一B型超声诊断仪器原理调试与维修讲课课件

一B型超声诊断仪器原理调试与维修第一页三、各种成象技术特点比较。信息载体成象仪器获取信息应用条件分辨力定量伤害超声波B型超声切面弹性象无骨,气的软组织2mm定性无D型超声切面速度象无骨,气的软组织2mm定性无UCT切面声衰象无骨,气的软组织2mm定性无X射线常规X机投影密度象骨、造影的脏器<1mm定性有X-CT切面密度象不限1mm定量有Y射线常规Y机投影功能象有血液循环组织5mm定量有ECT切面功能象有血液循环组织5mm定量有红外线热图仪表面温度象不限定性无电磁场NMR切面氢原象不限<1mm定量无绪论第二页四、超声成象与其它技术比较的结论。·各种成象技术的关系：各有所长——特异敏感症。各有所短——不敏感症，甚至盲区，临床应用需要相互弥补，取长补短，不能完全互代。·超声成象技术之短长：特点：弹性信息象（B型），速度信息象（D型）。优点：安全、无损、方便、实时、价廉、应用面广，软组织鉴别力强。缺点：有盲区，分辨力不太高。最宜：用于大规模普查。绪论第三页五、超声技术发展史：19世纪末，20世纪初，相继发现正、负压电效应。1912年，英国TITANIC号客轮撞冰山沉没，数千人丧生，酿惊世惨案。1914-1918年，第一次世界大战，德国潜艇猖狂，盟国损失惨重。·1921年，声呐（SoundNavigationandRanging,简称SONAR）用于探测水下潜艇。1928年，出现超声金属探伤技术，频率达MHz级，波长仅mm级。使声波方向性好，探测精确。40年代，探伤技术用于医学，制成A型超声诊断仪。50年代，相继制成M型超声心动图仪，连续波超声多普勒诊断仪。压电陶瓷换能器开始应用。绪论第四页60年代，超声技术日益完善，1967年制成实时B型超声成象仪。70年代，大规模集成电路、微型计算机技术的发展促进了超声技术的发展。特别是B型超声成象，DSC和DSP的出现，使之达到功能强、自动化程度高、图象质量好的新水平。80年代，持续发展。1980年，美国临床超声成象仪数量超过X射线机，结束X射线机统治图像诊断近百年历史。宣称进入“医学超声年”。双功超声诊断仪、彩色超声血流图仪、介入式超声、全数字电脑超声显象、超声三维成象等相断推出。90年代，探头技术、数字处理技术日益成熟，超声成象向多样化发展。高端机型功能强大、图像清晰；低端机型结构小巧，操作方便，价格低廉。绪论第五页六、中国超声技术发展史。1958年，A型超声诊断仪在上海诞生。1959～1961年，简单的超声多普勒仪、超声显像仪和超声心动图仪也在上海相断研制成功。60年代中～70年代中，因“文革”停滞。70年代中后期，M型超声诊断仪、连续波多普勒超声诊断仪、电子线阵式、电子相控阵式、机械扇扫式B型超声诊断仪相继制成。80年代，开放引进使技术快速发展，双功超声诊断仪、彩色超声血流图仪等相断制成。同时，中、低档机型产销增长迅速。90年代，中外合资、外商独资企业大量涌现，产品紧跟世界先进水平。绪论第六页超声的医学应用诊断影像类A型(Amplitude)B型(Brightness)C型(CrossSection)D型(Doppler)M型(Motion)F型(Flexible)T型(Tomography)诊断其它类胎儿监护骨密度测量治疗超声雾化超声清洗超声碎石超声手术超声理疗超声刀第七页第八页超声诊断仪数字黑白超声数字彩色超声第九页超声诊断仪翻盖便携式电子凸阵全数字便携式超声第十页超声诊断仪全数字便携式超声胃肠彩色超声仪器第十一页超声诊断仪彩色经颅多普勒第十二页超声诊断仪第十三页超声治疗仪第十四页超声治疗仪返回目录第十五页超声的成像特点(1)超声波为非电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无伤害，可经常性地反复使用。(2)超声波对软组织的鉴别力较高，在对软组织疾患诊断时具有优势。(3)超声成像仪器使用方便、价格便宜。第十六页超声影像第十七页超声影像第十八页超声影像第十九页超声影像第二十页超声影像第二十一页超声影像第二十二页超声影像第二十三页目前的发展趋势1组织鉴别生物组织是由脂肪、蛋白质、水等多种成分组成的复杂介质，其超声特性也很复杂，表现多样。新型的声参数成像主要有三类：弹性成像声传播参数成像声的非线性参数成像。

