单位面积上的能量下降，或反射，散射的结果，使能量不能再沿着原来的方向传播。在这一类事件中，声波的总能量并没有减少。另一类是，超声传播中，由于介质的吸收，将声能转换成为热能，因而使声能减小。着后一类的机理比较复杂，主要有粘滞吸收；弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收。对于给定的频率的超声波，其强度和压强幅度都随着距离的增大而按指数规律下降，可表示为：I(x)=I0e-2xP(x)=P0e-x式中为衰减系数。是频率的函数。mm = fMHz。为常数。衰减系数在很大程度上依赖于频率。这一点，我们在设计还是临床操作上都具有重大影响意义。实验结果表明，在医学超声频率范围内，人体组织对超声波的吸收系数几乎与超声波频率成正比。成像原理超声诊断仪现在都是利用回波测距的方法工作的。声波在传播途中，遇到介质的不均匀界面时，发生反射与折射现象。产生的反射声波即回波。所谓脉冲回波测距法，是指向声传播介质中发射一个超声脉冲，经目标反射，接收其回波，并检出其中所携带的有关目标的信息，用于确定目标的方位与距离的方法。人体组织和脏器具有不同的声阻抗，在声阻抗突变的界面会产生回波。将超声脉冲波发射到生物体内，再接收来自生物体的反射回波信号，完成对生物体组织的扫查，这种方法称为超声脉冲反射法，或称脉冲回波形扫查技术。由于超声波在人体内的传播速度比X射线要慢很多，在发射完持续时间仅只几微秒的超声波脉冲后，随着超声脉冲波在人体内的传播，大约有七百微秒的时间可以用来接收、放大和处理和微波信号。因此，大多数超声诊断系统都采用超声脉冲反射法检测技术。由于界面两边的声学差异，即声阻抗的变化，通常不是很大，故大部分超声能量声穿过界面继续向前传播，达到第二界面时又产生回波，并仍有大部分超声能量透过该界面继续行进。将回波信号依次接收放大，并在荧光屏上显示在不同时间所接收到的不同幅度脉冲波形或不同亮度的光点，根据脉冲发出至回波到达换能器所用的时间t，可以计算出传播的距离x为x=Ct/2根据不同界面上的回波的返回时间，可以求出不同界面与超声探头（换能器）之间的距离。超声回波信号有三种基本显示模式：1. A型(Amplitude Modulation)：幅度调制。横轴表示深度，纵轴表示回波强度，以不同幅度的脉冲波形的形式表示。这是最基本的显示方法。2. B型(Brightness Modulation)：亮度调制。纵轴表示深度，得到的超声回波信号加到显示器的Z轴上进行灰度调制，以亮度表示回波的强弱。如再配以声束的扫描，使横轴表示声速扫描方向就可以得到超声波体层图像。3. M型(Motion Modulation)：运动调制。将回波幅度加到显示器的Z抽上作亮度调制，纵轴表示深度，如同B型。将这样的回波信号在时间上拉开，即横坐标是时间，时基线以慢速沿轴方向移动。超声换能器超声换能器，又称超声探头，在医学超声仪器中完成电声的转换作用。换能器的性能状况直接关系到医用超声设备的性能，影响成像的质量。使用中，压电换能器在超声诊断仪中占主要地位。压电效应某些材料，当在真两端加一压力时，则在材料的两个电极表面上将出现电荷的积累，这种效应称为正向压压效应。一般说，材料的压电效应是可逆的，即当材料的两端加上一个电场时，则材料将出现形变，称为逆向压电效应，这种现象首先由居里兄弟在1880年发现的。一些晶体如石英等具有压电性，而现在用得较多的是压电陶瓷。压电振子压电振子指被覆有激励电极的压电体，它是构成各种超声探头中的换能器的基本单元。一个压电换能器中可以仅有一个压电振子，也可以有多个，每一个压点振子都是一个可逆的机电换能系统。