第三章-医用超声设备ppt课件

1、第三章 医用超声设备,Doctor . LIN,第一节 超声基本概念,第二节 医用超声诊断设备,第三节 医用超声治疗设备,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,目录,第三章 医用超声设备,学习目标,第三章 医用超声设备,掌握超声波的定义、医用超声诊断的原理、超声波的生 物效应 熟悉超声波的特性、典型的超声诊断设备 了解医用超声治疗设备、医用超声诊断设备的通用要求,超声基本概念,第一节,第三章 医用超声设备,第一节 超声基本概念,第一节 超声基本概念,1）声波：声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。 声波产生的两个条件： 声源 - 传播介质 固体：如骨络、人体器官 振动发声的物体- 液体：如

2、水、油 气体：如空气、氧气 声波是由振动的物体产生的，一切发声的物体都在振动，振动停止，发声停止。声波不能在真空中传播,1. 简介,第一节 超声基本概念,2）声波分类：以人耳的听力范围可将声波分为以下3类。 可听声波：振动频率为202104Hz的声波。 次 声 波：振动频率为20Hz以下的声波。 超 声 波：振动频率为2104Hz以上的声波，简称超声,1.简介,第一节 超声基本概念,3）超声波的产生 自然界中：昆虫、哺乳动物（如海豚、蝙蝠）能发出超声；风声、海浪声、喷气飞机的噪声等含有超声成分。 临床：压电晶体材料制成的超声探头,1.简介,第一节 超声基本概念,4）超声波的临床应用 超声诊断：

3、利用超声在人体中传播的物理特性，对人体内部脏器或病变进行体层显示，获取活体器官和组织的断面解剖图像，据此对疾病进行诊断。 举例：B超、彩超。 超声治疗：以一定剂量的超声作用于人体组织，利用超声产生的生物效应（如热效应、机械效应以及空化效应等）达到某种医学治疗的目的。 举例：超声理疗 、超声乳化,第一节 超声基本概念,4）超声波的临床应用,200kHz至40MHz之间（常用在1MHz到10MHz，波长在1.5mm至0.15mm,理论上：频率越高，波长越短，超声诊断的分辨率越好,频率范围,1）声速 声速：单位时间内声波在介质中传播的距离。 表示符号为c , 单位为米/秒（m/s）。 影响因素： 介

4、质类型：声波在固体中的波速最快，液体次之，气体最慢。 介质的密度和弹性模量k：如纵向平面波。三者的关系是弹性模量愈大、密度愈小，声速就愈大,2.超声的基本物理量,第一节 超声基本概念,温度：弹性模量与温度有关 , 声速还受温度的影响。 举例： 除水以外的所有液体，当温度升高时，介质的弹性系数减小，声速降低。 水温度低于74时，声速随温度升高而增加；高于74时，声速随温度升高而降低。 空气的温度在 0 时 , 声速为 332m/s；气温每升高1 , 则声速增加0.6m/s；至15 时 , 则为 341m/s,2.超声的基本物理量,第一节 超声基本概念,超声在人体组织器官中和与超声诊断有关的介质中

5、的声速,2.超声的基本物理量,第一节 超声基本概念,2）周期和频率：周期是指介质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间，符号为T，单位为秒（s）。 频率是指在1秒的时间内完成振动的次数，符号为f ，单位为赫兹(Hz) 。 f=1/T 超声诊断常用频率范围：0.8-15MHz，最常用2.5-10MHz,2.超声的基本物理量,第一节 超声基本概念,3）波长：波长是指在1个周期内声波所传播的距离，用表示。 c/f 波长决定了成像的分辨率，而频率则决定了可成像的组织深度。 频率越低，波长越长，则探测深度越大，但分辨力下降；相反，频率越高，探测深度越小，但分辨力提高,2.超声的基本物理量,第一节 超

