第七篇、超声成像

第七章 超声成像设备 重要知识点1 超声成像设备的分类2 常用探头的基本结构3 B超的主要结构及工作原理4 超声多普勒的主要结构及工作原理 第一节 概述 一 发展简史1880年 法国科学家发现了压电效应 1942年 奥地利科学家使用A型超声装置 用穿透法探测颅脑疾病 1952年 美国开始研究超声显像法 1954年将B超应用于临床 1956年 日本首先将多普勒效应应用于超声诊断 利用连续多普勒法判断心脏瓣膜病 1967年 提出电子扫描法 同年提出相控阵扫描法 20世纪70年代中后期采用了灰阶及数字变换扫描技术 明显改善了图像质量 实时超声显像开始受到重视 20世纪80年代是B型超声诊断仪 简称B超 发展最迅速的时期 1983年日本首先研制成功彩色血流图1990年 奥地利制成3D扫描器 并使之商品化 1991年 美国先进技术实验室推出世界第一台数字化超声系统后 它使超声成像设备的技术水平进入到一个崭新的阶段 此后又相继出现了一些新技术 诸如 彩色多普勒组织图 CDTI 技术 彩色多普勒能量图 colorCDE 对比谐波成像 CHI 组织谐波成像 THI 等 超声波 一 当物体振动时会发出声音 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率 它的单位是赫兹 我们人类耳朵能听到的声波频率为16 20 000赫兹 因此 当物体的振动超过一定的频率 即高于人耳听阈上限时 人们便听不出来了 这样的声波称为 超声波 通常用于医学诊断的超声波频率为1 5兆赫 超声波 二 超声波是一种机械波 各种形形色色的大功率超声波设备 其核心部件都是相似的 由两部分构成 电源系统 驱动电源 和超声波振动系统 换能器和发射头 驱动电源的名称很多 如超声波发生器 电源 能量供应器 驱动电箱 主机箱等等 其功率是将220V 50Hz的市电转换成高频 高功率的强电流 驱动超声波换能器 A型超声 它为振幅调制型 是一种超声示波诊断 按不同的反射波判断疾病 诊断能力有限 后来出现了B型超声 为辉度调制型 是超声显像诊断类型 能直接显示二维空间图像 故又称二维超声 能直接观察到器官的影像 诊断能力大大提高 之后 又出现了D型超声 也称多普勒型 是超声频移诊断法 利用多普勒效应 显示血液流动和脏器活动的信号 此外 还相继出现了M型 C型和T型超声 近年 又生产出彩色B超 比B超分辨能力更强 超声诊断的分类 一 按显示回声方式和空间的不同 分类如下 超声示波诊断法即A型 Amplitudmode 超声诊断法 二维超声显像诊断法即B型 Brightnessmode 超声诊断法 超声光点扫描法此法是在辉度调制型中加入慢扫描锯齿波 使回声光点从左向右自行移动扫描 故也称M Motionmode 超声诊断法 超声频移诊断法即D型 Doppler 多普勒超声诊断法 超声诊断的分类 二 三维超声诊断法即显示出超声的立体图像 超声显微镜诊断法 超色组织定征诊断法 C型超声诊断法 PPI型 Planpositionindicator 简称P型超声诊断法 F型超声诊断法及其他一些方法 一 超声示波诊断法即A型超声诊断法 此法是将回声以波的形式显示出来 为幅度调制型 回声强则波幅高 回声弱则波幅低 纵坐标代表回声信号的强弱 横坐标代表回声的时间 距离 在同一示波屏上 可以显示单相或双相波形 常用A型法测量界面距离 脏器径值以及鉴别病变的物理性质 结果比较准确 为最早兴起和使用的超声诊断法 目前已多被其他方法取代 二 二维超声显像诊断法即B型超声诊断法 一 所谓的B超 此法是将回声信号以光点的形式显示出来 为辉度调制型 回声强则光点亮 回声弱则光点暗 光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查 由于扫查连续 可以由点 线而扫描出脏器的解剖切面 是二维空间显示 又称二维法 二 