超声成像设备概述

超声成像设备河南大学淮河医院超声科超声成像设备概述第1页超声成像设备超声成像设备概述第2页超声成像设备超声成像设备概述第3页超声成像设备超声成像设备概述第4页超声成像设备超声成像设备概述第5页超声成像设备超声成像设备概述第6页超声成像设备超声成像设备概述第7页超声成像设备超声成像设备概述第8页超声成像设备超声成像设备概述第9页超声检验主要用途超声成像设备概述第10页超声诊疗设备发展历史1959年研制出脉冲多普勒超声（D超）。1954年创造B超诊疗仪，同年产生M超。实时二维切面灰阶超声显像仪（B型）问世是超声技术发展史上第一个里程碑。1880年发觉晶体压电效应。1917年利用压电原理进行超声探测（超声探头出现）。1942年出现首台A型超声检测仪。属于一维超声。超声成像设备概述第11页超声诊疗设备发展历史彩色血流图（CFM）问世是超声技术发展史上又一个新里程碑。它标志着超声诊疗技术从此跨入了彩超时代。1989年以后是彩超技术发展第二阶段——改进和提升阶段，在这段时间，彩超临床应用得到很大发展，成为超声医学主要阶段——彩色多普勒时代。1990年以来，进入彩超发展第三阶段———由模拟数字混合处理到全数字化处理发展阶段——即步入数字化时代。超声成像设备概述第12页超声诊疗设备发展历史1996年后，发展进入第四阶段——全数字化多功效信息化时代，形成含有综合图像形成及处理功效全数字一体化工作站。这就是“彩超”新面貌。1990年3D超声进入研究阶段1999年3D超声诊疗仪进入商品化和临床实用化阶段超声成像设备概述第13页超声成像物理基础超声波传输依赖于做高频机械振动“波源”和传输机械振动弹性介质，所以机械振动和弹性介质是超声检测物理基础。

在超声成像中，探头晶片发射时即产生超声，所以探头晶片就是波源。声波必须在介质中传输，在固体、液体、气体中均可传输，但在真空中声波是不能传输。

在超声诊疗中，人体脏器、器官都是介质。超声成像设备概述第14页超声成像物理基础超声波是在弹性介质中传输机械波。与声波和次声波在弹性介质中传输类同，区分在于超声波频率高于20kHz，而声波频率是在20HZ至20KHZ之间，次声波频率低于20HZ。次声波可闻声波

超声波

20Hz以下20Hz-20kHz

20kHz以上超声波与声波除了频率高低有别外，它们在本质上是一致，都是一个机械振动，都以一定速度经过介质。超声成像设备概述第15页超声成像物理基础超声波应用范围20～100KHz很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们猎物。100KHz（105Hz）～1MHz（106Hz）超声波最主要应用就是声呐（声音导航及测距）。

2.5MHz～5MHz用于心脏、腹部及软组织成像。这些频率能穿透组织可抵达20-15cm深度。

5～10MHZ用于对小器官成像，比如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm穿透深度。

10～30MHz用于皮肤及血管内检验，能够取得高分辨力图像。

40～100MHz用于生物显微镜成像，对眼活组织显微诊疗。超声成像设备概述第16页超声成像物理基础

医学诊疗惯用超声频率是2—10MHZ之间，对于浅表器官多采取>7MHZ,对于腹部和心脏分别采取3.5—5MHZ和2—3MHZ超声成像设备概述第17页超声成像物理基础描述超声波基本物理量声速：单位时间内，超声波在介质中传输距离称为声速，用符号“c”表示。单位为米/秒（m/s）声速是由传输介质所决定，不一样人体组织器官声速不一样，平均声速为1540米/秒，其中空气最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。频率：单位时间内质点振动次数，用符号“f”表示由探头中压电材料决定，在2～10兆赫兹范围。超声成像设备概述第18页超声成像物理基础描述超声波基本物理量波长：声波在传输时，同一波线上相邻两个同相位质点之间距离称为波长，用符号“λ”表示。超声波长与声速和频率满足以下关系式：超声成像设备概述第19页1、声速与介质关系（1）同一介质

不一样频率超声波在同一介质中传输时声速基本相同。所以用不一样频率探头检验肝脏时，声速基本相同。（2）不一样介质

同一频率超声波在不一样介质中传输声速是不一样。比如：1MHz超声波在0℃水中为1500m／s；在0℃钢材中为6000m／s；在人体软组织中平均声速为1540m／s。声速、波长与介质关系超声成像物理基础超声成像设备概述第20页声速、波长与介质关系