6、声基本概念,4）声压：声压是指有波动时的压强与无波动时的压强之间的压强差，符号为P，单位为帕斯卡（Pa）和微帕斯卡（Pa）。 （5）声强：声强是指每秒钟通过垂直于声波传播方向每平方厘米面积的能量，单位为焦耳/(秒平方厘米) J/(scm2 )。声强随着距离的增大而逐渐减弱,2.超声的基本物理量,第一节 超声基本概念,6）声阻抗：声阻抗是指在一定频率的平面声波作用下，介质中任何点的密度与该点处声波的传播速度c的乘积，符号为Z，即Z=c，单位为瑞利g/（cm2.s,2.超声的基本物理量,第一节 超声基本概念,临床应用中使用超声耦合剂减少探头和皮肤间的声阻抗,超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射

7、情况与两种介质的声阻抗密切相关,媒质越硬，C值越高，声特性阻抗越大,第一节 超声基本概念,超声诊断中常用的各种介质的声特性阻抗表,第一节 超声基本概念,第一节 超声基本概念,1）定向性： 人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音。 超声频率很高，波长短，方向性强。临床应用的发生超声波的压电晶体直径尺寸远大于超声波波长，超声波具有类似于光的特性，具有很强的定向性,3.超声的特性,第一节 超声基本概念,2）反射与折射：声阻抗差越大，反射程度也越大,3.超声的特性,第一节 超声基本概念,3.超声的特性,第一节 超声基本概念,3）衰减：1)扩散衰减；2)散射衰

8、减；3)吸收衰减,3.超声的特性,第一节 超声基本概念,第一节 超声基本概念,第一节 超声基本概念,4）多普勒效应： 由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应,3.超声的特性,第一节 超声基本概念,第一节 超声基本概念,第一节 超声基本概念,心脏瓣膜&血管超声多普勒图像,第一节 超声基本概念,1）机械效应 超声是机械振动能量，在体内传播时，介质质点振动振幅虽小，但频率很高，加速度大，声压强的力学效应。 超声波的机械作用：改善血液、淋巴循环、镇痛；提高组织再生能力； 大剂量超声波可引起血管麻痹、组织细胞缺氧、坏死；能使坚硬的结缔组织延长、变软，击碎人体结石,4.超

9、声的生物效应,第一节 超声基本概念,2）热效应 将超声能量转换为热能，被组织吸收，与超声声强、介质的气压吸收系数、单位体积内超声作用的时间有关。 温度升高，加快血液循环、代谢旺盛，增强细胞吞噬作用，提高机体防御能力和促进炎症吸收，减轻肌肉及软组织疼痛；消炎镇痛；高强度会引起热损伤,第一节 超声基本概念,3）空化效应 超声波在生物体内传感使液体中产生微小气核（空化核），当声压达到一定值时，发生空化汤包的形成、增大和崩溃的动力学过程称为空化效应。 具有稳态空化和瞬态空化 空化核在崩溃的瞬间产生高温、高压、发光及冲击波等极端的理化现象，导致生物体细胞发生化学和毒性反应。 细胞变性、溶解、酶活力改变、

10、代谢障碍等 超声剂量的控制至关重要,医用超声诊断设备,第二节,第三章 医用超声设备,第二节 医用超声诊断设备,1）超声诊断的基础：超声在人体内传播时，由于器官和组织的声学特性不同，其反射和折射等传播规律不同，回波信号的幅度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变,1. 简介,超声成像的信息主要由反射回波和散射回波所携带，一个典型的超声回波应包含大界面的反射回波（位置信息）与小粒子的散射回波（结构信息,第二节 医用超声诊断设备,2）超声诊断用的超声波：脉冲波、连续波。 脉冲回波技术利用人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检测脏器界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性,1. 简介,第二节 医用

11、超声诊断设备,a)超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。 (b)超声脉冲以恒定速度通过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线。 (c)当超声到达1、2介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部 分能量通过界面继续向前传播；反射回声到达探头，换能器将回 声信号转换为电信号，并成为显示器垂直偏转板的输入信号，显 示器上显示回声信号脉冲； (d)由2、3介质分界面反射的回声到达探头，在显示器上显示出相应 的脉冲,第二节 医用超声诊断设备,超声诊断仪器中，一般脉冲超声的发射与接收是由同一换能器完成的，根据发射脉冲和回波脉冲的时间间隔T，计算出反射界面与换能器（声源）之间的距离,式中，c为介质中的波速