二维超声显像诊断法即B型超声诊断法 二 按成像速度 又分为慢速成像法和快速成像法 扫查方式有手控 机械和电子等等 1 慢速成像法 a 手控探头扫查法b 机械运动探头扫查法c 计算机机械驱动探头扫查法慢速成像只能显示脏器的静态解剖图像 由于每帧图像线数甚多 图像清晰 扫查的空间范围较大 2 快速成像法 a 机械方形扫查法b 机械扇形扫查法c 电子 线阵 方形扫查法d 电子 相控阵 凸阵 环阵 扇形扫查法 快速成像能显示脏器的活动状态 也成为实时 realtime 显像诊断法 但所显示的面积较小 每幅图像线数与每秒显示的帧频相互约制 互为反比 二 二维超声显像诊断法即B型超声诊断法 三 三 超声光点扫描法即M超声诊断法 是B型超声中的一种特殊的显示方式 纵坐标为扫描时间线 即超声的传播时间 回声代表被测结构所处的深度位置 横坐标为光点慢扫描时间 当探头固定一点扫查时 从光点的移动可观察反射体的深度及其活动状况 显示出时间位置曲线图 timepositionrecording 常以此法探测心脏 即通称的M型心动图 如果手持探头与光点移动同步扫查时 则可出现二维切面图 M型超声现多与B型或D型同时显示和应用 四 超声频移即D型 多普勒 超声诊断法 一 此法应用多普勒效应原理 当超声发射体 探头 和反射体之间有相对运动时 回声的频率有所改变 此种频率的变化称之为频移 频移的程度与相对运动速度呈正比 距离变近则频率增加 距离变远则频率减少 其增减的数字 差频 可用检波器检出 用不同类型的仪器可显示出多普勒信号音和多普勒曲线图 用脉冲多普勒可获得多普勒超声频谱图 可观察血流的方向和速度 四 超声频移即D型 多普勒 超声诊断法 二 80年代彩色多普勒兴起 可在B型超声图像的基础上 以不同彩色显示血流方向 即双功超声诊断系统 90年代在多普勒效应原理的基础上 又出现新的多普勒超声诊断技术 在新式超声诊断仪中 一个仪器往往可又双重显示或多重显示 在B型和D型超声的基础上又诞生了多种超声诊断法 即同时显示两种以上类型 或在一个荧光屏上分别显示B型 M型 A型 或B型 D型 M型 A型 也有复合显示 在荧光屏的同一空间位置上显示有B型和D型以及B型和A型等 四 超声频移即D型 多普勒 超声诊断法 三 D型诊断法各有其特点和相对的独立性 应用的种类如下 1 多普勒超声听诊法 此法为应用连续多普勒信号音 制成小型仪器 可以早期听取胎心 胎动 称为多普勒听诊器 在产科应用于胎心的监测等 也可听取周围血管血流有无 2 多普勒超声频谱诊断法与彩色多普勒超声 多在二维声像图上 固定取样线 取样点 再提取多普勒信号 显示出多普勒频谱图 用脉冲多普勒可以探测心脏 血管内血液的流向 流速以及流量 并可同时听取多普勒信号音 采用伪彩色编码技术 多用红 蓝色的代表血流的向背方向 颜色的深浅 代表血流的快慢 通称彩色多普勒超声 简称CDFI ColorDopplerflowimaging 四 超声频移即D型 多普勒 超声诊断法 四 3 经颅多普勒超声诊断法及彩色三维经颅多普勒超色诊断法 经颅多普勒 通称TCD TranscranialDoppler 用较低频率的多普勒超声从颞部探测大脑的前动脉 中动脉 前交通动脉 后交通动脉及颈内动脉末段 通过枕骨大孔可以检出椎动脉颅内段 基底动脉和小脑下后动脉的血流信号 故TCD在神经科颇具实用价值 普及甚快 近年又生产出彩色三维经颅多普勒显像仪 是用两个探头扫查 将颅内血管的各种轴向多普勒信号输入计算机 再重建三维动脉图 用伪彩色编码技术标明动脉图中血流的方向和速度 从而显示出脑血管的模拟三维图像 四 超声频移即D型 多普勒 超声诊断法 五 4 彩色多普勒血流成像法 全程应是实时二维彩色多普勒血流显像 这是将彩色多普勒与二维超声叠加的成像方法 在二维超声切面图内 显示彩色多普勒血流图 通用的彩色是红色代表近流 兰色代表远流 绿色代表湍流 四 超声频移即D型 多普勒 超声诊断法 六 5 