《医学超声仪器概论》ppt课件

1、第三章第三章医用超声仪器概论医用超声仪器概论n 超声诊断仪器n向人体内发射超声能量，并接纳人体组织反射和散射的回波信号，根据其所携带的有关人体信息，加以检测、放大等处置，并显示出来，为医生提供诊断根据。n 超声治疗仪器n向人体发射一定功率的超声能量，利用其与生物组织相互作用产生的各种生物效应，对有疾病的组织起到治疗作用。n 其它n超声雾化设备n超声清洗设备n超声细胞粉碎设备3.1 3.1 医学超声成像的根本原理医学超声成像的根本原理 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构造信息。一、脉冲回波法原理一、脉冲回波法原理 脉

2、冲回波技术利用人体组织的不均匀性而引起的反射作用，经过检测脏器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，经过检测脏器界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性。界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性。 以以A型超声显示为例阐明脉冲回波法原理。型超声显示为例阐明脉冲回波法原理。3.1 3.1 医学超声成像的根本原理医学超声成像的根本原理 n(a)(a)超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。n(b)(b)超声脉冲以恒定速度经过介质超声脉冲以恒定速度经过介质1 1，光点在显示器上构成程度扫描线。，光点在显示器上构成程度扫描线。n(c)(c)当超

3、声到达当超声到达1 1、2 2介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部n 分能量经过界面继续向前传播；反射回声到达探头，换能器将回分能量经过界面继续向前传播；反射回声到达探头，换能器将回n 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n 示器上显示回声信号脉冲；示器上显示回声信号脉冲；n(d)(d)由由2 2、3 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介质分界面反射的回声到达探头，在显示器上显示出相应n 的脉冲。的脉冲。3.1 3.1 医学超声成像的根本原理医学超声成像

4、的根本原理 2cTs 超声诊断仪器中，普通脉冲超声的发射与接纳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间隔： 式中，c为介质中的波速，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/sA型超声成像波形图型超声成像波形图 3.1 3.1 医学超声成像的根本原理医学超声成像的根本原理 二、超声诊断仪器的根本构成二、超声诊断仪器的根本构成 3.1 3.1 医学超声成像的根本原理医学超声成像的根本原理 n振荡器，即同步触发信号发生器，产生控制系统任务的同步触发脉振荡器，即同步触发信号发生器，产生控制系统任务的同步触发脉冲，决议

5、发射脉冲的反复频率。冲，决议发射脉冲的反复频率。n发射器，受触发后产生高压电脉冲鼓励超声换能器。发射器，受触发后产生高压电脉冲鼓励超声换能器。n换能器，产生超声脉冲，接纳由目的构成的回波脉冲信号并转换成换能器，产生超声脉冲，接纳由目的构成的回波脉冲信号并转换成电信号，送入回波信息处置系统。电信号，送入回波信息处置系统。n回波信息处置系统，由射频信号接纳放大器、检波器和视频放大器回波信息处置系统，由射频信号接纳放大器、检波器和视频放大器等组成，处置超声回波信息。等组成，处置超声回波信息。n显示器，显示图象信息。显示器，显示图象信息。n扫描发生器，在振荡器产生的同步脉冲控制下，输出扫描信号给显扫描

6、发生器，在振荡器产生的同步脉冲控制下，输出扫描信号给显示器，使显示器上显示的超声回声图稳定。示器，使显示器上显示的超声回声图稳定。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 表征超声诊断仪性能的参数：表征超声诊断仪性能的参数： n声系统参数声系统参数n 1声输出的强度、总功率等；声输出的强度、总功率等；n 2超声场的时频特性，如波形、继续时间、脉超声场的时频特性，如波形、继续时间、脉冲反复频率、脉冲冲反复频率、脉冲 n 外形、带宽等；外形、带宽等；n 3声场分布特性，如聚焦特性、波束外形等。声场分布特性，如聚焦特性、波束外形等。n图象特性参数图象特性参数n 1分辨率；分辨率；2位

