医学超声仪器课件

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系12022/12/27合肥工业大学生物医学工程系11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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系2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24.1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2×104～3×108

Hz）在医学中应用的超声波一般在0.2MHz～15MHz。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系34.1超声波的物理基础1、超声波的基本概念2022/12/23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，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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系4超声波的特点：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程4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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系5电声转换容易且能量大2022/12/27合肥工业大学生物医5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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系6超声波的分类：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程62、超声的物理量①声速c,频率f,波长λc=fλ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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系72、超声的物理量2022/12/27合肥工业大学生物医学工72023/1/3合肥工业大学生物医学工程系82022/12/27合肥工业大学生物医学工程系88f、λ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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系9f、λ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9②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：P<P02023/1/3合肥工业大学生物医学工程系10②声压2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系1010声压：由于声波作用而产生的压强叫“声压”。瞬时声压P与静压强P0的差。（当空气中有声波传播时该点的压强与没有声音传播时的压强之差叫做该点的声压。

）声压是变化的，若声源作周期性振动，声压也随之周期性变化。通常用幅值Pm表示：其中A：振幅ω：角频率ρ：介质密度c：声速

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系11声压：由于声波作用而产生的压强叫“声压”。2022/12/211③声强：指超声在传播的过程中，垂直于超声传播方向上截面的单位面积在单位时间内通过的超声能量。声强与声压的关系：2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系12③声强：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系1212④声阻抗表征声振动在介质中传播时要受到的阻碍，发生传播损耗。若不考虑发射波时：Z＝ρc人体正常组织的声阻抗的平均值：

1.5×106瑞利2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系13④声阻抗2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系13133、超声波在介质中的传播特性2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系143、超声波在介质中的传播特性2022/12/27合肥工业大学14⑴超声波的反射①声压反射系数：当超声以θ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，声压发射系数为

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系15⑴超声波的反射2022/12/27合肥工业大学生物医学工程15②声强反射系数：当超声以θ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，声强发射系数为

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系16②声强反射系数：当超声以θ角投射到两种不同声阻抗的介质界面时16可见，若Z2＝Z1，无发射波，当Z1，Z2不同时，声阻抗差别越大。在气体与固体或气体与液体的交界面上，无论是Z2>>Z1，还是Z2<<Z1（例如：Z水＝1.492瑞利，Z气＝0.00428瑞利），则ri＝99％。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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系17可见，若Z2＝Z1，无发射波，当Z1，Z2不同时，声阻抗差172023/1/3合肥工业大学生物医学工程系18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0.03

2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系18常见组织18⑵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15～20o。即当入射角大于15～20o时，超声波在介质分界面上全部反射。 由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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系19⑵超声波的折射2022/12/27合肥工业大学生物医学工程19⑶超声波的透射①声压透射系数：当超声以θ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

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系20⑶超声波的透射2022/12/27合肥工业大学生物医学工程20②声强透射系数：当超声以θ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

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系21②声强透射系数：当超声以θ角投射到两种不同声阻抗的介质界面时21（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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系22传感器d（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22

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)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23常见组织平均衰减系数：软组织1.35~1.68dB/(MHz.cm)

水

0.002dB/(MHz.cm)颅骨

20dB/(MHz.cm)血液0.18dB/(MHz.cm)空气10

dB/(MHz.cm)肝脏0.04dB/(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。

常见组织平均衰减系数：24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。衰减的原因：25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。衰减对超声成像的影响：26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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系27超声物理特性是超声在医学中运用的基础。如超声成274.2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2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系284.2.1超声探头4.2超声的发射与接收压电效应2022/12/27合肥工业282023/1/3合肥工业大学生物医学工程系292022/12/27合肥工业大学生物医学工程系2929医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.2MHz~15MHz，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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系30