彩色多普勒能量图法 简称CDE ColorDopplerenergy 是采取多普勒信号的强度与范围 能量也即信号振幅的大小来进行成像的方法 故称能量图法 CDE只反映红细胞之多少 有的新型仪器也可显示血流的方向 对心血管及各脏器 肿瘤内血管的检测甚为灵敏 应用计算机储存CDE信息 即可三维重建 而成彩色多普勒三维能量图 五 三维超声诊断法 即显示出超声的立体图像 构成立体图像的方法有数种 目前应用的仪器多为在二维图像的基础上利用计算机进行三维重建 即用探头对脏器进行各种轴向的扫查 将二维图像加以存储然后由计算机合成立体图像 有静态显示 动态显示 目前尚未达到实时三维图像 但对心脏 大血管等许多脏器在方位观察上有突出的优越性 六 超声显微镜诊断法 利用特高频超声 显示组织器官的细微结构 称超声显微镜 我国已应用的超声显微镜有100MHz 450MHz等 检测深度仅数毫米 可检测表浅组织结构细胞分子水平的动态变化 适用于眼球表层以及组织切片等 七 超声组织定征诊断法 利用超声对组织的特征进行确认的方法 主要是研究人体组织对超声的声速衰减 散射及非线性声学特性 提取其超声系数 在定量的基础上对组织特征进行判断 使超声诊断将更加客观和准确 八 C型超声诊断法 探头的移动及其同步扫描呈 Z 字形 显示的声像图与声束的方向垂直 即相当于X线断层图 也分慢速和快速成像两种 已有C型成像进行三维重建的仪器问世 十 F型超声诊断法及其他一些方法 以探头为中心 可作360度圆周旋转扫查 适用于管道内探测 直线扫查和圆周扫查相结合 则称为BP型 使复合扫查的一种 九 PPI型简称P型超声诊断法 未能普及或被取代 还有些正在试用中 回顾 A型超声波诊断仪与B型超声诊断仪不同之处 A型超声波诊断仪是幅度 调制型 amplitudemodulatedmode 的简称 是利用超声波的反射特性来获得人体组织内的有关信息 从而诊断疾病的 当超声波束在人体组织中传播遇到不同声阻抗的两层邻近介质界面时 在该界面上就产生反射回声 每遇到一个界面 产生一个回声 该回声在示波器的屏幕上以波的形式显示 界面两侧介质的声阻抗差愈大 其回声的波幅愈高 反之 界面两侧介质的声阻抗差愈小 其回声的波幅愈低 若超声波在没有界面的均匀介质中传播 即声阻抗差为零时则呈现无回声的平段 根据回声波幅的高低 多少 形状等对组织状态作为判断 临床上常用此法测量组织界面的距离 脏器的径线 探测肝 胆 脾 肾 子宫等脏器的大小和病变范围 也用于眼科及颅脑疾病的探查 B型超声诊断仪B型超声诊断仪工作原理 B型超声诊断仪又称灰阶超声显像仪 它采用辉度调制 Brightnessmodulation 辉度英文第一个字母是B 故称为B型 简称B超 B型超声诊断仪的工作原理与A超基本相同 所不同的是反射波不是在扫描的相应位置上以幅度形式显示 而是使扫描线在相应位置上以增辉形式显示 反射波越强 光点越亮 这就是辉度调制 当超声换能器移动探测时 扫描线也作相应运动 这样就可以得到换能器运动轨迹 反射波先后次序和反射光波强弱分布 二 超声成像设备分类及基本成像原理 超声成像设备分为两大类 利用超声回波的超声诊断仪利用超声透射的超声CT 医学超声成像 是依靠超声在人体内传播 遇到不同的组织和器官时 会因其声特性阻抗不同而产生声强有差异的回波 echo 超声在人体组织上的反射波或背向散射波 来建立影像的 超声诊断仪 用超声波 简称超声 作为信息载体 将人体内部的结构形成影像 其影像信息与人体实际结构有着空间和时间分布上的对应关系 超声成像设备特点 超声成像设备除了体层成像外 还可借助多普勒效应进行超声血流测量 超声体层成像的依据是回声的强度 而多普勒成像是利用回波的多普勒频移 优点 安全 可靠缺点 图像对比度和重复性差 人为操作 随机性强 发展方向 提高图像对比度 提高诊断的特异性和增大信息量 超声成像设备发展影响因素 首先要解决时间和空间的定位问题 