7、置记录精度；位置记录精度；3深度丈深度丈量精度；量精度；4帧频等。帧频等。 n电气特性参数电气特性参数n 1灵敏度；灵敏度；2增益及增益及TGC目的；目的；3紧缩紧缩特性及动态范围；特性及动态范围；n 4显示器的动态范围等。显示器的动态范围等。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 一、分辨率一、分辨率 超声成像的分辨率有横向分辨率垂直波束方向和纵向分辨率平行超声成像的分辨率有横向分辨率垂直波束方向和纵向分辨率平行波束方向之分，纵向分辨率总是优于横向分辨率。波束方向之分，纵向分辨率总是优于横向分辨率。1、横向分辨率：区分处于垂直于声束的平面上两个物体的才干。、横向分辨率：区分

8、处于垂直于声束的平面上两个物体的才干。 声束直径尺寸直接影响横向分辨率，波束越细，能分辨的尺度越小，声束直径尺寸直接影响横向分辨率，波束越细，能分辨的尺度越小，横向分辨率越高；在近场区横向分辨率大致等于换能器的直径。横向分辨率越高；在近场区横向分辨率大致等于换能器的直径。 如何提高横向分辨率：聚焦，使波束的有效直径减小；对于聚焦换能如何提高横向分辨率：聚焦，使波束的有效直径减小；对于聚焦换能器，假设其直径为器，假设其直径为D，系统焦距为，系统焦距为F，波长为，波长为，由衍射实际可知，实际上，由衍射实际可知，实际上可分辨最小间隔为：可分辨最小间隔为： 1.22FD 仪器的图象质量主要取决于横向分

9、辨率，横向分辨率好，图象细腻，小构培育能显示清楚。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 2、纵向分辨率：在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨率。、纵向分辨率：在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨率。n发射超声频率：声波的纵向分辨率实际极限为声波的半波长，发射超声频率：声波的纵向分辨率实际极限为声波的半波长，频率越高，波长越短。频率越高，波长越短。n超声脉冲的继续时间：脉冲继续时间越短，即脉冲越窄，纵超声脉冲的继续时间：脉冲继续时间越短，即脉冲越窄，纵向分辨率越高普通要小于向分辨率越高普通要小于0.2s。n发射电脉冲宽度及换能器阻尼发射电脉冲宽度及换能器阻尼影响纵向分辨率的要

10、素影响纵向分辨率的要素 讨论讨论用用10MHz的脉冲超声探测眼球，脉宽脉冲继续时间为的脉冲超声探测眼球，脉宽脉冲继续时间为2s，声，声速取速取1540m/s，求最小探测深度的实际值纵向分辨率？，求最小探测深度的实际值纵向分辨率？3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 二、任务频率二、任务频率 超声诊断仪的任务频率，需求根据两个方面的要素作最正确的选择。超声诊断仪的任务频率，需求根据两个方面的要素作最正确的选择。 n从分辨率的角度，增高频率，可以改善分辨率。频率越高，从分辨率的角度，增高频率，可以改善分辨率。频率越高，波长越短，声束的方向性越好，横向和纵向分辨率都能提高。波长越

11、短，声束的方向性越好，横向和纵向分辨率都能提高。n从穿透深度角度，任务频率越高，衰减成正比地添加，必然从穿透深度角度，任务频率越高，衰减成正比地添加，必然使探测深度变小。假设要求获得较大的穿透深度，就得取较使探测深度变小。假设要求获得较大的穿透深度，就得取较低的任务频率。低的任务频率。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 三、穿透深度任务间隔三、穿透深度任务间隔 指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图象的被测介质深度。指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图象的被测介质深度。 提高仪器的穿透深度，主要有三个主要途径提高仪器的穿透深度，主要有三个主要途径 n降低任务

