第三章 医学超声仪器概论

第三章医用超声仪器概论第三章医学超声仪器概论超声诊断仪器向人体内发射超声能量，并接收人体组织反射和散射的回波信号，根据其所携带的有关人体信息，加以检测、放大等处理，并显示出来，为医生提供诊断依据。超声治疗仪器向人体发射一定功率的超声能量，利用其与生物组织相互作用产生的各种生物效应，对有疾病的组织起到治疗作用。其它超声雾化设备超声清洗设备超声细胞粉碎设备第三章医学超声仪器概论3.1医学超声成像的基本原理超声成像的信息主要由反射回波和散射回波所携带，一个典型的超声回波应包含大界面的反射回波（位置信息）与小粒子的散射回波（结构信息）。一、脉冲回波法原理脉冲回波技术利用人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检测脏器界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性。以A型超声显示为例说明脉冲回波法原理。第三章医学超声仪器概论3.1医学超声成像的基本原理(a)超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。(b)超声脉冲以恒定速度通过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线。(c)当超声到达1、2介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部分能量通过界面继续向前传播；反射回声到达探头，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的输入信号，显示器上显示回声信号脉冲；(d)由2、3介质分界面反射的回声到达探头，在显示器上显示出相应的脉冲。第三章医学超声仪器概论3.1医学超声成像的基本原理2cTs超声诊断仪器中，一般脉冲超声的发射与接收是由同一换能器完成的，根据发射脉冲和回波脉冲的时间间隔T，计算出反射界面与换能器（声源）之间的距离：式中，c为介质中的波速，生物体中除骨骼外，声速相差不大，因此在工程计算中通常取其平均值1540m/sA型超声成像波形图第三章医学超声仪器概论3.1医学超声成像的基本原理二、超声诊断仪器的基本构成第三章医学超声仪器概论3.1医学超声成像的基本原理振荡器，即同步触发信号发生器，产生控制系统工作的同步触发脉冲，决定发射脉冲的重复频率。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，接收由目标形成的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，在振荡器产生的同步脉冲控制下，输出扫描信号给显示器，使显示器上显示的超声回声图稳定。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数表征超声诊断仪性能的参数：声系统参数（1）声输出的强度、总功率等；（2）超声场的时频特性，如波形、持续时间、脉冲重复频率、脉冲形状、带宽等；（3）声场分布特性，如聚焦特性、波束形状等。图象特性参数（1）分辨率；（2）位置记录精度；（3）深度测量精度；（4）帧频等。电气特性参数（1）灵敏度；（2）增益及TGC指标；（3）压缩特性及动态范围；（4）显示器的动态范围等。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数一、分辨率超声成像的分辨率有横向分辨率（垂直波束方向）和纵向分辨率（平行波束方向）之分，纵向分辨率总是优于横向分辨率。1、横向分辨率：区分处于垂直于声束的平面上两个物体的能力。声束直径尺寸直接影响横向分辨率，波束越细，能分辨的尺度越小，横向分辨率越高；在近场区横向分辨率大致等于换能器的直径。如何提高横向分辨率：聚焦，使波束的有效直径减小；对于聚焦换能器，若其直径为D，系统焦距为F，波长为λ，由衍射理论可知，理论上可分辨最小距离为：1.22FD仪器的图象质量主要取决于横向分辨率，横向分辨率好，图象细腻，小结构就能显示清楚。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数2、纵向分辨率：在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨率。发射超声频率：声波的纵向分辨率理论极限为声波的半波长，频率越高，波长越短。超声脉冲的持续时间：脉冲持续时间越短，即脉冲越窄，纵向分辨率越高（一般要小于0.2µs）。发射电脉冲宽度及换能器阻尼影响纵向分辨率的因素讨论用10MHz的脉冲超声探测眼球，脉宽（脉冲持续时间）为2µs，声速取1540m/s，求最小探测深度的理论值（纵向分辨率）？第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数二、工作频率超声诊断仪的工作频率，需要根据两个方面的因素作最佳的选择。从分辨率的角度，增高频率，可以改善分辨率。频率越高，波长越短，声束的方向性越好，横向和纵向分辨率都能提高。从穿透深度角度，工作频率越高，衰减成正比地增加，必然使探测深度变小。若要求获得较大的穿透深度，就得取较低的工作频率。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数三、穿透深度（工作距离）指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图象的被测介质深度。提高仪器的穿透深度，主要有三个主要途径降低工作频率，但会影响图象分辨率提高接收机的灵敏度和扩大动态范围，使其能接收较远距离的微弱反射信号，但这要受到换能器的噪声限制，信噪比极限对诊断超声的最大穿透深度上的限制为300个波长左右。加大超声发射功率：使远距离的微小声阻抗差也能产生较强的反射回波，但要考虑安全剂量限制。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数四、频帧指成像系统每秒钟内可成像的帧数。频帧在10帧以下的称为静态成像系统，每秒在25帧以上的称为实时成像系统，实时成像系统能显示动态脏器的运动情况。超声在人体组织中传播，声波到达1cm的距离再返回出发点，需要时间13µs。设要求穿透深度为Pcm，则在显示器上形成一条声线需要13Pµs,再设每幅图象需要N条声线，则形成一幅图象需要13PNµs,故帧频为36177101310FPNFNP或者写成上式表明，帧频、线数和穿透深度三者的乘积为一常数。一般情况下，扫描线数越多，图象连续性越好，更为清晰；帧频越高，图象越稳定。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数五、脉冲重复频率指脉冲工作的超声仪器每秒钟重复发射超声脉冲的次数，即探头激励脉冲的频率。脉冲重复频率决定了仪器的最大探测距离。