超声医学技术hou

超声成像

实时全方位

M模式减少伪像，边界更清晰

谐波成像基波成像组织谐波成像三维技术表面三维透视三维重建三维图，成像时间一般在数秒钟内完成，目前最高可达1/16秒超声发展历史

1951

Douglass

Howry研发出第一台二维、线性接触B型扫描仪。

1957

Ian

Donald和Tom

Brown设计出世界第一台复合B型扫描仪。

1958连续波Doppler血流测量和频谱分析在西雅图华盛顿大学首次应用于临床。1959

Ian

Donald使用超声检测胎儿头部。

1965西门子的W

Krause和Richard

Soldner开发出实时扫描仪。

1968

Jan

C.Somer和Nicholas

Bom引进相阵探头。

1970

Donald

Baker引入脉冲Doppler。

1973

Martin

Wilcox生产出最早商业化的线阵实时扫描仪的机型，为后来的设计设定了标准。

1974

Frank

Barber开发出第一个双向扫描仪，同时应用二维灰度成像和Doppler技术，由ATL推出。

1978相阵和环阵探头由于小的接触面积，在超声心动图方面应用广泛。

1985

Aloka推出第一台具有实时彩色血流地形图能力的超声设备。

1987

GE医疗系统为RT3200生产出第一个电子阵阴道内探头。

1989

Kretztechnik的Combison

330是第一台商业化的三维扫描仪。

1992彩色Doppler成像或能量Doppler开始作为诊断工具。

1994

Volmetric医学成像有限公司生产出医学超声成像集成电路（MUsIC），具有处理来自多层实时相阵图像信号的能力，是世界上第一个电子控制矩阵三维超声波束形成器的基础。

1996发现谐波成像的原理，显著提高二维图像质量。

一.超声波基本物理性质（一）超声波定义超声波是一种频率高于20KHz的机械波，它在弹性介质中传播。它在传播的过程中，必然与弹性介质产生相互作用。人体的软组织属于弹性介质，所以超声波在人体体内传播时，它也与人体软组织产生相互作用。超声波的产生条件：高频声源和传播超声的弹性介质。超声波特点：频率高，波长短，方向性强，能量大，危害小等。诊断用超声频率：1MHz---100MHz

一.超声波基本物理性质1超声波分类：（1）按超声振动形式分：纵波：振动分量与传播方向平行在气，液，固中都能传播；横波：振动分量与传播方向垂直，只能在固体中传播；波形转换：（2）按发射方式分：连续波：正弦等幅波，频率和振幅都不变。脉冲波：阻尼衰减振荡波。一.超声波基本物理性质2超声波的物理量（1）声速：单位时间内传播的距离，cms-1声速大小与介质的密度、弹性、波动类型有关；在20oc空气中343ms-1,在水中为1450ms-1，在人体软组织中一般取为1540ms-1（2）声压：压强瞬时值p与无超声传播时压强值P0之差；有效声压（3）声强：单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量；一.超声波基本物理性质2超声波的物理量（4）声阻抗Z：声压与振动速度之比；瑞利当声压与振动速度同位相时，Z=ρc人体组织按声阻抗不同，分为：低声阻：气体或充气组织，肺部组织中声阻：液体和软组织，肌肉(超声检查)高声阻：矿物组织，骨骼P175表7-1二超声波在介质中的传播特性超声波在人体组织传播的过程中，受到人体组织的作用，产生衰减（attenuation）、反射（reflection）、透过（transmission）、折射（refraction）、散射（scattering）、会聚（convergence）、发散（divergence）、衍射（diffraction）、干涉（interference）和多普勒效应（Dopplereffect）等现象。二超声波在介质中的传播特性衰减：随传播距离的增加，声强逐渐减弱的现象（1）扩散衰减：I=Ioro2/r2（2）散射衰减（3）吸收衰减:三声波通过介质薄层（1）当Z2比Z1和Z3小很多时，如Z2为软组织之间空气薄层，则声束几乎不能透射；（2）当薄层厚度d为整数或半整数倍的λ2时，相当于垂直通过，介质薄层消失；（3）当且d为λ2/4的奇数倍时，相当于两截面不存在。耦合剂：石蜡或油类物质，满足（3）不污染，不腐蚀，不刺激，胶冻状态，可高温消毒（四）超声波与人体组织的相互作用1.超声波对人体组织的作用——超声治疗学的机理超声波具有机械能，当它作用于人体组织时所产生的热效应、机械效应和化学效应、空化效应等生物效应，能引起组织产生某些变化、损伤甚至灭活。在临床上，通过合理利用超声对人体组织这些作用（生物学效应），以达到使人体康复或治疗疾病的目的，这类方法称为超声治疗。如超声按摩、减肥、美容、治癌等。在这一领域中，通常采用功率较大、频率较低的超声波。