在超声和人体组织相互作用的过程中所形成的透射 吸收和反射是超声做为人体结构成像的主要信息来源 只有实现了对携带人体信息的采集 分析直到成像的全过程 才能实现用超声对人体成像 超声成像设备是一个信息提取 处理和显示的综合体 需要相关学科的支持 压电材料 超大规模集成电路 计算机和信号处理技术等 三 我国应用超声诊断技术简况 1958年开始探索超声诊断 在上海首先使用脉冲式A型超声探伤仪 对肝 胃 子宫颈 乳腺等进行检查 1960年上海研制成A BP型超声诊断仪 1974年开始应用实时超声显像法 北京军区总医院首先应用机械方形扫查法 1975年西安研制成20个晶片的线阵式超声诊断仪 1979年机械扇形扫查法正式应用于心脏的诊断 20世纪80年代后 有了电子相控阵扇形扫查成像设备 四 超声成像新技术 随着科学技术的进步 特别是计算机技术的飞速发展 超声成像设备取得突破性的进展 近几年 出现了很多成像新技术 如三维超声成像技术 介人性超声技术 组织弹性成像技术等 为医学研究提供了高质量影像信息 1 三维超声成像技术三维成像起初是在妇科做胎儿成像的 目前已用于心脏 脑 肾 前列腺 眼科 腹部肿瘤和动脉硬化等的诊断 优势 图像显示直观 采集了人体结构的三维数据后 医生可通过人 机交互万式实现图像的放大 旋转及剖切 从不同角度观察脏器的切面或整体 提高了疾病诊断的准确性 精确测量结构参数 心室容积 心内膜面积等是心血管疾病诊断的重要依据 在获得了脏器的三维结构信息后 这些参数的精确测量就有了可靠的依据 准确定位病变组织 三维超声成像可向医生提供肿瘤 尤其是腹部肝 肾等器官 在体内的空间位置及其三维形态 缩短数据采集时间 三维超声成像系统在很短时间里就可采集到足够的数据 并存人计算机 医生可通过计算机存储的图像进行诊断 而不必要在病人身上反复用二维探头扫查 随着成像技术的发展和临床应用研究的深入 三维超声成像的空间分辨力和时间分辨力得到提高 广泛应用于临床是必然的趋势 2 超声谐波成像技术谐波成像技术是近几年发展起来的新技术 传统的超声医学成像采用线性声学原理 即认为人体是一种线性的传播媒质 发射某一频率的声波时 从人体内部反射或散射并被探头接收的回声信号也是该频率附近的窄带信号 实际上医学超声存在着非线性现象 谐波成像便是非线性声学在超声诊断方面的应用 3 介入性超声成像技术介入性超声成像可在实时超声引导下完成各种穿刺活检 x线造影 抽吸 插管 局部注射药物等 现主要应用的领域有超声引导下穿刺活检 经皮穿刺造影 经皮穿刺引流 手术中超声 腔内超声 直肠 阴道 食管 血管内超声 等 4 组织弹性超声成像技术组织弹性成像技术是以弹性这一个物理特征作为成像因素而形成的影像 其成像原理和成像方法与传统超声有所差别 不同的组织有不同的弹性 同一个组织中不同的病变时期有不同的弹性 基于这种差异 超声探头沿着压缩方向发射超声波同时施压 根据情况在体表上加压迫板 系统根据压迫前后回声信号移动幅度的变化 计算出不同组织的弹性差别 进而进行灰度或伪彩色显示 这项技术对于癌症的早期诊断 病变的良恶性判断 癌变扩散区域的确定和肿瘤放疗 化疗治疗效果的确认有着临床意义 特别是对乳腺肿瘤的鉴定上有突出的效果 第二节超声探头及显示 重要知识点 常用探头的基本结构 材质和基本原理 一 医用超声探头 超声探头是超声成像设备必不可少的关键部件 它是将电信号变换为超声波信号 又将超声波信号变换为电信号 即具有超声发射和接收双重功能 其性能和品质直接影响成像质量 它参与超声波信号的时空处理 可收敛波光束 聚焦 变频 提高仪器的轴向分辨力或侧向分辨力 提高仪器的灵敏度 增大探测深度和范围 一 压电效应 超声探头中的超声换能器是利用压电效应实现电能和声能之间的相互转换 正压电电效应在压电材料的一定方向上 加上机械力使其发生形变 压电材料的两个受力面上将产生符号相反的电荷 改变用力方向 电荷的极性随之变换 电荷密度与外加机械力大小成正比 这种