一、B型超声诊断仪器原理调试与维修

B型超声诊断仪器原理调试与维修,的,井冈山大学生物医学工程系37439866,绪论,一、医疗仪器设备：1、诊断仪器发展最快，最高精尖，对医疗技术影响最大；2、治疗仪器；3、辅助仪器。二、医疗诊断仪器定义：理论基础：物理学、化学、生理学、解剖学、细胞学等运用技术：声、光、射线、电子、机械、化工、信息等信息形式：声音、颜色、数字、波形、图形、图象等；反映内容：人体系统、器官、组织、体液、细胞的参量；应用目的：判断疾病的性质、位置、程序，指导治疗。,三、各种成象技术特点比较。,绪论,四、超声成象与其它技术比较的结论。各种成象技术的关系： 各有所长特异敏感症。 各有所短不敏感症，甚至盲区，临床应用需要相互弥补，取长补短，不能完全互代。超声成象技术之短长： 特点：弹性信息象（B型），速度信息象（D型）。 优点：安全、无损、方便、实时、价廉、应用面 广，软组织鉴别力强。 缺点：有盲区，分辨力不太高。最宜：用于大规模普查。,绪论,五、超声技术发展史：19世纪末，20世纪初，相继发现正、负压电效应。1912年，英国TITANIC号客轮撞冰山沉没，数千人丧生，酿惊世惨案。1914-1918年，第一次世界大战，德国潜艇猖狂，盟国损失惨重。1921年，声呐（Sound Navigation and Ranging,简称SONAR）用于探测水下潜艇。1928年，出现超声金属探伤技术，频率达MHz级，波长仅mm级。使声波方向性好，探测精确。40年代，探伤技术用于医学，制成A型超声诊断仪。50年代，相继制成M型超声心动图仪，连续波超声多普勒诊断仪。压电陶瓷换能器开始应用。,绪论,60年代，超声技术日益完善，1967年制成实时B型超声成象仪。70年代，大规模集成电路、微型计算机技术的发展促进了超声技术的发展。特别是B型超声成象，DSC和DSP的出现，使之达到功能强、自动化程度高、图象质量好的新水平。80年代，持续发展。1980年，美国临床超声成象仪数量超过X射线机，结束X射线机统治图像诊断近百年历史。宣称进入“医学超声年”。双功超声诊断仪、彩色超声血流图仪、介入式超声、全数字电脑超声显象、超声三维成象等相断推出。90年代，探头技术、数字处理技术日益成熟，超声成象向多样化发展。高端机型功能强大、图像清晰；低端机型结构小巧，操作方便，价格低廉。,绪论,六、中国超声技术发展史。1958年，A型超声诊断仪在上海诞生。19591961年，简单的超声多普勒仪、超声显像仪和超声心动图仪也在上海相断研制成功。60年代中70年代中，因“文革”停滞。70年代中后期，M型超声诊断仪、连续波多普勒超声诊断仪、电子线阵式、电子相控阵式、机械扇扫式B型超声诊断仪相继制成。80年代，开放引进使技术快速发展，双功超声诊断仪、彩色超声血流图仪等相断制成。同时，中、低档机型产销增长迅速。90年代，中外合资、外商独资企业大量涌现，产品紧跟世界先进水平。,绪论,超声的医学应用,诊断影像类A型 (Amplitude)B型 (Brightness) C型 (Cross Section) D型 (Doppler) M型 (Motion) F型 (Flexible)T型 (Tomography)诊断其它类胎儿监护骨密度测量,治疗超声雾化超声清洗超声碎石超声手术超声理疗超声刀,超声诊断仪,数字黑白超声,数字彩色超声,超声诊断仪,翻盖便携式电子凸阵,全数字便携式超声,超声诊断仪,全数字便携式超声,胃肠彩色超声仪器,超声诊断仪,彩色经颅多普勒,超声诊断仪,超声治疗仪,超声治疗仪,返回目录,超声的成像特点,(1)超声波为非电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无伤害，可经常性地反复使用。(2)超声波对软组织的鉴别力较高，在对软组织疾患诊断时具有优势。(3)超声成像仪器使用方便、价格便宜。,超声影像,超声影像,超声影像,超声影像,超声影像,超声影像,超声影像,目前的发展趋势,1组织鉴别生物组织是由脂肪、蛋白质、水等多种成分组成的复杂介质，其超声特性也很复杂，表现多样。新型的声参数成像主要有三类：弹性成像声传播参数成像声的非线性参数成像。 