12、，生物体中除骨骼外，声速相差不大，因此在工程计算中通常取其平均值1540m/s,第二节 医用超声诊断设备,3）超声诊断设备的类型： 幅度调制型：A型超声诊断仪，对回波实施幅度调制，回波的脉冲大小决定显示器中脉冲的幅度。 辉度调制型：B型超声诊断仪，对回波进行辉度调制，探头直线扫描人体时，在示波管或屏上用辉度的强弱表示相应的回波幅度，得到断面图像。 时间运动型：M型，对回波辉度调制，探头位置固定，用纵轴表示脏器深度，用横轴表示时间。 多普勒型：将发射频率与接收频率比较，利用多普勒对人体内运动的组织或器官进行探查,第二节 医用超声诊断设备,2. 基本结构,第二节 医用超声诊断设备,1）超声探头 超

13、声诊断设备是通过探头产生入射超声波（发射波）和接收反射超声波（回波）。 基本原理： 核心器件：压电晶体 作用：将电能转换成声能，又将声能转换成电能，也叫超声换能器,2. 基本结构,第二节 医用超声诊断设备,1）超声探头 超声诊断设备是通过探头产生入射超声波（发射波）和接收反射超声波（回波）。 基本原理： 核心器件：压电晶体 作用：将电能转换成声能，又将声能转换成电能，也叫超声换能器,2. 基本结构,第二节 医用超声诊断设备,2. 基本结构,换能器是超声仪器中的重要部件。其主要工作原理是利用晶体的压电效应,接收超声波,发射超声波,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超

14、声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,机制：压电效应，电能 声能。 压电晶体：发射和接收超声波。 匹配层：减少声阻抗差。 声透镜：波束聚焦。 吸声块：吸收背向辐射的超声，减少背向辐射的干扰。 外壳：封闭、保护整个探头。 电缆：用于连接主机和探头,1）超声探头,第二节 医用超声诊断设备,按晶片的数量 单阵元探头、多阵元探头 多阵元探头根据形状或波束扫查方式分 线阵探头、凸阵探头、相控阵探头,3.常见探头类型,第二节 医用超声诊断设备,1）单阵

15、元探头：单阵元探头只有1块压电晶片，完成超声的发射和接收。用于A型眼科超声诊断仪、M型超声诊断仪和机械扇扫式超声诊断仪、经颅多普勒诊断仪。 （2）机械扇扫探头：通过在内部安装驱动装置如步进电机等，用于驱动晶片进行往返摆动,3.常见探头类型,第二节 医用超声诊断设备,3）电子线阵探头：采用直线排列的多阵元结构，有512、1024个。内部有开关控制器，每次发射和接收超声波时，若干阵元被编为一组，由一组阵元产生一束扫描声束并接收信号，然后由下一组阵元产生下一次扫描束并接收信号。 用于外周血管、浅表器官如甲状腺、乳腺等部位的成像,3.常见探头类型,第二节 医用超声诊断设备,4）电子凸阵探头：与线阵探头

16、相类似，阵元不是排列成直线，按一定弧度排列。相同阵元探头的视野比线阵探头大。 用于检测骨下脏器、腹部脏器、经腹妇产科的检查。 （5）相控阵探头：与线阵探头相类似，探头中没有开关控制，不用控制器来选择参与工作的阵元，是通过改变相控阵探头阵元的相位线性变化斜率，可改变扫查声线方向。 用于心脏的检查,3.常见探头类型,第二节 医用超声诊断设备,6）梅花形探头：中心有1个发射晶片，周围有6只接收晶片，提成成梅花状。 用于超声胎儿监护仪中，测胎儿心率,3.常见探头类型,第二节 医用超声诊断设备,2）主机 控制模块：控制电路产生各部分电路的时序信号，协调各电路工作，并对系统监测。 超声发射/接收模块 ：发

17、射/接收电路用来控制探头的工作方式。 信号处理模块 ：对发射和接收信号进行放大、降噪处理。 图像处理模块 ：利用回波数据，根据成像算法构建超声图像。 图像输出模块 ：输出并记录、显示、存储、打印及图文传输超声图像。 电源模块 ：提供各种电源,2. 基本结构,第二节 医用超声诊断设备,1）A型超声诊断仪：幅度调制型，探头以固定位置和方向对人体发射并接收超声波，超声在人体内传播遇到声特性阻抗不同的界面便产生反射，探头接收反射回波将其转为电信号，经处理后在屏幕显示。 显示：横坐标 被探测物体的深度，纵坐标 回波脉冲的幅度,3.典型的医用超声诊断设备,反射强，振幅高 反射弱，振幅低,特点：只能反映声线