B超换能器外形图医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.2MHz~15MHz，302023/1/3合肥工业大学生物医学工程系31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2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系31主体壳体31一个探头内可以安装1个压电晶片（例如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。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系32一个探头内可以安装1个压电晶片（例如A型和M型超声诊断探头）324.2.2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】2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系334.2.2超声场的特性2022/12/27合肥工业大学生331、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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系341、点声源的超声场2022/12/27合肥工业大学生物医学342、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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系35圆形单晶片发射的超声场是什么？2、圆形单晶片振源的超声场2022/12/27合肥工业大学352023/1/3合肥工业大学生物医学工程系36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？2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系36单晶体的36①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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系37①近场(Fresnel区)2022/12/27合肥工业大学37②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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系38主声束的扩散角②远场(Fraubofer区)2022/12/27合肥工业大38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：2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系39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为第一类贝塞尔函数。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392023/1/3合肥工业大学生物医学工程系402022/12/27合肥工业大学生物医学工程系4040当ro/λ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/λ很大时，超声波就集中成一束，并以θc角扩散。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系41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度当ro/λ的比值增加时，波束主瓣的变窄，且出现较小的旁瓣。主41可见，半径ro越大，半扩散角θc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θc应小于3.5o,对于声束的扩散可采用聚焦的方法来解决。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系42可见，半径ro越大，半扩散角θc越小，超声声束性越好，方向性422023/1/3合肥工业大学生物医学工程系432022/12/27合肥工业大学生物医学工程系4343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2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系44简单物理聚焦4.2.3超声波束的聚焦超声波集聚的方法：2022/12/27合肥工业大学生物医学44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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系45通过多元换能器的相控聚焦2022/12/27合肥工业大学生452023/1/3合肥工业大学生物医学工程系46为什么要聚焦，聚焦和成像的关系？2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系46为什么要464.3超声脉冲回波成像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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系474.3超声脉冲回波成像系统超声诊断主要应用超声的良好指向性和47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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系48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484.3.1超声脉冲回波成像原理⑴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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系49接收电路显示器发射电路传感器T/R开关4.3.1超声脉冲回波成像原理⑴超声脉冲回波成像法：就是把高49

超声脉冲回波测量物体探头物体超声脉冲回波测量物体探头物体50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2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系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51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？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52（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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系53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。（2）影响超声成像的因素聚焦性能2022/12/27合肥工业53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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系54超声频率和带宽2022/12/27合肥工业大学生物医学工程54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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系55其他因素2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系5555⑶超声回波成像的工作参数①超声频率：f越高，分辨率高，衰减增加，探测深度减小。②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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系56⑶超声回波成像的工作参数2022/12/27合肥工业大学生56③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：2～4KHz④最大探测距离Dmax＝CT/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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系57③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257⑤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τ。⑥最小探测深度：Dmin＝cτ/2盲区：D<Dmin为了缩短盲区，只有减小τ，但又使超声能量减小，影响灵敏度。通常在适当缩小τ时，提高fpr

，使能量不至于减小，但Dmax减小。最小深度还要考虑声场的近场造成的影响。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系58⑤脉冲宽度和占空比2022/12/27合肥工业大学生物医学584.3.2超声脉冲回波成像系统1928年，R.W.Wood等人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波诊断疾病的先例，将工业无损伤检测用的超声脉冲回波技术，即类似于现代雷达或声纳的回波测距技术，移用到医院诊断方面，也就是A型超声仪器，开创了超声显像诊断的历史。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系594.3.2超声脉冲回波成像系统1928年，R.W.Wood等59

