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超声基础培训 什么是超声波超声波的特性超声技术的发展历程超声临床应用基础知识探头的种类和特性超声临床应用技术简介现代医学超声诊断仪新技术发展特点 什么是超声波 超声波是机械波 由物体机械振动产生 频率高于20kHz具有波长 频率和传播速度等物量 超声波需在介质中传播 其速度因介质不同而异 在固体中最快 液体中次之 气体中最慢 超声波的特性 直线传播良好的指向性衰减性反射性多普勒效应 多普勒效应 声源和接收体作相对运动时 接收体在单位时间内收到的振动次数 频率 除声源发出者外 还由于接收体向前运动而多接收到 距离 波长个 振动 即收到的频率增加了 相反 声源和接收体作背离运动时 接收体收到的频率就减少 这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应 超声技术的发展历程 A超 Amplitudemodulationdisplay M超B超 Brightnessmodulationdisplay D超 多谱勒 脉冲多谱勒 PW 连续多谱勒 CW C超 彩色多谱勒 超声临床应用基础知识 A型回声图示意图 A型 属一维超声 回声强度以振幅显示 探头由单晶片构成 主要用于腹部 头颅 眼 胸腔等检查 现多已淘汰 图15 1 7A型回声图示意图回声图轴 振幅高度 代表回声强度 X轴代表深度 M型超声心动图示意图和扫描示意图 M型 一维 光点显示 光点的亮度代表回声强弱 探头为单晶片 用于心脏 胎心 血管检查 显示心脏 血管结构的活动规迹曲线图又称M型超声心动图 图15 1 8M型超声心动图示意图扫描示意图M型心动图Y轴代表深度 X轴代表时间 B型 即使我们所说得B超 它是以二维 光点显示 图中切面超声心动图示a 快速扇形扫描示意 b 切面超声心动图Y轴代表深度 X轴代表心脏长轴 a 线阵仪扫描示意 b声象图显示 Y轴代表深度 X轴代表上下或左右 图15 1 10B型电子线阵显示示意图 超声多普勒 利用多普勒效应原理检测运动物体 当发射超声传入人体某一血液流动区 被红细胞散射返回探头 回声信号的频率可增可减 朝向探头运动的血流 探头接收到的频率较发射频率增高 背离探头的血流则频率减低 接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频 多普勒频移 fd 与发射频率 fo 血流速度 V 超声束与血流间夹角 的余弦成正比 与声速 C 成反比 公式为 V fdCcos 2fo 式中fd cos 仪器均可显示 fo及C为已知 可以计算出V 声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度 声束与血流方向垂直时则测不到血流信号 目前常用的超声多普勒有连续波多普 CWD 脉冲波多普勒 PWD 及彩色多普 CDFI 1 连续波多普勒 一维频谱显示 探头内有二个晶片一收一发 用于检测高速血流 连续波多普勒以频谱显示 可单独使用 亦可与二维超声心动图结合 接收取样线经过部位上所有频移信号 其优点为可以测定高速血流 常用于测定心脏瓣口狭窄或返流的高速血流 缺点为不能区分信号来源深度 超声多普勒显示示意图a 多普勒取样部位显示 B多普勒频谱图 Y轴代表频移 血流速度 X轴代表时间 脉冲波多普勒 一维 频谱显示 探头由单晶片组成 兼收 发 常与二维超声相结合 用于检测血流速度 方向 性质等 脉冲波多普勒亦以频谱显示 与二维超声相结合 可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱 频谱可显示血流方向 朝向探头的血流在基线上 背离探头的血流在基线下 血流性质 正常的层流呈空窗型如图14 1 5 湍流则呈充填型如图15 1 6 血流速度 频谱上信号的振幅 血流持续时间 横座标显示时间 可供定性 定量分析 其特点为所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制 通常不能测高速血流 图15 1 5正常脉冲多普勒频谱左图示超声束经血管内层流血流右图为所显示正常血流频谱 