非线性声参数成像也一直比较引人注意。在外力声泵的作用下，组织的微结构将发生改变，据此获得的非线性参数Ｂ/Ａ、相移参数Ｎ′等，均已证明与组织的硬度、组织的纤维化以及肿瘤的性质有直接的关系。利用它们进行成像，必然有独特的性能。

第二十四页目前的发展趋势2.超声图像在高分辨率和高速成像利用信号处理技术使小肿瘤能早期发现；利用相干成像技术，通过声束成形和相位矫正获得优质的图像；多道、多束或多频技术的应用，可分别提高图像的分辨力，提高帧频或抑制旁瓣；两维阵列超声探头的应用，不仅可以实现超声的两维聚焦以提高图像的质量，而且可以用于实时的三维成像；高频高分辨力探头使血管腔内超声应用得到发展及超声衍射伪像的校正等。

第二十五页1)相干图像技术回波信息中含有振幅和相位的信息，通常使用的超声成像技术只利用了振幅的信息，而丢失了相位的信息。高技术的超声仪器则应用了相位的信息。要利用接收波束的相位信息，必须保证波束的相干性，采用专门的方法校正波束间的相干性，使同一目标在不同波束中的相位是一致的。依靠波束的相干性，可以用不同的线性迭加得到不同的组合波束。它们都可达到提高空间分辨力的效果。同时每次激发可以产生两条组合波束，因此时间分辨力也提高1倍。第二十六页2）数字波束形成器数字波束形成器的关键在于:(1)将发射聚焦，接收聚焦的延迟线数字化，并将周围硬件设计成专用集成电路。(2)时间型迭加聚焦比常规的模拟延迟迭加聚焦更为准确。这就要求发射电路使用特殊的函数激励。其他的数字波束也有相应的优越性，如PZT零阶Bessell十环阵非衍射探头就可以实现全程聚焦。它可以克服多焦区迭加成像所带来的帧频降低(即时间分辨力降低)的缺点。但波束的旁瓣比较大，为克服该缺陷，则采用非对称波束激励，并将接收回波波束用电子学方法旋转90°，可以有效减弱旁瓣的效应。第二十七页3)超声探头工艺的改进超声探头向着高密集、小曲率、高频率和两维等方面发展，微电子的工艺是其中的关键。高密集的探头阵元数达256个。高频率的探头包括：50ＭＨｚ的多普勒探头45ＭＨｚ的血管内成像探头和100～200ＭＨｚ的皮肤成像探头等。两维的探头，其目前的阵元数为128×8。第二十八页4)腔内和血管内超声成像体表超声诊断已有将近50年的历史，介入性的超声技术虽仅为20年，在临床却已不断推广。如利用超声内窥镜检查消化道的疾病，可以发现消化道壁后的病变(这是光学纤维内窥镜所无法看到的)。又如心血管腔内的超声成像，利用导管将超声换能器插入血管，定性、定量分析管壁斑块，鉴别管内血栓。由于深入器官，可以采用高频率的超声显像，从而获得高的图像分辨率。它们和体表超声成像系统相比，主要区别在于采用特殊的超声探头，即小型化，甚至微型化的探头，其中微马达技术是个关键。