生物材料中超声速

横条代表试验测速度范围人体软组织声速分布在1500m/s～1680m/s之间,利用超声方法对软组织测距存在一定误差。而骨组织声速则高于2800m/s、肺组织声速大约在1200m/s以下。超声成像物理基础超声成像设备概述第21页2、波长与介质关系（1）同一介质不一样频率超声波，在同一介质内传输时其波长与频率成反比。

1MHz超声波在人体软组织中传输时，其波长为1.5mm。

3MHz超声波在人体软组织中传输时，其波长为0.5mm。

5MHz超声波在人体软组织中传输时，其波长为0.3mm，

所以频率越高超声波在同一脏器组织中传输其波长愈短。

比如：用高频率探头检验肝脏其波长也愈短。

超声成像设备概述第22页2、波长与介质关系（2）不一样介质

同一频率超声波，在不一样介质内传输，因传输声速不一样，则波长也不相同。频率为3MHz超声波在人体软组织中传输时，其波长为0．5mm，而在空气中传输，其波长为0.114mm。

所以用同一个探头检验人体不一样组织时，因为声速存在差异，所以波长也是不相同。超声成像设备概述第23页超声物理特征⒈指向性⒉反射、折射、散射和绕射⒊吸收与衰减⒋分辨力与穿透力⒌多普勒效应超声成像设备概述第24页1.超声束射性超声能量高度集中，在一个较小立体角内成束状向前传输，即超声波束射性（声束）。从声源发出超声波最近一段声束几乎平行，这段区域为近场区。远离此区后，声束向前稍有扩散，为远场区。扩散声束与平行声束间夹角叫做扩散角（θ）超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。超声成像设备概述第25页2-1.超声波反射反射超声波反射是超声成像物理基础

当声波从一个介质向另一个介质传输时，假如二者声阻抗不一样，就会在其分界面上产生反射，使一部分能量返回第一个介质。1.声阻抗(z)=介质密度(ρ)×声速(c)△Z＞0.1%即可产生反射2.声阻抗差大，反射强大界面

折射波

入射波

反射波

超声成像设备概述第26页声阻抗声阻抗是表示介质声学特征一个主要物理量。声阻抗（Z）等于介质密度（ρ）和声速（C）乘积，声Z=ρ×C。物质密度普通是固体＞液体＞气体，超声在介质中速度是固体＞液体＞气体，故声阻抗值普通也是固体＞液体＞气体。人体正常组织声阻抗骨骼最大，气体最低。声像图中各种回声显像均主要因为声阻抗差异造成。2-1.超声波反射超声成像设备概述第27页人体不一样组织声阻抗值超声成像设备概述第28页2-1.超声波反射

分界面两边声阻抗差将决定入射超声怎样在透射和反射之间分配。假如两种介质声阻抗相同，即Z1＝Z2时，称为均匀介质，则不产生反射，假如声阻抗不一样，一部分超声波被反射。和光学情况一样，反射角等于入射角。(反射系数R1)R1=(透射系数r1)公式1超声成像设备概述第29页声阻抗差异大界面反射特征

从公式1中得知，假如Z1和Z２相差很大时，不论Z1≥Z２(固体→气体)或Z1≤Z２(气体→固体)将会发生近乎全部反射而没有透射。2-1.超声波反射如在水和空气界面上，其中：

Z水＝1.492kg／m2／s，Z气=0.00428kg／m2／s

，依据公式1计算，则反射回来能量比为：R≈0.99,即99%此时入射超声能量中有99％被反射。

超声成像设备概述第30页

由此可见，超声从液体(或固体)向气体中传输几乎是不可能，反之从气体向液体(或固体)中传输也几乎不可能。为何说超声在人体诊疗中对肺组织是困难，就是因为肺组织中充满气体缘故。按一样道理，在临床诊疗时，要在探头与人体受检部位之间涂上足够超声耦合剂，以降低空气对声波传送影响。2-1.超声波反射超声成像设备概述第31页2-1.超声波反射声阻抗差异小界面反射特征

假如Z1和Z２相当靠近，则反射极少。人体组织声阻抗只要有0.1%差异，超声探头即可检测出反射波，并将其转化为电信号，经处理后在显示器上显示。但因为各种软组织声阻抗相差不大，界面反射量适中，既确保了界面反射波显像观察，又确保了声波能够穿透足够深度，所以超声波对软组织分辨力很高。超声波反射是超声成像物理基础。超声成像设备概述第32页图中水平横条代表文件中报导各种组织声阻抗范围,软组织特征阻抗都相当靠近1.5×106kgm-2s-1,所以它们密度大致都在1000kg/m3左右,声速普通为1500m/s.但肺密度及声速都低得多,而骨骼对应值侧高得多。