四十年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形。五十年代，超声心动图仪，即M型仪器取代了A型超声仪器，它可对心脏瓣膜的运动规律作连续的动态描记。在此基础上，又出现了手动扫描二维断层成像仪，这为发明自动扫描二维断层成像仪即B型超声仪器打下了基础。其间，还有人提出将超声多普勒效应用于医学临床诊断。六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期，出现了机械直线扫描、机械扇形扫描、电子直线扫描及电子扇形扫描等仪器，并且超声CT的研究工作开始进行，A型超声仪器也逐渐被淘汰。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系60四十年代末，超声医学作为一门学科已初60四十年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形;五十年代，超声心动图仪，即M型仪器取代了A型超声仪器，它可对心脏瓣膜的运动规律作连续的动态描记。六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期，并且超声CT的研究工作开始进行，A型超声仪器也逐渐被淘汰。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系61四十年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形;2022/12/61八十年代，随着微型计算机研究与应用的飞速发展，超声智能化的步伐加快。另外，将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合，还产生了双功能超声诊断仪。进入九十年代，彩色B超诞生，它可以在显示动态心脏黑白图像的同时，显示动态多普勒血流的彩色图像在心脏内的分布。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系62八十年代，随着微型计算机研究与应用的飞速发展，超声智能化的步62医学超声波诊断仪分类A型超声波诊断仪(Amplitudemode)M型超声波诊断仪(Motiontype)B型超声波断层显像仪(Brightnessmode)超声多普勒血流仪、成像仪与彩超超声三维成像系统（超声CT）

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系63医学超声波诊断仪分类A型超声波诊断仪(Amplitudem632023/1/3合肥工业大学生物医学工程系642022/12/27合肥工业大学生物医学工程系6464（1）A型超声波诊断仪Ａ型超声诊断仪：将产生超声脉冲的换能器置于人体表面某一点上，声束射入体内，由组织界面返回的信号幅值，显示于屏幕上。显示器：X轴：表示超声波的传播时间Y轴：表示回波脉冲的幅度（amplitude）故称Ａ型。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系65（1）A型超声波诊断仪Ａ型超声诊断仪：将产生超声脉冲的换能65

A超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确。但A超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被M超和B超取代。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系66A超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼66A型超声仪器工作原理方框图

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系67A型超声仪器工作原理方框图2022/12/27合肥工业大学67（2）B型超声波断层显像仪自从1967年首次出现至今，因其诊断功能强、技术先进，B超已经成为临床中最常规和重要的诊断仪器。而B超显示的正是探头移动线和声束方向构成的平面上人体组织的二维断层图像，即超声影像图。显示器：X轴：换能器的位置信号Y轴：回波信号的时间Z轴：回波信号的亮度调制2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系68（2）B型超声波断层显像仪自从1967年首次出现至今，因其诊68超声影像图

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系69肾脏的B超图像超声影像图2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系692023/1/3合肥工业大学生物医学工程系70探头接收放大高压脉冲TGCAD滤波波束形成电路（beamform）处理器T/R转换开关显示器数据传输数字化医学超声成像系统结构图2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系70探头接收702023/1/3合肥工业大学生物医学工程系71其中TGC即时间增益控制电路、波束形成电路和T/R转换电路是医学超声成像设备所共有的。TGC的作用是消除衰减对成像的影响，对远处的较弱的回波信号放大倍数较高，而近处较强的回波信号则采用较低的放大倍数，使得远处和近处图像亮度一致。

波束形成电路是将接收到的回波信号转变为声学图像，即完成超声成像的过程，是超声成像设备的核心。T/R转换电路是实现系统发射和接收过程的转换，防止高压的发射信号对接收电路造成损坏。2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系71712023/1/3合肥工业大学生物医学工程系722022/12/27合肥工业大学生物医学工程系72722023/1/3合肥工业大学生物医学工程系732022/12/27合肥工业大学生物医学工程系73732023/1/3合肥工业大学生物医学工程系742022/12/27合肥工业大学生物医学工程系7474按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系75

1.手动直线扫描

由医务人员掌握探头的移动方向，探头的直线移动导致显示器在X方向上出现与之对应的光点，Y轴仍为深度轴，回波幅度由图像辉度表示。图像就是探头移动所经过直线方向上的二维切面图，但只能用于观察静止的脏器（如肝脏等），此种仪器现已淘汰。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，75

