医用超声诊断与治疗仪器专家讲座

第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第1页学习目标掌握超声成像基本原理；掌握超声诊疗仪基本组成和结构；掌握B超工作原理结构组成；熟悉超声诊疗仪种类；了解三维超声成像系统基本结构和临床应用第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第2页第一节超声波物理特征医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第3页主要内容1、什么是声波和超声波2、人体组织传输超声波特征3、超声波在人体内传输参数4、超声波生物效应（安全性）医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第4页一、声波和超声波自然界有各种各样波，依据其性质基本上分为两大类：电磁波机械波电磁能量场改变在空间传输过程无线电波、可见光和X线等，都是电磁波机械波是机械振动机械力（机械能量）作用在连续弹性介质内传输过程声波、水波和地震波等都是机械波医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第5页1890年，一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国途中，突然神秘地失踪了。1948年初，一艘荷兰货船在经过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引发了科学家们普遍关注，其中不少人还对船员遇难原因进行了长久研究。1、历史事件第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第6页2、关于次声

infrasonicwave

经过重复调查，终于搞清了制造上述惨案“凶手”，是一个为人们所不很了解次声声波。

人体内脏固有振动频率和次声频率相近似（0.0001－20赫），倘若外来次声频率与人体内脏振动频率相同或相同，就会引发人体内脏"共振"，从而使人产生上面提到头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第7页在连续介质中传输弹性波，若其频率f在20

2

104Hz之间，则能使人产生声音感觉，这种波称为声波(soundwave)；若其频率在10

4

20Hz之间，则这种波称为次声波(infrasonicwave)；若其频率在2

104

5

108Hz之间，则这种波称为超声波(supersonicwave)。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第8页人能听到声音频率为20Hz～0Hz，其中最敏感频率Hz～3000Hz。老年人听觉伴随年纪而衰退，能听到频率约为50Hz～1Hz。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第9页理论上：频率越高，波长越短，超声诊疗分辨率越好。3、医学超声200kHz至40MHz之间（惯用在1MHz到10MHz，波长在1.5mm至0.15mm）频率范围第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第10页（1）频率：声源在一秒中内振动次数，记作f。单位为Hz。（3）波长：沿声波传输方向，振动一个周期所传输距离，或在波形上相位相同相邻两点间距离，记为λ，单位为m二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第11页（4）超声波传输速度：超声波每秒钟在介质中传输距离称为声速，记作c，单位为m/s。它大小由媒质性质所决定；与媒质密度和弹性模量相关。在人体软组织中传输平均声速为1540ｍ／s频率f、波长λ和声速c三者之间关系是:c=λf二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第12页介质名称声速(m/s)介质名称声速(m/s)空气(0℃)322

肾脏1560

空气(15℃)340

头颅骨3360

石蜡油1420

羊水1550

生理盐水(37℃)1532

晶状体1474

人体软组织(平均值)1540

玻璃体1641

血液1570

巩膜1532

脑组织1540

钢铁1604

肌肉1568

铝5300

脂肪1476

有机玻璃6400

肝脏1570

骨骼4620

超声波在各种介质中传输速度医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第13页P:介质中超声波压力与静压力之差.超声声场某一点单位时间内，垂直于传输方向上单位面积产生平均超声能量简称声强(用I表)声场中某一位置上声压与该处质点振动速度之比定义为声阻抗（Z)二、超声波物理特征声压声强声阻抗

超声波声场三个物理量第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第14页超声波在两种介质组成界面上反射和透射情况与两种介质声阻抗亲密相关

声阻抗是表征介质声学性质主要物理量对于一定频率平面超声声波情况下，声阻抗含有简单表示式Z=ρc

C—为声速。Ρ—为介质密度媒质越硬，C值越高，声特征阻抗越大。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第15页超声诊疗中惯用各种介质声特征阻抗表介质名称密度(g/cm3)超声纵波声速（m/s）声阻抗（×105瑞利）空气（22℃）0.00118344