12、频率，但会影响图象分辨率降低任务频率，但会影响图象分辨率n提高接纳机的灵敏度和扩展动态范围，使其能接纳较远间隔提高接纳机的灵敏度和扩展动态范围，使其能接纳较远间隔的微弱反射信号，但这要遭到换能器的噪声限制，信噪比极的微弱反射信号，但这要遭到换能器的噪声限制，信噪比极限对诊断超声的最大穿透深度上的限制为限对诊断超声的最大穿透深度上的限制为300个波长左右。个波长左右。n加大超声发射功率：使远间隔的微小声阻抗差也能产生较强加大超声发射功率：使远间隔的微小声阻抗差也能产生较强的反射回波，但要思索平安剂量限制。的反射回波，但要思索平安剂量限制。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数

13、四、频帧四、频帧 指成像系统每秒钟内可成像的帧数。频帧在指成像系统每秒钟内可成像的帧数。频帧在10帧以下的称为静态成像系帧以下的称为静态成像系统，每秒在统，每秒在25帧以上的称为实时成像系统，实时成像系统能显示动态脏器的运帧以上的称为实时成像系统，实时成像系统能显示动态脏器的运动情况。动情况。 超声在人体组织中传播，声波到达超声在人体组织中传播，声波到达1cm的间隔再前往出发点，需求时间的间隔再前往出发点，需求时间13s。设要求穿透深度为。设要求穿透深度为Pcm，那么在显示器上构成一条声线需求，那么在显示器上构成一条声线需求13Ps,再再设每幅图象需求设每幅图象需求N条声线，那么构成一幅图象需

14、求条声线，那么构成一幅图象需求13PNs,故帧频为故帧频为36177 101310FPNFNP或者写成 上式阐明，帧频、线数和穿透深度三者的乘积为一常数。普通情况下，扫上式阐明，帧频、线数和穿透深度三者的乘积为一常数。普通情况下，扫描线数越多，图象延续性越好，更为明晰；帧频越高，图象越稳定。描线数越多，图象延续性越好，更为明晰；帧频越高，图象越稳定。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 五、脉冲反复频率五、脉冲反复频率 指脉冲任务的超声仪器每秒钟反复发射超声脉冲的次数，即探头鼓励指脉冲任务的超声仪器每秒钟反复发射超声脉冲的次数，即探头鼓励脉冲的频率。脉冲反复频率决议了仪器的

15、最大探测间隔。脉冲的频率。脉冲反复频率决议了仪器的最大探测间隔。 当脉冲反复频率当脉冲反复频率F确定，其脉冲发射周期确定，其脉冲发射周期T=1/F，即为声波往返可利用，即为声波往返可利用的最大时间，那么实际最大可探测间隔为：的最大时间，那么实际最大可探测间隔为：12DcT 1最大可探测间隔并不等于穿透深度，而仪器的穿透深度还受超声功率、接纳机灵敏度、超声波频率等要素影响。留意留意 2脉冲反复频率不可获得太高，否那么将限制仪器的最大可探测间隔；但也不可取太低，否那么会影响图象的帧频或者线数。3.2 3.2 超声诊断仪的主要参数超声诊断仪的主要参数 六、动态范围六、动态范围 指保证回声既不被噪声淹

16、没也不饱和的前提下，允许仪器接纳回声信指保证回声既不被噪声淹没也不饱和的前提下，允许仪器接纳回声信号幅度的变化范围，普通仪器在号幅度的变化范围，普通仪器在4060dB。动态范围大，所显示图象的。动态范围大，所显示图象的层次丰富，图象明晰。层次丰富，图象明晰。3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 超声诊断仪器按超声回波信号显示型式的不同，主要可分为A型超声、B型超声、C型超声、M型超声及P型超声。一、一、A型超声型超声Amplitude Mode A型显示即幅度显示，以回波信号的幅度表示界面反射的强弱，是一种幅度调制型仪器。显示显示探头探头3.3 A型超声原理图型超声原理图