18、方向上局部组织的回波信息，不能获得临床解剖图，已基本淘汰,第二节 医用超声诊断设备,2）M型超声诊断仪：时间-运动型，与A型基本相同，不同的是显示方式。 检查时超声探头以固定位置和方向发射和接收超声波，发射的超声遇到处于不同距离上的运动界面就产生不同强度的回声信号，显示光点的亮度与回声振幅的大小成比例，同时在时间轴上展开显示这些光点的运动轨迹，不动的界面则是显示成一条直线。 显示：以辉度的明暗显示回声的强弱，在时间轴展开。 应用：超声心动图，显示出心脏各层组织在心脏搏动过程中的活动曲线。但不能获得解剖图像，不适用于静态脏器的检查,3.典型的医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,3）B型超

19、声诊断仪：辉度调制型，是利用超声波在人体不同组织界面产生反射和散射的回波中所携带的人体内解剖形态信息，经过处理形成不同亮度的图像来诊断疾病的仪器。 显示：以辉度的明暗显示回声的强弱。 与M型的异同点： 相同点：辉度显示； 不同点：M型获得某一运动界面的信息，B型获得解剖图像。 应用：脏器和组织的切面图像。定位分析是否有炎症、积液、肿瘤、纤维化等病理变化，还可进行长度、面积、时间及其他导出参数的定量诊断等,3.典型的医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,4）超声多普勒诊断仪：多普勒型。 基于多普勒效应。 频谱多普勒：时间-速度频谱图。 彩色多普勒：彩色血流图。 应用：显示血流和心脏的运动情

20、况,3.典型的医用超声诊断设备,第二节 医用超声诊断设备,1.连续多普勒超声诊断仪：连续地发射和接收超声的一种多普勒系统，发射和接收采用不同晶片。将提取回波中的频移信息转化为一幅二维（时间-速度）坐标图以显示血液运动的速率信息。 2.脉冲多普勒超声诊断仪：发脉冲方式间歇发射超声，发射和接收探头由同一个晶阵元完成。 3.彩色多普勒超声诊断仪：在超声脉冲回波成像基础上采用多普勒和自相关技术对血液成像，并将彩色编码信息叠加在B模式灰阶图像上予以实时显示。 红色表示正向流，蓝色表示反向流，亮度表示流速大小，绿色及亮度表示湍流或紊乱的程度,多普勒超声诊断仪分类,第二节 医用超声诊断设备,彩超的构成 B型

21、超声成像、频谱多普勒信号分析、彩色血流信号显像,第二节 医用超声诊断设备,彩色多普勒超声诊断仪,工作过程： （1）中心控制器控制超声发射模块发射超声； （2）超声进入人体遇到不同声阻抗的组织产生回波信号（有部分超声能量被吸收）； （3）探头接收超声回波，回波信号经过初步处理（放大、滤波等）被送入波束合成模块； （4）波束合成出来的信号再经过黑白图像信号处理、彩色血流信号处理或者频谱多普勒信号处理模块后，进行扫描变换，最终在显示器上显示,第二节 医用超声诊断设备,彩色多普勒超声诊断仪,工作主要模式： 利用幅度信息的B/M模式、利用频率信息的C/PW/CW/TDI、利用红细胞背向散射信号的Powe

22、r模式、利用幅度位移的弹性成像模式。 现在常用：3D/4D模式、CM模式、造影模式等,第二节 医用超声诊断设备,彩色多普勒超声诊断仪,优点： （1）同时显示心脏某一断面上的异常血液的分布情况； （2）反映血液的途径及方向； （3）明确血液性质是层流、湍流或涡流； （4）可以测量血流束的面积、轮廓、长度、宽度； （5）血流信息能显示在二维切面像或M型图上，直观反映结构异常与血流动力学的关系,第二节 医用超声诊断设备,彩色多普勒超声诊断仪,局限性主要有： （1）彩色血流图显示在B型图像上，取样必须与B型图像的信息重合； （2）不具备定量分析功能,医用超声治疗设备,第三节,第三章 医用超声设备,第三