水（37℃）

0.993415230.000407生理盐水（37℃）

1.00215341.513

石蜡油（33.5℃）0.83514201.186脑脊液1.00015221.522羊水1.01314741.493肝脏1.05015701.648肌肉1.07415681.684人体软组织（平均值）1.01615001.524脂肪0.95514761.410晶状体1.13616501.874颅骨1.65833605.570医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第16页人体组织骨骼和矿物化后的组织气体和充气的肺液体和软组织二、超声波物理特征因为这三类组织存在较大阻抗差异，所以超声成像诊疗只能用于那些有液体和软组织区域第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第17页5、超声波束射（定向）性人耳可感受声音是无指向性球面波，即以声源为中心呈球面向四面扩散周围均能听到声音超声波频率很高，方向性强二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第18页第一介质第二介质入射波反射波透射波介质分界面任何媒质总有一个边界，超声波在非均匀性组织内传输或从一个组织传输到另一个组织，因为两种介质声阻抗不一样（介质密度和声速不一样）形成声学界面声学界面6、超声波反射与折射二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第19页6、超声波反射与折射二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器声阻抗差越大，反射就越强，折射就越小。声阻抗差越小，折射就越强，反射就越小。医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第20页7、超声波衰减 ——超声波在介质中传输时，伴随距离增加，超声波能量逐步减弱现象。二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器扩散衰减超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关；散射衰减散射衰减与材质的晶粒密切相关；人体中的散射源是血液中的红细胞和脏器内部的细微结构；吸收衰减超声波在传播时，由于介质的吸收，将声能转化为热能，而使声能减少；黏滞吸收；弛豫吸收；相对运动吸收；空化气泡吸收；医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第21页超声波散射第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第22页二、超声波物理特征第四章医用超声诊疗与治疗仪器骨组织肌腱肝脏脂肪血液尿液超声波在人体组织中衰减程度大小医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第23页第四章医用超声诊疗与治疗仪器二、超声波物理特征8、多普勒效应 ——因为波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率改变现象叫做多普勒效应。医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第24页第四章医用超声诊疗与治疗仪器二、超声波物理特征多普勒效应(Dopplereffect)1、现象(1842年发觉)：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。2、音调：由频率决定，频率越高音调越高，频率越低音调越低。注意：频率由声源决定，实际频率并没有改变。医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第25页第四章医用超声诊疗与治疗仪器二、超声波物理特征超声多普勒仪器上换能器向人体内发射频率已知超声波，超声波被血管中血流反射后又被仪器接收，测出反射波频率改变，就能知道血流速度。这种方法能够检验心脏、血管、血液、瓣膜和胎心等活动。临床上应用多普勒效应:彩色多普勒超声诊疗系统医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第26页第四章医用超声诊疗与治疗仪器心脏瓣膜&血管超声多普勒图像医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第27页第二节超声成像基本原理医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第28页2.1医学超声成像基本原理超声成像信息主要由反射回波和散射回波所携带，一个经典超声回波应包含大界面反射回波（位置信息）与小粒子散射回波（结构信息）。当前超声诊疗仪主要使用是脉冲回波法原理；脉冲回波技术利用人体组织不均匀性而引发反射作用，经过检测脏器界面反射波，实现组织定位，并检测其特征。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第29页2.1医学超声成像基本原理(a)超声脉冲发射瞬间，显示器上光点垂直偏移。(b)超声脉冲以恒定速度经过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线。(c)当超声抵达1、2介质分界面上，一部分能量经界面反射，大部分能量经过界面继续向前传输；反射回声抵达探头，换能器将回声信号转换为电信号，并成为显示器垂直偏转板输入信号，显示器上显示回声信号脉冲；(d)由2、3介质分界面反射回声抵达探头，在显示器上显示出对应脉冲。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第30页2.1医学超声成像基本原理

超声诊疗仪器中，普通脉冲超声发射与接收是由同一换能器完成，依据发射脉冲和回波脉冲时间间隔T，计算出反射界面与换能器（声源）之间距离：

式中，c为介质中波速，生物体中除骨骼外，声速相差不大，所以在工程计算中通常取其平均值1540m/sA型超声成像波形图第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第31页第三节医用超声诊疗&治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第32页四大影像诊疗设备功能特点X线机X－CT磁共振同位素超声成像