2-1.超声波反射超声成像设备概述第33页2-1.超声波反射界面回声反射有显著角度依赖性

入射声束垂直于界面时，回声反射强。入射声束与界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。假设垂直时回声反射强度为100%，倾斜6o时，回声强度降低至10%，倾斜12o时，回声强度降低至1%，若倾斜角度≥20o，则几乎检测不到回声反射。超声成像设备概述第34页折射

两种介质内声速不一样可产生折射现象，从而造成入射声束偏转。两种介质声速之比决定其折射程度。其间关系以下：2-2.超声波折射

式中θi为入射角，θj为折射角，C1为入射边介质中超声声速，C2为透射边介质中超声声速。超声成像设备概述第35页全内反射折射角大小取决于两种媒质声速比n=c1/c2，当c2＞c1时,则折射角j>i，当入射角由0逐步增大到某一角度ik时,将有j=90°,即折射波沿界面传输，以下列图所表示

临界角引发全内反射2-2.超声波折射超声成像设备概述第36页

全内反射而当入射角超出θik时,入射声能将全部反射到媒质1中,故θik称为”全内反射临界角”。在临床检验中,应使探头放置正确角度,以防止由”全内反射”引发图像伪差。2-2.超声波折射

临界角引发全内反射超声成像设备概述第37页超声波入射、反射和折射示意图大界面

折射波

入射波

反射波

超声成像设备概述第38页2-3.超声波散射以下页图所表示。每块面积把入射平面波作为球面子波加以散射，各子波组合起来便形成再发射超声分布。散射当碰到界面远小于波长微小粒子或一组小障碍物或者介质特征以粗糙表面形式出现时，这时将有一部分能量被散射，其散射程度决定于几何条件。超声成像设备概述第39页孤立小点不连续性所引发球面散射(b)粗糙表面上散射，散射场是各孤立球面子波合成。（a）(c)一组小颗粒引发不连续性散射，散射场为各子波合成。引发超声散射三种情况2-3.超声波散射超声成像设备概述第40页2-3.超声波散射

人体内散射源为红细胞和脏器内细微结构。当发生散射时，作为障碍物人体组织将作为新波源，向四面发射超声波，但只有朝向探头方向微弱散射信号—后散射（背向散射），才能被检测到。

红细胞背向散射是超声多普勒成像依据，脏器内细微结构是超声成像研究脏器内微小组织结构依据。

超声成像回声起源是：超声波背向散射及反射。经过反射观察脏器轮廓，经过背向散射能够了解脏器内部病变。

超声成像设备概述第41页2-4.超声波绕射

目标大小约为1～2个波长或稍小，超声波将绕过该靶目标继续前进，极少发生反射。超声成像设备概述第42页⒊超声波吸收与衰减声衰减定义：

是指声能伴随传输距离增加而减弱现象

衰减与超声传输距离和频率相关。因超声波频率很高，故衰减现象尤其显著。超声成像设备概述第43页声衰减原因：传输中反射、散射、声束扩散及组织对能量吸收（1）因为声束发散，散射及反射引发声束方向改变（2）因为“内摩擦”，超声波机械能变为热能被组织“吸收”⒊超声波吸收与衰减右图为引发超声强度衰减过程因为发散、散射或反射引发波束方向改变，使得流经某一特定面积超声波能量减小。超声成像设备概述第44页⒊超声波吸收与衰减衰减系数

衰减强弱通惯用衰减系数来表示。

不一样组织，吸收系数不一样，衰减程度不一样；相同组织，入射深度越大，衰减越大；相同组织，入射超声频率越高，衰减越大。人体软组织衰减系数与频率成正比，所以频率愈高超声波在人体组织中衰减愈大，只适用浅部器官检验。超声成像设备概述第45页⒊超声波吸收与衰减人体组织衰减程度普通规律

