超声成像设备的发展趋势

超声成像设备的发展趋势一．引言超声(Ultrasound，简称US)医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程，所以超声医学具有医、理、工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图象。常用的超声仪器有多种：A型（幅度调制型）是以波幅的高低表示反射信号的强弱，显示的是一种“回声图”。M型（光点扫描型）是以垂直方向代表从浅至深的空间位置，水平方向代表时间，显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示，应用范围有限。B型（辉度调制型）即超声切面成象仪，简称“B超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱，在探头沿水平位置移动时，显示屏上的光点也沿水平方向同步移动，将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图，为二维成象。至于D型是根据超声多普勒原理制成．C型则用近似电视的扫描方式，显示出垂直于声束的横切面声象图。近年来，超声成象技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图，鉴别胎儿的正常与异常，在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。二．超声设备的基本原理2.1脉冲回波原理人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，声波在传播途中，遇到不同介质的界面时会反射声波，称为回波。超声脉冲回波成像法：发射超声脉冲，遇界面反射，接收回波，检测出其中所携带的信息；由于界面两边声学差异并不是很大，大部分声波穿过界面继续向前传播，到达第二个界面时又产生回波，并仍有大部分声波透过该界面继续前进；将每次回波信号接收放大，并在显示器上显示。2.2超声成像的物理基础2.2.1超声波应用范围20～100KHz很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们的猎物。100KHz（105Hz）～1MHz（106Hz）超声波最重要的应用就是声呐（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到达20-15cm的深度。5～10MHZ用于对小器官的成像，例如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm的穿透深度。10～30MHz用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辨力的图像。40～100MHz用于生物显微镜成像，对眼活组织的显微诊断。医学诊断常用的超声频率是2—10MHZ之间，对于浅表器官多采用7MHZ,对于腹部和心脏分别采用3.5—5MHZ和2—3MHZ2.2.2描述超声波的基本物理量声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号“c”表示。单位为米/秒（m/s）声速是由传播介质所决定，不同人体组织器官的声速不同，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的次数，用符号“f”表示由探头中压电材料决定，在2～10兆赫兹范围。波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个同相位质点之间的距离称为波长，用符号“λ”表示。超声波长与声速和频率满足以下关系式：C=λ×f2.2.3声速、波长与介质的关系1、声速与介质的关系（1）同一介质不同频率的超声波在同一介质中传播时声速基本相同。所以用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。（2）不同介质同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的。例如：1MHz超声波在0℃的水中为1500m／s；在0℃的钢材中为6000m／s；在人体软组织中平均声速为1540m／s。人体软组织的声速分布在1500m/s～1680m/s之间,利用超声方法对软组织测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于2800m/s、肺组织的声速大约在1200m/s以下。2、波长与介质的关系（1）同一介质不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。1MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为1.5mm。3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.5mm。5MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.3mm，所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。（2）不同介质同一频率的超声波，在不同介质内传播，因传播声速不同，则波长也不相同。频率为3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0．5mm，而在空气中传播，其波长为0.114mm。所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差异，所以波长也是不相同的。2.3超声的物理特性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2.3.1超声的束射性超声的能量高度集中，在一个较小的立体角内成束状向前传播，即超声波的束射性（声束）。从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行，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。扩散的声束与平行声束间的夹角叫做扩散角（θ）超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。2.3.2超声波的反射超声波的反射是超声成像的物理基础当声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射，使一部分能量返回第一种介质。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，反射强声阻抗声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗（Z）等于介质的密度（ρ）和声速（C）的乘积，声Z=ρ×C。