2.机械扫描

机械扫描是由电机带动探头作直线移动、往复摆动或旋转，从而产生机械直线扫描、机械扇形扫描和机械圆形扫描三种扫描图像。其中，直线扫描多用于腹部疾病诊断；扇形扫描适用于心脏和腹部；圆形扫描时，将探头置于人体体腔（如食道、胃肠、阴道及泌尿道等）或血管内，从而获得某个腔道的圆周扫描断层图像。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系762.机械扫描2022/12/27合肥工业大学生物医学工程763.电子直线扫描与机械扫描不同，电子扫描仪的探头是由许多小换能器（小探头）排列而成，每个小探头称为阵元，各阵元的距离相等。用电子开关按一定时序激励各阵元组发射与接收超声脉冲，回波信号经处理后，到达显示器进行辉度调制，扫描过程中探头静止不动，而超声波束的发射与接收是沿一定方向匀速移动的，移动线和声束方向构成的断面就是所得图像。在探头长度一定的情况下，图像的质量主要决定于阵元的数量。阵元的数量越多，垂直扫描线就越多，图像就越清晰，有的探头可包括256个小探头。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系773.电子直线扫描2022/12/27合肥工业大学生物医学772023/1/3合肥工业大学生物医学工程系78电子直线扫描

电子直线扫描原理框图

2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系78电子直线784.电子扇形扫描（电子相控阵扇形扫描）如果对探头各阵元加上依次延迟一定时间的激励脉冲，则各阵元所产生的脉冲也相应延迟，这样，总的叠加波束方向出现相位改变而产生扇形图像。此种探头体积小，无噪声和振动，寿命比较长，但价格相对较高。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系794.电子扇形扫描2022/12/27合肥工业大学生物医学79为了提高检测功能和图像质量，B超中应用了许多先进的技术。应用数字图像技术，可以随时冻结超声断层图像并进行观察、分析、测量及拍照等，还可以将有意义的图像存储下来；应用数字扫描技术，可以使用电视监视器显示图像与文字；采用电子聚焦、声聚焦和动态聚焦可变孔技术，能使图像分辨率提高，可达到2mm。总之，通过B超的图像能较清晰地观察到人体多种器官的动态变化，是心脏、腹部器官、妇产科临床诊断的首选辅助工具。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系80为了提高检测功能和图像质量，B超中应80（3）M型超声波诊断仪M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还在使用，目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用于观察心脏瓣膜的活动情况。M超与A超有共同之处，即都是利用探头向人体发射超声脉冲并接收反射脉冲。不同的是M超的发射波和回波信号加到了示波器的栅极或阴极。信号的强弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱，反映到荧光屏上就是光点的明暗，即辉度调制。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系81（3）M型超声波诊断仪M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉81荧光屏上光点在垂直方向的距离表示探测深度，在水平方向的移动表示时间的进行，光点的亮度表示回波信号的强弱。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系82荧光屏上光点2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系822023/1/3合肥工业大学生物医学工程系832022/12/27合肥工业大学生物医学工程系8383 M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒张时，其各层组织的界面与固定放置于人体表面的探头之间的距离随时改变，导致光点随之移动，在水平扫描电压下，光点水平展开，描绘出各层组织结构的活动曲线图，因此也叫超声心动图，它能显示心脏各部分结构的活动情况、动态变化、心室排血量以及可以得出室间隔、动脉等结构的定量数据等，是临床心脏疾病诊断中比较准确实用的工具。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系84 M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒张时，其各层组84

微机控制的超声心动图仪与B超和多普勒血流仪三者合一的多功能的超声诊断仪，采用了数字扫描变换技术，即利用标准电视光栅扫描格式显示信号。使用此仪器一般先用B超和多普勒仪定位，然后用M超将图像“冻结”在一个需要的位置上，用仪器中的测量光标或微机自动测量功能获得各种参数。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系85

