超声成像设备课件

1、第六章 超声成像设备掌握： 超声波的物理基础； B型、多普勒超声诊断仪的构造、工作原理、基本电路、评价指标和质量控制了解： 超声设备的发展史，发展趋势； A型、M型超声诊断仪的构造及工作原理。 第一节 概 述综 述 超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在2万赫兹(Hz)以上。超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。超声诊断由于设备不似CT或MRI设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因此在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部

2、分。不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CT和MRI高。一、超声成像设备发展史1、1880年居里兄弟发现压电效应；2、1921年首次将声纳用于探测潜艇；3、1945年Firestone制成A型脉冲超声检测仪。我国自1958年11月开始将A型超声诊断应用于临床。4、1954年M型超声波诊断仪诞生；5、60年代中后期80年代初期B型超声检查发展并普及，仪器渐趋完善;与此同时，D型超声诊断仪也开始出现。我国自1978年开始应用B型超声诊断疾病。6、80年代中后期彩色血流显像，为超声诊断开创了更加广阔的领域。7、90年代来经颅多普勒（ Transcranial Doppler , TCD）诊断

3、仪应用低频多普勒超声, 与此同时，介入性超声（Interventional Ultrasound）在诊断和治疗中都起到了重要的作用。二、超声基础知识（一）超声波的概念和基本特性(一)超声波的概念和基本特性1、超声波的概念 频率在2万赫兹以上的机械振动波，称为超声波(ultrasnic wave)，简称超声(ultrasound)。超声波在传声介质中的传播特点是具有明确指向性的束状传播，这种声波能够成束地发射并用于定向扫查人体组织。2、超声波的产生 医用高频超声波是由超声诊断仪上的压电换能器产生的，这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声波，同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电

4、信号。 3.4 声强(sound intensity) 声强是指超声波在介质中传播时，单位时间内通过垂直于传播方向的单位体积的平均能量。声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。4、 反射与折射 与自然光在空气和水中传播一样，超声在人体组织中传播不仅有衰减，同时还存在着反射、折射与透射现象。 如果超声在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于两种组织声阻抗率的不同，在声阻抗率改变的分界面上便会产生反射、折射与透射。当超声波垂直分解面入射时，可得到最佳的反射效果。 5、散射 声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球波，这种现象称为声散射

5、，可出现在不规则的粗糙面上。生物组织的介质中，散射现象时声波传播中最普遍、最基本的现象，它是脉冲回波技术的依据，也成为大多数超声诊断技术的基础 。 超声的反射只能观察到脏器的轮廓，超声的散射却能了解脏器内部的病变。 超声波频率越高，分辨力越好，但衰减越强，穿透力越差；反之，频率越低，分辨力越差，但衰减越弱，穿透力越强。在超声诊断仪中，为使深部回声信息清楚，一般采用灵敏度时间控制( STC) 或时间增益控制（TGC） 调节来补偿声衰减。（二）与普通声波比较的优势：由于超声波的频率高，因而波长很短，它可以像光线那样沿直线传播，使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波；由于超声波所引起的媒质微粒的振

6、动，即使振幅很小，加速度也很大，因此可以产生很大的力量。 超声波的这些特性，使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如：我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上可以用超声波对金属内部的气泡、伤痕、裂缝等缺陷进行无损检测。在医学领域可以进行超声灭菌、超声清洗、超声雾化等。更重要的是做成各种超声诊断仪器和治疗仪器。 超声波在人体传播主要有以下的物理特性： 1、束向性或指向性 2、反射、折射、散射和绕射 3、超声波的吸收与衰减 4、多普勒效应 超声成像的基本原理和过程主要是依据上述超声波在介质中传播的物理特性，其中最为重要的有以下三个方面：即声

7、阻抗特性、声衰减特性、多普勒特性。 （三）超声的物理特性三、超声成像的特点1、有高的软组织分辨力，组织只要有0.1%的声阻抗差异，仪器就能检测出并显示其反射回波。目前，超声成像已能在近20厘米的检测深度范围，获取优于1毫米的图像空间分辨力。2、具有高度的安全性，当严格控制声强低于安全阈值（平均声强小于10mW/cm）时，超声可称为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。3、实时成像 能高速实时成像，可以观察运动的器官，并节省检查时间。4、使用方便，费用较低，用途广泛。（二）探头 探头也称超声换能器，由压电晶体片制成。当在晶片(又称振子)上加高频电脉冲激励时，便会产生高频振动发射超声波。而

8、由界面反射的回声信息到达晶片表面产生振动，转换为高频电信号，通过放大处理后转变为图像信息。探头既是发射器也是接收器，是整个超声设备中的关键部件。 超声诊断仪探头有多种型号，体外常用的探头有：电子线阵探头、电子凸阵探头、电子相控阵探头；腔内探头有：经食管探头、直肠探头、阴道探头等。1 探头基本结构（1）换能器（2）壳件 （3）电缆 （4）其它：机械探头中有电机，传动 部件、位置检测部件等。 背衬吸收块匹配层压电振子匹配层(保护层）被测组织A 单元换能器根据临床诊断的要求，换能器有许多种不同结构形式，而单元换能器是基本的结构单元换能器它由主体和壳体两部分组成（）主体：压电振子，它是产生压电效应的元