透视拍片

无创、无电离辐射断层成像实时、动态形态、功效与定征设备价格廉价

结构形态血流测量组织定征断层结构成像

设备简单电离辐射影像重合

断层摄影电离辐射非实时

断层摄影设备昂贵非实时

断层摄影分辨力低放射性药品

断层结构代谢功效

代谢功效医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第33页

超声诊疗仪器向人体内发射超声能量，并接收人体组织反射和散射回波信号，依据其所携带相关人体信息，加以检测、放大等处理，并显示出来，为医生提供诊疗依据。超声治疗仪器向人体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生物效应，对有疾病组织起到治疗作用。

其它超声雾化设备超声清洗设备超声细胞粉碎设备第四章医用超声诊疗与治疗仪器3.1医用超声仪器种类医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第34页3.2超声诊疗仪器基本组成第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第35页振荡器：即同时触发信号发生器，产生控制系统工作同时触发脉冲，决定发射脉冲重复频率。发射器：受触发后产生高压电脉冲激励超声换能器。换能器：产生超声脉冲，接收由目标形成回波脉冲信号并转换成电信号，送入回波信息处理系统。回波信息处理系统：由射频信号接收放大器、检波器和视频放大器等组成，处理超声回波信息。显示器：显示图象信息。扫描发生器：在振荡器产生同时脉冲控制下，输出扫描信号给显示器，使显示器上显示超声回声图稳定。第四章医用超声诊疗与治疗仪器3.2超声诊疗仪器基本组成医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第36页换能器是超声仪器中主要部件。其主要工作原理是利用晶体压电效应。第四章医用超声诊疗与治疗仪器3.2超声诊疗仪器基本组成如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，这种现象称为正压电效应如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流如果对压电材料施加电压，它便会产生机械应力，这种现象称为逆压电效应如果电压是一种高频电信号，则产生的就是高频机械振动的声信号接收超声波发射超声波医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第37页常见超声探头医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第38页医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第39页线阵换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第40页凸阵式扇形换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第41页相控阵扇形换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第42页机械扇扫换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第43页手术用超声换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第44页经直肠超声换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第45页经阴道超声换能器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第46页3.3超声诊疗仪显示型式

超声诊疗仪器按超声回波信号显示型式不一样，主要可分为A型超声、B型超声、C型超声、M型超声及P型超声。一、A型超声（AmplitudeMode）

A型显示即幅度显示，以回波信号幅度表示界面反射强弱，是一个幅度调制型仪器。反射强，振幅高反射弱，振幅低

特点：只能反应声线方向上局部组织回波信息，不能取得临床解剖图，已基本淘汰。回声以波形显示第四章医用超声诊疗与治疗仪器回波强度探头深度（时间）医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第47页3.3超声诊疗仪显示型式二、B型超声（BrightnessMode）

在A型超声诊疗仪工作基础上，加上换能器平面扫描，当换能器位置逐步改变时（或采取多元换能器），使显示器上每一条时基线方向也对应地改变，则每条显示线代表了产生回波每一个界面空间位置，从而组成一幅二维图象。是一个辉度调制仪器。回声以辉度显示第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第48页3.3超声诊疗仪显示型式B型超声诊疗仪器是一个辉度调制仪器，显示器上每个光点亮度表示回波信号幅度。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包含手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。

B超图像由不一样亮度像素组成，像素亮度由反射回声强弱所决定。黑色：没有反射（体液、空气）灰色：中等反射（组织）白色：反射较强（骨骼、软组织）第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第49页3.3超声诊疗仪显示型式B超临床应用范围在妇产科中探测人体内部脏器轮廓及其内部结构探测表浅器官内部组织探测线扫式断层B型超声波诊疗仪适合用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫检验；扇扫断层B型超声波诊疗仪适合用于对心脏检验。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第50页医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第51页医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第52页3.3超声诊疗仪显示型式三、C型超声（ConstantdepthMode）C型超声与B超一样都显示是辉度调制二维切面图象