第二十九页目前的发展趋势3.流速测量技术的改进这部分包括血流两维速度矢量场和血流向量的测量，血流流线在Ｂ型超声中的混合显示；利用窄带自相关方法跟踪斑纹噪声测量血流流速，测量结果较为准确；用宽带声束，相关处理可以改善空间的定位；应用抗迭混方法提高脉冲多普勒技术测量血流速度的上限；通过对功率谱的自动识别，诊断血管疾病如血栓等；血流彩色编码成像有速度型，加速度型，和功率型等，功率型与谐波多普勒的结合，可以提高血流的测量灵敏度，摆脱测量对角度的依赖，提高对低速血流的测量能力。第三十页4.一些新的领域1)高频超声成像技术高频超声成像技术的应用将大大提高图像的分辨力。常规Ｂ型超声成像技术其超声工作频率在2～10ＭＨｚ，目前研究并开始临床应用的血管内超声成像技术，其工作频率高达20～40ＭＨｚ，而40ＭＨｚ～100ＭＨｚ的超声成像才被称为高频超声或超声后散射显微镜(ＵＢＭ)，可以用在皮肤的成像，以及眼部、软骨、管状动脉内的成像等等。人体内脏器官的症状往往在浅表皮层得到表现，这就加大了超声皮肤成像的应用价值。

第三十一页2)超声造影剂的研究和应用超声造影剂从物理形态上可以分为:(1)含有自由气泡的液体。(2)含有包膜气泡的液体。(3)含有悬浮颗粒的胶状体。(4)乳剂。(5)水溶液。由于造影剂的散射截面要比同样大小的固体粒子大几个数量级，可以使背向散射的信号大大增强。造影剂的这种作用，可以突出感兴趣区域的图像，改善图像的信噪比，从而便于医学诊断。血液中存在造影剂后，人体中小血管的血流可以得到显示。由于正常组织和肿瘤对某种造影剂的反应存在差异，利用造影剂可以提高对肿瘤的检出率。早期曾用的含自由气泡的液体，例如含ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等现在已经淘汰，这是由于气泡的稳定性不够。目前研究者趋于采用有稳定包膜气泡的液体。研究气泡更稳定，大小可控制，对人体无害，易排出，且有良好造影作用的超声造影剂，是这方面研究的一个重要方向。

第三十二页3)超声治疗(1)超声热疗是个有发展前途的领域，聚焦的超声把能量集中在肿瘤区域，加上肿瘤区域散热不良从而导致热量的积累，可以达到杀死肿瘤细胞的目的。但关键是要解决好活体的无损温度测量技术。(2)超声外科手术是超声治疗的重要形式，它主要利用超声空化和强烈的机械效应来切断、破坏生物组织。用超声手术刀进行外科手术，可以快速、准确而又省力地切割组织，具有止血、无感染等优点，而且刀头的温度并不高。(3)超声可以引导穿刺进行活检、引流，也可以进行治疗。例如超声引导下对肿瘤的介入治疗，直接注入药物，以治疗肿瘤。

第三十三页4)虚拟现实技术在超声中应用利用现有的Ｂ型超声成像设备获得数据，经过三维数字成像技术实现超声的虚拟探查(左转、右转、上下反转等)，例如乳腺肿瘤的三维重建和虚拟显示，可以作为手术方案的技术支持；骨关节的三维重建和虚拟显示，可以作为康复方案的技术支持。这方面的研究也会进一步深入。

第三十四页5)计算机化的超声成像技术目前已成功应用的方面有:计算机的声束控制技术，以PC机为平台构成的超声扫描仪(超声诊断仪)，PACS和超声的远程技术，包括超声数据(图像)的远程传输和远程控制超声扫描等｡计算机技术与超声图像的最新结合是采用开放结构设计，在计算机平台上产生高质量的图像，让用户使用时感到十分方便；系统的核心是计算机，系统的控制功能由屏上的游标或手触摸屏选择，有多种语言可供选择；系统与DICOM、PACS、和其他remotescanning系统相兼容｡可以预见，计算机化超声成像这个趋势将越来越深入和广泛｡第三十五页目前的发展趋势5.一些基础性研究这方面的研究包括:超声散射元的信号仿真，利用血液动力学中的一些现象总结成一些近似方法，例如动量守恒法、近似等速表面积法计算血流流量，仿真和测量血管中的湍流、涡流及其频谱特征等。总之，可以预见未来，医学超声将会继续有较大的发展，并在医学临床诊断领域发挥越来越大的作用。