非线性声参数成像也一直比较引人注意。在外力声泵的作用下，组织的微结构将发生改变，据此获得的非线性参数/、相移参数等，均已证明与组织的硬度、组织的纤维化以及肿瘤的性质有直接的关系。利用它们进行成像，必然有独特的性能。,目前的发展趋势,2.超声图像在高分辨率和高速成像利用信号处理技术使小肿瘤能早期发现；利用相干成像技术，通过声束成形和相位矫正获得优质的图像；多道、多束或多频技术的应用，可分别提高图像的分辨力，提高帧频或抑制旁瓣；两维阵列超声探头的应用，不仅可以实现超声的两维聚焦以提高图像的质量，而且可以用于实时的三维成像；高频高分辨力探头使血管腔内超声应用得到发展及超声衍射伪像的校正等。,1)相干图像技术 回波信息中含有振幅和相位的信息，通常使用的超声成像技术只利用了振幅的信息，而丢失了相位的信息。高技术的超声仪器则应用了相位的信息。要利用接收波束的相位信息，必须保证波束的相干性，采用专门的方法校正波束间的相干性，使同一目标在不同波束中的相位是一致的。依靠波束的相干性，可以用不同的线性迭加得到不同的组合波束。它们都可达到提高空间分辨力的效果。同时每次激发可以产生两条组合波束，因此时间分辨力也提高1倍。,2）数字波束形成器数字波束形成器的关键在于:(1)将发射聚焦，接收聚焦的延迟线数字化，并将周围硬件设计成专用集成电路。(2)时间型迭加聚焦比常规的模拟延迟迭加聚焦更为准确。这就要求发射电路使用特殊的函数激励。其他的数字波束也有相应的优越性，如PZT零阶Bessell十环阵非衍射探头就可以实现全程聚焦。它可以克服多焦区迭加成像所带来的帧频降低(即时间分辨力降低)的缺点。但波束的旁瓣比较大，为克服该缺陷，则采用非对称波束激励，并将接收回波波束用电子学方法旋转90，可以有效减弱旁瓣的效应。,3 ) 超声探头工艺的改进超声探头向着高密集、小曲率、高频率和两维等方面发展，微电子的工艺是其中的关键。高密集的探头阵元数达256个。高频率的探头包括：50的多普勒探头45的血管内成像探头和100200的皮肤成像探头等。两维的探头，其目前的阵元数为1288。,4) 腔内和血管内超声成像体表超声诊断已有将近50年的历史，介入性的超声技术虽仅为20年，在临床却已不断推广。如利用超声内窥镜检查消化道的疾病，可以发现消化道壁后的病变(这是光学纤维内窥镜所无法看到的)。又如心血管腔内的超声成像，利用导管将超声换能器插入血管，定性、定量分析管壁斑块，鉴别管内血栓。由于深入器官，可以采用高频率的超声显像，从而获得高的图像分辨率。它们和体表超声成像系统相比，主要区别在于采用特殊的超声探头，即小型化，甚至微型化的探头，其中微马达技术是个关键。,目前的发展趋势,3.流速测量技术的改进这部分包括血流两维速度矢量场和血流向量的测量，血流流线在型超声中的混合显示；利用窄带自相关方法跟踪斑纹噪声测量血流流速，测量结果较为准确；用宽带声束，相关处理可以改善空间的定位；应用抗迭混方法提高脉冲多普勒技术测量血流速度的上限；通过对功率谱的自动识别，诊断血管疾病如血栓等；血流彩色编码成像有速度型，加速度型，和功率型等，功率型与谐波多普勒的结合，可以提高血流的测量灵敏度，摆脱测量对角度的依赖，提高对低速血流的测量能力。,4.一些新的领域1)高频超声成像技术高频超声成像技术的应用将大大提高图像的分辨力。常规型超声成像技术其超声工作频率在210，目前研究并开始临床应用的血管内超声成像技术，其工作频率高达2040，而40100的超声成像才被称为高频超声或超声后散射显微镜()，可以用在皮肤的成像，以及眼部、软骨、管状动脉内的成像等等。人体内脏器官的症状往往在浅表皮层得到表现，这就加大了超声皮肤成像的应用价值。,2)超声造影剂的研究和应用超声造影剂从物理形态上可以分为:(1)含有自由气泡的液体。(2)含有包膜气泡的液体。(3)含有悬浮颗粒的胶状体。(4)乳剂。(5)水溶液。由于造影剂的散射截面要比同样大小的固体粒子大几个数量级，可以使背向散射的信号大大增强。造影剂的这种作用，可以突出感兴趣区域的图像，改善图像的信噪比，从而便于医学诊断。血液中存在造影剂后，人体中小血管的血流可以得到显示。