空窗型 图15 1 6脉冲多普勒湍流频谱左图示超声束经狭窄后的湍流血流 右图为湍流频谱 充填型 彩色多普勒 二维 光点显示 以伪彩色代表血流方向 性质及速度 它利用脉冲多普勒原理 在心脏或血管内多线 多点取样 回声经处理后进行彩色编码 显示血流速度剖面图 以红色代表朝向探头的血流 兰色代表背离探头的血流 与二维超声心动图套叠显示 可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像 信息最大 敏感性高 并可引导脉冲或连续多普勒取样部位 进行定量分析 多普勒主要用于检测心腔及血管内血流 彩色多普勒仪都具有B型 M型 连续波 脉冲波多普勒功能 根据需要任意选择使用 探头的种类和特性 一 机械扇扫探头 将单个圆盘形振子 其直径为12mm 20mm 安置在扇形摆动架上 由电机驱动作扇形摆动扫描的机械扇扫探头 机械扇扫探头己是八十年代使用的最多的技术 由于超声振子附着在一个机械摆架上 摆动的角度和摆动频率都受到一定限止 如它的最大摆动角度只有 度 比不上现代电子相控阵凸阵探头的扇扫角度90度 更比不上微凸阵探头170度 和曲阵探头240度的扇扫角度 在机械扇扫探头内必须充有探头油 探头油要具有良好声透性 又要是低密度 低阻力 绝缘性好的液体 机械扇扫探头的使用寿命也不如相控阵凸阵探头 但是在使用上 两者都不需要移动时 就可获得一幅图像 二 线阵探头 线阵探头有64 128 256和512振元组成的多种探头 由于振元晶片切割的厚度不同 它的使用频率不同 它的线阵排列的长度也不同 工作频率低的 其尺寸就长一些 三 凸阵探头 凸阵探头有不同频率 不同弧面尺寸的通用凸阵探头和变频凸阵探头 还有一种适用小器官的微凸阵探头 凸阵探头的扇扫角度达80多度 微凸阵探头可应用于小器官探查 其扇扫角度大于90度 目前在彩色多普勒超声诊断仪使用变频探头 变频探头的设计主要适用于一次探扫中 能进行多部位扫描 也适用于不同体形的超声探查 四 相控阵探头 相控阵探头有多种形状 如图3 1 7 7展示了六种相控阵探头 其中第1至第4是4种不同频率的相控阵探头 图中笫 号是一种5 0MHz的经食道对心脏进行探查的相控阵探头 图中笫 号是一种探测平面宽度很小 表面接触式相控阵探头 可用于心脏手术 五 矩阵式探头 矩阵式探头的振元块是由切割成数百个方块到数千个方块的矩阵组成 如Philips 4Matrix型超极矩阵式探头 是由3000个阵元块组成 它要有150多个计算机电子板进行接 六 超声多普勒探头 六 超声多普勒探头 测量血流的超声多普勒探头是双晶片分隔式或分离式的简易式换能器 探测多普勒频谱的超声多普勒探头也是专用的 现在许多凸阵 线阵 相控阵及腔内探头均具有PWD 脉冲多普勒 和HRPF超声多普勒探扫功能 相控阵探头还具有CWD 连续多普勒 探扫功能 脉冲多普勒的脉冲重复频率的应用范围是1kHz 29kHz C5 2 P2 5 Ec4 9 P3 7 C3 7 S VAW4 7 临床应用 腹部产科妇科胎儿心脏 泌尿科小器官胸部血管儿科 成人心脏儿科回波颅脑横断肌肉与骨骼 超声临床应用技术简介 数字波束成形技术谐波成像技术复合闪烁自动消除技术三维成像技术 数字波束形成的原理 模拟波束形成存在的问题 不精确的时间延迟非线性衰减多重反射 S S 数字时间延迟 反射器 阵元 信号加法器 显示 数字波束形成的意义 全程像素聚焦宽频带稳定性可编程性 多声束成像技术 多声束成像技术 图中所示为多声束成像的基本理论 传统的单声束扫描仪在处理信号时一次只可发射和接收一个声波脉冲信号 而多声束扫描仪发射一次信号可接收四个声脉冲信号 从而得到一无伪影的运动影像 多声束是如何工作的 技术背景 探头接到信号后 4个声束成形器以并行的方式处理反射信号 产生高帧频 高分辨率的二维或三维图像 谐波成像技术 OHI最佳谐波成像双向谐波成像反向脉冲谐波成像 造影剂和非造影剂谐波成像二次谐波最佳组织谐波 最佳谐波成像技术 OHI 非造影式和造影式谐波成像 没有使用造影剂使用造影剂 它是通过检测超声造影剂微泡产生的二次谐波来显示微血管低速血流的声学显像方法 它具有去除背景噪声 突出检测目标的优点 二次谐波 它不需要使用造影剂 