扇形扫描多功能诊断仪的B型与M型的同屏幕显示微机控制的超声心动图仪与B超和多普勒血流仪三者合一854.4超声多普勒成像与彩超4.4.1超声多普勒(Doppler)现象当声源、接收器和介质之间存在相对运动时，接收器收到超声频率和声源的原有频率之间有一定的差异，其变化的频移称为多普勒频移，这种现象称为多普勒效应。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系864.4超声多普勒成像与彩超4.4.1超声多普勒(Doppl86多普勒效应的公式：设声源与接收器的相对运动发生在两者连线上声源的频率：fs

波长：λ

周期：T声源相对于介质的运动速度：Vs接收器相对于介质的运动速度：VR超声在介质中传播的速度：c接收器接收到的声音频率为：fR合肥工业大学生物医学工程系87接收器声源VsVR多普勒效应的公式：合肥工业大学生物医学工程系87接收器声源87从式中可以看到，多普勒频偏与物体运动的速度成正比，如果用电子学的方法检测出多普勒频偏，就能够得出运动器官或血流的运动速度，而超声多普勒频偏的正负可以反映出运动的方向。所以利用由运动结构反射回来的超声波束的多普勒频移来提供人体器官或物体（如心脏壁和血液）的运动速度信息的超声多普勒方法已被广泛应用于人体运动结构的临床诊断中，并且具有相当高的诊断价值。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系88从式中可以看到，多普勒频偏与物体运动的速度成正比，如果用电子884.4.2多普勒效应测量血流通常在医学超声诊断中，发射器和接收器均静止不动，实际工作中主要是介质在运动。我们可以按两次多普勒频移来分析。①第一次多普勒频移：超声波入射到达血管内的血液颗粒时，由于超声接收器的血液颗粒运动，相当于声源静止，接收器运动。则2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系894.4.2多普勒效应测量血流通常在医学超声诊断中，发射器和接89②第二次多普勒频移：当血液颗粒散射的超声波返回到接收器时，由于作为散射体的血液颗粒相当于超声源，且是运动的。于是出现第二次多普勒频移。相当于声源运动，接收器静止。则2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系90②第二次多普勒频移：当血液颗粒散射的超声波返回到接收器时，由90故多普勒频移：又因c>>V，则2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系91已知接收信号的频移可知道血流的速度和方向故多普勒频移：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程914.4.3多普勒血流信号处理2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系92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4.4.3多普勒血流信号处理2022/12/27合肥工业大922023/1/3合肥工业大学生物医学工程系9390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。2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系9390度相93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。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系94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多普勒血流测量模式有两种：连续波模式和脉94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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系95脉冲波模式是发射脉冲的超声波。脉冲超声多普勒952023/1/3合肥工业大学生物医学工程系96脉冲超声多普勒血流仪框图2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系96脉冲96

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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系974.4.5彩超多功能超声诊断仪一般具有B型、M型及多普勒三种功97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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系98血流的彩色多普勒显示方法：2022/12/27合肥工业大学98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2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系99流速离散度表示：2022/12/27合肥工业大学生物医学工99

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。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系100超声多普勒血管截面成像由于脉冲超声多普勒血流仪可以得到不同深度的信息，因1002023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1012022/12/27合肥工业大学生物医学工程系1011014.5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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1024.5.1超声CT

4.5其他超声设备在医学临床影像诊断102超声计算机断层成像

机械扫描系统框图2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系103超声计算机断层成像

机械扫描系统框图2022/12/27合肥1034.5.2超声骨密度仪2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系104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、成本低的优点。随着我国人口老龄化的到来，骨质疏松症患者逐年上升，并有年轻化的趋势。宽带超声衰减(BUA)和超声速度（SOS）是QUS的两种参数，它们通常利用超声透射技术获得。4.5.2超声骨密度仪2022/12/27合肥工业大学生1042023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1052022/12/27合肥工业大学生物医学工程系105105