由于正常组织和肿瘤对某种造影剂的反应存在差异，利用造影剂可以提高对肿瘤的检出率。早期曾用的含自由气泡的液体，例如含2、2等现在已经淘汰，这是由于气泡的稳定性不够。目前研究者趋于采用有稳定包膜气泡的液体。研究气泡更稳定，大小可控制，对人体无害，易排出，且有良好造影作用的超声造影剂，是这方面研究的一个重要方向。,3)超声治疗(1) 超声热疗是个有发展前途的领域，聚焦的超声把能量集中在肿瘤区域，加上肿瘤区域散热不良从而导致热量的积累，可以达到杀死肿瘤细胞的目的。但关键是要解决好活体的无损温度测量技术。(2) 超声外科手术是超声治疗的重要形式，它主要利用超声空化和强烈的机械效应来切断、破坏生物组织。用超声手术刀进行外科手术，可以快速、准确而又省力地切割组织，具有止血、无感染等优点，而且刀头的温度并不高。(3) 超声可以引导穿刺进行活检、引流，也可以进行治疗。例如超声引导下对肿瘤的介入治疗，直接注入药物，以治疗肿瘤。,4) 虚拟现实技术在超声中应用利用现有的型超声成像设备获得数据，经过三维数字成像技术实现超声的虚拟探查(左转、右转、上下反转等)，例如乳腺肿瘤的三维重建和虚拟显示，可以作为手术方案的技术支持；骨关节的三维重建和虚拟显示，可以作为康复方案的技术支持。这方面的研究也会进一步深入。,5)计算机化的超声成像技术目前已成功应用的方面有:计算机的声束控制技术，以PC机为平台构成的超声扫描仪(超声诊断仪)，PACS和超声的远程技术，包括超声数据(图像)的远程传输和远程控制超声扫描等计算机技术与超声图像的最新结合是采用开放结构设计，在计算机平台上产生高质量的图像，让用户使用时感到十分方便；系统的核心是计算机，系统的控制功能由屏上的游标或手触摸屏选择，有多种语言可供选择；系统与DICOM、PACS、和其他remote scanning系统相兼容可以预见，计算机化超声成像这个趋势将越来越深入和广泛,目前的发展趋势,5.一些基础性研究 这方面的研究包括:超声散射元的信号仿真，利用血液动力学中的一些现象总结成一些近似方法，例如动量守恒法、近似等速表面积法计算血流流量，仿真和测量血管中的湍流、涡流及其频谱特征等。 总之，可以预见未来，医学超声将会继续有较大的发展，并在医学临床诊断领域发挥越来越大的作用。,一、超声波的定义及特征:超声波的定义：超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中的传播；频率在16-20000赫（Herz）的声波人耳可以听到称为可闻声波；频率高于20000赫的声波，人耳听不到称为超声波。超声波和声波一样，也是一种机械波。超声波亦有纵波和横波之分。超声波与普通声波特性相比： 1、频率高、波长短 2、由超声波所引起的媒质微粒的振动即使振幅小，但加速度大，可产生很大的力量。,第一章:超声诊断的声学基础,超声换能器,压电效应 Piezoelectric Effect逆压电效应 Converse Piezoelectric Effect,超声波治疗探头,工业用超声波探头,压电陶瓷片,诊断用B型超声波探头,基本概念,换能器是把一种能量转化为另一种能量的设备，我们主要讨论声换能器，即把电能转换为机械能或声能，或者相反。产生超声波的装置分为两类：机械方式电气方式,1. 压电效应 Piezoelectric Effect,1880年法国物理学家居里兄弟(Paul Jacquis 和 Pierre Curie)首先发现结晶物质具有压电现象(Piezoelectricity)。1881年李普曼(G. Lipmann)根据热力学概念预言压电现象是可逆的，同年居里兄弟证实了压电效应的可逆性，即逆压电现象,压电体未收外力时，两侧不带电荷,压电体受到压缩力两侧带电荷,压电体受到拉力两侧带电荷（与B相反）,正压电效应（direct piezoelectric effect),在某些晶体的一定方向上，受到应力（拉力或压力）而形变时，在晶体的两个受力界面上，引起内部介质正负电荷中心相对位移，从而产生符号相反的束缚电荷，其电荷密度与所施加的外力成正比例，这种由于机械力的作用而激起电介质晶体表面电荷的效应，称为正压电效应（Direct Piezoelectric Effect),压电体两侧加电场时，长度伸展,压电体两侧加与（d）相反电场时，长度压缩,逆压电效应（converse piezoelectric effect),如果在晶体表面沿着电轴方向施加电压，则由于电场作用，引起内部电介质正负电荷中心相对位移（受到电场拉曳而分离），而这一极化位移又导致晶体的几何形变这种相反的压电效应，称为逆压电效应（converse piezoelectric effect)。