第三十六页一、超声波的定义及特征:超声波的定义：超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中的传播；频率在16-20000赫（Herz）的声波人耳可以听到称为可闻声波；频率高于20000赫的声波，人耳听不到称为超声波。超声波和声波一样，也是一种机械波。超声波亦有纵波和横波之分。超声波与普通声波特性相比：1、频率高、波长短2、由超声波所引起的媒质微粒的振动即使振幅小，但加速度大，可产生很大的力量。第一章:超声诊断的声学基础第三十七页超声换能器压电效应PiezoelectricEffect逆压电效应ConversePiezoelectricEffect第三十八页超声波治疗探头第三十九页工业用超声波探头

第四十页压电陶瓷片第四十一页诊断用B型超声波探头第四十二页第四十三页基本概念换能器——是把一种能量转化为另一种能量的设备，我们主要讨论声换能器，即把电能转换为机械能或声能，或者相反。产生超声波的装置分为两类：机械方式电气方式第四十四页1.压电效应PiezoelectricEffect1880年法国物理学家居里兄弟(PaulJacquis和PierreCurie)首先发现结晶物质具有压电现象(Piezoelectricity)。1881年李普曼(G.Lipmann)根据热力学概念预言压电现象是可逆的，同年居里兄弟证实了压电效应的可逆性，即逆压电现象第四十五页第四十六页压电体未收外力时，两侧不带电荷压电体受到压缩力两侧带电荷压电体受到拉力两侧带电荷（与B相反）第四十七页正压电效应（directpiezoelectriceffect)在某些晶体的一定方向上，受到应力（拉力或压力）而形变时，在晶体的两个受力界面上，引起内部介质正负电荷中心相对位移，从而产生符号相反的束缚电荷，其电荷密度与所施加的外力成正比例，这种由于机械力的作用而激起电介质晶体表面电荷的效应，称为正压电效应（DirectPiezoelectricEffect)第四十八页压电体两侧加电场时，长度伸展压电体两侧加与（d）相反电场时，长度压缩第四十九页逆压电效应（conversepiezoelectriceffect)如果在晶体表面沿着电轴方向施加电压，则由于电场作用，引起内部电介质正负电荷中心相对位移（受到电场拉曳而分离），而这一极化位移又导致晶体的几何形变这种相反的压电效应，称为逆压电效应（conversepiezoelectriceffect)。第五十页三、超声的发生和接收的原理1、超声的发生是利用逆压电效应的原理，而超声的接收是利用正压效应的原理。超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性质的晶体片，由主机发生高频交电场，电场方向与晶体压电轴方法一致，压电晶片沿一定方向发生压缩和拉伸，当交变电流在20KHz以上时即产生超声，这种现象为逆压电效应，当有回声时，作用致电晶体片上，则晶体片上产生电荷，这种现为正压电效应。