（四）超声波与人体组织的相互作用超声波的热效应：温度升高机械效应：振动和压力化学效应：空化效应：这些生物效应，能引起组织产生某些变化、损伤甚至灭活，产生的大小与超声强度、频率、持续时间有关。超声诊断的安全剂量:10-40mW/cm2五.超声治疗学的主要范围（一）超声物理治疗——理疗，中小功率超声的应用（二）超声手术刀（切割）——大功率超声的应用（三）超声碎石——大功率超声的应用（四）超声热疗1.超声的一般热疗法——大功率超声的应用2.高强聚焦超声治疗法——高强超声的应用（五）其他康复治疗的应用2.人体组织对超声波的作用——超声诊断学的机理超声波在人体组织传播的过程中，受到人体组织的作用，产生衰减（attenuation）、反射（reflection）、透过（transmission）、折射（refraction）、散射（scattering）、会聚（convergence）、发散（divergence）、衍射（diffraction）、干涉（interference）和多普勒效应（Dopplereffect）等现象，致使超声波产生某些特性参数（如幅度、频率、相位）的变化，通过对某些参数变化的获取、处理、显示和分析，以得到人体组织的信息。在临床上，供医生诊断分析与判断。利用超声被人体组织作用的特性，来获取临床诊断信息的方法，称为超声诊断。在一领域中，通常采用低功率（SPTAI<1000mw/cm2）和较高频率（1.5~40MHz，常用2.0~12MHz）的超声波作信息的载体。（六）超声诊断技术的分类超声诊断技术的类型极其丰富，按利用超声参数的不同，大概可以分为下列类型：1.脉冲回波幅度法 2.多普勒法3.谐波成像（harmonicimaging）4.超声CT（UltrasonicComputedTomography）利用声速或衰减进行计算机重建的图像。5.声全息（acousticalholography）6.超声组织定征（ultrasonictissuecharacterization）

超声探头压电效应正压电效应(接收)逆压电效应(发射)压电材料压电晶体:石英压电陶瓷：PZT超声探头超声场圆形单晶片振源当d>>λ时，θ→0,声束脉冲回波幅度法这是一类利用超声反射回波幅度变化来获取组织信息的方法。它主要提供组织器官解剖等结构和形态方面的信息。人体器官表面有被膜包绕,被膜同其下方组织的声阻抗差大,形成良好界面反射,声象图上出现完整而清晰的周边回声,从而显出器官的轮廓。根据周边回声能判断器官的形状与大小。无回声：无反射，如血液、肿瘤、肾实质；低回声：肝炎不同程度的强回声：癌；骨质，结石；肺原理凡利用脉冲超声回波的幅度变化来传递人体组织的解剖结构情况的技术都属于脉冲回波幅度法。其中在显示器上以波形的大小表示人体组织回波幅度的变化的显示模式称为幅度调制型，如A型超声；而用亮度表示人体组织回波幅度的变化的显示模式称为亮度调制型，如B型、C型、F型、M型超声等。图1脉冲式回声诊断仪基本结构方框图1.主控电路

最简单的主控电路是同步触发信号发生器。它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别去触发控制发射电路、扫描发生器。2.发射电路

发射电路是在受到同步信号触发时，产生高压电脉冲去激励探头发射超声波。3.接收电路它包括射频放大电路、解调和抑制、视频放大电路三个基本部分。超声回波测距脉冲回波成像时，产生回波的位置可以根据脉冲发出并达到界面以及返回所经历的往返路程与声速的关系确定。声源至界面的距离为：L=ct/2t为回波时间时间增益补偿STC同样声学性质的介质，不同深度，吸收衰减不同使回波亮度差异大，成像困难。如果探头发车的超声，经L距离达到某界面，并经原路返回，则有则因为吸收而减少的分贝数为：必须对不同深度上的回波进行争议补偿，把接收器增益G与回波时间成正比（按衰减浮渡补偿）1）时间增益补偿STC

也就是深度增益补偿，使浅部组织回波信号小放大甚至衰减，而深部组织回波信号得到较大的放大，使不同深部的组织回声信号都得到充分的显示。这种技术称为深度补偿。

A型、B型和M型超声

A型超声（AmplitudeModulation）

幅度显示型：荧光屏上出现脉冲波形，脉冲的幅度依据反射回波的强度大小决定，脉冲间距离正比于反射界面间距离。示波器上横坐标表示波传播时间即探测深度纵坐标表示脉冲的回波幅度信号提供轴向一维组织信息，用于实质性病变的定位诊断（病灶到体表的深度）可据回波脉冲幅度及形状推测病灶的性质。M型超声（超声心动仪）