23、节 医用超声治疗设备,超声理疗仪是指应用安全剂量的超声能量作用于人体，并产生刺激，改善机体的功能以达到治疗疾病为目的的一种无损伤的治疗方法。 生物效应：机械效应、热效应、空化效应,1.超声理疗仪,第三节 医用超声治疗设备,作用机制：局部作用、神经体液作用、神经反射作用、细胞分子学水平的作用、穴位经络学说。 主要构成 高频功率发生器：电源电路、高压电路、振荡电路、输出电路及定时电路； 超声治疗头（超声换能器）：常用的压电晶体有天然石英和人工合成的锆钛酸钡,1.超声理疗仪,第三节 医用超声治疗设备,主要应用：镇痛解痉、促进结缔组织分散、溶栓、减轻或消除血肿、促进组织再生、促进骨痂生长、加速骨折修复

24、、穴位经络作用,1.超声理疗仪,第三节 医用超声治疗设备,1）主要应用：眼科白内障治疗。 （2）主要原理：超声波发生器通过超声针头以一定频率的超声波反复作用于混浊的晶状体核上，超声在传播时，介质分子受声波能量的振动而发生纵波方向的弹性振动，通过产生一系列的机械效应、空化效应、破碎效应，使晶状体核松动破裂，并与眼内的平衡盐溶液混合成乳糜状，再由抽吸系统吸出眼外，同时植入1枚人工晶状体，使病人的视力得以恢复,2.超声乳化仪,第三节 医用超声治疗设备,3）优点：与传统白内障手术方式相比，超声乳化手术具有更好的手术效果，已成为目前国际上公认的最为先进、可靠的白内障治疗方法,2.超声乳化仪,第三节 医用

25、超声治疗设备,应用原理：通过体外发射的超声波在影像系统引导下，聚焦于体内肿瘤部位，通过热效应、空化效应、机械效应、生化学效应等，使肿瘤组织出现不可逆性的凝固性坏死，使癌变组织失去增殖、浸润、转移能力，达到治疗肿瘤的目的,3.聚焦超声肿瘤治疗系统,医用超声诊断设备的通用要求,第四节,第三章 医用超声设备,各种类型的医用超声诊断设备需满足以下4个方面的通用要求： 安全剂量要求 成像质量要求 环境要求 电气安全要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,通用要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,1.安全剂量要求,以超声声强表示超声在介质中传播的能量强弱。当超声强度超过一定限度时，将会损害人体组织，

26、超声诊断设备将超声声强控制在人体安全范围内,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,彩色多普勒超声诊断仪的主要性能指标如下： （1）B/M模式 盲区：盲区是指B型超声诊断仪可以识别的最近目标距离（深度）。 探测深度：指在图像正常显示允许的最大灵敏度和亮度条件下，所能观测到的回波目标的最大距离。,2.成像质量要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,轴向（纵向）分辨力：指沿超声束轴线方向（纵向）能够分辨两个回波目标的最小距离。 侧向（横向）分辨力：指超声束的扫查平面内，垂直于声束轴线的方向（横向）上能够区分两个回波目标的最小距离,2.成像质量要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,切片厚度：指垂直

27、于扫查平面方向上显示的组织厚度。 几何位置精度：指显示和测量目标实际尺寸和距离的准确度，包括横向几何位置精度、纵向几何位置精度。 M模式的时间显示误差,2.成像质量要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,2）C/PW/CW模式 探测深度：彩色血流成像或频谱多普勒模式下的可检出多普勒血流信号的最大深度。该值越大，可以探测越深部位的血管血流信息。 与B模式图像的重合度：彩色血流信息显示B模式灰阶图像上的，因此必须与灰阶图像重合,2.成像质量要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,3）造影成像模式 造影模式下的最大成像深度。 与B模式图像的重合度,2.成像质量要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,4）弹性成像模式 弹性成像模式下的探测深度。 弹性成像模式下的空间分辨率。 与B模式图像的重合度,2.成像质量要求,第四节 医用超声诊断设备的通用要求,5）三维成像模式 三维