,三、超声的发生和接收的原理 1、超声的发生是利用逆压电效应的原理，而超声的接收是利用正压效应的原理。超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性质的晶体片，由主机发生高频交电场，电场方向与晶体压电轴方法一致，压电晶片沿一定方向发生压缩和拉伸，当交变电流在20KHz以上时即产生超声，这种现象为逆压电效应，当有回声时，作用致电晶体片上，则晶体片上产生电荷，这种现为正压电效应。 2、超声在介质中传播的过程中，遇到不同声阻抗的界面，反射回来的声能到达压电晶片。根据正压电效应的原理，回声的机械能变为电能，主机再将其转变的电信号经过处理，放大在荧光屏上显示出来。 a、当电信号显示为振幅高低不同的波型时即为A型超声诊断法。 b、显示为点状回声扫描时即为M型超声诊断法。 C、显示辉度不同的点状回声进而组成图象时即为B型超声诊断法。 d、显示超声的多普勒（Doppler）效应所产生的差频时即为D型超 声诊断法;以上也分别为超声示波、超声点状回声扫描、超声显象和超声频移等诊断法。,第一章:超声诊断的声学基础,四、超声波的表示方法：质点的位移 =Asint质点运动速度 V=Acost=Vmcost质点运动加速度 b=-2Asint=-Bsint（了解质点往返运动状态）,第一章:超声诊断的声学基础,五、超声波的物理量 1、声速：振动状态（即位相）在单位时间内传播的距离称为波速 ，也称之相速。 其波速为： G为媒质的切变弹性模量和杨氏弹性模量、为介质的密度。（在液体和气体中只能传播纵波） 注：声波的传递过程实质上是能量的传递过程,第一章:超声诊断的声学基础,2、周期和频率 波的周期：一个完整波形通过介质中某固定点所需的时间叫作周期，用T表示。 波的频率：单位时间内通过介质中某固定点完整波的数目叫作频率，用f 表示。T=2/=1/f3、波长：同一波线上相邻的位相差为2 的两质点的距离。 =Tu=u/f 波长既决定于介质的性质u，也决定于波源的频率f 或周期T4、声压 纵波在弹性媒质内传播过程中，媒质质点的压强是随时间变化的，媒质质点的密度时疏时密，从而使平衡区的压力时强时弱，结果导致有波动时压强（Pw）与无波动时压强（Po）之间有一定额压强差（ Pw- Po），这一波动压强称为声压。5、声强 声强即是声音强度的简称，它代表声音能量的多少。声学中，声强是指单位时间(单位时间是指1秒钟），声音通过垂直于声音传播方向单位面积(单位面积是指1平方厘米）的声能量，它的度量单位是瓦米2，符号Wm 2,6、声压级和声强级：（1）数量级表示法N=A/ A0 单位：倍 称N为A相对于A0的倍数。常在已知A0时以N表示A的数量 但当AA0时，N很大。更简明地，可表示为：LA=1gN=1g(A/ A0) 单位：贝尔(B) 又因N10时，LA1，故常表示为：LA =101gN=101g(A/ A0) 单位：分贝(dB)称LA为：A相对于A0的数量级， A0为A的参考值。可见，使用数量级时，必须指出参考值的大小。,第一章:超声诊断的声学基础,第一章:超声诊断的声学基础,(2)声强级（LI） LI =101g(I/I0) 分贝（dB） 称LI为：I相对于I0的声强级，I0为I的参考值。（3）声压级（LP） 由I=P2/C， I0 =P02/C可得： LI=101g（I/I0）=101g(P2/P02)=201g(P/P0) 分贝（dB） 定义 ： LP =201g(P/P0) 分贝（dB） 称LP为：P相对于P0的声压级，P0为P的参考值。