组织内含水分愈多，声衰减愈低液体中含蛋白成份愈多，声衰减愈高组织中含胶原蛋白和钙质愈多，声衰减愈高

即：骨（或钙化）>肌腱（或软骨）>肝脏>脂肪>血液>尿液（或胆汁）

超声成像设备概述第46页人体不一样组织声衰减比较

声衰程度极低甚低低中等高极高尿液肝肾肌腱骨不一样组织胆汁血液脂肪肌肉软骨钙化和囊液心腔瘢痕肺(含气)体液胸腹水脑声影————+/—+后方回声增强++/—————超声成像设备概述第47页⒋超声波分辨力与穿透力超声分辨力是指超声诊疗仪能够区分两个细小目标能力。分为轴向、侧向和横向三种分辨力。轴向分辨力－是指在超声声束轴线上，能分辨两点间最小纵深距离。侧向分辨力－是指垂直于超声声束轴线平面上与线阵探头长轴方向一致轴线上，能分辨相邻两点（两个病灶）间最小距离。横向分辨力－为与声束轴线垂直平面上，探头短轴方向，与侧向分辨力相垂直方向上分辨力。反应切面情况真实性。又叫厚度分辨力。超声成像设备概述第48页⒋超声波分辨力与穿透力超声成像设备概述第49页⒋超声波分辨力与穿透力穿透力

分辨力增加将以穿透力损失为代价。全部人体组织都表现出随频率增加超声衰减也增加，那么穿透力必定降低。应针对不一样部位诊疗，可选择不一样频率超声探头。

超声成像设备概述第50页⒋超声波分辨力与穿透力频率高，分辨率高，穿透差频率低，分辨率低，穿透强对应临床应用：检测浅表器官，采取高频探头检测深部脏器，采取低频探头超声成像设备概述第51页⒌多普勒效应

声源与接收体之间相对运动引发声波频率发生改变现象，称为多普勒效应。多普勒效应是超声成像仪对运动脏器及血流显像基础。超声成像设备概述第52页超声对生物组织作用超声生物效应

一定强度超声在生物体中传输时，经过它们之间一定相互作用机制（热机制、机械机制或空化机制）致使生物体系功效和结构发生改变。超声成像设备概述第53页声压

当介质中有超声波传输时，因为介质质点振动，使介质中压强交替改变。超声场中某一点在某一瞬时所含有压强P1与没有超声波存在时同一点静态压强P0之差称为该点声压，用P表示,单位为瓦（W）即

声强即声波强度，在数值上等于单位时间内垂直经过单位面积声波能量，用I表示，单位为W/cm2。超声成像设备概述第54页(1)．空化作用：所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时，会出现一个类似雾状气泡，此种现象称超声空化作用。这种现象类似日常生活中所碰到轮船推进器在产生推进力同时会溅出气泡那样。这种空化作用使超声含有强烈破坏作用。

因为生物组织大多数属软组织，所以，在超声作用下，其细微结构多少会发生形变。

在较大强度超声作用下，如超声治疗所用1W/cm2以上剂量，则生物组织会因为超声空化作用而产生不能复原破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死，这种强度剂量在超声治疗中，用以粉碎结石、血栓。在外科手术中，用更强超声来作为非侵入性手术刀。但作为超声诊疗，普通是禁止使用这种剂量。超声成像设备概述第55页(2)热作用：生物组织在超声机械能作用下，因为粘滞吸收，将一部分超声能转化为热能，使生物组织温度上升。当超声辐射到达治疗剂量强度时，热作用显著，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会伴随血液传导热能。在用超声进行治疗中得知，频率为800KHz、剂量为4w/cm2超声照射20s后，会在组织器官0.2~3cm深处产生热作用，而起到治疗效果。(高强度聚焦超声HIFU)

(3)化学作用:超声空化作用和热作用与化学作用是有机联络；化学作用是氧化和还原作用。在高剂量超声情况下，超声化学作用可破坏有机结构蛋白质.超声成像设备概述第56页超声成像物理基础超声成像特点超声波方向性好：超声波含有像光波一样定向束射特征。超声波穿透能力强：超声波在气体、液体、固体等介质中均可传输，对于大多数介质而言，它含有较强穿透能力。比如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。超声波能量高：超声检测工作频率远高于声波频率，超声波能量远大于声波能量。

超声成像设备概述第57页超声成像物理基础超声成像特点遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型转换：利用超声波在介质中传输时这些物理现象，经过巧妙设计，使超声检测工作灵活性、准确度得以大幅度提升。含有高度安全性：当严格控制声强低于安全阈值时，超声可能成为一个无损伤诊疗技术，对医务人员更是十分安全。

超声成像设备概述第58页超声探头

超声探头（ultrasonicprobe）是超声成像设备必不可少关键部位，它是将电信号改变为超声波信号，又将超声波信号变换为电信号，即含有超声发射和接收双重功效。又称超声换能器。超声成像设备概述第59页超声探头与扫查方式常规探头：扇型、线阵型、凸弧型专用探头：腔内探头（食管、直肠、阴道）术中探头穿刺探头超声成像设备概述第60页探头类型超声成像设备概述第61页超声成像设备概述第62页超声扫查方式示意图线阵型扇型凸弧型超声成像设备概述第63页超声探头及扫描图像超声成像设备概述第64页超声探头及扫描图像超声成像设备概述第65页凸弧型探头扫查凸弧型B超切面超声成像设备概述第66页扇型探头扫查扇型探头B超切面超声成像设备概述第67页线阵型探头扫查线阵型B超切面超声成像设备概述第68页超声探头探头制造原理起源于压电效应。压电效应

