医学超声仪器

1、第四章 医学超声仪器4.1超声波的物理基础4.2超声的发射与接收4.3超声成像系统4.4超声多普勒成像与彩超4.5 其他超声设备2022/10/212022/10/22前言 医学超声设备主要有医学诊断设备和医学治疗设备两种。其中医学超声诊断设备种类较多，应用很广，是目前医院临床不可缺少的重要医学设备。2022/10/234.1超声波的物理基础1、超声波的基本概念超声波：频率高于20KHz的声波 （频率范围在21043108 Hz）在医学中应用的超声波一般在0.2MHz15MHz。2022/10/24超声波的特点：直线传播且易会聚 超声波的频率高，波长很短（1MHz，波长1.5mm；20MHz，

2、波长0.075mm），可以像光线那样沿直线传播，具有很高的穿透能力，且能量易会聚。2022/10/25电声转换容易且能量大 超声使介质的微粒振动，虽然振幅很小，当加速度非常大，具有很大的能量，能量与频率的平方成正比。物理机制复杂且参数多超声工作安静且危害小 总之，医用超声的特点：易会聚，能量大，参数多，危害小。 2022/10/26超声波的分类：纵波：质点的振动方向与波的传播方向相同的波。例如声波。纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波。不能在液体及气体中传播。 人体组织（除骨骼外）基本上都为液体及气体成分，因此超声诊断仪是用纵波。2022/10/27

3、2、超声的物理量声速c,频率f,波长 c=f一般情况下,超声波的速度是不随频率而变的。超声波在人体的软组织，如血液、脂肪、肝肾等实质性脏器的声速，大致在1500m/s左右。2022/10/282022/10/29 f、在超声成像中是两个极重要的参数，波长决定了成像的纵向极限分辨率，在纵向上需检出的病灶必须大于半个波长；而频率则决定了可成像的组织深度，f越高则可检出深度越浅。2022/10/210声压 声波作为纵波在弹性介质中传播时，介质各部分时而密集时而稀疏，交替出现密部和疏部，介质各部分压强相应变化。 设若没有声波传播时，介质某处的静压强为P0 出现密部时：P P0 出现疏部时：PZ1，还是

4、Z2Z1（例如：Z水1.492瑞利， Z气0.00428瑞利），则ri99。因此可见，超声很难从气体进入固体或液体中，反之也很难从固体或液体进入气体中，这就是为什么人体重要器官之一肺，很难利用超声诊断的原因。2022/10/218常见组织界面的声压反射系数：软组织和水 0.05软组织和空气 0.9991肌肉和肝 0.01肌肉和血 0.03肌肉和脂肪 0.01脂肪和骨胳 0.69 脂肪和血 0.032022/10/219超声波的折射 超声波的折射定律与光波相同 。据试验测量及计算结果，当超声波经液体入射到人体体表，临界角约为1520o。即当入射角大于1520o时，超声波在介质分界面上全部反射。由

5、于人体内各种软组织的声速相当接近，因此折射不明显，可将超声看成直线传播。 2022/10/220超声波的透射声压透射系数：当超声以角投射到两种不同声阻抗的介质界面时，在不考虑超声吸收的情况下，声压透射系数为 2022/10/221声强透射系数：当超声以角投射到两种不同声阻抗的介质界面时，在不考虑超声吸收的情况下，声强透射系数为 2022/10/222（4）超声的衰减超声波在媒质中传播时会像光通过媒质或X射线穿过物体一样发生衰减，同样可用朗伯定律来描述。超声衰减的因素：扩散衰减，散射衰减，吸收衰减。传感器d2022/10/223 有研究表明衰减不仅与距离有关系同样也与超声的频率成正比关系，超声频

6、率越高衰减越大。所以我们给出另一个参数 平均衰减系数单位是dB/(CM.MHZ)24常见组织平均衰减系数：软组织 1.351.68 dB/(MHz.cm) 水 0.002 dB/(MHz.cm)颅骨 20 dB/(MHz.cm)血液 0.18 dB/(MHz.cm)空气 10 dB/(MHz.cm)肝脏 0.04 dB/(MHz.cm) 假设 1M超声在颅骨中传播1cm时。就衰减20dB即声强仅为原来的1/10。 25衰减的原因：（1）扩散衰减:超声本身的发散，反射，折射等造成的强度衰减。 ( 2 ) 散射衰减：当组织的被测物体与超声的波长差不多时，该物体在接受到超声信号后，会以该物体为中心向