（4）说明： 对同一声波量，相对于同一参考声波量，恒有LI = LP ； 超声诊断仪回波信号动态范围L0=101g(Iman/Imin)100dB,即：Iman/Imin=1010(100亿)倍，或Pman/Pmin=105(10万)倍。 如未指明参考声强，默认值I0=10-16W/cm 2,这是当f=1kHz时，人耳 能听觉的最小声强，国际通用。,第一章:超声诊断的声学基础,6、声阻抗率 介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗率。声阻抗率值一般为固体液气体。ZS=P/v=C 超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。,第一章:超声诊断的声学基础,六、超声的传输与衰减1、波的叠加原理： 在两列波重叠的区域里，任何一个质点的总位移，等于两列波分别引起的位移的矢量和。2、反射、折射与透射： 凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时，产生反射与折射。成角入射，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反（图A）。垂直入射时，产生垂直反射与透射（图B）。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时，反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。,A：成角入射时反射与折射。B：垂直入射时反射与透射,第一章:超声诊断的声学基础,反射系数=反射超声能量/入射超声能量,声压反射系数：,声压透射系数：,声强反射系数：,声强透射系数：,第一章:超声诊断的声学基础,讨论： Z2 = Z1则aIr =0， aIt 0，无反射，全透射。 Z2Z1则aIr0，aIt0，有反射，有透射。 Z2 Z1则aIr 1， aIt 0，几乎全反射，无透射。 Z2 Z1则aIr 1， aIt 0，几乎全反射，无透射。 超声垂直入射时： 在空气软组织交界面上，声强反射系数为0.9989。 在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为0.32。 这就是说：在这两种界面上，有99.9%和32%的超声能量被反射回来。这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头颅检查困难的原因。超声诊断仪检查时超声波通路上必须避开骨和空气。,3、超声衰减：超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收（粘滞吸收及热传导吸收）。超声频率愈高，介质的吸收愈多；其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。,第一章:超声诊断的声学基础,超声场特性： 超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点：如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成束状向前传播，这现象称为超声的束射性（或称指向性）。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减弱，换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中。近场距离，远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示：L0=r2f/C sin=1.22/D 式中L0为近场距离，r为换能器半径，f为频率，C为声速、 为半扩散角、D为换能器直径，为超声波波长。 L0近场区 半扩散角 D声源直径,第一章:超声诊断的声学基础,八、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