通过检测人体组织的谐波成分提供高对比分辨力的优质图像 组织谐波技术可有效的提高空间分辨力 对于普通显像困难的肥胖人 老年人 心脏扫查窗很差的病人尤为有效 提高空间分辨率和对比度图像的中心区域更为清晰使用于老人和肥胖病人 滤除原始的反射回波信号接收4MHz的信号 双向谐波成像技术 反相脉冲谐波传送的是两个同类但极性截然相反的脉冲 采用实时数字存储和相取消技术 生成一真正的谐波信号 可以提高灵敏度和空间分辨率 使心脏结构更为清晰 尤可提高微量造影剂在影像上显示的清晰度 为临床医生提供诊断所需的信息 反向脉冲谐波成像技术 复合闪烁自动消除技术 新型的CAFE数字信号处理 CAFE 复合自动噪声消除 在用彩色多普勒检查期间 消除人为噪声的干扰 表面成像模式三维容积成像模式 VOCAL MagiCut 三维成像技术 真实的 自如旋转的 带有丰实表面信息的胎儿面部图 栩栩如生 表面模式 在三个相交平面上自动进行前列腺的容积测量 VOCAL TM 虚拟人体器官计算机辅助分析技术 图中所示为X线断层扫描方式逐层显示胎儿脑部的扫描影像 MagiCutPlusTM可以剪切掉影像中不需要的部分 并可在已存档的三维影像上以X线断层扫描成像的方式逐层显示 可以逐层观察肿瘤以下的结构 MAGICUTPLUSTM先进的电子编辑软件 现代医学超声诊断仪新技术发展特点 从20世纪70年代到90年代 多阵元超声换能器技术 数字扫描转换技术 超声多普勒检测技术 数字声束成形技术等重大技术的突破 有力地促进医学超声诊断仪的发展 促进了医学超声图像诊断的蓬勃发展和深入应用 由于低强度超声对人体组织不产生损伤 使超声图像诊断成为医学图像诊断的首选技术 现代医学超声诊断仪已是最新医学超声基础理论研究 新型压电材料和超声换能器研制 计算机处理 声成像技术与信息传输技术相结合的产物 70年代以B型超声显像技术为特征 80年代彩色多普勒血流成像技术为特征 90年代则以超声体成像为特征 而当今医学超声诊断的新技术发展特点主要体现在宽频带化 数字化 多功能化 多维化及信息化等五个方面的综合应用上 这一发展趋势在90年代后期已日渐明显 也引导着未来先进医学超声诊断设备研制的创新思维 一宽频带化 80年代中期 人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响 开发了宽频带探头 如中心频率为3 5MHz的探头 可以产生2 5 6MHz的超声波 其有效带宽可达到3MHz左右 检测表浅组织时由于高频率可以提高分辨率 而对深部组织时由有较低频形成衰减较少的回声信号 从而使深部组织结构得以较清晰的图像显示 因此在宽频带探头的检测下可以形成多频率构成的图像 又称为融合图像技术 这也是与动态滤波信号处理技术的应用密不可分的 同时整个信号处理通道响应带通也应提高到相应宽带的程度 90年代 变频宽带探头和超宽频带探头获得应用 例如同一只探头可以变换产生2 5 3 5 6MHz为中心频率的超声波 小器官探头可以产生5 7 9MHz中心频率的超声波 其频带宽度可以达到8MHz以上 超宽频带探头已可以产生1 8 12MHz的超声波 术中探头则能发射6 15MHz的超声波 可以准确显示浅表血管壁与内膜 超高频探头可产生60 100MHz的超声波 极大地提高了皮肤及表浅组织的分辨率 变中心频率宽频带探头的应用为诊断医师提供了方便 也可以更容易获得更为清晰的图像 提高了检测灵敏度和动态范围 但信噪比则略有下降 宽频带化是医学超声诊断仪的重要技术发展 实际上超声二次谐波信号接收与处理 也是扩展信号的带宽 二数字化 80年代中期 国际出现了将原来单一信号通道发展成同时发射和接收处理128路回声信号 并由微机控制 由模 数混合运算 计算出符合声学理论计算的每个回波声束 即波束成形器 由软件控制的声透镜 DCLS 作动态聚焦 动态变迹 动态孔径和增强处理 这实际上是由软件控制实现回声信号的前端数字化处理 多通道同时处理提高了成像速度 随后 又出现了以全数字运算微机控制的128通道回声信号进行前端数字处理的超声显像诊断仪 理论上 全数字声束成形技术能够进一步减少非线性衰减延迟的相关失真和信号传输损失 实现了按象素点聚焦声束 在数字化超声诊断仪的基础上 