7、周围反射超声信号，这种现象就是散射。散射造成衰减。（3）吸收衰减: 组织的吸收，传播过程中组织将声场能量吸收转变为其他能量比如说热能等。26衰减对超声成像的影响： 衰减会消弱超声的回波信号，使远处的组织成像结果较差。27 超声物理特性是超声在医学中运用的基础。如超声成像中，超声的反射，透射，折射，衰减等特性均需要考虑。除了上述的物理性质，超声在人体中还具有热效应，空化效应等生物特性。这些特性在医学超声设备中具有重要的作用，也是目前重要的研究课题。2022/10/2284.2 超声的发射与接收压电效应正压电效应：对某些材料两端施加压力时，在材料的两个电极表面出现电荷，产生当场分布。超声波的接收逆

8、压电效应：材料两端施加电压时，材料将出现形变。超声波的发射材料：石英晶体、压电陶瓷4.2.1 超声探头2022/10/2292022/10/230医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.2MHz15MHz，多是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。利用压电陶瓷或晶体的正压电效应和逆压电效应，可以将其做成超声波发射和人体组织反射波接收的器件，即超声换能器，它是超声诊断仪器的重要部件，也称探头。 B超换能器外形图2022/10/231主体壳体压电振子：压电晶体和电极组成吸收块：背材，吸收后射声场保护层：阻抗匹配外壳连接件电缆线单阵元超声探头2022/10/232一个探头内可以安装1个压电晶片（例

9、如A型和M型超声诊断探头），或数十个以至千个以上晶片，如实时超声诊断探头，由1至数个晶片组成一个阵元，依次轮流工作、发射和接收声能。按频率有单频、多频和宽频探头。实时超声探头按压电晶片的排列分线阵、环阵、凸阵等，按用途又有体表、腔内、管内各种名称，有的探头仅数毫米，可进入冠状动脉内。 2022/10/2334.2.2 超声场的特性超声场：超声能量作用的弹性介质空间，是描述波动能量在一定区域的空间分布状态。在理论上一般根据惠更斯菲涅尔原理为基础来分析。【惠更斯菲涅尔原理：“子波相干”原理，即同一波前上各点所发出的子波，在传播过程中相遇于空间某点时，也可相互叠加产生干涉现象】2022/10/234

10、1、点声源的超声场对单个振子，尺寸极小时，可看成是一个点声源，根据惠更斯菲涅尔原理，它所产生的超声场是没有指向性的球面波。2022/10/2352、圆形单晶片振源的超声场多数超声换能器都是扁平状，场面为圆形，其前表面的振动平行于法线，类似于活塞作用产生的压力波。圆形单晶片发射的超声场是什么？2022/10/236单晶体的圆形超声探头超声场根据声程可分为近场和远场。如下图所示。近场和远场的分界和探头的半径及发射超声的波长有关系。例：直径为10mm，1.5MHz的单阵元超声探头测量人体时的近场深度为？2022/10/237近场(Fresnel区)瞬时声压和质点振速不同相。超声能量基本上集中在半径约

11、为d的圆柱声束中，直到最后一个极大声强处。近场是一个花瓣区，由于波动干涉和衍射，使声压和声强起伏很大，是不能用于超声诊断的一个死区。2022/10/238远场(Fraubofer区)瞬时声压和质点振速同相。远场区声压和声强比较平稳，可以用于超声诊断。主声束的扩散角2022/10/239远场声场指向性由于不同电源波动能量相互干涉的原因，超声能量在中心轴线以外的其他声场的分布也是不均匀的，即声场中远场的声压除了和距离有关系外还随着方向角 变化而变化。这称之为超声换能器声场的指向性。指向性一般用指向性函数来表示：在距阵元中心相同距离处，中心轴上的声压为 。偏离中心轴角度 的声压为 。k为波数，J1为

12、第一类贝塞尔函数。2022/10/2402022/10/241当ro/的比值增加时，波束主瓣的变窄，且出现较小的旁瓣。主瓣的宽度对超声的应用有重要的影响。 一般认为当 得到的角度 为代表了主瓣的宽度。上式可表示为：【 主声束半扩散角： 】可见，当超声源的ro/很大时，超声波就集中成一束，并以c角扩散。例：直径为10mm，1.5MHz的单阵元超声探头测量人体时的远场主瓣宽度为？10MHz的超声探头呢？答：7度和1.05度2022/10/242可见，半径ro越大，半扩散角c越小，超声声束性越好，方向性好，能量越集中，声束越平行。一般诊断要求c应小于3.5o,对于声束的扩散可采用聚焦的方法来解决。2