9、件 吸收块，吸收来自压电振子的的声能。 匹配层发射状态，界面不发生发射，超声全部透射进入人体，提高换能器发射能量。接收状态，回波全部进入换能器，提高换能器的灵敏度。（）壳体：包括：外壳为换能器的结构件接插件与超声诊断仪连接的插头电缆线超声激励电源及信号的连接 外壳接插机构电缆线压电振子吸收块匹配层B 多元换能器多元换能器是由多个单元振子组成有的将振子沿直线排列为一行，组成线阵探头；有的将振子沿弧形排列，构成凸阵探头；有的将振子成矩阵排列，构成矩阵探头等多种多元超声换能器2、压电效应 （1）正压电效应 在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械压力，使其变形，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷

10、；变形方向相反，两面的电荷极性随之变换电荷密度同施加的机械力成比这种因机械力作用而激起表面的电荷效应，称为正压电效应。 在医学应用中，超声的接收就是利用了正压电效应，即把超声对压电材料表面的机械力传换成为电信号。+-+-+-+-+-压电体未受外力两侧不带电荷压电体受拉力两侧带电荷压电体受压缩力两侧带电荷正压电效应（2）逆（负）压电效应 在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压，在电场作用下引起几何应变，电压方向改变，机械应变方向亦随之改变，形变与电场成比例这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应 在医学应用中，超声的发射就是利用逆压电效应 ，即用电压使压电材料产生机械振动，振动在介质中的传播形成

11、声波。压电片电极导线（3）符号B 常用压电材料压电单晶体石英灵敏度高，机械性好，稳定性好，不易加工压电多晶体压电陶瓷成本低，加工方便医用超声诊断 人造压电陶瓷和人造极性高分子聚合物，如钛酸钡、硫酸锂、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）。C 压电材料的主要性能参数 压电系数：发射系数、吸收系数发射系数单位电场所产生的形变，适用于制成发 射型的换能器吸收系数单位应力产生的电场，适用于制成接收 型换能器。 居里点：当温度升至3000C时，将失去压电效应，这个临界温度点称居里点。所以，探头不能高温消毒。 频率常数（FC）：FC=FS（谐振频率）d（厚度） FS=FC/d 。 FC是特定的。FS决定于d高频探头

12、晶片很薄（因d很小），脆性大，加工损耗大，成本高，价格贵，所以，使用中特别小心。 介电常数 机电耦合系数（K）表示机械能转换成电能的效率。主要与压电振子的形状与振动模式有关。4 探头分类 （1）脉冲回波式：单探头（用于A型、M型、机械扇扫和脉冲多普勒工作方式的超声诊断仪中)、机械探头、电子探头、术中探头、穿刺探头、经腔内探头。（2）多普勒式：常见形式：连续波 CW 和脉冲波PW多普勒探头梅花形探头（三）发射接收单元 发射接收单元在电子扫描时传送发射控制信号到探头，并对来自超声探头的接收信号由放大系统进行高频放大、对数压缩及有关预处理，并作电子聚焦和动态聚焦控制、检波，然后传送到DSC部件。此外

13、，这个部件还传送DSC同步控制的有关信号，通过电子聚焦或动态聚焦方式使超声束聚焦，以提高侧向(横向)分辨力。（四）数字扫描转换器 1、 概念：一个存储装置，将信息一种格式存入存储器，而以另一种格式读出。DSC 输出为XY二维输入格式，输出格式是标准的电视光栅。DSC核心部件：半导体图像存储器。2、工作原理： 数字扫描转换器(DSC)部件对来自TxRx单元的超声视频信号进行AD转换 (模拟一数字转换)处理并将转换后的数字信息存入存储器中，构成一幅幅数字化的图像，存储器中的超声数据与来自键盘的字符和图形数据合成，再经过DA转换(数字一模拟转换)，将数字信号转换为混合视频信号被传送到观察监视器和摄影

14、监视器进行图像和文字的显示。3、DSC作用：解决了较慢超声回波信号提取和高速实现之间的矛盾；依靠图像存储器写入地址和读出地址的变换，实现了扫描制式的转换；进行图像插补处理，增加信息密度，提高图像的清晰度；通过改变图象存储器的读写方式使图像的显示方式多样化。（五）监视器 监视器是以灰度或彩色显示超声检查的回声信息，通过显示在屏幕上的图像来进行诊断。（1）显像管（CRT）（2）液晶显示器 （六）显示器五、超声诊断仪的类型1 一维图像显示：A型超声诊断仪2 断层显示：B 型超声诊断仪3 时间-运动型：M型超声诊断仪4 多普勒型超声诊断仪5 彩色多普勒型超声诊断仪6 彩色数字三维多普勒超声诊断仪第二节