进一步发展了全数字化超声诊断仪 现已达512路数字声束形成器 它还包括了数字图像管理和存档 PACS 以及数字图像传输等系统 三多功能化 根据超声与生物相互作用基础理论研究的最新进展 发展新的检测参数并用于临床医学 始终贯穿着医学超声诊断仪的发展过程 如最初利用组织界面声特性阻抗的差异 检测界面反向回声信号 形成了初期的黑白灰阶B型超声图像 而后在超声多普勒效应的基础上 利用血流形成的超声多普勒频移从而检测流速 随即又发展成以彩色显示流向的彩色多普勒成像技术 这两大技术检测的分别是声阻抗与频移参量 新参量的发现与应用 将导致医学超声设备的发展和功能增强 90年代中期以来 一些新参量发展带来超声诊断仪的多功能化 1 能量图 能量图建立在利用超声多普勒方法检测慢速血流信号的基础上 但除去了频移信号 仅利用由红血球散射能量形成的幅度信号 它可以出色地显示细小血管分布 不受血流角度及弯曲度的影响 又称为超声血流造影技术 新近发展的方向性能量图则全面利用了幅值及频移信号 有时又称为辐合全彩色多普勒 CovergentColorDoppler CCD 既可以显示血管分布 又可以检出血流平均速度 为诊断提供了新方法 2 谐波成像 通常超声换能器中的压电振子以固有频率谐振 发射基频超声波 若产生频率为基频几倍的超声波则称为n次谐波 超声二次谐波成像就是利用接收2倍于基频的超声信号来提取有用信息并结合到所显示的像图上 二次谐波信号只在特定情况下才能激发产生 并被高灵敏超声换能器接收到 由于声衰减量与频率平方成比例 通常二次谐波超声信号是很弱的 目前利用的二次谐波成像技术主要有两种 即自然组织二次谐波成像和造影剂二次谐波成像 前者来自于检测组织所产生的非线性声学效应 后者则来自于造影剂微气泡突然破裂所产生的激波信号 利用超声二次谐波成像可以进一步诊断心脏功能及心肌存活情况 也可为心肌密度定量分析提供依据 分谐波 Subharmonic 成像技术正在发展 它利用的是1 2或1 3基频探测人体组织 可以减少声衰减 提高侧向分辨 3 组织特征参数成像 诊断定量化一直是超声医学及工程学追求的目标 目前已对组织速度 弹性 B A 非线性声参数 测量取得重大进展 利用超声多普勒法除测量与显示血流速度外 对心室壁面的快速运动同样可以应用 形成组织速度图像 另一种方法是采用高帧频采集技术 其帧频可近400Hz左右 以高速采集全部室壁的运动动态信息 然后再将彩色 速度 信息与组织灰阶信号相混合 从而显示运动组织的状况 组织弹性声成像 Sonoelastogram 反映组织弹性特征 它利用特制超声源对被测组织进行辐射激振 测量其动态位移 由应变与辐射力计算出相应的弹性系数加以显示 可以显示组织的弹性及老化状态 4 复合图像技术 最先出现的是多频图像技术 它利用宽带发射探头发射宽带超声波 而在接收过程中利用动态滤波技术 使得由浅入深接收的组织回声信号频率由高到低逐渐变化 形成整幅均匀而清晰的图像 另一种方法是控制高速图像采集系统 使其一幅图像来自于频带宽度的上缘 另一幅来自频带宽度的下缘 然后选择性接收与融合成一幅高清晰度图像 也有利用一次信号发射 同时从同一个面上的4个方向采集四组图像信号 4倍信号处理技术 组合成一幅高密度高清晰度的图像 近来又出现多波束 多角度进行复合扫描的技术 可以同时获得9倍于常规扫描的信息 进一步提高了图像质量 也提高了帧频 这些技术旨在克服随探测距离增加的组织声衰减 使显示的一幅图像由不同频率的回声信号构成 5 相位参量应用 90年代中期 在长期应用幅度参量超声成像的基础上 开发了同时利用相位与幅度信息的成像技术 即相干信号处理成像技术 它拥有256 512条数字处理通道 同时应用多声束成形器获得振幅与相位数据 然后用来构成图像单元 可以将成像速度提高一倍 并极大地提高了诊断分辨率 另一种是时相或时域分析技术 建立在回声信号高速采集与分析的基础上 实质上利用了运动的相位 自动时相显示技术可以用来分析心脏整体及局部运动状态及功能 而以时域分析技术为基础的时域血管造影和速度成像也为诊断提供了新信息 6 自动分析技术 90年代 B型超声诊断仪的各种测量与计算功能逐渐软件包化 而测量则先要选择相应的菜单 利用不同的测量菜单操作可以自动