超声骨密度测量系统结构图医学超声仪器课件106

穿过骨的超声时域信号，为仅穿过水的超声时域信号；和为相应的频率函数，f为超声中心频率；和分别为发射和接收探头的频率函数；U(f)是输入发射探头的激励信号。H(f)是超声波在骨中的传递函数。从而有如下关系：(1)BUA(1)BUA107

衰减量与频率成线性关系，斜率正是BUA。骨钙密度越大，信号在同频率下的衰减量就越大，相应的斜率BUA就越大。骨质疏松症症患者，因骨钙密度小，故斜率BUA就小。其中C为与超声透射幅度有关的常数。医学超声仪器课件108（2）SOS

设没有骨样本时，超声透过水的传播时间为

。不改变两探头位置，在两探头间放置被测骨样本，如图1所示，测得两探头之间的超声传播时间为

。则可知超声在设超声波在水中的传播速度为

，超声波在骨样本中的传播速度为

。设被测物体的宽度为d，可得：2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系109（2）SOS设没有骨样本时，超声透过水的传播时1092023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1102022/12/27合肥工业大学生物医学工程系1101104.5.3三维超声成像2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系111三维成像是由多个二维图像进行图像组合，配准而合成三维图像。现有三维成像，成像速度慢，质量差。4.5.3三维超声成像2022/12/27合肥工业大学生111

今后三维超声成像仪的发展有着十分广阔的发展前景。在进一步提高计算机微处理器的运算速度后，可以使动态三维图像准实时显示并能显示体内器官的实时剖切图像（四维超声成像）。另外，如果在提高成像装置质量和改进操作方法的基础上，还可获得几乎能与光学内窥镜相媲美的动态三维图像。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系112今后三维超声成像仪的发展有着十分广阔112THANKYOU！本章到此结束，谢谢您的光临！2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系113返回本章首页结束放映THANKYOU！本章到此结束，2022/12/27合肥工1132023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1142022/12/27合肥工业大学生物医学工程系1114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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系115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1154.1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2×104～3×108

Hz）在医学中应用的超声波一般在0.2MHz～15MHz。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1164.1超声波的物理基础1、超声波的基本概念2022/12/2116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，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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系117超声波的特点：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程117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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系118电声转换容易且能量大2022/12/27合肥工业大学生物医118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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系119超声波的分类：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程1192、超声的物理量①声速c,频率f,波长λc=fλ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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1202、超声的物理量2022/12/27合肥工业大学生物医学工1202023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1212022/12/27合肥工业大学生物医学工程系8121f、λ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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系122f、λ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122②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：P<P02023/1/3合肥工业大学生物医学工程系123②声压2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系10123声压：由于声波作用而产生的压强叫“声压”。瞬时声压P与静压强P0的差。（当空气中有声波传播时该点的压强与没有声音传播时的压强之差叫做该点的声压。

）声压是变化的，若声源作周期性振动，声压也随之周期性变化。通常用幅值Pm表示：其中A：振幅ω：角频率ρ：介质密度c：声速

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系124声压：由于声波作用而产生的压强叫“声压”。2022/12/2124③声强：指超声在传播的过程中，垂直于超声传播方向上截面的单位面积在单位时间内通过的超声能量。声强与声压的关系：2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系125③声强：2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系12125④声阻抗表征声振动在介质中传播时要受到的阻碍，发生传播损耗。若不考虑发射波时：Z＝ρc人体正常组织的声阻抗的平均值：

1.5×106瑞利2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系126④声阻抗2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系131263、超声波在介质中的传播特性2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1273、超声波在介质中的传播特性2022/12/27合肥工业大学127⑴超声波的反射①声压反射系数：当超声以θ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，声压发射系数为