13、022/10/2432022/10/244超声波集聚的方法：使用碗形换能器在换能器平面的辐射表面配以透镜通过适当的反射体通过多元换能器的相控聚焦简单物理聚焦4.2.3 超声波束的聚焦2022/10/245通过多元换能器的相控聚焦组成：换能器阵列。每一阵元都是可独立调控的波源，由主振荡器及延迟元件控制。原理：通过计算机控制，选择合适的相位延迟就可以得到朝向换能器法线任意一侧的平面波阵，曲面（聚焦）波阵，及不同方向瞬时变化的聚焦。优点：波束转向不需换能器运动；动态聚焦，可在不同方向聚焦；采用微机控制。2022/10/246为什么要聚焦，聚焦和成像的关系？2022/10/2474.3超声脉冲回波成像

14、系统超声诊断主要应用超声的良好指向性和与光相似的反射、散射、衰减及多普勒（Doppler）效应等物理特性，利用其不同的物理参数，使用不同类型的超声诊断仪器，采用各种扫查方法，将超声发射到人体内，并在组织中传播，当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时，它们组成的界面就会发生反射和散射，再将此回声信号接收，加以检波等处理后，显示为波形、曲线或图像等。2022/10/248由于各种组织的界面形态、组织器官的运动状况和对超声的吸收程度等不同，其回声有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解剖知识与临床医学，观察、分析、总结这些不同的规律，可对患病的部位、性质或功能障碍程度作出概括性以至肯定性的判断。当

15、前超声诊断技术主要用于体内液性、实质性病变的诊断，而对于骨、气体遮盖下的病变不能探及，因此在临床使用中受到一定的限制。 2022/10/2494.3.1超声脉冲回波成像原理超声脉冲回波成像法：就是把高频超声脉冲发射到生物体内，再接收来自生物体内反射波（回波）。根据回波成像。 发射和接受采用同一个探头。通过回波信号回波时间，可以确定被测组织的深度。通过同一深度的回波信号的强弱可以判断物体的形态。接收电路显示器发射电路传感器T/R开关2022/10/250 超声脉冲回波测量物体探头物体51通过检测回波脉冲，可以获得有关超声脉冲在介质内反射界面的位置信息和方位信息。脉冲回波显示体内有关结构信息时，可

16、有两种类型的显示显示回波图形的回声图显示利用回波构成图像的声像图显示2022/10/252待检查组织超声束探头扫描平面扫描范围扫描方向影响超声成像的因素？53（2）影响超声成像的因素聚焦性能 聚焦状况影响成像的横向分辨率和对比度。阵元越多，聚焦能力越强。现有的相控阵聚焦方法，聚焦能力越强，焦点的横向分辨率越高，但旁瓣越大，焦点外的区域成像越差。一般采用加窗叠加的方式降低旁瓣，但横向分辨率下降。2022/10/254超声频率和带宽 系统的超声的频率和带宽影响成像的深度和纵向分辨率。频率越高，超声受到的衰减越大，成像深度越小。频率越大，带宽越大，超声脉冲宽度越小，纵向分辨率高。2022/10/25

17、5其他因素 除了上述因素外。超声速度，超声的衰减都会对成像造成影响。如声速的误差，带来成像的偏差，聚焦性能的下降。超声的衰减导致图像的一致性变差等等。 另外还有成像理论，成像电路设计也是得到高质量超声成像的关键因素。2022/10/256超声回波成像的工作参数超声频率：f越高，分辨率高，衰减增加，探测深度减小。作用距离(穿透深度)：指超声诊断仪发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图像的被探测介质深度。如：腹部 20cm，眼球：10cm提高深度的方法：降低f；加大发射功率；提高接收机的灵敏度。 2022/10/257脉冲重复频率fpr：超声仪器每秒重复发射超声波脉冲的次数脉冲重复频率太高：多次回

18、波相互干扰脉冲重复频率太低：影响图像的帧频或线密度常取：24KHz最大探测距离DmaxCT/2=C/(2fpr)Dmax并不等于仪器的作用距离，作用距离受上述因素的影响，而最大探测深度只是设计中允许设定探测距离的最大值。2022/10/258脉冲宽度和占空比脉冲超声探头，不能在同一时间同时发射和接收超声，当超声波从探头发射到被检测经组织发射再被探头接收时，需要经历一个时间t，如果t小于发射脉冲的持续时间（脉冲宽度），发射始波将与反射波相重合，探头无法接收而被漏测，显然t应大于脉冲宽度。最小探测深度：Dminc /2盲区：DV，则已知接收信号的频移可知道血流的速度和方向2022/10/2924.