泛指晶体处于弹性介质中所含有一个声-电可逆特征，此现象为法国物理学者居里弟兄于1880年所发觉，故也称居里效应。超声成像设备概述第69页超声探头正压电效应

在晶体一定方向上，加上机械力使其发生形变，晶体两个受力面上，会产生符号相反电荷；形变方向相反，电荷极性随之变换，电荷密度同外施机械力成正比，这种因机械力作用而激起表面电荷效应，称为正压电效应。以下页图所表示：超声成像设备概述第70页超声探头正压电效应因机械力作用而激起表面电荷效应

超声成像设备概述第71页超声探头逆压电效应在晶体表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引发晶体几何形状发生改变；电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成百分比，这种因电场作用而诱发形变效应，称为逆压电效应。以下页图所表示：超声成像设备概述第72页超声探头逆压电效应因电场作用而诱发形变效应

超声成像设备概述第73页超声波发射与接收超声诊疗仪由探头（换能器）和主机组成超声波发射与接收均由换能器来完成发射：电讯号→换能器→超声波(逆效应)

接收：反射波→换能器→电信号(正效应)超声成像设备概述第74页超声探头压电材料超声探头关键是压电振子，采取含有压电效应压电材料制成。压电材料压电单晶体压电多晶体（压电陶瓷）石英铌酸钾钛酸钡锆钛酸铅锆酸铅偏铌酸铅偏铌酸铅钡超声成像设备概述第75页超声探头石英晶体：昂贵、加工不便、只在高频下显现优良性能。压电陶瓷电-声转换效率高、易于电路匹配、价廉、易于加工、可压制成任意形状和尺寸、性能参数可在大范围内调整等。

当前，超声探头几乎都是采取压电陶瓷材料。理由：

超声成像设备概述第76页超声探头探头基本结构

压电晶体：惯用锆钛酸铅类压电陶瓷晶体

发射和接收声波其形状决定声束形状和声场分布超声成像设备概述第77页超声探头垫衬吸声材料：1.衰减并吸收压电晶体背向发射超声能量2.要求垫衬含有较大衰减能力，并含有与压电材料靠近声阻抗超声成像设备概述第78页超声探头匹配层和保护层：1.声阻抗应靠近人体组织声阻

2.选择衰减系数低并耐磨材料超声成像设备概述第79页超声探头声学绝缘层：预防超声能量传至探头外壳引发反射，造成对信号干扰外壳：作为探头内部材料支承体，并固定电缆引线

超声成像设备概述第80页超声探头探头分类按诊疗部位分眼科探头颅脑探头腹部探头腔内探头心脏探头儿童探头超声成像设备概述第81页超声探头探头分类按波束控制方式线扫探头相控阵探头机械扇扫探头方阵探头超声成像设备概述第82页超声探头探头分类按几何形状矩形探头柱形探头弧形探头圆形探头超声成像设备概述第83页超声探头

超声探头使用注意事项切断电源后装卸防止接触有机溶剂保护透声面使用无腐蚀耦合剂禁止高温消毒

超声成像设备概述第84页超声成像设备超声成像设备分类1.按其用途分类：超声诊疗仪:向人体内发射超声波，并接收由人体组织反射回波信号，依据其所携带相关人体组织信息，加以检测、放大等处理，并显示出来，为医生提供诊疗依据。超声治疗仪：向人体内发射一定功率超声能量，利用其与生物组织相互作用产生各种效应，对有疾患组织起到治疗作用。治疗仪器不需要接收回波与处理回波，结构较为简单，功率较大。超声成像设备概述第85页超声成像设备超声成像设备分类2.以获取信息空间分类

一维信息设备如Ａ型、Ｍ型。二维信息设备如扇形扫查Ｂ型、线性扫查Ｂ型、凸阵扫查Ｂ型、C型、F型等。三维信息设备即立体超声设备。超声成像设备概述第86页超声成像设备超声成像设备分类3.按超声波形分类

连续波超声设备如连续波超声多普勒血流仪。

脉冲波超声设备如Ａ型、Ｍ型、Ｂ型超声诊疗仪