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系128⑴超声波的反射2022/12/27合肥工业大学生物医学工程128②声强反射系数：当超声以θ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，声强发射系数为

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系129②声强反射系数：当超声以θ角投射到两种不同声阻抗的介质界面时129可见，若Z2＝Z1，无发射波，当Z1，Z2不同时，声阻抗差别越大。在气体与固体或气体与液体的交界面上，无论是Z2>>Z1，还是Z2<<Z1（例如：Z水＝1.492瑞利，Z气＝0.00428瑞利），则ri＝99％。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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系130可见，若Z2＝Z1，无发射波，当Z1，Z2不同时，声阻抗差1302023/1/3合肥工业大学生物医学工程系131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0.03

2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系18常见组织131⑵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15～20o。即当入射角大于15～20o时，超声波在介质分界面上全部反射。 由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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系132⑵超声波的折射2022/12/27合肥工业大学生物医学工程132⑶超声波的透射①声压透射系数：当超声以θ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

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系133⑶超声波的透射2022/12/27合肥工业大学生物医学工程133②声强透射系数：当超声以θ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

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系134②声强透射系数：当超声以θ角投射到两种不同声阻抗的介质界面时134（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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系135传感器d（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135

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)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136常见组织平均衰减系数：软组织1.35~1.68dB/(MHz.cm)

水

0.002dB/(MHz.cm)颅骨

20dB/(MHz.cm)血液0.18dB/(MHz.cm)空气10

dB/(MHz.cm)肝脏0.04dB/(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。

常见组织平均衰减系数：137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。衰减的原因：138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。衰减对超声成像的影响：139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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系140超声物理特性是超声在医学中运用的基础。如超声成1404.2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2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1414.2.1超声探头4.2超声的发射与接收压电效应2022/12/27合肥工业1412023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1422022/12/27合肥工业大学生物医学工程系29142医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.2MHz~15MHz，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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系143

B超换能器外形图医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.2MHz~15MHz，1432023/1/3合肥工业大学生物医学工程系144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2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系31主体壳体144一个探头内可以安装1个压电晶片（例如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。

2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系145一个探头内可以安装1个压电晶片（例如A型和M型超声诊断探头）1454.2.2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】2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1464.2.2超声场的特性2022/12/27合肥工业大学生1461、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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1471、点声源的超声场2022/12/27合肥工业大学生物医学1472、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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系148圆形单晶片发射的超声场是什么？2、圆形单晶片振源的超声场2022/12/27合肥工业大学1482023/1/3合肥工业大学生物医学工程系149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？2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系36单晶体的149①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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系150①近场(Fresnel区)2022/12/27合肥工业大学150②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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系151主声束的扩散角②远场(Fraubofer区)2022/12/27合肥工业大151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：2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系152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为第一类贝塞尔函数。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1522023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1532022/12/27合肥工业大学生物医学工程系40153当ro/λ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/λ很大时，超声波就集中成一束，并以θc角扩散。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系154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度当ro/λ的比值增加时，波束主瓣的变窄，且出现较小的旁瓣。主154可见，半径ro越大，半扩散角θc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θc应小于3.5o,对于声束的扩散可采用聚焦的方法来解决。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系155可见，半径ro越大，半扩散角θc越小，超声声束性越好，方向性1552023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1562022/12/27合肥工业大学生物医学工程系43156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2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系157简单物理聚焦4.2.3超声波束的聚焦超声波集聚的方法：2022/12/27合肥工业大学生物医学157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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系158通过多元换能器的相控聚焦2022/12/27合肥工业大学生1582023/1/3合肥工业大学生物医学工程系159为什么要聚焦，聚焦和成像的关系？2022/12/27合肥工业大学生物医学工程系46为什么要1594.3超声脉冲回波成像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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系1604.3超声脉冲回波成像系统超声诊断主要应用超声的良好指向性和160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。2023/1/3合肥工业大学生物医学工程系161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1614.3.1超声脉冲回