物质的密度一般是固体＞液体＞气体，超声在介质中的速度是固体＞液体＞气体，故声阻抗值一般也是固体＞液体＞气体。人体正常组织的声阻抗骨骼最大，气体最低。声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成。人体不同组织的阻抗值2.3.3超声波的折射两种介质内声速不同可产生折射现象，从而导致入射声束的偏转。两种介质的声速之比决定其折射程度。其间关系如下：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。全内反射折射角的大小取决于两种媒质的声速比n=c1/c2，当c2＞c1时,ji0ik时,j=90°,即折射波沿界面传播而当入射角超过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”。在临床检查中,应使探头放置正确的角度,以避免由”全内反射”引起的图像伪差。超声波的入射、反射和折射示意图21sinsinccji2.3.4超声波的散射当遇到界面远小于波长的微小粒子或一组小障碍物或者介质性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。人体内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构。当发生散射时，作为障碍物的人体组织将作为新的波源，向四周发射超声波，但只有朝向探头方向的微弱散射信号—后散射（背向散射），才能被检测到。红细胞的背向散射是超声多普勒成像的依据，脏器内的细微结构是超声成像研究脏器内微小组织结构的依据。超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及反射。通过反射观察脏器的轮廓，通过背向散射可以了解脏器内部的病变。2.3.5超声波的绕射目标大小约为1～2个波长或稍小，超声波将绕过该靶目标继续前进，很少发生反射。2.3.6超声波的吸收与衰减声衰减定义：是指声能随着传播距离增加而减弱的现象衰减与超声传播距离和频率有关。因超声波的频率很高，故衰减现象特别显著。声衰减原因：传播中的反射、散射、声束的扩散及组织对能量的吸收（1）由于声束发散，散射及反射引起声束方向改变（2）由于“内摩擦”，超声波机械能变为热能被组织“吸收”衰减系数衰减的强弱通常用衰减系数来表示。不同组织，吸收系数不同，衰减程度不同；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。人体软组织的衰减系数与频率成正比，所以频率愈高的超声波在人体组织中衰减愈大，只适用浅部器官的检查。人体组织衰减程度一般规律组织内含水分愈多，声衰减愈低液体中含蛋白成分愈多，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）2.3.7超声波的分辨力与穿透力超声的分辨力是指超声诊断仪能够区分两个细小目标的能力。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，能分辨两点间的最小纵深距离。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的轴线上，能分辨相邻两点（两个病灶）间的最小距离。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的分辨力。反映切面情况的真实性。又叫厚度分辨力。超声的穿透力是指分辨力的增加将以穿透力的损失为代价。所有的人体组织都表现出随频率增加超声衰减也增加，那么穿透力必然降低。应针对不同部位的诊断，可选择不同频率的超声探头。频率高，分辨率高，穿透差频率低，分辨率低，穿透强对应的临床应用：检测浅表器官，采用高频探头检测深部脏器，采用低频探头2.3.8多普勒效应声源与接收体之间的相对运动引起声波频率发生改变的现象，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的基础。2.4超声对生物组织的作用一定强度的超声在生物体中传播时，通过它们之间一定的相互作用机制（热机制、机械机制或空化机制）致使生物体系的功能和结构发生变化。（1）空化作用：所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时，会出现一种类似雾状的气泡，此种现象称超声空化作用。这种现象类似日常生活中所遇到的轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样。这种空化作用使超声具有强烈的破坏作用。由于生物组织大多数属软组织，因此，在超声作用下，其细微结构多少会发生形变。在较大强度超声的作用下，如超声治疗所用的1W/cm2以上的剂量，则生物组织会由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变，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，用更强的超声来作为非侵入性手术刀。但作为超声诊断，一般是禁止使用这种剂量的。(2)热作用：生物组织在超声机械能的作用下，由于粘滞吸收，将一部分超声能转化为热能，使生物组织的温度上升。当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会随着血液传导热能。在用超声进行治疗中得知，频率为800KHz、剂量为4w/cm2的超声照射20s后，会在组织器官0.2~3cm的深处产生热作用，而起到治疗效果。(高强度聚焦超声HIFU)(3)化学作用:超声的空化作用和热作用与化学作用是有机联系的；化学作用是氧化和还原作用。在高剂量超声情况下，超声的化学作用可破坏有机结构的蛋白质.2.5超声成像的特点超声波的方向性好：超声波具有像光波一样定向束射的特性。超声波的穿透能力强：超声波在气体、液体、固体等介质中均可传播，对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。超声波的能量高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。具有高度的安全性：当严格控制声强低于安全阈值时，超声可能成为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。三．超声诊断仪器的基本结构3.1探头超声探头（ultrasonicprobe）是超声成像设备必不可少的关键部位，它是将电信号变化为超声波信号，又将超声波信号变换为电信号，即具有超声发射和接受双重功能。又称超声换能器。3.2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扫查方式示意图线阵型扇型凸弧型3.3探头原理压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性，此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现，故也称居里效应。正压电效应在晶体的一定方向上，加上机械力使其发