压电振子本身是一个弹性体，因此肖其固有的谐振频率，当所施加的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。另一方面，振子又是压电体，当所施如的电的频率和压电振子固有频率一致时，由于逆压电效应则发生机械谐振，谐振使振幅最大，弹性能量也最大，这时，压电体获得最大形变振动，通过介质产生超声波输出。他说施加的力和电的频率不与振子固有频率一致时，压电振子产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小。使用特性超声探头的使用特性主要有工作频率、频带宽度、灵敏度、分辨率等。工作频率的选择主要决定于临床诊断的要求，人体各部位对超声波的衰减很不相同，即衰减系数随频率升高增加很快。因此，对于衰减大的组织和要求探测深度大时，应选取较低的工作频率，反之，则选取较高的工作频率。一般软组织适合用25MHz频率的超声，对甲状腺的等小器官的探测则要求分辨率好，宜使用5MHz以上的频率，对于眼球的探测可用10MHz或以上的探头。现在有的超声探头可以在单个探头上发射和接收多种频率超声波，以期适应多种用途。也有的探头采用近场使用较高频率的超声以提高分辨率，远场使用较低的频率以期提高探查深度。探头特性对仪器分辨率有更明显影响，就探头本身而言，分辨率的高低主要与以下因素有关：1. 探头中换能器的辐射特性，若辐射特性好，则声速截面尺寸小，扩散角小，指向性好，横向分辨率就高。辐射特性好，声束能量集中，旁辫小，近场区干扰小，也有利于提高分辨率。2. 换能器的辐射面积大，声束的扩散角就小，横向分辨率也将提高。3. 换能器的频率响应好，则距离分辨率高。4. 换能器的机械品质因数低，也有利于纵向分辨率的提高。换能器层间匹配的好坏，也直接影响分辨率，这是因为层间匹配不佳时，超声在探头中来回反射，造成回波的多次叠加，从而使纵向分辩率下降。分类超声探头按诊断部位分类可分为眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、子宫探头、肛门探头、儿童探头等。按几何形状分类可分为矩形探头、柱形探头、凸形探头、园形探头、环形探头、喇叭形探头等。按波束控制方式分类可分为线扫探头、机械扇扫探头、电子扇扫探头（相控阵）、方阵探头等。还有特殊用途的探头，如穿刺探头等。结构实际上常用的探头有柱形单振元探头、机械扇扫探头和电子扫描探头（包括线阵、凸阵、相控阵探头）。柱形单振元探头主要用于A超和M超。机械扇扫的方法有摆动法和旋转法，摆动角度不小于30，每秒不少于二十四次。旋转式探头需要三到四个其性能一致的振元，由于是单方向旋转，不较易做到匀角速扫描，而且其噪声小，寿命长。目前，机械扇扫探头的生产已越来越少，大有被电子相控阵扇扫探头取代之势。电子扫描探头的换能器采用多个声学上相互独立的压电振子排成一线，如同铁轨的枕木，振元个数大多在三十二个以上。超声聚焦使探头发射的超声束在一定深度范围内汇聚收敛称之谓超声聚焦。由于声速的汇聚，使其穿透力和回波强度增强，可以改善探测灵敏度，分辨率也将大大提高。聚焦的方式分为两种：声学聚焦和电子聚焦。对一个超声探头来说，为改善其探测性能，可以采用其中的一种，也可以同时采用两种，比如线阵探头通常就是在短轴方向采用声学聚焦，而在长轴方向采用电子聚焦。声学聚焦与光学聚焦的基本原理相似，最常用的是声透镜聚焦方式。它是利用折射原理而使声束聚焦的。由凹形声透镜和平凸形声透镜。声透镜中心部位的厚度应为/2的整数倍（为入射到途径材料中的超声波波长），此时有最大透射。