M型超声（MotionModulation）

运动显示方式：亮度调辉运动展开型，将回波幅度信号加到显像管Z轴亮度调辉极上，提供轴向一维诊断信息，主要用于心脏等运动器官检测。

图像亮度：是回波幅度

纵坐标：传播时间即探测深度

横坐标：慢速时间扫描信号，用于展开人体活动器官的运动轨迹

B型超声

B型超声（BrightModulation）

辉度调制显示方式：亮度调辉型，将回波幅度信号加到显像管Z轴亮度调辉极上，提供二维断层图像，也可实时动态观测。

图像亮度：是回波幅度

纵坐标：传播时间即探测深度

横坐标：时间扫描信号，但时间扫描电压变化速率一定要与声线的实际位置严格对应，即与探头移动同步变化。A型、B型和M型超声B型超声原理B超中的扫描方式扫描：声束掠过某剖面的过程1电子线性扫描：以线阵式探头维基础，以电子开关或全数字化系统控制振元组顺序发射来实现。(1)常规扫描：若线阵由m个振元组成，参与合成一条扫描声束的振元数为n，则一帧线性扫描图像由m-n+1条扫描线组成。B型超声原理(2)隔行扫描：为防止前一次回波对后一次扫描的干扰，常将前后两次扫描声束位置错开，即先扫描奇数线，再扫描偶数线，每帧线性扫描图像由m-n+1条扫描线组成。(3)飞越扫描：进一步降低前后扫描声束间的干扰。(4)半间距扫描：前三种扫描扫描间距等于振元中心间距d,为了增加一帧图像的扫描线数采用半间距扫描。B型超声原理2相控阵扇形扫描：它利用线阵式换能器振元激励发射时有一定的位相延迟，使合成声束的轴线与线阵平面中心线有一夹角，随夹角的变化可实现扇形扫描。

相邻振元之间发射延迟时间偏转角,一般在±45°变，实现扇扫人体中声速1540m/s振元中心距B超的图像处理与灰阶数字变换器DSC(DigitalScanConverter)原理将图像的极坐标转换为直角坐标，并用计算机技术和数字图像处理技术完成图像修补，使图像质量更高。A/D图像预处理图像存储显示D/A图像后处理

图像后处理像素亮度后处理空间后处理：读出电子放大、图像反转时间后处理：频域滤波图像冻结

B超的图像处理与灰阶灰阶与窗口技术灰阶变换：g=G(f)窗口技术:B超的图像处理与灰阶超声波在人体组织中是按照指数规律衰减。软组织的平均声衰减率接近1dB/cm·MHz。通常在超声诊断仪设计中要考虑增益补偿速率SGR。它利用下式进行计算：

式中：f—超声工作频率（MHz）S—探测深度（cm）

探测深度大，超声频率低实际上，超声脉冲回波系统的频率在1-15MHz范围内选择。探测深度大时，选低频探头,一般仅在2-5MHz范围内选择。此外，某些组织虽不很深，但衰减很大时，例如颅脑就不宜选用较高的频率，一般选用1-2MHz的频率。

2）.扫描发生器DSC

扫描发生器产生的扫描电压加至显示器的偏转系统，使电子束按一定的规律扫描，在显示器上显示出曲线的轨迹或切面图像。A型超声诊断仪

（amplitudemodulation）幅度调制型，以波高表示回波幅度，反映人体组织空间一维信息。这种模式测量距离比较准确。目前在眼科应用中比较多。超声波声束不扫查，只进行一个方向的传播，并利用显示波形的幅度反映组织界面反射回波的大小的一种超声诊断仪。

超声诊断仪的类型（回波法）（一）

A型单相超声诊断仪A型单相超声诊断仪的基本结构方框图如图6-2-1所示。它由主控电路、延时电路、发射电路、接收电路、时基电路、增辉电路、电源、显示器和探头等组成。

图6-2-1A型单相超声诊断仪方框图2.M型超声诊断仪

（timemotionmode），是以亮度表示回波幅度，提供组织界面的时间活动曲线。通常用来了解心脏组织的活动情况。在产科中用来测量胎心。超声波声束同样不扫查，只进行一个方向的传播，但利用显示屏上随时间展开的深度变化曲线的亮度来反映组织界面反射回波大小的一种超声诊断仪，它属于辉度调制型，由于它反映心脏各层组织界面的深度随心脏活动时间的变化情况，所以称为M型（MotionMode）.二、