15、 A型和M型超声诊断仪一、A型超声诊断仪 A型超声是最早出现的一维超声诊断技术,它将声束传播位置上的组织按距离分布的回波信息在显示器上以幅度调制的形式显示,并从回波的幅度大小,形状及位置进行诊断,回波强则波幅高,回波弱则波幅低。同步信号发生器发射器接收器显示器XYABC反射点换能器YXABC发射器接收器显示器同步信号发生器(一) A型超声仪的基本结构A型单向超声诊断仪由主控电路、发射电路、时基电路、标距电路、接收电路、延时电路、电源和换能器组成。 1 主控电路 产生同步触发脉冲，分别去触发反射电路和时基电路。增加同步信号的重复频率，可提高荧光屏的亮度，但重复频率过高，探测深度就受到限制。目前所

16、采用的多为4001000Hz的重复频率，最低者为50Hz。2 发射电路 受同步信号触发时，产生一个持续时间为1.55s的高频电振荡。输出脉冲的幅度和持续时间可通过并联在输出端的电位器来调节。 3 时基电路 产生锯齿波电压，经后级放大至足够的幅度，送至示波管的X轴偏转板，产生扫描线。锯齿波的重复频率由主控电路决定。锯齿波电压变化的快慢（斜坡速度）和探测深度相关。通过调节锯齿波电压变化的快慢可调节仪器的探测深度。4 标距电路 它产生距离标志，以测量回波的位置和距离。由于随时间线性变化的时基锯齿波电压代表超声传播的时间，所以荧光屏上横坐标代表着声波传播的时间。5 接收电路 包括高频放大器、检波器和视

17、频放大器三部分，有的仪器加入补偿电路。接收电路中，设有增益和抑制两个调节旋钮。增益旋钮用来调节输出的放大倍数，抑制旋钮用来调节门限电平，以除去门限以下的无用小波，而不影响门限以上的信号。回声信号最后由视频放大器放大到足够的幅度，送到示波管的Y轴偏转板，产生Y向偏移。偏移的幅度基本和信号大小成正比。（二）特点：换能器以固定位置和方向对人体探查，其深度方向的回波信号对显示器进行幅度调制，从而形成一维波形图。 （三）显示 （四）适用范围 静止脏器 X 深度Y 幅度0（五）临床诊断中的应用范围：A型超声波诊断仪可用于许多科室，其中最有代表性的应用是脑中线位置的测量。一般正常人脑中线位置通过颅骨的几何中

18、心，最大偏差0.3cm。用双迹A型诊断仪测量若脑中线偏移0.3cm，则应考虑有占位性病变。此检查无痛苦，准确性高。A型诊断仪是最早应用于临床的超声设备。由于B型诊断仪的出现，A型诊断仪已经面临被淘汰的边缘，目前只在脑中线测量、眼科等方面还在应用。但是A型诊断仪在组织的判别和确定（或称组织定征）、生物测量方面都具有很高的准确性和特异性。目前只有几家国外厂家在生产标准化的A型诊断仪。 三 、M型超声 M超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,故它是B型超声中的一种特殊的显示方式。 M型超声诊断仪采用亮度调制型的显示法（brightness modulated displ

19、ay）。在显示器上，以亮度反映回声的强弱，垂直方向表示检测深度，水平方向表示时间（心脏的活动时相），显示心脏各层结构相对体表的相对距离随时间的变化曲线，反映心脏一维空间组织结构的运动情况，所以称为M型(motion mode)。M型扫查系统基本结构： M超由心电、心音、心搏和M型的多参数同步显示的超声心动仪器。重要由同步控制电路、水平（X轴）扫描发生器、高频脉冲发生器、回波接收电路、生理参数通道和显示器等部分组成。 基本原理：实现辉度调制： 在一维超声扫描和显示中，M型和A型仪器的区别在于显示方式的不同：A型是幅度显示，即回波信号加到示波管垂直偏转板上，显示的是波形幅值的大小，其幅度的高低表示信号的强弱，而M超采用亮度显示，回波信号加到示波管的栅极或阴极上，及控制电子束的强弱，信号强时屏上显示光点亮，信号弱时光点就弱。可见它的显示与B超显示相类似。 位移-时间曲线：在A超设备中，水平方向信号的距离代表着探测深度，而M超中反映探测深度的扫描信号是加在垂直偏转板上，光点在垂直方向上的距离代表探测深度。即垂直方向代表人体软组织脏器自浅至深的空间位置。另外，M超中在水平偏转板上施加慢扫描电压，使上下摆动的光点随时间横向展开，即水平方向代表时间，由此得出一条位移-时间曲线