电子聚焦是应用相控阵技术。其基本原理是出自惠更斯原理。电子聚焦可分为发射聚焦和接收聚焦，具体是在收发回路中设置延时线来实现的，有数字延时线和模拟延时线。一般发射延时采用数字延时线，而接受延时则可以采用模拟延时线。这是因为激励脉冲的脉宽窄，前后沿陡直，而接收回波属模拟信号的缘故。然而，实际上很多仪器的发射延时亦采用相对价廉的模拟延时线。扫描方式高速电子扫描高速电子扫描由两种性质截然不同的类型：线性步控阵列（简称线阵）和线性相控阵列（简称相控阵）。线阵扫描生成矩形图像，而相控阵扫描则生成扇形图像。线阵换能器常由一厘米宽，十到十五厘米长，由很多加工成铁道枕木形状的小换能器单元（每个小换能器单元称为一个“振元”）排成一直线阵列构成。在同一时刻，有一到四个换能器振元同时投入工作，并随时间沿阵列方向顺序逐步轮换投入阵元。结果，虽然换能器阵列静止不动，但超声波束却沿线方向移动扫描。相控阵列虽然其结构线阵类似，但其控制方式完全不同。相控阵换能器比较小，大约有一厘米宽，一到三厘米长，而且换能器振元数也少。在同一时刻，相控阵换能器所有的振元都投入工作，超声波束成扇形扫描，其角度的改变则是依靠各个振元发射信号恰当的移相以及各个振元接收信号的恰当移相，这一系统类似于相控阵雷达。多振元组合发射线阵探头换能器中的单个振元尺寸通常都很小，其有效发射面积也很小。其波束的扩散角就比较大，波束能量发散严重，波束指向性差。这不仅影响仪器的横向分辨率，而且导致发射能量的减弱，从而使灵敏度降低。所以，通常采用的办法是由若干个矩形振元组合成一个振元组（阵元），每次发射时阵元内各振元同时激励，等效于单个振元的宽度加大。另外，采用多振元组合发射的另一个优点是便于实施对波束的电子聚焦和多点动态聚焦。电子线阵多振元组合扫描顺序扫描是一种最基本的振元组合方式。为了提高线密度，常采用间隔扫描，它可使扫描线增加一倍。并用微角扫描的方式也可以使扫描线密度增加，从而提高图像的清晰度。为了尽量缩短成像时间，减小多振元组合发射时超声波束的相互干扰，可采用一种多振元组合收发间隔飞越扫描的方法。可变孔径利用多振元组合发射和接收，增大了声源的孔径，有效地提高了声波对粒子的分辨率，特别是对于远场的分辨率。但是，随着孔径的增大，声速的直径在近场区也增大，从而在探头附近分辨率急剧降低，得不到体表附近良好的声像图。针对这一问题，采用改变孔径的技术来获得近，远场都良好的分辨率。其原理为：发射时，根据视场深度选择足够数量的振元构成振元组进行。接收时，首先以较少的振元接收近场区的回波信号，以提高对近场区组织的横向分辨率。然后，随着深度的增加，分段增加接收回波的振元数，一直到最后所确定的振元数全部投入接收，这样既提高了近场，也提高了远场的分辨率。电子动态聚焦在发射波束时，一组同时激励的振元中相互间隔一个延迟时间进行激励，使其合成波阵面呈现一个凹形的弧面，在某一焦距出出现一个焦点。改变相互间延迟时间，焦距将随之改变。在接收超声波反射回波时，各深度点反射回波到达各振元的声程差亦不同。如果选择某一深度点回波的声程差作为各个振元接收回波时的时间延迟，那么该点便成为接收回波的焦点。如果在接收过程中，根据超声回波的深度，依次投入相应的接收延迟线，那么，便可对多个深度点进行接收聚焦，这一过程称为动态聚焦。电子动态聚焦技术的应用，根据超声成像系统繁简程度而有所不同。发射过程可采用的聚焦方式基本上有两种，一是可选择焦距聚焦方式，在使用时，可根据诊断部位的深度选择某一个焦点，这种方式简单易行，但一幅图像中只有一个发射焦点。二是多个发射角点叠加聚焦方式，这种方式成像速度慢，但图像质量显著提高。