当脉冲重复频率F确定，其脉冲发射周期T=1/F，即为声波往返可利用的最大时间，则理论最大可探测距离为：12DcT1）最大可探测距离并不等于穿透深度，而仪器的穿透深度还受超声功率、接收机灵敏度、超声波频率等因素影响。注意2）脉冲重复频率不可取得太高，否则将限制仪器的最大可探测距离；但也不可取太低，否则会影响图象的帧频或者线数。第三章医学超声仪器概论3.2超声诊断仪的主要参数六、动态范围指保证回声既不被噪声淹没也不饱和的前提下，允许仪器接收回声信号幅度的变化范围，一般仪器在40—60dB。动态范围大，所显示图象的层次丰富，图象清晰。第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式超声诊断仪器按超声回波信号显示型式的不同，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，以回波信号的幅度表示界面反射的强弱，是一种幅度调制型仪器。显示探头3.3A型超声原理图反射强，振幅高反射弱，振幅低特点：只能反映声线方向上局部组织的回波信息，不能获得临床解剖图，已基本淘汰。回声以波形显示第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式二、B型超声（BrightnessMode）在A型超声诊断仪的工作基础上，加上换能器的平面扫描，当换能器的位置逐渐改变时（或采用多元换能器），使显示器上每一条时基线方向也相应地改变，则每条显示线代表了产生回波的每一个界面的空间位置，从而构成一幅二维图象。是一种辉度调制仪器。3.4B型超声原理图回声以辉度显示为了形成一幅二维图象，成像系统必须获得以下三组基本数据：（1）回波信号；（2）换能器的位置数据；（3）表示脉冲发射到回波接收之间延时的定时数据。第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式B型超声诊断仪器是一种辉度调制仪器，显示器上每个光点的亮度表示回波信号的幅度。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。黑色：没有反射灰色：中等反射白色：反射较强第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式线扫式断层B型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查，而扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。图3.5B型超声断层扫描与成像第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式三、C型超声（ConstantdepthMode）C型超声与B超一样都显示的是辉度调制的二维切面图象，但与B超不同，其显示的平面是垂直于声线的平面。C型显象平面与B型显象平面是相互垂直的，改变C型扫查深度，便可获得若干不同深度的C型切面图象。图3.6C型超声成像原理第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式图3.7F型超声成像原理C型超声成像过程中，扫查平面距探头的深度是不变的。如果使扫查面距探头的深度发生变化，且扫查平面根据成像需要可设置为斜面、曲面，则构成了F型超声。第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式图3.8心博的M超声影像由于探头位置固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头间的距离便发生节律性的改变。随着水平方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声展开成曲线，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型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有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，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，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。第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式图3.9M型超声诊断仪基本原理结构图第三章医学超声仪器概论3.3超声诊断仪的显示型式五、P型超声（MotionMode）它可视为一种持殊的B型超声，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。P型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。图3.10P型超声示意图六、D型超声（DopplerMode）超声的多普勒效应，显示人体内部运动器官的运动状态。第三章医学超声仪器概论3.4超声诊断仪的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，或声线的位置与方向要按一定规律改变，以获得不同位置不同方向上的回声信号（回声线），这一过程称为扫查。波束方向的改变，可以机械方式改变换能器位置或发射方向，也可以电子方式控制换能器阵列的工作状态来实现。一、简单扫查与复合扫查1.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，但视场的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。第三章医学超声仪器概论3.4超声诊断仪的扫查方式扇扫弧扫径扫扇扫：换能器在被检查目前的上方作摆动，声线不均匀，近距离处密度大，远处稀疏。优点是可通过狭小的窗口检查待查部位，如通过肋骨之间的间隙检查心脏。弧扫：声线与扇扫相反。径扫：（P型超声）第三章医学超声仪器概论3.4超声诊断仪的扫查方式2.复合扫查：组合了两种或者两种以上扫查方式，声线相交，一般用于水路耦合扫描，通常采用机械方式扫描。复合扫描方式复合扫描可从不同的角度观察组织，因此成像时需要足够多的线数，因此成像速度较简单扫描，一般只能静态成像。第三章医学超声仪器概论3.4超声诊断仪的扫查方式二、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，使显示器的扫描线有相应的取向。•摆动式扇扫B超仪探头利用直流电机或步进电机驱动，通过凸轮、曲柄、连杆机构将电机的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。第三章医学