19、4.3 多普勒血流信号处理 多普勒测量血流速度和方向的方法很多，其中正交相位检测法是较为简单，运用较广的一种，常用于连续波多普勒测量中。带通带通2022/10/29390度相移网络正向流信号反向流信号相域处理原理框图 多普勒血流信号经过正交解调和相域处理后得到不同方向的血流频移信号，可以测得血流的方向和速度。2022/10/294 多普勒血流测量模式有两种：连续波模式和脉冲波模式两种。连续波模式是指超声发射连续的超声波。该模式不能得到深度信息。用连续多普勒仪器构成的血管二维扫描基本上是一个平面图，它代表血管在皮肤上的投影。 连续波多普勒仪器成像原理框图4.4.4 多普勒血流测量模式2022/1

20、0/295 脉冲波模式是发射脉冲的超声波。脉冲超声多普勒血流测量仪的采样距离、采样体积都可以调节，所以可以得到某一深度某一范围内的血流信息，既能显示被测血流的深度，又能产生血管腔的横断面像和纵断面像。 显示方式有波形显示和动态声谱图显示。波形显示有正向血流、反向血流和正反向血流，幅度代表速度大小，水平方向代表时间。 还可监听多普勒血流声，声调高表示血流速度快，声调低表示血流速度慢。 2022/10/296 脉冲超声多普勒血流仪框图2022/10/297 多功能超声诊断仪一般具有B型、M型及多普勒三种功能，它以B型图像进行定位，可以精确测得心脏内某一位置的血流频谱图，对诊断心脏疾病有重大意义。这

21、种超声波诊断装置，不仅能显示血流频谱图，还能以彩色显示的二维彩色血流图像，迭加在黑白的B型图像上，简称为“彩超”，该设备是将脉冲多谱勒血流测量结果叠加在超声成像上。该技术大大提高了临床诊断的水平。4.4.5 彩超2022/10/298血流的彩色多普勒显示方法：血流方向表示：红色：朝向探头的正向血流蓝色：远离探头的反向血流血流速度表示：常用彩色信号色调表示。由颜色的辉度等级来显示。一般仪器上由最亮到最暗分为8级。2022/10/299流速离散度表示：在彩色血流成像图上，代表该区域流速的颜色或红或蓝，颜色纯净，说明其离散度较小；若速度有快有慢，离散度大，则以绿色代表紊乱的血流，且以其辉度强弱代表血

22、流速度离散度的程度。正向紊乱的血流：红绿黄 反向紊乱的血流：蓝绿青2022/10/2100 由于脉冲超声多普勒血流仪可以得到不同深度的信息，因而可得到血流速度在血管（或心脏）内的分布，临床上可诊断血管斑块是否形成，血管是否阻断，并可制成多普勒成像仪，可显示血管（或心脏）的二维截面像，如图，并以伪彩色代表血流的大小和方向。 超声多普勒血管截面成像2022/10/21012022/10/21024.5 其他超声设备 在医学临床影像诊断中，仅通过观察二维切片图像，很难准确确定病变体的空间位置、大小、几何形状和与周围生物组织的关系。本世纪七十年代由计算机控制的超声CT技术开始兴起，将超声诊断水平提高到一个新的高度，并有助于分子生物学和生物物理学的发展。4.5.1 超声CT 2022/10/2103超声计算机断层成像机械扫描系统框图2022/10/21044.5.2 超声骨密度仪 骨质疏松症（OP）是由于骨量的下降和骨骼微结构的破坏所造成的系统性疾病。该疾病可以导致骨骼脆性的增加，患骨折的风险增加，并且在发病之前无明显症状，被称为“寂静的杀手”。所以只能通过一些手段对患骨折的风险进行预测。定量超声技术（QUS）是评估骨质疏松症的有效手段，具有轻便、无辐射