M型超声诊断仪M型超声诊断仪是采用辉度调制型的显示法（BrightnessModulatedDisplay）。在显示器上，以亮度反映回声的强弱，垂直方向表示检测深度，水平方向表示时间（心脏的活动时相），显示心脏各层结构相对体表的相对距离随时间的变化曲线，反映心脏一维空间组织结构的运动情况，所以称为M型（MotionMode）。

（一）

M型超声诊断仪的基本结构如图6-2-3所示，M型超声诊断仪的基本结构包括：探头，主控电路、发射电路、接收电路、时间增闪补偿电路（TGC）、深度扫描电路、时间扫描电路、点阵时标电路、显示器和电源等。

图6-2-3M型超声仪结构框图它和A型不同点有：1、视放输出的回波信号不是去驱动CRT的Y轴偏转，而是送到CRT的阴极或栅极进行亮度调制。2、深度扫描电路（A型称之时基电路）输出的扫描信号不是驱动CRT的X轴偏转，而是Y轴偏转，并在X轴上加上时间扫描信号，用作时间坐标。3、标距电路采用点阵距离刻度，上下两点距离表示深度距离（如1cm），左右两点距离表示时间（如0.5s）。

实时全方位

M模式二维切面超声诊断仪二维切面超声诊断仪的类型3.二维影像1）B型（brightnessmodulation）亮度调制型，以亮度表示回波幅度。反映人体组织二维信息。提供人体组织的切面图。因扫查方式的不同，可分为机械式和电子式。电子式又包含有线阵、凸阵和相控阵。常规腹部检查一般首选R50或R603.5MHz的凸阵探头；小器官检查一般首选7.5MHz的高频线阵探头；而心脏检查一般首选3.5MHz相控阵探头。超声波束按一个方向扫查（直线或弧线扫查），并与超声波的传播方向组成一个与超声波传播方向一致的二维切面，切面上光点的亮度反映组织回波大小。提供这种二维切面声像图的仪器称为B型(BrightnessMode)超声诊断仪，它属于一种辉度调制型的二维图。

二维切面超声诊断仪，常称为B型超声诊断仪。它利用声束进行一维扫查，并用辉度（灰阶）表示回波幅度大小，显示组织或器官的切面图。B型仪的种类很多。按照成像速度可以分为实时显像和非实时显像；按照采用使声束移动（扫查）的方法分类，可以分为手动式扫查、机械式扫查、复合式扫查和电子式扫查；按照扫查方式分类，可以分为线形（直线）扫查、扇形扫查、梯形扫查、弧形扫查、经向扫查，圆周扫查和复合扫查；按照探头与病人接触方式分类，可以分为直接耦合式和水耦合式，体表式和经体腔式。现将主要的有代表性的B超类型列表于表6-3-1。B超也可以用彩阶编码代替灰阶编码，这种显示方式统称伪彩。

表6-3-1声束的驱动方式声束的扫查方式聚焦方式成像速度体表式或经体腔式

手动式普通手动式扫查单晶片几何聚焦非实时体表式

BP型复合扫查机械式机械矩形扫查单晶片几何聚焦或环阵电子聚焦非实时或准实时体表式机械扇形扫查摆动式转子式实时体表式机械式复合扫查单晶片几何聚焦非实时体表式机械式径向扫查实时或准实时体腔式电子式线阵（直线扫查）横向几何聚焦和侧向电子聚焦或二维电子聚焦实时体表式或经体腔式凸阵（扇形扫查）相控阵（扇形扫查）二、机械扇形扫查和机械径向扫查机械扫查指的是以马达为动力，借助机械传动机构，使超声换能器作摆动、转动或平移运动的一种B超扫查技术。由于机械矩形扫查和机械复合扫查成像速度慢及其应用的局限性，已被淘汰。本节仅介绍仍在临床广泛应用的机械扇扫和机械径向扫查。

图6-3-2摆动式机械扇扫探头的基本结构示意图

（一）

机械扇形扫查用机械方法使换能器发射的声束作一定角度的扇形扫查，可获得图6-3-1所示的扇形图像。图6-3-1机械扇扫扫查图像（二）

机械径向扫查机械径向扫查的换能器是作360°的旋转运动。在360°的旋转中，换能器都进行发射和接收工作。因而此种扫查方式获得的是以换能器为中心的圆形断面图像。径向扫查与扇形扫查的工作原理基本相同。只是径向扫查获得视野更为广阔的图像。此种方式常用在经腔内或经血管内探查。如经尿道的径向扫查、经直肠的径向扫查、内镜径向扫查和经血管内径向扫查等。

三、电子线阵