，但与B超不一样，其显示平面是垂直于声线平面。C型显象平面与B型显象平面是相互垂直，改变C型扫查深度，便可取得若干不一样深度C型切面图象。

第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第53页3.3超声诊疗仪显示型式

C型超声成像过程中，扫查平面距探头深度是不变。假如使扫查面距探头深度发生改变，且扫查平面依据成像需要可设置为斜面、曲面，则组成了F型超声。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第54页3.3超声诊疗仪显示型式

因为探头位置固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头间距离便发生节律性改变。伴随水平方向慢扫描，便把心脏各层组织回声展开成曲线，即为M型超声心动图。四、M型超声（MotionMode）回声以时间曲线显示

M型超声诊疗仪采取辉度调制方法，使深度方向全部界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，伴随脏器运动，垂直扫描线上各点将发生位置上变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第55页3.3超声诊疗仪显示型式M型超声诊疗仪基本原理结构图第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第56页3.3超声诊疗仪显示型式五、P型超声（MotionMode）

它可视为一个持殊B型超声，超声换能器置于圆周中心，径向旋转扫查线与显示器上径向扫描线作同时旋转。主要适合用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌检验，亦可用于对尿道、膀胱检验。P型超声示意图

六、D型超声（DopplerMode）超声多普勒效应，显示人体内部运动器官运动状态。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第57页3.3超声诊疗仪显示型式七、彩色多普勒血流成像系统（彩超）彩色多普勒血流成像系统（通常称为彩超）是一个能同时显示B型图像和多普勒血流数据（血流方向、流速、流速分布）双重超声扫描系统，能够得到彩色多普勒血流图.第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第58页3.3超声诊疗仪显示型式八、三维超声成像系统三维超声图像重建及实时显示技术，三维超声成像方法有散焦镜法、计算机辅助成像和实时超声束跟踪技术。第四章医用超声诊疗与治疗仪器三维超声胎儿成像25周三维超声胎儿成像28周

医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第59页3.4超声诊疗仪扫查方式

为形成一幅二维图象，换能器要与人体之间作相对运动，或声线位置与方向要按一定规律改变，以取得不一样位置不一样方向上回声信号（回声线），这一过程称为扫查。波束方向改变，能够机械方式改变换能器位置或发射方向，也能够电子方式控制换能器阵列工作状态来实现。一、简单扫查 ——各声线在探查区内不相交线扫线扫：换能器作横向平移，线距均匀，但视场横向尺寸由换能器移动距离所限制，纵向尺寸由超声波穿透深度所限制。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第60页3.4超声诊疗仪扫查方式扇扫弧扫径扫扇扫：换能器在被检验当前上方作摆动，声线不均匀，近距离处密度大，远处稀疏。优点是可经过狭小窗口检验待查部位，如经过肋骨之间间隙检验心脏。弧扫：声线与扇扫相反。径扫：（P型超声）第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第61页3.4超声诊疗仪扫查方式二、机械扫查与电子扫查1.

机械扫查：借助电动机带动换能器摆动或者转动，同时利用位置传感器连续地检测换能器地瞬时取向，并产生位置信号，使显示器扫描线有对应取向。摆动式扇扫B超仪探头利用直流电机或步进电机驱动，经过凸轮、曲柄、连杆机构将电机旋转运动转换为往返摆动，从而带动单个晶体换能器在一定角度(30°～90°之间)范围内产生扇形超声扫描。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第62页3.4超声诊疗仪扫查方式•旋转式扇扫B超仪采取4个（或3个）性能相同换能器，等角度安放在一个圆形转轮上，马达带动转轮旋转，每个换能器靠近收/发窗口时开始发射和接收超声波,各换能器交替工作。第四章医用超声诊疗与治疗仪器医用超声诊断与治疗仪器专家讲座第63页3.4超声诊疗仪扫查方式2.

电子扫查：用电子方式控制多元换能器工作状态，主要有两种工作方式：线阵、相控阵。线阵：由开关控制器控制每个振元，使其轮番工作。相控阵：工作时全部振元被同时激励，经过控制加到各个