接收过程的动态聚焦也有两种方式：一是设点聚焦，如四点聚焦；二是动态跟踪聚焦，它能使所有距离的目标都能得到聚焦，在横向分辨率上不受距离改变的影响。通常，在中低档超声成像设备中往往采用可选择焦距发射聚焦加上设点接收聚焦或跟踪动态接收聚焦。在高档设备中则采用多焦点叠加发射聚焦和电子动态跟踪聚焦的方式。动态跟踪聚焦虽然在全程内能得到良好的聚焦，但是，由于超声波束近场能量分布不均匀而且多次出现零点，如果不改变换能器孔径，近场仍得不到改善。因此，在高档成像系统中，采用电子动态跟踪聚焦加可变孔径的方式。相控阵扫描如果激励脉冲在到达超声换能器各个振元之前，依次延迟一个固定的很小的时间间隔，各个振元上所产生的声脉冲的传输也获得相应的延迟，这时，发射波叠加波束方向与法线之间就有一个相位差。随着发射延时时间值的改变，相位差也将随着改变。如果是首端与末端的激励脉冲互易，则叠加波束的方向移向法线的另一侧。如果对各振元的激励实行延迟以及延迟时间控制，就可以在一定的角度范围内，获得超声波束方向的变化。这种用控制激励脉冲的时延而获得超声波束方向变化的扫描方式，就叫做“相控阵扫描”。超声多普勒超声多普勒成像原理当声发射源与声接收器有相对运动时，接收器所接收到的声波频率与发射频率有所不同，这一现象称为多普勒效应。超声多普勒法成像就是应用超声波的多普勒效应，从体外得到人体运动脏器的信息，进行处理和显示。现已普遍用于血流、心脏和产科等方面的检查。超声血流测量仪、起声胎心检测仪、超声血管显像仪以及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等多种仪器在临床上广为应用。超声波对血管内流动的红血球接收散射，根据多普勒效应，即反射频率于发射频率之间将产生偏移即多普勒频移fd，由下式给出：fd=2vf0cos/C式中v为红血球的运动速度，C为超声波的速度。由公式可以看出，与血流速度成正比，若检出fd就可求得v。超声多普勒法分连续多普勒和脉冲多普勒。前者的缺点是没有距离分辨能力，在射线方向上的所有多普勒信号总是重叠在一起；后者具有距离分辨能力，能够捡出某特定深度的多普勒信号，可用于清洁箱内部和大血管血流信号的检测。但由于采用脉冲波，受重复频率产生的重叠幻像的影响，测定深部高速血流具有一定的困难。现在的超声多普勒成像装置大多采用与B超相结合的方法，在B超上一边设立多普勒取样，一边捡出血流信息。多普勒波束是与B超超声波束一起发射的。由同一探头接收放大，经延迟线和加法器后，进入混频电路和低通滤波器进行相位检波，然后通过取样状态设定电路和带通滤波器取出特定深度的多普勒信号，并将从心脏壁和血管壁来的运动滞后的低频多普勒信号滤除。取出的多普勒信号一路可以送到扬声器进行监听，一路可以经过A/D转换送到频谱分析器进行快速傅里叶变换(FFT)，通过变换后便可得到多普勒频谱。以横轴表示时间，纵轴表示多普勒频移（速度），各个多普勒频率强度（功率）用辉度显示。由于FFT变换频谱范围宽，可以判断是紊流还是层流。最后，经D/A变换后与B型、M型图像一起显示。彩色多普勒成像装置彩色多普勒体层成像是用脉冲多普勒法对于一点的血流信息进行实时二维显示。一般取流向探头的血流设为红色，远离探头的血流设为蓝色。其基本原理和脉冲多普勒法一样，所不同的是比脉冲多普勒成像装置多了MTI（移动目标指示装置）计算电路。接收到的多普勒回波信号经过混频电路和低通滤波器进行相位检波后，一路送到处理电路，进行频谱分析，以显示多普勒频谱；一路送到计算机电路，以得到彩色多普勒血流信息。为了滤除心脏壁、血管壁等反射的信号，以有效地检测超声射线方向的多普勒信号，使用了MTI滤波器。