2、超声在介质中传播的过程中，遇到不同声阻抗的界面，反射回来的声能到达压电晶片。根据正压电效应的原理，回声的机械能变为电能，主机再将其转变的电信号经过处理，放大在荧光屏上显示出来。a、当电信号显示为振幅高低不同的波型时即为A型超声诊断法。b、显示为点状回声扫描时即为M型超声诊断法。C、显示辉度不同的点状回声进而组成图象时即为B型超声诊断法。d、显示超声的多普勒（Doppler）效应所产生的差频时即为D型超声诊断法;以上也分别为超声示波、超声点状回声扫描、超声显象和超声频移等诊断法。第五十一页第一章:超声诊断的声学基础四、超声波的表示方法：质点的位移α=Asinωt质点运动速度V=ωAcosωt=Vmcosωt质点运动加速度b=-ω2Asinωt=-Bsinωt（了解质点往返运动状态）第五十二页第一章:超声诊断的声学基础五、超声波的物理量1、声速：振动状态（即位相）在单位时间内传播的距离称为波速，也称之相速。其波速为：G为媒质的切变弹性模量和杨氏弹性模量、为介质的密度。（在液体和气体中只能传播纵波）注：声波的传递过程实质上是能量的传递过程第五十三页第一章:超声诊断的声学基础2、周期和频率波的周期：一个完整波形通过介质中某固定点所需的时间叫作周期，用T表示。波的频率：单位时间内通过介质中某固定点完整波的数目叫作频率，用f表示。T=2π/ω=1/f3、波长：同一波线上相邻的位相差为2的两质点的距离。λ=Tu=u/f波长既决定于介质的性质u，也决定于波源的频率f或周期T4、声压纵波在弹性媒质内传播过程中，媒质质点的压强是随时间变化的，媒质质点的密度时疏时密，从而使平衡区的压力时强时弱，结果导致有波动时压强（Pw）与无波动时压强（Po）之间有一定额压强差（Pw-Po），这一波动压强称为声压。5、声强声强即是声音强度的简称，它代表声音能量的多少。声学中，声强是指单位时间(单位时间是指1秒钟），声音通过垂直于声音传播方向单位面积(单位面积是指1平方厘米）的声能量，它的度量单位是瓦／米2，符号W／m2

第五十四页6、声压级和声强级：（1）数量级表示法N=A/A0单位：倍称N为A相对于A0的倍数。常在已知A0时以N表示A的数量但当A>>A0时，N很大。更简明地，可表示为：LA=1gN=1g(A/A0)单位：贝尔(B)又因N＜10时，LA＜1，故常表示为：LA=101gN=101g(A/A0)单位：分贝(dB)称LA为：A相对于A0的数量级，A0为A的参考值。可见，使用数量级时，必须指出参考值的大小。A/A0125101001000100001000001g(A/A0)00.30.712345101g(A/A0)0371020304050第一章:超声诊断的声学基础第五十五页第一章:超声诊断的声学基础(2)声强级（LI）LI=101g(I/I0)分贝（dB）称LI为：I相对于I0的声强级，I0为I的参考值。（3）声压级（LP）由I=P2/ρC，I0=P02/ρC可得：LI=101g（I/I0）=101g(P2/P02)=201g(P/P0)分贝（dB）定义：LP=201g(P/P0)分贝（dB）称LP为：P相对于P0的声压级，P0为P的参考值。（4）说明：①对同一声波量，相对于同一参考声波量，恒有LI=LP；②超声诊断仪回波信号动态范围L0=101g(Iman/Imin)>100dB,即：Iman/Imin=1010(100亿)倍，或Pman/Pmin=105(10万)倍。③如未指明参考声强，默认值I0=10-16W/cm2,这是当f=1kHz时，人耳能听觉的最小声强，国际通用。第五十六页第一章:超声诊断的声学基础6、声阻抗率介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗率。声阻抗率值一般为固体>液>气体。ZS=P/v=ρC超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。第五十七页第一章:超声诊断的声学基础六、超声的传输与衰减1、波的叠加原理：在两列波重叠的区域里，任何一个质点的总位移，等于两列波分别引起的位移的矢量和。2、反射、折射与透射：凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时，产生反射与折射。成角入射，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反（图A）。垂直入射时，产生垂直反射与透射（图B）。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时，反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。

A：成角入射时反射与折射。B：垂直入射时反射与透射第五十八页第一章:超声诊断的声学基础反射系数=反射超声能量/入射超声能量声压反射系数：声压透射系数：