17、反射强，振幅高反射强，振幅高反射弱，振幅低反射弱，振幅低 特点：只能反映声线方向上部分组织的回波信息，不能获得临床解剖图，已根本淘汰。回声以波形显示回声以波形显示 3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 二、二、B型超声型超声Brightness Mode 在A型超声诊断仪的任务根底上，加上换能器的平面扫描，当换能器的位置逐渐改动时或采用多元换能器，使显示器上每一条时基线方向也相应地改动，那么每条显示线代表了产生回波的每一个界面的空间位置，从而构成一幅二维图象。是一种辉度调制仪器。3.4 B型超声原理图型超声原理图 回声以辉度显示回声以辉度显示 为了构成一幅二维图象，成像系统

18、必需获得以下三组根本数据：1回波信号；回波信号；2换能器的位置数据；换能器的位置数据；3表示脉冲发射到回波接纳表示脉冲发射到回波接纳 之间延时的定时数据。之间延时的定时数据。3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 B型超声诊断仪器是一种辉度调制仪器，显示器上每个光点的亮度表示回波型超声诊断仪器是一种辉度调制仪器，显示器上每个光点的亮度表示回波信号的幅度。信号的幅度。 B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决议。 黑色：没有反射 灰色：中等反射 白色：反射较强 3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 线扫式断层线扫式断层B型超声波诊断仪型超声

19、波诊断仪适用于察看腹部脏器，如对肝、胆、适用于察看腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查，而扇扫断层脾、肾、子宫的检查，而扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。检查。 图图3.5 B型超声断层扫描与成像型超声断层扫描与成像 3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 三、三、C型超声型超声Constant depth Mode C型超声与型超声与B超一样都显示的是辉度调制的二维切面图象超一样都显示的是辉度调制的二维切面图象 ，但与，但与B超不超不同，其显示的平面是垂直于声线的平面。同，其显示的平面是垂直于声线的平面。C 型显象平面与型显象平面与

20、 B 型显象平面是型显象平面是相互垂直的，改动相互垂直的，改动 C 型扫查深度，便可获得假设干不同深度的型扫查深度，便可获得假设干不同深度的 C 型切面型切面图象。图象。 图图3.6 C型超声成像原理型超声成像原理 3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 图图3.7 F型超声成像原理型超声成像原理 C 型超声成像过程中，扫查平面距探头的深度是不变的。假设使扫查面距探头的深度发生变化，且扫查平面根据成像需求可设置为斜面、曲面，那么构成了F型超声。3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 图图3.8 心博的心博的M超声影像超声影像 由于探头位置固定，心脏有规由于探

21、头位置固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头间的间隔便发生节律性的改动。探头间的间隔便发生节律性的改动。随着程度方向的慢扫描，便把心脏随着程度方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声展开成曲线，即为各层组织的回声展开成曲线，即为M M型超声心动图。型超声心动图。四、四、M型超声型超声Motion Mode 回声以时间曲线显示回声以时间曲线显示 M型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向一切界面反射回波用亮点方式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。 3.3

22、3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 图图3.9 M型超声诊断仪根本原理构造图型超声诊断仪根本原理构造图 3.3 3.3 超声诊断仪的显示型式超声诊断仪的显示型式 五、五、P型超声型超声Motion Mode 它可视为一种持殊的它可视为一种持殊的 B 型超声，超声换型超声，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。 P

23、 型超声诊断仪所运用的探头称为径向扫描型超声诊断仪所运用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫描时探头置于体腔内，如食道、描探头。扫描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。胃或直肠等。 图图 3.10 P型超声表示图型超声表示图 六、六、D型超声型超声Doppler Mode 超声的多普勒效应，显示人体内部运动器官的运动形状。超声的多普勒效应，显示人体内部运动器官的运动形状。 3.4 3.4 超声诊断仪的扫查方式超声诊断仪的扫查方式 为构成一幅二维图象，换能器要与人体之间作相对运动，或声线的位置与方向要按一定规律改动，以获得不同