经过MTI滤波器的超声多普勒信号，进入自相关处理器进行自相关处理，在分别进行平均速度、分散和乘方运算，便得到彩色多普勒信号。将彩色多普勒信号、多普勒频谱信号以及B型、M型信号一起送入数字扫描转换单元（DSC），然后再进行彩色处理，得到红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色数字信号，最后经过数模转换（D/A），在彩色显示器上显示和录像机记录。超声信号处理从换能器接收到回波信号开始，到显示器再现出生物组织断层图像，中间有三个阶段对信号进行处理：预处理，扫描变换和后处理。预处理阶段对回波电平信号进行时域处理，预处理阶段除对回波形号进行放大和检波外，主要任务是解决两个问题：衰减补偿和信号压缩。其中电路包括：前置放大器、时间增益补偿TGC（Time Gain Compensation）或称作灵敏度时间控制STC（Sensitive Time Control）电路、动态滤波(DF)电路、对数放大电路和边缘增强电路等组成。；扫描变换阶段进行回波数字信号存储以及扫描制式变换。这是一个扫描变换器，其核心是一个存储装置，将回波信息以一种格式存入存储器，而以另一种格式读出。在超声成像系统中，换能器运动方式以及超声回波方式，决定了输入为x-y二维输入格式，而输出格式是标准的电视光栅。扫描变换器有两种类型：模拟扫描变换器和数字扫描变换器(Digital Scan Converter, DSC)。由于数字扫描变换器的成功应用，使得超声成像设备容易实现以下功能：以标准电视方法显示清晰的动态图像，图像冻结功能，双帧显示和图像电子放大显示功能，实现B/M图像转换和同时显示，实现各种测量和计算功能。并能在此基础上实现多项图像处理功能。后处理阶段对象素信号进行数字图像处理。其主要内容有：灰度修正、灰阶的扩展与压缩，伽玛校正、直方图均衡、电子放大与插行处理以及正负象翻转等。图像后处理是以提高清晰度、突出各具有诊断价值的图像特征为目的。不同机型，后处理的功能强弱各有不同。后处理也在DSC中进行B超的性能指标型B超声诊断仪的性能可以通过技术参数和使用参数两个方面予以表征。技术参数主要包括超声工作频率、脉冲持续时间、脉冲重复频率、分辨率、探测深度、灰阶级、聚焦方式、动态范围、图像帧频、时间增益控制、功率消耗等。使用参数主要包括扫描方式、探头规格、显示方式与显示范围、电子放大与倍率、注释功能、测量功能、记录方式、使用环境条件、外形尺寸与重量等等。X线机X线机是最早用于临床的医疗仪器之一，也是最常用的医疗仪器。目前，临床上常用的X线机种类很多，最简单的分类方法是通过X线管电流的大小来划分。管电流在1000毫安以上为大型X线机；100-1000毫安为中型X线机；100毫安以下为小型X线机。如以安装形式划分，则可分为活动式和固定式两大类X线机。也可以按用途来分，有透视用X线机，普通摄影用X线机、消化道摄影装置、胸部摄影用X线机、体层摄影用X线机、心血管造影用X线机、及其它诊断用X线机设备如牙科用X线设备、腺摄影X线设备、床边X线设备 、手术用X线设备等。还有很多数字化技术，如数字减影技术、数字CR系统等。X线机是一个非常庞大的家族。X线电子计算机断层扫描机X线电子计算机断层扫描机（Compnted Tomography），简称CT，是20世纪的重大科学成果，是自1895年德国物理学家伦琴发现X线以来，在医学影像领域里的最有进步意义的发展。X线在医学领域里已经应用了90年，但不管是摄片或是透视，都存在着一些根本的缺陷，首先，它们使三维结构的人体，经过投影，成像在二维平面上，从而使大量的沿X线束方向上