24、位置不同方向上的回声信号回声线，这一过程称为扫查。 波束方向的改动，可以机械方式改动换能器位置或发射方向，也可以电子方式控制换能器阵列的任务形状来实现。一、简单扫查与复合扫查一、简单扫查与复合扫查 1. 简单扫查：各声线在探查区内不相交简单扫查：各声线在探查区内不相交 线扫线扫线扫：换能器作横向平移，线距均匀，线扫：换能器作横向平移，线距均匀， 但视场的横向尺寸由换能器挪动但视场的横向尺寸由换能器挪动 间隔所限制，纵向尺寸由超声波间隔所限制，纵向尺寸由超声波 穿透深度所限制。穿透深度所限制。3.4 3.4 超声诊断仪的扫查方式超声诊断仪的扫查方式 扇扫扇扫 弧扫弧扫 径扫径扫 扇扫：换能器在被

25、检查目前的上方作摆动，声线不均匀，近间隔处密度大，远处扇扫：换能器在被检查目前的上方作摆动，声线不均匀，近间隔处密度大，远处稀疏。优点是可经过狭小的窗口检查待查部位，如经过肋骨之间的间隙检查心脏。稀疏。优点是可经过狭小的窗口检查待查部位，如经过肋骨之间的间隙检查心脏。弧扫：声线与扇扫相反。弧扫：声线与扇扫相反。径扫：径扫：P型超声型超声3.4 3.4 超声诊断仪的扫查方式超声诊断仪的扫查方式 2. 复合扫查：组合了两种或者两种以上扫查方式，声线相交，普通用于复合扫查：组合了两种或者两种以上扫查方式，声线相交，普通用于 水路耦合扫描，通常采用机械方式扫描。水路耦合扫描，通常采用机械方式扫描。 复

26、合扫描方式复合扫描方式 复合扫描可从不同的角度察看组织，因此成像时需求足够多的线数，因此成像速度较简单扫描，普通只能静态成像。3.4 3.4 超声诊断仪的扫查方式超声诊断仪的扫查方式 二、机械扫查与电子扫查二、机械扫查与电子扫查 1. 机械扫查：借助电动机带动换能器摆动或者转动，同时利用位置传感机械扫查：借助电动机带动换能器摆动或者转动，同时利用位置传感器延续地检测换能器地瞬时取向，并产生位置信号，使显示器的扫描线器延续地检测换能器地瞬时取向，并产生位置信号，使显示器的扫描线有相应的取向。有相应的取向。摆动式扇扫摆动式扇扫B超仪探头超仪探头 利用直流电机或步进电机驱利用直流电机或步进电机驱动，

27、经过凸轮、曲柄、连杆机构将动，经过凸轮、曲柄、连杆机构将电机的旋转运动转换为往返摆动，电机的旋转运动转换为往返摆动，从而带动单个晶体换能器在一定角从而带动单个晶体换能器在一定角度度(3090之间之间)范围内产生扇范围内产生扇形超声扫描。形超声扫描。3.4 3.4 超声诊断仪的扫查方式超声诊断仪的扫查方式 旋转式扇扫旋转式扇扫B超仪超仪 采用采用4个或个或3个性个性能一样的换能器，等角度安能一样的换能器，等角度安放在一个圆形转轮上，马达放在一个圆形转轮上，马达带动转轮旋转，每个换能器带动转轮旋转，每个换能器接近收接近收/发窗口时开场发射和发窗口时开场发射和接纳超声波接纳超声波,各换能器交替任各换能器交替任务。务。3.4 3.4 超声诊断仪的扫查方式超声诊断仪的扫查方式 2. 电子扫查：用电子方式控制多元换能器的任务形状，主要有两种任务电子扫查：用电子方式控制多元换能器的任务形状，主要有两种任务方式：线阵、相控阵。方式：线阵、相控阵。线阵：由开关控制器控制每个振